Ảnh hưởng đồng thời của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Ti, Mn, Cr) đến tổ chức và nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Zn-Mg

Từ kết quả phân tích ảnh tổ chức đã khẳng định ảnh hưởng tích cực của việc hợp kim hoá kim loại chuyển tiếp.

Simultaneous influence of transition metals (Ti, Mn, Cr) on microstructure and recrystallization temperature of deformation aluminium alloys of system Al-Zn-Mg

Nguyễn Khắc Xương, Trần Như Biên, Đỗ Minh Đức Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tóm tắt

   Bằng phương pháp đúc trong khuôn kim loại có nước làm nguội tuần hoàn, đã chế tạo được hợp kim Al-4%Zn- 1,5%Mg hợp kim hoá đồng thời kim loại chuyển tiếp Mn, Cr, Ti. Trên cơ sở phương trình hồi quy đã xác định được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng Mn, Cr; nhiệt độ và thời gian ủ đến nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim và dự đoán toạ độ vùng tối ưu. Từ kết quả phân tích ảnh tổ chức đã khẳng định ảnh hưởng tích cực của việc hợp kim hoá kim loại chuyển tiếp.

Abstract

   By casting in chilled mold with circulated water cooling the Al-4%Zn-1,5%Mg alloy modified by transition metals (Ti, Mn, Cr) has been produced. Based on recurrent equation the influence of transition metals Mn, Cr content, of annealing temperature and time on recrystallization temperature of the alloy has been established. The coordinates of the optimal range has been also determined. It is confirmed by microstructure observation the essential effect of alloying by transition metals.

1. Đặt Vấn Đề

   Hợp kim Al-Zn-Mg thuộc nhóm các hợp kim biến dạng độ bền cao. Tính hàn, khả năng chịu gia công biến dạng và chống ăn mòn trong nước biển cũng như khí quyển khá tốt.

   Tuy nhiên, cơ tính hợp kim hệ này rất nhạy cảm với nhiệt độ. Khi ứng dụng trong kết cấu hàn, kích thước hạt sau kết tinh và ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổ chức, tính chất vùng lân cận mối hàn là vấn đề hết sức quan trọng.

   Công trình này đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng đồng thời của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp Ti, Mn, Cr đến tổ chức kết tinh và nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim Al - 4,5%Zn - 1,5%Mg.

   Cơ sở của vấn đề:

   - Việc sử dụng các chất biến tính chứa kim loại chuyển tiếp để làm nhỏ hạt các hợp kim nhôm khi kết tinh đang được nghiên cứu trong nhiều công trình [1,2,3,4].

   - Trong Al Ti sẽ tạo pha TiAl₃ với mặt {110} tương hợp hệ mặt {112} của nhôm. Đó là lý do để TiAl₃ trở thành tác nhân tạo mầm ký sinh làm nhỏ hạt α khi kết tinh của các hợp kim nhôm.

   - Mn và Cr là hai nguyên tố tạo giản đồ pha dạng cùng tinh và bao tinh tương ứng với nhôm. Các pha MnAl₆ và CrAl₇ sẽ phân bố trái ngược nhau trong hạt tinh thể α. Khi hóa già: pha MnAl₆ có mật độ giảm dần từ tâm hạt ra biên giới hạt, trong khi đó pha CrAl₇ ngược lại. Các pha này phân tán, nhỏ mịn và ổn định nhiệt, do vậy có tác dụng nâng cao nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim.

2. Thực nghiệm và kết quả

2.1 Chế tạo mẫu nghiên cứu

   Hợp kim nghiên cứu được chọn có thành phần: Al-4,5%Zn-1,5%Mg. Các nguyên tố Mn, Cr, Ti được đưa vào hợp kim theo kết quả quy hoạch thực nghiệm với ma trận thí nghiệm (bảng 2).

   Trong đó:

x₁: mã hóa hàm lượng Mn, có thành phần biến đổi trong chặng (0,4 ÷ 1,6)%. x₂: mã hóa hàm lượng Cr, có thành phần biến đổi trong chặng (0,2 ÷ 0,8)%. x₃: nhiệt độ ủ đồng đều hóa, biến đổi trong chặng (450 ÷ 500) 0C. x₄: thời gian ủ đồng đều hóa, biến đổi trong chặng (8 ÷ 12)h.

   Hàm lượng Ti không thay đổi, có giá trị 0,1%.

   Theo quy luật của ma trận thực nghiệm, có 5 phương án hợp kim hóa tương ứng với 5 thành phần hợp kim cho trong bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hóa học các mẫu hợp kim nghiên cứu (%)

   Các hợp kim nghiên cứu được nấu luyện tại phòng thí nghiệm thuộc Viện Khoa học-công nghệ Mỏ-Luyện kim, theo sơ đồ hình 1.

Hình 1. Sơ đồ chế tạo mẫu nghiên cứu

Hình 2. Khuôn nguội nhanh có nước làm nguội tuần hoàn

   Phôi hợp kim sau khi đúc trong khuôn (hình 2) làm nguội bằng nước tuần hoàn ở 25°C, có kích thước 250x180x14. Lấy mẫu từ các phôi này để khảo sát tổ chức tế vi, đo độ lớn hạt α. Phần còn lại của các phôi được ủ theo các quy trình quy định trong ma trận thực nghiệm (bảng 2).

Bảng 2. Ma trận thí nghiệm

   Sau ủ, các phôi được cán nóng (nhiệt độ cán 400°C) đến chiều dày 5mm và ủ tiếp theo ở 400°C trong thời gian 1h. Các tấm cán nóng và ủ được cán nguội đến chiều dày 1mm. Từ các tấm mỏng này cắt mẫu với các kích thước 110x6x1 để xác định nhiệt độ kết tinh lại.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. ảnh hưởng của Mn, Cr,Ti đến tổ chức sau kết tinh

   Sử dụng kính hiển vi quang học Axiovert 100A để khảo sát tổ chức các mẫu sau đúc nguội nhanh bằng nước và các mẫu sau ủ đồng đều hóa. Độ hạt được xác định nhờ phần mềm Image Pro plus. Các kết quả nêu trong bảng 3 và các ảnh tổ chức trình bày trên hình 3, 4, 5, 6, 7.

   Từ kết quả ta thấy rằng cấp hạt theo ASTM của các mẫu hợp kim được hợp kim hóa đồng thời bằng Mn, Cr, Ti , sau đúc có làm nguội bằng nước tăng 1 cấp so với mẫu hợp kim chuẩn (không hợp kim hóa thêm kim loại chuyển tiếp) và tăng 2 cấp so với mẫu sau đúc làm nguội tự nhiên trong khí quyển (nhiệt độ phòng).

Hình 7. Hợp kim số 1.16.500 đúc, nguội nhanh, ủ (x500)

   Mẫu số 5 ứng với thành phần Al-4Zn-1,5Mg- 1,0Mn-0,5Cr-0,1Ti có độ hạt thô nhất trong loạt các mẫu được hợp kim hóa thêm các kim loại chuyển tiếp. Kết quả này phù hợp với các kết quả trong [4, 5].

   Trên ảnh tổ chức tế vi mẫu sau đúc nguội nhanh và ủ đồng đều hóa (hình 7, hợp kim 1, ủ 16h ở 500°C) thấy các phần tử liên kim AlMn₆ và AlCr₇ tiết ra phân bố khá đồng đều trên nền hạt α. Đây chính là một trong những nguyên nhân quan trọng có tác dụng nâng cao nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nghiên cứu.

Bảng 3.  Đánh giá cấp hạt theo ASTM  (ảnh x 200)

3.2. Ảnh hưởng của kim loại chuyển tiếp và ủ đồng đều hóa đến nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nghiên cứu

   Để xác định nhiệt độ kết tinh lại có thể dùng nhiều phương pháp, ví dụ nhiễu xạ Rơngen, đo chính xác điện trở [4].

   Xác định nhiệt độ kết thúc kết tinh lại (lần thứ nhất) bằng phương pháp đo chính xác điện trở dễ thực hiện mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết. Nguyên tắc đo như sau: Sử dụng một bộ mẫu đã được ủ ở các nhiệt độ khác nhau. Đo điện trở của các mẫu. Sử dụng phương thức “dò” (trial and error method) ở “vùng dừng” để xác định nhiệt độ kết tinh lại, (hình 8). Trong thực tế, vùng sàn có thể xác định trước (như một điều kiện biên). Dùng phương pháp ngoại suy để xác định nhiệt độ kết tinh lại. Thường nhiệt độ kết tinh lại được xác định là nhiệt độ tại đó điện trở bằng điện trở sàn + 1% điện trở sàn.

Hình 8. Sơ đồ nguyên tắc xác định nhiệt độ kết tinh lại bằng đo chính xác điện trở

Hình 9. Sơ đồ đo điện trở mẫu nghiên cứu 1.Điện trở chuẩn Sun 150A-75mV-500μΩ 2. Tụ điện 63A-10000μF   3. Cầu chỉnh lưu 100A 4. Biến áp 100W-220V-5A     5. Biến thế tự ngẫu 6. Mẫu nghiên cứu cần đo     7. Kẹp cá sấu 8. Đồng hồ hiển thị

   Điện trở của mẫu nghiên cứu (đo) được xác định theo biểu thức:

   trong đó:

R_đo - điện trở mẫu cần nghiên cứu R_Ref - điện trở chuẩn (Sun 150A-75mV → 500μΩ) U_đo – hiệu điện thế mẫu cần đo U_Ref - hiệu điện thế chuẩn

   Kết quả xác định nhiệt độ kết thúc kết tinh lại cho trong bảng 2 và bảng 4.

   Xử lý số liệu ở bảng 2 thu được hàm mục tiêu đã được kiểm tra tính tương hợp, có dạng sau:

Y=420,425-7,81X₂-5,073X₃-11,295X₄-26,17X₁₂

   Từ hàm hồi quy, căn cứ vào độ lớn và dấu các hệ số có một số nhận xét sau:

   - Ảnh hưởng của Mn đến nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim trong chặng (0,4÷1,6)% là không đáng kể.

   - Khi giảm hàm lượng Cr từ 0,5 xuống 0,2% sẽ làm tăng nhiệt độ kết tinh lại. Trong khi đó tăng từ 0,5 lên 0,8%Cr sẽ gây ảnh hưởng ngược lại (giảm nhiệt độ kết tinh lại).

   - Giảm nhiệt độ ủ 475 xuống 450°C sẽ làm tăng nhiệt độ kết tinh lại, ngược lại tăng nhiệt độ ủ từ 475 lên 500°C sẽ làm giảm nhiệt độ kết tinh lại.

   - Rút ngắn thời gian ủ từ 12 xuống 8h làm tăng nhiệt độ kết tinh lại. Nhưng khi tăng thời gian ủ từ 12 lên 16h sẽ tác dụng ngược lại, làm giảm nhiệt độ kết tinh lại.

   Theo phương pháp Box-Wilson [6], chuyển động theo chiều dốc tới vùng cực trị ta có:

   Điều này có nghĩa: vùng cực trị (vùng dừng) sẽ ở phía: r < 0,5%, T⁰ _ủ < 475°C, τ_ủ < 12h

4. Kết luận

   a. Đã chế tạo hợp kim Al-4,5%Zn-1,5%Mg hợp kim hóa kim loại chuyển tiếp Mn, Cr, Ti bằng phương pháp đúc trong khuôn kim loại nguội nhanh bằng nước tuần hoàn. Với Phương pháp đúc này tương đương như đúc liên tục trong công nghiệp.

   b. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng được hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nghiên cứu với: nhiệt độ, thời gian ủ đồng đều hóa sau đúc,hàm lượng của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Mn, Cr). Từ đó xác định được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng Mn, Cr nhiệt độ, thời gian ủ đến nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim và dự đoán tọa độ vùng tối ưu:

Cr < 0,5%, T⁰ _ủ < 475°C, τ_ủ < 12h

Bảng 4. Nhiệt độ kết tinh lại ứng với R_tính

   c. Từ kết quả phân tích ảnh tổ chức tế vi đã khẳng định:

- Hợp kim hóa đồng thời Mn, Cr, Ti có tác dụng làm nhỏ hạt hợp kim hệ Al-Zn-Mg.

- Hợp kim hoá phối hợp các nguyên tố tạo cùng tinh (Mn) với các nguyên tố tạo bao tinh (Cr, Ti) sẽ làm các pha hóa bền phân bố đồng đều.

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

1. Easton, M. and Stjohn, D. Met. Mater. Trans. 1999, A30, 1613
2. Easton, M. et al., D. Met. Mater. Trans. 1999, A30, 1625
3. Shumacher, P. et al., Mater. Sci and Tech, 1998, 14, 394
4. 
5. Trần Thanh Tùng, Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa vi lượng kim loại chuyển tiếp và nhiệt luyện đến tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg, Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2005
6. G. E. P. Box, K.B. Wilson, Statist. soc. ser, 1951

[/symple_box][symple_clear_floats]