Nghiên cứu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6

Hóa học vật liệu N.X.Phương, B.T.Hiển, K.X.Lộc, “Nghiên cứu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6 .” 182 NGHIÊN CỨU NẤU LUYỆN HỢP KIM NHÔM АМг6 Nguyễn Xuân Phương1*, Bùi Thế Hiển1, Kim Xuân Lộc2 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ban đầu về nấu luyện hợp kim nhôm АМг6 trong lò điện trở tại Xí nghiệp 59/Z127-TCCNQP. Quá trình nghiên cứu đã xác lập được chế độ nấu luyện như: quy trình công nghệ nấu luyện, xác định tỷ lệ cháy hao, nhiệt độ nấu luyện, nhiệt độ rót ... Qua kết quả phân tích thành phần hóa học, ảnh tổ chức tế vi thấy rằng, mẫu hợp kim đã chế tạo tương đương mác hợp kim nhôm АМг6 theo OCT 4784-97. Từ khóa: Hợp kim nhôm, Lò điện trở, Thành phần hóa học. 1. MỞ ĐẦU Hợp kim nhôm biến dạng hệ АМг6 có tính dẻo cao, tính hàn tốt và tính chống ăn mòn cao. Hiệu quả hóa bền do nhiệt luyện của hợp kim này đạt được khi hàm lượng Mg lớn hơn 8%, tuy nhiên hàm lượng Mg cao sẽ làm hợp kim nhạy cảm với ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất và mất khả năng ứng dụng thực tế. Do vậy thường hợp kim nhôm biến dạng hệ АМg6 không hóa bền bằng nhiệt luyện, chỉ hóa bền bằng biến dạng dẻo và được dùng ở trạng thái ủ, nửa biến cứng hoặc biến cứng [1,2]. Bảng 1.1. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm АМг6 (OCT 4784-97). Hợp kim АМг6 Thành phần hoá học (%) Al Mg Mn Ti Zn Si Fe Cu Còn lại 5,86,8 0,50,8 0,02  0,1 ≤0,2 ≤0,4 < 0,4 ≤0,1 Hợp kim nhôm biến dạng АМг6 không hóa bền bằng nhiệt luyện, có độ bền trung bình, độ dẻo, tính chống ăn mòn và tính hàn tốt. Độ dãn dài của hệ АМг6 ở nhiệt độ phòng không quá (15  20) % và đạt đến (50  60) % ở nhiệt độ (200  300) oC. Hợp kim này có khả năng siêu dẻo với mức độ biến dạng khi cán đạt đến (200  230) % ở nhiệt độ (420  480) oC. Độ bền cực đại đạt được (400  450) MPa. Hợp kim АМг6 là một trong những mác hợp kim thông dụng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành đóng tàu, xây dựng, kỹ thuật hàng không, một số chi tiết của các hệ thống radar bờ biển, các công trình quân sự trên biển, đảo, vì ưu điểm của hợp kim này là khả năng chịu ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt của nước biển rất cao. Sử dụng hợp kim nhôm trong thiết kế, chế tạo sản phẩm cho phép giảm khối lượng, tăng trọng tải của chúng mà không giảm vận tốc cũng như tính năng làm việc, đồng thời tăng độ tin cậy trong quá trình làm việc. Hợp kim nhôm АМг6 khó nấu luyện hơn các hợp kim khác vì hàm lượng Mg cao, đây là nguyên tố rất dễ bị oxy hóa, cháy hao trong không khí trong quá trình nấu luyện, biến tính. Vì vậy, quá trình nấu luyện hợp kim АМг6 cần chú ý tránh cho Mg kim loại bị cháy trong quá trình đưa vào kim loại lỏng. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG 2.1. Tính toán phối liệu cho nấu luyện Vật liệu nấu bao gồm nhôm kỹ thuật mác A7, hợp kim nhôm trung gian Al-Mn (10%Mn), Al-Ti (3% Ti), magie kim loại Мг96. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 183 Thành phần cụ thể vật liệu đầu vào: Bảng 2.1. Thành phần hoá học của nhôm sạch kỹ thuật (ГОСТ 11069-2001). Ký hiệu Thành phần hoá học (%) Al Fe Si Zn Ti Mn Mg Cu Σ các tạp chất A7 99,7 0,16 0,15 0,04 0,01 0,03 0,02 0,01 0,30 Bảng 2.2. Thành phần hoá học của magiê sạch kỹ thuật (ГОСТ 804-93). Ký hiệu Thành phần hoá học (%) Mg Fe Si Ni Cu Al Mn Cl Σ các tạp chất Mг96 99,96 0,004 0,005 0,002 0,002 0,006 0,004 0,003 0,030 Lựa chọn tỷ lệ cháy hao của các cấu tử khi nấu trong lò nồi điện trở: Tỷ lệ cháy hao của từng kim loại rất khác nhau phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu đầu vào, mức độ ôxi hoá và khối lượng riêng của kim loại, loại lò nấu, dạng hợp kim, chế độ nấu, trợ dung che phủ, cũng như trình độ và kinh nghiệm của người nấu Khi nấu hợp kim AMг6 trong lò nồi điện trở, tỉ lệ kim loại cháy hao như sau: Al: 1,5 %; Mg: 3,5 %; Mn: 1,5 %; Ti: 1,5 %; Bảng 2.3. Bảng kê (100 kg mẻ nấu). Các thông số Al Mg Mn Ti Tổng TPHHTB (%) 92,45 6,3 0,65 0,6 100% TPHHTB (kg) 92,45 6,3 0,65 0,6 100 kg Cháy hao (%) 1,5 3,5 1,5 1,5 11 % Cháy hao (kg) 1,386 0,220 0,009 0,009 1,624 kg Thành phần mẻ nấu (kg) 93,654 6,528 0,695 0,609 101,486 kg Tính lượng các nguyên tố và hợp kim trung gian phải dùng: Để nấu ra 100 kg АМг6 cần: Nhôm thỏi: 86,999 kg HKTG Al-Mn: 5,938 kg HKTG Al-Ti: 2,021 kg Magie thỏi: 6,528 kg Tổng 101,486 kg - Chất trợ dung để ngăn ngừa sự oxy hóa và để dễ tạo xỉ như 44% KCl + 56% MnCl2 hoặc 50% NaCl +35% KCl + 15% Na2Al2F. - Các vật liệu phải đảm bảo sạch và khô, trước khi dưa vào lò được nung sơ bộ ở nhiệt độ (150÷180) oC. 2.2. Thiết bị sử dụng Hóa học vật liệu N.X.Phương, B.T.Hiển, K.X.Lộc, “Nghiên cứu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6 .” 184 + Lò nồi điện trở: Naberthem + Nồi graphit. + Dụng cụ nấu đúc: Khuôn thép, que khuấy graphit, tấm cào xỉ, gáo múc mẫu, gầu rót, kìm... + Thiết bị phân tích nhanh thành phần hóa học: Thiết bị phân tích quang phổ phát xạ SpectroLAB. Chụp ảnh tổ chức kim loại bằng kính hiển vi Axiovert. 2.3. Tiến trình nấu luyện Hình 2.4. Sơ đồ trình tự chất liệu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6. 2.4. Mô tả quá trình nấu luyện Bước 1: Xếp liệu ½ muối trợ dung tinh luyện 3/4 nhôm thỏi A7 Nấu chảy hoàn toàn Hạ nhiệt độ 680 - 710 oC Nấu chảy hoàn toàn Biến tính Giữ nhiệt khoảng 7-10 phút 1/2 muối trợ dung tinh luyện HKTG Al-Ti Sục khí Ar Gạt xỉ Rót kim loại lỏng vào khuôn 710-720 oC 750-770oC 720-730 oC 1.HKTG Al-Mn 2. 1/4 nhôm A7 Magie Nâng nhiệt 750-780 oC Cho HKTG theo thứ tự 1→2 Lấy mẫu PTTPHH Khử khí, tinh luyện Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 185 - Trình tự chất liệu vào lò: Đầu tiên, cho 3/4 nhôm A7 lót ở dưới đáy nồi, sau đó là hợp kim trung gian. Chất các hợp kim trung gian theo thứ tự hợp kim trung gian có nhiệt độ nóng chảy cao hơn đưa vào trước, rồi đến hợp kim trung gian có nhiệt độ chảy thấp hơn và sau cùng là kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp. Khi chất liệu theo trình tự trên đề phòng sự phá hỏng đáy nồi lò, còn số lượng liệu được chất có thể nhiều nhất. Bước 2: Nấu chảy kim loại - Tiến hành nấu chảy nhôm thỏi. Sau khi bắt đầu nấu chảy liệu tiến hành phủ lên bề mặt của nó một lớp trợ dung che phủ một lượng khoảng 0,5 % (theo khối lượng của mẻ liệu). Sau khi nóng chảy toàn bộ liệu, vớt xỉ trên mặt nồi nấu, đồng thời cho tiếp liệu kích cỡ nhỏ vào nồi kim loại lỏng. Bước 3: Hợp kim hóa và biến tính - Hợp kim trung gian Al-Mn được đưa vào kim loại lỏng ở nhiệt độ (740 ÷ 780) oC, kim loại lỏng được khuấy đảo để mangan được hòa tan hoàn toàn, sau đó tiếp tục cho hợp kim trung gian Al-Ti vào lò. Sau khi tất cả các hợp kim trung gian được hòa tan hoàn toàn và đồng đều, tiến hành hạ nhiệt độ hợp kim lỏng xuống (680 ÷ 720) oC đưa magiê vào nồi kim loại lỏng bằng cách bọc trong tấm nhôm mỏng và được nhúng sâu vào kim lọai lỏng. Cần phải theo dõi cẩn thận để Mg không bị nổi lên bề mặt kim loại lỏng, bởi vì khi đó Mg sẽ bị ôxy hóa và cháy, kết quả là dẫn tới hàm lượng của Mg có thể bị sai lệch nhiều so với số lượng tính toán. Trong quá trình đưa vào cần phải khuấy đảo thật kỹ kim loại lỏng để magie hòa tan trong toàn bộ kim loại lỏng. Do magiê đưa vào ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó, do đó, quá trình nóng chảy và hòa tan cùng xảy ra đồng thời. Trước khi đưa magiê vào cần vớt sạch xỉ trên bề mặt kim loại lỏng. Bước 4: Tinh luyện và lấy mẫu thử - Tinh luyện bằng sục khí Ar ở nhiệt độ (720 ÷ 730) oC. Thời gian sục khí argon khoảng 10 phút. Để kiểm tra thành phần hoá học của mẻ nấu tiến hành phân tích nhanh thành phần hoá học. Lấy mẫu phân tích nhanh được tiến hành sau khi nấu chảy toàn toàn tất cả các nguyên tố hợp kim và khuấy đảo kỹ nồi kim loại lỏng, nhiệt độ lấy mẫu thử (710 ÷ 730) oC. Sau khi kết thúc khuấy đảo tiến hành vớt xỉ khỏi bề mặt nồi kim loại lỏng và dải lên bề mặt kim loại lỏng một lớp trợ dung che phủ và tinh luyện. Để tinh luyện nhiệt độ kim loại lỏng khi tinh luyện duy trì ở (720 ÷ 750) oC. Sau đó giữ trong khoảng (10 ÷ 15) phút kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh vớt xỉ khỏi bề mặt kim loại lỏng. Lấy mẫu phân tích thành phần hoá học cần phải sử dụng dụng cụ sạch, bởi vì trong trường hợp ngược lại có thể làm sai số kết quả phân tích. Mẫu thử được rót vào khuôn bằng đồng để đảm bảo sự kết tinh nhanh với mục đích giảm sự thiên tích. Bước 5: Rót đúc phôi - Sau khi phân tích thành phần mẻ liệu đảm bảo đúng theo yêu cầu đưa ra, tiến hành rót kim loại lỏng vào khuôn kim loại ở nhiệt độ (710 ÷ 720) oC. Khuôn kim loại được thiết kế có lớp áp khuôn chưa nước làm nguội tuần hoàn và thoát ra ngoài liên tục, đảm bảo phôi nguội nhanh, có tổ chức hạt nhỏ mịn. 2.5. 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. Hóa học vật liệu N.X.Phương, B.T.Hiển, K.X.Lộc, “Nghiên cứu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6 .” 186 Dựa trên giản đồ pha (hình 2, 5) của hợp kim hệ Al-Mg, ta lựa chọn nhiệt độ ủ đồng đều hóa thành phần trong khoảng (48010) oC, thời gian ủ khoảng (8÷10) h đối với các phôi trụ có đường kính Ø200mm [2]. Hình 2.5. Giản đồ chọn nhiệt độ đồng đều hóa. III. KẾT QUẢ 3.1. Kết quả kiểm tra TPHH của một số mẻ nấu sau khi nấu luyện Hợp kim nấu luyện Thành phần hoá học (%) Al Mg Mn Ti Zn Si Fe Cu Mẻ 1 Còn lại 6,14 0,65 0,056 0,12 0,25 0,15 0,07 Mẻ 2 Còn lại 6,75 0,65 0,045 0,15 0,28 0,27 0,07 Mẻ 3 Còn lại 6,53 0,73 0,076 0,16 0,31 0,32 0,08 Hợp kim АМг6 (theo ГОСТ 4784-97) Còn lại 5,8-6,8 0,5-0,8 0,02  0,1 ≤0,2 ≤0,4 < 0,4 ≤0,1 3.2. Tổ chức kim tương mẫu sau ủ đồng đều hóa thành phần 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) [6]. Trên pha nền là dung dịch rắn , có thể thấy rõ các pha dạng (Mg2Al3), FeMn và Mg2Si có màu tối. a) b) Hình 2.7. Tổ chức mẫu hợp kim АМг6 sau ủ, a) 200 và b) 100. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 187 4. KẾT LUẬN Từ các kết quả nghiên cứu có thể rút ra các kết luận sau: 1. Đã nấu luyện hợp kim АМг6 có thành phần đạt theo tiêu chuẩn ГОСТ 4784-97; 2. Khi nấu luyện trong lò điện trở tỷ lệ cháy hao các nguyên tố hợp kim cần chọn là: Al: 1,5 %; Mg: 3,5 %; Mn: 1,5 %; Ti: 1,2 %; 3. Nhiệt độ nấu luyện không được vượt quá 780 oC; nhiệt độ rót khuôn (710 ÷ 720) oC; nhiệt độ ủ đồng đều hóa thành phần (48010) oC, thời gian ủ khoảng (8÷10) h. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. А.Ф., “Плавка и литье алюминиевых сплавов”, М: металлкргия, 1983, 395 с [2]. В.М. Лебедев А.В., Мельчиков В.В. Николлаенко, “Отливки из алюминиевых сплавов”, М: Машиностроение, 1970, 213 с. [3]. Л.М. Мариенбах Л.О., Соколовский, “Плавка сплавов цветных металлов для фасонного литья”, М: Высшая школа, 44 с. [4]. В.И. Елегин, “Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами”, М. Металлургия, 1975, 118 с. [5]. В.И. Напалков С.В., Махов, “Лигирование и модифицирование алюминия и магния”, М: Миссис, 2002, 375 с. [6]. М. Беккерт, Х. Клемм, “Способы металлографического травления”, Москва Металлургия, 1988, 400 с. ABSTRACT ADVANCED MANUFACTURING TECHIQUES ALUMINIUM ALLOY AMг6 This paper presents the results of original research on smelting of aluminum alloy АМг6 in furnace resistor in factory 59/Z127. The research process was established smelting regimes: smelting process technology, depreciation rate of fire determined, smelting temperature, pouring temperature... Through the analysis of chemical composition, photo organization microscopic found that alloy samples were manufactured equivalent grade aluminum alloy АМг6 according GOST 4784-97. Keywords: Aluminium alloys, Smelting, Mechanical properties, Chemical composition. Nhận bài ngày 22 tháng 9 năm 2015 Hoàn thiện ngày 27 tháng 11 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016 Địa chỉ: 1Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; *Email: phuongnx76@gmail.com 2Xí nghiệp 59/Z127 - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng.