Ảnh hưởng của năng lượng cơ học đến tính chất thiêu kết của bột kim loại

Bài báo trình bày ảnh hưởng của năng lượng cơ học đến hiệu quả thiêu kết của bột kim loại Fe, Ag, Cu, Al- 4%Cu-4%Mg.

Influence of mechanical energy on sintering of metal powders

Trần Quốc Lập Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT

   Năng lượng cơ học làm tăng nội năng của hệ bột nghiền, trong đó nội năng tăng chủ yếu nhờ phần năng lượng đàn hồi hơn là phần năng lượng bề mặt. Sự tăng năng lượng tự do của bột kim loại làm nhiệt độ thiêu kết của nó giảm xuống.

ABSTRACT

   The paper presents some results of effect of mechanical energy on sintering of metal powders Fe, Ag, Cu, Al- 4%Cu-4%Mg. The mechanical energy increases internal energy, but this increasing is caused mainly by elastic component rather than by surface one. The increasing free energy leads also to lower sintering temperature.

1. Đặt vấn đề

   Năng lượng cơ học tác dụng lên bột khi nghiền gây ra sự thay đổi nội năng ΔG của bột [1]. Sự thay đổi đó được thể hiện ở biểu thức sau:

ΔG = ΔG_{bề mặt} + ΔG_{sai lệch mạng} (1)

   Trong đó:

ΔG: Sự thay đổi nội năng của hạt bột, ΔG_{bề mặt}: Sự thay đổi nội năng do sự biến đổi bề mặt của hạt bột, ΔG_{sai lệch mạng}: Sự thay đổi nội năng do sự biến đổi các khuyết tật mạng.

   Để xem xét tác nhân nào ảnh hưởng lớn đến sự thay đổi động học quá trình thiêu kết của bột, cần tách riêng ảnh hưởng của từng số hạng cho trong biểu thức (1).

   Các khuyết tật mạng có thể bị huỷ bằng công nghệ ủ hồi phục bột. ở nhiệt độ này, chỉ có ứng suất dư (đàn hồi) bị khử bỏ mà không có sự lớn lên của hạt bột. Như vậy có thể tách rời tác động của xô lệch mạng với ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ co khi thiêu kết và qua đó đánh giá gián tiếp ảnh hưởng của xô lệch mạng.

2. Thực nghiệm

   Các nguyên liệu ban đầu là bột Fe, bột Ag, bột Cu và bột Al-4%Cu-4%Mg; kích thước bột < 0,16 mm, được nghiền trong máy nghiền hành tinh với thời gian nghiền khác nhau. Nhiệt độ ủ được chọn như sau:

T_ủ < T_ktl (2)

   Theo công thức trên, nhiệt độ ủ của từng loại vật liệu là:

   Với thời gian ủ ngắn, đã không quan sát thấy sự lớn lên của kích thước hạt bột trên. Từ bột nghiền chưa ủ và bột nghiền đã ủ, tiến hành ép và thiêu kết theo quy trình truyền thống [2,3]. Cụ thể như sau: các mẫu Ag (1 g) và Cu, Fe, Al-4%Cu-4%Mg (2 g) được ép với P_ép = 1 và 2 T/cm², thiêu kết 30 phút trong môi trường khí nitơ, lần lượt ở nhiệt độ T_tk = 900, 1000, 1050 và 650°C tương ứng.

3. Kết quả và thảo luận

   Ảnh hưởng của năng lượng cơ học được đánh giá thông qua độ co ngót của sản phẩm. Kết quả cho ở đồ thị các hình 1 - 4.

   Từ các đồ thị trên, có nhận xét sau:

   - Tất cả các loại bột khảo sát (Ag, Cu, Fe, Al- 4%Cu-4%Mg) đều có độ co tăng khi tăng thời gian nghiền, đặc biệt độ co lớn hơn nhiều lần so với bột thô ban đầu.

   - Tác động của sai lệch mạng đến độ co (của bột Ag và Cu) lớn hơn nhiều lần so với tác động của sự giảm kích thước hạt, thể hiện ở độ co của mẫu sau khi ủ không tăng lên nhiều so với độ co của mẫu sau nghiền. Với bột Fe và Al-4%Cu- 4%Mg thì ngược lại.

   Một số kết quả cụ thể như sau:

(Δd/d)Ag_25h = 3,37%; (Δd/d)Ag_25h+ủ = 0,84% (Δd/d)Cu_30h = 4,0; (Δd/d)Cu_30h+ủ = 0,84% (Δd/d)Fe_30h = 15,79%; (Δd/d) Fe_30h+ủ = 11,59% (Δd/d)Al-4%Cu-4%Mg_12.5h = 20.2%; (Δd/d)Al-4%Cu-4%Mg_12.5h+ủ = 16.9%

   So với bột nghiền, độ co của bột (nghiền + ủ) giảm đáng kể.

(Δd/d)Ag_25h - (Δd/d)Ag_25h+ủ = 2,53% (Δd/d)Cu_30h - (Δd/d)Cu_30h+ủ = 3,16% (Δd/d)Fe_30h - (Δd/d)Fe _30h+ủ = 4,20% (Δd/d)Al-4%Cu-4%Mg_12.5h - (Δd/d)Al-4%Cu- 4%Mg_12.5h+ủ = 3.30%

   Như vậy khi tăng thời gian nghiền, bột có độ xô lệch mạng lớn, nội năng của bột tăng lên và đây là nguyên nhân chính làm tăng tính thiêu kết của bột.

4. Kết luận

   Từ các kết quả đạt được đã nêu trên, có thể rút ra một số kết luận sau:

   - Sự thay đổi nội năng của hạt bột do tác động cơ học thông qua hai phần: năng lượng bề mặt tăng (do kích thước hạt giảm xuống) và năng lượng đàn hồi do sai lệch mạng. Trong đó năng lượng đàn hồi do sai lệch mạng mang lại sự thay đổi nội năng lớn hơn trong bột Ag, Cu và ngược lại trong bột Fe, Al-4%Cu-4%Mg. Điều này được thể hiện qua độ co sau nghiền và ủ của vật liệu (bảng 1).

   Các kết quả trên cần được chứng minh trực tiếp khi xác định được mật độ khuyết tật mạng sau thời gian nghiền khác nhau.

   Với các vật liệu khác nhau, do đặc tính của từng loại bột mà mức độ thay đổi nội năng cũng như vai trò của khuyết tật mạng khác nhau.

   - Có thể chủ động kiểm soát tác động của năng lượng cơ học vào bột kim loại để tạo ra sản phẩm với các tính chất mới hoặc dùng cho công nghệ phun phủ.

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

1. C. Suryanarayana, Mechanical alloying and milling, Progress in materials science, Volume 46, Issues 1-2, January 2001, pp 1-184
2. V. Mamedov, Powder metallugry, Vol 45, No 4, 2002, pp 322-328
3. Trần Quốc Lập, Nguyễn Hoàng Việt, Nguyễn Thị Hoàng Oanh, Chế tạo vật liệu khối NiAl bằng phương pháp hợp kim hoá cơ học và thiêu xung điện plasma, Proceedings of the 20th scientific conference, Hanoi University of Technology, Hà nội 2006

[/symple_box] [symple_box color="red" text_align="left" width="100%" float="none"] Cám ơn: Công trình này được tài trợ và thực hiện trong khuôn khổ dự án KHCN giữa trường ĐHBK Hà nội và Viện Vật liệu và máy Hàn Quốc (KIMM), nay là Viện Khoa học vật liệu Hàn Quốc (KIMS). [/symple_box][symple_clear_floats]