Nghiên cứu quá trình công nghệ hợp lý-Cơ nhiệt luyện để nhận sản phẩm có cơ tính cao từ HK 6061 thuộc hệ hợp kim Al-Mg-Si để đưa vào sản xuất trong công nghiệp

tải trọng có ích, tăng tốc độ giảm lượng tiêu hao nhiên liệu…và nâng cao những chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác. Nhờ đặc tính có độ bền riêng cao, khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt và khả năng biến dạng dẻo cao, hợp kim Al ngày càng được sử dụng khá rộng rãi trong xây dựng và trang trí. Ngoài ra Al và hợp kim Al còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như các ngành điện, điện tử, chế biến thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp quốc phòng… Mục đích nghiên cứu chế tạo các hợp kim Al và đưa ra qui trình công nghệ tối ưu để tăng hiệu quả ứng dụng trong thực tế công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày. Một vật phẩm hợp kim Al có độ bền cao có thể là sản phẩm của nhiều quá trình công nghệ như nấu luyện, đảm bảo thành phần các nguyên tố hợp kim chính xác, quá trình gia công cơ, quá trình gia công biến dạng, gia công nhiệt luyện… Trong thực tế Al được sử dụng dưới dạng hợp kim. Hợp kim Al có cơ tính tốt hơn, độ bền cao hơn, dễ chế tạo và rẻ hơn Al nên ngày càng được sử dụng rộng rãi. Những ưu điểm này đã khiến hợp kim Al thành vật liệu kết kấu giầu tiềm năng và thu hút nhiều công trình nghiên cứu hiện nay. Do đó mà công nghiệp sản xuất hợp kim Al ngày càng phát triển không ngừng. Đối với các hợp kim Al biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện thì sự tác động của quá trình gia công biến dạng và gia công nhiệt luyện là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng sản phẩm. Vì lẽ đó, đề tài: “Nghiên cứu công nghệ cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng 6061 hệ Al – Mg – Si” được tiến hành cũng là để góp phần làm phong phú thêm ngân hàng dữ liệu về thông số công nghệ các hợp kim Al biến dạng nói chung và hợp kim hệ Al – Mg – Si nói riêng. Mục đích của công trình này là nghiên cứu quá trình công nghệ hợp lý, chủ yếu là cơ nhiệt luyện để nhận được sản phẩm có cơ tính cao từ hợp kim 6061 thuộc hệ hợp kim Al – Mg – Si để đưa vào sản xuất trong công nghiệp. Em xin trân thành cảm ơn cô Phạm Minh Phương, thày Trần Thanh Tùng, các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn trong bộ môn Vật liệu học và Nhiệt luyện đã tận tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Song do thời gian cũng như sự hiểu biết của bản thân còn hạn chế nên trong bản luận án này không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được các thầy cô giúp đỡ thêm. Phần một: Cơ sở lý thuyết Chương i: Nhôm và hợp kim nhôm A – NHÔM. i.các tính chất của nhôm. Nhôm kí hiệu hoá học là Al thuộc phân nhóm chính nhóm 3, chu kỳ 3, số thứ tự 13 trong bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleep. Al có một đồng vị duy nhất ổn định và không phóng xạ là A2713 ngoài ra còn có 3 đồng vị phóng xạ là: A2613, A2813, A2913, Al là kim loại không có chuyển biến thù hình chỉ có kiểu mạng tinh thể là mạng lập phương diện tâm với thông số mạng a= 4,0413A0 , bán kính nguyên tử của Al là r =1,43A0 . Bán kính ion là : 0,86 A0, nguyên tử lượng của Al: 1s22s22p23s23p1 .Trong đó điện tử lớp 3p có năng lượng ion hoá nhỏ E = 5,98V, của 3s bằng 18,82 eV và 28,44eV. Tương ứng với các thế ion hoá ấy có thể xuất hiện các ion Al+1 và Al+3 : - Al+1 dưới dạng Al2O, AlCl, AlF được dùng để chế tạo nhôm nguyên chất, sạch nhưng rất kém ổn định. - Al+3 dưới dạng oxit Al2O3 thường gặp trong kỹ thuật. 1. Lý tính của nhôm. Nhôm là kim loại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tương đối cao (r=2,66.10-6W.cm ). Độ dẫn đện tuỳ thuộc vào độ sạch của nhôm và bằng 62 66% của đồng. Nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 6600C. Nhiệt độ chảy tăng theo độ sạch của nhôm: %Al 99,2 99,5 99,6 99,97 99,996 t(0C) 657 658 658,7 659,8 660,24 Với nhôm có độ sạch = 99,65% thì thể tích khi nóng chảy sẽ tăng 6,6% so với thể tích ở nhiệt độ kết tinh. Nhôm có nhiệt độ sôi là 20600C. Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sạch của nó: Độ sạch (%) Tỷ trọng (g/cm3). (200C) (10000C) 99,25 2,727 2,31 99,40 2,707 2,29 99,97 2,699 2,28 Tính dẫn điện và dẫn nhiệt của nhôm cao, độ dẫn điện r = 2,66.10-6W.cm. Độ dẫn nhiệt ở 250C là 0,503Cal/cm.s.0C. Hệ số giãn nở nhiệt của nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ: T ( 0C ) a . 10-6/ 0C 20 1000C 23,86 20 2000C 24,7 20 3000C 25,6 2. Hoá tính của nhôm. Nhôm là kim loại có hoạt tính cao, có ái lực mạnh đối với ôxy. Trong không khí nhôm mất mầu sáng và được một lớp oxit bọc kín trên bề mặt và liên kết rất bền vững, lớp oxit Al2O3 có cấu trúc xít chặt nên bảo vệ cho nhôm khỏi tiếp tục oxy hoá. ở những vùng có tạp chất thì mối liên kết này sẽ giảm dẫn đến khả năng bảo vệ ăn mòn giảm. Trong môi trường axit, tốc độ ăn mòn tăng theo nhiệt độ. Còn ảnh hưởng của nồng độ axit thì tuỳ theo từng axit cụ thể. Ví dụ như với axit nitric loãng thì khả năng ăn mòn cao hơn khi đậm đặc, trái lại với dung dịch H2SO4 thì quá trình ăn mòn lại xảy ra chậm hơn. Nhưng với hỗn hợp các axit HCl và HF thì nhôm bị ăn mòn rất nhanh. Khả năng chống ăn mòn trong dung dịch kiềm rất kém (trong NaOH tốc độ ăn mòn rất nhanh ). Nhôm khá ổn định trong nhiều dung dịch axit hữu cơ. Nhôm có thể hấp thụ và hoà tan các loại khí khác nhau, trong đó khí H2 hoà tan vào nhôm mạnh nhất. Mức độ hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ (0C) Lượng H2 hoà tan trong 100g Al(cm3 ) 350 0,002 660 0,036 660 0,600 3,500 Do độ hoà tan H2 tăng đột ngột khi Al chuyển từ rắn sang lỏng nên khi Al kết tinh và được làm nguội thì H2 thoát ra ngoài không kịp dẫn đến tạo rỗ khí trong hợp kim. 3. Cơ tính của nhôm. Cơ tính của nhôm phụ thuộc vào độ sạch của nhôm, nhôm có độ dẻo cao, khả năng chịu biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao tốt nên dễ gia công áp lực như cán, dập, kéo, rèn ép ở trạng thái nguội và trạng thái nóng ( ở 400 4500C ). Khi gia công nguội xong thì thường đem ủ ở nhiệt độ 350 5000C. Nhiệt độ nóng chảy của nhôm tương đối thấp (6600C). Đây là một thuận lợi cho quá trình nấu luyện hợp kim khi đúc. Hơn nữa nhờ ẩn nhịêt kết tinh lớn, nhôm lỏng đông đặc chậm, có thể tiến hành biến tính và tinh luyện tương đối dễ dàng, độ co ngót của nhôm lớn do vậy sự điền đầy khuôn kém nên tính đúc của nhôm không cao. Nhôm nguyên chất không bền, cơ tính thấp: Với nhôm 99,6% có sb = 7kg/mm2, HB = 19, d = 2,3%. II. Công dụng của nhôm. Nhôm tinh khiết thường rất quý nên thường dùng cho các công trình nghiên cứu và ứng dụng cho các công việc đặc biệt. Nhôm có độ dẫn điện cao nên thường được ứng dụng cho các ngành kỹ thuật điện để chế tạo tụ điện, dây cáp, vật dẫn. Nhôm có tính dẫn nhiệt cao nên thường được dùng làm thiết bị trao đổi nhiệt. Nhôm có độ bền thấp nên nhôm thường được dùng cho các chi tiết không chịu tải, tính hàn, tính dẻo cao nên thường để sản xuất cánh cửa, ống dẫn... Nhôm có mầu sáng nên khả năng phản xạ cao, được sử dụng nhiều trong lĩnh vực đèn chiếu, tấm phản xạ..., ngoài ra nhôm còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác như công nghệ hoá học, chế tạo các hợp kim, trong các phản ứng nhiệt nhôm, dát mỏng thành tấm bọc, làm bột sơn, các đồ bình ống, đồ nấu ăn… III. phân loại nhôm. Thông thường người ta phân loại nhôm căn cứ theo độ sạch của nhôm (được trình bày ở Bảng 1): Nhôm siêu sạch, nhôm sạch và nhôm sạch kỹ thuật (Theo tiêu chuẩn của Liên xô G0CT 11069-64). Bảng 1: Phân loại nhôm Mác Al Thành phần hoá học(%) Ký hiệu Al(%) Tạp chất(%) Fe Si Cu Zn Ti Stạp chất Siêu sạch A999 99,999 -------- ------- ------ ------ ------ 0,001 Độ sạch cao A995 A99 A97 A95 99,995 99,99 99,97 99,95 0,0015 0,003 0,015 0,030 0,0015 0,003 0,015 0,030 0,001 0,003 0,005 0,01 0,001 0,003 0,004 0,005 0,001 0,002 0,002 0,002 0,0050 0,010 0,030 0,050 Độ sạch kỹ thuật A85 A8 A7 A6 A5 A0 A AE 99,85 99,80 99,70 99,60 99,50 99,00 99,80 99,35 0,08 0,12 0,16 0,25 0,30 0,50 0,80 0,35 0,06 0,10 0,16 0,25 0,30 0,50 0,50 0,12 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,02 0,02 0,04 0,05 0,06 0,06 0,08 0,08 0,05 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,03 0,01 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 1,00 1,00 0,50 1vạchxanhdatrời 2vạchxanhdatrời 1vạch trắng 2 vạch trắng 1 vạch đỏ 2 vạch đỏ 2 vạch vàng 1 vạch vàng. B - hợp kim nhôm. Trong thực tế nhôm được sử dụng chủ yếu dưới dạng hợp kim. Về thành phần thì nhôm là chủ yếu, ngoài ra còn có các nguyên tố khác đưa vào để cải thiện các tính chất của nhôm, mục đích tạo ra các hợp kim có đặc tính tối ưu phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Hợp kim nhôm có cơ tính tốt hơn nhôm nguyên chất, độ bền riêng cao, dễ chế tạo và rẻ hơn nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày. Hình 1 . Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha. Phụ thuộc vào bản chất của nguyên tố hợp kim hoá và thành phần của chúng mà chúng có các tính chất khác nhau. Hợp kim nhôm chia thành 2 loại: Hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc được phân biệt theo giản đồ trạng thái nhôm – các nguyên tố hợp kim. Trên giản đồ hình 1 chỉ rõ các vùng thành phần của hai loại hợp kim này. I. Hợp kim nhôm biến dạng. Là hợp kim nhôm có thành phần với hàm lượng nguyên tố hợp kim nằm ở trong giới hạn của dung dịch rắn, tức bên trái điểm C’. Hợp kim nhôm biến dạng được dùng khá phổ biến. Biến dạng với hai mục đích: biến dạng tạo hình, biến dạng làm thay đổi tổ chức dẫn đến làm thay đổi tính chất của hợp kim. Dựa vào khả năng có hoặc không thể hoá bền bằng nhiệt luyện, hợp kim nhôm biến dạng lại được chia ra làm hai loại: - Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện. - Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện. Với hợp kim nhôm hoá bền được bằng nhiệt luyện, muốn tăng bền người ta có thể tôi + hoá già. Với hợp kim nhôm không hoá bền được bằng nhiệt luyện thì để tăng bền người ta thường đem biến dạng hoặc tạo pha thứ hai nhỏ mịn. 1.1 Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện. 1.1.1 Hợp kim hệ Al – Mn. Theo giản đồ trạng thái Al – Mn thì độ hoà tan lớn nhất của Mn trong dung dịch rắn a đạt được ở 6500C là 1,8% và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 4500C – 6500C. Đây cũng là vùng nhiệt độ tôi của phần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp. Lượng Mn trong các hợp kim nhôm này thông thường dao động trong khoảng 1 – 1,6%. Mn có thể tạo với Al hợp chất liên kim loại Al6Mn, pha này khi phân tán nhỏ mịn trong nền dung dịch rắn a sẽ gây hoá bền. Nhưng do ảnh hưởng của các tạp chất thường có là Fe và Si lên đọ hoà tan của Mn trong dung dịch rắn a cũng giảm đi rất nhanh và chúng tạo lên pha phức tạp (Fe,Mn)Al3 thay cho MnAl6, mà pha (Fe,Mn)Al3 không hoà tan vào nhôm khi nung nóng. Với sự có mặt chừng 0,1%Fe và 0,65%Si thì dung dịch rắn a chỉ có thể hòa tan được khoảng 0,05%Mn ở 5000C [1]. Đó cũng chính là lý do tại sao hệ Al – Mn lại không hoá bền được bằng nhiệt luyện. Các hợp kim Al – Mn chịu biến dạng nóng, nguội tốt, có tính hàn và chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn Al sạch kỹ thuật, nhờ vậy chúng được sử dụng rộng rãi hơn. 1.1.2 Hợp kim hệ Al – Mg. Theo giản đồ trạng thái Al – Mg các hợp kim có thành phần ít hơn 1,4%Mg có tổ chức chỉ gồm dung dịch rắn, không thể hoá bền được bằng nhiệt luyện. Magiê hoà tan nhiều nhất là 14,9% ở nhiệt độ 4510C, khi hạ nhiệt độ thì độ hoà tan này giảm và pha b - (Al3Mg2) tiết ra từ dung dịch rắn có xu hướng phân bố dạng lưới theo biên giới hạt. Tổ chức dạng lưới b liên tục rất nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. Khi nung nóng Mg2Al3 hoà tan vào a gây ra hoá bền, tuy nhiên hiệu quả rất thấp nên coi như không thể hoá bền bằng nhiệt luyện. Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính, làm giảm chất lượng bề mặt khi gia công, do đó cần phải hạn chế đến mức có thể. Để tăng bền cho hợp kim người ta đưa thêm vào đó các kim loại chuyển tiếp như Cr, Mn… Các hợp kim Al – Mg thuộc một trong những hệ hợp kim Al nhẹ nhất, có tính hàn tốt, ổn định chống ăn mòn khí quyển, giới hạn bền mỏi (s1) tương đối lớn. Chúng được dùng rất rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo ôtô và xây dựng công trình. 1.2. Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện là hợp kim nhôm quan trọng nhất, là loại vật liệu kết cấu được ứng dụng nhiều nhất trong kỹ thuật, điển hình là hệ Al với 4%Cu và Al – Cu – Mg. 1.2.1 Hợp kim nhôm với 4%Cu.(Hình 7) Độ hoà tan của Cu trong nhôm giảm theo nhiệt độ, khi lượng Cu chứa 54% sẽ tạo thành hợp chất CuAl2 (q). Từ giản đồ trạng thái, ta thấy hợp kim có tổ chức gồm dung dịch rắn (có 5%Cu) và các phân tử pha CuAl2 II tiết ra từ dung dịch rắn đó. Khi nung nóng hợp kim này lên đến nhiệt độ cao hơn đường hoà tan giới hạn CD (nhiệt độ 5480C) các phân tử CuAl2 II sẽ hoà tan hết vào dung dịch rắn nên sau khi tôi có được dung dịch rắn a quá bão hoà chứa tới 4%Cu. Tổ chức tế vi của hợp kim sau khi tôi chỉ là dung dịch rắn (a+q), các pha CuAl2 II khi hoá già đã tiết ra để hoá bền. 1.2.2 Hợp kim Al – Mg – Cu (Đuara). Theo giản đồ pha (hình 4) ta thấy độ hoà tan của các pha q(CuAl2) và S(CuMgAl2) tăng lên khi tăng nhiệt độ. Do đặc điểm này, có thể dễ dàng nhận được dung dịch rắn a quá bão hoà bằng cách tôi. Khi hoá già phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt. Sự tiết pha xảy ra có thể ở các trạng thái khác nhau như vùng GP. Các pha chuyển tiếp giả ổn định q’, S’ hoặc các pha ổn định q(CuAl2) và S(CuMgAl2) kích thước nhỏ, phân tán đều trong nền dung dịch rắn a. Tất cả các pha này đều tạo ra hiệu ứng hoá bền đáng kể. Tuy vậy, sự hình thành tổ chức gồm hỗn hợp vùng GP với các pha giả ổn định q’, S’ sẽ cho ta các chỉ tiêu về cơ tính lớn nhất. Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của đuara, chúng có thể tạo ra các pha dạng Cu2FeAl7, vừa gây giòn hợp kim do kết tinh ở dạng thô to, vừa làm giảm hiệu quả nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng kể tạo pha hoá bền. Trong thực tế người ta cố gắng giảm thấp các tạp chất này. Khống chế tỷ lệ của chúng để tạo ra các pha dạng a(Al-Fe-Si-Mn) kết tinh thành hạt nhỏ, ít ảnh hưởng đến độ dẻo, không làm giảm hiệu quả hoá bền khi tôi và hoá già. Hình 4. Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ ba cấu tử hệ Al-Cu-Mg ở 2000C(a) và 5000C (b): 1 – AlCu4,2Mg0,25Mn0,4; 2 – AlCu2,6Mg0,35Mn0,1; 3 - AlCu4,3Mg0,60Mn0,6; 4 - AlCu4,3Mg1,50Mn0,6; 5 - AlCu4,0Mg2,0Mn0,6. Với hàm lượng Mg nhiều thì xuất hiện các pha S (CuMgAl2) và pha T (CuMg5Al5) khi tỷ lệ Mg/Cu mà lớn thì có thêm pha Mg2Al3…Tất cả các pha này đều tạo ra hiệu ứng hoá bền đáng kể. Đưa thêm Mn với hàm lượng nhỏ 0,8%, Cr nhơ hơn 0,3% sẽ làm nhỏ hạt, tăng cơ tính, đặc biệt là độ dai phá huỷ. Đồng với hàm lượng nhỏ hơn 0,5% có tác dụng tốt làm tăng cơ tính, nhưng nếu vượt quá giá trị này sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim. 1.2.3 Hợp kim hệ Al – Mg – Si. Ngược lại với đuara hệ hợp kim Al – Mg – Si có tính chống ăn mòn tốt. Với hàm lượng 1 - 2% Si có tác dụng cải thiện tính đúc, tuy nhiên để gia tăng cơ tính có thể tăng hàm lượng Si, Sự hình thành pha Mg2Si và độ hoà tan Mg2Si trong dung dịch rắn a tăng lên khi tăng nhiệt độ sẽ nhận được hiệu ứng hoá bền khi hoá già tiết pha phân tán. %khối lượng (b) Hình5. Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al-Mg-Si ở 2000C (a) và 5500C (b). Tạp chất Fe chứa trong hệ Al – Mg – Si tồn tại ở dạng pha Al3Fe. Nếu pha Al3Fe ở dạng hạt nhỏ, thì ảnh hưởng của Fe tới độ bền kéo là tốt, còn nếu hạt lớn thì làm xấu cơ tính và làm giảm tính ăn mòn của hợp kim. Đưa thêm Mn với lượng nhỏ 0,8%, Cr nhỏ hơn 0,3% sẽ làm nhỏ hạt, tăng cơ tính, đặc biệt là độ dai phá huỷ. Cu với lượng nhỏ hơn 0,5% có tác dụng làm tăng cơ tính, nhưng nếu vượt qua giá trị này sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Hợp kim này có độ dẻo cao, chịu biến dạng khá tốt đặc biệt ở trạng thái nóng. II. Hợp kim nhôm đúc. Hợp kim nhôm đúc cần có tính đúc tốt để dễ tạo hình các chi tiết. Thường người ta căn cứ vào các chỉ tiêu chính như độ chảy loãng, khả năng điền đầy khuôn, hệ số co ngót và rỗ co, xu hướng nứt nóng và rỗ co. Nhờ nhiệt độ chảy thấp nên hợp kim thường được đúc trong khuôn kim loại. Vì hợp kim nhôm đúc có chứa nhiều nguyên tố hợp kim hơn nên thành phần cùng tinh xuất hiện nhiều làm hạ thấp nhiệt độ chảy và thu hẹp khoảng nhiệt độ kết tinh. 2.1. Hợp kim hệ Al- Si. Theo giản đồ pha thành phần cùng tinh ứng với 12,7%Si thực tế thì thường sử dụng những hợp kim có %Si dao động từ 5 - 20%, phổ biến là các hợp kim cùng tinh hoặc trước cùng tinh. Thường tổ chức của Si có dạng hình kim làm cho cơ tính không cao đặc biệt là độ dai phá huỷ. Tuy nhiên với kỹ thuật biến tính bao gồm hỗn hợp muối NaF + NaCl theo tỷ lệ 2/1 kết hợp với khuấy trộn đều trước khi rót khuôn, người ta có thể biến các kim Si thành các hạt nhỏ có dạng cầu dẫn đến hợp kim có cơ tính cao hơn. Nếu đưa thêm Mg (0,3 - 1%) và Cu (3 - 5%) làm cải thiện khả năng hoá bền đồng thời khi có mặt Cu tính bền, tính đúc tăng; đặc biệt hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, chống mòn tốt, thường dùng mác AlSi12CuMg1Mn0,6Ni1Đ để chế tạo pittông động cơ đốt trong. 2.2. Hợp kim hệ Al- Cu. Trong thực tế hệ Al - Cu không được ứng dụng nhiều do tính đúc rất kém, tuy nhiên trên cơ sở Al - Cu người ta đưa thêm các nguyên tố khác làm thay đổi tính đúc, thường thì các nguyên tố được đưa vào như Mg, Ni, Mn. hoặc Ti. Hệ AlCu5Mg2Ni3Mn0,2A dùng chế tạo các chi tiết nhẹ, hình dáng phức tạp và làm việc ở nhiệt độ cao từ 300-5500C. Tóm lại hệ Al - Cu có độ bền nóng cao, có giới hạn mỏi lớn, độ dẻo cao. Tuy nhiên tính chịu ăn mòn kém, tính đúc xấu. Chương II: nhiệt luyện hợp kim nhôm. Cũng giống như thép, nhôm và hợp kim của nó cũng có các chế độ nhiệt luyện khác nhau để đạt được những yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Nhôm là kim loại không có chuyển biến thù hình, nên nhiệt luyện hợp kim nhôm là dựa trên cơ sở sự tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà và quá trình phân hoá tiết pha phân tán tiếp theo có tác dụng hoá bền. Để làm căn cứ cho việc chọn hợp kim với các chế độ nhiệt luyện đạt hiệu quả thì chúng ta dùng giản đồ pha. (đã được trình bày ở chương I ). Các dạng nhiệt luyện hợp kim nhôm là ủ, tôi và hoá già. Từ giản đồ ta cũng có thể chọn nhiệt độ tôi và các dạng nhiệt luyện khác nhau cho mỗi hợp kim. 2.1 ủ nhôm và hợp kim nhôm. Nguyên công nhiệt luyện này bao gồm nung nóng vật liệu lên đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt sau đó làm nguội chậm. Các tổ chức không cân bằng thường gặp là chi tiết sau khi đúc (thiên tích, cùng tinh...), sau khi biến dạng dẻo hoặc sau khi nhiệt luyện. 2.1.1 ủ loại 1. Mục đích của ủ loại 1 là chuyển tổ chức kim loại và hợp kim từ trạng thái kém cân bằng về trạng thái cân bằng hơn. Đặc điểm của ủ loại 1 là không có chuyển biến pha, quá trình xảy ra với tổ chức là thụ động và không thuận nghịch. Khi ủ loại 1 sẽ làm mất ứng suất nhiệt, khử bỏ xô lệch mạng, và sự thiên tích.. do vậy làm giảm độ bền, độ cứng, tăng độ dẻo dai. Tuỳ thuộc vào trạng thái của tổ chức, tính chất của chi tiết có thể dùng các kiểu ủ loại 1 như sau: ủ phục hồi: Nhằm mục đích khử bỏ xô lệch mạng đàn hồi do biến dạng dẻo hoặc do điều kiện kết tinh lại và phụ thuộc vào từng hợp kim. ủ kết tinh lại: thường được tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và ứng dụng với các chi tiết bán thành phẩm đã bị biến dạng. Đối với các hợp kim đúc thì quá trình kết tinh lại xảy ra khó khăn và chậm hơn so với hợp kim biến dạng và thời gian cần dài hơn, nhiệt độ cần cao hơn. ủ đồng nhất hoá: Mục đích của ủ đồng nhất hoá là làm cho hàm lượng các nguyên tố hợp kim phân bố đều và phá huỷ tổ chức dạng mạng trong khi đúc. ủ đồng nhất hoá được tiến hành ở nhiệt độ khoảng 420 5000C, trong quá trình ủ xảy ra khuếch tán mạnh do vậy thay đổi sự phân bố lại các pha, thành phần đều hơn. Kết quả là độ dẻo tăng lên nhiều. 2.1.2 ủ loại 2. ủ loại 2 là loại ủ có chuyển biến pha, kết quả của quá trình này là tổ chức sẽ khác tổ chức ban đầu cả về kích thước và đặc tính phân bố. Trong quá trình ủ ta thấy xảy ra chuyển biến thuận nghịch và có sự dịch chuyển hàng loạt nguyên tử, do tác dụng của tốc độ nguội, sự dịch chuyển này có tính định hướng hoặc vô hướng. Trong trường hợp này cơ tính sẽ khác nhau và phụ thuộc vào tốc độ nguội mà có thể gọi là thường hoá hoặc ủ. 2.2. Tôi các hợp kim nhôm. Trong hợp kim nhôm, mục đích của tôi là nhằm tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà các nguyên tố hợp kim hóa và sau đó là quá trình hoá già tiếp theo để tiết pha phân tán nhằm đạt được độ bền nhất định. Đặc điểm của hợp kim nhôm là sau khi tôi cơ tính tăng lên không nhiều và khi hoá già tiếp theo thì cơ tính của nó tăng lên đáng kể. Việc chọn nhiệt độ tôi các hợp kim nhôm căn cứ vào nhiều yếu tố như dựa vào giản đồ pha, như căn cứ vào thành phần các nguyên tố hợp kim, số lượng và hàm lượng các nguyên tố đó cũng như tính chất các pha liên kim loại mà chúng có thể tạo thành. Nguyên tắc chọn nhiệt độ nung tôi là lấy nhiệt độ tôi thấp hơn nhiệt độ cùng tinh từ 5 – 100C và tùy từng hợp kim cụ thể khoảng dung sai nhiệt độ nung nóng để tôi cũng khác nhau[4]. Thời gian giữ nhiệt khi tôi là để hòa tan các phần tử pha thứ hai vào dung dịch rắn a. Khoảng thời gian giữ nhiệt này phụ thuộc vào độ lớn của phần tử pha thứ hai và hệ số khuếch tán của các nguyên tố hợp kim hóa trong hợp kim. Đối với các hợp kim nhôm biến dạng, các phần tử này phân tán nhỏ mịn bởi vậy thời gian giữ nhiệt không dài, song các chi tiết có kích thước khác nhau nên thời gian giữ nhiệt cũng khác nhau. Bảng 2 và Bảng 3 cho ta biết thời gian giữ nhiệt để tôi các chi tiết. Chiều dày tấm Mm Thời gian giữ nhiệt (phút) Min Max Min Max Trong bể muối Nitrat Trong không khí < 0,41 10 15 20 25 0,42 – 0,52 10 20 20 30 0,53 – 0,83 15 25 25 35 0,84 – 1,60 20 30 30 40 1,61 – 2,30 25 35 35 45 2,31 – 3,20 30 40 40 55 3,21 – 6,30 35 45 55 65 6,40 – 12,70 45 55 65 75 12,8 – 25,40 60 70 90 100 Mỗi bậc tăng tiếp theo là 12,70mm thì sẽ thêm: Thêm 20 Thêm 20 Bảng 2. Thời gian giữ nhiệt để tôi các bán thành phẩm (ngoài rèn khuôn) của các hợp kim nhôm biến dạng[4]. Chiều dày sản phẩm (mm) Thời gian giữ nhiệt (phút) Trong thùng diêm tiêu Trong lò điện với không khí tuần hoàn cưỡng bức <2,5 10 30 2,6 – 5,0 10 45 5,1 – 30,0 40 60 31,0 – 50,0 50 120 51,0 – 75,0 60 150 76,0 – 100,0 90 180 101,0 – 150,0 120 210 Chú thích: Khi chiều dày chi tiết lớn hơn 150mm thì thời gian giữ nhiệt tối thiểu phải đạt 1 phút cho 1mm chiều dày lớn nhất đối với chi tiết khi nung nóng trong lò diêm tiêu và 1,5 phút cho 1mm chiều dày lớn nhất khi nung nóng ở lò không khí Bảng 3. Thời gian giữ nhiệt khi tôi các dạng bán thành phẩm dập và rèn[4]. Tốc độ nguội tới hạn của hầu hết các hợp kim nhôm nhỏ hơn tốc độ nguội trong nước và như vậy hầu hết các hợp kim nhôm công nghiệp đều có thể dùng nước làm môi trường tôi, đặc biệt ở một số trường hợp thì hợp kim nhôm có thể làm nguội ngoài không khí. Sau khi tôi hiệu quả tăng bền của hợp kim không lớn, bởi vậy để tăng bền người ta phải tiến hành hoá già ở những nhiệt độ và thời gian khác nhau để nhận được cơ tính tổng hợp tốt nhất theo yêu cầu kỹ thuật đặt ra. 2.3. Hóa già các hợp kim nhôm. Hoá già là quá trình gia công nhiệt luyện các hợp kim sau khi tôi không có chuyển biến thù hình, mà nó chủ yếu là quá trình phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà dưới tác dụng của nhiệt độ và thời gian, đưa tổ chức của hợp kim về trạng thái năng lượng ổn định hơn. Thực chất của quá trình hoá già là chuyển hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao và không cân bằng về trạng thái có năng lượng thấp hơn (vì quá trình hoá già là quá trình tự xảy ra). Cơ sở lý thuyết về quá trình hoá già được áp dụng cho tất cả các hợp kim tạo trên cơ sở kim loại có chuyển biến thù hình. 2.3.1. Sự thay đổi tổ chức khi hoá già. Quá trình hóa già xảy ra có khuếch tán. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian hoá già, bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ chức và đặc tính biến dạng trước khi hoá già có vai trò rất lớn. Các yếu tố này gây ảnh hưởng đến mức độ, hình thức phân hoá dung dịch rắn, độ phân tán các phần tử tiết ra, hình dạng của chúng và đặc tính tổ chức khác. 2.3.2 Các giai đoạn phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà. Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hoá già, các giai đoạn và đặc tính động học của quá trình phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn rất quan trọng. Đặc điểm tổ chức hình thành khi phân hoá dung dịch rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đến nay nhiều công trình nghiên cứu dựa trên những phương tiện hiện đại cũng đang nghiên cứu để làm sáng tỏ bản chất động học quá trình hoá già. Từ đầu thế kỷ 20, hợp kim Al - 4%Cu đã được nghiên cứu nhiều và được làm hợp kim tiêu biểu cho sự nghiên cứu về động học quá trình hoá già. Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm cũng được giải thích trên cơ sở của các công trình nghiên cứu về hợp kim này. Sau khi tôi hợp kim sẽ nhận được dung dịch rắn a quá bão hoà, ở nhiệt độ thường tổ chức này không ổn định và có xu hướng phân hoá. Khi ta tăng nhiệt độ (khi nhiệt độ lớn hơn1500C) hoặc kéo dài thời gian, giữ cho nhiệt độ không đổi thì sự thay đổi tổ chức bắt đầu hình thành các vùng Guinier – Preston (VGP), tiếp theo là sự tạo pha q” (VGP2), pha q’ và pha q(CuAl2). VGP là vùng của dung dịch rắn quá bão hoà được làm giầu nguyên tố hợp kim. Tất nhiên nó có cùng kiểu mạng tinh thể với dung dịch rắn. Do sự tồn tại chênh lệch đường kính nguyên tử Dd giữa Cu và Al, sự hình thành VGP gây ra trường ứng suất đàn hồi khá lớn. Giữa VGP và pha mẹ (nền) không có giới hạn rõ rệt. Thành phần Cu của VGP trong hệ Al + 4%Cu cao hơn 4% và nhỏ hơn 52% (thành phần ứng với CuAl2). ở đây các nguyên tử Cu chiếm một trong số các mặt của họ {100}, còn trên các mặt song song về hai phía với nó chỉ có nguyên tử Al. Vì bán kính nguyên tử Cu (rCu) nhỏ hơn bán kính nguyên tử Al (rAl). Do vậy dẫn đến mặt nguyên tử Al dịch ép về phía mặt nguyên tử Cu, khoảng 14 lớp tính theo mỗi phía chịu ảnh hưởng xê dịch vị trí do xuất hiện mặt phẳng nguyên tử Cu trung tâm. Sự chênh lệch khá lớn giữa rCu và rAl gây biến dạng đàn hồi tương đối mạnh, do vậy VGP trong hệ Al – Cu có dạng đĩa. Kích thước VGP phụ thuộc vào thành phần hợp kim, nhiệt độ và thời gian hoá già, giá trị trung bình khoảng 10 100A0. Tùy thuộc vào thành phần hợp kim, nhiệt độ và thời gian hoá già mà vùng VGP có đường kính khoảng 100A0. Về mặt động học VGP được coi như trạng thái pha giả ổn định. So với vùng tạo ra ban đầu tạo ra do ba động thành phần, VGP khác hẳn. Vùng ba động thành phần không ổn định thì VGP lại ổn định hơn theo thời gian. VGP có thể lớn lên bằng cách “thiên tích” các vùng nhỏ lân cận theo cơ chế khuyếch tán. Thành phần VGP ở nhiệt độ nhất định không phụ thuộc vào thành phần hợp kim. Một trong những điểm quan trọng nhất về mặt nhiệt động học có thể coi VGP như trạng thái pha giả ổn định, là sự tồn tại của đường hoà tan VGP tương tự như đường hoà tan pha q trên giản đồ pha (hình 8.2) và tồn tại đường cong vòm biểu thị sự cân bằng giả ổn định của pha mẹ và VGP. So sánh mật độ lệch và mật độ VGP khi hoá già thấy rằng mật độ VGP lớn hơn mật độ lệch. Trên cơ sở đó, người ta cho rằng VGP sinh ra theo cơ chế đồng pha trên các vùng ba động nồng độ. Do vậy các VGP phân bố khá đồng đều trên toàn bộ thể tích của chi tiết. Quá trình phân hoá tiếp theo tạo ra pha q”. Pha q” về thành phần gần giống với công thức CuAl2, về cấu trúc tinh thể có kiểu mạng chính phương a = 4,04A0, c = 7,68A0. Về kích thước, pha q” dày khoảng 100A0 và đường kính khoảng 1500A0, pha q” còn được kí hiệu là VGP2. Kí hiệu này nói lên pha q” giống VGP ở chỗ mạng tinh thể của nó hoàn toàn liên tục với nền. Pha q’ có thành phần ứng với công thức CuAl2, kiểu mạng chính phương, Theo mặt (001) có hằng số mạng a = 4,04A0 và hoàn toàn liền mạng với nền a. Theo mặt (100) hằng số mạng tương ứng là a = 4,04A0 và c = 5,80A0. Như vậy q’ liền mạng một phần với a. Trường hợp ứng suất đàn hồi sinh ra do tạo VGP và pha q” lớn hơn so với trường hợp tạo q’. Pha q (CuAl2) là pha hoàn toàn độc lập với nền, kiểu mạng chính phương với các thông số mạng a = 6,06A0 và c = 4,87A0. Về cơ chế sinh mầm của các pha q”, q’ người ta cho rằng chúng tạo ra ở trên các lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp và ở các vùng nút trống, đồng thời chúng còn sinh ra trên các pha q” hoặc q’ đã xuất hiện trước. Như vậy, về thứ tự các pha q”, q’ có thể sinh ra bằng cách tiếp tục phát triển các VGP hoặc cũng có thể sinh ra hoàn toàn độc lập không phụ thuộc vào các vùng đó. Pha q (CuAl2) cũng vậy. Nó có thể kế tục các pha trung gian q”, q’ hoặc cũng có thể sinh ra độc lập với các pha đó. Sự biến đổi năng lượng tự do khi chuyển biến pha trong trạng thái rắn biểu diễn bằng công thức: DF = - DFv + DFbm + DFđh. Hai thành phần DFbm và DFđh có giá trị dương làm ngăn cản quá trình tạo mầm khi chuyển biến pha. Sự tạo hình thành VGP, q”, q’ trên lệch, biên giới hạt, siêu hạt, khuyết tật xếp, vùng nút trống làm giảm bớt đại lượng Fđh, trong khi đó tiết ra pha ổn định q làm tăng DFbm. Khi các mầm q được tạo trên biên giới hạt hoặc các pha q”, q’ sẽ làm giảm giá trị DFbm. Trên giản đồ pha hình 8.3, vị trí hoà tan VGP thấp nhất rồi đến pha q”, pha q’ và cao nhất là đường hoà tan vùng q. Do vậy các sản phẩm phân hoá VGP, pha q’, pha q sẽ có giản đồ chữ C của nó (hình 9). Nhánh trên của đường cong chữ C tiến tới nhiệt độ hoà tan tương ứng TVGP, Tq’, Tq . Nếu ta tiến hành hoá già ở nhiệt độ T1 < TVGP lần lượt sẽ tạo ra các sản phẩm aqbh đ VGP đ q’ đ q. Khi hoá già ở nhiệt độ T2 > TVGP: aqbh đ q’ đ q. Còn nếu hoá già ở nhiệt độ T3 > Tq: aqbh đ q. TVGP, Tq’, Tq là nhiệt độ hoà tan các sản phẩm tiết ra VGP,q’ và q. 2.3.3. Sự kết tụ các phần tử tiết pha. Khi thành phần pha mẹ đạt tới cân bằng trong quá trình phân huỷ dung dịch rắn quá bão hoà, khối lượng của các pha tăng lên và nồng độ các nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn giảm xuống, khi dung dịch rắn đạt được nồng độ cân bằng ở mỗi nhiệt độ xác định, việc sinh mần sẽ ngừng lại, tổng thể tích của các pha tách ra không thay đổi nhưng tổ chức của hợp kim chưa ổn định, chúng có xu hướng kết tụ lại và lớn lên và làm giảm năng lượng của hệ thống. Động lực của quá trình là sự chênh lệch năng lượng tự do của các phân tử tiết ra. Sự thay đổi năng lượng tự do tính cho một nguyên tử có thể xác định theo công thức: f = - DFV + . Đối với độ quá nguội đã cho DFv và s là hằng số. Từ đó cho thấy năng lượng tự do tính cho một nguyên tử (f) tỷ lệ nghịch với kích thước của c._.