Nghiên cứu chế tạo hợp kim cu ni bằng phương pháp cơ học

..

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

Đỗ Mạnh dũng

NGHIấN CU CH TO
HP KIM Cu Ni BNG PHNG PHP C HC
Chuyên ngành: Gia công áp lực

luận văn thạc sĩ khoa học
công nghệ vật liệu

người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Trần văn dũng

Hà Nội - Năm 2010


Li cam oan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của
tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa
được công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu nào.

Tác giả

KS. Đỗ Mạnh Dũng

-2-

MỤC LỤC
Trang
-1-

Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. - 2 MỤC LỤC .............................................................................................................. - 3 DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... - 6 DANH MỤC BẢN VỄ, ĐỒ THI ........................................................................... - 7 DANH MỤC PHỤ LUC ........................................................................................ - 9 LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... - 10 Chương I. TỔNG QUAN ..................................................................................... - 12 1.1. Tổng quan về phương pháp hợp kim hoá cơ học ..................................... - 12 1.1.1. Khái niệm chung................................................................................ - 12 1.1.2. Nguyên lý phương pháp nghiền hợp kim hóa cơ học ....................... - 12 1.1.3. C¬ së lý thut cđa ph­¬ng pháp nghiền cơ học ............................... - 16 1.1.3.1. Sự phát triển của phương pháp nghiền cơ học ........................... - 16 1.1.3.2. Cơ chế quá trình hợp kim hóa cơ học ........................................ - 17 1.1.3.3. Các thông số quá trình nghiền ................................................... - 23 1.1.4. Ứng dụng phương pháp nghiền hợp kim hóa cơ học ........................ - 26 1.1.6. Kết luận.............................................................................................. - 27 1.2. Tổng quan về quá trình tạo hình kim loại bột ........................................... - 27 1.2.1 Quá trình tạo hình kim loại bột........................................................... - 28 1.2.1.1. Ép một phía ................................................................................ - 28 1.2.1.2. Ép hai phía ................................................................................. - 28 1.2.1.3. Ép đẳng tĩnh ............................................................................... - 29 1.2.2. Quá trình thiêu kết ............................................................................. - 31 1.2.2.1. Cơ sở hóa lý quá trình thiêu kết ................................................. - 31 1.2.2.2. Phân loại dạng thiêu kết ............................................................ - 33 1.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thiêu kết ........................... - 33 1.2.2.4. Trạng thái xốp của vật liệu bột .................................................. - 34 1.3. Kết luận chương 1 ....................................................................................... - 35 -

-3-


Chương II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................... - 36 2.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp nghiên cứu ................................................. - 36 2.2. Vật liệu và thiết bị nghiên cứu .................................................................. - 37 2.2.1. Vật liệu nghiên cứu............................................................................ - 37 2.2.2. Thiết bị nghiên cứu ............................................................................ - 38 2.3. Quy trình thực hiện ................................................................................... - 42 2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................... - 42 Chương III. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................... - 43 CHẾ TẠO VẬT LIỆU HỢP KIM HOÁ CƠ HỌC Cu x Ni (100-x) .......................... - 43 3.1. Cơng đoạn nghiền trộn hợp kim hố cơ học ............................................. - 43 3.1.1 Mục đích của q trình nghiền cơ học ............................................... - 43 3.1.2. Phương pháp thực nghiệm ................................................................. - 43 3.1.2.1 Thiết bị......................................................................................... - 43 3.1.2.2. Tính tốn phối liệu ..................................................................... - 43 3.1.2.3 Chế độ nghiền ............................................................................. - 44 3.1.2.4 Các giai đoạn nghiền .................................................................. - 45 3.2. Ép sơ bộ .................................................................................................... - 56 3.2.1. Mục đích ............................................................................................ - 56 3.2.2. Áp lực ép ........................................................................................... - 56 3.2.3. Phương pháp ép ................................................................................. - 56 3.2.4. Thiết bị ép .......................................................................................... - 56 3.3 Thiêu kết .................................................................................................... - 57 3.3.1. Mục đích ............................................................................................ - 57 3.3.2. Chế độ thiêu kết ................................................................................. - 57 3.3.3. Thiết bị thiêu kết ................................................................................ - 58 3.3.4 Kết quả q trình hồn nguyên - thiêu kết ......................................... - 58 3.4. Kết luận chương 3 ..................................................................................... - 60 Chương IV. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH
CƠNG NGHỆ HỢP KIM HOÁ CƠ HỌC CHẾ TẠO VẬT LIỆU Cu 85 Ni 15 ..... - 61 4.1. Xác định độ xốp của vật liệu Cu 85 Ni 15 ..................................................... - 61 -4-


4.1.1. Phương pháp xác định độ xốp ........................................................... - 61 4.1.2. Kết quả đo độ xốp của vật liệu Cu 85 Ni 15 .......................................... - 62 4.2 Xác định độ cứng của vật liệu Cu 85 Ni 15 .................................................... - 63 4.3. Tổ chức tế vi của vật liệu Cu 85 Ni 15 .......................................................... - 64 4.4. Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa cơng nghệ chế tạo vật liệu Cu 85 Ni 15 - 65 4.4.1 Giới thiệu chung ................................................................................. - 65 4.4.2. Mơ hình nghiên cứu........................................................................... - 66 4.4.2.1 Các bước thực hiện bài toán qui hoạch thực nghiệm ................. - 67 4.4.2.2 Xây dựng mô tả tốn học tối ưu hóa hàm mục tiêu .................... - 70 4.4. Kết luận chương 4 ..................................................................................... - 71 Chương V. KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ........................................... - 73 5.1. KÕt luËn chung .......................................................................................... - 73 5.2. Mét sè kiến nghị ....................................................................................... - 73 Tài liệu tham khảo .................................................................................... - 83 -

-5-


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1 Thông số mạng qua các giờ nghiền của hệ Cu 20 Ni 80 ........................... - 53 Bảng 4.1. Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết
(T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P) ........................................... - 63 Bảng 4.2. Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu kết
(T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P) ........................................... - 64 Bảng 4.3. Điều kiện thí nghiệm được chọn .......................................................... - 67 Bảng 4.4. Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm......................... - 68 -

-6-

DANH MỤC BẢN VỄ, ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1.1. Sự va chạm bột-bi-bột của hỗn hợp bột kim loại trong quá trình nghiền

hợp kim hố cơ học ............................................................................... - 13 Hình 1.2. Một số dạng máy nghiền hợp kim hóa cơ học ..................................... - 15 Hình 1.3. Minh họa quá trình nứt vỡ và kết dính đặc trưng trong MA................ - 16 Hình 1.4. Sự va chạm của bi nghiền - bột - bi nghiền của hỗn hợp bột trong quá trình
hợp kim hóa cơ học. .............................................................................. - 18 Hình 1.5. Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng ..................... - 19 Hình 1.6. Các giai đoạn quá trình hợp kim hoá cơ học vật liệu dẻo - dẻo ........... - 20 Hình 1.7. Các giai đoạn quá trình hợp kim hoá cơ học vật liệu dẻo - dßn ........... - 21 Hình 1.8. Sơ đồ khn ép một phía ..................................................................... - 28 Hình 1.9. Sơ đồ khn ép 2 phía .......................................................................... - 29 Hình 1.10. Sơ đồ các phương pháp ép đẳng tĩnh ................................................. - 30 Hình 1.11. Sơ đồ cán kim loại bột........................................................................ - 30 Hình 1.12. Bề mặt tiếp xúc của bột kim loại trước (a) và sau thiêu kết (b) ......... - 32 Hình 2.1. Giản đồ pha Cu - Ni.............................................................................. - 36 Hình 2.2. Máy nghiền cánh khuấy ....................................................................... - 39 Hình 2.3. Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy ......................................... - 39 Hình 2.4. Cân điện tử độ chính xác 10-4g ............................................................ - 40 Hình 2.5. Máy phân tích Xray D5005 - SIEMENS ............................................. - 40 Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800 ............... - 40 Hình 2.7. Máy ép thủy lực 100 T ......................................................................... - 41 Hình 2.8. Lị thiêu kết Linn 1300 ......................................................................... - 41 Hình 2.9. Sơ đồ qui trình cơng nghệ nghiên cứu ................................................. - 42 Hình 3.1. Hình ảnh SEM hạt bột Cu, Ni .............................................................. - 44 Hình 3.2. Ảnh X-ray sự thay đổi thông số mạng từ Cu – Ni ............................... - 46 Hình 3.3 Tham số mạng tinh thể của vật liệu Cu-Ni nghiền ............................... - 46 -7-


Hình.3.4. Micrographs SEM của Cu và Ni bắt đầu từ bột so với Ni80Cu20 bột thu
được ở các thời gian nghiền khác nhau (BPR = 10:01) ........................ - 49 Hình 3.5. Hình ảnh SEM mẫu Cu 85 Ni 15 .............................................................. - 51 Hình 3.6. Máy phân tích rơnghen D5005 - SIEMENS ........................................ - 52 Hình 3.7 Thơng số mạng tinh thể của vật liệu Cu 20 Ni 80 ...................................... - 54 Hình 3.8. Hình ảnh SEM 16000x bề mặt hạt bột Cu 85 Ni 15 ................................. - 55 Hình 3.9. Khn ép sơ bộ .................................................................................... - 57 Hình 3.10. Chế độ thiêu kết mẫu Cu 85 Ni 15 .......................................................... - 57 Hình 3.11. Mẫu đã thiêu kết và chế độ thiêu kết từng mẫu ................................. - 58 Hình 3.12. Ảnh SEM bề mặt mẫu khối sau thiêu kết........................................... - 59 Hình 4.1. Ảnh SEM mẫu khối sau khi thiêu kết ở 9000C trong 3h độ phân giải 500
lần (a), 2000 lần (b) ............................................................................... - 65 Hình 4.2. Mơ hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm ....................................... - 66 -

-8-


DANH MỤC PHỤ LỤC
Trang
Phụ lục 1.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 trước khi nghiền
Phụ lục 2.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 sau khi nghiền cơ học 4h
Phụ lục 2.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 sau khi nghiền cơ học 10h
Phụ lục 4.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 20 Ni 80 sau khi nghiền cơ học 14h
Phụ lục 5.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni15 sau khi nghiền cơ học 1h
Phụ lục 6.

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni15 sau khi nghiền cơ học 4h
Phụ lục 7.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni 15 sau khi nghiền cơ học 8h
Phụ lục 8.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bột Cu 85 Ni15 sau khi nghiền cơ học 10h

74
75
76
77
78
79
80
81

Phụ lục 9.
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu Cu 85 Ni 15 sau khi thiêu kết

-9-

82


LỜI NĨI ĐẦU
Sù ph¸t triĨn cđa khoa häc kü tht, công nghệ không chỉ những lĩnh vực mới,
mà còn cả những lĩnh vực truyền thống cũng đang phát triển và thay đổi từng ngày
như: điện, điện tử, nhiệt lạnh, chế tạo máy, xây dựng, hoá học... đòi hỏi phải có
những vật liệu mới có tính chất ưu việt hơn những vật liệu thông thường.
Kim loại và hợp kim được nhắc đến thường có được một số cơ - lý tính đặc
trưng tốt. Nói chung không thể tồn tại một loại kim loại nào đồng thời có được tất cả

các cơ - lý tính cần thiết. Chính vì vậy, đòi hỏi cần chế tạo được một số loại vật liệu
mới hay nâng cao các cơ - lý tính ưu của nhiều loaị vật liệu theo công nghệ chế tạo
mới như là mét quy lt tÊt u, c«ng nghƯ vËt liƯu míi ®· ra ®êi. Trong vËt liƯu
nanocompozit ®· kÕt hỵp ®­ỵc nhiều tính chất tốt của các vật liệu, nó tạo ra được
những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thoả mÃn mọi nhu cầu, đa dạng và
phong phú của công nghệ phát triển hiện nay cũng như trong tương lai với các tính
năng đặc biệt như: khả năng chịu mài mòn, khả năng chống ăn mòn, khả năng chịu
nhiệt, chịu ma sát và một số tính năng khác mà vật liệu truyền thống không có.
Sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của vật liệu mới cho phộp giảm kích thước,
trọng lượng các linh kiện và thiết bị hoc thay thế những kim loại quý hiếm đắt tiền.
Như vậy, vật liệu mới ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu,
nhà sản xuất. Nhằm tìm được những ứng dụng mới trong nhiều ngành, nhiều lĩnh
vực hiện nay.
Ví dụ ồng nguyên chất có các đặc tính ưu việt: độ dẫn điện lớn (chỉ kém Ag),
khá rẻ tiền (rẻ hơn Ag nhiều), dễ gia công, ít bị ôxy hóa, có độ bền khá cao trong
môi trường không khí. nên được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác
nhau, đặc biệt trong công nghiệp điện (dây dẫn, tiếp ®iĨm...). Song cịng nh­ Ag, ®é
bỊn cđa Cu kh«ng cao ở trong môi trường có tính ăn mòn, nhiệt độ cao. Vì vậy việc
tăng độ bền của Cu để làm việc ở môi trường ăn mòn, nhiệt độ cao là rất cấp thiết.
Việc tăng tính chống ăn mòn cho Cu ở môi trường ăn mũn hoá học đà được thực
hiện bằng nhiều phương pháp như tăng bền bằng hợp kim với kim loại khác.
Hợp kim đồng - niken vẫn được chế tạo bằng phương pháp hoả luyện truyền
thống nấu luyện tạo hợp kim, đúc sản phẩm, gia công cơ khí. Víi ­u ®iĨm cđa

- 10 -


phương pháp hoả luyện là chế tạo được khối lượng lớn sản phẩm nhưng bên cạnh đó
nó còn có những nhược điểm như: Tổ chức hạt của hợp kim đồng đúc lớn, khi hợp
kim với một số kim loại khác bị hạn chế như với Al, Cr, Sn... là một ví dụ. Nhằm

nâng cao cơ tính của hợp kim Cu - Ni có cấu trúc hạt nhỏ mịn, mở rộng hệ hợp kim
hoá nhiều nguyên tố với giải lớn hơn. Chính vì vậy đề tài “Nghiên cứu chế tạo hợp
kim Cu - Ni bằng phương pháp cơ học" lµ hoµn toàn cấp thiết. Đây còn là một đề
tài mang tính øng dơng cao trong thùc tÕ, lµ h­íng tiÕp cËn hợp kim hoá nhiều
nguyên với hệ vật liệu này nhằm tìm phát nhiều tích chất mới. Nó mở ra triển vọng
lớn trong nghiên cứu các loại vật liệu điện cực điện phân, chống ăn mòn, chịu nhiệt,
vật liệu chịu lực khi thêm các nguyên tố kim loại như Al, Cr, Sn, Zn
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn
trực tiếp PGS.TS. Trần Văn Dũng (Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại), TS.
Nguyễn Đặng Thy (Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại), tập thể cán bộ Bộ
môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Bộ môn Vật liệu kim loại màu và Compozit,
Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nhóm
thực hiện nghiên cứu vật liệu compozit đà giúp đỡ tác giả thực hiện đề tài này. Đồng
thời tác giả chân thành cảm ơn những góp ý kiến, chỉ hướng tận tình của các chuyên
gia trong lĩnh vực lun kim bét, ®· tham gia gãp ý kiÕn trong quá trình thực hiện
luận văn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Đỗ Mạnh Dũng

- 11 -


Chương I.
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về phương pháp hợp kim hố cơ học
1.1.1. Khái niệm chung
Hợp kim hóa cơ học (MA) là một phương pháp sản xuất kim loại bột có kích
thước vi cấu trúc nhỏ mịn, là một kỹ thuật chế tạo các loại vật liệu khó hoặc khơng

thể hợp kim hóa một cách bình thường. Q trình hợp kim hóa cơ học thường được
tiến hành trên máy nghiền năng lượng cao. Phương pháp hợp kim hóa cơ học được
ứng dụng chủ yếu trong chế tạo siêu hợp kim nền Fe, Ni, Al, Cu. Ngoài ra cũng
được dùng để sản xuất các loại bột kim loại cho các ứng dụng phi kết cấu như lớp
phủ bảo vệ, kim loại hoạt hóa...
Khả năng sản xuất bột kim loại có vi cấu trúc đồng đều của phương pháp
MA là rõ ràng. Quy trình sản xuất cũng linh hoạt. Tầm quan trọng của phương pháp
MA ngày càng nâng cao và được khẳng định.
Nghiên cứu để tiến tới mơ hình hóa phương pháp MA, xác định đặc điểm
hình học và cơ học tương tác giữa bột - dụng cụ gia công của các thiết bị MA là nội
dung nhận dạng các thông số (tốc độ va đập, thể tích vật liệu bột bị va đập, thời gian
giữa các lần va đập, quá trình khuếch tán…)
1.1.2. Nguyên lý phương pháp nghiền hợp kim hóa cơ học
Hiện tượng cơ bản thường xảy ra trong quá trình nghiền hợp kim hóa cơ học
để sản xuất bột có cấu trúc siêu mịn là sự lặp lại sự hàn nguội, phá hủy của hỗn hợp
bột và quá trình khuếch tán tương hỗ giữa các hạt bột kim loại. Nó chỉ xảy ra khi có
sự cân bằng giữa tốc độ phá hủy và tốc độ hàn nguội. Hai kỹ thuật này được đề xuất
bởi Gilman và Benjamin để làm giảm sự hàn nguội và đẩy mạnh sự phá hủy hạt.
Kỹ thuật thứ nhất làm giảm bề mặt của hạt bột biến dạng bằng cách bổ sung chất
kiểm soát quá trình (PCA) (sự nghiền ướt) để ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp giữa
các hạt kim loại, điều cần thiết cho sự hàn nguội. Kỹ thuật thứ hai cho thấy hình
thành sự phá hủy các hạt bột để chúng phá hủy trước khi biến dạng bởi ứng suất nén

- 12 -


cho sự hàn nguội và cán phẳng. Làm nguội buồng nghiền sẽ làm tăng sự phá hủy và
thiết lập lên trạng thái hóa bền vật liệu do hiệu ứng của nhiệt độ.
Cần lưu ý rằng sự nghiền bột kim loại rất dễ xảy ra hàn nguội (Ti, Zr, Al, Pb, Zn,
Ag) với một chất hữu cơ (PCA), có thể dẫn tới phản ứng không mong muốn giữa

PCA và bột nghiền, đặc biệt là hỗn hợp của 4 đến 5 kim loại tinh khiết.
Sự va chạm bi-bột-bi, bi-bột- thành thiết bị nghiền, bột-bột.

Hình 1.1. Sự va chạm bột-bi-bột của hỗn hợp bột kim loại trong q trình
nghiền hợp kim hố cơ học
Bột bắt đầu được hợp kim hóa cơ học từ 2 hay nhiều bột kim loại, hỗn hợp bột
liên kim loại, hoặc bột phân tán. Quá trình MA bắt đầu bằng sự tương tác của 2
(hoặc nhiều hơn) loại bột thành phần để tạo nên sản phẩm cuối cùng trong khoảng
thời gian đã định trước. Hỗn hợp bột đồng đều được tạo ra khi chúng chịu sự va
chạm của các bi nghiền (hình 1.1). Điều đáng lưu ý rằng hiệu ứng của sự va chạm
giữa các bột nghiền phụ thuộc vào tính chất và hình dạng của bột hợp thành.
Sự va chạm ban đầu của bi-bột-bi tương tự như trong kim loại cán phẳng và
hơn thế nữa chúng bị hàn nguội và biến dạng cơ học mãnh liệt. Bởi vậy, chúng bị
dát mỏng và hàn chập lại, tự động làm sạch bề mặt kim loại. Chúng đã có những
vùng tiếp xúc riêng, hình thành cấu trúc lớp của các hạt composite bao gồm sự kết

- 13 -


hợp khác nhau của các thành phần ban đầu, như trên hình 1.1. Tiếp tục nghiền gây
nên sự hàn nguội và phá hủy các lớp hạt và cấu trúc siêu mịn được tạo ra. Do độ
cứng của bột ban đầu thấp, nhiều lớp hạt tích tụ sẽ bị giảm nhanh khi nghiền tiếp
tục. Tăng thời gian của quá trình MA làm tăng độ cứng và điều này dẫn tới sự phá
hủy của bột tập trung thành các hạt nhỏ. Thời gian nghiền dài hơn dẫn tới phản ứng
lan rộng và hòa lẫn xảy ra trên các bề mặt sạch của các lớp riêng biệt trong các hạt
bột, hình thành hợp kim.
Như đã đề cập ở trên, khái niệm về quá trình nghiền là làm giảm cỡ hạt, trộn
lẫn và định hình hạt. Benjamin định nghĩa quá trình MA như là một phương pháp
chế tạo bột compozit kim loại cấu trúc siêu mịn. Nó xảy ra 2 q trình phá hủy và
hàn nguội. Q trình này địi hỏi sự cân bằng giữa chất phản ứng và chất dính kết.

Các thành phần khác bao gồm kim loại đúc khác và kim loại giòn, hợp chất liên kim
hoặc phi kim hoặc vật liệu chịu lửa.
Hiệu quả lớn của phương pháp MA là để sản xuất bột hợp kim và hợp chất
với sự điều khiển cấu trúc vi mơ và hình thái học, là sự lặp lại quá trình hàn, phá
hủy, hàn lại của hỗn hợp bột phản ứng. Một vài phản ứng nghiền được dùng cho
mục đích này.
Q trình MA được tiến hành trong máy nghiền năng lượng cao (Máy nghiền
lắc, máy nghiền hành tinh, máy nghiền li tâm và máy nghiền rung chấn) và sự trộn
đảo năng lượng thấp (phương pháp trộn bi và trộn thanh)
Hiện phổ biến một số dạng máy nghiền sau:
+ Máy nghiền bi đứng (Szegvari) được dùng để sản xuất một lượng vật liệu
vừa phải trong thời gian nghiền vừa phải (vài giờ). Bi nghiền và bột được đặt vào
trong thùng đứng không chuyển động, và được khuấy bằng các cánh khuấy nối với
trục quay trung tâm.
+ Máy nghiền lắc (SPEX) được dùng để sản xuất một lượng nhỏ bột trong
thời gian tương đối ngắn (ít hơn 1 giờ). Bi nghiền và bột được đặt vào trong thùng
nhỏ, và được khuấy lắc ở tần số cao theo một chu trình chuyển động phức tạp theo 3
hướng trực giao.

- 14 -


+ Máy nghiền bi ngang truyền thống: dùng để sản xuất một lượng lớn bột
nhưng thời gian gia công dài (vài ngày). Bi nghiền và bột được đặt vào trong một
trống lớn (đường kính > 1 m) quay quanh trục ngang trung tâm ở tốc độ thấp hơn
tốc độ tới hạn là khi bi nghiền bám chặt vào thành trong của trống.

Máy nghiền bi đứng

Máy nghiền lắc

Máy nghiền bi ngang

Hình 1.2. Một số dạng máy nghiền hợp kim hóa cơ học
Quá trình MA đặc trưng bằng va đập giữa dụng cụ gia cơng và bột dẫn tới
nứt vỡ và dính kết bột. Dạng va đập là bột bị ép giữa 2 bi nghiền va đập nhau, giữa
bi nghiền và thành thùng chứa hay là giữa bi nghiền và cánh khuấy.
Máy nghiền bi đứng được sử dụng rộng rãi trong các phịng thí nghiệm. Phần
lớn số lần va đập trong máy nghiền loại này có dạng: bi nghiền – bột – bi nghiền.
Dạng va đập này được dùng làm cơ sở cho việc mơ tả lượng hóa q trình MA. Các
hạt bột mắc giữa các bi nghiền đang va đập nhau phải chịu biến dạng dẻo mãnh liệt,
làm chúng phẳng ra và hóa bền. Nếu màng bề mặt của các hạt bị gián đoạn làm lộ ra
bề mặt sạch thì có thể dẫn đến hiện tượng hàn nguội (kết dính) khi bề mặt sạch của
các hạt phẳng đè lên nhau tiếp xúc với nhau. Hơn nữa, biến dạng với tốc độ biến
dạng cao và biến dạng tích lũy kèm theo những va đập này dẫn tới nứt vỡ hạt.

- 15 -


Hình 1.3. Minh họa quá trình nứt vỡ và kết dính đặc trưng trong MA
1.1.3. C¬ së lý thut cđa phương pháp nghiền cơ học
1.1.3.1. Sự phát triển của phương pháp nghiền cơ học
Phương pháp nghiền cơ học được sử dụng rộng rÃi trong công nghệ luyện kim
bột và trong công nghiệp xử lý khoáng sản cách đây khá lâu, ví dụ như nghiền trộn
bột hoặc nghiền nhỏ đá. Khi phương pháp nghiền cơ học được ứng dụng cho các
mục đích này, các hạt bột không thay đổi hoặc bị đập vỡ thành các hạt nhỏ hơn
trong quá trình nghiền. Quá trình không sinh ra vật liệu mới bởi vì cấu trúc tế vi của
hạt bột không thay đổi.
Trong những năm 1970, phương pháp nghiền cơ học được phát triển bởi
Benjamin và các đồng sự. Họ nhận thấy bằng quá trình nghiền bột hợp kim Ni hoặc

Al trong môi trường ôxy hóa, bột mới với thành phần bao gồm Ni hoặc Al và các hạt
ôxit phân tán được tạo thành. Tuy nhiên, nó không được công nhận khi đó.
Trong những năm đầu thp kỷ 80 của thế kỷ XX, Koch công bố một bài báo
rất đáng chú ý. Trong đó đà đưa ra kết quả nghiền hỗn hợp bột Ni và Nb, nếu thời
gian nghiền kéo dài, hỗn hợp bột này biến thành bột hợp kim Ni-Nb vô định hình.

- 16 -


Điều đó có nghĩa là, sự hợp kim hóa đà xảy ra trong quá trình nghiền. Khám phá
này nâng cao hiểu biết về quá trình nghiền như một phương pháp gia công vật liệu
lên một tầm cao mới. Từ đó, khái niệm hợp kim hóa cơ học đà được công nhận và
sử dụng rộng rÃi.
Trong những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX, McComick và Schaffer công
bố một công trình quan trọng khác. Theo đó, sự phản ứng hóa học giữa Ca và CuO
có thể xảy ra bằng năng lượng cao khi nghiền cơ học. Điều này đà kích thích sự
quan tâm thay đổi khái niệm nghiền cơ học thành một khái niệm tổng quát hơn:
phương pháp nghiền cơ hóa, đó là sự kết hợp của nghiền cơ học và phản ứng hóa
học.
1.1.3.2. Cơ chế quá trình hợp kim hóa cơ học
* Sự va chạm trong quá trình hợp kim hóa và nghiền cơ học
Theo Lu, trong quá trình hợp kim hóa, bốn trường hợp va chạm có thể xảy ra:
- Va chạm thông thường giữa bi nghiền và bề mặt trong của tang nghiền;
- Va chạm với sự chiếm chỗ do trượt giữa bi nghiền và bề mặt trong của tang
nghiền;
- Va chạm thông thường giữa bi nghiền với nhau;
- Va chạm với sự chiếm chỗ do trượt giữa các bi nghiền với nhau.
Sự va chạm giữa các bi nghiền và mặt trong của tang nghiền có hiệu quả hơn
so với giữa các bi nghiền với nhau vì các bi nghiền thường di chuyển theo cùng
phương. Sự biến dạng của bột giữa hai bi nghiền hoặc giữa một bi nghiền với thành

trong của tang trong các trường hợp va chạm có thể so sánh với quá trình tương tự
trong khi chồn giữa hai tấm song song.
Sự biến dạng cho mỗi trường hợp va chạm có thể tính theo công thức:

max = ln

H
H H

Trong đó:
H- chiều cao cđa cơm vËt liƯu bét;
∆H- sù thay ®ỉi chiỊu cao cđa cơm vËt liƯu bét trong mét va ch¹m.
øng suất trung bình cần thiết cho sự biến dạng của mét cơm vËt liƯu lµ:

- 17 -

(1.1)


 ηµ 
σ ≈ 2 k 1 +

 3H 

(1.2)

Trong đó:

- ứng suất trung bình trong quá trình chồn;
k- øng st c¾t;

η- kÝch th­íc cđa mét cơm vËt liƯu bột ;
à- hệ số ma sát giữa vật liệu bột và bi nghiền.
Năng lượng biến dạng E có thể được tính toán như sau :

à[ln(H H)]
k 2
E=

H
3
2


(1.3)

H có thể thu được bởi sự thay thế biểu thức 1.2 vào biểu thức tính năng lượng
va chạm, E c =

1
mv 2
2

Hình 1.4. Sự va chạm của bi nghiền - bột - bi nghiền của hỗn hợp bột trong quá
trình hợp kim hóa cơ học.
* Sự hàn nguội
Quá trình hàn nguội trong khi va chạm có thể được coi gần đúng như sự hàn
nguội của hai tấm dưới áp lực. Sự tăng áp lực khi va chạm tăng diện tích tiếp xúc
thực tế giữa các hạt vật liệu bột. Sức căng biến dạng cần yêu cầu bởi sự hàn nguội
phụ thuộc hệ vật liệu được sử dụng và có thể xảy ra trong các trường hợp sau đây:
- Hàn giữa hai hợp kim khác nhau;

- 18 -


- Hàn giữa một loại hợp kim;
- Hàn giữa một hợp kim tương tự với một hợp kim khác mà không xảy ra sự
hàn nguội.

Hình 1.5. Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng
Độ bền liên kết giữa các hạt bột kim loi là một hàm số của sức căng biến
dạng. Hình 1.5 chỉ ra mối quan hệ giữa độ bền liên kết của các vật liệu khác nhau và
sự giảm biến dạng. Có thể dự đoán rằng giá trị của tr lc biến dạng tại một giao
điểm giữa đường ngoại suy của số liệu thí nghiệm với trục x là giá trị biến dạng nhỏ
nhất cho quá trình hàn nguội xảy ra trong khi nghiền. Do đó, sự giảm biến dạng của
các hạt bột trong mỗi va chạm có thể lớn hơn giá trị tới hạn này. Như vậy có thể
thấy, vật liệu càng mềm thì khả năng hàn nguội càng tốt. Trong thời gian đầu của
quá trình hợp kim hóa cơ học, do các hạt vật liệu thường mềm, sự tăng kích thước
hạt do hàn có thể quan sát được. Tuy nhiên, kích thước hạt giảm khi thời gian hợp
kim hóa cơ học tăng bởi vì sự tăng độ cứng của các hạt bột. Để tăng hiệu quả của
quá trình nghiền, mỗi loại bột phải được ủ ở giai đoạn trung gian hoặc phải tăng tốc
độ nghiền.
Trong trường hợp nghiền với tốc độ cao, nhiƯt cã thĨ sinh ra nhiỊu h¬n, cã thĨ
tÝnh to¸n theo biĨu thøc:

- 19 -


T =

0

2 K 0 C p

(1.4)

Trong đó:
T- s gia tăng nhiệt độ;
C p - nhiệt dung riêng của hạt vật liệu bột;
0 - giới hạn chảy ban đầu của vËt liƯu bét;
K 0 - tÝnh dÉn nhiƯt cđa vËt liệu bột;
- tỷ trọng tương đối của vật liệu bột.
* Các giai đoạn hợp kim hóa cơ học
Các giai đoạn hợp kim hóa cơ học của hai vật liệu dẻo được sơ đồ hóa bởi
Aikin và Courtney và được trình bày như hình 1.6. Đầu tiên, các hạt bột chịu sự biến
dạng, hình dáng của chúng thay đổi từ đẳng trục sang dạng tấm. Trong các giai đoạn
tiếp theo, cơ chế hàn nguội chiếm ưu thế, đó là nguyên nhân các hạt đẳng trục hình
thành. Tại giai đoạn này, định hướng của mặt phân giới được nhìn thấy rất rõ nét. Cơ
chế hàn và phá hủy đạt tới sự cân bằng và sự hình thành của các hạt với sự ngẫu
nhiên của các biến giới hạt, hoặc nói cách khác, sự hàn có hướng ngẫu nhiên. Quá
trình kết thúc được giải thích bởi sự ổn định của quá trình, trong ®ã sù hoµn thµnh
cÊu tróc tÕ vi cã thĨ tiÕp tục, nhưng kích thước hạt và kích thước phân bố các hạt
được giữ nguyên gần như nhau.

Hn ngui
chim u th

Hình 1.6. Các giai đoạn quá trình hợp kim hoá cơ häc vËt liƯu dỴo - dỴo

- 20 -

Hình 1.7. Các giai đoạn quá trình hợp kim hoá cơ học vật liệu dẻo - dòn
Các giai đoạn của quá trình hợp kim hóa cơ học giữa vật liệu dẻo và vật liệu
dòn đà được dự đoán (hình 1.7). Trong giai đoạn đầu tiên, các hạt dẻo bị biến dạng
trong khi các hạt cứng bị làm vỡ vụn. Sau đó, trong khi các hạt dẻo bắt đầu hàn với
nhau, các hạt dòn ghim vào giữa các hạt dẻo khi va chạm với bi nghiền. Kết quả là,
các hạt gia cố bị gÃy sẽ được đưa vào mặt biên giới của các hạt bị hàn lại, và kết quả
là sự sinh ra của các hạt compozit thực sự. Sự hàn là cơ chế nổi bật trong phương
pháp này, các hạt thay đổi hình dạng của chúng bằng cách ghim lên các tầng hạt.
Các hiện tượng biến dạng, hàn và các hạt rắn phân tán làm cứng vật liệu và làm tăng
quá trình bẻ gÃy.
Hp kim húa c hc cũn hỡnh thành pha khác do ảnh hưởng của động lực hóa
học, được cung cấp do sự chênh lệch của năng lượng tự do và entanpi của hệ. Trong
MA năng lượng tự do thay đổi liên tục do sự thay đổi năng lượng bề mặt và nội
năng của hệ.
∆G = ∆G bm + ∆G sai lệch mạng.
Trong quá trình nghiền cơ học ∆G bm chiếm khoảng 30%, ∆G sai lệch mạng. chiếm
khoảng 70%. Năng lượng bề mặt là nhân tố then trốt trong việc xác định của pha
cân bằng. Nhưng mật độ lệch cao trong vật liệu sẽ làm thúc đẩy quá trình khuêch
tán và ảnh hưởng mạnh đến cơ chế tạo hợp kim.

- 21 -


Có 3 giả thuyết tạo hợp kim:
- Cơ chế khuêch tán tương hỗ: được đặc trưng bởi sự thay đổi thông số mạng.
+ Cơ chế khuếch tán tương hỗ1: xẩy ra là khả năng hòa tan thấp của
nguyên tố A vào trong nguyên tố B.
D A-->B >

D B-->A

+ Cơ chế khuếch tán tương hỗ 2: xẩy ra là khả năng hòa tan cao của
nguyên tố A vào trong nguyên tố B và ngược lại.
D A-->B y D B-->A
- Cơ chế phảm ứng duy trì: bản chất là phản ứng
A R + B R AB R + Q
Ví dụ:

Ti + B  TiB 2 (tác động của MA)
Fe + ZnO  FeZnO (vật liệu từ, tác động của nhiệt độ)

- Cơ chế tác động của chất phụ gia: nhằm lý giải cho các hệ hợp kim có hệ
số khuêch tán thấp vào nhau.
Q trình hợp kim hóa cơ học phụ thuộc vào q trình khuếch tán, nhưng vai
trị khuếch tán của nhiệt độ không lớn. Tốc độ phản ứng R + R bị ảnh hưởng bởi
diện tích bề mặt ban đầu và sự khuếch tán qua pha sản phẩm. Phần lớn phản ứng
rắn rắn diện tích tương tác là cố định do đó tốc độ khuếch tán bị hạn chế. Trong
trường hợp hợp kim hóa cơ học bằng việc thay đổi liên tục diện tích tiếp xúc và
bằng việc phá hủy lớp sản phẩm do khuếch tán mà quá trình khuếch tán được tăng
cường:

D = D0 e

−

Q
RT

Trong đó:

D - hệ số khuếch tán.
Do - hệ số hàm mũ (phụ thuộc vào lực liên kết giữa các nguyên tử).
Q - hoạt năng của q trình khuếch tán.
R - hằng số khí.

- 22 -

(1.5)


Q = Q tạo nút trống + Q chuyển động nút trống
Sự khuếch tán trong MA có liên quan 2 mặt tự do.
+ Nứt tế vi (quá trình chuyển động của lệch do năng lượng bên trong tăng. Để
ổn định hạt bột các nguyên tử có xu thế điền đầy vết nứt. Quá trình này thúc đẩy quá
trình kết khối vật liệu kim loại).
+ Hàn nguội (do nội năng của các hạt bột khuếch tán tạo hạt bột lớn hơn). Biến
dạng cơ học làm tăng tốc độ khuếch tán, tăng động học hợp kim hóa. Một trong các
yếu tố tăng mạnh khả năng khuếch tán là giảm đường kính hạt bột trong máy
nghiền, tăng diện tích bề mặt, tăng năng lượng tự do.
Deff = (1 − F ) Dt + FDp

(1.6)

Trong đó:
D eff - khả năng khuếch tán hiệu quả.
F

- phần diện tích biên giới hạt.

Dt

- hệ số khuếch tán mạng.

Dp - hệ số khuếch tán biên hạt.
F=

2δ
d

(1.7)

Trong đó:
d - kớch thc ht.
- rng biờn ht.
1.1.3.3. Các thông số quá trình nghiền
Hợp kim hóa cơ học là một quá trình phức tạp, và do đó kéo theo sự tối ưu hóa
một số thông số công nghệ để đạt được các yêu cầu của pha sản phẩm hoặc cấu tróc
tÕ vi. Cã mét sè th«ng sè quan träng cã ¶nh h­ëng tíi kÕt cÊu s¶n phÈm ci cïng
cđa vËt liệu bột:
1. Loại máy nghiền;
2. Tang nghiền;
3. Tốc độ nghiền;
4. Thời gian nghiền;
5. Loại, kích thước và sự phân bố theo kÝch th­íc cđa m¸y nghiỊn;
- 23 -


6. Tỷ lệ bi nghiền/bột theo khối lượng;
7. Khoảng không chiếm chỗ của vật liệu nghiền;
8. Môi trường nghiền;

9. Các nhân tố điều khiển quá trình;
10. Nhiệt độ nghiền.
Tất cả các biến quá trình không hoàn toàn độc lập, chẳng hạn, thời gian nghiền
tối ưu phụ thuộc vào loại máy nghiền, kích thước của máy nghiền, nhiệt độ nghiền,
tỉ lệ bi nghiền/ bột nghiền...
1. Loại máy nghiền
Có rất nhiều loại máy nghiền như: 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 ®é nghiỊn vµ
møc ®é nhiƠm bÈn nhá nhÊt cđa bét nghiền. Tùy thuộc loại vật liệu bột, số lượng vật
liệu bột và thành phần cuối cùng yêu cầu mà chọn một máy nghiền phù hợp.
2. Vật liệu tang nghiền và bi
Vật liệu chế tạo tang nghiền (dạng thùng hoặc bình) khá quan trọng, bởi vì sự
va chạm của bi nghiền lên thành trong của tang nghiền, một số vật liệu có thể bị bật
ra và nhiễm vào bột nghiền. Điều này có thể làm bẩn vật liệu bột hoặc thay ®ỉi tÝnh
chÊt hãa häc cđa vËt liƯu bét. NÕu vËt liệu làm bình khác so với vật liệu bột nghiền
thì bột có thể bị nhiễm bẩn. Các hạt bi thép và bình được biến cứng có thể được
dùng với các vật liệu tương tự vật liệu nghiền được phủ lên bình chứa để ngăn cản sự
nhiễm bẩn.
3. Tốc độ nghiền
Tốc độ nghiền càng lớn thì năng lượng cung cấp cho bét nghiỊn cµng cao.
Nh­ng tïy thc vµo sù thiÕt kÕ của máy nghiền mà có những giá trị giới hạn ®èi
víi tèc ®é lín nhÊt cã thĨ sư dơng. VÝ dụ, ở các máy nghiền bi thông thường khi
tăng tốc độ quay vượt quá một tốc độ tới hạn, các bi nghiền sẽ ép sát lên bề mặt
thành trong của thùng chứa và không thể rơi xuống gây ra không xẩy ra bất kỳ sự va
chạm nào. Vì thế, tốc độ lớn nhất phải nhỏ hơn giá trị tới hạn này, do đó các bi

- 24 -

nghiền rơi từ độ cao lớn nhất sinh ra năng lượng va chạm lớn nhất có thể. Một
sự hạn chế đối với tốc độ lớn nhất là tại tốc độ lớn, nhiệt độ của thùng chứa có
thể đạt giá trị cao. Điều này có thể có lợi trong một số trường hợp khi cần đến
sự khuếch tán để đẩy mạnh sự đồng nhất hoặc hợp kim hóa trong các hạt bột.
Nhưng trong một số trường hợp, sự tăng nhiệt độ có thể là bất lợi bởi vì nhiệt
độ cao làm tăng thêm quá trình biến đổi và dẫn đến sự phân ly của dung dịch
rắn quá bÃo hòa hoặc các pha giả ổn định sinh ra khi nghiền. Thêm nữa, nhiệt
độ cao sinh ra còn có thể làm nhiễm bẩn bột và làm cho bột bám lên bi nghiền
và thành bình chứa.
4. Thời gian nghiền
Thời gian nghiền là thông số quan trọng nhất. Thông thường thời gian nghiền
được lựa chọn khi nhận được trạng thái ổn định giữa sự bẻ gẫy và sự hàn nguội của
các hạt vật liệu bột. Thời gian yêu cầu thay đổi tùy thuộc vào loại máy nghiền được
dùng, cường độ nghiền, tỉ lệ bi nghiền/ bột và nhiệt độ nghiền. Thời gian phải được
lựa chọn với sự kết hợp của các thông số trên và cho mỗi hệ bột riêng biệt. Nhưng
có thể nhận thấy rất rõ rằng mức độ nhiễm bẩn tăng và một vài pha không mong
muốn sinh ra nếu vật liệu bột được nghiền trong thời gian dài hơn yêu cầu. Vì thế
mong muốn rằng vật liệu bột được nghiền với khoảng thời gian hợp lý và không nên
quá dài.
5. Tỉ lệ bi nghiền/ bột
Tỉ lệ bi nghiền/bột là một thông số quan trọng trong quá trình nghiền.
Nó thay đổi bởi các nghiên cứu khác nhau từ giá trị thấp (1 : 1) đến giá trị cao
(220 : 1). Thông thường, giá trị hay được sử dụng nhất là 10 : 1 khi nghiền
trong các máy nghiền có dung lượng nhỏ. Nhưng khi nghiền trong các máy
nghiền có dung lượng lớn như các máy nghiền mài mòn, tỉ lệ bi nghiền/bột có
thể tăng lên 50 : 1, thậm chí là 100 : 1. Tỉ lệ bi/bột có ảnh hưởng quan trọng
đến thời gian nghiền yêu cầu để nhận được một pha đặc biệt trong bột bị
nghiền. Tỉ lệ bi/bột càng lớn thì thời gian nghiền càng ngắn.
6. Môi trường nghiền

- 25 -