Tìm hiểu vật liệu nhôm, phân loại và ứng dụng của hợp kim nhôm

Đăng bởi: Tinh Hà

Danh mục: Tin kỹ thuật

Nhôm là một vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí, chúng được sử dụng để gia công, chế tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau, với những tính chất đặc trưng như nhẹ, dễ định hình, khó bị ăn mòn. Trong bài viết này hãy cùng Tinh Hà tìm hiểu về vật liệu nhôm trong ngành gia công cơ khí chính xác.

1. Tổng quan về nhôm

1.1 Khái niệm nhôm

Nhôm (hay Alumini) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố, có ký hiệu là Al và số hiệu nguyên tử bằng 13. Nhôm là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 17% khối lớp rắn của Trái Đất. Quặng chính chứa nhôm là boxide.

Nhôm là một kim loại có tỷ trọng thấp và có khả năng chống ăn mòn hiện tượng thụ động. Rất khó để có thể tìm thấy nhôm nguyên chất trong tự nhiên, thông thường kim loại này được tìm thấy khi kết hợp cùng oxygen cùng với những nguyên tố khác. Nhôm và hợp kim của nó được ứng dụng rất nhiều trong các sản phẩm phục vụ đời sống thường ngày, cho đến ngành giao thông vận tải, công nghiệp hàng không vũ trụ. Trong gia công cơ khí, nhôm thuộc nhóm kim loại màu, ký hiệu là N.

Xem thêm:

» Phân loại và ứng dụng của vật liệu thép trong ngành cơ khí

» Ứng dụng của các loại vật liệu gang trong cơ khí

1.2 Tính chất của nhôm

Nhôm thuộc kim loại màu có dạng thù hình, có sắc trắng bạc ánh kim mờ, mềm và nhẹ. Nhôm có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 4.04 Ao, có các tính chất như sau:

• Khối lượng riêng nhỏ (g = 2,7g/cm

  3

  ).

• Tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ.

• Tính chống ăn mòn cao (do có lớp oxit Al2O3 bảo vệ).

• Không nhiễm từ và không cháy khi để ngoài không khí ở điều kiện thông thường.

• Nhiệt độ chảy thấp (660oC) dễ dàng cho quá trình nấu luyện song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao.

• Tính đúc không cao do độ co ngót lớn, lên tới 6%.

• Cơ tính thấp (σ

  b

  = 6Kg/mm

  2

  , HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp.

• Sức bền của nhôm tinh khiết là 7-11 MPa, trong khi hợp kim nhôm có độ bền từ 200 MPa đến 600 MPa.

1.3 Ký hiệu vật liệu nhôm

TCVN 1659-75 quy định ký hiệu nhôm bằng chữ Al và số chỉ % của nhôm, ví dụ Al99, Al99,5.

Theo tiêu chuẩn  AA (Aluminium Association) của Mỹ. Nhôm nguyên chất được ký hiệu AA 1xxx, ký tự X đầu tiên chỉ biến thể so với hợp kim gốc, 2 ký tự cuối thể hiện thành phần % tối thiểu của nhôm trên 99%. Ví dụ AA 1350 có 99,50% là nhôm nguyên chất.

Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng chữ A và số tiếp theo chỉ mức độ sạch. Ví dụ A999 có 99,999% Al; Al995 có 99,995% Al.

2. Hợp kim nhôm là gì?

Nhôm hợp kim gồm nguyên tố nhôm kết hợp với một hay nhiều nguyên tố khác như đồng, magie, mangan, silic, thiếc,… với thành phần và tỷ lệ khác nhau, nhằm tạo ra vật liệu nhôm hợp kim có tính chất như mong muốn, chẳng hạn cứng hơn, bền hơn, dẻo dai hơn, chống ăn mòn tốt hơn, dẫn nhiệt cao hơn… để đáp ứng cho những yêu cầu gia công, sản xuất khác nhau. Ví dụ hợp kim nhôm và đồng có tính gia công cao, nhôm và mangan có tính chống ăn mòn cao, nhôm và magie có tính đàn hồi cao.

3. Phân loại hợp kim nhôm

Căn cứ vào phương thức chế tạo và sử dụng, nhôm hợp kim thường được chia thành hai nhóm chính là hợp kim nhôm rèn (Wrought aluminum alloy), và hợp kim nhôm đúc (Cast Aluminum alloy).

Hợp kim nhôm rèn được chế tạo bằng cách nấu chảy nhôm thỏi cùng cái nguyên tố hợp kim, sau khi đúc thành các tấm lớn thì chúng sẽ được cán, rèn hoặc kép thành các phôi có hình dạng khác nhau. Còn đối với hợp kim nhôm đúc thì được chế tạo bằng cách nung chảy quặng bô-xít trong lò, sau đó nhôm nguyên chất được tách ra và rót vào khuôn đúc cùng các nguyên tố hợp kim để tạo phôi đúc mong muốn.

Hợp kim nhôm đúc thường chứa nhiều nguyên tố hợp kim hơn, nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, độ bền cũng thấp hơn so với nhôm rèn do không loại bỏ được hết khuyết tật khi đúc. Do vậy mà có khoảng 85% hợp kim được sử dụng trong thực tế là hợp kim nhôm rèn.

3.1 Hợp kim nhôm rèn

Tùy vào cách chế tạo, phôi nhôm hợp kim rèn có thể có những hình dạng khác nhau như phôi dạng tấm, dạng cuộn, dây hoặc thanh… 

Đối với hợp kim nhôm rèn, tùy vào thành phần nguyên tố hợp kim mà chia thành 7 nhóm chính và một nhóm đặc biệt, được ký hiệu như sau:

• 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 hợp kim khác

Trong đó ba ký tự xxx thì ký tự đầu tiên chỉ biến thể so với hợp kim gốc, hai ký tự cuối chỉ số hợp kim.

Ví dụ: Nhôm AA 5052 thuộc nhóm 5, hợp kim Nhôm – Magie (Al/Mg), phiên bản gốc (0), có số hợp kim là 52. Nhôm 5152 là phiên bản biến thể thứ nhất của nhôm 5052. Tính chất của hợp kim nhôm AA 5052 là có tính hàn tốt, dễ định hình, dễ làm lạnh, có khả năng chống ăn mòn rất tốt.

Trong đó nhóm 2, 6, 7, 8 là các nhóm có thể nhiệt luyện (heat-treatable) để cải thiện một số cơ tính, còn các nhóm 1, 3, 4, 5 thì không có khả năng nhiệt luyện (Nonheat-treatable). 

3.2 Hợp kim nhôm đúc

Quá trình đúc nhôm có thể thực hiện trong khuôn cát, đúc áp lực hoặc khuôn mẫu chảy. Hợp kim khuôn đúc bao gồm 7 nhóm, và được ký hiệu như dưới đây:

• 1xx.x: Nhôm sạch dạng thỏi hoặc dạng thương phẩm khác.

• 2xx.x: Al-Cu

• 3xx.x: Al-Si-Mg; Al-Si-Cu

• 4xx.x: Al-Si

• 5xx.x: Al-Mg

• 7xx.x: Al-Zn

• 8xx.x: Al-Sn

(Loại đúc không có 6xx.x)

Trong ba ký tự xxx thì 2 ký tự x đầu tiên là nhóm hợp kim, ký tự x cuối cùng chỉ đúc cuối cùng (.0) hoặc đúc dạng thỏi (.1 or .2) phụ thuộc vào độ tinh khiết.

Ví dụ: nhôm A356.0, thì ký tự “A” thể hiện đây là phiên bản có sửa đổi của nhôm 356.0. Số “3” chỉ đây là nhóm A3xx.x là hợp kim nhôm + Đồng và/hoặc Magie. Ký tự “56” chỉ tên nhóm trong nhóm hợp kim 3xx.x. Và ký tự “.0” chỉ phôi cuối cùng là dạng phôi đúc chứ không phải là dạng thỏi/thanh.

Tương tự hợp kim nhôm rèn thì hợp kim nhôm đúc cũng được chia thành 2 nhóm là không thể nhiệt luyện (gồm nhóm 2, 3, 4 và 7) và nhóm có thể nhiệt luyện (gồm nhóm 1, 5, 8, 9).

4. Đặc tính của các nguyên tố hợp kim

Để cải thiện tính chất cơ học của hợp kim nhôm thì những nguyên tố cơ bản gồm Cu, Si, Mn, Mg và Zn thường được sử dụng. Đối với mỗi nguyên tố sẽ mang đến những tính chất như sau cho hợp kim nhôm:

• Đồng (Cu): Cải thiện độ bền và khả năng tạo hình.

• Silic (Si): Giảm nhiệt độ nóng chảy, tăng độ chảy loãng, cải thiện tính đúc.

• Mangan (Mn): Tăng độ bền và độ dẻo dai.

• Magie (Mg): Cải thiện độ bền, và khả năng chống ăn mòn.

• Mg/Si: Tăng độ bền, tính tạo hình và khả năng kéo.

• Kẽm (Zn): khi kết hợp với Mg và Cu sẽ giúp cải thiện độ bền.

Ngoài ra, một số nguyên tố khác như: Cr, Zr, V, Ni, Ti, Sc giúp làm mịn tổ chức hạt. Nguyên tố Fe giúp giảm ứng suất dư. Nguyên tố: Se, Bi, Pb, Sn: Cải thiện khả năng gia công cơ khí nhưng giảm tính hàn.

5. Các ứng dụng của hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, công nghiệp, xây dựng. Có thể kể đến những ứng dụng của nhôm như sau:

• Do chống mài mòn tốt nên nhôm thường được sử dụng để sản xuất những bộ phận trong ngành công nghiệp tàu biển như ống thủy lực và các phụ kiện tiếp xúc dưới biển hay những bộ phận cho ngành dầu khí.

• Nhôm cũng được ứng dụng nhiều trong ngành giao thông, vận tải khi được sử dụng để chế tạo phụ tùng ô tô, xe máy và nhiều phương tiện khác.

• Nhôm được sử dụng trong hàng không, vũ trụ nhờ trọng lượng nhẹ, độ bền và tính thẩm mỹ.

• Trong ngành cơ khí, cùng với thép thì nhôm cũng là vật liệu được sử dụng rất phổ biến để chế tạo các bộ phận, chi tiết cho máy móc, thiết bị.

• Nhôm cũng được ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng như cửa, cổng, cầu thang,… hay sản xuất các thiết bị sử dụng trong gia đình như đồ bếp, các loại máy móc, thiết bị cho gia đình.

Ngoài ra còn rất nhiều những lĩnh vực khác có sử dụng đến vật liệu hợp kim nhôm. Trong gia công cơ khí chính xác, để gia công cắt gọt hợp kim nhôm, người ta cần những dụng cụ cắt (như dao tiện, dao phay, khoan…) được thiết kế với vật liệu, cấu tạo, hình dạng mang những đặc trưng riêng để phù hợp với cơ tính của nhôm.

Nếu các bạn đang cần tim những dụng cụ cắt để gia công vật liệu hợp kim nhôm cũng như nhiều vật liệu khác, các bạn có thể liên hệ ngay với Tinh Hà để được tư vấn, hỗ trợ thêm. Chúng tôi cung cấp đa dạng các dụng cụ cắt gọt đáp ứng cho nhiều loại vật liệu gia công khác nhau.