BÀI TIỂU LUẬN VẬT LIỆU ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG

Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau.. Nó là kim loại đầu tiên được nung chảy từ quặng của nó vào kho

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT BỊ & CNVL CƠ KHÍ

BÀI TIỂU LUẬN VẬT LIỆU ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG

GV LÝ THUYẾT : Lương Hồng Đức NHÓM HỌC LÝ THUYẾT : L05-A

TP HCM, 8 THÁNG 6 NĂM 2019

Mục Lục 1.Đồng nguyên chất 1

1.1 Khái quát 1

1.2 Tính chất 2

1.2.1 Tính chất vật lý 2

1.2.2 Tính chất hóa học 4

1.2.3 Đồng vị 5

1.2.4 Phân bố 5

1.3 Sản xuất 5

1.3.1 Trữ lượng 6

1.3.2 Phương pháp 6

1.3.3 Tái chế 7

1.4 Ứng dụng 7

1.5 Các loại đồng nguyên chất 8

1.6 Phân loại hợp kim đồng và hệ thống kí hiệu hợp kim đồng 9

2 Latông 9

3 Brông 12

3.1 Brông thiếc 13

3.2 Brông nhôm 15

3.3 Brông berili 16

4 Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn - Ni 17

1.Đồng nguyên chất

1.1 Khái quát

- Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và số nguyên tử bằng 29 Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn; bề mặt đồng tươi

có màu cam đỏ Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau

- Đồng là một trong số ít các kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác từ quặng Do đó nó có được con người sử dụng từ rất sớm khoảng 8000 TCN Nó là kim loại đầu tiên được nung chảy từ quặng của nó vào khoảng 5000 TCN, kim loại đầu tiên được đúc thành khối vào khoảng 4000 TCN và kim loại đầu tiên được tạo thành hợp kim với các loại khác, là thiếc để tạo ra đồng đỏ vào khoảng

chúng thường có màu xanh lam hoặc xanh lục của các loại khoáng

như ngọc lam và trong lịch sử đã được sử dụng rộng rãi làm chất nhuộm Các công trình kiến trúc được xây dựng có đồng bị ăn mòn tạo ra màu xanh lục verdigris (hoặc patina)

- Các ion đồng(II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vi chất dinh dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn Nơi tập trung đồng chủ yếu trong cơ thể động vật

là gan, cơ và xương Cơ thể người trưởng thành chứa khoảng 1,4 đến 2,1 mg đồng trên mỗi kg cân nặng

Hình khối đồng trong quặng tự nhiên

dạng polycrystalline hạt mịn, dạng này có độ cứng lớn hơn

dạng monocrystalline

- Độ cứng thấp của đồng giúp giải thích một phần tính dẫn điện cao của nó(59.6×106 S/m) và cũng như tính dẫn nhiệt cao, các tính chất này được xếp hạng thứ 2 trong số những kim loại nguyên chất có tính chất tương tự ở nhiệt độ phòng (trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ

có bạc có độ dẫn điện cao hơn) Đặc điểm này là do điện trở suất đối với sự vận chuyển electron trong các kim loại ở nhiệt độ phòng chủ yếu bắt nguồn

từ sự tán xạ của electron đối với dao động nhiệt của mạng tinh thể, mà điện trở xuất này tương đối yếu đối với cho một kim loại mềm Mật độ dòng thấm tối đa của đồng trong không khí ngoài trời vào khoảng 3,1×106 A/m2, vượt trên giá trị này nó bắt đầu nóng quá mức Cùng với những kim loại khác, nếu đồng được đặt cạnh kim loại khác, ăn mòn galvanic sẽ diễn ra

- Cùng với lưu huỳnh và vàng (cả hai đều có màu vàng), đồng là một trong

3 nguyên tố có màu tự nhiên khác với màu xám hoặc bạc Đồng tinh khiết

có màu đỏ cam và tạp ra màu lam ngọc khi tiếp xúc với không khí Màu đặc trưng này của đồng tạo ra từ sự chuyển tiếp electron giữa phân lớp 3d và phân lớp 4s – năng lượng chênh lệch do sự chuyển đổi trạng thái electrong giữa hai phân lớp này tương ứng với ánh sáng cam Cơ chế xảy ra tương tự đối với màu vàng của vàng và lưu huỳnh

Hình đĩa đồng (độ tinh khiết 99.95%) được làm bằng đúc liên tục và khắc

Hình đồng ở nhiệt độ nóng chảy cao hơn điểm nóng chảy của nó một chút làm cho nó có ánh hồng khi đủ ánh sáng sẽ làm cho nó rạng rỡ hơn với màu cam

đỏ

1.2.2 Tính chất hóa học

- Đồng tạo nhiều hợp chất khác nhau với các trạng thái ôxy hóa +1 và +2,

mà thường được gọi theo thứ tự là cuprous và cupric.Nó không phản ứng

với nước, nhưng phản ứng chậm với ôxy trong không khí tạo thành một lớp ôxit đồng màu nâu đen Ngược lại với sự ôxy hóa của sắt trong không khí

ẩm, lớp ôxit này sau đó sẽ ngăn cản sự ăn mòn Một lớp màu lục

của verdigris (đồng cacbonat) thường có thể bắt gặp trên các công trình cổ

có sử dụng đồng như Tượng Nữ thần tự do, tượng bằng đồng lớn nhất trên thế giới được xây dựng dùng repoussé and chasing

Hydrogen sulfua và sulfua phản ứng với đồng tạo ra các hợp chất đồng sulfua khác nhau trên bề mặt Trong trường hợp phản ứng với sulfua, ăn mòn đồng diễn ra khi đồng tiếp xúc với không khí có chứa các hợp chất sulfua Các dung dịch amoni chứa ôxy có thể tạo ra một phức chất hòa tan trong nước với đồng, khi phản ứng với ôxy và axit clohydric để tạo thành đồng clorua và hydro peroxit bị axit hóa để tạo thành các muối đồng(II) Đồng(II) clorua và đồng phản ứng với nhau tạo thành đồng (I) clorua

Hình Sợi đồng không bị oxy hóa(trái) và sợi đồng bị oxy hóa( phải)

rã β-, ngược lại các đồng vị có số khối dưới 64 thì phân rã β+ 64Cu, có chu

kỳ bán rã 12,7 giờ, phân rã theo cả hai cơ chế trên 62Cu và 64Cu có những ứng dụng đáng chú ý.64Cu chất được sử dụng trong chụp hình tia-X, và dạng tạo phức với chelate có thể được dùng trong điều trị ung thư.62Cu được dùng trong 62Cu-PTSM là một phương pháp vết phóng xạ trong chụp cắt lớp bằng positron

1.2.4 Phân bố

- Đồng có thể tìm thấy như là đồng tự nhiên hoặc trong dạng khoáng chất Đồng tự nhiên là một dạng polycrystal, với các tinh thể riêng lẻ lớn nhất đã được ghi nhận có kích thước 4,4×3,2×3,2 cm Khối đồng nguyên tố lớn nhất

có cân nặng 420 tấn, được tìm thấy năm 1857 trên bán đảo

Keweenaw ở Michigan, Hoa Kỳ

- Có nhiều dạng khoáng chứa đồng như cacbonat azurit (2CuCO3Cu(OH)2)

và malachit (CuCO3Cu(OH)2) là các nguồn để sản xuất đồng, cũng như là các sulfua như chalcopyrit (CuFeS2), bornit (Cu5FeS4), covellit (CuS), chalcocit (Cu2S) và các ôxít như cuprit (Cu2O)

- Phần lớn đồng trích xuất được trong các mỏ lộ thiên trong các khoáng sản có ít hơn 1% đồng Các ví dụ bao gồm: mỏ Chuquicamata ở Chilê và

mỏ El Chino ở New Mexico Việt Nam có mỏ đồng Sinh Quyền ở Lào Cai

- Đồng có mặt trong vỏ Trái Đất với hàm lượng 50 ppm, và có thể được tổng hợp trong các ngôi sao có khối lượng lớn

1.3 Sản xuất

- Hầu hết đồng được khai thác hoặc chiết tách ở dạng đồng sulfua từ các

mỏ đồng porphyr khai thác lộ thiên chứa từ 0,4 đến 1,0% đồng Ví dụ một

số mỏ như: mỏ Chuquicamata ở Chile; Bingham Canyon Mine ở Utah, Hoa Kỳ; và El Chino Mine ở New Mexico, Hoa Kỳ Theo Cục Khảo sát địa chất Anh, năm 2005, Chile là nước dẫn đầu về khai thác đồng chiếm ít nhất 1/3

sản lượng đồng thế giới, theo sau là Hoa Kỳ, Indonesia và Peru Đồng cũng được thu hồi qua quá trình In-situ leach Nhiều nơi ở tiểu bang Arizona được xem là những ứng viên cho phương pháp này Lượng đồng đang

đượng sử dụng đang tăng và số lượng có sẵn là hầu như không đủ để cho phép tất cả các nước để đạt đến mức độ sử dụng của thế giới phát triển

1.3.1 Trữ lượng

- Đồng đã được sử dụng ít nhất là cách nay 10.000 năm, nhưng có hơn 95% tất cả đồng đã từng được khai thác và nấu chảy đã được tách chỉ bắt đầu từ thập niên 1900 Với nhiều nguồn tài nguyên tự nhiên, tổng lượng đồng trên Trái Đất là rất lớn (khoảng 1014 tấn nằm trong vòng vài km của vỏ Trái Đất, hoặc tương đương 5 triệu năm khai thác với tốc độ khai thác hiện tại Tuy nhiên, chỉ có một tỷ lệ nhỏ trữ lượng này là có giá trị kinh tế trong điều kiện chi phí và công nghệ hiện tại Nhiều ước tính trữ lượng đồng hiện tại cho thấy việc khai thác có thể diễn ra từ 25 đến 60 năm tùy thuộc vào những giả định cốt lõi như tốc độ phát triển.Tái chế là một nguồn chính của đồng trong thế giới hiện đại Do ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, sản lượng và cung ứng đồng trong tương lai là một chủ đề còn nhiều tranh cãi, bao gồm

cả khái niệm về đỉnh đồng, tương tự như đỉnh dầu

- Giá đồng trong lịch sử là không ổn định, và nó tăng gấp 5 lần từ giá thấp duy trì 60 năm từ US$1,32/kg trong tháng 6 năm 1999 đến US$8,27/kg trong tháng 5 năm 2006 Nó rớt từ US$5,29/kg trong tháng 2 năm 2007, sau

đó tăng lên US$7,71/kg tháng 4 năm 2007.[28] Tháng 2 năm 2009, nhu cầu toàn cầu giảm và giá cả hàng hóa giảm mạnh từ mức cao của năm trước là US$1,51/lb.000000000

1.3.2 Phương pháp

- Hàm lượng đồng trong quặng trung bình chỉ 0,6%, và hầu hết quặng thương mại là các loại đồng sulfua, đặc biệt là chalcopyrit (CuFeS2) và ít hơn là chalcocit (Cu2S) Các khoáng này được tách ra từ các quặng được nghiền để nâng hàm lượng lên 10–15% đồng bằng froth

flotation hay bioleaching Nung vật liệu này với silica trong flash

smelting để loại sắt ở dạng xỉ Quá trình này khai thác dễ dàng chuyển sắt sulfua thành dạng ôxit của nó, sau đó các ôxit này phản ứng với silica để tạo

ra xỉ silicat nổi lên trên khối nóng chảy Sản phẩm tạo ra copper matte chứa

Cu2S sau đó được roasted để chuyển tất cả các sulfua thành ôxit:

ôxy còn lại và áp dụng tinh chế điện (electrorefining) để tạo ra đồng tinh

dụng Theo Metal Stocks in Society report của International Resource

Panel, phân bổ bình quân đầu người về đồng hiện đang sử dụng trong xã hội

là 35–55 kg Phần nhiều trong số này là ở các nước phát triển nhiều (140–

300 kg/người) hơn là các nước ít phát triển (30–40 kg/người)

- Quá trình tái chế đồng tuân theo những bước gần như tương tự với chiết tách đồng nhưng đòi hỏi ít công đoạn hơn Đồng phế liệu có độ tinh khiết cao được nung trong lò cao và sau đó được khử, đúc

thành billet và ingot; các phế liệu có độ tinh khiết thấp hơn được tinh chế bằng mạ điện trong một bể axit sulfuric

1.4 Ứng dụng

- Đồng là vật liệu dễ dát mỏng, dễ uốn, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, vì vậy nó được sử dụng một cách rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm:

• Dây điện

• Que hàn đồng

• Tay nắm và các đồ vật khác trong xây dựng nhà cửa

• Đúc tượng: Ví dụ tượng Nữ thần Tự Do, chứa 81,3 tấn (179.200 pao) đồng hợp kim

• Cuộn từ của nam châm điện

• Động cơ, đặc biệt là các động cơ điện

• Động cơ hơi nước của Watt

• Rơ le điện, dây dẫn điện giữa các bảng mạch và các chuyển mạch điện

• Ống chân không, ống tia âm cực và magnetron trong các lò vi ba

• Bộ dẫn sóng cho các bức xạ vi ba

• Việc sử dụng đồng trong các mạch IC đã trở nên phổ biến hơn để thay thế cho nhôm vì độ dẫn điện cao của nó

• Là một thành phần trong tiền kim loại

• Trong đồ nhà bếp, chẳng hạn như chảo rán

• Phần lớn các đồ dùng bằng niken trắng dùng ở bàn ăn (dao, nĩa, thìa) có chứa một lượng đồng nhất định

• Trong chế tạo đồ đựng thức ăn bằng bạc (hàm lượng bạc từ 92,5% trở lên), có chứa một số phần trăm đồng

• Là thành phần của gốm kim loại và thủy tinh màu

• Các loại nhạc khí, đặc biệt là các loại nhạc khí từ đồng thau

• Làm bề mặt tĩnh sinh học trong các bệnh viện hay các bộ phận của tàu thủy để chống hà

• Các hợp chất, chẳng hạn như dung dịch Fehling, có ứng dụng trong phân tích hóa học

• Đồng (II) Sulfat được sử dụng như là thuốc bảo vệ thực vật và chất làm sạch nước

1.5 Các loại đồng nguyên chất

- Các loại đồng nguyên chất để dẫn điện phải có ít nhất 99.9% Cu được sản xuất theo 3 phương pháp sau:

+ Đồng điện phân ETP (Electrolytic Tough Pitchc ) có chứa khoảng

0.04%O2 Trong đồng, oxy hầu như không hòa tan, chỉ tạo ra Cu2O nên không làm giảm tính dẫn điện Tuy nhiên loại này nhạy cảm với hydro khi nhiệt độ > 400C(H2 khử Cu2O tạo nên bọt nước, gây nứt ở biên hạt) Do vậy loại này chỉ dùng để gia công, chế biến ở < 400C

+ Đồng sạch oxy OFHC ( Oxygen Free High Conducvity) là loại nấu chảy các catot đồng trong khí quyển hoàn nguyên, có ít nhất 99,95% Cu, lượng oxy nhỏ hơn 0,003% nên không nhạy cảm với hidro

+ Đồng dược khử oxy là loại được khử oxy triệt để bằng photpho, toàn bộ oxy ở dưới dạng P2O5 Nếu lượng P tự do trong đồng < 0,005% thì hầu như không làm giảm tính dẫn điện ( nhưng với 0,04%P tính dẫn điện chỉ bằng 85% của loại OFHC), do sạch oxy nên có thể biến dạng nóng

1.6 Phân loại hợp kim đồng và hệ thống kí hiệu hợp kim đồng

- Cũng giống như hợp kim nhôm, hộp 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 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

2 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

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

Ảnh hưởng của Zn và độ biến dạng đến cơ tính của dung dịch rắn α:

- 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 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 6.2 Thành phần hóa học (%) và cơ tính của một số mác hợp kim đồng theo CDA