Giáo trình Vật liệu cơ điện (Trình độ Cao đẳng)

n của điện năng các thiết bị điện dân dụng được sử dụng ngày càng tăng lên không ngừng. Chất lượng của các vật liệu điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới. Vì vậy đòi hỏi người công nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong các ngành nghề điện, điện tử phải hiểu rõ về bản chất của các vật liệu và ứng dụng của các vật liệu đó, đồng thời phải hiểu rõ về cấu tạo vật liệu, nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng và cách khắc phục để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng. Nội dung môn học này trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản về cấu tạo vật liệu điện nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành nghề của mình. 3 MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu 2 Chương 1: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim 1. Khái niệm về kim loại, hợp kim 2. Cấu tạo của kim loại, hợp kim 3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim: 5 6 10 Chương 2. Gang 1. Giới thiệu chung về gang: 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang: 3. Các loại gang thường dùng: 14 15 16 Chương 3. Thép và vật liệu dẫn từ 1. Thép 21 2. Vật liệu dẫn từ 36 Chương 4. Hợp kim cứng 1. Khái niện chung: 48 2. Một số loại hợp kim cứng thường dùng 48 Chương 5. Kim loại màu và vật liệu dẫn điện 1.Khái niệm và phân loại kim loại 50 2. Đặc điểm và tính chất chung 50 3. Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 58 4. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 59 5. Một số vật liệu dẫn điện khác 60 6. Hợp kim làm ổ trượt 61 Chương 6. Ăn mòn kim loại 1. Hiện tượng ăn mòn kim loại: 67 2. Phương pháp chống ăn mòn kim loại 67 Chương 7. Vật liệu phi kim loại và vật liệu cách điện 1.Khái niệm và phân loại 68 2. Tính chất chung của vật liệu cách điện 69 3. Vật liệu cách điện thể khí 75 4. Vật liệu cách điện thể lỏng 77 5. Vật liệu cách điện thể rắn 78 4 6. Chất dẻo 86 7. Dầu - Mỡ bôi trơn 88 Chương 8: Vật liệu bán dẫn 1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn 88 2. Sự dẫn điện của vật liệu bán dẫn 88 3. Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 90 4. Một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật 91 5 Mục tiêu môn học: * Kiến thức. - Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của các loại vật liệu cơ khí, vật liệu điện như: gang, thép, kim loại màu, các loại dầu bôi trơn, dầu biến thế và một số loại vật liệu khác được dùng trong các nhà máy Thuỷ điện. * Kỹ năng. - Nhận biết được các loại vật liệu thường dùng trong Nhà máy Thuỷ điện và phạm vi ứng dụng của chúng * Năng lực tự chủ và trách nhiệm. - Cẩn thận, nghiêm túc trong học tập và trong công việc. Nội dung: Chương 1: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim 1. Khái niệm về kim loại, hợp kim 1.1. Khái niệm - Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. - Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân). - Hợp kim là dung dịch rắn của nhiều nguyên tố kim loại hoặc giữa nguyên tố kim loại với nguyên tố phi kim. Hợp kim mang tính kim loại (dẫn nhiệt cao, dẫn điện, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim...). Hợp kim màu, là hợp kim của các kim loại khác ngoài sắt. 1.2. Đặc tính 1.2.2 Đặc tính kim loại Đặc tính của kim loại được đánh gía bởi các tính chất vật lý, hóa học, cơ học... 1.2.2 Đặc tính hợp kim Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông thường khác với đặc tính của kim loại hợp thành, đôi khi còn khác hẳn. Hợp kim luôn cho ta những đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành. Ví dụ, thép(hợp kim của sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp thành của nó là sắt. Đặc tính vật lý của hợp kim không khác nhiều kim loại được hợp kim hoá, như mật độ, độ kháng cự, tính điện và hệ số dẫn nhiệt, nhưng các đặc tính cơ khí của 6 hợp kim lại có sự khác một cách rõ rệt, như độ bền kéo, độ bền cắt, độ cứng, khả năng chống ăn mòn... Không giống như kim loại nguyên chất, nhiều hợp kim không có một điểm nóng chảy nhất định. Thay vì, chúng có một miền nóng chảy bao gồm trạng thái các khối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng. Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy được gọi là đường đông đặc và hoàn thành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi là đường pha lỏng trong giản đồ trạng thái của hợp kim. 1.3. Vai trò của kim loại, hợp kim trong cuộc sống. Trong các nhóm vật liệu kể trên thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc và những công trình xây dựng. Sự phát triển không ngừng của máy động lực, máy công cụ gắn liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính năng ngày càng cao. Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt của nó là một lần thúc đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành khoa học mới như: – Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã giúp cho ngành công nghiệp hàng không và tên lửa có bước phát triển nhảy vọt. – Hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí như: thép không rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990) Ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo ra những hợp kim mới có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính cùng một số tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. Những thành công trong nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới. 2. Cấu tạo của kim loại, hợp kim: 2.1. Kim loại: 2.1.1 Cấu tạo nguyên tử Các kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau. - Vật chất là do các nguyên tử tạo thành, mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm: hạt nhân mang điện tích dương ở giữa các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo khác nhau. Hạt nhân bao gồm Proton và nơtron. 7 Hình 1-1: Sơ đồ phân bố các điện tử trên quỹ đạo Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình elíp. Quỹ đạo ngoài cùng có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của mỗi chất (hình 1-1). Đối với kim loại ở quỹ đạo ngoài cùng thường có 1 đến 2 điện tử, các điện tử này dễ bật đi khỏi quỹ đạo để cho nguyên tử trở thành ion dương và đó là chỗ khác nhau chủ yếu giữa Kim loại và vật liệu phi kim loại. - Như Vậy: Kim loại có cấu tạo như là các ion dương, có các điện tử tự do chạy xung quanh hạt nhân và các điện tử này dễ bật ra khỏi quỹ đạo của nó. Các điện tử tự do là nguyên nhân tạo ra tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt và tính dẻo dai của kim loại. 2.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể Hình 1-2: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất a) Sơ đồ sắp xếp mạng tinh thể lập phương đơn giản; b) ô cơ bản của mạng Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, tức là các nguyên tử của nó sắp xếp trong không gian theo một vị trí hình học nhất định chứ không hỗn độn như các vật liệu phi kim loại. trong đó các nguyên tử kim loại được biểu diễn bằng những vòng tròn nhỏ nằm ở các mép của hình lập phương ta gọi là nút mạng. Phần nhỏ nhất đặc trưng cho một mạng tinh thể nào đó gọi là ô cơ bản. Nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể như hình 1-2. 2.1.3 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp. 8 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại. Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tính đối xứng, nó là một trong những đặc điểm quan trọng thể hiện cả hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong và các tính chất của Kim loại. Cấu trúc mạng tinh thể thường mang các tính chất rất đa dạng phụ thuộc vào kiểu sắp xếp nguyên tử. Sau đây là một số kiểu mạng tinh thể thường gặp: + Lập phương thể tâm. Trong ô cơ bản của kiểu mạng này (hình 1-3), các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử. Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể gọi là thông số mạng, độ lớn được đo bằng A0 (đọc là ăng-Trôn), một đơn vị A0 = 0,00000001cm (1.10-8 cm). Các kim loại có kiểu mạng này là sắt, crom, Vanadi + Lập phương diện tâm. Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương như hình 1 - 4. Các kim loại có kiểu mạng này là: Sắt, đồng, nhôm, niken + Lục phương dày đặc. Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng, hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm ba khối lăng trụ tam giác cách nhau như hình 1-5. Các kim loại có kiểu mạng này gồm kẽm, côban, magiê. + Ngoài ba loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta còn gặp kiểu mạng chính phương thể tâm như hình 1-6. Nó khác mạng lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh không bằng hai cạnh kia. Hình 1-5: Kiểu lục phương dày đặc Hình 1-6: Ô cơ bản chính a) Ô cơ bản; b) Hình chiếu bằng phương thể tâm. Hình 1-3. Kiểu lập phương thể tâm b a c 9 2.2. Hợp kim 2.2.1 Dạng dung dịch đặc. Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố có thành phần kích thước gần giống nhau. Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần. Người ta phân biệt có hai loại dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ. - Trong dung dịch đặc thay thế: Nguyên tử nguyên tố này đẩy nguyên tử nguyên tố kia thay thế vào đó (hình 1-6a). Tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như cấu tử của dung môi. Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều đều xảy ra sự xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố nào có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau. Vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích thước nguyên tử gần bằng nhau (sai lệch không quá 15%). Hình 1-6: Các mô hình cấu trúc dung dịch đặc của hợp kim a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mô hình dung dịch đặc xen kẽ; c) Mô hình dung dịch đặc tổng hợp - Trong dung dịch đặc xen kẽ: Nguyên tử của các nguyên tố hòa tan (ví dụ cácbon, ôxi..) nằm xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút của mạng tinh thể của nguyên tố cơ bản (hình 1-1b). Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên. 2.2.2. Hợp chất hóa học. Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hóa học khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xácđịnh được biểu diễn bằng một công thức hóa học 10 Ví dụ hợp chất hóa học của sắt và cácbon có công thức hóa học là Fe3C Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao 3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim 3.1. Tính chất vật lý (tính chất lý học): Là các tính chất đặc trưng như là vẻ sáng mặt ngoài, tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt, tính dẫn điện..vv. 3.1.1. Vẻ sáng mặt ngoài. Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại người ta chia thành hai nhóm là kim loại đen và kim loại màu. a. Kim loại đen: Kim loại đen gồm toàn bộ các hợp kim của sắt, tức là các loại gang và các loại thép. b. Kim loại màu. - Kim loại màu là tất cả các hợp kim và kim loại còn lại. - Kim loại không trong suốt, kể cả những tấm kim loại được cán, dát rất mỏng cũng không để cho ánh sáng xuyên qua nó được. Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài. Mỗi kim loại sẽ phản chiếu ánh sáng theo một màu sắc riêng mà ta quen gọi là màu của kim loại. Thí dụ: Đồng có màu đỏ, Thiếc có màu trắng bạc 3.1.2. Tính nóng chảy. Kim loại có tính chảy lỏng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với đúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy (và ngược lại). Điểm nóng chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ đúc, vì khi đúc ta phải nấu chảy lofng kim loại để dát vào khuôn. Điểm nóng chảy của hợp kim lại khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó. Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau, ta có thể tạo được hợp kim mới có điểm nóng chảy thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của từng kim loại riêng rẽ. Trong thực tế người ta có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy thấp (khoảng 60-700C), trong khi điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần lớn hơn 2000 C. Ngược lại cũng có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy cao hơn điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần. 3.1.3. Tính dẫn nhiệt. Là tính truyền nhiệt của kim loại khi đốt nóng hoặc làm lạnh. - Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ nóng chảy nhanh và đông đặc nhanh - Kim loại có tính dẫn nhiệt kém muốn nung nóng hoàn toàn phải cần nhiều thời gian, nếu làm nguội quá nhanh dễ gây ra nứt và vỡ. 11 - Tính dẫn nhiệt của kim loại rất cần thiết cho việc nhiệt luyện các kim loại, cho việc chế tạo các chi tiết máy cần dẫn nhiệt nhanh như píttông, kết nước. - Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và tăng khi nhiệt độ giảm xuống. Trong ô tô, các chi tiết máy cần có sự truyền nhiệt nhanh như: Piston, cánh tản nhiệt của két làm mát thì phải làm bằng các vật liệu có tính dẫn nhiệt tốt như là hợp kim nhôm, đồng. Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng Kilô calo/m.giờ.độ. Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng. Thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của các kim loại khác với bạc vì bạc có tính dẫn nhiệt tốt nhất. Ví dụ: Nếu lấy bạc có tính dẫn nhiệt bằng một đơn vị thì các kim loại khác như: Đồng = 0,9; Nhôm = 0,5; Sắt = 0,15 3.1.4. Tính giãn nở nhiệt. Khi đốt nóng các kim loại giãn nở ra và khi nguội lạnh nó co lại. Sự giãn nở kim loại không giống nhau. Để đánh giá sự giãn nở nhiệt của các kim loại khác nhau người ta đo chính xác độ dãn dài 1mm kim loại đó khi nhiệt độ thay đổi 10. Độ giãn dài đo được gọi là hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài. Sự giãn nở theo thể tích được tính bằng 3 lần sự giãn nở theo chiều dài. Trong kỹ thuật để làm các dụng cụ đo lường đảm bảo độ chính xác cao người ta phải sử dụng các hợp kim có độ giãn nở nhiệt gần bằng 0 ở khoảng nhiệt độ từ - 800 đến 1000 C ( ví dụ như hợp kim Niva). Cần chú ý rằng hệ số giãn nở nhiệt tuy rất nhỏ, nhưng với các vật có kích thước lớn, có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, chúng ta phải chú ý tới đặc điểm này. Ví dụ trong động cơ ô tô phải chú ý đến khe hở giữa piston và xilanh để ở trạng thái nguội vẫn đảm bảo độ kín cần thiết, ở trạng thái nóng thì piston không bị bó kẹt trong xilanh. 3.1.5. Tính dẫn điện. Là khả năng dẫn điện của kim loại . Các kim loại khác nhau thì có tính dẫn điện khác nhau. Kim loại có tính dẫn điện cao tức là kim loại ít cản trở dòng điện (điện trở của kim loại nhỏ). So sánh tính dẫn điện và tính dẫn nhiệt của kim loại ta thấy kim loại nào dẫn nhiệt tốt thì cũng dẫn điện tốt và ngược lại. Các kim loại có tính dẫn điện tốt được dùng trong kỹ thuật là đồng, nhôm Khi nhiệt độ tăng lên thì tính dẫn điện giảm đi và ngược lại. Ở nhiệt độ 00K ( - 2730C) thì điện trở của kim loại gần bằng 0 và tính dẫn điện kim loại là tốt nhất. Đây chính là hiện tượng siêu dẫn hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế. 12 3.1.6. Nhiệt dung. Nhiệt dung là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. Nhiệt dung của kim loại càng lớn, càng cần tốn nhiều nhiệt lượng mới đốt nóng vật đó lên được. Đây là một đặc trưng cần biết khi gia công cơ khí bằng các phương pháp gia công nóng như đúc, hàn 3.1.7. Tính nhiễm từ. Là khả năng kim loại bị từ hoá khi được đặt trong một từ trường. Trong thực tế khả năng nhiễm từ của các kim loại không giống nhau và được chia làm hai nhóm. - Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ và được gọi là chất sắt từ. - Hầu hết các kim loại khác thì không có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của các chất sắt từ phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại đó, do vậy tính nhiễm từ không phải là cố định đối với mỗi loại vật liệu. Thí dụ: Sắt chỉ có tính nhiễm từ ở nhiệt độ 7680 C, ở nhiệt độ lớn hơn sắt không còn từ tính nữa. Tính nhiễm từ của kim loại được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật. Trên ô tô nó được dùng để chế tạo các loại nam châm, các lõi sắt từ của các cuộn cảm, của rơle trong các thiết bị điện. 3.1.8. Trọng lượng riêng. Là khối lượng của kim loại trên một đơn vị thể tích (kg/m3), tính chất này dùng để so sánh khi chọn vật liệu chế tạo các máy móc thiết bị cần quan tâm đến việc giảm nhẹ khối lượng. 3.1.9. Nhiệt độ nóng chảy. Kim loại có tính nóng chảy khi đốt nóng và đông đặc khi nguội. Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn được gọi là nhiệt độ nóng chảy. Điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc. Vì khi đúc người ta nấu chảy loãng kim loại để rót vào khuôn. 3.2. Tính chất hoá học 3.2.1. Định nghĩa. Tính chất hóa học là biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa học của các môi trường có hoạt tính khác nhau. Hầu hết các kim loại và hợp kim đều bị tác dụng hóa học của môi trường xung quanh. Ví dụ thép để trong không khí bị gỉ, đồng bị gỉ thành màu xanh..vv. 3.2. 2. Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim. 13 a. Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxi trong không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. b. Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axít. Khi lựa chọn vật liệu trong chế tạo máy, người ta phải căn cứ vào tính chất hóa học của vật liệu để lựa chọn cho phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết máy. Ví dụ: Trên ô tô người ta phải dùng vật liệu là chì làm các bản cực của các bình ắc quy vì chì không bị axít ăn mòn. 3.3. Tính chất cơ học 3.3.1. Định nghĩa. Là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực lên kim loại và hợp kim. Tính chất cơ học bao gồm nhiều tính chất đặc trưng như: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng..vv. Để xác định được tính chất cơ học của kim loại người ta phải tiến hành các quá trình thử trên các mẫu thử được chế tạo theo quy chuẩn bằng các thiết bị thử đặc biệt. Trong đó thử kéo là quan trọng nhất vì qua đó ta có thể xác định được các cơ tính chủ yếu của kim loại như: Độ bền, độ đàn hồi, độ dẻo... Để đánh giá tính chất cơ học của kim loại người ta dùng đơn vị là kG/mm2 . 3.3.2. Các tính chất cơ học chủ yếu. a. Độ bền. Là khả năng chịu ngoại lực của kim loại ở mẫu thử đó nó không bị phá hủy. Người ta hay dùng là độ bền kéo, nén và được kí hiệu: σk, σn. b. Độ cứng. Là khả năng chống lại ngoại lực tác động khi chịư lực ở mẫu thử nó được xác định là độ biến dạng trong cùng một điều kiện ngoại lực như nhau. Người ta dùng nhiều đơn vị đo độ cứng như: HB (Brinen), HRA, HRB, HRC (Rốc oen). c. Độ đàn hồi. Là khả năng biến dạng của vật liệu khi có ngoại lực tác động. d. Tính biến hình. Là khả năng biến dạng của kim loại so với hình dạng ban đầu khi ngoại lực tác động, có phương, chiều và trị số khác nhau. Tính chất cơ học của vật liệu là một trong những đặc trưng quan trọng nhất được quan tâm khi lựa chọn vật liệu trong chế tạo máy. 3.4. Tính chất công nghệ 3.4.1. Định nghĩa: Là khả năng mà kim loại có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ khác nhau để sản xuất các sản phẩm. 3.4.2. Tính công nghệ. a. Tính cắt gọt: Là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó. Tính cắt gọt được xác định bằng: tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt, độ bóng bề mặt sau khi cắt gọt. b. Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết khi nung nóng cục 14 bộ vị trí nối đến trạng thái nóng chảy hoặc biến dạng dẻo. c. Tính đúc: Là khả năng chảy loãng của kim loại khi nấu chảy kim loại để đổ vào khuôn đúc. Tính đúc được xác định bởi độ co, ngót và tính thiên tích của kim loại. d. Tính rèn dập: Là khả nẳng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi có ngoại lực tác động để tạo thành hình dạng chi tiết mà không bị phá hủy. e. Tính nhiệt luyện: Là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của kim loại bằng cách nung nóng kim loại, giữ kim loại ở nhiệt độ đó một thời gian rồi cho nguội trong các môi trường với tốc độ nguội khác nhau. Tính chất công nghệ của kim loại cũng là một yếu tố rất quan trọng trong gia công chế tạo. Nhờ có tính công nghệ có thể chế tạo được các chi tiết có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau trong công nghệ chế tạo máy. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 Câu 1: Hãy nêu tầm quan trọng của kim loại và hợp kim trong sản xuất công nghiệp? Câu 2: Trình bày cấu tạo của kim loại? Câu 3: Thế nào là hợp kim? Cho biết cấu tạo của hợp kim? Câu 4: Trình bày các tính chất chung của kim loại và hợp kim? Chương 2. Gang 1. Giới thiệu chung về gang 1.1. Khái niệm: Gang là hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), trong đó lượng C = 2,14%, nhưng không lớn hơn 6,67%. Ngoài ra còn có các nguyên tố như Mn, S. P, Si và một số tạp chất khác. 1.2. Thành phần hoá học và kết cấu mạng tinh thể a. Tổ chức tế vi: Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớn hay toàn bộ các bon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay Graphit (rất ít hoặc không có các bon ở dạng liên kết hay cacbít). Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là Graphit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau: - Pherit: khi toàn bộ C ở trạng thái tự do. - Pherit – Peclit: Khi phần lớn C ở trạng thái tự do và rất ít C ở dạng liên kết. Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của graphit. + Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên khi đúc (gang xám). 15 + Graphit có dạng quả cầu tròn: phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu). + Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hoá từ Xêmentit ( gang dẻo). Chính sự khác nhau của dạng Graphit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau. b. Thành phần hoá học: Để có được graphit và graphit với các dạng khác nhau. Mỗi loại gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hoá học và cách chế tạo. Bảng 2-1. Thành phần hoá học của gang. Loại Gang C Si Mn S P Trắng 3,3 – 3,6 0,4 – 1,2 0,25 – 0,8 0,06 – 0,20 0,05 – 0,20 Xám 3,0 – 3,7 1,2 – 2,5 0,25 – 1,00 < 0,12 0,05 – 1,00 Cầu 3,0 – 4,0 1,8 – 3,0 0,10 – 0,80 < 0,03 < 0,01 Dẻo 2,0 – 2,6 1,0 – 1,6 0,20 – 1,00 0,04 – 0,20 < 0,20 - Thành phần hoá học: Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành graphit. Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố silic có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành graphit. Lượng silic càng nhiều thì sự graphit hoá càng mạnh, cacbon liên kết (Xêmentit) càng ít hoặc thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản người ta coi gang là hợp kim của ba cấu tử Fe – C – Si. Trong gang cũng còn có các nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi là gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hoá. Chúng được đưa vào có chủ định hoặc chúng là các tạp chất. 1.3. Tính chất của gang: Gang có một số tính chất quan trọng sau đây: -Tính điền đầy khuôn trong gang, nhất là gang xám, tính chất này của gang rất quan trọng. Vì vậy các chi tiết máy không có yêu cầu đặc biệt thì thường dùng phương pháp đúc để tạo hình. Người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực. Các phương pháp đúc này có thể tạo được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp mà không cần gia công lại. Ví dụ đúc thân máy, nắp máy động cơ ôtô. - Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, như gang cầu, gang hợp kim đều có độ bền cơ, bền nhiệt cao. Vì vậy người ta thường dùng gang chế tạo các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ chịu mài mòn, ma sát, độ gifn nở vì nhiệt thấp. Ví dụ: Làm bánh đà động cơ ôtô, các xilanh lực của hệ thống thủy lực Tuy nhiên gang cũng có nhược điểm như tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện kém, độ bền mỏi nhỏ. Như vậy các chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng gang. 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang: 2.1 ảnh hưởng của cácbon 16 Nếu các bon chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xementít thì gang đó gọi là gang trắng, nếu C ở trạng thái tự do thì gang đó gọi là gang xám(Grafít). Sự tạo thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội của nó . Nếu tốc độ nguội nhanh thì được gang trắng, tốc độ nguội chậm thì được gang xám. 2.2 ảnh hưởng của các Mn, Si, P, S - Silic (Si): Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang vì nó thúc đẩy sự tạo thành Grafít trong gang xám, do vậy thành phần Si thường cao (1 đến 4,25%). - Mangan (Mn): Nó thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản quá trình Grafít hóa vì vậy lượng Mn trong gang trắng thường cao (từ 2 đến 2,5%). - Phốt pho (P): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang. Tuy nhiên P lại làm tăng tính chảy lofng của gang khi đúc. - Lưu huỳnh (S): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm tính đúc, giảm độ bền, làm cho gang giòn. Do đó thành phần của S trong gang thường nhỏ hơn 0,15%. 3. Các loại gang thường dùng 3.1. Gang trắng a. Thành phần và tổ chức C - Thành phần : C = (3,3 ÷ 3,6) % Si = (0,4 ÷ 1,2 )% Mn= (0,25 ÷ 0,8)% S = (0,06 ÷ 0,2)% P = (0,05 ÷ 0,1) % - Tổ chức C : Tồn tại ở dạng sắt Fe3C pha này chiếm tỷ lệ rất lớn (50% trong tổ chức của gang) b. Tính chất. - Lý tính: Trên bề mặt gãy của gang có màu sáng trắng do Cacbon ở dạng hợp chất hóa học Fe3C do đó gọi là gang trắng - Cơ tính: Do Cacbon ở dạng Fe3C nên gang rất cứng (650÷700)HB và giòn. Do đó không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang trắng để làm các chi tiết máy có độ chính xác cao + Độ dẻo, dộ bền thấp + Có khả năng chịu mài mòn tốt - Tính kinh tế. Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ c. Công dụng. 17 - Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lửa - Cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ, nên chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng còn lõi vẫn là gang Graphit. Muốn bề mặt bị biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc. - Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần được dùng để ủ thành gang dẻo 3.2. Gang xám a.Thành phần và tổ chức C - Thành phần. C = (3 ÷ 3,7)% Si = (1,2 ÷ 2,5 )% Mn = (0,25÷1,0)% S < 0,12% P = (0,05÷ 1,0) % - Tổ chức tế vi: Gang xám là loại gang mà phần lớn Cacbon ở dạng tự do (gọi là Graphit). Graphit trong gang xám có dạng tấm (hay phiến) cong tự nhiên. Do graphit có màu xám nên mặt gãy của gang có màu xám b. Phân loại: Tùy theo mức độ tạo thành Graphit mạnh hay yếu, gang xám được chia ra các tổ chức sau : - Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất cả Cacbon đều ở dạng tự do, không có xementit, chỉ có 2 pha: Graphit và nền kim loại là Ferit - Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon liên kết (Fe3C) chỉ khoảng 0,1 ÷ 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit - Peclit - Gang xám Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, lượng Fe3C khoảng 0,6 ÷ 0,8 % tạo nên nền kim loại Peclit c. Tính chất. - Lý tính. + Dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn so với thép + Nhiệt độ nóng chảy thấp - Cơ tính. + Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn Xementit nên gang xám có độ cứng, độ bền thấp hơn gang trắng nhiều (150 ÷ 250) HB; (150 ÷ 400) N/mm2 + Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép. 18 + Không chịu nhiệt, biến dạng và va đập - Tính công nghệ. + Có tính cắt gọt cao, cho phoi vụn + Tính đúc tốt hơn thép + Có khả năng khủ cộng hưởng và tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ) - Tính kinh tế. Chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép d. Phạm vi sử dụng: Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, các chi tiết cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn. VD: Thân, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ. d. Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga gang xám được ký hiệu bằng hai chữ CЧ : Với 2 số chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn, đơn vị l KG/mm2 VD : CЧ 24-44 là gang xám có giới hạn bền kéo σk = 24 KG/mm2 (240N/mm2); Gới hạn bền uốn бu = 44 KG/mm2 (440N/mm2) - Thường dùng các loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám được ký hiệu bằng hai chữ GX và 2 số giống tiếp theo giống như ký hiệu của Nga. Bảng 2-2. Cơ tính của gang xám (Theo TCVN 1659 - 75) Số hiệu gang Giới hạn bền kéo 2 Độ giãn dài (δ%) Giới hạn bền uốn 2 Giới hạn bền nén 2 Độ cứng HB GX 12 - 28 12 0,5 28 50 143 - 259 GX 18 - 36 18 0,5 36 70 170 - 229 GX 28 - 48 28 0,5 48 100 170 - 241 GX 35 - 56 35 0,5 56 110 197 - 269 GX 38 - 60 38 0,5 60 110 270 - 269 3.3. Gang dẻo a. Thành phần và tổ chức C, phương pháp chế tạo. - Thành phần: C = (2,0 ÷ 2,6)%; Si = (1,0 ÷ 1,6)%; Mn = (0,2 ÷ 1,0)%; S < 0,03%; P = 0,2 % Hình 2-2. Gang dẻo. 19 - Tổ chức tế vi ở dạng cụm bông - Phương pháp chế tạo: Ủ gang trắng thành gang dẻo Gang lỏng Đúc Gang trắng Fe3C Gang trắng Ủ Gang dẻo b. Tính chất: Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ dẻo cao và bền hơn gang xám (σk = 300 ÷ 600N/mm2; δ= 5 ÷ 10%) c. Phạm vi sử dụng: - Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm chi tiết máy, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu sau: - Hình dạng phức tạp - Tiết diện (thành) mỏng - Chịu va đập d. Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo...y đổi và ít giãn nở. Để đáp ứng yêu cầu này, người ta chế tạo hợp kim Êlinva X8H30. Để có được các hợp kim có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng hệ số giãn nở nhiệt của thuỷ tinh (trong các dây tóc bóng đèn chân không) người ta sử dụng hợp kim Platinít H42. - Chú ý: Các kí hiệu của 5 loại thép không gỉ ở trên được lấy theo (ΓOCT) của Nga. Ngoài theo tiêu chuẩn ΓOCT còn có các tiêu chuẩn khác như sau: 36 + Tiêu chuẩn của Mỹ ( AISI) có các mác thép 410, 420, 405, 406 + Tiêu chuẩn của Nhật (JSG) có các mác thép SUS301, 304, 316, 420, 446 1.5.2.4. Thép hợp kim làm khuôn. * Thép làm khuôn dập nguội. a. Điều kiện làm việc và yêu cầu. - Độ cứng cao khoảng 68 ÷ 62 HRC - Tính chống mài mòn cao. - Độ bền, dai đảm bảo. b. Các thép làm khuôn dập nguội. - Thép làm khuôn dập bé: CD100; CD120 (Y10; Y12) - Thép làm khuôn trung bình (75-100mm) thường dùng thép 100Cr; 100CrWMn; 100CrWSiMn tôi phân cấp. - Thép làm khuôn lớn và chống mài mòn cao (200-300mm) thường dùng 200Cr12 150Cr12Mo 130Cr12V có khả năng chống mài mòn cao có độ thấm tôi lớn. - Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập: 40CrW2Si; 50CrW2Si; 40CrSi; 60CrSi. * Thép làm khuôn dập nóng. a. Điều kiện làm việc và yêu cầu - Tiếp xúc với phôi nóng (10000C), khuôn chịu nóng (500-7000C) theo chu kỳ. - Độ bền, dai, cứng vừa phải: 35-45 HRC - Tính chống mài mòn cao. - Bền nhiệt, chống mỏi nhiệt, chịu được nhiệt độ thay đổi theo chu kỳ b. Các thép làm khuôn dập nóng. - Thép làm khuôn rèn: 50CrNiMo; 50CrNiW; 50CrNiTi; 50CrNiSi; 50CrNiSiW - Thép làm khuôn chồn, ép: 30Cr2W8; 30Cr2W8V; 30CrNiSi; 40CrNiSi; 50CrNiSi 2. Vật liệu dẫn từ 2.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn từ 2.1.1. Khái niệm Một trong những tác dụng cơ bản của dòng điện là tác dụng từ. Đó chính là cơ sở để chế tạo các loại máy điện. Để truyền tải được năng lượng từ trường cần phải có những vật liệu có từ tính, đó chính là nhóm vật liệu dẫn từ (còn gọi là vật liệu sắt từ ). Kim loại chủ yếu có từ tính là sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng được gọi là chất sắt từ đã qua quá trình tinh luyện. 2.1.2. Tính chất của vật liệu dẫn từ 37 Các nguyên tố có tính chất sắt từ là: sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng được gọi là chất sắt từ. Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là các điện tích luôn chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỷ đạo của các điện tử trong nguyên tử. Hiện tượng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hướng song song với nhau. Các vùng ấy được gọi là đômen tử. Như vậy tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài. Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng từ hóa tự phát nhưng mômen từ của các đômen lại có hướng rất khác nhau. Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hướng nghĩa là theo các trục khác nhau mức từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau. Trong trường hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hướng thể hiện rất rõ người ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính. Tạo được thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, nó được sử dụng trong kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ của vật liệu theo hướng xác định. 2.1.3 Các đặc tính của vật liệu dẫn từ . Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ dưới ảnh hưởng của từ trường bên ngoài gồm có các hiện tượng sau: + Tăng thể tích của các đômen có mômen từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ nhất và giảm kích thước của các đômen khác (quá trình chuyển dịch mặt phân cách của các đômen). + Quay các véc tơ mômen từ hóa theo hướng từ trường ngoàI (quá trình định hướng). Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ có thể đặc trưng bằng đường cong từ hóa B = f(H), có dạng tương tự với tất cả các vật liệu sắt từ. Khi từ hóa chất sắt từ đơn tinh thể thì kích thước của chúng có thay đổi. Quá trình từ hoá lại vật liệu sắt từ trong từ trường biến đổi bao giờ cũng có tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt do tổn hao từ trễ và tổn hao động học. Tổn hao động học là do dòng điện xoáy cảm ứng trong khối sắt từ và một phần còn do hiệu ứng gọi là hậu quả từ hoá hay độ nhớt từ. Tổn hao dòng điện xoáy phụ thuộc vào điện trở. Điện trở suất chất sắt từ càng cao thì tổn hao dòng điện xoáy càng nhỏ. Công suất tổn hao dòng điện xoáy có thể tính theo công thức: VBfPf ... 2max2 38 Trong đó:  : là hệ số phụ thuộc vào loại chất sắt từ (trong đó phụ thuộc vào điện trở suất) và hình dáng của nó. f: là tần số dòng điện. Bmax: cảm ứng từ lớn nhất đạt được trong một chu trình. V: thể tích chất sắt từ. Chú ý đến các tổn hao có liên quan tới hậu quả từ hoá khi chất sắt từ làm việc ở chế độ xung. 2.2. Vật liệu dẫn từ mềm Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ. Được dùng để chế tạo mạch từ của các thiết bị điện, đồ dùng điện. Đặc điểm của loại vật liệu này là độ dẫn từ lớn, tổn hao bé. Các vật liệu chính là: a. Sắt (thép cácbon thấp). Nhìn chung sắt thỏi chứa một lượng nhỏ tạp chất, như là cácbon, sulfur, mangan, silíc, và các nguyên tố khác làm yếu đi những tính chất từ tính của nó. Bởi vì điện trở suất của nó tương đối thấp, thép thỏi phần lớn chỉ dùng cho các lõi từ. Nó thường được làm bằng sắt đúc tinh chế trong các lò luyện kim hoặc lò thổi với tổng lượng chứa (0,08 – 0,1)% tạp chất. Vật liệu này được biết đến dưới cái tên là thép armco được sản xuất theo nhiều cấp độ khác nhau. Thép điện cácbon thấp, hoặc tấm điện, một trong những loại khác nhau của thép thỏi, độ dày của tấm từ 0,2 đến 4mm, không chứa trên 0,04% cácbon và không quá 0,6% của các nguyên tố khác. Độ thẩm từ cao nhất đối với những loại thép khác nhau không trên mức 3500  4500, lực kháng từ tương ứng không cao hơn (100  62)A/m... Sắt đặc biệt tinh khiết được sản xuất bằng cách điện phân trong dung dịch của sulfát sắt hay clorua sắt. Nó chứa 0,05 tạp chất. Vì có điện trở tương đối thấp nên sắt tinh khiết kỹ thuật được sử dụng tương đối ít, chủ yếu làm mạch từ từ thông không đổi. Bảng 4.1: Các thành phần hóa học và các tính chất từ của một vài loại sắt. Vật liệu Tạp chất (%) Các tính chất từ Độ thẩm từ Lực kháng từ HC (A/m) C O2 Ban đầu min Lớn nhất max Sắt thỏi 0,02 0,06 250 7000 64 39 Sắt điện phân 0,02 0,01 600 15000 28 Sắt cacbonyl 0,00 5 0,00 5 3300 21000 6,4 Sắt điện phân nóng chảy trong chân không 0,01 - - 61000 7,2 Sắt tinh chế trong hyđrô 0,00 5 0,00 3 6000 200000 3,2 Sắt tinh chế cao trong hyđrô - - 20000 340000 2,4 Tinh chế đơn của sắt tinh khiết nhất được ủ ram trong hyđrô - - - 1430000 0,8 b. Thép lá kỹ thuật điện. Từ những lá thép cacbon thấp có thành phần C < 0,04% và các tạp chất khác < 0,6%) có trị số từ thẩm tương đối từ 3500  4500, cường độ từ trường khử từ (6496)A/m. Người ta đưa thêm silic vào thành phần của những lá thép này. Hàm lượng silic này dùng để hạn chế tổn hao do từ trễ và tăng điện trở của thép để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Nếu thành phần silic nhiều (trên 5%) thì làm tăng độ dòn, giảm độ dẻo nên vật liệu rất khó gia công. Tùy theo thành phần silic có trong thép nhiều hay ít mà tính chất từ thay đổi khác nhau. Thép có hàm lượng silic cao chủ yếu làm mạch từ cho máy biến áp. Thép có hàm lượng silic rất nhỏ được dùng làm mạch từ trong trường hợp từ thông không đổi. - Theo thành phần ta có: sắt kỹ thuật; thép silic. - Theo công nghệ chế tạo ta có 2 loại: thép cán nóng và thép cán nguội. Trong thép cán nóng và thép cán nguội ta có: + Thép đẳng hướng: có tính năng từ tính tốt hơn thường dùng làm lõi thép máy biến áp. + Thép vô hướng: thường dùng trong máy điện quay. 40 Nếu lá thép kỹ thuật điện có hàm lượng C< 0,4% và tạp chất < 0,6% ta gọi là sắt kỹ thuật. Thép silic: có ký hiệu bằng chữ  và các con số. Ví dụ: + 11, 12, 13. +  21,  22. +  31,  32. +  41,  42,  43,  44,  45,  46,  47,  48. +  31O,  320,  330, 330A, 340, 370, 380. + 110O, 1200, 1300, 3100, 3200. Trong đó: Con số thứ nhất chỉ hàm lượng gần đúng của silíc theo phần trăm; khi tăng hàm lượng silíc, khối lượng riêng giảm và điện trở suất của nó tăng lên. Con số thứ hai đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép. + Các con số 1, 2, 3 đảm bảo suất tổn hao xác định khi từ hoá lại ở tần số Pécmaloi50Hz) và cảm ứng từ trong từ trường mạnh. + Chữ A ký hiệu suất tổn hao rất thấp + Số 4 cho biết thép được định mức tổn hao khi từ hóa ở tần số 400Hz và cảm ứng từ trong từ trường trung bình. + Thép có ký hiệu số 5, 6 dùng trong từ trường yếu từ (0,002 0,008)A/cm và trị số bđ của chúng được đảm bảo. + Con số 7, 8 chỉ đặc điểm chủ yếu của độ từ thẩm trong cường độ từ trường trung bình từ (0,03 10)A/cm. + Con số 0 thứ 3 chỉ thép được cán nguội (thép có thớ). + Có hai số 0 liên tiếp là thép được cán nguội và ít thớ. Bảng 4.2: Sự phụ thuộc của khối lượng riêng và điện trở suất thép lá kỹ thuật điện vào hàm lượng silíc. Con số thứ nhất Nhãn hiệu thép Mức hợp kim hóa silíc của thép Hàm lượng Si, % Khối lượng riêng, g/cm3 Điện trở suất .mm2/m 1 Hợp kim hóa yếu 0,8 - 1,8 7,80 0,25 2 Hợp kim hóa trung 1,8 - 2,8 7,75 0,40 41 bình 3 Hợp kim hóa tăng cao 2,8 - 3,8 7,65 0,50 4 Hợp kim hóa cao 3,8 - 4,8 7,55 0,60 - Thép với hàm lượng silic cao chủ yếu dùng để làm lõi thép máy biến áp mà ta thường gọi là tôn silic. - Thép có thớ đẳng hướng: có tính năng từ tính tốt hơn thường dùng làm lõi thép máy biến áp. Sử dụng các thép này làm máy biến áp điện lực giảm được trọng lượng và kích thước. - Thép có thớ vô hướng: thường dùng trong máy điện quay. Các kích thước thường dùng nhất của thép kỹ thuật điện được cho trong bảng Bảng 4.3: Kích thước thường dùng của thép kỹ thuật điện Kích thước Đơn vị đo Trị số thường dùng nhất Dày mm 0,1; 0,2; 0,35; 0,5, 1 Rộng m 0,24; 0,6; 0,7; 0,75; 0,86; 1 Dài m 0,72; 1,2; 1,34; 1,5; 1,75; 2 Các tiêu chuẩn quy định tính chất điện và từ đối với các nhãn hiệu thép kỹ thuật điện là: - Cảm ứng từ (ký hiệu bằng chữ B với con số chỉ cường độ từ trường tương ứng tính theo A/cm); - Tổng suất tổn hao công suất dòng điện xoay chiều tính bằng W trên 1kg thép đặt trong từ trường xoay chiều, được ký hiệu bằng chữ P với con số ở dạng phân số; tử số giá trị biên độ cảm ứng từ tính theo kilôgam, mẫu số là tần số tính bằng héc. Bảng 4.4: Giá trị giới hạn cảm ứng từ và suất tổn hao thép kỹ thuật điện. Nhãn hiệu thép Bề dày (mm) B25 – B300 k.gauss, không nhỏ hơn P10/50 – P15/50, W/kg, không lớn hơn B5 – B25 k.gauss, không nhỏ hơn P7,5 + P10/400, W/kg, không lớn hơn  11-  43A (Cán nóng) 0,35 – 1 14,4 – 20 0,9 – 14,4 – – 42  1100-  3200 0,5 14,8 – 20 1,5 – 7,5 – –  310-  330A 0,35 – 0,5 17,5 – 20 0,5 – 2,45 – – 44 - 430 0,1 – 0,35 – – 11,9 – 17 6 – 19 Bảng 4.5: Giá trị cảm ứng từ của một số loại thép kỹ thuật điện. Nhãn hiệu thép Bề dày (mm) B0,002 – B0,009 gauss, không nhỏ hơn B0,1 – B10 gauss, không nhỏ hơn  45 và  46 0,2 – 0,35 1,2 – 8,8 –  47 và  48 0,2 – 0,35 – 0,3 – 1,3  370 và 380 0,2 – 0,5 – 1,4 –1,7 c. Pécmaloi: (permallois) là hợp kim của sắt - niken có độ từ thẩm ban đầu rất lớn trong từ trường yếu, bởi vì chúng không có hiện tượng dị hướng và từ giảo. Pécmalôi được chia làm 2 loại: + Loại nhiều niken: (7280)%Ni được dùng làm lỏi cuộn cảm có kích thước từ nhỏ, mạch từ trong máy biến áp âm tần nhỏ, mạch từ trong máy biến áp xung và trong các máy khuếch đại từ. + Loại ít niken: (4050)%Ni có cường độ từ cảm bảo hòa lớn hơn gấp 2 lần loại có nhiều niken. Được dùng làm mạch từ cho máy biến áp điện lực, lõi cuộn cảm và các dụng cụ có mật độ từ thông cao. Các tính chất của Pécmaloi được cho trong bảng 4.6. Bảng 4.6: Tính chất của các loại Pécmaloi. Các hợp chất Nh ãn hiệu Đặc tính của hợp kim Bề dày (mm) bđ na x Hk ơcstet Bm ax k.g auss , .m m2/m Pécm aloi nhiều niken 79 HM 88 HXC Hợp kim có độ từ thẩm cao và điện trở suất 0,0 2 đến 2,5 14 000 đến 5000 60 000 đến 3000 0,0 1 đến 0,06 7 đến 7,5 0,55 đến 0,63 43 cao 0 00 Pécm aloi ít niken 45 H, 50H, 50H , 60H , 38HC, 42HC, 50HC X Hợp kim có độ từ thẩm đươc nâng cao, từ cảm bảo hòa, điện trở suất được nâng cao và cao 0,0 2 đến 2,5 40 0 đến 3200 12 000 đến 1000 00 0,1 đến 0,45 9,5 đến 15 0,25 đến 0,9 Alusi fe - Hợp kim giòn, độ từ thẩm cao và điện trở suất cao - 20 000 11 7000 0,0 22 11 0,81 d. Alusife: Hợp kim sắt với silíc và nhôm có tên gọi là alusife. Thành phần tốt nhất của alusife là 9,5% Si, 5,6% Al. còn lại là Fe. Hợp kim này có đặc tính cứng và giòn, nhưng cũng có thể chế tạo ở dạng đúc định hình. Các tính chất cho trong bảng 4.5. Các sản phẩm chế từ alusife như: màn từ, thân các dụng cụ v.v...được chế tạo bằng phương pháp đúc với thành của chi tiết không mỏng hơn (2-3) mm vì hợp kim này giòn. Điều này làm hạn chế rất nhiều khi sử dụng vật liệu này. Vf vật liệu này giòn nên có thể nghiền thành bột để sản xuất lõi ép cao tần. 2.3 Vật liệu dẫn từ cứng Các vật liệu sắt từ cứng thường có tổn hao do từ trễ lớn, cường độ từ trường khử từ cao, độ từ thẩm nhỏ hơn so với vật liệu sắt từ mềm. Tùy theo thành phần trạng thái và phương pháp chế tạo các vật liệu sắt từ cứng được chia làm nhiều loại: - Thép hợp kim hóa, được tôi đến trạng thái máctenxít. - Các hợp kim từ cứng. alni, alnisi, alnico, macnico... - Các nam châm dạng bột. 44 Là loại có độ dẫn từ thấp hơn, có từ dư lớn, nhưng có khả năng luyện từ, chủ yếu dùng để chế tạo nam chậm vĩnh cửu trong máy điện, trong các cơ cấu đo. Vật liệu chủ yếu là thép cácbon, thép crom, thép vonfram, thép côban . a. Thép hợp kim hóa được tôi đến trạng thái mactenxít. Là loại thép được hợp kim hoá với các chất như: vonfram, crôm, molipden, côban. Loại thép này là vật liệu đơn giản và dễ kiếm nhất để làm nam châm vĩnh cửu. Thành phần và tính chất của thép này cho trong bảng. Các tính chất cho trong bảng (bảng4.6.) được đảm bảo đối với thép mactenxít sau khi nhiệt luyện đặc biệt đối với từng loại một và sau đó được ổn định trong nước sôi 5 giờ. b. Các hợp kim từ cứng. Thường được gọi là hợp kim aluni: (Al - Ni - Fe) Loại này có năng lượng từ lớn. Nếu cho thêm côban hoặc silic thì tính chất từ của hợp kim tăng lên. Hợp kim aluni, nếu cho thêm silic gọi là alunisi, nếu cho thêm côban gọi là alunico. Nếu trong hợp kim alunico có hàm lượng côban là lớn nhất ta gọi là macnico. Bảng 4.7: Thành phần và tính chất thép mactenxít làm nam châm vĩnh cửu. Nhãn hiệu Thành phần hóa học % Cáctính chất từ (không nhỏ hơn) C Cr VV Co Mo Cảm ứng từ dư Bd k.gauss Lực kháng từ Hk ơcstet EX 0,95 đến 1,10 1,30 đến 1,60 - - - 9,0 58 EX3 0,90 đến 1,10 2,80 đến 3,60 - - - 9,5 60 E7B6 0,68 đến 0,78 0,30 đến 0,50 5,20 đến 6,20 - - 10,0 62 EX5K5 0,90 đến 1,05 5,50 đến 6,50 - 5,50 đến 6,5 - 8,5 100 45 EX9K1 5M 0,90 đến 1,05 8,0 đến 10,0 - 13,5 đến 16,5 1,2 0 đến 1,70 8,0 170 Tất cả các hợp kim trên đều có khuyết điểm khó chế tạo thành các chi tiết có kích thước chính xác do hợp kim có tính chất cứng và giòn. Nên chỉ có thể gia công bằng phương pháp mài. Tùy theo thành phần và phương pháp gia công mà tính chất từ có thể thay đổi. Nam châm hợp kim manicô nhẹ hơn nam châm aluni cùng năng lượng 4 lần và nhẹ hơn nam châm thép crôm thông thường 22 lần. c. Các nam châm dạng bột. Chế tạo nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp luyện kim bột được đề ra vì hợp kim đúc sắt – niken – nhôm không thể chế tạo sản phẩm nhỏ và có kích thước chinh xác được. Chúng ta cần phân biệt hai loại nam châm bột kim loại gốm và nam châm bột có các hạt gắn bằng chất kết dính nào đó (nam châm kim loại dẻo). Loại thứ nhất được chế tạo bằng cách ép bột nghiền từ các hợp kim từ cứng, sau đố thiêu kết ở nhiệt độ cao. Các chi tiết nhỏ chế tạo bằng công nghệ này có kích thước tương đối chính xác, không cần gia công thêm. Loại thứ hai được chế tạo bằng phương pháp ép giống như ép các chi tiết bằng chất dẻo nhưng chất độn ở đây được nghiền từ hợp kim từ cứng. Vì chất độn cứng nên cần áp suất riêng để ép cao ( 5 tấn /cm2). Nam châm kim loại bột kinh tế nhất khi sản xuất tự động hóa hàng loạt nam châm có cấu tạo phức tạp và kích hước không lớn. Công nghệ hợp kim dẻo có thể chế tạo nam châm có lõi. Tính chất từ của các nam châm kim loại dẻo kém nhiều, lực kháng từ giảm (10  15)%, từ dư giảm (35  50)%, năng lượng tích lũy giảm (40  60)% so với nam châm đúc. Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, do đó có thể sử dụng nó trong các thiết bị có trường biến đổi tần số cao. 2.4. Các vật liệu có công dụng đặc biệt 2.4.1 Các chất sắt từ mềm đặc biệt. Các vật liệu từ mềm có thể chia thành các nhóm dựa vào các tính chất từ đặc biệt của chúng đó là: a. Các hợp kim có đặc tính độ từ thẩm thay đổi rất ít khi cường độ từ trường không đổi: Loại hợp kim thuộc nhóm này có tên gọi là pecminva, là hợp kim của ba nguyên tố: Fe – Ni – Co với hàm lượng các thành phần là 25; 45 và 30%. Hợp kim ủ ở nhiệt độ 10000C, sau đó giữ ở nhiệt độ (400  500)0C rồi làm nguội chậm. Pecminva có lực kháng từ nhỏ, độ từ thẩm ban đầu của nó bằng 300 và giữ không đổi trong khoảng 46 cường độ trường đến 3 ơcstet với cảm ứng từ 1000 gauss. Pecminva ổn định từ kém, nhạy cảm với nhiệt độ và ứng suất cơ. b. Các hợp kim có độ từ thẩm phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ: Là hợp kim nhiệt từ gồm: Ni – Cu; Fe – Ni; Fe – Ni – Cr. Các hợp kim này dùng để bù sai số nhiệt độ trong các thiết bị, sai số này gây bởi sự biến đôi từ cảm của nam châm vĩnh cửu hay điện trở của dây dẫn trong các dụng cụ điện khi nhiệt độ môi trường khác với nhiệt đọ lúc khắc độ. Để có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, ngưòi ta sử dụng tính chất của các chất sắt từ là cảm ứng từ giảm khi tăng nhiệt độ đến gần điểm Quyri. Đối với các chất sắt từ này điểm Quyri nằm trong khoảng 0 đến 1000C tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim hóa phụ. Hợp kim Ni – Cu với hàm lượng 30% Cu có thể bù sai số trong giới hạn từ (20 đến 80)0C; với 40% Cu từ (- 50 đến 10)0C. c. Các hợp kim có độ từ giảo cao. Là hợp kim của Fe – Cr; Fe – Co và Fe – Al. Các hợp kim này dùng làm lõi máy phát dao động âm ở tần số âm thanh và siêu âm. Độ từ giảo các hợp kim này có dấu dương. Để chế tạo vật liệu này có thể dùng niken lá mỏng rất tinh khiết với độ từ giảo âm. 2.4.2 Ferít. Ferít là gốm từ có điện dẫn điện tử không đáng kể, do đó nó có thể xếp vào loại bán dẫn điện tử. Trị số điện trở suất rất lớn do đó năng lượng tổn hao ở vùng tần săotng cao và cao tương đối nhỏ cùng với tính chất từ tương đối tốt làm cho ferít được dùng rất rộng rãi ở tần số cao. Người ta chia ferít thành 3 loại: a. Ferít từ mềm. Loại ferít từ mềm có từ cảm lớn nhất (hơn 3000gauss) và lực kháng từ nhỏ khoảng 0,2 ơcstet. Ferít với trị số  lớn có trị số tổn hao lớn và tăng nhanh khi tần số tăng. Ferít có hằng số điện môi tương đối lớn, trị số này phụ thuộc vào tần số và thành phần ferít. Khi tần số tăng hằng số điện môi giảm. Tang góc tổn hao của ferít từ 0,005 đến 0,1. Ferít có hiện tượng từ giảo và ở các ferít khác nhau hiệu ứng này cũng khác nhau. Đặc tính của vật liệu Ferít được cho trong bảng sau: (bảng 4.8) Bảng 4.8: Các đặc tính vật liệu của Ferít Mật độ Nhiệt dung riêng J(g.độ) Nhiệt dẫn riêng W(cm.độ) Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài l.độ-1 Điện trở suất , .cm. 47 3  5 0,7 5  102 10-5 10  107 Hiện nay người ta thường sử dụng các nhóm ferít hỗn hợp như: mangan – kẽm; niken – kẽm, liti – kẽm. b. Ferít từ cao tần. Ngoài ferít từ mềm, ở tần số cao có thể dùng thép kỹ thuật điện hoặc pecmalôi cán nguội và điện môi từ. Bề dày tấm thép đạt tới (25-30)m. Các tính chất từ của vật liệu cán mỏng gần giống với khi chưa cán nhưng giá thành chúng cao hơn và công nghệ lắp ghép mạch từ bằng vật liệu mỏng khá phức tạp. Vật liệu điện môi từ chế tạo bằng cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện hữu cơ hay vô cơ. Các chất sắt từ thường dùng là sắt cácbonyl, pécmalôi, alusife v.v.... Chất dính kêt cách điện là nhưa fenol – foócmalđêhyt, polistirol, thủy tinh v.v..Các chất sắt từ cần phải có từ tính cao, còn các chất kết dính thì phải tạo thành lớp cách điện liên tục không gián đoạn giữa các hạt ferít. Các lớp này cần có bề dày đồng nhất và độ bền kết dính giữa các hạt với nhau. c. Ferít có vòng từ trễ chữ nhật. Ferít có vòng từ trễ chữ nhật được đặc biệt chú ý trong kỹ thuật máy tính để làm bộ nhớ. Vật liệu và các sản phẩm của nó có một loạt yêu cầu đặc biệt. Để đặc trưng cho chúng thường dùng một vài tham số phụ. Trong số này phải kể đến tham số cơ bản của hệ số chữ nhật Kcn của chu trình từ trễ, nó là tỉ số giữa cảm ứng từ dư Bdư và cảm ứng từ lớn nhất Bmax . maxB B K ducn  Để xác định Bmax thường đo nó ở trị số Hmax= 5Hk. Hệ số Kcn càng gần tới 1 càng tốt. Ferít từ trễ chữ nhật khi sử dụng cần chú ý đến sự thay đổi tính chất của chúng theo nhiệt độ. Ví dụ khi nhiệt độ biến đổi từ -200C đến 600C thì lực kháng từ giảm (1,5  2) lần, cảm ứng từ giảm (5  35)%. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 Câu 1: Trình bày khái niệm thép và ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất chung của thép? Câu 2: Trình bày thành phần, ứng dụng, kí hiệu của thép các bon kết cấu chất lượng thường? Câu 3: Trình bày thành phần, ứng dụng, kí hiệu của thép các bon kết cấu chất lượng tốt? 48 Câu 4: Trình bày khái niệm về vật liệu từ? Nêu các đặc tính của vật liệu từ? Câu 5: Thế nào là vật liệu từ mềm, từ cứng và vật liệu từ có công dụng đặc biệt? Câu 6: Nêu tính chất của thép lá kỹ thuật điện? Cách phân loại và giải thích các ký hiệu của thép lá kỹ thuật điện? Chương 4. Hợp kim cứng 1. Khái niện chung Hợp kim cứng có độ cứng rất cao (từ 75 đến 76 HRC), có khả năng chịu nhiệt độ cao (800-10000 C), tốc độ cắt đạt đến hàng tăm, hàng nghìn m/phút. Đây là loại thép được dùng làm dụng cụ cắt tốt nhất và phổ biến nhất. Thép có độ cứng cao không phải do nhiệt luyện mà do bản chất của nó. Trong thành phần hợp kim cứng thì không có Fe nên người ta không gọi nó là thép. 2. Phân loại. Hợp kim cứng có nhiều loại nhưng có thể chia thành hai loại chính sau: a. Hợp kim cứng dùng để hàn đắp: Người ta chia hợp kim cứng dùng để hàn đắp làm ba loại: Loại đúc, loại hàn, loại que hàn để hàn điện. Các loại này thường được dùng để hàn đắp lên các mũi dao hoặc các bề mặt chịu mòn. Hợp kim cứng được hàn đắp lên bề mặt của vật bằng hàn điện hồ quang hoặc hàn hơi. b. Hợp kim cứng loại gốm: Hợp kim cứng loại này dùng để cắt gọt kim loại, nó được chia làm 3 nhóm. - Nhóm hợp kim cứng Vonfam (BK): Nhóm hợp kim này được ký hiệu là BK. Thành phần cơ bản là cacbit Vonfram và Côban kim loại, nhóm này gồm các loại: BK2, BK3, BK6, BK8. Ý nghĩa: B chỉ các bít vonfram, Kchỉ côban . Con số sau chữ K chỉ % lượng côban ví dụ BK8 là có 8% là bột Côban, 92% là các bít Vonfam. - Nhóm hợp kim cứng Titan Vonfram (TK): Nhóm hợp kim này được ký hiệu là TK. Thành phần gồm các bít Vonfram, các bít Titan và bột côban, các loại hợp kim cứng nhóm TK hay dùng là: T5K10, T15K6, T30K4. Ý nghĩa: Chữ T chỉ cácbít Titan còn số sau chữ T chỉ % các bít Titan, K chỉ là Côban, con số sau chữ K là thành phần côban, lượng còn lại là các bít Vonfram. Ví dụ T15K6: nghĩa là có 15% cácbít Titan có 6% là Côban , 79% là cá bít Vonfram. - Nhóm hợp kim cứng Titan – Tantan - Vonfram (TTK): Nhóm hợp kim này được ký hiệu là TTK. Thành phần chủ yếu WC có thêm 3 đến 8% TiC, 3- 12% TaC và 49 8-12% Co. Các loại hợp kim cứng nhóm TTK hay dùng là: TT7K12, TT10K8, TT20K9. Ý nghĩa: Chữ TT chỉ cacbit Tantan, các thành phần khác cũng được đọc giống như các mác trên. 3. Tính chất. - Tổ chức tế vi của hợp kim cứng gồm các hạt cácbit sắc cạnh được gắn dính với nhau bằng bột côban. Do chế tạo bằng phương pháp bột nên bao giờ cũng có rỗ xốp nhỏ. - Về cơ tính: Tuy có độ cứng rất cao, tính chống mài mòn rất cao và tính cứng nóng cao nhưng nó có nhược điểm là giòn nên không chịu được các lực va đập mạnh, tính dẫn nhiệt kém (chỉ bằng 50% của thép). Cùng một lượng bột côban như nhau nhưng nhóm hai cacbit cứng hơn nhóm có một cacbit. - Không tạo hình phức tạp được vì dùng phương pháp ép bột chỉ tạo được các mảnh nhỏ đơn giản và sau đó cũng không thể gia công định hình được vì quá cứng. Vì vậy các loại hợp kim cứng chỉ dùng làm dao cắt đơn giản 1 lưỡi cắt 4. Nguyên lý chế tạo hợp kim cứng: Thành phần chủ yếu của hợp kim cứng là các bít của các kim loại khó nóng chảy như cácbít Vônfam và các bít Titan. Ngoài ra còn có Côban làm chất dính kết. Người ta chế tạo hợp kim cứng theo phương pháp bột. Công nghiệp luyện kim chế tạo ra các loại bột cácbít Titan và cácbít Vônfam có cỡ hạt rất nhỏ rồi trộn đều với kim loại côban, hỗn hợp được ép trong các khuôn tạo thành các loại lưỡi cắt khác nhau theo yêu cầu. Khi sử dụng chỉ cần mang lưỡi cắt đó hàn cố định vào thân dao cắt ta sẽ có các loại dao cắt khác nhau. 5. Phạm vi ứng dụng: Hợp kim cứng hiện nay được sử dụng rộng rãi làm dao cắt, khuôn dập và một số chi tiết máy đơn giản. - Nhóm 1 cacbit (nhóm BK) có tính cứng nóng thấp hơn được dùng để gia công cắt gọt các loại vật liệu có phoi vụn như gang, sứ, gốm, hợp kim màu, các loại như BK20, BK25 để làm khuôn dập, chi tiết máy. - Nhóm 2 cacbit (nhóm TK) có tính cứng nóng cao hơn chuyên dùng gia công các loại thép có độ cứng cao và cá loại vật liệu cứng khác. - Nhóm 3 cacbit (nhóm TTK) có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn chủ yếu để dùng gia công thô các phôi đúc, cán, rèn có độ cứng cao. tiêu chuẩn 4.8) đã gửi về. Các khoa còn lại chưa gửi bản cứng. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 Câu 1: Trình bày khái niệm thép và tính chất của hợp kim cứng? 50 Câu 2: Trình bày phạm vi ứng dụng của nhóm BK, TK, TTK? Chương 5. Kim loại màu và vật liệu dẫn điện 1.Khái niệm và phân loại kim loại: 1.1. Khái niệm: - Kim loại màu là tất cả các hợp kim và kim loại còn lại trừ sắt và hợp kim của sắt. - Vật liệu dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Nếu đặt những vật liệu này vào trong một trường điện, các điện tích sẽ chuyển động theo hướng nhất định của trường và tạo thành dòng điện. Người ta gọi là vật liệu có tính dẫn điện. 1.2. Phân loại vật liệu dẫn điện. Vật liệu dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng và trong những điều kiện nhất định có thể là chất khí. ở dạng chất rắn vật liệu dẫn điện gồm có kim loại và các hợp kim của chúng. Trong một số trường hợp là những chất không phải là kim loại mà là chất lỏng dẫn điện, kim loại ở trạng thái chảy lỏng và những chất điện phân. Khí là hơi có thể trở nên dẫn điện ở cường độ điện trường lớn, chúng tạo nên ion hóa do va chạm hay sự ion hóa quang. 2. Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 2.1. Đồng và hợp kim của đồng 2.1.1. Đồng a) Tầm quan trọng của đồng trong kỹ thuật điện. Đồng là loại vật liệu quan trọng nhất trong tất cả những vật liệu dẫn điện được dùng trong kỹ thuật điện. Nó có điện dẫn suất lớn và chỉ đứng sau bạc. Đồng được sử dụng rộng rãi làm vật dẫn bởi nó có ưu điểm sau: - Điện trở suất nhỏ (trong tất cả các kim loại chỉ có bạc và thiếc có điện trở suất nhỏ hơn đồng một ít). - Độ bền cơ tương đối cao . - Trong nhiều trường hợp đồng có tính chất chống ăn mòn tốt (đồng bị ôxi hoá tương đối chậm so với sắt ngay cả khi có độ ẩm cao, đồng chỉ bị ôxi hóa mạnh ở nhiệt độ cao). - Khả năng gia công tốt, đồng cán được thành tấm, thanh, kéo thành sợi, độ nhỏ của dây có thể đạt tới vài phần trăm milimét. - Hàn và gắn tương đối dễ dàng. b) Phân loại: 51 Đồng được sử dụng trong kỹ thuật là đồng tinh chế, nó được phân loại trên cơ sở các tạp chất có lẫn ở trong đồng tức là mức độ tinh khiết hay không tinh khiết. - Đồng tinh chế: được cho trong bảng sau: (bảng 3.4) - Đồng điện phân. Bảng 3.4: đồng tinh chế Ký hiệu %Cu (tối thiểu) Hướng dẫn sử dụng Cu E 99,95 Đồng điện phân, dây dẫn điện. Hợp kim nguyên chất mịn Cu 9 99,90 Dây dẫn điện. Hợp kim mịn dễ dát mỏng, bán thành phẩm với những yêu cầu đặc biệt Cu 5 99,50 Bán thành phẩm như tấm, ống, thanh. Dùng sản xuất đồng thau với tỉ lệ chứa dưới 60% đồng. Cu 0 99,00 Hợp kim với các nguyên tố khác với tỉ lệ chứa ít hơn 60% đồng dùng để dát mỏng và rót. Những chi tiết được đúc từ đồng. Trong kỹ thuật điện, người ta sử dụng đồng điện phân Cu E, và Cu 9. Một loại đồng điện phân đặc biệt là đồng khử oxy hóa (O2 0,02%) với điện dẫn suất cao. Nhiều loại đồng khác được sử dụng trong kỹ thuật điện dưới dạng hợp kim của đồng. Sự tạo thành đồng tinh khiết được cho theo bảng sau:(bảng 3.5). Bảng 3.5: Giới hạn các tạp chất cho phép đối với đồng tinh chế. K ý hiệu Hàm lượng tạp chất % tối đa A l A s B i F e O P b S S b S n Z n S e+T e N i C u E 0 ,002 0 ,002 0 ,002 0 ,005 0, 020 0 ,005 0 ,005 0 ,002 0 ,002 0 ,005 0 ,005 0, 002 C u 9 0 ,002 0 ,002 0 ,002 0 ,005 0, 080 0 ,005 0 ,005 0 ,002 0 ,002 0 ,005 0 ,005 0, 002 C u 5 0 ,010 0 ,050 0 ,003 0 ,050 0, 100 0 ,050 0 ,010 0 ,050 0 ,050 0 ,050 0 ,030 0, 200 C 0 0 0 0 0, 0 0 0 0 0 0 1, 52 u 0 ,050 ,200 ,010 ,100 150 ,300 ,020 ,100 ,100 ,100 ,050 000 Việc thêm vào các chất As, P, Sb, Fe, Ni, Mn, Mg hay Si sẽ cải thiện...ầu hiện nay ít dùng) - Dầu biến thế có nhược điểm sau: 78 Khả năng cách điện của dầu biến đổi lớn khi dầu bị bẩn, sợi bông, giấy nước, muội thanVới dầu MBA sạch, độ bền cách điện: 20-25 kV/mm, nhưng nếu hàm lượng nước trong dầu lớn hơn 0,05% thì độ bền cách điện chỉ còn 4-5kV/mm. Khi có nhiệt độ cao, dầu có sự thay đổi về hóa học, sự thay đổi đó là có hạn, đó là sự hóa già của dầu. Dễ nổ, dễ cháy. - Dầu biến thế có các tính chất sau: Điện trở suất lớn 1014 – 1016 cm Hằng số điện môi  = 2,2 2,3 gần bằng một nửa điện môi chất rắn Nhiệt độ làm việc ở chế độ dài hạn 90- 950C không bị hóa già nhiều Độ bền cách điện rất cao - Một số điểm cần lưu ý khi sử dụng dầu máy biến áp * Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lão hóa của dầu: Trong quá trình vận hành, dầu thường bị xấu đi, phẩm chất cách điện của nó giảm. Đó là sự lão hóa của dầu. Khi dầu bị lão hóa thường có màu tối và đặc, điều đó là do trong dầu hình thành nhiều keo, nhựa, hắc ín...gọi chung là bị nhiễm bẩn trong quá trình vận hành. Tốc độ lão hóa của dầu tăng nhanh khi: Không khí xâm nhập vào dầu: Trong không khí chứa nhiều hơi nước và dầu lại rất nhạy cảm với độ ẩm. Mặt khác, quá trình lão hóa của dầu còn liên quan đến sự oxyt hóa bởi oxy có trong không khí. Nhiệt độ cao: Dầu có sự thay đổi về hóa học, sự thay đổi này có hại và tạo bọt trong dầu, làm cho độ nhớt giảm và làm nghẹt các khe hở trong cuộn dây và trong các bộ phận của máy biến áp. Tiếp xúc với ánh sáng, một số kim loại như Cu, Fe, Pb...và một số hóa chất khác có tác dụng như chất xúc tác của sự lão hóa dầu khi dầu tiếp xúc với ánh sáng. * Biện pháp khắc phục lão hóa dầu: Để giảm sự lão hóa dầu máy biến áp, cần có cách làm hạn chế các yếu tố ảnh hưởng đã nêu ở trên trong quá trình sử dụng, làm tăng tuổi thọ thiết bị. Khi dầu đã bị lão hoá, có thể thay thế dầu mới hoặc muốn sử dụng lại cần phải tái sinh lại nó (tức là khử các sản phẩm do sự già cỗi cách điện sinh ra và khôi phục tính chất ban đầu). Trong việc tái sinh dầu, có thể dùng các biện pháp: Lọc bằng xiphông nhiệt. Dùng các hỗn hợp hay các chất hấp thụ để tái sinh như: hỗn hợp axit sunfuaric- kiềm-caolanh, hỗn hợp axit sunfuaric-caolanh, hỗn hợp silicagen- kiềm, hỗn hợp 79 silicagen-caolanh. 4.2. Dầu tụ điện; 4.3. Dầu cáp điện; 4.4.Điện môi tổng hợp. 5. Vật liệu cách điện thể rắn: 5.1. Điện môi hữu cơ cao phân tử: 5.1.1 Nhựa tổng hợp Nhựa nhân tạo là sản phẩm của sự trùng hợp, chúng là một hỗn hợp hữu cơ phức tạp dạng cao phân tử. Sau đây sẽ giới thiệu một số loại nhựa nhân tạo hay được dùng trong kỹ thuật điện. * Nhựa phenol-focmandehyt (bakelit): đây là sản phẩm của sự ngưng tụ phenol (C6H5OH) và focmandehyt (H2CO) với chất xúc tác thường là amoniac. Nhựa bakelit được sử dụng rất rộng rãi và vào loại quan trọng nhất trong kỹ thuật điện từ khi chế tạo được (1907). Bột bakelit ép thành cuộn dây, hộp, vỏ cách điện. Những ống cách điện có hình dạng, kích thước khác nhau được ép từ giấy bakellit có công dụng rất đa dạng. Nhựa bakelit dùng để tinh chế các chất dẻo, vải tẩm nhựa, giấy tẩm nhựa, sơn, keo. Đặc biệt nó có thể chịu được tác dụng của hồ quang điện nên hay được dùng trong các thiết bị đóng cắt điện, các thiết bị chống sét,... * Nhựa polyeste: là loại nhựa được chế tạo từ sự trùng hợp, ngưng tụ của các loại rượu, cồn nhiều hóa trị (Etylenglycol, glyxerin,...) và axit hữu cơ khác nhau (hoặc các anhydric của chúng). Trong số này có nhựa gliptan và nhựa lapxan hay được dùng trong kỹ thuật điện: - Nhựa Gliptan được chế tạo từ ptalicenhyđrit (C8H4O3) và glyxerin (C3H8O3). Nhựa này có độ bám tốt, chịu được ẩm, dầu và chịu được tác dụng của hồ quang điện. Người ta dùng nhựa gliptan để chế tạo sơn, keo để dán micanit, để tẩm cách điện của động cơ và các thiết bị điện khác. - Nhựa Lapxan (polyetylenterafatalat): có công thức (-CH2-CH2-O-CO-C6H4-CO-) và được chế tạo từ glucol [CH2(OH)-CH2(OH)] và axit terafatalat (COOH-C6H4- COOH). Loại nhựa này được dùng để làm cách điện giữa các lớp dây trong cuộn dây của máy biến áp, của cuộn cảm kháng điện, để chế tạo các tụ điện có nhiệt độ làm việc cao (đến 1500C). * Nhựa epoxy: là loại nhựa đặc trưng bởi nhóm epoxy trong thành phần của nó: 80 Ưu điểm của loại nhựa này là có độ dính cao và sau khi đông lại có đặc tính cơ cao, tính chống ẩm tốt. Để nhựa epoxy tăng độ bền cơ giới thường cho thêm vào nó các chất độn như mica, thạch anh, bioxyt-tian,... Nhựa epoxy được dùng nhiều để chế tạo các hỗn hợp cách điện để tẩm ngâm các bộ phận của các thiết bị điện tử vô tuyến điện, để chế tạo các loại sơn bảo vệ, keo có độ dính cao, các chất dẻo cách điện. Đặc biệt trong những năm gần đây, người ta còn chế tạo các epoxy có thể dùng thay các loại sứ đứng (sứ đặt), sứ xuyên tường, sứ cách điện đỡ. Sử dụng nó cho phép giải quyết đơn giản các vấn đề về hình dáng, cấu trúc và độ bền cách điện. Ở Mỹ, người ta dùng hàng loạt các vật liệu cách điện bằng nhựa epoxy trên các đường dây tải điện đến 110 kV. Trong tương lai, vật liệu cách điện này có thể dùng để treo đỡ các đường dây, các thanh dẫn ở cấp điện áp cao hơn. Một nhược điểm lớn của epoxy là độc hại đối với cơ thể người, do vậy cần có các biện pháp đề phòng khi tiếp xúc với nó. * Nhựa xilicon: có lịch sử chế tạo năm 1944, được coi là một trong những nhựa mới nhất dùng trong kỹ thuật điện. Nó có tính chống nước, chịu nhiệt cao (đến 1800C), có độ bám tốt, đàn hồi. Nhựa này dùng để bọc cách điện dây dẫn, dùng để tẩm các cuộn dây trong máy điện. Ngoài nhựa xilicon còn có dầu xilicon. * Nhựa Polyetylen (PE) có công thức cấu tạo (-CH2- CH2-)n là vật liệu cách điện dẻo, nóng chảy ở nhiệt độ thấp (1100C), hệ số dãn nở nhiệt cao, đặc tính cơ điện tốt, chịu ẩm, chịu được tác dụng của axít và bazơ, dễ chế tạo, giá thành hạ. Nhiệt độ làm việc đến 750C, thường dùng được sử dụng làm cách điện cho cáp điện lực hạ áp và cao trung áp. Ngoài ra còn được dùng làm các điện cho cáp cao tần của thiết bị vô tuyến truyền hình, cáp thông tin, (kể cả khi cáp đi dưới lòng đất và dưới lòng đại dương). * Nhựa Polyvininclo (PVC) có công thức cấu tạo (H2C=CH-Cl)n là vật liệu cách điện dẻo, đàn hồi , chịu ẩm, kiềm, axit loãng, dầu, rượu, có đặc tính cơ và điện tốt. Thường được sử dụng cách điện ở điện áp đến 600V và nhiệt độ làm việc cực đại 600 C. PVC có thể được sử dụng để làm vỏ bảo cáp; cách điện các dây điện thoại và các loại dây dẫn khác; chế tạo sơn, sợi nhân tạo, các chất dẻo và các vật liệu có đặc tính giống như cao su. * Polyzobutylen: còn có tên gọi là oppanal, là loại nhựa nhân tạo có tính năng như cao su, điều chế bằng cách polyme hóa Isobutylen. Nó có tính đàn hồi tốt, chịu được nhiệt độ trên 1100C, chịu được axit, xút, ẩm, ozon, chịu được nước hoàn toàn (khi độn O CH H2 C 81 với một ít bồ hóng hoặc grafit) nhưng có thể tan trong xăng, dầu. Có thể dùng nhựa này thay vỏ chì bọc dây cáp. 5.1.2 Nhựa thiên nhiên. Nhựa thiên nhiên là sản phẩm của một số loài động vật và thực vật. * Nhựa cánh kiến: là loại nhựa do một loại côn trùng sống ở vùng nhiệt đới sinh ra. Về hình thức, nó là các vảy mỏng dòn màu nâu hoặc hơi đỏ. Thành phần cơ bản của cánh kiến là các axit hữu cơ có thành phần hóa học phức tạp. Nó dễ bị hòa tan trong rượu hoặc cồn nhưng không hòa tan trong cacbua hyđro. Nhựa cánh kiến có:  = 105106(m)  = 3,5 tg = 0,01 Eđt = 2030 kV/mm. Ở nhiệt độ 50  600C thì dễ uốn, khi nhiệt độ cao hơn nó sẽ bị mềm và chảy, nhưng nếu tiếp tục nung nóng thì nó đông lại. Nhựa cánh kiến được sử dụng trong kỹ thuật điện để chế tạo sơn dán, vecni và đặc biệt là để chế tạo micanit. * Nhựa thông: là loại nhựa có được khi trưng cất dầu thông, có màu vàng hoặc nâu đen. Nhựa thông có:  = 10141015(m) Eđt = 1015 kV/mm. Nhựa thông bị hòa tan trong dầu mỏ, đặc biệt khi nung nóng. Vì vậy, trong kỹ thuật điện nó được dùng để tạo nên các dung dịch dùng với dầu mỏ để ngâm, tẩm các vật liệu khác. 5.2. Điện môi vô cơ: 5.2.1 Thuỷ tinh; Thủy tinh: là những chất vô cơ không định hình và là hệ phức tạp của nhiều ôxít khác nhau. Trong thành phần thủy tinh ngoàI những ôxít tạo thành thủy tinh (SiO2, B2O3) còn có các ôxít khác như: Na2O, K2O, CaO, BaO, PbO, Al2O3 v.v... + Những đặc tính của thủy tinh: các đặc tính của thủy tinh biến đổi trong phạm vi rộng, chúng phụ thuộc vào thành phần và công nghệ chế tạo thủy tinh. - Khối lượng thủy tinh biến động trong khoảng 2 đến 8,1 G/cm3 - Độ bền nén lớn hơn nhiều so với độ bền kéo: n = 6000  21000 N.kG/cm2, k = 100  300 N.kG/cm2, trong điều kiện bình thường thủy tinh rất giòn, dễ vỡ khi chịu tải trọng động. - Thủy tinh có nhiệt độ nóng chảy không ổn định. Nhiệt độ hóa dẻo của các loại thủy tinh nằm trong khoảng 400 đến 16000C. Điện dẫn bề mặt phụ thuộc bề mặt thủy 82 tinh, nó tăng lên khi bề mặt thủy tinh bị nhiểm bẩn và khi độ ẩm của môi trường xung quanh tăng lên. Tuy nhiên cách điện thủy tinh có nhiều ưu điểm như sau: Tính chịu nhiệt cao. Cuộn dây cách điện bằng thủy tinh có thể chịu nhiệt độ trên 1000C. Khả năng dẫn nhiệt gấp vải 4 lần. Có khả năng chịu dầu, axít, xút trừ axít flohydríc, axít photphoríc nóng. Không bị mục, nấm mốc không mọc được, không thấm ẩm, không hóa già. Điện trở cách điện lớn hơn bất kỳ vật liệu cách điện sợi nào. Độ bền cách điện cao. Sợi thủy tinh không hút ẩm. Cuộn dây có cách điện thủy tinh ít tiêu hao chất tẩm, thời gian tẩm cũng ngắn hơn. Bảng 2.9: Tính năng của thủy tinh Tính năng Thủy tinh Thủy tinh thạch anh Khối lượng riêng. kg/dm3 2,2  2,6 2,21 Độ bền nén. kg/cm2 6000  10000 19000 Độ bền kéo. kg/cm2 400  800 700 Độ bền uốn. kG/cm2 1000  2.500 700 Độ bền va đập. kG/cm2 - - Hệ số đàn hồi. kG/cm2 600000 720000 Hệ số giản nở 1/0C 8  9,4.10-6 0,55.10-6 Hệ số dẫn nhiệt. W/cm0C 0,0075  0,012 0,008  0,01 Hằng số điện môi ở 50Hz,  3  12 4,9 Hệ số tổn hao ở 50 Hz 104tg - - Hệ số tổn hao ở 10 Hz 104tg 50  80 8 Điện trở cáh điện ở 20 0C 1011 1017 4.1019 Độ bền cách điện ở 50 Hz . kV/mm 15  45 35  40 5.2.2 Vật liệu cách điện bằng gốm, sứ 83 + Sứ cách điện: Được chế tạo từ đất sét, sau đó gia công định hình được nung và tráng men, có độ bền cách điện, độ bền nhiệt cao. Là một trong những vật liệu chủ yếu dùng trong lưới điện cao thế, trung thế và hạ thế, dùng cách điện trong máy điện, khí cụ điện. Vật liệu cách điện bằng sứ rất đa dạng: - Sứ đường dây gồm có sứ treo dùng cho điện áp cao hơn 35 kV, sứ đỡ dùng cho điện áp thấp hơn. - Sứ trong các trạm điện là các loại sứ đỡ và sứ xuyên. - Sứ tham gia vào kết cấu của các thiết bị như máy biến áp, máy cắt dầu, dao cách ly, chống sét van. - Sứ định vị gồm có các sứ puli, những linh kiện ở đui đèn, trong công tắc, cầu chì, cầu dao phích cắm, sứ thông tin.vv Đặc tính quan trọng nhất của sứ cách điện điện áp cao là: trị số điện áp phóng điện giữa hai điện cực. Do sứ cách điện có chiều dày lớn và cường độ cách điện cao, nên khó có thể xẩy ra phóng điện chọc thủng sứ mà chỉ diễn ra phóng điện trên bề mặt của sứ. Cần phân biệt hai loại điện áp phóng điện bề mặt sứ : điện áp phóng điện khô và điện áp phóng điện ướt khi thử nghiệm sứ. (hình 2.1). Điện áp phóng điện khô là trị số điện áp phóng điện thu được khi thử nghiệm sứ trong điều kiện bình thường (Hình 2.1.a). Điện áp phóng điện ướt là trị số điện áp phóng điện thu được khi thử nghiệm sứ dưới mưa nhân tạo với cường độ 4,5 5,5 mm/phút, mưa rơi theo góc 450 so với mặt phẳng ngang của sứ. Điện áp phóng điện khô bao giờ cũng lớn hơn điện áp phóng điện ướt và nhỏ hơn điện áp đánh thủng. Người ta xác định điện áp đánh thủng khi nhúng sứ thử nghiệm vào trong dầu cách Hình 2.1: Đường phóng điện khi thử nghiệm phóng điện a. Khi khô b. Khi ướt 84 điện. Khi thử nghiệm sứ treo, cần xác định điện áp đánh thủng cho từng bát sứ một, điện áp phóng điện khô được xác định cho cả toàn bộ chuỗi sứ. Nhược điểm của sứ: độ bền va đập không cao, góc tổn hao diện môi khá lớn, tổn hao điện môi lại tăng nhanh ở nhiệt độ cao, gây trở ngại cho việc dùng sứ làm chất cách điện ở tần số cao cũng như ở nhiệt độ cao. 5.2.3 Mica và các vật liệu dựa trên cơ sở của mica. Mica là vật liệu cách điện vô cơ có tính năng đặc biệt đó là độ bền điện và độ bền cơ cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, khá dẻo khi có độ dày mỏng nên được dùng làm vật liệu cách điện ở những vị trí quan trọng như: cách điện của các máy điện cao áp công suất lớn và dùng làm điện môi trong một số loại tụ điện. Mica trong tự nhiên có dạng tinh thể, đặc điểm đặc trưng của nó là có thể tách ra từng bản mỏng một cách dễ dàng theo chiều song song giữa các bề mặt thớ. Mica muscôvít thường không màu hoặc có màu đỏ nhạt, xanh nhạt, và các màu sắc khác; flogopít thường có màu sẫm hơn giống như màu hổ phách, màu vàng ánh, màu nâu, màu đen tuyền, tuy nhiên cũng có khi gặp loại flogopít có màu sáng hơn. Đặc tính cách điện của mica muscôvít tốt hơn và cao hơn so với flogopít, ngoài ra nó có độ bền cơ cao hơn, rắn hơn, dễ uốn và co dãn hơn flogopít. Các trị số về 2 loại mica được cho trong bảng sau: (bảng 2.10). Bảng 2.10: Đặc tính của mica Loại mica Khôi lượng riêng, G/cm3 ,.cm tg.104 ở tần số 50Hz 1kHz 1MHz Muscôvít 2,80  2,90 10141015 150 25 3 flogopít 2,65  2,80 10131014 500 150 15 Muscôvít chịu mài mòn tốt hơn flogopít. Điều đó có giá trị quan trọng đối với micanít dùng cho vành góp, loại micanít được chế tạo bằng Muscôvít này ít bị chổi than của máy điện làm mòn hơn là chất đồng dùng làm vành góp. Còn loại micanít làm bằng flogopít dùng cho vành góp cũng bị mài mòn như đồng cho nên có thể dùng nó không đòi hỏi phải đánh nhẵn vành góp. Phần lớn các loại mica được dùng trong kỹ 85 thuật điện vẫn giữ được đặc tính cách điện và đặc tính cơ khá tốt khi đốt nóng lên vài trăm độ, vì thế mica được xếp vào cách điện cấp C là cấp chịu nóng cao nhất. Khi nhiệt độ càng cao thì thì mica không còn trong suốt nữa, chiều dày của nó tăng lên, đặc tính cơ và điện giảm. Mica bị nấu chảy ở nhiệt độ (1250  2300)0C. + Micanít: là loại vật liệu được sản xuất thành từng tấm hoặc từng cuộn do những cánh mica dán lại với nhau bằng sơn dán hoặc bằng nhựa khô, đôi khi còn dùng thêm lớp nền bằng xơ giấy hoặc xơ bông để dán những cánh mica lên một mặt hoặc cả hai mặt của nó. Nền bằng xơ tăng độ bền kéo đứt của vật liệu và giữ cho các cánh mica khó bị tách ra khi vật liệu bị uốn. Micanít có thể sử dụng làm cách điện cho vành góp, dùng để lót đệm, để tạo hình, băng mica cách điện cho thiết bị điện và cáp điện. + Mica bằng các hạt vụn: Mica vụn rửa sạch, nghiền thành vảy nhỏ và lợi dụng khả năng dính liền lại với nhau của các tinh thể mica vừa mới được tách ra để biến thành phôi ta thu được từng lá. Việc sử dụng các chất kết dính có thể tăng độ bền cơ và độ bền điện của mica làm bằng các hạt vụn. Để sản xuất ra loại mica này ta có thể sử dụng các chất thải của mica muscôvít và flogopít để làm chất cách điện mà phương pháp khác không sử dụng được. Bằng phương pháp này người ta chế tạo ra vật liệu chịu được hồ quang điện, đúc ép định hình bằng khuôn tạo ra các chi tiết cách điện cần thiết cho các thiết bị điện. + Mica tổng hợp: thủy tinh mica là một trong số các điện môi có chất lượng cao. Nó chịu được nhiệt độ cao, có độ bền cơ lớn, nhất là độ bền uốn, va đập, chịu được phóng điện hồ quang, có tg nhỏ, có thể gia công bằng cơ khí được. Tuy nhiên quá trình công nghệ sản xuất ra mica thủy tinh tốn nhiều công, đòi hỏi phải có lò điện có công suất lớn, máy ép thủy lực và khuôn ép bằng thép không rỉ. Thủy tinh mica có các đặc tính: - Khối lượng riêng: 2,6  3,0G/cm3; - nhiệt độ làm việc cho phép (300  350)0C; - giới hạn bền kéo kéo= (300  700) kG/cm2; - nén= (1000  4000) kG/cm2; - uốn= (700  1400) kG/cm2; - ứng suất dai va đập (2  5) kG.cm/cm2, -  = (8  9).10-6 1/độ; - y = (1012  1014) .cm; - s = (1010  1012) .cm; -  = (6  8,5); 86 - tg = (0,003  0,01) ở tần số 1MHz. - Độ bền cách điện (10  20) kV/mm. Mica thủy tinh chịu được ẩm, nhưng kém bền đối với tác dụng của các axít clohyđríc, nitơríc cũng như đối với chất kiềm. Khi thủy tinh mica bị rổ có khả năng hút ẩm làm cho phẩm chất cách điện bị giảm đi. 6. Chất dẻo: 6.1. Khái niệm chung về chất dẻo: Chất dẻo là loại vật liệu được dùng rộng rãi trong kỹ thuật cũng như trong đời sống. Đặc điểm của chất dẻo là dưới tác dụng của sức ép từ bên ngoài sẽ nhận được hình dáng đã định trước của khuôn ép để chế tạo ra các sản phẩm. Trong kỹ thuật điện người ta thường dùng chất dẻo để làm vật liệu cách điện cũng như dùng làm các kết cấu thuần túy. 6.2. Một số chất dẻo: a. Hêtinắc: được sản xuất ra bằng cách ép nóng giấy đã được tẩm nhựa bakêlít. Hêtinắc có khối lượng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm3. Độ bền điện cao khoảng (2025)kV/mm,  = 56 Hêtinắc được sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị và dụng cụ điện cao áp và hạ áp. Ngoài ra, Hêtinắc cũng được sử dụng trong kỹ thuật thông tin. b. Téctôlít: được sản xuất ra bằng cách ép nóng vải đã được tẩm nhựa bakêlít, nó cũng tương tự Hêtinắc nhưng có giới hạn bền kéo doc và ứng suất dai va đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện không cao hơn Hêtinắc nhưng độ bền nhiệt cao hơn. Trong những năm gần đây người ta đã chế tạo được nhiều loại chất dẻo nhiều lớp có đặc tính cách điện, độ bền cơ và độ chịu nhiệt cao. Chất kết dính dùng trong các chất dẻo ấy là nhựa polieste, êpoxi, nhựa poliimít, nhựa silíc hữu cơ và các loại nhựa khác. Thành phần tạo thành là tổ hợp cách điện compozit có đặc tính cách điện và độ bền cơ rất cao, chịu được ẩm, ứng dụng nhiều trong các thiết bị điện cao áp. Những đặc tính của Hêtinắc, Téctôlít, Téctôlít thủy tinh được cho trong bảng sau: (Bảng 2.6) Bảng 2.6: Đặc tính của Hêtinắc, Téctôlít, Téctôlít thủy tinh Các đặc tính Hêtinắc Téctôlít Téctôlít A B B - 87 Giới hạn bền kéo theo chiều dọc, kG/cm2, không nhỏ hơn. 800 1000 650 900 Giới hạn bền uốn theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm2, không nhỏ hơn. 1000 1300 1200 1100 ứng suất dai va đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm2, không dưới. 13 20 25 50 Độ bền nhiệt 0C không thấp hơn 150 150 125 185 Điện trở suất khối V (.cm) không dưới 1011 1010 109 1010 + Cáp rôn: vật liệu có tính chịu hồ quang cao được dùng chế tạo làm khung cuộn dây, màng và sợi cách điện. + Cáp san: vật liệu trong suốt theo dạng màng cách điện thường dùng để cách điện rãnh máy điện hạ áp và trong tụ điện. + Polyfocmandêhit: vật liệu rắn, cứng có tính chống mài mòn chống ma sát cao. Các chi tiết được chế tạo bằng chất này được thực hiện bằng cách đúc áp lực. 7. Dầu - Mỡ bôi trơn: 7.1. Công dụng; - Bôi trơn cho các bề mặt ma sát các chi tiết chuyển động. Nhờ có dầu nhờn tạo thành lớp đệm giữa các bề mặt của các chi tiết chuyển động tương đối với nhau, vì vậy là giảm sự mài mòn, giảm tiêu hao công suất, tăng tuổi thọ cho các chi tiết. - Làm kín: Nhờ có độ nhớt cao dầu nhờn có tác dụng làm kín cho các bộ phận. Ví dụ làm kín giữa vòng găng, xi lanh, piston trong buồng cháy động cơ vv. - Làm mát: nhờ có dầu nhờn khi bôi trơn nó nhận nhiệt của các bề mặt ma sát cho nên có tác dụng làm mát. - Bảo vệ các bề mặt chi tiết: nhờ lớp dầu nhờn phủ trên bề mặt có tác dụng chống ôxi hóa, bảo vệ các bề mặt không bị han gỉ. 7.2. Dầu nhờn: a. Thành phần b. Tính chất 88 - Độ nhớt của dầu: Là khả năng lưu động của dầu được đặc trưng bằng độ nhớt động học, nếu dầu có độ nhớt càng cao thì khả năng bôi trơn, làm kín càng tốt, song làm tăng sức cản khi lưu động và khó đưa tới những vị trí ở xa bơm dầu hoặc các khe hở nhỏ, do vậy sẽ xẩy ra thiếu dầu bôi trơn cục bộ ở một số bộ phận. - Khả năng chịu nhiệt: là khả năng duy trì được độ nhớt khi nhiệt độ của chi tiết cần bôi trơn thay đổi, đây là tính chất rất quan trọng vì đa số dầu sẽ giảm độ nhớt khi nhiệt độ tăng và ngược lại, vì vậy người ta dùng các phụ gia đặc biệt pha vào dầu. - Ít bị biến đổi về tính chất lý hóa: Đây là tính chất cũng rất quan trọng nhằm đảm bảo khả năng bôi trơn của dầu khi quá trình làm việc dầu có thể bị lẫn nước, các tạp chất có trong xăng, điêsel, sản phẩm khí cháy..vv. - Khả năng bảo vệ các bề mặt chi tiết: Đó là khả năng hình thành màng dầu ngăn cản sự tiếp xúc của ôxi với bề mặt liên kết trong những điều kiện khác nhau (áp suất, nhiệt độ). CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 7 Câu 1: Trình bày khái niệm về vật liệu cách điện? Nêu và phân tích các tính chất của vật liệu cách điện? Câu 2: Trình bày chức năng, ưu nhược điểm dầu máy biến áp? Câu 3: Nêu các vật liệu cách điện thông dụng? Tính chất và công dung của từng loại vật liệu đó? Chương 8: Vật liệu bán dẫn 1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn Chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đặc điểm của nó là điện trở suất lớn hơn vật liệu dẫn điện nhưng nhỏ hơn của vật liệu cách điện. Tuy nhiên không có một danh giới rõ rệt giữa ba loại vật liệu kể trên. 2. Sự dẫn điện của vật liệu bán dẫn: 2.1. Các bán dẫn thuần Chất bán dẫn là những chất có điện trở suất lớn hơn kim loại nhưng nhỏ hơn của điện môi. Ở nhiệt độ thấp chất bán dẫn có tính chất cách điện như điện môi, còn ở nhiệt độ cao thì lại dẫn điện tốt. Xét tinh thể bán dẫn điển hình Ge. Ge là nguyên tố có hoá trị 4 nên có 4 e ở lớp ngoài cùng liên kết kém với hạt nhân. Khi hợp thành mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Ge liên cộng hoá trị với 4 nguyên tử gần nó nhất (hình 1.5) 89 - Ở nhiệt độ bình thường liên kết trên rất bền vững nên không có hạt mang điện tự do nên tinh thể Ge không dẫn điện. - Ở nhiệt độ tương đối cao, các nguyên tử Ge dao động mạnh làm cho Hình 5: Cấu trúc mạnh tinh thể Gemani một số liên kết trong mạng bị phá vỡ, do đó một số e bị giải phóng trở thành e tự do. Nhiệt độ càng cao thì số liên kết bị phá vỡ càng nhiều nên số e tự do càng tăng lên. Khi một e bị giải phóng khỏi liên kết thì trong tinh thể xuất hiện chỗ trống thiếu e liên kết nên gọi là lỗ trống. So với liên kết bình thường lỗ trống thiếu một điện tích âm nên lỗ trống mang điện tích dương. - Hơn nữa lỗ trống trong mạng tinh thể không phải là cố định vì có thể 1 e từ một liên kết nào đó gần đấy di chuyển đến vị trí lỗ trống, lấp đầy lỗ trống đó. Lỗ trống bên cạnh lại mất một e nên ở đó lại xuất hiện lỗ trống. Quá trình cứ như thế và kết quả lỗ trống trong mạng tinh thể có thể di chuyển từ chỗ này đến chỗ khác giống như một điện tích dương. - Như vậy ở nhiệt độ tương đối cao trong tinh thể xuất hiện đồng thời hai loại hạt mang điện tự do: electron và lỗ trống. - Khi không có điện trường ngoài đặt vào tinh thể bán dẫn, e và lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn, không có chiều ưu tiên, trong bán dẫn không có dòng điện. - Khi có điện trường ngoài, dưới tác dụng của lực điện trường các e dịch chuyển về cực dương, lỗ trống dịch chuyển về cực âm của điện trường ngoài. Hay trong chất bán dẫn xuất hiện dòng điện. Vậy dòng điện trong chất bán dẫn thuần là dòng chuyển dời có hướng đồng thời của e và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngoài. 2.2. Bán dẫn tạp - Chất bán dẫn loại âm (loại N) Pha thêm vào tinh thể Si một lượng rất ít các nguyên tử photpho (P). Nguyên tử P có 5 e hoá trị nên nó dùng 4 e vào liên kết cộng hoá trị với 4 nguyên tử Si ở xung quanh (hình 1.6). Nguyên tử thứ 5 của P liên kết yếu với trong mạng tinh thể nên dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử để trở thành e tự do. Như vậy tạp chất thêm vào đã làm cho số e tự do trong bán dẫn tăng lên nhiều, làm tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn tạp chất so vời bán dẫn thuần. 90 Do lượng Photpho thêm vào càng nhiều thì số e tự do càng tăng trong khi số lỗ trống không tăng nên trong chất bán dẫn loại N, hạt mang điện chủ yếu là electron, lỗ trống là hạt mang điện thiểu số. - Chất bán dẫn loại dương (loại P) Nếu pha thêm vào chất bán dẫn thuần Si một lượng nguyên tử Bo (B) hoặc Indi (In). Do B hoặc In có 3 e hoá trị nên trong tinh thể Si nó thiếu 1 e để tạo thành 4 mối liên kết cộng hoá trị với 4 nguyên tử Si gần nhất (hình 1.7). Mối liên kết còn thiếu này dễ dàng nhận 1 e ở một liên kết đầy đủ gần đó và như vậy tạo nên một lỗ trống. Như vậy tạp chất B hoặc In làm cho lượng lỗ trống tăng lên nhiều trong khi lượng e không tăng. Mặt khác lỗ trống mang điện tích dương nên gọi chất bán dẫn có pha tạp chất này là chất bán dẫn loại dương. Như vậy trong chất bán dẫn loại dương hạt mang điện đa số là lỗ trống, electron là hạt mang điện thiểu số. 3. Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 3.1 Tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại N và loại P tiếp xúc công nghệ với nhau, tại vùng tiếp xúc xảy ra hiện tượng vật lý đặc biệt, do có sự chênh lệch về nồng độ phần tử dẫn điện tại vùng tiếp xúc, mật độ điện tử tự do ở chất bán dẫn N lớn hơn ở chất bán dẫn P và mật độ lỗ trống ở chất bán dẫn P lớn hơn ở chất bán dẫn N, nhờ có sự khuếch tán nhiệt của các điện tử đa số nên các lỗ trống ( ion dương ) ở bên bán dẫn P qua tiếp giáp sang bán dẫn N và các điện tử ở bên bán dẫn N qua tiếp giáp sang bán dẫn P, tạo thành dòng khuếch tán từ chất bán dẫn P sang bán dẫn N. Như vậy xẩy ra hiện tượng khuếch tán tại vùng tiếp xúc giữa hay chất bán dẫn P và N xuất hiện điện tích trái dấu, bên chất bán dẫn P xuất hiện điện tích âm, bên chất bán dẫn N xuất hiện điện tích dương, và có số lượng bằng nhau, hình thành một trường khuếch tán hay còn gọi là trường tiếp xúc Etx có chiều từ N tới P, với điều kiện tiêu chuẩn ở nhiệt độ trong phòng Etx = 03V(Ge) và = 0,6V (Si), có tác dụng ngăn cản sự di chuyển tiếp tục của các điện tích, nghĩa là hình thành một lớp chắn và được gọi là tiếp giáp P-N. 91 Do tác động của điện trường tiếp xúc, các điện tử thiểu số của hai chất bán dẫn chuyển động qua tiếp giáp, điện tử ở chất bán dẫn P chuyển động qua tiếp giáp sang chất bán dẫn N và lỗ trống ở chất bán dẫn N chuyển qua lớp tiếp giáp sang chất dẫn P, hình thành dòng điện dò có chiều N-P. Trường tiếp xúc hình thành cản trở dòng khuếch tán, khi dòng điện Ikt và dòng điện dò cân bằng thì dòng qua miền tiếp giáp bằng không và bề dày của lớp chắn PN vào khoảng 10-5cm. 3.2 Tiếp giáp P- N khi có điện trường ngoài a. Tiếp giáp P-N phân cực ngược Đặt vào tiếp giáp P-N một điện áp một chiều có cực âm nối vào chất bán dẫn P, cực dương nối vào chất bán dẫn N. Như vậy điện trường ngoài ( Eng) có chiều cùng chiều với Etx. Dưới tác dụng của điện trường ngoài các điện tử đa số được đẩy ra xa miền tiếp giáp, các điện tử thiểu số được tăng cường cho miền tiếp giáp, như vậy miền tiếp giáp được mở rộng. Khi phân cực ngược dòng qua tiếp giáp là dòng ngược có giá trị rất nhỏ. b. Tiếp giáp P-N phân cực thuận Đặt vào tiếp giáp P-N một điện áp một chiều, cực âm nối vào chất bán dẫn N, cực dương nối với chất bán dẫn P. Như vậy điện trường bên ngoài Eng có chiều ngược chiều với Etx, làm cho điện trường tổng hợp tại lớp chắn giảm đi, khi đó chuyển động khuếch tán của các hạt đa số được tăng lên, dòng Ikt tăng và bề rộng lớp chắn giảm đi. Hiện tượng đó gọi là sự phân cực thuận cho PN. Như vậy khi phân cực thuận dòng qua tiếp giáp tăng do dòng khuếch tán tăng. Như vậy tiếp giáp P-N đặt trong điện trường ngoài có tính chất dẫn điện không đối xứng, khi phân cực thuận dòng qua P-N lớn, khi phân cực ngược dòng qua P-N rất nhỏ có thể bỏ qua. Do đó lớp bán dẫn chỉ dẫn điện theo một chiều từ P sang N khi được phân cực thuận. 4. Một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật : 4.1. Giécmani Ge rất hiếm trong tự nhiên, Ge được dùng để chế tạo các chất bán dẫn trong các máy tách sóng, các bộ chỉnh lưu phẳng, các transisto và các bộ khuyếch đại.... 4.2. Silic Si là một trong những nguyên tố có rất nhiều trong thiên nhiên dưới dạng SiO2 trong các mỏ khác nhau và dưới dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% trong lớp vỏ trái đất). Nhưng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết rất phức tạp nên những dụng cụ sử dụng bán dẫn Si rất đắt so với các dụng cụ bán dẫn sử các chất khác mặc dù các chất này trong thiên nhiên hiếm hơn nhiều so với Si. 92 Điện dẫn suất của Si biến đổi trong phạm vi rộng. Silic nguyên chất được chế tạo làm các điện trở phi tuyến trong mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện trong các máy tách sóng, trong các bộ khuyếch đại,...Silic được sử dụng như chất khử oxy trong luyện kim. Silic trong hợp hợp kim Sắt - Silic (15% Si) được chế tao dưới dạng tấm, lá dùng để làm lõi thép dẫn từ của các máy biến áp. Ngoài ra nó còn được sử dụng để chế tạo các hợp kim khác của sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, ... được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp 4.3. Selen. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 8 Câu 1: Trình bày khái niệm về vật liệu bán dẫn? ứng dụng vật liệu bán dẫn? Câu 2: Trình bày sự dẫn điện trong bán dẫn thuần và bán dẫn tạp? Câu 3: Trình bày tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài và khi có điện trường ngoài? Nguồn tài liệu tham khảo - Giáo trình vật liệu cơ khí (Dùng cho các trường đào tạo hệ trung học chuyên nghiệp và đào tạo) –Nhà XB Lao động – xã hội -2006; - Giáo trình vật liệu điện (Dùng cho các trường đào tạo hệ trung học chuyên nghiệp và cao đẳng kỹ thuật) : TS Nguyễn Đình Thắng – Nhà xuất bản giáo dục - 2007; - Vật liệu kỹ thuật điện: Nguyễn Xuân Phú - Hồ Xuân Thanh -NXB Khoa học và kỹ thuật -1998; - Vật liệu cơ khí: Nguyễn Hoành Sơn -NXB giáo dục -2000. XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun...... thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Trần Thị Hồng Nhung Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) 93