Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
NGHIÊN CỨU HÓA GIÀ HAI CẤP HỢP KIM CuNi3Si<br />
Phùng Tuấn Anh1*, Nguyễn Đình Tuấn2<br />
Tóm tắt: Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của hóa già 2 cấp kết hợp biến<br />
dạng nguội đến sự thay đổi độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim CuNi3Si. Thực<br />
nghiệm cho thấy, khi hóa già cấp 1 ở 320 oC trong 1 h, sau đó biến dạng nguội 70<br />
%, độ cứng hợp kim đạt cực đại 289,5 HV5 khi hòa già tiếp theo ở 425 oC trong 3 h,<br />
trong khi đó độ dẫn điện đạt cực đại 41,6 %IACS khi hòa già ở cùng nhiệt độ trong<br />
6 h. So với chế độ xử lý cơ-nhiệt với hóa già 1 cấp, độ cứng cực đại và độ dẫn điện<br />
cực đại tăng khoảng 6 và 7 % khi xử lý cơ-nhiệt với hóa già 2 cấp, tăng từ 274,3 lên<br />
289,5 HV5 và 38,9 lên 41,6 %IACS. Nghiên cứu bước đầu này là cơ sở cho các<br />
nghiên cứu tiếp theo với nhiệt độ hóa già cấp 2 khác nhau nhằm cải thiện các tính<br />
chất của hợp kim CuNi3Si.<br />
Từ khóa: Hợp kim CuNi3Si; Hóa già hai cấp; Độ cứng; Độ dẫn điện.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Hợp kim đồng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp do có độ bền và<br />
tính dẫn điện cao. Trong các hệ hợp kim đồng, hệ Cu-Ni-Si được nghiên cứu ngày càng<br />
nhiều do khả năng thay thế hợp kim Cu-Be có độ bền và tính đàn hồi cao [1-3]. Các<br />
nghiên cứu về hệ này rất phong phú với nhiều hướng khác nhau từ công nghệ hợp kim hóa<br />
vi lượng các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, và đất hiếm (như Al, Mn, Cr, Cu, Mg, Zr, Ti,<br />
V, W, Nb, Ta, Sc…), hoặc kết hợp hợp kim hóa và xử lý cơ nhiệt hợp lý, hoặc tiến hành<br />
xử lý nhiệt, trong đó có xử lý hóa già phân cấp nhằm mục đích tăng bền những vẫn đảm<br />
bảo tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao cho hợp kim [4-7].<br />
Hóa già phân cấp là công nghệ hóa già ở các nhiệt độ khác nhau. Bài báo này nghiên<br />
cứu thực nghiệm công nghệ hóa già 2 cấp kết hợp biến dạng nguội giữa hai giai đoạn hóa<br />
già nhằm khảo sát sự thay đổi độ cứng và độ dẫn điện của các tấm mẫu hợp kim CuNi3Si.<br />
Các kết quả nhận được sẽ làm cơ sở khẳng định tính ưu việt của công nghệ hóa già phân<br />
cấp, nâng cao hiệu quả hóa bền của hợp kim CuNi3Si so với công nghệ hóa già một cấp.<br />
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br />
Hợp kim CuNi3Si được nấu luyện trong lò điện trở Nabertherm (CHLB Đức). Thành<br />
phần hóa học hợp kim CuNi3Si (% khối lượng) nghiên cứu được cho trong bảng 1.<br />
Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim CuNi3Si nghiên cứu.<br />
Hàm lượng các nguyên tố hóa học, % (khối lượng)<br />
Ni Si Zn Pb Sn Fe Cr Al Ti Cu<br />
2,85 0,98 0,038 0,008 0,0047 0,052 0,0002 0,0022 0,001 96,06<br />
Thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu hợp kim dạng tấm có kích thước (chiều dài x<br />
chiều rộng x dày) 60x6x3 mm. Thiết bị thực nghiệm bao gồm lò tôi và ram Nabertherm<br />
(CHLB Đức), máy cán tiểu hình, máy đo độ cứng Vickers Wilson Wolpert (Trung Quốc),<br />
thiết bị đo điện trở thanh kim loại Megger DLRO10 (Anh). Phương pháp nghiên cứu chủ<br />
yếu là đo độ cứng HV5 và độ dẫn điện (%IACS). Các sơ đồ thực nghiệm cụ thể được thực<br />
hiện như sau:<br />
(1) Nhiệt luyện hòa tan ở nhiệ độ 850 oC, tôi trong nước + cán nguội 30, 45 và 70 % +<br />
hóa già ở nhiệt độ 425 oC với các thời gian khác nhau.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 215<br />
Cơ học – Cơ khí động lực<br />
(2) Nhiệt luyện hòa tan ở nhiệ độ 850 oC, tôi trong nước + hóa già ở nhiệt độ 320 oC/1<br />
h + cán nguội 30, 45, 70 % + hóa già ở nhiệt độ 425 oC với các thời gian khác nhau.<br />
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br />
Sự thay đổi độ cứng của hợp kim CuNi3Si được biến dạng nguội với các mức độ biến<br />
dạng nguội khác nhau ngay sau tôi và hóa già một cấp tiếp theo ở nhiệt độ 425 oC được<br />
cho trong hình 1. Độ cứng của các mẫu hợp kim tăng lên theo thời gian hóa già và giảm<br />
xuống sau khi đạt giá trị cực đại. Với mức độ biến dạng càng tăng, giá trị cực đại đạt của<br />
mẫu càng tăng và thời gian đạt cực đại được rút ngắn. Độ cứng đạt giá trị cực đại trung<br />
bình 274,3 HV5 khi biến dạng nguội 70 % và hóa già một cấp ở 425 oC trong 3,5 h.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Độ cứng của hợp kim khi hóa già 1 cấp ở 425 oC.<br />
Sự thay đổi độ cứng của hợp kim CuNi3Si khi hóa già hai cấp kết hợp xen kẽ biến dạng<br />
nguội giữa các cấp hóa già với các mức độ biến dạng khác nhau được cho trong hình 2.<br />
Với các mẫu sau tôi được hóa già cấp 1 ở nhiệt độ thấp 320 oC trong 1 h, độ cứng của hợp<br />
kim tăng lên khá chậm, chỉ đạt 110 HV5 so với 95 HV5 ở trạng thái sau tôi. Tuy nhiên,<br />
sau khi cán nguội với các mức độ 30, 45 và 70 % các mẫu hợp kim đã qua hóa già ở 320<br />
o<br />
C trong 1 h và hóa già ngay tiếp sau ở nhiệt độ 425 oC, độ cứng của hợp kim tăng mạnh<br />
chỉ sau 1 h tiếp theo. Hợp kim vẫn đạt độ cứng cực đại ứng với mỗi mức độ biến dạng, giá<br />
trị cực đại cũng cao hơn, tuy nhiên thời gian đạt cực đại không ngắn hơn các mẫu hợp kim<br />
hóa già một cấp và với cùng mức độ biến dạng nguội. Độ cứng đạt cực đại trung bình<br />
289,5 HV5 sau hóa già cấp 1 ở 320 oC trong 1 h, tiếp theo biến dạng nguội 70 % và hóa<br />
già cấp 2 ở 425 oC trong 3 h.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Độ cứng của hợp kim khi hóa già 2 cấp ở 320 oC/1h + 425 oC.<br />
<br />
<br />
216 P. T. Anh, N. Đ. Tuấn, “Nghiên cứu hóa già hai cấp hợp kim CuNi3Si.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
Khảo sát độ dẫn điện của các mẫu hợp kim cho thấy quy luật thay đổi tương tự như đối<br />
với sự thay đổi độ cứng (hình 3, 4). Với các mẫu hợp kim hóa già 1 cấp, độ dẫn điện đạt<br />
cực đại 38,9 % IACS khi biến dạng nguội 70 % sau tôi và hóa già tiếp theo ở nhiệt độ 425<br />
o<br />
C trong 7 h (hình 3). Với các mẫu hóa già 2 cấp, độ dẫn điện đạt cao nhất 41,6 % IACS<br />
khi hóa già cấp một ở 320 oC trong 1 h, tiếp theo biến dạng nguội 70 % và hóa già cấp 2 ở<br />
425 oC trong 6 h (hình 4).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Độ dẫn điện của hợp kim khi hóa Hình 4. Độ dẫn điện của hợp kim khi hóa<br />
già 1 cấp ở 425 oC. già 2 cấp ở 320 oC/1h + 425 oC.<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Hóa già 2 cấp kết hợp biến dạng nguội có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của hợp<br />
kim CuNi3Si. Độ độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim đều tăng lên theo mức độ biến dạng<br />
nguội, sau khi đạt giá trị cực đại thì bắt đầu giảm xuống. Khi hóa già cấp 1 ở 320 oC trong<br />
1 h, sau đó biến dạng nguội 70 %, độ cứng hợp kim đạt cực đại 289,5 HV5 khi hòa già tiếp<br />
theo ở 425 oC trong 3 h, còn độ dẫn điện đạt 41,6 %IACS khi hòa già ở cùng nhiệt độ<br />
trong 6 h, tăng khoảng 6 % (độ cứng) và 7 % (độ dẫn điện) so với chế độ xử lý cơ-nhiệt<br />
tương ứng nhưng không có giai đoạn hóa già cấp 1 (289,5 so với 274,3 HV5 và 41,6 so<br />
với 38,9 %IACS). Nghiên cứu bước đầu này là cơ sở cho các thực nghiệm hóa già giai<br />
đoạn 2 ở các nhiệt độ khác nhau nhằm cải thiện các tính chất (cơ tính và độ dẫn điện) của<br />
hợp kim CuNi3Si.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Corson M. G., Electrical conductor alloys [J], Electrical World, 89 (1927), pp. 137-<br />
139.<br />
[2]. Luca Collini, Copper Alloys – Early Applications and Current Performance.<br />
Enhancing Processes. InTech, 2012, p. 58.<br />
[3]. Junji Miyake, Morris E. Fine, Robert R. McCormick. Two-step ageing of a copper<br />
alloy to optimize combination of strength and electrical conductivity (J), Scripta<br />
Metallurgica et Materialia, Vol. 25 (1991), pp. 1573-1576.<br />
[4]. Zhang Dan-wen, Zhao Dong-mei, Dong Qi-ming, Liu Ping, Liu Hong-zhao,<br />
Recrystallization behaviour of Cu-Ni-Si alloy during two-step aging (J), The Chinese<br />
Journal of Nonferrous Metals, Vol. 14, No.7 (2004), pp. 1241-1245.<br />
[5]. Jianyi Cheng, Fangxin Yu, Xuewen Ao, Effect of Two-Step Deforming and Aging<br />
Process on the Properties and Microstructure of Cu-Cr-Zr-Mg-Si Alloy (J),<br />
Advanced Materials Research, Vols 189-193 (2011), pp 70-74.<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 217<br />
Cơ học – Cơ khí động lực<br />
[6]. Watanabe, Chihiro; Nishijima, Fumiya; Monzen, Ryoichi; Tazaki, Kazue. Mechanical<br />
Properties of Cu-4.0Ni-0.95Si Alloys with or without P, Cr addition, Materials<br />
Science Forum, Volume 561-565, Part 3, 2007, pp 2321-2324.<br />
[7]. Lu, De-ping, Wang, Jun, Atrens, A., Zou, Xing-quan, Lu, Lei and Sun, Bao-de,<br />
Calculation of Cu-rich part of Cu-Ni-Si phase diagram (J), Transactions of<br />
Nonferrous Metals Society of China, 17 (2007), pp. 12-15.<br />
<br />
<br />
ABSTRACT<br />
STUDY ON TWO-STEP AGING TREATMENT OF CuNi3Si ALLOY<br />
In this paper, the changes in hardness, electrical conductivity and<br />
microstructure of CuNi3Si alloy after combination of cold rolling and two-step<br />
aging treatment were reported. The results showed that, after first-step aging<br />
treatment at 320 oC for 1 h, then cold rolling with different deformation degrees of<br />
70 %, hardness of alloy is reached maximum value of 289.5 HV5 after sequent<br />
second step aging at 425 oC for 3 h, electrical conductivity of alloy is reached<br />
maximum value of 41,6 %IACS for 6 h. In accordance with thermomechanical<br />
regime without low temperature aging first-step aging, both maximum hardness and<br />
electrical conductivity of alloy increased by 6 and 7 %, from 274.3 to 289.5 HV5<br />
and from 38.9 to 41.6 %IACS. The initial results are base for the next studies with<br />
various second step aging temperatures to improve properties of CuNi3Si.<br />
Keywords: CuNi3Si alloy; Two-step aging; Hardness; Electrical conductivity.<br />
<br />
Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018<br />
Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018<br />
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018<br />
<br />
Địa chỉ: 1 Khoa Cơ khí - Học viện Kỹ thuật quân sự - Bộ Quốc phòng;<br />
2<br />
Nhà máy A32/Quân chủng PK-KQ.<br />
*<br />
Email: phungtuananhmta@gmail.com.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
218 P. T. Anh, N. Đ. Tuấn, “Nghiên cứu hóa già hai cấp hợp kim CuNi3Si.”<br />