Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 6

- Dẫn điện cao, tuy chỉ bằng 62% của đồng nhưng do khối lượng riêng chưa bằng 1/3 nên với các đặc tính về truyền điện như nhau và truyền dòng điện có cường độ như nhau, dây dẫn nhôm chỉ

Chương 6

hợp kim màu và bột

Trong chương này sẽ khảo sát các hợp kim không phải trên cơ sở sắt hay theo cách gọi thông dụng ở nước ta cũng như một số nước là hợp kim màu và các hợp kim được chế tạo theo phương pháp bột, trong phương pháp này các cấu tử chỉ được trộn lẫn nhau một cách cơ học ở trạng thái rắn (khác với theo phương pháp truyền thống đ∙ học là trộn lẫn bằng nấu chảy) Tuy hai loại hợp kim này không được dùng với khối lượng lớn như thép, gang song tỷ lệ của chúng ngày một tăng và có các đặc tính sử dụng và công nghệ rất ưu việt trong một số trường hợp

Về phương diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép Sở dĩ như vậy vì vật liệu này có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trường hợp đem lại hiệu quả kinh tế lớn, không thể thay thế được

Nhôm là kim loại có nhiều đặc tính nổi trội

- Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm 3), khoảng bằng 1/3 của thép Chính nhờ

ưu điểm này mà người ta ưu tiên xét sử dụng nó khi phải giảm nhẹ tối đa khối lượng của hệ thống hay kết cấu (như trong hàng không, vận tải để tiết kiệm năng lượng phải tìm cách giảm tải trọng không tải, tăng tải trọng có ích)

- Tính chống ăn mòn nhất định trong khí quyển nhờ luôn luôn có lớp màng

ôxyt (Al2O3), xít chặt bám chắc vào bề mặt Để tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển người ta làm cho lớp bảo vệ này dày lên bằng cách anod hóa, nhờ đó nhôm

và các hợp kim nhôm có thể dùng trong xây dựng, trang trí nội thất mà không cần bảo vệ

- Dẫn điện cao, tuy chỉ bằng 62% của đồng nhưng do khối lượng riêng chưa bằng 1/3 nên với các đặc tính về truyền điện như nhau và truyền dòng điện

có cường độ như nhau, dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây đồng, lại bị nung nóng

- Tính dẻo rất cao, do kiểu mạng A1 rất dễ biến dạng dẻo nhất là khi kéo

sợi, dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng (foil), ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng (profile) phức tạp rất khác nhau

Ngoài các ưu việt kể trên nó cũng có những đặc tính khác cần phải để ý

- Nhiệt độ chảy tương đối thấp (660oC) một mặt làm dễ dàng cho nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim không sử dụng được ở nhệt độ cao hơn

300 ữ 400oC

- Độ bền, độ cứng thấp, ở trạng thái ủ σb = 60MPa, σ0,2 = 20MPa, HB 25 Tuy nhiên do có kiểu mạng A1 nó có hiệu ứng hóa bền biến dạng lớn, nên đối với nhôm và hợp kim nhôm, biến dạng nguội với lượng ép khác nhau là biện pháp hóa bền thường dùng

Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) ở Hoa Kỳ, Nhật và các nước Tây âu thường dùng các ký hiệu H1x, trong đó x là số chỉ mức tăng thêm độ bền nhờ biến dạng dẻo (x/8):

8 - mức tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng với mức độ biến dạng rất lớn (ε = 75%),

1 - mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến dạng nhỏ,

2, 4, 6 - mức tăng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so với mức toàn phần), ứng với mức độ biến dạng tương đối nhỏ, trung bình, lớn,

9 - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng ε > 75% Như thế cơ tính của nhôm và hợp kim ở dạng bán thành phẩm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái biến dạng này

Trong sản xuất cơ khí thường dùng các hợp kim nhôm qua nhiệt luyện và biến dạng dẻo có độ bền không thua kém gì thép cacbon Do vậy trong công nghiệp, nhôm nguyên chất được sử dụng chủ yếu để truyền tải điện nhất là ở các

đường trục chính, để tăng độ bền trong dây dẫn người ta thường ghép thêm dây thép để chịu lực (được gọi là cáp nhôm) Nhôm nguyên chất cũng được sử dụng nhiều làm đồ gia dụng

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

- 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

+ 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

+ 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

- 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

Ngoài các hợp kim sản xuất theo các phương pháp truyền thống như trên còn có các hợp kim nhôm được chế tạo theo các phương pháp không truyền thống,

đó là các hợp kim bột (hay thiêu kết) và hợp kim nguội nhanh

Để ký hiệu các hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thống đánh số theo

AA (Aluminum Association) của Hoa kỳ bằng xxxx cho loại biến dạng và xxx.x

- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau Loại biến dạng Loại đúc

1xxx - nhôm sạch (≥ 99,0%), 1xx.x - nhôm thỏi sạch thương phẩm, 2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg, 2xx.x - Al - Cu, 3xxx - Al - Mn, 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu, 4xxx - Al - Si, 4xx.x - Al - Si,

5xxx - Al - Mg, 5xx.x - Al - Mg, 6xxx - Al - Mg - Si, 6xx.x - không có, 7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu, 7xx.x - Al - Zn,

8xxx - Al - các nguyên tố khác 8xx.x - Al - Sn

- Ba số tiếp theo được tra theo bảng trong các tiêu chuẩn cụ thể

Để ký hiệu trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây thường dùng các ký hiệu sau

F: trạng thái phôi thô,

H: hóa bền bằng biến dạng nguội, trong đó

H1x (x từ 1 đến 9): thuần túy biến dạng nguội với mức độ khác

nhau,

H2x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ủ hồi phục,

H3x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ổn định hóa,

T: hóa bền bằng tôi + hóa già, trong đó

T1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên,

T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên,

T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu và cuối của T3),

T5: biến dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T1),

T6: tôi, hóa già nhân tạo (đoạn đầu giống T4),

T8: tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3),

T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội (hai đoạn đầu giống T6)

ví dụ Al99, Al99,5

nhiệt luyện

Nhôm sạch hay chính xác hơn là nhôm thương phẩm có ít nhất 99,0%Al với hai mác điển hình AA1060 và AA1100 ở trạng thái ủ có độ bền thấp, mềm nhưng rất dẻo, dễ biến dạng nguội, nhờ đó giới hạn chảy tăng lên rất mạnh (2 đến

4 lần) và cứng lên nhiều Nhờ có tính chống ăn mòn nhất định (do độ sạch cao), chúng được dùng trong công nghiệp hóa học, thực phẩm, đông lạnh, làm thùng chứa (1060), tấm ốp trong xây dựng Để làm dây (trần, bọc) hay cáp điện dùng

Tạp chất có hại của nhôm nguyên chất là Fe và Si (khi có mặt cùng với Fe)

do tạo nên các pha giòn FeAl3, các pha α, β là hợp chất giữa Fe, Si (với công thức khác nhau)

Hình 6.2. Góc Al của giản đồ pha Al - Mn

Theo giản đồ pha Al - Mn (hình 6.2), giới hạn hòa tan cao nhất của Mn trong Al (dung dịch rắn α) là 1,8% ở 659oC và giảm nhanh theo nhiệt độ, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố trên kết hợp với nhau thành Al6Mn Với thành phần α như vậy và khi dùng với 1,0 ữ 1,6%Mn đáng lẽ nó phải thuộc hệ hóa bền

được bằng nhiệt luyện, song trong thực tế do các tạp chất thường có Fe, Si độ hòa tan của Mn trong α giảm rất nhanh (ví dụ với 0,1%Fe và 0,65%Si ở 500oC nhôm

chỉ hòa tan được 0,05%Mn), hầu như không có biến đổi giới hạn hòa tan mangan theo nhiệt độ, nên hệ này chỉ có thể hóa bền được bằng biến dạng nguội

Về cơ tính, hợp kim biến dạng hệ Al - Mn rất nhạy cảm với biến dạng nguội (giới hạn chảy tăng 2 ữ 4 lần) và có nhiệt độ kết tinh lại tăng lên, còn là do hình thành pha α ở dạng nhỏ mịn, phân tán Hợp kim Al - Mn dễ biến dạng dẻo,

được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm khác nhau (lá mỏng, thanh, dây, hình, ống ), chống ăn mòn tốt trong khí quyển và dễ hàn, được dùng để thay thế các mác AA 1xxx khi yêu cầu cơ tính cao hơn

Như đ∙ thấy từ giản đồ pha Al - Mg (hình 6.3), giới hạn hòa tan của Mg trong Al thay đổi mạnh theo nhiệt độ: 15% ở 451oC, không đáng kể ở nhiệt độ thường, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố này kết hợp với nhau thành

Mg2Al3 (pha β trên giản đồ) song lại phân bố ở biên hạt với dạng liên tục, tác hại mạnh đến tính chống ăn mòn (gây ăn mòn tinh giới và ăn mòn dưới ứng suất) Vì vậy sau khi biến dạng nguội hợp kim được ủ ổn định hóa (H3) ở trên dưới 300oC

để tránh sự kết tụ của hợp chất trên tại biên giới

Để tránh tạo nên lưới Mg2Al3 người ta thường chỉ dùng < 4%Mg (trong một số trường hợp đặc biệt có thể lên tới 6 ữ 7% tuy đạt độ bền cao hơn nhưng dễ

bị ăn mòn hơn) với các mác điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454 Đặc tính của

- nhẹ nhất trong số các hợp kim nhôm và có độ bền khá, có thể cải thiện

- khả năng biến dạng nóng, nguội và hàn đều tốt,

- tính chống ăn mòn tốt và có thể cải thiện bằng anod hóa

Hình 6.3.Góc Al của giản đồ pha Al - Mg

luyện

Đây là phân nhóm hợp kim nhôm quan trọng nhất, có cơ tính cao nhất không thua kém gì thép cacbon

Hợp kim AlCu4 và nhiệt luyện hóa bền

Để xét nhiệt luyện hóa bền của hệ Al - Cu nói riêng và của các hệ hợp kim nhôm khác nói chung, h∙y xét cơ chế hóa bền khi nhiệt luyện hợp kim Al chứa 4%Cu

Bảng 6.1. Thành phần hóa học (%) và cơ tính của các hợp kim nhôm theo AA

min, MPa

σb, min, MPa

δ, min,

%

σ-1, min, MPa

Tương

đương với mác của

-

160

B95

Đúc 295.0 4,5Cu-1,0Si T6,kh.cát 165 250 5 - AЛ7

0,6Mg

T6,kh.cát T6,lytâm

lực

160 280 3 - AЛ2

Từ giản đồ pha Al - Cu (hình 6.4) thấy rằng Cu hòa tan đáng kể ở trong Al

ở nhiệt độ cao (cực đại là 5,65% ở 548oC), song lại giảm mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ thường) Khi vượt quá giới hạn hòa tan lượng Cu thừa được tiết ra ở dạng CuAl2II (trong đó II là để chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn như Fe3CII trong thép sau cùng tích) Như vậy hợp kim AlCu4:

- lúc đầu ở nhiệt độ thường và ở trạng thái cân bằng (ủ) có tổ chức gồm dung dịch rắn α - Al (0,5%Cu) và một lượng (khoảng 7%) là pha CuAl2II, có độ cứng và độ bền thấp nhất (σb= 200MPa),

- khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (520oC), các phần tử CuAl2II hòa tan hết vào α và chỉ có tổ chức một pha α là Al(4%Cu) và khi làm

nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl2II không kịp tiết ra, tổ chức α giàu Cu được cố

Hình 6.4. Góc Al của giản

đồ pha Al - Cu (CuAl2

được ký hiệu là θ )

- như vậy sau khi tôi, ở nhiệt độ thường hợp kim có tổ chức khác hẳn lúc

đầu, là dung dịch rắn quá b∙o hòa (với giới hạn hòa tan là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá b∙o hòa) với độ bền tăng lên đôi chút (do mạng bị xô lệch nhất định), σb =

250 ữ 300MPa và vẫn còn khá dẻo (có thể sửa, nắn được)

Song lại thấy hiện tượng đặc biệt khác thép: sau khi tôi, theo thời gian độ

bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau 5 ữ 7 ngày, σb = 400MPa tức đ∙ tăng gấp đôi so với trạng thái ủ (hình 6.5) Quá trình nhiệt luyện hóa bền như vậy được gọi là tôi + hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường)

Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già

Cơ chế giải thích sự hóa bền của hợp kim nhôm khi tôi + hóa già do Gunier

và Preston đưa ra một cách độc lập nhau từ đầu thế kỷ 20 sau đó đ∙ được chứng minh bằng phân tích tia X là đúng Có thể giải thích sự hóa bền đó như sau

Dung dịch rắn quá b∙o hòa tạo thành sau khi tôi là không ổn định, luôn có

khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng, bằng cách tiết ra Cu và tập trung lại

dưới dạng CuAl2 Sự trở về trạng thái cân bằng này xảy ra khá chậm ở nhiệt độ thường và càng nhanh ở nhiệt độ cao hơn với các giai đoạn như sau

- Giai đoạn I Khi lượng Cu tập trung quá 4% ở một số vùng gọi là vùng

G.P có kích thước rất bé (hình đĩa bán kính khoảng 5nm) với sự xô lệch mạng cao

nên có độ cứng cao, nhờ đó nâng cao độ bền, độ cứng

- Giai đoạn II Các nguyên tử Cu trong vùng G.P tiếp tục tập trung và dần dần đạt đến mức 1Cu - 2Al và vùng G.P to lên tạo nên pha ϑ" (kích thước 10nm,

khoảng cách các pha 20nm) rồi ϑ' (với kích thước lớn hơn) Độ bền đạt được giá trị cao nhất là ứng với sự tạo nên pha ϑ", khi tạo nên pha ϑ' độ bền bắt đầu giảm

đi ở nhiệt độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha ϑ" và đạt độ bền cực đại sau 5 ữ 7 ngày và duy trì trạng thái này m∙i m∙i (xem đường hóa già tự

nhiên - 20oC - trên hình 6.5)

- Giai đoạn III ở nhiệt độ cao hơn, 50 ữ 100oC hay hơn, pha ϑ' chuyển biến thành ϑ với cấu trúc đúng với CuAl2 như trên giản đồ pha Do ở trạng thái cân bằng và pha ϑ có kích thước lớn hơn nên độ bền giảm nhanh đến mức thấp nhất (xem đường hóa già nhân tạo - 100, 200oC trên hình 6.5) Có thể coi ϑ’’ và ϑ’ là các tiền pha của ϑ - CuAl2

Qua đó thấy rõ:

+ Pha CuAl2 có vai trò rất lớn đối với hóa bền hợp kim nhôm: hòa tan vào dung dịch rắn khi nung nóng, tạo nên dung dịch rắn quá b∙o hòa khi làm nguội và

chuẩn bị tiết ra lại ở dạng rất phân tán khi hóa già Không có nó hợp kim không

thể hóa bền được, nên người ta gọi nó là pha hóa bền

Hình 6.5. Sự thay đổi giới hạn bền theo thời gian (hóa già) sau khi tôi của hợp kim AlCu4

+ Nhiệt luyện hóa bền bằng cách tôi rồi tiếp theo sau là:

• hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 ữ 7 ngày, hoặc

• hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 ữ 200oC trong thời gian thích hợp

(chừng vài chục h tùy theo từng nhiệt độ cụ thể) để đạt đến độ bền cao nhất do tạo

nên tiền pha θ (nhưng nếu kéo dài quá quy định độ bền sẽ giảm đi và không đạt

được giá trị cực đại do tạo nên pha θ)

Fe, Si và Mn), trong đó: Fe và Si là hai tạp chất thường có (các hợp chất chỉ chứa

Fe và đồng thời cả Fe, Si không hòa tan vào Al khi nung nóng nên không có tác dụng hóa bền, lại còn làm giảm lượng pha hóa bền, nên rất có hại), Mn được đưa vào với lượng nhỏ để làm tăng tính chống ăn mòn

Các mác AA 2014 và AA 2024 được dùng nhiều trong kết cấu máy bay, dầm khung chịu lực xe tải, sườn tàu biển, dụng cụ thể thao

Hai đặc điểm nổi bật của đura là:

- Độ bền cao (σb = 450 ữ 480MPa), khối lượng riêng nhỏ (γ ≈ 2,7g/cm 3)

nên có độ bền riêng (được xác định bằng tỷ số σb / γ với thứ nguyên là chiều dài)

cao, tới 15 ữ 16 (km), trong khi đó CT51 là 6,0 ữ 6,5, gang: 1,5 ữ 6,0

- Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau, nhưng người ta có thể hoàn toàn khắc phục được bằng cách phủ các lớp nhôm nguyên chất mỏng (~4% chiều dày tấm) lên bề mặt khi cán nóng, nên có tính chống ăn mòn không khác gì nhôm sạch

Chính nhờ độ bền riêng cao và tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển, các

bán thành phẩm cán của đura được dùng rộng r∙i trong vận tải, đặc biệt là hàng không

Họ AA 7xxx

Họ này thuộc hệ Al - Zn- Mg và có thể có thêm Cu và là loại sau nhiệt luyện có độ bền cao nhất (σb > 550MPa) Thường dùng Zn trong khoảng từ 4 đến 8%, Mg - 1 ữ 3% Hóa bền tổ chức chủ yếu là tạo nên vùng G.P của MgZn2 và

Al2Mg3Zn3 Khi đưa thêm Cu (tới 2%) nó sẽ hòa tan vào dung dịch rắn và hóa bền thêm pha này Ngoài có độ bền cao nhất, họ AA 7xxx còn có các đặc tính là nhiệt luyện dễ (khoảng tôi rộng, 350 ữ 500oC), tốc độ tôi tới hạn nhỏ (có thể nguội trong không khí) Đây là hợp kim nhôm có nhiều tiềm năng đang được khai thác, sử dụng trong hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao

Như đ∙ nói hợp kim nhôm đúc trong tổ chức phải gồm chủ yếu là cùng tinh

và do đó chứa nhiều hợp kim hơn Trong các hệ Al - nguyên tố hợp kim chỉ có hệ

Al - Si có cùng tinh với thành phần hợp kim ít nhất (11,3%Si), nên tốn ít hợp kim,

rẻ nên thường dùng để đúc; còn ở các hệ khác cùng tinh có lượng chứa hợp kim cao hơn rất nhiều như Al - Cu với 33%Cu, Al - Mg với 34,5%Mg nên đắt và bị hạn

Cơ tính của vật đúc hợp kim nhôm phụ thuộc nhiều vào tốc độ nguội và biến tính Đúc trong khuôn kim loại (ly tâm, áp lực) do nguội nhanh hơn nhiều trong khuôn cát nên tổ chức nhận được nhỏ mịn hơn, cải thiện mạnh cơ tính Biến tính có tác dụng mạnh đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Al - Si

Biến tính

Hợp kim nhôm - silic đúc đơn giản chỉ gồm hai cấu tử với 10 ữ 13%Si (AA 423.0 hay AΛ2) Theo giản đồ pha Al - Si (hình 6.6) với thành phần như vậy hợp kim có nhiệt độ chảy thấp nhất, tổ chức hầu như là cùng tinh với tính đúc tốt nhất Tuy vậy khi đúc thông thường dễ bị tổ chức cùng tinh thô và tinh thể silic thứ nhất (trước cùng tinh) như biểu thị ở hình 6.7a, trong đó Si thứ nhất thô to và Si cùng tinh ở dạng kim như là vết nứt bên trong trong lòng dung dịch rắn α (thực chất là nhôm nguyên chất với cơ tính rất thấp, σb = 130MPa, δ = 3%) Nếu qua biến tính bằng muối Na (2/3NaF + 1/3NaCl) với tỷ lệ 0,05 ữ 0,08%, điểm cùng tinh sẽ hạ thấp xuống khoảng 10 ữ 20oC và dịch sang phải, như vậy hợp kim luôn

luôn là trước cùng tinh với tổ chức α và cùng tinh (α + Si), trong đó nhờ kết tinh với độ quá nguội lớn hơn nên Si trong cùng tinh rất nhỏ mịn (hạt tròn, nhỏ) như biểu thị ở hình 6.7b, làm cải thiện mạnh cơ tính, σb = 180MPa, δ = 8%

Hình 6.6. Góc Al của giản

đồ Al - Si (đường chấm chấm ứng với khi biến tính)

Tuy nhiên ngay với cơ tính như vậy cũng không đáp ứng được yêu cầu thực

tế nên thường ít sử dụng Trong thực tế thường sử dụng các silumin phức tạp tức ngoài Si ra còn có thêm Mg hoặc Cu

Hình 6.7. Tổ chức tế vi của hợp kim Al - (10 ữ 13)%Si:

a không biến tính, b có qua biến tính

Các hợp kim Al - Si - Mg(Cu)

Là các hợp kim với khoảng Si rộng hơn (5 đến 20%) và có thêm Mg (0,3 ữ

0,5%) để tạo ra pha hóa bền Mg2Si nên hệ Al - Si - Mg (ví dụ mác AA 356.0) phải qua nhiệt luyện hóa bền Cho thêm Cu (3 ữ 5%) vào hệ Al - Si - Mg kể trên cải thiện thêm cơ tính và có tính đúc tốt (do có thành phần gần với cùng tinh Al - Si - Cu) nên được dùng nhiều trong đúc piston (AA 390.0, AЛ26), nắp máy (AЛ4) của

Hợp kim nhôm còn được dùng làm ổ trượt (mục 6.3.3) Trong những năm gần đây đ∙ bắt đầu đưa vào sử dụng hợp kim nguội nhanh và hợp kim bột thiêu kết (mục 6.4.3a)

- 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 o K 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,

σdh = 70MPa) nhưng sau biến dạng dẻo độ bền tăng rất mạnh (với ε = 60%,

σb = 425MPa, σdh = 375MPa) Với đồng và hợp kim, biến dạng nguội là biện pháp

- 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

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

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 dùng 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

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 đ∙ 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 ữ 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 ữ 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 ữ 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 tính gia công cắt (CDA 370, ΓOCT 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%

min, MPa

σb, min, MPa

δ, min,

%

E, min, GPa

Tương đương với mác của

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 đ∙ 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

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

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 ữ 9%Al) được sử dụng khá rộng r∙i để chế tạo

bộ ngưng tụ hơi, hệ thống trao đổi nhiệt, lòxo tải dòng, chi tiết bơm, đồ dùng cho lính thủy (CDA 614, ΓOCT БрAЖ9-4), tiền xu (CDA 608, ΓOCT БрA5)