Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già đến độ dẫn điện của hợp kim BCuNi3Si dùng cho chế tạo các tiếp điểm điện - Nguyễn Nhật Huy

Hóa học N. N. Huy, Đ. V. Long, Đ. T. L. Nhung, “ảnh hưởng của nhiệt độ ... tiếp điểm điện.” 122 ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già đến độ dẫn điện của hợp kim bcuNi3Si dùng cho chế tạo các tiếp điểm điện Nguyễn nhật huy, đINH VĂN LONG, đoàn thị lê nhung Tóm tắt: Nhiệt độ và thời gian hóa già có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính và độ dẫn điện của phôi hợp kim BCuNi3Si. Sau khi tôi ở 850 oC, độ dẫn điện chỉ đạt 20,47 %IACS. Xử lý hóa già tiếp theo làm độ dẫn điện tăng đến 36,45 %IACS trong khi độ cứng vẫn đảm bảo > 210 HV. Những chỉ tiêu kỹ thuật này tương đương mác hợp kim C70250 theo tiêu chuẩn EN 1652, ASTM B422 của Châu  u - Mỹ. Từ khóa: Hợp kim BCuNi3Si, Độ dẫn điện IACS. 1. Mở Đầu Hợp kim BCuNi3Si thuộc nhóm hợp kim đồng đàn hồi, có độ dẻo cao, dễ biến dạng (đến 80%) khi gia công cơ khí, được ứng dụng để sản xuất các tiếp điểm điện, điện cực hàn. Đây là loại hợp kim có cơ tính và độ dẫn điện rất gần với mác БрКМц 3-1-T-1H của Liên bang Nga, một loại hợp kim được dùng phổ biến làm chân cắm trong tên lửa Igla. Còn theo ký hiệu của Hoa Kỳ thì mác này tương đương với mác C70250. Đặc điểm nổi bật của hợp kim BcuNi3Si là có thể làm việc ở nhiệt độ 400  500 oC do cơ tính ổn định [1,2]. Vì vậy chế độ nhiệt luyện phải phù hợp để cơ tính có thể làm việc ổn định trong thời gian dài ở nhiệt độ cao. Phỏng theo thành phần hóa học mác C70250 của Châu Âu - Hoa Kỳ, hợp kim có thành phần hóa học theo bảng 1 đạt chỉ tiêu EN 1652, ASTM B422 được chế tạo. Bảng 1. Thành phần hóa học của phôi hợp kim đồng đúc. Ng tố Sn Zn Fe Ni Si Mg Cu Thành phần, % 0,1228 0,0211 0,0390 3,1120 1,1589 0,0008 Còn lại Nói chung, đối với kim loại, độ dẫn điện phụ thuộc vào độ tinh khiết của chúng. Tuy nhiên, trong các kết cấu, kim loại tinh khiết đảm bảo đủ độ bền khi làm việc nên bắt buộc phải hợp kim hóa cho chúng. Việc hợp kim hóa đã làm tăng lượng nguyên tố khác loại bên trong kim loại nền và theo đó, độ tinh khiết của nền kim loại sẽ giảm đi. Độ bền và độ dẫn điện của một hợp kim thường là hai giá trị đối nghịch nhau nên trong quá trình nhiệt luyện đối với vật liệu dẫn điện cần phải có chế độ hợp lý để vừa đảm bảo độ bền cao và độ dẫn điện tốt [4]. Độ dẫn điện của hợp kim C70250 phụ thuộc vào việc tiết pha δ-Ni2Si, đây là pha được hình thành trong quá trình hóa già. Sự hình thành các pha δ-Ni2Si có liên quan đến độ tinh khiết của nền đồng, từ đó ảnh hưởng đến độ dẫn điện của hợp kim [3,5]. Trước khi khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già, các mẫu hợp kim đã được ủ đồng đều hóa ở nhiệt độ 900oC trong 4 h và nguội cùng lò; sau đó cán nguội với mức độ biến dạng 60%; ủ kết tinh lại hợp kim sau cán ở nhiệt độ 600 oC trong 1 h và nguội ngoài không khí; tiếp theo nung tôi ở 850 oC trong 30 phút và nguội trong nước. Mục đích của quá trình này là khử bỏ ứng suất dư, khử bỏ tổ chức thô to, tạo dung dịch rắn quá bão hòa, thuận lợi cho nguyên công hóa già được khảo sát sau này. 2. Đối tượng và PHương pháp nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là phôi hợp kim đồng sau khi tôi ở nhiệt độ 850 oC, thành phần hóa học được chỉ ra trên bảng 1. Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già đến độ dẫn điện của hợp kim, tiến hành so sánh độ dẫn điện, độ cứng, tổ chức của các mẫu trước và sau khi hóa già. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 123 - Các bước thực nghiệm hóa già được tiến hành trên lò Nabertherm của Đức có nhiệt độ tối đa là 1.100 oC; Mẫu sau khi tôi ở 850 0C gia công cơ khí bằng cắt dây CNC đạt kích thước 8932mm. - Đo độ cứng trên thiết bị đo độ cứng Mỏy đo độ cứng 751N - USA. - Khảo sát tổ chức tế vi trên máy AXIOVERT 25CA (Đức). - Đo điện trở trên thiết bị đo điện trở kĩ thuật số PLRO 10 (USA). Độ dẫn điện của một vật liệu được so sánh với một vật liệu được lấy làm chuẩn. Vật liệu chuẩn trong trường hợp này là đồng ủ mềm có điện trở suất đo bằng dòng DC ở 20 0C là 0,1724 (Ωmm2/m). Đây là tiêu chuẩn quốc tế để so sánh độ dẫn điện của một vật liệu khác gọi là tiêu chuẩn đồng ủ quốc tế (International Anenealed Copper Standard), viết tắt là IACS. Theo công thức tính điện trở suất: S ρ=R l (1) trong đó, ρ là điện trở suất (Ωmm2/m); R là điện trở của vật liệu (Ω); l là hiều dài của mẫu (m); S-là tiết diện mẫu (mm2). Công thức tính độ dẫn điện IACS từ điện trở suất: 0,017241 100    (2) trong đó, γ là độ dẫn điện, %IACS; ρ là điện trở suất, Ωmm2/m. 3. KếT QUả Và THảO LUậN 3.1. Độ dẫn điện, độ cứng và tổ chức tế vi của hợp kim BCuNi3Si sau khi tôi Khảo sát điện trở của mẫu hợp kim đồng sau khi tôi ở 850 oC, làm nguội trong nước nhận được giá trị 1,249.10-2 Ω. Tính toán theo công thức (2) nhận được giá trị độ dẫn điện là 20,47 %IACS. Độ cứng sau khi tôi đạt 87,1 HV. Như ở trên đã trình bày, độ dẫn điện phụ thuộc vào độ tinh khiết và các pha được tiết ra trong quá trình hóa già. Sau khi tôi, dung dịch rắn quá bão hòa được hình thành nhờ quá trình hòa tan các pha thứ cấp vào nền đồng. Lượng nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn quá bão hòa lúc này đạt giá trị cực đại. Tổ chức đặc trưng của hợp kim này sau khi tôi là các hạt tinh thể đẳng trục có chứa các song tinh như đã chỉ ra trong hình 1. Sự hòa tan các nguyên tố hợp kim này vào nền đồng rất có lợi cho việc nâng cao cơ tính thông qua quá trình hóa già sau này. Tuy nhiên đối với độ dẫn điện, sự hòa tan Ni và Si làm gia tăng lượng các nguyên tố khác loại trong mạng tinh thể nền đồng, tức là độ tinh khiết của đồng đã bị giảm đi. Lượng nguyên tố hợp kim hòa tan càng lớn, độ tinh khiết của nền đồng càng thấp. Do đó, độ dẫn điện của hợp kim ở trạng thái sau tôi thường không cao. 3.2. Độ dẫn điện, độ cứng và tổ chức tế vi của hợp kim sau khi hóa già ở nhiệt độ 425 oC, 450 oC, 475 oC Để khảo sát độ dẫn điện, độ cứng và tổ chức tế vi của hợp kim BCuNi3Si, các mẫu sau khi tôi được hóa già ở các nhiệt độ 425 oC, 450 oC, 475 oC trong thời gian từ 0  12 h. Tại các thời điểm 0, 1, 4, 8, 10, 12 h, các mẫu được đưa ra khỏi lò và làm nguội ngoài không khí. Sau đó, tiến hành xác định độ dẫn điện, độ cứng và tổ chức tế vi. Độ dẫn điện của các mẫu được thể hiện trong biểu đồ hình 2. Theo giản đồ hình 2, hóa già ở nhiệt độ 475 oC cho độ dẫn điện lớn nhất, hóa già ở nhiệt độ 425 oC cho độ dẫn điện nhỏ nhất. Có sự thay đổi lớn độ dẫn điện (> 11,51 %IACS) sau khi hóa già khoảng 1h. Độ dẫn điện lớn nhất đạt được sau khoảng 8h hóa già, ở nhiệt Hình 1. ảnh tổ chức tế vi mẫu CuNi3Si sau khi tôi ở 850 oC (200). Hóa học N. N. Huy, Đ. V. Long, Đ. T. L. Nhung, “ảnh hưởng của nhiệt độ ... tiếp điểm điện.” 124 độ 475 oC đạt 37,07 %IACS, ở 450 oC đạt 36,45 %IACS, ở 425 oC đạt 35,69 %IACS. Sau khi đạt cực đại, kéo dài thời gian hóa già, độ dẫn điện giảm không nhiều. Điều này có thể giải thích rằng, trong quá trình hóa già, nhiệt độ hóa già càng cao thì càng thúc đẩy nhanh sự hình thành các pha hóa bền, chính sự hình thành những pha hóa bền δ-Ni2Si này làm cho những vùng xung quanh nó nghèo Ni, Si. Trong thời gian đầu, thời gian càng dài, các pha hóa bền hình thành càng nhiều, nền đồng càng sạch hơn nên độ dẫn điện tăng lên. Sau khi đạt cực đại, tiếp tục tăng thời gian hóa già, xảy ra hiện tượng các pha hóa bền lớn lên; có sự kết tụ các pha hóa bền nên tổng diện tích bề mặt xung quanh các pha hóa bền giảm đi, điều đó có nghĩa tổng lượng nền đồng nghèo Ni, Si giảm đi nên độ dẫn điện giảm. Pha hóa bền lớn lên làm tăng độ dẫn điện nhưng sự kết tụ các pha hóa bền lại làm giảm độ dẫn điện tổng thể. Tương quan bù trừ lần nhau của hai hiện tượng đồng thời này làm độ dẫn điện không thay đổi nhiều. Hình 2. Giản đồ ảnh hưởng của nhiệt độ hóa già đến độ dẫn điện của hợp kim BCuNi3Si. Hình 3. Giản đồ ảnh hưởng của nhiệt độ hóa già đến độ cứng của hợp kim CuNi3Si. Sự thay đổi độ cứng khi hóa già được mô tả trong hình 3. Khi hóa già ở 475 oC, sau khoảng 3 h hóa già, nếu tăng thời gian, độ cứng giảm khá nhanh. Hóa già ở 425 oC, thời gian hóa già kéo dài hơn 3 h cũng làm giảm nhanh độ cứng nhưng giá trị độ cứng sau 8 h hóa già vẫn đạt giá trị cao. Chỉ có trường hợp hóa già ở 450 oC, khi kéo dài thời gian, độ cứng thay đổi không nhiều so với giá trị cực đại nhưng vẫn có độ dẫn điện cao. Đối với tiếp điểm điện hay điện cực hàn, độ bền nóng hay khả năng giữ được tính đàn hồi ở vùng nhiệt độ cao là rất cần thiết để đảm bảo độ tin cậy khi a b Hình 4. ảnh tổ chức tế vi mẫu hóa già ở 450 oC sau 4 h (a) và 8 h (b). Hình 5. Giản đồ X-ray mẫu hóa già ở 450 oC sau 4 h (a) và 8 h (b). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 125 làm việc. Vì thế, sau khi hóa già ở 450 oC, hợp kim BCuNi3Si có thể làm việc tin cậy trong điều kiện nhiệt độ đến 450 oC. Như trình bày ở trên, độ dẫn điện đạt cực đại sau khoảng 8 h hóa già, trong khi độ cứng đạt cực đại tại 4 h. Vì vậy, tùy yêu cầu làm việc riêng của từng loại tiếp điểm hay điện cực hàn, có thể chọn thời gian hóa già từ 4  8 h. ảnh tổ chức tế vi của mẫu hóa già ở 450 oC sau thời gian 4 h và 8 h và giản đồ X-ray mẫu hóa già 8h được chỉ ra trong hình 4a, 4b và hình 5. 4. kết luận Hợp kim CuNi3Si sau khi xử lý biến dạng, ủ kết tinh lại và tôi ở nhiệt độ 850 0C, tiến hành hóa già ở nhiệt độ 450 0C trong thời gian 4  8 h có thể đạt độ dẫn điện lên tới 36,5 % IACS với cơ tính tương đối cao khoảng 200 HV, trong quá trình hóa già hợp kim sẽ tiết pha δ-Ni2Si. Kết quả nhiên cứu cho thấy độ dẫn điện hợp kim phụ thuộc vào sự tiết pha δ-Ni2Si, số lượng pha δ-Ni2Si được tiết ra càng nhiều thì độ dẫn điện của hợp kim càng cao, số lượng pha này phụ thuộc vào thời gian hóa già, thời gian hóa già càng nhiều thì số lượng pha δ-Ni2Si tiết ra càng nhiều. TàI LIệU THAM KHảO [1]. Suzuki S, Shibutani N, Mimura K, Isshiki M, Waseda Y, “Improvement in strength and electrical conductivity of Cu-Ni-Si alloys by aging and cold rolling,” Journal of Alloys and Compounds (2006), Vol. 417, No. 2, pp. 116-120. [2]. Monzen R, Watanabe C, “Microstructure and mechanical properties of Cu-Ni-Si alloys,” J. Materials Science and Engineering (2008), Vol. 413, No. 2, pp. 117-119. [3]. Zhao D.M, Dong Q M, Liu P, Kang B X, Huang J L, Jin Z H, “Structure and strength of the age hardened Cu-Ni-Si alloy,” J.Materials Chemistry and Physics (2003), Vol. 79, No. 1, pp. 81-86. [4]. Srivastav A.V, Schneider A, Uhlenwinkel V, Ojha S N, Bauckhage K, “Age-hardening characteristics of Cu-2.4Ni-0.6Si alloy produced by the spray forming process,” J.Mater Process Tech (2004), Vol. 147, No. 2, pp. 174-180. [5]. Corson M.G, “Electrical conductor alloys,” Electrical World (1927), Vol. 89, pp. 137- 139. ABSTRACT Effect of temperature and aging time on electrical conductivity of BCuNi3Si alloy in manufacturing electrical contact Temperature and aging time have great impact on mechanical properties and electrical conductivity of BCuNi3Si alloy. After being quenched at 850 oC, electrical conductivity reaches only 20.47 %IACS. It is aging treatments that increase electrical conductivity up to 36.45 %IACS while the hardness remains below 210 HV. These technical criteria are equivalent to C70250 alloy accordant with EN 1652, ASTM B422 standard by Europe and America. Keywords: Alloy C70250, Electrical conductivity IACS. Nhận bài ngày 03 tháng 10 năm 2013 Hoàn thiện ngày 24 tháng 02 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 19 tháng 03 năm 2014. Địa chỉ: Viện Hoá học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.