253 Chương 6 hợp kim màu và bột Trong chương này sẽ khảo sát các hợp kim không phải trên cơ sở sắt hay theo cách gọi thông dụng ở nước ta cũng như một số nước là hợp kim màu và các hợp kim được chế tạo theo phương pháp bột, trong phương pháp này các cấu tử chỉ được trộn lẫn nhau một cách cơ học ở trạng thái rắn (khác với theo phương pháp truyền thống đ học là trộn lẫn bằng nấu chảy). Tuy hai loại hợp kim này không được dùng với khối lượng lớn như thép, gang song tỷ lệ của chúng ngày một tăng và có các đặc tính sử dụng và công nghệ rất ưu việt trong một số trường hợp. 6.1. Hợp kim nhôm Về phương diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép. Sở dĩ như vậy vì vật liệu này có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trường hợp đem lại hiệu quả kinh tế lớn, không thể thay thế được. 6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm a. Các đặc tính của nhôm nguyên chất Nhôm là kim loại có nhiều đặc tính nổi trội. - Khối lượng riêng nhỏ (2,7 g/cm 3 ), khoảng bằng 1/3 của thép. Chính nhờ ưu điểm này mà người ta ưu tiên xét sử dụng nó khi phải giảm nhẹ tối đa khối lượng của hệ thống hay kết cấu (như trong hàng không, vận tải để tiết kiệm năng lượng phải tìm cách giảm tải trọng không tải, tăng tải trọng có ích). - Tính chống ăn mòn nhất định trong khí quyển nhờ luôn luôn có lớp màng ôxyt (Al 2 O 3 ), xít chặt bám chắc vào bề mặt. Để tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển người ta làm cho lớp bảo vệ này dày lên bằng cách anod hóa, nhờ đó nhôm và các hợp kim nhôm có thể dùng trong xây dựng, trang trí nội thất mà không cần bảo vệ. - Dẫn điện cao , tuy chỉ bằng 62% của đồng nhưng do khối lượng riêng chưa bằng 1/3 nên với các đặc tính về truyền điện như nhau và truyền dòng điện có cường độ như nhau, dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây đồng, lại bị nung nóng ít hơn. - Tính dẻo rất cao , do kiểu mạng A1 rất dễ biến dạng dẻo nhất là khi kéo sợi, dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng (foil), ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng (profile) phức tạp rất khác nhau. Ngoài các ưu việt kể trên nó cũng có những đặc tính khác cần phải để ý. - Nhiệt độ chảy tương đối thấp (660 o C) một mặt làm dễ dàng cho nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim không sử dụng được ở nhệt độ cao hơn 300 ữ 400 o C. - Độ bền, độ cứng thấp , ở trạng thái ủ b = 60MPa, 0,2 = 20MPa, HB 25. Tuy nhiên do có kiểu mạng A1 nó có hiệu ứng hóa bền biến dạng lớn, nên đối với nhôm và hợp kim nhôm, biến dạng nguội với lượng ép khác nhau là biện pháp hóa bền thường dùng. 254 Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) ở Hoa Kỳ, Nhật và các nước Tây â u thường dùng các ký hiệu H1x, trong đó x là số chỉ mức tăng thêm độ bền nhờ biến dạng dẻo (x/8): 8 - mức tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng với mức độ biến dạng rất lớn ( = 75%), 1 - mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến dạng nhỏ, 2, 4, 6 - 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, 9 - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng > 75%. Như thế cơ tính của nhôm và hợp kim ở dạng bán thành phẩm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái biến dạng này. Trong sản xuất cơ khí thường dùng các hợp kim nhôm qua nhiệt luyện và biến dạng dẻo có độ bền không thua kém gì thép cacbon. Do vậy trong công nghiệp, nhôm nguyên chất được sử dụng chủ yếu để truyền tải điện nhất là ở các đường trục chính, để tăng độ bền trong dây dẫn người ta thường ghép thêm dây thép để chịu lực (được gọi là cáp nhôm). Nhôm nguyên chất cũng được sử dụng nhiều làm đồ gia dụng. b. Hợp kim nhôm và phân loại Để có độ bền cao người ta phải hợp kim hóa nhôm và tiến hành nhiệt luyện, vì thế hợp kim nhôm có vị trí khá quan trọng trong chế tạo cơ khí và xây dựng. Hình 6.1. Góc nhôm của 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 như biểu thị ở hình 6.1, trong đó thoạt tiên (khi lượng ít) nguyên tố hợp kim sẽ hòa tan vào Al tạo nên dung dịch rắn thay thế nền Al, khi vượt quá giới hạn hòa tan (đường CF) sẽ tạo thêm pha thứ hai (thường là hợp chất hóa học của hai nguyên tố), sau đó khi vượt quá giới hạn hòa tan cao nhất (điểm C hay C) tạo ra cùng tinh của dung dịch rắn và pha thứ hai kể trên. Do vậy dựa vào giản đồ pha như vậy bất cứ hệ hợp kim nhôm nào cũng có thể được phân thành hai nhóm lớn là biến dạng và đúc . 255 - Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim với hàm lượng thấp nguyên tố hợp kim (bên trái điểm C, C) tùy thuộc nhiệt độ có tổ chức hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm nên có tính dẻo tốt, dễ dàng biến dạng nguội hay nóng. Trong loại này còn chia ra hai phân nhóm là không và có hóa bền được bằng nhiệt luyện. + Phân nhóm không hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa ít hợp kim hơn (bên trái F), ở mọi nhiệt độ chỉ có tổ chức là dung dịch rắn, không có chuyển biến pha nên không thể hóa bền được bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hóa bền bằng biến dạng nguội mà thôi. + Phân nhóm hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa nhiều hợp kim hơn (từ điểm F đến C hay C), ở nhiệt độ thường có tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ hai), nhưng ở nhiệt độ cao pha thứ hai hòa tan hết vào dung dịch rắn, tức có chuyển pha, nên ngoài biến dạng nguội có thể hóa bền thêm bằng nhiệt luyện. Như vậy chỉ hệ hợp kim với độ hòa tan trong nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ mới có thể có đặc tính này. - Hợp kim nhôm đúc là hợp kim với nhiều hợp kim hơn (bên phải điểm C, C), có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh nên tính đúc cao. Do có nhiều pha thứ hai (thường là hợp chất hóa học) hợp kim giòn hơn, không thể biến dạng dẻo được. Khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện của nhóm này nếu có cũng không cao vì không có biến đổi mạnh của tổ chức khi nung nóng. Ngoài các hợp kim sản xuất theo các phương pháp truyền thống như trên còn có các hợp kim nhôm được chế tạo theo các phương pháp không truyền thống, đó là các hợp kim bột (hay thiêu kết) và hợp kim nguội nhanh. c. Hệ thống ký hiệu cho hợp kim nhôm Để ký hiệu các hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thống đánh số theo AA (Aluminum Association) của Hoa kỳ bằng xxxx cho loại biến dạng và xxx.x cho loại đúc, trong đó: - Số đầu tiên có các ý nghĩa sau. Loại biến dạng Loại đúc 1xxx - nhôm sạch ( 99,0%), 1xx.x - nhôm thỏi sạch 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 - không có, 7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu, 7xx.x - Al - Zn, 8xxx - Al - các nguyên tố khác 8xx.x - Al - Sn. - Ba số tiếp theo được tra theo bảng trong các tiêu chuẩn cụ thể. Để ký hiệu trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây thường dùng các ký hiệu sau. F: trạng thái phôi thô, O: ủ và kết tinh lại, H: hóa bền bằng biến dạng nguội, trong đó H1x (x từ 1 đến 9): thuần túy biến dạng nguội với mức độ khác nhau, H2x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ủ hồi phục, H3x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ổn định hóa, T: hóa bền bằng tôi + hóa già, trong đó 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 và cuối của 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, quá 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 ra còn Txx, Txxx, Txxxx). TCVN 1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm được bắt đầu bằng Al và tiếp theo lần lượt từng ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó, nếu là hợp kim đúc sau cùng có chữ Đ. Ví dụ AlCu4Mg là hợp kim nhôm chứa ~4%Cu, ~1%Mg. Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của nó, ví dụ Al99, Al99,5. 6.1.2. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện a. Nhôm sạch Nhôm sạch hay chính xác hơn là nhôm thương phẩm có ít nhất 99,0%Al với hai mác điển hình AA1060 và AA1100. ở trạng thái ủ có độ bền thấp, mềm nhưng rất dẻo, dễ biến dạng nguội, nhờ đó giới hạn chảy tăng lên rất mạnh (2 đến 4 lần) và cứng lên nhiều. Nhờ có tính chống ăn mòn nhất định (do độ sạch cao), chúng được dùng trong công nghiệp hóa học, thực phẩm, đông lạnh, làm thùng chứa (1060), tấm ốp trong xây dựng. Để làm dây (trần, bọc) hay cáp điện dùng AA1350. Tạp chất có hại của nhôm nguyên chất là Fe và Si (khi có mặt cùng với Fe) do tạo nên các pha giòn FeAl 3 , các pha , là hợp chất giữa Fe, Si (với công thức khác nhau). b. Hợp kim Al - Mn Hình 6.2. Góc Al của giản đồ pha Al - Mn Theo giản đồ pha Al - Mn (hình 6.2), giới hạn hòa tan cao nhất của Mn trong Al (dung dịch rắn ) là 1,8% ở 659 o C và giảm nhanh theo nhiệt độ, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố trên kết hợp với nhau thành Al 6 Mn. Với thành phần như vậy và khi dùng với 1,0 ữ 1,6%Mn đáng lẽ nó phải thuộc hệ hóa bền được bằng nhiệt luyện, song trong thực tế do các tạp chất thường có Fe, Si độ hòa tan của Mn trong giảm rất nhanh (ví dụ với 0,1%Fe và 0,65%Si ở 500 o C nhôm 257 chỉ hòa tan được 0,05%Mn), hầu như không có biến đổi giới hạn hòa tan mangan theo nhiệt độ, nên hệ này chỉ có thể hóa bền được bằng biến dạng nguội. Về cơ tính, hợp kim biến dạng hệ Al - Mn rất nhạy cảm với biến dạng nguội (giới hạn chảy tăng 2 ữ 4 lần) và có nhiệt độ kết tinh lại tăng lên, còn là do hình thành pha ở dạng nhỏ mịn, phân tán. Hợp kim Al - Mn dễ biến dạng dẻo, được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm khác nhau (lá mỏng, thanh, dây, hình, ống .), chống ăn mòn tốt trong khí quyển và dễ hàn, được dùng để thay thế các mác AA 1xxx khi yêu cầu cơ tính cao hơn. c. Hợp kim Al - Mg Như đ thấy từ giản đồ pha Al - Mg (hình 6.3), giới hạn hòa tan của Mg trong Al thay đổi mạnh theo nhiệt độ: 15% ở 451 o C, không đáng kể ở nhiệt độ thường, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố này kết hợp với nhau thành Mg 2 Al 3 (pha trên giản đồ) song lại phân bố ở biên hạt với dạng liên tục, tác hại mạnh đến tính chống ăn mòn (gây ăn mòn tinh giới và ăn mòn dưới ứng suất). Vì vậy sau khi biến dạng nguội hợp kim được ủ ổn định hóa (H3) ở trên dưới 300 o C để tránh sự kết tụ của hợp chất trên tại biên giới. Để tránh tạo nên lưới Mg 2 Al 3 người ta thường chỉ dùng < 4%Mg (trong một số trường hợp đặc biệt có thể lên tới 6 ữ 7% tuy đạt độ bền cao hơn nhưng dễ bị ăn mòn hơn) với các mác điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454. Đặc tính của các mác này là: - nhẹ nhất trong số các hợp kim nhôm và có độ bền khá, có thể cải thiện bằng biến dạng nguội, - khả năng biến dạng nóng, nguội và hàn đều tốt, - tính chống ăn mòn tốt và có thể cải thiện bằng anod hóa. Hình 6.3. Góc Al của giản đồ pha Al - Mg 6.1.3. Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện Đây là phân nhóm hợp kim nhôm quan trọng nhất, có cơ tính cao nhất không thua kém gì thép cacbon. a. Hệ Al - Cu và Al - Cu - Mg Hợp kim AlCu4 và nhiệt luyện hóa bền Để xét nhiệt luyện hóa bền của hệ Al - Cu nói riêng và của các hệ hợp kim nhôm khác nói chung, hy xét cơ chế hóa bền khi nhiệt luyện hợp kim Al chứa 4%Cu. 258 Bảng 6.1. Thành phần hóa học (%) và cơ tính của các hợp kim nhôm theo AA Mác nhôm Thành phần hóa học Trạng thái 0,2 , min, MPa b , min, MPa , min, % -1 , min, MPa Tương đương với mác của OCT Biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện 1100 Al 99,0 (Fe+Si)<1 O H14 H18 35 90 130 80 130 150 35 9 6 30 50 60 A0 3003 1,2Mn- 0,12Cu O H14 H18 40 145 185 110 155 200 30 8 4 45 62 70 AM 5052 2,5Mg- 0,25Cr O H34 H38 90 210 255 190 265 280 25 10 7 110 120 135 AM 2 Biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện 2014 4,4Cu- 0,5Mg- 0,8Mn-0,8Si O T4 T6 100 290 430 200 420 480 20 18 12 90 140 125 1 6061 1,0Mg-0,6Si- 0,2Cr-0,3Cu O T4 T6 55 150 275 125 245 410 25 22 17 50 90 100 AB 7075 5,6Zn- 2,5Mg- 1,6Cu-0,3Cr O T6 105 500 230 570 17 11 - 160 B95 Đúc 295.0 4,5Cu-1,0Si T6,kh.cát 165 250 5 - A 7 356.0 7,0Si-0,3Mg T6,kh.cát T6,lytâm 160 180 230 260 1,5 4 - - A 9 390.0 17Si-4,5Cu- 0,6Mg T6,kh.cát T6,lytâm 270 290 280300 <0,5 <0,5 - - 413.0 12,0Si-1,3Fe F,đúc áp lực 160 280 3 - A 2 Từ giản đồ pha Al - Cu (hình 6.4) thấy rằng Cu hòa tan đáng kể ở trong Al ở nhiệt độ cao (cực đại là 5,65% ở 548 o C), song lại giảm mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ thường). Khi vượt quá giới hạn hòa tan lượng Cu thừa được tiết ra ở dạng CuAl 2II (trong đó II là để chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn như Fe 3 C II trong thép sau cùng tích). Như vậy hợp kim AlCu4: - lúc đầu ở nhiệt độ thường và ở trạng thái cân bằng (ủ) có tổ chức gồm dung dịch rắn - Al (0,5%Cu) và một lượng (khoảng 7%) là pha CuAl 2II , có độ cứng và độ bền thấp nhất ( b = 200MPa), - khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (520 o C), các phần tử CuAl 2II hòa tan hết vào và chỉ có tổ chức một pha là Al(4%Cu) và khi làm 259 nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl 2II không kịp tiết ra, tổ chức giàu Cu được cố định lại ở nhiệt độ thường, Hình 6.4. Góc Al của giản đồ pha Al - Cu (CuAl 2 được ký hiệu là ) - như vậy sau khi tôi, ở nhiệt độ thường hợp kim có tổ chức khác hẳn lúc đầu, là dung dịch rắn quá bo hòa (với giới hạn hòa tan là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá bo hòa) với độ bền tăng lên đôi chút (do mạng bị xô lệch nhất định), b = 250 ữ 300MPa và vẫn còn khá dẻo (có thể sửa, nắn được). Song lại thấy hiện tượng đặc biệt khác thép: sau khi tôi, theo thời gian độ bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau 5 ữ 7 ngày, b = 400MPa tức đ tăng gấp đôi so với trạng thái ủ (hình 6.5). Quá trình nhiệt luyện hóa bền như vậy được gọi là tôi + hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường). Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già Cơ chế giải thích sự hóa bền của hợp kim nhôm khi tôi + hóa già do Gunier và Preston đưa ra một cách độc lập nhau từ đầu thế kỷ 20 sau đó đ được chứng minh bằng phân tích tia X là đúng. Có thể giải thích sự hóa bền đó như sau. Dung dịch rắn quá bo hòa tạo thành sau khi tôi là không ổn định, luôn có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng, bằng cách tiết ra Cu và tập trung lại dưới dạng CuAl 2 . Sự trở về trạng thái cân bằng này xảy ra khá chậm ở nhiệt độ thường và càng nhanh ở nhiệt độ cao hơn với các giai đoạn như sau. - Giai đoạn I. Khi lượng Cu tập trung quá 4% ở một số vùng gọi là vùng G.P có kích thước rất bé (hình đĩa bán kính khoảng 5 nm ) với sự xô lệch mạng cao nên có độ cứng cao, nhờ đó nâng cao độ bền, độ cứng. - Giai đoạn II. Các nguyên tử Cu trong vùng G.P tiếp tục tập trung và dần dần đạt đến mức 1Cu - 2Al và vùng G.P to lên tạo nên pha " (kích thước 10 nm , khoảng cách các pha 20nm) rồi ' (với kích thước lớn hơn). Độ bền đạt được giá trị cao nhất là ứng với sự tạo nên pha ", khi tạo nên pha ' độ bền bắt đầu giảm đi. ở nhiệt độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha " và đạt độ bền cực đại sau 5 ữ 7 ngày và duy trì trạng thái này mi mi (xem đường hóa già tự nhiên - 20 o C - trên hình 6.5). - Giai đoạn III. ở nhiệt độ cao hơn, 50 ữ 100 o C hay hơn, pha ' chuyển biến thành với cấu trúc đúng với CuAl 2 như trên giản đồ pha. Do ở trạng thái cân bằng và pha có kích thước lớn hơn nên độ bền giảm nhanh đến mức thấp nhất (xem đường hóa già nhân tạo - 100, 200 o C trên hình 6.5). Có thể coi và là các tiền pha của - CuAl 2 . 260 Qua đó thấy rõ: + Pha CuAl 2 có vai trò rất lớn đối với hóa bền hợp kim nhôm: hòa tan vào dung dịch rắn khi nung nóng, tạo nên dung dịch rắn quá bo hòa khi làm nguội và chuẩn bị tiết ra lại ở dạng rất phân tán khi hóa già . Không có nó hợp kim không thể hóa bền được, nên người ta gọi nó là pha hóa bền . Hình 6.5. Sự thay đổi giới hạn bền theo thời gian (hóa già) sau khi tôi của hợp kim AlCu4 + Nhiệt luyện hóa bền bằng cách tôi rồi tiếp theo sau là: hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 ữ 7 ngày , hoặc muốn nhanh hơn, hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 ữ 200 o C trong thời gian thích hợp (chừng vài chục h tùy theo từng nhiệt độ cụ thể) để đạt đến độ bền cao nhất do tạo nên tiền pha (nhưng nếu kéo dài quá quy định độ bền sẽ giảm đi và không đạt được giá trị cực đại do tạo nên pha ). Họ AA 2xxx (đura) Họ này thuộc hệ Al - Cu - Mg. Về cơ bản chúng là hợp kim với trên dưới 4%Cu (2,6 đến 6,3%) và 0,5 ữ 1,5%Mg có tên là đura (từ tiếng Pháp duraluminium - nhôm bền, cứng). Cu và đặc biệt là Mg (cùng với Cu) là các nguyên tố có tác dụng nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + hóa già vì chúng tạo nên các pha hóa bền, ngoài CuAl 2 còn có CuMg 5 Al 5 , CuMgAl 2 có tác dụng mạnh hơn. Tuy nhiên trong thành phần của đura phải kể ra sáu nguyên tố (thêm Fe, Si và Mn), trong đó: Fe và Si là hai tạp chất thường có (các hợp chất chỉ chứa Fe và đồng thời cả Fe, Si không hòa tan vào Al khi nung nóng nên không có tác dụng hóa bền, lại còn làm giảm lượng pha hóa bền, nên rất có hại), Mn được đưa vào với lượng nhỏ để làm tăng tính chống ăn mòn. Các mác AA 2014 và AA 2024 được dùng nhiều trong kết cấu máy bay, dầm khung chịu lực xe tải, sườn tàu biển, dụng cụ thể thao . Hai đặc điểm nổi bật của đura là: - Độ bền cao ( b = 450 ữ 480MPa), khối lượng riêng nhỏ ( 2,7 g/cm 3 ) nên có độ bền riêng (được xác định bằng tỷ số b / với thứ nguyên là chiều dài) cao , tới 15 ữ 16 (km), trong khi đó CT51 là 6,0 ữ 6,5, gang: 1,5 ữ 6,0. - Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau, nhưng người ta có thể hoàn toàn khắc phục được bằng cách phủ các lớp nhôm nguyên chất mỏng (~4% chiều dày tấm) lên bề mặt khi cán nóng, nên có tính chống ăn mòn không khác gì nhôm sạch. Chính nhờ độ bền riêng cao và tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển, các 261 bán thành phẩm cán của đura được dùng rộng ri trong vận tải, đặc biệt là hàng không. b. Hệ Al - Mg - Si và Al - Zn - Mg Họ AA6xxx Họ này thuộc hệ Al - Mg - Si với pha hóa bền Mg 2 Si và các mác điển hình là AA 6061 và AA 6070 với các đặc tính là: - có độ bền kém đura ( b = 400MPa), nhưng - có tính dẻo cao hơn ở trạng thái nóng lẫn trạng thái nguội và có tính hàn cao. Các mác trên được dùng rộng ri để ép chảy thành các khung nhôm qua anod hóa (với chiều dày hàng chục à m ) có tác dụng bảo vệ tốt, chống ăn mòn trong khí quyển, có nhiều màu sắc và một phần chống mài mòn làm các kết cấu có tính mỹ thuật, trang trí rất đa dạng từ khung (cửa các loại, tường vách ngăn trang trí, tủ, hộp .), ống cho đến bản in. Họ AA 7xxx Họ này thuộc hệ Al - Zn- Mg và có thể có thêm Cu và là loại sau nhiệt luyện có độ bền cao nhất ( b > 550MPa). Thường dùng Zn trong khoảng từ 4 đến 8%, Mg - 1 ữ 3%. Hóa bền tổ chức chủ yếu là tạo nên vùng G.P của MgZn 2 và Al 2 Mg 3 Zn 3 . Khi đưa thêm Cu (tới 2%) nó sẽ hòa tan vào dung dịch rắn và hóa bền thêm pha này. Ngoài có độ bền cao nhất, họ AA 7xxx còn có các đặc tính là nhiệt luyện dễ (khoảng tôi rộng, 350 ữ 500 o C), tốc độ tôi tới hạn nhỏ (có thể nguội trong không khí). Đây là hợp kim nhôm có nhiều tiềm năng đang được khai thác, sử dụng trong hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao. 6.1.4. Hợp kim nhôm đúc a. Các đặc điểm Như đ nói hợp kim nhôm đúc trong tổ chức phải gồm chủ yếu là cùng tinh và do đó chứa nhiều hợp kim hơn. Trong các hệ Al - nguyên tố hợp kim chỉ có hệ Al - Si có cùng tinh với thành phần hợp kim ít nhất (11,3%Si), nên tốn ít hợp kim, rẻ nên thường dùng để đúc; còn ở các hệ khác cùng tinh có lượng chứa hợp kim cao hơn rất nhiều như Al - Cu với 33%Cu, Al - Mg với 34,5%Mg nên đắt và bị hạn chế sử dụng. Cơ tính của vật đúc hợp kim nhôm phụ thuộc nhiều vào tốc độ nguội và biến tính. Đúc trong khuôn kim loại (ly tâm, áp lực) do nguội nhanh hơn nhiều trong khuôn cát nên tổ chức nhận được nhỏ mịn hơn, cải thiện mạnh cơ tính. Biến tính có tác dụng mạnh đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Al - Si. b. Hợp kim nhôm - silic (silumin) Biến tính Hợp kim nhôm - silic đúc đơn giản chỉ gồm hai cấu tử với 10 ữ 13%Si (AA 423.0 hay A 2). Theo giản đồ pha Al - Si (hình 6.6) với thành phần như vậy hợp kim có nhiệt độ chảy thấp nhất, tổ chức hầu như là cùng tinh với tính đúc tốt nhất. Tuy vậy khi đúc thông thường dễ bị tổ chức cùng tinh thô và tinh thể silic thứ nhất (trước cùng tinh) như biểu thị ở hình 6.7a, trong đó Si thứ nhất thô to và Si cùng tinh ở dạng kim như là vết nứt bên trong trong lòng dung dịch rắn (thực chất là nhôm nguyên chất với cơ tính rất thấp, b = 130MPa, = 3%). Nếu qua biến tính bằng muối Na (2/3NaF + 1/3NaCl) với tỷ lệ 0,05 ữ 0,08%, điểm cùng tinh sẽ hạ thấp xuống khoảng 10 ữ 20 o C và dịch sang phải, như vậy hợp kim luôn 262 luôn là trước cùng tinh với tổ chức và cùng tinh ( + Si), trong đó nhờ kết tinh với độ quá nguội lớn hơn nên Si trong cùng tinh rất nhỏ mịn (hạt tròn, nhỏ) như biểu thị ở hình 6.7b, làm cải thiện mạnh cơ tính, b = 180MPa, = 8%. Hình 6.6. Góc Al của giản đồ Al - Si (đường chấm chấm ứng với khi biến tính) Tuy nhiên ngay với cơ tính như vậy cũng không đáp ứng được yêu cầu thực tế nên thường ít sử dụng. Trong thực tế thường sử dụng các silumin phức tạp tức ngoài Si ra còn có thêm Mg hoặc Cu. Hình 6.7. Tổ chức tế vi của hợp kim Al - (10 ữ 13)%Si: a. không biến tính, b. có qua biến tính Các hợp kim Al - Si - Mg(Cu) Là các hợp kim với khoảng Si rộng hơn (5 đến 20%) và có thêm Mg (0,3 ữ 0,5%) để tạo ra pha hóa bền Mg 2 Si nên hệ Al - Si - Mg (ví dụ mác AA 356.0) phải qua nhiệt luyện hóa bền. Cho thêm Cu (3 ữ 5%) vào hệ Al - Si - Mg kể trên cải thiện thêm cơ tính và có tính đúc tốt (do có thành phần gần với cùng tinh Al - Si - Cu) nên được dùng nhiều trong đúc piston (AA 390.0, A 26), nắp máy (A 4) của động cơ đốt trong. [...]... hợp kim hợp kim giả hợp kim ( + ) hợp kim giả Hợp kim với hai mác điển hình là BT5 và BT5-1 được hợp kim hóa chủ yếu bằng Al có độ bền trung bình ở nhiệt độ thường, có cơ tính cao ở nhiệt độ cực lạnh, có tính bền nóng và hợp kim trở nên nhẹ hơn Về tính công nghệ chúng có tính hàn tốt và tính gia công cắt bảo đảm Tính dẻo ở nhiệt độ thường không cao, ở trạng thái nóng hợp kim rất dễ rèn, dập, cán và. .. khảo sát các loại hợp kim bột được dùng nhiều trong sản xuất cơ khí 6.5.2 Vật liệu cắt và mài ứng dụng quan trọng nhất của luyện kim bột trong cơ khí là làm dao cắt bằng hợp kim cứng và đá mài a Hợp kim cứng Trong tất cả các loại vật liệu cắt thường dùng, hợp kim cứng là loại có tính cứng nóng cao hơn cả, tới 800 ữ 1000oC, tốc độ cắt có thể đạt tới hàng trăm m/min Thành phần hóa học và cách chế tạo Thành... đồng và hợp kim đồng Đồng bột và hợp kim đồng bột có thể được làm các chi tiết máy nhỏ trong điện thoại, máy ảnh, quay phim, đồng hồ, vũ khí, thiết bị điện - điện tử, do vậy có thể chuyển từ vật liệu truyền thống sang vật liệu bột tương ứng như đồng bột (khi cần dẫn điện cao tới 85 ữ 90% độ dẫn chuẩn của đồng OFHC, = 1,7241à.cm ở 20oC), brông thiếc, brông thiếc - niken, latông 6.5.4 Hợp kim xốp và thấm... Vật liệu làm đĩa cắt Dao (đĩa) cắt bằng kim cương nhân tạo hay nitrit bo (BN) lập phương được dùng rộng ri trong cắt kim loại, đá Chúng là các vật liệu siêu cứng (HV 8000 ữ 10000) Có thể có các dạng sau - Bột kim cương trộn với 1 ữ 2% bột B, Be hoặc Si (chất dính kết) được ép nóng dưới áp suất cao tới 12GPa ở nhiệt độ khoảng 3000oC, đạt được HV 8000 - Bột kim cương hoặc bột BN rải lên bề mặt hợp kim. .. càng cao, sử dụng bột nhôm với độ bền càng cao, hợp kim thiêu kết sẽ có độ bền càng cao, độ dẻo càng thấp !u việt chủ yếu của dạng vật liệu nhôm thiêu kết này là khả năng chịu nóng Chính các vật lẫn Al2O3 rất nhỏ mịn phân bố đều và rất ổn định đ duy trì cơ 281 tính tốt đến 300 ữ 350oC và tính chống ăn mòn Có hai loại vật liệu nhôm thiêu kết là bột nhôm và bột hợp kim nhôm thiêu kết - Bột nhôm thiêu kết... chính: - Tạo bột kim loại hay hợp kim có thành phần đúng với yêu cầu ở dạng rắn, nhỏ mịn (bột) và được trộn thật đều Có thể chế tạo bột theo các cách như: nghiền (cho vật liệu giòn), phun tia kim loại lỏng vào môi trường nguội nhanh (trên tang đồng hay trong nước, khí áp suất cao), hoàn nguyên từ ôxyt, điện phân 277 - Tạo hình: có tác dụng từ các bột rời rạc tạo ra vật rắn có hình dạng và kích thước... Vật liệu mài Bột mài phải là các hạt cứng có kích thước không đều nhưng luôn luôn có các góc cạnh sắc nhọn Theo độ cứng tăng lên thường dùng cát trắng (SiO2), êmêri (hỗn hợp tự nhiên của Al2O3), Al2O3, SiC, BN lập phương, kim cương Có thể dùng chúng ở ba dạng: -tự do, trong máy phun cát, bột mài rà, bột đánh bóng (như đánh bóng mẫu kim loại để quan sát tổ chức tế vi là bột Cr2O3 - màu rêu và Al2O3 - màu. .. nhẵn gỗ, kim loại, - khối (đá mài các loại): thường làm bằng SiC, các hạt mài được liên kết với nhau bằng chất dính kết gốm thủy tinh hay nhựa hữu cơ d Thép gió bột Loại thép gió với lượng cacbon và hợp kim cao (> 2%C, > 6%V, > 10%Co) rất khó luyện, bị thiên tích mạnh và khó rèn Khi chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột nhờ có bột mịn mà thành phần trở nên đồng nhất hơn Xuất phát từ nguyên liệu bột (Fe,...263 Hợp kim nhôm còn được dùng làm ổ trượt (mục 6.3.3) Trong những năm gần đây đ bắt đầu đưa vào sử dụng hợp kim nguội nhanh và hợp kim bột thiêu kết (mục 6.4.3a) 6.2 Hợp kim đồng 6.2.1 Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng a Các đặc tính của đồng đỏ Đồng nguyên chất có màu đỏ nên được gọi là đồng đỏ với đặc tính như sau - Tính dẫn nhiệt,... Phân loại hợp kim đồng Cũng giống như hợp kim nhôm, hợp kim đồng cũng được phân loại thành: 264 biến dạng và đúc trên cùng nguyên tắc Ngoài ra do lịch sử lâu đời, các hợp kim khác nhau của đồng mang những tên riêng: latông và brông, trong đó latông là hợp kim Cu - Zn, brông là tên chung chỉ các hợp kim Cu - nguyên tố không phải Zn d Hệ thống ký hiệu cho hợp kim đồng Để ký hiệu các hợp kim đồng, người . hợp kim màu và bột Trong chương này sẽ khảo sát các hợp kim không phải trên cơ sở sắt hay theo cách gọi thông dụng ở nước ta cũng như một số nước là hợp kim. trong. 263 Hợp kim nhôm còn được dùng làm ổ trượt (mục 6.3.3). Trong những năm gần đây đ bắt đầu đưa vào sử dụng hợp kim nguội nhanh và hợp kim bột thiêu kết