Nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ hoá bền tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si và khả năng ứng dụng

Nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ hoá bền tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si và khả năng ứng dụng

Trường đại học Bách khoa Hμ nội

-

Nguyễn Khắc Thông

Đề tμi Nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ hoá bền tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si vμ

liÖu, tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi

TËp thÓ h−íng dÉn khoa häc:

GS TS NguyÔn Kh¾c X−¬ng PGS TS NguyÔn V¨n Chi

Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi

Sè 1 §¹i Cå ViÖt – Hµ Néi Vµo håi 9.00 giê ngµy 23 th¸ng 12 n¨m 2006

Cã thÓ t×m hiÓu luËn ¸n t¹i Th− viÖn kü thuËt Quèc Gia

Th− viÖn Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi

4 NguyÔn Kh¾c Th«ng, NguyÔn V¨n Chi

§éng häc tiÕt pha khi ho¸ giµ hîp kim Al-Mg-Si T¹p chÝ

Tóm tắt luận án Tính cấp thiết của đề tài

Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao,

có tính hàn tương đối tốt, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và chống ăn mòn tốt, trong một số trường hợp là vật liệu không thể thay thế Hiện nay trên thế giới nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng (HKNBD) đã được sản xuất hàng loạt phục vụ cho xây dựng công trình, công nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo các loại máy bay, tên lửa, ra đa, ống phóng, khớp nối v.v hay các thiết bị quân sự khác

ở Việt Nam một số mác HKNBD đã được Viện công nghệ thuộc Bộ công nghiệp, Viện công nghệ Bộ quốc phòng, Trường

Đại học Bách khoa Hà Nội … nghiên cứu chế tạo và đã có một

số thành công ban đầu Để nâng cao chất lượng sản phẩm và công nghệ sản xuất hàng loạt lớn, việc nghiên cứu cần phải được

đầu tư tiếp tục có liên quan tới nhiều vấn đề như: thành phần hóa học, động học chuyển pha: kết tinh từ pha lỏng, tiết pha từ dung dịch rắn quá bão hòa; công nghệ hoá bền, nhiệt luyện và cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng v.v

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ hóa bền tổng hợp cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si và khả năng ứng dụng

Nghiên cứu được tiến hành theo các nội dung sau:

1) Nghiên cứu động học tiết pha khi hóa già, xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim nhôm Al-Mg-Si

2) Tối ưu hóa công nghệ hóa bền tổng hợp cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm Al-Mg-Si bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

3) Từ các kết quả nghiên cứu ứng dụng vào thực tế tại Liên hiệp Khoa học sản xuất - Cơ điện

Điểm mới của luận án

Cơ chế động học và năng lượng sinh mầm tiết pha khi hóa già hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si đã được nghiên cứu bằng phương pháp đo cơ tính kết hợp với các phương pháp bổ trợ khác: phân tích nhiễu xạ Rơnghen, phân tích nhiệt vi sai, hiển vi quang học và SEM Kết quả đã chỉ ra rằng, pha giả ổn

định β’ tạo ra khi phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà α theo cơ chế sinh mầm từ đầu, có dạng kim và gây hoá bền cực đại khi hoá già Điều này tạo cơ sở vững chắc cho công nghệ cơ nhiệt luyện mà hiệu ứng hoá bền đạt được thông qua hiệu quả tăng mật độ lệch và phân bố đều tọa độ các nhân tố thuận lợi cho sinh mầm Đã xây dựng được giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của hợp kim nhôm Al-Mg-Si, làm cơ sở dự đoán chuyển biến xảy ra khi cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng

Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời các thông số của quy trình công nghệ cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao: nhiệt độ biến dạng, mức độ biến dạng, nhiệt độ hóa già và thời gian hóa già đến các chỉ tiêu cơ tính bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm: đã áp dụng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington

để xác định quy trình cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng

hệ Al-Mg-Si, đảm bảo tối ưu đồng thời các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo) cho phép có thể ứng dụng tốt vào thực tế sản xuất ở Việt Nam

Bố cục của luận án gồm 4 chương với 162 trang, có 57 hình

vẽ, ảnh minh họa và đồ thị; 38 bảng số liệu, 24 phụ lục

Phần I - Tổng quan Chương 1- Cơ sở lý thuyết

Trong chương 1 đã đề cập các vấn đề sau:

Hình 1.2 là giản đồ pha Al-Mg-Si với các mặt cắt đẳng nhiệt

ở 5500C và 2000C Si và Mg tạo nên pha liên kim loại Mg2Si tương ứng với tỷ lệ khối lượng giữa Mg và Si là 1,73

Ngày nay người ta sử dụng hợp kim Al-Mg-Si với tổng lượng Si và Mg đạt giá trị lớn nhất là 1,5%, trong đó hàm lượng

Si (0,3ữ1,0%) và Mg (0,4ữ 0,9%)

Hình 1.2 Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al-Mg-Si ở 200 0 C (a) và 550 0 C (b)

Al 0,4 0,8 1,2 1,6 Mg

α+ Si α+ Mg2Si+Si

Mg2Si α+ Mg2Si 0,4

Mg2Si α+ Mg 2 Si

α 0,4

0,6 0,8 1,2 1,6 2,0 Si

Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm trong trạng thái đúc

có ảnh hưởng quan trọng đối với tính chất của bán thành phẩm biến dạng Hình dáng, kích thước hạt sự phân bố tạp chất, thiên tích, hiệu ứng tôi từ trạng thái lỏng tác động rất mạnh đến sự

hình thành tổ chức khi biến dạng

Phụ thuộc vào phương pháp gia công và đặc điểm chi tiết, hình dạng, kích thước định hướng các hạt tinh thể sẽ rất khác nhau Sự hình thành trạng thái TEXTUA biến dạng trong hợp kim nhôm được quyết định bởi hệ trượt chủ yếu của nhôm là {111}, <110>, và phụ thuộc vào đặc điểm ứng suất khi gia công biến dạng Đối với các thỏi nhôm ép, quan sát thấy phần lớn các hạt định hướng sao cho phương [111] song song với trục thỏi ép, 5ữ30% các hạt còn lại định hướng phương [100] theo trục của thỏi

Mật độ lệch sau biến dạng trong hợp kim nhôm chịu ảnh hưởng của trượt các lệch hoàn chỉnh vectơ bρ=a/2<110>

, sự hình thành các lệch không hoàn chỉnh Schokley a/6 <112> và hoạt động của nguồn Frank- Read

ở trạng thái ủ mật độ lệch trong nhôm khoảng 107ữ108cm-2 Sau khi biến dạng giá trị mật độ lệch có thể đạt tới 1010 ữ 1011

cm-2 Tổ chức lệch trong hợp kim nhôm phụ thuộc vào trạng thái biến dạng Trong HKNBD nguội tổ chức này có dạng tổ ong, biên giới các ô là các búi lệch, phía trung tâm ô mật độ lệch nhỏ bao gồm các lệch phân bố rời rạc

1.2 Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim nhôm

Phụ thuộc vào thành phần hóa học, hợp kim nhôm có thể hóa bền hoặc không hóa bền bằng nhiệt luyện Hiệu ứng hóa

bền khi nhiệt luyện hợp kim nhôm dựa trên cơ chế tiết pha phân tán biến cứng từ dung dịch rắn quá bão hòa

Theo đặc điểm nhiệt động học của quá trình tiết pha từ dung dịch rắn quá bão hòa, người ta phân chia thành phân hóa Spinodal và phân hóa theo cơ chế sinh mầm và phát triển mầm Phân hóa Spinodal hay gặp trong các hệ có sự phân lớp ở trạng thái rắn, khi ấy mạng tinh thể pha mới và pha ban đầu giống nhau và biến thiên năng lượng của hệ tuân theo điều kiện (δ2F/δC2) < 0 Hợp kim hệ Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co (Cunico), Al-Zn Khi nhiệt luyện sẽ có phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà theo cơ chế Spinodal

Phân hóa theo cơ chế sinh mầm và phát triển mầm

Trong thực tế phần lớn các hợp kim phân hóa dung dịch rắn theo cơ chế sinh mầm và phát triển mầm, phân hóa này xảy ra khi thỏa mãn điều kiện (δ2F/δC2) > 0

Điều quan trọng và có ý nghĩa thực tế lớn là các hợp kim hóa già thông dụng khi phân hóa thường tạo ra pha trung gian Pha mới tiết ra khác pha ban đầu không chỉ về thành phần mà cả kiểu mạng tinh thể nữa

Khi sinh mầm pha mới sẽ xuất hiện đồng thời năng lượng đàn hồi (ΔFđh) và năng lượng bề mặt (ΔFbm), các năng lượng này làm tăng năng lượng của hệ thống và ngăn cản quá trình phân hóa Sự biến thiên năng lượng khi sinh mầm biểu thị bằng công thức:

ΔF = - ΔFv + ΔFbm + ΔFđh (1.9.1) Hoặc ΔF = - VΔfv + Sσ + VΔfđh (1.9.2)

Trong đó:

Δfv - là giá trị năng lượng giảm đi khi sinh mầm pha mới tính trên một đơn vị thể tích; V - Thể tích mầm; σ - là sức căng

bề mặt giữa mầm và pha mẹ; S - là diện tích bề mặt mầm; Δfđh -

là năng lượng đàn hồi tính trên một đơn vị thể tích

Sự thay đổi tổ chức khi hóa già

Hoá già là quá trình chuyển pha khuếch tán Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian hóa 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 hóa già có vai trò rất lớn

Hình dạng và trạng thái tinh thể pha mới phân hóa

Trạng thái hai mạng chuyển tiếp hoàn toàn liên tục (liền mạng hoàn toàn), thường tồn tại ở nhiệt độ tương đối thấp Mạng tinh thể giữa pha mẹ và pha tiết ra có sự chuyển tiếp một phần (liền mạng một phần) lúc này ở một số mặt của mầm pha mới, mạng tinh thể của hai pha đã tách khỏi nhau

Mạng tinh thể của pha mẹ và pha tách ra hoàn toàn độc lập không liền mạng Trạng thái này thường xuất hiện ở thời kỳ muộn hoặc khi phân hóa ở nhiệt độ cao và có ứng suất đàn hồi trên mặt phân cách pha là nhỏ nhất

Các giai đoạn phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa

Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hóa già, đặc tính

động học của quá trình phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa có

ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn rất quan trọng Trên cơ sở hợp kim

Al - 4% Cu, kết quả nghiên cứu sự phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa đã chỉ ra rằng sự thay đổi tổ chức bắt đầu từ việc hình thành các vùng Guinier - Preston (VGP) tiếp theo là sự tạo ra pha θ'' (VGP2), pha θ' và pha θ (CuAl2) Mô hình này là cơ sở

để nghiên cứu cơ chế tiết pha phân tán từ dung dịch rắn quá bão hòa các hợp kim nhôm khác

Sự kết tụ các phần tử tiết ra

Khi xảy ra quá trình tiết pha từ dung dịch rắn quá bão hòa, khối lượng của pha tiết ra 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 mầm

sẽ ngừng lại, tổng thể tích của pha tách ra không thay đổi nhưng

tổ chức của hợp kim chưa ổn định, vì có xu hướng kết tụ các phần tử pha tiết ra làm giảm năng lượng của hệ thống

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hóa già

Hóa già chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Các yếu tố ảnh hưởng mạnh và trực tiếp đến động học hóa già là nhiệt độ, thời gian, thành phần hóa học và tổ chức của hợp kim trước khi hóa già Trong quy trình chế tạo cũng như trong công nghệ gia công các yếu tố này được quan tâm để hiệu chỉnh chất lượng hợp kim

Động học tiết pha khuếch tán tuân theo quy luật được biểu diễn bằng biểu thức

X = 1 - exp (-kt)n (1.11) Trong đó: X - tỷ phần tiết pha, t - thời gian, k - hệ số tốc độ tạo mầm, n - hệ số phụ thuộc vào dạng hình học mầm và điều kiên tạo mầm

Ta có thể xác định được các hệ số k và n dựa vào thực nghiệm đo X, bằng cách viết lại biểu thức (1.11) dưới dạng:

)12.1()

(

phachuyểnthểcótíchthểTổng

phẩmnsả

phatíchThể

=

= f t

X

Với X ở những thời điểm khác nhau có thể xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp kim tương, phương pháp đo độ cứng, và các phương pháp vật lý khác như điện trở, dãn nở hay từ tính, rơnghen Từ các giá trị X tìm được với sự

hỗ trợ của máy tính ta dễ dàng xác định được các hệ số K và n Nếu bằng thực nghiệm xác định được n và K thì có thể dự kiến được những đặc điểm của tiết pha ví dụ dạng hình học,

điều kiện tạo mầm và phát triển mầm

Từ K xác định hoạt năng tiết pha Q bằng biểu thức sau:

Phương pháp thứ hai về mặt kinh tế - kỹ thuật có ưu thế hơn rất nhiều Để thực hiện phương pháp này có thể thông qua các

kỹ thuật làm tăng mật độ lệch; làm nhỏ hạt và siêu hạt; tạo trường ứng suất đàn hồi; hoá bền tiết pha, hoá bền phân tán

)13.1(ln

ln1

1ln

ln

R T d

K d

Chương 2- Cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm hệ Al- Mg- Si 2.1 Bản chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng

Cơ nhiệt luyện: điểm đặc trưng của cơ nhiệt luyện là

chuyển biến pha xảy ra trong điều kiện có mật độ sai lệch mạng tinh thể cao. Tuỳ thuộc vào nhiệt độ biến dạng dẻo, người ta chia cơ nhiệt luyện thành hai dạng: cơ nhiệt luyện nhiệt

độ thấp (Low thermo mechanical treatment - LTMT) và cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao (High thermo mechanical treatment - HTMT)

Cơ nhiệt luyện dược ứng dụng rất rộng rãi cho các hợp kim kim loại, đặc biệt là thép và các hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện Quy trình cơ nhiệt luyện được nghiên cứu theo hướng tối ưu hóa đồng thời các chỉ tiêu của tính chất vật liệu và kết hợp hài hòa trong lưu trình công nghệ tạo hình bán thành phẩm/chi tiết

2.2 Một số phương pháp cơ nhiệt luyện đặc biệt

LTMT với biến dạng ở vùng nhiệt độ thay đổi đột biến cơ

tính B.A Павлор và nhiều tác giả đã xác định rằng độ bền của

hợp kim với năng lượng khuyết tật xếp nhỏ chứa các tạp chất gây xô lệch mạnh mạng tinh thể, sau khi biến dạng dẻo ở các nhiệt độ khác nhau, thay đổi cơ tính theo một quy luật phức tạp bất thường Theo quan điểm này, cơ nhiệt luyện với biến dạng tại các vùng cơ tính thay đổi đột biến sẽ đạt được hiệu ứng hóa bền cao

LTMT với ba chế độ hoá già

Новиков & Захаров đã nghiên cứu và đề xuất quy trình công nghệ gồm biến dạng nguội kết hợp với các chế độ hoá già tự nhiên và hoá già nhân tạo khác nhau Đây là kết quả trên cơ sở xuất phát từ quan điểm là: các đặc tính bền tốt nhất có thể có được đối với các hợp kim nhôm hoá già khi chọn được chế độ gia công thích hợp và tận dụng tất cả các quá trình hoá bền do hoá già tự nhiên (hoá già vùng) hoá già nhân tạo (hoá già pha) và hoá bền biến dạng mang lại

2.3 Đặt vấn đề nghiên cứu

Những nội dung được đề cập khi nghiên cứu gồm:

1 Chế tạo hợp kim nhôm biến dạng Al-Mg-Si trong điều kiện sản xuất của Việt Nam

2 Nghiên cứu động học tiết pha khi hóa già hợp kim Al-Mg-Si

3 Xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim Al-Mg-Si

4 Sử dụng mô hình toán học nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt

độ tôi, nhiệt độ biến dạng, nhiệt độ hoá già, thời gian hoá già, mức độ biến dạng đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Al-Mg-Si

5 Giải bài toán xác định quy trình cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim Al-Mg-Si, đảm bảo tối ưu đồng thời các chỉ tiêu cơ tính bằng hàm nguyện vọng Harrington

6 Nghiên cứu ứng dụng vào thực tế tại Liên hiệp Khoa học sản xuất - Cơ điện chính xác (KHSX- CĐCX)

Phần II - Kết quả thực nghiệm Chương 3 - Chế tạo mẫu và phương pháp nghiên cứu

3.1 Thiết bị thực nghiệm

Lò điện trở công suất, Lò cảm ứng trung tần CT 0,06, máy cán, thiết bị thử kéo SHIMADZU-JAPAN Máy đo độ cứng

Brinen Máy phân tích quang phổ ARL -3460 của hãng FISON Thụy Sĩ Thiết bị chụp ảnh tế vi OLIMPUS-JAPAN JEOL- JSM

5300 Scanning microscope Phân tích nhiễu xạ VHU-HN- SIEMENS D500 Phân tích nhiệt vi sai (NETZ SCH STA 409)

3.2 Quy trình chế tạo mẫu nghiên cứu

Nấu luyện hợp kim nghiên cứu Được tiến hành tại Trung tâm đúc, Viện công nghệ Bộ công nghiệp, trên lò trung tần CT 0,06; phối liệu bằng hợp kim trung gian, phân tích thành phần bằng quang phổ kế ARL - 3460

Kết quả thành phần của hợp kim nghiên cứu được trình bày trong bảng 3.2

3.3 Xác định hoạt năng tiết pha

Xác định hoạt năng tiết pha từ hệ số động học chuyển pha (K) Trong phương pháp này cần xác định K ở những nhiệt độ khác nhau, nhưng ở nhiệt độ này vẫn cùng một đặc điểm của n (cùng điều kiện tạo mầm và phát triển mầm)

Xác định hoạt năng tiết pha từ tỷ phần chuyển pha (X) Trong phương pháp này cần biết t cho một X nào đó ở những nhiệt độ khác nhau và thường lấy X mà ở đó dễ xác định nhất

3.4 Xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (CBĐN) có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình nhiệt luyện Dựa vào giản đồ CBĐN có

thể phân tích quá trình phân hủy của dung dịch rắn α quá bão hòa trong điều kiện đẳng nhiệt và cho phép phán đoán được sản phẩm tạo thành, tổ chức và cơ tính của hợp kim nhôm ứng với chế độ nhiệt luyện khác nhau Có nhiều phương pháp thực nghiệm để xây dựng giản đồ CBĐN, một trong các phương pháp

được nhiều người quan tâm và có ý nghĩa thực tiễn lớn là xây dung giản đồ CBĐN bằng phương pháp đo cơ tính

Nội dung của phương pháp bao gồm:

- Xây dựng các đường cong biến đổi của độ cứng so với độ cứng chuẩn HBTi

τ i / HBC , phụ thuộc vào thời gian giữ đẳng nhiệt

ở đây HBC là độ cứng mẫu đạt được sau chế độ nhiệt luyện chuẩn: nung mẫu 4800C giữ nhiệt để hòa tan pha thứ 2 và khuếch tán đồng đều hóa thành phần - tôi trong nước - hóa già ở

1200C - 72 giờ; HBTi

τ i độ cứng mẫu đạt được sau chế độ nhiệt luyện: nung lên 4800C giữ đồng đều hóa thành phần như chế độ chuẩn - nguội đẳng nhiệt ở nhiệt độ Ti với thời gian giữ đẳng nhiệt bằng τi - tôi trong nước - hóa già ở 1200C - 72 giờ

Ti giảm từ 4500C xuống 2000C với bước giảm ΔΤ = 500C

τi - thời gian giữ đẳng nhiệt tại Ti

- Xây dựng giản đồ CBĐN theo các số liệu thu được nêu trên Trong hệ tọa độ nhiệt độ (T) và thời gian (τ), các đường cong chữ C là quỹ tích của các điểm (τi, Ti) có cùng gía trị (HBTi

τ i / HBC), chẳng hạn 0,98; 0,90; 0,80; 0,75 v.v hình (4.13) Hoàn toàn có thể căn cứu vào giản đồ này để xác định chế

độ nhiệt luyện hợp kim đảm bảo độ cứng bằng một giá trị nhất

định nào đó, ví dụ 98% HBC ; 95% HBC ; 80% HBC.vv