Phân Loại Hợp Kim Nhôm Thế Nào? Nhôm Và Hợp Kim Của Nó

Trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng thì nhôm và hợp kim của nó chiếm vị trí thứ hai sau thép. Vật liệu này có các tính chất rất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau. Trong một số trường hợp đem lại hiệu quả kinh tế lớn và không thể thay thế được. Chúng có nhiều loại, vô cùng đa dạng tùy vào mục đích sử dụng. Vậy phân loại hợp kim nhôm thế nào?

Kim Loại Nhôm Nguyên Chất

Nhôm là nguyên tố có mạng tinh thể lập phương tâm mặt, có màu sáng bạc. Nhôm có các đặc điểm sau:

  • Khối lượng riêng nhỏ (2,70 g/cm3), chỉ bằng khoảng 1/3 thép. Do vậy làm giảm khối lượng kết cấu,
    chi tiết, được sử dụng rộng rãi trong hàng không, vận tải,…
  • Có tính chống ăn mòn nhất định trong khí quyển. Do luôn có lớp màng ôxyt (Al2O3) sít chặt trên bề
    mặt có tính bảo vệ cao. Tính chất hóa học của nhôm cũng vô cùng đặc biệt.
  • Có tính dẫn điện cao: Tính dẫn điện kém hơn vàng, bạc, đồng. Độ dẫn điện bằng 62% đồng nhưng khối lượng riêng chưa đến 1/3 đồng. Trong cùng điều kiện làm việc dây nhôm nhẹ bằng 1/2 đồng và bị nung nóng ít hơn.
  • Tính dẻo rất cao. Rất dễ biến dạng dẻo khi kéo sợi, dây, dát thành tấm, băng, lá, màng, ép thành các thanh dài có biên dạng phức tạp.
  • Nhiệt độ nóng chảy thấp (657°C).
  • Độ bền, độ cứng thấp.

Các loại nhôm nguyên chất được ký hiệu theo TCVN như sau: Đứng đầu là ký hiệu hoá học của nhôm. Tiếp sau đó là số chỉ hàm lượng nhôm. Ví dụ: Al 99,999 chứa 99,999% Al; Al 99,98 chứa 99,98%Al.

Phân Loại Hợp Kim Nhôm

Trong kỹ thuật hầu như không sử dụng nhôm nguyên chất mà chủ yếu dụng hợp kim nhôm. Phân loại hợp kim nhôm được phân ra làm hai nhóm là hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng.

Phân Loại Hợp Kim Nhôm Biến Dạng

Chúng được chia ra làm hai phân nhóm nhỏ là không hóa bền được bằng nhiệt luyện và hóa bền được bằng nhiệt

luyện.

Hợp kim nhôm biến dạng, không hóa bền được bằng nhiệt luyện có tổ chức là dung dịch rắn ở mọi nhiệt độ, không có chuyển biến pha nên không thể hóa bền được bằng nhiệt luyện. Muốn hóa bền chúng chỉ duy nhắt bằng biến dạng nguội.

Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện ở nhiệt độ thường có tổ chức hai pha là dung dịch rắn và pha thứ hai. Khi nung nóng đến nhiệt độ cao hơn giới hạn bão hòa pha thứ hai hòa tan hết vào dung dịch rắn (có chuyển biến pha) nên có thể hóa bền được bằng nhiệt luyện.

Theo TCVN 1659-75 ký hiệu hợp kim nhôm biến dạng như sau. Đầu tiên là ký hiệu của nguyên tố nhôm. Tiếp sau là ký hiệu các nguyên tố hợp kim. Các số đứng sau nguyên tố hợp kim chỉ lượng chứa của chúng theo phần trăm.

Ví dụ:

  • AlCu4,4Mg0,5Mn0,8 gồm 4,4%Cu; 0,5%Mg; 0,8%Mn; còn lại Al
  • AlCu4,4Mg1Fe1,5Mn0,6 gồm 4,4%Cu; l%Mg; l,5%Fe; 0,6%Mn; còn lại Al

Phân loại hợp kim nhôm biến dạng có hai dòng chính là hợp kim nhôm với 4%Cu và Dura.

➢ Hợp Kim Nhôm Với 4% Cu

Hợp kim nhôm với 4% đồng là cơ sở của hầu hết các hợp kim nhôm biến dạng. Hợp kim Al – Cu đồng hòa tan khá nhiều trong nhôm ở nhiệt độ cao (5,65% tại 548°C) nhưng lại giảm rất mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ỏ nhiệt độ thường). Lượng đồng dư thừa được tiết ra dưới dạng hợp chất hóa học CuAl2II (ký hiệu II để chỉ hợp chất này được hình thành từ trạng thái rắn).

Ở nhiệt độ thường tổ chức cân bằng của hợp kim là dung dich rắn α chứa 0,5%Cu và một lượng nhỏ CuAl2n (khoảng 7%) có độ cứng và độ bền thấp thấp (200MPa). Khi nung nóng đến cao hơn 520°C pha CuA12II hòa tan hết và chỉ còn lại một pha là dung dịch rắn của nhôm chứa 4% Cu. Khi làm nguội nhanh sau đó pha CuA12II không kịp tiết ra nên ta có dung dịch rắn quá bão hòa đồng ở nhiệt độ thường độ bền tăng lên một ít (250 ÷ 300MPa) và tương đối dẻo.

Nhưng sau khi tôi từ 5 đến 7 ngày độ bền và độ cứng đạt được giá trị cao nhất (đến 400MPa). Hiện tượng này gọi là hóa già tự nhiên. Nếu sau khi tôi ta tiến hành nung nóng thì thời gian đạt độ cứng và bền sẽ rút ngắn lại nhưng giá trị sẽ thấp hơn. Nhiệt độ nung càng tăng thì thời gian đạt độ bền, độ cứng sẽ càng rút ngắn nhưng giá trị của

chúng càng thấp. Quá trình này gọi là hóa già nhân tạo.

Chế Độ Nhiệt Luyện Hợp Kim Nhôm % Cu

Từ đó thấy rằng chế độ nhiệt luyện hợp kim nhôm % Cu như sau: Tiến hành tôi và hóa già:

  • Hóa già tự nhiên từ 5 ÷ 7 ngày nếu cần độ bền độ cứng cao nhất.
  • Hóa già nhân tạo ở 100 ÷ 200°C nếu cần rút ngắn thời gian và yêu cầu độ bền độ cứng vừa phải.

➢ Đura (Nhôm Cứng)

Đura là hợp kim hệ Al-Cu-Mg (4%Cu; 0,5 ÷l,5% Mg) các nguyên tố hợp kim đặc biệt là magiê làm tăng mạnh hiệu quả khi nhiệt luyện tôi và ram. Ngoài ra trong thành phần của đura thường có thêm Fe, Si và Mn. Fe và Si là tạp chất thường gặp trong nhôm mà không thể khử bỏ hết được. Còn mangan đưa vào để tăng tính chống ăn mòn.

Đura có tổ chức nhiều pha ngoài dung dịch rắn thay thế của Cu và Mg trong nhôm ra còn có các pha Mg2Al3; CuMgAl2 (S); CuMg5Al5(T). Các pha này đóng vai trò pha hóa bền cho đura, đặc biệt là pha S và T. Đặc điểm của đura:

  • Độ bền cao (σb = 450 ÷480 MPa), khối lượng riêng nhỏ (ɣ = 2,7 g/cm2). Do đó có độ bền riêng lớn (độ
    bền riêng bằng σb /ɣ) đến 15÷16km.
  • Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha có thế điện cực khác nhau. Để khắc phục hiện tượng này
    người ta phủ một lớp nhôm mỏng lên bề mặt đura bằng cán nóng.

Chế độ nhiệt luyện của đura. Tôi ở nhiệt độ 505 ÷ 510°C trong nước và hóa già tự nhiên từ 5 ÷ 7 ngày. Đura được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hàng không và trong đời sống.

Phân Loại Hợp Kim Nhôm Đúc

Gồm các hợp kim chứa khá nhiều các nguyên tố hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, có tổ chức nên tính đúc cao. Do chứa nhiều pha thứ hai (chủ yếu là hợp chất hóa học) nên khá giòn, không thể biến dạng dẻo được, khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện không đáng kể. Chế tạo sản phẩm chủ yếu bằng phương pháp đúc.

Theo TCVN 1659-75 hợp kim nhôm đúc ký hiệu như hợp kim nhôm biến dạng chỉ khác là ở cuối ký hiệu có thêm chữ Đ để chỉ là hợp kim đúc. Ví dụ:

  • AlSi12Cu2MglMn0,6NilĐ gồm 12%Si; 2%Cu; l%Mg; 0,6%Mn; l%Ni; còn lại là Al. Chữ Đ chỉ hợp kim nhôm đúc.
  • AlCu5Mg1Ni3Mn0,2Đ 5%Cu; l%Mg; 3%Ni; 0,2%Mn còn lại Al
  • AlSi7Mg0,3Đ 7%Si; 0,3%Mg còn lại Al

Hợp kim nhôm đúc thường dùng phổ biến nhất trên cơ sở Al-Si và thành phần chủ yếu là cùng tinh. (Do đó thường gọi là silumin). Cơ tính của vật đúc phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ nguội và biến tính khi đúc. Thường đúc trong khuôn kim loại để nhận được tổ chức nhỏ mịn do có tốc độ nguội lớn.

Silumin Đơn Giản

Là hợp kim nhôm đúc mà thành phần chủ yếu là nhôm và silic với hàm lượng silic từ 10÷13%. Tổ chức chủ yếu là cùng tinh (Al+Si), rất thô to. (Các tinh thể Si có dạng hình que) độ bền và độ dẻo khá thấp (σb=130MPa; δ = 3%). Do vậy phải biến tính để nâng cao cơ tính. Dùng một hỗn hợp muối (2/3NaF + l/3NaCl) với tỷ lệ 0,05 ÷ 0,08% để biến tính. Lúc này điểm cùng tinh dịch về bên phải và nhiệt độ chảy giảm 10 ÷ 20°C. Như vậy hợp kim có tổ chức trước cùng tinh gồm Al + (Al +Si) và cùng tinh này khá nhỏ mịn (tinh thể Si rất nhỏ) làm cơ tính cao (σb =180MPa; δ = 8%). Silumin đơn giản có đặc điểm là:

  • Có tính đúc cao (do tổ chức chủ yếu là cùng tinh).
  • Cơ tính thấp không hóa bền được bằng nhiệt luyện.

Do đó silumin đơn giản thường dùng đúc định hình các chi tiết hình dáng phức tạp, yêu cầu độ bền không cao.

Silumin Phức Tạp

Silumin phức tạp cũng có tính đúc tốt nhưng cơ tính cao hơn do có thêm nguyên tố Cu, Mg có tác dụng tốt khi tôi và hóa già (σb =200 ÷ 250MPa; δ = 1÷6%). Các silumin phức tạp có thành phần các nguyên tố thay đổi khá rộng: 4 ÷ 30%Si; < l%Mg; 1 ÷7% Cu. Công dụng của chúng là làm pit tông các loại động cơ vì nhẹ, dễ tạo hình và ít kẹt. Ngoài ra còn làm thân và nắp động cơ ô tô.

Đó là cách phân loại hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Ngoài hai loại hợp kim nhôm thông dụng trên còn có loại hợp kim nhôm thiêu kết được chế tạo bằng luyện kim bột. Bằng cách pha nguyên liệu dưới dạng bột theo thành phần quy định và thiêu kết thành sản phẩm khác nhau.

Trả lời

0949830404
challenges-icon chat-active-icon