Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim chịu mài mòn hệ kẽm nhôm (sam15) cho sản xuất bạc lót trục cán

Mặc dù hiện nay các hợp kim đồng làm bạc vẫn thống trị trên thế giới nhưng trong khoảng ba thập kỉ qua ngày càng có nhiều bài báo đến từ nhiều nước trên thế giới đưa ra các kết quả nghiê

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ VI ỆT DŨNG

Chuyên ngành: Khoa h ọc và kỹ thuật vật liệu

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA H ỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS DƯƠNG NGỌC BÌNH

HÀ N ỘI - 2014

Cho phép tôi được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô tại Bộ môn Vật

liệu kim loại màu và composite,các thày cô ở học viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu cùng Viện đào tạo sau đại học – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp

đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận án Đồng thời, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ban lãnh đạo

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim và phòng Thí nghiệm Công nghệ

và các Hợp kim đúc, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện để giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ Đặc biệt, cho tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đếnTS.Dương Ngọc Bình, là người hướng dẫn trực tiếp, đã tận tình hướng dẫn,

và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thời gian thực hiện luận án

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã ở bên tôi trong suốt thời gian qua!

Hà Nội, ngày 05 tháng 09 năm 2014

Tác gi ả

Lê Vi ệt Dũng

M ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC BẢNG 6

Chương 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Đối tượng nghiên cứu 5

Chương 2 7

TỔNG QUAN 7

2.1 Hợp kim chịu mài mòn để chế tạo bạc lót 7

2.1.1 Hợp kim trên cơ sở thiếc và chì 7

2.1.2 H ợp kim trên cơ sở đồng 8

2.1.3 H ợp kim trên cơ sở kẽm 9

2.2 Hợp kim kẽm chịu mài mòn 10

2.2.1 Hợp kim kẽm nhôm 10

2.2.2 H ợp kim kẽm nhôm đồng 11

2.2.3 H ợp kim kẽm nhôm magie 12

2.2.4 H ợp kim chịu mài mòn hệ kẽm nhôm ЦAM 15 ( SAM 15) 12

2.3 Công nghệ chế tạo hợp kim kẽm chịu mài mòn SAM 15 14

2.3.1 Công ngh ệ nấu luyện hợp kim kẽm 14

2.3.2 Công ngh ệ đúc 16

2.4.3 Nhi ệt luyện 18

2.4.4 Một số tính chất của hợp kim SAM 15 21

Chương 3 22

THỰC NGHIỆM 22

3.1 Vật liệu thí nghiệm: 22

3.2 Thiết bị thí nghiệm 22

3.3 Công nghệ nấu luyện 25

3.4 Công nghệ chế tạo bạc lót từ hợp kim SAM 15 28

3.5 Công tác phân tích 31

3.6 Sơ đồ công nghệ dự kiến 31

Chương 4 32

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện 32

4.2 Ảnh hưởng của thời gian nấu luyện 34

4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót và thời gian rót 40

4.6 Tổng hợp kết quả nghiên cứu công nghệ đúc 42

4.7 Cơ lý tính của hợp kim SAM 15 42

4.8 Kết quả đạt được 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH M ỤC HÌNH

Hình 1.1 Một số bạc lót làm từ hợp kim kẽm nhôm 1

Hình 2.1 Giản đồ pha Zn – Al 11

Hình 2.2 Ảnh hưởng của tạp chất đến độ cứng của kẽm 13

Hình 2.3 Lò trung tần 50Kg 23

Hình 2.4 Lò trung tần 250 Kg 23

Hình 2.5 Lò nung quy mô phòng thí nghiệm 24

Hình 2.6 Lò nung quy mô mở rộng 25

Hình 3.1 Rót hợp kim trung gian Al-Mg 5 ra khuôn 27

Hình 3.2 Bản vẽ bạc lót trục cán của máy cán 300 28

Hình 3.3 Bản vẽ khuôn gang đúc bạc lót máy cán 300 29

Hình 3.4 Ruột khuôn 30

Hình 3.5 Sơ đồ công nghệ dự kiến 31

Hình 4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện đến hiệu suất thu hồi hợp kim Error! Bookmark not defined. Hình 4.2 Ảnh hưởng thời gian nấu đến hiệu suất thu hồi hợp kim 35

Hình 4.3 Ảnh hưởng của hàm lượng VZ-DPL đến hiệu suất thu hồi hợp kim 39 Hình 4.6 Mẫu ủ 46

Hình 4.7 Tổ chức tế vi của SAM 15: (a),(c) trước khi ủ và (b), (d) sau khi ủ 47

Hình 4.8 Sản phẩm bạc lót máy cán 300 48

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và tính chất cơ học của hợp kim kẽm 3

Bảng 2.1 Những thông số đặc trưng của các nguyên tố tạo hợp kim 15

Bảng 4.1 Hiệu suất thu hồi các nguyên tố hợp kim.Error! Bookmark not defined Bảng 4.2 Hiệu suất thu hồi của các nguyên tố sau thí nghiệm 35

Bảng 4.3 Hiệu suất thu hồi của các nguyên tố sau thí nghiệm 38

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến chất lượng sản phẩm 40

Bảng 3.6 Cơ tính của hợp kim SAM 15 sau khi ủ 46

Chương 1

M Ở ĐẦU

1.1 Gi ới thiệu chung

Mặc dù hiện nay các hợp kim đồng làm bạc vẫn thống trị trên thế giới nhưng trong khoảng ba thập kỉ qua ngày càng có nhiều bài báo đến từ nhiều nước trên thế giới đưa ra các kết quả nghiên cứu thay thế hợp kim đồng làm bạc bằng hợp kim kẽm nhôm có độ cứng tương đương với các hợp kim đồng, độ chịu mài mòn có thể so sánh với hợp kim chì hoặc thiếc [1]

Hình 1.1 Một số bạc lót làm từ hợp kim kẽm nhôm

Ý tưởng sử dụng hợp kim kẽm nhôm thay thế cho hợp kim đồng không phải là mới, từ giai đoạn chiến tranh thế giới thứ hai người Đức đã chế tạo hợp kim kẽm nhôm (với khoảng 30% Al) để làm bạc lót thay thế cho hợp kim đồng [2] Tuy nhiên đến tận những năm 70 và thập niên 80 hợp kim này mới phát triển mạnh với sự ra đời của tổ chức lớn nhất thế giới chuyên nghiên cứu về hợp kim kẽm là The International Lead Zinc Research Organization (ILZRO) [3] Trong nhiều năm gần đây tại các nước Úc, Canada và Châu Âu các hợp kim

kẽm nhôm mà đặc biệt là mác ZA12 và ZA27 được biết đến như những vật liệu

tốt nhất để làm bạc với tuổi thọ làm việc cao có thể tương đương với các mác Bronze của Mỹ như SAE 660, SAE 64, SAE 40 [4] Ngay cả Mỹ quốc gia chuộng sử dụng Bronze nhất trên thế giới cũng đã nhận ra những thế mạnh về

tuổi thọ làm việc cao và khả năng làm việc trong môi trường ít bôi trơn của hợp kim kẽm nhôm, các mác hợp kim kẽm nhôm Zn-8, Zn-12, Zn- 27 [5] được sử dụng nhiều và hứa hẹn là vật liệu làm bạc rẻ tiền thay thế Bronze trong một tương lai không xa

Tại cộng hòa liên bang Nga một cường quốc về đúc luyện kim của thế

giới hợp kim hợp kim kẽm nhôm được sử dụng làm bạc lót cho các máy cán thép từ rất sớm Trong công nghiệp thường sử dụng các mác hợp kim kẽm nhôm như ЦAM 4-1, ЦAM 2-5, ЦAM 10-2, ЦAM 10-5, ЦAM 15 ( SAM 15) theo tiêu chuẩn của Nga [6] Trong đó kẽm nhôm là các nguyên tố hợp kim chính ngoài ra còn có đồng hoặc magie hoặc cả đồng và magie giúp tăng cơ tính cho hợp kim

Các mác hợp kim kẽm nhôm này có cơ tính tương đương các loại bạc trục chế tạo bằng đồng thanh và có khả năng chịu mài mòn tốt, tuổi thọ làm việc cao nhưng giá thành các hợp kim kẽm rẻ hơn hợp kim đồng do giá kẽm kim loại chỉ

bằng 25% - 30% giá đồng kim loại, nấu luyện nhiệt độ thấp hơn, chi phí chế tạo thấp hơn và sản phẩm đúc dễ gia công cơ khí hơn so với hợp kim đồng thanh [7]

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và tính chất cơ học của hợp kim kẽm

σb, KG/mm2

Độ dãn dài tương đối

δ , %

Độ cứng

HB, KG/mm2

Lĩnh vực ứng dụng

Al Cu Mg Zn

ЦAM 0,2-4 0,

2 4 -

Còn lại 30-36

25 –

30 80-90

Cho ép, cán kéo các chi tiết cho máy cán kéo

Bảng 1 nêu ra các mác hợp kim Kẽm – Nhôm theo ГOCT.7117-62 [8] Cũng trong bảng 1 chỉ ra rằng ЦAM 15 (SAM 15) là mác hợp kim không chứa đồng duy nhất so với các mác còn lại và có độ dãn dài tương đối nhỏ nhất nhưng độ cứng và độ bền kéo cao nhất là các thuộc tính tốt để làm bạc lót cho các máy cán thép làm việc với tải trọng lớn Không chỉ ở Nga mà ở nhiều nước công nghiệp trên thế giới như cộng hòa Séc, Nhật Bản sử dụng SAM 15 làm bạc

chịu mài mòn cho trục cán thép Các máy cán thép loại nhỏ của Nhật tại công ty

cổ phần cơ khí Luyện kim – SADAKIM có bạc trục bằng hợp kim kẽm nhôm SAM 15

Ở Việt Nam hiện nay, theo thống kê sơ bộ rất nhiều nhà máy cán thép sử dụng các máy cán thép của Nga, Tiệp Khắc cũ và Nhật có nhu cầu lớn sửa chữa thay thế bạc lót trục cán bị hỏng, bị mòn hoặc đã hết thời gian làm việc Giải pháp thường thấy để thay thế các bạc lót này có thể như là thay thế bằng bạc lót bằng các mác hợp kim thông thường để làm bạc như hợp kim đồng đúc Cu15Pb8Sn, Cu6Pb6Sn3Fe, Cu9Al4Fe, Cu11Al4Fe4Ni [9] Đây là các mác hợp kim sẵn có trên thị trường trong nước nhưng giá thành còn cao, hiệu quả làm

việc thấp do không phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của các máy cán Một

số đơn vị tìm cách đặt mua bạc lót bằng mác hợp kim đúng, hoặc tương đương với các mác hợp kim của bạc lót nguyên bản ban đầu các máy cán ngoại nhập, trong đó có mác hợp kim chịu mài mòn kẽm nhôm SAM 15 dùng cho các máy cán thép loại nhỏ của Nhật

Trong nước chưa có công trình nào nghiên cứu hợp kim chịu mài mòn kẽm nhôm SAM 15 Từ các thông tin ở các nhà máy, xí nghiệp cán thép đặc biệt

là ở khu vực phía Nam nhu cầu sử dụng bạc trục máy cán bằng mác hợp kim này rất lớn

Một số doanh nghiệp phải gửi mẫu và đặt mua ở nước ngoài dẫn đến sự tốn kém về kinh tế và phụ thuộc vào các đối tác bên đó Nhu cầu thực tế rất cấp

tương đối, độ cứng HB, cấu trúc của kim loại, công nghệ nhiệt luyện ) nhằm thay thế các sản phẩm ngoại nhập đưa ra được quy trình công nghệ sản xuất phù

hợp với điều kiện ở Việt Nam và thân thiện với môi trường, hướng tới mục tiêu cung cấp cho thị trường trong nước và nhiều hơn cả là thị trường phía Nam

Công ty cổ phần cơ khí luyện kim SADAKIM – Biên Hòa – Đồng Nai đã gửi mẫu gỗ bạc trục cán và mẫu bạc trục của nước ngoài yêu cầu Viện KH&CN

Mỏ Luyện kim chế tạo cho một bộ bạc trục hợp kim kẽm nhôm

Với tình hình thực tế nêu trên, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Công Thương do nhóm nghiên cứu đề xuất là rất cấp thiết có tính ứng dụng cao

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Hợp kim chịu mài mòn hệ kẽm nhôm SAM 15 được sử dụng nhiều làm

bạc lót cho máy cán thép Trong năm 2012 công ty cổ phần Cơ khí Luyện kim SADAKIM đã gửi công văn tới Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim yêu cầu được hợp tác nghiên cứu chế tạo một bộ bạc trục cán từ hợp kim SAM

15 để thay thế bạc trục cán của các máy cán thép loại nhỏ nhập ngoại của công ty

Với tình hình trên đề tài:“Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim chịu mài mòn hệ

kẽm nhôm để sản xuất bạc trục cán” ra đời và thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Nghiên cứu công nghệ nấu luyện tạo mác hợp kim SAM 15

- Nghiên cứu công nghệ đúc bạc lót trục cán từ hợp kim SAM 15

- Ứng dụng dùng thử sản phẩm cho máy cán 300 tại công ty cổ phần Cơ khí Luyện kim SADAKIM và đánh giá chất lượng sản phẩm

Để thực hiện các nhiệm vụ trên đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Thông tin từ các tài liệu tham khảo, nghiên cứu tổng quan lý thuyết và công nghệ nấu luyện, công nghệ đúc chế tạo

- Phân tích hóa học với đối tượng nghiên cứu đánh giá chất lượng sản phẩm

- Từ các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tiến hành thí nghiệm qui mô mẻ lớn và áp dụng sản xuất thực tế

Kết quả nhóm nghiên cứu đã đạt được trong đề tài này là:

- Có được tổng quan lý thuyết nêu lên được bản chất của vật liệu SAM 15

- Đưa ra qui trình công nghệ nấu luyện hợp kim SAM 15 và đúc chế tạo bạc trục cán từ vật liệu này

- Có được sản phẩm là 02 bộ bác lót máy cán và được áp dụng chạy thử tại công ty cổ phần Cơ khí Luyện kim SADAKIM trong thời gian 02 tháng và được đánh giá cao về chất lượng sản phẩm

Chương 2

T ỔNG QUAN

2.1 H ợp kim chịu mài mòn để chế tạo bạc lót

2.1.1 H ợp kim trên cơ sở thiếc và chì

Hợp kim của thiếc và chì được gọi là bacbit có khả năng chịu mài mòn tốt [10] Bacbit được chia thành các nhóm sau:

- Bacbit thiếc, là hợp kim trên cơ sở thiếc (ƃ 83 và ƃ 89)

- Bacbit chì là các hợp kim ổ trục trên cơ sở chì (ƃ C, ƃ K )

- Bacbit chì – thiếc là các hợp kim trên cơ sở chì và thiếc (ƃ 16, ƃ G, T)

Để pha chế tạo mác hợp kim trên cơ sở thiếc và chì cần chú ý tới hai điều

200 C lên 1500 C, độ bền các hợp kim này giảm xuống khoảng hai lần Về mặt kinh tế, Sn là kim loại đắt hiếm

- Bacbit ƃ 89: Thành phần hóa học gồm có 7,7 % Sb; 3 % Cu; Sn còn lại

Tổ chức hợp kim này gồm nền α là dung dịch rắn trên cơ sở Sn có hòa tan

Cu và Sb Đây là pha mềm, dai, có độ bền mỏi tương đối lớn

- Bacbit ƃ 83 có thành phần hóa học 11 % Sb; 6 % Cu; Sn còn lại Bacbit ƃ

83 có độ cứng cao hơn ƃ89 nhưng độ dẻo và độ dai va đập nhỏ hơn

b Bacbit chì:

Là hợp kim trên cơ sở chì với hàm lượng thiếc rất ít hoặc không có thiếc Thành phần nguyên tố chủ yếu trong bacbit chì gồm Sb, Ca và Na [12] Ưu điểm của bacbit chì so với bacbit thiếc là về mặt kinh tế chì rẻ hơn thiếc khoảng 10 lần nhưng quá trình nấu luyện lại gây độc ảnh hưởng đến môi trường vì chì là nguyên tố có hại

Một số bacbit chì thông dụng là ƃ C, ƃ K, ƃ K2

c Bacbit chì - thiếc:

Thành phần chủ yếu của bacbit này gồm các nguyên tố sau Pb - Sn – Sb –

Cu [13] Ngoài ra, trong một số trường hợp người ta có thể thêm Ni, Te , Cd và

As Một số bacbit chì - thiếc thông dụng:

- Bacbit ƃ T: Hợp kim này có hàm lượng Sb nhiều hơn Sn Pha mềm là nền

α, pha cứng chủ yếu là pha SnSb ƃ T có thể thay thế ƃ 83 để chế tạo các ổ trục chất lượng tốt

- Bacbit ƃ H: Có độ bền, độ cứng xấp xỉ ƃ 16, độ dẻo cao hơn, khả năng

chống mài mòn tốt hơn

- Bacbit ƃ 6: Có hàm lượng Sn nhỏ, hợp kim này có tính chất tương tự hai

hợp kim trên

2.1.2 Hợp kim trên cơ sở đồng

Trong sản xuất hợp kim đồng chịu mài mòn được dùng làm bạc rất tốt Các mác hợp kim thông dụng của đồng để làm bạc hiện nay có thể kể đến như Cu9Al4, Cu10Al4Fe4Ni4, CuPb15Sn8, CuPb6Sn6Fe3, CuAl9Fe4 [14] Đây là các hợp kim có độ cứng cao trên 170 HB Nhược điểm của hợp kim đồng là giá

2.1.3 Hợp kim trên cơ sở kẽm

Sau sắt, nhôm, đồng kẽm là kim loại thứ 4 hay được sử dụng nhất Kẽm,

về một phương diện nào đó, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion của chúng có bán kính giống nhau và có trạng thái oxi hóa thông thường duy nhất là +2 Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền Quặng kẽm được khai thác nhiều nhất là khoáng sphalerit, một loại sulfua kẽm [15] Những mỏ khai thác lớn nhất nằm ở Úc, Canada và Hoa Kì Sản xuất kẽm bao gồm tuyển nổi quặng, thiêu kết, và cuối cùng là chiết tách bằng dòng điện

Kẽm có tính ổn định chống ăn mòn khá cao trong khí quyển Do đặc tính này,

nó được dùng để mạ, phủ và trang trí [16]

Trên thế giới, hợp kim kẽm vẫn được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu

và khai thác ứng dụng của nó trên nhiều lĩnh vực, đặc biệt là các hợp kim kẽm nhôm được dùng làm vật liệu chịu mài mòn rất tốt Các hợp kim kẽm nhôm nhìn chung có nhiệt độ nóng chảy thấp nên được dùng chế tạo các vật có hình dạng nhỏ và phức tạp do dễ tạo hình Hợp kim Prestal chứa 78 % kẽm và 22 % nhôm có độ cứng gần bằng thép nhưng lại dẻo như nhựa giúp chúng có thể được đúc dễ dàng ngay cả trong các khuôn sứ và xi măng Các hợp kim của kẽm nhôm khi thêm một lượng nhỏ chì có thể cán nguội thành các tấm được dùng trong xây dựng và vật liệu kết cấu [17] Một số ưu điểm của hợp kim kẽm đúc

có thể kể đến như sau:

- Hợp kim kẽm đúc có độ bền cao với thuộc tính tự bôi trơn trong quá trình làm việc, ổn định thành phần thích hợp dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong cơ khí chẳng hạn như làm các bạc lót

- Khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện cao khiến cho hợp kim kẽm đúc là sự lựa

chọn lý tưởng để chế tạo các bộ tản nhiệt, các linh kiện điện tử

- Hợp kim kẽm đúc được nấu luyện ở nhiệt độ thấp do đó chi phí đúc thấp,

ít tốn năng lượng Độ chảy loãng cao dễ đúc trong cả khuôn kim loại, khuôn cát, khuôn graphit và khuôn thạch cao

- Dễ tạo hình khi đúc, giúp giảm thiểu chi phí gia công sau đúc

- Độ bền và độ dai va đập cao hơn nhiều so với hợp kim nhôm đúc hay nhựa

hoặc gang xám

- Độ cứng cao hơn so với các loại nhựa kĩ thuật

- Hợp kim kẽm đúc có khả năng chống đánh lửa phù hợp với các chi tiết lắp

đặt ở các vị trí nguy hiểm như trong mỏ than, tàu chở dầu và các nhà máy

lọc dầu [18]

- Kẽm kim loại không độc, so với nhôm hợp kim kẽm dễ tái chế, sạch cho

môi trường

Cùng với hợp kim trên cơ sở chì và thiếc, hợp kim trên cơ sở kẽm từ lâu đã

được nghiên cứu làm vật liệu ổ trục Thành phần chủ yếu trong các hợp kim này

gồm kẽm, nhôm, đồng So với bacbit thiếc, bacbit kẽm có độ cứng, độ bền cao

hơn nhưng độ dẻo kém hơn, hệ số ma sát lớn hơn, hệ số dãn nở nhiệt cũng cao

hơn Về mặt kinh tế Zn là kim loại rẻ tiền và không hiếm, dễ chế tạo do nhiệt độ

nóng chảy thấp [19]

2.2 Hợp kim kẽm chịu mài mòn

2.2.1 H ợp kim kẽm nhôm

Giản đồ pha hai cấu tử Zn- Al được trình bày như hình 2 Dung dịch rắn β trên

cơ sở kẽm hòa tan nhôm với lượng nhỏ Ở 3820 C lượng nhôm hòa tan trong β

khoảng 1,1 % Tại 3820 C ứng với hàm lượng 5% Al xảy ra phản ứng cùng tinh:

L -> ( β + α ) (1)

Pha α nhận được do phản ứng cùng tinh trên có nồng độ 79% Zn Làm

nguội nhanh có thể giữ nồng độ quá bão hòa này trong α ở nhiệt độ thường

Trong trường hợp nguội chậm sẽ xảy ra phản ứng cùng tích:

α -> [α1 + β ] (2)

α1 có thành phần 27 % Zn

Hình 2.1 Giản đồ pha Zn – Al

Phản ứng (2) kèm theo hiệu ứng thay đổi độ cứng, điện trở và đặc biệt là kích thước chi tiết Cụ thể phản ứng (2) làm giảm chất lượng của hợp kim Để tránh nó, người ta hợp kim hóa thêm Mg với hàm lượng không lớn hơn 0,1 % Lúc này quá trình hóa già bị ngăn cản, đồng thời độ bền của hợp kim tăng lên Tuy nhiên, trong trường hợp hàm lượng vượt quá 0,2 % Mg sẽ gây tác dụng xấu thúc đẩy quá trình tự hóa già [20]

2.2.2 H ợp kim kẽm nhôm đồng

Các hợp kim ba cấu tử hệ Zn – Cu – Al có xu hướng tự hóa già khi làm

việc ở nhiệt độ thường Tốc độ hóa già khác nhau phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố hợp kim Ở một số hợp kim, do tốc độ hóa già rất nhỏ, chất lượng chi tiết hầu như không bị ảnh hưởng trong quá trình làm việc Nhưng ở một số hợp kim khác , hiện tượng hóa già xảy ra với tốc độ lớn, có thể sẽ làm cong vênh chi

tiết và gây phế phẩm [21]

Cũng giống như các hợp kim hệ Zn – Al, trong hợp kim ba cấu tử, để cản trở quá trình tự hóa già, người ta hợp kim hóa thêm Mg với hàm lượng khoảng 0,05%

Trường hợp hàm lượng vượt quá 0.2%, Mg sẽ gây tác dụng xấu, thúc đẩy quá trình tự hóa già

Các tạp chất Fe,Sn, Pb, Cd, v.v làm giảm chất lượng hợp kim Zn [22]

2.2.3 H ợp kim kẽm nhôm magie

Al và Zn đều là các nguyên tố có độ hòa tan tương đối lớn trong magie

Độ hòa tan cực đại của Al trong Mg khoảng 12,7%, còn Zn khoảng 8,4%

Khi tan trong Mg, Al và Zn gây hóa bền dung dịch rắn tương đối mạnh

Độ hòa tan của các nguyên tố này trong Mg giảm xuống khi hạ nhiệt độ Với đặc điểm này, các hợp kim hệ Mg – Al – Zn có thể nhiệt luyện hóa bền

Đối với hợp kim kẽm nhôm magie, hàm lượng nhôm nếu vượt quá giới hạn sẽ làm giảm độ dẻo của hợp kim ở cả trạng thái nóng và nguội Nhôm gây ảnh hưởng xấu đến tính ổn định chống ăn mòn và khi tăng hàm lượng nhôm, xu hướng ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất tăng lên Kẽm vừa hóa bền vừ tăng độ dẻo của hợp kim Khi vượt qua một giới hạn cho phép nào đó, kẽm sẽ làm độ dẻo công nghệ của magie

Đối với tính ổn định chống ăn mòn, kẽm hầu như không ảnh hưởng Người ta thường đưa thêm vào hợp kim Mg – Al – Zn một lượng nhỏ mangan

để cải thiện khả năng chịu đựng môi trường hoạt tính [23]

2.2.4 Hợp kim chịu mài mòn hệ kẽm nhôm ЦAM 15 ( SAM 15)

SAM 15 là hợp kim chịu mài mòn trên cơ sở kẽm thành phần có 15% Al

và một lượng rất nhỏ Mg (khoảng 0,05 %) Với hai nguyên tố hợp kim chính là

Zn và Al, để hiểu rõ hơn về tính chất hợp kim trước tiên ta tìm hiểu giản đồ pha của hai nguyên tố này

Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến thành phần hợp kim SAM 15 được thể hiện ở hình 2.2

Hình 2.2 Ảnh hưởng của tạp chất đến độ cứng của hợp kim kẽm

Thành phần chủ yếu của SAM 15 là kẽm (85%) vì thế các nguyên tố tạp chất ảnh hưởng đến hợp kim chủ yếu ảnh hưởng đến kẽm trong hợp kim Kẽm thường được biến dạng nóng ở khoảng nhiệt độ từ 130 ÷ 1700 C Các tạp chất thường gặp trong kẽm là: Fe, Pb, Cd, Sn Trong số các tạp chất, sắt là nguyên tố

có ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ kết tinh lại của kẽm Sắt làm tăng độ cứng nhưng giảm độ bền của kẽm Trong khi đó, chì, thiếc, cađimi tạo với kẽm cùng tinh dễ chảy Do vậy các tạp chất này làm cho kẽm bở nóng Ngoài ra, Cd còn tăng tính hàn cho hợp kim kẽm Nếu trong kẽm tồn tại đồng thời cả chì và thiếc thì xu hướng bở nóng thể hiện càng mạnh Đối với Cu thì làm tăng độ cứng của

Zn và ảnh hưởng đến độ dẻo của kẽm cũng như khả năng chống ăn mòn [24] As

là nguyên tố gây hại nhất cho hợp kim kẽm, một lượng nhỏ As cũng có thể làm cho kẽm giòn [25]

Kẽm là nguyên tố có điện thế điện cực thấp (- 0,76 v) Các tạp chất có điện cực dương hơn như chì làm tăng tốc độ ăn mòn kẽm Chính vì vậy các hợp kim làm bản kẽm trong kĩ thuật in thường được hợp kim thêm khoảng 1% chì

Kẽm sạch có tính ổn định ăn mòn cao là nhờ lớp oxyt tạo ra trên bề mặt có tính bảo vệ tốt Ngoài ra, để nâng cao chất lượng hợp kim có thể cho thêm một lượng nhỏ Mg Hợp kim của kẽm với đồng, nhôm và magie được ứng dụng nhiều trong công nghiệp sản xuất ô tô Hợp kim của kẽm nhôm được dùng chế tạo các

bạc lót, bạc trục một số máy móc cơ khí do có cơ tính tốt khả năng chịu mài mòn cao [26]

Đối với hợp kim Zn biến dạng có tổ chức ở nhiệt độ thường giống như các hợp kim kẽm đúc Điều đặc biệt cần chú ý, ở một số hợp kim kẽm biến

dạng, hàm lượng nhôm được tăng lên khá lớn (tới 15%) Sau khi gia công biến

dạng cơ tính của chúng đạt gần xấp xỉ cơ tính của Latong (hợp kim Cu – Zn) Nói chung, tạp chất trong hợp kim kẽm biến dạng nhỏ hơn trong hợp kim đúc [27]

2.3 Công ngh ệ chế tạo hợp kim kẽm chịu mài mòn SAM 15

2.3.1 Công ngh ệ nấu luyện hợp kim kẽm.

Để sản phẩm đúc có chất lượng cao đáp ứng các chỉ tiêu cơ lý tính, cần phải đảm bảo tỉ lệ thành phần hóa học của hợp kim (hạn chế các tạp chất có hại như oxyt, nitrua, khí hòa tan và các kim loại khác) Áp dụng hệ thống nấu đúc

hiện đại và hệ thống khuôn đúc hợp lý Hợp kim Zn có nhiệt độ nóng chảy thấp nên việc nấu chảy khá dễ dàng, thường được nấu trong lò cảm ứng trung tần, lò điện trở, lò phản xạ đốt than…

Phương pháp nấu luyện lò cảm ứng thuận lợi hơn cả Do dễ dàng điều khiển được nhiệt độ nên dễ tạo mác hợp kim với chất lượng và hiệu suất cao, cải thiện điều kiện lao động và tiêu hao trợ dung ít [28]

a Trợ dung

Nấu luyện hợp kim Zn và Al trong lò phản xạ, lò cảm ứng trung tần đều

phải sử dụng chất che phủ để giảm cháy hao nguyên liệu Trợ dung được sử

dụng cho nấu luyện hợp kim kẽm thường là chất tinh luyện và khử khí VZ –DPL và chất tách xỉ kẽm VZ – DPH

b Công ngh ệ nấu luyện hợp kim kẽm nhôm (SAM 15)

Trong thành phần hợp kim SAM 15 ngoài kẽm là kim loại nền còn có các nguyên tố hợp kim hoá khác: Al, Mg

Để xác định được công nghệ nấu luyện hợp kim cần phải biết một số thông

số đặc trưng của các nguyên tố tạo nên hợp kim này

Bảng 2.1 Những thông số đặc trưng của các nguyên tố tạo hợp kim

Nguyên tố Nhiệt độ chảy

( 0 C )

Nhiệt độ sôi ( 0 C )

Tỷ trọng (g/cm3)

- Kim loại nền nấu chảy trước

- Các nguyên tố hợp kim hoá đưa vào theo thứ tự: nguyên tố khó chảy đưa vào trước, dễ chảy sau

- Khi nhiệt độ chảy và tỷ trọng của kim loại nền và kim loại hợp kim hoá quá chênh lệch thì phải sử dụng hợp kim trung gian: kim loại nền – kim

loại hợp kim hoá [29]

- Khi hàm lượng kim loại hợp kim hoá trong trong hợp kim cần nấu quá nhỏ cũng phải đưa vào dưới dạng hợp kim trung gian ví dụ hợp kim trung gian:Al-Mg

Trong thành phần hợp kim nghiên cứu có khoảng 15% Al, 0.05 % Mg Nếu sử dụng các nguyên tố ở dạng kim loại sạch thì có giá thành cao và khi nấu

sẽ khó đồng đều hoá thành phần Mặt khác, khi nấu Mg ở dạng kim loại sẽ có

hiện tượng cháy hao nhiều Vì vậy, cần phải nấu một số hợp kim trung gian

chứa các thành phần đó Đề tài sẽ nấu hợp kim trung gian Al5Mg (5 % Mg)

Theo các nguyên tắc trên, cần phải đưa kẽm vào nấu chảy trước sau đó cho nhôm kim loại rồi mới đến các hợp kim trung gian như Al5Mg Ta không cho hợp kim trung gian Al5Mg trước vì dù cho vào ở dạng hợp kim trung gian nhưng Mg vẫn bị cháy hao làm sai lệch thành phần của hợp kim Để đảm bảo sự đồng đều thành phần của hợp kim khi nấu cũng cần phải khuấy kỹ

2.3.2 Công nghệ đúc

Đúc hợp kim SAM 15 có thể tiến hành bằng các phương pháp đúc khác nhau sử dụng các thiết bị đúc đặc biệt (Xiphon, chân không hoặc áp lực nhờ hệ

thống bơm ly tâm), các loại khuôn khác nhau [30]

Hợp kim SAM 15 có thể đúc được trong khuôn cát và khuôn kim loại Sau đây nêu một số đặc điểm chính của hai loại khuôn [31]

a Đúc trong khuôn cát

Là phương pháp đúc truyền thống, dùng cát là thành phần chính trộn với

chất kết dính thường là đất sét, nước thuỷ tinh theo tỷ lệ nhất định tạo khuôn và ruột khuôn [32]

Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ đơn giản, linh động trong việc

trong bất kỳ nhà máy đúc nào cũng đều có Đúc được mọi chi tiết từ đơn chiếc đến số lượng lớn

Nhược điểm của phương pháp này là: tốc độ nguội của kim loại lỏng rất

chậm nên vật đúc thường có rỗ khí, khó tạo được sự đông đặc có hướng và chu

kỳ sản xuất dài Hơn nữa, do tốc độ nguội chậm nên hạt tinh thể vật đúc thô do

đó cơ tính không cao Vật đúc bằng khuôn cát thường có lượng dư gia công lớn [33]

b Đúc trong khuôn kim loại

Đúc trong khuôn kim loại là một thuật ngữ để chỉ một phương pháp sản xuất vật đúc bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn bằng kim loại Khuôn bằng gang, đúc hợp kim màu có thể dùng tới 10.000 lần rót, trung bình tuổi thọ của khuôn khoảng từ 3000 đến 5000 lần rót [34] So với dùng khuôn cát, dùng khuôn kim loại để đúc có nhiều ưu điểm tốt hơn:

- Khuôn sử dụng được nhiều lần, chu kỳ sản xuất ngắn

- Độ sạch và độ chính xác của vật đúc được nâng cao đáng kể, điều này làm

giảm lượng gia công cơ khí, nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, nâng cao năng suất lao động, dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động

tốt

Nhược điểm: chế tạo khuôn kim loại phức tạp, đắt tiền, khó đúc những vật thành mỏng và hình dáng phức tạp, quy trình công nghệ phải chặt chẽ

Thực tế khuôn kim loại được dùng nhiều để sản xuất đúc hàng loạt lớn

những chi tiết đơn giản bằng hợp kim kẽm và các hợp kim màu khác (thành dày

có thể từ 3 ÷ 100 mm)

Kỹ thuật đúc trong khuôn kim loại người ta quan tâm nhiều đến chế độ nhiệt của khuôn Điều khiển được chế độ nhiệt hợp lý tức là khống chế tốc độ nguội của vật đúc tạo được tổ chức hợp kim mong muốn Khuôn kim loại

thường làm bằng gang xám, thép cacbon, thép hợp kim hoặc khuôn hợp kim đã qua anôt hoá Ruột khuôn làm bằng kim loại hoặc bằng cát

Chiều dày thành khuôn là một thông số quan trọng Khuôn dày thì khả năng làm nguội lớn Sơn khuôn làm bằng bột chịu lửa như samôt, mazezit, grafit, thạch anh cũng là biện pháp tốt để giảm tốc độ nguội, chống va đập nhiệt, tăng tuổi thọ khuôn Khi đúc phải nung nóng khuôn khoảng 1000 C ÷

1500 C để giảm bớt tốc độ nguội và tránh nứt khuôn Nhiệt độ khuôn, nhiệt độ kim loại lỏng khi rót và nhiệt độ vật đúc đều là những thông số cần thiết, cần phải khống chế [35]

đó làm thay đổi tính chất của kim loại và hợp kim theo phương hướng đã chọn trước [36]

Để nâng cao cơ tính của hợp kim SAM 15 sau đúc ta có thể tiến hành gia công nhiệt luyện dựa trên đặc tính hình thành dung rắn bão hòa và quá trình phân hóa nó tiếp theo để tạo ra các pha phân tán hóa bền Với mác hợp kim này

ta chọn chế độ nhiệt luyện là tôi và hóa già để nâng cao cơ tính

a Tôi hợp kim kẽm nhôm

Tôi là quá trình nhiệt luyện gồm nung nóng hợp kim lên tới nhiệt độ có

trạng thái pha nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội đủ nhanh để quá trình khuếch tán không kịp xảy ra, kết quả của tôi nhận được một tổ chức không cân bằng Tôi hợp kim kẽm là nguyên công rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chi tiết Nhiệt độ phải khống chế rất chính xác vì khoảng nhiệt độ cho phép

Nhiệt độ tôi cao hơn giới hạn trên một lượng nhỏ đã có thể dẫn tới chảy cùng tinh ở biên giới hạt Khi xuất hiện pha lỏng sẽ kèm theo hiện tượng oxy hoá và tạo rỗ xốp Kết quả, chi tiết bị qua nhiệt, độ bền và độ dẻo giảm đáng kể

Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ nung tôi nhằm mục đích hòa tan các phần tử pha

thứ hai vào dung dịch rắn α, nếu chọn nhiệt độ thấp hơn giới hạn dưới thì hiệu qủa hoá bền sẽ giảm vì chưa đạt được độ quá bão hoà cực đại trong α

Tốc độ nguội khi tôi cần đảm bảo đủ lớn Môi trường nguội thông thường

là nước Cần giảm tới mức ngắn nhất thời gian chuyển chi tiết từ lò sang bể tôi

b Hoá già hợp kim kẽm

Hóa già là quá trình xử lý nhiệt luyện các hợp kim sau khi tôi không có chuyển biến thù hình Nội dung chủ yếu của hóa già là quá trình phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa Quá trình hóa già xảy ra do khuếch tán Vì vậy các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau khi hóa già là nhiệt độ, thời gian, bản

chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ chức và đặc tính biến dạng trước khi hóa già, các yếu tố này gây ảnh hưởng đến mức độ, hình thức phân hóa của dung dịch rắn, độ phân tán của các dung dịch tiết ra, hình dạng của chúng và các tổ chức khác [38] Một số yếu tố yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình hóa già là:

- Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già: Nhiệt độ của hệ biểu thị mức dao động của các nguyên tử xung quanh vị trí cân bằng Càng tăng nhiệt

độ, các nguyên tử dự trữ năng lượng càng cao, càng lệch khỏi vị trí cân bằng và quá trình hóa già xảy ra dễ, khi nâng nhiệt độ hóa già các giai đoạn phân hóa

giảm đi ở giai đoạn quá hóa già, tổ chức ứng với pha ổn định Biến đổi tổ chức hợp kim khi hóa già có thể thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ và thời gian một cách thích hợp Ngoài ra các nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ hóa già càng cao, thời gian đạt đến cực đại độ bền càng ngắn Nhiệt độ và thời gian hóa già cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng chống ăn mòn của hợp kim

- Ảnh hưởng của thành phần nguyên tố cơ bản và của lượng nhỏ hợp kim: hàm lượng nguyên tố hợp kim liên quan trực tiếp đến độ bão hòa dung dịc sau khi tôi Độ bão hòa càng lớn, cơ tính hợp kim sau khi tôi càng cao Khi đưa vào

một lượng nhất định các nguyên tố thích hợp nào đó và khống chế chính xác thành phần tạp chất sẽ tăng hiệu quả hóa già

Biến đổi tính chất khi hóa già: khi hóa già, tổ chức hợp kim thay đổi dẫn đến thay đổi tính chất:

+ Thay đổi điện trở: Khi tăng thời gian hóa già, điện trở lúc đầu tăng rất nhanh sau đó tăng chậm lại

+ Sự thay đổi cơ tính khi hóa già: Trong quá trình hóa già, tổ chức không

ngừng thay đổi, do vậy cơ tính cũng thay đổi theo

c Ủ hợp kim kẽm

Ủ nhiệt luyện chia làm hai loại:

- Ủ loại 1 hay là ủ không có chuyển biến pha: Ủ không chuyển biến pha là quá trình nhiệt luyện được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn, sau đó làm nguội chậm (cùng lò) Dạng nhiệt luyện này không làm thay đổi mạng tinh thể, nhằm khắc phục một phần hoặc hoàn toàn các sai lệch

về mạng tinh thể so với trạng thái cân bằng do các dạng gia công khác như đúc, rèn, dập, hàn, nhiệt luyện gây ra, làm giảm ứng suất bên trong, giảm

độ cứng và nâng cao độ dẻo dai của kim loại

- Ủ loại 2 hay là ủ có chuyển biến pha: Đây là quá trình nhiệt luyện gồm có nung kim loại lên cao hơn nhiệt độ chuyển biến pha, giữ nhiệt rồi sau đó làm nguội chậm, do đó làm kết tinh lại, dẫn tới tạo thành pha mới, làm nhỏ

hạt tinh thể, đưa hợp kim về trạng thái cân bằng Thường hóa là một trong các dạng ủ loại 2, chỉ khác là sau khi nung nóng, giữ nhiệt, chi tiết được làm nguội ngoài không khí Do tốc độ nguội lớn hơn so với ủ nên độ hạt peclit nhỏ mịn hơn, do đó cơ tính của vật phẩm sau thường hóa bao giờ cũng cao hơn so với ủ [39]

2.4.4 Một số tính chất của hợp kim SAM 15

Một số tính chất cơ lý của hợp kim SAM 15

Thành ph ần hợp kim :

- Al: 15 %

- Mg: 0,05 %

- Zn còn lại

Tính ch ất cơ lý của hợp kim SAM 15

- Điểm giới hạn trên : 4330 C

- Khối lượng riêng: 5,75 g/cm3

- Độ dẫn nhiệt: 0,25 cal/ cmsđộ

Cơ tính của hợp kim SAM 15:

- Giới hạn bền kéo: 460 MPa

- Độ dãn dài tương đối: 5 ÷ 8 %

- Độ cứng 105 ÷ 110 KG/mm2

- Magie kim loại >99,9% Mg

- Các muối trợ dung, chất tạo xỉ, chất khử khí (VZ-DPL, VZ-DPH)

- Các muối dùng để nấu luyện hợp kim trung gian Al5Mg là NaCl, KCl, Na3AlF6, CaCl2 [40]

3.2 Thi ết bị thí nghiệm

- Lò cảm ứng trung tần do Trung Quốc sản xuất 50 Kg/mẻ

Hình 2.3 Lò trung tần 50Kg

- Lò cảm ứng trung tần do Trung Quốc sản xuất 250 Kg/mẻ

Hình 2.4 Lò trung tần 250 Kg

- Lò điện trở có nhiệt độ 800 ÷ 9000 C

- Đồng hồ, can nhiệt đo nhiệt độ

- Nồi rót Graphit

- Khuôn các loại

- Thiết bị ủ: Ủ hợp kim trong lò múp có giới hạn giao động nhiệt là ± 100 C, nhiệt độ tối đa là 10000 C tại phòng thí nghiệm Công nghệ Vật liệu của viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

Lò nung mẫu quy mô thí nghiệm:

+ Lò có công suất 1,2kw

+ Nhiệt độ nung 0 ÷ 10000 C

Hình 2.5 Lò nung quy mô phòng thí nghiệm

b Lò nung quy mô mở rộng

+ Công suất lò 3kw,

+ Nhiệt độ nung 0 ÷ 13000 C