Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 6

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 l­ỵng lín nh­ thÐp, gang song tû lƯ cđa chóng 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 (2,7g/cm3), 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 (Al2O3), 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 (660oC) 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 400oC.
- 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 âu 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 ®óc.


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 thø hai), nh­ng ë nhiƯt ®é 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) cđa Hoa kú b»ng xxxx cho lo¹i biÕn dạng và xxx.x
cho loại đúc, trong đó:
- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau.
Loại đúc
Loại biến dạng
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 - kh«ng cã,
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 ngi råi đ håi phơc,
H3x (x tõ 2 ®Õn 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 FeAl3, 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 659oC và giảm nhanh theo nhiệt độ, khi vượt
quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố trên kết hợp với nhau thành Al6Mn. 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 rÊt nhanh (vÝ dơ víi 0,1%Fe vµ 0,65%Si ë 500oC nh«m


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 451oC, không đáng kể ở nhiệt độ
thường, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố này kết hợp với nhau thành
Mg2Al3 (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 300oC
để tránh sự kết tụ của hợp chất trên tại biên giới.
Để tránh tạo nên lưới Mg2Al3 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 lun hãa bỊn
§Ĩ xÐt nhiƯt lun hãa bỊn cđa hƯ Al - Cu nói riêng và của các hệ hợp kim
nhôm khác nói chung, hy xét cơ chế hóa bền khi nhiƯt lun hỵp kim Al chøa
4%Cu.


258

Bảng 6.1. Thành phần hóa học (%) và cơ tính của các hợp kim nhôm theo AA
Mác
nhôm

-1,

,
b,
0,2,
min,
min,
min,
min,
MPa
%
MPa
MPa
Biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện

Thành phần
hóa
học

1100

Al 99,0
(Fe+Si)<1

3003

1,2Mn0,12Cu

5052

2,5Mg0,25Cr

2014

4,4Cu0,5Mg0,8Mn-0,8Si
1,0Mg-0,6Si0,2Cr-0,3Cu

Trạng
thái

6061
7075

O
35
80
35
H14
90
130
9
H18
130
150
6
O
40
110
30
H14
145
155

8
H18
185
200
4
O
90
190
25
H34
210
265
10
H38
255
280
7
Biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện

5,6Zn2,5Mg1,6Cu-0,3Cr

O
T4
T6
O
T4
T6
O
T6

100
290
430
55
150
275
105
500

30
50
60
45
62
70
110
120
135

200
420
480
125
245
410
230
570

20
18

12
25
22
17
17
11

90
140
125
50
90
100
160

Tương
đương với
mác của
OCT

A0
AM
AM2

1
AB
B95

Đúc
295.0

4,5Cu-1,0Si

T6,kh.cát

165

250

5

-

A7

356.0

7,0Si-0,3Mg
17Si-4,5Cu0,6Mg
12,0Si-1,3Fe

160
180
270
290
160

230
260
280300

1,5
4
<0,5
<0,5
3

-

A9

390.0

T6,kh.cát
T6,lytâm
T6,kh.cát
T6,lytâm
F,đúc áp
lực

413.0

280

A2

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 548oC), 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 CuAl2II (trong đó II là để chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn

như Fe3CII trong thÐp sau cïng tÝch). Nh­ vËy hỵp kim AlCu4:
- lóc 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 CuAl2II, có độ
cứng và độ bền thấp nhất (b = 200MPa),
- khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (520oC), các phần tử
CuAl2II hòa tan hết vào và chØ cã tỉ chøc mét pha α lµ Al(4%Cu) vµ khi lµm


259

nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl2II 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 (CuAl2
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 CuAl2. 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% ë mét sè vïng gäi lµ vïng
G.P cã kÝch thước rất bé (hình đĩa bán kính khoảng 5nm) 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 10nm,
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 - 20oC - trên hình 6.5).
- Giai đoạn III. ở nhiệt độ cao hơn, 50 ữ 100oC hay hơn, pha ' chuyển
biến thành với cấu trúc đúng với CuAl2 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, 200oC trên hình 6.5). Có thể coi và là
các tiền pha cña ϑ - CuAl2.


260

Qua đó thấy rõ:
+ Pha CuAl2 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:
ã hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 ữ 7 ngày, hoặc
muốn nhanh hơn,
ã hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 ữ 200oC 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 CuAl2 còn có CuMg5Al5, CuMgAl2 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 ( 2,7g/cm3)
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 ®iƯn thÕ ®iƯn cùc kh¸c nhau,
nh­ng ng­êi ta cã thĨ 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 vµ Al - Zn - Mg
Hä AA6xxx
Hä nµy thc hƯ Al - Mg - Si víi pha hóa bền Mg2Si 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 àm) 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 ÷ 3%. Hãa bỊn tỉ chøc chđ yếu là tạo nên vùng G.P của MgZn2 và
Al2Mg3Zn3. 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 500oC), 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 A2). 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 thĨ silic thø
nhÊt (tr­íc cïng tinh) nh­ biĨu thÞ ë 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, δ = 3%). NÕu qua
biÕn tÝnh b»ng muèi Na (2/3NaF + 1/3NaCl) với tỷ lệ 0,05 ữ 0,08%, điểm cùng
tinh sẽ hạ thấp xuống khoảng 10 ữ 20oC và dịch sang phải, như vậy hợp kim luôn


262

luôn là trước cùng tinh với tổ chức và cïng tinh (α + Si), trong ®ã nhê kÕt tinh
víi 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 Mg2Si nên hƯ Al - Si - Mg (vÝ dơ m¸c AA 356.0) phải
qua nhiệt luyện hóa bền. Cho thêm Cu (3 ÷ 5%) vµo hƯ Al - Si - Mg kĨ 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, A26), nắp máy (A4) của
động cơ đốt 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
(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 ®ång ®á víi ®Ỉc tÝnh nh­
sau.

- TÝnh dÉn nhiƯt, dÉn ®iƯn cao. VỊ tÝnh dÉn ®iƯn nã chØ ®øng sau Ag, với
độ sạch 99,9%Cu ở trạng thái ủ, ở 20oC ®iƯn trë st ρ = 1,7241Ω.cm vµ ®é dÉn
nhiƯt b»ng 385W/m.oK. Phần lớn đồng nguyên chất được dùng làm dây dẫn. Cần
nhớ là các tạp chất hòa tan vào Cu, đặc biệt là P, Fe với lượng rất nhỏ cũng làm
giảm mạnh tính dẫn điện (0,1%P giảm 46%, 0,1%Fe giảm 23%).
- Chống ăn mòn khá tốt trong các môi trường thường gặp: khí quyển, nước,
nước biển hay kiềm, axit hữu cơ.
- Tính dẻo rất cao do có mạng A1 nên rất dễ biến dạng nóng và nguội, dễ
chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng.
- ở trạng thái ủ tuy có độ bền không cao (với 99,97%Cu cã σb = 220MPa,
σdh = 70MPa) nh­ng sau biÕn dạng dẻo độ bền tăng rất mạnh (với = 60%,
b = 425MPa, dh = 375MPa). Với đồng và hợp kim, biến dạng nguội là biện pháp
hóa bền rất quan trọng.
- Tính hàn của đồng khá tốt, song khi hàm lượng tạp chất đặc biệt là ôxy
tăng lên, ưu điểm này giảm đi rõ rệt.
Có thể thấy các nhược điểm của đồng như sau.
+ khối lượng riêng lớn ( = 8,94g/cm3),
+ tính gia công cắt kém do phoi quá dẻo, không gy, để cải thiện thường
cho thêm Pb vào,
+ tính đúc kém, tuy nhiệt độ nóng chảy là 1083oC, song độ chảy long
nhỏ.
b. Các loại đồng nguyên chất
Các loại đồng nguyên chất để dẫn điện phải có ít nhất 99,9%Cu được sản
xuất theo ba phương pháp khác nhau.
Đồng điện phân ETP (Electrolytic Tough Pitch) có chứa khoảng 0,04%O2.
Trong đồng, ôxy hầu như không hòa tan, chỉ tạo ra Cu2O nên không làm giảm tính
dẫn điện. Tuy nhiên loại này nhạy cảm với hyđrô khi nhiệt độ > 400oC (H2 khử
Cu2O tạo nên bọt nước, gây nứt ở biên hạt). Do vậy loại này chỉ dùng để gia công,
chế biến ở < 400oC.
Đồng sạch ôxy OFHC (Oxygen Free High Conductivity) là loại nấu chảy

các catod đồng trong khí quyển hoàn nguyên, có ít nhất 99,95%Cu, lượng ôxy nhỏ
hơn 0,003% nên không nhạy cảm với hyđrô.
Đồng được khử ôxy là loại được khử ôxy triệt để bằng phôtpho, toàn bộ
ôxy ở dưới dạng P2O5. Nếu lượng P tự do trong đồng < 0,005% thì hầu như không
làm giảm tính dẫn (nhưng với 0,04%P tÝnh dÉn chØ b»ng 85% cđa lo¹i OFHC), do
s¹ch ôxy nên có thể biến dạng nóng.
c. 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 ta thường dùng hệ thống đánh số theo
CDA (Copper Development Association) của Hoa Kỳ bằng xxx, trong đó số đầu
tiên có ý nghĩa như sau.
1xx - đồng đỏ và các hợp kim Cu - Be, 2xx - latông (Cu - Zn) đơn giản,
4xx - latông phức tạp,
5xx - brông thiếc,
6xx - brông nhôm,
7xx - brông nhôm,
8xx và 9xx - hợp kim đồng đúc
Để ký hiệu các trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây dùng
các ký hiệu O, H, T như của nhôm (riêng trạng thái tạo phôi thô được ký hiệu là
M), song có các chữ và số tiếp theo khác đi. Ví dụ, hóa bền bằng biến dạng nguội
có từ H00 (tương đương với H11 của nhôm) đến H04 (~ H18) cho đến H06, H08,
H10, H12, H13, H14.

6.2.2. Latông
Latông là hợp kim của đồng mà nguyên tố hợp kim chính là kẽm [tên gọi
do TCVN 1659-75 quy định trên cơ sở thuật ngữ đ được dùng phổ biến ở ta từ
tiếng Pháp, ngoài ra có thể gọi là đồng thau (cần chú ý trong thực tế còn có nhiều
tên gọi khác nữa). Các từ nước ngoài tương ứng là: Pháp - laiton, Anh - brass, Nga
- .

Hình 6.8. Giản đồ
pha Cu - Zn.

Latông đơn giản được dùng nhiều hơn cả, đó là hợp kim chỉ có hai nguyên
tố là Cu và Zn. Giản đồ pha Cu - Zn (hình 6.8) là loại rất phức tạp, tạo nên rất
nhiều pha, song trong thực tế chỉ dùng loại có ít hơn 45%Zn nên chỉ gặp hai pha
và .
Pha là dung dịch rắn thay thế của Zn trong Cu với mạng A1, nó có thể
chứa tới 39%Zn ở 454oC. Đó là pha cơ bản của latông và là pha duy nhất của
latông ít Zn, do đó nó quyết định quan trọng các tính chất cơ bản của latông. Điều
rất đặc biệt là Zn khi hòa tan vào Cu không những nâng cao độ bền mà cả độ dẻo
của dung dịch rắn (đây là một trong số ít các trường hợp hiếm có, thông thường độ
bền tăng lên, độ dẻo, độ dai phải giảm đi), đồng thời có hiệu ứng hóa bÒn biÕn


265

dạng cao (hình 6.9). Do vậy nói chung cơ tính của latông một pha cao hơn và rẻ
hơn đồng. Độ dẻo cao nhất ứng với khoảng 30%Zn. Ngoài ra khi pha thêm Zn,
màu đỏ của đồng nhạt dần và chuyển dần thành vàng.

Hình 6.9. ảnh hưởng của Zn và độ biến dạng đến cơ tính

của dung dịch rắn :
a. giới hạn đàn hồi,
b. giới hạn bền,
c. độ giÃn dài tương đối [với các mức tăng biến cứng 1/4, 2/4,
3/4, 4/4 (toàn phần) và R - cứng đàn hồi]

Pha là pha điện tử ứng với công thức CuZn (N = 3/2) có thành phần dao
động trong khoảng 46 ữ 50%Zn. Khác với , cứng và giòn hơn, đặc biệt ở nhiệt
độ thấp (< 457oC) khi nó bị trật tự hóa thành pha '. Do vậy không thể dùng latông
quá 45%Zn víi tỉ chøc hoµn toµn lµ β'. Trong thùc tÕ th­êng dïng ≤ 40%Zn víi
hai lo¹i mét pha α và hai pha + .
Latông một pha () thường chứa ít hơn 35%Zn. Do có tính dẻo cao nó là
loại biến dạng được cán nguội thành các bán thành phẩm, làm các chi tiết máy qua
dập.
Latông chứa Zn thấp, 5 ữ 12%, có màu đỏ nhạt và tính chất khá giống
đồng (nhưng tốt hơn) được dùng làm các đồ dùng và các chi tiết giả đồng như tiền
xu, huy chương, khuy áo, fecmơtuya...
Latông với khoảng 20%Zn (CDA 240, 80) có màu vàng giống như Au,
được làm các chi tiết trang sức, giả vàng (ngạn ngữ có câu vàng, thau lẫn lộn,
thau ở đây là đồng thau, latông).
Latông với khoảng 30%Zn (CDA 260, 70) có tính dẻo cao nhất và độ bền
cao nên được dùng làm chi tiết dập sâu với công dụng chủ yếu làm vỏ đạn
(catridge brass). Các latông một pha bền và dẻo cao nên khó gia công cắt. Để cải
thiện tính chất này người ta thường đưa thêm Pb vào với lượng 0,4 ữ 3,0% với cơ
chế tác dụng như ở thép dễ cắt.
Nhược điểm của latông với 20%Zn ở trạng thái biến cứng hay chịu ứng
suất cao có khuynh hướng bị nứt ăn mòn khi có hơi nước, amôniac, ôxy. Để tránh
khuyết tật này phải đem ủ.
Latông hai pha ( + ) thường dùng với 40%Zn (có tên là Muntz với các

mác CDA 280, OCT 60) hay có pha thêm Pb để cải thiện tính gia công cắt
(CDA 370, OCT C59-1). Tuy cứng và bền hơn loại một pha, hợp kim vẫn có thể
biến dạng dẻo được ở trạng thái nóng (do > 454oC pha dẻo hơn).


266

Các latông đúc bao giờ cũng có thành phần Zn và các nguyên tố hợp kim
khác cao hơn, như mác CDA 863 với tổng lượng các nguyên tố đưa vào cao tới
38%.
Bảng 6.2. Thành phần hóa học (%) và cơ tính của một
số mác hợp kim đồng theo CDA

Mác
đồng

Thành phần
hóa học

110

Cu99,9

172

1,9Be-0,2Co

260

30,0Zn

510
619

5,0Sn-0,2P
7Al-2Fe

715

30Ni

836

5,0Sn-5,0Zn5,0Pb
25Zn-3Fe6Al-4Mn
10Sn-2Zn
9Al-3Fe

863
905
952

Trạng
thái

b,
đh,
min,
min,
MPa

MPa
Biến dạng

,
min,
%

E,
min,
GPa

O
H
O
T
O
T
O
O
H
O
H

70
315
210
1260
120
440
131

280
370
275
525
Đúc

220
350
500
1420
355
530
324
560
610
420
600

45
6
48
2
62
8
64
42
35
45
4

118
119
108
126
154
-

M

120

255

30

-

M

475

820

18

-

M
M

152
185

310
580

25
35

-

Tương đương
với mác của
OCT

2
70
O5-1
A7-2

O C5-55

A 9-4

Đối với cả hai loại biến dạng và đúc, ngoài các thành phần trên người ta
còn đưa thêm vào các nguyên tố khác để tăng cơ tính cũng như tăng tính chống ăn
mòn.

6.2.3. Brông
Brông là hợp kim của Cu với các nguyên tố không phải là Zn như Sn, Al,

Be... và được gọi là brông thiếc, brông nhôm, brông berili... (riêng hợp kim Cu Ni không được gọi là brông). Các từ nước ngoài tương ứng là: bronze (Anh, Pháp),
- (Nga).
a. Brông thiếc
Brông thiếc (hợp kim Cu - Sn) là hợp kim cổ x­a nhÊt mµ loµi ng­êi biÕt sư
dơng, trong thùc tÕ nếu chỉ gọi là brông thì nên hiểu đó là brông thiếc (như đ biết
theo vật liệu sử dụng, loài người đ trải qua các thời kỳ đồ đá - Stone Age, thời kỳ
đồ đồng - Bronze Age).
Từ giản đồ pha Cu - Sn (hình 6.10) thấy rằng với hàm lượng Sn nhỏ hơn
13,5%, sau khi kết tinh chỉ có một pha là dung dịch rắn thay thế của Sn trong Cu
có kiểu mạng A1 dẻo và tương đối bền do cơ chế hóa bền dung dịch rắn. Vì
khoảng kết tinh lớn, quá trình thiên tích xảy ra khá mạnh nên ngay với hàm lượng


267

Sn khá nhỏ (< 8%) trong điều kiện đúc thông thường đ xuất hiện pha ; khi làm
nguội tiếp, pha này chuyển thành pha rồi sau đó thành pha . Quá trình chuyển
biến pha [ + ] ë 350oC vµ sù tiÕt pha ε trong α ë dưới 350oC không xảy
ra được vì tốc độ phản ứng quá nhỏ. , , , đều là các hợp chất điện tử cứng và
giòn. ở nhiệt độ thường các hợp kim chứa ít hơn 8%Sn sau khi ủ có tổ chức một
pha đồng nhất, khá dẻo chịu biến dạng tốt. Khi lượng Sn vượt quá 8%, nhất là khi
lớn hơn 10%, hợp kim có tổ chức hai pha + . Hàm lượng Sn dùng trong các
brông công nghiệp không vượt quá 16%.
Brông thiếc biến dạng thường ít hơn 8%Sn (có thể tới 10%) có cơ tính cao
và chống ăn mòn trong nước biển tốt hơn latông. Để cải thiện tính gia công
cắt thường có thêm Pb (CDA 521, CDA 524, OCT OC5-1) hay có thêm Zn
để vừa thay cho Sn rẻ hơn vừa có tác dụng hóa bền khi dùng 4% cho mỗi nguyên
tố (4%Sn - 4%Zn - 4%Pb) với mác CDA 544 hay OCT OC4-4-4.

Hình 6.10. Giản đồ pha

Cu - Sn (góc Cu)

Brông thiếc đúc là loại chứa nhiều hơn 10%Sn hay với tổng lượng các
nguyên tố đưa vào cao hơn 12% như loại 5%Sn - 5%Zn - 5%Pb víi c¸c m¸c CDA
835, ΓOCT БрOЦC5-5-5, hay 10%Sn - 2%Zn với mác CDA 905.
Nhờ tính đúc tốt do khả năng điền đầy khuôn cao, hệ số co ngót nhỏ,
chống ăn mòn tốt trong khí quyển, có bề mặt nâu - đen (do tạo nên lớp ôxyt thiếc)
nên brông thiếc chứa Zn, Pb được dùng để đúc các tác phẩm nghệ thuật: tượng đài,
chuông, phù điêu, họa tiết trang trí.
b. Brông nhôm
Từ giản đồ pha hệ Cu - Al (hình 6.11) ta thấy các hợp kim chứa ít hơn
9,4%Al có tổ chức chỉ là dung dịch rắn thay thế của Al trong Cu có mạng A1 khá
dẻo và bền. Do bề mặt có lớp Al2O3 nên hợp kim Cu - Al chịu đựng tốt trong khí
quyển công nghiệp hay nước biển.
Brông nhôm một pha (với 5 ữ 9%Al) được sử dụng khá rộng ri để chế tạo
bộ ngưng tụ hơi, hệ thống trao đổi nhiệt, lòxo tải dòng, chi tiết bơm, đồ dùng cho
lính thủy (CDA 614, OCT A9-4), tiÒn xu (CDA 608, ΓOCT БрA5).


268

Br«ng hai pha (> 9,4%Al) víi sù xt hiƯn cđa pha (hợp chất điện tử
mạng A2 là Cu3Al) chỉ ổn định ở trên 565oC và chịu biến dạng tốt. ë 565oC cã
chuyÓn biÕn cïng tÝch β → [α + 2]. Nếu làm nguội nhanh ' (mạng sáu
phương) cũng có tên là mactenxit, nhưng không cứng, song khi ram ở 500oC 2
tiết ra ở dạng nhỏ mịn, làm tăng mạnh độ bền, lại rất ít gây ra giòn nên các brông
nhôm chứa 10 ữ 13%Al được tôi ram cao và có cơ tính cao.

Hình 6.11. Giản đồ
pha Cu - Al (góc Cu)

Các brông nhôm đúc có lượng Al 9% nên cũng có thể có thành phần như
loại biÕn d¹ng nh­ CDA 952 (gièng víi CDA 614), ΓOCT A9-4 (giống với
A9-4).
c. Brông berili
Hợp kim Cu với 2%Be (CDA 172, OCT 2) sau khi tôi 750 ữ 790oC
trong nước, hóa già ở 320 ữ 320oC có tính đàn hồi rất cao (như thép đàn hồi) lại
không phát ra tia lửa điện khi va đập nên được làm các chi tiết đàn hồi trong mỏ và
thiết bị điện.

6.2.4. Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn - Ni
Như đ biết, từ giản đồ pha Cu - Ni (hình 3.9b) hai nguyên tố này hòa tan
vô hạn vào nhau nên luôn luôn có vùng tổ chức một pha và kiểu mạng A1. Ni hòa
tan vô hạn vào Cu làm tăng mạnh độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn trong nước
biển. Hợp kim Cu - Ni với 10 ữ 30%Ni (ví dụ CDA 715 có 30%Ni) được dùng làm
bộ ngưng tụ của tàu biển, ống dẫn nước biển, trong công nghiệp hóa học.
Hợp kim Cu với 17 ữ 27%Zn và 8 ữ 18%Ni được dùng làm dây biến trở,
với tổ chức là dung dịch rắn nên có điện trở suất rất cao và có màu bạc như của
niken.

6.3. Hợp kim ổ trượt
Mặc dầu ngày nay ổ lăn (bi và đũa) được sử dụng rất phổ biến, các ổ trượt
vẫn có vị trí trong máy móc vì các ưu điểm của nó: dễ chế tạo, dễ thay, rẻ, bôi trơn
dễ và trong nhiều trường hợp không thể thay thế khác được (nh­ ë trơc khủu).


269

6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt
Để làm được ổ trượt, các hợp kim đem dùng phải đạt được các yêu cầu sau.

- Hệ số ma sát nhỏ với bề mặt trục thép. Đây là yêu cầu quan trọng nhất
đối với hợp kim ổ trượt. Để đạt được yêu cầu này tổ chức của nó phải sao cho cã
diƯn tÝch tiÕp sóc víi bỊ mỈt cỉ trơc thép thấp và giữa chúng phải có khe hở để bôi
trơn bằng dầu (hình 6.12). Do vậy hợp kim ổ trục phải là loại có tổ chức không
đồng nhất, nhiều pha khác nhau rõ rệt: cứng và mềm, trong đó phần ít hơn được
gọi là hạt, nhiều hơn gọi là nỊn. Cã thĨ cã hai d¹ng: h¹t cøng - nỊn mềm (như hình
6.12) và hạt mềm - nền cứng. Trong quá trình làm việc phần mềm bị mòn đi và trở
nên rnh chứa dầu. Tổ chức hạt cứng - nền mềm có khả năng cho độ ma sát bé hơn
loại nền cứng - hạt mềm.

Hình 6.12. Hình thái tổ chức
của hợp kim ổ trượt nền mềm hạt cứng

- ít làm mòn cổ trục thép và chịu được áp lực cao để bảo vệ trục thép khỏi
mòn do nó đắt hơn. Muốn vậy ổ trượt phải được làm bằng các hợp kim mềm để
không làm hại trục như Sn, Pb, Al, Cu... song lại phải đủ độ bền nhất định để chịu
được áp lực cao. Để nâng cao khả năng chịu áp lực cao và tiết kiệm kim loại màu,
các ổ trượt thường được chế tạo bằng cách đúc tráng hay gắn ép lên trên máng
thép mác C8s.
- Tính công nghệ tốt: dễ đúc, khả năng dính bám vào máng thép cao...
- Rẻ.
Người ta chia các hợp kim ổ trục ra làm hai nhóm lớn: có nhiệt độ chảy
thấp và nhiệt độ chảy cao hơn.

6.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp
Hợp kim ổ trượt trên cơ sở của các kim loại dễ chảy: Sn, Pb... được gọi là
babit (babbitt). Đặc tính chung của các babit là rất mềm nên rất ít làm mòn cổ trục
thép, có hệ số ma sát nhỏ và giữ dầu tốt, song có nhược điểm là không chịu được
áp suất và nhiệt độ cao.
a. Babit thiếc

Là loại ổ trượt đầu tiên do Babbitt (người Anh) tìm ra có sự kết hợp tương
đối tốt giữa tính ma sát, cơ tính và tính chống ăn mòn song quá đắt do chứa nhiều
Sn. Thường dùng làm các ổ trượt quan trọng với tốc độ lớn và trung bình như trong
tuabin, động cơ điêzen. Thường dùng hai mác 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 thĨ xem chóng gåm hai cấu tử chính là Sn và Sb. Từ giản đồ pha Sn Sb (hình 6.13), loại đầu (ít Sn, nhiều Sb hơn) có tổ chức gồm dung dịch rắn Sn(Sb) là nền mềm (phần tối), ' - hợp chất SnSb là hạt cứng (phần sáng đa cạnh)


270

như biểu thị ở hình 6.14; ngoài Sb ra hợp kim cũng còn chứa một lượng Cu (3 ữ
6%) là để tạo nên Cu3Sn (hay Cu6Sn5) ở dạng kim, sao cũng là các hạt cứng song
tác dụng chính của nó là tránh thiên tích (SnSb là pha kết tinh trước, nhưng nặng
nên có xu hướng chìm xuống dưới, nhưng do Cu3Sn kết tinh sớm hơn lại phân bố
đều trong thể tích pha lỏng do khối lượng riêng của chúng xấp sỉ nhau, do vậy
ngăn cản được SnSb chìm xuống gây ra thiên tích). Loại sau với nhiều Sn, ít Sb
hơn nên trong tổ chức hầu như không có SnSb, vai trò hạt cứng chỉ do Cu3Sn dạng
kim, sao đảm nhiệm.

Hình 6.13. Giản đồ pha Sn - Sb

Hình 6.14. Tổ chức tế vi của hợp kim
OCT 83, UNS L13820

b. Babit chì
Là hợp kim trên cơ sở Pb với 6 ữ16%Sn, 6 ÷ 16%Sb vµ ~1%Cu víi tỉ chøc
lµ cïng tinh (Pb + Sb) là nền mềm (xem lại giản đồ pha Pb - Sb hình 3.8b), các
phần tử SnSb, Cu3Sn là hạt cứng. ở Nga dùng hai mác 6 (với 6%Sn, 6%Sb) và
16 (với 16%Sn, 16%Sb), trong đó 16 có nhiều hạt cứng hơn, giòn hơn được
dùng nhiều trong điều kiện không chịu va đập. 6 được dùng nhiều hơn để thay

83, 88 trong các động cơ xăng, chịu va đập hơn và rẻ hơn.
Dưới đây là các hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy cao hơn.

6.3.3. Hợp kim nhôm
Hợp kim nhôm là loại đáp ứng khá toàn diện các yêu cầu đối với ổ trượt và
hiện đ được dùng rÊt réng r∙i nhê ma s¸t nhá, nhĐ, tÝnh dÉn nhiệt cao, chống ăn
mòn cao trong dầu, đặc biệt là cơ tính cao hơn, tuy tính công nghệ hơi kém.
Phổ biến hơn cả là hệ Al - Sn, trong đó lượng Sn có thể biến đổi từ 3 đến
20% (ngoài ra còn Cu, Ni, Si), chúng tạo nên các pha mềm ngay trong hạt dung
dịch rắn của Al, nhờ đó làm tăng tính chống ma sát. Với lượng ít Sn (3 ữ 10%) như
các mác OCT AO 3-1 (3%Sn, 1%Cu), OCT AO 9-2 (9%Sn, 2%Cu), AA 851.0
(6%Sn, 1%Cu) được dùng ở trạng thái đúc làm bạc hay ống lót dày ít nhất 10mm.
Với lượng Sn nhiều hơn (~20%) với mác OCT AO 20-1 được dùng ở trạng thái
biến dạng dưới dạng bimetal - kim loại ghép - được chế tạo bằng cách cán ép hợp
kim lên băng thép dẻo. Với dạng bán thành phẩm như vậy, bằng cách dập tiếp theo
người ta dễ dàng chế tạo ngay ra các bạc lót. Các ổ trượt bằng hợp kim nhôm chịu
được áp lực cao (200 ữ 300kG/mm2), tốc độ vòng lớn (15 ữ 20m/s), dùng nhiều
trong động cơ điêzen.


271

6.3.4. Các hợp kim khác
Các hợp kim trên cơ sở đồng được dùng làm ổ trượt có nhiều loại: brông
thiếc, brông chì và hợp kim bột.
Brông thiếc với các mác CDA 836, OCT OC5-5-5 (đúc) và CDA
544,OCT OC4-4-4 (biến dạng), trong đó Pb không tan là các hạt mềm, nền
cứng là Cu hòa tan Sn, Zn.
Brông chì thường dùng với mác OCT C30 (30%Pb), với các phần tử
Pb không tan là hạt mềm, Cu là nền cứng. Tổ chức phải đạt là các hạt Pb phân bố

tương đối đều trên nền Cu, muốn vậy khi đúc phải khuấy và làm nguội nhanh để
Pb nặng hơn không kịp chìm xuống đáy gây thiên tích. Với lượng Pb cao, cơ tính
thấp nên thường phải đúc trên máng thép. Để tăng cơ tính thường dùng các hợp
kim ít Pb hơn (8 ữ 10%) song được hợp kim hóa thêm bằng Sn với các mác OCT
OC8-12, OCT OC10-10 ở dạng vật đúc.
Gang xám, gang cầu, gang dẻo với tổ chức grafit là phần mềm có tính bôi
trơn tốt, rnh chứa dầu và nền kim loại là phần cứng cũng được làm các ổ trượt
không quan trọng do hệ số ma sát lớn và có thể không cần bôi trơn (do đ có
grafit). Nền kim loại được chọn phụ thuộc vào trục thép cứng hay mỊm: trơc thÐp
qua nhiƯt lun (t«i + ram hay th­êng hãa) chän gang peclit, kh«ng qua nhiƯt
lun chän gang ferit - peclit. OCT quy định các mác như sau: AC-1, AC-2,
AC-3 (gang xám); AB-1, AB-2 (gang cầu), AK-1, AK-2 (gang dẻo).

6.4. Hợp kim titan
Hợp kim titan là vật liệu kết cÊu cã nhiỊu triĨn väng v× nã cã tÝnh chèng ăn
mòn và cơ tính cao, lại khá nhẹ, có tương đối nhiều trong vỏ quả đất (trong số kim
loại titan đứng hàng thứ tư sau nhôm, sắt và magiê). Trong những năm gần đây do
kỹ thuật luyện titan ngày một tiến bộ, trong công nghiệp đ sử dụng ngày càng
nhiều hợp kim này.

6.4.1. Titan nguyên chất
Titan là kim loại khá nhẹ (khối lượng riêng = 4,5g/cm3), nhiệt độ nóng
chảy tương đối cao (16650C), có tính chống ăn mòn rất cao trong khí quyển và
trong nước biển.
Titan với độ sạch cao rÊt dỴo (δ = 40%, ψ = 60%) nh­ng kÐm bÒn (σb =
300MPa, σ0,2 = 180MPa, HB 100), song các giá trị này còn cao hơn sắt nguyên
chất. Cần chú ý là cơ tính của titan phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch của của nó, chỉ
cần chứa một lượng rất nhỏ tạp chất cũng làm tính dẻo giảm mạnh (vì vậy trong
thời gian dài trước đây titan bị coi là kim loại giòn) và độ bền tăng nhanh, ví dụ
titan với độ nguyên chất 99,9% có độ cứng HB 100, 99,8% - HB 145, 99,5% - HB

195.
Titan nguyªn chất kỹ thuật chứa 99,5%Ti có cơ tính cao khác hẳn titan
nguyên chất (còn gọi là titan iôđua):
- ở trạng th¸i đ 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%.
Người ta luyện titan theo quy trình sau đây: làm giàu quặng, clorua hóa
quặng titan để tạo ra TiCl4, hoàn nguyên titan từ TiCl4 bằng kim loại Mg (TiCl4 +
2Mg Ti + 2MgCl2). Titan nhận được ở dạng khối xốp được nghiền thành bột, ép
và thiêu kết hoặc đem nấu chảy ở trong lò điện hồ quang chân không hc trong


272

khí quyển trơ. Các mác titan kỹ thuật của Nga lµ BT1 - 00, BT1 - 0, BT1 - 1 có
thành phần hóa học trình bày ở bảng 6.3.
Bảng 6.3. Thành phần hóa học (%) của titan kỹ thuật (OCT 19807-74)
(không lớn hơn)

Mác titan

Fe

Si

C

O

N

H

khác

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 có hai dạng thù hình: ở dưới 8820C có mạng lục giác xếp chặt với a =
0,296nm và c = 0,472nm được ký hiệu là Ti, cao hơn 8820C có mạng lập phương

tâm khối với a = 3,32nm (tính ở 9000C) được ký hiệu là Ti. Khi làm nguội chậm,
chuyển biến thù hình xảy ra theo cơ chế thông thường (tạo mầm và phát triển
mầm, khuếch tán) tạo nên các hạt đa cạnh; nhưng khi làm nguội nhanh lại xảy ra
theo cơ chế mactenxit (không khuếch tán) tạo nên các hạt hình kim.
Tính dẻo cao của loại titan iôđua so với các kim loại khác có cùng kiểu
mạng lục giác (Zn, Cd, Mg) là do nó có nhiều hệ trượt hơn. Ngoài mặt trượt cơ
bản (0001) là mặt đáy, titan có thể trượt theo các mặt (1010), (1011), song tinh
theo các mặt (1012), (11 2 1), (11 2 2)... Nguyên nhân của hiện tượng đặc biệt này
là do titan có tỷ số c/a thấp (1,587), nhỏ hơn giá trị c/a lý tưởng (1,633), trong khi
đó Zn, Cd và Mg có tỷ số c/a > 1,633 tức là các mặt đáy xa nhau hơn, lực liên kết
giữa chúng quá yếu và sự trượt chủ yếu được tiến hành bằng sự chuyển dời tương
đối giữa các mặt này nên số hệ trượt bị hạn chế.
Nhược điểm của titan là môđun đàn hồi của nó thấp (nhỏ hơn của sắt,
niken khoảng hai lần) do đó hạn chế sử dụng làm các kết cấu cứng vững.

6.4.2. Hợp kim titan
a. Tác dụng của các nguyên tố với titan
Theo tác dụng hòa tan vào dung dịch rắn các nguyên tố dược chia thành
hai nhóm: thay thế và xen kẽ. Các á kim với đường kính nguyên tử nhỏ (C, O, N,
H) tạo nên với titan dung dịch rắn xen kẽ, gây ra hóa bền nâng cao độ bền, độ
cứng, nhưng đồng thời cũng làm giảm rất mạnh độ dẻo, nên người ta coi chúng là
các tạp chất có hại cần loại bỏ. Các nguyên tố kim loại (Al, Cr, Mn, Mo, V...) có
khả năng tạo nên với titan dung dịch rắn thay thế, chúng vẫn hóa bền titan nhưng
không làm giảm mạnh độ dẻo và độ dai, nên được coi là tạp chất có lợi hay
nguyên tố hợp kim.
Theo ảnh hưởng đến chuyển biến thù hình của titan, tất cả các nguyên tố
hợp kim được chia thµnh ba nhãm: më réng α, më réng β vµ trung tính như biểu
thị ở 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 này có Al, O, N, trong đó chỉ có Al được sử

dụng thực tế vì hai nguyên tố còn lại làm giòn titan. Thường dùng với lượng Al
trong giới hạn hòa tan của dung dịch rắn (2 ữ 6,5%) có tác dụng làm giảm khối
lượng riêng, tính giòn do hyđrô, nâng cao môđun đàn hồi, độ bền, tính bền nóng.
Loại hợp kim này không hóa bền được bằng nhiệt luyện.
Đáng chú ý là các nguyên tố tạo nên với titan dạng giản đồ pha mở rộng
khu vực Ti như trình bày ở hình 6.15b và c, vì các hợp kim của nó có thể hóa bền
được bằng nhiệt luyện. Một số nguyên tố có kiểu mạng lập phương tâm khối như


273

Mo, V, Ta, Nb có khả năng hòa tan vô hạn vào Ti và tạo ra dung dịch rắn vô hạn
(hình 6.15b). Một số nguyên tố khác như Cr, Fe, Ni, W, Cu, Mn tuy cã më réng
vïng β nhưng không tạo được vùng dung dịch rắn vô hạn, pha chuyển biến cùng
tích thành hỗn hợp [ + ], trong đó là pha phức tạp (ví dụ nh­ pha Laves TiCr2
trong hƯ Ti - Cr ë h×nh 5.15c). Các nguyên tố đáng chú ý ở nhóm này là Mo, V,
Cr, Mn.

nguyên tố hợp kim, %

Hình 6.15. Sơ đồ các dạng giản đồ pha Ti - nguyên tố hỵp kim:
a. më réng Tiα, b. më réng Tiβ, c. mở rộng Ti có tạo thành cùng tích, d. trung tính

Các nguyên tố Sn, Zr, Hf, Th hầu như không ảnh hưởng đến nhiệt độ
chuyển biến thù hình, tạo nên với Ti dạng giản đồ pha như biểu diễn ở hình 6.15d.
Tuy không ảnh hưởng đến chuyển biến pha, song một số nguyên tố của nhóm này
khi hòa tan vào Ti và Ti có làm thay đổi một số tính chất của titan. Sn hóa bền
hợp kim titan mà không làm giảm nhiều độ dẻo, Zr nâng cao giới hạn do và độ
bền mỏi.
b. Nhiệt luyện hóa bền

Nhiệt luyện hóa bền hợp kim titan bao gồm tôi và hóa già.
Đối với hợp kim có dạng giản đồ pha ở hình 6.15b, tôi và hóa già chỉ áp
dụng cho các thành phần có tổ chức + . Khi tôi, người ta nung nóng hợp kim
đến trạng thái rồi làm nguội nhanh trong nước (trong một số trường hợp để tránh
sự phát triển mạnh của hạt ở trạng thái , chỉ cần nung nóng đến trạng thái + ).
Kết quả là tôi tạo nên mactenxit - dung dịch rắn quá bo hòa của nguyên tố hợp
kim trong Ti, trong tổ chức tế vi có dạng hình kim. Tuy tinh thể mactenxit có độ
cứng và độ bền cao hơn dung dịch rắn cân bằng song sự hóa bền trong trường
hợp này kém hơn nhiều so với chuyển biến mactenxit trong thép. Quá trình hóa
bền chủ yếu xảy ra khi hãa giµ (ram), lóc nµy tõ mactenxit tiÕt ra pha và do đó
được hỗn hợp của các pha phân tán trong , lúc này độ bền, độ cứng tăng lên
song độ dẻo và độ dai giảm đi.
Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra trong các hợp kim chứa nguyên tố hợp
kim thấp hơn một giá trị nồng độ tới hạn. Nồng độ tới hạn của các nguyên tố như


274

sau: V - 15%, Mo - 11%, Mn - 8%, Cr - 6%, Fe - 4%. Lớn hơn các giá trị này
điểm bắt đầu chuyển biến mactenxit giảm đi và thấp hơn nhiệt độ thường, nên
chuyển biến mactenxit không xảy ra.
Đối với các hợp kim có dạng giản đồ pha như ở hình 6.15c, tôi và hóa già
áp dụng cho thành phần trước cùng tích. Khi tôi nung nóng hợp kim đến trạng thái
.
Các hợp kim titan thường dùng có nhiệt độ tôi trong khoảng 800 ữ 9500C
và hóa già ở 450 ữ 6000C. Không hóa già ở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ ở 300 ữ
3500C) vì lúc đó có thể tạo nên pha rất giòn.
Để nâng cao tính chống mài mòn của hợp kim titan, có thể áp dụng thấm
nitơ, bề mặt có thể đạt độ cứng HV 1200 ữ 1500.
c. Các mác và công dụng

Thường dùng hợp kim titan với Al và các nguyên tố mở rộng vùng : V,
Mo (không tạo thành cùng tích), Cr, Mn, Fe (tạo ra cùng tích). Bảng 6.4 và 6.5
trình bày thành phần hóa học và cơ tính của một số mác hợp kim titan biến dạng
của Nga.
Bảng 6.4. Thành phần hóa học (%) của một 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 các 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 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 do đó được cung cấp dưới dạng
tấm, thỏi, dây, vật cán định hình.
Hợp kim Ti - Al được hợp kim hóa thêm Mn ngoài tổ chức là chủ yếu ra
còn có một lượng nhỏ pha (1 - 2%) được gọi là hợp kim giả với các mác OT4 1, OT4 và OT4 - 2. Do chøa Ýt Al vµ cã pha β OT4 - 1 và OT4 - 2 có tính dẻo ở
nhiệt độ thường tốt hơn, dễ gia công áp lực ở trạng thái nguội và chỉ khi chế tạo
các chi tiết phức tạp mới phải nung nóng tới 500 - 7000C. OT4 - 2 do chứa nhiều
Al nên gia công áp lực phải ở trạng thái nóng.
BT15

2,3-3,6

-

6,8-8,0

275

Nhược điểm của nhóm này là không nhiệt luyện hóa bền được và có
khuynh hướng giòn hyđrô.
Hợp kim ( + ) có ưu điểm lớn là có sự kết hợp tốt giữa cơ tính và tính
công nghệ và có thể nhiệt luyện hóa bền được. ở trạng thái ủ và tôi, nó có tính dẻo
cao, còn sau khi tôi và hóa già có độ bền cao. Lượng pha càng nhiều khả năng
hóa bền càng mạnh. Tăng lượng pha bằng hợp kim hóa thêm bởi Mo, V, Cr.
Loại hợp kim này cũng có thể đem gia công cắt và hàn. Sau khi hàn cần phải đem
ủ để nâng cao độ dẻo của mối hàn.
Hợp kim ít dùng trong công nghiệp, vì muốn tạo thành tổ chức hoàn toàn
phải dùng một lượng lớn nguyên tố hợp kim như V, Mo, Nb, Ta là các nguyên tố
đắt, hiếm và làm nặng hợp kim. Hiện chỉ dùng BT15 có tổ chức giả (vì ngoài
là chủ yếu còn có một ít ). BT15 có khối lượng riêng tương đối nhỏ (4,8g/cm3),
cơ tính cao. Nhược điểm của nó là mối hàn có độ dẻo thấp.
Bảng 6.5. Cơ tính của các hợp kim titan
Mác
hợp kim
BT5
BT5-1
OT4-1
OT4
OT4-2
BT6
BT14
BT15
BT16
BT3-1
BT8

Nhiệt
luyện,
0
C
ủ740760
ủ860880
ủ670720
ủ670720
ủ750800
t800940
+hg500
t860880 +
hg500
t760800
+hg480
t790
+hg500
ủđẳng
nhiệt
870,650
t900950
+hg500
-600

0,2,
b,
MPa
MPa
700-950 600-800

Cơ tính
, %

aK,
kJ/m2
300600
400900
5001000
350650
3

240300
240300
210250
-

-

9501000
11001500

-

1015
1015
2040
1220
8

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
bền

10001150

8501050

9-16

300600

310350

nóng


276

BT9

như trên

114010005-14
2003301300
1150
500
370
Ngoài loại biến dạng trong kỹ thuật cũng dùng hợp kim tiatn đúc. Tuy
nhiên việc đúc hợp kim titan không đơn giản vì nó hấp thụ khí mạnh, tác dụng với

vật lệu làm khuôn.

Hình 6.16. Các chi tiết, bộ phận
của máy bay phản lực được làm
bằng hợp kim titan: 1. mép trước
của cánh, 2. cánh phụ, 3. đầu
nhọn, 4. mép trước của bộ ổn
định

Trong các vật liệu kết cấu, hợp kim titan là vật liệu kết cấu có độ bỊn riªng
cao nhÊt - σb / γ = 22(km) - do có độ bền cao như thép hợp kim trong khi đó khối
lượng riêng chỉ bằng khoảng 60%. Khi thay thÕ thÐp b»ng hỵp kim titan, khèi
l­ỵng cđa chi tiÕt giảm đi tới 40%. Cùng với các đặc tính như bền nóng, chống ăn
mòn cao, các hợp kim titan được ứng dụng ngày một rộng ri trong các ngành kỹ
thuật: chế tạo máy bay, tên lửa, đóng tàu, công nghiệp hóa học. Trong chế tạo máy
bay nó được làm thân máy bay siêu âm với tốc độ 3 ữ 3,5 lần so với tốc độ âm khi
bề mặt bị nung nóng tới 450 ữ 5000C (hình 6.16), làm các chi tiết của động cơ
máy bay phản lực (đĩa và cánh của máy ép, các chi tiết của lỗ hút không khí), vỏ
tên lửa tầng thứ hai và tầng thứ ba (trong loại tên lửa nhiều tầng), bình và 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 các môi trường ăn mòn mạnh, khí cụ bay hơi, bơm,
bộ trao đổi nhiệt, quạt. Trong kỹ thuật chân không làm chất hấp thụ khí, các 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 là nấu chảy rồi kết tinh (đúc), biến
dạng thành bán thành phẩm, gia công cắt thành bán thành phẩm, người ta có thể
chế tạo sản phẩm kim loại, hợp kim bằng quy trình ngắn gọn hơn: chế tạo bột qua

ép rồi thiêu kết, tức không cần nấu chảy, kết tinh và gia công cắt. Đó là phương
pháp luyện kim bột.
Như vậy để chế tạo các sản phẩm bằng phương pháp này phải có ba công
đoạn 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 xác định với độ dính kết nhất định (để có thể vận chuyển hay gia công
cơ khí cần thiết). Có thể tạo hình bằng cách ép, nén với áp suất 100 ữ 1000MPa,
tùy theo yêu cầu về khối lượng riêng. Muốn được khối lượng riêng lớn và đồng
đều phải ép với áp suất lớn và rung cơ học.
- Thiêu kết: có tác dụng làm cho các hạt bột liên kết bền vững với nhau,
tăng cơ lý tính cho sản phẩm đến giá trị mong muốn. Thường nung nóng đến nhiệt
độ b»ng 0,75Tso (theo oK) cđa kim lo¹i trong thêi gian 0,5 ữ 6,0h trong khí quyển
bảo vệ hay chân không. Ngoài tăng dao động nhiệt, khuếch tán làm tăng liên kết
bề mặt, quá trình chủ yếu xảy ra là kết tinh lại toàn bộ, tạo ra các hạt mới đa cạnh.
Trong quá trình thiêu kết, sản phẩm sẽ co lại, mật độ tăng lên. Có thể kết hợp hai
khâu ép và thiêu kết bằng cách ép nóng, có thể đạt ®­ỵc mËt ®é cao nhÊt.
- VỊ kinh tÕ cã thĨ đạt được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao nếu sản lượng
lớn mặc dầu chi phí đầu tư ban đầu cao.
b. Đặc điểm của phương pháp
- Về kinh tế: nguyên liệu bột được sử dụng gần như triệt để, không hay ít
phải gia công cắt, sửa.
- Về chất lượng: dễ bảo đảm độ đồng nhất của sản phẩm về thành phần, tổ

chức, kích thước và tính chất khi chế tạo hàng loạt khi có vật liệu chuẩn và trộn
đều.
- VỊ tỉ chøc tÕ vi: thÊy r»ng hỵp kim bét không có cấu trúc xít chặt, luôn
có lỗ hổng (rỗ xốp thay đổi rộng từ 2 đến 50%), có cơ tính không cao.
- Một số sản phẩm chỉ có thể chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột hay
phương pháp này sẽ rẻ hơn so với luyện kim truyền thống như chế tạo kim loại có
nhiệt độ chảy cao, vật liệu cứng, siêu cứng, bạc xốp...
Sau đây 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 phần chủ yếu của mọi loại hợp kim cứng là cacbit: WC (chiÕm tû lÖ
cao nhÊt), TiC, TaC rÊt cøng và nhiệt độ chảy rất cao, ngoài ra còn có lượng nhỏ
côban làm chất dính kết, nhờ vậy bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn và cứng
nóng rất cao, hơn nữa đây là bản chất tự nhiên không phải qua nhiệt luyện. Do
cacbit có nhiệt độ chảy rất cao, hợp kim cứng được chế tạo qua các bước sau.
- Tạo bột cacbit bằng cách hoàn nguyên WO3 bằng hyđrô ở 700 ữ 900oC
được bột W rồi đem nghiền, sàng lấy cỡ hạt nhỏ 0,10 ữ 0,15 đến 3 ữ 5àm, sau đó
trộn bột W với bồ hóng và nung lên 1400oC trong 1h để được bột WC.
- Trộn bột cacbit víi bét Co trong nhiỊu h cho thËt ®Ịu rồi đem ép thành
lưỡi cắt nhỏ, hình dạng đơn giản.
- Thiêu kết: nung ở nhiệt độ cao (1450oC) để Co biến mềm, bắt đầu chảy,
dính chặt các hạt cacbit với nhau thành khối chắc.