Công Nghệ Thông Tin - Kỹ thuật - Kỹ thuật ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE NỀN Cu CỐT HẠT TiC BẰNG PHƠNG PHÁP LUYỆN KIM BỘT ỨNG DỤNG LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN TRONG CÔNG TẮC TƠ Mã số: ĐH2016-TN02-03 Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Lai Hoàng Thái Nguyên, 022019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE NỀN Cu CỐT HẠT TiC BẰNG PHƠNG PHÁP LUYỆN KIM BỘT ỨNG DỤNG LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN TRONG CÔNG TẮC TƠ Mã số: ĐH2016-TN02-03 Xác nhận của tổ chức chủ trì KT. HIỆU TRỞNG PHÓ HIỆU TRỞNG PGS. TS. Vũ Ngọc Pi Chủ nhiệm đề tài TS. Vũ Lai Hoàng Thái Nguyên, 022019 i MỤC LỤC MỤC LỤC............................................................................................................................................i DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................................iv THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................................... v INFORMATION ON RESEARCH RESULTS ............................................................................... vii MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................................. 1 2. Mục tiêu ..................................................................................................................................... 1 3. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 1 3.1. Cách tiếp cận ...................................................................................................................... 1 3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................................... 1 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 1 CHƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU TIẾP ĐIỂM ĐIỆN COMPOSITE NỀN KIM LOẠI ........ 1 1.1. Khái niệm................................................................................................................................ 1 1.2. Phân loại ................................................................................................................................. 2 1.2.1. Phân loại theo bản chất vật liệu nền ................................................................................ 2 1.2.2. Phân loại theo hình dáng cốt ........................................................................................... 2 1.3. Composite nền kim loại .......................................................................................................... 2 1.4. Vật liệu tiếp điểm điện ................................................................................................................. 2 1.4.1. Khái niệm chung về vật liệu tiếp điểm điện ........................................................................ 2 1.4.1.1. Yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm ............................................................................. 3 1.4.1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng tới độ bền của các tiếp điểm ......................................................... 3 1.4.2. Phân loại vật liệu tiếp điểm.................................................................................................. 3 1.5. Tình hình nghiên cứu composite nền kim loại trên thế giới và Việt Nam .............................. 3 1.5. 1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ................................................................................ 3 1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................................... 4 CHƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO COMPOSITE NỂN Cu CÔT HẠT TiC ............................ 4 2.1. Cơ sở lý thuyết chế tạo vật liệu composite nền Cu cốt hạt TiC .............................................. 4 2.2. Công nghệ tổng hợp vật liệu composite Cu-TiC .................................................................... 5 2.2.3. Các bƣớc tiến hành .......................................................................................................... 6 2.2.3.1. Quá trình ép tạo hình và thiêu kết sơ bộ ....................................................................... 6 2.2.3.2. Quá trình ép đùn ........................................................................................................... 6 CHƠNG 3: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP COMPOSITE NỀN Cu CỐT HẠT TiC .......................... 6 3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến mật độ của composite nền Cu cốt hạt TiC ........................................................................................................................................... 6 3.2. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ xốp của composite nền Cu cốt hạt TiC ........................ 7 3.3. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ dẫn điện của composite nền Cu cốt hạt TiC ................ 7 3.4. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ bền kéo của composite nền Cu cốt hạt TiC ................. 8 3.5. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ bền nén của composite nền Cu cốt hạt TiC ................. 8 ii 3.6. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ mài mòn của composite nền Cu cốt hạt TiC ................ 9 3.7. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội đến độ cứng của composite nền Cu cốt hạt TiC ...................... 9 CHƠNG 4. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN COMPOSITE Cu-TiC ..................... 11 4.1. Áp dụng chế độ công nghệ phù hợp để chế tạo tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ..................................................................................................................................................... 11 4.1.1. Quá trình ép tạo hình và thiêu kết sơ bộ ........................................................................ 11 4.2. Kết quả phân tích, kiểm tra chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC. ...... 12 4.2.1. Độ xốp của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ......................... 12 4.2.2. Độ dẫn điện của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ................. 12 4.2.3. Độ bền nén của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC................... 13 4.2.4. Độ mài mòn của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ................. 13 4.3. Thử nghiệm sản phẩm composite nền Cu cốt hạt TiC làm tiếp điểm ................................... 13 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................................... 14 I. KẾT LUẬN .............................................................................................................................. 14 II. KIẾN NGHỊ ............................................................................................................................ 14 iii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ phân loại composite theo hình dạng cột ................................................................... 2 Hình 2.2. Ảnh SEM của bột Cu ......................................................................................................... 5 Hình 2.1. Quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu composite nền Cu cốt hạt TiC .............................. 5 Hình 2.3. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen TiC.......................................................................................... 5 Hình 2.4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn hợp bột Cu-TiC sau trộn .................................................. 5 Hình 2.5. Ảnh SEM của hỗn hợp bột Cu-3 TiC sau trộn ................................................................ 5 Hình 2.6. Ảnh tổ chức tế vi của hỗn hợp bột Cu-3TiC sau tạo hình............................................... 5 Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ tạo hình vật liệu composite nền Cu cốt hạt TiC ..................................... 6 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến mật độ của composite nền Cu cốt hạt TiC ............................................................................................................................. 6 Hình 3.2. Ảnh tổ chức tế vi của vật liệu composite nền Cu cốt hạt TiC ............................................ 7 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của ép đùn nguội và hàm lƣợng TiC đến độ xốp của composite nền Cu cốt hạt TiC.......................................................................................................................................... 7 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC đến điện trở suất của composite nền Cu cốt hạt TiC ....... 8 Hình 3.5. Điện trở suất của lớp bị biến dạng (bề mặt) và không bị biến dạng (lõi) composite nền Cu cốt hạt TiC ............................................................................................................................. 8 Hình 3.6. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC đến độ bền kéo của composite nền Cu cốt hạt TiC ......... 9 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC đến độ bền nén của composite nền Cu cốt hạt TiC ......... 9 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC đến độ mài mòn của composite nền Cu cốt hạt TiC........ 9 Hình 3.9. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC đến độ cứng của composite nền Cu cốt hạt TiC.............. 9 Hình 3.10. Ảnh tổ chức tế vi của composite nền Cu cốt hạt TiC sau ép đùn nguội ......................... 10 Hình 3.11. Ảnh hƣởng tổ chức tế vi lớp biến dạng của composite nền Cu cốt hạt TiC ................... 10 Hình 4.1. Quy trình công nghệ chế tạo tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC .................... 11 Hình 4.2. Hình ảnh chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ............................... 12 Hình 4.3. Hình ảnh tiếp điểm điện trong tủ điều khiển máy bào giƣờng ......................................... 13 Hình 4.4. Hình ảnh máy bào giƣờng và tủ điều khiển của máy bào giƣờng. ................................... 14 Hình 4.5. Hình ảnh tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC sau 1000 lần đóng ngắt. ........... 14 iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Thành phần hóa học của bột Cu......................................................................................... 5 Bảng 4.1. Kết quả độ xốp của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ............... 12 Bảng 4.2. Điện trở suất của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC .................. 12 Bảng 4.3. Độ bền nén của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ..................... 13 Bảng 4.4. Độ mài mòn của chi tiết làm tiếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC ................... 13 v ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo composite nền Cu cốt hạt TiC bằng phƣơng pháp luyện kim bột ứng dụng làm tiếp điểm điện trong công tắc tơ - Mã số: ĐH2016-TN02-03 - Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Lai Hoàng - Tổ chức chủ trì: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên - Thời gian thực hiện: 2016-2018 2. Mục tiêu Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu xác định ảnh hƣởng thành phần và khả năng thiêu kết composite nền Cu cốt hạt TiC. Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite nền Cu cốt hạt TiC. Đƣa ra đƣợc các thông số công nghệ để có thể ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm trong công tắc tơ. 3. Tính mới và sáng tạo Công nghệ vật liệu, một trong những lĩnh vực đang đƣợc ƣu tiên phát triển hàng đầu và có vai trò lớn trong nền kinh tế quốc dân. Vật liệu composite là hƣớng nghiên cứu đang đƣợc quan tâm ở trong nƣớc và trên thế giới, composite nền Cu cốt hạt TiC sẽ làm tăng cƣờng cơ tính của vật liệu. Nghiên cứu công nghệ sản xuất composite nền Cu cốt hạt TiC ứng dụng trong kỹ thuật điện là hƣớng nghiên cứu có nhiều hứa hẹn, sản phẩm đƣợc ứng dụng trong các vật liệu làm vật dẫn, vật liệu tiếp điểm điện, chịu nhiệt cao và chịu mài mòn tốt. 4. Kết quả nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ luyện kim bột, vật liệu tiếp điểm điện và vật liệu composite nền kim loại. Xác định công nghệ chế tạo composite nền Cu cốt hạt TiC có thể ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm trong công tắc tơ phù hợp với điều kiện trong nƣớc. vi 5. Sản phẩm 5.1. Sản phẩm khoa học 1. Vũ Lai Hoàng, Đặng Quốc Khánh (2017), “Ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ đến tính chất của composite Cu-TiC”, Tạp chí khoa học công nghệ - Đại học Thái Nguyên, 176 (16), tr.1924. 2. Vu Lai Hoang (2019), “Effect of cold extrusion on physico-mechanical properties of titanium carbide reinforce copper composite”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 1+2. 5.2. Sản phẩm ứng dụng Composite nền Cu cốt hạt TiC làm tiếp điểm trong công tắc tơ: 04 tiếp điểm 6. Phƣơng thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: Ti ếp điểm điện composite nền Cu cốt hạt TiC chế tạo bằng phƣơng pháp luyện kim bột của đề tài có thể sử dụng thay thế cho tiếp điểm điện Cu-Ag. Ngày tháng 02 năm 2019 Tổ chức chủ trì KT. HIỆU TRỞNG PHÓ HIỆU TRỞNG PGS.TS. Vũ Ngọc Pi Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) TS. Vũ Lai Hoàng Phối liệu Tỷ lệ bi bột: 101 Tốc độ: 150 vòngphút Thời gian: 02 giờ Bột Cu Trộn Hỗn hợp bột Cu- (15)TiC Ép tạo hình sơ bộ Thiêu kết Lực ép: 200 MPa Nhiệt độ: 850, 900 950 oC Tốc độ nâng nhiệt: 10 oCphút Thời gian: 02 giờ - Cơ tính - Độ dẫn điện Mẫu thiêu kết ở 900 oC 10 < 7 Độ xốp Bột TiC Ép đùn nguội Sản phẩm vii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information - Project title: A study on manufacturing Cu-based composites containing TiC particles by powder metallurgy method as an electrical contact in the contactors. - Code: ĐH2016-TN02-03 - Lead researcher: Vu Lai Hoang, PhD - Implementing Institution: TNU - Thai Nguyen University of Technology - Duration: 2016-2018 2. Objective(s) - The main objective of the study is to determine the effect of composition and sintering capacity of Cu-based composites containing TiC particles. - Study on technology for manufacturing Cu-based composites containing TiC particles. Provides technical parameters that can be applied to the fabrication of contacts in the contactors. 3. Creativities and innovativeness Material technology is one of the priority areas for development and plays a major role in the national economy. Composite materials are the research interest in Vietnam and all around the world, Cu-based composites containing TiC particles will enhance the mechanical properties of the material. The technology to manufacture Cu-based composites containing TiC particles technology in electrical engineering is a promising research trend. Its products are applied in conductive materials, electrical contact material, high heat resistance. and good abrasion resistance. 4. Research Results Theoretical study on powder metallurgy technology, electrical contact materials and metal- based composite. Determination of TiC Cu composite technology can be applied to fabrication of contacts in contactors in accordance with domestic conditions. viii 5. Products 5.1. Scientific products 1. Vu Lai Hoang, Dang Quoc Khanh (2017), “ Effect of technological on physico- mechenical properties of Cu-TiC composite”, Journal of Science and Technology – Thainguyen University, 176 (16), pp.1924. 2. Vu Lai Hoang (2019), “Effect of cold extrusion on physico-mechanical properties of titanium carbide reinforce copper composite”, Vietnam Mechanical Journal, 1+2. 5.2. Application products Cu-based composites containing TiC particles applied in contactors: 04 contacts in contactors. 6. Applicability and Modes of Transferring research results Electrical contractors of Cu-based composite containing TiC particles manufactured by powder metallurgy method in this project, can be used instead of Electrical contractors of Cu-Ag. Material BallPowder ratio: 101 Milling speed: 150 rpm Milling tiem: 02 hours Cu powder Mixing Powder mixture of Cu-(15)TiC Pre- compacting Sintering Pressure: 200 MPa Temperature: 850, 900 950 oC Heating rate: 10 oCmin Holding time: 02 hour Sintering Sample at 900 oC 10 < 7 TiC powder Cold extrusion Product Porosity - Mechanical properties - Conductivity 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ vật liệu, là một lĩnh vực đang đƣợc ƣu tiên phát triển hàng đầu và có vai trò lớn trong nền kinh tế quốc dân. Vật liệu composite là hƣớng nghiên cứu đang đƣợc quan tâm ở trong nƣớc và trên thế giới, composite nền Cu cốt hạt TiC sẽ làm tăng cƣờng cơ tính của vật liệu. Nghiên cứu công nghệ sản xuất composite nền Cu cốt hạt TiC ứng dụng trong kỹ thuật điện là hƣớng nghiên cứu có nhiều hứa hẹn, sản phẩm đƣợc ứng dụng trong các vật liệu làm vật dẫn, vật liệu tiếp điểm điện, chịu nhiệt cao và chịu mài mòn tốt. Nghiên cứu này khảo sát đồng thời ảnh hƣởng của hàm lƣợng TiC, nhiệt độ thiêu kết và ép đùn nguội đến một số tính chất của composite nền Cu cốt hạt TiC nhƣ độ dẫn điện, độ bền kéo, độ bền nén và độ mài mòn. Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo composite nền Cu cốt hạt TiC bằng phƣơng pháp luyện kim bột ứng dụng làm tiếp điểm điện trong công tắc tơ”, với mục đích xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và ứng dụng phƣơng pháp ép đùn, xác định cơ lý tính của vật liệu, nghiên cứu ảnh hƣởng đồng thời một số yếu tố đến tính chất của vật liệu. 2. Mục tiêu Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu xác định ảnh hƣởng thành phần và khả năng thiêu kết composite nền Cu cốt hạt TiC. Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite nền Cu cốt hạt TiC. Đƣa ra đƣợc các thông số công nghệ để có thể ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm trong công tắc tơ. 3. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu 3.1. Cách tiếp cận Cụ thể, các mẫu composite nền Cu cốt hạt TiC thí nghiệm với tỉ lệ cốt hạt TiC từ 15, công nghệ ép tạo hình và chế độ thiêu kết. Các mẫu thí nghiệm sẽ đƣợc đánh giá cơ lý tính (độ bền nén, độ bền kéo, độ mài mòn và độ dẫn điện) qua đó chọn đƣợc thành phần và chế độ công nghệ phù hợp để chế tạo vật liệu theo đề xuất. 3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ luyện kim bột, vật liệu tiếp điểm điện và vật liệu Composite nền kim loại. Xác định công nghệ chế tạo composite nền Cu cốt hạt TiC có thể ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm trong công tắc tơ phù hợp với điều kiện trong nƣớc. CHƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU TIẾP ĐIỂM ĐIỆN COMPOSITE NỀN KIM LOẠI 1.1. Khái niệm Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp gồm hai hay nhiều cấu tử khác nhau về tổ chức, tính chất, không hoặc ít tạo pha trung gian với nhau. Các thành phần trong tổ chức composite đƣợc phân loại thành hai phần chính là nền và cốt. 2 Nền là thành phần liên tục trong toàn bộ thể tích khối composite. Vật liệu nền thƣờng là vật liệu có độ dẻo lớn, tỷ trọng nhỏ và đóng vai trò liên kết các pha cốt, tiếp nhận và truyền tác động bên ngoài vào pha cốt, bảo vệ pha cốt khỏi tác động của môi trƣờng và tạo hình sản phẩm. Nền có thể là kim loại và hợp kim; cũng có thể là vật liệu hữu cơ, vô cơ, gốm, vật liệu cácbon và các vật liệu khác. Tính chất của vật liệu nền quyết định các tham số công nghệ của quá trình chế tạo composite và các đặc tính sử dụng của nó nhƣ khối lƣợng riêng, độ bền riêng, nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn. Vật liệu cốt là pha gián đoạn phân bố trong nền, đóng vai trò tăng cƣờng cơ, lý tính của vật liệu. Vật liệu cốt có thể là hai hoặc ba pha và thƣờng là các hợp chất có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao. 1.2. Phân loại Có nhiều cách phân loại vật liệu composite nhƣ: phân loại theo bản chất vật liệu nền, phân loại theo hình dáng cốt, ... 1.2.1. Phân loại theo bản chất vật liệu nền Tùy thuộc vào vật liệu làm nền mà có thể phân chia composite thành ba loại: Composite nền kim loại Composite nền polymer Composite nền ceramic 1.2.2. Phân loại theo hình dáng cốt Tùy theo đặc điểm hình dáng của cốt trong vật liệu composite, nó đƣợc phân loại theo sơ đồ hình 1.1. Hình 1.1. Sơ đồ phân loại composite theo hình dạng cột 1.3. Composite nền kim loại Vật liệu composite nền kim loại có nền là kim loại và hợp kim có độ dẻo dai cao, tỷ trọng riêng nhỏ, độ bền cao và mô đun đàn hồi lớn. Khi đƣa thêm các phần tử cốt vào pha nền sẽ tạo ra một loại vật liệu mới có các tính chất ƣu việt hơn hẳn các pha thành phần hợp thành nên nó. Các đặc tính đặc trƣng của vật liệu composite nền kim loại là độ dẻo dai cao, độ bền lớn, chịu mài mòn và khả năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao. 1.4. Vật liệu tiếp điểm điện 1.4.1. Khái niệm chung về vật liệu tiếp điểm điện Vật liệu tiếp điểm điện là chi tiết thiết bị điện, tác dụng của nó là cho dòng điện đi qua trong một thời gian ngắn và cắt mạch, do đó nó có ý nghĩa điều khiển sự vận hành của cơ cấu thiết bị. Cốt hạt Hạt thô Hạt mịn Composite cấu trúc Lớp Tấm ba lớp Tổ ong Cốt sợi Liên tục Gián đoạn Có hƣớng Ngẫu hƣớng COMPOSITE 3 1.4.1.1. Yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm Yêu cầu đối với các vật liệu chế tạo tiếp điểm: T ính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt để không nóng quá nhiệt độ cho phép khi những tiếp điểm này có dòng điện định mức đi qua; độ bền cơ học cao (tuổi thọ cao); độ bền mòn (ăn mòn hóa học, cơ học tốt); n hiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hóa hơi cao, ôxit của nó phải có điện dẫn suất lớn (tức là để có thể chịu đƣợc dòng ngắn mạch cao, Rtx nhỏ); độ bền nén cao để có thể chịu đƣợc áp suất ép lớn; độ bền đối với hồ quang điện (đối với tiếp điểm đóng, ngắt); gia công dễ dàng mà giá thành hạ Bên cạnh những điểm nêu trên, nó phải thỏa mãn các điều kiện tùy thuộc và dạng tiếp điểm có 3 dạng tiếp điểm cố định, di động và trƣợt. Căn cứ vào chế độ làm việc, tiếp điểm đƣợc chia thành 2 loại: dòng lớn, dòng nhỏ; sự phân chia này chỉ mang tính chất tƣơng đối. 1.4.1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng tới độ bền của các tiếp điểm Bản chất bề mặt; Lực ấn; Nhiệt độ của tiếp điểm; Trạng thái của bề mặt lúc tiếp xúc 1.4.2. Phân loại vật liệu tiếp điểm Vật liệu tiếp điểm đƣợc chia ra làm 2 loại: Tiếp điểm điện nặng và Tiếp điểm dòng điện nhỏ 2. 1.5. Tình hình nghiên cứu composite nền kim loại trên thế giới và Việt Nam 1.5. 1. Tình hình nghiên cứu trên Thế giới Trong số các kim loại làm vật liệu nền phổ biến, Cu nổi trội nhờ khả năng dẫn điện tốt. Cu đƣợc sử dụng rộng rãi trong dây dẫn điện và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, nhƣợc điểm lớn nhất của Cu là độ bền thấp, vì vậy Cu cần đƣợc tăng bền để đảm bảo các tính năng sử dụng phù hợp mà vẫn giữ đƣợc đặc tính nổi trội về dẫn điện. Phƣơng pháp hóa bền phân tán cho đồng đƣợc xem nhƣ một phƣơng pháp mới để tạo ra vật liệu có độ bền nhiệ...
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE NỀN Cu CỐT HẠT TiC BẰNG PHƢƠNG PHÁP LUYỆN KIM BỘT ỨNG DỤNG LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN TRONG CÔNG TẮC TƠ Mã số: ĐH2016-TN02-03 Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Lai Hoàng Thái Nguyên, 02/2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP BÁO CÁO TĨM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE NỀN Cu CỐT HẠT TiC BẰNG PHƢƠNG PHÁP LUYỆN KIM BỘT ỨNG DỤNG LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN TRONG CÔNG TẮC TƠ Mã số: ĐH2016-TN02-03 Xác nhận tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài KT HIỆU TRƢỞNG PHÓ HIỆU TRƢỞNG PGS TS Vũ Ngọc Pi TS Vũ Lai Hoàng Thái Nguyên, 02/2019 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU v INFORMATION ON RESEARCH RESULTS vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu 3.1 Cách tiếp cận 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU TIẾP ĐIỂM ĐIỆN COMPOSITE NỀN KIM LOẠI 1.1 Khái niệm 1.2 Phân loại 1.2.1 Phân loại theo chất vật liệu 1.2.2 Phân loại theo hình dáng cốt 1.3 Composite kim loại 1.4 Vật liệu tiếp điểm điện 1.4.1 Khái niệm chung vật liệu tiếp điểm điện 1.4.1.1 Yêu cầu vật liệu làm tiếp điểm 1.4.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng tới độ bền tiếp điểm 1.4.2 Phân loại vật liệu tiếp điểm 1.5 Tình hình nghiên cứu composite kim loại giới Việt Nam 1.5 Tình hình nghiên cứu Thế giới 1.5.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO COMPOSITE NỂN Cu CÔT HẠT TiC 2.1 Cơ sở lý thuyết chế tạo vật liệu composite Cu cốt hạt TiC 2.2 Công nghệ tổng hợp vật liệu composite Cu-TiC 2.2.3 Các bƣớc tiến hành 2.2.3.1 Quá trình ép tạo hình thiêu kết sơ 2.2.3.2 Quá trình ép đùn CHƢƠNG 3: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP COMPOSITE NỀN Cu CỐT HẠT TiC 3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC nhiệt độ thiêu kết đến mật độ composite Cu cốt hạt TiC 3.2 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ xốp composite Cu cốt hạt TiC 3.3 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ dẫn điện composite Cu cốt hạt TiC 3.4 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ bền kéo composite Cu cốt hạt TiC 3.5 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ bền nén composite Cu cốt hạt TiC ii 3.6 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ mài mòn composite Cu cốt hạt TiC 3.7 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ cứng composite Cu cốt hạt TiC CHƢƠNG CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN COMPOSITE Cu-TiC .11 4.1 Áp dụng chế độ công nghệ phù hợp để chế tạo tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 11 4.1.1 Quá trình ép tạo hình thiêu kết sơ 11 4.2 Kết phân tích, kiểm tra chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 12 4.2.1 Độ xốp chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 12 4.2.2 Độ dẫn điện chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 12 4.2.3 Độ bền nén chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 13 4.2.4 Độ mài mòn chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 13 4.3 Thử nghiệm sản phẩm composite Cu cốt hạt TiC làm tiếp điểm 13 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 14 I KẾT LUẬN 14 II KIẾN NGHỊ 14 iii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ phân loại composite theo hình dạng cột Hình 2.2 Ảnh SEM bột Cu Hình 2.1 Quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Hình 2.3 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen TiC Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn hợp bột Cu-TiC sau trộn Hình 2.5 Ảnh SEM hỗn hợp bột Cu-3% TiC sau trộn Hình 2.6 Ảnh tổ chức tế vi hỗn hợp bột Cu-3%TiC sau tạo hình Hình 2.7 Sơ đồ cơng nghệ tạo hình vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC nhiệt độ thiêu kết đến mật độ composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.2 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.3 Ảnh hƣởng ép đùn nguội hàm lƣợng TiC đến độ xốp composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.4 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến điện trở suất composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.5 Điện trở suất lớp bị biến dạng (bề mặt) không bị biến dạng (lõi) composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.6 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến độ bền kéo composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.7 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến độ bền nén composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.8 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến độ mài mòn composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.9 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến độ cứng composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.10 Ảnh tổ chức tế vi composite Cu cốt hạt TiC sau ép đùn nguội 10 Hình 3.11 Ảnh hƣởng tổ chức tế vi lớp biến dạng composite Cu cốt hạt TiC 10 Hình 4.1 Quy trình cơng nghệ chế tạo tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 11 Hình 4.2 Hình ảnh chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 12 Hình 4.3 Hình ảnh tiếp điểm điện tủ điều khiển máy bào giƣờng 13 Hình 4.4 Hình ảnh máy bào giƣờng tủ điều khiển máy bào giƣờng 14 Hình 4.5 Hình ảnh tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC sau 1000 lần đóng ngắt 14 iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thành phần hóa học bột Cu Bảng 4.1 Kết độ xốp chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 12 Bảng 4.2 Điện trở suất chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 12 Bảng 4.3 Độ bền nén chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 13 Bảng 4.4 Độ mài mòn chi tiết làm tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC 13 v ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo composite Cu cốt hạt TiC phƣơng pháp luyện kim bột ứng dụng làm tiếp điểm điện công tắc tơ - Mã số: ĐH2016-TN02-03 - Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Lai Hồng - Tổ chức chủ trì: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên - Thời gian thực hiện: 2016-2018 Mục tiêu Mục tiêu đề tài nghiên cứu xác định ảnh hƣởng thành phần khả thiêu kết composite Cu cốt hạt TiC Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Đƣa đƣợc thơng số cơng nghệ để ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm công tắc tơ Tính sáng tạo Cơng nghệ vật liệu, lĩnh vực đƣợc ƣu tiên phát triển hàng đầu có vai trị lớn kinh tế quốc dân Vật liệu composite hƣớng nghiên cứu đƣợc quan tâm nƣớc giới, composite Cu cốt hạt TiC làm tăng cƣờng tính vật liệu Nghiên cứu công nghệ sản xuất composite Cu cốt hạt TiC ứng dụng kỹ thuật điện hƣớng nghiên cứu có nhiều hứa hẹn, sản phẩm đƣợc ứng dụng vật liệu làm vật dẫn, vật liệu tiếp điểm điện, chịu nhiệt cao chịu mài mòn tốt Kết nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết công nghệ luyện kim bột, vật liệu tiếp điểm điện vật liệu composite kim loại Xác định công nghệ chế tạo composite Cu cốt hạt TiC ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm công tắc tơ phù hợp với điều kiện nƣớc vi Bột Cu Phối liệu Bột TiC Tỷ lệ bi bột: 10/1 Hỗn hợp bột Cu- Trộn Tốc độ: 150 vịng/phút (1÷5)%TiC Thời gian: 02 Ép tạo hình sơ Lực ép: 200 MPa Thiêu kết Nhiệt độ: 850, 900 & 950 oC 10 Tốc độ nâng nhiệt: 10 oC/phút Thời gian: 02 Ép đùn nguội Mẫu thiêu kết 900 oC Sản phẩm < Độ xốp - Cơ tính - Độ dẫn điện Sản phẩm 5.1 Sản phẩm khoa học Vũ Lai Hoàng, Đặng Quốc Khánh (2017), “Ảnh hƣởng số yếu tố cơng nghệ đến tính chất composite Cu-TiC”, Tạp chí khoa học & cơng nghệ - Đại học Thái Nguyên, 176 (16), tr.19÷24 Vu Lai Hoang (2019), “Effect of cold extrusion on physico-mechanical properties of titanium carbide reinforce copper composite”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 1+2 5.2 Sản phẩm ứng dụng Composite Cu cốt hạt TiC làm tiếp điểm công tắc tơ: 04 tiếp điểm Phƣơng thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: Tiếp điểm điện composite Cu cốt hạt TiC chế tạo phƣơng pháp luyện kim bột đề tài sử dụng thay cho tiếp điểm điện Cu-Ag Tổ chức chủ trì Ngày tháng 02 năm 2019 KT HIỆU TRƢỞNG Chủ nhiệm đề tài PHÓ HIỆU TRƢỞNG (ký, họ tên) PGS.TS Vũ Ngọc Pi TS Vũ Lai Hoàng vii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information - Project title: A study on manufacturing Cu-based composites containing TiC particles by powder metallurgy method as an electrical contact in the contactors - Code: ĐH2016-TN02-03 - Lead researcher: Vu Lai Hoang, PhD - Implementing Institution: TNU - Thai Nguyen University of Technology - Duration: 2016-2018 Objective(s) - The main objective of the study is to determine the effect of composition and sintering capacity of Cu-based composites containing TiC particles - Study on technology for manufacturing Cu-based composites containing TiC particles Provides technical parameters that can be applied to the fabrication of contacts in the contactors Creativities and innovativeness Material technology is one of the priority areas for development and plays a major role in the national economy Composite materials are the research interest in Vietnam and all around the world, Cu-based composites containing TiC particles will enhance the mechanical properties of the material The technology to manufacture Cu-based composites containing TiC particles technology in electrical engineering is a promising research trend Its products are applied in conductive materials, electrical contact material, high heat resistance and good abrasion resistance Research Results Theoretical study on powder metallurgy technology, electrical contact materials and metal- based composite Determination of TiC Cu composite technology can be applied to fabrication of contacts in contactors in accordance with domestic conditions viii Cu powder Material TiC powder Powder mixture Mixing Ball/Powder ratio: 10/1 of Cu-(1÷5)%TiC Milling speed: 150 rpm Pre- Milling tiem: 02 hours compacting Pressure: 200 MPa Sintering 10 Temperature: 850, 900 & 950 o Cold C extrusion Heating rate: 10 oC/min Holding time: 02 hour Sintering Sample at 900 oC Product < Porosity - Mechanical properties - Conductivity Products 5.1 Scientific products Vu Lai Hoang, Dang Quoc Khanh (2017), “Effect of technological on physico- mechenical properties of Cu-TiC composite”, Journal of Science and Technology – Thainguyen University, 176 (16), pp.19÷24 Vu Lai Hoang (2019), “Effect of cold extrusion on physico-mechanical properties of titanium carbide reinforce copper composite”, Vietnam Mechanical Journal, 1+2 5.2 Application products Cu-based composites containing TiC particles applied in contactors: 04 contacts in contactors Applicability and Modes of Transferring research results Electrical contractors of Cu-based composite containing TiC particles manufactured by powder metallurgy method in this project, can be used instead of Electrical contractors of Cu-Ag MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Công nghệ vật liệu, lĩnh vực đƣợc ƣu tiên phát triển hàng đầu có vai trò lớn kinh tế quốc dân Vật liệu composite hƣớng nghiên cứu đƣợc quan tâm nƣớc giới, composite Cu cốt hạt TiC làm tăng cƣờng tính vật liệu Nghiên cứu công nghệ sản xuất composite Cu cốt hạt TiC ứng dụng kỹ thuật điện hƣớng nghiên cứu có nhiều hứa hẹn, sản phẩm đƣợc ứng dụng vật liệu làm vật dẫn, vật liệu tiếp điểm điện, chịu nhiệt cao chịu mài mòn tốt Nghiên cứu khảo sát đồng thời ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC, nhiệt độ thiêu kết ép đùn nguội đến số tính chất composite Cu cốt hạt TiC nhƣ độ dẫn điện, độ bền kéo, độ bền nén độ mài mòn Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo composite Cu cốt hạt TiC phƣơng pháp luyện kim bột ứng dụng làm tiếp điểm điện cơng tắc tơ”, với mục đích xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo ứng dụng phƣơng pháp ép đùn, xác định lý tính vật liệu, nghiên cứu ảnh hƣởng đồng thời số yếu tố đến tính chất vật liệu Mục tiêu Mục tiêu đề tài nghiên cứu xác định ảnh hƣởng thành phần khả thiêu kết composite Cu cốt hạt TiC Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Đƣa đƣợc thơng số cơng nghệ để ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm công tắc tơ Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu 3.1 Cách tiếp cận Cụ thể, mẫu composite Cu cốt hạt TiC thí nghiệm với tỉ lệ cốt hạt TiC từ 15%, cơng nghệ ép tạo hình chế độ thiêu kết Các mẫu thí nghiệm đƣợc đánh giá lý tính (độ bền nén, độ bền kéo, độ mài mịn độ dẫn điện) qua chọn đƣợc thành phần chế độ công nghệ phù hợp để chế tạo vật liệu theo đề xuất 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết công nghệ luyện kim bột, vật liệu tiếp điểm điện vật liệu Composite kim loại Xác định công nghệ chế tạo composite Cu cốt hạt TiC ứng dụng vào việc chế tạo tiếp điểm công tắc tơ phù hợp với điều kiện nƣớc CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU TIẾP ĐIỂM ĐIỆN COMPOSITE NỀN KIM LOẠI 1.1 Khái niệm Vật liệu composite vật liệu tổ hợp gồm hai hay nhiều cấu tử khác tổ chức, tính chất, khơng tạo pha trung gian với Các thành phần tổ chức composite đƣợc phân loại thành hai phần cốt Nền thành phần liên tục tồn thể tích khối composite Vật liệu thƣờng vật liệu có độ dẻo lớn, tỷ trọng nhỏ đóng vai trị liên kết pha cốt, tiếp nhận truyền tác động bên vào pha cốt, bảo vệ pha cốt khỏi tác động mơi trƣờng tạo hình sản phẩm Nền kim loại hợp kim; vật liệu hữu cơ, vô cơ, gốm, vật liệu cácbon vật liệu khác Tính chất vật liệu định tham số công nghệ q trình chế tạo composite đặc tính sử dụng nhƣ khối lƣợng riêng, độ bền riêng, nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi khả chống ăn mòn Vật liệu cốt pha gián đoạn phân bố nền, đóng vai trị tăng cƣờng cơ, lý tính vật liệu Vật liệu cốt hai ba pha thƣờng hợp chất có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao 1.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại vật liệu composite nhƣ: phân loại theo chất vật liệu nền, phân loại theo hình dáng cốt, 1.2.1 Phân loại theo chất vật liệu Tùy thuộc vào vật liệu làm mà phân chia composite thành ba loại: Composite kim loại Composite polymer Composite ceramic 1.2.2 Phân loại theo hình dáng cốt Tùy theo đặc điểm hình dáng cốt vật liệu composite, đƣợc phân loại theo sơ đồ hình 1.1 COMPOSITE Cốt hạt Cốt sợi Composite cấu trúc Hạt thô Hạt mịn Liên tục Gián đoạn Lớp Tấm ba lớp Tổ ong Có hƣớng Ngẫu hƣớng Hình 1.1 Sơ đồ phân loại composite theo hình dạng cột 1.3 Composite kim loại Vật liệu composite kim loại có kim loại hợp kim có độ dẻo dai cao, tỷ trọng riêng nhỏ, độ bền cao mô đun đàn hồi lớn Khi đƣa thêm phần tử cốt vào pha tạo loại vật liệu có tính chất ƣu việt hẳn pha thành phần hợp thành nên Các đặc tính đặc trƣng vật liệu composite kim loại độ dẻo dai cao, độ bền lớn, chịu mài mòn khả làm việc ổn định nhiệt độ cao 1.4 Vật liệu tiếp điểm điện 1.4.1 Khái niệm chung vật liệu tiếp điểm điện Vật liệu tiếp điểm điện chi tiết thiết bị điện, tác dụng cho dịng điện qua thời gian ngắn cắt mạch, có ý nghĩa điều khiển vận hành cấu thiết bị 1.4.1.1 Yêu cầu vật liệu làm tiếp điểm Yêu cầu vật liệu chế tạo tiếp điểm: Tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt để khơng nóng q nhiệt độ cho phép tiếp điểm có dịng điện định mức qua; độ bền học cao (tuổi thọ cao); độ bền mịn (ăn mịn hóa học, học tốt); nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ hóa cao, ơxit phải có điện dẫn suất lớn (tức để chịu đƣợc dịng ngắn mạch cao, Rtx nhỏ); độ bền nén cao để chịu đƣợc áp suất ép lớn; độ bền hồ quang điện (đối với tiếp điểm đóng, ngắt); gia cơng dễ dàng mà giá thành hạ Bên cạnh điểm nêu trên, phải thỏa mãn điều kiện tùy thuộc dạng tiếp điểm có dạng tiếp điểm cố định, di động trƣợt Căn vào chế độ làm việc, tiếp điểm đƣợc chia thành loại: dòng lớn, dòng nhỏ; phân chia mang tính chất tƣơng đối 1.4.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng tới độ bền tiếp điểm Bản chất bề mặt; Lực ấn; Nhiệt độ tiếp điểm; Trạng thái bề mặt lúc tiếp xúc 1.4.2 Phân loại vật liệu tiếp điểm Vật liệu tiếp điểm đƣợc chia làm loại: Tiếp điểm điện nặng Tiếp điểm dòng điện nhỏ [2] 1.5 Tình hình nghiên cứu composite kim loại giới Việt Nam 1.5 Tình hình nghiên cứu Thế giới Trong số kim loại làm vật liệu phổ biến, Cu trội nhờ khả dẫn điện tốt Cu đƣợc sử dụng rộng rãi dây dẫn điện hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt Tuy nhiên, nhƣợc điểm lớn Cu độ bền thấp, Cu cần đƣợc tăng bền để đảm bảo tính sử dụng phù hợp mà giữ đƣợc đặc tính trội dẫn điện Phƣơng pháp hóa bền phân tán cho đồng đƣợc xem nhƣ phƣơng pháp để tạo vật liệu có độ bền nhiệt cao mà giữ đƣợc khả dẫn điện tốt Bên cạnh đó, composite đồng gia cƣờng hạt cacbit nhận đƣợc nhiều quan tâm, nhƣ phƣơng pháp lí tƣởng tạo loại vật liệu vừa có độ bền nhiệt cao vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt Nhiều composite Cu gia cƣờng hạt cacbit đƣợc tổng hợp phƣơng pháp in-situ kết hợp với hợp kim hóa học nhƣ Cu-NbC Cu-TiC Composite Cu đƣợc gia cƣờng hạt cacbit WC TiC có nhiệt độ nóng chảy cao độ cứng tế vi cao Các nghiên cứu trƣớc việc chế tạo vật liệu composite Cu Takahashi and Hashimoto thực cho số cácbit kim loại nhƣng chƣa thực với cacbit WC làm lớp Các tác giả nghiên cứu hợp chất Cu-Ti-C với tỉ lệ khác thành phần TiC nhƣ 2,5%, 4,15%, 10% 30% thể tích phƣơng pháp hợp kim học vòng 20 Nghiên cứu tập trung khảo sát cấu trúc phân tử mà không đề cập đến mật độ trình thiêu kết vật liệu, yếu tố ảnh hƣởng tới tính vật liệu composite Cu Để biết đƣợc hƣớng biến dạng lớp cốt kim loại, Baikalova Lomovsky tiến hành trình nhiệt luyện bổ sung Trong nghiên cứu trƣớc cho hệ Cu-W-C, pha WC W2C đƣợc quan sát nhiệt luyện với nhiệt độ 940°C vịng Bởi q trình nghiền dài (>50 phút) dẫn tới lẫn tạp chất sắt từ bi nghiền thành khuôn Năm 2008, theo Hussain cộng phƣơng pháp phổ biến để tạo loại vật liệu composite kim loại đúc luyện kim bột Trong phƣơng pháp luyện kim bột, hai phƣơng pháp trộn lẫn để kết dính hạt phân tử khuếch tán lớp cốt nghiền bi hợp kim hóa học Phƣơng pháp nghiền bi tốn lƣợng hơn, tƣơng đối đơn giản nhƣng phƣơng pháp không đảm bảo phân bố đồng hạt phân tử khuếch tán hạt nhỏ mịn đƣợc tạo kết dính Phƣơng pháp thƣờng tạo khuyết tật ranh giới tạp chất vật liệu composite khó tạo liên kết biên giới hạt Phƣơng pháp nghiền lƣợng cao hay phƣơng pháp hợp kim hóa học (mechanical alloying - MA) để liên kết phân tử hạt nhỏ mịn khuếch tán, đƣợc ứng dụng rộng rãi trình phát triển loại vật liệu composite khả liên kết - cốt tốt Đặc tính độ cứng composite đồng phụ thuộc vào khoảng cách nội phân tử hạt lớp cốt, phân bố độ lớn hạt vật liệu cốt Năm 2008, Rajkovic cộng chế tạo composite đồng với hạt cốt có kích thƣớc khác với lƣợng Al2O3 phƣơng pháp oxi hóa nghiền lƣợng cao Trong nghiên cứu này, việc nghiền Cu- 1%Al cho phép tạo hạt nhỏ mịn phân tán (1,9%Al2O3 với kích thƣớc xấp xỉ 100 nm) việc oxi hóa Với Cu-3%Al2O3 tạo phân bố đồng loại hạt Al2O3 đồng Liang cộng cơng bố q trình tổng hợp TiC hợp chất Cu-Ti-C sử dụng phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) nhiễu xạ tia X (X-ray) Kết hợp chất TixCuy (Ti2Cu, TiCu, Ti3Cu4 TiCu4) đƣợc hình thành ban đầu thơng qua q trình phản ứng khuếch tán trạng thái rắn phân tử Cu Ti; sau lần lƣợt Ti2Cu TiCu đƣợc hình thành Cu-Ti lỏng nhiệt độ tích 1233°K Các hạt Ti C khơng phản ứng đƣợc hòa tan Cu-Ti lỏng tạo hình thành hợp chất Cu-Ti-C; kết hạt TiC hình thành kết tủa bên ngồi khối chất hợp chất nóng chảy bão hịa Cùng thời điểm đó, hình thành hợp chất Ti2Cu xảy mặt biên khối lỏng Cu-Ti hạt Ti khơng phản ứng Vì nhiệt độ tiếp tục tăng, hạt Ti2Cu bị nóng chảy tiếp tục Cu-Ti lỏng đƣợc hình thành; sau hạt C tiếp tục hòa tan vào Cu-Ti hạt TiC đƣợc hình thành cách từ từ Sự giải thích giúp cho nhận thức đầy đủ chế tự lan truyền nhiệt độ cao (SHS) hợp chất Cu-Ti-C 1.5.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam Những năm gần đây, tình hình kinh tế nƣớc ta phát triển nhanh, yêu cầu q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nƣớc đặt yêu cầu cao khoa học cơng nghệ, có ngành kỹ thuật vật liệu, đặc biệt vật liệu kim loại Phịng thí nghiệm Luyện kim bột, Bộ mơn Vật liệu kim loại màu composite trƣờng Đại học Bách Khoa Hà nội có dự án với Bỉ (dự án VLIR-HUT) chế tạo vật liệu MMCs Tại chế tạo thành công nhiều sản phẩm nhƣ hợp kim cứng, chuổi than, bạc bôi trơn… Năm 2009, luận án tiến sĩ Phạm Ngọc Diệu Quỳnh nghiên cứu nâng cao tính tăng cƣờng khả cắt gọt thép gió việc đƣa nano TiC vào thép gió siêu mịn, tạo vật liệu composite có cấu trúc nano-macro hỗn hợp theo cơng nghệ luyện kim bột Năm 2011, luận án tiến sĩ Ngô Kiên Cƣờng nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp bền nhiệt, độ dẫn điện cao phƣơng pháp kết hợp ơxy hóa bên biến dạng dẻo ép chảy hệ Cu-Al2O3 Cu-Cr Trƣờng Đại học bách khoa Hà nội vài trung tâm nghiên cứu thuộc Quân đội tiến hành nghiên cứu vật liệu composite kim loại Đây lĩnh vực ngành khoa học vật liệu nƣớc CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO COMPOSITE NỂN Cu CÔT HẠT TiC 2.1 Cơ sở lý thuyết chế tạo vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Vật liệu composite Cu-TiC vật liệu có Cu, cốt hạt TiC nhỏ mịn, nhiệt độ nóng chảy lớn, mô đun đàn hồi lớn, tỷ trọng nhỏ Đây loại composite hóa bền phân tán Pha cốt TiC phân tán vào Cu đóng vai trị làm hãm chuyển động lệch hóa bền gián tiếp nhờ cản trở trình kết tinh lại sau biến dạng dẻo xử lý nhiệt 2.2 Công nghệ tổng hợp vật liệu composite Cu-TiC 2.2.1 Quy trình nghiên cứu Bột Cu Bột TiC 2.2.2 Nguyên vật liệu Trộn Tạo hình, thiêu kết Ép đùn Hình 2.2 Ảnh SEM bột Cu Kiểm tra vật liệu Hình 2.1 Quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Bảng 2.1 Thành phần hóa học bột Cu Nguyên tố Cu Fe Ag Sn, Sb P khác Hàm lƣợng ,% 99.9 0.01 0.005 0.01 0.005 lại VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau T iC - I2-ML 800 700 d=2.1628 Cu 600 d=1.5284 5% TiC Lin (Cps) 500 Intensity (a.u.) 4% TiC 400 d=2.4979 3% TiC 300 2% TiC 200 1% TiC 100 20 30 40 50 60 70 80 2 (deg) Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hỗn 10 20 30 40 50 60 70 hợp bột Cu-TiC sau trộn 2-T heta - Scale File: Hoang-DHBK-TiC-I2-ML.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 08/09/11 17:34:40 32-1383 (*) - Khamrabaevite, syn - TiC - Y: 67.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 2.3 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen TiC 10 m Hình 2.6 Ảnh tổ chức tế vi hỗn hợp bột Cu-3%TiC sau tạo hình Hình 2.5 Ảnh SEM hỗn hợp bột Cu-3% TiC sau trộn 2.2.3 Các bƣớc tiến hành 2.2.3.1 Quá trình ép tạo hình thiêu kết sơ Ép trụ ngang Thiêu kết Sản phẩm Kích thƣớc Φ ≤ 10 Ép đùn Kích thƣớc Φ < Sản phẩm Hình 2.7 Sơ đồ cơng nghệ tạo hình vật liệu composite Cu cốt hạt TiC 2.2.3.2 Quá trình ép đùn Vật liệu nhận đƣợc sau thiêu kết có mật độ khơng cao, số tính chất khơng đảm bảo nên tiến hành ép đùn để tăng mật độ, làm giảm tiết diện (sản phẩm sau ép đùn có đƣờng kính nhỏ mm) tăng chiều dài CHƢƠNG 3: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP COMPOSITE NỀN Cu CỐT HẠT TiC Trong chƣơng này, nhóm nghiên cứu trình bày bƣớc tiến hành nghiên cứu tổng hợp composite Cu cốt TiC sử dụng phƣơng pháp ép đùn sản phẩm luyện kim bột sau thiêu kết nhằm mục đích giảm độ xốp, tăng mật độ thay đổi tính vật liệu 3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC nhiệt độ thiêu kết đến mật độ composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.1 cho thấy ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC nhiệt độ thiêu kết đến mật độ composite Cu cốt hạt TiC Khi hàm lƣợng TiC tăng mật độ composite giảm Do TiC pha cứng nên khó đạt đƣợc mật độ cao ép, trình thiêu kết hạt TiC nhỏ mịn phân tán cản trở khuếch tán hạt đồng, cản trở việc co ngót làm tăng độ xốp Khi nhiệt độ thiêu kết tăng Hình 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng TiC nhiệt độ xốp giảm đáng kể làm tăng mật độ thiêu kết đến mật độ composite Cu cốt độ composite hạt TiC Từ kết cho thấy mật độ mẫu thiêu kết 900 oC tăng mạnh 850 oC tiệm cận với mật độ mẫu thiêu kết 950 oC nên lựa chọn mẫu thiêu kết 900 oC để nghiên cứu ảnh hƣởng ép đùn đến tính chất composite Cu-TiC Hình 3.2 ảnh tổ chức tế vi đặc trƣng mẫu composite Cu cốt hạt TiC gồm hạt TiC (mầu đen) Cu (mầu xám) Từ ảnh tổ chức tế vi composite Cu cốt hạt TiC cho thấy phân bố đồng hạt TiC Cu Điều đóng góp vào tăng tính composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.2 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu composite Cu cốt hạt TiC a Cu - 1%TiC b Cu - 3%TiC c Cu - 5%TiC 3.2 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ xốp composite Cu cốt hạt TiC Kết ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC ép đùn nguội đến độ xốp composite Cu cốt hạt TiC đƣợc trình hình 3.3 Từ hình 3.3 cho thấy ảnh hƣởng ép đùn nguội hàm lƣợng TiC đến độ xốp composite Cu cốt hạt TiC Khi hàm lƣợng TiC tăng độ xốp vật liệu tăng Do TiC pha cứng nên khó đạt đƣợc mật độ cao ép, trình thiêu kết hạt TiC nhỏ mịn phân tán cản trở khuếch tán hạt đồng, giảm co ngót làm tăng độ xốp Với 3% TiC, trƣớc ép đùn độ xốp Hình 3.3 Ảnh hưởng ép đùn nguội hàm compositekhoảng 10%, sau ép đùn độ xốp lượng TiC đến độ xốp composite Cu cốt vật liệu giảm xuống dƣới 7% Điều chứng tỏ ép đùn nguội làm mật độ hạt TiC composite Cu cốt hạt TiC tăng lên đáng kể 3.3 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ dẫn điện composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.4 cho thấy, Ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến điện trở suất vật liệu composite Cu cốt hạt TiC Khi hàm lƣợng TiC tăng điện trở suất tăng mật độ composite giảm Điện trở suất tăng mạnh hàm lƣợng TiC > % điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Mặt khác, sau ép đùn nguội điện trở suất composite Cu cốt hạt TiC giảm đáng kể so với trƣớc ép Điều chứng tỏ, sau ép đùn nguội mật độ tăng đáng kể dẫn đến độ dẫn điện composite tăng Hình 3.4 Ảnh hưởng hàm lượng TiC đến Hình 3.5 Điện trở suất lớp bị biến dạng (bề điện trở suất composite Cu cốt hạt TiC mặt) không bị biến dạng (lõi) composite Cu cốt hạt TiC Ép đùn nguội không ảnh hƣởng đến điện trở thể tích vật liệu mà tạo dị hƣớng mặt tổ chức Chúng tiến hành đo kiểm điện trở suất lớp bị biến dạng (bề mặt) không bị biến dạng (lõi) phƣơng pháp đo hiệu ứng Hall, kết đƣợc thể hình 3.5 Sự ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến điện trở suất composite Cu cốt hạt TiC có kết theo quy luật nhƣ sau ép đùn nguội Từ kết cho thấy điện trở suất lõi lớn bề mặt, điều chứng tỏ biến dạng làm tăng khả dẫn điện composite Mặt khác, điện trở suất lõi nhỏ so với mẫu sau ép thiêu kết, sau ép đùn nguội độ xốp giảm làm tăng độ dẫn điện composite Ở lớp bị biến dạng hàm lƣợng dƣới 3%TiC điện trở suất nhỏ so với composite sau ép đùn nguội, nhƣng hàm lƣợng TiC lớn 3% điện trở suất lại lớn Điều chứng tỏ hàm lƣợng hạt TiC cao biến dạng xảy tƣợng nứt tế vi làm giảm tính dẫn điện 3.4 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ bền kéo composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.6 cho thấy ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến giới hạn bền kéo composite Cu cốt hạt TiC Sau ép đùn nguội giới hạn bền kéo đạt cực đại hàm lƣợng TiC 2%, biến dạng làm mật độ composite Cu cốt hạt TiC tăng Nhƣng vƣợt 2%TiC giới hạn bền kéo lại giảm thể tích hạt TiC nhiều nên độ xốp tăng Ép đùn nguội làm tăng đáng kể độ bền kéo composite Cu cốt hạt TiC 3.5 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ bền nén composite Cu cốt hạt TiC Hình 3.7 cho thấy ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến độ bền nén composite Cu cốt hạt TiC Sau thiêu kết 900oC ép đùn giới hạn bền nén đạt giá trị lớn hàm lƣợng TiC 4%TiC, nhƣng vƣợt hàm lƣợng độ bền nén lại giảm hàm lƣợng pha cốt nhiều dẫn tới làm giảm tính khả ép khả thiêu compozit đƣợc tổng hợp phƣơng pháp luyện kim bột tức mật độ giảm So với thử kéo, độ bền nén composite Cu cốt hạt TiC đạt cực đại với hàm lƣợng 4%TiC thử nén, vết nứt tế vi đƣợc hàn kín lại làm tăng khả chịu tải vật liệu Hình 3.6 Ảnh hưởng hàm lượng TiC đến Hình 3.7 Ảnh hưởng hàm lượng TiC đến độ bền kéo composite Cu cốt hạt TiC độ bền nén composite Cu cốt hạt TiC 3.6 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ mài mòn composite Cu cốt hạt TiC Từ hình 3.8 thấy rõ ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến độ mài mòn composite Cu cốt hạt TiC Khi cho thêm 1%TiC vào Cu khả chịu mài mịn vật liệu composite Cu cốt hạt TiC tăng mạnh so với đồng nguyên chất Mặt khác, mẫu qua ép đùn nguội mật độ cao liên kết Cu với cốt hạt TiC bền vững nên kiểm tra độ mài mòn hạt TiC khó bị tách khỏi Cu làm tăng ma sát khả chịu mài mịn tốt Khi hàm lƣợng TiC tăng khả chịu mài mịn composite tăng nhƣng khơng đáng kể Hình 3.8 Ảnh hưởng hàm lượng TiC đến Hình 3.9 Ảnh hưởng hàm lượng TiC đến độ mài mòn composite Cu cốt hạt TiC độ cứng composite Cu cốt hạt TiC 3.7 Ảnh hƣởng ép đùn nguội đến độ cứng composite Cu cốt hạt TiC Từ hình 3.9 cho thấy ảnh hƣởng hàm lƣợng TiC đến độ cứng composite Cu cốt hạt TiC Khi hàm lƣợng TiC tăng độ cứng tăng, điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Mặt khác, độ cứng sau ép thiêu kết đạt giá trị cực đại hàm lƣợng TiC 3,7% nhƣng sau ép đùn nguội làm giảm đáng kể độ xốp khả liên kết nền-cốt tốt dẫn đến độ cứng có giá trị cực đại lớn Hay sau ép đùn độ cứng của vật liệu composite tăng Hình 3.10 tổ chức tế vi đặc trƣng mẫu composite Cu cốt hạt TiC gồm hạt TiC (mầu đen) Cu (mầu xám) Qua ảnh tổ chức tế vi composite với hàm lƣợng TiC khác cho thấy phân bố đồng hạt TiC Cu Điều đóng góp vào tăng tính composite Nhƣng hàm lƣợng TiC 4% giới hạn bền nén composite lại giảm (hình 5.5), với hàm lƣợng thể tích hạt TiC tăng đáng kể nên xảy tập trung hạt TiC làm giảm mật độ làm giảm tính vật liệu 10 Hình 3.10 Ảnh tổ chức tế vi composite Cu cốt hạt TiC sau ép đùn nguội a, b - 3% TiC c, d - 4% TiC e, g - 5% TiC Hình 3.11 Ảnh hưởng tổ chức tế vi lớp biến dạng composite Cu cốt hạt TiC a, b - 2% TiC c, d - 3% TiC