NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

0 B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO T ẠO B Ộ CÔNG TH ƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ TRẦN VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY Chuyên ngành đào tạo: Công nghệ tạo hình vật liệu Mã ngành: 62.52.04.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà nội - 2012 1 A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của đề tài - Hiện nay ở Việt nam có nhu cầu lớn thay thế các chi tiết máy quan trọng thuộc dây chuyền thiết bị trong hầu hết các nghành công nghiệp. Để chủ động trong sản xuất tiết kiệm chi phí so với nhập ngoại. - Sử dụng phương pháp phun phủ để phục hồi hoặc chế tạo mới các chi tiết máy quan trọng, sẽ làm tăng tuổi thọ bền mòn của các chi tiết máy đặc biệt là các chi tiết máy dạng trục có giá thành cao. - Việc nghiên cứu Công nghệ phun phủ kim loại, đề xuất các biện pháp cũng như các thông số công nghệ để nâng cao chất lượng lớp phủ, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu làm việc của chi tiết máy là nhiệm vụ có tính cấp thiết cao tại Việt nam. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng bộ thông số chế độ công nghệ phù hợp thông qua thực nghiệm để nâng cao chất lượng lớp phủ. - Nghiên cứu công nghệ kết hợp lớp phủ lót Ni5Al với lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B để nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ chịu mòn. 3. Đối tượng nghiên cứu ứng dụng - Cấu trúc lớp phủ, lớp lót trên kim loại nền - Chế độ phun và chất lượng lớp phủ có cơ tính cao đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết máy - Đối tượng ứng dụng : Các chi tiết máy dạng trục chính của các thiết bị quan trọng 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cấu trúc và chất lượng lớp phủ và lớp lót : Độ xốp, độ bám dính, độ mài mòn vv… - Nghiên cứu thực nghiệm để xác lập miền giá trị điều chỉnh thích hợp các thông số công nghệ phun phủ có lớp lót Ni5Al với lớp hợp kim 67Ni18Cr5Si4B để nâng cao chất lượng lớp phủ; 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án a) Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án 2 - Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã chứng minh được quy luật ảnh hưởng của bộ thông số phun tới độ bền bám dính. Từ đó cho phép lựa chon được chế độ phun phù hợp để nâng cao chất lượng lớp phủ. - Lần đầu tiên tại Việt nam với các trang thiết bị sẵn có đã thực nghiệm một cách khoa học thành công phun phủ có lớp lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có độ bám dính của lớp phủ với kim loại nền tăng đáng kể; b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận án Kết quả của đề tài có ý nghĩa thiết thực trong công tác phục hồi cũng như để tạo bề mặt chi tiết máy có cơ tính cao, tăng tuổi bền mòn, có khả năng ứng dụng phục hồi các trục chính của các thiết bị có vật liệu là thép các bon và có đường kính khác nhau. 6. Các điểm mới của luận án - Với các trang thiết bị sẵn có trong nước lần đầu tiên đã thực nghiệm một cách khoa học thành công phun phủ có lớp lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B; - Từ các kết quả thực nghiệm đã xây dựng được bộ thông số công nghệ phun phủ và chế độ phun phù hợp để nâng cao chất lượng lớp phủ đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu làm việc của chi tiết. - Dùng lớp lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thì độ bền bám dính tăng đáng kể - Đã ứng dụng kết quả của luận án phun phục hồi thành công trục tàu cuốc với thời gian hoạt động 24 tháng, kết quả đạt tương đương nhập ngoại. 7. Kết cấu của luận án Luận án bao gồm phần Mở đầu và 05 Chương, Tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt, Tiếng Nga, Tiếng Anh và một số trang mạng, Phần phụ lục bao gồm các ảnh chụp cấu trúc lớp phủ, các loại vật liệu phun và các phiếu báo kết quả thí nghiệm, bản vẽ và biên bản nghiệm thu. Tên của các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ phun phủ kim loại; Chương 2: Ngiên cứu cơ sở lý thuyết phun phủ kim loại; 3 Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu; Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm giải pháp nâng cao chất lượng lớp phủ kim loại; Chương 5: Ứng dụng kết quả của luận án. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 1. Khái quát chung - B ản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim) nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun có sự va đập vào lớp kim loại nền, do ảnh hưởng của các biến đổi lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc vào lớp nền. - Phun ph ủ kim loại đư ợc sử dụng cho các mục đích chính sau: + Phục hồi các bề mặt mòn chủa chi tiết máy + Tạo lớp bề mặt có cơ tính cao của các chi tiết chế tạo mới. + Sữa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí. + Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển và ở các môi trường đặc biệt như: Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv… + Thay thế kim loại quý giảm giá thành sản phẩm + Công nghiệp trang trí - Ở Việt nam công nghệ phun phủ kim loại cũng đã được sử dụng và đã đem lại hiệu quả nhất định. 2. Các phương pháp phun kim loại Dựa vào nguồn nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại phun, các thiết bị phun hiện tại có thể chia làm hai nhóm chính: Nhiệt khí và Điện năng. 2.1. Phương pháp phun phủ nhiệt khí: - Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng rãi. Phương pháp này sử dụng nhiệt năng ngọn lửa cháy làm nóng chảy các các vật liệu phủ - Một trong những dạng đặc biệt thuộc nhóm này là phương pháp phun nổ, sử dụng năng lượng nổ hỗn hợp ôxy - axêtylen. Trong phun nhiệt khí tuỳ thuộc vật liệu phun mà có thể phân ra 3 dạng: Phun dây, phun thanh và phun bột. 4 Hình 1.1. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại Hình 1.2. Sơ đồ phun nổ 2.2. Các phương pháp phun điện: a) Phun bằng hồ quang điện: - Phương pháp này sử dụng năng lượng của hồ quang điện để làm nóng chảy kim loại phun. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện b) Phun bằng plasma: - Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Người ta ứng dụng năng lượng của luồng plasma để làm nóng chảy kim loại phun phủ. Nhờ có hồ quang mà khí công tác được nung nóng tới nhiệt độ rất cao 5 sau đó thoát ra khỏi miệng đầu súng phun thành luồng plasma ổn định nhờ hiệu ứng dòng khí xoáy chạy suốt thành ống phun trong kết cấu của đầu phun. Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phun phủ plasma - Do luồng plasma có nhiệt độ rất cao, có thể tới 10.000 O K nên dùng phun plasma để tạo lớp phủ từ tất cả các loại vật liệu khó nóng chảy hiện có đến nay và đây là một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này. 2.3. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp phun phủ : a) Những ưu điểm chính của công nghệ phun phủ: 1). Sự đa dạng về vật liệu phun và lớp nền khác nhau. Ví dụ ta có thể phun kim loại lên thủy tinh, gốm, vật liệu hữu cơ. 2). Có thể tạo lớp phun trên toàn bộ bề mặt chi tiết hoặc tại một vùng cục bộ, trong khi bằng các phương pháp khác (nhúng, mạ ) lại khó có thể đạt được. 3). Thiết bị phun tương đối đơn giản và gọn. 4). Bằng cách lựa chọn thành phần từng lớp phun và tổ hợp các lớp phun có thể tạo ra vật liệu có những tính năng đặc biệt khác hẳn với các vật liệu truyền thống. 5). Có thể dùng phương pháp phun để chế tạo chi tiết có hình dáng khác nhau. 6). Công nghệ phun cho năng suất khá cao và thao tác không phức tạp. b) Một số nhược điểm của phương pháp phun phủ: 1). Khi tạo lớp phun trên bề mặt những chi tiết có kích thước lớn thì quá trình này kém hiệu quả do tổn hao vật liệu phun và vì thế không kinh tế. 2). Ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng điều kiện làm việc của công nhân. 6 3). Quá trình phun cũng tạo ra những hợp chất độc trong không khí do sản phẩm cháy tạo thành, có hại cho sức khoẻ. 3. Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng trên thế giới 3.1. Phân loại vật liệu phun dùng cho các phương pháp phun phủ: Theo tài liệu của hãng PRAXAIR (Mỹ), các vật liệu phun phủ xử lý bề mặt kim loại được chia thành 04 nhóm theo lĩnh vực ứng dụng của các chi tiết máy và phương pháp phun phủ sau đây: 1) Nhóm I: Bột kim loại đơn kim hoặc tổ hợp kim loại nhiều lớp gồm các loại vật liệu như: - Bột trên cơ sở nền nhôm Al; - Bột trên cơ sở nền Cô ban Co; - Bột trên cơ sở nền Đồng Cu; - Bột trên cơ sở nền Sắt Fe; - Bột trên cơ sở nền Molíp đen Mo; - Bột trên cơ sở nền Niken Ni. 2) Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu chính gồm: - Hợp kim bột trên cơ sở nền bột Cô ban Co; - Hợp kim bột trên cơ sở nền bột Niken Ni. 3) Nhóm III: Bột gốm cho trong Bảng 3.3, gồm: - Bột ô-xit nhôm là nền cơ sở; - Bột ô-xit Crôm là nền cơ sở; - Bột ô-xit Zirconi là nền cơ sở. 4) Nhóm IV: Bột các bít - Bột các bít Crôm là nền cơ sở; - Bột các bít Tungsten là nền cơ sở. Tuỳ thuộc vào mục đích chế tạo mới hay phục hồi các lớp phủ bề mặt trên chi tiết máy mà người ta sử dụng các phương pháp phun phủ thích hợp, bao gồm thiết bị và vật liệu phủ tương ứng. Kết luận chương 1 1- Phun phủ là một hướng công nghệ tiên tiến của thế giơí để tạo ra các sản phẩm cơ khí mới có tính chất tổ hợp đặc biệt, sử dụng các vật liệu kim loại và hợp kim truyền thống kết hợp với hợp kim đặc biệt trong mỗi chi tiết máy làm nâng cao tính năng sử dụng của nó và tiết kiệm vật liệu quý hiếm; 7 2- Công nghệ phun phủ có nhiều phương pháp. Tuỳ theo điều kiện về các thiết bị phun phủ sử dụng mà tính chất vật liệu phun mà lựa chon phương pháp phun phù hợp. 3- Phương pháp phun phủ có nhiều ưu điểm nổi bật mà các công nghệ khác không có được. Tuy nhiên công nghệ này đòi hỏi một số thiết bị chuyên dụng được nhập ngoại và nó có một số nhược điểm nên chỉ ứng dụng công nghệ này cho các chi tiết phục hồi hoặc chế tạo mới với các bề mặt làm việc có tính năng đặc biệt. 4- Đã hệ thống được một số vật liệu thông dụng dùng cho phun phủ hiện nay trên thế giới. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI 1. Các lý thuyết về sự hình thành lớp phủ Có nhiều ý kiến khác nhau về sự hình thành lớp phủ kim loại, nhưng nổi bật nhất là các quan điểm sau: - Lý thuyết của Pospisil – Sehyl - Lý thuyết của Schoop - Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger - Lý thuyết của Schenk 2. Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại - Động lực để hình thành lớp phủ kim loại là nhiệt lượng và nhiệt động năng của các hạt kim loại phun. - Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nguồn năng lượng phun và cả trạng thái làm sạch bề mặt phun trên kim loại nền. Các hiện tượng tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ - lý – hoá tính khi hình thành lớp phủ kim loại như sau : 2.1. Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy ra trên bề mặt phun phủ: - Hiệu suất của quá trình nung nóng vật phun () theo biểu thức:  = q / I.U. Trong đó: I và U – cường độ dòng điện và hiệu điện thế của cung lửa. - Quá trình hình thành liên kết giữa các hạt phun với nền, như là một phản ứng hoá học trên mặt phân cách các pha tham dự vào mối liên kết vật lý do các hạt bị biến dạng và bị dàn mỏng ra. Nếu ký hiệu x là số nguyên tử đã tham gia vào phản ứng trong thời gian , thì phương trình động học của tốc độ phản ứng có dạng: 8                   k S exp kT E - expxN d dx K a O   trong đó: N O - Là số nguyên tử trên bề mặt nền hoặc bề mặt hạt  - Là tần số dao động riêng của các nguyên tử ; E a - Là năng lượng hoạt hoá; S - Là entropi hoạt hoá tại vùng có phản ứng hoá học; T K - Là nhiệt độ tiếp xúc đo theo thang nhiệt độ tuyệt đối; k - Là hằng số Boltxman. 2.2. Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun: Một trong những thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá học của các vật liệu khi tiếp xúc là nhiệt độ tiếp xúc giữa hạt nóng chảy (lỏng) và nền cứng. Nhiệt độ tiếp xúc T K và năng lượng hoạt hoá E a được tính theo công thức gần đúng : E a  K . T K (ln  + 30) Hình 2.1. Sơ đồ giải thích về thay đổi thời gian  (T K , P) theo nhiệt độ tiếp xúc và áp suất vùng tiếp xúc 2.3. Hiện tượng va đập của các hạt kim loại phun : Do ảnh hưởng của lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với vận tốc V khi va đập sẽ bị chảy dàn ra trên bề mặt nền. Biểu thức xác định tốc độ tối thiểu của hạt ở trạng thái nóng chảy, cần đạt được để gây ra biến dạng khi va đập vào mặt phẳng là: 9 V 2 d h d min           3 1 Trong đó:  - Sức căng mặt ngoài của vật liệu hạt ở TT nóng chảy;  1 - Tỷ trọng của vật liệu hạt; d - Đường kính của hạt trước khi va đập ; h - Chiều cao của hạt đã nguội. 3. Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền Lớp phủ là loại vật liệu có cấu trúc lớp được tạo bởi các hạt phun bị biến dạng mạnh, và gắn kết với nhau trên các vùng hàn bề mặt kiểu tiếp xúc. Trong lớp phủ có thể phân biệt những vùng cấu tạo phản ánh các quá trình hình thành nên chúng và được phân cách bởi các biên của vùng. Biên giới phân cách lớp phủ và kim loại nền, sẽ quyết định độ bám dính, hay cũng chính là độ bền liên kết giữa chúng. Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt bột phun. Thông thường cỡ hạt phù hợp nằm trong khoảng 40 70 m. Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun: 4. Các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ [...]... cứng bề mặt của chi tiết, đồng thời nhằm khử độ ô van bề mặt cần phun phủ 3) Làm sạch và tạo nhám bề mặt chi tiết cần phục hồi 4) Chuẩn bị thiết bị, vật liệu và tiến hành phun phủ 5) Nhiệt luyện chi tiết sau phun phủ : 6) Gia công cơ khí sau khi phun phủ: 7) Kiểm tra chất lượng lớp phun phủ phục hồi: 5 Ứng dụng phun phủ phục hồi trục tàu quốc Trong thời gian vừa qua đã áp dụng các kết quả nghiên cứu. .. DỤNG KẾT QUẢ ĐỂ PHUN PHỦ PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY DẠNG TRỤC Kết quả của đề tài đã được ứng dụng để phục hồi một số chi tiết máy dạng trục bị mòn cổ trục tại vị trí lắp vòng bi Trong quá trình thực hiện công việc phun phủ phục hồi phải thực hiện theo các bước sau : 1 Khảo sát tính chất làm việc, yêu cầu kỹ thuật của chi tiết phục hồi - Nghiên cứu xem xét bản vẽ chi tiết và bản vẽ chung cụm chi tiết hoặc bản... kiện Việt nam: Các thiết bị và dụng cụ đo lường phục vụ công tác nghiên cứu thực nghiệm 3 Phương pháp nghiên cứu Quy hoạch thực nghiệm với số lượng mẫu thí nghiệm là : 2k = 8 (k=3),Phương pháp kim tương học và phương pháp kiểm tra độ xốp để nghiên cứu và đánh giá chất lượng lớp phủ 14 Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ Chất lượng lớp phủ kim loại chịu ảnh hưởng của... pháp phun phủ và các thông số công nghệ Trên cơ sở điều kiện chịu tải và phân tích nguyên nhân hư hỏng của chi tiết để lựa chọn được vật liệu phun và phương pháp phun, các thông số công nghệ phun phù hợp với chi tiết 4 Lập quy trình phun phủ phục hồi 1) Chuẩn bị bề mặt phun: Tẩy rửa và kiểm tra tình trạng hỏng của trục xem có vết nứt, khả năng gãy 2) Gia công cơ khí tạo phôi cần thiết: bóc lớp biến cứng... giải pháp công nghệ phù hợp để ứng dụng vào sản xuất phục hồi các cổ trục chính của một số thiết bị trong công nghiệp Quy trình thực nghiệm và đánh giá được thực hiện như sau: 1 Phun phủ tạo mẫu thí nghiệm định hướng công nghệ: Thực hiện tạo lớp phủ bằng phương pháp: Phun plasma tại Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt , Viện Nghiên cứu Cơ khí Hình 4-1 Mẫu phun phủ hợp... yếu tố trong đó chế độ phun đóng vai trò rất quan trọng như: Khoảng cách phun, áp suất khí thổi để phun bột kim loại, năng suất phun, góc phun, tạo lớp lót trên bề mặt nền để nâng cao độ bám dính… Chương 4 bằng thực nghiệm sẽ khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của “ Khoảng cách phun, Áp suất khí thổi và Năng suất phun và tạo lớp lót bằng hợp kim NiAl để nâng cao chất lượng lớp phủ, từ đó có thể lựa chọn... kéo 3.2 Kiểm tra độ bền bám dính Ø40 Ø5 Hình 3-3 Mẫu thử độ bền bám dính pháp 1- Lớp phun phủ, 2- Chốt kéo, 3- Thân mẫu 3.3 Phương pháp xác định độ bền bám trượt của lớp phun phủ Mẫu kiểm tra Mẫu thử ứng suất bám trượt 2,5 Ø24,8-0,05 Ø29±0,02 2,5 14 Hình 3-4 Mẫu kiểm tra ứng suất bám trượt và mài mòn 4 Phương pháp nghiên cứu và đánh giá chất lượng lớp phủ 4.1 Phương pháp nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm... lượng: 08 2 Trang thiết bị thí nghiệm 2.1 Thiết bị phun phủ: - Máy phun plasma SG-100 (Praxair Thermal SG-100 Spray System) 11 Hình 3.1 Hệ thống thiết bị phun plasma tại Phòng thí nghiệm công nghệ hàn và xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí - Súng phun: Praxair Model 2086A - Hệ thống thiết bị phun làm sạch bề mặt - Máy nén khí 2.2 Các dụng cụ đo lường và thiết bị kiểm tra: - Cân tiểu ly, Vibra HAW... với hầu hết các phương pháp phun thì những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình phun là: - Các thông số về kết cấu của đầu phun và về vật liệu phun; - Các thông số về chế độ phun và về điều kiện phun phủ Trong điều kiện thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng tôi chọn 3 thông số công nghệ chính để khảo sát là: + Khoảng cách phun (L, mm); + Lưu lượng cấp bột phun (M, g/phút); + Áp suất khí... quan trọng của lớp phun kim loại vì tình trạng cấu trúc xốp ảnh hưởng đến những tính chất sử dụng như độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ thấm khí, điện trở, độ bền bám dính Do vậy cần xác định độ xốp lớp phủ để đánh giá chất lượng lớp phủ 4.3 Phương pháp đo tỷ trọng lớp phủ Nếu coi khối lượng nền kim loại mn và khối lượng lớp phủ mp và C1, C2 là thành phần theo khối lượng của nền và lớp phủ thì: C1 mn mn m . thời gian hoạt động 24 tháng, kết quả đạt tương đương nhập ngoại. 7. Kết cấu của luận án Luận án bao gồm phần Mở đầu và 05 Chương, Tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt, Tiếng Nga, Tiếng Anh. chương như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ phun phủ kim loại; Chương 2: Ngiên cứu cơ sở lý thuyết phun phủ kim loại; 3 Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị thí nghiệm và phương. chất lượng lớp phủ kim loại; Chương 5: Ứng dụng kết quả của luận án. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 1. Khái quát chung - B ản chất quá trình là tạo