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

BỀN NHIỆT, ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO

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 và Cu - Cr - Zr có hàm lượng Cr và Zr từ 1÷ 10%.

Ở Ucraina đã tiến hành nhiệt nhôm hoàn nguyên Cr2O3 có crômat kali, trợ dung NaCl, CaO có thể sản xuất Cr có độ sạch cao (99% Cr).

Từ các hợp kim trung gian Cu- Cr, Cu-Zr- Mg…người ta đã sản xuất các loại hợp kim Cu bền nhiệt làm điện cực hàn có chất lượng cao cũng như các điện cực Cu- Zr- Cr mạ bạc đo thế điện động trong chân không.

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, …

23

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 nõng cao chất lượng cực hàn cần nấu luyện cỏc loại hợp kim Mц4 và Mц5B trong lò chân không.

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

24

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].

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn trong lò hở [2]

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 0,3ữ0,7%, Zr 0,1ữ0.3%, Mg 0,1ữ0,3 để chế tạo phụi điện cực hàn ỉ14, ỉ16, ỉ20, ỉ24.

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.

25

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 Cu-Cr, Cu-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 nghiờn cứu sản xuất thử chế tạo điện cực hàn ỉ14, ỉ20 và bỏnh 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

26

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.