Báo cáo nghiên cứu khoa học: " CÔNG NGHỆ ÉP ỐNG LÓT VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG LỚP TỪ BỘT KIM LOẠI TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI" pptx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 10 CÔNG NGHỆ ÉP ỐNG LÓT VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG LỚP TỪ BỘT KIM LOẠI TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI TECHNOLOGY PRESSURE OF LAYER-TUBE COMPOSITE FROM METAL POWDER IN ELASTIC SURROUNDINGS ĐINH MINH DIỆM Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng PAVEL ALEKSEEVICH KUZNECOV Viện ĐHBK Quốc gia Saint-Peterburg, Liên Bang Nga NGUYỄN TOÀN THẮNG NCS Viện ĐHBK QG Saint-Peterburg, Liên Bang Nga TÓM TẮT Nghiên cứu công nghệ chế tạo ống lót dạng lớp từ bột vật liệu composite trong môi trường đàn hồi là một phương pháp ưu việt và đem lại kết quả tốt như: tăng khả năng chịu mài mòn, chống nứt cao, chống rung, cách âm… Phương pháp này có thể ứng dụng để chế tạo các sản phẩm dạng lớp lưỡng kim như: ổ trượt, phễu lọc và các sản phẩm ống trục có tỷ lệ chiều cao trên chiều dày (H/) lớn. ABSTRACT Research on processing technology of layer-tube that made from composite powder in elastic surroundings is a preeminent method and a good result, such as improving on abilities of abrasion resistant, cracked resistant and soundproofing, This method can be used for making of layer- bimetal products, e.g. the frition-bearing, the filter funnel and the tube products having a higher ratio of heigh to length (H/). 1. Đặt vấn đề Các ống lót kim loại đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy. Khi vận hành, yêu cầu đặt ra đối với ống lót là phải có chất lượng cao, cụ thể như: độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt, thời gian sử dụng lâu,… Một trong những phương pháp tốt nhất để nâng cao chất lượng của ống lót là sử dụng vật liệu composite dạng lớp được chế tạo từ bột kim loại [1]. Lớp composite kim loại là hệ thống được tạo ra từ 2 hoặc nhiều hơn 2 thành phần vật liệu xen kẽ khác nhau, nhưng vẫn đảm bảo giữ được tính chất riêng của mỗi thành phần tham gia vào sản phẩm. Lớp composite kim loại có đặc trưng chống nứt cao, cách âm và chống rung tốt, bề mặt lớp phủ có khả năng chống ăn mòn cao (ví dụ như lớp thép chống rỉ, lớp titan…). Ngày nay, lớp kim loại được sản xuất và phân loại thành các dạng sau: chống ăn mòn, chống ma sát, vật liệu kỹ thuật điện, lưỡng kim nhiệt và TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 11 sản phẩm vật liệu composite phục vụ đời sống thường ngày. Lớp kim loại có các dạng: tấm, dải, thanh, ống, thỏi. Để nhận được sản phẩm lớp từ vật liệu composite, người ta ứng dụng các phương pháp chế tạo khác nhau như: đúc, cán, ép, hàn, … [2]. Phần lớn các phương pháp được sử dụng trước đây là để chế tạo các sản phẩm lớp có dạng tấm, ống trụ hay có hình dạng đơn giản. Để chế tạo các sản phẩm ống trụ lớp, ví dụ như ống lót, người ta thường sử dụng phương pháp ép thủy tĩnh. Nhưng thiết bị thủy lực lại là các thiết bị cấu trúc phức tạp và đắt tiền. Để giảm chi phí và ứng dụng công nghệ đơn giản hơn, chúng ta có thể sử dụng một phương pháp khác, về cơ bản, theo phương pháp này là ứng dụng môi trường đàn hồi động. Khi ép trong môi trường đàn hồi, có thể nhận được các ống lót mỏng. Ngoài ra, tổn thất áp lực khi ép đàn hồi theo chiều cao của ống lót thấp hơn khi ép trong khuôn cứng [3]. 2. Giới thiệu về công nghệ ép lớp vật liệu composite trong môi trường đàn hồi Trong khuôn khổ của bài báo này, chúng tôi đề cập đến việc nghiên cứu ép lớp composite trong ống lót lưỡng kim loại (bimetal) từ các bột với việc ứng dụng môi trường đàn hồi (polyuretan-hình.1). Hình 1. Sơ đồ ống lót lưỡng kim loại. 1- lớp trong; 2- lớp ngoài Bản chất của quá trình ép đàn hồi là biến lực dọc trục trong quá trình ép đàn hồi thành áp lực theo mọi hướng bao quanh vật liệu. Áp lực hướng tâm được sinh ra trong quá trình ép đàn hồi ống lót. Tóp và giãn là hai sơ đồ cơ bản của ép đàn hồi ống lót. Chúng ta xem xét phương pháp giãn, phương pháp này được mô tả trên sơ đồ hình 2. Thiết bị ép đối với ép đàn hồi ống lót gồm có: chày trên 1, nắp trên 2, ống đàn hồi thay thế 3, ống trục đàn hồi 4, trục tâm 6, khuôn 8, nắp dưới 9. Quá trình ép đàn hồi được tiến hành theo 2 giai đoạn: ép lớp thứ nhất (a) và ép lớp thứ 2 (b). Khi ép lớp thứ nhất, chúng ta sử dụng ống đàn hồi thay thế 3, ép đàn hồi được tiến hành theo các bước sau: rắc bột vật liệu của lớp thứ nhất 5 vào khuôn 8, việc nén chặt hướng tâm bột vật liệu được tiến hành khi nén trục ống đàn hồi 4 bằng chày trên 1. Nắp trên 2 và nắp dưới 9 sẽ ngăn cản không cho bột bị đẩy ra ngoài theo hướng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 12 trục. Trục tâm 6 sẽ đảm bảo định tâm ống đàn hồi 4 trong quá trình giãn. Khi ép lớp thứ hai (7) thì ống lót đàn hồi 3 sẽ được tháo ra. Bột vật liệu của lớp thứ hai (7), sẽ được rắc vào khe hở, sau khi tháo ống lót đàn hồi 3 ra. Quá trình ép lớp thứ 2 được tiến hành như trong giai đoạn 1. Hình 2. Sơ đồ nguyên lý ép đàn hồi ống lót nhiều lớp vật liệu tổ hợp. а) Ép lớp thứ nhất. б) Ép lớp thứ hai. Việc lựa chọn các sơ đồ, phương pháp công nghệ ép là một trong những vấn đề quan trọng nhất, những vấn đề này phụ thuộc vào kích cỡ hình học của sản phẩm ép, đặc trưng vật lý- cơ học của các bột vật liệu trong quá trình liên kết lớp là yêu cầu của quá trình khai thác đối với các sản phẩm. Quá trình lựa chọn phương pháp ép được mô tả cụ thể trong thuật toán chung (hình 3). Ở đây:  D: đường kính ngoài của sản phẩm;  d: đường kính trong của sản phẩm;  H: chiều cao của sản phẩm;  t: độ dày lớp bên trong của sản phẩm;  R: độ rỗng của sản phẩm;  σ: độ bền của sản phẩm;  τ A : độ bền liên kết;  [τ] : độ bền liên kết cho phép của các lớp;  Т1, Т2: nhiệt độ thiêu kết của lớp bên trong và lớp bên ngoài;  ρ1 = f (P1),  ρ2 = f (P2): hàm mật độ nén chặt của áp lực đối với lớp bên trong và lớp bên ngoài. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 13 Hình 3. Sơ đồ thuật toán chung của việc lựa chọn và tính toán các phương án công nghệ ép đàn hồi ống lót lưỡng kim loại. 3. Giới thiệu các phương án và lựa chọn phương án công nghệ Các phương án sản xuất ống lót lưỡng kim loại từ các bột vật liệu có thể là: - Phương án I: Ép đồng thời và thiêu kết đồng thời 2 vật liệu cùng một lúc. Bắt đầu Т1 min ≈ Т2 max Thiêu kết đồng thời Thiêu kết riêng biệt Р 1 = Р 2 τ A > [τ] Phương án I Phương án III Phương án II Phương án IV Tính toán chi phí và các thông số công nghệ Kết thúc Các thông số ban đầu: - Kích thước sản phẩm: (D, d, H, t), R, σ, [τ]. - Tính chất của các bột: Т1, Т2, ρ 1 = f (P 1 ), ρ 1 = f (P 1 ). - Tính chất polyuretan: môđun trượt, môđun thể tích nén, môđun đàn hồi, hệ số Puason. được không không không được được không được TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 14 - Phương án II: Ép lần lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp. - Phương án III: Ép và thiêu kết lớp bột vật liệu có nhiệt độ thiêu kết cao hơn, sau đó ép vật liệu thứ hai và thiêu kết đồng thời với lớp vật liệu thứ nhất, nhưng theo nhiệt độ thiêu kết của lớp vật liệu thứ hai. - Phương án IV: Ép các lớp riêng biệt, thiêu kết riêng biệt và liên kết các lớp bằng biến dạng dẻo. Trong các phương án vừa nêu thì Phương án II (ép lần lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp) là phương án có giải pháp công nghệ tốt nhất, bởi vì phương án này cho phép ép các lớp khác nhau với các áp lực khác nhau, còn việc thiêu kết đồng thời đảm bảo các lớp bám dính với nhau tốt nhất [4]. Theo phương án hai (ép lần lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp) quá trình ép bao gồm các công đoạn sau (hình 4): a - rắc lớp bột vật liệu thứ nhất (đặt vỏ ống đàn hồi 2 vào khuôn 3, rắc vật liệu bột thứ nhất theo khối lượng tính toán); b - ép lớp vật liệu thứ nhất (trong công đoạn này, chúng ta bịt khuôn 3 bằng nắp 5, sau đó ép bằng chày trên 4, polyuretan 6 biến dạng và ép lớp vật liệu thứ nhất); c - rắc lớp bột vật liệu thứ hai (trong công đoạn này chúng ta mở nắp 5, kéo vỏ ống đàn hồi 2 ra, rắc bột vật liệu thứ hai 11 theo khối lượng tính toán); d - ép lớp vật liệu thứ hai (đóng khuôn bằng nắp 5, ép bằng chày trên 4, polyuretan lại biến dạng và ép lớp vật liệu thứ hai); e - đẩy sản phẩm ra (trong công đoạn này chúng ta mở nắp 5, đẩy sản phẩm 14 bằng chày dưới 8); f - thiêu kết sản phẩm (trong công đoạn này chúng ta lựa chọn nhiệt độ lớn nhất để thiêu kết đối với sản phẩm dễ nóng chảy nhất). Nhiệt độ này cần phải đảm bảo đạt được thiêu kết tốt nhất đối với lớp vật liệu còn lại, đồng thời tạo độ kết dính tốt nhất giữa hai lớp vật liệu. Trong khuôn khổ của bài này chúng tôi đề xuất ví dụ tính toán đối với phương án hai (ép lần lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp). Theo số liệu ban đầu chúng ta có khuôn trước với các kích cỡ như: Chiều cao - 110mm; đường kính trong - 70mm; đường kính ngoài – 110mm. Chúng ta muốn nhận ống lót với chiều cao là 50 mm, đường kính ngoài là 70 mm. Nhiệm vụ đặt ra là: Chúng ta cần tìm và lựa chọn độ dày ống lót và độ dày của mỗi lớp, kích thước của polyuretan. Theo kết quả tính toán, chúng ta sẽ nhận ống lót trước khi thiêu kết với các kích thước như sau: chiều cao - 50mm; đường kính bên ngoài - 70mm; đường kính trong - 58mm; độ dày thành ống lót- 6mm; độ dày lớp bên trong (bronz) – 3mm; độ dày lớp bên ngoài (sắt) - 3mm; ngoài ra chúng ta cũng biết được khối lượng của mỗi loại vật liệu ( khối lượng của bronz – 179,4g; khối lượng của sắt - 210,8g). Đối với polyuretan ta có các kích thước như sau: khi ép lớp vật liệu bằng bronz, chúng ta có kích thước của polyuretan: chiều cao - 112mm, đường kính ngoài - 39,5mm, đường kính trong - 10mm; khi ép lớp vật liệu bằng sắt chúng ta có kích thước của polyuretan là: chiều cao - 89,1mm, đường kính ngoài - 48,4mm, đường kính trong - 10mm (để tiết kiệm polyuretan, chúng ta chỉ có thể sử dụng 1 ống polyuretan 6 và vỏ ống đàn hồi 2). Các công đoạn cơ bản ép đàn hồi ống lót composite được tiến hành như sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 15 Hình 4. Sơ đồ các công đoạn cơ bản ép đàn hồi ống lót từ vật liệu tổ hợp. а- rắc lớp vật liệu thứ nhất; b- ép lớp vật liệu thứ nhất; c- rắc lớp vật liệu thứ hai; d-ép lớp vật liệu thứ hai; e- đẩy sản phẩm ra; f- thiêu kết sản phẩm. 1- lớp vật liệu thứ nhất; 2- vỏ ống đàn hồi; 3- khuôn; 4- chày trên; 5- nắp đậy; 6- ống đàn hồi polyuretan; 7- trục tâm; 8- chày dưới; 9- gối tựa; 10- đế; 11- lớp vật liệu thứ hai; 12- ống dẫn để rắc vật liệu thứ nhất; 13- ống dẫn để rắc vật liệu thứ hai; 14 – sản phẩm; 15 – lò để thiêu kết. b/ c/ d/ e/ f/ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 16 Việc ứng dụng lớp vật liệu composite kim loại cho phép nâng cao hiệu quả sản suất các loại chi tiết và thiết bị đối với các doanh nghiệp, công ty, nhà máy về chế tạo máy, về hoá học, về hoá dầu, về nông-lâm nghiệp, về vận tải và về năng lượng. Sản phẩm bằng lớp kim loại composite còn đáp ứng được nhu cầu cao trong các lĩnh vực chế tạo khí cụ điện, điện tử, dụng cụ công nghiệp và sản suất các hàng hoá thông dụng trong đời sống xã hội. 4. Kết luận Kết quả nghiên cứu, phân tích và thực nghiệm phương pháp chế tạo ống lót dạng lớp từ vật liệu composite, chúng tôi thấy rằng: 1. Việc ép bằng môi trường đàn hồi động đem lại hiệu quả cao hơn đối với các sản phẩm dạng ống từ vật liệu composite; việc sử dụng polyuretan (môi trường đàn hồi) là giải pháp công nghệ vượt trội trong quá trình ép đàn hồi động. 2. Việc ép ống lót dạng lớp từ bột kim loại bằng môi trường đàn hồi (polyuretan) cho phép ứng dụng các phương án chế tạo khác nhau đối với các ống lót dạng lớp. Việc ứng dụng này phụ thuộc vào nhiệt độ thiêu kết của các lớp cũng như đặc trưng độ nén chặt của vật liệu. Trong thực tế, phương án ép lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp đem lại hiệu quả cao đối với yêu cầu thực tiễn hiện nay. 3. Phương pháp ép đàn hồi ống lót dạng lớp bằng vật liệu composite từ bột kim loại có thể ứng dụng để chế tạo các sản phẩm lớp lưỡng kim loại như: ổ trượt, phễu lọc và các sản phẩm ống trục có tỷ lệ chiều cao trên chiều dày (H/) lớn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I. М. Fedorchenko, I.N. Francevich, I.D. Radomyselskii, và những người khác. Luyện kim bột. Vật liệu, công nghệ, tính chất, lĩnh vực ứng dụng: Sổ tay hướng dẫn Кiеv: Nauk Dumka, năm 1985 624 trang. [2] А.G. Коbelev, I.N. Potanpov, Е.V. Kuznecov. Công nghệ lớp kim loại. –М.: Luyện kim, năm 1991 , 248 trang. [3] К.N. Bogoyavlenskii, А.V. Gociridze, P.А. Кuznecov, К.К. Меrtens, А.G. Ryabinin. Gia công bằng áp lực bột kim loại. –L.: LPI, năm 1988, 116 trang. [4] P.A. Kuznecov, Nguyen Toan Thang. Ép đàn hồi ống lót dạng lớp từ vật liệu compozit // Tuần lễ khoa học lần thứ 36 của Viện Đại học Bách khoa Quốc gia Saint-Peterburg. Tuyển tập của hội nghị khoa học giành cho sinh viên và nghiên cứu sinh giữa các trường Kỹ thuật trên toàn Liên Bang Nga. Ch. III. SPB.: Izd-Vo Politehn. Un-та, năm 2008. Trang 45-46. . phẩm dạng ống từ vật liệu composite; việc sử dụng polyuretan (môi trường đàn hồi) là giải pháp công nghệ vượt trội trong quá trình ép đàn hồi động. 2. Việc ép ống lót dạng lớp từ bột kim loại. CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(28).2008 10 CÔNG NGHỆ ÉP ỐNG LÓT VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG LỚP TỪ BỘT KIM LOẠI TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI TECHNOLOGY PRESSURE OF LAYER-TUBE COMPOSITE. các ống lót mỏng. Ngoài ra, tổn thất áp lực khi ép đàn hồi theo chiều cao của ống lót thấp hơn khi ép trong khuôn cứng [3]. 2. Giới thiệu về công nghệ ép lớp vật liệu composite trong môi trường