Cu và hợp kim Cu có độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và độ dẻo cao nên thường được sử dụng để chế tạo điện cực hàn phục vụ trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: từ đóng tàu, chế tạo ôtô – xe máy cho đến sản xuất bàn ghế, đồ dân dụng.
Microstructure and property of TiB2– dispersed Cu-matrix composites produced by mechanical mixing, self propagating high temperature synthesis and spark plasma sintering
Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy Khoa
Khoa học và công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Tóm tắt
Trong công trình này, vật liệu tổ hợp Cu-4,5%TiB2 đã được chế tạo thành công đế sản xuất thử điện cực. Kết quả phân tích cấu trúc của mẫu bột sau phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao cho thấy hạt TiB2 đã hình thành và phân bố đều trên nền Cu với kích thước nhỏ hơn 250 nm. Quá trình làm giảm nồng độ TiB2 trong sản phẩm sau phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao được thực hiện bằng phương pháp nghiền trộn cơ học, độ đồng đều của vật liệu đạt đến trạng thái tới hạn tại tốc độ nghiền 300 vòng/phút với thời gian nghiền trộn 60 phút. Mẫu khối đạt tỷ trọng trên 98% sau khi thiêu kết ở nhiệt độ 650°C trong thời gian 5 phút. Cơ tính và độ dẫn điện đều thoả mãn tiêu chuẩn cho vật liệu điện cực. Sự phân bố của hạt TiB2 với kích thước nhỏ mịn trong nền Cu là nguyên nhân chính làm tăng cơ tính của vật liệu. Các tính chất của hệ vật liệu này cũng được so sánh với một số hệ vật liệu tổ hợp mới được phát triển gần đây.
Abstract
In this work, the Cu – 4.5%TiB2 was successfully fabricated for electrode materials. The microstucture obser- vation of powder after self propagating high temperature synthesis (SHS) showed that the TiB2 dispersoids with the particle size of smaller than 250 nm uniformly distributed in Cu matrix. The dilution of TiB2 content in the product of SHS process was carried out by mechanical mixing (MM). The homogeneity of the materials was obtained after mixing at 300 rpm for 60 min. After sintering at 650°C for 5 min, the relative density of the sintered samples was approximately 98%. The hardness, tensile strength, ultimate tensile strength, microhardness and electrical con- ductivity exceeded those of the standard electrode materials. The fine dispersed TiB2 dispersoids in Cu matrix were the main reason to improve the mechanical properties of the composites. The properties of the composites were compared with those of other electrode materials developed recently.
1. Đặt vấn đề
Cu và hợp kim Cu có độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và độ dẻo cao nên thường được sử dụng để chế tạo điện cực hàn phục vụ trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: từ đóng tàu, chế tạo ôtô – xe máy cho đến sản xuất bàn ghế, đồ dân dụng. Song, trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao, khoảng (600-700)°C, độ bền cơ học của Cu, độ bền nhiệt của hợp kim Cu và cả độ dẫn điện của chúng lại giảm một cách đáng kể [1, 2 và 3]. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự hình thành pha mới và thô trong nền hợp kim. Nếu sử dụng Cu và hợp kim Cu làm vật liệu chế tạo điện cực hàn ở nhiệt độ cao thì chất lượng hạn bị hạn chế.
Việc nâng cao độ bền cơ học, độ dẫn điện của vật liệu điện cực hàn nền Cu ở nhiệt độ cao có thể tiến hành bằng cách tạo ra một loại vật liệu tổ hợp giữa Cu và cốt hạt phân tán Al2O3, WC, TiC, TiN hoặc TiB2 [2,3 và 4]. Sự có mặt của các cốt hạt phân tán đó với một hàm lượng nhỏ, khoảng vài phần trăm và kích thước nhỏ mịn, sẽ cản trở sự chuyển động của lệch, làm tăng nhiệt độ kết tinh lại và hạn chế sự phát triển hạt của pha nền Cu ở nhiệt độ cao [5].
Trong công trình nghiên cứu này, vật liệu tổ hợp cốt hạt phân tán TiB2 trên nền Cu được đề xuất để chế tạo thử điện cực hàn, vì TiB2 có nhiệt độ chảy 2980°C, độ cứng khoảng (1800 – 2600) kG/ mm2, môđun đàn hồi khoảng (510-575) MPa và độ dẫn điện 25 W/mK, cao hơn so với các loại cốt phân tán khác.
Liên quan đến việc phát triển hệ vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán TiB2, GS Kwon và các cộng sự [6] đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu-57% (thể tích) TiB2 bằng phương pháp trộn cơ học (mechanical mixing, viết tắt là MM) sao cho hỗn hợp Cu, Ti và B được phân bố đều, sau đó thực hiện phản ứng tự sinh nhiệt ở nhiệt độ cao (self-propagating high-temperature sythesis, viết tắt là SHS) đối với hỗn hợp Cu, Ti và B này. Theo kết quả nghiên cứu, cốt hạt TiB2 với cỡ hạt (100-200) nm đã hình thành trên nền Cu sau phản ứng SHS.
Tuy nhiên, vật liệu tổ hợp Cu-57%TiB2 chỉ đạt được độ bền cơ học cao, còn độ dẫn điện vẫn thấp. Các thực nghiệm cho thấy, vật liệu tổ hợp Cu – TiB2 chỉ có thể đạt được độ dẫn điện cao với hàm lượng của TiB2 ≤ 15% [2, 3, 4, 8 và 9]. Nhưng trong thí nghiệm với hàm lượng của TiB2 ≤ 15% thì phản ứng SHS không thể xảy ra trong nền Cu do hàm lượng TiB2 thấp, khả năng tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng Ti và B là kém. Vì lẽ đó, nếu sử dụng hệ vật liệu tổ hợp Cu-57%TiB2 để chế tạo điện cực hàn, hàm luợng của TiB2 cần giảm một cách đáng kể.
Trong công trình nghiên cứu này phương pháp làm giảm hàm lượng TiB2 trong sản phẩm SHS được đề xuất là nghiền trộn sản phẩm SHS với Cu nguyên chất trong máy nghiền cơ học. ở đây vấn đề đồng đều hoá và tiếp tục làm giảm kích thước hạt vật liệu cần đặc biệt quan tâm.
Một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao cơ tính và tính dẫn điện của hệ vật liệu tổ hợp này là tỷ trọng tương đối γ,(%) của vật liệu. Nếu tỷ trọng tương đối γ thấp, hay nói cách khác, độ xốp cao, sẽ làm giảm mạnh cả cơ tính và tính dẫn điện của vật liệu. Để đạt được tỷ trọng tương đối cao có thể sử dụng phương pháp thiêu kết bằng xung plasma (spark plasma sintering, viết tắt là SPS). Đây là một phương pháp thiêu kết tiên tiến đã được Công ty Sumimoto, Nhật Bản, phát triển vào những năm 1990 [7]. Phương pháp này có tốc độ nâng nhiệt cao, nhiệt độ thiêu kết thấp và thời gian thiêu kết ngắn.
