CHƯƠNG 6. HỢP KIM MẦU VÀ BỘT 263 6.1. Nhôm và hợp kim nhôm 263 6.2. Đồng và hợp kim đồng 271 6.3. Hợp kim ổ trượt 278 6.4.Hợp kim bột 283 CHƯƠNG 6 HỢP KIM MẦU VÀ BỘT 263 6 1 Nhôm và hợp kim nhôm 263 6 2 Đồng và hợp kim đồng 271 6 3 Hợp kim ổ trượt 278 6 4 Hợp kim bột 283 CHƯƠNG 6 HỢP KIM MẦU VÀ BỘT Người ta chia các kim loại ra hai nhóm.
Trang 1CHƯƠNG 6 HỢP KIM MẦU VÀ BỘT
6.1 Nhôm và hợp kim nhôm
6.2 Đồng và hợp kim đồng
6.3 Hợp kim ổ trượt
6.4.Hợp kim bột
CHƯƠNG 6 HỢP KIM MẦU VÀ BỘT
Người ta chia các kim loại ra hai nhóm lớn là kim loại đen (sắt và các hợp kim của sắt) và kim loại màu gồm các kim loại còn lại Sự phân chia này rất thông dụng song lại mang tính chất rất quy ước, bởi vì nó không dựa trên một thực tế khách quan nào cả (không phải là sắt có màu đen, còn các kim loại khác là có mầu cả).
Nói chung các kim loại màu và các hợp kim của chúng được dùng ít hơn
và đắt hơn sắt, thép, gang, do vậy khi sử dụng cần thận trọng hơn.
Theo mức độ thông dụng có thể chia các kim loại và hợp kim mầu ra làm hai loại chính: Thông dụng và ít thông dụng.
Các kim loại và hợp kim mầu thông dụng là các kim loại và hợp kim mầu thường dùng như nhôm, đồng, thiếc, chì, kẽm đôi khi cả titan nữa, chúng là các vật liệu kết cấu.
Theo đặc tính người ta thường chia kim loại mầu thành các nhóm sau:
- Nhẹ: Li, K, Na, Mg, Be, Al, Ti
- Nặng: Pb, Cu, Zn, Ni, Co, Mn, Sn, Sb, Cr, Bi, Hg, As
- Quý: Au, Pt, Ag, Pd, Ir, Rh, Rb, Os
- Hiếm: W, Mo, Ta, V, Se, Te, In, Zr, Tl, Se, Y, Ce, La, Pr
- Phóng xạ: U, Pu, Th
Trong chương này chỉ khảo sát các hợp kim mầu kết cấu bao gồm nhôm, đồng, titan và các hợp kim ổ trượt.
6.1 Nhôm và hợp kim nhôm
Khác với sắt có lịch sử hàng nghìn năm, nhôm mới có lịch sử khoảng trêndưới một thế kỷ nay, nhưng có tiền đồ hết sức to lớn vì trữ lượng của nó lớn(gần gấp 2 lần sắt), nhẹ (gần gấp 3 lần sắt), tương đối bền (hợp kim nhôm siêubền có giới hạn bền không kém thép cacbon kết cấu) và tính chống ăn mòn cao(cao hơn sắt nhiều) Hiện nay nhôm và các hợp kim của nhôm được dùng ngàymột rộng rãi không những làm đồ dùng hàng ngày mà cả trong chế tạo máy, xâydựng nhà cửa, đóng toa xe Người ta cho rằng, với kỹ thuật luyện nhôm ngàymột tiến bộ, nhôm và hợp kim của nó sẽ dần dần trở thành vật liệu kết cấu nhưsắt, thép
6.1.1 Nhôm nguyên chất
6.1.1.1 Các đặc tính của nhôm
Khác với sắt, nhôm là kim loại không có chuyển biến thù hình, nó chỉ cómột kiểu cấu trúc mạng tinh thể là lập phương diện tâm với thông số mạng a =4,04 đường kính nguyên tử 2,86
Trang 2Nhôm có các đặc tính sau đây:
- Khối lượng riêng nhỏ ( = 2,7g/cm3) nên được dùng rộng rãi trong chế tạomáy bay
- Tính chống ăn mòn cao: Nhôm nguyên chất với độ sạch cao có tính chống
ăn mòn hoá học và cả điện hoá rất cao, do có ái lực mạnh với ôxi nên bề mặt của
nó luôn luôn có lớp màng oxyt Al2O3 mỏng và rất xít chặt, có tính bảo vệ cao
Độ sạch của nhôm càng thấp, tính chống ăn mòn của nó càng kém
- Tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao: Độ dẫn điện của nhôm khá cao ( =2,62.10-6 .cm) bằng 60% của đồng, lại cộng thêm với đặc tính nhẹ, nên vớicùng trọng lượng như nhau, nhôm dẫn điện tốt hơn đồng Trong kỹ thuật điện đãdùng khá nhiều dây dẫn điện bằng nhôm Độ dẫn nhiệt của nhôm là 0,3426cal/cm.s.0C cao hơn sắt và thép
- Nhiệt độ chảy thấp (6600C) có thể làm dễ dàng cho quá trình nấu luyện,
song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao ở trên 300 ÷ 4000C
Ẩn nhiệt kết tinh và nóng chảy của nhôm lớn, do vậy các vật đúc nhôm nguộichậm ở trạng thái lỏng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến tính tinh luyện.Tuy nhiên tính đúc của nó không cao do độ co ngót lớn (tới 6%)
- Độ bền,độ cứng tương đối thấp: Nhôm với độ sạch cao sau khi cán và ủ
có b = 60N/mm2 = 60Mpa ; 0,2 = 20N/mm2 = 20MPa, 25HB tức là chỉ bằng 1/4đến 1/6 của sắt, vì vậy hầu như không dùng nhôm nguyên chất làm các chi tiếtmáy Trong máy móc thường dùng các hợp kim nhôm có độ bền cao hơn rõ rệt
- Tính dẻo cao: Nhôm nguyên chất rất dẻo, = 85%, = 40% cho nên rất
dễ biến dạng ở trạng thái nguội và ở trạng thái nóng Tính gia công cắt của nhômthấp
6.1.1.2 Các số hiệu nhôm nguyên chất
Rất khó luyện sạch nhôm, bởi vì nó là nguyên tố hoạt động mạnh Các tạpchất thường có của nhôm là sắt, silic, ngoài ra có thể có đồng, kẽm, titan
Sắt là tạp chất có hại đối với nhôm Từ giản đồ trạng thái Al - Fe (hình 1) thấyrằng sắt hoà tan rất ít trong nhôm, ngay ở nhiệt độ cùng tinh 655C trong nhômcũng chỉ hoà tan được 0,03% Fe, còn ở nhiệt độ thường có thể coi là nhômkhông hoà tan sắt Sắt tạo với nhôm pha tương ứng với công thức FeAl3 dòn,nên với lượng sắt dù nhỏ, ở biên giới hạt vẫn có cùng tinh (Al + FeAl3) tổ chứcnày làm giảm mạnh độ dẻo của nhôm Lượng sắt trong nhóm kỹ thuật thay đổitrong giới hạn 0,0015 - 1,1%
Trang 3Riêng bản thân silic không phải là tạp chất có hại Từ giản đồ trạng thái Al
- Si (hình 2) có thể coi nhôm không hoà tan trong silic nhưng ngược lại silic hoàtan khá nhiều trong nhôm ở nhiệt độ cao (ở nhiệt độ cùng tinh Al hoà tan được1,65% Si), còn ở nhiệt độ thường có thể coi như không hoà tan (0,09%) Giữanhôm và silic không tạo thành hợp chất hoá học, cùng tinh (Al + Si) bảo đảmtính đúc tốt và không làm xấu cơ tính
Khi đồng thời có cả sắt và silic trong nhôm sẽ xuất hiện các pha mớitương ứng với các hợp chất hoá học của ba nguyên tố Al, Fe, Si Các pha nàycùng với FeAl3 có tính dòn cao làm xấu cơ tính của nhôm
Nhôm có độ sạch đặc biệt gồm có một số hiệu A999 (> 0,001% tạp chất) Nhôm có độ sạch cao gồm có các số hiệu A995 A99, A97 và A95 vớilượng tạp chất không quá 0,005%, 0,01%, 0,03% và 0,05%
Nhôm có độ sạch kỹ thuật gồm có các số hiệu A85, A8, A7, A6, A5, A0với lượng tạp chất không quá 0,15%, 0,20%, 0,30%, 0,40%, 0,50%, 1,00%
Cơ tính của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và trạng thái Độ sạch càng caonhôm càng dẻo Biến dạng nguội làm tăng đáng kể độ bền của nhôm
Số hiệu Lượng tạp chất % Trạng thái
Nhôm nguyên chất kỹ thuật
được dùng làm các chi tiết
200 400 600 800 1000 1200 1400 0C
+pha thứ hai
Đúc Biến dạng
Trang 4và các kết cấu không chịu tải, yêu cầu vật liệu đem chế tạo phải nhẹ, dẻo vàchống ăn mòn cao như để làm khung, cửa, ống dẫn, xitec vận chuyển dầu mỏ,thùng chứa.
6.1.1.3 Phân loại hợp kim nhôm
Nhờ độ bền cao hơn, trong chế tạo máy người ta dùng nhôm ở trạng tháihợp kim
Theo công nghệ chế tạo người ta chia các hợp kim nhôm ra các loại: đúc,biến dạng và thiêu kết
Hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng đều được chế tạo ra bằngcách nấu chảy Căn cứ để phân biệt ranh giới giữa hai loại đó trong một hệ hợpkim đã cho là giản đồ trạng thái nhôm - nguyên tố hợp kim
Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim nhôm có thành phần nguyên tố hợp
kim nằm ở trong giới hạn của dung dịch rắn, tức là ở bên trái điểm C'
Có thể là ở nhiệt độ thường hợp kim chưa đạt được tổ chức hoàn toàn làdung dịch rắn (có thêm pha thứ hai) nhưng khi nung đến nhiệt độ thích hợp (ví
dụ cao hơn CD) sẽ được tổ chức như vậy, rất dễ biến dạng (cán, rèn, rập) theo ýmuốn Hợp kim nhôm biến dạng do không chứa cùng tinh nên dễ biến dạngkhông những ở nhiệt độ vùng một pha mà ở cả nhiệt độ thường
Trong khoảng thành phần của hợp kim nhôm biến dạng lại được chia rahai phân nhóm: hoá bền được bằng nhiệt luyện và không hoá bền được bằngnhiệt luyện Các hợp kim có thành phần ở bên trái điểm D khi nung nóng haylàm nguôi đều không có chuyển biến pha nên không thể hoá bền bằng nhiệtluyện được Các hợp kim có thành phần ở bên phải điểm D (từ D đến C'), ởnhiệt độ thường ngoài dung dịch rắn còn có pha thứ hai, khi nung nóng, phanày hoà tan hết vào dung dịch rắn khi làm nguội nhanh tổ chức dung dịch rắnquá bão hoà được cố định lại và trở nên không cân bằng, tiết ra các pha phân tánlàm độ bền tăng lên
Hợp kim nhôm đúc là hợp kim nhôm với thành phần nguyên tố hợp kimsao cho trong tổ chức của nó chứa chủ yếu là cùng tinh có tính đúc cao Như vậy
về nguyên tắc, các hợp kim có thành phần ở bên phải điểm C' trong tổ chức khiđúc đã có cùng tinh rồi và sẽ thuộc loại hợp kim nhôm đúc, tuy nhiên trong thực
tế thường dùng với thành phần khá rộng trước và sau cùng tinh
Có nhận xét là, hợp kim nhôm đúc chứa lượng nguyên tố hợp kim caohơn so với hợp kim nhôm biến dạng
Hợp kim nhôm thiêu kết là loại hợp kim nhôm được chế tạo từ nguyên tốban đầu là bột quá ép và thiêu kết
6.1.2 Hợp kim nhôm biến dạng
6.1.2.1 Hợp kim nhôm không hoá bền được bằng nhiệt luyện
Các hợp kim này có đặc tính là độ bền không cao (tuy cao hơn nhômnguyên chất khá nhiều), tính dẻo cao và chống ăn mòn tốt, thường được làm các
Trang 5chi tiết rập sâu Thuộc về nhôm này là các hợp kim thuộc hệ Al - Mn và Al –Mg.
Theo giản đồ trạng thái Al - Mn (hình 6.4) các hợp kim này có thành phần
ít hơn 1,5%Mn, có tổ chức gồm dung dịch rắn và pha thứ hai MnAl6 pha này
có thể hoà tan vào dung dịch rắn khi tăng nhiệt độ Song trong hợp kim nhômluôn có sắt, do đó lại tạo nên pha phức tạp (FeMn)Al3 thay cho MnAl6 Giốngnhư mọi pha có chứa sắt khác trong hợp kim nhôm, pha phức tạp (FeMn)Al3thay cho MnAl6 Giống như mọi pha có chứa sắt khác trong hợp kim nhôm, phaphức tạp (FeMn)Al3 không hoà tan vào nhôm khi nung nóng, do đó hợp kimAMu không hoá bền được bằng nhiệt luyện Khác với các nguyên tố khác, Mnkhông làm xấu tính chống ăn mòn của hợp kim nhôm, trái lại còn làm tốt nó Sovới nhôm nguyên chất, hợp kim AMu bền và chống ăn mòn tốt hơn
thể hoá bền bằng nhiệt luyện
được Các hợp kim AMr
thường dùng có thành 3
tổ chức gồm dung dịch rắn và pha thứ hai Mg2Al3 (hoặc Mg5Al8), nungnóng Mg2Al3 hoà tan vào và cũng gây ra hoá bền khi nhiệt luyện, song hiệuquả này rất nhỏ do lượng Mg của hợp kim thấp hơn giới hạn hoà tan của dungdịch rắn quá nhiều (3,7% so với 17,4%) Hợp kim Al - Mg có khối lượng riêngnhỏ hơn (do Mg nhẹ), độ bền cao hơn, tỉnh dẻo tốt nhưng tính chống ăn mònkém hơn so với nhôm nguyên chất
Các hợp kim Al-Mn và Al-Mg được dùng ở trạng thái ủ biến cứng, biếncứng ít dùng ở trạng thái biến cứng vì độ dẻo quá thấp
6.1.2.2 Hợp kim nhôm hoá bền được bằng nhiệt luyện
t,% AMr
L Mg2Al3+L 17,4%
100 200 300 400 500
%Co
Hình 6.6: Giản đồ trạng thái Al-Cu
Trang 6Hợp kim nhôm biến dạng, hoá bền được bằng nhiệt luyện là hợp kimnhôm quan trọng nhất, là vật liệu kết cấu được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật.
Cơ sở của các hợp kim loại này là hợp kim Al - Cu với 4% Cu
Hợp kim Al với 4% Cu
Để khảo sát hợp kim này ta hãy xét giản đồ trạng thái Al - Cu trình bày ởhình 6 Từ đó thấy rằng đồng hoà tan khá nhiều ở trong nhôm ở nhiệt độ cao (tới5,65% tại nhiệt độ cùng tinh 5480C) nhưng lại giảm đi rất nhanh khi hạ nhiệt độ(còn 0,5% ở 00C) do vậy tiết ra pha CuAl2 với ký hiệu là CuAl2II để chỉ rõ nóđược tiết ra từ trạng thái rắn
Cùng tinh ( + CuAl2) tạo thành với lượng Cu khá cao (33%) nên ít dùng
hệ hợp kim Al - Cu để đúc Trong hệ Al - Cu cỉ dùng các hợp kim thuộc nhómbiến dạng mà điển hình là hợp kim có 4% Cu Ta sẽ xét kỹ các chuyển biến phacủa hợp kim này khi nhiệt luyện vì các đặc điểm của nó cũng thấy ở các hợpkim nhôm biến dạng và hoá bền được bằng nhiệt luyện
Từ giản đồ trạng thái hình 6.6 thấy rõ hợp kim có tổ chức gồm dung dịch rắn (có0,5% Cu) và các phần tử pha
CuAl2II tiết ra từ dung dịch
rắn đó (hình 6.7a) Nung
nóng hợp kim này lên đến
nhiệt độ cao hơn đường hoà
tan giới hạn CD (khoảng
5200C), các phần tử CuAl2II
sẽ hoà tan hết vào dung dịch
rắn nên sau khi tôi (bằng cách
làm nguội nhanh trong nước)
có được dung dịch rắn quá
bão hoà chứa tới 4% Cu Tổ chức tế vi của hợp kim sau khi tôi chỉ là dung dịchrắn
Điều đáng chú ý đây là sau khi tôi độ bền của hợp kim tăng lên khôngđáng kể (b ở trạng thái ủ
200N/mm2, ở trạng thái sau khi
tôi 250N/mm2), nhưng sau khi
hoá già độ bền tăng lên rất mạnh
Có thể thấy rõ điều này từ đường
cong hoá già tự nhiên của hợp
kim này trình bày ở hình 6.8
Khác với thép, sau khi tôi hợp
kim nhôm với 4% Cu vẫn giữ
được độ dẻo cao, đây là một ưu
việt rất quan trọng về mặt công
nghệ bởi vì nó cho phép hiệu
chỉnh cong vênh, thậm chí biến
dạng dẻo với mức độ lớn đối với
các chi tiết tôi
Hình 6.7: Sơ đồ tổ chức tế vi của hợp kim nhôm với 4%Cu, a - ở trạng thái ủ, b - ở trạng thái sau khi tôi
200 250 300 350 400 450
Thời gian, ngày
Hình 6.8: Các đường cong hoá già của đuara (hợp kim Al - Cu - Mg) ở các nhiệt độ
Trang 7Nhiệt luyện hoá bền các hợp kim nhôm bao gồm tôi và hoá già.
Tuỳ thuộc vào nhiệt độ hoá già có thể đạt được các hiệu quả hóa bền khácnhau như trình bày ở hình 6.9 Khi hoá già tự nhiên 200C thời gian quá trình dàinhưng độ bền đạt được giá trị lớn nhất Khi hoá già nhân tạo ở các nhiệt độ càngcao hơn nhiệt độ thường (ví dụ ở 100, 150, 2000C) thời gian quá trình càng ngắnlại song độ bền đạt được giá trị không cao bằng khi hoá già tự nhiên, hơn nữavượt quá thời gian nhất định độ bền lại giảm đi Khi hoá già ở các nhiệt độ quáthấp, quá trình hoá bền xảy ra rất chậm hoặc hầu như không
Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm:
Sự hoá bền hợp kim nhôm khi tôi và hoá già được giải thích theo cơ chế
do Guniee và Prestôn đưa ra từ đầu thế kỷ này, sau đó đã được thực nghiệmchứng minh bằng các phương pháp vật lý hiện đại
Nguyên nhân của quá trình hoá bền đó là dung dịch rắn giàu đồng tạo thành saukhi tôi là quá bão hoà và không ổn định, có xu hướng trở về trạng thái ổn định làdung dịch rắn nghèo đồng (0,5%Cu) và CuAl2II Quá trình tiết pha ổn địnhCuAl2II (còn gọi là pha ) từ dung dịch rắn quá bão hoà là quá trình phức tạp quanhiều giai đoạn với những cấu trúc trung gian khác nhau: vùng G - P liền mạng,pha bàn liền mạng Những cấu trúc trung gian này có kích thước rất bé, phân
bố đều trong thể tích và tạo nên các trường ứng suất đàn hồi xung quanh mình
và do vậy có tác dụng hoá bền rất mạnh
Trong giai đoạn 1 của sự hoá già các nguyên tử Cu từ chỗ phân bố ở nútmạng có tính chất ngẫu nhiên, tập trung về những vùng nhất định ở trong mạngtinh thể Do vậy trong mạng tinh thể của dung dịch rắn có những vùng có nồng
độ Cu cao (>4%Cu) được gọi là vùng G - P (Gunie - Prestôn) Do nguyên tử Cu
có kích thước bé hơn nguyên tử Al mà cấu trúc của vùng G - P lại liền mạng với
Hình 6.9: Sự thay đổi độ bền của hợp kim nhôm với 4%
Cu khi hoá già tự nhiên
Trang 8cấu trúc nền nên vùng G - P gây xô lệch lớn trong mạng tinh thể của nền làmcho độ bền độ cứng của hợp kim tăng lên Vùng G - P có dạng đĩa với kíchthước rất nhỏ, dày từ vài đến vài chục còn bán kính từ hàng chục đến hàng trămăngstrong Cần chú ý là kích thước của vùng G - P phụ thuộc vào nhiệt độ hoágià, ở nhiệt độ càng cao kích thước của nó càng lớn.
Khi hoá già nhân tạo (với nung nóng cao hơn nhiệt độ thường), giai đoạn
I của quá trình kể trên xảy ra trong thời gian ngắn hơn ở các nhiệt độ cao hơn
1000C quá trình hoá già không chỉ dừng lại ở sự tạo thành vùng G - P, ở nhữngnhiệt độ này quá trình hoá già tiếp tục xảy ra theo giai đoạn II, giai đoạn tạo phagiả ổn định ' có thành phần gần giống với CuAl2 nhưng có cấu trúc riêng củamình Các phần tử ' có các dạng tấm, liên kết bán liền mạng với nền và cũng cótác dụng hoá bền cao
Độ bền cao nhất đạt được khi hoá già ứng với giai đoạn I và II, tức ứngvới sự tạo thành vùng G - P hay pha ' chưa tách ra khỏi dung dịch rắn Hoá già
ở các nhiệt độ thấp (<2000C) dễ dàng đạt được mục đích này
Khi giữ nhiệt lâu ở nhiệt độ cao (ví dụ lớn hơn 2000C) tiếp theo giai đoạn
II sẽ xảy ra giai đoạn III lúc đó pha ' sẽ chuyển thành pha với liên kết khôngliền mạng để trở thành pha là hợp chất hoá học CuAl2
Tiếp theo sẽ có quá trình kết tụ các phần tử CuAl2 để trở nên có kích thước lớnhơn và dần dần hợp kim có tổ chức như trước khi tôi (ở trạng thái ủ) Các quátrình xảy ra trong giai đoạn III của sự hoá già làm giảm độ bền độ cứng của hợpkim
Qua trên ta thấy pha CuAl2 là hợp chất hoá học rất có giá trị đối với sựhoá bền khi nhiệt luyện hợp kim nhôm, nhờ sự hoà tan của nó khi nung nóng và
sự chuẩn bị tiết ra nó (tạo nên vùng G - P, pha ') khi hoá già làm tăng được độbền, nên nó được gọi là pha hoá bền
Trong thực tế hầu như không dùng hợp kim chỉ có hai nguyên Al - Cu làmhợp kim biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện, song hợp kim nhôm với 4%
Cu lại là cơ sở của hầu hết các hợp kim nhôm loại này
Hợp kim rèn và bền nóng: Các chi tiết làm bằng hợp kim nhôm qua rèn,
rập không những phải có cơ tính cao mà còn phải có tính dẻo tốt ở trạng tháinóng
Thường dùng Duyara thường I với ký hiệu là AK1và các hợp kim hệ Al Cu
-Mg với một lượng nhất định (khoảng 1%) Si với các số hiệu AK†, AK8, AK5.Các hợp kim AK6 , AK8 có tổ chức gồm dung dịch rắn và các pha hoá bềnCuAl2, CuMgAl2 (S), Mg2Si Sau khi tôi và hoá già nhân tạo, giới hạn bền đạtđến 420N/mm2 đối với AK6 và 480N/mm2 đối với AK8 Rèn, rập các hợp kimnày ở nhiệt độ 450 - 4750C
Trang 9hiệu Cu Mg Mn Si Fe Ni Ti
AK6 1,8-2,6 0,4-0,8 0,4-0,8 0,7-1,2 0,7 -
-Độ dẻocao ởnhiệt độcao
AK8 3,9-4,8 0,4-0,8 0,4-1,0 0,6-1,2 0,7 -
-AK5 0,2-0,6 0,5-0,8 0,15-0,35 0,6-1,2 0,8 -
-AK4 1,9-2,5 1,4-1,8 - 0,5-1,2 0,8-1,3 0,8-1,3 - độ bền
nóng caoAK4-1 1,9-2,7 1,2-1,8 - 0,35 0,8-1,4 0,4-0,8 0,02-0,1
Bảng 6.2: Thành phần hoá học của các hợp kim nhôm rèn thường dùng
6.1.3 Hợp kim nhôm đúc:
6.1.3.1 Đặc điểm:
Dễ chảy, dễ đúc, có thể biến tính, nguội nhanh để tăng cơ tính
6.1.3.2.Silumin đơn giản:
Là hợp kim của Al với Si trong đó hàm lượng Si = (6 ÷ 13%)
Biến tính: bằng hỗn hợp muối (2/3NaF + 1/3NaCl) với lượng 0.05 ÷ 0.08% tăng
cơ tính từ σb = 130MPa, δ= 3% lên σb = 180MPa, δ= 8% nhưng vẫn còn thấp sovới yêu cầu sử dụng
6.1.3.3.Silumin phức tạp:
Ngoài Al và Si ra thì còn có < 1%Mg, 3 ÷5% Cu phải qua nhiệt luyện hóabền, cơ tính và có tính đúc tốt được dùng để đúc piston, nắp máy của động cơđốt trong
Đồng có những đặc tính sau đây:
- Khối lượng riêng lớn ó = 8,94 g/cm3 lớn hơn gấp ba lần nhôm
- Tính dẫn nhiệt và dẫn điện rất cao Về mặt này đồng đứng thứ hai sau bạc
do vậy có ứng dụng rất cao trong truyền điện và truyền nhiệt Độ dẫn nhiệt vàđiện trở của đồng ở 200C là 0,941 cal/cm.s.0C và 0,0178 ôm.mm2/m
- Tính chống ăn mòn tốt Đồng có tính ổn định hoá học cao trong nước
thường, nước biển, khí quyển và trong các môi trường hoá học: axit hữu cơ,kiềm… Nó phản ứng với amoniăc, hoà tan trong axits sunfurric ở trạng tháinóng, trong axits nitric và HCl
- Nhiệt độ chảy tương đối cao (10830C), trung gian giữa sắt và nhôm Đồnghút khí mạnh nên vật đúc dẽ bị rỗ
Trang 10- Độ bền không cao nhưng tăng mạnh khi biến dạng nguội ở trạng thái đúc
độ bền của đồng khá thấp đặc biệt là giới hạn chảy úb = 160N/mm2, ú0,2= 35N/mm2, HB = 40 ở trạng thái biến dạng nguội, giới hạn bền và đặc biệt giới hạnchảy tăng lên rất mạnh úb = 450N/mm2, ú0,2 = 400 N/mm2, HB = 125 Do vậymột trong những biện pháp hoá bền đồng và hợp kim đồng là hoá bền bằng biếndạng Tuy độ cứng không cao nhưng tính chống ăn mòn khá tốt
- Tính công nghệ Đặc tính nổi bật là đồng rất dẻo, dễ cán, kéo thành
những tấm mỏng và sợi nhỏ rất tiện dụng trong kỹ thuật rất tiện dụng trong kỹthuật, Ngoài ra nó rất dễ hàn tuy vậy đồng cũng có nhược điểm là tính gia côngcắt kém và độ chảy loãng kém
nó khó biến dạng ở trạng thái nguội
Theo TCVN ký hiệu của đồng: Cu, tiếp theo là các số chỉ số hiệu của đồng
Ví dụ: Cu1, Cu2, Cu3, Cu5
Cu1: Đây là đồng kim loại chứa 99,99%Cu còn lại là tạp chất
Cu2: Đồng kim loại chứa 99,97%
Cu3: Đồng kim loại chứa 99,95%
Cu5: Đồng kim loại chứa 99,9%
*Đặc tính chung và phân loại hợp kim đồng
Các hợp kim đồng có cơ tính tương đối cao, tính công nghệ tốt và ít masát trong khi vẫn giữ được các ưu việt của đồng là tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện,tính ổn định hoá học tốt
Các nguyên tố hợp kim của đồng thường dùng là Zn, Sn, Al, Be, Mn,Ni… chúng nâng cao rõ rệt độ bền nhưng thực tế không làm xấu (một vài trườnghợp còn cải thiện) tính dẻo trong phạm vi nồng độ xác định Có thể nói rằng tínhdẻo là một ưu việt nổi bật của hợp kim đồng
Về tính công nghệ, các hợp kim đồng được chia ra: hợp kim biến dạng và hợp
kim đúc Về khả năng hoá bền bằng nhiệt luyện được chia ra làm hai loại: hoábền được và không hoá bền được bằng nhiệt luyện
Trong thực tế thịnh hành cách phân loại hợp kim đồng theo thành phầnhoá học Theo thành phần hoá học, các hợp kim đồng được chia ra là hai nhómchính: latông (hợp kim với Zn) và Brông (hợp kim với các nguyên tố trừ Zn)
6.2.2 Đồng thau (Latông).
La tông là hợp kim của đồng với Zn Hợp kim chỉ có hai nguyên tố Cu và
Zn gọi là hợp kim đơn giản, hợp kim mà ngoài hai nguyên tố trên có thêm cácnguyên tố khác gọi là hợp kim phức tạp, hay hợp kim đặc biệt
* Latông đơn giản
Trong thực tế latông đơn giản là hợp kim hai nguyên Cu – Zn với lượng
Zn ít hơn 45% Giản đồ trạng thái Cu – Zn là giản đồ rất phức tạp do tạo nênnăm phản ứng bao tinh và nhiều pha phức tạp (hình vẽ)
Trang 11Hình 6.10: Giản đồ trạng thái Cu – Zn
Theo TCVN la tông được ký hiệu bắt đầu bằng chữ L tiếp theo Cu, Zn rồi
ký hiệu các nguyên tố hợp kim Hàm lượng phần trăm của nguyên tố viết sau kýhiệu tương ứng của nguyên tố ấy, Cu là lượng còn lại
Bảng 6.3 Bảng sau trình bày thành phần hoá học và cơ tính của một số
latông đơn giản.
Latông một pha có tính dẻo cao thường được cán nguội thành các bảnthành phẩm (tấm, băng, ống…) với các số hiệu LCuZn4, LCuZn10, LCuZn15,LCuZn30, LCuZn32, LCuZn37 Do chứa Zn là nguyên tố rẻ, lại có cơ tính tốthơn, các tính chất vật lý không khác đồng bao nhiêu nên nó được dùng thay thếđồng
Latông với lượng chứa Cu cao, 88 – 97% được gọi là compắc, cáccompắc này có màu đỏ nhạt gần giống đồng
La tông với số hiệu LCuZn20 có màu vàng khá giống vàng nên đượcdùng làm đồ trang sức và dùng để trang trí
Trang 12LCuZn30 và LCuZn32 có cơ tính tổng hợp tốt nhất trong các latông, đặcbiệt có tính dẻo cao nhất nên được dùng để rập vỏ đạn, làm ống dẫn và các chitiết rập sâu
LCuZn37 là latông 1 pha có độ bền cao nhất
La tông hai pha hai pha có độ bền cao hơn nhưng lại kém la tông 1 pha.Hợp kim này thường được cán nóng ở nhiệt độ cao ( > 4680C) pha õ có độ dẻocao hơn pha õ’ trật tự hoá tồn tại ở nhiệt độ thấp Thường dùng latông hai phaLCuZn40 ở dạng tấm, băng, ống, dây để làm các chi tiết rập yêu cầu độ bền cao
* Latông phức tạp
Trong latông phức tạp, ngoài Cu và Zn ra người ta còn đưa vào cácnguyên tố đặc biệt để cải thiện một số tính chất của hợp kim Các nguyên tố đặcbiệt cho vào latông là Pb, Sn, Al, Ni
Cho Pb vào latông là để làm tăng tính cắt gọt Latông hai phaLCuZn40Pb1 (59%Cu, 1%Pb, còn lại 40%Zn) có tính cắt gọt tốt vì Pb khônghoà tan trong Cu, nó tạo thành hạt riêng rẽ trong tổ chức do vậy dễ làm gãy phoi.Hợp kim này được dùng làm các chi tiết gia công cắt sau đúc mà không biếndạng
Cho Sn vào latông là để làm tăng tính chống ăn mòn trong môi trườngnước biển LCuZn29Sn1 (có 70%Cu và 1%Sn) dùng để làm ống và các chi tiếtmáy tàu biển
Cho Al và Ni vào latông để làm tăng cơ tính Ví dụ LCuZn36Al3Ni2 (có59%cu, 3%Al, 2%Ni) có σb = 500N/mm2 δ = 42%
Ngoài các tính chất cơ khí và công nghệ đã nêu, latông còn có tính chông ănmòn cao trong không không khí và trong nước máy Latông hai pha có tínhchống ăn mòn kém hơn latông 1 pha
Nhược điểm của latông là có khuynh hướng tự nứt Sau khi biến dạngnguội, chi tiết latông còn tồn tại ứng suất dư bên trong, do đó dễ bị ăn mòn nứttrong không khí ẩm, amoniăc và nước biển La tông có chứa nhiều hơn 20%Sn
dễ có tật hỏng này Để tránh nó sau biến dạng nguội phải ủ 250 – 3000C trong 1hhay cho vào 1,0 – 1,5%Si
6.2.3 Đồng thanh (Brông )
Brông là hợp kim của đồng với các nguyên tố trừ Zn, người ta phân biệtcác brông khác nhau theo các nguyên tố hợp kim chủ yếu đưa vào, ví dụ hợpkim Cu – Sn được gọi là brông thiếc, Cu – Al gọi là brông nhôm…
* Brông thiếc
Brông thiếc là hợp kim của đồng với nguyên tố hợp kim chủ yếu là thiếc
Nó là hợp kim loài người biết dùng đầu tiên