2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 1 Mục đích
32Tổ chức liên kim
Tổ chức liên kim Hàm lượng Al [%] Độ cứng tế vi [HV] Tổ chức liên kim
Không chỉ yêu cầu cao về độ sạch bề mặt tại nơi có sự tiếp xúc giữa kim loại lỏng của mối hàn và tấm thép CCT38, để tránh hiện tượng quá nhiệt hoặc nóng chảy cục bộ trên bề mặt của tấm thép nhằm làm giảm khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe vào trong KLMH thì độ nhấp nhô tế vi của bề mặt tấm thép cũng yêu cầu phải nhỏ (càng nhỏ càng tốt). Bởi vì khi hàn, các đỉnh của nhấp nhô tế vi sẽ có nguy cơ bị quá nhiệt hay thậm chí bị nóng chảy cục bộ, điều này sẽ làm cho Fe hòa trộn nhiều vào KLMH và sẽ tạo ra lớp IMC bất lợi có chiều dày lớn, sẽ gây giòn và nứt liên kết hàn.
2.3.4.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn:
Tác giả Simaizumi trong tài liệu [36] và tác giả B. P. Рябов trong tài liệu [60] đã tiến hành nghiên cứu hàn nhôm hệ Al-Mg (loạt 5xxx) với thép cacbon đã được mạ kẽm bằng quá trình hàn TIG và đã đưa ra được đồ thị ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim cũng như hàm lượng của chúng đến chiều dày của lớp IMC và độ bền kéo của liên kết hàn như mô tả trên hình 2.13 dưới đây:
Hình 2.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong vật liệu hàn đến chiều dày của lớp IMC và độ bền của liên kết hàn nhôm – thép khi hàn TIG (nguồn: [36])
Kết quả nghiên cứu này cho thấy rằng, khi hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy nếu sử dụng dây hàn thuộc hệ Al-Si sẽ cho chiều dày của lớp IMC nhỏ hơn so với các hệ Al-Cu và hệ Al-Zn, qua đó cho độ bền của mối ghép cao hơn. Trong đó, dây hàn có hàm lượng 5%Si là tối ưu nhất vì cho chiều dày lớp IMC nhỏ nhất khi sử dụng cùng một chế độ công nghệ hàn (năng lượng đường như nhau). Kế thừa thành quả của các nghiên cứu này, tác giả sẽ hướng đến việc chọn vật liệu hàn để hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 thuộc hệ Al-5%Si (loại ER4043).
Trong trường hợp chọn vật liệu hàn thuộc hệ Al-Si có chứa 5%Si, trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt ở phía KLMH và tấm nhôm AA1100 sẽ có sự tương tác giữa Al và Si, vì vậy cần phải nghiên cứu giản đồ trạng thái của hệ hợp kim Al-Si. Trên hình 2.14 là giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên Al-Si, chúng ta thấy rằng giữa nhôm và silic không hình thành các pha liên kim, điều này là tương đối thuận lợi cho quá trình hàn. Tồn tại duy nhất một điểm cùng tinh khi hàm lượng Si đạt được 12,6% ở 577oC, nghĩa là nếu hàm lượng Si lớn hơn 12,6% thì tổ chức sẽ là hỗn hợp cơ học ([Al+Si]+Si) giữa cùng tinh [Al+Si] và Si tồn tại dưới dạng tinh thể, còn khi hàm lượng Si nhỏ hơn 12,6% thì tổ chức nhận được sẽ là hợp kim trước cùng tinh (Al + [Al+Si]). Như vậy để tránh sự kết tủa ra Si ở dạng tinh thể trong mối hàn thì không nên sử dụng vật liệu hàn có hàm lượng Si quá cao.
Hình 2.14 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Al-Si (nguồn: [47])
Trong trường hợp chọn vật liệu hàn thuộc hệ Al-5%Si như vậy, ngoài sự tương tác giữa Al và Si, còn có sự tương tác giữa Fe và Si. Sự tương tác giữa Fe và Si được thể hiện trên giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên Fe-Si như hình 2.15. Chúng ta thấy rằng giữa Fe và Si có thể hình thành rất nhiều tổ chức khác nhau, tương ứng với hàm lượng Si và nhiệt độ thích hợp. Trong đó, nếu hàm lượng hòa tan của Si trong Fe từ 0-10,9% thì tổ chức nhận được là dung dịch rắn αFe. Khi lượng Si hòa tan vào Fe chỉ từ 0-1,9% và ở nhiệt độ 912-1394oC thì hệ hợp kim có cấu trúc Fe (dung dịch rắn). Khi hàm lượng Si đạt ∼5- 12% thì tổ chức nhận được là dung dịch rắn α2, còn Si đạt được ∼5-18% thì tổ chức nhận được là dung dịch rắn α1.
Khi lượng hòa tan của Si lớn, đạt khoảng 20,1% thì chúng ta nhận được tổ chức cùng tinh Fe2Si nằm ở biên giới hạt, tuy nhiên tổ chức này chỉ tồn tại ở nhiệt độ trên 1050oC, dưới nhiệt độ này thì Fe2Si bị phân huỷ thành các tổ chức khác. Khi hàm lượng Si đạt 23,2% và nhiệt độ từ 825-1060oC chúng ta sẽ nhận được tổ chức cùng tích Fe5Si3. Khi hàm lượng hòa tan của Si trong Fe đạt xấp xỉ 34%, sẽ hình thành một tổ chức cùng tinh FeSi ngay cả ở nhiệt độ thường. Ngoài ra chúng ta còn có thể nhận được tổ chức FeSi2 dưới dạng α hoặc .
Qua phân tích giản đồ trạng thái giữa Fe và Si ta thấy rằng, khi hàn nhôm với thép bằng dây hàn ER4043 thì khả năng hình thành các tổ chức cùng tinh hoặc liên kim FexSiy là rất thấp vì nồng độ Si trong KLMH rất thấp (tối đa 5%), trong khi thời gian khuếch tán lại rất ngắn và môi trường khuếch tán là Fe ở trạng thái rắn.
Hình 2.15 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Si (nguồn: [47])
Khi sử dụng vật liệu hàn thuộc hệ Al-Si, ngoài sự tương tác đơn lẻ của 2 nguyên tố kể trên, còn có tương tác tương hỗ lẫn nhau của 3 nguyên tố Al, Fe và Si thể hiện qua giản đồ trạng thái hệ 3 nguyên Al-Fe-Si. Theo tài liệu [48], giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 3 nguyên Al-Fe-Si tại 600oC như thể hiện trên hình 2.16.
Chúng ta thấy rằng ngoài việc tiết ra các pha liên kim 2 nguyên FexAly, khi có thêm Si thì trong kim loại còn có thể xuất hiện các pha liên kim 3 nguyên AlxFeySiz, ký hiệu bằng các ký tự từ 1 đến 10 (bảng 2.7). Chúng xuất hiện và tồn tại tùy thuộc vào nhiệt độ và hàm lượng tương ứng của các nguyên tố.
Bảng 2.7 Ký hiệu của các hợp chất liên kim 3 nguyên hệ Al-Fe-Si (nguồn: [48])
Đối với quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép ở trạng thái nóng chảy như đã mô tả thì chúng ta có thể tiên đoán được rằng tỷ lệ hàm lượng giữa 3 nguyên tố có mặt trong hợp chất liên kim loại AlxFeySiz sẽ như sau: nhiều nhất là Al, tiếp đó đến Fe và Si có hàm lượng ít nhất (thuộc vùng góc bên phải, phía dưới của giản đồ trên hình 2.16).
35Ký hiệu Ký hiệu Liên kim Ký hiệu Liên kim 1 Al2Fe3Si3
Hình 2.16 Giản đồ trạng thái của hệ Al-Fe-Si tại nhiệt độ 600oC (nguồn: [48])