Luận án Nghiên cứu vật liệu tổ hợp thép – hợp kim đồng làm chi tiết truyền dẫn điện tiếp xúc bằng công nghệ luyện kim bột

- 1 - A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hiện nay ở Việt Nam có nhiều dự án trọng điểm của nhà nước trong lĩnh vực xây dựng các mạng lưới giao thông công cộng (tàu điện ngầm, tàu điện nổi, ô tô bánh lốp chạy điện, tàu đường sắt vận tải hàng hoá và chở khách chạy bằng đầu máy điện) theo mô hình của các nước công nghiệp phát triển trên thế giới là rất có hiệu quả, giảm thiểu sử dụng các nguồn năng lượng gây ô nhiễm môi trường. Do vậy, cần có hệ thống cung cấp truyền dẫn điện động lực tới những mạng lưới giao thông vận tải nói trên, trong đó có cặp tiếp xúc điện kiểu trượt dây điện – thanh cái dẫn điện từ các vật liệu kỹ thuật điện có tính năng đặc biệt được chế tạo công nghệ luyện kim bột. Ở nước ta hiện nay chưa có nghiên cứu sâu về công nghệ này ứng dụng cho việc chế tạo vật liệu bimetal, compozit từ bột kim loại, sử dụng làm thanh cái truyền dẫn điện động lực tiếp xúc kiểu trượt. Các thông tin được cập nhật chủ yếu là từ nguồn tư liệu qua các trang quảng cáo điện tử trên mạng Internet, thiếu thông tin sâu về công nghệ chế tạo vật liệu có tính năng đặc biệt loại này. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu vật liệu tổ hợp thép – hợp kim đồng làm chi tiết truyền dẫn điện tiếp xúc bằng công nghệ luyện kim bột” được đề xuất ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn điện động lực cho tầu đường sắt vận chuyển khoáng sản trong ngành khai thác mỏ hiện nay ở Việt Nam là rất cấp thiết, có tính mới về khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu là làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) trên cơ sở thép kỹ thuật điện và hợp kim đồng bằng phương pháp luyện kim bột. 3. Đối tượng nghiên cứu Chế tạo thử thanh cái thu điện động lực cho đầu máy tầu điện cần vẹt vận tải khoáng sản từ vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr và bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đặc điểm tính năng và yêu cầu kỹ thuật của các loại tiếp xúc điện kiểu đóng ngắt và kiểu trượt sử dụng trong hệ thống và vật liệu bimetal dùng cho chế tạo tiếp xúc điện; - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết công nghệ luyện kim bột, áp dụng cho tạo phôi vật liệu bimetal trên cơ sở nền thép và lớp phủ hợp kim đồng; - 2 - - Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr và bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 bằng công nghệ luyện kim bột để chế tạo thanh cái thu điện động lực cho đầu máy tầu điện cần vẹt vận tải khoáng sản bằng đường sắt và thử nghiệm trên hiện trường khai thác mỏ ở tỉnh Quảng Ninh; - Khai thác sử dụng phần mềm chuyên dùng để phân tích cấu trúc vật liệu và xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm ra quy luật ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính tới hàm mục tiêu chất lượng vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng. 5. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm: - Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật để xác định tính năng và phạm vi sử dụng của vật liệu bimetal truyền dẫn điện tiếp xúc trong ngành kỹ thuật điện và công nghệ chế tạo vật liệu bimetal trên thế giới, trong đó có công nghệ luyện kim bột để giới hạn nội dung chính của đề tài luận án; - Lựa chọn trang thiết bị luyện kim bột phù hợp hiện có tại các cơ sở nghiên cứu ở Việt Nam để thí nghiệm; - Phần nghiên cứu thực nghiệm gồm các bước: Chuẩn bị nguyên liệu; Chế tạo mẫu bimetal thép (08s) – hợp kim đồng (BCuSn4Pb4Zn2C-gr và BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2) trong quy mô phòng thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm; Kiểm định đánh giá các thông số của vật liệu; Xác định miền các thông số công nghệ thích hợp; Chế thử sản phẩm; Giám định đánh giá chất lượng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án a) Ý nghĩa khoa học - Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn về quá trình nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ tiên tiến trên thế giới thuộc lĩnh vực vật liệu tiếp điểm điện, các cặp tiếp xúc điện kiểu cố định, kiểu trượt làm bằng vật liệu bimetal phổ biến của các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Mỹ, Đức, Nhật Bản, Liên Xô (chủ yếu là phương pháp luyện kim bột). Sử dụng vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng trong kỹ thuật điện là bước tiến mới của các nhà khoa học vật liệu trên thế giới, hướng tới mục tiêu kết hợp những tính năng điện kỹ thuật của các vật liệu thành phần trong sản phẩm tiếp xúc điện, đảm bảo yêu cầu làm việc ở những điều kiện chịu tải cơ học và tải điện, chịu ăn mòn hóa học và xói mòn điện trong các môi trường làm việc khác nhau; - Nghiên cứu xác định cơ sở khoa học để lựa chọn tham số công nghệ gây ảnh hưởng đến tính chất vật liệu tổ hợp thép 08s – hợp kim đồng - 3 - BCuSn4Pb4Zn2C-gr (BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2) có tính năng đặc biệt dùng làm thanh cái truyền dẫn điện động lực như: tính dẫn điện, cấu trúc tế vi tại biên giới 2 lớp, khả năng làm việc khi đóng ngắt mạch điện và quy luật biến đổi của nó nhằm làm chủ bí quyết điều khiển công nghệ trong việc chế tạo chúng; - Xây dựng mô hình toán học thực nghiệm mô tả quy luật sự phụ thuộc của hàm mục tiêu chất lượng vật liệu (độ xốp và mật độ của lớp hợp kim đồng) vào các thông số công nghệ chính trong miền khảo sát lựa chọn, từ đó nhờ trợ giúp của phần mềm tin học chuyên dụng đã đưa ra đồ thị ở dạng không gian 3 chiều và 2 chiều một cách trực quan, làm cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ công nghệ thích hợp; - Nghiên cứu xác định điện trở riêng của vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng, lượng mòn nhanh và hệ số ma sát của lớp hợp kim đồng trong phòng thí nghiệm, sử dụng thiết bị thử kỹ thuật số hiện đại. b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Luận án - Đã chế thử thanh cái thu điện động lực vào đầu máy tầu vận tải khoáng sản bằng đường sắt ở quy mô sản xuất bán công nghiệp và lắp ráp khảo nghiệm thành công trên khai trường mỏ ở tỉnh Quảng Ninh, được doanh nghiệp sử dụng đánh giá cao về chất lượng vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr với tính năng kỹ thuật tương đương và thời gian sử dụng dài hơn sản phẩm tương tự được nhập khẩu tử Trung Quốc; - Đề tài Luận án góp phần thúc đẩy các nghiên cứu ứng dụng công nghệ luyện kim bột của thế giới vào điều kiện cụ thể ở Việt Nam để chế tạo các linh kiện điện kỹ thuật có hàm lượng công nghệ cao, trong đó có thanh cái bimetal dẫn điện động lực, nhằm tiết kiệm vật liệu quý hiếm, giảm thiểu nhập siêu, tiết kiệm ngoại tệ. 7. Các điểm mới của luận án - Thông qua nghiên cứu thực nghiệm đã xây dựng được quan hệ giữa một số thông số công nghệ chính của quá trình thiêu kết bột hợp kim đồng có nhiều thành phần nguyên tố hợp kim hóa và pha trộn tạo hạt cứng phân tán (Sn, Zn, W), các chất bôi trơn rắn (Pb, C-gr) và dập tia lửa điện (CdO) lên lớp nền thép 08s và hàm mục tiêu độ xốp phù hợp với điều kiện thiết bị thí nghiệm hiện có tại Việt Nam. Từ các kết quả thực nghiệm đã xác định được độ xốp thể tích (γV) và độ xốp diện tích (γD) của lớp vật liệu hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-g và BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 sau thiêu kết đạt trong khoảng giới hạn cho phép, đảm bảo điện trở riêng nhỏ nhất; - 4 - - Bằng phương pháp hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích thành phần cấu trúc bằng X-ray đã khảo sát và bàn luận về tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr (BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2), minh chứng cho các mức chất lượng khác nhau trên một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được ở điều kiện quy hoạch thực nghiệm tìm miền thích hợp của các thông số công nghệ chính trong phạm vi khảo sát; - Đã xác định độ cứng tế vi trên biên giới 2 lớp và điện trở riêng của vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng bằng các phương pháp đo và tính toán tiên tiến với độ tin cậy cao và làm rõ được đặc tính của vật liệu bimetal phụ thuộc vào tỷ lệ các lớp kim loại thành phần cấu trúc (về thành phần hóa học và kích thước hình học), cấu trúc tế vi và độ xốp của lớp hợp kim đồng; - Chất lượng vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng được đánh giá thông qua độ bền bám dính 2 lớp (σb.d), độ xốp lớp hợp kim đồng chịu mòn sau thiêu kết (γV), điện trở (R) của thanh cái dẫn điện động lực trên sản phẩm chế thử; - Đề xuất công nghệ chế tạo vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr (BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2) bằng phương pháp luyện kim bột phù hợp với điều kiện sản xuất công nghiệp quy mô loạt nhỏ ở Việt Nam, đảm bảo chất lượng ổn định. 8. Cấu trúc của Luận án. Ngoài phần Mở đầu (06 trang), Kết luận chung luận án (02 trang), Danh mục các công trình đã công bố (01 trang); Danh mục tài liệu tham khảo (12 trang) và Phụ lục gồm các Phiếu báo kết qủa thí nghiệm (58 trang), luận án được trình bày trong 5 chương: Chương 1: Tổng quan vật liệu truyền dẫn điện tiếp xúc (25 trang); Chương 2: Cơ sở lý thuyết luyện kim bột (33 trang); Chương 3: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm, phương pháp nghiên cứu (19 trang); Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm thiêu kết tạo vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr làm tiếp xúc điện kiểu trượt (30 trang); Chương 5: Chế thử thanh cái thu điện vào đầu máy tầu vận tải khoáng sản từ vật liệu bimetal thép 08s – BCuSn4Pb4Zn2C-gW2CdO2 (29 trang). - 5 - B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU TRUYỀN DẪN ĐIỆN TIẾP XÚC 1.1. Khái quát về các chi tiết truyền dẫn điện tiếp xúc Cặp tiếp xúc điện một phần trong mạch điện của hệ thống điện, cho phép dòng điện đi qua một cách tin cậy và không có sự tổn hao đáng kể. Tiếp xúc điện được chia thành 3 nhóm chính: 1) Tiếp xúc kiểu cố định; 2) Tiếp xúc kiểu trượt; 3) Tiếp xúc kiểu đóng ngắt. 1.2. Nghiên cứu tổng quan về vật liệu bimetal kỹ thuật điện và công nghệ chế tạo Tiếp xúc điện chế tạo từ vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng nói riêng phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật chuyên ngành cụ thể như: tính chất dẫn điện; độ bền mòn cơ học; độ bền chống ăn mòn hóa học và xói mòn điện; độ bền vững trong môi trường làm việc nhiệt ẩm và yếu tố kinh tế khi sử dụng. Đối với các cặp tiếp xúc điện kiểu trượt trong các máy điện, lớp vật liệu tiếp xúc trực tiếp phải đảm bảo yêu cầu về độ bền mòn cơ học và chống xói mòn điện cao hơn đáng kể so với tiếp xúc kiểu cố định và đóng ngắt. Các phương pháp chủ yếu ngoài công nghệ luyện kim bột được sử dụng để chế tạo tiếp xúc điện bimetal thép – hợp kim đồng bao gồm: hàn tiếp xúc dưới áp lực, cán dính ở trạng thái nóng, cán dính ở trạng thái nguội, hàn nóng chảy bằng dòng cảm ứng trên máy cán, hàn tiếp xúc ở trạng thái nguội, tạo lớp phủ kim loại bằng phương pháp mạ. Luyện kim bột là công nghệ tiên tiến nhất. Hình 1.2 c. Thanh cái bimetal thép 08Kп – hợp kim đồng kiểu trượt của Nga thu điện vào đầu máy tầu vận tải khoáng sản khai trường Quảng Ninh 1.3. Đặc điểm của vật liệu tiếp xúc điện bimetal Qua việc tổng hợp, phân tích tài liệu tham khảo ta có nhận xét sau 1.3.1. Vật liệu bimetal đồng – bạc hợp kim hóa cadimi: 1) Thành phần hóa học của các kim loại (hợp kim) dùng để chế tạo bimetal kỹ thuật điện có ảnh hưởng quyết định tới độ bền bám dính 2 lớp của nó. Thiên hướng bị ôxy hóa và hình thành các liên kết kim loại cục bộ, - 6 - khả năng xuất hiện pha lỏng, khả năng cán nóng và cán nguội, thiên hướng bị biến cứng, khả năng hình thành các dung dịch rắn trong vùng liên kết hai vật liệu hàn,là những yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng của vật liệu bimetal; 2) Chế độ công nghệ tối ưu để chế tạo tiếp xúc điện bimetal phụ thuộc vào thành phần, tính chất 2 lớp kim loại cấu thành sao cho: giảm khả năng hình thành pha lỏng xuống tối thiểu; không vượt quá giá trị biến dạng tới hạn làm phá hủy mối hàn giữa 2 lớp bimetal; không tạo ra sự hình thành ôxit, liên kim loại và các liên kết khác trong vùng mối hàn, bởi vì chúng làm giảm độ bền bám dính 2 lớp bimetal tới mức không cho phép theo điều kiện làm việc cần thiết. 1.3.2. Vật liệu bimetal trên cơ sở đồng và thép: Việc hợp kim hóa nền đồng làm giảm nhiệt độ nóng chảy, giảm nhiệt độ cán nóng, độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép – hợp kim đồng tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo khi cán nóng ở quy mô sản xuất công nghiệp thay đổi trong phạm vi 150 ÷ 220 MPa (bảng 1.2 và 1.3 [37]). Bảng 1.2. Độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép – đồng khi thử kéo trượt Tỷ lệ các lớp trong bimetal, % 10 - 90 10 - 80 - 10 Giới hạn chảy, σs, MPa Giới hạn bền, σB, MPa Độ giãn dài tương đối, δ, % 22 32 25 32 42 38 Bảng 1.3. Ảnh hưởng của thời gian ủ tới độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép – đồng Thời gian ủ ở nhiệt độ 700 OC, phút 30 60 120 180 240 Độ bền bám dính 2 lớp σBD, MPa 140 155 165 175 180 1.4. Xác định nội dung chính cần nghiên cứu của đề tài luận án Sau khi đã nghiên cứu tổng quan nêu trên đã chỉ ra rằng: - Ở một số nước trên thế giới đã rất thành công trong công nghệ luyện kim bột, đặc biệt áp dụng làm vật liệu kỹ thuật điện từ bimetal và thép - hợp kim đồng. - Tại Việt Nam, việc nghiên cứu luyện kim bột đã bước đầu có thành công trong điều kiện thí nghiệm, cho sản xuất một số phụ tùng xe máy. Song cũng chưa có công trình nào nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện kim bột cho vật liệu kỹ thuật điện. Do vậy, việc nghiên cứu vật liệu bimetal thép - 7 - - hợp kim đồng nói chung sẽ mở ra hướng mới trong sản xuất vật liệu kỹ thuật điện tại nước ta. Kết luận chương 1 1) Qua việc nghiên cứu tổng quan về các loại tiếp xúc điện: kiểu cố định, kiểu trượt, kiểu đóng ngắt, công nghệ và vật liệu chế tạo, trong đó có vật liệu bimetal kỹ thuật điện thép - hợp kim đồng và một số phương pháp công nghệ chế tạo đã lựa chọn công nghệ luyện kim bột để nghiên cứu thực nghiệm tạo phôi bimetal làm thanh cái dẫn điện cho hệ thống cấp điện động lực cho tàu vận tải khoáng sản bằng đường sắt trên khai trường tỉnh Quảng Ninh; 2) Từ những công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới đã cho thấy: Để tăng độ bền mòn và khả năng chống phóng tia lửa điện trong quá trình làm việc của bộ đôi dây dẫn – thanh cái thu điện của tàu vận tải hoặc trong cầu dao cách ly hạ thế của hệ thống truyền tải điện động lực, cần phải đưa chất bôi trơn rắn vào nền đồng như Sn, Pb, Zn, Gr, CdO.... với hàm lượng khác nhau tùy theo theo điều kiện làm việc cụ thể. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LUYỆN KIM BỘT 2.1. Nguyên lý công nghệ luyện kim bột truyền thống Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế tạo chi tiết máy bằng phương pháp luyện kim bột cho trên hình 2.1, gồm các bước: 1) Chuẩn bị bột nguyên liệu; 2) Ép bột tạo hình phôi chi tiết; 3) Thiêu kết vật ép từ bột kim loại; 4) Biến dạng dẻo ở tráng thía nóng hoặc nguội phôi sau thiêu kết; 5) Xử lý nhiệt và gia công hoàn thiện [1], [27]. Đây là công nghệ được áp dụng phổ biến tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới như: Anh, Mỹ,Đức, Liên Xô, Nhật Bản, Thụy Điển, ... ← Hình 2.1. Công nghệ chế tạo chi tiết máy bằng phương pháp luyện kim bột của hãng KREBSOGE - 8 - 2.2. Cơ sở lý thuyết về thiêu kết hệ bột kim loại đơn nguyên và đa nguyên 2.2.1. Thiêu kết bột kim loại hệ đơn nguyên: gồm có 2 giai đoạn: 1) Giai đoạn đầu: Nhiệt độ thiêu kết 100 ÷ 140 OC làm bay hơi nước và khí. Nhiệt độ (0,4 ÷ 0,5).Tn.c sẽ phân hủy chất kết dính và bôi trơn; 2) Giai đoạn cuối: Nhiệt độ thiêu kết đạt (0,7 ÷ 0,9).Tn.c, hoàn thiện quá trình hoàn nguyên ôxit, hình thành tiếp xúc giữa các hạt đã hoàn nguyên và các kim loại. 2.2.2. Thiêu kết bột kim loại hệ đa nguyên: được thực hiện ở pha rắn hoặc pha lỏng và có nhiều điểm chung như thiêu kết bột đơn nguyên và có sự tương tác giữa các nguyên tố khi thiêu kết trong pha rắn, các bột kim loại cấu thành có thể hoàn tan với nhau. 2.2.3. Thiêu kiết có sự tham gia của pha lỏng: quá trình thiêu kết bột kim loại hệ đa nguyên xẩy ra đều có sự tham gia của pha lỏng, pha này được tạo thành do sự nóng chảy của nguyên tố kim loại dễ nóng chảy hơn. 2.2.4. Độ co ngót của vật ép khi thiêu kết: nằm trong phạm vi rất rộng từ 0,9 ÷ 1,7 % và phụ thuộc vào 4 yếu tố: 1) Dạng phối liệu; 2) Áp lực ép bột tạo hình phôi chi tiết; 3) Nhiệt độ thiêu kết; 4) Thời gian thiêu kết. 2.3. Lý thuyết về biến dạng kim loại bột sau thiêu kết và gia công hoàn thiện 2.3.1. Lý thuyết về biến dạng kim loại bột sau thiêu kết: Để giảm độ xốp, nâng cao mật độ kim loại cần phải qua công đoạn biến dạng dẻo. 2.3.2. Nhiệt luyện và gia công hoàn thiện chi tiết máy luyện kim bột: là công đoạn cuối cùng trong công nghệ chế tạo chi tiết bằng luyện kim bột nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. 2.4. Một số định hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu truyền dẫn điện tiếp xúc luyện kim bột trên thế giới Trên thế giới đã có nhiều sáng chế về vật liệu tiếp xúc điện luyện kim bột chủ yếu là của các nước Anh, Pháp, Mỹ, Đức, Nhật Bản, Liên Xô và có thể tham khảo trong các tài liệu [51] ÷ [86], còn các nghiên cứu về công nghệ chế tạo và tính chất của chúng − ở các tài liệu [87] ÷ [177] bằng các thứ tiếng Nga, Anh, Đức. Kết luận Chương 2: Từ nội dung trên đây ta có các kết luận sau: 1) Đã trình bày khái quát về cơ sở lý thuyết của quá trình luyện kim bột truyền thống, xác định các yếu tố chính của công nghệ luyện kim bột (chuẩn bị, ép tạo hình, thiêu kết, ép chỉnh, xử lý nhiệt và gia công hoàn thiện) làm cơ sở khoa học cho việc chọn điều kiện thí nghiệm; - 9 - 2) Đã trình bày có hệ thống các sáng chế của một số nước trên thế giới như: Anh, Pháp, Mỹ, Đức, Nhật Bản, Liên Xô (Nga) về vật liệu luyện kim bột sử dụng làm tiếp điểm và tiếp xúc điện, chú trọng vào cặp tiếp xúc điện kiểu trượt. Đồng thời đã chỉ dẫn các công trình nghiên cứu quan trọng về vật liệu tiếp xúc điện của Mỹ và Liên Xô đang được sản xuất quy mô công nghiệp và sử dụng phổ biến trong các máy điện và hệ thống điện; 3) Từ việc nghiên cứu tổng quan nói trên đã lựa chọn thành phần vật liệu bột đồng hợp kim và giải pháp công nghệ luyện kim bột phù hợp với điều kiện trang thiết bị hiện có ở Việt Nam để phục vụ thí nghiệm cho đề tài luận án là có cơ sở khoa học. Chương 3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Vật liệu thử nghiệm: Chọn thành phần hóa học hỗn hợp bột hợp kim đồng dùng cho thí nghiệm trong luận án là: BCuSn4Pb4Zn2C-gr (mác 1) và BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 (mác 2). 3.2. Thiết bị thí nghiệm: đã sử dụng các thiết bị như: Máy nghiền trộn bột ly tâm hành tinh; Thiết bị trộn bột kim loại; Đồ gá để rải, ép bột hợp kim đồng trên nền thép; Lò thiêu kết hợp kim; Máy cán 2 trục; Máy nắn chính băng bimetal; Cân điện tử khảo sát độ xốp; Kính hiển vi quang học; Máy đo độ cứng tế vi; Thiết bị đo điện trở kỹ thuật số; Thiết bị đo mòn nhanh và hệ số ma sát kỹ thuật số; Máy phân tích SEM-EDX và phân tích X-ray. 3.3. Phương pháp nghiên cứu 3.3.1. Phương pháp tạo bột nguyên liệu lớp phủ trên nền thép: bột nguyên liệu là hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr và từ đó trộn thêm một lượng nhỏ W và CdO để tăng khả năng chịu mài mòn và dập hồ quang (bảng 3.1). Thời gian nghiền trộn tng.t = 2 ÷ 2,5 giờ trên máy ly tâm hành tinh; hoặc tng.t = 3 giờ khi sử dụng máy trộn trên công nghiệp. Bảng 3.1. Thành phần vật liệu bột hợp kim đồng sử dụng cho thí nghiệm Mác vật liệu Bột đồng hợp kim hóa của Cty Cơ khí Ngô Gia Tự, % k.l. Bột trộn, %k.l. Mức điều chỉnh thời gian trộn, tng.t, h Sn Pb Zn C-gr Cu W CdO (0) (1) (2) Bước 1 & 2 4,0 4,0 2,0 1,0 Còn lại 2,0 2,0 2,0 2,5 3,0 0,5 - 10 - 3.3.2. Điều kiện thực nghiệm thiêu kết lớp phủ trên nền thép: Sử dụng quy hoạch thực nghiệm N = qk = 33 = 27 (bảng 3.2), với các mẫu có kích thước δFe x bFe x lFe = 4 x 30 x 100 mm để thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và (4 ÷ 5) x 160 x (685 ÷ 750) mm trong lò công nghiệp. Bảng 3.2. Điều kiện thí nghiệm hiệu chỉnh công nghệ quy hoạch thực nghiệm Thông số chính khảo sát Ký hiệu Mức 0 Mức 1 Mức 2 Bước Áp lực rải bột, p, MPa X1 0 25 50 25 Nhiệt độ thiêu kết, Tt.k, OC X2 850 875 900 25 Thời gian thiêu kết, tt.k, h X3 1,0 1,5 2,0 0,5 Độ hạt trung bình: θd = 100 ÷ 125 μm; môi trường thiêu kết: khí NH4NO3 phân hủy 3.3.3. Phương pháp thí nghiệm ép, thiêu kết tạo mẫu bimetal thép – hợp kim đồng: Thực nghiệm tạo mẫu bimetal thép – hợp kim đồng theo điều kiện quy hoạch (mô hình cho trên hình 3.15) Điều kiện biên: X5; X6; Yếu tố độc lập (đầu vào): X1; X2; X3;. Y §èi t−îng nghiªn cøu Hàm mục tiêu (đầu ra): Y1= γO; Y2 = ρO Hình 3.15. Mô hình quy hoạch thực nghiệm thiêu kết tạo mẫu vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng 3.3.4. Chọn hàm mục tiêu độ bền bám dính 2 lớp bimetal, độ xốp và mật độ tương ứng lớp vật liệu thiêu kết: Tính toán xây dựng mô hình toán học hàm mục tiêu trên cơ sở các đa thức trực giao của các biến số độc lập với số lượng thí nghiệm n < 30: độ bền bám dính (σb.d.), độ xốp (γ), mật độ lớp vật liệu (ρ); xác lập mô hình toán học mối tương quan giữa chỉ tiêu đánh giá chất lượng vật liệu bimetal thông qua hàm mục tiêu σb.d, γ, ρ, đảm bảo: γmin ≤ γ ≤ γmax; ρ = ρmin.Phương pháp tính tham khảo tài liệu [145]. 3.3.5. Phương pháp thử xác định độ bền bám dính2 lớp bimetal: Xác định độ bền bám dính giữa hai lớp kim loại sau khi thiêu kết xác định bằng phương pháp thử phá huỷ [145]. - 11 - 3.3.6. Phương pháp xử lý số liệu thống kê toán học thực nghiệm: Xử lý số liệu thống kê toán học thực nghiệm: Tính toán các giá trị trung bình X, độ lệch quân phương S2X, sai số tiêu chuẩn SX và sai số tích luỹ ΔXΣ theo phương pháp toán học [145]. 3.3.7. Phương pháp tính toán độ xốp và mật độ lớp hợp kim đồng sau thiêu kết: theo phương pháp đo thể tích hoặc cân thủy tĩnh tham khảo ở tài liệu [44]. 3.3.8. Phương pháp khảo sát cấu trúc vật liệu bột hợp kim sau thiêu kết: Khảo sát cấu trúc vật liệu bột hợp kim sau thiêu kết bằng cách sử dụng phân tích EDX để xác định vi cấu trúc [44]. 3.3.9. Phương pháp đo điện trở suất thanh cái bimetal thép – hợp kim đồng: tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng vật liệu bimetal làm thanh cái dẫn điện trong công trình này được chọn là điện trở suất của nó [9], [10], [43]. Đo điện trở suất thanh cái bimetal thép – hợp kim đồng bằng thiết bị kỹ thuật số đo điện trở trực tiếp chuyên dụng. 3.3.10. Phương pháp khảo sát mòn và đo hệ số ma sát lớp hợp kim đồng: nghiên cứu khảo sát mòn và đo hệ số ma sát lớp hợp kim đồng được thực hiện trên thiết bị thí nghiệm thử nhanh TRIBOtechnic kỹ thuạt số chuyên dụng trong phòng thí nghiệm. Kết luận Chương 3 1) Đã chọn vật liệu lớp phủ là mác hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr và BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2, lớp thép nền mác 08s và các thiết bị thí nghiệm gồm: máy trộn bột ly tâm hành tinh, đồ gá ép bột, lò thiêu kết, máy cán tinh, thiết bị kiểm định chất lượng mẫu hiện có trong nước ở trình độ tiên tiến của thế giới (xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal; xác định độ xốp và mật độ lớp phủ đồng hợp kim; nghiên cứu tổ chức tế vi; phân tích pha cấu trúc SEM-EDX trên biên giới 2 lớp; đo điện trở thanh cái bimetal); 2) Đã lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm kiểu 3 mức với 3 biến số độc lập chính: 1) Áp lực ép bột khi rải (p); 2) Nhiệt độ thiêu kết (Tt.k); 3) Thời gian thiêu kết (tt.k) với thời gian trộn bột hợp lý chọn trong miền đã xác định dựa trên kết quả thực nghiệm của một số công trình nghiên cứu trong nước (tng.t); 3) Đã chọn phương pháp đo thể tích, cân thủy tĩnh để tính toán xác định độ xốp của mẫu thí nghiệm, phân tích cấu trúc kim loại tại biên giới 2 lớp bimetal thép – hợp kim đồng, cũng như các phương pháp mới để đo điện trở suất thanh cái bimetal, đo hệ số ma sát và đo lượng mòn nhanh của - 12 - lớp hợp kim đồng trên các thiết bị hiện đại phù hợp với điều kiện hiện có ở Việt Nam, đảm bảo độ tin cậy cao. Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THIÊU KẾT TẠO VẬT LIỆU BIMETAL THÉP 08s – HỢP KIM ĐỒNG BCuSn4Pb4Zn2C-gr LÀM TIẾP XÚC ĐIỆN KIỂU TRƯỢT 4.1. Phối liệu và nghiền trộn bột nguyên liệu: Phối liệu bột hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr và sử dụng thiết bị trộn năng suất cao trong 2 giờ, đảm bảo độ đồng đều tương đối tốt. 4.2. Thiêu kết tạo phôi vật liệu bimetal thép 08s – BCuSn4Pb4Zn2C-gr: Bột BCuSn4Pb4Zn2C-gr được rải lên tấm thép 08s có kích thước 5 x 50 x 100 mm để thí nghiệm với miền điều chỉnh: 1) p = 0; 25; 50 MPa; 2) Tt.k = 850; 900; 950 OC; 3) tt.k.= 1,0; 1,5; 2,0 giờ đạt yêu cầu. 4.2.1. Nghiên cứu khảo sát hình thái bề mặt phôi bimetal sau thiêu kết Hình thái bề mặt lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr sau thiêu kết lần 1 cho trên hình 4.1 và hình 4.2. a) p = 25 MPa; Tt.k.= 850÷ 900OC; tt.k =1÷ 2 h b) p = 50 MPa; Tt.k.= 850÷ 900OC; tt.k =1÷2 h c): p = 75 MPa; Tt.k.= 850÷ 900OC; tt.k = 1÷2 h Hình 4.2. Một số mẫu thí nghiệm điển hình theo điều kiện quy hoạch thực nghiệm thiêu kết bột hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr lên nền thép 08s 4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ thiêu kết đến độ xốp, mật độ lớp hợp kim đồng: Kết quả thực nghiệm xác định độ xốp (γ) và mật độ ban đầu (ρ ) của lớp hợp kim đồng thiêu kết lần 1 trên nền thép trong bảng 4.1. Phân tích số liệu thực nghiệm ta có nhận xét rằng cùng với chiều tăng của 3 thông số p, Tt.k, tt.k trong vùng khảo sát đã chọn trong quy hoạch thực nghiệm, độ xốp giảm tỷ lệ thuận, còn mật độ tương ứng tăng. 4.2.3. Mô hình hóa toán học độ xốp, mật độ lớp hợp kim đồng sau thiêu kết: Sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng xử lý số liệu thống kê toán học cho trong bảng 4.1 trên đây theo phương pháp đã trình bày trong Chương 3, ta nhận được các đồ thị mô tả sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời - 13 - giữa 3 thông số (p.Tt.k; Tt.k.tt.k; p.tt.k) ở dạng trong không gian 3 chiều (3D) như cho trên các hình 4.6 ÷ 4.8. a) p = 25 MPa b) p = 50 MPa c) p = 75 MPa Hình 4.6. Sự phụ thuộc của độ xốp diện tích lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr vào nhiệt độ thiêu kết (Tt.k.) và thời gian thiêu kết (tt.k) ở các mức áp lực ép bột (p) khác nhau a) Tt.k = 850 OC b) Tt.k = 875 OC c) Tt.k = 900 OC Hình 4.7. Sự phụ thuộc của độ xốp diện tích lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr vào áp lực ép bột (p) và thời gian thiêu kết (tt.k) ở các mức nhiệt độ thiêu kết (Tt.k.) khác nhau a) tt.k = 1,0 h b) tt.k = 1,5 h c) tt.k = 2,0 h Hình 4.8. Sự phụ thuộc của độ xốp diện tích lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr vào áp lực ép bột (p) và nhiệt độ thiêu kết (Tt.k.) ở các mức thời gian thiêu kết (tt.k) khác nhau Hàm mục tiêu độ xốp phụ thuộc vào tổ hợp 3 thông số công nghệ chính ở dạng bậc 2 với các biến thực y1 (p, Tt.k, tt.k) nhận được như sau: y1 (p, Tt.k, tt.k) = 60240,01 – 96,59197.p – 122,1025.Tt.k – 4856,082.tt.k + 0,0933853.p.Tt.k + 4,6816.p.tt.k + 4,6676.Tt.k.tt.k + 0,06207.p2 + 0,062198.T2t.k. + 150,8022.t2t.k (4.1) - 14 - Hàm mục tiêu là mật độ trung bình của lớp vật liệu hợp kim đồng thiêu kết trên nền thép được cho trên các hình 4.9 ÷ 4.11. a) p = 25 MPa b) p = 50 MPa c) p = 75 MPa Hình 4.9. Sự phụ thuộc của mật độ trung bình lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr vào thời gian thiêu kết (tt.k) và nhiệt độ thiêu kết (Tt.k.) ở các mức áp lực ép bột (p) khác nhau a) Tt.k = 850 OC b) Tt.k = 875 OC c) Tt.k = 900 OC Hình 4.10. Sự phụ thuộc của mật độ trung bình lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr vào thời gian thiêu kết (tt.k) và áp lực ép bột (p) ở các mức nhiệt độ thiêu kết (Tt.k.) khác nhau a) tt.k = 1,0 h b) tt.k = 1,5 h c) tt.k = 2,0 h Hình 4.11. Sự phụ thuộc của mật độ trung bình lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr vào nhiệt độ thiêu kết (Tt.k.) và áp lực ép bột (p) ở các mức thời gian thiêu kết (tt.k) khác nhau Hàm mục tiêu mật độ trung bình phụ thuộc vào tổ hợp 3 thông số công nghệ chính ở dạng bậc 2 với các biến thực y2 (p, Tt.k, tt.k) nhận được như sau: y2 (p, Tt.k, tt.k) = – 14,77924 – 0,029146.p + 0,04035567.Tt.k + 2,143761.tt.k + 0,00004967.p.Tt.k – 0,00390867.p.tt.k – 0,00149.Tt.k.tt.k – 0,000046204.p2 – ,000020675.T2t.k. +0,1737778.t2t.k (4.2) - 15 - 4.3. Nghiên cứu tổ chức tế vi biên giới liên kết 2 lớp bimetal sau thiêu kết: Kết quả điển hình cho trên các hình 4.15 ÷ 4.17. H.K.Cu B.G↑Fe b) Mẫu số 07 (Đức) e) Độ xốp diện tích γ 04 = 17,37 % f) Vùng xốp có mầu đen Hình 4.15. Tổ chức tế vi vật liệu bimetal thép 08s - BCuSn4Pb4Zn2C-gr (Lô số 1 sau thiêu kết): b) Tại biên giới 2 lớp (ảnh chụp tại CHLB Đức); e) - Lớp hợp kim đồng; d, f) - Biểu đồ phân tích các vùng cấu trúc (VN) H.K.Cu B.G↑Fe a) Mẫu số 12 c) Độ xốp diện tích γ 12 = 18,01 % d)Vùng xốp có mầu đen Hình 4.16. Tổ chức tế vi vật liệu bimetal thép 08s – BCuSn4Pb4Zn2C-gr (Lô số 2 sau thiêu kết): a) Tại biên giới 2 lớp không có khuyết tật b) Tại biên giới 2 lớp (ảnh chụp tại CHLB Đức); c) Lớp hợp kim đồng; f) Biểu đồ phân tích các vùng cấu trúc (Việt Nam) H.K.Cu B.G↑Fe a) Mẫu số 21 c) Độ xốp diện tích γ 21 = 12,17 % mẫu số d)Vùng xốp có mầu đen Hình 4.17. Tổ chức tế vi vật liệu bimetal thép 08s – BCuSn4Pb4Zn2C-gr (Lô số 3 sau thiêu kết): a) Tại biên giới 2 lớp (ảnh chụp tại CHLB Đức); c) Lớp hợp kim đồng; d) Biểu đồ phân tích các vùng cấu trúc (Việt Nam) - 16 - 4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08s-BCuSn4Pb4Zn2C-gr Kết quả nghiên cứu được cho trong bảng 4.2. Độ bền bám dính hai lớp vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng sau thiêu kết (ε0 = 0) đạt: σb.d.= 14,60 ÷ 81,85 MPa, còn sau biến dạng dẻo trạng thái nguội với ε2 = 15 % đạt σb.d.= 7,8 ÷ 77,15 MPa; với ε3 = 30 % đạt σb.d.= 7,8 ÷ 55,06 MPa (không qua ủ). Nguyên nhân là do sau khi cán không ủ khử ứng suất nên độ bền bám dính 2 lớp bimetal tương ứng trên các mẫu thí nghiệm ở cả 27 chế độ quy hoạch giảm đáng kể. 4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng làm thanh cái dẫn điện 4.5.1. Tổ chức tế vi tại biên giới hai lớp bimetal: Kết quả cho trên hình 4.20 và hình 4.21 (mũi tên trên hình (b) chỉ hướng cán ép). a) γ 06 = 18,45 % b) Hướng cán ép c) Vùng xốp mầu đen Hình 4.20. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu bimetal thép 08s – BCuSn4Pb4Zn2C-gr sau thiêu kết và cán nguội (mẫu số 06): a) Biên giới 2 lớp; b) Lớp hợp kim đồng; c) Biểu đồ phân tích các vùng cấu trúc bằng phần mềm Pro-Materrial analyzer a) γ 26 = 8,92 % b) Hướng cán ép c) Vùng xốp mầu đen Hình 4.21. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu bimetal thép 08s – BCuSn4Pb4Zn2C-gr sau thiêu kết và cán nguội (mẫu số 26): a) Biên giới 2 lớp; b) Lớp hợp kim đồng; c) Biểu đồ phân tích các vùng cấu trúc bằng phần mềm Pro-Materrial analyzer - 17 - Từ các hình 4.20 (mẫu số 06, mã số 210) và hình 4.21 (mẫu số 26, mã số 212) cho nhận thấy: trên biên giới 2 lớp mẫu số 06 vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr có một vài đoạn cục bộ “lỗ xốp đường biên” kích thước không lớn, lỗ xốp và cấu trúc bị biến dạng nén, lỗ xốp giảm đáng kể; còn trên biên giới mẫu số 26 – có một vài đoạn cục bộ “lỗ xốp đường biên” với kích thước nhỏ hơn nhiều, các lỗ xốp và cấu trúc bị biến dạng cán ép mạnh hơn nhiều so với mẫu số 06. Như vậy, nguyên công cán ép là rất cần thiết vì nó làm giảm độ xốp đáng kể trong lớp hợp kim đồng, điều đó làm giảm điện trở riêng của vật liệu bimetal nói chung. 4.5.2. Độ cứng tế vi tại biên giới 2 lớp bimetal: tại biên giới 02 lớp thép 08s và hợp kim đồng trên mẫu thanh dẫn điện hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr sau thiêu kết (được đo ở tải trọng nhỏ HV0,1 và P = 10 G), kết quả cho trong bảng 4.3 và có giá trị trong khoảng: 1) Lớp hợp kim đồng HVCu0,1 = 96 ÷ 132; lớp thép 08s HVFe0,1 = 131 ÷ 152; trên biên giới 2 lớp HVB.G0,1 = 161 (sau thiêu kết lần 1); 2) Lớp hợp kim đồng HVCu0,1 = 82 ÷ 122; lớp thép 08s HVFe0,1 = 128 ÷ 152; trên biên giới 2 lớp HVB.G0,1 = 147 (sau thiêu kết lần 2). Trên hình 4.23 a là ảnh chụp vết đô độ cứng tế vi vùng biên giới 2 lớp bimetal thép – hợp kim đồng sau thiêu kết lần 1, còn hình 4.23 b – sau thiêu kết lần 2 (khoảng cách giữa các vết đo là 50 μm). a) b) Hình 4.25. Ảnh chụp mẫu đo độ cứng tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr sau thiêu kết: a) Lần 1; b) Lần 2 Ta nhận thấy độ cứng tế vi lớp hợp kim đồng sau thiêu kết lần 2 giảm rõ rệt hơn so với sau thiêu kết lần 1, còn lớp thép 08s cũng có giảm nhẹ, do đó khi cần tạo lớp phủ hợp kim đồng cả 2 mặt lớp thép phải chấp nhận hiện tượng giảm độ cứng tế vi nói trên. Lớp 2 Lớp 3 Lớp 1 Lớp 2 - 18 - Kết luận Chương 4: 1) Đã thực nghiệm trộn bột hợp kim đồng BCuSnPb4ZnC-gr trên máy trộn năng suất cao ở quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất công nghiệp và xác định thời gian trộn tốt nhất là 2 giờ. Từ đó đã thiêu kết tạo mẫu thí nghiệm theo điều kiện quy hoạch thực nghiệm với các mức cho trước của 3 thông số công nghệ chính (p, Tt.k và tt.k) đạt kết quả tốt; 2) Đã xác định độ xốp thể tích và độ xốp diện tích cho thấy có quy luật giảm tỷ lệ thuận theo chiều tăng của p, Tt.k và tt.k (số liệu cụ thể xem Luận án); 3) Đã xác định độ xốp thể tích và độ xốp diện tích lớp hợp kim đồng thiêu kết trên nền thép và cho thấy có quy luật giảm tỷ lệ thuận theo chiều tăng của p, Tt.k và tt.k đồng thới với quy luật tăng mật độ trung bình tỷ lệ thuận với chiều tăng của 3 thông số p, Tt.k và tt.k; 4) Đã xác định được quy luật độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr (sau cán nguội không qua ủ khử ứng suất) giảm tỷ lệ thuận theo chiều tăng của mức độ biến dạng tương đối qua các bước biến dạng dẻo và có giá trị tương ứng là: σb.do = 14,6 ÷ 81,85 MPa (ε0 = 0) tới σb.d2 = 7,8 ÷ 55,06 MPa (ε2 = 30 %); 5) Đã nghiên cứu khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi biên giới 2 lớp trên một số mẫu thí nghiệm điển hình, phân tích ảnh kỹ thuật số bằng phần mềm Material Pro- Analyzer để xác định độ xốp diện tích và so sánh với độ xốp thể tích, kết quả nhận được trùng khớp với kết quả kiểm chứng trên các mẫu tương ứng giửu đi giám định tại CHLB Đức; 6) Từ kết quả nghiên cứu của đê ftaif luận án đã áp dụng thử nghiệm thiêu kết thành công tấm vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr kích thước lớn (6 + 2) x (150 ÷ 220) x (800 ÷ 1.800 mm) trong lò thiêu kết công nghiệp để chế tạo thanh cái thu điện trong hệ thống tầu vận tải khoáng sản bằng đường sắt kết trên khai trường mỏ ở tỉnh Quảng Ninh.. Chương 5. CHẾ THỬ THANH CÁI THU ĐIỆN VÀO ĐẦU MÁY TẦU VẬN TẢI KHOÁNG SẢN TỪ VẬT LIỆU BIMETAL THÉP 08s – HỢP KIM ĐỒNG BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 5.1. Phối liệu, trộn và rải bột nguyên liệu BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 Phối liệu từ 1,5 % đến 2,0 % W và CdO vào bột BCuSn4Pb4Zn2C-gr trên máy trộn ly tâm hành tinh để tiến hành thí nghiệm. Thời gian trộn là 2 giờ, sau đó đem đi rải lên nền thép 08s và thiêu kết trong lò có khí bảo vệ. - 19 - VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau CuSn6Zn6Pb3-W-CdO(I) 05-0467 (D) - Cassiterite, syn - SnO2 - Y: 2.85 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 04-0686 (*) - Lead, syn - Pb - Y: 10.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0657 (D) - Copper Zinc - CuZn - Y: 27.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 02-1436 (D) - Copper Tin - CuSn - Y: 23.14 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 File: Hung-Vien NCCK-CuSn6Zn6Pb3-W-CdO(I).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 11/24/11 11:19:04 L i n ( C p s ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 2-Theta - Scale 11 20 30 40 50 60 7 d = 3 . 3 5 3 d = 2 . 8 6 0 1 d = 2 . 6 2 5 4 d = 2 . 4 7 6 4 d = 2 . 1 0 2 1 d = 1 . 8 1 8 9 d = 1 . 7 5 0 3 d = 1 . 6 7 9 4 d = 1 . 4 9 3 5 d = 1 . 4 2 9 1 Hình 5.1. Kết quả X-ray mẫu 1 Qua kết quả X- ray cho thấy các thành phần hợp kim bột với hàm lượng: 23,14 % CuSn; 27,7 % CuZn; 10 % Pb; 2,85 % SnO2; còn lại là Cu. Như vậy, các mẫu trên khá tương đồng nhau và có độ ổn định tương đối cao. 5.2. Hình thái bề mặt lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 sau thiêu kết: Kết quả cho thấy độ bám dính của lớp hợp kim đồng với lớp nền tăng dần theo chiều tăng của các thông số quy hoạch và khá tốt (hình 5.6). a) Mẫu số 01 (MS:000): p = 0; Ttk = 850 OC; tt.k = 1,0 h b) Mẫu số 02 (MS:010): p = 0; Ttk = 875 OC; tt.k = 1,0 h c) Mẫu số 03 (MS:020): p = 0; Ttk = 900 OC; tt.k = 1,0 h Hình 5.6. Hình thái bề mặt lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-rW2CdO2 sau thiêu kết trên nền thép 08s (Lô số 01, rải bột tự do p = 0) 5 3. Nghiên cứu khảo sát tổ chức tế vi biên giới liên kết 2 lớp bimetal sau thiêu kết: Ảnh chụp tổ chức tế vi trên biên giới 2 lớp bimetal thép – hợp kim đồng sau thiêu kết lần 1 cho trên các hình 5.9 ÷ 5.14. Hình 5.9 a.Mẫu số 02: p = 0 MPa; Lxop ≈ 200 ÷250 µm (liên kết chưa tốt) Hình 5.10 c. Mẫu số 06: p = 25 MPa; Lxop ≈ 100÷120 µm (liên kết khá tốt) - 20 - Hình 5.11 c. Mẫu số 09: p = 50 MPa; Lxop≈60 ÷ 80 µm; Không có lỗ xốp trên biên giới 2 lớp (liên kết tốt) Hình 5.12 a. Mẫu số 10: p = 0 MPa; Lxop ≈ 200 ÷ 250 µm; Không có lỗ xốp trên biên giới 2 lớp (liên kết tốt) Hình 5.13 a. Mẫu số 13: p = 25 MPa; Lxop≈ 180÷200µm; Không có lỗ xốp trên biên giới 2 lớp (liên kết rất tốt) Hình 5.13 c. Mẫu số 15: p = 50 MPa; Lxop ≈ 80 ÷ 150 µm; Không có lỗ xốp trên biên giới 2 lớp (liên kết rất tốt) Hình 5.14 a. Mẫu số 16: p= 50 MPa; Lxop ≈ 20 ÷ 30 µm; Không có lỗ xốp trên biên giới 2 lớp (liên kết rất tốt) Hình 5.14 b. Mẫu số 17: p= 50 MPa; Lxop≤ 30 µm; Không có lỗ xốp trên biên giới 2 lớp (liên kết rất tốt) Từ các hình 5.9 ÷ 5.14 cho thấy độ bám dính 2 lớp bimetal thép – hợp kim đồng có xu hướng tăng dần theo chiều tăng của các thông số p, Tt.k và tt.k. Các lỗ xốp trong lớp hợp kim đồng sau thiêu kết có chiều hướng giảm tỷ lệ nghịch theo chiều tăng của 3 thông số công nghệ khảo sát. Còn biên giới giữa nó với lớp nền thép không còn dầu hiệu có các khuyết tật dạng “lỗ xốp đường biên”. Điều đó làm tăng chất lượng bám dính 2 lớp bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-rW2CdO2. - 21 - 5.4. Xác định độ tin cậy kết quả nghiên cứu cấu trúc tế vi Để xác định độ tin cậy thực nghiệm trong nước, luận án đã có sự trợ giúp của đồng nghiệp tại CHLB Đức trong việc khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi lớp hợp kim đồng ở vùng lân cận biên giới liên kết với lớp nền thép trên hai mẫu có ký hiệu số 12 và số 16. Kết quả được thể hiện trên hình 5.12 ÷ 5.13 cho thấy rất tương đồng với nhau. Điều đó chứng tỏ độ tin cậy của chúng cao (hình 5.13 dưới đây trích dẫn đối với mẫu số 16). H.K.Cu B.G↑Fe a) Mẫu số 16 b) Độ xốp diện tích γ 16 = 14,85 % c) Vùng xốp mầu đen Hình 5.13. Tổ chức tế vi bimetal thép 08s – BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2: a) Liên kết tại biên giới 2 lớp rất tốt (chụp ở CHLB Đức); b) Lớp hợp kim đồng; c) Biểu đồ phân tích vùng cấu trúc tế vi (Việt Nam) 5.5. Nghiên cứu chế thử sản phẩm thanh cái dẫn điện động lực vào đầu máy tầu vận tải Do đặc tính của lớp thép 08s và lớp hợp kim đồng luyện kim bột có độ dẫn điện thấp hơn đồng nguyên chất, nên cần tiến hành thí nghiệm đo điện trở (thông qua điện dẫn G) trên 09 mẫu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 sản xuất thử nghiệm. Chiều dài mẫu đo điện trở chọn L = 150 mm cắt từ xá tấm bimetal có kích thước dày mẫu: 5mm; chiều rộng mẫu 18 ÷ 22 mm và 685 ÷ 750 mm, kết quả cho trong bảng 5.1 trong bản Luận án như sau: 1) Điện dẫn đo được trên 09 mẫu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 đạt trong khoảng tương đối rộng: Gbimet = 0,002534 ÷ 0,003727 S, còn điện trở đo được trên máy đo kỹ thuật số là: giảm dần theo chiều tăng các thống số công nghệ khảo sát từ Rbimet = 339,53 ÷ 394,58 Ω (Lô số 1) đến Rbimet= 267,14 ÷ 275,81 Ω (lô số 3); 2) Vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 sau thiêu kết và biến dạng đã có độ xốp dư thể tích (tương ứng là độ xốp diện tích) giảm mạnh, do đó điện dẫn của nó còn tăng hơn nữa.Tuy nhiên, - 22 - do có hạn chế về thời gian thực hiện đề tài luận án nên không tiến hành đo kiểm trên các mẫu bimetal sau biến dạng dẻo. 5.6. Nghiên cứu xác định lượng mòn nhanh và hệ số ma sát trong phòng thí nghiệm Nghiên cứu xác định lượng mòn nhanh của lớp hợp kim đồng được thực hiện với chế độ làm việc của 04 cặp ma sát thử nghiệm: I = 600A, P = 1,5 kG/cm2, V= 3,5 m/s, t = 40 giờ, chế độ ma sát khô theo phương pháp thử của tác giả công trình [40]. Lượng mòn của lớp hợp kim đồng trên các mẫu thử nghiệm theo thời gian đạt trong khoảng: U1 = 2,13÷2,14 mm (cặp 1); U2 = 1,11÷ 1,13 mm (cặp 2); U3 = 0,52÷ 0,53 mm (cặp 1); U4 = 0,31 ÷ 0,32 mm (cặp 4). Kết quả cho trên hình 5.17. Lượng mòn, U, mm Thời gian thử, t, phút M1-M1 M1- BCuSn4Pb4Zn2C-gr M1- BCuSn4Pb4Zn2C-grW1,5CdO2 M1- BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 Chế độ thử: Imax = 600A; p = 1500 MPa; v = 3,5 m/s Hình 5.17 Biểu đồ sự phụ thuộc của lượng mòn nhanh của lớp tiếp xúc điện trên thanh cái bimetal theo thời gian thử ở điều kiện ma sát khô và có dòng điện chuyển mạch Hệ số ma sát của lớp hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW3CdO2 trên thanh cái bimetal được xác định trong điều kiện môi trường không khí với tải trung bình 6 N, 12 N và trong môi trường dầu 12 N trên thiết bị TRIBOtechnic. Kết quả cho thấy khi lực ma sát càng tăng thì hệ số ma sát tăng điều đó dẫn đến lượng mòn do ma sát tăng, khi thử trong dầu thì hệ số ma sát giảm (xem hình 5.18 ÷ 5.20 Luận án). 5.7. Kết quả lắp ráp và chạy thử khảo nghiệm quy mô hiện trường a) Điều kiện khảo nghiệm: Sản phẩm được lắp đặt và khảo nghiệm trên đầu máy tầu điện vận tải khoáng sản - Model CJY(S)14/6.7.9G/250, điện áp làm việc 1 chiều 250 V, độ cao của cần vẹt 1800 ÷ 2200 mm, dùng để vận chuyển các khoáng vật và vật liệu dưới hầm lò. Độ cao làm việc so với mực - 23 - nước biển không quá 1200m. Nhiệt độ môi trường xung quanh cao nhất không quá + 40OC, thấp nhất không quá − 25OC. Độ ẩm tương đối của không khí lớp nhất 95 % (thấp nhất không lớn hơn + 25OC); b) Đặc điểm của thanh cái bimetal thép – hợp kim đồng chế thử: Thanh cái bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-gr và BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 có kích thước hình học của mẫu thiết kế là: dày x rộng x dài = 5 x 18 ÷ 22 x 685 ÷ 750 mm được lắp để khảo nghiệm trên hiện trường Công ty TNHH NN MTV Than Dương Huy; c) Đánh giá kết quả khảo nghiệm trên thực tế khai trường: cho thấy với chế độ làm việc bình thường đã đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra, tương đương với sản phẩm cùng loại đang được Công ty nhập khẩu . Kết luận Chương 5 1) Đã thực hiện thành công việc chế tạo vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW2CdO2 có kích thước lớn trên quy mô công nghiệp, nghiên cứu khảo sát tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp với các kết quả điển hình nhận được trong điều kiện Việt Nam trùng khớp với kết quả kiểm chứng trên các mẫu tương ứng tại CHLB Đức; 2) Từ việc phân tích tổ chức tế vi trên biên giới 2 lớp vật liệu bimetal đã minh chứng cho hiện tượng giảm độ xốp của lớp hợp kim đồng sau thiêu kết theo quy luật tỷ lệ thuận với chiều tăng của p, Tt.k và tt.k, từ đó giải thích được quy luật ảnh hưởng của độ xốp lớp hợp kim đồng trên mẫu vật liệu bimetal sau thiêu kết tới điện trở chung của nó. 3) Đã chế tạo thử một số thanh cái dẫn điện động lực vào đầu máy tầu vận tải khoáng sản vận chuyển bằng đường sắt trên khai trường mỏ ở tỉnh Quảng Ninh và chạy thử trên thực tế. Kết quả thanh cái trong thời gian vận hành có hoạt động bình thường. KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN 1) Đã nghiên cứu tổng quan vê tình hình nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu mới, công nghệ mới trong sản xuất các chi tiết tiếp xúc điện ở quy mô công nghiệp tại các nước như Anh, Pháp, Mỹ, Đức, Liên Xô cho thấy: việc sử dụng vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng trong hệ thống truyền dẫn điện động lực cho ngành vận tải đường sắt, hệ thống tàu diện và xe ô tô buýt chạy điện, cũng như tầu vận tải khoảng sản đã kết hợp nhiều ưu điểm của các lớp - 24 - vật liệu thép (sắt armko) và hợp kim đồng để đảm bảo độ bền lâu sử dụng trong điều kiện tải điện có ma sát trượt và phóng hồ quang điện mạnh; 2) Luyện kim bột là một công nghệ tiên tiến đã được nghiên cứu áp dụng phổ biến tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới để chế tạo vật liệu tổ hợp, nên được chọn để nghiên cứu. Vật liệu, thiết bị thí nghiệm hiện có ở Việt Nam đảm bảo đủ điều kiện thí nghiệm. Bằng phương pháp thực nghiệm khoa học phân tích tính chất cơ lý và kim tương học, mô hình hóa toán học đã xây dựng được mối quan hệ giữa 03 thông số công nghệ chính (p, Tt.k, tt.k) và hàm mục tiêu lựa chọn nhằm nâng cao độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal và khả năng chịu mài mòn cơ học, xói mòn điện. Từ đó có thể chỉ định các bộ thông số p, Tt.k, tt.k đảm bảo yêu cầu ở mức cần thiết khi sử dụng; 3) Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xác định quy luật thay đổi độ xốp thể tích và độ xốp diện tích lớp hợp kim đồng sau thiêu kết bằng các phương pháp tương ứng có xu hướng giảm tỷ lệ thuận theo chiều tăng của p, Tt.k và tt.k. 4) Đã xác định được quy luật biến đổi của độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn4Pb4Zn2C-grW3CdO2 sau thiêu kết qua cán nguội (không ủ khử ứng suất) là: giảm tỷ lệ thuận theo chiều tăng của mức độ biến dạng tương đối ở các bước biến dạng dẻo chỉ định: σb.do = 14,6÷ 81,85 MPa (tương ứng với mức độ biến dạng dẻo (ε0 = 0) tới σb.d2 = 7,8 ÷ 55,06 MPa (tương ứng với mức độ biến dạng dẻo ε2 = 30 %); 5) Đã nghiên cứu khảo sát trên ảnh tổ chức tế vi biên giới 2 lớp trên một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được trong quy hoạch thực nghiệm bằng phương pháp hiển vi quang học và phân tích ảnh kỹ thuật số để xác định độ xốp diện tích và phân tích so sánh với độ xốp thể tích. Kết quả nhận được trong điều kiện Việt Nam trùng khớp với kết quả kiểm chứng trên các mẫu tương ứng tại CHLB Đức; 6) Đã chế thử và lắp ráp chạy thử khảo nghiệm thành công một số thanh cái dẫn điện động lực cho đầu máy tầu vận tải khoáng sản trên khai trường mỏ ở tỉnh Quảng Ninh, kết quả bước đầu rất khả quan.