Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm chịu nhiệt Al-Zr dùng để sản xuất dây cáp điện

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÝ THÁI PHÁP

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO HỢP KIM NHÔM

CHỊU NHIỆT Al-Zr DÙNG ĐỂ SẢN XUẤT DÂY CÁP ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU Mã số : 60520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH CÔNG KHANH

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ )

1 PGS.TS NGUYỄN VĂN DÁN

2 TS TRẦN THANH TÂM 3 TS TRẦN TRÍ LUÂN

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÝ THÁI PHÁP MSHV: 1670285 Ngày, tháng, năm sinh: 18/05/1989 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu Mã số: 60520309

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm chịu nhiệt Al-Zr dùng để sản xuất dây cáp điện

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu và chế tạo hợp kim trung gian Al-Zr-Si Nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm AT1

Tiến hành thực nghiệm nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si, hợp kim nhôm AT1 phù hợp sản xuất dây cáp điện chịu nhiệt

Tiến hành chế tạo dây hợp kim nhôm AT1, đo độ dẫn điện, kiểm tra cơ tính

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/2020

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH CÔNG KHANH

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Huỳnh Công Khanh - cán bộ hướng dẫn khoa học – người đã tận tình giúp đỡ tôi về kiến thức cũng như kinh nghiệm trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện Luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô và Cán bộ của Bộ môn Công nghệ Vật liệu Kim loại và Hợp kim, Khoa Công nghệ Vật liệu – Đại học Bách Khoa TPHCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong hội đồng chấm phản biện đã đọc và góp ý cho luận văn của tôi

Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty TNHH SX TM DV Việt Khiêm - Khu TTCN Lê Minh Xuân, Tp HCM Các Thử nghiệm viên phòng Thử nghiệm Cơ khí, phòng Thử nghiệm Điện của QUATEST3 - KCN Biên Hòa I Cá nhân em Đỗ Thành Toàn đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện Luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp luôn ủng hộ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

TP.Hồ Chí Minh tháng 09 năm 2020

Lý Thái Pháp

Trang 5

TÓM TẮT

Trong những năm gần đây, dây cáp điện làm bằng hợp kim nhôm chịu nhiệt trên cơ sở hệ hợp kim Al-Zr được sử dụng khá phổ biến trên toàn thế giới Tuy nhiên trong nước chưa có đề tài nghiên cứu chế tạo ra dây hợp kim AT1 phù hợp tiêu chuẩn IEC 62004

Luận văn trình bày một phương pháp mới để chế tạo hợp kim trung gian Al-Zr-Si sử dụng nguyên liệu tinh quặng Zircon Tạo tiền đề để hoàn thiện công nghệ nấu luyện hợp kim AT1 dùng để sản suất cáp điện chịu nhiệt Sử dụng phương pháp phân tích thành phần hóa học hợp kim nhôm bằng máy quang phổ phát xạ nguyên tử SPECTROLAB, nguyên tố Zirconi (mẫu có hàm lượng lớn hơn 0.24% ) được phân tích bằng phương pháp phân tích quang phổ phát xạ plasma kết hợp tự cảm, và quan sát tổ chức tế vi chụp từ ảnh chụp được bằng kính hiển vi quang học OLYMPUS PME3 của hợp kim trung gian và hợp kim AT1 thu được, qua đó điều chỉnh các thông số phối liệu phù hợp, sự ảnh hưởng của Cryolite và KCl lên thành phần Zr trong hợp kim trung gian Chế tạo hợp kim AT1, tiến hành ép đùn ra dây hợp kim AT1 4.5-4.7 mm, kéo nguội dây đến đường kính 2.5mm, hóa già Đo điện trở, giới hạn bền kéo và độ bền nhiệt của dây hợp kim AT1, cho thấy quá trình thực nghiệm ở mẫu hóa già 450C có kết quả phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn

IEC 62004 về giới hạn bền kéo 171-173Mpa, độ giãn dài tương đối 2.0%, độ bền

kéo sau khi nung 230°C trong vòng 1 giờ đạt 96.5% so với độ bền kéo trước khi nung, độ dẫn điện ở 20C đạt 60%IACS Ngoài ra, hàm lượng Zr chứa trong hợp kim trung gian đạt được 2.6% Zr

Trang 6

ABSTRACT

Over the last few years, the use of Al-Zr heat-resistant aluminum alloy electrical wire has become quite popular in the world However in Vietnam, there are no research projects to manufacture AT1 alloy wire in accordance with IEC 62004 standard

This thesis studies the experimental process of making master alloy Al-Zr-Si using zircon concentrate Creating a premise to complete the AT1 alloy smelting technology to producing heat-resistant electric cables Chemical compositions, microstructure of master alloy and AT1 aluminium alloy were analyzed by SPECTROLAB atomic emission spectrometer, Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy (for %Zr > 0.24 mass fraction) and optical microscope (OLYMPUS PME3), thereby adjusting the appropriate blending parameters, the effect of Cryolite and KCl component on Zr content in the master alloy

Making alumininum alloy AT1, cast ingots were hot extruded to form 4.5-4.7 mm rod Then, the rod was cold drawn to form 2.5mm wire, artificial aging wire Electrical resistivity, tensile stress, elongation, themal-resistant property were test by according to IEC 62004 standard, type AT1 The results showed that: The sample artificial aging at 450C during 10 hours accordance with IEC 62004

standard Tensile stress 171-173MPa, Elogation 2.0% , 60%IACS conductivity at

20C, and its tensile strength remains at a level of 96.5 % of the initial level after a heat history at a temperature of 230°C for 1 hours In additional, the chemical compositions of the master alloys, particularly the content of 2.6% Zr mass fraction in the alloy

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Kết quả trình bày trong luận văn này là kết quả thực nghiệm do chính tôi thực hiện, kết quả trung thực và chưa được các tác giả công bố trong bất kỳ công trình nào

Các trích dẫn về bảng biểu, kết quả nghiên cứu của những tác giả khác; tài liệu tham khảo trong luận văn đều có nguồn gốc rõ ràng và đúng quy định

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2020 TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lý Thái Pháp

Trang 8

2.Tính cấp thiết của đề tài 2

3.Mục tiêu nghiên cứu 2

4.Nội dung nghiên cứu 2

5.Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3

1.1.Hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 5

1.1.1.Tính chất hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1 5

1.1.2.So sánh dây dẫn chịu nhiệt với các loại dây dẫn hợp kim nhôm khác 5

1.2.Công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian 7

1.2.1.Các nghiên cứu tác động của nguyên tố hợp kim lên đặc tính của hợp kim nhôm Al-Zr làm vật liệu dẫn điện chịu nhiệt 7

1.2.2.Cơ sở lý thuyết nấu luyện hợp kim trung gian 19

1.2.3.Công nghệ nấu luyện hợp kim 21

1.3.Công nghệ chế tạo dây hợp kim nhôm 22

1.3.1.Công nghệ cán thỏi đúc hợp kim nhôm 22

1.3.2.Công nghệ ép nóng ra dây hợp kim nhôm 22

1.3.3.Công nghệ kéo dây hợp kim nhôm 22

1.4.Công nghệ nhiệt luyện dây hợp kim nhôm AT1 23

1.5.Tình hình sản xuất dây hợp kim nhôm AlZr trên thế giới và trong nước 23

1.5.1.Phương pháp đúc và cán liên tục Continuus Properzi (CCR) 24

1.5.2.Phương pháp SCR 24

1.5.3.Phương pháp đúc liên tục 25

1.5.4.Phương pháp sản xuất không liên tục 25

1.5.5.Tình hình sản xuất dây cáp điện chịu nhiệt ở nước ta 26

Trang 9

1.6.Tiêu chuẩn IEC 62004:2007 26

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 27

2.1.Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 27

2.2.Thí nghiệm nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si 27

2.2.1.Nguyên liệu và thiết bị 27

2.2.2.Mô tả thí nghiệm 29

2.2.3.Mẻ nấu hợp kim trung gian số 1 (Mã hóa 2409) 32

2.2.4.Mẻ nấu hợp kim trung gian số 2 (Mã hóa 2111) 32

2.2.5.Mẻ nấu hợp kim trung gian số 3 (Mã hóa 1405-2) 32

2.3.Thí nghiệm nấu luyện hợp kim AT1, dùng cho thí nghiệm chế tạo dây cáp 33

2.3.3.Mẻ nấu nhôm hợp kim AT1 số 1 (Mã hóa 0406) 35

2.4.Thí nghiệm ép đùn kéo dây hợp kim nhôm AT1 37

2.5.Thí nghiệm nhiệt luyện dây hợp kim nhôm AT1 39

2.5.1.Chuẩn bị mẫu và thiết bị 39

2.7.1.Đánh giá thành phần hóa học của hợp kim trung gian Al-Zr-Si 44

2.7.2.Đánh giá chất lượng của dây hợp kim nhôm AT1 44

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46

3.1.Hợp kim trung gian Al-Zr-Si 46

3.1.1.Thành phần hóa học các mẻ nấu hợp kim trung gian 47

3.1.2.Tổ chức tế vi các mẻ nấu hợp kim trung gian 50

3.2.Hợp kim nhôm AT1 53

Trang 10

3.2.1.Thành phần hóa học các mẻ nấu hợp kim nhôm AT1 54

3.2.2.Tổ chức tế vi các mẻ nấu hợp kim nhôm AT1 55

3.3.Kết quả quá trình đùn kéo hợp kim nhôm AT1 56

3.3.1.Dây hợp kim sau khi đùn 56

3.3.2.Dây hợp kim sau khi kéo 57

3.3.3.Cơ tính, điện trở suất dây hợp kim AT1 58

Trang 11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Tính chất vật lý của hợp kim nhôm hệ Al-Zr: 60TAL AT1 5

Bảng 1 2 Các loại cáp điện chịu nhiệt 6

Bảng 1 3 So sánh đặc tính chịu nhiệt của hợp kim khi thay đổi hàm lượng Si 8

Bảng 1 4 Thành phần hóa học của mẫu nghiên cứu 11

Bảng 1 5 Tính chất của dây làm từ hợp kim nghiên cứu 12

Bảng 1 6 Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm 16

Bảng 1 7 Chế độ xử lý nhiệt của hợp kim Al-Zr dạng tấm 17

Bảng 2 1 Thành phần hóa học nhôm dây nguyên liệu 27

Bảng 2 2 Kết quả phân tích thành phần hóa học tinh quặng Zircon 28

Bảng 2 3 Yêu cầu cơ tính của dây hợp kim trong IEC 62004 44

Bảng 2 4 Yêu cầu điện trở suất và độ dẫn điện ở 20C trong IEC 62004 45

Bảng 2 5 Yêu cầu về chế độ nung để thử độ bền nhiệt trong IEC 62004 45

Bảng 3 1 Thành phần hóa học của mẻ nấu 2409 47

Bảng 3 3 Thành phần hóa học của mẻ nấu 1405-2 48

Bảng 3 10 Giá trị điện trở suất và độ dẫn điện của mẫu thử nghiệm 58

Bảng 3 11 Giá trị độ bền kéo của hai mẫu dây nhôm hợp kim AT1 thử nghiệm 59

Bảng 3 12 Độ bền chịu nhiệt của mẫu dây nhôm hợp kim AT1 thử nghiệm 60

Trang 12

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Nhiệt độ làm việc của các loại cáp điện 6

Hình 1 2 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim thêm vào tác động đến độ dẫn điện của nhôm 7

Hình 1 3 Giản đồ pha Ti-Al 9

Hình 1 4 Giản đồ pha của hợp kim Zr-Al với thành phần Zr từ 0-1,6% 10

Hình 1 5 Cấu trúc tinh thể (a) L12 ; (b) DO22 ; (c) DO23 11

Hình 1 6 Biểu diễn sự thay đổi độ bền của hợp kim theo nhiệt độ 12

Hình 1 7 Tổ chức tế vi của hợp kim AlZr0,26 13

Hình 1 8 Mẫu nhôm không có thành phần Zr 14

Hình 1 9 Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến kích thước hạt của hợp kim nhôm có 0,2% Zr, và thời gian giữ nhiệt: a) 30s ; b) 60s ; c) 90s; d) 120s 14

Hình 1 10 Sự thay đổi kích thước hạt của hợp kim nhôm cùng thời gian giữ nhiệt 90s, với thành phần %Zr thay đổi 15

Hình 1 11 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa kích thước hạt và thành phần Zr, 15

Hình 1 12 Quy trình tạo mẫu thí nghiệm 16

Hình 1 13 So sánh đặc tính dẫn điện của các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau 18

Hình 1 14 So sánh độ cứng (HV) của các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau 18

Hình 1 15 Giản đồ pha Al-Si 19

Hình 1 16 Giản đồ pha Al-Fe 20

Hình 1 17 Các quy trình sản xuất dây hợp kim nhôm Al-Zr 24

Hình 1 18 Sơ đồ hình chiếu tổng quát phương pháp đúc liên tục 25

Hình 2 1 Nhôm dây nguyên liệu 28

Hình 2 2 a) Lò điện trở; b) Nồi graphite 29

Hình 2 3 Khuôn đúc thỏi 29

Hình 2 4 Quy trình nấu luyện HKTG bằng phương pháp nấu luyện trực tiếp 30

Hình 2 5 Quy trình nấu luyện HKTG bằng phương pháp kết hợp thiêu kết 31

Hình 2 6 Khuôn đúc thỏi 34

Hình 2 7 Quy trình nấu luyện hợp kim nhôm 35

Hình 2 8 Thỏi đúc hợp kim nhôm dùng chế tạo dây 37

Hình 2 9 Lò nung thỏi đúc ở 470C 38

Hình 2 10 Máy ép đùn Cincinnati Milacron 300 tấn, 14 lỗ 4.5-4.7mm 38

Hình 2 11 Máy kéo và cuộn dây 38

Hình 2 12 Quy trình ép đùn, kéo dây 39

Hình 2 13 Lò điện trở nhiệt luyện 40

Hình 2 15 Hình máy quang phổ phát xạ nguyên tử SPECTROLAB 41

Hình 2 16 Kính hiển vi quang học OLYMPUS PME3 42

Hình 2 17 Máy thử kéo SHIMADZU 42

Hình 2 19 Tủ nhiệt Memmert 43

Hình 2 20 Thiết bị đo điện trở RESISTOMAT 2304 43

Trang 13

Hình 3 1 Mối quan hệ giữa tỉ lệ [Tinh quặng zircon : Cryolite : KCl] 50

Hình 3 2 Tổ chức tế vi hợp kim trung gian của mẻ nấu 2409 50

Hình 3 3 Tổ chức tế vi hợp kim trung gian của mẻ nấu 2111 51

Hình 3 4 Tổ chức tế vi hợp kim trung gian của mẻ nấu 1405-2 51

Hình 3 8 Tổ chức tế vi hợp kim AT1 mẻ nấu 0406 55

Hình 3 11 Dây hợp kim AT1 sau khi đùn 57

Hình 3 12 Dây hợp kim AT1 sau khi kéo 57

Hình 3 13 Sự ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện lên tính chất điện 58

Hình 3 14 Cơ tính mẫu dây hợp kim AT1-2 ở các chế độ nhiệt luyện 59

Hình 3 15 Cơ tính mẫu dây hợp kim AT1-3 ở các chế độ nhiệt luyện 60

Trang 14

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AAAC All Aluminum Alloy Conductor : Dây dẫn hợp kim nhôm

ACSR Aluminum Conductor Steel Reinforced : Dây dẫn nhôm lõi thép gia

cường

ASTM American Society for Testing and Materials: Hiệp hội Thí nghiệm

và Vật liệu Hoa Kỳ

Hi-TACIR

Extra High Strength Thermal Resistant Aluminium Alloy

Conductor, Invar Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm chịu nhiệt

siêu bền, lõi Invar gia cường

Hi-TACIR/AW

Conductor, Aluminum-clad Invar Reinforced: Dây dẫn hợp kim

nhôm chịu nhiệt siêu bền, lõi Invar bọc nhôm gia cường

Hi-TACSR

Conductor, Steel Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm chịu nhiệt

siêu bền, lõi thép gia cường

Hi-TACSR/AW

Extra High Strength Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Aluminum-clad Steel Reinforced: Dây dẫn hợp kim

nhôm chịu nhiệt siêu bền, lõi thép bọc nhôm gia cường

IACS International Annealed Copper Standard : Tiêu chuẩn thế giới về

đồng ủ

quốc tế

chuẩn hóa quốc tế

) : Công ty sản xuất dây cáp

điện The Southwire Continuous Rod (Hoa Kỳ)

STACIR Super Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Invar

Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm siêu nhiệt lõi Invar gia cường

STACIR/AW Super Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor

Trang 15

Aluminum-clad Invar Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm siêu nhiệt, lõi thép

bọc nhôm gia cường

TACIR Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Invar Reinforced:

Dây dẫn hợp kim nhôm chịu nhiệt lõi Invar gia cường

TACIR/AW

Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor Aluminum-clad Invar Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm chịu nhiệt lõi Invar bọc

nhôm gia cường

TACSR Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Steel Reinforced:

Dây dẫn hợp kim nhôm chịu nhiệt lõi thép gia cường

TACSR/AW

Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor Aluminum-clad Steel Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm chịu nhiệt lõi thép bọc

nhôm gia cường

XTACIR Extra Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Invar

Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm siêu nhiệt lõi Invar gia cường

XTACIR/AW

Extra Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, clad Invar Reinforced: Dây dẫn hợp kim nhôm siêu nhiệt lõi Invar

Aluminum-bọc nhôm gia cường

Trang 16

MỞ ĐẦU1 Đặt vấn đề

Nước ta đang trong quá trình phát triển kinh tế xã hội mạnh mẽ, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng đồng thời công suất phát điện được nâng cao đòi hỏi hệ thống truyền tải điện phải được phát triển đồng bộ Việc mở rộng và cải tạo nâng cấp hệ thống truyền tải điện là một nhu cầu luôn phải thường xuyên thực hiện để theo kịp với sự phát triển đó

Trong hệ thống truyền tải điện các đường dây luôn được điều chỉnh vận hành tuy nhiên quá tải vẫn thường xuyên xảy ra, nếu để xảy ra quá tải trong thời gian dài có thể sẽ dẫn đến phát nhiệt, đe dọa an toàn cho hệ thống Việc đầu tư cải tạo nâng cao công suất truyền tải các tuyến đường dây hiện hữu mà vẫn giữ nguyên cấp điện áp rất quan trọng Một biện pháp hữu hiệu là dùng dây dẫn sử dụng công nghệ vật liệu mới có khả năng mang tải cao hơn và hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với dây dẫn cũ cùng tiết diện, khi đó không cần thay thế các kết cấu đã có sẵn của hệ thống cột trong tuyến, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư

Các nghiên cứu sản xuất dây cáp điện trong nước đang hướng tới dây dẫn chịu nhiệt và dây dẫn siêu nhiệt, có thể làm việc liên tục ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và mang tải cao hơn so với dây dẫn thông thường

Trong nhiều năm gần đây, dây dẫn bằng hợp kim nhôm chịu nhiệt hệ Al-Zr đã trở nên phổ biến trên thế giới Các dây dẫn này có tiết diện và khối lượng tương đương nhưng khả năng mang tải cao hơn, và làm việc liên tục ở nhiệt độ cao

Các doanh nghiệp trong nước đang hướng tới phát triển công nghệ mới, sử dụng nguồn nguyên liệu tinh quặng zircon trong nước để sản xuất hợp kim trung gian Al-Zr-Si là tiền đề để chế tạo dây nhôm hợp kim chịu nhiệt

Do vậy, việc tìm ra công nghệ sản xuất phù hợp nấu luyện, chế tạo dây hợp kim nhôm phù hợp yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn là yêu cầu cấp thiết, giải quyết cho các vấn đề nan giải trong sản xuất cáp hợp kim nhôm chịu nhiệt, đáp ứng nhu cầu trong nước và tiến tới xuất khẩu

Trang 17

2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong số các loại hợp kim nhôm ứng dụng để sản xuất dây cáp điện, dây hợp kim nhôm AT1 trên cơ sở hệ hợp kim Al-Zr được sử dụng phổ biến hiện nay dùng để chế tạo dây cáp điện chịu nhiệt và dây cáp điện siêu nhiệt

Hợp kim nhôm AT1 có độ dẫn điện cao, độ bền kéo tương đối, đặc biệt là khả năng làm việc liên tục ở nhiệt độ cao và khả năng mang tải cao gấp 1.5 lần so với dây dẫn thông thường cùng tiết diện Các nguyên tố hợp kim giúp dây có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, tuy nhiên có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện Yêu cầu chung của dây hợp kim nhôm AT1 là phải có độ bền kéo tối thiểu từ 159-169 MPa (tùy thuộc vào đường kính dây), độ dẫn điện tối thiểu 60%IACS, độ bền kéo sau khi chịu ảnh hưởng 230C trong 1h không được nhỏ hơn 90% so với độ bền kéo tại nhiệt độ phòng

Công nghệ nấu luyện HKTG Al-Zr-Si có hàm lượng Zr đạt 2-3%, được nấu luyện từ nguồn nguyên liệu là nhôm và tinh quặng zircon có khá nhiều ở nước ta, nhưng chưa được nghiên cứu

Vì vậy, đề tài của luận văn “Nghiên cứu và chế tạo hợp kim nhôm chịu nhiệt Zr dùng để sản xuất dây cáp điện” nghiên cứu công nghệ chế tạo HKTG Al-Zr-Si

Al-nhằm nâng cao giá trị tài nguyên là tinh quặng zircon Đồng thời góp phần hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo dây cáp điện chịu nhiệt cho ngành sản xuất dây cáp điện, tiết kiệm chi phí nâng cao năng suất, hiện đại hóa hệ thống truyền tải điện

3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu quy trình và nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si

Nấu luyện thành công hợp kim AT1, chế tạo dây hợp kim nhôm AT1 phù hợp tiêu chuẩn IEC 62004 (2007)

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim nhôm AT1

Tiến hành thực nghiệm nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr-Si và nấu luyện hợp kim nhôm AT1, trong lò nấu luyện điện trở Đúc thỏi HKTG và hợp kim nhôm AT1, quan sát tổ chức tế vi và phân tích thành phần hóa học

Trang 18

Tiến hành chế tạo dây hợp kim nhôm AT1, kiểm tra độ bền cơ tính và đo độ dẫn điện

5 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 5.1 Đối tƣợng

Hợp kim trung gian Al-Zr-Si Hợp kim nhôm AT1

5.2 Phạm vi nghiên cứu

Nấu luyện HKTG Al-Zr-Si từ nguồn nguyên liệu chính là nhôm sạch, Cryolite, KCl và tinh quặng Zircon loại 1

Nấu luyện hợp kim nhôm AT1

Đề tài chỉ lựa chọn những thông số công nghệ phù hợp, tiêu biểu cho từng giai đoạn nấu luyện để chế tạo hợp kim nhôm AT1

Quá trình thực nghiệm chỉ đạt đến kết quả mong muốn là tạo ra HKTG Al-Zr-Si có thành phần Zr khoảng 2% và chế tạo dây hợp kim nhôm AT1 cuối cùng với đường kính khoảng 2.5mm có độ bền cơ tính và độ dẫn điện phù hợp với tiêu chuẩn IEC 62004:2007

6 Tính mới của đề tài

Trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển công nghệ nấu luyện hợp kim nhôm Zr và sản xuất thành công dây cáp điện siêu nhiệt từ hệ hợp kim Al-Zr Tuy nhiên hiện tại trong nước chưa có nghiên cứu và thử nghiệm sản xuất thành công về công nghệ nấu luyện và chế tạo dây hợp kim nhôm hệ Al-Zr từ nguồn nguyên liệu giá rẻ và sẵn có trong nước là tinh quặng Zircon loại 1 Ngoài ra chưa có đơn vị doanh nghiệp Việt Nam nào áp dụng công nghệ nước ngoài sản xuất được hợp kim này do khó khăn về công nghệ cũng như hạn chế về kinh phí Do đó đề tài nghiên cứu này là lĩnh vực còn khá mới ở nước ta mà các doanh nghiệp sản xuất cáp điện đang hướng đến

Al-7 Ý nghĩa khoa học

Lựa chọn được các thông số công nghệ thích hợp cho quá trình sản xuất HKTG

Al-Zr-Si và hợp kim AT1 làm dây cáp điện chịu nhiệt

Tạo cơ sở cho những nghiên cứu cải thiện, phát triển công nghệ trong sản xuất HKTG Al-Zr-Si và hợp kim AT1

Trang 19

8 Ý nghĩa thực tiễn

Thành công của đề tài là cơ sở nghiên cứu, giúp các doanh nghiệp Việt Nam phát triển và hoàn thiện công nghệ nấu luyện HKTG Al-Zr-Si sử dụng nguồn tinh quặng Zircon, một trong những sản phẩm của quá trình chế biến khoáng sản titan có nhiều ở nước ta Từ đó hoàn thiện công nghệ nấu luyện hợp kim AT1 sản xuất dây cáp

điện chịu nhiệt

Góp phần giải quyết các vấn đề nan giải trong phát triển lĩnh vực dây cáp điện mới là đây cáp điện chịu nhiệt, giúp tăng hiệu quả kinh tế trong quá trình truyền tải điện nhờ việc tăng khả năng truyền tải và tuổi thọ của hệ thống

Trang 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1

1.1.1 Tính chất hợp kim nhôm chịu nhiệt AT1

Bảng 1 1 Tính chất vật lý của hợp kim nhôm hệ Al-Zr: 60TAL AT1 [1]

Hợp kim nhôm hệ Al-Zr: 60TAL AT1

Khối lượng riêng (20C) 2703 kg/m3Điện trở suất (20C) 28,735 x 10-8 m Độ dẫn điện (20C) 60,0 %IACS Nhiệt độ làm việc liên tục (40 năm) 150 C Nhiệt độ làm việc liên tục 400 giờ 180 C Độ giãn nở nhiệt (20C) 23.10-6 C-1

1.1.2 So sánh dây dẫn chịu nhiệt với các loại dây dẫn hợp kim nhôm khác

Trong quá trình truyền tải điện có phát sinh nhiệt nhất là với hệ thống điện siêu cao từ 275-500kV, nhiệt độ làm ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất truyền dẫn suy giảm Để cải thiện tuổi thọ và hiệu suất truyền dẫn khi ở nhiệt độ cao (lớn hơn 150C), cần một hợp kim nhôm mới thay thế các hợp kim nhôm truyền thống Việc lựa chọn thêm nguyên tố Zr vào sẽ giúp hợp kim nhôm có khoảng vượt lớn hơn về nhiệt độ nên khả năng chịu nhiệt tốt hơn hợp kim nhôm thông thường, do đó hệ thống truyền tải điện được vận hành ổn định ở nhiệt độ cao mà vẫn đảm bảo được hiệu suất truyền tải, tuổi thọ hệ thống và tính công nghệ chế tạo dây dẫn

Trang 21

Hệ hợp kim Al-Zr đã được sử dụng rộng rãi ở Hoa kỳ và nhiều nước châu Âu theo tiêu chuẩn ASTM B941 và IEC 62004 … với các sản phẩm tiêu biểu: AT1, AT2, AT3, AT4 Trong đó AT1 và AT3 được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

 AT1 còn được gọi là TAL (Thermal Resistant Aluminium Alloy) là hợp kim chịu nhiệt có thể vận hành ở nhiệt độ tối đa cho phép là 150C

 AT2 còn được gọi là Hi-TAL (Extra High Strength Thermal Resistant Aluminium Alloy) có độ bền kéo nhỏ nhất 225-248 MPa tùy thuộc vào đường kính dây, vận hành ở nhiệt độ tối đa cho phép là 150C

 AT3 còn được gọi là ZTAL (Zircon ultra thermal resistant aluminium alloy ) hoặc STAL (Super Thermal Resistant Aluminium Alloy ) có độ bền cao, vận hành tốt liên tục ở 210C [2]

 AT4 còn được gọi là XTAL (Extra Thermal Resistant Aluminium Alloy) vận hành tốt liên tục ở 230C

Bảng 1 2 Các loại cáp điện chịu nhiệt

Sợi thép

mạ kẽm TACSR Hi-TACSR Sợi thép

Trang 22

1.2 Công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian

1.2.1 Các nghiên cứu tác động của nguyên tố hợp kim lên đặc tính của hợp kim nhôm Al-Zr làm vật liệu dẫn điện chịu nhiệt

Việc thêm các nguyên tố khác vào nhôm khi nấu luyện có thể làm giảm đáng kể khả năng dẫn diện của hợp kim nhôm, và độ dẫn điện phụ thuộc vào thành phần

phần trăm các nguyên tố được thêm vào, trong một nghiên cứu của T.Horikishi

và cộng sự đã công bố 2006 [2]

Hình 1 2 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim thêm vào tác động đến độ dẫn điện của nhôm [2]

a Sự ảnh hưởng của Si với Al

Dựa vào biểu đồ Hình 1.2 cho ta thấy nếu thành phần Si lớn hơn 0,5% sẽ làm độ

dẫn điện của hợp kim nhỏ hơn 60%IACS

Silic được cho vào nhôm lỏng có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của hợp kim nhôm, việc bổ sung Si vào nhôm sẽ làm giảm khuyết tật nứt nóng và cải thiện độ chảy loãng, Si còn làm giảm khả năng hòa tan của các nguyên tố khác

Trong một nghiên cứu của Kenichi Sato và công sự đã công bố năm 1981 đã

khảo sát một hợp kim có cùng điều kiện nhiệt luyện, cùng điều kiện gia công tạo hình sản phẩm, nhưng có hàm lượng Si thay đổi từ 0,03-0,15% cho thấy ở vùng này thì sự thay đổi nhỏ của thành phần Si của hợp kim cũng làm khả năng kháng nhiệt

Trang 23

thay đổi đáng kể, mặc dù cơ tính và độ dẫn điện không thay đổi nhiều [3], theo

Các đặc tính của hợp kim (Mẫu có kích thước 4 mm) Zr Si

Nhiệt độ,

C

Thời gian, h

Độ bền kéo, kg/mm²

Độ dẫn điện, %IACS

Nhiệt độ làm giảm 10% độ bền kéo, C

b Sự ảnh hưởng của Ti với Al

Titan thường dùng làm chất biến tính hợp kim nhôm, trong quá trình tinh luyện nhỏ mịn hạt bằng phản ứng bao tinh giữa các nguyên tố chuyển tiếp Ti với nền nhôm tạo ra pha liên kim cực nhỏ có thông số mạng gần giống với thông số mạng của nền nhôm như Al3Ti làm tâm mầm kết tinh Phản ứng bao tinh xảy ra ở nhiệt độ khoảng 665C với hàm lượng Ti khoảng 0,15% như trong giản đồ pha Hình 1.3

Trang 24

Hình 1 3 Giản đồ pha Ti-Al [5]

Thành phần của Ti thường nhỏ hơn 0,15%, nếu tăng lên sẽ làm khả năng dẫn

điện giảm mạnh (theo Hình 1.2), ngoài ra nếu quá cao sẽ làm tăng thiên tích của tạp

chất và làm giảm mạnh cơ tính của hợp kim Ti còn kết hợp với Bo giúp tăng khả năng làm mịn hạt của Ti

c Sự ảnh hưởng của B với Al

Bo đóng vai trò quan trọng trong việc biến tính hợp kim nhôm ở quá trình tinh luyện nhỏ min hạt, được đưa vào nấu luyện dưới dạng hợp chất trung gian cùng với Ti trên cơ sở hệ Al-Ti-B với hàm lượng Ti (2 - 10%), B (0,1 - 3%) Trong hợp kim trung gian B tạo thành nhiều hợp chất khác nhau như AlB2, TiB2, (AlTi)B2, AlB10 Bo không ảnh hưởng nhiều đến độ dẫn điện của hợp kim nhôm

e Sự ảnh hưởng của Zr với Al

Nguyên tố Zr là kim loại chuyển tiếp, có màu trắng xám, Zirconi tinh khiết mềm, dẻo và dễ uốn, ở trạng thái rắn khi có nhiệt độ phòng Tuy nhiên, khi độ tinh khiết thấp thì nó trở nên cứng và giòn hơn nên thường được dùng để chế tạo hợp kim bởi có khả năng chống ăn mòn và tính chịu nhiệt cao Zr thường tồn tại dạng khoáng vật

Trang 25

như là ZrSiO4, các hợp chất của zirconi cũng xuất hiện ở các sản phẩm trong quá trình khai thác và chế biến các khoáng vật titan như Ilmenite, rutile…

Năm 1824, Zr lần đầu tiên được Berzeluis cô lập từ dạng không tinh khiết bằng cách nung nóng hỗn hợp kali và florua zirconi-kali để phân hủy trong ống sắt

Phương pháp Iodua ra đời năm 1925 là phương pháp công nghiệp đầu tiên, bằng cách phân hủy ZrI4 bằng nhiệt của hai nhà khoa học Anton Eduard van Arkel và Jan Hendrik de Boer

Năm 1945, Willian Kroll dùng Mg để phân hủy ZrCl4, phát minh này được gọi là phương pháp Kroll

Hiện nay nguyên tố Zr được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực nhờ khả năng chịu mài mòn tốt, từ trang thiết bị đời sống, y tế, vũ trụ, hạt nhân…

Trong lĩnh vực cáp điện nói riêng, Zr đang được quan tâm là nguyên tố giúp cải thiện khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn các loại cáp hiện có mà không làm tăng khối lượng cũng như tiết diện của sợi cáp, thay vì phạm vi sử dụng ở 75C thì ta có thể tăng lên 150-200C

Từ giản đồ pha Zr-Al Hình 1.4, ta có thể thấy được nguyên nhân vì sao Zr có ảnh

hưởng đến đặc tính kháng nhiệt của hợp kim nhôm

Hình 1 4 Giản đồ pha của hợp kim Zr-Al với thành phần Zr từ 0-1,6% [6]

Trang 26

Với khoảng thành phần Zr từ 0,2 đến 0,25%, đường pha lỏng được hình thành khi đạt nhiệt độ lớn hơn 740C, sau khi nhiệt độ giảm xuống dưới đường pha lỏng trên giản đồ pha, sẽ xuất hiện kết tủa Al3Zr từ dung dịch lỏng và xảy ra phản ứng bao tinh ở nhiệt độ 660,5C tạo ra dung dịch rắn α Khi tiếp tục làm nguội, từ dung dịch rắn sẽ tiết ra pha phân tán Al3Zr

Nguyên tố Zr thường được sử dụng để làm chậm quá trình kết tinh lại và làm nhỏ mịn hạt tinh thể của hợp kim nhôm, điều này là do sự tiết pha giả ổn định Al3Zr với cấu trúc L12 có cùng cấu trúc với nền Al nên sự liên kết liền mạng của Al3Zr với nền Al làm cho tính chất nhiệt ổn định hơn và tăng hiệu quả của hóa bền tiết pha Khi hóa già hợp kim ở trên 550C thì cấu trúc L12 sẽ chuyển thành cấu trúc DO23 ổn định hơn, cấu trúc này liên kết bán liền mạng với nền Al gây ảnh hưởng đến cơ tính

Hình 1 5 Cấu trúc tinh thể (a) L12 ; (b) DO22 ; (c) DO23 [7]

Trong một nghiên cứu về tính kháng nhiệt của hợp kim Al-Zr của trường AGH University [8], thực hiện trên 3 mẫu với hàm lượng Zr khác nhau, mẫu có dạng dây

 3,5mm được kéo phôi  9,5mm

Bảng 1 4 Thành phần hóa học của mẫu nghiên cứu [8]

AlZr0,021 0,159 0,051 0,021 0,002 0,002 0,006 0,001 0,002

Trang 27

AlZr0,22 0,151 0,049 0,22 0,003 0,001 0,008 0,001 0,001 AlZr0,26 0,197 0,061 0,26 0,007 0,002 0,001 0,001 0,003

Bảng 1 5 Tính chất của dây làm từ hợp kim nghiên cứu [8] Hợp kim Giới hạn chảy,

Hình 1 6 Biểu diễn sự thay đổi độ bền của hợp kim theo nhiệt độ [8]

Kết quả phân tích cho thấy sự suy giảm độ bền của hợp kim theo nhiệt độ phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố Zr có trong hợp kim nhôm Nhiệt độ mà các hợp kim có 0.021%Zr, 0.22%Zr, 0.26%Zr giữ được hơn 90% độ bền lần lượt là 220C, 280C và 300C, cho thấy hợp kim có thành phần Zr càng cao thì khả năng chịu nhiệt càng tốt

Trang 28

Hình 1 7 Tổ chức tế vi của hợp kim AlZr0,26 [8]

a) Sau quá trình kéo; b) Sau nhiệt luyện 450C trong vòng 1h; c) Sau nhiệt luyện 500C trong vòng 1h

Quan sát cấu trúc tế vi của hợp kim AlZr0,26 sau khi kéo thể hiện qua Hình 1.7 cho

ta thấy xuất hiện các hạt bị kéo dài theo phương kéo Ở nhiệt độ 450C một số vùng của vật liệu xảy ra quá trình tái cấu trúc, bắt đầu thay đổi hình dạng hạt Khi đạt 500C vật liệu sẽ đạt trạng thái cân bằng, kết thúc quá trình hồi phục và kết tinh lại Dựa vào kết quả nghiên cứu trên cho thấy việc thêm Zr vào nhôm giúp tăng khả năng kháng nhiệt trong khoảng thời gian dài, với hợp kim AlZr0,26 là vật liệu có thể làm việc tốt ở 200C

Trong một nghiên cứu của A.E Mahmoud và cộng sự năm 2014 [9] cho thấy, Zr có

khả năng làm giảm kích thước hạt trong hợp kim nhôm Với thí nghiệm nấu chảy nhôm nguyên chất trong lò điện trở ở nhiệt độ 740C, sau đó thêm chất biến tính là hợp kim Al-Zr vào trong nhôm lỏng, khuấy trộn bằng gậy graphite trong 60s, giữ kim loại lỏng từ 30 đến 120s, rót kim loại vào khuôn Sau khi mẫu đông đặc hoàn toàn, tiến hành phân tích cấu trúc tế vi Kết quả thu được: đối với mẫu không có thành phần Zr và không có thời gian giữ nhiệt trong lò thì kích thước hạt là 1100m, đối với mẫu có 0,2% Zr với các thời gian giữ nhiệt trong lò là 30s, 60s, 90s, 120s thì kích thước hạt giảm đáng kể và phụ thuộc vào thời gian giữ nhiệt trong lò

Trang 29

Hình 1 8 Mẫu nhôm không có thành phần Zr [9]

Hình 1 9 Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến kích thước hạt của hợp kim nhôm có 0,2% Zr, và thời gian giữ nhiệt: a) 30s ; b) 60s ; c) 90s; d) 120s [9]

Trang 30

Hình 1 10 Sự thay đổi kích thước hạt của hợp kim nhôm cùng thời gian giữ nhiệt 90s, với thành phần %Zr thay đổi: a) 0,1%; b) 0,15%; c) 0,2%; d) 0,25%; e)0,3%; f)

0,35% [9]

Hình 1 11 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa kích thước hạt và thành phần Zr, với thời gian giữ nhiệt 90s [9]

Kết luận nghiên cứu của A.E Mahmoud và cộng sự còn kết luận: thời gian giữ kim

loại trong lò trước khi cho Zr vào lò là 90s và thành phần Zr trong nhôm lỏng phải

Trang 31

đạt 0,3% thì được hiệu suất làm nhỏ hạt đạt cực đại từ 1100m xuống còn 162m, nguyên nhân là do Al3Zr tạo mầm kí sinh khi kết tinh nhôm

Trong một công bố của N.A.Belov và cộng sự năm 2015 [10], đã nêu lên sự ảnh hưởng của Zr lên độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim được xử lý nhiệt hợp lý Thí nghiệm đo độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim có hàm lượng Zr từ 0,1% đến 0,5%, xử lý nhiệt với các nhiệt độ khác nhau từ 300C đến 650C

Bảng 1 6 Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm [10] Kí hiệu mẫu Thành phần hóa học,%

- Mẫu được nấu luyện và cán nóng theo quy trình sau:

Hình 1 12 Quy trình tạo mẫu thí nghiệm [10]

- Mẫu sau khi chế tạo sẽ đem đi nung với các chế độ nhiệt khác nhau:

Trang 32

Bảng 1 7 Chế độ xử lý nhiệt của hợp kim Al-Zr dạng tấm [10] Kí hiệu lần ủ Chế độ ủ

T300 300C, 3h T350 T300 + (350C, 3h) T400 T350 + (400C, 3h) T450 T400 + (450C, 3h) T500 T450 + (500C, 3h) T550 T500 + (550C, 3h) T600 T550 + (600C, 3h) T650 T600 + (650C, 3h)

- Kết quả thu được khi phân tích mẫu

Trang 33

Hình 1 13 So sánh đặc tính dẫn điện của các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau [10]

Hình 1 14 So sánh độ cứng (HV) của các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau [10] Thành phần nguyên tố Zr trong nhôm có tác động rất lớn đến độ dẫn điện của mẫu

được thể hiện ở Hình 1.13 khi hàm lượng tăng thì độ dẫn điện giảm, trong khi hợp

kim không có Zr không thay đổi nhiều thì hợp kim 0.5Zr có sự biến động về độ dẫn điện lớn nhất, hầu hết các hợp kim đạt độ dẫn điện cực đại sau chu kỳ ủ nhiệt T450

Bên cạnh đó, độ cứng của hợp kim tỉ lệ thuận với hàm lượng Zr, Hình 1.14 cho thấy

độ cứng của các hợp kim ổn định đến 300C, bắt đầu giảm mạnh khi vượt quá 350C và 400C Độ cứng hợp kim 0.4Zr và 0.5Zr vẫn giữ ổn định đến 450C, trong khi hợp kim 00Zr không có thành phần Zr tại 50C bắt đầu có sự giảm độ cứng rõ rệt và từ 350C thì độ cứng của hợp kim này không vượt quá 50HV

Kết luận, bằng cách sử dụng các công cụ tính toán phân tích và phương pháp thí nghiệm, các tác giả đã chứng minh rằng độ dẫn phụ thuộc vào hàm lượng Zr trong dung dịch rắn Al, độ cứng của hợp kim chủ yếu được gây ra bởi số lượng hạt nano của pha L12 (Al3Zr) và sự kết hợp tốt nhất của các giá trị độ dẫn điện, giới hạn bền và độ cứng có thể đạt được ở nhiệt độ khoảng 450 ° C với thời gian giữ nhiệt thích hợp [10]

Trang 34

1.2.2 Cơ sở lý thuyết nấu luyện hợp kim trung gian a Hợp kim trung gian Al-Si

Hình 1 15 Giản đồ pha Al-Si [11]

Hợp kim Al-Si đơn giản bao gồm hai cấu tử Al và Si với thành phần thông thường 10-13% Si thường được gọi là Silumin

Silic hòa tan nhiều nhất trong dung dịch rắn Al là 1.65 % ở nhiệt độ 577C, lượng Si hòa tan vào dung dịch rắn Al giảm dần theo nhiệt độ và tại nhiệt độ phòng thì không đáng kể (nhỏ hơn 0.1%)

Vì Al và Si không tạo hợp chất trung gian nên silumin có các tổ chức sau:  α - Al

 Trước cùng tinh [α + cùng tinh (α + Si)]  Cùng tinh (α + Si)

 Sau cùng tinh [Si1 + cùng tinh (α + Si)]

Trang 35

b Hợp kim trung gian Al-Fe

Hình 1 16 Giản đồ pha Al-Fe [12]

Fe hòa tan nhiều trong nhôm lỏng, Fe hòa tan trong dung dịch rắn của nhôm khoảng 0,04% ở nhiệt độ 655C và giảm nhiệt độ xuống 425C thì hàm lượng hầu như

không đáng kể

Trong quá trình đông đặc có sự tiết pha bền giàu sắt ở dạng cùng tinh (α + Al3Fe) hay tiết pha từ dung dịch rắn Hợp chất Al3Fe giòn kết tinh ở dạng hình kim làm giảm độ dẻo của nhôm

c Hợp kim trung gian Al-Zr

Giản đồ pha của hợp kim Zr-Al với thành phần Zr từ 0-1,6% xem Hình 1.4

Giữa hai kim loại Al và Zr có sự khác biệt rất lớn với nhau về khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, Al có Al=2,7g/cm3, TAl = 933K, Zr có Zr=6,49g/cm3, TZr = 2125K, vì thế sẽ khó khăn trong việc đồng nhất hỗn hợp, và khả năng hòa tan khi hợp kim hóa dưới dạng nguyên chất

Trang 36

1.2.3 Công nghệ nấu luyện hợp kim

a Công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Al-Zr

Có nhiều công nghệ nấu luyện HKTG được công bố trên thế giới, mỗi phương pháp có ưu nhược điểm khác nhau và phạm vi ứng dụng riêng

Phương pháp nấu luyện HKTG Al-Zr đơn giản nhất là dùng bột Zr và Al dạng tinh khiết trộn với nhau với hàm lượng 70-80% Zr, nén chặt thành dạng viên, sau đó các viên nén này được đưa vào nhôm lỏng một lượng nhất định sao cho thu được HKTG có thành phần như mong muốn [13] Tuy nhiên phương pháp này sử dụng nguyên liệu đắt tiền và điều kiện nấu luyện phức tạp

Phương pháp nấu luyện HKTG Al-Zr bằng phương pháp hoàn nguyên oxit zirconi trực tiếp bằng nhôm [14] và dùng chất trợ chảy Cryolite Trong nghiên cứu này, các tác giả đã nấu luyện thành công HKTG với hàm lượng nguyên tố Zr đạt 5%, khối lượng mỗi mẻ khoảng 20kg, hiệu suất thu hồi hợp kim đạt 92%, nhiệt độ nấu luyện từ 1100-1200C, thời gian giữ nhiệt trong vòng 1giờ Phản ứng xảy ra trong quá trình nấu luyện:

ZrO2 + 13/3Al = ZrAl3 + 2/3Al2O3

Phản ứng dùng Cryolite làm chất trợ chảy, nhằm hòa tan oxit nhôm sinh ra để loại bỏ ra khỏi hợp kim ở dạng xỉ và hỗn hợp muối làm trợ dung che phủ NaF-NaCl-KCl

Phương pháp nấu luyện HKTG bằng cách điện phân nóng chảy hỗn hợp muối và oxit zirconi: KF-NaF-AlF3-ZrO2 [15]

b Công nghệ nấu luyện hợp kim AT1

Hợp kim nhôm AT1 thường được nấu luyện ở nhiệt độ 800C, sử dụng nguyên liệu là nhôm sạch và hợp kim trung gian, với tỷ lệ được tính toán sao cho phù hợp với thành phẩm mong muốn

Quá trình nấu luyện sử dụng hỗn hợp muối NaCl và KCl làm trợ dung che phủ

Trang 37

1.3 Công nghệ chế tạo dây hợp kim nhôm 1.3.1 Công nghệ cán thỏi đúc hợp kim nhôm

Trước khi cán ta tiến hành nung thỏi đúc đến nhiệt độ tạo dung dịch rắn 470C (500-530C) Các nguyên tố hợp kim chủ yếu sẽ bị hòa tan trong dung dịch rắn nhưng không ảnh hưởng đến sự nóng chảy của hợp kim [16]

Nhiệt độ nung thỏi đúc, nhiệt độ hòa tan thực tế của nguyên tố hợp kim mà tại đó ít nhất một nửa nguyên tố hợp kim tiết pha hóa bền có thể hòa tan được Quá trình này chuẩn bị cho gian đoạn cán tiếp theo, với hàm lượng nguyên tố hòa tan vào dung dịch rắn là lớn nhất, đến sau quá trình cán không bị tổn thất bởi tiết pha sớm mà tiết pha trong quá trình cán, kéo dây hay là sau quá trình hóa già [17]

Cán qua hệ thống cán có nhiều giá cán liên tiếp Sản phẩm sau khi qua khỏi máy cán được làm nguội bằng nước và cuốn dây có đường kính 9.5mm

1.3.2 Công nghệ ép nóng ra dây hợp kim nhôm

Phụ thuộc vào điều kiện sản xuất và yêu cầu chất lượng sản phẩm đầu ra mà các nhà sản xuất lựa chọn quy trình cán hay ép nóng ra dây hợp kim nhôm Trong thực tế, những dây dẫn cao và siêu cao thường sử dụng công nghệ ép nóng Tuy nhiên trong công nghệ sản xuất hiện đại, các nhà sản xuất thường sử dụng quy trình cán để chế tạo dây dẫn hợp kim nhôm

Tương tự quá trình cán, thỏi hợp kim nhôm được nung nóng trước ở nhiệt độ 470C Các nguyên tố hợp kim chủ yếu sẽ bị hòa tan trong dung dịch rắn nhưng không ảnh hưởng đến sự nóng chảy của hợp kim Thỏi đúc đã được nung nóng được đặt trong buồng ép của máy đùn ép thủy lực và được ép ở áp suất cao bởi pittong tạo áp lực lên thỏi đúc Thỏi đúc biến dạng qua một khuôn ép bằng thép, có nhiều lỗ tròn có đường kính xác định Buồng ép cũng được gia nhiệt nhằm đảm bảo thỏi đúc luôn giữ được nhiệt độ đồng nhất [16]

Sản phẩm sau khi qua khỏi khuôn máy ép được làm nguội bằng nước và cuộn dây với đường kính dây là 9.5mm

1.3.3 Công nghệ kéo dây hợp kim nhôm

Trong quá trình kéo dây hợp kim nhôm, người ta thường kết hợp tôi nhằm làm nhỏ mịn hạt và tăng cơ tính cho dây nhôm Dây sau cán được nung đến nhiệt độ tôi và khoảng 500-560C trong vài giờ rồi mang đi kéo dây Nung nóng hiệu quả khi

Trang 38

tôi làm giảm thiên tích tế vi và thiên tích nhánh cây xảy ra trong quá trình đông đặc nhanh chóng trong khuôn kim loại tĩnh Khuếch tán nhanh chóng xảy ra ở nhiệt độ tôi cao hơn là ở nhiệt độ thấp

Trong quá trình kéo dây, biến cứng sẽ xảy ra làm tăng độ bền của dây Công nghệ kéo nguội dây có thể thực hiện bất cứ lúc nào sau khi cán/ép nóng mà không ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm cũng như tốc độ kéo

1.4 Công nghệ nhiệt luyện dây hợp kim nhôm AT1

Các nghiên cứu của một số tác giả cho thấy khi thực hiện quá trình hóa già bằng cách nung dây dẫn lên các nhiệt độ 350C đến 450C trong các khoảng thời gian khác nhau, tùy thuộc vào thành phần hóa học của các nguyên tố hợp kim [10]

Quá trình hóa già sau khi kéo dây có tác dụng tiết ra hợp chất liên kim làm tăng cường cơ tính và cải thiện độ dẫn điện của dây dẫn hợp kim nhôm, tuy nhiên không diễn ra quá trình kết tinh lại làm thay đổi cấu trúc nền nhôm

Với dây dẫn hợp kim nhôm AT1, độ dẫn điện phụ thuộc vào hàm lượng Zr trong dung dịch rắn Al, độ cứng của hợp kim đạt được là do sự hình thành và phân bố đều pha Al3Zr trong quá trình ủ tiết pha, và pha Al3Zr (cấu trúc L12) sau quá trình tiết pha đạt kích thước nano Sự kết hợp tối ưu của các giá trị độ dẫn, cường độ và độ cứng có thể đạt được ở nhiệt độ khoảng 450°C [10]

Hiệu quả của nhiệt luyện phụ thuộc vào các yếu tố sau:  Sự khác nhau của phương pháp nhiệt luyện

 Sự không đồng nhất về nhiệt luyện dây trong cuộn do truyền nhiệt không đồng đều, hiệu quả của lò nhiệt luyện

 Điều kiện kéo dây

1.5 Tình hình sản xuất dây hợp kim nhôm AlZr trên thế giới và trong nước

Tính trong giai đoạn 1970-2010, có hơn 100 bằng sáng chế liên quan đến phương pháp sản xuất dây dẫn từ hợp kim nhôm chịu nhiệt cho mục đích sản xuất cáp điện được cấp Phân tích cho thấy hợp kim nhôm chứa hàm lượng khoảng 0,3% Zr là loại phổ biến, được sản xuất chủ yếu bằng công nghệ đúc và cán liên tục (CCR)

Trang 39

cũng như công nghệ đúc liên tục (CC), và nhu cầu của thị trường châu Âu hiện nay khoảng 2000-3000 tấn/năm [18]

Hiện nay với quy mô công nghiệp, các hợp kim Al-Zr thường được sản xuất bằng công nghệ đúc cán liên tục Continuus Properzi (CCR), và SCR của công ty Southwire Phương pháp đúc liên tục (CC) và ngoài ra còn có thể sử dụng phương pháp sản xuất không liên tục

Hình 1 17 Các quy trình sản xuất dây hợp kim nhôm Al-Zr

1.5.1 Phương pháp đúc và cán liên tục Continuus Properzi (CCR)

Quy trình CCR có thể được chia thành ba giai đoạn cơ bản:

 Nấu luyện hợp kim: nấu chảy, tạo hợp kim và đúc trên bánh xe đúc  Cán nóng ra kích thước dây cán  9.5mm

 Kéo dây thành phẩm  Xử lý nhiệt

1.5.2 Phương pháp SCR [19]

Đây là quy trình sản xuất liên tục hợp kim nhôm của công ty Southwire (Mỹ) tạo sản phẩm trung gian là dây cán hợp kim nhôm chất lượng cao và đồng bộ tính chất điện và tính chất cơ học

Trang 40

Quá trình lọc liên tục kim loại nóng chảy trước khi đúc sẽ loại bỏ nứt do tạp chất có kích cỡ lớn Sản phẩm đồng đều về tính chất trong suốt cuộn dây

1.5.3 Phương pháp đúc liên tục

Trong phương pháp đúc liên tục, kim loại nóng chảy ở 709C hướng về một khuôn đúc bằng đồng có đường kính 1100mm, quay với tốc độ 2 vòng/ phút, được làm mát từ 4 hướng bằng nước, nhiệt độ thanh đúc khi ra khỏi khuôn khoảng 450C [18]

Phương pháp đúc liên tục hợp kim được mô tả trong bằng sáng chế US.Patent

No 6,672,368 B2 Có sơ đồ như Hình 1.18

Hình 1 18 Sơ đồ hình chiếu tổng quát phương pháp đúc liên tục [20]

Kim loại lỏng đi qua lòng khuôn là hai bánh xe đúc, hình dạng mặt cắt ngang của vật đúc là hình dạng khe hở của 2 bánh xe đúc, vật đúc có thể dạng thanh hoặc dạng tấm, sau khi ra khỏi khuôn vật đúc được làm mát bằng nước Tốc độ đúc từ 7m/phút Tuy nhiên, trong phương pháp này thường xảy ra hiện tượng thiên tích vật đúc

1.5.4 Phương pháp sản xuất không liên tục

Hợp kim được đúc thỏi trong khuôn kim loại, cán nóng sau đó sẽ được kéo nguội và hóa già nhân tạo Phương pháp này thu được thành phẩm với chất lượng có thể chấp nhận được, tuy nhiên việc sản xuất theo từng mẻ mà không đúc liên tục thì chỉ sản xuất dây cán hợp kim với số lượng hạn chế do kích thước phôi nhất định, và chỉ sản xuất một lượng dây cán tương ứng và các cuộn dây cán riêng biệt sẽ được hàn lại nhằm làm tăng chiều dài dây Thỏi đúc sau khi tạo thành dây cán sẽ phải cắt bỏ