Chế tạo vật liệu tổ hợp Cu - Al2o3 bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh

Hồ Ký Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 9 CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP Cu - Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN TRỘN HÀNH TINH Hồ Ký Thanh* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả của nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu – cốt hạt Al2O3 phân tán bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh. Kết quả cho thấy các hạt Al2O3 nhỏ mịn (cỡ hạt 0.30  0.39m) phân bố khá đồng đều trong nền Cu tạo nên hiệu quả hóa bền tốt. Sau quá trình ép – thiêu kết hỗn hợp Cu, CuO (do Cu bị ôxy hóa trong quá trình nghiền) và Al2O3, toàn bộ CuO được hoàn nguyên. Sản phẩm cuối cùng là hệ vật liệu Cu – Al2O3. Độ cứng tế vi của vật liệu tổ hợp này tăng khi hàm lượng Al 2O3 tăng, đó là kết quả của sự phân tán các hạt Al 2O3 nhỏ mịn trong nền Cu . Ngược lại, độ dẫn điện giảm so với Cu nguyên chất .  ĐẶT VẤN ĐỀ Việc gia cố Cu nguyên chất bằng các loại cốt hạt ceramic phân tán như Al2O3, TiC, TiB2, v.v [1–5] đã tạo ra các hệ vật liệu tổ hợp mới. Các hệ vật liệu tổ hợp nền Cu này không những vẫn giữ nguyên được các ưu điểm của Cu nguyên chất như độ dẻo dai, độ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, mà còn hạn chế được nhược điểm Cu ở nhiệt độ cao thường kém bền và khả năng chịu mài mòn thấp. Tùy theo thành phần Al2O3 gia cố mà các hệ vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 có thể được ứng dụng để chế tạo bạc lót , séc măng , hoặc điện cực hàn trong các ngành chế tạo ôtô , xe máy và đóng tàu , hoặc để chế tạo các tiếp điểm điện , v.v trong ngành kỹ thuật. Phương pháp nghiền trộn hành tinh là một phương pháp khá thông dụng trên thế giới để chế tạo vật liệu tổ hợp với thành phần ban đầu là các loại bột. Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác (ôxy hóa bên trong, phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền – SHS, nghiền cơ – hóa ) là có thể khống chế chính xác thành phần pha gia cố (Al2O3). Thêm vào đó, phương pháp yêu cầu thiết bị và quy trình công nghệ đơn giản mà vẫn đảm bảo tỷ trọng cao, cơ tính tổng hợp và độ dẫn  Tel: 0984 194198, Email:hokythanh@gmail.com điện, dẫn nhiệt tốt của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3. Bài báo này đề cập đến việc dùng phương pháp nghiền trộn hành tinh để tạo ra sự phân bố đồng đều các hạt Al2O3 kích cỡ mịn (< 0.4 m) trong nền Cu. Hệ vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 này có thể được trong lĩnh vực vật liệu tiếp điểm điện, vật liệu chịu mài mòn. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Nguyên liệu ban đầu bao gồm: Cu dạng bột (độ sạch > 99.0%, cỡ hạt < 5 m), và bột Al2O3 (độ sạch > 99.8%, cỡ hạt trong khoảng 0.30  0.39 m). Quy trình thực nghiệm chế tạo được tiến hành như sau. Phối liệu Để khảo sát giá trị tối ưu của vật liệu dùng làm tiếp điểm điện hoặc điện cực (đảm bảo độ dẫn điện, cơ tính), cần tăng hàm lượng Al2O3 trong vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 với các mức khảo sát 1.0; 2.0; 4.0% theo khối lượng [1–5] bằng cách phối trộn bột Al2O3 với bột Cu nguyên chất. Nghiền trộn [4–7] Hỗn hợp vật liệu Cu + bột Al2O3 với các thành phần khác nhau được nghiền trộn cơ học để giảm kích thước hạt và tăng độ đồng đều. Trong quá trình nghiền cơ học, việc lựa chọn được chế độ nghiền phù hợp là rất quan Hồ Ký Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 10 trọng. Quá trình nghiền trộn được thực hiện trên máy nghiền hành tinh Pulverisette (Cộng hòa LB Đức) làm nguội bằng không khí , lượng vật liệu mỗi mẻ nghiền là 50g (môi trường nghiền là cồn 900, tỉ lệ bi : bột là 20 : 1) với chế độ nghiền được lựa chọn như bảng 1. Bảng 1. Chế độ nghiền trộn. Thành phần % Al2O3 (k.lượng) Tốc độ nghiền, vg/ph Thời gian nghiền, ph 1.0 180 120/150/180 200 120/150/180 220 120/150/180 2.0 180 120/150/180 200 120/150/180 220 120/150/180 4.0 180 120/150/180 200 120/150/180 220 120/150/180 Ép - Thiêu kết tạo khối vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Quá trình ép nguội được thực hiện trên máy ép thủy lực 10T (Liên bang Nga). Khuôn ép hình trụ đường kính 10mm, cao 50mm. Chày ép và khuôn ép được chế tạo bằng thép 9XC có độ cứng sau khi tôi trên 60  65HRC. Quá trình thiêu kết được tiến hành trong lò nung điện trở hình ống với nhiệt độ nung cao nhất 1000oC. Chi tiết được nung trong hộp thiêu kết có kích thước 70 x 100mm trong môi trường hoàn nguyên và bảo vệ là than hoạt tính. Quá trình ép trước và sau thiêu kết được thực hiện 5 lần với các áp lực ép lần lượt là 1tấn/cm2, 2tấn/cm2, 4tấn/cm2, 6tấn/cm2 và 8tấn/cm2. Lần ép đầu tiên được thực hiện với áp lực ép nhỏ pép = 1tấn/cm 2 nhằm tạo khối có tỉ trọng thấp, đảm bảo quá trình hoàn nguyên được các ôxít đồng xảy ra một cách hoàn toàn. Các lần ép sau nhằm mục đích tăng tỷ trọng của vật liệu. Chế độ thiêu kết được lựa chọn cho các mẫu thí nghiệm như trên hình 1. Thành phần pha của các mẫu vật liệu được phân tích trên máy Rơn-ghen D5005 Siemens (Cộng hòa LB Đức). Hình dạng, kích thước và cấu trúc tế vi của vật liệu được quan sát, phân tích trên kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi S–4800 (Nhật Bản). Tỷ trọng của mẫu thí nghiệm được đo bằng cân thủy tĩnh theo nguyên lý Acsimet trên cân điện tử có độ chính xác đến 10–4g. Độ dẫn điện của mẫu thí nghiệm được đo theo nguyên lý so sánh. Độ cứng HV được xác định bằng cách sử dụng mũi đâm kim cương với tải trọng là 1kG trên máy Duramin Struers (Đan Mạch). Hình 1. Chế độ thiêu kết mẫu vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 sau khi ép sơ bộ: I- giai đoạn nung; II- giai đoạn hoàn nguyên; III- giai đoạn thiêu kết; IV- giai đoạn làm nguội. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả phân tích thành phần pha Trong quá trình nghiền trộn, mặc dù được bảo vệ bằng cồn 900 nhưng vẫn có một phần Cu bị ôxy hóa. Do vậy, sau khi ép sơ bộ phải tiến hành hoàn nguyên để loại trừ ảnh hưởng của các ôxít đồng, đảm bảo tính dẫn điện của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3. Môi trường hoàn nguyên được lựa chọn là than hoạt tính. Al2O3 là pha bền , rất ổn định, trong khi đó các dạng ôxít đồng kém bền sẽ bị khử trong quá trình hoàn nguyên. Sau quá trình hoàn nguyên, các đỉnh của pha ôxít không xuất hiện trên giản đồ nhiễu xạ X–Ray (hình 2) mà chỉ tồn tại các đỉnh của pha Cu. Với các pha có thành phần nhỏ như Al2O3 sẽ không xuất hiện trên biểu đồ X–Ray. Như vậy, vật liệu sau khi chế tạo sẽ tồn tại hai pha Cu và Al2O3. Cuối cùng, mục đích tạo ra vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 bằng phương pháp nghiền trộn cơ học đã đạt được. 200 400 600 800 1000 0 3h 2h nhiÖt ®é [ C]o 750 950 I II III IV thêi gian [h] thêi gian [h] IVIIIIII' 950 750 onhiÖt ®é [ C] 2h3h 0 1000 800 600 400 200 400 1h I Hồ Ký Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 11 Hình 2. Giản đồ X–Ray mẫu vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 sau hoàn nguyên – thiêu kết (2.0% khối lượng Al2O3) Hình dạng và tổ chức tế vi Sau khi nghiền, kích thước hạt vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 có sự gia tăng một cách đáng kể (tăng từ 10m lên > 20m như trên hình 3) tùy thuộc vào chế độ nghiền. Sở dĩ như vậy là vì khi nghiền trộn với năng lượng nghiền lớn, các hạt Cu dẻo bị biến dạng và dính vào nhau, trên bề mặt của chúng có các hạt Al2O3 kích thước nhỏ mịn bám dính. Sau khi nghiền trộn hạt vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 có dạng hình tấm (hình 3a, b). Quan sát tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 (hình 4 và 5) các hạt Al2O3 (màu sáng) với kích cỡ < 0.4 m phân bố khá đồng đều trên nền Cu (màu sậm), không phát hiện thấy lỗ xốp trên mặt cắt, cấu trúc tế vi hứa hẹn một hệ vật liệu có tỷ trọng cao. Hơn nữa độ đồng đều của Al2O3 phân bố trong nền Cu là một hàm số phụ thuộc vào chế độ nghiền (tốc độ và thời gian nghiền). Khi tăng thời gian nghiền và tăng tốc độ nghiền thì độ đồng đều của Al2O3 càng cao, từ đó có thể khẳng định rằng cơ tính của hệ vật liệu sẽ đồng đều hơn. Việc các hạt Al2O3 phân bố đồng đều đã chứng tỏ rằng chế độ nghiền là hợp lý. Các mẫu sau ép thể hiện hầu như không có lỗ xốp, điều đó chứng tỏ rằng chế độ thiêu kết và chế độ ép là hoàn toàn hợp lý. a. thời gian 120ph, tốc độ 220vg/ph b. thời gian 180ph tốc độ 220vg/ph Hình 3. Hình dạng hạt vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 sau khi nghiền trộn Hồ Ký Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 12 a. b. Hình 4. Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 4%(khối lượng)Al2O3 (180ph/220vg/ph) a. b. Hình 5. Tổ chức tế vi của vật liệu tổ hợp Cu - 2%(khối lượng)Al2O3 (180ph/220vg/ph) Tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Các tính chất cơ học và vật lý của hệ vật liệu Cu – Al2O3 (trong đó hàm lượng Al2O3 thay đổi từ 1.0% đến 4.0% theo khối lượng) chế tạo bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh được trình bày trên bảng 2. Tất cả các mẫu đều đạt tỷ trọng tương đối trên 97.0%. Bảng 2. Một số tính chất của vật liệu tổ hợp Cu - Al2O3 Thành phần % Al2O3 Độ dẫn điện, % IACS Độ cứng tế vi, HV Chế độ nghiền, t/v 0.0 100.0 47.0 1.0 85.3 89.5 180/180 – 90.5 180/200 – 92.1 180/220 2.0 79.6 120.9 180/180 – 123.4 180/200 – 124.1 180/220 4.0 73.5 150.3 180/180 – 155.3 180/200 – 157.2 180/220 Theo bảng 2 có thể nhận thấy, khi hàm lượng Al2O3 trong vật liệu tăng, độ cứng của vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 tăng khá mạnh và độ dẫn điện có giảm (tương ứng với sự tăng hàm lượng Al2O3). Độ cứng tăng lên là do các hạt Al2O3 kích cỡ mịn phân tán của trong nền Cu tạo nên hiệu quả hóa bền rất cao. Thêm vào đó , từ bảng 2 ta thấy, khi tăng tốc độ nghiền trộn (giữ nguyên tỉ lệ bi : bột và thời gian nghiền trộn) thì độ cứng của vật liệu tổ hợp tăng đồng thời với nó là độ dẫn điện giảm. Sở dĩ độ dẫn điện giảm do sự tăng hàm lượng Al2O3 không dẫn điện làm giảm tính dẫn điện của vật liệu này . Bên cạnh đó , khi tăng tốc độ nghiền trộn thì sản phẩm bột sau nghiền sẽ bị lẫn các tạ p chất (do sự mài mòn của bi nghiền , tang nghiền), lượng Cu bị ô xi hóa nhiều , trong quá trình hoàn nguyên vẫn chưa triệt để (hàm lượng ô xít này không thể nhận thấy trên giản đồ X – Ray). Còn độ cứng tăng là do sự phân bố đồng đều hơn của các hạt Al2O3 trong nền Cu tạo nên hiệu quả hóa bền tốt hơn. Kết quả bước đầu này giúp khẳng Hồ Ký Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 13 định hệ vật liệu này hoàn toàn có khả năng đáp ứng các yêu cầu làm vật liệu làm tiếp điểm, làm điện cực, . KẾT LUẬN Trong công trình này đã bước đầu thiết lập thành công quy trình công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nền Cu hóa bền bởi cốt hạt Al2O3 phân tán ứng dụng trong chế tạo vật liệu tiếp điểm điện bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh (chủ yếu là lựa chọn được chế độ nghiền hợp lý). Sản phẩm cuối cùng thu được là vật liệu tổ hợp Cu – Al2O3 với cỡ hạt Al2O3 trong khoảng < 0.4 m. Ảnh hưởng của hàm lượng Al2O3 đến cơ tính và tính dẫn điện của vật liệu đã được khảo sát trong khoảng từ 1.0 đến 4.0% Al2O3: độ cứng tăng từ 47 đến 157.2 HV, độ dẫn điện giảm từ 100 xuống 72.1%IACS, hàm lượng Al2O3 tối ưu đối với vật liệu điện có thể khẳng định trong khoảng 2.0%. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Văn Dũng, Nguyễn Đặng Thủy; Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp Cu–TiB2 bằng phương pháp nghiền trộn hành tinh kết hợp thiêu kết xung Plasma; Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, số 17, 2007. [2]. D. W. Lee, B. K. Kim; Nanostructured Cu– Al2O3 composites produced by thermo-chemical process for electrode application, Mat. Lett. Vol. 58, 2004, pp. 378–383. [3]. Kea Myung Kang and Jong Unchoi; Korean J.Mat. Re. Vol 14. No.1, 2004. [4]. C. Suryanarayana; Mechanical alloying and milling, Prog. Mat. Sci.; Vol. 46, 2001, pp. 1–84. [5]. L. Lui, M. O. Lai, S. Zhang; J. Mat. Proces. Tech.; Vol. 52, 1995, pp. 539 – 546. [6]. J. P. Tu, N. Y. Wang, Y. Z. Yang, W. X. Qi, F. Liu, X. B. Zhang, H. M. Lu, M. S. Liu; Preparation and properties of TiB2 nanoparticle reinforced copper matrix composites by in situ processing, Mat. Lett. Vol. 52, 2002, pp. 448 – 452. [7]. Trần Văn Dũng, Lê Việt Dũng, Hồ Ký Thanh, Nguyễn Đặng Thủy; Chế tạo vật liệu tổ hợp Cu– Al2O3 bằng phương pháp nghiền trộn cơ học kết hợp ô xy hóa bên trong, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, số 21, 2008. [8]. V. Rajković, O. Erić, D. Božić, M. Mitkov, E. Romhanji; Characterization of Dispersion Strengthened Copper with 3wt%Al2O3 by Mechanical Alloying, Science of Sintering, Vol. 36, 2004, pp. 205–211. [9]. CHENG Jianyi, WANG Mingpu, LI Zhou, WANG Yanhui; Nano scale Al2O3 Dispersion- strengthened Copper Alloy Produced by Internal Oxidation, China – EU Forum on Nanosized Technology, 2002, pp. 93–102. SUMMARY FABRICATION OF Cu – Al2O3 COMPOSITES BY PROCESSING OF PLANETARY BALL MILLING Ho Ky Thanh Thai Nguyen University of Technology This paper presents result of research to fabricate Dispersed Al2O3 – Strengthened Cu matrix composites by processing of planetary ball milling. The results revealed that grains of Al2O3 (grain size 0.30  0.39m) distribute relatively equal in the Cu matrix, which creates effectively high strengthening. After recycling process and sintering, the final received product was Cu – Al2O3 composites. The micro-hardness of the synthesized composites increased with increasing of Al2O3 content, which was the result of dispersion of the fined Al2O3 grain size in Cu matrix. Whereas, the electrical conductivity decreased comparing with pure Cu. Hồ Ký Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 14 Hồ Ký Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 9 - 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 15