Hợp kim nền Cu đã và đang được sử dụng rộng rãi làm các đầu nối điện, dây tiếp xúc sử dụng trong đường sắt tốc độ cao cũng như làm tiếp điểm điện do có độ bền và độ dẫn điện cao. Tuy nhiên, độ bền và độ dẫn điện của hợp kim đồng thường tỉ lệ nghịch với nhau nên trong nhiều ứng dụng việc cân bằng giữa độ bền và độ dẫn điện của hợp kim là rất quan trọng. Khi hợp kim hóa, các nguyên tố hợp kim làm giảm độ dẫn điện của đồng. Trong khi đó, các pha liên kim tạo ra vừa có tác dụng tăng bền cho nền đồng đồng thời khôi phục một phần độ dẫn điện của hợp kim . Tính chất của hợp kim do đó phụ thuộc lớn vào các quá trình công nghệ chế tạo, đặc biệt là các quá trình gia công, xử lý nhiệt do ảnh hưởng của các quá trình này đến tổ chức và tính chất của các pha liên kim.

Hợp kim CuNiSi được phát triển để thay thế cho hợp kim Cu-Be có độ bền rất cao và độ dẫn điện tốt [8]. Khi hóa già hợp kim CuNiSi, các pha liên kim như δ-Ni2Si, Cu3Ni5Si2, ε-Ni3Si2, β-Ni5Si2, và β-Ni3Si  hình thành và có kích thước nhỏ mịn làm tăng độ bền của hợp kim.

Trong nghiên cứu này, mẫu điện cực hàn được chế tạo từ hợp kim Cu3NiSi. Hợp kim được nấu trong lò điện trung tần và đúc trong khuôn kim loại. Sau đúc, mẫu điện cực được gia công và nhiệt luyện với các chế độ khác nhau. Ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện tới cơ tính và độ dẫn điện của mẫu được quan tâm nghiên cứu.

Mẫu điện cực hàn được chế tạo bằng phương pháp đúc. Hợp kim CuNiSi được nấu trong lò điện trung tần với thành phần phối liệu tính toán 96% Cu, 3% Ni và 1% Si. Sau đó, hợp kim được rót vào khuôn kim loại có tiết diện 35x50 mm.

Mẫu điện cực sau khi đúc được ủ ở nhiệt độ 900°C trong thời gian 4h, mẫu sau đó được để nguội cùng lò. Độ cứng của hợp kim sau ủ giảm xuống còn khoảng 84 HB. Sau ủ, mẫu có tiết diện 35x50 mm được rèn xuống tới tiết diện 35x35 mm. Sau rèn, mẫu tiếp tục được ủ ở 600 °C trong 2h và để nguội cùng lò.

Mẫu sau ủ kết tinh lại được tôi ở các nhiệt độ khác nhau trong hai môi trường tôi là nước và dầu tôi. Hóa già trong lò điện ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau. Sự thay đổi về độ cứng, độ bền của hợp kim qua các chế độ nhiệt luyện khác nhau được theo dõi.

Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tôi, mẫu hợp kim được tiến hành tôi ở các nhiệt độ 825, 850, 875 và 900°C trong hai môi trường khác nhau là dầu và nước. Kết quả kiểm tra độ cứng, độ bền của mẫu sau tôi được trình bày trên Hình 1 và Hình 2

 Kết quả cho thấy về cơ bản sự chênh lệch độ cứng của hợp kim khi tôi trong hai môi trường là không lớn. Sự thay đổi về giá trị của độ cứng theo nhiệt độ tôi cũng là không lớn. Khi tôi ở nhiệt độ 850°C, độ cứng sau khi tôi có giá trị cao nhất, đạt 107HB (tôi nước) và 105HB (tôi dầu). Với môi trường tôi là nước khi tăng nhiệt độ tôi lên đến 875°C và 900°C thì độ cứng của hợp kim giảm xuống còn 106HB và 104HB. Với môi trường tôi là dầu thì giá trị độ cứng ứng với nhiệt độ tôi 875°C và 900°C là 104HB và 100HB.

Khác với độ cứng, độ bền của hợp kim tăng lên đáng kể khi tăng nhiệt độ tôi. Ở nhiệt độ tôi cao nhất 900°C, độ bền hợp kim tăng khoảng 10 % so với ở nhiệt độ tôi thấp nhất, 825°C.

Có thể giải thích hiện tượng này là do trong hợp kim hình thành các pha liên kim làm tăng độ cứng của hợp kim. Khi tăng nhiệt độ, mức độ hòa tan của các pha liên kim vào nền tăng lên dẫn đến giảm hàm lượng các pha liên kim trong hợp kim và làm cho độ cứng của hợp kim giảm đi. Tuy nhiên, thay đổi về độ cứng của hợp kim khi tôi là nhỏ trong khoảng nhiệt độ từ 825 đến 900°C. Đối với hầu hết các hợp kim hệ CuNiSi, tùy thuộc vào thành phần cụ thể của từng hợp kim mà lựa chọn nhiệt độ tôi thích hợp. Tuy nhiên, nhiệt độ được lựa chọn khi tôi thường trong khoảng 800÷900°C.

Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hóa già tới cơ tính của hợp kim CuNiSi, mẫu hợp kim đã qua tôi ở nhiệt độ 850°C trong dầu được hóa già ở các nhiệt độ 400, 450 và 500°C với thời gian hóa già thay đổi từ 2 đến 6 giờ. Sự thay đổi độ cứng và độ dẫn điện của hợp kim sau hóa già ở các nhiệt độ khác nhau được trình bày trên Hình 3 và Hình 4.

Trước hóa già, độ cứng của mẫu đo được là khoảng 102HB. Khi được hóa già ở nhiệt độ 400°C, độ cứng của hợp kim tăng lên khi thời gian hóa già tăng dần theo thời gian và đạt giá trị cực đại, sau đó lại giảm xuống, tương ứng với giai đoạn thải bền, giá trị cực đại của mẫu đạt giá trị 216 HB. Khi hóa già ở nhiệt độ 450°C, độ cứng của hợp kim vẫn tăng theo thời gian và đạt giá trị cực đại là 244 HB tại giá trị thời gian là 4h. Khi tăng thời gian hóa già thì giá trị cực đại của độ cứng lại giảm. Khi tăng nhiệt độ hóa già đến giá trị 500°C, độ cứng của hợp kim tăng dần theo thời gian và đạt giá trị cực đại 239 HB tại thời điểm 2h, khi tiếp tục tăng thời gian hóa già thì giá trị độ cứng lại giảm và đạt giá trị 232 HB tại thời thời gian hoá già 6h. Như vậy, độ cứng lớn nhất của hợp kim đạt được sau hóa già là 244 HB khi hóa già ở 450°C trong thời gian 4h.

Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy sự thay đổi độ dẫn điện của các theo thời gian và nhiệt độ hóa già, giá trị cực đại của độ dẫn điện cũng tăng lên theo thời gian hóa già và sau khi đạt giá trị cực đại, độ dẫn điện lại giảm xuống. Sự thay đổi độ dẫn điện của hợp kim sau hóa già ở các nhiệt độ khác nhau được thể hiện trên hình 4.

Khi hóa già ở 400°C, cực đại độ dẫn điện đạt 30,2 % IACS sau 4h. Độ dẫn điện đạt cực đại cao nhất 39,1% IACS khi hóa già ở 450°C sau 4h. Khi hóa già ở 500°C, cực đại độ dẫn điện đạt 33,6 % IACS sau 2h. Hình 5 và 6 trình bày kết quả kiểm tra độ bền và độ giãn dài của hợp kim CuNiSi sau hóa già.

         

Có thể thấy sau khi hóa già, các hạt pha liên kim có kích thước nhỏ mịn phân tán trên nền đồng. Đồng thời các hạt pha liên kim có kích thước lớn tồn tại tại biên giới hạt. Ảnh tổ chức của hợp kim lần nữa cho thấy hợp kim CuNiSi là hợp kim được hóa bền bằng các pha có độ bền cao như δ-Ni2Si phân tán trên nền đồng. Trong một nghiên cứu khác Lei cũng kết luận rằng pha δ-Ni2Si được hình thành trong nền và khi tỉ lệ Ni/Si Si tăng từ 0,33 lên 3, pha kết tủa trên biên giới hạt là Ni3Si.

Kết quả nghiên cứu cho thấy hợp kim Cu3NiSi được chế tạo bằng phương pháp nấu luyện đạt được cơ tính cao nhất khi tôi ở 900°C trong dầu và hóa già ở nhiệt độ 4500C, khi đó độ bền hợp kim đạt 517 MPa, độ cứng đạt tới 244 HB và độ dãn dài khoảng 8%, độ dẫn điện của hợp kim khi đó là 39,1% IACS.

Mẫu điện cực hàn chế tạo theo quá trình nấu luyện và tôi từ kết quả của nghên cứu đã đáp ứng được các yêu cầu sử dụng làm điện cực hàn và được dùng làm điện cực hàn phục vụ cho dây chuyền hàn xích của Công ty cổ phần cơ khí Mạo khê- Quảng Ninh.

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim