253 Chương hợp kim màu bột Trong chương khảo sát hợp kim sở sắt hay theo cách gọi thông dụng nước ta số nước hợp kim màu hợp kim chế tạo theo phương pháp bột, phương pháp cấu tử trộn lẫn cách học trạng thái rắn (khác với theo phương pháp truyền thống đ học trộn lẫn nấu chảy) Tuy hai loại hợp kim không dùng với khối lượng lớn nh­ thÐp, gang song tû lƯ cđa chóng ngµy mét tăng có đặc tính sử dụng công nghƯ rÊt ­u viƯt mét sè tr­êng hỵp 6.1 Hợp kim nhôm Về phương diện sản xuất ứng dụng, nhôm hợp kim nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thÐp Së dÜ nh­ vËy v× vËt liƯu có tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, số trường hợp đem lại hiệu kinh tế lớn, thay 6.1.1 Nhôm nguyên chất phân loại hợp kim nhôm a Các đặc tính nhôm nguyên chất Nhôm kim loại có nhiều đặc tính trội - Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm3), khoảng 1/3 thép Chính nhờ ưu điểm mà người ta ưu tiên xét sử dụng phải giảm nhẹ tối đa khối lượng hệ thống hay kết cấu (như hàng không, vận tải để tiết kiệm lượng phải tìm cách giảm tải trọng không tải, tăng tải trọng có ích) - Tính chống ăn mòn định khí nhờ luôn có lớp màng ôxyt (Al2O3), xít chặt bám vào bề mặt Để tăng tính chống ăn mòn khí người ta làm cho lớp bảo vệ dày lên cách anod hóa, nhờ nhôm hợp kim nhôm dùng xây dựng, trang trí nội thất mà không cần bảo vệ - Dẫn điện cao, 62% đồng khối lượng riêng chưa 1/3 nên với đặc tính truyền điện truyền dòng điện có cường độ nhau, dây dẫn nhôm nhẹ nửa dây đồng, lại bị nung nóng - Tính dẻo cao, kiểu mạng A1 dễ biến dạng dẻo kéo sợi, dây cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng (foil), ép chảy thành dài với biên dạng (profile) phức tạp khác Ngoài ưu việt kể có đặc tính khác cần phải để ý - Nhiệt độ chảy tương đối thấp (660oC) mặt làm dễ dàng cho nấu chảy đúc, làm nhôm hợp kim không sử dụng nhệt độ cao 300 ữ 400oC - Độ bền, độ cứng thấp, trạng thái ủ b = 60MPa, 0,2 = 20MPa, HB 25 Tuy nhiên có kiểu mạng A1 có hiệu ứng hóa bền biến dạng lớn, nên nhôm hợp kim nhôm, biến dạng nguội với lượng ép khác biện pháp hóa bền thường dùng 254 Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn (tăng bền nhờ biến dạng nguội) Hoa Kỳ, Nhật nước Tây âu thường dùng ký hiệu H1x, x số mức tăng thêm độ bền nhờ biến dạng dẻo (x/8): - mức tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng với mức ®é biÕn d¹ng rÊt lín (ε = 75%), - mức tăng (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến dạng nhỏ, 2, 4, - mức tăng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so với mức toàn phần), ứng với mức độ biến dạng tương đối nhỏ, trung bình, lớn, - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng > 75% Như tính nhôm hợp kim dạng bán thành phẩm phụ thuộc nhiều vào trạng thái biến dạng Trong sản xuất khí thường dùng hợp kim nhôm qua nhiệt luyện biến dạng dẻo có độ bền không thua thép cacbon Do công nghiệp, nhôm nguyên chất sử dụng chủ yếu để truyền tải điện đường trục chính, để tăng độ bền dây dẫn người ta thường ghép thêm dây thép để chịu lực (được gọi cáp nhôm) Nhôm nguyên chất sử dụng nhiều làm đồ gia dụng b Hợp kim nhôm phân loại Để có độ bền cao người ta phải hợp kim hóa nhôm tiến hành nhiệt luyện, hợp kim nhôm có vị trí quan trọng chế tạo khí xây dựng Hình 6.1 Góc nhôm giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim Khi đưa nguyên tố hợp kim vào nhôm (ở trạng thái lỏng) thường tạo nên giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim biểu thị hình 6.1, tiên (khi lượng ít) nguyên tố hợp kim hòa tan vào Al tạo nên dung dịch rắn thay Al, vượt giới hạn hòa tan (đường CF) tạo thêm pha thứ hai (thường hợp chất hóa học hai nguyên tố), sau vượt giới hạn hòa tan cao (điểm C hay C) tạo tinh dung dịch rắn pha thứ hai kể Do dựa vào giản đồ pha hệ hợp kim nhôm phân thành hai nhóm lớn biến dạng đúc 255 - Hợp kim nhôm biến dạng hợp kim với hàm lượng thấp nguyên tố hợp kim (bên trái điểm C, C) tùy thuộc nhiệt độ có tổ chức hoàn toàn dung dịch rắn nhôm nên có tính dẻo tốt, dễ dàng biến dạng nguội hay nóng Trong loại chia hai phân nhóm không có hóa bền nhiệt luyện + Phân nhóm không hóa bền nhiệt luyện loại chứa hợp kim (bên trái F), nhiệt độ có tổ chức dung dịch rắn, chuyển biến pha nên hóa bền nhiệt lun, chØ cã thĨ hãa bỊn b»ng biÕn d¹ng ngi mà + Phân nhóm hóa bền nhiệt luyện loại chứa nhiều hợp kim (từ điểm F ®Õn C hay C’), ë nhiƯt ®é th­êng cã tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ hai), nhiệt độ cao pha thứ hai hòa tan hết vào dung dịch rắn, tức có chuyển pha, nên biến dạng nguội hóa bền thêm b»ng nhiƯt lun Nh­ vËy chØ hƯ hỵp kim víi độ hòa tan nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ có đặc tính - Hợp kim nhôm đúc hợp kim với nhiều hợp kim (bên phải điểm C, C), có nhiệt độ chảy thấp hơn, tổ chức có tinh nên tính ®óc cao Do cã nhiỊu pha thø hai (th­êng lµ hợp chất hóa học) hợp kim giòn hơn, biến dạng dẻo Khả hóa bền nhiệt luyện nhóm có không cao biến đổi mạnh tổ chức nung nóng Ngoài hợp kim sản xuất theo phương pháp truyền thống có hợp kim nhôm chế tạo theo phương pháp không truyền thống, hợp kim bột (hay thiêu kết) hợp kim nguội nhanh c Hệ thống ký hiệu cho hợp kim nhôm Để ký hiệu hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thống đánh số theo AA (Aluminum Association) cđa Hoa kú b»ng xxxx cho lo¹i biến dạng xxx.x cho loại đúc, đó: - Số có ý nghĩa sau Loại đúc Loại biến dạng 1xxx - nhôm ( 99,0%), 1xx.x - nhôm thỏi thương phẩm, 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 - nguyên tố khác 8xx.x - Al - Sn - Ba số tra theo bảng tiêu chuẩn cụ thể Để ký hiệu trạng thái gia công hóa bền, nước phương Tây thường dùng ký hiệu sau F: trạng thái phôi thô, O: ủ kết tinh lại, H: hóa bền biến dạng nguội, H1x (x từ đến 9): túy biến dạng nguội với mức độ khác nhau, H2x (x từ đến 9): biến dạng ngi råi đ håi phơc, H3x (x tõ ®Õn 9): biến dạng nguội ổn định hóa, T: hóa bền + hóa già, T1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên, 256 T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên, T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu cuối T3), T5: biến dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T1), T6: tôi, hóa già nhân tạo (đoạn đầu giống T4), T7: tôi, hóa già, T8: tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3), T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội (hai đoạn đầu giống T6) (ngoài Txx, Txxx, Txxxx) TCVN 1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm bắt đầu Al ký hiệu hóa học nguyên tố hợp kim số % nó, hợp kim đúc sau có chữ Đ Ví dụ AlCu4Mg hợp kim nhôm chứa ~4%Cu, ~1%Mg Với nhôm Al số phần trăm nó, ví dụ Al99, Al99,5 6.1.2 Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền nhiệt luyện a Nhôm Nhôm hay xác nhôm thương phẩm có 99,0%Al với hai mác điển hình AA1060 AA1100 trạng thái ủ có độ bền thấp, mềm dẻo, dễ biến dạng nguội, nhờ giới hạn chảy tăng lên mạnh (2 đến lần) cứng lên nhiều Nhờ có tính chống ăn mòn định (do độ cao), chúng dùng công nghiệp hóa học, thực phẩm, đông lạnh, làm thùng chứa (1060), ốp xây dựng Để làm dây (trần, bọc) hay cáp điện dùng AA1350 Tạp chất có hại nhôm nguyên chất Fe Si (khi có mặt với Fe) tạo nên pha giòn FeAl3, pha , hợp chất Fe, Si (với công thức khác nhau) b Hợp kim Al - Mn Hình 6.2 Góc Al giản đồ pha Al - Mn Theo giản đồ pha Al - Mn (hình 6.2), giới hạn hòa tan cao Mn Al (dung dịch rắn ) 1,8% 659oC giảm nhanh theo nhiệt độ, vượt giới hạn hòa tan hai nguyên tố kết hợp với thành Al6Mn Với thành phần dùng với 1,0 ữ 1,6%Mn phải thuộc hệ hóa bền nhiệt luyện, song thực tế tạp chất thường có Fe, Si độ hòa tan Mn giảm nhanh (ví dụ với 0,1%Fe 0,65%Si 500oC nhôm 257 hòa tan 0,05%Mn), biến đổi giới hạn hòa tan mangan theo nhiệt độ, nên hệ hóa bền biến dạng nguội Về tính, hợp kim biến dạng hệ Al - Mn nhạy cảm với biến dạng nguội (giới hạn chảy tăng ữ lần) có nhiệt độ kết tinh lại tăng lên, hình thành pha dạng nhỏ mịn, phân tán Hợp kim Al - Mn dễ biến dạng dẻo, cung cấp dạng bán thành phẩm khác (lá mỏng, thanh, dây, hình, ống ), chống ăn mòn tốt khí dễ hàn, dùng để thay mác AA 1xxx yêu cầu tính cao c Hợp kim Al - Mg Như đ thấy từ giản đồ pha Al - Mg (hình 6.3), giới hạn hòa tan Mg Al thay đổi mạnh theo nhiệt độ: 15% 451oC, không đáng kể nhiệt độ thường, vượt giới hạn hòa tan hai nguyên tố kết hợp với thành Mg2Al3 (pha giản đồ) song lại phân bố biên hạt với dạng liên tục, tác hại mạnh đến tính chống ăn mòn (gây ăn mòn tinh giới ăn mòn ứng suất) Vì sau biến dạng nguội hợp kim ủ ổn định hóa (H3) 300oC để tránh kết tụ hợp chất biên giới Để tránh tạo nên lưới Mg2Al3 người ta th­êng chØ dïng < 4%Mg (trong mét sè tr­êng hỵp đặc biệt lên tới ữ 7% đạt độ bền cao dễ bị ăn mòn hơn) với mác điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454 Đặc tính mác là: - nhẹ số hợp kim nhôm có độ bền khá, cải thiện biến dạng nguội, - khả biến dạng nóng, nguội hàn tốt, - tính chống ăn mòn tốt cải thiện anod hóa Hình 6.3 Góc Al giản đồ pha Al - Mg 6.1.3 Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền nhiệt luyện Đây phân nhóm hợp kim nhôm quan trọng nhất, có tính cao không thua thép cacbon a HƯ Al - Cu vµ Al - Cu - Mg Hợp kim AlCu4 nhiệt luyện hóa bền Để xÐt nhiƯt lun hãa bỊn cđa hƯ Al - Cu nói riêng hệ hợp kim nhôm khác nãi chung, h∙y xÐt c¬ chÕ hãa bỊn nhiƯt luyện hợp kim Al chứa 4%Cu 258 Bảng 6.1 Thành phần hóa học (%) tính hợp kim nhôm theo AA Mác nhôm -1, , b, σ0,2, min, min, min, min, MPa % MPa MPa BiÕn dạng không hóa bền nhiệt luyện Thành phần hãa häc 1100 Al ≥ 99,0 (Fe+Si) 1,633 tøc mặt đáy xa hơn, lực liên kết chúng yếu trượt chủ yếu tiến hành chuyển dời tương đối mặt nên số hệ trượt bị hạn chế Nhược điểm titan môđun đàn hồi thấp (nhỏ sắt, niken khoảng hai lần) hạn chế sử dụng làm kết cấu cứng vững 6.4.2 Hợp kim titan a Tác dụng nguyên tố với titan Theo tác dụng hòa tan vào dung dịch rắn nguyên tố dược chia thành hai nhóm: thay xen kẽ Các kim với đường kính nguyên tử nhỏ (C, O, N, H) tạo nên với titan dung dịch rắn xen kẽ, gây hóa bền nâng cao độ bền, độ cứng, đồng thời làm giảm mạnh độ dẻo, nên người ta coi chúng tạp chất có hại cần loại bỏ Các nguyên tố kim loại (Al, Cr, Mn, Mo, V ) có khả tạo nên với titan dung dịch rắn thay thế, chúng hóa bền titan không làm giảm mạnh độ dẻo độ dai, nên coi tạp chất có lợi hay nguyên tố hợp kim Theo ảnh hưởng đến chuyển biến thù hình titan, tất nguyên tố hợp kim chia thµnh ba nhãm: më réng α, më réng β trung tính biểu thị hình 6.15 Hình 6.15a trình bày dạng giản đồ pha Ti - nguyên tố hợp kim mở rộng vùng Ti Các nguyên tố thuộc nhóm có Al, O, N, có Al sử dụng thực tế hai nguyên tố lại làm giòn titan Thường dùng với lượng Al giới hạn hòa tan dung dịch rắn (2 ữ 6,5%) có tác dụng làm giảm khối lượng riêng, tính giòn hyđrô, nâng cao môđun đàn hồi, độ bền, tính bền nóng Loại hợp kim không hóa bền nhiệt luyện Đáng ý nguyên tố tạo nên với titan dạng giản đồ pha mở rộng khu vực Ti trình bày hình 6.15b c, hợp kim hóa bền nhiệt luyện Một số nguyên tố có kiểu mạng lập phương tâm khối 273 Mo, V, Ta, Nb có khả hòa tan vô hạn vào Ti tạo dung dịch rắn vô hạn (hình 6.15b) Một số nguyên tố khác nh­ Cr, Fe, Ni, W, Cu, Mn cã më rộng vùng không tạo vùng dung dịch rắn vô hạn, pha chuyển biến tích thành hỗn hợp [ + ], pha phøc t¹p (vÝ dơ nh­ pha Laves TiCr2 hƯ Ti - Cr hình 5.15c) Các nguyên tố đáng chó ý ë nhãm nµy lµ Mo, V, Cr, Mn nguyên tố hợp kim, % Hình 6.15 Sơ đồ dạng giản đồ pha Ti - nguyên tố hợp kim: a më réng Tiα, b më réng Tiβ, c më rộng Ti có tạo thành tích, d trung tính Các nguyên tố Sn, Zr, Hf, Th không ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển biến thù hình, tạo nên với Ti dạng giản đồ pha biểu diễn hình 6.15d Tuy không ảnh hưởng đến chuyển biến pha, song số nguyên tố nhóm hòa tan vào Ti Ti có làm thay đổi mét sè tÝnh chÊt cđa titan Sn hãa bỊn hỵp kim titan mà không làm giảm nhiều độ dẻo, Zr nâng cao giới hạn độ bền mỏi b NhiƯt lun hãa bỊn NhiƯt lun hãa bỊn hỵp kim titan bao gồm hóa già Đối với hợp kim có dạng giản đồ pha hình 6.15b, hóa già áp dụng cho thành phần cã tỉ chøc α + β Khi t«i, ng­êi ta nung nóng hợp kim đến trạng thái làm nguội nhanh nước (trong số trường hợp để tránh phát triển mạnh hạt trạng thái , cần nung nóng đến trạng thái + ) Kết tạo nên mactenxit - dung dịch rắn bo hòa nguyên tố hợp kim Ti, tổ chức tế vi có dạng hình kim Tuy tinh thể mactenxit có độ cứng độ bền cao dung dịch rắn cân song hóa bền trường hợp nhiều so với chuyển biến mactenxit thép Quá trình hóa bền chủ yếu xảy hóa già (ram), lúc từ mactenxit tiết pha hỗn hợp pha phân tán , lúc độ bền, độ cứng tăng lên song độ dẻo độ dai giảm Chuyển biến mactenxit xảy hợp kim chứa nguyên tố hợp kim thấp giá trị nồng độ tới hạn Nồng độ tới hạn nguyên tố 274 sau: V - 15%, Mo - 11%, Mn - 8%, Cr - 6%, Fe - 4% Lớn giá trị điểm bắt đầu chuyển biến mactenxit giảm thấp nhiệt độ thường, nên chuyển biến mactenxit không xảy Đối với hợp kim có dạng giản đồ pha hình 6.15c, hóa già áp dụng cho thành phần trước tích Khi nung nóng hợp kim đến trạng thái Các hợp kim titan thường dùng có nhiệt độ khoảng 800 ữ 9500C hóa già 450 ữ 6000C Không hóa già nhiệt độ thấp (ví dụ 300 ữ 3500C) lúc tạo nên pha giòn Để nâng cao tính chống mài mòn hợp kim titan, áp dụng thấm nitơ, bề mặt đạt độ cứng HV 1200 ữ 1500 c Các mác công dụng Thường dùng hợp kim titan với Al nguyên tố mở rộng vùng : V, Mo (không tạo thành tích), Cr, Mn, Fe (tạo tích) Bảng 6.4 6.5 trình bày thành phần hóa học tính số mác hợp kim titan biến dạng Nga Bảng 6.4 Thành phần hóa học (%) số mác hợp kim titan biến dạng (OCT 19807-74) Mác hợp kim BT5 BT5-1 OT4-1 OT4 OT4-2 BT6 BT14 BT16 BT8 BT9 BT3-1 Al 4,3-6,2 4,3-6,0 1,0-2,5 3,5-5,0 5,7-6,7 5,5-7,0 3,5-6,3 1,8-3,8 6,0-7,3 5,8-7,0 5,5-7,0 Thành phần nguyên tố Mn Mo nguyên tố khác 0,7-2,0 0,8-2,0 1,0-2,3 - 2,5-3,8 4,5-5,5 2,8-3,3 2,8-3,8 2,0-3,0 2,5Sn 4,2-6,0V 0,9-1,9V 4,0-5,5V 0,2-0,4Si 0,2-0,35Si 0,8-2,0Zr 0,8-2,3Cr; 0,15-0,4Si; 0,2-0,4Fe 9,5-11,0Cr Phân loại theo tổ chức hợp kim hợp kim giả hợp kim ( + ) hợp kim giả Hợp kim với hai mác điển hình BT5 BT5-1 hợp kim hóa chủ yếu Al có độ bền trung bình nhiệt độ thường, có tính cao nhiệt độ cực lạnh, có tính bền nóng hợp kim trở nên nhẹ Về tính công nghệ chúng có tính hàn tốt tính gia công cắt bảo đảm Tính dẻo nhiệt độ thường không cao, trạng thái nóng hợp kim dễ rèn, dập, cán cung cấp dạng tấm, thỏi, dây, vật cán định hình Hợp kim Ti - Al hợp kim hóa thêm Mn tổ chức chủ yếu có lượng nhỏ pha (1 - 2%) gọi hợp kim giả với mác OT4 1, OT4 vµ OT4 - Do chøa Ýt Al vµ cã pha β OT4 - vµ OT4 - cã tính dẻo nhiệt độ thường tốt hơn, dễ gia công áp lực trạng thái nguội chế tạo chi tiết phức tạp phải nung nãng tíi 500 - 7000C OT4 - chøa nhiều Al nên gia công áp lực phải trạng thái nóng BT15 2,3-3,6 - 6,8-8,0 275 Nhược điểm nhóm không nhiệt luyện hóa bền có khuynh hướng giòn hyđrô Hợp kim ( + ) có ưu điểm lớn có kết hợp tốt tính tính công nghệ nhiệt luyện hóa bền trạng thái ủ tôi, có tính dẻo cao, sau hóa già có độ bền cao Lượng pha nhiều khả hóa bền mạnh Tăng lượng pha hợp kim hóa thêm Mo, V, Cr Loại hợp kim đem gia công cắt hàn Sau hàn cần phải đem ủ để nâng cao độ dẻo mối hàn Hợp kim dùng công nghiệp, muốn tạo thành tổ chức hoàn toàn phải dùng lượng lớn nguyên tố hợp kim V, Mo, Nb, Ta nguyên tố đắt, làm nặng hợp kim HiƯn chØ dïng BT15 cã tỉ chøc β gi¶ (vì chủ yếu có ) BT15 có khối lượng riêng tương đối nhỏ (4,8g/cm3), tính cao Nhược điểm mối hàn có độ dẻo thấp Bảng 6.5 Cơ tính hợp kim titan Mác hợp kim BT5 BT5-1 OT4-1 OT4 OT4-2 BT6 BT14 BT15 BT16 BT3-1 BT8 NhiÖt luyÖn, C ñ740760 ñ860880 ñ670720 ñ670720 ñ750800 t800940 +hg500 t860880 + hg500 t760800 +hg480 t790 +hg500 ủđẳng nhiệt 870,650 t900950 +hg500 -600 σ0,2, σb, MPa MPa 700-950 600-800 C¬ tÝnh δ, % aK, kJ/m2 300600 400900 5001000 350650 240300 240300 210250 - - 9501000 11001500 - 1015 1015 2040 1220 10001050 1416 - 11501400 10801300 6-10 250350 750-950 650-850 600-750 470-650 700-900 550-650 Phân loại theo tính chất độ bền trung bình HB độ dẻo cao độ 340370 bền cao 13001500 11801400 3-6 250300 - 12501450 10001200 11001200 8501100 4-6 400600 300600 - 1016 260340 bÒn 10001150 8501050 9-16 300600 310350 nãng 276 BT9 nh­ trªn 114010005-14 2003301300 1150 500 370 Ngoài loại biến dạng kỹ thuật dùng hợp kim tiatn đúc Tuy nhiên việc đúc hợp kim titan không đơn giản hấp thụ khí mạnh, tác dụng với vật lệu làm khuôn Hình 6.16 Các chi tiết, phận máy bay phản lực làm hợp kim titan: mép trước cánh, cánh phụ, đầu nhọn, mép trước ổn định Trong vật liệu kết cấu, hợp kim titan vật liệu kết cấu có độ bỊn riªng cao nhÊt - σb / γ = 22(km) - có độ bền cao thép hợp kim khối lượng riêng khoảng 60% Khi thay thÕ thÐp b»ng hỵp kim titan, khèi l­ỵng chi tiết giảm tới 40% Cùng với đặc tính bền nóng, chống ăn mòn cao, hợp kim titan ứng dụng ngày rộng ri ngành kỹ thuật: chế tạo máy bay, tên lửa, đóng tàu, công nghiệp hóa học Trong chế tạo máy bay làm thân máy bay siêu âm với tốc độ ữ 3,5 lần so với tốc độ âm bề mặt bị nung nóng tới 450 ữ 5000C (hình 6.16), làm chi tiết động máy bay phản lực (đĩa cánh máy ép, chi tiết lỗ hút không khí), vỏ tên lửa tầng thứ hai tầng thứ ba (trong loại tên lửa nhiều tầng), bình bình cầu chứa khÝ nÐn vµ khÝ hãa láng, vá tµu biĨn, tµu ngầm, ngư lôi Trong công nghiệp hóa học làm lò phản ứng cho môi trường ăn mòn mạnh, khí cụ bay hơi, bơm, trao đổi nhiệt, quạt Trong kỹ thuật chân không làm chất hấp thụ khí, chi tiết điện tử, chân không 6.5 Hợp kim bột 6.5.1 Khái niệm chung a Phương pháp chế tạo Khác với phương pháp truyền thống nấu chảy kết tinh (đúc), biến dạng thành bán thành phẩm, gia công cắt thành bán thành phẩm, người ta chế tạo sản phẩm kim loại, hợp kim quy trình ngắn gọn hơn: chế tạo bột qua ép thiêu kết, tức không cần nấu chảy, kết tinh gia công cắt Đó phương pháp luyện kim bột Như để chế tạo sản phẩm phương pháp phải có ba công đoạn chính: - Tạo bột kim loại hay hợp kim có thành phần với yêu cầu dạng rắn, nhỏ mịn (bột) trộn thật Có thể chế tạo bột theo cách như: nghiền (cho vật liệu giòn), phun tia kim loại lỏng vào môi trường nguội nhanh (trên tang đồng hay nước, khí áp suất cao), hoàn nguyên từ ôxyt, điện phân 277 - Tạo hình: có tác dụng từ bột rời rạc tạo vật rắn có hình dạng kích thước xác định với ®é dÝnh kÕt nhÊt ®Þnh (®Ĩ cã thĨ vËn chun hay gia công khí cần thiết) Có thể tạo hình cách ép, nén với áp suất 100 ữ 1000MPa, tùy theo yêu cầu khối lượng riêng Muốn khối lượng riêng lớn đồng phải ép với áp suất lớn rung học - Thiêu kết: có tác dụng làm cho hạt bột liên kết bền vững với nhau, tăng lý tính cho sản phẩm đến giá trị mong muốn Thường nung nóng ®Õn nhiƯt ®é b»ng 0,75Tso (theo oK) cđa kim lo¹i thời gian 0,5 ữ 6,0h khí bảo vệ hay chân không Ngoài tăng dao động nhiệt, khuếch tán làm tăng liên kết bề mặt, trình chủ yếu xảy kết tinh lại toàn bộ, tạo hạt đa cạnh Trong trình thiêu kết, sản phẩm co lại, mật độ tăng lên Có thể kết hợp hai khâu ép thiêu kết cách ép nóng, đạt mật độ cao - Về kinh tế đạt hiƯu qu¶ kinh tÕ - kü tht cao nÕu s¶n lượng lớn chi phí đầu tư ban đầu cao b Đặc điểm phương pháp - Về kinh tế: nguyên liệu bột sử dụng gần triệt để, không hay phải gia công cắt, sửa - Về chất lượng: dễ bảo đảm độ đồng sản phẩm thành phần, tổ chức, kích thước tính chất chế tạo hàng loạt có vật liệu chuẩn trộn - Về tổ chức tế vi: thấy hợp kim bột cấu trúc xít chặt, có lỗ hổng (rỗ xốp thay đổi rộng từ đến 50%), có tính không cao - Một số sản phẩm chế tạo phương pháp luyện kim bột hay phương pháp rẻ so với luyện kim truyền thống chế tạo kim loại có nhiệt độ chảy cao, vật liệu cứng, siêu cứng, bạc xốp Sau khảo sát loại hợp kim bột dùng nhiều sản xuất khí 6.5.2 Vật liệu cắt mài øng dơng quan träng nhÊt cđa lun kim bét khí làm dao cắt hợp kim cứng đá mài a Hợp kim cứng Trong tất loại vật liệu cắt thường dùng, hợp kim cứng loại có tính cứng nóng cao cả, tới 800 ữ 1000oC, tốc độ cắt đạt tới hàng trăm m/min Thành phần hóa học cách chế tạo Thành phần chủ yếu loại hợp kim cøng lµ cacbit: WC (chiÕm tû lƯ cao nhÊt), TiC, TaC cứng nhiệt độ chảy cao, có lượng nhỏ côban làm chất dính kết, nhờ bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn cứng nóng cao, chất tự nhiên qua nhiệt luyện Do cacbit có nhiệt độ chảy cao, hợp kim cứng chế tạo qua bước sau - Tạo bột cacbit cách hoàn nguyên WO3 hyđrô 700 ữ 900oC bột W đem nghiền, sàng lấy cỡ hạt nhỏ 0,10 ữ 0,15 đến ữ 5àm, sau trộn bột W với bồ hóng nung lên 1400oC 1h để bột WC - Trộn bột cacbit víi bét Co nhiỊu h cho thËt ®Ịu đem ép thành lưỡi cắt nhỏ, hình dạng đơn giản - Thiêu kết: nung nhiệt độ cao (1450oC) để Co biến mềm, bắt đầu chảy, dính chặt hạt cacbit với thành khối 278 Phân loại mác Có ba nhóm: một, hai ba cacbit trình bày bảng 6.6 Bảng 6.6 Thành phần hóa học (%) tính số hợp kim cứng theo OCT 3882-74 Thành phần hóa häc, % WC TiC TaC Co C¬ tÝnh σ , HRA MPa Một cacbit Mác hợp kim uon b Ký hiÖu theo TCVN BK2 BK3 BK4 BK6 BK8 BK10 BK15 BK20 BK25 98 97 96 94 92 90 85 80 75 - - 1000 1100 1400 1500 1600 10 1650 15 1800 20 1950 25 2000 Hai cacbit 90,0 89,5 89,5 88,5 87,5 87,0 86,0 84,0 82,0 WCCo2 WCCo3 WCCo4 WCCo6 WCCo8 WCCo10 WCCo15 WCCo20 WCCo25 T30K4 T15K6 T14K8 T5K10 T5K12 66 79 78 85 83 30 15 14 5 - 950 1150 1250 10 1400 12 1650 Ba cacbit 92,0 90,0 89,0 88,5 87,0 WCTiC30Co4 WCTiC15Co6 WCTiC14Co8 WCTiC5Co10 WCTiC5Co12 TT7K12 TT10K8 TT20K9 81 82 71 12 12 87,0 89,0 89,0 WCTiC4TaC3Co12 WCTiC3TaC7Co8 WCTiC8TaC12Co9 1650 1450 1300 - Nhãm mét cacbit: WC + Co với mác có từ đến 25%Co, lại lµ WC - Nhãm hai cacbit: chđ u vÉn lµ WC, có thêm ữ 30%TiC ữ 12%Co - Nhãm ba cacbit: chđ u vÉn lµ WC, cã thêm ữ 8%TiC, ữ 12%TaC ữ 12%Co Tổ chức tính Tổ chức tế vi hợp kim cứng gồm hạt cacbit sắc cạnh (màu sáng) gắn dính với Co (màu tối) hình 6.17 với yêu cầu hạt nhỏ phân bố Do chế tạo phương pháp bột nên có rỗ xốp song phải (~ 2%) Không cho phép cã mi than (bå hãng) tỉ chøc v× nã gây điểm mềm Về tính, hợp kim cứng rÊt cøng tíi HRA 82 ÷ 90 (HRC 70 ÷ 75), chống mài mòn cao, cứng nóng cao, cắt với tốc độ cao (hàng trăm m/min), có nhược điểm giòn Cơ tính hợp kim cứng phụ thuộc vào: - Với lượng Co nh­ nhau, nhãm hai cacbit cøng h¬n nhãm mét cacbit 279 TiC hòa tan WC (tới 70%) có độ cứng cao hơn, giòn có hệ số ma sát với thép nhỏ so với WC ảnh hưởng thấy TaC, NbC Vì thường dùng hai nhóm sau (hai, ba cacbit) để gia công gang H×nh 6.17 Tỉ chøc tÕ vi cđa BK8 - ë nhóm, mác chứa nhiều côban dẻo hơn, song độ cứng giới hạn bền uốn giảm đôi chút Để kết hợp độ cứng cao độ dẻo định cắt gọt hay dùng mác với ữ 8%Co (BK8, T15K6, TT10K8) - Trong mác (đặc biệt nhóm cacbit) cỡ hạt cacbit côban nhỏ mịn không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng cải thiện mạnh tính chống mài mòn, độ bền độ dai va đập (các mác có hạt nhỏ đặc biệt nhỏ rõ thêm ký hiệu riêng) Công dụng Hợp kim cứng sử dụng rộng ri làm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập chi tiết máy Hiệu sử dụng hợp kim cứng cắt gọt cao hẳn thép gió (có tài liệu đánh giá 10 lần tính từ hiệu sử dụng vonfram) làm vị trí thép gió nhược điểm sau: - không tạo hình phức tạp dùng cách ép bột tạo mảnh nhỏ đơn giản sau gia công định hình cứng, hợp kim cứng thường dùng làm dao đơn giản lưỡi cắt (hầu hết dao lưỡi cắt hợp kim cứng), - tính giòn tương đối cao, dễ gy, vỡ, mẻ tải trọng va đập, - tính dÉn nhiƯt kÐm: ~ 50% cđa thÐp Khi lµm dao, miếng hợp kim cứng nhỏ hàn (hàn đồng) hay kẹp vào thân dao thép C45 có độ bền uốn độ dẻo tốt, tránh nhược điểm hợp kim cứng Nhóm cacbit có tính cứng nóng khoảmg 800oC: BK2 ữ BK8 dùng để cắt phôi có phoi vụn gang, sứ, gốm, hợp kim màu, BK10 ữ BK15 làm khuôn kéo sợi, mũi khoan (địa chất) có tuổi bền thép hàng chục lần, làm khuôn kéo sợi, BK20 ữ BK25 có độ dai tốt làm khuôn dập, chi tiết máy chống mài mßn Nhãm hai cacbit cã tÝnh cøng nãng tíi 900 ữ 1000OC, chủ yếu dùng để gia công tinh thép, kể thép đặc biệt 280 Nhóm ba cacbit có mặt TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn, chủ yếu dùng để gia công thô thỏi đúc, cán, rèn b Vật liệu làm đĩa cắt Dao (đĩa) cắt kim cương nhân tạo hay nitrit bo (BN) lập phương dùng rộng ri cắt kim loại, đá Chúng vật liệu siêu cứng (HV 8000 ữ 10000) Có thể có dạng sau - Bột kim cương trộn với ữ 2% bột B, Be Si (chất dính kết) ép nóng áp suất cao tới 12GPa nhiệt độ khoảng 3000oC, đạt HV 8000 - Bột kim cương bột BN rải lên bề mặt hợp kim cứng ép nóng áp suất ữ 8GPa khoảng 1800oC, lúc phần nhỏ Co, chí W, Ti hợp kim cứng tiết thành chất dính kết với lớp siêu cứng, đạt HV 5000 ữ 8000 - Bột kim cương bột BN trộn với khoảng 20 ữ 30% bột kim loại (chất dính kết), ép nóng áp suất ữ 6GPa 1200 ữ 1600oC, đạt HV 4000 ữ 5000, thích hợp với dụng cụ cắt đá Kim cương có độ cứng cao (HV 10000) lại bị hạn chế nhiệt độ sử dụng (khi cắt với tốc độ cao, cacbon khuếch tán vào sắt, thép) nên dao cắt với BN có ưu việt Ví dụ cắt gang xám với tốc độ 1800 ữ 2000 m/min c Vật liệu mài Bột mài phải hạt cứng có kích thước không luôn có góc cạnh sắc nhọn Theo độ cứng tăng lên thường dùng cát trắng (SiO2), êmêri (hỗn hợp tự nhiên Al2O3), Al2O3, SiC, BN lập phương, kim cương Có thể dùng chúng ba dạng: -tự do, máy phun cát, bột mài rà, bột đánh bóng (như đánh bóng mẫu kim loại để quan sát tổ chức tế vi bột Cr2O3 - màu rêu Al2O3 - màu trắng), - gắn giấy, vải (gọi giấy, vải ráp hay nhám) để làm nhẵn gỗ, kim loại, - khối (đá mài loại): thường làm SiC, hạt mài liên kết với b»ng chÊt dÝnh kÕt gèm thđy tinh hay nhùa h÷u d Thép gió bột Loại thép gió với lượng cacbon hợp kim cao (> 2%C, > 6%V, > 10%Co) khó luyện, bị thiên tích mạnh khó rèn Khi chế tạo phương pháp luyện kim bột nhờ có bột mịn mà thành phần trở nên đồng Xuất phát từ nguyên liệu bột (Fe, C, W, Cr, Mo, V, Co) qua Ðp nãng d­íi ¸p suất 100MPa 1100oC khí bảo vệ acgông (Ar), tạo nên bán thành phẩm thỏi lớn Chế độ rèn nhiệt luyện thép gió nấu chảy với nhiệt độ thấp 6.5.3 Vật liệu kết cấu a Trên sở nhôm hợp kim nhôm Bột nhôm với bề mặt có lớp Al2O3 chế tạo đặc biệt (phun nhôm lỏng vào nước gây ôxy hóa bề mặt), sau ép (áp suất 100 ữ 350MPa) thiêu kết bán thành phẩm hệ Al - Al2O3, Al2O3 (5 ữ 20%) pha cứng làm tăng độ bền vật liệu (sau nhiệt luyện b đạt tới 300 ữ 450MPa) Rõ ràng lượng Al2O3 cao, sử dụng bột nhôm với độ bền cao, hợp kim thiêu kết có độ bền cao, độ dẻo thấp !u việt chủ yếu dạng vật liệu nhôm thiêu kết khả chịu nóng Chính vật lẫn Al2O3 nhỏ mịn phân bố ổn định đ trì 281 tính tốt đến 300 ữ 350oC tính chống ăn mòn Có hai loại vật liệu nhôm thiêu kết bột nhôm bột hợp kim nhôm thiêu kết - Bột nhôm thiêu kết viết tắt theo tiếng Anh SAP (Sintered Aluminum Powder) vµ theo tiÕng Nga lµ CAΠ vµ dùng rộng ri nước nước công nghiệp khác Ví dụ OCT quy định mác CA1, CA2, CA3, CA4 với lượng Al2O3 tăng dần Nếu CA1 có b = 300 ữ 320MPa, = ữ 8% CA4 có b = 440 ÷ 460MPa, δ = 1,5 ÷ 2,0% (σ100 ë 500oC CA1, CA2 45 ữ 55MPa) - Bột hợp kim nhôm thiêu kết viết tắt theo tiếng Anh lµ SAAP (Sintered Aluminum Alloy Powder) vµ theo tiÕng Nga CAC, sử dụng hợp kim nhôm có độ bền cao đura, silumin, hay hợp kim đặc biệt Hợp kim đặc biệt chứa lượng đáng kể kim loại chuyển tiếp Mn Cr, Fe , nhờ làm nguội cực nhanh (104 ữ 106oC/s) hạt dung dịch rắn Al siêu bo hòa Nhờ trình nung nóng (400 ữ 500oC) chế tạo (để ép, thiêu kết) phần tử cực mịn pha liên kim loại tiết dung dịch rắn, gây hóa bền mạnh hợp kim, b đạt cao tới 700 ữ 1000MPa b Trên sở sắt thép Sắt thép bột dùng để sản xuất chi tiết máy bánh loại có tính không thua thép truyền thống Tuy nhiên phải tính đến hai yếu tố khối lượng riêng thành phần hóa học - Khối lượng riêng cao đặc tính cứng, bền, dẻo hợp kim cao Nếu đạt 6,2 ữ 7,0g/cm3 (độ xít tương đối 80 ữ 90%) tính đạt 50 ữ 70% so với sắt, thép nấu chảy tương ứng Muốn > 7,0g/cm3 phải áp dụng phương pháp tốn hơn: ép thiêu kết nhiều lần, ép nóng - Thành phần hóa học tính chất sắt, thép bột có ảnh hưởng quan trọng đến tính Các nguyên tố hợp kim sắt, thép bột có tác dụng tương tự sắt, thép thường: Cr, Ni với lượng vừa phải làm tăng độ thấm tôi, Cr, Ni cao - thép không gỉ Trong sắt thép bột thường đưa thêm Cu với lý sau: + với ữ 10%Cu nâng cao tính trạng thái ủ lẫn trạng thái hóa già (do tiết pha phân tán, lượng Cu hòa tan Fe giảm từ 1,4% 850oC 0,3% 20oC), + tác dụng tốt với thiêu kết bị chảy lỏng trình nên tạo điều kiện làm tăng độ xít chặt c Trên sở đồng hợp kim đồng Đồng bột hợp kim đồng bột làm chi tiết máy nhỏ điện thoại, máy ảnh, quay phim, đồng hồ, vũ khí, thiết bị điện - điện tử, vËy cã thĨ chun tõ vËt liƯu trun thèng sang vật liệu bột tương ứng đồng bột (khi cần dẫn điện cao tới 85 ữ 90% độ dẫn chuẩn đồng OFHC, = 1,7241à.cm 20oC), brông thiếc, brông thiếc - niken, latông 6.5.4 Hợp kim xốp thấm Đây ưu việt trội hợp kim bột không thay nhờ đặc điểm độ xít chặt không cao (chứa nhiều lỗ hổng, lỗ xốp) điều chỉnh, khống chế a Bạc xốp tự bôi trơn 282 Đây loại bạc, ổ trượt dùng rộng ri đồ dùng gia đình quạt điện, máy hút bụi, máy giặt, tủ lạnh, máy xay sinh tố mà không cần phải để ý đến việc tra dầu, mỡ Nguyên lý bạc phải có độ xốp cao (10 ữ 25%) để chứa dầu Sự tẩm dầu thực chân không 70oC Khi làm việc, bạc nóng lên dầu tiết từ lỗ xốp nên bôi trơn tốt trục quay êm theo kiểu cân thủy động, ngừng quay nhiệt độ hạ xuống dầu lại hút trở lại rỗ xốp Thường để bảo đảm tính bôi trơn từ đầu, người ta thường cho thêm vào hợp kim bột lượng nhỏ (2 ữ 7%) grafit Thường dùng bạc xốp sở đồng, sắt - Bạc xốp sở sắt có khoảng ữ 7% grafit, HB 50 ữ 100 (nên không làm mòn cổ trục thÐp), hƯ sè ma s¸t víi thÐp kh¸ nhá: 0,07 ữ 0,09, chịu áp lực cao tới 100 ữ 150kG/cm2 nhiệt độ 80 ữ 100oC - Bạc xốp sở brông thiếc (8 ữ 10%Sn) có khoảng ÷ 4% grafit, HB 18 ÷ 40, cã hƯ số ma sát với thép nhỏ, 0,04 ữ 0,07 b Màng lọc Màng lọc sản xuất từ bột dạng cầu đẳng trục, kích thước hạt (dmax / dmin < 1,5), áp lực nén nhỏ, độ xốp cao, 30 ữ 50% với lỗ xốp phân bố đều, đường kính trung bình lỗ xốp khoảng dmin / Nguyên liệu sản xuất kim loại hợp kim có tính chống ăn mòn cao: Ag, Au, Pt br«ng, thÐp hä 18 - Với phương pháp chế tạo đặc biệt phun dung dịch bột lên lõi thích hợp, ép chảy, cán bột để chế tạo chi tiết dạng ống, bình thành mỏng có tính thấm tương tự giấy lọc song kết hợp với tính chịu nhiệt cứng vững ceramic tính bền nhiệt độ kim loại, với ngưỡng lọc khoảng ữ 10àm Phớt (dạ) kim loại sản xuất từ sợi (đường kính 10 ữ 150àm) cắt ngắn qua ép nhẹ thiêu kết để có độ xốp lớn (50 ữ 95%) víi ng­ìng läc biÕn ®ỉi rÊt réng tõ ®Õn 100àm đ mở rộng phạm vi sử dụng hợp kim xốp Công dụng hợp kim xốp phớt kim loại làm màng lọc để tách hạt rắn lẫn chất lỏng, khí Cũng dùng để tách hỗn hợp lỏng lỏng, tách giọt lỏng không khí Các phận giảm ống xả, màng ngăn tạp âm phận thu máy điện thoại làm vật liệu xốp thép không gỉ ... 295.0 4,5Cu-1,0Si T6,kh.c¸t 165 250 - AЛ7 3 56. 0 7,0Si-0,3Mg 17Si-4,5Cu0,6Mg 12,0Si-1,3Fe 160 180 270 290 160 230 260 280300 1,5