GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ TỪ

Dung dịch rắn là các loại hạt hợp kim mà trong đó mạng tinh thể của hợp kim chính là mạng tinh thể của kim loại cơ sở, còn các nguyên tử của nguyên tố hợp kim chỉ ỏ các vị trí thay thế h

CHUÔNG 4

CÁC VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

• • • Các vật liệu dẫn điện có thể là những vật liệu ở trạng thái rắn, lỏng

và trong một số điều kiện nhất định có thể là chất khí Tuy nhiên, đại đa số các khí cụ điện được sử dụng chủ yếu là được chế tạo bằng vật liệu rắn trong đó chủ yếu là các kim loại và hợp kim, ngoài ra còn có một số vật liệu phi kim loại, nhưng thực chất là thuộc nhóm bán đẫn Trong chương này chủ yếu giới thiệu các vật liệu kim loại

I PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT cơ BẢN CỦA VẬT LIỆU DAN ĐIỆN

ì Phân loại theo tính dẫn điện

Được chia làm 2 loại: Kim loại với hợp kim có độ dẫn điện cao và kim loại với hợp kim có điện trở cao

2 Theo màu sắc

Kim loại được phân thành 2 nhóm: Kim loại đen (terous metal) và kim loại màu (non-ferous metal)

Kim loại đen là các kim loại với hợp kim trẽn cơ sỏ nguyên tố sắt (Fe) còn kim loại màu là các kim loại với hợp kim của các nguyên tố kim loại còn lại

3 Theo tính chất kim loại

Được chia thành 6 nhóm sau (chủ yếu là kim loại màu)

- Kim loại nhẹ là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn hay

như Fe(7,85), Pb(11,34), Sn(7,28), Zn(7,14), Cu(8,94)

- Kim loại dễ chảy là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn 1539°c (1539°c là nhiệt độ nóng chảy của Fe) nhữ Al(660°),

- Kim loại khó chảy là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn 1539°c nhưTi(1665°), Cr(1890°), Mo(2625°), W(3410°)

- Kim loại quý là các kim loại bền hoa học, không bị các môi trường hoa học thông thường ăn mòn Nhóm này gồm 8 nguyên tố (xếp theo thứ tự tăng bển hoa học): Ag, Pd, Rh, Au, Pt, Ru, Os, Ir

- Km loại hiếm là các kim loại có trữ lượng ít trên vỏ quả đất như

Mg, Li nhất là các nguyên tố đất hiếm như La, Pr, Cm

Cơ cấu của sự dẫn điện trong các kim loại ở thể rắn và lòng (thù ngân) là do các điện tử tự do chuyển động vì vậy các vật liệu này có điệi dẫn điện tử hay người ta còn gọi là vật dẫn loại một

Vật dẫn loại hai là các vật dẫn có cơ cấu dẫn diện là do sự chuyển

dịch của các phần tử mang điện (ion) dưới tác dụng của điện trường Đó là các dung dịch điện phân hoặc một số tinh thể ion ở trạng thái lỏng

Khi nghiên cứu dặc tính dẫn diện của vật liệu, cẩn quan tâm đến các

tính chất sau:

- Điện dẫn suất hay diện trỗ suất của vật liệu

- Hệ số nhiệt của điện trở suất

- Nhiệt dẫn suất

- Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động

- Cơ tính vật liệu, đối với kim loại chủ yếu là giới hạn bến và độ

dãn dài tương đối

li CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ Hộp KIM

Các nguyên tử kim loại có đặc điểm là số điện tử ỏ vành ngoài cùng

rất ít (chỉ 1, 2 hoặc 3) và các điện tử này có lực hút với hạt nhãn yếu nên

dễ dàng tách khỏi sức hút của hạt nhân để trô thành điện tử tự do

Tất cả các kim loại đều có cấu tạo tinh thể Các kiểu mạng tinh thể

thường gặp nhất trong kim loại là mạng lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục giác điền đầy như đã mô tả ở chương III mục 4 hình 1

Hình 1 Cấu tạo hạt của kim loại Trong thực tế, tùy thuộc vào phương pháp chế tạo, các nguyên tử

kim loại không phải luôn luôn được sắp xếp theo các kiểu mạng lý tưởng

mà thường được cấu tạo thành hạt có hướng bất kỳ'ngẫu nhiên như trên hình 1 Với cách sắp xếp như vậy thì hướng chung của toàn khói kim loại là

vô hướng hay dẳng hướng

138

Tùy thuộc quá trinh kết tinh từ trạng thái lỏng, kích thước hạt kim loại

có thể lớn nhỏ khác nhau Các nguyên tử kim loại ở những vùng biên giới giữa các hạt thường sắp xếp mất trật tự, có năng lượng lớn hơn các nguyên

tử nằm bên trong hạt ỏ dạng ổn định có năng lượng nhỏ hơn Điểu đó dẫn đến điện trở kim loại ở biên giới hạt cao hơn ở bên trong, nghĩa là kim loại

có hạt càng nhỏ thì điện trở càng lớn

" À

•r-\

l l l l l

—-—f=>£=~^

Hình 2 Sự biến dạng kim loại Bất kỳ một nguyên nhân nào làm tăng xô lệch mạng tinh thể đều

dẫn đến làm tăng điện trở của kim loại

Thi dụ 1: Khi biến dạng dẻo kim loại, gọi chung là gia công kim loại

bằng áp lực như kéo, nén, rèn, dập, cán mà sau khi gia công như vậy để lại một lượng biến dạng dư trong kim loại thi các hạt kim loại sẽ bị thay đổi hình dáng và kích thước, trong đó vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể cũng dịch chuyển và thường ở trạng thái xô lệch mạng như trên hình 2 Thí dụ 2: Khi hợp kim hóa nghĩa là cho thêm các nguyên tố khác loại

(gọi là nguyên tố hợp kim) vào một kim loại nào đó (sẽ nói rõ hơn ở dưới đây) thì dù nguyên tố hợp kim đó có đường kính lớn hơn hay nhỏ hơn nguyên tố kim loại cơ sỏ thì đểu làm cho các nguyên tử của kim loại cơ sở phải xê dịch đi một khoảng khỏi vị tri cân bằng và sẽ ở trạng thái xô lệch mạng và đương nhiên sẽ làm điện trở của kim loại sẽ tăng lên

Hợp kim là các vật liệu gồm 2 hay nhiều nguyên tố mà trong đó

nguyên tố kim loại là chủ yếu Hợp kim phải có tính kim loại Nguyên tố cho thêm vào kim loại để tạo thành hợp kim gọi là nguyên tố hợp kim Nguyên tố hợp kim có thể là nguyên tố kim loại hoặc phi kim loại Tùy thuộc kích thước và tính chất của nguyên tố hợp kim, cấu tạo của các hạt hợp kim có thể ở 3 dạng khác nhau: dung dịch rắn, hợp chất hóa học và hỗn hợp cơ học

Dung dịch rắn là các loại hạt hợp kim mà trong đó mạng tinh thể của

hợp kim chính là mạng tinh thể của kim loại cơ sở, còn các nguyên tử của nguyên tố hợp kim chỉ ỏ các vị trí thay thế (hình 3) hoặc xen vào giữa các nút mạng của kim loại cơ sở (hình 4)

Hình 3 Dung dịch rắn thay thế Hình 4 Dung dịch rắn xen kẽ Hợp chất hóa học là các hợp kim mà trong dó các nguyên tố kết hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất định và biểu diễn bằng một công thức hóa học Mạng tinh thể của hợp chất hóa học thường khác với mạng tinh thể của các nguyên tố tạo thành nó Thí dụ trong hợp kim Sắt-Cacbon khi lượng Cacbon

nó không giống mạng tinh thể của cacbon và cũng không giống mạng tinh thể của sắt, mà nó có kiểu mạng tinh thể riêng như trên hình 5, trong đó cử 3 nguyên tử sắt bao quanh một ngyên tử cacbon (theo tỷ lệ Fe/C = 3/1)

Nếu trong hợp kim tồn tại đổng thời 2 hay nhiều dung dịch rắn khác nhau hay vừa có dung dịch rắn vừa có hợp chất hóa học thi gọi là hỗn hợp

cơ học Thí dụ trong hợp kim Sắt-Cacbon cấu tạo của hạt có tên là hạt peclit như ô hình 6 là một dạng của hỗn hợp cơ học, trong đó các đường

mạng tinh thể của nó như trên hình 5, còn các đường đen là hình dáng cùa các tấm có tên là Ferit, là một loại dung dịch rắn xen kẽ như trên hình 4 hoặc mạng tinh thể của nó như trên hình 7

Hình 6 Tổ chức hạt Peclit trong hợp kim Fe-C

Ổ Hình 7 Mạng tinh thể của Ferit

140

Xem thêm các phương pháp nghiên cứu tổ chức của kim loại ở phần tham khảo cuối chương

HI Sơ LƯỢC CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN VÀ GIA CÔNG KIM LOẠI Tính chất của kim loại không những phụ thuộc vảo thành phần hóa

học mà còn phụ thuộc nhiều vào cấu tạo bên trong của chúng, mà cấu tạo

và tổ chức bên trong của kim loại lại phụ thuộc vào các phương pháp gia công và chế biến chúng Do đó dưới đây ta cần nghiên cứu một cách khái quát các phương pháp gia công kim loại từ đó biết được các yếu tố cơ bản

có ảnh hưởng đến sự thay đổi tính chất của kim loại

Trong thiên nhiên kim loại ỏ dạng các quặng khác nhau Từ quặng

để có được kim loại nguyên chất hoặc hợp kim người phải sử-dụng các phương pháp luyện kim khác nhau để loại bỏ các tạp chất trong quạng và thu hổi được kim loại nguyên chất hoặc không nguyên chất tủy thuộc đặc điểm của từng loại quặng

Luyện kim gồm các phương pháp sau:

- Hỏa luyện là các phương pháp luyện Kim dùng nhiên liệu như

than, dầu, khí đốt hoặc bằng năng lượng điên làm chảy quặng, từ

đó tách các tạp chất ra khỏi kim loại bằng các phản ứng oxy hóa

và hoàn nguyên để thu hổi kim loặi ỏ.dạng lỏng Sau đó đúc thành thỏi hoặc các sản phẩm cụ thể Với phương pháp này thường người ta dùng các loại lò cao khác nhau để luyện

- Thủy luyện là phương pháp điện phân kim loại đã được nóng

chảy để tách tạp chất ra khỏi hỗn hợp kim loại Với phương pháp điện phân như vậy kim loại thu được thường có độ tinh khiết rất cao Thí dụ đồng nguyên chất để làm dây dẫn điện thường được luyện theo phương pháp thủy luyện Trước khi điện phân để được kim loại có độ tinh khiết cao, người ta phải dùng phương pháp hỏa luyện để tách tạp chất ra khỏi quặng đồng, thu được khối đổng chứa nhiều nguyên tố có màu xám thường gọi là đồng đen

Từ đồng đen qua thủy luyện nhận được đồng tinh khiết có màu

đỏ gọi là đồng đỏ Đồng đỏ dùng làm dây dẫn điện

- Điện luyện là phương pháp dùng năng lượng điện để làm chảy

nguyên liệu kim loại, từ đó sẽ pha chế, điều chỉnh thành phần kim loại lỏng trong lò để đạt được thành thần yêu cầu, sau đó rót kim loại lỏng vào khuôn đúQ để đúc thành chi tiết máy hoặc đúc thành thỏi rồi đem cán thành các bán thành phẩm

- Luyện kim bột là phương pháp luyện kim mới xuất hiện vào đáu thế kỷ 20 Để tạo được kim loại nguyên chất hoặc hợp kim từ quặng hoặc các phế liệu người ta không nấu chảy quặng hoặc phế liệu mà chỉ dùng các phương pháp hóa học, điện hóa học như các phản ứng hoàn nguyên (phản ứng khử) hoặc phản ứng oxy hóa để tạo kim loại nguyên chất hoặc hợp kim ỏ dạng hạt (bột), sau đó đem ép bột thành hình các sản phẩm hoặc thỏi rồi nung nóng đến một nhiệt độ nhất định gọi là thiêu kết để các hạt dính lại với nhau Nếu muốn chế tạo kim loại dạng sợi hay tấm thi

từ các thỏi kim loại này đem kéo hoặc cán thành tấm Các kim loại khó chảy như w, Mo, Re, Ti, HI., thường được chế tạo theo phương pháp này

- Luyện kim loại siêu sạch

Để có được kim loại sạch tuyệt đối (thí dụ các tinh thể Si hay Ge để

làm các vật liệu bán dẫn) người ta phải sử dụng các phương pháp luyện kim đặc biệt

Thí dụ phương pháp "nuôi đơn tinh thể " theo kiểu Chalmen được đơn

timh thể Si siêu sạch Tóm tắt phương pháp này như sau (Hình 8):

Hình 8 Sơ đồ thiết bị nuôi đơn tinh thể theo phương pháp Chalmen Kim loại sau khi nấu chảy trong khuôn chứa, tiến hành làm nguội thê

nào để kim loại chỉ kết tinh từ một đầu của khuôn Thiết bi gồm khuôn chứa kim loại bằng than hoặc Graphit và lò điện có thể di chuyển tịnh tiến ngang về phía khuôn được đặt cố định trên giá đỡ Sau khi kim loại đã được nấu chảy, dịch chuyển từ từ lò nung sang bên phải Đầu bên trái của khuôn chứa được làm nguội trước và kết tinh bắt đầu từ đó Tốc độ dịch chuyển của lò phải đủ chậm (thông thường dưới 10mm/phút) để bảo đảm tốc độ nguội cần thiết, tạo điều kiện cho tinh thể lớn lên từ một hoặc vài trung tâm kết tinh ban đầu Nếu tốc độ dịch chuyển lớn hơn mức cán thiết thì tinh thể không lớn kịp và quá trình kết tinh của đơn tinh thể bị gián đoạn Ngoài phương pháp Chalmen, người ta còn cỏ thể dùng các phương

pháp khác nhau để nhận được kim loại hoặc hợp kim có độ tinh khiết cao dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

142

Kim loại lỏng nhận được bằng các phương pháp hỏa luyện hoặc thủy luyện có thể đúc thành các sản phẩm máy móc hoặc đúc thành thỏi Từ thỏi kim loại, có thể cán, kéo hoặc ép thành bán thành phẩm và sau đó từ các bán thành phẩm này lại có thể gia công thành các sản phẩm khác nhau bằng các phương pháp đúc rèn, dập, cắt gọt, hàn v.v_ theo sơ đồ hình 9

ị ' Hỏa luyổn, thúy luyện

ĩ

Hình 9 Sơ đồ sản xuất và gia công kim loại

IV ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐÈN TÍNH DAN ĐIỆN VÀ TỪ CỦA KIM LOẠI

Tùy thuộc công nghệ của các phương pháp gia công kim loại sau khi luyện, kim loại sẽ có kết cấu (hay còn gọi là tổ chức) khác nhau dẫn đến tính chất khác nhau Sau đây dẫn ra một số yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến

cơ tính và tính chất điện và từ của kim loại

1 Ảnh hưởng của công nghệ đúc

Khi rót kim loại lỏng vào khuôn đúc, tùy thuộc tốc độ nguội của kim loại lỏng trong khuôn và các yếu tố phụ khác như tạp chất, các nguyên tố hợp kim, chất biến tính kích thước hạt kim loại sau khi kết tinh sẽ khác nhau Nếu tốc độ nguội càng nhanh hạt kim loại càng nhỏ dẫn đến độ bền càng cao Tuy nhiên, do hạt càng nhỏ, diện tích biên giới hạt càng lớn dẫn đến điện trở càng lớn và khi kim loại đặt trong điện trường hoặc có dòng điện đi qua nhiệt sinh ra càng lớn và tổn thất diện năng và tổn thất từ càng lớn

2 Ảnh hưởng của công nghệ gia công bằng áp lực

Khi cán, kéo hoặc rèn, kim loại sẽ biến dạng, hình dáng hạt kim loại

sẽ kéo dài theo phương của lực tác dụng và thường bị méo mó, xô lệch và thường tạo nên hình dáng hạt gọi là "tổ chức thớ" hay còn có tên là

"techxtua" (xem hình 10) Kết quả dẫn đến điện trở tăng và kim loại mang tính có hướng, tổn thất điện năng và tổn thất từ cũng tăng và độ bển cũng tăng Tuy nhiên, tính có hướng (hay còn gọi là tính dị hướng) lại được lợi dụng trong trường hợp chế tạo thép làm lõi biến áp để buộc các đường sức tập trung theo chiểu của thớ kim loại Theo chiều thẳng góc với thớ đường sức sẽ rất yếu do dó làm giảm tổn thất từ ra môi trường xung quanh Nếu sau khi gia công bằng áp lực muốn giảm xô lệch mạng dể giảm diện trở và giảm tổn thất diện năng thì người ta tiến hành ủ kim loại, nghĩa là nung nóng kim loại dã bị biến cứng do xô lệch mạng sau khi gia công áp lực đến một nhiệt độ nhất định để tạo khả năng sắp xếp lại vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể, làm giảm hoặc triệt tiêu xô lệch mạng dẫn đến giảm điện trở Công nghệ đó gọi là "ủ kết tinh lại" Công nghệ ủ kết tinh lại (loại không chuyển biến pha) chỉ làm giảm xô lệch mạng mà hầu như không làm thay đổi hình dáng và kích thước hạt

Hình 10 Cấu tạo textua sau khi biến dạng

144

3 Ảnh hường của nhiệt luyện đến tính chất kim loại

Nhiệt luyện là các phương pháp gia công gồm có nung nóng kim loại

đến một nhiệt độ nhất định, sau khi giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi làm nguội với một tốc độ nhất định để làm thay đổi cấu tạo tổ chức bên trong

do đó làm thay đổi tính chất kim loại mà hình dáng kích thước bên ngoài của chi tiết không được thay đổi

Nhiệt luyện kim loại có thể thực hiện sau khi gia công tạo hình sản

phẩm với mục đích đạt được tính chất cần thiết để chi tiết làm việc lâu dài, hoặc cũng có thể thực hiện bằng những bước trung gian giữa các lần gia công tạo hình với mục đích tạo khả năng gia công tốt hơn, năng suất gia công cao hơn, chất lượng gia công tốt hơn

Các phương pháp nhiệt luyệt gồm có:

a ủ (anealing)

Nung nóng kim loại đến nhiệt độ nhất định, giữ ỏ nhiệt độ đó một

thời gian để nhiệt độ đạt được đồng đểu trên toàn chi tiết sau đó làm nguội chậm cùng lò đến nhiệt độ thường

Sau khi ủ kim loại sẽ mềm hơn, dễ gia công hơn, tính chất đồng đểu

trên toàn chi tiết

Đối với thép cacbon có lượng cacbon thấp hơn 0,30% nếu làm nguội theo lò thì độ cứng sẽ quá thấp, cắt gọt trên máy tiện sẽ khó khăn hơn nên sau khi nung nóng như để ủ nhưng lấy ra làm nguội ngoài lò (nguội ngoài không khí tĩnh hoặc thổi quạt để nguội nhanh hơn) thì gọi là thường hóa (normalisation) Kết quả tương tự như ủ

b Tôi (quenching)

Nung nóng kim loại đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (thường

'cao hơn 750°C) sao cho các tổ chức trong thép đều chuyển thành tổ chức auxtênit (xem mục 11a hình 15), sau đó làm nguội thật nhanh (trong nước nguội hay trong nhớt nguội hay nóng) đến nhiệt độ bình thường thì gọi là tôi Kết quả trong thép sẽ nhận được một tổ chức gọi là Mactenxit rất cứng như hình 11 Nhờ có tổ chức này mà chi tiết thép có độ bền cao, chịu được mài mòn cao Tuy nhiên, thép sẽ đòn hơn, điện trở tăng rất mạnh Nếu dùng thép có cacbon cao đem tôi sau đó nạp từ sẽ cho trị số He rất cao Thép có thành phần cacbon càng cao sau khi tôi nhận được giá trị He càng cao khi từ hóa Thông thường, người ta dùng thép có thành phần cacbon khoảng 0,60 - 0,80% để làm nam châm vĩnh cửu

Hình 11 Tổ chức mactenxit sau khi tôi

c Ram (tempering)

Nung nóng thép đã tôi đến một nhiệt độ nhất định (không được vượt quá 700°C) làm nguội ngoài không khí đến nhiệt độ thưởng thì gọi là ram Mục đích của ram là làm giảm ứng suất do tôi để chi tiết thép có thể làm việc ổn định hơn, giảm nguy cơ nứt gãy trong quá trình chịu tác dụng lực khi làm việc Sau khi tôi có độ cứng cao, muốn điều chỉnh giảm độ cứng người ta ram với các nhiệt độ thích hợp Nhiệt độ ram càng cao độ cứng giảm càng nhiều Ram ở nhiệt độ càng cao, ứng suất giảm càng nhiều do

đó điện trỏ giảm càng nhiều Đối với vật liệu từ cứng bằng thép tôi, sau khi tôi thường không ram để khi từ hóa nhận được giá trị He cao Tuy nhiên, trong quá trình làm việc, do tính tự ram của thép đã tôi nên giá trị He dán dần sẽ bị giảm

V ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỔNG

1 Đồng nguyên chất

nhiệt độ nóng chảy 1083°c Đông nguyên chất có tính dẫn điện cao (chỉ thua bạc), tinh dẫn nhiệt cũng rất cao Độ bền và độ cứng không cao, nhưng tính dẻo rất cao nên gia công đồng đỏ bằng các phương pháp gia công áp lực là rất thuận lợi Tính đúc của đồng đỏ không cao vì ỏ trạng thái lỏng đồng hoa tan khi rất mạnh, đúc dễ bị rỗ (bọt) Độ chảy loãng không cao Do đó đồng

đỏ ít dùng ở trạng thái đúc Tính cắt gọt của đồng đỏ không cao vì rất dẻo, khi dũa dễ bị phoi dính răng dũa, khó dũa Đồng đỏ bền trong các môi trường kiềm, nhưng dễ bị ăn mòn trong các môi trường axit

Đổng đỏ dùng làm dây dẫn điện phải là đổng nguyên chất điện phàn (Cu E) và ở trạng thái ủ để bảo đảm có điện trở suất nhỏ nhất

Đống đỏ còn dùng làm vành góp, cổ góp trong máy điên

Các chổi điện trong các loại máy điện phải chế tạo bằng đổng đỏ nhưng ỏ dạng bột đồng ép lại (chế tạo theo phương pháp luyên kim bột)

Để giảm độ mòn của chổi điện người ta trộn thêm vào bột đồng khoảng 10-15% Graphit rồi ép thành chổi điện sau đó thiêu kết ỏ nhiêt đõ khoảng 700~800°c

14G