2. Những kiến thức cơ bản khi hàn kim loại màu
2.2. Đồng và hợp kim của đồng
2.2.1. Đặc điểm của đồng và hợp kimđồng
a. Đồng đỏ
Đồng cĩ độ dẻo cao, khả năng chống ăn mịn tốt trong nhiều mơi trường, đặc biệt cĩ độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao. Đồng cĩ mạng lập phương tâm mặt, cĩ khả năng bị hĩa bền mạnh khi chịu biến dạng. Đồng cĩ khối lượng riêng = 8,94 g/cm3, nhiệt độ nĩng chảy 10800C độ chảy lỗng nhỏ. Tính hàn của đồng khá tốt cĩ thể áp dụng mọi kiểu hàn đối với đồng. Khi lượng tạp chất đặc biệt oxy tăng lên, tính hàn của đồng giảm đi rõrệt.
Đồng cĩ tính dẫn điện cao sau bạc (với đồng cĩ độ sạch 99,9% ở 200C bằng
Tạp chất trong đồng cĩ thể chia thành 3 nhĩm chính:
•Các tạp chất hịa tan trong dung dịch rắn của đồng, nhĩm này gồm P, Fe; Al; Ni; Zn; khi hàm lượng cĩ trong đồng tăng khả năng dẫn điện giảm nhanh
•Các tạp chất hầu như khơng tan trong dung dịch rắn của đồng tạo ra tổ chức cùng tinh dễ chảy (Bi, Pb…) làm giảm mạnh cơ tính đặc biệt độ dẻo. Tổ chức cùng tinh cĩ nhiệt độ nĩng chảy nhỏ ví dụ: hệ Cu-Bi cĩ nhiệt độ nĩng chảy 2700
C là
nguyên nhân gây vỡ phơi khi cán nĩng, nứt giịn khi biến dạngnguội.
•Các tạp chất cĩ thể tương tác với đồng tạo hợp chất hĩa học. Trong nhĩm này nổi bật là oxy (dù chỉ chứa một lượng nhỏ 0,04%). Ơxy chủ yếu tồn tại ở dạng
Cu2O thuộc tổ chức cùng tinh (Cu-Cu2O) chỉ hịa tan rất ít trong dung dịch rắn (0,002% ở 6000C). Khi đồng làm việc trong điều kiện nhiệt độ 4000
C hydro
nguyên tử khuếch tán vào trong dung dịch rắn xen kẽ kết hợp với oxyt đồng theo phản ứng H2 + Cu2O = 2Cu + H2O nếu hơi nước tích tụ đủ cĩ thể phá hủy đồng gây nhiều vết nứt tếvi phân bố rải rác trong tồn chi tiết làm cho đồng trở nên giịn cịn gọi là hiện tượng giịn hydro. Ngày nay người ta tinh luyện được đồng bằng phương pháp nấu chảy cực âm trong khí quyển bảo vệ với hàm lượng ơxy đạt nhỏ 0,003% gọi là đồng khơng ơxy (OFHC: Oxygen Free High
conductivity)
•Dựa vào khả năng kết hợp mạnh của P với ơ xy người ta cho vào đồng một lượng nhỏ P sao cho vừa đủ chuyển hết oxy thành P2O5 và cịn dư một lượng <0,005% P khơng ảnh hưởng đến tính dẫn điện của đồng.
b. Hợp kim đồng (Đồng thau và đồng thanh)
Phân loại theo cách thơng dụng là theo thành phần hĩa học và được chia thành 2 nhĩm chính: La tơng (Các hợp kim của đồng Cu với kẽm Zn) và Brong (các hợp kim của đồng với thiếc Sn và một số nguyên tố khác) - TCVN 1659-75
quy định trên cơ sở thuật ngữ đã được dùng phổ biến ở Việt Nam từ tiếng Pháp
• Đối với La tơng (đồng thau): Bắt đầu bằng chữ L rồi lần lượt các ký hiệu Cu, Zn, sau đĩ là ký hiệu các nguyên tố hợp kim nếu cĩ các con số tiếp theo chỉ hàm lượng trung bình theo phần trăm khối lượng tương ứng ví dụ: LCuZn40Pb2 cĩ nghĩa La tơng chứa trung bình 40% Zn và 2% chì cịn lại là đồng 58%
+ Loại la tơng một pha với thành phần đến 35% Zn: tổ chức là pha (dung
dịch đặc xen kẽ của Zn trong Cu). Do cơ chế hĩa bền dung dịch rắn giới hạn bền, giới hạn chảy tăng đồng thời độ dẻo cũng tăng đạt giá trị cực đại tại khoảng
3032% Zn sau đĩ giảm đi nhanh
+ Loại la tơng 2 pha - ’ hàm lượng Zn > 35%. Pha là hợp chất điện tử ứng với cơng thức CuZn cĩ kiểu mạng lập phương tâm khối. Thấp hơn 4600
C pha
khơng trật tự chuyển sang trật tự và ký hiệu ’. Trong khi pha khá dẻo cĩ thể chịu biến dạng dẻo dễ dàng thì pha ’ khá giịn khả năng chịu biến dạng rất kém
+ Ngồi ra người ta cịn cho vào La tơng một số nguyên tố hợp kim khác để cải thiện cơ tính của nĩ như: chì 0,43% cải thiện tính cắt gọt, thiếc khoảng 1% nâng cao tính chống ăn mịn trong nước biển. Nhơm hồn tồn cĩ thể thay thế thiếc tăng mạnh tính chống ăn mịn trong nước biển. Nhơm, Man gan, sắt phối hợp đưa vào trong la tơng tạo hạt nhỏ tăng cơ tính, tăng khả năng chống ăn mịn, Niken cải thiện tính chống ăn mịn, khắc phục hiện tượng thốt kẽm, tăng cơ tính chịu gia cơng áp lực
•Đối với Brong (đồng thanh): Bắt đầu bằng chữ B tiếp theo là Cu rồi đến ký hiệu các nguyên tố hợp kim chính phần cuối là các nguyên tố phụ, các con số tiếp theo chỉ hàm lượng trung bình theo phần trăm khối lượng tương ứng ví dụ: BCuSn4Zn4Pb2,5 là brong thiếc cĩ thành phần hĩa học trung bình 4% thiếc Sn, 4% kẽm Zn và 2,5% chì Pb.
+ Brong thiếc:
Hàm lượng Sn được dùng trong các Brong cơng nghiệp khơng vượt quá 16%. Các Brong biến dạng thường chứa <8% thiếc. ở nhiệt độ thường các hợp kim chứa ít hơn 8% Sn sau ủ cĩ tổ chức một pha đồng nhất (dung dịch đặc thay thế của Sn trong Cu, cĩ kiểu mạng lập phương tâm mặt) khá dẻo chịu biến dạng tốt. Khi > 10% tổ chức hợp kim này gồm ( - ) Brong thiếc thường được dùng trong cơng tắc điện, ống thổi, màng ngăn, đĩa ly hợp, bánh răng, ổ trượt, bạc lĩt…
+ Brong nhơm:
Theo giản đồ pha hệ Cu-Al hợp kim chứa ít hơn 9,4% Al cĩ tổchức 1 pha
(dung
dịch rắn thay thế của Al trong Cu, cĩ kiểu mạng lập phương tâm khối khá dẻo và bền).
Do sự hình thành lớp Al2O3 trên bề mặt các hợp kim này chịu đựng tốt trong khí quyển cơng nghiệp hoặc tiếp xúc với nước biển. Khi tăng hàm lượng nhơm sẽ xuất hiện pha (pha điện tử ứng với cơng thức Cu3Al cĩ mạng lập phương tâm khối) chỉ ổn định ở nhiệt độ > 5660C cịn tại nhiệt 5650C xảy ra chuyển biến cùng
tích [ + 2] ; 2 cũng là hợp chất điện tử cứng và giịn. Phản ứng này làm cho đồng cĩ độ dai phá hủy giảm mạnh. Tuy vậy nếu làm nguội nhanh trong nước pha sẽ chuyển biến khơng khuếch tán tạo pha ’ kiểu mạng sáu phương mềm, mềm hơn cả tổ chức cùng tinh [ + 2]. Khi ram ở nhiệt độ 5000C nhận được hiệu ứng hĩa bền đáng kể mà khơng làm giịn hợp kim do tiết pha 2 ở dạng nhỏ mịn.
Ngồi 2 Brong trên cịn các brong khác tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim chính với thành phần khác nhau cĩ các hệ hợp kim khác nhau. Ví dụ các hợp kim
Cu-Si, Cu-Sn-Pb, v.v.). Các brong cĩ khả năng chống ăn mịn cao, ổn định trong mơi trường hơi nước, nước biển, v.v. Đồng thanh cũng được sử dụng như vật liệu kết cấu và trong các thiết bị dưới dạng đường ống..
2.2.2. Đặc điểm khi hàn đồng và hợp kim của đồng
Nĩi chung đồng và hợp kim của đồng là vật liệu cĩ tính hàn xấu vì chúng cĩ những đặc điểm sau đây:
•Đồng cĩ tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt: Đồng cĩ tính dẫn nhiệt tốt nên khi hàn yêu cầu phải cĩ nguồn nhiệt tập trung mạnh, tức là phải hàn với chế độ hàn
cao;
• Ở nhiệt độ cao hạt đồng cĩ xu hướng lớn lên mạnh, nhất là khi hàn mối hàn nhiều
lớp, do đĩ giảm độ bền của đồng xuống vì thế để đảm bảo độ bền của mối hàn thì tốt nhất là sau mỗi lớp hàn tiến hành rèn ở nhiệt độ 550÷8000
C.
•Đồng dễ bị ơxy hố ở nhiệt độ cao. Khi hàn đồng tạo nên các ơxít đồng. Các ơxít này lại cùng với đồng tạo nên các cùng tinh dễ chảy phân bố ở các vùng tinh giới hạt, do đĩ làm giảm tính dẻo và dễ gây nên hiện tượng nứt nĩng trong mối
hàn.
• Khi hàn đồng thau kẽm dễ bay hơi do sự tạo thành ơ-xít kẽm. ZnO cĩ nhiệt độ sơi thấp (9070C). Sự bay hơi của kẽm khơng những làm thay đổi thành phần kim loại mối hàn mà cịn gây ra hiện tượng rỗ khí trong mối hàn và gây độc hại đối với người thợ hàn.
• Đồng cĩ hệ số giãn nở dài tương đối lớn. Hệ số giản nở (gấp 1,5 lần so với
thép) nên khi hàn hay bị biến dạng (cong, vênh ), nứt ... Vì thế cần phải chú ý gá lắp các chi tiết hàn để khơng hạn chế sự giãn nở khi nung nĩng cũng như sự co của chúng khi nguội, đồng thời cần phải nung nĩng sơ bộ các chi tiết trước khi hàn lên
một nhiệt độ nhấtđịnh.
• Đồng và hợp kim của đồng ở trạng thái lỏng hồ tan nhiều khí. Khả năng hịa tan khí của đồng và hợp kim đồng rất tốt. Nhất là ơxy và hyđrơ. Do đĩ khi nguội mà chúng khơng kịp thốt ra khỏi vũng hàn sẽ gây nên hiện tượng rỗ khí và nứt trong mối hàn. Ngồi sự hồ tan vào kim loại lỏng ở trong vũng hàn ra, trong quá trình hàn hyđrơ cịn khuyếch tán vào các vùng ảnh hưởng nhiệt tác dụng với ơxít đồng (nằm ở vùng tinh giới) tạo thành hơi nước, tuy hơi nước khơng hồ tan vào đồng, nhưng nĩ lại thốt ra ngồi khi nguội, do đĩ gây nên hiện tượng nứt tế vi (rất nhỏ) ở vùng này để ngăn ngừa hiện tượng đĩ cần phải tìm biện pháp cơng nghệ đơn giản và thích hợp để hạn chế mức tối đa lượng hyđrơ xâm nhập vào vùng hàn: Ví dụ phải sấy khơ cẩn thận các vật liệu trước khi hàn, làm sạch mép hàn, dây hàn, nung nĩng sơ bộ chi tiết trước khi hàn. Sử dụng thuốc hàn làm tăng chảy loang của kim loại phụ và khử tạp chất khi đồng nĩngchảy.
•Độ chảy loảng của đồng và hợp kim đồng cao (nhất là đồng thanh) gây khĩ
khăn trong quá trình hàn vì sự chảy của kim loại lỏng qua khe hở hàn sang phía đối diện gây ảnh hương xấu đến sự hình thành mối hàn ở phía đĩ. Để khắc phục hiện
tượng này khi hàn ở vị trí hàn sấp nên tiến hành hàn trên tấm đệm, cịn hàn ở vị trí hàn đứng nên hàn bằng que hàn cĩ thuốc bọc dày và hàn với chế độ thấp.
• Độ chảy lỗng của đồng và đặc biệt đồng thau rất cao, do đĩ khĩ hàn ở các tư thế khác hànsấp.
2.2.3. Các phạm vi ứng dụng của đồng và hợp kimđồng
Đồng và hợp kim đồng được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp trong cơng nghiệp điện. Các nguyên tố hợp kim chính cho các hợp kim đồng: kẽm, niken, thiếc, nhơm. Các nguyên tố ảnh hưởng tới: độ bền, khả năng bền hĩa học, khả năng biến đổi hình dạng, tính thích hợp hàn...