ẢNH HƯỞNG của NHIỆT độ ủ kết TINH lại đến tổ CHỨC và cơ TÍNH của hợp KIM ĐỒNG LA TÔNG лк75 0,5

Sau cán nóng ở nhiệt độ 750÷800oC trong các mẫu hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 tồn tại ứng suất dư, khi soi chụp tổ chức tế vi quan sát thấy các hạt bị kéo dài theo phương biến dạng.. Việ

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ Ủ KẾT TINH LẠI ĐẾN TỔ CHỨC VÀ

CƠ TÍNH CỦA HỢP KIM ĐỒNG LA TÔNG ЛК75-0,5

EFEECTS OF RECRYSTALLIZATION ANNEALING TEMPERATURE ON

MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF BRASS LK75-0.5

TS Phùng Tuấn Anh 1a , ThS Đoàn Văn Khánh 2

1Học viện KTQS, Bộ Quốc phòng

2Trường Cao đẳng CNQP/Tổng cục CNQP

a phungtuananh@mta.edu.vn; phungtuananhmta@gmail.com

TÓM TẮT

Bài báo này tập trung nghiên cứu công nghệ ủ kết tinh lại hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 (LK75-ЛК75-0,5) sau gia công biến dạng nóng Sau cán nóng ở nhiệt độ (750÷800)oC trong các mẫu hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 tồn tại ứng suất dư, khi soi chụp tổ chức tế vi quan sát thấy các hạt bị kéo dài theo phương biến dạng Mức độ biến dạng càng lớn, ứng suất dư càng lớn và các hạt bị biến dạng càng nhiều Việc lựa chọn công nghệ ủ kết tinh lại hợp lý vừa đảm bảo khử được ứng suất dư, tránh xảy ra các hiện tượng nứt, vỡ chi tiết khi tiến hành các bước

gia công tạo hình tiếp theo, vừa thỏa mãn yêu cầu về độ bền của sản phẩm sau cùng Thông qua quá trình thực nghiệm, các tác giả đã xác định được nhiệt độ ủ kết tinh lại tối ưu nằm trong khoảng (650÷660) oC với thời gian giữ nhiệt khi ủ từ (1÷2) h Độ cứng của mẫu hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 sau ủ kết tinh lại đạt khoảng (67÷71) HV, tổ chức tế vi trở lại trạng thái cân bằng, không còn ứng suất dư, các hạt trở nên đẳng trục, không bị biến dạng với kích thước trung bình (30÷40) µm

Từ khóa: hợp kim la tông ЛК75-0,5, biến dạng nóng, ủ kết tinh lại, cơ tính, kích thước hạt

ABSTRACT

In this paper recrystallization annealing technology for brass LK75-0.5 after hot deformation is studied In specimen after hot rolling at temperature (750÷800) oC exists residual stress The deformation has produced elongated grains along the longitudinal direction The degree of deformation is larger for larger value of residual stress Reasonable selection for recrystallization annealing technology will reduce residual stress and distortion, prevent crack and fracture formation Moreover it is to assure strength requirements for products Through the experimental process, the authors determined optimal recrystallization annealing temperature from 650 to 660oC with holding time from 1 to 2 hours Hardness of specimen LK75-0.5 was in the range of (67÷71) HV, the microstructure of specimens returned to equilibrium without residual stress, the grains were equiaxed with average grain size of (30÷40) µm

Keywords: Brass LK75-0.5, hot deformation, recrystallization annealing, mechanical

properties, grain size

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 là một trong những mác hợp kim rất phổ biến trong sản xuất các loại ống liều đạn pháo, thay thế cho hợp kim đồng la tông Л68 Trên thế giới có rất ít công trình nghiên cứu về hợp kim này được công bố rộng rãi Trong những năm gần đây, ở nước ta đã có nhiều đề tài nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến vật liệu ống liều đạn pháo với các mục đích khác nhau Tuy nhiên, vấn đề ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt hợp kim sau gia công biến dạng đối với phôi chế tạo ống liều đạn pháo hiện nay còn chưa được công bố

đầy đủ và rõ ràng Trong bài báo này, các tác giả đã tiến hành thử nghiệm ủ kết tinh lại với các phôi từ hợp kim đồng ЛК75-0,5 đã qua biến dạng ở các nhiệt độ và mức độ biến dạng khác nhau, từ đó xác định chế độ xử lý nhiệt tối ưu khi ủ kết tinh lại, nhằm mục đích giảm tỷ

lệ hư hỏng phôi trong quá trình sản xuất như tồn tại ứng suất dư gây nứt vỡ chi tiết, tổ chức tế

vi với các hạt có kích thước lớn dẫn đến cơ tính cuối cùng của sản phẩm không đạt yêu cầu mong muốn

2 THỰC NGHIỆM

Hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 dựa trên cơ sở hệ Cu-Zn, có thành phần hóa học được cho trong Bảng 1 Silic được dùng với một lượng nhỏ nhưng cũng đã làm thay đổi giản đồ 2 pha Cu-Zn (Hình 1) [1,2], tuy vậy những nét cơ bản của giản đồ vẫn được giữ lại nên thường

có thể dùng giản đồ trạng thái hai pha Cu-Zn để định hướng cho việc khảo sát hệ Cu-Zn-Si Hợp kim ЛК75-0,5 thực nghiệm có thành phần hóa học được cho trong Bảng 2

Bảng 1 Thành phần hóa học hợp kim ЛК 75-0,5 (ТУ 48-0808-17-94)

Bảng 2 Thành phần hóa học hợp kim ЛК 75-0,5 nghiên cứu

Hình 1 Vị trí biên giới vùng α của latông Cu-Zn với hàm lượng Si khác nhau

Ảnh hưởng của nguyên tố silic đến tổ chức hợp kim hai cấu tử Cu-Zn tương tự ảnh hưởng của kẽm [1,2] Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của Si, có thể quy đổi hàm lượng Si sang hàm lượng kẽm tương đương Zntđ (% khối lượng) Dựa vào hàm lượng kẽm tương đương có thể xác định tổ chức latông phức tạp trên giản đồ pha hai cấu tử Cu-Zn Theo [2], Guinier đã xác định hệ số ảnh hưởng K (gọi là hệ số Guinier), theo đó, cứ 1% nguyên tố hợp

kim i nào đó sẽ gây ảnh hưởng trên giản đồ Cu-Zn tương tự K % Zn và Zntđ được tính theo công thức:

100

%

%

%

x K C Cu Zn

K C Zn Zn

i i

i i

t đ + ∑+∑

+

=

Trong đó, Ci và Kitương ứng là hàm lượng % và hệ số Guinier của nguyên tố hợp kim thứ i

Với hệ số K của Si là 12, hàm lượng Zntđ trong hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 được xác định bằng:

% 25 , 29 100 12 4 , 0 25 , 74 30 , 25

12 45 , 0 30 ,

+ +

+

Zn tđ

Căn cứ vào giản đồ pha Cu-Zn, thành phần Zntđ trong hợp kim là 29,25 % chỉ ra rằng, hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 tương đương hợp kim la tông một pha Л68 Tuy nhiên, thành phần kẽm thực tế trong hợp kim ЛК75-0,5 đã được giảm xuống còn 25,30 %, nên tránh được tính nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất [2,3]

Hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 sau đúc được ủ đồng đều hóa ở nhiệt độ 800oC, sau đó cắt thành các mẫu có kích thước 30x20x5 mm (dài x rộng x dày) Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm bằng cách lần lượt cán nóng các mẫu ở các nhiệt độ 600,

650, 700, 750 và 800oC với các mức độ biến dạng khác nhau Các mẫu sau cán nóng được ủ kết tinh lại trong khoảng nhiệt độ (600÷700)oC với thời gian giữ nhiệt (1÷5) h

Kết quả xác định sự thay đổi độ cứng của các mẫu theo nhiệt độ và mức độ biến dạng được thể hiện trên Hình 2 Ảnh tổ chức tế vi các mẫu sau biến dạng với mức biến dạng 50 %

ở các nhiệt độ khác nhau được chỉ ra trên các Hình 3÷7

Hình 2 Sự phụ thuộc độ cứng của mẫu vào mức độ biến dạng ở nhiệt độ khác nhau

Rõ ràng mức độ biến dạng càng cao, mẫu bị biến cứng càng nhiều Khi tăng nhiệt độ cán, mức độ biến cứng giảm dần, độ dốc của mức độ biến cứng cũng giảm Nguy cơ biến cứng lớn dẫn đến nứt vỡ chi tiết khi cán ở nhiệt độ thấp là khá cao và ở nhiệt độ thường, mẫu hợp kim sẽ bị nứt khi mức độ biến dạng vượt quá 80% Nhiệt độ cán nóng thường lựa chọn trong khoảng (750÷800)oC

Tổ chức tế vi sau cán nóng tồn tại ứng suất dư, hạt bị kéo dài theo phương biến dạng Mức độ biến dạng càng lớn, ứng suất dư càng lớn Việc lựa chọn công nghệ ủ kết tinh lại hợp

lý vừa đảm bảo khử được ứng suất, tránh xảy ra các hiện tượng nứt, vỡ chi tiết khi tiến hành các bước gia công tạo hình tiếp theo, vừa thỏa mãn yêu cầu về độ bền của sản phẩm sau cùng

Hình 3 Tổ chức tế vi mẫu sau biến

dạng 50 % ở 600 o C

Hình 4 Tổ chức tế vi mẫu sau biến

dạng 50 % ở 650 o C

Hình 5 Tổ chức tế vi mẫu sau biến

dạng 50 % ở 700 o C

Hình 6 T ổ chức tế vi mẫu sau biến

dạng 50 % ở 750 o C

Hình 7 Tổ chức tế vi mẫu sau biến dạng 50 % ở 800 o C

Hình 8 Sự phụ thuộc độ cứng HV vào thời gian ủ ở 600 (1), 650 (2) và 680 o C (3)

Để xác định nhiệt độ ủ kết tinh lại thích hợp, các mẫu sau cán được tiến hành ủ ở các nhiệt độ 600, 650 và 680oC Sự phụ thuộc độ cứng của mẫu vào thời gian ủ ở các nhiệt độ khác nhau được cho trong Hình 8

Từ Hình 8 cho thấy, với cùng mức độ biến dạng và nhiệt độ ủ kết tinh lại là 650oC, các mẫu được biến dạng ở nhiệt độ thấp có xu hướng giảm độ cứng rất chậm, sau 1h ủ, độ cứng vẫn ở mức rất cao Trong khi đó với các mẫu được biến dạng ở nhiệt độ cao 800oC, độ cứng giảm xuống còn 70 HV sau chỉ 1h ủ

Tương tự, với các mẫu được ủ kết tinh lại ở 600oC sau biến dạng ở 800oC, độ cứng nhận được sau ủ khá cao, sau 2 h vẫn còn 80 HV Còn khi ủ kết tinh lại ở 680oC, độ cứng giảm xuống đạt 64 HV sau giữ nhiệt 1 h, tuy nhiên đã bắt đầu quan sát thấy sự lớn lên nhanh của kích thước hạt

Tổ chức tế vi của các mẫu qua ủ kết tinh lại được cho trên các Hình 9÷14

Hình 9 Tổ chức tế vi sau ủ kết tinh lại ở

600 o C, giữ nhiệt 1h (T cán = 700 o C, ε = 50%) Hình 10 Tổ chức tế vi sau ủ kết tinh lại ở

600 o C, giữ nhiệt 2h (T cán = 800 o C, ε = 50%)

Hình 11 Tổ chức tế vi sau ủ kết tinh lại ở

650 o C, giữ nhiệt 1h (T cán = 750 o C, ε = 50%)

Hình 12 Tổ chức tế vi sau ủ kết tinh lại ở

680 o C, giữ nhiệt 1h (T cán = 800 o C, ε = 50%)

Hình 13 Tổ chức tế vi sau ủ kết tinh lại ở

650 o C, giữ nhiệt 2h (T cán = 750 o C, ε = 50%)

Hình 14 Tổ chức tế vi sau ủ kết tinh lại ở

680 o C, giữ nhiệt 2h (T cán = 800 o C, ε = 50%)

Khi ủ kết tinh lại ở nhiệt độ trên 700oC, độ cứng của mẫu giảm xuống rất nhanh, nhưng kích thước hạt lại khá lớn Khi ủ kết tinh lại ở nhiệt độ dưới 500oC, độ cứng thu được sau ủ khá cao, không đạt độ dẻo dai cần thiết để gia công sơ bộ tiếp theo cũng như đưa tổ chức hợp kim trở về trạng thái ban đầu, hạt vẫn còn hiện tượng bị kéo dài [4,5]

Với tất cả các mẫu đã qua biến dạng ở cùng nhiệt độ và cùng mức độ biến dạng, độ cứng của mẫu giảm khi nhiệt độ ủ kết tinh lại tăng lên (Hình 15) Tuy nhiên, cùng với sự tăng nhiệt độ ủ kết tinh lại sẽ kéo theo sự tăng kích thước hạt Khi nhiệt độ ủ kết tinh lại vượt quá

680oC, kích thước hạt càng lớn nhanh Nhiệt độ ủ kết tinh lại tốt nhất chọn trong khoảng (650÷660)oC, tương ứng với độ cứng đạt được khoảng (67÷71) HB sau khi giữ nhiệt từ (1÷2)

h Khi đó, kích thước hạt trung bình của hợp kim thu được nằm trong khoảng từ (30÷40) µm (Hình 16)

Hình 15 Mối quan hệ giữa nhiệt độ ủ kết tinh lại và độ cứng của hợp kim sau giữ nhiệt

1h (T cán = 800 o C, ε = 50 %)

Hình 16 Sự phụ thuộc của kích thước hạt vào nhiệt độ và thời gian ủ kết tinh lại

(T cán = 800 o C, ε = 50 %)

3 KẾT LUẬN

Từ số liệu thực nghiệm cho thấy, các mẫu hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5 sau biến dạng nóng ở (750÷800)oC được xử lý nhiệt tối ưu bằng công nghệ ủ kết tinh lại ở nhiệt độ (650÷660)oC với thời gian giữ nhiệt từ (1÷2) h Độ cứng của các mẫu hợp kim sau ủ kết tinh lại đạt khoảng (67÷71) HV (tương ứng 67÷71 HB), tổ chức tế vi trở lại trạng thái cân bằng và không còn ứng suất dư, các hạt đẳng trục không bị biến dạng với kích thước trung bình khoảng (30÷40) µm Đây là các số liệu thực nghiệm có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần hoàn thiện chế độ công nghệ gia công nhiệt trong quá trình chế tạo các loại phôi ống liệu đạn pháo

từ hợp kim đồng la tông ЛК75-0,5

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Khắc Xương Vật liệu kim loại màu NXB KHKT, 2003

[2] Калачев Б.А., Ливанов Б.А., Елагин В.И Металловедение и термическая

обработка цветных металлов и сплавов Издательство МИСиС, 1999

[3] Меркулова Г.А Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Красноярск, 2007

[4] Мочалов Н.А., Орлинский П.Е Изменение механических свойств и величин

рекристаллизованного зерна при отжиге кремнистой латуни ЛК75-0,5 Цветная

металлургия 1999, № 6, с 32-34

[5] Nguyễn Thị Hoài Phương Nghiên cứu chống ăn mòn kim loại cho ống liều pháo phòng

không 37mm từ vỏ ống liều la tông loại bỏ Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Viện Khoa học và

Công nghệ Quân sự, 2011

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 TS Phùng Tuấn Anh Học viện KTQS, Bộ Quốc phòng

Email: phungtuananh@mta.edu.vn; phungtuananhmta@gmail.com

2 ThS Đoàn Văn Khánh Trường Cao đẳng CNQP, Tổng cục CNQP, Bộ Quốc phòng