Nghiên cứu nguyên nhân nứt nóng phôi đúc nhôm AA3003 trong đúc bán liên tục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu nguyên nhân nứt nóng phôi đúc nhôm AA3003 trong đúc bán liên tục tập trung phân tích thành phần hóa học của các phối liệu cũng như kết hợp với phân tích số liệu ANOVA để đánh giá ảnh hưởng của các nguyên tố có hại đến khả năng nứt nóng của hợp kim AA3003 đúc bằng phương pháp bán liên tục.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu nguyên nhân nứt nóng phôi đúc nhôm AA3003 trong đúc bán liên tục

Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 29 Nghiên cứu nguyên nhân nứt nóng phôi đúc nhôm AA3003 trong đúc bán liên tục Research on causes of hot-tearing of AA3003 aluminum billet during DC casting process ĐÀO HỒNG BÁCH1,*, TRỊNH VĂN TRUNG1 1. Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội *Email: bach.daohong@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 26/2/2021, Ngày duyệt đăng: 8/4/2021 TÓM TẮT Hợp kim nhôm biến dạng AA3003 chế tạo từ nguồn nguyên liệu tận dụng phế liệu đang được sử dụng hiệu quả về mặt kinh tế nhưng cũng thường xảy ra hiện tượng nứt nóng ở các phôi sản phẩm của quá trình đúc bán liên tục. Đã sử dụng phương pháp ANOVA để phân tích thành phần hóa học của các sản phẩm phôi nhôm AA3003 nhằm xác định ảnh hưởng của các nguyên tố tới khả năng nứt nóng. Các kết quả phân tích tổ chức tế vi và phân bố thành phần hóa học của các nguyên tố bằng các thiết bị hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét kết hợp với đầu dò phân tán năng lượng cho thấy sự tồn tại các tạp chất như Cu, Zn, Fe, Pb vượt ngưỡng giới hạn cho phép trong phôi nhôm đặc biệt là ở biên giới hạt có thể là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng nứt nóng của các phôi nhôm đúc. Từ khóa: Hợp kim nhôm AA3003, nứt nóng, đúc bán liên tục, ANOVA. ABSTRACT AA3003 aluminum alloy made from raw scrap materials that have the advantage of economical use, but hot- tearing often occurs in the product billets of the direct chill casting process. This study used ANOVA analysis method for determination of chemical composition of AA3003 aluminum billet products to show influence of chem- ical composition on hot-tearing ability. The evaluation of the microstructure and chemical composition distribution of the elements by optical and scanning electron microscopes combined with energy dispersive spectroscopy showed the existence of impurities such as Cu, Zn, Fe, Pb exceeding the allowable limit in aluminum billets, espe- cially at grain boundary, which can be the main reason for the hot-tearing of cast aluminum billets. Keywords: AA3003 aluminium alloy, hot-tearing, direct chill casting, ANOVA. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hợp kim nhôm biến dạng, đặc biệt là hệ Al-Mn ví dụ như AA3003, được sử dụng nhiều để chế tạo đồ gia dụng như nồi, niêu, xoong, chảo,… Các nhà máy thường tận dụng dây nhôm phế liệu để chế tạo hợp kim nhôm. Quy trình nấu luyện và đúc rót bán liên tục tiến hành theo quy trình trên hình 1. Hình 1. Quy trình chế tạo sản phẩm nhôm trong Do quy trình nấu và tinh luyện chưa thực sự đúc bán liên tục bảo đảm, từ khâu lựa chọn phối liệu đến kiểm soát thành phần hóa học trong quá trình công nghệ, nên tại nhà máy Sunhouse thường xuyên xảy ra thường xuyên xảy ra với tỉ lệ 10-20 % phôi sau hiện tượng nứt nóng phôi. đúc (hình 2). Dây chuyền đúc phôi nhôm thường nhập khẩu Các nghiên cứu cho thấy, nguyên nhân xảy ra từ Trung Quốc và không có quy trình công nghệ hiện tượng nứt nóng có thể là do các tạp chất có đầy đủ. Hiện tượng nứt nóng dọc phôi nhôm hại như Fe, Cu, Mg, Zn, và Pb vượt quá giới hạn TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 95 . tháng 4/2021
Journal of Science and Technology of 30 Công trình nghiên cứu Bảng 1. Thành phần hóa học của nguyên liệu và hợp kim AA3003 cần đúc của nhà máy Vật liệu Al Cu Fe Mn Si Zn Các nguyên tố khác AA3003 96,7- 99 0,05-0,2 0,7 max 1-1,5 0,6 max 0,1 max
Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 31 Bảng 2. Kết quả phân tích ANOVA về thành phần hóa học của phôi sản phẩm Giá trị dưới của Giá trị trên của Giá trị giới hạn Nguyên tố Giá trịTrung bình Độ lệch chuẩn(SD) khoảng tin cậy, 5 % khoảng tin cậy, 5 % cho phép Cu 0,1745 0,0301 0,1520 0,1970 0,05-0,2 Fe 0,5828 0,2993 0,4518 0,7138 0,7 max Mn 0,3543 0,0465 0,3134 0,3952 1-1,5 Si 0,3539 0,2320 0,2777 0,4301 0,6 max Zn 0,3624 0,1641 0,2377 0,4871 0,1 max Pb 0,1386 0,0991 0,0927 0,1845
Journal of Science and Technology of 32 Công trình nghiên cứu Hình 4. So sánh thành phần hóa học của phôi thực tế (ANOVA) và của hợp kim AA3003 theo tiêu chuẩn Hình 5. Hàm lượng các nguyên tố của phối liệu và hợp kim ở các công đoạn sản xuất đối với phôi bị nứt b. Thành phần hóa học của hợp kim trong quá với các kết quả phân tích chứng tỏ phân tích là trình nấu luyện và đúc rót đáng tin cậy. Đồng thời thấy rằng để có được thành phần hóa học theo yêu cầu thì cần phải điều Thành phần hóa học của phối liệu và hợp kim chỉnh các thành phần phối liệu như bổ sung Mn ở các công đoạn sản xuất (nấu, tinh luyên và (với nguyên liệu AlMn). Kết quả cũng cho thấy cần đúc,...) khi tính cho phôi bị nứt và không bị nứt bổ sung quá trình tinh luyện hoặc lựa chọn nguyên được cho trên các hình 5 và 6. liệu đầu vào phù hợp hơn để giảm các tạp chất Kết quả tính phối liệu cho kết quả khá phù hợp không mong muốn như Zn, Mg và Pb. Số 95 . tháng 4/2021 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 33 Hình 6. Hàm lượng các nguyên tố của phối liệu và hợp kim ở các công đoạn sản xuất đối với phôi không bị nứt Hình 7. Ảnh hiển vi quang học tổ chức tế vi của phôi đúc bị nứt và không bị nứt TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 95 . tháng 4/2021
Journal of Science and Technology of 34 Công trình nghiên cứu Hình 8. Ảnh hiển vi điện tử quét tổ chức tế vi của phôi đúc bị nứt và không bị nứt Việc Zn, Mg, Pb có hàm lượng cao gây ra nứt ở hình 7 cho thấy biên giới hạt của mẫu bị nứt có nóng là phù hợp với các kết quả nêu trong nghiên hình thái thô và số lượng nhiều hơn so với mẫu cứu [10]. không bị nứt. Trạng thái biên giới hạt như vậy rất Trong quá trình nấu và tinh luyện thì hàm lượng dễ tạo điều kiện thuận lợi cho các vết nứt phát các nguyên tố không mong muốn đều có giảm. Cụ triển và gây ra hiện tượng phá hủy (nứt) tinh giới. thể là: đối với Zn từ 0,66 % (kim loại lỏng) xuống Ảnh hiển vi điện tử quét (hình 8) cũng phù hợp 0,61 % (tinh luyện) và chỉ còn 0,144 % (phôi đúc), với ảnh hiển vi quang học, nhưng rõ hơn (phóng tức là giảm khoảng 78 %; Pb giảm từ 0,37 % đại x500 và x1000) các vết nứt cũng như biên giới hạt với nhiều tạp chất. Điều này có thể giải thích xuống còn 0,036 %, tức giảm 80 %; trong khi đó là do các tạp chất dễ tập trung tại biên giới hạt làm Mg giảm không nhiều, từ 0,277 % xuống 0,266 %, mẫu dễ bị ăn mòn khi tẩm thực và cũng là nguyên tức là khoảng 4 %; nhân gây nứt [11]. 3.2. Tổ chức tế vi 3.3. Sự hình thành các pha liên kim và tạp chất Các ảnh hiển vi quang học cho thấy hình thái Kết quả phân tích phổ nguyên tố theo đường của các hạt tương đối đồng đều. Các vùng dạng quét 1 và các điểm 1, 2 và 3 trên biên giới cũng tròn trên biên giới hạt có thể là các tạp chất hoặc như trong hạt cho trên hình 9. Tại biên giới hạt các pha liên kim phức tạp như Al6(Mn,Fe) [12, 13]. (điểm 1), kết quả ở hình 9c cho thấy hàm lượng Tổ chức tế vi với độ phóng đại x200 và x1000 của các nguyên tố như Fe (1,7 %), Cu (0,3 %) và Số 95 . tháng 4/2021 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 35 Zn (0,2 %) đều vượt ngưỡng cho phép. Sự tập nguyên tố có hại này ở biên giới hạt sẽ làm suy trung các tạp chất này tại biên giới có thể làm xuất yếu liên kết giữa các hạt và do vậy sẽ dễ gây ra hiện các liên kim hệ Al-Fe-Zn, Al-Cu hay các liên hiện tượng nứt của phôi. kim có nhiệt độ nóng chảy thấp của Zn có khả năng Nhưng kết quả của các mẻ nấu lại cho thấy gây ra hiện tượng nứt nóng. Trong nền dung dịch lượng Zn giảm đáng kể (thậm chí đạt giá trị cho rắn (điểm 2), hàm lượng Cu (0,4 %), Zn (0,2 %) và phép là < 0.1 %). Điều đó cho thấy quá trình nấu Pb (0,5%) đều cao. Ở điểm 3 có Cr (17,2 %) là do luyện cũng đã tạo ra các oxit, tuy nhiên các oxít hạt mài của dung dịch đánh bóng Cr2O3 bị “găm” này không thể loại bỏ được trong quá trình nấu lại trên bề mặt của mẫu. Kết quả quét theo đường luyện mà vẫn giữ lại trong kim loại lỏng, sau đó qua biên giới hạt ở hình 9h và 9i cũng cho thấy ở các oxit sẽ bị tập trung trong biên giới hạt. Sau khi biên giới hạt tập trung một lượng lớn các tạp chất nấu lại các oxít này lại được loại bỏ tiếp tục trong như Mg, Mn, Fe, Cu, và Pb so với trong nền hạt quá trình tinh luyện lần 2. Sự tồn tại C khá cao dung dịch rắn. Sự tập trung (thiên tích) các (8,3-30,8; 25,7-19,3 %) ở trong các kết quả phân TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 95 . tháng 4/2021
Journal of Science and Technology of 36 Công trình nghiên cứu Hình 9. Phổ nguyên tố theo đường quét dài 12 µm đi qua vết nứt (a, b, f-i) và theo điểm (a, c, d và e) tích có thể là do xuất hiện trong quá trình chuẩn bị phần hóa học đặc biệt là để loại bỏ các tạp chất có mẫu phân tích nhưng cũng có thể một dạng tạp hại như Zn và Pb. Các tạp chất như Cu, Zn, Fe, chất được tạo ra trong quá trình đúc kết hợp với Pb ít hòa tan trong nhôm mà thường nằm ở biên sự không chính xác khi phân tích bằng phương giới hạt, ở nhiệt độ cao làm suy yếu mối liên kết pháp EDS các nguyên tố nhẹ (có số khối nhỏ) như giữa các vùng do vậy dưới tác động của ứng suất C, N trong vật liệu. của quá trình kéo khuôn và ứng suất nhiệt của quá Các kết quả phân tích khác cũng cho thấy hàm trình đông đặc do làm nguội không đồng đều nên lượng các nguyên tố tạp chất tại các điểm trên rất dễ gây nên hiện tượng nứt nóng ngay cả khi biên giới của mẫu nứt cao hơn so với các điểm chưa kết thúc quá trình đúc. trên biên giới mẫu không nứt. Tại đó, có thể các LỜI CẢM ƠN tạp chất thiên tích nhiều hơn, cùng sự xuất hiện Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của nhiều hơn các pha liên kim làm giảm cơ tính của nhà máy sản xuất đồ gia dụng Sunhouse. hợp kim trong trạng thái bán rắn, tạo cơ sở cho sự hình thành vết nứt. Tuy nhiên, các kết quả chưa được phân tích pha (ví dụ nhiễu xạ Rơnghen) nên chưa được chỉ ra cụ thể ở đây. 4. KẾT LUẬN Hiện tại, với chất lượng nguồn nguyên liệu là nhôm thỏi A7 với phế liệu dây điện là không bảo đảm thành phần hóa học của mác nhôm cần chế tạo. Đồng thời, với quy trình của nhà máy hiện nay đang áp dụng sẽ không thể điều chỉnh được thành Số 95 . tháng 4/2021 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 37 TÀI LIỆU TRÍCH DẪN 1. Gabrielle Gaustad, Elsa Olivetti, Randolph Kirchain; Improving aluminum recycling: A survey of sorting and impurity removal technologies, Resources, Conservation and Recycling, 58, 2012, pp.79-87. 2. Lifeng Zhang, Xuewei Lv, Alex Tryg Torgerson, Mujun Long; Removal of Impurity Elements from Molten Aluminum: A Review, Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review: An International Journal, 32(3), 2011, pp. 150-228. 3. Stefano Capuzzi and Giulio Timelli; Preparation and Melting of Scrap in Aluminum Recycling: A Review; MDPI, Metals, 8(4), 2018, p. 249. 4. Harald Görner; Removal of dissolved elements in aluminium by filtration; Thesis for the degree of Philosophiae Doctor, Norwegian University of Science and Technology, 2009. 5. Paul R. Kruesi, Golden; Methods of recovering and purifying secondary alumnum; Patent No.: US 8,002,872 B2, 2011. 6. S. Bell, B. Davis, A. Javaid and E. Essadiqi; Final Report on Scrap Management, Sorting and Classification of Aluminum; Enhanced Recycling, Action Plan 2000 on Climate Change, Minerals and Metals Program of Canada, Report No. 2003-22(CF). 7. Željko Skoko, Stanko Popović, Goran Štefanić; Microstructure of Al-Zn and Zn-Al Alloys; Croat. Chem. Acta, 82 (2), 2009, pp. 405–420. 8. Stanko Popovi, Biserka Greta; Precipitation and Dissolution Phenomena in Al-Zn Alloys; Croatia Chemical Acta, 72(2-3, 1999), pp. 621-643. 9. Gabrielle Gaustad, Elsa Olivetti, Randolph Kirchain; Improving aluminum recycling: A survey of sorting and impurity removal technologies, Resources, Conservation and Recycling, 58, 2012, pp. 79–87. 10. Ghadir Razaz; Problems in the Aluminium DC Casting Process Associated with Melt Treatment Operations; Thesis for Doctoral Degree in Engineering Physics, Mid Sweden University, 2019. 11. Ghadir Razaz and Torbjo¨rn Carlberg; Hot Tearing Susceptibility of AA3000 Aluminum Alloy Containing Cu, Ti, and Zr; Metallurgical and Materials Transactions A, 50A, 2019, p.3842. 12. J.R. Davis; Aluminum and Aluminum Alloys, Alloying: Understanding the Basics; ASM International, 2001, pp 351-416. 13. Gennifer Aparicio-Carrillo, Marco Ciaccia-Sortino, Ricardo Jerez G; Influence of homogenization preceding to cold-rolling on the microstructure of the AA-3003; Ingenius No26, july-december, 2021 pp.99-110, 2021. TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 95 . tháng 4/2021