Nghiên cứu xử lý nhiệt đệm khí cao áp được chế tạo từ phôi đồng M1 dạng thanh tròn

Đệm khí cao áp cho đồng hồ và cảm biến dùng cho thiết bị đo lường trên tàu chiến đấu Hải quân được xử lý nhiệt sau khi gia công chế tạo từ phôi đồng M1 dạng thanh tròn. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt đến cơ tính, tổ chức tế vi, độ bền phá hủy và độ kín khít của sản phẩm đã được khảo sát.

Nghiên cứu khoa học công nghệ Nghiên cứu xử lý nhiệt đệm khí cao áp chế tạo từ phơi đồng M1 dạng trịn Lê Viết Bình* Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ quân *Email: binhleviet83@gmail.com Nhận ngày 23/02/2022; Hoàn thiện ngày 24/3/2022; Chấp nhận đăng ngày 29/3/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.78.2022.119-125 TÓM TẮT Đệm khí cao áp cho đồng hồ cảm biến dùng cho thiết bị đo lường tàu chiến đấu Hải quân xử lý nhiệt sau gia cơng chế tạo từ phơi đồng M1 dạng trịn Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian xử lý nhiệt đến tính, tổ chức tế vi, độ bền phá hủy độ kín khít sản phẩm khảo sát Kết cho thấy, sau ủ nhiệt độ 600 °C 60 phút, tốc độ nâng nhiệt °C/phút, nguội lị, q trình kết tinh lại xảy hoàn toàn, hạt tinh thể đồng có cấu trúc song tinh; vật liệu trạng thái mềm với độ cứng 42,38 HB Đệm khí cao áp có độ bền phá hủy độ kín khít tốt Từ khố: Đệm khí cao áp; Xử lý nhiệt; Đồng kỹ thuật; Ủ; Cơ tính MỞ ĐẦU Gioăng, đệm chi tiết thiết kế để tạo dấu tĩnh (static seal) hai bề mặt mặt bích Một gioăng, đệm lấp đầy khoảng hở li ti bất thường bề mặt mặt bích, sau tạo dấu làm kín để ngăn chất lỏng chất khí rị rỉ bên [1] Trên tàu chiến đấu Hải quân, ngồi loại vũ khí khí tài đảm bảo sẵn sàng chiến đấu, lắp đặt nhiều hệ thống thiết bị đo lường để đo đạc thông số kỹ thuật tàu Đồng với thiết bị đo lường loại gioăng, đệm có nhiệm vụ làm kín khí nén, kín nước, kín nhiên liệu, cách ly môi trường cần đo với thiết bị đo [1] Đối với loại gioăng, đệm sử dụng cho thiết bị chịu áp suất cao cảm biến khí cao áp, yêu cầu đặt vật liệu chế tạo phải có độ dẻo cao - có khả biến dạng bù cho độ nhám hai bề mặt lắp ghép; có độ bền cao - làm kín khơng cho mơi chất lọt ngồi mối nối Một vật liệu đáp ứng hai yêu cầu độ dẻo cao độ bền cao chế tạo đệm khí cao áp đồng kỹ thuật [1] Qua đo đạc, khảo sát, đệm khí cao áp cho đồng hồ cảm biến dùng cho thiết bị đo lường tàu chiến đấu Hải quân chế tạo từ đồng kỹ thuật mác M1 theo GOST 859-2001 Nga [1] Bài báo trình bày kết nghiên cứu xử lý nhiệt đệm khí cao áp cho đồng hồ cảm biến dùng cho thiết bị đo lường tàu chiến đấu Hải quân chế tạo từ phơi đồng M1 dạng trịn NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1 Đối tượng nghiên cứu Sản phẩm đệm khí cao áp cho đồng hồ cảm biến dùng cho thiết bị đo lường tàu chiến đấu Hải quân chế tạo từ phôi dạng tròn đặc “Пруток ДКРНТ 20 НД М1 ГОСТ 1535-2016” Nga Phơi có đường kính 20 mm, chế tạo phương pháp biến dạng nguội, phôi trạng thái cứng, vật liệu mác M1 theo GOST 859-2001 [3, 4] 2.2 Phương pháp nghiên cứu Độ cứng Brinell đệm khí cao áp đo thiết bị Mitutoyo AVK-CO Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu/Viện Hàn lâm KHCNVN theo tiêu chuẩn TCVN 256:2006 [5] Giới hạn bền, giới hạn chảy phôi vật liệu đo thiết bị kéo nén vạn năng: Kiểu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 119 Hóa học & Mơi trường Super L120; Hãng: Tinius Olsen Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu/Viện Hàn lâm KHCNVN theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 [2] a) b) c) Hình Phơi “Пруток ДКРНТ 20 НД М1 ГОСТ 1535-2016” Nga (a); Sản phẩm đệm khí cao áp sau chế tạo (b); Bản vẽ sản phẩm (c) Tổ chức tế vi đệm khí cao áp khảo sát thiết bị kính hiển vi quang học Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu/Viện Hàn lâm KHCNVN Mẫu đánh bóng học tẩm thực theo ASTM E407-07 [6] Độ bền phá hủy độ kín khít đệm khí cao áp đo đạc Trung tâm đo lường/Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/ Bộ Quốc phòng Thiết bị bao gồm bàn tạo áp TBTA-600 cảm biến áp suất 700P08 (đã liên kết chuẩn) [7] Phương pháp kiểm tra độ bền phá hủy: Nén đệm đồng áp suất 400 bar bàn tạo áp thời gian phút; kiểm tra tình trạng đệm đồng mắt thường Yêu cầu đệm đồng không bị phá hủy (nứt, vỡ, ) tác dụng áp lực Phương pháp kiểm tra độ kín khít: Nén đệm đồng áp suất 250 bar bàn tạo kiểm tra độ tụt áp hệ thống sau thời gian phút Yêu cầu độ tụt áp hệ thống không lớn 5% (tương ứng 12,5 bar) 2.3 Thực nghiệm Gia công chế tạo phôi sản phẩm đệm khí cao áp từ phơi đồng M1 dạng trịn: Phơi trịn kích thước Φ20 mm x 200 mm tiện đạt Φ16,5 mm, khoan lỗ Φ6, sau cắt dây Molipden thành chi tiết dày 1,5 mm Phơi sau đặt lên đồ gá chuyên dụng để phay chế tạo rãnh sâu 0,3 mm Phơi đệm khí cao áp sau gia công chế tạo tiến hành xử lý nhiệt để đạt tính cần thiết Nhiệt độ thời gian xử lý nhiệt khảo sát Thiết bị: Lò nung nhiệt độ cao Nabertherm (nhiệt độ tối đa 1800 °C) Viện Hóa học-Vật liệu/Viện KH-CN quân 120 Lê Viết Bình, “Nghiên cứu xử lý nhiệt đệm khí cao áp … phơi đồng M1 dạng trịn.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ xử lý nhiệt: Sản phẩm đệm khí cao áp sau gia cơng khí tiến hành ủ nhiệt độ khác từ 300 °C đến 750 °C mơi trường khơng khí, thời gian cố định 90 phút, tốc độ nâng nhiệt °C/phút, nguội lò Khảo sát ảnh hưởng thời gian xử lý nhiệt: Sản phẩm đệm khí cao áp sau gia cơng khí tiến hành ủ nhiệt độ 600 °C môi trường không khí, thời gian ủ thay đổi từ 30 phút đến 150 phút, tốc độ nâng nhiệt °C/phút, nguội lò KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu lựa chọn nhiệt độ xử lý nhiệt Để lựa chọn nhiệt độ xử lý nhiệt, sản phẩm đệm khí cao áp sau gia cơng khí tiến hành ủ theo bước nêu mục 2.3 với nhiệt độ khác từ 300 °C đến 750 °C với thời gian 90 phút Kết xác định độ cứng Brinell mẫu trình bày hình Kết cho thấy, sau ủ nhiệt độ 300 °C 90 phút, độ cứng sản phẩm có giảm khơng đáng kể (từ 88,40 HB xuống 82,06 HB) Với nhiệt độ ủ cao (từ 450 °C), độ cứng sản phẩm bắt đầu giảm mạnh Tuy nhiên, để đạt trạng thái mềm theo yêu cầu sản phẩm đệm khí cao áp (độ cứng ≤ 45 HB) [8], nhiệt độ ủ phải từ 600 °C Hình Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến độ cứng sản phẩm đệm khí cao áp a) b) Hình Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến giới hạn bền (a) giới hạn chảy (b) mẫu phơi đồng M1 dạng trịn Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến số độ bền sản phẩm đệm khí cao áp xác định gián tiếp thông qua phôi thử kéo xử lý nhiệt chế độ Kết phép thử kéo phôi sau xử lý nhiệt độ khác thể hình Kết cho thấy, tăng nhiệt độ ủ, giới hạn bền giới hạn chảy mẫu thử kéo có Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 78, - 2022 121 Hóa học & Mơi trường xu hướng giảm Sau ủ nhiệt độ 300 °C 90 phút, giới hạn bền giới hạn chảy mẫu có giảm khơng đáng kể (giới hạn bền giảm từ 296 MPa xuống 280 MPa, giới hạn chảy giảm từ 291MPa xuống 176 MPa) Với nhiệt độ ủ cao hơn, số bền mẫu bắt đầu giảm mạnh Kết phù hợp với kết khảo sát độ cứng trước Tiến hành khảo sát tổ chức tế vi mẫu với nhiệt độ ủ khác thiết bị kính hiển vi quang học Kết thể hình a) Phôi ban đầu b) 300 °C c) 450 °C d) 600 °C e) 750 °C Hình Tổ chức tế vi sản phẩm đệm khí cao áp với nhiệt độ ủ khác Kết cho thấy, đồng M1 có tổ chức pha Với nhiệt độ ủ 300 °C, trình kết tinh lại xảy khơng hồn tồn, tổ chức tế vi mẫu ủ 300 °C quan sát thấy vùng có cấu trúc bị biến dạng, khơng khác biệt so với mẫu sản phẩm ban đầu Với nhiệt độ ủ 450 °C, trình kết tinh lại diễn mạnh, hạt tinh thể có cấu trúc song tinh Với nhiệt độ ủ 600 °C, kết tinh lại xảy hoàn toàn Với nhiệt độ ủ 750 °C, quan sát thấy phát triển hạt trình tích tụ diễn mạnh, hạt tinh thể đồng có kích thước lớn (trên 100 µm) Kết phù hợp với kết khảo sát tính trước Qua khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất tổ chức sản phẩm đệm khí cao áp chế tạo từ phơi đồng M1 dạng tròn, lựa chọn nhiệt độ ủ phù hợp 600 °C để tiến hành khảo sát 3.2 Nghiên cứu lựa chọn thời gian xử lý nhiệt Để lựa chọn thời gian xử lý nhiệt, sản phẩm đệm khí cao áp sau gia cơng khí tiến hành ủ theo bước nêu mục 2.3 với thời gian ủ thay đổi từ 30 phút đến 150 phút nhiệt độ 600 °C Kết xác định độ cứng Brinell mẫu trình bày hình Kết cho thấy, tiến hành ủ nhiệt độ 600 °C, thời gian ủ tăng dẫn đến độ cứng mẫu giảm Với thời gian ủ khoảng 30÷60 phút, độ cứng mẫu giảm mạnh (đạt giá trị 42,38 HB với thời gian ủ 60 phút) Tiếp tục tăng thời gian ủ lên 90 phút, độ cứng mẫu tiếp tục giảm chậm xuống 39,32 HB Với khoảng thời gian ủ 90÷150 phút, độ cứng mẫu gần không thay đổi Ảnh hưởng thời gian ủ đến số độ bền sản phẩm đệm khí cao áp xác định gián tiếp thông qua phôi thử kéo xử lý nhiệt chế độ Kết phép thử kéo phôi sau xử lý nhiệt với thời gian khác thể hình 122 Lê Viết Bình, “Nghiên cứu xử lý nhiệt đệm khí cao áp … phơi đồng M1 dạng trịn.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Ảnh hưởng thời gian ủ đến đến độ cứng sản phẩm đệm khí cao áp a) b) Hình Ảnh hưởng thời gian ủ đến giới hạn bền (a) giới hạn chảy (b) mẫu phơi đồng M1 dạng trịn Kết cho thấy, tăng thời gian ủ, giới hạn bền giới hạn chảy mẫu thử kéo có xu hướng giảm, phù hợp với kết khảo sát độ cứng trước a) 60 phút b) 90 phút c) 120 phút d) 150 phút Hình Tổ chức tế vi sản phẩm đệm khí cao áp với thời gian ủ khác Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 123 Hóa học & Mơi trường Kết khảo sát tổ chức tế vi mẫu với thời gian ủ khác thiết bị kính hiển vi quang học thể hình Kết cho thấy, với thời gian ủ 60 phút, quan sát thấy hạt tinh thể đồng đồng đều, với kích thước khong 20 ữ 50 àm Vi thi gian lên 90 phút, quan sát thấy phát triển hạt tinh thể đồng q trình tích tụ, giải thích lý độ cứng vật liệu giảm Khi tiếp tục tăng thời gian ủ, kích thước hạt tinh thể đồng có tăng khơng đáng kể Kết phù hợp với kết khảo sát tính vật liệu trước Thời gian ủ 60 phút nhiệt độ 600 °C lựa chọn để xử lý nhiệt sản phẩm đệm khí cao áp chế tạo từ phơi đồng M1 dạng trịn 3.3 Thử nghiệm độ bền phá hủy độ kín khít đệm khí cao áp sau xử lý nhiệt Sản phẩm đệm khí cao áp sau gia cơng chế tạo từ phơi đồng M1 dạng trịn phương pháp gia công cắt gọt xử lý nhiệt khảo sát độ bền phá hủy độ kín khít theo phương pháp thực trình bày mục 2.2 Số lần thực hiện: 03 cho phép đo Kết khảo sát trình bày bảng Kết cho thấy, sản phẩm đệm khí cao áp chế tạo từ phơi dạng trịn có độ bền phá hủy độ kín khít tốt Đệm khơng bị nứt vỡ nén áp suất 400 bar bàn tạo áp phút Khi nén áp suất 250 bar bàn tạo áp phút độ tụt áp