Khác với sắt có lịch sử hàng nghìn năm, nhôm mới có lịch sử khoảng trên dưới một thế kỷ nay, nhưng có tiền đồ hết sức to lớn vì trữ lượng của nó lớn (gần gấp 2 lần sắt), nhẹ (gần gấp 3 lần sắt), tương đối bền (hợp kim nhôm siêu bền có giới hạn bền không kém thép cacbon kết cấu) và tính chống ăn mòn cao (cao hơn sắt nhiều).
Đặc tính của nhôm
Khác với sắt, nhôm là kim loại không có chuyển biến thù hình, nó chỉ có một kiểu cấu trúc mạng tinh thể là lập phương diện tâm với thông số mạng a = 4,04 đường kính nguyên tử 2,86
Nhôm có các đặc tính sau đây:
Khối lượng riêng nhỏ (g = 2,7g/cm3) nên được dùng rộng rãi trong chế tạo máy bay.
Tính chống ăn mòn cao: Nhôm nguyên chất với độ sạch cao có tính chống ăn mòn hoá học và cả điện hoá rất cao, do có ái lực mạnh với oxi nên bề mặt của nó luôn luôn có lớp màng oxit Al2O3 mỏng và rất xít chặt, có tính bảo vệ cao. Độ sạch của nhôm càng thấp, tính chống ăn mòn của nó càng kém.
Tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao: Độ dẫn điện của nhôm khá cao (r = 2,62.10-6 W.cm) bằng 60% của đồng, lại cộng thêm với đặc tính nhẹ, nên với cùng trọng lượng như nhau, nhôm dẫn điện tốt hơn đồng. Trong kỹ thuật điện đã dùng khá nhiều dây dẫn điện bằng nhôm. Độ dẫn nhiệt của nhôm là 0,3426 cal/cm.s.0C cao hơn sắt và thép.
Nhiệt độ chảy thấp (6600C) có thể làm dễ dàng cho quá trình nấu luyện, song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao. Ẩn nhiệt kết tinh và nóng chảy của nhôm lớn, do vậy các vật đúc nhôm nguội chậm ở trạng thái lỏng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến tính tinh luyện. Tuy nhiên tính đúc của nó không cao do độ co ngót lớn (tới 6%).
Độ bền tương đối thấp: Nhôm với độ sạch cao sau khi cán và ủ có sb = 60N/mm2; s0,2 = 20N/mm2, độ cứng 25HB tức là chỉ bằng 1/4 đến 1/6 của sắt, vì vậy hầu như không dùng nhôm nguyên chất làm các chi tiết máy. Trong máy móc thường dùng các hợp kim nhôm có độ bền cao hơn rõ rệt.
Tính dẻo cao: Nhôm nguyên chất rất dẻo, y = 85%, d = 40% cho nên rất dễ biến dạng ở trạng thái nguội và ở trạng thái nóng. Tính gia công cắt của nhôm thấp.
Giới thiệu về nhóm hợp kim nhôm
Nhờ độ bền cao hơn, trong chế tạo máy người ta dùng nhôm ở trạng thái hợp kim.
Theo công nghệ chế tạo người ta chia các hợp kim nhôm ra các loại: đúc, biến dạng và thiêu kết.
Hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng đều được chế tạo ra bằng cách nấu chảy. Căn cứ để phân biệt ranh giới giữa hai loại đó trong một hệ hợp kim đã cho là giản đồ trạng thái nhôm – nguyên tố hợp kim.
Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim nhôm có thành phần nguyên tố hợp kim nằm ở trong giới hạn của dung dịch rắn. Trong khoảng thành phần của hợp kim nhôm biến dạng lại được chia ra hai phân nhóm: hoá bền được bằng nhiệt luyện và không hoá bền được bằng nhiệt luyện.
Hợp kim nhôm đúc là hợp kim nhôm với thành phần nguyên tố hợp kim sao cho trong tổ chức của nó chứa chủ yếu là cùng tinh có tính đúc cao. Có nhận xét là, hợp kim nhôm đúc chứa lượng nguyên tố hợp kim cao hơn so với hợp kim nhôm biến dạng.
Hợp kim nhôm thiêu kết là loại hợp kim nhôm được chế tạo từ nguyên tố ban đầu là bột quá ép và thiêu kết.
Phân loại hợp kim nhôm
Các hợp kim có tên gọi chung, nhưng chúng có thể được xác định bằng cách sử dụng một số có bốn chữ số. Chữ số đầu tiên của số xác định lớp hoặc chuỗi hợp kim.
1xxx – Nhôm nguyên chất, hợp kim 1xxx được làm bằng nhôm tinh khiết 99% hoặc cao hơn.
2xxx – Phần tử hợp kim chính trong chuỗi 2xxx là đồng. Các hợp kim này mạnh và cứng, nhưng không chống ăn mòn như các hợp kim nhôm khác, vì vậy chúng thường được sơn hoặc phủ để sử dụng. Hợp kim máy bay phổ biến nhất là 2024.
3xxx – Nguyên tố hợp kim chính trong loạt bài này là mangan, thường là với một lượng magiê nhỏ hơn. Các hợp kim phổ biến nhất từ loạt bài này là 3003, được sử dụng để chế tạo dụng cụ nấu ăn. Hợp kim 3004 là một trong những hợp kim được sử dụng để sản xuất lon nhôm cho đồ uống.
4xxx – Silicon được thêm vào nhôm để tạo ra các hợp kim 4xxx. Điều này làm giảm điểm nóng chảy của kim loại mà không làm cho nó giòn. Phổ biến là hợp kim 4043.
5xxx – Nguyên tố hợp kim chính trong chuỗi 5xxx là magiê. Các hợp kim này mạnh mẽ, chống ăn mòn biển. Các hợp kim 5xxx được sử dụng để chế tạo bình chịu áp lực và bể chứa và cho các ứng dụng hàng hải khác nhau. Hợp kim 5182 được sử dụng để làm cho nắp lon nước giải khát bằng nhôm. Vì vậy, lon nhôm thực sự bao gồm ít nhất hai hợp kim!
6xxx – Silicon và magiê có mặt trong hợp kim 6xxx. Chống ăn mòn tốt và sức mạnh vừa phải. Các hợp kim phổ biến nhất trong loạt bài này là 6061, được sử dụng để làm khung xe tải và thuyền. Các sản phẩm đùn từ dòng 6xxx được sử dụng trong kiến trúc và để làm cho iPhone 6.
7xxx – Kẽm là nguyên tố hợp kim chính trong chuỗi bắt đầu với số 7. Hợp kim thu được có khả năng xử lý nhiệt và rất mạnh. Các hợp kim quan trọng là 7050 và 7075, cả hai đều được sử dụng để chế tạo máy bay.
