Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu được sử dụng trong hơn nửa thế kỷ nay. Công dụng chủ yếu của phun phủ là bảo vệ các kết cấu và các chi tiết làm việc trong môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiết máy bị mòn, ăn mòn và xâm thực. Sự phát triển mạnh mẽ về thiết bị, vật liệu công nghệ phun trong vài chục năm gần đây đã đưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, góp phần đáng kể vào tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong lĩnh vực chế tạo và phục hồi. Trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu về công nghệ phun phủ plasma và một số ứng dụng của nó trong lĩnh vực chế tạo chi tiết máy.
Ứng dụng công nghệ phun phủ plasma vật liệu hợp kim-gốm tăng độ bền mòn, chịu mài mòn trục máy khoan, doa CNC số chi tiết máy Th.S Lục Vân Thương, TS Hoàng Văn Châu – Giám đốc PTN TĐ Hàn Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu Cơ khí TĨM TẮT: Phun phủ phương pháp xử lý bề mặt vật liệu sử dụng nửa kỷ Công dụng chủ yếu phun phủ bảo vệ kết cấu chi tiết làm việc môi trường khác nhau, phục hồi chi tiết máy bị mòn, ăn mòn xâm thực Sự phát triển mạnh mẽ thiết bị, vật liệu công nghệ phun vài chục năm gần đưa phun phủ thành lĩnh vực khoa học cơng nghệ riêng, góp phần đáng kể vào tiến khoa học loài người, mang lại hiệu kinh tế to lớn lĩnh vực chế tạo phục hồi Trong báo muốn giới thiệu công nghệ phun phủ plasma số ứng dụng lĩnh vực chế tạo chi tiết máy ĐẶT VẤN ĐỀ Các chi tiết máy kết cấu làm việc nhiều môi trường khác với chế độ công tác khác Chúng bị phá huỷ hư hỏng nhiều dạng Có nhiều nguyên nhân, ngun nhân là: gỉ (do làm việc mơi trường khơng khí – kết cấu xây dựng, nước – phương tiện thuỷ; môi trường tĩnh động - thiết bị hố học…); ăn mịn (dưới tác dụng chất lỏng khí cháy); mài mòn học hư hỏng khác (tại mặt tiếp xúc chi tiết làm việc áp suất nhiệt độ cao) Để nâng cao độ bền tuổi thọ chi tiết kết cấu, nhiều giải pháp đưa ra: gia công nhiệt để cải thiện tính chất vật liệu; sản xuất vật liệu hợp kim Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu phủ lớp bảo vệ chống ăn mịn mài mịn Có nhiều phương pháp phủ mặt chi tiết kết cấu tuỳ theo mục đích sử dụng điều kiện làm việc chúng Có lớp phủ bảo vệ trang trí; có lớp phủ đặc biệt với tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu mài mòn, chịu nhiệt cách nhiệt… Việc chọn vật liệu phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào điều kiện làm việc chi tiết kết cấu Ngoài cải thiện chất lượng bề mặt vật liệu cho phép thiết kế chế tạo máy móc thiết bị suất Trong viết muốn giới thiệu chủ yếu phương pháp phun phủ plasma, ứng dụng vào phục hồi làm chi tiết máy làm việc điều kiện chịu mài mịn, chầy xước, CƠNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA 2.1 Nguyên lý công nghệ phun phủ plasma Công nghệ phun plasma nhờ lượng cao nguồn nhiệt hồ quang plasma gián tiếp đầu phun mà vật liệu nung chảy phun vào chi tiết Khái niệm hồ quang plasma gián tiếp có nghĩa hồ quang tạo nên phận cathode anode đầu phun, chi tiết khơng tiếp với nguồn điện Khí trơ chủng loại khí khử áp lực lớn thổi vào khoảng cathode anode, tác động hồ quang bị ion hoá nhiệt độ lớn (khoảng 17.000C) Luồng plasma phun qua đầu phun với vận tốc cao, bột phun hút vào luồng khí này, nóng chảy bay phủ lên bề mặt chi tiết Trên bề mặt chúng liên kết lại thành lớp phủ xốp Sự liên kết hạt chủ yếu qúa trình chảy kết bám dính lên bề mặt lực học Bề mặt vật phủ có nhiệt độ thấp nên khơng xảy qúa trình khuếch tán Lớp phủ lên bề mặt cần phải có độ bám dính cao với bề mặt, độ xốp thấp Khi thực phun phủ nhiệt dẫn xuống bề mặt tốt để tránh rộp tế vi biến dạng bề mặt Để thực công nghệ phun phủ hồ quang plasma cần: kèm; * Thiết bị: súng phun hồ quang plasma, máy móc hệ thống làm mát * Bột nguyên liệu; * Qui trình cơng nghệ Phương pháp dùng ngun liệu bột tạo loại lớp bề mặt : * Bảo vệ chống mài mòn; * Dẫn điện; * Cách nhiệt; * Tương thích sinh học với thể sống * Nhiều tính chất đặc biệt khác Vai trị tất lớp phủ lên lớp oxit bám dính tốt để bảo vệ vật liệu khỏi bị oxi hố giảm độ bền Các khí cháy chứa lượng chất thải từ hỗn hợp dầu, khí nước Lượng chất tạp lớn thời gian cơng tác chi tiết máy tuabin khí giảm tác dụng q trình oxi hóa nhiệt độ cao Ngồi oxy hóa nhiệt độ cao, nhiệt độ cháy tuabin khí cao, oxy hố nhiệt độ cao mạnh Ưu điểm công nghệ phun phủ kim loại không bị hạn chế độ lớn, nhỏ vật phủ thiết bị phun dễ dàng di động xách tay Cơng nghệ thích hợp cho việc tạo lớp phủ phục hồi cơng trình, kết cấu có kích thước lớn bất kỳ, chi tiết máy móc nhỏ - Tạo lớp phủ bề mặt có độ dày ý muốn 2.2 Vật liệu dùng phun phủ plasma - Bột gốm kim loại (hỗn hợp học oxyt với kim loại hợp kim) - Bột hợp kim cứng (cacbit W, Cr, Ti vv… hỗn hợp chúng với Co, Ni) - Bột Ni-164-2 ZRO - 182 - Vật liệu siêu cứng, gồm kim cương Nguyên liệu phun cho lớp lót (lớp liên kết) thường dùng: Ni-164 - Lớp phun bột Ni164-2 có độ cứng ~60RB độ bám tối thiểu 2750 psi (~193,2kg/cm2) Cho lớp phủ (lớp bề mặt làm việc): sử dụng bột Ceramic, bột WC, bột ZRO - 182 Sử dụng khí Ar, He, H2 để tham gia trình phun phủ plasma 2.3 Thiết bị phun phủ plasma Có nhiều thiết bị phun phủ plasma khác nhau, xin giới thiệu 01 thiết bị phun plasma có Phịng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí: - Máy phun plasma SG-100 (Praxair Thermal SG-100 Spray System) Các chế độ phun thay đổi phạm vi rộng hẹp dần để lựa chọn chế độ thích hợp cho phép nhận lớp phun có độ bám, độ cứng độ chặt (hoặc độ xốp) theo yêu cầu lớp phun Các đặc tính kỹ thuật thiết bị: - Cơng suất nguồn: 60kW - Kích thước bột phun : 40-120m - Năng suất phun: Qkl = 2-10kg; Qcacbit = 1-6kg; Qceramic = 1-6kg - Trọng lượng đầu phun: 1.8 kg - Hệ thống làm lạnh: 30.3 l/min - Bộ phân phối khí (lọc khí vào): 80 PSI (550 kPa) - Bộ điều khiển : 220 VAC, 50Hz - Nguồn plasma : 60kW, t0max 490C - Bộ khởi động cao tần: 220VAC, 2.75A, 50Hz - Bộ phận phun 1264 - Làm mát: 31kW, 106BTU/hr GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM VÀ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT 3.1 Trục máy khoan doa CNC nhiều đầu trục (Spindle unit for Drilling and Boring CNC Machine Multiple Spindle) Trục trước phun Trục sau phun Trục sau mài tinh hồn thiện - Tính cơng tác (ứng dụng): Spindle unit for Drilling and Boring CNC Machine trục dùng để gá dao khoan, doa máy Khoan doa nhiều đầu trục đồng thời Máy chuyên dùng cho gia công xe Môtô loại - Tính chất làm việc: Trục có vai trị truyền động mơmen xoắn từ động có cơng suất 30 kW, tốc độ quay 2880 vòng/ph, qua cặp bánh bánh trung gian để truyền chuyển động đến đầu dao làm việc Trong q trình gia cơng chi tiết khí, trục làm việc chịu tác động lực nén dọc trục, chịu lực xoắn làm việc mơi trường có hệ thống dầu mỡ bơi trơn đầy đủ Trục có u cầu chịu mài mịn tốt vị trí lắp phớt chắn dầu đặc biệt nên cần phủ bề mặt vật liệu gốm Ceramic hợp kim TiN (Titanium Nitride) Đây yêu cầu khó mà trước chưa phổ biến Việt Nam - Đặc tính Kỹ thuật: Là loại trục có nhiều bậc yêu cầu đảm bảo điều kiện kỹ thuật như: Dung sai kích thước xác đến 0.005mm, 0.01mm vị trí lắp ổ lăn, bánh răng… sai số hình dáng hình học khắt khe: độ khơng đồng tâm cho phép độ khơng vng góc cho phép bề mặt tương quan 0.01mm chiều dài 100mm (bản vẽ kèm theo) - Vật liệu chế tạo trục: SCM21 (Nhật), 20XM (Nga) - Tính chất lý yêu cầu: Để đảm bảo khả chịu mài mòn bề mặt lắp ghép mà bên dẻo dai, trục cần nhiệt luyện theo chế độ sau: Tơi cải thiện tồn đạt độ cứng 32-35HRC, bề mặt trục yêu cầu tần số đạt độ cứng 45-50HRC 3.2 Trục rotor động Trục trước phun Trục sau phun Sau gia cơng đạt kích thước - Tính ứng dụng: dùng cho hệ thống tời nâng hạ nắp lò nhà máy Nhiệt điện - Tính chất làm việc: Trục có vai trị truyền động mơmen xoắn từ động có cơng suất 75 kW - Đặc tính kỹ thuật: yêu cầu đảm bảo điều kiện kỹ thuật như: Dung sai kích thước xác đến 0.005mm, 0.01mm vị trí lắp ổ lăn, bánh răng… sai số hình dáng hình học khắt khe: độ khơng đồng tâm cho phép độ khơng vng góc cho phép bề mặt tương quan 0.01mm chiều dài 100mm (bản vẽ kèm theo) - Tính chất lý yêu cầu: Để đảm bảo khả chịu mài mòn bề mặt lắp ghép mà bên dẻo dai, bề mặt trục yêu cầu đạt độ cứng 4550HRC 3.3 Cánh bơm - Tên sản phẩm: bánh cơng tác NPS 65/500 - Tính chất làm việc: làm việc với tốc độ quay 4000 vg/min - Vật liệu chế tạo: 20X13 - Yêu cầu kỹ thuật: lớp phủ có chiều dày 0,6 mm, độ cứng 50-55HRC Trước phun Sau phun hạt mài làm sạchvà tạo nhám Sau phun phủ plasma 3.4 Lá van Trước làm tạo nhám Sau làm Sau phun phủ plasma - Tính ứng dụng: loại Van gate 3.1/8” dùng đường ống dẫn dầu khí - Yêu cầu kỹ thuật: lớp phủ có chiều dày 0,20,4 mm, độ cứng 50-55HRC Chế độ phun kết đạt Chế độ phun: Phương pháp phun áp dụng hồ quang plasma Hỗn hợp khí Ar + He dùng cho lớp lót; hỗn hợp khí Ar + H2 - lớp phủ; khí tải (mang) bột - Ar Chế độ phun - bảng Bảng Bảng thông số chế độ phun vật liệu khác Vật liệu phun Cr-Ni-B Cr CrB2 Cr3C2 Co MgO Mo MoSi2 MoS2 Monel Ni Ni-Cr TaC TiC TiB2 TiO2 TiSi2 TiN Wc Wc+CO ZvO2 ZvC Dòng, A 300 500 400 250 400 750 450 400 400 450 650 300 750 725 550 750 400 500 525 500 600 725 Điện thế, V 30 30 28 29 29 30 29 26 30 29 29 29 26 27 27 27 30 29 25 25 32 27 Lưu lượng khí Ar, l/ph 37,5 37,5 30 37,5 30 30 30 22,5 30 30 30 30 25 25 30 17,5 37,5 37,5 30 30 50 30 Lưu lượng khí mang, ( l/ph) 12 11 10 10 10 14 13 8 10 10 11 10 12 Cỡ hạt, m 44 63 63 63 63 44 63 63 44 44 63 63 44 63 44 44 63 44 63 63 44 63 Kết quả: Lớp phun phủ phục hồi chi tiết máy tạo lớp liên kết từ bột Ni164-2 lớp phủ từ bột WC, Ceramic, ZRO – 182 với chiều dày tương ứng 0,4 0,6 mm độ cứng đạt 4055 HRC KẾT LUẬN Sản phẩm trục máy khoan doa CNC nhiều đầu trục (Spindle unit for Drilling and Boring CNC Machine Multiple Spindle) đánh giá phía khách hàng chi tiết máy có yêu cầu kỹ thuật cao khó chế tạo thành cơng Việt Nam năm 2008 trở trước, thường phải nhập từ nước có Cơng nghiệp chế tạo máy tiên tiến như: Nhật, Hàn Quốc, Thái Lan Đài Loan Điểm đặc biệt cần nhấn mạnh yêu cầu bề mặt sàn phẩm cần phủ Plasma vật liệu Gốm Ceramic Công nghệ áp dụng vài doanh nghiệp quan nghiên cứu chưa đươc đánh giá thành công Trong thời gian vừa qua, Phịng thí nghiệm - Viện Nghiên Cứu Cơ khí (NARIME) triển khai chế tạo thành công đưa sản phẩm vào ứng dụng thực tế Điều khẳng định bước phát triển vượt trội công nghệ phun phủ bề mặt Phịng thí nghiệm - Viện Nghiên Cứu Cơ khí nói riêng ngành khí chế tạo Việt nam nói chung Ngồi số chi tiết bánh công tác, trục rotor động cơ, van , nhà sử dụng đánh giá cao chất lượng sản phẩm sau phun TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Thông (2006), Công nghệ phun phủ bảo vệ phục hồi NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Thông, Uông Sỹ Áp, “Về lớp phun chịu nhiệt cao” Tạp chí Cơng nghiệp No: 1/2006 Hồng Tùng (2004), Cơng nghệ phun phủ ứng dụng, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Thông (1998), Vật liệu công nghệ phun, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Xuân Toàn (1998), Phương pháp phần tử hữu hạn, ĐHBK – Hà Nội Phạm văn Nghệ - Đỗ văn Phúc, Phương pháp phần tử hữu hạn – lý thuyết lập trình, NXB Giáo dục Trần Ích Thịnh – Trần Đức Trung – Nguyễn Việt Hùng (2000), Phương pháp phần tử hữu hạn kỹ thuật, ĐHBK – Hà Nội Khasui A Technica Napylenia Mashinostroenie, Moscow 1975 Miller RA, Lowell CR Failure mechanism of thermal barrier coatings exposed to evaluated temperatures Thin Solid Films 1982; 95:265-73 10.Teixeira V Mechanical integrity in PVD coatings due to the presence of residual stresses Thin Solid Films 2001;392:276-81 11.Zhang XC, Gong JM, Tu ST Analysis on deposition process and residual stress in plasma spraying Pressure Vessel Technol 2003; 20:33-6 [in Chinese] 12.Knotek O, Elsing R, Balting U On the influence of thermophys-ical data and spraying parameters on the temperature curve in the thermally sprayed coatings during production Surf Coat Technol 1988;36:99-110 13.Lee JD, Ra HY, Hong KT, Hur SK Analysis of deposition phenomena and residual stress in plasma spray coatings Surf Coat Technol 1992;56:27-37 14.Widjaja S, Limarga AM, Yip TH Modeling of residual stress in a plasmasprayed zirconia/alumina functionally graded-thermal barrier coating Thin Solid Films 2003;434:216227