Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoân khai thác đá

Bộ công thơng Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản việt nam viện cơ khí năng lợng và mỏ - tkv báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá 6779 12/4/2008 Hà Nội 2.2008 2 Bộ công thơng Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản việt nam viện cơ khí năng lợng và mỏ - tkv báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thơng Cơ quan chủ trì: Viện Cơ khí Năng lợng và Mỏ TKV Chủ nhiệm đề tài: Th.s Bạch Đông Phong Chủ nhiệm đề tài Duyệt viện Bạch Đông Phong Hà Nội 2.2008 3 Danh sách cơ quan phối hợp: Stt Tên cơ quan Nội dung thực hiện, phối hợp 1 Viện Cơ khí Năng lợng và Mỏ TKV Chủ trì, thực hiện 2 Hãng Sectaram Pháp Cung cấp tài liệu và mẫu chuẩn 3 Hãng Brucker - Đức Cung cấp tài liệu và mẫu chuẩn Danh sách ngời thực hiện Stt Họ và tên Học vị Chức vụ Nơi công tác 1 Bạch Đông Phong Thạc sỹ T.Phòng- Chủ nhiệm đề tài Viện CKNL và Mỏ - TKV 2 Lê Thanh Bình Kỹ s Nghiên cứu viên- Thực hiện chính. Viện CKNL và Mỏ - TKV 3 Nguyễn Thu Hiền Kỹ s P.Phòng Nghiên cứu viên Viện CKNL và Mỏ - TKV 4 Trần Thị Mai Kỹ s Nghiên cứu viên Viện CKNL và Mỏ - TKV 5 Vũ Chí Cao Kỹ s Nghiên cứu viên Viện CKNL và Mỏ - TKV 6 Nguyễn Văn Sáng Kỹ s Nghiên cứu viên Viện CKNL và Mỏ - TKV 4 Bảng chú giải các chữ viết tắt, ký hiệu, đơn vị đo, từ ngắn và thuật ngữ: DTA: Diffirential Thermal Analysis: Phân tích sai khác nhiệt vi sai. TG: Thermal Gross: Nhiệt khối lợng. DTG: Derivative Thermogravimetry: Tốc độ giảm khối lợng. 5 lời nói đầu 7 Chơng 1: tổng quan 9 I.1. Khái quát về luyện kim bột 9 I.II. Quy trình công nghệ chung của luyện kim bột 11 I.II. Quy trình công nghệ chung của luyện kim bột 11 I.3. Hợp kim cứng BK, TK và phơng pháp chế tạo 12 I.3.1 Khái quát về hợp kim cứng hệ BK, TK 12 I.3.2. Các bớc chế tạo hợp kim cứng hệ BK, TK 14 Chơng 2: cơ sở lý thuyết phơng pháp thực nghiệm 17 II.1. Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG - Dta 17 II.1.1. Quá trình phát triển 17 II.1.2. Những nguyên tắc cơ bản 18 II.1.3. Mục đích của phân tích nhiệt 19 II.1.4. Kỹ thuật đờng cong nhiệt vi sai DTA 19 II.1.5. Phơng pháp phân tích nhiệt khối lợng (TG, DTG) 21 II.1.6. Những yếu tố ảnh hởng đến đờng cong nhiệt 22 II.1.7. Cách đọc và xác định đờng cong nhiệt DTA, TG, DTG 23 II.2. Thử mài mòn và ma sát 26 II.2.1. Sơ lợc về ma sát 26 II.2.2. Cơ chế mài mòn của các bề mặt kim loại 27 II.3. Đo độ cứng 27 II.3.1. Sơ lợc về độ cứng 27 II.3.2. Các phơng pháp đo độ cứng 28 II.4. Nghiên cứu tổ chức tế vi 28 II.5. Phân tích Rơnghen 29 II.5.1. Cơ sở lý thuyết 29 II.5.2. Bản chất của tia X 29 II.5.3. Sự tơng tác của tia X với vật chất 30 Chơng 3: Thực nghiệm và thảo luận 32 III.1. Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG DTA - DSC 32 III.1.1. Thiết bị sử dụng 32 III.1.2. Quy trình chuẩn bị và phân tích 32 6 III.1.3. Các kết quả phân tích 38 III.1.4. Nhận xét 43 III.2. Đo độ mài mòn và hệ số ma sát 44 III.2.1. Thiết bị 44 III.2.2. Chuẩn bị mẫu 44 III.2.3. Các bớc tiến hành thử nghiệm 44 III.2.4. Kết quả đo mài mòn và hệ số ma sát 45 III.4. Đo độ cứng 46 III.3.1. Thiết bị 46 III.3.2. Chuẩn bị mẫu 46 III.3.3. Các bớc tiến hành thử nghiệm 46 III.3.4. Kết quả đo độ cứng trên các mẫu hợp kim cứng 46 III.3.5. Nhận xét 47 III.4. Nghiên cứu tổ chức tế vi 48 III.4.1. Thiết bị thử nghiệm 48 III.4.2. Quy trình phân tích ảnh tổ chức tế vi tại nhiệt độ phòng 48 III.4.3. Quy trình quan sát và chụp ảnh tổ chức tế vi tại nhiệt độ cao 50 III.4.4. ứng dụng nghiên cứu tổ chức tế vi 51 III.5. Phân tích cấu trúc pha bằng nhiễu xạ tia X 56 III.5.1. Thiết bị sử dụng 56 III.5.2. Quy trình chuẩn bị 56 III.5.3. Phân tích cấu trúc 65 III.5.4. Xử lý kết quả 66 III.5.5. Giản đổ nhiễu xạ Rơnghen của một số mẫu hợp kim cứng 66 Kết luận và kiến nghị 70 Tài liệu tham khảo 71 Phụ LụC 72 7 Lời nói đầu ở nớc ta, việc nghiên cứu chế tạo, phục hồi hệ hợp kim cứng BK, TK đã đợc thực hiện từ lâu, song để nghiên cứu hệ hợp kim này trong các điều kiện nhiệt độ cao và trong điều kiện làm việc cụ thể thì hiện rất ít đơn vị thực hiện, do quá trình nghiên cứu cần các thiết bị rất hiện đại và đắt tiền, đồng thời các dụng cụ phục vụ thí nghiệm rất chóng hỏng. Hơn nữa, việc khảo sát đánh giá thực nghiệm ở một trình độ khá hiện đại mà thời sinh viên ít hoặc cha từng đợc tiếp cận. Năm 2005, Viện Cơ khí Năng lợng và Mỏ - TKV đợc trang bị thiết bị phân tích nhiệt chuyển biến pha TG DTA DSC, thiết bị này cho phép phân tích chuyển biến pha và khối lợng theo nhiệt độ. Nhằm từng bớc nâng cao chất lợng đánh giá, phân tích các số liệu thực nghiệm ở điều kiện nhiệt độ cao của một số loại vật liệu, trong đó có hợp kim cứng, cho một số đơn vị trong và ngoài nớc, Viện đã đề xuất đề tài: Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá. Nội dung nghiên cứu của đề tài là: - Khảo sát sản phẩm hệ BK, TK với các thành phần hợp kim khác nhau; - Khảo sát nhiệt độ làm việc của hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng các phơng pháp thử nghiệm sau: + Phân tích pha định tính, định lợng ở nhiệt độ cao; + Nghiên cứu chuyển biến pha theo nhiệt độ bằng hệ máy phân tích nhiệt TG DTA- DSC; + Nghiên cứu tổ chức ảnh kim tơng ở độ phóng đại đến 1000 lần từ nhiệt độ môi trờng đến 1200 0 C; + Xác định hệ số ma sát và cờng độ mòn của mẫu với thành phần hợp kim khác nhau; + Xác định độ bền nén với thành phần hợp kim khác nhau; + Xác định độ cứng với thành phần hợp kim khác nhau. Kết quả của đề tài còn đạt đợc mục tiêu dịch toàn bộ hớng dẫn sử dụng, tài liệu kỹ thuật của thiết bị sang tiếng Việt; tự đào tạo và nâng cao trình độ cho CBCNV của Phòng thí nghiệm; đa thiết bị vào vận hành sử dụng tốt, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu chuyển biến pha, khối lợng của vật liệu ở nhiệt độ cao với kết quả chính xác và đáng tin cậy, khẳng định khả năng làm việc và tính chính xác của thiết bị nói trên. Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở nâng cao sự tín nhiệm của các 8 cơ sở nghiên cứu KHKT trong nớc và cũng nh tự đào tạo đợc nguồn nhân lực hiểu biết trong công tác nghiên cứu, thí nghiệm kiểm tra cho Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao. Với thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nội dung báo cáo cha thể hiện hết tất cả những mong muốn của nhóm nghiên cứu, rất mong nhận đợc sự đóng góp ý kiến của các quí vị. 9 Chơng 1: tổng quan I.1. Khái quát về luyện kim bột : Vật liệu bột là một lĩnh vực rộng, ở đây chỉ hạn chế chủ yếu trong phạm vi vật liệu trên cơ sở các kim loại và hợp kim bột, tức thuộc lĩnh vực luyện kim bột. Khác với các phơng pháp luyện kim thông thờng là chế tạo kim loại và hợp kim bằng cách nấu chẩy rồi qua kết tinh trong khuôn để tạo hình, công nghệ luyện kim bột sử dụng bột kim loại nh nguyên liệu ban đầu rồi qua ép và thiêu kết để tạo hình nh mong muốn. Nh vậy muốn có một sản phẩm từ bột, nói chung phải qua các bớc chính sau: Chế tạo bột Tạo hình Thiêu kết Sản phẩm - Chế tạo bột với độ hạt và độ sạch thích hợp (nguyên liệu dạng bột); - Tạo hình bằng cách ép hỗn hợp bột trong khuôn dới áp suất thích hợp (gọi là bột ép); - Định hình kết thúc bằng cách sấy và nung (thiêu kết) ở nhiệt độ thích hợp (thờng là thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính). Luyện kim bột đợc áp dụng trong thực tế cuộc sống loài ngời từ rất sớm, trớc cả luyện kim trong lò cao. Tuy nhiên, những vật liệu trên cơ sở kim loại và hợp kim bột thì mới đợc phát triển trong vòng khoảng 80 năm trở lại đây, do bột kim loại và hợp kim không có sẵn trong thiên nhiên (nh đất sét để làm đồ gốm), mà phải qua chế tạo rất công phu, đòi hỏi kỹ thuật cao về mặt trang thiết bị (sản xuất cũng nh kiểm tra chất lợng), vốn đầu t ban đầu lớn Bớc đầu luyện kim bột đợc áp dụng với kim loại khó hoà tan nh : Pb, Pt, W sau đó áp dụng đối với các vật liệu khác nh : hợp kim cứng, vật liệu compozit. Ngày nay kỹ thuật luyện kim bột đã phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực: 1. Sản xuất các dụng cụ từ hợp kim cứng, bền nhiệt: WC, Ti, Ta và kim cơng nhân tạo để chế tạo dụng cụ cắt gọt: dao tiện, dao phay, mũi khoan 2. Sản xuất các vật liệu đặc biệt, vật liệu tổ hợp của các kim loại, ôxyt kim loại và phi kim loại để chế tạo các sản phẩm chịu nhiệt đến 1000C nh : cánh tuốc bin, vật liệu gốm, vật liệu từ 3. Sản xuất vật liệu ma sát và chống ma sát, vật liệu xốp có chứa dầu nh: bạc xốp, má phanh, xéc măng 4. Sản xuất các chi tiết máy (gia công không phoi). 10 Bảng 1.1: Những loại vật liệu có thể chế tạo bằng phơng pháp luyện kim bột. Loại vật liệu Các cấu tử chính Vật liệu kết cấu (Chi tiết máy) Fe, Fe-Cu, Fe-Ni-Cu, Fe-P Fe-C, Fe-Cu-C, Fe-Ni-Cu-Mo-C Thép không gỉ, Brông, Latông Ti, Al-Cu. Hợp kim đặc biệt: - Hợp kim từ cứng - Hợp kim từ mềm - Hợp kim hàn với thuỷ tinh - Hợp kim siêu dẫn - Hợp kim tiếp điểm và điện cực - Hợp kim nặng Al-Ni-Co, SbCo5, ferit từ cứng Fe-Ni, Fe-Si, Fe-P, ferit từ mềm Fe-Ni-Co Nb3Sn, Ca-Cu-O W-Cu, W-Ag, Ni-Ag W-Ni-Cu, W-Ni-Fe Kim loại và hợp kim sít chặt: - Kim loại chịu nhiệt - Kim loại dùng trong kỹ thuật hạt nhân - Siêu hợp kim - Thép hợp kim W, Mo, Ta, Nb, Re Be, Zr Các hợp kim trên cơ sở Ni, Co Thép dụng cụ, thép gió Vật liệu liên kim loại Ni-Al, MoSi2, Ti-Al, Co-Mo-Si Vật liệu chịu lửa độ sạch cao TaC, Mo2C, ZrB2, AlN, Si3N4, SiC Vật liệu có độ xốp cao: - Bạc xốp tự bôi trơn - Tấm lọc Brông, Fe-Cu, thép không gỉ, Al-Cu Brông, Ni, Ni-Cr, monel Thép không gỉ, Ti, Zr, Ag, Ta Vật liệu compozit: - Hợp kim cứng - Cermet (hợp kim cứng nền kim loại) - Vật liệu ma sát - Vật liệu ít ma sát - Vật liệu có pha phân tán - Vật liệu cắt gọt có kim cơng (W, Ti, Ta)C+Co, TiC+Ni-Mo, Cr3C2+Ni Cr-Al2O3, TiC+Ni-Cr, Mo+ZrO2 Brông+C+Ôxyt kim loại Cu+graphit, Fe+graphit Ni+ThO2, Al+Al2O3, AgCdO, Cu+Al2O3 Brông+kim cơng, WC-Co+kim cơng [...]... Các bớc chế tạo hợp kim cứng hệ BK, TK: Tạo bột cacbit WC, TiC Ngiền và trộn bột ép tạo hình Thiêu kết Hình 1.1: Quy trình công nghệ chế tạo hợp kim cứng BK, TK 1 Tạo bột: ở Việt Nam hiện nay có hai phơng pháp phổ biến để chế tạo hợp kim cứng BK, TK là: - Chế tạo hợp kim từ bột WO3; - Chế tạo hợp kim theo phơng pháp tái sinh từ hợp kim cứng đã qua sử dụng a) Chế tạo hợp kim từ bột WO3: Bột W đợc tạo ra... WC 12 + TiC + TaC + Co (loại 3 cacbit) Lợng Co dao động trong phạm vi 2-30% tùy theo độ dai va đập cần thiết (Co càng nhiều độ dai va đập càng cao nhng độ cứng càng thấp) Dới đây là một số loại hợp kim cứng hệ BK, TK và TTK khác nhau có thể chế tạo bằng phơng pháp luyện kim bột: Bảng 1.2: Một số loại hợp kim cứng hệ BK, TK và TTK Nhóm Ký hiệu hợp kim cứng BK2 BK3 BK4 BK6 Nhóm một BK8 cacbit BK10 BK15... chế tạo: I.3.1 Khái quát về hợp kim cứng hệ BK, TK: Hợp kim cứng là loại chuyên dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt chịu ma sát, mài mòn (nh dao tiện, mũi khoan các loại v.v ), đòi hỏi chúng phải có độ cứng, tính chống mài mòn cao và có khả năng giữ nguyên đợc tính chất đến nhiệt độ nhất định Những yêu cầu trên đây đặc biệt quan trọng khi chi tiết phải làm việc trong điều. .. sấy ở nhiệt độ cao nhằm tạo cơ tính nhất định cho sản phẩm, để có thể tiến hành gia công cơ kích thớc theo ý muốn Sau đó, nung vật phẩm lên nhiệt độ cao, nhng thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính thờng ở nhiệt độ biến mềm, với mục đính tăng độ kết dính và nâng cao độ bền của sản phẩm: (ttko . mỏ - tkv báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá . và mỏ - tkv báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá Cơ. cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá. Nội dung nghiên cứu của đề tài là: - Khảo sát sản phẩm hệ BK, TK với các thành phần hợp kim khác nhau; - Khảo sát nhiệt độ làm