Nghiên cứu chế tạo dây nhôm hợp kim 6201 dùng cho sản xuất cáp điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---------------

PHẠM THỊ MINH TRANG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NHÔM HỢP KIM
6201 DÙNG CHO SẢN XUẤT CÁP ĐIỆN

Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu Kim loại và Hợp kim
Mã số: 60 52 91

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hổ Chí Minh, tháng 1 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Huỳnh Công Khanh
Chữ ký:…………………………………
Cán bộ nhận xét 1 : ……………………………………………………
Chữ ký:…………………………………
Cán bộ nhận xét 2 : …………………………………………………….
Chữ ký:…………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM vào ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ..............................................................
2. ..............................................................

3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA……………..

ii


iii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHẠM THỊ MINH TRANG

MSHV: 12440813

Ngày, tháng, năm sinh: 22/08/1987

Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu kim loại và hợp kim

Mã số : 605291

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DÂY NHÔM HỢP KIM 6201 DÙNG CHO
SẢN XUẤT CÁP ĐIỆN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu công nghệ nấu luyện và biến tính hợp kim nhơm 6201
Nghiên cứu công nghệ chế tạo dây hợp kim 6201
Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm 6201
Tiến hành thực nghiệm nấu luyện và biến tính hợp kim 6201 trong lị thí nghiệm
điện trở. Đúc thỏi hợp kim. Phân tích cấu trúc, thành phần hóa.
5. Tiến hành chế tạo dây hợp kim nhôm. Đo độ dẫn điện, độ bền cơ tính.
6. Tiến hành nhiệt luyện hợp kim 6201. Phân tích độ dẫn điện, độ bền cơ học tính.
1.
2.
3.
4.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014 ..................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2014 ..................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Huỳnh Công Khanh

Tp. HCM, ngày . . . . tháng …….năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

iii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Huỳnh Cơng Khanh - người đã tận tình giúp
đỡ và hướng dẫn tơi trong q trình học tập, nghiên cứu và hồn thiện Luận Văn
này.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS. Nguyễn Văn Dán, TS. Lê Văn Lữ, ThS.
Nguyễn Duy Thông, Thầy Nguyễn Hữu Tú, cô Nga đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho
tơi trong q trình nghiên cứu và thực hiện Luận Văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô của Bộ Môn Kim loại, Khoa Công
nghệ Vật liệu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện Luận Văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các Phó giáo sư, Tiến sĩ trong Hội đồng chấm
thi/phản biện Luận văn đã đọc và góp ý cho Luận Văn của tôi.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến chủ xưởng sản xuất Việt Khiêm – Khu công
nghiệp Lê Minh Xuân và các công nhân trong xưởng Việt Khiêm, cán bộ kỹ thuật
Phịng Quản lý chất lượng – Cơng ty cổ phần dây cáp điện Việt Nam (CADIVI),
các cá nhân em Trần Thanh Tâm, em Quỳnh Anh đã giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tơi trong q trình thực hiện Luận Văn.
Qua đây, tơi cũng xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân
và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng 1 năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Thị Minh Trang

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong hơn 20 năm qua, dây cáp điện bằng hợp kim nhôm 6201 đã trở nên
khá phổ biến trên thế giới. Tuy nhiên trong nước chưa có đề tài nghiên cứu chế
tạo ra dâp cáp điện bằng hợp kim 6201 đạt tiêu chuẩn chất lượng ASTM B398.
Luận văn này nghiên cứu thực nghiệm quy trình chế tạo ra dây nhôm hợp kim
6201 dùng cho sản xuất cáp điện, đáp ứng tiêu chuẩn ASTM B398. Hợp kim
nhơm 6201được nấu luyện và biến tính bằng hợp kim trung gian AlB1, AlTi5B1
trong các mẻ nấu riêng biệt với các hàm lượng B, Ti trong hợp kim khác nhau để
so sánh khả năng biến tính của các hợp kim trung gian và lựa chọn nồng độ B, Ti
thích hợp qua so sánh tổ chức tế vi chụp bởi kính hiển vi quang học (OLYMPUS
– GX51F). Thành phần hóa học hợp kim nhôm được kiểm tra trên máy quang
phổ phát xạ nguyên tử (SPECTROMAX). Tiến hành ép đùn nóng sau khi nung
trước ở nhiệt độ 500÷520oC ra dây cán Ø4.5÷4.7mm. Tôi dây cán ở nhiệt độ
520oC trong 4 giờ, làm nguội trong nước. Kéo dây xuống giới hạn đường kính
dây Ø2.3÷2.5mm. Hóa già trước ở 120oC trong 2 giờ và hóa già nhân tạo ở 2 chế
độ nhiệt độ 165oC và 175oC với nhiều khoảng thời gian khác nhau (4÷8 giờ). Đo
độ bền kéo đứt và độ dẫn điện theo tiêu chuẩn ASTM B398. Kết quả cho thấy:
Dây hợp kim 6201 đã chế tạo đạt yêu cầu tiêu chuẩn ASTM B398 gồm thành
phần hóa, tiêu biểu 0.81%Mg (ASTM B398 0.6÷0.9%Mg), 0.71%Mg (ASTM
B398 0.5÷0.9%Si); độ bền kéo đứt 315.9÷361MPa (ASTM B398 ≥315MPa),
điện trở suất 0.03256÷0.032661Ω.m (ASTM B398 ≤0.032841Ω.m), chỉ số
%IACS 52.8÷52.95 (ASTM B398 ≥52.5). Hợp kim 6201 biến tính bởi AlB1 tốt
hơn và thích hợp ở khoảng 0.04÷0.06%B trong hợp kim. Tôi trước khi kéo dây
sẽ cải thiện khả năng kéo ra dây và chất lượng dây sau kéo. Chế độ hóa già
175oC trong 6 giờ cho chất lượng về cơ tính và độ dẫn điện dây hợp kim 6201 tốt
nhất.

v

ABSTRACT
For over 20 years, aluminum alloy 6201 electrical wire has become quite
popular in the world. However in Vietnam, there is are no research how to make
aluminum alloy 6201 electrical wire which qualify requirement of ASTM B398
standard. This thesis studies the experimental process of making 6201 alloy wire
for electrical cable manufacturing, qualifying requirement specifications of
ASTM B398 standard. Aluminum alloy 6201 was melted and inoculated by
AlB1 or AlTi5B1 in separated meltings to make comparison between inoculation
potency of these master alloys and the contents of B, Ti in 6201 alloy. Chemical
compositions, microstructure of 6201 alloy were analyzed by optical emission
spectrometer (SPECTROMAX) and optical microscope (OLYMPUS – GX51F).
6201 alloy cast ingots which reheating at 500 ÷ 520oC were hot extruded to form
Ø4.5 ÷ 4.7mm rod. Rod was solutionized at 520oC for 4 hours, quenching with
water. Then, the rod was cold drawn to form Ø2.3 ÷ 2.5 mm wire. The preaging wire was performed at 120°C for 2 hours, then final artificial aging at
temperatures 165oC, 175oC for different periods (4 ÷ 8 hours). Resistivity and
ultimate tensile strength were tested by according to ASTM B398 standard. The
results showed that: aluminum alloy 6201 wire was made qualifying requirement
specifications of ASTM B398 standard,

including chemical compositions,

typically 0.81% Mg (ASTM B398 0.6 ÷ 0.9% Mg), 0.71% Mg (ASTM B398 0.5
÷ 0.9% Si ); ultimate tensile strength 315.9 ÷ 361MPa (ASTM B398 ≥315MPa);
resistivity 0.032661 ÷ 0.03256 Ω.m (ASTM B398 ≤0.032841Ω.m), % IACS
52.95 ÷ 52.8 (ASTM B398 ≥52.5). In addition, the master alloy AlB1 is a grain
refiner better than AlTi5B1, and the percentage of B in 6201 alloy is 0.04 ÷0.06
%. Cold drawing to form wire after solution quenching improves the quality of
drawing to form wires which have smaller diameter and more refined round

surface. Artificial aging at temperature 175oC for 6 hours was the best mode to
improve mechanical properties and electrical conductivity of wire.

vi


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tơi.
Kết quả trình bày trong Luận văn là kết quả thực nghiệm do chính tơi thực
hiện, kết quả trung thực và chưa được các tác giả cơng bố trong bất kì cơng trình
nào.
Các trích dẫn về bảng biểu, kết quả nghiên cứu của những tác giả khác; tài
liệu tham khảo trong luận văn đều có nguồn gốc rõ ràng và theo đúng quy định.
TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 1 năm 2015

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Thị Minh Trang

vii


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ............................................................................................................ iv
Tóm tắt Luận Văn .................................................................................................. v
Lời cam đoan ........................................................................................................ vii
Danh mục từ viết tắt .............................................................................................. xi

Danh mục bảng biểu............................................................................................. xii
Danh mục hình ảnh ............................................................................................. xiv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
I. Đặt vấn đề .................................................................................................. 1
II. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 2
III. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 3
IV. Nội dung nghiên cứu ............................................................................... 3
V. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................ 3
VI. Tính mới của đề tài.................................................................................. 4
VII. Ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................... 4
VIII. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài .................................................................. 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................ 5
1.1. Thành phần, cấu trúc và tính chất hợp kim nhôm 6201 ......................... 5
1.1.1. Thành phần, cấu trúc và tính chất hợp kim nhơm 6201.................. 5
1.1.2. So sánh dây dẫn hợp kim nhôm 6201 với các loại dây dẫn hợp kim
nhôm khác ................................................................................................. 7
1.2. Công nghệ nấu luyện và biến tính hợp kim 6201................................... 9
1.3. Cơng nghệ chế tạo dây hợp kim 6201 .................................................. 14
1.3.1. Công nghệ cán thỏi đúc hợp kim 6201 ......................................... 14
1.3.2. Công nghệ ép nóng ra dây hợp kim 6201 ..................................... 14

viii


1.3.3. Công nghệ kéo dây hợp kim 6201 ................................................ 15
1.4. Công nghệ nhiệt luyện dây hợp kim 6201 ........................................... 16
1.5. Tình hình sx dây cáp hợp kim 6201 trên thế giới và trong nước ......... 18
1.5.1. Phương pháp đúc, cán và xử lý nhiệt gia cơng nóng liên tục ....... 25
1.5.2. Phương pháp SCR ......................................................................... 30
1.5.3. Tình hình sản xuất dây cáp trần hợp kim 6201 trong nước .......... 33

1.6. Tiêu chuẩn ASTM B398/B398 M-99................................................... 34
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................. 36
2.1. Mục đích thực nghiệm .......................................................................... 36
2.2. Thí nghiệm nấu luyện và biến tính hợp kim nhơm 6201 ..................... 36
2.2.1. Thí nghiệm nấu luyện hợp kim nhơm 6201 .................................. 36
2.2.2. Thí nghiệm biến tính hợp kim nhơm 6201 ................................... 41
2.2.3. Thí nghiệm nấu luyện, biến tính hợp kim nhơm 6201 dùng cho thí
nghiệm chế tạo dây cáp ........................................................................... 47
2.3. Thí nghiệm ép đùn, kéo dây hợp kim nhơm 6201................................ 52
2.3.1. Vật liệu và thiết bị ......................................................................... 52
2.3.2. Mô tả thí nghiệm ........................................................................... 54
2.4. Thí nghiệm nhiệt luyện dây hợp kim nhôm 6201 ................................ 58
2.4.1. Vật liệu và thiết bị ......................................................................... 58
2.4.2. Mơ tả thí nghiệm ........................................................................... 58
2.5. Phương pháp phân tích ......................................................................... 59
2.5.1. Kiểm tra thành phần hóa ............................................................... 59
2.5.2. Chụp tổ chức tế vi ......................................................................... 60
2.5.3. Đo cơ tính ...................................................................................... 61
2.5.4. Đo điện trở .................................................................................... 62
2.6. Phương pháp đánh giá .......................................................................... 63

ix


2.6.1. Đánh giá khả năng biến tính, tăng cơ tính hợp kim 6201 ............. 63
2.6.2. Đánh giá chất lượng của dây cáp điện .......................................... 63
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................... 65
3.1. Thành phần và tỗ chức tế vi hợp kim nhôm 6201 ................................ 65
3.1.1. Thành phần và tổ chức hợp kim nhơm 6201 trước biến tính ........ 65
3.1.2. Thành phần và tổ chức hợp kim nhôm 6201 sau biến tính ........... 67

3.2. Kết quả q trình đùn kéo hợp kim nhôm 6201 ................................... 72
3.2.1. Thành phần và tổ chức hợp kim nhôm 6201 trước khi đùn kéo ... 72
3.2.2. Kết quả và tính chất dây hợp kim sau khi đùn kéo ....................... 74
3.3. Cơ tính, điện trở suất dây hợp kim 6201 .............................................. 77
3.3.1. Cơ tính dây hợp kim 6201 ............................................................ 77
3.3.2. Độ dẫn điện dây hợp kim 6201 ..................................................... 79
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .................................................................................. 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 83
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 86

x


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Chú giải

IACS

International Annealed Copper Standard: Tiêu chuẩn thế giới về
đồng ủ

AAAC

All Aluminum alloy conductor: dây dẫn hợp kim nhôm

ACSR

Aluminum conductor steel reinforced: dây dẫn nhôm lõi thép

HC

high conductivity: dẫn điện cao

EHC

extra high conductivity: dẫn điện siêu cao

ASTM

American Society for Testing and Materials: Hội Thử nghiệm và
Vật liệu Mỹ

T-81

chế độ nhiệt luyện, kéo nguội và tăng độ cứng

UTS

ultimate tensile stress: ứng suất kéo đứt

SCR

Công ty sản xuất cáp điện Southwire Continous Rod- Mỹ

GTGT

Giá trị gia tăng

EC

Nhôm nguyên chất

xi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Tính chất vật lý hợp kim nhôm 6201..................................................... 5
Bảng 1.2. Phản ứng bất biến trong hệ Al-Mg-Si ................................................... 6
Bảng 1.3. Phản ứng đơn biến trong hệ Al-Mg-Si .................................................. 7
Bảng 1.4. So sánh chi phí tổn thất điện ở dây ACSR và dây AAAC .................... 8
Bảng 1.5. So sánh và phân loại tính chất của nhơm, một số hợp kim nhôm dùng
làm dây cáp điện..................................................................................................... 9
Bảng 1.6. Giá trị độ bền kéo và độ dẫn điện cho dây điện 6201 trong sản xuất dây
dẫn AAAC .............................................................................................................. 9
Bảng 1.7. Ảnh hưởng của các nguyên tố lên độ dẫn điện của dây nhôm ............ 10
Bảng 1.8. Tốc độ kéo dây cao trong quá trình kéo dây thanh hợp kim 6201 được
sản xuất bằng phương pháp SCR ......................................................................... 16
Bảng 2.1. Thành phần hợp kim nhôm thỏi........................................................... 37
Bảng 2.2. Thành phần hợp kim Al-Mg ................................................................ 40
Bảng 2.3. Thành phần hợp kim nhôm thỏi........................................................... 42
Bảng 2.4. Khối lượng liệu đầu vào thí nghiệm biến tính với AlB1 ..................... 44
Bảng 2.5. Khối lượng liệu đầu vào thí nghiệm pha lỗng hợp kim ..................... 45
Bảng 2.6. Khối lượng liệu đầu vào thí nghiệm biến tính với AlTi5B1 ............... 45
Bảng 2.7. Các chế độ hóa già nhân tạo dây hợp kim 6201 – khơng tơi ............... 58
Bảng 2.8. Các chế độ hóa già nhân tạo dây hợp kim 6201 – tơi trước hóa già ... 59
Bảng 2.9. Thành phần hóa của hợp kim 6201 trong ASTM B398 ...................... 63
Bảng 2.10. Cơ tính của dây hợp kim 6201 trong ASTM B398 ........................... 63

Bảng 2.11. Giá trị điện trở suất ở 20oC (68oF) trong ASTM B398 ..................... 64
Bảng 3.1. Thành phần hóa của hợp kim 6201 trước khi biến tính ....................... 65
Bảng 3.2. Thành phần hóa của hợp kim 6201 trước và sau biến tính .................. 68

xii


Bảng 3.3. Kích thước hạt trung bình của hợp kim 6201 sau biến tính ................ 70
Bảng 3.4. Thành phần hóa của hợp kim 6201 mẻ dùng cho đùn kéo ra dây trước
và sau biến tính..................................................................................................... 73
Bảng 3.5. Độ bền kéo đứt dây hợp kim 6201 thử nghiệm ................................... 77
Bảng 3.6. Giá trị điện trở suất 1m dây dẫn hợp kim 6201 thử nghiệm ở 20oC ... 79

xiii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1. Giản đồ pha của hệ thống hợp kim Al-Mg-Si ........................................ 6
Hình 1.2. Ảnh hưởng của lượng các nguyên tố tạp chất trong hợp kim lên độ dẫn
điện của nhơm 99.99%. ........................................................................................ 11
Hình 1.3. Cấu trúc Pha AlB2 trong nền hợp kim Al-B ........................................ 12
Hình 1.4. Nhiệt độ hóa già ảnh hưởng đến ứng suất kéo và độ dẫn điện của dây
hợp kim 6201 ....................................................................................................... 17
Hình 1.5. Ảnh hưởng của thời gian hóa già đến ứng suất kéo và độ dẫn điện của
dây hợp kim 6201 ................................................................................................. 18
Hình 1.6. So sánh quy trình sản xuất thanh Al-Mg-Si: (a) Quy trình SCR; (b) Các
phương pháp khác (sản xuất không liên tục và sản xuất liên tục) ....................... 19
Hình 1.7. Sản xuất dây hợp kim 6201 Ø9.5mm bằng máy ép đùn trực tiếp........ 22
Hình 1.8. Sản xuất dây hợp kim 6201 Ø9.5mm bằng đúc liên tục, không ủ đồng

đều hóa dây dẫn .................................................................................................... 23
Hình 1.9. Sản xuất dây hợp kim 6201 Ø9.5mm bằng đúc liên tục, ủ đồng đều hóa
dây dẫn trên dây chuyền (cơng nghệ mới) ........................................................... 24
Hình 1.10. Sơ đồ hình chiếu tổng quát của thiết bị đúc, cán, tơi và cuộn thanh .. 27
Hình 1.11. Giản đồ về khả năng xử lý nhiệt của hợp kim nhôm 6201 theo phương
pháp đúc cán liên tục đối với phương pháp đúc trong quá trình chuẩn bị hợp kim
nhơm 6201 ............................................................................................................ 29
Hình 1.12. Kiểm tra khả năng đồng đều trên dâyh hợp kim Al-Mg-Si (3 tấn) .... 31
Hình 1.13. Hóa già nhân tạo dây hợp kim Al-Mg-Si ........................................... 31
Hình 1.14. Đường cong hóa già nhân tạo hợp kim nhơm 6201 ........................... 33
Hình 2.1. Nhơm thỏi............................................................................................. 37
Hình 2.2. Lị nồi điện trở - Phịng Thí nghiệm nấu đúc ....................................... 38
Hình 2.3. Nồi nấu graphit và khn ..................................................................... 38
xiv


Hình 2.4. Dụng cụ nấu luyện ............................................................................... 39
Hình 2.5. Quy trình nấu luyện hợp kim trung gian Al-Mg .................................. 40
Hình 2.6. Quy trình nấu luyện hợp kim 6201 ...................................................... 41
Hình 2.7. Thỏi hợp kim nhơm 6201 ..................................................................... 42
Hình 2.8. Lị điện trở - Phịng Thí nghiệm trọng điểm ........................................ 43
Hình 2.9. Nồi nấu sứ và khn ............................................................................ 43
Hình 2.10. Quy trình biến tính hợp kim 6201 bằng hợp kim trung gian AlB1.... 44
Hình 2.11. Quy trình biến tính hợp kim 6201 bằng HK trung gian AlTi5B1...... 46
Hình 2.12. Khn đúc mẻ dùng chế tạo dây (Ø80x210mm) ............................... 47
Hình 2.13. Quy trình nấu luyện hợp kim 6201 mẻ dùng chế tạo dây .................. 49
Hình 2.14. Quy trình biến tính hợp kim 6201 mẻ dùng chế tạo dây bằng hợp kim
trung gian AlB1 .................................................................................................... 50
Hình 2.15. Quy trình biến tính hợp kim 6201 mẻ dùng chế tạo dây bằng hợp kim
trung gian AlTi5B1 .............................................................................................. 51

Hình 2.16. Thỏi đúc hợp kim nhơm 6201 dùng chế tạo dây................................ 52
Hình 2.17. Lị nung trước khi ép đùn ................................................................... 53
Hình 2.18. Máy ép đùn (12 lỗ, Ø4.7mm/1 lỗ) ..................................................... 53
Hình 2.19. Máy cuộn dây ..................................................................................... 53
Hình 2.20. Hệ thống các máy kéo dây và cuộn dây ............................................. 53
Hình 2.21. Lị nung điện trở ................................................................................. 54
Hình 2.22. Quy trình ép đùn, kéo dây hợp kim 6201 – khơng nhiệt luyện.......... 55
Hình 2.23. Quy trình ép đùn, kéo dây hợp kim 6201 – nhiệt luyện sau đùn ....... 56
Hình 2.24. Quá trình ép đùn thỏi hợp kim 6201 .................................................. 57
Hình 2.25. Q trình tơi dây sau đùn ................................................................... 57
Hình 2.26. Quá trình kéo dây ............................................................................... 57
Hình 2.27. Dây hợp kim 6201 sau kéo ................................................................. 58

xv


Hình 2.28. Máy quang phổ phân tích thành phần hóa và mẫu sau phân tích ...... 60
Hình 2.29. Hệ thống máy kính hiển vi quang học ............................................... 61
Hình 2.30. Máy thử kéo ....................................................................................... 62
Hình 3.1. Rỗ khí tập trung Mg kim loại trong hợp kim nhơm ............................. 66
Hình 3.2. Tổ chức tế vi hợp kim 6201 trước biến tính với độ phóng đại 50 lần và
100 lần .................................................................................................................. 67
Hình 3.3. Tổ chức tế vi của hợp kim 6201 trước và sau biến tính với độ phóng
đại 100 lần ............................................................................................................ 70
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của hợp kim 6201 mẻ dùng chế tạo dây sau biến tính
bằng hợp kim trung gian (a) AlB1 và (b) AlTi5B1 với độ phóng đại 100 lần .... 74
Hình 3.5. Mẫu dây hợp kim 6201 sau đùn (kích thước Ø(4.5÷4.7)x19000mm .. 74
Hình 3.6. Nhóm 1: Mẫu dây hợp kim 6201 sau kéo (kích thước Ø3.5÷3.7
x21000mm............................................................................................................ 75
Hình 3.7. Nhóm 2: Mẫu dây hợp kim 6201 sau kéo (kích thước Ø 2.3÷2.5

x25000mm............................................................................................................ 76

xvi


NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện tại nhu cầu sản xuất dây và cáp điện đang tăng mạnh. Việt Nam có
hơn 130 doanh nghiệp đáp ứng gần 70% nhu cầu trong nước. Trong đó các doanh
nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài chiếm hơn 74% tổng kim ngạch xuất khẩu của
Việt Nam [2]. Tuy nhiên, nguyên liệu đầu vào sản xuất từ các doanh nghiệp này
chủ yếu là nhập khẩu với khối lượng lớn.
Từ năm 2005 đến nay, thuế suất nhập khẩu đối với dây thép tráng kẽm,
nguyên liệu để làm lõi dây cáp điện chịu lực, tăng từ 0% lên 5%. Trước đây thuế
GTGT đối với mặt hàng này là 5%, hiện nay là 10% [2]. Điều này gây khó khăn
rất lớn cho các doanh nghiệp trong nước cạnh tranh giá cả với thị trường nước
ngoài, thị trường xuất khẩu giảm, đồng thời chất lượng cáp điện trong nước giảm,
xuất hiện hiện tượng cáp điện kém chất lượng.
Do vậy các doanh nghiệp trong nước đang hướng tới phát triển cơng nghệ
mới có thể tự sản xuất trong nước, khơng nhập khẩu ngun liệu từ nước ngồi,
khơng sử dụng lõi thép, giảm giá thành cho sản phẩm.
Cáp điện được thiết kế dùng cho việc đi các cơng trình tải điện xa, tải qua
khu vực địa lý trên cao và các vị trí dễ ăn mịn như tải qua biển u cầu có độ
bền hóa học chống ăn mịn trong mơi trường hóa chất cao, nhiệt độ cao, chịu tải
trọng, độ bền cơ học tốt đồng thời khối lượng dây giảm tối thiểu.
Các nghiên cứu sản xuất cáp điện trong nước đang hướng đến dây nhôm

cáp điện nhôm hợp kim chịu môi trường, nhiệt độ và tải trọng cao, đặc biệt là dây
dẫn trần chỉ bao gồm các dây hợp kim nhôm dẫn điện xoắn lại với nhau mà
không cần gia cố bằng lõi thép, giảm khối lượng, tiết diện dây dẫn, giảm chi phí
truyền tải và tăng tính chất dây, giảm hiện tượng ăn mịn pin điện hóa trong dây
dẫn.
Trong hơn 20 năm qua, dây dẫn bằng hợp kim nhôm hoàn toàn (AAAC: All
Aluminum alloy conductor) đã trở nên khá phổ biến trên thế giới. Những dây dẫn
LUẬN VĂN THẠC SĨ

1

HVTH: Phạm Thị Minh Trang


NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

MỞ ĐẦU

này có đường kính tương tương dây hợp kim nhơm có thép gia cố (ACSR:
Aluminum conductor steel reinforced), bền hơn, nhẹ hơn và độ dẫn điện cao hơn.
Vấn đề ăn mòn trong dây dẫn được cải thiện bằng phương pháp đồng nhất dây
AAAC [13].
Tuy nhiên hiện tại các doanh nghiệp trong nước vẫn chưa sản xuất được
dây cáp từ hợp kim nhơm.
Do vậy việc tìm ra cơng nghệ sản xuất phù hợp nấu luyện, chế tạo dây hợp
kim nhôm đảm bảo chất lượng về độ dẫn điện, độ bền cơ học của dây cáp là một
vấn đề cấp thiết giải quyết cho các vấn đề nan giải trong sản xuất cáp hợp kim
nhơm, giảm chi phí đáng kể trong ngành truyền tải điện năng, đáp ứng nhu cầu
trong nước và xuất khẩu.
II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong các hợp kim nhôm ứng dụng cho sản xuất cáp điện, dây hợp kim
nhôm AAAA 6201 trên cơ sở hợp kim Al-Mg-Si là một trong những hợp kim
phổ biến trong sản xuất cáp điện.
Hợp kim nhơm 6201 có cơ tính cao, khả năng chống ăn mịn tốt, có thể gia
cơng hàn cắt. Dây hợp kim nhơm 6201 có sức bền cao hơn những loại dây dẫn
hợp kim khác nhưng độ dẫn điện không cao. Các nguyên tố trong hợp kim làm
tăng độ bền nhưng lại làm giảm độ dẫn điện. Cần phải cải tiến hợp kim có sự kết
hợp tốt nhất giữa độ bền cơ học và độ dẫn điện để nó có thể thay thế cho các dây
dẫn gia cố thép ACSR thông thường. Yêu cầu chung của dây dẫn AAAC là phải
có độ bền kéo trên 250-295 N/mm2. Người ta thường cải thiện cơ tính của dây
dẫn AAAC bằng cách hóa già nhân tạo, quá hóa già tăng độ bền.
Vì vậy, đề tài của Luận Văn “Nghiên cứu chế tạo dây nhôm hợp kim
6201 dùng cho sản xuất cáp điện” nghiên cứu công nghệ nấu luyện, chế tạo dây
hợp kim nhôm 6201 nhằm giúp giải quyết vấn đề nan giải các doanh nghiệp
trong ngành sản xuất cáp điện, tiết kiệm chi phí truyền tải điện.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

2

HVTH: Phạm Thị Minh Trang


NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

MỞ ĐẦU

III. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu quy trình nấu luyện và biến tính hợp kim nhơm 6201.
- Nghiên cứu chế tạo và nhiệt luyện dây hợp kim nhôm dùng làm cáp điện.

IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu cơng nghệ nấu luyện và biến tính hợp kim nhơm 6201
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo dây hợp kim 6201
- Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm 6201
- Tiến hành thực nghiệm nấu luyện và biến tính hợp kim 6201 trong lị thí
nghiệm điện trở. Đúc thỏi hợp kim. Phân tích thành phần hóa, tổ chức tế vi.
- Tiến hành chế tạo dây hợp kim nhôm. Đo độ dẫn điện, độ bền cơ tính.
- Tiến hành nhiệt luyện dây hợp kim 6201. Phân tích độ dẫn điện, độ bền cơ
tính.
V. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
a. Đối tượng nghiên cứu
- Hợp kim nhôm 6201
b. Phạm vi nghiên cứu
- Nấu luyện, chế tạo và nhiệt luyện dây nhôm hợp kim 6201 dùng cho cáp
điện.
- Đề tài chỉ lựa chọn những thông số công nghệ phù hợp, tiêu biểu cho từng
giai đoạn nấu luyện, nhiệt luyện và hóa già để tạo sản phẩm dây hợp kim 6201
đạt yêu cầu tiêu chuẩn ASTM B398.
- Quá trình chế tạo ra dây nhôm hợp kim 6201, các thông số công nghệ là
nhất định và phù hợp theo thiết bị đã cài đặt. Quá trình thực nghiệm chỉ đạt đến
kết quả mong muốn là kéo ra sản phẩm dây hợp kim 6201 cuối cùng với đường
kính 2-3.5mm theo tiêu chuẩn ASTM B398 và khơng bị đứt trong q trình chế
tạo ra dây.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

3

HVTH: Phạm Thị Minh Trang

NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

MỞ ĐẦU

VI. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Thế giới đã nghiên cứu, phát triển công nghệ nấu luyện và sản xuất dây
nhôm hợp kim 6201 từ rất lâu. Tuy nhiên hiện tại trong nước chưa có nghiên cứu
và thử nghiệm sản xuất thành công về công nghệ nấu luyện, chế tạo dây cáp từ
hợp kim 6201. Ngồi ra chưa có đơn vị, doanh nghiệp tại Việt Nam áp dụng công
nghệ nước ngồi sản xuất được hợp kim này do khó khăn về cơng nghệ và hạn
chế về kinh phí. Do vậy đề tài nghiên cứu này là mảng lĩnh vực còn khá mới ở
Việt Nam mà các doanh nghiệp sản xuất cáp điện đang hướng đến.
VII. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
- Lựa chọn được các thông số công nghệ thích hợp cho q trình sản xuất
hợp kim 6201 làm dây cáp.
- Tạo cơ sở cho những nghiên cứu cải thiện, phát triển công nghệ trong sản
xuất dây cáp điện hợp kim 6201.
VIII. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Thành công của đề tài sẽ là cơ sở nghiên cứu giúp các doanh nghiệp Việt
Nam phát triển và hoàn thiện công nghệ nấu đúc, chế tạo dây nhôm hợp kim
6201, đưa sản phẩm vào thị trường cáp điện Việt Nam.
- Góp phần giải quyết vấn đề nan giải các doanh nghiệp trong ngành sản
xuất cáp điện, tiết kiệm chi phí truyền tải cho việc tải điện trên khơng, cũng như
thay thế dây nhơm lõi thép ở những vùng có khí hậu dễ ăn mịn và địa hình hiểm
trở.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

4

HVTH: Phạm Thị Minh Trang


NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. THÀNH PHẦN, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT HỢP KIM NHƠM 6201
1.1.1. Thành phần, cấu trúc và tính chất hợp kim nhơm 6201
Thành phần và tính chất hợp kim nhơm 6201 thể hiện ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. Tính chất vật lý hợp kim nhơm 6201[3]
Hợp kim nhơm hệ Al-Mg-Si 6201
Thành phần hóa học: Si ~ 0.7% (0.5÷0.9%), Mg ~ 0.8% (0.6÷0.9%), Cu ≤
0.1%, Mn ≤ 0.03%, Cr ≤ 0.03%, B ≤ 0.06%, còn lại là Al
Thông số kỹ thuật
Giá trị theo hệ đơn
Giá trị theo hệ đơn vị US
vị metric
Khối lượng riêng
2.69 *10³
kg/m³
168
lb/ft³
(20ºC)
Mô đun đàn hồi
69
GPa
10000

Ksi
Nhiệt độ nóng chảy
654
ºC
1210
ºF
Nhiệt độ hóa rắn
607
ºC
1125
ºF
Độ giãn nở nhiệt
23.4*10-6
ºCˉ¹
13.0*10-6
in/(in* ºF)
(20ºC)
Nhiệt dung riêng
895
J/(kg*K)
0.214
BTU/(lb*ºF)
Độ dẫn nhiệt
205
W/(m*K)
1420
BTU*in/(hr*ft²*ºF)
-8
-6
Điện trở suất

3.16*10
Ohm*m 3.16*10
Ohm*cm
Độ bền kéo (T81)
330
MPa
47900
Psi
Độ bền chảy (T81)
310
MPa
45000
Psi
Độ giãn dài (T81)
6
%
6
%
Độ bền cắt (T81)
200
MPa
29000
Psi
Độ bền mỏi (T81)
105
MPa
15200
Psi
Độ cứng (T81)
88

HB
88
HB
Nhiệt độ xử lý nhiệt
510
ºC
950
ºF
Nhiệt độ hóa già
160
ºC
320
ºF
Hệ số Poison
0.33
0.33
Cấu trúc hợp kim 6201 là hợp kim trên nền nhôm, các nguyên tố hợp kim
Mg, Si tạo hợp chất Al8Mg5, (Si), Mg2Si (Mondolfo, 1976; Drits et all, 1977).
Pha Al8Mg5 (thường ký hiệu là Al3Mg2) có cấu trúc fcc với hằng số mạng a =
2.82÷2.86nm, khối lượng riêng 2.23g/cm3, độ cứng Vicker 2÷3.4GPa ở nhiệt độ
phịng. Pha Mg2Si (63.2%Mg, 36.8% Si) có cấu trúc lập phương với a =

LUẬN VĂN THẠC SĨ

5

HVTH: Phạm Thị Minh Trang


NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN

0.635÷0.64nm, nhiệt độ nóng chảy là 1087oC, khối lượng riêng 1.88g/cm3, độ
cứng Vicker là 4.5 GPa (Mondolfo, 1976) trong hợp kim. Pha Mg2Si có độ cứng
và tính giịn cao có tác dụng tăng cường lực cho hợp kim [5].
Giản đồ pha của hệ thống hợp kim Al-Mg-Si được thể hiện ở hình 1.1.

Hình 1.1. Giản đồ pha của hệ thống hợp kim Al-Mg-Si: (a) Đường lỏng, (b)
đường rắn, (c) đường rắn gần Al, (d) giản đồ 2 pha Al-Mg2Si. [5]
Bảng 1.2. Phản ứng bất biến trong hệ Al-Mg-Si (Mondolfo, 1976) [5]
Phản ứng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Điểm ký hiệu
hình 1.1.a

6

Nhiệt độ
T, oC

Nồng độ trong
pha lỏng
Mg, % Si, %

HVTH: Phạm Thị Minh Trang

NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

L → (Al) + Mg2Si (giản đồ 2 pha)
L → (Al) + (Si) + Mg2Si
L → (Al) + Mg2Si + Al8Mg5

e3
E2
E1

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN

595
555
449

8.15
4.96
32.2

7.75
12.95
0.37

Bảng 1.3. Phản ứng đơn biến trong hệ Al-Mg-Si (Mondolfo, 1976) [5]
Phản ứng
L → (Al) + Mg2Si
L → (Al) + (Si)
L → (Al) + Al8Mg5

Đƣờng ký hiệu hình
1.1.a
e2–E1 và e3–E2
e 2 - E2
e 1 - E1

Nhiệt độ T, oC
595÷555 và 595÷449
577÷555
450÷449

Mặc dù khả năng tan vào nhơm rắn của Mg và Si tương đối thấp nhưng nó
lại có tác dụng đáng kể trong việc tăng độ cứng hợp kim nhờ hình thành sự thay
đổi pha Mg2Si siêu bền trong q trình hóa già.
1.1.2. So sánh dây dẫn hợp kim nhôm 6201 với các loại dây dẫn hợp kim
nhôm khác
So sánh ưu điểm của dây dẫn hợp kim nhôm AAAC với dây nhơm lõi thép
(ACSR) [9]
- Cơ tính cao hơn với cùng một khối lượng
- Với kích thước tương đương dây ACSR, thì dây AAAC có điện trở thấp
hơn và độ dẫn điện tốt hơn.
- Vận chuyển và xử lý dễ dàng hơn trên đường truyền dây tải điện.
- Lắp ráp dễ dàng hơn, dễ dàng căng dây dẫn để tránh các yếu tố nguy hiểm
từ mặt đất.
- Độ cứng bề mặt dây dẫn cao hơn, do đó ít bị tổn thất, hao mịn và trầy
xước trong q trình đi đường dây.
- Nối ghép dây dễ dàng hơn.
- Chống ăn mòn tốt hơn: Đối với hệ thống dẫn điện điện thế siêu cao từ 275
đến 400kV, Jason và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng cần phải thay thế bằng một loại

LUẬN VĂN THẠC SĨ

7

HVTH: Phạm Thị Minh Trang


NC chế tạo dây nhôm HK 6201 trong SX cáp điện

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN

dây dẫn hợp kim nhôm đồng nhất để tránh ăn mịn giữa sắt và nhơm ở dây nhơm
lõi thép.
- Giảm tổn thất phóng điện và giảm nhiễu sóng vơ tuyến.
- Giảm chi phí tiêu hao
Sau đây là một ví dụ về tính tốn tiêu hao chi phí cho một dây dẫn kép giữa
dây ACSR Lynx và dây dẫn chuẩn AAAC thể hiện bảng 1.4.
Bảng 1.4. So sánh chi phí tổn thất điện ở dây ACSR và dây AAAC [9]
Chỉ tiêu
Dây ACSR
Dây AAAC
Dòng điện (I)
350A
350A
o
Điện trở ở 50 C (R)
0.177 Ω/Km
0.102 Ω/Km
Hệ số phụ tải (LF)
0.5

0.5
Tổn thất phụ tải (LLF)
0.15 (LF) + 0.85 (LF)2
0.2875
0.2875
Tổn thất điện (PL)
6.23 kW/Km
3.59 kW/Km
Chi phí cho tổn thất trên
₤2183
₤1258
1 km dây dẫn
Hudson cũng chỉ ra rằng, nơi điện thế cao 132kV ở Eastern, dây dẫn AAAC
có những lợi thế so với dây ACSR là:
- Tiết kiệm chi phí hàng năm là ₤21 620 (giá cả năm 1984) trên 23km với
đường dây dẫn kép.
- Tăng 40% truyền tải điện.
Với những đặc tính kỹ thuật và ưu điểm trên, hợp kim nhôm 6201 ứng dụng
chủ yếu làm dây cáp điện dần dần thay thế cho dây dẫn nhôm lõi thép ở các vùng
điện thế cao.
Sau đây là một số bảng so sánh cơ tính và tính dẫn điện của hợp kim 6201
và các hợp kim nhôm dùng làm dây cáp điện, cũng như so sánh các loại dây hợp
kim nhôm 6201 với các phương pháp sản xuất khác nhau thể hiện qua bảng 1.5,
1.6.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

8

HVTH: Phạm Thị Minh Trang