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

Hãa häc<br /> <br /> <br /> ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é vµ thêi gian hãa<br /> giµ ®Õn ®é dÉn ®iÖn cña hîp kim bcuNi3Si<br /> dïng cho chÕ t¹o c¸c tiÕp ®iÓm ®iÖn<br /> NguyÔn nhËt huy, ®INH V¡N LONG, ®oµn thÞ lª nhung<br /> Tãm t¾t: NhiÖt ®é vµ thêi gian hãa giµ cã ¶nh h­ëng rÊt lín ®Õn c¬ tÝnh vµ ®é dÉn ®iÖn<br /> cña ph«i hîp kim BCuNi3Si. Sau khi t«i ë 850 oC, ®é dÉn ®iÖn chØ ®¹t 20,47 %IACS. Xö lý<br /> hãa giµ tiÕp theo lµm ®é dÉn ®iÖn t¨ng ®Õn 36,45 %IACS trong khi ®é cøng vÉn ®¶m b¶o ><br /> 210 HV. Nh÷ng chØ tiªu kü thuËt nµy t­¬ng ®­¬ng m¸c hîp kim C70250 theo tiªu chuÈn EN<br /> 1652, ASTM B422 cña Ch©u ¢ u - Mü.<br /> Tõ khãa: Hîp kim BCuNi3Si, §é dÉn ®iÖn IACS.<br /> 1. Më §Çu<br /> Hîp kim BCuNi3Si thuéc nhãm hîp kim ®ång ®µn håi, cã ®é dÎo cao, dÔ biÕn d¹ng<br /> (®Õn 80%) khi gia c«ng c¬ khÝ, ®­îc øng dông ®Ó s¶n xuÊt c¸c tiÕp ®iÓm ®iÖn, ®iÖn cùc<br /> hµn. §©y lµ lo¹i hîp kim cã c¬ tÝnh vµ ®é dÉn ®iÖn rÊt gÇn víi m¸c БрКМц 3-1-T-1H cña<br /> Liªn bang Nga, mét lo¹i hîp kim ®­îc dïng phæ biÕn lµm ch©n c¾m trong tªn löa Igla. Cßn<br /> theo ký hiÖu cña Hoa Kú th× m¸c nµy t­¬ng ®­¬ng víi m¸c C70250. §Æc ®iÓm næi bËt cña<br /> hîp kim BcuNi3Si lµ cã thÓ lµm viÖc ë nhiÖt ®é 400  500 oC do c¬ tÝnh æn ®Þnh [1,2]. V×<br /> vËy chÕ ®é nhiÖt luyÖn ph¶i phï hîp ®Ó c¬ tÝnh cã thÓ lµm viÖc æn ®Þnh trong thêi gian dµi<br /> ë nhiÖt ®é cao. Pháng theo thµnh phÇn hãa häc m¸c C70250 cña Ch©u ¢u - Hoa Kú, hîp<br /> kim cã thµnh phÇn hãa häc theo b¶ng 1 ®¹t chØ tiªu EN 1652, ASTM B422 ®­îc chÕ t¹o.<br /> B¶ng 1. Thµnh phÇn hãa häc cña ph«i hîp kim ®ång ®óc.<br /> Ng tè Sn Zn Fe Ni Si Mg Cu<br /> Thµnh phÇn, % 0,1228 0,0211 0,0390 3,1120 1,1589 0,0008 Cßn l¹i<br /> Nãi chung, ®èi víi kim lo¹i, ®é dÉn ®iÖn phô thuéc vµo ®é tinh khiÕt cña chóng. Tuy<br /> nhiªn, trong c¸c kÕt cÊu, kim lo¹i tinh khiÕt ®¶m b¶o ®ñ ®é bÒn khi lµm viÖc nªn b¾t buéc<br /> ph¶i hîp kim hãa cho chóng. ViÖc hîp kim hãa ®· lµm t¨ng l­îng nguyªn tè kh¸c lo¹i bªn<br /> trong kim lo¹i nÒn vµ theo ®ã, ®é tinh khiÕt cña nÒn kim lo¹i sÏ gi¶m ®i. §é bÒn vµ ®é dÉn<br /> ®iÖn cña mét hîp kim th­êng lµ hai gi¸ trÞ ®èi nghÞch nhau nªn trong qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn<br /> ®èi víi vËt liÖu dÉn ®iÖn cÇn ph¶i cã chÕ ®é hîp lý ®Ó võa ®¶m b¶o ®é bÒn cao vµ ®é dÉn<br /> ®iÖn tèt [4]. §é dÉn ®iÖn cña hîp kim C70250 phô thuéc vµo viÖc tiÕt pha δ-Ni2Si, ®©y lµ<br /> pha ®­îc h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh hãa giµ. Sù h×nh thµnh c¸c pha δ-Ni2Si cã liªn quan<br /> ®Õn ®é tinh khiÕt cña nÒn ®ång, tõ ®ã ¶nh h­ëng ®Õn ®é dÉn ®iÖn cña hîp kim [3,5].<br /> Tr­íc khi kh¶o s¸t ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é vµ thêi gian hãa giµ, c¸c mÉu hîp kim ®·<br /> ®­îc ñ ®ång ®Òu hãa ë nhiÖt ®é 900oC trong 4 h vµ nguéi cïng lß; sau ®ã c¸n nguéi víi<br /> møc ®é biÕn d¹ng 60%; ñ kÕt tinh l¹i hîp kim sau c¸n ë nhiÖt ®é 600 oC trong 1 h vµ<br /> nguéi ngoµi kh«ng khÝ; tiÕp theo nung t«i ë 850 oC trong 30 phót vµ nguéi trong n­íc. Môc<br /> ®Ých cña qu¸ tr×nh nµy lµ khö bá øng suÊt d­, khö bá tæ chøc th« to, t¹o dung dÞch r¾n qu¸<br /> b·o hßa, thuËn lîi cho nguyªn c«ng hãa giµ ®­îc kh¶o s¸t sau nµy.<br /> 2. §èi t­îng vµ PH­¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> 2.1. §èi t­îng nghiªn cøu<br /> §èi t­îng nghiªn cøu lµ ph«i hîp kim ®ång sau khi t«i ë nhiÖt ®é 850 oC, thµnh phÇn<br /> hãa häc ®­îc chØ ra trªn b¶ng 1. §Ó kh¶o s¸t ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é vµ thêi gian hãa giµ<br /> ®Õn ®é dÉn ®iÖn cña hîp kim, tiÕn hµnh so s¸nh ®é dÉn ®iÖn, ®é cøng, tæ chøc cña c¸c mÉu<br /> tr­íc vµ sau khi hãa giµ.<br /> 2.2. Ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> <br /> <br /> 122 N. N. Huy, §. V. Long, §. T. L. Nhung, “¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é ... tiÕp ®iÓm ®iÖn.”<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> <br /> - C¸c b­íc thùc nghiÖm hãa giµ ®­îc tiÕn hµnh trªn lß Nabertherm cña §øc cã nhiÖt ®é tèi<br /> ®a lµ 1.100 oC; MÉu sau khi t«i ë 850 0C gia c«ng c¬ khÝ b»ng c¾t d©y CNC ®¹t kÝch th­íc<br /> 8932mm.<br /> - §o ®é cøng trªn thiÕt bÞ ®o ®é cøng Máy đo độ cứng 751N - USA.<br /> - Kh¶o s¸t tæ chøc tÕ vi trªn m¸y AXIOVERT 25CA (§øc).<br /> - §o ®iÖn trë trªn thiÕt bÞ ®o ®iÖn trë kÜ thuËt sè PLRO 10 (USA).<br /> §é dÉn ®iÖn cña mét vËt liÖu ®­îc so s¸nh víi mét vËt liÖu ®­îc lÊy lµm chuÈn. VËt<br /> liÖu chuÈn trong tr­êng hîp nµy lµ ®ång ñ mÒm cã ®iÖn trë suÊt ®o b»ng dßng DC ë 20 0C<br /> lµ 0,1724 (Ωmm2/m). §©y lµ tiªu chuÈn quèc tÕ ®Ó so s¸nh ®é dÉn ®iÖn cña mét vËt liÖu<br /> kh¸c gäi lµ tiªu chuÈn ®ång ñ quèc tÕ (International Anenealed Copper Standard), viÕt t¾t<br /> lµ IACS.<br /> S<br /> Theo c«ng thøc tÝnh ®iÖn trë suÊt: ρ=R (1)<br /> l<br /> trong ®ã, ρ lµ ®iÖn trë suÊt (Ωmm2/m); R lµ ®iÖn trë cña vËt liÖu (Ω); l lµ hiÒu dµi cña mÉu<br /> (m); S-lµ tiÕt diÖn mÉu (mm2). C«ng thøc tÝnh ®é dÉn ®iÖn IACS tõ ®iÖn trë suÊt:<br /> 0,017241 (2)<br />   100<br /> <br /> trong đã, γ lµ ®é dẫn điện, %IACS; ρ lµ ®iện trở suất, Ωmm2/m.<br /> 3. KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN<br /> 3.1. §é dÉn ®iÖn, ®é cøng vµ tæ chøc tÕ vi cña hîp kim BCuNi3Si sau khi t«i<br /> Kh¶o s¸t ®iÖn trë cña mÉu hîp kim ®ång sau khi t«i ë 850 oC, lµm nguéi trong n­íc<br /> nhËn ®­îc gi¸ trÞ 1,249.10-2 Ω. TÝnh to¸n theo c«ng thøc (2) nhËn ®­îc gi¸ trÞ ®é dÉn ®iÖn<br /> lµ 20,47 %IACS. §é cøng sau khi t«i ®¹t 87,1 HV. Nh­ ë trªn ®· tr×nh bµy, ®é dÉn ®iÖn<br /> phô thuéc vµo ®é tinh khiÕt vµ c¸c pha ®­îc tiÕt ra trong qu¸ tr×nh hãa giµ. Sau khi t«i,<br /> dung dÞch r¾n qu¸ b·o hßa ®­îc h×nh thµnh nhê qu¸ tr×nh hßa tan c¸c pha thø cÊp vµo nÒn<br /> ®ång. L­îng nguyªn tè hîp kim trong dung dÞch r¾n qu¸ b·o hßa lóc nµy ®¹t gi¸ trÞ cùc<br /> ®¹i. Tæ chøc ®Æc tr­ng cña hîp kim nµy sau khi t«i lµ c¸c h¹t tinh thÓ ®¼ng trôc cã chøa<br /> c¸c song tinh nh­ ®· chØ ra trong h×nh 1.<br /> Sù hßa tan c¸c nguyªn tè hîp kim nµy vµo<br /> nÒn ®ång rÊt cã lîi cho viÖc n©ng cao c¬<br /> tÝnh th«ng qua qu¸ tr×nh hãa giµ sau nµy.<br /> Tuy nhiªn ®èi víi ®é dÉn ®iÖn, sù hßa tan<br /> Ni vµ Si lµm gia t¨ng l­îng c¸c nguyªn tè<br /> kh¸c lo¹i trong m¹ng tinh thÓ nÒn ®ång,<br /> tøc lµ ®é tinh khiÕt cña ®ång ®· bÞ gi¶m<br /> ®i. L­îng nguyªn tè hîp kim hßa tan cµng<br /> H×nh 1. ¶nh tæ chøc tÕ vi mÉu lín, ®é tinh khiÕt cña nÒn ®ång cµng thÊp.<br /> CuNi3Si sau khi t«i ë 850 C (200).<br /> o Do ®ã, ®é dÉn ®iÖn cña hîp kim ë tr¹ng<br /> th¸i sau t«i th­êng kh«ng cao.<br /> 3.2. §é dÉn ®iÖn, ®é cøng vµ tæ chøc tÕ vi cña hîp kim sau khi hãa giµ<br /> ë nhiÖt ®é 425 oC, 450 oC, 475 oC<br /> §Ó kh¶o s¸t ®é dÉn ®iÖn, ®é cøng vµ tæ chøc tÕ vi cña hîp kim BCuNi3Si, c¸c mÉu sau<br /> khi t«i ®­îc hãa giµ ë c¸c nhiÖt ®é 425 oC, 450 oC, 475 oC trong thêi gian tõ 0  12 h. T¹i<br /> c¸c thêi ®iÓm 0, 1, 4, 8, 10, 12 h, c¸c mÉu ®­îc ®­a ra khái lß vµ lµm nguéi ngoµi kh«ng<br /> khÝ. Sau ®ã, tiÕn hµnh x¸c ®Þnh ®é dÉn ®iÖn, ®é cøng vµ tæ chøc tÕ vi. §é dÉn ®iÖn cña c¸c<br /> mÉu ®­îc thÓ hiÖn trong biÓu ®å h×nh 2.<br /> Theo gi¶n ®å h×nh 2, hãa giµ ë nhiÖt ®é 475 oC cho ®é dÉn ®iÖn lín nhÊt, hãa giµ ë<br /> nhiÖt ®é 425 oC cho ®é dÉn ®iÖn nhá nhÊt. Cã sù thay ®æi lín ®é dÉn ®iÖn (> 11,51 %IACS)<br /> sau khi hãa giµ kho¶ng 1h. §é dÉn ®iÖn lín nhÊt ®¹t ®­îc sau kho¶ng 8h hãa giµ, ë nhiÖt<br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 30, 04 - 2014 123<br />  Hãa häc<br /> <br /> ®é 475 oC ®¹t 37,07 %IACS, ë 450 oC ®¹t 36,45 %IACS, ë 425 oC ®¹t 35,69 %IACS. Sau<br /> khi ®¹t cùc ®¹i, kÐo dµi thêi gian hãa giµ, ®é dÉn ®iÖn gi¶m kh«ng nhiÒu. §iÒu nµy cã thÓ<br /> gi¶i thÝch r»ng, trong qu¸ tr×nh hãa giµ, nhiÖt ®é hãa giµ cµng cao th× cµng thóc ®Èy nhanh<br /> sù h×nh thµnh c¸c pha hãa bÒn, chÝnh sù h×nh thµnh nh÷ng pha hãa bÒn δ-Ni2Si nµy lµm cho<br /> nh÷ng vïng xung quanh nã nghÌo Ni, Si. Trong thêi gian ®Çu, thêi gian cµng dµi, c¸c pha<br /> hãa bÒn h×nh thµnh cµng nhiÒu, nÒn ®ång cµng s¹ch h¬n nªn ®é dÉn ®iÖn t¨ng lªn. Sau khi<br /> ®¹t cùc ®¹i, tiÕp tôc t¨ng thêi gian hãa giµ, x¶y ra hiÖn t­îng c¸c pha hãa bÒn lín lªn; cã sù<br /> kÕt tô c¸c pha hãa bÒn nªn tæng diÖn tÝch bÒ mÆt xung quanh c¸c pha hãa bÒn gi¶m ®i, ®iÒu<br /> ®ã cã nghÜa tæng l­îng nÒn ®ång nghÌo Ni, Si gi¶m ®i nªn ®é dÉn ®iÖn gi¶m. Pha hãa bÒn<br /> lín lªn lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn nh­ng sù kÕt tô c¸c pha hãa bÒn l¹i lµm gi¶m ®é dÉn ®iÖn<br /> tæng thÓ. T­¬ng quan bï trõ lÇn nhau cña hai hiÖn t­îng ®ång thêi nµy lµm ®é dÉn ®iÖn<br /> kh«ng thay ®æi nhiÒu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 2. Gi¶n ®å ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é H×nh 3. Gi¶n ®å ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é<br /> hãa giµ ®Õn ®é dÉn ®iÖn cña hîp kim hãa giµ ®Õn ®é cøng cña hîp kim CuNi3Si.<br /> BCuNi3Si.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a b<br /> <br /> H×nh 4. ¶nh tæ chøc tÕ vi mÉu hãa giµ ë 450 oC sau 4 h (a) vµ 8 h (b).<br /> Sù thay ®æi ®é cøng khi hãa giµ ®­îc m« t¶ trong h×nh 3. Khi hãa giµ ë 475 oC, sau<br /> kho¶ng 3 h hãa giµ, nÕu t¨ng thêi gian, ®é cøng gi¶m kh¸ nhanh. Hãa giµ ë 425 oC, thêi<br /> gian hãa giµ kÐo dµi h¬n 3 h<br /> còng lµm gi¶m nhanh ®é cøng<br /> nh­ng gi¸ trÞ ®é cøng sau 8 h<br /> hãa giµ vÉn ®¹t gi¸ trÞ cao. ChØ<br /> cã tr­êng hîp hãa giµ ë 450 oC,<br /> khi kÐo dµi thêi gian, ®é cøng<br /> thay ®æi kh«ng nhiÒu so víi gi¸<br /> trÞ cùc ®¹i nh­ng vÉn cã ®é dÉn<br /> ®iÖn cao. §èi víi tiÕp ®iÓm ®iÖn<br /> H×nh 5. Gi¶n ®å X-ray mÉu hãa giµ ë 450 C o hay ®iÖn cùc hµn, ®é bÒn nãng<br /> sau 4 h (a) vµ 8 h (b). hay kh¶ n¨ng gi÷ ®­îc tÝnh ®µn<br /> håi ë vïng nhiÖt ®é cao lµ rÊt cÇn<br /> thiÕt ®Ó ®¶m b¶o ®é tin cËy khi<br /> <br /> <br /> <br /> 124 N. N. Huy, §. V. Long, §. T. L. Nhung, “¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é ... tiÕp ®iÓm ®iÖn.”<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> <br /> lµm viÖc. V× thÕ, sau khi hãa giµ ë 450 oC, hîp kim BCuNi3Si cã thÓ lµm viÖc tin cËy trong<br /> ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é ®Õn 450 oC. Nh­ tr×nh bµy ë trªn, ®é dÉn ®iÖn ®¹t cùc ®¹i sau kho¶ng 8 h<br /> hãa giµ, trong khi ®é cøng ®¹t cùc ®¹i t¹i 4 h. V× vËy, tïy yªu cÇu lµm viÖc riªng cña tõng<br /> lo¹i tiÕp ®iÓm hay ®iÖn cùc hµn, cã thÓ chän thêi gian hãa giµ tõ 4  8 h. ¶nh tæ chøc tÕ vi<br /> cña mÉu hãa giµ ë 450 oC sau thêi gian 4 h vµ 8 h vµ gi¶n ®å X-ray mÉu hãa giµ 8h ®­îc<br /> chØ ra trong h×nh 4a, 4b vµ h×nh 5.<br /> 4. kÕt luËn<br /> Hîp kim CuNi3Si sau khi xö lý biÕn d¹ng, ñ kÕt tinh l¹i vµ t«i ë nhiÖt ®é 850 0C, tiÕn<br /> hµnh hãa giµ ë nhiÖt ®é 450 0C trong thêi gian 4  8 h cã thÓ ®¹t ®é dÉn ®iÖn lªn tíi 36,5 %<br /> IACS víi c¬ tÝnh t­¬ng ®èi cao kho¶ng 200 HV, trong qu¸ tr×nh hãa giµ hîp kim sÏ tiÕt pha<br /> δ-Ni2Si. KÕt qu¶ nhiªn cøu cho thÊy ®é dÉn ®iÖn hîp kim phô thuéc vµo sù tiÕt pha δ-Ni2Si,<br /> sè l­îng pha δ-Ni2Si ®­îc tiÕt ra cµng nhiÒu th× ®é dÉn ®iÖn cña hîp kim cµng cao, sè<br /> l­îng pha nµy phô thuéc vµo thêi gian hãa giµ, thêi gian hãa giµ cµng nhiÒu th× sè l­îng<br /> pha δ-Ni2Si tiÕt ra cµng nhiÒu.<br /> TµI LIÖU THAM KH¶O<br /> [1]. Suzuki S, Shibutani N, Mimura K, Isshiki M, Waseda Y, “Improvement in strength and<br /> electrical conductivity of Cu-Ni-Si alloys by aging and cold rolling,” Journal of Alloys<br /> and Compounds (2006), Vol. 417, No. 2, pp. 116-120.<br /> [2]. Monzen R, Watanabe C, “Microstructure and mechanical properties of Cu-Ni-Si<br /> alloys,” J. Materials Science and Engineering (2008), Vol. 413, No. 2, pp. 117-119.<br /> [3]. Zhao D.M, Dong Q M, Liu P, Kang B X, Huang J L, Jin Z H, “Structure and strength<br /> of the age hardened Cu-Ni-Si alloy,” J.Materials Chemistry and Physics (2003), Vol.<br /> 79, No. 1, pp. 81-86.<br /> [4]. Srivastav A.V, Schneider A, Uhlenwinkel V, Ojha S N, Bauckhage K, “Age-hardening<br /> characteristics of Cu-2.4Ni-0.6Si alloy produced by the spray forming process,”<br /> J.Mater Process Tech (2004), Vol. 147, No. 2, pp. 174-180.<br /> [5]. Corson M.G, “Electrical conductor alloys,” Electrical World (1927), Vol. 89, pp. 137-<br /> 139.<br /> ABSTRACT<br /> Effect of temperature and aging time<br /> on electrical conductivity of BCuNi3Si alloy<br /> in manufacturing electrical contact<br /> <br /> Temperature and aging time have great impact on mechanical properties and<br /> electrical conductivity of BCuNi3Si alloy. After being quenched at 850 oC, electrical<br /> conductivity reaches only 20.47 %IACS. It is aging treatments that increase<br /> electrical conductivity up to 36.45 %IACS while the hardness remains below 210<br /> HV. These technical criteria are equivalent to C70250 alloy accordant with EN<br /> 1652, ASTM B422 standard by Europe and America.<br /> Keywords: Alloy C70250, Electrical conductivity IACS.<br /> <br /> <br /> NhËn bµi ngµy 03 th¸ng 10 n¨m 2013<br /> Hoµn thiÖn ngµy 24 th¸ng 02 n¨m 2014<br /> ChÊp nhËn ®¨ng ngµy 19 th¸ng 03 n¨m 2014.<br /> <br /> <br /> <br /> §Þa chØ: ViÖn Ho¸ häc - VËt liÖu, ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Qu©n sù.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 30, 04 - 2014 125<br />