Nghiên cứu chế tạo hợp kim cu ni bằng phương pháp cơ học

giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - Đỗ Mạnh dũng NGHIấN CU CH TẠO HỢP KIM Cu – Ni BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HC Chuyên ngành: Gia công áp lực luận văn thạc sÜ khoa häc c«ng nghƯ vËt liƯu ng­êi h­íng dÉn khoa học: PGS.TS Trần văn dũng Hà Nội - Năm 2010 Li cam oan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu luận văn khoa học Các kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu Tác giả KS Đỗ Mạnh Dũng -2- MC LC Trang -1- Trang ph bìa LỜI CAM ĐOAN - MỤC LỤC - DANH MỤC CÁC BẢNG - DANH MỤC BẢN VỄ, ĐỒ THI - DANH MỤC PHỤ LUC - LỜI NÓI ĐẦU - 10 Chương I TỔNG QUAN - 12 1.1 Tổng quan phương pháp hợp kim hoá học - 12 1.1.1 Khái niệm chung - 12 1.1.2 Nguyên lý phương pháp nghiền hợp kim hóa học - 12 1.1.3 C¬ së lý thut cđa ph­¬ng pháp nghiền học - 16 1.1.3.1 Sự phát triển phương pháp nghiền học - 16 1.1.3.2 Cơ chế trình hợp kim hóa học - 17 1.1.3.3 Các thông số trình nghiền - 23 1.1.4 Ứng dụng phương pháp nghiền hợp kim hóa học - 26 1.1.6 Kết luận - 27 1.2 Tổng quan trình tạo hình kim loại bột - 27 1.2.1 Quá trình tạo hình kim loại bột - 28 1.2.1.1 Ép phía - 28 1.2.1.2 Ép hai phía - 28 1.2.1.3 Ép đẳng tĩnh - 29 1.2.2 Quá trình thiêu kết - 31 1.2.2.1 Cơ sở hóa lý trình thiêu kết - 31 1.2.2.2 Phân loại dạng thiêu kết - 33 1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình thiêu kết - 33 1.2.2.4 Trạng thái xốp vật liệu bột - 34 1.3 Kết luận chương - 35 - -3- Chương II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - 36 2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu - 36 2.2 Vật liệu thiết bị nghiên cứu - 37 2.2.1 Vật liệu nghiên cứu - 37 2.2.2 Thiết bị nghiên cứu - 38 2.3 Quy trình thực - 42 2.4 Kết luận chương - 42 Chương III THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - 43 CHẾ TẠO VẬT LIỆU HỢP KIM HOÁ CƠ HỌC Cu x Ni (100-x) - 43 3.1 Cơng đoạn nghiền trộn hợp kim hố học - 43 3.1.1 Mục đích q trình nghiền học - 43 3.1.2 Phương pháp thực nghiệm - 43 3.1.2.1 Thiết bị - 43 3.1.2.2 Tính tốn phối liệu - 43 3.1.2.3 Chế độ nghiền - 44 3.1.2.4 Các giai đoạn nghiền - 45 3.2 Ép sơ - 56 3.2.1 Mục đích - 56 3.2.2 Áp lực ép - 56 3.2.3 Phương pháp ép - 56 3.2.4 Thiết bị ép - 56 3.3 Thiêu kết - 57 3.3.1 Mục đích - 57 3.3.2 Chế độ thiêu kết - 57 3.3.3 Thiết bị thiêu kết - 58 3.3.4 Kết q trình hồn ngun - thiêu kết - 58 3.4 Kết luận chương - 60 Chương IV XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH CƠNG NGHỆ HỢP KIM HỐ CƠ HỌC CHẾ TẠO VẬT LIỆU Cu 85 Ni 15 - 61 4.1 Xác định độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 - 61 -4- 4.1.1 Phương pháp xác định độ xốp - 61 4.1.2 Kết đo độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 - 62 4.2 Xác định độ cứng vật liệu Cu 85 Ni 15 - 63 4.3 Tổ chức tế vi vật liệu Cu 85 Ni 15 - 64 4.4 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu 85 Ni 15 - 65 4.4.1 Giới thiệu chung - 65 4.4.2 Mơ hình nghiên cứu - 66 4.4.2.1 Các bước thực toán qui hoạch thực nghiệm - 67 4.4.2.2 Xây dựng mơ tả tốn học tối ưu hóa hàm mục tiêu - 70 4.4 Kết luận chương - 71 Chương V KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ - 73 5.1 KÕt luËn chung - 73 5.2 Mét sè kiÕn nghÞ - 73 Tài liệu tham khảo - 83 - -5- DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Thông số mạng qua nghiền hệ Cu 20 Ni 80 - 53 Bảng 4.1 Sự phụ thuộc độ xốp vào thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) áp lực ép (P) - 63 Bảng 4.2 Sự phụ thuộc độ cứng vào thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) áp lực ép (P) - 64 Bảng 4.3 Điều kiện thí nghiệm chọn - 67 Bảng 4.4 Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm - 68 - -6- DANH MỤC BẢN VỄ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sự va chạm bột-bi-bột hỗn hợp bột kim loại q trình nghiền hợp kim hố học - 13 Hình 1.2 Một số dạng máy nghiền hợp kim hóa học - 15 Hình 1.3 Minh họa q trình nứt vỡ kết dính đặc trưng MA - 16 H×nh 1.4 Sù va ch¹m cđa bi nghiỊn - bét - bi nghiền hỗn hợp bột trình hợp kim hãa c¬ häc - 18 H×nh 1.5 Mèi quan hƯ độ bền liên kết sức căng biến dạng - 19 Hình 1.6 Các giai đoạn trình hợp kim hoá học vật liệu dẻo - dẻo - 20 Hình 1.7 Các giai đoạn trình hợp kim hoá học vật liệu dẻo - dòn - 21 Hỡnh 1.8 S đồ khn ép phía - 28 Hình 1.9 Sơ đồ khn ép phía - 29 Hình 1.10 Sơ đồ phương pháp ép đẳng tĩnh - 30 Hình 1.11 Sơ đồ cán kim loại bột - 30 Hình 1.12 Bề mặt tiếp xúc bột kim loại trước (a) sau thiêu kết (b) - 32 Hình 2.1 Giản đồ pha Cu - Ni - 36 Hình 2.2 Máy nghiền cánh khuấy - 39 Hình 2.3 Một số chi tiết máy nghiền cánh khuấy - 39 Hình 2.4 Cân điện tử độ xác 10-4g - 40 Hình 2.5 Máy phân tích Xray D5005 - SIEMENS - 40 Hình 2.6 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800 - 40 Hình 2.7 Máy ép thủy lực 100 T - 41 Hình 2.8 Lị thiêu kết Linn 1300 - 41 Hình 2.9 Sơ đồ qui trình cơng nghệ nghiên cứu - 42 Hình 3.1 Hình ảnh SEM hạt bột Cu, Ni - 44 Hình 3.2 Ảnh X-ray thay đổi thông số mạng từ Cu – Ni - 46 Hình 3.3 Tham số mạng tinh thể vật liệu Cu-Ni nghiền - 46 -7- Hình.3.4 Micrographs SEM Cu Ni bột so với Ni80Cu20 bột thu thời gian nghiền khác (BPR = 10:01) - 49 Hình 3.5 Hình ảnh SEM mẫu Cu 85 Ni 15 - 51 Hình 3.6 Máy phân tích rơnghen D5005 - SIEMENS - 52 Hình 3.7 Thơng số mạng tinh thể vật liệu Cu 20 Ni 80 - 54 Hình 3.8 Hình ảnh SEM 16000x bề mặt hạt bột Cu 85 Ni 15 - 55 Hình 3.9 Khn ép sơ - 57 Hình 3.10 Chế độ thiêu kết mẫu Cu 85 Ni 15 - 57 Hình 3.11 Mẫu thiêu kết chế độ thiêu kết mẫu - 58 Hình 3.12 Ảnh SEM bề mặt mẫu khối sau thiêu kết - 59 Hình 4.1 Ảnh SEM mẫu khối sau thiêu kết 9000C 3h độ phân giải 500 lần (a), 2000 lần (b) - 65 Hình 4.2 Mơ hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm - 66 - -8- DANH MỤC PHỤ LỤC Trang Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 trước nghiền Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 sau nghiền học 4h Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 sau nghiền học 10h Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 sau nghiền học 14h Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni15 sau nghiền học 1h Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni15 sau nghiền học 4h Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni 15 sau nghiền học 8h Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni15 sau nghiền học 10h 74 75 76 77 78 79 80 81 Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu Cu 85 Ni 15 sau thiêu kết -9- 82 LỜI NĨI ĐẦU Sù ph¸t triĨn khoa học kỹ thuật, công nghệ lĩnh vực mới, mà lĩnh vực truyền thống phát triển thay đổi ngày như: điện, điện tử, nhiệt lạnh, chế tạo máy, xây dựng, hoá học đòi hỏi phải có vật liệu có tính chất ưu việt vật liệu thông thường Kim loại hợp kim nhắc đến thường có số - lý tính đặc trưng tốt Nói chung tồn loại kim loại đồng thời có tất - lý tính cần thiết Chính vậy, đòi hỏi cần chế tạo số loại vật liệu hay nâng cao - lý tính ưu nhiều loaị vật liệu theo công nghệ chế tạo quy luật tất yếu, công nghƯ vËt liƯu míi ®· ®êi Trong vËt liƯu nanocompozit đà kết hợp nhiều tính chất tốt vật liệu, tạo tính chất hoàn toàn có khả thoả mÃn nhu cầu, đa dạng phong phú công nghệ phát triển tương lai với tính đặc biệt như: khả chịu mài mòn, khả chống ăn mòn, khả chịu nhiệt, chịu ma sát số tính khác mà vật liệu truyền thống Sự xuất phát triển mạnh mẽ vật liệu cho phộp giảm kích thước, trọng lượng linh kiện thiết bị hoc thay kim loại quý đắt tiền Như vậy, vật liệu ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, nhà sản xuất Nhằm tìm ứng dụng nhiều ngành, nhiều lĩnh vực Ví dụ ồng nguyên chất có đặc tính ưu việt: độ dẫn điện lớn (chỉ Ag), rẻ tiền (rẻ Ag nhiều), dễ gia công, bị ôxy hóa, có độ bền cao môi trường không khí nên ứng dụng nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt công nghiệp điện (dây dẫn, tiếp điểm ) Song Ag, độ bền Cu không cao môi trường có tính ăn mòn, nhiệt độ cao Vì việc tăng độ bền Cu để làm việc môi trường ăn mòn, nhiệt độ cao cấp thiết Việc tăng tính chống ăn mòn cho Cu môi trường ăn mũn hoá học đà thực nhiều phương pháp tăng bền hợp kim với kim loại khác Hợp kim đồng - niken chế tạo phương pháp hoả luyện truyền thống nấu luyện tạo hợp kim, đúc sản phẩm, gia công khí Với ưu điểm - 10 - Chương IV XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH CƠNG NGHỆ HỢP KIM HOÁ CƠ HỌC CHẾ TẠO VẬT LIỆU Cu 85 Ni 15 4.1 Xác định độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 4.1.1 Phương pháp xác định độ xốp Độ xốp thông số quan trọng sản phẩm vật liệu bột Nó cho phép gián tiếp đánh giá tính chất khác độ bền, độ dẫn điện, tổ chức tế vi sản phẩm Độ xốp tỉ lệ tổng lỗ hổng vật liệu với tổng thể tích tồn phần vật liệu Để xác định độ xốp (hoặc mật độ) vật liệu, áp dụng định luật Ác-si-mét Để xác định độ xốp vật liệu phải xác định giá trị tỷ trọng thực mẫu Tỷ trọng thực mẫu xác định theo định luật Ác-si-mét, định luật phát biểu sau: “Khi vật thả vào chất lỏng vật chịu lực đẩy, lực đẩy có giá trị thể tích chất lỏng bị vật chiếm chỗ” Tỷ trọng thực mẫu sau thiêu kết tỷ số trọng lượng thực mẫu thể tích Trọng lượng mẫu xác định cân phân tích điện tử, có độ xác 10-4 gr Thể tích mẫu xác định lực đẩy mẫu nhúng vào nước Độ xốp mẫu sản phẩm vật liệu Cu 85 Ni 15 xác định nhở thí nghiệm sau đây: Lấy khoảng 200 ml nước cất cho vào cốc thủy tinh Mẫu bôi lớp glyxerin để tránh cho nước thấm vào bên mẫu vật liệu đo độ xốp Dùng sợi dây mảnh, đầu buộc mẫu, đầu treo vào cân Nhúng mẫu chuẩn bị vào cốc nước, xác định trọng lượng mẫu nước, tức xác định thể tích thực mẫu Mơ hình xác định độ xốp thể hình 2.4 Tỷ trọng mẫu xác định theo công thức sau: γ= Gm Vm (4.1) - 61 - Trong đó: G m - trọng lượng mẫu; V m - thể tích mẫu V m = VH O = G H 2O γ H 2O = G H 2O (4.2) Trong đó: VH 2O - thể tích nước bị chiếm chỗ; G H 2O - trọng lượng nước; γ H 2O - tỷ trọng nước ( γ H 2O = 1g/cm3) Giả sử GKK trọng lượng mẫu cân khơng khí, G H O trọng lượng mẫu cân nước, ta có, tỷ trọng mẫu vật liệu xốp xác định sau: γX = G KK γ H 2O G KK − G H 2O ,g/cm3 (4.3) Sau xác định tỷ trọng mẫu vật liệu xốp, xác định độ xốp tương đối mẫu thông qua công thức: θ= γT − γX 100% γT (4.4) Trong đó: γ T - tỷ trọng mẫu vật liệu theo phối liệu có cấu tử thành phần, g/cm3; Ở đây: γ T = (%Cu.ρ Cu + %Ni ρ Ni ) γ X - tỷ trọng mẫu vật liệu xốp, g/cm3 4.1.2 Kết đo độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 Với phương pháp đo độ xốp giới thiệu trên, tác giả tiến hành xác định độ xốp mẫu vật liệu Cu-Ni chế tạo phương pháp hợp kim hoá học với chế độ công nghệ ép - thiêu kết khác Kết thể bảng 4.1 Theo kết bảng 4.1, độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 dao động khoảng (10 ÷ 17,7)% Kết cho thấy, áp lực ép ảnh hưởng mạnh đến việc làm giảm độ xốp tăng tỷ trọng, tăng lên nhiệt độ thiêu kết cao thời gian thiêu kết dài, dẫn đến độ xốp vật liệu tă3kng lên tạo khí dư vật - 62 - liệu bột Nhìn chung, áp lực ép tăng khoảng 300 ÷ 400 MPa độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 giảm từ (2 ÷ 5)% Bảng 4.1 Sự phụ thuộc độ xốp vào thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) áp lực ép (P) Chế độ Ép - Thiêu kết Mẫu thí Độ xốp θ, % nghiệm T, 0C τ, h P, MPa 900 300 11,0 1000 300 13,2 900 300 15,0 1000 300 12,6 900 400 10,0 1000 400 12,7 900 400 10,7 1000 400 12,1 950 350 16,5 10 950 350 17,7 11 950 350 17,6 4.2 Xác định độ cứng vật liệu Cu 85 Ni 15 Thiết bị đo độ cứng mẫu sản phẩm vật liệu Cu 85 Ni 15 máy đo độ cứng Duramin Struers (Đan Mạch) phịng thí nghiệm Kim loại học Nhiệt luyện, Bộ môn Kim loại học Nhiệt luyện, Khoa Khoa học Công nghệ vật liệu, Trường ĐHBK Hà Nội Các mẫu sản phẩm vật liệu Cu 85 Ni 15 chế tạo với chế độ công nghệ ép thiêu kết khác nhau, tiến hành đo độ cứng theo thang đo HV Kết đo độ cứng mẫu sản phẩm vật liệu Cu 85 Ni 15 chế tạo phương pháp hợp kim hoá học thể bảng 4.2 - 63 - Bảng 4.2 Sự phụ thuộc độ cứng vào thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) áp lực ép (P) Chế độ Ép - Thiêu kết Mẫu thí Độ cứng, HV nghiệm T, 0C τ, h P, MPa 900 300 222 1000 300 150 900 300 173 1000 300 188 900 400 258 1000 400 160 900 400 254 1000 400 188 950 350 196 10 950 350 160 11 950 350 166 Theo kết bảng 4.2, độ cứng vật liệu Cu 85 Ni 15 dao động khoảng 150 ÷ 258 HV Kết so với mẫu khối ép - thiêu kết từ bột Cu nguyên chất, với độ xốp ÷ %, cỡ hạt tinh thể 1µm, độ cứng khoảng 50 HV Điều chứng tỏ pha hợp kim đồng, niken có hiệu tăng tính vật liệu 4.3 Tổ chức tế vi vật liệu Cu 85 Ni 15 Mẫu vật liệu Cu 85 Ni 15 sau đo độ xốp độ cứng, dùng để chụp ảnh tổ chức tế vi, kính hiển vi điện tử Viện vật lý Kỹ thuật Trường ĐHBK Hà Nội - 64 - a) b) Hình 4.1 Ảnh SEM mẫu khối sau thiêu kết 9000C 3h độ phân giải 500 lần (a), 2000 lần (b) Trên hình 4.1 ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu Cu 85 Ni 15 với chế độ nghiền 620 vg/ph, thời gian 10h, máy nghiền bi kiểu cánh khuấy Sau ép sơ với áp lực ép 400 MPa thiêu kết 9000C 3h Kết cho thấy, bề mặt mẫu sau tẩm thực với độ phóng đại 500x, hạt vật liệu với kích thước tương đối đồng đều, khoảng (70ữ100) àm, v xen gia cỏc ng biờn ht l cỏc l xp cú kớch c khong ữ15 àm, theo kết độ xốp 15% có đặc điển viền màu trắng quanh lỗ xốp dung dịch tẩm thực bột mài không làm hết trình chuẩn bị mẫu 4.4 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu 85 Ni 15 4.4.1 Giới thiệu chung Để nghiên cứu tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu 85 Ni 15 , sử dụng số phương pháp: - Phương pháp biểu đồ; - Phương pháp giải tích; - Phương pháp thống kê; - Phương pháp qui hoạch hóa thực nghiêm - 65 - Ba phương pháp có ưu điểm xác Tuy nhiên, để xây dựng mơ hình biểu diễn mối quan hệ chất lượng sản phẩm điều kiện thí nghiệm ta phải tìm qui luật thay đổi Có nghĩa tiến hành thí nghiệm bắt buộc có thay đổi vài biến định Như số thí nghiệm lớn, điều kiện thí nghiệm phải khắt khe, xác Điều khơng phải làm được, điều kiện thí nghiệm Mặt khác, chất lượng sản phẩm không phụ thuộc vào yếu tố xét, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên ta khơng thể biết trước xác, yếu tố làm giảm độ tin cậy kết đo Với phương pháp qui hoạch thực nghiệm, có ưu điểm chủ động bố trí thí nghiệm, cho: số thí nghiệm ít; tính tốn gọn, đơn giản mà đảm bảo độ xác định Vì vậy, với mục đích nghiên cứu tính chất vật liệu Cu 85 Ni 15 hợp kim hoá học từ vật liệu ban đầu bột Cu; bột Ni như: độ xốp, độ cứng Tác giả lựa chọn phương pháp qui hoạch thực nghiệm nhằm tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo 4.4.2 Mơ hình nghiên cứu X1 X2 X3 Z1 Z2 Z3 Đối tượng nghiên cứu Y1 Y2 Hình 4.2 Mơ hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm Trong đó: X i (i = ÷ 3) - yếu tố ngẫu nhiên (khơng xét) Z i (i = ÷ 3) - yếu tố ảnh hưởng (điều khiển được) Y i (i = ÷ 3) - yếu tố khảo sát (hàm mục tiêu) - 66 - 4.4.2.1 Các bước thực toán qui hoạch thực nghiệm  Chọn yếu tố ảnh hưởng: Z - nhiệt độ thiêu kết, oC Z - thời gian thiêu kết, Z - áp lực ép, MPa  Chọn hàm mục tiêu: Y : Độ xốp, % ; Y : Độ cứng, HV Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y = f(Z , Z , Z ) ; Y = f(Z , Z , Z ) (4.5)  Chọn miền khảo sát: Theo nghiên cứu phân tích, miền khảo sát yếu tố sau: + Nhiệt độ thiêu kết: T = 900 ÷ 1000 oC + Thời gian thiêu kết:τ = ÷ + Áp lực ép sơ bộ: P = 300 ÷ 400 MPa Từ xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 4.3 Bảng 4.3 Điều kiện thí nghiệm chọn Các mức Các yếu tố ảnh hưởng Z , oC Z , Z , MPa Mức (+1) 1000 400 Mức sở (0) 950 350 Mức (-1) 900 300 Khoảng biến thiên 50 50  Chọn phương án qui hoạch trực giao cấp I: thực nghiệm yếu tố toàn phần mức, k yếu tố ảnh hưởng Số thí nghiệm 11 theo điều kiện chọn bảng 4.3 Trong đó, số thí nghiệm phương án N = 2k = (k = 3), số thí nghiệm lặp tâm Chọn mơ tả toán học: Y = b + b x + b x + b x + b 12 x x + b 23 x x + b 13 x x + b 123 x x x (4.6) - 67 - Trong đó: b : hệ số tự b , b , b : hệ số tuyến tính b 12 , b 23 , b 13 : hệ số tương tác đôi b 123 : hệ số tương tác ba Dựa vào lý thuyết trực giao cấp I, ta chuyển biến thực Z i biến thay X i (mã hóa biến): Z +Z Z − Z0 Z − Zi(min) i(max) i(min) ; ΔZi = i(max) X i = i i , với Zi0 = ΔZ 2 i (4.7) Trong hệ tọa độ không thứ nguyên, tọa độ mức +1 mức -1, tâm trùng với gốc hệ tọa độ Kế hoạch tiến hành thí nghiệm (ma trận kế hoạch) cho bảng 4.4 Bảng 4.4 Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm Giá trị yếu tố Giá trị yếu tố TT hệ tọa độ không thứ nguyên qui mô tự nhiên Giá trị hàm mục tiêu x0 x1 x2 x3 Z1 Z2 Z3 Y1, % Y , HV + - - - 900 300 11,0 222 + + - - 1000 300 13,2 150 + - + - 900 300 15,0 173 + + + - 1000 300 12,6 188 + - - + 900 400 10,0 258 + + - + 1000 400 12,7 160 + - + + 900 400 10,7 254 + + + + 1000 400 12,1 188 Số thí + 0 950 350 16,5 196 nghiệm 10 + 0 950 350 17,7 160 tâm 11 + 0 950 350 17,6 166 Số thí nghiệm phương án 2k  Tính hệ số (b): - 68 - bj = b ju = N ∑ X ji Yi N i =1 ; với i = ÷ j = ÷ (4.8) N ∑ X ji X ui Yi N i =1 ; với j, u = ÷ 3; j ≠ u (4.9)  Kiểm tra phù hợp hệ số phương trình: Tính phương sai tái sinh: S 2ts = m ∑ (Ya0 − Y ) m − a =1 (4.10) Trong đó: Ya0 - giá trị thí nghiệm thứ a tâm kế hoạch m- số thí nghiệm lặp lại tâm kế hoạch, m = Y - giá trị trung bình thí nghiệm lặp tâm m Y = ∑ Ya m a =1 (4.11) Độ lệch chuẩn hệ số b xác định theo công thức: S2ts N Sb = (4.12) Kiểm tra phù hợp hệ số: Sau tính hệ số b, ta phải kiểm tra tính có nghĩa chúng theo tiêu chuẩn Student: tb = b Sb < t pf (4.13) Trong đó: t pf - tiêu chuẩn Student mức có nghĩa p bậc tự lặp f S b - độ lệch phân bố b Kiểm tra tương hợp phương trình: Sự tương hợp mơ tả thống kê (phương trình) với tranh thực nghiệm kiểm chứng theo tiêu chuẩn Fisher nhờ điều kiện: F= Sdu < Fpf 2f1 S2ts Trong đó: - 69 - (4.14) Fpf 2f1 - tiêu chuẩn Fisher mức có nghĩa p, bậc tự lặp f = m - 1; bậc tự dư f = N - l; l- số hệ số có nghĩa mô tả thống kê; - phương sai dư, tính theo cơng thức: Sdu S du = ∧ N (Yi − Y i ) ∑ N − l i =1 (4.15) ∧ Với Y i - kết thực nghiệm thực (được tính theo phương trình hồi qui loại bỏ hệ số khơng có nghĩa) 4.4.2.2 Xây dựng mơ tả tốn học tối ưu hóa hàm mục tiêu  Hàm mục tiêu độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 Tính hệ số b: Theo cơng thức (4.8), (4.9) dựa vào kết thí nghiệm (bảng 4.4), tính hệ số phương trình (4.6): b = 12,15; b = 0,44; b = 0,47; b = - 0,77 b 12 = -0,73; b 23 = 0,53;b 13 = -0,42; b 123 = 0,41 Phương trình hồi qui lý thuyết có dạng: Y = 12,15 + 0,44x + 0,47x – 0,77x – 0,73x x + 0,53 x – 0,42x x + 0,41x x x Tính phương sai tái sinh: Theo cơng thức (4.10), (4.11) ta tính được: S 2ts = 0,443 Theo cơng thức (4.12), ta tính S b = 0,235 Kiểm tra phù hợp hệ số: Để đánh giá tính có nghĩa hệ số b, cần phải tính giá trị chuẩn số Student cho chúng Theo cơng thức (4.13), ta tính được: t = 51,61; t = 1,86; t = 2,004; t = 3,38; t 12 = 3,10; t 23 = 2,24; t 13 = 1,78; t 123 = 1,75 Với mức có nghĩa p = 0,05; bậc tự lặp f = - = Tra bảng, ta có: t 0,05; = 4,303 So sánh giá trị theo công thức (4.13) có hệ số b , b , b 12 có nghĩa Sau loại bỏ hệ số khơng có nghĩa, phương trình hồi qui có dạng: Y = 12,15 – 0,77x - 70 - (4.16) Kiểm tra phù hợp phương trình (Y ): Theo cơng thức (4.15), ta tính phương sai dư: Sdu = 5,10 Theo điều kiện (4.14), tính chuẩn số Fisher: F = 0,89 Giá trị tra bảng chuẩn số Fisher mức có nghĩa p = 0,05 f = 6; f = là: F 0,05; 6; = 19,3 Nghĩa là: F = 0,89 < F 0,05; 6; = 19,3 Kết luận: Phương trình hồi qui tuyến tính (4.16) phù hợp với thực nghiệm * Hàm mục tiêu độ cứng vật liệu Cu 85 Ni 15 Tính toán tương tự trên, tác giả xây dựng hàm mục tiêu độ cứng vật liệu sau: Y2 = 199,13 -27,63 +1,63x2 + 15,88x3 + 14,88x1x2 +4,38x2x3 -13,38x1x3 - 6,88x1x2x3 (4.17) Sau tính tốn kiểm tra phù hợp phương trình hồi qui với thực nghiệm, thu phương trình hồi qui tuyến tính dạng: Y = 199,13-27,63 x1 (4.18) Từ hai hàm mục tiêu, ta nhận thấy: Áp lực ép ảnh hưởng mạnh đến việc làm giảm độ xốp tăng tỷ trọng, độ cứng vật liệu tăng lên mạnh tăng áp lực ép Trong tăng nhiệt độ thời gian thiêu kết dài, dẫn đến độ xốp tăng lên tạo phồng lên vết nứt tế vi bề mặt biên hạt Đó nguyên nhân làm giảm độ cứng Điều hồn tồn phù hợp với phân tích trình thực nghiệm 4.4 Kết luận chương Trong chương 4, tác giả tiến hành nghiên cứu, phân tích xác đinh đầy đủ số tính chất cơng nghệ vật liệu hợp kim hóa học Cu 85 Ni 15 Đồng thời sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu hợp kim hóa học Cu 85 Ni 15 Qua kết phân tích cho thấy: - Độ cứng vật liệu hợp kim hóa học Cu 85 Ni 15 tăng lên cao (so với Cu nguyên chất) hợp kim hóa với nguyên tố Ni (khoảng 150 HV so với khoảng 258HV) Điều khẳng định hiệu hợp kim hóa học với kích thức hạt nhỏ mịn Tuy nhiên, với chuyển pha Cu, Ni sang pha hợp kim Cu - Ni làm giảm - 71 - mạnh mẽ đến tính khả ép vật liệu - Kết phân tích tổ chức tế vi hiển vi điện tử quét (SEM), lần khẳng định hình thành pha hợp kim Cu - Ni - Sự tác động thông số công nghệ trình ép - thiêu kết đến tính chất mẫu sản phẩm vật liệu Cu 85 Ni 15 lượng hóa hai hàm mục tiêu độ xốp độ cứng Qua cho thấy, chế độ cơng nghệ ổn định xác định là: áp lực ép sơ 400 MPa, khoảng nhiệt độ thời gian thiêu kết từ 9000C từ (1 ÷ 3)h - Khi áp lực ép tăng độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 giảm, độ xốp vật liệu Cu 85 Ni 15 nằm khoảng (10 ÷ 17,7) %, đặc biệt với mẫu thiêu kết nhiệt độ 10000C thời gian dài, độ xốp tăng lên Đây chưa phải kết mong muốn, cần nghiên cứu thêm để giảm độ xốp vật liệu - 72 - Chương V KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận chung - Qua đề tài khẳng định việc thiết lập trình hợp kim Cu - Ni phương pháp nghiền học hoàn toàn thời gian nghiền (4ữ10) h máy nghiền cánh khuấy - Vật liệu chế tạo có ưu điểm đáp ứng yêu cầu tăng tính vật liệu, dễ tạo hình sản phẩm theo yêu cầu, mở hướng để chế tạo vật liệu đa nguyên tố: Có độ cứng tăng lên rõ rệt so với vật liệu nguyên chất Độ xốp vật liệu đạt thấp (tương ứng mật độ cao, đạt 90%), dấu hiệu khả quan cho phương pháp ép nguội (thiết bị ép đơn giản) Tạo pha hợp kim víi kÝch th­íc h¹t nhá 5.2 Mét sè kiÕn nghị Tác giả nhận thấy đề tài mang tÝnh thùc tiƠn rÊt cao, cã thĨ øng dơng rộng rÃi sản xuất Tuy nhiên, để ứng dụng thực tế cần số nghiên cứu Nghiên cứu cụ thể vật liệu điện cực điện húa, tăng nguyên tố hợp kim để phát triển hệ hợp kim mang ưu điểm công nghệ Nghiên cứu chế độ thiêu kết để đạt chất lượng sản phẩm tốt với số lần ép nhỏ nhất, tiết kiệm lượng thiêu kết Thực trình ép nóng để giảm độ xốp xưng 10% giảm áp lực ép - 73 - Tài liệu tham khảo [1] C Suryanarayana; "Mechanical alloying and milling"; Progress in Materials Science 46,1-184 2001 [2] T Mousavi, M.H Abbasi, F Karimzadeh; "Thermodynamic analysis of NiTi formation by mechanical alloying" ; Materials Letters 63(2009)786-788 [3] H.K.D.H Bhadeshia; "Mechanically alloyed metals"; Materials Science and Technology; vol 16(2000) [4] Z.Y Liu, N.H Loh, K.A Khor, S.B Tor; "Mechanical alloying of TiC/M2 high speed steel composite powders and sintering investigation"; Materials Science and Engineering A311(2001)13-21 [5] Bé m«n Kim loại học nhiệt luyện, Cơ sở lý thuyết lệch mạng lý tính kim loại, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1972 [6] PGS.TS Trần Văn Dũng, Biến dạng tạo hình vật liệu bột compozit, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009 [7] Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy (10/2007), Cấu trúc tính chất vật liệu tổ hợp Cu cốt hạt phân tán TiB chế tạo phương pháp phối hợp nghiền học, phản ứng tự sinh nhiệt nhiệt độ cao thiêu kết xung plasma, Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại, (14), 38 - 42 [8] Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy (4/2008), Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-TiB phương pháp nghiền trộn hành tinh kết hợp thiêu kết xung plasma, Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại, (số 17), 44 - 48 [9] Lê Công Dưỡng (chủ biên), Vật liệu học, Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật, Hà Nội, 2001 [10] TS Bùi Văn Mưu (chủ biên), Lý thuyết trình luyện kim, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội, 1997 [11] Jacques E Schoutens and Kamal Tempo (?), Introduction to Metal Matrix Composite Materials, California (MMCIAC TUTORIAL SERIES) [12] V Rajković, O Erić, M Mitkov, E Romhanji (2004), ″Chracterization of - 83 - Dispersion Strengthened Copper with 3wt% Al O by Mechanical Alloying”, SCIENCE OF SINTERING, Materials Letters (36), 205 - 211 [13] TS Nguyễn Đình Thắng, Giáo trình Vật liệu điện, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội, 2005 [14] PGS TSKH Nguyễn Tất Tiến (2004), Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [15] PGS.TS Trần Văn Dũng, Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [16] Nguyễn Khắc Xương, Vật liệu kim loại màu, Nhà xuât Khoa học - Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 - 84 - ... giải vấn đề cụ thể sau: Nghiên cứu chế tạo hợp kim Cu - Ni phương pháp nghiền học Cơ chế hình thành pha hợp kim Cu - Ni, thiết bị nghiền, thời gian nghiền… Ảnh hưởng trình tạo khối thiêu kết đến... nhiều phương pháp tăng bền hợp kim với kim loại khác Hợp kim đồng - niken chế tạo phương pháp hoả luyện truyền thống nấu luyện tạo hợp kim, đúc sản phẩm, gia công khí Với ưu điểm - 10 - phương pháp. .. sở thực tiễn cao Phương pháp khơng có hiệu việc chế tạo hợp kim Cu - Ni phương pháp học, mà mở tiềm ứng dụng công nghệ chế tạo hệ vật liệu tổ hợp nguyên, nguyên sở hợp kim đồng niken - 42 - Chương