Nghiên cứu vai trò của silic trong công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 A PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nhôm kim loại quen thuộc đời sống người Khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí vật liệu kim loại đưa lên hàng thứ hai sau thép Sản lượng nhu cầu ứng dụng nhôm so với loại kết cấu khác tăng lên không ngừng, ưu điểm nhôm khối lượng riêng nhỏ, độ dẫn điện, nhiệt dẫn nhiệt cao, khả chống ăn mòn nhiều môi trường tốt Về mặt trữ lượng nhôm nhiều sắt, theo tính toán nhôm chiếm khoảng 8,8% sắt chiếm 5,5% khối lượng vỏ trái đất Vì vậy, ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu tỏ có ưu điểm lớn Chính lí khiến em mạnh dạn chọn đề tài để tìm hiểu nhôm hợp kim nhôm dân dụng thông qua việc tìm hiểu vai trò silic công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng LỊCH SỬ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU Về mặt lịch sử nhôm thuộc loại nguyên tố “trẻ” Nhôm tìm năm 1808, công lao thuộc Davy Nhờ phản ứng hóa học ông tách nguyên tố kim loại nhẹ, có màu sáng gọi tên Alumin Bắt đầu từ năm 30 Trên quy mô công nghiệp phương pháp hóa học, nhiên sản lượng hàng năm nhỏ Tính từ năm 1854 đến 1890 toàn giới sản xuất khoảng 200 nhôm Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Vào năm cuối kỉ XIX nhôm sản xuất phương pháp điện phân dung dịch oxyt nhôm (Al2O3) nóng chảy criolit (Na3AlF6) Nhờ phương pháp sản lượng nhôm tăng lên nhanh chóng Chỉ vòng năm từ 1890 đến 1899 giới sản xuất 28.000 nhôm, riêng năm 1930 sản lượng nhôm đạt 270.000 Năm 1968 sản lượng nhôm 8.386.200 tấn, từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15% năm gần tăng 5% năm Hợp kim nhôm đời vào năm 1906, hợp kim Alfred Wienmer tìm ra, phát triển thành đuyra sở hệ Al–Cu–Mg sử dụng rộng rãi MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu: Tìm hiểu ảnh hưởng số nguyên tố vai trò silic hợp kim nhôm ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu nhôm hợp kim nhôm thông qua mẫu Al–A356 Al–ADC12 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát mẫu nhôm Al–A356 Al–ADC12 Thảo luận kết thu Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 B NỘI DUNG CHƯƠNG NHÔM VÀ MỘT SỐ HỢP KIM CỦA NHÔM 1.1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ NHÔM 1.1.1 Đặc điểm tổ chức Nhôm có số thứ tự 13, thuộc nhóm III bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev Cấu hình điện tử nhôm có dạng sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Bên cạnh oxyt Al2O3 bền xuất hợp chất Al2O, AlF, AlCl ổn định Độ lớn hạt nhôm kết tinh phụ thuộc vào lượng tạp chất, với điều kiện kết tinh nhau, nhôm 99,8% có kích thước hạt từ 1–2 mm, nhôm 99,99% nhận hạt với kích thước tới 10mm Nhôm kết tinh dạng mạng lập phương tâm mặt, chu kì mạng a ~ 0,040431 nm 1.1.2 Tính chất nhôm 1.1.2.1 Tính chất vật lí Nhôm với khối lượng riêng nhỏ 2,7g/cm3 so với sắt nhôm nhẹ khoảng 2,91 lần, tiêu quan trọng đòi hỏi giảm khối lượng chi tiết hệ thống đến mức nhỏ Ví dụ: Các phương tiện giao thông vận tải, ngành hàng không, du hành vũ trụ, vv… Nhôm kim loại có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào độ Nhôm 99,99% nóng chảy 660,24oC nhôm 99,50% nóng chảy 658oC Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Độ dẫn điện, dẫn nhiệt nhôm phụ thuộc vào lượng tạp chất: Nhôm 99,97% dẫn điện khoảng 65,50% so với Cu, nhôm 99,50% dẫn điện hơn, 61,60% Ở 200oC, nhôm 99,49% có độ dẫn nhiệt 0,500 kcal/cm.s.độ; độ tăng lên 99,90%, nhôm có độ dẫn nhiệt 0,820 kcal/cm.s.độ (Độ dẫn diện nhôm khoảng 62% so với đồng Tuy khối lượng riêng đồng lớn khoảng 3,3 lần nên với đặc tính điện giống nhau, truyền cường độ dòng điện nhau, dây dẫn nhôm nhẹ nửa dây đồng, bị nung nóng hơn) 1.1.2.2 Cơ tính Độ bền, cứng nhôm: Phụ thuộc lượng tạp chất trạng thái gia công biến dạng Nhôm 99,996% sau cán nguội có độ bền nhỏ, b = 114,1 Mpa; sau ủ độ bền nhỏ hơn, b = 48,1 Mpa Độ giãn dài tương ứng với hai trạng thái  = 5,5% 48,8% Nhiệt độ kết tinh lại nhôm tương đối thấp phụ thuộc vào độ Sau biến dạng nguội, nhôm 99,994% bắt đầu kết tinh lại 150oC 270oC trình kết tinh lại kết thúc Mạng tinh thể nhôm thuộc loại lập phương tâm mặt, nhôm tương đối dẻo Ở trạng thái ủ nhôm bền, chịu biến dạng nóng nguội tốt Tính chống ăn mòn: Nhôm kim loại có hoạt tính hóa học cao Ở không khí nhôm bị vẻ sáng lóng lánh tạo màng oxyt Al2O3 Màng oxyt nhôm rỗ xốp, độ sít chặt cao liên kết bền với kim loại Chiều dày màng phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ thường màng dày khoảng 5–10 nm; nung lên nhiệt độ cao gần nhiệt độ chảy, chiều dày màng tới 200 nm Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Chính màng oxyt có cấu tạo sít chặt liên kết bền vững với kim loại mà nhôm có tính ổn định chống ăn mòn cao nhiều môi trường hóa học Khả chống ăn mòn nhôm phụ thuộc vào thành phần tạp chất đặc tính môi trường Trong môi trường axit vô cơ, tăng nhiệt độ, tốc độ ăn mòn nhôm tăng lên Ảnh hưởng nồng độ cần phải xét axit cụ thể Ví dụ: Như axit nitric (HNO3) loãng ăn mòn nhôm mạnh đậm đặc Trái lại dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng tác dụng với nhôm yếu Khi tăng nhiệt độ nồng độ dung dịch, tác dụng gây ăn mòn nhôm tăng lên Trong dung dịch axit phôtphoric (H3PO4) trình ăn mòn nhôm xảy chậm; nhôm bị ăn mòn nhanh hỗn hợp HCl HF Khả chống ăn mòn dung dịch kiềm nhôm nhỏ Ví dụ: Xút NaOH gây ăn mòn nhôm nhanh Nhôm tỏ ổn định nhiều dung dịch axit hữu Ở nhiệt độ thường nhôm không tác dụng với nước, nước, khí CO CO2 Nhưng nhiệt độ tăng lên tình hình khác đi: Hơi nước tác dụng với nhôm nhanh vùng nhiệt độ 500oC cao theo phản ứng: 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2 Hyđro tạo phản ứng phần vào khí quyển, phần khuyếch tán vào nhôm So với khí khác, hyđro có khả hòa tan nhôm mạnh Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Độ hòa tan hyđro nhôm tính 100g, biến đổi phụ thuộc vào nhiệt độ trạng thái sau: Ở 350oC hòa tan 0,002 cm3 Ở 660oC thể rắn hòa tan 0,036 cm3 Ở 660oC thể lỏng hòa tan 0,60 cm3 Ở 1000oC hòa tan 3,5 cm3 Sự thay đổi đột ngột độ hòa tan chất khí chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn nguyên nhân gây rỗ xốp kết tinh 1.2 QUY LUẬT TÁC DỤNG CỦA NGUYÊN TỐ HỢP KIM VỚI NHÔM Việc nghiên cứu khả hòa tan nguyên tố hộ kim vào nhôm nguyên tố tạo với nhôm dung dịch rắn hòa tan vô hạn Độ hòa tan tăng lên theo vị trí xếp nguyên tố gần nhôm bảng tuần hoàn Mendeleev Các nguyên tố Bi, Na, Cd, vv… trạng thái lỏng hòa tan có hạn tạo giản đồ dạng đơn tinh Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp Ti, Mo, Cr V tạo giản đồ dạng bao tinh có hợp chất hóa học Các nguyên tố lại tạo với nhôm giản đồ có phản ứng tinh Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 1.1 Các nguyên tố hợp kim thường gặp nhôm Kim loại STT Nhiệt độ nóng Dạng giản đồ pha từ phía Độ hòa tan chảy nhôm cực đại Liti 179 Cùng tinh có HCHH 6,770 Berili 1264 Cùng tinh HCHH 0,050 Bor 2300 Cùng tinh có HCHH 0,050 Natri 11 97,7 Đơn tinh HCHH 0,002 Magie 12 651 Cùng tinh có HCHH 17,400 Siic 14 1440 Cùng tinh HCHH 1,650 Titan 22 1665 Bao tinh có HCHH 0,280 Vanađi 23 1900 Bao tinh có HCHH 0,370 Crom 24 1875 Bao tinh có HCHH 0,720 Mangan 25 1248 Cùng tinh có HCHH 1,400 Sắt 26 1535 Cùng tinh có HCHH 1,400 Niken 28 1455 Cùng tinh có HCHH 0,050 Đồng 29 1083 Cùng tinh có HCHH 5,650 Kẽm 30 419,5 Cùng tinh HCHH 85,200 Ziriconi 40 1852 Bao tinh có HCHH 0,280 Molipđen 42 2625 Bao tinh có HCHH 0,200 Bạc 47 960,5 Cùng tinh có HCHH 55,600 Cadimi 48 320,9 Đơn tinh HCHH 0,450 Thiếc 50 321,9 Cùng tinh HCHH 0,020 Stibi 51 503,5 Cùng tinh có HCHH 0,100 Xeri 58 804 Cùng tinh có HCHH 0,050 Chì 82 327,4 Đơn tinh có HCHH 0,200 Bismut 83 271 Đơn tinh HCHH 0,200 Ghi chú: HCHH hợp chất hóa học 1.3 PHÂN LOẠI VÀ KÍ HIỆU Trong trình nghiên cứu, phát triển hình thành ngày có nhiều hợp kim nhôm đời Để phân loại chúng, người ta vào đặc điểm quan trọng Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Theo tính công nghệ, hợp kim nhôm phân thành hai dạng chính: Hợp kim nhôm biến dạng hợp kim nhôm đúc Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo bán thành phẩm chi tiết gia công áp lực nóng nguội Các hợp kim nhôm dùng để đúc chi tiết có hình dạng công dụng khác Trong số hợp kim nhôm biến dạng người ta phân biệt loại hóa bền nhiệt luyện loại không hóa bền nhiệt luyện Trạng thái gia công thường rõ kèm sau ký hiệu hợp kim quy ước riêng phụ thuộc vào quốc gia tổ chức khác quản lý tiêu chuẩn vật liệu Theo thành phần hóa học, người ta phân hợp kim nhôm thành nhiều hệ, hệ Al có hai nguyên tố hợp kim Một số hệ hợp kim chủ yếu là: Al–Cu, Al–Cu–Mg, Al–Mn, Al–Si, Al–Mg, Al–Mg–Si, Al–Zn–Mg, Al–Li, vv… Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 1.2 Ký hiệu trạng thái gia công hợp kim nhôm Nga Ký Mỹ, Canada Ký Ý nghĩa hiệu Ý nghĩa hiệu Hợp kim nhôm biến dạng: Hợp kim nhôm biến dạng đúc M Ủ mềm F Trạng thái phôi thô T Tôi hóa già tự nhiên O Ủ kết tinh lại T1 Tôi hóa già nhân tạo H Trạng thái biến dạng H Biến cứng H11 Biến dạng với mức biến cứng Biến cứng không hoàn toàn H1 Biến cứng mạnh ( nhỏ H12 Biến dạng với mức 1/4 biến cứng TH Tôi, hóa già tự nhiên, biến H14 Biến dạng với mức 1/2 biến cứng T1H cứng Tôi, biến cứng, hóa già nhân H16 Biến dạng với mức 3/4 biến tạo cứng T1H1 Tôi, biến cứng 20%, hóa già H18 Biến dạng với mức 4/4 biến nhân tạo cứng H19 Biến dạng với mức biến cứng lớn Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 1.2 Ký hiệu trạng thái gia công hợp kim nhôm (tiếp theo) Nga Ký Ký Ý nghĩa hiệu T1 Mỹ, Canda Ý nghĩa hiệu Hợp kim nhôm đúc Hợp kim nhôm biến dạng đúc Hóa già nhân tạo sau đúc H2X Biến dạng ủ hồi phục (X biến đổi từ đến 9) T2 Ủ H3X Biến dạng ổn định hóa (X biến đổi từ đến 9) T4 Tôi T1 Tôi sau biến dạng nóng, hóa già tự nhiên T5 Tôi, hóa già phần T3 Tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên T6 Tôi, hóa già bền cực đại T4 Giống T3 biến dạng nguội T7 Tôi, hóa già ổn định T5 Giống T1 hóa già nhân tạo T8 Tôi, hóa già bền mềm (qua T6 Giống T4 hóa già nhân hóa già) tạo T7 Giống T6 hóa già T8 Tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo T9 Tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội 10 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 3.2 Kết phân tích mẫu nhôm Al–A356 theo phần trăm khối lượng nhiệt độ 250oC Tên nguyên Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Lần 6,96 0,274 0,006 0,006 0,302 0,005 0,005 0,0039 Lần 6,81 0,260 0,003 0,006 0,302 0,004 0,005 0,0038 6,89 0,267 0,005 0,006 0,302 0,005 0,005 0,0039 Pb Sn tố Tên nguyên Ti tố Sr (ppm) Ca Na Al Lần < 0,001 < 0,001 0,104 37,9592 0,0010 0,0018 92,30 Lần < 0,001 < 0,001 0,106 35,1878 0,0009 0,0018 92,47 < 0,001 < 0,001 0,105 36,5735 0,0010 0,0018 92,39 34 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 3.3 Kết phân tích mẫu nhôm Al–A356 theo phần trăm khối lượng nhiệt độ 450oC Tên nguyên Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Lần 6,91 0,278 0,006 0,006 0,323 0,004 0,005 0,0039 Lần 6,95 0,273 0,003 0,006 0,331 0,004 0,005 0,0038 6,92 0,276 0,005 0,006 0,327 0,004 0,005 0,0039 Pb Sn tố Tên nguyên Ti tố Sr (ppm) Ca Na Al Lần < 0,001 < 0,001 0,107 38,3362 0,0011 0,0018 92,32 Lần < 0,001 < 0,001 0,102 34,4913 0,0012 0,0018 92,29 < 0,001 < 0,001 0,105 36,4138 0,0012 0,0018 92,31 35 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 3.4 Kết phân tích mẫu nhôm Al–ADC12 theo phần trăm khối lượng nhiệt độ phòng Tên nguyên Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Lần 10,73 0,67 1,71 0,066 0,162 0,209 0,022 0,022 Lần 10,72 0,68 1,73 0,066 0,165 0,208 0,022 0,022 10,73 0,68 1,72 0,066 0,164 0,209 0,022 0,022 tố Tên nguyên Pb Sn Ti Lần 0,025 0,0091 0,074 Lần 0,024 0,0091 0,025 0,0091 Ca Na Al 0,0011 0,0012 0,0012 86,3 0,072 0,0010 0,0013 0,0013 86,2 0,073 0,0011 0,0013 0,0013 86,3 tố 36 Sr (ppm) Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 3.5 Kết phân tích mẫu nhôm Al–ADC12 theo phần trăm khối lượng nhiệt độ 250oC Tên nguyên Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Lần 10,62 0,66 1,66 0,067 0,162 0,208 0,021 0,022 Lần 10,62 0,67 1,66 0,067 0,162 0,207 0,022 0,023 10,62 0,67 1,66 0,067 0,162 0,208 0,022 0,023 tố Tên nguyên Pb Sn Ti Lần 0,024 0,0084 0,074 Lần 0,024 0,0088 0,024 0,0086 Ca Na Al 0,0011 0,0012 0,0012 86,4 0,074 0,0011 0,0012 0,0012 86,4 0,074 0,0011 0,0012 0,0012 86,4 tố 37 Sr (ppm) Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 3.6 Kết phân tích mẫu nhôm Al–ADC12 theo phần trăm khối lượng nhiệt độ 450oC Tên nguyên Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Lần 10,69 0,66 1,68 0,068 0,162 0,208 0,021 0,022 Lần 10,59 0,67 1,65 0,068 0,163 0,208 0,021 0,022 10,64 0,67 1,67 0,068 0,163 0,208 0,021 0,022 tố Tên nguyên Pb Sn Ti Lần 0,023 0,0089 0,073 Lần 0,023 0,0086 0,023 0,0088 Ca Na Al 0,0010 0,0012 0,0012 86,3 0,073 0,0010 0,0012 0,0012 86,5 0,073 0,0010 0,0012 0,0012 86,4 tố 38 Sr (ppm) Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 3.7 Kết phân tích mẫu nhôm Al–ADC12 theo phần trăm khối lượng nhiệt độ 750oC Tên nguyên Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Cr Lần 9,24 1,040 2,370 0,054 0,695 0,589 0,183 0,0432 Lần 8,27 1,172 2,774 0,059 0,747 0,578 0,209 0,0478 8,76 1,106 2,572 0,056 0,721 0,584 0,196 0,0455 Pb Sn Ti Sr (ppm) Ca Na Al Lần 0,441 0,154 0,095 21382,2 > 0,048 0,0208 < 77,73 Lần 0,493 0,220 0,095 24063,1 > 0,048 > 0,0264 < 76,60 0,467 0,187 0,095 22722,6 > 0,048 > 0,0264 < 77,16 tố Tên nguyên tố 39 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Bảng 3.8 Kết phân tích hàm lượng Si theo nhiệt độ mẫu nhôm Al-ADC12 % Si 10,73 10,64 10,62 8,76 T oC 20 250 450 750 Từ số liệu kết phân tích, đưa giản đồ pha hợp kim Al-Si: T oC 800 L 8,76%Si 700 660,37 α+L 600 577 500 α 400 10,62%Si 300 10,64%Si 200 100 10,73%Si 20 1,65 %Si 12,7 Al 1,5 4,5 7,5 10,5 12 13,5 % Al Hình 3.6 Giản đồ pha hệ Al-Si theo phần trăm khối lượng Si 40 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Nhận xét: Dựa vào giản đồ pha (hình 3.2) ta thấy đường biểu diễn phụ thuộc thành phần khối lượng Si theo nhiệt độ lý thuyết thực nghiệm có dạng gần giống Hàm lượng Si giảm nhiệt độ tăng lên, cụ thể là: Theo lý thuyết nhiệt độ khoảng 577oC hàm lượng Si xấp xỉ 12,7%, nhiệt độ gần đến 600oC hàm lượng Si xấp xỉ 10%, nhiệt độ 600oC chút hàm lượng Si cỡ khoảng 8% Theo kết khảo sát nhiệt độ phòng (20oC) hàm lượng Si mẫu nhôm Al-ADC12 vào khoảng 10,73%, 250oC; 450oC 750oC, hàm lượng Si tương ứng 10,62%; 10,64% 8,76% Dựa vào kết phân tích nhiễu xạ Rơnghen thiết bị (Siemens D5000, X-Ray Lap) ta thấy hợp kim nhôm ADC12 tồn chủ yếu pha Al-Si với tỉ lệ Al3,21 Si0,47, pha Fe-Si với tỉ lệ Fe0,42 Si2,67 Giả sử Fe tạo hợp chất với Si, toàn Si tạo hợp chất với Al theo tính toán ta tìm lượng Al dư lại Al-ADC12 vào khoảng 17,5% Do đồng thời tạo hai pha Al-Si Fe-Si nên dư Si Lượng Al nhiệt độ 200oC 500oC tạo giản đồ pha ba cấu tử hệ Al-Cu-Mg sau: AlCu4,2Mg0,25Mn0,4; AlCu2,6Mg0,35Mn0,1; AlCu4,3Mg0,6Mn0,6 AlCu4,3Mg1,5Mn0,6; AlCu4,0Mg2,0Mn0,6 Hoặc tạo giản đồ pha Al-Zn-Mg nhiệt độ từ 200oC-400oC, %Zn < 8% tỉ số nồng độ kẽm so với magie từ 0,77%-4% 41 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Cu Chiều Chiều 10 Tăng Tăng 20 % % 30 40 Cu Al 50 60 70 80 90 Mg 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Pha Al-Cu4,0-Mg2,0 Chiều tăng % Mg Hình 3.7 Giản đồ pha Al-Cu4,0-Mg2,0 42 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí Al TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 KẾT LUẬN Khóa luận “Nghiên cứu vai trò Silic công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng” giải số vấn đề sau: Thứ nhất: Đã tìm hiểu nhôm số hợp kim nhôm Thứ hai: Đã tìm hiểu vai trò số nguyên tố đặc biệt silic hợp kim nhôm Sự tạo thành siêu cấu trúc Al-Si, Fe-Si có tác dụng tăng độ bền học hợp kim tạo tìm thấy phổ Rơnghen Giản đồ trạng thái hợp kim nhôm siêu cứng, bền nhiệt với tính chất vật lý đặc biệt, nhờ gia giảm hàm lượng nguyên tố doping: Li, Sc, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, La, Ce, Nd, nhiệt độ nóng chảy hợp kim nhôm nâng lên tới 1650oC (với doping Nb), 1580oC (với Zr) Trong nghiên cứu kĩ hợp kim nhôm với kim loại chuyển tiếp Sc, Ti, V, Cr, Mn, Zn, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re , độ hòa tan vào dung dịch rắn nguyên nhiều nguyên tố: Re, Hf, Mn, Cr, W Ít với Sc, Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, chủ yếu hình thành MeAl3, với V, Cr, Mn, Mo chủ yếu hình thành MeAl6, MeAl7, MeAl11 chí MeAl12 43 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Hình 3.8 Đường giới hạn độ hòa tan Zr, Nb, Ta nhôm Hình 3.9 Giản đồ trạng thái hệ Al-Re M.E Dritx.E.X.Kadaner.N.Y.Tyrkina (các giản đồ trạng thái hệ kim loại NXB KHOA HỌC 1968) 44 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Chúng ta nhận thấy với hàm lượng doping thấp chủ yếu hòa tan dung dịch rắn nguyên Khi tăng hàm lượng doping, nhiệt độ nóng chảy tăng lên, thành phần pha rắn nguyên xuất với đa dạng, phức tạp Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lên độ đàn hồi kích thước hạt (diện tích hạt) dải nhiệt độ 300-500oC kích thước hạt nằm khoảng 10-2-10-1 mm2 độ đàn hồi gần tới 100% thay đổi Ở dải nhiệt độ lớn 500oC diện tích hạt trung bình tăng lên đột ngột với đột biến độ đàn hồi xuất dung dịch rắn đa nguyên Hình 3.10 Hợp kim nhôm 99,6% cán nguội + C.C.Gorelik (quá trình tái kết tinh kim loại hợp kim NXB LUYỆN KIM Matxcơva 1967) Các phổ Rơnghen hợp kim nhôm ủ 250, 450 750oC quan sát thấy Pic đặc trưng MeyAlx, đặc biệt 250oC trông thấy Pic 45 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 nhôm Khi tăng nhiệt độ ủ lên tới 750oC đỉnh Pic giảm xuống kèm theo xuất có mặt dung dịch rắn nguyên với Al: Al-Cu-Mg thể tam giác thành phần (hình 3.7) Phụ lục 1, 2, 3, Đề tài đặt nghiên cứu ảnh hưởng silic lên cấu trúc tính chất hợp kim nhôm Phổ Rơnghen cho thấy Si tham gia vào dung dịch rắn AlxSiy FexSiy có kiểu cấu trúc siêu mạng Sự có mặt kiểu cấu trúc dẫn tới cấu trúc kiểu xương cá làm tăng độ đàn hồi hợp kim nhôm Nghiên cứu phụ thuộc vào nhiệt độ diện tích hạt vấn đề lý thú, bổ sung thêm cho việc khẳng định cấu trúc vi mô tổ chức pha hợp kim nhôm Do điều kiện thời gian làm thực nghiệm chưa có số liệu phụ thuộc Thứ ba: Đề tài để lại nhiều khoảng trống: Ảnh hưởng nhiệt độ tới cấu trúc pha hợp kim nhôm Al-A356, Al-ADC12, vv… Các thông số cơ, lí tính hợp kim nhôm cần có phương pháp đo phức tạp quan sát mặt cắt dòng chảy hợp kim nhôm bị nén ép Các thông số sai lệch mạng so sánh với kết phân tích Rơnghen 46 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Tài liệu tham khảo Lê Công Dưỡng (Vật liệu học NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 1997) Nghiêm Hùng (Vật liệu học sở NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2007) Nguyễn Khắc Xương (Vật liệu kim loại màu NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2003) GS TS Phạm Đình Thái - PGS PTS Lê Xuân Khuông - PGS PTS Phạm Kim Đính (Luyện kim loại màu quý NXB GIÁO DỤC – 1996) N.L.GLINKA (Hóa Học Đại Cương BẢN DỊCH TIẾNG VIỆT TẬP 1, NXB ĐẠI HỌC VÀ TRUNG HỌC CHUYÊN NGHIỆP HÀ NỘI – 1988) Nguyễn Thế Khôi – Nguyễn Hữu Mình (Vật lí chất rắn) Lê Quang Minh – Nguyễn Văn Vượng (Sức bền vật liệu tập 1, NXB GIÁO DỤC – 2004) M.E Dritx.E.X.Kadaner.N.Y.Tyrkina (các giản đồ trạng thái hệ kim loại NXB KHOA HỌC 1968) C.C.Gorelik (quá trình tái kết tinh kim loại hợp kim NXB LUYỆN KIM Matxcơva 1967) 47 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2009 Mục lục Trang A.Phần mở đầu B.Nội dung Chương Nhôm số hợp kim nhôm 1.1 Tìm hiểu chung nhôm 1.1.1.Đặc điểm tổ chức 1.1.2.Tính chất nhôm 1.2.Quy luật tác dụng nguyên tố hợp kim với nhôm 1.3.Phân loại ký hiệu 1.4.Nhôm kỹ thuật 15 Chương Vai trò số nguyên tố Silic hợp kim nhôm 16 2.1.Hợp kim nhôm biến dạng 16 2.1.1.Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền nhiệt luyện 16 2.1.2.Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền nhiệt luyện 18 2.2.Hợp kim nhôm đúc 25 Chương Tìm hiểu nghiên cứu hợp kim nhôm 28 3.1.Công nghệ sản xuất nhôm hợp kim 28 3.2.Mẫu nhôm Al-A356 Al-ADC12 30 3.2.1.Máy phân tích phổ phát xạ hồ quang 30 3.2.2.Kết phân tích hai mẫu hợp kim nhôm Al-A356 Al-ADC12 32 Kết luận 43 Tài liệu tham khảo 47 Mục lục 48 48 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí [...]... ký hiệu hợp kim nhôm Tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm Aluminum Association (AA) quy định ký hiệu hợp kim nhôm bằng các con số như bảng sau 11 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Bảng 1.3 Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo Aluminum Association Hợp kim nhôm biến dạng Loại ký Hệ thống hợp kim Al Hợp kim nhôm đúc hiệu 99% Hẹ thống hợp kim Loại ký hiệu 1000 Al sạch công nghiệp... vừa kết tinh ở dạng tấm thô to Trong trường hợp này độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của nhôm cũng bị giảm mạnh 15 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Chương 2 VAI TRÒ CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VÀ CỦA SILIC TRONG HỢP KIM CỦA NHÔM 2.1 HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG Dựa vào khả năng có hoặc không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, người ta phân các hợp kim nhôm biến dạng thành hai nhóm... với hợp kim biến dạng, hợp kim nhôm đúc chứa lượng nguyên tố hợp kim lớn hơn và trong tổ chức của chúng bao giờ cũng có một tỉ lệ đáng kể thành phần cùng tinh Điều này cho phép hạ thấp nhiệt độ chảy và thu hẹp khoảng nhiệt độ kết tinh Dưới đây sẽ trình bày một số dạng hợp kim nhôm đúc điển hình và thông dụng nhất Hệ hợp kim Al-Si: Thành phần cùng tinh ứng với 12,7% Si những hợp kim ứng dụng trong công. .. liên kim loại Al6Mn Pha này khi phân tán nhỏ mịn trong nền dung dịch  sẽ gây hóa bền Độ hòa tan lớn nhất của Mn trong dung dịch rắn  đạt được ở 650oC là 1,8% và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 450oC-650oC Đây đồng thời cũng là vùng nhiệt độ tôi của phần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp Lượng Mn trong các hợp kim nhôm này thông thường dao động trong khoảng từ 1-1,6% nhưng do ảnh hưởng của các hợp. .. nghĩa là hợp kim nhôm đúc, chứa trung bình 12% Si, 1% Mg, 2% Cu và 0,6% Mn Ký hiệu hợp kim nhôm ở các nước trên thế giới rất khác nhau Theo tiêu chuẩn OCT của Nga, nhôm và hợp kim nhôm được ký hiệu bằng sự phối hợp giữa các chữ cái và các con số Tuy nhiên, các ký hiệu này không phản ảnh một quy luật chặt chẽ nào trong toàn bộ hệ thống các hợp kim nhôm Ở các nước như Mỹ, Canada, Nga, người ta sử dụng hệ... già tự nhiên, độ bền hợp kim đạt giá trị cực đại Nhờ đặc điểm này, các chi tiết dù có kết cấu dày, mỏng khác nhau, sau khi đúc một thời gian vẫn đạt được sự đồng đều cơ tính trên toàn bộ thể tích 27 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU NGHIÊN CỨU HỢP KIM NHÔM 3.1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHÔM HỢP KIM Quá trình sản xuất nhôm hợp kim: Nhôm nguyên liệu và các... Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu 7000 Al-Sn 700,0 Al với các nguyên tố khác 8000 800,0 Hệ thống thống nhất của Mỹ (Unified Numbering System, USN) ký hiệu các hợp kim nhôm bằng cách sử dụng ký hiệu số của hiệp hội nhôm với tiếp đầu là A9 đối với hợp kim biến dạng và A0 đối với hợp kim đúc Ký hiệu một số loại nhôm và hợp kim nhôm với thành phần hóa học khác nhau theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và AA 12 Nguyễn Tấn Hải... có thể đưa thêm vào Cu hoặc Mg để tạo ra hợp kim rất có triển vọng ứng dụng trong một số lĩnh vực hiện đại Ưu điểm nổi bật của các hợp kim này là sau tôi và hóa già có hiệu quả hóa bền khá lớn, đặc biệt môđun đàn hồi E đạt trị số vượt trội hẳn so với tất cả các hợp kim nhôm khác (76.000 MPa so với các hợp kim nhôm thông thường là 70.000 MPa) Nếu thêm Cu thì hợp kim sẽ gồm các pha α, θ (CuAl2), AlLi,... có tác dụng tốt làm tăng cơ tính, nhưng nếu vượt quá giá trị này sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim So với những hợp kim hóa bền bằng nhiệt luyện khác, cơ tính của các hợp kim Al-Mg-Si thuộc loại trung bình nhưng tính hàn và gia công áp lực nóng thì trội hơn hẳn Thêm nữa chúng rất ổn định chống ăn mòn trong khí quyển và không nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất Người ta sử dụng hợp kim hệ... gồm các hợp kim không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, độ bền của chúng được cải thiện nhờ các phương pháp như: Biến dạng nguội, hợp kim hóa bền dung dịch rắn hoặc tạo pha thứ hai nhỏ mịn Nhóm thứ hai gồm các hợp kim có thể hóa bền bằng nhiệt luyện, độ bền của chúng tăng lên chủ yếu nhờ tôi và hóa già 2.1.1 Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện Hợp kim hệ Al-Mn: Mn có thể tạo với Al hợp chất ... Nghiên cứu vai trò Silic công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng giải số vấn đề sau: Thứ nhất: Đã tìm hiểu nhôm số hợp kim nhôm Thứ hai: Đã tìm hiểu vai trò số nguyên tố đặc biệt silic hợp kim. .. tính công nghệ, hợp kim nhôm phân thành hai dạng chính: Hợp kim nhôm biến dạng hợp kim nhôm đúc Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo bán thành phẩm chi tiết gia công áp lực nóng nguội Các hợp kim. .. PHẠM HÀ NỘI 2009 Chương VAI TRÒ CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VÀ CỦA SILIC TRONG HỢP KIM CỦA NHÔM 2.1 HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG Dựa vào khả có hóa bền nhiệt luyện, người ta phân hợp kim nhôm biến dạng thành