BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

PHẠM VĂN DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG
NGHỆ CÁN TỚI ĐỘ BỀN LIÊN KẾT BIMETAL: THÉP
11kΠ- LCuZn10 LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................

Cao Thành Trung

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ CÁN TỚI ĐỘ BỀN LIÊN KẾT
BIMETAL: THÉP 11kΠ- LCuZn10 LÀM TIẾP ĐIỂM
ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS


1.1.1. Đặc điểm chung của vật liệu Bimetal

9

1.1.2. Phân loại vật liệu Bimetal

10

1.1.3. Các dạng tơng tác giữa các lớp của Bimetal

11

1.1.4. Các kiểu liên kết giữa các lớp vật liệu Bimetal

11

1.2. Vật liệu Bimetal làm tiếp điểm

14

1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật về vật liệu Bimetal làm tiếp

14

điểm
1.2.2. Các tính chất của vật liệu Bimetal làm tiếp điểm
1.3. Các phơng pháp chế tạo Bimetal làm tiếp điểm

15
16

1.5.2. Đề xuất quy trình công nghệ

35

1.6 Các kết luận, mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.

38

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU

41

2.1. Đánh giá chất lợng sản phẩm Bimetal

41

2.1.1. Sơ đồ phơng pháp nghiên cứu

41

2.1.2. Phơng pháp xác định độ bền và độ bền liên kết

42

theotoàn bộ bề mặt tiếp xúc của băng Bimetal 11K LCuZn10
2.1.3. Phơng pháp nghiên cứu cấu trúc tế vi
2.2. Thiết bị và phơng pháp tiến hành thí nghiệm

45
49

3.1.3. Nghiên cứu ảnh hởng của thời gian ủ đến

53

độ bền liên kết Bimetal thép 11K -LCuZn10
3.2. Nghiên cứu sự ảnh hởng đồng thời các thông số công
nghệ đến độ bền liên kết kim loại kép

2

53


3.2.1 Chọn các thông số công nghệ cơ bản có ảnh

53

hởng quyết định đến độ bền liên kết kim loại kép
3.2.2 Phơng pháp quy hoạch thực nghiệm

54

3.2.3 Chọn mô hình và xây dựng ma trận thùc nghiệm.

55

3.2.4 Phơng trình tính toán kiểm tra tính thống kê

62



4.2. Kiến nghị

80

TàI LIệU THAM KHảO

81

PHụ LụC

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần hóa học thép hợp kim 11KΠ
Bảng 1.2 Thành phần hóa học đồng thau (LCuZn10)
B¶ng 1.3 KÕt qu¶ ®o ®é bÒn liªn kÕt cña c¸c mÉu kh¸c nhau
B¶ng 1.4 KÕt qu¶ khi gia c«ng ë nhiÖt ®é vµ l−îng biÕn d¹ng kh¸c nhau gi÷a
c¸c thÐp hîp kim vµ thÐp c¸cbon thÊp
Bảng 2.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình làm thí nghiệm
B¶ng 3.1 B¶ng kh¶o s¸t cña c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng
B¶ng 3.2 B¶ng chuyÓn biÕn tõ Zj sang xj.
Bảng 3.3 Ma trận cấu trúc ( F) quy hoạch thực nghiệm .
Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm 3 mẫu ở tâm.
Bảng 3.5 So sánh giá trị b với phương sai.
B¶ng 3.6 B¶ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n c¸c th«ng sè c«ng nghÖ
B¶ng 4.1 B¶ng kÕt qu¶ ®o ®é bÒn liªn kÕt cña c¸c mÉu thÝ nghiÖm

4

5


Hình 3.1 Mô hình nghiên cứu
Hình 3.2 Mô hình quy hoạch thực nghiệm
Hình 3.3 Mẫu đo độ bền liên kết
Hình 3.4 Mẫu 1 với ε= 40% , T=780 0C, t= 240 phút (phóng đại 500 lần)
Hình 3.5 Mẫu 2 với ε= 80% , T=780 0C, t= 240 phút (phóng đại 500 lần)
Hình 3.6 Mẫu 3 với ε= 84% , T=730 0C, t= 180 phút (phóng đại 500 lần)
Hình 3.7 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ bền liên kết
của Bimetal( ε = 40% )
Hình 3.8 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ bền liên kết
của Bimetal( ε = 60% )
Hình 3.9 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ bền liên kết
của Bimetal ( ε = 80% )
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian ủ và lượng biến dạng đến
độ bền liên kết (T=680 0C)
Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian ủ và lượng biến dạng đến
độ bền liên kết (T=730 0C)
Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian ủ và lượng biến dạng đến
độ bền liên kết (T=780 0C)
Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và lượng biến dạng đến
độ bền lien kết (t=120 phút)
Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và lượng biến dạng đến
độ bền lien kết (t=180 phút).
Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và lượng biến dạng đến
độ bền lien kết (t=240 phút).

6




Luận văn đợc trình bày trong 4 chơng:
Chơng 1: Tổng quan quá trình nghiên cứu vạt liệu Bimetal.
Chơng 2: Phơng pháp nghiên cứu.
Chơng 3: Nghiên cứu sự ảnh hởng đồng thời của các thông số công
nghệ tới độ bền liên kết kim loại kép.
Chơng 4: Kết luận và kiến nghị.
Tác giả rất mông sự đóng góp ý kiến của các thầy,cô và các bạn đồng
nghiệp để bản luận văn hoàn thiện hơn.
Hà Nội,ngày 10 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Phạm Văn Dũng

8


CHƯƠNG 1. TổNG QUAN QUá TRìNH NGHIÊN CứU Và CHế
TạO BIMETAL LàM TIếP ĐIểM
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp không chỉ những
ngành mũi nhọn nh hàng không, vũ trụ mà còn cả những ngành công nghiệp
truyền thống nh điện, điện tử, điện lạnh, chế tạo máy, xây dựng, hóa
học,...đòi hỏi phải có những vật liệu mới có tính chất u việt hơn những vật
liệu thông thờng. Kim loại và hợp kim thuần túy chỉ có những tính chất cơ lý
xác định. Khó có kim loại và hợp kim nào lại có cùng một lúc có đợc tất cả
các tính chất cơ lý tính tốt, mặc dù ngày nay tồn tại một số lợng kim loại và
hợp kim, xong không phải lúc nào cũng đáp ứng đợc những yêu cầu đặt ra.
Nh một quy luật tất yếu, các loại vật liệu mới ra đời, trong đó có vật liệu kim
loại kép (Bimetal) đã ra đời. Vật liệu Bimetal có khả năng kết hợp tính chất

a. Bimetal chống gỉ:
Là loại Bimetal có nền là thép Cácbon hoặc thép hợp kim thấp, lớp phủ là
kim loại chống gỉ: Đồng, Niken, Nhôm, Titan, các hợp kim nhôm, hợp kim
Titan và một số hợp kim khác. Độ dày của lớp phủ chiếm khoảng 5 ữ 25%
chiều dày tổng cộng.
b. Bimetal chống ma sát:
Là loại Bimetal có lớp nền là thép và lớp dán là hợp kim chống ma sát cơ
sở nhôm hoặc cơ sở đồng. Loại này thờng đợc dùng để chế tạo các dạng bạc
lót trục, độ dày của lớp dán chiếm khoảng 25ữ45% chiều dày tổng.
c. Bimetal tự mài sắc:
Là loại Bimetal có cấu tạo bởi những kim loại và hợp kim có độ bền cao
đợc dùng để chế tạo bàn gạt đất, gầu xúc đất đá, lỡi cày, máy ủi, máy nông
nghiệp.
d. Bimetal tiếp điểm:
Là loại Bimetal lớp vật liệu dán phải có tính dẫn điện, nhiệt tốt, độ bền
cao, có nhiệt độ hoá mềm và nhiệt độ làm việc lâu dài cao, khả năng chống ăn
mòn tốt. Vật liệu làm tiếp điểm đợc làm bằng những vật liệu có tính tiếp xúc

10


thích hợp, nh: Ag, Au, Pt, hợp kim Ag, vật liệu tổ hợp trên cơ sở Ag, AgPladium, hợp kim Au, Pt, hợp kim có mạ Ag, Au, Pt,...
e. Bimetal dụng cụ và chống mài mòn:
Là loại Bimetal có lớp nền là thép Cácbon có độ dai cao, lớp phủ là thép
dụng cụ hợp kim cao hoặc các hợp kim cứng. Loại này đợc ứng dụng để chế
tạo dao cắt kim loại, da, giấy, Độ dày của lớp dán chiếm khoảng 30% chiều
dày tổng cộng.
f. Bimetal nhiệt:
Là loại Bimetal đợc chế tạo bởi ít nhất 2 thành phần có độ dãn nở nhiệt
khác nhau. Thành phần có độ dãn nở nhiệt nhỏ gọi là thành phần bị động,

c. Liên kết phản ứng
Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới giữa các lớp vật liệu xảy ra
phản ứng tạo hợp chất hoá học dạng Mfx. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành
này ảnh hởng quyết định đến độ bền liên kết giữa các lớp vật liệu.
d. Liên kết phản ứng phân đoạn
Đặc điểm của liên kết này là phản ứng hoá học tổng thể xảy ra theo nhiều
giai đoạn, trong đó có một giai đoạn khống chế tốc độ tạo ra liên kết giữa các
lớp vật liệu.
e. Liên kết ôxit
Liên kết dạng này là một dạng đặc biệt của liên kết phản ứng, đặc trng
cho VLTH kim loại - ôxit. Đây là dạng liên kết tạo ra các dạng sản phẩm phản
ứng ở dạng màng ôxit (MOx).
g. Liên kết hỗn hợp
Liên kết dạng này là hỗn hợp các kiểu liên kết, tơng tác giữa các lớp vật
liệu phụ thuộc mạnh vào quá trình công nghệ hoặc điều kiện sử dụng.

12


Hình 1.1. Sơ đồ các dạng liên kết cơ bản
a. Liên kết cơ học; b. Liên kết thấm ớt; c. Liên kết phản ứng;
d. Liên kết phản ứng phân đoạn; e. Liên kết ôxit.
Tóm lại, độ bền liên kiết giữa các lớp của vật liệu Bimetal phải đủ lớn để
đảm bảo cho vật liệu không bị bong, tróc khi làm việc với tải trọng cơ nhiệt Để
vật liệu Bimetal làm việc ổn định và chắc chắn thì độ bền liên kết giữa các
thành phần phải đạt tới một giới hạn nhất định. Độ bền liên kết phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố nh chọn vật liệu, chất lợng xử lý bề mặt, phơng pháp chế
tạo, điều kiện tạo dính kết cũng nh việc xử lý sau khi tạo dính kết.
Việc kết hợp các kim loại và hợp kim thích hợp với nhau cùng với việc
lựa chọn chiều dày và vị trí tơng đối của các thành phần trong tổ hợp đã cho

Cr

Ni

Cu

0,15

0,25

0,25

b. Vật liệu dán: Đồng thau (LCuZn10)
Bảng 1.2.Thành phần hóa học đồng thau (LCu10)
Kí hiệu
Đồng thau
(LCu10)

Hàm lợng các nguyên tố (%)
Cu
Zn

90
10

c. Yêu cầu kỹ thuật:
Để đảm bảo cho tiếp điểm có độ dẫn điện cao, dẫn nhiệt tốt, không bị oxy
hóa, có độ kết tinh và nóng chảy cao, có độ bền cơ cao, có đủ độ dẻo và dễ gia
công cơ hoặc gia công bằng áp lực khi chế tạo thì:
+ Độ cứng sau ủ của đồng thau đạt 75ữ110 HB

1.Tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt.
2. Độ bền cơ học cao.
3.Độ bền mòn( hoá học và cơ học )cao.
4. Có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ hoá hơi cao.
5. Có độ bền nén cao để có thể chịu đợc áp suất nén lớn.

15


6. Có độ bền đối với hồ quang điện ( đối với tiép điểm đóng ngắt mạch)
Cho đến nay cha có một lý thuyết nào giải thích rõ về hành vi của tiếp
điểm đóng ngắt mạch, ví dụ cha biết ảnh hởng của cấu trúc phân tán đến
đặc tính hồ quang điện và cũng nh lợng cháy hao của vật liệu trong quá
trình chuyển mạch. Các vật liệu trong môi trờng ăn mòn có thể tạo ra một lớp
phủ và ảnh hởng của lớp phủ biểu hiện qua việc thay đổi các thoong số cơ
học và các thông số điện còn cha đợc nghiên cứu đầy đủ. Cha thấy rõ đợc
sự phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu với tính chát cơ học của tiếp
điểm. Chính vì vậy không thể đề ra đợc các yêu cầu tơng đối một cách khoa
học đối với chúng.
1.3. Các phơng pháp chế tạo Bimetal làm tiếp điểm.
Bimetal làm tiếp điểm có thể sản xuất bằng nhiều phơng pháp khác nhau
theo khối lợng kích thớc, tính chất, yêu cầu kỹ thuật mà lựa chon phơng
pháp nào cho phù hợp và kinh tế nhất. Các phơng pháp sản xuất Bimetal dạng
lớp có thể phân chia thành hai nhóm sau:
- Tạo liên kết ở thể lỏng (lỏng - lỏng hoặc rắn lỏng);
- Tạo liên kết ở thể rắn (rắn-rắn).
1.3.1. Phơng pháp chế tạo liên kết ở thể lỏng
Thuộc nhóm này có các phơng pháp đúc tổ hợp, mạ nhúng, tráng, hàn
đắp, phun hồ quang hoặc plasma.
a. Phơng pháp đúc:

phun là các súng phun: súng phun ngọn lửa, súng phun hồ quang, súng phun
plasma.

Hinhf 1.10: Sơ đồ nguyên lý phơng pháp phun phủ và súng phun ngọn lửa
d. Phơng pháp tạo lớp phủ mỏng:Bao gồm các phơng pháp mạ và bốc hơi.
Mạ có thể là toàn bộ hoặc cục bộ, chiều dày lớp mạ thờng trong khoảng
0,5ữ20àm. Phủ bằng mạ đợc ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật nh mạ
Ni, Cr, Cu, Zn, Sn, Pb, Au, Ag, Cd v.v. Phơng pháp bốc hơi có thể tạo ra lớp
phủ từ mấy A0 đến hàng milimét thông qua sự ngng tụ của kim loại đem phủ
dới dạng hơi lên bề mặt của kim loại nền trong chân không. Phơng pháp vật
18


lý (PVD - Physical Vapour Deposition) và phơng pháp hoá học (CVD Chemical Vapour Deposition).

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý phơng Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý phơng
pháp bốc hơi vật lý
pháp bốc hơi hoá học

1.3.2. Tạo liên kết ở thể rắn.
Sử dụng các phơng pháp tạo liên kết bằng hàn ép, cán dính, nổ dính. Điểm
chung của các phơng pháp này là liên kết giữa các lớp đợc tạo ra trong điều
kiện nhiệt độ thờng hoặc nhiệt độ cao dới tác dụng của áp lực. Điều kiện để
có thể sản xuất băng Bimetal bằng các phơng pháp này là các kim loại thành
phần phải có đầy đủ tính dẻo nguội và nóng ở mức độ cần thiết.
a. Chế tạo Bimetal bằng phơng pháp cán dính từ các băng kim loại:
1

2


+ Nhợc điểm của cán nguội:
Do phơng pháp cán nguội đòi hỏi lợng ép lớn để tạo dính kết nên nó
chỉ thích hợp với việc sản xuất băng mỏng cỡ nhỏ và trung bình (b = 400600mm). Để đạt đợc mối liên kết bền vững giữa các thành phần thì điều kiện
tiên quyết là những bề mặt liên kết của vật liệu phải đợc làm sạch bằng các
phơng pháp hoá học hoặc cơ học nh tẩy rửa bằng axít, mài, chải, tẩy dầu mỡ
v.v. Những bề mặt này phải đợc giữ sạch cho đến khi ép hoặc cán dính. Khi
cán nóng nhất thiết phải áp dụng các biện pháp ngăn ngừa oxy hoá ở nhiệt độ
cao nh bao gói bằng thép tấm, hàn phôi thành hộp hoặc gia nhiệt trong lò có
khí bảo vệ.
Để tạo đợc liên kết bền chắc giữa các thành phần ở nhiệt độ cao thì nhiệt
độ phải chọn sao cho các quá trình khuếch tán lẫn nhau của các thành phần
đợc xảy ra một cách mạnh mẽ. Đối với những thành phần mà giữa chúng
20


không hoặc chỉ rất hạn chế tạo thành dung dịch đặc thì ngời ta thờng dùng
một lớp trung gian để tạo liên kết.
Tránh ảnh hờng xấu (tróc, bong) do chênh lệch quá lớn về độ lớn về tính
dẻo hoặc độ giãn nở nhiệt giữa vật liệu nền và vật liệu phủ. Thờng chọn
những vật liệu có tính tơng đồng về cấu trúc mạng.

Hình 1.14. Cấu tạo phôi hộp cán nóng
b. Chế tạo Bimetal bằng phơng pháp hàn ép:
1

3

2

Hình 1.15. Sơ đồ hàn ép

thụng s cụng ngh n

Bimetal

bn liờn kt

Gii thớch hin tng v

Ti u húa cỏc thụng s

nguyờn nhõn dn ti liờn

cụng ngh

kt trong Bimetal

Hình 1.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu Bimetal
22


- Muốn đánh giá khả năng liên kết Bimetal, tối u hóa công nghệ chế tạo
Bimetal bằng phơng pháp cán, cần tìm hiểu :
+ Các hiện tợng vật lý trên bề mặt.
+ ảnh hởng của các thông số chế tạo.
1.4.1. Hiện tợng vật lý tại mặt liên kết khi biến dạng Bimetal.
a. Hiện tợng vật lý tại mặt liên kết khi cùng biến dạng kim loại kép:
Hiện tợng tạo liên kết kim loại ở pha rắn đã đợc nghiên cứu khi xem
xét sự tác dụng qua lại của vật thể trong dịch chuyển có ma sát. Các nghiên
cứu của các nhà bác học về điều kiện tự nhiên và cơ cấu hình thành liên kết
kim loại ở trạng thái rắn đã đợc phản ánh ở một loạt các giả thiết sau: