Tài liệu Hộp kim màu và bột docx

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.

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, dẫn điện cao. Về tính dẫn điện nó chỉ đứng sau Ag, với
độ sạch 99,9%Cu ở trạng thái ủ, ở 20
o
C điện trở suất

= 1,7241

.cm
và độ dẫn
nhiệt bằng 385
W/m.
o
K
. 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 có

b
= 220MPa,

dh
= 70MPa) nhưng sau biến 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 (

= 8,94
g/cm
3
),
+ 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 1083
o
C, 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%O
2
.
Trong đồng, ôxy hầu như không hòa tan, chỉ tạo ra Cu
2
O nên không làm giảm tính
dẫn điện. Tuy nhiên loại này nhạy cảm với hyđrô khi nhiệt độ > 400
o
C (H
2
khử
Cu
2
O tạo nên bọt nước, gây nứt ở biên hạt). Do vậy loại này chỉ dùng để gia công,
chế biến ở < 400
o
C.
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 P
2
O

5
. Nếu lượng P tự do trong đồng < 0,005% thì hầu như không
làm giảm tính dẫn (nhưng với 0,04%P tính dẫn chỉ bằng 85% của loại OFHC), do
sạch 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 454
o
C. 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 bền biến