Vật liệu compozit luyện kim bột trên nền đồng, nền sắt làm tiếp xúc truyền dẫn điện và phương pháp chế tạo

Nhằm giảm thiểu tiêu hao khối lượng đồng chế tạo các đầu nối dây dẫn điện, các tiếp xúc điện là xuất phát điểm của các nghiên cứu ứng dụng công nghệ luyện kim bột trong chế tạo vật liệu điện kỹ thuật làm việc ở điều kiện có sự trượt tương đối với nhau giữa các chi tiết truyền dẫn điện tiếp xúc.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vật liệu compozit luyện kim bột trên nền đồng, nền sắt làm tiếp xúc truyền dẫn điện và phương pháp chế tạoT¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008VẬT LIỆU COMPOZIT LUYỆN KIM BỘT TRÊN NỀN ĐỒNG, NỀN SẮTLÀM TIẾP XÚC TRUYỀN DẪN ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠOHà Minh Hùng (Viện Nghiên cứu Cơ khí),Đào Hồng Thái (Trường CĐ nghề Công nghiệp Hà Nội) ,Đinh Tiến Dũng (Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Hà Nội)1. Giới thiệuNhằm giảm thiểu tiêu hao khối lượng đồng chế tạo các đầu nối dây dẫn điện, các tiếpxúc điện là xuất phát điểm của các nghiên cứu ứng dụng công nghệ luyện kim bột trong chế tạovật liệu điện kỹ thuật làm việc ở điều kiện có sự trượt tương đối với nhau giữa các chi tiết truyềndẫn điện tiếp xúc. Yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu điện kỹ thuật nhóm này là: điện trở tại vùng(điểm) tiếp xúc không lớn hơn 0,5 Ω.mm2/m; độ cứng và độ bền uốn không nhỏ hơn 70 HB và150 MPa tương ứng; độ bền vững tiếp xúc điện – tiêu hao khối lượng vật liệu tính cho 100 lầnđóng ngắt tiếp xúc điện với dòng điện 20A phải đảm bảo không lớn hơn 0,3; tấm vật liệu tiếpxúc điện bị nung nóng trong quá trình làm việc không được vượt quá 100OC; tiếp xúc điện vớithời gian 0,1 s cho một lần đóng ngắt mạch điện khi lấy điện đến 1.500 A không gây ra các hưhỏng bề mặt thanh hoặc tấm tiếp xúc điện [1÷4].Các điều kiện sử dụng là cơ sở ban đầu cho việc lựa chọn vật liệu tiếp điểm điện. Khi sửdụng các thành phần hỗn hợp bột kim loại trên cơ sở nền sắt hoặc đồng và các chất pha trộn làgrafit, nitơrit bo, chì (xem bảng 1), độ xốp ban đầu nằm trong khoảng 20 – 30 %. Có một sốphương án công nghệ chế tạo như: cán nóng [1], thiêu kết tấm đồng thời với thấm các hợp kimdễ nóng chảy [3, 4], chế tạo vật liệu bimetal [5].Bảng 1. Thành phần bột kim loại trong phối liệu đầu vào compozit nền sắt, nền đồngKý hiệu thànhphần vật liệu123456Hàm lượng các thành phần bột phối liệu, % (theo khối lượng)Sắt ( Fe)857815366815Đồng (Cu)101577,5602076Chì(Pb)552105,4Grafit (C)2,5222,7Nitơrit bo (BN)2,522-Thiếc(Sn)0,50,9Mẫu cán có kích thước (6 ÷ 7) x 30 x 300 mm được bọc trong một lớp vỏ chiều dầy 0,2mm. Trước khi cán, người ta nung mẫu đến 900 ÷ 950OC trong thời gian 20 phút, tốc độ cán tuỳthuộc vào máy cán sử dụng có đường kính trục cán D = 500 mm đạt ν = 1 m/phút. Nung và làmnguội mẫu được thực hiện trong môi trường khí acgôn. Kết quả thí nghiệm nhận được theo côngnghệ cán được cho trên hình 1. Các mẫu cán với biến dạng tương đối ε = 15 ÷ 35 % có độ cứngcao, kể cả mẫu từ hỗn hợp bột với hàm lượng tương đối của các tạp chất đến 5%. Trong khi đógiữa các mức độ cứng cao và một số tính chất cơ lý khác của mẫu cán nóng không quan sát thấysự tương hợp: điện trở nằm trong khoảng R = 0,6 ÷ 0,9 Ω.mm2/m, giới hạn bền uốn σUB = 70÷100 MPa. Các giá trị này tương đối thấp, có lẽ là do có sự phân bố đặc trưng của chì trong cấutrúc vật liệu compozit: có thể cho rằng chì không tạo thành cùng với đồng dung dịch rắn và khibị cán ép với áp lực lớn hơn giới hạn chảy sẽ tạo thành pha nền cấu trúc và do đó làm yếu đi cácliên kết giữa các hạt kim loại với nhau [3].9Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008Hình 1. Sự phụ thuộc của độ cứng mẫu cánnóng vào mức độ biến dạng tương đối tươngứng với các thành phần bột phối liệu:1 – No 2; 2 – No 3; 3 – No 4; 4 – No 1Hình 2. Sựphụ thuộc củamật độ, độcứng, điện trởiriêng, độ bềnuốn vào thờigian thấmtương ứng vớicác thànhphần bột phốiliệu: 1 – No 3,thấm dư; 2 –No 3, thấmthiếu (khôngđủ hàm lượng)Sự nâng cao đáng kể các tính chất cơ lý của vật liệu compozit thiêu kết có thể đạt đượcnhờ công đoạn thấm bởi các kim loại dễ nóng chảy hơn kim loại nền hoặc bằng cách thiêu kếthỗn hợp bột phối liệu có tham gia của pha lỏng [3, 4]. Các tấm mẫu cán từ vật liệu compozít nềnsắt Fe có độ xốp ban đầu Θo = 25 ÷ 30 % được thấm bằng đồng kim loại Cu có nhiệt độ T =1.170 ÷ 1.200OC trong thời gian: t = 0,5; 1,0; 2,0, 3,0 và 4,0 phút (hình 2). Các kết quả thínghiệm trong công trình [3] đã minh chứng rằng thời gian thấm khoảng t = 2 phút là vừa đủ đểđạt được các chỉ tiêu theo yêu cầu tính chất của vật liệu làm tiếp điểm điện. Điều này dễ nhậnthấy trên các ảnh chụp cấu trúc vật liệu mẫu cán và thấm trong 2 phút cho trên hình 3 a, b, c, d,còn khi thời gian thấm trên 2 phút thì các đường cong mật độ, độ cứng, điện trở có dạng cácđường cong bão hoà. Khi thêm các tấm vật liệu kích thước lớn hơn thì có xuất hiện ảnh hưởngcủa yếu tố kích thước hình học của mẫu: có hiện tượng “bệnh hyđrô” của đồng và vật liệu chứađồng [3]. Trên bề mặt mẫu cán xuất hiện các lỗ hổng và hang hốc, chúng được tạo ra do áp suấtbên trong rất lớn của hơi nước và dòng chảy ngược của chất thấm ở pha lỏng.a)10b)c)T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008d)Hình 3. Cấu trúc tế vi các mẫu compozit sắt đồng - chì được thấm đồng ở nhiệt độ 1.200OCtrong thời gian thấm tT theo [3]: a) – 0,5;b) – 1,0; c) – 2,0; d) – 3 phút.Hình 4. Sự phụ thuộc của độ cứng tấm bimetal tiếpxúc điện vào mức độ biến dạng theo [3]: 1 – Thànhphần bột compozit phối liệu số 5; 2 – Thành phầnbột compozit phối liệu số 6Phương án công nghệ hiệu quả hơn cả là chế tạo bimetal làm tấm tiếp xúc điện [3, 5], đó làvật liệu tổ hợp compozit dạng lớp của bề mặt làm việc có tiếp xúc điện làm bằng vật liệu tiếpđiểm điện (bảng 1) và lớp kim loại chịu lực làm bằng thép tấm. Công nghệ này gồm các bướcsau: Thiêu kết hỗn hợp bột phối liệu lên nền thép (T = 1.000 OC, t = 30 phút), cán và ủ lần 1 ( T= 700 OC, t = 10 phút), cán và ủ lần 2 (T = 700 OC, t = 10 phút). Độ bền liên kết giữa lớp thépnền và lớp hợp kim làm việc được đảm bảo bởi lớp phủ trung gian, tổng biến dạng tương đốicủa tấm cán bằng εΣ = 50 ÷70 %. Sự phụ thuộc của độ cứng vào mức độ biến dạng cho trên hình4. Khả năng chịu tiếp xúc điện khi làm việc của các vật liệu nhận được bằng các phương phápcông nghệ khác nhau được thực hiện trên ...