(TIỂU LUẬN) báo cáo môn học vật liệu học đề tài đề tài al cu

Các đặc tính của đồng đỏ Đồng nguyên chất có màu đỏ nên được gọi là đồng đỏ với đặc tính như sau.. Phân loại hợp kim đồng Cũng giống như hợp kim nhôm, hợp kim đồng cũng được phân loại th

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

Báo cáo môn học

Vật liệu học

Đề tài : Đề tài : Al - Cu

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Nhựt Phi

Long Thành viên nhóm:

Phạm Anh Khoa - 21143064

Phạm Hoàng Tùng - 21143097

Lê Gia Khánh - 21143356

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm 2022

ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG

1 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 20oC điện trở suất ρ = 1,7241Ω.cm và độ dẫn nhiệt bằng 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 có σb = 220MPa, b = 220MPa,

σb = 220MPa, dh = 70MPa) nhưng sau biến dạng dẻo độ bền tăng rất mạnh (với ε = 60%, σb = 220MPa, b = 425MPa, σb = 220MPa, 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 (γ = 8,94g/cm3)

+ Tính gia công cắt kém do phoi quá dẻo, không gãy, để cải thiện thường cho thêm Pb vào

+ Tính đúc kém, tuy nhiệt độ nóng chảy là 1083oC, song độ chảy loãng nhỏ.

2 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 tính dẫn chỉ bằng 85% của loại OFHC), do sạch ôxy nên có thể biến dạng nóng

3 Phân loại hợp kim đồng

Cũng giống như hợp kim nhôm, hợp kim đồng cũng được phân loại thành: 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

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 dung 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

4 Latong

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 đã 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 - латунь

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 α và β

Pha α 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 bền biến 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 α:

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 β là pha điện tử ứng với công thức CuZn (N = 3/2) có thành phần dao động trong khoảng 46 - 50%Zn Khác với α, β cứng và giòn hơn, đặc biệt ở nhiệt độ thấp (< 457oC) khi nó bị trật tự hóa thành pha β' Do vậy không thể dùng latông quá 45%Zn với tổ chức hoàn toàn là β' Trong thực tế thường dùng ≤ 40%Zn với hai loại một pha α và hai pha α + β

Latông một pha (α) 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 - 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, Л80) 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, Л70) 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 - 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 (α + β) thường dùng với 40%Zn (có tên là Muntz với các mác CDA 280, ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện OCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện tính gia công cắt (CDA 370, ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện ?OCT ЛC59- 1) Tuy cứng và bền OCT ЛC59- 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 β dẻo hơn)

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

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

5 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), бронза - (Nga)

a Brông Thiếc

Brông thiếc (hợp kim Cu - Sn) là hợp kim cổ xưa nhất mà loài người biết sử dụng, trong thực tế nếu chỉ gọi là brông thì nên hiểu đó là brông thiếc (như đã biết theo vật liệu sử dụng, loài người đã 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 α 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 Sn khá nhỏ (< 8%) trong điều kiện đúc thông thường đã xuất hiện pha β; khi làm nguội tiếp, pha này chuyển thành pha γ rồi sau đó thành pha δ Quá trình chuyển biến pha δ →?OCT ЛC59- 1) Tuy cứng và bền [α + ε] ở 350oC và sự tiết pha ε trong α ở dưới 350oC không xảy ra được vì tốc độ phản ứng quá nhỏ β, γ, δ, ε 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 α + δ 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, ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện OCT БрOC5-1) 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 ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện OCT БрOЦC4-4-4.C4-4-4

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 với các mác CDA 835, ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện OCT БрOЦC4-4-4.C5-5-5, 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

6 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 - 9%Al) được sử dụng khá rộng rãi để chế tạo bộ ngưng tụ hơi, hệ thống trao đổi nhiệt, lò xo tải dòng, chi tiết bơm, đồ dùng cho lính thủy (CDA 614, ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện OCT БрAЖ9-4), tiền

xu (CDA 608, ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện OCT БрA5)

Brông hai pha (> 9,4%Al) với sự xuất hiện của pha β (hợp chất điện

tử mạng A2 là Cu3Al) chỉ ổn định ở trên 565oC và chịu biến dạng tốt ở 565oC có chuyển biến cùng tích β → [α + γ2] Nếu làm nguội nhanh β → β' (mạng sáu phương) cũng có tên là mactenxit, nhưng không cứng, song khi ram ở 500oC γ2 tiết ra ở dạng nhỏ mịn, làm tăng mạnh độ bền, lại rất ít gây ra giòn nên các brông nhôm chứa

10 - 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 biến dạng như CDA 952 (giống với CDA 614), ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện OCT БрAЖ9-4Л (giống với БрAЖ9-4) Hợp kim Cu - In và Cu - Zn - In

Như đã biết, từgiản đồ pha Cu - Ni hai nguyên tốnày 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 độbền, độ cứng, tính chống mài mòn trong nước biển Hợp kim Cu - Ni với 10 - 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 - 27%Zn và 8 - 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