Nghiên cứu chế tạo phôi điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp nền đồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TIẾN GIANG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHÔI ĐIỆN CỰC HÀN TỪ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – Năm 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN GIANG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHÔI ĐIỆN CỰC HÀN TỪ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN VĂN DŨNG Hà Nội – Năm 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu trình bày luận văn Các kết chưa công bố cơng trình khác Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả Nguyễn Tiến Giang MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời mở đầu Chương Tổng quan vật liệu kim loại bền nhiệt có điện dẫn cao 11 1.1 Vật liệu dẫn điện kim loại 11 1.2 Đồng - Vật liệu kim loại có điện dẫn cao sử dụng rộng rãi kỹ thuật 16 1.3 Vật liệu Compozit đồng-vật liệu bền nhiệt có điện dẫn cao tiềm 25 1.4 Tình hình nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt có điện dẫn cao 39 1.5 Kết luận chương I 44 Chương Phân tích lựa chọn phương án công nghệ thiết bị chế tạo vật liệu compozit cốt hạt mịm bền nhiệt có điện dẫn cao 46 2.1 Chuẩn bị hỗn hợp bột kim loại 46 2.2 Nghiền trộn học hỗn hợp bột kim loại 47 2.2.1 Các dạng máy nghiền trộn học 47 2.2.2 Khái quát phương pháp nghiền trộn học 50 2.2.3 Các tượng xảy trình nghiền trộn học 51 2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất vật liệu nghiền 54 2.3 Một số phương pháp gia công áp lực vật liệu compozit cốt hạt 61 2.4 Thiêu kết 65 2.4.1 Các trình xảy thiêu kết 66 2.4.2 Cơ chế biến dạng vật liệu bột compozit hạt thiêu kết 69 2.5 Kết luận chương II Chương Kỹ thuật thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp bến nhiệt có điện dẫn cao ứng dụng làm phôi điện cực hàn cắt hồ quang Plasma 72 73 3.1 Khảo sát mỏ hàn cắt Plasma 3.2 Nguyên lý hàn hồ quang Plasma 3.2.1 Nguyên lý hàn – cắt plasma 3.2.2 Thiết bị hàn hồ quang plasma 3.3 Lựa chọn chế độ công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Cr 3.4 Nghiền trộn học 3.4.1 Lựa chọn thiết bị nghiền trộn học 3.4.2 Tính toán phối liệu 3.4.3 Chế độ nghiền 3.4.4 Các giai đoạn trình nghiền 3.5 Ép sơ 3.5.1 Mục đích ép sơ 3.5.2 Áp lực ép 3.5.3 Phương pháp ép 3.5.4 Thiết bị ép 3.6 Thiêu kết 3.6.1 Chế độ thiêu kết 3.6.2 Thiết bị thiêu kết 3.6.3 Kết q trình hồn ngun - thiêu kết 3.7 Kết luận chương Chương Kết bàn luận 4.1 Xác định độ xốp vật liệu Cu-Cr 4.1.1 Phương pháp xác định độ xốp 4.1.2 Kết đo độ xốp vật liệu Cu-Cr 4.2 Xác định độ cứng vật liệu 4.3 Tổ chức tế vi vật liệu 4.4 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa cơng nghệ chế tạo vật liệu 4.4.1 Giới thiệu phương pháp 4.4.2 Mơ hình nghiên cứu 4.5 Dự báo độ dẫn điện 4.5 Kết luận chương Chương Kết luận kiến nghị 5.1 Kết luận 5.2 Kiến nghị Tài Liệu tham khảo Trang 73 74 75 76 79 81 81 83 84 85 90 90 90 90 90 91 91 92 93 94 95 95 95 96 97 98 101 101 101 107 109 110 110 110 112 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các đặc tính vật lý kim loại chủ yếu (ở 200C) dùng kỹ thuật điện; Bảng 1.2 Các tính chất vật lý điển hình số kim loại màu; Bảng 1.3 Thành phần thông dụng, ký hiệu số đồng kỹ thuật Bảng 1.4 Các thông số đặc trưng số nguyên tố Bảng 1.5 Tính chất MZC Cu-Ni-Ti [26] Bảng 1.6 Quá trình sản xuất hợp kim Cu [26] Bảng 1.7 Tính chất vật liêu compozit Cu-1,6% WC trước sau biến dạng Bảng 3.1 Hình ảnh đơn giá số mỏ cắt Plasma thông dụng thị trường Việt Nam Bảng 3.2: Thành phần (theo khối lượng) hỗn hợp vật liệu bột ban đầu 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) 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) Bảng 4.3: Điều kiện thí nghiệm chọn Bảng 4.4: Ma trận quy hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Biểu diễn đường cong biến đổi điện trở suất đồng theo nhiệt độ Hình 1.2 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ thử tiêu tính đồng; Hình 1.3 Sự phụ thuộc tính đồng vào mức độ biến dạng; Hình 1.4 Sự thay đổi tính Cu phụ thuộc vào nhiệt độ ủ Hình 1.5 Giản đồ trạng thái Cu - Al Hình 1.6 Sự phụ thuộc tính hợp kim Cu - Al vào hàm lượng Al (đúc khn kim loại) Hình 1.7 Giản đồ trạng thái hệ Cu- Cr Hình 1.8 Giới hạn vùng bão hịa dung dịch rắn hệ Cu -Cr Hình 1.9 Giản đồ trạng thái hệ Cu - Zr Hình 1.10 Trình tự chuyển động lệch mạng Hình 1.11 Quy trình cơng nghệ chế tạo sản phẩm compozit cốt hạt mịn phương pháp biến dạng tạo hình Hình 1.12 Cơ tính tính dẫn điện Cu nguyên chất Hình 1.13 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến độ cứng MZC Cu-Ni-Ti Hình 1.14 Ảnh TEM cấu trúc tế vi hợp kim Cu-Ni-Ti sau nung (a) 10050K (b) 12270K làm nguội khơng khí Hình 1.15 Độ cứng hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC - Cu - 5% (thể tích) TiC, máy nghiền mài; - hạt Cu lớn; - Cu - 5% (thể tích) TiC, máy nghiền mài; Hình 1.16 Ảnh TEM hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC ép chảy Hình 1.17 Ảnh SEM vật liệu đạt sau Cu tan thành bột vật liệu compozit Cu-Al O hình thành Al O xử lý nhiệt: Hình 1.18 Độ cứng (HRB) độ dẫn điện (% IACS) thương mại vật liệu chế tạo với thành phần Al O thay đổi Hình 1.19 Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu điện cực hàn Hình 1.20 Sơ đồ cơng nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn phương pháp nhiệt nhôm nhiệt magiê Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu compoozit cốt hạt mịn theo phương pháp nghiền trộn học Hình 2.2 Máy nghiền tang trống dùng để tạo vật liệu bột cứng Hình 2.3 Máy nghiền rung Hình 2.4 Sơ đồ máy nghiền xoắn Hình 2.5 Sơ đồ máy nghiền hành tinh Hình 2.6 Sơ đồ chuyển động bi nghiền vật liệu tang nghiền Hình 2.7 Sơ đồ để tính tốc độ quay tới hạn máy nghiền Hình 2.8 Sơ đồ ép phía (a) ép hai phía (b) Hình 2.9 Sơ đồ ép vật liệu tổ hợp cốt hạt [3] Hình 2.10 Sơ đồ ép đẳng tĩnh nóng chiều Hình 2.11 Sơ đồ ép chảy vật liệu compozit cốt hạt Hình 2.12 Mơ hình khuếch tán thiêu kết Hình 2.13 Sơ đồ tăng trưởng bề mặt tiếp xúc cầu hoá lỗ xốp chuyển dịch nguyên tử bề mặt Hình 2.14 Các chế liên kết hạt cầu rắn khoảng thời gian tác động tương hỗ τ = Hình 2.15 Tác động lực hạt thiêu kết Hình Sơ đồ nguyên lý hàn – cắt plasma Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo mỏ hàn Hình 3.3 Cắt nồi thép inox Hình 3.4 Hàn nồi Hình 3.5 Giản đồ trạng thái Cu – Cr Hình 3.6 Ảnh hưởng nguyên tố khác đến độ cứng lâu đồng nhiệt độ cao Hình 3.7 Máy nghiền bi kiểu cánh khuấy Hình 3.8 Một số chi tiết máy nghiền cánh khuấy Hình 3.9 Cân điện tử, độ xác 10-4g Hình 3.10 Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu Cu-Cr (a) ; sau nghiền với tốc độ nghiền 620 vg/ph thời gian h (b) Hình 3.11 Máy phân tích rơnghen D5005 - SIEMENS Hình 3.12 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp bột ban đầu Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu vật liệu sau thiêu kết Hình 3.15 Khn ép sơ Hình 3.16 Máy ép thủy lực 100 T Hình 3.17 Giản đồ thiêu kết mẫu Cu-Cr Hình 3.18 Lị thiêu kết Linn 1300 Hình 3.19 Kết phân tích EDX mẫu sau thiêu kết 9000C, thời gian Hình 4.1 Mơ hình xác định độ xốp vật liệu Cu-Cr Hình 4.2 Ảnh hiển vi quang học mẫu Cu-5%(khối lượng)Cr sau thiêu kết 9000C 1h, độ phân giải 100 lần (a), 200 lần (b) Hình 4.3 Kính hiển vi điện tử qt FEI quanta 200 Hình 4.4 Ảnh SEM mẫu Cu-5%(khối lượng)Cr sau thiêu kết 9000C thời gian 1h độ phóng đại (X 30.000) Hình 4.5 Kết phân tích EDX mẫu Cu-5%(khối lượng)Cr sau thiêu kết 9000C thời gian 1h độ phóng đại (X 30.000) Hình 4.6: Mơ hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm Hình 4.7 Biểu đồ biểu diễn phụ thuộc độ dẫn điện vật liệu compozit CuCr vào hàm lượng %Cr LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp ngành mũi nhọn hàng khơng, vũ trụ mà cịn ngành cơng nghiệp truyền thống điện, điện tử, nhiệt lạnh, chế tạo máy, xây dựng, hố học, cơng nghiệp giấy, gỗ, da… địi hỏi phải có vật liệu có tính chất ưu việt vật liệu thông thường Kim loại hợp kim túy có tính chất lý xác định Khó có kim loại, hợp kim phi kim loại lúc có tất tính chất lý tốt, ngày tồn số lượng lớn kim loại hợp kim, song lúc vật liệu đáp ứng yêu cầu đặt Như quy luật tất yếu, vật liệu tổ hợp (cốt tấm, cốt sợi, cốt hạt ) đời Vật liệu tổ hợp kết hợp tính chất vật liệu khác vào vật liệu tạo tính chất hồn tồn có khả thoả mãn nhu cầu, đa dạng phong phú công nghiệp phát triển tương lai với tính đặc biệt khả chịu nhiệt, chịu ma sát, chịu mài mòn, chống ăn mòn, khả truyền điện số tính khác mà vật liệu truyền thống khơng có Sự xuất phát triển mạnh mẽ vật liệu nhằm giảm thiểu kích thước, trọng lượng linh kiện thiết bị hay thay kim loại quý hiếm, đắt tiền Vì vậy, vật liệu tổ hợp ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, nhà sản xuất ứng dụng rộng rãi nhiều ngành kinh tế quốc dân Ví dụ, để chế tạo tiếp điểm người ta thường sử dụng bạc (Ag) có tính dẫn điện tốt, song Ag có giá thành cao nên không kinh tế Trong xu người ta thường sử dụng đồng (Cu) hợp kim đồng thay Ag để làm giảm giá thành Cu có độ dẫn điện lớn (chỉ Ag), giá thành không cao (rẻ Ag nhiều), dễ gia cơng, bị ơxi hóa Cu cịn sử dụng rộng rãi để sản xuất loại điện cực hàn nói chung mỏ hàn - cắt plazma nói riêng Nhưng giống Ag, độ bền nhiệt Cu khơng cao Chính việc tăng độ bền cho Cu 4.4 XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU TỐI ƯU HĨA CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU Cu-Cr 4.4.1 Giới thiệu phương pháp Để nghiên cứu tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-Cr, sử dụng số phương pháp: - Phương pháp biểu đồ; - Phương pháp giải tích; - Phương pháp thống kê; - Phương pháp qui hoạch hóa thực nghiêm 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 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 toán gọn, đơn giản mà đảm bảo độ xác định Vì vậy, với mục đích nghiên cứu tính chất vật liệu nanocompozit Cu-Cr tổng hợp từ vật liệu ban đầu bột Cu; bột Cr phương pháp nghiền trộn học lượng cao như: độ xốp, độ cứng Tác giả lựa chọn phương pháp nhằm tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-5% (khối lượng) Cr 4.4.2 Mơ hình nghiên cứu X1 X2 X3 Z1 Z2 Z3 Đối tượng nghiên cứu Y1 Y2 Hình 4.5 Mơ hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm 101 Trong đó: X i (i = ÷ 3) - yếu tố ngẫu nhiên (không xét); Z i (i = ÷ 3) - yếu tố ảnh hưởng (điều khiển được); Y i (i = ÷ 3) - yếu tố khảo sát (hàm mục tiêu) 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 = 700 ÷ 900 oC + Thời gian thiêu kết: τ = ÷ + Áp lực ép sơ bộ: P = 200 ÷ 400 MPa Từ xây dựng điều kiện thí nghiệm theo bảng 4.3 Bảng 4.3 Điều kiện thí nghiệm chọn Các mức Mức (+1) Mức sở (0) Mức (-1) Khoảng biến thiên  Z , oC 900 800 700 100 Các yếu tố ảnh hưởng Z , 1 Z , MPa 400 300 200 100 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 102 Chọn mơ tả tốn 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) 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 −Z i(max) i(min) i i , với Zi = ; ΔZi = i(max) i(min) Xi = 2 ΔZ 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 x0 x1 x2 x3 Z1 Z2 Z3 + 700 200 + + 700 200 + + Số thí 900 200 nghiệm + + + 900 200 + + 700 400 phương + + + 700 400 án 2k + + + 900 400 + + + + 900 400 + 0 Số thí 800 300 nghiệm 10 + 0 800 300 tâm 11 + 0 800 300 103 Giá trị hàm mục tiêu Y , % Y , HV 12.3 13.5 7.0 14.7 12.5 12.6 5.6 8.3 7.7 11.5 11.2 90 85 210 86 131 135 225 128 200 120 130  Tính hệ số (b): N ∑ X ji Yi N i =1 bj = b ju =  ; với i = ÷ j = ÷ N ∑ X ji X ui Yi N i =1 ; với j, u = ÷ 3; j ≠ u (4.8) (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: 104 F= Sdu < Fpf 2f1 S2ts (4.14) Trong đó: 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 mơ tả thống kê; - phương sai dư, tính theo công 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 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-5%(khối lượng)Cr Tính hệ số b: Theo công thức (4.8), (4.9) dựa vào kết thí nghiệm (bảng 4.4), tính hệ số phương trình (4.6): b = 10,80; b = 1,46; b = -1,91; b = - 1,08 b 12 = 1,13; b 23 = -0,98; b 13 = -0,77; b 123 = -0,46 Phương trình hồi qui lý thuyết có dạng: Y = 10,8 + 1,46x - 1,91x - 1,08x + 1,13x x - 0,89 x x - 0,77 x x - 0,46 x x x Tính phương sai tái sinh: Theo cơng thức (4.10), (4.11) ta tính được: ( ) m Ya − Y ∑ m − a =1 m Y = ∑ (Ya0 ) = (7,7 + 11,5 + 11,2) = 10,13 m a =1 (7,7 − 10,13)2 + (11,5 − 10,13)2 + (11,2 − 10,13)2 = 4,42 S ts2 = −1 S 2ts = [ ] Theo công thức (4.12), ta tính S b = S 2ts = N 105 4,42 = 0,743 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 công thức (4.13), ta tính được: t = 14,54; t = 1,96; t = 2,,57; t = 1,45; t 12 = 1,52; t 23 = 1,32; t 13 = 1,04; t 123 = 0,62 Với mức có nghĩa p = 0,05; bậc tự lặp f = - = Tra bảng phụ lục [7], ta có: t 0,05; = 4,303 So sánh giá trị theo công thức (4.13) Sau loại bỏ hệ số khơng có nghĩa, phương trình hồi qui có dạng: Y = 10,80 + 1,46x - 1,91x -1,08 x (4.16) Kiểm tra phù hợp phương trình (Y ): Theo cơng thức (4.15), ta tính phương sai dư: S du = 6,32 Theo điều kiện (4.14), tính chuẩn số Fisher: F = 6,32 = 1,43 4,42 Giá trị tra bảng chuẩn số Fisher mức có nghĩa p = 0,05 f = 6; f = (phụ lục [7]) là: F 0,05; 6; = 19,3 Nghĩa là: F = 1,43 < 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-5%(khối lượng)Cr Tính tốn tương tự trên, tác giả xây dựng hàm mục tiêu độ cứng vật liệu Cu-5%(khối lượng)Cr sau: Y2 = 136,25–27,75x +26,0x +18,5x -27,5x x -4,25x x + 4,5x x + 2,25x x x (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 = 136,25 - 27,75x - 26,0x +18,5x - 27,5x x (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 tiếp giáp Cu Cr Đó nguyên nhân 106 làm giảm độ cứng Điều hoàn toàn phù hợp với phân tích q trình thực nghiệm Pha nano Cr phân tán Cu q trình gia cơng nghiền trộn học lượng cao làm giảm mạnh tính khả ép khả thiêu vật liệu Kết khảo sát cho thấy, tăng áp lực ép đến 500 MPa, xuất hiện tượng nứt phân lớp khối Mặt khác, pha nano Cr phân tán Cu, khoảng thiêu kết thu hẹp lại đáng kể, với mẫu thiêu kết nhiệt độ 9000C thời gian ÷ 3h xuất vết nứt, kéo theo việc tăng lên độ xốp Hiện tượng thường xuyên xảy chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt kim loại (Cu) kim loại (Cr) nhiệt độ cao, trở nhiệt độ thường để lại vết nứt lỗ trống bề mặt tiếp giáp Kết là, độ cứng vật liệu giảm mạnh Khoảng nhiệt độ thời gian thiêu kết ổn định xác định từ 800 ÷ 9000C, thời gian từ ÷ 2h Sau tiến hành khảo sát 5% xác định chế độ ép thiêu kết tối ưu tác giả tiến hành khảo sát chế độ tối ưu cho tỷ lệ Cr vật liệu 3% trọng lượng kết độ cứng đạt lớn 138 HV thấp nhiều so với 5% khảo sát 225 HV Tác giả tiến hành trộn máy trộn tang trống có bi nghiền - h sau đem ép thiêu kết chế độ với mẫu nghiền 6h kết tất mẫu trộn máy trộn tang trống bị vết nứt lớn Từ kết lần khẳng định để chế tạo vật liệu Cu-Cr cần phải tiến hành nghiền máy nghiền lượng cao 4.5 DỰ BÁO ĐỘ DẪN ĐIỆN Độ dẫn điện vật liệu compozit Cu-Cr thông số quan trọng hàng đầu vật liệu ứng dụng lĩnh vực vật liệu điện Độ dẫn điện vật liệu đánh giá qua điện trở suất mẫu, đo độ dẫn điện vật liệu đo điện trở suất vật liệu Tuy nhiên với điều kiện Việt Nam việc đo độ dẫn điện gặp khó khăn, mẫu vật liệu cần đo phải đủ dài cho độ xác tin cậy vật liệu tổ hợp chế tạo phương pháp bột việc tạo mẫu đủ dài để gặp nhiều khó khăn địi hỏi phải có thời gian đầu tư lớn Tuy nhiên theo Nguyen Dang 107 Thuy [33], Hyun-Ki Kang [34] R.J.Laudauer [37] Độ dẫn điện vật liệu compozit dự báo theo mơ hình sau Độ dẫn điện pha nanocompozit Cu-Cr biểu diễn mơ hình đồng pha không tương tác theo R.J.Laudauer [37] theo Nguyen Dang Thuy [33] sau: σ c = σ m (1 − Vi ) (4.19) Trong σ c , σ m độ dẫn điện composites Cu, V i tỷ lệ thể tích pha cốt (Cr) Cơng thức (4 19) viết sau: V Cr σc = (1 − Vi ) σm σ Gọi F = c , σm = Vi, F - độ dẫn điện IACS% vật liệu tổ hợp F - hàm V i, theo tỷ lệ thể tích Cr: F1 = (1 − VCr ) (4.20) Số liệu độ dẫn điện Cu vật liệu compozit không tương tác phù hợp với mô hình (4.20) biểu diễn hình 4.7 Tuy nhiên với Cr cốt hạt có tính dẫn điện, khơng tạo thành liên kim với Cu nên ảnh hưởng đến độ dẫn điện vật liệu compozit sau Cu nên độ dẫn điện vật liệu thu phù hợp với gần với (4.20) Nhưng mặt khác trình nghiền trộn học, thiêu kết có ảnh hưởng đến độ dẫn điện vật liệu compozit hệ số thực nghiệm k tn nói đến ảnh hưởng q trình cơng nghệ, tương tác pha pha cốt với ảnh hưởng đến độ dẫn điện Cu Nếu đưa thêm hệ số thực nghiệm xét đến yếu tố ảnh hưởng vào (4.19) ta có F2 = k tn (1 − VCr ) (4.21) Theo tính tốn đề xuất [33] k tn = 0,92 108 Từ (4.19) (4.20) ta dự báo độ dẫn điện vật liệu Cu-nanocompozit Độ dẫn điện (IACS %) Cr theo tỷ lệ % thể tích Cr biểu diễn hình 4.7 100 95 F1 = (1 − VCr ) 90 F2 = ktn (1 − VCr ) 85 80 75 70 % thể tích Cr H×nh 4.7 Sù phơ thc ®é dÉn ®iƯn vËt liƯu compozit Cu-Cr vào hàm lượng %Cr 4.5 KT LUN CHNG Trong chương 4, tác giả tiến hành nghiên cứu, phân tích xác định đầy đủ số tính chất cơng nghệ vật liệu Cu-5% (khối lượng) Cr Đồng thời sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu-Cr Qua kết phân tích cho thấy: - Độ cứng vật liệu Cu-Cr tăng lên cao (so với Cu nguyên chất) Cu gia cố hóa bền pha nano Cr phân tán (khoảng 225 HV so với khoảng 50HV, có nghĩa tăng lên lần) Điều khẳng định hiệu hóa bền pha nano Cr Cu - Độ dẫn điện theo dự báo mơ hình dự báo độ dẫn điện giảm không nhiều, độ đẫn điện đạt khoảng 90 - 93 IACS % - Kết phân tích tổ chức tế vi hiển vi điện tử quét (SEM), lần khẳng định hình thành hạt nano Cr phân tán Cu Pha nano Cr phân tán với kích cỡ mịn khoảng 50 ÷ 100 nm - Sự tác động thơng số cơng nghệ q trình ép - thiêu kết đến tính chất mẫu sản phẩm vật liệu Cu-5% (khối lượng) Cr lượng hóa hai hàm mục tiêu độ xốp độ cứng Qua cho thấy, chế độ công nghệ ổn định xác định là: áp lực ép sơ 400 MPa, khoảng nhiệt độ thời gian thiêu kết từ 800 ÷ 9000C từ ÷ 2h 109 - Khi áp lực ép tăng nhìn chung độ xốp vật liệu Cu-5% (khối lượng) Cr giảm, độ xốp vật liệu nằm khoảng ÷ 15%, đặc biệt với mẫu thiêu kết nhiệt độ cao thời gian dài, độ xốp cao Đây chưa phải kết mong muốn, cần nghiên cứu thêm để giảm độ xốp vật liệu 110 Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Tổng hợp toàn kết nghiên cứu từ rút kết luận sau: - Qui trình cơng nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp đồng nanocompozit Cu-Cr phương pháp nghiền trộn thiết lập hoàn toàn hợp lý - Về mặt thực nghiệm hoàn toàn tổng hợp pha nano Cr phân tán Cu, với kích cỡ hạt nano Cr siêu mịn khoảng 50 ÷ 200 nm - Độ cứng vật liệu Cu-Cr tăng lên rõ rệt so với vật liệu Cu nguyên chất, khẳng định pha nano Cr hóa bền Cu cách hiệu - Cr không tạo liên kim với Cu, hịa tan vào Cu nên không gây ảnh hưởng nhiều đến độ dẫn điện Cu - Với thời gian tốc độ nghiền trộn khảo sát hợp lý để tổng hợp nanocompozit Cu-Cr vật liệu tổ thu chưa bị lẫn tạp trình trình nghiền trộn học gây - Việc tạo vật liệu tổ hợp nanocompozit Cu-Cr Cu cốt hạt Cr kim loại phân tán với tính chất khảo sát mở triển vọng lớn cho việc chế tạo ứng dụng vật liệu bền nhiệt có điện dẫn cao cho ngành kỹ thuật đặc biệt cho ngành kỹ thuật điện chế tạo loại điện cực hàn 5.2 KIẾN NGHỊ Đây đề tài mang tính thực tiễn cao, ứng dụng sản xuất Tuy nhiên để ứng dụng sản xuất cần số nghiên cứu tiếp Nghiên cứu, khảo sát đo độ dẫn điện Nghiên cứu, triển khai chế tạo điện cực hàn áp dụng vào thực tiễn Nghiên cứu bổ sung thêm nguyên tố Cu-Cr để nâng cao tớnh cht ca vt liu 111 Tài liệu tham khảo Nguyễn Hữu Bính (1999), Luận văn tốt nghiệp cao học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ mơn Kim loại học nhiệt luyện (1972), C¬ së lý thuyết lệch mạng lý tính kim loại, Trng Đại học Bách Khoa Hà Nội PGS-TS Trần Văn Dũng, Biến dạng tạo hình vật liệu bột compozit, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội 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 Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy (4/2008), (Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-TiB2 phương pháp nghiền trộn hành tinh kết hợp thiêu kết xung plasma”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ kim loại, (số 17), 44 - 48 Lê Công Dưỡng (chủ biên) (2001), Vật liệu học, Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật, Hà Nội Trần Minh Đức (2004), Luận văn tốt nghiệp cao học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luke Fischer (2004), ″Literature Survey Report: Nano - Dispersion Strengthening of Aluminum”, MCEN 5208 Introduction to Research, Colorado University at Boulder Randall M German (1994), Powder Metallurgy Science - second edition, Metal Powder Industries Federation, Priceton, New Jersey 08540-6692 U.S.A 10 Nghiêm Hùng (2007), Vật liệu học sở, Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật, Hà Nội 11 CHENG Jianyi, WANG Mingpu, LI Zhou, WANG Yanhui (College of Material Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, P.R.China) (2002) ″Nano scale Al2O3 Dispersion - strengthaned Copper Alloy 112 Produced by Internal Oxidation”, China - EU Forum on Nanosized Technology, Materials Letters, 93 - 98 12 Karl U Kainer (2006), Metal Matrix Composites Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering, Copyright by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KgaA, Weinheim 13 D.W Lee & B.K Kim (Nano P/M Group, Deparment of Materials Technology Korea Institute of Machinery and Materials, 66, Sangnam, Changwon, Kyungnam, South Korea) (2004), ″Nanostructure Cu - Al2O3 composite produced by thermochemical process for electrode application”, SCIENCE DIRECT, Materials Letters (58), 378 - 383 14 Lei Lu, Yongfeng Shen, Xianhua Chen, Lihua Qian, K Lu (2004) (Shenyang National Laboratory of Material Science, Instotute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, P.R China), ″Ultrahigh Strength and High Electrical Conductivity in Copper”, SCIENCE VOL 304 15 D.B Miracle (Materials and Manufacturing Directorate, Air Force Research Laboratory, 2230 Tenth Street, Deyton, OH 454336533, USA) (2005), ″Metal Matrix Composites - From Science to technological significance”, SCIENCE DIRECT, Composites Science and Technology 65, 2526 – 2540 16 TS Bùi Văn Mưu (chủ biên) (1997), Lý thuyết trình luyện kim, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội 17 Jacques E Schoutens and Kamal Tempo (?), Introduction to Metal Matrix Composite Materials, California (MMCIAC TUTORIAL SERIES) 18 V Rajković, O Erić, M Mitkov, E Romhanji (2004), ″Chracterization of Dispersion Strengthened Copper with 3wt% Al2O3 by Mechanical Alloying”, SCIENCE OF SINTERING, Materials Letters (36), 205 - 211 19 TS Nguyễn Đình Thắng (2005), Giáo trình Vật liệu điện, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội 20 Nguyễn Tất Tiến (2004), Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội 113 21 TS Nguyễn Đắc Trung (2007), Bài giảng Vật liệu tổ hợp kim loại kỹ thuật xử lý bề mặt, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 22 Nguyễn Khắc Xương (2003), Vật liệu kim loại màu, Nhà xuât Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 23 Rodrigo H Palma, Aquiles H Sep’ulveda, Rodrigo A Espinoza, Roberto C Montiglio (2005), J Mat Fro Tech., Vol 169 24 Wang Mengjun, Zhang Liyong and Liu Xinyu (2005), J Mat Pro Tech., Vol 169 25 A Gaganov, J Freudenberger, E Botcharova, L Chultz (2006), J Mat Pro Tech., Vol 169 26 Arthur K Lee, Nicholas J Grant (1983), Mat Sci Eng A, Vol 60 27 E Botcharova, J Freudenberger, L Chultz (2006), J Mat Pro Tech., Vol 54 28 Kea Muyng Kang and Jong Unchoi (2004), Korean J Mat Re, Vol 14 No.1 29 J S Benjamin (1970), Metallurgical Transaction 30 E Yuasa,T.Morooka,R.Laag,W.A.Kaysser, and G.Petow, Microstructural Change of Cu-Ti-B Powders during Mechanical Alloying, Powder Metallurgy, Vol.35, No.2 (1992) 31 S.J.Dong, Y.Zhou, Y.W.Shi, H.H Chang, Formation of a TiB -reinforced Copper-based Compozite by Mechanical Alloying and Hot Pressing, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol.33A (2002) 32 TS Nguyễn Văn Chiến (2004), Nghiên cứu sản xuất loại hợp kim Cu bền nóng để làm bánh xe hàn điện cực hàn, Viện nghiên cứu mỏ luyện kim 33 Nguyen Dang Thuy, A study on the Fabricaton of Cu-TiB Nanocomposites by Mechanical Activation, Selt-propagating High-Temperature Synthesis and Spark Plasma Sintering, 2007 34 Hyun-Ki Kang, Microstructural and Electrical Conductivity of High Volume Al O – reinforced Copper Matrix Composites Produced by Plasma Spray, Surface & Coatings Technology, Vol.190 (2005) 448 – 452 114 35 Peter Jessner, Investigations on the microstructure of severely deformed Cu-CrComposites, Diplomarbeit,Department Material Physics, University of Leoben, September 2006 36 Nguyễn Khắc Xương, Vật liệu kim loại màu, Nhà xuât Khoa học - Kỹ thuật, Hà Nội- 2003 37 R.J.Laudauer, Appl Journal of Applied Physics, Vol.23 (1952) 779 115 ... dẫn điện, dẫn nhiệt, ) để chế tạo vật liệu tiếp điểm điện điện cực hàn điều kiện công nghệ kỹ thuật Việt Nam tác giả lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo phôi điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp đồng? ??... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN GIANG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PHÔI ĐIỆN CỰC HÀN TỪ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU LUẬN VĂN... cần nghiên cứu vật liệu có điện dẫn cao, có khả làm việc bền vững nhiệt độ cao vật liệu tiếp điểm điện vật liệu điện cực hàn, hàn hồ quang plasma - phương pháp hàn đại 1.1.1 Vật liệu tiếp điểm điện