Đồng, hợp kim đồng và các vấn đề liên quan đến xử lý nhiệt

1) Hợp kim đồng:

Đồng và hợp kim đồng được phân thành các nhóm sau: Đồng nguyên chất dùng trong công nghiệp (đồng OFC, đồng đỏ, đồng khử photpho), hợp kim đồng Cu-Zn (đồng thau thông thường và đồng thau đặc biệt ), hợp kim đồng với thiếc (đồng thiếc, đồng photpho, đồng silic, đồng nhôm…), hợp kim đồng Cu-Ni (đồng trắng, nickel bạc) và các hợp kim hóa bền nhiệt (đồng beryli và đồng crom). Theo đó, hợp kim hóa bền bằng nhiệt chiếm thiểu số so với hợp kim làm từ nhôm và tỷ trọng của chúng trong tổng sản lượng hợp kim đồng cũng thấp. Tuy nhiên, đồng beryli, được xem là hợp kim đồng có độ bền cao nhất trong các hợp kim đồng thực tế, cùng với hợp kim Cu-Ti có độ bền đứng thứ hai, đều thuộc nhóm hóa bền bằng nhiệt. Điều này cho thấy quá trình hóa bền bằng nhiệt cũng có hiệu quả trong việc cải thiện độ bền của hợp kim đồng.

Sản phẩm đồng được chia thành vật liệu rèn (sản phẩm đồng cán) và sản phẩm đúc. Đồng thiếc, đồng thau, đồng nhôm, v.v … chủ yếu được sử dụng để đúc, trong khi hợp kim hóa bền bằng nhiệt hầu như không được dùng cho sản phẩm đúc. Hầu hết các vật đúc được làm bằng phương pháp đúc cát, nhưng cũng có thể sử dụng phương pháp đúc liên tục và đúc khuôn kim loại.

2) Vấn đề ủ hợp kim đồng:

Vì hầu hết các hợp kim đồng đều thuộc loại không hóa bền bằng nhiệt, nên việc điều chỉnh tính chất cơ học thường được thực hiện thông qua mức độ ủ. Đối với các sản phẩm cán đồng, vật liệu đã được ủ được ký hiệu bằng mã chất lượng “0”, trong khi mã chất lượng cơ bản “H” được biểu thị bằng các cấp độ như 1/4H, 1/2H, 3/4H và H. Hình 2.1 thể hiện mối quan hệ giữa kích thước hạt kết tinh lại, tốc độ gia công nguội và nhiệt độ ủ đối với đồng thau có thành phần Cu-30%Zn. Các hạt kết tinh lại trở nên thô hơn khi ủ ở nhiệt độ trên 600 độ C ở tốc độ gia công nguội thông thường. Đối với hợp kim hệ đồng nguyên chất và đồng thau, kích thước các hạt kết tinh lại của vật liệu ở trạng thái “0” được quy định theo tiêu chuẩn JIS. Ngoài ra, quá trình ủ khử ứng suất được thực hiện ở nhiệt độ dưới nhiệt độ tái kết tinh. Đối với đồng thau chứa hàm lượng kẽm từ 20% khối lượng trở lên, có thể xảy ra hiện tượng nứt do thời gian (một dạng nứt ăn mòn do ứng suất). Để ngăn chặn hiện tượng này, cần thực hiện quá trình ủ khử ứng suất để loại bỏ ứng suất kéo dư. Đối với đồng nguyên chất, quá trình ủ khử ứng suất ở khoảng 150 độ C là đủ.

Đối với các hợp kim đồng loại dung dịch rắn như hệ Cu-Zn, Cu-Ni và Cu-Sn, vật liệu gia công nguội khi được ủ ở nhiệt độ tương đối thấp dưới nhiệt độ tái kết tinh không bị mềm đi mà ngược lại, trở nên cứng hơn. Hiện tượng này được gọi là hóa bền bằng ủ mềm ở nhiệt độ thấp, trong đó mức độ hóa bền tăng lên khi tỷ lệ gia công nguội lớn hơn. Đối với hợp kim đồng thau C2600, mối quan hệ giữa nhiệt độ ủ mềm và độ bền kéo được thể hiện trong Hình 2.2. Trong trường hợp này, hóa bền bằng ủ ở nhiệt độ thấp đạt mức tối đa khoảng 200 độ C. Quá trình hóa bền này có hiệu quả trong việc cải thiện đặc tính đàn hồi và được áp dụng cho các vật liệu lò xo như đồng photpho, hợp kim nickel bạc và đồng trắng.