THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THIÊU KẾT KIM LOẠI DẠNG BỘT DESIGNING AND MANUFACTURING A METAL POWDER SINTERING MACHINE

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 9, 2021 49 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THIÊU KẾT KIM LOẠI DẠNG BỘT DESIGNING AND MANUFACTURING A METAL POWDER SINTERING MACHINE Tào Quang Bảng1*, Nguyễn Lê Hưng1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tác giả liên hệ: tqbang@dut.udn.vn (Nhận bài: 19/4/2021; Chấp nhận đăng: 23/6/2021) * Tóm tắt - Ngày nay, cơng nghệ luyện kim bột ứng dụng rộng rãi giới để chế tạo chi tiết máy có biên dạng phức tạp, độ cứng cao chịu nhiệt độ làm việc khắc nghiệt nhiều ngành công nghiệp khác Bài báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy thiêu kết kim loại dạng bột nhằm ứng dụng chế tạo chi tiết máy có kích thước vừa nhỏ Q trình ép định hình tạo biên dạng kích thước chi tiết theo yêu cầu thiết kế, đồng thời giúp cho chi tiết có độ bền cần thiết đảm bảo giữ nguyên hình dạng trình thiêu kết Máy chế tạo ứng dụng việc chế tạo chi tiết khí từ kim loại bột bánh răng, bạc lót… Việc chế tạo thành cơng máy nắm rõ quy trình chế tạo chi tiết từ kim loại dạng bột giúp làm chủ trình nghiên cứu, chế tạo chi tiết Abstract - Nowadays, Powder metallurgy technology has been widely applied in the world to manufacture machine parts which have complex profiles, high hardness, and withstand harsh working temperatures in many different industries This paper presents the process of researching, designing, and manufacturing a powder metal sintering machine for application in manufacturing small and medium sized machine parts The molding process is to create the profile and size of the part according to the design requirements, and at the same time help the part have the necessary strength to keep the shape during the sintering process The fabrication machine can be applied in manufacturing mechanical parts from powdered metal such as gears, bearings, etc The successful manufacture of this machine as well as understanding the detailed manufacturing process from powdered metal helps master the research and manufacturing process in detail Từ khóa - Máy thiêu kết kim loại dạng bột; Luyện kim bột; Bột kim loại; Thiêu kết; Chế tạo Key words - Metal powder sintering machine; Powder Metallurgy; Metal powder; Sintering; Processing Đặt vấn đề Lĩnh vực luyện kim bột đại có niên đại đầu kỷ XIX, có quan tâm đến kim loại bạch kim Năm 1815, William Wollaston phát triển kỹ thuật để chuẩn bị bột bạch kim, nén chúng áp suất cao, thiêu kết chúng nhiệt độ nóng chảy [1, 2] Hiện nay, với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật cách mạng công nghiệp 4.0 yêu cầu chi tiết, thiết bị máy móc ngày xác, tinh xảo đồng thời đòi hỏi phương pháp chế tạo bắt kịp xu hướng mà phương pháp chế tạo vật liệu truyền thống chưa đáp ứng gặp nhiều khó khăn để chế tạo Sự phát triển công nghệ luyện kim sử dụng vật liệu bột cơng nghệ góp phần đáp ứng yêu cầu đặt Khác với phương pháp truyền thống nấu chảy hỗn hợp kim loại đổ vào khuôn đúc từ vật liệu dạng thanh, thỏi kim loại hợp kim kết hợp với chất phụ gia khác, vật liệu kim loại bột chế tạo sở phương pháp luyện kim bột, điểm khác biệt phương pháp so với phương pháp nấu đúc truyền thống khơng có trình nấu chảy kim loại hợp kim, mà hỗn hợp bột kim loại sau ép tạo hình thành chi tiết có hình dạng, kích thước khối lượng định Các chi tiết tạo hình sau nung tới nhiệt độ thấp nhiệt độ nóng chảy cấu tử để tăng độ bền liên kết phần tử bột Quá trình nung gọi thiêu kết [3, 4] Sau trình thiêu kết, chi tiết gia cơng khí làm nguội để đạt kích thước yêu cầu kĩ thuật đề Luyện kim bột áp dụng ngày rộng rãi ngành kỹ thuật chế tạo Công nghệ luyện kim bột ứng dụng ngày rộng rãi giới để chế tạo chi tiết máy có yêu cầu kỹ thuật phức tạp, có độ cứng cao chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt thí dụ ngành cơng nghiệp hạt nhân, vũ trụ Tuy nhiên, nước ta ngành công nghiệp luyện kim loại bột hình thành phát triển mức thấp Rất nhiều chi tiết, vật liệu chế tạo theo phương pháp kim loại bột phải đặt mua từ nước ngồi với giá thành đắt khơng chủ động thời gian giao nhận Đây lĩnh vực cần trọng đầu tư phát triển có nhiều tiềm triển vọng tương lai Để chế tạo sản phẩm từ phương pháp thiêu kết, việc chế tạo máy thiêu kết đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên, Việt Nam, máy thiêu kết kim loại bột đa số nhập từ nước với giá thành đắt không chủ động việc làm chủ công nghệ Nhận thấy điều đó, tác giả tiến hành nghiên cứu để thiết kế chế tạo thành công máy thiêu kết kim loại dạng bột, đưa vào chạy thử nghiệm từ chế tạo sản phẩm mong muốn Trong tương lai phát triển tối ưu hóa thiết kế để đưa vào sản xuất thực tế, sử dụng nhà máy với quy mô lớn Đồng thời tìm hiểu kết hợp với loại máy khác để tạo sản phẩm đa dạng thực tế Nội dung 2.1 Thiêu kết kim loại bột 2.1.1 Các trình xảy thiêu kết Thiêu kết bao gồm hai q trình chính: Kết tinh lại khuếch tán nguyên tử The University of Danang – University of Science and Technology (Tao Quang Bang, Nguyen Le Hung) Tào Quang Bảng, Nguyễn Lê Hưng 50 Quá trình kết tinh lại xảy tương tự kim loại bị biến dạng dẻo tạo hạt tinh thể Lưu ý yếu tố ảnh hưởng tới tính chi tiết thời gian nhiệt độ thiêu kết Thiêu kết khoảng thời gian dài nhiệt độ cao vượt ngưỡng thiêu kết xảy tượng hạt tinh thể phát triển kích thước làm phá vỡ cấu trúc liên kết dẫn đến giảm tính vật liệu [5, 6] Sự kết tinh lại với sinh trưởng phát triển hạt tinh thể xem phần q trình khuếch tán Ở nói thêm tới kết hợp nguyên tử khác để tạo thành dung dịch rắn pha liên kim loại Trong hỗn hợp bột kim loại có nhiều cấu trúc phân tử, thơng qua q trình khuếch tán hạt kim loại di chuyển hỗn độn xen kẽ, khơng hồ tan vào Tuy nhiên, chúng hoà tan vào tạo thành dung dịch rắn hạt kim loại khó nóng chảy nằm phân tán mảng gồm tổ hợp hạt có tính chất tương tự 2.1.3 Nhiệt độ thiêu kết Trong công nghệ chế tạo chi tiết vật liệu kim loại bột nhiệt độ thiêu kết đóng vai trị thiếu yếu Tính tốn lựa chọn nhiệt độ thiêu kết phải bảo đảm yêu cầu đồng thời hai trình kết tinh lại khuếch tán xảy điều kiện thuận lợi để vật liệu có cơ, lý, hố tính cần thiết Nhiệt độ thiêu kết cao ngưỡng thiêu kết làm hạt tinh thể phát triển lớn mặt cấu trúc dẫn đến tính vật liệu thấp Bên cạnh đó, nhiệt độ thiêu kết thấp làm q trình kết tinh xảy chậm thời gian thiêu kết phải dài Thơng qua thí nghiệm thực tiễn, thơng thường lựa chọn nhiệt độ thiêu kết (2/3÷3/4) nhiệt độ nóng chảy bột kim loại [4-6] 2.1.4 Thời gian thiêu kết Thời gian thiêu kết thông số quan trọng ảnh hưởng tới mật độ hạt tinh thể vật liệu kim loại bột Thời gian thiêu kết ngắn, trình kết tinh khuếch tán hạt tinh thể xảy chưa đạt hiệu suất cao nhất, làm cho vật liệu không đồng cấu trúc dẫn đến chi tiết chưa đủ bền Thời gian thiêu kết dài ảnh hưởng đến kích thước hạt tinh thể, kích thước hạt lớn, phá vỡ cấu trúc giảm độ bền Thời gian nung nóng thiêu kết phụ thuộc vào khối lượng, chế độ truyền nhiệt cách xếp vật liệu mẻ nung Thời gian giữ nhiệt thiêu kết phụ thuộc vào kích thước hạt kim loại bột sử dụng thiêu kết chi tiết, thơng thường chọn từ 1÷3 (Hình Hình 4) Hình Sự tiến hóa mật độ tương đối trình thiêu kết [2] 2.1.2 Vật liệu dùng để thiêu kết Kim loại bột chọn thử nghiệm cho phương pháp thiêu kết nghiên cứu hạt Bạc nano sản xuất từ công nghệ NBE Tech [1], với thông số sau: - Bạc hạt nano mật độ: 10,5 g/cm3; - Bạc hạt nano độ tinh khiết: 99,99%; - Bạc hạt nano APS: 30-50 nm; - Bạc hạt nano SSA: ~ 16-20 m2/G; - Bạc hạt nano màu sắc: Đen; - Bạc hạt nano hình thái học: Hình cầu; - Phụ gia: Chất kết dinh, chất phân tán, chất pha lỗng Hình Chu kỳ xử lý nhiệt trình thiêu kết Hình Tỉ lệ thời gian, nhiệt độ dụng cho trình thiêu kết lần 2.1.5 Áp suất thiêu kết Động học thiêu kết điều chỉnh định luật Herring [7]: Hai bột kim loại có kích thước hạt tương ứng r r2 đạt trạng thái thiêu kết thời gian tương ứng t1 t2 có mối quan hệ theo cơng thức sau: Hình Bạc hạt nano 𝑟 𝑚 ( 1) = 𝑟2 𝑡2 𝑡1 (1) Trong đó, m số có giá trị (2-4), định nghĩa ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 9, 2021 chế dịch chuyển xảy trình thiêu kết (khuếch tán thể tích, khuếch tán bề mặt…) Rõ ràng từ cơng thức (1) hạt có kích thước nhỏ thiêu kết nhanh nhiều so với hạt có kích thước lớn Điều cho phép giảm nhiệt độ thiêu kết áp suất cần thiết Trong trường hợp đặc biệt hạt có đường kính vài nanometers phản ứng mạnh đến mức chúng thiêu kết nhiệt độ phịng mà khơng cần áp dụng áp suất Các loại bột mịn dựa hạt nano có sẵn từ số nhà sản xuất: NBETech, Cookson (Argomax) Henkel (SSP2000) Tất loại bột mịn thiết kế để thiêu kết nhiệt độ 250-300°C với áp suất thấp (