Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ nấu luyện tới thành phần hợp kim mỹ nghệ hệ Cu-Si

The effect of melting parameters on the composition of Cu-Si alloy

LÊ VIỆT DŨNG Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, số 79 An Trạch, Đống Đa, Hà Nội Email: dunglv@ytcvn.com

TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nấu luyện tới thành phần của hợp kim mỹ nghệ hệ Cu-Si Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ nấu luyện càng cao thì các kim loại càng bị cháy hao càng lớn. Kéo dài thời gian nấu luyện cũng làm tăng cháy hao kim loại. Hợp kim mỹ nghệ hệ Cu-Si tương ứng với hàm lượng 3, 5 và 7 % Si khi nấu luyện tại nhiệt độ 1240 ^oC, thời gian khuấy 10 phút, chất tinh luyện khử khí CuP (10 %P) với hàm lượng 0,1 % mẻ nấu cho hiệu suất thu hồi các nguyên tố hợp kim cao nhất.

ABSTRACT

The paper presents obtained results of the effect of melting temperature and time on the composition of Cu-Si alloy. The results showed an increasing burning rate of the melting alloy as melting temperature and time increased. For the Cu-Si alloy (3, 5 and 7 %Si) a maximum recovery ability was obtained under following conditions: melting temperature - 1240 ^oC; keeping time - about 10 minutes and 0,1 %CuP (about 10 %P) as deoxidation agent. MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới nhiều cơ sở sản xuất còn muốn thay thế nhiều hơn hợp kim đồng đúc tượng, đồng mỹ nghệ bằng cách thay thế thiếc bằng các nguyên tố khác. Do đó đã ra đời những hợp kim mới với ít thiếc hơn hoặc hoàn toàn không chứa thiếc. Khi Si được biết đến như nguyên tố mới để hợp kim hóa đồng trong Thế kỷ 20, Cu-Si đã trở thành hợp kim chủ yếu dùng cho đúc mỹ nghệ. Tại Canada, New Zealand và Châu Âu ưa chuộng sử dụng hợp kim đồng silic với hàm lượng từ 3 đến 7 %Si để đúc tượng và sản xuất đồ đồng mỹ nghệ. Đồng silic với ưu điểm dễ tan chảy cho phép kim loại nóng chảy và điền đầy tất cả các vết nứt, kẽ nứt và các chi tiết nhỏ phức tạp, thậm chí là dấu vân tay, đã trở thành vật liệu để chế tạo các tác phẩm đồng mỹ nghệ [1-3]. Tại Thái Lan đất nước có rất nhiều đền chùa, tượng Phật, đặc biệt là các tượng Phật đặt ngoài trời, ngày càng sử dụng hợp kim đồng silic để thay thế hợp kim đồng thiếc do dễ chế tạo, màu sắc sản phẩm đẹp, độ bền ăn mòn trong môi trường khí quyển cao do khả năng chống oxy hóa và phong hóa tốt. Giản đồ pha Cu-Si cho thấy Si hòa tan khá dễ và Cu tạo dung dịch Cu-Si. Si có tác dụng tăng độ chảy loãng của hợp kim, giảm nhiệt độ nóng chảy, tăng tính dẻo. Các mác hợp kim Cu-Si dùng đúc đồng mỹ nghệ thường có thêm Mn để tăng độ cứng mà không làm ảnh hưởng đến độ chảy loãng của hợp kim. Theo giản đồ pha của hệ Cu-Si [3-5], sẽ tạo thành pha đồng giàu liên kim ở nhiệt độ cao và ba pha liên kim ổn định ở nhiệt độ phòng. Theo lý thuyết, các pha này hầu hết được đặt tên bằng các chữ cái Hy Lạp: η(Cu3Si), ε(Cu15Si4) và γ(Cu5Si). Pha Cu3Si có hai biến thể ở nhiệt độ cao η (556-802 ^oC) và η’ (467-556 ^oC) bên cạnh pha liên kim η” ổn định ở nhiệt độ phòng (dưới 467 ^oC). Ở nước ta hiện nay chưa có cơ sở sản xuất đúc mỹ nghệ nào sử dụng hợp kim Cu-Si để chế tạo các chi tiết đồng mỹ nghệ. Đặc biệt là chưa có một nghiên cứu nào về chế tạo hợp kim Cu-Si được công bố ở Việt Nam. Do đó, nghiên cứu này hy vọng sẽ mở ra hướng mới cho hợp kim đồng mỹ nghệ ở Việt Nam, giảm thiểu tối đa sử dụng các nguyên tố có hại, gây ảnh hưởng tới sức khỏe người lao động và môi trường sống. THỰC NGHIỆM Thành phần hợp kim mỹ nghệ hệ đồng-silic được lấy theo mác C87300 với hàm lượng Si thay đổi là 3, 5 và 7 % (bảng 1). Khi nấu luyện để có được mác hợp kim đúng thành phần, cháy hao ít cần tuân thủ theo các nguyên tắc sau: - Kim loại nền nấu chảy trước. - Các nguyên tố hợp kim hoá đưa vào theo thứ tự: nguyên tố khó chảy đưa vào trước, dễ chảy sau. - Khi nhiệt độ chảy và tỷ trọng của kim loại nền và kim loại hợp kim hoá quá chênh lệch thì phải sử dụng hợp kim trung gian (kim loại nền + kim loại hợp kim hoá). - Khi hàm lượng kim loại hợp kim hoá trong hợp kim cần nấu quá nhỏ cũng phải đưa vào dưới dạng hợp kim trung gian, ví dụ HKTG Cu-Si. Theo các nguyên tắc trên cần phải đưa đồng vào nấu chảy trước, sau đó cho hợp kim trung gian như Cu-Si và Mn. Để đảm bảo sự đồng đều thành phần của hợp kim khi nấu cần phải khuấy kỹ. Điều kiện thí nghiệm: - Mỗi mẻ nấu thí nghiệm có khối lượng là 10 kg/mẻ. - Nguyên liệu thí nghiệm được tính toán theo độ cháy hao thực tế các nguyên tố. - Hợp kim trung gian được sử dụng là Cu-Si (10 %Si). - Chất che phủ bề mặt: than hoa. - Chất tinh luyện khử khí: CuP (10 %P), khối lượng 0,01 kg. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nấu đến hiệu suất thu hồi các nguyên tố hợp kim được tiến hành theo điều kiện thí nghiệm với thời gian giữ nhiệt là 10 phút, nhiệt độ nấu được thay đổi từ 1200 đến1320 ^oC. [caption id="" align="aligncenter" width="801"] Hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện CuSi3[/caption] [caption id="" align="aligncenter" width="835"] Hình 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện CuSi5[/caption] [caption id="" align="aligncenter" width="790"] Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện CuSi7[/caption] Kết quả thí nghiệm cho thấy hợp kim CuSi nấu luyện ở khoảng nhiệt độ 1240 đến 1280 ^oC (hình 1 - hình 3), cho hiệu suất thu hồi tố Si và Mn cao (đây là hai nguyên tố hợp kim chính trong hợp kim CuSi). Tại nhiệt độ lớn hơn 1320 ^oC có thể xảy ra hiện tượng cháy hao kim loại. Khoảng nhiệt độ 1240 ^oC đến 1280 ^oC là khoảng nhiệt độ tối ưu để nấu hợp kim. Sau khi nấu luyện hợp kim ở nhiệt độ 1240 ^oC ÷ 1280 ^oC hạ nhiệt đồ lò 1100 ^oC và cho kẽm vào khuấy đều. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nấu đến hiệu suất thu hồi các nguyên tố hợp kim được tiến hành theo điều kiện thí nghiệm trên với nhiệt độ nấu luyện là 1240 ^oC, thời gian khuấy khảo sát: 5 phút, 10 phút, 15 phút, 20 phút. [caption id="" align="aligncenter" width="799"] Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian nấu hợp kim CuSi3[/caption] [caption id="" align="aligncenter" width="795"] Hình 5. Ảnh hưởng của thời gian nấu hợp kim CuSi5[/caption] [caption id="" align="aligncenter" width="797"] Hình 6. Ảnh hưởng của thời gian nấu hợp kim CuSi7[/caption] Ảnh hưởng của thời gian nấu luyện được tình bày ở hình 4 đến hình 6, thời gian nấu luyện càng dài lượng Fe hòa tan càng nhiều. Fe trong hợp kim sẽ nhiều hơn khi thời gian nấu luyện dài. Si hòa tan nhanh hơn Fe, trong thời gian 10 phút Si đã tan hết. Khi để lâu có thể kim loại nền bị cháy hao nhiều hơn nên hàm lượng Si có tăng một chút. Từ thí nghiệm trên thấy rằng Si hòa tan hiệu quả nhất trong đồng ở nhiệt độ 1240 ^oC trong thời gian 10 phút. Mn khi đủ nhiệt sẽ hòa tan nhanh hơn, trong thời gian 10 phút Mn đã tan hết. Khi để lâu Mn có xu hướng nổi trên mặt thoáng nên bị cháy hao khá lớn. Từ thí nghiệm trên thấy rằng Mn hòa tan hiệu quả nhất trong đồng ở nhiệt độ 1240 ^oC trong thời gian 10 phút. KẾT LUẬN Hợp kim mỹ nghệ hệ đồng silic tương ứng với hàm lượng 3, 5 và 7 %Si khi nấu luyện tại nhiệt độ 1240 ^oC, thời gian khuấy 10 phút, chất tinh luyện khử khí CuP (10 %P) với hàm lượng 0,1 % mẻ nấu cho hiệu suất thu hồi các nguyên tố hợp kim cao nhất. TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. Nguyễn Hữu Dũng, Kỹ thuật nấu luyện hợp kim đúc, Nxb Bách khoa, Hà Nội, 2012
2. Mohamed Ghoniem, The characterization of a corroded Egyptian bronze statue and a study of the degradation phenomena, International Journal of Conservation Science, Vol. 2, Issue 2, 2011
3. E. Rudolfi, Silicides of copper, Z. Anorg. Chem., 53, 1907, pp. 216-227, in German
4. M. G. Corson, Merit in copper-silicon alloys, Iron Age, 119, 1927, pp. 353-356
5. K. Matuyama, On the equilibrium diagram of the copper-silicon system, Sci. Rep. Res. Inst. Tohoku Univ., 17, 1928, pp 665-673