Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Ảnh hưởng của hàm lượng TiC tới cơ tính của vật liệu compozit Cu - TiC
adv.

Ảnh hưởng của hàm lượng TiC tới cơ tính của vật liệu compozit Cu - TiC

06/12/2017

Công trình nghiên cứu này với mục đích khảo sát ảnh hưởng của cốt hạt TiC tới một số tính chất cơ học của vật liệu compozit nền đồng cốt hạt TiC như: độ bền nén, độ cứng, độ mài mòn.

Effect of TiC content on mechanical properties of Cu - TiC composite

Vũ Lai Hoàng, Hoàng Ánh Quang Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Email:hoangvl@tnut.edu.vn

Trần Quốc Lập, Lê Hồng Thắng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

TÓM TẮT

    Bài báo này trình bầy kết quả nghiên cứu cơ tính compozit nền đồng (Cu) cốt hạt cacbit titan (TiC), ảnh hưởng của hàm lượng TiC, chế độ công nghệ ép và thiêu kết hai lần đến độ cứng, độ bền nén và độ mài mòn.

ABSTRACT

    This paper presents research results of the copper (Cu) based composite reinforced carbide titanium (TiC) par- ticles effect of TiC content, twice compressing and sintering technique to the hardness, compression strength and wear behavior.

    Keywords: MMCs; sintering; mechanical properties; TiC.

1. Đặt vấn đề

    Compozit nền đồng cốt hạt ceramic đã được nghiên cứu trong nhiều những năm gần đây [1-3]. Cacbit titan (TiC) là loại cốt được sử dụng rộng rãi để chế tạo compozit nền kim loại (Cu, Fe, Al và Ti) do có độ bền cao, độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, nhiệt độ nóng chảy cao và đặc biệt, có độ dẫn điện khá cao cho nên ít ảnh hưởng đến tính chất điện của compozit [1-7].

   Vật liệu compozit nền Cu cốt hạt TiC là loại compozit hóa bền phân tán. Pha cốt cacbit titan phân tán vào trong nền đồng đóng vai trò làm hãm chuyển động của lệch hoặc hóa bền gián tiếp nhờ cản trở quá trình kết tinh lại sau biến dạng dẻo và xử lý nhiệt. Cốt hạt cacbit titan kết hợp với nền đồng nhờ lực ma sát giữa chúng. Liên kết này chịu ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc giữa nền đồng và cốt TiC. Khi mặt tiếp xúc có độ nhám lớn thì com- pozit tạo thành có liên kết nền cốt bền vững.

   Công trình nghiên cứu này với mục đích khảo sát ảnh hưởng của cốt hạt TiC tới một số tính chất cơ học của vật liệu compozit nền đồng cốt hạt TiC như: độ bền nén, độ cứng, độ mài mòn.

2. Thực nghiệm

2.1. Nguyên liệu ban đầu

    Nguyên liệu được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là:

    Bột đồng (Cu) có kích thước hạt nhỏ hơn 10 μm thành phần hóa học như trong bảng 1.

Nguyên tố Cu Fe Ag P Khác
Hàm lượng, % ≥ 99.5 ≤ 0.01 ≤ 0.005 ≤ 0.005 Còn lại

Bảng 1. Thành phần hóa học của bột Cu

    Bột TiC được tổng hợp bằng phương pháp nghiền năng lượng cao hỗn hợp TiO2 và muội than. Chất lượng TiC sản xuất theo phương pháp này đã được công bố trên tạp chí khoa học [8] và có kích thước hạt nhỏ hơn 10 μm.

2.1. Quy trình công nghệ nghiên cứu vật liệu compozit nền Cu cốt hạt TiC

    Quy trình nghiên cứu được chúng tôi lựa chọn và trình bày trên hình 1.

Hình 1

Hình 1. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu vật liệu compozit nền Cu cốt hạt TiC

    Hỗn hợp bột Cu - TiC được nghiền trộn 2 giờ trong môi trường ethanol trên thiết bị trộn sử dụng tang và bi hợp kim cứng, tốc độ quay là 150 vòng/phút. Hỗn hợp bột sau nghiền trộn được đưa vào khuôn và ép trên máy ép thuỷ lực. Mẫu sau ép được thiêu kết trong lò điện trở có khí bảo vệ.

2.2. Các thông số thực nghiệm

    Mẫu vật liệu compozit nền Cu cốt hạt TiC được ép và thiêu kết hai lần. - ép và thiêu kết lần

    1: tiến hành ép ở các lực ép khác nhau (200, 300, 400, 500 MPa); thiêu kết ở nhiệt độ 900°C trong 2 giờ. - ép và thiêu kết lần

    2: mẫu nhận được tiến hành ép ở lực ép 500 MPa; thiêu kết ở nhiệt độ 1000°C trong 2 giờ. Sau khi ép và thiêu kết hai lần, mẫu được kiểm tra các thông số: độ xốp, độ cứng, độ bền nén và độ mài mòn. 

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép tới độ xốp của vật liệu compozit Cu - TiC sau khi ép và thiêu kết lần 1.

Hình 2

Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ xốp của compozit Cu - TiC

    Hình 2 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ xốp của vật liệu compozit Cu - TiC ở các lực ép khác nhau. Khi lực ép giảm và hàm lượng sau ép và thiêu kết lần 1 (900°C). TiC tăng thì độ xốp vật liệu tăng. Do TiC là pha cứng nên khó đạt được mật độ cao khi ép, hơn nữa trong quá trình thiêu kết các hạt TiC nhỏ mịn và phân tán cản trở sự khuếch tán giữa các hạt đồng, cản trở quá trình co ngót và đó là nguyên nhân làm tăng độ xốp. Sau ép và thiêu kết lần 1, độ xốp của vật liệu compozit lớn hơn 11,6%. Để giảm độ xốp tiến hành ép và thiêu kết lần 2.

3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép tới độ xốp của vật liệu compozit Cu - TiC sau khi ép và thiêu kết lần 2.

Hình 3

Hình 3. ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ xốp của compozit Cu - TiC sau ép và thiêu kết lần 2 (1000°C)

    Hình 3 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ xốp của vật liệu compozit Cu - TiC sau ép và thiêu kết lần 2. Độ xốp tăng khi hàm lượng TiC tăng nhưng không vượt quá 5% do sau thiêu kết lần 1, hạt Cu đã được hoàn nguyên màng ôxít và biến mềm nên tính khả ép cao. Hơn nữa, nhiệt độ thiêu kết cao, sự khuếch tán của đồng tăng lên làm mối liên kết bền vững hơn và giảm mạnh kích thước và số lượng lỗ xốp.

3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép tới độ cứng của vật liệu compozit Cu - TiC.

Hình 4

Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ cứng của compozit Cu-TiC

    Từ hình 4 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ cứng của vật liệu compozit Cu - TiC. Khi hàm lượng TiC tăng thì độ cứng tăng, điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. Mặt khác, khi lực ép tăng làm giảm đáng kể độ xốp dẫn đến độ cứng của vật liệu tăng.

3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép tới độ bền nén của vật liệu compozit Cu - TiC.

Hình 5

Hình 5. ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ bền nén của compozit Cu-TiC

    Hình 5 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ bền nén của vật liệu compozit Cu - TiC. Hàm lượng TiC tăng từ 1 ÷ 4% thì độ bền nén tăng, điều này chứng tỏ nền đồng đã được hóa bền bởi các hạt TiC nhỏ mịn phân tán. Độ bền nén đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng TiC là 4%, nhưng khi hàm lượng TiC vượt quá 4% thì độ bền nén của vật liệu giảm, do thể tích của pha giòn nhiều dẫn tới làm giảm tính khả ép và khi lực ép lại 5 tấn/cm2 vật liệu đã xuất hiện vết nứt tế vi.

3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép tới độ mài mòn của vật liệu compozit Cu - TiC. Quá trình kiểm tra độ mài mòn được thực hiện trên thiết bị Tribotester với các thông số như sau:

Diện tích tiếp xúc Tốc độ trượt Chiều dài trượt Tải trọng đo Cặp ma sát là thép 0,28 [cm2] 0,5 [m/s] 3000 [m] 12 [N] C45

Hình 6 

Hình 6. ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ mài mòn của compozit Cu - TiC

    Từ hình 6 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng TiC và lực ép đến độ mài mòn của vật liệu com- pozit Cu - TiC. Khi cho thêm 1%TiC vào nền đồng thì khả năng chịu mài mòn của vật liệu compozit Cu - TiC tăng mạnh so với đồng nguyên chất. Khi tăng hàm lượng TiC, khả năng chịu mài mòn của vật liệu tiếp tục tăng nhưng không đáng kể. Điều này chứng tỏ khi có mặt các hạt TiC trong nền đồng làm chậm quá trình mài mòn của vật liệu compozit Cu - TiC.

3.6. Ảnh tổ chức tế vi của vật liệu compozit Cu - TiC

Hình 7

Hình 7. ảnh tổ chức tế vi của vật liệu compzit Cu – 4%TiC (a x 500; b x 3000)

Hình 8

Hình 8. ảnh tổ chức tế vi của vật liệu compzit Cu - 5%TiC (x 3000)

    Tổ chức tế vi đặc trưng của các mẫu compozit Cu - TiC gồm các hạt TiC mầu đen và nền Cu mầu sáng (hình 7 và 8). Ảnh tổ chức tế vi của compoz- it Cu - 4%TiC với độ phóng đại 500 lần (hình 7a) cho thấy sự phân bố hạt TiC đồng đều trên nền Cu. Điều đó giải thích sự tăng cơ tính của vật liệu compozit Cu - TiC, khi hàm lượng TiC tăng cơ tính của compzit tăng. Nhưng khi hàm lượng TiC ≥ 5% thì độ bền nén của compozit lại giảm (hình 5), có thể do sự “co cụm”, “tích hợp” của các hạt TiC làm cho cơ tính của vật liệu trở nên không đồng đều, có sự phá hủy cục bộ.

4. Kết luận

    Khi được hóa bền bởi TiC, cơ tính của vật liệu compozit Cu - TiC được nâng cao. Với 4% TiC kết hợp với ép và thiêu kết hai lần vật liệu compozit Cu – TiC có cơ tính tốt nhất và đạt giá trị:

    Độ cứng = 69 HV, σBN= 400 MPa và Độ mài mòn = 62 m3/m.10-4

    So với tính chất tương ứng của Cu (độ cứng 39HV, độ bền nén: 220 MPa và độ mài mòn 11,5m3/m.10-4 , vật liệu compozit Cu - TiC nhận được có thể ứng dụng làm vật liệu kết cấu, làm nền cho vật liệu dụng cụ cắt...

[symple_box color="yellow" text_align="left" width="100%" float="none"]

Tài liệu tham khảo

  1. A. Chrysanthou, G. Erbaccio, J. Mater. Sci. Lett. 15 (1996) 774–775.
  2. A. Chrysanthou, G. Erbaccio, J. Mater. Sci. 30 (1995) 6339–6344.
  3. D. Dudina, D.H. Kwon, K.X. Huynh, T.D. Nguyen, J.S. Kim, Y.S. Kwon, Proceedings of the 9th Russian–Korean International Symposium, KORUS, June–July, 2005,pp. 430–433.
  4. N. Zarrinfar, P.H. Shipway, A.R. Kennedy, A. Saidi, Scripta Mater. 46 (2002).
  5. S.D. Dunmed, D.W. Readey, C.E. Semler, J. Am. Ceram. Soc. 72 (1989).
  6. W.X. Hang, Z.Z. Da, K.L. Hau, Tribo.-Mater. Surf. Interfaces 21 (2001).
  7. W. Lu, X. Zhang, D. Zhang, R.Wu, Y. Bian, P. Fang, Acta. Metall. Sinica 35 (1999).
  8. Trần Quốc Lập, Phạm Ngọc Diệu Quỳnh, Huỳnh Xuân Khoa; Công nghệ tổng hợp cácbit titan từ oxit titan và muội than; Hội nghị khoa học lần thứ 20 – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 10/2006

[/symple_box][symple_clear_floats]