Tài liệu Nghiên cứu vai trò của silic trong công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 A. PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống con người. Khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại này được đưa lên hàng thứ hai sau thép. Sản lượng và nhu cầu ứng dụng của nhôm so với các loại kết cấu khác tăng lên không ngừng, những ưu điểm chính của nhôm là khối lượng riêng nhỏ, độ dẫn điện, nhiệt dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt. Về mặt trữ lượng nhôm nhiều hơn sắt, theo tính toán nhôm chiếm khoảng 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,5% khối lượng vỏ trái đất. Vì vậy, khi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu nó tỏ ra có những ưu điểm lớn. Chính lí do đó khiến em mạnh dạn chọn đề tài này để tìm hiểu về nhôm và các hợp kim nhôm dân dụng thông qua việc tìm hiểu vai trò của silic trong công nghệ nấu cán hợp kim nhôm dân dụng. 2. LỊCH SỬ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU Về mặt lịch sử nhôm thuộc loại các nguyên tố “trẻ”. Nhôm được tìm ra năm 1808, công lao ấy thuộc về Davy. Nhờ các phản ứng hóa học ông đã tách được nguyên tố kim loại nhẹ, có màu sáng và gọi tên là Alumin. Bắt đầu từ những năm 30 Trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp hóa học, tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ. Tính từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất được khoảng 200 tấn nhôm. 1 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Vào những năm cuối cùng của thế kỉ XIX nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch oxyt nhôm (Al2O3) nóng chảy trong criolit (Na3AlF6). Nhờ phương pháp này sản lượng nhôm tăng lên nhanh chóng. Chỉ trong vòng 9 năm từ 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 28.000 tấn nhôm, riêng năm 1930 sản lượng nhôm đạt 270.000 tấn. Năm 1968 sản lượng nhôm là 8.386.200 tấn, từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15% những năm gần đây chỉ tăng 5% trên năm. Hợp kim nhôm ra đời vào năm 1906, đó là hợp kim do Alfred Wienmer tìm ra, hiện nay được phát triển thành các đuyra trên cơ sở hệ Al–Cu–Mg đang được sử dụng rộng rãi. 3. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu: Tìm hiểu ảnh hưởng của một số nguyên tố và vai trò của silic trong hợp kim của nhôm. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu nhôm và hợp kim của nhôm thông qua mẫu Al–A356 và Al–ADC12. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát mẫu nhôm Al–A356 và Al–ADC12. Thảo luận kết quả thu được. 2 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 B. NỘI DUNG CHƯƠNG 1. NHÔM VÀ MỘT SỐ HỢP KIM CỦA NHÔM 1.1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ NHÔM 1.1.1. Đặc điểm về tổ chức Nhôm có số thứ tự 13, thuộc nhóm III của bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Cấu hình điện tử của nhôm có dạng sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Bên cạnh oxyt Al2O3 rất bền có thể xuất hiện các hợp chất Al2O, AlF, AlCl rất kém ổn định. Độ lớn hạt nhôm khi kết tinh phụ thuộc vào lượng tạp chất, với điều kiện kết tinh như nhau, nhôm sạch 99,8% có kích thước hạt từ 1–2 mm, còn nhôm sạch 99,99% có thể nhận được hạt với kích thước tới 10mm. Nhôm kết tinh ở dạng mạng lập phương tâm mặt, chu kì mạng a ~ 0,040431 nm. 1.1.2. Tính chất của nhôm 1.1.2.1. Tính chất vật lí Nhôm với khối lượng riêng nhỏ 2,7g/cm3 so với sắt nhôm nhẹ hơn khoảng 2,91 lần, chỉ tiêu này rất quan trọng khi đòi hỏi sự giảm khối lượng của chi tiết và của cả hệ thống đến mức nhỏ nhất. Ví dụ: Các phương tiện giao thông vận tải, ngành hàng không, du hành vũ trụ, vv… Nhôm là kim loại có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, nhiệt độ nóng chảy của nó phụ thuộc vào độ sạch. Nhôm 99,99% nóng chảy ở 660,24oC nhưng nhôm 99,50% nóng chảy ở 658oC. 3 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Độ dẫn điện, dẫn nhiệt của nhôm phụ thuộc vào lượng tạp chất: Nhôm sạch 99,97% dẫn điện bằng khoảng 65,50% so với Cu, còn nhôm sạch 99,50% dẫn điện kém hơn, chỉ bằng 61,60%. Ở 200oC, nhôm sạch 99,49% có độ dẫn nhiệt là 0,500 kcal/cm.s.độ; khi độ sạch tăng lên 99,90%, nhôm có độ dẫn nhiệt là 0,820 kcal/cm.s.độ. (Độ dẫn diện của nhôm chỉ bằng khoảng 62% so với đồng. Tuy vậy khối lượng riêng của đồng lớn hơn khoảng 3,3 lần nên với các đặc tính về điện giống nhau, truyền cường độ dòng điện như nhau, dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây đồng, bị nung nóng ít hơn). 1.1.2.2. Cơ tính Độ bền, cứng của nhôm: Phụ thuộc lượng tạp chất và trạng thái gia công biến dạng. Nhôm sạch 99,996% sau cán nguội có độ bền nhỏ, b = 114,1 Mpa; sau khi ủ độ bền càng nhỏ hơn, b = 48,1 Mpa. Độ giãn dài tương ứng với hai trạng thái này là  = 5,5% và 48,8%. Nhiệt độ kết tinh lại của nhôm tương đối thấp và cũng phụ thuộc vào độ sạch. Sau khi biến dạng nguội, nhôm sạch 99,994% bắt đầu kết tinh lại ở 150oC và ở 270oC quá trình kết tinh lại kết thúc. Mạng tinh thể của nhôm thuộc loại lập phương tâm mặt, do vậy nhôm tương đối dẻo. Ở trạng thái ủ nhôm kém bền, chịu biến dạng nóng cũng như nguội đều rất tốt. Tính chống ăn mòn: Nhôm là kim loại có hoạt tính hóa học cao. Ở ngoài không khí nhôm bị mất vẻ sáng lóng lánh do tạo màng oxyt Al2O3. Màng oxyt nhôm không có rỗ xốp, độ sít chặt cao và liên kết bền với kim loại. Chiều dày của màng này phụ thuộc vào nhiệt độ, ở nhiệt độ thường màng dày khoảng 5–10 nm; khi nung lên nhiệt độ cao gần nhiệt độ chảy, chiều dày của màng này có thể tới 200 nm. 4 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Chính do màng oxyt có cấu tạo sít chặt và liên kết bền vững với kim loại nền mà nhôm có tính ổn định chống ăn mòn khá cao trong nhiều môi trường hóa học. Khả năng chống ăn mòn của nhôm phụ thuộc vào thành phần tạp chất và đặc tính của môi trường. Trong môi trường axit vô cơ, khi tăng nhiệt độ, tốc độ ăn mòn nhôm tăng lên. Ảnh hưởng của nồng độ cần phải xét đối với từng axit cụ thể. Ví dụ: Như axit nitric (HNO3) loãng ăn mòn nhôm mạnh hơn khi đậm đặc. Trái lại dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng tác dụng với nhôm rất yếu. Khi tăng nhiệt độ và nồng độ dung dịch, tác dụng gây ăn mòn nhôm tăng lên. Trong dung dịch axit phôtphoric (H3PO4) quá trình ăn mòn nhôm xảy ra chậm; nhôm bị ăn mòn rất nhanh trong hỗn hợp HCl và HF. Khả năng chống ăn mòn trong dung dịch kiềm của nhôm rất nhỏ. Ví dụ: Xút NaOH gây ra ăn mòn nhôm rất nhanh. Nhôm tỏ ra ổn định trong nhiều dung dịch axit hữu cơ. Ở nhiệt độ thường nhôm không tác dụng với nước, hơi nước, khí CO và CO2. Nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì tình hình sẽ khác đi: Hơi nước tác dụng với nhôm khá nhanh ở vùng nhiệt độ 500oC và cao hơn theo phản ứng: 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2 Hyđro tạo ra trong phản ứng một phần đi vào khí quyển, một phần khuyếch tán vào nhôm. So với các khí khác, hyđro có khả năng hòa tan nhôm mạnh nhất. 5 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Độ hòa tan của hyđro trong nhôm tính trên 100g, biến đổi phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái như sau: Ở 350oC hòa tan được 0,002 cm3 Ở 660oC thể rắn hòa tan được 0,036 cm3 Ở 660oC thể lỏng hòa tan được 0,60 cm3 Ở 1000oC hòa tan được 3,5 cm3 Sự thay đổi đột ngột độ hòa tan chất khí khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn là nguyên nhân gây ra rỗ xốp khi kết tinh. 1.2. QUY LUẬT TÁC DỤNG CỦA NGUYÊN TỐ HỢP KIM VỚI NHÔM Việc nghiên cứu khả năng hòa tan của nguyên tố hộ kim vào nhôm chỉ ra rằng không có nguyên tố nào tạo được với nhôm dung dịch rắn hòa tan vô hạn. Độ hòa tan tăng lên theo vị trí sắp xếp nguyên tố gần nhôm nhất trong bảng tuần hoàn Mendeleev. Các nguyên tố Bi, Na, Cd, vv… ngay ở trạng thái lỏng cũng hòa tan có hạn và tạo ra giản đồ dạng đơn tinh. Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Ti, Mo, Cr và V tạo ra giản đồ dạng bao tinh có hợp chất hóa học. Các nguyên tố còn lại tạo với nhôm giản đồ có phản ứng cùng tinh. 6 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Bảng 1.1 Các nguyên tố hợp kim thường gặp trong nhôm Kim loại STT Nhiệt độ nóng Dạng giản đồ pha từ phía Độ hòa tan chảy nhôm cực đại Liti 3 179 Cùng tinh có HCHH 6,770 Berili 4 1264 Cùng tinh không có HCHH 0,050 Bor 5 2300 Cùng tinh có HCHH 0,050 Natri 11 97,7 Đơn tinh không có HCHH 0,002 Magie 12 651 Cùng tinh có HCHH 17,400 Siic 14 1440 Cùng tinh không có HCHH 1,650 Titan 22 1665 Bao tinh có HCHH 0,280 Vanađi 23 1900 Bao tinh có HCHH 0,370 Crom 24 1875 Bao tinh có HCHH 0,720 Mangan 25 1248 Cùng tinh có HCHH 1,400 Sắt 26 1535 Cùng tinh có HCHH 1,400 Niken 28 1455 Cùng tinh có HCHH 0,050 Đồng 29 1083 Cùng tinh có HCHH 5,650 Kẽm 30 419,5 Cùng tinh không có HCHH 85,200 Ziriconi 40 1852 Bao tinh có HCHH 0,280 Molipđen 42 2625 Bao tinh có HCHH 0,200 Bạc 47 960,5 Cùng tinh có HCHH 55,600 Cadimi 48 320,9 Đơn tinh không có HCHH 0,450 Thiếc 50 321,9 Cùng tinh không có HCHH 0,020 Stibi 51 503,5 Cùng tinh có HCHH 0,100 Xeri 58 804 Cùng tinh có HCHH 0,050 Chì 82 327,4 Đơn tinh có HCHH 0,200 Bismut 83 271 Đơn tinh không có HCHH 0,200 Ghi chú: HCHH là hợp chất hóa học 1.3. PHÂN LOẠI VÀ KÍ HIỆU Trong quá trình nghiên cứu, phát triển và hình thành ngày càng có nhiều hợp kim nhôm mới ra đời. Để phân loại chúng, người ta căn cứ vào các đặc điểm quan trọng nhất. 7 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Theo tính công nghệ, các hợp kim nhôm được phân thành hai dạng chính: Hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc. Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo các bán thành phẩm hoặc chi tiết bằng gia công áp lực nóng hoặc nguội. Các hợp kim nhôm dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng khác nhau. Trong số các hợp kim nhôm biến dạng người ta còn phân biệt loại có thể hóa bền bằng nhiệt luyện và loại không hóa bền bằng nhiệt luyện. Trạng thái gia công thường được chỉ rõ kèm sau các ký hiệu hợp kim bằng những quy ước riêng phụ thuộc vào các quốc gia hoặc tổ chức khác nhau về quản lý tiêu chuẩn vật liệu. Theo thành phần hóa học, người ta phân các hợp kim nhôm thành nhiều hệ, trong mỗi hệ ngoài Al ra còn có một hoặc hai nguyên tố hợp kim chính nữa. Một số hệ hợp kim chủ yếu là: Al–Cu, Al–Cu–Mg, Al–Mn, Al–Si, Al–Mg, Al–Mg–Si, Al–Zn–Mg, Al–Li, vv… 8 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Bảng 1.2 Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm Nga Ký Mỹ, Canada Ký Ý nghĩa hiệu Ý nghĩa hiệu Hợp kim nhôm biến dạng: Hợp kim nhôm biến dạng và đúc M Ủ mềm F Trạng thái phôi thô T Tôi và hóa già tự nhiên O Ủ và kết tinh lại T1 Tôi và hóa già nhân tạo H Trạng thái biến dạng H Biến cứng H11 Biến dạng với mức biến cứng Biến cứng không hoàn toàn H1 Biến cứng mạnh ( nhỏ H12 Biến dạng với mức 1/4 biến cứng TH Tôi, hóa già tự nhiên, biến H14 Biến dạng với mức 1/2 biến cứng T1H cứng Tôi, biến cứng, hóa già nhân H16 Biến dạng với mức 3/4 biến tạo cứng T1H1 Tôi, biến cứng 20%, hóa già H18 Biến dạng với mức 4/4 biến nhân tạo cứng H19 Biến dạng với mức biến cứng rất lớn 9 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Bảng 1.2 Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm (tiếp theo) Nga Ký Ký Ý nghĩa hiệu T1 Mỹ, Canda Ý nghĩa hiệu Hợp kim nhôm đúc Hợp kim nhôm biến dạng và đúc Hóa già nhân tạo sau đúc H2X Biến dạng tiếp theo ủ hồi phục (X biến đổi từ 2 đến 9) T2 Ủ H3X Biến dạng tiếp theo ổn định hóa (X biến đổi từ 2 đến 9) T4 Tôi T1 Tôi sau biến dạng nóng, hóa già tự nhiên T5 Tôi, hóa già một phần T3 Tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên T6 Tôi, hóa già bền cực đại T4 Giống T3 nhưng không có biến dạng nguội T7 Tôi, hóa già ổn định T5 Giống T1 nhưng hóa già nhân tạo T8 Tôi, hóa già bền mềm (qua T6 Giống T4 nhưng hóa già nhân hóa già) tạo T7 Giống T6 nhưng hóa già T8 Tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo T9 Tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội 10 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1859-75) quy định ký hiệu các hợp kim nhôm như sau: Bắt đầu bằng ký hiệu Al, tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim chính, sau đó là các nguyên tố hợp kim phụ. Để chỉ hàm lượng theo phần trăm người ta dùng các con số đặt sau ký hiệu tương ứng. Nếu là hợp kim đúc, ở sau mỗi ký hiệu đặt thêm chữ Đ. Ví dụ 1: Ký hiệu AlMg5, nghĩa là hợp kim nhôm biến dạng có hàm lượng trung bình của Mg là 5%. Ví dụ 2: Ký hiệu AlSi12Mg1Cu2Mn0,6Đ nghĩa là hợp kim nhôm đúc, chứa trung bình 12% Si, 1% Mg, 2% Cu và 0,6% Mn. Ký hiệu hợp kim nhôm ở các nước trên thế giới rất khác nhau. Theo tiêu chuẩn OCT của Nga, nhôm và hợp kim nhôm được ký hiệu bằng sự phối hợp giữa các chữ cái và các con số. Tuy nhiên, các ký hiệu này không phản ảnh một quy luật chặt chẽ nào trong toàn bộ hệ thống các hợp kim nhôm. Ở các nước như Mỹ, Canada, Nga, người ta sử dụng hệ thống ký hiệu gồm các con số (thường có bốn chữ số) để ký hiệu hợp kim nhôm. Tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm Aluminum Association (AA) quy định ký hiệu hợp kim nhôm bằng các con số như bảng sau. 11 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Bảng 1.3 Tiêu chuẩn ký hiệu hợp kim nhôm theo Aluminum Association Hợp kim nhôm biến dạng Loại ký Hệ thống hợp kim Al Hợp kim nhôm đúc hiệu 99% Hẹ thống hợp kim Loại ký hiệu 1000 Al sạch công nghiệp 100,0 Al-Cu và Al-Cu-Mg 2000 Al-Cu 200,0 Al-Mn 3000 Al-Si-Mg và Al-Si-Cu 300,0 Al-Si 4000 Al-Si 400,0 Al-Mg 5000 Al-Mg 500,0 Al-Mg-Si 6000 Al-Zn 600,0 Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu 7000 Al-Sn 700,0 Al với các nguyên tố khác 8000 800,0 Hệ thống thống nhất của Mỹ (Unified Numbering System, USN) ký hiệu các hợp kim nhôm bằng cách sử dụng ký hiệu số của hiệp hội nhôm với tiếp đầu là A9 đối với hợp kim biến dạng và A0 đối với hợp kim đúc. Ký hiệu một số loại nhôm và hợp kim nhôm với thành phần hóa học khác nhau theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và AA. 12 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Bảng 1.4 Thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm Hệ hợp kim Ký hiệu TCVN AA Thành phần % Hợp kim biến dạng Al sạch Al 99,60 1060 99,6% Al Công nghiệp Al 99,00 1100 99,0% Al Al-Cu và AlCu4,4Mg0,5Mn0,8 2014 4,4Cu-0,5Mg-0,8Mn Al-Cu-Mg AlCu4,4Mg1,5Mn0,6 2024 4,4Cu-0,5Mg-0,6Mn Al-Mn AlMn1,2 3004 1,2Mn-0,12Cu Al-Mg AlMg1,4 5050 1,4Mg Al-Mg-Si AlMg1Si0,6 6061 1Mg-0,6Si-0,2Cr-0,3Cu Al-Zn-Mg AlZn4,5Mg1,4 7005 AlZn5,6Mg2,5Cu4,6 7075 5,6Zn-2,5Mg-1,6Cu Al-Zn-MgCu 4,5Zn-1,4Mg-0,12Cr0,4Mn-0,15Zr Hợp kim đúc Al-Cu AlCu4,5Đ 295,0 4,5Cu-1Si Al-Si-Cu AlSi5,5Cu4,5Đ 308,0 5,5Si-4,5Cu Al-Si-Mg AlSi7Mg0,3Đ 356,0 7Si-0,3Mg Al-Si-MgCu 13 AlSi12Mg1,3Cu4Mn0,6Đ 12Si-1,3Mg-2Cu-0,6Mn- Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí 1Ni-0,2Ti TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Hình 1.1. Phân loại hợp kim nhôm theo giản đồ pha T oC L L+β L+α Hợp kim Al Biến dạng Hợp kim nhôm đúc α α+ Al Phần trăm nhiệt luyện hóa bền a b Phần trăm nguyên tố hợp kim Hợp kim không hóa bền bằng nhiệt luyện 14 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 1.4. NHÔM SẠCH KỸ THUẬT Phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, độ sạch của nhôm rất khác nhau, biến đổi từ 99,00% đến 99,999% Al. Nhôm với độ sạch đặc biệt cao là vật liệu quý dùng trong các công trình nghiên cứu. Độ bền của nhôm sạch kỹ thuật thấp, độ dẻo cao, sau biến dạng hiệu ứng hóa bền đạt được tương đối lớn. Do tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao, khối lượng riêng nhỏ, nhôm sạch kỹ thuật được dùng rộng rãi để chế tạo cáp tải điện trong khí quyển, các ống bức xạ nhiệt hoặc các chi tiết trong hệ thống bay hơi. Tạp chất trong nhôm rất đa dạng, tuy vậy Si và Fe đáng chú ý nhất vì chúng thường có và gây ảnh hưởng rất mạnh. Nếu đứng riêng thì tạp chất Si ít tác hại, hầu như không làm giảm cơ tính thậm chí còn ảnh hưởng tốt đến tính đúc do tạo thành cùng tinh (AlSi), hạ thấp nhiệt độ chảy, tăng khả năng điền đầy khuôn. Trái lại, Fe có thể tương tác với nhôm tạo pha Al3Fe rất giòn, kết tinh ở dạng hình kim thô to. Cùng tinh (Al-Al3Fe) xuất hiện ngay sau khi hàm lượng Fe rất nhỏ và phân bố theo biên giới hạt. Tổ chức này gây giòn hợp kim và tăng nhậy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và Al3Fe khá lớn. Khi tồn tại đồng thời cả Fe và Si sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng (Al, Fe, Si) và β (Al, Fe, Si) vừa giòn vừa kết tinh ở dạng tấm thô to. Trong trường hợp này độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của nhôm cũng bị giảm mạnh. 15 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Chương 2. VAI TRÒ CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VÀ CỦA SILIC TRONG HỢP KIM CỦA NHÔM 2.1. HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG Dựa vào khả năng có hoặc không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, người ta phân các hợp kim nhôm biến dạng thành hai nhóm nhỏ: Nhóm thứ nhất gồm các hợp kim không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, độ bền của chúng được cải thiện nhờ các phương pháp như: Biến dạng nguội, hợp kim hóa bền dung dịch rắn hoặc tạo pha thứ hai nhỏ mịn. Nhóm thứ hai gồm các hợp kim có thể hóa bền bằng nhiệt luyện, độ bền của chúng tăng lên chủ yếu nhờ tôi và hóa già. 2.1.1. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện Hợp kim hệ Al-Mn: Mn có thể tạo với Al hợp chất liên kim loại Al6Mn. Pha này khi phân tán nhỏ mịn trong nền dung dịch  sẽ gây hóa bền. Độ hòa tan lớn nhất của Mn trong dung dịch rắn  đạt được ở 650oC là 1,8% và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 450oC-650oC. Đây đồng thời cũng là vùng nhiệt độ tôi của phần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp. Lượng Mn trong các hợp kim nhôm này thông thường dao động trong khoảng từ 1-1,6% nhưng do ảnh hưởng của các hợp chất thường có Fe và Si độ hòa tan của mangan trong dung dịch rắn  giảm đi rất nhanh. Ví dụ: Sự có mặt của 0,1% Fe và 0,65% Si, dung dịch rắn  chỉ có thể hòa tan ở 500oC được khoảng 0,05% Mn. Điều này giải thích vì sao các hợp kim biến dạng Al-Mn không thể hóa bền bằng nhiệt luyện. 16 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 Để tăng bền, trong trường hợp này sử dụng phương pháp biến dạng nguội sẽ rất hiệu quả vì hiệu ứng hóa bền biến dạng đạt được khá lớn. Thêm nữa, do sự hình thành pha  (Al-Fe-Si-Mn) khi kết tinh ở trạng thái nhỏ mịn phân tán, nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim tăng lên, góp phần duy trì sự ổn định kết quả hóa bền đã tạo ra. Một đặc điểm đáng chú ý là hợp kim Al-Mn có xu hướng thiên tích Mn và tạo dung dịch rắn qua bão hòa bất thường khi kết tinh. Sự phân bố không đồng đều thành phần có thể dẫn tới kết quả xấu, chẳng hạn làm giảm cơ tính, đặc biệt là độ dai va đập, do tạo thành tổ chức hạt nhỏ với sự phân bố hạt rất chênh lệch giữa các phần mẫu sau khi kết tinh lại. Hợp kim hệ Al-Mg: Độ hòa tan của Mg trong nhôm lớn nhất có thể đạt 15% ở 4510C. Khi hạ nhiệt độ, độ hòa tan này giảm đi và pha  (Al3Mg2) tiết ra từ dung dịch rắn, có xu hướng phân bố dạng lưới  liên tục rất nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất. Chính vì vậy trong công nghiệp hạn chế sử dụng các hợp kim chứa lượng nhỏ Mg (ít hơn 8% Mg), phổ biến hơn cả là loại dưới 4% Mg. Do lượng Mg nhỏ, hiệu ứng hóa bền khi tôi và già hóa quá nhỏ nên thực tế đã bỏ qua. Đưa thêm một lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp như Cr (0,1-0,2%), Mn (0,3-0,5%) cho phép giảm độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất. Sử dụng phương pháp biến dạng dẻo để hóa bền các kim loại này sẽ rất có hiệu quả. Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính, làm giảm chất lượng bề mặt khi gia công, vì vậy cần hạn chế chúng ở mức thấp nhất có thể. Các hợp kim Al-Mg thuộc một trong những hợp kim nhôm nhẹ nhất, có tính hàn tốt, ổn định chống ăn mòn khí quyển, bề mặt sau gia công đẹp, khả năng 17 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 giảm chấn khá mạnh và giới hạn bền mỏi tương đối lớn. Chúng được dùng rất rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo ôtô và xây dựng công trình. 2.1.2. Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện Là nhóm vật liệu quan trọng, ngày càng được nghiên cứu và phát triển mạnh. Chúng ta sẽ trình bày một số hệ thông dụng và đặc trưng nhất. Hợp kim hệ Al-Cu và Al-Cu-Mg: Các hợp kim hệ này thuộc loại được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công nghiệp sớm nhất. Sau biến dạng, tôi và già hóa, chúng có hiệu ứng hóa bền rất cao. Trong thực tế chúng còn được gọi là đuyra. Nếu đảm bảo chế độ tôi và già hóa như nhau, tăng hàm lượng Cu và Mg một cách hợp lý sẽ làm tăng hiệu quả hóa bền do tỷ lệ khối lượng các pha hóa bền trong nền  tăng. Khi thay đổi hàm lượng Cu và Mg theo hướng tăng tỷ lệ Mg/Cu, độ bền nóng của hợp kim sẽ tăng lên. Sở dĩ như vậy vì tỉ lệ Mg/Cu tăng sẽ kéo theo sự tăng khối lượng pha CuMgAl2 và giảm bớt pha CuAl2. Người ta đã xác nhận rằng pha CuMgAl2 ổn định nhiệt hơn pha CuAl2, nghĩa là nó tiết ra từ dung dịch rắn  ở nhiệt độ cao hơn, tốc độ tích tụ nhỏ hơn. Đó chính là nguyên nhân khiến cho các hợp kim Al-Cu-Mg với pha hóa bền CuMgAl2 có thể giữ được độ bền tương đối cao đến khoảng nhiệt độ 200-250oC. Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng tới cơ tính của đuyra. Chúng có thể tạo ra các pha dạng Cu2FeAl7, vừa gây giòn hợp kim do kết tinh ở dạng thô to, vừa làm giảm hiệu quả nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng kể cần thiết để tạo pha hóa bền. Trong thực tế người ta cố gắng giảm thấp hàm lượng của các tạp chất này, khống chế tỉ lệ của chúng xấp xỉ nhau, để tạo ra các 18 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 dạng pha  (Al-Fe-Si-Mg) kết tinh thành hạt nhỏ, ít ảnh hưởng tới độ dẻo, không làm giảm hiệu quả hóa bền khi tôi và hóa già. Trên cơ sở Al-Cu-Mg, khi đưa thêm đồng thời Fe và Ni vào theo tỉ lệ 1/1 người ta tạo ra các hợp kim nhôm biến dạng bền nóng. Ví dụ: Hợp kim AlCu2,5Mg1,6NiFeTi (AK4-1 theo OCT và 2618 theo AA) chứa 2,5% Cu; 1,6% Mg; 1,0% Ni; 1,0% Fe; 0,18% Si; 0,07% Ti có khả năng duy trì cơ tính khá cao, đến tận 230oC. Người ta cũng tạo ra một số hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện có khả năng làm việc rất tốt ở vùng 250-300oC bằng cách hợp kim hóa thêm Mg và một lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp khác như Ti, Zr, V vào hợp kim Al-Cu. Chính các pha Al12Mn2Cu hoặc các pha chứa Ti, đã duy trì cơ tính hợp kim ở mức đáng kể trong vùng nhiệt độ 250-300oC. Nhược điểm chung của các hợp kim trên cơ sở Al-Cu-Mg là khả năng chống ăn mòn kém và khó hàn. Nguyên nhân của tính ăn mòn kém, liên quan tới sự có mặt của pha  (CuAl2). Nó có thế điện cực khác xa thế điện cực của nền, tạo vi pin ăn mòn, trong đó pha  đóng vai trò catôt. Đuyra cũng như hợp kim chịu nóng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong ngành hàng không. Hợp kim hệ Al-Mg-Si: Sự hình thành pha Mg2Si tương ứng với tỉ lệ khối lượng giữa Mg và Si bằng 1,73. Độ hòa tan của Mg2Si trong dung dịch rắn  cũng tăng lên khi tăng nhiệt độ. Nhờ vậy ta có thể tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa bằng cách tôi. Khi hóa già tiết pha phân tán tiếp theo sẽ nhận được hiệu ứng hóa bền. Phần lớn các hợp kim hệ này đều có thành phần hóa học tuân theo tỷ lệ khối lượng 19 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 2009 giữa Mg và Si bằng 1,73. Tuy nhiên để gia tăng cơ tính có thể cho dư một lượng Si và trong trường hợp này phải hy sinh khả năng chống ăn mòn. 2,0 Si α + Si 1,8 1,6 1,4 α + Mg2Si + Si 1,2 1,0 0,8 Mg2Si 0,6 α + Mg2Si 0,4 0,2 α Al Mg 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 a) 2,0 Si 1,8 1,6 1,4 α + Si 550oC α + Mg2Si + Si 1,2 1,0 0,8 Mg2Si 0,6 α + Mg2Si 0,4 0,2 α Al 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Mg b) Hình 2.1. Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al-Mg-Si ở 200oC (a) và 550oC (b) (Theo phần trăm khối lượng) 20 Nguyễn Tấn Hải K31B Khoa Vật Lí