Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 6

Chia sẻ: Nguyễn Chí Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

148
lượt xem 57
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu giáo trình Kỹ thuật công nghệ, bộ môn Khoa học vật liệu_ Chương: Hợp kim màu và bột.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 6

253 Ch¬ng 6 hîp kim mµu vµ bét Trong ch¬ng nµy sÏ kh¶o s¸t c¸c hîp kim kh«ng ph¶i trªn c¬ së s¾t hay theo c¸ch gäi th«ng dông ë níc ta còng nh mét sè níc lµ hîp kim mµu vµ c¸c hîp kim ®îc chÕ t¹o theo ph¬ng ph¸p bét, trong ph¬ng ph¸p nµy c¸c cÊu tö chØ ®îc trén lÉn nhau mét c¸ch c¬ häc ë tr¹ng th¸i r¾n (kh¸c víi theo ph¬ng ph¸p truyÒn thèng ®∙ häc lµ trén lÉn b»ng nÊu ch¶y). Tuy hai lo¹i hîp kim nµy kh«ng ®îc dïng víi khèi lîng lín nh thÐp, gang song tû lÖ cña chóng ngµy mét t¨ng vµ cã c¸c ®Æc tÝnh sö dông vµ c«ng nghÖ rÊt u viÖt trong mét sè trêng hîp. 6.1. Hîp kim nh«m VÒ ph¬ng diÖn s¶n xuÊt vµ øng dông, nh«m vµ hîp kim nh«m chiÕm vÞ trÝ thø hai sau thÐp. Së dÜ nh vËy v× vËt liÖu nµy cã c¸c tÝnh chÊt phï hîp víi nhiÒu c«ng dông kh¸c nhau, trong mét sè trêng hîp ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ lín, kh«ng thÓ thay thÕ ®îc. 6.1.1. Nh«m nguyªn chÊt vµ ph©n lo¹i hîp kim nh«m a. C¸c ®Æc tÝnh cña nh«m nguyªn chÊt Nh«m lµ kim lo¹i cã nhiÒu ®Æc tÝnh næi tréi. - Khèi lîng riªng nhá (2,7g/cm3), kho¶ng b»ng 1/3 cña thÐp. ChÝnh nhê u ®iÓm nµy mµ ngêi ta u tiªn xÐt sö dông nã khi ph¶i gi¶m nhÑ tèi ®a khèi lîng cña hÖ thèng hay kÕt cÊu (nh trong hµng kh«ng, vËn t¶i ®Ó tiÕt kiÖm n¨ng lîng ph¶i t×m c¸ch gi¶m t¶i träng kh«ng t¶i, t¨ng t¶i träng cã Ých). - TÝnh chèng ¨n mßn nhÊt ®Þnh trong khÝ quyÓn nhê lu«n lu«n cã líp mµng «xyt (Al2O3), xÝt chÆt b¸m ch¾c vµo bÒ mÆt. §Ó t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn trong khÝ quyÓn ngêi ta lµm cho líp b¶o vÖ nµy dµy lªn b»ng c¸ch anod hãa, nhê ®ã nh«m vµ c¸c hîp kim nh«m cã thÓ dïng trong x©y dùng, trang trÝ néi thÊt mµ kh«ng cÇn b¶o vÖ. - DÉn ®iÖn cao, tuy chØ b»ng 62% cña ®ång nhng do khèi lîng riªng cha b»ng 1/3 nªn víi c¸c ®Æc tÝnh vÒ truyÒn ®iÖn nh nhau vµ truyÒn dßng ®iÖn cã cêng ®é nh nhau, d©y dÉn nh«m chØ nhÑ b»ng nöa d©y ®ång, l¹i bÞ nung nãng Ýt h¬n. - TÝnh dÎo rÊt cao, do kiÓu m¹ng A1 rÊt dÔ biÕn d¹ng dÎo nhÊt lµ khi kÐo sîi, d©y vµ c¸n máng thµnh tÊm, l¸, b¨ng, mµng (foil), Ðp ch¶y thµnh c¸c thanh dµi víi c¸c biªn d¹ng (profile) phøc t¹p rÊt kh¸c nhau. Ngoµi c¸c u viÖt kÓ trªn nã còng cã nh÷ng ®Æc tÝnh kh¸c cÇn ph¶i ®Ó ý. - NhiÖt ®é ch¶y t¬ng ®èi thÊp (660oC) mét mÆt lµm dÔ dµng cho nÊu ch¶y khi ®óc, nhng còng lµm nh«m vµ hîp kim kh«ng sö dông ®îc ë nhÖt ®é cao h¬n 300 ÷ 400oC. - §é bÒn, ®é cøng thÊp, ë tr¹ng th¸i ñ σb = 60MPa, σ0,2 = 20MPa, HB 25. Tuy nhiªn do cã kiÓu m¹ng A1 nã cã hiÖu øng hãa bÒn biÕn d¹ng lín, nªn ®èi víi nh«m vµ hîp kim nh«m, biÕn d¹ng nguéi víi lîng Ðp kh¸c nhau lµ biÖn ph¸p hãa bÒn thêng dïng.
254 §Ó ký hiÖu møc ®é biÕn cøng ®¬n thuÇn (t¨ng bÒn nhê biÕn d¹ng nguéi) ë Hoa Kú, NhËt vµ c¸c níc T©y ©u thêng dïng c¸c ký hiÖu H1x, trong ®ã x lµ sè chØ møc t¨ng thªm ®é bÒn nhê biÕn d¹ng dÎo (x/8): 8 - møc t¨ng toµn phÇn (8/8 hay 100%), øng víi møc ®é biÕn d¹ng rÊt lín (ε = 75%), 1 - møc t¨ng Ýt nhÊt (1/8 hay 12,5% so víi møc toµn phÇn, øng víi møc ®é biÕn d¹ng nhá, 2, 4, 6 - møc t¨ng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so víi møc toµn phÇn), øng víi møc ®é biÕn d¹ng t¬ng ®èi nhá, trung b×nh, lín, 9 - møc t¨ng tèi ®a (bÒn, cøng nhÊt) øng víi møc ®é biÕn d¹ng ε > 75%. Nh thÕ c¬ tÝnh cña nh«m vµ hîp kim ë d¹ng b¸n thµnh phÈm phô thuéc rÊt nhiÒu vµo tr¹ng th¸i biÕn d¹ng nµy. Trong s¶n xuÊt c¬ khÝ thêng dïng c¸c hîp kim nh«m qua nhiÖt luyÖn vµ biÕn d¹ng dÎo cã ®é bÒn kh«ng thua kÐm g× thÐp cacbon. Do vËy trong c«ng nghiÖp, nh«m nguyªn chÊt ®îc sö dông chñ yÕu ®Ó truyÒn t¶i ®iÖn nhÊt lµ ë c¸c ®êng trôc chÝnh, ®Ó t¨ng ®é bÒn trong d©y dÉn ngêi ta thêng ghÐp thªm d©y thÐp ®Ó chÞu lùc (®îc gäi lµ c¸p nh«m). Nh«m nguyªn chÊt còng ®îc sö dông nhiÒu lµm ®å gia dông. b. Hîp kim nh«m vµ ph©n lo¹i §Ó cã ®é bÒn cao ngêi ta ph¶i hîp kim hãa nh«m vµ tiÕn hµnh nhiÖt luyÖn, v× thÕ hîp kim nh«m cã vÞ trÝ kh¸ quan träng trong chÕ t¹o c¬ khÝ vµ x©y dùng. H×nh 6.1. Gãc nh«m cña gi¶n ®å pha Al - nguyªn tè hîp kim Khi ®a nguyªn tè hîp kim vµo nh«m (ë tr¹ng th¸i láng) thêng t¹o nªn gi¶n ®å pha Al - nguyªn tè hîp kim nh biÓu thÞ ë h×nh 6.1, trong ®ã tho¹t tiªn (khi lîng Ýt) nguyªn tè hîp kim sÏ hßa tan vµo Al t¹o nªn dung dÞch r¾n thay thÕ α nÒn Al, khi vît qu¸ giíi h¹n hßa tan (®êng CF) sÏ t¹o thªm pha thø hai (thêng lµ hîp chÊt hãa häc cña hai nguyªn tè), sau ®ã khi vît qu¸ giíi h¹n hßa tan cao nhÊt (®iÓm C hay C’) t¹o ra cïng tinh cña dung dÞch r¾n vµ pha thø hai kÓ trªn. Do vËy dùa vµo gi¶n ®å pha nh vËy bÊt cø hÖ hîp kim nh«m nµo còng cã thÓ ®îc ph©n thµnh hai nhãm lín lµ biÕn d¹ng vµ ®óc.
255 - Hîp kim nh«m biÕn d¹ng lµ hîp kim víi hµm lîng thÊp nguyªn tè hîp kim (bªn tr¸i ®iÓm C, C’) tïy thuéc nhiÖt ®é cã tæ chøc hoµn toµn lµ dung dÞch r¾n nÒn nh«m nªn cã tÝnh dÎo tèt, dÔ dµng biÕn d¹ng nguéi hay nãng. Trong lo¹i nµy cßn chia ra hai ph©n nhãm lµ kh«ng vµ cã hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn. + Ph©n nhãm kh«ng hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn lµ lo¹i chøa Ýt hîp kim h¬n (bªn tr¸i F), ë mäi nhiÖt ®é chØ cã tæ chøc lµ dung dÞch r¾n, kh«ng cã chuyÓn biÕn pha nªn kh«ng thÓ hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn, chØ cã thÓ hãa bÒn b»ng biÕn d¹ng nguéi mµ th«i. + Ph©n nhãm hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn lµ lo¹i chøa nhiÒu hîp kim h¬n (tõ ®iÓm F ®Õn C hay C’), ë nhiÖt ®é thêng cã tæ chøc hai pha (dung dÞch r¾n + pha thø hai), nhng ë nhiÖt ®é cao pha thø hai hßa tan hÕt vµo dung dÞch r¾n, tøc cã chuyÓn pha, nªn ngoµi biÕn d¹ng nguéi cã thÓ hãa bÒn thªm b»ng nhiÖt luyÖn. Nh vËy chØ hÖ hîp kim víi ®é hßa tan trong nh«m biÕn ®æi m¹nh theo nhiÖt ®é míi cã thÓ cã ®Æc tÝnh nµy. - Hîp kim nh«m ®óc lµ hîp kim víi nhiÒu hîp kim h¬n (bªn ph¶i ®iÓm C, C’), cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp h¬n, trong tæ chøc cã cïng tinh nªn tÝnh ®óc cao. Do cã nhiÒu pha thø hai (thêng lµ hîp chÊt hãa häc) hîp kim gißn h¬n, kh«ng thÓ biÕn d¹ng dÎo ®îc. Kh¶ n¨ng hãa bÒn b»ng nhiÖt luyÖn cña nhãm nµy nÕu cã còng kh«ng cao v× kh«ng cã biÕn ®æi m¹nh cña tæ chøc khi nung nãng. Ngoµi c¸c hîp kim s¶n xuÊt theo c¸c ph¬ng ph¸p truyÒn thèng nh trªn cßn cã c¸c hîp kim nh«m ®îc chÕ t¹o theo c¸c ph¬ng ph¸p kh«ng truyÒn thèng, ®ã lµ c¸c hîp kim bét (hay thiªu kÕt) vµ hîp kim nguéi nhanh. c. HÖ thèng ký hiÖu cho hîp kim nh«m §Ó ký hiÖu c¸c hîp kim nh«m ngêi ta thêng dïng hÖ thèng ®¸nh sè theo AA (Aluminum Association) cña Hoa kú b»ng xxxx cho lo¹i biÕn d¹ng vµ xxx.x cho lo¹i ®óc, trong ®ã: - Sè ®Çu tiªn cã c¸c ý nghÜa sau. Lo¹i biÕn d¹ng Lo¹i ®óc 1xxx - nh«m s¹ch (≥ 99,0%), 1xx.x - nh«m thái s¹ch th¬ng phÈm, 2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg, 2xx.x - Al - Cu, 3xxx - Al - Mn, 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu, 4xxx - Al - Si, 4xx.x - Al - Si, 5xxx - Al - Mg, 5xx.x - Al - Mg, 6xxx - Al - Mg - Si, 6xx.x - kh«ng cã, 7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu, 7xx.x - Al - Zn, 8xxx - Al - c¸c nguyªn tè kh¸c 8xx.x - Al - Sn. - Ba sè tiÕp theo ®îc tra theo b¶ng trong c¸c tiªu chuÈn cô thÓ. §Ó ký hiÖu tr¹ng th¸i gia c«ng vµ hãa bÒn, c¸c níc ph¬ng T©y thêng dïng c¸c ký hiÖu sau. F: tr¹ng th¸i ph«i th«, O: ñ vµ kÕt tinh l¹i, H: hãa bÒn b»ng biÕn d¹ng nguéi, trong ®ã H1x (x tõ 1 ®Õn 9): thuÇn tóy biÕn d¹ng nguéi víi møc ®é kh¸c nhau, H2x (x tõ 2 ®Õn 9): biÕn d¹ng nguéi råi ñ håi phôc, H3x (x tõ 2 ®Õn 9): biÕn d¹ng nguéi råi æn ®Þnh hãa, T: hãa bÒn b»ng t«i + hãa giµ, trong ®ã T1: biÕn d¹ng nãng, t«i, hãa giµ tù nhiªn,
256 T3: t«i, biÕn d¹ng nguéi, hãa giµ tù nhiªn, T4: t«i, hãa giµ tù nhiªn (gièng ®o¹n ®Çu vµ cuèi cña T3), T5: biÕn d¹ng nãng, t«i, hãa giµ nh©n t¹o (hai ®o¹n ®Çu gièng T1), T6: t«i, hãa giµ nh©n t¹o (®o¹n ®Çu gièng T4), T7: t«i, qu¸ hãa giµ, T8: t«i, biÕn d¹ng nguéi, hãa giµ nh©n t¹o (hai ®o¹n ®Çu gièng T3), T9: t«i, hãa giµ nh©n t¹o, biÕn d¹ng nguéi (hai ®o¹n ®Çu gièng T6). (ngoµi ra cßn Txx, Txxx, Txxxx). TCVN 1659-75 cã quy ®Þnh c¸ch ký hiÖu hîp kim nh«m ®îc b¾t ®Çu b»ng Al vµ tiÕp theo lÇn lît tõng ký hiÖu hãa häc cña nguyªn tè hîp kim cïng chØ sè % cña nã, nÕu lµ hîp kim ®óc sau cïng cã ch÷ §. VÝ dô AlCu4Mg lµ hîp kim nh«m chøa ~4%Cu, ~1%Mg. Víi nh«m s¹ch b»ng Al vµ sè chØ phÇn tr¨m cña nã, vÝ dô Al99, Al99,5. 6.1.2. Hîp kim nh«m biÕn d¹ng kh«ng hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn a. Nh«m s¹ch Nh«m s¹ch hay chÝnh x¸c h¬n lµ nh«m th¬ng phÈm cã Ýt nhÊt 99,0%Al víi hai m¸c ®iÓn h×nh AA1060 vµ AA1100. ë tr¹ng th¸i ñ cã ®é bÒn thÊp, mÒm nhng rÊt dÎo, dÔ biÕn d¹ng nguéi, nhê ®ã giíi h¹n ch¶y t¨ng lªn rÊt m¹nh (2 ®Õn 4 lÇn) vµ cøng lªn nhiÒu. Nhê cã tÝnh chèng ¨n mßn nhÊt ®Þnh (do ®é s¹ch cao), chóng ®îc dïng trong c«ng nghiÖp hãa häc, thùc phÈm, ®«ng l¹nh, lµm thïng chøa (1060), tÊm èp trong x©y dùng. §Ó lµm d©y (trÇn, bäc) hay c¸p ®iÖn dïng AA1350. T¹p chÊt cã h¹i cña nh«m nguyªn chÊt lµ Fe vµ Si (khi cã mÆt cïng víi Fe) do t¹o nªn c¸c pha gißn FeAl3, c¸c pha α, β lµ hîp chÊt gi÷a Fe, Si (víi c«ng thøc kh¸c nhau). b. Hîp kim Al - Mn H×nh 6.2. Gãc Al cña gi¶n ®å pha Al - Mn Theo gi¶n ®å pha Al - Mn (h×nh 6.2), giíi h¹n hßa tan cao nhÊt cña Mn trong Al (dung dÞch r¾n α) lµ 1,8% ë 659oC vµ gi¶m nhanh theo nhiÖt ®é, khi vît qu¸ giíi h¹n hßa tan hai nguyªn tè trªn kÕt hîp víi nhau thµnh Al6Mn. Víi thµnh phÇn α nh vËy vµ khi dïng víi 1,0 ÷ 1,6%Mn ®¸ng lÏ nã ph¶i thuéc hÖ hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn, song trong thùc tÕ do c¸c t¹p chÊt thêng cã Fe, Si ®é hßa tan cña Mn trong α gi¶m rÊt nhanh (vÝ dô víi 0,1%Fe vµ 0,65%Si ë 500oC nh«m
257 chØ hßa tan ®îc 0,05%Mn), hÇu nh kh«ng cã biÕn ®æi giíi h¹n hßa tan mangan theo nhiÖt ®é, nªn hÖ nµy chØ cã thÓ hãa bÒn ®îc b»ng biÕn d¹ng nguéi. VÒ c¬ tÝnh, hîp kim biÕn d¹ng hÖ Al - Mn rÊt nh¹y c¶m víi biÕn d¹ng nguéi (giíi h¹n ch¶y t¨ng 2 ÷ 4 lÇn) vµ cã nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i t¨ng lªn, cßn lµ do h×nh thµnh pha α ë d¹ng nhá mÞn, ph©n t¸n. Hîp kim Al - Mn dÔ biÕn d¹ng dÎo, ®îc cung cÊp díi d¹ng c¸c b¸n thµnh phÈm kh¸c nhau (l¸ máng, thanh, d©y, h×nh, èng...), chèng ¨n mßn tèt trong khÝ quyÓn vµ dÔ hµn, ®îc dïng ®Ó thay thÕ c¸c m¸c AA 1xxx khi yªu cÇu c¬ tÝnh cao h¬n. c. Hîp kim Al - Mg Nh ®∙ thÊy tõ gi¶n ®å pha Al - Mg (h×nh 6.3), giíi h¹n hßa tan cña Mg trong Al thay ®æi m¹nh theo nhiÖt ®é: 15% ë 451oC, kh«ng ®¸ng kÓ ë nhiÖt ®é thêng, khi vît qu¸ giíi h¹n hßa tan hai nguyªn tè nµy kÕt hîp víi nhau thµnh Mg2Al3 (pha β trªn gi¶n ®å) song l¹i ph©n bè ë biªn h¹t víi d¹ng liªn tôc, t¸c h¹i m¹nh ®Õn tÝnh chèng ¨n mßn (g©y ¨n mßn tinh giíi vµ ¨n mßn díi øng suÊt). V× vËy sau khi biÕn d¹ng nguéi hîp kim ®îc ñ æn ®Þnh hãa (H3) ë trªn díi 300oC ®Ó tr¸nh sù kÕt tô cña hîp chÊt trªn t¹i biªn giíi. §Ó tr¸nh t¹o nªn líi Mg2Al3 ngêi ta thêng chØ dïng < 4%Mg (trong mét sè trêng hîp ®Æc biÖt cã thÓ lªn tíi 6 ÷ 7% tuy ®¹t ®é bÒn cao h¬n nhng dÔ bÞ ¨n mßn h¬n) víi c¸c m¸c ®iÓn h×nh AA 5050, AA 5052, AA 5454. §Æc tÝnh cña c¸c m¸c nµy lµ: - nhÑ nhÊt trong sè c¸c hîp kim nh«m vµ cã ®é bÒn kh¸, cã thÓ c¶i thiÖn b»ng biÕn d¹ng nguéi, - kh¶ n¨ng biÕn d¹ng nãng, nguéi vµ hµn ®Òu tèt, - tÝnh chèng ¨n mßn tèt vµ cã thÓ c¶i thiÖn b»ng anod hãa. H×nh 6.3. Gãc Al cña gi¶n ®å pha Al - Mg 6.1.3. Hîp kim nh«m biÕn d¹ng hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn §©y lµ ph©n nhãm hîp kim nh«m quan träng nhÊt, cã c¬ tÝnh cao nhÊt kh«ng thua kÐm g× thÐp cacbon. a. HÖ Al - Cu vµ Al - Cu - Mg Hîp kim AlCu4 vµ nhiÖt luyÖn hãa bÒn §Ó xÐt nhiÖt luyÖn hãa bÒn cña hÖ Al - Cu nãi riªng vµ cña c¸c hÖ hîp kim nh«m kh¸c nãi chung, h∙y xÐt c¬ chÕ hãa bÒn khi nhiÖt luyÖn hîp kim Al chøa 4%Cu.
258 B¶ng 6.1. Thµnh phÇn hãa häc (%) vµ c¬ tÝnh cña c¸c hîp kim nh«m theo AA M¸c Thµnh phÇn Tr¹ng σ0,2, σb, δ, σ-1, T¬ng nh«m hãa häc th¸i ®¬ng víi min, min, min, min, m¸c cña MPa MPa % MPa ΓOCT BiÕn d¹ng kh«ng hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn 1100 Al ≥ 99,0 O 35 80 35 30 A0 (Fe+Si)
259 nguéi nhanh tiÕp theo (t«i) CuAl2II kh«ng kÞp tiÕt ra, tæ chøc α giµu Cu ®îc cè ®Þnh l¹i ë nhiÖt ®é thêng, H×nh 6.4. Gãc Al cña gi¶n ®å pha Al - Cu (CuAl2 ®îc ký hiÖu lµ θ) - nh vËy sau khi t«i, ë nhiÖt ®é thêng hîp kim cã tæ chøc kh¸c h¼n lóc ®Çu, lµ dung dÞch r¾n qu¸ b∙o hßa (víi giíi h¹n hßa tan lµ 0,5%Cu th× 4%Cu lµ qu¸ b∙o hßa) víi ®é bÒn t¨ng lªn ®«i chót (do m¹ng bÞ x« lÖch nhÊt ®Þnh), σb = 250 ÷ 300MPa vµ vÉn cßn kh¸ dÎo (cã thÓ söa, n¾n ®îc). Song l¹i thÊy hiÖn tîng ®Æc biÖt kh¸c thÐp: sau khi t«i, theo thêi gian ®é bÒn, ®é cøng t¨ng lªn dÇn vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i sau 5 ÷ 7 ngµy, σb = 400MPa tøc ®∙ t¨ng gÊp ®«i so víi tr¹ng th¸i ñ (h×nh 6.5). Qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn hãa bÒn nh vËy ®îc gäi lµ t«i + hãa giµ tù nhiªn (®Ó l©u ë nhiÖt ®é thêng). C¬ chÕ hãa bÒn khi t«i + hãa giµ C¬ chÕ gi¶i thÝch sù hãa bÒn cña hîp kim nh«m khi t«i + hãa giµ do Gunier vµ Preston ®a ra mét c¸ch ®éc lËp nhau tõ ®Çu thÕ kû 20 sau ®ã ®∙ ®îc chøng minh b»ng ph©n tÝch tia X lµ ®óng. Cã thÓ gi¶i thÝch sù hãa bÒn ®ã nh sau. Dung dÞch r¾n qu¸ b∙o hßa t¹o thµnh sau khi t«i lµ kh«ng æn ®Þnh, lu«n cã khuynh híng trë vÒ tr¹ng th¸i c©n b»ng, b»ng c¸ch tiÕt ra Cu vµ tËp trung l¹i díi d¹ng CuAl2. Sù trë vÒ tr¹ng th¸i c©n b»ng nµy x¶y ra kh¸ chËm ë nhiÖt ®é thêng vµ cµng nhanh ë nhiÖt ®é cao h¬n víi c¸c giai ®o¹n nh sau. - Giai ®o¹n I. Khi lîng Cu tËp trung qu¸ 4% ë mét sè vïng gäi lµ vïng G.P cã kÝch thíc rÊt bÐ (h×nh ®Üa b¸n kÝnh kho¶ng 5nm) víi sù x« lÖch m¹ng cao nªn cã ®é cøng cao, nhê ®ã n©ng cao ®é bÒn, ®é cøng. - Giai ®o¹n II. C¸c nguyªn tö Cu trong vïng G.P tiÕp tôc tËp trung vµ dÇn dÇn ®¹t ®Õn møc 1Cu - 2Al vµ vïng G.P to lªn t¹o nªn pha ϑ" (kÝch thíc 10nm, kho¶ng c¸ch c¸c pha 20nm) råi ϑ' (víi kÝch thíc lín h¬n). §é bÒn ®¹t ®îc gi¸ trÞ cao nhÊt lµ øng víi sù t¹o nªn pha ϑ", khi t¹o nªn pha ϑ' ®é bÒn b¾t ®Çu gi¶m ®i. ë nhiÖt ®é thêng qu¸ tr×nh kÕt thóc b»ng sù t¹o thµnh pha ϑ" vµ ®¹t ®é bÒn cùc ®¹i sau 5 ÷ 7 ngµy vµ duy tr× tr¹ng th¸i nµy m∙i m∙i (xem ®êng hãa giµ tù nhiªn - 20oC - trªn h×nh 6.5). - Giai ®o¹n III. ë nhiÖt ®é cao h¬n, 50 ÷ 100oC hay h¬n, pha ϑ' chuyÓn biÕn thµnh ϑ víi cÊu tróc ®óng víi CuAl2 nh trªn gi¶n ®å pha. Do ë tr¹ng th¸i c©n b»ng vµ pha ϑ cã kÝch thíc lín h¬n nªn ®é bÒn gi¶m nhanh ®Õn møc thÊp nhÊt (xem ®êng hãa giµ nh©n t¹o - 100, 200oC trªn h×nh 6.5). Cã thÓ coi ϑ’’ vµ ϑ’ lµ c¸c tiÒn pha cña ϑ - CuAl2.
260 Qua ®ã thÊy râ: + Pha CuAl2 cã vai trß rÊt lín ®èi víi hãa bÒn hîp kim nh«m: hßa tan vµo dung dÞch r¾n khi nung nãng, t¹o nªn dung dÞch r¾n qu¸ b∙o hßa khi lµm nguéi vµ chuÈn bÞ tiÕt ra l¹i ë d¹ng rÊt ph©n t¸n khi hãa giµ. Kh«ng cã nã hîp kim kh«ng thÓ hãa bÒn ®îc, nªn ngêi ta gäi nã lµ pha hãa bÒn. H×nh 6.5. Sù thay ®æi giíi h¹n bÒn theo thêi gian (hãa giµ) sau khi t«i cña hîp kim AlCu4 + NhiÖt luyÖn hãa bÒn b»ng c¸ch t«i råi tiÕp theo sau lµ: • hãa giµ tù nhiªn: b¶o qu¶n ë nhiÖt ®é thêng trong 5 ÷ 7 ngµy, hoÆc muèn nhanh h¬n, • hãa giµ nh©n t¹o: nung nãng ë 100 ÷ 200oC trong thêi gian thÝch hîp (chõng vµi chôc h tïy theo tõng nhiÖt ®é cô thÓ) ®Ó ®¹t ®Õn ®é bÒn cao nhÊt do t¹o nªn tiÒn pha θ (nhng nÕu kÐo dµi qu¸ quy ®Þnh ®é bÒn sÏ gi¶m ®i vµ kh«ng ®¹t ®îc gi¸ trÞ cùc ®¹i do t¹o nªn pha θ). Hä AA 2xxx (®ura) Hä nµy thuéc hÖ Al - Cu - Mg. VÒ c¬ b¶n chóng lµ hîp kim víi trªn díi 4%Cu (2,6 ®Õn 6,3%) vµ 0,5 ÷ 1,5%Mg cã tªn lµ ®ura (tõ tiÕng Ph¸p duraluminium - nh«m bÒn, cøng). Cu vµ ®Æc biÖt lµ Mg (cïng víi Cu) lµ c¸c nguyªn tè cã t¸c dông n©ng cao hiÖu qu¶ cña nhiÖt luyÖn t«i + hãa giµ v× chóng t¹o nªn c¸c pha hãa bÒn, ngoµi CuAl2 cßn cã CuMg5Al5, CuMgAl2 cã t¸c dông m¹nh h¬n. Tuy nhiªn trong thµnh phÇn cña ®ura ph¶i kÓ ra s¸u nguyªn tè (thªm Fe, Si vµ Mn), trong ®ã: Fe vµ Si lµ hai t¹p chÊt thêng cã (c¸c hîp chÊt chØ chøa Fe vµ ®ång thêi c¶ Fe, Si kh«ng hßa tan vµo Al khi nung nãng nªn kh«ng cã t¸c dông hãa bÒn, l¹i cßn lµm gi¶m lîng pha hãa bÒn, nªn rÊt cã h¹i), Mn ®îc ®a vµo víi lîng nhá ®Ó lµm t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn. C¸c m¸c AA 2014 vµ AA 2024 ®îc dïng nhiÒu trong kÕt cÊu m¸y bay, dÇm khung chÞu lùc xe t¶i, sên tµu biÓn, dông cô thÓ thao... Hai ®Æc ®iÓm næi bËt cña ®ura lµ: - §é bÒn cao (σb = 450 ÷ 480MPa), khèi lîng riªng nhá (γ ≈ 2,7g/cm3) nªn cã ®é bÒn riªng (®îc x¸c ®Þnh b»ng tû sè σb / γ víi thø nguyªn lµ chiÒu dµi) cao, tíi 15 ÷ 16 (km), trong khi ®ã CT51 lµ 6,0 ÷ 6,5, gang: 1,5 ÷ 6,0. - TÝnh chèng ¨n mßn kÐm do cã nhiÒu pha víi ®iÖn thÕ ®iÖn cùc kh¸c nhau, nhng ngêi ta cã thÓ hoµn toµn kh¾c phôc ®îc b»ng c¸ch phñ c¸c líp nh«m nguyªn chÊt máng (~4% chiÒu dµy tÊm) lªn bÒ mÆt khi c¸n nãng, nªn cã tÝnh chèng ¨n mßn kh«ng kh¸c g× nh«m s¹ch. ChÝnh nhê ®é bÒn riªng cao vµ tÝnh chèng ¨n mßn tèt trong khÝ quyÓn, c¸c
261 b¸n thµnh phÈm c¸n cña ®ura ®îc dïng réng r∙i trong vËn t¶i, ®Æc biÖt lµ hµng kh«ng. b. HÖ Al - Mg - Si vµ Al - Zn - Mg Hä AA6xxx Hä nµy thuéc hÖ Al - Mg - Si víi pha hãa bÒn Mg2Si vµ c¸c m¸c ®iÓn h×nh lµ AA 6061 vµ AA 6070 víi c¸c ®Æc tÝnh lµ: - cã ®é bÒn kÐm ®ura (σb = 400MPa), nhng - cã tÝnh dÎo cao h¬n ë tr¹ng th¸i nãng lÉn tr¹ng th¸i nguéi vµ cã tÝnh hµn cao. C¸c m¸c trªn ®îc dïng réng r∙i ®Ó Ðp ch¶y thµnh c¸c khung nh«m qua anod hãa (víi chiÒu dµy hµng chôc µm) cã t¸c dông b¶o vÖ tèt, chèng ¨n mßn trong khÝ quyÓn, cã nhiÒu mµu s¾c vµ mét phÇn chèng mµi mßn lµm c¸c kÕt cÊu cã tÝnh mü thuËt, trang trÝ rÊt ®a d¹ng tõ khung (cöa c¸c lo¹i, têng v¸ch ng¨n trang trÝ, tñ, hép...), èng cho ®Õn b¶n in. Hä AA 7xxx Hä nµy thuéc hÖ Al - Zn- Mg vµ cã thÓ cã thªm Cu vµ lµ lo¹i sau nhiÖt luyÖn cã ®é bÒn cao nhÊt (σb > 550MPa). Thêng dïng Zn trong kho¶ng tõ 4 ®Õn 8%, Mg - 1 ÷ 3%. Hãa bÒn tæ chøc chñ yÕu lµ t¹o nªn vïng G.P cña MgZn2 vµ Al2Mg3Zn3. Khi ®a thªm Cu (tíi 2%) nã sÏ hßa tan vµo dung dÞch r¾n vµ hãa bÒn thªm pha nµy. Ngoµi cã ®é bÒn cao nhÊt, hä AA 7xxx cßn cã c¸c ®Æc tÝnh lµ nhiÖt luyÖn dÔ (kho¶ng t«i réng, 350 ÷ 500oC), tèc ®é t«i tíi h¹n nhá (cã thÓ nguéi trong kh«ng khÝ). §©y lµ hîp kim nh«m cã nhiÒu tiÒm n¨ng ®ang ®îc khai th¸c, sö dông trong hµng kh«ng, chÕ t¹o vò khÝ, dông cô thÓ thao. 6.1.4. Hîp kim nh«m ®óc a. C¸c ®Æc ®iÓm Nh ®∙ nãi hîp kim nh«m ®óc trong tæ chøc ph¶i gåm chñ yÕu lµ cïng tinh vµ do ®ã chøa nhiÒu hîp kim h¬n. Trong c¸c hÖ Al - nguyªn tè hîp kim chØ cã hÖ Al - Si cã cïng tinh víi thµnh phÇn hîp kim Ýt nhÊt (11,3%Si), nªn tèn Ýt hîp kim, rÎ nªn thêng dïng ®Ó ®óc; cßn ë c¸c hÖ kh¸c cïng tinh cã lîng chøa hîp kim cao h¬n rÊt nhiÒu nh Al - Cu víi 33%Cu, Al - Mg víi 34,5%Mg nªn ®¾t vµ bÞ h¹n chÕ sö dông. C¬ tÝnh cña vËt ®óc hîp kim nh«m phô thuéc nhiÒu vµo tèc ®é nguéi vµ biÕn tÝnh. §óc trong khu«n kim lo¹i (ly t©m, ¸p lùc) do nguéi nhanh h¬n nhiÒu trong khu«n c¸t nªn tæ chøc nhËn ®îc nhá mÞn h¬n, c¶i thiÖn m¹nh c¬ tÝnh. BiÕn tÝnh cã t¸c dông m¹nh ®Õn tæ chøc vµ c¬ tÝnh cña hîp kim Al - Si. b. Hîp kim nh«m - silic (silumin) BiÕn tÝnh Hîp kim nh«m - silic ®óc ®¬n gi¶n chØ gåm hai cÊu tö víi 10 ÷ 13%Si (AA 423.0 hay AΛ2). Theo gi¶n ®å pha Al - Si (h×nh 6.6) víi thµnh phÇn nh vËy hîp kim cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp nhÊt, tæ chøc hÇu nh lµ cïng tinh víi tÝnh ®óc tèt nhÊt. Tuy vËy khi ®óc th«ng thêng dÔ bÞ tæ chøc cïng tinh th« vµ tinh thÓ silic thø nhÊt (tríc cïng tinh) nh biÓu thÞ ë h×nh 6.7a, trong ®ã Si thø nhÊt th« to vµ Si cïng tinh ë d¹ng kim nh lµ vÕt nøt bªn trong trong lßng dung dÞch r¾n α (thùc chÊt lµ nh«m nguyªn chÊt víi c¬ tÝnh rÊt thÊp, σb = 130MPa, δ = 3%). NÕu qua biÕn tÝnh b»ng muèi Na (2/3NaF + 1/3NaCl) víi tû lÖ 0,05 ÷ 0,08%, ®iÓm cïng tinh sÏ h¹ thÊp xuèng kho¶ng 10 ÷ 20oC vµ dÞch sang ph¶i, nh vËy hîp kim lu«n
262 lu«n lµ tríc cïng tinh víi tæ chøc α vµ cïng tinh (α + Si), trong ®ã nhê kÕt tinh víi ®é qu¸ nguéi lín h¬n nªn Si trong cïng tinh rÊt nhá mÞn (h¹t trßn, nhá) nh biÓu thÞ ë h×nh 6.7b, lµm c¶i thiÖn m¹nh c¬ tÝnh, σb = 180MPa, δ = 8%. H×nh 6.6. Gãc Al cña gi¶n ®å Al - Si (®êng chÊm chÊm øng víi khi biÕn tÝnh) Tuy nhiªn ngay víi c¬ tÝnh nh vËy còng kh«ng ®¸p øng ®îc yªu cÇu thùc tÕ nªn thêng Ýt sö dông. Trong thùc tÕ thêng sö dông c¸c silumin phøc t¹p tøc ngoµi Si ra cßn cã thªm Mg hoÆc Cu. H×nh 6.7. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim Al - (10 ÷ 13)%Si: a. kh«ng biÕn tÝnh, b. cã qua biÕn tÝnh C¸c hîp kim Al - Si - Mg(Cu) Lµ c¸c hîp kim víi kho¶ng Si réng h¬n (5 ®Õn 20%) vµ cã thªm Mg (0,3 ÷ 0,5%) ®Ó t¹o ra pha hãa bÒn Mg2Si nªn hÖ Al - Si - Mg (vÝ dô m¸c AA 356.0) ph¶i qua nhiÖt luyÖn hãa bÒn. Cho thªm Cu (3 ÷ 5%) vµo hÖ Al - Si - Mg kÓ trªn c¶i thiÖn thªm c¬ tÝnh vµ cã tÝnh ®óc tèt (do cã thµnh phÇn gÇn víi cïng tinh Al - Si - Cu) nªn ®îc dïng nhiÒu trong ®óc piston (AA 390.0, AЛ26), n¾p m¸y (AЛ4) cña ®éng c¬ ®èt trong.
263 Hîp kim nh«m cßn ®îc dïng lµm æ trît (môc 6.3.3). Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®∙ b¾t ®Çu ®a vµo sö dông hîp kim nguéi nhanh vµ hîp kim bét thiªu kÕt (môc 6.4.3a). 6.2. Hîp kim ®ång 6.2.1. §ång nguyªn chÊt vµ ph©n lo¹i hîp kim ®ång a. C¸c ®Æc tÝnh cña ®ång ®á §ång nguyªn chÊt cã mµu ®á nªn ®îc gäi lµ ®ång ®á víi ®Æc tÝnh nh sau. - TÝnh dÉn nhiÖt, dÉn ®iÖn cao. VÒ tÝnh dÉn ®iÖn nã chØ ®øng sau Ag, víi ®é s¹ch 99,9%Cu ë tr¹ng th¸i ñ, ë 20oC ®iÖn trë suÊt ρ = 1,7241Ω.cm vµ ®é dÉn nhiÖt b»ng 385W/m.oK. PhÇn lín ®ång nguyªn chÊt ®îc dïng lµm d©y dÉn. CÇn nhí lµ c¸c t¹p chÊt hßa tan vµo Cu, ®Æc biÖt lµ P, Fe víi lîng rÊt nhá còng lµm gi¶m m¹nh tÝnh dÉn ®iÖn (0,1%P gi¶m 46%, 0,1%Fe gi¶m 23%). - Chèng ¨n mßn kh¸ tèt trong c¸c m«i trêng thêng gÆp: khÝ quyÓn, níc, níc biÓn hay kiÒm, axit h÷u c¬. - TÝnh dÎo rÊt cao do cã m¹ng A1 nªn rÊt dÔ biÕn d¹ng nãng vµ nguéi, dÔ chÕ t¹o thµnh c¸c b¸n thµnh phÈm dµi, tiÖn cho sö dông. - ë tr¹ng th¸i ñ tuy cã ®é bÒn kh«ng cao (víi 99,97%Cu cã σb = 220MPa, σdh = 70MPa) nhng sau biÕn d¹ng dÎo ®é bÒn t¨ng rÊt m¹nh (víi ε = 60%, σb = 425MPa, σdh = 375MPa). Víi ®ång vµ hîp kim, biÕn d¹ng nguéi lµ biÖn ph¸p hãa bÒn rÊt quan träng. - TÝnh hµn cña ®ång kh¸ tèt, song khi hµm lîng t¹p chÊt ®Æc biÖt lµ «xy t¨ng lªn, u ®iÓm nµy gi¶m ®i râ rÖt. Cã thÓ thÊy c¸c nhîc ®iÓm cña ®ång nh sau. + khèi lîng riªng lín (γ = 8,94g/cm3), + tÝnh gia c«ng c¾t kÐm do phoi qu¸ dÎo, kh«ng g∙y, ®Ó c¶i thiÖn thêng cho thªm Pb vµo, + tÝnh ®óc kÐm, tuy nhiÖt ®é nãng ch¶y lµ 1083oC, song ®é ch¶y lo∙ng nhá. b. C¸c lo¹i ®ång nguyªn chÊt C¸c lo¹i ®ång nguyªn chÊt ®Ó dÉn ®iÖn ph¶i cã Ýt nhÊt 99,9%Cu ®îc s¶n xuÊt theo ba ph¬ng ph¸p kh¸c nhau. §ång ®iÖn ph©n ETP (Electrolytic Tough Pitch) cã chøa kho¶ng 0,04%O2. Trong ®ång, «xy hÇu nh kh«ng hßa tan, chØ t¹o ra Cu2O nªn kh«ng lµm gi¶m tÝnh dÉn ®iÖn. Tuy nhiªn lo¹i nµy nh¹y c¶m víi hy®r« khi nhiÖt ®é > 400oC (H2 khö Cu2O t¹o nªn bät níc, g©y nøt ë biªn h¹t). Do vËy lo¹i nµy chØ dïng ®Ó gia c«ng, chÕ biÕn ë < 400oC. §ång s¹ch «xy OFHC (Oxygen Free High Conductivity) lµ lo¹i nÊu ch¶y c¸c catod ®ång trong khÝ quyÓn hoµn nguyªn, cã Ýt nhÊt 99,95%Cu, lîng «xy nhá h¬n 0,003% nªn kh«ng nh¹y c¶m víi hy®r«. §ång ®îc khö «xy lµ lo¹i ®îc khö «xy triÖt ®Ó b»ng ph«tpho, toµn bé «xy ë díi d¹ng P2O5. NÕu lîng P tù do trong ®ång < 0,005% th× hÇu nh kh«ng lµm gi¶m tÝnh dÉn (nhng víi 0,04%P tÝnh dÉn chØ b»ng 85% cña lo¹i OFHC), do s¹ch «xy nªn cã thÓ biÕn d¹ng nãng. c. Ph©n lo¹i hîp kim ®ång Còng gièng nh hîp kim nh«m, hîp kim ®ång còng ®îc ph©n lo¹i thµnh:
264 biÕn d¹ng vµ ®óc trªn cïng nguyªn t¾c. Ngoµi ra do lÞch sö l©u ®êi, c¸c hîp kim kh¸c nhau cña ®ång mang nh÷ng tªn riªng: lat«ng vµ br«ng, trong ®ã lat«ng lµ hîp kim Cu - Zn, br«ng lµ tªn chung chØ c¸c hîp kim Cu - nguyªn tè kh«ng ph¶i Zn. d. HÖ thèng ký hiÖu cho hîp kim ®ång §Ó ký hiÖu c¸c hîp kim ®ång, ngêi ta thêng dïng hÖ thèng ®¸nh sè theo CDA (Copper Development Association) cña Hoa Kú b»ng xxx, trong ®ã sè ®Çu tiªn cã ý nghÜa nh sau. 1xx - ®ång ®á vµ c¸c hîp kim Cu - Be, 2xx - lat«ng (Cu - Zn) ®¬n gi¶n, 4xx - lat«ng phøc t¹p, 5xx - br«ng thiÕc, 6xx - br«ng nh«m, 7xx - br«ng nh«m, 8xx vµ 9xx - hîp kim ®ång ®óc §Ó ký hiÖu c¸c tr¹ng th¸i gia c«ng vµ hãa bÒn, c¸c níc ph¬ng T©y dïng c¸c ký hiÖu O, H, T nh cña nh«m (riªng tr¹ng th¸i t¹o ph«i th« ®îc ký hiÖu lµ M), song cã c¸c ch÷ vµ sè tiÕp theo kh¸c ®i. VÝ dô, hãa bÒn b»ng biÕn d¹ng nguéi cã tõ H00 (t¬ng ®¬ng víi H11 cña nh«m) ®Õn H04 (~ H18) cho ®Õn H06, H08, H10, H12, H13, H14. 6.2.2. Lat«ng Lat«ng lµ hîp kim cña ®ång mµ nguyªn tè hîp kim chÝnh lµ kÏm [tªn gäi do TCVN 1659-75 quy ®Þnh trªn c¬ së thuËt ng÷ ®∙ ®îc dïng phæ biÕn ë ta tõ tiÕng Ph¸p, ngoµi ra cã thÓ gäi lµ ®ång thau (cÇn chó ý trong thùc tÕ cßn cã nhiÒu tªn gäi kh¸c n÷a). C¸c tõ níc ngoµi t¬ng øng lµ: Ph¸p - laiton, Anh - brass, Nga - латунь. H×nh 6.8. Gi¶n ®å pha Cu - Zn. Lat«ng ®¬n gi¶n ®îc dïng nhiÒu h¬n c¶, ®ã lµ hîp kim chØ cã hai nguyªn tè lµ Cu vµ Zn. Gi¶n ®å pha Cu - Zn (h×nh 6.8) lµ lo¹i rÊt phøc t¹p, t¹o nªn rÊt nhiÒu pha, song trong thùc tÕ chØ dïng lo¹i cã Ýt h¬n 45%Zn nªn chØ gÆp hai pha α vµ β. Pha α lµ dung dÞch r¾n thay thÕ cña Zn trong Cu víi m¹ng A1, nã cã thÓ chøa tíi 39%Zn ë 454oC. §ã lµ pha c¬ b¶n cña lat«ng vµ lµ pha duy nhÊt cña lat«ng Ýt Zn, do ®ã nã quyÕt ®Þnh quan träng c¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n cña lat«ng. §iÒu rÊt ®Æc biÖt lµ Zn khi hßa tan vµo Cu kh«ng nh÷ng n©ng cao ®é bÒn mµ c¶ ®é dÎo cña dung dÞch r¾n (®©y lµ mét trong sè Ýt c¸c trêng hîp hiÕm cã, th«ng thêng ®é bÒn t¨ng lªn, ®é dÎo, ®é dai ph¶i gi¶m ®i), ®ång thêi cã hiÖu øng hãa bÒn biÕn
265 d¹ng cao (h×nh 6.9). Do vËy nãi chung c¬ tÝnh cña lat«ng mét pha cao h¬n vµ rÎ h¬n ®ång. §é dÎo cao nhÊt øng víi kho¶ng 30%Zn. Ngoµi ra khi pha thªm Zn, mµu ®á cña ®ång nh¹t dÇn vµ chuyÓn dÇn thµnh vµng. H×nh 6.9. ¶nh hëng cña Zn vµ ®é biÕn d¹ng ®Õn c¬ tÝnh cña dung dÞch r¾n α: a. giíi h¹n ®µn håi, b. giíi h¹n bÒn, c. ®é gi·n dµi t¬ng ®èi [víi c¸c møc t¨ng biÕn cøng 1/4, 2/4, 3/4, 4/4 (toµn phÇn) vµ R - cøng ®µn håi] Pha β lµ pha ®iÖn tö øng víi c«ng thøc CuZn (N = 3/2) cã thµnh phÇn dao ®éng trong kho¶ng 46 ÷ 50%Zn. Kh¸c víi α, β cøng vµ gißn h¬n, ®Æc biÖt ë nhiÖt ®é thÊp (< 457oC) khi nã bÞ trËt tù hãa thµnh pha β'. Do vËy kh«ng thÓ dïng lat«ng qu¸ 45%Zn víi tæ chøc hoµn toµn lµ β'. Trong thùc tÕ thêng dïng ≤ 40%Zn víi hai lo¹i mét pha α vµ hai pha α + β. Lat«ng mét pha (α) thêng chøa Ýt h¬n 35%Zn. Do cã tÝnh dÎo cao nã lµ lo¹i biÕn d¹ng ®îc c¸n nguéi thµnh c¸c b¸n thµnh phÈm, lµm c¸c chi tiÕt m¸y qua dËp. Lat«ng chøa Zn thÊp, 5 ÷ 12%, cã mµu ®á nh¹t vµ tÝnh chÊt kh¸ gièng ®ång (nhng tèt h¬n) ®îc dïng lµm c¸c ®å dïng vµ c¸c chi tiÕt gi¶ ®ång nh tiÒn xu, huy ch¬ng, khuy ¸o, fecm¬tuya... Lat«ng víi kho¶ng 20%Zn (CDA 240, Л80) cã mµu vµng gièng nh Au, ®îc lµm c¸c chi tiÕt trang søc, gi¶ vµng (ng¹n ng÷ cã c©u “vµng, thau lÉn lén“, thau ë ®©y lµ ®ång thau, lat«ng). Lat«ng víi kho¶ng 30%Zn (CDA 260, Л70) cã tÝnh dÎo cao nhÊt vµ ®é bÒn cao nªn ®îc dïng lµm chi tiÕt dËp s©u víi c«ng dông chñ yÕu lµm vá ®¹n (catridge brass). C¸c lat«ng mét pha bÒn vµ dÎo cao nªn khã gia c«ng c¾t. §Ó c¶i thiÖn tÝnh chÊt nµy ngêi ta thêng ®a thªm Pb vµo víi lîng 0,4 ÷ 3,0% víi c¬ chÕ t¸c dông nh ë thÐp dÔ c¾t. Nhîc ®iÓm cña lat«ng víi ≥ 20%Zn ë tr¹ng th¸i biÕn cøng hay chÞu øng suÊt cao cã khuynh híng bÞ nøt ¨n mßn khi cã h¬i níc, am«niac, «xy. §Ó tr¸nh khuyÕt tËt nµy ph¶i ®em ñ. Lat«ng hai pha (α + β) thêng dïng víi 40%Zn (cã tªn lµ Muntz víi c¸c m¸c CDA 280, ΓOCT Л60) hay cã pha thªm Pb ®Ó c¶i thiÖn tÝnh gia c«ng c¾t (CDA 370, ΓOCT ЛC59-1). Tuy cøng vµ bÒn h¬n lo¹i mét pha, hîp kim vÉn cã thÓ biÕn d¹ng dÎo ®îc ë tr¹ng th¸i nãng (do > 454oC pha β dÎo h¬n).
266 C¸c lat«ng ®óc bao giê còng cã thµnh phÇn Zn vµ c¸c nguyªn tè hîp kim kh¸c cao h¬n, nh m¸c CDA 863 víi tæng lîng c¸c nguyªn tè ®a vµo cao tíi 38%. B¶ng 6.2. Thµnh phÇn hãa häc (%) vµ c¬ tÝnh cña mét sè m¸c hîp kim ®ång theo CDA M¸c Thµnh phÇn Tr¹ng σ®h, σb, δ, E, T¬ng ®¬ng ®ång hãa häc th¸i min, víi m¸c cña min, min, min, GPa ΓOCT MPa MPa % BiÕn d¹ng 110 Cu≥99,9 O 70 220 45 118 H 315 350 6 - 172 1,9Be-0,2Co O 210 500 48 119 БрБ2 T 1260 1420 2 - 260 30,0Zn O 120 355 62 108 Л70 T 440 530 8 - 510 5,0Sn-0,2P O 131 324 64 - БрOΦ5-1 619 7Al-2Fe O 280 560 42 126 БрAЖ7-2 H 370 610 35 - 715 30Ni O 275 420 45 154 H 525 600 4 - §óc 836 5,0Sn-5,0Zn- M 120 255 30 - БрOЦ C5-5- 5,0Pb 5 863 25Zn-3Fe- M 475 820 18 - 6Al-4Mn 905 10Sn-2Zn M 152 310 25 - 952 9Al-3Fe M 185 580 35 - БрAЖ 9-4Л §èi víi c¶ hai lo¹i biÕn d¹ng vµ ®óc, ngoµi c¸c thµnh phÇn trªn ngêi ta cßn ®a thªm vµo c¸c nguyªn tè kh¸c ®Ó t¨ng c¬ tÝnh còng nh t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn. 6.2.3. Br«ng Br«ng lµ hîp kim cña Cu víi c¸c nguyªn tè kh«ng ph¶i lµ Zn nh Sn, Al, Be... vµ ®îc gäi lµ br«ng thiÕc, br«ng nh«m, br«ng berili... (riªng hîp kim Cu - Ni kh«ng ®îc gäi lµ br«ng). C¸c tõ níc ngoµi t¬ng øng lµ: bronze (Anh, Ph¸p), бронза - (Nga). a. Br«ng thiÕc Br«ng thiÕc (hîp kim Cu - Sn) lµ hîp kim cæ xa nhÊt mµ loµi ngêi biÕt sö dông, trong thùc tÕ nÕu chØ gäi lµ br«ng th× nªn hiÓu ®ã lµ br«ng thiÕc (nh ®∙ biÕt theo vËt liÖu sö dông, loµi ngêi ®∙ tr¶i qua c¸c thêi kú ®å ®¸ - Stone Age, thêi kú ®å ®ång - Bronze Age). Tõ gi¶n ®å pha Cu - Sn (h×nh 6.10) thÊy r»ng víi hµm lîng Sn nhá h¬n 13,5%, sau khi kÕt tinh chØ cã mét pha α lµ dung dÞch r¾n thay thÕ cña Sn trong Cu cã kiÓu m¹ng A1 dÎo vµ t¬ng ®èi bÒn do c¬ chÕ hãa bÒn dung dÞch r¾n. V× kho¶ng kÕt tinh lín, qu¸ tr×nh thiªn tÝch x¶y ra kh¸ m¹nh nªn ngay víi hµm lîng
267 Sn kh¸ nhá (< 8%) trong ®iÒu kiÖn ®óc th«ng thêng ®∙ xuÊt hiÖn pha β; khi lµm nguéi tiÕp, pha nµy chuyÓn thµnh pha γ råi sau ®ã thµnh pha δ. Qu¸ tr×nh chuyÓn biÕn pha δ → [α + ε] ë 350oC vµ sù tiÕt pha ε trong α ë díi 350oC kh«ng x¶y ra ®îc v× tèc ®é ph¶n øng qu¸ nhá. β, γ, δ, ε ®Òu lµ c¸c hîp chÊt ®iÖn tö cøng vµ gißn. ë nhiÖt ®é thêng c¸c hîp kim chøa Ýt h¬n 8%Sn sau khi ñ cã tæ chøc mét pha ®ång nhÊt, kh¸ dÎo chÞu biÕn d¹ng tèt. Khi lîng Sn vît qu¸ 8%, nhÊt lµ khi lín h¬n 10%, hîp kim cã tæ chøc hai pha α + δ. Hµm lîng Sn dïng trong c¸c br«ng c«ng nghiÖp kh«ng vît qu¸ 16%. Br«ng thiÕc biÕn d¹ng thêng Ýt h¬n 8%Sn (cã thÓ tíi 10%) cã c¬ tÝnh cao vµ chèng ¨n mßn trong níc biÓn tèt h¬n lat«ng. §Ó c¶i thiÖn tÝnh gia c«ng c¾t thêng cã thªm Pb (CDA 521, CDA 524, ΓOCT БрOC5-1) hay cã thªm Zn ®Ó võa thay cho Sn rÎ h¬n võa cã t¸c dông hãa bÒn khi dïng 4% cho mçi nguyªn tè (4%Sn - 4%Zn - 4%Pb) víi m¸c CDA 544 hay ΓOCT БрOЦC4-4-4. H×nh 6.10. Gi¶n ®å pha Cu - Sn (gãc Cu) Br«ng thiÕc ®óc lµ lo¹i chøa nhiÒu h¬n 10%Sn hay víi tæng lîng c¸c nguyªn tè ®a vµo cao h¬n 12% nh lo¹i 5%Sn - 5%Zn - 5%Pb víi c¸c m¸c CDA 835, ΓOCT БрOЦC5-5-5, hay 10%Sn - 2%Zn víi m¸c CDA 905. Nhê tÝnh ®óc tèt do kh¶ n¨ng ®iÒn ®Çy khu«n cao, hÖ sè co ngãt nhá, chèng ¨n mßn tèt trong khÝ quyÓn, cã bÒ mÆt n©u - ®en (do t¹o nªn líp «xyt thiÕc) nªn br«ng thiÕc chøa Zn, Pb ®îc dïng ®Ó ®óc c¸c t¸c phÈm nghÖ thuËt: tîng ®µi, chu«ng, phï ®iªu, häa tiÕt trang trÝ. b. Br«ng nh«m Tõ gi¶n ®å pha hÖ Cu - Al (h×nh 6.11) ta thÊy c¸c hîp kim chøa Ýt h¬n 9,4%Al cã tæ chøc chØ lµ dung dÞch r¾n thay thÕ cña Al trong Cu cã m¹ng A1 kh¸ dÎo vµ bÒn. Do bÒ mÆt cã líp Al2O3 nªn hîp kim Cu - Al chÞu ®ùng tèt trong khÝ quyÓn c«ng nghiÖp hay níc biÓn. Br«ng nh«m mét pha (víi 5 ÷ 9%Al) ®îc sö dông kh¸ réng r∙i ®Ó chÕ t¹o bé ngng tô h¬i, hÖ thèng trao ®æi nhiÖt, lßxo t¶i dßng, chi tiÕt b¬m, ®å dïng cho lÝnh thñy (CDA 614, ΓOCT БрAЖ9-4), tiÒn xu (CDA 608, ΓOCT БрA5).
268 Br«ng hai pha (> 9,4%Al) víi sù xuÊt hiÖn cña pha β (hîp chÊt ®iÖn tö m¹ng A2 lµ Cu3Al) chØ æn ®Þnh ë trªn 565oC vµ chÞu biÕn d¹ng tèt. ë 565oC cã chuyÓn biÕn cïng tÝch β → [α + γ2]. NÕu lµm nguéi nhanh β → β' (m¹ng s¸u ph¬ng) còng cã tªn lµ mactenxit, nhng kh«ng cøng, song khi ram ë 500oC γ2 tiÕt ra ë d¹ng nhá mÞn, lµm t¨ng m¹nh ®é bÒn, l¹i rÊt Ýt g©y ra gißn nªn c¸c br«ng nh«m chøa 10 ÷ 13%Al ®îc t«i ram cao vµ cã c¬ tÝnh cao. H×nh 6.11. Gi¶n ®å pha Cu - Al (gãc Cu) C¸c br«ng nh«m ®óc cã lîng Al ≥ 9% nªn còng cã thÓ cã thµnh phÇn nh lo¹i biÕn d¹ng nh CDA 952 (gièng víi CDA 614), ΓOCT БрAЖ9-4Л (gièng víi БрAЖ9-4). c. Br«ng berili Hîp kim Cu víi 2%Be (CDA 172, ΓOCT БрБ2) sau khi t«i 750 ÷ 790oC trong níc, hãa giµ ë 320 ÷ 320oC cã tÝnh ®µn håi rÊt cao (nh thÐp ®µn håi) l¹i kh«ng ph¸t ra tia löa ®iÖn khi va ®Ëp nªn ®îc lµm c¸c chi tiÕt ®µn håi trong má vµ thiÕt bÞ ®iÖn. 6.2.4. Hîp kim Cu - Ni vµ Cu - Zn - Ni Nh ®∙ biÕt, tõ gi¶n ®å pha Cu - Ni (h×nh 3.9b) hai nguyªn tè nµy hßa tan v« h¹n vµo nhau nªn lu«n lu«n cã vïng tæ chøc mét pha vµ kiÓu m¹ng A1. Ni hßa tan v« h¹n vµo Cu lµm t¨ng m¹nh ®é bÒn, ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn trong níc biÓn. Hîp kim Cu - Ni víi 10 ÷ 30%Ni (vÝ dô CDA 715 cã 30%Ni) ®îc dïng lµm bé ngng tô cña tµu biÓn, èng dÉn níc biÓn, trong c«ng nghiÖp hãa häc. Hîp kim Cu víi 17 ÷ 27%Zn vµ 8 ÷ 18%Ni ®îc dïng lµm d©y biÕn trë, víi tæ chøc lµ dung dÞch r¾n nªn cã ®iÖn trë suÊt rÊt cao vµ cã mµu b¹c nh cña niken. 6.3. Hîp kim æ trît MÆc dÇu ngµy nay æ l¨n (bi vµ ®òa) ®îc sö dông rÊt phæ biÕn, c¸c æ trît vÉn cã vÞ trÝ trong m¸y mãc v× c¸c u ®iÓm cña nã: dÔ chÕ t¹o, dÔ thay, rÎ, b«i tr¬n dÔ vµ trong nhiÒu trêng hîp kh«ng thÓ thay thÕ kh¸c ®îc (nh ë trôc khuûu).
269 6.3.1. Yªu cÇu ®èi víi hîp kim lµm æ trît §Ó lµm ®îc æ trît, c¸c hîp kim ®em dïng ph¶i ®¹t ®îc c¸c yªu cÇu sau. - HÖ sè ma s¸t nhá víi bÒ mÆt trôc thÐp. §©y lµ yªu cÇu quan träng nhÊt ®èi víi hîp kim æ trît. §Ó ®¹t ®îc yªu cÇu nµy tæ chøc cña nã ph¶i sao cho cã diÖn tÝch tiÕp sóc víi bÒ mÆt cæ trôc thÐp thÊp vµ gi÷a chóng ph¶i cã khe hë ®Ó b«i tr¬n b»ng dÇu (h×nh 6.12). Do vËy hîp kim æ trôc ph¶i lµ lo¹i cã tæ chøc kh«ng ®ång nhÊt, nhiÒu pha kh¸c nhau râ rÖt: cøng vµ mÒm, trong ®ã phÇn Ýt h¬n ®îc gäi lµ h¹t, nhiÒu h¬n gäi lµ nÒn. Cã thÓ cã hai d¹ng: h¹t cøng - nÒn mÒm (nh h×nh 6.12) vµ h¹t mÒm - nÒn cøng. Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc phÇn mÒm bÞ mßn ®i vµ trë nªn r∙nh chøa dÇu. Tæ chøc h¹t cøng - nÒn mÒm cã kh¶ n¨ng cho ®é ma s¸t bÐ h¬n lo¹i nÒn cøng - h¹t mÒm. H×nh 6.12. H×nh th¸i tæ chøc cña hîp kim æ trît nÒn mÒm - h¹t cøng - Ýt lµm mßn cæ trôc thÐp vµ chÞu ®îc ¸p lùc cao ®Ó b¶o vÖ trôc thÐp khái mßn do nã ®¾t h¬n. Muèn vËy æ trît ph¶i ®îc lµm b»ng c¸c hîp kim mÒm ®Ó kh«ng lµm h¹i trôc nh Sn, Pb, Al, Cu... song l¹i ph¶i ®ñ ®é bÒn nhÊt ®Þnh ®Ó chÞu ®îc ¸p lùc cao. §Ó n©ng cao kh¶ n¨ng chÞu ¸p lùc cao vµ tiÕt kiÖm kim lo¹i mµu, c¸c æ trît thêng ®îc chÕ t¹o b»ng c¸ch ®óc tr¸ng hay g¾n Ðp lªn trªn m¸ng thÐp m¸c C8s. - TÝnh c«ng nghÖ tèt: dÔ ®óc, kh¶ n¨ng dÝnh b¸m vµo m¸ng thÐp cao... - RÎ. Ngêi ta chia c¸c hîp kim æ trôc ra lµm hai nhãm lín: cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp vµ nhiÖt ®é ch¶y cao h¬n. 6.3.2. Hîp kim æ trît cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp Hîp kim æ trît trªn c¬ së cña c¸c kim lo¹i dÔ ch¶y: Sn, Pb... ®îc gäi lµ babit (babbitt). §Æc tÝnh chung cña c¸c babit lµ rÊt mÒm nªn rÊt Ýt lµm mßn cæ trôc thÐp, cã hÖ sè ma s¸t nhá vµ gi÷ dÇu tèt, song cã nhîc ®iÓm lµ kh«ng chÞu ®îc ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao. a. Babit thiÕc Lµ lo¹i æ trît ®Çu tiªn do Babbitt (ngêi Anh) t×m ra cã sù kÕt hîp t¬ng ®èi tèt gi÷a tÝnh ma s¸t, c¬ tÝnh vµ tÝnh chèng ¨n mßn song qu¸ ®¾t do chøa nhiÒu Sn. Thêng dïng lµm c¸c æ trît quan träng víi tèc ®é lín vµ trung b×nh nh trong tuabin, ®éng c¬ ®iªzen. Thêng dïng hai m¸c 83%Sn - 11%Sb - 6%Cu (ΓOCT Б83, UNS L13820) vµ 88%Sn-8%Sb-3%Cu-1%(Ni + Cd) (ΓOCT Б88, UNS L13890). Cã thÓ xem chóng gåm hai cÊu tö chÝnh lµ Sn vµ Sb. Tõ gi¶n ®å pha Sn - Sb (h×nh 6.13), lo¹i ®Çu (Ýt Sn, nhiÒu Sb h¬n) cã tæ chøc gåm dung dÞch r¾n α - Sn(Sb) lµ nÒn mÒm (phÇn tèi), β' - hîp chÊt SnSb lµ h¹t cøng (phÇn s¸ng ®a c¹nh)
270 nh biÓu thÞ ë h×nh 6.14; ngoµi Sb ra hîp kim còng cßn chøa mét lîng Cu (3 ÷ 6%) lµ ®Ó t¹o nªn Cu3Sn (hay Cu6Sn5) ë d¹ng kim, sao còng lµ c¸c h¹t cøng song t¸c dông chÝnh cña nã lµ tr¸nh thiªn tÝch (SnSb lµ pha kÕt tinh tríc, nhng nÆng nªn cã xu híng ch×m xuèng díi, nhng do Cu3Sn kÕt tinh sím h¬n l¹i ph©n bè ®Òu trong thÓ tÝch pha láng do khèi lîng riªng cña chóng xÊp sØ nhau, do vËy ng¨n c¶n ®îc SnSb ch×m xuèng g©y ra thiªn tÝch). Lo¹i sau víi nhiÒu Sn, Ýt Sb h¬n nªn trong tæ chøc hÇu nh kh«ng cã SnSb, vai trß h¹t cøng chØ do Cu3Sn d¹ng kim, sao ®¶m nhiÖm. H×nh 6.13. Gi¶n ®å pha Sn - Sb H×nh 6.14. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim ΓOCT Б83, UNS L13820 b. Babit ch× Lµ hîp kim trªn c¬ së Pb víi 6 ÷16%Sn, 6 ÷ 16%Sb vµ ~1%Cu víi tæ chøc lµ cïng tinh (Pb + Sb) lµ nÒn mÒm (xem l¹i gi¶n ®å pha Pb - Sb h×nh 3.8b), c¸c phÇn tö SnSb, Cu3Sn lµ h¹t cøng. ë Nga dïng hai m¸c Б6 (víi 6%Sn, 6%Sb) vµ Б16 (víi 16%Sn, 16%Sb), trong ®ã Б16 cã nhiÒu h¹t cøng h¬n, gißn h¬n ®îc dïng nhiÒu trong ®iÒu kiÖn kh«ng chÞu va ®Ëp. Б6 ®îc dïng nhiÒu h¬n ®Ó thay Б83, Б88 trong c¸c ®éng c¬ x¨ng, chÞu va ®Ëp h¬n vµ rÎ h¬n. Díi ®©y lµ c¸c hîp kim æ trît cã nhiÖt ®é ch¶y cao h¬n. 6.3.3. Hîp kim nh«m Hîp kim nh«m lµ lo¹i ®¸p øng kh¸ toµn diÖn c¸c yªu cÇu ®èi víi æ trît vµ hiÖn ®∙ ®îc dïng rÊt réng r∙i nhê ma s¸t nhá, nhÑ, tÝnh dÉn nhiÖt cao, chèng ¨n mßn cao trong dÇu, ®Æc biÖt lµ c¬ tÝnh cao h¬n, tuy tÝnh c«ng nghÖ h¬i kÐm. Phæ biÕn h¬n c¶ lµ hÖ Al - Sn, trong ®ã lîng Sn cã thÓ biÕn ®æi tõ 3 ®Õn 20% (ngoµi ra cßn Cu, Ni, Si), chóng t¹o nªn c¸c pha mÒm ngay trong h¹t dung dÞch r¾n cña Al, nhê ®ã lµm t¨ng tÝnh chèng ma s¸t. Víi lîng Ýt Sn (3 ÷ 10%) nh c¸c m¸c ΓOCT AO 3-1 (3%Sn, 1%Cu), ΓOCT AO 9-2 (9%Sn, 2%Cu), AA 851.0 (6%Sn, 1%Cu) ®îc dïng ë tr¹ng th¸i ®óc lµm b¹c hay èng lãt dµy Ýt nhÊt 10mm. Víi lîng Sn nhiÒu h¬n (~20%) víi m¸c ΓOCT AO 20-1 ®îc dïng ë tr¹ng th¸i biÕn d¹ng díi d¹ng bimetal - kim lo¹i ghÐp - ®îc chÕ t¹o b»ng c¸ch c¸n Ðp hîp kim lªn b¨ng thÐp dÎo. Víi d¹ng b¸n thµnh phÈm nh vËy, b»ng c¸ch dËp tiÕp theo ngêi ta dÔ dµng chÕ t¹o ngay ra c¸c b¹c lãt. C¸c æ trît b»ng hîp kim nh«m chÞu ®îc ¸p lùc cao (200 ÷ 300kG/mm2), tèc ®é vßng lín (15 ÷ 20m/s), dïng nhiÒu trong ®éng c¬ ®iªzen.
271 6.3.4. C¸c hîp kim kh¸c C¸c hîp kim trªn c¬ së ®ång ®îc dïng lµm æ trît cã nhiÒu lo¹i: br«ng thiÕc, br«ng ch× vµ hîp kim bét. Br«ng thiÕc víi c¸c m¸c CDA 836, ΓOCT БрOЦC5-5-5 (®óc) vµ CDA 544,ΓOCT БрOЦC4-4-4 (biÕn d¹ng), trong ®ã Pb kh«ng tan lµ c¸c h¹t mÒm, nÒn cøng lµ Cu hßa tan Sn, Zn. Br«ng ch× thêng dïng víi m¸c ΓOCT БрC30 (30%Pb), víi c¸c phÇn tö Pb kh«ng tan lµ h¹t mÒm, Cu lµ nÒn cøng. Tæ chøc ph¶i ®¹t lµ c¸c h¹t Pb ph©n bè t¬ng ®èi ®Òu trªn nÒn Cu, muèn vËy khi ®óc ph¶i khuÊy vµ lµm nguéi nhanh ®Ó Pb nÆng h¬n kh«ng kÞp ch×m xuèng ®¸y g©y thiªn tÝch. Víi lîng Pb cao, c¬ tÝnh thÊp nªn thêng ph¶i ®óc trªn m¸ng thÐp. §Ó t¨ng c¬ tÝnh thêng dïng c¸c hîp kim Ýt Pb h¬n (8 ÷ 10%) song ®îc hîp kim hãa thªm b»ng Sn víi c¸c m¸c ΓOCT БрOC8-12, ΓOCT БрOC10-10 ë d¹ng vËt ®óc. Gang x¸m, gang cÇu, gang dÎo víi tæ chøc grafit lµ phÇn mÒm cã tÝnh b«i tr¬n tèt, r∙nh chøa dÇu vµ nÒn kim lo¹i lµ phÇn cøng còng ®îc lµm c¸c æ trît kh«ng quan träng do hÖ sè ma s¸t lín vµ cã thÓ kh«ng cÇn b«i tr¬n (do ®∙ cã grafit). NÒn kim lo¹i ®îc chän phô thuéc vµo trôc thÐp cøng hay mÒm: trôc thÐp qua nhiÖt luyÖn (t«i + ram hay thêng hãa) chän gang peclit, kh«ng qua nhiÖt luyÖn chän gang ferit - peclit. ΓOCT quy ®Þnh c¸c m¸c nh sau: AЧC-1, AЧC-2, AЧC-3 (gang x¸m); AЧB-1, AЧB-2 (gang cÇu), AЧK-1, AЧK-2 (gang dÎo). 6.4. Hîp kim titan Hîp kim titan lµ vËt liÖu kÕt cÊu cã nhiÒu triÓn väng v× nã cã tÝnh chèng ¨n mßn vµ c¬ tÝnh cao, l¹i kh¸ nhÑ, cã t¬ng ®èi nhiÒu trong vá qu¶ ®Êt (trong sè kim lo¹i titan ®øng hµng thø t sau nh«m, s¾t vµ magiª). Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y do kü thuËt luyÖn titan ngµy mét tiÕn bé, trong c«ng nghiÖp ®∙ sö dông ngµy cµng nhiÒu hîp kim nµy. 6.4.1. Titan nguyªn chÊt Titan lµ kim lo¹i kh¸ nhÑ (khèi lîng riªng γ = 4,5g/cm3), nhiÖt ®é nãng ch¶y t¬ng ®èi cao (16650C), cã tÝnh chèng ¨n mßn rÊt cao trong khÝ quyÓn vµ trong níc biÓn. Titan víi ®é s¹ch cao rÊt dÎo (δ = 40%, ψ = 60%) nhng kÐm bÒn (σb = 300MPa, σ0,2 = 180MPa, HB 100), song c¸c gi¸ trÞ nµy cßn cao h¬n s¾t nguyªn chÊt. CÇn chó ý lµ c¬ tÝnh cña titan phô thuéc rÊt nhiÒu vµo ®é s¹ch cña cña nã, chØ cÇn chøa mét lîng rÊt nhá t¹p chÊt còng lµm tÝnh dÎo gi¶m m¹nh (v× vËy trong thêi gian dµi tríc ®©y titan bÞ coi lµ kim lo¹i gißn) vµ ®é bÒn t¨ng nhanh, vÝ dô titan víi ®é nguyªn chÊt 99,9% cã ®é cøng HB 100, 99,8% - HB 145, 99,5% - HB 195. Titan nguyªn chÊt kü thuËt chøa 99,5%Ti cã c¬ tÝnh cao kh¸c h¼n titan nguyªn chÊt (cßn gäi lµ titan i«®ua): - ë tr¹ng th¸i ñ cã σb = 550MPa, σ0,2 = 450MPa, δ = 25%, ψ = 35%, - sau khi biÕn d¹ng nguéi σb = 860MPa, σ0,2 = 800MPa, δ = 7,5%, ψ = 15%. Ngêi ta luyÖn titan theo quy tr×nh sau ®©y: lµm giµu quÆng, clorua hãa quÆng titan ®Ó t¹o ra TiCl4, hoµn nguyªn titan tõ TiCl4 b»ng kim lo¹i Mg (TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2). Titan nhËn ®îc ë d¹ng khèi xèp ®îc nghiÒn thµnh bét, Ðp vµ thiªu kÕt hoÆc ®em nÊu ch¶y ë trong lß ®iÖn hå quang ch©n kh«ng hoÆc trong
272 khÝ quyÓn tr¬. C¸c m¸c titan kü thuËt cña Nga lµ BT1 - 00, BT1 - 0, BT1 - 1 cã thµnh phÇn hãa häc tr×nh bµy ë b¶ng 6.3. B¶ng 6.3. Thµnh phÇn hãa häc (%) cña titan kü thuËt (ΓOCT 19807-74) (kh«ng lín h¬n) M¸c titan Fe Si C O N H kh¸c BT1 - 00 0,12 0,08 0,05 0,1 0,04 0,008 - BT1 - 0 0,18 0,10 0,07 0,12 0,04 0,010 0,3 BT1 - 1 0,25 0,12 0,08 0,15 0,05 0,012 0,3 Titan cã hai d¹ng thï h×nh: ë díi 8820C cã m¹ng lôc gi¸c xÕp chÆt víi a = 0,296nm vµ c = 0,472nm ®îc ký hiÖu lµ Tiα, cao h¬n 8820C cã m¹ng lËp ph¬ng t©m khèi víi a = 3,32nm (tÝnh ë 9000C) ®îc ký hiÖu lµ Tiβ. Khi lµm nguéi chËm, chuyÓn biÕn thï h×nh x¶y ra theo c¬ chÕ th«ng thêng (t¹o mÇm vµ ph¸t triÓn mÇm, khuÕch t¸n) t¹o nªn c¸c h¹t ®a c¹nh; nhng khi lµm nguéi nhanh l¹i x¶y ra theo c¬ chÕ mactenxit (kh«ng khuÕch t¸n) t¹o nªn c¸c h¹t h×nh kim. TÝnh dÎo cao cña lo¹i titan i«®ua so víi c¸c kim lo¹i kh¸c cã cïng kiÓu m¹ng lôc gi¸c (Zn, Cd, Mg) lµ do nã cã nhiÒu hÖ trît h¬n. Ngoµi mÆt trît c¬ b¶n (0001) lµ mÆt ®¸y, titan cã thÓ trît theo c¸c mÆt (1010), (1011), song tinh theo c¸c mÆt (1012), (11 2 1), (11 2 2)... Nguyªn nh©n cña hiÖn tîng ®Æc biÖt nµy lµ do titan cã tû sè c/a thÊp (1,587), nhá h¬n gi¸ trÞ c/a lý tëng (1,633), trong khi ®ã Zn, Cd vµ Mg cã tû sè c/a > 1,633 tøc lµ c¸c mÆt ®¸y xa nhau h¬n, lùc liªn kÕt gi÷a chóng qu¸ yÕu vµ sù trît chñ yÕu ®îc tiÕn hµnh b»ng sù chuyÓn dêi t¬ng ®èi gi÷a c¸c mÆt nµy nªn sè hÖ trît bÞ h¹n chÕ. Nhîc ®iÓm cña titan lµ m«®un ®µn håi cña nã thÊp (nhá h¬n cña s¾t, niken kho¶ng hai lÇn) do ®ã h¹n chÕ sö dông lµm c¸c kÕt cÊu cøng v÷ng. 6.4.2. Hîp kim titan a. T¸c dông cña c¸c nguyªn tè víi titan Theo t¸c dông hßa tan vµo dung dÞch r¾n c¸c nguyªn tè dîc chia thµnh hai nhãm: thay thÕ vµ xen kÏ. C¸c ¸ kim víi ®êng kÝnh nguyªn tö nhá (C, O, N, H) t¹o nªn víi titan dung dÞch r¾n xen kÏ, g©y ra hãa bÒn n©ng cao ®é bÒn, ®é cøng, nhng ®ång thêi còng lµm gi¶m rÊt m¹nh ®é dÎo, nªn ngêi ta coi chóng lµ c¸c t¹p chÊt cã h¹i cÇn lo¹i bá. C¸c nguyªn tè kim lo¹i (Al, Cr, Mn, Mo, V...) cã kh¶ n¨ng t¹o nªn víi titan dung dÞch r¾n thay thÕ, chóng vÉn hãa bÒn titan nhng kh«ng lµm gi¶m m¹nh ®é dÎo vµ ®é dai, nªn ®îc coi lµ t¹p chÊt cã lîi hay nguyªn tè hîp kim. Theo ¶nh hëng ®Õn chuyÓn biÕn thï h×nh cña titan, tÊt c¶ c¸c nguyªn tè hîp kim ®îc chia thµnh ba nhãm: më réng α, më réng β vµ trung tÝnh nh biÓu thÞ ë h×nh 6.15. H×nh 6.15a tr×nh bµy d¹ng gi¶n ®å pha Ti - nguyªn tè hîp kim më réng vïng Tiα. C¸c nguyªn tè thuéc nhãm nµy cã Al, O, N, trong ®ã chØ cã Al ®îc sö dông thùc tÕ v× hai nguyªn tè cßn l¹i lµm gißn titan. Thêng dïng víi lîng Al trong giíi h¹n hßa tan cña dung dÞch r¾n (2 ÷ 6,5%) cã t¸c dông lµm gi¶m khèi lîng riªng, tÝnh gißn do hy®r«, n©ng cao m«®un ®µn håi, ®é bÒn, tÝnh bÒn nãng. Lo¹i hîp kim nµy kh«ng hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn. §¸ng chó ý lµ c¸c nguyªn tè t¹o nªn víi titan d¹ng gi¶n ®å pha më réng khu vùc Tiβ nh tr×nh bµy ë h×nh 6.15b vµ c, v× c¸c hîp kim cña nã cã thÓ hãa bÒn ®îc b»ng nhiÖt luyÖn. Mét sè nguyªn tè cã kiÓu m¹ng lËp ph¬ng t©m khèi nh