Ảnh hưởng của tổ chức vật liệu đến cơ tính lớp phủ Ni-Cr trong nghiên cứu phục hồi trục khuỷu động cơ tàu thủy

Bài viết này trình bày những kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của tổ chức đến cơ tính lớp phủ Ni-Cr lên thép C45 khi phun phủ phục hồi chi tiết trục khuỷu động cơ tàu thủy. Những kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: Trước khi xử lý nhiệt, tổ chức tế vi của lớp phủ có sự tách lớp so với kim loại nền. Sau khi xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ đồng đều hóa thì đã có sự khuếch tán và hình thành lớp liên kết giữa nền và lớp phủ.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ẢNH HƯỞNG CỦA TỔ CHỨC VẬT LIỆU ĐẾN CƠ TÍNH LỚP PHỦ Ni-Cr TRONG NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ TÀU THỦY INFLUENCE OF MICROSTRUCTURE ON MECHANICAL PROPERTIES OF Ni-Cr THERMAL SPRAY COATING OF CRANK-SHAFT IN MARINE ENGINES TRẦN THẾ NAM*1, PHẠM QUỐC VIỆT2, ĐỖ VĂN ĐOÀN2 Phịng Khoa học - Cơng nghệ, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: thenam@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng tổ chức đến tính lớp phủ Ni-Cr lên thép C45 phun phủ phục hồi chi tiết trục khuỷu động tàu thủy Những kết nghiên cứu cho thấy rằng: Trước xử lý nhiệt, tổ chức tế vi lớp phủ có tách lớp so với kim loại Sau xử lý nhiệt phương pháp ủ đồng hóa có khuếch tán hình thành lớp liên kết lớp phủ Chính thay đổi tổ chức ảnh hưởng đến tính lớp phủ nâng cao hiệu công tác sửa chữa phục hồi trục khuỷu động Giá trị độ cứng lớp phủ tăng lên đến 300HV; mức độ bám dính lớp phủ lên đến xấp xỉ 30MPa; mức độ mài mòn giảm xuống cịn khoảng 1,1.109kg/N.m Từ khóa: Phun phủ, cơng nghệ sửa chữa, trục khuỷu, tính, lớp liên kết, pha liên kim Abstract This article presents about influence of microstructure on the mechanical properties of Ni-Cr thermal spray coating on C45 steel applied for reparing the crankshaft of marine engines The research results show that: Before heat treatment, the microstructure of the coating has separation compared to the base metal After heat treatment by full annealing, there were diffusion and formation of a bond layer between the matrix and coating layer It is this changing about microstructure that affects the mechanical properties of the coating, resulting to improve the effectiveness of maintenance of marine engine’s crankshaft The hardness value of the coating increases up to 300HV; the adhesion of the coating is up to approximately 30MPa; the value of wearing is reduced to about 1.1,109kg/N.m Keywords: Spray coating, repaire engineering, crankshaft, mechanical properties, intermetallic phases, bond layer 26 Mở đầu Phun phủ kim loại phát từ sớm Ban đầu dùng với mục đích trang trí, sau sử dụng rộng rãi công nghiệp sử dụng để chống gỉ cho vật liệu, chi tiết, vừa làm tăng khả làm việc vừa đem lại tuổi thọ cao cho sản phẩm Một công dụng quan trọng phương pháp xử lý phục hồi chi tiết máy hỏng hóc bị ăn mịn xác Nguyên liệu dùng phục hồi cần lượng nhỏ so với khối lượng toàn chi tiết phải sản xuất lại, ngồi cơng lao động cần thiết để phục hồi nhỏ Trong số trường hợp phục hồi lại chi tiết máy có chất lượng tuổi thọ cao chi tiết Trục khuỷu động tàu thủy chi tiết làm việc điều kiện chịu tải trọng va đập tải động thay đổi thường xuyên không ổn định Kiểm tra, đánh giá độ mài mòn cổ trục trục khuỷu công việc bắt buộc kỳ bảo trì, sửa chữa động Khi mức độ mài mịn trục khuỷu lớn giới hạn cho phép, cơng nghệ sửa chữa truyền thống áp dụng chủ yếu hàn đắp mức độ mài mòn lớn mạ mài mịn nhỏ Tuy nhiên, cơng nghệ hàn đắp có hạn chế lớn khơng xử lý cấu trúc vật liệu ranh giới lớp hàn, dẫn đến bong tróc khơng ổn định lớp vật liệu hàn, đặc biệt trục khuỷu có đường kính nhỏ động cao tốc Do đó, cơng nghệ sửa chữa cho dạng trục khuỷu thường thay mới, kéo theo tăng chi phí kéo dài thời gian sửa chữa Chính việc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ phun phủ, nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tổ chức lớp vật liệu đến tính lớp phủ vấn đề có ý nghĩa quan trọng trước triển khai thử nghiệm trục khuỷu thực tế Lớp phủ kim loại có tính chất thành phần khác hẳn với kim loại ban đầu Đặc trưng sở cấu trúc kim loại với kích thước 0,1-0,2 (mm) chiều dày 0,005-0,01 (mm) Các SỐ 69 (01-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY phân tử có độ biến dạng khác bị phân cách lớp oxit mỏng với chiều dày 0,001 mm Đặc điểm phun phủ cải thiện tính chất vật liệu cải thiện khả chống ăn mòn; khả chống mài mòn số tính chất khác vật liệu Hiện có nhiều phương pháp phun phủ khác phương pháp phun nhiệt số phương pháp phổ biến [1]-[3] Trong nhóm phương pháp phun nhiệt có phương pháp phun lửa thông thường; phun hồ quang điện phun dịng plasma Tuy nhiên, nhóm chi tiết trục khuỷu chi tiết có kích thước lớn phức tạp nên phương pháp phổ biến phương pháp phun phủ dịng khí cháy [4], [5] Thực nghiệm Thép dùng để nghiên cứu thực trình phun phủ thép C45, vật liệu với thép chế tạo trục khuỷu Vật liệu phun phủ vật liệu dạng bột trộn với thành phần bảng sau: Bảng Thành phần hóa học bột phun phủ Bột Ni-20Cr Thành phần hóa học Ni Cr C 75-68 22-23 < 0,15 Bột phun phải chuẩn bị trước Công đoạn chuẩn bị bột phun phủ bao gồm bước: Sấy bột phân cấp hạt - Sấy hạt: Thông thường bột kim loại phun thường sấy nhiệt độ 120oC-150oC khoảng thời gian từ 1-3 (giờ) Đối với bột gốm, nhiệt độ sấy cao 700 oC-800oC thời gian sấy từ 4-5 (giờ); - Phân cấp hạt bột phun thường dùng dây sàng có kích thước nhỏ 100mm Thiết bị phun phủ thiết bị MARK-61 Hình Sơ đồ nguyên lý phun phủ khí cháy Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng nghệ phun phủ; biện pháp xử lý trước phun phủ ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng lớp phun phủ Ngồi ra, cịn số cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng thành phần lớp phun phủ ảnh hưởng pha liên kim đến tổ chức tính chất lớp phun phủ Như cơng trình nghiên cứu Nuria Cinca [3] nghiên cứu ảnh hưởng pha liên kim NiTi đến tổ chức tính lớp phun phủ Kumar [6] Dejang [7] ảnh hưởng công nghệ phun phủ đến tổ chức tính chất lớp phủ Ni-Cr Tuy nhiên, nghiên cứu cấu trúc lớp phun phủ để từ đưa giải pháp nâng cao chất lượng lớp phun phủ chưa nghiên cứu Trong cơng trình này, trình bày nghiên cứu đặc điểm cấu trúc lớp phun phủ; tính chất lớp phun phủ đưa giải pháp nâng cao chất lượng lớp phun phủ khí cháy lên vật liệu chế tạo trục khuỷu Ngoài ra, nguồn nguyên liệu để phun phủ lên chi tiết là hạt Niken có kích thước cỡ micro chế tạo từ nước với mục đích tăng chất lượng lớp phủ SỐ 69 (01-2022) Mẫu sau phun phủ chia thành hai nhóm: Nhóm thứ tiến hành phân tích tổ chức tính sau phun phủ Nhóm thứ hai tiến hành ủ khuếch tán 1000oC để đảm bảo nguyên tố khuếch tán hình thành lớp liên kết lớp phủ kim loại Sau đó, mẫu tiến hành phân tích tổ chức tính Về phân tích tổ chức thực kính hiển vi quang học Axiovert 25A; hiển vi điện tử quét FESEM - Jeol 7600 Chiều dày lớp phủ xác định phần mềm Image-Plus Về độ cứng tiến hành phương pháp đo độ cứng Vicker thiết bị Duramin-Struers; độ mài mòn xác định thiết bị hãng Tribotech Để xác định mức độ bám dính lớp phủ xác định thiết bị DLR Kết bàn luận 3.1 Phân tích tổ chức Mặc dù trình phun phủ với nhiệt độ nóng chảy cao, lớp bề mặt thép tạo độ nhám để tăng mức độ bám dính cho trình phun phủ bề mặt lớp lớp phun phủ dường khơng có liên kết chặt chẽ mặt tổ chức Chiều dày lớp phun phủ tối đa đạt điều kiện 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ chưa xử lý nhiệt khoảng 180µm Tổ chức vùng ranh giới cho thấy lớp phủ có liên kết mặt học Chính có bám dính mặt học mà khơng có khuếch tán lớp phủ kim loại giá trị độ cứng cao độ bám dính Ngồi ra, tổ chức xuất lỗ xốp trình phun phủ mang lại Việc xuất lỗ xốp giảm mức độ liên kết vật liệu phủ liên kết vật liệu phủ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY lớp phủ kim loại kim loại Các nguyên tố lớp phủ tập trung tồn phía phủ khơng hình thành lớp khuếch tán lớp phủ kim loại a) Tổ chức tế vi a) Tổ chức tế vi lớp phủ b) Chiều dày lớp phủ sau xử lý nhiệt Hình Tổ chức tế vi lớp phun phủ sau xử lý nhiệt b) Chiều dày lớp phun phủ Hình Tổ chức tế vi lớp phun phủ trước xử lý nhiệt Rỗ Biên giới lớp phủ Hình Ảnh SEM lớp phủ trước xử lý nhiệt Mẫu chưa xử lý nhiệt có phân tách cách rõ ràng lớp phủ kim loại Chính phân tách dẫn đến lớp phun phủ bị bong tróc làm việc Như cho thấy cách rõ ràng phân tách 28 Các mẫu sau xử lý nhiệt chiều sâu lớp phủ tăng lên Chiều dày lớp phủ khuếch tán đạt tới 750µm Điều giải thích có khuếch tán tạo liên kết mặt tổ chức lớp phủ với lớp kim loại Hơn phân tích chiều sâu lớp phủ cho thấy có tăng lên so với mẫu chưa thực trình xử lý nhiệt Khi thực ủ khuếch tán phân tích ảnh tổ chức tế vi cho thấy (Hình 5a b) hình thành lớp liên kết kim loại lớp phủ Lớp liên kết Hình 5b; theo phân tích chiều dày lớp liên kết khoảng 15µm Các nguyên tố khuếch tán từ phía lớp phủ sang đến bên kim loại liên kết ngược lại Nguyên lý chung trình khuếch tán giải thích dựa vào định luật Fick II khuếch tán nguyên tố ủ khuếch tán Chính khuếch tán góp phần hình thành lớp liên kết tránh bong tróc q trình làm việc chi tiết Ngồi ra, nhờ khuếch tán dẫn đến hình thành pha liên kim vật liệu phủ với kim loại nền; điều dẫn đến giá trị độ cứng mẫu sau xử lý nhiệt tăng lên Các pha liên kim hình thành nguyên tố kim loại; ngồi có kết hợp cacbon với Cr để tạo cacbit tăng khả chống mài mòn cho SỐ 69 (01-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY chi tiết Điều với phân tích hình thành pha liên kim loại tác giả Cinca [3] b Phân tích mức độ bám dính Phân tích mức độ bám dính cho thấy: Mẫu sau xử lý nhiệt có độ bám dính cao so với mẫu khơng xử lý nhiệt tất lần đo Kết hồn tồn phù hợp với kết phân tích mặt tổ chức; trước xử lý nhiệt không xuất lớp liên kết tổ chức lớp phủ kim loại mà có lớp liên kết học Bảng Độ bám dính lớp phủ a) Lớp phủ sau xử lý nhiệt (x200) Trước xử lý nhiệt Sau xử lý nhiệt K, MPa K, MPa L1 23,15 26,82 L2 24,28 27,92 L3 24,81 28,98 Như với phương pháp xử lý nhiệt sau phun phủ tạo lớp liên kết hoàn chỉnh giúp tăng khả làm việc cho chi tiết Kết phản ánh tổ chức mẫu mà có khuếch tán tạo nên lớp phun phủ hồn chỉnh tăng khả bám dính chi tiết Do đó, mặt tính tổ chức mẫu trước vào sau xử lý nhiệt có tương đồng tổ chức tính chi tiết Lớp liên kết c Phân tích độ mịn b) Lớp phủ sau xử lý nhiệt (x1000) Hình Ảnh SEM lớp phủ sau xử lý nhiệt 3.2 Phân tích tính a Phân tích độ cứng Phân tích độ cứng nhận thấy: Giá trị độ cứng lớp phủ trước xử lý nhiệt thấp Giá trị thấp giải thích chưa thực tạo pha liên kim Fe với Cr Ni lớp nên giá trị độ cứng thấp Tuy nhiên, sau xử lý nhiệt có khuếch tán hình thành pha lớp phủ nên giá trị độ cứng mẫu tăng lên; pha liên kim Fe với Cr Ni; ngồi có hình thành cacbit Cr Điều phân tích thơng qua kết tổ chức lớp phủ trước sau xử lý nhiệt Bảng Giá trị độ cứng lớp phun phủ Độ cứng Trước xử lý Sau xử lý (HV 0,05) nhiệt nhiệt Lần 162 302 Lần 140 290 Lần 191 292 SỐ 69 (01-2022) Từ kết phân tích cường độ mịn cho thấy chế độ thử mài mòn mẫu trước xử lý nhiệt cường độ mịn trung bình lớn nhiều so với mẫu sau xử lý nhiệt Điều giải thích là: Do trước xử lý nhiệt mức độ liên kết lớp phủ kim loại nên lớp phủ dễ bong mức độ hao mòn nhanh (sau thử nghiệm lớp phủ có tượng bong) Khi thực xử lý nhiệt có khuếch tán nguyên tố từ lớp phủ vào bên tạo lớp liên kết chặt chẽ kim loại lớp phủ nên cải thiện đáng kể chất lượng chống mài mòn Bảng Cường độ mịn trung bình mẫu tính theo khối lượng Kết (kg/N.m) Mẫu trước xử lý nhiệt 6,21.109 Mẫu sau xử lý nhiêt 1,81.109 Kết luận Các kết phân tích cho thấy ảnh hưởng tổ chức đến tính mẫu thực phun phủ Ni-Cr lên thép C45, vật liệu tương đồng với thép chế tạo trục khuỷu động diesel tàu thủy rõ rệt Sau phun phủ, lớp phủ hình thành liên kết 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ mặt học với trình hình thành lớp liên kết mặt tổ chức hình thành sau ủ khuếch tán, tổ chức tế vi hình thành pha liên kim lớp phủ Quá trình ảnh hưởng lớn đến tính lớp phủ: Giá trị độ cứng tế vi; mức độ bám dính lớp phủ tăng lên cường độ mịn lớp phủ giảm đáng kể Những kết nghiên cứu sở để tiến hành nghiên cứu thử nghiệm lớp phủ trục khuỷu động diesel tàu thủy giai đoạn nghiên cứu Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT21-22.19 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Amin, H Panchal, and A Professor, A Review on Thermal Spray Coating Processes, Int J Curr Trends Eng Res Sci J Impact Factor, Vol.2, No.4, 2016 [2] M Aghasibeig, F Tarasi, R S Lima, A Dolatabadi, and C Moreau, A Review on Suspension Thermal Spray Patented Technology Evolution, Journal of Thermal Spray Technology, Vol.28, No.7 2019 [3] N Cinca, C R C Lima, and J M Guilemany, An overview of intermetallics research and application: Status of thermal spray coatings, Journal of Materials Research and Technology, Vol.2, No.1 2013 30 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [4] V Senthilkumar, B Thiyagarajan, M Duraiselvam, and K Karthick, Effect of thermal cycle on Ni-Cr based nanostructured thermal spray coating in boiler tubes, Trans Nonferrous Met Soc China (English Ed)., Vol.25, No.5, 2015 [5] C U Hardwicke and Y C Lau, Advances in thermal spray coatings for gas turbines and energy generation: A review, Journal of Thermal Spray Technology, Vol.22, No.5, 2013 [6] M Kumar, H Singh, and N Singh, “Study of Ni-20Cr coatings for high temperature applications - A review,” Archives of Metallurgy and Materials, Vol.58, No.2, 2013 [7] N Dejang, P Kuntasudjai, and S Jiansirisomboon, Effect of thermal spray processes on microstructures and properties of Ni-20%Cr coatings, Songklanakarin J Sci Technol., Vol 28, No.3, 2006 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 13/12/2021 21/12/2021 28/12/2021 SỐ 69 (01-2022) ... nghiên cứu ảnh hưởng pha liên kim NiTi đến tổ chức tính lớp phun phủ Kumar [6] Dejang [7] ảnh hưởng công nghệ phun phủ đến tổ chức tính chất lớp phủ Ni-Cr Tuy nhiên, nghiên cứu cấu trúc lớp phun phủ. .. lượng lớp phun phủ Ngồi ra, cịn số cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng thành phần lớp phun phủ ảnh hưởng pha liên kim đến tổ chức tính chất lớp phun phủ Như cơng trình nghiên cứu Nuria Cinca [3] nghiên. .. dính lớp phủ tăng lên cường độ mòn lớp phủ giảm đáng kể Những kết nghiên cứu sở để tiến hành nghiên cứu thử nghiệm lớp phủ trục khuỷu động diesel tàu thủy giai đoạn nghiên cứu Lời cảm ơn Nghiên cứu