Ảnh hưởng của nhiệt luyện và graphit tới tổ chức tế vi và cơ tính của cặp vật liệu hợp kim Cu và Graphit

Mục đích của công trình này là nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn, nhằm xác định một 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 BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn…

The influence of heat treatment and graphite on the microstructure and mechanical properties of a materials pair of BCuAl₁₀Ni₄Fe₄Mn and Graphite

NGUYỄN QUANG HUỲNH¹, NGUYỄN MINH ĐẠT¹, VÀ ĐỖ VĂN QUẢNG^2*
1Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim, Số 79 An Trạch, Đống Đa, Hà Nội
²Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
*Email: quang.dovan@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 21/5/2018, Ngày duyệt đăng: 12/7/2018

TÓM TẮT

Bạc đồng – graphit là là một loại bạc composit mà ở đó có sự phân tán của graphit trên nền đồng và thường được ứng dụng trong điều kiện làm việc khô, nhiệt độ cao, áp suất cao, chịu ăn mòn, trong môi trường nước hoặc môi trường hóa học mà không thể dùng dầu để bôi trơn. Vấn đề lớn nhất hiện nay là khả năng phân tán và liên kết của graphit trên nền đồng rất kém nên ở nghiên cứu này, graphit được cố định phân bố trên nền Cu bằng biện pháp cơ học. Tổ chức tế vi và cơ tính của hợp kim Cu-graphit sau nhiệt luyện cùng với mức độ phân bố graphit khác nhau được đánh giá bằng phương pháp hiển vi quang học, XRD, đo độ cứng và hệ số ma sát.

Từ khóa: hợp kim Cu-Al-Ni-Fe-Mn; graphit, bạc tự bôi trơn, nhiệt luyện

ABSTRACT

Cast bronze bearings with graphite material is made of strong cast Cu-based alloys with special solid lubricants embedded such as graphite. The base metal withstands high load and the solid lubricants provide self-lubrication. The bearing shows excellent performance without pre-lubrication under conditions of extreme high/low temperature with low speed. This material provides a maintenance-free bearing solution, particularly for high load, intermittent of oscillating motion. Nowadays, the biggest problem is the distribution and bonding of graphite on the bronze matrix. This research aims to fabricate cast bronze bearings with graphit lubricant by mechanical method. Their microstruc- ture and mechanical properties are investigated by optical microscope, XRD, hardness and friction testing.

Key words: Cu-Al-Ni-Fe-Mn alloy, graphite, self-lubricated bearing, heat treatment

1. GIỚI THIỆU

Bạc đồng – graphit là là một loại bạc composit mà ở đó có sự phân tán của graphit trên nền đồng và thường được ứng dụng trong điều kiện làm việc khô, nhiệt độ cao, áp suất cao, chịu ăn mòn, trong môi trường nước hoặc môi trường hóa học mà không thể dùng dầu để bôi trơn. Loại bạc này có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp như luyện kim bột, công nghệ đúc (hình 1). Bạc đồng – graphit cho thấy khả năng tự bôi trơn tuyệt vời do có sự góp mặt của graphit và khả năng truyền nhiệt tốt của nền đồng. Tuy nhiên loại bạc này cũng có hạn chế bởi khả năng liên kết giữa đồng và graphit, sự liên kết giữa đồng và graphite ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng làm việc và tuổi thọ của sản phẩm.

Hiện nay bạc đồng – graphit dạng bột ép thiêu kết đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, tiêu biểu như: K. Rajkumar và S. Aravindan [1] nghiên cứu chế tạo bạc đồng – graphit bằng phương pháp luyện kim bột và thiêu kết. Kết quả nghiên cứu cho thấy tổ chức tế vi thô và có xốp lớn bằng phương pháp thiêu kết thông thường làm giảm độ bền, khả năng chịu mài mòn. Tuy nhiên, khi K. Rajkumar và S. Aravindan chuyển sang thiêu kết bằng phương pháp lò vi sóng với những ưu điểm như tốc độ nung cao, nhiệt độ thiêu kết thấp, độ dằm chặt lớn, kích thước hạt nhỏ và làm cho cấu trúc hạt nhỏ mịn, ít xốp và cơ tính cao. H.Yang và cộng sự [2] nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ graphit/đồng tới cơ tính của bạc đồng – graphit, việc bổ sung thêm cốc than mỡ đã làm tăng khả năng dính kết giữa đồng và graphite, từ đó tăng khả năng chịu mài mòn và tăng tuổi thọ làm việc của bạc đồng – graphit. Đặc biệt hệ số ma sát của bạc đồng – graphit tăng đáng kể khi hàm lượng của cốc than mỡ tăng. J.F.Silvain và cộng sự [3] đã đánh giá tính chất của vật liệu tổng hợp đồng – graphit như: môđun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt và tổ chức tế vi. Vật liệu được chế tạo bằng phương pháp ép nóng, nền đồng được tăng bền bằng các sợi graphit, các sợi này được sơn phủ một lớp đồng bằng phương pháp mạ điện nên đã cải thiện đáng kể khả năng dính kết giữa đồng và graphit….

Hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao [4 – 6]. Hợp kim này có tổ chức hai pha bao gồm pha alpha và pha beta ở nhiệt độ cao, đây là các pha có khả năng tạo hình nóng tốt. 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  BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn  (hình  2).  Ứng dụng tiêu biểu của hợp kim là làm: 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 BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn có nhược điểm là khả năng tạo hình nguội kém, nhưng bù lại có khả năng tạo hình nóng ở vùng (α+β) trong khoảng nhiệt độ từ 700 đến 900 ^oC [7, 8].

Phụ thuộc vào tốc độ nguội và chế độ nhiệt luyện, pha beta có thể trải qua chuyển biến martensit 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 [6 – 8], hoặc pha γ2 tồn tại ở trong giản đồ 2 nguyên Cu- Al. Pha γ2 tồn tại trong hợp kim có hàm lượng Al lớn hơn 11,8 % và được hình thành ở điều kiện nguội chậm hoặc nhiệt luyện ở nhiệt độ nhỏ hơn 565 ^oC.  Các pha này làm tăng bền và giảm độ dẻo của hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn. 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 2.

Pha K được chia làm 4 loại chính và được gọi là KI, KII, KIII và KIV [6 – 8, 10, 11]. 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 KII tồn tại ít hơn, có thành phần và cấu trúc giồng KI nhưng nhỏ hơn. Pha KIII có dạng thanh hoặc tấm, thành phần chủ yếu là NiAl, còn KIV có thành phần chủ yếu là Fe3Al tồn tại dưới dạng hạt nhỏ mịn [10]. Thành phần của pha γ2 là Cu9All4 có cấu trúc lập phương.

Mục đích của công trình này là nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn, nhằm xác định một 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 BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn. Ngoài ra, vai trò của graphit trong việc cải thiện hệ số ma sát cho hợp kim cũng được nghiên cứu và đánh giá.

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 ϕ30mm. Sau khi vật đúc nguội, mẫu được cắt nhỏ theo kích thước ϕ30x30mm để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. Mẫu nhỏ được xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau. Mẫu tôi được nung ở nhiệt độ 950 ^oC với thời gian giữ nhiệt là 120 phút cho nguội trong nước. Mẫu sau tôi được hóa già ở 600 ^oC trong khoảng thời gian 30 phút và nguội cùng lò.

Để xác định ảnh hưởng của graphit tới hệ số ma sát, mẫu được khoan lỗ ϕ5 mm. Khoảng cách giữa các lỗ là 2 mm (a2); 3 mm (a3); 4 mm (a4). Các lỗ này được dùng để nhét cục graphit vào, khoảng cách giữa các lỗ khác nhau nhằm xác định ảnh hưởng của mật độ graphit tới hệ số ma sát.

Các mẫu sau khi nhiệt luyện được đo độ cứng, tổ chức tế vi được đánh giá bằng phương pháp hiển vi quang học, nhiễu xạ Rơnghen (XRD). Thành phần của mẫu được phân tích bằng phương pháp quang phổ phát xạ, như trình bày ở bảng 1 và xác định hệ số ma sát của mẫu với tải trọng bằng 12 N.

Bảng 1. Thành phần hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn sau đúc (% khối lượng)

Cu	Al	Fe	Ni	Mn	Khác
80,92	10,11	3,64	3,65	1,32	0,36

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết quả phân tích tổ chức tế vi của mẫu sau đúc, sau tôi và sau hóa già bằng phương pháp hiển vi quang học được trình bày ở hình 3. Thấy rằng ở mẫu sau đúc các pha α là các hạt có mầu sáng phân bố rộng khắp trên nền của pha [α + K] hoặc pha cân bằng β. Sau khi tôi và hóa già, các hạt α trở lên ngắn hơn và phân bố thưa hơn trên nền (hình 3b và 3c).

Chế độ nhiệt luyện không làm xuất hiện thêm pha mới như trình bày ở hình 4 – 6. Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơnghen cho thấy các pha kappa mà không thấy pha gamma 2. Thành phần pha ở mẫu sau đúc và sau nhiệt luyện không thay đổi, chế độ nhiệt luyện có tác dụng phân bố lại tổ chức pha α, làm ngắn hơn hạt α.

Chính sự thay đổi tổ chức tế vi này đã cải thiện đáng kể độ cứng của hợp kim. Sau tôi độ cứng tăng lên không nhiều, từ 175 HB tăng lên 184 HB; nhưng sau hóa già độ cứng đạt được khá cao 206HB. Độ cứng của hợp kim tăng là tiền đề quan trọng cải thiện khả năng chịu mài mòn cho hợp kim (hình 7).

Kết quả phân tích hệ số ma sát của mẫu được trình bày ở hình 8 và 9 cho thấy, mẫu sau tôi và hóa già hệ số ma sát thay đổi không nhiều với các mẫu thử nghiệm có khoảng cách lỗ graphit bằng 3 mm. Khoảng dao động giữa giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất cũng thấp hơn so với mẫu sau đúc. Khoảng dao động này càng lớn thể hiện khả năng chịu ma sát không ổn định, điều này ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng làm việc của bạc đồng – graphit. Giản đồ xác định hệ số ma sát của các mẫu sau đúc (hình 10), sau tôi (hình 11) và sau hóa già (hình 12) đã thể hiện rõ sự dao động của mẫu.

Khoảng cách giữa các lỗ graphit không ảnh hưởng nhiều tới hệ số ma sát của mẫu, hệ số ma sát ở mẫu a3 có cao hơn 2 mẫu còn lại nhưng không nhiều. Cả 3 mẫu đều có hệ số ma sát ở mức thấp (nhỏ hơn 0,2). Trong trường hợp mẫu không có graphit (a0) thì hệ số ma sát sau tôi (0,257) và hóa già (0,329) đều cao hơn đáng kể so với các mẫu có sử dụng graphit để bôi trơn. Sự có mặt của graphit đã làm giảm hệ số ma sát tới 50 % ở các mẫu sau hóa già và khoảng 40 % ở mẫu sau tôi.

4. KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện tới tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn cho thấy hợp kim đạt độ cứng cao sau tôi và hóa già. Sau nhiệt luyện, tổ chức của hợp kim BCuAl₁₀Fe₄Ni₄Mn không có thêm pha mới mà chỉ phân bố lại tổ chức. Đặc biệt kết quả kiểm tra hệ số ma sát cho thấy, mẫu sau đúc có sự dao động mạnh của hệ số ma sát. Sự dao động của hệ số ma sát đã được cải thiện đáng kể sau khi mẫu được nhiệt luyện. Mật độ graphit không ảnh hưởng nhiều tới hệ số ma sát của mẫu, hệ số ma sát nhỏ nhất đạt được trong phạm vi nghiên cứu khi khoảng cách giữa các lỗ graphit bằng 2 mm.

LỜI CẢM ƠN

Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn Viện KH&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. Rajkumar, K., Aravindan, S., Microwave sintering of copper-graphite composites, Journal of Materials Processing Technology 209, 2009, pp.5601-5605.
2. Yang, Huijun, Luo, Ruiying, Han, Suyi, Li, Midan, Effect of the ratio of graphite/pitch coke on the mechanical and tribological properties of copper-carbon composites, Wear 268, 2010, pp.1337-1341.
3. Silvain, J.F., Petitcorps, Y. Le, Sellier, E., Bonniau, P. and Heim, V., Elastic moduli, thermal expansion and microstructure of copper-matrix composite reinforced by continuous graphite fibres, Composites, 25, vol.7, 1994, pp.570-574.
4. ASM Handbook, Volume 02, Properties and selection: Nonferrous alloys and special-purpose materials, ASM International, 1990
5. J. R. Davis, ASM Specialty Handbook: Copper and copper alloys, ASM International, 2001
6. 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
7. P. Brezina, Heat treatment of complex aluminum bronzes, International Metals Reviews, 27, 1982, 2, 77-120
8. 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
9. H. J. Meigh, Cast and wrought aluminum bronzes – properties, Processes and Structure, Institute of Materials, London, 2000
10. E. A. Culpan, G. Rose, Microstructural characterization of cast nickel aluminium bronze, Journal of Materials Science, 13, 1978, pp.1647-1657
11. A. Jahanafrooz, F. Hasan, G. W. Lorimer, N. Ridley, Microstructural development in complex nickel-alu- minum bronze, Met. Trans A., 14, 1983, pp.1951-1956.