Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già đến tổ chức và cơ tính hợp kim CuAl9Fe4

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) JMST 
31 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN HÓA GIÀ 
ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH HỢP KIM CuAl9Fe4 
EFFECT OF TEMPERATURE AND AGING TIME ON MICROSTRUCTURE 
AND MECHANICAL PROPERTIES OF CuAl9Fe4 ALLOY 
VŨ ANH TUẤN1*, NGUYỄN HẢI YẾN1, PHẠM NGỌC VƯƠNG2, 
NGUYỄN DƯƠNG NAM3 
1Khoa Cơ sở Cơ bản, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
2Khoa Công trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
3Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
*Email liên hệ: anhtuan.cscb@vimaru.edu.vn 
1. Giới thiệu 
Brông nhôm là hợp kim của đồng với nhôm có 
hàm lượng chiếm từ 4-14%. Ngoài ra, trong hợp kim 
này còn được hợp kim hóa thêm Fe, Ni, Mn, Si để thay 
đổi các tính chất của hợp kim như tăng độ cứng, khả 
năng chống mài mòn cũng như hiệu ứng nhớ hình của 
hợp kim. Các tính chất của hợp kim chỉ được phát huy 
một cách hiệu quả khi được tiến hành xử lý nhiệt. 
Theo nghiên cứu của J. Labanowski và T. 
Olkowski người Ba Lan năm 2014 [1] 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 thái của pha κ - là những pha giàu sắt; đây 
là những pha sẽ ảnh hưởng đến độ bền; độ cứng của 
hợp kim nếu chúng ở dạng phân tán; trong khi nếu 
những pha này có sự kết tụ thành hình dạng lớn sẽ cải 
thiện tính dẻo. Pha κ này có 04 dạng tùy thuộc vào 
điều kiện khác từ cấu trúc dạng hoa hồng đến cấu trúc 
dạng hình cầu nhỏ mịn. 
Theo như nghiên cứu của W.S. Li và các cộng sự 
năm 2006 [2] cho thấy hợp kim đồng nhôm khi cho 
thêm Fe, Mn hay 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 của nhóm tác giả Trung Quốc phân 
tích tổ chức hợp kim sau khi xử lý nhiệt nếu có sự tồn 
tại của các pha γ2 và κ sẽ tăng được khả năng chống 
mài mòn của hệ hợp kim đặc biệt khi các pha này phân 
tán ở trong nền. 
Các kết quả nghiên cứu của J. Hájek và các cộng 
sự năm 2016 [3] đã trình bày các kết quả nghiên cứu 
về sự chuyển biến pha của hợp kim đồng nhôm khi 
làm nguội với các tốc độ khác nhau (quá trình tôi). 
Tóm tắt 
Bài báo này công bố những kết quả về ảnh hưởng 
của nhiệt độ và thời gian hóa già đến tổ chức và 
cơ tính của hợp kim CuAl9Fe4. Khi thay đổi nhiệt 
độ hóa già từ 250 đến 550oC và thời gian từ 01 
giờ đến 03 giờ cho thấy: Giá trị độ cứng tối ưu 
đạt được là 99,5HRB khi nhiệt độ hóa già là 
350oC trong 02 giờ và độ hụt khối là 0,1239g. 
Kết quả này hoàn toàn phù hợp khi sử dụng quy 
hoạch thực nghiệm để xác định điểm nhiệt độ và 
thời gian tối ưu. Những kết quả nghiên cứu về tổ 
chức cho thấy sau hóa già ở 350oC trong 02 giờ 
bao gồm nền là dung dịch rắn - pha α và các pha 
γ2, pha liên kim Fe3Al có kích thước nhỏ mịn 
phân tán trên nền - pha α. 
Từ khóa: Hợp kim CuAl9Fe4; hóa già, pha 
liên kim, độ cứng, độ hụt khối. 
Abstract 
This paper presents the effect of temperature and 
aging time on the microstructure and mechanical 
properties of CuAl9Fe4 alloy. When changing the 
aging temperature from 250 to 550oC and the 
aging time from 01 hour to 03 hours, the maximum 
hardness value reaches 99.5HRB after aging at 
350oC for 02 hours and the mass loss reaches 
0.1239g. This result is similar to the result of 
design of experiments (DoE). After aging at 350oC 
for 2 hours, the microstructure of the alloy 
includes of matrix is solid solution - α phase; 
fine γ2 and Fe3Al phases disperse in the α matrix 
- α phase. 
Keywords: CuAl9Fe4 Alloys, aging, 
intermetallic phase, hardness, mass loss. 
32 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) 
JMST 
Khi tốc độ nguội giảm hình thái của pha α cũng thay 
đổi cụ thể: tốc độ nguội giảm thì kích thước của pha α 
tăng lên. Trong các điều kiện làm nguội giảm dần thì 
tỷ lệ pha kappa từ I đến IV cũng tăng lên. 
Theo nghiên cứu của Mustafa Yasar, Yahya 
Altunpak [4] thì ảnh hưởng của Fe trong quá trình xử 
lý nhiệt hóa già đến cơ tính hợp kim Cu-Al-Fe như 
sau: Fe đóng vai trò làm nhỏ mịn hạt trong quá trình 
đông đặc, đồng thời tăng cơ tính. 
Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về hệ hợp 
kim CuAl9Fe4 tuy nhiên những nghiên cứu này chủ 
yếu tập trung vào các chuyển pha cũng như sự hình 
thành các pha liên kim trong hợp kim này mà chưa có 
những công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của quá 
trình hóa già nhiệt độ thấp đến tổ chức và cơ tính của 
hợp kim [5, 6,]. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả 
trình bày những kết quả nghiên cứu của mình về ảnh 
hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già ở nhiệt độ 
thấp (dưới nhiệt độ chuyển biến pha) đến độ cứng, độ 
hụt khối cũng như sự thay đổi về tổ chức của hợp kim 
nghiên cứu. 
2. Phương pháp thực nghiệm 
Hợp kim CuAl9Fe4 sử dụng nghiên cứu có thành 
phần như Bảng 1: 
Hợp kim sau đúc được tiến hành nâng nhiệt lên 
850oC trong 02 giờ sau đó làm nguội nhanh trong 
nước (tại nhiệt độ này theo giản đồ pha của Cu-Al-Fe 
cho thấy có hình thành pha β bên cạnh đó vẫn tồn tại 
một lượng pha α); tiếp tục được hóa già ở các nhiệt độ 
250, 350, 450 và 550oC trong khoảng thời gian thay 
đổi là 01, 02 và 03 giờ. 
Các mẫu sau hóa già được tiến hành đo độ cứng 
HRB; độ hụt khối và phân tích tổ chức tế vi. Khảo sát 
ảnh tổ chức tế vi hệ hợp kim Cu-Al-Fe, được thực hiện 
trên thiết bị hiển vi quang học Axiovert - 100A. Dung 
dịch tẩm thực sử là dung dịch HNO3 4%. Các mẫu thí 
nghiệm được chụp theo mặt cắt ngang của mẫu. Phân 
tích độ hụt khối được sử dụng trên máy thử mài mòn 
tribotech và sử dụng cân điện tử với độ chính xác đến 
10-4gram để xác định mức độ hụt khối. 
Ngoài ra, phân tích cấu trúc pha được xác định 
bằng các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, 
Hợp kim Al Fe Mn Ni Sn Zn Pb Si Cu 
CuAl9Fe4 9,200 3,900 0,100 0,145 0,278 0,961 0,217 0,208 Còn lại 
Bảng 1. Thành phần hợp kim CuAl9Fe4 
HRB Lần 1 Lần 2 Lần 3 Giá trị trung bình 
Sau tôi 86 87 86 86,33 
250 1 giờ 80 83 82 81,67 
250-2 giờ 85 84 85 84,67 
250-3 giờ 87 86 86 86,33 
350-1 giờ 90 88 89,5 89,17 
350-2 giờ 100 99 99,5 99,50 
350-3 giờ 97,5 98,5 99 98,33 
450-1 giờ 84 87 86 85,67 
450-2 giờ 88 89,5 89 88,83 
450-3 giờ 84 83 84 83,67 
550-1 giờ 79 79 78,5 78,83 
550-2 giờ 83 84 84 83,67 
550-3 giờ 73,5 72 73,5 73,00 
Bảng 2. Giá trị độ cứng tại các chế độ khác nhau 
33 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) JMST 
SEM-EDS và TEM. 
Kết quả phân tích độ cứng được xây dựng quy 
hoạch thành hàm số thể hiện sự thay đổi về độ cứng 
theo nhiệt độ và thời gian hóa già. 
3. Kết quả và bàn luận 
3.1. Phân tích sự thay đổi độ cứng của hợp 
kim sau hóa già 
Phân tích giá trị độ cứng tại các chế độ khác nhau 
nhận thấy: 
Sau khi đúc giá trị độ cứng của hợp kim cao hơn 
so với trạng thái tôi và hóa già ở 250oC 550oC trong 
02 giờ nhưng thấp hơn so với trạng thái hóa già ở 
350oC và 450oC. Điều này có thể được giải thích như 
sau: Quá trình chuyển biến pha của hệ hợp kim; sau 
đúc tổ chức bao gồm pha α và các pha liên kim nhưng 
ở trạng thái thô nên độ cứng cao hơn so với trạng thái 
tôi bao gồm các pha α và pha mactenxit β’. Sau khi 
hóa già, pha mactenxit phân hủy thành các pha α và 
các pha liên kim có kích thước nhỏ mịn phân tán ở nền 
là dung dịch rắn α. Do vậy, giá trị độ cứng của hợp 
kim tăng lên. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ hóa 
già thì các pha α phân rã có kích thước lớn lên do vậy 
giá trị độ cứng lại giảm đi. 
Kết quả phân tích độ cứng này sẽ được minh 
chứng một cách rõ ràng bởi phân tích tổ chức ở dưới: 
càng tăng nhiệt độ hóa già thì giá trị độ cứng càng 
giảm; điều này được giải thích là do lượng pha α tăng 
lên; số lượng pha nhiều hơn làm giảm độ cứng của 
hợp kim xuống. Đối với mẫu khi thay đổi thời gian 
hóa già cho thấy giá trị độ cứng tăng lên; điều này có 
thể giải thích do kích thước của pha liên kim tăng lên; 
hơn nữa pha γ2 tiết ra nhiều hơn làm tăng giá trị độ 
cứng của mẫu sau hóa già. 
Từ giá trị độ cứng tại các chế độ khác nhau bằng 
phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xác định được 
hàm phụ thuộc giữa giá trị độ cứng với nhiệt độ và thời 
gian. Hàm này được thể hiện ở phương trình (1): 
HRB94 = -6,6614+0.3945.T+27,3897.t -0.0005.T2 -
4,5287.t2-0,0213.T.t (1) 
Bảng 3. Bảng độ hụt khối của mẫu 
Chế độ Thời gian (giờ) Độ hụt khối (g) 
Sau đúc 0,8249 
Sau tôi 0,7984 
250 1 0,6555 
250 2 0,6343 
250 3 0,6088 
350 1 0,1664 
350 2 0,1239 
350 3 0,1436 
450 1 0,1863 
450 2 0,1909 
450 3 0,2459 
550 1 0,5395 
550 2 0,6021 
550 3 0,6342 
a) Biến thiên độ cứng thay đổi theo thời gian b) Biến thiên độ cứng thay đổi theo nhiệt độ 
Hình 1. Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim CuAl9Fe4 khi thời gian (a) và nhiệt độ hóa già (b) 
34 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) 
JMST 
HRB94: giá trị độ cứng của hợp kim phụ thuộc vào 
nhiệt độ và thời gian hóa già. 
Từ phương trình (1) thể hiện mối quan hệ giữa độ 
cứng phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian được xác 
định theo Hình 1a và 1b; và xác định được giá trị nhiệt 
độ và thời gian hóa già tối ưu là: 
Nhiệt độ: 347oC; 
Thời gian tối ưu là: 2,21 giờ. 
Kết quả về nhiệt độ ram và thời gian hóa già tối ưu 
cho thấy phù hợp với giá trị thực nghiệm mà bài báo 
đã tiến hành. Giá trị độ cứng tối ưu tính theo phương 
trình (1) đạt được là 92,2 HRB. 
3.2. Phân tích sự thay đổi độ hụt khối sau hóa già 
Phân tích kết quả độ hụt khối theo nhiệt độ và thời 
gian thực nghiệm cho thấy: 
Kết quả khi hóa già ở 350oC trong 02 giờ cho độ 
hụt khối là nhỏ nhất; có nghĩa là khả năng chống mài 
mòn của mẫu là lớn nhất. Điều này hoàn toàn phù hợp 
với những phân tích về tổ chức khi thay đổi nhiệt độ 
cũng như thay đổi về thời gian hóa già. 
Từ đây có thể thấy rằng: đối với hợp kim này khả 
năng chống mài mòn tốt nhất là nung ở 850oC giữ 
nhiệt trong 02 giờ rồi làm nguội nhanh trong nước; 
sau đó tiếp tục hóa già ở 350oC trong 02 giờ sẽ cho 
hiệu quả tốt nhất về tổ chức cũng như cơ tính của hợp 
kim này. 
3.2. Phân tích tổ chức tế vi 
Hình 2 đã chỉ ra tổ chức của hợp kim được thực 
hiện ở các chế độ khác nhau. 
Phân tích kết quả tổ chức của mẫu sau hóa già 
nhận thấy: 
Với cùng thời gian thực nghiệm giữ nhiệt khi hóa 
già là 02 giờ khi tăng nhiệt độ hóa già lượng pha α 
xuất hiện tăng lên; tương tự như vậy thì kích thước 
của các pha liên kim cũng tăng lên. Khi kích thước 
của các pha này tăng sẽ ảnh hưởng đến cơ tính của 
hợp kim đặc biệt là khả năng chống mài mòn. 
Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng phân hủy mactenxit 
trong hợp kim đồng cũng diễn ra mạnh mẽ hơn; điều 
này cũng là nguyên nhân để làm tăng mạnh mẽ kích 
thước của pha α. Cùng một thời gian nhiệt độ hóa già 
tăng thì sự phân hủy sẽ diễn ra nhanh hơn và nhiều hơn 
so với hóa già ở nhiệt độ thấp. 
Phân tích tổ chức tế vi của mẫu sau khi thay đổi 
nhiệt độ hóa già cho thấy: 
Khi hóa già trong 01 giờ thì hình thái tổ chức gần 
như không thay đổi so với mẫu sau tôi; điều này cho 
thấy với thời gian hóa già ngắn chưa đủ để làm thay 
đổi cấu trúc của pha này. 
Tiếp tục tăng thời gian hóa già lên 02 giờ thì bắt 
đầu có sự thay đổi về việc pha mactenxit được phân 
hủy ra tuy nhiên nếu tiếp tục tăng lên 03 giờ thì lượng 
pha α tiết ra nhiều hơn. Điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn 
đến tính chất của hợp kim này. 
Phân tích tổ chức pha ở 350oC trong 02 giờ cho 
thấy kết quả như sau: 
Hình 2. Tổ chức tế vi mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt 
Sau tôi ở 850oC trong nước Sau tôi + hóa già 350oC trong 02 giờ 
Sau tôi + hóa già 450oC trong 02 giờ 
Sau tôi + hóa già 550oC trong 02 giờ 
35 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) JMST 
Hình 4 trình bày kết quả X-ray của các mẫu hợp 
kim BCuAl9Fe4 được hóa già ở 350oC trong 02 giờ 
cho được kết quả như sau: 
Hình 4. Phân tích XRD mẫu sau hóa già 
Nhìn trên hình của hợp kim nhận thấy thông số d có 
sự thay đổi trong các giai đoạn, được thể hiẹn rõ khi các 
điểm peak bị lệch so với peak chuẩn có lúc nghiêng sang 
trái, lúc sang phải cho thấy sự biển đổi về cấu trúc, mạng 
tinh thể và sự tiết pha diễn ra trong các giai đoạn cụ thể: 
Ở mẫu hóa già ở 350ºC trong 02 giờ (Hình 4): pha 
β’ mactenxit (Cu3Al) phân hủy thành pha α và pha γ2 
ngoài ra có xuất hiện thêm các pha liên kim có kích 
thước nhỏ mịn được tiết ra mà ảnh quang học không 
nhìn thấy được. 
Ảnh SEM Hình 5 cho thấy: Kết quả SEM càng nhận 
định rõ ràng hơn sự hình thành pha (α + γ2) với sự tiết 
ra pha γ2 ở dạng nhỏ mịn, phân tán đều là do sự tiết ra 
Al, Fe tạo nên các pha Fe3Al trên nền và trên biên giới 
các tấm mactenxit. Quan sát ảnh SEM nhận thấy: Trong 
tổ chức của hợp kim có xuất hiện các pha có kích thước 
nhỏ hơn sẽ góp phần nâng cao khả năng chống mài mòn 
cho hệ hợp kim. Tuy nhiên, với phương pháp phân tích 
EDS rất khó để có được kết quả chính xác; điều này có 
thể chỉ có thể phân tích kỹ hơn bằng kỹ thuật phân tích 
hiển vi điện tử xuyên. 
Tiếp tục thực hiện các phân tích về ảnh hiển vi điện 
tử truyền qua đối với hợp kim CuAl9Fe4 sau khi tiến 
hành tôi và hóa già ở 350oC đã xác định được cấu trúc 
pha của hợp kim. 
Phân tích ảnh hiển vi điện tử truyền qua của mẫu 
sau khi xử lý nhiệt ở 350oC trong 02 giờ nhận thấy: 
Bằng kỹ thuật phân tích TEM và vi nhiễu xạ cho 
thấy cấu trúc của β’ (Hình 6a) với kích thước cỡ nano. 
Những tấm β’ này có cấu trúc khoảng 80nm; xen kẽ bên 
trong một tấm lớn của pha mactenxit là những tấm nhỏ 
với khoảng cách giữa hai tấm chỉ đạt gần 5nm. Ngoài 
ra trong tổ chức xuất hiện các pha liên kim loại với kích 
thước nano. Những hạt nano này đo được trên ảnh tổ 
chức chỉ có kích thước vào khoảng 4nm. Pha liên kim 
trong hợp kim này chủ yếu là pha Fe3Al. Những hạt này 
phân tán khá đều trên ảnh tổ chức. Điều này giúp làm 
thay đổi cơ tính của hợp kim. 
1 giờ 2 giờ 3 giờ 
Hình 3. Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ở 350oC các thời gian khác nhau 1, 2 và 3 giờ 
Nguyên tố % Khối lượng % Nguyên tố 
Cu 91,02 81,15 
Al 8,98 18,85 
 Hình 5. Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau hóa già ở 350°C 
36 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Số - 62 (04/2020) 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN: 1859-316X) 
JMST 
4. Kết luận 
Thông qua các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng 
của nhiệt độ và thời gian hóa già cho thấy giá trị tối ưu 
là hóa già ở 350oC trong 02 giờ đối với trường hợp khi 
nung lên 850oC giữ nhiệt trong 02 giờ rồi làm nguội 
nhanh trong nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy giá trị 
độ cứng; độ hụt khối đạt giá trị tối ưu. Ngoài ra, các 
phương pháp phân tích tổ chức đã chứng minh kết quả 
phân tích về cơ tính ở trên. Bằng phương pháp quy 
hoạch thực nghiệm bài báo cũng xác định được hàm số 
thể hiện mối quan hệ giữa độ cứng theo nhiệt độ và thời 
gian; từ đó xác định được giá trị tối ưu của theo lý 
thuyết tương ứng với giá trị thực nghiệm của hợp kim 
trong điều kiện nghiên cứu. Bằng các kỹ thuật phân tích 
hiện đại đặc biệt là phân tích TEM, bài báo đã chỉ ra 
được cấu trúc mactenxit của hợp kim nghiên cứu và các 
pha liên kim hình thành trong tổ chức. 
Công trình nghiên cứu là kết quả đề tài nghiên cứu 
khoa học cấp Trường năm học 2019-2020 với tên đề 
tài: “Nghiên cứu nâng cao khả năng chịu mài mòn của 
hợp kim Cu-Al bằng hợp kim hóa và xử lý nhiệt áp 
dụng cho lĩnh vực hàng hải”. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] J. Labanowski and T. Olkowski, “Effect of 
Microstructure on Mechanical Properties of 
BA1055 Bronze Castings,” Arch. FOUNDRY Eng., 
Vol. 14, No. 2, pp. 73-78, 2014. 
[2] W. S. Li, Z. P. Wang, Y. Lu, Y. H. Jin, L. H. Yuan, 
and F. Wang, “Mechanical and tribological 
properties of a novel aluminum bronze material 
for drawing dies,” Wear, vol. 261, no. 2, pp. 155-
163, 2006. 
[3] J. Hájek, A. Kíẑ, O. Chocholaty, and D. Pakua, 
“Effect of heat treatment on microstructural 
changes in aluminium bronze,” Arch. Metall. 
Mater., Vol. 61, No. 3, pp. 1271-1276, 2016. 
[4] Y. A. Mustafa Yasar, “The effect of aging heat 
treatment on the sliding wear behaviour of Cu - Al 
- Fe alloys,” Vol. 30, pp. 878-884, 2009. 
[5] F. Hasan, J. Iqbal, and N. Ridley, “Microstructure 
of as-cast aluminium bronze containing iron,” 
Mater. Sci. Technol., Vol. 1, No. 4, pp. 312-315, 
Apr. 1985. 
[6] M. Yaşar and Y. Altunpak, “The effect of aging 
heat treatment on the sliding wear behaviour of 
Cu-Al-Fe alloys,” Mater. Des., Vol. 30, No. 3, pp. 
878-884, 2009. 
a) b) 
Pha κI 
Hình 6. Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 350oC trong 02 giờ 
Ngày nhận bài: 07/01/2020 
Ngày nhận bản sửa: 30/01/2020 
Ngày duyệt đăng: 13/02/2020