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

Sản lượng và nhu cầu ứng dụng của nhôm so với các loại kết cấu khác tăng lên không ngừng, những ưu điểm chính của nhôm là khối lượng riêng nhỏ, độ dẫn điện, nhiệt dẫn nhiệt cao, khả năng

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống con người Khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại này được đưa lên hàng thứ hai sau thép

Sản lượng và nhu cầu ứng dụng của nhôm so với các loại kết cấu khác tăng lên không ngừng, những ưu điểm chính của nhôm là khối lượng riêng nhỏ, độ dẫn điện, nhiệt dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt Về mặt trữ lượng nhôm nhiều hơn sắt, theo tính toán nhôm chiếm khoảng 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,5% khối lượng vỏ trái đất Vì vậy, khi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu nó tỏ ra có những ưu điểm lớn

Chính lí do đó khiến em mạnh dạn chọn đề tài này để tìm hiểu về nhôm

và các hợp kim nhôm dân dụng thông qua việc tìm hiểu vai trò của silic trong công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng

2 LỊCH SỬ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

Về mặt lịch sử nhôm thuộc loại các nguyên tố “trẻ” Nhôm được tìm ra năm 1808, công lao ấy thuộc về Davy Nhờ các phản ứng hóa học ông đã tách được nguyên tố kim loại nhẹ, có màu sáng và gọi tên là Alumin

Bắt đầu từ những năm 30

Trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp hóa học, tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ Tính từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất được khoảng 200 tấn nhôm

Vào những năm cuối cùng của thế kỉ XIX nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch oxyt nhôm (Al2O3) nóng chảy trong criolit (Na3AlF6) Nhờ phương pháp này sản lượng nhôm tăng lên nhanh chóng Chỉ trong vòng 9 năm từ 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 28.000 tấn nhôm, riêng năm 1930 sản lượng nhôm đạt 270.000 tấn Năm 1968 sản lượng nhôm

là 8.386.200 tấn, từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15% những năm gần đây chỉ tăng 5% trên năm

Hợp kim nhôm ra đời vào năm 1906, đó là hợp kim do Alfred Wienmer tìm ra, hiện nay được phát triển thành các đuyra trên cơ sở hệ Al–Cu–Mg đang được sử dụng rộng rãi

3 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu: Tìm hiểu ảnh hưởng của một số nguyên tố và vai trò của silic trong hợp kim của nhôm

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu nhôm và hợp kim của nhôm thông qua mẫu Al–A356 và Al–ADC12

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát mẫu nhôm Al–A356 và Al–ADC12

Thảo luận kết quả thu được

B NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 NHÔM VÀ MỘT SỐ HỢP KIM CỦA NHÔM

1.1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ NHÔM

1.1.2 Tính chất của nhôm

1.1.2.1 Tính chất vật lí

Nhôm với khối lượng riêng nhỏ 2,7g/cm3 so với sắt nhôm nhẹ hơn khoảng 2,91 lần, chỉ tiêu này rất quan trọng khi đòi hỏi sự giảm khối lượng của chi tiết và của cả hệ thống đến mức nhỏ nhất

Ví dụ: Các phương tiện giao thông vận tải, ngành hàng không, du hành

vũ trụ, vv…

Nhôm là kim loại có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, nhiệt độ nóng chảy của nó phụ thuộc vào độ sạch Nhôm 99,99% nóng chảy ở 660,24oC nhưng nhôm 99,50% nóng chảy ở 658oC

Độ dẫn điện, dẫn nhiệt của nhôm phụ thuộc vào lượng tạp chất: Nhôm sạch 99,97% dẫn điện bằng khoảng 65,50% so với Cu, còn nhôm sạch 99,50% dẫn điện kém hơn, chỉ bằng 61,60% Ở 200oC, nhôm sạch 99,49% có

độ dẫn nhiệt là 0,500 kcal/cm.s.độ; khi độ sạch tăng lên 99,90%, nhôm có độ dẫn nhiệt là 0,820 kcal/cm.s.độ (Độ dẫn diện của nhôm chỉ bằng khoảng 62%

so với đồng Tuy vậy khối lượng riêng của đồng lớn hơn khoảng 3,3 lần nên với các đặc tính về điện giống nhau, truyền cường độ dòng điện như nhau, dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây đồng, bị nung nóng ít hơn)

1.1.2.2 Cơ tính

Độ bền, cứng của nhôm: Phụ thuộc lượng tạp chất và trạng thái gia công biến dạng Nhôm sạch 99,996% sau cán nguội có độ bền nhỏ, b = 114,1 Mpa; sau khi ủ độ bền càng nhỏ hơn, b = 48,1 Mpa Độ giãn dài tương ứng với hai trạng thái này là  = 5,5% và 48,8% Nhiệt độ kết tinh lại của nhôm tương đối thấp và cũng phụ thuộc vào độ sạch Sau khi biến dạng nguội, nhôm sạch 99,994% bắt đầu kết tinh lại ở 150oC và ở 270oC quá trình kết tinh lại kết thúc

Mạng tinh thể của nhôm thuộc loại lập phương tâm mặt, do vậy nhôm tương đối dẻo Ở trạng thái ủ nhôm kém bền, chịu biến dạng nóng cũng như nguội đều rất tốt

Tính chống ăn mòn: Nhôm là kim loại có hoạt tính hóa học cao Ở ngoài không khí nhôm bị mất vẻ sáng lóng lánh do tạo màng oxyt Al2O3 Màng oxyt nhôm không có rỗ xốp, độ sít chặt cao và liên kết bền với kim loại Chiều dày của màng này phụ thuộc vào nhiệt độ, ở nhiệt độ thường màng dày khoảng 5–10 nm; khi nung lên nhiệt độ cao gần nhiệt độ chảy, chiều dày của màng này có thể tới 200 nm

Chính do màng oxyt có cấu tạo sít chặt và liên kết bền vững với kim loại nền mà nhôm có tính ổn định chống ăn mòn khá cao trong nhiều môi trường hóa học

Khả năng chống ăn mòn của nhôm phụ thuộc vào thành phần tạp chất

và đặc tính của môi trường

Trong môi trường axit vô cơ, khi tăng nhiệt độ, tốc độ ăn mòn nhôm tăng lên

Ảnh hưởng của nồng độ cần phải xét đối với từng axit cụ thể Ví dụ: Như axit nitric (HNO3) loãng ăn mòn nhôm mạnh hơn khi đậm đặc Trái lại dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng tác dụng với nhôm rất yếu Khi tăng nhiệt độ và nồng độ dung dịch, tác dụng gây ăn mòn nhôm tăng lên

Trong dung dịch axit phôtphoric (H3PO4) quá trình ăn mòn nhôm xảy

ra chậm; nhôm bị ăn mòn rất nhanh trong hỗn hợp HCl và HF Khả năng chống ăn mòn trong dung dịch kiềm của nhôm rất nhỏ

Ví dụ: Xút NaOH gây ra ăn mòn nhôm rất nhanh

Nhôm tỏ ra ổn định trong nhiều dung dịch axit hữu cơ

Ở nhiệt độ thường nhôm không tác dụng với nước, hơi nước, khí CO và

CO2.Nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì tình hình sẽ khác đi:

Hơi nước tác dụng với nhôm khá nhanh ở vùng nhiệt độ 500oC và cao hơn theo phản ứng: 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2

Hyđro tạo ra trong phản ứng một phần đi vào khí quyển, một phần khuyếch tán vào nhôm So với các khí khác, hyđro có khả năng hòa tan nhôm mạnh nhất

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

Sự thay đổi đột ngột độ hòa tan chất khí khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn là nguyên nhân gây ra rỗ xốp khi kết tinh

1.2 QUY LUẬT TÁC DỤNG CỦA NGUYÊN TỐ HỢP KIM VỚI NHÔM

Việc nghiên cứu khả năng hòa tan của nguyên tố hộ kim vào nhôm chỉ

ra rằng không có nguyên tố nào tạo được với nhôm dung dịch rắn hòa tan vô hạn

Độ hòa tan tăng lên theo vị trí sắp xếp nguyên tố gần nhôm nhất trong bảng tuần hoàn Mendeleev

Các nguyên tố Bi, Na, Cd, vv… ngay ở trạng thái lỏng cũng hòa tan có hạn và tạo ra giản đồ dạng đơn tinh

Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Ti, Mo, Cr và V tạo ra giản đồ dạng bao tinh có hợp chất hóa học

Các nguyên tố còn lại tạo với nhôm giản đồ có phản ứng cùng tinh

Bảng 1.1 Các nguyên tố hợp kim thường gặp trong nhôm

Kim loại STT Nhiệt độ nóng

chảy

Dạng giản đồ pha từ phía

nhôm

Độ hòa tan cực đại

1.3 PHÂN LOẠI VÀ KÍ HIỆU

Trong quá trình nghiên cứu, phát triển và hình thành ngày càng có nhiều hợp kim nhôm mới ra đời Để phân loại chúng, người ta căn cứ vào các đặc điểm quan trọng nhất

Theo tính công nghệ, các hợp kim nhôm được phân thành hai dạng chính: Hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc

Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo các bán thành phẩm hoặc chi tiết bằng gia công áp lực nóng hoặc nguội

Các hợp kim nhôm dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng khác nhau

Trong số các hợp kim nhôm biến dạng người ta còn phân biệt loại có thể hóa bền bằng nhiệt luyện và loại không hóa bền bằng nhiệt luyện Trạng thái gia công thường được chỉ rõ kèm sau các ký hiệu hợp kim bằng những quy ước riêng phụ thuộc vào các quốc gia hoặc tổ chức khác nhau về quản lý tiêu chuẩn vật liệu

Theo thành phần hóa học, người ta phân các hợp kim nhôm thành nhiều

hệ, trong mỗi hệ ngoài Al ra còn có một hoặc hai nguyên tố hợp kim chính nữa Một số hệ hợp kim chủ yếu là:

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

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

Biến cứng không hoàn toàn

H11 Biến dạng với mức biến cứng

tạo

H16 Biến dạng với mức 3/4 biến

cứng T1H1 Tôi, biến cứng 20%, hóa già

nhân tạo

H18 Biến dạng với mức 4/4 biến

cứng H19 Biến dạng với mức biến cứng

rất lớn

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

T1 Hóa già nhân tạo sau đúc H2X Biến dạng tiếp theo ủ hồi phục

(X biến đổi từ 2 đến 9)

hóa (X biến đổi từ 2 đến 9)

già tự nhiên T5 Tôi, hóa già một phần T3 Tôi, biến dạng nguội, hóa già

hóa già)

T6 Giống T4 nhưng hóa già nhân

tạo T7 Giống T6 nhưng hóa già T8 Tôi, biến dạng nguội, hóa già

nhân tạo T9 Tôi, hóa già nhân tạo, biến

dạng nguội

Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1859-75) quy định ký hiệu các hợp kim nhôm như sau:

Bắt đầu bằng ký hiệu Al, tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim chính, sau đó là các nguyên tố hợp kim phụ Để chỉ hàm lượng theo phần trăm người ta dùng các con số đặt sau ký hiệu tương ứng Nếu là hợp kim đúc, ở sau mỗi ký hiệu đặt thêm chữ Đ

Ví dụ 1: Ký hiệu AlMg5, nghĩa là hợp kim nhôm biến dạng có hàm lượng trung bình của Mg là 5%

Ví dụ 2: Ký hiệu AlSi12Mg1Cu2Mn0,6Đ nghĩa là hợp kim nhôm đúc, chứa trung bình 12% Si, 1% Mg, 2% Cu và 0,6% Mn

Ký hiệu hợp kim nhôm ở các nước trên thế giới rất khác nhau

Theo tiêu chuẩn OCT của Nga, nhôm và hợp kim nhôm được ký hiệu bằng sự phối hợp giữa các chữ cái và các con số Tuy nhiên, các ký hiệu này không phản ảnh một quy luật chặt chẽ nào trong toàn bộ hệ thống các hợp kim nhôm Ở các nước như Mỹ, Canada, Nga, người ta sử dụng hệ thống ký hiệu gồm các con số (thường có bốn chữ số) để ký hiệu hợp kim nhôm

Tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm Aluminum Association (AA) quy định

ký hiệu hợp kim nhôm bằng các con số như bảng sau

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo

Ký hiệu một số loại nhôm và hợp kim nhôm với thành phần hóa học khác nhau theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và AA

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

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

Hợp kim đúc

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

Hình 1.1 Phân loại hợp kim nhôm theo giản đồ pha

α

Phần trăm nguyên tố hợp kim

Phần trăm nhiệt luyện hóa bền

Hợp kim không hóa bền bằng nhiệt luyện

1.4 NHÔM SẠCH KỸ THUẬT

Phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, độ sạch của nhôm rất khác nhau, biến đổi từ 99,00% đến 99,999% Al Nhôm với độ sạch đặc biệt cao là vật liệu quý dùng trong các công trình nghiên cứu

Độ bền của nhôm sạch kỹ thuật thấp, độ dẻo cao, sau biến dạng hiệu ứng hóa bền đạt được tương đối lớn

Do tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao, khối lượng riêng nhỏ, nhôm sạch kỹ thuật được dùng rộng rãi để chế tạo cáp tải điện trong khí quyển, các ống bức

xạ nhiệt hoặc các chi tiết trong hệ thống bay hơi Tạp chất trong nhôm rất đa dạng, tuy vậy Si và Fe đáng chú ý nhất vì chúng thường có và gây ảnh hưởng rất mạnh Nếu đứng riêng thì tạp chất Si ít tác hại, hầu như không làm giảm

cơ tính thậm chí còn ảnh hưởng tốt đến tính đúc do tạo thành cùng tinh Si), hạ thấp nhiệt độ chảy, tăng khả năng điền đầy khuôn

(Al-Trái lại, Fe có thể tương tác với nhôm tạo pha Al3Fe rất giòn, kết tinh ở dạng hình kim thô to Cùng tinh (Al-Al3Fe) xuất hiện ngay sau khi hàm lượng

Fe rất nhỏ và phân bố theo biên giới hạt Tổ chức này gây giòn hợp kim và tăng nhậy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và

Al3Fe khá lớn

Khi tồn tại đồng thời cả Fe và Si sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng (Al, Fe, Si) và β (Al, Fe, Si) vừa giòn vừa kết tinh ở dạng tấm thô to Trong trường hợp này độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của nhôm cũng bị giảm mạnh

Chương 2 VAI TRÒ CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VÀ CỦA SILIC

TRONG HỢP KIM CỦA NHÔM

2.1 HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG

Dựa vào khả năng có hoặc không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, người

ta phân các hợp kim nhôm biến dạng thành hai nhóm nhỏ:

Nhóm thứ nhất gồm các hợp kim không thể hóa bền bằng nhiệt luyện,

độ bền của chúng được cải thiện nhờ các phương pháp như: Biến dạng nguội, hợp kim hóa bền dung dịch rắn hoặc tạo pha thứ hai nhỏ mịn

Nhóm thứ hai gồm các hợp kim có thể hóa bền bằng nhiệt luyện, độ bền của chúng tăng lên chủ yếu nhờ tôi và hóa già

2.1.1 Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện

Lượng Mn trong các hợp kim nhôm này thông thường dao động trong khoảng từ 1-1,6% nhưng do ảnh hưởng của các hợp chất thường có Fe và Si

độ hòa tan của mangan trong dung dịch rắn  giảm đi rất nhanh

Ví dụ: Sự có mặt của 0,1% Fe và 0,65% Si, dung dịch rắn  chỉ có thể hòa tan ở 500oC được khoảng 0,05% Mn Điều này giải thích vì sao các hợp kim biến dạng Al-Mn không thể hóa bền bằng nhiệt luyện

Để tăng bền, trong trường hợp này sử dụng phương pháp biến dạng nguội sẽ rất hiệu quả vì hiệu ứng hóa bền biến dạng đạt được khá lớn Thêm nữa, do sự hình thành pha  (Al-Fe-Si-Mn) khi kết tinh ở trạng thái nhỏ mịn phân tán, nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim tăng lên, góp phần duy trì sự ổn định kết quả hóa bền đã tạo ra

Một đặc điểm đáng chú ý là hợp kim Al-Mn có xu hướng thiên tích Mn

và tạo dung dịch rắn qua bão hòa bất thường khi kết tinh Sự phân bố không đồng đều thành phần có thể dẫn tới kết quả xấu, chẳng hạn làm giảm cơ tính, đặc biệt là độ dai va đập, do tạo thành tổ chức hạt nhỏ với sự phân bố hạt rất chênh lệch giữa các phần mẫu sau khi kết tinh lại

Hợp kim hệ Al-Mg:

Độ hòa tan của Mg trong nhôm lớn nhất có thể đạt 15% ở 4510C Khi

hạ nhiệt độ, độ hòa tan này giảm đi và pha  (Al3Mg2) tiết ra từ dung dịch rắn,

có xu hướng phân bố dạng lưới  liên tục rất nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất Chính vì vậy trong công nghiệp hạn chế sử dụng các hợp kim chứa lượng nhỏ Mg (ít hơn 8% Mg), phổ biến hơn cả là loại dưới 4% Mg

Do lượng Mg nhỏ, hiệu ứng hóa bền khi tôi và già hóa quá nhỏ nên thực tế đã bỏ qua Đưa thêm một lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp như Cr (0,1-0,2%), Mn (0,3-0,5%) cho phép giảm độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất Sử dụng phương pháp biến dạng dẻo để hóa bền các kim loại này sẽ rất

có hiệu quả

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

giảm chấn khá mạnh và giới hạn bền mỏi tương đối lớn Chúng được dùng rất rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo ôtô và xây dựng công trình

2.1.2 Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện

Là nhóm vật liệu quan trọng, ngày càng được nghiên cứu và phát triển mạnh Chúng ta sẽ trình bày một số hệ thông dụng và đặc trưng nhất

Hợp kim hệ Al-Cu và Al-Cu-Mg:

Các hợp kim hệ này thuộc loại được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công nghiệp sớm nhất Sau biến dạng, tôi và già hóa, chúng có hiệu ứng hóa bền rất cao Trong thực tế chúng còn được gọi là đuyra

Nếu đảm bảo chế độ tôi và già hóa như nhau, tăng hàm lượng Cu và

Mg một cách hợp lý sẽ làm tăng hiệu quả hóa bền do tỷ lệ khối lượng các pha hóa bền trong nền  tăng Khi thay đổi hàm lượng Cu và Mg theo hướng tăng

tỷ lệ Mg/Cu, độ bền nóng của hợp kim sẽ tăng lên Sở dĩ như vậy vì tỉ lệ Mg/Cu tăng sẽ kéo theo sự tăng khối lượng pha CuMgAl2 và giảm bớt pha CuAl2 Người ta đã xác nhận rằng pha CuMgAl2 ổn định nhiệt hơn pha CuAl2, nghĩa là nó tiết ra từ dung dịch rắn  ở nhiệt độ cao hơn, tốc độ tích tụ nhỏ hơn Đó chính là nguyên nhân khiến cho các hợp kim Al-Cu-Mg với pha hóa bền CuMgAl2 có thể giữ được độ bền tương đối cao đến khoảng nhiệt độ 200-250oC

Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng tới cơ tính của đuyra Chúng có thể tạo ra các pha dạng Cu2FeAl7, vừa gây giòn hợp kim do kết tinh ở dạng thô to, vừa làm giảm hiệu quả nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng kể cần thiết để tạo pha hóa bền Trong thực tế người ta cố gắng giảm thấp hàm lượng của các tạp chất này, khống chế tỉ lệ của chúng xấp xỉ nhau, để tạo ra các

dạng pha  (Al-Fe-Si-Mg) kết tinh thành hạt nhỏ, ít ảnh hưởng tới độ dẻo, không làm giảm hiệu quả hóa bền khi tôi và hóa già Trên cơ sở Al-Cu-Mg, khi đưa thêm đồng thời Fe và Ni vào theo tỉ lệ 1/1 người ta tạo ra các hợp kim nhôm biến dạng bền nóng

Ví dụ: Hợp kim AlCu2,5Mg1,6NiFeTi (AK4-1 theo OCT và 2618 theo AA) chứa 2,5% Cu; 1,6% Mg; 1,0% Ni; 1,0% Fe; 0,18% Si; 0,07% Ti có khả năng duy trì cơ tính khá cao, đến tận 230oC

Người ta cũng tạo ra một số hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện có khả năng làm việc rất tốt ở vùng 250-300oC bằng cách hợp kim hóa thêm Mg và một lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp khác như Ti, Zr, V vào hợp kim Al-Cu Chính các pha Al12Mn2Cu hoặc các pha chứa Ti, đã duy trì cơ tính hợp kim ở mức đáng kể trong vùng nhiệt độ 250-300oC

Nhược điểm chung của các hợp kim trên cơ sở Al-Cu-Mg là khả năng chống ăn mòn kém và khó hàn Nguyên nhân của tính ăn mòn kém, liên quan tới sự có mặt của pha  (CuAl2) Nó có thế điện cực khác xa thế điện cực của nền, tạo vi pin ăn mòn, trong đó pha  đóng vai trò catôt Đuyra cũng như hợp kim chịu nóng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong ngành hàng không

Hợp kim hệ Al-Mg-Si:

Sự hình thành pha Mg2Si tương ứng với tỉ lệ khối lượng giữa Mg và Si bằng 1,73 Độ hòa tan của Mg2Si trong dung dịch rắn  cũng tăng lên khi tăng nhiệt độ Nhờ vậy ta có thể tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa bằng cách tôi Khi hóa già tiết pha phân tán tiếp theo sẽ nhận được hiệu ứng hóa bền Phần lớn các hợp kim hệ này đều có thành phần hóa học tuân theo tỷ lệ khối lượng

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

(Theo phần trăm khối lượng)

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

Si

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

0,2 α

0,2

b)

Đưa thêm Mn với lượng nhỏ 0,8%, Cr < 0,3% sẽ làm nhỏ hạt, tăng cơ tính, đặc biệt là tăng độ dai phá hủy Đồng với lượng nhỏ hơn 0,5% có tác dụng tốt làm tăng cơ tính, nhưng nếu vượt quá giá trị này sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim

So với những hợp kim hóa bền bằng nhiệt luyện khác, cơ tính của các hợp kim Al-Mg-Si thuộc loại trung bình nhưng tính hàn và gia công áp lực nóng thì trội hơn hẳn Thêm nữa chúng rất ổn định chống ăn mòn trong khí quyển và không nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất

Người ta sử dụng hợp kim hệ này để chế tạo các chi tiết chịu hàn, các cấu kiện tàu thủy với nhiệt độ làm việc không vượt quá 1500C

Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu:

Ngoài dung dịch rắn  trong hệ Al-Zn-Mg còn các pha trung gian MgZn2 và T (Al2Mg3Zn3) Khi nung nóng, độ hòa tan của MgZn2 và Al2Mg3Zn3 trong  tăng lên mạnh (hình 2.2) Làm nguội chậm tiếp theo (thậm chí nguội trong không khí) sẽ dễ dàng tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa

Hiệu ứng hóa bền khi hóa già tiết pha đạt rất lớn Giới hạn bền, đặc biệt

là giớ hạn chảy tăng lên khi tăng tổng hàm lượng của Zn và Mg hình (2.3)

Các hợp kim Al-Zn-Mg chứa nhỏ hơn 8% tổng hàm lượng Zn và Mg

có tỉ số nồng độ Zn/Mg nằm trong khoảng 0,77-4 là các hợp kim nhôm hàn

Độ bền mối hàn so với vùng lân cận không chênh lệch nhau và hầu như bằng

độ bền hợp kim cơ sở

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

được đưa vào với hàm lượng nhỏ nhằm nâng cao chất lượng hợp kim, đặc biệt

là giảm xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất

(Theo phần trăm khối lượng)

Khi tăng hàm lượng tổng cộng của kẽm và magie lên 8-11%, đưa thêm vào khoảng 2% Cu sẽ tạo ra nhóm hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao nhất Vai trò của Cu trong trường hợp này là hòa tan và hóa bền dung dịch rắn

.

Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Mn, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ hạt, cải thiện tổ chức vùng biên giới,vừa có tác dụng nâng cao cơ tính vừa làm giảm xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất

Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu là đối tượng đang được chú ý nghiên cứu nhằm khai thác tiềm năng độ bền và tính hàn

Hình 2.3 Sơ đồ biến đổi độ bền sau tôi và hóa già các hợp kim

% Zn

1 2 3

Nhược điểm chính của chúng là xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất và thải bền nhanh khi nâng nhiệt độ quá 1200C

Trong lĩnh vực ứng dụng của hệ hợp kim này đang ngày càng mở rộng

Ví dụ: Trong hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao, vv…

Hợp kim hệ Al-Li:

Liti là nguyên tố rất nhẹ (0,97g/cm3) khi tạo ra hợp kim hệ Al-Li người

ta mong muốn có được vật liệu với độ bền riêng lớn Trong thực tế các hợp kim chỉ gồm Al và Li không được ứng dụng vì nó bị oxy hóa mạnh và cơ tính không cao Trên cơ sở Al-Li người ta có thể đưa thêm vào Cu hoặc Mg để tạo

ra hợp kim rất có triển vọng ứng dụng trong một số lĩnh vực hiện đại

Ưu điểm nổi bật của các hợp kim này là sau tôi và hóa già có hiệu quả hóa bền khá lớn, đặc biệt môđun đàn hồi E đạt trị số vượt trội hẳn so với tất

cả các hợp kim nhôm khác (76.000 MPa so với các hợp kim nhôm thông thường là 70.000 MPa)

Nếu thêm Cu thì hợp kim sẽ gồm các pha α, θ (CuAl2), AlLi, T (AlxLiyCuz) Hiệu ứng hóa bền khi nhiệt luyện khá lớn vì các pha θ (CuAl2), AlLi và T (AlxLiyCuz) đều có khả năng hòa tan vào α khi nung và tiết ra ở dạng trung gian phân tán khi hóa già

Ví dụ: Sau nhiệt luyện khi hoá bền, hợp kim AlCu5Li1,2 chứa 5,3% 1,2% Li-0,6% Mn-0,15% Cd có các chỉ tiêu cơ tính như sau: b = 560 MPa,

Cu-0,2 = 510 MPa, E = 76.000 MPa

Trường hợp này thay Cu bằng 5% Mg ta có hợp kim AlMg5Li2 Đây là một trong số các hợp kim nhôm nhẹ nhất (khối lượng riêng bằng 2,7g/cm3) Sau nhiệt luyện hóa bền, do sự tiết ra ở dạng trung gian phân tán của các pha