Ảnh hưởng của lượng và kích thước hạt SiC tới sự hình thành tổ chức và tính chất của compozit nền hợp kim nhôm A356

Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu thăm dò công nghệ chế tạo compozit ...

The effect of content and size of SiC particles on microstructure and proper- ties of 356 alloy matrix composites

Nguyễn Văn Thái, Nguyễn Anh Sơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Văn Chương Viện Công nghệ, Bộ Công Thương

TÓM TẮT

   Bằng phương pháp khuấy bán lỏng, đã chế tạo thành công compozit nền hợp kim nhôm A356 cốt hạt SiC. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của lượng SiC từ 3 tới 12% và kích thước hạt từ 35 tới 120μm tới sự hình thành tổ chức và tính chất của compozit nghiên cứu. Compozit chứa 12% SiC với kích thước hạt 35μm sẽ cho tính năng vượt trội.

ABSTRACT

   The A356 alloy matrix composite,reinforced with SiC partiles was prepared using semi-solid stiring method. The effect of SiC particles content (3-12%) and size (35-120μm) on microstructure and properties of composite is studied. It shows that the composite with 12% SiC and the particle size 35μm has best properties.

1.Đặt vấn đề

   Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp đòi hỏi phải phát triển những vật liệu mới có tính năng tổng hợp cao. Vật liệu compozit là vật liệu kết hợp từ hai hay nhiều vật liệu có bản chất và tính chất khác nhau, không hoà tan vào nhau, được phân cách bằng ranh giới rõ rệt. Vật liệu compozit nền kim loại nổi lên như như vật liệu kết cấu có tiềm năng lớn, có tính chất tổng hợp cao với các ứng dụng cho các chi tiết cần có độ bền riêng, mô đun đàn hồi riêng cao, chống mài mòn tốt, hệ số giãn nở nhiệt thấp, làm việc được ở nhiệt độ cao, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. ở Việt Nam, đã có một số công bố về compozit nền hợp kim nhôm cốt hạt SiC, song còn thiếu nghiên cứu các tính chất của chúng. Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu thăm dò công nghệ chế tạo compozit.

2. Thực nghiệm

2.1. Chế tạo compozit

   Vật liệu nền là hợp kim silumin mác A356 chứa (6,5-7,5)%Si; (0,2-0,4)%Mg. Vật liệu cốt là SiC với lượng dùng 3, 6 và 12%; kích thước hạt 35, 75 và 130 μm. Hợp kim A356 được nấu trong lò điện trở Nabertherm, có bộ đặt và điều khiển nhiệt độ chính xác, vận hành đơn giản, thuận tiện. Dung tích nấu: 4kg/ mẻ ở nhiệt độ 780°C. Hợp kim sau đó được được đưa sang lò điện trở thứ hai, dung tích 2 kg để khử khí; làm nguội tới (585-590) °C, giữ nhiệt và khuấy bán lỏng bằng cánh khuấy 3 hoặc 6 cánh với tốc độ (780-950) vòng/phút, trong (10- 15) phút, tuỳ theo lượng SiC đưa vào. Trong quá trình khấy bán lỏng, hợp kim được che phủ bằng khí Ar phun từ một ống dẫn vào.

   Compozit sau khuấy bán lỏng được xử lý nhiệt và rót vào khuôn kim loại có kích thước (22 x 200) mm, đã được bổ ngót tốt.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

   Lượng SiC được cân trên cân điện có độ chính xác cao và tính phần trăm theo trọng lượng hợp kim A356 được nấu và được kí hiệu là m(%). Kích thước hạt SiC được xác định qua kích thước mắt sàng khi rây và được kí hiệu là l(μm).

   Đã dùng tỷ lệ m/l để phân biệt các mẫu thí nghiệm khác nhau.

   Các mẫu compozit nền hợp kim, cốt hạt SiC được mài và chụp ảnh trên kính hiển vi quang học AXIOVERT 100A. Độ cứng của mẫu được xác định bằng phương pháp Brinen; giới hạn bền kéo và môđun đàn hồi được xác định trên máy thử vạn năng ZDM5-91. Hệ số giãn nở nhiệt trong khoảng nhiệt độ (28-350) °C được xác định nhờ thiết bị ULBRICH; độ mài mòn được đo nhờ thiết bị TRIBOtester theo tiêu chuẩn ISO 7148 và ASTN G99-95a tại phòng thí nghiệm Công nghệ Vật liệu kim loại, Trường Đại học Bách Khoa HN.

Hình 1 và 2

3. Kết quả và thảo luận

   Ảnh tổ chức tế vi của compozit nghiên cứu được thể hiện trên hình 1. Từ hình 1 thấy: tăng lượng cốt SiC, sự phân bố của chúng trên nền kim loại càng đều hơn. Điều đó cũng tương tự như tăng độ mịn của hạt cốt này. Hình 2 giới thiệu ảnh tổ chức của compozit mẫu (c) với độ phóng đại lớn. ở đây, lớp liên kết biên giới hạt nền-cốt đã được thể hiện rõ ràng.

   Sự thay đổi độ cứng của compozit theo hàm lượng cốt SiC (khi kích thước cốt bằng 130 μm) và kích thước của chúng (khi lượng cốt bằng 12%) được thể hiện trên hình 3. Độ cứng của compozit càng tăng khi lượng SiC càng tăng và kích thước hạt SiC càng nhỏ mịn.

Hình 3: Sự thay đổi độ cứng của compozit theo hàm lượng và kích thước hạt SiC

Hình 4: ảnh hưởng của hàm lượng cốt SiC với kích thước hạt b"ng 130 mm tới cơ tính của compozit

Hình 5: ảnh hưởng của kích thước hạt cốt SiC khi hàm lượng cốt không đổi và bằng 12% tới cơ tính của compozit

   Sự thay đổi độ bền, môđun đàn hồi và độ dẻo của compozit theo hàm lượng và kích thước hạt SiC được thể hiện trên hình 4 và 5.

   Từ các hình vẽ đã nêu thấy: Khi tăng hàm lượng cốt trong điều kiện kích thước hạt không đổi (130 μm), độ bền, môđun đàn hồi của compozit tăng, còn độ dẻo lại giảm đi. Các đại lượng đã đo là tổ hợp của nền và cốt. Tăng lượng cốt là tăng phần bền, cứng của compozit nên độ dẻo giảm theo. Tuy nhiên, các giá trị đo được khá ba động.

   Cùng hàm lượng cốt (12%), khi tăng kích thước hạt cốt, tất cả các giá trị độ bền, môđun đàn hồi của compozit đều giảm vì đã làm tăng sự không đồng đều, giảm sự phân tán của hạt cốt. Trong điều kiện compozit chứa 12% cốt SiC với kích thước hạt 35μm, giới hạn bền kéo đạt 124 MPa; độ dẻo: 8,2%; độ cứng: 172HB và môđun đàn hồi: 3865 MPa.

Hình 6: Độ giãn dài tương đối của compozit phụ thuộc vào nhiệt độ

   Ảnh hưởng của hàm lượng và kích thước hạt SiC tới độ giãn dài tương đối của compozit theo nhiệt độ được thể hiện trên hình 6. Rõ ràng là: khi tăng nhiệt độ, độ giãn dài tương đối của tất cả các mẫu đều tăng, song chúng càng tăng mạnh khi lượng cốt càng giảm và kích thước hạt cốt càng lớn. Hệ số giãn nở nhiệt theo nhiệt độ được tính từ đó và được thể hiện trong bảng 1 cho thấy: com- pozit chứa 12%SiC và có kích thước hạt mịn (35μm) sẽ cho giá trị hệ số giãn nở nhiệt thấp nhất (12,43. 10^-6/K).

 Bảng 1: Hệ số giãn nở nhiệt của compozit từ 28 tới 350°C

 Bảng 2: Tốc độ mòn của compozit khi trượt trên giấy nháp SiC /g.10^-5/Nm

   Từ thí nghiệm khối lượng mòn của compozit theo chiều dài trượt đã tính được tốc độ mòn khi trượt trên giấy nháp SiC (bảng 2) thấy: hàm lượng SiC càng nhiều, kích thước hạt càng mịn, tốc độ mòn của compozit càng nhỏ.

   Ở đây, N là Niu tơn- đơn vị của tải trọng đặt lên mẫu thử mài mòn.

4. Kết luận

   Hàm lượng và kích thước hat SiC trong nền hợp kim A356 đóng vai trò quyết định tính chất của compozit. Trong phạm vi nghiên cứu, hàm lượng cốt càng nhiều, kích thước hạt càng mịn, tính năng của compozit càng cao. Compozit chứa 12%SiC với kích thước 35μm có tổ chức phân bố đều; cơ tính thoả mãn: Rm = 124 MPa, A5 = 8,2%; HB = 172, môđun đàn hồi = 3856 MPa, hệ số giãn nở nhiệt thấp: 12,43.10^-6/K và tốc độ mài mòn khi trượt trên giấy SiC rất thấp: 0,97.10-5 g/Nm.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

Tài liệu trích dẫn

1. Nguyễn Trọng Giảng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ,1996, T.55-60
2. Nguyễn Trọng Giảng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ,1997, T.43-50
3. N.V. Chương, Đ. M. Nghiệp, T.Q. Lập, N. A. Sơn v.v..., Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Nhà nước, Mã số KC02-02, 10/2004
4. L. V. Dương, H. V. Lễ, N. H. Nam, Luận án tốt nghiệp kỹ sư ngành Vật liệu và công nghệ đúc, ĐHBK HN, 5/2007

[/symple_box][symple_clear_floats]