Ảnh hưởng của nhiệt luyện tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl10Fe4Ni4Mn3

Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ nhằm xác định được chế độ xử lý nhiệt cụ thể để cải thiện khả năng chịu mài mòn và tăng tuổi thọ làm việc cho chi tiết được chế tạo bằng hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ …

The influence of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ alloys

 NGUYỄN MINH ĐẠT¹, NGUYỄN QUANG HUỲNH¹, HOÀNG VĂN QUÂN¹ VÀ ĐỖ VĂN QUẢNG²
1- Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ Luyện kim
2- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Ngày nhận bài: 18/10/2016, Ngày duyệt đăng: 16/12/2016

 TÓM TẮT

Hiện nay, nhu cầu sử dụng hợp kim đồng trên cơ sở Cu-Al-Ni là rất lớn, việc bổ sung thêm Mn vào hợp kim nhằm mục đích khử ôxi và tăng bền cho hợp kim Cu-Al-Ni. Bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện khác nhau tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃. Tổ chức của hợp kim được đánh giá bằng phương pháp hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét. Ảnh hưởng của tổ chức tới cơ tính của hợp kim được đánh giá thông qua độ cứng và độ bền kéo. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi nhiệt luyện, hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ đã được cải thiện đáng kể độ cứng và độ bền kéo làm tăng khả năng chịu mài mòn cho hợp kim.
Từ khóa: Cu-Al-Ni; cơ tính, tổ chức tế vi, nhiệt luyện

 ABSTRACT

The paper deals with the influence of heat treatment (annealing, quenching and aging) on the microstructure and mechanical properties of the BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ alloy. The microstructures were observed by optical microscopy and scanning electron microscopy. The effect of microstructure on the mechanical properties was investigated due to hardness and tensile strength test. The obtained results show that the mechanical properties were significantly improved after heat treatment and wear resistance of BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ alloys increased.
Keywords: Cu-Al-Ni; mechanical properties, microstructure, heat treatment

 1. MỞ ĐẦU

Hợp kim đồng-nhôm BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao [1 – 3]. Hợp kim này có tổ chức hai pha bao gồm pha alpha và pha beta ở nhiệt độ cao, đây là pha có khả năng tạo hình nóng tuyệt vời. Việc bổ sung thêm Ni sẽ làm tăng thêm độ bền cho hợp kim mà không ảnh hưởng tới độ dẻo, độ dai và khả năng chịu ăn mòn của hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃.  Ứng  dụng  tiêu  biểu  của hợp kim có thể được dùng để chế tạo: ổ tựa van, trục động cơ, van dẫn hướng, các chi tiết của máy bay, máy bơm chịu ăn mòn trong môi trường biển,… Tuy nhiên, hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ có nhược điểm là khả năng tạo hình nguội kém nhưng bù lại có khả năng tạo hình nóng của vùng [α+β] trong khoảng nhiệt độ từ 700 đến 900 ^oC [1, 2].

Phụ thuộc vào tốc độ nguội và chế độ nhiệt luyện,  pha  beta  có  thể  trải  qua  chuyển  biến martensite để hình thành pha β’ có độ cứng và giòn cao, tăng độ bền nhưng lại làm giảm độ dẻo của hợp kim. Thực tế, các pha khác được tìm thấy trong tổ chức tế vi bao gồm pha kappa (k) có thành phần chủ yếu là Fe và Al hoặc Ni [3 – 5], hoặc pha γ₂ tồn tại ở trong giản đồ 2 nguyên Cu-Al. Pha γ₂ tồn tại trong hợp kim có hàm lượng Al ít hơn 11,8 % và được hình thành ở điều kiện nguội chậm hoặc ở điều kiện nhiệt luyện ở nhiệt độ nhỏ hơn 565 ^oC. Các pha này làm tăng bền và giảm độ dẻo cho hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃. Do vậy, tổ chức tế vi của hợp kim bao gồm pha α và cùng tích [α+k+γ₂] như được chỉ ra ở hình 1a so với tổ chức [α+γ₂] ở hình 1b [6].

Pha k được chia làm 4 loại chính và được gọi là k_I, k_II, k_III và k_IV [3 – 5, 7, 8]. Pha kI có hình dạng là các hạt có dạng nhánh cây to và chứa nhiều Fe (tồn tại dưới dạng Fe₃Al), Cu và Ni. Pha k_II tồn tại ít hơn, có thành phần và cấu trúc giồng k_I nhưng nhỏ hơn. Pha k_III có dạng thanh hoặc dạng tấm, thành phần chủ yếu chứa NiAl, còn k_IV có thành phần chủ yếu là Fe₃Al tồn tại dưới dạng hạt nhỏ mịn [7]. Thành phần của pha γ2 là Cu9Al14 và cấu trúc của nó có dạng lập phương.

Với những yêu cầu về độ cứng, khả năng chịu mài mòn cao thì hợp kim Cu-Al-Ni được lựa chọn. Độ cứng cao của hợp kim có được là do sự hình thành pha γ₂, đây là pha giúp hợp kim có độ cứng, độ bền cao nhưng cũng làm tăng độ giòn và làm giảm khả năng chịu ăn mòn cho vật liệu. Sở hữu những tính năng trên, hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ có thể được sử dụng để chế tạo các loại bạc chịu mài mòn, tăng tuổi thọ làm việc cho chi tiết.

Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ nhằm xác định được chế độ xử lý nhiệt cụ thể để cải thiện khả năng chịu mài mòn và tăng tuổi thọ làm việc cho chi tiết được chế tạo bằng hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃.

 2. THỰC NGHIỆM

Mẫu được chế tạo bằng phương pháp đúc, hợp kim được nấu trong lò cảm ứng trung tần và rót ở nhiệt độ 1200 ^oC vào khuôn kim loại dạng trụ có đường kính ϕ30 mm. Sau khi vật đúc nguội, mẫu được cắt nhỏ theo kích thước ϕ30×30 mm để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. Mẫu nhỏ được xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau. Chế độ 1 mẫu được nung trong khoảng nhiệt độ từ 900 đến 950 ^oC với thời gian giữ nhiệt là 30 phút và 60 phút cho nguội ngoài không khí. Chế độ 2, giống chế độ 1 nhưng sau đó hóa già ở 400 ^oC trong khoảng thời gian 30 phút và nguội cùng lò như trình bày ở hình 2 

Các mẫu sau khi nhiệt luyện được đo độ cứng tế vi bằng máy Duramin-2, tổ chức tế vi được đánh giá bằng phương pháp hiển vi sử dụng máy Axiovert 25CA và máy FE-SEM Hitachi S4800, độ bền của mẫu được đo bằng máy đo độ bền vạn năng MTS. Thành phần của mẫu được phân tích bằng  phương  pháp  quang  phổ  phát  xạ  Q4 Tasman, Brucker, như trình bày ở bảng 1. 

Bảng 1. Thành phần hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ (% khối lượng)

Cu	Al	Fe	Ni	Mn	Zn	Khác
89,08	10,03	4,14	3,79	2,63	0,21	0,12

 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 3 và hình 4 trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ tôi và hóa già tới độ cứng của hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃. Ở khoảng thời gian tôi 30 phút (hình 3) có sự chênh lệch đáng kể về độ cứng giữa mẫu sau tôi và sau hóa già, đặc biệt ở nhiệt độ nung trên 900 ^oC thì độ cứng sau hóa già lớn hơn độ cứng sau tôi 170 HB. Điều này cho thấy, sau khi hóa già, độ cứng của hợp kim đã được cải thiện đáng kể. Mặt khác, khi thời gian tôi được tăng lên 60 phút, độ cứng sau tôi và sau hóa già có tăng so với khi tôi ở 30 phút. Ở chế độ này, mức độ chênh lệch về độ cứng giữa mẫu sau tôi và mẫu sau hóa già thấp hơn khi tôi ở 30 phút, nằm trong khoảng từ 50 đến 70 HB. Độ cứng lớn nhất trong vùng nghiên cứu khi nung ở 900 ^oC, giữ nhiệt 60 phút sau đó hóa già đạt được bằng 384 HB. Hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ có độ cứng cao sẽ cải thiện đáng kể khả năng chịu mài mòn cho chi tiết, đặc biệt là đối với các chi tiết bạc chịu mài mòn.

Hình 5 trình bày giới hạn bền kéo của hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ sau tôi và hóa già. Kết quả cho thấy, sau khi tôi ở các nhiệt độ khác nhau, giới hạn bền kéo của hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ khá thấp đạt 584 MPa ở 900 ^oC và 593 MPa ở 950 ^oC. Tuy nhiên, sau khi hóa già, độ bền của hợp kim đã tăng lên đáng kể đạt 627 và 629 MPa ở các nhiệt độ nung bằng 900 và 950 ^oC. Nhìn chung, độ bền của hợp kim sau hóa già không thay đổi đáng kể khi nhiệt độ tôi thay đổi.

Kết quả phân tích tổ chức tế vi của mẫu sau tôi được trình bày ở hình 6 và hình 7, sau khi xử lý nhiệt, các pha α là các hạt có mầu sáng đã trở lên nhỏ mịn hơn so với pha α ở mẫu sau đúc (hình 6a), quá trình thay đổi nhiệt độ không làm thay đổi nhiều trạng thái phân bố và kích thước các hạt alpha. Tổ chức của mẫu sau đúc bao gồm các pha chính: pha α có mầu sáng, cùng tích của [α + k] hoặc pha cân bằng β. Qua quan sát ở hình 6a và được xác nhận bằng ảnh SEM và EDS ở hình 8 và 9, ta có thể thấy được pha kI có dạng hoa hồng [7], pha k_II có dạng tròn nhỏ hơn và k_III dạng thanh cùng với pha β [7]. Sau khi nhiệt luyện ở nhiệt độ cao, pha β chuyển hóa thành pha β’ không cân bằng, đặc biệt là có sự hình thành pha kIV nhỏ mịn trên nền pha α [7] như chỉ ra ở hình 7d và hình 10. Điều này giúp cải thiện đáng kể độ cứng cũng như độ bền của vật liệu sau nhiệt luyện.

Hình 11 và 12 trình bày ảnh tổ chức tế vi của mẫu sau hóa già. Kết quả cho thấy, sau hóa già, kích thước hạt α trở lên rất nhỏ mịn. Khi nhiệt độ nhiệt luyện tăng, kích thước hạt α cũng tăng, tuy nhiên sự thay đổi kích thước này là không nhiều. Đặc biệt, quá trình tôi kết hợp với hóa già đã tạo điều kiện cho sự hình thành pha kIV nhỏ mịn [7] trên nền pha α nhiều hơn đã làm tăng độ cứng và độ bền đáng kể so với các mẫu không hóa già như trình bày ở hình 13.

4. KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ cho thấy hợp kim đạt cơ tính cao sau tôi và hóa già. Sau khi hóa già, tổ chức của hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn₃ nhỏ mịn và xuất hiện tổ chức [α+k_IV] đã làm tăng cơ tính cho hợp kim, đặc biệt đã làm tăng độ cứng lên khá nhiều so với mẫu không hóa già. Điều này làm tăng khả năng chịu mài mòn cho hợp kim khi ứng dụng để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn. Cơ tính cao nhất đạt được trong vùng nghiên cứu là tôi ở 900 ^oC, nguội ngoài không khí sau đó hóa già ở 400 ^oC. Độ cứng và giới hạn bền kéo đạt được lần lượt bằng 384 HB và 627 MPa.

LỜI CẢM ƠN

Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn Viện KH và CN Mỏ-Luyện kim và Bộ Công Thương đã tạo điều kiện và cấp kinh phí thực hiện nghiên cứu này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. ASM Handbook, Volume 02, Properties and selection: Nonferrous alloys and special-purpose materials, ASM International, 1990
2. J. R. Davis, ASM Specialty Handbook: Copper and copper alloys, ASM International, 2001
3. M. Cook, W. P. Fentiman, E. Davis, Observations on the structure and properties of wrought copper-alu- minum-nickel-iron alloys, J. Inst. Met., 80, 1951-52, pp.419-429
4. P. Brezina, Heat treatment of complex aluminum bronzes, International Metals Reviews, 27, 1982, 2, pp.77-120
5. F. Hasan, A. Jahanafrooz, G. W. Lorimer, N. Rildley, The morphology, crystallography and chemistry of phas- es in as-cast nickel-aluminum bronze, Metallurgical Transactions A, 13, 1982, pp.1337-1345
6. H. J. Meigh, Cast  and  wrought  aluminum  bronzes  –  properties,  Processes  and  Structure, Institute of Materials, London, 2000
7. E. A. Culpan, G. Rose, Microstructural characterization of cast nickel aluminium bronze, Journal of Materials Science, 13, 1978, pp.1647-1657
8. A. Jahanafrooz, F. Hasan, G. W. Lorimer, N. Ridley, Microstructural development in complex nickel-aluminum bronze, Met. Trans A., 14, 1983, pp.1951-1956.