253

Chương 6

hợp kim màu và bột

Trong chương này sẽ khảo sát các hợp kim không phải trên cơ sở sắt hay
theo cách gọi thông dụng ở nước ta cũng như một số nước là hợp kim màu và các
hợp kim được chế tạo theo phương pháp bột, trong phương pháp này các cấu tử
chỉ được trộn lẫn nhau một cách cơ học ở trạng thái rắn (khác với theo phương
pháp truyền thống đ học là trộn lẫn bằng nấu chảy). Tuy hai loại hợp kim này
không được dùng với khối lượng lớn như thép, gang song tỷ lệ của chúng ngày
một tăng và có các đặc tính sử dụng và công nghệ rất ưu việt trong một số trường
hợp.
6.1.

Hợp kim nhôm

Về phương diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim nhôm chiếm vị trí
thứ hai sau thép. Sở dĩ như vậy vì vật liệu này có các tính chất phù hợp với nhiều
công dụng khác nhau, trong một số trường hợp đem lại hiệu quả kinh tế lớn,
không thể thay thế được.
6.1.1.

Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm

a.

Các đặc tính của nhôm nguyên chất


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
(660
o
C) một mặt làm dễ dàng cho nấu chảy
khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim không sử dụng được ở nhệt độ cao hơn
300
ữ
400
o
C.
-
Độ bền, độ cứng thấp
, ở trạng thái ủ

b
= 60MPa,

0,2
= 20MPa, HB 25.
Tuy nhiên do có kiểu mạng A1 nó có hiệu ứng hóa 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. 254
Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) ở

Hình 6.1.

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

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 hay C) 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

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.
c.

Hệ thống ký 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 dạng
Loại đúc
1xxx - nhôm sạch (

99,0%), 1xx.x - nhôm thỏi 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 cụ thể.
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,

Nhôm sạch hay chính xác hơn là nhôm thương phẩm có ít nhất 99,0%Al
với hai mác điển hình AA1060 và AA1100.
ở
trạng thái ủ có độ bền thấp, mềm
nhưng rất dẻo, dễ biến dạng nguội, nhờ đó giới hạn chảy tăng lên rất mạnh (2 đến
4 lần) và cứng lên nhiều. Nhờ có tính chống ăn mòn nhất định (do độ sạch cao),
chúng được dùng trong công nghiệp hóa học, thực phẩm, đông lạnh, làm thùng
chứa (1060), tấm ốp trong xây dựng. Để làm dây (trần, bọc) hay cáp điện dùng
AA1350.
Tạp chất có hại của nhôm nguyên chất là Fe và Si (khi có mặt cùng với Fe)
do tạo nên các pha giòn FeAl
3
, các pha

,

là hợp chất giữa Fe, Si (với công thức
khác nhau).
b.

Hợp kim Al - Mn

Hình 6.2. Góc Al của giản đồ
pha Al - Mn

Về cơ tính, hợp kim biến dạng hệ Al - Mn rất nhạy cảm với biến dạng
nguội (giới hạn chảy tăng 2
ữ
4 lần) và có nhiệt độ kết tinh lại tăng lên, còn là do
hình thành pha

ở dạng nhỏ mịn, phân tán. Hợp kim Al - Mn dễ biến dạng dẻo,
được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm khác nhau (lá mỏng, thanh, dây,
hình, ống...), chống ăn mòn tốt trong khí quyển và dễ hàn, được dùng để thay thế
các mác AA 1xxx khi yêu cầu cơ tính cao hơn.
c.

Hợp kim Al - Mg

Như đ thấy từ giản đồ pha Al - Mg (hình 6.3), giới hạn hòa tan của Mg
trong Al thay đổi mạnh theo nhiệt độ: 15% ở 451
o
C, không đáng kể ở nhiệt độ
thường, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố này kết hợp với nhau thành
Mg
2
Al
3
(pha

trên giản đồ) song lại phân bố ở biên hạt với dạng liên tục, tác hại
mạnh đến tính chống ăn mòn (gây ăn mòn tinh giới và ăn mòn dưới ứng suất). Vì
vậy sau khi biến dạng nguội hợp kim được ủ ổn định hóa (H3) ở trên dưới 300
o
C


6.1.3.

Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt
luyện

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, hy xét cơ chế hóa bền khi nhiệt luyện hợp kim Al chứa
4%Cu.

258
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

0,2
,

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

290
430
200
420
480
20
18
12
90
140
125


1
6061 1,0Mg-0,6Si-
0,2Cr-0,3Cu
O
T4
T6
55
150
275
125
245
410
25
22
17
50
90


-

A

7
356.0 7,0Si-0,3Mg T6,kh.cát
T6,lytâm
160
180
230
260
1,5
4
-
-
A

9
390.0 17Si-4,5Cu-
0,6Mg
T6,kh.cát
T6,lytâm
270
290
280300 <0,5
<0,5
-
-


o
C), các phần tử
CuAl
2II
hòa tan hết vào

và chỉ có tổ chức một pha

là Al(4%Cu) và khi làm

259
nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl
2II
không kịp tiết ra, tổ chức

giàu Cu được cố
định lại ở nhiệt độ thường,

Hình 6.4. Góc Al của giản
đồ pha Al - Cu (CuAl
2

được ký hiệu là )


tiết ra Cu và tập trung lại

dưới dạng CuAl
2
. 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 5
nm
) 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

" (kích thước 10
nm
,
khoảng cách các pha 20nm) rồi

' (với kích thước lớn hơn). Độ bền đạt được giá
trị cao nhất là ứng với sự tạo nên pha

", khi tạo nên pha

' độ bền bắt đầu giảm
đi.
ở
nhiệt độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha

" và đạt độ bền


là
các tiền pha của

- CuAl
2
.

260
Qua đó thấy rõ:
+ Pha CuAl
2
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 bo 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

(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 CuAl
2
còn có CuMg
5
Al
5
, CuMgAl
2
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
(

b

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 ri 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 Mg
2
Si và các mác điển hình
là AA 6061 và AA 6070 với các đặc tính là:
- có độ bền kém đura (

b
= 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 ri để ép chảy thành các khung nhôm qua
anod hóa (với chiều dày hàng chục
à
m
) 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


a.
Các đặc điểm

Như đ 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,
rẻ nên thường dùng để đúc; còn ở các hệ khác cùng tinh có lượng chứa 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.
b.

Hợp kim nhôm - silic

(silumin)

Biến tính

Hợp kim nhôm - silic đúc đơn giản chỉ gồm hai cấu tử với 10
ữ
13%Si (AA
423.0 hay A

2). 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


= 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 ữ 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 thêm Mg (0,3

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 20
o
C điện trở suất

= 1,7241

.cm
và độ dẫn
nhiệt bằng 385
W/m.
o
K
. 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 có

b
= 220MPa,


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%O
2
.
Trong đồng, ôxy hầu như không hòa tan, chỉ tạo ra Cu
2
O nên không làm giảm tính
dẫn điện. Tuy nhiên loại này nhạy cảm với hyđrô khi nhiệt độ > 400
o
C (H
2
khử
Cu
2
O tạo nên bọt nước, gây nứt ở biên hạt). Do vậy loại này chỉ dùng để gia công,
chế biến ở < 400
o
C.
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 P
2
O


6.2.2.

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 đ 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
-

. Hình 6.8. Giản đồ
pha Cu - Zn.