ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 20, NO. 5, 2022 39
NGHIÊN CU NU CHY V ĐC PHÔI HP KIM Al-Cu (2XXX)
S DNG KHUÔN ĐC GRAPHIT
AN INVESTIGATION OF THE MELTING AND CASTING OF
Al-Cu ALLOY INGOTS (2XXX) USING GRAPHITE MOLD
Nguyễn Linh Giang, Đỗ Lê Hưng Toàn*, Nguyễn Bá Kiên
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
1
*Tác giả liên hệ: dlhtoan@dut.udn.vn
(Nhận bài: 27/1/2022; Chấp nhận đăng: 11/3/2022)
Tóm tắt - Hp kim Al-Cu thuc nhm hp kim nhôm c th nhiệt
luyện và đưc s dng rng ri, đặc biệt trong công nghiệp ô tô và
hàng không. Thành phn ca đng trong hp kim Al-Cu ảnh hưng
trc tip đn các tính chất ca hp kim. Trong nghiên cu này, chng
tôi đ chun b sáu mẫu phôi đc hp kim Al-Cu với thành phn ca
đng khác nhau, s dng khuôn đc graphit. S dng phương pháp
nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hin vi điện t quét (SEM), nhm
nghiên cu xác nhận đ đc thành công hp kim Al-Cu. Các hp kim
Al-Cu thu đưc sau khi đc c thành phn từ khoảng 1-5%, với các
nguyên t Cu tạo nên dung dch rắn với Al và phân bố đều trên các
thỏi đc. Thành phn ca đng ảnh hưng đn đ kt tinh và mật đ
các khuyt tật trong cấu trc tinh th ca nhôm alpha (α-Al). Khi
thành phn ca đng trong hp kim tăng lên 5% các nguyên t ca
đng cxu hướng phân tách tại biên giới hạt và khi vưt quá giới hạn
bão hòa pha trung gian Al2Cu đưc tạo thành.
Abstract - Al-Cu alloy is a type of aluminum heat-treatable one
that has been used widely in the aerospace and automobile
industries. The composition of Cu in the Al-Cu alloy has direct
influences on their properties. In this study, we prepared a series
of Al-Cu alloy ingots with different copper composition, using
graphite mold. By using the XRD and SEM characterization
technique, we showed that the Al-Cu alloy has been successfully
cast. The as-cast Al-Cu alloys have a composition of about 1-5%,
with Cu atoms forming a solid solution with Al and uniformly
dispersed over the ingots. The mass content of Cu affects the
crystallinity and the density of defects in the crystal structure of
the α-Al. Besides, when the mass content of copper in the alloys
increased to 5%, the copper atoms segregate at the grain
boundary, and when it exceeded the saturation limit, the Al2Cu
intermediate phase is formed.
Từ khóa - đc Hp kim; hp kim Al-Cu; khuôn graphit.
Key words - Casting; Al-Cu alloy, graphite mold.
1. Đặt vấn đề
Hp kim nhôm đ đưc s dng rng ri trong công
nghiệp như công nghiệp ô tô hay hàng không, ch yu là
nhờ tỉ lệ giữa đ bền và khối lưng lớn; C th hơn là n
c khối lưng rất nhẹ nhưng đ bền lại rất cao [1]-[4]. Các
nguyên tố hp kim ch yu đưc s dng đ hp kim ha
với nhôm là: Đng (Cu), Magie (Mg), Liti (Li) Mangan
(Mn), Silic (Si), Thic (Sn) và Kẽm (Zn), Sắt (Fe), Crom
(Cr). Các hp kim Al-Cu đưc dùng đ thay th thép trong
hệ thống truyền lc ca xe (Ví d: đu xi lanh và khối đng
cơ). S thay th này gp phn làm giảm trọng lưng ca
các loại xe trong ngành công nghiệp ô tô, làm tit kiệm
nhiên liệu tiêu th [3]. Trong công nghiệp hàng không, các
hp kim Al-Cu đưc ng dng đ ch tạo vỏ, dm cánh và
vách ngăn [4], [5]. Ngoài ra, các hp kim Al-Cu còn đưc
ng dng đ ch tạo vây tên la [5]. Hp kim Al-Cu c đ
cng và đ bền cao hơn so với các hp kim c pha nền Al
khác như Al-Si (4xxx), Al-Mn (3xxx), Al-Mg (6xxx). Đặc
biệt, bằng phương pháp ha bền kt t (nhiệt luyện) hp
kim Al-Cu c th tăng đưc đcng, đ bền và đ dai đáng
k. Sau khi nhiệt luyện các chi tit đưc ch tạo từ hp kim
Al-Cu c thgiữ đưc đ bền, đ dai ngay cả khi hoạt đng
trong môi trường nhiệt đ cao. Đây là ưu đim quan trọng
mà các hp kim Al khác không c đưc [3], [4], [12]. Hp
kim nhôm đc nhm 2xxx c th nhiệt luyện đưc, da trên
các giản đ pha Al-Cu. Các hệ hp kim Al-Cu này c đ
bền và đ cng rất cao tại nhiệt đ phòng hoặc cao hơn (tới
250℃). Việc thêm đng vào hp kim Al-Cu này sẽ làm
1
The University of Danang - University of Science and Technology (Nguyen Linh Giang, Do Le Hung Toan, Nguyen Ba Kien)
tăng đáng k đ bền ca hp kim và làm cho quá trình ha
bền kt t dễ dàng hơn [3], [5]. Khi đng đưc đưa vào,
pha kém ổn đnh θ′-Al2Cu là pha ha bền kt t chính trong
hp kim Al-Cu tại nhiệt đ cao trong khoảng nhiệt đ
(190 – 230℃) [6]. Pha θ′-Al2Cu kt t thô theo thời gian
tại nhiệt đ cao, tip theo là s chuyn bin thành pha
θ-Al2Cu phân tán nhỏ mn hơn trạng thái cân bằng [2],
[3], [7]. Thành phn phn trăm ca Cu trong hp kim ảnh
hưng trc tip đn thành phn, kích thước hạt, s phân bố
ca pha Al2Cu và do đ ảnh hưng trc tip đn cơ tính
ca hp kim Al-Cu.
Hình 1. Giản đồ pha của hợp kim Al-Cu [8]
40 Nguyễn Linh Giang, Đỗ Lê Hưng Toàn, Nguyễn Bá Kiên
Quá trình nấu chảy và đc hp kim Al-Cu gặp nhiều
kh khăn bi vì s khác nhau trong nhiệt đ nng chảy ca
nhôm (~ 660℃) và đng (~ 1085℃), như mô tả trong Hình
1. Trong bài báo này, nhm tác giả nghiên cu việc nấu
chảy và đc những phôi hp kim Al-Cu (khối lưng đng
chim tới 5%), s dng khuôn đc graphit. Những ưu đim
chính ca khuôn graphit là đ chính xác cao, dễ gia công
ch tạo và chng c chất lưng, đ chính xác bề mặt rất
cao. S dng các kt quả ca nhiễu xạ tia X và kính hin vi
điện t quét (SEM), xác nhận những phôi hp kim Al-Cu
đưc đc thành công với những đặc tính mong đi.
2. Thí nghiệm
2.1. Vật liệu
Sáu mẫu hp kim Al-Cu đ đưc tạo ra bằng cách nấu
chảy từ nguyên liệu nhôm nguyên chất (~ 99,99%) và đng
nguyên chất (~ 99,99%).
Đu tiên, hp kim trung gian với 50% khối lưng đng
(kí hiệu là Al-50Cu) đưc chun b bằng cách nấu chảy mt
lưng tương ng phù hp ca Al-Cu nguyên chất. Hp kim
trung gian tạo thành sau đ đưc phối liệu đ đc ra năm
phôi hp kim Al-Cu với thành phn phn trăm (theo khối
lưng) khác nhau. Khối lưng ca nhôm nguyên chất và
hp kim trung gian đưc tính toán có cân nhắc đn s hao
ht về khối lưng trong quá trình nấu chảy và đc phôi [9],
kt quả đưc trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. Khối lượng tính toán các vật liệu cho
quá trình nấu chảy.
Ký hiệu
Cu (%)
Al (g)
Al-1Cu
1
156
Al-2Cu
2
153
Al-3Cu
3
150
Al-4Cu
4
190
Al-5Cu
5
159
Hình 2. (a) Lò đúc điện trở; (b) Quá trình rót hợp kim Al-Cu
nấu chảy vào khuôn graphit; (c) Phôi đúc trong khi nguội và
đông đặc; (d) Các sản phẩm phôi đúc với các thành phần % Cu
khác nhau
Quá trình nấu chảy s dng lò điện tr c ni nấu chảy
bằng vật liệu graphit, đưc mô tả như trong Hình 2a; Hình
2b mô tả quá trình rt hp kim lỏng vào lòng khuôn graphit;
Hình 2c th hiện phôi đc trong quá trình ngui và đông
đặc. Giai đoạn x lý loại bỏ khí hòa tan (s dng các khí
trơ như Ar hay N2) trong quá trình nấu chảy hp kim không
đưc s dng. Hp kim sau khi nấu chảy lỏng đưc rt vào
lòng khuôn graphit, khuôn đưc nung nng trước tới
100℃. Khuôn graphit c kích thước 90 mm x 40 mm x
20 mm (Dài x Rng x Cao). Đối với hp kim trung gian
nhiệt đ nấu chảy ~ 750℃ trong khoảng thời gian
~ 90 phút; Năm phôi hp kim nhôm và đng khác đưc nấu
chảy ~ 730℃ trong khoảng thời gian ~ 45 phút. Các sản
phm thu đưc sau khi đc đưc trình bày Hình 2d. Có
th quan sát rõ khi thành phn % ca Cu là ~ 50%, phôi
đc Al-50Cu rất cng, đễ b vỡ khi gia công (cắt).
2.2. Các phương pháp phân tích
Tổ chc pha và cấu trc tinh th ca tất cả hp kim Al-
Cu đưc xác đnh qua phân tích nhiễu xạ tia X (XRD,
Rigaku, Nhật Bản) với bc xạ Cu Kα (λ=1,5418 Å). Thành
phn các nguyên tố cấu thành nên hp kim và s phân bố
ca các nguyên t trong các hp kim Al-Cu đưc xác đnh
bằng kính hin vi điện t quét (SEM, JEOL, JSM-IT200,
Nhật Bản) đưc trang b thêm thit b đo quang phổ phân
tán năng lưng (EDS, Bruker, Đc).
3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Da trên giản đtrạng thái ca Al-Cu trong Hình 1,
nhm tác giả chun b hp kim trung gian cho quá trình nấu
chảy ca năm hp kim Al-Cu khác nhau. C th thấy trong
Hình 1, hp kim trung gian (50% Cu)  nhiệt đ 750℃ tn
tại pha lỏng hoàn toàn. Nhm tác giả phát hiện ra rằng,
khi s dng hp kim trung gian đ nấu chảy, nhiệt đ nng
chảy ca năm hp kim Al-Cu c th thấp hơn đn ~ 20℃
(tc là nhiệt đ nấu chảy ~ 730℃) và thời gian nấu chảy
cũng c th giảm, dẫn đn giảm đưc s cháy hao ca kim
loại (đặc biệt là kim loại nhôm) trong các quá trình nóng
chảy và kt tinh.
Hình 3. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của hợp kim
trung gian Al-50Cu
Tổ chc pha và cấu trc tinh th ca tất cả các hp kim
đưc xác đnh qua kt quả nhiễu xạ tia X (XRD). Trong
Hình 3, c th thấy kt quả nhiễu xạ tia X ca hp kim
trung gian, những đỉnh tại 20,9o; 29,4o; 38o; 42,1o; 42,7o;
47,5o; 47,9o; 67,1o; 69,3o và 78,3o tương ng với các mặt
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 20, NO. 5, 2022 41
phẳng (110); (200); (211); (220); (112); (310); (202);
(213); (420) và (004) ca pha rắn trung gian θ-Al2Cu
(JCPDS 03-065-2695) [10], có cấu trc thuc hệ tinh th
chính phương như mô hình cấu trc Hình 4. Kt quả XRD
này chỉ ra rằng hp kim c đ tinh khit cao và nhất quán
với giản đ pha ca hp kim Al-Cu.
Hình 4. Mô hình cấu trúc tinh thể của các pha trung gian
θ-Al2Cu và θ’-Al2Cu [11]
Hình 5. Kết quả nhiễu xạ tia X của các hợp kim Al-1Cu, Al-2Cu,
Al-3Cu, Al-4Cu, Al-5Cu, và Al-50Cu
Hình 6. Mô hình cấu trúc tinh thể của α-Al
Đ thấy rõ ảnh hưng ca đng trong các hp kim
Al-Cu, các kt quả nhiễu xạ tia X ca Al-1Cu, Al-2Cu,
Al-3Cu, Al-4Cu, Al-5Cu, và Al-50Cu đưc so sánh và mô
tả trong Hình 5. Có th thấy, ngoại trừ hp kim trung gian
Al-50Cu, kt quả nhiễu xạ tia X ca năm hp kim Al-Cu
còn lại th hiện rõ hai đỉnh chính tại ~ 38,3o và 44,6o tương
ng với các mặt phẳng (111) và (200) ca α-Al, có mô hình
cấu trc tinh th như Hình 6 (JCPDS 01-089-4037). Theo
đnh luật Bragg:
𝑛𝜆 = 2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 (1)
Trong đ: 𝑛 là bậc phản xạ (trong trường hp này 𝑛 = 1);
𝑑 khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên t (Å);
𝜃 là gc phản xạ (đ).
Thay số vào phương trình (1) ta tính đưc 𝑑(111) ≈
2,35 Å và 𝑑(200) ≈ 1,99 Å là hoàn toàn phù hp với các
thông số mạng đ đưc tính toán ca α-Al [12].
Nhm tác giả không nhận thấy các đỉnh ca các pha
khác, điều này chng tỏ rằng, phn lớn các nguyên t ca
nguyên tố hp kim đng đ tạo thành dung dch rắn với
nguyên tố dung môi nhôm [13], [14]. Phát hiện đáng ch ý
đây là khi khối lưng đng tăng lên từ 1% đn 5% thì
cường đ ca hai đỉnh chính giảm xuống. Điều này chng
tỏ, mạng tinh th ca α-Al b xô lệch và mật đ ca các sai
lệch tăng. Thêm vào đ, khi tỷ lệ ca đng là 50% thì mt
pha rắn mới là pha trung gian Al2Cu đưc hình thành và
cường đ nhiễu xạ ca n khá thấp, c th là do c đ kt
tinh thấp hơn.
Đ khẳng đnh mt ln nữa các hp kim Al-Cu đ đưc
đc thành công, nhm tác giả đ s dng kính hin vi điện
t quét (SEM) đ xác đnh thành phn và s phân bố ca
các nguyên t trong các phôi đ đưc đc. Hình 7a th hiện
rõ vật liệu dùng trong quá trình nấu chảy là đng chất. Kt
quả phân tích EDX th hiện rõ vật liệu c đ đng chất cao
và chỉ c những nguyên t nhôm đưc phát hiện, c th
thấy rõ ràng trong Hình 7b.
Hình 7. (a) Hình chụp SEM phân bố thành phần và
(b) kết quả nhiễu xạ tia X của Al nguyên chất
Thành phn phn trăm theo khối lưng ca Cu trong
các hp kim Al-Cu đưc s dng trong công nghiệp ô tô
và hàng không thường rơi vào khoảng 3-5% [3-5]. Hình 8a
th hiện hình ảnh phân bố về thành phn ca hp kim Al-
5Cu. C th thấy, các nguyên t ca các nguyên tố Al và
Cu đưc phân bố đng đều trên toàn b mẫu, chng tỏ rằng
phn lớn các nguyên t đng đ tạo thành dung dch rắn
42 Nguyễn Linh Giang, Đỗ Lê Hưng Toàn, Nguyễn Bá Kiên
với Al. Quan trọng hơn, c th thấy rõ những nguyên t
đng phân tách tại biên giới hạt (giàu Cu), kt quả này đng
nhất với các báo cáo đ đưc công bố [2], [14]. Trong
nghiên cu này, tỉ lệ khối lưng ca Cu trong hp kim Al-
Cu đạt 4,4 ± 0,5 % (Hình 8b), chỉ ra rằng kt quả tính toán
và quá trình nấu chảy là phù hp và tạo ra đưc hp kim
theo yêu cu.
Hình 8. (a) Hình chụp SEM, phân bố thành phần và (b) kết quả
nhiễu xạ tia X của hợp kim Al-5Cu
4. Kết luận
Trong nghiên cu này, nhm tác giả đ nấu chảy và đc
thành công sáu phôi hp kims Al-Cu trong khuôn đc
graphit. Với việc s dng khuôn đc graphit, những phôi
đc c bề mặt đạt chất lưng cao và chính xác. Da vào
giản đ pha ca hệ Al-Cu, nhiệt đ nấu cho hp kim trung
gian đưc xác đnh là ~ 750℃ và cho năm hp kim Al-Cu
còn lại là ~ 730℃. Khi thành phn theo khối lưng ca Cu
tăng từ 1% đn 5% thì đ kt tinh ca nhôm alpha (α-Al)
giảm xuống và làm tăng mật đ ca các sai lệch. Những
nguyên t Cu phân tách tại biên giới hạt ca hp kim Al-
5Cu. Da trên những kt quả nghiên cu khả quan mà
nhm tác giả đ đạt đưc, hướng nghiên cu sắp tới ca
nhm tác giả là dùng các phôi hp kim đ đc thành công
đ nghiên cu quy trình x lý nhiệt với mc đích tăng cơ
tính ca các hp kim này.
Lời cảm ơn: Bài báo này đưc tài tr bi Trường Đại học
Bách khoa – Đại học Đà Nẵng với đề tài c m số:
T2021-02-30.
TI LIỆU THAM KHO
[1] Dong, Xixi, et al., “Formation of Strength Platform in Cast Al–Si–
Mg–Cu Alloys”, Scientific Reports, 9 (1), 2019, 1–11.
[2] Mohammadreza Zamani, et al.’ “Study on Dissolution of Al2Cu in
Al-4.3Cu and A205 Cast Alloys”., Metals, 10 (7), 2020, 1–17.
[3] Zamani, Mohammadreza, et al. “Optimisation of Heat Treatment of
Al–Cu–(Mg–Ag) Cast Alloys”. Journal of Thermal Analysis and
Calorimetry, 139 (6), 2020, 3427–40.
[4] Roger N. Lumley, Fundamentals of Aluminium Metallurgy,
Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering,
2018.
[5] Alcotec, “How and why alloying elements are added to aluminum”.,
AlcoTec, 2015, www.alcotec.com/us/en/education/knowledge/qa/
How-and-why-alloying-elements-are-added-to-aluminum.cfm#,
1/10/2022.
[6] Zhang, Xuemei, “Effects of Local Geometry Distortion at the
Al/Al2Cu Interfaces on Solute Segregation”, Physical Chemistry
Chemical Physics, 22 (7), 2020, 4106–14.
[7] M.A. Talamantes-Silva, et al., “Characterization of an Al-Cu Cast
Alloy”, Materials Characterization, 59 (10), 2008, 1434–39.
[8] Murray, J. L., “The Aluminium-Copper System”. International
Metals Reviews, 30 (5), 1985, 211–33.
[9] Đào Tuấn Nguyên, “Nghiên cu nấu luyện và ch tạo thỏi đc hp
kim nhôm B96ц-1 bằng công nghệ đc bán liên tc cho mt số ng
dng đặc biệt”, Journal of science and technology opf metals, 65,
2016, 38-42.
[10] Meetsma, A., et al., “Refinement of the Crystal Structure of
Tetragonal Al2Cu”. Journal of Solid State Chemistry, 83 (2), 1989,
370–72.
[11] Wolverton, C.,“Entropically Favored Ordering: The Metallurgy of
Al2Cu Revisited”, Physical Review Letters, 86 (24), 2001, 5518–21.
[12] SumitBahl, et al. “Aging Behavior and Strengthening Mechanisms
of Coarsening Resistant Metastable θ’ Precipitates in an Al–Cu
Alloy”, Materials and Design, 198 (109378), 2021, 1–12.
[13] Anggoro, B. S., et al., “The Influence of Cu Doped on Structure and
Mechanical Properties of Aluminium Material”. MATEC Web of
Conferences, 197 (02009), 2018, 1–3.
[14] Çadırlı, Emin, et al., “Effect of heat treatment on the microstructures
and mechanical properties of Al–4Cu–1.5Mg alloy”, International
Journal of Metalcasting, 2021, 1–14.