Trong kỹ thuật ít khi sử dụng đồng nguyên chất mà chủ yếu là sử dụng hợp kim đồng. Hợp kim đồng trong kỹ thuật tồn tại ở hai dạng chủ yếu là latông và brông
Latông (đồng thau) là hợp kim của đồng với nguyên tố chủ yếu là kẽm Brông (đồng thanh) là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác trừ kẽm.
a. Latông: Được chia làm hai loại: latông đơn giản và latông phức tạp. Latông đơn giản là hợp kim đồng chỉ gồm hai nguyên tố là đồng và kẽm, latông phức tạp là hợp kim đồng ngoài đồng và kẽm còn có thêm một vài nguyên tố khác.
Theo TCVN 1659-75 qui định ký hiệu latông như sau: đầu tiên là chữ L ( chỉ số latông) tiếp theo là nguyên tố Cu và các nguyên tố hợp kim. Số đứng sau các nguyên tố hợp kim chỉ hàm lượng của chúng theo phần trăm.
Ví dụ LcuZn30 là latông có 30% kẽm và 70% đồng.
+ Latông đơn giản: Trong thực tế dùng loại chứa ít hơn 45% Zn nên tổ chức của nó chỉ có dung dịch rắn α và pha điện tử β, α là dung dịch rắn xen kẽ của kẽm trong đồng chứa đến 39% Zn ở nhiệt độ 454oC, đây là pha chủ yếu quyết định tính chất của latông. β là pha điện tử ứng với công thức CuZn ( N=3/2), là pha cứng dòn và hoá bền cho latông,
+ Latông một pha: thường chứa ít hơn 35% Zn, có tính dẻo cao, được cán nguội thành bán thành phẩm làm chi tiết máy qua dập sâu. Latông với lượng kẽm nhỏ từ 5-12% có màu đỏ nhạt dùng để
làm tiền xu, huy chương, khuy áo quần. Các latông một pha thường bền và rất dẻo nên để dẽ gia công cắt gọt người ta thường pha thêm 0,3-4% Pb.
+ Latông hai pha: thường chứa 40% Zn, latông hai pha cứng, bền và ít dẻo hơn so với latông một pha, được cung cấp dưới dạng băng, ống, tấm để làm các chi tiết máy cần độ bền cao.
+ Latông phức tạp: Ngoài Cu và Zn còn cho thêm các nguyên tố Pb (để tăng tính cắt gọt), Sn ( tăng tính chống ăn mòn trong nước biển), Al và Ni (để nâng cao giới hạn bền), latông phức tạp dùng làm các chi tiết máy yêu cầu độ bền cao.
b. Brông: Là hợp kim của đồng với các nguyên tố không phải là kẽm như Su, Al, Be. Theo TCVN chúng được ký hiệu giống như latông chỉ khác là thay chữ L ở đầu bằng chữ B
+ Brông thiếc: là hợp kim đồng với các nguyên tố chủ yếu là thiếc, đây là hợp kim đồng được sử dụng lâu đời nhất. Đặc điểm của brông thiếc là:
- Độ bền cao, độ dẻo tốt
- Tính đúc tốt: ít co ngót, điền đầy khuôn cao
- Chống ăn mòn cao, đặc biệt trong không khí ẩm và môi trường biển
Hình 6.6 giản đồ trạng thái của hợp kim Cu-Zn
Hình 6.5. tổ chức tế vi của latông 1 pha (a) và của latông 2 pha (b)
1. Brông thiếc biến dạng: thường chứa ít hơn 8% Sn, tổ chức là dung dịch rắn α, thường cho thêm các nguyên tố hợp kim như P, Zn, Pb để nâng cao cơ tính, giảm ma sát và tăng tính gia công cắt…Công dụng của loại brông thiếc này là làm bạc lót, bánh răng…
2. Brông thiếc đúc: là loại chứa nhiều hơn 10% Sn, công dụng làm các phù điêu, tượng đài, hoạ tiết trang trí.
+ Brông nhôm: là hợp kim của đồng với nhôm là chủ yếu. Từ giản đồ của Cu-Al ta thấy đồng có thể hoà tan tối đa là 10% nhôm. Tổ chức của nó chủ yếu là dung dịch rắn thay thế của Al trong Cu có độ dẻo khá bền. Khả năng chống ăn mòn cao trong khí quyển và nước biển công nghiệp do bề mặt có lớp Al2O3.
- Brông nhôm một pha: với 5-9% Al, được sử dụng khá rộng rãi để chế tạo bộ ngưng tụ hơi, hệ thống trao đổi nhiệt…
- Brông hai pha: với > 9,4% Al, với sự xuất hiện của pha β ( hợp chất điện tử là Cu3Al) chỉ ổn định trên 565oC.
6.3. Các hợp kim ổ trượt
6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt
Để làm ổ trượt các hợp kim phải thoả mãn các yêu cầu sau đây:
+ Có hệ số ma sát nhỏ với bề mặt trục thép, đây là yêu cầu quan trọng nhất đối với hợp kim làm ổ trượt. Do vậy tổ chức của nó phải tạo ra diện tích tiếp xúc với bề mặt trục là nhỏ nhất và phải có khe hở để chứa dầu bôi trơn. Hợp kim được chế tạo theo nguyên lý hạt cứng phân bố trên nền mềm, đây là loại thông dụng nhất, ngoài ra có thể dùng nguyên lý nền cứng hạt mềm có hệ số ma sát lớn hơn. Trong quá trình làm việc phần mềm bị mòn đi và tạo thành rãnh chứa dầu bôi trơn. + Ít làm mòn cổ trục thép, và chịu được áp lực cao để bảo vệ trục thép khỏi mòn do nó đắt hơn. Muốn vậy ổ trượt phải được làm bằng các hợp kim mềm để không làm hại trục như Sn, Al, Cu…song lại phải đủ độ bền nhất định để chịu được áp lực cao. Để nâng cao khả năng chịu áp lực cao và tiết kiệm kim loại màu, các ổ trượt thường được chế tạo bằng cách đúc trắng hay gắn ép lên trên máng thép
+ Tính công nghệ tốt + Giá thành rẻ
6.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp
a. Babit thiếc
Hợp kim ổ trượt đầu tiên do Babbit ( người Anh) tìm ra có sự kết hợp tương đối tốt giữa ma sát, cơ tính và tính chống ăn mòn song quá đắt do chứa nhiều Sn. Thường dùng làm các ổ trượt quan trọng với tốc độ lớn và trung bình như trong động cơ diezen và tuabin. Thường dùng hai mác là 83% Sn-11%Sb-6%Cu và 88%Sn-8%Sb-3%Cu-1%Ni
b. Babit chì
Là hợp kim trên cơ sở Pb với 6-16% Sn, 6-16%Sb và 1% Cu với tổ chức là cùng tinh Pb+Sb là nền mềm, các phần tử SnSb, Cu3Sn là hạt cứng.
6.3.3. Hợp kim nhôm làm ổ trượt
Hợp kim nhôm là loại đáp ứng khá toàn diện các yêu cầu của hợp kim ổ trượt và hiện đã được dùng rất rộng rãi nhờ ma sát nhỏ, nhẹ, tính dẫn nhiệt cao, chống ăn mòn cao trong dầu, đặc biệt là cơ tính cao hơn, tuy tính công nghệ hơi kém.
Hợp kim nhôm làm ổ trượt phổ biến nhất là hệ Al-Sn, trong đó lượng Sn có thể biến đổi từ 3 đến 20%, chúng tạo nên các pha mềm ngay trong hạt dung dịch rắn của Al, nhờ đó làm tăng tính chống ma sát. Với lượng Sn nhiều hơn 20% được sử dụng để cán ép lên băng thép dẻo dùng trong chế tạo bạc lót.
Các ổ trượt bằng hợp kim nhôm chịu được áp lực cao, tốc độ vòng lớn nên được dùng nhiều trong động cơ điêzen.
Chương 7 Vật liệu polyme
Các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn thường được gọi là những hợp chất cao phân tử hay polyme, đã được tạo thành trong thiên nhiên ngay từ đầu tồn tại của trái đất. Ví du như xenlunozơ-thành phần chủ yếu của tế bào thực vật và protit-thành phần chủ yếu của tế bào sống-đều là những hợp chất cao phân tử quan trọng trong đời sống con người.
Từ thời xưa người ta đã biết sử dụng các vật liệu polyme thiên nhiên như sợi bông, tơ tằm, sợi gai, sợi len làm quần áo, giấy để viết.
Đến năm 1833 Gay Lussac tổng hợp được polyeste là polytactit khi đun nóng axit lactic, Braconnot điều chế được trinitroxenlulozơ bằng phương pháp chuyển hoá đồng dạng. Từ đó, polyme đã chuyển sang thời kì tổng hợp bằng các phương pháp thuần tuý hoá học, đi sâu nghiên cứu cấu trúc polyme, nhất là những polyme thiên nhiên.
Trải qua hơn 130 năm, cho đến năm 1925, Staudinger đưa ra kết luận về cấu trúc của phân tử polyme, cho rằng phân tử polyme có dạng sợi và lần đầu tiên dùng danh từ “ cao phân tử”. Thuyết này tuy có một số nhược điểm nhưng vẫn được dùng làm cơ sở cho đến ngày nay.
Sau khi thiết lập những nguyên tắc hình thành phân tử polyme, vật liệu polyme đã có những bước phát triển nhanh chóng. Đồng thời với việc tìm ra những vật liệu polyme mới, các phương pháp tổng hợp vật liệu polyme cũng được cải tiến rất nhiều.
Ngày nay nền công nghiệp sản xuất vật liệu polyme cũng có bước tiến lớn trong việc cải tiến các phương pháp gia công, như các phương pháp đổ khuôn, phương pháp gia công cơ học.v.v.
Quy mô sản xuất polyme hiện nay rất lớn, càng ngày càng đáp ứng được yêu cầu của các nghành kỹ nghệ, phục vụ đời sống và kỹ thuật hiện đại như kỹ nghệ cao su, chất dẻo, tơ sợi, thực phẩm, xây dựng, cơ khí, dược liệu, điện tử, tên lửa và du hành vũ trụ…
7.1. Khái niệm
7.1.1. Định nghĩa
Hợp chất cao phân tử hay polyme là những hợp chất chứa một số lớn những đơn vị đơn giản, gọi là mắt xích cơ bản hay là những đơn vị cấu trúc cơ bản từ những chất đơn giản ban đầu gọi là monome.
Ví dụ
n CH2 CH2 n CH2 CH2 CH2 CH2
n
Danh từ polyme dùng cho những hợp chất có khối lượng phân tử lớn của mạch phân tử, bởi vì những phân tử có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phức tạp không phải do lặp đi lặp lại những đơn vị cấu tạo monome không được gọi là polyme.
7.1.2. Phân loại polyme
Có rất nhiều cách để phân loại polyme, tuy nhiên người ta thường phân loại polyme theo những căn cứ sau đây:
+ Theo nguồn gốc hình thành có polyme thiên nhiên và polyme tổng hợp + Theo thành phần hoá học của mạch chính phân tử polyme có
- Polyme mạch cacbon: mạch phân tử được cấu tạo chỉ từ nguyên tố cacbon polyme này thu được từ olefin hay hydrocacbon no và dẫn xuất của chúng
- Polyme dị mạch: mạch chính được cấu tạo từ cacbon và vài nguyên tố phổ biến như N, O, S, P.. CH2 CH2 O n polyetylenoxit NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO polyhexametylenadipamit
- Polyme mạch vô cơ: mạch chính bao gồm những nguyên tử không phải là cacbon. Nếu phân tử có mạch nhánh là các gốc mạch cacbon thì gọi là polyme cơ nguyên tố.
Si O CH3 CH3 n polydimetylsiloxan P O O OH n polyphotphat + Theo cấu trúc mạch phân tử:
- Polyme không có mạch nhánh hay còn gọi là polyme mạch thẳng - Polyme mạch nhánh
- Polyme mạch không gian ba chiều.
-Theo thứ tự xắp xếp của các mắt xích trong mạch mà ta có các loại mạch polyme điều hòa hay không điều hòa. Ở đây ta quan tấm đến cấu tạo điều hòa không gian của polyme vì nó ảnh hưởng
đến một số tính chất của polyme. Tùy thuộc vào cách xắp xếp và mức độ đối xứng có thể chia ra các loại isotactic, syndiotactic và atactic
C C C C C C H H H H H H R R R H H H (a) C C C C C C H H H R H H H H R H H R (b) C C C C C C H H H R H H R H H H H (c) R
+ Theo tính chất cơ lý là chất dẻo hay chất đàn hồi, đây là cách phân loại phổ biến nhất hiện nay, theo cách này polyme được phân chia thành những loại như sau:
- Nhựa nhiệt dẻo: là nhóm vật liệu quan trọng nhất trong các polymer tổng hợp, bao gồm tất cả các hợp chất cao phân tử có kích thước nhất định, mạch thẳng hay mạch nhánh. Nhựa nhiệt dẻo có thể chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái dẻo bởi sự gia nhiệt và quá trình này là thuận nghịch, có thể lập đi lặp lại nhiều lần. Do đó nhựa nhiệt dẻo có thể tái sinh. Ví dụ các loại nhựa nhiệt dẻo là polyetylen (PE), polyvinylclorua (PVC)…
- Cao su và chất đàn hồi: đó là những polyme mạch thẳng mà lực liên kết thứ cấp rất yếu, để có thể sử dụng được phải tạo ra các cầu nối liên kết ngang giữa các mạch đại phân tử để tạo thành mạng lưới không gian ba chiều. Đặc trưng của cao su là chúng có khả năng giãn dài cao đến 1000%, tuy nhiên do có sự tạo thành liên kết ngang nên chúng không có khả năng tái sinh được. - Nhựa nhiệt rắn: là loại polymer mà giữa các mạch đại phân tử của chúng liên kết với nhau bằng những liên kết ngang, mật độ liên kết ngang này rất dày đặc. Do có cấu trúc không gian ba chiều tính chất cơ học và đặc biệt là khả năng chịu nhiệt của nhựa nhiệt rắn cao hơn nhiều so với nhựa nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt rắn tạo thành cấu trúc không gian ba chiều với khối lượng phân tử rất lớn nên chúng không có khả năng tái sinh được. Một số loại nhựa nhiệt rắn thông dụng là Polyeste không no, epoxy, phenol fomandehit…
Hình 7.2. cấu tạo của polyme điều hòa lập thể, isotactic (a), sydiontactic (b), atactic (c)
Hình 7.3. Cấu trúc phân tử của nhựa nhiệt dẻo vô định hình a), nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể b), cao su và chất đàn hồi c), nhựa nhiệt rắn d)
7.2. Cấu trúc phân tử polyme và tính chất
7.2.1. Cấu trúc phân tử polyme
Cấu trúc chung của polyme gồm cấu trúc phân tử và cấu trúc ngoại vi phân tử, nghĩa là sự sắp đặt tương hỗ giữa các phân tử thẳng trong chất polyme. Cấu trúc ngoại vi phân tử xuất hiện do ảnh hưởng của lực hút giữa các phân tử và chuyển động nhiệt của chính các phân tử. Dạng chuyển động nhiệt quan trọng nhất và đặc trưng nhất của các cao phân tử là sự quay các phần phân tử đối với nhau.
Cấu trúc ngoại vi phân tử của polyme là cấu trúc được tạo nên do sự xắp sếp khác nhau của các đại phân tử, cụ thể hơn polyme được đặc trưng bằng nhiều loại cấu trúc ngoại vi phân tử ở trạng thái tinh thể và khả năng ổn định trình tự xắp sếp ngay từ trong trạng thái vô định hình.
Các cao phân tử trong polymer không được sắp xếp sít chặt, thước đo mật đô xếp chặt được gọi là thể tích tự do. Tùy theo thể tích tự do mà polyme ở trong một các trạng thái vật lý sau: dạng thủy tinh, đàn hồi cao, chảy nhớt. Nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái này sang trạng thái kia được đặc trưng bằng nhiệt độ hóa thủy tinh Ttt và nhiệt độ chảy nhớt Tch.
Sự khác nhau giữa các trạng thái của polyme thể hiện rõ nhất khi biến dạng, ở trạng thái thủy tinh việc quay liên kết trong các phân tử lớn rất khó khăn thì polyme là thể rắn đàn hồi. Khi đặt
tải trọng, biến dạng đàn hồi không vượt quá vài phần trăm và trở về không khi tháo tải. Khi biến dạng sẽ có sự sai lệch góc hóa trị
Ở trạng thái đàn hồi cao xuất hiện khi thể tích tự do khoảng 2,5%, trạng thái này polyme như là một chất đàn hồi. Dưới tác động của tải trọng các phần tử lớn bị xoắn bây giờ được nắn thẳng và kéo căng, biến dạng đạt tới 500-800%, khoảng cách các nguyên tử trong mạch đại phân tử bị thay đổi không đáng kể. Khi tháo tải trọng thì do chuyển động nhiệt trong thời gian vài phần mười giây sẽ hồi phục các đại phân tử về hình dạng cân bằng. Như vây biến dạng ở trạng thái đàn hồi cao là biến dạng thuận nghịch
Ở trạng thái chảy nhớt, dưới tác dụng của tải trọng các cao phân tử bị nắn thẳng va trượt lên nhau, chảy nhớt là quá trình không thuận nghịch tạo thành phần chủ yếu của biến dạng. Sau khi tháo tải trọng thì polyme ngừng chảy nhớt và giữ nguyên trạng thái hiên có.
Như vậy cấu trúc phân tử polymer không bị thay đổi ở những trạng thái vật lý khác nhau ( nếu không có sự đứt liên kết đồng hóa trị ở những đại phân tử). Trong khi đó cấu trúc ngoại vi phân tử dễ dàng thay đổi.
7.2.1.1 Cấu dạng và độ mềm dẻo của mạch polyme
Polyme là những phân tử mạch rất dài được tạo ra từ nhiều mắt xích gọi là monome. Các mắt xích tronh mạch có thể xắp xếp đều đặn hay không đều đặn, có thể phân nhánh hay có cấu tạo mạng lưới và cấu tạo không gian bất kỳ. Khi kéo một mẫu polyetylen và khảo sát cấu tạo