Đây là phân nhóm hợp kim nhôm quan trọng nhất, có cơ tính cao nhất không thua kém gì thép cacbon.
a.Hệ Al - Cu và Al - Cu - Mg
Hợp kim AlCu4 và nhiệt luyện hóa bền
Để xét nhiệt luyện hóa bền của hệ Al - Cu nói riêng và của các hệ hợp kim nhôm khác nói chung, h∙y xét cơ chế hóa bền khi nhiệt luyện hợp kim Al chứa 4%Cu.
Bảng 6.1. Thành phần hóa học (%) và cơ tính của các hợp kim nhôm theo AA
Mác nhôm
Thành phần hóa học
Trạng
thái σ0,2, min, MPa
σb, min, MPa
δ, min,
%
σ-1, min, MPa
Tương
đương với mác của
ΓOCT
Biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện 1100 Al ≥ 99,0
(Fe+Si)<1
O H14 H18
35 90 130
80 130 150
35 9 6
30 50 60
A0 3003 1,2Mn-
0,12Cu
O H14 H18
40 145 185
110 155 200
30 8 4
45 62 70
AM
5052 2,5Mg- 0,25Cr
O H34 H38
90 210 255
190 265 280
25 10 7
110 120 135
AMΓ2 Biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện
2014 4,4Cu- 0,5Mg- 0,8Mn-0,8Si
O T4 T6
100 290 430
200 420 480
20 18 12
90 140 125
Д1 6061 1,0Mg-0,6Si-
0,2Cr-0,3Cu
O T4 T6
55 150 275
125 245 410
25 22 17
50 90 100
AB 7075 5,6Zn-
2,5Mg- 1,6Cu-0,3Cr
O T6
105 500
230 570
17 11
- 160
B95
§óc
295.0 4,5Cu-1,0Si T6,kh.cát 165 250 5 - AЛ7 356.0 7,0Si-0,3Mg T6,kh.cát
T6,lyt©m
160 180
230 260
1,5 4
- -
AЛ9 390.0 17Si-4,5Cu-
0,6Mg
T6,kh.cát T6,lyt©m
270 290
280300 <0,5
<0,5 - - 413.0 12,0Si-1,3Fe F,đúc áp
lùc
160 280 3 - AЛ2
Từ giản đồ pha Al - Cu (hình 6.4) thấy rằng Cu hòa tan đáng kể ở trong Al ở nhiệt độ cao (cực đại là 5,65% ở 548oC), song lại giảm mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ thường). Khi vượt quá giới hạn hòa tan lượng Cu thừa được tiết ra ở dạng CuAl2II (trong đó II là để chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn như Fe3CII trong thép sau cùng tích). Như vậy hợp kim AlCu4:
- lúc đầu ở nhiệt độ thường và ở trạng thái cân bằng (ủ) có tổ chức gồm dung dịch rắn α - Al (0,5%Cu) và một lượng (khoảng 7%) là pha CuAl2II, có độ cứng và độ bền thấp nhất (σb= 200MPa),
- khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (520oC), các phần tử CuAl2II hòa tan hết vào α và chỉ có tổ chức một pha α là Al(4%Cu) và khi làm
259
nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl2II không kịp tiết ra, tổ chức α giàu Cu được cố
định lại ở nhiệt độ thường,
Hình 6.4. Góc Al của giản
đồ pha Al - Cu (CuAl2
được ký hiệu là θ)
- như vậy sau khi tôi, ở nhiệt độ thường hợp kim có tổ chức khác hẳn lúc
đầu, là dung dịch rắn quá b∙o hòa (với giới hạn hòa tan là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá b∙o hòa) với độ bền tăng lên đôi chút (do mạng bị xô lệch nhất định), σb = 250 ữ 300MPa và vẫn còn khá dẻo (có thể sửa, nắn được).
Song lại thấy hiện tượng đặc biệt khác thép: sau khi tôi, theo thời gian độ bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau 5 ữ 7 ngày, σb = 400MPa tức đ∙ tăng gấp đôi so với trạng thái ủ (hình 6.5). Quá trình nhiệt luyện hóa bền như vậy được gọi là tôi + hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường).
Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già
Cơ chế giải thích sự hóa bền của hợp kim nhôm khi tôi + hóa già do Gunier và Preston đưa ra một cách độc lập nhau từ đầu thế kỷ 20 sau đó đ∙ được chứng minh bằng phân tích tia X là đúng. Có thể giải thích sự hóa bền đó như sau.
Dung dịch rắn quá b∙o hòa tạo thành sau khi tôi là không ổn định, luôn có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng, bằng cách tiết ra Cu và tập trung lại dưới dạng CuAl2. Sự trở về trạng thái cân bằng này xảy ra khá chậm ở nhiệt độ thường và càng nhanh ở nhiệt độ cao hơn với các giai đoạn như sau.
- Giai đoạn I. Khi lượng Cu tập trung quá 4% ở một số vùng gọi là vùng G.P có kích thước rất bé (hình đĩa bán kính khoảng 5nm) với sự xô lệch mạng cao nên có độ cứng cao, nhờ đó nâng cao độ bền, độ cứng.
- Giai đoạn II. Các nguyên tử Cu trong vùng G.P tiếp tục tập trung và dần dần đạt đến mức 1Cu - 2Al và vùng G.P to lên tạo nên pha ϑ" (kích thước 10nm, khoảng cách các pha 20nm) rồi ϑ' (với kích thước lớn hơn). Độ bền đạt được giá
trị cao nhất là ứng với sự tạo nên pha ϑ", khi tạo nên pha ϑ' độ bền bắt đầu giảm
đi. ở nhiệt độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha ϑ" và đạt độ bền cực đại sau 5 ữ 7 ngày và duy trì trạng thái này m∙i m∙i (xem đường hóa già tự nhiên - 20oC - trên hình 6.5).
- Giai đoạn III. ở nhiệt độ cao hơn, 50 ữ 100oC hay hơn, pha ϑ' chuyển biến thành ϑ với cấu trúc đúng với CuAl2 như trên giản đồ pha. Do ở trạng thái cân bằng và pha ϑ có kích thước lớn hơn nên độ bền giảm nhanh đến mức thấp nhất (xem đường hóa già nhân tạo - 100, 200oC trên hình 6.5). Có thể coi ϑ’’ và ϑ’ là các tiền pha của ϑ - CuAl2.
Qua đó thấy rõ:
+ Pha CuAl2 có vai trò rất lớn đối với hóa bền hợp kim nhôm: hòa tan vào dung dịch rắn khi nung nóng, tạo nên dung dịch rắn quá b∙o hòa khi làm nguội và chuẩn bị tiết ra lại ở dạng rất phân tán khi hóa già. Không có nó hợp kim không thể hóa bền được, nên người ta gọi nó là pha hóa bền.
Hình 6.5. Sự thay đổi giới hạn bền theo thời gian (hóa già) sau khi tôi của hợp kim AlCu4
+ Nhiệt luyện hóa bền bằng cách tôi rồi tiếp theo sau là:
• hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 ữ 7 ngày, hoặc
muốn nhanh hơn,
• hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 ữ 200oC trong thời gian thích hợp (chừng vài chục h tùy theo từng nhiệt độ cụ thể) để đạt đến độ bền cao nhất do tạo nên tiền pha θ (nhưng nếu kéo dài quá quy định độ bền sẽ giảm đi và không đạt
được giá trị cực đại do tạo nên pha θ).
Họ AA 2xxx (đura)
Họ này thuộc hệ Al - Cu - Mg. Về cơ bản chúng là hợp kim với trên dưới 4%Cu (2,6 đến 6,3%) và 0,5 ữ 1,5%Mg có tên là đura (từ tiếng Pháp duraluminium - nhôm bền, cứng). Cu và đặc biệt là Mg (cùng với Cu) là các nguyên tố có tác dụng nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + hóa già vì chúng tạo nên các pha hóa bền, ngoài CuAl2 còn có CuMg5Al5, CuMgAl2 có tác dụng mạnh hơn. Tuy nhiên trong thành phần của đura phải kể ra sáu nguyên tố (thêm Fe, Si và Mn), trong đó: Fe và Si là hai tạp chất thường có (các hợp chất chỉ chứa Fe và đồng thời cả Fe, Si không hòa tan vào Al khi nung nóng nên không có tác dụng hóa bền, lại còn làm giảm lượng pha hóa bền, nên rất có hại), Mn được đưa vào với lượng nhỏ để làm tăng tính chống ăn mòn.
Các mác AA 2014 và AA 2024 được dùng nhiều trong kết cấu máy bay, dầm khung chịu lực xe tải, sườn tàu biển, dụng cụ thể thao...
Hai đặc điểm nổi bật của đura là:
- Độ bền cao (σb = 450 ữ 480MPa), khối lượng riêng nhỏ (γ ≈ 2,7g/cm3) nên có độ bền riêng (được xác định bằng tỷ số σb / γ với thứ nguyên là chiều dài) cao, tới 15 ữ 16 (km), trong khi đó CT51 là 6,0 ữ 6,5, gang: 1,5 ữ 6,0.
- Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau, nhưng người ta có thể hoàn toàn khắc phục được bằng cách phủ các lớp nhôm nguyên chất mỏng (~4% chiều dày tấm) lên bề mặt khi cán nóng, nên có tính chống ăn mòn không khác gì nhôm sạch.
Chính nhờ độ bền riêng cao và tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển, các
261
bán thành phẩm cán của đura được dùng rộng r∙i trong vận tải, đặc biệt là hàng không.
b.Hệ Al - Mg - Si và Al - Zn - Mg
Họ AA6xxx
Họ này thuộc hệ Al - Mg - Si với pha hóa bền Mg2Si và các mác điển hình là AA 6061 và AA 6070 với các đặc tính là:
- có độ bền kém đura (σb = 400MPa), nhưng - có tính dẻo cao hơn ở trạng thái nóng lẫn trạng thái nguội và có tính hàn cao.
Các mác trên được dùng rộng r∙i để ép chảy thành các khung nhôm qua anod hóa (với chiều dày hàng chục àm) có tác dụng bảo vệ tốt, chống ăn mòn trong khí quyển, có nhiều màu sắc và một phần chống mài mòn làm các kết cấu có tính mỹ thuật, trang trí rất đa dạng từ khung (cửa các loại, tường vách ngăn trang trí, tủ, hộp...), ống cho đến bản in.
Họ AA 7xxx
Họ này thuộc hệ Al - Zn- Mg và có thể có thêm Cu và là loại sau nhiệt luyện có độ bền cao nhất (σb > 550MPa). Thường dùng Zn trong khoảng từ 4 đến 8%, Mg - 1 ữ 3%. Hóa bền tổ chức chủ yếu là tạo nên vùng G.P của MgZn2 và Al2Mg3Zn3. Khi đưa thêm Cu (tới 2%) nó sẽ hòa tan vào dung dịch rắn và hóa bền thêm pha này. Ngoài có độ bền cao nhất, họ AA 7xxx còn có các đặc tính là nhiệt luyện dễ (khoảng tôi rộng, 350 ữ 500oC), tốc độ tôi tới hạn nhỏ (có thể nguội trong không khí). Đây là hợp kim nhôm có nhiều tiềm năng đang được khai thác, sử dụng trong hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao.