CHƯƠNG 1. NHÔM VÀ HỢP KIM CUA NHOM Mục tiêu ~ Vẽ và giải thích được giản đồ nhôm - silic - Trinh bày được đặc điểm, phân loại và ký hiệu các loại hợp kim nhôm. ~ Nhận dạng hợp kim nhôm - Tuân thủ các quy định, quy phạm vẻ vật liệu học.1 GIẢN DO NHOM Mục tí ~ Về và giải thích được giản đồ nhôm - silic 1.1 Giản đồ nhôm - nguyên tố hợp kim Để có độ bẻn cao người ta phải hợp kim hóa nhôm và tiến hành nhiệt luyện, vì thé hop kim nhôm có vị trí khá quan trọng trong chế tạo cơ khí và xây dựng. Khi đưa nguyên tố hợp kim vào nhôm (ở trạng thái lỏng) thường tạo nên giản đồ pha AI - nguyên tố hợp kim như biểu thị ở hình 1.1, trong đó thoạt tiên (khi lượng ít) nguyên tố hợp kim sẽ hòa tan vào AI tạo nên dung dịch rắn thay thể œ nền AI, khi vượt quá giới hạn hòa tan (đường CE) 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 tỉnh của dung dịch rắn và pha thứ hai kể trên.
Do vậy dựa vào gián đồ pha như vậy bắt cứ hệ hợp kim nhôm nảo cũng có thể được phân thành hai nhóm lớn là biến dang và đúc. T° L+ Pha thử II Hop kim AL dite a+ Pha thir Il %» Nguyén tô hợp kim Hình 1.1 Góc nhôm của giản đổ pha AI - nguyên tố hợp kim. 5 ~ Hợp kim nhôm biển dạng là hợp kim với hàm lượng thấp nguyên tổ 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 thẻ 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, €'), có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tỉnh nên tính đúc cao.
Do có nhiều pha thứ hai (thường là hợp chất hóa học) hợp kim giòn hơn, không thể biển 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 kìm nguội nhanh.2 Giản đồ hợp kim nhôm - mangan Theo giản đồ pha AI - Mn, giới hạn hòa tan cao nhất của Mn trong Al (dung dịch rắn ø) là 1,8% ở 659°C và giảm nhanh theo nhiệt độ, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tổ trên kết hợp với nhau thành Al6Mn. Với thành phần ơ như vậy và khi dùng với (1,0 + 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, Sỉ độ hòa tan của Mn trong ơ giảm rất nhanh (ví dụ với 0,1%Ee và 0,65%Si 6 500°C nhôm chỉ hòa tan được 0,05%Mn), hầu như không có biển đổi giới hạn hòa tan mangan theo nhiệt độ, nên hệ này chỉ có thể hóa bền được bằng biến dạng nguội.
cơ tính, hợp kim biến dạng hệ AI - Mn rất nhạy cảm với biến dạng. nguội (giới hạn chảy tăng 2 + 4 lần) và có nhiệt độ kết tỉnh lại tăng lên, còn là do hình thành pha ơ ở dạng nhỏ mịn, phân tán. Hợp kim AI - Mn dễ biến dạng đẻo, được cung cấp đưới dạng các bán thành phẩm khác nhau (lá mỏng, thanh, dây, hình, éng.) chống ăn mòn tốt trong khí quyển và dễ hàn, được. dùng để thay thế các mác AA 1xx khi yêu cẩu cơ tính cao hơn.3 Giản đồ hợp kim nhôm ~ magiê Như đã thấy từ giản đồ pha AI - Mẹ, giới hạn hòa tan của Mg trong AI thay đồi mạnh theo nhiệt độ: 15% ở 451C, không đáng kế ở nhiệt độ thường, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố này kết hợp với nhau thành Mg;Al; (pha j trên giản đỏ) song lại phân bố ở biên hạt với dạng liên tục, tác hại mạnh đến tính chống ăn mòn (gây ăn mòn tỉnh giới và ăn mòn dưới ứng suất).
Vì vậy sau khi biến dạng nguội hợp kim được ủ ồn định hóa ở trên dưới 300°C dé tránh sự kết tụ của hợp chất trên tại biên giới. Để tránh tạo nên lưới Mg›Al; người ta thường chỉ dùng < 4%Mg, trong, một số trường hợp đặc biệt có thể lên tới (6 + 7)% tuy đạt độ bền cao hơn nhưng dễ bị ăn mòn hơn, với các mác điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454.4 Giản đồ hợp kìm nhôm - silic. Hợp kim nhôm - silic đúc đơn giản chỉ gồm hai cấu tử với 10 - 13%Si (AA 423. Theo giản đồ pha AI - Sỉ (hình 1.2) với thành phần như vậy hợp kim có nhiệt độ chảy thấp nhất, tổ chức hẳu như là cùng tỉnh với tính Hình 1.2 Góc AI của giản đồ AI ~ Sỉ (đường chấm chắm ứng với khi biến tính) đúc tốt nhất.
Tuy vậy khi đúc thông thường dé bị tổ chức cùng tỉnh thô và tỉnh thể silic thứ nhất (ước cùng tỉnh) như biểu thị ở hình 1.3a, trong đó Sỉ thứ nhất thô to và Si cùng tinh ở dang kim như là vết nứt bên trong trong lòng dung dich ran a (thực chất là nhôm nguyên chất với cơ tính rất thấp, ơy = 130MPa, ö = 3%). Nếu qua biến tính bang mudi Na (2/3NaF + 1/3NaCl) véi tỷ lệ (0,05 + 0,08)%, điểm cùng tỉnh sẽ hạ thấp xuống khoảng (10 0)C và dịch sang phải, như vậy hợp kim luôn luôn là trước cùng tỉnh với chức a va cing tinh (a + Si), trong đó nhờ kết tỉnh với độ quá nguội lớn hơn nên Sỉ trong cùng tỉnh rất nhỏ mịn (hạt tròn, nhỏ) như biểu thị ở hình I.3b, làm cải thiện mạnh cơ tính, 6) = 180MPa, 5 = 8%. Tuy nhién 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 Sỉ ra còn có thêm Mg hoặc Cụ.3 Tổ chức tế vỉ của hợp kim AI - (10+ 13)% «a. khong biển tính, b. có qua biển tính Các hợp kim AI - Sĩ - Mg(Cu) Là các hợp kim với khoảng Sỉ rộng hơn (5 + 20)% và có thêm Mg (0.3 + 0,5)% để tạo ra pha hóa bền Mg;S¡ nên hệ AI-Si-Mg (ví dụ mác AA 356.0) phải qua nhiệt luyện hóa bẻn. Cho thêm Cu (3 + 5%) vào hệ Al-Si-Mg kể trên cải thiện thêm cơ tính và có tính đúc tốt (do có thành phẩn gần với cùng tỉnh AI-Si-Cu) nên được dùng nhiều trong dic piston (AA 390.0, AJ126), nip máy (A714) của động cơ đốt trong.
Hợp kim nhôm còn được dùng làm ô trượt. Trong những năm gần đây đã bắt đầu đưa vào sử dụng hợp kim nguội nhanh và hợp kim bột thiêu kết.2 DAC DIEM CỦA NHÔM VÀ HOP KIM NHÔM. Mục tiêu: ~ Trình bày được đặc điểm các loại hợp kim nhôm.1 Nhôm Là kim loại màu có ánh kim (ánh bạc), khối lượng riêng là 2,7g/cem* nhẹ hơn sắt 3 lần vì vậy thường được sử dụng trong công nghệ hàng không hoặc vận tải điện năng đi xa.1 Đặc tính chủ yếu Än điện tốt, độ dẫn điện của nhôm bằng 62% của đồng tuy nhiên khối lượng riêng của đồng gắp 3.3 lần của nhôm vì thế để cỏ đặc tính dẫn điện như nhau thì khối lượng dây dẫn bằng nhôm chỉ bằng 1 nửa của dây dẫn đồng. ~ Có tính dẫn nhiệt tốt, thường đùng chế tạo mặt máy động cơ xăng nó tăng khả năng dẫn nhiệt, tăng được tỷ số nén và giảm hiện tượng kích nô.
~ Có tính chống ăn mòn tốt nhở lớp oxit nhôm Al:O; mỏng (khoảng vai A" bao trên b mặt trơ với không khí. Ngày nay bằng kỹ thuật anot hóa có thé tao được lớp oxit nhôm dây hơn có khả năng bảo vệ cao hơn, dùng chế tạo tắm ốp, khung cửa. ~ Độ đãn nở dài lớn (3%), khi đúc nhôm độ co ngót của sản phẩm lớn, khi sử dụng nhôm hợp kim chế tạo pistong của động cơ cần có rãnh chồng bó kẹt, ~ Độ bền của nhôm thấp, độ dẻo cao, khi vặn bu lông mặt máy cần xiết với mô men xiết thấp hơn. “Tính dẻo rất cao, do kiểu mạng A1 rất dễ biến dạng dẻo nhất là khi kéo sợi, dây và cán mỏng thành tắm, lá, băng, màng (foil), ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng (profile) phức tạp rất khác nhau.
Ngoài các ưu việt kẻ trên nó cũng có những đặc tính khác cần phải để ý. ~ Nhiệt độ chảy tương đối thấp (660 C) 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 ~ 400)C. - Độ bn, độ cứng thấp, ở trang thái ù ơy= 60MPa, ơụ› = 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, biển dạng nguội với lượng ép khác nhau là biện pháp, hóa bền thường dùng.
Đề ký hiệu mức độ biển cứng đơn thuần (tăng bên nhờ biển dạng nguội) ở Hoa Kỳ, Nhật và các nước Tây âu thường dùng các ký hiệu Hlx, trong đó x là số chỉ mức tăng thêm độ bền nhờ biển dạng dẻo (x/8): 8 - mức tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng với mức độ biến dạng rất lớn (e = 75%). I - mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến dạng nhỏ.