Giáo trình vật liệu điện và từ phần 2

CHUÔNG 4
CÁC VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
•

•

•

Các vật liệu dẫn điện có thể là những vật liệuở trạng thái rắn, lỏng
và trong một số điều kiện nhất định có thể là chất khí. Tuy nhiên, đại đa số
các khí cụ điện được sử dụng chủ yếu là được chế tạo bằng vật liệu rắn
trong đó chủ yếu là các kim loại và hợp kim, ngoài ra còn có một số vật
liệu phi kim loại, nhưng thực chất là thuộc nhóm bán đẫn. Trong chương
này chủ yếu giới thiệu các vật liệu kim loại.
I. PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT cơ BẢN CỦA VẬT LIỆU DAN ĐIỆN
ì. Phân loại theo tính dẫn điện
Được chia làm 2 loại: Kim loại với hợp kim có độ dẫn điện cao và kim
loại với hợp kim có điện trở cao.
2. Theo màu sắc
Kim loại được phân thành 2 nhóm: Kim loại đen (terous metal) và kim
loại màu (non-ferous metal).
Kim loại đen là các kim loại với hợp kim trẽn cơ sỏ nguyên tố sắt
(Fe) còn kim loại màu là các kim loại với hợp kim của các nguyên tố
kim loại còn lại.
3. Theo tính chất kim loại
Được chia thành 6 nhóm sau (chủ yếu là kim loại màu).
-

Kim loại nhẹ là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn hay
bằng 4g/cm như Al(2,7), Mg(1,7). Ti(4,0)...
3

-

Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 4g/cm
như Fe(7,85), Pb(11,34), Sn(7,28), Zn(7,14), Cu(8,94)...

-

Kim loại dễ chảy là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn
1539°c (1539°c là nhiệt độ nóng chảy của Fe) nhữ Al(660°),
Pb(327°), Sn (232°), Au(1063 )...

3

0

-

Kim loại khó chảy là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn
1539°c nhưTi(1665°), Cr(1890°), Mo(2625°), W(3410°)...

-

Kim loại quý là các kim loại bền hoa học, không bị các môi trường
hoa học thông thường ăn mòn. Nhóm này gồm 8 nguyên tố (xếp
theo thứ tự tăng bển hoa học): Ag, Pd, Rh, Au, Pt, Ru, Os, Ir.

-

Km loại hiếm là các kim loại có trữ lượng ít trên vỏ quả đất như

Mg, Li nhất là các nguyên tố đất hiếm như La, Pr, Cm...
137


Cơ cấu của sự dẫn điện trong các kim loại ở thể rắn và lòng (thù
ngân) là do các điện tử tự do chuyển động vì vậy các vật liệu này có điệi
dẫn điện tử hay người ta còn gọi là vật dẫn loại một.
Vật dẫn loại hai là các vật dẫn có cơ cấu dẫn diện là do sự chuyển
dịch của các phần tử mang điện (ion) dưới tác dụng của điện trường. Đó là
các dung dịch điện phân hoặc một số tinh thể ion ở trạng thái lỏng.
Khi nghiên cứu dặc tính dẫn diện của vật liệu, cẩn quan tâm đến các
tính chất sau:
- Điện dẫn suất hay diện trỗ suất của vật liệu.
- Hệ số nhiệt của điện trở suất.
- Nhiệt dẫn suất.
- Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động.
- Cơ tính vật liệu, đối với kim loại chủ yếu là giới hạn bến và độ
dãn dài tương đối.
li. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ Hộp KIM
Các nguyên tử kim loại có đặc điểm là số điện tửỏ vành ngoài cùng
rất ít (chỉ 1, 2 hoặc 3) và các điện tử này có lực hút với hạt nhãn yếu nên
dễ dàng tách khỏi sức hút của hạt nhân để trô thành điện tử tự do.
Tất cả các kim loại đều có cấu tạo tinh thể. Các kiểu mạng tinh thể
thường gặp nhất trong kim loại là mạng lập phương tâm khối, lập phương
tâm mặt và lục giác điền đầy như đã mô tả ở chương III mục 4 hình 1.

Hình 1. Cấu tạo hạt của kim loại
Trong thực tế, tùy thuộc vào phương pháp chế tạo, các nguyên tử
kim loại không phải luôn luôn được sắp xếp theo các kiểu mạng lý tưởng
mà thường được cấu tạo thành hạt có hướng bất kỳ'ngẫu nhiên như trên

hình 1. Với cách sắp xếp như vậy thì hướng chung của toàn khói kim loại là
vô hướng hay dẳng hướng.
138


Tùy thuộc quá trinh kết tinh từ trạng thái lỏng, kích thước hạt kim loại
có thể lớn nhỏ khác nhau. Các nguyên tử kim loại ở những vùng biên giới
giữa các hạt thường sắp xếp mất trật tự, có năng lượng lớn hơn các nguyên
tử nằm bên trong hạt ỏ dạng ổn định có năng lượng nhỏ hơn. Điểu đó dẫn
đến điện trở kim loại ở biên giới hạt cao hơn ở bên trong, nghĩa là kim loại
có hạt càng nhỏ thì điện trở càng lớn.
7
•r-\
"À

ĩ

l l l l l
—-—f=>£=~^
Hình 2. Sự biến dạng kim loại

Bất kỳ một nguyên nhân nào làm tăng xô lệch mạng tinh thể đều
dẫn đến làm tăng điện trở của kim loại.
Thi dụ 1: Khi biến dạng dẻo kim loại, gọi chung là gia công kim loại
bằng áp lực như kéo, nén, rèn, dập, cán... mà sau khi gia công như vậy để
lại một lượng biến dạng dư trong kim loại thi các hạt kim loại sẽ bị thay đổi
hình dáng và kích thước, trong đó vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể
cũng dịch chuyển và thường ở trạng thái xô lệch mạng như trên hình 2.
Thí dụ 2: Khi hợp kim hóa nghĩa là cho thêm các nguyên tố khác loại
(gọi là nguyên tố hợp kim) vào một kim loại nào đó (sẽ nói rõ hơn ở dưới

đây) thì dù nguyên tố hợp kim đó có đường kính lớn hơn hay nhỏ hơn
nguyên tố kim loại cơ sỏ thì đểu làm cho các nguyên tử của kim loại cơ sở
phải xê dịch đi một khoảng khỏi vị tri cân bằng và sẽ ở trạng thái xô lệch
mạng và đương nhiên sẽ làm điện trở của kim loại sẽ tăng lên.
Hợp kim là các vật liệu gồm 2 hay nhiều nguyên tố mà trong đó
nguyên tố kim loại là chủ yếu. Hợp kim phải có tính kim loại. Nguyên tố
cho thêm vào kim loại để tạo thành hợp kim gọi là nguyên tố hợp kim.
Nguyên tố hợp kim có thể là nguyên tố kim loại hoặc phi kim loại. Tùy
thuộc kích thước và tính chất của nguyên tố hợp kim, cấu tạo của các
hạt hợp kim có thể ở 3 dạng khác nhau: dung dịch rắn, hợp chất hóa
học và hỗn hợp cơ học.
Dung dịch rắn là các loại hạt hợp kim mà trong đó mạng tinh thể của
hợp kim chính là mạng tinh thể của kim loại cơ sở, còn các nguyên tử của
nguyên tố hợp kim chỉ ỏ các vị trí thay thế (hình 3) hoặc xen vào giữa các
nút mạng của kim loại cơ sở (hình 4).

139


Hình 3. Dung dịch rắn thay thế

Hình 4. Dung dịch rắn xen kẽ

Hợp chất hóa học là các hợp kim mà trong dó các nguyên tố kết hợp
với nhau theo một tỷ lệ nhất định và biểu diễn bằng một công thức hóa học.
Mạng tinh thể của hợp chất hóa học thường khác với mạng tinh thể của các
nguyên tố tạo thành nó. Thí dụ trong hợp kim Sắt-Cacbon khi lượng Cacbon
lớn sẽ tạo thành hợp chất hóa học có công thức Fe C, mà mạng tinh thể của
nó không giống mạng tinh thể của cacbon và cũng không giống mạng tinh
thể của sắt, mà nó có kiểu mạng tinh thể riêng như trên hình 5, trong đó cử 3

nguyên tử sắt bao quanh một ngyên tử cacbon (theo tỷ lệ Fe/C = 3/1).
3

Hình 6. Tổ chức hạt Peclit
trong hợp kim Fe-C.

Hình 5. Mạng tinh thể của Fe C
3

Nếu trong hợp kim tồn tại đổng thời 2 hay nhiều dung dịch rắn khác
nhau hay vừa có dung dịch rắn vừa có hợp chất hóa học thi gọi là hỗn hợp
cơ học. Thí dụ trong hợp kim Sắt-Cacbon cấu tạo của hạt có tên là hạt
peclit như ô hình 6 là một dạng của hỗn hợp cơ học, trong đó các đường
màu trắng là hình dáng của các tấm Fe C (có tên là tấm xêmentit) mà
mạng tinh thể của nó như trên hình 5, còn các đường đen là hình dáng cùa
các tấm có tên là Ferit, là một loại dung dịch rắn xen kẽ như trên hình 4
hoặc mạng tinh thể của nó như trên hình 7.
3

V

0-Fe

»-C

Ổ
Hình 7. Mạng tinh thể của Ferit
140

Xem thêm các phương pháp nghiên cứu tổ chức của kim loại ở phần
tham khảo cuối chương.
HI. Sơ LƯỢC CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN VÀ GIA CÔNG KIM LOẠI
Tính chất của kim loại không những phụ thuộc vảo thành phần hóa
học mà còn phụ thuộc nhiều vào cấu tạo bên trong của chúng, mà cấu tạo
và tổ chức bên trong của kim loại lại phụ thuộc vào các phương pháp gia
công và chế biến chúng. Do đó dưới đây ta cần nghiên cứu một cách khái
quát các phương pháp gia công. kim loại từ đó biết được các yếu tố cơ bản
có ảnh hưởng đến sự thay đổi tính chất của kim loại.
Trong thiên nhiên kim loạiỏ dạng các quặng khác nhau. Từ quặng
để có được kim loại nguyên chất hoặc hợp kim người phải sử-dụng các
phương pháp luyện kim khác nhau để loại bỏ các tạp chất trong quạng và
thu hổi được kim loại nguyên chất hoặc không nguyên chất tủy thuộc đặc
điểm của từng loại quặng.
Luyện kim gồm các phương pháp sau:
- Hỏa luyện là các phương pháp luyện Kim dùng nhiên liệu như
than, dầu, khí đốt hoặc bằng năng lượng điên làm chảy quặng, từ
đó tách các tạp chất ra khỏi kim loại bằng các phản ứng oxy hóa
và hoàn nguyên để thu hổi kim loặi ỏ.dạng lỏng. Sau đó đúc
thành thỏi hoặc các sản phẩm cụ thể. Với phương pháp này
thường người ta dùng các loại lò cao khác nhau để luyện.
- Thủy luyện là phương pháp điện phân kim loại đã được nóng
chảy để tách tạp chất ra khỏi hỗn hợp kim loại. Với phương pháp
điện phân như vậy kim loại thu được thường có độ tinh khiết rất
cao. Thí dụ đồng nguyên chất để làm dây dẫn điện thường được
luyện theo phương pháp thủy luyện. Trước khi điện phân để được
kim loại có độ tinh khiết cao, người ta phải dùng phương pháp
hỏa luyện để tách tạp chất ra khỏi quặng đồng, thu được khối
đổng chứa nhiều nguyên tố có màu xám thường gọi là đồng đen.
Từ đồng đen qua thủy luyện nhận được đồng tinh khiết có màu

đỏ gọi là đồng đỏ. Đồng đỏ dùng làm dây dẫn điện.
- Điện luyện là phương pháp dùng năng lượng điện để làm chảy
nguyên liệu kim loại, từ đó sẽ pha chế, điều chỉnh thành phần
kim loại lỏng trong lò để đạt được thành thần yêu cầu, sau đó rót
kim loại lỏng vào khuôn đúQ để đúc thành chi tiết máy hoặc đúc
thành thỏi rồi đem cán thành các bán thành phẩm.

MI


-

Luyện kim bột là phương pháp luyện kim mới xuất hiện vào đáu
thế kỷ 20. Để tạo được kim loại nguyên chất hoặc hợp kim từ
quặng hoặc các phế liệu người ta không nấu chảy quặng hoặc
phế liệu mà chỉ dùng các phương pháp hóa học, điện hóa học
như các phản ứng hoàn nguyên (phản ứng khử) hoặc phản ứng
oxy hóa để tạo kim loại nguyên chất hoặc hợp kim ỏ dạng hạt
(bột), sau đó đem ép bột thành hình các sản phẩm hoặc thỏi rồi
nung nóng đến một nhiệt độ nhất định gọi là thiêu kết để các hạt
dính lại với nhau. Nếu muốn chế tạo kim loại dạng sợi hay tấm thi
từ các thỏi kim loại này đem kéo hoặc cán thành tấm. Các kim
loại khó chảy như w, Mo, Re, Ti, HI., thường được chế tạo theo
phương pháp này.

- Luyện kim loại siêu sạch.
Để có được kim loại sạch tuyệt đối (thí dụ các tinh thể Si hay Ge để
làm các vật liệu bán dẫn) người ta phải sử dụng các phương pháp luyện
kim đặc biệt.
Thí dụ phương pháp "nuôi đơn tinh thể " theo kiểu Chalmen được đơn

timh thể Si siêu sạch. Tóm tắt phương pháp này như sau (Hình 8):

Hình 8. Sơ đồ thiết bị nuôi đơn tinh thể theo phương pháp Chalmen
Kim loại sau khi nấu chảy trong khuôn chứa, tiến hành làm nguội thê
nào để kim loại chỉ kết tinh từ một đầu của khuôn. Thiết bi. gồm khuôn
chứa kim loại bằng than hoặc Graphit và lò điện có thể di chuyển tịnh tiến
ngang về phía khuôn được đặt cố định trên giá đỡ. Sau khi kim loại đã
được nấu chảy, dịch chuyển từ từ lò nung sang bên phải. Đầu bên trái của
khuôn chứa được làm nguội trước và kết tinh bắt đầu từ đó. Tốc độ dịch
chuyển của lò phải đủ chậm (thông thường dưới 10mm/phút) để bảo đảm
tốc độ nguội cần thiết, tạo điều kiện cho tinh thể lớn lên từ một hoặc vài
trung tâm kết tinh ban đầu. Nếu tốc độ dịch chuyển lớn hơn mức cán thiết
thì tinh thể không lớn kịp và quá trình kết tinh của đơn tinh thể bị gián đoạn.
Ngoài phương pháp Chalmen, người ta còn cỏ thể dùng các phương
pháp khác nhau để nhận được kim loại hoặc hợp kim có độ tinh khiết cao
dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
142


Kim loại lỏng nhận được bằng các phương pháp hỏa luyện hoặc thủy
luyện có thể đúc thành các sản phẩm máy móc hoặc đúc thành thỏi. Từ thỏi
kim loại, có thể cán, kéo hoặc ép thành bán thành phẩm và sau đó từ các
bán thành phẩm này lại có thể gia công thành các sản phẩm khác nhau
bằng các phương pháp đúc rèn, dập, cắt gọt, hàn v.v_ theo sơ đồ hình 9.
Quãng

Tuyển quặng
ị

'

Hỏa luyổn, thúy luyện
ĩ

Hình 9. Sơ đồ sản xuất và gia công kim loại
IV. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐÈN TÍNH DAN
ĐIỆN VÀ TỪ CỦA KIM LOẠI
Tùy thuộc công nghệ của các phương pháp gia công kim loại sau khi
luyện, kim loại sẽ có kết cấu (hay còn gọi là tổ chức) khác nhau dẫn đến
tính chất khác nhau. Sau đây dẫn ra một số yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến
cơ tính và tính chất điện và từ của kim loại.
1. Ảnh hưởng của công nghệ đúc
Khi rót kim loại lỏng vào khuôn đúc, tùy thuộc tốc độ nguội của
kim loại lỏng trong khuôn và các yếu tố phụ khác như tạp chất, các
nguyên tố hợp kim, chất biến tính... kích thước hạt kim loại sau khi kết
tinh sẽ khác nhau. Nếu tốc độ nguội càng nhanh hạt kim loại càng nhỏ
dẫn đến độ bền càng cao. Tuy nhiên, do hạt càng nhỏ, diện tích biên
giới hạt càng lớn dẫn đến điện trở càng lớn và khi kim loại đặt trong
điện trường hoặc có dòng điện đi qua nhiệt sinh ra càng lớn và tổn thất
diện năng và tổn thất từ càng lớn.
143


2. Ảnh hưởng của công nghệ gia công bằng áp lực
Khi cán, kéo hoặc rèn, kim loại sẽ biến dạng, hình dáng hạt kim loại
sẽ kéo dài theo phương của lực tác dụng và thường bị méo mó, xô lệch và
thường tạo nên hình dáng hạt gọi là "tổ chức thớ" hay còn có tên là
"techxtua" (xem hình 10). Kết quả dẫn đến điện trở tăng và kim loại mang
tính có hướng, tổn thất điện năng và tổn thất từ cũng tăng và độ bển cũng
tăng. Tuy nhiên, tính có hướng (hay còn gọi là tính dị hướng) lại được lợi

dụng trong trường hợp chế tạo thép làm lõi biến áp để buộc các đường sức
tập trung theo chiểu của thớ kim loại. Theo chiều thẳng góc với thớ đường
sức sẽ rất yếu do dó làm giảm tổn thất từ ra môi trường xung quanh. Nếu
sau khi gia công bằng áp lực muốn giảm xô lệch mạng dể giảm diện trở và
giảm tổn thất diện năng thì người ta tiến hành ủ kim loại, nghĩa là nung
nóng kim loại dã bị biến cứng do xô lệch mạng sau khi gia công áp lực đến
một nhiệt độ nhất định để tạo khả năng sắp xếp lại vị trí các nguyên tử
trong mạng tinh thể, làm giảm hoặc triệt tiêu xô lệch mạng dẫn đến giảm
điện trở. Công nghệ đó gọi là "ủ kết tinh lại". Công nghệ ủ kết tinh lại (loại
không chuyển biến pha) chỉ làm giảm xô lệch mạng mà hầu như không
làm thay đổi hình dáng và kích thước hạt.

Hình 10. Cấu tạo textua sau khi biến dạng
144


3. Ảnh hường của nhiệt luyện đến tính chất kim loại
Nhiệt luyện là các phương pháp gia công gồm có nung nóng kim loại
đến một nhiệt độ nhất định, sau khi giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi làm
nguội với một tốc độ nhất định để làm thay đổi cấu tạo tổ chức bên trong
do đó làm thay đổi tính chất kim loại mà hình dáng kích thước bên ngoài
của chi tiết không được thay đổi.
Nhiệt luyện kim loại có thể thực hiện sau khi gia công tạo hình sản
phẩm với mục đích đạt được tính chất cần thiết để chi tiết làm việc lâu dài,
hoặc cũng có thể thực hiện bằng những bước trung gian giữa các lần gia
công tạo hình với mục đích tạo khả năng gia công tốt hơn, năng suất gia
công cao hơn, chất lượng gia công tốt hơn.
Các phương pháp nhiệt luyệt gồm có:
a. ủ (anealing)
Nung nóng kim loại đến nhiệt độ nhất định, giữỏ nhiệt độ đó một

thời gian để nhiệt độ đạt được đồng đểu trên toàn chi tiết sau đó làm nguội
chậm cùng lò đến nhiệt độ thường.
Sau khi ủ kim loại sẽ mềm hơn, dễ gia công hơn, tính chất đồng đểu
trên toàn chi tiết.
Đối với thép cacbon có lượng cacbon thấp hơn 0,30% nếu làm nguội
theo lò thì độ cứng sẽ quá thấp, cắt gọt trên máy tiện sẽ khó khăn hơn nên
sau khi nung nóng như để ủ nhưng lấy ra làm nguội ngoài lò (nguội ngoài
không khí tĩnh hoặc thổi quạt để nguội nhanh hơn) thì gọi là thường hóa
(normalisation). Kết quả tương tự như ủ.
b. Tôi (quenching)
Nung nóng kim loại đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (thường
'cao hơn 750°C) sao cho các tổ chức trong thép đều chuyển thành tổ chức
auxtênit (xem mục 11a hình 15), sau đó làm nguội thật nhanh (trong nước
nguội hay trong nhớt nguội hay nóng) đến nhiệt độ bình thường thì gọi là
tôi. Kết quả trong thép sẽ nhận được một tổ chức gọi là Mactenxit rất cứng
như hình 11. Nhờ có tổ chức này mà chi tiết thép có độ bền cao, chịu được
mài mòn cao. Tuy nhiên, thép sẽ đòn hơn, điện trở tăng rất mạnh. Nếu
dùng thép có cacbon cao đem tôi sau đó nạp từ sẽ cho trị số He rất cao.
Thép có thành phần cacbon càng cao sau khi tôi nhận được giá trị He càng
cao khi từ hóa. Thông thường, người ta dùng thép có thành phần cacbon
khoảng 0,60 - 0,80% để làm nam châm vĩnh cửu.

145


Hình 11. Tổ chức mactenxit sau khi tôi
c. Ram (tempering)
Nung nóng thép đã tôi đến một nhiệt độ nhất định (không được vượt
quá 700°C) làm nguội ngoài không khí đến nhiệt độ thưởng thì gọi là ram.
Mục đích của ram là làm giảm ứng suất do tôi để chi tiết thép có thể làm

việc ổn định hơn, giảm nguy cơ nứt gãy trong quá trình chịu tác dụng lực
khi làm việc. Sau khi tôi có độ cứng cao, muốn điều chỉnh giảm độ cứng
người ta ram với các nhiệt độ thích hợp. Nhiệt độ ram càng cao độ cứng
giảm càng nhiều. Ram ở nhiệt độ càng cao, ứng suất giảm càng nhiều do
đó điện trỏ giảm càng nhiều. Đối với vật liệu từ cứng bằng thép tôi, sau khi
tôi thường không ram để khi từ hóa nhận được giá trị He cao. Tuy nhiên,
trong quá trình làm việc, do tính tự ram của thép đã tôi nên giá trị He dán
dần sẽ bị giảm.
V. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỔNG
1. Đồng nguyên chất
Còn gọi là đồng đỏ vì nó có màu đỏ. Khối lượng riêng 8,93 g/cm ,
nhiệt độ nóng chảy 1083°c. Đông nguyên chất có tính dẫn điện cao (chỉ thua
bạc), tinh dẫn nhiệt cũng rất cao. Độ bền và độ cứng không cao, nhưng tính
dẻo rất cao nên gia công đồng đỏ bằng các phương pháp gia công áp lực là
rất thuận lợi. Tính đúc của đồng đỏ không cao vì ỏ trạng thái lỏng đồng hoa
tan khi rất mạnh, đúc dễ bị rỗ (bọt). Độ chảy loãng không cao. Do đó đồng
đỏ ít dùng ở trạng thái đúc. Tính cắt gọt của đồng đỏ không cao vì rất dẻo,
khi dũa dễ bị phoi dính răng dũa, khó dũa. Đồng đỏ bền trong các môi trường
kiềm, nhưng dễ bị ăn mòn trong các môi trường axit.
3

Đổng đỏ dùng làm dây dẫn điện phải là đổng nguyên chất điện phàn
(Cu E) và ở trạng thái ủ để bảo đảm có điện trở suất nhỏ nhất.
Đống đỏ còn dùng làm vành góp, cổ góp trong máy điên.
Các chổi điện trong các loại máy điện phải chế tạo bằng đổng đỏ
nhưng ỏ dạng bột đồng ép lại (chế tạo theo phương pháp luyên kim bột).
Để giảm độ mòn của chổi điện người ta trộn thêm vào bột đồng khoảng
10-15% Graphit rồi ép thành chổi điện sau đó thiêu kết ỏ nhiêt đõ khoảng
700~800°c.
14G

ũ

ma

Sũũ

1200 "ũ

Hình 12. Quan hệ điện trở suất theo nhiệt độ của đồng nguyên chất
Phân loại, ký hiệu và thành phần các tạp chất được quy định trong
đồng nguyên chất choở bảng 1.
Dây dẫn và cáp dẫn điện được chế tạo theo các tiêu chuẩn như ở
bảng 2.
Các tính chất về điện của đồng nguyên chất như sau:
Độ dẫn điện riêng Y đối với đồng nguyên chất nhất: 59,5
m/Q.mm
2

Độ dẫn điện riêng Y đối với đồng nguyên chất "tiêu chuẩn": 58
m/£2.mm
2

-

Điện trỏ suất của đồng "tiêu chuẩn" p: 0,017241 Í2.mm /m

-

Hệ số nhiệt điện trở suất áp: 4,3.1 o (0~150°C) .K"

-

Sức nhiệt điện động so với Platin: 0,14 mV khi nhiệt độ đẩu hàn
0°c.

2

3

1

Điện trở suất của đồng thay đổi theo nhiệt độ theo quan hệ bậc nhất
như trên hình 12.
Bảng 1. Giới hạn các tạp chất cho phép của các loại đống tinh chế
Kỉ
riêu
CuE
Cu 9
Cu 5
Cuũ

Ham luông tạp chã! % tói do
As
Bi Fe
AI
0,002 0,002 0,002 0,005
0,002 0.002 0,002 0,005
0.010 0,050 0,003 0,050

0,050 0,200 0,010 0,100

0
0,020
0,080
0,100
0.150

PD
0,005
0,005
0,050
0,300

s
0,005
0,005
0,010
0,020

Sb
0.002
0,002
0,050
0,100

Sn
0,002
0.002
0,050

0,100

2n
0,005
0,005
0,050
0,100

Se* Te
0.005
0,005
0.030
0,050

Ni'
ũ. 002
0,002
0,200
1,000

Đổng đỏ còn có thể dùng làm một số linh kiện điện cố định, không
tháo mở thường xuyên vì đồng đỏ có tính chống mài mòn do ma sát kém.
Đồng đỏ còn dùng làm các cơ cấu phân phối, các cuồn dây trong biến áp,
động cơ, điện cực trong bể mạ đồng, vòng cảm ứng để tôi cao tần, khuôn
kết tinh khi đúc liên tục thép thỏi...
Trong công nghiệp điện đổng đỏ còn dùng chế tạo anot của đèn
phát có làm nguội cưỡng bức bằng nước hay không khí, thanh đối catot
của ống.
147

Bảng 2. Các đặc điểm của dây dẫn và cáp dẫn điện không có vỏ
bọc rơnghen...trong đó người ta hàn đổng với thủy tinh mặc dù hệ số dãn
nở nhiệt của đồng không hoàn toàn bằng thủy tinh nhưng nó có tính hàn
với thủy tinh rất tốt và khi hàn thường dùng phương pháp "hàn viển mép".
Thiết
diện day
dán
S.mni'
4
8
10
16
25
35
50

Chiêu
dai dày Sô
I. m. day
khủng
nhỏ hơn
2200
1
1500
ì
900
1
4000
7

3000
7
2500
7
2000
7

ouơng
Ri
Thìa
kinh
om.km' điịn day
tinh
khổng
dán
toan D.
nhó hon s.mnv
mm
2,2
4,6Õ
70
2.7
3,06
95
3,5
1.64
120
5,0
1.20
150

6,3
0.74
185
7,5
0,54
240
8,9
0,39
30P
400
1

Chiêu
dùi dày Sổ
1. m. dây
khổng
nhỏ han
19
1500
1200
19
1000
19
800
19
800
37
800
37
600

37
600
37

Suông
kinh
tinh
toan D.
Him
10.7
12.5
14,0
15.8
17,4
19.9
22.1
25.8

Ri
om.km'
kháng
nhà
hon
0,28
0,20
0.158
0.123
0.103
0.078
0.062

Ũ.M7

Trong công nghiệp cơ khí thường dùng hợp kim đổng là latông và brông.
2. Latông hay còn gọi là dồng thau
Là hợp kim của Đổng và Kẽm (Zn). Thành phần kẽm chứa trong
latông thường không quá 45%, (hợp kim latông để làm que hàn có thành
phần kẽm trên 45%).
Nếu hợp kim latông có thành phần Zn dưới 39% thì gọi là latòng 1
pha. Latông 1 pha còn có tên gọi là đồng tôm pắc. (Đồng tôm pắc có thành
phần 4 -10% Zn, đồng nửa tôm pắc có thành phần 15-20% Zn. latông có
20% Zn có màu rất giống vàng ròng). Latông 1 pha rất dẻo, dễ kéo, dập
nguội, dập nóng nhưng có tính chống mài mòn kém. Do đó latông 1 pha
không nên dùng làm các chi tiết dễ mòn như bu lông, đai ốc, cáu dao điện.
Các loại chi tiết này nên dùng loại latông 2 pha, là loại có thành phần kẽm
từ 40-43%. Latông 1 pha thường dùng để chế tạo các chi tiết dạng vỏ và
gia công chủ yếu bằng phương pháp rèn hoặc dập nguội. Latông 2 pha có
thể gia công bằng cắt gọt, đúc và hiếm hơn bằng gia công áp lực. Trong
latông, ngoài 2 nguyên tố chinh là Cu và Zn, người ta có thể cho thèm một
số nguyên tố khác như nhôm (AI), niken (Ni), mangan (Mn), thiếc (Sn), _để
cải thiện một số tính chất cho hợp kim latông.
Ký hiệu latông theo TCVN có chữ L đứng đầu, sau đó là ký hiệu của
các nguyên tố. Thành phần của mỗi nguyên tố là chữ số đứng sau ký hiệu
của nguyên tố đó. Thí dụ:
LCuZn30 có 30% Zn còn lại là Cu.
LCuZn29Sn1 có 29% Zn; 1% Sn còn lại là Cu.
LCuZn27Ni18 có 27% Zn; 18% Ni còn lại là Cu.
148


Theo TOCT (GOST) hợp kim latông ký hiệu có chữ Jl đứng đầu, tiếp

Jó là ký hiệu các nguyên tố bằng chữ cái Nga và số đứng sau chỉ thành
3hần của Cu và các nguyên tố không phải là Zn.
Các chữ cái Nga ký hiệu cho các nguyên tố trong hợp kim màu theo
rOCT như sau:
Ký hiệu nguyên tố

Tên gọi nguyên tố

AI

nhôm

Ký hiệu theo TOCT
A

Be

bêrili

E

Fe

sắt

>K

Si

silic

K

Mg

magiê

Mr

Mn

mangan

Mụ

Cu

đổng

M

Ni

niken

H

Sn

thiếc

0

Pb

chi

c

Zn

kẽm

Cr

crôm

M
X

Theo đó ký hiệu các hợp kim latông như sau:
Theo TCVN
LCuZn30

Theo TOCT
J170

LCuZn29Sn1

JlO70-1

LCuZn27NM8

/1H55-18

LCuZn38Siì2Pb2

/10C58-2-2

Để chế tạo bu lông, đai ốc trong các khí cụ điện như cầu dao, công
tắc, trục vít, bánh vít... nguời ta dùng latông phức tạp gồm 64~68%Cu,
4-7% AI, 2~4%Fe, 1,5~3%Mn (ký hiệu LCuZn23AI6Fe3Mn2) còn lại là
kẽm. Để làm bánh răng dùng latông mác LCuZn34Mn2Sn2Pb2.
3. Brông
Hay còn gọi là đồng thanh (lưu ý rằng loại đồng thanh thiếc có người
gọi theo cách gọi của các nhà khảo cổ học là "đồng thau", trúng tên với
hợp kim của đồng với kẽm).
Là hợp kim của đồng với các nguyên tố không phải là kẽm. Thí dụ:
hợp kim Cu-Sn, Cu-Pb, cũ-AI, Cu-Ni, Cu-Be...
Ký hiệu hợp kim brông theo TCVN đứng đầu có chữ B, còn theo
TOCT đứng đầu là chữ Bp, tiếp theo tương tự như kí hiệu cho latông. Thí dụ:
TCVN TOCT. Thành phần các nguyên tố:
149


BCuSn5Zn5Pb5 EpOLỊC5-5-5 5%Sn; 5%Zn; 5%Pb còn lại là Cu.
BCuAI9Fe4 EpA>K9-4 9%AI; 4%Fe còn lại là Cu.
BCuSn3Zn7Pb5Ni1 BpOLịCH3-7-5-1 3%Sn; 7%Zn; 5%Pb; 1%Ni
còn lại là Cu.
>

Brông thiếc
Bảng 3. Công dụng một số mác brông thiếc

Kỷ hiệu brông thiếc

Công dụng

BCuSn3Zn7Pb5Ni 1

Các chi tiết tàu thủy tiếp xúc với nước biển
và chi tiết trong nồi hơi có áp suất tới 25at

BcuSn3Zn12Pb5

Các chi tiết làm việc trong nước ngọt và hơi
nước có áp suất tới 25at

BcuSn5Zn5Pb5

Các chi tiết chịu ma sát, mài mòn, ổ trượt

BcuSn6Zn6Pb3

rít-

BcuSn4Zn4Pb17

nt-

BcuSn3,5Zn6Pb5

nt-

Hợp kim brông thiếc là hợp kim của đổng và thiếc. Khi có thành phẩn
của thiếc nhỏ hơn 8% gọi là brông 1 pha. Brông thiếc 1 pha rất dẻo. Khi
hàm. Lượng thiếc trong brông lớn hơn 8% gọi là brông 2 pha. Brông thiếc 2
pha tương đối đòn. Brông này dùng ỏ trạng thái đúc là tốt nhất. Mặt khác
brông thiếc có trên 8%Sn có tính chống mài mòn tốt nên dùng làm ổ trượt.
Ổ nhà máy chế tạo động cơ của Việt Nam, người ta thường dùng brông
thiếc để chế tạo bạc lót chốt pit-tông ô tô và máy kéo. Brông thiếc có
thành phần <8%Sn có tính truyền âm xa nên thường dùng đúc thành các
nhạc cụ như chuông, chiêng, cồng, trông đồng. Các loại kèn đồng cũng
phải dùng brông thiếc có <8%Sn (có thể thêm 1~1,5%Au tiếng càng hay)
nhưng chế tạo bằng phương pháp gò, hàn, dập nguội từ brông tấm.
>

Brông nhôm

Là hợp kim của đồng và nhôm. Nhưng để cải thiện một số tính chất,
người ta có thể cho thêm một số nguyên tố khác như mangan, sắt, niken
làm cho brông đỡ đòn hơn. Đặc biệt niken làm cho brông có tinh bển nhiệt.
Brông nhôm có thể nhiệt luyện bằng cách tôi ở 900°c trong nước và ram ỏ
650°c trong 1,5 giờ, cơ tính sẽ tăng lên rõ rệt. Brông nhôm có tinh chống
mài mòn và chịu ăn mòn trong nước biển tốt hơn brỏng thiếc nhiêu, giá
thành lại rẻ hon. Tuy nhiên, nhược điểm của brông nhôm là có độ co ngót
khi đúc lớn, dễ gãy. nứt và khó hàn.
150

Bảng 4. Công dụng của một số mác brông nhôm
Công dụng

Kỷ hiệu brông nhôm
BCUA15

Cán thành tấm, băng, dập huy hiệu

BCuA17

Cán thành tấm, làm lò xo

BCuA110Fe4Ni4

Ổ trượt, bánh răng, xupap xả...

BCUA110

Đúc định hình, đúc áp lực

BCuA111Fe6Ni6

-nt-

BCuA19Fe4

0 trượt, vỏ bơm, vòng chăn nước

BCuA110Fe3Zn1,5

Ổ trượt, bạc, bánh răng

r

Brông chì

Là hợp kim của đổng và chi với lượng chì thường được sử dụng từ 2530%. Hợp kim đồng chì có tính chống ăn mòn cao, nhưng khó đúc và có
tính thiên tích về trọng lượng lớn (khối lượng riêng của Cu là 8,93 trong lúc
đó của Pb là 11,34). Thường được sử dụng làm ổ trượt trong động cơ đốt
trong. Ký hiệu brông chì là BCuPb30 (BpC-30), BCuPb25 (BpC-25).
> Brông bêri
Brông bêri có lượng chứa nguyên tố Be từ 2-4%, có tính đàn hồi cao
nên còn có tên gọi là đồng đàn hồi, thường dùng làm lò xo trong các đồng
hồ đo các đại lượng điện để tránh nhiễm từ do ảnh hưởng của điện từ
trường của dòng điện cần đo chạy trong mạch đo của đổng hồ, Nếu dùng
lò xo bằng thép, lò xo có thể bị nhiễm từ, và từ trường của dòng cảm ứng
này sẽ làm sai lệch kết quả đo của dòng điện chính. Đồng bêri ký hiệu
theo TCVN là BCuBe2.
VI. NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM
1. Nhôm nguyên chất
Nhôm nguyên chất có màu trắng sáng. Khối lượng riêng 2,7 g/cm .
Nhiệt độ nóng chảy 660°c. Nhôm có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, chỉ
kém sau bạc và đồng. Để trong không khí lâu nhôm không bị rỉ, nhưng khi
tiếp xúc với môi trường ẩm có tính axit hay kiểm nhôm dễ bị ăn mòn. Nhôm
nguyên chất có tính dẻo cao, nhung độ bển thấp, do đó nhôm nguyên chất
chỉ dùng chế tạo các chi tiết vỏ, bao bì, dụng cụ gia đình, hoặc làm vật liệu
kĩ thuật điện như dây dẫn, các linh kiện điện. Để chế tạo các chi tiết máy
thường dùng hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm chia làm hai loại: hợp kim
nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng.
3

151


2. Hợp kim nhôm đúc
Hợp kim nhôm đúc là các loại hợp kim chế tạo thảnh sản phẩm
bằng phương pháp đúc, sau khi gia công cơ khí cho làm việc cũngở
trạng thái đúc.
Hợp kim nhôm đúc thông dụng nhất là các hợp kim hệ Al-Si có tên gọi
là hợp kim silumin (tên gọi tắt của hai chữ silic và alumin). Thưởng dùng các
hợp kim có thành phần Si từ 5 đến 20%, trong đó các hợp kim có lượng Si
trong khoảng 12-13% có tính đúc tốt nhất vì có độ chảy loãng cao tuy độ
bến có thấp hơn một ít so với các thành phần khác. Nếu cho thêm một ít Mg
(0,3-1%) độ bền và tính chống ăn mòn được cải thiện. Cho thêm 3-5% Cu
trong lúc có Mn cơ tính sẽ cao hơn nhiều mà tính đúc vẫn tốt. Hợp kim loại
này như mác hợp kim AISi12CuMg1MnO,6Ni1Đ (chữ Đ nghĩa là đúc) thường
dùng.để đúc pit-tông ô tô, máy kéo. Mác nhôm này có hệ số dãn nỏ nhỏ,
chịu nóng tương đối tốt. Để chế tạo các chi tiết đúc khác như thanh truyền,
vỏ máy, bánh răng, người ta dùng hợp kim có lượng Si thấp hơn (tử 5-8% Si).
3. Hợp kim nhôm biên dạng
Hợp kim nhôm biến dạng là các hợp kim nhôm chế tạo thành sản
phẩm bằng phương pháp gia công áp lực như rèn, dập, cán. Sau đó nhiệt
luyện để nâng cao độ bền.
Hệ hợp kim điển hình thường dùng nhất của nhóm này là hệ Al-CuMg có tên là hợp kim dura (từ thuật ngữ tiếng Pháp), trong đó có 2,56%Cu; 0,4-2,8%Mg, 0,4--.%Mn. Bảng 4-4 nêu thành phán của một số
hợp kim đura.
Hợp kim đura có cơ tính cao, từ 200-500 MPa (20-50 KG/mm ),'
thường dùng để chế tạo các chi tiết chịu lực trong công nghiệp hàng
không, ô tô, tàu thủy...
2

Bảng 5. Thành phần hóa học của một số mác nhôm biến dạng (dura)
TCVN

TOCT

AICu4MgMnSi
m
AICu5MgMnSi
ne
AICuMg1.5Mn
n-16
A!Cu2,5Mg
fl18
AICu2Mg MnSiFe
AK6
AICu4.5MgMnSi
AK8
AICu2Mg1,5SiFeNỈTi AK4-1
152

Thanh phin các nguyên tí
Cu

Mg

Nin

3,8-4,8
4.6-5.2
3.8-4.9

2,2-3.0
1.8-2.6
3,9-4,8
1.9-2,7

0,4-0.8
0.6-1.0
1.2-1.8
0,2-0,5
0.4-0,8
0,4-0.8
1,2-1.8

0,1-0,8 < 0,7
0,5-0,9 < 0,5
0,3-0,9 < 0,5
< 0.5
0.4-0.8 0,7-1.2
0,4-1,0 0,6-1,2
0,35
-

SI

Fe

NI

TI

< 0.7
< 0,5
< 0.5
< 0.5
0.7
0.7
0,8-1,4 0.4-08 3.02-0,1


vu. CÁC KIM LOẠI MÀU KHÁC
Trong kỹ thuật điện ngoài đồng, nhôm là các kim loại màu thông
dụng nhất, người ta còn dùng các kim loại màu khác tuy có hạn chế hơn do
hoặc là giá thành cao, trữ lượng thấp hoắc một số hạn chế về tính chất kỹ
thuật so với nhôm và đồng.
1. Nhóm kim loại quý
Nhóm kim loại quý gồm 8 nguyên tố là bạc (Ag), Palađi (Pd), Rôđi
(Rh), Vàng (Au), Platin (Pt), Rutêni (Ru), Osmi (Os), Iriđi (Ir). Nhưng trong
công nghiệp điện và điện tử thường dùng nhất là các nguyên tố Ag, Au, Pt
và Pd. hiếm hơn có dùng Ir.
Tính chất quý nhất của kim loại quý là ở điều kiện bình thường không bị
oxy hóa và không bị ăn mòn trong các dung dịch thông thường kể cả ở nhiệt
độ cao. Các nguyên tố như Ag, Au, Pt không hiếm nhưng do đặc điểm khai
thác và tinh luyện và nhất là tính quỷ của chúng nên có giá thành rất cao.
Các thông số cơ bản của kim loại quý cho ỏ bảng 5.
•

Vàng(Au)

Vàng là kim loại có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, giới hạn
bền kéo ƠK=15KG/mm , độ dãn dài tương đối s%=40. Trong kỹ thuật điện

vàng được dùng dưới dạng hợp kim như vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ
bảo vệ chống ăn mòn, làm điện cực của tế bào quang điện, chân diod và
các công việc khác.
2

Vàng không hòa tan trong bất kỳ dung môi thông thường nào kể cả
axít vô cơ mạnh nhất là HF, chỉ bị hòa tan trong dung môi nước cường toan
gồm 1 phần HOI + 3 phần HNO3 và trong dung dịch Kali xianua.
Bảng 6. Một số thông số cơ bản của các kim loại quý
Ký hiệu So thu
lự
TT Tin gọi nguyên
nguyên
to
to
d7
1
Bác
Ag
Au
79
2 Vàng
46
Pd
3 Palađi
Pl
78
ứ Plalin
R
h

45
Ròđi
5
77
Ir
Iriđi
6
aứ
Ru
7 Rulẻni
76
Os
ôxtni
8

Khôi Nhiệt dọ
nóng
lượng
chảy
nguyên
X
tu
107.880 960.5
197,2
1063
1554
106,7
195.23 1773,5
102.91
1966

193,1
2454
101.7
2500
190.2
2700

Khôi
lượng
riêng
g/cm
10,55
19,36
12,16
21,45
12,41
22,41
12,20
22.48
!

Điện trổ
suất à
2SC
Pin.
mm/m)
0,01609
0,02191
0,0996
0.103

0,049
0.0540
0.07427
0,0966
Ù

Hẹ so dàn
điện a 25 c
A(ff .em
.10-)
1

1

62.15
45.64
10.04
9.71
20,20
18,52
13,48
10,36
153


•

Bạc (Ag)

Bạc là kim loại có màu trắng sáng. Bạc có trị số điện trỏ suất nhỏ

nhất như ở bảng 6 nghĩa là bạc có tính dẫn điện tốt nhất trong tất cả các
kim loại. Giới hạn bển kéo ơ =20KG/mm , độ dãn dài tương đối 5%=50.
Bạc là kim loại rất dẻo, có thể dát mỏng hoặc kéo dài thành dây có đường
kinh đến 0,00025 mm. Bạc dùng để sản xuất các tiếp điểm có dòng nhỏ
(pha với đồng dùng làm chất hàn khi hàn đổng, hàn thép không rỉ, làm cực
bản trong sản xuất tụ gốm, tụ mica...)2

K

•

Platin (Pt)

Hay còn gọi là bạch kim là kim loại màu trắng sáng, không bị oxi hóa
và rất bén hóa học. Có giới hạn bền kéo ƠK=15KG/mm , độ dãn dài tương
đối s%=30~35%.
2

Platin dùng làm cặp nhiệt (xem mục hợp kim làm cảm biến). Dây
platin mảnh với đường kính 0,001 mm dùng để treo hệ thống động trong
các đồng hồ điện và các dụng cụ đo có độ nhạy cao.
Platin tinh khiết ít dùng làm tiếp điểm, nhưng hợp kim của nó lại dùng
nhiều để làm tiếp điểm: phổ biến nhất là Platin-lnđi không bị oxy hóa, có
độ cứng cao, ít bị mòn cơ học, cho phép đóng cắt với tần số lớn.
2. Nhóm các kim loại khó chảy
Nhóm này gồm các nguyên tố như ỏ bảng 7.
Đặc điểm của các kim loại nhóm này là do nhiệt độ nóng chảy rất
cao, nhất là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy trên 2000°c, nên để chế
tạo thành các sản phẩm như các dây, tấm người ta không dùng các
phương pháp luyện kim nóng chảy thông thường mà dùng phương pháp

luyện kim bột như đã giới thiệu ở phần UI mục 4.
•

Vôntram (W)

Vôntram là kim loại có màu xám sáng, có nhiệt độ nóng chảy cao
nhất trong tất cả các kim được sử dụng thông thường và cũng có khối
lượng riêng lớn.
Từ quặng vônừamở dạng nFeW0 X mMnW0 người ta làm giàu
quăng và chuyển sang dạng W 0 đ ể có tỷ lệ w không nhỏ hơn 99,95%. Từ
oxit cho vào lò điện ở nhiệt độ 700~900°c dùng hydro hoàn nguyên được
hạt w nguyên chất với kích thước 1 -7 (im. Từ bột ểp thành thỏi với áp lực
200-300 MPa và thiêu kết ở nhiệt độ 1200-1400°c, sau đó ép thành thỏi
vói đường kính 2-3 mm ở nhiệt độ 3000-3100°c trong luồng khí hydro. Từ
thỏi này hạ nhiệt độ xuống đến 800°c rồi kéo đến nhiệt độ 300°c thi ngưng
để có dây w với đường kính 0,005-0,01 mm dùng làm dây tóc bóng đèn
các loại.
4

4

3

154


Công dụng của vônfram:
-

Làm dây tóc đèn chiếu sáng các loại

-

Làm catôt nung trực tiếp đèn công suất lớn, điện áp cao của các
ống rơnghen.

-

Hợp kim vônfram-tôri có công tiêu hao thấp dùng để chế lạo
catốt đèn điện tử công suất nhỏ và trung bình.

-

Làm đối catốt các ống rơnghen.

-

Làm dây đốt trong các lò nung chân không, lò có khí hydro hay
acgông với nhiệt độ nung nóng đến 3000°c.

-

Làm điện cực khộng nóng chảy khi hàn trong khí bảo vệ acgông
hay hêli.

-

Làm dây cặp nhiệt W-Mo.
Bảng 7. Các nguyên tố kim loại khó chảy

TT

Tên gọi

Ký
hiệu
nguyên
tố

Số thứ
tự
nguyên
tố

Khối
lượng
nguyên
từ

Nhiệt
độ
nóng
chảy
°c

Khối
lượng
riêng
g/cm

3

Điện
trở
suất
P(Í2.
mm /m)
2

1

Titan

Ti

22

47,88

1665

4,5

0,42

2

Vanađi

V

23

50,941

1735

5,96

0,26

3

Crôm

Cr

24

51,996

1890

7,2

0,13

4

Ziếc côn

Zr

40

91,224

1750

6,49

0,41

5

Niôbị

Nb

41

92,906

2415

8,57

0,18

6

Môlipđen

Mo

42

95,94

2625

10,2

0,057

7

Tecnêxi

Te

43

97,907

2700

11,5

-

8

Hafni

Hí

72

178,49

1700

13,31

-

9

Tantan

Ta

73

180,947

2996

16,6

0,135

10 Vôi ram

w

74

183,84

3410

19,35

0,055

Rêni

Re

75

186,207

3170

20,5

0,21

12 Tô ri

Th

90

232,038

1800

11,72

0,19

Pa

91

232,038

3000

15,37

-

11

13

Protacti

155


•

Molipđen (Mo)

Molipđen là kim loại gần giống vôntram, có nhiêu đặc tính giông
vôntram. Trong thiên nhiên quặng molipđen thường gặpở dạng M0S2, Ít
gặp hơn ở dạng PbMo0 . Sau khi làm giàu quặng được M0O3.TỪ oxit Mo
ở dạng bột muốn nhận được kim loại Mo cần đem ép thành thỏi sau đó
đem rèn và ủ hoàn nguyên qua 2 giai đoạn: giai đoạn 1 ở 650°c dể
chuyển thành M0O2 sau đó hoàn nguyên ỏ 1000-1100°c sẽ nhận được
Mo kim loại.
3

4

Trong công nghiệp điện molipđen được sử dụng:
-

Làm điện cực trong các khí cụ điện có thể làm việc đến 1000°c.

-

Làm dây đốt trong các lò có nhiệt độ nung đến 1700°c với khí
bảo vệ là acgong hoặc hydrô. Dây đốt Mo không làm việc trong

lò chân không vi trong chân không Mo bay hơi nhanh hơn trong lò
có môi trường khi bảo vệ.

-

Mo được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật điện chần không là
làm các dây dẫn, dây móc, dây nối trong thủy tinh khó nóng chảy
mà với thủy tinh này người ta sử dụng các dây nung, các lò xo
xoắn bằng vôntram làm việc đến 500°c.

VIN. CÁC HỢP KIM CÓ ĐIỆN TRỞ CAO VÀ Hộp KIM LÀM CẶP NHIỆT
Nhóm các khí cụ này được chế tạo chủ yếu trên cơ sỏ niken (Ni).
1. Hợp kim có điện trở cao
Hợp kim có điện trở cao dùng làm các điện trỏ mẫu, các biến trở và
các dây điện trở để đốt nóng trong các lò nung, bếp điện v.v_
Bảng 8. Hợp kim Ni và Ni-Cr có điện trở lớn
HỢP kim Ký hiệu

Ni+Co
Cu
Alurnel HMuAK2-2- Còn lai khi
1
Co 0.6-1,2
Crómel T HX 9.5 Còn lại
Crômel K HX9 Còn lai khi
Co 0.4-1.2
cỏpel MHMu43- 42.5-44.0 Còn lai
0,5
Constantan MHML(40- 39,0-41
1.5

«
Ma nga nin MHM14 5-12 2,5-3,5
MHMụ A>K 2,3-3.5
3-12-0.30.3
156

Thành phán hóa học
Mn
AI
Cr
1.8-2,7 1.6-2,4
9.0-10.0
8.5-10.0

F«

Si
0.85-1.5

•

1,1-1.0
0.1 2.0

•

-

11.5-13.5
11,5-13.5 0.2-0,4

p

.
0.2-0.6


I

HK Nicróm
en 5Ni60
Ct20Ni80
HK lecran
en 3AI4
Ct25AI5

ì

55~61
75-78

1.5
1.5
0.7
0.7

0.6
0.6

-

15-18
20-23

Còn lại
Còn lại
-

3,5-5.5 12-15
4^5-6 5 23-27

Cỏn lọi
Còn lại

Yêu cầu của các hợp kim này là phải có điện trở suất lớn, có hệ số
nhiệt độ điện trở suất phải nhỏ và không có chuyển biến pha khi nung
nóng (nghĩa là không thay đổi cấu tạo hạt khi nung nóng ở nhiệt độ cao).
Để làm các biến trở và các điện trỏ mẫu người ta dùng các hợp kim
trên cơ sở đồng (Cu) như manganin, constantan, còn để làm dây đốt dùng
các hợp kim trên cơ sỏ niken. Thành phần của các loại hợp kim này được
cho ở bảng 8 và tính chất của chúng cho ỏ bảng 9. Các dây điện trỏ bằng
nicrôm chỉ dùng cho các lò điện nung đến nhiệt độ không quá 1100°c.
Muốn chế tạo lò nung có nhiệt độ nung đến 1350°c và 1550°c phải
dùng thanh điện trỏ cacborun (thành phần chủ yếu của cacborun là SiC).
Bảng 9. Tính chất của các hợp kim điện trỏ lớn
Khói
Điện trổ
lù^ng
Tin h

sui!

riêng
(lmm/m
g/cm
Manganin
0.42-0,48
8,1
Constantan 8,9
0,48-0,52
HK nicrAm
CM5NÌ60 8,2-8,3 1,0-1,2
Cr20Ni80 8,4-8,5 1,0-1,1
HK lecran
en 3AI4 7,1-7,5 1,2-1.35
Cr25AI5 6,9-7,3 1,3-1,5
s

3

Hệ sá nhiệt Nhiệt độ
điện trổ a„ lam việc
cho phép
/độ
°c
(5-30).10" 100-200
(5-2 5). lũ
450-500
6

-6

GIỚI hgn
bin keo
KG/mm

Độ dán dai
tuông dái.
%

40-60
40-50

15-30
20-40

2

(1-2)10"
(1-2)10^

1000
1100

65-70

25-30

(1 -12)10"*
6.5.10-

850

1200

-70
-80

-20
-10-15

5

Bảng 10. Sức nhiệt điện động của một số kim loại khi đặt cùng cặp (hàn một
đầu) với platin. Nhiệt độ đầu nóng là 100°c, nhiệt độ đầu lạnh là 0°c.
Tên kim
loại

s.n.đ.đ.
mV

Tên kim
loại

s.n.đ.đ.
mV

Tên kim
loại

s.n.đ.d.
mV

Silic
Antimoan

+44,8

Chì

+0,44

Bạc

-0,72

+4,7

Thiếc

+0,42

Vàng

-0,75

Crômel

+2,4

Manhê

+0,42

Kẽm

-0,75

Nicrôm

+2,2

Nhôm

+0,40

Niken

-1.5
157


Alumel
Constantan

-1.7
-3,6

0,00

Côpel
Bitxmut

Palađi

-0,57

Bitxmut

-7,7

+0,76

Rôđi

-0.64

Pirit

-12,1

+0,76

Iriđi

-0,65

sắt

+1,8

Than

+0,30

Môlipđen

+1,2

Graphit

+0,22

Catmi

+0,9

Thủy ngân

0,00

Vôtram

Platin

Thép

+0,8
+0,77

Đồng
Manganin

-3,4
-5,2

2. Các hợp kim làm cảm biến
Cặp nhiệt là dụng cụ để đo nhiệt độ dưới dạng sử dụng vật cảm
biến. Nguyên lý tạo cặp nhiệt đã được nêu ra ở mục 2.6.3. ở đây sẽ giới
thiệu các kim loại và hợp kim được sử dụng làm cặp nhiệt trong sản suất
cũng như trong các phòng thí nghiệm.
Trong bảng 10: Giới thiệu sức nhiệt điện động (s.n.đ.đ.) của một số
kim loại và hợp kim khi đặt mỗi thanh cùng cặp với một thanh platin nguyên
chất, đầu hàn 2 thanh với nhau (đầu TI) đặt ỏ nhiệt độ 100°c còn đầu tự do
của mỗi thanh (đầu T2) đặt ỏ nhiệt độ 0°c. Trong bảng 4-11 là các loại cặp
nhiệt được sử dụng trong sản xuất để đo các phạm vi nhiệt độ khác nhau.
Khi chọn 2 thanh dẫn (có thể là kim loại nguyên chất, hợp kim hoặc bán dẫn
phi kim loại) để làm cặp nhiệt cần phải phải thỏa mãn các điều kiện sau:
-

Sức nhiệt điện động phát triển giữa 2 thanh phải có giá trị đủ lớn
(càng lớn càng tốt) để dễ dàng hiển thị trên các dụng cụ đo.

-

Sự phát triển giá trị s.n.đ.đ. tốt nhất là theo quan hệ đường thẳng
(có thể chấp nhận quan hệ đường cong đều trong phạm vi nhiệt
độ đo được cho phép).

-

Sự phát triển giá trị s.n.đ.đ. phải ổn định lâu dài trong phạm vi
nhiệt độ đo được.

Bảng 11. Các loại cặp nhiệt thông dụng

TT

158

Tên cặp
nhiệt

Ký hiệu

Khoảng
nhiệt độ
làm việc
°c

SNĐĐ
°c

mV

1

ĐồngConstantan

Cu-Const

-196 - +30

20

0,79

2

Cromel-Kopel

NiCr-Cop

0-700

100

6,95


3

CromelAlumel

NiCr-NiAI

0-1200

100

4,10

4

Platin-Rôđi
0/10

Pt-PtRh10

0-1400

100

0,640

5

Platin-Rôđi
30/6

PtRh30~PtRh6

300-1500

300

0,456

6

VôntramRêni 5/20

WRe5-WRe20

100-2000

300

4,51

7

VôntramRêni 0/26

WReO-WRe26

100-2000

300

2,00

8

VôníramMolipđen

W-Mo

1300-1800

2000

4,8

9

VôníramRêni 3/25

WRe3-WRe25

1600-2800

1600

29,277

10

VôntramRêni 5/26

WRe5-WRe26

1600-2800

1600

28,052

11

VôníramRêni

W-Re

0-1700

1593

24,691

Có thể có những cặp vật liệu phát triển s.n.đ.đ. theo quan hệ phức
tạp như vừa theo chiểu âm sau đó lại theo chiều dương hoặc lúc đầu thì
theo quan hệ đường thẳng sau đó lại theo đường cong. Trong trưởng hợp
đó người ta chỉ chọn phạm vi sử dụng ỏ khoảng nhiệt độ mà s.n.đ.đ. phát
triển theo chiểu dương và theo quan hệ đường thẳng. Thí dụ trên hình 13
đường 1 và 2 chỉ sự phát triển s.n.đ.đ. của cặp nhiệt W/Re 5/20 và W/Re
3/15 theo quan hệ gần như đường thẳng trong phạm vi nhiệt độ từ 100°
đến 2500°c nên các cặp nhiệt này đước sử dụng để đo nhiệt độ từ 100
đến 2500°c. Trong lúc đó đường 3 chỉ s.n.đ.đ. của cặp nhiệt W/Mo mà
trong khoảng nhiệt độ tù 0 đến 1300°c s.n.đ.đ. của nó lại phát triển có giá
trị âm nên cặp nhiệt này chỉ được sử dụng để đo các nhiệt độ từ 1300 đến
2000°c.
159


/

1-W/Re5/20
2-W/Re3/15
3-VV/Mo

/
//
'/

//
/

/
f7

/

>
/ /

8

8 « 8 8
-í s ri
Hình 13. Sự phát triển s.n.d.d. của các cặp nhiệt
Xem phần tham khảo ỗ cuối chương: Cách xác định sức nhiệt điện
động của các cặp nhiệt.
3. Các hợp kim làm diện trỏ nung nóng (dây dốt)
Yêu cầu các hợp kim này là:
-

Có điện trở suất lớn.

-

Có hệ số nhiệt độ điện trở suất càng nhỏ càng tốt.

-

Có tính ổn định nóng cao và trong phạm vi nhiệt độ làm việc
không có chuyển biến tổ chức.

Thường dùng các hợp kim của sắt cho thêm AI và Crõm với các số
hiệu sau Cr13AI4, 10CM7AI5, 10Cr25AI5. Các hợp kim này có ưu điểm là
rẻ tiền nhưng đòn, thường chỉ làm việc không quá 1000°c. người ta thường
dùng các dây điện trở loại này trong các lò ram hoặc lò sấy có nhiệt dô
làm việc của lò từ 300 đến không quá 600°c.
Muốn làm việc ở nhiệt độ cao hơn phải dùng các hợp kim trên cơ sở
Niken vói các mác sau: Cr20Ni60, Cr20Ni80 gọi là các hợp kim nicrôm.
Bản thăn các dây họp kim này có thể làm việc đến 1100°c, thường dùng
làm các dây đốt cho các lò nung đến 1000°c.
Muôn làm dây điện trỏ cho các lò nung có nhiệt độ cao hơn 1000°c
người ta phải dùng các dây điện trỏ bằng Molipđen hoặc các thanh điện trỏ
bằng vật liệu gốm như thanh cacbua silic (SiC) hay còn gọi là thanh
Cacborun hoặc bằng Graphit.
IX. HỢP KIM HÀN
Hàn là phương pháp ghép nối cơ khí mà vật cần ghép nối được nung
nóng đến trạng thái chảy hoặc trạng thái dẻo rồi dùng lực hoặc không
dùng lực để ép cho 2 vật cần ghép nối dính lại với nhau tao thành mối
ghép cứng.
160


Căn cứ vào quan hệ giữa nhiệt độ nóng chảy của các loại vật liệu
chính (chị tiết được hàn) và vật liệu phụ (vật liệu hàn) khi hàn so với nhiệt
độ nung nóng khi hàn người ta chia các phương pháp hàn thành 3 nhóm
chính: hàn nóng chảy, hàn áp lực và hàn vảy.
Nếu ký hiệu T là nhiệt độ nung nóng để hàn, Tia là nhiệt độ nóng
chảy của kim loại vật hàn và TPH là nhiệt độ nóng chảy của kim loại phụ

thi: Hàn nóng chảy là các phương pháp hàn mà nhiệt độ hàn lớn hơn nhiệt
độ nóng chảy của cả kim loại vật hàn và kim loại phụ. T > T ; T > Tp
H

H

KL

H

H

Bảng 12 giới thiệu thành phần một số hợp kim hàn thường dùng
trong ngành điện.
Bảng 12. Thành phần một số hợp kim hàn vẩy
Tính chất
Vảy
hàn

Ký
hiệu

Thành
phần
chủ yếu

Khối
lượng
riêng
g/crrĩ

3

HK
chì—
thiếc

Từ
noc18 đến
noc90

Giới
hạn bền
kéo
KG/mm

2

Sn
18-90%,
Sb0,15
đến
2,5%,

7,6-10,2

2,8-4,3

Nhiệt độ
nóng

chảy,°c

Vật hàn

Đồng, hợp
kim
của
đồng, bạc,
mạ
190-227 sắt
kẽm

Pb còn
lại
HK
Từ
chl- |~I0CKIhiếc— 47 đến
cadmi nOCK50

Sn
47-50%

PbAgSnCd

Sn 30%.

Hợp
kim
Vuđ

ncpK

Pb
32-36%

-

-

Đồng, HK
đồng, bạc
vẽ lên gốm
145-180 bằng
phương
pháp đốt

-

-

225

Như trên

60,5

Sử
dụng
trong
trường họp

mối
hàn

Cd
17-18%
Pb 63%,
Cd 5%,
Ag 2%

-

Sn
12,5%,
Pb 25%,

-

-

161