(TIỂU LUẬN) báo cáo THỰC HÀNH môn học công nghệ xử lí bề mặt

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 tên – MSV : Bùi Thành Long - 638554 Lớp : K63CKCTM Hà Nội – 2022 Buổi học Chủ đề học Công nghệ thấm nitơ xung Plasma làm tăng tính chịu mài mịn cho chi tiết máy +Các thông số quan trọng q trình phản ứng: Điện áp, mật độ dịng ion: Điện áp cao (khoảng vài trăm vôn) điều kiện đểplasma sinh buồng chân không khoảng anốt catốt Thời gian: Thời gian thông số quan trọng ảnh hưởng định tới chất lượng sản phẩm sau thấm Ở nhiệt độ định, thời gian khuếch tán dài chiều sâu lớp thấm tăng Quan hệ chúng tuân theo quy luật parabol theo công thức: δ=K √ 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 cao, chuyển động nhiệt nguyên tử mạnh tốc độ khuếch tán 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 khỏi vị trí bảng, T - Nhiệt độ thấm (Kenvin) Thành phần hỗn hợp khí: Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất lớp trắng lớp nitrit có thểđược điều chỉnh trình thấm nitơ - plasma -Thực tế: + Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ plasma số mẫu thí nghiệm Chọn thép với mác thép thông dụng chi tiết máy: thép cacbon thường, gang xám, 40X Mỗi loại vật liệu khác có 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 cặp bánh mác thép 20XΓT: Thông số công nghệ: STT Điện Kết quả: độ cứng trung bình sau thấm đạt 661,67HV 600 Kết ứng dụng -Kết quả: Sau khi nghiên cứu thực thành công số mẫu thép trục bơm dầu, nhóm đề tài tiến nghiên cứu số chi tiết máy khác như: nắp van hệ thống bơm dầu thủy lực, khuôn đúc máy công nghiệp, đạt kết tốt ứng dụng trực tiếp ngành công nghiệp khai thác mỏ, khai khống máy cơng trình (đào, xúc lật, ủi, ) - Một số chi tiết thực phịng thí nghiệm CN hàn xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí +Chi tiết khuôn đúc +Một số loại chi tiết hệ thống bơm thủy lực Công nghệ thấm nitơ thể khí Đặt vấn đề -Khn dập nóng làm việc phải chịu tải trọng, va đập, áp lực lớn thường xuyên chịu mài mòn tiếp xúc với phôi nhiệt độ cao Để đảm bảo khả làm việc, khn địi hỏi phải có độ bền cao, trì độ cứng định nhiệt độ làm việc thời gian dài bề mặt phải có khả chống mài mịn mạnh Tuy nhiên, phải chịuáp lực lớn va đập nên loại thép chế tạo khn dập nóng sau tơi thường ram nhiệt độ cao 500-550oC cao hơn, mà độ cứng khn saungun công thường đạt từ 42-48 HRC Với độ cứng này, khn khơng thể chịu mài mịn Do vậy, sau nhiệt luyện ram, khuôn thường thấm nitơ (N) thể khí để tạo lớp thấm có chiều dày định với độ cứng cao, chịu mài mịn tốt, khn khơng bị biến dạng nhiệt độ thấm nhỏ nhiệt độ ram Hơn nữa, sau thờigian làm việc, khn dập nóng phải đem thấm lại nhằm phục hồi lớp thấm N để khn làm việc -Trong cơng nghệ thấm nitơ thể khí, NH3 sử dụng nguồn cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính hiệu Tuy nhiên, hình thành lớp thấm đạt điều kiện nhiệt động học định thỏa mãn, đảm bảo mức độ tiếp nhận, khuếch tán nitơ vào bề mặt thép đủ lớn, khả cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính từ mơi trường phải trì ổn định mức độ Do đó, để cải thiện nâng cao hiệu q trình cơng nghệ, cần phải tiến hành tính tốn nhiệt động học, làm sở để xác lập xác điều khiển mối quan hệ thấm nitơ với nồng độ nitơ khuếch tán vào bề mặt thép, nói cách khác cố gắng đạt tới hệ số truyền chất cao trình thấm Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí - Thấm nitơ thể khí phương pháp thấm thơng dụng Chất thấm thường amoniac (NH3) lưu thông liên tục bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ nguyên tử cho q trình thấm tạo mơi trường thấm - Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 450 6000C, NH3 phân hủy theo phản ứng: 2NH3 3H2 + 2[N] +Trong [N] Nitơ ngun tử hoạt tính +Nitơ ngun tử hoạt tính sinh khuếch tán vào bề mặt thép tạo nên lớp thấm Quá trình sơ đồ hóa +Tại lớp hấp phụ xẩy 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 vào bề mặt thép mà lớp thấm tồn pha khác dựa giản đồ pha Fe-N sau Trên giản đồ pha Fe-N, thấy giới hạn hòa tan nitơ nguyên tử sắt phụ thuộc vào nhiệt độ Tại vùng nhiệt độ thấm thường áp dụng, để điều khiển lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép, thấm nitơ (K n) sử dụng công cụ để điều khiển lượng nitơ khuếch tán vào mạng tinh thể sắt dựa giản đồ Lehrer - Giản đồ Lehrer cho thấy, ứng với nhiệt độ thấm định, thấm nitơ thay đổi định tổ chức pha nhận sắt Tính chất lớp bề mặt nhận khác phụ thuộc vào xuất pha lớp thấm mô tả hình Qua thấy rằng, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng lớp bề mặt chi tiết điều kiện làm việc cụ thể (chịu mài mòn, chịu ma sát, chịu ăn mịn…) mà có điều chỉnh thấm nitơ (K n) cách thích hợp để nhận lớp thấm có cấu trúc tính chất mong muốn - Việc sử dụng nitơ để điều khiển tổ chức lớp bề mặt nhiệt độ thấm xác định công bố nhiều cơng trình nghiên cứu giới Các kết cho thấy việc tăng thấm (Kn) làm tăng nồng độ nitơ nguyên tử hấp thụ khuếch tán vào lớp bề mặt, dẫn đến hình thành tổ chức pha khác hàm lượng nitơ nguyên tử hòa tan đạt tới giới hạn - Hiện tồn bất cập dự đoán thành phần lớp thấm thép dựa vào mơ hình thấm nitơ cho sắt mơ tả hình Với mơ hình này, vùng đơn pha tồn nơi lớp trắng liên tục hình thành Động học trình phát triển lớp mơ tả dạng dịch chuyển bề mặt phân giới hình sau: - Trên thực tế, hình cho thấy cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí thường gặp bao gồm vùng đơn pha đa pha Căn vào mục đích sử dụng, ta cố ý tạo lớp thấm đơn lớp hay đa lớp, đơn pha hay đa pha ưu tiên phát triển pha nào,.v.v… Nhìn chung, lớp thấm thường chia thành vùng Vùng thường biết đến với tên gọi lớp trắng, vùng có nồng độ nitơ cao cấu trúc pha nhận nitơrit sắt Trong thấm nitơ thể khí, lớp trắng hình thành, thép có khả thụ động hóa, chống ăn mịn tốt, ngồi lớp trắng cịn có cấu trúc rỗ xốp, với mật độ lớn, thích hợp cho ứng dụng bơi trơn chống ma sát Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến hình thành lớp thấm -Ảnh hưởng nhiệt độ: Một ưu điểm bật thấm nitơ so với công nghệ khác sử dụng nhiệt độ thấm thấp, qua bảo tồn tính chất vật liệu nền, ngồi cịn giảm thiểu đáng kể tác động bất lợi đến độ bền mỏi chi tiết Tuy nhiên, cường độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo quy luật Arrhenius nên thấm nhiệt độ thấp yêu cầu thời gian thấm phải kéo dài, đồng thời chiều sâu lớp thấm đạt hạn chế so với công nghệ khác Kết luận - Với phương pháp xử lý này, vật liệu xử lý không cần thiết phải thép chứa nhiều ni tơ, phương pháp đối ứng với nhiều chủng loại thép từ thép bon thấp, thép hợp kim, thép đúc, thép nung (tuy nhiên, không đối ứng với vật liệu thép khơng gỉ) - Ngồi ra, xử lý nhiệt độ mức nhiệt độ làm thay đổi hình dạng sản phẩm, nên 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) lớp chiều sâu thấm hình thành mật thiết hơn, ngoại quan đẹp Khái niệm phun phủ nhiệt đặc điểm lớp phủ nhiệt thực -Phun phủ nhiệt phương pháp công nghệ sử dụng để phục hồi tái tạo lớp vật liệu kim loại/ phi kim loại bề mặt khác chi tiết Cơ chế phương pháp nung nóng phần hay tồn vật liệu rắn dạng bột, dây, hay lõi thuốc dòng vật chất lượng cao (dịng khí chất dịng plasma) Vật liệu phân tán thành hạt dạng sương mù nhỏ tăng tốc để đẩy hạt đến bề mặt cần phủ chuẩn bị sẵn -Tất phương pháp phun nhiệt liên quan đến việc phóng thích hạt vật liệu xử lí lên bề mặt chi tiết cần phủ làm chuẩn bị để chúng bám vào, tạo thành lớp phủ liên tục Với đặc điểm hình thành vậy, lớp phủ có cấu trúc dạng lớp Trong đó, phần tử vật liệu bị biến dạng xếp chồng lên Tại bề mặt tiếp xúc phần tử với chi tiết bề mặt tiếp xúc phần tử xảy trình liên kết bền vững tạo nên cấu trúc lớp phủ Công nghệ phun phủ -Phun phủ nhiệt cung cấp lớp phủ có độ dày xấp xỉ từ 20 micromet đến vài milimet tùy thuộc vào quy trình ngun liệu Và thi công nhiều độ dày khác nhau, thường 100 – 750 micron Các bề mặt vật liệu phun phủ nhiệt kể đến kim loại thép, hợp kim, gốm sứ, nhựa vật liệu tổng hợp Chất lượng lớp phủ thường đánh giá cách đo độ xốp, hàm lượng oxit, độ cứng vĩ mô vi mô, độ bền liên kết độ nhám bề mặt Quy trình sử dụng để áp dụng lớp phủ cho nhiều loại vật liệu thành phần khác nhau, nhằm cung cấp khả chống mài mòn, ăn mòn, xâm thực… Phun phủ nhiệt sử dụng để cung cấp độ dẫn điện cách điện, bôi trơn, ma sát cao thấp, mài mịn hy sinh, kháng hóa chất nhiều đặc tính bề mặt mong muốn khác Phân loại phương pháp phun phủ nhiệt áp dụng rộng rãi - Phương pháp phun lửa khí cháy (Flame Spray) Phun phủ lửa khí cháy xem phương pháp phun phủ nhiệt áp dụng rộng rãi ngành công nghiệp khác 100 năm qua Trong phun lửa chia thành loại phổ biến phun dây phun bột Q trình phun lửa khí cháy sử dụng lửa oxy- acetylene Nhiệt từ lửa làm nóng chảy vật liệu phủ khí nén đẩy chúng lên bề mặt vật liệu cần phủ Quy trình dạng khác “quá trình lạnh – cold process” nhiệt độ hoạt động tương đối thấp suốt trình - Phương pháp phun hồ điện hồ quang (Arc Spray) Phương pháp phun hồ quang điện ứng dụng phổ biến hiệu chi phí tiết kiệm thời gian thi cơng Với phương pháp này, hồ quang hình thành tiếp xúc hai dây kim loại trái dấu, thường có thành phần Điều dẫn đến tượng nóng chảy đầu vật liệu làm dây Khơng khí ngun tử hóa vật liệu phun nóng chảy tăng tốc lên bề mặt Tốc độ phun điều chỉnh cách điều chỉnh nguồn cấp dây bị nóng chảy Lớp phủ phương pháp phun hồ quang cung cấp độ bền liên kết cao, nhiệt độ bề mặt thấp tỷ lệ bao phủ cao nên thích hợp cho vùng vật liệu phủ có kích thước lớn Các ứng dụng phổ biến cho phương pháp kể đến chống mài mịn, chống ăn mòn, sửa chữa thành phần chống sờn rách Hệ thống có tính động cao nên thích hợp để ứng dụng xử lý chỗ, cục kết cấu lớn chi tiết phức tạp - Phương pháp HVOF (Phun Oxy- nhiên liệu vận tốc cao) HVOF (High velocity oxy fuel) trình phun phủ áp dụng cho bề mặt vật liệu cần lớp phủ dày độ bám dính cao với chế đẩy bột vật liệu dạng bán nóng chảy vận tốc siêu âm lên bề mặt vật liệu cần phủ Nhiên liệu (hydro/ dầu hỏa) trộn với oxy đốt cháy buồng đốt, khí cháy tăng tốc buồng phun thơng qua vịi phun Điều tạo gia tốc lớn giúp tăng tốc độ hạt hỗn hợp Kết tạo nên lớp phủ đặc biệt mỏng phân phối đồng bề mặt có độ liên kết học cao với thành phần bề mặt, khả bám dính tốt - Phương pháp phun Plasma (Plasma Spray) Quá trình phun phủ plasma bao gồm việc phun bột dạng nóng chảy bán nóng chảy lên bề mặt vật liệu để tạo lớp phủ Vật liệu phủ bơm dạng bột vào lửa plasma nhiệt độ cao, tác nhân nhiệt khí mang, vật liệu nhanh chóng đẩy lên bề mặt thiết bị cần phủ Các lớp phủ phun plasma dày vài micromet đến vài milimet Các lớp phủ phun plasma thường sử dụng nhiệt độ cao vận tốc thấp (so với HVOF) cho phép áp dụng cho nhiều bề mặt phủ khác nhau, kể gốm sứ Các ứng dụng phổ biến đánh giá ưu – nhược điểm - Ứng dụng phun phủ nhiệt + Các lớp phủ phun nhiệt sử dụng rộng rãi việc ngăn chặn ăn mòn nhiều loại vật liệu, đặc biệt khả chống mài mòn cao Các lớp phủ phun nhiệt sử dụng cho bề mặt chi tiết hoạt động môi trường khắc nghiệt biển, môi trường nhiều sương muối độ ẩm cao… với tác dụng tăng cường khả kháng mài mòn, ăn mịn hóa chất mơi trường + Phun nhiệt phương pháp công nghiệp ứng dụng để phục hồi, cải tạo tái thiết kế bề mặt phận kim loại Đặc biệt phận quay chuyển động nhiều loại máy móc, bao gồm phương tiện giao thơng đường đường sắt, tàu thủy, máy bay, máy bơm, van, máy in, động điện, máy làm giấy, nhà máy hóa chất, máy thực phẩm, máy móc khai thác tài nguyên, máy xúc đất, máy phát điện sửa chữa tuabin hàng khơng vũ trụ + Ngồi phun phủ nhiệt ứng dụng để gia tăng độ cứng, khả chịu nhiệt thiết bị thường xuyên bị mài mòn ống lò hơi, vách lò nhà máy than điện, lò nung nhà máy giấy, hóa chất Sử dụng để phủ chống mài mịn cho trục vít, trục quay, phun lên vòi phun, cánh vỏ tuabin để phục hồi chi tiết bị mài mòn - Ưu điểm phương pháp phun phủ nhiệt +Tạo lớp phủ phun nhiệt sử dụng nhiều cơng trình với quy mô lớn nhỏ khác + Tuổi thọ lâu dài: Một số ứng dụng đánh giá có thời gian sử dụng 50 năm + Chi phí vịng đời cao hơn: phương pháp giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị giảm bảo trì tạm thời hiệu + Tính động cao dễ dàng điều khiển tự động nên phù hợp cho việc xử lý chỗ, cục kết cấu lớn chi tiết phức tạp + Dễ dàng thi công điều kiện thời tiết lạnh: Không giống hầu hết hệ thống sơn phủ, phun phủ nhiệt bề mặt kim loại áp dụng nhiệt độ + Độ dày lớp phủ kiểm soát dễ dàng: Kết hợp lựa chọn lớp phủ tối ưu với ứng dụng kỹ thuật đại, độ dày lớp phủ kiểm sốt xác để đảm bảo đạt độ lắng tối ưu + Áp dụng với bề mặt có hình dạng phức tạp: Ngay thành phần có bề mặt hình dạng phức tạp phủ cách hiệu cách sử dụng ứng dụng thao tác rô bốt lớp phủ phun nhiệt -Nhược điểm phương pháp phun phủ nhiệt Bên cạnh ưu điểm trên, phương pháp phun phủ nhiệt số nhược điểm cần khắc phục: + Chi phí ban đầu cao yêu cầu kỹ thuật công nghệ + Yêu cầu mức độ chuẩn bị bề mặt cao yêu cầu loại bỏ khuyết tật bề mặt khác để đạt hiệu tốt + Địi hỏi trình độ tay nghề cơng nhân kỹ thuật cao có kinh nghiệm, điều kiện làm việc nặng nhọc, độc hại + Tổn thất vật liệu phun nhiều 10 ... đẩy hạt đến bề mặt cần phủ chuẩn bị sẵn -Tất phương pháp phun nhiệt liên quan đến việc phóng thích hạt vật liệu xử lí lên bề mặt chi tiết cần phủ làm chuẩn bị để chúng bám vào, tạo thành lớp phủ... đúc máy công nghiệp, đạt kết tốt ứng dụng trực tiếp ngành công nghiệp khai thác mỏ, khai khống máy cơng trình (đào, xúc lật, ủi, ) - Một số chi tiết thực phịng thí nghiệm CN hàn xử lý bề mặt –... máy Tiến hành thí nghiệm cặp bánh mác thép 20XΓT: Thông số công nghệ: STT Điện Kết quả: độ cứng trung bình sau thấm đạt 661,67HV 600 Kết ứng dụng -Kết quả: Sau khi nghiên cứu thực thành công số