62

Ảnh hưởng của nhiệt độ ép nóng đến tính chất của compozit Cu-TiC-kim cương

Kết quả đánh giá  khả năng cắt gọt  cho thấy sự vượt trội của vật liệu compozit Cu- TiC- kim cương  với các loại vật liệu Cu-Sn-kim cương  , Cu-Ni-kim cương  đang ứng dụng phổ biến trên thị trường với cùng một  chế độ thực nghiệm.

Influence of hot pressing temperature on the  cutting  properties of compozit Cu – TiC – diamond

Nguyễn Minh Đức1, Phạm Thảo2, Trần Quốc Lập1
1) Trường Đại học  Bách khoa  Hà Nội

2) Hội Đúc Luyện kimViệt Nam

Ngày nhận bài: 12/9/2015, Ngày duyệt đăng: 14/10/2015

TÓM TẮT

Phương pháp ép nóng  để chế tạo vật liệu compozite Cu-TiC-kim cương  đã được áp dụng  trong nghiên cứu này. Ảnh SEM, kết quả  phân tích EDX cho  thấy các hạt TiC phân bố đều trong nền đồng, sự  liên  kết tốt giữa các hạt kim cương và nền Cu-TiC. Kết quả đánh giá  khả năng cắt gọt  cho thấy sự vượt trội của vật liệu compozit Cu- TiC- kim cương  với các loại vật liệu Cu-Sn-kim cương  , Cu-Ni-kim cương  đang ứng dụng phổ biến trên thị trường với cùng một  chế độ thực nghiệm.
Từ khóa: compozit Cu-TiC-kim  cương, ép nóng,  khả  năng cắt, ảnh hiển vi điện tử quét, phân tích phổ tán xạ tia X.

ABSTRACT

In this study, a (Cu-TiC)-diamond composite was  fabricated by the hot pressing method. The uniform  distribu- tion of TiC particles  in copper  matrix and strong bending of diamond particles with (Cu-TiC) matrix have been clear – ifiedin SEM imageaves and  EDX analyzing results. Test  results for cutting  capacity  showed the  avantage of (Cu- TiC)-diamond composite over populer (Cu-Sn)-diamond and (Cu – Ni)-diamond composites under  same conditions.
Key words: Cu-TiC-diamond composite, SEM,  EDX, hot pressing, cutting capacity, diamond.6

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Vật liệu compozit  nền kim loại với cốt là các hạt ceramic (oxit, cacbit,  nitrit, kim cương…) mịn có cơ và lý tính đặc biệt và được ứng  dụng  rộng  rãi để làm các loại  vật liệu  kết cấu  cũng  như  vật liệu chức   năng  ví   dụ  như ứng  dụng   trong  lĩnh  vực khoan  cắt các loại  đá. Đối  với lĩnh vực khoan  cắt đá, vật liệu làm việc trong điều kiện chịu mài mòn do tiếp xúc với đất đá và các phoi tạo thành trong quá trình khoan  cắt. Do đó mà yêu cầu đặt ra đối với các loại vật liệu ứng dụng trong lĩnh vực này là phải  có  độ cứng  cao,  chịu  được  mài  mòn  trong quá  trình làm việc… Các  hạt ceramic cứng  phân bố  đều trong  nền  kim loại làm tăng cơ tính,  tính chịu mài mòn  cho kim loại nền.Tuy nhiên, do tính thấm ướt kém của  các hạt  ceramic với  kim loại nóng  chảy nên các loại vật liệu này không thể chế tạo  bằng   phương  pháp đúc  thông   thường. Gần đây,  một  số các phương pháp  thay  thế đã  được nghiên cứu  để chế tạo compozit  nền kim loại cốt hạt ceramic trong đó nổi trội là phương pháp luyện kim bột  do  phương pháp này có  ưu điểm  là qui trình chế  tạo đơn  giản,  chi  phí  thấp và tiêu hao nguyên liệu  thấp.  Đối  với  các compozit  nền  kim loại  chế  tạo bằng   phương pháp  luyện kim  bột thông   thường bao   gồm  ép  nguội   đồng  trục  và thiêu kết,  để  tăng mật độ của  vật liệu, người  ta thường tăng lực  ép trong  quá  trình  ép hoặc tăng nhiệt độ trong quá trình thiêu kết.

Tuy nhiên, lực ép quá lớn sẽ làm xuất hiện các vết nứt tại biên giới  giữa nền và cốt  thậm chí làm vỡ các hạt cứng  dẫn đến làm giảm cơ tính của  vật liệu. Bên cạnh  đó,  biện  pháp tăng nhiệt độ  thiêu kết chỉ phù hợp với các kim loại   có nhiệt độ nóng chảy  cao  vì khi tăng nhiệt độ thiêu kết lên quá giới hạn  cho  phép có  thể làm  thay  đổi  hình dáng và kích thước của sản phẩm. ép nóng  là phương pháp kết hợp nguyên công ép tạo hình và thiêu kết trong cùng  một  công  đoạn. Ưu điểm  của  phương  pháp này là tổng hợp được compozit  nền kim loại cốt hạt ceramic có mật độ cao  và tạo liên  kết tốt giữa nền và cốt qua  đó có thể tăng cơ tính và tính chịu mài mòn của  compozit. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu  tổng hợp  compozit  nền  đồng  cốt  hạt TiC và kim cương bằng  phương pháp ép nóng.

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Nguyên vật liệu

Bột đồng (kích thước hạt trung bình 10 μm), bột TiC (kích  thước  hạt trung  bình  0,7  μm),  bột  kim cương AC6 125/100 (kích thước hạt từ 125 đến 100 μm) được sử dụng  làm nguyên liệu ban  đầu. Các vật liệu này đều được mua  từ Trung Quốc.

2.2.  Các thông số  thực  nghiệm  chế tạo com- pozit  Cu – TiC- kim cương

Căn cứ  vào các tài liệu  và các công  trình  đã công  bố  [1-2], tác giả đã  lựa chọn  quy trình công nghệ chế tạo như hình 1.

Hình 1. Sơ đồ công  nghệ chế tạo vật liệu compozit Cu-TiC-kim  cương

Hỗn  hợp bột  Cu,  bột  TiC, các hạt  kim cương được  phối  trộn  theo  một  tỷ lệ,  trải qua  các công đoạn chế tạo vật liệu compozit  Cu-TiC-kim cương theo  quy trình công  nghệ như hình 1.

Qua  quá trình  nghiên  cứu,  tìm  hiểu  và tham khảo các tài liệu, các công trình đã công bố đối với compozit  nền  kim loại  (Cu-TiC-kim cương)  và hệ vật liệu cắt trên  cơ sở các hạt  cắt là kim cương, thành phần (phần trăm khối lượng) tối ưu TiC là 5% [1-2], phối liệu kim cương là 5% khối  lượng  [3-7]. Hỗn hợp bột Cu, 5 % TiC tiến hành trộn trong máy nghiền trộn hành tinh FRISTH 4, với tỷ lệ bi / bột: 10/1, tốc độ 150 v/phút, thời gian trộn 5 h. Hỗn hợp bột Cu, bột TiC sau khi trộn, được phối trộn với kim cương  theo  tỷ lệ là 5% (khối lượng). Hỗn  hợp bột Cu,  TiC, kim cương được  trộn  trong  máy  nghiền trộn, với tốc độ là 40 v/phút.

Hỗn hợp bột  sau  khi trộn,  được ép nóng. Mẫu sau  ép  nóng   sẽ  được kiểm tra  tỷ  trọng   bằng phương  pháp thủy tĩnh,  đánh giá  và so  sánh khả năng cắt gọt của  compozit  Cu-TiC-kim cương qua chiều sâu cắt với  hệ vật liệu đang được ứng dụng trong  thực  tế (hệ Cu- Sn-kim  cương, Cu-Ni-kim cương),  chụp  tổ chức  tế vi mẫu compozit  Cu-TiC- kim cương trên máy SEM HITACHI-S 4800.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả chế tạo vật liệu compozit Cu-TiC – kim cương

Bảng 1 và hình 2 trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ  quá  trình ép nóng  đến  mật độ  tương  đối  của compozit  Cu-5%TiC-5% kim cương.

Bảng  1. ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến tỷ trọng và độ xốp  của compozit Cu-TiC-kim  cương (Nhiệt độ được xác định qua chế độ điện)

Nhiệt độ oC Thời gian giữ nhiệt
τ = 5 phút
γ
(g/cm3)
θ
( %)
600 5,50 7,1
700 5,53 6,5
850 5,59 5,4
950 5,65 4,6

Từ các kết quả  ở bảng  1, xây dựng  được đồ thị biểu diễn ảnh  hưởng của  nhiệt độ ép đến tỷ trọng và độ xốp của vật liệu compozit  Cu-TiC-kim cương như ở hình 2.

Hình 2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ ép đến tỷ trọng và độ xốp  của vật liệu compozit Cu-TiC-kim  cương

Các kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ ép nóng, mật độ  của  compozit  tăng lên, độ  xốp  của  com- pozit  giảm  xuống. Mật độ  của  compozit   tăng  từ 5,50  đến 5,65  g/cm3  khi nhiệt độ ép nóng  tăng từ 600  đến  950 oC  và độ xốp  giảm  tương ứng  khi nhiệt độ tăng từ 600 đến 950 oC. Xu hướng mật độ tăng lên của  compozit  và độ xốp  giảm theo  nhiệt độ thiêu kết có thể giải thích là do sự xuất hiện của một lượng nhất định pha lỏng khi nhiệt độ thiêu kết gần với nhiệt độ nóng  chảy của  Cu (1084  oC). Mật độ  cao  sẽ có  lợi  cho  cơ  tính  của  compozit   Cu-5% TiC-5%  kim cương nhận  được.  Tổ  chức  tế  vi của   compozit   Cu-5%TiC -5%   kim  cương  được quan  sát trên hiển vi điện tử quét (SEM). Để chứng minh hiệu quả của  phương pháp ép nóng, tổ chức tế vi của  compozit  chế tạo bằng  phương pháp ép nóng   được  so  sánh với  compozit   chế  tạo bằng phương  pháp ép nguội  đẳng  trục,  với  lực ép 100 MPa và thiêu kết ở nhiệt độ 950 oC, kết quả  được trình bày ở hình 3.

Hình 3. ảnh SEM của vật liệu compozit Cu -TiC- kim cương chế tạo bằng các phương pháp khác nhau (a) Phương pháp ép nóng (b) Phương pháp ép và thiêu kết

Ảnh SEM  của  compozit  chế  tạo bằng  phương pháp  ép nóng  (hình 3a)  cho  thấy liên  kết xít  chặt giữa  nền đồng và các hạt kim cương. Ngược  lại, ảnh  SEM của  compozit  Cu-5%TiC-5% kim cương chế tạo bằng  phương pháp thông thường (hình 3b) cho  thấy liên  kết kém giữa  nền đồng  và hạt  kim cương  thể hiện qua  các khe  hở  rộng  ở  biên giới giữa nền và cốt. Kết quả trên đã cho thấy hiệu quả của  phương pháp ép nóng  so với  phương pháp ép và thiêu kết thông thường. Kết quả khảo sát độ xốp của vật liệu  cũng cho thấy khi nhiệt độ ép 950 oC, thời gian   giữ nhiệt 5 phút, ở cùng một thành phần liệu ban  đầu độ xốp giảm mãnh liệt khi ép nóng.

3.2.Đánh giá khả năng cắt gọt của compozit CuTiC-kim cương với các vật liệu cắt thông dụng

Vật  liệu compozit Cu-TiC-kim cương đượcđánh giá khả năng cắt gọt thông qua chiều sâu cắt và soánh với các hệ vật liệu cắt thông  dụng đang sử dụng trong thực tế là hệ Cu-Sn-kim  cương, Cu- Ni-kim cương trên đá granite  tự nhiên, độ cứng  là 5,8 M (thang  đo Morhs),  trong điều kiện mô phỏng tương đương với điều kiện thực  tế (tải trọng  32 N, tốc độ quay 450 vòng/phút trong thời gian 60 phút) Khả  năng  cắt gọt  của  các  hệ vật liệu khác nhau được trình bày trên hình 5.

Hình 5. Biểu đồ so sánh khả năng cắt gọt thông  qua chiều sâu cắt của compozitCu-TiC- kim cương  với hệ vật liệu đang ứng dụng trong thực tế (Cu- Sn- kim cương,  Cu-Ni-kim  cương)

Từ hình 5 thấy compozit  Cu-5% TiC-5 % kim cương có khả năng cắt gọt vượt trội hơn so với các hệ vật liệu Cu-Sn-kim  cương và Cu-Ni-kim cương. Cụ thể là chiều sâu cắt của  compozit  Cu-5% TiC-5% kim cương cao  gấp hơn 2 lần so với hệ Cu-Ni- kim cương (0,26 và 0,12 cm), 1,6 lần so với hệ Cu-Sn-kim cương (0,26 và 0,16  cm). Được như vậy là do  sự  giảm  nhanh của  độ  xốp,  làm tăng  cơ tính tổng hợp của  vật liệu. Ngoài ra sự  xít chặt của  tổ chức  tế  vi, không  có  vết nứt  ở  phần tử cắt (kim cương) làm tăng tuổi thọ  và tính  năng cắt của dụng  cụ.

4. KẾT LUẬN

Chế độ công  nghệ thích hợp để chế tạo com-pozit  Cu-TiC-kim  cương là: nhiệt độ  ép 950  oC, thời gian giữ nhiệt 5 phút.  Các kết quả  nghiên cứu cho  thấy phương pháp  ép nóng  tốt  hơn  phương pháp ép đẳng trục và thiêu  kết thông  thường, cụ thể là tạo ra liên kết tốt hơn giữa nền và các hạt cắt. Với cùng một chế độ thử như nhau, chiều sâu cắt của  compozit  Cu-TiC-  kim cương gấp hơn  2 lần so với Cu-Ni- kim cương và gấp 1,6 lần so với Cu-Sn-kim  cương.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Vũ Lai Hoàng, Công nghệ chế tạo compozit nền Cu cốt hạt nano  TiC, Luận án tiến sỹ, Trường Đại học Bách khoa  Hà Nội, 2013
  2. Phạm Ngọc Diệu Quỳnh, Nghiên cứu cơ chế thiêu kết bột thép gió siêu mịn hệ Fe-Mo-W và TiC, Luận án tiến sỹ, Trường Đại học Bách khoa  Hà Nội, 2005
  3. Nguyễn Khắc Xương, Vật liệu kim loại màu, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2003
  4. Benjamin J, Dispersion strengthened  supperalloys  by  mechanical  alloying,  Metallurgical  and  Materials Trasanctions B, 1, 1970,  pp. 2943  – 2951
  5. Benjamin J and John S, Advances in powder metallurgy, Proceedings of the Novel  Powder Metallurgy,  San Francisco, CA, USA,  Metal Powder  Industries Federation, Princeton, NJ 7, 1992,  pp. 155 – 158
  6. Takahashi T. and Hashimoto Y., Preparation of carbid-dispersion -strengthened coppers by mechanical alloy- ing, Material Science Forum 88 -90, 1992, pp. 175 -182
  7. Weber L. and Tavangar R., Diamond -based metal  matrix compozit for thermal management: potential  and limits, Adv.  Mater.Res.59, 2009,  pp. 111-115

Leave a Reply

Your email address will not be published.