BÁO cáo THỰC HÀNH môn học công nghệ xử lí bề mặt

Do đó, để cải thiện và nâng cao hiệu quả của quá trình công nghệ, cần phải tiến hành các tính toán về nhiệt động học, làm cơ sở để xác lập chính xác và điều khiển mối quan hệ giữa thế th

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ – ĐIỆN

========

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Hữu Hưởng Môn học : Công nghệ xử lí bề mặt

Họ và tên – MSV : Bùi Thành Long - 638554

Hà Nội – 2022

Buổi học Chủ đề học Nội dung chính

1 Đặt vấn đề: Ở nước ta trong sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước

với nền kinh tế thị trường đang phát triển với nhịp độ cao, các ngành công nghiệp như: Cơ khí, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng không được đánh giá là có tốc độ phát triển nhanh Nhưng song song với sự phát triển đó có những yêu cầu

bức thiết được đặt ra nhằm phát huy nội lực trong nước đó là việc nội địa hoá các sản phẩm, trang thiết bị nhập ngoại

Từ những thực tế trên, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, thí nghiêm và áp dụng vào thực tiễn thành công một công nghệ nhiệt luyện mới: Công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma Trong nhiều năm qua công nghệ thấm này được ứng dụng rộng rãi trên thế giới đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các chi tiết máy: giới hạn bền mỏi tăng, biến dạng giảm, sức bền, sức cản được cải thiện, độcứng bề mặt cao mà lõi dẻo dai, bề mặt ít gồ ghề Việc áp dụng công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn nhờ tăng tuổi thọ của các

Công chi tiết, máy móc Hơn nữa đây là công nghệ nhiệt luyện mới không làm ô nhiễm

1 thấm nitơ xung 2 Nghiên cứu về công nghệ:-Lí thuyết: Thấm ni-tơ xung plasma hay thấm ni-tơ ion là công nghệ nhiệtluyện tiên tiến nhất Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở

Plasma áp suất thấp với hỗn hợp các khí H2,

làm tăng N2, CH4 và Ar

tính chịu +Quá trình thấm nitơ - plasma là quátrình hợp kim hoá bề mặt bằng nitơ Chi

mài mòn tiết được đặt trong lò chân không, trong

cho các đó chi tiết được nối với catốt, tường lò

chi tiết được nối với anốt của mạch điện.

máy

+Các thông số quan trọng của quá trình phản ứng:

Điện áp, mật độ dòng ion: Điện áp cao (khoảng vài trăm vôn) là điều kiện đểplasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng anốt và catốt

Thời gian: Thời gian là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định tới chất lượng sản phẩm sau khi thấm Ở nhiệt độ nhất định, thời gian khuếch tán càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng Quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabol theo công thức:

δ= K√

1

Trong đó: δ:chiều dày lớp khuếch tán.

τ: thời gian

K: hệ số

tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D

Nhiệt độ: Chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán Khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh tốc độ khuếch tán càng nhanh

Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ theo biểu thức (Hình 4): D = A.e-Q/RT Trong đó:

D - Hệ số khuếch tán,

A - Hệ số phụ thuộc mạng tinh thể,

e - Cơ số logarit tự nhiên,

R - Hằng số khí,

Q - Năng lượng hoạt hoá (năng lượng cần thiết để bứt nguyên tử ra khỏi vị trí của nó trong bảng, T - Nhiệt độ thấm (Kenvin)

Thành phần hỗn hợp khí: Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất của lớp trắng và lớp nitrit có thểđược điều chỉnh trong quá trình thấm nitơ -

plasma

-Thực tế:

+ Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ -

plasma một số mẫu thí nghiệm Chọn thép

với các mác thép thông dụng trong các chi

tiết máy: thép cacbon thường, gang xám,

40X Mỗi loại vật liệu khác nhau có 5 mẫu

thí nghiệm Mẫu có dạng hình trụ, đường

kính 10 -15 mm, chiều cao 12 – 15 mm

+ Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma chi tiết máy Tiến hành thí nghiệm

là các cặp bánh răng mác thép 20XΓT:T:

Thông số công nghệ:

Kết quả: độ cứng trung bình sau khi thấm đạt 661,67HV

3 Kết quả và ứng dụng

-Kết quả: Sau khi khi nghiên cứu và thực hiện thành công trên một số mẫu thép và trục răng bơm dầu, nhóm đề tài đã tiến nghiên cứu trên một số chi tiết máy khác

như: nắp van trong hệ thống bơm dầu thủy lực, khuôn đúc trong các máy công nghiệp, đều đạt kết quả tốt và ứng dụng trực tiếp tại các ngành công nghiệp khai thác mỏ, khai khoáng và máy công trình (đào, xúc lật, ủi, )

- Một số chi tiết được thực hiện tại phòng thí nghiệm CN hàn và xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí

+Chi tiết khuôn đúc

+Một số loại chi tiết trong hệ thống bơm thủy lực

3

2 Công nghệ

thấm nitơ

thể khí

1 Đặt vấn đề

-Khuôn dập nóng khi làm việc phải chịu tải trọng, va đập, áp lực lớn và thường xuyên chịu mài mòn do tiếp xúc với phôi ở nhiệt độ cao Để đảm bảo khả năng làm việc, khuôn đòi hỏi phải có độ bền cao, duy trì độ cứng nhất định ở nhiệt độ làm việc trong thời gian dài và bề mặt phải có khả năng chống mài mòn mạnh Tuy nhiên, do phải chịuáp lực lớn và va đập nên các loại thép chế tạo khuôn dập nóng sau khi tôi thường được ram ở nhiệt độ khá cao 500-550oC hoặc cao hơn, vì vậy mà độ cứng của khuôn saunguyên công này thường đạt từ 42-48 HRC Với độ cứng này, khuôn không thể chịu được mài mòn

Do vậy, sau nhiệt luyện tôi và ram, các khuôn thường được thấm nitơ (N) thể khí để tạo ra một lớp thấm có chiều dày nhất định với độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, khuôn không bị biến dạng do nhiệt độ thấm nhỏ hơn nhiệt độ ram Hơn nữa, sau một thờigian làm việc, các khuôn dập nóng đều phải đem thấm lại nhằm phục hồi lớp thấm N để khuôn có thể làm việc tiếp theo

-Trong công nghệ thấm nitơ thể khí, NH3 được sử dụng như một nguồn cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính rất hiệu quả Tuy nhiên, sự hình thành lớp thấm chỉ đạt được khi những điều kiện nhiệt động học nhất định được thỏa mãn, đảm bảo mức

độ tiếp nhận, khuếch tán của nitơ vào bề mặt thép là đủ lớn, và khả năng cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính từ môi trường phải được duy trì ổn định ở mức độ nào đó

Do đó, để cải thiện và nâng cao hiệu quả của quá trình công nghệ, cần phải tiến hành các tính toán về nhiệt động học, làm cơ sở để xác lập chính xác và điều khiển mối quan hệ giữa thế thấm nitơ với nồng độ nitơ được khuếch tán vào bề mặt thép, nói cách khác là cố gắng đạt tới hệ số truyền chất cao nhất trong quá trình thấm

2 Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí

- Thấm nitơ thể khí là phương pháp thấm thông dụng nhất Chất thấm thường là amoniac (NH3) được lưu thông liên tục trên bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình thấm tạo môi trường thấm

- Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 450 6000C, NH3 sẽ phân hủy theo phản ứng:

2NH3 3H2 + 2[N]

+Trong đó [N] là Nitơ nguyên tử hoạt tính

+Nitơ nguyên tử hoạt tính sinh ra sẽ khuếch tán vào trong bề mặt của thép tạo nên lớp thấm Quá trình được sơ đồ hóa

+Tại lớp hấp phụ sẽ xẩy ra các phản ứng tái kết hợp: 2NH3 3H2 + [N] (1.2) 2NH3 N2 + 2[H]

- Khi thấm nitơ, tùy thuộc vào hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán được vào bề mặt thép mà lớp thấm có thể tồn tại các pha khác nhau dựa trên giản đồ pha Fe-N sau đây Trên giản đồ pha Fe-N, có thể thấy giới hạn hòa tan của nitơ nguyên tử trong sắt phụ thuộc vào nhiệt độ Tại vùng nhiệt độ thấm thường áp dụng, để điều khiển được lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép, thế thấm nitơ (Kn) được sử dụng như một công cụ để điều khiển lượng nitơ khuếch tán vào mạng tinh thể của sắt dựa trên giản đồ Lehrer

- Giản đồ Lehrer cho thấy, ứng với mỗi nhiệt độ thấm nhất định, thế thấm nitơ thay đổi sẽ quyết định tổ chức pha có thể nhận được trên sắt Tính chất của lớp bề mặt nhận được do đó cũng khác nhau và phụ thuộc vào sự xuất hiện các pha này trong lớp thấm như mô tả trên hình Qua đó có thể thấy rằng, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng lớp bề mặt chi tiết trong từng điều kiện làm việc cụ thể (chịu mài mòn, chịu ma sát, chịu ăn mòn…) mà sẽ có sự điều chỉnh thế thấm nitơ (Kn) một cách thích hợp để nhận được lớp thấm có cấu trúc và tính chất mong muốn

- Việc sử dụng thế nitơ để điều khiển tổ chức lớp bề mặt tại nhiệt độ thấm xác định

đã được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới Các kết quả đều

đã cho thấy việc tăng thế thấm (Kn) sẽ làm tăng nồng độ nitơ nguyên tử hấp thụ và khuếch tán vào lớp bề mặt, do đó dẫn đến sự hình thành các tổ chức pha khác nhau khi hàm lượng nitơ nguyên tử hòa tan đạt tới các giới hạn

5

- Hiện nay vẫn tồn tại một bất cập khi dự đoán thành phần lớp thấm trên thép là dựa vào mô hình thấm nitơ cho sắt sạch như mô tả trên hình Với mô hình này, các vùng đơn pha chỉ tồn tại ở nơi lớp trắng liên tục được hình thành Động học quá trình phát triển các lớp có thể được mô tả dưới dạng dịch chuyển bề mặt phân giới trên hình sau:

- Trên thực tế, hình trên cho thấy cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí thường gặp bao gồm cả những vùng đơn pha và đa pha Căn cứ vào mục đích sử dụng, ta có thể cố ý tạo ra lớp thấm đơn lớp hay đa lớp, đơn pha hay đa pha và ưu tiên phát triển pha

nào,.v.v… Nhìn chung, lớp thấm thường được chia thành 2 vùng Vùng ngoài cùng thường được biết đến với tên gọi là lớp trắng, vùng này có nồng độ nitơ rất cao và cấu trúc pha nhận được là các nitơrit sắt Trong thấm nitơ thể khí, khi lớp trắng hình thành, thép sẽ có khả năng thụ động hóa, chống ăn mòn rất tốt, ngoài ra lớp trắng còn có cấu trúc rỗ xốp, với mật độ khá lớn, thích hợp cho các ứng dụng bôi trơn chống ma sát

3 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm

-Ảnh hưởng của nhiệt độ: Một trong những ưu điểm nổi bật của thấm nitơ so với các công nghệ khác là sử dụng nhiệt độ thấm thấp, qua đó bảo toàn được tính chất của vật liệu nền, ngoài ra còn giảm thiểu đáng kể các tác động bất lợi đến độ bền mỏi của chi tiết

Tuy nhiên, do cường độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo quy luật Arrhenius nên khi thấm ở nhiệt độ thấp yêu cầu thời gian thấm phải kéo dài, đồng thời chiều sâu lớp thấm đạt được hạn chế hơn so với các công nghệ khác

4 Kết luận

- Với phương pháp xử lý này, vật liệu xử lý không cần thiết phải là thép chứa nhiều

ni tơ, đây là phương pháp có thể đối ứng với nhiều chủng loại thép từ thép các bon thấp, thép hợp kim, thép đúc, thép nung (tuy nhiên, không đối ứng được với vật liệu thép không gỉ)

- Ngoài ra, do được xử lý bằng nhiệt độ dưới mức nhiệt độ làm thay đổi hình dạng sản phẩm, nên ít phát sinh lỗi biến dạng, cong vênh sản phẩm sau xử lý Khi so sánh với phương pháp xử lý Isonite (một dạng xử lý giống thấm Nitơ thể khí) thì lớp chiều sâu thấm hình thành mật thiết hơn, ngoại quan sạch đẹp hơn

7

3 Công

nghệ

phun phủ

1 Khái niệm phun phủ nhiệt và đặc điểm của lớp phủ nhiệt khi thực hiện

-Phun phủ nhiệt là một phương pháp công nghệ sử dụng để phục hồi và tái tạo các lớp vật liệu kim loại/ phi kim loại bề mặt khác nhau của các chi tiết Cơ chế của phương pháp này là nung nóng một phần hay toàn bộ các vật liệu rắn ở dạng bột, dây, thanh hay lõi thuốc bằng dòng vật chất năng lượng cao (dòng khí chất hoặc dòng plasma) Vật liệu được phân tán thành các hạt dưới dạng sương mù nhỏ và được tăng tốc để đẩy hạt đến bề mặt cần phủ đã được chuẩn bị sẵn

-Tất cả các phương pháp phun nhiệt đều liên quan đến việc phóng thích các hạt vật liệu đã được xử lí lên bề mặt chi tiết cần phủ đã được làm sạch và chuẩn bị để chúng bám vào, tạo thành một lớp phủ liên tục Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ

sẽ có cấu trúc dạng lớp Trong đó, các phần tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau Tại bề mặt tiếp xúc giữa các phần tử với chi tiết và bề mặt tiếp xúc của các phần tử xảy ra các quá trình liên kết bền vững tạo nên cấu trúc lớp phủ

-Phun phủ nhiệt cung cấp các lớp phủ có độ dày xấp xỉ từ 20 micromet đến vài milimet tùy thuộc vào quy trình và nguyên liệu Và có thể được thi công ở nhiều độ dày khác nhau, thường là 100 – 750 micron Các bề mặt vật liệu phun phủ nhiệt có thể kể đến như kim loại thép, hợp kim, gốm sứ, nhựa và vật liệu tổng hợp Chất lượng lớp phủ thường được đánh giá bằng cách đo độ xốp, hàm lượng oxit, độ cứng

vĩ mô và vi mô, độ bền liên kết và độ nhám bề mặt

Quy trình này có thể được sử dụng để áp dụng các lớp phủ cho nhiều loại vật liệu và thành phần khác nhau, nhằm cung cấp khả năng chống mài mòn, ăn mòn, xâm thực… Phun phủ nhiệt cũng được sử dụng để cung cấp độ dẫn điện hoặc cách điện, bôi trơn, ma sát cao hoặc thấp, mài mòn hy sinh, kháng hóa chất và nhiều đặc tính

bề mặt mong muốn khác

2 Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt được áp dụng rộng rãi hiện nay

- Phương pháp phun ngọn lửa khí cháy (Flame Spray)

Phun phủ ngọn lửa khí cháy được xem là một phương pháp chính của phun phủ nhiệt và được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau trong 100 năm qua Trong phun lửa cũng được chia thành 2 loại phổ biến là phun dây và phun bột Quá trình phun ngọn lửa khí cháy sử dụng ngọn lửa oxy- acetylene Nhiệt từ ngọn lửa làm nóng chảy vật liệu phủ và khí nén đẩy chúng lên trên bề mặt vật liệu cần phủ Quy trình này cũng là một dạng khác của “quá trình lạnh – cold process”

do nhiệt độ hoạt động tương đối thấp suốt quá trình

- Phương pháp phun hồ điện hồ quang (Arc Spray)

Phương pháp phun hồ quang điện được ứng dụng phổ biến do hiệu quả về chi phí và tiết kiệm thời gian thi công Với phương pháp này, hồ quang được hình thành do sự tiếp xúc của hai dây kim loại trái dấu, thường có cùng thành phần Điều này dẫn đến hiện tượng nóng chảy ở đầu vật liệu làm dây Không khí nguyên tử hóa vật liệu phun nóng chảy và tăng tốc lên bề mặt Tốc độ phun được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh nguồn cấp dây khi nó bị nóng chảy Lớp phủ do phương pháp phun hồ quang cung cấp độ bền liên kết cao, nhiệt độ bề mặt thấp và tỷ lệ bao phủ cao nên thích hợp cho các vùng vật liệu phủ có kích thước lớn Các ứng dụng phổ biến cho phương

pháp này có thể kể đến như chống mài mòn, chống ăn mòn, sửa chữa các thành phần

và chống sờn rách Hệ thống này có tính cơ động cao nên rất thích hợp để ứng dụng

xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn hoặc chi tiết phức tạp

- Phương pháp HVOF (Phun Oxy- nhiên liệu vận tốc cao)

HVOF (High velocity oxy fuel) là một quá trình phun phủ được áp dụng cho những

bề mặt vật liệu cần lớp phủ dày và độ bám dính cao với cơ chế đẩy bột vật liệu dưới dạng bán nóng chảy ở vận tốc siêu âm lên bề mặt vật liệu cần phủ Nhiên liệu (hydro/ dầu hỏa) được trộn với oxy và đốt cháy trong buồng đốt, khí cháy được tăng tốc trong buồng phun thông qua vòi phun Điều này tạo ra gia tốc lớn giúp tăng tốc

độ của các hạt trong hỗn hợp Kết quả tạo nên một lớp phủ đặc biệt mỏng được phân phối đồng đều trên bề mặt có độ liên kết cơ học cao với các thành phần trên bề mặt, khả năng bám dính tốt

- Phương pháp phun Plasma (Plasma Spray)

Quá trình phun phủ plasma bao gồm việc phun bột dưới dạng nóng chảy hoặc bán nóng chảy lên trên bề mặt vật liệu để tạo một lớp phủ Vật liệu phủ được bơm ở dạng bột vào ngọn lửa plasma nhiệt độ cao, tại đây dưới tác nhân nhiệt và khí mang, vật liệu này nhanh chóng được đẩy lên trên bề mặt thiết bị cần phủ Các lớp phủ do phun plasma có thể dày vài micromet đến vài milimet Các lớp phủ được phun plasma thường sử dụng nhiệt độ cao hơn và vận tốc thấp hơn (so với HVOF) cho phép áp dụng cho nhiều bề mặt phủ khác nhau, kể cả gốm sứ

3 Các ứng dụng phổ biến và đánh giá ưu – nhược điểm

- Ứng dụng của phun phủ nhiệt

+ Các lớp phủ phun nhiệt được sử dụng rộng rãi trong việc ngăn chặn sự ăn mòn của nhiều loại vật liệu, đặc biệt là khả năng chống mài mòn cao Các lớp phủ phun nhiệt được sử dụng cho các bề mặt chi tiết hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như trên biển, môi trường nhiều sương muối và độ ẩm cao… với tác dụng tăng cường khả năng kháng mài mòn, ăn mòn do hóa chất hoặc môi trường

+ Phun nhiệt là một phương pháp công nghiệp được ứng dụng để phục hồi, cải tạo

và tái thiết kế bề mặt của các bộ phận kim loại Đặc biệt là các bộ phận quay và chuyển động của nhiều loại máy móc, bao gồm các phương tiện giao thông đường

bộ và đường sắt, tàu thủy, máy bay, máy bơm, van, máy in, động cơ điện, máy làm giấy, nhà máy hóa chất, máy thực phẩm, máy móc khai thác tài nguyên, máy xúc đất, máy phát điện và sửa chữa tuabin hàng không vũ trụ

+ Ngoài ra phun phủ nhiệt còn được ứng dụng để gia tăng độ cứng, khả năng chịu nhiệt của các thiết bị thường xuyên bị mài mòn như ống lò hơi, vách lò hơi của nhà máy than điện, lò nung trong các nhà máy giấy, hóa chất Sử dụng để phủ chống mài mòn cho các trục vít, trục quay, và có thể phun lên vòi phun, cánh và vỏ tuabin hơi

để phục hồi chi tiết bị mài mòn

- Ưu điểm của phương pháp phun phủ nhiệt

+Tạo lớp phủ phun nhiệt được sử dụng trong nhiều công trình với quy mô lớn nhỏ khác nhau

+ Tuổi thọ lâu dài: Một số ứng dụng đã được đánh giá là có thời gian sử dụng hơn

9