Các nghiên cứu tác động của nguyên tố hợp kim lên đặc tính của hợp kim nhôm Al-Zr làm vật liệu dẫn điện chịu nhiệt

1.2. Công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian

1.2.1. Các nghiên cứu tác động của nguyên tố hợp kim lên đặc tính của hợp kim nhôm Al-Zr làm vật liệu dẫn điện chịu nhiệt

Việc thêm các nguyên tố khác vào nhôm khi nấu luyện có thể làm giảm đáng kể khả năng dẫn diện của hợp kim nhôm, và độ dẫn điện phụ thuộc vào thành phần phần trăm các nguyên tố được thêm vào, trong một nghiên cứu của T.Horikishi và cộng sự đã công bố 2006 [2]

Hình 1. 2 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim thêm vào tác động đến độ dẫn điện của nhôm [2]

a. Sự ảnh hưởng của Si với Al

Dựa vào biểu đồ Hình 1.2 cho ta thấy nếu thành phần Si lớn hơn 0,5% sẽ làm độ dẫn điện của hợp kim nhỏ hơn 60%IACS

Silic được cho vào nhôm lỏng có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của hợp kim nhôm, việc bổ sung Si vào nhôm sẽ làm giảm khuyết tật nứt nóng và cải thiện độ chảy loãng, Si còn làm giảm khả năng hòa tan của các nguyên tố khác.

Trong một nghiên cứu của Kenichi Sato và công sự đã công bố năm 1981 đã khảo sát một hợp kim có cùng điều kiện nhiệt luyện, cùng điều kiện gia công tạo hình sản phẩm, nhưng có hàm lượng Si thay đổi từ 0,03-0,15% cho thấy ở vùng này thì sự thay đổi nhỏ của thành phần Si của hợp kim cũng làm khả năng kháng nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

thay đổi đáng kể, mặc dù cơ tính và độ dẫn điện không thay đổi nhiều [3], theo Bảng 1.3

Bảng 1. 3 So sánh đặc tính chịu nhiệt của hợp kim khi thay đổi hàm lượng Si [3]

Thành phần hóa học, %

Điều kiện hóa già

Các đặc tính của hợp kim (Mẫu có kích thước 4 mm)

Zr Si

Nhiệt độ,

C Thời gian, h

Độ bền kéo, kg/mm²

Độ dẫn điện,

%IACS

Nhiệt độ làm giảm 10% độ bền kéo, C

0,27 0,03 350 125 17,3 59,7 420

0,23 0,07 350 125 17,5 60 405

0,27 0,11 350 125 17,6 60 395

0,27 0,15 350 125 17,4 59,6 370

Nguyên tố Si còn đóng vai trò là mầm kết tinh Al3Zr, nên Si sẽ giúp tăng hiệu quả trong quá trình hóa già nhân tạo, giúp Al3Zr phân tán rộng rãi trong hợp kim nhôm qua đó làm tăng độ bền nhiệt của hợp kim AT1. Nghiên cứu cũng cho thấy nếu hàm lượng Si nên ở khoảng 0.16-0.30% thì sẽ đảm bảo độ bền nhiệt cũng như khả năng dẫn điện của hợp kim [4]

b. Sự ảnh hưởng của Ti với Al

Titan thường dùng làm chất biến tính hợp kim nhôm, trong quá trình tinh luyện nhỏ mịn hạt bằng phản ứng bao tinh giữa các nguyên tố chuyển tiếp Ti với nền nhôm tạo ra pha liên kim cực nhỏ có thông số mạng gần giống với thông số mạng của nền nhôm như Al3Ti làm tâm mầm kết tinh. Phản ứng bao tinh xảy ra ở nhiệt độ khoảng 665C với hàm lượng Ti khoảng 0,15% như trong giản đồ pha Hình 1.3

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hình 1. 3 Giản đồ pha Ti-Al [5]

Thành phần của Ti thường nhỏ hơn 0,15%, nếu tăng lên sẽ làm khả năng dẫn điện giảm mạnh (theo Hình 1.2), ngoài ra nếu quá cao sẽ làm tăng thiên tích của tạp chất và làm giảm mạnh cơ tính của hợp kim. Ti còn kết hợp với Bo giúp tăng khả năng làm mịn hạt của Ti.

c. Sự ảnh hưởng của B với Al

Bo đóng vai trò quan trọng trong việc biến tính hợp kim nhôm ở quá trình tinh luyện nhỏ min hạt, được đưa vào nấu luyện dưới dạng hợp chất trung gian cùng với Ti trên cơ sở hệ Al-Ti-B với hàm lượng Ti (2 - 10%), B (0,1 - 3%). Trong hợp kim trung gian B tạo thành nhiều hợp chất khác nhau như AlB2, TiB2, (AlTi)B2, AlB10 Bo không ảnh hưởng nhiều đến độ dẫn điện của hợp kim nhôm

d. Sự ảnh hưởng của Fe với Al

Sắt là tạp chất còn tồn tại trong quá trình tinh luyện và nấu chảy từ quặng bauxite, vì thế hầu hết Fe còn tồn tại trong hợp kim nhôm.

Sắt giúp hợp kim nhôm tăng độ cứng và đặc tính rão ở nhiệt độ cao vừa phải, ngoài ra sự hình thành hợp chất Al3Fe ở nhiệt độ 1152C (chiếm 40,8% lượng Fe cho vào Al) [4] còn giúp tăng khả năng cán kéo sợi ở những đường kính nhỏ có bề mặt tốt và không bị dính khuôn.

e. Sự ảnh hưởng của Zr với Al

Nguyên tố Zr là kim loại chuyển tiếp, có màu trắng xám, Zirconi tinh khiết mềm, dẻo và dễ uốn, ở trạng thái rắn khi có nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, khi độ tinh khiết thấp thì nó trở nên cứng và giòn hơn nên thường được dùng để chế tạo hợp kim bởi có khả năng chống ăn mòn và tính chịu nhiệt cao. Zr thường tồn tại dạng khoáng vật

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

như là ZrSiO4, các hợp chất của zirconi cũng xuất hiện ở các sản phẩm trong quá trình khai thác và chế biến các khoáng vật titan như Ilmenite, rutile…

Năm 1824, Zr lần đầu tiên được Berzeluis cô lập từ dạng không tinh khiết bằng cách nung nóng hỗn hợp kali và florua zirconi-kali để phân hủy trong ống sắt.

Phương pháp Iodua ra đời năm 1925 là phương pháp công nghiệp đầu tiên, bằng cách phân hủy ZrI4 bằng nhiệt của hai nhà khoa học Anton Eduard van Arkel và Jan Hendrik de Boer.

Năm 1945, Willian Kroll dùng Mg để phân hủy ZrCl4, phát minh này được gọi là phương pháp Kroll

Hiện nay nguyên tố Zr được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực nhờ khả năng chịu mài mòn tốt, từ trang thiết bị đời sống, y tế, vũ trụ, hạt nhân…

Trong lĩnh vực cáp điện nói riêng, Zr đang được quan tâm là nguyên tố giúp cải thiện khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn các loại cáp hiện có mà không làm tăng khối lượng cũng như tiết diện của sợi cáp, thay vì phạm vi sử dụng ở 75C thì ta có thể tăng lên 150-200C.

Từ giản đồ pha Zr-Al Hình 1.4, ta có thể thấy được nguyên nhân vì sao Zr có ảnh hưởng đến đặc tính kháng nhiệt của hợp kim nhôm.

Hình 1. 4 Giản đồ pha của hợp kim Zr-Al với thành phần Zr từ 0-1,6% [6]

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Với khoảng thành phần Zr từ 0,2 đến 0,25%, đường pha lỏng được hình thành khi đạt nhiệt độ lớn hơn 740C, sau khi nhiệt độ giảm xuống dưới đường pha lỏng trên giản đồ pha, sẽ xuất hiện kết tủa Al3Zr từ dung dịch lỏng và xảy ra phản ứng bao tinh ở nhiệt độ 660,5C tạo ra dung dịch rắn α. Khi tiếp tục làm nguội, từ dung dịch rắn sẽ tiết ra pha phân tán Al3Zr.

Nguyên tố Zr thường được sử dụng để làm chậm quá trình kết tinh lại và làm nhỏ mịn hạt tinh thể của hợp kim nhôm, điều này là do sự tiết pha giả ổn định Al3Zr với cấu trúc L12 có cùng cấu trúc với nền Al nên sự liên kết liền mạng của Al3Zr với nền Al làm cho tính chất nhiệt ổn định hơn và tăng hiệu quả của hóa bền tiết pha.

Khi hóa già hợp kim ở trên 550C thì cấu trúc L12 sẽ chuyển thành cấu trúc DO23 ổn định hơn, cấu trúc này liên kết bán liền mạng với nền Al gây ảnh hưởng đến cơ tính.

Hình 1. 5 Cấu trúc tinh thể (a) L12 ; (b) DO22 ; (c) DO23 [7]

Trong một nghiên cứu về tính kháng nhiệt của hợp kim Al-Zr của trường AGH University [8], thực hiện trên 3 mẫu với hàm lượng Zr khác nhau, mẫu có dạng dây

 3,5mm được kéo phôi  9,5mm.

Bảng 1. 4 Thành phần hóa học của mẫu nghiên cứu [8]

Thành phần, % Fe Si Zr Zn Ti V Cr Mn

AlZr0,021 0,159 0,051 0,021 0,002 0,002 0,006 0,001 0,002

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

AlZr0,22 0,151 0,049 0,22 0,003 0,001 0,008 0,001 0,001 AlZr0,26 0,197 0,061 0,26 0,007 0,002 0,001 0,001 0,003

Bảng 1. 5 Tính chất của dây làm từ hợp kim nghiên cứu [8]

Hợp kim Giới hạn chảy, MPa

Giới hạn bền, MPa

Độ giãn dài tương đối (A250), %

, nm

AlZr0,021 174,6 196,0 1,4 28,78

AlZr0,22 153,7 166,9 2,4 28,73

AlZr0,26 157,0 174,2 2,3 28,71

Phân tích độ bền của dây làm từ hợp kim nghiên cứu bằng cách nung nóng trong khoảng nhiệt độ 140-500C trong vòng 1h và thu được kết quả sau.

Hình 1. 6 Biểu diễn sự thay đổi độ bền của hợp kim theo nhiệt độ [8]

Kết quả phân tích cho thấy sự suy giảm độ bền của hợp kim theo nhiệt độ phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố Zr có trong hợp kim nhôm. Nhiệt độ mà các hợp kim có 0.021%Zr, 0.22%Zr, 0.26%Zr giữ được hơn 90% độ bền lần lượt là 220C, 280C và 300C, cho thấy hợp kim có thành phần Zr càng cao thì khả năng chịu nhiệt càng tốt.

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hình 1. 7 Tổ chức tế vi của hợp kim AlZr0,26 [8]

a) Sau quá trình kéo; b) Sau nhiệt luyện 450C trong vòng 1h;

c) Sau nhiệt luyện 500C trong vòng 1h.

Quan sát cấu trúc tế vi của hợp kim AlZr0,26 sau khi kéo thể hiện qua Hình 1.7 cho ta thấy xuất hiện các hạt bị kéo dài theo phương kéo. Ở nhiệt độ 450C một số vùng của vật liệu xảy ra quá trình tái cấu trúc, bắt đầu thay đổi hình dạng hạt. Khi đạt 500C vật liệu sẽ đạt trạng thái cân bằng, kết thúc quá trình hồi phục và kết tinh lại.

Dựa vào kết quả nghiên cứu trên cho thấy việc thêm Zr vào nhôm giúp tăng khả năng kháng nhiệt trong khoảng thời gian dài, với hợp kim AlZr0,26 là vật liệu có thể làm việc tốt ở 200C.

Trong một nghiên cứu của A.E. Mahmoud và cộng sự năm 2014 [9] cho thấy, Zr có khả năng làm giảm kích thước hạt trong hợp kim nhôm. Với thí nghiệm nấu chảy nhôm nguyên chất trong lò điện trở ở nhiệt độ 740C, sau đó thêm chất biến tính là hợp kim Al-Zr vào trong nhôm lỏng, khuấy trộn bằng gậy graphite trong 60s, giữ kim loại lỏng từ 30 đến 120s, rót kim loại vào khuôn. Sau khi mẫu đông đặc hoàn toàn, tiến hành phân tích cấu trúc tế vi. Kết quả thu được: đối với mẫu không có thành phần Zr và không có thời gian giữ nhiệt trong lò thì kích thước hạt là 1100m, đối với mẫu có 0,2% Zr với các thời gian giữ nhiệt trong lò là 30s, 60s, 90s, 120s thì kích thước hạt giảm đáng kể và phụ thuộc vào thời gian giữ nhiệt trong lò.

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hình 1. 8 Mẫu nhôm không có thành phần Zr [9]

Hình 1. 9 Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến kích thước hạt của hợp kim nhôm có 0,2% Zr, và thời gian giữ nhiệt: a) 30s ; b) 60s ; c) 90s; d) 120s [9]

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hình 1. 10 Sự thay đổi kích thước hạt của hợp kim nhôm cùng thời gian giữ nhiệt 90s, với thành phần %Zr thay đổi: a) 0,1%; b) 0,15%; c) 0,2%; d) 0,25%; e)0,3%; f)

0,35% [9]

Hình 1. 11 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa kích thước hạt và thành phần Zr, với thời gian giữ nhiệt 90s [9]

Kết luận nghiên cứu của A.E. Mahmoud và cộng sự còn kết luận: thời gian giữ kim loại trong lò trước khi cho Zr vào lò là 90s và thành phần Zr trong nhôm lỏng phải

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

đạt 0,3% thì được hiệu suất làm nhỏ hạt đạt cực đại từ 1100m xuống còn 162m, nguyên nhân là do Al3Zr tạo mầm kí sinh khi kết tinh nhôm.

Trong một công bố của N.A.Belov và cộng sự năm 2015 [10], đã nêu lên sự ảnh hưởng của Zr lên độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim được xử lý nhiệt hợp lý. Thí nghiệm đo độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim có hàm lượng Zr từ 0,1% đến 0,5%, xử lý nhiệt với các nhiệt độ khác nhau từ 300C đến 650C.

Bảng 1. 6 Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm [10]

Kí hiệu mẫu Thành phần hóa học,%

Si Fe Zr Al

00Zr 0,073 0,140 - Còn lại

02Zr 0,073 0,139 0,180 Còn lại

03Zr 0,074 0,131 0,282 Còn lại

04Zr 0,080 0,140 0,380 Còn lại

05Zr 0,075 0,133 0,476 Còn lại

- Mẫu được nấu luyện và cán nóng theo quy trình sau:

Hình 1. 12 Quy trình tạo mẫu thí nghiệm [10]

- Mẫu sau khi chế tạo sẽ đem đi nung với các chế độ nhiệt khác nhau:

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Bảng 1. 7 Chế độ xử lý nhiệt của hợp kim Al-Zr dạng tấm [10]

Kí hiệu lần ủ Chế độ ủ

T300 300C, 3h

T350 T300 + (350C, 3h)

T400 T350 + (400C, 3h)

T450 T400 + (450C, 3h)

T500 T450 + (500C, 3h)

T550 T500 + (550C, 3h)

T600 T550 + (600C, 3h)

T650 T600 + (650C, 3h)

- Kết quả thu được khi phân tích mẫu

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hình 1. 13 So sánh đặc tính dẫn điện của các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau [10]

Hình 1. 14 So sánh độ cứng (HV) của các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau [10]

Thành phần nguyên tố Zr trong nhôm có tác động rất lớn đến độ dẫn điện của mẫu được thể hiện ở Hình 1.13 khi hàm lượng tăng thì độ dẫn điện giảm, trong khi hợp kim không có Zr không thay đổi nhiều thì hợp kim 0.5Zr có sự biến động về độ dẫn điện lớn nhất, hầu hết các hợp kim đạt độ dẫn điện cực đại sau chu kỳ ủ nhiệt T450.

Bên cạnh đó, độ cứng của hợp kim tỉ lệ thuận với hàm lượng Zr, Hình 1.14 cho thấy độ cứng của các hợp kim ổn định đến 300C, bắt đầu giảm mạnh khi vượt quá 350C và 400C. Độ cứng hợp kim 0.4Zr và 0.5Zr vẫn giữ ổn định đến 450C, trong khi hợp kim 00Zr không có thành phần Zr tại 50C bắt đầu có sự giảm độ cứng rõ rệt và từ 350C thì độ cứng của hợp kim này không vượt quá 50HV

Kết luận, bằng cách sử dụng các công cụ tính toán phân tích và phương pháp thí nghiệm, các tác giả đã chứng minh rằng độ dẫn phụ thuộc vào hàm lượng Zr trong dung dịch rắn Al, độ cứng của hợp kim chủ yếu được gây ra bởi số lượng hạt nano của pha L12 (Al3Zr) và sự kết hợp tốt nhất của các giá trị độ dẫn điện, giới hạn bền và độ cứng có thể đạt được ở nhiệt độ khoảng 450 ° C với thời gian giữ nhiệt thích hợp [10]

LUẬN VĂN THẠC SĨ | LÝ THÁI PHÁP - KỸ THUẬT VẬT LIỆU