II, n.mmVm Đon vj do
b. Kỷh iệu hợp kim nhơm
Tiíu chuẩn Việt Nam (TCVN 1859 - 75) quy định ký hiệu hợp kim nhôm b ắt đầu bằng chữ AI, tiếp theo lă ký hiệu câc nguyín tcT hợp kim chính, sau đó lă câc ngun tố hợp kim phụ. Câc chữ số đứng sau ký hiệu nguyín tố hợp kim chỉ hăm lứợng ngun tố đó tín h bằng phần trăm. Nếu lă hợp kiin đúc, ở cuối cùng có thím chữ Đ.
Vi dự: AlMn 1,2 lă hợp kim nhôm biến dạng có hăm lượng trung
bình của mangan lă 1,2%; còn ký hiệu AlSi 5,5Cu 4,5Đ lă hợp kim nhơm đúc có hăm lượng trung bình của silíc lă 5,5%, đồng lă 4,5%. Bảng 7,2
níu một số mâc hợp kim nhôm.
B ả n g 7.2. Thănh phần ký hiệu một số hợp kim nhơm
Hệ hộp kim Tiíu chuẩn Việt Nam Thănh phđn, %
Hợp klm nhơm bíễn dạng Al-Cu Al-Cu-Mg -Mn Al-Mg Al-Mg-Si Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu AICu 4,4MgO,5MnO>8 AICu 4,4Mg1,5MnO,6 AIMn1,2 AIMgt.4 AJMg1SÌ0,6 AIZn4,5Mg1,4 AIZn5,6Mg2,5Cu 1,6 4,4Cu-0,5Mg-0,8Mn 4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn 1,2Mn-0,12Cu 1,4Mg 1 M g-0,6Si-0,2Cr'0,3Cu 4 ,5 Z n -1 ,4 M g -0 ,1 2 C r - 0 ,4 M n -0 ,1 5 2 r 5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu Hợp klm nhôm đúc Al-Cu Al-Si-Cư AI-SI-Mg Al-Si-Mg-Cu AICu 4,5Đ . A)Sf 5,5Cu 4,5Đ Ạ ISi 7MgO,3Đ AISi 12Mg1,3Cu2MnO,6Đ 4,5Cu-1SI 5,5SI-4,5Cii 7Si-0,3Mg 12Si-1,3Mfl-2Cu-0,6Mn-1NÍ-0,2TÍ c. H ợp k im nhôm hiển d ạ n g
- Nhóm hợp kim khơng hóa bền được bằng nhiệt luyện:
Câc hợp kim thuộc nhóm năy có độ bền khơng cao (nhưng vẫn cao hơn nhiều so với nhơxn n g u y í n chất), độ dẻo cao vă tín h chống ăn mịn tốt. Câc hệ hợp kim chủ yếu Ịă Al-Mn vă Al-Mg. Hệ Al-Mn có th ăn h phần Mn trong khoảng 1 -ỉ- 1,6%, th ăn h phần gồm dung dịch rắ n a vă pha MnAle có th ể hòa tan dung dịch rắ n khi tống nh iệt độ. Nhưng khị có m ặt tạp chất Fe vă si, độ hòa tan của mangan trong dung dịch rắ n giảm nhanh do tạo th ă n h pha liến kim loại của Al-Fe-Si-Mn khơng hịa tan
trong nhơm, vì vậy, hợp kim năy không th ể hóa bền bằng nhiệt luyện
đưrc. Để tăng độ bền cho hệ hợp kim năy, người ta sử dụng phương phâp biến dạng nguội. Sự có m ặt của câc pha liín kim loại Al-Fe-Si-Mn ở dạng phđn tâ n nhỏ m ịn lăm tăng n h iệt độ kết tinh lại, duy trì ổn định kết quả hóa bền. Biến dạng dẻo lăm tăng độ bền hợp kim gần hai lần. Trong
hợp kim Al-Mn, mangan rấ t dễ bị thiín tích lăm xấu cơ tính, n h ất lă độ dai va đập.
Hệ hợp kim Al-Mn chịu gia cơng biến dạng nóng vă nguội tốt, có tín h h ă n vă chịu ă n mòn trong khí quyển cao hơn nhơm nguyín chất kỹ thuật. N6 được sử dụng rộng rêi thay th ế nhơm sạch khi có u cầu cao hơn về cơ tính, n>hất lă độ dai va đập.
Hệ Al-Mg có th ể hịa ta n tối đa 17,4% Mg ô 451 °c. Khi lăm nguội; độ hòa tan của nó giảm nhanh theo nhiệt độ vă tiế t ra pha thứ hai Mg2Al3 (hoặc MgsAlg) dạng lưới lăm xấu cơ tính của hợp kim, tăng độ nhạy cảm ăn mòn ứng suất. Thực tế, người ta chỉ hợp kim hóa Mg với th ăn h phần 3 -ỉ- 8%, mă phổ biến khoảng trín dưới 3% Mgj nín hiệu quả hóa bền của magií r ấ t thấp, coi như không hóa bền dược bầng nhiệt
luyện.
H ình 7,2. r ổ chức tế vi của hợp kim nhơm ■ magií a) 10%Mg; b) 8%Mg. X 200
Hợp kim hệ Al-Mg thuộc về hệ hợp kim nhơm nhẹ nhất, có tính dăn hồi tốt, ổn định chống ă n mịn khí quyển, bề m ặt gia công đẹp, khả năng giảm chấn m ạnh, có độ bền mồi Ơ_ 1 cao. Chúng được sử dụng rộng rêi trong ngănh chế tạo ơtơ, cơng trìn h xđy dựng.
Nhóm hợp k im hóa bền được bằng nhiệt luyện
Câc hợp kim thuộc nhóm năy có độ bền trung bình vă cao, chúng k ết hợp tố t giữa dộ bền vă độ dẻo. Đđy lă nhóm vật liệu k ế t cấú quan trọng, ngăy căng được nghiín cứu vă p h ât triể n mạnh.
Hợp kim Al-Cu vă Al-Cu-Mg được nghiín cứu, sản xuất vă ứng dụng sớm nhất. Sau biến dạng, tôi vă hóa giă, chúng có hiệu ứng hóa bền cao. Nhóm hợp kim năy còn gọi lă đuara (viết tắ t từ duralumin - do kỹ sư người Phâp A. Vilm tìm ra nầm 1911, dur: cứng; alumin: nhôm).
Ở nhiệt-độ cùng tinh 548°c, đồng hòa tan tới 5,65% trong nhơm, nhưng độ hịa tan cũng giảm nhanh theo nhiệt độ (còn 0,5% ở n h iệt độ thường), khi dó chúng tiế t ra pha C11AI2 còn gọi lă pha 0. Thông thường lượng đồng chứa trong nhôm năy khơng q 4%, Khi có thím magií với hăm lượng 1 -ỉ- 2%, chúng tạo thím câc pha mới như pha CuMgAl2, gọi lă pha s hoặc pha CuMg3Al5, gọi lă pha T. Câc pha 9, s vă T được gọi lă pha hóa bền. Câc nghiín cứu cho thấy pha 0 có khả năng hóa bền cao nhất, rồi mới đến pha s vă cuối cùng lă pha T. Tổng hăm lượng đồng vă magií được chọn trong khoảng 5%.
Nung để tôi hợp kim đua-ra ở nhiệt độ cao hơn 520°c, câc pha hóa bền hịa tan gần như hoăn toăn văo dung dịch rắn a của đồng. Sau khi tôi, độ bền của hợp kim tăng không đâng kể ( ơb chỉ tăng từ 200 N/mm2 lín 250 N/mm2), độ dẻo vẫn cao. Đđy lă ưu điểm so với thĩp, vì nó cho phĩp sửa chữa câc cong vính, thậm chí biến dạng cao sau khi tôi. Tổ chức tế vi của hợp kim đua-ra sau khi tơi níu trí n H.7.3.
H ìn h 7.3. TỔ chức đuara sau khi tôi a) X 100; b) X 200
Hóa giă tự nhiín vă nhđn tạo sau khi tôi, hợp kim tăng m ạnh độ bền. Tùy thuộc văo n h iệt độ hóa giă, có th ể đạt được hiệu quả hóa bền khâc nhau (H.7.4).
H ìn h 7.4. S ự thay đổi độ bển của. hợp kim đuara ở câc nhiệt độ vă thời gian khâc nhaụ
Thực nghiệm cho ta thấy hóa giă tự nhiín ở 20°c, thời gian đạt độ bền cực đại đăi khoảng 5-J .7 ngầy. Khi têng nhiệt độ hóa giă (lú dụ: ở
n h iệt độ 100, 150, 2Ọ0°C), thời gian dạt độ bền cực dại rút ngắn lại, nhưng giâ trị cực đại độ bền cụng giẳm xuống, chưa kể khi quâ hóa giă, độ bền lại giảm đi. Khi hóa giă ở nh iệt độ quâ thấp, q trìn h hóa giă hầu như khơng xảy ra (ví dụ ở -50°C).
Cơ chế quâ trìn h hóa giă hợp kim đuara lă cơ chế sinh mầm vă p hât triển mầm (xem mục 7b chương 3) được Gunií (Guinier) vă Prestôn (Preston) đưa ra đầụ th ế kỷ XX vă được câc phương tiện v ật lý hiện đại
sau năy chứng minh bằng thực nghiệm.
Sau khi tôi đuara, dung dịch rắn a quâ bêo hịa khơng 6n định về m ặt năng lượng, chúng có xu hướng tiết bớt đồng vă magií dưới dạng câc pha liín kim loại 0,s vă T. Quâ trìn h năy rấ t phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn với câc cđu trúc không gian khâc nhau. Đầu tiín, tại câc vùng giău dồng (Cu > 4%) xuất hiện vùng G-P (viết tắ t vùng Gunií-Prestồn). Do ngun tử đồng có kích thước nhỏ hơn nhôm vă vùng G-P ỉại liền mạng với nền dung dịch rắn, có kích thước nhỏ lĩhóảng hăng trêm ăngstron nín vùng G-P gđy xô lệch lớn trong mạng tin h thề của nền, lăm độ bền vă độ cứng của hợp kim tăng lín. Ở n h iệt độ cao hơn 100°c, q trìn h hóa giă tiếp tục bằng sự xuất hiện của pha giả ổn định 0’, có th ăn h phần gần giống pha C11AI2, nhưng vẫn còn liền m ạng với nền vă có tâc dụng hóa bền cao. Nung cao hơn 200°c, pha giả ổn định 0’ chuyến th ăn h pha ổn định 9, tâch độc lập khỏi nền. Rồi câc pha CuAỈ2 kết tụ lại, có kích thưổc lớn dần vă hợp kim lại có tổ chức như trước khi tôi, độ bền 242
vă độ cứng giảm xuống. Pha giả ổn định S’ vă s cũng được hình th ăn h vă có vai trị như pha \ỉ’ vă 9. Cùng một chế độ tôi vă hóa giă, tăn g hăm lượng dồng vă magií một câch hợp lý sẽ lăm tâng hiệu quả hóa bền (H.7.5).
H ình 7.5. Sự phụ thuộc độ bền cửa đuara văo tỷ ỉệ đồng vă magií khi tổng lượng 5% của chúng khơng đổi
P ha s (CuMgAl2) được tiế t ra ở nhiệt dộ cao hơn nín khi tăng magií (tức giảm lượng đồng hay lượng pha 0 (CuA12) giảm), độ bền nóng của hợp kim tống lín. Do đó, cảc hợp kim Al-Cu-Mg vẫn có thể giữ được độ bền tương đối cao ở n h iệt độ 200 T 250°c.
Ưu điểm của câc hợp kim đuara ỉă có dộ bền riíng rấ t cao, độ bền riíng được tín h bằng tỷ số giữa độ bền vă khối lượng riíng (ơ b / y) có
thứ ngun lă chiều dăi (thường tính bằng kilơmĩt), nó đặc trưng cho khả năng bị phâ hủy bởi chính khối lượng của v ật liệu đó: Đuara có độ bền riíng lă 15 -ỉ- 16, còn thĩp Ct5 lă 4,8 4- 6, gang lă 1,5 + 6. Do đó, đuara lă ’v ậ t liệu không thể thiếu được của ngănh hăng khồng, giao thông vận tải, xđy dựng, ...
Nhược điểm chủ yếu củạ đuara lă có tính chống ê n m ịn vă tính hăn kĩm. Nguyín nhđn lă đo trong đuara qó nhiều pha vă câc pha có điện th ế diện cực r ấ t khâc nhau. Để khắc phục, người ta phủ m ột lớp nhơm ngun chất mỏng lín bề m ặt đuara. Đuara phủ nhơm có tính chống ăn mòn cao, khơng thua kĩm nhơm ngun chất. Vì vậy, trong quâ trìn h sử dụng, chúng ta cần h ết sức trâ n h lăm trầ y xước lớp rihôm phủ năy.
Hợp kim nhôm độ bền cao Al-Cu-Mg-Zn: ngoăi câc ngun tố chính giơng như đuara, người ta hợp kim. hỏa thím kẽm. Khi hóa giă, hiệu ứng hóa bền do vùng G-P gđy ra rấ t lớn, độ bền đạt 600 + 700 M Ra gấp
hơn hai lần so với đuara. Giới hạn bền vă giới hạn chảy tăng lín khi tăng tổng hăm lượng của Zn vă Mg.
Hợp kim nhơm độ bền cao có độ dẻo thấp, ơ = 8 +10% , vă tính chống ă n mịn kĩm, có khuynh hướng bị ăn mòn ứng suất vă nứt dưới tải trọng chu kỳ, nhạy cảm với sự tập trung ứng suất vă dị hướng về tính chất. Hợp kim nhôm độ bền cao được sử dụng lăm chi tiế t, k ết cấu chịu tả i n ặn g lăm việc trong điều kiện chịu nĩn trong mây bay như vỏ Tape, khung, dầm dọc, ...
d. H ợp k im nhôm đúc
Hợp kim nhôm đúc cần có tín h đúc cao dể dễ tạo h ìn h trong khn đúc. Đó lă câc tín h chất như: độ chảy loêng, khả năng điền đầy khuôn, hệ số co, xu hướng nứt nóng vă rỗ co, th iín tích.
Nhờ có n h iệt độ chảy thấp, n h ấ t lă câc hợp kim có chứa thănh phần cùng tinh, hợp kim nhôm dễ đúc trong khuôn kim loại, đúc âp lực. Vì vậy, chất lượng chi tiế t đúc được cải thiện dâng kể. Hợp kim nhôm thồng dụng nhất’ lă Al-Si hay còn
gọi lă siỉumin.
Silum in đơn, giản: chỉ gồm
nhòm vă silic. Theo giản đồ Al-Si (H.7.6) th ă n h phần cùng tin h (AI + Si) ứng với 12f7%Si, nh iệt độ cùng tin h lă 577°c. Câc hợp kim sử dụng trong công nghiệp có hăm lượng Si thay đổi từ 5 -ỉ- 20% ' nhưng phổ biến ỉă câc hợp kim có
th ăn h phần cùng tin h vă trước cùng tinh. Hợp kim có th ă n h phần căng gần cùng tin h th ì cơ
tín h căng cao. Hợp kim th ă n h p h ần sau cùng tỉn h sẽ xuất hiện câc tinh th ể Si thô to, lăm giảm cờ tính.
Hiệu quả rihiệt ỉuyện hợp kim silumin đơn giản không cao. phương phâp đuy n h ấ t để Ịăm tăn g cơ tín h ỉă lăm nhỏ tổ chức bằng biến tính. Chất biến tin h gồm 2/3 N a i’ +l/3NaCl với ỉượng 1 -T 2% trọng lượng hợp