Khác với các hợp kim biến dạng cần có độdẻo cao, hợp kim nhôm đúc cần tính đúc tốt để dễdàng tạo hình các chi tiết. Để đánh giá tính đúc, người ta thường căn cứ vào các chỉ tiêu chính như: độchảy loãng, khả năng điền đầy khuôn, hệsốco ngót, xu hướng nứt nóng và rỗ co. Nhờ có nhiệt độ chảy thấp, các hợp kim nhôm có thể đúc trong khuôn kim loại. Do tốc độ nguội nhanh, các thỏi đúc trong khuôn kim loại
thường có tổchức nhỏmịn và cơ tính được cải thiện đáng kể.
So với hợp kim biến dạng, hợp kim nhôm đúc chứa lượng nguyên tốhợp kim lớn hơn và trong tổ chức của chúng bao giờ cũng có một tỷ lệ đáng kể thành phần cùng tinh. Điều này cho phép hạthấp nhiệt độchảy và thu hẹp hoảng nhiệt độkết tinh.
a. Hợp kim Al–Si
Nhôm và silic tạo thành điểm cùng tinh với 12,7%Si. Những hợp kim ứng dụng trong công nghiệp có hàm lượng silic dao động trong khoảng 5 đến 20%. Thông dụng hơn cả là các hợp kim cùng tinh hoặc trước cùng tinh. Bình thường, silic trong cùng tinh có dạng hình kim. Tổchức như vậyứng với cơ tính không cao, đặc biệt là độ dai phá hủy nhỏ. Sửdụng kỹthuật biến tính bao gồm đưa hỗn hợp muối NaF + NaCl theo tỷlệ2/1 kết hợp với khuấy trộn đều trước khi rót khuôn, người ta có thểbiến các kim silic thành các hạt nhỏdạng cầu. Tổchức sau biến tính có cơ tính cao hơn hẳn chính là nhờsựbiến đổi tổchức như vậy.
Đưa thêm magie (từ 0,3 đến 1%), cho phép cải thiện đáng kể cơ tính của hợp kim Al – Si. Các vật đúc từ hợp kim Al – Si – Mg đều được nhiệt luyện hóa bền. Pha Mg2Si tiết raởdạng phân tán khi hóa già, sẽ nâng cao cơ tính của chi tiết.
Cho thêm đồng từ 3 đến 5% cho phép nâng cao cơ tính cả ở nhiệt độ thường và nhiệt độ tương đối cao. Trong trường hợp này, sự có mặt một lượng nhỏ magie sẽcải thiện thêm khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện. Hợp kim AlSi12CuMg1Mn0,6Ni1Đ vừ có tính đúc tốt, hệsốgiãn nở nhiệt nhỏ, chống mòn tương đối, được dùng rất phổ biến đểchếtạo pittông động cơ đốt trong.
b. Hợp kim Al–Cu
Hợp kim đúc đơn giản chỉ gồm nhôm và đồng hầu nhưu không có ứng dụng thực tếvì tínhđúc của nó rất kém.
Tuy vậy trên cơ sởhệAl– Cu người ta có thểtạo ra các hợp kim nhôm bền nóng để đúc các chi tiết làm việcởvùng nhiệt độ250 –3500C. Trong trường hợp này, người ta cho thêm các nguyên tốhợp kim hóa Mg, Ni hoặc Mn, Ti.
Hợp kim AlCu5Mg1Ni3Mn0,2Đ rất thích hợp để chế tạo các chi tiết nhẹ, hình dạng phức tạp, làm việcởnhiệt độ300–3500C.
Bên cạnh độbền nóng tương đối cao, các hợp kim nhóm này còn có giới hạn mỏi khá lớn. Tuy vậy, đây là các hợp kim chịu ăn mòn kém, tínhđúc xấu và độdẻo khá nhỏ.
c. Một sốhệhợp kim nhôm đúc khác
Các hợp kim nhôm đúc trên cơ sở Al – Mg có khối lượng riêng nhỏ khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển, trong nước biển và một số môi trường điện ly khác. Lượng Mg thường dùng dao động trong khoảng 8 – 11%. Để tạo hạt nhỏ cải thiện cơ tính, đặc biệt là nâng cao độ dai va đập người ta đưa thêm một lượng nhỏcác kim loại chuyển tiếp Zr, Ti. Hợp kim Al – Mg thường sử dụng để đúc các chi tiết yêu cầu
chống ăn mòn cao vàđộbền tương đối lớn.
Nhược điểm căn bản của các hợp kim này là tính đúc xấu và độ bền nóng nhỏ. Hợp kim hệAl –Zn– Mg có khả năng tự tôi. Điều này cũng có nghĩa là dù đúc trong khuôn kim loại hoặc trong khuôn cát, cơ tính các chi tiết đạt được đều như nhau vì dung dịch rắn quá bão hòa tạo thành ngay khi làm nguội với tốc độrất chậm. Hóa già xảy ra ngayởnhiệt độkhông khí bình thường. Sau một đến hai tháng hóa già tựnhiên, 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 sự đồng đều cơ tính trên toàn bộ thểtích.
3.2. Đồng và hợp kim đồng
Đồng là một kim loại có những tính chất quý như độ dẻo cao, khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường, đặc biệt là độdẫn điện và dẫn nhiệt cao vì thếvật liệu này được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rất rộng rãi. Theo tính chất và công dụng các hợp kim đồng được phân loại thành các nhóm, ví dụ nhóm các hợp kim đúc và nhóm các hợp kim biến dạng, hoặc nhóm có thể hóa bền bằng nhiệt luyện và nhóm không có đặc điểm này. Tuy vậy, cách phân loại thông dụng hơn cả dựa vào thành phần hóa học.
Theo cách này các hợp kim đồng được chia thành hai nhóm chính latông là các hợp kim của Cu với Zn và brông là các hợp kim của Cu với Sn hoặc với một số nguyên tốkhác.
Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 1959-75 quy định ký hiệu các hợp kim đồng, đối với latông, bắt đầu bằng chữL rồi lần lượt các ký hiệu Cu, Zn sau đó là ký hiệu các nguyên tốhợp kim nếu có. Các con sốdứng sau mỗi ký hiệu nguyên tốchỉ hàm lượng trung bình theo phần trăm trọng lượng tương ứng của nó.
Ví dụ, ký hiệu LCuZn40Pb2 có nghĩa là la tông chứa trung bình 40%Zn; 2%Pb và phần còn lại 58% là đồng.
Đối với brông bắt đầu bằng chữB tiếp theo là Cu rồi đến ký hiệu nguyên tốhợp kim chính tạo ra brông đó. Phần cuối là ký hiệu các nguyên tố hợp kim phụ. Nguyên tắc chỉ hàm lượng trung bình theo phần trăm của các nguyên tố có trong brông hoàn toàn tương tự như trong ký hiệu latông.
Ví dụ, ký hiệu BCuSn4Zn4Pb2,5 có nghĩa là brông thiếc có thành phần hóa học trung bình 4%Sn; 4%Zn; 2,5%Pb và phần còn lại 89,5% là đồng.
3.2.1. Đồng đỏ
Đồng đỏ là đồng nguyên chất, màu đỏ. Mặc dù khối lượng riêng lớn (8,94g/cm3) nhưng do có được các chỉ tiêu cơ lý hóa tính tương đối cao, nên đồng được sử dụng khá phổ biến. Dưới đây khảo sát các đặc điểm chính của đồng vàảnh hưởng của một sốtạp chất thường có trong nó.
3.2.1.1. Đặc điểm của đồng đỏ
Đồng là kim loại rất dẻo vì có cấu tạo tinh thểkiểu lập phương tâm mặt. Nhờ đặc tính này người ta biến dạng nóng và nguội đồng rất dễdàng.
Khi chịu biến dạng dẻo, đồng bị hóa bền rất mạnh. Ví dụ, đồng đỏ, độ sạch 99,97% Cu,ởtrạng thái ban đầu chưa biến dạng có giới hạn bền kéo 220MPa, giới hạn đàn hồi 70MPa, sau biến dạng dẻo với mức độ biến dạng 60% các giá trị tương ứng tăng lên 425MPa và 375MPa. Tính chất này đặt cơ sở cho một trong những phương phá hóa bền đồng và hợp kim của nó là biến dạng nguội.
Trong trường hợp cần gia công cắt gọt thìđộdẻo cao của đồng gây khó gẫy phoi lại là một nhược điểm. Trên thực tế, đểcải thiện tính gia công cắt gọt của nó người ta thường sửdụng các nguyên tốhợp kim thích hợp.
Đồng nóng chảy ở 10830C. Độ chảy loãng của đồng nhỏ, vì vậy khả năng điền đầy khuôn kém. Tính hàn của đồng khá tôt. Có thểáp dụng mọi kiểu hàn đối với đồng. Khi hàm lượng tạp chất, đặc biệt là oxy tăng lên, tính hàn của đồng giảmđi rõ rệt.
Trong các môi trường thường gặp như nước, nước biển, không khí hoặc một số môi trường hóa chất như kiềm, axit hữu cơ, đồng ổn định chống ăn mòn rất tốt.
Đồng nổi bật vềtính dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Trong dãy các kim loại, nếu so sánh các chỉ tiêu này, đồng đứng thứ2 sau bạc. Đồng đỏ với độ sạch 99,9%Cu sau ủ có điện trởrất nhỏ,ở200C bằng 1,7241Ωcm và độdẫn nhiệt khá lớn, bằng 385W/m.K
3.2.1.2.Ảnh hưởng của các tạp chất
Phụthuộc vào phương pháp và trìnhđộcông nghệ, người ta có thểtạo ra đồng đỏ với độ sạch khác nhau. Tạp chất trong đồng rất đa dạng, có thể được phân thành ba nhóm chính.
Các tạp chất hòa tan trong dung dịch rắn của đồng. Nhóm này gâyảnh hưởng xấu đến độdẫn điện.Độdẫn điện giảm nhanh khi hàm lượng tạp chất trong đồng tăng lên. Các tạp chất hầu như không tan trong dung dịch rắn của đồng và tạo ra tổ chức cùng tinh dễ chảy (Bi, Pb,…). Các tạp chất này làm giảm cơ tính, đặc biệt là độ dẻo, làm xấu khả năng gia công áp lực, nhất là khi cán, kéo ở nhiệt độ cao. Theo giản đồ pha của hệ Cu-Bi, thành phần ứng với điểm cùng tinh gần trùng với Bi nguyên chất (99,8%Bi). Khi kết tinh, tổchức cùng tinh với nhiệt độ chảy thấp (2700C) và rất giòn này sẽtạo ra sau cùng và phân bốthành lớp mỏng theo biên giới hạt. Vì vậy nó chính là nguyên nhân gây vỡ phôi khi cán nóng, nứt giòn khi biến dạng nguội.
Các tạp chất có thể tương tác với đồng tạo hợp chất hóa học. Trong nhóm này oxy đáng quan tâm nhất vì nó dễ lẫn vào đồng khi chế tạo và gây tác hại không nhỏ. Đồng sau tinh luyện điện phân đạt độ sạch khá cao (hơn 99,9%Cu) nhưng vẫn chứa một lượng oxy dù là rất nhỏ(khoảng 0,04%).
cùng tinh (Cu-Cu2O) và chỉ hòa tan rất ít trong dung dịch rắn của đồng (0,008% ở 10650C, giảm nhanh xuống 0,002% ở 6000C). Tổ chức (Cu-Cu2O) cứng và giòn, làm xấu khả năng gia công biến dạng nguội của đồng. Ở nhiệt độ trên 4000C nguyên tửH trởnên hoạt, khuếch tán trong dung dịch rắn xen kẽ, do vậy phảnứng hoàn nguyên tạo hơi nước xảy ra với tốc độkhá nhanh: H2+ Cu2O = 2Cu + H2O
Hơi nước tạo thành theo phản ứng tích tụ, gây áp suất lớn đủ để phá hủy đồng, sinh ra nhiều vết nứt tếvi phân bốrải rác trong toàn chi tiết. Do vậy đồng trởnên giòn. Hiện tượng này còn gọi là bên giòn hydro. Trên thực tế, người ta tránhủ đồng có tạp chất oxy trong các môi trường có lẫn hydro hoặc tránh sử dụng nó ở nhiệt độ trên 4000C. Ngay trong các trường hợp có liên quan đến hàn (hàn vẩy hoặc hàn nối), không cho phép sử dụng đồng có lẫn oxy. Trong công nghiệp, nhờ phương pháp tinh luyện bằng nấu chảy đồng cực âm trong khí quyển bảo vệ, người ta sản xuất ra đồng không oxy (OFHC, Oxygen Free High Conductivity) với hàm lượng oxy rất nhỏ (ít hơn 0,003%), có độdẻo cao, độdẫn điện lớn và hoàn toàn không nhạy cảm với giòn hydro. Dựa trên ái lực mạnh của P với O người ta đã chủ động cho thêm một lượng P hợp lý vào đồng để chuyển toàn bộ lượng Oxy có mặt về dạng P2O3. Nếu lượng P dư không quá 0,005%, độdẫn điện của đồng hầu như không bị ảnh hưởng. Khi vượt quá 0,04% photpho dư làm giảm mạnh độdẫn điện của đồng.
Tuy vậy, trong trường hợp này đồng lại có khả năng chống hấp phụ oxy khi gia công biến dạng nóng hoặc khi hàn. Đồng có đặc điểm này gọi là đồng đã khửoxy. Nó được sửdụng rất tốt để chếtạo cácống dẫn hoặc bộ trao đổi nhiệt.
3.2.2. Latông
Latông là hợp kim đồng, trong đó kẽm là nguyên tốhợp kim chính. Về cơ bản tổ chức và tính chất của latông được quyết định bởi hàm lượng kẽm.
3.2.2.1. Thành phần hóa học, tổchức và tính chất
Tổ chức của Latông với hàm lượng Zn khác nhau ở trạng thái ủ có thể xác định được trên giản đồ pha hệ Cu-Zn. Khi tăng dần hàm lượng kẽm, sẽ lần lượt xuất hiện các pha khác nhau với tính chất rất khác nhau.
Phaα là dung dịch rắn thay thếkẽm trong đồng. Mạng tinh thểcủa pha này thuộc kiểu lập phương tâm mặt, vì thế độ dẻo của nó khá cao.Ở 4540C, vùng tồn tại của pha này mở rộng đến 30%Zn. Do có chế hóa bền dung dịch rắn, giới hạn bền và giới hạn chảy của phaα tăng theo hàm lượng Zn. Khả năng hóa bền của phaα rất lớn. Khác với thông thường khi độbền tăng, độ dẻo sẽ giảm, trong trường hợp này tăng hàm lượng kẽm không chỉ làm tăng giới hạn bền mà còn làm tăng độ dẻo. Độ dẻo đạt giá trị cực đại tại khoảng 30 -32%Zn, sau đó giảm đi rất nhanh.
Pha β được hình thành ở nồng độ kẽm cao hơn. Đây là hợp chất điện tử ứng với công thức CuZn có kiểu mạng lập phương tâm khối. Thấp hơn 4600C, phaβkhông trật
tựchuyển sang trật tự hóa và được ký hiệu là β’. Trong khi pha βkhá dẻo, có thểchịu biến dạng dẻo dễdàng, thì phaβ’ lại khá giòn.
Trên thực tế các Latông, chỉ chứa một lượng kẽm giới hạn, thường không vượt quá 45%. Theo đặc điểm tổchứcởnhiệt độ thường, người ta phân biệt hai loại latông, latông α (hoặc latông một pha) có hàm lượng kẽm thay đổi từ 5-35% và latông α-β’ (hoặc latông hai pha) với hàm lượng Zn lớn hơn 35%.
Cơ tính của latông một pha tăng khi hàm lượng Zn tăng. Ở khoảng 30%Zn hầu hết các chỉ tiêu cơ tính như độbền, độdẻo đều đạt giá trịcực đại.
Latông một pha có màu sắc đẹp, dẻo, dễ biến dạng, hàn, mạ tốt, giá thành thấp hơn đồng đỏ, vì vậy trở nên phổbiến nhất trong sốcác hợp kim đồng.
So với pha latông một pha thì latông hai pha cứng hơn và kém dẻo hơn. Chính do pha β’ khá giòn nên khả năng gia công biến dạng nguội của latông hai pha rất kém. Tuy vậyởnhiệt độcao có thểdễdàng biến dạng latông này vì so vớiβ’, pha βdẻo hơn nhiều.
Khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn (ví dụ, hỗn hợp khí chứa NH3, dung dịch điện ly,…) latông với hàm lượng kẽm tương đối lớn (trên 20%) thường bị nứt hoặc thoát kẽm. Nhằm khắc phục hiện tượng này người ta tiến hành ủ lâu ở 270-3000C để khửtriệt để ứng suất dư – nguyên nhân gây ăn mòn nứt khi có môi trường hoạt tính.
Đối với hiện tượng thoát kẽm, phương pháp hiệu quảnhất để ngăn cản nó là hợp kim hóa.
3.2.2.2.Ảnh hưởng của nguyên tốhợp kim
Để cải thiện hoặc tạo thêm tính chất mới cho latông người ta thường tiến hành hợp kim hóa. Một sốnguyên tốhợp kim thông dụng đưa vào latông là Pb, Zn, Al, Mn, Fe và Ni.
Chỉ với hàm lượng từ 0,4 –3% có tác dụng cải thiện tính cắt gọt nhờ làm dễcắt gẫy phoi và giảm ma sát.
Các latông dễcắt chứa chìđược áp dụng rộng rãiđểchếtạo những chi tiết không qua biến dạng trong công nghiệp chếtạo đồng hồ.
Thiếc đưa vào latông với hàm lượng nhỏkhoảng 1% nhằm nâng cao tính chống ăn mòn trong nư ớc biển. Latông với thành phần 29%Zn –1%Sn – 70%Cu còn gọi là latông hải quân rất thông dụng trong ngành đóng tàu.
Nhôm hoàn toàn có thểthay thiếc làm tăng mạnh tính chống ăn mòn và xói mòn trong nước biển. Nhôm, mangan và sắt thường được phối hợp với nhau khi đưa vào latông nhằm tạo hạt nhỏ, tăng cơ tính và tăng khả năng chống ăn mòn.
Niken cải thiện mạnh tính chống ăn mòn của latông. Nó khắc phục hiện tượng nứt và thoát kẽm, tăng cơ tính, đồng thời tăng khả năng chịu gia công áp lực. Hợp kim đồng chưa 17 – 27%Zn, 8 -18%Ni có màu sắc tương tự hợp kim Ni – Ag được gọi là mayxo. Mayxo có tổ chức một pha rất dẻo, màu sắc đẹp, chống ăn mòn tốt, được ưu
tiên sử dụng để chế tạo các chi tiết quang học, đồ dùng chính xác, trang trí và trong công nghiệp đồng hồ. Do độdẫn điện nhỏ, người ta thườngứng dụng hợp kim này làm