Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức và cơ tính hợp kim CuAl9Fe4

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức và cơ tính của hợp kim CuAl₉Fe₄…

Influence of tempering temperature on the microstructure and mechanical properties of CuAl₉Fe₄ alloy

 VŨ ANH TUẤN¹, TRẦN ĐỨC HUY², LÊ THỊ CHIỀU², NGUYỄN DƯƠNG NAM³, PHẠM MAI KHÁNH^2*
1 Viện Khoa học cơ sở, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 484 Lạch Tray, Ngô Quyền, Hải Phòng
2Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội.
3 Viện Nghiên cứu phát triển, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, số 484 Lạch Tray Ngô Quyền Hải Phòng
*Email: khanh.phammai@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 11/12/2016, Ngày duyệt đăng: 15/1/2017

 TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức và cơ tính của hợp kim CuAl₉Fe₄. Kết quả cho thấy các mẫu ram ở 350 ^oC trong 2 h có khả năng chống mài mòn là tốt nhất (độ hụt khối là: 0,0681 g). Giá trị độ cứng của mẫu ở chế độ này là 225 HB. Quan sát tổ chức tế vi cho thấy xuất hiện pha γ₂ nhỏ mịn phân tán bên trong nền làm tăng khả năng chống mài mòn cho hợp kim.
Từ khóa: pha γ₂, hợp kim CuAl₉Fe₄, ram, chống mài mòn

 ABSTRACTS

This paper presents the influence of tempering temperature on the microstructure and mechanical properties of the alloy CuAl₉Fe₄. The results showed that abrasion resistance of the samples tempered at 350 ^oC for 2 hours is the best (mass loss is 0.0681 g). With this treatment, the hardness value of samples is 225 HB. The microstructure shows the appearance of phase γ₂ finely dispersed within the alloy matrix and increasing abrasion resistance of the alloy.
Keywords: phase γ₂, CuAl₉Fe₄ alloy, tempering, abrasion resistance

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Đồng là kim loại màu có tầm quan trọng chiến lược trong nền kinh tế quốc dân. Một nửa số đồng sản xuất ra hàng năm được dùng cho công nghiệp điện. Phần còn lại dùng chế tạo hợp kim đồng làm các chi tiết chịu mài mòn và ăn mòn trong các máy móc của ngành công nghiệp, quốc phòng và chi tiết chịu mài mòn trong các máy đo chính xác.

Trong các loại hợp kim đồng chống mài mòn, hiện nay hợp kim Brông nhôm đã và đang được nghiên cứu sử dụng trong các ngành công nghiệp: chế tạo các hệ bạc đồng, ốc vít… sử dụng trong các ngành công nghiệp quốc phòng. Tuy nhiên ở nước ta hợp kim Cu-Al hiện nay chủ yếu được sử dụng ở trạng thái đúc, vì vậy không phát huy được hết các ưu điểm của nó và cũng không có được nhiều ứng dụng, trong khi đó ở các nước tiên tiến quá trình xử lý hợp kim Cu-Al được nghiên cứu và ứng dụng rất phổ biến.

Đồng với nhôm tạo thành dung dịch rắn α (Hình 1.1), độ hòa tan của nhôm trong đồng khi hạ nhiệt độ từ 1035 đến 565 ^oC tăng từ 7,4 đến 10,4 %. Ở 565 ^oC pha β có chuyển biến cùng tích: β →α+ γ₂; γ₂ là pha trung gian có thành phần thay đổi với mạng tinh thể lập phương phức tạp.

Với tốc độ nguội thực tế (khác với trạng thái cân bằng), cùng tích xuất hiện trong tổ chức của hợp kim với hàm lượng (6 ÷ 8)%Al; Sự có mặt của cùng tích làm giảm mạnh độ dẻo của brông nhôm. Khi tăng hàm lượng nhôm đến (4 ÷ 5)%, cùng với độ bền và độ cứng, độ dẻo cũng tăng, sau đó độ dẻo giảm mạnh, còn độ bền tiếp tục tăng cho tới hàm lượng nhôm là (10 ÷ 11)%. Brông nhôm một pha có độ dẻo tốt, thuộc loại brông biến dạng, có sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền (σ_B= 400 ÷ 450 MPa) và độ dẻo (δ = 60%). Brông nhôm hai pha được sản xuất dưới dạng các bán thành phẩm biến dạng, cũng được dùng để đúc. Khi có mặt nhiều cùng tích, brông không được biến dạng nguội mà phải biến dạng nóng. Brông hai pha có đặc trưng là độ bền cao (σ_B= 600 MPa) và độ cứng cao (HB > 1000 MPa). Chúng có thể được hóa bền bằng nhiệt luyện. Khi nguội nhanh (tôi) pha β không có chuyển biến cùng tích mà chuyển biến mactenxit.

– Với hợp kim có hàm lượng nhôm nhỏ hơn 9,4% khối lượng thì chỉ tồn tại pha α.

– Loại ba pha (α + β’ + γ₂) đối với hợp kim có hàm lượng nhôm cao hơn 9,4%.

– Loại hai pha (α + γ₂) đối với hợp kim có hàm lượng nhôm cao và nguội rất chậm.

Xử lý nhiệt đối với hợp kim sau khi đúc làm thay đổi cơ tính của hợp kim nhờ thay đổi kích thước hạt và cấu tạo pha.

Khi xử lý nhiệt, tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim, hợp kim Cu-Al trải qua nhiều dạng chuyển biến, trong đó chuyển biến mactenxit mang lại cho hợp kim đồng nhiều tính chất tốt (độ bền, tính chống mài mòn, tính nhớ hình).

Chuyển biến mactenxit trong hợp kim Cu-Al xảy ra khi tôi (nguội nhanh) hợp kim từ nhiệt độ trên nhiệt độ tới hạn có nhiều đặc điểm giống như quá trình chuyển biến mactenxit xảy ra khi tôi thép. Cơ tính của brông nhôm có thể được điều khiển bằng nhiệt độ ram sau tôi hoặc tôi gián đoạn thay cho tôi thông thường.

Khi giảm tốc độ nguội thì lượng pha α tăng dần cùng với cỡ hạt. Pha β’ – có dạng hình kim giống với mactenxit trong thép. Dưới kính hiển vi các pha này có dạng hình kim, thực tế là mặt cắt của các pha ở dạng tấm phẳng. Pha β’ mactenxit β’ này là dạng không bền của α trong β. Do pha β không tồn tại ở nhiệt độ phòng nên tất cả các pha được gọi là β ở nhiệt độ phòng mà thực tế là pha β’ [1]. Pha β’ rất cứng, giòn và có độ bền kéo lớn.

Nếu hợp kim có tỷ lệ pha β’ lớn thì sẽ dễ bị ăn mòn, do đó hợp kim brông nhôm thường chỉ có khoảng 9 % nhôm. Các pha có dạng hình tấm là cùng tích,  kết quả của chuyển pha β thành cùng tích (α + γ₂) ở nhiệt độ dưới 565 ^oC. Hợp kim brông nhôm cùng tích có tính chịu mài mòn rất tốt.

Trong bài báo này sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức và cơ tính của hợp kim CuAl₉Fe₄.

 2. THỰC NGHIỆM

Thành phần hợp kim nghiên cứu như sau: 

Nguyên tố	Al	Fe	Mn	Ni	Sn	Zn	Pb	Si	Cu
Hàm lượng (%)	9,2	3,9	0,1	0,145	0,278	0,961	0,217	0,208	Bal.

Mẫu sau đúc được cắt và nhiệt luyện theo quy trình: nâng nhiệt đến 850 ^oC giữ nhiệt trong hai giờ rồi làm nguội nhanh trong nước; tiếp theo mẫu được ram ở các nhiệt độ khác nhau: 250; 350; 450 và 550 ^oC trong hai giờ.

Tổ chức của mẫu được quan sát trên kính hiển vi quang học (Axiovert 25ª), kính hiển vi quét (Jeol – JSM 7600F). Độ cứng của mẫu được xác định trên thiết bị ATKF1000; phân tích độ hụt khối trên máy Tribo Technic.

 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Tổ chức tế vi của hợp kim

Tổ chức sau đúc xem trên hình 3.1:

Ảnh hiển vi quang học mẫu sau đúc cho thấy tổ chức bao gồm hai pha: pha sáng α (dạng nhánh), vùng tối là pha (α+γ₂) cứng và giòn, cùng với đó là các pha giàu sắt Fe(δ) pha liên kim trên cơ sở hợp chất điện tử Fe₃Al.

Tổ chức sau tôi xem trên hình 3.2 

Khi nung nóng và giữ nhiệt tại 850 ^oC thì tổ chức đúc α + (α+γ₂) chuyển sang vùng hai pha (α+β). Pha liên kim giàu sắt Fe₃Al không đổi. Thực hiện quá trình nguội nhanh trong nước pha β chuyển thành β mactenxit (β → β’). Tổ chức cuối cùng đạt được bao gồm pha sáng α, vùng tối là pha β mactenxit cùng với đó là các pha liên kim nhỏ mịn giàu sắt Fe₃Al.

Mẫu sau tôi được ram ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả phân tích cho thấy thành phần pha của hợp kim thay đổi theo nhiệt độ ram.

Tổ chức hợp kim sau ram cho trên hình 3.3

Khi ram ở 250 ^oC: hợp kim gần như chưa có sự tiết pha hay chuyển biến gì đáng kể (chỉ có một lượng pha α hình kim tiết ra từ pha β mactenxit) (hình 3.3a), tuy nhiên có sự giảm ứng suất dư so với mẫu sau tôi. Điều đó dẫn đến độ dẻo tăng.

Khi ram ở 350 ^oC, β mactenxit chuyển sang dạng pha β’ mactenxit ram, pha γ₂ và pha α hình kim nhỏ mịn được tiết ra (hình 3.3b): Các phần tử γ₂ này có độ cứng cao nhưng do có kích thước nhỏ mịn nên khó gây nên hiện tượng giòn mà vẫn đảm bảo được độ cứng của hợp kim.

Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ ram lên 450 và 550 ^_oC thì quá trình tiết pha diễn ra nhiều hơn, các phần tử tiết pha trở nên thô hơn.

Phân tích nhiễu xạ rơnghen cho giản đồ trên hình 3.4.

Phân tích giản đồ nhiễu xạ cho thấy sự chuyển biến của tổ chức ở các trạng thái khác nhau như sau: Ở trạng thái đúc tổ chức mẫu bao gồm dung dịch rắn giàu đồng α màu sáng là chủ yếu; ngoài ra còn có các pha liên kim giữa Cu và Al (Cu₉Al₄– γ₂), các pha giàu sắt Fe(δ) (hình 3.4a).

Sau khi tôi (hình 3.4b) cho thấy sự xuất hiện rõ ràng của pha β’; ngoài ra có các pha liên kim giàu sắt không tan hết vào nền.

Ở mẫu ram ở 350 ºC trong hai giờ (hình 3.4c): pha β mactenxit chuyển thành dạng pha β’; đồng thời trong nền có xuất hiện pha nền α (dung dịch rắn giàu đồng) – hình 3.3b và có xuất hiện thêm các pha liên kim có kích thước nhỏ mịn được tiết ra mà ảnh quang học không nhìn thấy được.

Ở mẫu ram ở 550 ^oC trong hai giờ (hình 3.4d) thấy xuất hiện pha γ₂. Khi ram ở 550^oC cho thấy ngoài dung dịch rắn α còn có xuất hiện dạng cùng tích (α+γ₂) và pha liên kim.

Phân tích SEM và EDS cho kết quả giống như đối với phân tích nhiễu xạ. 

Từ ảnh SEM và EDS có thể quan sát thấy các pha liên kim giàu sắt có kích thước nhỏ mịn phân tán trên nền. Các pha đó cũng được đánh giá thành phần trên hình 3.6. Các pha đó đóng vai trò hóa bền hợp kim.

3.2. Phân tích kết quả cơ tính

Kết quả đo độ cứng (hình 3.7) cho thấy mẫu sau khi ram ở 350 oC trong hai giờ cho độ cứng trung bình cao nhất. Điều này có thể lý giải như sau: đối với mẫu ram ở 250 ^oC chưa có sự tiết pha hay chuyển biến pha nên độ cứng thấp. Đối với mẫu ram ở 350 ^oC đã xảy ra sự tiết pha hóa bền, cùng với pha α có kích thước nhỏ và pha γ₂ nhỏ mịn nên có khả năng hóa bền cho hợp kim. Còn đối với mẫu ram ở 450 ^oC hoặc 550 ^oC có giá trị độ cứng trung bình thấp hơn so với mẫu được ram ở 350⁰C do các pha hóa bền có kích thước lớn.

Bảng 3.1. Kết quả độ hụt khối

Mẫu	Độ hụt khối (g)
Tôi	0,0766
Ram 250 – 2h	0,0736
Ram 350 – 2h	0,0681
Ram 450 – 2h	0,0717
Ram 550 – 2h	0,0809

Trên bảng 3.1 là kết qủa đo độ mài mòn của hợp kim. Kết quả phân tích độ hụt khối cho thấy mẫu C (ram ở 350 ^oC trong hai giờ) sẽ có độ hụt khối thấp nhất. Kêt quả đó hoàn toàn phù hợp với tổ chức tế vi và độ cứng của hợp kim.

 4. KẾT LUẬN

– Xác định được pha hóa bền góp phần nâng cao cơ tính của hợp kim là pha liên kim và pha γ₂.

– Hợp kim tôi ở 850 ^oC, ram ở 350 ^oC trong 2 giờ sẽ cho độ cứng cao nhất (225 HB) và độ hụt khối là thấp nhất (0,0681 g).

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. M. A. Suarez, R. Esquivel, J.Alcantara, H. Dorantes and J.F. Chavez; Effect of chemical composition on the microstructure and hardness of Al-Cu-Fe alloy; Materials Characterization, (2011), pp.917-923
2. 2. T. N. Raju and V. Sampath; Influence of aluminium and iron contents on the transformation temperatures of Cu- Al-Fe shape memory alloys, Transactions of the Indian Insitute of Metals, Vol 64, Issues1&2, (2011), pp. 165-168
3. Mustafa Yasar and Yahya Altunpak; The effect of aging heat treatment on the sliding wear behavior of Cu- Al-Fe alloys, Materials and Design, 30, (2009), pp. 878-884
4. R. A. G Silva, A. Cuniberti, M. Stipcich and A. T. Adorno; Effect of Ag addition on the martensitic phase of the Cu-10 wt.% Al alloy; Materials Science and Engineering A, 456, (2007), pp. 5-10
5. Yuanyuan Li, Tungwai Leo Ngai and WeiXin; Mechanical friction and wear behaviors of a novel high-strength wear – resisting aluminum bronze, Wear, 197, (1996), pp.130-136.