TÌM HIỂU về hợp KIM ĐỒNG

Phần còn lại dùng cho chế tạo hợp kim đồng làm các chi tiết chịu mài mòn và chịu ăn mòn trong các máy móc của các ngành công nghiệp; kỹ nghệ quốc phòng không thể thiếu đồng làm vỏ đạn và

TRƯỜNG CAO ĐẴNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ

TÌM HIỂU VỀ HỢP KIM ĐỒNG

Sinh viên thực hiện:

Phạm Hoàng Tiến Lớp 13CĐ-CK2

MỤC LỤC

Trang

I Cấu tạo cơ bản 1

III Quy trình công nghệ nấu luyện hợp kim đồng thau trong lò nội và

V Tình hình sử lý chất thải sinh ra trong quá trình sản xuất đồng thau ơ Việt Nam 11

I Cấu tạo cơ bản

Đồng là kim loại màu có tầm quan trọng lớn trong nền kinh tế quốc dân Một nửa số đồng sản xuất ra hàng năm được dùng cho công nghiệp điện Phần còn lại dùng cho chế tạo hợp kim đồng làm các chi tiết chịu mài mòn và chịu ăn mòn trong các máy móc của các ngành công nghiệp; kỹ nghệ quốc phòng không thể thiếu đồng làm vỏ đạn và chi tiết chịu mài mòn trong các máy đo chính xác Trong nông nghiệp thì đồng dùng để chế tạo thuốc trừ sâu

Các hợp kim đồng có cơ tính tương đối cao,tính công nghệ tốt và ít ma sát trong khi vẫn giữ được tính

ưu việt của đồng là tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao, ổn ddingj hóa học tốt,tính dẻo tốt

Theo tính công nghệ các hợp kim đồng cũng được chia ra hợp kim biến dạng và hợp kim đúc, nhưng thong dụng là phân loại theo thành phần hóa học: latông và brông

Đặc điểm khác nhau của hợp kim đồng thể hiện ra bên ngoài một cách rõ ràng được quyết định

bởi nguyên tố hóa học tham gia hợp kim hóa cùng với đồng Sự đa dạng của hợp kim đồng do sự có mặt của nhiều kim loại và ánh kim đã cho ta một tổng hợp đa dạng về sự phân loại chúng, đồng thau, đồng thiếc, đồng niken, đồng-niken-kẽm, đồng-chì, và hợp kim đồng đặc biệt hiện nay người ta dùng hợp kim đồng-Cơ bản để chế tạo vật liệu GMR (từ điện trở khổng lồ)

Hình 1 Ống đồng Hình 2 Hợp kim đồng

1

Hình 3 Đồng hợp kim thanh CuCr (HRB70~80) BeCu(HRB 90~100):

Chuyên dùng cho máy hàn bắm

1 Phân loại

Có thể quy về ba nhóm lớn đó là đồng thanh, đồng thau và hợp kim đồng có công dụng đặc biệt

- Đồng thanh là hợp kim của đồng với các nguyên tố kim loại màu khác (trừ kẽm) Đồng thanh lại có hai nhóm nhỏ khác là đồng thanh thiếc và đồng thanh không thiếc

- Đồng thau là hợp kim của đồng với kẽm, nếu có pha thêm một ít nguyên tố khác gọi là đồng thau đa nguyên

- Hợp kim đồng đặc biệt có những tính chất cơ lý đặc biệt dùng trong các thiết bị đo, thiết bị điện *Ta xét chủ yếu về hợp kim đồng thau Đồng thau đơn có đặc điểm là màu hợp kim thay đổi rõ rệt theo

tỷ lệ kẽm: màu đỏ (10 % Zn); đỏ tươi (20 % Zn); vàng xanh (28 – 33 % Zn); vàng hồng (37 – 40 % Zn); vàng kim (vàng giả, 50 % Zn) Ảnh hưởng của một số nguyên tố có trong hợp kim đồng thau

- Kẽm: làm cho lõm co trong đồng thau phát triển theo chiều rộng hơn là chiều sâu

- Nhôm: là nguyên tố dùng nhiều trong các mác hợp kim đồng Nhờ có nhôm mà tính chất hợp kim khá đồng đều do không có thiên tích thành phần Trong hợp kim đồng dưới 8 % Al làm tăng độ bền mà không làm giảm độ dẻo

- Chì: có tác dụng xấu đến tính gia công cơ của đồng thau, song có tác dụng tốt đến độ chảy loãng

- Silic: nếu pha trên 2% silic sẽ xuất hiện tổ chức dòn làm giảm tính dẻo của hợp kim Còn nếu pha ít silic (dưới 1%) vào đồng thau sẽ tăng được cơ tính và tính đúc, hạn chế được sự bốc hơi của kẽm khi nấu và rót Ngoài ra, silic còn có tác dụng tăng tính chịu mài mòn và sự ăn mòn nếu có thêm chì

- Photpho: với đồng thau, photpho có tác dụng xấu, làm tăng độ cứng, giảm độ dãn dài và độ dai va đập

2

- Mangan: nếu pha thêm 1 – 5% Mn sẽ cho hợp kim có cơ tính cao, chịu ăn mòn tốt, chịu nóng và chịu mài mòn

- Sắt: nói chung sắt là tạp chất có hại cho các hợp kim đồng

- Niken: với đồng thau, niken không ảnh hưởng rõ rệt đến cơ tính, song có tác dụng nâng cao rõ rệt tính chịu ăn mòn và xâm thực trong môi trường nước biển và làm chậm quá trình khử kẽm

- Crôm: hợp kim đồng – crôm vừa có độ dẫn điện cao, vừa có cơ tính và độ chịu nóng cao Tuy nhiên cần phải có công nghệ đúc và nhiệt luyện phù hợp

- Ngoài ra còn có Asen, antimon, molipden, bitmut, titan, coban, vonfram, vanadi v.v… Trong quá trình nấu hợp kim đồng, ta còn phải cho thêm các chất trợ dung vào để khử và tách những tạp chất có hại khỏi hợp kim đồng Nấu đồng thau thường dùng xỉ kiềm là các hóa chất như xút, cacbonat natri, criolit, clorua natri, clorua canxi v.v…

3 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 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 4 Giản đồ pha Cu - Zn

3

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 5 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

4

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 tính gia công cắt (CDA 370, Γ?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 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

3 Brông

Brông là hơp kim của đồng vơi nguyên tố hợp kim chủ yếu là thiếc Zn

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) 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

5 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 →? [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 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 БрOЦC4-4-4

Hình 6 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 БрOЦC5-5-5, 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

b Brông nhôm

Từ giản đồ pha hệ Cu - Al (hình 7) 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 БрAЖ9-4), tiền xu (CDA 608, ΓOCT 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

6 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 7 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 БрAЖ9-4Л (giống với БрAЖ9-4)

c Brông chì

Brông chì là loại hơp kim của đồng với nguyên tố hơp kim chủ yếu là chì (Pb).Pb để làm giảm ma sát

và tăng tính cắt gọt,ví dụ như BCuSn4Zn4Pb4

d Brông berili

Hợp kim Cu với 2%Be (CDA 172, ΓOCT БрБ2) sau khi tôi 750 - 790oC trong nước, hóa già ở 320 - 320oC có tính đàn hồi rất cao (như thép đàn hồi) lại không phát ra tia lửa điện khi va đập nên được làm các chi tiết đàn hồi trong mỏ và thiết bị điện

4 Một số hợp kim đồng

a Đồng thiếc (bronze)

Được ứng dụng sớm nhất là đồng thiếc(đôi khi còn gọi là đồng thanh) Thiếc có các ảnh hưởng tương tự như kẽm lên các tính chất cơ khí của đồng, nó tăng cao độ bền và độ dẻo Hợp kim đồng với thiếc đạt được độ bền chống ăn mòn cao và các tính chất chịu mài mòn tốt Các tính chất này giúp cho đồng thiếc có ứng dụng trong công nghiệp hóa chất để chế tạo các dụng cụ đúc, cũng như trong vai trò của vật liệu chịu mài mòn trong các lĩnh vực khác

Hợp kim đồng thiếc được gia công khá tốt bằng áp lực và cắt gọt Độ co ngót của nó rất nhỏ khi đúc,

7

dưới 1 %, trong khi độ co ngót củađồng thau và gang là khoảng 1,5 % và thép là trên 2 % Vì thế, cho dù

có xu hướng về phía thiên tích (sự không đồng nhất khi kết tinh) và độ chảy loãng tương đối không cao, đồng thiếc vẫn được ứng dụng thành công để nhận được các vật đúc có hình thể phức tạp, kể cả các đồ đúc nghệ thuật Hợp kim đồng thiếc được biết đến và sử dụng từ thời cổ đại Phần lớn các sản phẩm cổ đại từ đồng điếu chứa 75—90 % đồng và khoảng 25—10 % thiếc, làm cho bề ngoài của chúng khi mới đúc trông giống như vàng, nhưng chúng khó nóng chảy hơn Các sản phẩm đồng thiếc cũng không đánh mất vai trò trong thế giới ngày nay

Các dạng đồng thiếc hợp kim hóa được với kẽm, niken và phốt pho Kẽm có thể cho vào tới 10 %, với mức độ như thế nó gần như không thay đổi các tính chất của đồng thiếc, nhưng làm cho đồng thiếc trở nên rẻ tiền hơn

Hình 8 Đồng thiếc niken

b Đồng thau (hay còn gọi là latông; brass)

Đồng thau là hợp kim của đồng và kẽm Tỷ lệ pha chế giữa đồng và kẽm cho ta một loạt các đồng thau đa dạng khác nhau Đồng thau là một hợp kim thay thế, nó được ứng dụng nhiều vào các lĩnh vực như đồ trang trí, vật liệu hàn, thiết bị điện, các loại đầu đạn súng cá nhân, và rất nhiều các nhạc cụ hơi v.v

Đồng thau có một màu vàng, đôi khi khá giống màu của vàng, nó có thể duy trì được độ sáng bóng trong điều kiện môi trường bình thường, nên chúng được làm ra các đồ trang trí, hay làm tiền xu

Đồng thau được người tiền sử biết đến khá sớm, trước rất lâu khi con người tìm ra kẽm, nó là sản phẩm đồng hành trong quặng calamin, là một khoáng vật chứa kẽm và đồng Nền văn hóa Đông Sơn của Việt Nam là một trong những nền văn hóa đồng thau rực rỡ cách ngày nay trên 3.000 năm Những sản phẩm đồng thau tinh xảo và tuyệt đẹp cùng với văn minh nhân loại mở ra thời kỳ đồ đồng rực rỡ Trong quá trình nấu chảy quặng calamin, kẽm được tách ra và hòa lẫn vào đồng tạo thành đồng thau tự nhiên

Kẽm trong đồng thau đã giúp cho điểm nóng chảy của đồng thau thấp xuống đáng kể, tăng tính đúc vì vậy đã cho ra những sản phẩm thuộc thời đại đồ đồng tuyệt đẹp và sắc sảo, cũng như giữ được màu sắc trường tồn

Trong văn hóa Đông sơn, mặc dù dùng tên gọi là đồng thau nhưng thực chất là hợp kim của

8 đồng- thiếc hoặc đồng - chì - thiếc (còn gọi là bronze) Hợp kim đồng - kẽm sau này mới được sử dụng vàokhoảng thế kỷ 17 trở lại đây Hợp kim đồng kẽm là kỹ thuật hợp kim của phương Tây chứ không phải

là hợp kim mang tính truyền thống của Việt Nam

Hình 9 Đồng thau có chì C3602, C3604 Hình 10 Đồng thau hợp kim

c Hợp kim đồng hiện đại

Do giá thành cao của thiếc nên người ta đã tìm các chất thay thế cho đồng thiếc Các loại hợp kim đồng mới này chứa ít thiếc hơn so với đồng thiếc trước kia đã sử dụng hoặc hoàn toàn không chứa thiếc

Ngày nay, tồn tại một loạt các loại hợp kim đồng không chứa thiếc, thậm chí cả kẽm Chúng là hợp

với nhôm, mangan, sắt, chì, niken,berili, silic v.v Độ co ngót của các loại hợp kim này đều cao hơn của đồng thiếc Tuy nhiên, theo một vài tính chất khác thì hợp kim mới lại ưu việt hơn đồng thiếc Đồng nhôm, silic và đặc biệt là đồng berili có tính chất cơ khí tốt hơn, đồng nhôm tốt hơn theo độ chống ăn mòn, còn đồng silic tốt hơn về độ chảy loãng

Ngoài ra, độ bền của đồng nhôm và đồng berili có thể gia tăng bằng gia công nhiệt

Cũng cần phải đề cập tới các hợp kim của đồng với phốt pho Chúng không thể phục vụ trong vai trò của vật liệu chế tạo cơ khí, vì thế nói chung người ta không gọi nó là đồng điếu Tuy nhiên, nó là mặt hàng được giao dịch trên thị trường thế giới và phục vụ trong vai trò của hợp kim trung gian để sản xuất nhiều chủng loại đồng điếu có chứa phốt pho, cũng như để khử ôxy các hợp kim trên cơ sở là nền đồng