Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm

Đây là phân nhóm hợp kim nhôm quan trọng nhất, có cơ tính cao nhất không thua kém gì thép cacbon.

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

Hợp kim Al - Cu cho ta thấy rằng Cu hòa tan đáng kể ở trong Al ở nhiệt độ cao (cực đại là 5,65% ở 548oC), song lại giảm mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ thường). Khi vượt quá giới hạn hòa tan lượng Cu thừa được tiết ra ở dạng CuAl2II (trong đó II là để chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn như Fe3CII trong thép sau cùng tích). Như vậy hợp kim AlCu4:

• Lúc đầu ở nhiệt độ thường và ở trạng thái cân bằng (ủ) có tổ chức gồm dung dịch rắn α - Al (0,5%Cu) và một lượng (khoảng 7%) là pha CuAl2II, có độ cứng và độ bền thấp nhất (σb = 200MPa).

• Khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (520oC), các phần tử CuAl2II hòa tan hết vào α và chỉ có tổ chức một pha α là Al(4%Cu) và khi làm nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl2II không kịp tiết ra, tổ chức α giàu Cu được cố định lại ở nhiệt độ thường.

Như vậy sau khi tôi, ở nhiệt độ thường hợp kim có tổ chức khác hẳn lúc đầu, là dung dịch rắn quá bão hòa (với giới hạn hòa tan là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá bão hòa) với độ bền tăng lên đôi chút (do mạng bị xô lệch nhất định), σb = 250 - 300MPa và vẫn còn khá dẻo (có thể sửa, nắn được).

Song lại thấy hiện tượng đặc biệt khác thép: sau khi tôi, theo thời gian độ bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau 5 - 7 ngày, σb = 400MPa tức đã tăng gấp đôi so với trạng thái ủ. Quá trình nhiệt luyện hóa bền như vậy được gọi là tôi + hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường).

Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già

Cơ chế giải thích sự hóa bền của hợp kim nhôm khi tôi + hóa già do Gunier và Preston đưa ra một cách độc lập nhau từ đầu thế kỷ 20 sau đó đã được chứng minh bằng phân tích tia X là đúng. Có thể giải thích sự hóa bền đó như sau.

Dung dịch rắn quá bão hòa tạo thành sau khi tôi là không ổn định, luôn có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng, bằng cách tiết ra Cu và tập trung lại dưới dạng CuAl2. 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 5nm) 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  V" (kích thước 10nm, khoảng cách các pha 20nm) rồi  V' (với kích thước lớn hơn). Độ bền đạt được giá trị cao nhất là ứng với sự tạo nên pha  V", khi tạo nên pha V' độ bền bắt đầu giảm đi. ở nhiệt độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha  V" và đạt độ bền cực đại sau 5 - 7 ngày và duy trì trạng thái này mãi mãi (xem đường hóa già tự nhiên - 20oC).

- Giai đoạn III. ở nhiệt độ cao hơn, 50 - 100oC hay hơn, pha V' chuyển biến thành V với cấu trúc đúng với CuAl2. Do ở trạng thái cân bằng và pha V có kích thước lớn hơn nên độ bền giảm nhanh đến mức thấp nhất (hóa già nhân tạo - 100, 200oC). Có thể coi V’’ và V’ là các tiền pha của V - CuAl2.

Qua đó thấy rõ:

• Pha CuAl2 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 bão 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.

• Nhiệt luyện hóa bền bằng cách tôi rồi tiếp theo sau là:

  • Hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 - 7 ngày, hoặc muốn nhanh hơn.

  • Hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 - 200oC trong thời gian thích hợp (chừng vài chục h tùy theo từng nhiệt độ cụ thể) để đạt đến độ bền cao nhất do tạo nên tiền pha θ (nhưng nếu kéo dài quá quy định độ bền sẽ giảm đi và không đạt được giá trị cực đại do tạo nên pha θ).

Hợp kim AA2xxx (đura) - Al - Cu - Mg

Hợp kim 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 - 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 CuAl2 còn có CuMg5Al5, CuMgAl2 có tác dụng mạnh hơn. 

Tuy nhiên trong thành phần của đura phải kể ra sáu nguyên tố (them 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 hợp kim Al - Cu - Mg (đura):

- Độ bền cao (σb = 450 - 480MPa), khối lượng riêng nhỏ (γ ≈ 2,7g/cm3) nên có độ bền riêng (được xác định bằng tỷ số σb / γ với thứ nguyên là chiều dài) cao, tới 15 - 16 (km), trong khi đó CT51 là 6,0 - 6,5, gang: 1,5 - 6,0.

- Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau, nhưng người ta có thể hoàn toàn khắc phục được bằng cách phủ các lớp nhôm nguyên chất mỏng (~4% chiều dày tấm) lên bề mặt khi cán nóng, nên có tính chống ăn mòn không khác gì nhôm sạch.

Chính nhờ độ bền riêng cao và tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển, các bán thành phẩm cán của đura được dùng rộng rãi trong vận tải, đặc biệt là hàng không.

Hợp kim AA6xxx - Al - Mg - Si

Họ này thuộc hệ Al - Mg - Si với pha hóa bền Mg2Si và các mác điển hình là AA6061 và AA6070 với các đặc tính là độ bền kém hơn Al - Cu - Mg (σb = 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 rãi để ép chảy thành các khung nhôm qua anod hóa (với chiều dày hàng chục μm) 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.

Hợp kim AA7xxx - Al - Zn - Mg

Họ này thuộc hệ Al - Zn- Mg và có thể có thêm Cu và là loại sau nhiệt luyện có độ bền cao nhất (σb > 550MPa). Thường dùng Zn trong khoảng từ 4 đến 8%, Mg - 1 ÷ 3%. Hóa bền tổ chức chủ yếu là tạo nên vùng G.P của MgZn2 và Al2Mg3Zn3. Khi đưa thêm Cu (tới 2%) nó sẽ hòa tan vào dung dịch rắn và hóa bền thêm pha này. 

Ngoài có độ bền cao nhất, họ AA7xxx còn có các đặc tính là nhiệt luyện dễ (khoảng tôi rộng, 350 - 500oC), tốc độ tôi tới hạn nhỏ (có thể nguội trong không khí). Đây là hợp kim nhôm có nhiều tiềm năng đang được khai thác, sử dụng trong hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao.

Hợp kim nhôm đúc