Tài liệu Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm

céng hßa x∙ héi chñ nghÜa viÖt nam Bé c«ng th−¬ng ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ Má - LuyÖn kim B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi Nghiªn cøu c«ng nghÖ s¶n xuÊt hîp kim HÀN NHÔM 6855 15/5/2008 thµnh phè HÀ NỘI – 2007 céng hßa x∙ héi chñ nghÜa viÖt nam Bé c«ng th−¬ng ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ Má - LuyÖn kim b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi Nghiªn cøu c«ng nghÖ s¶n xuÊt hîp kim hµn NHÔM Chñ nhiÖm ®Ò tµi: Kü s− Phạm Bá Kiêm Ngµy th¸ng 12 n¨m 2007 Thñ tr−ëng c¬ quan chñ qu¶n Ngµy th¸ng 12 n¨m 2007 Thñ tr−ëng c¬ quan chñ tr× BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm Nh÷ng ng−êi thùc hiÖn TT Họ và tên Chức vụ Cơ quan 1 Phạm Bá Kiêm Kỹ sư hoá Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim 2 Lê Hồng Sơn Kỹ sư hoá Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim 3 Nguyễn Minh Đạt Kỹ sư LK Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim 4 Ngô Quyền Kỹ sư điện Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 1 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm MỤC LỤC Số hiệu Danh mục Tr Mở đầu. 6 Tổng quan. 7 Tình hình nghiên cứu và sản xuất trong và ngoài nước, mục tiêu của đề tài. 7 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước. 7 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước. 8 1.1.3 Mục tiêu của đề tài. 8 Tổng quan cơ sở lý thuyết. 11 Các vấn đề về hàn nhôm và hợp kim nhôm. 11 1.2.1.1 Đặc điểm hàn nhôm và hợp kim nhôm. 11 1.2.1.2 Chất trợ dung. 12 1.2.1.3 Tiết diện dây hàn. 13 Cấu trúc, tính chất hợp kim hàn nhôm. 14 1.2.2.1 Các hợp kim hàn nhôm. 14 1.2.2.2 Giản đồ trạng thái hệ Al-Si. 15 1.2.2.3 Giản đồ trạng thái hệ Al-Cu. 17 1.2.2.4 Giản đồ trạng thái hệ Al-Zn. 18 1.2.2.5 Giản đồ trạng thái hệ Al-Si-Cu. 20 1.2.2.6 Giản đồ trạng thái hệ Al-Mn. 20 Phương pháp nghiên cứu và công tác chuẩn bị. 21 2.1 Phương pháp nghiên cứu. 21 2.2 Thiết bị và vật tư nghiên cứu. 21 2.2.1 Thiết bị nghiên cứu. 21 2.2.2 Nguyên liệu và hoá chất. 21 2.2.3 Sơ đồ công nghệ. 22 2.2.4 Công tác phân tích. 22 Nội dung nghiên cứu. 23 3.1 Nghiên cứu nấu luyện một số loại hợp kim trung gian. 23 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện đến thành phần hợp kim. 24 3.2.1. Hợp kim hàn nhôm hệ Al-Si. 24 3.2.1.1 Hợp kim Al-Si (5% Si). 24 3.2.1.2 Hợp kim Al-Si (12% Si). 25 Chương 1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 Chương 2 Chương 3 Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 2 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm Hợp kim hàn nhôm hệ Al-Cu-Si. 26 3.2.2.1 Hợp kim Π35A. 26 3.2.2.2 Hợp kim Π52A. 27 Hợp kim hàn nhôm hệ Al-Zn. 28 3.2.3.1 Hợp kim Al-20Zn. 28 3.2.3.2 Hợp kim Zn-5Al. 29 3.2.3.3 Hợp kim ΠцAM65A. 29 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nấu luyện đến hiệu suất thu hồi hợp kim hàn nhôm. 30 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến hiệu suất thu hồi hợp kim hàn nhôm hệ Al-Si. 30 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến hiệu suất thu hồi hợp kim hàn nhôm hệ Al-Cu-Si. 31 3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến hiệu suất thu hồi hợp kim hàn nhôm hệ Zn-Cu-Mn-Al. 33 3.3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến hiệu suất thu hồi các nguyên tố hợp kim hàn nhôm hệ Al-20Zn. 34 3.4 Nghiên cứu thí nghiệm mẻ lớn, sản xuất thử sản phẩm. 35 3.5 Khảo sát khả năng kéo dây, tạo phôi hàn. 36 3.6 Định hướng áp dụng sản phẩm nghiên cứu. 36 3.7 Tính toán sơ bộ một số chỉ tiêu tiêu hao cho các mác hợp kim hàn nhôm nghiên cứu. 36 Kết luận 38 Tài liệu tham khảo 39 Phụ lục 40 3.2.2 3.2.3 Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 3 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm MỤC LỤC BẢNG VÀ HÌNH Bảng 1 Thành phần và tính chất cơ lý của một số hợp kin hàn nhôm 7 Bảng 2 Hợp kim hàn nhôm (Thành phần, tính chất và lĩnh vực ứng dụng theo DIN 8513-4) 9 Bảng 3 Hợp kim hàn nhôm (Thành phần, tính chất và lĩnh vực ứng dụng theo DIN 1707 – D) 10 Bảng 4 Sợi để hàn hợp kim nhôm. 12 Bảng 5 Thành phần trợ dung để hàn cơ học nhôm và hợp kim nhôm (%). 12 Bảng 6 Chiều dày các vật hàn và tiết diện điện cực hàn để hàn hồ quang. 14 Bảng 7 Tiết diện sợi hàn khi hàn thủ công. 14 Bảng 8 Độ tan của silic trong nhôm. 15 Bảng 9 Độ hoà tan của đồng trong nhôm. 17 Bảng 10 Độ tan của kẽm trong nhôm. 18 Bảng 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi Si – HK Al-5Si. 24 Bảng 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi Si – HK Al-12Si. 25 Bảng 13 Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện đến hiệu suất thu hồi kim loại – HK П35A. 26 Bảng 14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi kim loại – HK П52A. 27 Bảng 15 Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện đến hiệu suất thu hồi các kim loại – HK ПцAM65A. 29 Bảng 16 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi kim loại – KH Al-12Si. 31 Bảng 17 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi kim loại – HK П35A. 32 Bảng 18 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi kim loại – KH ПцAM65A. 33 Bảng 19 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi kim loại – HK Al-20Zn. 34 Bảng 20 Chỉ tiêu tiêu hao một số vật tư cơ bản cho 1Kg sản phẩm các loại. 37 Hình 1 Các dạng mối hàn hợp kim nhôm 13 Hình 2 Góc nhôm giản đồ trạng thái hệ Al-Si-Cu 15 Hình 3 Giản đồ trạng thái hệ Al-Si [7] 16 Hình 4 Giản đồ trạng thái hệ Al-Cu [7] 17 Hình 5 Giản đồ trạng thái hệ Al-Zn 19 Hình 6 Giản đồ trạng thái hệ Al-Mn 20 Hình 7 Sơ đồ công nghệ dự kiến 22 Hình 8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ Al-5Si) 24 Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 4 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm Hình 9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ Al-12Si) 25 Hình 10 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ Π35A) 27 Hình 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi 28 Hình 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ ΠцAM65A) 30 Hình 13 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ Al-Si) 31 Hình 14 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ Al-Cu-Si) 32 Hình 15 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ Zn-Cu-Mn-Al) 33 Hình 16 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi hợp kim (Hệ Al-20Zn) 34 Hình 17 Sơ đồ công nghệ nấu luyện hợp kim hàn nhôm 37 Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 5 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm MỞ ĐẦU Các vật đúc nhôm thường có khuyết tật được xử lý bằng công nghệ hàn, hàn nối các cấu kiện bằng hợp kim nhôm như lò sưởi điện, thiết bị sấy bằng điện, các thiết bị năng lượng mặt trời, các đế máy… Trong thực tế công nghệ hàn nhôm và hợp kim hàn nhôm được sử dụng khá phổ biến. Nhôm có ái lực lớn với oxy tạo thành oxyt nhôm (Al2O3). Oxyt này ở trong mối hàn gây rỗ xỉ và nằm trên mặt vật hàn ngăn cản quá trình hàn. Nhiệt độ nóng chảy của nó 2050oC trong khi đó nhiệt độ nóng chảy của nhôm chỉ khoảng 650oC. Khối lượng riêng của oxyt nhôm lớn hơn nhôm và hợp kim nhôm nên khó nổi trong bể hàn. Mặt khác ở nhiệt độ cao nhôm dễ hoà tan hydro H2 nên tạo rỗ khí. Trong thực tế có nhiều loại hợp kim để hàn nhôm, tuỳ theo kích thước, thành phần và tính chất của vật hàn mà chọn các hợp kim hàn thích hợp. Hợp kim hàn nhôm có nhiều loại, dựa vào nhiệt độ nóng chảy có thể chia làm hai nhóm. • Nhóm hợp kim dễ nóng chảy: Thường gọi hợp kim hàn mềm, nhiệt độ nóng chảy của chúng dưới 450oC. • Nhóm hợp kim khó nóng chảy: Thường gọi hợp kim hàn cứng, nhiệt độ nóng chảy của chúng trên 450oC. Ở nước ngoài người ta đã sản xuất hàng chục loại hợp kim để hàn nhôm. Ở nước ta nhu cầu hợp kim hàn nhôm rất lớn nhưng chưa có cơ quan nào nghiên cứu và sản xuất hợp kim hàn nhôm. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm” được Bộ Công Thương cho phép triển khai nghiên cứu theo quyết định số 873/QĐ-BCN ký ngày 19/03/2007 của Bộ Công nghiệp. Sản phẩm của đề tài sẽ được ứng dụng thực tế ở Viện Nghiên cứu vũ khí-Bộ Quốc phòng, Công ty cơ khí Đông Anh-Bộ Xây dựng, Công ty đóng tàu Bạch Đằng-Tập đoàn VINASHIN, xưởng nhôm gia dụng Tân Đức Thành-TP.Cần Thơ. Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 6 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC, MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI. 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài. Ở nước ngoài người ta đã sản xuất công nghiệp nhiều loại hợp kim hàn nhôm [2; 3; 4; 5; 6]. Liên Xô cũ đã sản xuất các mác hợp kim hàn nhôm như bảng 1: Bảng 1: Thành phần và tính chất cơ lý của một số hợp kin hàn nhôm [6] ToC nóng chảy Thành phần hoá học Mác HK Cu Si Zn Mn Al Bắt đầu Kết thúc δB Kg/mm 2 Lĩnh vực sử dụng Silumin _ 11,7 _ _ Còn lại 577 577 17 ÷ 19 Để hàn các chi tiết, khắc phục khuyết tật, hàn lò sưởi điện từ HK AlMц 34A 28 6 _ _ Còn lại 525 525 18 ÷ 24 -nt- 35A 21 7 _ _ Còn lại 535 535 13 ÷ 14 -nt- 590 _ _ Để hàn các giao điểm nhôm và HK nhôm giữ anôt hoá Còn lại 575 _ _ Để hàn nhôm và HK nhôm 1,5 ± 0,2 Còn lại 550 _ _ _ Còn lại 490 500 13 ÷ 15 0,6 ± 0,1 Còn lại 390 420 32 ÷ 35 Π52A 10 ± 1 1± 0,1 _ _ Π575A _ _ 20 ± 1 _ Π550A 27 ± 1 6±1 _ B62 20 3,5 20 ± 24 ΠЦAM65 14,5 ± 0,5 _ 65 ± 1 Còn lại Để hàn HK nhôm ở nhiệt độ 480oC và cao hơn Ở châu Âu cũng như ở Đức đã sản xuất các mác hợp kim hàn nhôm theo ISO: EN 573-3, EN AW-4343, EN AW-4045, EN AW-4047A… tương đương DIN 8513-4, DIN 1732….[2] Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 7 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm Thành phần, tính chất và lĩnh vực ứng dụng của hợp kim hàn nhôm được nêu trong bảng 2 và bảng 3 (Trang 9 và trang 10). 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước. Các hợp kim hàn nhôm ở trong nước chưa được quan tâm nghiên cứu. Chưa có tạp chí nào công bố kết quả nghiên cứu chế tạo hợp kim hàn nhôm và ứng dụng trong thực tế của nó. Hầu hết các cơ sở sản xuất có nhu cầu hàn nhôm đều sử dụng hợp kim hàn nhôm nhập từ nước ngoài mác Al-Si 5 hoặc Al-Si 11,5 hoặc Zn-Al 5, ПЦAM 65… Hiện nay nhu cầu hợp kim hàn nhôm rất lớn. Các cơ sở sản xuất đúc sử dụng hàn các khuyết tật, hàn nối các cấu kiện bằng hợp kim nhôm. Hàn nhôm còn sử dụng trong công nghiệp đóng tàu biển, công nghiệp ôtô…[1]. 1.1.3. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất một số mác hợp kim hàn nhôm theo tiêu chuẩn của Liên Xô cũ: + Hợp kim mác Silumin: Si 10 ÷ 13%, còn lại là Al. + Hợp kim mác Π575A: Zn 20 ± 1%, còn lại là Al. + Hợp kim mác ΠЦAM65: Cu 14,5 ± 0,5%, Zn 65 ± 1%, Mn 0,6 ± 0,1%, còn lại là nhôm. Chọn 2 mác 1 và 2 sản xuất thử, kéo dây ф3mm, ф4mm. Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 8 BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm Bảng 2: Hợp kim hàn nhôm (thành phần tính chất và lĩnh vực ứng dụng theo DIN 8513-4) Tên gọi, thành phần HK theo ISO Gần tương đương ENS 573-3 L-AlSi 7,5 B Al 92,5 Si 575-615 3.2280 ENAW-4343 ENAW-AlSi 7,5 L-AlSi 10 B Al90 Si 575-595 ENAW-4045 ENAW-AlSi 10 L Al Si 12 B Al 88 Si 575-590 ENAW-4047A ENAW-AlSi12A Thành phần, % khối lượng (giá trị cực đại trong phạm vi cho phép Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Các nguyên tố khác Mỗi 1 Tổng Nhiệt độ NC (ToC) Bắt đầu Kết thúc Nhiệt độ làm việc 6,8-8,2 0,5 0,03 0,1 0,1 0,07 0,03 0,03 0,15 575 615 605-615 6,8-7,2 0,8 0,25 0,1 - 0,2 - 0,05 0,15 - - - 9,0 -10,5 0,5 0,03 0,1 0,1 0,07 0,03 0,03 0,15 575 595 595 -605 9,0 – 11,0 0,5 0,03 0,1 0,1 0,1 0,2 0,05 0,15 - - - 11,0 – 13,5 0,5 0,03 0,1 0,1 0,07 0,03 0,03 0,15 575 590 590 -600 11,0 -13,0 0,6 0,3 0,15 0,1 0,2 0,15 0,05 0,15 - - - (Phần còn lại trong thành phần các nguyên tố là nhôm Al) Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 9 Lĩnh vưc ứng dụng Hàn tấm lá mỏng Mối hàn mối, hàn lồng vào BCKT: Nghiên cứu sản xuất hợp kim hàn nhôm Bảng 3: Hợp kim hàn nhôm (Thành phần, tính chất và lĩnh vực ứng dụng theo DIN 1707, nhóm D) Tên gọi thành phần HK theo ISO HK số Thành phần % nguyên tố hợp kim hoá Sn Zn Khác L. SnZn 10 23820 85,0 8,0 B Sn90Zn 200-250 L SnZn 40 B Sn60Zn 200-340 23830 92 55,0-70,0 15 30,0-45,0 L CdZn 20 B Cd80Zn 265-280 22481 17,0-25,0 L ZnAl 5 22320 94,0-96,0 - Cho phép tạp chất Tổng 10 (1) Nhiệt độ nóng chảy Bắt đầu kết thúc Cd: 75,083,0 Al: 4,0-6,0 (1): Các kim loại dùng: Sn: 99,9%. Cd: 99,9%. Al: 99,5%. Zn:99,9%. Tổng tạp chất đến 1% không ảnh hưởng đến mối hàn. Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 10 Lĩnh vực ứng dụng 200 250 Hàn ma sát, hàn sóng siêu âm 200 340 265 280 380 390 Hàn ma sát tốt hơn cho Al cuộn lá mỏng, hàn tự đông (F-LW1) Hàn với trợ dung (F-LW2) Hàn siêu âm, hàn hơi. BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. 1.2. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 1.2.1. Các vấn đề về hàn nhôm và hợp kim nhôm: 1.2.1.1. Đặc điểm hàn nhôm và hợp kim nhôm: Hợp kim hàn nhôm được dùng để xử lý các vật đúc nhôm có khuyết tật bằng công nghệ hàn và hàn nối các cấu kiện hợp kim nhôm như lò sưởi, thiết bị sấy bằng điện, các thiết bị năng lượng mặt trời, các đế máy. Trong thực tế công nghệ hàn nhôm và hợp kim nhôm hàn được sử dụng khá phổ biến. Khi hàn nhôm cần chú ý: • Nhôm có ái lực lớn với oxy, dễ tạo thành oxyt nhôm (Al2O3) ở trong mối hàn gây rỗ xỉ và nằm trên mặt vật hàn ngăn cản quá trình hàn. Nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 cao (2050oC) trong khi đó nhiệt độ nóng chảy của nhôm chỉ khoảng 650oC. • Ở nhiệt độ cao nhôm và hợp kim nhôm có độ bền rất thấp, ở nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy thì chi tiết có thể tự bị phá hoại do khối lượng của bản thân nó. Từ trạng thái đặc chuyển sang trạng thái lỏng nhôm thay đổi màu sắc nên khó quan sát khi hàn, tỷ trọng của Al2O3 lớn hơn tỷ trọng nhôm và hợp kim nhôm nên khó nổi trong bể hàn. Mặt khác ở nhiệt độ cao nhôm dễ hoà tan hyđro (H2) nên tạo rỗ khí. • Các chi tiết trước khi hàn phải được làm sạch Al2O3 ở một khoảng cách của mép hàn ít nhất 30 ÷ 35mm bằng cơ học hoặc hoá học. Ngọn lửa hàn bình thường, nếu thừa oxy dễ tạo thành Al2O3, thừa khí axetilen (C2H2) dễ rỗ khí. • Số hiệu mỏ hàn khí đối với nhôm và hợp kim nhôm chọn lớn hơn khi hàn thép 1÷2 số. Que hàn nhôm có thành phần tương tự vật hàn. Có thể dùng que hợp kim Al-Si thì mối hàn tốt hơn. Các loại hợp kim hàn được nêu ra trong bảng 1& 2 và 3. • Hợp kim nhôm đúc Al 1; Al 9; Al 25; Al 26 có tính hàn tốt, các hợp kim Al 3; Al 4; Al 5; Al 7; Al 8; Al 10B có tính hàn trung bình. • Các hợp kim AK4, AK4-1 có tính hàn hạn chế, hợp kim B95 có tính hàn kém. • Trong tài liệu [4] nêu thành phần một số sợi hàn nhôm theo ГOCT 7871-75. Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 11 BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. Bảng 4: Sợi để hàn hợp kim nhôm. Kim loại hàn Sợi hàn (ΓOCT 7871-75) AДOO, AДO, AД1 CB 85T, CB A97 Aмц CBAlMц AД31, AД33, AB CBAK5, CB1557 Al 2, Al 4, Al 6 CBAK5 1.2.1.2. Chất trợ dung: Thành phần chất trợ dung: Khi hàn nhôm và hợp kim nhôm cần thiết dùng trợ dung. Thành phần một số trợ dung được nêu ra trong bảng 5. Bảng 5: Thành phần trợ dung để hàn cơ học nhôm và hợp kim nhôm (%). Các cấu tử Mác trợ dung để hàn Theo lớp trợ dung Dưới trợ dung Điện xỉ AH-A1 AH-A4 48Aф-1 MATИ-1A МАТИ 10 ЖА 64 ЖА 64А Clorua natri 20 - - - - 17 15 AH-301 AH-302 Ah-304 - Clorua kali 50 57 47 47 30 43 38 20-60 Clorua liti - - - 8 - - - 10-40 Clorua bari - 28 47 - 68 - - 5-30 Florua natri - - - 42 - - - - Florua kali - - 2 - - - - - Florua liti - 7,5 - - - - - 2-20 Florua canxi - - - - - - 3 - Florua nhôm - 7,5 - - - - - - 30 - - 3 2 36 43 - Floro bicronat kali - - 2 - - - - - Cát thạch anh - - - - - 4 Đến 1 - Oxyt crom - - 2 - - - - - Criolit Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 12 BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. Trợ dung AH-A1 dùng cả ở dạng nóng chảy cũng như không nóng chảy để hàn nhôm kỹ thuật. Đối với chất trợ dung hàn không nóng chảy được sấy khô ở nhiệt độ 350oC ÷ 400oC. Trợ dung AH-A4, 48-AФ-1, MATИ-10 để hàn hợp kim Al-Mg. Trợ dung MATИ-1A dùng để hàn hợp kim Al-Mn. Trợ dung ЖA64 , ЖA-64A là trợ dung gốm để hàn tự động hợp kim nhôm dày 30mm và lớn hơn. Trợ dung ЖA-64 khi hàn nhôm AДOO làm bẩn nhôm bởi silic. Trợ dung ЖA-64A thực tế không có silic. 1.2.1.3. Tiết diện dây hàn: Tiết diện dây hàn: Tuỳ theo chiều dày kim loại hàn, kết cấu mối hàn mà người ta chọn các dây hàn có kích thước khác nhau. Các kết cấu hàn mô tả như trên hình 1. a. Vật liệu gốc b. Mối hàn nối mặt đầu trong điểm giằng tác dụng ứng suất dọc. c. Mối hàn giáp nối, hàn lấp đầy với tấm vật liệu. d. Hàn trên tấm gia cường ngang. e. Mối hàn giáp nối để thô không xử lý. g. Hàn trên tấm gia cường dọc. h. Dạng chữ thập, với các mối hàn có gờ hàn ngang. i. Hàn trên tấm sườn dọc. k. Dạng chữ thập, các mối hàn giáp mối k 1a 1b 1g 1h 1c 1d 1i 1e 1k Hình 1: Các dạng mối hàn hợp kim nhôm Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 13 BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. Bảng 6: Chiều dày các vật hàn và tiết diện điện cực hàn để hàn hồ quang. Chiều dày kim loại hàn (mm) Tiết diện điện cực hàn (mm) <3 2÷3 3÷4 4÷5 4÷7 4÷5 7 ÷ 10 6÷8 10 ÷ 15 8 ÷ 12 Bảng 7: Tiết diện sợi hàn khi hàn thủ công. Chiều dày kim loại hàn (mm) Tiết diện sợi hàn (mm) 1,0 1,0 2,0 2,0 4,0 2,0 ÷ 3,0 5,0 3,0 ÷ 4,0 10 4,0 ÷ 5,0 Hàn tự động và bán tự động: Tiết diện dây hàn dùng nhỏ hơn, thông thường từ 1,5 ÷ 3,5mm tuỳ theo chiều dày kim loại hàn từ 4 ÷ 5mm đến hàng chục mm. 1.2.2. Cấu trúc, tính chất hợp kim hàn nhôm: 1.2.2.1. Các hợp kim hàn nhôm: Trong thực tế hàn nhôm và hợp kim nhôm người ta sử dụng các mác silumin có hàm lượng silic từ 5 ÷ 12%, các hợp kim kẽm chứa nhôm từ 5 ÷ 20% và các hợp kim nhôm chứa đồng, silic như các mác 34A, 35A. Mác 34A (6% Si, 27% Cu còn lại là Al), mác 35A (7% Si, 21% Cu còn lại là Al). Hợp kim 34A, 35A có thành phần phổ biến ở góc giản đồ trạng thái hệ bậc 3 : Al-Cu-Si [3; 6]. Hợp kim 34A có thành phần nằm gần điểm etecti bậc 3 : α + CuAl2 + Si. Hợp kim 35A có cấu trúc etecti bậc 3 và có sự tham gia của etecti bậc 2: α + Si và các tinh thể nhôm nguyên sinh. Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 14 BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. Hình 2: Góc nhôm giản đồ trạng thái hệ Al-Si-Cu Tính chất cơ học và nhiệt độ nóng chảy của hợp kim hàn được dẫn ra trong bảng 1, 2 và 3. Tính chất cơ học thấp của hợp kim hàn được giải thích bằng cấu tạo độ hạt lớn, vai trò của silic và pha dòn CuAl2 làm tăng tính dòn của hợp kim. Cấu trúc của hợp kim hàn và tính chất của chúng có thể được cải thiện bằng cách chế hoá hợp kim hàn với hỗn hợp muối nóng chảy 25% NaF, 62,5% NaCl và 12,5% KCl hoặc thêm một lượng nhỏ stronxi (Sr), có nghĩa là biến tính hợp kim. Kết quả tốt nhất với hợp kim 34A, 35A là biến tính bằng hỗn hợp muối ở lượng bằng 5% trọng lượng hợp kim và thêm 0,05 ÷ 0,1% Sr. Nhiệt độ biến tính 800oC. Kết quả biến tính các hợp kim có thành phần etecti có độ hạt nhỏ mịn tương tự etecti hợp kim kiểu silumin. Sự thay đổi cấu trúc như đã nêu dẫn đến nâng cao tính chất cơ học. Ví dụ như hợp kim kiểu 34A biến tính độ bền tăng lên 1,5 lần (từ 12Kg/mm2 lên 19Kg/mm2), đối với hợp kim 35A độ bền tăng 2 lần (Từ 14Kg/mm2 lên 26Kg/mm2). 1.2.2.2. Giản đồ trạng thái hệ Al-Si: Giản đồ trạng thái hệ Al-Si thuộc kiểu etecti. Nó tạo thành giữa nhôm và silic ở nhiệt độ 577oC và nồng độ silic 11,7%. Độ tan cực đại của silic ở To etecti là 1,65%. Bảng 8: Độ tan của silic trong nhôm. ToC 577 550 500 450 400 350 300 200 Độ tan (%) 1,65 1,30 0,80 0,48 0,29 0,17 0,10 0,05 Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 15 BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. Theo Eliot Toetecti = 577,2oC, nồng độ Si = 12,7%. Tính chất của hợp kim Al-Si: Khi thêm silic độ dẫn nhiệt của hợp kim Al-Si giảm. Tuy nhiên giảm không nhiều khi thêm mangan hoặc magiê. Điện trở tăng khi tăng lượng Si đến 12%. Hệ số dãn dài liên tục giảm khi tăng hàm lượng silic. Silic được ứng dụng rộng rãi làm nguyên tố hợp kim hoá trong hợp kim nhôm bậc 2 kiểu silumin (Thành phần etecti) và phức tạp hơn. Tính chất cơ học của hợp kim này được cải thiện khi biến tính bằng natri và các muối của nó. Hợp kim Al-Si có độ chảy loãng cao, đồng nhất tốt và bền ăn mòn cao. Silic là nguyên tố hợp kim hoá trong các hợp kim nhôm có thành phần phức tạp trên cơ sở nhôm, nó có ái lực hoá học lớn với magiê cũng như với sắt và mangan và có thể tạo thành hợp chất Mg2Si, AlMnSi và AlMnFeSi. Hợp chất Mg2Si hoà tan trong dung dịch rắn α của nhôm, còn các hợp chất khác không hoà tan. Vì vậy hợp kim Al-Si với lượng thêm magiê được tăng bền bằng nhiệt luyện: tôi và hoá già do tách pha Mg2Si. Giới hạn bền ở trạng thái nhiệt luyện tăng đến 27 ÷ 30Kg/mm2. Hình 3: Giản đồ trạng thái hệ Al-Si [7] Silic làm tăng ít nhiệt độ tái kết tinh của nhôm. Hàm lượng silic ở 1% làm tăng nhiệt độ tái kết tinh của nhôm lên 50oC. Theo Bochva và Svidexki ở hàm lượng silic 0,05% quá trình tái kết tinh của nhôm tinh khiết xảy ra rất mạnh. Nó cũng không làm giảm tính bền ăn mòn của nhôm tinh khiết và hợp kim nhôm. Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 16 BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. Hệ số dãn dài của nhôm khi tăng silic giảm mạnh. Môđun đàn hồi tăng mạnh được giải thích bằng tương tác của hạt silic với nền nhôm. Khi giảm kích thước hạt thì độ bền, môđun đàn hồi tăng lên, đồng thời hệ số dãn dài giảm. Đưa niken, sắt giảm hệ số dãn dài. Hợp kim chứa 25 ÷ 30% Si có hệ số dãn dài thấp: a.10-6 = 14,5 ÷ 15,5. Hợp kim này ứng dụng tốt thay thép, trong các dụng cụ yêu cầu hệ số dãn nở thấp và tỷ trọng nhỏ. 1.2.2.3. Giản đồ trạng thái hệ Al-Cu: Giản đồ trạng thái hệ Al-Cu về phía nhôm thuộc kiểu etecti hoà tan hạn chế cấu tử thứ 2. Etecti tạo thành ở nhiệt độ ToC = 548oC và nồng độ Cu = 33%. Độ hoà tan đồng trong nhôm được nghiên cứu nhiều: Hình 4: Giản đồ trạng thái hệ Al-Cu [7] Bảng 9: Độ hoà tan của đồng trong nhôm. To C 548 515 500 450 400 300 200 Độ tan (%) 5,65 4,65 4,00 2,80 1,30 0,50 0,10 Etecti tạo thành trên cơ sở nhôm và CuAl2 về phía nhôm, pha CuAl2 được kết tinh gián tiếp từ hỗn hợp nóng chảy, không tạo thành theo phản ứng peritacti. CuAl2 là pha có thành phần thay đổi của vùng đồng thể, ở nhiệt độ 548oC từ 52,5% ÷ 53,8% Cu và ở 400oC từ 53,25% ÷ 53,9%Cu. Ở nhiệt độ Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 17 BCTK:Nghiên cứu công nghệ sản xuất hợp kim hàn nhôm. phòng CuAl2 có mạng tứ diện a = 6,054, c = 4,864Ao với 12 nguyên tử tế bào cơ bản. Tính chất của hợp kim nhôm: Tăng hàm lượng đồng từ 0% ÷ 12% làm tăng độ nhớt của nhôm theo qui luật tăng hàm lượng đồng, môđun đàn hồi tăng. Đồng là một trong những nguyên tố cơ bản hợp kim hoá hợp kim nhôm. Tăng hàm lượng đồng từ 0 ÷ 6% làm tăng cao độ bền và giảm độ dãn dài tương đối của hợp kim Al-Cu, tăng tiếp hàm lượng đồng đến 14% làm giảm tính chất cơ học. Giới hạn bền cực đại của hợp kim Al-Cu là 36 ÷ 37Kg/mm2. Khi thêm một lượng không lớn magiê (0,02 ÷ 0,03%) hoàn toàn có khả năng hoá già tự nhiên tương tự gây ra bởi mangan. Tuy nhiên, đồng tăng cao độ bền nóng của nhôm nhưng hàm lượng tối ưu của đồng theo lurnhicopka là 6 ÷ 6,5%. Tuy nhiên mức độ bền nóng của nó là không cao (Giới hạn bền lâu ở 300oC trong 100h là 3Kg/mm2), hợp kim hoá nó bằng mangan tăng độ bền lâu lên 2 lần. Thêm đồng làm giảm tính chất bền ăn mòn của hợp kim nhôm. Độ bền ăn mòn của nhôm trong dung dịch 3% NaCl cao hơn hợp chất CuAl2 là 20 lần. 1.2.2.4. Giản đồ trạng thái hệ Al-Zn Giản đồ trạng thái hệ Al-Zn nêu ra trên hình 5. Nhôm với kẽm không tạo thành hợp chất, nó hoà tan tương hỗ, kẽm có độ tan lớn ở nhiệt độ etecti 382oC. Bảng 10: Độ tan của kẽm trong nhôm Al ToC 382 275 250 200 175 150 125 20 Độ tan (%) 84 31,6 22,3 16,1 12,6 9,5 7,0 5,4 2,0 225 Qua bảng 10 ta thấy độ tan của kẽm trong nhôm giảm với nhiệt độ. Tính chất của hợp kim Al-Zn: Tăng hàm lượng kẽm làm tăng độ nhớt của hợp kim nóng chảy. Kẽm là một trong những nguyên tố cơ bản của hợp kim hoá hợp kim nhôm. Tăng lượng kẽm đến 13,2% làm tăng hệ số dãn dài từ 22,3.10-6 lên 25,1.10-6 trong khoảng nhiệt độ từ +20oC đến -50oC. Tăng hàm lượng kẽm từ 0 ÷ 26% tăng giới hạn bền đến 38Kg/mm2, giới hạn chảy đến 32Kg/mm2 và Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim 18