Nghiên cứu công nghệ chế tạo phôi vật liệu tổ hợp bền nhiệt, độ dẫn điện cao bằng phương pháp biến dạng tạo hình

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận án này là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu và kết
quả là trung thực chưa từng được công bố ở công trình hoặc cơ sở nào khác dưới dạng luận án.

Người cam đoan

Ngô Kiên Cường


ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, những ý
kiến đóng góp, chỉ bảo quí báu của các thầy giáo, cô giáo Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ
khí, Viện Khoa học và Công nghệ vật liệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Để có được kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi còn
nhận được sự hướng dẫn chu đáo, tận tình của PGS. TS. Trần Văn Dũng, PGS. TS. Phạm Văn
Nghệ trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài và viết luận văn.
Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của bạn bè đồng nghiệp, sự động viên,
tạo mọi điều kiện về vật chất, tinh thần của gia đình và người thân.
Với tấm lòng biết ơn, tôi xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quí báu đó!

Tác giả


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii
MỤC LỤC .................................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................. v
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
1. Lý do lựa chọn đề tài ......................................................................................................... 1
3. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................................ 1
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án .............................................................. 2
6. Những kết quả đạt được và điểm mới của luận án ............................................................ 2
7. Bố cục của luận án ............................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI BỀN NHIỆT,
ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO ................................................................................................................. 4
1.1. Khái niệm về vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao ............................................. 4
1.1.1. Vật liệu tiếp điểm điện ............................................................................................ 4
1.1.2. Vật liệu điện cực hàn ............................................................................................... 4
1.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao ................. 5
1.2.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt,
độ dẫn điện cao trên thế giới ............................................................................................. 5
1.2.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt,
độ dẫn điện cao ở Việt Nam .............................................................................................. 6
1.3. Vật liệu tổ hợp nền kim loại cốt hạt mịn – Xu hướng phát triển mới
của vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao ................................................................................ 10
1.3.1. Khái niệm chung ................................................................................................... 10
1.3.2. Lý thuyết hóa bền phân tán ................................................................................... 11
1.3.3. Các phương pháp hóa bền Cu ............................................................................... 14
1.4. Quy trình công nghệ chế tạo VLTH cốt hạt mịn .......................................................... 18
1.4.1. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cốt hạt mịn bằng
phương pháp ôxy hóa bên trong........................................................................................ 18

1.4.2. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cốt hạt mịn bằng
phương pháp nghiền trộn cơ học ...................................................................................... 19
1.4.3. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp cốt hạt mịn bằng
phương pháp khuếch tán ................................................................................................. 20
1.4.4. Một số phương pháp khác ..................................................................................... 20
1.4.5. Đề xuất quy trình chế tạo vật liệu VLTH bằng phương pháp ôxy hóa
bên trong kết hợp với nghiền trộn cơ học ....................................................................... 20
1.5. Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 21
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VLTH BỀN NHIỆT,
ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO ............................................................................................................... 23
2.1. Cơ sở lý thuyết công nghệ chế tạo VLTH bền nhiệt, độ dẫn điện cao ......................... 23
2.1.1. Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp bằng phương pháp ôxy hóa bên trong ............ 23
2.1.2. Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp bằng phương pháp nghiền trộn cơ học ........... 28
2.1.3. Ép tạo hình – Thiêu kết vật liệu tổ hợp ................................................................. 35
2.2. Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo VLTH xốp trong ép chảy ............................................. 36
2.3. Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 42
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 43
3.1. Vật liệu nghiên cứu ....................................................................................................... 43
3.1.1. Hệ vật liệu tổ hợp tiếp điểm điện Cu-Al2O3.......................................................... 43


iv
3.1.2. Hệ vật liệu tổ hợp điện cực hàn Cu-Cr .................................................................. 43
3.2. Thiết bị nghiên cứu ....................................................................................................... 45
3.3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 48
3.3.1. Xác định độ xốp của VLTH .................................................................................. 48
3.3.2. Xác định độ cứng của VLTH ................................................................................ 49
3.3.3. Xác định tổ chức tế vi của VLTH ......................................................................... 49
3.3.4. Xác định sự hình thành và biến đổi thành phần pha của VLTH ........................... 49
3.3.5. Xác định độ dẫn điện của VLTH .......................................................................... 51

3.3.6. Tối ưu hóa công nghệ chế tạo VLTH .................................................................... 51
3.4. Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 54
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VLTH BỀN NHIỆT,
ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO ............................................................................................................... 55
4.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu tiếp điểm điện Cu-Al2O3 .................................................. 55
4.1.1. Nấu hợp kim Cu-Al ............................................................................................... 55
4.1.2. Tạo bột hợp kim Cu-Al ......................................................................................... 55
4.1.3. Ôxy hoá bột hợp kim Cu-Al .................................................................................. 56
4.1.4. Nghiền trộn cơ học ................................................................................................ 58
4.1.5. Ép tạo hình – thiêu kết........................................................................................... 60
4.1.6. Ép nguội – ủ mềm ............................................................................................... 601
4.1.7. Đánh giá chất lượng và một số tính chất VLTH Cu-(0,2-2)%(kl)Al2O3 .............. 62
4.2. Nghiên cứu chế tạo VLTH điện cực hàn Cu-Cr ........................................................... 66
4.2.1. Công nghệ chế tạo VLTH điện cực hàn Cu-Cr ..................................................... 66
4.2.2. Kết quả và bàn luận kết quả chế tạo VLTH xốp Cu-5% (khối lượng) Cr............. 71
4.2.3. Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa công nghệ chế tạo VLTH Cu-Cr .................. 75
4.3. Kết luận chương 4 ......................................................................................................... 78
CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ ĐIỆN CỰC HÀN HỒ QUANG PLASMA
TỪ VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu-5% (KL) Cr................................................................................ 80
5.1. Giới thiệu chung về điện cực hàn hồ quang plasma ..................................................... 80
5.1.1. Khảo sát về điện cực hàn plasma .......................................................................... 80
5.1.2. Nguyên lý hàn hồ quang plasma ........................................................................... 81
5.1.3. Thiết bị hàn hồ quang plasma ............................................................................... 82
5.2. Chế tạo phôi điện cực hàn plasma từ VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr ................................. 83
5.2.1. Sơ đồ ép chảy phôi vật liệu tổ hợp xốp Cu-5% (kl) Cr ......................................... 83
5.2.2. Kết quả và bàn luận kết quả ép chảy phôi VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr .. 85
5.2.3. Xác định một số tính chất của phôi VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr
trong quá trình ép chảy .................................................................................................... 88
5.3. Chế tạo và thử nghiệm điện cực VLTH Cu-5% (kl) Cr trên máy cắt CNC plasma ..... 94
5.3.1. Các phương án chế tạo điện cực hàn hồ quang plasma......................................... 94

5.3.2. Thử nghiệm trên máy cắt CNC Plasma ................................................................. 95
5.4. Kết luận chương 5 ......................................................................................................... 98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 99
I. Kết luận ............................................................................................................................ 99
2. Kiến nghị.......................................................................................................................... 99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................................................. 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 102
PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 109


v

DANH MỤC CÁC TỪ VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

1. CNC

–

Computer Numerical Control

2. ĐHBK HN

–

Đại học Bách khoa Hà Nội

3. EDS

–

Energy –Dispersive X-ray spectroscope

4. GCAL

–

Gia công áp lực

5. HHBKL

–

Hỗn hợp bột kim loại

6. HK

–

Hợp kim

7. IACS

–

International Annealed Copper Standard

8. KHCN

–

Khoa học công nghệ

9. KL (kl)

–

Khối lượng

10. KLM & KLB –

Kim loại màu và kim loại bột

11. KHKT

–

Khoa học kỹ thuật

12. MMC

–

Metal Matrix Composites

13. NXB

–

Nhà xuất bản

14. PTN

–

Phòng thí nghiệm

15. SPS

–

Spark Plasma Sintering

16. SEM

–

Scanning Electron Microscope

17. VLTH

–

Vật liệu tổ hợp

18. VLTHCH

–

Vật liệu tổ hợp cốt hạt

19. VLTHCHM

–

Vật liệu tổ hợp cốt hạt mịn

20. TMP

–

Turbomolecular pump (Bơm phân tử)

21. TIG

–

Tungsten iner gas welding

22. TEM

–

Transmission Electron Microscope


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc tính vật lý của một số kim loại dùng trong kỹ thuật điện (ở 200C) [12] ............ 5
Bảng 1.2. Tính chất của MZC và Cu-Ni-Ti [41] ..................................................................... 15

Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật máy nghiền kiểu cánh khuấy do Nhóm nghiên cứu chế tạo ...... 47
Bảng 3.2. Đặc điểm của Hitachi S-4800 .................................................................................. 50
Bảng 4.1. Chế độ nghiền .......................................................................................................... 56
Bảng 4.2. Bảng tính toán phối liệu........................................................................................... 59
Bảng 4.3. Chế độ nghiền trộn hỗn hợp bột ôxy hóa bên trong và bột Cu ................................ 59
Bảng 4.4. Sự phụ thuộc độ xốp θ vào %Al2O3 và áp lực ép .................................................... 62
Bảng 4.5. Kết quả đo độ cứng của các mẫu VLTH Cu-Al2O3 ................................................. 63
Bảng 4.6. Điện trở suất của VLTH Cu-Al2O3 phụ thuộc vào % Al2O3 ................................... 64
Bảng 4.7. Sự phụ thuộc của độ xốp VLTH Cu-5% (kl) Cr vào nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian
thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)..................................................................................................... 71
Bảng 4.9. Điều kiện thí nghiệm được chọn.............................................................................. 75
Bảng 4.10. Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm ........................................... 76
Bảng 5.1. Một số bộ điện cực hàn plasma thông dụng trên thị trường Việt Nam ................... 81
Bảng 5.2. Thông số biến dạng trong ép chảy phôi VLTH Cu-5% (kl) Cr ............................... 90
Bảng 5.3. Kết quả đo độ xốp VLTH Cu-5% (kl) Cr trong quá trình ép chảy .......................... 92
Bảng 5.4. Độ cứng mẫu phôi VLTH Cu-5% (kl) Cr trong quá trình ép chảy.......................... 93
Bảng 5.5. Thông số kỹ thuật máy cắt CNC Trung tâm Thực hành Công nghệ cơ khí, ĐHBK Hà
Nội ............................................................................................................................................ 97
Bảng 5.6. Bảng tổng hợp kết quả đo, thử nghiệm thời gian làm việc của mẫu ....................... 98


vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn trong lò hở ................................... 7
Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn bằng phương pháp nhiệt nhôm
và nhiệt magiê............................................................................................................................. 9
Hình 1.3. Trình tự của sự chuyển động lệch mạng [2] ............................................................ 13
Hình 1.4. Cơ tính và tính dẫn điện của Cu và VLTH nền Cu [33] .......................................... 15
Hình 1.5. Ảnh SEM của vật liệu đạt được sau khi Cu tan thành bột VLTH Cu-2,7%(kl) Al2O3

và sự hình thành Al2O3 khi xử lý nhiệt: 8500C; b- 11000C; c- 8500C; d- 11000 C[32]. ........... 17
Hình 1.6. Độ cứng (HRB) và độ dẫn điện (% IACS) của vật liệu chế tạo với
% Al2O3 thay đổi [32]. ............................................................................................................... 18
Hình 1.7. Quy trình công nghệ chế tạo VLTH Cu-Al2O3 bằng phương pháp
ôxy hoá bên trong ..................................................................................................................... 18
Hình 1.8. Quy trình công nghệ chế tạo VLTH Cu-Al2O3 bằng phương pháp
nghiền trộn cơ học .................................................................................................................... 19
Hình 1.9. Một số phương pháp khác chế tạo vật liệu tổ hợp cốt hạt [3] .................................. 20
Hình 1.10. Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo VLTH Cu-Al2O theo phương pháp
ôxy hóa bên trong kết hợp nghiền trộn cơ học ......................................................................... 21
Hình 2.1. Giản đồ trạng thái Cu-Al[11] ................................................................................... 24
Hình 2.2. Giản đồ ΔG0T – T [16].............................................................................................. 26
Hình 2.3. Quá trình tạo ra phân tử Al2O3 trong nền của Cu .................................................... 28
Hình 2.4. Sự va chạm của bi nghiền – hỗn hợp bột - bi nghiền trong
quá trình nghiền trộn cơ học [3] ............................................................................................... 30
Hình 2.5. Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và mức độ biến dạng [3] .................................... 31
Hình 2.6. Các giai đoạn trong quá trình nghiền cơ học vật liệu dẻo – dẻo [3] ........................ 32
Hình 2.7. Các giai đoạn nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo – dòn [3] ......................................... 32
Hình 2.8. Một số dạng máy nghiền cơ học thông dụng ........................................................... 34
Hình 2.9. Sơ đồ ép một phía (a) và ép hai phía (b) [1] ............................................................ 36
Hình 2.10. Sơ đồ ép chảy [3] ................................................................................................... 37
Hình 3.1. Giản đồ trạng thái Cu – Cr ....................................................................................... 44
Hình 3.2. Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến độ bền nhiệt của đồng ở nhiệt độ cao ......... 44
Hình 3.3. Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu ....................................................... 45
Hình 3.4. Cân điện tử độ chính xác 10-4g ................................................................................ 45
Hình 3.5. Máy nghiền hành tinh và tang nghiền ...................................................................... 46
Hình 3.6. Máy nghiền bi kiểu cánh khuấy và một số chi tiết do
Nhóm nghiên cứu tự chế tạo..................................................................................................... 46
Hình 3.7. Máy ép thủy lực 1000KN ........................................................................................ 47
Hình 3.8. Lò LN-1300 ............................................................................................................. 48

Hình 3.9. Lò nung ống đứng .................................................................................................... 48
Hình 3.10. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800 ...................................... 50
Hình 3.11. Máy phân tích Rơnghen D5005 – SIEMENS ........................................................ 51
Hình 3.12. Đo điện dẫn suất bằng phương pháp 4 que đo…………………………………………………………52


viii
Hình 3.13. Chuẩn vạn năng 5075 Precision Digital Multimeter ............................................. 53
Hình 4.1. Quy trình chế tạo bột hợp kim Cu-Al ...................................................................... 56
Hình 4.2. Phân tích X-ray bột ôxy hóa với thời gian khác nhau ............................................. 57
Hình 4.3. Ảnh SEM mẫu bột (hỗn hợp CuO-Al2O3 và Cu) trước và sau khi nghiền .............. 59
Hình 4.4. Giản đố thiêu kết mẫu Cu-Al2O3 ............................................................................. 60
Hình 4.5. Biểu đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu sau khi thiêu kết ............................................. 60
Hình 4.6. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép và %Al2O3 .................... 62
Hình 4.7. Sự phụ thuộc của độ cứng VLTH Cu-Al2O3 vào % (kl) Al2O3 ............................... 64
Hình 4.8. Sự phụ thuộc độ dẫn điện VLTH Cu-Al2O3 vào % (kl) Al2O3 ................................ 64
Hình 4.9. Ảnh SEM mẫu VLTH Cu-0,5%(kl) Al2O3 .............................................................. 65
Hình 4.10. Ảnh SEM mẫu VLTH Cu-2% (kl) Al2O3 .............................................................. 65
Hình 4.11. Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột Cu-Cr sau khi nghiền ............................... 67
Hình 4.12. Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu ................................... 67
Hình 4.13. Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền.......................... 68
Hình 4.14. Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu vật liệu sau khi thiêu kết.......................................... 68
Hình 4.15. Sơ đồ ép tạo hình mẫu VLTH Cu-5%(kl) Cr ......................................................... 69
Hình 4.16. Giản đồ thiêu kết VLTH Cu-5%(kl) Cr.................................................................. 70
Hình 4.17. Kết quả phân tích EDS mẫu sau khi thiêu kết ở 9000C, thời gian 1 giờ ................ 71
Hình 4.18. Ảnh hiển vi quang học mẫu Cu-5% (kl) Cr sau khi thiêu kết ở 9000C trong 1h, .. 73
Hình 4.19. Ảnh SEM mẫu Cu-5% (kl) Cr sau khi thiêu kết ở 9000C trong 1h (X 30.000) ..... 73
Hình 4.20. Kết quả phân tích EDS mẫu VLTH Cu-5% (kl) Cr sau khi thiêu kết................... 74
Hình 4.21. Điện trở suất của VLTH Cu-Cr .............................................................................. 74
Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lý hàn – cắt plasma............................................................................ 82

Hình 5.2. Sơ đồ bộ khuôn ép chảy phôi VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr ........................................ 84
Hình 5.3. Ảnh chụp bộ khuôn ép chảy phôi VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr.................................. 84
Hình 5.4. Ảnh phôi bị nứt sau khi ép ....................................................................................... 86
Hình 5.5. Ảnh phôi VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr ép nóng không có vỏ bọc ............................. 86
Hình 5.6. Mẫu VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr trong cốc Cu trước khi ép ....................... 87
Hình 5.7. Mẫu phôi sau ép chảy VLTH Cu-5% (kl) Cr trong cốc Cu. .................................... 88
Hình 5.8. Sơ đồ vị trí lấy mẫu thí nghiệm trên phôi ép chảy VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr. ....... 88
Hình 5.9. Hệ thống đường tọa độ trên phôi VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr .................................. 89
Hình 5.10. Sự biến đổi hệ số biến dạng của lớp vỏ Cu và của khối VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr
trong miền biến dạng khi ép chảy............................................................................................. 91
Hình 5.11. Sự biến đổi độ xốp VLTH Cu-5% (kl) Cr trong quá trình ép chảy ....................... 92
Hình 5.12. Sự biến đổi độ cứng phôi VLTH Cu-5% (kl) Cr trong quá trình ép chảy ............. 93
Hình 5.13. Ảnh chụp kim tương tổ chức tế vi của mẫu ép chảy VLTH Cu-5% (kl) Cr .......... 94
Hình 5.14. Bản vẽ kỹ thuật và ảnh chụp điện cực hàn cắt plasma chế tạo hoàn toàn bằng
VLTH Cu-5% (kl) Cr ............................................................................................................... 94
Hình 5.15. Bản vẽ kỹ thuật (a) và ảnh chụp (b) điện cực hàn plasma chế tạo từ phôi bimetal
Cu - [VLTH Cu-5% (kl) Cr] ..................................................................................................... 95
Hình 5.16. Máy cắt CNC plasma Trung tâm Thực hành Công nghệ cơ khí,
Trường ĐHBK Hà Nội ............................................................................................................... 96


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam, vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao chủ yếu là đồng
và hợp kim đồng. Chúng được sử dụng một cách rộng rãi trong trong kỹ thuật điện để chế tạo
tiếp điểm điện, điện cực hàn...
Tiếp điểm điện thường làm việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt như: tải trọng lớn,
chịu dòng điện lớn, nhiệt độ hồ quang cao... Ngoài ra, tiếp điểm điện còn tiếp xúc với môi

trường không khí do đó dễ bị ăn mòn và tạo ra một lớp sản phẩm ăn mòn bao phủ trên bề mặt
của tiếp điểm, làm xấu đi tính dẫn điện. Ngoài ra tiếp điểm điện còn chịu sự sói mòn do tia
lửa điện xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc khi đóng ngắt mạch điện.
Với điện cực hàn ngoài nhiệm vụ dẫn điện qua mối hàn, thoát nhiệt khỏi mối hàn, điện
cực hàn còn làm việc trong điều kiện mỏi nhiệt ở 500÷7000C, thậm chí còn cao hơn như trong
hàn hồ quang plasma.
Vật liệu để chế tạo tiếp điểm điện và điện cực hàn được chế tạo chủ yếu bằng công nghệ
nhiệt kim ôxít kim loại như ôxít crôm, ôxít magiê... Phương pháp nhiệt kim ôxít kim loại
được tiến hành trong môi trường chân không hoặc khí trơ rất phức tạp và giá thành cao, còn
nếu thực hiện trong môi trường bình thường thì chất lượng không đảm bảo.
Ở Việt Nam hầu như toàn bộ các loại điện cực hàn hệ Cu-Cr, Cu-Cr-Zr đều nhập khẩu từ
Nga, Nhật, Mỹ, Đức, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc.... Các nhà máy sử dụng nhiều máy
hàn như Công ty Cơ khí Hà Nội, Cty Xuân Hòa... đều phải nhập điện cực hàn từ nước ngoài.
Còn đối với các nhà máy ít sử dụng máy hàn như Công ty Cơ khí xuất khẩu, Công ty Khí cụ
điện 1... 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 nên khi sản xuất hay phải mài đầu hoặc thay thế thường xuyên.
Số ngoại tệ để nhập khẩu điện cực hàn là một lượng đáng kể.
Xu hướng chế tạo vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao từ vật liệu tổ hợp nền Cu là xu
thế mới của thế giới và Việt Nam. Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu bền
nhiệt, độ dẫn điện cao càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
2. Mục đích của luận án
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp bền nhiệt, độ dẫn điện cao nền Cu.
- Nghiên cứu và đề xuất công nghệ chế tạo VLTH bền nhiệt, độ dẫn điện cao hệ Cu-Al2O3
làm tiếp điểm điện và hệ Cu-Cr làm điện cực hàn hồ quang plasma.
- Chế tạo và thử nghiệm điện cực hàn VLTH Cu-Cr trên máy cắt CNC plasma.
3. Đối tượng nghiên cứu
Hệ VLTH Cu-Al2O3 làm tiếp điểm điện và Cu-Cr làm điện cực hàn.


2

4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về các vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao trên thế giới và Việt Nam.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công nghệ chế tạo VLTH nền Cu làm tiếp điểm điện và
điện cực hàn.
- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm trên các thiết bị hiện đại, các phương
pháp phân tích, kiểm tra và so sánh các dữ liệu đối chứng...
- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa công
nghệ chế tạo VLTH.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
a) Ý nghĩa khoa học
1) Đã xây dựng quy trình công nghệ chế tạo VLTH bền nhiệt, độ dẫn điện cao bằng
phương pháp kết hợp ôxy hóa bên trong, nghiền trộn cơ học và biến dạng dẻo trong ép chảy
để chế tạo phôi VLTH hệ Cu-Al2O3 làm tiếp điểm điện và hệ Cu-Cr làm điện cực hàn.
2) Đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu, phân tích tiên tiến xác định các tính chất của
VLTH Cu-Al2O3 làm tiếp điểm điện và VLTH Cu-Cr làm điện cực hàn.
3) Việc sử dụng phương pháp ép chảy VLTH Cu-5% (kl) Cr trong cốc Cu là một ý tưởng
mới trong công nghệ chế tạo VLTH bền nhiệt, độ dẫn điện cao. Bằng phương pháp này đã
làm giảm độ xốp của VLTH Cu-5% (kl) Cr xuống đến 5,5%, gần như đặc hoàn toàn.
4) Lần đầu tiên ở Việt Nam đã chế tạo thành công điện cực hàn cắt hồ quang plasma từ
phôi bimetal Cu- [VLTH Cu-5% (kl) Cr].
b) Ý nghĩa thực tiễn
1) Đã làm rõ cơ sở khoa học, ứng dụng các phương pháp ôxy hóa bên trong, phương pháp
nghiền trộn cơ học, phương pháp ép chảy để thiết lập quy trình công nghệ chế tạo VLTH cốt
hạt mịn Cu-Al2O3 làm tiếp điểm điện và Cu-Cr làm điện cực hàn.
2) Việc nghiên cứu thành công VLTH bền nhiệt, độ dẫn điện cao nền Cu làm tiếp điểm
điện và điện cực hàn thay thế kim loại và hợp kim truyền thống đã mở ra bước đột phá trong
lĩnh vực chế tạo vật liệu dùng trong kỹ thuật điện.
3) Ứng dụng và tiếp cận được công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến trên thế giới.
6. Những kết quả đạt được và điểm mới của luận án
1) Đã nghiên cứu tổng quan về vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao trên thế giới và Việt

Nam và xác định công nghệ chế tạo VLTH bền nhiệt, độ dẫn điện cao hệ VLTH Cu-Al2O3
làm tiếp điểm điện và hệ VLTH Cu-Cr làm điện cực hàn.


3
2) Đã tự chế tạo máy nghiền năng lượng cao dạng nghiền bi cánh khuấy có khả năng
nghiền trộn hỗn hợp bột kim loại đạt kích thước hạt đến siêu mịn (có phần bột kim loại đạt tới
kích thước nano).
3) Đã đề xuất phương pháp chế tạo VLTH bền nhiệt, độ dẫn điện cao bằng phương pháp
kết hợp ôxy hóa bên trong, nghiền trộn cơ học và biến dạng dẻo trong ép chảy.
4) Qua nghiên cứu, phân tích và xác định tính chất của hệ VLTH Cu-2,0% (kl) Al2O3 và hệ
VLTH Cu-5% (kl) Cr có thể khẳng định rằng 2 hệ vật liệu này hoàn toàn đáp ứng được các
yêu cầu về độ dẫn điện, độ bền nhiệt cần thiết.
5) Đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa quá trình công nghệ chế
tạo hệ VLTH Cu-5% (kl) Cr. Phương trình hồi quy có dạng:
Y1 = 10,80 + 1,46x1 - 1,91x2 -1,08 x3
Y2 = 136,25 - 27,75x1 - 26,0x2 +18,5x3 - 27,5x1x2
6) Việc sử dụng phương pháp ép chảy VLTH Cu-5% (kl) Cr trong cốc Cu là một ý tưởng
mới trong công nghệ chế tạo VLTH. Bằng phương pháp này đã làm giảm độ xốp của phôi
VLTH xốp Cu-5% (kl) Cr từ 15% xuống đến 5,5%, vật liệu đạt được trạng thái gần như đặc
hoàn toàn, độ cứng tăng hơn 2,5 lần, độ dẫn điện giảm không đáng kể so với Cu thương
phẩm.
7) Lần đầu tiên ở Việt Nam đã chế tạo được điện cực hàn cắt hồ quang plasma từ phôi
bimetal Cu- [VLTH Cu-5% (kl) Cr]. Loại điện cực này có cùng độ dẫn điện so với điện cực
hàn cắt plasma bằng Cu thương phẩm, nhưng độ bền và tuổi thọ tăng hơn 2 lần.
7. Bố cục của luận án
Luận án gồm 5 chương: Chương 1 – Tổng quan về vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn
điện cao: 22 trang; Chương 2 – Cơ sở lý thuyết công nghệ chế tạo VLTH bền nhiệt, độ dẫn
điện cao: 20 trang; Chương 3 – Vật liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu: 12 trang.
Chương 4 – Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao: 25 trang. Chương V –

Nghiên cứu chế tạo thử điện cực hàn hồ quang plasma từ VLTH Cu-5% (kl) Cr: 19 trang; Kết
luận và kiến nghị: 2 trang. Danh mục các công trình công bố: 1 trang; Tài liệu tham khảo: 7
trang; Phụ lục: 17 trang.


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI BỀN NHIỆT,
ĐỘ DẪN ĐIỆN CAO
1.1. Khái niệm về vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao
1.1.1. Vật liệu tiếp điểm điện
Vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao có vai trò cực kỳ quan trọng, thường được sử
dụng làm tiếp điểm điện, điện cực hàn... [11]. Hiện nay các loại vật liệu này chủ yếu được chế
tạo từ đồng và hợp kim đồng.
Tiếp điểm điện làm việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt như tải trọng lớn, chịu dòng
điện lớn, nhiệt hồ quang cao... Ngoài ra, tiếp điểm còn tiếp xúc với môi trường không khí do
đó dễ bị ăn mòn và tạo ra một lớp sản phẩm ăn mòn bao phủ trên bề mặt của tiếp điểm, điện
trở tiếp xúc tăng, làm xấu đi tính dẫn điện. Ngoài sự ăn mòn trong không khí, tiếp điểm điện
còn chịu sự sói mòn do tia lửa điện xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc khi đóng ngắt mạch
điện. Hiện tượng ăn mòn sẽ xảy ra mạnh hơn với các tiếp điểm điện chế tạo bằng hai kim loại
khác nhau, do tạo ra một cặp pin gây ra sự ăn mòn điện hóa. Khi điện trở tăng, tiếp điểm bị
nung nóng làm nóng chảy cục bộ vật liệu trên một vùng tiếp điểm.
Từ điều kiện làm việc như đã nêu trên, vật liệu tiếp điểm điện cần đảm bảo các yêu cầu sau:
- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt;
- Độ bền cơ học cao;
- Độ bền mòn (hóa học và cơ học) cao;
- Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hóa hơi cao;
- Có độ bền nén cao để có thể chịu được áp suất nén lớn;
- Có độ bền đối với hồ quang điện (đối với tiếp điểm đóng ngắt).
Cho đến nay, chưa có một lý thuyết rõ ràng nào về hành vi của các vật liệu tiếp điểm

đóng ngắt. Ví dụ như ta chưa biết ảnh hưởng của cấu trúc phân tán đến đặc tính hồ quang điện
và cũng như lượng cháy hao của vật liệu trong quá trình chuyển mạch.
1.1.2. Vật liệu điện cực hàn
Điện cực hàn có nhiệm vụ nén ép các chi tiết cần hàn, dẫn điện qua mối hàn, thoát nhiệt
khỏi mối hàn, ngoài ra điện cực hàn còn làm việc trong điều kiện mỏi nhiệt ở 500÷7000C,
thậm chí còn cao hơn như trong hàn hồ quang plasma.
Do đó các yêu cầu đối với vật liệu điện cực hàn là:
1- Có độ dẫn điện tốt, dòng điện cường độ cao đi qua mà không bị nóng.
2- Có cơ tính cao ở khoảng nhiệt độ rộng, có khả năng chống lại sự mài mòn và biến dạng
điện cực ở điều kiện làm việc nhiệt độ và áp suất cao.
3- Không bị chảy và tạo thành các liên kết với vật liệu của sản phẩm cần hàn.


5
Chính vì các đặc điểm chung và đặc điểm riêng của vật liệu kim loại tiếp điểm điện và vật
liệu kim loại điện cực hàn mà ta cần đồng thời, cấp thiết nghiên cứu chúng.
Bảng 1.1. Đặc tính vật lý của một số kim loại dùng trong kỹ thuật điện (ở 200C) [12]

Kim

Khối

Nhiệt độ

Nhiệt

Nhiệt dẫn

Hệ số

Điện

Hệ số nhiệt

loại

lượng

nóng

dung

riêng,

giãn

trở

độ điện trở

riêng,

chảy,

riêng,

W/(m.độ)

nở

suất,

suất, độ-1

nhiệt,

Ωmm 2 / m

g/cm3

0

C

j/(kg.độ)

Cu
8,9
1083
385
390
16,5
0,017
0,0043
Al
2,7
657
922
209
24

0,028
0,0042
W
19,3
3380
138
168
4,4
0,055
0,0046
Mo
10,2
2620
264
151
5,1
0,057
0,0046
Ti
4,5
1725
577
15
8,1
0,420
0,0044
Zr
6,5
1815
276

17
5,4
0,410
0,0045
Au
19,3
1063
126
293
14,2
0,024
0,0038
Ag
10,5
961
234
415
19,3
0,016
0,004
Fe
7,8
1535
452
73
11
0,098
0,006
Ni
8,9

1455
444
95
13
0,073
0,0055
Zn
7,1
420
390
111
31
0,059
0,004
1.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao
1.2.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao trên thế giới
Trên thế giới việc sản xuất một số hợp kim đồng làm vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn
điện cao thường được tiến hành từ các hợp kim trung gian nấu luyện từ các kim loại sạch:
đồng kim loại, crôm kim loại, zircôn kim loại và magiê kim loại có độ tinh khiết cao trong lò
phản ứng chân không [3].
Việc sử dụng rộng rãi đồng (Cu) và hợp kim của nó [11] làm vật liệu kim loại bền nhiệt,
độ dẫn điện cao được giải thích bởi các lý do như sau:
- Cu có điện trở suất nhỏ;
- Độ bền cơ học của Cu tương đối cao;
- Việc hàn và gắn Cu tương đối dễ dàng;
- Cu hầu như không bị ăn mòn trong không khí ẩm cũng như trong nước biển.
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÷0,35%Zr; Cu còn lại), Mц5B, ЭB…
Thời gian gần đây có nhiều công trình nghiên cứu quá trình động học phản ứng nhiệt kim
khử ôxít crôm (Cr2O3), ôxít zircôn (ZrO2), silicat zircôn bằng Al và Si hoặc Mg được công bố

ở Nga và Mỹ.


6
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).
Ở Mỹ, bằng phương pháp nhiệt magiê hoàn nguyên Cr2O3 trong môi trường argôn đã sản
xuất nhôm kim loại dạng bột.
Từ các hợp kim trung gian Cu-Cr, Cu-Zr-Mg… đã sản xuất được 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 tại để nâng cao khả năng bền nhiệt nhưng vẫn giữ được khả năng dẫn điện cao của
vật liệu kim loại, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu vật liệu tổ
hợp nền kim loại (Metal Matrix Composites - MMC) (VLTH). Có hai hướng nghiên cứu
chính: nghiên cứu phương pháp chế tạo VLTH và nghiên cứu phương pháp công nghệ tạo
hình các chi tiết từ VLTH.
VLTH được cấu tạo bởi nền kim loại hoặc hợp kim của chúng và gia cố phi kim loại dưới
dạng hạt hoặc dạng sợi. Tùy theo yêu cầu sử dụng, pha gia cố có thể là ceramic (SiC,
Al2O3,…), kim cương, graphit, mica… Căn cứ vào lĩnh vực sử dụng, có thể phân biệt VLTH
theo các nhóm sau:
1- VLTH chống ma sát (tự bôi trơn khô): các hợp kim Cu, Al độn graphite, …
2- VLTH dùng trong kỹ thuật điện: Cu-graphite; Ag-graphite, …
3- VLTH dụng cụ (cắt, mài, …): hợp kim Cu, Al-kim cương, SiC, …
4- VLTH 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, …
Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao từ VLTH đã chỉ ra một
phương hướng mới, đổi mới căn bản trong lĩnh vực vật liệu kim loại kỹ thuật điện.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao ở Việt Nam
Ở Việt Nam hầu như toàn bộ 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
nhiều và sử dụng nhiều máy hàn cắt tiếp xúc, điện cực hàn như Công ty Cơ khí Hà Nội, Cty
Xuân Hòa... đều phải nhập điện cực từ nước ngoài. Còn đối với các nhà máy có ít và sử dụng
ít máy hàn tiếp xúc như Công ty Cơ khí xuất khẩu, Công ty Khí cụ điện 1... thường sử dụng
đồng sạch để chế tạo điện cực. Các điện cực tự chế này có cơ - lý tính thấp ở nhiệt độ cao nên
khi sản xuất hay phải mài đầu hoặc thay thế thường xuyên. Số tiền để nhập khẩu điện cực là
một lượng ngoại tệ đáng kể.


7
Đứng 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
đưa vào hợp kim đồng còn thấp, hơn nữa, tạp chất còn nhiều, chất lượng điện cực hàn không
đạt (hàn còn bị dính).
Kim loại sạch kỹ thuật
Cu, Cr, Mg, Cd, Al

Trợ dung
Nấu tạo hợp kim trung gian
theo 2 phương pháp:
+ Nấu trong môi trường
chân không
+ Nấu hở dưới lớp trợ dung

Nấu tạo các mác hợp kim:
- Đồng sạch M1
- Hợp kim Cu-Cr(0,6%)

- MЦ5B
- MЦ4

Các loại hợp kim trung gian

Thiết kế khuôn đúc

Thiết kế khuôn ép

Chế tạo khuôn đúc

Chế tạo khuôn ép

Đúc phôi

Cán hoặc ép (lực ép khác nhau)

Nhiệt luyện

Sản phẩm

Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn trong lò hở

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.

8
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. 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 1.1).
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
nâng cao chất lượng cực hàn cần nấu luyện các 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.
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.
Bằng phương pháp nhiệt nhôm và nhiệt magiê hoàn nguyên ôxít crôm, silicat zircôn, ôxít
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 0,3÷0,7%, Zr
0,1÷0,3%, Mg 0,1÷0,3 để chế tạo phôi điện cực hàn ф14, ф16, ф20, ф24.
Sơ đồ công nghệ chế tạo các hợp kim bền nhiệt bằng phương pháp nhiệt nhôm và nhiệt
magiê được biểu diễn trên hình 1.2.
Từ các kết quả nghiên cứu nấu luyện hợp kim trung gian Cu-Cr, Cu-Zr-Mg và Cu-Cr-ZrMg, 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 lăn, đã rút ra các kết luận sau:
- Từ ôxít crôm và ôxít 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 nghiên cứu sản xuất thử chế tạo điện cực hàn ф14, ф20 và bánh 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 ôxy hóa đối với đối với Mg, Cr và Zr.


9

Ôxít crôm

Nhôm+Magiê

Đồng

Ôxít zircôn

kim loại

kim loại

Phụ gia

Phối liệu

Nấu luyện

Rót khuôn

Hợp kim trung gian Cu-Cr, Cu-Zr-Mg

Xỉ

5-10%Cr, 1-3 %Zr, 1-3% Mg
Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ nấu luyện vật liệu điện cực hàn bằng phương pháp nhiệt
nhôm và nhiệt magiê
Ở Việt Nam việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao bằng
con đường chế tạo VLTH còn hiếm. Trong công trình [16] có công bố nghiên cứu chế tạo
VLTH Cu-TiB2 bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh kết hợp với thiêu kết xung plasma
(SPS). Trong quá trình nghiền trộn hành tinh, các hạt TiB2 giảm kích thước từ 16μm xuống
3μm và được phân bố đồng đều trong nền đồng VLTH Cu-4,5%(khối lượng) TiB2 được thiêu
kết trên hệ thống xung plasma ở nhiệt độ 6500C với thời gian 5 phút dưới áp lực 50MPa và
trong môi trường chân không để tránh bị ôxy hóa. Kết quả cho thấy sau khi thiêu kết, độ cứng
của VLTH Cu-4,5%(khối lượng) TiB2 tăng đến 76 HRB, độ dẫn điện vẫn giữ được ở mức độ
cao 78% IACS, còn các chỉ tiêu khác về cơ tính đều vượt yêu cầu đối với vật liệu tiếp điểm,
điện cực hàn.
Từ kinh nghiệm nghiên cứu, sản xuất vật liệu kim loại bền nhiệt, độ dẫn điện cao trong
nước cũng như thế giới ta rút ra một nhận xét sau:
- Công nghệ nhiệt kim ôxít kim loại như ôxít crôm và magiê tiến hành trong môi trường
chân không hoặc khí trơ cho phép chế tạo được vật liệu bền nhiệt, độ dẫn điện cao nhưng rất


10
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. Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu làm vật liệu kim loại bền
nhiệt, độ dẫn điện cao là cần thiết và hợp lý.
1.3. Vật liệu tổ hợp nền kim loại cốt hạt mịn – Xu hướng phát triển mới của vật liệu
bền nhiệt, độ dẫn điện cao

1.3.1. Khái niệm chung
Vật liệu tổ hợp (VLTH) là vật liệu nhiều pha, các pha thường rất khác nhau về bản chất,
không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự can thiệp kỹ
thuật của con người theo những sơ đồ được thiết kế trước, nhằm tận dụng và phát triển những
tính chất tốt của từng pha trong VLTH cần chế tạo. Pha liên tục trong toàn khối vật liệu được
gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn được nền bao bọc gọi là pha cốt.
Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của VLTH tạo
ra. Tuy nhiên tính chất của VLTH tạo ra không bao hàm tất cả các tính chất của pha thành
phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt và phát huy thêm.
Xét về các chỉ tiêu độ bền riêng, môđun đàn hồi riêng, độ bền nóng, độ bền mỏi cũng như
nhiều tính chất khác, VLTH cao hơn đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết.
Vật liệu tổ hợp cốt hạt (VLTHCH) là loại vật liệu dạng hạt mà tổ chức của chúng tồn tại
trên nền cơ sở có gắn pha thứ hai không có định hướng ưu tiên rõ rệt. Tính chất của vật liệu
này là đẳng hướng. Thông thường là các hạt có độ cứng và độ bền cao phân bố trên nền mềm
hơn. VLTHCH thường được chia thành VLTH cốt hạt thô và VLTH cốt hạt mịn.
Nền vật liệu tổ hợp cốt hạt mịn (VLTHCHM) thường là các hạt kim loại hoặc hợp kim. Đặc
điểm của loại VLTHCHM là cấu trúc tế vi gồm có pha nền chủ yếu mà bên trong nó được bố trí
phân tán bởi các hạt sạch một cách đồng đều. Các phần tử cốt có kích thước nhỏ (0,01÷0,1µm)
và kích thước hạt phân tán thay đổi trong khoảng 1÷15%, thường là các vật liệu bền, cứng và có
tính ổn định nhiệt cao, ví dụ các ôxít, nitrit, borit hoặc các pha liên kim loại, ...
Tương tác cốt - nền trong VLTHCHM xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kích thước nguyên
tử hoặc phân tử. Cơ chế hoá bền tương tự cơ chế tiết pha phân tán biến cứng khi phân hoá dung
dịch rắn quá bão hoà. Dưới tác dụng của lực, trong mẫu VLTHCHM, nền sẽ hứng chịu hầu như
toàn bộ tải trọng, các phần tử cốt nhỏ mịn, phân tán đóng vai trò hãm lệch, làm tăng bền và
cứng của vật liệu. Vì vậy, độ bền phụ thuộc cả vào tổ chức lệch hình thành trong quá trình biến
dạng dẻo khi chế tạo chi tiết từ VLCHM. Hiệu ứng hoá bền phân tán đạt được trong
VLTHCHM không lớn lắm nhưng rất ổn định ở nhiệt độ cao. Sở dĩ như vậy vì các phần tử cốt


11

được chọn từ những vật liệu có khả năng ổn định tổ chức, tính chất và không hòa tan vào nền
khi nhiệt độ tăng cao. Ngoài ra, các hạt cốt còn có tác dụng hóa bền gián tiếp, khi tạo nên tổ
chức với sự không đồng trục rất lớn của các hạt (dạng thớ). Tổ chức này tạo thành khi kết hợp
biến dạng dẻo với ủ, lúc này các hạt cốt phân tán sẽ cản trở một phần hoặc hoàn toàn quá trình
kết tinh lại. Sự hóa bền cao có thể đạt được khi kích thước các hạt nằm trong giới hạn
0,01÷0,1µm và khoảng cách giữa chúng bằng 0,05÷0,5µm. Hàm lượng thể tích cốt hạt phụ
thuộc vào sơ đồ cốt hóa.
VLTHCHM đang là đối tượng được chú ý nghiên cứu và có nhiều triển vọng ứng dụng
trong các lĩnh vực công nghệ cao nói chung và trong kỹ thuật điện nói riêng.
1.3.2. Lý thuyết hóa bền phân tán
Mục đích của vấn đề mà đề tài nghiên cứu là tăng độ bền nhiệt của vật liệu nhưng vẫn
đảm bảo độ dẫn điện cao bằng cách giảm kích thước của hạt phân tán (hóa bền) trong nền
vật liệu có độ dẫn điện cao. Cho nên việc xem xét lý thuyết hóa bền phân tán là cần thiết [2].
Nguyên tắc chung của hóa bền chính là sự cản trở chuyển động của lệch. Trong hoá bền
phân tán người ta đưa vào vật liệu nền những pha phân tán không hoà tan (có thể là nguyên tố
đơn chất, có thể là hợp chất hoá học của các nguyên tố). Việc này thường được thực hiện
bằng phương pháp nghiền trộn hỗn hợp các bột kim loại với nhau rồi thiêu kết. Vì các pha
phân tán không hòa tan hoặc chỉ hòa tan rất ít trong kim loại nền nên các vật liệu hóa bền
phân tán có thể làm việc ở nhiệt độ rất cao. Cơ chế tăng độ bền, độ cứng ở đây cũng dựa trên
sự cản trở chuyển động của lệch bởi các chất điểm. Tùy theo kích thước và khoảng cách giữa
các hạt với nhau, chúng gây ra cản trở nhất định đến chuyển động lệch.
Hóa bền phân tán khác hẳn biến cứng phân tán (hay còn được gọi là sự hóa già).
Khi hóa già, các hạt phân tán sẽ được tiết ra từ dung dịch rắn và phụ thuộc vào nhiệt độ,
nó ở trạng thái cân bằng ổn định hay giả ổn định. Khi nhiệt độ tăng lên, pha giả ổn định sẽ
chuyển qua trạng thái cân bằng hơn và cuối cùng hòa tan vào nền tạo thành dung dịch rắn.
Tính ổn định nhiệt động học của các hạt phân tán không giống nhau nhờ đó mà cho
phép ta sử dụng chúng để hóa bền các vật liệu. Độ bền của hợp kim hóa già đạt được ở
nhiệt độ nhỏ hơn 0,5Tnc. Trong khi đó, hợp kim hóa bền phân tán, do việc thải bền
không đáng kể ở nhiệt độ cao nên có thể cho phép vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao hơn.
Giá trị độ bền đạt được phụ thuộc vào hàm lượng thể tích của cốt hạt, mức độ phân bố đồng

đều, độ phân tán và khoảng cách giữa các hạt cốt. Sự biến đổi của tầm quan trọng trong việc
quyết định ảnh hưởng của pha phân tán là quãng đường tự do trung bình của nền Mfp, giữa các
hạt trong chất phân tán và khoảng cách của sự phân ly giữa các hạt Dp. Những sự thay đổi này
được liên hệ chặt chẽ với đường kính hạt d và phần thể tích Vp bởi:


12

M df =

2d
(1 − Vp )
3Vp

(1.1)

Dp =

2d
(1 − Vp )
3Vp

(1.2)

Với một sự lệch mạng chuyển vị qua hạt phân tán của các hạt đứng yên, ứng suất cần thiết
phải đủ để uốn cong chuyển động thành nửa vòng tròn vành đai. Bán kính nhỏ nhất của sự
uốn cong mà sự lệch mạng có thể uốn cong dưới ảnh hưởng của trường nội lực là:

G .b
R= m

2τ i

(1.3)

Trong đó:
Gm- mô đun đàn hồi trượt của nền;

b - vectơ Burger.
Theo công thức Orowan, sự chống xê dịch tăng lên khi khoảng cách giữa các hạt giảm đi
vì 2R = Dp:

τi =

G m .b
Dp

(1.4)

Khi ứng suất đủ lớn để tạo nền một bán kính R = Dp/2, sự chuyển động đường vành đai
lệch mạng có thể lớn lên mà không cần tiếp tục tăng ứng suất.
Giới hạn dưới của khoảng cách giữa các hạt được dự đoán khi sử dụng ứng suất chảy của
nền sạch như ứng suất cần thiết để phát triển vành đai dịch chuyển bao quanh các hạt, hoặc
Gm/1000. Với giới hạn trên, lý thuyết ứng suất kéo đứt của nền có thể dùng là Gm/30. Sử dụng
các giá trị trên và khoảng các nguyên tử 3A0 cho độ lớn của véctơ Burger, khoảng cách giữa
các hạt thay đổi trong khoảng 0,01÷0,03μm. Bỏ qua sự tăng ứng suất và tính chống dão, đó là
mong muốn giữ được nhiều các tính chất của vật liệu nền đến mức có thể. Công thức (1.1)
được sử dụng đối với các loại hạt khác nhau, nó có thể được tìm thấy từ một đường cong
trong đó bán kính hạt phải nhỏ hơn 0,1μm để giữ khoảng cách quãng đường tự do trong
khoảng mong muốn 0,01÷0,3μm và để giữ hàm lượng hợp lý nhỏ hơn 15%. Dãy tiêu biểu của
các thông số trong công thức (1.1, 1.2) là:

Mfp: 0,01 ÷ 0,3µm;
Dp: 0,01 ÷ 0,3µm;
Vp: 0,01 ÷ 0,3;
d: < 0,1µm;


13

Khi ứng suất tăng từ τ = 0 đến τ =

G m .b
, sự dịch chuyển của đường lệch mạng hình các
Dp

cung tăng lên bao quanh các hạt phân tán cho đến khi nó có thể vượt qua các hạt mà không
cần tăng ứng suất. Bởi vì đường lệch mạng không thể đạt giá trị bán kính bằng không, một
đường bao của vùng lệch mạng có tác dụng giảm khoảng cách giữa các hạt, Dp, bằng cách ấy
cần có ứng suất lớn hơn để di chuyển một sự lệch mạng thứ hai qua các hạt phân tán. Nó có
tác dụng làm tăng hiệu quả hóa bền trong vật liệu hóa bền phân tán.
Các hạt phân tán trong vật liệu tổ hợp hóa bền phân tán là các ôxít, cacbit, borit trong nền
kim loại. Vật liệu tổ hợp chứng tỏ nó sở hữu độ cứng cao và độ chống dão trong khoảng thay
đổi nhiệt độ lớn.
1.3.2.1. Đường lệch bị uốn cong giữa các hạt phân tán
Khi khoảng cách giữa các hạt của pha thứ hai l khá lớn so với bán kính R của đường lệch
(l >> R) thì lệch sẽ bị uốn cong giữa các hạt (Hình 1.3). Ứng suất cần đẩy lệch giữa hai hạt
cách nhau l là:

τK =

G.b

l

(1.5)

Hình 1.3. Trình tự của sự chuyển động lệch mạng [2]

Khi ứng suất tác dụng τ ≥ τK đường lệch uốn và một phần bao lấy hạt, để lại xung quanh
nó vòng lệch, rồi tiếp tục trượt theo phương ban đầu. Mỗi lệch mới đi qua các hạt lại tạo
quanh chúng mỗi hạt một vòng lệch. Cứ như vậy chiều dài và năng lượng tổng cộng của lệch
tăng lên. Số vòng lệch quanh mỗi hạt tăng tạo ra trường ứng suất đàn hồi, cản trở lệch vượt
qua hạt phân tán.
τ=0

τ < G m .b / D p τ = G m .b / D p

(1.6)


14
1.3.2.2. Đường lệch cắt hạt phân tán
Khi khoảng cách l << R ứng suất τK tăng lên, sẽ đến lúc lệch đi qua hạt phân tán dễ dàng
hơn cả bằng cách cắt đứt chúng. Nguyên nhân hãm lệch ở đây là:
- Do sự khác nhau về cấu trúc mạng giữa nền kim loại chính (pha cơ bản) và hạt tiết ra
(pha thứ hai), khi trượt trong mặt trượt làm xuất hiện bề mặt phân tán, lệch gây ra xô lệch
trong mặt trượt làm xuất hiện bề mặt phân chia có năng lượng cao trong hạt phân tán;
- Sau khi bị lệch cắt trên mặt ngoài của hạt phân tán xuất hiện bậc nhỏ, vì thế bề mặt phân
chia giữa nền pha cơ bản và hạt tăng lên.
Lệch sẽ uốn cong và đi qua hạt phân tán sau khi để lại vòng lệch quanh chúng hoặc lệch
cắt ngang phân tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thông thường những hạt nhỏ, gần nhau, lệch
có thể cắt ngang. Hạt càng bền và môđun đàn hồi càng lớn càng khó cắt ngang. Những hạt

phân tán lớn và cách xa nhau thường uốn cong lệch và cho đi qua sau khi tạo thành vòng lệch
xung quanh hạt.
1.3.3. Các phương pháp hóa bền Cu
Hiện nay Cu được ứng dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật điện: các tiếp điểm điện (công
tắc, áp tô mát...) và điện cực hàn... Độ dẫn điện cao của Cu thường được yêu cầu cùng độ bền
cơ học cao, song độ bền cơ học của Cu không cao. Chính vì vậy việc nâng cao độ bền cơ học
của Cu là rất cần thiết. Gần đây việc hóa bền Cu thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà
khoa học trên thế giới. Có thể nêu ra ba phương pháp tiên tiến hóa bền Cu, cụ thể là:
- Hóa bền bằng cách làm nhỏ hạt;
- Hóa bền bằng dung dịch rắn;
- Hóa bền bằng các hạt gốm phân tán.
1.3.3.1 Sự hóa bền bằng cách làm nhỏ hạt
Trong công bố của Lu [33] đưa ra một kết quả của sự hóa bền Cu nguyên chất với sự lớn
lên của các song tinh kích thước cỡ nano bằng cách giảm biên giới các hạt qua một kỹ thuật
xung lắng đọng điện tích từ một dung dịch điện phân CuSO4. Theo kết quả này, độ bền kéo tăng
lên khoảng 10 lần so với Cu có kích thước hạt thô thông thường, trong khi đó vẫn giữ nguyên
được độ dẫn điện so với Cu nguyên chất, được thể hiện trên hình 1.4.
Trong thí nghiệm này, Cu được lắng đọng bao gồm các hạt có hình dạng không đồng đều
(tuy nhiên phần lớn trong số đó kích thước lớn theo cả ba chiều) với sự định hướng tùy ý. Kích
thước hạt Cu và mật độ lớn của sự phát triển các song tinh được cho là cải thiện cơ tính của vật
liệu. Tuy nhiên, khi ứng dụng ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như nhiệt độ trên bề mặt của các điện
cực hoặc các công tắc trong suốt quá trình làm việc, hạt Cu sẽ lớn lên trở nên mềm hơn.


15

nc Cu
Cu-hạt thô

nc Cu

Điện trở suất, Ω.m

Ứng suất, MPa

Cu-song tinh

Cu-song tinh

Cu-hạt thô

Biến dạng, %

Nhiệt độ, Ko

Hình 1.4. Cơ tính và tính dẫn điện của Cu và VLTH nền Cu [33]

1.3.3.2. Sự hóa bền bằng dung dịch rắn
Cu hóa bền bằng phương pháp hợp kim hóa, ví dụ như Cu-Cr, Cu-Zr, Cu-Nb, Cu-Cr-Zr,
Cu-Mg-Cr-Zr, Cu-Ti-Ni, (bảng 1.2)[26]. Độ bền cơ học cao được giữ nguyên nhưng tính chất
dẫn điện chỉ còn lần lượt là 30,1 và 30,8% IACS.
Bảng 1.2. Tính chất của MZC và Cu-Ni-Ti [41]

Sự giảm

Hệ số dẫn điện,

σ0,2

UTS,

Độ giãn

MPa

MPa

dài, %

MZC

496

496

18

68

78

80

Cu-Ni-Ti

606

640

9

34

88

53

Hợp kim

tiết diện,
%

Độ cứng

%IACS

HRB

Ở một số sản phẩm hợp kim Cu, cơ tính được làm tăng một cách đáng kể bằng cách đưa
vào pha thứ hai nhưng lại gây ảnh hưởng có hại đến tính dẫn điện. Theo Botcharova [41], độ
bền cơ học của hợp kim Cu-10% (nguyên tử) Nb được chuẩn bị bằng sự tổng hợp của hợp
kim hóa bột là 1,6 GPa nhưng độ dẫn điện chỉ đạt khoảng 10%IACS.
1.3.3.3. Sự hóa bền bằng các hạt gốm phân tán
Việc hóa bền Cu bằng các hạt phân tán đã thu hút được khá nhiều sự chú ý. Bằng việc đưa
vào biên hạt nền Cu hạt thứ hai, VLTH đã thu được đạt độ bền cao hơn, thậm chí cả ở nhiệt độ
cao, độ dẫn điện giảm không đáng kể mà các phương pháp hóa bền đã nói ở trên không thể so
sánh được bởi sự mâu thuẫn của độ bền với tính dẫn điện.
Theo công bố của Wang [20], Cu đã được hóa bền phân tán bởi các hạt WC phân tán
được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học tiếp theo đó tiến hành theo công nghệ
luyện kim bột truyền thống. Chúng bao gồm: khi tăng hàm lượng WC thì tỷ trọng và độ dẫn

điện giảm đồng thời với kết quả rất rõ nét, trong khi đó độ cứng tăng lên ở ngay từ giai đoạn
đầu đến một giá trị cực đại, sau đó giảm xuống bởi sự lớn lên của các hạt (các hạt kết tụ lại


16
với nhau). Hóa bền phân tán Cu bởi 1,6% (khối lượng)WC đã chỉ ra sự phân bố đồng đều các
hạt và vật liệu có tính chất tổng hợp tốt nhất. Sự biến dạng đã giúp cho sự sắp xếp lại phân bố
các hạt, từ đó ảnh hưởng rất nhiều đến độ cứng của vật liệu. Vật liệu bị biến dạng đã cho thấy
nó có tỷ khối cao hơn, độ bền cao hơn, độ cứng tế vi cao hơn chỉ với sự giảm không đáng kể
trong khả năng giãn dài. Tổ chức tế vi của nó có dạng thớ đặc trưng trong quá trình biến dạng
nóng vật liệu. Sự nung nóng ở nhiệt độ cao là nguyên nhân khả năng hồi phục lại của vật liệu,
nhưng không có sự kết tinh lại. Nền Cu hóa bền phân tán giữ được phần lớn cơ tính tổng hợp
với sự giãn dài được cải thiện tốt. Vật liệu chứng tỏ có độ bền nhiệt tốt ở nhiệt độ cao, nhiệt
độ biến mềm ở khoảng 900oC.
Một phương pháp đơn giản, dùng ép nóng và cán nguội hỗn hợp của Cu và TiB2 với kích
thước khoảng 10÷20nm, được ứng dụng để sản xuất vật liệu tổ hợp Cu-TiB2. Kết quả thí
nghiệm chỉ ra rằng độ dẫn điện giảm ứng với sự tăng hàm lượng TiB2, ngược lại độ bền kéo
và độ cứng tăng, với một hàm lượng TiB2 cố định, các hạt TiB2 càng nhỏ thì cơ tính càng cao.
Độ dẫn điện của VLTH đạt được cao hơn 70%IACS. Giới hạn chảy và độ cứng đạt được cao
hơn 120MPa và 60÷70 HRB. Tuy nhiên, độ bền nhiệt và độ giãn nở nhiệt, điểm biến mềm và
một số tính chất khác thì không được công bố.
Như trong công trình của Dong [47], kết quả công bố rằng hỗn hợp bột Cu, Ti, B trải qua
sự biến dạng dẻo mãnh liệt, sự hàn nguội và chỗ gãy là do sự va chạm nhau của bi nghiền
trong suốt quá trình hợp kim hóa. Quá trình nghiền bi kéo dài đưa đến một sự biến dạng bên
trong rất lớn trong các hạt Cu cực nhỏ. Tính hòa tan được của B và Ti trong nền Cu được tăng
lên rất cao suốt quá trình hợp kim hóa, điều này dẫn đến sự tăng thông số mạng của Cu. Sự
kết tủa của TiCu4 suốt quá trình nghiền bi giảm sự giãn nở mạng Cu, và do đó, sự biến dạng
bên trong, được gây ra bởi sự hòa tan của B và Ti vào nền Cu.
Tuy nhiên do việc sử dụng các kim loại như W, Re, Mo… là những kim loại quý, đắt
tiền nên các nhà khoa học nghĩ tới việc sử dụng các kim loại hoặc ôxít kim loại rẻ tiền hơn

mà vẫn đảm bảo được các tính chất đối với vật liệu bền nhiệt có độ dẫn điện cao.
Với ý tưởng nêu trên người ta đã tính tới việc sử dụng Al2O3 thay thế cho W, Re, Mo…
Ưu điểm cơ bản của hệ vật liệu tổ hợp hệ Cu-Al2O3 chế tạo tiếp điểm là vẫn giữ được các
tính chất cần thiết của vật liệu tiếp điểm như độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt của đồng nguyên
chất; độ bền cơ học (uốn, nén), độ bền mòn cao… do các hạt Al2O3 nhỏ mịn phân tán trong
nền Cu. Hơn nữa khi dùng Cu-Al2O3 có thể giảm đáng kể giá thành mà độ dẫn điện không
giảm đi nhiều.
Đặc điểm nổi bật của Al2O3 là có khối lượng riêng nhỏ, từ đó mà tỷ khối của VLTH CuAl2O3 cũng nhỏ. Hơn nữa Al2O3 có độ bền nhiệt cao, độ bền mòn cao, độ cứng tế vi rất cao,
có thể làm việc ở nhiệt độ cao (8000C). Việc nghiên cứu các tính chất cơ bản của hệ VLTH


17
Cu-Al2O3 là rất cần thiết trong điều kiện hiện nay, nhất là do khả năng ứng dụng thực tế của
hệ vật liệu này để chế tạo vật liệu tiếp điểm điện. Có nhiều phương pháp chế tạo VLTH CuAl2O3: Phương pháp phun plasma [11]; Phương pháp nghiền cơ - hóa [32]; Phương pháp ôxy
hoá bên trong; Một số phương pháp khác [3]... Trong đó phương pháp ôxy hoá bên trong
được sử dụng thường xuyên hơn cả.
Trong công trình của Lee [32], hạt VLTH Cu-Al2O3 ở dạng nano đã được tổng hợp thành
công bằng phương pháp nhiệt - hóa. Quy trình được xây dựng trên cơ sở:
1- Chuẩn bị bột thô từ dung dịch rắn với CuSO4 và Al2(SO4)3 ;
2- Khử muối bằng xử lý nhiệt sinh ra Al2O3;
3- Khử CuO tạo thành Cu thu được sản phẩm bột cuối cùng.

Hình 1.5. Ảnh SEM của vật liệu đạt được sau khi Cu tan thành bột VLTH Cu-2,7%(kl) Al2O3 và
sự hình thành Al2O3 khi xử lý nhiệt: 8500C; b- 11000C; c- 8500C; d- 11000 C[32].

Bột ban đầu dạng hình cầu có kích thước khoảng 30μm. Các hạt γ-Al2O3 trong bột thô được
sinh ra trong không khí ở nhiệt độ 8500C. Sau khi khử thành phần CuO thành Cu, các hạt
VLTH Cu-Al2O3 có cấu trúc không thay đổi, và kích thước của chúng khoảng 20nm (Hình 1.5).
Các thanh ép chảy thu được có độ dẫn điện cao hơn và độ cứng nhỏ hơn so với vật liệu
thông thường cùng loại bởi vì sự khác pha của Al2O3 và nền Cu và các chỉ tiêu về tính chất cho

vật liệu tiếp điểm, điện cực đã đạt được trọn vẹn trong quy trình này bởi sự tăng hàm lượng
Al2O3 hoặc gia công nguội. Kết quả về độ cứng tế vi và độ dẫn điện được chỉ ra trên hình 1.6.
Rõ ràng sau ép chảy VLTH Cu-Al2O3 với hàm lượng Al2O3 ~3%(kl) có độ cứng lớn hơn
nhiều và độ dẫn điện cao (~ 85-90% IACS) so với Cu nguyên chất.