Thộp chống mài mũn

Loại thộp này chứa cỏc bon cao (0,90 1,30%) và lượng mangan lớn (11,4014,50%), tổ chức là austenit, nhưng chống mài mũn rất cao khi làm việc trọng điều kiện tải trọng va đập mạnh, ma sỏt lớn và ỏp lực cao. Khi làm việc trong điều kiện trờn sẽ xảy ra hai hiện tượng sau:

- Mạng tinh thể bị xụ lệch gõy ra biến cứng trờn lớp bề mặt.

- Dưới tỏc dụng của ứng suất sẽ cú chuyển biến austenit thành mỏctenxit làm tăng độ cứng và tớnh chống mài mũn.

Điểm đặc biệt của thộp này là lớp cú tớnh chống mài mũn cao luụn tồn tại trờn bề mặt của nú. Chế tạo chi tiết của thộp chống mài mũn cao bằng phương phỏp đỳc. Hiện tại chỉ cú một mỏc thộp: 130Mn13Đ (Đ - chỉ chế tạo sản phẩm bằng phương phỏp đỳc).

Cụng dụng: làm xớch xe tăng, mỏy kộo, hàm mỏy nghiền đỏ, răng gàu xỳc, lưỡi ben mỏy gạt, ghi ray...

CHƯƠNG IX. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MẦU THễNG DỤNG 9.1. Nhụm và hợp kim nhụm

9.1.1. Nhụm nguyờn chất

a) Khỏi niệm: Nhụm là nguyờn tố cú mạng tinh thể lập phương tõm mặt, cú màu sỏng bạc. Nhụm cú cỏc đặc điểm sau:

- Khối lượng riờng nhỏ (2,70 g/cm3): chỉ bằng khoảng 1/3 thộp. Do vậy làm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết, được sử dụng rộng rói trong hàng khụng, vận tải... - Cú tớnh chống ăn mũn nhất định trong khớ quyển: do luụn cú lớp màng ụxyt (Al2O3) sớt chặt trờn bề mặt cú tớnh bảo vệ cao.

- Cú tớnh dẫn điện cao: tớnh dẫn điện kộm hơn vàng, bạc, đồng. Độ dẫn điện bằng 62% đồng nhưng khối lượng riờng chưa đến 1/3 đồng thỡ khi trong cựng điều kiện làm việc dõy nhụm nhẹ bằng một nửa dõy đồng và bị nung núng ớt hơn. - Tớnh dẻo rất cao: rất dễ biến dạng dẻo khi kộo sợi, dõy, dỏt thành tấm, băng, lỏ, màng, ộp thành cỏc thanh dài cú biờn dạng phức tạp.

- Nhiệt độ núng chảy thấp (657OC). - Độ bền, độ cứng thấp.

Cỏc loại nhụm nguyờn chất được ký hiệu theo TCVN như sau: đứng đầu là ký hiệu hoỏ học của nhụm, tiếp sau đú là số chỉ hàm lượng nhụm.

Al 99,98 chứa 99,98%Al.

b) Phõn loại:

Trong kỹ thuật hầu như khụng sử dụng nhụm nguyờn chất mà chủ yểư dụng hợp kim nhụm. Hợp kim nhụm được phõn ra làm hai nhúm: hợp kim nhụm đỳc và hợp kim nhụm biến dạng

* Hợp kim nhụm biến dạng: là cỏc hợp kim chứa một lượng ớt cỏc nguyờn tố

hợp kim cú thành phần nằm bờn trỏi điểm b trờn giản đồ pha. Để sản xuất cỏc sản phẩm từ nhúm hợp kim này người ta dựng phương phỏp biến dạng. Chỳng được chia ra làm hai phõn nhúm nhỏ: khụng húa bền được bằng nhiệt luyện và húa bền được bằng nhiệt luyện.

- Hợp kim nhụm biến dạng khụng húa bền được bằng nhiệt luyện: gồm cỏc hợp kim cú thành phần nằm bờn trỏi điểm . Cỏc hợp kim này cú tổ chức là dung dịch rắn ở mọi nhiệt độ, khụng cú chuyển biến pha nờn khụng thể húa bền được bằng nhiệt luyện. Muốn húa bền chỳng chỉ duy nhất bằng biến dạng nguội.

- Hợp kim nhụm biến dạng húa bền được bằng nhiệt luyện: gồm cỏc hợp kim cú thành phần nằm bờn phải điểm a, ở nhiệt độ thường cú tổ chức hai pha là dung dịch rắn và pha thứ hai. Khi nung núng đến nhiệt độ cao hơn giới hạn bóo hũa pha thứ hai hũa tan hết vào dung dịch rắn (cú chuyển biến pha) nờn cú thể húa bền được bằng nhiệt luyện.

Theo TCVN 1659-75 ký hiệu hợp kim nhụm biến dạng như sau: đầu tiờn là ký hiệu của nguyờn tố nhụm tiếp sau là ký hiệu cỏc nguyờn tố hợp kim, cỏc số đứng sau nguyờn tố hợp kim chỉ lượng chứa của chỳng theo phần trăm.

Vớ dụ: AlCu4,4Mg0,5Mn0,8 4,4%Cu; 0,5%Mg; 0,8%Mn; cũn lại Al AlCu4,4Mg1Fe1,5Mn0,6 4,4%Cu; 1%Mg; 1,5%Fe; 0,6%Mn; cũn lại Al

* Hợp kim nhụm đỳc: Gồm cỏc hợp kim chứa khỏ nhiều cỏc nguyờn tố hợp

kim, cú thành phần nằm bờn phải điểm b. Cỏc hợp kim này cú nhiệt độ núng chảy thấp hơn, cú tổ chức cựng tinh nờn tớnh đỳc cao. Do chứa nhiều pha thứ hai (chủ yếu là hợp chất húa học) nờn khỏ giũn, khụng thể biến dạng dẻo được, khả năng húa bền bằng nhiệt luyện khụng đỏng kể. Chế tạo sản phẩm chủ yếu bằng phương phỏp đỳc.

Theo TCVN 1659-75 hợp kim nhụm đỳc ký hiệu như hợp kim nhụm biến dạng chỉ khỏc là ở cuối ký hiệu cú thờm chữ Đ để chỉ là hợp kim đỳc.

Vớ dụ: AlSi12Cu2Mg1Mn0,6Ni1Đ 12%Si; 2%Cu; 1%Mg; 0,6%Mn; 1%Ni; cũn lại là Al. Chữ Đ chỉ hợp kim nhụm đỳc (chế tạo sản phẩm bằng phương phỏp đỳc).

AlCu5Mg1Ni3Mn0,2Đ 5%Cu; 1%Mg; 3%Ni; 0,2%Ni cũn lại Al AlSi7Mg0,3Đ 7%Si; 0,3%Mg cũn lại Al

Ngoài hai loại hợp kim nhụm thụng dụng trờn cũn cú loại hợp kim nhụm thiờu kết được chế tạo bằng luyện kim bột. Bằn g cỏch pha nguyờn liệu dưới dạng bột theo thành phần quy định và thiờu kết thành sản phẩm.

9.1.2 Hợp kim nhụm

a) Hợp kim nhụm với 4% Cu:

Hợp kim nhụm với 4% đồng là cơ sở của hầu hết cỏc hợp kim nhụm biến dạng. Từ giản đồ pha Al-Cu ta thấy rằng đồng hũa tan khỏ nhiều trong nhụm ở nhiệt độ cao (5,65% tại 548OC) nhưng lại giảm rất mạnh khi hạ nhiệt độ (cũn 0,5% ở nhiệt độ thường). Lượng đồng dư thừa được tiết ra dưới dạng hợp chất húa học CuAl2II (ký hiệu II để chỉ hợp chất này được hỡnh thành từ trạng thỏi rắn).

Ở nhiệt độ thường tổ chức cõn bằng của hợp kim là dung dich rắn  chứa 0,5%Cu và một lượng nhỏ CuAl2II (khoảng 7%) cú độ cứng và độ bền thấp thấp (200MPa). Khi nung núng đến cao hơn đường giới hạn hũa tan (5200C) pha CuAl2IIhũa tan hết vào  và chỉ cũn lại một pha là dung dịch rắn của nhụm chứa 4%Cu. Khi làm nguội nhanh sau

đú pha CuAl2II khụng kịp tiết ra nờn ta cú dung dịch rắn  quỏ bóo hũa đồng ở nhiệt độ thường độ bền tăng lờn một ớt (250  300MPa) và tương đối dẻo. Nhưng sau khi tụi từ 5 đến 7 ngày độ bền và độ cứng đạt được giỏ trị cao nhất (đến 400MPa). Hiện tượng này gọi là húa già tự nhiờn. Nếu sau khi tụi ta tiến hành nung núng thỡ thời gian đạt độ cứng và bền sẽ rỳt ngắn lại nhưng giỏ trị sẽ thấp hơn. Nhiệt độ nung càng tăng thỡ thời gian đạt độ bền, độ cứng sẽ càng rỳt ngắn nhưng giỏ trị của chỳng càng thấp.Quỏ trỡnh này gọi là húa già nhõn tạo.

Hỡnh 9.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến quỏ trỡnh hoỏ già Từ đú thấy rằng chế độ nhiệt luyện hợp kim nhụm 4 %Cu như sau: tiến hành tụi và húa già:

- Húa già tự nhiờn từ 5  7 ngày nếu cần độ bền độ cứng cao nhất.

- Húa già nhõn tạo ở 100  200OC nếu cần rỳt ngắn thời gian và yờu cầu độ bền độ cứng vừa phải.

b) Đura (nhụm cứng):

Đura là hợp kim hệ Al-Cu-Mg ( 4%Cu; 0,5  1,5%Mg) cỏc nguyờn tố hợp kim đặc biệt là magiờ làm tăng mạnh hiệu quả khi nhiệt luyện tụi và ram. Ngoài ra trong thành phần của đura thường cú thờm Fe, Si và Mn. Fe và Si là tạp chất thường gặp trong nhụm mà khụng thể khử bỏ hết được, cũn mangan đưa vào để tăng tớnh chống ăn mũn. Đura cú tổ chức nhiều pha ngoài dung dịch rắn thay thế của Cu và Mg trong nhụm ra cũn cú cỏc pha Mg2Al3; CuMgAl2 (S); CuMg5Al5(T). Cỏc pha này đúng vai trũ pha húa bền cho đura, đặc biệt là pha S và T. Đặc điểm của đura:

- Độ bền cao (= 450  480MPa), khối lượng riờng nhỏ (  = 2,7 g/cm2) do đú cú độ bền riờng lớn (độ bền riờng bằng b/ ) đến 15 16km.

- Tớnh chống ăn mũn kộm do cú nhiều pha cú thế điện cực khỏc nhau. Để khắc phục hiện tượng này người ta phủ một lớp nhụm mỏng lờn bề mặt đura bằng cỏn núng.

Chế độ nhiệt luyện của đura: tụi ở nhiệt độ 5055100C trong nước và húa già tự nhiờn từ 5  7 ngày. Đura được sử dụng rộng rói trong cụng nghiệp hàng khụng và trong đời sống.

Hỡnh 9.3 Tổ chức tế vi của đura sau nhiệt luyện

9.1.3.Hợp kim nhụm đỳc:

Hợp kim nhụm đỳc thường dựng phổ biến nhất trờn cơ sở Al -Si và thành phần chủ yếu là cựng tinh (do đú thường gọi là silumin). Cơ tớnh của vật đỳc phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ nguội và biến tớnh khi đỳc. Thường đỳc t rong khuụn kim loại để nhận được tổ chức nhỏ mịn do cú tốc độ nguội lớn.

a) Silumin đơn giản:

Là hợp kim nhụm đỳc mà thành phần chủ yếu là nhụm và silic với hàm lượng silic từ 10  13%. Tổ chức chủ yếu là cựng tinh (Al+Si), rất thụ to (cỏc tinh thể Si cú dạng hỡnh que) độ bền và độ dẻo khỏ thấp ( =130MPa; d = 3%). Do vậy phải biến tớnh để nõng cao cơ tớnh. Dựng một hỗn hợp muối (2/3NaF + 1/3NaCl) với tỷ lệ 0,05  0,08% để biến tớnh. Lỳc này điểm cựng tinh dịch về bờn phải và nhiệt độ chảy giảm 10  200C.

Như vậy hợp kim cú tổ chức trước cựng tinh gồm Al + (Al +Si) và cựng tinh này khỏ nhỏ mịn (tinh thể Si rất nhỏ) làm cơ tớnh cao ( =180MPa; d = 8%). Silumin đơn giản cú đặc điểm là:

- Cú tớnh đỳc cao (do tổ chức chủ yếu là cựng tinh) - Cơ tớnh thấp khụng húa bền được bằng nhiệt luyện.

Do đú silumin đơn giản thường dựng đỳc định hỡnh cỏc chi tiết hỡnh dỏng phức tạp, yờu cầu độ bền khụng cao.

2-Silumin phức tạp:

Silumin phức tạp cũng cú tớnh đỳc tốt nhưng cơ tớnh cao hơn do cú thờm nguyờn tố Cu, Mg cú tỏc dụng tốt khi tụi và húa già (b =200250MPa;  = 16%). Cỏc silumin phức tạp cú thành phần cỏc nguyờn tố thay đổi khỏ rộng: 4  30%Si; < 1%Mg; 1 7%Cu. Cụng dụng của chỳng là làm pit tụng cỏc loại động cơ vỡ nhẹ, dễ tạo hỡnh và ớt kẹt. Ngoài ra cũn làm thõn và nắp động cơ ụ tụ.

9.2. Đồng và hợp kim đồng9.2.1. Đồng nguyờn chất 9.2.1. Đồng nguyờn chất

Đồng là kim loại cú kiểu mạng lập phương tõm mặt, khụng cú đa hỡnh. Đồng nguyờn chất cú màu đỏ nờn cũn g ọi là đồng đỏ. Đồng cú cỏc đặc điểm sau:

-Tớnh dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Về tớnh dẫn điện chỉ đứng sau vàng và bạc. - Chống ăn mũn tốt trong khớ quyển, nước, nước biển hay kiềm, axit hữu cơ do cú lớp ụ xớt Cu2O trờn bề mặt.

- Tớnh dẻo rất cao, dễ biến dạng núng, nguội đễ chế tạo thành cỏc bỏn thành phẩm.

- Độ bền khụng cao lắm (b = 220MPa ) nhưng sau biến dạng dẻo tăng lờn đỏng kể (b= 425MPa ).

- Tớnh hàn khỏ tốt nhứng khi chứa nhiều tạp chất (đặc biệt là ụ xy) giảm đi mạnh. Tuy nhiờn đồng cũng cú một số nhược điểm:

- Khối lượng riờng lớn ( = 8,94g/cm3)

- Tớnh gia cụng cắt gọt kộm do phoi quỏ dẻo khụng góy, để cải thiện thường cho thờm chỡ vào.

- Nhiệt độ núng chảy cao 1083OC, nhưng tớnh đỳc kộm, độ chảy loóng nhỏ. Theo TCVN 1659-75 đồng nguyờn chất được ký hiệu Cu và cỏc số chỉ lượng chứa của nú trong đú.

Vớ dụ: Cu 99,99 cú 99,99%Cu

9.2.2. Hợp kim đồng

Trong kỹ thuật ớt sử dụng đồng nguyờn chất mà chủ yếu sử dụng hợp kim đồng. Hợp kim đồng được chia ra làm hai nhúm sau: la tụng và brụng. La tụng (đồng thau) là hợp kim của đồng với nguyờn tố chủ yếu là kẽm. Brụng (đồng thanh) là hợp kim của đồng với cỏc nguyờn tố khỏc trừ kẽm .

a) La tụng:

La tụng được chia làm hai loại: la tụng đơn giản (chỉ cú đồng và kẽm) và la tụng phức tạp (cú thờm một số nguyờn tố khỏc). Theo TCVN 1659 -75 quy định ký hiệu la tụng như sau: đầu tiờn là chữ L (chỉ la tụng) tiếp sau là ký hiệu Cu và cỏc nguyờn tố hợp kim. Số đứng sau cỏc nguyờn tố hợp kim chỉ hàm lượng của chỳng theo phần trăm.

Vớ dụ: LCuZn30 la tụng cú 30%Zn, 70%Cu

LCuZn38Al1Fe1 la tụng cú38%Zn; 1%Al; 1%Fe; cũn lại Cu.

* La tụng đơn giản: Trong thực tế dựng loại chứa ớt hơn 45%Zn nờn tổ

chức của nú chỉ cú dung dịch rắn và pha điện tử .

là dung dịch rắn của kẽm trong đồng cú mạng A1 chứa đến 39%Zn ở 454OC. Đõy là pha chủ yếu quyết định tớnh chất của la tụng. Khi hũa tan vào đồng kẽm làm tăng độ bền khỏ mạnh, nhưng khụng làm giảm nhiều độ dẻo của hợp kim. Độ dẻo cao nhất ứng với 30%Zn.

 là pha điện tử ứng với cụng thức CuZn ( N = 3/2), là pha cứng và dũn húa bền cho la tụng. Do vậy khụng dựng la tụng chứa cao hơn 45%Zn vỡ lỳc này tổ chức chỉ toàn là' nờn rất dũn. Trong thực tế chỉ dựng loại dưới 40%Zn với hai loại la tụng một pha và la tụng hai pha.

+ La tụng một pha: Thường chứa ớt hơn 35%Zn (LCuZn10) cú tớnh dẻo

cao, được cỏn nguội thành bỏn thành phẩm làm chi tiết mỏy qua dập sõu. La tụng với lượng kẽm nhỏ từ 5  12% cú màu đỏ nhạt dựng để làm tiền xu, huy chương, khuy ỏo quần, dõy kộo (fecmơtuya) ... La tụng chứa 20%Zn (LcuZn20) cú màu vàng giống như vàng nờn thường làm trang sức. La tụng chứa khoảng 30%Zn (LCuZn30) cú độ dẻo cao dựng làm vỏ đạn cỏc loại. Cỏc la tụng một pha bền và rất dẻo nờn thường pha thờm 0,4 3%Pb để dễ cắt gọt.

+ La tụng hai pha: Thường chứa 40%Zn cú tổ chức hai pha (  +  ) cú

pha thờm chỡ để tăng tớnh gia cụng cắt. La tụng hai pha cứng, bền và ớt dẻo hơn so với loại một pha được cung cấp dưới dạng băng, ống, tấm để làm cỏc chi tiết mỏy cần độ bền cao.

* La tụng phức tạp: Ngoài Cu và Zn ra cũn cho thờm cỏc nguyờn tố Pb (để tăng tớnh cắt gọt), Sn (tăng chúng ăn mũn trong nước biển), Al và Ni (để nõng cao giới hạn bền) như: LCuZn36Al3Ni2; LCuZn30Sn1; LCuZn40Pb1. La tụng phức tạp dựng làm cỏc chi tiết mỏy yờu cầu độ bền cao hơn, làm việc trong nước biển...

b) Brụng:

Là hợp kim của đồng với cỏc nguyờn tụ chủ yếu khụng phải là kẽm như Sn, Al, Be...Theo TCVN 1659-75 chỳng được ký hiệu giống như la tụng, chỉ khỏc là thay chữ L ở đầu ký hiệu bằng chữ B (chỉ brụng).

* Brụng thiếc: là hợp kim đồng với nguyờn tố chủ yếu là thiếc, là hợp kim đồng được sử dụng đầu tiờn. Giản đồ pha Cu-Sn rất phức tạp và cú nhiều pha. Hợp kim này khi đỳc thiờn tớch rất mạnh vỡ vậy thường dựng ớt hơn 15%Sn nờn chỉ cú hai pha: dung dịch rắn  và pha điện tử  .Chỳng gồm hai loại: brụng thiếc biến dạng và đỳc. Đặc điểm của brụng thiếc là:

- Độ bền cao, độ dẻo tốt nờn thường dựng với lượng chứa từ 4 8%Sn. - Tớnh đỳc tốt: ớt co (độ co <1%) , điền đầy khuụn cao.

- Chống ăn mũn cao, đặc biệt trong khớ quyển ẩm biển: 0,001mm/năm.

+ Brụng thiếc biến dạng: thường chứa ớt hơn 8%Sn tổ chức là dung dịch

rắn  và hợp kim húa thờm P, Zn, Pb để nõng cao cơ tớnh, giảm ma sỏt và tăng tớnh gia cụng cắt.

Cụng dụng: làm bạc lút, bỏnh răng (BCuSn4Zn4Pb4; BCuSn5Zn2Pb5).

+ Brụng thiếc đỳc: là loại chứa nhiều hơn 10%Sn hay với tổng lượng cỏc

nguyờn tố hợp kim lớn hơn 12%. Thường dựng cỏc loại sau BCuSn10Zn2; BCuSn5Zn5Pb5.

Cụng dụng: làm cỏc tượng đài, chuụng, phự điờu, họa tiết trang trớ...

* Brụng nhụm:

Là hợp kim của đồng với nhụm là chủ yếu. Từ giản đồ pha Cu-Al ta thấy nhụm cú thể hũa tan tối đa vào đồng gần 10%. Tổ chức của nú chủ yếu là dung dịch rắn thay thế của Al trong Cu cú độ dẻo và khỏ bền. Khả năng chống ăn mũn cao trong nước biển và khớ quyển cụng nghiệp.

Brụng nhụm một pha (chứa 5  9%Al): BCuAl5, BCuAl7, BCuAl9Fe4 dựng làm bộ ngưng hơi, hệ thống trao đổi nhiệt, lũ xo tải dũng điện, chi tiết bơm, đồ dựng cho hải quõn, đỳc tiền xu...

Brụng nhụm hai pha (chứa lớn hơn 9,4%Al): cú tổ chức là ( + ) cú độ bền độ cứng cao hơn và cú thể nhiệt luyện được như BCuAl10Fe4Ni4 dựng làm bạc lút trục.

* Brụng berili:

cú vị trớ đỏng kể trong mỏy múc và thiết bị vỡ chỳng cú một số ưu điểm nhất định: dễ chế tạo, dễ thay thế, giỏ thành thấp và trong một số trường hợp chỉ cú ổ