Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Nghiên cứu nấu luyện và chế tạo thỏi đúc hợp kim nhôm B96ц-1 bằng công nghệ đúc bán liên tục cho một số ứng dụng đặc biệt
adv.

Nghiên cứu nấu luyện và chế tạo thỏi đúc hợp kim nhôm B96ц-1 bằng công nghệ đúc bán liên tục cho một số ứng dụng đặc biệt

25/12/2017

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ban đầu về công nghệ nấu luyện và đúc hợp kim nhôm  B96ц-1 tại Xí nghiệp Cơ khí 59/Z127, Tổng cục  Công  nghiệp Quốc  Phòng...

Study on melting process and fabrication billets made of aluminum alloy V96ts-1  (B96ц-1)  using direct chill casting process for special applications

ĐÀO TUẤN NGUYÊN1, KIM XUÂN LỘC1*, CHU ĐẠI TUẤN1, LẠI VĨNH HẢI1, BÙI NGỌC QUANG1, VŨ HỮU HƯNG1 1. Xí nghiệp cơ khí 59/Z127, Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng

Ngày nhận bài: 28/2/2016, Ngày duyệt đăng: 20/4/2016

 TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ban đầu về công nghệ nấu luyện và đúc hợp kim nhôm  B96ц-1 tại Xí nghiệp Cơ khí 59/Z127, Tổng cục  Công  nghiệp Quốc  Phòng. Thông  qua  nghiên cứu  thực  nghiệm, các tác giả đã xác lập được quy trình công  nghệ nấu luyện hợp kim B96ц-1 trong lò phản xạ và đúc thỏi bilet có đường  kính 152,4  mm  với chiều dài lên đến 2500  mm bằng  công  nghệ đúc bán liên tục. Nhiệt độ nấu luyện và nhiệt độ rót đúc được xác định trong khoảng (740÷750) oC và (690÷710) oC tương  ứng.  Tốc  độ rót khi đúc thỏi bilet nằm  trong khoảng (100÷105) mm/phút. Thỏi đúc được ủ đồng nhất trong khoảng nhiệt độ (405÷470) oC với thời gian giữ nhiệt là 15 h. Từ khóa: Đúc bán liên tục, hợp kim nhôm  B96ц-1,  lò phản  xạ, quy  trình công  nghệ nấu luyện và đúc, ủ đồng nhất.

ABSTRACT

In this paper,  some initial results on melting and direct-chill casting  technology for high strength aluminum alloy V96ts-1 (B96ц-1) in the factory 59/Z127-General Department of Defence Industry  are reported. Based on the experimental results, the authors determined technological procedure for smelting aluminum alloy V96ts-1 in rever- beratory  furnace and  casting  billets with a diameter of 152,4  mm  and  a length of 2500  mm  using  direct chill casting process. Melting and  casting  temperature were established in the  range from 740  to 750  oC and  from 690  to 710 oC, respectively. Pouring velocity  for fabrication of billets was  controlled  in the range from 100 to 105 mm/min. Billets were homogenized at temperature from 450  to 470 oC for 15 h. Keywords: aluminum alloy V96ts-1, direct-chill casting, homogenization, reverberatory furnace, melting  and casting  technological procedure.  1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong  số các  hợp  kim nhôm  độ  bền  cao  trên cơ  sở hệ  4  nguyên Al-Zn-Mg-Cu,  các  hợp  kim dạng B96ц,  bao  gồm  B96ц,  B96ц-1,  B96ц-3  là các hợp kim được hợp kim hóa  cao  nhất và có độ bền cao  nhất trong  các hợp kim nhôm  biến dạng và được ứng  dụng  rộng  rãi trong  các lĩnh  vực kỹ thuật tên lửa, hàng không  vũ trụ và trong lĩnh vực hạt nhân [1,2]. Hợp kim B96ц được  nghiên cứu  phát  triển từ năm 1956 bởi Viện nghiên cứu vật liệu hàng không toàn Nga (VIAM). Trong hợp kim B96ц, một lượng nhỏ  (0,1-0,2)% Zr được  thêm vào (thay  thế các nguyên tố truyền thống  Cr và Mn) giúp hợp kim có độ dẻo và độ dai phá hủy cao.  Khi so sánh với hợp kim B95, hợp kim B96ц có giới hạn bền và giới hạn chảy  cao  hơn khoảng 20 và 30% tương ứng [3, 4]. Trên  cơ sở hợp kim B96ц,  viện VIAM đã  nghiên cứu và phát triển các hợp kim B96ц-1, B96ц -3 vào các năm 1968 và 1970 (sớm hơn các đồng nghiệp Mỹ, tương ứng  với  hợp kim 7049,  7055  được phát triển vào năm  1991)  bằng  cách  giảm  hàm lượng nguyên tố hợp kim magiê, điều đó cho phép tăng độ dẻo, cải thiện tính gia công  biến dạng, tăng độ thấm tôi và các tính chất công  nghệ của  hợp kim khi  sản xuất các chi  tiết có  kích  thước  lớn, ứng dụng  trong kỹ thuật hàng không  [4]. Trong các hợp kim dạng B96ц, pha  nền là pha dung  dịch  rắn α-Al, pha  hóa  bền cơ bản  là pha η(MgZn2), ngoài ra còn  có  pha  T(Al2Mg3Zn3). Cu nằm trong dung  dịch rắn và ở dạng pha  trung gian S(Al2CuMg),  gây  ảnh  hưởng  rất lớn đến  các tính chất bền cũng như khả năng chống lại các dạng ăn mòn nguy hiểm (như ăn mòn dưới ứng suất và ăn mòn  tách lớp). Sự  hình thành  pha  Al3Zr phân tán liên  kết chặt chẽ  với  pha  nền và có  kích  thước (10÷35) nm đóng vai trò quan  trọng trong việc nâng cao  nhiệt độ kết tinh lại của  các hợp kim này [3]. Bảng 1. Thành  phần hóa học của hợp kim nhôm  B96цB96ц-1 (TY 1-2-486-86)

Thành phần hoá học (%)
Al Zn Mg Cu Zr Fe Si
Còn lại 7,0 ÷ 9,0 2,3 ÷ 3,0 2,0 ÷ 2,6 0,1 ÷ 0,2 ≤ 0,5 ≤ 0,5
Hợp kim nhôm B96ц-1 được quy định trong tiêu chuẩn TY 1-2-486-86 với thành phần hóa  học  như trong bảng  1 mới  chỉ được áp dụng  trong quân sự để  làm các chi  tiết trong  các loại  tên lửa,  anten, một số loại đạn... Đây là hợp kim rất khó nấu luyện trong  sản  xuất lô, loạt, số lượng lớn vì  hàm lượng Zn, Mg rất cao,  đặc biệt là hàm lượng Zr rất nhỏ nhưng  lại  rất dễ bị  oxi hóa, cháy  hao  trong  quá trình nấu luyện và đúc thỏi. Các công trình công bố về hợp  kim này khá  ít   ỏi  và chưa  được  đầy  đủ. Trong bài báo này, các tác giả sẽ tập trung nghiên cứu  và xác lập các thông  số công  nghệ cho  quá trình nấu luyện và đúc thỏi bilet B96ц-1 bằng  công nghệ đúc bán liên tục, đảm bảo  có thể nấu luyện được mác hợp kim nhôm  B96ц-1 tương đương với mác hợp kim của  Nga. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Tính phối  liệu cho  mẻ  nấu luyện Nguyên vật liệu chính cho nấu luyện bao  gồm: nhôm thỏi A7 (cOCT 11069-2001), kẽm kim loại ц1 (cOCT  3640-94), magiê  kim  loại    Mc90  (cOCT 804-93), hợp kim nhôm trung gian Al-Cu50, Al-Zr3, Al-Ti5. Nguyên vật liệu nấu hợp kim nhôm  B96ц-1 được tính trên cơ sở lượng cháy hao các nguyên tố hợp kim hóa  theo  bảng  2 [5]. Bảng 2. Lượng cháy hao của các nguyên tố trong quá trình nấu luyện
Nguyên tố Tỷ lệ cháy hao (%)
Al 1,0-3,0
Cu 0,5-2,0
Mn 0,5-1,5
Mg 2,0-3,0
Zn 2,0-3,0
Be,  Ti ≤30,0
Chất  trợ dung  sử dụng  trong  nấu  luyện bao gồm: - Trợ dung  che  phủ: 47 %KCl + 30 %NaCl + 23 %Na3AlF6;  lượng sử dụng:  2÷3 % trọng  lượng mẻ nấu, được đưa vào khi liệu chảy lỏng khoảng 50 %. - Trợ  dung  khử khí  tinh  luyện:  ZnCl2,  sử  dụng với 1,5-2 % trọng lượng mẻ nấu, được đưa vào hợp kim nhôm  lỏng bằng  dụng cụ chuyên dùng. Các  trợ  dung  trước khi  đưa  vào sử  dụng  đều được sấy khô,  nghiền nhỏ,  đóng vào túi nilon kín đảm bảo không  bị hút ẩm. Bảng  tính toán phối liệu cho 1000 kg sản  phẩm hợp kim đúc được cho trong bảng  3. Bảng  3. Tính toán phối liệu cho 1000  kg sản  phẩm đúc (Tỷ lệ cháy hao 3 %)
Tên vật tư Hình dạng Khối lượng, kg
Nhôm A7 Dạng ingot 815
Kẽm kim loại Dạng thỏi 83
Magiê kim loại Dạng thỏi 27
HKTG Al-Cu50 Dạng lanh gô 48
HKTG Al-Zr3 Dạng lanh gô 52
HKTG Al-Ti5 Φ8, dùng làm biến tính 5
2.2. Các thiết  bị sử dụng Các thiết bị phục  vụ thử nghiệm: lò phản  xạ 5 tấn nấu  luyện nhôm,  máy   phân tích  quang phổ phát  xạ  Spectrolab, máy   kiểm tra  tổ chức   kim  tương. Các trang  thiết bị được chỉ ra trên hình 1, 2 và 3. [caption id="attachment_1825" align="aligncenter" width="300"]Hình 1. Hệ thống  lò nấu luyện, đúc bán liên tục Hình 1. Hệ thống  lò nấu luyện, đúc bán liên tục[/caption] [caption id="attachment_1824" align="aligncenter" width="295"]Hình 2. Máy  phân tích quang phổ phát xạ Spectrolab Hình 2. Máy  phân tích quang phổ phát xạ Spectrolab[/caption] [caption id="attachment_1823" align="aligncenter" width="300"]Hình 3. Máy  kiểm tra tổ chức  kim tương Hình 3. Máy  kiểm tra tổ chức  kim tương[/caption] 2.3. Mô tả quá trình nấu luyện và đúc thỏi bilet Quá  trình nấu  luyện  cụ  thể  hợp  kim  nhôm B96ц-1 được mô tả trong hình 4. Nhiệt độ hợp kim hóa  đạt (740÷750) oC và nhiệt độ chuẩn bị rót đúc là (690÷710) oC. Sau  khi khử khí và tinh luyện, hợp kim  nhôm   B96ц-1   được   đúc   thành   thỏi   billet (Φ152,4  x 2500mm) trên hệ thống  đúc bán  liên tục. Quá trình đúc thỏi bilet cần kiểm soát tốc  độ đúc chặt chẽ kết hợp cung cấp dây biến tính Al-Ti5 để làm nhỏ hạt hợp kim đúc. Tốc độ đúc nằm trong khoảng (100÷105) mm/phút. 2.4.  Lựa  chọn chế độ ủ  đồng  đều  hóa  thành phần thỏi đúc Nguyên tắc  chọn  nhiệt độ  đồng đều  hóa  phải cao hơn nhiệt độ hòa tan hoàn toàn các nguyên tố hợp kim trong nhôm,  nghĩa là cao  hơn nhiệt độ t1 và thấp hơn nhiệt độ đường  đặc cân bằng  (t1 < tđđ <tđặc).  Ngoài  ra  khi  lựa  chọn  nhiệt độ đồng  đều hóa  cần chú ý rằng trong các thỏi đúc còn tồn  tại cùng tinh không  cân bằng  xung quanh hạt. Dựa  trên giản  đồ pha  (hình 5) của  hợp kim hệ B96ц-1,  nhiệt  độ  ủ  đồng  đều  hóa   thành  phần được  lựa  chọn   trong  khoảng (460±10)   oC,  thời gian ủ 15 h. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kiểm tra thành phần hóa  học  (bảng  2) Bảng  2
Hợp kim nấu luyện Thành phần hoá học (%)
Al Zn Mg Cu Zr Fe Si
Mẻ 1 Còn lại 8,15 2,65 2,35 0,12 0,15 0,16
Mẻ 2 Còn lại 8,12 2,63 2,28 0,12 0,12 0,18
Mẻ 3 Còn lại 8,21 2,58 2,32 0,15 0,16 0,20
Hợp kim B96 ц -1 (ТУ 1-2-486-86) Còn lại 7,0-9,0 2,3-3,0 2,0-2,6 0,1-0,2 ≤ 0,5 ≤ 0,5
[caption id="attachment_1822" align="aligncenter" width="300"]Hình 4. Quá trình nấu luyện hợp kim B96цB96ц-1 Hình 4. Quá trình nấu luyện hợp kim B96цB96ц-1[/caption] [caption id="attachment_1821" align="aligncenter" width="226"]Hình 5.  Giản đồ chọn  nhiệt độ đồng đều hóa Hình 5.  Giản đồ chọn  nhiệt độ đồng đều hóa[/caption] [caption id="attachment_1820" align="aligncenter" width="300"]Hình 6. Tổ chức mẫu hợp kim B96u-1 sau ủ, a) 200 và b) 100 Hình 6. Tổ chức mẫu hợp kim B96u-1 sau ủ, a) 200 và b) 100[/caption] Từ bảng  kết quả  nấu luyện trên cho  thấy trên cơ sở công  nghệ, thiết bị thực tế tại  Xí  nghiệp Cơ khí  59  hoàn  toàn  có  thể chế  tạo được  hợp kim B96ц-1  có  thành  phần  theo  tiêu chuẩn  TY 1-2-486-86  trong điều kiện Việt Nam.  Nhìn chung  các mẻ  nấu đều cho thành phần phù hợp, sát với tính toán ban  đầu. 3.2. Tổ chức tế vi thỏi đúc Mẫu sau  khi ủ đồng đều hóa  thành phần được cắt bổ  lấy mẫu  để  phân  tích  tổ chức  kim tương (hình 6). Mẫu được mài thô bằng  giấy ráp cỡ hạt 420,  800,  1000,  sau  đó  đánh  bóng  bằng  bột  kim cương. Dung dịch tẩm thực sử dụng hỗn hợp (12ml HF 40% + 2ml HNO3  + 6ml HCl + 100ml H2O) [4]. Trên pha nền là dung dịch rắn α, có thể thấy rõ các pha  dạng η(MgZn2), T(Al2Mg3Zn3) và S(Al2CuMg) có màu tối. 4. KẾT LUẬN Từ các kết quả nghiên cứu có thể rút ra các kết luận sau: - Đã nấu luyện hợp kim B96ц-1 có  thành phần đạt theo  tiêu  chuẩn TY 1-2-486-86; - Xây dựng được quy trình công nghệ nấu luyện và đúc thỏi bilet hợp kim B96ц-1 với các tham  số công  nghệ như sau: Nhiệt độ nấu luyện không được vượt quá 780 oC; Nhiệt độ tinh luyện không  quá 750 oC Nhiệt độ rót đúc thỏi billet: (690÷710) oC; Tốc độ đúc (100÷105) mm/phút - Xác định được các tham số công nghệ ủ đồng đều hóa  thành phần: Nhiệt độ ủ: (460±10)  oC; Thời gian ủ: 15 h. TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
  1. Меркулова Г.А., Металловедение и термическая обработка цветных сплавов, чебное пособие, Красноярск, 2008 г., 318 c.
  2. Рабинович М.Х., Кайбышев О.А., Трифонов В.Г.,Сверхпластичность сплава В96ц., Металловедение и термическая обработка металлов, № 3, 1978 г., с. 55-56.
  3. Сенаторова О.Г., Сухих А.Ю., Сидельников В.В., Головизнина Г.М., Матвиенко С.В., Развитие и перспективы применения высокопрочных алюминиевых сплавов для катаных полуфабрикатов, Технология легких сплавов, ВИЛС, № 4, 2002г., c. 28-33.
  4. И. Н. Фридляндер, Современные алюминиевые, магниевые сплавы и композиционные материалы на их основе, Металловедение и термическая обработка металлов, №7, 2002г., с. 24-29.
  5. Nguyễn Khải Hoàn, “Tối ưu hóa công nghệ đúc chế tạo nhôm biến dạng độ bền cao”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Bách khoa  Hà Nội, 2003