Nghiên cứu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6

Hóa học vật liệu<br /> <br /> NGHIÊN CỨU NẤU LUYỆN HỢP KIM NHÔM АМг6<br /> Nguyễn Xuân Phương1*, Bùi Thế Hiển1, Kim Xuân Lộc2<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ban đầu về nấu luyện hợp kim<br /> nhôm АМг6 trong lò điện trở tại Xí nghiệp 59/Z127-TCCNQP. Quá trình nghiên<br /> cứu đã xác lập được chế độ nấu luyện như: quy trình công nghệ nấu luyện, xác định<br /> tỷ lệ cháy hao, nhiệt độ nấu luyện, nhiệt độ rót ... Qua kết quả phân tích thành phần<br /> hóa học, ảnh tổ chức tế vi thấy rằng, mẫu hợp kim đã chế tạo tương đương mác hợp<br /> kim nhôm АМг6 theo OCT 4784-97.<br /> Từ khóa: Hợp kim nhôm, Lò điện trở, Thành phần hóa học.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Hợp kim nhôm biến dạng hệ АМг6 có tính dẻo cao, tính hàn tốt và tính chống ăn mòn<br /> cao. Hiệu quả hóa bền do nhiệt luyện của hợp kim này đạt được khi hàm lượng Mg lớn<br /> hơn 8%, tuy nhiên hàm lượng Mg cao sẽ làm hợp kim nhạy cảm với ăn mòn dưới tác dụng<br /> của ứng suất và mất khả năng ứng dụng thực tế. Do vậy thường hợp kim nhôm biến dạng<br /> hệ АМg6 không hóa bền bằng nhiệt luyện, chỉ hóa bền bằng biến dạng dẻo và được dùng<br /> ở trạng thái ủ, nửa biến cứng hoặc biến cứng [1,2].<br /> Bảng 1.1. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm АМг6 (OCT 4784-97).<br /> Hợp Thành phần hoá học (%)<br /> kim<br /> Al Mg Mn Ti Zn Si Fe Cu<br /> АМг6<br /> Còn 5,86,8 0,50,8 0,02  0,1 ≤0,2 ≤0,4 < 0,4 ≤0,1<br /> lại<br /> <br /> Hợp kim nhôm biến dạng АМг6 không hóa bền bằng nhiệt luyện, có độ bền trung bình,<br /> độ dẻo, tính chống ăn mòn và tính hàn tốt. Độ dãn dài của hệ АМг6 ở nhiệt độ phòng<br /> không quá (15  20) % và đạt đến (50  60) % ở nhiệt độ (200  300) oC. Hợp kim này có<br /> khả năng siêu dẻo với mức độ biến dạng khi cán đạt đến (200  230) % ở nhiệt độ (420 <br /> 480) oC. Độ bền cực đại đạt được (400  450) MPa. Hợp kim АМг6 là một trong những<br /> mác hợp kim thông dụng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành đóng tàu, xây dựng, kỹ<br /> thuật hàng không, một số chi tiết của các hệ thống radar bờ biển, các công trình quân sự<br /> trên biển, đảo, vì ưu điểm của hợp kim này là khả năng chịu ăn mòn trong môi trường<br /> khắc nghiệt của nước biển rất cao. Sử dụng hợp kim nhôm trong thiết kế, chế tạo sản phẩm<br /> cho phép giảm khối lượng, tăng trọng tải của chúng mà không giảm vận tốc cũng như tính<br /> năng làm việc, đồng thời tăng độ tin cậy trong quá trình làm việc.<br /> Hợp kim nhôm АМг6 khó nấu luyện hơn các hợp kim khác vì hàm lượng Mg cao, đây<br /> là nguyên tố rất dễ bị oxy hóa, cháy hao trong không khí trong quá trình nấu luyện, biến<br /> tính. Vì vậy, quá trình nấu luyện hợp kim АМг6 cần chú ý tránh cho Mg kim loại bị cháy<br /> trong quá trình đưa vào kim loại lỏng.<br /> 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG<br /> 2.1. Tính toán phối liệu cho nấu luyện<br /> Vật liệu nấu bao gồm nhôm kỹ thuật mác A7, hợp kim nhôm trung gian Al-Mn<br /> (10%Mn), Al-Ti (3% Ti), magie kim loại Мг96.<br /> <br /> <br /> <br /> 182 N.X.Phương, B.T.Hiển, K.X.Lộc, “Nghiên cứu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6 .”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> Thành phần cụ thể vật liệu đầu vào:<br /> Bảng 2.1. Thành phần hoá học của nhôm sạch kỹ thuật (ГОСТ 11069-2001).<br /> Ký Thành phần hoá học (%)<br /> hiệu<br /> Al Fe Si Zn Ti Mn Mg Cu Σ các tạp chất<br /> A7 99,7 0,16 0,15 0,04 0,01 0,03 0,02 0,01 0,30<br /> Bảng 2.2. Thành phần hoá học của magiê sạch kỹ thuật (ГОСТ 804-93).<br /> Ký Thành phần hoá học (%)<br /> hiệu<br /> Mg Fe Si Ni Cu Al Mn Cl Σ các tạp chất<br /> Mг96 99,96 0,004 0,005 0,002 0,002 0,006 0,004 0,003 0,030<br /> Lựa chọn tỷ lệ cháy hao của các cấu tử khi nấu trong lò nồi điện trở:<br /> Tỷ lệ cháy hao của từng kim loại rất khác nhau phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu<br /> đầu vào, mức độ ôxi hoá và khối lượng riêng của kim loại, loại lò nấu, dạng hợp kim, chế<br /> độ nấu, trợ dung che phủ, cũng như trình độ và kinh nghiệm của người nấu… Khi nấu hợp<br /> kim AMг6 trong lò nồi điện trở, tỉ lệ kim loại cháy hao như sau: Al: 1,5 %; Mg: 3,5 %;<br /> Mn: 1,5 %; Ti: 1,5 %;<br /> Bảng 2.3. Bảng kê (100 kg mẻ nấu).<br /> Các thông số Al Mg Mn Ti Tổng<br /> TPHHTB (%) 92,45 6,3 0,65 0,6 100%<br /> TPHHTB (kg) 92,45 6,3 0,65 0,6 100 kg<br /> Cháy hao (%) 1,5 3,5 1,5 1,5 11 %<br /> Cháy hao (kg) 1,386 0,220 0,009 0,009 1,624 kg<br /> Thành phần mẻ nấu (kg) 93,654 6,528 0,695 0,609 101,486 kg<br /> Tính lượng các nguyên tố và hợp kim trung gian phải dùng:<br /> Để nấu ra 100 kg АМг6 cần:<br /> Nhôm thỏi: 86,999 kg<br /> HKTG Al-Mn: 5,938 kg<br /> HKTG Al-Ti: 2,021 kg<br /> Magie thỏi: 6,528 kg<br /> Tổng 101,486 kg<br /> - Chất trợ dung để ngăn ngừa sự oxy hóa và để dễ tạo xỉ như 44% KCl + 56% MnCl2 hoặc<br /> 50% NaCl +35% KCl + 15% Na2Al2F.<br /> - Các vật liệu phải đảm bảo sạch và khô, trước khi dưa vào lò được nung sơ bộ ở nhiệt độ<br /> (150÷180) oC.<br /> 2.2. Thiết bị sử dụng<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 183<br />  Hóa học vật liệu<br /> <br /> + Lò nồi điện trở: Naberthem<br /> + Nồi graphit.<br /> + Dụng cụ nấu đúc: Khuôn thép, que khuấy graphit, tấm cào xỉ, gáo múc mẫu, gầu rót, kìm...<br /> + Thiết bị phân tích nhanh thành phần hóa học: Thiết bị phân tích quang phổ phát xạ<br /> SpectroLAB. Chụp ảnh tổ chức kim loại bằng kính hiển vi Axiovert.<br /> 2.3. Tiến trình nấu luyện<br /> <br /> 3/4 nhôm thỏi A7 1/2 muối trợ dung tinh luyện<br /> <br /> <br /> <br /> Nấu chảy hoàn toàn<br /> <br /> <br /> Nâng nhiệt 750-780 oC 1.HKTG Al-Mn<br /> Cho HKTG theo thứ tự 1→2 2. 1/4 nhôm A7<br /> <br /> <br /> <br /> Nấu chảy hoàn toàn<br /> <br /> <br /> Hạ nhiệt độ 680 - 710 oC Magie<br /> <br /> 750-770oC<br /> HKTG Al-Ti Biến tính<br /> <br /> <br /> Lấy mẫu<br /> PTTPHH<br /> <br /> <br /> ½ muối trợ dung<br /> Khử khí, tinh luyện Sục khí Ar<br /> tinh luyện<br /> 720-730 oC<br /> Giữ nhiệt khoảng 7-10 phút<br /> <br /> <br /> Gạt xỉ<br /> <br /> 710-720 oC<br /> Rót kim loại lỏng vào<br /> khuôn<br /> <br /> <br /> Hình 2.4. Sơ đồ trình tự chất liệu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6.<br /> 2.4. Mô tả quá trình nấu luyện<br /> Bước 1: Xếp liệu<br /> <br /> <br /> 184 N.X.Phương, B.T.Hiển, K.X.Lộc, “Nghiên cứu nấu luyện hợp kim nhôm АМг6 .”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> - Trình tự chất liệu vào lò: Đầu tiên, cho 3/4 nhôm A7 lót ở dưới đáy nồi, sau đó là hợp<br /> kim trung gian. Chất các hợp kim trung gian theo thứ tự hợp kim trung gian có nhiệt độ<br /> nóng chảy cao hơn đưa vào trước, rồi đến hợp kim trung gian có nhiệt độ chảy thấp hơn và<br /> sau cùng là kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp. Khi chất liệu theo trình tự trên đề phòng<br /> sự phá hỏng đáy nồi lò, còn số lượng liệu được chất có thể nhiều nhất.<br /> Bước 2: Nấu chảy kim loại<br /> - Tiến hành nấu chảy nhôm thỏi. Sau khi bắt đầu nấu chảy liệu tiến hành phủ lên bề mặt<br /> của nó một lớp trợ dung che phủ một lượng khoảng 0,5 % (theo khối lượng của mẻ liệu).<br /> Sau khi nóng chảy toàn bộ liệu, vớt xỉ trên mặt nồi nấu, đồng thời cho tiếp liệu kích cỡ<br /> nhỏ vào nồi kim loại lỏng.<br /> Bước 3: Hợp kim hóa và biến tính<br /> - Hợp kim trung gian Al-Mn được đưa vào kim loại lỏng ở nhiệt độ (740 ÷ 780) oC,<br /> kim loại lỏng được khuấy đảo để mangan được hòa tan hoàn toàn, sau đó tiếp tục cho hợp<br /> kim trung gian Al-Ti vào lò. Sau khi tất cả các hợp kim trung gian được hòa tan hoàn toàn<br /> và đồng đều, tiến hành hạ nhiệt độ hợp kim lỏng xuống (680 ÷ 720) oC đưa magiê vào nồi<br /> kim loại lỏng bằng cách bọc trong tấm nhôm mỏng và được nhúng sâu vào kim lọai lỏng.<br /> Cần phải theo dõi cẩn thận để Mg không bị nổi lên bề mặt kim loại lỏng, bởi vì khi đó Mg<br /> sẽ bị ôxy hóa và cháy, kết quả là dẫn tới hàm lượng của Mg có thể bị sai lệch nhiều so với<br /> số lượng tính toán. Trong quá trình đưa vào cần phải khuấy đảo thật kỹ kim loại lỏng để<br /> magie hòa tan trong toàn bộ kim loại lỏng. Do magiê đưa vào ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ<br /> nóng chảy của nó, do đó, quá trình nóng chảy và hòa tan cùng xảy ra đồng thời. Trước khi<br /> đưa magiê vào cần vớt sạch xỉ trên bề mặt kim loại lỏng.<br /> Bước 4: Tinh luyện và lấy mẫu thử<br /> - Tinh luyện bằng sục khí Ar ở nhiệt độ (720 ÷ 730) oC. Thời gian sục khí argon<br /> khoảng 10 phút.<br /> Để kiểm tra thành phần hoá học của mẻ nấu tiến hành phân tích nhanh thành phần hoá<br /> học. Lấy mẫu phân tích nhanh được tiến hành sau khi nấu chảy toàn toàn tất cả các nguyên<br /> tố hợp kim và khuấy đảo kỹ nồi kim loại lỏng, nhiệt độ lấy mẫu thử (710 ÷ 730) oC. Sau<br /> khi kết thúc khuấy đảo tiến hành vớt xỉ khỏi bề mặt nồi kim loại lỏng và dải lên bề mặt<br /> kim loại lỏng một lớp trợ dung che phủ và tinh luyện. Để tinh luyện nhiệt độ kim loại lỏng<br /> khi tinh luyện duy trì ở (720 ÷ 750) oC. Sau đó giữ trong khoảng (10 ÷ 15) phút kim loại<br /> lỏng ở trạng thái tĩnh vớt xỉ khỏi bề mặt kim loại lỏng.<br /> Lấy mẫu phân tích thành phần hoá học cần phải sử dụng dụng cụ sạch, bởi vì trong<br /> trường hợp ngược lại có thể làm sai số kết quả phân tích. Mẫu thử được rót vào khuôn<br /> bằng đồng để đảm bảo sự kết tinh nhanh với mục đích giảm sự thiên tích.<br /> Bước 5: Rót đúc phôi<br /> - Sau khi phân tích thành phần mẻ liệu đảm bảo đúng theo yêu cầu đưa ra, tiến hành rót<br /> kim loại lỏng vào khuôn kim loại ở nhiệt độ (710 ÷ 720) oC. Khuôn kim loại được thiết kế<br /> có lớp áp khuôn chưa nước làm nguội tuần hoàn và thoát ra ngoài liên tục, đảm bảo phôi<br /> nguội nhanh, có tổ chức hạt nhỏ mịn.<br /> 2.5. Lựa chọn chế độ ủ đồng đều hóa thành phần thỏi đúc<br /> Nguyên tắc chọn nhiệt độ đồng đều hóa phải cao hơn nhiệt độ hòa tan hoàn toàn các<br /> nguyên tố hợp kim trong nhôm, nghĩa là cao hơn nhiệt độ t1 và thấp hơn nhiệt độ đường<br /> đặc cân bằng (t1 < tđđ