Tổ chức tế vi và bản chất tăng bền khi nhiệt luyện hợp kim đồng BCuAl10Fe4Ni4Mn3

2Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
 

Tóm tắt
Bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện khác nhau tới tổ chức tế vi và sự hình thành pha tăng bền hợp kim đồng BCuAl10Fe4Ni4Mn3. Tổ chức của hợp kim được đánh giá bằng phương pháp hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét. Ảnh hưởng của tổ chức tới cơ tính của hợp kim được đánh giá thông qua độ cứng và độ bền kéo. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi nhiệt luyện, hợp kim đồng BCuAl10Fe4Ni4Mn3 đã được cải thiện đáng kể độ cứng và độ bền kéo làm tăng khả năng chịu mài mòn cho hợp kim.
Thực nghiệm
Mẫu được chế tạo bằng phương pháp đúc, hợp kim được nấu trong lò trung tần và rót ở nhiệt độ 1200°C vào khuôn kim loại dạng trụ có đường kính ϕ30mm. Sau khi vật đúc nguội, mẫu được cắt nhỏ theo kích thước ϕ30x30mm để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. Mẫu nhỏ được xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau. Chế độ 1 mẫu được nung trong khoảng nhiệt độ từ 900 – 950°C với thời gian giữ nhiệt là 30 phút và 60 phút cho nguội ngoài không khí. Chế độ 2, giống chế độ 1 nhưng sau đó hóa già ở 400°C trong khoảng thời gian 30 phút và nguội cùng lò như trình bày ở Hình 1

Kết quả phân tích tổ chức tế vi của mẫu sau tôi được trình bày ở Hình 2 và Hình 3, sau khi xử lý nhiệt, các pha α là các hạt có mầu sáng đã trở lên nhỏ mịn hơn so với pha α ở mẫu sau đúc (Hình 2a), quá trình thay đổi nhiệt độ không làm thay đổi nhiều trạng thái phân bố và kích thước các hạt alpha. Tổ chức của mẫu sau đúc bao gồm các pha chính: pha α có mầu sáng, cùng tích của α k hoặc pha cân bằng β. Qua quan sát ở Hình 2a và được xác nhận bằng ảnh SEM và EDS ở Hình 3 và 4, ta có thể thấy được pha k_I có dạng hoa hồng, pha k_II có dạng tròn nhỏ hơn và k_III dạng thanh cùng với pha β. Sau khi nhiệt luyện ở nhiệt độ cao, pha β chuyển hóa thành pha β’ không cân bằng, đặc biệt là có sự hình thành pha k_IV nhỏ mịn trên nền pha α như chỉ ra ở Hình 3d và Hình 5. Điều này giúp cải thiện đáng kể độ cứng cũng như độ bền của vật liệu sau nhiệt luyện.

Hình 2. Ảnh hiển vi quang học của mẫu đồng sau đúc (a) và phụ thuộc vào nhiệt độ tôi: 900°C (b); 930°C (c) và 950°C (d) với thời gian giữ nhiệt 30 phút

Hình 3. Ảnh hiển vi quang học của mẫu đồng phụ thuộc vào nhiệt độ tôi: 900°C (a); 930°C (b); 950°C (c) với thời gian giữ nhiệt 60 phút và phóng đại của Hình 3b (d)

Hình 4. Ảnh SEM của mẫu đồng tôi ở 930°C, thời gian giữ nhiệt 60 phút

Hình 5. Phổ EDS của pha K_I (a); K_II (b) và β K_III (c)


Hình 6. Ảnh SEM của mẫu đồng tôi ở 930°C, thời gian giữ nhiệt 60 phút và EDS của pha K_IV

Hình 7 và 8 trình bày ảnh tổ chức tế vi của mẫu sau hóa già. Kết quả cho thấy, sau hóa già, kích thước hạt α trở lên rất nhỏ mịn. Khi nhiệt độ nhiệt luyện tăng, kích thước hạt α cũng tăng, tuy nhiên sự thay đổi kích thước này là không nhiều. Đặc biệt, quá trình tôi kết hợp với hóa già đã tạo điều kiện cho sự hình thành pha k_IV nhỏ mịn trên nền pha α nhiều hơn đã làm tăng độ cứng và độ bền đáng kể so với các mẫu không hóa già như trình bày ở Hình 9.

Hình 7. Ảnh hiển vi quang học của mẫu đồng phụ thuộc vào nhiệt độ tôi: 900°C (a); 930°C (b); 950°C (c) với thời gian giữ nhiệt 30 phút, hóa già ở 400°C


Hình 8. Ảnh hiển vi quang học của mẫu đồng phụ thuộc vào nhiệt độ tôi: 900°C (a); 930°C (b); 950°C (c) với thời gian giữ nhiệt 60 phút, hóa già ở 400°C


Hình 9. Ảnh SEM ở các độ phóng đại khác nhau của mẫu đồng tôi ở 930°C và hóa già ở 400°C

 

Kết luận
Các nghiên cứu chuyên sâu về tổ chức tế vi cho thấy tổ chức hạt của hợp kim BCuAl10Fe4Ni4Mn3 sau quá trình Ram rất nhỏ mịn và xuất hiện pha α k_IV đã làm tăng cơ tính cho hợp kim, đặc biệt đã làm tăng độ cứng lên khá nhiều so với mẫu không ram. Điều này làm tăng khả năng chịu mài mòn cho hợp kim khi ứng dụng để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn. Quá trình nhiệt luyện có vai trò rất quan trọng trong việc tăng cơ tính của hợp kim đồng BCuAl10Fe4Ni4Mn3.