cộng hòa x hội chủ nghĩa việt nam
Bộ công thơng
Viện khoa học và công nghệ Mỏ - Luyện kim
Báo cáo tổng kết đề tài
Nghiên cứu công nghệ sản xuất
dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp
gia công áp lực
6860
15/5/2008 thành phố Hồ chí minh - 2007
cộng hòa x hội chủ nghĩa việt nam
Bộ công thơng
Viện khoa học và công nghệ Mỏ - Luyện kim
báo cáo tổng kết đề tài
Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim
thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực


Vũ Xuân Biết
Lê Kim Hùng
Giảng Văn Dứt
Kỹ s luyện kim
Kỹ s vật lý
Kỹ s cơ khí
Kỹ s cơ khí
Phân viện KH&CN Mỏ-Luyện kim
Phân viện KH&CN Mỏ-Luyện kim
Phân viện KH&CN Mỏ-Luyện kim
Phân viện KH&CN Mỏ-Luyện kim
Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.

3.1.2 Công nghệ nấu luyện hợp kim thiếc hàn hệ Sn-Cu 25
3.2 Nghiên cứu công nghệ đúc phôi thiếc hàn 28
3.2.1 Phơng pháp đúc 28
3.2.2 Kết cấu và kích thớc khuôn đúc, kích thớc phôi đúc 28
3.2.3 Nhiệt độ rót và qui trình đúc 32
3.3 Nghiên cứu công nghệ ép thiếc hàn 33
3.3.1 Kết cấu khuôn ép 33
3.3.2 Phơng pháp ép nguội 34
3.3.3 Phơng pháp ép nóng 34
3.4 Nghiên cứu công nghệ cán 35
3.4.1
Cán trên máy cán 3 trục

115
36
3.4.2 Cán trên máy cán 2 trục

55 37
3.5 Nghiên cứu công nghệ chuốt 37
3.5.1 Chế tạo dây

2,2 37
3.5.2 Chế tạo dây

2,0 37
3.5.3 Chế tạo dây

1,5 37
3.5.4 Chế tạo dây


Bảng 2 Thành phần của một số loại chì kim loại 10
Bảng 3
Thành phần hóa học của đồng theo C 859 - 66
12
Bảng 4 Thành phần và công dụng của một số hợp kim thiếc hàn 14
Bảng 5 Nhiệt độ nóng chảy và tỷ trọng của một số nguyên liệu 15
Bảng 6 Thành phần các nguyên liệu chính (Cu, Sn, Pb) 18
Bảng 7 Phối liệu để nấu các mác hợp kim thiếc hàn 24
Bảng 8 Thành phần các hợp kim thiếc hàn nghiên cứu 24
Bảng 9 Phối liệu để nấu HKTG Sn-Cu (60-40) 26
Bảng 10 Thành phần HKTG Sn-Cu nghiên cứu 26
Bảng 11 Phối liệu nấu hợp kim thiếc hàn Sn-Cu 27
Bảng 12 Thành phần hợp kim thiếc hàn Sn-Cu nghiên cứu 27
Bảng 13 Thành phần Sn, Pb và hợp kim thiếc hàn khi nấu mẻ lớn 42
Bảng 14 Sản phẩm dây thiếc hàn đã bán 43
Hình 1 Mặt cắt đờng lỏng của giản đồ trạng thái hệ Pb - Sb - Sn 4
Hình 2 Giản đồ trạng thái hệ Cu-Sn 16
Hình 3 Lò cảm ứng trung tần 30kg/mẻ 19
Hình 4 Lò nấu hợp kim 15 KW 19
Hình 5
Máy cán 3 trục 115
20
Hình 6
Máy cán 02 trục 55
20
Hình 7 Máy chuốt dây 21
Hình 8 Máy ép thủy lực kiểu ngang 50 tấn 21
Hình 9 Khuôn kim loại để đúc thỏi 29
Hình 10 Khuôn kim loại để đúc phôi dạng ống 30
Hình 11 Kết cấu nguyên lý bộ khuôn ép sản phẩm thiếc hàn

phía Nam. Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2007.
6
CHƯƠNG 1. TổNG QUAN
1.1. tổng quan Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hầu hết các nớc có nền công nghiệp tiên tiến, ngành sản xuất thiết bị
điện và điện tử phát triển đều sản xuất đợc các loại dây thiếc hàn bằng các
thiết bị công nghệ chuyên dụng, có kích thớc đờng kính dây từ 0,1mm (hàn
bo mạch điện thoại di động) đến lớn hơn 3,0mm (hàn cáp điện). Có những loại
sản phẩm dây hợp kim thiếc hàn có tới 03 ruột. Nhiều nớc nguồn nguyên liệu
cơ sở (thiếc, chì, nhựa thông ) không có, ngời ta phải nhập khẩu để sản xuất
các loại dây thiếc hàn nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nớc
ở Việt Nam nguyên liệu chính để sản xuất thiếc hàn và dây thiếc hàn
sẵn có. Hàng năm chúng ta sản xuất vài ngàn tấn thiếc để phục vụ sản xuất
trong nớc và xuất khẩu (Hàng năm Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ -
Luyện kim sản xuất trên một ngàn tấn thiếc loại I và loại II), nguồn chì kim
loại cũng dồi dào (sản xuất từ quặng, từ phế thải của ắc qui và vỏ bọc dây cáp
điện ), nguồn nhựa thông cũng đợc sản xuất nhiều.
Tuy nhiên từ trớc đến nay chúng ta chỉ tập trung vào việc sản xuất các
loại thiếc hàn ở dạng thanh bằng phơng pháp đúc để phục vụ các lĩnh vực
truyền thống có nhu cầu. Ngành công nghiệp sản xuất thiết bị điện và điện tử
mới phát triển mạnh hơn chục năm nay, lúc đó nhu cầu dây thiếc hàn các loại
(có lõi hoặc không lõi) mới đợc đặt ra. Giai đoạn đầu các cơ sở này chỉ dùng
sản phẩm nhập ngoại, một số năm gần đây do việc nhập khẩu gặp khó khăn

thông. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật của mối hàn, vật liệu cần hàn mà ngời ta
chế tạo ra nhiều loại hợp kim khác nhau với nhiều loại kích thớc khác nhau.
Sau đây ta sẽ xem xét từng nguyên tố và hợp kim của chúng.
1.2.2. Tính chất của thiếc (Sn), chì (Pb), đồng (Cu) và nhựa thông
1.2.2.1. Thiếc (Sn)
Thiếc là kim loại có số thứ tự 50 thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn
Mendeleev. Cấu hình điện tử của Sn có dạng: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
5s
2
5p
2
.
Một số tính chất vật lý quan trọng của Sn nh sau:

- Độ dẻo , %
+ ở trạng thái đúc 45 - 60
+ ở trạng thái sau ủ 80 - 90
- Độ cứng HB (ở trạng thái đúc), kg/mm
2
4,9 - 5,2
Thiếc đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật, thiếc có khả năng chịu
ăn mòn cao, dễ dàng gia công bằng áp lực, nó đợc sử dụng rộng rãi trong
ngành công nghiệp thực phẩm để tráng và sản xuất các loại lá mỏng để bao
gói; Nó cũng đợc sử dụng nhiều để sản xuất vật liệu hàn, các hợp kim chịu
mài mòn, các hợp kim dễ chảy Thiếc có khả năng chống ăn mòn khá tốt.
Nó hầu nh trơ trong khí quyển ẩm, nớc sôi và một số axit hữu cơ khác. Tuy
vậy dới tác dụng của một số axit mạnh, thiếc sẽ bị ăn mòn.
Theo tiêu chuẩn Liên bang Nga, thiếc đợc sản xuất thành một số loại,
thành phần, ký hiệu của chúng trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Thành phần một số loại thiếc kim loại

Các tạp chất (trừ Sb), hầu nh không tan trong thiếc ở nhiệt độ thờng.
Do ảnh hởng của tạp chất, tính chống ăn mòn của thiếc giảm và lĩnh vực ứng
Tạp chất % ( )
Ký
hiệu
Thiếc,
, %
As Fe Cu Pb Bi Sb
Tổng
cộng
Công dụng
O
1

2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6

4d
10
4f
14
5s
2
5p
6
5d
10
6s
2
6p
2
.
Dới đây là một số tính chất vật lý cơ bản của chì:
- Khối lợng riêng, g/cm

30 - 40
+ ở trạng thái sau gia công áp lực
60 - 70
- Độ cứng HB kg/mm
2
4,9 - 5,2
+ ở trạng thái đúc
3,2 - 4,5
+ ở trạng thái sau gia công áp lực
3,0 - 4,8

Chì là loại kim loại rất mềm và dẻo. Nhiệt độ kết tinh lại của chì thấp hơn
20
o
C, do vậy sau khi biến dạng dẻo chì không bị biến cứng ngay ở nhiệt độ
thờng. Tính ổn định chống ăn mòn của chì tốt. Trong axit H
2
SO
4
chì hoàn
toàn ổn định vì màng ôxyt tạo ra gây thụ động hóa và có tính bảo vệ tốt. Cũng
do đặc tính bảo vệ tốt của màng ôxyt, chì hoàn toàn ổn định trong khí ẩm.
Axit HNO
3
gây ăn mòn chì khá mạnh. Các loại chì kỹ thuật với thành phần
tạp chất khác nhau theo tiêu chuẩn Liên bang Nga đợc đợc trình bày trong
bảng 2.

Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.


Tổng
cộng

ứng dụng
CO 99,992 99,992 0,03 0,05 0,0005 0,0005 0,001 0,001 0,004 0,001

0,002 0,0002
Chế tạo ắc
quy
C1 99,985 0,01 0,1 0,1 0,001 0,001 0,001 0,001 0,006

0,003

0,015
Chế tạo ắc
quy, lới
chì và các
áo bảo vệ
C2 99,95 0,15 0,1 0,2 0,002 0,002 0,002 0,003 0,003 0,005

0,01 0,05
Các lợp lót
chịu axit
C3 99,5 0,15 0,2 0,5 0,005 0,005 0,005 0,005 0,06 0,01

0,03 0,01
Làm vỏ cáp
C3
CY


C
2360
- Độ dẫn nhiệt ở 20
0
C , cal(cm.s.
0
C) 0,923
- Điện trở xuất ở 20
0
C,

.mm
2
/m
0.0179
- Độ bền kéo
B
, Kg/mm
2+ ở trạng thái mềm
22-24
+ ở trạng thái cứng
40
- Độ dẻo , %

+ ở trạng thái mềm
60
+ ở trạng thái cứng


0,001 0,001

0,01
M0 99,95 0,001 0,002 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 0,003 0,05
M0
99,97 0,001 0,002 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 0,004

0,003 0,002 0,003 0,03
M1 99,90 0,001 0,002 0,002 0,005 0,002 0,005 0,002 0,005 0,05 0,005

0,003 0,1
M1p 99,90 0,001 0,002 0,002 0,005 0,002 0,005 0,002 0,005 0,01 0,005 0,04 0,003 0,1
M2 99,70 0,002 0,005 0,01 0,05 0,2 0,01 0,05 0,01 0,07

0,3
M2p 99,70 0,002 0,005 0,01 0,05 0,2 0,01 0,05 0,01 0,01

0,04

0,3
M3 99,50 0,003 0,05 0,05 0,05 0,2 0,05 0,05 0,01 0,08

0,5
M3p 99,50 0,003 0,05 0,05 0,05 0,2 0,03 0,05 0,01 0,01

0,4

0,5
M4 99,00 0,005 0,2 0,2 0,1

- Hợp kim làm ổ trục.

- Hợp kim ứng dụng trên kỹ thuật in.
- Hợp kim hàn.
- Hợp kim làm bọc cáp điện.
Trong phần này chỉ trình bày một số vấn đề liên quan đến hợp kim thiếc hàn.
1.2.2.6. Hợp kim hàn
Hợp kim hàn dùng để nối các bộ phận của chi tiết hoặc kết cấu lại với
nhau. Các vật liệu hàn có nhiệt độ chảy thấp còn gọi là vật liệu hàn mềm. Yêu
cầu trớc hết đối với vật liệu hàn mềm là phải có nhiệt độ chảy tơng đối thấp,
tiếp theo là phải có khả năng dính kết tốt với kim loại cần hàn Thành phần
hóa học của các hợp kim hàn mềm bao gồm chì, thiếc, antimon và đồng.
Trên hình 1 là giản đồ trạng thái hệ 3 nguyên Pb - Sb - Sn. Qua giản đồ này
căn cứ vào thành phần biết trớc ta biết đợc nhiệt độ nóng chảy tơng ứng.

Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2007.
14

Hình 1. Mặt cắt đờng lỏng của giản đồ trạng thái hệ Pb - Sb - Sn.
Trong bảng 4 trình bày thành phần, ký hiệu và công dụng của một số hợp
kim thiếc hàn thông dụng.
Bảng 4. Thành phần và công dụng của một số hợp kim thiếc hàn
Thành phần, %
Ký hiệu
hợp kim

3-4 5-6 còn lại 280
Hàn sắt, đồng thau
Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2007.
15
1.2.3. Công nghệ tạo dây hợp kim thiếc hàn
1.2.3.1. Công nghệ nấu luyện
Hợp kim thiếc hàn có nhiều loại với các thành phần khác nhau đã nêu ở
bảng 4. Đề tài chọn 5 loại vật liệu hợp kim thiếc hàn chính để sản xuất :
- Hợp kim Sn - Pb (60/40).
- Hợp kim Sn - Pb (40/60).
- Hợp kim Sn - Pb (20/80).
- Hợp kim Sn - Cu (1,3%).
- Hợp kim Sn - Cu (0,6%).
Nh đã nêu ở trên có hai thông số quan trọng ảnh hởng đến qui trình nấu
luyện là tỷ trọng và nhiệt độ nóng chảy. Trong 4 mác chọn nghiên cứu sản
xuất có 3 nguyên tố Cu, Sn, Pb. Dới đây là nhiệt độ nóng chảy và tỷ trọng
của 3 nguyên tố này (bảng 5).
Bảng 5. Nhiệt độ nóng chảy và tỷ trọng của Cu, Sn, Pb
Cu Sn Pb
Nhiệt độ nóng chảy,
o
C 1083 232 327
Tỷ trọng, g/cm
3
8,94 7,3 11,34

Nấu luyện để tạo mác hợp kim phải tuân thủ các nguyên tắc sau:
- Kim loại nào khó chảy phải nấu trớc, sau đó lần lợt đa các kim loại khác

Nhiệt độ
o
C
Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2007.
17
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU Và
CÔNG TáC CHUẩN Bị
2.1. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU
Kết hợp việc tổng hợp cơ sở lý thuyết liên quan và cả phơng pháp thực
nghiệm để nghiên cứu đề tài.
2.2. Mẫu nghiên cứu
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng, kết quả của đề tài sẽ áp dụng ngay vào
sản xuất, nên mẫu nghiên cứu tập trung vào các chủng loại mà nhu cầu thực tế
đang cần.
Một số mẫu thông dụng để nghiên cứu:
- Hợp kim Sn Pb (60/ 40)
2,0mm: Sn = 60%, Pb = 40%.
- Hợp kim Sn Pb (60/ 40)
1,0mm có lõi nhựa thông: Sn= 60%, Pb = 40%.
- Hợp kim Sn Pb (40/ 60)
1,0mm có lõi nhựa thông: Sn= 40%, Pb = 60%.
- Hợp kim Sn Pb (20/80)
2,2mm: Sn = 20%, Pb = 80%.
- Hợp kim Sn Cu
1,2 và 2,0mm: Cu = 1,3% ; Sn còn lại.
- Hợp kim Sn Cu
1,0 và 0,8mm: Cu = 0,6% ; Sn còn lại.
2.3. NGUYÊN VậT LIệU HóA CHấT DùNG CHO NGHIÊN CứU



Sn
0,002


0,002
S
0,005 0,02


O
0,005


Zn
0,005


0,002
P


Cu


0,03 0,002
Al



,
CH
3
COONa, CH
3
COOH, xylen da cam, hồ tinh bột, EDTA (etylen diamin
tetraaxetic axit disodium).
2.4. THIếT Bị NGHIÊN CứU
Đã sử dụng các thiết bị sau để nghiên cứu và sản xuất:
- Lò cảm ứng trung tần 30kg/mẻ (hình 3).
- Lò nấu hợp kim bằng điện trở 15KW có khống chế nhiệt độ (hình 4).
- Máy cán 3 trục 115 (hình 5).
- Máy cán 2 trục 55 (hình 6).
- Máy ép thủy lực 50 tấn, kiểu nằm ngang (hình 7).
- Máy chuốt dây (hình 8).
- Máy so màu Spectronic 20D của Mỹ.
Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2007.
19

Hình 3. Lò cảm ứng trung tần 30 kg/mẻ.

Hình 4. Lò nấu hợp kim 15 kW.
Báo cáo tổng kết Đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất dây hợp kim thiếc hàn bằng phơng pháp gia công áp lực.

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Năm 2007.
20

Hình 5. Máy cán 3 trục

5. Dây hợp kim thiếc hàn Sn-Cu (1,3%Cu)
1,2mm và 2,0mm.
6. Dây hợp kim thiếc hàn Sn-Cu (0,6%Cu)
1,0mm và 0,8mm.
Nh vậy có một số vấn đề cần quan tâm:
1. Kích thớc dây (đờng kính) gồm các loại:
0,8; 1,0; 1,2; 1,5; 2,0; 2,2.
2. Đặc tính của dây: loại đặc và loại có ruột nhựa thông.
3. Hệ hợp kim: hệ Sn- Pb (gồm 3 mác 60/40, 40/60 và 20/80); Hệ Sn- Cu
(gồm 2 mác 0,6% Cu và 1,3% Cu).
Sản phẩm dây thiếc hàn cần nghiên cứu đợc tạo ra từ hai hệ hợp kim
khác nhau nên quy trình công nghệ nấu luyện cũng khác nhau. Đối với hệ Sn-
Cu, do nhiệt độ nóng chảy của Sn và Cu khác nhau [T
Ch
(Sn)

= 232,0
o
C;
T
Ch
(Cu)

= 1083,0
o
C], nên việc đa Cu vào hợp kim thiếc hàn phải qua đờng
HKTG (nhiệt độ chảy của HKTG thấp hơn nhiệt độ chảy của Cu).
Để có dây hợp kim thiếc hàn dạng đặc và dạng có ruột nhựa thông thì qui
trình đúc và gia công áp lực cũng khác nhau.
Nh phần tính ở trên, để đạt các mục tiêu đề ra, cần giải quyết 3 vấn đề

kim loại này:
- Nhiệt độ chảy T
Ch
,
o
C : T
Ch
(Sn)

= 232 ; T
Ch
(Pb)

= 327.
- Tỷ trọng, g/cm
3
: Sn = 7,3; Pb = 11,34.
- Thiếc và chì có khả năng bị ôxy hóa thấp nên lợng cháy hao khi nấu
luyện là 0,5%.
Hợp kim sử dụng trong công nghiệp, thành phần của từng nguyên tố có
trong hợp kim đợc phép dao động trong một khoảng nhất định, cụ thể nh
hợp kim thiếc hàn mác
OC 40 thì % Sn không nhất thiết phải đạt 40% mà
dao động trong khoảng 39,5% - 40,5% . Lợng cháy hao của Sn, Pb không
cao đều khoảng 0,5%, nhiệt độ chảy của Sn & Pb chênh nhau không nhiều
(95
o
C), nên việc tính phối liệu và nấu chảy thuận lợi. Tuy nhiên do tỷ trọng
khác nhau nhiều, nên để hợp kim tạo ra có thành phần đồng đều (không bị
thiêu tích) thì trớc khi rót phải khuấy kỹ.

- Khi hợp kim nóng chảy hoàn toàn khuấy kỹ trớc khi rót vào khuôn đúc thỏi.
- Phối liệu 10kg/mẻ đợc tính toán theo bảng 7.
Bảng 7. Phối liệu để nấu các mác hợp kim thiếc hàn
Mác
STT
mẫu
Tổng phối liệu
cho 1 mẻ, kg
Khối lợng Sn
cho 1 mẻ, kg
Khối lợng Pb
cho 1 mẻ, kg
1 10 6 4
OC 60
2 10 6 4
3 10 4 6
OC 40
4 10 4 6
5 10 2 8
OC 20
6 10 2 8
Sau khi nấu luyện tạo đợc các mác hợp kim thiếc hàn đã lấy mẫu phân
tích % Sn và % Pb, kết quả đợc nêu trong bảng 8.
Bảng 8. Thành phần các hợp kim thiếc hàn nghiên cứu
Hàm lợng tính toán ,% Hàm lợng thực tế ,%
Mác
STT
mẫu
Sn Pb Sn Pb
1 60 40 59,92 39,85