Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHUYỂN BIẾN MACTENXIT
TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHUYỂN BIẾN MACTENXIT
TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM
Ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 9520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. PHẠM MAI KHÁNH
2. PGS. TS TRẦN ĐỨC HUY

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Vật liệu “Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến
mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm” là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện.
Các thông tin, kết quả được sử dụng trong luận án này hoàn toàn trung thực và chưa từng được
ai công bố trong các công trình nào khác. Tất cả những sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc.
Hà nội, Ngày 16 Tháng 12 Năm 2019

TM. Tập thể hướng dẫn

PGS.TS Phạm Mai Khánh

Tác giả luận án

Vũ Anh Tuấn


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy cô của tôi là PGS.TS Phạm
Mai Khánh và PGS.TS Trần Đức Huy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi suốt quá trình thực
hiện luận án.
Những kết quả có được của luận án này là được sự giúp đỡ nhiệt tình, hết mình của các
thầy hướng dẫn ( Đặc biệt là sự giúp đỡ quý báu của cố giáo sư Lê Thị Chiều trong giai đoạn
đầu đầy khó khăn trong quá trình làm luận án) và nhóm nghiên cứu. Tôi xin được chân thành
cảm ơn các thầy cô và nhóm nghiên cứu về hợp kim đồng đã giúp đỡ hỗ trợ tôi trong suốt quá
trình làm luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật liệu và công nghệ đúc –
Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình làm Nghiên cứu sinh.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu –
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã liên tục dạy tôi trong suốt quá trình học Đại học đến khi
làm xong nghiên cứu sinh.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn của mình đến lãnh đạo Khoa Cơ Sở Cơ Bản , trường Đại học
Hàng Hải Việt Nam và bộ môn Sức Bền Vật liệu đã hỗ trợ, tạo điều kiên tốt nhất cho tôi trong
quá trình tôi làm nghiên cứu sinh.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Viện Kỹ Thuật Hải Quân, Nhà máy đóng tàu X46, Chi
cục đăng kiểm số 10_Hải Phòng đã tạo điều kiện để tôi được phân tích, thu thập số liệu thực tế
phục vụ nghiên cứu trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới các phòng thí nghiệm, các viện nghiên cứu ở trong và
ngoài trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của mình.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên giúp đỡ của gia đình, người thân, bạn
bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian qua.
Tác giả

Vũ Anh Tuấn


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Mục đích của luận án ............................................................................................................... 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ......................................................................... 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: .............................................................................. 2
Phương pháp nghiên cứu : ....................................................................................................... 2
Nội dung bố cục luận án .......................................................................................................... 2

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM ............................... 3
1.1.

Giới thiệu về hợp kim Cu-Al ..................................................................................... 3

1.2.

Lịch sử ra đời hợp kim Cu-Al .................................................................................... 5

1.3.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni........................... 7

1.4.

Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam............................................................................ 19

1.5.

Vấn đề tồn tại và mục tiêu nghiên cứu luận án hướng tới ......................................... 20

CHƢƠNG II. CƠ SỞ VỀ HỢP KIM HÓA, XỬ LÝ NHIỆT CHUYỂN PHA
VÀ TẠO TỔ CHỨC TRONG HỢP KIM Cu-Al-Fe VÀ Cu-Al-Fe-Ni ............. 22
2.1. Vai trò và ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tính chất hợp kim đồng nhôm CuAl-Fe và Cu-Al-Fe-Ni ....................................................................................................... 22
2.2. Đặc điểm về chuyển pha và tổ chức trong hệ hợp kim ba nguyên Cu-Al-Fe và Cu-AlFe-Ni 25
2.3.

Đặc điểm chuyển biến mactenxit trong hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni. .. 31

2.4. Cơ sở hợp xử lý nhiệt hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni cho mục đích tăng cơ
tính. 36
2.5. Vai trò của chuyển biến mactenxit trong ứng dụng chịu mài mòn và hiệu ứng nhớ
hình cho hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni. ........................................................... 38

CHƢƠNG III. THÍ NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 51
3.1.

Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 51

3.2.

Quá trình chuẩn bị mẫu nghiên cứu ......................................................................... 51

3.3.

Quá trình xử lý nhiệt ............................................................................................... 51

3.4.

Các phương pháp nghiên cứu tổ chức và cấu trúc .................................................... 52

3.5.

Các phương pháp đánh giá cơ tính ........................................................................... 55

3.6.

Phương pháp nghiên cứu hiệu ứng nhớ hình ............................................................ 56

I


CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ VỀ CHUYỂN PHA TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG
CuAl9Fe4, CuAl9Fe4Ni2 VÀ VAI TRÒ CỦA CHUYỂN PHA MACTENXIT

TRONG HỢP KIM ............................................................................................. 58
4.1.

Phân tích tổ chức hợp kim sau đúc.......................................................................... 58

4.2.

Phân tích tổ chức tế vi sau tôi .................................................................................. 61

4.3.

Phân tích tổ chức tế vi sau hóa già ........................................................................... 68

4.4. Phân tích sự phân hủy tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4 khi thay đổi chế độ
hóa già ............................................................................................................................... 76
4.5. Phân tích sự phân hủy tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4Ni2 khi thay đổi chế
độ hóa già .......................................................................................................................... 83
4.6.

Phân tích chuyển pha hợp kim khi thực hiện biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt ........ 88

CHƢƠNG V: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG HAI HỢP KIM CHO CHỊU MÀI
MÒN VÀ HIỆU ỨNG NHỚ HÌNH .................................................................... 97
5.1.

Kết quả mài mòn ..................................................................................................... 97

5.2.

Kết quả nhớ hình ....................................................................................................105

5.3.

Ứng dụng của hai mác hợp kim nghiên cứu trong thực tế .......................................107

KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................ 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. 114

II


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Mđ – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit
Mk – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit
γ – pha điện tử Cu9Al4
β – Dung dich rắn Cu3Al
β’ – Pha mactenxit chuyển từ β thành β’
α – Dung dịch rắn của đồng trong hợp kim
Mn – nguyên tố Mangan
Ti – nguyên tố Titan
Ni – nguyên tố Niken
Fe – nguyên tố sắt
Fe(δ) – Pha liên kim Fe3Al
K1,2,3,4 : Các pha liên kim Niken-nhôm
FCC – mạng lập phương tâm mặt
BCC – mạng lập phương tâm khối
TEM – hiển vi điện tử truyền qua
SEM – hiển vi điện tử quét
FESEM – hiển vi điện tử quét phân giải cao
EDS – phương pháp vi phân tích nguyên tố

NL – nhiệt luyện
ζe – giới hạn đàn hồi
d – là khoảng cách giữa các mặt tinh thể (hkl)
θ – là góc nhiễu xạ
λ – là chiều dài bước sóng của chùm tia phân tích

III


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Thành phần mẫu hợp kim nghiên cứu [1]

5

Bảng 1.2 : Độ cứng tế vi của các pha

10

Bảng 1.3: Tốc độ ăn mòn của hợp kim khi xử lý ở các chế độ khác nhau

11

Bảng 1.4: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe
không đổi còn thành phần của Al thì thay đổi.

12

Bảng 2.1: Cơ tính của của đồng kỹ thuật M1 [1.2]

25

Bảng 2.2: Thành phần hóa học và cơ tính của brông thiếc [1.2]

27

Bảng 2.3: Thành phần các pha và thông số tinh thể của chúng trong hợp kim đồng
thanh nhôm CuAl10Fe3
Bảng 2.4: Độ hòa tan của sắt trong các pha khác nhau thay đổi theo nhiệt độ
Nhật theo tiêu chuẩn JIS G5131-91

36
36

Bảng 2.5: Phân loại các dạng mài mòn

39

Bảng 2.6: Xử lý nhiệt điển hình và kết quả tính chất của brông nhôm α-β

58

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mẫu hợp kim đúc CuAl9Fe4, CuAl9Fe4Ni2

64

Bảng 5.1: Giá trị độ cứng tại các chế độ khác nhau

108

Bảng 5.2: Bảng độ hụt khối của mẫu

110

Bảng 5.3: Bảng giá trị độ cứng

112

Bảng 5.4. Độ hụt khối ở các chế độ khác nhau

114

Bảng 5.5 Lượng nhớ hình thu được sau thí nghiệm nhớ hình của HK CuAl9Fe4
Bảng 5.6 Lượng nhớ hình thu được sau thí nghiệm nhớ hình của HK CuAl9Fe4Ni2

IV

115
116


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Giản đồ Cu-Al (a) và ảnh hưởng của nhôm đến cơ tính (b) ........................................ 3
Hình 1. 2: Kiểu mạng lập phương tâm mặt của pha α ................................................................. 4
Hình 1. 3: Kiểu mạng lập phương tâm khối với cấu trúc DO3 của pha β...................................... 4
Hình 1. 4: Kiểu mạng lập phương phức tạp cP52 của hợp chất điện tử Cu9Al4 ............................ 4
Hình 1. 5: Những sản phẩm đầu tiên trong lịch sử chế tạo từ đồng thanh nhôm .......................... 5
Hình 1. 7: Giới hạn bền, độ dãn dài và độ dai phá hủy của hợp kim đúc ở các nhiệt độ thử
nghiệm. ....................................................................................................................................... 8
Hình 1. 6: Độ cứng của hợp kim đúc với thành phần Al khác nhau. ............................................ 8

Hình 1. 8: Mô tả các dạng của pha κ (hình a) và hình thái ; phân bố của pha κ ở tổ chức của
BA1055 sau đúc (b) ; ảnh SEM (c)[10] ....................................................................................... 9
Hình 1. 9: Giản đồ cân bằng pha [11] ....................................................................................... 10
Hình 1. 10: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl11Fe5Ni6[11] ....................................................... 10
Hình 1. 11: Sự hình thành pha của hợp kim Cu-Al-Fe-Ni theo nhiệt độ .................................... 10
Hình 1. 12: Tổ chức tế vi của FSP NAB và sau xử lý nhiệt ....................................................... 11
Hình 1. 13: Ảnh TEM (a) và (d) hợp kim FSP NAB và sau xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ (b)
và (e) trong 02 giờ ; (c) và (f) trong 04 giờ [12] ......................................................................... 12
Hình 1. 14: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl9Fe4 ..................................................................... 13
Hình 1. 15: Ảnh hiển vi điện tử chụp giai đoạn dầu của sự gia tăng tải theo hướng [110].......... 14
Hình 1. 16: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe không đổi
còn thành phần của Al thì thay đổi .[16] .................................................................................... 15
Hình 1. 17: Tổ chức tế vi của các hợp kim với tỷ lệ Cu/Fe không đổi và thành phần Al thay đổi
[16] ........................................................................................................................................... 16
Hình 1. 18: Độ cứng HV của hợp kim C95200 và C95300 khi không hóa già và hóa già ở các
nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................... 17
Hình 1. 19: (a) Hợp kim C95200 (b) C95300 xử lý nhiệt ở 9000C trong 30 phút tôi nước hóa già
ở 3500C trong 120 phút và tôi nước ........................................................................................... 17
Hình 1. 20: Độ cứng mài mòn của hợp kim C95200 và C95300 khi không hóa già và hóa già ở
các nhiệt độ khác nhau dưới tác dụng tải 50N và tốc độ mài mòn 1m/s...................................... 17
Hình 1. 21: Ảnh hưởng nhiệt độ hóa già đến hệ số ma sát dưới tác dụng tải 30N và tốc độ mài
mòn 1m/s .................................................................................................................................. 18
Hình 1. 22: Bề mặt mài mòn của hợp kim C95200 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500...... 18
Hình 1. 23: Bề mặt mài mòn của hợp kim C95300 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500...... 18
Hình 1. 24: Bề mặt mài mòn của hợp kim C95300 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500...... 18
Hình 1. 25: Ứng dụng hợp kim Cu-Al trong các chi tiết bánh răng và máy móc chính xác ........ 19
Hình 1. 26: Hợp kim ổ trượt làm việc trong môi trường nhiệt độ cao ........................................ 19
Hình 2. 1: Ảnh hưởng của nhôm, sắt, niken tới cơ tính trong đồng thanh nhôm ........................ 22
Hình 2. 2: Tổ chức Cu-Al trạng thái ủ (a) và nguội nhanh (b) ................................................... 23
Hình 2. 3: Ảnh hưởng của mangan tới cơ tính trong đồng thanh nhôm ..................................... 24

V


Hình 2. 4: Ảnh hưởng của Mn và Ni đến tổ chức của Brong nhôm ........................................... 25
Hình 2. 5: Mặt cắt đứng hệ hợp kim 3 nguyên Cu-Al-Fe tại vị trí 3% và 5% Fe [27] ................ 26
Hình 2. 6: Ảnh hiển vi nghiên cứu tổ chức hợp kim đồng thanh nhôm (8,6%Al và 3,2%Fe) khi
làm nguội liên tục từ 10000C: a) Tôi ở 10000C ; b) Tôi ở 9000C; c) Tôi ở 8600C; d) Tôi ở 8000C;
e) Tôi ở 5500C .......................................................................................................................... 27
Hình 2. 7: Tổ chức đúc của hợp kim đồng thanh nhôm (8,6%Al và 3,2%Fe) ............................ 27
Hình 2. 8: Ảnh hưởng của các nhiệt độ nung khuôn khác nhau ban đầu tới tổ chức của hợp kim
CuAl10Fe3: a) 4000C – có lớp áo khuôn graphit 0,01mm; b) 2800C- lớp áo khuôn graphit
0,01mm; c) 1500C- lớp áo khuôn graphit 0,01mm; d) Không nung trước- lớp áo khuôn graphit
0,1mm; e) Có tôi nước .............................................................................................................. 29
Hình 2. 9: Ảnh hưởng của các nhiệt độ nung khuôn tới tốc độ làm nguội và kích thước hạt: a)
Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo khuôn graphit 0,01mm); b) Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo
khuôn graphit 0,1mm); c) Ảnh hưởng tới kích thước hạt (áo khuôn graphit 0,01mm); d) Ảnh
hưởng tới kích thước hạt (0,1mm) ............................................................................................. 30
Hình 2. 10: Mặt cắt đứng trong giản đồ trạng thái hệ hợp kim Cu-Al-Fe (tại 4% Fe) ................ 31
Hình 2. 11: Giản đồ pha Cu-Al được hợp kim hóa Fe ............................................................... 32
Hình 2. 12: Các dạng chuyển biến mactenxit của hợp kim Cu-Al-Fe ........................................ 33
Hình 2. 13: Tổ chức tế vi của hai hệ hợp kim sau tôi ................................................................ 33
Hình 2. 14: Tổ chức tế vi của hợp kim Cu-Al10-Fe4.8-Ni5-Mn1.5 sau tôi ................................ 34
Hình 2. 15: Cấu trúc tinh thể Fe3 Al với dạng DO3 .................................................................... 34
Hình 2. 16: Cấu trúc của pha FeAl ........................................................................................... 35
Hình 2. 17: Cấu trúc của pha NiAl [38] .................................................................................... 35
Hình 2. 18: Brong nhôm C95400, đồng đều dung dịch rắn ở 9000C trong 02h, tôi nước, ram ở
6500C trong 02h và tôi nước. Hạt α (mactenxit màu trắng) nhỏ hơn ở trạng thái đúc.[45] .......... 39
Hình 2. 19: Tổ chức Brong nhôm đúc trong khuôn kim loại. Hợp kim với thành phần 5%Ni và
5%Fe (tương tự như C95500). Nguội nhanh, tổ chức Vit-man-tet (sáng) được nhìn thấy trên nền
tổ chức mactenxit (màu tối)[45] ................................................................................................ 39

Hình 2. 20: a) Ảnh hiển vi cho mẫu hợp kim được tôi từ 10200C ; b) Ảnh hiển vi điện tử ......... 40
Hình 2. 21: a) Phương pháp bản sao cacbon cho mẫu được tôi từ 10200C, cho thấy các pha tiết
dạng khối hộp ; b) Thực hiện nhiễu xạ điện tử cho một lượng pha tiết lớn trong hình 2.21a, cho
ra cấu trúc B2............................................................................................................................ 41
Hình 2. 22: a) Ảnh nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] thực hiện trên các tấm mactenxit
(cấu trúc 9R); b) Phép nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [2 1 0], nhận được từ nhóm các tấm
mactenxit song song ghép đôi. .................................................................................................. 41
Hình 2. 23: a) Ảnh TEM cho mẫu được tôi từ 8500C các pha mactenxit β’1 và γ’
b)
Phép
nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] trên pha mactenxit β’1
42
0
0
Hình 2. 24: Ảnh TEM của mẫu được tôi từ 1020 C và ram tại 500 C trong 1 giờ cho thấy các
pha tiết trên biên giới các tấm mactenxit và trên bề mặt của các pha tiết ra giàu sắt bên trong các
tấm mactenxit ........................................................................................................................... 42
Hình 2. 25: a) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường sáng ; b) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo
trường tối, cho thấy các pha tiết giàu sắt.[53] ............................................................................ 43
VI


Hình 2. 26: Một ví dụ về sự ảnh hưởng của các pha α, các pha mactenxit tới cơ tính (độ cứng)
trong các hợp kim hệ Cu-Al[52] ................................................................................................ 44
Hình 2. 27: Đường cong dẻo cho brông nhôm α- biến dạng nguội. ........................................... 46
Hình 2. 28: Dạng chuyển biến kiểu vòng dưới tác dụng ứng suất khi làm nguội và nung
nóngT,chuyển biến từ trễ. Ms, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit; Mf, nhiệt độ kết thúc
chuyển biến Mactenxit; As, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến austenite; Af, nhiệt độ kết thúc chuyển
biến austenite[56] ...................................................................................................................... 47
Hình 2. 29: Phụ thuộc của biến dạng (ε) vào ứng suất (ζ) và nhiệt độ (T): ................................ 48

Hình 2. 30: Mầm và sự phát triển mầm của tấm mactenxit γ’3 trên khuyết tật dưới ứng suất a)
Khuyết tật trước mầm mactenxit; b) Mầm của mactenxit; [c-e] Phát triển của tấm; (f) nhiễu xạ
của tấm γ’3 ................................................................................................................................ 50
Hình 3. 1: Sơ đồ nhiệt luyện ..................................................................................................... 52
Hình 3. 2: Hiển vi quang học Axiovert 100A chụp ảnh tổ chức ................................................ 52
Hình 3. 3: Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500 .............................................................. 53
Hình 3. 4: Máy hiển vi điện tử quét FESEM S4800 .................................................................. 54
Hình 3. 5: Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua ........................................................................... 55
Hình 3. 6: Thiết bị đo độ cứng tế vi .......................................................................................... 55
Hình 3. 7: Thiết bị đo độ mài mòn Tribotech ............................................................................ 55
Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý thử hiệu ứng nhớ hình .................................................................... 56
Hình 4. 1 :Tổ chức tế vi của hợp kim sau đúc ........................................................................... 58
Hình 4. 2: Tỷ phần pha κ của hợp kim CuAl9Fe4 ..................................................................... 59
Hình 4. 3: Tỷ phần pha κ của hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ............................................................... 59
Hình 4. 4: Tỷ phần pha alpha của hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ......................................................... 59
Hình 4. 5: Phân tích XRD hợp kim sau đúc .............................................................................. 60
Hình 4. 6: Phân tích SEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4 sau đúc ...................................................... 61
Hình 4. 7: Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim sau tôi ..................................................................... 62
Hình 4. 8: Phân tích XRD mẫu sau tôi ...................................................................................... 63
Hình 4. 9: So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc và sau tôi hợp kim CuAl9Fe4 .............................. 64
Hình 4. 10: So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc và sau tôi hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ....................... 64
Hình 4. 11: Phân tích tỷ phần pha liên kim mẫu sau tôi ............................................................ 65
Hình 4. 12: Tỷ phần pha alpha mẫu CuAl9Fe4 sau tôi .............................................................. 65
Hình 4. 13: Phân tích tỷ phần pha alpha mẫu sau tôi hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ............................ 66
Hình 4. 14: Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim sau tôi ................................................................... 66
Hình 4. 15: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau tôi .................................................................... 67
Hình 4. 16: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4Ni2 sau tôi .............................................................. 68
Hình 4. 17: Tổ chức tế vi của hai mẫu hợp kim sau hóa già ở 350oC trong 02h ......................... 69
Hình 4. 18: Tỷ phần pha alpha và liên kim mẫu CuAl9Fe4 sau hóa già..................................... 70
Hình 4. 19:. Phân tích XRD mẫu sau hóa già ............................................................................ 71

Hình 4. 20: Phân tích SEM của hợp kim CuAl9Fe4 (a) và CuAl9Fe4Ni2 (b) sau hóa già 350 72
VII


Hình 4. 21: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau hóa già ở 350 C ............................................... 73
Hình 4. 22: Phân tích EDS mẫu sau hóa già ở 350oC ................................................................ 73
Hình 4. 23:. Ảnh TEM của hợp kim sau hóa già 350°C. ........................................................... 74
Hình 4. 24: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 350oC trong 02h .................. 75
Hình 4. 25: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ................................................................................ 76
Hình 4. 26: Tỷ phần pha mẫu sau hóa già ở 550oC trong 02h.................................................... 76
Hình 4. 27: Phân tích XRD hợp kim khi hóa già ở 350oC và 550oC trong 02 giờ ...................... 77
Hình 4. 28: Phân tích tổ chức tế vi bằng ảnh SEM .................................................................... 78
Hình 4. 29: Phân tích EDS ở 350oC trong 02h .......................................................................... 78
Hình 4. 30: Phân tích EDS ở 450 trong 02h .............................................................................. 79
Hình 4. 31: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 550oC trong 02 giờ .............. 80
Hình 4. 32: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ở 350oC các thời gian khác nhau 1; 2 và 3 giờ ......... 80
Hình 4. 33: Phân tích ảnh SEM mẫu sau hóa già ở 350oC các thời gian khác nhau.................... 81
Hình 4. 34: Phân tích ảnh TEM ở 350 trong 02h....................................................................... 82
Hình 4. 35: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 350oC trong 03h .................. 82
Hình 4. 36: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ................................................................................ 83
Hình 4. 37: Kết quả XRD hợp kim CuAl9Fe4Ni2 sau tôi và hóa già......................................... 84
Hình 4. 38: Tỷ phần pha alpha sau hóa già ở 550oC .................................................................. 84
Hình 4. 39: Phân tích ảnh SEM mẫu sau hóa già ...................................................................... 85
Hình 4. 40: Phân tích EDS mẫu 350 – 2h ................................................................................. 86
Hình 4. 41: Phân tích tổ chức tế vi mẫu ở 350 nhưng thay đổi thời gian.................................... 87
Hình 4. 42: Phân tích tổ chức tế vi mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ở 350 oC trong 05 giờ ............. 87
Hình 4. 43: Phân tích SEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 xử lý nhiệt ở 350 oC nhưng thay đổi thời
gian ........................................................................................................................................... 88
Hình 4. 44: Phân tích TEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 xử lý nhiệt ở 350 trong 02 giờ ........... 88
Hình 4. 45: (a, b, c) lần lượt là kết quả tổ chức của hợp kim CuAl9Fe4 ở các trạng thái sau cán,

trước nhớ hình và sau nhớ hình ................................................................................................. 89
Hình 4. 46: Tỷ phần pha alpha trước và sau nhớ hình ............................................................... 90
Hình 4. 47: Phân tích XRD hợp kim CuAl9Fe4 trước và sau nhớ hình ..................................... 91
Hình 4. 48: (a, b) Kết quả TEM của hợp kim CuAl9Fe4 ở trạng thái trước và sau nhớ hình. ..... 92
o

Hình 4. 49: Mẫu nung nóng ở 1173 K, nguội trong nước nóng ................................................. 93
Hình 4. 50: Tổ chức tế vi mẫu sau biến dạng ............................................................................ 93
Hình 4. 51: Mẫu biến dạng 10% + nhiệt luyện .......................................................................... 94
Hình 4. 52: Mẫu sau nhớ hình .................................................................................................. 95
Hình 4. 53: Phân tích XRD trước và sau khi nhớ hình hợp kim CuAl9Fe4Ni2 .......................... 95
Hình 4. 54: Tỷ phần pha alpha trước và sau nhớ hình ............................................................... 96
Hình 5. 1: Giá trị độ cứng tại các chế độ xử lý khác nhau ......................................................... 97
Hình 5. 2: Độ cứng mẫu khi xử lý ở các nhiệt độ khác nhau ..................................................... 97
Hình 5. 3: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim CuAl9Fe4 khi thời gian hóa già thay đổi ..... 99
VIII


Hình 5. 4: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim CuAl9Fe4 khi nhiệt độ hóa già thay đổi....... 99
Hình 5. 5: Tổ chức tế vi mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt ..........................................................101
Hình 5. 6: Đồ thị độ cứng của hợp kim ở các chế độ khác nhau ...............................................101
Hình 5. 7: Đồ thị độ cứng của hợp kim ở các chế độ hóa già khác nhau ...................................102
Hình 5. 8: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim khi thời gian hóa già thay đổi .....................103
Hình 5. 9: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim khi nhiệt độ hóa già thay đổi.......................103
Hình 5. 10: Tổ chức tế vi mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt ........................................................105
Hình 5. 11: Tổ chức hợp kim trước nhớ hình ...........................................................................106
Hình 5. 12: Tổ chức hợp kim trước sau hình ............................................................................106
Hình 5. 13: Tổ chức hợp kim trước nhớ hình ...........................................................................107
Hình 5. 14: Tổ chức hợp kim sau nhớ hình ..............................................................................107
Hình 5. 15: Bố trí hệ trục chong chóng bôi trơn bằng nước biển ..............................................108

Hình 5. 16: Áo trục và lớp bọc trục .........................................................................................108
Hình 5. 17: Mối ghép bằng then ..............................................................................................109
Hình 5. 18: Quy trình chế tạo mối ghép then bằng hợp kim nhớ hình ......................................110

IX


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa thêm Fe và Ni đã được
nghiên cứu và ứng dụng. Họ hợp kim này được ứng dụng khá phổ biến trong chế tạo các chi tiết
làm việc trong điều kiện chịu mài mòn. Nó có vai trò quan trọng trong công nghiệp đặc biệt là
trong lĩnh vực hàng hải và công nghiệp đóng tàu. Những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế
giới đã bước đầu tìm thấy và chứng minh được hiệu ứng nhớ hình của hệ hợp kim này. Tuy
nhiên, những ứng dụng của hiệu ứng nhớ hình là chưa nhiều.
Đối với các nhà sản xuất trong nước đang còn nhiều vấn đề vướng mắc là chất lượng sản
phẩm còn thấp, mài mòn nhanh, tuổi thọ làm việc thấp. Các sản phẩm làm ra mới ở dạng đúc
chưa có nhiều công trình nghiên cứu về xử lý nhiệt để nâng cao chất lượng cho chi tiết tạo từ hợp
kim này.
Đối với hệ hợp kim này khi xử lý nhiệt có chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa bền.
Nhờ những ứng dụng; khối lượng sản xuất khá nhiều nhưng hiện nay vẫn chưa có nhiều công
trình nghiên cứu về cơ chế chuyển biến pha; ứng dụng chuyển biến mactenxit và tìm ra quy trình
xử lý nhiệt phù hợp cho các ứng dụng từ hệ hợp kim này
Trong luận án này tác giả nghiên cứu ứng dụng chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa
bền trong việc nâng cao khả năng chống mài mòn của hệ hợp kim đồng nhôm; cũng như ứng
dụng chuyển biến pha mactenxit trong quá trình nhớ hình của hệ hợp kim. Từ những phân tích về
quá trình chuyển biến pha trong hệ hợp kim, luận án xây dựng quy trình xử lý nhiệt phù hợp với
ứng dụng mài mòn và nhớ hình.
Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của hợp kim đồng nhôm được hợp
kim hóa thêm Fe và Ni, đề tài của luận án được lựa chọn là:“Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến
mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm”.

Mục đích của luận án
Nghiên cứu quá trình chuyển biến, hình thành pha trong hệ hợp kim đồng nhôm được hợp
kim hóa thêm Fe, Ni từ trạng thái sau đúc đến sau khi xử lý nhiệt. Nghiên cứu áp dụng chuyển
biến mactenxit ứng dụng trong hợp kim chịu mài mòn và nhớ hình. Xây dựng chế độ công nghệ
xử lý nhiệt phù hợp cho mục tiêu cải thiện tính chống mài mòn và nhớ hình của hợp kim.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng: Nghiên cứu hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa: 9%Al; 4%Fe có và không
có hợp kim hóa 2%Ni.
Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài luận án tập trung nghiên cứu làm rõ các vấn đề sau về hợp kim đồng nhôm trên cơ sở
hợp kim hóa Fe và Ni:
- Nghiên cứu cơ chế chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa bền đối với hệ hợp kim

1


- Nghiên cứu ảnh hưởng quy trình xử lý nhiệt đến tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng
nhôm khi được hợp kim hóa
- Thăm dò khả năng nhớ hình của hệ hợp kim

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Ý nghĩa khoa học
* Quá trình chuyển biến mactenxit trong hợp kim Cu-Al là quá trình phức tạp và đa dạng;
do vậy luận án đã góp phần làm rõ quá trình và khả năng ứng dụng chuyển pha mactenxit trong
những điều kiện cụ thể.
* Trên cơ sở phân tích quá trình trình hình thành và hòa tan pha liên kim đã làm rõ ảnh
hưởng của những pha này đến tổ chức và cơ tính của hệ hợp kim.
* Nhận diện được tổ chức mactenxit và các pha liên kim xuất hiện trong tổ chức của hệ hợp

kim nghiên cứu
Ý nghĩa thực tiễn
- Ứng dụng chuyển biến mactenxit và pha liên kim trong hệ hợp kim đồng nhôm được hợp
kim hóa Fe và Ni làm tăng khả năng chống mài mòn.
- Ứng dụng chuyển biến mactenxit trong việc nâng cao khả năng nhớ hình của hệ hợp kim
nghiên cứu

Phƣơng pháp nghiên cứu :
Nghiên cứu dựa trên những công trình nghiên cứu đã được công bố từ các tài liệu ở trong
và ngoài nước.
Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp thực nghiệm, đánh giá phân tích,
phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm.

Nội dung bố cục luận án
Luận án được chia làm 05 chương; mở đầu và kết luận chung:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thực nghiệm
Chương 4: Chuyển pha trong hệ hợp kim đồng nhôm khi được hợp kim hóa và xử lý nhiệt
Chương 5: Đánh giá kết quả mài mòn và nhớ hình của hai hệ hợp kim
Kết luận chung

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM
1.1. Giới thiệu về hợp kim Cu-Al
Đồng thanh nhôm hay brông nhôm là các hợp kim trên cơ sở đồng với nguyên tố hợp kim
chính là nhôm chiếm khoảng từ 4-14%. Một lượng nhỏ hơn các nguyên tố Ni, Mn, Si, Fe… được

bổ sung tạo nên các loại đồng thanh nhôm khác nhau với các tính chất khác nhau để đáp ứng các
yêu cầu đa dạng về độ bền, độ dẻo, độ cứng, tính ăn chống ăn mòn, mài mòn, từ tính… khi được
gia công và xử lý nhiệt
Brông nhôm có ưu điểm hơn so với brông thiếc là giá thấp hơn, cơ tính và một số tính công
nghệ cao hơn.
Nhôm là nguyên tố hợp kim chính
trong đồng thanh nhôm. Nó có mặt
trong hợp kim tạo ra các tổ chức, các
pha liên kim, trước tiên là với đồng như
Cu32Al19, AlCu3...hay với các nguyên
tố khác như Fe, Ni, Mn…nếu chúng có
hình thái và sự phân bố hợp lý sẽ có tác
dụng hóa bền cho hợp kim, đồng thời có
thể áp dụng việc xử lí nhiệt để cải thiện
hơn nữa cơ tính cho hợp kim. Là
nguyên tố hợp kim chính, rõ ràng ảnh
hưởng của nhôm là rất lớn tới các tính
chất (độ bền, độ dẻo, tính chịu ăn mòn
và mài mòn…) của hợp kim.
Hình 1. 1: Giản đồ Cu-Al (a) và ảnh hưởng của nhôm
đến cơ tính (b)
Có thể nhận thấy ảnh hưởng rõ
rệt của nhôm tới độ bền và độ dãn dài
của hợp kim qua hình 1.1 [2]. Đối với hợp kim hai nguyên Cu-Al, độ dãn dài có thể đạt tới 75% ở
6-7% Al. Với hàm lượng nhôm lớn hơn 8%, độ dãn dài sẽ giảm nhanh và xuống tới 0 tại 13% Al
khi mà hợp kim đã trở nên giòn bởi sự chuyển biến trong tổ chức. Qua hình 1.1, ta cũng có thể
thấy được độ bền kéo của hợp kim 2 nguyên Cu-Al tăng đều cùng hàm lượng nhôm cho tới
khoảng 10% Al sau đó, do sự chuyển biến trong tổ chức, độ bền này cũng bắt đầu giảm dần.
Người ta nhận định rằng, trong khoảng 8-11% Al sẽ kết hợp được tốt nhất các tính chất về độ
cứng, độ bền độ bền mỏi, khả năng gia công…cho hợp kim đồng nhôm. Có điểm đáng chú ý với

hợp kim đồng thanh nhôm là tính chống ăn mòn luôn tới nhắc tới trong nhiều môi trường khác
nhau do luôn có một lớp màng oxyt nhôm được hình thành trên bề mặt của hợp kim và lớp này
nhanh chóng được tái hình thành nếu bị phá vỡ. Tuy nhiên lớp oxyt này không phải không thể bị
ăn mòn vì chúng phụ thuộc vào cấu trúc, tổ chức của hợp kim phía trong lớp oxyt này.
Các pha xuất hiện trong hợp kim đồng nhôm:
Pha α: là dung dịch rắn của nhôm ở trong đồng. Pha này có kiểu mạng lập phương tâm mặt;
giá trị độ cứng của pha nằm trong khoảng từ 200 đến 270HV. Độ hòa tan của nhôm trong α tăng
lên khi giảm nhiệt độ từ 7,4% ở 10350C đến 9,4% ở 5650C. Pha α có tính dẻo và khả năng chịu
gia công áp lực tốt.
3


Hình 1. 2: Kiểu mạng lập phương tâm mặt của pha α
Pha β: là hợp chất điện tử Cu3Al với nồng độ điện tử là Ce=3/2. Ở 5650C xảy ra phân hóa
cùng tích.

Pha β có kiểu mạng lập phương tâm khối và có cấu trúc DO3 tương đối dẻo, có thể biến
dạng được. Pha này theo giản đồ pha chỉ tồn tại ở trên 565oC. Khi làm nguội nhanh hợp kim thì
pha này chuyển sang cấu trúc mactenxit (sẽ được trình bày kỹ trong mục 2.3)

Hình 1. 3: Kiểu mạng lập phương tâm khối với cấu trúc DO3 của pha β
Pha γ là dung dịch rắn trên cơ sở hợp chất điện tử Cu32Al19, có kiểu mạng lập phương phức
tạp (cP52) ứng với nồng độ điện tử Ce=21/13. Pha γ cứng và rất giòn. Giá trị độ cứng có thể đạt
tới 570HV.

Hình 1. 4: Kiểu mạng lập phương phức tạp cP52 của hợp chất điện tử Cu9Al4
4


Những hợp kim chưa ít hơn 7,45% Al có tổ chức một pha α. Phụ thuộc vào tốc độ kết tinh,

các brong nhôm chứa nhiều hơn 7,5%Al sẽ có tổ chức khác nhau. Ví dụ tổ chức của hợp kim
chứa 10,5%Al khi nguội chậm gồm α + [α+γ2]. Khi tăng tốc độ nguội, độ phân tán tổ chức tăng
lên. Làm nguội với tốc độ đủ lớn, pha β có chuyển biến không khuếch tán kiểu mactenxit. Thành
phần của pha γ2 là Cu9Al14 và cấu trúc của nó có dạng lập phương.
Với tốc độ nguội thực tế, khác với trạng thái cân bằng, cùng tích xuất hiện trong tổ chức
của hợp kim với hàm lượng 6  8 %Al; Sự có mặt của cùng tích làm giảm mạnh độ dẻo của brông
nhôm. Khi tăng hàm lượng nhôm đến 4  5% , cùng với độ bền, độ cứng cả độ dẻo cũng tăng, sau
đó độ dẻo giảm mạnh, còn độ bền tiếp tục tăng cho tới hàm lượng nhôm đạt tới 10  l1% (Hình
1.1b). Brông một pha có độ dẻo tốt, thuộc loại brông biến dạng, có sự kết hợp tốt nhất giữa độ
bền (ζB= 400  450 MPa) và độ dẻo (δ = 60%). Brông hai pha được sản xuất dưới dạng các bán
thành phẩm biến dạng, cũng được dùng để đúc hình. Khi có mặt pha cùng tích, brông ít biến dạng
nguội mà phải biến dạng nóng. Brông hai pha có đặc trưng là độ bền cao (ζB= 600 MPa) và độ
cứng cao (HB > 1000 MPa). Chúng có thể được hóa bền bằng nhiệt luyện. Khi nguội nhanh (tôi)
pha β không có chuyển biến cùng tích mà chuyển biến mactenxit.

1.2. Lịch sử ra đời hợp kim Cu-Al

Hình 1. 5: Những sản phẩm đầu tiên trong lịch sử chế tạo từ đồng thanh nhôm
Sự kết hợp giữa đồng và nhôm tạo ra hợp kim lần đầu tiên được tiến hành vào giữa những
năm 1800. Khi đó, nó vẫn còn rất là đắt, tốn kém để đưa vào sản xuất và chính vì thế, nó trở
thành một đề tài nghiên cứu cho nghành luyện kim và dừng lại ở đó hơn là đưa vào sản xuất và
sử dụng. Những năm đầu thế kỷ 20 tại Mỹ, Mint đã đưa ra những đánh giá, xem xét tất cả các
kim loại và hợp kim khác nhau để co thể thay thế cho các đồng xu bằng đồng trong lưu thông
hàng hóa, tuy nhiên trong số đó ông không đưa ra một loại nào tên là “Aluminium Bronzes” cả vì
cho rằng có thể chúng vẫn còn chứa một hàm lượng đồng lớn trong đó. Trước đó vào năm 1865,
tại một cuộc hội thảo hàng năm của học viên khoa học quốc gia, nhân viên thí nghiêm của U.S.
Mint (J.P. Eckfeldt) đã tiến hành thí nghiệm đánh giá dùng hợp kim đồng thanh nhôm cho quá
trình sản xuất đồng tiền. Ông đã nhân định rằng đồng tiền bằng đồng thanh nhôm không được ổn
lắm (mẫu đồng thanh nhôm dùng thí nghiệm của ông chứa chín phần Cu và một phần Al), và ông
nhận thấy các đồng tiền này bị xỉn màu nhanh chóng (có một lưu ý rằng ông cũng đã xử lí nhiệt

và gia công tạo hình cho các đồng tiền trước đó và đây cũng có thể là nguyên nhân). Và sau này,
5


người ta đã cải thiện hợp kim hóa, cải tiến công nghệ, phương pháp để cho ra các thỏi hay đồng
tiền bằng đồng thanh nhôm mà không bị xỉn hay mờ bề mặt như vậy nữa.
Cũng vào những năm đầu thế kỷ 20, P.H.G Durville (Pháp) đã có sang chế (US 1007548A)
có liên quan tới việc tạo ra hợp kim đồng thanh nhôm mà có bổ sung một lượng mangan hợp lí để
làm giảm đi lượng oxyt nhôm hình thành trong quá trình sản xuất hợp kim này. Sáng chế này
được thông qua năm 1910 và được chấp thuận năm 1911. Ông đề xuất cho 0.5-5% mangan vào
hợp kim đồng thanh nhôm. Việc này đã giải quyết được những vấn đề xảy ra trước đó với hợp
kim này, nó loại bỏ các oxyt và rỗ khí (nguyên nhân có thể gây ra nứt và các ảnh hưởng xấu
khác) trong kim loại. Ngay sau đó, ông cũng đưa ra ý tưởng khác là rót nghiêng kim loại lỏng để
tránh được các bọt khí, xỉ lẫn và rỗ khí. Các sáng chế này đã dẫn lối cho con đường đưa đồng
thanh nhôm vào sản xuất các đồng tiền xu. Và đồng tiền xu bằng đồng thanh nhôm đầu tiên đã
xuất hiện vào năm 1920 tại Pháp, sau đó tại Brazil năm 1922 rồi hàng loạt các quốc gia khác như
Nga, Đức, Đan Mạch, Phần Lan…với nhiều mệnh giá khác nhau.[3]
Đó là về thời điểm phát triển ban đầu của đồng thanh nhôm và dần dần cho đến ngày nay,
cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ (nấu luyện, hợp kim hóa, đúc, gia công tạo
hình…) đã cho ra nhiều hợp kim đồng thanh nhôm khác nhau, đa dạng về thành phần và ứng
dụng thì ngày một rộng rãi hơn : huy chương, vòng bi, bạc lót (ổ trục, thanh truyền…),bơm áp
lực, van, đế xupap, bánh răng, dây đàn ghitar, các bộ phận chịu ăn mòn trong công nghiệp dầu,
hóa chất, thực phẩm…, một số chi tiết trong tàu biển, hàng không…
Tính chất của đồng thanh nhôm đúc
Đồng thanh nhôm có khoảng đông hẹp, chảy loảng tốt, song co thể tích và co dài khá lớn
nên dễ sinh rỗ co và nứt do cản co. Nói chung đồng thanh nhôm khó đúc hơn đồng thanh thiếc.
Trong thành phần hợp kim có nhôm mà nhôm dễ bị oxy hóa tạo thành màng Al2O3 làm cho tính
in hình, rõ nét bị giảm đi. Mặt khác trong quá trình nấu và rót không tinh luyện tốt Al2O3 dễ bị
lẫn vào trong hợp kim làm giảm cơ tính rất mạnh. Đồng thanh nhôm hút khí mạnh khi nấu nên dễ
sinh rỗ khí. Khi nguội chậm trong khuôn cát, đồng thanh nhôm có tổ chức hạt thô to, gây giòn và

để khắc phục tình trạng này, thường dùng mangan hoặc sắt để làm giảm kích thước hạt hợp kim.
Đồng thanh nhôm có thể đúc được bởi tất cả cá phương pháp đúc phổ biến như: đúc khuôn cát,
đúc khuôn kim loại, đúc mẫu chảy, đúc ly tâm, đúc liên tục… Khó nấu đúc hơn đồng thanh thiếc
nhưng đồng thanh nhôm đúc lại có cơ tính cao hơn hẳn. Chúng có độ bền khá cao (một số loại có
thể so sánh với thép cacbon trung bình); tính chống ăn mòn tốt trong môi trường nước biển và
axit hữu cơ; chịu mài mòn cao (khi tạo được tổ chức (α+γ) trên nền mềm α thì đồng thanh nhôm
có tính chịu mài mòn tốt trong điều kiện áp lực cao); tính gia công tốt (có thể biến dạng nóngnguội dễ dàng để tạo thành các phôi dạng thanh, tấm, phiến lá,…; khả năng chống sốc cơ và giảm
chấn tốt; độ bền mỏi cao; hầu như không có từ tính và nhiễm từ; ngoài ra còn dùng cho các mục
đích trang trí khác…Và có điểm đáng chú ý là đối với các hợp kim đồng thanh nhôm mà hàm
lượng nhôm từ 9-10% trở lên có thể nhiệt luyện để tăng cơ tính khi mà đã có sự chuyển biến pha

6


khi nung nóng và làm nguội (sẽ được trình bày rõ hơn trong phần giản đồ trạng thái và tổ
chức).[3][4][5][6]
Nhìn chung, so với đồng thanh thiếc, đồng thanh nhôm có nhiều ưu điểm hơn, đặc biệt là
tiết kiệm được thiếc do thiếc đắt và hiếm. Mặt khác đồng thanh nhôm ít bị thiên tích,sản phẩm
đúc ít bị rỗ và khả năng điền đầy tốt hơn; cơ tính ở cả nhiệt độ cao và nhiệt độ thường đều cao
hơn; chịu ăn mòn và mài mòn tốt hơn; nhiệt độ biến giòn thấp và không sinh ra tia lửa điện khi va
đập mạnh. Những hạn chế so với đồng thanh thiếc là co ngót nhiều hơn khi đúc, nhôm dễ bị oxy
hóa tạo ra Al2O3, nếu không tinh luyện tốt, Al2O3 sẽ lẫn vào trong hợp kim và làm giảm cơ tính
nhiều; khó hàn và bị hóa giòn do có bệnh tự ủ. Tuy vậy trong công nghiệp, đồng thanh nhôm vẫn
dần dần được thay thế cho đồng thanh thiếc do những ưu điểm vượt trội của nó. [7], [8]

1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni
Từ năm 1979, nhà luyện kim người Anh tên là N.N.Myuller and A.V.Agafonova[1] bắt tay
vào nghiên cứu các hợp kim Cu-A1-Fe với 8-14% A1 và 13-40% Fe để xác định khả năng thay
thế một phần của đồng bằng sắt trong các hợp kim BrAZh9-4(GOST 18175-72), quá trình nghiên
cứu cho thấy các thuộc tính của hợp kim có thể thay đổi trong khoảng rộng bằng các xử lý nhiệt.

Điều đó đã góp phần giảm chi phí cho các chi tiết tạo bằng loại hợp kim này, làm cho việc chế
tạo các hợp kim này ít tốn kém đi. Hợp kim nghiên cứu có thành phần như sau :
Bảng 1.1: Thành phần mẫu hợp kim nghiên cứu [1]
Thành phần, %
Mác hợp kim
Al
Fe
1

7.9

47.2

2

8.9

39.4

3

10.1

30.0

4

10.3

18.7

5

10.3

16.0

6

9.8

13.6

7

12.2

14.0

8

13.2

14.0

9 (BrAZh9-4)

9.0

4.0

Ở nhiệt độ khoảng 5000C, tổ chức tế vi của hợp kim bao gồm hai pha: dung dịch rắn của
Cu-α với thành phần 10%Al và dung dịch rắn Fe – α trên cơ sở Fe với thành phần xác định là pha
Fe3 Al và 5-12%Cu. Khi tăng Al và Fe pha γ2 được hình thành dựa trên cơ sở của Cu9Al4 và một
thành phần nhỏ của Fe. Hợp kim ở trạng thái đúc không cân bằng thành phần hai pha (αCu+αFe)
cũng có thể là thành phần của pha γ2 hình thành cùng tích (α+γ2).

7


Cấu trúc và độ cứng tế vi của pha đơn và độ cứng của hợp kim Cu-Al-Fe thay đổi trong
suốt quá trình nhiệt luyện.
Hình 1.6 cho thấy sự thay đổi độ cứng của mẫu sau xử lý nhiệt và mẫu đúc 3 liên quan đến
thành phần Al với tỷ lệ Cu : Fe = 1.25 và 2.0. Nhôm làm tăng đáng kể khi tăng độ cứng với hơn
8%. Tăng thành phần Fe cũng tương tự như Al nhưng ở mức độ thấp hơn.
Hình 1.7 cho thấy thay đổi cơ tính của mẫu sau xử lý nhiệt và brong CuAl9Fe4 trong nhiệt
độ thử nghiệm.
Kết quả cho thấy: Đến 4000C giới hạn bền của mẫu sau xử lý nhiệt 2 là cao hơn so với
CuAl9Fe4 nhưng độ dãn dài là thấp hơn. Khi nhiệt độ tăng trên 5000C độ bền tăng tương tự
nhưng mẫu 2 sau xử lý nhiệt tăng độ dãn dài. Độ dai va đập của mẫu sau xử lý nhiệt 2 ở khoảng
300 – 4000C là thấp hơn so với CuAl9Fe4. Khi nhiệt độ tăng giá trị độ dai va đập của hợp kim
mẫu sau xử lý nhiệt 2 tăng đặc biệt là khoảng 5000 C trong khi với hợp kim CuAl9Fe4 không tăng
ở 2000C

Hình 1. 6: Độ cứng của hợp kim đúc với
thành phần Al khác nhau. 1) Hợp kim với
sắt; 2) Hợp kim với Cu:Fe = 2.0; 3) hợp
kim với Cu:Fe = 1.25 [1]

Hình 1. 7: Giới hạn bền, độ dãn dài và độ

dai phá hủy của hợp kim đúc ở các nhiệt
độ thử nghiệm. O) Heat 2; •) Brong
CuAl9Fe4 [1]

Theo nghiên cứu của J. Labanowski và T. Olkowski ngưởi Ba Lan năm 2014[9] đã chỉ ra
những kết quả nghiên cứu của mình về hợp kim CuAl10Fe5Ni5 ứng dụng cho chân vịt tàu thủy.
Bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét kết hợp với định lượng nhóm nghiên
cứu đã xác định được hình dạng kích thước của các pha κ – là những pha giàu sắt ; những pha
này ảnh hưởng đến cơ tính của hợp kim. Với việc tăng số lượng các pha nhỏ mịn này sẽ tăng giới
hạn bền kéo của vật đúc; trong khi nếu những pha này có sự kết tụ thành hình dạng lớn sẽ cải
thiện tính dẻo. Quá trình phân rã hay kết tụ của pha này phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa
học ; tỷ lệ Fe/Ni, tốc độ làm nguội và công nghệ đúc. Pha κ này có 04 dạng tùy thuộc vào điều
kiện khác nhau :
8


- Dạng κI được hình thành từ trạng thái lỏng có hình dạng hoa hồng lớn ; chứa nhiều Fe
thông thường tồn tại dưới dạng cấu trúc Fe3Al.
- Dạng κII được hình thành từ pha β và cũng có dạng hoa hồng ; cấu trúc giống pha κI
nhưng nhỏ hơn.
- Dạng κIII giàu Ni phát sinh trong vùng α và ở khu vực biên giới giữa β và α ; chúng có
dạng nhỏ mịn hình cầu.
- Cuối cùng là κIV được hình thành bên trong pha α ; cấu trúc này nhỏ và có dạng hình
cầu.

a)

b)

c)

Hình 1. 6: Mô tả các dạng của pha κ (hình a) và hình thái ; phân bố của pha κ ở tổ chức của
BA1055 sau đúc (b) ; ảnh SEM (c)[9]
Kết quả nghiên cứu của B.P. Pisarek (Ba Lan) [10] cũng công bố : về sự biến đổi các pha
theo nhiệt độ của hệ hợp kim Cu-Al-Fe-Ni với việc bổ sung thêm các nguyên tố như Cr ; Mo
hoặc W đã cho thấy về hình thái pha kết tinh ; thứ tự pha kết tinh vị trí tạo mầm.

9


Hình 1. 7: Giản đồ cân bằng pha [10]

Hình 1. 8: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl11Fe5Ni6[10]

Hình 1. 9: Sự chuyển pha của hợp kim Cu-Al-Fe-Ni trong quá trình làm nguội [11]
Theo các kết quả nghiên cứu của Yuting Lv, Liqiang Wang, Xiaoyan Xu and Weijie Lu
[11] của Trung Quốc đã chỉ ra ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tổ chức và độ cứng tế vi của Brong
Cu-Al hợp kim hóa thêm Ni và Fe. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi xử lý nhiệt ở 675oC tổ
10


chức tế vi của hợp kim NAB có mật độ lệch cao. Khi ủ ở nhiệt độ trên cho thấy sự kết tinh lại
không liên tục đã diễn ra. Thành phần pha mactenxit giảm xuống và pha κ bắt đầu kết tụ. Sau khi
ủ trong 02 giờ cả độ cứng tế vi trong các pha và sự khác nhau về độ cứng các pha và kim loại cơ
bản là được giảm xuống nguyên nhân là do mật độ lệch và pha β’ giảm đi kèm với đó là quá trình
kết tinh lại được hình thành. Khi tăng thời gian ủ lên 04 giờ thì sự chênh lệch về độ cứng giữa các
pha là gần như không còn nữa.

Hình 1. 10: Tổ chức tế vi của FSP NAB và sau xử lý nhiệt
a) Hợp kim FSPed NAB ; b) Ủ 2 giờ ; c) Ủ 4 giờ [11]
Các kết quả phân tích về ảnh TEM (hình 1.13) càng cho thấy sự thay đổi về tổ chức pha của

hợp kim khi thay đổi thời gian ủ khác nhau.

11


Lệch

Lệch

Lệch tự do
Hạt kết tinh lại

Pha β’

Hạt kết tinh lại

Lệch
Nền α
Pha κ

Hình 1. 11: Ảnh TEM (a) và (d) hợp kim FSP NAB và sau xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ (b) và
(e) trong 02 giờ ; (c) và (f) trong 04 giờ [11]
Theo như nghiên cứu của W.S. Li và các cộng sự năm 2006 [12] cho thấy hợp kim đồng
nhôm được hợp kim hóa thêm Fe, Mn và Ni có cho thấy sự hình thành của các pha liên kim
kappa khi được xử lý nhiệt phù hợp. Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra cấu trúc và giá trị độ
cứng tế vi của hệ hợp kim nghiên cứu
Bảng 1.2 : Độ cứng tế vi của các pha nghiên cứu [13]
Phase
Miêu tả
Cấu trúc tinh thể

Độ cứng tế vi (HV)
α
Dung dịch rắn giàu đồng
FCC – A1
200 – 270
γ2
Hợp chất liên kim Cu9Al4
DO3
360 – 570
β
Dung dịch rắn Cu3Al
BCC – A2
290 – 407
κ
Pha liên kim (Fe, Ni, Cu)Al
CsCl – B2
>700
12