Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cán tới độ bền liên kết bimetal thép 11KII đồng thau LCu 10 làm tiếp điểm điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

PHẠM VĂN DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG
NGHỆ CÁN TỚI ĐỘ BỀN LIÊN KẾT BIMETAL: THÉP
11kΠ- LCuZn10 LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................

Cao Thành Trung

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ CÁN TỚI ĐỘ BỀN LIÊN KẾT
BIMETAL: THÉP 11kΠ- LCuZn10 LÀM TIẾP ĐIỂM
ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS

HÀ TIẾN HOÀNG

HÀ NỘI – 2010


MụC LụC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các bảng

4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

5

Mở ĐầU

7

CHƯƠNG 1. TổNG QUAN QUá TRìNH NGHIÊN CứU

9

Và CHế TạO BIMETAL LàM TIếP ĐIểM
1.1. Vật liệu Bimetal

9

1.1.1. Đặc điểm chung của vật liệu Bimetal

9

1.1.2. Phân loại vật liệu Bimetal

10

1.1.3. Các dạng tơng tác giữa các lớp của Bimetal

11

1.1.4. Các kiểu liên kết giữa các lớp vật liệu Bimetal

11

1.2. Vật liệu Bimetal làm tiếp điểm

14

1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật về vật liệu Bimetal làm tiếp

14

điểm
1.2.2. Các tính chất của vật liệu Bimetal làm tiếp điểm
1.3. Các phơng pháp chế tạo Bimetal làm tiếp điểm

15
16

1.3.1. Phơng pháp chế tạo liên kết ở thể lỏng

17

1.3.2. Phơng pháp tạo liên kết ở thể rắn

19

1.4. Quá trình nghiên cứu sản xuất Bimetal bằng phơng
pháp cán.

22

1.4.1. Hiện tợng vật lý tại mặt liên kết khi biến dạng

23

Bimetal
1.4.2. ảnh hởng của các thông số công nghệ
1.5. Công nghệ sản xuất băng Bimetal phôi làm tiếp điểm
1.5.1. Quy trình chung

31
34
34

1

1.5.2. Đề xuất quy trình công nghệ

35

1.6 Các kết luận, mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.

38

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU

41

2.1. Đánh giá chất lợng sản phẩm Bimetal

41

2.1.1. Sơ đồ phơng pháp nghiên cứu

41

2.1.2. Phơng pháp xác định độ bền và độ bền liên kết

42

theotoàn bộ bề mặt tiếp xúc của băng Bimetal 11K LCuZn10
2.1.3. Phơng pháp nghiên cứu cấu trúc tế vi
2.2. Thiết bị và phơng pháp tiến hành thí nghiệm

45
49

2.2.1. Thiết bị thí nghiệm

49

2.2.2. Nội dung nghiên cứu và phơng pháp thí nghiệm

50

CHƯƠNG 3. nghiên cứu sự ảnh hởng đồng

51

thời của các thông số công nghệ cán tới
độ bền liên kết kim loại kép
3.1. Nghiên cứu ảnh hởng của các thông số công nghệ cơ

49

bản đến độ bền liên kết và độ đồng đều biến dạng.
3.1.1. Nghiên cứu ảnh hởng của tổng lợng biến dạng

51

đến độ bền liên kết Bimetal thép 11K -LCuZn10
3.1.2. Nghiên cứu ảnh hởng của nhiệt độ ủ đến

52

độ liên kết Bimetal thép 11K -LCuZn10

3.1.3. Nghiên cứu ảnh hởng của thời gian ủ đến

53

độ bền liên kết Bimetal thép 11K -LCuZn10
3.2. Nghiên cứu sự ảnh hởng đồng thời các thông số công
nghệ đến độ bền liên kết kim loại kép

2

53


3.2.1 Chọn các thông số công nghệ cơ bản có ảnh

53

hởng quyết định đến độ bền liên kết kim loại kép
3.2.2 Phơng pháp quy hoạch thực nghiệm

54

3.2.3 Chọn mô hình và xây dựng ma trận thùc nghiệm.

55

3.2.4 Phơng trình tính toán kiểm tra tính thống kê

62

3.2 .5 Kiểm tra sự bằng nhau của phơng sai.

64

3.2.6 Kiểm tra các hệ số

64

3.2.7 Kiểm tra sự phù hợp của mô hình.

66

3.3 Phân tích mô hình nhận đợc và sự ảnh hởng đồng thời

67

của các thông số công nghệ cán cơ bản , nhiệt luyện tới độ
bền liên kết kim loại kép
3.4. Thí nghiệm tối u hoá miền thông số công nghệ

74

3.5 Kết luận chơng 3

77

CHƯƠNG 4 . KếT LUậN Và KIếN NGHị
4.1. Kết luận

79

4.2. Kiến nghị

80

TàI LIệU THAM KHảO

81

PHụ LụC

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần hóa học thép hợp kim 11KΠ
Bảng 1.2 Thành phần hóa học đồng thau (LCuZn10)
B¶ng 1.3 KÕt qu¶ ®o ®é bÒn liªn kÕt cña c¸c mÉu kh¸c nhau
B¶ng 1.4 KÕt qu¶ khi gia c«ng ë nhiÖt ®é vµ l−îng biÕn d¹ng kh¸c nhau gi÷a
c¸c thÐp hîp kim vµ thÐp c¸cbon thÊp
Bảng 2.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình làm thí nghiệm
B¶ng 3.1 B¶ng kh¶o s¸t cña c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng
B¶ng 3.2 B¶ng chuyÓn biÕn tõ Zj sang xj.
Bảng 3.3 Ma trận cấu trúc ( F) quy hoạch thực nghiệm .
Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm 3 mẫu ở tâm.
Bảng 3.5 So sánh giá trị b với phương sai.
B¶ng 3.6 B¶ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n c¸c th«ng sè c«ng nghÖ
B¶ng 4.1 B¶ng kÕt qu¶ ®o ®é bÒn liªn kÕt cña c¸c mÉu thÝ nghiÖm

4

DANH MC CC HèNH
Hỡnh 1.1 Sơ đồ các dạng liên kết cơ bản
Hỡnh 1.2 Sơ đồ nguyên lý phơng pháp đúc tổ hợp
Hỡnh 1.3 sơ đồ nguyên lý phơng pháp mạ nhúng
Hỡnh 1.4 Sơ đồ nguyên lý phơng pháp hàn đắp plấm
Hỡnh 1.5 Sơ đồ nguyên lý phơng pháp hàn chảy
Hỡnh 1.6 Sơ đồ nguyên lý phơng pháp phun phủ và súng phun ngọn lửa
Hỡnh 1.7 Sơ đồ nguyên lý phơng pháp bốc hơi vật lý
Hỡnh 1.8 Sơ đồ nguyên lý phơng pháp bốc hơi hoá học
Hỡnh 1.9 Sơ đồ cán dính
Hỡnh 1.10 Sơ đồ cu tạo phôi hộp cán nóng
Hỡnh 1.11 Sơ đồ hàn ép
Hỡnh 1.12 Sơ đồ phơng pháp nổ dính
Hỡnh 1.13 Sơ đồ quá trình nghiên cứu bimetal
Hỡnh 1.13 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bimetal làm tiếp điểm điện bằng
phơng pháp cán bó kim loại
Hỡnh 2.1 Mu th bn liờn kt
Hỡnh 2. 2 Xác định độ bền liên kết bimetal bằng phơng pháp thử tĩnh
Hỡnh 2.3 Mu thộp 11K
Hỡnh 2.4 Mu LCu
Hỡnh 2.5 Mẫu thử độ bền liên kết
Hỡnh 2.6 Chy v Ci gỏ mu
Hỡnh 2.7 Thit b o bn liờn kt
Hỡnh 2.8 Thit b o cng t vi
Hỡnh 2.9: Thit b hin vi quang hc
Hỡnh 2.10 Mỏy cỏn 2 trc
Hỡnh 2.11 Lũ in tr

5


Hình 3.1 Mô hình nghiên cứu
Hình 3.2 Mô hình quy hoạch thực nghiệm
Hình 3.3 Mẫu đo độ bền liên kết
Hình 3.4 Mẫu 1 với ε= 40% , T=780 0C, t= 240 phút (phóng đại 500 lần)
Hình 3.5 Mẫu 2 với ε= 80% , T=780 0C, t= 240 phút (phóng đại 500 lần)
Hình 3.6 Mẫu 3 với ε= 84% , T=730 0C, t= 180 phút (phóng đại 500 lần)
Hình 3.7 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ bền liên kết
của Bimetal( ε = 40% )
Hình 3.8 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ bền liên kết
của Bimetal( ε = 60% )
Hình 3.9 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ bền liên kết
của Bimetal ( ε = 80% )
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian ủ và lượng biến dạng đến
độ bền liên kết (T=680 0C)
Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian ủ và lượng biến dạng đến
độ bền liên kết (T=730 0C)
Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian ủ và lượng biến dạng đến
độ bền liên kết (T=780 0C)
Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và lượng biến dạng đến
độ bền lien kết (t=120 phút)
Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và lượng biến dạng đến
độ bền lien kết (t=180 phút).
Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và lượng biến dạng đến
độ bền lien kết (t=240 phút).

6

Mở ĐầU
Kim loại kép không chỉ thay thế các kim loại quý hiếm mà còn là
phơng pháp để tạo ra vật liệu mới cho các ngành công nghiệp, ứmg dụng
trong các lĩnh vực mũi nhọm. Vì vậy các kim loại kép khác nhau trong đó có
kim loại kép:thép 11K- đồng và hợp kim đồng có ứng dụng rộng rãi trong
các ngành điện, điện tử, hoá học và nhiều ngành công nghệ kỹ thuật mũi nhọn
khác. Tuy nhiên công nghệ sản xuất kim loại kép bằng phơng pháp cán còn
tồn tại nhiều vấn đề về lý thuyết và công nghệ nhất định để thu đợc kim loại
kép có độ bền theo ý muốn. Những tồn tại này chính là do việc phát triển lý
thuyết sản xuất kim loại kép cha đầy đủ, những ứng dụng của nó trong việc
sản xuất các chi tiết còn tồn tại những vấn đề không nhỏ. Nhiệm vụ cơ bản khi
sản xuất kim loại kép mới là ở chỗ đáp ứng đợc độ bền liên kết trên toàn bộ
bề măt tiếp xúc của các kim loại thành phần. Rõ ràng là độ bền liên kết kim
loại kép trớc tiên phụ thuộc vào tính chất hoá lý của các kim loại và hợp kim
thành phần và các thông số công nghệ của phơng pháp sản xuất nó.Những
yếu tố công nghệ cơ bản khi cán kim loại kép là lợng ép, nhiệt độ cán và chế
độ ủ. Sự ảnh hởng của các thông số này tới độ bền liên kết kim loại kép: thép
11K- đồng và hợp kim đồng cho tới nay cha giải quyết đợc hoàn hảo.
Những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng nâng cao độ
bền liên kết của kim loại kép chỉ có thể đạt đợc khi tối u hoá các thông số
công nghệ cán và công nghệ ủ kim loại kép.
Mục đích nghiên cứu của đề tài này là: nhận đợc mô hình toán học
biểu diễn độ bền liên kết kim loại kép phụ thuộc vào các thông số công nghệ
cán và chế độ ủ trên cơ sở đó tìm ra các thông số công nghệ tối u để nâng cao
chất lợng khi sản xuất kim loại kép: thép 11K- đồng và hợp kim đồng. khi
thực hiện đề tài này các thí nghiệm đợc tiến hành trên máy cán 100 và chế
độ ủ đợc thực hiện trong lò buồng điện trở tai phòng thí nghiệm bộ môn
CHVL& Cán kim loại trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
7

Luận văn đợc trình bày trong 4 chơng:
Chơng 1: Tổng quan quá trình nghiên cứu vạt liệu Bimetal.
Chơng 2: Phơng pháp nghiên cứu.
Chơng 3: Nghiên cứu sự ảnh hởng đồng thời của các thông số công
nghệ tới độ bền liên kết kim loại kép.
Chơng 4: Kết luận và kiến nghị.
Tác giả rất mông sự đóng góp ý kiến của các thầy,cô và các bạn đồng
nghiệp để bản luận văn hoàn thiện hơn.
Hà Nội,ngày 10 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Phạm Văn Dũng

8


CHƯƠNG 1. TổNG QUAN QUá TRìNH NGHIÊN CứU Và CHế
TạO BIMETAL LàM TIếP ĐIểM
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp không chỉ những
ngành mũi nhọn nh hàng không, vũ trụ mà còn cả những ngành công nghiệp
truyền thống nh điện, điện tử, điện lạnh, chế tạo máy, xây dựng, hóa
học,...đòi hỏi phải có những vật liệu mới có tính chất u việt hơn những vật
liệu thông thờng. Kim loại và hợp kim thuần túy chỉ có những tính chất cơ lý
xác định. Khó có kim loại và hợp kim nào lại có cùng một lúc có đợc tất cả
các tính chất cơ lý tính tốt, mặc dù ngày nay tồn tại một số lợng kim loại và
hợp kim, xong không phải lúc nào cũng đáp ứng đợc những yêu cầu đặt ra.
Nh một quy luật tất yếu, các loại vật liệu mới ra đời, trong đó có vật liệu kim
loại kép (Bimetal) đã ra đời. Vật liệu Bimetal có khả năng kết hợp tính chất

của nhiều vật liệu khác nhau vào trong cùng một vật liệu và tạo ra những vật
liệu có tính chất hoàn toàn mới, thỏa mãn cùng một lúc nhiều yêu cầu công
nghệ. Công nghệ chế tạo Bimetal khá đơn giản, không quá phức tạp hơn nữa
lại đáp ứng đợc yêu cầu về giảm kích thớc, trọng lợng của các thiết bị, tiết
kiệm đợc các kim loại quý hiếm đắt tiền. Vì vậy vật liệu Bimetal thu hút
đợc khá nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuẩt và đợc
ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế.
1.1. Vật liệu Bimetal.
1.1.1. Đặc điểm chung của vật liệu Bimetal.
Bimetal là vật liệu không đồng nhất, đợc tạo bởi hai hay nhiều thành phần
kim loại liên kết bền chắc với nhau, trong đó có ít nhất một thành phần trội
hơn về thể tích là một kim loại hoặc một hợp kim.
Bimetal là một vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên Bimetal thờng rất khác
nhau về bản chất ( vật liệu chống ăn mòn, chống ma sát), không hòa tan vào
nhau và phân cách bằng biên giới pha. Pha liên tục trong toàn khối vật liệu và
9


trội hơn so với các pha khác về thể tích đợc gọi là pha nền. Pha phân bố gián
đoạn trong toàn khối vật liệu hoặc ít hơn pha khác về thể tích đợc gọi là pha
dán, pha phủ hoặc pha cốt. Trong Bimetal tỉ lệ hình dáng và kích thớc cũng
nh sự phân bố của pha nền và pha cốt tuân theo thiết kế định trớc nhằm đảm
bảo độ bền liên kết Bimetal, đảm bảo độ bền công nghệ cũng nh tiết kiệm
kim loại.
Tính chất của các pha thành phần đợc kết hợp lại với nhau để tạo ra tính
chất chung của vật liệu. Tuy vậy, tính chất của vật liệu tạo ra không bao hàm
tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa
chọn các tính chất cần thiết và phát huy các tính chất đó.
1.1.2. Phân loại vật liệu Bimetal.
Theo lĩnh vực ứng dụng Bimetal kim loại có thể chia thành năm nhóm sau:

a. Bimetal chống gỉ:
Là loại Bimetal có nền là thép Cácbon hoặc thép hợp kim thấp, lớp phủ là
kim loại chống gỉ: Đồng, Niken, Nhôm, Titan, các hợp kim nhôm, hợp kim
Titan và một số hợp kim khác. Độ dày của lớp phủ chiếm khoảng 5 ữ 25%
chiều dày tổng cộng.
b. Bimetal chống ma sát:
Là loại Bimetal có lớp nền là thép và lớp dán là hợp kim chống ma sát cơ
sở nhôm hoặc cơ sở đồng. Loại này thờng đợc dùng để chế tạo các dạng bạc
lót trục, độ dày của lớp dán chiếm khoảng 25ữ45% chiều dày tổng.
c. Bimetal tự mài sắc:
Là loại Bimetal có cấu tạo bởi những kim loại và hợp kim có độ bền cao
đợc dùng để chế tạo bàn gạt đất, gầu xúc đất đá, lỡi cày, máy ủi, máy nông
nghiệp.
d. Bimetal tiếp điểm:
Là loại Bimetal lớp vật liệu dán phải có tính dẫn điện, nhiệt tốt, độ bền
cao, có nhiệt độ hoá mềm và nhiệt độ làm việc lâu dài cao, khả năng chống ăn
mòn tốt. Vật liệu làm tiếp điểm đợc làm bằng những vật liệu có tính tiếp xúc

10


thích hợp, nh: Ag, Au, Pt, hợp kim Ag, vật liệu tổ hợp trên cơ sở Ag, AgPladium, hợp kim Au, Pt, hợp kim có mạ Ag, Au, Pt,...
e. Bimetal dụng cụ và chống mài mòn:
Là loại Bimetal có lớp nền là thép Cácbon có độ dai cao, lớp phủ là thép
dụng cụ hợp kim cao hoặc các hợp kim cứng. Loại này đợc ứng dụng để chế
tạo dao cắt kim loại, da, giấy, Độ dày của lớp dán chiếm khoảng 30% chiều
dày tổng cộng.
f. Bimetal nhiệt:
Là loại Bimetal đợc chế tạo bởi ít nhất 2 thành phần có độ dãn nở nhiệt
khác nhau. Thành phần có độ dãn nở nhiệt nhỏ gọi là thành phần bị động,

thành phần kia là phần chủ động. Bimetal nhiệt đợc ứng dụng rộng rãi trong
kỹ thuật điện, nhiệt, đo lờng và điều khiển. Thành phần bị động nh: FeCr17,
FeNi36, FeNi38, FeNi42, FeNi46, FeNi50. Thành phần chủ động nh:
FeCr18Ni8, FeCr18Ni10, FeNi19Cr2, FeNi22Cr3, FeNi25Cr8.
1.1.3. Các dạng tơng tác giữa các lớp trong vật liệu Bimetal
Theo đặc điểm liên kết giữa các lớp của Bimetal có thể phân thành ba
dạng cơ bản sau:
1- Không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học;
2- Có tơng tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan nhỏ nhng không tạo
hợp chất hoá học. Đa số Bimetal kim loại đều thuộc loại này;
3- Có phản ứng tạo hợp chất hoá học.
Tuỳ thuộc vào sự tơng tác giữa các lớp vật liệu sẽ hình thành nên mối
liên kết nhất định. Độ bền của vật liệu chịu ảnh hởng rất lớn vào độ bền liên
kết giữa các lớp vật liệu đó.
1.1.4. Các kiểu liên kết giữa các lớp vật liệu Bimetal
a. Liên kết cơ học

11


Đây là loại liên kết thuần tuý về cơ học giữa các lớp vật liệu thông qua độ
nhám bề mặt hoặc do lực ma sát. Vật liệu tổ hợp (VLTH) sợi có liên kết dạng
này thờng kém bền khi chịu lực nén dọc hoặc kéo ngang sợi.
b. Liên kết nhờ thấm ớt
Loại liên kết này thực hiện nhờ năng lợng sức căng bề mặt. Đối với các
VLTH tạo ra theo kiểu liên kết cơ học, khi tiến hành quy trình chế tạo, nếu
pha nền đợc nung chảy và dính ớt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình
khuếch tán hoà tan lẫn nhau giữa chúng dù là nhỏ. Sức căng bề mặt trên ranh
giới giữa các lớp vật liệu sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định
độ bền của kiểu liên kết này.

c. Liên kết phản ứng
Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới giữa các lớp vật liệu xảy ra
phản ứng tạo hợp chất hoá học dạng Mfx. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành
này ảnh hởng quyết định đến độ bền liên kết giữa các lớp vật liệu.
d. Liên kết phản ứng phân đoạn
Đặc điểm của liên kết này là phản ứng hoá học tổng thể xảy ra theo nhiều
giai đoạn, trong đó có một giai đoạn khống chế tốc độ tạo ra liên kết giữa các
lớp vật liệu.
e. Liên kết ôxit
Liên kết dạng này là một dạng đặc biệt của liên kết phản ứng, đặc trng
cho VLTH kim loại - ôxit. Đây là dạng liên kết tạo ra các dạng sản phẩm phản
ứng ở dạng màng ôxit (MOx).
g. Liên kết hỗn hợp
Liên kết dạng này là hỗn hợp các kiểu liên kết, tơng tác giữa các lớp vật
liệu phụ thuộc mạnh vào quá trình công nghệ hoặc điều kiện sử dụng.

12


Hình 1.1. Sơ đồ các dạng liên kết cơ bản
a. Liên kết cơ học; b. Liên kết thấm ớt; c. Liên kết phản ứng;
d. Liên kết phản ứng phân đoạn; e. Liên kết ôxit.
Tóm lại, độ bền liên kiết giữa các lớp của vật liệu Bimetal phải đủ lớn để
đảm bảo cho vật liệu không bị bong, tróc khi làm việc với tải trọng cơ nhiệt Để
vật liệu Bimetal làm việc ổn định và chắc chắn thì độ bền liên kết giữa các
thành phần phải đạt tới một giới hạn nhất định. Độ bền liên kết phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố nh chọn vật liệu, chất lợng xử lý bề mặt, phơng pháp chế
tạo, điều kiện tạo dính kết cũng nh việc xử lý sau khi tạo dính kết.
Việc kết hợp các kim loại và hợp kim thích hợp với nhau cùng với việc
lựa chọn chiều dày và vị trí tơng đối của các thành phần trong tổ hợp đã cho

phép tạo ra vô số Bimetal dạng lớp có các tính chất vật lý, hoá học và công
nghệ nh mong muốn.
Trong số các Bimetal đã đợc sản xuất trớc hết phải kể đến loại Bimetal
có nền là thép Cácbon hoặc thép hợp kim thấp đợc dán hoặc phủ bằng lớp
thép không gỉ, kim loại màu, thép dụng cụ hoặc kim loại quý hiếm. Trong
những trờng hợp này kim loại nền là thép Cácbon hoặc hợp kim thấp sẽ gánh
chịu tải trọng cơ học còn lớp phủ sẽ gánh chịu ăn mòn hoá học, ma sát, mài
mòn, chịu nhiệt do cơ học hoặc do tác dụng nhiệt. Ngày nay nhu cầu về vật

13


liệu Bimetal trên toàn thế giới lên tới hàng triệu tấn/năm trong đó phần lớn là
các loại thép cán và mạ.
1.2 Vật liệu bimetal làm tiếp điểm
1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật về vật liệu Bimetal làm tiếp điểm.
a. Vật liệu nền: Thép 11K
Bảng 1.1. Thành phần hóa học thép hợp kim 11K
Hàm lợng các nguyên tố (%)
Kí
hiệu
C
Si
Mn
P
S
Thép
0,04
11K 0,07ữ0,14 0,03 0,25ữ0,5 0,03

Cr

Ni

Cu

0,15

0,25

0,25

b. Vật liệu dán: Đồng thau (LCuZn10)
Bảng 1.2.Thành phần hóa học đồng thau (LCu10)
Kí hiệu
Đồng thau
(LCu10)

Hàm lợng các nguyên tố (%)
Cu
Zn

90
10

c. Yêu cầu kỹ thuật:
Để đảm bảo cho tiếp điểm có độ dẫn điện cao, dẫn nhiệt tốt, không bị oxy
hóa, có độ kết tinh và nóng chảy cao, có độ bền cơ cao, có đủ độ dẻo và dễ gia
công cơ hoặc gia công bằng áp lực khi chế tạo thì:
+ Độ cứng sau ủ của đồng thau đạt 75ữ110 HB

+ Độ cứng sau ủ của thép 11K đạt 180ữ250 HB
+ Độ cứng sau ủ của lớp liên kết đồng thau và thép 11K đạt
150ữ180 HB

14


1.2.2. Các tính chất của vật liệu Bimetal làm tiếp điểm.
Các vật liệu tiếp điểm điện chủ yếu đợc chế tạo từ các kim loại sạch và
hợp kim cúa chúng. Thời gian gần đây, trớc yêu cầu ngày càng cao về chất
lợng, độ tin cậy, các vật liệu tiếp điểm điện truyền thống tỏ ra không đáp ứng
đợc các yêu cầu đó.
Phơng pháp biến dạng đồng thời hai hay nhiều kim loại cùng lúc là
một trong các biện pháp để tạo ra vật liệu tiếp điểm điện. Các tiếp điểm điện
chế tạo bằng phơng pháp này có khả năng tổng hợp đợc các tính chất khác
nhau từ các cấu tử thành phần trong một loại vật liệu, chúng đã dần thay thế
các tiếp điểm chế tạo bằng các kim loại truyền thống nh Ag, Au, Cu, oxit
đồng.Ngoài ra còn cải thiện đợc các tính chất khác nh tính bền mòn, tính
bền chảy, đồng thời giảm đợc tiêu hao vật liệu.
Tiếp điểm điện làm việc trong môi trờng khắc nghiệt, tải trọng lớn,
chịu dòng điện lớn, nhiệt độ hồ quang cao.Ngoài ra tiếp điểm còn tiếp xúc với
môi trờng 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 giảm tính dẫn điện do điện trở tiếp xúc
tăng lên. 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. Khi điện trở tăng lên, tiếp điểm điện bị nung nóng làm nóng chảy cục bộ
vật liệu trên một vùng tiếp điểm, nhất là với các điện cực hàn thì điều này xảy
ra rất mãnh liệt.
Theo điều kiện làm việc các yêu cầu đối với vật liệu chế tạo tiép điểm
là:

1.Tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt.
2. Độ bền cơ học cao.
3.Độ bền mòn( hoá học và cơ học )cao.
4. Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hoá hơi cao.
5. Có độ bền nén cao để có thể chịu đợc áp suất nén lớn.

15


6. Có độ bền đối với hồ quang điện ( đối với tiép điểm đóng ngắt mạch)
Cho đến nay cha có một lý thuyết nào giải thích rõ về hành vi của tiếp
điểm đóng ngắt mạch, ví dụ cha biết ảnh hởng của cấu trúc phân tán đến
đặc tính hồ quang điện và cũng nh lợng cháy hao của vật liệu trong quá
trình chuyển mạch. Các vật liệu trong môi trờng ăn mòn có thể tạo ra một lớp
phủ và ảnh hởng của lớp phủ biểu hiện qua việc thay đổi các thoong số cơ
học và các thông số điện còn cha đợc nghiên cứu đầy đủ. Cha thấy rõ đợc
sự phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu với tính chát cơ học của tiếp
điểm. Chính vì vậy không thể đề ra đợc các yêu cầu tơng đối một cách khoa
học đối với chúng.
1.3. Các phơng pháp chế tạo Bimetal làm tiếp điểm.
Bimetal làm tiếp điểm có thể sản xuất bằng nhiều phơng pháp khác nhau
theo khối lợng kích thớc, tính chất, yêu cầu kỹ thuật mà lựa chon phơng
pháp nào cho phù hợp và kinh tế nhất. Các phơng pháp sản xuất Bimetal dạng
lớp có thể phân chia thành hai nhóm sau:
- Tạo liên kết ở thể lỏng (lỏng - lỏng hoặc rắn lỏng);
- Tạo liên kết ở thể rắn (rắn-rắn).
1.3.1. Phơng pháp chế tạo liên kết ở thể lỏng
Thuộc nhóm này có các phơng pháp đúc tổ hợp, mạ nhúng, tráng, hàn
đắp, phun hồ quang hoặc plasma.
a. Phơng pháp đúc:

Tạo liên kết cho vật liệu Bimetal bằng phơng pháp đúc tổ hợp đợc ứng
dụng rộng rãi để đúc dụng cụ cắt có phần trên bằng gang hoặc thép còn phần
dới là hợp kim chịu mài mòn, có độ cứng cao v.v.

16


Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý phơng pháp đúc tổ hợp.
A: Phần thép Cácbon thờng; B: Phần thép hợp kim
b. Phơng pháp mạ nhúng:
Phơng pháp mạ nhúng thờng gặp nh mạ kẽm, mạ thiếc mạ nhôm đối
với thép. Phơng pháp tráng thờng đợc dùng để phủ bằng hàn chảy hoặc
tráng hợp kim dụng cụ lên thân dao. Để phủ những chi tiết đặc hoặc rỗng lớn
đơn chiếc (nếu sản xuất bằng phơng pháp cán dính hoặc ép chảy thì không
kinh tế), thờng dùng phơng pháp hàn đắp.

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý phơng pháp mạ nhúng

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý phơng pháp hàn đắp plasma

17


Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý phơng pháp hàn chảy
c. Phơng pháp phun phủ.
Phơng pháp này chủ yếu để tạo nên lớp chống mài mòn, chống ăn mòn,
chịu nhiệt hoặc nhằm mục đích đặc biệt khác nh trang sức, dẫn điện, dẫn
nhiệt, cách nhiệt,... Hầu hết các kim loại, các bít, borit đều có thể phun lên bề
mặt của các vật liệu kim loại khác, song trong thực tế thờng phun nhôm,
kẽm, đồng, thiếc, đồng thanh, đồng thau, các bít, borit lên bề mặt thép.Thiết bị

phun là các súng phun: súng phun ngọn lửa, súng phun hồ quang, súng phun
plasma.

Hinhf 1.10: Sơ đồ nguyên lý phơng pháp phun phủ và súng phun ngọn lửa
d. Phơng pháp tạo lớp phủ mỏng:Bao gồm các phơng pháp mạ và bốc hơi.
Mạ có thể là toàn bộ hoặc cục bộ, chiều dày lớp mạ thờng trong khoảng
0,5ữ20àm. Phủ bằng mạ đợc ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật nh mạ
Ni, Cr, Cu, Zn, Sn, Pb, Au, Ag, Cd v.v. Phơng pháp bốc hơi có thể tạo ra lớp
phủ từ mấy A0 đến hàng milimét thông qua sự ngng tụ của kim loại đem phủ
dới dạng hơi lên bề mặt của kim loại nền trong chân không. Phơng pháp vật
18


lý (PVD - Physical Vapour Deposition) và phơng pháp hoá học (CVD Chemical Vapour Deposition).

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý phơng Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý phơng
pháp bốc hơi vật lý
pháp bốc hơi hoá học

1.3.2. Tạo liên kết ở thể rắn.
Sử dụng các phơng pháp tạo liên kết bằng hàn ép, cán dính, nổ dính. Điểm
chung của các phơng pháp này là liên kết giữa các lớp đợc tạo ra trong điều
kiện nhiệt độ thờng hoặc nhiệt độ cao dới tác dụng của áp lực. Điều kiện để
có thể sản xuất băng Bimetal bằng các phơng pháp này là các kim loại thành
phần phải có đầy đủ tính dẻo nguội và nóng ở mức độ cần thiết.
a. Chế tạo Bimetal bằng phơng pháp cán dính từ các băng kim loại:
1

2

3

4
5

Hình 1.13. Sơ đồ cán dính.
1- Băng vận chuyển phôi; 2- phôi; 3- Lò nung có khí bảo vệ;
4 - Trục cán; 5- Băng Bimetal
Cán dính có thể thực hiện ở nhiệt độ cao (cán nóng) hoặc nhiệt độ thờng (cán
nguội). Khi cán nóng các thành phần đợc nung nóng tới nhiệt độ cần thiết rồi
19


đem cán, nhờ áp lực cán và các quá trình khuếch tán xảy ra mà dẫn đến dính
kết trên bề mặt ranh giới giữa các thành phần. Trong cán nguội thì tấm hoặc
băng kim loại đợc cán dính với nhau ngay ở nhiệt độ thờng hoặc cao hơn
nhiệt độ thờng một chút. Số lần cán có thể 1, với lợng ép lớn (50-80%) sau
đó đem ủ khuếch tán nhằm tạo liên kết giữa các lớp bền chặt hơn.
+ So với cán nóng thì cán nguội có những u điểm sau đây:
- Tránh đợc hiện tợng ôxy hoá bề mặt giữa các lớp băng kim loại;
- Tránh đợc việc tạo thành những hợp chất hoá học, pha liên kim loại,
quá trình khuếch tán không mong muốn, tiết ra các pha dòn mà ở nhiệt độ cao
thờng xảy ra, tất cả những điều đó đều làm giảm mạnh độ bền liên kết giữa
các thành phần;
- Có thể khống chế tỷ lệ chiều dày giữa các lớp một cách chính xác,
chất lợng sản phẩm cao;
- Cho phép sản xuất băng kim loại nhiều lớp một cách liên tục;
- Năng suất cao;
- Một số vật liệu Bimetal không thể sản xuất bằng cán nóng đợc nh
Al với thép thì có thể cán nguội.

+ Nhợc điểm của cán nguội:
Do phơng pháp cán nguội đòi hỏi lợng ép lớn để tạo dính kết nên nó
chỉ thích hợp với việc sản xuất băng mỏng cỡ nhỏ và trung bình (b = 400600mm). Để đạt đợc mối liên kết bền vững giữa các thành phần thì điều kiện
tiên quyết là những bề mặt liên kết của vật liệu phải đợc làm sạch bằng các
phơng pháp hoá học hoặc cơ học nh tẩy rửa bằng axít, mài, chải, tẩy dầu mỡ
v.v. Những bề mặt này phải đợc giữ sạch cho đến khi ép hoặc cán dính. Khi
cán nóng nhất thiết phải áp dụng các biện pháp ngăn ngừa oxy hoá ở nhiệt độ
cao nh bao gói bằng thép tấm, hàn phôi thành hộp hoặc gia nhiệt trong lò có
khí bảo vệ.
Để tạo đợc liên kết bền chắc giữa các thành phần ở nhiệt độ cao thì nhiệt
độ phải chọn sao cho các quá trình khuếch tán lẫn nhau của các thành phần
đợc xảy ra một cách mạnh mẽ. Đối với những thành phần mà giữa chúng
20


không hoặc chỉ rất hạn chế tạo thành dung dịch đặc thì ngời ta thờng dùng
một lớp trung gian để tạo liên kết.
Tránh ảnh hờng xấu (tróc, bong) do chênh lệch quá lớn về độ lớn về tính
dẻo hoặc độ giãn nở nhiệt giữa vật liệu nền và vật liệu phủ. Thờng chọn
những vật liệu có tính tơng đồng về cấu trúc mạng.

Hình 1.14. Cấu tạo phôi hộp cán nóng
b. Chế tạo Bimetal bằng phơng pháp hàn ép:
1

3

2

Hình 1.15. Sơ đồ hàn ép

1- Băng vận chuyển; 2- Phôi;
3- Lò nung có khí bảo vệ.
Hàn ép đợc coi là phơng pháp cổ điển nhất trong đó các tấm hoặc dải
của các thành phần đợc gắn với nhau ở nhiệt độ cao dới tác dụng của áp lực
lớn, không hoặc có lớp hàn trung gian. Phơng pháp này thích hợp với sản
lợng nhỏ nh trong trờng hợp gắn các kim loại quí hiếm. Trong trờng hợp
sản lợng lớn thì sử dụng phơng pháp cán dính hoặc ép chảy là kinh tế.
c. Chế tạo Bimetal bằng phơng pháp nổ dính:
21


Hình 1.16. Sơ đồ phơng pháp nổ dính
1- Vật liệu nền; 2- Vật liệu phủ; 3- Thuốc nổ;
4- Ngòi nổ; 5- Vật đỡ; 6- Nền đỡ.
Phơng pháp nổ dính đợc dùng để tạo vật liệu Bimetal từ những thành
phần mà nếu dùng phơng pháp cán khó thực hiện đợc. Mối liên kết đợc tạo
ra ngay cả với những kim loại thành phần mà giữa chúng không hoà tan lẫn
nhau hoặc giữa chúng có thể hình thành hợp chất hoá học ở nhiệt độ cao, hoặc
độ bền biến dạng của chúng quá chênh lệch. Ví dụ liên kết Al-Thép; Mo, hoặc
Ti với thép. Mối liên kết đợc tạo ra ở đây nhờ dòng tia và sóng kim loại xuất
hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa các thành phần khi nổ.
1.4. Quá trình nghiên cứu sản xuất Bimetal bằng phơng pháp cán.
Cỏc kt qu nghiờn cu trong sn xut Bimetal bng
phng phỏp cỏn
Hin tng vt lý ti mt

nh hng ca cỏc

liờn kt khi bin dng

thụng s cụng ngh n

Bimetal

bn liờn kt

Gii thớch hin tng v

Ti u húa cỏc thụng s

nguyờn nhõn dn ti liờn

cụng ngh

kt trong Bimetal

Hình 1.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu Bimetal
22


- Muốn đánh giá khả năng liên kết Bimetal, tối u hóa công nghệ chế tạo
Bimetal bằng phơng pháp cán, cần tìm hiểu :
+ Các hiện tợng vật lý trên bề mặt.
+ ảnh hởng của các thông số chế tạo.
1.4.1. Hiện tợng vật lý tại mặt liên kết khi biến dạng Bimetal.
a. Hiện tợng vật lý tại mặt liên kết khi cùng biến dạng kim loại kép:
Hiện tợng tạo liên kết kim loại ở pha rắn đã đợc nghiên cứu khi xem
xét sự tác dụng qua lại của vật thể trong dịch chuyển có ma sát. Các nghiên
cứu của các nhà bác học về điều kiện tự nhiên và cơ cấu hình thành liên kết
kim loại ở trạng thái rắn đã đợc phản ánh ở một loạt các giả thiết sau:

- Hiện tợng kết tinh lại: Khi biến dạng với tốc độ nhất định, ở vùng
tiếp xúc nhiệt độ kết tinh lại của các kim loại thành phần giảm đi và xẩy ra
hiện tợng chúng cùng kết tinh, khi ấy ở vùng tiếp xúc xuất hiện các hạt
chung và các hạt này thiết lập độ bền liên kết.
- Hiện tợng tạo màng ôxit: Khi liên kết các lớp kim loại, trên bề mặt
kim loại luôn tồn tại lớp ôxit kim loại mỏng cản trở tạo liên kết. Cho nên sự
móc dính giữa hai kim loại thành phần trong một vài trờng hợp đòi hỏi sự phá
vỡ các lớp, các màng ôxit và tạo ra bề mặt sạch lý tởng. Trong quá trình cán
màng ôxit bị phá huỷ tạo ra từng điểm liên kết ở trên bề mặt của chúng. Vì
vậy, màng ôxit mỏng có vai trò nhất định trong việc tạo liên kết kim loại kép
bằng phơng pháp cán.
- Liên kết kim loại Bimetal (kép) phụ thuộc chủ yếu vào cơ lý tính của
kim loại thành phần và các mạng tinh thể của các kim loại khác nhau.
- Hiện tợng khuếch tán trên bề mặt tiếp xúc - Lasco.N.P và Karancop
N.P: Khi biến dạng bằng áp lực lớn sẽ gây nên hiện tợng sinh nhiệt, tạo nên
sự khuếch tán của các nguyên tử kim loại thành phần, tạo ra sự dính kết.
- Sự chảy dẻo trong vùng tiếp xúc Actpob.E.U: Do sự biến dạng không
đồng đều của các phần tử nhỏ và chính nó là nguồn gốc và do sự dịch chuyển
23