Nghiên cứu thành phần phối liệu của thuốc hàn gốm hệ aluminate và rutile cho hàn tự động kết cấu thép

Chế tạo các vệ tinh ñịa tĩnh, nhà máy ñiện nguyên tử… Tất cả các lĩnh vực trên muốn phát triển ñược ñều phải ứng dụng ñến công nghệ hàn và sử dụng rất nhiều chủng loại vật liệu hàn tiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào

Tôi cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều có nguồn gốc, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Ngày tháng năm 2013

Người cam ñoan

Lê Thị Nga

LỜI CẢM ƠN

đề tài Luận văn ựược tác giả hoàn thành tại Phòng thắ nghiệm trọng ựiểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khắ (Bộ Công Thương) dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS đào Quang Kế và

TS Hoàng Văn Châu cùng các thầy cô trong khoa Cơ - điện - Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội, ựã giúp ựỡ tôi hoàn thành Luận văn này

Qua ựây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong khoa Cơ - điện - Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội đặc biệt, cho phép tôi

bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS đào Quang Kế và TS Hoàng Văn

Châu, Hai thầy ựã dành nhiều công sức hướng dẫn tôi thực hiện ựề tài trong

suốt thời gian qua đồng thời luận văn tốt nghiệp cũng trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết trong công việc sau này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, NgàyẦ thángẦ Năm 2013

Tác giả

Lê Thị Nga

Hình 4-23: Tổ chức thô ựại mối h n mẫu 2 79

1.1 Công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc trợ dung 4 1.1.1 Khái quát chung về công nghệ hàn ñiện nóng chảy 4 1.1.2 Khái quát chung về công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc 5

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 26

1.5.3 Nhu cầu thuốc hàn gốm trong công nghiệp tại Việt Nam 28

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 29 2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 29

2.3 ðịa ñiểm, thời gian và phạm vi nghiên cứu 32

3.1 Nghiên cứu tính chất nguyên vật liệu cho chế tạo thuốc hàn gốm 33

3.2.2 Ảnh hưởng của thuốc ñối với tính ổn ñịnh của quá trình hàn 37 3.2.3 Ảnh hưởng của thuốc ñối với tính bong của xỉ 39 3.3 Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim ñến kim loại hàn 41

3.5 Cơ sở lý thuyết tính toán bài phối liệu thuốc hàn gốm 51

4.1 Tính toán bài phối liệu cho thuốc hàn gốm 55 4.2 Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn gốm 63

4.6 đánh giá chất lượng thuốc hàn ựã chế tạo 83

4.6.2 Hướng dẫn sử dụng thuốc hàn ựược chế tạo 83

3.4: Ảnh hưởng ñộ bám của xỉ với kim loại mối hàn ñến tính bong của xỉ 41 4.1: Thành phần thuốc hàn gốm hệ Aluminate – Rutile 55

4.4: Kết quả tính bước chuyển ñộng δj của các yếu tố 58 4.5: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc ñứng 58 4.6: Kết quả tính bước chuyển ñộng δj của các yếu tố 59 4.7: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc ñứng 60 4.8: Kết quả tính bước chuyển ñộng δj của các yếu tố 61 4.9: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc ñứng 61 4.10: Bài phối liệu cho thuốc gốm hệ Alnuminate - Rutile 63 4.11: Sự phụ thuộc của tốc ñộ hàn so với ñường kính dây 70 4.12: Thông số kĩ thuật hàn model STARMATIC1003 72 4.13: Thành phần hoá học của lớp kim loại ñắp (%) 76

4.15: Kích thước dây hàn, dòng ñiện và lượng khí sử dụng thích hợp 76

DANH MỤC HÌNH

1-4: Hàn dầm chữ I với phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc 8 1-5: a Hàn ống dẫn trong xưởng, b Hàn ống dẫn ngoài trời 8 1-6: Lượng H2 trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào lượng MgCO3

3-3: Ảnh hưởng của các liên kết hóa học ñối với tính ổn ñịnh hóa của

3-4: Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn ñến hàm

3-5: Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của

3-6: Hàm lượng photpho trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính

3-7: Sự phụ thuộc của ñộ nhớt xỉ hàn vào nhiệt ñộ 49 4-1: a Hình ảnh ño bề rộng mối hàn, b ðộ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt 55 4-2: Bề rộng mối hàn và ñộ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt theo các

4-4: Máy trộn khô 64

4-9: Sơ ñồ nguyên lý quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn gốm 67 4-10: Các bước tiến hành kiểm tra quy trình hàn 68

4-29: Thuốc hàn gốm hệ xỉ Auminate - Rutile 83

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện ñại hóa ñất nước hiện nay, các ngành khoa học công nghệ phát triển rất mạnh Cùng với sự phát triển chung của ngành công nghiệp, công nghệ hàn là một trong những công nghệ gia công kim loại ñược ứng dụng rộng rãi Nhờ công nghệ hàn, người ta có thể liên kết các kim loại, hợp kim với nhau và thực hiện ñược trong tất cả các ñiều kiện môi trường, kể cả dưới nước và ngoài khoảng không vũ trụ Trong ngành kinh tế quốc dân, ở ñâu có sử dụng kim loại và hợp kim là ở ñó có ứng dụng ñến công nghệ hàn Từ các ứng dụng cho chế tạo lắp ráp các linh kiện ñiện tử, tạo phôi chính xác chi tiết máy cho ñến chế tạo các con tàu vượt ñại dương, xây dựng các tổ hợp công nghiệp nặng, hoá chất, luyện kim, khai thác chế biến dầu khí, công nghiệp hàng không vũ trụ… Công nghệ hàn ñóng vai trò quan trọng ở một số chủng loại cần thiết ñến cả chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm và toàn công trình

Công nghệ hàn có vai trò quan trọng trong việc tạo phôi và chế tạo máy ñặc biệt với chi tiết thép bởi vì nó cho phép tạo phôi chính xác và tiết kiệm nguyên liệu rất nhiều so với phương pháp tạo phôi bằng công nghệ ñúc

Ở các nước công nghiệp tiên tiến hầu như thân máy của các máy xúc, máy

ủi, các xe vận tải lớn nhỏ, tàu thuỷ vận tải biển và sông, các máy gia công áp lực,… ñều ñược thực hiện bằng công nghệ cắt và hàn tự ñộng có ñiều khiển

Ở Việt Nam, công nghệ hàn ñã ñược sử dụng khá phổ biến trong các nhà máy cơ khí chế tạo, sửa chữa và các cơ sở phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân Tuy nhiên so với các nước công nghiệp tiên tiến, hai lĩnh vực này của nước ta còn có khoảng cách khá xa ðặc biệt trong công nghiệp sản xuất vật liệu hàn, chúng ta chỉ mới có những nhà máy sản xuất một số chủng loại que hàn ñể phục vụ cho xây dựng dân dụng, còn các chủng loại vật liệu hàn tự

ñộng (thuốc hàn gốm) trong chế tạo máy và sản xuất kết cấu còn nhập ngoại rất nhiều, chưa thể ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao của mục tiêu công nghiệp hóa hiện ñại hóa ñất nước trong những năm tới Về công nghệ hàn, nhìn chung còn khá lạc hậu, nhất là công nghiệp sản xuất vật liệu hàn

Một số các lĩnh vực ñược ðảng và Nhà nước ta ñang chủ trương cho ñầu tư phát triển như:

Xây các dàn khoan ngoài biển khai thác dầu khí

Làm ñường ống dẫn khí từ biển vào bờ

Làm ñường ray cho tàu hoả cao tốc xuyên Á

Làm vỏ ñạn và các vũ khí quốc phòng

Sản xuất bồn chứa xăng dầu, xi măng, thức ăn gia xúc…

Xây dựng một loạt các nhà máy nhiệt ñiện, các tuốc bin khí

Chế tạo các vệ tinh ñịa tĩnh, nhà máy ñiện nguyên tử…

Tất cả các lĩnh vực trên muốn phát triển ñược ñều phải ứng dụng ñến công nghệ hàn và sử dụng rất nhiều chủng loại vật liệu hàn tiên tiến cho hàn tự ñộng, nhất là thuốc hàn nấu chảy và thuốc hàn gốm Thuốc hàn giữ vai trò rất quan trọng Nó bảo vệ kim loại trong vùng nóng chảy khỏi tác dụng của không khí, ổn ñịnh hồ quang, tạo dáng mối hàn, hợp kim hoá mối hàn…Việc chế tạo ra một loại thuốc hàn gốm cần qua nhiều khâu và bước quan trọng không thể thiếu ñó là ñánh giá chất lượng thuốc hàn gốm có ñạt yêu cầu hay không

Xuất phát từ những lý do trên, tác giả mạnh dạn chọn ñề tài: “Nghiên cứu thành phần phối liệu của thuốc hàn gốm hệ Aluminate - Rutile cho hàn tự ñộng kết cấu thép" làm ñề tài luận văn thạc sĩ

2 Mục tiêu, ñối tượng, phạm vi nghiên cứu

a Mục tiêu của ñề tài

Nghiên cứu thành phần phối liệu của thuốc hàn gốm hệ Aluminate - Rutile cho hàn tự ñộng kết cấu thép bằng vật liệu trong nước, thay thế cho thuốc hàn nhập ngoại

b đối tượng nghiên cứu

Công nghệ hàn tự ựộng dưới lớp thuốc cụ thể là thuốc hàn gốm hệ Aluminate - Rutile cho hàn tự ựộng kết cấu thép

c Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết lập bài toán phối liệu chế tạo thuốc hàn gốm hệ

Aluminate Ờ Rutile bằng vật liệu trong nước

- đánh giá ựược chất lượng của thuốc hàn thử nghiệm

3 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở ựầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục, luận văn gồm

4 chương:

Chương 1 Tổng quan ựề tài

Chương 2 đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về thuốc hàn gốm

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 1: TỔNG QUAN ðỀ TÀI

1.1 Công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc trợ dung

1.1.1 Khái quát chung về công nghệ hàn ñiện nóng chảy

Hồ quang ñiện ñược Petrov sáng chế ra năm 1802 Tuy nhiên mãi ñến năm 1881, Auguste de Meritens mới thực hiện thành công ý tưởng dùng hồ quang của ñiện cực cacbon ñể nối ghép các tấm chì với nhau Năm 1882, kỹ

sư cơ khí người Nga, Nikolai Benardos ñược cấp bằng sáng chế của Anh quốc cho phương pháp hàn hồ quang bằng ñiện cực Cacbon ñể hàn các chi tiết bằng công nghệ hàn hồ quang tay Sau ñó ñến khoảng ñầu thập kỉ 1890, phương pháp hàn hồ quang bằng ñiện cực cacbon ñã ñược ứng dụng thương mại tại châu Âu và Mỹ nhưng với phạm vi hạn chế do sử dụng ñiện áp và cường ñộ dòng ñiện quá cao (100 ÷ 300V và 600 ÷ 1000A)

Năm 1905, N G Slavianov (người Nga) và Charles Coffin (người Mỹ) ñều ñược cấp bằng sáng chế cho phương pháp hàn hồ quang tay và có sử dụng ñiện cực kim loại

Oscar Kjellberg (người Thụy ðiển) ñược coi là người ñầu tiên ñưa ra ý tưởng hàn hồ quang tay bằng que hàn có vỏ bọc Năm 1907 ông ñược cấp bằng sáng chế cho phương pháp ñó

Năm 1932, ý tưởng hàn dưới lớp thuốc ñã ñược thực hiện Năm 1939 dưới sự lãnh ñạo của viện sĩ E.O Paton, hàn dưới lớp thuốc ñược ñưa vào sử dụng hầu hết tại Liên Xô

Năm 1940, phương pháp hàn sử dụng khí trơ ñể bảo vệ hồ quang của ñiện cực vonfram trong hàn tấm mỏng và thép không rỉ ñược ứng dụng thành công Năm 1949 hàn ñiện xỉ ra ñời, cho phép hàn ñược các tấm thép dày Cuối những năm 1950, hàn bằng tia ñiện tử xuất hiện, tạo ñiều kiện các kim loại có ñòi hỏi rất cao, ñặc biệt trong ngành hàng không

Ngày nay ñã có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau, ứng dụng

trong ngành công nghiệp ñể chế tạo những sản phẩm từ nhỏ nhất như vi mạch ñiện tử cho ñến lớn nhất như tàu biển, cầu ñường…

1.1.2 Khái quát chung về công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding), là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (ñiện cực hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc bảo vệ

Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần của thuốc hàn sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vũng hàn Dây hàn ñược ñẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu ñặc biệt với tốc ñộ phù hợp với tốc ñộ cháy của nó (Hình 1-1)

Theo ñộ chuyển dịch của nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn

sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn (Hình 1-1) Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn ñã ñông ñặc hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn, và sẽ tách khỏi mối hàn sau khi hàn Phần thuốc hàn chưa ñược nóng chảy có thể sử dụng lại

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể ñược tự ñộng cả hai khâu cấp dây vào vùng hồ quang và di chuyển hồ quang theo trục mối hàn Trường

hợp này ñược gọi là “Hàn hồ quang tự ñộng dưới lớp thuốc bảo vệ”

Nếu chỉ tự ñộng hóa khâu cấp dây hàn vào vùng hồ quang còn khâu chuyển ñộng hồ quang dọc theo trục mối hàn ñược thao tác bằng tay thì gọi là

“Hàn hồ quang bán tự ñộng dưới lớp thuốc bảo vệ”

Hình 1-1: Sơ ñồ hàn dưới lớp thuốc bảo vệ

a Sơ ñồ nguyên lý; b Cắt dọc theo trục mối hàn

c Các bộ phận chính của máy hàn tự ñộng

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơ khí chế tạo như trong sản xuất các kết cấu thép dạng tấm vỏ kích thước lớn, các dầm thép có khẩu ñộ và chiều cao, các ống thép có ñường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trong công nghệ ñóng tàu…Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu ñược ứng dụng ñể hàn các mối hàn ở vị trí hàn bằng, các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ ñạo không phức tạp

1.1.2.1 Ưu ñiểm của hàn tự ñộng dưới lớp thuốc

- Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn ñược các chi tiết có chiều dày từ vài mm ñến hàng trăm mm

- Chất lượng liên kết hàn cao do bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi tác dụng của ôxi và nitơ trong không khí xung quanh Kim loại mối hàn ñồng

1

2 3

7 8

9

10 11

nhất về thành phần hóa học Lớp thuốc và xỉ hàn làm liên kết nguội chậm nên

ắt bị thiên tắch Mối hàn có hình dạng tốt, ựều ựặn, ắt bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ khắ, nứt và bắn toé

Hình 1-2: Máy hàn tự ựộng dưới lớp thuốc hàn

- Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn)

- Hồ quang ựược bao bọc kắn bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và

da của thợ hàn Lượng khói (khắ ựộc) sinh ra trong quá trình hàn rất ắt so với hàn hồ quang tay

- Dễ cơ khắ hóa và tự ựộng hóa quá trình hàn (Hình 1-2)

1.1.2.2 Những nhược ựiểm của hàn tự ựộng dưới lớp thuốc

- đòi hỏi kim loại cơ bản và vật liệu hàn phải sạch hơn so với hàn hồ quang tay Chuẩn bị trước khi hàn công phu hơn

- Không thể quan sát trực tiếp vũng hàn Chỉ hàn ựược ở tư thế hàn sấp, với các ựường hàn có hình dạng tương ựối ựơn giản (thẳng, tròn quay)

- Thiết bị có giá thành cao

1.1.2.3 Phạm vi ứng dụng

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơ khắ chế tạo như trong sản xuất: Các kết cấu thép dạng tấm vỏ kắch thước lớn, các dầm thép có khẩu ựộ và chiều cao, các liên kết tấm có kắch thước lớn trong công nghiệp ựóng tàu

Tuy nhiên phương pháp này chủ yếu ñược ứng dụng ñể hàn các mối hàn ở

vị trí hàn bằng các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ ñạo không phức tạp

Ví dụ: Khi hàn các kết cấu có dạng tấm phẳng thì người ta sử dụng phương pháp hàn tự ñộng, dùng xe chạy mang mỏ hàn theo

Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn ñược các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho ñến hàng trăm mm, tùy thuộc vào chiều dày chi tiết hàn tương ứng người ta sẽ lựa chọn các phương pháp hàn khác nhau như hàn một lớp và nhiều lớp, có vát mép và không vát mép bằng phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc

Một số hình ảnh ứng dụng về phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc (Hình 1-3, 1-4, 1-5)

Hình 1-3: Hàn mẫu tiêu chuẩn

ΓOCT 6996-66

Hình 1-4: Hàn dầm chữ I với phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc

Hình 1-5: a Hàn ống dẫn

trong xưởng

b Hàn ống dẫn ngoài trời

1.2 Tổng quan về thuốc hàn gốm

1.2.1 Khái quát chung về thuốc hàn

1.2.1.1 Khái niệm về thuốc hàn

Thuốc hàn là hỗn hợp của nhiều loại nguyên liệu khác nhau Chức năng

chính của thuốc hàn trong quá trình hàn là:

- Bảo ñảm tính ổn ñịnh hồ quang và quá trình hàn

- Bảo vệ kim loại mối hàn, tránh chất khí ngoài môi trường xâm nhập

- Tạo ra lớp xỉ: Do ñông ñặc nhanh, giữ ñược kim loại lỏng làm cho kim loại mối hàn nguội từ từ, làm cho bề mặt mối hàn ñược nhẵn bóng

- Khử oxi, nitơ và tinh luyện kim loại mối hàn

- Bổ xung nguyên tố hợp kim vào kim loại mối hàn

- Tăng hệ số hàn ñắp của kim loại mối hàn

- Cải thiện sự ion hóa tạo ổn ñịnh hồ quang

Hợp kim hóa mối hàn (hoàn nguyên Mn và Si, và các nguyên tố hợp kim khác vào kim loại mối hàn nếu là thuốc hàn gốm)

- Tạo dáng mối hàn

- Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang

- Chống bắn tóe kim loại nóng chảy

1.2.1.2 Phân loại thuốc hàn

Hiện nay trên thế giới sản xuất nhiều mác thuốc khác nhau, tuy nhiên theo phương pháp chế tạo và công nghệ có thể chia làm 3 loại chủ yếu:

- Thuốc hàn gốm (Bonsed): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới

lớp thuốc ñược chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp trộn với chất dính kết lỏng tạo hạt và sấy khô ở nhiệt ñộ 400oC ñến 600oC

- Thuốc hàn thiêu kết (Mechanically): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ

quang dưới lớp thuốc, ñược chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp với chất kết dính lỏng tạo hạt sau ñó thiêu kết ở nhiệt ñộ 700oC ñến 1000oC

- Thuốc hàn nung chảy (Fused): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc, ñược chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của

mẻ liệu và ñược tạo hạt

Nhưng trong thực tế thường sử dụng hai loại thuốc hàn: Thuốc hàn gốm và thuốc hàn nung chảy (nấu chảy)

ðiểm khác nhau cơ bản về tính chất luyện kim của thuốc hàn gốm và thuốc hàn nấu chảy là ở trạng thái lý hóa tác ñộng của các hợp chất có trong thành phần thuốc hàn với kim loại lỏng của kết cấu hàn Khi chế tạo thuốc hàn nấu chảy, ở trạng thái lỏng ta có ñược một dạng thủy tinh lỏng ñồng nhất chứa tính chất các hợp chất có trong thuốc hàn và ñược cố ñịnh bởi quá trình tạo hạt

Vì vậy khi hàn tự ñộng dưới lớp thuốc hàn nấu chảy, tác ñộng tương hỗ của kim loại với thuốc hàn là tự ñộng với một tổ hợp chất phức tạp chứ không phải với nguyên liệu của thành phần thuốc ñầu vào Còn ñối với thuốc hàn gốm thì mỗi hạt thuốc là tổ hợp nén chặt của các hợp chất ñầu vào trong những ñiều kiện chế tạo ñặc biệt Vì vậy khi tác ñộng tương hỗ với kim loại lỏng mối hàn, chúng sẽ

có tác ñộng mãnh liệt hơn ở dạng nguyên liệu ban ñầu so với thuốc hàn nấu chảy Ngoài ra, ñối với thuốc hàn gốm chúng ta có khả năng hợp kim hóa mối hàn tốt hơn bằng cách sử dụng nhiều chủng loại nguyên liệu hợp kim hóa từ nguyên liệu ñầu vào ở một dải rất rộng ðiều này rất quan trọng khi hàn chủng loại thép hợp kim, thép có tính năng ñặc biệt nhất là trong công nghệ hàn ñắp phục hồi Việc sử dụng các loại thuốc hàn gốm, hợp kim hóa cho phép chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng các chủng loại dây hàn tiêu chuẩn mà vẫn ñảm bảo ñược các tính chất ñặc biệt của kim loại ñắp, nâng cao năng suất công việc hàn

và hàn ñắp phục hồi bằng cách ñưa vào trong thành phần thuốc hàn gốm một khối lượng lớn kim loại và các nguyên tố hợp kim ðặc tính bền vững của các loại thuốc hàn gốm hệ bazơ là một ưa ñiểm lớn cho phép khắc phục khả năng chuyển dịch của các nguyên tố hợp kim phụ thuộc vào chế ñộ hàn và ñảm bảo thành phần hóa học ổn ñịnh cho mối hàn, kim loại ñắp tương ứng với thành phần hóa học cụ thể của mỗi loại dây hàn

Tuy nhiên, thuốc hàn nấu chảy cũng có những ưa ñiểm riêng của nó Thuốc hàn nấu chảy hầu như không chứa các thành phần ngậm nước vì vậy mối hàn sẽ ít bị rỗ khí hơn

Ngoài ra, do tính chất ñồng nhất của các hạt thuốc hàn nấu chảy cũng như ñộ bền tương ñối cao của các hạt thuốc có tác dụng tốt khi sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ như máy hút chân không hoặc vận chuyển thuốc hàn bằng khí nén ñến phễu chứa thuốc

Ưu ñiểm nữa thuốc hàn nấu chảy là sự phân hủy hợp chất cacbonat, sự khử khí và tinh luyện nguyên liệu ñã ñược xảy ra trong quá trình nấu chảy và chế tạo thuốc hàn, vì vậy khi hàn với thuốc hàn nấu chảy lượng khí ñộc hại thoát ít hơn so với thuốc hàn gốm ðiều này cũng ñược minh chứng bằng quá trình hàn xảy ra êm nhẹ hơn so với thuốc hàn gốm và việc tạo dáng mối hàn cũng sẽ diễn ra tốt ñẹp hơn Tuy nhiên, với thuốc hàn nấu chảy khả năng hợp kim hóa mối hàn từ thuốc là rất thấp

Ưu ñiểm nữa thuốc hàn nấu chảy là khả năng tái sử dụng ñối với các xác xỉ Việc này ñối với thuốc hàn gốm là không thể ñược vì các thành phần hợp kim hóa trong xác xỉ không còn

Khi nấu chảy lượng thuốc hàn nóng chảy, bằng các biện pháp công nghệ cần thiết bổ sung có thể làm giảm ñáng kể hàm lượng phôtpho (P), lưu huỳnh (S) trong mối hàn

Như vậy, việc lựa chọn chủng loại thuốc hàn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệm vụ sản xuất cụ thể và các chủng loại kết cấu cũng như vật liệu ñể sản xuất kết cấu hàn

Thuốc hàn gốm ñược khuyến cáo dùng khi hàn ñắp các lớp chịu mài mòn và chống ăn mòn trên bề mặt chi tiết Cũng như ñược dùng ñể hàn các chủng loại thép hợp kim và thép có ñộ bền cao, thép làm việc trong các môi trường ñặc biệt, trong môi trường nhiệt ñộ thấp

Ví dụ: Tàu biển, tàu vũ trụ…

Ngoài ra, còn một loại tính năng ưa việt của thuốc hàn gốm cũng ñược ứng dụng trong quá trình cơ giới hóa và tự ñộng hóa công việc sản xuất kết cấu hàn

Chẳng hạn, trong thành phần thuốc hàn gốm có chứa khối lượng lớn bột sắt (Fe) sẽ tạo cho thuốc hàn gốm có tính chất nhiễm từ ðiều này cho phép sử dụng loại thuốc này khi hàn tự ñộng với dây hàn liên tục và ñạt ñược chất lượng cao Phương pháp này rất hiệu quả trong quá trình công nghiệp xây dựng và lắp ñặt dân dụng kết cấu thép

Các kết quả nghiên cứa về tính kinh tế so sánh thuốc hàn nấu chảy và thuốc hàn gốm ñã cho thấy cùng một quy trình công nghệ và mức ñộ cơ giới hóa việc sản xuất thuốc hàn gốm hiệu quả hơn so với thuốc hàn nấu chảy cả

về mặt năng suất cũng như tiết kiệm năng lượng

Thời gian cần thiết cho phép một mẻ thuốc hàn nấu chảy trung bình 1,5 ÷ 2 giờ

Thời gian cần thiết chế tạo một khối lượng tương tự thuốc hàn gốm cần ít hơn Trong ñiều kiện cơ giới hóa tối ña chu trình công nghệ sản xuất thì số lượng nhân công phục vụ cho việc chế tạo thuốc hàn gốm cũng ñược ñòi hỏi ít hơn

Khi chế tạo thuốc hàn gốm năng lượng tiêu tốn ít hơn so với thuốc hàn nấu chảy 30 ÷ 50% tỉ lệ tiêu hao thuốc hàn gốm so với thuốc hàn nấu chảy ở mức thấp khi hàn Tuy nhiên, xác xỉ thuốc hàn nấu chảy còn có thể tái sử dụng

Nhược ñiểm thuốc hàn gốm là khi chế tạo cần sử dụng chất kết dính ñó

là nước thủy tinh lỏng, khối lượng thủy tinh lỏng chiếm 15 ÷ 20% khối lượng thuốc hàn gốm và cũng cần khoản chi phí nhất ñịnh

Phần lớn các loại thuốc hàn nấu chảy của các nước trên thế giới ñược

sử dụng cho hàn thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp Thuốc hàn gốm thì

sử dụng cho thép hợp kim cao, thép chống mài mòn, thép ñặc biệt…

Các ưu ñiểm của thuốc hàn gốm ñược ñánh giá cao, nên mặc dù thuốc hàn nấu chảy ñược nghiên cứu và sản xuất trước, nhưng ngày nay tại các nước phát triển như Hoa Kỳ, ðức, lượng thuốc hàn gốm ñược sản xuất ra gấp

2 ÷ 4 lần thuốc hàn nóng chảy

1.2.2 Khái quát chung về thuốc hàn gốm

1.2.2.1 Khái niệm thuốc hàn gốm

Thuốc hàn gốm chế tạo bằng cách pha trộn ñồng ñều các nguyên liệu thành phần ñã ñược nghiền nhỏ ñến mức ổn ñịnh nhất, tạo hạt bằng cách bổ sung thêm chất kết dính rồi vê viên tạo hạt, thiêu kết và sau ñó nghiền nhỏ tạo hạt Mỗi hạt thuốc gốm gồm các phần tử nhỏ liên kết chặt với nhau với ñủ các thành phần theo

công thức, vì vậy các hạt gốm có cùng thành phần, mật ñộ và cấu trúc

1.2.2.2 Phân loại thuốc hàn gốm

Theo Viện Hàn quốc tế (IIW) thuốc hàn gốm ñược chia thành 5 loại:

Loại 1: Mangan - Silic (MS) Loại 2: Canxi - Silic (CS) Loại 3: Aluminate - Rutile (AR) Loại 4: Nhôm - Kiềm (AB) Loại 5: Florua - Kiềm (FB) Thành phần tối thiểu của các chất chính trong các loại thuốc hàn ở trên bảng 1.1

Bảng 1.1: Phân loại thuốc hàn gốm theo thành phần khoáng

Lượng tối thiểu của thành phần chính, %

Mangan - Silic

Ôxit mangan - MnO Ôxit silic - SiO2Ôxit canxi - CaO

Ôxit nhôm - Al2O3 Florua canxi - CaF2 50 Canxi - Silic

Ôxit silic - SiO2Ôxit canxi - CaO Ôxit magie - MgO

Ôxit mangan - MnO Ôxit nhôm - Al2O3 Florua canxi - CaF2

60

Aluminate - Rutile Ôxit nhôm - Al2O3

Ôxit canxi - CaO

Ôxit mangan - MnO 45 Nhôm - Kiềm

Ôxit nhôm - Al2O3 Ôxit canxi - CaO Ôxit magiê - MgO

Ôxit mangan - MnO Ôxit silic - SiO2 45 Florua - Kiềm

Ôxit canxi - CaO Ôxit magie - MgO Florua canxi - CaF2

Ôxit silic - SiO2Ôxit mangan - MnO Ôxit nhôm - Al2O3

50

Bảng 1.2: Thành phần thí nghiệm ñặc trưng của các thuốc gốm theo %

Loại thuốc SiO2 MnO CaO MgO CaF2 Al2O3 TiO2 Khác

Sau khi tiến hành chế tạo thật và nghiên cứu thực nghiệm với thành

phần của các loại thuốc hàn như bảng trên, người ta rút ra một số nhận xét:

Thuốc Mangan - Silic ñảm bảo sự hình thành tốt mối hàn với khả năng chống rỗ cao Loại thuốc này chủ yếu dùng ñể hàn thép thường, mỏng với một ñường hàn

Thuốc Canxi - Silic thuộc loại trung tính hoặc bazơ nhẹ, tạo dáng mối hàn với khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn Thuốc ñược dùng ñể hàn một hoặc nhiều ñường các thép hợp kim thấp trong ngành ñóng tàu, làm bồn chứa và các kết cấu thép khác

Thuốc Aluminate - Rutile là loại tổng hợp hơn cả Chúng có các tính chất công nghệ tốt nhất, ñặc biệt khi hàn tốc ñộ cao Mối hàn có các tính chất

cơ học và chống nứt tốt Thuốc Aluminate - Rutile dùng cho hàn các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp trong chế tạo máy, ñóng tàu, ôtô và các ngành công nghiệp khác

Thuốc Nhôm - Kiềm có các tính chất công nghệ tốt và ñảm bảo các tính chất cơ học cùng khả năng chống nứt cao của mối hàn Thuốc dùng cho hàn thép hợp kim thấp ñộ bền cao trong ñóng tàu, bình áp lực cao và các kết cấu thép ñặc biệt khác

Thuốc Florua - Kiềm thuộc loại có tắnh bazơ cao Chúng ựảm bảo các tắnh chất cơ học cao nhất và khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn Tắnh công nghệ của thuốc Florua - Kiềm kém hơn các loại thuốc khác Thuốc dùng

ựể hàn một hoặc nhiều ựường thép xây dựng hạt mịn ựộ bền cao và thép có yêu cầu chống lạnh cao của mối hàn

* Nguyên liệu chủ yếu của thuốc hàn Aluminate - Rutile (A-R)

- đá vôi:

+ Có thành phần chủ yếu là CaCO3 Loại dùng cho sản xuất thuốc hàn

có thành phần tương ựối CaO ~ 55% và CO2 ~ 42%

Khi nung nóng ở nhiệt ựộ 880o C sẽ xảy ra phản ứng:

P với ôxit sắt ựể tạo thành P2O5 không hòa tan trong kim loại tạo thuận lợi cho

nó chuyển vào xỉ theo phản ứng:

2Fe2P + 5FeO ↔ (P2O5) + 9[Fe] (1.1) ( ) chỉ các thành phần hòa tan trong xỉ

[ ] chỉ các thành phần hòa tan trong kim loại

+ Trong xỉ bazơ P2O5 kết hợp với CaO tạo Thành canxi phốt phát (3CaO.P2O5) và nhờ vậy sự cân bằng ở phản ứng (1.1) xảy ra theo chiều thuận, tạo ựiều kiện khử P hiệu quả hơn

+ Lưu huỳnh (S) cũng ựược di chuyển từ kim loại vào xỉ theo phản ứng:

- đôlômắt:

+ Là cacbonat hỗn hợp có công thức CaMg(CO3)2 trong bột hàn đôlômắt có tác dụng tạo xỉ, ổn ựịnh hồ quang, ựộ mịn thắch hợp ựể sản xuất bột hàn của nguyên liệu này là ≤ 0,25 mm

+ Cả hai chất HF và SiF4 ựều là chất bảo vệ mối hàn rất tốt, nhưng khắ

ựó là khắ ựộc CaF2 là chất tạo nên ựặc tắnh bazơ của xỉ

- Cao lanh:

+ Là chất có màu vàng thuộc loại silicat nhôm, có công thức cấu tạo

Al2(Si4O10).6H2O trong bột hàn có chất tạo xỉ, khi ép tạo hạt thuốc hàn nó có tác dụng tạo hình rất tốt, ñộ mịn thích hợp ñể sản xuất thuốc hàn của nguyên liệu này là ≤ 0,25 mm

+ Là một loại silicat nhôm, ở dạng cục nguyên khai có màu trắng hồng

Có tác dụng tạo xỉ Trong tự nhiên phenpat tồn tại ở 3 dạng:

+ KAlSi3O8 gọi là Kali phenpat; NaAlSi3O8 gọi là Natri phenpat và CaAl2Si2O8 gọi là Canxi phenpat

+ Trong công nghệ sản xuất thuốc hàn thường sử dụng loại Kali phenpat có hàm lượng chính sau:

- Quặng mangan:

+ Dạng bột mầu ñen hàm lượng mangan trong quặng chiếm 40 ÷ 55% Dioxit mangan có khả năng tham gia khử tốt trong quá trình luyện kim Ngoài

ra còn có tính chất tạo xỉ

- Các chất có kim loại và hợp kim fero:

+ Việc dùng hợp kim fero hoặc kim loại nguyên chất vào trong thuốc hàn nhằm mục ñích ñể khử oxi hay ñể tăng thành phần kim loại ấy trong mối hàn, hoặc ñể bù hao cho những nguyên tố bị cháy, hao tổn Ta thường gọi là hợp kim hóa mối hàn

+ Trong quá trình hàn nhiệt ñộ vùng hàn lên rất cao (ở giữa ≈ 3500oC xung quanh ≈ 2500oC) do ñó làm cháy kim loại có một số kim loại tạo thành oxit nằm lẫn lộn với thép, chủ yếu là FeO nó làm giảm tính bền cơ học của kim loại hoặc gây nên hiện tượng nứt nóng ðể khử những tạp chất ñó phải dùng những nguyên tố có ái lực cao với oxi tạo thành một loại oxit thực tế không tan trong kim loại lúc ñó nguyên tố chất oxi thực tế không tan trong kim loại Với [FeO] hoàn nguyên sắt tạo thành oxi tách ra khỏi kim loại:

m[ FeO] + n[Pa] = m [Fe] + (PanOm)

+ Mức ñộ oxi hóa của chất khử oxi có thể ñánh giá theo tính bền oxit của nó tạo thành Khi nồng ñộ bằng nhau và ở vùng nhiệt ñộ bằng 2000oC tác dụng mạnh nhất với oxi có Ca, sau ñó Mg, Al, Ti, V, Si, Mn, Cr, Fe, Ni, Cu Tất cả những nguyên tố kể trên khi ở cùng nhiệt ñộ chỉ có niken và ñồng có ái lực với oxi yếu hơn Fe vì vậy tất cả những nguyên tố có ái lực với oxi mạnh hơn Fe ñều là chất khử oxi thông dụng nhất khi hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp Sự oxi hóa Si và Mn tiến hành theo phản ứng:

2 [FeO] + [Si] = (SiO2) + 2[Fe] + Q

[FeO] + [Mn] = (MnO) + [Fe] + Q

+ SiO2 và Mn là những loại oxit không tan trong kim loại Các phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, khi nhiệt ñộ giảm, lượng SiO2 và MnO tạo thành rất lớn do

ñó lượng FeO cân bằng trong kim loại, cả nồng ñộ chất oxi hóa giảm xuống

- Fero silic:

+ Thường có 3 loại: 45% Si, 75% Si và 95% Si

+ Trong sản xuất thuốc hàn thường dùng loại có 45% silic, các loại khác ít dùng vì silic cao nó sẽ phản ứng mãnh liệt với thủy tinh lỏng

- Không giống thuốc hàn nóng chảy, thuốc hàn gốm có thể hoàn nguyên kim loại Khi lượng oxi tăng, tính kim loại giảm Trong hàn hồ quang oxi dễ xâm nhập vào kim loại lỏng, vì vậy sự hoàn nguyên kim loại mối hàn

là một trong những công ñoạn luyện kim quan trọng nhất

- Thuốc hàn gốm cho phép tinh luyện cấu trúc kim loại mối hàn thông qua lượng nhỏ các nguyên tố tinh luyện trong thuốc: ferotitan, bột nhôm, silic

- canxi, kim loại hiếm Khả năng ngăn ngừa quá nhiệt của chúng ñẩy mạnh quá trình tinh luyện và cho phép nhận cấu trúc ñồng trục của kim loại mối hàn, làm tăng ñộ dẻo và khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn

- Việc sử dụng các muối và ôxit cao (MnO2, Fe2O3) trong thành phần thuốc hàn mở rộng khả năng tác dụng của thành phần pha khí trong cột hồ quang Các sản phẩm khí của muối và ôxit cao làm giảm lượng hyñro trong vùng hồ quang và làm giảm nhiều lần khả năng rỗ của mối hàn gây ra bởi hyñro

- Lượng thuốc tiêu hao ít hơn thuốc nóng chảy nhờ khối lượng riêng của nó lớn hơn

- Chế tạo ñơn giản, giá thành hạ

- Dễ ñiều chỉnh thành phần mẻ liệu của thuốc hàn ñể thay ñổi thành phần hóa học của kim loại mối hàn và cơ tính của nó một cách linh hoạt Vì khi sản xuất thuốc hàn gốm không có công ñoạn nung chảy nên thuốc cho phép chứa ñủ các thành phần như mong muốn Các thành phần vật liệu giữ ở trạng thái tự nhiên cho tới khi hàn ðiều này cho phép thực hiện xử lý luyện kim bổ sung kim loại mối hàn, làm thay ñổi cấu trúc thành phần của nó hiệu quả hơn so với thuốc hàn nóng chảy

Ưu ñiểm nhiều hơn nhược ñiểm Những ưu ñiểm của thuốc hàn gốm ñược phát hiện và ñánh giá cao, chính vì vậy thuốc hàn gốm ngày càng ñược

sử dụng rộng rãi

1.3 Lựa chọn nguyên vật liệu

Như ta thấy ở phần trên thuốc hàn dạng gốm ñang ñược ñánh giá cao ở các nước trên thế giới ðang từ thuốc nóng chảy chuyển dần sang sản xuất thuốc gốm nhiều hơn Nước ta có nhiều khoáng sản khác nhau, trong ñó các

khoảng sản chứa các nguyên liệu có các thành phần có thể làm ra thuốc hàn gốm tương ựối nhiều Việc sản xuất thuốc hàn gốm không ựòi hỏi thiết bị quá phức tạp, cũng không cần nhiều năng lượng Vì vậy ựề tài chọn thuốc hàn gốm ựể nghiên cứu chế tạo

Trong thuốc hàn gốm thì chọn loại thuốc ỘAluminate - RutileỢ ựể nghiên cứu vì thuốc Aluminate - Rutilecó tổng hợp hơn cả, chúng có các tắnh chất công nghệ rất tốt Mối hàn có các tắnh cơ học và chống nứt tốt Thuốc Aluminate - Rutile dùng cho hàn các kết cấu thép cácbon thấp và thép hợp kim thấp trong chế tạo máy ựóng tàu, ôtô và các ngành công nghiệp khác

Thuốc hàn Aluminate - Rutile có thành phần hóa học chủ yếu là: Al2O3, Rutile (thành phần chủ yếu là Al2O3, TiO2), CaO, SiO2, MnO Ngoài ra còn có các thành phần khác như: FeMn, FeSi, FeTi, MgO, CaF2, CaCO3, Fe2O3 Qua thử nghiệm ựể ựáp ứng yêu cầu là sử dụng vật liệu trong nước tác giả quyết ựịnh lựa chọn các nguyên liệu sau: Bôxit (thành phần chủ yếu là Al2O3), rutile, ựá vôi, huỳnh thạch, ựôlômit, cao lanh, quặng mangan, fero mangan, fero silic

Bôxit là loại silicat nhôm có thành phần chủ yếu là ôxit nhôm chiếm (52% Al2O3, 5% SiO2) trong thuốc hàn nó là chất có tác dụng ổn ựịnh hồ quang và là chất tạo xỉ

Rutile là loại sa khoáng tự nhiên có thành phần chắnh là TiO2 (92% TiO2, 2% SiO2) loại dùng cho sản xuất thuốc hàn gốm có tỉ lệ TiO2 trên 90% Khi hàn rutile giúp cho việc mồi hồ quang, giữ hồ quang ổn ựịnh và êm

đá vôi có thành phần chủ yếu là CaCO3 (98% CaCO3, 1% Al2O3, 1% SiO2) Khi hàn dưới tác dụng nhiệt của hồ quang sẽ xảy ra phản ứng hoá học:

CaCO3 = CaO + CO2Khắ CO2 thoát ra có tác dụng ựẩy không khắ ra khỏi vùng hàn, ựồng thời giúp ổn ựịnh hồ quang, ngoài ra khắ CO2 còn có tác dụng làm loãng các chất khắ ở vùng hồ quang từ ựó sẽ làm giảm áp lực của hiựrô lên kim loại lỏng làm cho lượng hiựrô hoà tan vào kim loại lỏng ắt ựi

CaO có vai trò quan trọng trong việc khử phôtpho và lưu huỳnh trong mối hàn Sunfit sắt trong bể hàn gặp CaO sẽ sảy ra phản ứng:

[FeS] + (CaO) = [FeO] + (CaS) [ ] chỉ thành phần hoà tan trong bể hàn ( ) chỉ thành phần hoà tan trong xỉ Như vậy không giống như FeO hoà tan vào kim loại lỏng thì CaS không hoà tan trong kim loại mà chuyển vào xỉ mang theo nguyên tố S nhờ

ựó khử ựược lưu huỳnh

Phôtpho (P) tồn tại trong kim loại lỏng dưới dạng phôtphit sắt Fe2P, nó

bị ôxi hoá bởi ôxit sắt:

2Fe2P + 5FeO ⇔ (P2O5) + 9[Fe]

Phản ứng này có thể xảy ra theo cả hai chiều thuận nghịch Tắnh bazơ của xỉ ảnh hưởng lớn tới quá trình khử P vì trong xỉ bazơ P2O5 kết hợp với CaO

P2O5 + 3CaO = (CaO)3.P2O5

Ca3P2O8 không hoà tan nên không có chiều nghịch

đôlômit là khoáng cacbonat có thành phần chắnh là CaMg(CO3)2 chiếm 80%

Dưới tác dụng của hồ quang ựôlômit nóng chảy và tham gia tạo xỉ, ựồng thời bị phân huỷ tạo ra khắ CO2 và các thành phần nóng chảy CaO, MgO

CaO và MgO có tác dụng làm tăng ựộ bazơ trong xỉ Ảnh hưởng của MgCO3 có thể thấy trên hình sau:

Hình 1-6: Lượng H 2 trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào lượng MgCO 3

trong thuốc hàn

4 8 1

[H],cm3/100g

Huỳnh thạch rất dễ nóng chảy có thành phần chủ yếu là CaF2

(96% CaF2, 2% CaCO3, 2%SiO2) huỳnh thạch tham gia tạo xỉ và có ảnh hưởng ñến lượng hiñrô trong kim loại mối hàn Trong xỉ CaF2 phản ứng hoá học với SiO2 tạo ra khí hiñrôflorua HF Quá trình tạo ra khí hiñrôflorua trong vùng hồ quang xảy ra theo phản ứng sau:

2(CaF2) + (SiO2) = 2CaO + SiF4SiF4 + 2H2O = SiO2 + 4HF CaO ñi vào pha xỉ tham gia vào quá trình tạo xỉ

Còn khí HF không hoà tan trong thép lỏng và bền ở nhiệt ñộ của hồ quang nên thoát ra ngoài, làm giảm áp lực của H2 nên bể hàn từ ñó làm giảm lượng

H2 hoà tan trong kim loại lỏng kết quả là mối hàn ít bị rỗ

Cao lanh là loại silicat nhôm có thành phần chủ yếu là Al2(Si4O10-) 6H2O lượng Al2(Si4O10).6H2O chiếm 80 ÷ 90%

Cao lanh dẻo nên có tác dụng tốt trong việc tạo hạt cho thuốc Khi hàn

nó nóng chảy tham gia tạo xỉ Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang Al2(Si4O).6H2O nó bị phân huỷ tạo thành Al2O3 và SiO2 (35%Al2O3, 52%SiO2) Ôxit nhôm Al2O3 có tác dụng làm ổn ñịnh hồ quang còn SiO2 tham gia vào việc khử hiñrô (kết hợp với CaF2)

10-Quặng mangan có thành phần chủ yếu là các ôxit mangan (chiếm khoảng 50%)

Khi hàn quặng mangan nóng chảy tham gia tạo xỉ Trong xỉ ôxit mangan và ôxit silic tham gia vào các phản ứng khử ôxi khỏi kim loại mối hàn Giai ñoạn ñầu khi giọt kim loại lỏng từ dây hàn nóng chảy chuyển vào xỉ thì xảy ra phản ứng hoá học:

SiO2 + 2Fe = 2FeO + Si MnO + Fe = FeO + Mn Một phần ôxit sắt hoà tan trong xỉ phần kia chuyển vào bể hàn Si và

Mn ñược tạo ra cũng chuyển vào bể hàn Giai ñoạn sau khi nhiệt ñộ bể hàn không còn quá cao trong bể hàn xảy ra phản ứng theo chiều ngược lại: Si và Mn

khử ôxi của ôxit sắt có trong bể hàn tạo ra SiO2, MnO và Fe Các ôxit SiO2 và MnO di chuyển vào xỉ, lúc này cần giữ cho bể hàn nguội chậm ñể các ôxit này

có ñủ thời gian chuyển hết vào xỉ khi kim loại lỏng chưa kịp ñông ñặc

Fero silic (Fe - Si) là chất khử ôxi và hợp kim hoá mối hàn

Lượng silic trong mối hàn giúp mối hàn chống nứt nóng tốt, ngoài ra tỉ

lệ silic cao còn làm cho xỉ dễ bong

Fero mangan (Fe - Mn) là chất khử ôxi và hợp kim hoá mối hàn Hợp kim hoá mối hàn với mangan làm tăng khả năng chống nứt kết tinh và tăng ñộ bền, cải thiện tính dẻo của mối hàn

1.4 Thép Q460D

Thép Q460D là thép hợp kim thấp chứa ñến 0,2%C Thép Q460D ñược chọn theo tiêu chuẩn GB/T1591 - 94 của Trung Quốc bảng (1.3, 1.4)

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của thép Q460D

Thành phần hoá học (%) Mác thép

khác

(4) (4) Hàm lượng nguyên tố dư khác ωCr ≤ 0,7%, ωNi ≤ 0,7%

≤ 16 >16~35 >35~50 >50~100

ðộ bền kéo

σb/ Mpa

ðộ giãn dài δ s

ñộ o C AKV/J≥ ≤ 16 >16~100

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Ngoài nước

Công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc trợ dung ra ñời vào những năm

1930 tại Liên Xô cũ và một số nước châu Âu, Mỹ Với nhiều ñặc ñiểm nổi trội như mức ñộ tự ñộng hóa và cơ giới hóa cao, năng suất cao (gấp 8 ñến 10 lần so với hàn hồ quang tay) và chất lượng mối hàn ổn ñịnh, công nghệ này ñã

có bước phát triển vượt bậc và ñang ñược áp dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới Tỷ trọng công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc trợ dung chiếm tới 15÷25% thị trường trong chế tạo máy và chế tạo thép công nghiệp tùy theo từng quốc gia

Thuốc hàn tự ñộng ñược phân loại theo phương pháp chế tạo gồm 2 nhóm chính là thuốc hàn nóng chảy và thuốc hàn gốm

Thuốc hàn dạng gốm (trợ dung hàn gốm) ñược khởi xướng nghiên cứu bởi K.K Khrenov vào năm 1938, nhưng phải ñến năm 1950 mới ñược ñưa vào ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Hiện nay tỷ trọng trong thuốc hàn gốm cho hàn tự ñộng ở các nước công nghiệp phát triển Tây Âu và Mỹ ñã vượt xa

so với thuốc hàn nấu chảy Ví dụ ở Mỹ, CHLB ðức khối lượng thuốc hàn gốm sản xuất ra gấp 3 ÷ 4 lần thuốc hàn nóng chảy Cho ñến nay ñã có tới hàng trăm mác thuốc hàn gốm khác nhau phụ thuộc vào loại thép kết cấu và yêu cầu hàn trong chế tạo ñã ñược các hãng và công ty lớn trên thế giới sản xuất ra ðiển hình như là Hobart Brothers Co (Mỹ), ESAB Holding Ltd (Thụy ðiển), Kobelco Ltd (Nhật), Hyundai Welding Co (Hàn Quốc)

Bảng 1.5: Phân bố khối lượng kim loại ñắp theo phương pháp hàn

Từ bảng 1.3 ta thấy tỷ trọng 50/50 thì năm 2010, toàn thế giới ñã sản xuất và tiêu thụ tới khoảng 150000 tấn thuốc hàn gốm cho hàn tự ñộng phục

vụ cho các ngành công nghiệp chế tạo máy và kết cấu thép

1.5.2 Trong nước

Vấn ñề nghiên cứu chế tạo vật liệu hàn cho hàn tự ñộng dưới lớp thuốc hàn ñược triển khai từ những năm 1980, bắt ñầu là công trình chế tạo thử nghiệm thuốc hàn nấu chảy bằng lò ñiện hồ quang với cốc Platinum tại Viện Nghiên cứu Máy (Bộ Công nghiệp) do kĩ sư Nguyễn Thành Kiên Sau ñó tại Viện Nghiên cứu Thiết kế giao thông do TS Nguyễn Văn Thông thực hiện Các chuyên gia ñã thành công trong việc chế tạo thử loại thuốc hàn nấu chảy

AH - 348A theo công thức của Liên Xô cũ ñể hàn kết cấu thép, tuy nhiên mới chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và chưa ñược ñưa ra sản xuất công nghiệp

Những năm 1990, do nhu cầu hàn ñắp phục hồi chi tiết của Xí nghiệp liên doanh Dầu khí Việt - Xô và một số cơ sở sản xuất khác, việc nghiên cứu chế tạo thuốc hàn gốm dạng AHK18 cho hàn ñắp phục hồi các chi tiết lớn ñòi hỏi ñộ cứng cao 40÷45 HRC ñã ñược nhóm chuyên gia của Viện Nghiên cứu

Cơ khí, và Công ty Que hàn ñiện Việt - ðức phối hợp nghiên cứu và ñã cung cấp hàng chục tấn cho các cơ sở sản xuất sử dụng một cách hiệu quả

Các kết quả nghiên cứu thu nhận ñược và ñánh giá nghiệm thu thông qua ñề tài nghiên cứu khoa học và triển khai công nghệ cấp nhà nước trong chương trình trọng ñiểm về cơ khí chế tạo máy giai ñoạn 1991÷1995 và

1996÷2000

Một số cơ sở ñào tạo và nghiên cứu như Trường ðH Bách Khoa Hà Nội, Khoa Cơ - ðiện Trường ðH Nông nghiệp Hà Nội, Viện Công nghệ - Bộ Công Thương ñã có một số công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thông qua ñào tạo ñại học, cao học, ñề tài cấp bộ về thuốc hàn gốm, tuy nhiên kết quả còn chưa ñược kiểm nghiệm và ñánh giá ở mức cần thiết, việc tiếp

cận thị trường còn hạn chế

Hầu hết các công trình trọng ñiểm trong lĩnh vực dầu khí, ñóng tàu, xây lắp hóa chất, nhiệt ñiện, thủy ñiện ñều sử dụng các chủng loại thuốc hàn nấu chảy và thuốc hàn gốm nhập ngoại từ Mỹ, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc, Trung Quốc là chủ yếu

1.5.3 Nhu cầu thuốc hàn gốm trong công nghiệp tại Việt Nam

Trong sự phát triển chung của ngành công nghiệp, nghề hàn ñóng một vai trò quan trọng Rất nhiều thiết bị hàn hiện ñại với những kĩ thuật mới ñược du nhập vào nước ta Trong các thiết bị hàn ñó có thiết bị hàn tự ñộng và bán tự ñộng dưới lớp thuốc, chúng có những ưu ñiểm như: Hàn ñược dòng hàn lớn, vật hàn dày, tốc ñộ hàn nhanh, mối hàn ñều, ñộ ngấu sâu… Chính vì những ưu ñiểm ñó mà thiết bị này ñược sử dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành sản xuất, thiết bị hàn tự ñộng và bán tự ñộng ñã ñược một số cơ sở sản xuất trong nước bước ñầu nghiên cứu chế tạo nhưng thuốc hàn thì cho ñến nay nước ta vẫn phải nhập từ nước ngoài

Thuốc hàn gốm có những ưu ñiểm nên ñược sử dụng phổ biến cho hàn

tự ñộng và bán tự ñộng dưới lớp thuốc vì thế mà nhu cầu sử dụng thuốc hàn gốm ở Việt Nam ngày càng tăng ðề tài này mong muốn sử dụng vật liệu trong nước chế tạo ra thuốc hàn gốm ñáp ứng ñược nhu cầu ngày càng lớn và

góp phần vào công cuộc công nghiệp hóa và hiện ñại hóa ñất nước

Chương 2: ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

ðể giải quyết nhiệm vụ ñặt ra cho ñề tài luận văn là “Nghiên cứu thành phần phối liệu của thuốc hàn gốm hệ Aluminate - Rutile (A-R) cho hàn tự ñộng kết cấu thép”

2.1 ðối tượng nghiên cứu

Thuốc hàn gốm hệ Aluminate - Rutile (A-R) và việc nghiên cứu chế tạo

và ñánh giá chất lượng của thuốc

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm trong ñó nghiên cứu thực nghiệm là chủ yếu

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu thuốc hàn gốm hệ Aluminate - Rutile Lựa chọn nguyên vật liệu, bài phối liệu sản xuất thuốc hàn gốm và các quá trình hoá lý xảy ra khi hàn

Tổ chức kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

Ảnh hưởng của 3 thành phần chính Al2O3 và TiO2, SiO2 trong thuốc hàn gốm tới chất lượng mối hàn

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Chế tạo thuốc hàn theo bài toán quy hoạch thực nghiệm và theo quy trình công nghệ ñã ñược nghiên cứu

Thực hiện quá trình hàn

Thông qua các chỉ tiêu cơ tính, ñể ñánh giá chất lượng thuốc hàn

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm

Khi tiến hành thực nghiệm, các kết quả ño thường là ñại lượng ngẫu nhiên, không thể không sai lệch do ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu Do ñó ñể ñảm bảo ñộ tin cậy của các thí nghiệm cần ño nhiều lần sau ñó lấy giá trị trung bình Áp dụng công thức xử lý số liệu của xác suất thống kê toán học Sau khi ñã tiến hành n lần thí nghiệm và ñược giá trị là Xi (i = 1…n)

Giá trị trung bình các lần ño: ∑

=

=

n

i i X n

δ

2.2.4 Các tiêu chí cần kiểm tra ñánh giá

Tổ chức thô ñại của mối hàn

ðộ cứng tế vi mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

Hình 2-1: Máy ño ñộ cứng tế vi và chiều dày lớp thấm Wilson Wolpert

Micro - Vickers Model 420 MVD

2.2.5.2 Kiểm tra kim loại học mối hàn

a Kiểm tra tổ chức thô ñại

Mẫu ñược cắt từ mối hàn theo tiết diện ngang hoặc dọc Mẫu ñược mài lần lượt trên các ñĩa mài 60, 120, 180, 200, 240 ðể tránh biến dạng và quá nhiệt của mặt mẫu cần mài với dung dịch làm nguội Sau khi mài mẫu ñược ñánh bóng với phớt No3 và No4