Nghiên cứu hóa già hai cấp hợp kim CuNi3Si - Phùng Tuấn Anh

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 215 NGHIÊN CỨU HÓA GIÀ HAI CẤP HỢP KIM CuNi3Si Phùng Tuấn Anh1*, Nguyễn Đình Tuấn2 Tóm tắt: Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của hóa già 2 cấp kết hợp biến dạng nguội đến sự thay đổi độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim CuNi3Si. Thực nghiệm cho thấy, khi hóa già cấp 1 ở 320 oC trong 1 h, sau đó biến dạng nguội 70 %, độ cứng hợp kim đạt cực đại 289,5 HV5 khi hòa già tiếp theo ở 425 oC trong 3 h, trong khi đó độ dẫn điện đạt cực đại 41,6 %IACS khi hòa già ở cùng nhiệt độ trong 6 h. So với chế độ xử lý cơ-nhiệt với hóa già 1 cấp, độ cứng cực đại và độ dẫn điện cực đại tăng khoảng 6 và 7 % khi xử lý cơ-nhiệt với hóa già 2 cấp, tăng từ 274,3 lên 289,5 HV5 và 38,9 lên 41,6 %IACS. Nghiên cứu bước đầu này là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo với nhiệt độ hóa già cấp 2 khác nhau nhằm cải thiện các tính chất của hợp kim CuNi3Si. Từ khóa: Hợp kim CuNi3Si; Hóa già hai cấp; Độ cứng; Độ dẫn điện. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hợp kim đồng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp do có độ bền và tính dẫn điện cao. Trong các hệ hợp kim đồng, hệ Cu-Ni-Si được nghiên cứu ngày càng nhiều do khả năng thay thế hợp kim Cu-Be có độ bền và tính đàn hồi cao [1-3]. Các nghiên cứu về hệ này rất phong phú với nhiều hướng khác nhau từ công nghệ hợp kim hóa vi lượng các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, và đất hiếm (như Al, Mn, Cr, Cu, Mg, Zr, Ti, V, W, Nb, Ta, Sc), hoặc kết hợp hợp kim hóa và xử lý cơ nhiệt hợp lý, hoặc tiến hành xử lý nhiệt, trong đó có xử lý hóa già phân cấp nhằm mục đích tăng bền những vẫn đảm bảo tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao cho hợp kim [4-7]. Hóa già phân cấp là công nghệ hóa già ở các nhiệt độ khác nhau. Bài báo này nghiên cứu thực nghiệm công nghệ hóa già 2 cấp kết hợp biến dạng nguội giữa hai giai đoạn hóa già nhằm khảo sát sự thay đổi độ cứng và độ dẫn điện của các tấm mẫu hợp kim CuNi3Si. Các kết quả nhận được sẽ làm cơ sở khẳng định tính ưu việt của công nghệ hóa già phân cấp, nâng cao hiệu quả hóa bền của hợp kim CuNi3Si so với công nghệ hóa già một cấp. 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Hợp kim CuNi3Si được nấu luyện trong lò điện trở Nabertherm (CHLB Đức). Thành phần hóa học hợp kim CuNi3Si (% khối lượng) nghiên cứu được cho trong bảng 1. Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim CuNi3Si nghiên cứu. Hàm lượng các nguyên tố hóa học, % (khối lượng) Ni Si Zn Pb Sn Fe Cr Al Ti Cu 2,85 0,98 0,038 0,008 0,0047 0,052 0,0002 0,0022 0,001 96,06 Thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu hợp kim dạng tấm có kích thước (chiều dài x chiều rộng x dày) 60x6x3 mm. Thiết bị thực nghiệm bao gồm lò tôi và ram Nabertherm (CHLB Đức), máy cán tiểu hình, máy đo độ cứng Vickers Wilson Wolpert (Trung Quốc), thiết bị đo điện trở thanh kim loại Megger DLRO10 (Anh). Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là đo độ cứng HV5 và độ dẫn điện (%IACS). Các sơ đồ thực nghiệm cụ thể được thực hiện như sau: (1) Nhiệt luyện hòa tan ở nhiệ độ 850 oC, tôi trong nước + cán nguội 30, 45 và 70 % + hóa già ở nhiệt độ 425 oC với các thời gian khác nhau. Cơ học – Cơ khí động lực P. T. Anh, N. Đ. Tuấn, “Nghiên cứu hóa già hai cấp hợp kim CuNi3Si.” 216 (2) Nhiệt luyện hòa tan ở nhiệ độ 850 oC, tôi trong nước + hóa già ở nhiệt độ 320 oC/1 h + cán nguội 30, 45, 70 % + hóa già ở nhiệt độ 425 oC với các thời gian khác nhau. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Sự thay đổi độ cứng của hợp kim CuNi3Si được biến dạng nguội với các mức độ biến dạng nguội khác nhau ngay sau tôi và hóa già một cấp tiếp theo ở nhiệt độ 425 oC được cho trong hình 1. Độ cứng của các mẫu hợp kim tăng lên theo thời gian hóa già và giảm xuống sau khi đạt giá trị cực đại. Với mức độ biến dạng càng tăng, giá trị cực đại đạt của mẫu càng tăng và thời gian đạt cực đại được rút ngắn. Độ cứng đạt giá trị cực đại trung bình 274,3 HV5 khi biến dạng nguội 70 % và hóa già một cấp ở 425 oC trong 3,5 h. Hình 1. Độ cứng của hợp kim khi hóa già 1 cấp ở 425 oC. Sự thay đổi độ cứng của hợp kim CuNi3Si khi hóa già hai cấp kết hợp xen kẽ biến dạng nguội giữa các cấp hóa già với các mức độ biến dạng khác nhau được cho trong hình 2. Với các mẫu sau tôi được hóa già cấp 1 ở nhiệt độ thấp 320 oC trong 1 h, độ cứng của hợp kim tăng lên khá chậm, chỉ đạt 110 HV5 so với 95 HV5 ở trạng thái sau tôi. Tuy nhiên, sau khi cán nguội với các mức độ 30, 45 và 70 % các mẫu hợp kim đã qua hóa già ở 320 oC trong 1 h và hóa già ngay tiếp sau ở nhiệt độ 425 oC, độ cứng của hợp kim tăng mạnh chỉ sau 1 h tiếp theo. Hợp kim vẫn đạt độ cứng cực đại ứng với mỗi mức độ biến dạng, giá trị cực đại cũng cao hơn, tuy nhiên thời gian đạt cực đại không ngắn hơn các mẫu hợp kim hóa già một cấp và với cùng mức độ biến dạng nguội. Độ cứng đạt cực đại trung bình 289,5 HV5 sau hóa già cấp 1 ở 320 oC trong 1 h, tiếp theo biến dạng nguội 70 % và hóa già cấp 2 ở 425 oC trong 3 h. Hình 2. Độ cứng của hợp kim khi hóa già 2 cấp ở 320 oC/1h + 425 oC. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 217 Khảo sát độ dẫn điện của các mẫu hợp kim cho thấy quy luật thay đổi tương tự như đối với sự thay đổi độ cứng (hình 3, 4). Với các mẫu hợp kim hóa già 1 cấp, độ dẫn điện đạt cực đại 38,9 % IACS khi biến dạng nguội 70 % sau tôi và hóa già tiếp theo ở nhiệt độ 425 oC trong 7 h (hình 3). Với các mẫu hóa già 2 cấp, độ dẫn điện đạt cao nhất 41,6 % IACS khi hóa già cấp một ở 320 oC trong 1 h, tiếp theo biến dạng nguội 70 % và hóa già cấp 2 ở 425 oC trong 6 h (hình 4). Hình 3. Độ dẫn điện của hợp kim khi hóa già 1 cấp ở 425 oC. Hình 4. Độ dẫn điện của hợp kim khi hóa già 2 cấp ở 320 oC/1h + 425 oC. 4. KẾT LUẬN Hóa già 2 cấp kết hợp biến dạng nguội có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của hợp kim CuNi3Si. Độ độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim đều tăng lên theo mức độ biến dạng nguội, sau khi đạt giá trị cực đại thì bắt đầu giảm xuống. Khi hóa già cấp 1 ở 320 oC trong 1 h, sau đó biến dạng nguội 70 %, độ cứng hợp kim đạt cực đại 289,5 HV5 khi hòa già tiếp theo ở 425 oC trong 3 h, còn độ dẫn điện đạt 41,6 %IACS khi hòa già ở cùng nhiệt độ trong 6 h, tăng khoảng 6 % (độ cứng) và 7 % (độ dẫn điện) so với chế độ xử lý cơ-nhiệt tương ứng nhưng không có giai đoạn hóa già cấp 1 (289,5 so với 274,3 HV5 và 41,6 so với 38,9 %IACS). Nghiên cứu bước đầu này là cơ sở cho các thực nghiệm hóa già giai đoạn 2 ở các nhiệt độ khác nhau nhằm cải thiện các tính chất (cơ tính và độ dẫn điện) của hợp kim CuNi3Si. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Corson M. G., Electrical conductor alloys [J], Electrical World, 89 (1927), pp. 137- 139. [2]. Luca Collini, Copper Alloys – Early Applications and Current Performance. Enhancing Processes. InTech, 2012, p. 58. [3]. Junji Miyake, Morris E. Fine, Robert R. McCormick. Two-step ageing of a copper alloy to optimize combination of strength and electrical conductivity (J), Scripta Metallurgica et Materialia, Vol. 25 (1991), pp. 1573-1576. [4]. Zhang Dan-wen, Zhao Dong-mei, Dong Qi-ming, Liu Ping, Liu Hong-zhao, Recrystallization behaviour of Cu-Ni-Si alloy during two-step aging (J), The Chinese Journal of Nonferrous Metals, Vol. 14, No.7 (2004), pp. 1241-1245. [5]. Jianyi Cheng, Fangxin Yu, Xuewen Ao, Effect of Two-Step Deforming and Aging Process on the Properties and Microstructure of Cu-Cr-Zr-Mg-Si Alloy (J), Advanced Materials Research, Vols 189-193 (2011), pp 70-74. Cơ học – Cơ khí động lực P. T. Anh, N. Đ. Tuấn, “Nghiên cứu hóa già hai cấp hợp kim CuNi3Si.” 218 [6]. Watanabe, Chihiro; Nishijima, Fumiya; Monzen, Ryoichi; Tazaki, Kazue. Mechanical Properties of Cu-4.0Ni-0.95Si Alloys with or without P, Cr addition, Materials Science Forum, Volume 561-565, Part 3, 2007, pp 2321-2324. [7]. Lu, De-ping, Wang, Jun, Atrens, A., Zou, Xing-quan, Lu, Lei and Sun, Bao-de, Calculation of Cu-rich part of Cu-Ni-Si phase diagram (J), Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 17 (2007), pp. 12-15. ABSTRACT STUDY ON TWO-STEP AGING TREATMENT OF CuNi3Si ALLOY In this paper, the changes in hardness, electrical conductivity and microstructure of CuNi3Si alloy after combination of cold rolling and two-step aging treatment were reported. The results showed that, after first-step aging treatment at 320 oC for 1 h, then cold rolling with different deformation degrees of 70 %, hardness of alloy is reached maximum value of 289.5 HV5 after sequent second step aging at 425 oC for 3 h, electrical conductivity of alloy is reached maximum value of 41,6 %IACS for 6 h. In accordance with thermomechanical regime without low temperature aging first-step aging, both maximum hardness and electrical conductivity of alloy increased by 6 and 7 %, from 274.3 to 289.5 HV5 and from 38.9 to 41.6 %IACS. The initial results are base for the next studies with various second step aging temperatures to improve properties of CuNi3Si. Keywords: CuNi3Si alloy; Two-step aging; Hardness; Electrical conductivity. Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018 Địa chỉ: 1 Khoa Cơ khí - Học viện Kỹ thuật quân sự - Bộ Quốc phòng; 2 Nhà máy A32/Quân chủng PK-KQ. * Email: phungtuananhmta@gmail.com.