Nghiên cứu tạo vật liệu tổ hợp hai lớp hợp kim đồng + thép làm vật liệu truyền dẫn điện

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG






BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP 2 LỚP
HỢP KIM ĐỒNG THÉP LÀM THANH CÁI TRUYỀN DẪN
ĐIỆN ĐỘNG LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP




Mã số: 01.10 RDBS/HĐ-KHCN
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lương Văn Tiến







8800


Quảng Ninh, tháng 3/ 2010
BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG


TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP 2 LỚP
HỢP KIM ĐỒNG THÉP LÀM THANH CÁI TRUYỀN DẪN
ĐIỆN ĐỘNG LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP
(Thực hiện theo Hợp đồng số 01.10 RDBS/HĐ-KHCN ngày 10 tháng 3 năm 2010
giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng)

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lương Văn Tiến
Danh sách các thành viên tham gia thực hiện đề tài
TT Họ và tên
Học vị, học hàm
chuyên môn
Cơ quan
1 Hà Minh Hùng PGS, TS Viện Nghiên cứu Cơ khí
2 Lê Văn Lợi ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD
3 Hoàng Minh Thuận ThS
Trường CĐ Công nghiệp và XD

4 Lương Văn Thành KS
Trường CĐ Công nghiệp và XD

5 Nguyễn Tiến Đạt ThS
Trường CĐ Công nghiệp và XD

6 Đỗ Minh Chiến ThS
Trường CĐ Công nghiệp và XD

7 Hoàng Thị Đông Cử nhân
Trường CĐ Công nghiệp và XD

8 Nguyễn Văn Đức ThS Trường Đại học Bách khoa HN
9 Phạm Thị Hằng KS Trường ĐH Nông nghiệp HN
10 Đào Hồng Thái ThS Viện Nghiên cứu Cơ khí


Quảng Ninh, tháng 3/ 2010

-i-
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết của đề tài
1
2. Mục tiêu, giới hạn nghiên cứu
7
3. Đóng góp về khoa học và thực tiễn của đề tài
8
Chương 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG
NGHỆ HÀN TẠO PHÔI BIMETAL ĐỒNG + THÉP TRONG KỸ
THUẬT ĐIỆN
10
1.1. Vật liệu bimetal dùng cho thanh cái và dây dẫn điện động lực
10
1.1.1. Đồng 13
1.1.2. Đồng thau

13
1.1.3. Hợp kim đồng thiếc
14
1.1.4. Hợp kim đồng beryli
14
1.1.5. Hợp kim đồng bạc
14
1.2. Vật liệu truyền dẫn điện tiếp xúc 15
1.3. Tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu bimetal trong kỹ thuật điện
17
1.3.1. Công nghệ tạo phôi bimetal không qua biến dạng dẻo 18
1.3.2. Công nghệ tạo phôi bimetal bằng phương pháp hàn dưới áp lực
21
1.3.3. Công nghệ hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nóng
21
1.3.4. Công nghệ hàn nguội
21
1.3.5. Hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nguội
22
1.4. Công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal làm vật liệu chế tạo máy và kỹ
thuật điện
23
1.5. Tính chất đặc trưng của bimetal trên cơ sở đồng và thép
25
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
28
Chương 2. NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ NỔ THÍCH HỢP ĐỂ
HÀN NỔ TẠO PHÔI VẬT LIỆU BIMETAL DẠNG HÌNH THANH
VÀ HÌNH TRỤ
29

2.1. Đặc điểm công nghệ hàn nổ
29
2.2. Các thông số hàn nổ chính
32
2.2.1. Các thông số động học 32
2.2.2. Các thông số vật lý
36
2.2.3. Các thông số chính xác địnhchế độ hàn nổ
37
2.3. Giả thiết để thực nghiệm hàn nổ bọc ống đồng vào lõi thép 39
2.4. Phương pháp giải bài toán nổ tóp ống đồng để hàn với lõi thép ở giữa
41
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
43

-ii-
Chương 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HÀN NỔ TẠO PHÔI BIMETAL
ĐỒNG M1 + THÉP 08s VÀ GIÁM ĐỊNH MẪU VẬT LIỆU
44
3.1. Cấu tạo thanh cái
44
3.2. Hàn nổ tạo phôi bimetal đồng M1 + thép 08s
44
3.2.1. Vật liệu thí nghiệm 44
3.2.2. Phương pháp thí nghiệm hàn nổ
45
3.2.3. Mộ số sản phẩm mẫu việt liệu bimetal thép 08s + đồng M1 sau khi hàn
nổ
47
3.2.4. Điều kiện hàn nổ và kết quả thực nghiệm

49
3.2.5. Hiện trạng bề mặt mẫu bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ
51
3.3. Kết quả thực nghiệm trên cơ sở độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép
08s + đồng M1 sau hàn nổ
55
3.3.1. Phương pháp lấy mẫu vật liệu bimetal để giám định 55
3.3.2. Kết quả thực nghiệm xác định độ bến bám dính 2 lớp
58
3.4. Các sản phẩm đạt được sau khi chế tạo vật liệu bimetal thép M1 + thép
08s bằng phương pháp hàn nổ
60
3.5. Các kết quả kiểm nghiệm thanh cái sau khi chế tạo bằng vật liệu
bimetal thép 08s + đồng M1
63
3.5.1. Đo điện trở 63
3.5.2. Kết quả sử dụng thanh cái
66
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
67
Chương 4. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM
THÍ NGHIỆM
68
4.1. Kết quả khảo sát chụp ảnh cấu trúc tế vi biên giới liên kết 2 lớp thép -
đồng trên mẫu bimetal sau hàn nổ
69
4.2. Phân tích kết quả thí nghiệm
71
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
77
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
79
PHỤ LỤC ĐỀ TÀI
82

-iii-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1. Cấu tạo cầu dao cách ly trạm biếm áp động lực 35 kV 1
Hình 2. Sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV sau một thời gian sử dụng
2
Hình 3. Ảnh chụp một đoạn dây dẫn điện động lực (a) cho mạng vận tải tầu
điện 14 kP Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN (b)
3
Hình 4. Hiện tượng phóng hồ quang điện giữa đường dây cung cấp điện và cầu
lấy điện của tầu điện 14 kP tại Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN
4
Hình 5. Hư hỏng cụ bộ của đường dây tải điện động lực cho tuyến tầu điện 14 kP
trong ngành khai thác mỏ tại Công ty mỏ vàng Danh – VINACOMIN
4
Hình 1.1. Ảnh hưởng của tạp chất tới độ dẫn nhiệt (a) và độ dẫn điện (b) của đồng
13
Hình 1.2. Ảnh hưởng của biến dạng nguội đến độ cứng của hợp kim đồng
latông Л63 (1) và Л70 (2)
14
Hình 1.3. Vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện
16
Hình 1.4. Mặt cắt tiết diện ngang của vật liệu bimetal đồng M1 + thép 08s

17
Hình 1.5. Sơ đồ phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu bimetal dùng
trong kỹ thuật điện
18
Hình 1.6. Sơ đồ nổ dưới góc nghiêng (a), (b) và nổ song song (c), (d); sơ đồ
hình học tấm kim loại hàn khi bay tại một thời điểm khi hàn nổ (e)
24
Hình 1.7. Giản đồ trạng thái hệ Cu – Fe
26
Hình 1.8. Sự phụ thuộc của độ bền mối hàn bimetal thép – Cu vào mức độ
biến dạng khi cán nóng (a) và nhiệt độ ủ (b)
27
Hình 2.1. Sơ đồ nổ treo trong trường hợp hàn nổ hai tấm kim loại phẳng
30
Hình 2.2. Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ các tấm kim 31
Hình 2.3. Sơ đồ biểu diễn sự va đập giữa hai lớp kim loại tại một thời điểm khi hàn nổ 33
Hình 2.4. Sơ đồ hàn nổ vật liệu bimetal (a) và sơ đồ phân bố áp suất nén tác
dụng lên chu vi mặt cắt ngang phôi tại một thời điểm khi nổ (b)
39
Hình 3.1. Cấu tạo bộ thanh cái cầu dao cách ly trạm biến áp 6kV) 44
Hình 3.2. Phôi ống đồng M1 và phôi lõi thép 08s trước khi tạo paket hàn nổ
46
Hình 3.3. Nạp thuốc nổ vào phôi pakét ống đồng M1 + lõi thép 08s chuẩn bị
nổ tại hiện trường nổ mìn Xí nghiệp Than Uông Bí - Quảng Ninh
46
Hình 3.4. Mẫu thí nghiệm phôi pakét ống đồng M1 + lõi thép 08s sau khi
hoàn thành việc lồng pakét và bọc thuốc nổ tại hiện trường nổ mìn Xí nghiệp
Than Uông Bí - Quảng Ninh
47
Hình 3.5. Mẫu thí nghiệm và mặt cắt mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng

M1 dạng ống chữ nhật sau hàn nổ
48
Hình 3.6. Mẫu thí nghiệm và mặt cắt mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng
M1 dạng ống tròn sau hàn nổ
48
Hình 3.7. Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu
No. 01, 02, 03 - Lô số 01
50
Hình 3.8. Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu
No. 04, 05, 06 - Lô số 02
50
Hình 3.9. Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu
No. 07, 08, 09 - Lô số 03
51

-iv-
Hình 3.10. Quy ước chia các phân vùng đặc trưng trên phôi bimetal thép -
thép dọc theo hướng nổ
56
Hình 3.11. Thí nghiệm đo độ bền bám dính bằng phương pháp keo dán 56
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý thử phá hủy theo phương pháp kéo dứt (a), kích
thước mẫu thử (b); sơ đồ vị trí cắt lấy mẫu thử xác định độ bền bám dính 2 lớp và
khảo sát cấu trúc tế vi trên phôi bimetal thép 08s + M1 (c)
57
Hình 3.13. Kết quả tính toán mô phỏng số độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08s
+ đồng M1 bằng phần mềm STATSTICA
60
Hình 3.14. Bộ thanh cái của cầu dao cách ly của trạm biến áp 6kV được
chế tạo từ vât liệu bimetal thép 08s + đồng M1
60

Hình 3.15. Cấu tạo bộ thanh cái cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV (thanh cái
là bimetal thép 08s + đồng M1)
61
Hình 3.16. Các bộ thanh cái chế tạo từ vật liệu bimetal thép 08s + M1 bằng
phương pháp hàn nổ được lắp vào bộ cầu dao cách ly trạm biến áp 6kV
62
Hình 3.17. Phôi vật liệu hình trụ bimetal thép 08s + M1 bằng phương pháp hàn nổ
62
Hình 3.18. Các mẫu đo điện trở các thanh cái của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV
làm từ vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1
63
Hình 3.19. Các dụng cụ đo xác định điện trở các mẫu thanh cái của cầu dao cách
ly 6kV tại Phòng thử nghiệm thiết bị điện (Trung tâm An toàn Mỏ, Viên Khoa học
Công nghệ Mỏ - VINACOMIN)
64
Hình 3.20. Quá trình đo và đọc xác định các trị số để tính điện trở các mẫu thanh
cái của cầu dao cách ly 6kV tại Phòng thử nghiệm thiết bị điện, Trung tâm An toàn
Mỏ, Viên Khoa học Công nghệ Mỏ - VINACOMIN
65
Hình 4.1. Mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp (vị trí 1) và mẫu
dùng để quan sát ảnh chụp cấu trúc tế vi theo mặt cắt ngang hướng nổ (vị trí 2)
69
Hình 4.2. Sơ đồ khảo sát ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới hai lớp thép 08s và
đồng M1 dọc theo hướng nổ lấy mẫu tại 8 vị trí khác nhau trên chu vi mặt cắt
ngang phôi hàn nổ số 04-QHTN 1
70
Hình 4.3. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép
08s + đồng M1 ở vị trí số 1 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ)
71
Hình 4.4. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s +

đồng M1 ở vị trí số 2 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ)
71
Hình 4.5. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s +
đồng M1 ở vị trí số 3 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ
72
Hình 4.6. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép
08s + đồng M1 ở vị trí số 4 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ)
72
Hình 4.7. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép
08s + đồng M1 ở vị trí số 5 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ)
72
Hình 4.8. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép
08s + đồng M1 ở vị trí số 6 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ)
73
Hình 4.9. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép
08s + đồng M1 ở vị trí số 7 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ)
73
Hình 4.10. Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal
thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 8 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ)
73

-v-
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 20
0
C) được dùng trong kỹ
thuật điện
12
Bảng 1.2. Tính chất tính chất của một số dây dẫn điện đồng, nhôm và thép

13
Bảng 1.3. Giá trị về tính chất cơ bản của một số hợp kim đồng kỹ thuật
13
Bảng 1.4. Kết quả thử nghiệm xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép
+ đồng khi thử mẫu phá hủy có lực đặt dọc theo bề mặt liên kết 2 lớp
27
Bảng 3.1. Thành phần vật liệu thép làm lõi pakét hàn nổ (theo GOST 1050)
45
Bảng 3.2. Thành phần vật liệu đồng M1
45
Bảng 3.3. Giá trị của biến mã hóa và biến thật
49
Bảng 3.4.
Giá trị đo điện trở của các thanh cái cầu dao cách ly 6kV 65
Bảng 3.5. Tổng hợp tình trạng các thanh cái của cầu dao cách ly trạm điện
6kV trong thời gian chạy thử
66




-1-
LỜI NÓI ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Để đẩy nhanh sự nghiệp Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước; ở Việt
Nam hiện nay đang được đầu tư nhiều dự án trọng điểm của nhà nước trong lĩnh vực
xây dựng các nhà máy phát điện, hệ thống truyền dẫn và phân phối điện trong toàn
quốc. Trong đó phương án chiến lược phát triển m
ạng lưới giao thông công cộng (ô

tô, tầu hỏa, tầu điện) dùng đầu máy là động cơ xăng và động cơ diesel để vận chuyển
người, hàng hóa, nguyên vật liệu và khoáng sản sẽ dần được thay thế bằng đầu
máy động cơ điện, giống như ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới là rất có
triển vọng, giảm thiểu sử dụng các nguồn năng lượ
ng gây ô nhiễm môi trường.
Hiện nay ở nước ta việc chế tạo các thiết bị đóng cắt mạch điện động lực,
trong đó thanh cái dẫn điện trong quá trình đóng cắt phải chịu lực và xung lực
đóng cắt rất lớn (ví dụ như: cầu dao cách ly trạm biến áp 35 kV, 6 kV ); các
đường dây tải điện động lực của các tuyến đường tầu vận tải chạy máy
điện 1
chiều để chuyên chở vật liệu, đất đá thải và khoáng sản của các mỏ khai thác
khoáng sản (than, quặng sắt, ) trong quá trình làm việc chịu lực và chịu tia lửa
hồ quang lớn Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo chúng là rất cần thiết.
Về các thiết bị đóng cắt điện động lực mà thanh cái chịu lực và xung lực đóng
cắt lớn chẳng hạn thanh cái c
ủa cầu dao cách ly trạm biến áp 35 kV và trạm biến áp 6
kV. Trên hình trên hình 1 là cấu tạo của cầu dao dao cách ly trạm biến áp 35 kV.

Hình 1. Cấu tạo cầu dao cách ly trạm biếm áp động lực 35 kV
1 – Tay điều khiển đóng cắt; 2- Thanh cái động (đóng ngắt); 3- Thanh cái tĩnh
1
2
3

-2-
Thanh cái động và thanh cái tĩnh được chế tạo bằng đồng (hoặc hợp kim
đồng) là mặc dù là những loại vật liệu có tính công nghệ và tính chất dẫn điện
tốt, có độ bền chống ôxy hóa tương đối cao, nhưng trong quá trình sử dụng do
chịu lực và xung điện đóng ngắt lớn nên thường bị hư hỏng như: Thanh cái
động do có chiều dài lớn thường bị cong theo phương đứng và xoắn theo

phương ngang. Trên hình trên hình 2 là ảnh chụp ví dụ sự hư hỏng của cầu dao
cách ly trạm biến áp 6 KV sau một thời gian sử dụng.

Hình 2. Sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV sau một thời gian sử dụng
1-Bộ thanh cái động bị uốn lớn nên độ tiếp xúc kém với thanh cái tĩnh;2-Bộ thanh cái động
bị cong và xoắn trung bình nên hạn chế độ tiếp xúc với thanh cái tĩnh;3 - Bộ thanh cái bị
cong và xoắn ít tiếp xúc tương đối tốt với thanh cái tĩnh.

Sự hư hỏng này có tác hại rất lớn như: diện tích tiếp xúc điện giữa thanh
cái động và thanh cái tĩnh nhỏ dẫn đến dòng điện được dẫn vào máy biến thế
giảm làm cho công suất của máy biến áp giảm; nhiều trường hợp 1 trong 3 thanh
cái động của cầu dao cách ly cong nhiều dẫn đến khi đóng thanh cái động không
tiếp xúc vào với thanh cái tĩnh làm cho máy biến áp hoạt động thiếu pha dần đến
cháy máy biến áp. Vì vậy đề tài ‘‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp hai lớp
hợp kim đồng + thép làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công
nghiệp” để nâng cao độ bền của thanh cái là cần thiết.
1
2
3

-3-
Về các tuyến đường dây điện động lực cung cấp điện cho các đầu tầu
chạy bằng năng lượng điện (máy điện 1 chiều có dòng điện chuyển tải lớn) như:
tầu điện chuyên chở vật liệu, đất đá thải và khoáng sản của các mỏ khai thác
khoáng sản (than, quặng sắt, ) có thể xem hình 3a. Đây là ảnh chụp hai đoạn
dây truy
ền tải điện động lực, còn hình 3b là ảnh chụp một hệ thống đường dây tải
điện động lực cấp cho đầu máy tầu điện 14 kP (tầu điện cần vẹt) tại Công ty mỏ
vàng Danh - VINACOMIN.

a)

b)
Hình 3. Ảnh chụp một đoạn dây dẫn điện động lực (a) cho mạng vận tải tầu điện 14 kP
Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN (b)

Dây dẫn điện động lực cung cấp điện động lực cho tầu điện được chế tạo
bằng hợp kim đồng mặc dù là loại vật liệu có tính công nghệ và tính chất dẫn
điện tốt, có độ bền chống ôxy hóa tương đối cao nhưng trong quá trình lắp đặt
nếu khoảng cách các cột đỡ quá lớn sẽ gây ra độ võng lớn vì vậy khi lắp đặt
kho
ảng cách giữa các cột chỉ nằm trong khoảng từ 5 đến 7 mét gây lên rất tốn
kém; mặt khác khi dùng loại dây dẫn điện này sau một thời gian sử dụng tuyến

-4-
đường dây thường bị võng do dây bị dãn dài vì nhiệt và độ bên uốn của dây hạn
chế. Vì vậy đường dây không được thẳng nên tiếp xúc điện giữa đường dây với
cần lấy điện (cần vẹt) không tốt dẫn đến hiện tượng đánh tia lửa điện liên tục
(hình 4). Chính vì nhược điểm đó mà ở nước ngoài người ta chuyển sang dùng
dây dẫn bimetal thép + đồng (hợp kim đồng).

Hình 4. Hiện tượng phóng hồ quang điện giữa đường dây cung cấp điện
và cầu lấy điện của tầu điện 14 kP tại Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN.

Từ hiện tượng phóng tia lửa điện như cho trên hình 4 làm cho đường dây
tải điện động lực trong quá trình sử dụng bị hư hỏng cục bộ (hình 5).


Hình 5. Hư hỏng cục bộ của đường dây tải điện động lực cho tuyến tầu điện 14 kP
trong ngành khai thác mỏ tại Công ty mỏ vàng Danh – VINACOMIN.

-5-
Hiện tượng hư hỏng cục bộ này làm cho đường dây tải điện động lực cung
cấp cho các đầu tầu điện trong quá trình sử dụng bị đứt, lõm bề mặt do phóng hồ
quang điện đều phải thay thế mới, ngừng sản xuất trong thời gian dài vì phải cắt
lưới điện trên toàn uyến, gây thiệt hại kinh tế.
Để khắc phục các tồn tại nêu trên; muố
n có được mạng lưới truyền dẫn tải
điện động lực cung cấp cho các đầu máy tầu sử dụng bằng năng lượng điện hiện
nay và mạng lưới giao thông đô thị, giao thông liên tỉnh sau này (tàu điện ngầm,
tàu điện nổi, ô tô bánh lốp chạy điện), nước ta trong thời gian gần đây phải có hệ
thống truyền dẫn cung cấp và phân phối nguồn đ
iện năng là dạng năng lượng
sạch đảm bảo chất lượng tốt phục vụ mục tiêu điện khí hoá toàn quốc nói chung
và phục vụ ngành giao thông vận tải bằng nguồn năng lượng điện nói riêng. Một
trong những vật tư quan trọng chính là các thanh cái và dây truyền dẫn điện
động lực trong công nghiệp được làm bằng vật liệu bimetal. Các vật liệu kỹ
thuật đ
iện này có prophin phức tạp, cơ tính chống uốn võng và chống giãn dài
cao, nhưng điện trở suất tương đối nhỏ được thiết kế để làm các thanh cái (tĩnh
và động) trong các thiết bị đóng cắt điện động lực, cũng như dây dẫn điện treo
trên các khung chịu lực của hệ thống cột điện trên toàn bộ đường dây tải điện
động lự
c cho các đầu tầu chạy điện.
Ở các nước công nghiệp phát triển, vật liệu kỹ thuật điện sử dụng làm
thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp và đường dây truyền tải
điện cung cấp cho đầu tầu chạy bằng động cơ điện 1 chiều đều được chế tạo
bằng các vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) có tính n
ăng kỹ thuật đặc biệt như: có
độ bền cao (không bị uốn khi lực đóng cắt lớn và khoảng cách đỡ lớn), độ co

giãn nhiệt khi nhiệt độ môi trường làm việc thay đổi trong phạm vi rộng, khả
năng truyền dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tính năng chịu mài mòn và có tính tiếp
xúc điện tốt, Những vật liệu này được chế tạo bằng một s
ố công nghệ khác
nhau, nhưng chủ yếu là các công nghệ cơ bản như sau:
1) Tạo phôi bimetal bằng các phương pháp kết hợp đúc phôi bimetal và sau
đó cán kéo tới khi đạt kích thước prophin yêu cầu, có thể sử dụng các thiết bị luyện
kim truyền thống. Việc làm sạch bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại trước khi đúc phôi

-6-
bimetal rất phức tạp và năng suất thấp, chất lượng không ổn định;
2) Tạo phôi bimetal bằng cách hàn tiếp xúc, mạ, hàn đắp lớp kim loại phủ
lên lớp kim loại nền, sau đó gia công cơ khí và sử dụng ngay để chế tạo các chi
tiết truyền dẫn điện trong các cặp vật liệu tiếp xúc điện. Năng suất thường là
thấp, chất lượng bám dính 2 lớp vật liệu y
ếu kém gây nóng khi dòng điện cường
độ lớn đi qua trong thời gian dài, là cho điện trở tiếp xúc tăng, giảm hiệu suất
truyền tải điện;
3) Tạo phôi bimetal bằng phương pháp biến dạng dẻo như: cán dính ở trạng
thái nóng hoặc nguội trong hệ thống máy cán hình và sau đó cán kéo xuống đến
kích thước prophin yêu cầu. Phương pháp này cho năng suất cao và chất lượng ổn
định, nhưng đòi hỏi phả
i có đầu tư hệ thống thiết bị máy cán dính công suất lớn
và hệ thống làm sạch và bảo vệ bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại trước nguyên công
cán dính là rất phức tạp, không có hiệu quả kinh tế nếu năng suất thiết kế toàn bộ
dây chuyền công nghệ thấp;
4) Tạo phôi bimetal bằng phương pháp phối hợp công nghệ hàn nổ và sau
đó cán kéo xuống đến kích thước prophin yêu cầu. Phương pháp này cho phép
nhậ
n được các loại thanh và dây dẫn điện động lực có prophin phức tạp mà

không cần phải đầu tư các hệ thống máy cán hình prophin hoặc máy ép cỡ lớn,
tiết kiệm đầu tư vì có thể sử dụng các máy cán thép hình xây dựng và máy kéo
rút dây điện với công suất vừa và nhỏ hiện có trong nước cũng có thể chế tạo
được các loại dây dẫn điện khác nhau, kể cả việc chế tạo các dây bimetal làm
đ
iện cực hàn bimetal thép - đồng, nhôm - đồng. Tuy vậy, công nghệ này cũng
có hạn chế nhất định là phải tuân thủ các điều kiện khá ngặt nghèo trong việc sử
dụng thuốc nổ công nghiệp đối với những người vận hành nổ, phụ thuộc vào
điều kiện trường nổ phải đặt xa cách khu dân cư để đảm bảo yêu cầu về an ninh
và an toàn nổ, nên chi phí vận chuyển phôi bimetal sau nổ về
xưởng cán kéo
cao. Mặc dù vậy, với sản lượng dây dẫn điện bimetal không lớn như đối với thị
trường nước ta thì theo kinh nghiệm của một số nước thuộc khối Liên Xô trước
đây hoặc một số nước có sử dụng năng lượng nổ để chế tạo vật liệu bimetal khác
như: Mỹ, Nhật Bản, thì đây là một hướng công nghệ có triển vọ
ng ứng dụng

-7-
cao và có hiệu quả kinh tế xét trên phương diện suất đầu tư vào lĩnh vực luyện
kim và công nghệ vật liệu ở nước ta là rất lớn.
Tại Việt Nam cho đến nay những vật liệu kỹ thuật điện cao cấp như vậy đều
phải nhập ngoại để phục vụ cho các công trình trọng điểm trong ngành năng lượng.
Hiện tại còn quá ít các nghiên cứu ứng dụng công ngh
ệ tiên tiến trong sản xuất các
loại sản phẩm linh kiện kỹ thuật điện có tính năng sử dụng đặc biệt như đã nói ở trên
từ vật liệu tổ hợp 2 lớp (bimetal), 3 lớp (trimetal) hoặc từ vật liệu compozit kim loại
khác nhau. Tính đến nay, ở nước ta tuy đã có một số công trình nghiên cứu cấp
bộ và cấp nhà nước đề cập đến công nghệ chế tạ
o vật liệu compozit kim loại sử
dụng trong ngành chế tạo máy (dụng cụ cắt gọt bằng hợp kim cứng, bạc trượt,

bánh răng, tay biên xe máy ) và trong lĩnh vực kỹ thuật điện (chổi than, tiếp
điểm điện kiểu tiếp xúc ), nhưng chưa có nghiên cứu sâu về vật liệu bimetal
dùng làm thanh và dây truyền dẫn điện động lực cần có cơ tính cao nhưng
truyền dẫ
n điện và dẫn nhiệt tốt, tính năng chịu mài mòn và có tính tiếp xúc điện
tốt, Các thông tin được cập nhật trong nước từ nguồn tư liệu nước ngoài chủ
yếu là qua các trang quảng cáo điện tử trên mạng Internet, thiếu thông tin sâu về
công nghệ chế tạo những vật liệu có tính năng đặc biệt này.
Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu theo hướng
ứng dụng công nghệ hàn n
ổ kết hợp với công nghệ gia công áp lực truyền thống để
chế tạo vật liệu bimetal thép các bon thấp - đồng điện kỹ thuật dùng cho việc chế tạo
các thanh và dây truyền dẫn điện động lực có prophin phức tạp và có độ bền cao.
Đây là một hướng nghiên cứu rất cần thiết trong tiến trình Công nghiệp
hóa và Hiện đại hóa, có tính mới về khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao
ở Việt
Nam, đặc biệt là hướng đầu tư xây dựng các hệ thống tầu điện ngầm, hệ thống
xe ô tô điện trong các thành phố lớn và hệ thống tầu chạy đầu máy điện giữa các
thành phố và các tỉnh trong toàn quốc giống như ở các nước châu Âu, châu Mỹ
và trong khu vực như Trung Quốc đã áp dụng.

2. Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu
+ Mục tiêu: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, nhóm nghiên cứu chọn
cặp vật liệu là thép 08s và đồng M1 nhằm mục tiêu chế tạo được tổ hợp vật liệu có

-8-
tính dẫn điện tốt cơ tính cao (khả năng chống uốn, chống xoắn và co dãn nhiệt
trong quá trình sử dụng) để chế tạo thanh cái dẫn điện động lực trong trạm biến áp
6kV và 35kV; Nghiên cứu khảo sát và đề xuất chế tạo dây dẫn điện động lực treo
trên khung chịu lực của hệ thống cột điện để cung cấp điện động lự

c cho các đầu
tầu chạy bằng động cơ điện một chiều.
+ Giới hạn nghiên cứu:
- Tạo phôi bimetal thép 08s + đồng M1 bằng phương pháp hàn nổ;
- Tạo hình thanh cái dẫn điện động lực bằng phương pháp biến dạng dẻo
(ép chảy hoặc cán tạo hình);
- Xác định độ bền bám dính và tổ chức tế vi sau hàn nổ và biến dạng dẻo
giữa 2 lớp vật liệu lõi thép 08s và vỏ
đồng M1;
- Khảo sát tính năng kỹ thuật điện của vật liệu tổ hợp để chọn thiết kế phù
hợp trong từng chi tiết truyền dẫn điện động lực cụ thể là thanh cái, dây dẫn điện
động lực.

3. Đóng góp về khoa học và thực tiễn của đề tài
+ Về mặt Khoa học: Đề tài giải quyết một số vấn đề khoa học như sau:
- Nghiên cứu bí quyết công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal là một loại vật liệu
kỹ thuật điện mới ở dạng thanh và dây dẫn điện bimetal thép - đồng, có tính năng đặc
biệt dùng cho các hệ thống đóng ngắt và truyề
n dẫn điện động lực trong các thiết bị
đóng ngắt và đường dây tải điện. Trong công nghệ tạo hình và biến dạng vật liệu kỹ
thuật điện bimetal loại này, có nhiều tham số công nghệ gây ảnh hưởng đến tính chất
dẫn điện, cấu trúc vật liệu, khả năng làm việc khi thay đổi tải, cần được nghiên cứu
xác định, cũng như quy luậ
t biến đổi cơ lý tính của nó theo các tham số đó, đặc biệt
là ở khâu tạo phôi bimetal ban đầu.
- Xây dựng mô hình toán học mô phỏng hàm mục tiêu chất lượng vật liệu
bimetal thép - đồng (có thể là độ bền bám dính 2 lớp) phụ thuộc vào các thông
số công nghệ chính khi hàn nổ (r, h) được lựa chọn để khảo sát bằng thực
nghiệm, từ đó giới hạn và điều khiển được vùng các thông số thích hợ
p để chế

tạo vật liệu dây truyền dẫn điện động lực bằng phương pháp tích hợp công nghệ

-9-
hàn nổ và cán kéo truyền thống sao cho vật liệu bimetal nhận được có tổ hợp
tính chất cơ – điện tốt hơn cả, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc triển khai ứng
dụng trong sản xuất thử nghiệm tại Việt Nam.
+ Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Đề tài góp phần nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ tiên tiến của
nước ngoài vào đ
iều kiện cụ thể ở Việt Nam với mức đầu tư trang thiết bị công
nghệ thấp chủ yếu là dựa vào hệ thống thiết bị hiện có trong nước, nhằm sản
xuất được vật liệu bimetal thép - đồng làm thanh cái (hoặc dây) truyền dẫn điện
động lực tiến tới giảm thiểu nhập siêu các linh kiện điện kỹ thuật có hàm lượng
công nghệ
cao, tiết kiệm ngoại tệ, chủ động đáp ứng nhu cầu thực tiễn của Việt
Nam trong quá trình Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước;
- Đề tài góp phần vào việc thúc đẩy sự hợp tác nghiên cứu khoa học giữa
các Trường đại học và Cao đẳng Kỹ thuật, Viện nghiên cứu khoa học, các cơ sở
đào tạo Sau đại học với định hướng ứng dụng các công nghệ tiên tiến của thế
giới vào điều kiện Việt Nam, trong lĩnh vực đào tạo Thạc sĩ, Tiến sĩ Kỹ thuật
trong chuyên ngành đào t
ạo ‘‘Công nghệ tạo hình và biến dạng vật liệu’’.


-10-
Chương 1.
TỔNG QUAN VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN
TẠO PHÔI BIMETAL ĐỒNG + THÉP TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN

1.1.

Vật liệu bimetal dùng cho thanh cái và dây dẫn điện động lực [1, 2]
Trong các vật liệu kỹ thuật điện nói chung người ta chia thành hai nhóm
chính là:
1) Vật liệu trong các hệ thống máy điện cao thế và hạ thế như: bộ tiếp
xúc điện, tiếp điểm điện;
2) Vật liệu truyền dẫn dòng điện động lực đi qua nó như: thanh cái, dây
dẫn đ
iện.
- Nhóm vật liệu thứ nhất: gồm các vật liệu chế tạo tiếp xúc điện khác
nhau, đa số chỉ đáp ứng được một phần các yêu cầu nói trên, ví dụ như: một vài
loại vật liệu có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nhưng không có đủ độ cứng và rất
nhanh bị ăn mòn hóa học (ôxy hóa). Khi tính toán chế tạo tiếp xúc điệ
n cần chọn
vật liệu đảm bảo tối đa các yêu cầu kỹ thuật cần thiết đối với cặp tiếp xúc điện, và
thường được sử dụng các vật liệu sau:
+ Đồng biến cứng: dùng để chế tạo các tấm làm cổ góp máy điện, chi tiết
truyền dẫn điện của các thiết bị điện, vỏ bọc của các c
ụm phân phối điện, đầu
dây dẫn điện, chi tiết dẫn điện trong các máy móc điện tử, tiếp xúc điện kiểu
chổi quét, vít hoặc bulông – đai ốc kẹp;
+ Đồng mềm: dùng để chế tạo dây dẫn điện động lực ngoài trời và dây
truyền dẫn điện dòng lớn, cáp điện dân dụng và dây nối nguồn điện trong kỹ
thu
ật truyền thanh ;
+ Đồng thanh: dùng để chế tạo các chi tiết dẫn nguồn điện của các thiết bị, máy
điện (vít, cầu dao, cầu chì) và khí cụ điện, chi tiếp kẹp máy điện và đầu kẹp dây dẫn;
+ Đồng hợp kim: dùng để chế tạo các tấm cổ góp (colector) và thanh cái
dẫn điện của các thiết bị, khí cụ điện;
+ Nhôm: dùng để chế tạo dây dẫn đ
iện nguồn liên trạm ngoài trời và dây

điện dân dụng, vỏ máy điện;

-11-
+ Thép: dùng để chế tạo dây dẫn điện động lực liên trạm ngoài trời, các
chi tiết như: ổ cắm, thanh dẫn điện của các thiết bị điện chuyên dụng;
+ Bạc và một số kim loại quý hiếm khác: dùng để chế tạo các loại tiếp
điểm điện kiểu đóng ngắt, tiếp xúc điện một chiều và xoay chiều, tiếp điểm
điện
của các rơle điều khiển;
+ Hợp kim của Constantan, nichrôm, Fexran, Chromal: dùng để chế tạo
các điện trở có khả năng điều chỉnh được điện trở;
+ Than kỹ thuật điện và grafit: dùng để chế tạo chổi than các khí cụ, dụng
cụ điện, các biến trở.
- Nhóm vật liệu thứ hai: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ
đề cập
đến một số vật liệu sử dụng cho việc chế tạo các thanh cái và dây dẫn điện thuộc
nhóm bimetal đồng + thép. Việc lựa chọn đúng kim loại đối với các chi tiết thanh
cái hoặc dây dẫn điện động lực của các hệ thống truyền tải điện và tiếp xúc điện
đặc biệt quan trọng đối với việc chế tạo v
ật liệu kỹ thuật điện bimetal nói chung,
trong đó có vật liệu bimetal đồng M1 + thép các bon thấp. Để chế tạo các thanh
cái và dây dẫn điện thường sử dụng đồng và hợp kim đồng, trong một số trường
hợp còn sử dụng thép các bon thấp và thép không rỉ.
Bảng 1.1 Cho biết các giá trị về tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở
20
0
C) được dùng trong kỹ thuật điện; Bảng 1.2. Tính chất tính chất của một số dây
dẫn điện đồng, nhôm và thép; Bảng 1.3. Các giá trị về tính chất cơ bản của một
số hợp kim đồng kỹ thuật.

Bảng 1.1. Tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 20
0
C) được dùng trong kỹ thuật điện
Kim loại
Khối lượng
riêng g/cm
2
Nhiệt dung
riêng W/(m.độ)
Nhiệt dẫn riêng
W/(m.độ)
Điện trở suất
Ω.mm
2
/m
Đồng 8.9 389 390 0.0172
Nhôm 2.7 922 209 0.028
Vonfram 19.3 138 168 0.055
Molipđen 10.2 264 151 0.057
Tantan 16.6 142 54 0.135
Niobi 8.6 272 50 0.18
Titan 4.5 577 15 0.42
Ziricôni 6.5 276 17 0.41
Reni 21 138 71 0.21
Vàng 19.3 126 293 0.024
Bạc 10.5 234 415 0.016
Platin 21.4 134 71 0.105

-12-

Vanađi 12 213 72 0.11
Sắt 7.8 452 73 0.098
Niken 8.9 444 95 0.073
Coban 8.7 435 79 0.062
Chì 11.4 130 35 0.21
Thiếc 7.3 226 65 0.12
Kẽm 7.1 390 111 0.059
Cadmi 8.6 230 93 0.076
Inđi 7.3 243 25 0.09
Gali 5.9 381 - 0.56
Thuỷ ngân 13.6 138 10 0.958

Bảng 1.2. Tính chất tính chất của một số dây dẫn điện đồng, nhôm và thép

Bảng 1.3. Giá trị về tính chất cơ bản của một số hợp kim đồng kỹ thuật


Đồng Nhôm Thép
Tính chất
Đơn
vị đo
MT MM

AT
AM
08S
(C10)

Ghi chú
Giới hạn bền khi

kéo không nhỏ hơn
kG/mm
2

35 đến
39
26 đến
28
16 đến
17
8 32
Độ dãn dài tương
đối khi đứt, không
nhỏ hơn
%
0,5
đến
2,5
18 đến
35

1,5
đến 2
10 đến
18

33
Điện trở suất
không nhỏ hơn
Điện trở

suất
Ω.mm
2
/m
0,0179
đến
0,0182
0,0175
4
0,0295 0,0295 0.098
Độ dẫn
điện của
nhôm tinh
khiết có
thể đạt tới
38
Ω.mm
2
/m
Kim loại Trạng thái

Dẫn điện % so
với đồng
Giới hạn bền
kéo, kG/mm
2

Độ dãn dài
tương đối khi
kéo đứt, %

Đồng thanh
candmi
(0,9% Cd)
Ủ
Kéo nguội
95
83 đến 90
Đến 31
Đến 73
50
4
Đồng thanh
(0,8% Cd;
2%Sn)

Ủ
Kéo nguội

55 đến 60
50 đến 55
29
Đến 73
55
4
Đồng thanh
(2,5% Al;
2%Sn)

Ủ
Kéo nguội

15 đến 18
15 đến 18
37
Đến 97
45
4
Đồng thanh
phốt pho
(7%Sn; 0,1% P)
Ủ
kéo nguội

10 đến 15
10 đến 15
40
105
60
3
Đồng thau
(
70%Cu; 30%
Zn)
Ủ
Kéo nguội
25
25
32 đến 35
đến 88
60 đến 70

5

-13-
Dưới đây là khái quát về các vật liệu có liên quan đến phạm vi giới hạn
nghiên cứu của đề tài NCKH .
1.1.1. Đồng
Đồng nguyên chất (Cu) có độ dẫn điện cao và rất dẻo. Do độ đàn hồi của
đồng thấp nên nó được sử dụng làm các tiếp xúc điện kiểu cố định. Để nâng cao
độ cứng và các tính chất cơ học khác người ta sử dụng hợp kim đồng (Cu) với
kẽ
m (Zn), thiếc (Sn), bạc (Ag), beryli (Be), Tuy nhiên, cần lưu ý việc cải thiện
cơ tính của vật liệu trên cơ sở nền đồng thường kèm theo sự giảm độ dẫn nhiệt
và dẫn điện của nó (hình 1.1).
Các tính chất đàn hồi của đồng được cải thiện khá rõ rệt sau khi qua biến
dạng ở trạng thái nguội.

a) b)
Hình 1.1. Ảnh hưởng của tạp chất tới độ dẫn nhiệt (a) và độ dẫn điện (b) của đồng [4].

1.1.2. Đồng thau
Là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp điện kỹ thuật
hiện đại. Chúng có cơ tính, tính công nghệ và tính chất dẫn điện tốt, có độ bền
chống ôxy hóa tương đối cao. Đối với các mạng điện kỹ thuật người ta sử dụng
đồng thau với hàm lượng kẽm không lớn hơn 37% Zn. Tất cả các hợp kim Cu
với Zn
đều có pha α - dung dịch rắn trong lưới tinh thể của Cu. Việc cán nguội
làm tăng độ cứng và độ đàn hồi của các hợp kim này rất đáng kể (hình 1.2).

-14-

Hình 1.2. Ảnh hưởng của biến dạng nguội đến độ cứng
của đồng thau Л63 (1) và Л70 (2) [4]
1.1.3. Hợp kim đồng thiếc
Hợp kim đồng thiếc được sử dụng với lượng chứa thiếc (Sn) không lớn
hơn 10% , là pha α - dung dịch rắn của thiếc (Sn) trong đồng (Cu). Đồng thiếc
có sự khác biệt bởi độ dẫn điện và dẫn nhiệt thấp, dễ bị biến dạng khi cán nguội,
có độ đàn hồi tốt ở nhiệt độ dưới 300
0
C.
1.1.4. Hợp kim đồng beryli
Hợp kim đồng beryli có hàm lượng 1 ÷ 2% Be, có các tính chất đàn hồi
tốt. Độ dẫn điện và dẫn nhiệt của nó cao hơn so với đồng thiếc. Ủ ở nhiệt độ
300
0
C sẽ làm các tính chất cơ học giảm đáng kể . Các tính chất đàn hồi của đồng
beryli có thể được nâng cao khi tôi trong nước.

1.1.5. Hợp kim đồng bạc
Hợp kim đồng bạc thường có hàm lượng bạc là 1 ÷ 7 % Ag trong thời
gian gần đây càng được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện. Tính chất cơ lý
và độ bền chống ăn mòn cao và độ dẫn điện gần bằng so với đồng tinh chất. Khi
hàm lượng của bạc tăng, độ cứng và độ bền của hợp kim đồng thiếc tăng lên.
Các đặc tính này giữ được cho đến khi đạt nhiệt độ đến 300
0
C. Cơ tính của hợp
kim đồng bạc được tăng lên khi tôi và trong nhiều trường hợp đạt giá trị cao hơn
so với các hợp kim đồng khác.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này áp dụng cho dây dẫn điện động lực
có lõi bằng thép các bon thấp và vỏ bọc bằng đồng mềm đi sâu vào việc tạo phôi
bimetal thép 08s + đồng M1 bằng phương pháp hàn nổ và sau đó sử dụng máy cán

hình trong công nghiệp để cán xuống kích thước prophin yêu c
ầu.


-15-
1.2. Vật liệu truyền dẫn điện tiếp xúc
Nhóm vật liệu hàn tạo phôi bimetal thứ 2 thường dùng để chế tạo các cụm
tiếp xúc điện kết nối giữa các môđun truyền tải và đảo mạch dòng điện động lực
có ảnh hưởng quyết định tới tuổi bền của các hệ thống điện, cũng như các máy
móc thiết bị điện, vì thế yêu cầu kỹ thuật đối với các vậ
t liệu chế tạo tiếp xúc
điện và công nghệ chế tạo chúng ngày càng cao. Nội dung công nghệ chế tạo
các tiếp xúc điện (monometal, bimetal, composit) truyền thống bao gồm chế tạo
các chi tiết tiếp xúc điện; chế tạo các chi tiết kẹp hoặc hàn gắn các bề mặt tiếp
xúc điện; liên kết các chi tiết đó với nhau bằng phươmg pháp hàn hoặc kẹp chặt
bằng vít, bulông…[1]
.
Nhược điểm của các công nghệ truyền thống này là: không đảm bảo được
sự tương đồng giữa các kích thước hình học trên thực tế so với tính toán lý
thuyết xuất phát từ điều kiện làm việc của các tiếp xúc điện. Khi hàn gắn kết nối
các chi tiết truyền dẫn điện tiếp xúc với các chi tiết đế của chúng, nếu làm bằng
tay thì rất khó khăn về
mặt công nghệ đối với các cặp tiếp xúc điện có kích
thước hình học nhỏ; vì thế cần phải bắt buộc tăng kích thước hình học của các
cặp tiếp xúc điện. Khi sản xuất các cặp tiếp xúc điện bằng phương pháp kẹp vít
thì cần một lượng lớn đến 50% kim loại vít (bulông) kẹp được sử dụng để đảm
bảo liên kết tiếp xúc
điện một cách tin cậy về mặt độ bền cơ học và độ dẫn điện
giữa chi tiết tiếp xúc điện trực tiếp với đế của nó. Với các phương án công nghệ
sản xuất các tiếp xúc điện như đã nói, yếu tố rất quan trọng đảm bảo chất lượng

của chúng là trình độ tay nghề của người thợ hàn. Ví dụ nh
ư khi hàn gắn, sự sai
khác của lớp kim loại hàn với đế của nó gây ra sự không đồng nhất cấu trúc kim
loại và do đó có sự khác nhau đáng kể của các tiêu chí như điện trở tiếp xúc
trung gian và các tiêu chí truyền dẫn điện tiếp xúc khác [1, 2].
Sử dụng các tiếp xúc điện bimetal cho phép đưa về giá trị nhỏ nhất của
điện
trở suất
và trong nhiều trường hợp hoàn toàn khắc phục các nhược điện trên khi
hàn dính. Trong trường hợp sử dụng các tiếp xúc điện từ vật liệu bimetal, quá
trình tạo ra liên kết kim loại giữa các mặt tiếp xúc điện với đế kẹp của chúng được
hình thành ngay trong khâu sản xuất vật liệu bimetal, tức là trong điều kiện đảm

-16-
bảo tính ổn định của các yếu tố công nghệ có ảnh hưởng đến quá trình hình thành
liên kết giữa chúng là không đổi. Các cặp tiếp xúc điện bimetal có thể nhận được
bằng nhiều phương án công nghệ khác nhau, ví dụ như: dập cắt, đảm bảo loại bỏ
được yếu tố chủ quan của người thợ trong chu kỳ công nghệ đó. Khi đó tạo điều
kiện thuận lợ
i cho việc tạo ra các chi tiết tiếp xúc điện đạt chuẩn yêu cầu kỹ thuật
cho sử dụng chúng một cách tin cậy.
Người ta phân loại các vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện thành bimetal
dạng tấm phẳng, băng và dạng thanh hình prophin. Đơn giản nhất là dạng
bimetal tấm hoặc băng phẳng đảm bảo hàn dính trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc của
chúng (kim loại truyền dẫn điện tiế
p xúc trực tiếp và kim loại phần nền đế). Việc
hàn phủ bề mặt lớp kim loại chi tiết đế có thể được thực hiện trên một hoặc hai
bề mặt tiếp xúc. Trong nhiều trường hợp khi không cần phải phủ toàn bộ bề mặt
tấm vật liệu bimetal, mà chỉ cần một hoặc vài dải kim loại phủ trên tấm (hoặc
băng) kim loại nền là đủ. Bimetal d

ạng thanh hình prophin khác với dạng tấm
phẳng hoặc dạng băng ở chỗ dải kim loại tiếp xúc điện với nhau lồi hẳn lên so
với lớp kim loại đế nền của chúng. Loại vật liệu bimetal này ngày càng được
ứng dụng rộng rãi. Việc tạo ra liên kết giữa lớp kim loại truyền dẫn điện tiếp xúc
với lớp kim loại nền được thực hiện b
ằng phương pháp hàn dây bạc. Công nghệ
chế tạo loại vật liệu bimetal này qua nhiều nguyên công cán tạo hình và chỉnh
hình đảm bảo độ chính xác kích thước hình học, đồng thời làm tăng tính chất đàn
hồi, độ cứng và độ bền mòn của vật liệu. Trên thực tiễn, một cấu trúc cặp tiếp xúc
điện bimetal có thể ở dạng tấm phẳng hoặc định hình (hình 1.3). Sơ đồ hình 1.3
cho hay cấu trúc
định hình nhẹ hơn so với cấu trúc cặp tiếp xúc điện, vì lớp kim
loại nền có chiều dày nhỏ hơn.

a) b)
Hình 1.3. Vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện
a) dạng phẳng; b) dạng hình prophin;
1 – Chi tiết tiếp xúc điện trực tiếp; 2 – Chi tiết nền.

-17-
Bimetal dạng prophin làm các chi tiết tiếp xúc điện có lớp kim loại nền phức
tạp ngày càng được dùng nhiều. Trong những trường hợp đó, nó được cán hoặc kéo
tạo hình trước khi hàn gắn các tiếp điểm điện với prophin nền với nhau [2].
Trên hình 1.4 là mặt cắt tiết diện ngang của phôi vật liệu bimetal thép 08s +
đồng M1 dùng trong chế tạo thanh cái thiết bị điện động lực và dây dẫn
điện động
lực cho các đầu tầu điện một chiều.

Hình 1.4. Mặt cắt tiết diện ngang của vật liệu bimetal đồng M1 + thép 08s

1.3. Tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu bimetal trong kỹ thuật điện
Công nghệ chế tạo các vật liệu kỹ thuật điện ở dạng tổ hợp 2 kim loại
(hợp kim) có tính chất lý hóa khác nhau thành một loại vật liệu bimetal có tổ
hợp tính chất cơ và điện đặc biệt so với tổ hợp các đơn kim loại cấu thành liên
quan tới việc: làm sạch bề m
ặt tiếp xúc giữa hai phôi kim loại (hợp kim) nguyên
liệu đầu vào; tạo liên kết bimetal; gia công bằng áp lực để tạo hình prophin .
Chất lượng vật liệu bimetal hoàn toàn phụ thuộc vào các nguyên công tạo
hình, đặc biệt là chế độ làm sạch bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại hàn và chế độ
tạo ra liên kết. Độ dẫn điện vật liệu bimetal phụ thuộc vào tính chất các vật liệu bao
và vật liệu lõi.
Hình 1.5 là sơ
đồ phân loại các phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu
bimetal dùng trong kỹ thuật điện.

-18-











Hình 1.5. Sơ đồ phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu bimetal
dùng trong kỹ thuật điện [2]
1.3.1. Công nghệ tạo phôi bimetal không qua biến dạng dẻo

1. Công nghệ đúc luyện kim
Trong nhóm các công nghệ chế tạo vật liệu bimetal kỹ thuật điện không có
biến dạng dẻo, thì độ phức tạp nhất là công nghệ đúc luyện kim truyền thống.
Vật liệu thép các bon thấp bọc đồng điện kỹ thuật hoặc nhôm bọc đồng
được sử dụng rất phổ biến tại các n
ước công nghiệp phát triển trên thế giới và
sản lượng ngày càng gia tăng theo sự gia tăng đầu tư trong ngành điện. Đặc biệt
là trong lĩnh vực sản xuất các dây truyền dẫn điện động lực cho hệ thống tầu
điện ngầm, xe điện bánh lốp (trolleibus), tàu điện trong các thành phố lớn, hệ
thống điện động lực cho tàu điện vận tải công su
ất lớn chạy bằng động cơ điện ở
nhiều nước đã cho hiệu quả kinh tế cao khi giảm thiểu tổng lượng đồng cần tiêu
thụ xuống tới 30 ÷ 40% bằng cách sử dụng lõi thép bên trong dây dẫn điện [1].
Công nghệ đúc rót tạo ống vật liệu bimetal truyền thống này cũng có thể
sử dụng để chế tạo vậ
t liệu bimetal thép các bon + đồng M1, thép các bon + hợp
kim đồng, thép các bon + thép hợp kim, nhưng khó thực hiện một cách có hiệu
quả cao trong điều kiện nước ta hiện nay, do quy trình rất phức tạp và chất lượng
vật liệu bimetal nhận được không ổn định.
Các phương pháp chế vật liệu kỹ thuật điện bimetal
Biến dạng dẻo Không biến dạng dẻo
Hàn đắp
Hàn tiếp xúc
Mạ phủ
Hàn bằng phương pháp cán nguội
Hàn nguội
Hàn bằng phương pháp cán nóng
Hàn dưới áp lực
Đúc luyện kim