84
Ch−¬ng 6
hîp kim mµu vµ bét 6.1. Hîp kim Al (Al) Al vµ hîp kim Al chiÕm vÞ trÝ thø hai sau thÐp v× tÝnh chÊt phï hîp víi nhiÒu c«ng dông: bÒn, nhÑ (bÒn riªng cao), chÞu ¨n mßn tèt (khÝ quyÓn),… 6.1.1. Al nguyªn chÊt vµ ph©n lo¹i hîp kim Al a. C¸c ®Æc tÝnh cña Al nguyªn chÊt ¦u ®iÓm: : khèi l−îng riªng nhá (2,7g/cm3) = 1/3 cña thÐp: hµng kh«ng, vËn t¶i do tiÕt kiÖm n¨ng l−îng, t¨ng t¶i träng cã Ých. TÝnh bÒn ¨n mßn khÝ quyÓn: x©y dùng, trang trÝ néi thÊt, dÉn ®iÖn tèt, tuy = 62% cña Cu nh−ng nhÑ = 1/3 , tÝnh dÎo rÊt cao, m¹ng A1, dÔ kÐo sîi, d©y vµ c¸n máng thµnh tÊm, l¸, b¨ng, mµng (foil), Ðp ch¶y thµnh c¸c thanh dµi víi c¸c biªn d¹ng (profile) phøc t¹p rÊt kh¸c nhau. Nh−îc ®iÓm: chÞu nhiÖt kÐm: ch¶y (660oC), kh«ng sö dông ë trªn 300 ÷ 400oC, ®é bÒn, ®é cøng thÊp, ë tr¹ng th¸i ñ σb = 60MPa, σ0,2 = 20MPa, HB 25. §Ó ký hiÖu møc ®é biÕn cøng ®¬n thuÇn (t¨ng bÒn nhê biÕn d¹ng nguéi) ë Hoa Kú, NhËt vµ c¸c n−íc T©y ©u th−êng dïng c¸c ký hiÖu H1x, x lµ tû phÇn t¨ng bÒn biÕn d¹ng (x/8): x=8 - t¨ng toµn phÇn (8/8 hay 100%), øng víi møc ®é biÕn d¹ng rÊt lín (ε = 75%), 1 - møc t¨ng Ýt nhÊt (1/8 hay 12,5% so víi møc toµn phÇn, øng víi møc ®é biÕn d¹ng nhá, 2, 4, 6 - møc t¨ng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so víi møc toµn phÇn), 9 - møc t¨ng tèi ®a (bÒn, cøng nhÊt) øng víi møc ®é biÕn d¹ng ε > 75%. b. Hîp kim Al vµ ph©n lo¹i T, oC L+α FC lµ giíi h¹n hoµ tan cña nthk trong α L Hîp kim Al biÕn d¹ng- tr¸i ®iÓm C Hîp kim Al ®óc- bªn ph¶i ®iÓm C α E L+ β C Hîp kim Al biÕn d¹ng ho¸ bÒn ®−îc b»ng hîp kim Al biÕn d¹ng hîp kim Al ®óc nhiÖt luyÖn n»m trong kho¶ng CF Hîp kim Al biÕn d¹ng kh«ng ho¸ bÒn ®−îc b»ng nhiÖt luyÖn - tr¸i ®iÓm F α+ β Si,Mn,Ti,Zn,Fe Ýt hoµ tan, F Zn, Mg, Cu hoµ tan nhiÒu kh«ng ho¸ bÒn ®−îc b»ng nhiÖt luyÖn
ho¸ bÒn ®−îc =nhiÖt luyÖn
% nthk
H×nh 6.1. Gãc gi¶n ®å pha Al - nguyªn tè hîp kim
c. HÖ thèng ký hiÖu cho hîp kim Al Hoa kú ký hiÖu c¸c hîp kim Al: theo AA (Aluminum Association) b»ng xxxx cho lo¹i hîp kim Al biÕn d¹ng vµ xxx.x cho lo¹i hîp kim Al ®óc: - Sè ®Çu tiªn cã c¸c ý nghÜa sau.
85
Lo¹i biÕn d¹ng Lo¹i ®óc 1xxx - Al s¹ch (≥ 99,0%), 1xx.x - Al thái hîp kim th−¬ng phÈm, 2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg, 2xx.x - Al - Cu, 3xxx - Al - Mn, 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu, 4xxx - Al - Si, 5xxx - Al - Mg, 4xx.x - Al - Si, 5xx.x - Al - Mg, 6xxx - Al - Mg - Si, 6xx.x - kh«ng cã, 7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu, 7xx.x - Al - Zn, 8xxx - Al - c¸c nguyªn tè kh¸c 8xx.x - Al - Sn. - 3 sè tiÕp theo ®−îc tra theo b¶ng ®Ó cã c¸c sè liÖu cô thÓ. Tr¹ng th¸i gia c«ng vµ hãa bÒn, c¸c n−íc ph−¬ng T©y th−êng dïng c¸c ký hiÖu sau: F: tr¹ng th¸i ph«i th«, O: ñ vµ kÕt tinh l¹i, H: hãa bÒn b»ng biÕn d¹ng nguéi, trong ®ã: H1x (x tõ 1 ®Õn 9): chØ biÕn d¹ng nguéi thuÇn tóy víi møc ®é kh¸c H2x (x tõ 2 ®Õn 9): biÕn d¹ng nguéi råi ñ håi phôc, H3x (x tõ 2 ®Õn 9): biÕn d¹ng nguéi råi æn ®Þnh hãa, T: hãa bÒn b»ng t«i + hãa giµ, trong ®ã: T1: biÕn d¹ng nãng, t«i, hãa giµ tù nhiªn T3: t«i, biÕn d¹ng nguéi, hãa giµ tù nhiªn T4: t«i, hãa giµ tù nhiªn T5: biÕn d¹ng nãng, t«i, hãa giµ nh©n t¹o T6: t«i, hãa giµ nh©n t¹o T7: t«i, qu¸ hãa giµ T8: t«i, biÕn d¹ng nguéi, hãa giµ nh©n t¹o T9: t«i, hãa giµ nh©n t¹o, biÕn d¹ng nguéi TCVN 1659-75: hîp kim Al: AlCu4Mg lµ hîp kim Al chøa ~4%Cu, ~1%Mg. Víi Al s¹ch b»ng Al vµ sè chØ phÇn tr¨m cña nã, vÝ dô Al99, Al99,5. 6.1.2. Al vµ hîp kim Al biÕn d¹ng kh«ng hãa bÒn ®−îc b»ng nhiÖt luyÖn a. Al s¹ch: Kü thuËt §é s¹ch cao A6, A7, A8, A85, A9, A95, A97,… A995 A999 ViÖt nam: A0, A5, %Al 99 99,5 99,6 99,7 99,8 99,85 99,9 99,95 99,97,..99,995 99,999 Hoa kú: AA1060 vµ AA1100: 1060 dïng lµm tÊm èp trong x©y dùng. §Ó lµm d©y (trÇn, bäc) hay c¸p ®iÖn dïng AA1350: ®©y ®iÖn b. Hîp kim Al biÕn d¹ng kh«ng hãa bÒn ®−îc b»ng nhiÖt luyÖn Hîp kim Al - Mn: 3xx:dÔ biÕn d¹ng dÎo, ho¸ bÒn biÕn d¹ng cao, cung cÊp d−íi d¹ng: l¸ máng, thanh, d©y, h×nh, èng..., chèng ¨n mßn tèt trong khÝ quyÓn vµ dÔ hµn. Hîp kim Al-Mg: ®iÓn h×nh AA 5050, AA 5052, AA 5454: nhÑ nhÊt, ®é bÒn kh¸, ho¸ bÒn biÕn d¹ng tèt, biÕn d¹ng nãng, nguéi vµ hµn ®Òu tèt, bÒn ¨n mßn tèt nhÊt lµ sau anod hãa. 6.1.3. Hîp kim Al biÕn d¹ng hãa bÒn ®−îc b»ng nhiÖt luyÖn §©y lµ ph©n nhãm hîp kim Al quan träng nhÊt, cã c¬ tÝnh cao nhÊt kh«ng thua kÐm g× thÐp C. a. HÖ Al - Cu vµ Al - Cu - Mg Hîp kim AlCu4 vµ nhiÖt luyÖn hãa bÒn
T, oC Gi¶n ®å pha Al - Cu (h×nh 6.4) 600 Hoµ tan cùc ®¹i:5,65% ë 548oC o Hoµ tan cùc tiÓu: 0,5% ë 20 C Qu¸ giíi h¹n hßa tan: tiÕt ra ë d¹ng CuAl2II. 400 Tæ chøc cña hîp kim AlCu4: c©n b»ng (ñ): α - Al (Cu)0,5 + CuAl2II, 300 (kho¶ng 7%) pha, ®é ®é bÒn min(σb=200MPa),
Al
86 L L+α 5,65
α
548
α+CuAl2(θ)
α+CuAl2II(θ)
2
4
%Cu
6
H×nh 6.4. Gãc giµu Al cña gi¶n ®å pha Al-Cu sau t«i: dd r¾n α qu¸ b·o hoµAl(Cu)4%, σb = 250 ÷ 300MPa vµ vÉn cßn kh¸ dÎo (söa, n¾n ®−îc). ®é bÒn, ®é cøng t¨ng lªn dÇn vµ ®¹t ®Õn σ, 20oC gi¸ trÞ cùc ®¹i sau 5 ÷ 7 ngµy, σb = MPa 100oC 400 400MPa tøc ®· t¨ng gÊp ®«i so víi tr¹ng th¸i ñ (h×nh 6.5) → gäi lµ t«i + hãa giµ tù 200oC 350 nhiªn (®Ó l©u ë nhiÖt ®é th−êng). C¬ chÕ hãa bÒn khi t«i + hãa giµ: 300 Guinier vµ Preston, TK 20: α(Al(Cu)4%)→GP1→GP2→ θ’→θ (CuAl2) 2 4 6 ho¸ giµ σmax → qu¸ giµ τ, ngµy θ’ cã m¹ng chÝnh ph−¬ng b¸n liÒn m¹ng H×nh 6.5. Hãa giµ hîp kim AlCu4 víi α cã σmax sau khi t«i • hãa giµ tù nhiªn: 5 ÷ 7 ngµy, σ max • hãa giµ nh©n t¹o: 100 ÷ 200oC, thêi gian tuú theo nhiÖt ®é cã thÓ tõ vµi giê vµi chôc h C¸c hîp kim th«ng dông: Hä AA 2xxx (®ura): hîp kim Al-Cu-Mg: ~ 4%Cu (2,6- 6,3%), 0,5÷1,5%Mg tªn lµ ®ura (duraluminium). Pha hãa bÒn, ngoµi CuAl2 cßn cã CuMg5Al5, CuMgAl2 cã t¸c dông m¹nh h¬n. T¹p chÊt: Fe, Si vµ Mn: Fe vµ Si lµ hai t¹p chÊt th−êng cã, Mn ®−îc ®−a vµo víi l−îng nhá ®Ó lµm t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn. AA 2014 vµ AA 2024: kÕt cÊu m¸y bay, dÇm khung chÞu lùc xe t¶i, s−ên tµu biÓn, thÓ thao... §Æc ®iÓm næi bËt cña ®ura lµ: §é bÒn cao (σb=450÷480MPa), nhÑ ρ≈2,7g/cm3→ σb/ρ~ 15÷16km, trong khi ®ã CT51 lµ 6,0 ÷ 6,5, gang: 1,5 ÷ 6,0. KÐm bÒn ¨n mßn kÐm do cã nhiÒu pha víi ®iÖn thÕ ®iÖn cùc kh¸c nhau b. HÖ Al - Mg - Si vµ Al - Zn - Mg: Al-Mg-Si: Hä AA6xxx : ®iÓn h×nh lµ AA 6061 vµ AA 6070: ®é bÒn kÐm ®ura (σb=400MPa), nh−ng dÎo h¬n, tÝnh hµn tèt. Sau Ðp ch¶y, anod hãa → thanh (15m) → X©y dùng. Al-Zn-Mg: Hä AA 7xxx: cã ®é bÒn cao nhÊt (σb > 550MPa), Zn= 4-8%, Mg=1÷3%. Cu= 2% T«i350÷500oC trong kh«ng khÝ hoÆc n−íc nãng, øng dông: m¸y bay, vò khÝ, dông cô thÓ thao…
87
6.1.4. Hîp kim Al ®óc a. C¸c ®Æc ®iÓm: dÔ ch¶y, dÔ ®óc, cã thÕ biÕn tÝnh, nguéi nhanh ®Ó t¨ng c¬ tÝnh b. Silumin ®¬n gi¶n: Al-(10÷13)%Si (AA 423.0 hay AЛ2 (Nga)) BiÕn tÝnh : b»ng hçn hîp muèi (2/3NaF+1/3NaCl) víi l−îng 0,05÷0,08% t¨ng c¬ tÝnh tõ σb = 130MPa, δ = 3%) lªn σb = 180MPa, δ = 8% nh−ng vÉn cßn thÊp so víi yªu cÇu sö dông.
H×nh 6.7. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim Al - (10 ÷ 13)%Si: a. kh«ng biÕn tÝnh, b. cã biÕn tÝnh C¸c hîp kim Al - Si - Mg(Cu) Lµ c¸c hîp kim víi kho¶ng Si réng b. Silumin phøc t¹p: Ngoµi Al,Si cßn cã <1%Mg, 3÷5%Cu ph¶i qua nhiÖt luyÖn hãa bÒn, c¬ tÝnh vµ cã tÝnh ®óc tèt: ®óc piston (AA 390.0, AЛ26), n¾p m¸y (AЛ4) cña ®éng c¬ ®èt trong. 6.2. Hîp kim ®ång 6.2.1. §ång nguyªn chÊt vµ ph©n lo¹i hîp kim ®ång a. C¸c ®Æc tÝnh cña ®ång ®á: Cu nguyªn chÊt cã mµu ®á = ®ång ®á - dÉn nhiÖt, dÉn ®iÖn cao, dïng lµm d©y dÉn. - chèng ¨n mßn kh¸ tèt. - dÎo dÔ c¸n máng, kÐo sîi tiÖn cho sö dông. - tÝnh hµn kh¸ tèt Nh−îc ®iÓm: nÆng (ρ = 8,94g/cm3), + tÝnh gia c«ng c¾t kÐm do phoi qu¸ dÎo, + tÝnh ®óc kÐm, ch¶y ë 1083oC, ®é ch¶y lo·ng thÊp (P khi ®óc t−îng). b. C¸c lo¹i ®ång nguyªn chÊt: §ång ®iÖn ph©n ETP (Electrolytic Tough Pitch) cã 0,04%O2. Do cã O2 nªn chØ gia c«ng, chÕ biÕn ë < 400oC ®Ó tr¸nh bÖnh hydro. §ång s¹ch oxy OFHC (Oxygen Free High Conductivity) lµ lo¹i ®−îc nÊu ch¶y trong ch©n kh«ng hoÆc m«i tr−êng b¶o vÖ, O2< 0,003% nªn kh«ng nh¹y c¶m víi hy®r«. §ång ®−îc khö oxy khö «xy triÖt ®Ó khi nÊu b»ng Cu-P, dÉn ®iÖn= 85% cña OFHC, do s¹ch oxy nªn cã thÓ biÕn d¹ng nãng. c. Ph©n lo¹i hîp kim Cu: lat«ng = Cu-Zn, br«ng = Cu-Sn tõ l©u ®êi d. HÖ thèng ký hiÖu cho hîp kim ®ång Hoa kú: CDA (Copper Development Association): CDAxxx, sè ®Çu tiªn: 1xx - ®ång ®á vµ c¸c hîp kim Cu - Be, 2xx - lat«ng ®¬n gi¶n, 4xx - lat«ng phøc t¹p, 5xx - br«ng thiÕc, 6xx - br«ng Al, 7xx - br«ng Al,
88
8xx vµ 9xx - hîp kim ®ång ®óc Ph−¬ng T©y dïng c¸c ký hiÖu O, H, T nh− cña Al (O: ñ vµ kÕt tinh l¹i, H: hãa bÒn b»ng biÕn d¹ng nguéi, T- t«i + ho¸ giµ), riªng tr¹ng th¸i ph«i th«: Al lµ “F” th× Cu lµ M, song c¸c ch÷ vµ sè tiÕp theo kh¸c ®i (tra b¶ng). 6.2.2. Lat«ng (®ång thau, Ph¸p - laiton, Anh - brass, Nga - латунь) Lat«ng ®¬n gi¶n: ®−îc dïng nhiÒu h¬n c¶, phæ biÕn < 45%Zn nªn tæ chøc α hoÆc α+β. §iÒu rÊt ®Æc biÖt: khi t¨ng %Zn ®é bÒn vµ ®é dÎo t¨ng lªn, ®é dÎo max øng víi ~ 30%Zn. Ngoµi ra khi pha thªm Zn, mµu ®á cña ®ång nh¹t dÇn vµ chuyÓn dÇn thµnh vµng. Lat«ng mét pha (α), <35%Zn, dÎo cao lµm c¸c chi tiÕt m¸y qua dËp. Lat«ng ~ 20%Zn (LCuZn20,CDA 240, Л80): mµu nh− Au, ®å trang søc, gi¶ vµng Lat«ng ~ 30%Zn (LCuZn30,CDA 260, Л70), dÎo vµ ®é bÒn max lµm vá ®¹n (catridge brass). Lat«ng hai pha (α + β): víi ~ 40%Zn (LCuZn40, CDA 280, ΓOCT Л60), La t«ng phøc t¹p: ngoµi Cu, Zn cßn cã Pb dÔ ®óc, c¾t gät, Sn chèng ¨n mßn, Ni t¨n bÒn LCuZn40Pb, CDA 370, ЛC59-1, dÔ c¾t, LCuZn29Sn, ®ång thau H¶i qu©n. 6.2.3. Br«ng: lµ hîp kim cña Cu víi c¸c nguyªn tè kh«ng ph¶i lµ Zn nh− Sn, Al, Be... vµ ®−îc gäi lµ br«ng thiÕc, br«ng Al, br«ng berili... (riªng Cu-Ni kh«ng gäi lµ br«ng mµ lµ cuni). a. Br«ng thiÕc: hîp kim Cu-Sn: cæ x−a nhÊt, thêi kú ®å ®ång - Bronze Age). Br«ng thiÕc biÕn d¹ng: < 8%Sn (cã thÓ tíi 10%) cã c¬ tÝnh cao vµ chèng ¨n mßn trong n−íc biÓn tèt h¬n lat«ng. §Ó c¶i thiÖn tÝnh gia c«ng c¾t th−êng cã thªm Pb (CDA 521, CDA 524, ΓOCT БрOC5-1) hay cã thªm Zn ®Ó võa thay cho Sn rÎ h¬n võa cã t¸c dông hãa bÒn khi dïng 4% cho mçi nguyªn tè (4%Sn - 4%Zn4%Pb) víi m¸c CDA 544 hay ΓOCT БрOЦC4-4-4. Br«ng thiÕc ®óc: lµ lo¹i chøa nhiÒu h¬n 10%Sn hay víi tæng l−îng c¸c nguyªn tè ®−a vµo cao h¬n 12% nh− lo¹i 5%Sn - 5%Zn - 5%Pb víi c¸c m¸c CDA 835, ΓOCT БрOЦC5-5-5, hay 10%Sn - 2%Zn víi m¸c CDA 905. Br«ng thiÕc chøa Zn, Pb ®−îc dïng ®Ó ®óc c¸c t¸c phÈm nghÖ thuËt: t−îng ®µi, chu«ng, phï ®iªu, häa tiÕt trang trÝ. b. Br«ng Al: Br«ng Al mét pha (víi 5 ÷ 9%Al) ®−îc sö dông kh¸ réng r·i ®Ó chÕ t¹o bé ng−ng tô h¬i, hÖ thèng trao ®æi nhiÖt, lßxo t¶i dßng, chi tiÕt b¬m, ®å dïng cho lÝnh thñy (CDA 614, ΓOCT БрAЖ9-4), tiÒn xu (CDA 608, ΓOCT БрA5). Br«ng hai pha (> 9,4%Al) víi sù xuÊt hiÖn cña pha β (Cu3Al, pha ®iÖn tö m¹ng A2) chØ æn ®Þnh ë trªn 565oC vµ chÞu biÕn d¹ng tèt. ë 565oC cã chuyÓn biÕn cïng tÝch β → [α + γ2]. NÕu lµm nguéi nhanh β → β' (m¹ng s¸u ph−¬ng) còng cã tªn lµ mactenxit, kh«ng cøng, khi ram ë 500oC γ2 tiÕt ra ë d¹ng nhá mÞn, lµm t¨ng m¹nh ®é bÒn, l¹i rÊt Ýt g©y ra gißn nªn c¸c br«ng Al chøa 10 ÷ 13%Al ®−îc t«i ram cao vµ cã c¬ tÝnh cao. C¸c br«ng Al ®óc cã l−îng Al ≥ 9% nªn còng cã thÓ cã thµnh phÇn nh− lo¹i biÕn d¹ng nh− CDA 952 (gièng víi CDA 614), ΓOCT БрAЖ9-4Л (gièng víi БрAЖ9-4).
89
c. Br«ng berili: Hîp kim Cu víi 2%Be (CDA 172, ΓOCT БрБ2) sau khi t«i 750 ÷ 790oC trong n−íc, hãa giµ ë 320 ÷ 320oC cã tÝnh ®µn håi rÊt cao, kh«ng ph¸t ra tia löa ®iÖn khi va ®Ëp nªn ®−îc lµm c¸c chi tiÕt ®µn håi trong má vµ thiÕt bÞ ®iÖn. 6.2.4. Hîp kim Cu - Ni vµ Cu - Zn - Ni Cu vµ Ni hßa tan v« h¹n, kiÓu m¹ng A1. Ni hßa tan vµo Cu lµm t¨ng m¹nh ®é bÒn, ®é cøng, tÝnh chèng ¨n mßn trong n−íc biÓn. Hîp kim Cu - Ni víi 10 ÷ 30%Ni (vÝ dô CDA 715 cã 30%Ni) ®−îc dïng lµm bé ng−ng tô cña tµu biÓn, èng dÉn n−íc biÓn, trong c«ng nghiÖp hãa häc. Hîp kim Cu víi 17 ÷ 27%Zn vµ 8 ÷ 18%Ni ®−îc dïng lµm d©y biÕn trë, víi tæ chøc lµ dung dÞch r¾n nªn cã ®iÖn trë suÊt rÊt cao vµ cã mµu b¹c nh− cña niken. 6.3. Hîp kim æ tr−ît MÆc dÇu ngµy nay æ l¨n (bi vµ ®òa) ®−îc sö dông rÊt phæ biÕn, c¸c æ tr−ît vÉn cã vÞ trÝ trong m¸y mãc v× c¸c −u ®iÓm cña nã: dÔ chÕ t¹o, dÔ thay, rÎ, b«i tr¬n dÔ vµ trong nhiÒu tr−êng hîp kh«ng thÓ thay thÕ kh¸c ®−îc (nh− ë trôc khuûu), tèc ®é cao kh«ng g©y ån. 6.3.1. Yªu cÇu ®èi víi hîp kim lµm æ tr−ît - Ma s¸t nhá víi bÒ mÆt trôc thÐp: hÖ sè ma s¸t nhá vµ diÖn tÝch tiÕp sóc nhá: pha cøng trªn nÒn mÒm, hoÆc h¹t mÒm trªn nÒn cøng ®Ó khi lµm viÖc phÇn mÒm bÞ mßn ®i thµnh c¸c æ chøa dÇu. Tæ chøc h¹t cøng - nÒn mÒm cã kh¶ n¨ng cho ®é ma s¸t bÐ h¬n lo¹i nÒn cøng - h¹t mÒm.
H×nh 6.12. H×nh th¸i tæ chøc cña hîp kim æ tr−ît nÒn mÒm h¹t cøng
- Ýt lµm mßn cæ trôc thÐp vµ chÞu ®−îc ¸p lùc cao: b»ng c¸c hîp kim mÒm: Sn, Pb, Al, Cu... §Ó n©ng cao kh¶ n¨ng chÞu ¸p lùc: ®óc tr¸ng hay g¾n Ðp lªn trªn m¸ng thÐp C8s. - TÝnh c«ng nghÖ tèt: dÔ ®óc, kh¶ n¨ng dÝnh b¸m vµo m¸ng thÐp cao... - RÎ tiÒn. Hîp kim æ trôc ra lµm hai nhãm lín: tuú theo nhiÖt ®é ch¶y: 6.3.2. Hîp kim æ tr−ît cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp: lµ hîp kim c¸c kim lo¹i dÔ ch¶y: Sn, Pb... gäi lµ babit (babbitt). a. Babit thiÕc (do Babbitt (ng−êi Anh) t×m ra) Dïng lµm c¸c æ tr−ît quan träng víi tèc ®é lín vµ trung b×nh nh− trong tuabin, ®éng c¬ ®iªzen. 2 m¸c: 83%Sn-11%Sb-6%Cu (ΓOCT Б83, UNS L13820) 88%Sn-8%Sb-3%Cu-1%(Ni+Cd) (ΓOCT Б88, UNS L13890). Tæ chøc: nÒn mÒm: dung dÞch r¾n α - Sn(Sb) (mµu xÉm), h¹t cøng: pha β' lµ SnSb (m¶ng s¸ng ®a c¹nh) (h×nh 6.14) vµ kim Cu3Sn (hay Cu6Sn5), t¸c dông chÝnh cña nã lµ tr¸nh thiªn tÝch (SnSb do nÆng nªn cã xu h−íng ch×m xuèng d−íi, nhê Cu3Sn kÕt tinh sím t¹o khung ng¨n c¶n). Lo¹i sau víi nhiÒu Sn, Ýt Sb h¬n nªn
90
trong tæ chøc hÇu nh− kh«ng cã SnSb, vai trß h¹t cøng chØ do Cu3Sn d¹ng kim, d¹ng sao ®¶m nhiÖm. h¹t cøng kim Cu3Sn nÒn mÒm h¹t cøng SnSb H×nh 6.14. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim babit ΓOCT Б83, UNS L13820 b. Babit ch× Lµ hîp kim trªn c¬ së Pb víi 6 ÷16%Sn, 6 ÷ 16%Sb vµ ~1%Cu Tæ chøc: nÒn mÒm lµ cïng tinh (Pb + Sb), h¹t cøng: SnSb, Cu3Sn 2 m¸c Б6 (víi 6%Sn, 6%Sb) vµ Б16 (víi 16%Sn, 16%Sb), trong ®ã Б16 cã nhiÒu h¹t cøng h¬n, gißn h¬n chØ dïng trong ®iÒu kiÖn kh«ng chÞu va ®Ëp. Б6 ®−îc dïng nhiÒu h¬n ®Ó thay Б83, Б88 trong c¸c ®éng c¬ x¨ng, chÞu va ®Ëp h¬n vµ rÎ h¬n. Sau ®©y lµ c¸c hîp kim æ tr−ît cã nhiÖt ®é ch¶y cao h¬n. 6.3.3. Hîp kim Al Hîp kim Al: ma s¸t nhá, nhÑ, tÝnh dÉn nhiÖt cao, bÒn ¨n mßn tèt trong dÇu, ®Æc biÖt lµ c¬ tÝnh cao h¬n, tuy tÝnh c«ng nghÖ h¬i kÐm. C¸c m¸c th−êng gÆp: ΓOCT AO 9-2 (9%Sn, 2%Cu), AA 851.0 (6%Sn, 1%Cu) ®−îc dïng ë tr¹ng th¸i ®óc lµm b¹c hay èng lãt dµy > 10mm hoÆc bimªtal æ tr−ît b»ng hîp kim Al chÞu ®−îc ¸p lùc cao (200 ÷ 300kG/mm2), tèc ®é vßng lín (15 ÷ 20m/s), dïng nhiÒu trong ®éng c¬ ®iªzen. 6.3.4. C¸c hîp kim kh¸c Br«ng thiÕc víi c¸c m¸c CDA 836, ΓOCT БрOЦC5-5-5 (®óc) vµ CDA 544,ΓOCT БрOЦC4-4-4 (biÕn d¹ng), trong ®ã Pb kh«ng tan lµ c¸c h¹t mÒm, nÒn cøng lµ Cu hßa tan Sn, Zn. Br«ng ch× th−êng dïng víi m¸c ΓOCT БрC30 (30%Pb), víi c¸c phÇn tö Pb kh«ng tan lµ h¹t mÒm, Cu lµ nÒn cøng. 6.4. Hîp kim bét 6.4.1. Kh¸i niÖm chung a. C«ng nghÖ bét So s¸nh c«ng nghÖ truyÒn thèng vµ c«ng nghÖ bét: VL ban ®Çu → phèi liÖu → nÊu ch¶y → ®óc → biÕn d¹ng → gia c«ng c¾t → s¶n phÈm VL ban ®Çu → bét → phèi liÖu → Ðp → thiªu kÕt → s¶n phÈm T¹o bét kim lo¹i hay hîp kim: nghiÒn (cho vËt liÖu gißn), phun lo¹i láng vµo m«i tr−êng nguéi nhanh (trªn tang ®ång hay trong n−íc, khÝ ¸p suÊt cao), hoµn nguyªn tõ «xyt, ®iÖn ph©n, CVD, PVD, ... - T¹o h×nh: Ðp, nÐn d−íi ¸p suÊt 100 ÷ 1000MPa, tïy theo yªu cÇu vÒ khèi l−îng riªng. Muèn ®−îc khèi l−îng riªng lín vµ ®ång ®Òu ph¶i Ðp víi ¸p suÊt lín vµ rung c¬ häc, Ðp nung nhiÒu lÇn - Thiªu kÕt: ®Ó bét liªn kÕt víi nhau,
91
• NhiÖt ®é thiªu kÕt: Ttk = (2/3÷3/4)TC (TC lµ T ch¶y cña cÊu tö chÝnh, K). Trong qu¸ tr×nh thiªu kÕt, s¶n phÈm sÏ co l¹i, mËt ®é t¨ng lªn. Cã thÓ kÕt hîp hai kh©u Ðp vµ thiªu kÕt b»ng c¸ch Ðp nãng, cã thÓ ®¹t ®−îc mËt ®é cao nhÊt • Thêi gian thiªu kÕt: 15-120 min, dµi qu¸ lµm h¹t th«, c¬ tÝnh xÊu • M«i tr−êng thiªu kÕt: ch©n kh«ng hoÆc khÝ b¶o vÖ : H2, N2, Ar, He,… Trong tr−êng hîp thiªu kÕt nhiÒu lo¹i bét ta cã 2 tr−êng hîp: cã xuÊt hiÖn pha láng vµ kh«ng ¾ kh«ng xuÊt hiÖn pha láng: 2 lo¹i bét kh«ng t¹o dung dÞch r¾n víi nhau → bét cã Tc thÊp sÏ kÕt khèi bao quanh bét cã nhiÖt ®é ch¶y cao (Cu-W). NÕu gi÷a chóng cã t¹o thµnh dung dÞch r¾n, tuú theo møc ®é thiªu kÕt (Ttk&τ) cã thÓ nhËn ®−îc ddr¾n+xèp (Cu-Ni) ¾ cã xuÊt hiÖn pha láng: Ttk TC cña cÊu tö nµo ®ã hoÆc cïng tinh §iÒu kiÖn: tû lÖ pha láng < 30% thÓ tÝch §Æc ®iÓm: xÝt chÆt cao, τ thiªu ng¾n, sai lÖch kÝch th−íc lín (5-25%), vÝ dô: WCCo, Co láng • C¸c lo¹i: ¾ Thiªu kÕt d−íi ¸p lùc: xÝt chÆt cao, xèp thÊp, bao gåm: o Ðp ë nhiÖt ®é cao (1500÷2500oC), khu«n gr, lùc Ðp P=30MPa, ®é xÝt chÆt 95÷98%, dïng cho hîp kim cøng cacbit, nitrit, borit kh«ng cÇn chÊt dÝnh. o Ðp ë nhiÖt ®é trung b×nh (800÷1100oC), khu«n kim lo¹i, P=200MPa, dïng cho VL kÕt cÊu ¾ Thiªu kÕt d−íi ¸p lùc vµ phãng ®iÖn: (Spark Pressing), NhËt, Mü, P=100MPa, d−íi ®iÖn tr−êng m¹nh → phãng ®iÖn trong vµi gi©y: phñ hîp kim cøng lªn bÒ mÆt chi tiÕt, dao c¾t, tiÕp ®iÓm ¾ Ðp nãng ®¼ng tÜnh: (HIP - Hot Isostatic Pressing) T=1000÷1500oC, P=100÷200Mpa, trong Ar, dïng cho c¸c chi tiÕt m¸y, dông cô,… b. ¦u, nh−îc ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p - HiÖu qu¶ kinh tÕ - kü thuËt cao nÕu s¶n l−îng lín v× ®Çu t− ban ®Çu cao - nguyªn liÖu bét ®−îc sö dông gÇn nh− triÖt ®Ó, kh«ng hay Ýt ph¶i gia c«ng c¾t, söa - VÒ chÊt l−îng: dÔ b¶o ®¶m ®é ®ång nhÊt, chÝnh x¸c thµnh phÇn → ®Òu tæ chøc vµ tÝnh chÊt. - Mét sè s¶n phÈm chØ cã thÓ chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ bét: vËt liÖu cøng, siªu cøng, b¹c xèp... - Nh−îc: cÊu tróc kh«ng xÝt chÆt (®é xèp thay ®æi réng tõ 2 ®Õn 50%), cã c¬ tÝnh kh«ng cao. §Çu t− ban ®Çu lín, còng hao phÝ khi t¹o bét → ®¾t, chi tiÕt phøc t¹p khã ®Òu lùc Ðp 6.4.2. VËt liÖu c¾t vµ mµi øng dông quan träng nhÊt trong C¬ khÝ lµ lµm dao c¾t b»ng hîp kim cøng vµ ®¸ mµi. a. Hîp kim cøng Hîp kim cøng cã tÝnh cøng nãng cao nhÊt 800 ÷ 1000oC, tèc ®é c¾t cã thÓ tíi hµng tr¨m m/min.
92
Thµnh phÇn hãa häc vµ c¸ch chÕ t¹o WC (chiÕm tû lÖ cao nhÊt), TiC, TaC rÊt cøng vµ nhiÖt ®é ch¶y rÊt cao, rÊt æn ®Þnh, Co lµm chÊt dÝnh kÕt, nhê vËy b¶o ®¶m ®é bÒn, ®é cøng, , cøng nãng rÊt cao, kh«ng ph¶i qua nhiÖt luyÖn. - T¹o bét cacbit b»ng c¸ch hoµn nguyªn WO3 b»ng hy®r« ë 700 ÷ 900oC ®−îc bét W råi ®em nghiÒn, sµng lÊy cì h¹t nhá 0,10 ÷ 0,15 ®Õn 3 ÷ 5µm, sau ®ã trén bét W víi bå hãng vµ nung lªn 1400oC trong 1h ®Ó ®−îc bét WC. - Trén bét cacbit víi bét Co trong nhiÒu h cho thËt ®Òu råi ®em Ðp thµnh l−ìi c¾t nhá, h×nh d¹ng ®¬n gi¶n, P=100-400 MPa - Nung ph«i Ðp s¬ bé ë 900oC - 1h, Ðp t¹o h×nh chÝnh x¸c vµ ®é bãng yªu cÇu, P > 400MPa - Thiªu kÕt: nung ë nhiÖt ®é cao (1450-1500oC) ®Ó Co biÕn mÒm, b¾t ®Çu ch¶y, dÝnh chÆt c¸c h¹t cacbit víi nhau thµnh khèi ch¾c. Ph©n lo¹i vµ c¸c m¸c Cã ba nhãm: mét, hai vµ ba cacbit (b¶ng 6.6). B¶ng 6.6. Thµnh phÇn hãa häc (%) vµ c¬ tÝnh cña mét sè hîp kim cøng Ký hiÖu M¸c hîp % C¬ tÝnh C«ng dông theo TCVN kim WC TiC TaC Co σU,MPa HRA Mét cacbit Dông cô c¾t: BK2 98 2 1000 90,0 WCCo2 gang, hîp kim mµu, BK3 97 3 1100 89,5 WCCo3 sø, gèm BK4 96 4 1400 89,5 WCCo4 BK6 94 6 1500 88,5 WCCo6 BK8 92 8 1600 87,5 WCCo8 BK10 90 - 10 1650 87,0 WCCo10 khu«n kÐosîi, mòi khoan ®¸ BK15 85 - 15 1800 86,0 WCCo15 BK20 80 - 20 1950 84,0 WCCo20 khu«n dËp C/tiÕt mmßn BK25 75 - 25 2000 82,0 WCCo25 Hai cacbit Dông cô c¾t T30K4 66 30 4 950 92,0 WCTiC30Co4 tèc ®é cao, c¾t thÐp T15K6 79 15 6 1150 90,0 WCTiC15Co6 kh«ng gØ T14K8 78 14 8 1250 89,0 WCTiC14Co8 T5K10 85 5 - 10 1400 88,5 WCTiC5Co10 T5K12 83 5 - 12 1650 87,0 WCTiC5Co12 Ba cacbit TT7K12 81 4 3 12 1650 87,0 WCTiC4TaC3Co12 c¾t ph«i ®óc, rÌn,cÇn TT10K8 82 3 7 8 1450 89,0 WCTiC3TaC7Co8 chèng mÎ tèt TT20K9 71 8 12 9 1300 89,0 WCTiC8TaC12Co9 %Co t¨ng → bÒn t¨ng, cøng gi¶m Tæ chøc vµ c¬ tÝnh Tæ chøc tÕ vi: gåm c¸c h¹t cacbit s¾c c¹nh (mµu s¸ng) liªn kÕt víi nhau b»ng Co (mµu tèi) §é xèp (~ 2%). Kh«ng cã C d− (bå hãng) trong tæ chøc v× nã g©y ra ®iÓm mÒm.
93
Khi lµm dao, miÕng hîp kim cøng nhá ®−îc hµn (hµn ®ång) hay kÑp vµo th©n dao b»ng thÐp C45 cã ®é bÒn uèn vµ ®é dÎo tèt, sÏ tr¸nh c¸c nh−îc ®iÓm trªn cña hîp kim cøng. b. VËt liÖu lµm ®Üa c¾t Dao (®Üa) c¾t b»ng kim c−¬ng nh©n t¹o hay nitrit bo (BN) ®−îc dïng réng r·i trong c¾t kim lo¹i, ®¸. Chóng lµ c¸c vËt liÖu siªu cøng (HV 8000 ÷ 10000). Cã thÓ cã c¸c d¹ng sau: - Bét kim c−¬ng trén víi 1 ÷ 2% bét B, Be hoÆc Si (chÊt dÝnh kÕt) ®−îc Ðp nãng d−íi ¸p suÊt cao tíi 12GPa ë nhiÖt ®é kho¶ng 3000oC, ®¹t ®−îc HV 8000. - Bét kim c−¬ng hoÆc bét BN r¶i lªn bÒ mÆt hîp kim cøng råi Ðp nãng d−íi ¸p suÊt 5 ÷ 8GPa ë kho¶ng 1800oC, lóc ®ã mét phÇn nhá Co, thËm chÝ c¶ W, Ti cña hîp kim cøng tiÕt ra thµnh chÊt dÝnh kÕt víi líp siªu cøng, ®¹t HV 5000 ÷ 8000. - Bét kim c−¬ng hoÆc bét BN trén víi kho¶ng 20 ÷ 30% bét kim lo¹i (chÊt dÝnh kÕt), Ðp nãng d−íi ¸p suÊt 3 ÷ 6GPa ë 1200 ÷ 1600oC, ®¹t HV 4000 ÷ 5000, thÝch hîp víi dông cô c¾t ®¸. Kim c−¬ng tuy cã ®é cøng cao nhÊt (HV 10000) nh−ng l¹i bÞ h¹n chÕ nhiÖt ®é sö dông (khi c¾t víi tèc ®é cao, cacbon khuÕch t¸n vµo s¾t, thÐp) nªn dao c¾t víi BN cã −u viÖt h¬n. VÝ dô cã thÓ c¾t gang x¸m víi tèc ®é 1800 ÷ 2000 m/min. c. VËt liÖu mµi Bét mµi: (SiO2), ªmªri (hçn hîp tù nhiªn cña Al2O3), Al2O3, SiC, BN lËp ph−¬ng, kim c−¬ng. -bét tù do, trong m¸y phun c¸t, bét mµi rµ, bét ®¸nh bãng (nh− ®¸nh bãng mÉu kim lo¹i ®Ó quan s¸t tæ chøc tÕ vi lµ bét Cr2O3 - mµu rªu vµ Al2O3 - mµu tr¾ng), - g¾n trªn giÊy, v¶i (gäi lµ giÊy, v¶i r¸p hay nh¸m) ®Ó lµm nh½n gç, kim lo¹i, - khèi (®¸ mµi c¸c lo¹i): th−êng lµm b»ng SiC, c¸c h¹t mµi ®−îc liªn kÕt víi nhau b»ng chÊt dÝnh kÕt gèm thñy tinh hay nhùa h÷u c¬. d. ThÐp giã bét Lo¹i thÐp giã cã (> 2%C, > 6%V, > 10%Co) rÊt khã luyÖn, bÞ thiªn tÝch m¹nh vµ khã rÌn. Khi chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p luyÖn kim bét nhê cã bét mÞn mµ thµnh phÇn trë nªn ®ång nhÊt h¬n. Tõ nguyªn liÖu bét (Fe, C, W, Cr, Mo, V, Co) qua HIP (100MPa ë 1100oC) trong (Ar), t¹o nªn c¸c b¸n thµnh phÈm thái lín. ChÕ ®é rÌn vµ nhiÖt luyÖn nh− thÐp giã nÊu ch¶y nh−ng víi nhiÖt ®é thÊp h¬n. 6.4.3. VËt liÖu kÕt cÊu a. Trªn c¬ së Al vµ hîp kim Al Bét Al: Ðp (P= 100 ÷ 350MPa) vµ thiªu kÕt sÏ ®−îc c¸c b¸n thµnh phÈm hÖ Al Al2O3, trong ®ã Al2O3 (5 ÷ 20%) lµ pha cøng lµm t¨ng ®é bÒn cña vËt liÖu (sau khi nhiÖt luyÖn σb cã thÓ ®¹t tíi 300 ÷ 450MPa). −u viÖt chñ yÕu: tÝnh chÞu nãng cao ®Õn 300 ÷ 350oC Hoa kú: SAP (Sintered Aluminum Powder), Nga lµ CAΠ - Bét hîp kim Al thiªu kÕt: Hoa kú: SAAP (Sintered Aluminum Alloy Powder), Nga lµ CAC, b. Trªn c¬ së s¾t vµ thÐp
94
6.4.4. Hîp kim xèp vµ thÊm §©y lµ −u viÖt næi tréi cña hîp kim bét kh«ng g× thay thÕ ®−îc, cã thÓ ®iÒu chØnh, khèng chÕ ®−îc. a. B¹c xèp tù b«i tr¬n Cu-10%Sn, xèp 25% tÈm dÇu trong ch©n kh«ng ë 75oC, khi lµm viÖc dÇu tiÕt ra, khi ngõng dÇu hót vµo. Dïng lµm c¸c lo¹i b¹c cho qu¹t ®iÖn, m¸y hót bôi, m¸y giÆt,... mµ kh«ng cÇn b«i tr¬n. b. Mµng läc: Mµng läc ®−îc s¶n xuÊt tõ bét vËt liÖu d¹ng cÇu hoÆc ®¼ng trôc, kÝch th−íc h¹t ®Òu nhau (dmax / dmin < 1,5), ¸p lùc nÐn nhá, ®é xèp cao, 30 ÷ 50% víi c¸c lç xèp ph©n bè ®Òu, ®−êng kÝnh trung b×nh cña lç xèp kho¶ng dmin / 6.