Nghiên cứu vai trò của silic trong công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

A. PHẦN MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống con người.
Khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại này
được đưa lên hàng thứ hai sau thép.
Sản lượng và nhu cầu ứng dụng của nhôm so với các loại kết cấu khác
tăng lên không ngừng, những ưu điểm chính của nhôm là khối lượng riêng
nhỏ, độ dẫn điện, nhiệt dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều
môi trường khá tốt. Về mặt trữ lượng nhôm nhiều hơn sắt, theo tính toán
nhôm chiếm khoảng 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,5% khối lượng vỏ trái đất. Vì
vậy, khi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu nó tỏ ra có những ưu
điểm lớn.
Chính lí do đó khiến em mạnh dạn chọn đề tài này để tìm hiểu về nhôm
và các hợp kim nhôm dân dụng thông qua việc tìm hiểu vai trò của silic trong
công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng.
2. LỊCH SỬ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
Về mặt lịch sử nhôm thuộc loại các nguyên tố “trẻ”. Nhôm được tìm ra
năm 1808, công lao ấy thuộc về Davy. Nhờ các phản ứng hóa học ông đã tách
được nguyên tố kim loại nhẹ, có màu sáng và gọi tên là Alumin.
Bắt đầu từ những năm 30
Trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp hóa học, tuy nhiên sản
lượng hàng năm rất nhỏ. Tính từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất
được khoảng 200 tấn nhôm.

1

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Vào những năm cuối cùng của thế kỉ XIX nhôm được sản xuất bằng
phương pháp điện phân dung dịch oxyt nhôm (Al2O3) nóng chảy trong criolit
(Na3AlF6). Nhờ phương pháp này sản lượng nhôm tăng lên nhanh chóng. Chỉ
trong vòng 9 năm từ 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 28.000 tấn nhôm,
riêng năm 1930 sản lượng nhôm đạt 270.000 tấn. Năm 1968 sản lượng nhôm
là 8.386.200 tấn, từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15% những năm gần
đây chỉ tăng 5% trên năm.
Hợp kim nhôm ra đời vào năm 1906, đó là hợp kim do Alfred Wienmer
tìm ra, hiện nay được phát triển thành các đuyra trên cơ sở hệ Al–Cu–Mg
đang được sử dụng rộng rãi.
3. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu: Tìm hiểu ảnh hưởng của một số
nguyên tố và vai trò của silic trong hợp kim của nhôm.
4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu nhôm và hợp kim của
nhôm thông qua mẫu Al–A356 và Al–ADC12.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát mẫu nhôm Al–A356 và Al–ADC12.
Thảo luận kết quả thu được.

2

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

B. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. NHÔM VÀ MỘT SỐ HỢP KIM CỦA NHÔM
1.1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ NHÔM
1.1.1. Đặc điểm về tổ chức
Nhôm có số thứ tự 13, thuộc nhóm III của bảng hệ thống tuần hoàn
Mendeleev. Cấu hình điện tử của nhôm có dạng sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1.
Bên cạnh oxyt Al2O3 rất bền có thể xuất hiện các hợp chất Al2O, AlF,
AlCl rất kém ổn định. Độ lớn hạt nhôm khi kết tinh phụ thuộc vào lượng tạp
chất, với điều kiện kết tinh như nhau, nhôm sạch 99,8% có kích thước hạt từ
1–2 mm, còn nhôm sạch 99,99% có thể nhận được hạt với kích thước tới
10mm. Nhôm kết tinh ở dạng mạng lập phương tâm mặt, chu kì mạng a ~
0,040431 nm.
1.1.2. Tính chất của nhôm
1.1.2.1. Tính chất vật lí
Nhôm với khối lượng riêng nhỏ 2,7g/cm3 so với sắt nhôm nhẹ hơn
khoảng 2,91 lần, chỉ tiêu này rất quan trọng khi đòi hỏi sự giảm khối lượng
của chi tiết và của cả hệ thống đến mức nhỏ nhất.
Ví dụ: Các phương tiện giao thông vận tải, ngành hàng không, du hành
vũ trụ, vv…
Nhôm là kim loại có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, nhiệt độ nóng
chảy của nó phụ thuộc vào độ sạch. Nhôm 99,99% nóng chảy ở 660,24oC
nhưng nhôm 99,50% nóng chảy ở 658oC.

3

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Độ dẫn điện, dẫn nhiệt của nhôm phụ thuộc vào lượng tạp chất: Nhôm
sạch 99,97% dẫn điện bằng khoảng 65,50% so với Cu, còn nhôm sạch
99,50% dẫn điện kém hơn, chỉ bằng 61,60%. Ở 200oC, nhôm sạch 99,49% có
độ dẫn nhiệt là 0,500 kcal/cm.s.độ; khi độ sạch tăng lên 99,90%, nhôm có độ
dẫn nhiệt là 0,820 kcal/cm.s.độ. (Độ dẫn diện của nhôm chỉ bằng khoảng 62%
so với đồng. Tuy vậy khối lượng riêng của đồng lớn hơn khoảng 3,3 lần nên
với các đặc tính về điện giống nhau, truyền cường độ dòng điện như nhau,
dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây đồng, bị nung nóng ít hơn).
1.1.2.2. Cơ tính
Độ bền, cứng của nhôm: Phụ thuộc lượng tạp chất và trạng thái gia
công biến dạng. Nhôm sạch 99,996% sau cán nguội có độ bền nhỏ, b = 114,1
Mpa; sau khi ủ độ bền càng nhỏ hơn, b = 48,1 Mpa. Độ giãn dài tương ứng
với hai trạng thái này là  = 5,5% và 48,8%. Nhiệt độ kết tinh lại của nhôm
tương đối thấp và cũng phụ thuộc vào độ sạch. Sau khi biến dạng nguội,
nhôm sạch 99,994% bắt đầu kết tinh lại ở 150oC và ở 270oC quá trình kết tinh
lại kết thúc.
Mạng tinh thể của nhôm thuộc loại lập phương tâm mặt, do vậy nhôm
tương đối dẻo. Ở trạng thái ủ nhôm kém bền, chịu biến dạng nóng cũng như
nguội đều rất tốt.
Tính chống ăn mòn: Nhôm là kim loại có hoạt tính hóa học cao. Ở
ngoài không khí nhôm bị mất vẻ sáng lóng lánh do tạo màng oxyt Al2O3.
Màng oxyt nhôm không có rỗ xốp, độ sít chặt cao và liên kết bền với kim loại.

Chiều dày của màng này phụ thuộc vào nhiệt độ, ở nhiệt độ thường màng dày
khoảng 5–10 nm; khi nung lên nhiệt độ cao gần nhiệt độ chảy, chiều dày của
màng này có thể tới 200 nm.

4

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Chính do màng oxyt có cấu tạo sít chặt và liên kết bền vững với kim
loại nền mà nhôm có tính ổn định chống ăn mòn khá cao trong nhiều môi
trường hóa học.
Khả năng chống ăn mòn của nhôm phụ thuộc vào thành phần tạp chất
và đặc tính của môi trường.
Trong môi trường axit vô cơ, khi tăng nhiệt độ, tốc độ ăn mòn nhôm
tăng lên.
Ảnh hưởng của nồng độ cần phải xét đối với từng axit cụ thể. Ví dụ:
Như axit nitric (HNO3) loãng ăn mòn nhôm mạnh hơn khi đậm đặc. Trái lại
dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng tác dụng với nhôm rất yếu. Khi tăng
nhiệt độ và nồng độ dung dịch, tác dụng gây ăn mòn nhôm tăng lên.
Trong dung dịch axit phôtphoric (H3PO4) quá trình ăn mòn nhôm xảy
ra chậm; nhôm bị ăn mòn rất nhanh trong hỗn hợp HCl và HF. Khả năng
chống ăn mòn trong dung dịch kiềm của nhôm rất nhỏ.
Ví dụ: Xút NaOH gây ra ăn mòn nhôm rất nhanh.
Nhôm tỏ ra ổn định trong nhiều dung dịch axit hữu cơ.
Ở nhiệt độ thường nhôm không tác dụng với nước, hơi nước, khí CO và

CO2. Nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì tình hình sẽ khác đi:
Hơi nước tác dụng với nhôm khá nhanh ở vùng nhiệt độ 500oC và cao
hơn theo phản ứng: 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2
Hyđro tạo ra trong phản ứng một phần đi vào khí quyển, một phần
khuyếch tán vào nhôm. So với các khí khác, hyđro có khả năng hòa tan nhôm
mạnh nhất.

5

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Độ hòa tan của hyđro trong nhôm tính trên 100g, biến đổi phụ thuộc
vào nhiệt độ và trạng thái như sau:
Ở 350oC hòa tan được

0,002 cm3

Ở 660oC thể rắn hòa tan được

0,036 cm3

Ở 660oC thể lỏng hòa tan được

0,60 cm3

Ở 1000oC hòa tan được

3,5 cm3

Sự thay đổi đột ngột độ hòa tan chất khí khi chuyển từ trạng thái lỏng
sang rắn là nguyên nhân gây ra rỗ xốp khi kết tinh.
1.2. QUY LUẬT TÁC DỤNG CỦA NGUYÊN TỐ HỢP KIM VỚI
NHÔM
Việc nghiên cứu khả năng hòa tan của nguyên tố hộ kim vào nhôm chỉ
ra rằng không có nguyên tố nào tạo được với nhôm dung dịch rắn hòa tan vô
hạn.
Độ hòa tan tăng lên theo vị trí sắp xếp nguyên tố gần nhôm nhất trong
bảng tuần hoàn Mendeleev.
Các nguyên tố Bi, Na, Cd, vv… ngay ở trạng thái lỏng cũng hòa tan có
hạn và tạo ra giản đồ dạng đơn tinh.
Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Ti, Mo, Cr và V tạo ra giản đồ
dạng bao tinh có hợp chất hóa học.
Các nguyên tố còn lại tạo với nhôm giản đồ có phản ứng cùng tinh.

6

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Bảng 1.1 Các nguyên tố hợp kim thường gặp trong nhôm
Kim loại

STT

Nhiệt độ nóng Dạng giản đồ pha từ phía Độ hòa tan
chảy
nhôm
cực đại
Liti
3
179
Cùng tinh có HCHH
6,770
Berili
4
1264
Cùng tinh không có HCHH
0,050
Bor
5
2300
Cùng tinh có HCHH
0,050
Natri
11
97,7
Đơn tinh không có HCHH
0,002
Magie
12
651

Cùng tinh có HCHH
17,400
Siic
14
1440
Cùng tinh không có HCHH
1,650
Titan
22
1665
Bao tinh có HCHH
0,280
Vanađi
23
1900
Bao tinh có HCHH
0,370
Crom
24
1875
Bao tinh có HCHH
0,720
Mangan
25
1248
Cùng tinh có HCHH
1,400
Sắt
26
1535

Cùng tinh có HCHH
1,400
Niken
28
1455
Cùng tinh có HCHH
0,050
Đồng
29
1083
Cùng tinh có HCHH
5,650
Kẽm
30
419,5
Cùng tinh không có HCHH
85,200
Ziriconi
40
1852
Bao tinh có HCHH
0,280
Molipđen 42
2625
Bao tinh có HCHH
0,200
Bạc
47
960,5
Cùng tinh có HCHH

55,600
Cadimi
48
320,9
Đơn tinh không có HCHH
0,450
Thiếc
50
321,9
Cùng tinh không có HCHH
0,020
Stibi
51
503,5
Cùng tinh có HCHH
0,100
Xeri
58
804
Cùng tinh có HCHH
0,050
Chì
82
327,4
Đơn tinh có HCHH
0,200
Bismut
83
271
Đơn tinh không có HCHH

0,200
Ghi chú: HCHH là hợp chất hóa học
1.3. PHÂN LOẠI VÀ KÍ HIỆU
Trong quá trình nghiên cứu, phát triển và hình thành ngày càng có
nhiều hợp kim nhôm mới ra đời. Để phân loại chúng, người ta căn cứ vào các
đặc điểm quan trọng nhất.

7

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Theo tính công nghệ, các hợp kim nhôm được phân thành hai dạng
chính: Hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc.
Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo các bán thành phẩm hoặc chi
tiết bằng gia công áp lực nóng hoặc nguội.
Các hợp kim nhôm dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng
khác nhau.
Trong số các hợp kim nhôm biến dạng người ta còn phân biệt loại có
thể hóa bền bằng nhiệt luyện và loại không hóa bền bằng nhiệt luyện. Trạng
thái gia công thường được chỉ rõ kèm sau các ký hiệu hợp kim bằng những
quy ước riêng phụ thuộc vào các quốc gia hoặc tổ chức khác nhau về quản lý
tiêu chuẩn vật liệu.
Theo thành phần hóa học, người ta phân các hợp kim nhôm thành nhiều
hệ, trong mỗi hệ ngoài Al ra còn có một hoặc hai nguyên tố hợp kim chính
nữa. Một số hệ hợp kim chủ yếu là:

Al–Cu, Al–Cu–Mg, Al–Mn, Al–Si, Al–Mg, Al–Mg–Si, Al–Zn–Mg,
Al–Li, vv…

8

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Bảng 1.2 Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm
Nga
Ký

Mỹ, Canada
Ký

Ý nghĩa

hiệu

Ý nghĩa

hiệu

Hợp kim nhôm biến dạng:

Hợp kim nhôm biến dạng và đúc

M

Ủ mềm

F

Trạng thái phôi thô

T

Tôi và hóa già tự nhiên

O

Ủ và kết tinh lại

T1

Tôi và hóa già nhân tạo

H

Trạng thái biến dạng

H

Biến cứng

H11 Biến dạng với mức biến cứng

Biến cứng không hoàn toàn
H1

Biến cứng mạnh (

nhỏ
H12 Biến dạng với mức 1/4 biến
cứng

TH

Tôi, hóa già tự nhiên, biến H14 Biến dạng với mức 1/2 biến
cứng

T1H

cứng

Tôi, biến cứng, hóa già nhân H16 Biến dạng với mức 3/4 biến
tạo

cứng

T1H1 Tôi, biến cứng 20%, hóa già H18 Biến dạng với mức 4/4 biến
nhân tạo

cứng
H19 Biến dạng với mức biến cứng
rất lớn

9

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Bảng 1.2 Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm (tiếp theo)
Nga
Ký

Ký

Ý nghĩa

hiệu

T1

Mỹ, Canda
Ý nghĩa

hiệu

Hợp kim nhôm đúc

Hợp kim nhôm biến dạng và đúc

Hóa già nhân tạo sau đúc

H2X Biến dạng tiếp theo ủ hồi phục
(X biến đổi từ 2 đến 9)

T2

Ủ

H3X Biến dạng tiếp theo ổn định
hóa (X biến đổi từ 2 đến 9)

T4

Tôi

T1

Tôi sau biến dạng nóng, hóa
già tự nhiên

T5

Tôi, hóa già một phần

T3

Tôi, biến dạng nguội, hóa già
tự nhiên

T6

Tôi, hóa già bền cực đại

T4

Giống T3 nhưng không có biến
dạng nguội

T7

Tôi, hóa già ổn định

T5

Giống T1 nhưng hóa già nhân
tạo

T8

Tôi, hóa già bền mềm (qua T6

Giống T4 nhưng hóa già nhân

hóa già)

tạo
T7

Giống T6 nhưng hóa già

T8

Tôi, biến dạng nguội, hóa già
nhân tạo

T9

Tôi, hóa già nhân tạo, biến
dạng nguội

10

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1859-75) quy định ký hiệu các hợp kim
nhôm như sau:
Bắt đầu bằng ký hiệu Al, tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim
chính, sau đó là các nguyên tố hợp kim phụ. Để chỉ hàm lượng theo phần trăm
người ta dùng các con số đặt sau ký hiệu tương ứng. Nếu là hợp kim đúc, ở
sau mỗi ký hiệu đặt thêm chữ Đ.
Ví dụ 1: Ký hiệu AlMg5, nghĩa là hợp kim nhôm biến dạng có hàm
lượng trung bình của Mg là 5%.
Ví dụ 2: Ký hiệu AlSi12Mg1Cu2Mn0,6Đ nghĩa là hợp kim nhôm đúc,

chứa trung bình 12% Si, 1% Mg, 2% Cu và 0,6% Mn.
Ký hiệu hợp kim nhôm ở các nước trên thế giới rất khác nhau.
Theo tiêu chuẩn OCT của Nga, nhôm và hợp kim nhôm được ký hiệu
bằng sự phối hợp giữa các chữ cái và các con số. Tuy nhiên, các ký hiệu này
không phản ảnh một quy luật chặt chẽ nào trong toàn bộ hệ thống các hợp
kim nhôm. Ở các nước như Mỹ, Canada, Nga, người ta sử dụng hệ thống ký
hiệu gồm các con số (thường có bốn chữ số) để ký hiệu hợp kim nhôm.
Tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm Aluminum Association (AA) quy định
ký hiệu hợp kim nhôm bằng các con số như bảng sau.

11

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo
Aluminum Association
Hợp kim nhôm biến dạng
Loại ký

Hệ thống hợp kim
Al

Hợp kim nhôm đúc

hiệu

99%

Hẹ thống hợp kim

Loại ký
hiệu

1000

Al sạch công nghiệp

100,0

Al-Cu và Al-Cu-Mg

2000

Al-Cu

200,0

Al-Mn

3000

Al-Si-Mg và Al-Si-Cu

300,0

Al-Si

4000

Al-Si

400,0

Al-Mg

5000

Al-Mg

500,0

Al-Mg-Si

6000

Al-Zn

600,0

Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu

7000

Al-Sn

700,0

Al với các nguyên tố khác

8000

800,0

Hệ thống thống nhất của Mỹ (Unified Numbering System, USN) ký
hiệu các hợp kim nhôm bằng cách sử dụng ký hiệu số của hiệp hội nhôm với
tiếp đầu là A9 đối với hợp kim biến dạng và A0 đối với hợp kim đúc.
Ký hiệu một số loại nhôm và hợp kim nhôm với thành phần hóa học
khác nhau theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và AA.

12

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Bảng 1.4 Thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm
Hệ hợp kim

Ký hiệu
TCVN

AA

Thành phần %

Hợp kim biến dạng
Al sạch

Al 99,60

1060

99,6% Al

Công nghiệp

Al 99,00

1100

99,0% Al

Al-Cu và

AlCu4,4Mg0,5Mn0,8

2014

4,4Cu-0,5Mg-0,8Mn

Al-Cu-Mg

AlCu4,4Mg1,5Mn0,6

2024

4,4Cu-0,5Mg-0,6Mn

Al-Mn

AlMn1,2

3004

1,2Mn-0,12Cu

Al-Mg

AlMg1,4

5050

1,4Mg

Al-Mg-Si

AlMg1Si0,6

6061

1Mg-0,6Si-0,2Cr-0,3Cu

Al-Zn-Mg

AlZn4,5Mg1,4

7005

AlZn5,6Mg2,5Cu4,6

7075

5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu

Al-Zn-MgCu

4,5Zn-1,4Mg-0,12Cr0,4Mn-0,15Zr

Hợp kim đúc
Al-Cu

AlCu4,5Đ

295,0

4,5Cu-1Si

Al-Si-Cu

AlSi5,5Cu4,5Đ

308,0

5,5Si-4,5Cu

Al-Si-Mg

AlSi7Mg0,3Đ

356,0

7Si-0,3Mg

Al-Si-MgCu

13

AlSi12Mg1,3Cu4Mn0,6Đ

12Si-1,3Mg-2Cu-0,6Mn-

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí

1Ni-0,2Ti


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Hình 1.1. Phân loại hợp kim nhôm theo giản đồ pha

T oC
L
L+β

L+α
Hợp kim Al
Biến dạng

Hợp kim nhôm đúc

α

α+

Al

Phần trăm nhiệt
luyện hóa bền

a

b

Phần trăm nguyên tố hợp kim

Hợp kim không hóa bền bằng nhiệt luyện

14

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

1.4. NHÔM SẠCH KỸ THUẬT
Phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, độ sạch của nhôm rất khác nhau,
biến đổi từ 99,00% đến 99,999% Al. Nhôm với độ sạch đặc biệt cao là vật
liệu quý dùng trong các công trình nghiên cứu.
Độ bền của nhôm sạch kỹ thuật thấp, độ dẻo cao, sau biến dạng hiệu
ứng hóa bền đạt được tương đối lớn.
Do tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao, khối lượng riêng nhỏ, nhôm sạch kỹ
thuật được dùng rộng rãi để chế tạo cáp tải điện trong khí quyển, các ống bức
xạ nhiệt hoặc các chi tiết trong hệ thống bay hơi. Tạp chất trong nhôm rất đa
dạng, tuy vậy Si và Fe đáng chú ý nhất vì chúng thường có và gây ảnh hưởng
rất mạnh. Nếu đứng riêng thì tạp chất Si ít tác hại, hầu như không làm giảm
cơ tính thậm chí còn ảnh hưởng tốt đến tính đúc do tạo thành cùng tinh (AlSi), hạ thấp nhiệt độ chảy, tăng khả năng điền đầy khuôn.
Trái lại, Fe có thể tương tác với nhôm tạo pha Al3Fe rất giòn, kết tinh ở
dạng hình kim thô to. Cùng tinh (Al-Al3Fe) xuất hiện ngay sau khi hàm lượng
Fe rất nhỏ và phân bố theo biên giới hạt. Tổ chức này gây giòn hợp kim và
tăng nhậy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và
Al3Fe khá lớn.
Khi tồn tại đồng thời cả Fe và Si sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng
(Al, Fe, Si) và β (Al, Fe, Si) vừa giòn vừa kết tinh ở dạng tấm thô to. Trong
trường hợp này độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của nhôm cũng bị giảm
mạnh.

15

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Chương 2. VAI TRÒ CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VÀ CỦA SILIC
TRONG HỢP KIM CỦA NHÔM
2.1. HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG
Dựa vào khả năng có hoặc không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, người
ta phân các hợp kim nhôm biến dạng thành hai nhóm nhỏ:
Nhóm thứ nhất gồm các hợp kim không thể hóa bền bằng nhiệt luyện,
độ bền của chúng được cải thiện nhờ các phương pháp như: Biến dạng nguội,
hợp kim hóa bền dung dịch rắn hoặc tạo pha thứ hai nhỏ mịn.
Nhóm thứ hai gồm các hợp kim có thể hóa bền bằng nhiệt luyện, độ
bền của chúng tăng lên chủ yếu nhờ tôi và hóa già.
2.1.1. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện
Hợp kim hệ Al-Mn:
Mn có thể tạo với Al hợp chất liên kim loại Al6Mn. Pha này khi phân
tán nhỏ mịn trong nền dung dịch  sẽ gây hóa bền. Độ hòa tan lớn nhất của
Mn trong dung dịch rắn  đạt được ở 650oC là 1,8% và giảm rất nhanh trong
vùng nhiệt độ từ 450oC-650oC. Đây đồng thời cũng là vùng nhiệt độ tôi của
phần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp.
Lượng Mn trong các hợp kim nhôm này thông thường dao động trong
khoảng từ 1-1,6% nhưng do ảnh hưởng của các hợp chất thường có Fe và Si
độ hòa tan của mangan trong dung dịch rắn  giảm đi rất nhanh.
Ví dụ: Sự có mặt của 0,1% Fe và 0,65% Si, dung dịch rắn  chỉ có thể
hòa tan ở 500oC được khoảng 0,05% Mn. Điều này giải thích vì sao các hợp
kim biến dạng Al-Mn không thể hóa bền bằng nhiệt luyện.

16

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Để tăng bền, trong trường hợp này sử dụng phương pháp biến dạng
nguội sẽ rất hiệu quả vì hiệu ứng hóa bền biến dạng đạt được khá lớn. Thêm
nữa, do sự hình thành pha  (Al-Fe-Si-Mn) khi kết tinh ở trạng thái nhỏ mịn
phân tán, nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim tăng lên, góp phần duy trì sự ổn
định kết quả hóa bền đã tạo ra.
Một đặc điểm đáng chú ý là hợp kim Al-Mn có xu hướng thiên tích Mn
và tạo dung dịch rắn qua bão hòa bất thường khi kết tinh. Sự phân bố không
đồng đều thành phần có thể dẫn tới kết quả xấu, chẳng hạn làm giảm cơ tính,
đặc biệt là độ dai va đập, do tạo thành tổ chức hạt nhỏ với sự phân bố hạt rất
chênh lệch giữa các phần mẫu sau khi kết tinh lại.
Hợp kim hệ Al-Mg:
Độ hòa tan của Mg trong nhôm lớn nhất có thể đạt 15% ở 4510C. Khi
hạ nhiệt độ, độ hòa tan này giảm đi và pha  (Al3Mg2) tiết ra từ dung dịch rắn,
có xu hướng phân bố dạng lưới  liên tục rất nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng
suất. Chính vì vậy trong công nghiệp hạn chế sử dụng các hợp kim chứa
lượng nhỏ Mg (ít hơn 8% Mg), phổ biến hơn cả là loại dưới 4% Mg.
Do lượng Mg nhỏ, hiệu ứng hóa bền khi tôi và già hóa quá nhỏ nên
thực tế đã bỏ qua. Đưa thêm một lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp như Cr
(0,1-0,2%), Mn (0,3-0,5%) cho phép giảm độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng
suất. Sử dụng phương pháp biến dạng dẻo để hóa bền các kim loại này sẽ rất

có hiệu quả.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính, làm giảm chất
lượng bề mặt khi gia công, vì vậy cần hạn chế chúng ở mức thấp nhất có thể.
Các hợp kim Al-Mg thuộc một trong những hợp kim nhôm nhẹ nhất, có tính
hàn tốt, ổn định chống ăn mòn khí quyển, bề mặt sau gia công đẹp, khả năng

17

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

giảm chấn khá mạnh và giới hạn bền mỏi tương đối lớn. Chúng được dùng rất
rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo ôtô và xây dựng công trình.
2.1.2. Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện
Là nhóm vật liệu quan trọng, ngày càng được nghiên cứu và phát triển
mạnh. Chúng ta sẽ trình bày một số hệ thông dụng và đặc trưng nhất.
Hợp kim hệ Al-Cu và Al-Cu-Mg:
Các hợp kim hệ này thuộc loại được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng
công nghiệp sớm nhất. Sau biến dạng, tôi và già hóa, chúng có hiệu ứng hóa
bền rất cao. Trong thực tế chúng còn được gọi là đuyra.
Nếu đảm bảo chế độ tôi và già hóa như nhau, tăng hàm lượng Cu và
Mg một cách hợp lý sẽ làm tăng hiệu quả hóa bền do tỷ lệ khối lượng các pha
hóa bền trong nền  tăng. Khi thay đổi hàm lượng Cu và Mg theo hướng tăng
tỷ lệ Mg/Cu, độ bền nóng của hợp kim sẽ tăng lên. Sở dĩ như vậy vì tỉ lệ
Mg/Cu tăng sẽ kéo theo sự tăng khối lượng pha CuMgAl2 và giảm bớt pha
CuAl2. Người ta đã xác nhận rằng pha CuMgAl2 ổn định nhiệt hơn pha

CuAl2, nghĩa là nó tiết ra từ dung dịch rắn  ở nhiệt độ cao hơn, tốc độ tích tụ
nhỏ hơn. Đó chính là nguyên nhân khiến cho các hợp kim Al-Cu-Mg với pha
hóa bền CuMgAl2 có thể giữ được độ bền tương đối cao đến khoảng nhiệt độ
200-250oC.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng tới cơ tính của đuyra. Chúng có thể
tạo ra các pha dạng Cu2FeAl7, vừa gây giòn hợp kim do kết tinh ở dạng thô to,
vừa làm giảm hiệu quả nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng kể cần
thiết để tạo pha hóa bền. Trong thực tế người ta cố gắng giảm thấp hàm lượng
của các tạp chất này, khống chế tỉ lệ của chúng xấp xỉ nhau, để tạo ra các

18

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

dạng pha  (Al-Fe-Si-Mg) kết tinh thành hạt nhỏ, ít ảnh hưởng tới độ dẻo,
không làm giảm hiệu quả hóa bền khi tôi và hóa già. Trên cơ sở Al-Cu-Mg,
khi đưa thêm đồng thời Fe và Ni vào theo tỉ lệ 1/1 người ta tạo ra các hợp kim
nhôm biến dạng bền nóng.
Ví dụ: Hợp kim AlCu2,5Mg1,6NiFeTi (AK4-1 theo OCT và 2618
theo AA) chứa 2,5% Cu; 1,6% Mg; 1,0% Ni; 1,0% Fe; 0,18% Si; 0,07% Ti có
khả năng duy trì cơ tính khá cao, đến tận 230oC.
Người ta cũng tạo ra một số hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng
nhiệt luyện có khả năng làm việc rất tốt ở vùng 250-300oC bằng cách hợp kim
hóa thêm Mg và một lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp khác như Ti, Zr, V
vào hợp kim Al-Cu. Chính các pha Al12Mn2Cu hoặc các pha chứa Ti, đã duy

trì cơ tính hợp kim ở mức đáng kể trong vùng nhiệt độ 250-300oC.
Nhược điểm chung của các hợp kim trên cơ sở Al-Cu-Mg là khả năng
chống ăn mòn kém và khó hàn. Nguyên nhân của tính ăn mòn kém, liên quan
tới sự có mặt của pha  (CuAl2). Nó có thế điện cực khác xa thế điện cực của
nền, tạo vi pin ăn mòn, trong đó pha  đóng vai trò catôt. Đuyra cũng như hợp
kim chịu nóng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong
ngành hàng không.
Hợp kim hệ Al-Mg-Si:
Sự hình thành pha Mg2Si tương ứng với tỉ lệ khối lượng giữa Mg và Si bằng
1,73. Độ hòa tan của Mg2Si trong dung dịch rắn  cũng tăng lên khi tăng
nhiệt độ. Nhờ vậy ta có thể tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa bằng cách tôi.
Khi hóa già tiết pha phân tán tiếp theo sẽ nhận được hiệu ứng hóa bền. Phần
lớn các hợp kim hệ này đều có thành phần hóa học tuân theo tỷ lệ khối lượng

19

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

giữa Mg và Si bằng 1,73. Tuy nhiên để gia tăng cơ tính có thể cho dư một
lượng Si và trong trường hợp này phải hy sinh khả năng chống ăn mòn.
2,0

Si
α + Si

1,8
1,6
1,4

α + Mg2Si + Si

1,2
1,0
0,8

Mg2Si

0,6

α + Mg2Si

0,4
0,2
α
Al

Mg

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
a)
2,0

Si

1,8

1,6
1,4

α + Si
550oC
α + Mg2Si + Si

1,2
1,0
0,8

Mg2Si

0,6

α + Mg2Si

0,4
0,2
α
Al

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

Mg

b)

Hình 2.1. Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al-Mg-Si ở 200oC (a) và 550oC (b)
(Theo phần trăm khối lượng)

20

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Đưa thêm Mn với lượng nhỏ 0,8%, Cr < 0,3% sẽ làm nhỏ hạt, tăng cơ
tính, đặc biệt là tăng độ dai phá hủy. Đồng với lượng nhỏ hơn 0,5% có tác
dụng tốt làm tăng cơ tính, nhưng nếu vượt quá giá trị này sẽ làm giảm khả
năng chống ăn mòn của hợp kim.
So với những hợp kim hóa bền bằng nhiệt luyện khác, cơ tính của các
hợp kim Al-Mg-Si thuộc loại trung bình nhưng tính hàn và gia công áp lực
nóng thì trội hơn hẳn. Thêm nữa chúng rất ổn định chống ăn mòn trong khí
quyển và không nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất.
Người ta sử dụng hợp kim hệ này để chế tạo các chi tiết chịu hàn, các
cấu kiện tàu thủy với nhiệt độ làm việc không vượt quá 1500C.
Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu:
Ngoài dung dịch rắn  trong hệ Al-Zn-Mg còn các pha trung gian
MgZn2 và T (Al2Mg3Zn3). Khi nung nóng, độ hòa tan của MgZn2 và
Al2Mg3Zn3 trong  tăng lên mạnh (hình 2.2). Làm nguội chậm tiếp theo
(thậm chí nguội trong không khí) sẽ dễ dàng tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa.
Hiệu ứng hóa bền khi hóa già tiết pha đạt rất lớn. Giới hạn bền, đặc biệt
là giớ hạn chảy tăng lên khi tăng tổng hàm lượng của Zn và Mg hình (2.3).
Các hợp kim Al-Zn-Mg chứa nhỏ hơn 8% tổng hàm lượng Zn và Mg
có tỉ số nồng độ Zn/Mg nằm trong khoảng 0,77-4 là các hợp kim nhôm hàn.
Độ bền mối hàn so với vùng lân cận không chênh lệch nhau và hầu như bằng

độ bền hợp kim cơ sở.
Những đặc điểm chính của các hợp kim này là khoảng nhiệt độ tôi
rộng (350-5000C), tốc độ tôi tới hạn nhỏ (có thể nguội trong không khí) độ
bền sau hóa già tương đối cao. Những kim loại chuyển tiếp như Cr, Mn, Ti

21

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

được đưa vào với hàm lượng nhỏ nhằm nâng cao chất lượng hợp kim, đặc biệt
là giảm xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất.
17 Mg
15
13
11

α+β
α+β+T

9
7

α+T

5

α

α+T+η

3

x
1

α+η

Al

2 4 6 8 10 12 14 16

Zn

a)
10

Mg
α+β

9
8

α+β+T

7

6
5

α+T

4
3

α+T+η

2

x

α+η

1
Al

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Zn

b)
Hình 2.2. Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al-Mg-Zn ở 400oC (a) và 200oC (b)
(Theo phần trăm khối lượng)

22

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Khi tăng hàm lượng tổng cộng của kẽm và magie lên 8-11%, đưa thêm
vào khoảng 2% Cu sẽ tạo ra nhóm hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao
nhất. Vai trò của Cu trong trường hợp này là hòa tan và hóa bền dung dịch rắn
.
Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Mn, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ
hạt, cải thiện tổ chức vùng biên giới,vừa có tác dụng nâng cao cơ tính vừa làm
giảm xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất.
Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu là đối tượng đang được chú ý

nghiên cứu nhằm khai thác tiềm năng độ bền và tính hàn.

% Al

% Mg

1

2

3

% Zn

Hình 2.3. Sơ đồ biến đổi độ bền sau tôi và hóa già các hợp kim
Al-Zn-Mg phụ thuộc thành phần (1 < 2 < 3)

23

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

Nhược điểm chính của chúng là xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới
ứng suất và thải bền nhanh khi nâng nhiệt độ quá 1200C.
Trong lĩnh vực ứng dụng của hệ hợp kim này đang ngày càng mở rộng.
Ví dụ: Trong hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao, vv…

Hợp kim hệ Al-Li:
Liti là nguyên tố rất nhẹ (0,97g/cm3) khi tạo ra hợp kim hệ Al-Li người
ta mong muốn có được vật liệu với độ bền riêng lớn. Trong thực tế các hợp
kim chỉ gồm Al và Li không được ứng dụng vì nó bị oxy hóa mạnh và cơ tính
không cao. Trên cơ sở Al-Li người ta có thể đưa thêm vào Cu hoặc Mg để tạo
ra hợp kim rất có triển vọng ứng dụng trong một số lĩnh vực hiện đại.
Ưu điểm nổi bật của các hợp kim này là sau tôi và hóa già có hiệu quả
hóa bền khá lớn, đặc biệt môđun đàn hồi E đạt trị số vượt trội hẳn so với tất
cả các hợp kim nhôm khác (76.000 MPa so với các hợp kim nhôm thông
thường là 70.000 MPa).
Nếu thêm Cu thì hợp kim sẽ gồm các pha α, θ (CuAl2), AlLi, T
(AlxLiyCuz). Hiệu ứng hóa bền khi nhiệt luyện khá lớn vì các pha θ (CuAl2),
AlLi và T (AlxLiyCuz) đều có khả năng hòa tan vào α khi nung và tiết ra ở
dạng trung gian phân tán khi hóa già.
Ví dụ: Sau nhiệt luyện khi hoá bền, hợp kim AlCu5Li1,2 chứa 5,3% Cu1,2% Li-0,6% Mn-0,15% Cd có các chỉ tiêu cơ tính như sau: b = 560 MPa,
0,2 = 510 MPa, E = 76.000 MPa.
Trường hợp này thay Cu bằng 5% Mg ta có hợp kim AlMg5Li2. Đây là
một trong số các hợp kim nhôm nhẹ nhất (khối lượng riêng bằng 2,7g/cm3).
Sau nhiệt luyện hóa bền, do sự tiết ra ở dạng trung gian phân tán của các pha

24

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

2009

AlLi và T (AlxMgyLiz), các chỉ tiêu cơ tính có thể đạt b = 560 MPa, 0,2 =

290 MPa, E = 76.000 MPa.
Sử dụng hợp kim Al-Li còn bị hạn chế vì công nghệ nấu luyện tương
đối phức tạp do sự oxy hóa rất mạnh, giá thành đắt.
Tuy vậy cùng với sự tiến bộ của công nghệ, sự xuất hiện các phương
pháp chế tạo vật liệu mới như vật liệu bột, vật liệu Compozit, vv… Từ các
hợp kim Al-Li có độ bền riêng cao, môđun đàn hồi lớn, hoàn toàn có thể chế
tạo các vật liệu kết cấu giá trị và đầy triển vọng.
2.2. HỢP KIM NHÔM ĐÚC
Khác với các hợp kim biến dạng cần có độ dẻo cao, hợp kim nhôm đúc
cần tính đúc tốt để dễ dàng tạo hình các chi tiết. Để dánh giá tính đúc, người
ta thường căn cứ vào các chỉ tiêu như: Độ chảy loãng, khả năng điền đầy
khuôn, hệ số co, xu hướng nứt nóng và rỗ co. Nhờ có nhiệt độ chảy thấp, các
hợp kim nhôm có thể đúc trong khuôn kim loại. Do tốc độ nguội nhanh các
thỏi đúc trong khuôn kim loại thường có tổ chức nhỏ mịn và cơ tính được cải
thiện đáng kể.
So với hợp kim biến dạng, hợp kim nhôm đúc chứa lượng nguyên tố
hợp kim lớn hơn và trong tổ chức của chúng bao giờ cũng có một tỉ lệ đáng kể
thành phần cùng tinh. Điều này cho phép hạ thấp nhiệt độ chảy và thu hẹp
khoảng nhiệt độ kết tinh.
Dưới đây sẽ trình bày một số dạng hợp kim nhôm đúc điển hình và
thông dụng nhất.
Hệ hợp kim Al-Si:
Thành phần cùng tinh ứng với 12,7% Si những hợp kim ứng dụng trong
công nghiệp có hàm lượng Si dao động trong khoảng từ 5-20%. Thông dụng

25

Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí