Chương 8: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU

Chia sẻ: Nguyễn Trọng Tuấn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:13

1
842
lượt xem
313
download

Chương 8: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 8: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
Đồng bộ tài khoản