Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hànNghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác Các kết quả và số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và kết quả nghiên cứu của luận án chưa từng được công

bố trên bất kỳ công trình nào khác ngoài công trình của tác giả

Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm 2019

TM tập thể hướng dẫn khoa học

PGS TS Trần Văn Dũng

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Đức Duy

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS TS Trần Văn Dũng, người đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, giúp đỡ, động viên và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Đặng Thủy đã giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp những ý kiến xác thực trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn chỉnh luận án của mình

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại - Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu giúp tôi hoàn thành bản luận án này

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các thầy giáo, các phòng thí nghiệm, cơ sở thực nghiệm và các bạn đồng nghiệp đã dành thời gian đọc phản biện, đóng góp ý kiến và trao đổi các nội dung chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tiễn để tôi hoàn thành luận án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu trong tương lai

Tác giả xin chân thành ghi nhớ và gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp những người đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên tinh thần trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Hà Nội, ngày 06 tháng 5 năm 2019

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Đức Duy

6 Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu) BỀN NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO

5

1.4 Điều kiện làm việc và yêu cầu cơ lý tính của vật liệu tiếp điểm 21 1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao 22 1.5.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao trên thế giới

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al 2 O 3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HOÁ

27

2.1.1 Sự phát triển của phương pháp nghiền trong luyện kim bột 27 2.1.2 Cơ chế của quá trình nghiền trong luyện kim bột 27 2.1.3 Quá trình nghiền cơ - hóa tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 34 2.2 Lý thuyết quá trình ép - thiêu kết vật liệu tổ hợp 35

3.3.4 Xác định một số tính chất công nghệ của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 50

4.1.3 Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số công nghệ và tính chất 55

5.1.1 Một số loại vật liệu thường dùng chế tạo điện cực hàn 87

5.2 Nghiên cứu khảo sát thiết bị sử dụng điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 87 5.3 Chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 89

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MMC Metal Matrix Composite Vật liệu composite nền kim loại

SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét

EDS Energy Dispersive Spectrometry Phổ tán xạ năng lượng

IACS International Annealed Copper Standard Độ dẫn điện tiêu chuẩn đồng ủ quốc tế

HRB Rockwell Hardness, Scale B Độ cứng Rockwell, thang B

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-1,6% WC trước và sau biến dạng [49] 12 Bảng 1.2 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9] 13 Bảng 1.3 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-4,5% TiB2 chế tạo bằng phương pháp phối hợp nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma [9]

14

Bảng 1.4 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu- TiB2 sau khi thiêu kết xung plasma [9] 14 Bảng 1.5 So sánh một số tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu và một số vật liệu điện cực khác [8]

15

Bảng 3.1 Khối lượng riêng phần của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu 47

Bảng 4.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm tổng hợp chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3

DAMH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu 10 Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32] 10

Hình 1.5 Ảnh TEM của vật liệu tổ hợp Cu-5% TiC ép chảy [36] 12

Hình 2.8 Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 bằng phương pháp cơ - hóa kết hợp

40

Hình 3.1 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu Cu-CuO-Al 42

Hình 3.10 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800 46

Hình 3.12 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-20% Al2O3 sau khi nghiền 16h trong máy nghiền cánh khuấy

48

Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu tổ hợp Cu-5% Al2O3 sau khi nghiền trộn 3h trong máy nghiền tang trống

49

Hình 3.14 Mẫu sản phẩm vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bị nứt tách lớp khi áp lực ép tạo hình sơ bộ quá lớn

49 Hình 3.15 Giản đồ chế độ thiêu kết mẫu vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 50

Hình 4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực ép không đổi

65

Hình 4.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết không đổi

65

Hình 4.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ xốp của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và áp lực ép, thời gian thiêu kết không đổi

68

Hình 4.8 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và thời gian thiêu kết, nhiệt độ thiêu kết không đổi

68

Hình 4.9 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi áp lực ép và nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết không đổi

Hình 4.14 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép - thiêu kết đến độ dẫn điện của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 khi thay đổi nhiệt độ và áp lực ép, thời gian thiêu kết không đổi

80

Hình 4.22 SEM-EDS của mẫu bột vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 81 Hình 4.23 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu Cu - Al2O3 sau khi thiêu kết (8000C, 2h) 82 Hình 4.24 Ảnh SEM (a- X200.000; b- X100.000) mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 thiêu kết ở 8000C sau 2h

83

Hình 4.25 Ảnh SEM mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 83 Hình 4.26 SEM-EDS của mẫu vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 sau thiêu kết (8000C, 2h)

84

Hình 5.1 Điện cực hàn điểm ứng dụng trong công nghiệp ô tô 86

Hình 5.3 Hình dạng điện cực hàn tại Công ty VINA TAIYO SPRING CO,.LTD 88 Hình 5.4 Hình dạng điện cực và hao mòn điện cực hàn tại Công ty TNHH MTV Diesel

88

Hình 5.5 Thiết kế chế tạo điện cực hàn điểm (Đầu - Cán) 89

Hình 5.7 Hình dạng và kích thước các loại đầu điện cực hàn (dạng chỏm cầu và chỏm cầu côn)

Hình 5.13 Điện cực hàn dạng đầu - cán [(Vật liệu tổ hợp Cu-5vol.%Al2O3) - Hợp kim Cu]

92

và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, chế tạo máy, xây dựng …

Vật liệu tổ hợp đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu khác nhau hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi nhu cầu rất đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai, như: vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao và một số tính năng khác mà vật liệu truyền thống không có được Do đó, vật liệu tổ hợp nói chung và vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi để thay thế dần vật liệu truyền thống trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân hiện nay

Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp, đặc biệt là vật liệu tổ hợp nền kim loại còn rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong khoảng thập niên gần đây Việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp nền kim loại, được phát triển theo hai hướng chính, đó là: nghiên cứu các phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu các phương pháp công nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm từ vật liệu tổ hợp nền kim loại Có thể nói, đây là lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới tiềm năng và có nhiều triển vọng Các công trình nghiên cứu đã cho thấy việc

sử dụng cốt hạt phân tán như Al2O3, TiB2, TiC, đã cải thiện đáng kể một số tính chất của

hệ vật liệu tổ hợp nền Cu Tuy nhiên, cần nghiên cứu một cách hệ thống và nâng cao khả năng ứng dụng trong thực tiễn đối với hệ vật liệu tổ hợp nền Cu nói chung và vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán Al2O3 nói riêng Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al 2 O 3 chế tạo phôi điện cực hàn” mang tính ứng dụng cao

trong thực tế và mới trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu mới Kết quả của đề tài mở

ra triển vọng lớn trong việc nghiên cứu hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu và cần thiết để góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ vật liệu tổ hợp này

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá

- Nghiên cứu khảo sát một số tính chất đặc trưng và cấu trúc vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM, SEM-EDS)

- Nghiên cứu chế tạo thử phôi điện cực hàn điểm từ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano

Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp cơ - hoá

Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau đây:

- Tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp

cơ - hoá trong máy nghiền cánh khuấy

- Xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và một số tính chất cơ bản của vật liệu làm cơ sở tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3

- Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3

trong chế tạo điện cực hàn điểm

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp phân tích, kiểm tra vật liệu bằng nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện

tử quét (SEM, SEM-EDS), đo độ xốp, đo độ cứng, đo độ dẫn điện …

- Phương pháp qui hoạch thực nghiệm xây dựng mối quan hệ và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3

bằng phương pháp cơ - hoá

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo phôi điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 và so sánh các dữ liệu đối chứng, đánh giá khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu chế tạo điện cực hàn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Tạo cơ sở khoa học để nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá

- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các tính chất công nghệ đặc trưng của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn

- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được nghiên cứu chế tạo có những tính chất công nghệ đặc trưng, ưu việt đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện

hiện đại (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) có thế được ứng dụng để chế tạo thay thế các chi tiết nhập ngoại, giảm giá thành sản phẩm

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể định hướng cho việc triển khai áp dụng trong thực tiễn chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn tại Việt Nam

6 Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án

- Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu các công nghệ tiên tiến đã công bố trong và ngoài nước để xác định công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3

- Xây dựng, lựa chọn được hệ thống thiết bị thực nghiệm, phân tích kiểm tra và đánh giá các tính chất đặc trưng của vật liệu phù hợp với điều kiện thực tiễn để tiến hành quá trình công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3

- Kết quả thực nghiệm công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 có thể ứng dụng chế tạo vật liệu kỹ thuật điện hiện đại từ hệ vật liệu tổ hợp nền

Cu có độ bền nhiệt, độ dẫn điện cao

- Xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp được vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3

bằng phương pháp cơ - hoá ưu việt hơn so với các phương pháp khác như nấu hợp kim, nghiền trộn cơ học,

- Đề xuất phương pháp và chế tạo được điện cực hàn điểm từ phôi vật liệu tổ hợp

Cu - 5vol.%Al2O3 bước đầu đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu chế tạo điện cực hàn điểm, có thể triển khai trong thực tiễn sản xuất vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 để chế tạo điện cực hàn

Những đóng góp mới của luận án:

- Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano

Al2O3 là hướng nghiên cứu hiện đại, phù hợp với xu hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu và lần đầu tiên ở Việt Nam đề xuất, thiết lập được quy trình công nghệ tổng hợp và chế tạo thành công vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3

bằng phương pháp cơ - hoá

- Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được nghiên cứu chế tạo thành công, có những tính chất công nghệ cơ bản đáp ứng yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện (bền nhiệt, độ dẫn điện cao) thay thế các vật liệu truyền thống đã mở ra bước đột phá mới trong việc nghiên cứu chế tạo vật liệu kỹ thuật điện

- Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép - thiêu kết và các tính chất công nghệ đặc trưng của vật liệu làm cơ sở tiến hành tối ưu hóa quá trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo phôi điện cực hàn

Chương 2 Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá

Chương 3 Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu

tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hoá

Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất và tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

Chương 5 Nghiên cứu chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

Kết luận chung

Tài liệu tham khảo

Danh mục các công trình đã công bố của luận án

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG (Cu)

BỀN NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO

1.1 Khái quát chung về vật liệu tổ hợp

1.1.1 Khái niệm về vật liệu tổ hợp

Vật liệu tổ hợp là loại vật liệu dị chất (không đồng chất), nó được tạo nên bởi hai hoặc nhiều thành phần liên kết bền chặt với nhau trong đó có ít nhất một thành phần trội hơn về mặt thể tích (khối lượng) là một kim loại, hợp kim hoặc phi kim loại

Vật liệu tổ hợp là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên thường rất khác nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại bằng sự can thiệp kỹ thuật của con người theo những quy trình công nghệ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu tổ hợp cần chế tạo Pha liên tục trong toàn khối vật liệu được gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn được nền bao bọc gọi là pha cốt

Sự kết hợp các tính chất trong vật liệu nhiều pha là hiện tượng phổ biến Ví dụ, giới hạn bền cao và độ dẻo thích hợp của thép cùng tích peclit là kết quả của sự kết hợp độ dẻo,

độ dai lớn của các tấm ferit với tính cứng vững của các tấm xementit khi chúng sắp xếp xen kẽ nhau; gỗ, tre cứng vững và bền dai chính là nhờ kết hợp được tính bền dai của sợi xenluylo phân bố theo hướng xác định với độ cứng vững cao của chất gỗ (lignin) bao bọc xung quanh Qui luật kết hợp thể hiện trong các ví dụ này là cơ sở khoa học của công nghệ vật liệu tổ hợp

Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một thiết kế định trước, đảm bảo tạo nên một tổ hợp nhất định các tính chất, con người đã sản xuất ra khá nhiều chủng loại vật liệu tổ hợp đáp ứng nhu cầu đa dạng của công nghệ hiện đại

Trong vật liệu tổ hợp tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của vật liệu tổ hợp Tuy nhiên, tính chất của vật liệu tổ hợp tạo ra không bao hàm tất cả các tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm Xét về các chỉ tiêu độ bền riêng, mô đun đàn hồi riêng, độ bền nóng, độ bền mỏi cũng như nhiều tính chất khác thì vật liệu tổ hợp có ưu thế đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết

1.1.2 Phân loại vật liệu tổ hợp

Phân loại vật liệu tổ hợp thường dựa vào các đặc điểm mang những tính chất đặc trưng của chúng:

Theo bản chất của nền, vật liệu tổ hợp được phân thành:

Theo hình dạng của cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc, có thể phân loại vật liệu tổ hợp thành ba nhóm (hình 1.1):

- Vật liệu tổ hợp cốt hạt;

- Vật liệu tổ hợp cốt sợi;

- Vật liệu tổ hợp cấu trúc

1.2 Vật liệu tổ hợp nền kim loại

Vật liệu tổ hợp nền kim loại (Metal matrix composites - MMCs) được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như ngành hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô Vật liệu tổ hợp nền kim loại (MMCs) là loại vật liệu mà trong đó một kim loại được kết hợp với vật liệu khác, thông thường không phải là kim loại, để tạo thành vật liệu mới có những đặc tính kỹ thuật, tính chất đặc trưng của riêng nó Hiện nay, vật liệu vật liệu tổ hợp nói chung và vật liệu vật liệu tổ hợp nền kim loại nói riêng được ứng dụng rộng rãi do chúng

có nhiều ưu điểm nổi trội như: có những tính chất đặc trưng, độ bền và độ ổn định nhiệt cao, cho thấy tiềm năng ứng dụng là rất lớn Đã có những công trình trong và ngoài nước nghiên cứu, chế tạo nhằm nâng cao độ bền của vật liệu tổ hợp nền kim loại nhằm đáp ứng những đòi hỏi, yêu cầu về vật liệu ứng dụng trong điều kiện làm việc khắc nghiệt như chịu nhiệt độ cao, chịu mài mòn, chống ăn mòn và bước đầu một số loại vật liệu tổ hợp nền kim loại đã được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như: kỹ thuật điện – điện

tử, hàng không vũ trụ, cơ khí chế tạo,

Vật liệu tổ hợp nói chung, MMCs nói riêng đang được ứng dụng và đóng góp to lớn trong ngành công nghiệp vật liệu để thay thế các loại vật liệu truyền thống Việc sử dụng rộng rãi các MMCs trong ngành công nghiệp ô tô, cũng như các ngành công nghiệp khác đã dần được khẳng định trong những năm qua

MMCs có nền thường là các loại kim loại và hợp kim có độ dẻo dai cao, tỷ trọng riêng nhỏ, độ bền cao và mô đun đàn hồi lớn Khi đưa thêm các phần tử cốt vào pha nền sẽ tạo ra một loại vật liệu mới có các tính chất ưu việt hơn hẳn các pha thành phần hợp thành nên nó Các đặc tính đặc trưng của MMCs là độ dẻo dai, độ bền cao, chịu mài mòn và khả năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao

Liên tục Gián đoạn

Có hướng Ngẫu nhiên Vật liệu tổ hợp

Hình 1.1 Phân loại vật liệu tổ hợp theo hình dạng cốt

1.2.1 Thành phần cấu tạo

Vật liệu tổ hợp được cấu tạo từ hai cấu tử chính, đó là nền và cốt Mỗi cấu tử có một vai trò và tính chất đặc trưng, chúng liên kết với nhau để tạo ra một vật liệu có tính chất tổng hợp, kết hợp các tính chất ưu việt của các cấu tử thành phần

a Vật liệu nền

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà có loại vật liệu nền khác nhau Để chế tạo vật liệu kết cấu, cấu tử nền thường là các vật liệu có độ bền riêng cao, tỷ trọng nhỏ như titan, nhôm, magie và các hợp kim của chúng Để đáp ứng yêu cầu về vật liệu bền nóng, vật liệu chịu mài mòn thường sử dụng vật liệu nền là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như vonfram, crôm và hợp kim của chúng, rất ít khi sử dụng các hợp chất trên cơ sở sắt vì nó

có độ bền riêng nhỏ và dễ bị ôxi hóa

Vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là tỷ trọng nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo piston

Vật liệu tổ hợp nền titan và hợp kim titan: do có tỷ trọng nhỏ, độ bền riêng, môđun đàn hồi lớn (80  100 GPa), chống ăn mòn, chịu mài mòn tốt nên được sử dụng nhiều trong động cơ phản lực, tuabin, cánh máy nén …

Vật liệu tổ hợp nền đồng và hợp kim của đồng được sử dụng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị nhiệt do khả năng dẫn nhiệt tốt Nhưng chủ yếu vật liệu tổ hợp này vẫn được dùng trong vật liệu kỹ thuật điện như chổi than, tiếp điểm điện do có khả năng dẫn điện tốt Bên cạnh đó, vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền đồng còn được sử dụng làm vật liệu chế tạo bạc tự bôi trơn, bạc trượt …

b Vật liệu cốt

Tùy theo kích thước, hình dáng và cách sắp xếp của cốt vào nền mà cốt được chia làm ba loại: Cốt sợi, cốt hạt, cốt cấu trúc Vật liệu cốt thường là các hợp chất vô cơ có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao và môđun đàn hồi lớn

Trong thực tế, thường sử dụng MMCs cốt hạt Cốt hạt thường là các phần tử có kích thước nhỏ, môđun đàn hồi cao, nhiệt độ nóng chảy lớn, tỷ trọng nhỏ và ít tương tác với nền Khi các phần tử cốt này được đưa vào trong nền, chúng sẽ cản trở chuyển động của lệch và gây ra hiệu ứng hóa bền vật liệu Các loại cốt hạt thường gặp là Al2O3, TiC, TiB2, SiC …

Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 20000C), tỷ trọng nhỏ, độ cứng cao Cốt hạt SiC có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống ăn mòn và chịu mài mòn tốt Cốt TiC có độ cứng, độ bền cao nên thường được sử dụng để chế tạo dụng cụ cắt và

các chi tiết trong hàng không - vũ trụ

1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt

Liên kết nền - cốt là khả năng kết hợp các cấu tử với nhau Đây là một yếu tố quan trọng quyết định tính chất của vật liệu, đặc biệt là tính chất cơ học của vật liệu như độ bền, giới hạn đàn hồi và tính dẻo Liên kết nền - cốt tốt thì khả năng hóa bền của pha cốt mới được phát huy

Tùy thuộc vào bản chất của pha nền và pha cốt mà có thể hình thành các loại liên kết khác nhau giữa chúng Thường có ba kiểu liên kết nền - cốt, đó là: liên kết cơ học, liên kết có tạo pha trung gian và liên kết hỗn hợp

a Liên kết cơ học

Liên kết cơ học nền - cốt được hình thành khi có tác dụng của ngoại lực, nền và cốt liên kết lại với nhau thông qua sự mấp mô trên bề mặt của chúng Đây là kiểu liên kết đặc trưng của hai pha rắn Nguyên nhân tạo ra liên kết này là do ma sát giữa nền và cốt Do đó khi tăng lực ma sát giữa nền và cốt thì độ bền của vật liệu cũng tăng lên

Độ bền liên kết cơ học phụ thuộc vào độ nhám bề mặt và mật độ vết nứt của vật liệu, tức là phụ thuộc vào mức độ biến dạng Khi mức độ biến dạng nhỏ thì mật độ vết nứt

ít phụ thuộc vào độ nhám bề mặt giữa nền và cốt Khi mức độ biến dạng lớn thì mật độ vết nứt ở cốt có bề mặt bóng không tăng nữa, tức là không xuất hiện thêm vết nứt Nguyên nhân là do liên kết cơ học giữa nền và cốt bị phá vỡ, không có khả năng truyền lực tác dụng từ nền vào cốt nữa Trong khi đó ở cốt có bề mặt nhấp nhô hợp lý vẫn xuất hiện vết nứt trên bề mặt nền và cốt, tức là liên kết nền và cốt chưa bị phá vỡ, tải trọng vẫn tiếp tục được truyền từ nền vào cốt cho đến khi mức độ biến dạng đủ lớn

b Liên kết có tạo pha trung gian

Liên kết có tạo pha trung gian là loại liên kết có sự hình thành vùng trung gian ở ranh giới giữa hai cấu tử Liên kết này chỉ xảy ra với các cấu tử có khả năng khuếch tán hoặc phản ứng hóa học với nhau

Phần lớn các hệ MMCs là hệ ở trạng thái không cân bằng về nhiệt động học Do đó luôn tồn tại gradient nồng độ giữa nền và cốt Gradient nồng độ chính là động lực trong quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học xảy ra khi có các điều kiện nhiệt động học phù hợp

Lớp bề mặt tiếp xúc được tạo bởi phản ứng hóa học và khuếch tán thường có tính chất cơ, lý, hóa khác biệt với tính chất của cấu tử thành phần Nếu khả năng tạo vùng trung gian được kiểm soát thì sẽ tạo ra liên kết mạnh giữa nền và cốt Tuy nhiên, nếu vùng trung gian quá dày sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật liệu

c Liên kết hỗn hợp

Là liên kết tổng hợp, bao gồm cả liên kết cơ học và liên kết hóa học Nghĩa là, nền

và cốt liên kết với nhau vừa thông qua độ nhấp nhô bề mặt, vừa do tạo vùng trung gian

giữa chúng

1.3 Vật liệu tổ hợp nền đồng (Cu) cốt hạt mịn phân tán

Vật liệu tổ hợp nền Cu có độ bền cao, độ dẫn điện cao được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu nhằm chế tạo ra MMCs nói chung và vật liệu tổ hợp nền Cu nói riêng [16, 21,

25, 26, 35, 39, 46] , có thể kể đến như là “in - situ” và “ex - situ” Trong đó, phương pháp

“in - situ” [24, 47, 48] là phương pháp có nhiều tiềm năng trong chế tạo MMCs cốt hạt kích thước nano phân tán Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là phản ứng sinh nhiệt giữa các nguyên tố hoặc giữa các nguyên tố và các hợp chất liên kim với nền

1.3.1 Đồng (Cu) - vật liệu kim loại có điện dẫn cao

Đồng có những tính chất đặc trưng tiêu biểu của kim loại, được sử dụng rộng rãi làm vật dẫn điện, vì:

- Tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao Điện trở suất của Cu nhỏ (trong tất cả các kim loại chỉ có bạc (Ag) có điện trở suất nhỏ hơn Cu)

- Chống ăn mòn khá tốt trong môi trường khí quyển, nước, nước biển hay kiểm, axit hữu cơ Trong khí quyển, đồng hầu như không bị ăn mòn Sở dĩ như vậy bởi vì Cu là kim loại có thế điện cực dương và ngay ở nhiệt độ thường trong không khí ẩm đổng đỏ bị ôxi hóa tạo ra màng Cu2O và trở thành lớp bảo vệ tốt Trong nước biển, đồng bị ăn mòn không đáng kể

- Nổi bật trong các tính chất của Cu nguyên chất là khả năng gia công áp lực ở trạng thái nóng và nguội, dễ chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng

- Tính hàn của đồng khá tốt, song khi hàm lượng tạp chất đặc biệt là ôxy tăng lên,

ưu điểm này giảm đi rõ rệt

Mặt khác, Cu là vật liệu kim loại có điện dẫn cao được sử dụng rộng rãi nhất trong

kỹ thuật điện Song chỉ cần có một lượng tạp chất rất nhỏ cũng làm giảm mạnh tính dẫn điện và tính công nghệ của Cu Ví dụ các tạp chất như Bi, Pb, S …ảnh hưởng không đáng

kể đến độ dẫn điện của Cu nhưng làm giảm rõ rệt cơ tính, Fe làm giảm tính dẫn điện và mài mòn của Cu, O2 gây cản trở trong quá trình hàn của Cu, P làm giảm rõ rệt tính dẫn điện và tính dẫn nhiệt của Cu

Một số tính chất cơ bản của Cu nguyên chất [1]:

- Khối lượng nguyên tử : 63,54 g/mol

- Khối lượng riêng : γ = 8,94 g/cm3

- Nhiệt độ nóng chảy : 10830C

- Hệ số dãn nở nhiệt (20  1000C) :  = 16,6.10-6 m/0C

- Điện trở suất (ở trạng thái ủ, ở 200C) :  = 1,7241 .cm

- Độ dẫn nhiệt (ở trạng thái ủ, ở 200C) : 385 W/m.0K

- Ở trạng thái ủ : Giới hạn bền σb = 220 MPa

: Giới hạn đàn hồi σđh = 70 MPa

- Ở trạng thái sau biến dạng (ε = 60%) : Giới hạn bền σb = 425 MPa

: Giới hạn đàn hồi σđh = 375 MPa

- Cu nguyên chất được hóa bền bằng cách làm nhỏ hạt

- Cu nguyên chất được hóa bền bằng dung dịch rắn

- Cu được hóa bền bằng các hạt gốm tạo nên vật liệu tổ hợp nền Cu

b Hóa bền Cu bằng cách làm nhỏ hạt

Trong công bố của Lu [32] đưa ra một kết quả của sự hóa bền Cu nguyên chất với

sự lớn lên của các song tinh kích thước cỡ nano bằng cách giảm biên giới các hạt qua một

kỹ thuật xung lắng đọng điện tích từ một dung dịch điện phân CuSO4 Theo công bố này,

độ bền kéo tăng lên khoảng 10 lần so với Cu có kích thước hạt thô thông thường, trong khi

đó vẫn giữ nguyên được độ dẫn điện so với Cu nguyên chất, được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3 Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [32]

Trong thí nghiệm này, Cu được lắng đọng bao gồm các hạt có hình dạng không đồng đều (tuy nhiên phần lớn trong số đó kích thước lớn theo cả ba chiều) với sự định hướng tùy ý Kích thước hạt Cu và mật độ lớn của sự phát triển các song tinh được cho là cải thiện cơ tính của vật liệu Tuy nhiên, khi ứng dụng ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như nhiệt

độ trên bề mặt của các điện cực hoặc các công tắc trong suốt quá trình làm việc, hạt Cu sẽ lớn lên và trở lên mềm

c Hóa bền Cu bằng dung dịch rắn (hợp kim hóa)

Cu được hóa bền bằng phương pháp hợp kim hóa, ví dụ như Cu-Cr, Cu-Zr,

Cu-Cr-Zr, Cu-Mg-Cr-Cu-Cr-Zr, Cu-Ti-Ni, Cu-Nb [2, 7, 20] Ở một số sản phẩm hợp kim Cu, cơ tính được làm tăng một cách đáng kể bằng cách đưa vào pha thứ hai nhưng lại gây ảnh hưởng

có hại đến tính dẫn điện Theo Botcharova [20], độ bền cơ học của hợp kim 10%(nguyên tử)Nb được chuẩn bị bằng sự tổng hợp của hợp kim hóa bột là 1,6 GPa nhưng

Cu-độ dẫn điện chỉ đạt khoảng 10%IACS

Ở một số sản phẩm khác, cơ tính của hợp kim Cu đã được cải thiện và vẫn giữ được độ dẫn điện cao Ví dụ như hợp kim Cu-Ag, nhưng giá thành cao đã hạn chế đến khả năng ứng dụng của các hợp kim dạng này

d Hóa bền Cu bằng các hạt gốm phân tán

Gần đây, việc hóa bền Cu bằng các hạt phân tán đã thu hút được khá nhiều sự chú ý [5, 6, 8, 9, 14, 17, 18, 24, 25, 29, 34, 36, 39, 43, 46, 48, 49] Bằng việc đưa vào biên hạt nền Cu hạt thứ hai, vật liệu tổ hợp đã đạt được độ bền cao hơn, thậm chí cả ở nhiệt độ cao,

độ dẫn điện giảm không đáng kể mà các phương pháp hóa bền đã nói ở trên không thể so sánh được bởi sự mâu thuẫn của độ bền với tính dẫn điện

Theo công bố của Wang [49], Cu đã được hóa bền phân tán bởi các hạt WC phân tán được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học tiếp theo đó tiến hành theo công nghệ luyện kim bột truyền thống Chúng bao gồm: khi tăng hàm lượng WC thì tỷ trọng và

độ dẫn điện giảm đồng thời với kết quả rất rõ nét, trong khi đó độ cứng tăng lên ở ngay từ giai đoạn đầu đến một giá trị cực đại, sau đó giảm xuống bởi sự lớn lên của các hạt (các hạt kết tụ lại với nhau) Hóa bền phân tán Cu bởi 1,6% WC đã chỉ ra sự phân bố đồng đều các hạt và có tính chất tổng hợp tốt nhất Biến dạng đã làm phân bố các hạt, từ đó ảnh hưởng rất nhiều đến độ cứng của vật liệu Vật liệu bị biến dạng đã cho thấy nó có độ bền cao hơn,

độ cứng tế vi cao hơn chỉ với sự giảm không đáng kể khả năng giãn dài Tổ chức tế vi của

nó có dạng thớ đặc trưng trong quá trình biến dạng nóng vật liệu Hạt WC có bề mặt phân cách rõ ràng với nền, nền Cu được hóa bền phân tán giữ được cơ tính tổng hợp với sự giãn dài được cải thiện tốt Vật liệu chứng tỏ có độ bền nhiệt tốt ở nhiệt độ cao, nhiệt độ biến mềm ở khoảng 11730K Một vài tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - WC từ kết quả của Wang được trình bày trên bảng 1.1

Bảng 1.1 Tính chất vật liệu tổ hợp Cu-1,6%WC trước và sau biến dạng [49]

Giai đoạn

Tính chất

b, MPa

Hình 1.4 Độ cứng của vật liệu Cu-5% TiC [36]

 - Cu-5% TiC, nghiền cánh khuấy;▲ - Cu-5%TiC, nghiền mài; - Các hạt Cu lớn

Hình 1.5 Ảnh TEM của vật liệu tổ hợp Cu-5%TiC ép chảy [36]

Yuasa [19] nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tế vi của Cu-Ti, Cu-Ti-2B và Cu-TiB2

suốt trong quá trình hợp kim hóa Tác giả nhận thấy, hỗn hợp bột mịn hơn khi tăng thời gian nghiền Cấu trúc đó bao gồm các hạt cực nhỏ trong phạm vi nanomét được sinh ra trong quá trình hợp kim hóa sau khi kéo dài quá trình nghiền Sự hoàn thiện của cấu trúc trong hỗn hợp bột Cu-TiC tăng nhanh khi cho thêm bột B và TiB2 Sự hòa tan của Ti trong nền Cu là khoảng 2% khi thời gian nghiền kéo dài bất kể lượng của Ti trộn lẫn Hợp chất liên kim loại TiB2 được sinh ra trong hỗn hợp bột Cu-Ti-B bằng phản ứng ở thể rắn giữa Ti

và B xảy ra trong suốt thời gian nghiền

Như trong công trình của Dong [39], kết quả công bố rằng hỗn hợp bột Cu, Ti, B trải qua sự biến dạng dẻo mãnh liệt, sự hàn nguội và bẻ gãy là do sự va chạm của bi nghiền trong suốt quá trình hợp kim hóa Quá trình nghiền bi kéo dài dẫn đến sự biến dạng rất lớn

và làm nhỏ mịn các hạt Cu Tính hòa tan của B và Ti trong nền Cu được tăng lên rất cao suốt quá trình hợp kim hóa, điều này dẫn đến sự tăng thông số mạng của Cu, và do đó sự biến dạng bên trong được gây ra bởi sự hòa tan của B và Ti vào nền Cu Sự hình thành TiB2 (được cho là kết quả của phản ứng giữa TiCu4 và B) ngay trong quá trình nghiền Quá trình nghiền đẩy mạnh phản ứng giữa Ti và B sinh ra TiB2 trong nền Cu Họ đã chứng minh được rằng vật liệu compozit in-situ Cu-TiB2 có thể được sản xuất bằng phương pháp nghiền Tuy nhiên, họ không đưa ra kết quả về tính chất của khối vật liệu tổ hợp

Theo các tác giả Trần Văn Dũng và Nguyễn Đặng Thủy [9], vật liệu tổ hợp TiB2 có thể được chế tạo bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh kết hợp với thiêu kết xung plasma (SPS) Trong quá trình nghiền trộn hành tinh, các hạt TiB2 giảm kích thước từ

16 m xuống 3 m và được phân bố đồng đều trong nền Cu Vật liệu compozit 4,5%(thể tích)TiB2 được thiêu kết trên hệ thống xung plasma ở nhiệt độ 6500C với thời gian 5 ph dưới áp lực 50 MPa và trong môi trường chân không để tránh bị ôxi hóa Kết quả cho thấy sau khi thiêu kết, độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu-4,5%TiB2 tăng đến 76 HRB, độ dẫn điện vẫn giữ được ở mức độ cao 78%IACS, còn các chỉ tiêu khác về cơ tính đều vượt yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật điện (tiếp điểm điện, điện cực hàn)

Cu-Bảng 1.2 Tính chất một số vật liệu tổ hợp Cu-TiB 2 sau khi thiêu kết xung plasma [9]

Tỷ trọng tương đối, %

Các ký hiệu mẫu thí nghiệm:

M- trộn Cu+TiB 2 chưa nghiền; M0- trộn Cu+TiB 2 đã nghiền và ép luôn; M30- nghiền trộn Cu+TiB 2 đã nghiền 30 ph; M60- nghiền trộn Cu+TiB 2 đã nghiền 60 ph; KSD-

Cu+Al 2 O 3 điện cực thương mại

Cũng theo các tác giả Trần Văn Dũng và Nguyễn Đặng Thủy [8], vật liệu tổ hợp nền Cu hóa bền phân tán bằng TiB2 đã được chế tạo thành công bằng phương pháp phối hợp nghiền cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và thiêu kết xung plasma Vật liệu này được ứng dụng để sản xuất thử các điện cực hàn Theo kết quả từ báo cáo, cấu trúc của mẫu vật liệu bột sau phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao cho thấy hạt TiB2 đã hình thành và phân

bố đều trong nền Cu với kích thước nhỏ hơn 250 nm Quá trình làm giảm nồng độ TiB2

trong sản phẩm sau phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao được thực hiện bằng phương pháp nghiền trộn cơ học, độ đồng đều của vật liệu đạt đến trạng thái tới hạn tại tốc độ nghiền 300 vg/ph với thời gian nghiền trộn 60 ph Mẫu khối đạt tỷ trọng trên tương đối 98% sau khi thiêu kết xung plasma ở nhiệt độ 6500C trong thời gian 5 ph Cơ tính và độ dẫn điện đều thỏa mãn cho vật liệu điện cực Sự phân bố hạt TiB2 với kích thước nhỏ mịn trong nền Cu là nguyên nhân chính làm tăng cơ tính của vật liệu Các tính chất của hệ vật liệu này cũng được so sánh với một số hệ vật liệu tổ hợp mới được phát triển gần đây trên

Tỷ trọng tương đối, %

Các ký hiệu mẫu thí nghiệm:

M- trộn Cu+TiB 2 chưa nghiền; M0- trộn Cu+TiB 2 đã nghiền và ép luôn; M30- nghiền trộn Cu+TiB 2 đã nghiền 30 ph; M60- nghiền trộn Cu+TiB 2 đã nghiền 60 ph; KSD-

Cu+Al 2 O 3 điện cực thương mại

1.3.2 Lý thuyết hóa bền phân tán

Mục đích của vấn đề mà đề tài nghiên cứu là tăng độ bền của vật liệu bằng cách giảm kích thước của hạt phân tán (hóa bền), cho nên việc xem xét lý thuyết hóa bền phân tán là cần thiết

Như ta đã biết, nguyên tắc chung của hóa bền chính là sự cản trở chuyển động của lệch Trong hóa bền phân tán người ta đưa vào vật liệu nền những pha phân tán không hòa tan (có thể là nguyên tố đơn chất, có thể là hợp chất hóa học) Việc này thường được thực hiện bằng phương pháp biến dạng tạo hình, trong đó các thành phần cấu thành đều ở dạng bột được phối trộn lẫn với nhau rồi ép - thiêu kết Vì các pha phân tán không hòa tan hoặc chỉ hòa tan rất ít trong kim loại nền nên các vật liệu hóa bền phân tán có thể làm việc ở nhiệt độ rất cao Cơ chế tăng độ bền, độ cứng ở đây cũng dựa trên sự cản trở chuyển động của lệch bởi các hạt phân tán Tùy theo kích thước và khoảng cách giữa các hạt với nhau, chúng gây ra cản trở chuyển động của lệch

Cần phân biệt một cách rõ ràng giữa hóa bền phân tán với biến cứng phân tán (hay còn được gọi là sự hóa già) Sau đây ta xem xét cụ thể hai khái niệm này

Khi hóa già, các hạt phân tán sẽ được tiết ra từ dung dịch rắn và phụ thuộc vào nhiệt độ, nó ở trạng thái cân bằng ổn định hay giả ổn định Khi nhiệt độ tăng lên, pha giả

ổn định sẽ chuyển qua trạng thái cân bằng hơn và cuối cùng hòa tan vào nền tạo thành dung dịch rắn

Đối với các hợp kim hóa bền phân tán, pha phân tán không tương tác với nền Trường hợp khi hai pha của hợp kim hóa bền phân tán không hòa tan lẫn nhau, sự phân bố pha phân tán trong nền ngay cả khi nhiệt độ tăng lên cao cũng sẽ không thay đổi, điều này

có thể được giải thích như sau: các pha phân tán không khuếch tán vào pha nền, do đó không có sự vận chuyển chất để dẫn đến tích tụ pha phân tán, ngược lại các hạt tiết ra trong hợp kim hóa già khi nhiệt độ tăng cao chúng có thể lớn lên, tích tụ lại khi nâng cao nhiệt

độ bằng quá trình khuếch tán Tính ổn định nhiệt động học của các hạt phân tán không giống nhau, nhờ đó cho phép sử dụng chúng để hóa bền các vật liệu

Giá trị độ bền đạt được phụ thuộc vào hàm lượng thể tích của cốt hạt, mức độ phân

bố đồng đều, độ phân tán và khoảng cách giữa các hạt cốt Sự biến đổi của tầm quan trọng trong việc quyết định ảnh hưởng của pha phân tán là quãng đường tự do trung bình của nền

Mdf, giữa các hạt trong chất phân tán và khoảng cách giữa các hạt Dp Những sự thay đổi này được liên hệ chặt chẽ với đường kính hạt d và phần thể tích Vp bởi:

)V(13V

2d

p

Khi lệch dịch chuyển qua hạt phân tán của các hạt đứng yên, ứng suất cần thiết phải

đủ lớn để uốn cong thành nửa chu vi bao quanh các hạt Bán kính uốn cong nhỏ nhất dưới ảnh hưởng của trường nội lực τi là:

i

_

m2τ

b.G

p

_

m iD

b.G

bG, sự dịch chuyển của các vòng lệch tăng

lên bao quanh các hạt phân tán cho đến khi nó có thể vượt qua các hạt mà không cần tăng ứng suất Bởi vì đường lệch không thể đạt giá trị bán kính bằng không, một đường bao của vùng lệch có tác dụng giảm khoảng cách giữa các hạt Dp

a Đường lệch bị uốn cong giữa các hạt phân tán

Khi khoảng cách giữa các hạt của pha hóa bền khá lớn so với bán kính R của đường lệch (l >> R) thì lệch sẽ bị uốn cong giữa các hạt (hình 1.6) Ứng suất cần đẩy lệch giữa hai hạt cách nhau l là:

- Do sự khác nhau về cấu trúc mạng giữa nền kim loại và hạt phân tán

- Sau khi bị lệch cắt trên mặt ngoài của hạt phân tán xuất hiện bậc nhỏ, vì thế bề mặt phân chia giữa pha nền và hạt phân tán tăng lên

Lệch sẽ uốn cong và đi qua hạt phân tán sau khi để lại vòng lệch quanh chúng hoặc lệch cắt ngang hạt phân tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố Thông thường những hạt nhỏ, gần nhau, lệch có thể cắt ngang Hạt càng bền và môđun đàn hồi càng lớn càng khó cắt ngang Những hạt phân tán lớn và cách xa nhau thường uốn cong lệch và cho đi qua sau khi tạo thành vòng lệch xung quanh hạt

Phương chuyển động của lệch

1.3.3 Vật liệu tổ hợp cốt hạt

Vật liệu tổ hợp cốt hạt là loại vật liệu mà tổ chức của chúng có thêm cốt hạt phân tán trên nền cơ sở Thông thường là các hạt có độ cứng và độ bền cao phân bố trên nền mềm hơn Cũng có thể cốt hạt là các pha mềm, có độ bền cắt nhỏ như graphit, mica đó

là các vật liệu tổ hợp chống ma sát Các hạt cứng phân bố trên nền cơ sở hoàn toàn không hoà tan vào nền và không phản ứng với nền Những hạt mịn phân tán bền vững có thể là các ôxit, cacbít, nitrit, borid, Các hạt cứng phân tán có đặc điểm sau:

- Độ hạt nhỏ (tuỳ yêu cầu công nghệ)

- Khoảng cách giữa các hạt nhỏ (tuỳ yêu cầu công nghệ)

- Không hoà tan vào nền

Một số vật liệu tổ hợp cốt hạt thô thông dụng:

- Vật liệu tổ hợp cốt hạt thô nền polyme: Mục đích đưa các hạt cốt với vai trò là

chất độn vào polyme để cải thiện độ bền kéo, nén, chống mài mòn, độ dai, khả năng ổn định kích thước và chịu nhiệt Các hạt độn thường là thạch anh, thủy tinh, Al2O3, đất sét

… nghiền nhỏ với kích thước khác nhau tùy yêu cầu Vai trò của cốt trong trường hợp này

là tác nhân tăng bền, tạo compozit có các tính chất mới Mặt khác, là chất độn thuần túy nhằm tiết kiệm polyme

- Vật liệu tổ hợp cốt hạt thô nền kim loại: Các vật liệu tổ hợp có thành phần là

những phần tử cứng như WC, TiC, …là một dạng vật liệu tổ hợp hạt thô nền kim loại được

sử dụng phổ biến làm dụng cụ cắt gọt trong gia công cơ khí Ngoài ra, các giả hợp kim chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột như W-Cu; W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag … cứng là các compozit hạt thô được sử dụng trong kỹ thuật điện làm tiếp điểm, vừa có điện trở tiếp xúc nhỏ vừa có tuổi thọ cao

- Vật liệu tổ hợp cốt hạt thô nền gốm: Bêtông là vật liệu tổ hợp hạt thô nền gốm

được sử dụng rộng rãi nhất Trong vật liệu tổ hợp - bêtông, cốt chính là tập hợp các hạt rắn (đá hoặc sỏi) được liên kết lại bởi nền là xi măng

b Vật liệu tổ hợp cốt hạt mịn phân tán - xu hướng phát triển mới của vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao

Vật liệu tổ hợp cốt hạt mịn - còn gọi là vật liệu tổ hợp hóa bền phân tán, thường là các vật liệu bền nóng và ổn định nhiệt Do vậy, chúng thường được dùng để thay thế các vật liệu truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng hoặc kéo dài tuổi thọ của thiết bị, chi tiết máy, công trình trong các điều kiện sử dụng tương đương

Đặc điểm của vật liệu tổ hợp hóa bền phân tán:

Nền vật liệu tổ hợp này thường là các kim loại hoặc hợp kim Đặc điểm của loại vật liệu tổ hợp này là cấu trúc tế vi gồm có các hạt cốt phân tán được phân bố đồng đều trong nền kim loại hoặc hợp kim Các hạt cốt có kích thước nhỏ (0,01  0,1m) và hàm lượng của hạt phân tán thay đổi trong khoảng 1  15%, thường là các vật liệu bền, cứng và có tính ổn định nhiệt cao, ví dụ như các ôxit, nitrit, borit hoặc các pha liên kim loại …

Tương tác cốt - nền trong loại vật liệu tổ hợp này xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kích thước nguyên tử hoặc phân tử Dưới tác dụng của lực, nền sẽ hứng chịu hầu như toàn

bộ tải trọng, các phần tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng bền và cứng của vật liệu Vì vậy, độ bền phụ thuộc cả vào tổ chức lệch hình thành trong quá trình biến dạng dẻo khi chế tạo chi tiết từ vật liệu tổ hợp Hiệu ứng hóa bền phân tán đạt được trong vật liệu tổ hợp hạt mịn không lớn lắm nhưng rất ổn định ở nhiệt độ cao Sở dĩ như vậy vì các phần tử cốt được chọn từ những vật liệu có khả năng ổn định tổ chức, tính chất và không hòa tan vào nền khi nhiệt độ tăng cao Ngoài ra, các hạt cốt còn có tác dụng hóa bền gián tiếp, khi tạo nên tổ chức với sự không đồng trục rất lớn của các hạt (dạng thớ) Tổ chức này tạo thành khi kết hợp biến dạng dẻo với ủ, lúc này các hạt cốt phân tán sẽ cản trở một phần hoặc hoàn toàn quá trình kết tinh lại

Vật liệu tổ hợp hạt mịn hóa bền phần tán đang là đối tượng được chú ý nghiên cứu

và có nhiều triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao nói chung và trong kỹ thuật điện nói riêng [16, 21, 32, 34, 36] Những kết quả đạt được đã cho phép triển khai ứng dụng ở qui mô công nghiệp một số vật liệu tổ hợp loại này

Thực tế, việc chế tạo vật liệu tổ hợp hạt mịn hóa bền phân tán khi sử dụng các kim loại như W, Re, Mo… là những kim loại quý, đắt tiền nên các nhà khoa học nghĩ tới việc

sử dụng các kim loại hoặc ôxit kim loại rẻ tiền hơn mà vẫn đảm bảo được các tính chất đối với vật liệu bền nhiệt có độ dẫn điện cao

Cùng với ý tưởng nêu trên, sự lựa chọn cốt hạt hóa bền phần tán người ta đã tính tới việc sử dụng Al2O3 thay thế cho W, Re, Mo… Ưu điểm cơ bản của hệ vật liệu tổ hợp hệ

Cu - Al2O3 chế tạo tiếp điểm là vẫn giữ được các tính chất cần thiết của vật liệu tiếp điểm như độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt của đồng nguyên chất; độ bền cơ học (uốn, nén), độ bền mòn cao… do các hạt Al2O3 nhỏ mịn phân tán trong nền Cu Hơn nữa khi dùng Cu - Al2O3

có thể giảm đáng kể giá thành mà độ dẫn điện không giảm đi nhiều [18, 21, 32]

Đặc điểm nổi bật của Al2O3 là có khối lượng riêng nhỏ, từ đó mà tỷ trọng của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 cũng nhỏ Hơn nữa Al2O3 có độ bền nhiệt cao, độ bền mòn cao, độ cứng tế vi rất cao, có thể làm việc ở nhiệt độ cao (8000C) Việc nghiên cứu các tính chất cơ bản của hệ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 là rất cần thiết trong điều kiện hiện nay, nhất là do khả năng ứng dụng thực tế của hệ vật liệu này để chế tạo vật liệu tiếp điểm điện và điện cực hàn

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3: Phương pháp phun plasma [21]; phương pháp nhiệt - hóa [16]; phương pháp ôxy hoá bên trong [44]; một số phương pháp khác [14, 17, 18, 26, 42, 43] Việc chọn lựa phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 có vai trò quyết định các tính chất công nghệ đặc trưng của hệ vật liệu này

Trong công trình của Lee [16], vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp nhiệt - hóa Quy trình được xây dựng trên cơ sở:

1- Chuẩn bị bột thô từ dung dịch rắn với CuSO4 và Al2(SO4)3

2- Khử muối bằng xử lý nhiệt sinh ra Al2O3

3- Khử CuO tạo thành Cu thu được sản phẩm bột cuối cùng

Bột ban đầu dạng hình cầu có kích thước khoảng 30μm Các hạt γ-Al2O3 trong bột thô được sinh ra trong không khí ở nhiệt độ 8500C Sau khi khử CuO thành Cu, các hạt vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 có cấu trúc không thay đổi và kích thước của chúng khoảng 20 nm (Hình 1.7)

Rõ ràng sau ép chảy vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 với hàm lượng Al2O3 ~5% (khối lượng)có độ cứng lớn hơn và độ dẫn điện cao khoảng (85 ÷ 90) %IACS so với Cu nguyên chất

1.4 Điều kiện làm việc và yêu cầu cơ lý tính của vật liệu tiếp điểm

Vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện để chế tạo dây dẫn điện, cáp điện, tiếp điểm điện, điện cực hàn … chủ yếu là các kim loại sạch và hợp kim của chúng, nhất là từ đồng (Cu) và các hợp kim của đồng Thời gian gần đây, trước yêu cầu ngày càng cao về chất lượng, độ tin cậy, các vật liệu truyền thống được dùng trong kỹ thuật điện tỏ ra không đáp ứng được các yêu cầu của thực tế đề ra Nhu cầu cần đến các loại vật liệu mới bền nhiệt, có điện dẫn cao như các vật liệu nano, vật liệu tổ hợp càng phát triển Phân tích quá trình làm việc của điện cực hàn, tiếp điểm điện và vật liệu hiện đang sử dụng cho thấy:

Tiếp điểm điện làm việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt: tải trọng lớn, chịu

dòng điện lớn, nhiệt độ cao … Ngoài ra, tiếp điểm điện còn tiếp xúc với môi trường không khí do đó dễ bị ăn mòn và tạo ra một lớp sản phẩm ăn mòn bao phủ trên bề mặt của tiếp điểm, làm xấu đi tính dẫn điện do điện trở tiếp xúc tăng lên Ngoài sự ăn mòn trong không khí, tiếp điểm điện còn chịu sự sói mòn do tia lửa điện xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc khi đóng ngắt mạch điện Hiện tượng ăn mòn sẽ xảy ra mạnh hơn với các tiếp điểm điện chế tạo bằng hai kim loại khác nhau, do tạo ra một cặp pin gây ra sự ăn mòn điện hóa Khi điện trở tăng lên, tiếp điểm bị nung nóng làm nóng chảy cục bộ vật liệu trên một vùng tiếp điểm (nhất là với các điện cực hàn thì điều này xảy ra rất mãnh liệt) Do đó các yêu cầu đối vật liệu chế tạo tiếp điểm là:

- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

- Độ bền cơ học cao

- Độ bền mòn (hóa học và cơ học) cao

- Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hóa hơi cao

- Có độ bền nén cao để có thể chịu được áp suất nén lớn

- Có độ bền đối với hồ quang điện (đối với tiếp điểm đóng ngắt)

Cho đến nay, chưa có một lý thuyết rõ ràng nào về hành vi của các vật liệu tiếp điểm đóng ngắt Ví dụ như ta chưa biết ảnh hưởng của cấu trúc phân tán đến đặc tính hồ quang điện và cũng như lượng cháy hao của vật liệu trong quá trình chuyển mạch Các vật liệu trong môi trường ăn mòn có thể tạo thành một lớp phủ và ảnh hưởng của lớp phủ biểu hiện qua việc thay đổi các tính chất cơ học và điện còn chưa được nghiên cứu đầy đủ Chính vì vậy, cần nghiên cứu một cách đầy đủ và toàn diện hơn đối với vật liệu tiếp điểm điện

Vật liệu điện cực hàn, ở các nước công nghiệp phát triển cũng như ở Việt Nam các

loại máy hàn điện tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

Công nghệ hàn tiếp xúc là công nghệ hàn không cần sử dụng que hàn để tạo các mối hàn Các mối hàn được tạo ra do sự nóng chảy cục bộ của chính vật hàn

Điện cực hàn có nhiệm vụ nén ép các chi tiết cần hàn, dẫn điện qua mối hàn, thoát nhiệt khỏi mối hàn Ngoài ra, điện cực hàn còn làm việc trong điều kiện mỏi nhiệt ở 500 

7000C, thậm chí còn cao hơn như trong hàn hồ quang plasma Do đó các yêu cầu đối với vật liệu chế tạo điện cực hàn là:

- Có độ dẫn điện tốt, cho phép dòng điện cường độ cao đi qua mà không bị nóng

- Có cơ tính cao ở khoảng nhiệt độ rộng, có khả năng chống lại sự mài mòn và biến dạng điện cực ở điều kiện làm việc nhiệt độ và áp suất cao

- Không bị chảy và tạo thành các liên kết với vật liệu của sản phẩm cần hàn

1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao

1.5.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao trên thế giới

Việc sử dụng rộng rãi đồng (Cu) và hợp kim đồng làm vật liệu kim loại bền nhiệt

có độ dẫn điện cao, bởi những ưu điểm và tính năng nổi trội của nó so với các vật liệu kim loại và hợp kim khác Cu hầu như không bị ăn mòn Sở dĩ như vậy bởi vì Cu là kim loại có thế điện cực dương và ngay ở nhiệt độ thường trong không khí ẩm Cu bị ôxy hóa tạo ra màng Cu2O tạo thành lớp bảo vệ tốt

Trên thế giới việc sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt có độ dẫn điện cao (chủ yếu hợp kim đồng) từ các hợp kim trung gian được nấu luyện từ các kim loại sạch: Cu kim loại, Crôm kim loại, Zircôn kim loại và Magiê kim loại có độ tinh khiết cao trong lò phản ứng chân không

Ở Nga và Ucraina đã sản xuất các hợp kim bền nhiệt Mц4 (0,4%÷0,7%Cr), Mц5 (0.4 0,6%Cr, 0,1÷0,85%Zr và Cu còn lại), Mц5A (0,20.35% Cr; 0,20.35%Zr; Cu còn lại), Mц5B, ЭB бp.X1

Bằng phương pháp nhiệt kim có thể sản xuất hợp kim trung gian Cu - Cr, Cu - Zr

Hiện nay, việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp nền kim loại được triển khai mạnh mẽ ở các nước công nghiệp phát triển theo hai hướng chính: nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu các phương pháp công nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm từ MMC Căn cứ vào lĩnh vực sử dụng, có thể phân biệt vật liệu tổ hợp nền kim loại theo các nhóm sau:

- MMC chống ma sát (tự bôi trơn khô): các hợp kim Cu, Al độn graphit, …

- MMC dùng trong kỹ thuật điện: Cu-graphite; Ag-graphite, …

- MMC dụng cụ (cắt, mài, …): hợp kim Cu, Al-kim cương, SiC, …

- MMC kết cấu (chống mài mòn, độ bền cao, giãn nở nhiệt thấp, …): các loại hợp kim Al, Cu với các pha gia cố SiC, Al2O3, …

Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu bền nhiệt có độ dẫn điện cao từ vật liệu tổ hợp đã chỉ ra một phương hướng mới, đổi mới căn bản trong lĩnh vực vật liệu kim loại kỹ thuật điện, cũng như vật liệu điện cực hàn nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế

1.5.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, độ dẫn điện cao tại Việt Nam

Ở Việt Nam các hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr, Cu-Cr-Zr còn ít được nghiên cứu Thực tế, phần lớn các loại điện cực hàn hệ Cu-Cr, Cu-Cr-Zr đều nhập khẩu từ nước ngoài (Nga, Nhật, Mỹ, Đức, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc )

Các nhà máy có nhu cầu sử dụng với lượng lớn điện cực hàn đều phải nhập từ nước ngoài Mặt khác, đối với các nhà máy có nhu cầu sử dụng điện cực hàn với lượng không

nhiều, họ thường sử dụng đồng sạch để chế tạo điện cực hàn Các điện cực hàn tự chế này

có cơ - lý tính thấp ở nhiệt độ cao, khi sử dụng hay phải mài đầu điện cực hoặc phải thay thế thường xuyên vì tuổi thọ điện cực thấp

Trước nhu cầu cấp bách của thực tế sản xuất về vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao như tiếp điểm điện, điện cực hàn … thời gian gần đây đã có một số cơ sở trong nước nghiên cứu chế tạo thử:

Năm 1985 Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim nghiên cứu chế tạo điện cực hàn cho Công ty Xuân Hòa từ mác ЭB (hệ Cu- Cr) theo phương pháp hoàn nguyên Cr2O3 Lượng Cr được đưa vào hợp kim đồng còn thấp, hơn nữa, tạp chất còn nhiều, chất lượng điện cực hàn không đạt (hàn còn bị dính)

Năm l995 Viện Công nghệ, Bộ Quốc phòng đã nghiên cứu chế tạo điện cực hàn từ mác hợp kim đồng bền nhiệt (hệ Cu- Cr) cho nhà máy Z115 để hàn cánh đuôi đạn cối Việc đưa Cr vào hợp kim cũng đi theo phương pháp hoàn nguyên Cr2O3, hàm lượng Cr còn thấp (0,31 %), hơn nữa, do kinh phí nghiên cứu hạn chế, số lượng các thí nghiệm tiến hành hạn chế nên chất lượng sản phẩm và độ ổn định chưa cao

Năm 2004 Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim tiến hành nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim bền nhiệt hệ Cu- Cr và Cu- Cr- Zr nhưng cũng đi từ các kim loại sạch, nấu trực tiếp, không qua con đường nấu luyện hợp kim trung gian [2] Qua nghiên cứu thực nghiệm họ đã lựa chọn công nghệ chế tạo vật liệu điện cực hàn là công nghệ nấu luyện trong lò hở (hình 1.9)

Kết quả nghiên cứu nấu luyện vật liệu điện cực hàn đã được tổng kết như sau:

- Đã xác định được chế độ công nghệ nấu đúc các loại hợp kim trung gian Cu-Cr, Cu-Cd, Cu-Mg, Cu-Al và 2 loại hợp kim Mц4 và Mц5B

- Với điều kiện Cu-Cr, Cu-Cr-Zr kỹ thuật và thiết bị hiện có có thể chế tạo được một số loại điện cực hàn có kích thước nhỏ và hình dạng đơn giản từ 2 loại hợp kim Mц4

và Mц5B

- Do nấu luyện trong lò hở, không có khí bảo vệ, nên chất lượng điện cực hàn chưa cao Để nâng cao chất lượng cực hàn cần nấu luyện các loại hợp kim Mц4 vµ Mц5B trong lò chân không

- Hiệu suất thu hồi Cr và Zr thấp Chất lượng hợp kim đồng bền nhiệt chưa ổn định

Năm 2006 Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim tiếp tục nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim bền nhiệt theo công nghệ nấu luyện hợp kim trung gian Cu- Cr, Cu- Cr- Zr, Cu- Zr-Mg để sản xuất hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu-Cr-Zr-Mg bằng phương pháp nhiệt kim hoàn nguyên các Cr2O3 và magiê [7]

Bằng phương pháp nhiệt nhôm và nhiệt magiê hoàn nguyên ôxit crôm, silicat zircôn, ôxit zircôn để thu được hợp kim trung gian hệ Cu-Cr và có hàm lượng Cr từ 3-5%,

hệ Cu-Zr-Mg có hàm lượng Zr>1% và Mg từ 0.7÷2,0% Từ các hợp kim trung gian nghiên cứu tiến hành nấu luyện các hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu- Cr- Zr- Mg hàm lượng Cr từ 0,3÷0,7%, Zr 0,1÷0.3%, Mg 0,1÷0,3 để chế tạo phôi điện cực hàn Ø14, Ø16, Ø20, Ø24

Sơ đồ công nghệ chế tạo các hợp kim bền nhiệt bằng phương pháp nhiệt nhôm và nhiệt magiê được biểu diễn trên hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn

bằng phương pháp nhiệt nhôm và nhiệt magiê [7]

Từ các kết quả nghiên cứu nấu luyện hợp kim trung gian Cr, Zr-Mg và

Cu-Cr-Zr-Mg, nấu luyện hợp kim đồng bền nhiệt chứa Cr, Zr, Mg, Al, áp dụng vào thực tế chế

tạo điện cực hàn cho máy hàn bấm tự động và bánh xe hàn cho máy hàn lăn, đã rút ra các

kết luận sau:

- Từ ôxit crôm và ôxit zircôn có độ sạch kỹ thuật sản xuất tại Việt Nam (Viện

Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim và một số cơ sở khác) có thể sản xuất hợp kim trung gian

Cu-Cr, Cu-Zr-Mg và Cu-Cr-Zr-Mg-Al bằng phương pháp nhiệt nhôm và magiê

- Kết quả nghiên cứu sản xuất thử chế tạo điện cực hàn Ø14, Ø20 và bánh xe hàn

bằng phương pháp cán tạo phôi, sau đó gia công cơ khí hợp lý hơn so với phương pháp

rèn Chất lượng sản phẩm đáp ứng được nhu cầu sản xuất chưa cao do phương pháp cán để

lại hiện tượng dị hướng

- Hiệu suất thu hồi Cr, Zr thấp do nấu luyện trong lò hở, không có khí bảo vệ, nên

không khống chế được sự ôxi hóa đối với đối với Mg, Cr và Zr

Ở Việt Nam việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao

theo hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp còn ít, chưa được đề cập nhiều

Từ thực tế nghiên cứu, sản xuất chế tạo vật liệu tổ hợp nền kim loại bền nhiệt, độ

dẫn điện cao trong nước cũng như thế giới, có thể rút ra một số nhận xét sau:

- Công nghệ nhiệt kim ôxit kim loại như ôxit crômvà magiê tiến hành trong môi

trường chân không hoặc khí trơ cho phép chế tạo được vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao

nhưng rất phức tạp và giá thành cao, còn nếu thực hiện trong môi trường bình thường thì chất lượng không đảm bảo

- Xu hướng mới chế tạo vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao là từ vật liệu tổ hợp nền Cu Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt,

độ dẫn điện cao là cần thiết và hợp lý

Những năm gần đây ở Việt Nam đã có những nghiên cứu về loại vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu Tuy nhiên, các kết quả thu được mới chỉ là bước đầu, chưa toàn diện và

hệ thống Mặt khác, việc nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu bằng cốt hạt gốm phân tán như: TiC, TiB2, Cr, Al2O3 trong thời gian gần đây đã được các nhà khoa học vật liệu ở một số trường đại học quan tâm và đã có những công bố rất khả quan,

mở ra hướng nghiên cứu phát triển đầy tiềm năng đối với hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền

Cu Vì vậy, việc tiếp tục nghiên cứu về vật liệu tổ hợp nền Cu một cách toàn diện và hệ thống nhằm chế tạo được phôi điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp nền Cu bền nhiệt, có độ dẫn điện cao và xác định qui trình công nghệ chế tạo vật liệu hợp lý để có thể triển khai ứng dụng được trong thực tế là rất cần thiết

1.6 Kết luận chương 1

Từ những nghiên cứu, phân tích và nhận định tổng quan ở trên về vật liệu tổ hợp nền Cu đã chỉ ra rằng:

1 Trên thế giới và ở Việt Nam, vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao chủ yếu là đồng

và hợp kim đồng được sử dụng rộng rãi để chế tạo tiếp điểm điện và điện cực hàn Vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao nền Cu thường được chế tạo bằng phương pháp nhiệt kim ôxít kim loại như ôxít crôm, ôxít magiê Phương pháp nhiệt kim ôxít kim loại được tiến hành trong môi trường chân không hoặc khí trơ rất phức tạp và giá thành cao, còn nếu thực hiện trong môi trường bình thường thì chất lượng không đảm bảo

2 Việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nền kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao trên cơ sở nền Cu là hướng nghiên cứu hiện đại, phù hợp với xu hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu mới, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn trên thế giới và Việt Nam

3 Vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 có thể được chế tạo theo các phương pháp công nghệ khác nhau và sự khác biệt giữa các phương pháp chủ yếu là cách đưa cốt hạt phân tán vào trong nền Cu Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano

Al2O3 bằng phương pháp cơ - hóa là hoàn toàn có cơ sở, có thể định hướng cho việc triển khai áp dụng trong thực tiễn sản xuất ở Việt Nam

CHƯƠNG 2

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP

Bằng sự kết hợp quá trình nghiền cơ học và phản ứng ôxi hóa xảy ra trong quá trình nghiền (quá trình nghiền cơ - hóa) để tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt Al2O3 Với phương pháp này, hạt Al2O3 hình thành sẽ có kích thước nhỏ mịn phân tán tương đối đồng đều trong nền Cu, đặc biệt với phương pháp này có thể khống chế được hàm lượng Al2O3

theo yêu cầu công nghệ đặt ra

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền cơ - hoá

2.1.1 Sự phát triển của phương pháp nghiền trong luyện kim bột

Từ các phương pháp nghiền cơ học được sử dụng rộng rãi trong công nghệ luyện kim bột và trong công nghiệp xử lý khoáng sản, ví dụ như nghiền trộn bột hoặc nghiền nhỏ

đá Khi phương pháp nghiền cơ học được ứng dụng cho các mục đích này, các hạt bột không thay đổi hoặc bị đập vỡ thành các hạt nhỏ hơn trong quá trình nghiền, quá trình không sinh ra vật liệu mới

Trong những năm của thập kỷ 80 của thế kỷ XX, đã có những công bố rất đáng chú

ý, ví dụ như công bố về kết quả nghiền hỗn hợp bột Ni và Nb, khi thời gian nghiền kéo dài hỗn hợp bột này biến thành bột hợp kim Ni-Nb vô định hình Điều đó có nghĩa là hợp kim hóa đã xảy ra trong quá trình nghiền Từ đó quá trình nghiền được xem như một phương pháp gia công vật liệu và khái niệm “hợp kim hóa cơ học” đã được công nhận và sử dụng rộng rãi Hợp kim hóa cơ học - sáng kiến của Benjamin [27], đã làm thay đổi các phương pháp truyền thống Phương pháp này đã thu hút nhiều sự quan tâm cho các nghiên cứu bởi hợp kim hóa cơ học được nhận thấy như một phương pháp chế tạo vật liệu đầy triển vọng

và có khả năng ứng dụng rộng rãi Nó có khả năng ứng dụng trong nghiên cứu chế tạo vật liệu, áp dụng được cho nhiều loại vật liệu khác nhau và đã được ứng dụng trong thực tế Đây là một trong những thành tựu trong nghiên cứu chế tạo vật liệu mà các phương pháp truyền thống không thể có được

Cùng với đó, đã có những công trình nghiên cứu cho thấy phản ứng hóa học có thể xảy ra nhờ năng lượng cao khi nghiền cơ học [14, 15, 18] Điều này đã kích thích sự quan tâm thay đổi khái niệm nghiền cơ học thành một khái niệm tổng quát hơn: “phương pháp nghiền cơ - hóa”, đó là sự kết hợp của nghiền cơ học và phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình nghiền

2.1.2 Cơ chế của quá trình nghiền trong luyện kim bột

a Sự va chạm trong quá trình nghiền

Theo Lu [51], trong quá trình hợp kim hóa, bốn trường hợp va chạm có thể xảy ra:

- Va chạm thông thường giữa bi nghiền và bề mặt trong của tang nghiền;

- Va chạm với sự chiếm chỗ do trượt giữa bi nghiền và bề mặt trong của tang nghiền;

- Va chạm thông thường giữa bi nghiền với nhau;

- Va chạm với sự chiếm chỗ do trươt giữa các bi nghiền với nhau

Sự va chạm giữa các bi nghiền và mặt trong của tang nghiền có hiệu quả hơn so với giữa các bi nghiền với nhau vì các bi nghiền thường di chuyển theo cùng phương Sự biến dạng của bột giữa hai bi nghiền hoặc giữa một bi nghiền với thành trong của tang nghiền trong các trường hợp va chạm có thể so sánh với quá trình tương tự trong khi chồn giữa hai tấm song song

Sự biến dạng cho mỗi trường hợp va chạm có thể tính theo công thức:

ΔHH

Hln

εmax

−

Trong đó:

H- chiều cao của cụm vật liệu bột;

H- sự thay đổi chiều cao của cụm vật liệu bột trong một va chạm Ứng suất trung bình cần thiết cho sự biến dạng của một cụm vật liệu là:

- kích thước của một cụm vật liệu bột;

- hệ số ma sát giữa vật liệu bột và bi nghiền

Năng lượng biến dạng E có thể được tính toán như sau:

πkηE

Hình 2.1 Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền

trong quá trình hợp kim hóa cơ học

b Sự hàn nguội

Quá trình hàn nguội trong khi va chạm có thể được coi gần đúng như sự hàn nguội của hai tấm dưới áp lực Sự tăng áp lực khi va chạm tăng diện tích tiếp xúc thực tế giữa các hạt vật liệu bột Sự hàn nguội phụ thuộc hệ vật liệu được sử dụng và có thể xảy ra trong các trường hợp sau đây:

- Hàn giữa hai hợp kim khác nhau

- Hàn giữa một loại hợp kim

- Hàn giữa một hợp kim tương tự với một hợp kim khác mà không xảy ra sự hàn nguội

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng [13]

Độ bền liên kết giữa các hạt bột là một hàm số của sức căng biến dạng Hình 2.2 chỉ ra mối quan hệ giữa độ bền liên kết của các vật liệu khác nhau và sự giảm biến dạng

Do đó, sự giảm biến dạng của các hạt bột trong mỗi va chạm có thể lớn hơn giá trị tới hạn này Như vậy có thể thấy, vật liệu càng mềm thì khả năng hàn nguội càng tốt Trong thời gian đầu của quá trình hợp kim hóa cơ học, do các hạt vật liệu thường mềm, sự tăng kích thước hạt có thể quan sát được Tuy nhiên, kích thước hạt giảm khi thời gian hợp kim hóa

cơ học tăng bởi vì sự tăng độ cứng của các hạt bột Để tăng hiệu quả của quá trình nghiền, mỗi loại bột phải được ủ ở giai đoạn trung gian hoặc phải tăng tốc độ nghiền

Trong trường hợp nghiền với tốc độ cao, nhiệt có thể sinh ra nhiều hơn, có thể tính toán theo biểu thức:

p 0

0

ρCπK

τ2

σ

Trong đó:

T- gia tăng nhiệt độ

Cp- nhiệt dung riêng của hạt vật liệu bột

0- giới hạn chảy ban đầu của vật liệu bột

K0- độ dẫn nhiệt của vật liệu bột

- tỷ trọng tương đối của vật liệu bột

c Các giai đoạn của quá trình nghiền trộn cơ học

Các giai đoạn hợp kim hóa cơ học của hai vật liệu dẻo được sơ đồ hóa như trên hình 2.3 Đầu tiên, khi các hạt bột chịu sự biến dạng, hình dáng của chúng thay đổi từ đẳng trục sang dạng tấm Trong các giai đoạn tiếp theo, cơ chế hàn nguội chiếm ưu thế, đó là nguyên nhân các hạt đẳng trục hình thành Tại giai đoạn này, định hướng của mặt phân giới được nhìn thấy rõ nét Cơ chế hàn nguội và phá hủy đạt tới sự cân bằng và sự hình thành của các hạt với các biên giới hạt ngẫu nhiên, hoặc nói cách khác, sự hàn có hướng ngẫu nhiên Quá trình hợp kim hóa cơ học kết thúc được giải thích bởi sự ổn định của hệ, trong đó sự hoàn thiện cấu trúc tế vi có thể tiếp tục, nhưng kích thước hạt và mức độ phân

bố các hạt được giữ nguyên

Các giai đoạn của quá trình hợp kim hóa cơ học giữa vật liệu dẻo và vật liệu dòn đã được sơ đồ hóa như trên hình 2.4 Trong giai đoạn đầu tiên, các hạt dẻo bị biến dạng trong khi các hạt cứng bị làm vỡ vụn Sau đó, trong khi các hạt dẻo bắt đầu hàn với nhau, các hạt dòn ghim vào giữa các hạt dẻo khi va chạm với bi nghiền Kết quả là, các hạt gia cố bị gãy

sẽ được đưa vào mặt biên giới của các hạt bị hàn lại, và kết quả là sự sinh ra của các hạt vật liệu tổ hợp thực sự Các hiện tượng biến dạng, hàn nguội và các hạt rắn phân tán làm gia tăng cứng của vật liệu tổ hợp và làm tăng quá trình bẻ gãy các hạt