TÌM HIỂU về hợp KIM NHÔM

I.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH HỢP KIM NHÔMNhôm và hợp kim nhôm đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống, nó chiếm gần ½ lớp vỏ trái đất và là vật liệu không thể thay thế trong một số ng

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA CƠ KHÍ LỚP 13CĐ-CK2



TÌM HIỂU VỀ HỢP KIM NHÔM

Sinh viên thực hiện

Hồ Văn Trung Phan Thanh Vinh

-TP.Hồ Chí Minh-

-12/2014-NHẬN XÉT

MỤC LỤC

Trang I

I.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH HỢP KIM NHÔM

Nhôm và hợp kim nhôm đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống, nó chiếm gần ½ lớp vỏ trái đất và là vật liệu không thể thay thế trong một số ngành sản xuất.Nói đến lịch sử hình thành hợp kim nhôm không thể không nhắc đến quá trình tìm ra nhôm, kim loại đã từng được xem quý hơn cả vàng

“Có một ngày một người thợ vàng ở Roma được phép cho hoàng đế Tiberiusxem một chiếc đĩa ăn làm từ một kim loại mới.Chiếc đĩa rất nhẹ và có màu sáng như bạc.Người thợ vàng nói với hoàng đế rằng ông đã sản xuất kim loại từ đất sét thô.Ông cũng cam đoan với hoàng đế rằng chỉ có ông ta và chúa trời biết cách sản xuất kim loại này từ đất sét.Hoàng đế rất thích thú và như một chuyên gia về tài chính ông đã quan tâm tới nó.Tuy nhiên ông nhận thấy rằng mọi tài sản vàng ,bạc cuả ông sẽ mất trị nếu người dân sản xuất kim loại màu sáng này từ đất sét Vì thế ,thay vì cảm ơn người thợ vàng , ông ra lệnh chặt đầu ông ta.”

Năm 1761 Guyton de Moreau đề xuất gọi gốc của phèn chua la alumina.Năm

1808, Humphry xác định được gốc kim loại phèn chua(alum), vì vậy mà dựa theo

đó ông đặt tên cho nhôm là aluminium

Tên tuổi của Friedrich Wohler được gắn liền với việc phân lập nhôm vào năm 1827.Tuy nhiên, kim loại này đã được sản xuất đầu tiên trong dạng không nguyên chất hai năm trước bởi một nhà vật lý và hóa học người Đan Mạch Hans Chritian Orsted

Nhôm được chọn làm chóp cho đài kỷ niệm Washington vào thời gian khi một aoxơ(28,35g) có giá trị bằng hai lần ngày lương của người lao động.Charles Martin Hall nhận được bằng sáng chế (số 400655) năm 1866, về quy trình điện phân để sản xuất nhôm.Henri Saint-Claire Deville (Pháp) đã hoàn thiện phương pháp của

4

Wohler (năm 1846) và thể hiện nó trong cuốn sách năm 1859 với hai cải tiến trong quy trình là thay thế Kali thành Natri và hai thay vì một(chloure).Phát minh của quy trình Hall-Heroult năm 1866 đã làm cho việc sản xuất nhôm từ khoáng chất trở thành không đắt tiền và ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới

Nước Đức trở thành nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới sau khi Adolf Hitler lên nắm quyền.Tuy nhiên, năm 1942, những nhà máy thủy điện mới như Grand Coulee đã cho phép Mỹ những thứ mà nước Đức quốc xã không thể hy vọng cạnh tranh:khả năng sản xuất đủ nhôm để sản xuất 60.000 máy bay chiến đấu trong bốn năm

II.HỢP KIM NHÔM

1.Khái niệm

5

H ợ p

k i m

n h ô m

Thành phần hoá học của hợp kim nhôm

Hợp

kim

nhôm

Al Mg Si Fe Mn Zn Cu Cr Ti

Tạp chất khác

6005 99,8 0,40-0,65 0,50-0,90 0,30 0,15 0,10 0,10 0,10 0,10 0,05-0,15

6061 99,8 0,8-1,2 0,40-0,80 0,30 0,10 0,25 0,50-0,30 0,50-0,30 0,15 0,05-0,15

6063 99,8 0,45-0,9 0,20-0,60 0,30 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,05-0,15

6082 99,8 0,60-1,20 0,70-1,30 0,30 0,40-0,10 0,10 0,10 0,15 6005 0,05-0,15

6

3.Cơ tính của hợp kim nhôm

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 α 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

Cơ tính của một số hợp kim nhôm:

Hợp kim nhôm Độ bền kéo (N/mm2) Độ bền nén (N/mm2) Độ giãn dài (N/mm2)

7

III.TÍNH CHẤT

1.Tính chất vật lí:

Hợp kim nhôm có những tính chất giống với nhôm nguyên chất

Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng bằng 1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt được chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú trọng đến trọng lượng (trong ngành hàng không, vận tải )

Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng (kim loại), nhưng do nhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2; ít bị nung nóng hơn

Tính dẻo: Rất dẻo, nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng, màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt (dùng cho khung cửa, các loại tản

nhiệt rất thuận tiện khi sản xuất)

Nhiệt độ nóng chảy: Tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn 300-400 độ C

Độ bền, độ cứng: Thấp

8

2.Tính chất hóa học

Tính chống ăn mòn trong khí quyển

Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ Để tăng tính chống ăn mòn, người ta đã làm cho lớp ô xít nhôm bảo vệ dày thêm bằng cách anot hoá

IV.PHÂN LOẠI

1.Hợp kim nhôm biến dạng

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

a.Hợp kim nhôm biến dạng không 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

b.Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện

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

2.Hợp kim nhôm đúc

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

V.ỨNG DỤNG

1.Các lĩnh vực sử dụng hợp kim nhôm

Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều

nguyên tố như đồng, kẽm, magiê, mangan và silic[14] Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể

Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng

Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị

9

Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy tinh Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương

Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp

Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v.)

Đóng gói (can, giấy gói, v.v)

Xử lý nước

Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng.[15]) Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v)

Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn[16]

Chế tạo máy móc

Mặc dù tự bản thân nó là không nhiễm từ, nhôm được sử dụng trong thép MKM

và các nam châm Alnico

Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980%-99,999% nhôm được sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD

Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ — khi khô đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt

Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa, và nó được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng

Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao

10

Giá để đồ trong phòng bếp Khung xe đạp 2.Các phương pháp gia công

Hợp kim nhôm là một trong số rất ít các kim loại có thể đúc được bằng nhiều

phương pháp như đúc áp lực, đúc khuôn kim loại, đúc khuôn cát (khuôn cát khô và khuôn cát tươi), khuôn thạch cao, đúc mẫu cháy, đúc liên tục Một số phương pháp đúc tiên tiến mới, như đúc mẫu cháy cũng có thể áp dụng

Rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp đúc để chế tạo các chi tiết máy bằng hợp kim nhôm Yếu tố quan trọng nhất là:

Giá thành và tính khả thi

Xét về tính khả thi, rất nhiều loại hợp kim nhôm có thể đúc bằng nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên, dựa trên kích thước và thiết kế sẽ lựa chọn được một phương pháp đúc phù hợp nhất Thông thường các khuôn kim loại nặng gấp từ 10 đến 100 lần so với vật đúc, do vậy các chi tiết lớn được đúc bằng khuôn cát phù hợp hơn là đúc bằng khuôn kim loại hoặc đúc áp lực Các chi tiết nhỏ thường được đúc bằng khuôn kim loại – đảm bảo độ chính xác, ít gia công cơ

Chất lượng là một yếu tố quan trọng quyết định đến việc lựa chọn phương pháp đúc Chất lượng ở đây có nghĩa là “mức độ hoàn hảo” của vật đúc (rỗ khí, nứt, độ nhẵn bong bề mặt…) và “cơ tính” của sản phẩm (độ bền và độ dẻo)

Tuy nhiên, có một điều không thể quên đối với các kỹ sư đúc nói chung là trong phương pháp đúc áp lực, mặc dù tố độ nguội rất lớn, không khí, đặc biệt là khí Hyđro sẽ được giữ lại trong vật đúc, có thể tập trung thành rỗ khí ở phần giữa của vật đúc

11

Một số nghiên cứu mới đây đã cố gằng tìm cách giảm thiểu rỗ khí tuy nhiên điều

đó là hết sức khó khăn nếu như không nói là không thể loại bỏ hết được rỗ khí, trong khi đó phương pháp đúc khuôn kim loại hoặc đúc áp lực thấp sẽ cho sản phẩm là những vật đúc hoàn hảo hơn Trong đúc áp lực, khi rỗ khí tập trung vào giữa vật đúc, sẽ làm giảm cơ tính và thậm chí là thấp hơn so với các phương pháp đúc kể trên mặc dù với tốc độ nguội nhanh sẽ cho tổ chức hạt rất nhỏ mịn-cơ tính vốn rất cao

Mặc dù vậy, trong mỗi phương pháp đúc sẽ có những ưu điểm và nhược điểm, do vậy, kỹ sư đúc cố gắng phát huy các ưu điểm, khắc phục nhược điểm của từng phương pháp, nhằm đáp ứng những nhu cầu phức tạp của thi trường- nhanh, nhiều, tốt, rẻ Dưới đây xin đưa ra một số phương pháp đúc nhôm được áp dụng trên thế giới:

Đúc áp lực

Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại hợp kim khác Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm nhôm đúc áp lực trị giá lên tới 2.5 tỷ đôla Riêng nhôm đúc áp lực chiếm tỷ phần gấp đôi so với tất cả các phương pháp khác gộp lại

Đúc áp lực rất phù hợp với đúc hang loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ, thường có thể nặng tới 5kg nhưng cũng đã có trường hợp đúc cho chi tiết nặng tới 50kg nhưng giá thành rất cao Đúc áp lực có ưu điểm là giảm thiểu dung sai, bề mặt nhẵn bóng, đảm bảo đồng đều chiều dày vật đúc

Các loại hợp kim nhôm đúc áp lực áp dụng cho từng loại chi tiết cụ thể:

- 380.0: thường dùng đúc hộp số

- A380.0: hộp đèn đường, các chi tiết phục vụ cho nha khoa

- A360.0: vỏ của các loại nhạc cụ, các chi tiết đòi hỏi độ chịu ăn mòn

- 413.0: Pistong, trục khuỷu

- 518.1: các chi tiết trong hàng không, tàu thuỷ

họ hợp kim 3xx (ví dụ 380, 356…) tức họ hợp Al + Si + Cu + Mg, họ hợp kim 4xx (ví dụ 413) tức họ hợp kim Al + Si, họ hợp kim 5xx (ví dụ 518) tức họ Al + Mg Trong khi đó có sự khác biệt nho nhỏ: chẳng hạn 380.0 – số 0 sau cùng có nghĩa nói rằng hợp kim ở dạng đúc (cast shape) còn như 518.1 – số 1 sau cùng có nghĩa

là dạng thỏi (ingot) Dạng Cast shape hay ingot chỉ có ý nói lên hình dạng của vật liệu có trên thị trường mà ta có thể đặt mua Còn với loại ký hiệu có chữ A ở đầu, tức là …cao cấp, ít tạp chất

12

Đúc áp lực được miêu tả như sau: kim loại lỏng được đưa vào khuôn bằng áp lực tương đối lớn thong qua 1 xylanh-pistong Áp lực lớn, tôc độ nguội nhanh, sẽ cho sản phẩm với tổ chức sít chặt, hạt nhỏ mịn làm cho cơ tính và khả năng chịu

màimòn tăng đáng kể Khí không kịp thoát ra ngoài và co ngót có thể tạo nên rỗ khí-khuyết tật thường có ở đúc áp lực, và được khắc phục bằng cách làm cho các rỗ khí nhỏ, phân bố đều trên bề mặt, để khi gia công cơ có thể căt bỏ

Sản phẩm của đúc áp lực rất khó hàn và sử lí nhiệt do vẫn còn khí bị giữ lại trong vật đúc Nếu muốn thì cần những công nghê đặc biệt Một điều lưu ý trong đúc áp lực là lựa chọn vật liệu có khoảng đông đặc hẹp

Có đến 85% hợp kim nhôm đang sử dụng để đúc áp lực là hợp kim 380 và một vài hợp kim cùng họ (Al + Si + Cu) Họ hợp kim này có rất nhiều ưu điểm: cơ tính cao, chịu ăn mòn, độ chảy loãng cao, giá thảnh rẻ Nếu yêu cầu cao hơn về khả năng chịu mài mòn, 360 (giảm Cu) sẽ phù hợp hơn hoặc thậm chí là hợp kim 413 (chỉ có

Al + Si) Đôi khi với những yêu cầu thật cao về khả năng chịu ăn mòn, hợp kim 518.0 sẽ được dung nhưng hợp kim này lại có độ chảy loãng thấp, khó đúc, giá thành cao hơn

Một chút phân biệt trong đúc áp lực: có 2 dạng là đúc áp lực buồng nóng (hot

chamber) và đúc áp lực buồng nguội (cold chamber) Đúc áp lực buồng nóng là khi kim loại lỏng được rót vào 1 xilanh, sau đó pistong đẩy kim loại vào khuôn thong qua áp lực tương đối lớn, bộ xilanh –pistong này được coi là nguội Còn đúc áp lực buồng nóng là bộ xilanh – pistong được đặt trong 1 hệ thống lò nung và nối thẳng với bộ phận lò nấu chảy, như vậy toản bộ xilanh – pistong được đặt trong lò và có nhiệt độ bằng với nhiệt độ kim loại nóng chảy

Đúc khuôn kim loại

Đúc khuôn kim loại hay còn gọi là đúc khuôn vĩnh cửu (permanent casting) là phương pháp đúc mà như tên gọi – khuôn làm bằng kim loại giống như đúc áp lực

Do tuổi thọ của khuôn dùng được lâu, nhiều lần nên còn gọi là khuôn vĩnh cửu Đúc khuôn kim loại phù hợp với các vật đúc lớn hơn so với đúc áp lực, khoảng 10kg, tất nhiên đặc biệt có thể cao hơn, 20kg thậm chí là 50kg, và đi kèm là giá thành sẽ cao hơn

Đúc khuôn kim loại, lực để đẩy kim loại vào trong khuôn chính là trọng lực của kim loại lỏng, với yếu tố khuôn kim loại nên sẽ có tốc độ nguội nhanh Do vậy, đúc khuôn kim loại cho ta sản phẩm có cơ tính rất cao, vật đúc hoàn hảo hơn, nhưng cũng được áp dụng với những kim loại có độ chảy loãng cao và có khả năng chống nứt nóng

13