chương 1: MH 09 - 01 Mục tiêu: ~ Vẽ và giải thích được giản đồ nhôm - silic - Trinh bảy được đặc điêm, phân loại và ký hiệu các loại hợp kim nhôm ~ Nhận dạng hợp kim nhôm - Tuân thủ các quy định, quy phạm về vật liệu học.1 GIẢN ĐỎ NHÔM Mục tiêu: ~ Vẽ và giải thích được giản đồ nhôm - silic 1.1 Giản đồ nhôm — nguyên tố hợp kim 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. 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 thế ơ nền AI, khi vượt quá giới hạn hòa tan (đường CF) sẽ tạo thêm pha thứ hai (thường là hợp chất hóa học của hai nguyên tó), 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 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. T° L+ Pha thử I Hop kim AL dae Ø + Pha thứ II AL nak - Cc % ên tô hợi —44 {~.
Không hoá bên được T6 Hồ hộp kì : bằng nhiệt lu Hình 1.1 Góc nhôm của giản đỗ pha AI - nguyên tổ hợp kim. 6 - Hop 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 tô chức hoàn toàn là dung dịch rán 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 ang 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 chuyên biến pha nên không thé 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 tô 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, €'), có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tô 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 biến dang déo 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.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% 6 659°C va 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, Sĩ độ hòa tan của Mn trong ơ giảm rất nhanh (ví dụ với 0,1%Fe va 0,65%Si 6 500°C nhôm chỉ hòa tan được 0,05đ%Mn), hầu như không có biến đổi giới hạn hòa tan mangan theo nhiệt độ, nên hệ này chỉ có thê hóa bền được bằng biến Về cơ tính, hợp kim biến dạng hệ AI - Mn rất nhạy cảm với biến dang ội (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 déo, được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm khác nhau (lá mỏng, thanh, dây, hình, ống.) chống ăn mòn tốt trong khí quyền và dễ hàn, được dùng dé thay thế các mác AA Ixxx khi yêu cầu cơ tính cao hơn.3 Giản đồ hợp kim nhôm — magié Như đã thấy từ giản đồ pha AI - Mẹ, giới hạn hòa tan của Mg trong AI thay đổi mạnh theo nhiệt độ: 15% ở 4519C, không đáng kẻ ở nhiệt độ thường, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố này kết hợp với nhau thành Mg›Al: (pha ƒ trên giản đò) 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 suat).
Vi vay sau khi biến dạng nguội hợp kim được ủ ôn định hóa ở trên dưới 300°C để tránh sự kết tụ của hợp chất trên tại biên giới. Để tránh tạo nên lưới MgaAl› 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 đễ bị ăn mòn hơn, với các mác điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454.4 Giản đồ hợp kim 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 nhát, tô chức hầu như là cùng tỉnh với tính Hình 1.2 Góc AI của giản đồ AI — Sỉ (đường chắm chấm ứng với khi biến tính) đúc tốt nhất, Tuy vậy khi đúc thông thường.
dễ bị tổ chức cùng tỉnh thô và tỉnh thể silic thứ nhất (trước cùng tỉnh) như biểu thị ở hình 1.3a, trong đó Sỉ thứ nhất thô to và Sỉ cùng tỉnh ở dạng kim như là vêt nứt bên trong trong lòng dung dịch rắn œ (thực chất là nhôm nguyên chất với cơ tính rất thấp, ơy = 130MPa,ð = 3%). Nếu qua biến tính bằng muối Na (2/3NaF + 1/3NaCl) voi tỷ lệ (0,05 + 0,08)%, điểm cùng tỉnh sẽ hạ thấp xuống khoảng (10 + 20)C va dịch sang phải, như vậy hợp kim luôn luôn là trước cùng tỉnh với tô chức œ và cùng tinh (a + Si), trong đó nhờ. kết tỉnh với uá nguội lớn hơn nên Sỉ trong cùng tỉnh rất nhỏ mịn (hạt tròn, nhỏ) như biêu thị ở hình 1.3b, làm cải thiện mạnh cơ tính, ø, = I80MPa, 8 = 8%. Tuy nhiên ngay với cơ tính như vậy cũng không đáp ứng được yêu cầu thực tế nên thường ít sử dụng.
Trong thực tê thường sử dụng các silumin phức tạp tức ngoài Sỉ ra còn có thêm Mg.3 Tổ chức tế vi của hợp kim Al - (10 + 13) %Si: a. không biến tính, __ b. có qua biển tinh 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;Si nên hệ Al-Si-MẸ (ví dụ mác AA 356.0) phải qua nhiệt luyện hóa bền. 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 phần gần với cùng tỉnh AI-Si-Cu) nên được dùng nhiều trong đúc piston (AA 390.0, AJI26), nip may (A114) của động cơ đốt trong.
Hợp kim nhôm còn được dùng làm ỏ 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 CUA NHOM VA HOP KIM NHOM Mục tiêu: ~ Trình bày được đặc điềm các loại hợp kim nhôm.1 Nhôm Là kim loại màu có ánh kim (ánh bạc), khối lượng riêng là 2,7g/cm” 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. - Dẫn điện tốt, độ dẫn điện của nhôm bằng 62% của đồng tuy nhiên khối lượng riêng của đồng gấp 3,3 lần của nhôm vì thế để có 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 dùng 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 nhờ lớp oxit nhôm AlO: mỏng (khoảng vài A? bao trên bề mặt trơ với không khí. Ngày nay bằng kỹ thuật anot hóa có thê tạo được lớp oxit nhôm dày hơn có khả năng bảo vệ cao hơn, dùng chế tạo tắm óp, khung cửa. ~ Độ dãn 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 chống 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 AI 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 rat khác nhau. Ngoài các ưu việt kế trên nó cũng có những đặc tính khác cần phải đề ý.
~ Nhiệt độ chảy tương đối tháp (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 bên, độ cứng thấp, ở trạng thái ủ ø,= 60MPa, 692 = 20MPa, HB 25. Tuy nhiên do có kiểu mạng AI 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. Dé ky 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 HIx, 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 (e= 75%). ! - mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến dạng nhỏ.