Luận án Nghiên cứu chế tạo thử điện cực hàn từ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3

à kết dính hạt bột. Tuy nhiên, chưa định rõ và lượng hóa được tiêu chuẩn cho các quá trình này. Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý máy nghiền cánh khuấy ❖ Vật liệu chế tạo tang nghiền và bi nghiền: Do sự va chạm của bi nghiền lên thành trong của tang nghiền, vật liệu chế tạo tang nghiền có thể bị mài mòn và làm nhiễm bẩn vào bột nghiền. Điều này có thể làm bẩn vật liệu bột hoặc thay đổi tính chất hóa học của vật liệu bột. Vì vậy, vật liệu chế tạo tang nghiền khá quan trọng, nếu vật liệu chế tạo tang nghiền khác so với vật liệu bột nghiền thì bột nghiền có thể bị nhiễm bẩn. Có thể dùng bi nghiền và tang nghiền được biến cứng và sử dụng vật liệu tương tự vật liệu nghiền phủ lên bề mặt làm việc của tang nghiền để hạn chế sự nhiễm bẩn đến bột nghiền. ❖ Tốc độ nghiền: Tốc độ nghiền càng lớn thì năng lượng cung cấp cho bột nghiền càng cao. Tùy thuộc vào loại máy nghiền, có thể sử dụng giá trị giới hạn đối với tốc độ lớn nhất. Ví dụ, ở các máy nghiền bi thông thường khi tăng tốc độ quay vượt quá một tốc độ tới hạn, các bi nghiền sẽ ép sát lên bề mặt thành trong của tang nghiền và không thể gây ra bất kỳ sự va 34 chạm nào. Vì thế, tốc độ lớn nhất phải nhỏ hơn giá trị tới hạn này để sự va chạm trong quá trình nghiền sinh ra năng lượng lớn nhất có thể. ❖ Thời gian nghiền: Thời gian nghiền là thông số quan trọng nhất. Thông thường thời gian nghiền được lựa chọn khi nhận được trạng thái ổn định giữa sự bẻ gãy và sự hàn nguội của các hạt vật liệu bột. Thời gian yêu cầu thay đổi tùy thuộc vào loại máy nghiền, cường độ nghiền, tỉ lệ bi nghiền/bột nghiền và nhiệt độ nghiền. Thời gian nghiền phải được lựa chọn với sự kết hợp của các thông số trên và cho mỗi hệ vật liệu bột cụ thể. Ngoài ra cần xác đinh khả năng tạo các pha không mong muốn trong quá trình nghiền. Từ đó xác định thời gian nghiền cần thiết cho từng hỗn hợp vật liệu bột cụ thể. ❖ Tỉ lệ bi nghiền/bột nghiền: Tỉ lệ bi nghiền/ bột nghiền là một thông số quan trọng trong quá trình nghiền. Tỉ lệ này thay đổi tùy từng mục đích nghiên cứu từ 1:1 đến 20:1. Thông thường, giá trị hay được sử dụng nhất là 10:1 khi nghiền trong các máy nghiền có dung lượng nhỏ. Tỉ lệ khối lượng bi/ bột ảnh hưởng đáng kể đến thời gian nghiền. Tỉ lệ bi/ bột càng lớn thì thời gian nghiền càng ngắn, vì tần số va chạm sẽ tăng lên, năng lượng chuyển giao cho bột sẽ nhanh hơn, do đó quá trình nghiền sẽ nhanh hơn, hiệu quả hơn. ❖ Môi trường nghiền: Ảnh hưởng chủ yếu của môi trường nghiền là sự nhiễm bẩn của bột nghiền. Vì thế, vật liệu bột được nghiền trong môi trường hút chân không hoặc điền đầy một loại khí trơ như Ar hoặc He Khí Ar sạch là môi trường thông dụng nhất để bảo vệ, giảm thiểu khả năng bị ôxi hóa và nhiễm bẩn của vật liệu bột nghiền. 2.1.3 Quá trình nghiền cơ - hóa tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Bằng sự kết hợp quá trình nghiền cơ học và phản ứng ôxi hóa xảy ra trong quá trình nghiền, phương pháp cơ - hóa để tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3. Với phương pháp này, hạt bột Al2O3 hình thành có kích thước nhỏ mịn phân tán tương đối đồng đều trong nền Cu, đặc biệt là có thể khống chế được hàm lượng Al2O3 theo yêu cầu công nghệ đặt ra. Phương pháp cơ - hóa được thực hiện bằng cách trộn hỗn hợp bột CuO và bột Al với nhau theo thành phần tính toán, sau đó tiến hành nghiền với tốc độ cao trong khoảng thời gian khá dài. Trong quá trình nghiền, dưới tác dụng của nhiệt ma sát giữa bi nghiền với bột kim loại và giữa bột kim loại với nhau, xảy ra phản ứng hóa học: 3CuO + 2Al = 3Cu + Al2O3 (2.5) Chính vì vậy quá trình này được gọi là quá trình nghiền cơ - hóa. Trong quá trình nghiền, để khống chế phản ứng cháy tự sinh nhiệt, khi phối liệu cần bổ sung thêm bột Cu nguyên chất, được tính toán theo phản ứng sau: 3CuO + xCu + 2Al = (3 + x)Cu + Al2O3 (2.6) Phản ứng (2.6) xảy ra dưới tác động của năng lượng nghiền bi trong máy nghiền cánh khuấy. Lượng bột Cu bổ sung nhằm điều khiển tốc độ phản ứng và cỡ hạt, hay nói một cách khác là làm giảm bề mặt tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng (giữa các hạt 35 trong hỗn hợp vật liệu bột). Quá trình phản ứng của CuO và Al, một phần phản ứng trực tiếp và một phần phản ứng trong nền Cu. 2.2 Lý thuyết quá trình ép - thiêu kết vật liệu tổ hợp Quá trình ép - thiêu kết là một trong những công đoạn quan trọng trong qui trình sản xuất các sản phẩm vật liệu bột và compozit hạt. Công đoạn này, bao gồm: tạo khối vật thể vật liệu bột bằng cách ép sơ bộ với áp lực ép phù hợp và quá trình thiêu kết vật thể vật liệu bột sau khi ép sơ bộ với chế độ thiêu kết hợp lý. Mục đích của quá trình ép - thiêu kết là tạo ra sự chuyển biến của vật thể vật liệu bột và compozit hạt độ bền thấp qua quá trình biến dạng sơ bộ trở thành vật thể độ bền cao hơn, có cơ lý tính gần với cơ lý tính của vật liệu đặc. Chính vì vậy, việc nghiên cứu lý thuyết quá trình ép - thiêu kết được đặc biệt quan tâm, bởi thông qua quá trình này sẽ đánh giá được khả năng tạo khối của hỗn hợp vật liệu bột sau khi nghiền. 2.2.1 Ép tạo hình hỗn hợp bột vật liệu tổ hợp Trong thực tế các phương pháp gia công kim loại bằng áp lực sau đều có thể áp dụng để biến dạng tạo hình vật liệu bột: ép trong khuôn kín, ép rung, ép động, ép đẳng tĩnh, ép nổ, cán Trong quá trình biến dạng tạo hình cần quan tâm một số yêu cầu: - Đảm bảo mật độ vật liệu bột và cốt hạt đồng đều trong toàn bộ phôi - Tạo được hình dạng phôi vật liệu tổ hợp theo yêu cầu - Đảm bảo khả năng tháo dỡ phôi vật liệu tổ hợp sau khi biến dạng tạo hình - Đảm bảo tuổi thọ và độ bền của các thiết bị Các phương pháp ép vật liệu bột và vật liệu tổ hợp cốt hạt được phân thành nhóm theo các tiêu chí sau: - Theo đặc điểm sản xuất (đơn chiếc hoặc hàng loạt) - Theo nguyên lý nạp liệu vào miền biến dạng (thể tích hoặc khối lượng) - Theo nguyên lý ép (một phía hoặc hai phía) - Theo kết cấu khuôn ép (khuôn liền hoặc khuôn ghép) - Theo số lượng kênh ép (một hoặc nhiều kênh) - Theo dạng máy ép (chuyên dùng hoặc không chuyên dùng) - Theo biện pháp điều khiển quá trình ép (thủ công, bán tự động, tự động) - Theo số lượng lớp vật liệu tổ hợp trong phôi ép (một lớp hoặc nhiều lớp). Trong luận án này, với điều kiện thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm Công nghệ cán - ép kim loại, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả chọn phương pháp ép một phía hỗn hợp các bột vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 trong khuôn kín. Đây là phương pháp ép có ưu điểm là kết cấu khuôn đơn giản, nhưng có một nhược điểm lớn là tỷ trọng vật ép không đều theo chiều cao và tiết diện ngang của mẫu ép dẫn đến cơ tính của sản phẩm không đồng đều. Tuy nhiên, chế tạo các chi tiết có hình dạng đơn giản, tỉ lệ giữa chiều cao và đường kính của mẫu ép không lớn (H/D < 1), việc lựa chọn phương pháp ép một phía trong khuôn kin là hợp lý. 36 8 0  16 1 2 3 Trên hình 2.7 thể hiện kết cấu, kích thước của khuôn ép để ép tạo hình sơ bộ các mẫu thí nghiệm trong quá trình thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 trước khi tiến hành thiêu kết. Hình 2.7 Kích thước của khuôn ép tạo hình sơ bộ 1- Chày ép; 2- Cối ép; 3- Hỗn hợp vật liệu bột 2.2.2 Quá trình thiêu kết a. Cơ sở hoá lý của quá trình thiêu kết Mẫu hỗn hợp bột kim loại sau khi ép tạo hình sơ bộ có liên kết giữa các hạt bột kim loại còn yếu. Để làm tăng khả năng liên kết giữa các hạt bột cần tiến hành quá trình thiêu kết. Quá trình thiêu kết làm thay đổi sự tiếp xúc giữa các hạt bột kim loại và làm tăng liên kết giữa chúng. Thiêu kết là quá trình gia công nhiệt các mẫu sản phẩm vật liệu bột đã được ép tạo hình sơ bộ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại trong hệ đơn nguyên hoặc của kim loại trong hệ đa nguyên: TTK = (0,7  0,9)Tnc (2.7) Thực chất quá trình thiêu kết là quá trình chuyển hóa từ năng lượng tự do cao không ổn định về trạng thái năng lượng tự do thấp, ổn định hơn. Sự khác nhau cơ bản của vật liệu bột và vật liệu đặc là sự không ổn định về nhiệt động học. Vật liệu bột có bề mặt riêng lớn hơn, do vậy sai lệch bề mặt thường lớn hơn. Trong quá trình thiêu kết xảy ra các quá trình như: Hồi phục lại cấu trúc tinh thể các hạt kim loại và sự dịch chuyển các nguyên tử từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp. Cơ - lý tính của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào quá trình này, trong khi đó kim loại đặc phụ thuộc chủ yếu vào chế độ ép hoặc nhiệt luyện làm chuyển biến pha. 37 Khi thiêu kết, dưới tác động của nhiệt độ, các phần tử ở các nút mạng dao động. Khi dao động tăng đến một giá trị nào đó, các phần tử ở nút mạng trở nên mất ổn định và xuất hiện khả năng dịch chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. Tốc độ dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng xác định bởi công thức:  = A.e-Q/RT (2.8) Trong đó: v - tốc độ dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng của nguyên tử A- hệ số đặc trưng cho bản chất vật liệu Q- Hoạt năng (năng lượng kích hoạt) R- hằng số khí T- nhiệt độ tuyệt đối. Trong giai đoạn đầu của quá trình thiêu kết, các nguyên tử ở bề mặt hạt chuyển động và tích tụ lại trên bề mặt tiếp xúc giữa các hạt vật liệu bột dẫn đến làm tăng độ bền và cầu hóa các lỗ xốp của vật thể thiêu kết. Giai đoạn tiếp theo, do nhiệt năng tăng lên, làm tăng tính dẻo trong toàn bộ thể tích của vật thiêu kết gây ra sự co ngót thể tích của mẫu sản phẩm sau quá trình thiêu kết. b. Các hiện tượng xảy ra trong quá trình thiêu kết Quá trình thiêu kết chi tiết vật liệu bột xảy ra cùng với một số hiện tượng sau: Các hiện tượng cơ bản bao gồm: - Sự liên kết các hạt bột - Sự cầu hóa các lỗ xốp - Sự co ngót và dãn nở của sản phẩm. Các hiện tượng phụ: - Sự thoát khí - Sự giảm áp suất dư - Sự tạo thành dung dịch rắn hoặc các hợp chất hóa học. c. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình thiêu kết Các thông số công nghệ cơ bản ảnh hưởng đến quá trình thiêu kết bao gồm: nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết và áp lực ép sơ bộ. Nhiệt độ thiêu kết: Nhiệt độ thiêu kết là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến quá trình thiêu kết. Việc chọn nhiệt độ thiêu kết thích hợp cần dựa vào các yếu tố sau: - Thành phần hỗn hợp bột kim loại ban đầu; - Tính chất của các bột kim loại; - Cỡ hạt và áp lực ép. Nhìn chung khi nhiệt độ thiêu kết càng cao thì sự co ngót và tăng tỷ trọng sản phẩm cũng tăng, độ xốp của nó sẽ giảm. Thời gian thiêu kết: Thời gian thiêu kết phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp vật liệu bột. Tăng thời gian thiêu kết sẽ làm chậm quá trình co ngót thể tích, vật thể sau thiêu kết, tỷ trọng sẽ được ổn định. 38 Áp lực ép sơ bộ: Áp lực ép sơ bộ có ảnh hưởng lớn đến tỷ trọng của sản phẩm vật liệu bột. Lực ép càng lớn, tỷ trọng và độ cứng của sản phẩm càng tăng. 2.3 Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt Al2O3 phân tán bằng phương pháp cơ - hoá Vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 chế tạo bằng phương pháp cơ - hoá được các nhà khoa học vật liệu trong nước quan tâm trong những năm gần đây [40, 42], bởi vì nó có những tính chất ưu việt hơn hẳn so với Cu nguyên chất. Vật liệu tổ hợp nền Cu được gia cố hoá bền bằng các hạt Al2O3 phân tán với kích thước nano thường được tổng hợp bằng phương pháp: ôxi hoá bên trong và hợp kim hoá cơ học. Hiệu quả hoá bền nền Cu tuỳ thuộc vào kích thước của hạt Al2O3 phân tán, cũng như độ bền nhiệt và dẫn điện cũng là những yêu cầu đối với hệ vật liệu này. Trong những năm gần đây, ở một số nước tiên tiến đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm hệ vật liệu tiếp điểm vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 hóa bền phân tán chế tạo bằng phương pháp ôxi hóa bên trong kết hợp biến dạng tạo hình vật liệu bột. Ở Việt Nam việc nghiên cứu đầy đủ về loại vật liệu mới này mới chỉ được bắt đầu. Ưu điểm cơ bản của hệ vật liệu này là dùng Al2O3 thay thế cho một số loại kim loại quý, đắt tiền như W, Re, Mo để ứng dụng trong kỹ thuật điện (tiếp điểm điện, điện cực hàn) mà vẫn giữ được các tính chất cần thiết như độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt của Cu nguyên chất, độ bền cơ học, độ bền mòn cao do các hạt Al2O3 nhỏ mịn phân tán trong nền Cu. Một số tính chất cơ bản của Al2O3: - Khối lượng riêng (ở 200C) : 3,90 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy : 20500C - Độ cứng tế vi (HV-500g) : 1800  2000 - Giới hạn bền kéo : 200  250 MPa - Giới hạn bền nén : 180  200 MPa - Môđun đàn hồi : E = 3,8.105 MPa - Hệ số Poát-xông :  = 0,25  0,30 Đặc điểm nổi bật của Al2O3 là có khối lượng riêng nhỏ, từ đó mà tỷ trọng của vật liệu compozit cũng nhỏ. Hơn nữa Al2O3 có độ bền nhiệt cao, độ bền mòn cao, độ cứng tế vi rất cao, có thể làm việc được ở nhiệt độ cao (8000C). Việc nghiên cứu đầy đủ về các tính chất cơ bản của hệ vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 là rất cần thiết trong điều kiện hiện nay. 2.3.1 Phân tích lựa chọn phương pháp công nghệ tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt Al2O3 phân tán MMCs nói chung và vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền Cu gia cố hóa bền bởi các hạt gốm phân tán (TiC, TiB2, SiC, Al2O3, ) nói riêng, có thể chế tạo theo các phương pháp công nghệ khác nhau như: ôxi hóa bên trong, hợp kim hóa cơ học, lắng đọng, [14, 17, 24, 26, 39, 43, 48]. Sự khác nhau giữa các phương pháp công nghệ được xác định chủ yếu bởi cách đưa pha gia cố và hóa bền phân tán vào nền kim loại. 39 Phương pháp ôxi hóa bên trong đã được nghiên cứu ở các nước phát triển nhiều năm về trước. Tuy có những bước phát triển rất mạnh nhưng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như qui trình công nghệ phức tạp, không được ứng dụng rộng rãi đối với hầu hết các hệ vật liệu, nên gặp không ít những khó khăn trong nghiên cứu. Với phương pháp này, chế tạo vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 có ưu điểm là quá trình tạo ra pha phân tán Al2O3 ngay trong nền Cu nên bề mặt tiếp xúc giữa Al2O3 và Cu rất sạch, khi thiêu kết và làm việc ở nhiệt độ cao sản phẩm vật liệu tổ hợp không bị nứt. Tuy nhiên, việc không chế hàm lượng Al2O3 trong quá trình chế tạo chúng rất khó khăn do khó khống chế chính xác hàm lượng Al trong quá trình tạo dung dịch rắn -Cu[Al]. Phương pháp nghiền trộn cơ học có khả năng điều khiển quá trình để có thể chế tạo được các sản phẩm với hàm lượng bất kỳ của bột Al2O3 trong nền Cu. Điều đó cho phép chế tạo được vật liệu tổ hợp Cu-Al2O3 có hàm lượng Al2O3 theo yêu cầu công nghệ. Nhìn chung, việc hóa bền Cu bằng cốt hạt gốm phân tán như TiC, TiB2, Al2O3 ... [17, 18, 29, 30, 40, 41, 43, 48] trong thời gian gần đây được nhiều nhà khoa học vật liệu quan tâm vì: với hàm lượng nhất định vẫn giữ được độ dẫn điện tốt, nhưng lại tăng độ bền, khả năng chịu mài mòn thấp ở nhiệt độ cao. Các phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp như đã trình bày ở trên đều là các phương pháp đã và đang được dùng phổ biến để tổng hợp vật liệu tổ hợp cốt hạt phân tán trong nền kim loại. Sản phẩm đạt được những yêu cầu cần thiết như độ cứng, độ bền, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ chịu mài mòn ... Tuy nhiên, để tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp nghiền trộn cơ học trực tiếp từ hỗn hợp bột Cu và bột Al2O3 thì quá trình nghiền trộn sẽ phụ thuộc vào kích thước hạt bột Al2O3: nếu kích thước hạt bột Al2O3 lớn sẽ làm cho quá trình nghiền trộn đến kích thước cần thiết là rất dài, do hạt Al2O3 có độ cứng cao. Mặt khác, trên biên giới hạt của chúng thường tồn tại các khí hấp phụ và hơi nước, đồng thời các hạt Al2O3 sẽ chỉ ở biên giới giữa các hạt Cu. Điều đó dẫn đến sản phẩm vật liệu tổ hợp dễ bị phá hủy khi làm việc ở nhiệt độ cao. 2.3.2 Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hóa Căn cứ vào những phân tích ở trên, phương pháp gia công cơ - hóa đã được lựa chọn để chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hóa được đề xuất như trên hình 2.8. Dựa trên cơ sở lý thuyết quá trình hợp kim hóa cơ học và quy trình công nghệ đề xuất, đã tiến hành thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt nano Al2O3 phân tán bằng phương pháp cơ - hóa. Để tạo ra pha nano Al2O3 phân tán trong nền Cu bằng phản ứng ôxi hóa khử khi nghiền trong máy nghiền cánh khuấy. Một số nghiên cứu [5, 6, 18, 21, 22, 23, 40, 42] cho thấy, hàm lượng khác nhau của pha phân tán nói chung và cốt hạt phân tán Al2O3 trong nền Cu có ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 tạo ra như: độ bền, độ cứng tăng, song độ dẫn điện giảm mạnh khi tăng hàm lượng Al2O3. Trong nghiên cứu này, sẽ tiến hành khảo sát sự hình thành và ảnh hưởng của pha nano Al2O3 đến tính chất công nghệ của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp cơ - hóa, đồng thời khảo sát một số tính chất công nghệ của vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt nano Al2O3 phân tán ứng dụng trong chế tạo phôi điện cực hàn. 40 Với quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 được đề xuất như hình 2.8, tác giả đã chọn hàm lượng pha gia cố là 20vol.% Al2O3 trong sản phẩm bột Cu - nano Al2O3, với thời gian nghiền 16h trong máy nghiền bi kiểu cánh khuấy. Sau đó, hỗn hợp sản phẩm bột Cu - nano Al2O3 được tính toán phối liệu bổ sung thêm lượng bột Cu nhất định và được nghiền trộn trong máy nghiền tang trống trong thời gian 3h để tạo thành hỗn hợp sản phẩm bột vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3 mong muốn. Mục đích của quá trình này là khẳng định sự hình thành pha nano Al2O3 trong nền Cu và tác động của nó đến một số tính chất công nghệ như độ xốp, độ cứng, độ dẫn điện và tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 5vol.%Al2O3. Các chế độ công nghệ lựa chọn để khảo sát, với những kết quả nghiên cứu đạt được sẽ là cơ sở cải tiến quá trình công nghệ tổng hợp vật liệu và tối ưu chế độ công nghệ chế tạo được vật liệu tổ hợp có chất lượng tốt nhất trên cơ sở nền Cu nói chung và vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 nói riêng, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế của hệ vật liệu tổ hợp này cho các lĩnh vực như chế tạo điện cực, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu dụng cụ cắt ... Hình 2.8 Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 bằng phương pháp cơ - hóa Quá trình thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 được tiến hành theo các công đoạn của quy trình công nghệ đã đề xuất trên hình 2.8. Phối liệu Nghiền đồng đều thành phần Bột Cu Bột CuO Bột Al Ép đóng bánh sơ bộ Nghiền cơ - hóa Mẫu VLTH Cu - Al 2 O 3 Xác định tính chất của VLTH Cu - Al2O3 Nghiên cứu tạo hình điện cực hàn Thiêu kết 41 2.4 Kết luận chương 2 Từ những phân tích và nhận định ở trên cho thấy rằng: 1. Bằng sự kết hợp quá trình nghiền cơ học và phản ứng ôxi hóa xảy ra trong quá trình nghiền, đã đề xuất phương pháp cơ - hóa để tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 từ hỗn hợp vật liệu bột ban đầu là bột CuO, bột Al và bột Cu. 2. Đề xuất được quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 bằng phương pháp cơ - hóa. Việc sử dụng phương pháp cơ - hóa trong quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3, có những ưu điểm như sau: qui trình công nghệ tổng hợp đơn giản; khống chế được hàm lượng Al2O3; đảm bảo được khả năng phân tán đồng đều của pha nano Al2O3 trong nền Cu. 42 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HOÁ 3.1 Vật liệu thí nghiệm Kích thước hạt vật liệu bột có ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình nghiền cơ - hóa và sự triệt để của phản ứng xảy ra khi tổng hợp vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3. Vì vậy, trong luận án này vật liệu ban đầu được sử dụng là bột thương mại nhập ngoại, bao gồm: - Bột Cu, độ sạch  99,7%, cỡ hạt 40  50 m. - Bột CuO, độ sạch  99,0%, cỡ hạt 40  50 m. - Bột Al, độ sạch  99,7%, cỡ hạt 40  50 m. Hình dạng hỗn hợp vật liệu bột ban đầu như trên hình 3.1: hạt Cu có dạng hình nhánh cây, hạt Al có dạng cầu và hạt CuO có dạng bông. Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu Cu-CuO-Al 3.2 Thiết bị thí nghiệm Căn cứ vào qui trình công nghệ đã lựa chọn trong chương 2 (hình 2.8) và điều kiện về hệ thống thiết bị. Quá trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 và phân tích kết qủa thí nghiệm đã sử dụng các thiết bị sau: - Máy nghiền trộn kiểu cánh khuấy (hình 3.2a và 3.2b) - Máy nghiền trộn kiểu tang trống (hình 3.3) - Thiết bị ép tạo hình (máy ép thủy lực) (hình 3.5) - Lò Linn-1300 dùng để thiêu kết (hình 3.6) - Cân điện tử (độ chính xác 10-4) (hình 3.8) - Thiết bị phân tích XRD (hình 3.9) - Kính hiển vi điện tử SEM (hình 3.10) - Thiết bị đo độ cứng (hình 3.7) - Thiết bị đo độ dẫn điện của vật liệu (hình 3.11) CuO Cu Al 43 a) b) Hình 3.2 Máy nghiền kiểu cánh khuấy a- Dẫn động puli - dây đai; b- Dẫn động trực tiếp Một số thông số đặc trưng của máy nghiền bi kiểu cánh khuấy: - Công suất động cơ: 350W - Số vòng quay của động cơ: 1425 vg/ph - Số vòng quay của cánh khuấy: 620 vg/ph - Kích thước dây đai: sử dụng dây đai M27 - Vật liệu chế tạo tang nghiền: thép không gỉ - Kích thước tang nghiền: đường kính trong 60 mm, chiều cao 80 mm - Vật liệu chế tạo cánh khuấy: thép không gỉ - Bi nghiền: bi thép hợp kim đã biến cứng, đường kính (5 ÷ 6) mm - Các thiết bị phụ trợ: hệ thống khí bảo vệ, hệ thống nước làm nguội tuần hoàn Hình 3.3 Máy nghiền bi kiểu tang trống 44 a) b) c) Hình 3.4 Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy a- Cối nghiền; b- Tang nghiền; c- Cánh khuấy a) b) Hình 3.5 Thiết bị ép tạo hình a- Khuôn ép tạo hình sơ bộ; b- Máy ép thuỷ lực Hình 3.6 Lò Linn - 1300 45 Các thông số kỹ thuật của lò: - Kích thước buồng lò: 340 x 240 x 500, mm; - Kích thước ngoại hình: 700 x 1400 x 1050, mm; - Dung tích: 40 lít; - Điện áp sử dụng: 220V, tần số 50 Hz; - Công suất: 13,5 kW; - Tốc độ nâng nhiệt: 400 0C/h; - Nhiệt độ nung cao nhất: 1300 0C. Hình 3.7 Máy đo độ cứng HPO-250 Hình 3.8 Cân điện tử (độ chính xác 10-4) Hình 3.9 Máy phân tích XRD D5005 - SIEMENS 46 Hình 3.10 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800 Hình 3.11 Thiết bị đo độ dẫn điện MICROHMMETER DO5000 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo độ dẫn điện MICROHMMETER DO5000: - Microohmmeter: model DO5000 + Thang đo: 3 mΩ đến 30 kΩ + Độ phân giải: 0.1 μΩ + Độ chính xác: ± 0.03% reading ± 0.02% range - Thước kẹp: Mytutoyo 530-312 + Độ chia: 0.02 mm + Độ chính xác: ± 0.03 mm 3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 Bằng sự kết hợp quá trình nghiền trộn cơ học và phản ứng ôxi hóa xảy ra trong quá trình nghiền (quá trình nghiền cơ - hóa) chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3, đã phân tích xây dựng qui trình công nghệ và tiến hành thực nghiệm chế tạo mẫu vật liệu tổ hợp nền Cu cốt hạt phân tán nano Al2O3 theo các công đoạn của quy trình công nghệ đề ra. 47 3.3.1 Công đoạn nghiền cơ - hoá a. Tính toán phối liệu Tổng trọng lượng hỗn hợp bột cho mỗi lần nghiền là 30 gr, tỉ lệ riêng phần của từng loại bột trong hỗn hợp bột ban đầu đã được tính toán sao cho hàm lượng Al2O3 trong sản phẩm hỗn hợp bột vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 được tạo ra sau khi nghiền trong máy nghiền bi kiểu cánh khuấy là 20vol.% Al2O3, theo phản ứng sau: 3CuO + xCu + 2Al → (3 + x)Cu + Al2O3 (3.1) Số mol: 3 x 2 (3 + x) 1 Khối lượng: 79,55 63,54 26,98 63,54 101,96 Với 20vol.% Al2O3 tạo ra trong hỗn hợp bột khi nghiền lần 1 (trong máy nghiền cánh khuấy), theo phản ứng 3.1 ở trên, ta có: số mol Al2O3 = 3,0038 101,96 = 0,0294 → mCu = 63,54.0,0294.(3 + x) = 26,9962 gr  x  11,4518 Ở đây, tác giả đã thực hiện tính đổi giữa (vol.%Al2O3) và (wt.%Al2O3) để tính số mol Al2O3 tạo thành theo phản ứng (3.1). Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng của phản ứng và sau khi tính đổi, ta có: mCu + mAl2O3 = 30 gr, trong đó mCu = 26,9962 gr và mAl2O3 = 3,0038 gr. Theo tính toán như trên, để chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - 20vol.% Al2O3, khối lượng riêng phần của hỗn hợp bột ban đầu được cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1 Khối lượng riêng phần của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu Khối lượng riêng phần, gr Tổng khối lượng, gr Bột Cu Bột CuO Bột Al 21,3928 7,0163 1,5909 30,0 Để khống chế phản ứng cháy tự sinh nhiệt, khi phối liệu lượng bột Cu bổ sung đã được tính toán theo phản ứng trên. Như vậy, quá trình phản ứng của CuO và Al sẽ có một phần phản ứng trực tiếp, và một phần phản ứng trong nền Cu. Khối lượng từng thành phần trong hỗn hợp bột ban đầu được cân đong trên thiết bị cân phân tích điện tử, độ chính xác 10-4 gr (hình 3.8) b. Chế độ nghiền Sau khi tính toán phối liệu (bảng 3.1), hỗn hợp 30 gr vật liệu bột ban đầu được nạp vào buồng nghiền cùng với bi nghiền được chế tạo bằng thép hợp kim đã biến cứng. Quá trình nghiền cơ - hóa được thực hiện trên máy nghiền bi kiểu cánh khuấy với chế độ nghiền như sau: - Tốc độ quay của cánh khuấy : 620 vg/ph - Tỉ lệ (theo khối lượng) bi nghiền/ bột nghiền : 1