Nghiên cứu tạo vật liệu tổ hợp hai lớp hợp kim đồng + thép làm vật liệu truyền dẫn điện

Ở các nước công nghiệp phát triển, vật liệu kỹ thuật điện sử dụng làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp và đường dây truyền tải điện cung cấp cho đầu tầu chạy bằng độn

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP 2 LỚP HỢP KIM ĐỒNG THÉP LÀM THANH CÁI TRUYỀN DẪN

ĐIỆN ĐỘNG LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP

Mã số: 01.10 RDBS/HĐ-KHCN

Chủ nhiệm đề tài: ThS Lương Văn Tiến

8800

Quảng Ninh, tháng 3/ 2010

ĐIỆN ĐỘNG LỰC TRONG CÔNG NGHIỆP

(Thực hiện theo Hợp đồng số 01.10 RDBS/HĐ-KHCN ngày 10 tháng 3 năm 2010 giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng)

Chủ nhiệm đề tài: ThS Lương Văn Tiến

Danh sách các thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên Học vị, học hàm

1 Hà Minh Hùng PGS, TS Viện Nghiên cứu Cơ khí

2 Lê Văn Lợi ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD

3 Hoàng Minh Thuận ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD

4 Lương Văn Thành KS Trường CĐ Công nghiệp và XD

5 Nguyễn Tiến Đạt ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD

6 Đỗ Minh Chiến ThS Trường CĐ Công nghiệp và XD

7 Hoàng Thị Đông Cử nhân Trường CĐ Công nghiệp và XD

8 Nguyễn Văn Đức ThS Trường Đại học Bách khoa HN

9 Phạm Thị Hằng KS Trường ĐH Nông nghiệp HN

10 Đào Hồng Thái ThS Viện Nghiên cứu Cơ khí

Quảng Ninh, tháng 3/ 2010

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu, giới hạn nghiên cứu 7

3 Đóng góp về khoa học và thực tiễn của đề tài 8

Chương 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN TẠO PHÔI BIMETAL ĐỒNG + THÉP TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN 10

1.1 Vật liệu bimetal dùng cho thanh cái và dây dẫn điện động lực 10

1.1.1 Đồng 13

1.1.2 Đồng thau 13

1.1.3 Hợp kim đồng thiếc 14

1.1.4 Hợp kim đồng beryli 14

1.1.5 Hợp kim đồng bạc 14

1.2 Vật liệu truyền dẫn điện tiếp xúc 15

1.3 Tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu bimetal trong kỹ thuật điện 17

1.3.1 Công nghệ tạo phôi bimetal không qua biến dạng dẻo 18

1.3.2 Công nghệ tạo phôi bimetal bằng phương pháp hàn dưới áp lực 21

1.3.3 Công nghệ hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nóng 21

1.3.4 Công nghệ hàn nguội 21

1.3.5 Hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nguội 22

1.4 Công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal làm vật liệu chế tạo máy và kỹ thuật điện 23

1.5 Tính chất đặc trưng của bimetal trên cơ sở đồng và thép 25

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 28

Chương 2 NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ NỔ THÍCH HỢP ĐỂ HÀN NỔ TẠO PHÔI VẬT LIỆU BIMETAL DẠNG HÌNH THANH VÀ HÌNH TRỤ 29

2.1 Đặc điểm công nghệ hàn nổ 29

2.2 Các thông số hàn nổ chính 32

2.2.1 Các thông số động học 32

2.2.2 Các thông số vật lý 36

2.2.3 Các thông số chính xác địnhchế độ hàn nổ 37

2.3 Giả thiết để thực nghiệm hàn nổ bọc ống đồng vào lõi thép 39

2.4 Phương pháp giải bài toán nổ tóp ống đồng để hàn với lõi thép ở giữa 41

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 43

Chương 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HÀN NỔ TẠO PHÔI BIMETAL

ĐỒNG M1 + THÉP 08s VÀ GIÁM ĐỊNH MẪU VẬT LIỆU 44

3.1 Cấu tạo thanh cái 44

3.2 Hàn nổ tạo phôi bimetal đồng M1 + thép 08s 44

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 44

3.2.2 Phương pháp thí nghiệm hàn nổ 45

3.2.3 Mộ số sản phẩm mẫu việt liệu bimetal thép 08s + đồng M1 sau khi hàn nổ 47

3.2.4 Điều kiện hàn nổ và kết quả thực nghiệm 49

3.2.5 Hiện trạng bề mặt mẫu bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ 51

3.3 Kết quả thực nghiệm trên cơ sở độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ 55

3.3.1 Phương pháp lấy mẫu vật liệu bimetal để giám định 55

3.3.2 Kết quả thực nghiệm xác định độ bến bám dính 2 lớp 58

3.4 Các sản phẩm đạt được sau khi chế tạo vật liệu bimetal thép M1 + thép 08s bằng phương pháp hàn nổ 60

3.5 Các kết quả kiểm nghiệm thanh cái sau khi chế tạo bằng vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 63

3.5.1 Đo điện trở 63

3.5.2 Kết quả sử dụng thanh cái 66

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 67

Chương 4 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM THÍ NGHIỆM 68

4.1 Kết quả khảo sát chụp ảnh cấu trúc tế vi biên giới liên kết 2 lớp thép - đồng trên mẫu bimetal sau hàn nổ 69

4.2 Phân tích kết quả thí nghiệm 71

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC ĐỀ TÀI 82

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1 Cấu tạo cầu dao cách ly trạm biếm áp động lực 35 kV 1

Hình 2 Sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV sau một thời gian sử dụng 2

Hình 3 Ảnh chụp một đoạn dây dẫn điện động lực (a) cho mạng vận tải tầu điện 14 kP Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN (b) 3

Hình 4 Hiện tượng phóng hồ quang điện giữa đường dây cung cấp điện và cầu lấy điện của tầu điện 14 kP tại Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN 4

Hình 5 Hư hỏng cụ bộ của đường dây tải điện động lực cho tuyến tầu điện 14 kP trong ngành khai thác mỏ tại Công ty mỏ vàng Danh – VINACOMIN 4

Hình 1.1 Ảnh hưởng của tạp chất tới độ dẫn nhiệt (a) và độ dẫn điện (b) của đồng 13

Hình 1.2 Ảnh hưởng của biến dạng nguội đến độ cứng của hợp kim đồng latông Л63 (1) và Л70 (2) 14

Hình 1.3 Vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện 16

Hình 1.4 Mặt cắt tiết diện ngang của vật liệu bimetal đồng M1 + thép 08s 17

Hình 1.5 Sơ đồ phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu bimetal dùng trong kỹ thuật điện 18

Hình 1.6 Sơ đồ nổ dưới góc nghiêng (a), (b) và nổ song song (c), (d); sơ đồ hình học tấm kim loại hàn khi bay tại một thời điểm khi hàn nổ (e) 24

Hình 1.7 Giản đồ trạng thái hệ Cu – Fe 26

Hình 1.8 Sự phụ thuộc của độ bền mối hàn bimetal thép – Cu vào mức độ biến dạng khi cán nóng (a) và nhiệt độ ủ (b) 27

Hình 2.1 Sơ đồ nổ treo trong trường hợp hàn nổ hai tấm kim loại phẳng 30

Hình 2.2 Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ các tấm kim 31

Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn sự va đập giữa hai lớp kim loại tại một thời điểm khi hàn nổ 33

Hình 2.4 Sơ đồ hàn nổ vật liệu bimetal (a) và sơ đồ phân bố áp suất nén tác dụng lên chu vi mặt cắt ngang phôi tại một thời điểm khi nổ (b) 39

Hình 3.1 Cấu tạo bộ thanh cái cầu dao cách ly trạm biến áp 6kV) 44

Hình 3.2 Phôi ống đồng M1 và phôi lõi thép 08s trước khi tạo paket hàn nổ 46

Hình 3.3 Nạp thuốc nổ vào phôi pakét ống đồng M1 + lõi thép 08s chuẩn bị nổ tại hiện trường nổ mìn Xí nghiệp Than Uông Bí - Quảng Ninh 46

Hình 3.4 Mẫu thí nghiệm phôi pakét ống đồng M1 + lõi thép 08s sau khi hoàn thành việc lồng pakét và bọc thuốc nổ tại hiện trường nổ mìn Xí nghiệp Than Uông Bí - Quảng Ninh 47

Hình 3.5 Mẫu thí nghiệm và mặt cắt mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 dạng ống chữ nhật sau hàn nổ 48

Hình 3.6 Mẫu thí nghiệm và mặt cắt mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 dạng ống tròn sau hàn nổ 48

Hình 3.7 Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu No 01, 02, 03 - Lô số 01 50

Hình 3.8 Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu No 04, 05, 06 - Lô số 02 50

Hình 3.9 Mẫu thí nghiệm bimetal thép 08s + đồng M1 sau hàn nổ, số mẫu No 07, 08, 09 - Lô số 03 51

Hình 3.10 Quy ước chia các phân vùng đặc trưng trên phôi bimetal thép - thép dọc theo hướng nổ 56 Hình 3.11 Thí nghiệm đo độ bền bám dính bằng phương pháp keo dán 56 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý thử phá hủy theo phương pháp kéo dứt (a), kích thước mẫu thử (b); sơ đồ vị trí cắt lấy mẫu thử xác định độ bền bám dính 2 lớp và khảo sát cấu trúc tế vi trên phôi bimetal thép 08s + M1 (c) 57 Hình 3.13 Kết quả tính toán mô phỏng số độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08s + đồng M1 bằng phần mềm STATSTICA 60 Hình 3.14 Bộ thanh cái của cầu dao cách ly của trạm biến áp 6kV được chế tạo từ vât liệu bimetal thép 08s + đồng M1 60 Hình 3.15 Cấu tạo bộ thanh cái cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV (thanh cái

là bimetal thép 08s + đồng M1) 61 Hình 3.16 Các bộ thanh cái chế tạo từ vật liệu bimetal thép 08s + M1 bằng phương pháp hàn nổ được lắp vào bộ cầu dao cách ly trạm biến áp 6kV 62 Hình 3.17 Phôi vật liệu hình trụ bimetal thép 08s + M1 bằng phương pháp hàn nổ 62 Hình 3.18 Các mẫu đo điện trở các thanh cái của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV làm từ vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 63 Hình 3.19 Các dụng cụ đo xác định điện trở các mẫu thanh cái của cầu dao cách

ly 6kV tại Phòng thử nghiệm thiết bị điện (Trung tâm An toàn Mỏ, Viên Khoa học Công nghệ Mỏ - VINACOMIN) 64 Hình 3.20 Quá trình đo và đọc xác định các trị số để tính điện trở các mẫu thanh cái của cầu dao cách ly 6kV tại Phòng thử nghiệm thiết bị điện, Trung tâm An toàn

Mỏ, Viên Khoa học Công nghệ Mỏ - VINACOMIN 65 Hình 4.1 Mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp (vị trí 1) và mẫu dùng để quan sát ảnh chụp cấu trúc tế vi theo mặt cắt ngang hướng nổ (vị trí 2) 69 Hình 4.2 Sơ đồ khảo sát ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới hai lớp thép 08s và đồng M1 dọc theo hướng nổ lấy mẫu tại 8 vị trí khác nhau trên chu vi mặt cắt ngang phôi hàn nổ số 04-QHTN 1 70 Hình 4.3 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 1 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) 71

Hình 4.4 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 2 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) 71 Hình 4.5 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 3 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ 72

Hình 4.6 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 4 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) 72 Hình 4.7 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 5 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) 72 Hình 4.8 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 6 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) 73 Hình 4.9 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 7 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) 73 Hình 4.10 Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 ở vị trí số 8 (Mẫu số 04 QHTN 1, cắt dọc theo hướng nổ) 73

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 1.1 Tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C) được dùng trong kỹ

thuật điện 12

Bảng 1.2 Tính chất tính chất của một số dây dẫn điện đồng, nhôm và thép 13

Bảng 1.3 Giá trị về tính chất cơ bản của một số hợp kim đồng kỹ thuật 13

Bảng 1.4 Kết quả thử nghiệm xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép + đồng khi thử mẫu phá hủy có lực đặt dọc theo bề mặt liên kết 2 lớp 27

Bảng 3.1 Thành phần vật liệu thép làm lõi pakét hàn nổ (theo GOST 1050) 45

Bảng 3.2 Thành phần vật liệu đồng M1 45

Bảng 3.3 Giá trị của biến mã hóa và biến thật 49

Bảng 3.4 Giá trị đo điện trở của các thanh cái cầu dao cách ly 6kV 65

Bảng 3.5 Tổng hợp tình trạng các thanh cái của cầu dao cách ly trạm điện 6kV trong thời gian chạy thử 66

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Để đẩy nhanh sự nghiệp Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước; ở Việt Nam hiện nay đang được đầu tư nhiều dự án trọng điểm của nhà nước trong lĩnh vực xây dựng các nhà máy phát điện, hệ thống truyền dẫn và phân phối điện trong toàn quốc Trong đó phương án chiến lược phát triển mạng lưới giao thông công cộng (ô

tô, tầu hỏa, tầu điện) dùng đầu máy là động cơ xăng và động cơ diesel để vận chuyển người, hàng hóa, nguyên vật liệu và khoáng sản sẽ dần được thay thế bằng đầu máy động cơ điện, giống như ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới là rất có triển vọng, giảm thiểu sử dụng các nguồn năng lượng gây ô nhiễm môi trường Hiện nay ở nước ta việc chế tạo các thiết bị đóng cắt mạch điện động lực, trong đó thanh cái dẫn điện trong quá trình đóng cắt phải chịu lực và xung lực đóng cắt rất lớn (ví dụ như: cầu dao cách ly trạm biến áp 35 kV, 6 kV ); các đường dây tải điện động lực của các tuyến đường tầu vận tải chạy máy điện 1 chiều để chuyên chở vật liệu, đất đá thải và khoáng sản của các mỏ khai thác khoáng sản (than, quặng sắt, ) trong quá trình làm việc chịu lực và chịu tia lửa

hồ quang lớn Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo chúng là rất cần thiết

Về các thiết bị đóng cắt điện động lực mà thanh cái chịu lực và xung lực đóng cắt lớn chẳng hạn thanh cái của cầu dao cách ly trạm biến áp 35 kV và trạm biến áp 6

kV Trên hình trên hình 1 là cấu tạo của cầu dao dao cách ly trạm biến áp 35 kV

Hình 1 Cấu tạo cầu dao cách ly trạm biếm áp động lực 35 kV

1 – Tay điều khiển đóng cắt; 2- Thanh cái động (đóng ngắt); 3- Thanh cái tĩnh

1

Thanh cái động và thanh cái tĩnh được chế tạo bằng đồng (hoặc hợp kim đồng) là mặc dù là những loại vật liệu có tính công nghệ và tính chất dẫn điện tốt, có độ bền chống ôxy hóa tương đối cao, nhưng trong quá trình sử dụng do chịu lực và xung điện đóng ngắt lớn nên thường bị hư hỏng như: Thanh cái động do có chiều dài lớn thường bị cong theo phương đứng và xoắn theo phương ngang Trên hình trên hình 2 là ảnh chụp ví dụ sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 KV sau một thời gian sử dụng

Hình 2 Sự hư hỏng của cầu dao cách ly trạm biến áp 6 kV sau một thời gian sử dụng

1-Bộ thanh cái động bị uốn lớn nên độ tiếp xúc kém với thanh cái tĩnh;2-Bộ thanh cái động

bị cong và xoắn trung bình nên hạn chế độ tiếp xúc với thanh cái tĩnh;3 - Bộ thanh cái bị

cong và xoắn ít tiếp xúc tương đối tốt với thanh cái tĩnh

Sự hư hỏng này có tác hại rất lớn như: diện tích tiếp xúc điện giữa thanh cái động và thanh cái tĩnh nhỏ dẫn đến dòng điện được dẫn vào máy biến thế giảm làm cho công suất của máy biến áp giảm; nhiều trường hợp 1 trong 3 thanh cái động của cầu dao cách ly cong nhiều dẫn đến khi đóng thanh cái động không tiếp xúc vào với thanh cái tĩnh làm cho máy biến áp hoạt động thiếu pha dần đến

cháy máy biến áp Vì vậy đề tài ‘‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp hai lớp

hợp kim đồng + thép làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp” để nâng cao độ bền của thanh cái là cần thiết

1 2

3

Về các tuyến đường dây điện động lực cung cấp điện cho các đầu tầu chạy bằng năng lượng điện (máy điện 1 chiều có dòng điện chuyển tải lớn) như: tầu điện chuyên chở vật liệu, đất đá thải và khoáng sản của các mỏ khai thác khoáng sản (than, quặng sắt, ) có thể xem hình 3a Đây là ảnh chụp hai đoạn dây truyền tải điện động lực, còn hình 3b là ảnh chụp một hệ thống đường dây tải điện động lực cấp cho đầu máy tầu điện 14 kP (tầu điện cần vẹt) tại Công ty mỏ vàng Danh - VINACOMIN

a)

b)

Hình 3 Ảnh chụp một đoạn dây dẫn điện động lực (a) cho mạng vận tải tầu điện 14 kP

Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN (b) Dây dẫn điện động lực cung cấp điện động lực cho tầu điện được chế tạo bằng hợp kim đồng mặc dù là loại vật liệu có tính công nghệ và tính chất dẫn điện tốt, có độ bền chống ôxy hóa tương đối cao nhưng trong quá trình lắp đặt nếu khoảng cách các cột đỡ quá lớn sẽ gây ra độ võng lớn vì vậy khi lắp đặt khoảng cách giữa các cột chỉ nằm trong khoảng từ 5 đến 7 mét gây lên rất tốn kém; mặt khác khi dùng loại dây dẫn điện này sau một thời gian sử dụng tuyến

đường dây thường bị võng do dây bị dãn dài vì nhiệt và độ bên uốn của dây hạn

chế Vì vậy đường dây không được thẳng nên tiếp xúc điện giữa đường dây với

cần lấy điện (cần vẹt) không tốt dẫn đến hiện tượng đánh tia lửa điện liên tục

(hình 4) Chính vì nhược điểm đó mà ở nước ngoài người ta chuyển sang dùng

dây dẫn bimetal thép + đồng (hợp kim đồng)

Hình 4 Hiện tượng phóng hồ quang điện giữa đường dây cung cấp điện

và cầu lấy điện của tầu điện 14 kP tại Công ty Mỏ Vàng Danh – VINACOMIN

Từ hiện tượng phóng tia lửa điện như cho trên hình 4 làm cho đường dây

tải điện động lực trong quá trình sử dụng bị hư hỏng cục bộ (hình 5)

Hình 5 Hư hỏng cục bộ của đường dây tải điện động lực cho tuyến tầu điện 14 kP

trong ngành khai thác mỏ tại Công ty mỏ vàng Danh – VINACOMIN

Hiện tượng hư hỏng cục bộ này làm cho đường dây tải điện động lực cung

cấp cho các đầu tầu điện trong quá trình sử dụng bị đứt, lõm bề mặt do phóng hồ

quang điện đều phải thay thế mới, ngừng sản xuất trong thời gian dài vì phải cắt

lưới điện trên toàn uyến, gây thiệt hại kinh tế

Để khắc phục các tồn tại nêu trên; muốn có được mạng lưới truyền dẫn tải

điện động lực cung cấp cho các đầu máy tầu sử dụng bằng năng lượng điện hiện

nay và mạng lưới giao thông đô thị, giao thông liên tỉnh sau này (tàu điện ngầm,

tàu điện nổi, ô tô bánh lốp chạy điện), nước ta trong thời gian gần đây phải có hệ

thống truyền dẫn cung cấp và phân phối nguồn điện năng là dạng năng lượng

sạch đảm bảo chất lượng tốt phục vụ mục tiêu điện khí hoá toàn quốc nói chung

và phục vụ ngành giao thông vận tải bằng nguồn năng lượng điện nói riêng Một

trong những vật tư quan trọng chính là các thanh cái và dây truyền dẫn điện

động lực trong công nghiệp được làm bằng vật liệu bimetal Các vật liệu kỹ

thuật điện này có prophin phức tạp, cơ tính chống uốn võng và chống giãn dài

cao, nhưng điện trở suất tương đối nhỏ được thiết kế để làm các thanh cái (tĩnh

và động) trong các thiết bị đóng cắt điện động lực, cũng như dây dẫn điện treo

trên các khung chịu lực của hệ thống cột điện trên toàn bộ đường dây tải điện

động lực cho các đầu tầu chạy điện

Ở các nước công nghiệp phát triển, vật liệu kỹ thuật điện sử dụng làm thanh cái truyền dẫn điện động lực trong công nghiệp và đường dây truyền tải

điện cung cấp cho đầu tầu chạy bằng động cơ điện 1 chiều đều được chế tạo

bằng các vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) có tính năng kỹ thuật đặc biệt như: có

độ bền cao (không bị uốn khi lực đóng cắt lớn và khoảng cách đỡ lớn), độ co

giãn nhiệt khi nhiệt độ môi trường làm việc thay đổi trong phạm vi rộng, khả

năng truyền dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tính năng chịu mài mòn và có tính tiếp

xúc điện tốt, Những vật liệu này được chế tạo bằng một số công nghệ khác

nhau, nhưng chủ yếu là các công nghệ cơ bản như sau:

1) Tạo phôi bimetal bằng các phương pháp kết hợp đúc phôi bimetal và sau

đó cán kéo tới khi đạt kích thước prophin yêu cầu, có thể sử dụng các thiết bị luyện

kim truyền thống Việc làm sạch bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại trước khi đúc phôi

bimetal rất phức tạp và năng suất thấp, chất lượng không ổn định;

2) Tạo phôi bimetal bằng cách hàn tiếp xúc, mạ, hàn đắp lớp kim loại phủ lên lớp kim loại nền, sau đó gia công cơ khí và sử dụng ngay để chế tạo các chi tiết truyền dẫn điện trong các cặp vật liệu tiếp xúc điện Năng suất thường là thấp, chất lượng bám dính 2 lớp vật liệu yếu kém gây nóng khi dòng điện cường

độ lớn đi qua trong thời gian dài, là cho điện trở tiếp xúc tăng, giảm hiệu suất truyền tải điện;

3) Tạo phôi bimetal bằng phương pháp biến dạng dẻo như: cán dính ở trạng thái nóng hoặc nguội trong hệ thống máy cán hình và sau đó cán kéo xuống đến kích thước prophin yêu cầu Phương pháp này cho năng suất cao và chất lượng ổn định, nhưng đòi hỏi phải có đầu tư hệ thống thiết bị máy cán dính công suất lớn

và hệ thống làm sạch và bảo vệ bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại trước nguyên công cán dính là rất phức tạp, không có hiệu quả kinh tế nếu năng suất thiết kế toàn bộ dây chuyền công nghệ thấp;

4) Tạo phôi bimetal bằng phương pháp phối hợp công nghệ hàn nổ và sau

đó cán kéo xuống đến kích thước prophin yêu cầu Phương pháp này cho phép nhận được các loại thanh và dây dẫn điện động lực có prophin phức tạp mà không cần phải đầu tư các hệ thống máy cán hình prophin hoặc máy ép cỡ lớn, tiết kiệm đầu tư vì có thể sử dụng các máy cán thép hình xây dựng và máy kéo rút dây điện với công suất vừa và nhỏ hiện có trong nước cũng có thể chế tạo được các loại dây dẫn điện khác nhau, kể cả việc chế tạo các dây bimetal làm điện cực hàn bimetal thép - đồng, nhôm - đồng Tuy vậy, công nghệ này cũng

có hạn chế nhất định là phải tuân thủ các điều kiện khá ngặt nghèo trong việc sử dụng thuốc nổ công nghiệp đối với những người vận hành nổ, phụ thuộc vào điều kiện trường nổ phải đặt xa cách khu dân cư để đảm bảo yêu cầu về an ninh

và an toàn nổ, nên chi phí vận chuyển phôi bimetal sau nổ về xưởng cán kéo cao Mặc dù vậy, với sản lượng dây dẫn điện bimetal không lớn như đối với thị trường nước ta thì theo kinh nghiệm của một số nước thuộc khối Liên Xô trước đây hoặc một số nước có sử dụng năng lượng nổ để chế tạo vật liệu bimetal khác như: Mỹ, Nhật Bản, thì đây là một hướng công nghệ có triển vọng ứng dụng

cao và có hiệu quả kinh tế xét trên phương diện suất đầu tư vào lĩnh vực luyện kim và công nghệ vật liệu ở nước ta là rất lớn

Tại Việt Nam cho đến nay những vật liệu kỹ thuật điện cao cấp như vậy đều phải nhập ngoại để phục vụ cho các công trình trọng điểm trong ngành năng lượng Hiện tại còn quá ít các nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất các loại sản phẩm linh kiện kỹ thuật điện có tính năng sử dụng đặc biệt như đã nói ở trên

từ vật liệu tổ hợp 2 lớp (bimetal), 3 lớp (trimetal) hoặc từ vật liệu compozit kim loại khác nhau Tính đến nay, ở nước ta tuy đã có một số công trình nghiên cứu cấp

bộ và cấp nhà nước đề cập đến công nghệ chế tạo vật liệu compozit kim loại sử dụng trong ngành chế tạo máy (dụng cụ cắt gọt bằng hợp kim cứng, bạc trượt, bánh răng, tay biên xe máy ) và trong lĩnh vực kỹ thuật điện (chổi than, tiếp điểm điện kiểu tiếp xúc ), nhưng chưa có nghiên cứu sâu về vật liệu bimetal dùng làm thanh và dây truyền dẫn điện động lực cần có cơ tính cao nhưng truyền dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tính năng chịu mài mòn và có tính tiếp xúc điện tốt, Các thông tin được cập nhật trong nước từ nguồn tư liệu nước ngoài chủ yếu là qua các trang quảng cáo điện tử trên mạng Internet, thiếu thông tin sâu về công nghệ chế tạo những vật liệu có tính năng đặc biệt này

Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu theo hướng ứng dụng công nghệ hàn nổ kết hợp với công nghệ gia công áp lực truyền thống để chế tạo vật liệu bimetal thép các bon thấp - đồng điện kỹ thuật dùng cho việc chế tạo các thanh và dây truyền dẫn điện động lực có prophin phức tạp và có độ bền cao Đây là một hướng nghiên cứu rất cần thiết trong tiến trình Công nghiệp hóa và Hiện đại hóa, có tính mới về khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao ở Việt Nam, đặc biệt là hướng đầu tư xây dựng các hệ thống tầu điện ngầm, hệ thống

xe ô tô điện trong các thành phố lớn và hệ thống tầu chạy đầu máy điện giữa các thành phố và các tỉnh trong toàn quốc giống như ở các nước châu Âu, châu Mỹ

và trong khu vực như Trung Quốc đã áp dụng

2 Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu

+ Mục tiêu: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, nhóm nghiên cứu chọn cặp vật liệu là thép 08s và đồng M1 nhằm mục tiêu chế tạo được tổ hợp vật liệu có

tính dẫn điện tốt cơ tính cao (khả năng chống uốn, chống xoắn và co dãn nhiệt trong quá trình sử dụng) để chế tạo thanh cái dẫn điện động lực trong trạm biến áp 6kV và 35kV; Nghiên cứu khảo sát và đề xuất chế tạo dây dẫn điện động lực treo trên khung chịu lực của hệ thống cột điện để cung cấp điện động lực cho các đầu tầu chạy bằng động cơ điện một chiều

+ Giới hạn nghiên cứu:

- Tạo phôi bimetal thép 08s + đồng M1 bằng phương pháp hàn nổ;

- Tạo hình thanh cái dẫn điện động lực bằng phương pháp biến dạng dẻo (ép chảy hoặc cán tạo hình);

- Xác định độ bền bám dính và tổ chức tế vi sau hàn nổ và biến dạng dẻo giữa 2 lớp vật liệu lõi thép 08s và vỏ đồng M1;

- Khảo sát tính năng kỹ thuật điện của vật liệu tổ hợp để chọn thiết kế phù hợp trong từng chi tiết truyền dẫn điện động lực cụ thể là thanh cái, dây dẫn điện động lực

3 Đóng góp về khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Về mặt Khoa học: Đề tài giải quyết một số vấn đề khoa học như sau:

- Nghiên cứu bí quyết công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal là một loại vật liệu

kỹ thuật điện mới ở dạng thanh và dây dẫn điện bimetal thép - đồng, có tính năng đặc biệt dùng cho các hệ thống đóng ngắt và truyền dẫn điện động lực trong các thiết bị đóng ngắt và đường dây tải điện Trong công nghệ tạo hình và biến dạng vật liệu kỹ thuật điện bimetal loại này, có nhiều tham số công nghệ gây ảnh hưởng đến tính chất dẫn điện, cấu trúc vật liệu, khả năng làm việc khi thay đổi tải, cần được nghiên cứu xác định, cũng như quy luật biến đổi cơ lý tính của nó theo các tham số đó, đặc biệt

là ở khâu tạo phôi bimetal ban đầu

- Xây dựng mô hình toán học mô phỏng hàm mục tiêu chất lượng vật liệu

bimetal thép - đồng (có thể là độ bền bám dính 2 lớp) phụ thuộc vào các thông

số công nghệ chính khi hàn nổ (r, h) được lựa chọn để khảo sát bằng thực nghiệm, từ đó giới hạn và điều khiển được vùng các thông số thích hợp để chế tạo vật liệu dây truyền dẫn điện động lực bằng phương pháp tích hợp công nghệ

hàn nổ và cán kéo truyền thống sao cho vật liệu bimetal nhận được có tổ hợp tính chất cơ – điện tốt hơn cả, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc triển khai ứng dụng trong sản xuất thử nghiệm tại Việt Nam

+ Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

- Đề tài góp phần nghiên cứu phát triển và áp dụng công nghệ tiên tiến của

nước ngoài vào điều kiện cụ thể ở Việt Nam với mức đầu tư trang thiết bị công nghệ thấp chủ yếu là dựa vào hệ thống thiết bị hiện có trong nước, nhằm sản xuất được vật liệu bimetal thép - đồng làm thanh cái (hoặc dây) truyền dẫn điện động lực tiến tới giảm thiểu nhập siêu các linh kiện điện kỹ thuật có hàm lượng công nghệ cao, tiết kiệm ngoại tệ, chủ động đáp ứng nhu cầu thực tiễn của Việt Nam trong quá trình Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước;

- Đề tài góp phần vào việc thúc đẩy sự hợp tác nghiên cứu khoa học giữa các Trường đại học và Cao đẳng Kỹ thuật, Viện nghiên cứu khoa học, các cơ sở đào tạo Sau đại học với định hướng ứng dụng các công nghệ tiên tiến của thế giới vào điều kiện Việt Nam, trong lĩnh vực đào tạo Thạc sĩ, Tiến sĩ Kỹ thuật trong chuyên ngành đào tạo ‘‘Công nghệ tạo hình và biến dạng vật liệu’’

Chương 1

TỔNG QUAN VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN TẠO PHÔI BIMETAL ĐỒNG + THÉP TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN

1.1 Vật liệu bimetal dùng cho thanh cái và dây dẫn điện động lực [1, 2]

Trong các vật liệu kỹ thuật điện nói chung người ta chia thành hai nhóm chính là:

1) Vật liệu trong các hệ thống máy điện cao thế và hạ thế như: bộ tiếp xúc điện, tiếp điểm điện;

2) Vật liệu truyền dẫn dòng điện động lực đi qua nó như: thanh cái, dây dẫn điện

- Nhóm vật liệu thứ nhất: gồm các vật liệu chế tạo tiếp xúc điện khác

nhau, đa số chỉ đáp ứng được một phần các yêu cầu nói trên, ví dụ như: một vài loại vật liệu có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nhưng không có đủ độ cứng và rất nhanh bị ăn mòn hóa học (ôxy hóa) Khi tính toán chế tạo tiếp xúc điện cần chọn vật liệu đảm bảo tối đa các yêu cầu kỹ thuật cần thiết đối với cặp tiếp xúc điện, và thường được sử dụng các vật liệu sau:

+ Đồng biến cứng: dùng để chế tạo các tấm làm cổ góp máy điện, chi tiết truyền dẫn điện của các thiết bị điện, vỏ bọc của các cụm phân phối điện, đầu dây dẫn điện, chi tiết dẫn điện trong các máy móc điện tử, tiếp xúc điện kiểu chổi quét, vít hoặc bulông – đai ốc kẹp;

+ Đồng mềm: dùng để chế tạo dây dẫn điện động lực ngoài trời và dây truyền dẫn điện dòng lớn, cáp điện dân dụng và dây nối nguồn điện trong kỹ thuật truyền thanh ;

+ Đồng thanh: dùng để chế tạo các chi tiết dẫn nguồn điện của các thiết bị, máy điện (vít, cầu dao, cầu chì) và khí cụ điện, chi tiếp kẹp máy điện và đầu kẹp dây dẫn;

+ Đồng hợp kim: dùng để chế tạo các tấm cổ góp (colector) và thanh cái dẫn điện của các thiết bị, khí cụ điện;

+ Nhôm: dùng để chế tạo dây dẫn điện nguồn liên trạm ngoài trời và dây điện dân dụng, vỏ máy điện;

+ Thép: dùng để chế tạo dây dẫn điện động lực liên trạm ngoài trời, các

chi tiết như: ổ cắm, thanh dẫn điện của các thiết bị điện chuyên dụng;

+ Bạc và một số kim loại quý hiếm khác: dùng để chế tạo các loại tiếp

điểm điện kiểu đóng ngắt, tiếp xúc điện một chiều và xoay chiều, tiếp điểm điện

của các rơle điều khiển;

+ Hợp kim của Constantan, nichrôm, Fexran, Chromal: dùng để chế tạo

các điện trở có khả năng điều chỉnh được điện trở;

+ Than kỹ thuật điện và grafit: dùng để chế tạo chổi than các khí cụ, dụng

cụ điện, các biến trở

- Nhóm vật liệu thứ hai: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đề cập

đến một số vật liệu sử dụng cho việc chế tạo các thanh cái và dây dẫn điện thuộc

nhóm bimetal đồng + thép Việc lựa chọn đúng kim loại đối với các chi tiết thanh

cái hoặc dây dẫn điện động lực của các hệ thống truyền tải điện và tiếp xúc điện

đặc biệt quan trọng đối với việc chế tạo vật liệu kỹ thuật điện bimetal nói chung,

trong đó có vật liệu bimetal đồng M1 + thép các bon thấp Để chế tạo các thanh

cái và dây dẫn điện thường sử dụng đồng và hợp kim đồng, trong một số trường

hợp còn sử dụng thép các bon thấp và thép không rỉ

Bảng 1.1 Cho biết các giá trị về tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở

200C) được dùng trong kỹ thuật điện; Bảng 1.2 Tính chất tính chất của một số dây

dẫn điện đồng, nhôm và thép; Bảng 1.3 Các giá trị về tính chất cơ bản của một

số hợp kim đồng kỹ thuật

Bảng 1.1 Tính chất vật lý chủ yếu của kim loại (ở 200C) được dùng trong kỹ thuật điện

riêng W/(m.độ)

Nhiệt dẫn riêng W/(m.độ)

Điện trở suất Ω.mm 2 /m

Đồng 8.9 389 390 0.0172 Nhôm 2.7 922 209 0.028 Vonfram 19.3 138 168 0.055

Tantan 16.6 142 54 0.135 Niobi 8.6 272 50 0.18 Titan 4.5 577 15 0.42 Ziricôni 6.5 276 17 0.41 Reni 21 138 71 0.21 Vàng 19.3 126 293 0.024 Bạc 10.5 234 415 0.016 Platin 21.4 134 71 0.105

Vanađi 12 213 72 0.11 Sắt 7.8 452 73 0.098 Niken 8.9 444 95 0.073 Coban 8.7 435 79 0.062 Chì 11.4 130 35 0.21 Thiếc 7.3 226 65 0.12 Kẽm 7.1 390 111 0.059 Cadmi 8.6 230 93 0.076 Inđi 7.3 243 25 0.09 Gali 5.9 381 - 0.56

Bảng 1.2 Tính chất tính chất của một số dây dẫn điện đồng, nhôm và thép

Bảng 1.3 Giá trị về tính chất cơ bản của một số hợp kim đồng kỹ thuật

Ω.mm 2 /m

0,0179 đến 0,0182

0,0175

4 0,0295 0,0295 0.098

Độ dẫn điện của nhôm tinh khiết có thể đạt tới

38 Ω.mm 2 /m

Kim loại Trạng thái Dẫn điện % so

với đồng

Giới hạn bền kéo, kG/mm 2

Độ dãn dài tương đối khi kéo đứt, %

Đồng thanh

candmi

(0,9% Cd)

Ủ Kéo nguội

95

83 đến 90

Đến 31 Đến 73

50

4 Đồng thanh

(0,8% Cd;

2%Sn)

Ủ Kéo nguội 55 đến 60

50 đến 55

29 Đến 73

55

4 Đồng thanh

(2,5% Al;

2%Sn)

Ủ Kéo nguội 15 đến 18 15 đến 18 Đến 97 37 45 4 Đồng thanh

phốt pho

(7%Sn; 0,1% P)

Ủ kéo nguội 10 đến 15 10 đến 15 105 40 60 3

Đồng thau

(70%Cu; 30%

Zn)

Ủ Kéo nguội

25

25

32 đến 35 đến 88

60 đến 70

5

Dưới đây là khái quát về các vật liệu có liên quan đến phạm vi giới hạn nghiên cứu của đề tài NCKH

Hình 1.2 Ảnh hưởng của biến dạng nguội đến độ cứng

của đồng thau Л63 (1) và Л70 (2) [4]

1.1.3 Hợp kim đồng thiếc

Hợp kim đồng thiếc được sử dụng với lượng chứa thiếc (Sn) không lớn hơn 10% , là pha α - dung dịch rắn của thiếc (Sn) trong đồng (Cu) Đồng thiếc

có sự khác biệt bởi độ dẫn điện và dẫn nhiệt thấp, dễ bị biến dạng khi cán nguội,

có độ đàn hồi tốt ở nhiệt độ dưới 3000C

so với các hợp kim đồng khác

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này áp dụng cho dây dẫn điện động lực

có lõi bằng thép các bon thấp và vỏ bọc bằng đồng mềm đi sâu vào việc tạo phôi bimetal thép 08s + đồng M1 bằng phương pháp hàn nổ và sau đó sử dụng máy cán hình trong công nghiệp để cán xuống kích thước prophin yêu cầu

1.2 Vật liệu truyền dẫn điện tiếp xúc

Nhóm vật liệu hàn tạo phôi bimetal thứ 2 thường dùng để chế tạo các cụm tiếp xúc điện kết nối giữa các môđun truyền tải và đảo mạch dòng điện động lực

có ảnh hưởng quyết định tới tuổi bền của các hệ thống điện, cũng như các máy móc thiết bị điện, vì thế yêu cầu kỹ thuật đối với các vật liệu chế tạo tiếp xúc điện và công nghệ chế tạo chúng ngày càng cao Nội dung công nghệ chế tạo các tiếp xúc điện (monometal, bimetal, composit) truyền thống bao gồm chế tạo các chi tiết tiếp xúc điện; chế tạo các chi tiết kẹp hoặc hàn gắn các bề mặt tiếp xúc điện; liên kết các chi tiết đó với nhau bằng phươmg pháp hàn hoặc kẹp chặt bằng vít, bulông…[1]

Nhược điểm của các công nghệ truyền thống này là: không đảm bảo được

sự tương đồng giữa các kích thước hình học trên thực tế so với tính toán lý thuyết xuất phát từ điều kiện làm việc của các tiếp xúc điện Khi hàn gắn kết nối các chi tiết truyền dẫn điện tiếp xúc với các chi tiết đế của chúng, nếu làm bằng tay thì rất khó khăn về mặt công nghệ đối với các cặp tiếp xúc điện có kích thước hình học nhỏ; vì thế cần phải bắt buộc tăng kích thước hình học của các cặp tiếp xúc điện Khi sản xuất các cặp tiếp xúc điện bằng phương pháp kẹp vít thì cần một lượng lớn đến 50% kim loại vít (bulông) kẹp được sử dụng để đảm bảo liên kết tiếp xúc điện một cách tin cậy về mặt độ bền cơ học và độ dẫn điện giữa chi tiết tiếp xúc điện trực tiếp với đế của nó Với các phương án công nghệ sản xuất các tiếp xúc điện như đã nói, yếu tố rất quan trọng đảm bảo chất lượng của chúng là trình độ tay nghề của người thợ hàn Ví dụ như khi hàn gắn, sự sai khác của lớp kim loại hàn với đế của nó gây ra sự không đồng nhất cấu trúc kim loại và do đó có sự khác nhau đáng kể của các tiêu chí như điện trở tiếp xúc trung gian và các tiêu chí truyền dẫn điện tiếp xúc khác [1, 2]

Sử dụng các tiếp xúc điện bimetal cho phép đưa về giá trị nhỏ nhất của điện trở suất và trong nhiều trường hợp hoàn toàn khắc phục các nhược điện trên khi hàn dính Trong trường hợp sử dụng các tiếp xúc điện từ vật liệu bimetal, quá trình tạo ra liên kết kim loại giữa các mặt tiếp xúc điện với đế kẹp của chúng được hình thành ngay trong khâu sản xuất vật liệu bimetal, tức là trong điều kiện đảm

bảo tính ổn định của các yếu tố công nghệ có ảnh hưởng đến quá trình hình thành liên kết giữa chúng là không đổi Các cặp tiếp xúc điện bimetal có thể nhận được bằng nhiều phương án công nghệ khác nhau, ví dụ như: dập cắt, đảm bảo loại bỏ được yếu tố chủ quan của người thợ trong chu kỳ công nghệ đó Khi đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra các chi tiết tiếp xúc điện đạt chuẩn yêu cầu kỹ thuật cho sử dụng chúng một cách tin cậy

Người ta phân loại các vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện thành bimetal dạng tấm phẳng, băng và dạng thanh hình prophin Đơn giản nhất là dạng bimetal tấm hoặc băng phẳng đảm bảo hàn dính trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc của chúng (kim loại truyền dẫn điện tiếp xúc trực tiếp và kim loại phần nền đế) Việc hàn phủ bề mặt lớp kim loại chi tiết đế có thể được thực hiện trên một hoặc hai

bề mặt tiếp xúc Trong nhiều trường hợp khi không cần phải phủ toàn bộ bề mặt tấm vật liệu bimetal, mà chỉ cần một hoặc vài dải kim loại phủ trên tấm (hoặc băng) kim loại nền là đủ Bimetal dạng thanh hình prophin khác với dạng tấm phẳng hoặc dạng băng ở chỗ dải kim loại tiếp xúc điện với nhau lồi hẳn lên so với lớp kim loại đế nền của chúng Loại vật liệu bimetal này ngày càng được ứng dụng rộng rãi Việc tạo ra liên kết giữa lớp kim loại truyền dẫn điện tiếp xúc với lớp kim loại nền được thực hiện bằng phương pháp hàn dây bạc Công nghệ chế tạo loại vật liệu bimetal này qua nhiều nguyên công cán tạo hình và chỉnh hình đảm bảo độ chính xác kích thước hình học, đồng thời làm tăng tính chất đàn hồi, độ cứng và độ bền mòn của vật liệu Trên thực tiễn, một cấu trúc cặp tiếp xúc điện bimetal có thể ở dạng tấm phẳng hoặc định hình (hình 1.3) Sơ đồ hình 1.3 cho hay cấu trúc định hình nhẹ hơn so với cấu trúc cặp tiếp xúc điện, vì lớp kim loại nền có chiều dày nhỏ hơn

a) b) Hình 1.3 Vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện

a) dạng phẳng; b) dạng hình prophin;

1 – Chi tiết tiếp xúc điện trực tiếp; 2 – Chi tiết nền

Bimetal dạng prophin làm các chi tiết tiếp xúc điện có lớp kim loại nền phức tạp ngày càng được dùng nhiều Trong những trường hợp đó, nó được cán hoặc kéo tạo hình trước khi hàn gắn các tiếp điểm điện với prophin nền với nhau [2]

Trên hình 1.4 là mặt cắt tiết diện ngang của phôi vật liệu bimetal thép 08s + đồng M1 dùng trong chế tạo thanh cái thiết bị điện động lực và dây dẫn điện động lực cho các đầu tầu điện một chiều

Hình 1.4 Mặt cắt tiết diện ngang của vật liệu bimetal đồng M1 + thép 08s

1.3 Tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu bimetal trong kỹ thuật điện

Công nghệ chế tạo các vật liệu kỹ thuật điện ở dạng tổ hợp 2 kim loại (hợp kim) có tính chất lý hóa khác nhau thành một loại vật liệu bimetal có tổ hợp tính chất cơ và điện đặc biệt so với tổ hợp các đơn kim loại cấu thành liên quan tới việc: làm sạch bề mặt tiếp xúc giữa hai phôi kim loại (hợp kim) nguyên liệu đầu vào; tạo liên kết bimetal; gia công bằng áp lực để tạo hình prophin

Chất lượng vật liệu bimetal hoàn toàn phụ thuộc vào các nguyên công tạo hình, đặc biệt là chế độ làm sạch bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại hàn và chế độ tạo ra liên kết Độ dẫn điện vật liệu bimetal phụ thuộc vào tính chất các vật liệu bao

và vật liệu lõi

Hình 1.5 là sơ đồ phân loại các phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu bimetal dùng trong kỹ thuật điện

Hình 1.5 Sơ đồ phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu bimetal

dùng trong kỹ thuật điện [2]

1.3.1 Công nghệ tạo phôi bimetal không qua biến dạng dẻo

1 Công nghệ đúc luyện kim

Trong nhóm các công nghệ chế tạo vật liệu bimetal kỹ thuật điện không có

biến dạng dẻo, thì độ phức tạp nhất là công nghệ đúc luyện kim truyền thống

Vật liệu thép các bon thấp bọc đồng điện kỹ thuật hoặc nhôm bọc đồng

được sử dụng rất phổ biến tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới và

sản lượng ngày càng gia tăng theo sự gia tăng đầu tư trong ngành điện Đặc biệt

là trong lĩnh vực sản xuất các dây truyền dẫn điện động lực cho hệ thống tầu

điện ngầm, xe điện bánh lốp (trolleibus), tàu điện trong các thành phố lớn, hệ

thống điện động lực cho tàu điện vận tải công suất lớn chạy bằng động cơ điện ở

nhiều nước đã cho hiệu quả kinh tế cao khi giảm thiểu tổng lượng đồng cần tiêu

thụ xuống tới 30 ÷ 40% bằng cách sử dụng lõi thép bên trong dây dẫn điện [1]

Công nghệ đúc rót tạo ống vật liệu bimetal truyền thống này cũng có thể

sử dụng để chế tạo vật liệu bimetal thép các bon + đồng M1, thép các bon + hợp

kim đồng, thép các bon + thép hợp kim, nhưng khó thực hiện một cách có hiệu

quả cao trong điều kiện nước ta hiện nay, do quy trình rất phức tạp và chất lượng

vật liệu bimetal nhận được không ổn định

Các phương pháp chế vật liệu kỹ thuật điện bimetal

Đối với vật liệu tổ hợp 2 lớp (bimetal) ở dạng dây thép các bon thấp (08s; C10) + đồng M1 với prôphin tròn đều (hình 1.4) hoặc có hình thù phức tạp theo tiết diện ngang tuỳ theo mục đích sử dụng có tính chất đặc biệt như: độ bền kéo cao, tính năng dẫn điện trên lớp phủ bề mặt dây bằng đồng tương đương dây đồng nguyên chất, có thể sử dụng trong các mạng truyền tải điện động lực ở nước ngoài đã cho phép giảm đáng kể chi phí nguyên liệu kim loại quý hiếm và đắt tiền Có nhiều phương án công nghệ luyện kim truyền thống được sử dụng để chế tạo chúng ở ngoài nước, tuỳ thuộc vào công suất hệ thống thiết bị đúc - cán tạo phôi và biến dạng dẻo tạo hình prophin tại mỗi nước công nghiệp phát triển khác nhau trên thế giới

Gần đây công nghệ đúc phôi thép dạng ống có chiều dài tới 3.000 mm trên thiết bị chuyên dụng hiện có tại một nhà máy quốc phòng ở Việt Nam (với buồng kết tinh di động), tuy nhiên để sử dụng cho mục đích tạo phôi bimetal thép + đồng làm dây truyền dẫn điện động lực là có nhiều hạn chế nhất định bởi do cơ chế quản lý ngành dọc trong quân đội mà không có sự hợp tác nghiên cứu khoa học được

Như vậy, công nghệ đúc luyện kim có thể sử dụng để chế tạo vật liệu bimetal làm dây dẫn điện và được liệt vào nhóm công nghệ truyền thống, năng suất thấp, chất lượng không ổn định, tiêu hao vật liệu quý hiếm cao, theo nhóm nghiên cứu là không khuyến dùng

nó Phương pháp này được dùng chủ yếu là đối với bimetal có prophin

Phương pháp hàn đắp được sử dụng để sản xuất các bimetal dạng tấm, băng phẳng hoặc dạng prophin, thường dùng là đắp vật liệu bạc (Ag) lên nền thép dưới

áp lực Sử dụng máy cán để nén ép kim loại lớp nền với lớp tiếp xúc điện trực tiếp (lớp phủ) đảm bảo được năng suất cao Sau khâu hàn đắp đầu tiên phôi bimetal được tiếp tục cán để làm tăng cơ tính, trước tiên là tăng độ cứng và độ đàn hồi của

nó Phương pháp này được dùng chủ yếu là đối với bimetal có prophin

Vật liệu đầu vào đi từ các cuộn băng qua hệ thống làm sạch sơ bộ, qua bộ phận dẫn hướng đi vào lò nung cảm ứng liên tục Giữa lớp kim loại nền và lớp kim loại phủ trong lò cảm ứng được cung cấp cho việc hàn ở dạng băng mỏng Băng bimetal nhận được tiếp tục đi vào máy cán, sau đó được tẩy sạch và cán nguội một lần nữa để đạt độ biến cứng cần thiết Chất lượng hàn đắp phụ thuộc vào cơ tính và tính chất điện của vật liệu đầu vào Chiều dày lớp bạc hàn có gây ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc giữa hai lớp vật liệu bimetal, vì thế nó cần phải ở mức nhỏ nhất và đồng đều trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại hàn

3 Công nghệ mạ

Lắng đọng kim loại bằng phương pháp mạ được sử dụng trong trường hợp vật liệu lớp phủ thường dùng là bạc, vàng, rudi và palladi, sử dụng cho việc chế tạo các chi tiết tiếp xúc điện Đây là một dạng tạo lớp phủ có vai trò khá quan trọng trong kỹ thuật điện có cường độ dòng điện chuyển mạch thấp, phương pháp này không dùng cho các tiếp xúc điện có cường độ dòng điện chuyển mạch cao

Phương pháp lắng đọng kim loại phủ lên lớp kim loại nền có thể sử dụng

để sản xuất bimetal còn được mở rộng đối với bimetal dạng băng, tấm Mạ điện hóa gần đây được dùng để tạo lớp phủ rody trên các tiếp xúc điện làm bằng bạc kim loại Những tiếp xúc điện loại này thường được dùng trong các hệ thống chuyển mạch điện của thiết bị điện cao áp và kỹ thuật truyền thanh truyền hình Chúng bền vững chống lại sự tạo ra lớp vẩy cháy và nung nóng quá nhiệt Trong nhiều trường hợp việc tạo lớp phủ rôdy trên bề mặt tiếp xúc điện làm bằng bạc kim loại còn tạo điều kiện tốt cho việc thay thế các tiếp xúc điện làm bằng vàng

1.3.2 Công nghệ tạo phôi bimetal bằng phương pháp hàn dưới áp lực

Hàn dưới áp lực là một trong những phương pháp hàn có biến dạng dẻo phổ biến để tạo liên kết kim loại Phương pháp hàn dưới áp lực cho phép sản xuất các băng bimetal có chiều dài tùy ý, có khả năng kiểm soát trong khoảng rất hẹp

độ cứng của lớp kim loại nền và lớp kim loại tiếp xúc điện trực tiếp trong hệ thống các chuyển mạch điện

1.3.3 Công nghệ hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nóng

Công nghệ cán dính cũng được sử dụng để chế tạo vật liệu bimetal trong

kỹ thuật điện có hiệu quả cao bởi do nó cho phép nhận được sản phẩm có chất lượng ổn định và năng suất cao, tự động điều kiển quá trình dễ dạng hơn công nghệ đúc luyện kim Tuy nhiên, công nghệ cán dính có hạn chế theo chiều cao tối đa của Paket (chiều dày tổng cộng lớp nền thép và lớp hợp kim chịu mòn), chiều rộng tấm cán vì có liên quan tới công suất và kết cấu của máy cán đã có trong sản xuất luyện kim Ngoài ra, do yêu cầu rất cao về việc làm sạch các bề mặt tiếp xúc trước khi xếp thành Paket để cán dính hai lớp kim loại với nhau là cản trở chính trong việc thực hiện các công đoạn trong quá trình công nghệ cán dính

1.3.4 Công nghệ hàn nguội

Phương pháp hàn nguội được sử dụng trong chế tạo các chi tiết tiếp xúc điện, nó có ưu điểm là không đòi hỏi phải có khâu bảo vệ bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại sau khi tẩy rửa sạch các lớp ôxit và dầu bẩn trước khi cán Bề mặt tiếp xúc hai lớp trong trường hợp này thường chỉ được đánh bóng bằng phương pháp

cơ học, mối hàn có độ bền bám dính 2 lớp cao khi kéo dứt Sự có mặt của lớp ôxit trong bề mặt tiếp xúc làm tăng đột biến điện trở tiếp xúc, điều đó dẫn tới sự nung nóng các chi tiết tiếp xúc điện khi làm việc tăng lên quá mức cho phép Khi mức độ làm sạch các bề mặt tiếp xúc không đạt yêu cầu cần thiết thì điện trở tiếp xúc trong cặp tiếp xúc điện tăng lên tới 35 ÷ 40% so với khi làm sạch đạt yêu cầu Trong khi đó, sai khác về độ bền bám dính 2 lớp khi kéo dứt đối với trường hợp làm sạch không đạt yêu cầu chỉ là 8 ÷ 10%

Phương pháp hàn nguội được sử dụng rộng rãi để sản xuất phôi bimetal từ

đồng và các dây bạc sử dụng trong các cặp đôi tiếp xúc điện Thường thì phải có thời gian giữ tiếp xúc hai lớp kim loại rất lâu dưới áp lực mới hình thành được liên kết giữa chúng Tuy nhiên, nó không cho phép nhận được các vật liệu tiếp xúc điện bimetal có prophin phức tạp và có chiều dày lớn

Khi sử dụng các máy cán chuyên dụng thì hầu như không có phế liệu

1.3.5 Hàn bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nguội

Khi cán dính ở trạng thái nguội các Paket mức độ biến dạng dẻo đủ lớn, lượt cán đầu tiên cần phải lớn hơn 55 ÷ 60% (lớn hơn so với trường hợp cán dính ở trạng thái nóng) mới đảm bảo đủ điều kiện để phá vỡ lớp ôxit bề mặt (ví

dụ như với hợp kim nhôm), tạo điều kiện hình thành sơ bộ tiếp xúc vật lý giữa hai tấm kim loại nền và hợp kim chịu mòn Tiếp theo sau đó phôi qua cán dính lần 1 cần phải được ủ ở nhiệt độ tương ứng với mỗi hợp kim chịu mòn và cán đến kích thước yêu cầu của băng bimetal qua nhiều lượt cán [1]

Phương pháp này có ưu điểm là không đòi hỏi phải có khâu bảo vệ bề mặt tiếp xúc 2 lớp kim loại sau khi tẩy rửa sạch các lớp ôxit và dầu bẩn trước khi cán Bề mặt tiếp xúc hai lớp trong trường hợp này thường chỉ được đánh bóng bằng phương pháp cơ học, mối hàn có độ bền bám dính 2 lớp cao khi kéo dứt

Sự có mặt của lớp ôxit trong bề mặt tiếp xúc làm tăng đột biến điện trở tiếp xúc, điều đó dẫn tới sự nung nóng tiếp xúc điện khi làm việc tăng lên quá mức cho phép Khi mức độ làm sạch các bề mặt tiếp xúc không đạt yêu cầu cần thiết thì điện trở tiếp xúc trong cặp tiếp xúc điện tăng lên tới 35 ÷ 40% so với khi làm sạch đạt yêu cầu Trong khi đó, sai khác về độ bền bám dính 2 lớp khi kéo dứt đối với trường hợp làm sạch không đạt yêu cầu chỉ là 8 ÷ 10%

Phương pháp cán dính ở trạng thái nguội được sử dụng rộng rãi để sản xuất phôi bimetal từ đồng và các dây bạc

Vật liệu ban đầu (lớp kim loại nền và lớp phủ) được cuộn trong các rulô (băng cuộn) và đi vào các bể tẩy rửa riêng Sau khi được tẩy sạch và đánh bóng cơ học, vật liệu được xếp với nhau nhờ các con lăn ngay trước máy cán dính

1.4 Công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal làm vật liệu chế tạo máy và

kỹ thuật điện

Một hướng công nghệ tiên tiến mới được tập trung nghiên cứu ứng dụng

khá rộng rãi trên thế giới từ sau năm 1960 là công nghệ hàn nổ để thay thế công

nghệ đúc luyện kim và công nghệ cán dính truyền thống nói trên Để chế tạo các

tấm vật liệu bimetal có kích thước lớn chỉ có công nghệ hàn nổ mới đáp ứng

được, bởi không thể tăng vô hạn công suất của các máy cán dính bimetal Trong

ngành công nghiệp vật liệu đặc biệt dùng trong ngành Kỹ thuật hàng không vũ

trụ ở Mỹ bằng một lần hàn nổ người ta đã tạo ra tấm vật liệu bimetal có diện tích

bề mặt hàn tới 40 m2, với diện tích bề mặt tiếp xúc hàn giữa 2 lớp vật liệu như

vậy thì không thể có một hệ thống máy cán dính nào trên thế giới có thể tạo ra

áp lực đủ lớn thoả mãn điều kiện hình thành liên kết kim loại giữa 2 tấm kim

loại cấu thành

Công nghệ hàn nổ ở các nước thuộc Liên Xô trước đây được bắt đầu thực

hiện nghiên cứu có hệ thống quá trình hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal sử dụng

trong các ngành kinh tế tại Viện nghiên cứu Thuỷ khí động học thuộc Viện hàn

lâm Khoa học Liên Xô, trường Đại học Thép và Hợp kim Matxcơva, trường Đại

học Bách khoa Volgagrad, Liên hợp khoa học sản xuất luyện kim bột nước

Cộng hoà Belarus, Viện Hàn mang tên E O Patôn thuộc Viện Hàn lâm Khoa

học Ucraina, Viện Nghiên cứu tại thành phố Novoxibiếc của A A Deribas và

nhiều cơ sở nghiên cứu khác Bằng công nghệ hàn nổ có thể hàn các kim loại

khác nhau, đặc biệt là khi không thể sử dụng công nghệ truyền thống khác hoặc

rất khó tạo ra liên kết kim loại giữa hai vật liệu khác xa nhau về cơ lý tính, ví dụ

như : thép + chì, thép + bạc, thép + titan Phương pháp hàn nổ có năng suất cao

và đảm bảo chất lượng liên kết hai lớp kim loại cao Tuy nhiên, nó cũng có liên

quan tới sự nguy hiểm khi làm việc trực tiếp với chất nổ, do đó cần phải có đào

tạo chuyên môn nghiệp vụ nổ cho công nhân vận hành quá trình nổ trong dây

chuyền sản xuất bimetal có sử dụng năng lượng nổ [6, 13, 14]

Đặc điểm của hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim loại và hợp kim

dưới tác động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ [13, 14]

e)

Hình 1.6 Sơ đồ nổ dưới góc nghiêng (a), (b) và nổ song song (c), (d); sơ đồ hình học

tấm kim loại hàn khi bay tại một thời điểm khi hàn nổ (e) theo [10]

Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn nổ tạo phôi bimetal được biểu thị trên hình 1.6 a ÷ e Tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cố định (h0) Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2) Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1) Tất cả phôi được đặt trên

đế nổ (5) bằng kim loại, bê tông, cát

Khi bị kích nổ, theo toàn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng nổ với tốc độ (D) đạt tới một vài nghìn mét trong một giây Dưới sự tác dụng của áp suất cao do

sự nở của khí nổ, tấm kim loại hàn đạt được tốc độ (v0) khoảng vài trăm mét trong một giây và va đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác định γ = β + α (γ - góc va đập; β - góc uốn động; α - góc nghiêng ban đầu) Kết quả của quá trình kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt độ rất cao, trong vùng tiếp xúc hai tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ tạo điều kiện cho chúng liên kết kim loại với nhau Tốc độ cao và áp suất cao ở vùng va đập xẩy ra sự đánh sạch màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc, làm linh hoạt hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các lớp với nhau [13]

Khi kích nổ thuốc nổ, theo nó di chuyển mặt phân cách nổ với tốc độ lên đến hàng nghìn mét trong một giây [13] Tốc độ va đập của tấm kim loại hàn (tấm trên) với tấm kim loại nền (tấm dưới) đạt đến 1.500 m/s Tại điểm va đập xuất hiện một dòng có định hướng các hạt kim loại, chuyển động với tốc độ cao

trong khe hở giữa hai tấm kim loại hàn và tạo ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [10, 11,12, 13] Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit

Trên các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại Tại điểm va đập dưới tác động của

áp suất và nhiệt độ rất cao, hai tấm kim loại đi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và nhờ đó tạo ra liên kết kim loại trên toàn bộ diện tích các bề mặt tiếp xúc Điều kiện hình thành tia kim loại cục bộ trong công trình nghiên cứu [13] như sau:

1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của điểm va đập,

áp suất được tạo ra trực tiếp trước điểm va đập cần phải đủ lớn để thắng giới hạn đàn hồi động của vật liệu và đảm bảo nén ép các bề mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ; 2) Nếu tốc độ di chuyển của điểm va đập vK nhỏ hơn tốc độ truyền âm thanh

CO trong vật liệu kim loại hàn thì về mặt lý thuyết tia kim loại cục bộ có thể được hình thành ở mọi góc nghiêng α giữa hai tấm kim loại hàn Tuy nhiên, trên thực tế mức áp suất cần thiết được cho bởi một góc nghiêng tối thiểu nào đó;

3) Nếu điểm va đập di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ sóng âm trong vật liệu kim loại hàn thì tia kim loại cục bộ có thể được hình thành chỉ ở góc nghiêng lớn hơn một góc tới hạn nào đó

1.5 Tính chất đặc trưng của bimetal trên cơ sở đồng và thép

Bimetal thép - đồng (ở dạng tấm hoặc băng) ngày càng được ứng dụng phổ biến và rộng rãi trong kỹ thuật điện và chế tạo máy hiện đại Trong ngành

kỹ thuật điện chúng được dùng để chế tạo các tấm cổ góp (collector) máy điện một chiều, cầu dao ngắt mạch điện, dây dẫn điện trong các thiết bị chuyển mạch bằng các tiếp xúc điện [2]

Giản đồ trạng thái của hệ Cu – Fe cho trên hình 1.7 chứng tỏ rằng có khả năng

dễ dàng nhận được bimetal thép - đồng Trong trường hợp cá biệt, sắt (α-Fe) và đồng (Cu) cùng có mạng tinh thể lập phương diện tâm Độ hòa tan của Cu vào α-Fe thay đổi trong khoảng 0,3%Cu (ở nhiệt độ phòng: 200C) đến 1,4% Cu ở nhiệt độ 835 OC

Nó còn có trị số cao hơn khi hòa tan vào γ-Fe, ở nhiệt độ 10940C độ hòa tan của đồng là 8,5%Cu Còn độ hòa tan của Fe vào Cu thay đổi trong phạm vi từ 0,3% Fe ở nhiệt độ phòng đến 4,5% Fe ở nhiệt độ 10940C

Hình 1.7 Giản đồ trạng thái hệ Cu – Fe

Sự vắng mặt của các liên kim loại cho ta có cơ sở cho rằng sự tương tác của các kim loại này ở nhiệt độ cao không hình thành các pha giòn Để nhận được bimetal thép – đồng thông thường người ta áp dụng công nghệ cán nóng và cán nguội với một số đặc điểm quan trong sau đây:

Trong trường hợp yêu cầu đối với bimetal cần có độ cứng và độ đàn hồi nâng cao thì công đoạn cán nguội là cuối cùng Khi yêu cầu cần có độ dẫn và độ dẻo cao thì sau khi cán nguôi bimetal cần được qua khâu ủ ở nhiệt độ tương tự như khi ủ trung gian để khử ứng suất Cũng giống như đối với các vật liệu bimetal khác, trong trường hợp bimetal thép - đồng đang xét ở đây mức độ biến dạng khi cán nóng có gây ảnh hưởng quyết định tới độ bền bám dính 2 lớp bimetal (hình 1.8) Mức độ biến dạng dẻo tối ưu đảm bảo độ bền liên kết mối hàn tối đa là 60 ÷ 62% Nguyên công ủ bimetal tiếp theo ở nhiệt độ 500 ÷ 8500C làm tăng độ bền bám dính 2 lớp Tuy nhiên, bimetal

có một thành phần là đồng thường được ủ ở nhiệt độ dưới 7000C Điều đó có liên quan

tới ở nhiệt độ cao trong đồng xẩy ra quá trình nở hạt rất nhanh và làm giảm tính dẻo của nó, vì thế rất khó cán bimetal ở trạng thái nguội tiếp sau đó

Hình 1.8 Sự phụ thuộc của độ bền mối hàn bimetal thép – Cu vào mức độ biến dạng

khi cán nóng (a) và nhiệt độ ủ (b) [2]

Độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép – đồng nhận được trong điều kiện sản xuất công nghiệp liên quan nhiều đến các yếu tố như: làm sạch bề mặt tiếp xúc trước khi cán, điều kiện đẳng nhiệt khi cán, tốc độ cán… Sau đây là kết quả thử nghiệm xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép - đồng khi thử mẫu phá hủy có lực đặt dọc theo bề mặt liên kết 2 lớp:

Tỷ lệ các lớp trong bimetal như đã chọn là khá điển hình đối với vật liệu bimetal loại này So sánh các số liệu đó với các tính chất của đồng và sắt cho thấy các giá trị của độ bền bám dính 2 lớp bimetal nằm trong khoảng trung gian giữa 2 kim loại cấu thành bảng 1.4) Công nghệ chế tạo bimetal thép – đồng khác nhau rất ít so với công nghệ chế tạo các bimetal khác [6] Paket từ các lớp kim loại cấu thành được cán dính bằng một lượt cán với mức độ biến dạng dẻo bằng 75 ÷ 85 %, phôi bimetal nhận được sau đó đem ủ ở nhiệt độ 620 ÷ 6600C Nếu chiều dày cuối cùng của phôi bimetal không lớn, thì nó được cán ở trạng thái nguội, có ủ trung gian

Bảng 1.4 Kết quả thử nghiệm xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép +

đồng khi thử mẫu phá hủy có lực đặt dọc theo bề mặt liên kết 2 lớp

Tỷ lệ các lớp trong bimetal, % 10 Cu + 90 Fe 10 Cu + 80 Fe + 10 Cu Giới hạn chảy, σs, MPa

2) Nêu khái quát về ứng dụng vật liệu bimetal có tính năng đặc biệt đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe sử dụng để chế tạo một số sản phẩm trong ngành kỹ thuật điện có trình độ công nghệ cao trong nhiều ngành công nghiệp Những kết quả nghiên cứu trước đây của thế giới trong việc chế tạo vật liệu bimetal đồng + thép làm các chi tiết tiếp xúc điện có thể được phát triển và hoàn thiện hơn để chế tạo vật liệu bimetal đồng + thép sử dụng làm các thanh cái

3) Công nghệ hàn nổ để chế tạo vật liệu bimetal dùng cho thanh cái dẫn điện phù hợp với điều kiện trong nước hiện nay và có hiệu quả kinh tế cao

cơ lý tính, ví dụ như : thép + chì, thép + bạc, thép + titan Phương pháp hàn nổ

có năng suất cao và đảm bảo chất lượng liên kết hai lớp kim loại cao Tuy nhiên,

nó cũng có liên quan tới sự nguy hiểm khi làm việc trực tiếp với chất nổ, do đó cần phải có đào tạo chuyên môn nghiệp vụ nổ cho công nhân vận hành quá trình

nổ trong dây chuyền sản xuất bimetal có sử dụng năng lượng nổ [13, 14]

Trong các công trình [6, 13] đã tổng kết các vấn đề cơ bản về cơ sở lý thuyết hàn nổ cũng như một số kết quả ứng dụng công nghệ hàn nổ để chế tạo vật liệu bimetal trong quy mô phòng thí nghiệm (trong điều kiện Việt Nam) và quy

mô sản xuất công nghiệp (ở Liên Xô trước đây) Bản chất quá trình hàn nổ hai tấm kim loại đã cho trên hình 1.6

Một trong những bằng sáng chế chung nhất là bản quyền số 3137937 USA, MИK B 23K29/00 bao trùm hầu như đa số các trường hợp ứng dụng trong hàn nổ

có sử dụng thuốc nổ có tốc độ nổ thấp hơn 120% so với tốc độ truyền âm trong vật liệu kim loại hàn và sơ đồ nổ song song [5, 13] Hiện nay, người ta đã chế tạo

ra thuốc nổ trên nền hỗn hợp amônit 6ЖВ + NH4NO3 với tỷ lệ các thành phần

khác nhau, ưu điểm của các loại thuốc nổ này là có thể điều chỉnh được tốc độ

nổ trong phạm vi rộng (1.200 ÷ 4.800 m/s) [13]

Một trong những thông số công nghệ hàn nổ chính xác định chất lượng liên kết hai lớp kim loại là giữ được độ ổn định của khe hở ban đầu giữa chúng Hiện đã có rất nhiều sáng chế giải quyết vấn đề này bằng nhiều cách khác nhau [5, 10] ví dụ như: dùng bi cầu, chốt nhọn, tấm cách từ băng gấp chữ V, dây kim loại quấn thành hình lò xo hoặc các mảnh cắt từ tấm kim loại hàn (tấm trên) có chiều dày khoảng 1 ÷ 3 mm [13], hoặc tạo khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn bằng khí nén (argôn, hêly) dưới áp suất 4 ÷ 10 KPa [5, 13], tuy nhiên phương pháp này có liên quan tới chi phí lớn

Một vấn đề khác là làm sao loại bỏ được hiện tượng không hàn tại vùng đặt kíp để kích nổ thuốc nổ bằng cách kích nổ một phần thuốc nổ phụ trợ [13] từ loại thuốc nổ tốc độ cao sử dụng trong hàn tấm kim loại phẳng (hình 2.1) [14]

Hình 2.1 Sơ đồ nổ treo trong trường hợp hàn nổ hai tấm kim loại phẳng: 1- Kíp nổ điện;

2- Phần “thuốc nổ treo” tại vùng kích nổ; 3 - Tấm lót bề mặt; 4 - Tấm kim loại hàn;

5 - Chốt kê; 6 - Tấm kim loại nền; 7 - Đế nổ; 8 - Phần thuốc nổ hiệu dụng được

rải đều trong khung gỗ

Về mặt nguyên lý thì sự hình thành liên kết kim loại giữa hai lớp vật liệu sau hàn nổ thường có dạng sóng âm hoặc hầu như không có dạng sóng Sự va

đập của các tấm kim loại hàn tại một thời điểm đang xét khi thực hiện theo các sơ

đồ nổ nói trên có đi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm xuất hiện sự nung nóng đẳng nhiệt cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá trình đó là hình thành được liên kết kim loại [13] Khi đó, để nhận được liên kết bền vững, cần thiết phải đảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực dương lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại nền nóng chảy [13]

Trong công trình [13] có khái quát hóa sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết hai lớp kim loại khi hàn nổ (hình 2.2 a ÷ i) dưới đây

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)

Hình 2.2 Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ các tấm kim

Các phía của đỉnh và chân sóng liên kết theo hướng lan truyền sóng va đập, hình thành bởi tia kim loại cục bộ, được hấp thụ bởi vật liệu tấm kim loại hàn (tấm trên), còn ở phía sau sóng va đập là vật liệu tấm kim loại nền (tấm dưới) Toàn bộ khối lượng kim loại bị đẩy ra khi hàn nổ bị cuốn vào tia kim loại cục bộ, vì phần lớn của nó cuốn vào các vòng xoáy từ phía sau đỉnh sóng liên kết, nơi có hỗn hợp

cơ học của các hạt rất mịn từ bề mặt hai tấm kim loại hàn Thông thường sự nóng chảy nhờ chuyển biến động năng của tia kim loại cục bộ thành nhiệt năng các vùng có kim loại nóng chảy tại điểm va đập khi hàn nổ được làm nguội nhanh bởi sự tản nhiệt của nó, điều này dẫn đến sự hình thành các vùng kết tinh trên đỉnh sóng liên kết Nếu như các đoạn kết tinh đó không lớn và phân bố cách biệt

so với nhau thì chúng ít gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại hai lớp

bimetal Nếu khi hàn nổ có tia kim loại cục bộ có cường độ cực cao thì toàn bộ

bề mặt liên kết hai lớp kim loại bimetal bị phủ bởi một lớp vật liệu nóng chảy

Lý thuyết về sự hình thành sóng liên kết và làm sạch bề mặt hai tấm kim loại hàn nổ đầy đủ hơn cả đã được các nhà nghiên cứu như Crosland và Wiliam

đề xuất [13, 14] Dựa trên cơ sở hàng loạt các nghiên cứu hàn nổ, trong công trình [14], [15] đưa ra kết luận rằng: để hình thành được sóng liên kết cần phải

có sự kích hoạt đủ mạnh ban đầu khi hàn nổ và việc tạo thành sóng liên kết không phải là sự xuất hiện của trạng thái không bền vững nào đó, mà xẩy ra do quá trình tự dao động cùng với kích hoạt cứng sóng kiên kết và tại vùng lân cận xung quanh điểm va đập là ảnh đồ của nó

2.2 Các thông số hàn nổ chính

Phân biệt các thông số chủ yếu đặc trưng cho quá trình hàn nổ kim loại sau đây [13] (xem hình 2.1): động học, vật lý, công nghệ và năng lượng

1) Nhóm thông số động học gồm có: tốc độ bay của tấm kim loại hàn khi

va đập vào tấm kim loại nền (vP), tốc độ điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại (vK), góc va đập (γ), góc uốn động (β);

2) Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại điểm tiếp xúc khi va đập (PK), thời gian va đập (t), nhiệt độ tại điểm va đập (T);

3) Nhóm các thông số công nghệ: tốc độ nổ (D) - đặc trưng bởi mỗi loại thuốc nổ; thông số không thứ nguyên (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng tấm kim loại hàn; khe hở hàn (hO) – khoảng cách ban đầu giữa các tấm kim loại hàn; độ nhám bề mặt tiếp xúc khi hàn (RZ); nhiệt độ các tấm kim loại hàn (T1,

T2); kích thước và đặc tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ dai…)

4) Nhóm các thông số năng lượng gồm có: động năng riêng của tấm kim loại hàn (W1); động năng riêng của tấm kim loại nền (W2), tính theo nhóm thông

số động học

2.2.1 Các thông số động học

Do việc xác định các thông số vật lý rất phức tạp, nên người ta thường xác định mối tương quan giữa các thông số công nghệ với thông số động học: γ, vP,

vK Điều kiện ban đầu để tính toán các thông số hàn nổ chủ yếu là quan điểm mô hình về sự va đập của hai dòng chất lỏng không nén được, ở đó tạo thành dòng phản chiều dạng tia cục bộ Tính chất đàn hồi của chất lỏng (mô đun đàn hồi của

nó bằng không) được xác định chỉ bởi độ nén của nó hoặc mô đun nén theo mọi hướng Nhưng nếu vật thể cứng chịu ứng suất lớn theo sơ đồ khác với sơ đồ nén toàn phần thì nó thay đổi tính chất và trở nên chảy dẻo, về mặt này vật thể cứng được coi như chất lỏng Trạng thái chảy dẻo của vật thể cứng đặc trưng bởi không phải ở chỗ hoàn toàn không có ứng suất tiếp, mà là bởi một giá trị xác định nhỏ tuỳ ý, nếu vượt qua giá trị đó ứng suất không tăng mặc dù biến dạng trượt tăng, tức là sau một giá trị nhất định của biến dạng và ứng suất vật thể cứng dừng chống trả lại biến dạng trượt, và vì thế nó được coi như một chất lỏng [14]

Sau đây ta hãy xem xét các thông số động học của quá trình hàn nổ kim loại (hình 2.1):

Hình 2.3 Sơ đồ biểu diễn sự va đập giữa hai lớp kim loại tại một thời điểm khi hàn nổ [10]

Từ hình 2.3 thấy rõ trước khi nổ các tấm kim loại được đặt dưới một góc (α) với nhau Nếu như mặt phân cách sóng nổ trong một khoảng thời gian (t) di chuyển

từ điểm B vào điểm B′ thì điểm va đập (tiếp xúc) các tấm kim loại hàn C di chuyển đến điểm C′ Để hình thành được liên kết kim loại phải đảm bảo điều kiện sau:

trong đó: C0 – tốc độ sóng âm trong vật liệu các kim loại hàn

Ngoài ra, cần phải làm sạch các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại hàn để tạo

ra tia kim loại cục bộ [13, 14] Không phụ thuộc vào vị trí ban đầu giữa hai tấm