Nghiên cứu quá trình ép cháy vật liệu tổ hợp cu cr

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

NGUYỄN QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ÉP CHẢY VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu – Cr

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. TRẦN VĂN DŨNG
2. PGS. TS. PHẠM VĂN NGHỆ

HÀ NỘI 2012

1


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trƣớc đây.

Tác giả luận văn

Nguyễn Quốc Việt

2


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các bảng

6

Danh mục cách hình vẽ, đồ thị

7

Lời mở đầu

9

Chƣơng I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SẢN XUẤT VẬT

12

LIỆU Cu-Cr
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG

12

1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SẢN XUẤT VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC

13

HÀN

1.3. HỢP KIM Cu – Cr – VẬT LỆU ĐIỆN CỰC HÀN CHỦ YẾU

15

1.4. VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG – VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC HÀN

18

TIỀM NĂNG
1.4.1. Khái niệm về vật liệu tổ hợp cốt h t

18

1.4.2. Đặc điểm của vật liệu tổ hợp hoá bền phân tán

19

1.5. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP CỐT
20

HẠT MỊN
1.5.1. Chuẩn bị hỗn hợp bột kim lo i

21

1.5.2. Nghiền trộn cơ học hỗn hợp bột kim lo i

23

1.5..2.1. Các d ng máy nghiền trộn cơ học

23

1.5.2.2. Các giai đo n của quá trình nghiền trộn cơ học

26

1.5.3. Quá trình ép t o hình sơ bộ

27

1.5.4. Quá trình thiêu kết

29

3


1.5.5. Ép chảy vật liệu tổ hợp xốp

31

KẾT LUẬN CHƢƠNG I

40

Chƣơng II. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

41

2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

41

2.1.1. Lựa chọn vùng khảo sát thành phần hỗn hợp kim lo i Cu-Cr

41

2.1.2. Tính toán phối liệu

43

2.2. THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU

43

2.2.1.Thiết bị phối liệu

43

2.2.2. Thiết bị nghiền trộn cơ học

44

2.2.3. Thiết bị ép t o hình sơ bộ và ép chảy

46

2.2.4. Thiết bị thiêu kết

46

2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

47

2.3.1. Phƣơng pháp xác định độ xốp

47

2.3.2. Xác định độ cứng của VLTH Cu-Cr

49

2.3.3. Xác định tổ chức tế vi của VLTH Cu-Cr

49

2.3.4. Xác định sự hình thành và biến đổi thành phần pha của VLTH

49

2.3.5. Dự báo độ dẫn điện

51

2.3.6. Tối ƣu hóa công nghệ chế t o VLTH Cu-Cr

52

2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG II

59

Chƣơng III. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP
Cu-Cr

60

3.1. CHUẨN BỊ VÀ NGHIỀN TRỘN HỖN HỢP KIM LOẠI Cu-Cr

60

3.1.3. Nghiền trộn hỗn hợp bột kim lo i

60

3.2. ÉP TẠO HÌNH SƠ BỘ

66

3.3. THIÊU KẾT

66

3.3.1. Chế độ thiêu kết

66

3.3.2. Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết

67

4


3.4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN KẾT QUẢ CHẾ TẠO VLTH XỐP Cu-Cr

68

3.4.1. Kết quả đo độ xốp của VLTH xốp Cu-Cr
3.4.2. Xác định độ cứng của VLTH xốp Cu-Cr

68

3.4.3. Tổ chức tế vi của VLTH xốp Cu-Cr

70

3.4.4. Dự báo độ dẫn điện của VLTH xốp Cu-Cr

72

3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3

69

73

Chƣơng IV: KỸ THUẬT NGHIỆM ÉP CHẢY PHÔI VẬT LIỆU TỔ HỢP
XỐP Cu-Cr

75

4.1. SƠ ĐỒ ÉP CHẢY PHÔI VẬT LIỆU TỔ HỢP XỐP Cu-Cr

75

4.2. CÁC PHƢƠNG ÁN ÉP CHẢY PHÔI VLTH XỐP Cu-Cr

76

4.2.1. Phƣơng án 1: Ép phôi VLTH xốp Cu-Cr không có vỏ bọc

77

4.2.2. Phƣơng án 2: Ép phôi VLTH xốp Cu-Cr trong cốc đồng

79

4.3. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA PHÔI Cu-Cr SAU ÉP CHẢY

80

4.3.1. Xác định độ xốp

81

4.3.2. Xác định độ cứng của vật liệu Cu-Cr

81

4.3.3. Xác định tổ chức tế vi của vật liệu Cu-Cr

82

4.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG IV

82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

83

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng

Tựa bảng

Trang

1.1

Một số bộ điện cực hàn cắt thông dụng trên thị trường Việt Nam

13

1.2

Các thông số đặc trưng của một số nguyên tố

16

2.1

Điều kiện thí nghiệm được chọn

54

2.2
2.3
4.1

Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm
Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ
Kết quả quá trình ép chảy vật liệu tổ hợp Cu-5%(khối lượng)Cr

4.2

Bảng kết quả đo độ xốp mẫu vật liệu sau khi ép chảy

81

4.3

Bảng kết quả đo độ cứng mẫu vật liệu sau khi ép chảy

81

6

5569
70
77


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình

Tựa hình

Trang

1.1

Giản đồ trạng thái

17

1.2
1.3

Giới hạn vùng bão

17
22

1.4
1.5

Quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm VLTH cốt hạt mịn bằng
phương pháp nghiền trộn cơ học- thiêu kết kết hợp biến dạng tạo
hình
Một số thiết bị thông dụng dùng để nghiền trộn cơ học
Sơ đồ nguyên lý nghiền bi trong máy nghiền cánh khuấy

1.6

Các giai đoạn trong quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dẻo

26

1.7

Các giai đoạn trong quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo –
dòn
Kích thước của khuôn ép tạo hình sơ bộ
Bề mặt tiếp xúc của hỗn hợp vật liệu bột trước và sau thiêu kết

26

1.8
1.9
1.10
2.1

Sơ đồ ép chảy thuận và ép chảy ngược
Giản đồ trạng thái Cu – Cr
¶nh h-ëng cña c¸c nguyªn tè kh¸c nhau ®Õn ®é cøng l©u cña Cu ë

24
25

28
30
31
42

nhiÖt ®é cao.
2.2
2.3
2.4

2.5
2.6

Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu
Cân điện tử độ chính xác 10-4g
Máy nghiền bi kiểu cánh khuấy do nhóm nghiên cứu tự chế tạo
Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy
Máy ép thủy lực 100 T

42

2.7
2.8
2.9
3.1

Lò thiêu kết Linn 1300

47
47
50
50

3.2
3.3
3.4

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu vật liệu sau khi thiêu kết

62
63
64

3.5

Giản đồ thiêu kết mẫu Cu-Cr

67

Kính hiển vi điện tử quét FEI quanta 200
Máy phân tích Rơnghen D5005 – SIEMENS
Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột Cu- Cr

7

44
45
45
46


3.6

Kết quả phân tích EDX mẫu sau khi thiêu kếtở 9000C, thời gian 1
giờ

3,7

68

Ảnh hiển vi quang học mẫu Cu-5% (khối lượng) Cr sau khi thiêu
kết ở 9000C trong 1h,

71

0

Ảnh SEM mẫu Cu-5% (khối lượng)Cr sau khi thiêu kết ở 900 C
trong 1h (X 30.000)

71

3.10

Kết quả phân tích EDS mẫu Cu-5% (khối lượng) Cr sau khi thiêu
kết ở 9000C trong 1h (X 30.000)
Sù phô thuéc ®é dÉn ®iÖn VLTH Cu-Cr vµo hµm l-îng %Cr

72
73

4.1

Sơ đồ quá trình ép chảy vật liệu tổ hợp Cu-Cr

75

4.2

Ảnh các mẫu thí nghiệm sau khi ép chảy

78

4.3

Sơ đồ mẫu ép chảy VLTH xốp Cu- 5% (khối lượng) Cr trong cốc
đồng
Ảnh mẫu ép chảy vật liệu tổ hợp Cu – Cr

79
80

3.8
3.9

4.4
4.5
4.6

Tiết diện dọc mẫu ép chảy phôiVLTH xốp xốp Cu-5% (khối lượng)Cr
Ảnh chụp kim tương tổ chức tế vi của mẫu ép chảy vật liệu tổ hợp
Cu-Cr

8

80
82

LỜI MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp Công nghiệp hóa, Hiện đ i hóa hiện nay ở Việt Nam việc sử dụng các
máy hàn, cắt đã và đang ngày càng phổ biến và thông dụng đặc biệt là máy hàn cắt
plasma. Với ƣu điểm nổi bất là có thể cắt đƣợc cắt đƣợc các chi tiết có biên d ng phức
t p, các chi tiết dày(30-50mm) với m ch cắt nhỏ, sản phẩm sau khi cắt có độ chính xác
cao, có thể sử dụng luôn làm chi tiết hoặc đƣợc sử dụng làm phôi có độ chính xác cao
cho nguyên công chế t o khác. Từ đó đẫn đến giảm chi phí, thời gian gia công các
nguyên công sau này.
Việc sử dụng rộng rãi máy hàn cắt plasma dẫn đến nhu cầu sử dụng điện cực
hàn cắt cũng rất lớn. Trên thị trƣờng hiện nay đang sử dụng chủ yếu là các điện cực
hàn, cắt đƣợc chế t o từ đồng và hợp kim đồng, ví dụ nhƣ Cu-Cr… của Đài Loan, có
giá thành không cao nhƣng tuổi thọ kém ( chỉ khoảng 2h cắt liên tục), mỏ hàn cắt của
Pháp thì có tuổi thọ cao hơn ( khoảng 6h) nhƣng giá thành rất đắt. Dẫn đến việc nghiên
cứu chế t o điện cực hàn cắt có độ bền nhiệt cao, giá thành rẻ cũng là một yêu cầu rất
thiết thực hiện nay.
Trong thực tế nghiên cứu trên thế giới hiện nay việc chế t o vật liệu điện cực
hàn cắt vẫn là vấn đề là hết sức cấp thiết. Đặc biệt là sự ra đời của vật liệu tổ hợp với
ƣu điểm nổi bật là có thể kết hợp các tính chất ƣu việt của vật liệu khác để t o ra các
đặc tính hoàn toàn mới mà vẫn không làm thay đổi tính chất vôn có của các vật liệu cũ.
Với những ƣu điểm nổi bật đó, hoàn toàn có thể ứng dụng vật liệu tổ hợp để nghiên
cứu chế t o ra những vật liệu mỏ hàn cắt.
Ở nƣớc ta, việc nghiên cứu chế t o vật liệu điện cực hàn đang đƣợc triển khai
với công nghệ chế t o hợp kim Cu – Cr. Tuy nhiên với công nghệ nấu luyện trong lò
chân không dẫn đến giá thành cao. Chính vì vậy trong giai đo n nghiên cứu do thiếu
thiết bị và đòi hỏi đầu tƣ lớn nên chƣa thành công. Trƣờng Đ i học Bách Khoa Hà Nội
trong một vài năm gần đây đã có một số nghiên cứu chế t o vật liệu tổ hợp nền kim
lo i nói chung, và vật liệu tổ hợp Cu-Cr nói riêng. Việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp nền

9

kim lo i, đƣợc phát triển theo hai hƣớng chính, đó là: nghiên cứu các phƣơng pháp chế
t o vật liệu và nghiên cứu các phƣơng pháp công nghệ t o hình các chi tiết, sản phẩm
từ vật liệu tổ hợp nền kim lo i. Có rất nhiều phƣơng pháp t o hình vật liệu tổ hợp trong
đó việc sử dụng phƣơng pháp biến d ng t o hình cũng là một phƣơng pháp rất hữu
hiệu. Tuy nhiên các nghiên cứu về biến d ng t o hình vật liệu tổ hợp còn rất ít so với
nhu cầu hiện nay. Việc nghiên cứu thành công có thể mở ra những hứng đi rất tốt cho
việc nghiên cứu các phƣơng pháp t o hình của vật liệu tổ hợp. Với những tiềm năng to
lớn đó, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu quá trình ép chảy vật liệu tổ hợp Cu-Cr”
để nghiên cứu. Việc đề tài nghiên cứu thành công có thể mở ra đƣợc hƣớng đi rất mới
mẻ và triển vọng trong lĩnh vực t o hình vật liệu tổ hợp.
Bản luận văn đƣợc trình bày thành 4 chƣơng. Chƣơng I tổng quan về tình hình nghiên
cứu sản xuất vật liệu điện cực hàn. Chƣơng II, III tác giả trình bày về phƣơng pháp
nghiên cứu, kỹ thuật thực nghiệm chế t o vật liệu tổ hợp Cu-Cr. Chƣơng IV là kỹ thuật
thực nghiệm ép chảy phôi vật liệu tổ hợp Cu-Cr. Cuối cùng là kết luận và một số kiến
nghị của luân văn.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Trần Văn Dũng, ngƣời đã tận
tình hƣớng dẫn, gợi ý và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong việc nghiên cứu và
hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Ph m Văn Nghệ, TS Nguyễn Đặng Thủy,
ngƣời đã đóng góp những ý kiến động viên quý báu trong quá trình tác giả làm luân
văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Bộ môn Cơ
học vật liệu và Cán kim lo i, Bộ môn Gia công áp lực, phòng thí nghiệm Công nghệ
vật liệu kim lo i, Phòng thí nghiệm Bộ môn Gia công áp lực Trƣờng Đ i học Bách
Khoa Hà Nội đã t o mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chân tình của các b n trong nhóm nghiên cứu
trong suốt quá trình làm thực nghiệm của đề tài.

10


Hà Nội, ngày27 tháng12 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Quốc Việt

11


Chƣơng I. TỔNG QUAN
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, SẢN XUẤT VẬT LIỆU Cu-Cr

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Công nghệ hàn cắt là công nghệ hàn cắt hiện đ i, mang nhiều ƣu điểm cho ra
những sản phẩm chất lƣợng cao, có thể dùng cho mọi kim lo i và hợp kim. Công nghệ
hàn cắt linh ho t hơn, hiệu suất cao hơn, giảm đƣợc chi phí và cho ra sản phẩm đ t chất
lƣợng cao. Với những ƣu điểm nổi trội công nghệ hàn cắt có thể t o ra những đƣờng
hàn, cắt rất sâu và hẹp với tốc độ rất cao, vì vậy trong một số ứng dụng quan trọng nhƣ
thực hiện hàn cắt kim lo i có chiều dày trên 10mm và cả kim lo i màu. Ở Việt Nam
hiện nay công nghệ hàn cắt đang đƣợc ứng dụng rất rộng rãi.
Tuy nhiên hiện nay các thiết bị hàn, điện cực hàn chúng ta nhập khẩu toàn bộ
của nƣớc ngoài (Nga, Nhật, Mỹ, Đức, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung quốc...). Các lo i
cực hàn (có phần dự trữ) đƣợc nhập cùng theo máy. Đối với những nhà máy có nhiều
máy hàn thì khi hết điện cực ngƣời ta tiếp tục nhập về. Còn đối với những nhà máy có
ít máy do số lƣợng nhập ít nên việc nhập khẩu khó khăn;
Qua khảo sát và về điện cực hàn ở Việt Nam thì đa số các điện cực hàn cắt
Plasma đang bán trên thị trƣờng là có xuất xứ từ Trung Quốc qua phân tích thành phần
hóa học thì các điện cực đó đƣợc chế t o từ đồng đỏ kỹ thuật Cu ≥ 99,98% Các điện

cực này nếu làm việc liên tục thì tuổi thọ chỉ đ t vài giờ, nếu làm việc không liên tục
thì tuổi thọ cũng chỉ đ t đƣợc khoảng 1 tuần; Các điện cực đi kèm máy hoặc nhập khẩu
từ các nƣớc tiên tiến thì có thời gian sử dụng đƣợc lâu hơn nhƣng giá rất cao có khi lên
tới (2 ÷ 3) lần giá điện cực hàn có xuất xứ Trung Quốc cho trong bảng 1.1.

12


Bảng 1.1. Một số bộ điện cực hàn cắt thông dụng trên thị trường Việt Nam
Mỏ cắt plasma SAF

Điện cực
Bép cắt
Part
Part
No.:04082404
No.:04082261,
Đơn giá:55.000 Đơn giá:60.000
VNĐ
VNĐ
Mỏ cắt plasma Cebora P150

Điện cực CNC
Bép cắt CNC
Part No.: 0409 - Part No.: 0409 –
1204
1216
Đơn giá:135.000 Đơn giá:135.000
VNĐ
VNĐ

Mỏ cắt plasma hypertherm 900

Điện cực
Part No.: 1376
Đơn giá:55.000
VNĐ

Điện cực dài
Bép cắt dài
Part No.: 120574 Part No.: 120578
Đơn giá: 90.000 Đơn giá: 60.000
VNĐ
VNĐ

Bép cắt plasma
Part No.: 1376,
...
Đơn giá: 50.000
VNĐ

1.2. T NH H NH NGHIÊN CỨU, SẢN XUẤT VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC HÀN
Trên thế giới việc sản xuất vật liệu điện cực hàn chủ yếu từ các hợp kim trung
gian đƣợc nấu luyện từ các kim lo i s ch: đồng kim lo i, crôm kim lo i, zircôn kim
lo i và magiê kim lo i có độ tinh khiết cao trong lò phản ứng chân không .
ở Nga và Ucraina đã nghiên cứu và sản xuất các lo i điện cực hàn (d ng thanh
tròn, thanh vuông, d ng bánh xe với kích thƣớc khác nhau) từ các mác hợp kim Cu bền
nhiệt nhƣ: Mц2, Mц3, Mц4 (0,4%÷0,7%Cr), Mц5 (0.4  0,6%Cr; 0,1÷0,85%Zr; Cu
còn l i), Mц5A (0,2  0.35% Cr; 0,20.35%Zr; Cu còn l i), Mц5B, ЭB. бp.X1...

13

Thời gian gần đây có nhiều công trình nghiên cứu quá trình động học phản ứng
nhiệt kim khử ôxit crôm (Cr2O3), ôxit zircôn (ZrO2), silicat zircôn bằng Al và Si hoặc
Mg đƣợc công bố ở Nga và Mỹ. Bằng phƣơng pháp nhiệt kim có thể sản xuất hợp kim
trung gian Cu - Cr, Cu - Zr và Cu - Cr - Zr có hàm lƣợng Cr và Zr từ 1÷ 0,10%.
Ở Ucraina đã tiến hành nhiệt nhôm hoàn nguyên Cr2O3 có crômat kali, trợ dung
NaCl,CaO có thể sản xuất Cr có độ s ch cao (99% Cr).
Paten của Mỹ đã công bố bằng phƣơng pháp nhiệt magiê hoàn nguyên Cr2O3
trong môi trƣờng argôn sản xuất nhôm kim lo i d ng bột.
Từ các hợp kim trung gian Cu- Cr, Cu-Zr- Mg…ngƣời ta đã sản xuất các lo i
hợp kim Cu bền nhiệt làm điện cực hàn có chất lƣợng cao cũng nhƣ các điện cực CuZr- Cr m b c đo thế điện động trong chân không.
Gần đây với mục đích tăng độ bền, độ dẫn điện và nhiệt độ làm việc của điện
cực hàn, ngƣời ta đã và đang nghiên cứu ảnh hƣởng của một số nguyên tố hợp kim hóa
mới nhƣ Si, Zr, Be,... đến chất lƣợng của điện cực hàn; nghiên cứu công nghệ nấu
luyện tiên tiến (nấu trong lò chân không, nấu trong lò có khí bảo vệ và công nghệ tinh
luyện platsma...). Ngoài ra ngƣời ta cũng đang nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện để ổn
định đƣợc các pha tăng bền khi làm việc ở nhiệt độ cao.
Ở Việt Nam hầu nhƣ toàn bộ các lo i máy hàn tiếp xúc cùng các lo i điện cực
hàn đều nhập khẩu từ nƣớc ngoài (Nga, Nhật, Mỹ, Đức, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung
Quốc...). Các nhà máy có nhiều và sử dụng nhiều máy hàn tiếp xúc điện cực hàn nhƣ
Công ty Cơ khí Hà Nội, Cty Xuân Hòa... đều phải nhập điện cực hàn từ nƣớc ngoài,
còn đối với các nhà máy có ít và sử dụng ít máy hàn tiếp xúc nhƣ Công ty Cơ khí xuất
khẩu, Công ty Khí cụ điện 1... thƣờng sử dụng đồng s ch để chế t o 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 thƣờng xuyên. Số ngo i tệ để nhập khẩu điện cực hàn là một
lƣợng đáng kể.

14

Đứng trƣớc nhu cầu cấp bách của thực tế sản xuất về điện cực hàn trong thời
gian gần đây đã có một số cơ sở trong nƣớc nghiên cứu chế t o thử.
Năm 1985 Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim nghiên cứu chế t o điện cực hàn
cho Công ty Xuân Hòa từ mác ЭB (hệ Cu- Cr) theo phƣơng pháp hoàn nguyên Cr2O3,
lƣợng Cr đƣợc vào hợp kim đồng còn thấp, hơn nữa, t p chất còn nhiều, chất lƣợng
điện cực hàn không đ t.
Năm l995 Viện Công nghệ - Bộ Quốc phòng đã nghiên cứu chế t o điện cực
hàn từ mác hợp kim đồng bền nhiệt (hệ Cu- Cr) cho nhà máy Z115 để hàn cánh đuôi
đ n cối. Việc đƣa Cr vào hợp kim cũng đi theo phƣơng pháp hoàn nguyên Cr2O3, hàm
lƣợng Cr còn thấp (0,31 %), hơn nữa, do kinh phí nghiên cứu h n chế, số lƣợng các thí
nghiệm tiến hành đƣợc ít nên chất lƣợng sản phẩm và độ ổn định chƣa cao.
Năm 2004 Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim tiến hành nghiên cứu công nghệ
nấu luyện hợp kim bền nhiệt hệ Cu- Cr và Cu- Cr- Zr nhƣng cũng đi từ các kim lo i
s ch, nấu trực tiếp không qua con đƣờng nấu luyện hợp kim trung gian. Do lựa chọn
công nghệ chế t o bánh xe hàn và điện cực hàn là công nghệ nấu luyện trong lò hở,
không có khí bảo vệ nên chất lƣợng cực hàn chƣa cao, để nâng cao chất lƣợng cực hàn
cần nấu luyện các lo i hợp kim Mц4 vµ Mц5B
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, CuCr- Zr, Cu- Zr- Mg để sản xuất hợp kim đồng bền nhiệt hệ Cu- Cr- Zr - Mg bằng
phƣơng pháp nhiệt kim hoàn nguyên các Cr2O3 và magiê cũng đi từ các kim lo i s ch.
Hiệu suất thu hồi Cr, Zr thấp do nấu luyện trong lò hở, không có khí bảo vệ, nên không
khống chế đƣợc sự ôxi hóa đối với đối với Mg, Cr và Zr.
1.3. HỢP KIM Cu – Cr – VẬT LỆU ĐIỆN CỰC HÀN CHỦ YẾU
Ở các nƣớc công nghiệp phát triển cũng nhƣ ở Việt Nam các lo i máy hàn điện
tiếp xúc đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: hàng không - vũ trụ,
ôtô, tàu thủy, đầu máy và toa xe lửa, thiết bị và máy móc nông nghiệp...

15

Công nghệ hàn tiếp xúc là công nghệ hàn không cần sử dụng que hàn để t o các
mối hàn. Các mối hàn đƣợc t o ra do sự nóng chảy cục bộ của chính vật 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 nhƣ trong hàn hồ quang plasma . Do đó các yêu
cầu đối với vật liệu làm điện cực hàn là:
1- Có độ dẫn điện tốt, cho phép dòng điện cƣờng độ cao đi qua mà không bị
nóng.
2- Có cơ tính cao ở khoảng nhiệt độ rộng, có khả năng chống l i sự mài mòn và
biến d ng điện cực ở điều kiện làm việc nhiệt độ và áp suất cao.
3- Không bị chảy và t o thành các liên kết với với vật liệu của sản phẩm cần hàn.
Bảng 1.2. Các thông số đặc trưng của một số nguyên tố
Nguyên
tố

Nhiệt độ chảy,
0
C

Cu
Cr
Al
Mg
Cd
Zr

1083
1877
660

650
321
1865

Nhiệt độ
sôi,
0
C
2540
2200
2520
1107
766
3650

Tỷ khối,
g/cm3

Kiểu
m ng

8,94
7,16
2,698
1,74
8,65
6,50

ГЦК
OЦК

ГЦК
ПГ
ПГ
ПГ

Đƣờng kính
nguyên tử
HM
0,128
0,128
0,143
0,162
0,156
0,159

Từ trƣớc đến nay đồng đƣợc coi là kim lo i có độ dẫn điện cao, rất thuận lợi
trong việc chế t o các điện cực hàn. Tuy nhiên do đồng mềm, dẻo và độ bền nhiệt
không cao nên để chế t o điện cực hàn bền nhiệt có điện dẫn cao, đồng thƣờng đƣợc
hợp kim hóa bằng một lƣợng không lớn các kim lo i khó nóng chảy, tuy có làm giảm
không đáng kể độ dẫn điện, dẫn nhiệt của đồng nhƣng làm tăng một cách đáng kể độ
bền của đồng ở nhiệt độ thƣờng cũng nhƣ ở nhiệt độ cao.

16


Trong thành phần hợp kim đồng bền nhiệt có điện dẫn cao, ngoài Cu là kim lo i
nền còn có các nguyên tố hợp kim hóa là Al, Mg, Cd, Zr, Ni, Si, Be, Zn... Trong bảng
1.2 biểu diễn một số thông số đặc trƣng của Cu, Cr, Al. Mg, Cd, Zr.
Các hợp kim Cu - Cr có cơ tính, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt cao và nhiệt độ kết
tinh l i đƣợc nâng cao. Những hợp kim này đƣợc sử dụng rộng rãi để chế t o các điện

cực hàn. Ngoài ra còn đƣợc sử dụng để chế t o các chi tiết phải làm việc ở nhiệt độ
cao, lúc đó cũng yêu cầu phải có độ bền, độ cứng, độ dẫn điện, và độ dẫn nhiệt cao.
Các hợp kim Cu - Cr khi gia công áp lực ở tr ng thái nóng và nguội đều tốt.
Giản đồ tr ng thái hệ Cu - Cr đƣợc biểu diễn trên hình 1.1 và 1.2.
Theo giản đồ tr ng thái hệ Cu - Cr (Hình 1.1 và 1.2) Cr hòa tan có h n vào Cu ở
tr ng thái rắn, độ tan của Cr rất thấp. Ở nhiệt độ cùng tinh (phía Cu trong giản đồ tr ng
thái) 1074,8oC có 98,72% khối lƣợng Cu (tƣơng đƣơng 98,44% nguyên tử Cu).
Crôm không tƣơng tác với đồng để t o pha liên kim lo i. Cr hòa tan có h n vào
Cu ở tr ng thái rắn ở nhiệt độ cùng tinh (10720C). Độ hòa tan của Cr đ t đến 0,65%.
Khi giảm nhiệt độ thì giới h n hòa tan của dung dịch rắn α giảm đột ngột, ở 4000C giới
h n này là 0,02%.

Hình 1.1. Giản đồ trạng thái

Hình 1.2. Giới hạn vùng bão
dung dịch rắn  hệ Cu –Cr [ 31]

hệ Cu- Cr [31]

17


Sau khi nhiệt luyện (tôi ở 9500C trong nƣớc và ủ ở 4000C trong 6 giờ), độ bền,
độ cứng độ dẫn điện, dẫn nhiệt của các hợp kim Cu- Cr tăng m nh. Ag với hàm lƣợng
0,2% có ảnh hƣởng tốt; còn Pb, Bi, Sb có ảnh hƣởng xấu đến các hợp kim Cu- Cr.
1.4. VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN ĐỒNG – VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC HÀN TIỀM
NĂNG
1.4.1. Khái niệm về vật liệu tổ hợp cốt h t
Vật liệu tổ hợp (VLTH) là vật liệu nhiều pha, các pha t o nên thƣờng rất khác
nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết

hợp l i nhờ sự can thiệp kỹ thuật của con ngƣời theo những sơ đồ thiết kế trƣớc, nhằm
tận dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu compozit cần chế
t o. Pha liên tục trong toàn khối vật liệu đƣợc gọi là pha nền, pha phân bố gián đo n
đƣợc nền bao bọc gọi là pha cốt.
Trong VLTH tỷ lệ, hình dáng, kích thƣớc cũng nhƣ sự phân bố của nền và cốt
tuân theo các quy định thiết kế trƣớc.
Tính chất của các pha thành phần đƣợc kết hợp để t o nên tính chất chung của
VLTH t o ra. Tuy nhiên tính chất của VLTH t o 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 nhƣ nhiều tính chất khác, vật liệu compozit cao hơn đáng kể so
với các hợp kim kết cấu đã biết.
Vật liệu tổ hợp cốt hạt là lo i vật liệu mà tổ chức của chúng tồn t i trên nền cơ
sở có gắn pha thứ hai không có định hƣớng ƣu tiên rõ rệt. Tính chất của vật liệu này là
đẳng hƣớng. Thông thƣờng là các h t có độ cứng và độ bền cao phân bố trên nền mềm
hơn. Cũng có thể cốt h t là các pha mềm, có độ bền cắt nhỏ nhƣ graphit, mica, ..., đó là
các vật liệu compozit chống ma sát. Các h t cứng (h t phân tán, pha thứ hai) hoàn toàn
không hoà tan vào nền và không phản ứng với nền. Những h t mịn phân tán bền vững

18


có thể là các ôxit, cacbit, nitrit, borid, silicat. Các h t (chất điểm) rắn này có các đặc
điểm sau:
- Độ h t nhỏ (tùy yêu cầu);
- Khoảng cách giữa các chất điểm nhỏ (tùy yêu cầu);
- Không hòa tan vào nền;
- Độ cứng cao;
Mục đích của việc phân tán các h t cứng này là tăng độ bền của kim lo i nền,
cản trở chuyển động của lệch.

Vật liệu tổ hợp cốt h t mịn (phân tán): VLTH cốt h t mịn còn gọi là VLTH
hoá bền phân tán. VLTH cốt h t mịn thƣờng là các vật liệu bền nóng và ổn định nóng.
Do vậy chúng thƣờng đƣợc dùng để thay thế các vật liệu truyền thống nhằm nâng cao
hiệu suất hoặc kéo dài tuổi thọ thiết bị, công trình trong các điều kiện sử dụng tƣơng
đƣơng.
1.4.2. Đặc điểm của vật liệu tổ hợp hoá bền phân tán
Nền các VLTH này thƣờng là các kim lo i hoặc hợp kim. Đặc điểm của lo i vật
liệu compozit này là cấu trúc tế vi gồm có pha nền chủ yếu mà bên trong nó đƣợc bố trí
phân tán bởi các h t s ch một cách đồng đều. Các phần tử cốt có kích thƣớc nhỏ (0,01
÷ 0,1m) và kích thƣớc h t phân tán thay đổi trong khoảng 1 ÷15%, thƣờng là các vật
liệu bền, cứng và có tính ổn định nhiệt cao, ví dụ các ôxit, nitrit, borit hoặc các pha liên
kim lo i, ...
Tƣơng tác cốt - nền trong VLTH này xảy ra ở mức độ vi mô ứng với kích thƣớc
nguyên tử hoặc phân tử. Cơ chế hoá bền tƣơng tự cơ chế tiết pha phân tán biến cứng khi
phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà. Dƣới tác dụng của lực, trong mẫu VLTH, nền sẽ
hứng chịu hầu nhƣ 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 d ng dẻo khi chế t o chi tiết từ VLTH. Hiệu ứng hoá bền
phân tán đ t đƣợc trong vật liệu compozit cốt h t mịn không lớn lắm nhƣng rất ổn định

19


ở nhiệt độ cao. Sở dĩ nhƣ vậy vì các phần tử cốt đƣợc 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
h t cốt còn có tác dụng hóa bền gián tiếp, khi t o nên tổ chức với sự không đồng trục rất
lớn của các h t (d ng thớ). Tổ chức này t o thành khi kết hợp biến d ng dẻo với ủ, lúc
này các h t cốt phân tán sẽ cản trở một phần hoặc hoàn toàn quá trình kết tinh l i.
Sự hóa bền cao có thể đ t đƣợc khi kích thƣớc các h t nằm trong giới h n 0,01 ÷
0,1m và khoảng cách giữa chúng bằng 0,05 ÷ 0,5m. Hàm lƣợng thể tích cốt h t phụ

thuộc vào sơ đồ cốt hóa.
1.5. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP CỐT HẠT
MỊN
Hiện t i có nhiều phƣơng pháp chế t o vật liệu tổ hợp cốt h t mịn nhƣng phổ
biến nhất nhƣ sau:
a. Phương pháp khuếch tán
Đây là phƣơng pháp tƣơng đối đơn giản và kinh tế. Trong phƣơng pháp này xảy
ra phản ứng đã chọn (ôxi hoá, nitơ hoá, cacbua hoá, bo hoá) của một nguyên tố khuếch
tán với một hoặc nhiều thành phần hợp kim ở tr ng thái rắn. Phƣơng pháp đơn giản
nhất là ôxi hóa bên trong mà sự xuất hiện của nó phụ thuộc vào các điều kiện sau:
- Độ hòa tan của O2 trong dung dịch rắn tƣơng đối cao;
- Tốc độ khuếch tán của các nguyên tử nguyên tố hợp kim phải nhỏ hơn tốc độ
khuếch tán của O2 trong dung dịch rắn;
- Hàm lƣợng của các nguyên tố hợp kim hòa tan không đƣợc vƣợt quá giá trị
giới h n nhất định nếu không một sự quá độ từ ôxi hoá bên trong trở thành ôxi hóa bên
ngoài sẽ xảy ra.
b. Phương pháp nghiền trộn cơ ọc – thiêu kết kết hợp biến dạng tạo hình
Phƣơng pháp này tƣơng đối đơn giản và đƣợc sử dụng rộng rãi. Hơn 60% sản
phẩm VLTH đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp này. Ƣu điểm của phƣơng pháp biến

20


d ng t o hình VLTH cốt h t mịn: Điều khiển chính xác đƣợc thành phần, kích thƣớc
của sản phẩm; Tiết kiệm nguyên vật liệu.
Quy trình công nghệ của phƣơng pháp biến d ng t o hình VLTH cốt h t mịn
đƣợc thể hiện trên hình 1.3.
Để tiến hành nghiên cứu chế t o vật liệu tổ hợp điện cực hàn tác giả chọn
phƣơng pháp nghiền trộn cơ học – thiêu kết kết hợp biến d ng t o hình.
1.5.1. Chuẩn bị hỗn hợp bột kim lo i

Việc chuẩn bị hỗn hợp bột kim lo i ban đầu (tính toán khối lƣợng, định lƣợng
hỗn hợp bột kim lo i) có một ý nghĩa quan trọng đối với quá trình sản xuất các sản
phẩm VLTH cốt h t mịn. Độ chuẩn xác trong chuẩn bị phối liệu sẽ quyết định chất
lƣợng sản phẩm:
Q = V k . .K 1 .K 2

(1.1)

Trong đó:
Q - khối lƣợng VLTH cốt h t mịn, g;
3
V - thể tích VLTH cốt h t mịn, cm ;

 k - tỷ khối VLTH cốt h t mịn, g/cm3;

 - tỷ khối tƣơng đối của sản phẩm sau thiêu kết, %;
K1 - hệ số tiêu hao VLTH cốt h t mịn trong quá trình gia công áp lực và phụ thuộc
vào độ chính xác của sản phẩm, K1 = 1,005 ÷ 1,01;
K2 - hệ số tiêu hao VLTH cốt h t mịn khi thiêu kết trong quá trình hoàn nguyên
ôxit và lo i bỏ t p chất, kể cả dầu mỡ, K2 = 1,01÷ 1,03.

21


Các lo i bột kim lo i
ban đầu
KiÓm tra
Xö lý
NghiÒn trén
Ép t o hình sơ bộ

Thiªu kÕt
Ép chảy
KiÓm tra chÊt l-îng
Gia c«ng hiÖu chuÈn

Hình 1.3. Quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm VLTH cốt hạt mịn
bằng phương pháp nghiền trộn cơ ọc- thiêu kết kết hợp biến dạng tạo hình

Khi gia công áp lực tỷ khối của hỗn hợp bột kim lo i đƣợc xác định theo nguyên
tắc trung bình đối với các tỷ khối khác nhau của chúng k , g/cm3:
k 

100
a1 /  1  a 2 /  2  a3 /  3      a n /  n

(1.2)

Trong đó:
 k - tỷ khối của hỗn hợp bột kim lo i, g/cm3.

 1 ,  2 ,  3 ,.... n - tỷ khối của từng thành phần bột kim lo i, g/cm3.

a1, a2, a3 … an - hàm lƣợng các thành phần hỗn hợp bột kim lo i (theo khối
lƣợng), %.

22


Việc định lƣợng bột kim lo i đƣợc xác định theo phƣơng pháp đo thể tích hoặc
theo khối lƣợng bằng cân.

1.5.2. Nghiền trộn cơ học hỗn hợp bột kim lo i
1.5..2.1. Các d ng máy nghiền trộn cơ học
Có rất nhiều lo i máy nghiền nhƣ: máy nghiền trộn; máy nghiền hành tinh; máy
nghiền mài mòn … Các máy nghiền này khác nhau về năng suất, tốc độ vận hành, và
khả năng điều khiển sự vận hành bởi sự thay đổi của nhiệt độ nghiền và mức độ nhiễm
bẩn nhỏ nhất của bột nghiền. Tùy thuộc lo i vật liệu bột, số lƣợng vật liệu bột và thành
phần cuối cùng yêu cầu mà chọn một máy nghiền phù hợp.
Trong phƣơng pháp nghiền cơ - hóa, một lƣợng bột ban đầu là hỗn hợp các bột cơ
sở hoặc đã hợp kim hóa trƣớc đƣợc đặt vào trong máy nghiền năng lƣợng cao cùng với
môi trƣờng nghiền phù hợp điển hình là bi thép biến cứng. Các lo i máy nghiền thƣờng
đƣợc sử dụng cho quá trình nghiền cơ - hóa:
- Máy nghiền bi đứng kiểu cánh khuấy đƣợc dùng để sản xuất một lƣợng vật liệu
vừa phải trong thời gian nghiền vừa phải (vài giờ). Bi nghiền và bột đƣợc đặt vào trong
tang nghiền đứng không chuyển động, và đƣợc khuấy bằng các cánh khuấy nối với trục
quay trung tâm.
- Máy nghiền lắc đƣợc dùng để sản xuất một lƣợng nhỏ bột trong thời gian tƣơng
đối ngắn (ít hơn 1 giờ). Bi nghiền và bột đƣợc đặt vào trong thùng nhỏ, và đƣợc khuấy
lắc ở tần số cao theo một chu trình chuyển động phức t p theo 3 hƣớng trực giao.
- Máy nghiền bi ngang kiểu hành tinh dùng để sản xuất một lƣợng lớn bột nhƣng
thời gian gia công dài (vài ngày). Bi nghiền và bột đƣợc đặt vào trong một trống lớn
quay quanh trục ngang trung tâm ở tốc độ thấp hơn tốc độ tới h n là khi bi nghiền bám
chặt vào thành trong của trống.

23


Máy nghiền bi đứng

Máy nghiền lắc

Máy nghiền hành tinh

Hình 1.4. Một số thiết bị thông dụng dùng để nghiền trộn cơ ọc

Quá trình nghiền cơ - hóa đặc trƣng bằng va đập giữa dụng cụ gia công và bột dẫn
tới nứt vỡ và dính kết bột. Các d ng va đập nhƣ là bột bị ép giữa 2 bi nghiền va đập
nhau, giữa bi nghiền và thành trong tang nghiền hay là giữa bi nghiền và cánh khuấy.
Máy nghiền bi đứng kiểu cánh khuấy đƣợc sử dụng rộng rãi trong các phòng thí
nghiệm. Phần lớn số lần va đập trong máy nghiền lo i này có d ng: bi nghiền – bột – bi
nghiền. D ng va đập này đƣợc dùng làm cơ sở cho việc mô tả lƣợng hóa quá trình
nghiền cơ - hóa. Các h t bột mắc giữa các bi nghiền đang va đập nhau phải chịu biến
d ng dẻo mãnh liệt, làm chúng phẳng ra và hóa bền. Nếu bề mặt của các h t bột bị gián
đo n làm lộ ra bề mặt s ch thì có thể dẫn đến hiện tƣợng hàn nguội (kết dính) khi bề
mặt s ch của các h t phẳng đè lên nhau tiếp xúc với nhau. Hơn nữa, biến d ng với tốc
độ biến d ng cao và biến d ng tích lũy kèm theo những va đập này dẫn tới nứt vỡ h t.
Các hiện tƣợng nứt vỡ và kết dính này xảy ra đồng thời liên tục trong suốt quá trình
nghiền. Để hoàn thành quá trình nghiền cơ - hóa cần đ t đƣợc sự cân bằng phù hợp
giữa chúng. Trong phần lớn các trƣờng hợp, cân bằng đ t đƣợc khi có sự phân bố kích

24


thƣớc bột xấp xỉ tr ng thái ổn định. Trong giai đo n này, các h t (nếu chúng đƣợc làm
từ các kim lo i dẻo) thƣờng có d ng bông tuyết, và dù đã có kích thƣớc bột ở tr ng thái
ổn định vẫn tiếp tục đƣợc làm nhỏ mịn do các hiện tƣợng nứt vỡ và kết dính này.
Việc quan sát sự phát triển hình thái bột trong quá trình nghiền cơ - hóa là nhận
d ng các giai đo n phát triển hình d ng và kích thƣớc h t bột. Qua đó phát triển các kỹ
thuật để t o cân bằng thích hợp giữa nứt vỡ và kết dính bột. Tuy nhiên, chƣa định rõ và
lƣợng hóa đƣợc tiêu chuẩn cho các quá trình này.

Tang nghiền

Cánh
khuấy

Bi nghiền
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý ng iền bi trong máy ng iền cán k uấy

25