Chủ đề: Kim loại màu và hợp kim màu1. Khái niệm:

1.1: Kim loại: là nguyên tố có thể tạo ra các ion dương (cation) và có các liên kết kim loại, và đôi khi người ta cho rằng nó tương tự như là cation trong đám mây các điện tử .

1.2: Hợp kim màu: là hợp kim của các kim loại khác ngoàisắt. Trong số này có đồng thau, đồng điếu, hợp kim nhôm, vàng tây...

2. Phân loại:

2.1: Nhôm và hợp kim nhôm:

Các đặt tính của nhôm nguyên chất

- Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm3), khoảng bằng 1/3 của thép. Chính nhờ ưu điểm này mà người ta ưu tiên xét sử dụng nó khi phải giảm nhẹ tối đa khối lượng của hệ thống hay kết cấu (như trong hàng không, vận tải để tiết kiệm năng lượng phải tìm cách giảm tải trọng không tải, tăng tải trọng có ích).

- Tính chống ăn mòn nhất định trong khí quyển nhờ luôn luôn có lớp màng ôxyt (Al2O3), xít chặt bám chắc vào bề mặt. Để tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển người ta làm cho lớp bảo vệ này dày lên bằng cách anod hóa, nhờ đónhôm và các hợp kim nhôm có thể dùng trong xây dựng, trang trí nội thất mà không cần bảo vệ.

- Dẫn điện cao, tuy chỉ bằng 62% của đồng nhưng do khối lượng riêng chưa bằng 1/3 nên với các đặc tính về truyền điện như nhau và truyền dòng điện có cường độ như nhau, dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây đồng, lại bị nung nóng ít hơn.

- Tính dẻo rất cao, do kiểu mạng A1 rất dễ biến dạng dẻo nhất là khi kéo sợi, dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng,màng (foil), ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng (profile) phức tạp rất khác nhau.

Ngoài các ưu việt kể trên nó cũng có những đặc tính khác cần phải để ý.

- Nhiệt độ chảy tương đối thấp (660oC) một mặt làm dễ dàngcho nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn 300 - 400oC.

- Độ bền, độ cứng thấp, ở trạng thái ủ σb = 60MPa, σ0,2 =20MPa, HB 25. Tuy nhiên do có kiểu mạng A1 nó có hiệu ứnghóa bền biến dạng lớn, nên đối với nhôm và hợp kim nhôm, biến dạng nguội với lượng ép khác nhau là biện pháp hóa bền thường dùng.

Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) ở Hoa Kỳ, Nhật và các nước Tây âu thường dùngcác ký hiệu H1x, trong đó x là số chỉ mức tăng thêm độ bền nhờ biến dạng dẻo (x/8):

8 - mức tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng với mức độ biến dạng rất lớn (ε = 75%).

1 - mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần,ứng với mức độ biến dạng nhỏ.

2, 4, 6 - mức tăng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so với mức toàn phần), ứng với mức độ biến dạng tương đối nhỏ, trung bình, lớn.

9 - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng ε > 75%.

Hộp kim nhôm và phân loại

Để có độ bền cao người ta phải hợp kim hóa nhôm và tiến hành nhiệt luyện, vì thế hợp kim nhôm có vị trí khá quan trọng trong chế tạo cơ khí và xây dựng.

Khi đưa nguyên tố hợp kim vào nhôm (ở trạng thái lỏng) thường tạo nên giản đồ pha

Hình 6.1 Giãn đồ pha A1

Al - nguyên tố hợp kim như biểu thị ở hình 6.1

trong đó thoạt tiên (khi lượng ít) nguyên tố hợp kim sẽ hòa tan vào Al tạo nên dung dịch rắn thay thế α nền Al, khi vượt quá giới hạn hòa tan (đường CF) sẽ tạo thêm pha thứ hai (thường là hợp chất hóa học của hai nguyên tố), sau đó khi vượt quá giới hạn hòa tan cao nhất (điểm C hayC’) tạo ra cùng tinh của dung dịch rắn và pha thứ hai kể trên. Do vậy dựa vào giản đồ pha như vậy bất cứ hệ hợp kim nhôm nào cũng có thể được phân thành hai nhóm lớn là biến dạng và đúc.- Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim với hàm lượng thấp nguyên tố hợp kim (bên trái điểm C, C’) tùy thuộc nhiệt độ có tổ chức hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm nên có tính dẻo tốt, dễ dàng biến dạng nguội hay nóng. Trong loại này còn chia ra hai phân nhóm là không và có hóa bền

được bằng nhiệt luyện.+ Phân nhóm không hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa ít hợp kim hơn (bên trái F), ở mọi nhiệt độ chỉ có tổ chức là dung dịch rắn, không có chuyển biến pha nên không thể hóa bền được bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hóa bền bằng biến dạng nguội mà thôi.+ Phân nhóm hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa nhiều hợp kim hơn (từ điểm F đến C hay C’), ở nhiệt độ thường có tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ hai), nhưng ở nhiệt độ cao pha thứ hai hòa tan hết vào dung dịch rắn, tức có chuyển pha, nên ngoài biến dạng nguội cóthể hóa bền thêm bằng nhiệt luyện. Như vậy chỉ hệ hợp kimvới độ hòa tan trong nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ mớicó thể có đặc tính này.- Hợp kim nhôm đúc là hợp kim với nhiều hợp kim hơn (bên phải điểm C, C’), có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh nên tính đúc cao. Do có nhiều pha thứ hai (thường là hợp chất hóa học) hợp kim giòn hơn, không thể biến dạng dẻo được. Khả năng hóa bền bằng nhiệt luyệncủa nhóm này nếu có cũng không cao vì không có biến đổi mạnh của tổ chức khi nung nóng.Ngoài các hợp kim sản xuất theo các phương pháp truyền thống như trên còn có các hợp kim nhôm được chế tạo theo các phương pháp không truyền thống, đó là các hợp kim bột(hay thiêu kết) và hợp kim nguội nhanh.

Hệ thống kí hiệu cho hợp kim nhôm:Để ký hiệu các hợp kim nhôm người ta thường dùng hệ thống đánh số theo AA (Aluminum Association) của Hoa kỳ bằng xxxx cho loại biến dạng và xxx.x cho loại đúc, trong đó:

- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau.

          Loại biến dạngLoại đúc

1xxx - nhôm sạch (≥ 99,0%),                     1xx.x - nhômthỏi sạch thương phẩm,2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg,                       2xx.x - Al - Cu,3xxx - Al - Mn,                                            3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu,4xxx - Al - Si,                                             4xx.x - Al - Si,5xxx - Al - Mg,                                            5xx.x - Al - Mg,6xxx - Al - Mg - Si,                                     6xx.x - không có,7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu,        7xx.x - Al - Zn,8xxx - Al - các nguyên tố khác                   8xx.x - Al - Sn.

- Ba số tiếp theo được tra theo bảng trong các tiêu chuẩn cụthể.

Để ký hiệu trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây thường dùng các ký hiệu sau.

F: trạng thái phôi thô,O: ủ và kết tinh lại,H: hóa bền bằng biến dạng nguội, trong đóH1x (x từ 1 đến 9): thuần túy biến dạng nguội với mức độ khác nhau,H2x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ủ hồi phục,H3x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ổn định hóa,T: hóa bền bằng tôi + hóa già, trong đóT1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên,T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên,T4: tôi, hóa già tự nhiên (giống đoạn đầu và cuối của T3),T5: biến dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T1),T6: tôi, hóa già nhân tạo (đoạn đầu giống T4),T7: tôi, quá hóa già,

T8: tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo (hai đoạn đầu giống T3),T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội (hai đoạn đầu giống T6).(ngoài ra còn Txx, Txxx, Txxxx).

TCVN 1659-75 có quy định cách ký hiệu hợp kim nhôm được bắt đầu bằng Al và tiếp theo lần lượt từng ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó, nếu là hợp kim đúc sau cùng có chữ Đ. Ví dụ AlCu4Mg là hợp kim nhôm chứa ~4%Cu,~1%Mg. Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của nó, ví dụ Al99, Al99,5.Bảng 7.2 Thành phần ký hiệu một số hợp kim nhôm

Hệ hợp kim Tiêu chuẩn Việt Nam

Thành phần, %

Hợp kim nhôm biến dạngAl-Cu AlCu4,4MgO0,5Mn0,

84,4Cu-0,5Mg-0,8Mn

Al-Cu-Mg AlCu4,4Mg1,5Mn0,6 4,4Cu-1,5Mg-0,6MnAl-Mn AlMn1,2 1,2Mn-0,12CuAl-Mg AlMg1,4 1,4MgAl-Mg-Si AlMg1Si0,6 1Mg-0,6Si-0,2Cr-0,4Mn-

0,15ZrAl-Zn-Mg AlZn4,5Mg1,4 4,5Zn-1,4Mg-0,12Cr-

0,4Mn-0,15ZrAl-Zn-Mg-Cu AlZn5,6Mg2,5Cu1,6 5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu

Hợp kim nhôm đúcAl-Cu AlCu 4,5Đ 4,5Cu-1SiAl-Si-Cu AlSi5,5Cu 4,5Đ 5,5Si-4,5CuAl-Si-Mg AlSi 7MgO0,3Đ 7Si-0,3MgAl-Si-Mg-Cu AlSi12Mg1,3Cu2Mn0

,6Đ12Si-1,3Mg-2Cu-0,6Mn-1Ni-0,2Ti

Hợp kim nhôm đúc+ Các đặt điểm:Như đã nói hợp kim nhôm đúc trong tổ chức phải gồm chủ yếu là cùng tinh và do đó chứa nhiều hợp kim hơn. Trong các hệ Al - nguyên tố hợp kim chỉ có hệ Al - Si có cùng tinh với thành phần hợp kim ít nhất (11,3%Si), nên tốn ít hợp kim, rẻnên thường dùng để đúc; còn ở các hệ khác cùng tinh có lượngchứa hợp kim cao hơn rất nhiều như Al - Cu với 33%Cu, Al - Mg với 34,5%Mg nên đắt và bị hạn chế sử dụng.

Cơ tính của vật đúc hợp kim nhôm phụ thuộc nhiều vào tốc độ nguội và biến tính. Đúc trong khuôn kim loại (ly tâm, áp lực) do nguội nhanh hơn nhiều trong khuôn cát nên tổ chức nhận được nhỏ mịn hơn, cải thiện mạnh cơ tính. Biến tính có tác dụng mạnh đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Al - Si.+ Hợp kim nhôm – silicBiến tính

Hợp kim nhôm - silic đúc đơn giản chỉ gồm hai cấu tử với 10 - 13%Si (AA 423.0 hay AΛ2). Theo giản đồ pha Al - Si (hình 6.6) với thành phần như vậy hợp kim có nhiệt độ chảy thấp nhất, tổ chức hầu như là cùng tinh với tính đúc tốt nhất.

Tuy vậy khi đúc thông thường dễ bị tổ chức cùng tinh thô và tinh thể silic thứ nhất (trước cùng tinh) như biểu thị ở hình 6.7a, trong đó Si thứ nhất thô to và Si cùng tinh ở dạng kim như là vết nứt bên trong trong lòng dung dịch rắn α(thực chất là nhôm nguyên chất với cơ tính rất thấp, σb = 130MPa, δ = 3%). Nếu qua biến tính bằng muối Na (2/3NaF + 1/3NaCl) với tỷ lệ 0,05 - 0,08%, điểm cùng tinh sẽ hạ thấp xuống khoảng 10 - 20oC và dịch sang phải, như vậy hợp kim luôn luôn là trước cùng tinh với tổ chức α và cùng tinh (α +Si), trong đó nhờ kết tinh với độ quá nguội lớn hơn nên Si trong cùng tinh rất nhỏ mịn (hạt tròn, nhỏ) như biểu thị ở hình 6.7b, làm cải thiện mạnh cơ tính, σb = 180MPa, δ = 8%.

Hình 6.6. Góc Al của giản đồ Al - Si (đường chấm chấm ứng với khi biến tính)

Tuy nhiên ngay với cơ tính như vậy cũng không đáp ứng được yêu cầu thực tế nên thường ít sử dụng. Trong thực tế thường sử dụng các silumin phức tạp tức ngoài Si ra còn có thêm Mg hoặc Cu.

Hình 6.7. Tổ chức tế vi của hợp kim Al - (10 - 13)%Si: a. không biến tính, b. có qua biến tính

Các hợp kim Al - Si - Mg(Cu)

Là các hợp kim với khoảng Si rộng hơn (5 đến 20%) và có thêmMg (0,3 - 0,5%) để tạo ra pha hóa bền Mg2Si nên hệ Al - Si -Mg (ví dụ mác AA 356.0) phải qua nhiệt luyện hóa bền. Cho thêm Cu (3 - 5%) vào hệ Al - Si - Mg kể trên cải thiện thêm cơ tính và có tính đúc tốt (do có thành phần gần với cùng tinh Al - Si - Cu) nên được dùng nhiều trong đúc piston (AA 390.0, AЛ26), nắp máy (AЛ4) của động cơ đốt trong.

Hợp kim nhôm còn được dùng làm ổ trượt. Trong những năm gần đây đã bắt đầu đưa vào sử dụng hợp kim nguội nhanh và hợp kim bột thiêu kết. 

2.2: Đồng và hợp kim đồng:

- Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng:

+ Các đặc tính của đồng đỏ:

Đồng nguyên chất có màu đỏ nên được gọi là đồng đỏ với đặc tính như sau.- Tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao. Về tính dẫn điện nó chỉ

đứng sau Ag, với độ sạch 99,9%Cu ở trạng thái ủ, ở 20oC điện trở suất ρ = 1,7241Ω.cm và độ dẫn nhiệt bằng 385W/m. oK. Phần lớn đồng nguyên chất được dùng làm dây dẫn. Cần nhớ là các tạp chất hòa tan vào Cu, đặc biệt là P, Fe với lượng rất nhỏ cũng làm giảm mạnh tính dẫn điện (0,1%P giảm 46%, 0,1%Fe giảm 23%).- Chống ăn mòn khá tốt trong các môi trường thường gặp: khí quyển, nước, nước biển hay kiềm, axit hữu cơ.- Tính dẻo rất cao do có mạng A1 nên rất dễ biến dạng nóng và nguội, dễ chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng.- Ở trạng thái ủ tuy có độ bền không cao (với 99,97%Cu cóσb = 220MPa, σdh = 70MPa) nhưng sau biến dạng dẻo độ bền tăng rất mạnh (với ε = 60%, σb = 425MPa, σdh = 375MPa). Với đồng và hợp kim, biến dạng nguội là biện pháp hóa bềnrất quan trọng.- Tính hàn của đồng khá tốt, song khi hàm lượng tạp chất đặc biệt là ôxy tăng lên, ưu điểm này giảm đi rõ rệt.Có thể thấy các nhược điểm của đồng như sau.+ Khối lượng riêng lớn (γ = 8,94g/cm3).+ Tính gia công cắt kém do phoi quá dẻo, không gãy, để cải thiện thường cho thêm Pb vào.+ Tính đúc kém, tuy nhiệt độ nóng chảy là 1083oC, song độ chảy loãng nhỏ.

+Các loại đồng nguyên chất:

Các loại đồng nguyên chất để dẫn điện phải có ít nhất 99,9%Cu được sản xuất theo ba phương pháp khác nhau.

Đồng điện phân ETP (Electrolytic Tough Pitch) có chứa khoảng 0,04%O2. Trong đồng, ôxy hầu như không hòa tan, chỉtạo ra Cu2O nên không làm giảm tính dẫn điện. Tuy nhiên loại này nhạy cảm với hyđrô khi nhiệt độ > 400oC (H2 khử Cu2O tạo nên bọt nước, gây nứt ở biên hạt). Do vậy loại

này chỉ dùng để gia công, chế biến ở < 400oC.

Đồng sạch ôxy OFHC (Oxygen Free High Conductivity) là loại nấu chảy các catod đồng trong khí quyển hoàn nguyên,có ít nhất 99,95%Cu, lượng ôxy nhỏ hơn 0,003% nên không nhạy cảm với hyđrô.

Đồng được khử ôxy là loại được khử ôxy triệt để bằng phôtpho, toàn bộ ôxy ở dưới dạng P2O5. Nếu lượng P tự do trong đồng < 0,005% thì hầu như không làm giảm tính dẫn (nhưng với 0,04%P tính dẫn chỉ bằng 85% của loại OFHC), do sạch ôxy nên có thể biến dạng nóng.

+Phân loại hợp kim đồng:

Cũng giống như hợp kim nhôm, hợp kim đồng cũng được phân loại thành: biến dạng và đúc trên cùng nguyên tắc. Ngoài ra do lịch sử lâu đời, các hợp kim khác nhau của đồng mang những tên riêng: latông và brông, trong đó latông làhợp kim Cu - Zn, brông là tên chung chỉ các hợp kim Cu - nguyên tố không phải Zn.

+Hệ thống kí hiệu cho hợp kim đồng:

Để ký hiệu các hợp kim đồng, người ta thường dùng hệ thống đánh số theo CDA (Copper Development Association) của Hoa Kỳ bằng xxx, trong đó số đầu tiên có ý nghĩa như sau.

1xx - đồng đỏ và các hợp kim Cu - Be,             2xx - latông (Cu - Zn) đơn giản,4xx - latông phức tạp,5xx - brông thiếc,6xx - brông nhôm,7xx - brông nhôm,8xx và 9xx - hợp kim đồng đúc

Để ký hiệu các trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây dung các ký hiệu O, H, T như của nhôm (riêng trạng thái tạo phôi thô được ký hiệu là M), song có các chữ và số tiếp theo khác đi. Ví dụ, hóa bền bằng biến dạng nguội có từ H00 (tương đương với H11 của nhôm) đến H04 (~ H18) cho đến H06, H08, H10, H12, H13, H14.

Bảng 7.4 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN1659-75 quy định một số đồng và ứng dụng

Thành phần hóa học % Ứng dụngCu Bi Pb O p Tổng

Cu99,99Cu99,97

Cu99,95Cu99,90

99,9999,97

99,9599,90

0,00050,001

0,001

0,001

0,001

0,004

0,004

0,005

--

0,020,05

0,001

0,002

0,002-

0,010,03

0,50,1

Làm dây dẫn điệnDây dẫn điện,chế tạohợp kim chất lượng

caoGiống Cu99,97

Dây dẫn điện,chế tạobrông thiết

- Latông:

Latông là hợp kim của đồng mà nguyên tố hợp kim chính là kẽm [tên gọi do TCVN 1659-75 quy định trên cơ sở thuật ngữ đã được dùng phổ biến ở ta từ tiếng Pháp, ngoài ra có thể gọi là đồng thau (cần chú ý trong thực

tế còn có nhiều tên gọi khác nữa). Các từ nước ngoài tương ứng là: Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь.

Bắt đầu là chữ L sau đó là các ký hiệu Cu, Zn và các nguyên tố khác nếu có,các số đứng sau ký hiệu nguyên tốchỉ lượng trung bình phần tram của nguyên tố đó. Vd kí hiệu LCuZn30

Hình 6.8 Giãn đồ pha Cu - Zn

Latông đơn giản được dùng nhiều hơn cả, đó là hợp kim chỉ có hai nguyên tố là Cu và Zn. Giản đồ pha Cu - Zn (hình 6.8) là loại rất phức tạp, tạo nên rất nhiều pha,song trong thực tế chỉ dùng loại có ít hơn 45%Zn nên chỉ gặp hai pha α và β.

Pha α là dung dịch rắn thay thế của Zn trong Cu với mạng A1, nó có thể chứa tới 39%Zn ở 454oC. Đó là pha cơbản của latông và là pha duy nhất của latông ít Zn, do đó nó quyết định quan trọng các tính chất cơ bản của latông. Điều rất đặc biệt là Zn khi hòa tan vào Cu không những nâng cao độ bền mà cả độ dẻo của dung dịch rắn (đây là một trong số ít các trường hợp hiếm có, thông thường độ bền tăng lên, độ dẻo, độ dai phải giảm đi), đồng thời có hiệu ứng hóa bền biến dạng cao (hình 6.9). Do vậy nói chung cơ tính của latông một pha cao

hơn và rẻ hơn đồng. Độ dẻo cao nhất ứng với khoảng 30%Zn. Ngoài ra khi pha thêm Zn, màu đỏ của đồng nhạt dần và chuyển dần thành vàng.

Hình 6.9. ảnh hưởng của Zn và độ biến dạng đến cơ tính của dung dịch rắn α:

a. giới hạn đàn hồi,

b. giới hạn bền,

c. độ giãn dài tương đối [với các mức tăng biến cứng 1/4,2/4, 3/4, 4/4 (toàn phần) và R - cứng đàn hồi]

Pha β là pha điện tử ứng với công thức CuZn (N = 3/2) có thành phần dao động trong khoảng 46 - 50%Zn. Khác với α, β cứng và giòn hơn, đặc biệt ở nhiệt độ thấp (< 457oC) khinó bị trật tự hóa thành pha β'. Do vậy không thể dùng latông quá 45%Zn với tổ chức hoàn toàn là β'. Trong thực tế thường dùng ≤ 40%Zn với hai loại một pha α và hai pha α + β.

Latông một pha (α) thường chứa ít hơn 35%Zn. Do có tính dẻo cao nó là loại biến dạng được cán nguội thành các bánthành phẩm, làm các chi tiết máy qua dập.

Latông chứa Zn thấp, 5 - 12%, có màu đỏ nhạt và tính chấtkhá giống đồng (nhưng tốt hơn) được dùng làm các đồ dùng và các chi tiết giả đồng như tiền xu, huy chương, khuy áo, fecmơtuya...

Latông với khoảng 20%Zn (CDA 240, Л80) có màu vàng giống như Au, được làm các chi tiết trang sức, giả vàng (ngạn ngữ có câu “vàng, thau lẫn lộn”, thau ở đây là đồng thau,latông).

Latông với khoảng 30%Zn (CDA 260, Л70) có tính dẻo cao nhất và độ bền cao nên được dùng làm chi tiết dập sâu vớicông dụng chủ yếu làm vỏ đạn (catridge brass). Các latôngmột pha bền và dẻo cao nên khó gia công cắt. Để cải thiệntính chất này người ta thường đưa thêm Pb vào với lượng 0,4 - 3,0% với cơ chế tác dụng như ở thép dễ cắt.

Nhược điểm của latông với ≥ 20%Zn ở trạng thái biến cứng hay chịu ứng suất cao có khuynh hướng bị nứt ăn mòn khi có hơi nước, amôniac, ôxy. Để tránh khuyết tật này phải đem ủ.

Latông hai pha (α + β) thường dùng với 40%Zn (có tên là Muntz với các mác CDA 280, ΓOCT Л60) hay có pha thêm Pb để cải thiện tính gia công cắt (CDA 370, Γ?OCT ЛC59-1). Tuy cứng và bền hơn loại một pha, hợp kim vẫn có thể biếndạng dẻo được ở trạng thái nóng (do > 454oC pha β dẻo hơn).

Các latông đúc bao giờ cũng có thành phần Zn và các nguyên tố hợp kim khác cao hơn, như mác CDA 863 với tổng lượng các nguyên tố đưa vào cao tới 38%.

Bảng 6.2. Thành phần hóa học (%) và cơ tính của một số mác hợp kim đồng theo CDA

Đối với cả hai loại biến dạng và đúc, ngoài các thành phần trên người ta còn đưa thêm vào các nguyên tố khác đểtăng cơ tính cũng như tăng tính chống ăn mòn.

- Brông thiếc:

Brông thiếc (hợp kim Cu - Sn) là hợp kim cổ xưa nhất màloài người biết sử dụng, trong thực tế nếu chỉ gọi là brông thì nên hiểu đó là brông thiếc (như đã biết theo vật liệu sử dụng, loài người đã trải qua các thời kỳ đồđá - Stone Age, thời kỳ đồ đồng - Bronze Age).

Đối với brông:bắt đầu bằng chữ B, sau đó là Cu, tiếp theo là nguyên tố hợp kim chính và sau đó là các hợp kim phụ. Các số đứng sau ký hiệu nguyên tố hợp kim cũngchỉ hàm lượng phần tram trung bình của nguyên tố đó. VdBCuSnZnPb5.

Từ giản đồ pha Cu - Sn (hình 6.10) thấy rằng với hàm lượng Sn nhỏ hơn 13,5%, sau khi kết tinh chỉ có một phaα là dung dịch rắn thay thế của Sn trong Cu có kiểu mạng A1 dẻo và tương đối bền do cơ chế hóa bền dung dịch rắn. Vì khoảng kết tinh lớn, quá trình thiên tích xảy ra khá mạnh nên ngay với hàm lượng Sn khá nhỏ (< 8%) trong điều kiện đúc thông thường đã xuất hiện pha β; khi làm nguội tiếp, pha này chuyển thành pha γ rồi sau đó thành pha δ. Quá trình chuyển biến pha δ →? [α +ε] ở 350oC và sự tiết pha ε trong α ở dưới 350oC không xảy ra được vì tốc độ phản ứng quá nhỏ. β, γ, δ, ε đều là các hợp chất điện tử cứng và giòn. ở nhiệt độ thườngcác hợp kim chứa ít hơn 8%Sn sau khi ủ có tổ chức một pha đồng nhất, khá dẻo chịu biến dạng tốt. Khi lượng Snvượt quá 8%, nhất là khi lớn hơn 10%, hợp kim có tổ chức hai pha α + δ. Hàm lượng Sn dùng trong các brông công nghiệp không vượt quá 16%.

Brông thiếc biến dạng thường ít hơn 8%Sn (có thể tới 10%) có cơ tính cao và chống ăn mòn trong nước biển tốthơn latông. Để cải thiện tính gia công cắt thường có thêm Pb (CDA 521, CDA 524, ΓOCT БрOC5-1) hay có thêm Znđể vừa thay cho Sn rẻ hơn vừa có tác dụng hóa bền khi dùng 4% cho mỗi nguyên tố (4%Sn - 4%Zn - 4%Pb) với mác CDA 544 hay ΓOCT БрOЦC4-4-4.

Hình 6.10 Giãn đồ pha Cu - Sn

Brông thiếc đúc là loại chứa nhiều hơn 10%Sn hay với tổng lượng các nguyên tố đưa vào cao hơn 12% như loại 5%Sn - 5%Zn - 5%Pb với các mác CDA 835, ΓOCT БрOЦC5-5-5, hay 10%Sn - 2%Zn với mác CDA 905.

Nhờ tính đúc tốt do khả năng điền đầy khuôn cao, hệ số co ngót nhỏ, chống ăn mòn tốt trong khí quyển, có bề mặt nâu - đen (do tạo nên lớp ôxyt thiếc) nên brông thiếc chứa Zn, Pb được dùng để đúc các tác phẩm nghệ thuật: tượng đài, chuông, phù điêu, họa tiết trang trí.

+ Brông nhôm :

Từ giản đồ pha hệ Cu - Al (hình 6.11) ta thấy các hợp kim chứa ít hơn 9,4%Al có tổ chức chỉ là dung dịch rắn thay thế của Al trong Cu có mạng A1 khá dẻo và bền. Do bề mặt có lớp Al2O3 nên hợp kim Cu - Al chịu đựng tốt trong khí quyển công nghiệp hay nước biển.

Brông nhôm một pha (với 5 - 9%Al) được sử dụng khá rộng rãi để chế tạo bộ ngưng tụ hơi, hệ thống trao đổi nhiệt, lò xo tải dòng, chi tiết bơm, đồ dùng cho lính thủy (CDA 614, ΓOCT БрAЖ9-4), tiền xu (CDA 608, ΓOCT БрA5).

Brông hai pha (> 9,4%Al) với sự xuất hiện của pha β (hợp chất điện tử mạng A2 là Cu3Al) chỉ ổn định ở trên 565oC và chịu biến dạng tốt. ở 565oC có chuyển biến cùngtích β → [α + γ2]. Nếu làm nguội nhanh β → β' (mạng sáuphương) cũng có tên là mactenxit, nhưng không cứng, song khi ram ở 500oC γ2 tiết ra ở dạng nhỏ mịn, làm tăng mạnh độ bền, lại rất ít gây ra giòn nên các brông nhôm chứa 10 - 13%Al được tôi ram cao và có cơ tính cao.

Hình 6.11. Giản đồ pha Cu - Al (góc Cu)

Các brông nhôm đúc có lượng Al ≥ 9% nên cũng có thể có thành phần như loại biến dạng như CDA 952 (giống với CDA 614), ΓOCT БрAЖ9-4Л (giống với БрAЖ9-4).

2.3 Titan và hợp kim titan:

Titan nguyên chất

Titan là kim loại khá nhẹ (khối lượng riêng γ = 4,5g/cm3), nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (16650C), có tính chống ăn mòn rất cao trong khí quyển và trong nước biển.

Titan có hai dạng thù hình: ở dưới 8820C có mạng lục giác xếp chặt với a = 0,296nm và c=0,472nm được ký hiệu là Tiα, cao hơn 8820C có mạng lập phương tâm khối với a = 3,32nm (tính ở 9000C) được ký hiệu là Tiβ. Khi làm nguội chậm, chuyển biến thù hình xảy ra theo cơ chế thông thường (tạo mầm và phát triển mầm, khuếch tán) tạo nên các hạt đa cạnh; nhưng khi làm nguội nhanh lại xảy ra theo cơ chế mactenxit (không khuếch tán) tạo nên các hạt hình kim.

Tính dẻo cao của loại titan iôđua so với các kim loại khác có cùng kiểu mạng lục giác (Zn, Cd, Mg) là do nó có nhiều hệ trượt hơn. Ngoài mặt trượt cơ bản (0001) là mặt đáy, titan có thể trượt theo các mặt (1010), (1011), songtinh theo các mặt (1012), (11 2 1), (11 2 2)... Nguyên nhân của hiện tượng đặc biệt này là do titan có tỷ số c/athấp (1,587), nhỏ hơn giá trị c/a lý tưởng (1,633), trongkhi đó Zn, Cd và Mg có tỷ số c/a > 1,633 tức là các mặt đáy xa nhau hơn, lực liên kết giữa chúng quá yếu và sự trượt chủ yếu được tiến hành bằng sự chuyển dời tương đốigiữa các mặt này nên số hệ trượt bị hạn chế.

Nhược điểm của titan là môđun đàn hồi của nó thấp (nhỏ hơn của sắt, niken khoảng hai lần) do đó hạn chế sử dụng làm các kết cấu cứng vững.

Hợp kim Titan

Tác dụng của các nguyên tố với titan

Theo tác dụng hòa tan vào dung dịch rắn các nguyên tố được chia thành hai nhóm: thay thế và xen kẽ. Các á kim với đường kính nguyên tử nhỏ (C, O, N, H) tạo nên với titan dung dịch rắn xen kẽ, gây ra hóa bền nâng cao độ bền, độ cứng, nhưng đồng thời cũng làm giảm rất mạnh độ dẻo, nên người ta coi chúng là các tạp chất có hại cần

loại bỏ. Các nguyên tố kim loại (Al, Cr, Mn, Mo, V...) cókhả năng tạo nên với titan dung dịch rắn thay thế, chúng vẫn hóa bền titan nhưng không làm giảm mạnh độ dẻo và độ dai, nên được coi là tạp chất có lợi hay nguyên tố hợp kim.

Theo ảnh hưởng đến chuyển biến thù hình của titan, tất cảcác nguyên tố hợp kim được chia thành ba nhóm: mở rộng α,mở rộng β và trung tính như biểu thị ở hình 6.15.

Hình 6.15a trình bày dạng giản đồ pha Ti - nguyên tố hợp kim mở rộng vùng Tiα. Các nguyên tố thuộc nhóm này có Al,O, N, trong đó chỉ có Al được sử dụng thực tế vì hai nguyên tố còn lại làm giòn titan. Thường dùng với lượng Al trong giới hạn hòa tan của dung dịch rắn (2 - 6,5%) cótác dụng làm giảm khối lượng riêng, tính giòn do hyđrô, nâng cao môđun đàn hồi, độ bền, tính bền nóng. Loại hợp kim này không hóa bền được bằng nhiệt luyện.

Đáng chú ý là các nguyên tố tạo nên với titan dạng giản đồ pha mở rộng khu vực Tiβ như trình bày ở hình 6.15b vàc, vì các hợp kim của nó có thể hóa bền được bằng nhiệt luyện. Một số nguyên tố có kiểu mạng lập phương tâm khối như Mo, V, Ta, Nb có khả năng hòa tan vô hạn vào Tiβ và tạo ra dung dịch rắn vô hạn β (hình 6.15b). Một số nguyêntố khác như Cr, Fe, Ni, W, Cu, Mn tuy có mở rộng vùng β nhưng không tạo được vùng dung dịch rắn vô hạn, pha β chuyển biến cùng tích thành hỗn hợp [α + γ], trong đó γ là pha phức tạp (ví dụ như pha Laves TiCr2 trong hệ Ti - Cr ở hình 5.15c). Các nguyên tố đáng chú ý ở nhóm này là Mo, V, Cr, Mn.

Hình 6.15. Sơ đồ các dạng giản đồ pha Ti - nguyên tố hợp kim:

a. mở rộng Tiα, b. mở rộng Tiβ, c. mở rộng Tiβ có tạo thành cùng tích, d. trung tính.

Các nguyên tố Sn, Zr, Hf, Th hầu như không ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển biến thù hình, tạo nên với Ti dạng giản đồ pha như biểu diễn ở hình 6.15d. Tuy không ảnh hưởng đến chuyển biến pha, song một số nguyên tố của nhóm này khi hòa tan vào Tiα và Tiβ có làm thay đổi một số tính chất của titan. Sn hóa bền hợp kim titan mà không làm giảm nhiều độ dẻo, Zr nâng cao giới hạn dão và độ bền mỏi.

Nhiệt luyện hóa bền

Nhiệt luyện hóa bền hợp kim titan bao gồm tôi và hóa già.

Đối với hợp kim có dạng giản đồ pha ở hình 6.15b, tôi và hóa già chỉ áp dụng cho các thành phần có tổ chức α + β. Khi tôi, người ta nung nóng hợp kim đến trạng thái β rồi làm nguội nhanh trong nước (trong một số trường hợp để tránh sự phát triển mạnh của hạt ở trạng thái β, chỉ cần

nung nóng đến trạng thái α + β). Kết quả là tôi tạo nên mactenxit - dung dịch rắn quá bão hòa của nguyên tố hợp kim trong Tiα, trong tổ chức tế vi có dạng hình kim. Tuy tinh thể mactenxit có độ cứng và độ bền cao hơn dung dịchrắn α cân bằng song sự hóa bền trong trường hợp này kém hơn nhiều so với chuyển biến mactenxit trong thép. Quá trình hóa bền chủ yếu xảy ra khi hóa già (ram), lúc này từ mactenxit tiết ra pha β và do đó được hỗn hợp của các pha β phân tán trong α, lúc này độ bền, độ cứng tăng lên song độ dẻo và độ dai giảm đi.

Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra trong các hợp kim chứa nguyên tố hợp kim thấp hơn một giá trị nồng độ tới hạn. Nồng độ tới hạn của các nguyên tố như sau: V - 15%, Mo - 11%, Mn - 8%, Cr - 6%, Fe - 4%. Lớn hơn các giá trị này điểm bắt đầu chuyển biến mactenxit giảm đi và thấp hơn nhiệt độ thường, nên chuyển biến mactenxit không xảy ra.

Đối với các hợp kim có dạng giản đồ pha như ở hình 6.15c,tôi và hóa già áp dụng cho thành phần trước cùng tích. Khi tôi nung nóng hợp kim đến trạng thái α.

Các hợp kim titan thường dùng có nhiệt độ tôi trong khoảng 800 - 9500C và hóa già ở 450 - 6000C. Không hóa giàở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ ở 300 - 3500C) vì lúc đó có thểtạo nên pha ω rất giòn.

Để nâng cao tính chống mài mòn của hợp kim titan, có thể áp dụng thấm nitơ, bề mặt có thể đạt độ cứng HV 1200 - 1500.

Các mác và công dụng

Thường dùng hợp kim titan với Al và các nguyên tố mở rộngvùng β: V, Mo (không tạo thành cùng tích), Cr, Mn, Fe (tạo ra cùng tích). Bảng 6.4 và 6.5 trình bày thành phần hóa học và cơ tính của một số mác hợp kim titan biến dạngcủa Nga.

Bảng 6.4. Thành phần hóa học (%) của một số mác hợp kim titan biến dạng (ΓOCT 19807-74)

Hợp kim α với hai mác điển hình là BT5 và BT5-1 được hợp kim hóa chủ yếu bằng Al có độ bền trung bình ở nhiệt độ thường, có cơ tính cao ở nhiệt độ cực lạnh, có tính bền nóng và hợp kim trở nên nhẹ hơn. Về tính công nghệ chúng có tính hàn tốt và tính gia công cắt bảo đảm. Tính dẻo ở nhiệt độ thường không cao, ở trạng thái nóng hợp kim rất dễ rèn, dập, cán và do đó được cung cấp dưới dạng tấm, thỏi, dây, vật cán định hình.

Hợp kim Ti - Al được hợp kim hóa thêm Mn ngoài tổ chức α là chủ yếu ra còn có một lượng nhỏ pha β (1 - 2%) được

gọi là hợp kim α giả với các mác OT4 - 1, OT4 và OT4 - 2.Do chứa ít Al và có pha β OT4 - 1 và OT4 - 2 có tính dẻo ở nhiệt độ thường tốt hơn, dễ gia công áp lực ở trạng thái nguội và chỉ khi chế tạo các chi tiết phức tạp mới phải nung nóng tới 500 - 7000C. OT4 - 2 do chứa nhiều Al nên gia công áp lực phải ở trạng thái nóng.

Nhược điểm của nhóm này là không nhiệt luyện hóa bền đượcvà có khuynh hướng giòn hyđrô.

Hợp kim (α + β) có ưu điểm lớn là có sự kết hợp tốt giữa cơ tính và tính công nghệ và có thể nhiệt luyện hóa bền được. Ở trạng thái ủ và tôi, nó có tính dẻo cao, còn sau khi tôi và hóa già có độ bền cao. Lượng pha β càng nhiều khả năng hóa bền càng mạnh. Tăng lượng pha β bằng hợp kimhóa thêm bởi Mo, V, Cr. Loại hợp kim này cũng có thể đem gia công cắt và hàn. Sau khi hàn cần phải đem ủ để nâng cao độ dẻo của mối hàn.

Hợp kim β ít dùng trong công nghiệp, vì muốn tạo thành tổchức hoàn toàn β phải dùng một lượng lớn nguyên tố hợp kim như V, Mo, Nb, Ta là các nguyên tố đắt, hiếm và làm nặng hợp kim. Hiện chỉ dùng BT15 có tổ chức β giả (vì ngoài β là chủ yếu còn có một ít α). BT15 có khối lượng riêng tương đối nhỏ (4,8g/cm3), cơ tính cao. Nhược điểm của nó là mối hàn có độ dẻo thấp.

Bảng 6.5. Cơ tính của các hợp kim titan

Ngoài loại biến dạng trong kỹ thuật cũng dùng hợp kim titan đúc. Tuy nhiên việc đúc hợp kim titan không đơn giản vì nó hấp thụ khí mạnh, tác dụng với vật lIệu làm khuôn.

Hình 6.16. Các chi tiết, bộ phận của máy bay phản lực được làm bằng hợp kim titan: 1. mép trước của cánh, 2. cánh phụ, 3. đầu nhọn, 4. mép trước của bộ ổn định.

Trong các vật liệu kết cấu, hợp kim titan là vật liệu kếtcấu có độ bền riêng cao nhất - σb / γ = 22(km) - do có độbền cao như thép hợp kim trong khi đó khối lượng riêng chỉ bằng khoảng 60%. Khi thay thế thép bằng hợp kim titan, khối lượng của chi tiết giảm đi tới 40%. Cùng với các đặc tính như bền nóng, chống ăn mòn cao, các hợp kim titan được ứng dụng ngày một rộng rãi trong các ngành kỹ thuật: chế tạo máy bay, tên lửa, đóng tàu, công nghiệp hóa học. Trong chế tạo máy bay nó được làm thân máy bay siêu âm với tốc độ 3 - 3,5 lần so với tốc độ âm khi bề mặt bị nung nóng tới 450 - 5000C (hình 6.16), làm các chi tiết của động cơ máy bay phản lực (đĩa và cánh của máy ép, các chi tiết của lỗ hút không khí), vỏ tên lửa tầng thứ hai và tầng thứ ba (trong loại tên lửa nhiều tầng), bình và bình cầu chứa khí nén và khí hóa lỏng, vỏ tàu biển, tàu ngầm, ngư lôi. Trong công nghiệp hóa học làm lòphản ứng cho các môi trường ăn mòn mạnh, khí cụ bay hơi, bơm, bộ trao đổi nhiệt, quạt. Trong kỹ thuật chân không làm chất hấp thụ khí, các chi tiết điện tử, chân không...

3.3 Tính chất và ứng dụng của một số kim loại màu khác:

Antimon

Antimon là kim loại có màu trắng bạc, ánh xanh, kiểu mạngtinh thể mặt thoi. Khối lượng nguyên tử 121,75; khối lượng riêng 6,69 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy 630,5oC, nhiệt độ sôi 1635oC.

Antimon có tính chất đặc biệt cứng và giòn. Nó hầu như chỉ được sử dụng dưới dạng hợp kim mà không được sử dụng ở dạng kim loại.

Antimon được dùng chủ yếu trong hợp kim làm sườn cực ắc quy (chiếm 35% tổng lượng antimon sản xuất ra). Còn tronghợp kim làm ổ trục, antimon là nguyên tố hợp kim quan trọng (chiếm 25% tổng lượng antimon). Antimon cũng là nguyên tố hợp kim không thể thiếu được trong hợp kim chữ in.

Vàng

Là kim loại được con người biết đến và sử dụng từ rất sớm, có màu vàng, kiểu mạng lập phương diện tâm. Khối lượng nguyên tử 196,96; khối lượng riêng 19,26 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy 10630C, nhiệt độ sôi 2950oC.

Vàng có độ bền hóa học rất cao, không bị hòa tan trong bất cứ axít nào (trừ chất cường toan), có độ dẫn điện và dẫn nhiệt rất cao, dễ biến dạng và kéo sợi. Vàng có vẻ bềngoài đẹp.

Vàng chủ yếu được sử dụng làm tiền tệ và đồ trang sức. Hợp kim của vàng với bạc, đồng, platin, thiếc là vật liệulý tưởng cho động cơ phản lực, tên lửa, máy bay siêu thanh, các công tắc điện đặc biệt, làm vật liệu hàn răng.Vàng dùng để mạ trang trí cho màu sắc đẹp và bền. Vàng lànguyên tố quý và hiếm.

Molipđen

Molipđen là kim loại có màu xám, kiểu mạng tinh thể lập phương thể tâm. Khối lượng nguyên tử 95,95; khối lượng riêng 10,2 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy 2620 ± 10oC, nhiệt độsôi gần 4800oC.

Mo nâng cao độ bền của thép, tăng tính chống ram của thép.Mo có tính chất tương tự như wonfram nên người ta dùng nó thay cho W trong thép cắt nhanh. Mo ít làm thép bị thiên tích, tăng độ dẻo khi biến dạng nóng, tăng tính hàn. Gần 90% Mo dùng làm nguyên tố hợp kim cho thép.

Hợp chất Mo dùng trong công nghiệp gốm sứ, làm chất xúc tác.