Ảnh hưởng của Cadmi đến hợp kim nhôm đồng mangan

Science & Technology Development, Vol 13, No.K1 - 2010 
Trang 32 
ẢNH HƯỞNG CỦA CADMI ĐẾN HỢP KIM NHÔM ĐỒNG MANGAN 
Nguyễn Duy Thông(1), Nguyễn Vinh Dự(2) 
(1)Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 
(2)Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và dịch vụ KHKT (STC) 
(Bài nhận ngày 01 tháng 06 năm 2009, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 22 tháng 04 năm 2010) 
TÓM TẮT: Hợp kim nhôm Al 4,8Cu 0,6Mn 0,2Ti khi thêm Cadimi (0,150 đến 0,288), đã tăng bền và 
ổn định tính chất cơ lý hơn, nhất là ở nhiệt độ cao.Cadimi tuy không tham gia vào các pha hoá bền cuả hợp 
kim, nhưng nhờ tác động cuả nó đến sự tồn tại và phân bố lỗ trống trong hợp kim Al – Cu – Mn sau khi tôi 
nên điều tiết được quá trình tiết pha hoá bền (CuAl2 - θ ) trong quá trình hoá già. 
Từ khóa: Ảnh hưởng của Cadmi đến hợp kim nhôm đồng Mangan 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Công nghiệp ngày càng phát triển thì nhu 
cầu về hợp kim nhôm bền nóng độ bền cao sử 
dụng trong các lĩnh vực hàng không, giao thông 
vận tải và đặc biệt là ngành chế biến và gia công 
các sản phẩm hữu cơ (chế biến dầu mỏ, tạo hình 
các sản phẩm cao su và các loại nhựa ) ngày 
càng nhiều. 
Các hợp kim nhôm bền nóng độ bền cao 
trong công nghiệp chủ yếu trên cơ sở hệ Al-Cu 
với hợp kim hóa bổ sung Mg, Mn và Li vì khi 
hợp kim hóa chỉ có pha tăng bền CuAl2 thì cơ 
tính sẽ giảm nhanh khi nhiệt độ trên 200oC, còn ở 
3000C sự thải bền là 79% [1]. 
Việc hợp kim hóa thêm một lượng Mn nào 
đó sẽ tăng bền cho hợp kim ở nhiệt độ thường và 
giữ bền đáng kể khi nhiệt độ cao vì: 
1. Ở trạng thái không cân bằng, lượng Mn 
trong dung dịch rắn lớn hơn so với trạng thái cân 
bằng. 
2. Hệ số khuếch tán của Mn nhỏ sẽ thuận lợi 
cho sự tiết pha của dung dịch rắn quá bão hòa và 
hạn chế kết tụ pha tăng bền CuAl2. 
3. Mangan là kim loại chuyển tiếp có khả 
năng tăng sự liên kết giữa các nguyên tử và giảm 
hệ số tự khuếch tán của nhôm. 
Việc biến tính hợp kim hóa bổ sung thêm Ti 
sẽ tăng bền cho hợp kim. Tổ chức đúc của hợp 
kim Al4,8Cu0,6Mn0,2Ti gồm các pha α, 
θ(CuAl2), T(Al12Mn2Cu) và TiAl3. Tổ chức sau 
khi tôi gồm pha α, T(Al12Mn2Cu) và TiAl3. Sự 
hóa già sau đó nhận được tổ chức θ, 
T(Al12Mn2Cu), TiAl3 và θ(CuAl2) – nhưng pha θ 
được tiết ra phân tán hơn. Khi đặc tính các pha θ, 
T và TiAl3 là như nhau, nếu ta điều khiển được 
quá trình tiết pha θ phân tán và đều hơn thì độ 
bền của hợp kim sẽ tăng. Đóng góp cơ bản vào 
hóa bền khi hóa già là do tạo vùng G-P và sự tiết 
pha giả bền phân tán cao đem lại. Như vậy, vấn 
đề cần quan tâm là hợp kim hóa bổ sung nguyên 
tố có khả năng hoặc tăng mật độ tạo vùng G-P 
hoặc tăng khả năng các tiết pha trung gian giả 
bền có cấu trúc bán liền mạng với dung dịch rắn. 
Cadimi tuy không tham gia vào các pha tăng bền 
trong hợp kim Al-Cu-Mn, nhưng do sự sai khác 
tương đối lớn về bán kính nguyên tử giữa Al 
(0,143nm) và Cd (0,152nm) nên khi hòa tan vào 
nhôm, Cadimi sẽ làm sai lệch mạng tinh thể và 
nồng độ nút trống cũng như giảm năng lượng bề 
mặt giữa pha tiết ra và dung dịch rắn α, nhờ đó 
tăng mật độ tiết pha giả bền (θ” và θ’) vào thời 
kỳ đầu khi hóa già. 
2. THỰC NGHIỆM 
Nội dung nghiên cứu chủ yếu tập trung vào 
xem xét ảnh hưởng của Cadimi đến quá trình tiết 
pha khi hóa già và đến các tính chất cơ lý của hợp 
kim. 
Mẫu hợp kim nghiên cứu được nấu luyện từ 
nhôm sạch, các hợp kim trung gian Al-10Mn, Al-
50Cu, Al-4Ti và Cadimi kim loại. Trợ dung tinh 
luyện sử dụng hệ KCl-NaCl-Na3AlF6. Chất khử 
khí dùng MnCl2 hoặc khí Argon. 
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K1 - 2010 
Trang 33 
Thành phần của hợp kim nấu luyện như Bảng1 
Bảng 1.Thành phần hợp kim nấu luyện 
Thành phần 
Mẫu 
Cu Mn Ti Cd Si Fe 
Phương pháp khử khí 
M1 4,80 0,57 0,325 - 0,055 0,166 MnCl2 
M2 4,80 0,57 0,325 0,154 0,055 0,166 MnCl2 
M3 4,80 0,57 0,325 0,265 0,055 0,166 MnCl2 
M4 4,80 0,57 0,325 0,36 0,055 0,166 MnCl2 
M5 4,80 0,68 0,346 - 0,050 0,115 Argon 
M6 4,80 0,68 0,346 0,281 0,050 0,115 Argon 
Các thí nghiệm sau đã được tiến hành để 
đánh giá ảnh hưởng của Cadimi đến các tính chất 
cơ lý: 
- Xác định tác động của Cd đến dung dịch 
rắn qua ảnh hưởng của chúng đến sự sai lệch 
mạng và độ cứng tế vi. 
- Nghiên cứu quá trình tiết pha của dung 
dịch rắn của hợp kim có và không có Cadimi khi 
hóa già. 
Chế độ xử lý nhiệt thực nghiệm như sau: 
- Chế độ tôi: hợp kim được nung ở 535oC 
trong 7h30’ sau đó nâng lên 545oC và giữ 7h30’ 
để pha hóa bền θ (CuAl2) hòa tan hoàn toàn vào 
dung dịch rắn, tôi trong nước. 
- Chế độ hóa già: hóa già ở 170oC làm nguội 
ngoài không khí. 
Các thiết bị đã sử dụng trong quá trình 
nghiên cứu: 
 1. Thiết bị thực hiện công nghệ nấu luyện – 
biến tính: lò nồi grafit 
 2. Phân tích thành phần hóa học: máy quang 
phổ phát xạ Spectrolab (hãng Spectro – 
Germany) 
 3. Đánh giá cơ tính: máy Instron – USA 
 4. Đo độ cứng tế vi (HV): máy Highwood – 
Japan 
 5. Đo độ cứng (HB): máy Emcotest – 
Austria 
 6. Nghiên cứu tổ chức tế vi: kính hiển vi kim 
tương Olympus – Japan. 
 7. Phân tích nhiệt vi sai DTA: STA 409PC 
(NETZSCH – Germany) 
 8. Đo hệ số giãn dài và hệ số giãn nở nhiệt: 
NIL 402PC (NETZCH – Germany) 
 9. Xác định thông số mạng: XRD – D8 
Advance (Bruker – Germany) 
Trong đó các thiết bị từ 1 đến 8 thuộc khoa 
Công Nghệ Vật Liệu – Đại Học Bách Khoa 
TpHCM, thiết bị số 9 thuộc PTN Trọng Điểm 
Quốc Gia Polyme – Composite. 
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO 
LUẬN 
Ảnh hưởng của Cadimi đến độ cứng tế vi và 
thông số mạng (tính theo giãn đồ nhiễu xạ 
Rơnghen – hình 1) của dung dịch rắn α được thể 
hiện trong Bảng 2. 
Science & Technology Development, Vol 13, No.K1 - 2010 
Trang 34 
a.Mẫu M1 (không có Cd) 
b.Mẫu M2 ( có 0,154% Cd) 
Hình 1. Giãn đồ nhiễu xạ Rơnghen hợp kim Al 4,8%Cu+0,57%Mn+0,325%Ti [6] 
Như vậy, sự tăng sai lệch mạng góp phần 
hóa bền hợp kim. Tuy nhiên, khi hàm lượng Cd 
vượt quá 0,3% thì độ bền của hợp kim giảm. 
 Bảng 2. Ảnh hưởng của Cd đến thông số 
mạng và độ cứng tế vi của hợp kim Al 4,8% 
0,57%Mn0,325%Ti sau tôi 
Mẫu Cd (%) Hv a (nm) 
M1 0 87 0,4033 
M2 0,154 92 0,4038 
M3 0,265 97 - 
M4 0,360 88 - 
 Phân tích các tổ chức tế vi sau khi hóa già 45 
phút cho thấy ở hợp kim có Cd thì sự tiết pha của 
dung dịch rắn sẽ diễn ra mạnh hơn. (hình 2). 
Hợp kim M5 tôi, hóa già 45 phút. 150X 
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K1 - 2010 
Trang 35 
Hợp kim M6 tôi, hóa già 45 phút. 150X 
Hợp kim M5 tôi, hóa già 6 giờ. 150X 
Hợp kim M6 tôi, hóa già 6 giờ. 150X 
Hình 2.Tổ chức tế vi của hợp kim Al + 4,80%Cu + 
0,68%Mn + 0,346%Ti sau khi tôi và hóa già ở 170oC 
Tăng thời gian hóa già lên 6h ở 170oC dẫn đến sự 
phân rã mạnh dung dịch rắn. Trong hợp kim có Cd, 
mật độ tiết pha hóa bền mạnh và đều hơn nhiều, khác 
với sự tiết pha vừa yếu hơn vừa không đều trong hợp 
kim không có Cd. Nhờ đó, độ bền hợp kim có hợp kim 
hóa thêm Cd tăng. (Hình 2, bảng 3). 
Bảng (3). Độ bền của hợp kim sau tôi và hóa già 
6h ở 170oC 
Mẫu M1 M2 M3 M5 M6 
Độ cứng, 
HB 118 127 135 120 138 
бb, MPa 367 413 418 373 438 
 Nhờ tiết pha mạnh và đều, cũng như tác động 
chống kết tụ các pha hóa bền ở nhiệt độ cao đưa lại cho 
hợp kim có Cadmi tính ổn định hơn về hệ số giãn dài 
và hệ số giãn nở nhiệt ở nhiệt độ cao 250-300oC.(Hình 
3, bảng 4) 
Science & Technology Development, Vol 13, No.K1 - 2010 
Trang 36 
Hình 3. Giãn đồ giãn dài và giãn nở nhiệt của hợp kim (Al+4,80%+0,57%Mn+0,325%Ti) mẫu M1, M2, M3 sau khi tôi 
và hóa già 6h ở 170oC 
Bảng 4. Hệ số giãn dài và hệ số giãn nở nhiệt của hợp kim Al+4,80%Cu+0.57%Mn + 0,325%Ti sau khi tôi 
và hóa già 6 giờ ở 1700C 
Dl/L0 (%) α x106/0C-1 Mẫu hợp kim 
100 200 300 100 200 300 
M1(0%Cd) 0,135 0,414 0,757 19,2 24,3 28,0 
M2 (0,154%Cd) 0,140 0,413 0,687 19,1 23,9 25,2 
M3 (0,265%Cd) 0,13 0,402 0,677 17,7 23,4 27,9 
Thảo luận 
a) Trong quá trình dịch chuyển khuyếch tán 
của các nguyên tử, nút trống có vai trò rất quan 
trọng. Như chúng ta đã biết, năng lượng tạo nút 
trống trong mạng lập phương diện tâm trong 
mạng là gần 0,8eV và nồng độ cân bằng của nút 
trống xác định theo công thức: 
/E KT
pn e
−=
E - năng lượng tạo nút trống. 
Như vậy, nồng độ cân bằng của nút trống 
phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, cụ thể ở nhôm như 
Bảng 5. 
Bảng 5. Nồng độ cân bằng của nút trống trong nhôm [1] 
Nhiệt độ (oC) 20 200 400 600 660 (rắn) 
Nồng độ nút trống 2.10-12 1.10-7 2,5.10-5 4,7.10-4 9,4.10-4 
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K1 - 2010 
Trang 37 
Trong hợp kim nhôm đồng (hàm lượng đồng 
trên 4%) thì nồng độ nút trống ở 550oC là trên 
8.10-3 [1] 
Nhiều công bố về hợp kim hóa thêm Cd vào 
một số hợp kim nhôm cho rằng Cd làm chậm sự 
di chuyển nút trống tới biên giới hạt [1]. Có lẽ 
chính điều này làm tăng quá trình tiết pha cũng 
như giảm vùng không tiết pha gần biên giới hạt 
vì nồng độ nút trống không cân bằng còn tồn tại 
sau tôi là không quá nhỏ nên có tác động tích cực 
đến quá trình hóa già. 
b) Cadimi là hoạt chất bề mặt, trong quá 
trình hóa già nó khuếch tán ra biên giới hạt và 
siêu hạt cũng như biên giới các pha được tiết ra 
nên làm giảm sức căng của vùng tiếp giáp này 
(Trong hợp kim Al+4%Cu, sức căng bề mặt trên 
biên giới pha θ’/α là 1530 erg/cm2 khi thêm 0,1% 
Cd thì giá trị này chỉ còn 250erg/cm2 [5]), nhờ đó 
giảm được công tạo mầm và tăng mật độ tiết pha 
cũng như kìm hãm quá trình kết tụ các pha hóa 
bền tiết ra trước đó. Điều này rất có ý nghĩa với 
hợp kim hóa già bền nóng vì nó làm chậm sự thải 
bền ở nhiệt độ cao. 
4. KẾT LUẬN 
 Đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của 
Cd đến hợp kim Al 4,8Cu 0,6Mn 0,2Ti với các 
kết quả sau: 
 1. Hợp kim hệ nhôm-đồng-mangan khi 
hợp kim hóa bổ sung Cadmi sẽ góp phần tăng 
bền hợp kim nhờ Cadmi làm tăng sai lệch mạng. 
 2. Cadmi không tham gia vào các pha hóa 
bền nhưng chúng có tác động đến sự hình thành 
cấu trúc nhỏ mịn phân tán đều trong quá trình hóa 
già sau khi tôi. 
 3. Lượng Cadmi lên từ 0,15% đến khoảng 
0,28% và không nên vượt quá 0,3% vì khi đó cơ 
tính giảm. 
 4. Ảnh hưởng của Cadmi đến cấu trúc và 
cơ tính của hợp kim cho thấy khả năng sử dụng 
Cadmi khi hợp kim hóa tổng hợp cùng với 
nguyên tố thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp đưa 
lại cho hợp kim đúc có độ bền không thua kém 
hợp kim nhôm biến dạng 
THE EFFECT OF CADMIUM ON ALUMIUM COPPER MANGAN ALLOY 
Nguyen Duy Thong(1), Nguyen Vinh Du(2) 
(1)University of Technology, VNU-HCM 
(2) Science and Techique Center (STC) 
ABSTRACT: This paper presents the effect of Cadium in Aluminium alloys on mechamical property and 
phase transformation in the alloys. The Aluminium 4,8Cu 0,6Mn 0,2Ti alloys that contain between 0,150 
and 0,288 Cadmium not only enhanced strength but also stabilizied physical – mechanical properties. These 
characteristics are particularly shown on high temperature conditions. Although Cadmium does not 
participate in the resistance phases of the alloys, it still can maintain and dispose the vacancies in Al – Cu – 
Mn alloys after tempering. That’s reason why Cadmium can control the precipitation of the resistance phase 
– CuAl2 -θ in the tempering process. 
Keywords: The effect of Cadmium on Aluminium Copper Mangan alloy. 
Science & Technology Development, Vol 13, No.K1 - 2010 
Trang 38 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. A.M.ЗAXAPOB. ПPOMЫШЛEHHЫE 
CПЛABЫ ЦBETHX METAЛЛOB - 
ФAЗOBЫЙ COCTAB И CTPYKTYPHЫE 
COCTABЛЯЮЩИE. MOCКBA 
“METAЛЛУPΓИЯ” (1980) 
[2]. Γ.Б.CTPOΓAHOB. BЫCOKOПPOЧHЫE 
ЛИTEHЫE AЛЮMИHИEBЫE CПЛABЫ. 
MOCКBA “METAЛЛУPΓИЯ” (1985) 
[3]. B.И.ДoбaTКИH. ПЛКABКA И ЛИTЬE 
AЛЮMИHИEBЫX CПЛABOB. 
MOCКBA “METAЛЛУPΓИЯ” (1983) 
[4]. I.J.Polmear. Light alloy. Arnold (1995) 
[5]. Nguyễn Khắc Xương. Vật liệu kim loại màu. 
Nhà xuất bản Khoa học & kỹ thuật (2003) 
[6]. Lê Công Dưỡng. Kỹ thuật phân tích cấu trúc 
bằng tia Rơnghen. Nhà xuất bản Khoa học 
& kỹ thuật (1984)