BÀI TẬP VẬT LIỆU KỸ THUẬT Đề tài: Nhôm và hợp kim của nhôm

loại nhôm được nhà hóa học người Anh – David phát hiện vào năm 1825. Đến nay, nhôm đã bước vào từng ngõ ngách trong cuộc sống thường ngày của mỗi chúng ta. Nhôm là một kim loại nhẹ và cứng. Cũng bởi vì đặc tính độc đáo của nhôm, từ việc bền bỉ, dẻo dai, chịu nhiệt tốt, dẫn điện tốt, chống bị ăn mòn; hơn nữa, nhôm có khả năng tái sử dụng 100%, chính vì vậy từ việc chế tạo những thứ rất nhỏ như bóng đèn đến những thứ to lớn hơn như máy bay, ta đều có thể thấy sự xuất hiện của nhôm. Nhôm được coi là kim loại dùng phổ biến nhất. Lấy việc tiêu thụ khối lượng để so sánh, nhôm đã vượt xa thép, đồng, kẽm, và sử dụng nhiều nhất ở ngành xây dựng kiến trúc và ngành vận tải. Nếu nói rằng nhôm là kim loại phát triển song song cùng với tương lai loài người thì cũng không hề sai. Cùng với sự phát triển dân số, thì tự nhiên nhu cầu về đường xá giao thông, về kiến trúc cũng tăng lên, nhu cầu về máy bay và phương tiện xe cộ cũng phải tăng lên theo nhu cầu của khách, và tất nhiên Nhôm sẽ gánh vác trách nhiệm này. Ngoài ra, nhôm cũng giúp nâng cao sự an toàn cho môi trường và giảm nguy cơ biến đổi khí hậu. Sản xuất nhôm là một trong những quy trình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

&&& -BÀI TẬP

VẬT LIỆU KỸ THUẬT

Kỳ 2, năm học 2016-2017

Đề tài: Nhôm và hợp kim của nhôm

Lời mở đầu

- Nhôm được gọi là “ Kim loại trẻ”, theo như ghi chép trong ngành hóa học thế giới, kim loại nhôm được nhà hóa học người Anh – David phát hiện vào năm 1825 Đến nay, nhôm đã bước vào từng ngõ ngách trong cuộc sống thường ngày của mỗi chúng ta.

- Nhôm là một kim loại nhẹ và cứng Cũng bởi vì đặc tính độc đáo của nhôm, từ việc bền bỉ, dẻo dai, chịu nhiệt tốt, dẫn điện tốt, chống bị ăn mòn; hơn nữa, nhôm có khả năng tái sử dụng 100%, chính vì vậy từ việc chế tạo những thứ rất nhỏ như bóng đèn đến những thứ to lớn hơn như máy bay, ta đều có thể thấy sự xuất hiện của nhôm.

- Nhôm được coi là kim loại dùng phổ biến nhất Lấy việc tiêu thụ khối lượng để so sánh, nhôm đã vượt xa thép, đồng, kẽm, và sử dụng nhiều nhất ở ngành xây dựng kiến trúc và ngành vận tải Nếu nói rằng nhôm là kim loại phát triển song song cùng với tương lai loài người thì cũng không hề sai Cùng với sự phát triển dân số, thì tự nhiên nhu cầu về đường xá giao thông, về kiến trúc cũng tăng lên, nhu cầu về máy bay và phương tiện xe cộ cũng phải tăng lên theo nhu cầu của khách, và tất nhiên Nhôm sẽ gánh vác trách nhiệm này.

- Ngoài ra, nhôm cũng giúp nâng cao sự an toàn cho môi trường và giảm nguy cơ biến đổi khí hậu Sản xuất nhôm là một trong những quy trình sản xuất thân thiện với môi trường trong ngành khai thác khoáng sản và kim loại hiện nay, hơn nữa nhôm có khả năng được tái chế sử dụng mà không hề mất đi đặc tính vốn có của nó Ngoài ra, nhôm cũng thích hợp để sản xuất các loại phương tiện giao thông và các tòa nhà kiến trúc đảm bảo thân thiện với môi trường.

Hình 1: Ứng dụng của nhôm và hợp kim của nhôm

Nhôm ( bắt nguồn từ tiếng Pháp: aluminium) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học có kí hiệu Al và số nguyên tử bằng 13 Nguyên tử khối bằng 27đvC Khối lượng riêng là 2,7g/cm 3 Nhiệt độ nóng chảy là

660 0 C Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ ba ( sau oxy và silic ), và là kim loại phổ

biến nhất trong vỏ trái đất Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của trái đất Kim loại nhôm hiếm phản ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các môi trường khử cực mạnh Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau Quặng chính chứa nhôm là bô xít Nhôm có điểm đáng chú ý của một kim loại có tỷ trọng thấp và có khả năng chống ăn mòn hiện tượng thụ động Các thành phần cấu trúc được làm từ nhôm và hợp kim của nó là rất quan trọng cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và rất quan trọng trong các lĩnh vực khác của giao thông vận tải và vật liệu cấu trúc Các hợp chất hữu ích nhất của nhôm là các ôxit và sunfat.

Mặc dù nó có mặt phổ biến trong môi trường nhưng các muối nhôm không được bất kỳ dạng sống nào sử dụng Với sự phổ biến của nó, nhôm được dung nạp tốt bởi thực vật và động vật.

1. Thuộc tính

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; nó rất mềm ( chỉ sau vàng ), dễ uốn ( đứng thứ sáu ) và dễ gia công trên máy móc hay đúc; nó có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxit bảo vệ Nó cũng không nhiễm từ và không cháy khi để ngoài không khí ở điều kiện thông thường.

Sức bền của nhôm tinh khiết là 7-11 Mpa, trong khi hợp kim nhôm có độ bền từ

200 Mpa đến 600Mpa Các nguyên tử nhôm sắp xếp thành một cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) Nhôm có năng lượng xếp lỗi vào khoảng 200mJ/m 2 Nhôm phản ứng với nước tạo ra hydro và năng lượng:

2Al + 6H 2 O 2Al(OH) 3 +3H 2

Tính chất này có thể dùng để sản xuất hydro, tuy nhiên phản ứng này mau chóng dừng lại vì tạo lớp kết tủa keo lắng xuống, ngăn cản phản ứng này xảy ra Khi ngâm trong dung dịch kiềm đặc, lớp màng này sẽ bị phá hủy theo phản ứng:

Al(OH) 3 + NaCl NaAlO 2 + 2H 2 O

Tiếp tục Al lại tác dụng với nước như phản ứng trên Qúa trình này lại diễn

ra cho đến khi Al không bị hòa tan hết.

2. Đồng vị

Nhôm có 9 đồng vị, số Z của chúng từ 23 đến 30 Chỉ có Al-27 (đồng vị ổn định) và Al-26 (đồng vị phóng xạ, t 1/2 =7,2*10 5 năm) tìm thấy trong tự nhiên, tuy nhiên Al-27 có sự phổ biến trong tự nhiên là 100% Al-26 được sản xuất từ agon trong khí quyển do va chạm sinh ra bởi các tia vũ trụ proton Các đồng vị của nhôm có ứng dụng thực tế trong việc tính tuổi các trầm tích dưới biển, các vết mangan, nước đóng băng, thạch anh trong đá lộ thiên, và các thiên thạch Tỷ lệ của Al-26 trên beryli-10 được sử dụng để nghiên cứu vai trò của việc chuyển hóa, lắng đọng, lưu trữ trầm tích, thời gian cháy và sự xói mòn trong thang độ thời gian 105 đến 106 năm (về sai số).

Al-26 nguồn gốc vũ trụ đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu mặt trăng và các thiên thạch Các thành phần của thiên thạch, sau khi thoát khỏi nguồn gốc của chúng, trong khi chu du trong không gian bị tấn công bởi các tia vũ trụ, sinh

ra các nguyên tử Al-26 Sau khi rơi xuống trái đất, tấm chắn khí quyển đã bảo vệ

cho các phần tử này không sinh ra thêm Al-26, và sự phân rã của nó có thể sử dụng để xác định tuổi trên trái đất của các thiên thạch này Các nghiên cứu về thiên thạch cho thấy Al-26 là tương đối phổ biến trong thời gian hình thành hệ hành tinh của chúng ta Có thể là năng lượng được giải phóng bởi sự phân rã Al-26 có liên quan đến sự nấu chảy lại và sự sai biệt của một số tiểu hành tinh khi chúng hình thành cách đây 4,55 tỷ năm.

3. Sự phổ biến, điều chế

Đồng vị bền của nhôm được tạo ra khi hydro hợp hạch với magie hoặc trong các sao lớn hoặc các vụ nổ siêu tân tinh.

Mặc dù nhôm là nguyên tố phổ biến trong vỏ trái đất (8,3% theo khối lượng), nó lại hiếm trong dạng tự do và đã từng được cho là kim loại quý có giá trị hơn vàng ( người ta nói rằng Napoleon III của Pháp có các bộ đồ ăn bằng nhôm dự phòng cho những người khách quý nhất của ông Những người khách khác chỉ có bộ đồ ăn bằng vàng) Vì thế nhôm là kim loại tương đối mới trong công nghiệp và được sản xuất với số lượng công nghiệp chỉ khoảng trên 100 năm.

Nhôm khi mới được phát hiện là cực kì khó tách ra khỏi các loại đá có chứa

nó Vì toàn bộ nhôm của trái đất tồn tại dưới dạng các hợp chất nên nó là kim loại khó nhận được nhất Lý do là nhôm bị ôxy hóa rất nhanh và ôxit nhôm là một hợp chất cực kỳ bền vững, không giống như gỉ sắt, nó không bị bong ra.

Hình 2 : Quặng bauxite chứa nhôm

Sự tái chế nhôm từ các phế thải đã trở thành một trong những thành phần quan trọng của công nghiệp luyện nhôm Việc tái chế đơn giản là nấu chảy kim loại, nó rẻ hơn rất nhiều so với sản xuất từ quặng Việc tinh chế nhôm tiêu hao nhiều điện năng; việc tái chế chỉ tiêu hao khoảng 5% năng lượng để sản xuất ra

nó trên cùng một khối lượng sản phẩm Mặc dù cho đến đầu thập niên 1900, việc tái chế nhôm không còn là một lĩnh vực mới Tuy nhiên, nó là lĩnh vực hoạt động trầm lắng cho đến tận những năm cuối thập niên 1960 khi sự bùng nổ của việc sử dụng nhôm để làm vỏ của các loại đồ uống, kể từ đó việc tái chế nhôm được đưa vào trong tầm chú ý của cộng đồng Các nguồn tái chế nhôm bao gồm

ô tô cũ, cửa và cửa sổ nhôm cũ, các thiết bị gia đình cũ, conteno và các sản phẩm khác.

Hình 3 : Quy trình ép nhôm Nhôm là một kim loại hoạt động và rất khó phân lập nó ra từ quặng, ôxit nhôm (Al 2 O 3 ) Việc khử trực tiếp, ví dụ với cacbon, là không kinh tế vì ôxit nhôm

có điểm nóng chảy cao ( khoảng 2000 0 C) Vì thế, nó được tách ra bằng cách điện phân – ôxit nhôm được hòa tan trong cryolit nóng chảy và sau đó bị khử bởi dòng điện thành nhôm kim loại Theo công nghệ này, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp chỉ còn khoảng 950-980 0 C Phương trình để điều chế nhôm là:

2Al 2 O 3 4Al + 3O 2

Hình 4 : Điều chế nhôm

Cryolit nguyên thủy được tìm thấy như một khoáng chất ở Greenland, nhưng sau đó được thay thế bằng cryolit tổng hợp Cryolit là hỗn hợp của các florua nhôm, natri và canxi (Na 3 AlF 6 ) Ôxit nhôm trong dạng bột màu trắng thu được từ quặng bôxit tinh chế, quặng này có màu đỏ vì chứa khoảng 30-40% ôxit sắt Nó được tinh chế theo công nghệ Bayer Trước khi có công nghệ này, công nghệ được sử dụng là công nghệ Deville.

Công nghệ điện phân thay thế cho công nghệ Wohler, là công nghệ khử clorua nhôm khan với kali.

Các điện cực trong điện phân ôxit nhôm làm từ cacbon Khi quặng bị nóng chảy, các ion của nó chuyển động tự do Phản ứng tại catot mang điện âm là:

Al 3+ + 3e - Al

Ở đây các ion nhôm bị biến đổi (nhận thêm điện tử) Nhôm kim loại sau đó chìm xuống và được đưa ra khỏi lò điện phân.

Tại cực dương (anode) ôxy dạng khí được tạo thành:

2O 2- + C O 2 +4e

Cực dương cacbon bị ôxy hóa bởi oxy Cực dương bị hao mòn dần và phải được thay thế thường xuyên, do nó bị tiêu hao do phản ứng:

O 2 + C CO 2

Ngược lại với anode, các catot gần như không bị tiêu hao trong quá trình điện phân do không có ôxy ở gần nó Catot cacbon đượ bảo vệ bởi nhôm trong

lò Các catot bị ăn mòn chủ yếu là do các phản ứng điện hóa Sa 5-10 năm, phụ thuộc vào dòng điện sử dụng trong quá trình điện phân, các lò điện phân cần phải sửa chữa toàn bộ do các catot đã bị ăn mòn hoàn toàn.

Điện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Heroult tiêu hao nhiều điện năng, nhưng các công nghệ khác luôn luôn có khuyết điểm về mặt kinh tế hay môi trường hơn công nghệ này Tiêu chuẩn tiêu hao năng lượng phổ biến là khoảng 14,5-15,5 kWh/kg nhôm được sản xuất Các lò hiện đại có mức tiêu thụ điện năng khoảng 12,8kWh/kg Dòng điện để thực hiện công việc điện phân này đối với các công nghệ cũ là 100.000-200.000 A Các lò hiện nay làm việc với cường

độ dòng điện khoảng 350.000 A Các lò thử nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 A.

Năng lượng điện chiếm khoảng 20-40% trong giá thành của sản xuất nhôm, phụ thuộc vào nới đặt lò nhôm Các lò luyện nhôm có xu hướng được đặt ở những khu vực mà nguồn điện cung cấp dồi dào với giá điện rẻ như Nam Phi, đảo miền nam New Zealand, Úc, Trung Quốc, Trung Đông, Nga và Quebec ở Canada.

4. Ứng dụng

Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt qua tất cả các kim loại khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp , nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng, kẽm, magie, mangan và silic Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể.

Hình 5 : Một số ứng dụng của nhôm

Hình 6: Một số ứng dụng của nhôm

+ Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng.

+ Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxit nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy tinh Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương + Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức

xạ điện từ của mặt trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp.

+ Các hàng tiêu dùng có độ bền cao.

+ Các đường dây tải điện ( mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nhưng nhẹ hơn về khối lượng và giá thành rẻ hơn ).

+ Chế tạo máy móc.

+ Nhôm tinh khiết ( SPA ) chứa 99,980%- 99,999% nhôm được sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD.

+ Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ- khi khô

đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt

+ Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất

từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao.

+ Sự ôxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhôm và các thành phần của pháo hoa.

+ Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao ( như crom, vonfram, ).

5. Hạn chế

Nhôm là một trong ít các nguyên tố phổ biến nhất mà không có chức năng

có ích nào cho các cơ thể sống, nhưng có một số người bị dị ứng với nó – họ bị các chứng viêm da do tiếp xúc với các dạng khác nhau của nhôm: các vết ngứa

do sử dụng các chất làm se da hay hút mồ hôi (phấn rôm), các rối loạn tiêu hóa

và giảm hay mất khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng từ thức ăn nấu trong các nồi nhôm, nôn mửa hay các triệu chứng khác của ngộ độc nhôm do ăn uống các sản phẩm như Kaopectate (thuốc chống tiêu chảy), Amphojel và Maalox (thuốc chống chua) Đối với những người khác, nhôm không bị coi là chất độc như các kim loại nặng, nhưng có dấu hiệu của ngộ độc nếu nó được hấp thụ nhiều, mặc dù việc sử dụng các đồ nhà bếp bằng nhôm (phổ biến do khả năng chống ăn mòn và dẫn nhiệt tốt) nói chung chưa cho thấy dẫn đến tình trạng ngộ độc nhôm Việc tiêu thụ qua nhiều các thuốc chống chua chứa các hợp chất nhôm và việc sử dụng quá nhiều các chất hút mồ hôi chứa nhôm có lẽ là nguồn duy nhất sinh ra sự ngộ độc nhôm Người ta cho rằng nhôm có liên quan đến bệnh Alzheimer, mặc dù các nghiên cứu gần đây đã bị bác bỏ.

Cần cẩn thận để không cho nhôm tiếp xúc với một số chất hóa học nào đó có khả năng ăn mòn nó rất nhanh Ví dụ, chỉ một lượng nhỏ thủy ngân tiếp xúc với

bề mặt của miếng nhôm có thể phá hủy lớp ôxit nhôm bảo vệ thông thường có trên bề mặt các tấm nhôm Trong vài giờ, thậm chí cả một cái xà có cấu trúc nặng nề có thể bị làm yếu đi một cách rõ rệt Vì lý do này, các loại nhiệt kế thủy ngân không được phép trong nhiều sân bay và hãng hàng không, vì nhôm là thành phần cấu trúc cơ bản của các máy bay.

B. Hợp kim của nhôm

1. Tính chất

Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm 3 ) nên hợp kim nhôm chỉ nặng bằng 1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt được chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú trọng đến trọng lượng (trong ngành hàng không, vận tải ).

Tính chống ăn mòn trong khí quyển: do đặc tính ôxy hóa của nó đã biến lớp

bề mặt của nhôm thành ôxit nhôm (Al 2 O 3 ) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo

vệ Để tăng tính chống ăn mòn, người ta đã làm cho lớp ôxit nhôm bảo vệ dày thêm bằng cách anode hóa.

Tính dẫn điện: tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng, nhưnng do nhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2 ; ít bị nung nóng hơn

Tính dẻo: rất dẻo, nên thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng, màng,

ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt( dung cho khung cửa, các loại tan nhiệt rất thuận tiện cho sản xuất).

Nhiệt độ nóng chảy: tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn 300-400 0 C.

Độ bền, độ cứng: thấp.

2. Phân loại

a) Hợp kim nhôm biến dạng

Được chia làm hai loại là hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện.

Hi Hình 7: Góc nhôm của giản đồ pha Al – nguyên tố hợp kim

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

+ Gồm các hợp kim có thành phần nằm bên phải điểm D, 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.

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

+ Gồm các hợp kim có thành phần nằm bên trái điểm D.

+ Các hợp kim này 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 nhất bằng biến dạng nguội.

- Có một số ứng dụng sau:

Nhôm thương phẩm (>99,0%):

+Dùng trong công nghiệp hóa 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 Hợp kim Al-Mn

Hợp kim Al-Mg

b) Hợp kim nhôm đúc

+ Gồm các hợp kim chứa khá nhiều nguyên tố hợp kim, có thành phần nằm bên phải điểm C Các hợp kim này có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, có tổ chức cùng tinh 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.