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

Nhôm, còn gọi là Alumin (tiếng Anh là aluminum) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13. Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ, vì có một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí. 

Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng, nhôm rất mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc. Nhôm có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ. Nhôm cũng không nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 1

Các đặc tính của nhôm nguyên chất

Nhôm là kim loại có nhiều đặc tính nổi trội.

- 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 đó nhôm 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 dàng cho nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim không sử dụng được ở nhệt 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 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.

Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) ở Hoa Kỳ, Nhật và các nước Châu Âu thường dùng các 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%.

Như thế cơ tính của nhôm và hợp kim ở dạng bán thành phẩm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái biến dạng này.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 2

Trong sản xuất cơ khí thường dùng các hợp kim nhôm qua nhiệt luyện và biến dạng dẻo có độ bền không thua kém gì thép cacbon. Do vậy trong công nghiệp, nhôm nguyên chất được sử dụng chủ yếu để truyền tải điện, nhất là ở các đường trục chính, để tăng độ bền trong dây dẫn người ta thường ghép thêm dây thép để chịu lực (được gọi là cáp nhôm). Nhôm nguyên chất cũng được sử dụng nhiều làm đồ gia dụng.

Hợp kim nhôm và phân loại hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm là hợp kim của nhôm với các nguyên tố khác (như: đồng, thiếc, mangan, silic, magiê,..) 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.

Hợp kim nhôm biến dạng

Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim với hàm lượng thấp nguyên tố hợp kim, 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 hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện..

Phân nhóm không hóa bền được bằng nhiệt luyện

Là loại chứa ít hợp kim hơn, 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, 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 có thể hóa bền thêm bằng nhiệt luyện. Như vậy chỉ hệ hợp kim với độ hòa tan trong nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ mới có thể có đặc tính này.

Có một số ứng dụng sau:

Nhôm thương phẩm (>99,0%):

  • Dùng trong công nghiệp hoá học, thực phẩm, đông lạnh, làm thùng chứa (AA1060)

  • Dùng làm dây cáp điện (dây trần hoặc dây bọc): AA1350

Tạp chất có hại trong nhôm sạch bao gồm: Fe, Si tạo nên các pha giòn FeAl

  • Hợp kim Al-Mn

  • Hợp kim Al-Mg

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 3

Hợp kim nhôm đúc

Hợp kim nhôm đúc là hợp kim với nhiều hợp kim hơn, 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 luyện của 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.

Có một số ứng dụng sau:

  • Hợp kim Al-Si (Silumin)

  • Hợp kim Al-Si-Mg(Cu)

Là các loại hợp kim với khoảng Si rộng (5-20%) và có thêm Mg (0,3-0,5%) để tạo pha hoá bền Mg2Si nên các hệ Al-Si-Mg phải qua hoá bền.

Cho thêm Cu (3-5%) vào hệ Al-Si-Mg để cải thiện cơ tính và có tính đúc tốt do có các thành phần gần với cùng tin Al-Si-Cu nên được sử dụng trong đúc piston (AA390.0), nắp máy của động cơ đốt trong.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 4

Hệ thống kí hiệu cho hợp kim nhôm

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.

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

Hợp kim nhôm loại biến dạng

  • 1xxx - nhôm sạch (≥ 99,0%),

  • 2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg,

  • 3xxx - Al - Mn,

  • 4xxx - Al - Si,

  • 5xxx - Al - Mg,

  • 6xxx - Al - Mg - Si,            

  • 7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu,

  • 8xxx - Al - các nguyên tố khác

Hợp kim nhôm loại đúc

  • 1xx.x - nhôm thỏi sạch thương phẩm,

  • 2xx.x - Al - Cu,

  • 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu,

  • 4xx.x - Al - Si,

  • 5xx.x - Al - Mg,

  • 6xx.x - không có,

  • 7xx.x - Al - Zn,

  • 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 Châu Âu 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 đó

  • H1x (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 đó

  • T1: 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).

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

Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện

Nhôm sạch

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 dung 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 FeAl3, các hợp chất giữa Fe, Si (với công thức khác nhau).

Hợp kim Al - Mn

Hợp kim Al - Mn, giới hạn hòa tan cao nhất của Mn trong Al (dung dịch rắn) là 1,8% ở 659oC và giảm nhanh theo nhiệt độ, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố trên kết hợp với nhau thành Al6Mn. Với thành phần như vậy và khi dùng với 1,0 - 1,6%Mn đáng lẽ nó phải thuộc hệ hóa bền được bằng nhiệt luyện, song trong thực tế do các tạp chất thường có Fe, Si độ hòa tan của Mn  giảm rất nhanh (ví dụ với 0,1%Fe và 0,65%Si ở 500oC nhôm chỉ hòa tan được 0,05%Mn), hầu như không có biến đổi giới hạn hòa tan mangan theo nhiệt độ, nên hệ này chỉ có thể hóa bền được bằng biến dạng nguội.

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

Hợp kim Al - Mg

Hợp kim Al - Mg có giới hạn hòa tan của Mg trong Al thay đổi mạnh theo nhiệt độ: 15% ở 451oC, không đáng kể ở nhiệt độ thường, khi vượt quá giới hạn hòa tan hai nguyên tố này kết hợp với nhau thành Mg2Al3, 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 ở trên dưới 300oC để tránh sự kết tụ của hợp chất trên tại biên giới.

Để tránh tạo nên lưới Mg2Al3 người ta thường chỉ dùng < 4%Mg (trong một số trường hợp đặc biệt có thể lên tới 6 - 7% tuy đạt độ bền cao hơn nhưng dễ bị ăn mòn hơn) với các mác điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454. Đặc tính của các mác này là:

- Nhẹ nhất trong số các hợp kim nhôm và có độ bền khá, có thể cải thiện bằng biến dạng nguội.

- Khả năng biến dạng nóng, nguội và hàn đều tốt.

- Tính chống ăn mòn tốt và có thể cải thiện bằng anod hóa.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 6

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.

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.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 7

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.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 8

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.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm - 9

Hợp kim nhôm đúc

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, 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.

Hợp kim nhôm - silic

Hợp kim nhôm - silic đúc đơn giản chỉ gồm hai cấu tử với 10 - 13%Si (AA 423.0 hay AΛ2). Hợp kim Al - Si 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), 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), làm cải thiện mạnh cơ tính, σb = 180MPa, δ = 8%.

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.

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 - 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.

 

Xem thêm:

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 1 - Hợp kim cứng

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 2 - Thép hợp kim

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 - Gang và Thép

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí

 

Hutscom - Nhà phân phối dụng cụ cơ khí, thiết bị công nghiệp uy tín tại thị trường Việt Nam

Website: https://hutscom.vn/

Mail: sales@hutscom.vn

Hotline: 0903 867 467

Địa chỉ: Phòng G7, Số 6 Phùng Khắc khoan, Phường Đakao, Quận 1, TPHCM

Bình luận

Không tìm thấy bài viết

Viết bình luận