BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ VIỆT DŨNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM CHỊU
MÀI MỊN HỆ KẼM – NHƠM ( SAM 15) CHO SẢN XUẤT
BẠC LÓT TRỤC CÁN

Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật vật liệu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. DƯƠNG NGỌC BÌNH

HÀ NỘI - 2014


LỜI CẢM ƠN

Trải qua gần 2 năm được giao nhiệm vụ, cho đến nay, các nghiên cứu của
tôi đã cơ bản hoàn thành và đạt được một số thành quả nhất định.
Để có thể hồn thành được nhiệm vụ được giao cho, tơi đã nhận được sự
giúp đỡ tận tình của rất nhiều thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp cũng như sự động
viên quý báu của gia đình cùng người thân.
Cho phép tơi được tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô tại Bộ môn Vật
liệu kim loại màu và composite,các thày cô ở học viện Khoa học và kỹ thuật vật
liệu cùng Viện đào tạo sau đại học – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp
đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận án.

Đồng thời, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ban lãnh đạo
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim và phịng Thí nghiệm Cơng nghệ
và các Hợp kim đúc, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện để giúp tơi hồn thành
nhiệm vụ. Đặc biệt, cho tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc
đếnTS.Dương Ngọc Bình, là người hướng dẫn trực tiếp, đã tận tình hướng dẫn,
và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập cũng như thời gian thực hiện luận án.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã ở bên tôi trong suốt thời gian qua!
Hà Nội, ngày 05 tháng 09 năm 2014
Tác giả

Lê Việt Dũng.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 2
MỤC LỤC ........................................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... 6
Chương 1 ............................................................................................................. 1
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu chung. .......................................................................................... 1
1.2 Đối tượng nghiên cứu. ................................................................................. 5
Chương 2 ............................................................................................................. 7
TỔNG QUAN ..................................................................................................... 7
2.1 Hợp kim chịu mài mịn để chế tạo bạc lót ................................................... 7
2.1.1. Hợp kim trên cơ sở thiếc và chì. ........................................................... 7
2.1.2. Hợp kim trên cơ sở đồng. ................................................................... 8
2.1.3. Hợp kim trên cơ sở kẽm...................................................................... 9
2.2. Hợp kim kẽm chịu mài mòn. .................................................................. 10
2.2.1. Hợp kim kẽm nhôm. ............................................................................ 10
2.2.2. Hợp kim kẽm nhôm đồng. ................................................................... 11

2.2.3. Hợp kim kẽm nhôm magie................................................................... 12
2.2.4. Hợp kim chịu mài mịn hệ kẽm nhơm ЦAM 15 ( SAM 15). ................ 12
2.3 Công nghệ chế tạo hợp kim kẽm chịu mài mịn SAM 15.......................... 14
2.3.1. Cơng nghệ nấu luyện hợp kim kẽm. .................................................... 14
2.3.2. Công nghệ đúc. ................................................................................... 16
2.4.3. Nhiệt luyện. ......................................................................................... 18
2.4.4. Một số tính chất của hợp kim SAM 15. ............................................ 21
Chương 3 ........................................................................................................... 22
THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 22
3.1 Vật liệu thí nghiệm:.................................................................................... 22
3.2 Thiết bị thí nghiệm. ................................................................................... 22
3.3. Cơng nghệ nấu luyện................................................................................. 25
3.4 Cơng nghệ chế tạo bạc lót từ hợp kim SAM 15. ....................................... 28
3.5 Cơng tác phân tích...................................................................................... 31


3.6. Sơ đồ công nghệ dự kiến........................................................................... 31
Chương 4 ........................................................................................................... 32
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................... 32
4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện. ......................................................... 32
4.2 Ảnh hưởng của thời gian nấu luyện. .......................................................... 34
4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ rót và thời gian rót. ............................................ 40
4.6 Tổng hợp kết quả nghiên cứu công nghệ đúc. .......................................... 42
4.7. Cơ lý tính của hợp kim SAM 15. .............................................................. 42
4.8. Kết quả đạt được. .................................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: ......................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 52


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Một số bạc lót làm từ hợp kim kẽm nhơm. ........................................... 1
Hình 2.1. Giản đồ pha Zn – Al. ........................................................................... 11
Hình 2.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến độ cứng của kẽm. .................................. 13
Hình 2.3. Lị trung tần 50Kg. .............................................................................. 23
Hình 2.4. Lị trung tần 250 Kg. ........................................................................... 23
Hình 2.5 . Lị nung quy mơ phịng thí nghiệm. ................................................... 24
Hình 2.6. Lị nung quy mơ mở rộng.................................................................... 25
Hình 3.1. Rót hợp kim trung gian Al-Mg 5 ra khn. ........................................ 27
Hình 3.2. Bản vẽ bạc lót trục cán của máy cán 300. ........................................... 28
Hình 3.3. Bản vẽ khn gang đúc bạc lót máy cán 300...................................... 29
Hình 3.4. Ruột khn. ......................................................................................... 30
Hình 3.5. Sơ đồ cơng nghệ dự kiến ..................................................................... 31
Hình 4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện đến hiệu suất thu hồi hợp kim.
............................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 4.2. Ảnh hưởng thời gian nấu đến hiệu suất thu hồi hợp kim. ................... 35
Hình 4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng VZ-DPL đến hiệu suất thu hồi hợp kim. 39
Hình 4.6. Mẫu ủ................................................................................................... 46
Hình 4.7. Tổ chức tế vi của SAM 15: (a),(c) trước khi ủ và (b), (d) sau khi ủ ... 47
Hình 4.8. Sản phẩm bạc lót máy cán 300............................................................ 48


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hóa học và tính chất cơ học của hợp kim kẽm. ................ 3
Bảng 2.1. Những thông số đặc trưng của các nguyên tố tạo hợp kim. ............... 15
Bảng 4.1. Hiệu suất thu hồi các nguyên tố hợp kim.Error!

Bookmark

not


defined.
Bảng 4.2. Hiệu suất thu hồi của các nguyên tố sau thí nghiệm. ......................... 35
Bảng 4.3. Hiệu suất thu hồi của các nguyên tố sau thí nghiệm. ......................... 38
Bảng 4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến chất lượng sản phẩm. ...................... 40
Bảng 3.6. Cơ tính của hợp kim SAM 15 sau khi ủ. ............................................ 46


Chương 1
MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu chung.
Mặc dù hiện nay các hợp kim đồng làm bạc vẫn thống trị trên thế giới
nhưng trong khoảng ba thập kỉ qua ngày càng có nhiều bài báo đến từ nhiều
nước trên thế giới đưa ra các kết quả nghiên cứu thay thế hợp kim đồng làm bạc
bằng hợp kim kẽm nhơm có độ cứng tương đương với các hợp kim đồng, độ
chịu mài mòn có thể so sánh với hợp kim chì hoặc thiếc [1].

Hình 1.1. Một số bạc lót làm từ hợp kim kẽm nhôm.
1


Ý tưởng sử dụng hợp kim kẽm nhôm thay thế cho hợp kim đồng không
phải là mới, từ giai đoạn chiến tranh thế giới thứ hai người Đức đã chế tạo hợp
kim kẽm nhôm (với khoảng 30% Al) để làm bạc lót thay thế cho hợp kim đồng
[2]. Tuy nhiên đến tận những năm 70 và thập niên 80 hợp kim này mới phát
triển mạnh với sự ra đời của tổ chức lớn nhất thế giới chuyên nghiên cứu về hợp
kim kẽm là The International Lead Zinc Research Organization (ILZRO) [3].
Trong nhiều năm gần đây tại các nước Úc, Canada và Châu Âu các hợp kim
kẽm nhôm mà đặc biệt là mác ZA12 và ZA27 được biết đến như những vật liệu
tốt nhất để làm bạc với tuổi thọ làm việc cao có thể tương đương với các mác

Bronze của Mỹ như SAE 660, SAE 64, SAE 40 [4]. Ngay cả Mỹ quốc gia
chuộng sử dụng Bronze nhất trên thế giới cũng đã nhận ra những thế mạnh về
tuổi thọ làm việc cao và khả năng làm việc trong môi trường ít bơi trơn của hợp
kim kẽm nhơm, các mác hợp kim kẽm nhôm Zn-8, Zn-12, Zn- 27 [5] được sử
dụng nhiều và hứa hẹn là vật liệu làm bạc rẻ tiền thay thế Bronze trong một
tương lai không xa.
Tại cộng hòa liên bang Nga một cường quốc về đúc luyện kim của thế
giới hợp kim hợp kim kẽm nhôm được sử dụng làm bạc lót cho các máy cán
thép từ rất sớm . Trong công nghiệp thường sử dụng các mác hợp kim kẽm
nhôm như ЦAM 4-1, ЦAM 2-5, ЦAM 10-2, ЦAM 10-5, ЦAM 15 ( SAM 15)
theo tiêu chuẩn của Nga [6]. Trong đó kẽm nhơm là các ngun tố hợp kim
chính ngồi ra cịn có đồng hoặc magie hoặc cả đồng và magie giúp tăng cơ tính
cho hợp kim.
Các mác hợp kim kẽm nhơm này có cơ tính tương đương các loại bạc trục
chế tạo bằng đồng thanh và có khả năng chịu mài mịn tốt, tuổi thọ làm việc cao
nhưng giá thành các hợp kim kẽm rẻ hơn hợp kim đồng do giá kẽm kim loại chỉ
bằng 25% - 30% giá đồng kim loại, nấu luyện nhiệt độ thấp hơn, chi phí chế tạo
thấp hơn và sản phẩm đúc dễ gia cơng cơ khí hơn so với hợp kim đồng thanh [7].

2


Bảng 1.1. Thành phần hóa học và tính chất cơ học của hợp kim kẽm.
Độ

Thành phần hóa học

dãn
Giới hạn
Mác


hợp

tương

Độ cứng Lĩnh vực

σb,

đối

HB,

KG/mm2

δ,%

KG/mm2

kim
Al Cu

ЦAM 0,2-4

0,
2

4

Mg


-

Zn

Còn

30-36

lại

dài

bền kéo

25

–

30

80-90

ứng dụng

Cho

ép,

cán


kéo

các

chi

tiết

cho

máy

cán

kéo
ЦAM 2-5

2

5

-

ЦAM 4-1

4

1


0.03

ЦAM 10-2

10 2

0.03

ЦAM 10-5

10 5

0.03

ЦAM 15

15 -

0.05

ЦM1

-

-

1

Còn


40

lại
Còn

Còn

Nt

85-95

Nt

95-100

Nt

30 -40

12 -18 95-100

Nt

44 – 58

5–8

105-115

Nt


20

20

50

Nt

35 – 45

lại
Còn
lại
Còn
lại
Còn
lại

3

-

100-105

36 – 40

lại

9,5

11

8 – 10
15
20

–


Bảng 1 nêu ra các mác hợp kim Kẽm – Nhôm theo ГOCT.7117-62 [8].
Cũng trong bảng 1 chỉ ra rằng ЦAM 15 (SAM 15) là mác hợp kim không chứa
đồng duy nhất so với các mác cịn lại và có độ dãn dài tương đối nhỏ nhất
nhưng độ cứng và độ bền kéo cao nhất là các thuộc tính tốt để làm bạc lót cho
các máy cán thép làm việc với tải trọng lớn. Không chỉ ở Nga mà ở nhiều nước
cơng nghiệp trên thế giới như cộng hịa Séc, Nhật Bản sử dụng SAM 15 làm bạc
chịu mài mòn cho trục cán thép. Các máy cán thép loại nhỏ của Nhật tại cơng ty
cổ phần cơ khí Luyện kim – SADAKIM có bạc trục bằng hợp kim kẽm nhơm
SAM 15..
Ở Việt Nam hiện nay, theo thống kê sơ bộ rất nhiều nhà máy cán thép sử
dụng các máy cán thép của Nga, Tiệp Khắc cũ và Nhật có nhu cầu lớn sửa chữa
thay thế bạc lót trục cán bị hỏng, bị mòn hoặc đã hết thời gian làm việc. Giải
pháp thường thấy để thay thế các bạc lót này có thể như là thay thế bằng bạc lót
bằng các mác hợp kim thông thường để làm bạc như hợp kim đồng đúc
Cu15Pb8Sn, Cu6Pb6Sn3Fe, Cu9Al4Fe, Cu11Al4Fe4Ni [9]. Đây là các mác hợp
kim sẵn có trên thị trường trong nước nhưng giá thành cịn cao, hiệu quả làm
việc thấp do khơng phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của các máy cán. Một
số đơn vị tìm cách đặt mua bạc lót bằng mác hợp kim đúng, hoặc tương đương
với các mác hợp kim của bạc lót nguyên bản ban đầu các máy cán ngoại nhập,
trong đó có mác hợp kim chịu mài mịn kẽm nhơm SAM 15 dùng cho các máy
cán thép loại nhỏ của Nhật.

Trong nước chưa có cơng trình nào nghiên cứu hợp kim chịu mài mịn
kẽm nhôm SAM 15. Từ các thông tin ở các nhà máy, xí nghiệp cán thép đặc biệt
là ở khu vực phía Nam nhu cầu sử dụng bạc trục máy cán bằng mác hợp kim
này rất lớn.
Một số doanh nghiệp phải gửi mẫu và đặt mua ở nước ngoài dẫn đến sự
tốn kém về kinh tế và phụ thuộc vào các đối tác bên đó. Nhu cầu thực tế rất cấp
thiết u cầu có cơng nghệ chế tạo mác hợp kim này (nghiên cứu thành phần hóa
học, cơng nghệ đúc, một số tính chất cơ lý như độ dãn dài tương đối, độ co
4


tương đối, độ cứng HB, cấu trúc của kim loại, công nghệ nhiệt luyện..) nhằm
thay thế các sản phẩm ngoại nhập đưa ra được quy trình cơng nghệ sản xuất phù
hợp với điều kiện ở Việt Nam và thân thiện với môi trường, hướng tới mục tiêu
cung cấp cho thị trường trong nước và nhiều hơn cả là thị trường phía Nam.
Cơng ty cổ phần cơ khí luyện kim SADAKIM – Biên Hòa – Đồng Nai đã
gửi mẫu gỗ bạc trục cán và mẫu bạc trục của nước ngoài yêu cầu Viện KH&CN
Mỏ Luyện kim chế tạo cho một bộ bạc trục hợp kim kẽm nhơm.
Với tình hình thực tế nêu trên, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Cơng
Thương do nhóm nghiên cứu đề xuất là rất cấp thiết có tính ứng dụng cao
1.2 Đối tượng nghiên cứu.
Hợp kim chịu mài mịn hệ kẽm nhơm SAM 15 được sử dụng nhiều làm
bạc lót cho máy cán thép. Trong năm 2012 cơng ty cổ phần Cơ khí Luyện kim
SADAKIM đã gửi công văn tới Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
yêu cầu được hợp tác nghiên cứu chế tạo một bộ bạc trục cán từ hợp kim SAM
15 để thay thế bạc trục cán của các máy cán thép loại nhỏ nhập ngoại của công ty.
Với tình hình trên đề tài:“Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo hợp kim chịu mài mịn hệ
kẽm nhơm để sản xuất bạc trục cán” ra đời và thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Nghiên cứu công nghệ nấu luyện tạo mác hợp kim SAM 15.
- Nghiên cứu công nghệ đúc bạc lót trục cán từ hợp kim SAM 15.

- Ứng dụng dùng thử sản phẩm cho máy cán 300 tại công ty cổ phần Cơ khí
Luyện kim SADAKIM và đánh giá chất lượng sản phẩm.
Để thực hiện các nhiệm vụ trên đề tài đã sử dụng các phương pháp
nghiên cứu sau:
- Thông tin từ các tài liệu tham khảo, nghiên cứu tổng quan lý thuyết và
công nghệ nấu luyện, công nghệ đúc chế tạo
- Phân tích hóa học với đối tượng nghiên cứu đánh giá chất lượng sản phẩm.

5


- Từ các kết quả nghiên cứu trong phịng thí nghiệm tiến hành thí nghiệm
qui mơ mẻ lớn và áp dụng sản xuất thực tế.
Kết quả nhóm nghiên cứu đã đạt được trong đề tài này là:
- Có được tổng quan lý thuyết nêu lên được bản chất của vật liệu SAM 15.
- Đưa ra qui trình cơng nghệ nấu luyện hợp kim SAM 15 và đúc chế tạo bạc
trục cán từ vật liệu này.
- Có được sản phẩm là 02 bộ bác lót máy cán và được áp dụng chạy thử tại
cơng ty cổ phần Cơ khí Luyện kim SADAKIM trong thời gian 02 tháng và
được đánh giá cao về chất lượng sản phẩm.

6


Chương 2
TỔNG QUAN

2.1 Hợp kim chịu mài mòn để chế tạo bạc lót
2.1.1. Hợp kim trên cơ sở thiếc và chì.
Hợp kim của thiếc và chì được gọi là bacbit có khả năng chịu mài mịn tốt

[10]. Bacbit được chia thành các nhóm sau:
- Bacbit thiếc, là hợp kim trên cơ sở thiếc (ƃ 83 và ƃ 89).

- Bacbit chì là các hợp kim ổ trục trên cơ sở chì (ƃ C, ƃ K ).

- Bacbit chì – thiếc là các hợp kim trên cơ sở chì và thiếc (ƃ 16, ƃ G, T).

Để pha chế tạo mác hợp kim trên cơ sở thiếc và chì cần chú ý tới hai điều

kiện cơ bản sau:
- Tổ chức hợp kim phải đáp ứng quy tắc Sarpy gồm nền mềm và các phần tử
cứng phân bố đều đặn. Tỷ lệ hợp lý của pha cứng là khoảng 15 – 30 %.
- Phải đảm bảo độ cứng HB sau đúc không nhỏ hơn 12.
a. Bacbit thiếc.
Thành phần chủ yếu các bacbit thiếc gồm Sn, Sb và Cu trong đó thiếc là cơ
bản, đồng có thể hịa tan vào thiếc với một lượng nhỏ [11]. Các nguyên tố Pb,
Zn, Al, As, Fe, Bi là những chất có hại. Một số bacbit điển hình là ƃ 89, ƃ 83
đây là vật liệu làm bạc lót, ổ trục có chất lượng cao. Nhược điểm của hai loại

bacbit này là giới hạn bền mỏi và độ bền nóng khơng cao. Khi tăng nhiệt độ từ
200 C lên 1500 C, độ bền các hợp kim này giảm xuống khoảng hai lần. Về mặt
kinh tế, Sn là kim loại đắt hiếm.

- Bacbit ƃ 89: Thành phần hóa học gồm có 7,7 % Sb; 3 % Cu; Sn cịn lại.
Tổ chức hợp kim này gồm nền α là dung dịch rắn trên cơ sở Sn có hịa tan
Cu và Sb. Đây là pha mềm, dai, có độ bền mỏi tương đối lớn.
7


- Bacbit ƃ 83 có thành phần hóa học 11 % Sb; 6 % Cu; Sn còn lại. Bacbit ƃ

83 có độ cứng cao hơn ƃ89 nhưng độ dẻo và độ dai va đập nhỏ hơn.

b. Bacbit chì:
Là hợp kim trên cơ sở chì với hàm lượng thiếc rất ít hoặc khơng có thiếc.
Thành phần ngun tố chủ yếu trong bacbit chì gồm Sb, Ca và Na [12]. Ưu điểm
của bacbit chì so với bacbit thiếc là về mặt kinh tế chì rẻ hơn thiếc khoảng 10
lần nhưng quá trình nấu luyện lại gây độc ảnh hưởng đến môi trường vì chì là
ngun tố có hại.
Một số bacbit chì thơng dụng là ƃ C, ƃ K, ƃ K2.

c. Bacbit chì - thiếc:

Thành phần chủ yếu của bacbit này gồm các nguyên tố sau Pb - Sn – Sb –
Cu [13]. Ngồi ra, trong một số trường hợp người ta có thể thêm Ni, Te , Cd và
As. Một số bacbit chì - thiếc thơng dụng:
- Bacbit ƃ T: Hợp kim này có hàm lượng Sb nhiều hơn Sn. Pha mềm là nền

α, pha cứng chủ yếu là pha SnSb. ƃ T có thể thay thế ƃ 83 để chế tạo các ổ

trục chất lượng tốt.

- Bacbit ƃ H: Có độ bền, độ cứng xấp xỉ ƃ 16, độ dẻo cao hơn, khả năng
chống mài mòn tốt hơn.

- Bacbit ƃ 6: Có hàm lượng Sn nhỏ, hợp kim này có tính chất tương tự hai
hợp kim trên.

2.1.2. Hợp kim trên cơ sở đồng.
Trong sản xuất hợp kim đồng chịu mài mòn được dùng làm bạc rất tốt.
Các mác hợp kim thông dụng của đồng để làm bạc hiện nay có thể kể đến như

Cu9Al4, Cu10Al4Fe4Ni4, CuPb15Sn8, CuPb6Sn6Fe3, CuAl9Fe4 [14]. Đây là
các hợp kim có độ cứng cao trên 170 HB. Nhược điểm của hợp kim đồng là giá
thành cao.

8


2.1.3. Hợp kim trên cơ sở kẽm.
Sau sắt, nhôm, đồng kẽm là kim loại thứ 4 hay được sử dụng nhất. Kẽm,
về một phương diện nào đó, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion của
chúng có bán kính giống nhau và có trạng thái oxi hóa thơng thường duy nhất là
+2. Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền.
Quặng kẽm được khai thác nhiều nhất là khoáng sphalerit, một loại sulfua kẽm
[15]. Những mỏ khai thác lớn nhất nằm ở Úc, Canada và Hoa Kì. Sản xuất kẽm
bao gồm tuyển nổi quặng, thiêu kết, và cuối cùng là chiết tách bằng dịng điện.
Kẽm có tính ổn định chống ăn mịn khá cao trong khí quyển. Do đặc tính này,
nó được dùng để mạ, phủ và trang trí [16].
Trên thế giới, hợp kim kẽm vẫn được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu
và khai thác ứng dụng của nó trên nhiều lĩnh vực, đặc biệt là các hợp kim kẽm
nhôm được dùng làm vật liệu chịu mài mịn rất tốt. Các hợp kim kẽm nhơm
nhìn chung có nhiệt độ nóng chảy thấp nên được dùng chế tạo các vật có hình
dạng nhỏ và phức tạp do dễ tạo hình. Hợp kim Prestal chứa 78 % kẽm và 22 %
nhơm có độ cứng gần bằng thép nhưng lại dẻo như nhựa giúp chúng có thể được
đúc dễ dàng ngay cả trong các khuôn sứ và xi măng. Các hợp kim của kẽm
nhôm khi thêm một lượng nhỏ chì có thể cán nguội thành các tấm được dùng
trong xây dựng và vật liệu kết cấu [17]. Một số ưu điểm của hợp kim kẽm đúc
có thể kể đến như sau:
- Hợp kim kẽm đúc có độ bền cao với thuộc tính tự bơi trơn trong q trình
làm việc, ổn định thành phần thích hợp dùng để chế tạo các chi tiết làm
việc trong cơ khí chẳng hạn như làm các bạc lót.

- Khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện cao khiến cho hợp kim kẽm đúc là sự lựa
chọn lý tưởng để chế tạo các bộ tản nhiệt, các linh kiện điện tử.
- Hợp kim kẽm đúc được nấu luyện ở nhiệt độ thấp do đó chi phí đúc thấp,
ít tốn năng lượng. Độ chảy lỗng cao dễ đúc trong cả khuôn kim loại,
khuôn cát, khuôn graphit và khuôn thạch cao.
- Dễ tạo hình khi đúc, giúp giảm thiểu chi phí gia cơng sau đúc.
9


- Độ bền và độ dai va đập cao hơn nhiều so với hợp kim nhôm đúc hay nhựa
hoặc gang xám.
- Độ cứng cao hơn so với các loại nhựa kĩ thuật.
- Hợp kim kẽm đúc có khả năng chống đánh lửa phù hợp với các chi tiết lắp
đặt ở các vị trí nguy hiểm như trong mỏ than, tàu chở dầu và các nhà máy
lọc dầu [18].
- Kẽm kim loại không độc, so với nhôm hợp kim kẽm dễ tái chế, sạch cho
môi trường.
Cùng với hợp kim trên cơ sở chì và thiếc, hợp kim trên cơ sở kẽm từ lâu đã
được nghiên cứu làm vật liệu ổ trục. Thành phần chủ yếu trong các hợp kim này
gồm kẽm, nhơm, đồng. So với bacbit thiếc, bacbit kẽm có độ cứng, độ bền cao
hơn nhưng độ dẻo kém hơn, hệ số ma sát lớn hơn, hệ số dãn nở nhiệt cũng cao
hơn. Về mặt kinh tế Zn là kim loại rẻ tiền và không hiếm, dễ chế tạo do nhiệt độ
nóng chảy thấp [19].
2.2.

Hợp kim kẽm chịu mài mịn.

2.2.1. Hợp kim kẽm nhôm.
Giản đồ pha hai cấu tử Zn- Al được trình bày như hình 2. Dung dịch rắn β trên
cơ sở kẽm hịa tan nhơm với lượng nhỏ. Ở 3820 C lượng nhơm hịa tan trong β

khoảng 1,1 % . Tại 3820 C ứng với hàm lượng 5% Al xảy ra phản ứng cùng tinh:
L -> ( β + α )

(1)

Pha α nhận được do phản ứng cùng tinh trên có nồng độ 79% Zn. Làm
nguội nhanh có thể giữ nồng độ quá bão hòa này trong α ở nhiệt độ thường.
Trong trường hợp nguội chậm sẽ xảy ra phản ứng cùng tích:
α -> [α1 + β ]

(2)

α1 có thành phần 27 % Zn .

10


Hình 2.1. Giản đồ pha Zn – Al.
Phản ứng (2) kèm theo hiệu ứng thay đổi độ cứng, điện trở và đặc biệt là
kích thước chi tiết. Cụ thể phản ứng (2) làm giảm chất lượng của hợp kim. Để
tránh nó, người ta hợp kim hóa thêm Mg với hàm lượng khơng lớn hơn 0,1 %.
Lúc này q trình hóa già bị ngăn cản, đồng thời độ bền của hợp kim tăng lên.
Tuy nhiên, trong trường hợp hàm lượng vượt quá 0,2 % Mg sẽ gây tác dụng xấu
thúc đẩy q trình tự hóa già [20].
2.2.2. Hợp kim kẽm nhơm đồng.
Các hợp kim ba cấu tử hệ Zn – Cu – Al có xu hướng tự hóa già khi làm
việc ở nhiệt độ thường. Tốc độ hóa già khác nhau phụ thuộc vào hàm lượng
nguyên tố hợp kim. Ở một số hợp kim, do tốc độ hóa già rất nhỏ, chất lượng chi
tiết hầu như không bị ảnh hưởng trong quá trình làm việc. Nhưng ở một số hợp
kim khác , hiện tượng hóa già xảy ra với tốc độ lớn, có thể sẽ làm cong vênh chi

tiết và gây phế phẩm [21].
Cũng giống như các hợp kim hệ Zn – Al, trong hợp kim ba cấu tử, để cản
trở q trình tự hóa già, người ta hợp kim hóa thêm Mg với hàm lượng khoảng
0,05%.

11


Trường hợp hàm lượng vượt quá 0.2%, Mg sẽ gây tác dụng xấu, thúc đẩy
q trình tự hóa già.
Các tạp chất Fe,Sn, Pb, Cd, v.v. làm giảm chất lượng hợp kim Zn [22].
2.2.3. Hợp kim kẽm nhôm magie.
Al và Zn đều là các ngun tố có độ hịa tan tương đối lớn trong magie.
Độ hòa tan cực đại của Al trong Mg khoảng 12,7%, còn Zn khoảng 8,4%.
Khi tan trong Mg, Al và Zn gây hóa bền dung dịch rắn tương đối mạnh.
Độ hòa tan của các nguyên tố này trong Mg giảm xuống khi hạ nhiệt độ. Với
đặc điểm này, các hợp kim hệ Mg – Al – Zn có thể nhiệt luyện hóa bền.
Đối với hợp kim kẽm nhôm magie, hàm lượng nhôm nếu vượt quá giới
hạn sẽ làm giảm độ dẻo của hợp kim ở cả trạng thái nóng và nguội. Nhơm gây
ảnh hưởng xấu đến tính ổn định chống ăn mòn và khi tăng hàm lượng nhơm, xu
hướng ăn mịn dưới tác dụng của ứng suất tăng lên. Kẽm vừa hóa bền vừ tăng độ
dẻo của hợp kim. Khi vượt qua một giới hạn cho phép nào đó, kẽm sẽ làm độ
dẻo cơng nghệ của magie.
Đối với tính ổn định chống ăn mịn, kẽm hầu như không ảnh hưởng.
Người ta thường đưa thêm vào hợp kim Mg – Al – Zn một lượng nhỏ mangan
để cải thiện khả năng chịu đựng mơi trường hoạt tính [23].
2.2.4. Hợp kim chịu mài mịn hệ kẽm nhơm ЦAM 15 ( SAM 15).
SAM 15 là hợp kim chịu mài mòn trên cơ sở kẽm thành phần có 15% Al
và một lượng rất nhỏ Mg (khoảng 0,05 %). Với hai nguyên tố hợp kim chính là
Zn và Al, để hiểu rõ hơn về tính chất hợp kim trước tiên ta tìm hiểu giản đồ pha

của hai nguyên tố này.
Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến thành phần hợp kim SAM 15
được thể hiện ở hình 2.2.

12


Hình 2.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến độ cứng của hợp kim kẽm.
Thành phần chủ yếu của SAM 15 là kẽm (85%) vì thế các nguyên tố tạp
chất ảnh hưởng đến hợp kim chủ yếu ảnh hưởng đến kẽm trong hợp kim. Kẽm
thường được biến dạng nóng ở khoảng nhiệt độ từ 130 ÷ 1700 C. Các tạp chất
thường gặp trong kẽm là: Fe, Pb, Cd, Sn.. Trong số các tạp chất, sắt là nguyên tố
có ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ kết tinh lại của kẽm. Sắt làm tăng độ cứng
nhưng giảm độ bền của kẽm. Trong khi đó, chì, thiếc, cađimi tạo với kẽm cùng
tinh dễ chảy. Do vậy các tạp chất này làm cho kẽm bở nóng. Ngồi ra, Cd cịn
tăng tính hàn cho hợp kim kẽm . Nếu trong kẽm tồn tại đồng thời cả chì và thiếc
thì xu hướng bở nóng thể hiện càng mạnh. Đối với Cu thì làm tăng độ cứng của
Zn và ảnh hưởng đến độ dẻo của kẽm cũng như khả năng chống ăn mòn [24]. As
là nguyên tố gây hại nhất cho hợp kim kẽm, một lượng nhỏ As cũng có thể làm
cho kẽm giịn [25].

13


Kẽm là nguyên tố có điện thế điện cực thấp (- 0,76 v). Các tạp chất có
điện cực dương hơn như chì làm tăng tốc độ ăn mịn kẽm. Chính vì vậy các hợp
kim làm bản kẽm trong kĩ thuật in thường được hợp kim thêm khoảng 1% chì.
Kẽm sạch có tính ổn định ăn mịn cao là nhờ lớp oxyt tạo ra trên bề mặt có tính
bảo vệ tốt. Ngồi ra, để nâng cao chất lượng hợp kim có thể cho thêm một lượng
nhỏ Mg. Hợp kim của kẽm với đồng, nhôm và magie được ứng dụng nhiều

trong công nghiệp sản xuất ô tô. Hợp kim của kẽm nhôm được dùng chế tạo các
bạc lót, bạc trục một số máy móc cơ khí do có cơ tính tốt khả năng chịu mài
mòn cao [26].
Đối với hợp kim Zn biến dạng có tổ chức ở nhiệt độ thường giống như
các hợp kim kẽm đúc. Điều đặc biệt cần chú ý, ở một số hợp kim kẽm biến
dạng, hàm lượng nhôm được tăng lên khá lớn (tới 15%). Sau khi gia cơng biến
dạng cơ tính của chúng đạt gần xấp xỉ cơ tính của Latong (hợp kim Cu – Zn).
Nói chung, tạp chất trong hợp kim kẽm biến dạng nhỏ hơn trong hợp kim đúc
[27].
2.3 Công nghệ chế tạo hợp kim kẽm chịu mài mịn SAM 15.
2.3.1. Cơng nghệ nấu luyện hợp kim kẽm.
Để sản phẩm đúc có chất lượng cao đáp ứng các chỉ tiêu cơ lý tính, cần
phải đảm bảo tỉ lệ thành phần hóa học của hợp kim (hạn chế các tạp chất có hại
như oxyt, nitrua, khí hòa tan và các kim loại khác). Áp dụng hệ thống nấu đúc
hiện đại và hệ thống khuôn đúc hợp lý. Hợp kim Zn có nhiệt độ nóng chảy thấp
nên việc nấu chảy khá dễ dàng, thường được nấu trong lò cảm ứng trung tần, lò
điện trở, lò phản xạ đốt than…
Phương pháp nấu luyện lò cảm ứng thuận lợi hơn cả. Do dễ dàng điều
khiển được nhiệt độ nên dễ tạo mác hợp kim với chất lượng và hiệu suất cao, cải
thiện điều kiện lao động và tiêu hao trợ dung ít [28].

14


a. Trợ dung.
Nấu luyện hợp kim Zn và Al trong lò phản xạ, lò cảm ứng trung tần đều
phải sử dụng chất che phủ để giảm cháy hao nguyên liệu. Trợ dung được sử
dụng cho nấu luyện hợp kim kẽm thường là chất tinh luyện và khử khí VZ –
DPL và chất tách xỉ kẽm VZ – DPH.
b. Công nghệ nấu luyện hợp kim kẽm nhôm (SAM 15).

Trong thành phần hợp kim SAM 15 ngoài kẽm là kim loại nền cịn có các
ngun tố hợp kim hố khác: Al, Mg
Để xác định được công nghệ nấu luyện hợp kim cần phải biết một số thông
số đặc trưng của các nguyên tố tạo nên hợp kim này.
Bảng 2.1. Những thông số đặc trưng của các nguyên tố tạo hợp kim.
Nhiệt độ chảy

Nhiệt độ sôi

Tỷ trọng

( 0C )

( 0C )

(g/cm3)

Al

660

2520

2,698

Mg

650

1107


1,737

Zn

419,53

907

7,14

Nguyên tố

Khi nấu luyện để có được mác hợp kim đúng thành phần, cháy hao ít cần
tuân thủ theo các nguyên tắc sau:
- Kim loại nền nấu chảy trước.
- Các nguyên tố hợp kim hố đưa vào theo thứ tự: ngun tố khó chảy đưa
vào trước, dễ chảy sau.
- Khi nhiệt độ chảy và tỷ trọng của kim loại nền và kim loại hợp kim hố
q chênh lệch thì phải sử dụng hợp kim trung gian: kim loại nền – kim
loại hợp kim hoá [29].

15


- Khi hàm lượng kim loại hợp kim hoá trong trong hợp kim cần nấu quá nhỏ
cũng phải đưa vào dưới dạng hợp kim trung gian ví dụ hợp kim trung
gian:Al-Mg
Trong thành phần hợp kim nghiên cứu có khoảng 15% Al, 0.05 % Mg.
Nếu sử dụng các nguyên tố ở dạng kim loại sạch thì có giá thành cao và khi nấu

sẽ khó đồng đều hố thành phần. Mặt khác, khi nấu Mg ở dạng kim loại sẽ có
hiện tượng cháy hao nhiều. Vì vậy, cần phải nấu một số hợp kim trung gian
chứa các thành phần đó. Đề tài sẽ nấu hợp kim trung gian Al5Mg (5 % Mg).
Theo các nguyên tắc trên, cần phải đưa kẽm vào nấu chảy trước sau đó
cho nhơm kim loại rồi mới đến các hợp kim trung gian như Al5Mg. Ta không
cho hợp kim trung gian Al5Mg trước vì dù cho vào ở dạng hợp kim trung gian
nhưng Mg vẫn bị cháy hao làm sai lệch thành phần của hợp kim. Để đảm bảo sự
đồng đều thành phần của hợp kim khi nấu cũng cần phải khuấy kỹ.
2.3.2. Công nghệ đúc.
Đúc hợp kim SAM 15 có thể tiến hành bằng các phương pháp đúc khác
nhau sử dụng các thiết bị đúc đặc biệt (Xiphon, chân không hoặc áp lực nhờ hệ
thống bơm ly tâm), các loại khuôn khác nhau [30].
Hợp kim SAM 15 có thể đúc được trong khn cát và khn kim loại. Sau
đây nêu một số đặc điểm chính của hai loại khuôn [31].
a. Đúc trong khuôn cát
Là phương pháp đúc truyền thống, dùng cát là thành phần chính trộn với
chất kết dính thường là đất sét, nước thuỷ tinh theo tỷ lệ nhất định tạo khuôn và
ruột khuôn [32].
Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ đơn giản, linh động trong việc
sửa lại hình dáng khn.Vật liệu làm khn rẻ tiền dễ kiếm và tỉ lệ tái sinh cao,

16


trong bất kỳ nhà máy đúc nào cũng đều có. Đúc được mọi chi tiết từ đơn chiếc
đến số lượng lớn.
Nhược điểm của phương pháp này là: tốc độ nguội của kim loại lỏng rất
chậm nên vật đúc thường có rỗ khí, khó tạo được sự đơng đặc có hướng và chu
kỳ sản xuất dài. Hơn nữa, do tốc độ nguội chậm nên hạt tinh thể vật đúc thơ do
đó cơ tính khơng cao. Vật đúc bằng khn cát thường có lượng dư gia cơng lớn

[33].
b. Đúc trong khn kim loại.
Đúc trong khuôn kim loại là một thuật ngữ để chỉ một phương pháp sản
xuất vật đúc bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn bằng kim loại. Khuôn bằng
gang, đúc hợp kim màu có thể dùng tới 10.000 lần rót, trung bình tuổi thọ của
khn khoảng từ 3000 đến 5000 lần rót [34]. So với dùng khn cát, dùng
khn kim loại để đúc có nhiều ưu điểm tốt hơn:
- Khuôn sử dụng được nhiều lần, chu kỳ sản xuất ngắn.
- Độ sạch và độ chính xác của vật đúc được nâng cao đáng kể, điều này làm
giảm lượng gia cơng cơ khí, nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, nâng cao
năng suất lao động, dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động
tốt.
Nhược điểm: chế tạo khuôn kim loại phức tạp, đắt tiền, khó đúc những vật
thành mỏng và hình dáng phức tạp, quy trình cơng nghệ phải chặt chẽ.
Thực tế khn kim loại được dùng nhiều để sản xuất đúc hàng loạt lớn
những chi tiết đơn giản bằng hợp kim kẽm và các hợp kim màu khác (thành dày
có thể từ 3 ÷ 100 mm).
Kỹ thuật đúc trong khuôn kim loại người ta quan tâm nhiều đến chế độ
nhiệt của khuôn. Điều khiển được chế độ nhiệt hợp lý tức là khống chế tốc độ
nguội của vật đúc tạo được tổ chức hợp kim mong muốn. Khuôn kim loại

17


thường làm bằng gang xám, thép cacbon, thép hợp kim hoặc khn hợp kim đã
qua anơt hố. Ruột khn làm bằng kim loại hoặc bằng cát.
Chiều dày thành khuôn là một thơng số quan trọng. Khn dày thì khả
năng làm nguội lớn. Sơn khuôn làm bằng bột chịu lửa như samôt, mazezit,
grafit, thạch anh...cũng là biện pháp tốt để giảm tốc độ nguội, chống va đập
nhiệt, tăng tuổi thọ khuôn. Khi đúc phải nung nóng khn khoảng 1000 C ÷

1500 C để giảm bớt tốc độ nguội và tránh nứt khn. Nhiệt độ khn, nhiệt độ
kim loại lỏng khi rót và nhiệt độ vật đúc đều là những thông số cần thiết, cần
phải khống chế [35].
2.4.3. Nhiệt luyện.
Nhiệt luyện các kim loại và hợp kim là q trình cơng nghệ bằng xử lí
nhiệt làm thay đổi tổ chức và do đó làm thay đổi tính chất của chúng.
Bất kì q trình cơng nghệ nhiệt luyện đơn giản nào cũng gồm có các
bước sau: nung nóng kim loại đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó một thời
gian nhất định sau đó làm nguội với tốc độ quy định để làm thay đổi tổ chức, do
đó làm thay đổi tính chất của kim loại và hợp kim theo phương hướng đã chọn
trước [36].
Để nâng cao cơ tính của hợp kim SAM 15 sau đúc ta có thể tiến hành gia
cơng nhiệt luyện dựa trên đặc tính hình thành dung rắn bão hịa và q trình
phân hóa nó tiếp theo để tạo ra các pha phân tán hóa bền. Với mác hợp kim này
ta chọn chế độ nhiệt luyện là tôi và hóa già để nâng cao cơ tính.
a. Tơi hợp kim kẽm nhơm
Tơi là q trình nhiệt luyện gồm nung nóng hợp kim lên tới nhiệt độ có
trạng thái pha nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội đủ nhanh để q trình khuếch
tán khơng kịp xảy ra, kết quả của tôi nhận được một tổ chức không cân bằng.
Tôi hợp kim kẽm là nguyên công rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến chất lượng
của chi tiết. Nhiệt độ phải khống chế rất chính xác vì khoảng nhiệt độ cho phép
để đạt được quá bão hoà cực đại của dung dịch rắn là rất nhỏ [37].

18


Nhiệt độ tôi cao hơn giới hạn trên một lượng nhỏ đã có thể dẫn tới chảy
cùng tinh ở biên giới hạt. Khi xuất hiện pha lỏng sẽ kèm theo hiện tượng oxy
hoá và tạo rỗ xốp. Kết quả, chi tiết bị qua nhiệt, độ bền và độ dẻo giảm đáng kể.
Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ nung tôi nhằm mục đích hịa tan các phần tử pha

thứ hai vào dung dịch rắn α, nếu chọn nhiệt độ thấp hơn giới hạn dưới thì hiệu
qủa hố bền sẽ giảm vì chưa đạt được độ q bão hồ cực đại trong α.
Tốc độ nguội khi tôi cần đảm bảo đủ lớn. Môi trường nguội thông thường
là nước. Cần giảm tới mức ngắn nhất thời gian chuyển chi tiết từ lò sang bể tơi.
b. Hố già hợp kim kẽm.
Hóa già là quá trình xử lý nhiệt luyện các hợp kim sau khi tơi khơng có
chuyển biến thù hình. Nội dung chủ yếu của hóa già là q trình phân hóa dung
dịch rắn q bão hịa. Q trình hóa già xảy ra do khuếch tán. Vì vậy các yếu tố
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau khi hóa già là nhiệt độ, thời gian, bản
chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ chức và
đặc tính biến dạng trước khi hóa già, các yếu tố này gây ảnh hưởng đến mức độ,
hình thức phân hóa của dung dịch rắn, độ phân tán của các dung dịch tiết ra,
hình dạng của chúng và các tổ chức khác [38]. Một số yếu tố yếu tố chính ảnh
hưởng đến q trình hóa già là:
- Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già: Nhiệt độ của hệ biểu thị
mức dao động của các nguyên tử xung quanh vị trí cân bằng. Càng tăng nhiệt
độ, các nguyên tử dự trữ năng lượng càng cao, càng lệch khỏi vị trí cân bằng và
q trình hóa già xảy ra dễ, khi nâng nhiệt độ hóa già các giai đoạn phân hóa
giảm đi. ở giai đoạn quá hóa già, tổ chức ứng với pha ổn định. Biến đổi tổ chức
hợp kim khi hóa già có thể thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ và thời gian
một cách thích hợp. Ngồi ra các nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ hóa già càng
cao, thời gian đạt đến cực đại độ bền càng ngắn. Nhiệt độ và thời gian hóa già
cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng chống ăn mòn của hợp kim.
- Ảnh hưởng của thành phần nguyên tố cơ bản và của lượng nhỏ hợp kim:
hàm lượng nguyên tố hợp kim liên quan trực tiếp đến độ bão hòa dung dịc sau
khi tơi. Độ bão hịa càng lớn, cơ tính hợp kim sau khi tôi càng cao. Khi đưa vào
19