Tổng quan nghiên cứu

Hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu được biết đến là nhóm hợp kim có độ bền cao nhất trong các hợp kim nhôm biến dạng, với giới hạn bền trên 600 MPa và độ cứng trên 170 HB. Trong đó, hợp kim B96Ц-1 là một trong những mác hợp kim có độ bền cao nhất, được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực quân sự để chế tạo các chi tiết quan trọng như đạn phản lực, tên lửa. Tại Việt Nam, hợp kim này mới chỉ được nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm tại một số đơn vị, chưa được áp dụng rộng rãi do các vấn đề về công nghệ nhiệt luyện như cơ tính không đồng đều và thời gian nhiệt luyện dài, dẫn đến chi phí sản xuất cao.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác lập công nghệ nhiệt luyện tối ưu cho hợp kim nhôm B96Ц-1 nhằm nâng cao tính ổn định cơ tính, giảm thời gian nhiệt luyện (tôi + hóa già), từ đó giảm chi phí sản xuất và mở rộng ứng dụng trong quân sự. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, thời gian trong các nguyên công tôi và hóa già, đặc biệt là nghiên cứu công nghệ hóa già phân cấp để rút ngắn thời gian nhiệt luyện. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu hợp kim B96Ц-1 sản xuất tại Xí nghiệp Cơ khí 59, Nhà máy Z127, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, trong giai đoạn 2015-2018.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp quy trình nhiệt luyện chuẩn, giúp nâng cao hiệu suất sử dụng hợp kim B96Ц-1 trong sản xuất quân sự, đồng thời giảm thiểu chi phí và tăng tỷ lệ thành phẩm. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần bổ sung kiến thức về công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu, đặc biệt là hợp kim B96Ц-1, phục vụ phát triển vật liệu trong lĩnh vực kỹ thuật vật liệu và quân sự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu, tập trung vào:

  • Cơ chế nhiệt luyện hợp kim nhôm: Quá trình tôi tạo dung dịch rắn quá bão hòa, sau đó hóa già phân tán các pha hóa bền như η (MgZn₂), T (Al₂Mg₃Zn₃), và S (Al₂CuMg), làm tăng độ bền và độ cứng của hợp kim.
  • Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim: Zn, Mg, Cu là các nguyên tố chính ảnh hưởng đến cơ tính và khả năng chống ăn mòn. Zr và Ti đóng vai trò tạo mầm kết tinh, nâng cao độ dẻo và độ dai phá hủy.
  • Cơ chế hóa già phân cấp: Hóa già hai cấp với nhiệt độ và thời gian khác nhau nhằm tối ưu hóa kích thước, phân bố pha hóa bền, cải thiện độ bền, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn ứng suất.
  • Ảnh hưởng của tổ chức pha và tạp chất: Tạp chất Fe, Si ảnh hưởng tiêu cực đến độ dẻo và độ bền do tạo các pha liên kim giòn, dễ gây nứt.

Các khái niệm chính bao gồm: dung dịch rắn quá bão hòa, pha hóa bền, hóa già một cấp và hai cấp, ăn mòn điện hóa, và cơ tính vật liệu (độ bền, độ dẻo, độ cứng).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu hợp kim nhôm B96Ц-1 được sản xuất tại Xí nghiệp Cơ khí 59, Nhà máy Z127, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng. Thành phần hóa học được xác định bằng máy phân tích quang phổ Q4 TASMAN.
  • Phương pháp phân tích:
    • Phân tích tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA và kính hiển vi điện tử quét Nova NanoSEM 450.
    • Phân tích pha định tính bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên thiết bị PANalytical Xpert PRO.
    • Xác định cơ tính gồm độ bền, độ dẻo qua thử kéo trên máy M500-100AT; độ cứng đo bằng máy HPO-250.
    • Đo đặc tính ăn mòn điện hóa bằng máy PGSTAT12/30/302 theo phương pháp dòng tĩnh.
  • Quy trình nghiên cứu:
    • Thực hiện các thí nghiệm nhiệt luyện với biến đổi nhiệt độ và thời gian tôi (460°C, 470°C, 480°C; 30-180 phút).
    • Hóa già truyền thống (130°C, 6-48 giờ) và hóa già hai cấp (180°C cấp 1, 120°C cấp 2 với thời gian giữ nhiệt thay đổi).
    • Đánh giá tổ chức tế vi, pha, cơ tính và đặc tính ăn mòn để xác định thông số tối ưu.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong giai đoạn 2015-2018, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thực nghiệm nhiệt luyện, phân tích kết quả và hoàn thiện quy trình công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian tôi đến cơ tính:

    • Nhiệt độ tôi 470°C với thời gian giữ nhiệt 90 phút cho kết quả cơ tính tối ưu, với độ bền đạt khoảng 710 MPa, cao hơn 4% so với nhiệt độ 460°C và 3% so với 480°C.
    • Thời gian giữ nhiệt tôi từ 30 đến 180 phút cho thấy độ bền tăng dần, đạt đỉnh tại 90 phút, sau đó giảm nhẹ do hiện tượng quá cháy pha cùng tinh.

  2. Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian hóa già truyền thống:

    • Nhiệt độ hóa già 130°C trong 24 giờ là tối ưu, đạt độ bền khoảng 680 MPa và độ cứng trên 170 HB.
    • Thời gian hóa già dưới 6 giờ chưa đủ, trên 48 giờ gây hóa già quá mức, làm giảm cơ tính khoảng 5-7%.

  3. Hiệu quả của hóa già hai cấp:

    • Hóa già hai cấp với cấp 1 ở 180°C (1-2 giờ) và cấp 2 ở 120°C (4-13 giờ) rút ngắn thời gian tổng thể so với hóa già truyền thống.
    • Cơ tính sau hóa già hai cấp đạt độ bền tương đương hoặc cao hơn 5-10% so với hóa già một cấp, đồng thời cải thiện tính chống ăn mòn ứng suất.
    • Thời gian hóa già cấp 2 khoảng 7-9 giờ là tối ưu, cân bằng giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn.

  4. Đặc tính ăn mòn điện hóa:

    • Hợp kim sau hóa già truyền thống có điện thế ăn mòn và dòng ăn mòn cao hơn, dẫn đến tốc độ ăn mòn nhanh hơn.
    • Hóa già hai cấp làm giảm điện thế ăn mòn khoảng 15% và dòng ăn mòn khoảng 20%, cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất.
    • Tổ chức pha sau hóa già hai cấp có pha η phân bố không liên tục, giảm hiện tượng ăn mòn theo biên hạt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nhiệt độ và thời gian tôi ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ hòa tan pha cùng tinh, từ đó quyết định mức độ quá bão hòa dung dịch rắn α, ảnh hưởng đến hiệu quả hóa già. Nhiệt độ tôi 470°C và thời gian 90 phút là điểm cân bằng giữa hòa tan pha và tránh quá cháy, phù hợp với đặc tính hợp kim B96Ц-1.

Hóa già truyền thống tuy đạt được cơ tính cao nhưng thời gian dài gây tốn kém và nhạy cảm với ăn mòn ứng suất do pha η tạo thành mạng lưới liên tục. Hóa già hai cấp với cấp 1 ở nhiệt độ cao tạo nhiều mầm pha nhỏ mịn, cấp 2 ở nhiệt độ thấp giúp pha phát triển đồng đều, làm giảm kích thước pha lớn và phân bố pha hóa bền tốt hơn, từ đó cải thiện cơ tính và khả năng chống ăn mòn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về hợp kim Al-Zn-Mg-Cu, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng hóa già phân cấp để tối ưu hóa cơ tính và tính bền ăn mòn. Việc áp dụng công nghệ nhiệt luyện này giúp giảm thời gian sản xuất, tăng tỷ lệ thành phẩm, giảm chi phí điện năng và nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất hợp kim B96Ц-1 phục vụ quân sự.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian với độ bền, độ cứng, và đặc tính ăn mòn điện hóa, cũng như hình ảnh tổ chức tế vi và nhiễu xạ tia X minh họa sự thay đổi pha qua các giai đoạn nhiệt luyện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình nhiệt luyện tối ưu:

    • Thực hiện tôi hợp kim B96Ц-1 ở 470°C trong 90 phút, làm nguội nhanh trong nước.
    • Tiếp theo hóa già hai cấp với cấp 1 ở 180°C trong 1-2 giờ, cấp 2 ở 120°C trong 7-9 giờ.
    • Mục tiêu: tăng độ bền lên trên 680 MPa, giảm thời gian nhiệt luyện tổng thể xuống dưới 12 giờ.
    • Chủ thể thực hiện: Xí nghiệp Cơ khí 59, Nhà máy Z127.

  2. Rút ngắn thời gian di chuyển và làm nguội:

    • Giảm thời gian di chuyển từ lò tôi đến làm nguội dưới 20 giây để tránh pha tiết không mong muốn.
    • Sử dụng nước làm nguội có nhiệt độ phù hợp (dưới 30°C cho chi tiết nhỏ, nước nóng 80-90°C cho chi tiết lớn) để hạn chế biến dạng.
    • Chủ thể: Bộ phận sản xuất và kỹ thuật nhiệt luyện.

  3. Kiểm soát tạp chất Fe và Si trong nguyên liệu:

    • Giữ tỷ lệ Fe/Si > 1 và hạn chế tổng hàm lượng Fe, Si dưới 0,5% để giảm nguy cơ nứt nóng và tăng độ dẻo.
    • Chủ thể: Bộ phận nguyên liệu và kiểm soát chất lượng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật:

    • Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm B96Ц-1 cho kỹ thuật viên và công nhân.
    • Đảm bảo vận hành thiết bị nhiệt luyện chính xác, kiểm soát nhiệt độ và thời gian theo quy trình.
    • Chủ thể: Ban quản lý sản xuất và đào tạo.

  5. Nghiên cứu tiếp tục cải tiến công nghệ:

    • Khuyến khích nghiên cứu bổ sung về ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng và xử lý cơ nhiệt kết hợp để nâng cao tính năng hợp kim.
    • Chủ thể: Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, các đơn vị nghiên cứu quân sự.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu, đặc biệt B96Ц-1, phục vụ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.
    • Use case: Phát triển hợp kim nhôm có cơ tính cao, chống ăn mòn tốt cho ứng dụng quân sự và công nghiệp.

  2. Đơn vị sản xuất hợp kim nhôm và chi tiết cơ khí:

    • Lợi ích: Áp dụng quy trình nhiệt luyện tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.
    • Use case: Sản xuất chi tiết đạn phản lực, tên lửa, linh kiện hàng không.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp quốc phòng:

    • Lợi ích: Định hướng công nghệ sản xuất vật liệu chiến lược, nâng cao năng lực sản xuất trong nước.
    • Use case: Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình công nghệ cho hợp kim nhôm quân sự.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu:

    • Lợi ích: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm, phương pháp phân tích tổ chức và cơ tính.
    • Use case: Nghiên cứu luận văn, đề tài khoa học liên quan đến vật liệu kim loại và công nghệ nhiệt luyện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hợp kim B96Ц-1 được ưu tiên sử dụng trong quân sự?
    Hợp kim B96Ц-1 có độ bền cao (trên 600 MPa), độ cứng lớn và khả năng chống ăn mòn ứng suất tốt, phù hợp với yêu cầu khắt khe của các chi tiết quân sự như đạn phản lực và tên lửa. Ngoài ra, tỷ trọng thấp giúp giảm trọng lượng thiết bị.

  2. Nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt ảnh hưởng thế nào đến cơ tính?
    Nhiệt độ tôi quyết định mức độ hòa tan pha cùng tinh vào dung dịch rắn, ảnh hưởng đến hiệu quả hóa già. Thời gian giữ nhiệt đủ dài giúp hòa tan hoàn toàn pha nhưng quá dài có thể gây quá cháy, giảm cơ tính. Nghiên cứu cho thấy 470°C và 90 phút là tối ưu.

  3. Hóa già hai cấp có ưu điểm gì so với hóa già truyền thống?
    Hóa già hai cấp giúp tạo ra pha hóa bền nhỏ mịn, phân bố đồng đều hơn, cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn ứng suất. Đồng thời, rút ngắn thời gian nhiệt luyện tổng thể, giảm chi phí sản xuất.

  4. Làm thế nào để giảm hiện tượng ăn mòn ứng suất trên hợp kim B96Ц-1?
    Kiểm soát nhiệt độ và thời gian hóa già để tránh hình thành mạng lưới pha η liên tục trên biên hạt, sử dụng hóa già hai cấp để pha hóa bền phân bố không liên tục, giảm vi pin điện hóa gây ăn mòn.

  5. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá tổ chức và cơ tính hợp kim?
    Tổ chức tế vi được quan sát bằng kính hiển vi quang học và điện tử quét; pha được phân tích bằng nhiễu xạ tia X; cơ tính được đo qua thử kéo (độ bền, độ dẻo) và đo độ cứng Brinell; đặc tính ăn mòn điện hóa được xác định bằng phương pháp dòng tĩnh trên máy đo chuyên dụng.

Kết luận

  • Hợp kim nhôm B96Ц-1 có tiềm năng ứng dụng lớn trong quân sự nhờ cơ tính cao và khả năng chống ăn mòn ứng suất phù hợp.
  • Nhiệt độ tôi 470°C, thời gian giữ nhiệt 90 phút là điều kiện tối ưu cho nguyên công tôi, đảm bảo dung dịch rắn quá bão hòa hiệu quả.
  • Hóa già hai cấp với cấp 1 ở 180°C (1-2 giờ) và cấp 2 ở 120°C (7-9 giờ) cải thiện cơ tính và khả năng chống ăn mòn, đồng thời rút ngắn thời gian nhiệt luyện so với hóa già truyền thống.
  • Quy trình nhiệt luyện được xác lập giúp giảm chi phí sản xuất, tăng tỷ lệ thành phẩm, phù hợp sản xuất quy mô lớn trong lĩnh vực quân sự.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cải tiến công nghệ, đào tạo nhân lực và kiểm soát nguyên liệu để nâng cao chất lượng hợp kim B96Ц-1.

Next steps: Áp dụng quy trình nhiệt luyện tối ưu vào sản xuất thực tế tại các đơn vị quân sự, đồng thời triển khai nghiên cứu bổ sung về xử lý cơ nhiệt và hợp kim hóa vi lượng.

Call-to-action: Các đơn vị sản xuất và nghiên cứu vật liệu quân sự nên phối hợp triển khai áp dụng công nghệ nhiệt luyện này để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm hợp kim nhôm B96Ц-1.