Giáo trình vật liệu điện và từ phần 2

- Điện luyện là phương pháp dùng năng lượng điện để làm chảy nguyên liệu kim loại, từ đó sẽ pha chế, điều chỉnh thành phần kim loại lỏng trong lò để đạt được thành thần yêu cầu, sau đó r

CHUÔNG 4

CÁC VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

• • • Các vật liệu dẫn điện có thể là những vật liệu ở trạng thái rắn, lỏng

và trong một số điều kiện nhất định có thể là chất khí Tuy nhiên, đại đa số các khí cụ điện được sử dụng chủ yếu là được chế tạo bằng vật liệu rắn trong đó chủ yếu là các kim loại và hợp kim, ngoài ra còn có một số vật liệu phi kim loại, nhưng thực chất là thuộc nhóm bán đẫn Trong chương này chủ yếu giới thiệu các vật liệu kim loại

I PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT cơ BẢN CỦA VẬT LIỆU DAN ĐIỆN

ì Phân loại theo tính dẫn điện

Được chia làm 2 loại: Kim loại với hợp kim có độ dẫn điện cao và kim loại với hợp kim có điện trở cao

3 Theo tính chất kim loại

Được chia thành 6 nhóm sau (chủ yếu là kim loại màu)

- Kim loại nhẹ là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn hay bằng 4g/cm3 như Al(2,7), Mg(1,7) Ti(4,0)

- Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 4g/cm3 như Fe(7,85), Pb(11,34), Sn(7,28), Zn(7,14), Cu(8,94)

- Kim loại dễ chảy là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn 1539°c (1539°c là nhiệt độ nóng chảy của Fe) nhữ Al(660°), Pb(327°), Sn (232°), Au(10630)

- Kim loại khó chảy là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn 1539°c nhưTi(1665°), Cr(1890°), Mo(2625°), W(3410°)

- Kim loại quý là các kim loại bền hoa học, không bị các môi trường hoa học thông thường ăn mòn Nhóm này gồm 8 nguyên tố (xếp theo thứ tự tăng bển hoa học): Ag, Pd, Rh, Au, Pt, Ru, Os, Ir

- Km loại hiếm là các kim loại có trữ lượng ít trên vỏ quả đất như

Mg, Li nhất là các nguyên tố đất hiếm như La, Pr, Cm

Cơ cấu của sự dẫn điện trong các kim loại ở thể rắn và lòng (thù ngân) là do các điện tử tự do chuyển động vì vậy các vật liệu này có điệi dẫn điện tử hay người ta còn gọi là vật dẫn loại một

Vật dẫn loại hai là các vật dẫn có cơ cấu dẫn diện là do sự chuyển

dịch của các phần tử mang điện (ion) dưới tác dụng của điện trường Đó là các dung dịch điện phân hoặc một số tinh thể ion ở trạng thái lỏng

Khi nghiên cứu dặc tính dẫn diện của vật liệu, cẩn quan tâm đến các

tính chất sau:

- Điện dẫn suất hay diện trỗ suất của vật liệu

- Hệ số nhiệt của điện trở suất

- Nhiệt dẫn suất

- Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động

- Cơ tính vật liệu, đối với kim loại chủ yếu là giới hạn bến và độ

dãn dài tương đối

li CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ Hộp KIM

Các nguyên tử kim loại có đặc điểm là số điện tử ỏ vành ngoài cùng

rất ít (chỉ 1, 2 hoặc 3) và các điện tử này có lực hút với hạt nhãn yếu nên

dễ dàng tách khỏi sức hút của hạt nhân để trô thành điện tử tự do

Tất cả các kim loại đều có cấu tạo tinh thể Các kiểu mạng tinh thể

thường gặp nhất trong kim loại là mạng lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục giác điền đầy như đã mô tả ở chương III mục 4 hình 1

Hình 1 Cấu tạo hạt của kim loại Trong thực tế, tùy thuộc vào phương pháp chế tạo, các nguyên tử

kim loại không phải luôn luôn được sắp xếp theo các kiểu mạng lý tưởng

mà thường được cấu tạo thành hạt có hướng bất kỳ'ngẫu nhiên như trên hình 1 Với cách sắp xếp như vậy thì hướng chung của toàn khói kim loại là

vô hướng hay dẳng hướng

Tùy thuộc quá trinh kết tinh từ trạng thái lỏng, kích thước hạt kim loại

có thể lớn nhỏ khác nhau Các nguyên tử kim loại ở những vùng biên giới giữa các hạt thường sắp xếp mất trật tự, có năng lượng lớn hơn các nguyên

tử nằm bên trong hạt ỏ dạng ổn định có năng lượng nhỏ hơn Điểu đó dẫn đến điện trở kim loại ở biên giới hạt cao hơn ở bên trong, nghĩa là kim loại

dẫn đến làm tăng điện trở của kim loại

Thi dụ 1: Khi biến dạng dẻo kim loại, gọi chung là gia công kim loại

bằng áp lực như kéo, nén, rèn, dập, cán mà sau khi gia công như vậy để lại một lượng biến dạng dư trong kim loại thi các hạt kim loại sẽ bị thay đổi hình dáng và kích thước, trong đó vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể cũng dịch chuyển và thường ở trạng thái xô lệch mạng như trên hình 2 Thí dụ 2: Khi hợp kim hóa nghĩa là cho thêm các nguyên tố khác loại

(gọi là nguyên tố hợp kim) vào một kim loại nào đó (sẽ nói rõ hơn ở dưới đây) thì dù nguyên tố hợp kim đó có đường kính lớn hơn hay nhỏ hơn nguyên tố kim loại cơ sỏ thì đểu làm cho các nguyên tử của kim loại cơ sở phải xê dịch đi một khoảng khỏi vị tri cân bằng và sẽ ở trạng thái xô lệch mạng và đương nhiên sẽ làm điện trở của kim loại sẽ tăng lên

Hợp kim là các vật liệu gồm 2 hay nhiều nguyên tố mà trong đó

nguyên tố kim loại là chủ yếu Hợp kim phải có tính kim loại Nguyên tố cho thêm vào kim loại để tạo thành hợp kim gọi là nguyên tố hợp kim Nguyên tố hợp kim có thể là nguyên tố kim loại hoặc phi kim loại Tùy thuộc kích thước và tính chất của nguyên tố hợp kim, cấu tạo của các hạt hợp kim có thể ở 3 dạng khác nhau: dung dịch rắn, hợp chất hóa học và hỗn hợp cơ học

Dung dịch rắn là các loại hạt hợp kim mà trong đó mạng tinh thể của

hợp kim chính là mạng tinh thể của kim loại cơ sở, còn các nguyên tử của nguyên tố hợp kim chỉ ỏ các vị trí thay thế (hình 3) hoặc xen vào giữa các nút mạng của kim loại cơ sở (hình 4)

Hình 3 Dung dịch rắn thay thế Hình 4 Dung dịch rắn xen kẽ Hợp chất hóa học là các hợp kim mà trong dó các nguyên tố kết hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất định và biểu diễn bằng một công thức hóa học Mạng tinh thể của hợp chất hóa học thường khác với mạng tinh thể của các nguyên tố tạo thành nó Thí dụ trong hợp kim Sắt-Cacbon khi lượng Cacbon lớn sẽ tạo thành hợp chất hóa học có công thức Fe3C, mà mạng tinh thể của

nó không giống mạng tinh thể của cacbon và cũng không giống mạng tinh thể của sắt, mà nó có kiểu mạng tinh thể riêng như trên hình 5, trong đó cử 3 nguyên tử sắt bao quanh một ngyên tử cacbon (theo tỷ lệ Fe/C = 3/1)

Nếu trong hợp kim tồn tại đổng thời 2 hay nhiều dung dịch rắn khác nhau hay vừa có dung dịch rắn vừa có hợp chất hóa học thi gọi là hỗn hợp

cơ học Thí dụ trong hợp kim Sắt-Cacbon cấu tạo của hạt có tên là hạt peclit như ô hình 6 là một dạng của hỗn hợp cơ học, trong đó các đường màu trắng là hình dáng của các tấm Fe3C (có tên là tấm xêmentit) mà mạng tinh thể của nó như trên hình 5, còn các đường đen là hình dáng cùa các tấm có tên là Ferit, là một loại dung dịch rắn xen kẽ như trên hình 4 hoặc mạng tinh thể của nó như trên hình 7

Hình 6 Tổ chức hạt Peclit trong hợp kim Fe-C Hình 5 Mạng tinh thể của Fe3C

Ổ

Hình 7 Mạng tinh thể của Ferit

Xem thêm các phương pháp nghiên cứu tổ chức của kim loại ở phần tham khảo cuối chương

HI Sơ LƯỢC CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN VÀ GIA CÔNG KIM LOẠI Tính chất của kim loại không những phụ thuộc vảo thành phần hóa

học mà còn phụ thuộc nhiều vào cấu tạo bên trong của chúng, mà cấu tạo

và tổ chức bên trong của kim loại lại phụ thuộc vào các phương pháp gia công và chế biến chúng Do đó dưới đây ta cần nghiên cứu một cách khái quát các phương pháp gia công kim loại từ đó biết được các yếu tố cơ bản

có ảnh hưởng đến sự thay đổi tính chất của kim loại

Trong thiên nhiên kim loại ỏ dạng các quặng khác nhau Từ quặng

để có được kim loại nguyên chất hoặc hợp kim người phải sử-dụng các phương pháp luyện kim khác nhau để loại bỏ các tạp chất trong quạng và thu hổi được kim loại nguyên chất hoặc không nguyên chất tủy thuộc đặc điểm của từng loại quặng

Luyện kim gồm các phương pháp sau:

- Hỏa luyện là các phương pháp luyện Kim dùng nhiên liệu như

than, dầu, khí đốt hoặc bằng năng lượng điên làm chảy quặng, từ

đó tách các tạp chất ra khỏi kim loại bằng các phản ứng oxy hóa

và hoàn nguyên để thu hổi kim loặi ỏ.dạng lỏng Sau đó đúc thành thỏi hoặc các sản phẩm cụ thể Với phương pháp này thường người ta dùng các loại lò cao khác nhau để luyện

- Thủy luyện là phương pháp điện phân kim loại đã được nóng

chảy để tách tạp chất ra khỏi hỗn hợp kim loại Với phương pháp điện phân như vậy kim loại thu được thường có độ tinh khiết rất cao Thí dụ đồng nguyên chất để làm dây dẫn điện thường được luyện theo phương pháp thủy luyện Trước khi điện phân để được kim loại có độ tinh khiết cao, người ta phải dùng phương pháp hỏa luyện để tách tạp chất ra khỏi quặng đồng, thu được khối đổng chứa nhiều nguyên tố có màu xám thường gọi là đồng đen

Từ đồng đen qua thủy luyện nhận được đồng tinh khiết có màu

đỏ gọi là đồng đỏ Đồng đỏ dùng làm dây dẫn điện

- Điện luyện là phương pháp dùng năng lượng điện để làm chảy

nguyên liệu kim loại, từ đó sẽ pha chế, điều chỉnh thành phần kim loại lỏng trong lò để đạt được thành thần yêu cầu, sau đó rót kim loại lỏng vào khuôn đúQ để đúc thành chi tiết máy hoặc đúc thành thỏi rồi đem cán thành các bán thành phẩm

- Luyện kim bột là phương pháp luyện kim mới xuất hiện vào đáu thế kỷ 20 Để tạo được kim loại nguyên chất hoặc hợp kim từ quặng hoặc các phế liệu người ta không nấu chảy quặng hoặc phế liệu mà chỉ dùng các phương pháp hóa học, điện hóa học như các phản ứng hoàn nguyên (phản ứng khử) hoặc phản ứng oxy hóa để tạo kim loại nguyên chất hoặc hợp kim ỏ dạng hạt (bột), sau đó đem ép bột thành hình các sản phẩm hoặc thỏi rồi nung nóng đến một nhiệt độ nhất định gọi là thiêu kết để các hạt dính lại với nhau Nếu muốn chế tạo kim loại dạng sợi hay tấm thi

từ các thỏi kim loại này đem kéo hoặc cán thành tấm Các kim loại khó chảy như w, Mo, Re, Ti, HI., thường được chế tạo theo phương pháp này

- Luyện kim loại siêu sạch

Để có được kim loại sạch tuyệt đối (thí dụ các tinh thể Si hay Ge để

làm các vật liệu bán dẫn) người ta phải sử dụng các phương pháp luyện kim đặc biệt

Thí dụ phương pháp "nuôi đơn tinh thể " theo kiểu Chalmen được đơn

timh thể Si siêu sạch Tóm tắt phương pháp này như sau (Hình 8):

Hình 8 Sơ đồ thiết bị nuôi đơn tinh thể theo phương pháp Chalmen Kim loại sau khi nấu chảy trong khuôn chứa, tiến hành làm nguội thê

nào để kim loại chỉ kết tinh từ một đầu của khuôn Thiết bi gồm khuôn chứa kim loại bằng than hoặc Graphit và lò điện có thể di chuyển tịnh tiến ngang về phía khuôn được đặt cố định trên giá đỡ Sau khi kim loại đã được nấu chảy, dịch chuyển từ từ lò nung sang bên phải Đầu bên trái của khuôn chứa được làm nguội trước và kết tinh bắt đầu từ đó Tốc độ dịch chuyển của lò phải đủ chậm (thông thường dưới 10mm/phút) để bảo đảm tốc độ nguội cần thiết, tạo điều kiện cho tinh thể lớn lên từ một hoặc vài trung tâm kết tinh ban đầu Nếu tốc độ dịch chuyển lớn hơn mức cán thiết thì tinh thể không lớn kịp và quá trình kết tinh của đơn tinh thể bị gián đoạn Ngoài phương pháp Chalmen, người ta còn cỏ thể dùng các phương

pháp khác nhau để nhận được kim loại hoặc hợp kim có độ tinh khiết cao dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Kim loại lỏng nhận được bằng các phương pháp hỏa luyện hoặc thủy luyện có thể đúc thành các sản phẩm máy móc hoặc đúc thành thỏi Từ thỏi kim loại, có thể cán, kéo hoặc ép thành bán thành phẩm và sau đó từ các bán thành phẩm này lại có thể gia công thành các sản phẩm khác nhau bằng các phương pháp đúc rèn, dập, cắt gọt, hàn v.v_ theo sơ đồ hình 9

ị ' Hỏa luyổn, thúy luyện

ĩ

Hình 9 Sơ đồ sản xuất và gia công kim loại

IV ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐÈN TÍNH DAN ĐIỆN VÀ TỪ CỦA KIM LOẠI

Tùy thuộc công nghệ của các phương pháp gia công kim loại sau khi luyện, kim loại sẽ có kết cấu (hay còn gọi là tổ chức) khác nhau dẫn đến tính chất khác nhau Sau đây dẫn ra một số yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến

cơ tính và tính chất điện và từ của kim loại

1 Ảnh hưởng của công nghệ đúc

Khi rót kim loại lỏng vào khuôn đúc, tùy thuộc tốc độ nguội của kim loại lỏng trong khuôn và các yếu tố phụ khác như tạp chất, các nguyên tố hợp kim, chất biến tính kích thước hạt kim loại sau khi kết tinh sẽ khác nhau Nếu tốc độ nguội càng nhanh hạt kim loại càng nhỏ dẫn đến độ bền càng cao Tuy nhiên, do hạt càng nhỏ, diện tích biên giới hạt càng lớn dẫn đến điện trở càng lớn và khi kim loại đặt trong điện trường hoặc có dòng điện đi qua nhiệt sinh ra càng lớn và tổn thất diện năng và tổn thất từ càng lớn

2 Ảnh hưởng của công nghệ gia công bằng áp lực

Khi cán, kéo hoặc rèn, kim loại sẽ biến dạng, hình dáng hạt kim loại

sẽ kéo dài theo phương của lực tác dụng và thường bị méo mó, xô lệch và thường tạo nên hình dáng hạt gọi là "tổ chức thớ" hay còn có tên là

"techxtua" (xem hình 10) Kết quả dẫn đến điện trở tăng và kim loại mang tính có hướng, tổn thất điện năng và tổn thất từ cũng tăng và độ bển cũng tăng Tuy nhiên, tính có hướng (hay còn gọi là tính dị hướng) lại được lợi dụng trong trường hợp chế tạo thép làm lõi biến áp để buộc các đường sức tập trung theo chiểu của thớ kim loại Theo chiều thẳng góc với thớ đường sức sẽ rất yếu do dó làm giảm tổn thất từ ra môi trường xung quanh Nếu sau khi gia công bằng áp lực muốn giảm xô lệch mạng dể giảm diện trở và giảm tổn thất diện năng thì người ta tiến hành ủ kim loại, nghĩa là nung nóng kim loại dã bị biến cứng do xô lệch mạng sau khi gia công áp lực đến một nhiệt độ nhất định để tạo khả năng sắp xếp lại vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể, làm giảm hoặc triệt tiêu xô lệch mạng dẫn đến giảm điện trở Công nghệ đó gọi là "ủ kết tinh lại" Công nghệ ủ kết tinh lại (loại không chuyển biến pha) chỉ làm giảm xô lệch mạng mà hầu như không làm thay đổi hình dáng và kích thước hạt

Hình 10 Cấu tạo textua sau khi biến dạng

3 Ảnh hường của nhiệt luyện đến tính chất kim loại

Nhiệt luyện là các phương pháp gia công gồm có nung nóng kim loại

đến một nhiệt độ nhất định, sau khi giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi làm nguội với một tốc độ nhất định để làm thay đổi cấu tạo tổ chức bên trong

do đó làm thay đổi tính chất kim loại mà hình dáng kích thước bên ngoài của chi tiết không được thay đổi

Nhiệt luyện kim loại có thể thực hiện sau khi gia công tạo hình sản

phẩm với mục đích đạt được tính chất cần thiết để chi tiết làm việc lâu dài, hoặc cũng có thể thực hiện bằng những bước trung gian giữa các lần gia công tạo hình với mục đích tạo khả năng gia công tốt hơn, năng suất gia công cao hơn, chất lượng gia công tốt hơn

Các phương pháp nhiệt luyệt gồm có:

a ủ (anealing)

Nung nóng kim loại đến nhiệt độ nhất định, giữ ỏ nhiệt độ đó một

thời gian để nhiệt độ đạt được đồng đểu trên toàn chi tiết sau đó làm nguội chậm cùng lò đến nhiệt độ thường

Sau khi ủ kim loại sẽ mềm hơn, dễ gia công hơn, tính chất đồng đểu

trên toàn chi tiết

Đối với thép cacbon có lượng cacbon thấp hơn 0,30% nếu làm nguội theo lò thì độ cứng sẽ quá thấp, cắt gọt trên máy tiện sẽ khó khăn hơn nên sau khi nung nóng như để ủ nhưng lấy ra làm nguội ngoài lò (nguội ngoài không khí tĩnh hoặc thổi quạt để nguội nhanh hơn) thì gọi là thường hóa (normalisation) Kết quả tương tự như ủ

b Tôi (quenching)

Nung nóng kim loại đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (thường

'cao hơn 750°C) sao cho các tổ chức trong thép đều chuyển thành tổ chức auxtênit (xem mục 11a hình 15), sau đó làm nguội thật nhanh (trong nước nguội hay trong nhớt nguội hay nóng) đến nhiệt độ bình thường thì gọi là tôi Kết quả trong thép sẽ nhận được một tổ chức gọi là Mactenxit rất cứng như hình 11 Nhờ có tổ chức này mà chi tiết thép có độ bền cao, chịu được mài mòn cao Tuy nhiên, thép sẽ đòn hơn, điện trở tăng rất mạnh Nếu dùng thép có cacbon cao đem tôi sau đó nạp từ sẽ cho trị số He rất cao Thép có thành phần cacbon càng cao sau khi tôi nhận được giá trị He càng cao khi từ hóa Thông thường, người ta dùng thép có thành phần cacbon khoảng 0,60 - 0,80% để làm nam châm vĩnh cửu

Hình 11 Tổ chức mactenxit sau khi tôi

c Ram (tempering)

Nung nóng thép đã tôi đến một nhiệt độ nhất định (không được vượt quá 700°C) làm nguội ngoài không khí đến nhiệt độ thưởng thì gọi là ram Mục đích của ram là làm giảm ứng suất do tôi để chi tiết thép có thể làm việc ổn định hơn, giảm nguy cơ nứt gãy trong quá trình chịu tác dụng lực khi làm việc Sau khi tôi có độ cứng cao, muốn điều chỉnh giảm độ cứng người ta ram với các nhiệt độ thích hợp Nhiệt độ ram càng cao độ cứng giảm càng nhiều Ram ở nhiệt độ càng cao, ứng suất giảm càng nhiều do

đó điện trỏ giảm càng nhiều Đối với vật liệu từ cứng bằng thép tôi, sau khi tôi thường không ram để khi từ hóa nhận được giá trị He cao Tuy nhiên, trong quá trình làm việc, do tính tự ram của thép đã tôi nên giá trị He dán dần sẽ bị giảm

V ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỔNG

1 Đồng nguyên chất

Còn gọi là đồng đỏ vì nó có màu đỏ Khối lượng riêng 8,93 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1083°c Đông nguyên chất có tính dẫn điện cao (chỉ thua bạc), tinh dẫn nhiệt cũng rất cao Độ bền và độ cứng không cao, nhưng tính dẻo rất cao nên gia công đồng đỏ bằng các phương pháp gia công áp lực là rất thuận lợi Tính đúc của đồng đỏ không cao vì ỏ trạng thái lỏng đồng hoa tan khi rất mạnh, đúc dễ bị rỗ (bọt) Độ chảy loãng không cao Do đó đồng

đỏ ít dùng ở trạng thái đúc Tính cắt gọt của đồng đỏ không cao vì rất dẻo, khi dũa dễ bị phoi dính răng dũa, khó dũa Đồng đỏ bền trong các môi trường kiềm, nhưng dễ bị ăn mòn trong các môi trường axit

Đổng đỏ dùng làm dây dẫn điện phải là đổng nguyên chất điện phàn (Cu E) và ở trạng thái ủ để bảo đảm có điện trở suất nhỏ nhất

Đống đỏ còn dùng làm vành góp, cổ góp trong máy điên

Các chổi điện trong các loại máy điện phải chế tạo bằng đổng đỏ nhưng ỏ dạng bột đồng ép lại (chế tạo theo phương pháp luyên kim bột)

Để giảm độ mòn của chổi điện người ta trộn thêm vào bột đồng khoảng 10-15% Graphit rồi ép thành chổi điện sau đó thiêu kết ỏ nhiêt đõ khoảng 700~800°c

ũ ma Sũũ 1200 "ũ

Hình 12 Quan hệ điện trở suất theo nhiệt độ của đồng nguyên chất

Phân loại, ký hiệu và thành phần các tạp chất được quy định trong đồng nguyên chất cho ở bảng 1

Dây dẫn và cáp dẫn điện được chế tạo theo các tiêu chuẩn như ở bảng 2

Các tính chất về điện của đồng nguyên chất như sau:

Độ dẫn điện riêng Y đối với đồng nguyên chất nhất: 59,5 m/Q.mm2

Độ dẫn điện riêng Y đối với đồng nguyên chất "tiêu chuẩn": 58 m/£2.mm2

- Điện trỏ suất của đồng "tiêu chuẩn" p: 0,017241 Í2.mm2/m

- Hệ số nhiệt điện trở suất áp: 4,3.1 o3 (0~150°C) K"1

- Sức nhiệt điện động so với Platin: 0,14 mV khi nhiệt độ đẩu hàn 0°c

Điện trở suất của đồng thay đổi theo nhiệt độ theo quan hệ bậc nhất như trên hình 12

Bảng 1 Giới hạn các tạp chất cho phép của các loại đống tinh chế

Kỉ

riêu Kỉ Ham luông tạp chã! % tói do

riêu AI As Bi Fe 0 PD s Sb Sn 2n Se* Te Ni' CuE 0,002 0,002 0,002 0,005 0,020 0,005 0,005 0.002 0,002 0,005 0.005 ũ 002

Cu 9 0,002 0.002 0,002 0,005 0,080 0,005 0,005 0,002 0.002 0,005 0,005 0,002

Cu 5 0.010 0,050 0,003 0,050 0,100 0,050 0,010 0,050 0,050 0,050 0.030 0,200 Cuũ 0,050 0,200 0,010 0,100 0.150 0,300 0,020 0,100 0,100 0,100 0,050 1,000 Đổng đỏ còn có thể dùng làm một số linh kiện điện cố định, không tháo mở thường xuyên vì đồng đỏ có tính chống mài mòn do ma sát kém Đồng đỏ còn dùng làm các cơ cấu phân phối, các cuồn dây trong biến áp, động cơ, điện cực trong bể mạ đồng, vòng cảm ứng để tôi cao tần, khuôn kết tinh khi đúc liên tục thép thỏi

Trong công nghiệp điện đổng đỏ còn dùng chế tạo anot của đèn phát có làm nguội cưỡng bức bằng nước hay không khí, thanh đối catot của ống

Bảng 2 Các đặc điểm của dây dẫn và cáp dẫn điện không có vỏ bọc rơnghen trong đó người ta hàn đổng với thủy tinh mặc dù hệ số dãn

nở nhiệt của đồng không hoàn toàn bằng thủy tinh nhưng nó có tính hàn với thủy tinh rất tốt và khi hàn thường dùng phương pháp "hàn viển mép" Thiết

ouơng kinh tinh toan D

mm

Ri om.km'1 khổng nhó hon

Thìa

điịn day

dán s.mnv

Chiêu dùi dày

1 m

khổng nhỏ han

Sổ dây

Suông kinh tinh toan D

Him

Ri om.km' kháng nhà hon

2 Latông hay còn gọi là dồng thau

Là hợp kim của Đổng và Kẽm (Zn) Thành phần kẽm chứa trong latông thường không quá 45%, (hợp kim latông để làm que hàn có thành phần kẽm trên 45%)

Nếu hợp kim latông có thành phần Zn dưới 39% thì gọi là latòng 1 pha Latông 1 pha còn có tên gọi là đồng tôm pắc (Đồng tôm pắc có thành phần 4 -10% Zn, đồng nửa tôm pắc có thành phần 15-20% Zn latông có 20% Zn có màu rất giống vàng ròng) Latông 1 pha rất dẻo, dễ kéo, dập nguội, dập nóng nhưng có tính chống mài mòn kém Do đó latông 1 pha không nên dùng làm các chi tiết dễ mòn như bu lông, đai ốc, cáu dao điện Các loại chi tiết này nên dùng loại latông 2 pha, là loại có thành phần kẽm

từ 40-43% Latông 1 pha thường dùng để chế tạo các chi tiết dạng vỏ và gia công chủ yếu bằng phương pháp rèn hoặc dập nguội Latông 2 pha có thể gia công bằng cắt gọt, đúc và hiếm hơn bằng gia công áp lực Trong latông, ngoài 2 nguyên tố chinh là Cu và Zn, người ta có thể cho thèm một

số nguyên tố khác như nhôm (AI), niken (Ni), mangan (Mn), thiếc (Sn), _để cải thiện một số tính chất cho hợp kim latông

Ký hiệu latông theo TCVN có chữ L đứng đầu, sau đó là ký hiệu của các nguyên tố Thành phần của mỗi nguyên tố là chữ số đứng sau ký hiệu của nguyên tố đó Thí dụ:

LCuZn30 có 30% Zn còn lại là Cu

LCuZn29Sn1 có 29% Zn; 1% Sn còn lại là Cu

LCuZn27Ni18 có 27% Zn; 18% Ni còn lại là Cu

Ký hiệu nguyên tố

AI

Theo TOCT (GOST) hợp kim latông ký hiệu có chữ Jl đứng đầu, tiếp

Jó là ký hiệu các nguyên tố bằng chữ cái Nga và số đứng sau chỉ thành 3hần của Cu và các nguyên tố không phải là Zn

Các chữ cái Nga ký hiệu cho các nguyên tố trong hợp kim màu theo rOCT như sau:

Tên gọi nguyên tố nhôm

JlO70-1 /1H55-18 /10C58-2-2

Để chế tạo bu lông, đai ốc trong các khí cụ điện như cầu dao, công tắc, trục vít, bánh vít nguời ta dùng latông phức tạp gồm 64~68%Cu, 4-7% AI, 2~4%Fe, 1,5~3%Mn (ký hiệu LCuZn23AI6Fe3Mn2) còn lại là kẽm Để làm bánh răng dùng latông mác LCuZn34Mn2Sn2Pb2

3 Brông

Hay còn gọi là đồng thanh (lưu ý rằng loại đồng thanh thiếc có người gọi theo cách gọi của các nhà khảo cổ học là "đồng thau", trúng tên với hợp kim của đồng với kẽm)

Là hợp kim của đồng với các nguyên tố không phải là kẽm Thí dụ: hợp kim Cu-Sn, Cu-Pb, cũ-AI, Cu-Ni, Cu-Be

Ký hiệu hợp kim brông theo TCVN đứng đầu có chữ B, còn theo TOCT đứng đầu là chữ Bp, tiếp theo tương tự như kí hiệu cho latông Thí dụ: TCVN TOCT Thành phần các nguyên tố:

BCuSn5Zn5Pb5 EpOLỊC5-5-5 5%Sn; 5%Zn; 5%Pb còn lại là Cu BCuAI9Fe4 EpA>K9-4 9%AI; 4%Fe còn lại là Cu

BCuSn3Zn7Pb5Ni1 BpOLịCH3-7-5-1 3%Sn; 7%Zn; 5%Pb; 1%Ni còn lại là Cu

> Brông thiếc

Bảng 3 Công dụng một số mác brông thiếc

Các chi tiết tàu thủy tiếp xúc với nước biển

và chi tiết trong nồi hơi có áp suất tới 25at Các chi tiết làm việc trong nước ngọt và hơi nước có áp suất tới 25at

Các chi tiết chịu ma sát, mài mòn, ổ trượt rít-

nt-Hợp kim brông thiếc là hợp kim của đổng và thiếc Khi có thành phẩn của thiếc nhỏ hơn 8% gọi là brông 1 pha Brông thiếc 1 pha rất dẻo Khi hàm Lượng thiếc trong brông lớn hơn 8% gọi là brông 2 pha Brông thiếc 2 pha tương đối đòn Brông này dùng ỏ trạng thái đúc là tốt nhất Mặt khác brông thiếc có trên 8%Sn có tính chống mài mòn tốt nên dùng làm ổ trượt

nt-Ổ nhà máy chế tạo động cơ của Việt Nam, người ta thường dùng brông thiếc để chế tạo bạc lót chốt pit-tông ô tô và máy kéo Brông thiếc có thành phần <8%Sn có tính truyền âm xa nên thường dùng đúc thành các nhạc cụ như chuông, chiêng, cồng, trông đồng Các loại kèn đồng cũng phải dùng brông thiếc có <8%Sn (có thể thêm 1~1,5%Au tiếng càng hay) nhưng chế tạo bằng phương pháp gò, hàn, dập nguội từ brông tấm

> Brông nhôm

Là hợp kim của đồng và nhôm Nhưng để cải thiện một số tính chất, người ta có thể cho thêm một số nguyên tố khác như mangan, sắt, niken làm cho brông đỡ đòn hơn Đặc biệt niken làm cho brông có tinh bển nhiệt Brông nhôm có thể nhiệt luyện bằng cách tôi ở 900°c trong nước và ram ỏ 650°c trong 1,5 giờ, cơ tính sẽ tăng lên rõ rệt Brông nhôm có tinh chống mài mòn và chịu ăn mòn trong nước biển tốt hơn brỏng thiếc nhiêu, giá thành lại rẻ hon Tuy nhiên, nhược điểm của brông nhôm là có độ co ngót khi đúc lớn, dễ gãy nứt và khó hàn

Bảng 4 Công dụng của một số mác brông nhôm

0 trượt, vỏ bơm, vòng chăn nước

Ổ trượt, bạc, bánh răng

r Brông chì

Là hợp kim của đổng và chi với lượng chì thường được sử dụng từ 30% Hợp kim đồng chì có tính chống ăn mòn cao, nhưng khó đúc và có tính thiên tích về trọng lượng lớn (khối lượng riêng của Cu là 8,93 trong lúc

25-đó của Pb là 11,34) Thường được sử dụng làm ổ trượt trong động cơ đốt trong Ký hiệu brông chì là BCuPb30 (BpC-30), BCuPb25 (BpC-25)

VI NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM

1 Nhôm nguyên chất

Nhôm nguyên chất có màu trắng sáng Khối lượng riêng 2,7 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy 660°c Nhôm có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, chỉ kém sau bạc và đồng Để trong không khí lâu nhôm không bị rỉ, nhưng khi tiếp xúc với môi trường ẩm có tính axit hay kiểm nhôm dễ bị ăn mòn Nhôm nguyên chất có tính dẻo cao, nhung độ bển thấp, do đó nhôm nguyên chất chỉ dùng chế tạo các chi tiết vỏ, bao bì, dụng cụ gia đình, hoặc làm vật liệu

kĩ thuật điện như dây dẫn, các linh kiện điện Để chế tạo các chi tiết máy thường dùng hợp kim nhôm Hợp kim nhôm chia làm hai loại: hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng

2 Hợp kim nhôm đúc

Hợp kim nhôm đúc là các loại hợp kim chế tạo thảnh sản phẩm bằng phương pháp đúc, sau khi gia công cơ khí cho làm việc cũng ở trạng thái đúc

Hợp kim nhôm đúc thông dụng nhất là các hợp kim hệ Al-Si có tên gọi

là hợp kim silumin (tên gọi tắt của hai chữ silic và alumin) Thưởng dùng các hợp kim có thành phần Si từ 5 đến 20%, trong đó các hợp kim có lượng Si trong khoảng 12-13% có tính đúc tốt nhất vì có độ chảy loãng cao tuy độ bến có thấp hơn một ít so với các thành phần khác Nếu cho thêm một ít Mg (0,3-1%) độ bền và tính chống ăn mòn được cải thiện Cho thêm 3-5% Cu trong lúc có Mn cơ tính sẽ cao hơn nhiều mà tính đúc vẫn tốt Hợp kim loại này như mác hợp kim AISi12CuMg1MnO,6Ni1Đ (chữ Đ nghĩa là đúc) thường dùng.để đúc pit-tông ô tô, máy kéo Mác nhôm này có hệ số dãn nỏ nhỏ, chịu nóng tương đối tốt Để chế tạo các chi tiết đúc khác như thanh truyền,

vỏ máy, bánh răng, người ta dùng hợp kim có lượng Si thấp hơn (tử 5-8% Si)

3 Hợp kim nhôm biên dạng

Hợp kim nhôm biến dạng là các hợp kim nhôm chế tạo thành sản phẩm bằng phương pháp gia công áp lực như rèn, dập, cán Sau đó nhiệt luyện để nâng cao độ bền

Hệ hợp kim điển hình thường dùng nhất của nhóm này là hệ

Al-Cu-Mg có tên là hợp kim dura (từ thuật ngữ tiếng Pháp), trong đó có 6%Cu; 0,4-2,8%Mg, 0,4 .%Mn Bảng 4-4 nêu thành phán của một số hợp kim đura

2,5-Hợp kim đura có cơ tính cao, từ 200-500 MPa (20-50 KG/mm2),' thường dùng để chế tạo các chi tiết chịu lực trong công nghiệp hàng không, ô tô, tàu thủy

Bảng 5 Thành phần hóa học của một số mác nhôm biến dạng (dura)

TCVN TOCT Thanh phin các nguyên tí

Cu Mg Nin SI Fe NI TI AICu4MgMnSi m 3,8-4,8 0,4-0.8 0,1-0,8 < 0,7 < 0.7 - -AICu5MgMnSi ne 4.6-5.2 0.6-1.0 0,5-0,9 < 0,5 < 0,5 - -AICuMg1.5Mn n-16 3.8-4.9 1.2-1.8 0,3-0,9 < 0,5 < 0.5 - -A!Cu2,5Mg fl18 2,2-3.0 0,2-0,5 - < 0.5 < 0.5 - -AICu2Mg MnSiFe AK6 1.8-2.6 0.4-0,8 0.4-0.8 0,7-1.2 0.7 - -AICu4.5MgMnSi AK8 3,9-4,8 0,4-0.8 0,4-1,0 0,6-1,2 0.7 - -AICu2Mg1,5SiFeNỈTi AK4-1 1.9-2,7 1,2-1.8 - 0,35 0,8-1,4 0.4-08 3.02-0,1

vu CÁC KIM LOẠI MÀU KHÁC

Trong kỹ thuật điện ngoài đồng, nhôm là các kim loại màu thông dụng nhất, người ta còn dùng các kim loại màu khác tuy có hạn chế hơn do hoặc là giá thành cao, trữ lượng thấp hoắc một số hạn chế về tính chất kỹ thuật so với nhôm và đồng

1 Nhóm kim loại quý

Nhóm kim loại quý gồm 8 nguyên tố là bạc (Ag), Palađi (Pd), Rôđi (Rh), Vàng (Au), Platin (Pt), Rutêni (Ru), Osmi (Os), Iriđi (Ir) Nhưng trong công nghiệp điện và điện tử thường dùng nhất là các nguyên tố Ag, Au, Pt

và Pd hiếm hơn có dùng Ir

Tính chất quý nhất của kim loại quý là ở điều kiện bình thường không bị oxy hóa và không bị ăn mòn trong các dung dịch thông thường kể cả ở nhiệt

độ cao Các nguyên tố như Ag, Au, Pt không hiếm nhưng do đặc điểm khai thác và tinh luyện và nhất là tính quỷ của chúng nên có giá thành rất cao Các thông số cơ bản của kim loại quý cho ỏ bảng 5

• Vàng(Au)

Vàng là kim loại có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, giới hạn bền kéo ƠK=15KG/mm2, độ dãn dài tương đối s%=40 Trong kỹ thuật điện vàng được dùng dưới dạng hợp kim như vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ bảo vệ chống ăn mòn, làm điện cực của tế bào quang điện, chân diod và các công việc khác

Vàng không hòa tan trong bất kỳ dung môi thông thường nào kể cả axít vô cơ mạnh nhất là HF, chỉ bị hòa tan trong dung môi nước cường toan gồm 1 phần HOI + 3 phần HNO3 và trong dung dịch Kali xianua

Bảng 6 Một số thông số cơ bản của các kim loại quý

TT Tin gọi Ký hiệu nguyên

to

So thu

lự nguyên

to

Khôi lượng nguyên

tu

Nhiệt dọ nóng chảy

X

Khôi lượng riêng g/cm!

Điện trổ

suất à

2SÙC Pin

mm/m)

Hẹ so dàn điện a 25 c A(ff1.em1 .10-)

• Bạc (Ag)

Bạc là kim loại có màu trắng sáng Bạc có trị số điện trỏ suất nhỏ nhất như ở bảng 6 nghĩa là bạc có tính dẫn điện tốt nhất trong tất cả các kim loại Giới hạn bển kéo ơK=20KG/mm2, độ dãn dài tương đối 5%=50 Bạc là kim loại rất dẻo, có thể dát mỏng hoặc kéo dài thành dây có đường kinh đến 0,00025 mm Bạc dùng để sản xuất các tiếp điểm có dòng nhỏ (pha với đồng dùng làm chất hàn khi hàn đổng, hàn thép không rỉ, làm cực bản trong sản xuất tụ gốm, tụ mica )-

• Platin (Pt)

Hay còn gọi là bạch kim là kim loại màu trắng sáng, không bị oxi hóa

và rất bén hóa học Có giới hạn bền kéo ƠK=15KG/mm2, độ dãn dài tương đối s%=30~35%

Platin dùng làm cặp nhiệt (xem mục hợp kim làm cảm biến) Dây platin mảnh với đường kính 0,001 mm dùng để treo hệ thống động trong các đồng hồ điện và các dụng cụ đo có độ nhạy cao

Platin tinh khiết ít dùng làm tiếp điểm, nhưng hợp kim của nó lại dùng nhiều để làm tiếp điểm: phổ biến nhất là Platin-lnđi không bị oxy hóa, có

độ cứng cao, ít bị mòn cơ học, cho phép đóng cắt với tần số lớn

2 Nhóm các kim loại khó chảy

Nhóm này gồm các nguyên tố như ỏ bảng 7

Đặc điểm của các kim loại nhóm này là do nhiệt độ nóng chảy rất cao, nhất là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy trên 2000°c, nên để chế tạo thành các sản phẩm như các dây, tấm người ta không dùng các phương pháp luyện kim nóng chảy thông thường mà dùng phương pháp luyện kim bột như đã giới thiệu ở phần UI mục 4

• Vôntram (W)

Vôntram là kim loại có màu xám sáng, có nhiệt độ nóng chảy cao

nhất trong tất cả các kim được sử dụng thông thường và cũng có khối lượng riêng lớn

Từ quặng vônừam ở dạng nFeW04 X mMnW04 người ta làm giàu

quăng và chuyển sang dạng W 03đ ể có tỷ lệ w không nhỏ hơn 99,95% Từ oxit cho vào lò điện ở nhiệt độ 700~900°c dùng hydro hoàn nguyên được

hạt w nguyên chất với kích thước 1 -7 (im Từ bột ểp thành thỏi với áp lực 200-300 MPa và thiêu kết ở nhiệt độ 1200-1400°c, sau đó ép thành thỏi

vói đường kính 2-3 mm ở nhiệt độ 3000-3100°c trong luồng khí hydro Từ thỏi này hạ nhiệt độ xuống đến 800°c rồi kéo đến nhiệt độ 300°c thi ngưng

để có dây w với đường kính 0,005-0,01 mm dùng làm dây tóc bóng đèn các loại

Công dụng của vônfram:

- Làm dây tóc đèn chiếu sáng các loại

- Làm catôt nung trực tiếp đèn công suất lớn, điện áp cao của các ống rơnghen

- Hợp kim vônfram-tôri có công tiêu hao thấp dùng để chế lạo catốt đèn điện tử công suất nhỏ và trung bình

- Làm đối catốt các ống rơnghen

- Làm dây đốt trong các lò nung chân không, lò có khí hydro hay acgông với nhiệt độ nung nóng đến 3000°c

- Làm điện cực khộng nóng chảy khi hàn trong khí bảo vệ acgông hay hêli

- Làm dây cặp nhiệt W-Mo

Bảng 7 Các nguyên tố kim loại khó chảy

TT Tên gọi

Ký hiệu nguyên

tố

Số thứ

tự nguyên

tố

Khối lượng nguyên

từ

Nhiệt

độ nóng chảy

°c

Khối lượng riêng g/cm3

Điện trở suất P(Í2

-• Molipđen (Mo)

Molipđen là kim loại gần giống vôntram, có nhiêu đặc tính giông vôntram Trong thiên nhiên quặng molipđen thường gặp ở dạng M0S2, Ít gặp hơn ở dạng PbMo04 Sau khi làm giàu quặng được M0O3.TỪ oxit Mo3

ở dạng bột muốn nhận được kim loại Mo cần đem ép thành thỏi sau đó đem rèn và ủ hoàn nguyên qua 2 giai đoạn: giai đoạn 1 ở 650°c dể chuyển thành M0O2 sau đó hoàn nguyên ỏ 1000-1100°c sẽ nhận được

Mo kim loại

Trong công nghiệp điện molipđen được sử dụng:

- Làm điện cực trong các khí cụ điện có thể làm việc đến 1000°c

- Làm dây đốt trong các lò có nhiệt độ nung đến 1700°c với khí bảo vệ là acgong hoặc hydrô Dây đốt Mo không làm việc trong

lò chân không vi trong chân không Mo bay hơi nhanh hơn trong lò

có môi trường khi bảo vệ

- Mo được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật điện chần không là làm các dây dẫn, dây móc, dây nối trong thủy tinh khó nóng chảy

mà với thủy tinh này người ta sử dụng các dây nung, các lò xo xoắn bằng vôntram làm việc đến 500°c

VIN CÁC HỢP KIM CÓ ĐIỆN TRỞ CAO VÀ Hộp KIM LÀM CẶP NHIỆT

Nhóm các khí cụ này được chế tạo chủ yếu trên cơ sỏ niken (Ni)

1 Hợp kim có điện trở cao

Hợp kim có điện trở cao dùng làm các điện trỏ mẫu, các biến trở và các dây điện trở để đốt nóng trong các lò nung, bếp điện v.v_

Bảng 8 Hợp kim Ni và Ni-Cr có điện trở lớn

HỢP kim Ký hiệu Thành phán hóa học

3-12-0.3-0.3

2,3-3.5 11,5-13.5 0.2-0,4 0.2-0.6

15-18 20-23 Còn lại Còn lại

Để làm các biến trở và các điện trỏ mẫu người ta dùng các hợp kim trên cơ sở đồng (Cu) như manganin, constantan, còn để làm dây đốt dùng các hợp kim trên cơ sỏ niken Thành phần của các loại hợp kim này được cho ở bảng 8 và tính chất của chúng cho ỏ bảng 9 Các dây điện trỏ bằng nicrôm chỉ dùng cho các lò điện nung đến nhiệt độ không quá 1100°c Muốn chế tạo lò nung có nhiệt độ nung đến 1350°c và 1550°c phải dùng thanh điện trỏ cacborun (thành phần chủ yếu của cacborun là SiC)

Bảng 9 Tính chất của các hợp kim điện trỏ lớn

(lmms/m

Hệ sá nhiệt điện trổ a„

/độ

Nhiệt độ lam việc cho phép

% Manganin 8,1 0.42-0,48 (5-30).10"6 100-200 40-60 15-30 Constantan 8,9 0,48-0,52 (5-2 5) lũ- 6 450-500 40-50 20-40

HK nicrAm

CM5NÌ60 8,2-8,3 1,0-1,2 (1-2)10" 1000 65-70 25-30 Cr20Ni80 8,4-8,5 1,0-1,1 (1-2)10^ 1100

HK lecran

en 3AI4 7,1-7,5 1,2-1.35 (1 -12)10"* 850 -70 -20 Cr25AI5 6,9-7,3 1,3-1,5 6.5.10-5 1200 -80 -10-15 Bảng 10 Sức nhiệt điện động của một số kim loại khi đặt cùng cặp (hàn một đầu) với platin Nhiệt độ đầu nóng là 100°c, nhiệt độ đầu lạnh là 0°c Tên kim s.n.đ.đ Tên kim s.n.đ.đ Tên kim s.n.đ.d

sắt +1,8 Than +0,30 Alumel -1.7 Môlipđen +1,2 Graphit +0,22 Constantan -3,4

Trong bảng 10: Giới thiệu sức nhiệt điện động (s.n.đ.đ.) của một số kim loại và hợp kim khi đặt mỗi thanh cùng cặp với một thanh platin nguyên chất, đầu hàn 2 thanh với nhau (đầu TI) đặt ỏ nhiệt độ 100°c còn đầu tự do của mỗi thanh (đầu T2) đặt ỏ nhiệt độ 0°c Trong bảng 4-11 là các loại cặp nhiệt được sử dụng trong sản xuất để đo các phạm vi nhiệt độ khác nhau Khi chọn 2 thanh dẫn (có thể là kim loại nguyên chất, hợp kim hoặc bán dẫn phi kim loại) để làm cặp nhiệt cần phải phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Sức nhiệt điện động phát triển giữa 2 thanh phải có giá trị đủ lớn (càng lớn càng tốt) để dễ dàng hiển thị trên các dụng cụ đo

- Sự phát triển giá trị s.n.đ.đ tốt nhất là theo quan hệ đường thẳng (có thể chấp nhận quan hệ đường cong đều trong phạm vi nhiệt

độ đo được cho phép)

- Sự phát triển giá trị s.n.đ.đ phải ổn định lâu dài trong phạm vi nhiệt độ đo được

Bảng 11 Các loại cặp nhiệt thông dụng

TT Tên cặp

nhiệt Ký hiệu

Khoảng nhiệt độ làm việc

7 Vôntram-Rêni 0/26 WReO-WRe26 100-2000 300 2,00

8 Vôníram-Molipđen W-Mo 1300-1800 2000 4,8

9

Vôníram-Rêni 3/25

WRe3-WRe25 1600-2800 1600 29,277

10 Vôntram-Rêni 5/26 WRe5-WRe26 1600-2800 1600 28,052

11 Vôníram-Rêni W-Re 0-1700 1593 24,691

Có thể có những cặp vật liệu phát triển s.n.đ.đ theo quan hệ phức tạp như vừa theo chiểu âm sau đó lại theo chiều dương hoặc lúc đầu thì theo quan hệ đường thẳng sau đó lại theo đường cong Trong trưởng hợp

đó người ta chỉ chọn phạm vi sử dụng ỏ khoảng nhiệt độ mà s.n.đ.đ phát triển theo chiểu dương và theo quan hệ đường thẳng Thí dụ trên hình 13 đường 1 và 2 chỉ sự phát triển s.n.đ.đ của cặp nhiệt W/Re 5/20 và W/Re 3/15 theo quan hệ gần như đường thẳng trong phạm vi nhiệt độ từ 100° đến 2500°c nên các cặp nhiệt này đước sử dụng để đo nhiệt độ từ 100 đến 2500°c Trong lúc đó đường 3 chỉ s.n.đ.đ của cặp nhiệt W/Mo mà trong khoảng nhiệt độ tù 0 đến 1300°c s.n.đ.đ của nó lại phát triển có giá trị âm nên cặp nhiệt này chỉ được sử dụng để đo các nhiệt độ từ 1300 đến 2000°c

/ /

' /

/ //

8 8 « 8 8 -í s ri Hình 13 Sự phát triển s.n.d.d của các cặp nhiệt

Xem phần tham khảo ỗ cuối chương: Cách xác định sức nhiệt điện động của các cặp nhiệt

3 Các hợp kim làm diện trỏ nung nóng (dây dốt)

Yêu cầu các hợp kim này là:

- Có điện trở suất lớn

- Có hệ số nhiệt độ điện trở suất càng nhỏ càng tốt

- Có tính ổn định nóng cao và trong phạm vi nhiệt độ làm việc không có chuyển biến tổ chức

Thường dùng các hợp kim của sắt cho thêm AI và Crõm với các số hiệu sau Cr13AI4, 10CM7AI5, 10Cr25AI5 Các hợp kim này có ưu điểm là

rẻ tiền nhưng đòn, thường chỉ làm việc không quá 1000°c người ta thường dùng các dây điện trở loại này trong các lò ram hoặc lò sấy có nhiệt dô làm việc của lò từ 300 đến không quá 600°c

Muốn làm việc ở nhiệt độ cao hơn phải dùng các hợp kim trên cơ sở Niken vói các mác sau: Cr20Ni60, Cr20Ni80 gọi là các hợp kim nicrôm Bản thăn các dây họp kim này có thể làm việc đến 1100°c, thường dùng làm các dây đốt cho các lò nung đến 1000°c

Muôn làm dây điện trỏ cho các lò nung có nhiệt độ cao hơn 1000°c người ta phải dùng các dây điện trỏ bằng Molipđen hoặc các thanh điện trỏ bằng vật liệu gốm như thanh cacbua silic (SiC) hay còn gọi là thanh Cacborun hoặc bằng Graphit

IX HỢP KIM HÀN

Hàn là phương pháp ghép nối cơ khí mà vật cần ghép nối được nung

nóng đến trạng thái chảy hoặc trạng thái dẻo rồi dùng lực hoặc không dùng lực để ép cho 2 vật cần ghép nối dính lại với nhau tao thành mối ghép cứng

Căn cứ vào quan hệ giữa nhiệt độ nóng chảy của các loại vật liệu chính (chị tiết được hàn) và vật liệu phụ (vật liệu hàn) khi hàn so với nhiệt

độ nung nóng khi hàn người ta chia các phương pháp hàn thành 3 nhóm chính: hàn nóng chảy, hàn áp lực và hàn vảy

Nếu ký hiệu TH là nhiệt độ nung nóng để hàn, Tia là nhiệt độ nóng chảy của kim loại vật hàn và TPH là nhiệt độ nóng chảy của kim loại phụ thi: Hàn nóng chảy là các phương pháp hàn mà nhiệt độ hàn lớn hơn nhiệt

độ nóng chảy của cả kim loại vật hàn và kim loại phụ TH > TK L; TH > TpH Bảng 12 giới thiệu thành phần một số hợp kim hàn thường dùng trong ngành điện

Khối lượng riêng g/crrĩ3

Giới hạn bền kéo KG/mm2

Nhiệt độ nóng chảy,°c

Pb còn lại

7,6-10,2 2,8-4,3 190-227

Đồng, hợp kim của đồng, bạc, sắt mạ kẽm

Pb 32-36%

Cd 17-18%

Đồng, HK đồng, bạc

vẽ lên gốm bằng phương pháp đốt Pb-

Sử dụng trong

trường họp mối hàn

Cd 11,5%,

-cán nhiệt

độ hàn dặc biệt thấp Sn-

-Sn 40-55%,

Cd 20%,

Zn 25%, A115%

Nhôm và hợp kim nhôm

Zn còn lại

7.7-8,3 -22 825-860

Đổng, HK đổng, thép

Ag 25-70%

Zn 4-35%

8,9-9,8 28-35 720-765

Đổng, HK dóng, bạc, platin, vôntram, thép

- Hàn áp lực là các phương pháp hàn mà TH < TKL, không dùng kim loại phụ và sau khi nung nóng phải dùng lực dể ép dính 2 vật hàn lại với nhau

- Hàn vảy là các phương pháp hàn mà TPH < TH <

Tia-Trong lĩnh vực công nghiệp điện và điện tử, để hàn các linh kiện điện

tử và thiết bị bưu điện truyền thanh thường người ta dùng các phương pháp hàn vảy, trong đó thường dùng nhất là phương pháp hàn chì

Căn cứ vật liệu phụ khi hàn, hàn vảy được chia làm 2 loại: hàn vảy cứng và hàn vảy mềm

Hàn vảy cứng là phương pháp hàn mà nhiệt độ hàn lớn hơn 300°c, kim loại phụ (vảy hàn) là các hợp kim có nhiệt độ chảy cao hơn 300°c như vảy hàn thau (hợp kim Cu-Zn), vảy hàn bạc (hợp kim Ag-Cu) •"

Hàn vảy mềm là phương pháp hàn mà nhiệt độ hàn thấp hơn 300°c, kim loại phụ là các hợp kim có nhiệt độ chảy thấp hơn 300°c như vảy hàn chí, vảy hàn thiếc Các vảy hàn mềm có thành phần chủ yếu là hợp kim chì và thiếc Để hạ nhiệt độ chảy thường cho thêm antimoan (Sb) với lượng 1-2% Khi hàn các mạch điện tử người ta cho thêm cadmi (Cd) hoặc bitxmut (Bi)

Cd và Bi có tác dụng làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hợp kim đổng thời làm tăng sức căng bề mặt của giọt kim loại lỏng do đó giọt lỏng có xu hướng luôn luôn vê tròn rất gọn khi kết tinh và nhờ thế mạch điện ít bị nhiễu sóng tạp

X HỢP KIM TIẾP XÚC

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, hợp kim tiếp xúc được dùng rộng rãi

Hợp kim tiếp xúc chế tạo theo phương pháp luyện kim bột là phương pháp tối ưu vì nó đạt được giá trị kinh tế cao nhất và đạt được nhiều chỉ tiêu kỹ thuật mà phương pháp luyện nấu chảy khó đạt được vì hợp kim tiếp xúc thường chế tạo bằng các kim loại đắt tiền như Ag, Re, Cd, w, Cu, v.v Theo điều kiện làm việc, hợp kim tiếp xúc được chia làm bốn nhóm:

- Độ chính xác thấp, dùng trong kỹ thuật thông tin, radio

- Nối mạch dòng một chiều hoặc xoay chiều cường độ dòng điện đến15A

- Nối mạch có cường độ dòng đến 100A, điện áp đến 440V để phòng dập tắt hồ quang

- Tiếp điểm không khí hay tiếp điểm dầu dành cho công suất lớn Phụ thuộc vào diều kiện làm việc của các tiếp điểm, vật liệu để chế tạo các tếp điểm cần có các yêu cầu sau:

- Độ dẫn điện cao ỏ các chế độ làm việc khác nhau và điện trỏ

ổn định trong thời gian dài

- Độ dẫn nhiệt cao, bảo đảm ít bị nóng trong quá trình làm việc, không bị biến mềm, nóng chảy hay bay hơi, có độ bền nóng vừa đủ

- Các nguyên tử chuyển vị ít, tạo điều kiện tiếp điểm ít mòn và cản trỏ sự tạo bướu hay lõm trên tiếp điểm có thể dẫn đến hư hỏng khi ngắt mạch

- Ổn định hóa học và có tính chống lại sự tạo màng trên bể mặt làm thay đổi điện trỏ tiếp xúc theo thời gian Khi quá nung không được thay đổi thành phẩn hóa học và chuyển biến tổ chức

- Có độ bền cơ học cao ở nhiệt độ thường cũng như ở nhiệt độ cao, dễ gia công và ổn định khi va đập nhiệt

- Có tính chống hàn và chống dính cao, bảo đảm có thể đóng ngắt mạch điện nhiều lần

Theo kết cấu, tất cả các loại tiếp điểm được chia làm ba nhóm:

• Nhóm 1: Ngắt mạch và làm việc theo sự đóng mỏ chu kì của mạch điện có các miếng tiếp điểm rời nhau khi ngắt mạch

Bảng 3 Thanh phẫn linh chát vá ưng dung các hơp kim gớm nép xúc

Ky Thánh phán Điện tre! Độ dán Độ GIỜI hgn Một độ

hl«u hóa học suất nhhlột ùng bin keo (giòn?) Phgm vi Ưng diing

Phgm vi Ưng diing

aitm

AgW3 70Ag+30W 0.023 3.4 70 on=60 12,0 Mấy hân, bộ phận điểu khiên máy thu hình

0 50Ag+47,5W+ 0.027 2,8 100 ơn=65 14,0 cổng tác dãn thiết bị háng khùng (cũng tác AgW5 2.5NI 0^030 2.7 120 28 14,4 tải nặng), máy ké toàn, bộ diêu khiến máy

0 40Ag+60W 0,035 2,8 140 40 14.5 nang chuyến, dung cụ gia dinh, mây nár AgW6 30Ag+66,5W+ 0,040 2.4 20 52.5 16.3 dáng

AgNi 1 99Ag+1NP 0,018 37 10,5 Thiét bị tự động, câu dao, rơle tin hiểu, cổ ne AgNi 90Ag+10NI 0,018 50 16 10,1 tác đồn, thiết bi hãng không, mây đếm diér

10 80Ag+20NI 0.020 60 9.9 tử, cổng tác bo đn nhiệt vã dây diện trđ, AgNI 7ŨAg+30NI 0,025 75 9 6 cang lác trượt điện thê kế, thiết bi đương

20 60Ag+40Ni 0,032 100 27 95 sát, bố điểu chinh ánh sổng, bộ điếu khiếr

AgGdh 94Ag*bGdO 0.018 3,6 61 10,25 Kép que hân hoi quang, mây rung ve

AgCdio ạOAg* 10CdO 0.022 3.7 63 12 9.7 tuyên, thiết bi hàng khổng, câu dao tải (rong AgCd15 85Ag4lbCdO 0 027 3.26 65 11.2 9.6 Iđn cơ câu bão vé động ca, stato mây lanh

Thường chế tạo theo dạng hai nhóm đầu

Theo thành phần hóa học các hợp kim tiếp điểm dược chia thành

ba nhóm:

+ Nhóm Ỳ kim loại 1 cấu tử

+ Nhóm 2: kim loại 2 cấu tử

+ Nhóm 3: kết hợp kim loại và phi kim loại

riếp điểm kim loại 1 cầu tử thường dùng Ag, w, Pt, Mo nhưng loại một cấu tử có nhược điểm là khó thỏa mãn các yêu cầu đa dạng của các tiếp điểm trong quá trình làm việc

Thí dụ: vôntram có độ cứng cao, độ bền cao, ít có khuynh hướng bắn tia lửa và xói mòn điện là vật liệu tiếp xúc tốt nhưng vi có điện trỏ lớn và chống oxi hoa ở nhiệt độ cao kém nên ít dùng ở dạng nguyên chất, chỉ sử dụng khi tiếp điểm có tần số đóng mở cao và có áp lực tiếp xúc lớn

Để chế tạo các tiếp điểm có độ chính xác thấp thường dùng đồng (Cu) Để chế tạo các tiếp điểm có độ dẫn điện cao và ổn định hóa học cao dùng Pt, Au, Ag Thông thường để chế tạo các tiếp điểm người ta phải dùng hợp kim bột nhiều cấu tử trong đó kết hợp các kim loại có tính dẫn điện cao như bạc, đổng và các nguyên tố có tính chịu nhiệt cao như w, Mo, Ni Thí dụ các hỗn hợp W-Ag, W-Cu, Mo-Ag, Ag-Ni, W-Re, Re-Ag, Re-Cu, v.v Hợp kim W-Ag với lượng w chiếm 50-60% dùng cho các thiết bị điện cao áp Hợp kim W-Cu có thêm 2-3% Ni dùng cho máy cao áp trong môi trường dầu hoặc không bị oxi hóa, hoặc dùng cho máy tải nặng, dòng lớn, tạo hồ quang mạnh như trong các máy hàn điện

Hợp kim Ag-Ni dùng trong các công tắc tơ, rơle điện từ, các máy điều chỉnh áp, các máy ngắt mạch điện áp cao nhưng công suất không cao Hợp kim Ag-CdO với lượng oxit cadmi 10-15% có ưu điểm CdO dập tắt hồ quang nhanh, có độ dẫn điện cao thường dùng trong các thiết bị hàng không, thiết bị thông tin

Tiếp điểm chế tạo bằng Ag-Graphit với lượng Graphit 5% dùng trong các áptômát, đóng mạch không khí, rơle tín hiệu, đảo mạch trong máy thu thanh v.v

Hợp kim Cu-Graphit làm chổi quét trong động cơ, máy phát chế tạo thành 3 lớp: lớp 1 là lớp làm việc có 5% graphit, độ xốp 15%, lớp giữa 3% graphit, lớp dưới bằng đổng đỏ để dễ hàn

Để làm các chổi trượt trong các dụng cụ đo chính xác dùng hợp kim

Ag hoặc Cu với 2-50% graphit

Để làm chổi góp trong các máy điện điện áp thấp có thể dùng hợp kim Ag-Pd-Ni, Ag-CdO, Ag-CuO, Ag-C Báng 13 nêu ra thành phần, tính chất và công dụng một số họp kim tiếp xúc

XI HỢP KIM SẮT-CACBON

ì Thành phẩn và cấu tạo của hợp kim sắt-cacbon

Hợp kim sắt-cacbon (có thể viết là hợp kim Fe-C) là hợp kim của 2 nguyên tố chủ yếu là sắt (Fe) và cacbon (C), trong đó hàm lượng cacbon thay đổi không quá 6,67%, nhưng trong thực tế chỉ sử dụng không quá 4%c Tùy thuộc hàm lượng cacbon trong hợp kim người ta chia ra: Thép là hợp kim Fe-C trong đó lượng c không quá 2%, còn gang là hợp kim Fe-C chứa lớn hơn 2%c

Trong thực tế, thành phần của thép và gang không phải chỉ có 2 nguyên tố Fe và c, mà thường còn chứa nhiều nguyên tố khác nữa

Trong bất kỳ loại thép hay gang nào cũng đểu có chứa 4 nguyên tố tạp chất là: s (lưu huỳnh), p (phất pho), Mn (mangan ), Si (silic)

- Tạp chất lưu huỳnh làm cho thép và gang có tính đòn nóng, do

dó khi luyện thép người ta phải khử lưu huỳnh bằng ferố mangan (FeMn) để giảm lượng s trong thép còn không quá 0,05% còn trong gang cho phép không quá 1,10%,

- Tạp chất phất pho làm cho thép có tính đòn lạnh Hàm lượng p cho phép trong các thép thông thường không quá 0,05% Phối pho trong gang cũng làm cho gang có tính đòn lạnh nhưng lại làm cho gang có độ chảy loãng cao và chông mài mòn tốt nên cho phép p trong gang có thể đến 0,15%

- Tạp chất mangan và silic trong thép làm cho thép bền hơn nhưng cũng đòn hơn Hàm lượng của chúng thường được giới hạn trong thép khoảng 0,35-0,4% Si và 0,5-0,8% Mn và trong gang khoảng 1,2% Si và 0,5% Mn

Trong trường hợp lượng Si trong thép cao hơn 1% và Mn cao hơn 1,1% thì lúc đó Mn và Si được gọi là nguyên tố hợp kim

Nếu trong thép ngoài Fe và c, chỉ có các nguyên tố tạp chất s, p,

Mn, Si thì thép đó gọi là thép các bon Nếu ngoài 6 nguyên tố trên còn có thêm các nguyên tố khác dưới dạng các nguyên tố hợp kim thì gọi là thép hợp kim

Về mặt cấu tạo, trong hợp kim sắt-cacbon có các loại hạt tinh thể sau:

* Hạt ferit: Một loại dung dịch rắn của cacbon hòa tan trong Fea,

có mạng lập phương tâm khối Hạt ferit có tính sắt từ nhưng khi ở nhiệt độ cao hơn 768°c tính sắt từ sẽ mất hoặc ỏ trong hợp kim, khi lượng cacbon lớn hon 0,02% terit sẽ chuyển thành một loại hạt khác gọi là auxtênit ở nhiệt độ cao hơn 727°c và cũng mất tinh sắt từ Nếu trong hợp kim chỉ có hạt íerit thì tổ chức tế vi của

nó có dạng như trên hình 14

Hình 14 Tổ chức ferit Hạt auxtênit: Một loại dung dịch rắn của cacbon hòa tan trong Fey, có mạng lập phương tâm mặt ở điều kiện bình thường hạt auxtênit không tổn tại ở nhiệt độ thường mà chỉ hình thành khi nung nóng hạt ferit lên nhiệt độ cao hôn 727°c ở bất kỳ điều kiện nào hạt auxtênit đều không có tính sắt từ (nghĩa là không hút nam châm) Trong một số điều kiện đặc biệt (thí dụ trong thép không gỉ Cr-Ni) auxtênit có thể tồn tại ở nhiệt độ thường và

có hình dáng của tổ chức tế vi rihư trên hình 15

Hình 15 Tổ chức auxtenit

Hạt xêmentit: Hợp chất hóa học của Fe và c, có công thức là

Fe3C và có mạng tinh thể như trên hình 5, trong đó tỉ lệ c chiếm 6,67% Trong gang, xêmentit có thể đứng riêng rẽ ở dạng các hạt tròn hoặc có dạng vòng lưới bao quanh các hạt khác gọi là lưới xêmentit hoặc tạo một lớp phủ trên bề mặt chi tiết gang gọi là lớp chai Khi ỏ các dạng này gang rất khó gia công vì rất cứng

• Hạt peclit Nếu trong hợp kim Fe-C có lương c nhiêu hơn 0,02% thì nó sẽ hình thành một loại hạt hỗn hợp hay còn gọi là hỗn hợp

cơ học có tên là hạt peclit là một loại hạt gốm 2 thành phấn hạt khác nhau: ferit+xêmentit và có hình dáng như trên hình 6

ở điều kiện binh thường trong gang và thép thường có đóng thời các

hạt ferit, xêmentit và peclit Còn ỏ nhiệt độ cao ferit sẽ chuyển thành auxtênit (sẽ xem cụ thể ở các mục dưới đây)

2 Gang

Gang là hợp kim Fe-C có hàm lượng cacbon lớn hơn 2% Trong công nghiệp luyện kim, gang là sản phẩm dầu tiên nhận dược sau khi luyện từ quặng sắt trong lò cao Từ gang có thể luyện thành thép trong các lò thép

Vì gang luyện từ lò cao chưa thể khống chế một cách chính xác thành phần

và tổ chức bên trong, do đó để chế tạo các chi tiết máy bằng gang có thành phần và cơ tính chính xác, người ta phải dùng gang lò cao, có thể cho thêm các gang phế liệu, cho vào các lò đúc luyện lại mới có thể đạt được các tính chất mong muốn

> Thành phần của gang

Căn cứ vào thành phần, gang chia làm 2 loại là gang thưởng và gang họp kim

Trong gang thường chỉ có các nguyên tố: Fe, c và 4 nguyên tố tạp

chất như trong thép là Si, Mn, s, p và đã được phân tích tác dụng cùa chúng ở phần trên

Trong gang hợp kim ngoài các nguyên tố nêu trên, người ta cho thêm

các nguyên tố hợp kim như trong thép nhưng với các nguyên tắc có khác trong thép

> Cấu tạo bên trong và công dụng của gang

Gang có cấu tạo và tổ chức bên trong rất phức tạp và có ảnh hưỏng lớn đến tinh chất của gang

Tùy thuộc vào thành phần của các nguyên tố, điều kiện kết tinh mà

cấu tạo bên trong của gang có khác nhau và được chia thành 2 loại là gang trắng và gang xám

Gang trắng là gang khi nhìn vào mặt gãy (mặt miếng gang mới đập

vỡ ra) có màu trắng Trong gang trắng toàn bộ cacbon ỏ dạng liên kết với sắt gọi là xêmentit (Fe3C) Gang trắng rất cứng và đòn, không sử dụng để chế tạo các chi tiết máy

F

Hình 16 Vỏ động cơ điện bằng gang xám Gang xám là gang nhìn mặt gãy có màu xám Trong gang xám một phần hoặc toàn bộ cacbon ở dạng tự do gọi là graphit, là những vệt lấm tấm đen khi nhìn trên mặt gãy Nhờ có graphit nên gang xám mềm hơn, dễ gia cõng và được sử dụng để chế tạo chi tiết máy, chủ yếu là chế tạo bằng phương pháp đúc Trên hình 16 dần ra vỏ động cơ điện đúc bằng gang xám GX 15-32

Tùy thuộc phương pháp luyện và biến tính, Graphit trong gang xám lại

có hình dạng khác nhau: Nếu Graphit có hình tấm thi gọi là gang xám (hình 17), Graphit có hình cầu thì gọi là gang cầu (hình 18), Graphit có hình như bông gông (hình hoa tuyết) thì gọi là gang dẻo hay gang rèn như hình 19 Gang xám có thành phần cacbon từ 2,8-4,0%, lượng Si từ 1,5-2,5% sao cho tổng lượng (C+Si)>5%, lượng Mn= 0,4-0,9%

Hình 19 Gang dẻo

Ký hiệu gang xám Theo TCVN Tương ứng Với TOCT

Gang xám có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn thép nhiều, khoảng từ 1147-1152°c Gang xám tuy có độ bền và độ cứng không cao bằng thép, nhưng có tính chống mài mòn và tính chống rung tốt, chống cộng hưỏng tốt Gang xám thường dùng chế tạo các chi tiết chịu mài mòn như các loại

ổ trượt (bạc), các chi tiết vỏ như vỏ động cơ, vỏ quạt, vỏ máy, các chi tiết chống rung như bệ máy, băng máy Một số khuôn đúc như khuôn đúc thép thỏi, khuôn đúc ly tâm, khuôn đúc nhôm có thể làm bằng gang xám Gang cầu là gang có tổ chức Graphit ỏ dạng cầu Nhờ cấu tạo này

mà độ bền của gang cầu cao hơn gang xám Để chế tạo gang cầu, gang được nấu trong lò đứng giống như gang xám, nhưng trước khi rót khuôn phải biến tính bằng nguyên tố Mg (ma nhẽ) dưới dạng hợp kim trung gian, hoặc bằng các nguyên tố thuộc nhóm đất hiếm

Ký hiệu gang cầu Theo TCVN Tương ứng với rOCT cũ rOCT mới

độ bến cao

Gang cầu dùng để chế tạo các chi tiết cần độ bền tương đối cao nhưng có hình dáng phức tạp như trục khuỷu động cơ đốt trong (hình 20), trục cán hình, bạc xec-măng, vỏ động cơ điện loại lớn

Hình 20 Trục khuỷu bằng gang cầu Gang dẻo là gang có tính dẻo cao như thép, có thế rèn, cán như thép nên còn gọi là gang rèn Gang dẻo ít được dùng trong ngành điện nên ở dây không trình bày kỹ

c Thép cacbon

• Thành phần

Trong thép cacbon ngoài nguyên tố chính là Fe thì nguyên tố cacbon

là nguyên tố đóng vai trò quan trọng nhất Khi thành phần cacbon thay đổi tính chất của thép sẽ thay đổi Hàm lượng cacbon trong thép cacbon thay đổi từ 0 05 đến 1,3%

Các nguyên tố tạp chất:

S- giới hạn không quá 0,05%

p - giới hạn không quá 0,05%

Si- Trong các thép cacbon thông thường lượng Si thường chiếm khoảng 0,5%, nhưng trong thép sôi, lượng Si chỉ được phép không quá 0,07%

Mn- thường chiếm khoảng 0,5 - 0,8%

• Phân loại và kỷ hiệu thép cacbon

Có nhiều cách phân loại thép cacbon khác nhau nhưng ở đây chỉ nói đến cách phân loại theo công dụng gôm có:

- Thép công trình hay thép xây dựng, lọai này thường có chất lượng thường

- Thép kết cấUíHíà thép có chất lượng cao

CT: Thép caccbon thông thường (có chất lượng thường)

C: Thép cacbon chất lượng (có chất lượng cao)

CD: Thép cacbon dụng cụ (có chất lượng cao)

Theo TCVN 1765- 75 thép cacbon thông thường được ký hiệu theo các mác sau:

TCVN 1765- 75 tương đương với rOCT 380-71 (đọc là GOST)

CT61n CT6nC CT61 CT6Cn Theo tiêu chuẩn này của TCVN, 2 chữ số đứng sau chữ CT chỉ giới hạn bền kéo của thép đó tính theo đơn vị KG/mm2

Chú thích:

Theo TCVN: s = sôi; n = nửa lắng; không có s; n = lắng

Tương đương rOCT: Kn = sôi; ne = nửa lắng; c n= lắng

Theo TCVN 1766-75 thép kết cấu chất lượng (cao) được ký hiệu bắt đầu bằng chữ c, tiếp theo là 2 chữ số biểu diễn phần vạn cacbon (xO,01%C); nếu là thép sôi đằng sau thêm chữ s, nếu có lượng Mn cao (0,70-1,00% so với thép thường lượng Mn chỉ 0,50-0,80%) thì thêm chữ

Mn Thí dụ:

C5s có <0,06%c < 0,04%Mn < 0,03%Si

C15s 012-0,19 0,25-0,50 <0,07

C15Mn 012-0,19 0,70-1,00 0,17-0,37

Tương đương với các mác thép trên theo một số nước ký hiệu là:

TCVN 1766-75 rOCT 1050-74 AISI/SAE (Mỹ) JIS (Nhật)

C5s 05 Kn 1006

C15 15 1015 S15C C15s 15 Kn

C15Mn 15r 1117

Theo TCVN 1822-76 thép cacbon dụng cụ được ký hiệu bắt đầu bằng chữ CD tiếp đến bằng 2 hoặc 3 chữ số chỉ lượng cacbon tính theo phần vạn (x 0,01%)

3 Thép hợp kim

• Thành phần và tính chất

Thép hợp kim là các loại thép mà ngoài 2 nguyên tố chủ yếu là Fe

và c, người ta còn cho thêm các nguyên tố khác với lượng khác nhau nhằm mục đích nâng cao một số tính chất cần thiết có lợi cho thép, hoặc tạo thêm một số tính chất mới mà thép không thể có được Trong thép hợp kim vẫn có các tạp chất như s hoặc p hoặc kể cả Mn và Si, nhưng tùy thuộc yêu cầu của từng loại thép mà hàm lượng các tạp chất này đòi hỏi khắt khe hơn và cũng có khác nhau

Mỗi nguyên tố hợp kim cho vào tùy thuộc, không những về chất mà

cả về lượng sẽ cho những tính chất khác nhau Thí dụ: Để tăng độ bén cho thép có thể cho thêm Mn, Si, Cr, Ni Nhưng nếu cho nhiều Mn và Si thi tính dẻo sẽ giảm, độ dai và dập cũng giảm trong lúc đó cho Cr hoặc Ni thì không giảm hoặc giảm ít độ dai va đập và độ dẻo Nhưng cho Ni vào nhiều thì giá thành thép lại cao Nguyên tố Mn làm tăng tính chống mài mòn nhưng lại làm hạt thép lớn lên nhanh khi nung nóng Do đó các thép thông thường không cho nhiều Mn quá 2% Để hạn chế khuyết điểm này của Mn người ta cho vào thép một lượng rất ít (<1%) một trong những nguyên tố sau: Ti (0,01%), Mo (<0,5%), B (<0,005%) Nguyên tốCrcó nhiều tác dụng khác nhau tùy thuộc lượng cho vào Khi nhỏ hơn 5% có tác dụng tăng độ bển và tăng độ thấm tôi Khi có từ 5 đến 20% có tác dụng tăng tinh chịu nóng.-Muốn có tinh chống gỉ lượng Cr phải đảm bảo không dưới 13% Các nguyên tố w, Mo, V Ta, có tác dụng tạo trong thép có những hạt rất cứng làm tăng tính chông mài mòn không những ở nhiệt độ thường mà còn cả ở nhiệt độ cao, đồng thời hạn chế sự lớn lên của hạt thép khi nung nóng, vì nếu hạt thép càng lớn độ bền của thép càng giảm Do đó muốn cho thêm nguyên tố nào vói lượng bao nhiêu đều phải có tính toán cẩn thận dựa trên các nguyên lý họp kim hoa các thép hợp kim

• Phân loại thép hợp kim

Các nước khác nhau trên thế giới có các cách phân loại thép hợp kim khác nhau Dưới đây chỉ đưa ra vài kiểu phân loại chủ yếu theo TCVN

- Phân loại theo thành phần nguyên tố hợp kim chủ yếu: Thép crôm, thép crôm niken, thép mangan, thép silic,v.v_

- Phân loại theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim:

+ Thép hợp kim thấp-thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 3%

+ Thép hợp kim trung bình-thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim từ 3 đến 8%

+ Thép hợp kim cao-Thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim lớn hơn 8%

- Phân loại theo công dụng:

+ Thép công trình hay thép xây dựng là thép có hàm lượng cacbon thấp và hàm lượng các nguyên tố hợp kim cũng thấp nhưng có độ bền cao hơn thép cacbon xây dựng nên thường được gọi là thép hợp kim thấp độ bền cao viết tắt theo từ tiếng anh là thép HSLA (hight strength low alloy)

+ Thép kết cấu hợp kim là các loại thép hợp kim dùng để chế tạo các chi tiết máy có khả năng chịu lực lớn Nhóm này thường có thành phần cacbon không cao (không quá 0,7% c )

+ Thép dụng cụ hợp kim là các loại thép hợp kim dùng để chế tạo các dụng cụ gia công các vật liệu khác nhau như dao cắt gọt kim loại, các khuôn, dụng cụ đo v.v

+ Thép đặc biệt là các loại thép có những tính chất lí hoa đặc biệt Nhóm thép này có nước xếp vào nhóm thép kết cấu hoặc một phần thép kết cấu một phần thép dụng cụ Hoặc ngược lại

có nước xếp tất cả thép dụng cụ đều là thép đặc biệt

• Kỷ hiệu thép hợp kim

Theo TCVN thép hợp kim được kí hiệu gồm 2 phần: Phần số và phần chữ viết tiếp theo nhau Phần số đứng đầu gồm 2 hoặc 3 chữ số chỉ phần vạn cacbon (x 0,01% C), phần chữ tiếp theo chỉ các nguyên tố hợp kim được ghi theo kí hiệu các nguyên tố hoa học trong bảng tuần hoàn như Cr,

Ni Si sau mỗi chữ của mỗi nguyên tố có con số từ 2 trỏ lên nếu nguyên

tố đó có thành phần xấp xỉ hoặc lớn hơn 2, viết to bằng chữ cái đầu của mỗi nguyên tố Nếu lượng của mỗi nguyên tố nhỏ hơn hay bằng 1 thì' không ghi thêm chữ sô

Thí dụ: Mác thép có kí hiệu 20CrNi3A nghĩa là thép có thành phần 0,20%c, 1%Cr, 3%Ni Chữ A có nghĩa là thép tốt có lượng s và p mỗi thứ không quá 0,03% (thép không có chữ A đứng cuối cho phép lượng s và p

có thể đến 0,05%) Ki hiệu 30Cr2W8 nghĩa là có thành phần 0,30%c, 2%Cr, 8%w (nguyên tố vônfram) Thép 20Cr là thép két cấu hợp kim thấp, thép 20CrNi3A là thép kết cấu hợp kim trung binh, thép 30Cr2W8 là thóp dụng cụ hợp kim cao

Xem thêm các phương pháp ký hiệu thép của một số nước trên thế giới ở phần tham khảo cuối chương

4 Công dụng của thép cacbon và thép hộp kim

> Thép công trình

Hay thép xây dựng gồm thép cacbon và thép hợp kim thường cùng

để làm các cấu kiện trong xây dựng nhà cửa, xưởng máy, cấu cống, các khung sườn máy, cần cẩu Nhóm thép này thường có thành phần cacbon thấp dưới 0,30% và thường bán ở thị trường dưới dạng thép cán

Sản phẩm thép cán có thể ở các dạng: thép tấm thép thanh, thép ống, thép hình như trên hình 21 Đối với thép tấm mỏng khi dùng để chế tạo các chi tiết dạng vỏ như vỏ máy biến áp, vỏ quạt bàn, vỏ động cơ nhỏ, hộp đựng dụng cụ ngươi ta thường dùng phương pháp dập nguôi và hàn

Đế chế tạo các thanh đỡ, thanh chống lắp trên cột điện cao áp ngoài trời thường dùng thép hình như thép chữ V, chữ L, chữ L cắt và hàn sau đó đem mạ kẽm để chống rỉ Để làm bê tông cốt thép người ta dùng thép gân vói mác CT38 đến CT51 với các đường kính khác nhau

Hình 21 Các dạng sản phẩm thép cán