CHƯƠNG 6 HỢP KIM MÀU VÀ BỘT

253 Ch!ơng hợp kim màu bột Trong ch!ơng khảo sát hợp kim sở sắt hay theo cách gọi thông dụng n!ớc ta nh! số n!ớc hợp kim màu hợp kim đ!ợc chế tạo theo ph!ơng pháp bột, ph!ơng pháp cấu tử đ!ợc trộn lẫn cách học trạng thái rắn (khác với theo ph!ơng pháp truyền thống đ học trộn lẫn nấu chảy) Tuy hai loại hợp kim không đ!ợc dùng với khối l!ợng lớn nh! thép, gang song tỷ lệ chúng ngày tăng có đặc tính sử dụng công nghệ !u việt số tr!ờng hợp 6. Hợp kim nhôm Về ph!ơng diện sản xuất ứng dụng, nhôm hợp kim nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép Sở dĩ nh! vật liệu có tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, số tr!ờng hợp đem lại hiệu kinh tế lớn, thay đ!ợc 6.. Nhôm nguyên chất phân loại hợp kim nhôm a Các đặc tính nhôm nguyên chất Nhôm kim loại có nhiều đặc tính trội - Khối l!ợng riêng nhỏ (2,7g/cm3), khoảng #/3 thép Chính nhờ !u điểm mà ng!ời ta !u tiên xét sử dụng phải giảm nhẹ tối đa khối l!ợng hệ thống hay kết cấu (nh! hàng không, vận tải để tiết kiệm l!ợng phải tìm cách giảm tải trọng không tải, tăng tải trọng có ích) - Tính chống ăn mòn định khí nhờ luôn có lớp màng ôxyt (Al2O3), xít chặt bám vào bề mặt Để tăng tính chống ăn mòn khí ng!ời ta làm cho lớp bảo vệ dày lên cách anod hóa, nhờ nhôm hợp kim nhôm dùng xây dựng, trang trí nội thất mà không cần bảo vệ - Dẫn điện cao, 62% đồng nh!ng khối l!ợng riêng ch!a #/3 nên với đặc tính truyền điện nh! truyền dòng điện có c!ờng độ nh! nhau, dây dẫn nhôm nhẹ nửa dây đồng, lại bị nung nóng - Tính dẻo cao, kiểu mạng A# dễ biến dạng dẻo kéo sợi, dây cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng (foil), ép chảy thành dài với biên dạng (profile) phức tạp khác Ngoài !u việt kể có đặc tính khác cần phải để ý - Nhiệt độ chảy t!ơng đối thấp (660oC) mặt làm dễ dàng cho nấu chảy đúc, nh!ng làm nhôm hợp kim không sử dụng đ!ợc nhệt độ cao 300 ữ 400oC - Độ bền, độ cứng thấp, trạng thái ủ b = 60MPa, 0,2 = 20MPa, HB 25 Tuy nhiên có kiểu mạng A# có hiệu ứng hóa bền biến dạng lớn, nên nhôm hợp kim nhôm, biến dạng nguội với l!ợng ép khác biện pháp hóa bền th!ờng dùng 254 Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn (tăng bền nhờ biến dạng nguội) Hoa Kỳ, Nhật n!ớc Tây âu th!ờng dùng ký hiệu H#x, x số mức tăng thêm độ bền nhờ biến dạng dẻo (x/8): - mức tăng toàn phần (8/8 hay #00%), ứng với mức độ biến dạng lớn ( = 75%), # - mức tăng (#/8 hay #2,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến dạng nhỏ, 2, 4, - mức tăng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so với mức toàn phần), ứng với mức độ biến dạng t!ơng đối nhỏ, trung bình, lớn, - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng > 75% Nh! tính nhôm hợp kim dạng bán thành phẩm phụ thuộc nhiều vào trạng thái biến dạng Trong sản xuất khí th!ờng dùng hợp kim nhôm qua nhiệt luyện biến dạng dẻo có độ bền không thua thép cacbon Do công nghiệp, nhôm nguyên chất đ!ợc sử dụng chủ yếu để truyền tải điện đ!ờng trục chính, để tăng độ bền dây dẫn ng!ời ta th!ờng ghép thêm dây thép để chịu lực (đ!ợc gọi cáp nhôm) Nhôm nguyên chất đ!ợc sử dụng nhiều làm đồ gia dụng b Hợp kim nhôm phân loại Để có độ bền cao ng!ời ta phải hợp kim hóa nhôm tiến hành nhiệt luyện, hợp kim nhôm có vị trí quan trọng chế tạo khí xây dựng Hình 6. Góc nhôm giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim Khi đ!a nguyên tố hợp kim vào nhôm (ở trạng thái lỏng) th!ờng tạo nên giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim nh! biểu thị hình 6.#, tiên (khi l!ợng ít) nguyên tố hợp kim hòa tan vào Al tạo nên dung dịch rắn thay Al, v!ợt giới hạn hòa tan (đ!ờng CF) tạo thêm pha thứ hai (th!ờng hợp chất hóa học hai nguyên tố), sau v!ợt giới hạn hòa tan cao (điểm C hay C) tạo tinh dung dịch rắn pha thứ hai kể Do dựa vào giản đồ pha nh! hệ hợp kim nhôm đ!ợc phân thành hai nhóm lớn biến dạng đúc 255 - Hợp kim nhôm biến dạng hợp kim với hàm l!ợng thấp nguyên tố hợp kim (bên trái điểm C, C) tùy thuộc nhiệt độ có tổ chức hoàn toàn dung dịch rắn nhôm nên có tính dẻo tốt, dễ dàng biến dạng nguội hay nóng Trong loại chia hai phân nhóm không có hóa bền đ!ợc nhiệt luyện + Phân nhóm không hóa bền đ!ợc nhiệt luyện loại chứa hợp kim (bên trái F), nhiệt độ có tổ chức dung dịch rắn, chuyển biến pha nên hóa bền đ!ợc nhiệt luyện, hóa bền biến dạng nguội mà + Phân nhóm hóa bền đ!ợc nhiệt luyện loại chứa nhiều hợp kim (từ điểm F đến C hay C), nhiệt độ th!ờng có tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ hai), nh!ng nhiệt độ cao pha thứ hai hòa tan hết vào dung dịch rắn, tức có chuyển pha, nên biến dạng nguội hóa bền thêm nhiệt luyện Nh! hệ hợp kim với độ hòa tan nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ có đặc tính - Hợp kim nhôm đúc hợp kim với nhiều hợp kim (bên phải điểm C, C), có nhiệt độ chảy thấp hơn, tổ chức có tinh nên tính đúc cao Do có nhiều pha thứ hai (th!ờng hợp chất hóa học) hợp kim giòn hơn, biến dạng dẻo đ!ợc Khả hóa bền nhiệt luyện nhóm có không cao biến đổi mạnh tổ chức nung nóng Ngoài hợp kim sản xuất theo ph!ơng pháp truyền thống nh! có hợp kim nhôm đ!ợc chế tạo theo ph!ơng pháp không truyền thống, hợp kim bột (hay thiêu kết) hợp kim nguội nhanh c Hệ thống ký hiệu cho hợp kim nhôm Để ký hiệu hợp kim nhôm ng!ời ta th!ờng dùng hệ thống đánh số theo AA (Aluminum Association) Hoa kỳ xxxx cho loại biến dạng xxx.x cho loại đúc, đó: - Số có ý nghĩa sau Loại đúc Loại biến dạng #xxx - nhôm ( 99,0%), #xx.x - nhôm thỏi th!ơng phẩm, 2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg, 2xx.x - Al - Cu, 3xxx - Al - Mn, 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu, 4xxx - Al - Si, 4xx.x - Al - Si, 5xxx - Al - Mg, 5xx.x - Al - Mg, 6xxx - Al - Mg - Si, 6xx.x - không có, 7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu, 7xx.x - Al - Zn, 8xxx - Al - nguyên tố khác 8xx.x - Al - Sn - Ba số đ!ợc tra theo bảng tiêu chuẩn cụ thể Để ký hiệu trạng thái gia công hóa bền, n!ớc ph!ơng Tây th!ờng dùng ký hiệu sau F: trạng thái phôi thô, O: ủ kết tinh lại, H: hóa bền biến dạng nguội, H#x (x từ # đến 9): túy biến dạng nguội với mức độ khác nhau, H2x (x từ đến 9): biến dạng nguội ủ hồi phục, H3x (x từ đến 9): biến dạng nguội ổn định hóa, T: hóa bền + hóa già, T#: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên, 256 T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên, T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu cuối T3), T5: biến dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T#), T6: tôi, hóa già nhân tạo (đoạn đầu giống T4), T7: tôi, hóa già, T8: tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3), T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội (hai đoạn đầu giống T6) (ngoài Txx, Txxx, Txxxx) TCVN #659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm đ!ợc bắt đầu Al lần l!ợt ký hiệu hóa học nguyên tố hợp kim số % nó, hợp kim đúc sau có chữ Đ Ví dụ AlCu4Mg hợp kim nhôm chứa ~4%Cu, ~#%Mg Với nhôm Al số phần trăm nó, ví dụ Al99, Al99,5 6..2 Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền đ!ợc nhiệt luyện a Nhôm Nhôm hay xác nhôm th!ơng phẩm có 99,0%Al với hai mác điển hình AA#060 AA##00 trạng thái ủ có độ bền thấp, mềm nh!ng dẻo, dễ biến dạng nguội, nhờ giới hạn chảy tăng lên mạnh (2 đến lần) cứng lên nhiều Nhờ có tính chống ăn mòn định (do độ cao), chúng đ!ợc dùng công nghiệp hóa học, thực phẩm, đông lạnh, làm thùng chứa (#060), ốp xây dựng Để làm dây (trần, bọc) hay cáp điện dùng AA#350 Tạp chất có hại nhôm nguyên chất Fe Si (khi có mặt với Fe) tạo nên pha giòn FeAl3, pha , hợp chất Fe, Si (với công thức khác nhau) b Hợp kim Al - Mn Hình 6.2 Góc Al giản đồ pha Al - Mn Theo giản đồ pha Al - Mn (hình 6.2), giới hạn hòa tan cao Mn Al (dung dịch rắn ) #,8% 659oC giảm nhanh theo nhiệt độ, v!ợt giới hạn hòa tan hai nguyên tố kết hợp với thành Al6Mn Với thành phần nh! dùng với #,0 ữ #,6%Mn phải thuộc hệ hóa bền đ!ợc nhiệt luyện, song thực tế tạp chất th!ờng có Fe, Si độ hòa tan Mn giảm nhanh (ví dụ với 0,#%Fe 0,65%Si 500oC nhôm 257 hòa tan đ!ợc 0,05%Mn), hầu nh! biến đổi giới hạn hòa tan mangan theo nhiệt độ, nên hệ hóa bền đ!ợc biến dạng nguội Về tính, hợp kim biến dạng hệ Al - Mn nhạy cảm với biến dạng nguội (giới hạn chảy tăng ữ lần) có nhiệt độ kết tinh lại tăng lên, hình thành pha dạng nhỏ mịn, phân tán Hợp kim Al - Mn dễ biến dạng dẻo, đ!ợc cung cấp d!ới dạng bán thành phẩm khác (lá mỏng, thanh, dây, hình, ống ), chống ăn mòn tốt khí dễ hàn, đ!ợc dùng để thay mác AA #xxx yêu cầu tính cao c Hợp kim Al - Mg Nh! đ thấy từ giản đồ pha Al - Mg (hình 6.3), giới hạn hòa tan Mg Al thay đổi mạnh theo nhiệt độ: #5% 45#oC, không đáng kể nhiệt độ th!ờng, v!ợt giới hạn hòa tan hai nguyên tố kết hợp với thành Mg2Al3 (pha giản đồ) song lại phân bố biên hạt với dạng liên tục, tác hại mạnh đến tính chống ăn mòn (gây ăn mòn tinh giới ăn mòn d!ới ứng suất) Vì sau biến dạng nguội hợp kim đ!ợc ủ ổn định hóa (H3) d!ới 300oC để tránh kết tụ hợp chất biên giới Để tránh tạo nên l!ới Mg2Al3 ng!ời ta th!ờng dùng < 4%Mg (trong số tr!ờng hợp đặc biệt lên tới ữ 7% đạt độ bền cao nh!ng dễ bị ăn mòn hơn) với mác điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454 Đặc tính mác là: - nhẹ số hợp kim nhôm có độ bền khá, cải thiện biến dạng nguội, - khả biến dạng nóng, nguội hàn tốt, - tính chống ăn mòn tốt cải thiện anod hóa Hình 6.3 Góc Al giản đồ pha Al - Mg 6..3 Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền đ!ợc nhiệt luyện Đây phân nhóm hợp kim nhôm quan trọng nhất, có tính cao không thua thép cacbon a Hệ Al - Cu Al - Cu - Mg Hợp kim AlCu4 nhiệt luyện hóa bền Để xét nhiệt luyện hóa bền hệ Al - Cu nói riêng hệ hợp kim nhôm khác nói chung, hy xét chế hóa bền nhiệt luyện hợp kim Al chứa 4%Cu 258 Bảng 6. Thành phần hóa học (%) tính hợp kim nhôm theo AA Mác nhôm -#, , b, 0,2, min, min, min, min, MPa % MPa MPa Biến dạng không hóa bền đ!ợc nhiệt luyện Thành phần hóa học ##00 Al 99,0 (Fe+Si) #,633 tức mặt đáy xa hơn, lực liên kết chúng yếu tr!ợt chủ yếu đ!ợc tiến hành chuyển dời t!ơng đối mặt nên số hệ tr!ợt bị hạn chế Nh!ợc điểm titan môđun đàn hồi thấp (nhỏ sắt, niken khoảng hai lần) hạn chế sử dụng làm kết cấu cứng vững 6.4.2 Hợp kim titan a Tác dụng nguyên tố với titan Theo tác dụng hòa tan vào dung dịch rắn nguyên tố d!ợc chia thành hai nhóm: thay xen kẽ Các kim với đ!ờng kính nguyên tử nhỏ (C, O, N, H) tạo nên với titan dung dịch rắn xen kẽ, gây hóa bền nâng cao độ bền, độ cứng, nh!ng đồng thời làm giảm mạnh độ dẻo, nên ng!ời ta coi chúng tạp chất có hại cần loại bỏ Các nguyên tố kim loại (Al, Cr, Mn, Mo, V ) có khả tạo nên với titan dung dịch rắn thay thế, chúng hóa bền titan nh!ng không làm giảm mạnh độ dẻo độ dai, nên đ!ợc coi tạp chất có lợi hay nguyên tố hợp kim Theo ảnh h!ởng đến chuyển biến thù hình titan, tất nguyên tố hợp kim đ!ợc chia thành ba nhóm: mở rộng , mở rộng trung tính nh! biểu thị hình 6.#5 Hình 6.#5a trình bày dạng giản đồ pha Ti - nguyên tố hợp kim mở rộng vùng Ti Các nguyên tố thuộc nhóm có Al, O, N, có Al đ!ợc sử dụng thực tế hai nguyên tố lại làm giòn titan Th!ờng dùng với l!ợng Al giới hạn hòa tan dung dịch rắn (2 ữ 6,5%) có tác dụng làm giảm khối l!ợng riêng, tính giòn hyđrô, nâng cao môđun đàn hồi, độ bền, tính bền nóng Loại hợp kim không hóa bền đ!ợc nhiệt luyện Đáng ý nguyên tố tạo nên với titan dạng giản đồ pha mở rộng khu vực Ti nh! trình bày hình 6.#5b c, hợp kim hóa bền đ!ợc nhiệt luyện Một số nguyên tố có kiểu mạng lập ph!ơng tâm khối nh! 273 Mo, V, Ta, Nb có khả hòa tan vô hạn vào Ti tạo dung dịch rắn vô hạn (hình 6.#5b) Một số nguyên tố khác nh! Cr, Fe, Ni, W, Cu, Mn có mở rộng vùng nh!ng không tạo đ!ợc vùng dung dịch rắn vô hạn, pha chuyển biến tích thành hỗn hợp [ + ], pha phức tạp (ví dụ nh! pha Laves TiCr2 hệ Ti - Cr hình 5.#5c) Các nguyên tố đáng ý nhóm Mo, V, Cr, Mn nguyên tố hợp kim, % Hình 6.5 Sơ đồ dạng giản đồ pha Ti - nguyên tố hợp kim: a mở rộng Ti, b mở rộng Ti, c mở rộng Ti có tạo thành tích, d trung tính Các nguyên tố Sn, Zr, Hf, Th hầu nh! không ảnh h!ởng đến nhiệt độ chuyển biến thù hình, tạo nên với Ti dạng giản đồ pha nh! biểu diễn hình 6.#5d Tuy không ảnh h!ởng đến chuyển biến pha, song số nguyên tố nhóm hòa tan vào Ti Ti có làm thay đổi số tính chất titan Sn hóa bền hợp kim titan mà không làm giảm nhiều độ dẻo, Zr nâng cao giới hạn độ bền mỏi b Nhiệt luyện hóa bền Nhiệt luyện hóa bền hợp kim titan bao gồm hóa già Đối với hợp kim có dạng giản đồ pha hình 6.#5b, hóa già áp dụng cho thành phần có tổ chức + Khi tôi, ng!ời ta nung nóng hợp kim đến trạng thái làm nguội nhanh n!ớc (trong số tr!ờng hợp để tránh phát triển mạnh hạt trạng thái , cần nung nóng đến trạng thái + ) Kết tạo nên mactenxit - dung dịch rắn bo hòa nguyên tố hợp kim Ti, tổ chức tế vi có dạng hình kim Tuy tinh thể mactenxit có độ cứng độ bền cao dung dịch rắn cân song hóa bền tr!ờng hợp nhiều so với chuyển biến mactenxit thép Quá trình hóa bền chủ yếu xảy hóa già (ram), lúc từ mactenxit tiết pha đ!ợc hỗn hợp pha phân tán , lúc độ bền, độ cứng tăng lên song độ dẻo độ dai giảm Chuyển biến mactenxit xảy hợp kim chứa nguyên tố hợp kim thấp giá trị nồng độ tới hạn Nồng độ tới hạn nguyên tố nh! 274 sau: V - #5%, Mo - ##%, Mn - 8%, Cr - 6%, Fe - 4% Lớn giá trị điểm bắt đầu chuyển biến mactenxit giảm thấp nhiệt độ th!ờng, nên chuyển biến mactenxit không xảy Đối với hợp kim có dạng giản đồ pha nh! hình 6.#5c, hóa già áp dụng cho thành phần tr!ớc tích Khi nung nóng hợp kim đến trạng thái Các hợp kim titan th!ờng dùng có nhiệt độ khoảng 800 ữ 9500C hóa già 450 ữ 6000C Không hóa già nhiệt độ thấp (ví dụ 300 ữ 3500C) lúc tạo nên pha giòn Để nâng cao tính chống mài mòn hợp kim titan, áp dụng thấm nitơ, bề mặt đạt độ cứng HV #200 ữ #500 c Các mác công dụng Th!ờng dùng hợp kim titan với Al nguyên tố mở rộng vùng : V, Mo (không tạo thành tích), Cr, Mn, Fe (tạo tích) Bảng 6.4 6.5 trình bày thành phần hóa học tính số mác hợp kim titan biến dạng Nga Bảng 6.4 Thành phần hóa học (%) số mác hợp kim titan biến dạng (OCT 9807-74) Mác hợp kim BT5 BT5-# OT4-# OT4 OT4-2 BT6 BT#4 BT#6 BT8 BT9 BT3-# Al 4,3-6,2 4,3-6,0 #,0-2,5 3,5-5,0 5,7-6,7 5,5-7,0 3,5-6,3 #,8-3,8 6,0-7,3 5,8-7,0 5,5-7,0 Thành phần nguyên tố Mn Mo nguyên tố khác 0,7-2,0 0,8-2,0 #,0-2,3 - 2,5-3,8 4,5-5,5 2,8-3,3 2,8-3,8 2,0-3,0 2,5Sn 4,2-6,0V 0,9-#,9V 4,0-5,5V 0,2-0,4Si 0,2-0,35Si 0,8-2,0Zr 0,8-2,3Cr; 0,#5-0,4Si; 0,2-0,4Fe 9,5-##,0Cr Phân loại theo tổ chức hợp kim hợp kim giả hợp kim ( + ) hợp kim giả Hợp kim với hai mác điển hình BT5 BT5-# đ!ợc hợp kim hóa chủ yếu Al có độ bền trung bình nhiệt độ th!ờng, có tính cao nhiệt độ cực lạnh, có tính bền nóng hợp kim trở nên nhẹ Về tính công nghệ chúng có tính hàn tốt tính gia công cắt bảo đảm Tính dẻo nhiệt độ th!ờng không cao, trạng thái nóng hợp kim dễ rèn, dập, cán đ!ợc cung cấp d!ới dạng tấm, thỏi, dây, vật cán định hình Hợp kim Ti - Al đ!ợc hợp kim hóa thêm Mn tổ chức chủ yếu có l!ợng nhỏ pha (# - 2%) đ!ợc gọi hợp kim giả với mác OT4 #, OT4 OT4 - Do chứa Al có pha OT4 - # OT4 - có tính dẻo nhiệt độ th!ờng tốt hơn, dễ gia công áp lực trạng thái nguội chế tạo chi tiết phức tạp phải nung nóng tới 500 - 7000C OT4 - chứa nhiều Al nên gia công áp lực phải trạng thái nóng BT#5 2,3-3,6 - 6,8-8,0 275 Nh!ợc điểm nhóm không nhiệt luyện hóa bền đ!ợc có khuynh h!ớng giòn hyđrô Hợp kim ( + ) có !u điểm lớn có kết hợp tốt tính tính công nghệ nhiệt luyện hóa bền đ!ợc trạng thái ủ tôi, có tính dẻo cao, sau hóa già có độ bền cao L!ợng pha nhiều khả hóa bền mạnh Tăng l!ợng pha hợp kim hóa thêm Mo, V, Cr Loại hợp kim đem gia công cắt hàn Sau hàn cần phải đem ủ để nâng cao độ dẻo mối hàn Hợp kim dùng công nghiệp, muốn tạo thành tổ chức hoàn toàn phải dùng l!ợng lớn nguyên tố hợp kim nh! V, Mo, Nb, Ta nguyên tố đắt, làm nặng hợp kim Hiện dùng BT#5 có tổ chức giả (vì chủ yếu có ) BT#5 có khối l!ợng riêng t!ơng đối nhỏ (4,8g/cm3), tính cao Nh!ợc điểm mối hàn có độ dẻo thấp Bảng 6.5 Cơ tính hợp kim titan Mác hợp kim BT5 BT5-# OT4-# OT4 OT4-2 BT6 BT#4 BT#5 BT#6 BT3-# BT8 Nhiệt luyện, C ủ740760 ủ860880 ủ670720 ủ670720 ủ750800 t800940 +hg500 t860880 + hg500 t760800 +hg480 t790 +hg500 ủđẳng nhiệt 870,650 t900950 +hg500 -600 0,2, b, MPa MPa 700-950 600-800 Cơ tính , % aK, kJ/m2 300600 400900 500#000 350650 240300 240300 2#0250 - - 950#000 ##00#500 - #0#5 #0#5 2040 #220 #000#050 #4#6 - ##50#400 #080#300 6-#0 250350 750-950 650-850 600-750 470-650 700-900 550-650 HB Phân loại theo tính chất độ bền trung bình độ dẻo cao độ 340370 bền cao #300#500 ##80#400 3-6 250300 - #250#450 #000#200 ##00#200 850##00 4-6 400600 300600 - #0#6 260340 bền #000##50 850#050 9-#6 300600 3#0350 nóng 276 BT9 nh! ##40#0005-#4 200330#300 ##50 500 370 Ngoài loại biến dạng kỹ thuật dùng hợp kim tiatn đúc Tuy nhiên việc đúc hợp kim titan không đơn giản hấp thụ khí mạnh, tác dụng với vật lệu làm khuôn Hình 6.6 Các chi tiết, phận máy bay phản lực đ!ợc làm hợp kim titan: mép tr!ớc cánh, cánh phụ, đầu nhọn, mép tr!ớc ổn định Trong vật liệu kết cấu, hợp kim titan vật liệu kết cấu có độ bền riêng cao - b / = 22(km) - có độ bền cao nh! thép hợp kim khối l!ợng riêng khoảng 60% Khi thay thép hợp kim titan, khối l!ợng chi tiết giảm tới 40% Cùng với đặc tính nh! bền nóng, chống ăn mòn cao, hợp kim titan đ!ợc ứng dụng ngày rộng ri ngành kỹ thuật: chế tạo máy bay, tên lửa, đóng tàu, công nghiệp hóa học Trong chế tạo máy bay đ!ợc làm thân máy bay siêu âm với tốc độ ữ 3,5 lần so với tốc độ âm bề mặt bị nung nóng tới 450 ữ 5000C (hình 6.#6), làm chi tiết động máy bay phản lực (đĩa cánh máy ép, chi tiết lỗ hút không khí), vỏ tên lửa tầng thứ hai tầng thứ ba (trong loại tên lửa nhiều tầng), bình bình cầu chứa khí nén khí hóa lỏng, vỏ tàu biển, tàu ngầm, ng! lôi Trong công nghiệp hóa học làm lò phản ứng cho môi tr!ờng ăn mòn mạnh, khí cụ bay hơi, bơm, trao đổi nhiệt, quạt Trong kỹ thuật chân không làm chất hấp thụ khí, chi tiết điện tử, chân không 6.5 Hợp kim bột 6.5. Khái niệm chung a Ph!ơng pháp chế tạo Khác với ph!ơng pháp truyền thống nấu chảy kết tinh (đúc), biến dạng thành bán thành phẩm, gia công cắt thành bán thành phẩm, ng!ời ta chế tạo sản phẩm kim loại, hợp kim quy trình ngắn gọn hơn: chế tạo bột qua ép thiêu kết, tức không cần nấu chảy, kết tinh gia công cắt Đó ph!ơng pháp luyện kim bột Nh! để chế tạo sản phẩm ph!ơng pháp phải có ba công đoạn chính: - Tạo bột kim loại hay hợp kim có thành phần với yêu cầu dạng rắn, nhỏ mịn (bột) đ!ợc trộn thật Có thể chế tạo bột theo cách nh!: nghiền (cho vật liệu giòn), phun tia kim loại lỏng vào môi tr!ờng nguội nhanh (trên tang đồng hay n!ớc, khí áp suất cao), hoàn nguyên từ ôxyt, điện phân 277 - Tạo hình: có tác dụng từ bột rời rạc tạo vật rắn có hình dạng kích th!ớc xác định với độ dính kết định (để vận chuyển hay gia công khí cần thiết) Có thể tạo hình cách ép, nén với áp suất #00 ữ #000MPa, tùy theo yêu cầu khối l!ợng riêng Muốn đ!ợc khối l!ợng riêng lớn đồng phải ép với áp suất lớn rung học - Thiêu kết: có tác dụng làm cho hạt bột liên kết bền vững với nhau, tăng lý tính cho sản phẩm đến giá trị mong muốn Th!ờng nung nóng đến nhiệt độ 0,75Tso (theo oK) kim loại thời gian 0,5 ữ 6,0h khí bảo vệ hay chân không Ngoài tăng dao động nhiệt, khuếch tán làm tăng liên kết bề mặt, trình chủ yếu xảy kết tinh lại toàn bộ, tạo hạt đa cạnh Trong trình thiêu kết, sản phẩm co lại, mật độ tăng lên Có thể kết hợp hai khâu ép thiêu kết cách ép nóng, đạt đ!ợc mật độ cao - Về kinh tế đạt đ!ợc hiệu kinh tế - kỹ thuật cao sản l!ợng lớn chi phí đầu t! ban đầu cao b Đặc điểm ph!ơng pháp - Về kinh tế: nguyên liệu bột đ!ợc sử dụng gần nh! triệt để, không hay phải gia công cắt, sửa - Về chất l!ợng: dễ bảo đảm độ đồng sản phẩm thành phần, tổ chức, kích th!ớc tính chất chế tạo hàng loạt có vật liệu chuẩn trộn - Về tổ chức tế vi: thấy hợp kim bột cấu trúc xít chặt, có lỗ hổng (rỗ xốp thay đổi rộng từ đến 50%), có tính không cao - Một số sản phẩm chế tạo ph!ơng pháp luyện kim bột hay ph!ơng pháp rẻ so với luyện kim truyền thống nh! chế tạo kim loại có nhiệt độ chảy cao, vật liệu cứng, siêu cứng, bạc xốp Sau khảo sát loại hợp kim bột đ!ợc dùng nhiều sản xuất khí 6.5.2 Vật liệu cắt mài ứng dụng quan trọng luyện kim bột khí làm dao cắt hợp kim cứng đá mài a Hợp kim cứng Trong tất loại vật liệu cắt th!ờng dùng, hợp kim cứng loại có tính cứng nóng cao cả, tới 800 ữ #000oC, tốc độ cắt đạt tới hàng trăm m/min Thành phần hóa học cách chế tạo Thành phần chủ yếu loại hợp kim cứng cacbit: WC (chiếm tỷ lệ cao nhất), TiC, TaC cứng nhiệt độ chảy cao, có l!ợng nhỏ côban làm chất dính kết, nhờ bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn cứng nóng cao, chất tự nhiên qua nhiệt luyện Do cacbit có nhiệt độ chảy cao, hợp kim cứng đ!ợc chế tạo qua b!ớc sau - Tạo bột cacbit cách hoàn nguyên WO3 hyđrô 700 ữ 900oC đ!ợc bột W đem nghiền, sàng lấy cỡ hạt nhỏ 0,#0 ữ 0,#5 đến ữ 5àm, sau trộn bột W với bồ hóng nung lên #400oC #h để đ!ợc bột WC - Trộn bột cacbit với bột Co nhiều h cho thật đem ép thành l!ỡi cắt nhỏ, hình dạng đơn giản - Thiêu kết: nung nhiệt độ cao (#450oC) để Co biến mềm, bắt đầu chảy, dính chặt hạt cacbit với thành khối 278 Phân loại mác Có ba nhóm: một, hai ba cacbit nh! trình bày bảng 6.6 Bảng 6.6 Thành phần hóa học (%) tính số hợp kim cứng theo OCT 3882-74 Thành phần hóa học, % WC TiC TaC Co Cơ tính , HRA MPa Một cacbit Mác hợp kim uon b Ký hiệu theo TCVN BK2 BK3 BK4 BK6 BK8 BK#0 BK#5 BK20 BK25 98 97 96 94 92 90 85 80 75 - - #000 ##00 #400 #500 #600 #0 #650 #5 #800 20 #950 25 2000 Hai cacbit 90,0 89,5 89,5 88,5 87,5 87,0 86,0 84,0 82,0 WCCo2 WCCo3 WCCo4 WCCo6 WCCo8 WCCo#0 WCCo#5 WCCo20 WCCo25 T30K4 T#5K6 T#4K8 T5K#0 T5K#2 66 79 78 85 83 30 #5 #4 5 - 950 ##50 #250 #0 #400 #2 #650 Ba cacbit 92,0 90,0 89,0 88,5 87,0 WCTiC30Co4 WCTiC#5Co6 WCTiC#4Co8 WCTiC5Co#0 WCTiC5Co#2 TT7K#2 TT#0K8 TT20K9 8# 82 7# #2 #2 87,0 89,0 89,0 WCTiC4TaC3Co#2 WCTiC3TaC7Co8 WCTiC8TaC#2Co9 #650 #450 #300 - Nhóm cacbit: WC + Co với mác có từ đến 25%Co, lại WC - Nhóm hai cacbit: chủ yếu WC, có thêm ữ 30%TiC ữ #2%Co - Nhóm ba cacbit: chủ yếu WC, có thêm ữ 8%TiC, ữ #2%TaC ữ #2%Co Tổ chức tính Tổ chức tế vi hợp kim cứng gồm hạt cacbit sắc cạnh (màu sáng) đ!ợc gắn dính với Co (màu tối) nh! hình 6.#7 với yêu cầu hạt nhỏ phân bố Do chế tạo ph!ơng pháp bột nên có rỗ xốp song phải (~ 2%) Không cho phép có muội than (bồ hóng) tổ chức gây điểm mềm Về tính, hợp kim cứng cứng tới HRA 82 ữ 90 (HRC 70 ữ 75), chống mài mòn cao, cứng nóng cao, cắt đ!ợc với tốc độ cao (hàng trăm m/min), nh!ng có nh!ợc điểm giòn Cơ tính hợp kim cứng phụ thuộc vào: - Với l!ợng Co nh! nhau, nhóm hai cacbit cứng nhóm cacbit 279 TiC hòa tan WC (tới 70%) có độ cứng cao hơn, giòn có hệ số ma sát với thép nhỏ so với WC ảnh h!ởng thấy TaC, NbC Vì th!ờng dùng hai nhóm sau (hai, ba cacbit) để gia công gang Hình 6.7 Tổ chức tế vi BK8 - nhóm, mác chứa nhiều côban dẻo hơn, song độ cứng giới hạn bền uốn giảm đôi chút Để kết hợp độ cứng cao độ dẻo định cắt gọt hay dùng mác với ữ 8%Co (BK8, T#5K6, TT#0K8) - Trong mác (đặc biệt nhóm cacbit) cỡ hạt cacbit côban nhỏ mịn không ảnh h!ởng nhiều đến độ cứng nh!ng cải thiện mạnh tính chống mài mòn, độ bền độ dai va đập (các mác có hạt nhỏ đặc biệt nhỏ đ!ợc rõ thêm ký hiệu riêng) Công dụng Hợp kim cứng đ!ợc sử dụng rộng ri làm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập chi tiết máy Hiệu sử dụng hợp kim cứng cắt gọt cao hẳn thép gió (có tài liệu đánh giá #0 lần tính từ hiệu sử dụng vonfram) nh!ng làm vị trí thép gió nh!ợc điểm sau: - không tạo hình phức tạp đ!ợc dùng cách ép bột tạo đ!ợc mảnh nhỏ đơn giản sau gia công định hình đ!ợc cứng, hợp kim cứng th!ờng dùng làm dao đơn giản l!ỡi cắt (hầu hết dao l!ỡi cắt hợp kim cứng), - tính giòn t!ơng đối cao, dễ gy, vỡ, mẻ d!ới tải trọng va đập, - tính dẫn nhiệt kém: ~ 50% thép Khi làm dao, miếng hợp kim cứng nhỏ đ!ợc hàn (hàn đồng) hay kẹp vào thân dao thép C45 có độ bền uốn độ dẻo tốt, tránh nh!ợc điểm hợp kim cứng Nhóm cacbit có tính cứng nóng khoảmg 800oC: BK2 ữ BK8 dùng để cắt phôi có phoi vụn nh! gang, sứ, gốm, hợp kim màu, BK#0 ữ BK#5 làm khuôn kéo sợi, mũi khoan (địa chất) có tuổi bền thép hàng chục lần, làm khuôn kéo sợi, BK20 ữ BK25 có độ dai tốt làm khuôn dập, chi tiết máy chống mài mòn Nhóm hai cacbit có tính cứng nóng tới 900 ữ #000OC, chủ yếu đ!ợc dùng để gia công tinh thép, kể thép đặc biệt 280 Nhóm ba cacbit có mặt TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn, chủ yếu đ!ợc dùng để gia công thô thỏi đúc, cán, rèn b Vật liệu làm đĩa cắt Dao (đĩa) cắt kim c!ơng nhân tạo hay nitrit bo (BN) lập ph!ơng đ!ợc dùng rộng ri cắt kim loại, đá Chúng vật liệu siêu cứng (HV 8000 ữ #0000) Có thể có dạng sau - Bột kim c!ơng trộn với # ữ 2% bột B, Be Si (chất dính kết) đ!ợc ép nóng d!ới áp suất cao tới #2GPa nhiệt độ khoảng 3000oC, đạt đ!ợc HV 8000 - Bột kim c!ơng bột BN rải lên bề mặt hợp kim cứng ép nóng d!ới áp suất ữ 8GPa khoảng #800oC, lúc phần nhỏ Co, chí W, Ti hợp kim cứng tiết thành chất dính kết với lớp siêu cứng, đạt HV 5000 ữ 8000 - Bột kim c!ơng bột BN trộn với khoảng 20 ữ 30% bột kim loại (chất dính kết), ép nóng d!ới áp suất ữ 6GPa #200 ữ #600oC, đạt HV 4000 ữ 5000, thích hợp với dụng cụ cắt đá Kim c!ơng có độ cứng cao (HV #0000) nh!ng lại bị hạn chế nhiệt độ sử dụng (khi cắt với tốc độ cao, cacbon khuếch tán vào sắt, thép) nên dao cắt với BN có !u việt Ví dụ cắt gang xám với tốc độ #800 ữ 2000 m/min c Vật liệu mài Bột mài phải hạt cứng có kích th!ớc không nh!ng luôn có góc cạnh sắc nhọn Theo độ cứng tăng lên th!ờng dùng cát trắng (SiO2), êmêri (hỗn hợp tự nhiên Al2O3), Al2O3, SiC, BN lập ph!ơng, kim c!ơng Có thể dùng chúng ba dạng: -tự do, máy phun cát, bột mài rà, bột đánh bóng (nh! đánh bóng mẫu kim loại để quan sát tổ chức tế vi bột Cr2O3 - màu rêu Al2O3 - màu trắng), - gắn giấy, vải (gọi giấy, vải ráp hay nhám) để làm nhẵn gỗ, kim loại, - khối (đá mài loại): th!ờng làm SiC, hạt mài đ!ợc liên kết với chất dính kết gốm thủy tinh hay nhựa hữu d Thép gió bột Loại thép gió với l!ợng cacbon hợp kim cao (> 2%C, > 6%V, > #0%Co) khó luyện, bị thiên tích mạnh khó rèn Khi chế tạo ph!ơng pháp luyện kim bột nhờ có bột mịn mà thành phần trở nên đồng Xuất phát từ nguyên liệu bột (Fe, C, W, Cr, Mo, V, Co) qua ép nóng d!ới áp suất #00MPa ##00oC khí bảo vệ acgông (Ar), tạo nên bán thành phẩm thỏi lớn Chế độ rèn nhiệt luyện nh! thép gió nấu chảy nh!ng với nhiệt độ thấp 6.5.3 Vật liệu kết cấu a Trên sở nhôm hợp kim nhôm Bột nhôm với bề mặt có lớp Al2O3 đ!ợc chế tạo đặc biệt (phun nhôm lỏng vào n!ớc gây ôxy hóa bề mặt), sau ép (áp suất #00 ữ 350MPa) thiêu kết đ!ợc bán thành phẩm hệ Al - Al2O3, Al2O3 (5 ữ 20%) pha cứng làm tăng độ bền vật liệu (sau nhiệt luyện b đạt tới 300 ữ 450MPa) Rõ ràng l!ợng Al2O3 cao, sử dụng bột nhôm với độ bền cao, hợp kim thiêu kết có độ bền cao, độ dẻo thấp !u việt chủ yếu dạng vật liệu nhôm thiêu kết khả chịu nóng Chính vật lẫn Al2O3 nhỏ mịn phân bố ổn định đ trì 28# tính tốt đến 300 ữ 350oC tính chống ăn mòn Có hai loại vật liệu nhôm thiêu kết bột nhôm bột hợp kim nhôm thiêu kết - Bột nhôm thiêu kết đ!ợc viết tắt theo tiếng Anh SAP (Sintered Aluminum Powder) theo tiếng Nga CA đ!ợc dùng rộng ri n!ớc nh! n!ớc công nghiệp khác Ví dụ OCT quy định mác CA#, CA2, CA3, CA4 với l!ợng Al2O3 tăng dần Nếu CA# có b = 300 ữ 320MPa, = ữ 8% CA4 có b = 440 ữ 460MPa, = #,5 ữ 2,0% (#00 500oC CA#, CA2 45 ữ 55MPa) - Bột hợp kim nhôm thiêu kết đ!ợc viết tắt theo tiếng Anh SAAP (Sintered Aluminum Alloy Powder) theo tiếng Nga CAC, sử dụng hợp kim nhôm có độ bền cao nh! đura, silumin, hay hợp kim đặc biệt Hợp kim đặc biệt chứa l!ợng đáng kể kim loại chuyển tiếp nh! Mn Cr, Fe , nhờ làm nguội cực nhanh (#04 ữ #06oC/s) đ!ợc hạt dung dịch rắn Al siêu bo hòa Nhờ trình nung nóng (400 ữ 500oC) chế tạo (để ép, thiêu kết) phần tử cực mịn pha liên kim loại đ!ợc tiết dung dịch rắn, gây hóa bền mạnh hợp kim, b đạt cao tới 700 ữ #000MPa b Trên sở sắt thép Sắt thép bột đ!ợc dùng để sản xuất chi tiết máy nh! bánh loại có tính không thua thép truyền thống Tuy nhiên phải tính đến hai yếu tố khối l!ợng riêng thành phần hóa học - Khối l!ợng riêng cao đặc tính cứng, bền, dẻo hợp kim cao Nếu đạt 6,2 ữ 7,0g/cm3 (độ xít t!ơng đối 80 ữ 90%) tính đạt 50 ữ 70% so với sắt, thép nấu chảy t!ơng ứng Muốn > 7,0g/cm3 phải áp dụng ph!ơng pháp tốn hơn: ép thiêu kết nhiều lần, ép nóng - Thành phần hóa học tính chất sắt, thép bột có ảnh h!ởng quan trọng đến tính Các nguyên tố hợp kim sắt, thép bột có tác dụng t!ơng tự nh! sắt, thép th!ờng: nh! Cr, Ni với l!ợng vừa phải làm tăng độ thấm tôi, Cr, Ni cao - thép không gỉ Trong sắt thép bột th!ờng đ!a thêm Cu với lý sau: + với ữ #0%Cu nâng cao tính trạng thái ủ lẫn trạng thái hóa già (do tiết pha phân tán, l!ợng Cu hòa tan Fe giảm từ #,4% 850oC 0,3% 20oC), + tác dụng tốt với thiêu kết bị chảy lỏng trình nên tạo điều kiện làm tăng độ xít chặt c Trên sở đồng hợp kim đồng Đồng bột hợp kim đồng bột đ!ợc làm chi tiết máy nhỏ điện thoại, máy ảnh, quay phim, đồng hồ, vũ khí, thiết bị điện - điện tử, chuyển từ vật liệu truyền thống sang vật liệu bột t!ơng ứng nh! đồng bột (khi cần dẫn điện cao tới 85 ữ 90% độ dẫn chuẩn đồng OFHC, = #,724#à.cm 20oC), brông thiếc, brông thiếc - niken, latông 6.5.4 Hợp kim xốp thấm Đây !u việt trội hợp kim bột không thay đ!ợc nhờ đặc điểm độ xít chặt không cao (chứa nhiều lỗ hổng, lỗ xốp) điều chỉnh, khống chế đ!ợc a Bạc xốp tự bôi trơn 282 Đây loại bạc, ổ tr!ợt đ!ợc dùng rộng ri đồ dùng gia đình nh! quạt điện, máy hút bụi, máy giặt, tủ lạnh, máy xay sinh tố mà không cần phải để ý đến việc tra dầu, mỡ Nguyên lý bạc phải có độ xốp cao (#0 ữ 25%) để chứa dầu Sự tẩm dầu đ!ợc thực chân không 70oC Khi làm việc, bạc nóng lên dầu tiết từ lỗ xốp nên bôi trơn tốt trục quay êm theo kiểu cân thủy động, ngừng quay nhiệt độ hạ xuống dầu lại đ!ợc hút trở lại rỗ xốp Th!ờng để bảo đảm tính bôi trơn từ đầu, ng!ời ta th!ờng cho thêm vào hợp kim bột l!ợng nhỏ (2 ữ 7%) grafit Th!ờng dùng bạc xốp sở đồng, sắt - Bạc xốp sở sắt có khoảng ữ 7% grafit, HB 50 ữ #00 (nên không làm mòn cổ trục thép), hệ số ma sát với thép nhỏ: 0,07 ữ 0,09, chịu đ!ợc áp lực cao tới #00 ữ #50kG/cm2 nhiệt độ 80 ữ #00oC - Bạc xốp sở brông thiếc (8 ữ #0%Sn) có khoảng ữ 4% grafit, HB #8 ữ 40, có hệ số ma sát với thép nhỏ, 0,04 ữ 0,07 b Màng lọc Màng lọc đ!ợc sản xuất từ bột dạng cầu đẳng trục, kích th!ớc hạt (dmax / dmin < #,5), áp lực nén nhỏ, độ xốp cao, 30 ữ 50% với lỗ xốp phân bố đều, đ!ờng kính trung bình lỗ xốp khoảng dmin / Nguyên liệu sản xuất kim loại hợp kim có tính chống ăn mòn cao: Ag, Au, Pt brông, thép họ #8 - Với ph!ơng pháp chế tạo đặc biệt phun dung dịch bột lên lõi thích hợp, ép chảy, cán bột để chế tạo chi tiết dạng ống, bình thành mỏng có tính thấm t!ơng tự nh! giấy lọc song kết hợp đ!ợc với tính chịu nhiệt cứng vững ceramic tính bền nhiệt độ kim loại, với ng!ỡng lọc khoảng ữ #0àm Phớt (dạ) kim loại đ!ợc sản xuất từ sợi (đ!ờng kính #0 ữ #50àm) cắt ngắn qua ép nhẹ thiêu kết để có độ xốp lớn (50 ữ 95%) với ng!ỡng lọc biến đổi rộng từ đến #00àm đ mở rộng phạm vi sử dụng hợp kim xốp Công dụng hợp kim xốp phớt kim loại làm màng lọc để tách hạt rắn lẫn chất lỏng, khí Cũng dùng để tách hỗn hợp lỏng lỏng, tách giọt lỏng không khí Các phận giảm ống xả, màng ngăn tạp âm phận thu máy điện thoại đ!ợc làm vật liệu xốp thép không gỉ