Xem mẫu
- Chương 8
KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU
Kim loại màu và hợp kim màu là một cách gọi của nhóm các vật liệu kim loại và hợp
kim không phải trên cơ sở sắt do Liên Xô cũ và một số nước XHCN xưa kia sử dụng, còn
các nước phương Tây không dùng cách phân loại này.
Chủng loại các kim loại màu rất đa dạng và phạm vi sử dụng của chúng cũng rất
khác nhau. Chương này chỉ đề cập đến nhưng kim loại và hợp kim chủ yếu, được sử
dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực kinh tế và đời sống như đồng,
nhôm, magie, titan, một số kim loại dễ nóng chảy, khó nóng chảy và các hơp kim của
chúng.
8.1 ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG.
8.1.1 Tổng quan
Đồng và hợp kim của đồng là loại vật liệu có những tính chất rất quí như độ dẻo
cao, có khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều mơi trường và đặc biệt là có độ dẫn điện,
dẫn nhiệt rất cao nên được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rất rộng rãi.
Có rất nhiều cách phân loại hợp kim đồng.
− Theo tính chất và công dụng, người ta chia các hợp kim đồng thành các nhóm như
các hợp kim đồng đúc, các hợp kim đồng biến dạng, các hợp kim đồng hóa bền
được bằng nhiệt luyện và các hợp kim đồng không hóa bền được bằng nhiệt
luyện.
− Theo thành phần hóa học người ta chia hợp kim đồng thành hai nhóm là các hợp
kim của đồng với kẽm có tên gọi là latông (còn được gọi là đồng thau) và các hợp
kim của đồng với các nguyên tố khác kẽm như thiếc, nhôm, chì v.v. có tên gọi là
brông (còn được gọi là đồng thanh).
8.1.2 Đồng đỏ.
Đồng đỏ là tên gọi của đồng nguyên chất có lẽ do nó có màu đỏ.
Đồng là một nguyên tố kim loại điển hình có tính dẫn điện và dẫn nhiệt rất cao chỉ
sau bạc. Với kiểu mạng lập phương điện tâm với thông số mạng a = 0,3608nm, đồng rất
dẻo nên dễ biến dạng ở cả trạng thái nóng và nguội (có thể dát mỏng đồng thành những
tấm có chiều dày 0,05mm và có thể chế tạo được những sợi dây mảnh), ngòai ra đồng còn
dễ đánh bóng và dễ hàn. Tuy nhiên sau khi bị biến dạng dẻo, đồng lại bị hóa bền rất
mạnh. Đồng được đặc trưng bằng tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt (sau bạc), có tính ổn
định chống ăn mòn rất tốt trong các mơi trường nước ngọt, nước biển, không khí hay
trong kiềm và axít hữu cơ.
Đồng nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy 10830C, độ bền thấp σ b=160N/mm2 nên ít
được sử dụng. Đồng nguyên chất sau khi luyện được phân theo độ tinh khiết. Bảng 8.1
129
- giới thiệu một số loại đồng đỏ thường gặp và công dụng của chúng theo tiêu chuẩn của
Việt Nam.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659 -75, đồng đỏ được ký hiệu bằng chữ Cu và
sau đó là con số chỉ lượng phần trăm của đồng. Từ các ký hiệu này ta thấy ngồi đồng ra,
trong đồng đỏ còn có các tạp chất. Tạp chất của đồng gồm các chất hoà tan như Be, Fe,
Si, Al, Zn, Ni; các chất không tan như Bi, Pb và các chất khí như ôxy, hyđrô.
Bảng 8.1 Một số loại đồng đỏ thường gặp.
Mác Thành phần Cu Phạm vi sử dụng
đồng (không ít hơn %)
đỏ
Cu99,99 99,99 Làm dây dẫn điện.
Cu99,97 99,97 Làm dây dẫn điện hoặc chế tạo hợp kim chất lượng cao.
Cu99,95 99,95 Làm dây dẫn điện hoặc chế tạo hợp kim chất lượng cao.
Cu99,90 99,90 Làm dây dẫn điện hoặc chế tạo brông không thiếc.
8.1.3 Latông.
Latông là hợp kim của đồng với một số nguyên tố hợp kim khác như chì, kẽm, nhôm,
mangan, sắt và nikel, trong đó kẽm là nguyên tố hợp kim chính với hàm lượng dao động
trong khoảng 5 – 45% (vượt quá giới hạn này có tính dòn cao). Khi tăng dần hàm lượng
kẽm, làm giảm giá thành latông, cải thiện khả năng gia công cắt gọt và tăng khả năng
chống mài mịn. Cùng với điều này, độ dẫn điện và dẫn nhiệt của latông bị giảm, chỉ còn
khỏang 20 – 50% so với đồng nguyên chất.
Latông với hàm lượng 90%Cu và nhiều hơn được gọi là tompac, còn với 80 - 85%
đươc gọi là nửa tompac (theo tài liệu Nga).
Có nhiều cách phân loại latông.
Theo đặc điểm tổ chức ở nhiệt độ thường, latông được chia làm hai loại:
− Latông một pha.
− Latông hai pha.
Latông một pha có hàm lượng kẽm trong khoảng 5-35% với tổ chức là pha α, một
dung dịch rắn thay thế của kẽm trong đồng có kiểu mạng lập phương thể tâm rất dẻo. Độ
dẻo và độ bền của latông cùng tăng với hàm lượng kẽm. Độ dẻo đạt cực đại tại 30-32%
kẽm, sau đó lại giảm đi rất nhanh. Latông một pha có màu sắc đẹp, dẻo, dễ biến dạng, dễ
hàn và mạ tốt, giá thành lại rẻ hơn so với đồng đỏ nên được dùng nhiều nhất trong các
loại hợp kim đồng. Tổ chức tế vi của latông một pha được trình bày trên hình 8.1.
Hình 8.1 Tổ chức tế vi của latông một pha (Phần màu tối là β , màu sáng làα).
130
- Latông hai pha có hàm lượng kẽm trên 35% cứng hơn và ít dẻo hơn latông một pha.
Tổ chức của nó gồm hai pha là pha α đã nói trên và pha β’ khá dòn. Chính vì thế mà khả
năng biến dạng nguội của latông hai pha rất kém. Tổ chức tế vi của latông hai pha được
trình bày trên hình 8.2.
Hình 8.2 Tổ chức tế vi của latông hai pha (Phần màu tối là β , màu sáng là α).
Theo tiêu chuẩn Việt Nam latông được ký hiệu bằng chữ L rồi đến các chữ Cu, Zn
và các nguyên tố khác nếu có. Các con số đứng sau mỗi chữ cho chúng ta biết hàm lượng
phần trăm của mỗi nguyên tố đó trong hợp kim latông. Hàm lượng đồng là số dư của
100% trừ đi hàm lượng các nguyên tố có mặt trong latông.
Thí dụ: LCuZn29Sn1Pb3 là mác latông với 29% kẽm, 1% thiếc và 3% chì còn lại
67% là đồng.
Bảng 8.2 trình bày cơ tính một số latông thông dụng.
Bảng 8.2 Cơ tính của một số latông thông dụng.
Cơ tính
Trạng
Mác latông
thái
σ b (Mpa) σ 0,2(Mpa) δ (%)
LCuZn30 Ủ 303 110 66
LCuZn40 Ủ 375 120 45
LCuZn29Sn1* Ủ 400 175 45
LCuZn38Al1Fe Ủ 380 - 50
LCuZn29Sn1Pb3 Đúc 234 83 35
LCuZn27Ni18* Ủ 420 190 40
Ghi chú:
* Latông này rất thông dụng trong ngành tầu biển nên còn có tên gọi là latông hải
quân.
** Những hợp kim đồng chứa 17-27%Zn, 8-18%Ni được gọi là mayxo, chúng rất
dẻo, màu sắc đẹp, chống ăn mòn tốt, được dùng nhiều trong quang học, đồ dùng
chính xác, trang trì và cả trong công nghiệp đồng hồ. Mayxo có độ dẫn điện nhỏ
nên còn được dùng làm dây điện trở.
Khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn như dung dịch điện ly, khí chứa NH 3 v.v., latông
với hàm lượng kẽm trên 20% thường bị nứt hoặc thoát kẽm.
Để khắc phục hiện tượng nứt này, người ta thường ủ lâu latông ở 270-3000C để khử
hòa toàn ứng suất dư, nguyên nhân gây ra sự ăn mòn nứt khi có môi trường hoạt tính.
131
- Để tránh thoát kẽm, người ta thực hiện hợp kim hoá latông như cho thêm nguyên tố
0,04%As.
Để hợp kim hoá latông người ta dùng các nguyên tố chì, nhôm, sắt, nikel, thiếc và
silíc. Những nguyên tố này nâng cao khả năng chống ăn mòn của latông, vì thế latông hợp
kim được dùng rộng rãi trong ngành đóng tầu sông, tầu biển như các ống ngưng tụ, ống
điều áp và các chi tiết khác. Riêng latông pha thiếc được gọi là “latông của biển”.
Nhôm nâng cao độ bền và độ cứng cho latông. Trong thực tế thường dùng latông có
tới 4% nhôm, chúng có tổ chức một pha, chịu gia công áp lực tốt. Latông nhôm có thêm
nikel, sắt, mangan va silíc có độ hoà tan thay đổi trong dung dịch rắn cho phép hóa bền
latông bằng tơi và hoá già. Giới hạn bền sau khi gia công như vậy đạt tới 700MPa. Độ
dẻo tốt ở trạng thái biến cứng nguội cho phép hóa bền bổ sung hợp kim bằng biến dạng
dẻo trước khi hoá già.Gia công theo sơ đồ “tôi + biến dạng dẻo + hoá già” bảo đảm nâng
cao giới hạn bền đến 1.000MPa.
Silíc cải thiện tính chảy lõang, tính hàn và khả năng biến dạng nóng và nguội của
latông. Latông silíc được đặc trưng bởi độ bền, độ dẻo, độ dai cao không chỉ ở nhiệt độ
thường 20 – 250C mà cả ở nhiệt độ rất thấp dưới không (- 1830C). Khi hợp kim hoá latông
để nhận được tổ chức một pha, lượng silíc cho vào không lớn (3%). Những latông này
dùng để chế tạo các phụ tùng, chi tiết của dụng cụ đo, đóng tầu và chế tạo máy nói
chung.
Nikel nâng cao độ hoà tan của kẽm trong đồng và cải thiện cơ tính của latông.
Latông nikel có tính gia công áp lực tốt ở cả trạng thái nóng và nguội.
8.1.4 Brông.
Brông là hợp kim của đồng với thiếc hoặc với các nguyên tố khác như nhôm, chì v.v,
trừ kẽm. Có thể nói trừ latông ra, các hợp kim của đồng đều là brông.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam brông được ký hiệu bằng chữ B rồi đến các chữ Cu, Sn
và các nguyên tố khác nếu có. Các con số đứng sau mỗi chữ cho chúng ta biết hàm lượng
phần trăm của mỗi nguyên tố đó trong hợp kim brông. Hàm lượng đồng là số dư của
100% trừ đi hàm lượng các nguyên tố có mặt trong brông. Thí dụ ký hiệu
BCuSn4Zn4Pb2,5 biểu thị hợp kim đồng brông với các nguyên tố trung bình gồm 4%Sn,
4%Zn, 2,5%Pb còn lại khỏang 89,5% là đồng.
Có rất nhiều brông, nhưng thông dụng nhất là brông thiếc, brông chì, brông nhôm,
đồng đen và babít.
Tổ chức tế vi của brông được trình bày trên hình 8.3.
Hình 8.3 Tổ chức tế vi của brông.
a) Brông biến dạng một pha với 5%Sn sau khi ủ kết tinh lại.
b) Brông đúc hai pha với 10%Sn.
Brông thiếc.
Brông thiếc là hợp kim của đồng với nguyên tố hợp kim chính là thiếc. Các brông
thiếc được dùng trong công nghiệp thường chứa không nhiều hơn 16%Sn.
132
- Với hàm lượng thiếc tăng dần trong hợp kim xuất hiện những tổ chức như sau đây:
Ở nhiệt độ thường với ít hơn 8%Sn sau khi ủ brông thiếc có tổ chức một pha là α
đồng nhất. Pha này là dung dịch rắn thay thế của kẽm trong đồng với kiểu mạng lập
phương diện tâm khá dẻo, chịu biến dạng tốt.
Khi hàm lượng thiếc vượt quá 8% (nhất là khi nhiều hơn 10%) tổ chức của hợp kim
sẽ không còn đồng nhất một pha nữ mà có thêm pha khác là các hợp chất điện tử, có độ
cứng cao nhưng dòn.
Trong brông nhôm có thêm phốt pho (thường dưới 1%), kẽm và chì.
Brông thiếc nói chung có độ bền và tính chống ăn mòn cao hơn latông; chúng được
dùng để chế tạo công tắc điện, ống thổi, màng ngăn, đóa ly hợp, lò xo, bánh răng và đôi
khi còn được dùng làm bạc lót (ổ trục).
Brông nhôm.
Brông nhôm là hợp kim của đồng với nguyên tố hợp kim chính là nhôm. Các brông
nhôm được dùng thường chứa khoảng 5-10% nhôm. Loại brông này có độ bền cao, tính
chống mài mịn, tính chống ăn mòn tốt và có thể nhiệt luyện. Thường người ta hợp kim
hoá brông nhôm bằng sắt và nikel để nâng cao độ bền nóng, cải thiện thêm tính chống ăn
mòn.
Brông chì.
Chì hầu như không tan trong đồng nên phải bằng cách công nghệ thích hợp người ta
tạo nên sự phân bố đồng đều các phần tử chì mềm xen kẽ với pha đồng rắn. Khi làm việc
trong cặp ma sát, chì mịn trước tạo ra các rãnh chứa dầu bơi trơn và bản thân chì có thể
trở thành cghất bơi trơn khi rtạo thành các màng mỏng bao quanh ngõng trục nên brông chì
thích hợp cho các ổ trượt.
Để tăng độ cứng và khả năng chống mài mịn của brông chì người ta hợp kim hoá
thêm Ag, Sn và Ni.
Các brông thông dụng được cho trong bảng 8.3.
Bảng 8.3 Các brông thông dụng.
Cơ tính
Mác Trạng Phạm vi
brông thái ứng dụng
σ b (Mpa) σ 0,2 (Mpa) δ (%)
BCuSn5P0,15 Ủ 324 131 64 Ống dẫn khí, tay hàn,v.v.
BCuSn5Zn5Pb5 Đúc 255 120 30 Khớp ma sát, vịi nước, bơm,...
BCuAl5 Đúc 380 65 Ống, tấm, tiến xu, v.v.
BCuAl9Fe4 Đúc 550 185 35 Van, bơm, bánh răng, gối đỡ,..
BCuPb30 Ủ 500 210 48 Ổ trượt
BCuBe2 Tôi hoá già 1420 1260 2 Lò xo, màng đàn hồi, v.v.
Đồng đen.
133
- Đồng đen là hợp kim của đồng và thiếc hoặc của đồng và chì, nhôm, silíc v.v. có màu
đen bóng.
Đồng đen có tính chống ăn mòn, chống mài mịn cao, có tính công nghệ tốt (có loại
dùng để đúc và có loại đồng đen được dùng để gia công bằng áp lực, dễ gia công bằng cắt
gọt.
Đồng đen được dùng rộng rãi để làm ổ trượt, mặt trượt, bánh vít, trục vít dùng trong
các thiết bị chứa nước, hơi nước và dầu mỡ. Nĩ là loại vật liệu chống ma sát rất quan
trọng.
Babít.
Babít là hợp kim của thiếc (Sn), chì (Pb), ăngtimoa (Sb) và đồng (Cu) v.v. Hợp kim
đầu tiên của loại này do Bêbít người Anh tìm ra năm 1832 có thành phần gồm 92%Sn,
4,5%Sb và 3,5%Cu không khác nhiều so với các loại babít thiếc ngày nay đang được thịnh
hành.
Babít là hợp kim rất mềm dẻo lại có hệ số ma sát thấp, giữ dầu tốt nên thường
được dùng làm ổ trượt chất lượng cao dùng trong các tuốc bin hơi, máy nén kiểu tuốc bin,
động cơ điêzen, bộ truyền chân vịt tầu thủy v.v.
Nhược điểm lớn nhất của babít là không chịu được áp suất và nhiệt độ cao đồng
thời thiếc càng ngày càng đặt làm giá thành ngày càng cao. Ngoài ra babít có tính chống ma
sát vượt xa các hợp kim khác nhưng lại thua chúng về tính chống mỏi. Chính vì lý do này
babít chỉ được dùng dưới dạng các lớp phủ mỏng (nhỏ hơn 1mm) trên bề mặt làm việc
của ổ trượt do chứa nhiều thiếc đắt tiền nên chúng chỉ được dùng để làm các ổ trượt quan
trọng như động cơ diezel, tuốc bin khí, v.v làm việc với tốc độ lớn.
Tổ chức tế vi điển hình của babít được trình bày trên hình 8.4 gồm dung dịch rắn
antimon trong thiếc (pha mềm, nền sẫm) và các phân tử rắn β’(SnSb) và Cu3Sn.
Hình 8.4 Tổ chức tế vi của babít B83 (x300).
Ngày nay người ta dùng babít chì hay babít chì thiếc để thay thế cho babít thiếc vì
chúng rẻ hơn.
8.2 NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM.
8.2.1Nhôm sạch kỹ thuật.
Nhôm là kim lọai nhẹ, có màu sáng bạc, dẻo, có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao (sau
bạc và đồng). Khi bị nung nóng nhôm không có sự biến đổi thù hình do nó chỉ có một kiểu
mạng tinh thể là lập phương diện tâm với thông số mạng là a=4,04A0.
Nếu nói về tính chống ăn mòn thì nhôm có tính chất rất đặc biệt. Bản thân nhôm là
nguyên tố rất hoạt động, nó có ái lực rất mạnh với ôxy nên trong điều kiện khí quyển nó
nhanh chóng tác dụng với ôxy để tạo nên lớp ơxýt nhôm Al 2O3. Tuy nhiên, một điều lý thú
là ơxýt nhôm rất xít chặt, có độ cứng và nhiệt độ nóng chảy rất cao bám chặt vào bề mặt
134
- của nhôm tạo nên một lớp bảo vệ ngăn cách nhôm nguyên chất với môi trường khí, do đó
làm dừng quá trình ôxy hóa vào sâu bên trong vì thế nó trở nên có tính chống ăn mòn tốt.
Các tạp chất thường xuyên ở trong nhôm là Fe, Si, Cu, Zn, Ti. Các tạp chất này
làm cho độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ dẻo, tính chống ăn mòn cũng như mật độ thấp của
nhôm thay đổi đi. Tăng hàm lượng tạp chất và biến dạng dẻo nâng cao được độ bền và độ
cứng của nhôm.
Do nhôm có độ bền thấp nên người ta thường dùng nhôm để chế tạo ra các chi tiết
và phần tử kết cấu không chịu tải mà chỉ đòi hỏi ở vật liệu có tính nhẹ, tính hàn và tính
dẻo. Thí dụ, từ nhôm người ta sản xuất ra các khung, cánh cửa, ống dẫn, lá nhôm mỏng,
xitéc chuyên chở dầu và các sản phẩm từ dầu, các thùng chứa, v.v.
Nhôm có khả năng phản xạ cao nên được dùng cho các đèn chiếu, các tấm phản
xạ, màn hình của máy thu hình. Nhôm chịu gia công áp lực tốt, hàn khí và hàn tiếp xúc
nhưng tính cắt gọt của nhôm lại kém. Ngòai ra, độ co ngót khi kết tinh của nhôm rất lớn
(6%) nên sự điền đầy khuôn kém làm tính đúc của nhôm không cao. Tuy nhiên, nhiệt độ
nóng chảy thấp và nhiệt dung cao làm cho nhôm có khả năng nguội chậm từ trạng thái
lỏng. Điều này cho phép cải thiện thỏi nhôm đúc và các hợp kim của nó bằng cách biến
tính, tinh luyện và các thao tác công nghệ khác.
Nhờ có tính dẫn nhiệt cao, nhôm thường được dùng để chế tạo các thiết bị trao
đổi nhiệt khác nhau trong các máy làm lạnh công nghiệp và tủ lạnh gia đình. Nhôm có tính
dẫn điện tốt lại có khối lượng riêng nhỏ (2,7G/cm 3) nên còn được dùng làm dây dẫn. Để
có một dây dẫn có độ dẫn điện nhất định nếu dùng nhôm sẽ giảm được trọng lượng dây
dẫn khỏang 1,63 lần so với dùng đồng.
Theo tiêu chuẩn việt Nam TCVN nhôm sạch kỹ thuật được ký hiệu bằng chữ Al
và sau đó là con số chỉ hàm lượng nhôm nguyên chất, số dư còn lại là tạp chất. Thí dụ
Al99,60 là ký hiệu của nhôm sạch kỹ thuật với 99,60% là nhôm, còn lại 0,40% là tạp chất.
Tuy nhiên, trong thực tế nhôm được dùng phổ biến dưới dạng hợp kim.
8.2.2Hợp kim nhôm.
8.2.2.1 Đặc trưng chung và phân lọai các hợp kim nhôm.
Một trong những ưu điểm của hợp kim nhôm là có độ bền riêng (σ/γ ) cao, khả
năng chống tải trọng quán tính và động, tính công nghệ tốt. Độ bền của hợp kim nhôm đạt
500 – 700MPa với mật độ không lớn hơn 2850kg/m3. Theo độ bền riêng, một số hợp kim
nhôm có σ b/(ρg) = 23km, gần bằng hay tương đương với thép có độ bền cao có σ b/(ρg) =
27km.
Phần lớn hợp kim nhôm có tính chống ăn mòn tốt (trừ các hợp kim với đồng), độ
dẫn điện và dẫn nhiệt cao, tính công nghệ tốt như chịu gia công bằng áp lực, hàn điểm và
đặc biệt hàn bằng các phương pháp nóng chảy, và gia công cắt gọt tốt. Các hợp kim nhôm
có độ bền cao hơn, có tính chịu ăn mòn tốt hơn hợp kim manhê. So với nhiều chất dẻo,
hợp kim nhôm có tính ổn định hơn và có độ bền cao hơn.
135
- Hình 8.5 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến nhiệt độ kết tinh lại của nhôm.
Các nguyên tố hợp kim chủ yếu của nhôm là Cu, Mg, Si, Mn, và Zn. Các nguyên tố
hợp kim ít phổ biến hơn trong hợp kim nhôm gồm Li, Ni, và Ti. Nhiều nguyên tố hợp kim
tạo với nhôm các dung dịch rắn có độ hoà tan thay đổi, có hạn và các pha trung gian như
CuAl2, Mg2Si, v.v.
Các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là các nguyên tố kim lọai chuyển tiếp, nâng cao
nhiệt độ kết tinh lại của nhôm (hình 8.5).
Khi kết tinh chúng tạo thành với nhôm các dung dịch rắn. Trong quá trình đồng đều
và gia công áp lực nóng xảy ra sự phân hủy các dung dịch rắn với việc tạo thành các hạt
pha liên kim lọai nhỏ mịn phân tán. Các hạt này cản trở quá trình kết tinh lại và hóa bền
hợp kim. Hiện tượng này được gọi là hóa bền tổ chức và được dùng cho các bán thành
phẩm ép – hiệu ứng ép. Chính vì nguyên nhân này một số hợp kim nhôm có nhiệt độ kết
tinh lại cao hơn nhiệt độ tôi. Để lọai bỏ ứng suất dư trong các chi tiết, bán thành phẩm bị
biến cứng thu được từ gia công bằng áp lực nguội cũng như trong các vật đúc định hình
người ta tiến hành ủ thấp trong khỏang nhiệt độ 150 – 3000C.
Có thể nói hợp kim nhôm là vật liệu chủ lực của ngành hàng không và ngày càng
chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp giao thông vận tải, kỹ thuật xây dựng dân dụng.
Có nhiều cách phân lọai hợp kim nhôm, trong đó cách phân lọai theo tính chất công
nghệ được nhiều nước như Nga, Mỹ, Trung Quơc, Việt Nam, v.v. áp dụng. Theo cách
này, hợp kim nhôm được chia làm hai lọai lớn là hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến
dạng.
Hình 8.6 trình bày cách phân lọai hợp kim nhôm theo cách này. Hợp kim nhôm biến
dạng nằm bên trái điểm b, còn hợp kim nhôm đúc nằm bên phải điểm b. Trong hợp kim
biến dạng người ta lại chia ra hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện
(nằm bên phải điểm a) và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện
(nằm bên trái điểm a).
136
- Hình 8.6 Sơ đồ phân lọai hợp kim nhôm.
Ký hiệu và trạng thái gia công của hợp kim nhôm của từng quốc gia rất khác nhau,
theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN1859-75, hợp kim nhôm được ký hiệu bằng hệ thống chữ
và số. Chữ Al đặt đầu tiên chỉ hợp kim nhôm, ký hiệu hoá học tiếp theo chỉ nguyên tố hợp
kim chính rồ đến nguyên tố hợp kim phụ. Số đứng sau mỗi ký hiệu hoá học chỉ hàm
lượng phần trăm của chúng và nếu sau cùng có chữ Đ chỉ rằng đó là hợp kim nhôm đúc
còn nếu không có chữ Đ chỉ rằng đó là hợp kim nhôm biến dạng.
Ví dụ ký hiệu AlSi5,5Cu4,5Đ là hợp kim nhôm đúc có 5,5%Si; 4,5%Cu, còn lại là
nhôm 90%.
Ký hiệu AlCu4,4Mg1,5Mn0,6 cho biết đây là hợp kim nhôm biến dạng có chứa
4,4% Cu; 1,5%Mg và 0,6%Mn.
8.2.2.2 Hợp kim nhôm biến dạng.
Hợp kim nhôm biến dạng được sản xuất ra bằng các phương pháp biến dạng như
cán, ép, kéo, vuốt, v.v ở dạng sợi, thanh, tấm và lá. Trong nhĩm này người ta lại chia thành
hai lọai là hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm
biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện.
Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện.
Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện là lọai hợp kim
nhôm nói chung chỉ được hợp kim hoá bởi một hoặc hai nguyên tố hợp kim và với hàm
lượng nhỏ (Khỏang 0,12%Cu, 1,2%Mn, ≤ 2,5%Mg), có tổ chức một pha là dung dịch rắn
và chỉ có thể hóa bền bằng phương pháp biến dạng.
Thuộc nhóm này gồm có hợp kim nhôm hệ Al-Mn và hợp kim nhôm hệ Al-Mg.
Các hợp kim nhôm Al-Mn chịu gia công biến dạng nóng và nguội tốt, có tính hàn và
chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn nhôm sạch kỹ thuật. Vì thế chúng được dùng rộng
rãi thay thế nhôm sạch kỹ thuật khi có yêu cầu cao hơn về cơ tính.
Các hợp kim nhôm nhĩm Al-Mg thuộc một trong những họ hợp kim nhẹ nhất, có
tính hàn tốt, ổn định chống ăn mòn khí quyển, bề mặt sau gia công đẹp, khả năng giảm
chấn khá mạnh và có giới hạn bền mỏi tưông đối lớn. Chúng được dùng rộng rãi, đặc
biệt trong công nghiệp chế tạo ơ tơ và xây dựng công trình.
Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện.
137
- Đây là nhĩm hợp kim có thể tăng độ bền chủ yếu bằng phương pháp nhiệt luyện
tơi và hoá già. Chúng là nhĩm vật liệu kết cấu quan trọng, ngày càng được nghiên cứu và
phát triển mạnh.
Thuộc nhĩm này gồm có các hợp kim hệ Al-Cu và Al-Cu-Mg, hợp kim hệ Al-Mg-
Si, hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu, và hợp kim hệ Al-Li.
Hợp kim hệ Al-Cu và Al-Cu-Mg được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công
nghiệp sớm nhất. Sau biến dạng, tơi và hoá già, chúng có hiệu ứng hóa bền rất cao. Trong
thực tế chúng còn có tên gọi là Duyra.
Nếu đảm bảo chế độ tơi và hoá già như nhau, tăng hàm lượng Cu và Mg một cách
hợp lý sẽ tăng hiệu quả hóa bền. Khi thay đổi hàm lượng Cu và Mg theo hướng tăng tỉ lệ
Mg/Cu độ bền nóng của hợp kim cũng tăng lên và có thể giữ được độ bền tưông đối cao
đến khỏang nhiệt độ 200-2500C. Ví dụ hợo kim AlCu2,3Mg1,6NiFeTi có chứa 2,3%Cu;
1,6%Mg; 1,0%Ni; 1,1%Fe; 0,18%Si và 0,07%Ti có khả năng duy trì cơ tính khá cao, đến
tận 2300C.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của duya. Chúng có thể tạo ra
các pha dạng Cu2FeAl7 vừa gây ra tính giịn cho hợp kim do kết tinh ở dạng thơ và to đồng
thời vừa làm giảm hiệu quả nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng kể cầnthiết
để tạo pha hóa bền. Trong thực tế người ta cố gắng giảm thấp hàm lượng các tạp chất
này.
Nhược điểm chung của các hợp kim trên cơ sở Al-Cu và Al-Cu-Mg là khả năng
chống ăn mòn kém và khĩ hàn. Tuy nhiên, Duyra cũng như các hợp kim chịu nóng nêu trên
được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực , đặc biệt trong ngành hàng không. [
Hợp kim hệ Al-Mg-Si so với các hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt
luyện khác có tính thuộc lọai trung bình nhưng ítnh hàn và gia công áp lực nóng thì trội hơn
hẳn. Chúng lại rất ổn định chống ăn mòn trong khí quyển và không nhạy cảm với ăn mòn
ứng suất. HơÏp kim hệ này thường được dùng để chế tạo các chi tiết chịu hàn, các cấu
kiện tầu thủy với nhiệt độ làm việc không vượt quá 1500C.
Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu chứa nhỏ hơn 8% tổng hàm lượng kẽm và
manhê có tỉ số nồng độ kẽ so với manhê nằm trong khỏang từ 0,77 đến 4 là các hợp kim
nhôm hàn có độ bền mối hàn so với các vùng lân cận không chênh lệch nhau và hầu như
bằng độ bền của hợp kim cơ sở. Ngoài ra chúng có khỏang kết tinh rộng (350-5000C), tốc
độ tôi tới hạn nhỏ (có thể làm nguội khi tôi trong không khí), độ bền sau hoá già tương
đối cao. Nhược điểm chính của hệ này là xu hướng nhạy cảm ăn mòn dưới ứng suất khi
nâng nhiệt độ quá 1200C.
Lĩnh vực ứng dụng của hệ hợp kim này ngày càng được mở rộng đặc biệt trong
hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao, v.v. Cơ tính một số hợp kim nhôm biến
dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện được giới thiệu trong bảng 8.4.
Bảng 8.4 Cơ tính một số hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện.
Cơ tính
Trạn
Ký hiệu theo TCVN Lĩnh vực ứng dụng chính
g thái σ 0,2 σb ψ
MPa MPa %
AlCu4,5Mg0,5MnSi 0 100 200 20 Hàng không, ô tô, v.v.
AlCu4,5Mg1,5Mn0,5 0 100 200 20 Kết cấu hàng không, khung ốc
138
- vít, hàng thể thao, v.v.
Kết cấu chi tiết có nihệt độ
AlCu6,5Mn0,5Ti T6 280(1) 410(1) 12(1) làm việc từ – 2500C đến
+3000C.
Chi tiết chịu hàn kết cấu tầu
AlMgSi1,5Mn 0 70 145 20
thủy.
AlZn4,5Mg2,5CrMnZ Vật liệu cho vận tải bộ và
0 85 200 20
n đường sắt, sản phẩm kéo sợi.
AlZn5,5Mg2,5Cu1,5Cr 0 105 230 17 Hàng không, quân khí, v.v.
Ghi chú:
T4: Tôi, hoá già tự nhiên đến ổn định.
T6: Tôi, hoá già nhân tạo.
0: Ủ và kết tinh lại.
(1)
: Đo ở 1800C.
8.2.2.3 Hợp kim nhôm đúc.
Hợp kim nhôm đúc có thành phần chủ yếu gồm các nguyên tố Si (5-12%), Mg (0,3-
1,0%), Cu (1-4%) đôi khi được bổ sung thêm một lượng nhất định Zn và Ti, v.v., chúng có
tính đúc tốt, dùng để chế tạo ra các sản phẩm bằng phương pháp đúc. Các hợp kim nhôm
đúc được phân lọai phổ biến nhất theo thành phần hoá học như hệ Al-si, Al-Cu và Al-Mg.
[[[[
Hợp kim Al-Si (Silumin).
Hệ hợp kim Al-Si (Silumin) có tính đúc tốt nhất, chúng có độ chảy lõang cao, tính
điền đầy tốt, co ngót ít, không có hay có rất ít xu hướng tạo vết nứt nóng do trong tổ chức
của chúng có một lượng lớn cùng tinh. Hình 8.8 trình bày tổ chức của silumin có chứa
13%Si. Trong các hợp kim hai cấu tử nhôm và silic cùng tinh gồm có dung dịch rắn và các
tinh thể silíc nguyên chất.
Hình 8.8 Tổ chức tế vi của hợp kim Al -13%Si (Trước khi biến tính).
Người ta thường biến tính silumin bằng natri ở dạng muối clorua hay florua. Chúng
được đưa vào hợp kim lỏng khỏang 2-3% khối lượng hợp kim và làm cho thành phần cùng
tinh trong silumin trở thành trước cùng tinh do đó trong tổ chức của chúng ngòai cùng tinh
nhỏ mịn còn xuất hiện những tinh thể sơ cấp của pha dẻo mềm là dung dịch rắn (hình
8.9).
139
- Các hợp kim nhôm silumin thường được hợp kim hoá bằng Mg, Cu, Mn, Ti đôi khi
bằng Ni, Zr, Cr, v.v.
Hình 8.9 Tổ chức tế vi của hợp kim Al -13%Si (Sau khi biến tính).
Đưa thêm Mg từ 0,3-1% cho phép cải thiện đáng kể cơ tính của hợp kim Al-Si. Các
vật đúc từ hợp kim Al-Si-Mg đều được nhiệt luyện hóa bền. Pha Mg2Si tiết ra dưới dạng
phân tán khi hoá già sẽ nâng cao cơ tính của chi tiết.
Cho thêm Cu từ 3 đến 5% cho phép nâng cao cơ tính ở nhiệt độ thường và nhiệt độ
tương đối cao. Sự có mặt một lượng nhỏ manhê sẽ cải thiện thêm khả năng hóa bền bằng
nhiệt luyện. Ví dụ AlSi12CuMg1Mn0,6Ni1Đ vừa có tính đúc tốt, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ,
chống mịn tương đối nên được dùng rất phổ biến để chế tạo pittông động cơ đốt trong.
Hợp kim đúc Al-Cu.
Hợp kim đúc đơn giản chỉ có nhôm và đồng trong thực tế không sử dụng do tính
đúc của nó rất kém. Trên cơ sở hệ Al-Cu, người ta tạo ra nhiều hợp kim nhôm bền nóng
để đúc các chi tiết làm việc ở nhiệt độ tương đối cao tới 250-3500C bằng cách hợp kim
hoá bởi Mg, Ni, hoặc Mn và Ti. Ngòai độ bệ nóng tương đối cao các hợp kim nhóm này
còn có giới hạn mỏi lớn nhưng rất tiếc chúng lại chịu ăn mòn kém, tính đúc xấu và có độ
dẻo khá nhỏ.
Một mác điển hình của nhóm này là AlCu5Mg1Ni3Mn0,2Đ rất thích hợp để chế
tạo các chi tiết nhẹ, hình dáng phức tạp và có thể làm việc ở nhiệt độ đến 300-3500C.
Hợp kim Al-Mg.
Các hợp kim nhóm này có khối lượng riêng nhỏ, có khả năng chống ăn mòn tốt
trong khí quyển, trong nước biển và trong một số môi trường điện ly. Chúng được dùng
để đúc các chi tiết yêu cầu chống ăn mòn cao và độ bền tương đối cao. Tuy nhiên, hợp
kim Al-Mg có tính đúc xấu và độ bền nóng nhỏ.
Trong hợp kim này Mg dao động trong khỏang 8-11% và để cải thiện cơ tính nhất
là để nâng cao độ dai va đập người ta cho thêm vào hợp kim một hàm lượng nhỏ các kim
lọai chuyển tiếp như Zr và Ti.
Hợp kim Al-Zn-Mg.
Hợp kim nhóm này có khả năng tự tôi nghĩa là đúc trong khuôn cát hay trong khuôn
vật liệu kim lọai các vật đúc đều có cơ tính như nhau vì dung dịch quá bão hoà tạo thành
ngay cả khi làm nguội với tốc độ rất chậm.
Hóa già xảy ra ngay ở nhiệt độ bình thường và sau một tới hai tháng hoá già tự
nhiên, độ bền hợp kim đạt giá trị cực đại. Chính vì thế các chi tiết dày mỏng khác nhau
sau khi đúc một thời gian vẫn có được sự đồng đều cơ tính trên toàn bộ thể tích.
8.3 KẼM VÀ HỢP KIM KẼM.
140
- Kẽm là kim lọai dễ chảy (nóng chảy ở 4200C và sơi ở 9060C), có màu trắng xanh
với tỉ trọng 7,133g/cm3 ở nhiệt độ bình thường 200C. Khi kết tinh kẽm có kiểu mạng tinh
thể lục giác xếp chặt.
Ở nhiệt độ bình thường kẽm rất dòn nhưng ở nhiệt độ từ 1000C đến 1500C nó lại
khá dẻo và lại trở nên dòn khi ở trên nhiệt độ trên 1500C. Ở trên 2000C kẽm dễ dàng tạo
thành bột. Giới hạn bền của kẽm khỏang 20-25kG/mm2, độ giản dài tương đối 40-50%
còn độ cứng khỏang 30-60HB. Khi có thêm sắt độ cứng của kẽm tăng nhưng độ dai va
đập giảm.
Trong khí quyển thông thường tính ổn định chống ăn mòn của kẽm tốt nhưng khí
quyển vùng ven biển, khu công nghiệp hoặc độ ẩm cao trong không khí lại ảnh hưởng
xấu đến tính ổn định chống ăn mòn của kẽm. So với các kim lọai thông dụng khác như
sắt, crôm, nikel và đồng v.v. điện thế điện cực của kẽm âm hơn nên kẽm thường được
dùng để bảo vệ chống ăn mòn các công trình bằng thép dưới dạng anốt hy sinh (protector)
hoặc dưới dạng lớp phun mạ. Ngịai ra đặc tính điện hóa của kẽm được ứng dụng để chế
tạo ra các “bản kẽm” dùng trong kỹ thuật in những hình ảnh tinh vi với chất lượng cao,
v.v.
Kẽm cũng được sử dụng ở dạng hợp kim. Để hợp kim hoá kẽm, người ta sử dụng
nhôm, đồng và một hàm lượng nhỏ manhê.
Nhôm cải thiện tính đúc, làm tăng độ chảy lõang nhưng lại ngăn cản sự hoà tan
kim lọai vào hợp kim lỏng.
Đồng làm tăng cơ tính. Tổ chức hợp kim chỉ có kẽm, nhôm và đồng không ổn định
ở nhiệt độ thường. Sự thay đổi tổ chức trong quá trình làm việc sẽ kèm theo những thay
đổi về kích thước, hình thành ứng suất và gây nên cong vênh, thậm chí có thể dẫn đến phá
hủy hệ thống công trình máy móc.
Manhê có tác dụng làm tăng sự ổn định tổ chức của hợp kim kẽm nhưng nó lại làm
giảm mạnh tính đúc và độ dai phá hủy của chúng, vì thế nó manhê trong hợp kim kẽm chi
có thể tới 0,8%.
Có hai nhóm hợp kim kẽm là hợp kim kẽm đúc và hợp kim kẽm biến dạng.
Hợp kim kẽm đúc được dùng phổ biến hơn. Chúng có ưu điểm nổi bật là có nhiệt
độ nóng chảy thấp chỉ 3300C và có độ chảy lõang cao nên có thể đúc được các chi tiết
thành mỏng và hình dạng phức tạp, nhiều gân, gờ v.v.
Hợp kim kẽm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong ngành chế tạo
máy chính xác chúng được dùng để làm chi tiết máy ảnh, máy chữ, đồng hồ. Trong ngành
động cơ chúng lại được sử dụng để làm bộ chế hoà khí, bơm xăng, các chi tiết chịu ma sát
như ổ trục, v.v,. Còn trong ngành công nghiệp thóat nước chúng được dùng để chế tạo
van, vít, ống dẫn, v,.v . ngòai ra chúng còn được dùng để làm ra rất nhiều chi tiết khác
trong thiết bị điện gia dụng.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam hợp kim kẽm được ký hiệu bằng hệ thống chữ và số.
Chữ Zn đặt đầu tiên chỉ hợp kim kẽm, ký hiệu hoá học tiếp theo chỉ nguyên tố hợp kim
chính rồi đến nguyên tố hợp kim phụ. Số đứng sau mỗi ký hiệu hoá học chỉ hàm lượng
phần trăm của chúng. Thí dụ ZnA27Cu2 cho biết đây là hợp kim kẽm có 27%Al, 2%Cu và
69% còn lại là kẽm.
141
nguon tai.lieu . vn
