CHƯƠNG I NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 1. Giới thiệu về nhôm và hợp kim nhôm 1.1 Đặc điểm Sir Humphrey Davy phát hiện của nhôm (Al) đã được đưa ra trong thập kỷ đầu tiên của thế kỷ XIX và đã được Hans Christian Oersted phân tách vào năm 1825. Tuy nhiên nó vẫn là một bí ẩn ở trong phòng thí nghiệm trong suốt 30 năm tiếp theo trước khi thương mại hóa, nhưng mãi cho đến năm 1886 việc khai thác nhôm từ quặng bauxite trở thành một ngành công nghiệp thực sự hữu hiệu. Phương pháp khai thác được đồng thời phát minh bởi Paul Heroult ở Pháp và Charles M.
Hall ở Mỹ và quá trình cơ bản này vẫn còn được sử dụng ngày nay, [2]. Do tính chất phản ứng của nhôm, nhôm không được tìm thấy ở trạng thái kim loại trong tự nhiên nhưng lại có trong lớp vỏ trái đất dưới dạng các hợp chất khác nhau. Điều quan trọng nhất và đa dạng là bô xít. Quá trình chiết xuất bao gồm hai giai đoạn riêng biệt, đầu tiên là tách oxit nhôm, Al2O3 (alumina) từ quặng, thứ hai là sự giảm điện phân của alumina ở nhiệt độ từ 950 °C đến 1000°C trong cryolite (Na3AlF6).
Phương pháp này cho ra một loại nhôm, chứa khoảng 5-10% tạp chất như: silic (Si) và sắt (Fe), sau đó được tinh chế bằng quy trình điện phân hoặc bằng kỹ thuật nóng chảy cục bộ để tạo ra một kim loại với độ tinh khiết đến 99,9%. Vào cuối thế kỷ XX, một lượng lớn nhôm thu được từ rác thải và phế thải thu hồi và tái chế, nguồn này chỉ cung cấp gần 2 triệu tấn hợp kim nhôm mỗi năm ở châu Âu (kể cả Anh). Nhôm nguyên chất thu được là tương đối yếu và do đó hiếm khi được sử dụng, đặc biệt là trong các kết cấu. Để tăng độ bền cơ học, nhôm nguyên chất thường được hợp kim hóa với các kim loại như đồng (Cu), mangan (Mn), magiê (Mg), silic (Si) và kẽm (Zn).
Tuy nhiên, với việc ứng dụng rộng rãi các hợp kim nhôm đồng nghĩa với việc các kỹ sư hàn phải đối mặt với nhiều khó khăn thách thức khi hàn chúng. Để đảm bảo mối hàn có chất lượng cao đòi hỏi đội ngũ kỹ sư hàn có trình độ cao. Nhôm có số thứ tự 13 thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn Mendeleev. Cấu hình điện tử của nhôm có dạng sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3s1.
Điện thế ion hóa của lớp 3p bằng 5,98 eV, của điện tử lớp 3s bằng 18,82 và 28,44 eV. Tương ứng với các điện thế ion ấy, có thể xuất hiện các ion Al+1 và Al+3. Do vậy bên cạnh việc tồn tại oxit Al2O3 rất bền, có thể xuất hiện các hợp chất Al2O3 AlF, AlCl rất kém ổn định. Với nhiệt độ bể điện phân khoảng 950 - 9800C.
Nhôm có cấu trúc mạng tinh thể ở dạng lập phương diện tâm (Al). Nhôm là nguyên tố kim loại tồn tại phổ biến thứ hai trên trái đất sau silic. Năm 3 1886, nhôm được điều chế từ oxit và đã trở thành vật liệu kỹ thuật quan trọng. Do nhẹ, chống ăn mòn trong các môi trường như không khí, nước, dầu và nhiều hóa chất, nhôm được dùng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.
Khối lượng riêng của nhôm chỉ bằng khoảng một phần ba của thép. Tính dẫn điện và dẫn nhiệt của nhôm cao gấp bốn lần của thép. Do đó nhôm được dùng nhiều trong các thiết bị điện thay cho đồng. Nhôm không có từ tính.
Hệ số dãn nở nhiệt của nó gấp 2 lần của thép. Nhôm có độ bền không cao nhôm có tính dẻo tuyệt vời, đặc biệt là ở nhiệt độ dưới 0oC. Có thể tăng độ bền của nhôm thông qua hợp kim hóa, biến dạng ở trạng thái nguội, nhiệt luyện hoặc kết hợp các biện pháp đó. Nhôm có khả năng chống ăn mòn cao do có lớp oxit nhôm bền vững trên bề mặt.
Theo tính công nghệ, hàm lượng hòa tan các nguyên tố hợp kim trong nhôm, có thể chia thành hợp kim đúc (2) và hợp kim biến dạng (1), hình 1. tC L L+α L+β HK AL bieán daïng HK Al ñuùc α α+β HK nhieät luyeän hoùa beàn Al a b % nguyeân toá HK HK AL khoâng hoùa beàn baèng nhieät luyeän Hình 1. 1 Hàm lượng hòa tan các nguyên tố hợp kim trong nhôm Hợp kim biến dạng (1), dưới dạng vật cán, vật rèn được chia thành nhóm có thể nhiệt luyện được (4) và nhóm không thể nhiệt luyện được (3) thuộc hệ Al-Mg-Cu, Al- Zn-Mg, Al-Si-Mg. Hợp kim đúc thuộc hệ Al-Si (hàn được sử dụng chủ yếu để sửa chữa khuyết tật vật đúc hoặc phục hồi sửa chữa chi tiết hỏng hóc trong vận hành).
Hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện được chứa các nguyên tố hợp kim như Si, Mn, Mg. Các nguyên tố này làm tăng độ bền thông qua sự hình thành các dung dịch đặc hoặc các pha phân tán. Trong các nguyên tố kể trên Mg là nguyên tố có hiệu quả nhất, do đó hợp kim Al- Mg có độ bền cao cả trong trạng thái ủ. Mọi hợp kim nhôm thuộc nhóm không thể nhiệt luyện được đều biến cứng (kèm theo suy giảm tính dẻo) khi bị biến dạng ở trạng thái nguội.
Hợp kim thuộc các hệ Al- Mg, Al- Mn đều dễ hàn. Sau khi ủ, chúng có thể trở lại cơ tính ban đầu hợp kim nhôm loại này nếu được hàn sau khi đã qua biến cứng nguội, có thể có độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt thấp như của 4 kim loại cơ bản sau khi ủ. Nhôm, hợp kim Al- Mg và hợp kim Al- Mn đều dễ hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng cả điện cực nóng chảy lẫn điện cực không nóng chảy (riêng với hợp kim đúc Al- Si thì còn cần phải sử dụng các quy trình đặc biệt). Mọi hợp kim nhôm loại biến dạng không hóa già đều được sử dụng ở trạng thái ủ, vì vậy chu trình nhiệt hàn không làm giảm độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt.
Với hợp kim hóa già, chu trình nhiệt hàn làm xuất hiện các hợp chất giữa các kim loại (mang tính không liền mạng) tại vùng ảnh hưởng nhiệt, làm giảm độ bền tại đó (còn 60÷70% so với kim loại cơ bản). Vì vậy hợp kim nhôm loại này không nên hàn. Chỉ nên hàn nếu sau khi hàn có thể nhiệt luyện (tôi + hóa già nhân tạo) để phục hồi cơ tính vùng ảnh hưởng nhiệt. - Nhôm là một kim loại nhẹ khối lượng riêng 2,7 g/cm3 nhiệt độ nóng chảylà 6570 C, độ dẫn điện cao hơn thép 3 lần.
- Nhôm hoạt động hoá học mạnh rất dễ bị Oxi hoá tạo thành Oxit nhôm nhất là ở nhiệt độ cao. - Oxit nhôm tạo ra có cơ tính cao hơn nhôm nhiều chính vì thế các đồ dùng hàng ngày mới có khả năng chịu được nhiệt độ. - Lớp màng Al2O3 có độ nóng chảy rất cao (20000C). - Khi nóng chảy nhôm không bị biến màu đây là một đặc điểm rất quan trọng.
- Trong thực tế người ta dùng hợp kim của nhôm, chúng có độ bền cao hơn nhôm nhiều chính vì thế chúng được ứng dụng rộng rãi. - Trong hợp kim nhôm: AlMn có chứa 1(1,6% Mn; AlMg có chứa 6% Mg còn lại là nhôm). - Hợp kim của nhôm được dùng rộng rãi nhất là AlMg và AlMn. - Hợp kim duyara có cơ tính cao, nhẹ do đó được dùng rộng rãi trong ngành hàng không, thành phần gồm: Al, Cu, Mg, Mn.
- Những loại hợp kim này sau khi tôi luyện có độ bền lớn = 42 (46 kG/mm3) - Nhôm nguyên chất và hợp kim nhôm Mg, Mn đều có tính hàn tốt nhưng hợp kim Duyara có tính hàn xấu độ bền kim loại mối hàn nhỏ hơn độ bền của kim loại cơ bản tới 2 lần, rất dễ xuất hiện vết nứt. - Các hợp kim nhôm hầu như được hàn bằng các quá trình có khí trơ bảo vệ, tức là hàn TIG và MIG, do chúng không cần chất trợ dung vẫn đảm bảo chất lượng mối hàn tối ưu ở mọi vị trí vì không có xỉ - Khi hàn nhôm phải sử dụng dòng điện AC, do có thể kết hợp khả năng dẫn điện, tính điều khiển hồ quang, tác dụng làm sạch mép hàn. Nguồn điện thường là biến áp hàn một pha, ba pha với điện áp hở mạch 80 ÷100V. - Khi áp dụng hàn TIG cho hợp kim nhôm, có thể xuất hiện vết trắng dọc theo đường hàn.
Nếu vệt trắng có chiều rộng không quá 0,1 mm thì lớp khí bảo vệ là đủ, 5 nếu rộng hơn thì lượng khí quá nhiều và lãng phí vì argon là loại khí đắt. - Nhôm có tính dẫn điện tốt, do đó cần phải nung nóng trước cho kim loại nền có chiều dầy lớn hơn 6,3 mm. Khi hàn phẳng cho chi tiết có chiều dầy 9,5mm nhiệt độ nung nóng là 2000C.2 Phân loại nhôm và hợp kim nhôm Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1859-75), [55] quy định ký hiệu các hợp kim nhôm như sau: bắt đầu bằng ký hiệu Al tiếp sau là ký hiệu các nguyên tố hợp kim chính sau đó là phụ, các con số sau các ký hiệu chỉ hàm lượng theo phân trăm tương ứng nếu là hợp kim đúc ở mỗi ký hiệu đặt thêm chữ Đ ví dụ: AlMg5 là Hợp kim nhôm biến dạng có hàm lượng trung bình 5% Mg; AlSi12Mg1Cu2Mn0, 6Đ là hợp kim nhôm đúc chứa trung bình 12% Si; 1% Mg; 2% Cu; 0,6% Mn. 1 Kí hiệu nhôm và hợp kim nhôm Hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm đúc Hệ thống hợp kim Kí hiệu Hệ thống hợp kim Kí hiệu Al ≥ 99% 1000 Al sạch công nghiệp 100,0 Al-Cu và Al-Cu-Mg 2000 Al-Cu 200,0 Al-Mn 3000 Al-Si-Mgvà Al-Si-Cu 300,0 Al-Si 4000 Al-Si 400,0 Al-Mg 5000 Al-Mg 500,0 AL-Mg-Si 6000 Al-Zn 700,0 Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu 7000 Al-Sn 800,0 Al các nguyên tố khác 8000 Các nước Mỹ, Canađa cả Liên Bang nga ngày nay sử dụng hệ thống ký hiệu gồm các con số (thường gồm 4 chữ số) để ký hiệu nhôm Bảng 1.
2 Kí hiệu hợp kim nhôm theo TCVN Hệ hợp kim Kí hiệu Thành phần TCVN AA 6 Hợp kim biến dạng Al sạch Al 99,60 1060 99,6Al Công nghiệp Al 99,00 1100 99,0Al Al-Cu AlCu4,4Mg0,5Mn0,8 2014 4,4Cu-0,5Mg-0,8Mn Al-Cu-Mg AlCu4,4Mg1,5Mn0,6 2024 4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn Al-Mn AlMn1,2 3004 1,2Mn-0,12Cu Al-Mg AlMn1,4 5050 Al-Mg-Si AlMn1Si0,6 6061 1Mg5,5Si-0,2Cr-0,3Cu Al-Zn-Mg Al Zn4,5 Mg 1,4 7005 4,5Zn-1,4Mg-0,12Cr 0,4 Mn-0,15Zr Al-Zn-Mg-Cu Al Zn 5,6 Mg 2,5 Cu 1,6 7075 5,6 Zn-2,5Mg-1,6Cu Hợp kim nhôm đúc Al-Cu Al Cu 4,5Đ 295,0 4,5 Cu-1Si Al-Si-Cu Al-Si 5,5 Cu4,5Đ 308,0 5,5Si -4,5 Cu Al-Si-Mg Al Si 5,5Cu 4,5 Đ 356,0 7 Si-0,3Mg Al-Si-Mg-Cu Al Si 12 Mg 1,3 Cu 4 M 356,0 12Si-1,3 Mg-2Cu 0,6 0,6Đ Mn-1Ni-0,2Ti + Tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm AA(Aluminum Association) qui định kí hiệu hợp kim nhôm bằng các con số theo bảng 1.