Nghiên cứu chế tạo vật liệu 2 lớp chịu mòn thép 8 Kn + hợp kim nhôm hệ Al-Sn-Cu cùng làm bạc trượt động cơ ô tô công suất vừa và nhỏ

Hợp kim nhôm chịu mòn có khả năng biến dạng dẻo được ở mức độ cao thường dùng để sản xuất vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt bằng các công nghệ cán dính hoặc hàn nổ [1÷4]

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

PGS.TS Hà Minh Hùng

HÀ NỘI – 2012

LỜI CẢM ƠN

Thay mặt nhóm nghiên cứu đề tài, tôi xin chân thành cảm ơn tới:

- Vụ KHCN – Bộ Công Thương;

- Viện Nghiên cứu Cơ khí;

- Xưởng đúc – Viện KHCN Mỏ - Luyện kim;

- Xưởng bạc trượt bimetal, Công ty TNHH MTV Cơ khí Ngô Gia Tự;

- Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng (Uông Bí, Quảng Ninh);

- Các đồng nghiệp tại Viện Nghiên cứu Cơ khí và các cơ sở phối hợp thực hiện đề tài, cũng như các PTN chuyên ngành của Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện KHCN Việt Nam, bộ môn Ma sát học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ nhóm nghiên cứu chúng tôi hoàn thành các nhiệm vụ được giao

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.2 Điều kiện thực nghiệm kiểu N = 22 + 1 = 5 áp dụng cho nấu luyện hợp

kim nhôm AO9-2

18

Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần hóa học hợp kim nhôm chịu mòn

AO9-2 đúc

29

Bảng 4.1 Độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm

(Al-1050 + AO9-2) làm bạc trượt

42

Bảng 4.2 Độ cứng tải trọng nhỏ hai lớp vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim

nhôm (Al-1050 + AO9-2) sau hàn nổ + cán và chưa qua nhiệt luyện

49

Bảng 5.1 Kích thước và dung sai cho phép phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim

nhôm chịu mòn làm bạc trượt được khuyến dùng

cơ thử nghiệm trên xe tải 3,5 tấn

61

Bảng 5.7 Kết quả giám định lắp ráp, thử nghiệm bạc trượt trimetal trong động

cơ ô tô

63

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Phân loại các phương pháp chế tạo bimetal kỹ thuật điện [31] 5

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất vật liệu bimetal bằng phương pháp

hàn đắp lớp hợp kim chịu mòn trong khuôn cán định hình [31]:

6

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương

pháp hàn dưới áp lực [31]

7

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý công nghệ cán dính tạo phôi bimetal dạng băng [2] 8

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương pháp cán

Hình 1.8 Phương pháp bảo vệ kim loại khỏi ôxy hóa nhờ hàn bịt kín: a, b) – Phôi

cán đơn chiếc không đối xứng paket bimetal; c, d) – Phôi cán đối xứng cặp

đôi pakét bimetal [31]

10

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế tạo chi tiết máy bằng phương pháp LKB [3] 11

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế tạo bạc trượt bimetal bằng phương pháp

Luyện kim bột (LKB) [3]

12

Hình 1.11 Sơ nổ dưới góc nghiêng giữa 2 tấm kim loại (a) và tại một thời điểm

nổ (b); Sơ đồ nổ song song giữa 2 tấm kim loại (c) và tại một thời điểm

nổ (d) [35]

14

Hình 1.12 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ theo [35] 15

Hình 1.13 Ảnh chụp bạc trượt động cơ xe tải HUYNDAI 15 tấn 16

Hình 2.1 Mô hình quy hoạch thực nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm chịu

mòn dùng làm phôi hàn nổ bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt

18

Hình 2.2 Ảnh chụp lò trung tần nấu luyện hợp kim nhôm AO9-2 20

Hình 2.3 Ảnh chụp khuôn kim loại dùng cho đúc thỏi hợp kim nhôm AO9-2 20

Hình 2.4 Ảnh chụp lò thí nghiệm xử lý nhiệt phôi hợp kim nhôm sau đúc - cán 20

Hình 2.6 Sơ đồ nổ song song theo phương án “nổ treo” 22

Hình 2.7 Thiết bị ký thuật số (a, b) đo tốc độ nổ trực tiếp kèm phần mềm xử lý số

liệu đo (c) và magnheto kích nổ (d) sử dụng để thí nghiệm hàn nổ tạo phôi

vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt tại trường nổ

Quảng Ninh [8]

23

Hình 2.8 Ảnh chụp quá trình thí nghiệm đo tốc độ nổ trực tiếp trên trường nổ

Quảng Ninh

23

Hình 2.9 Đế nổ bằng thép kết cấu hàn vách và bê tông cốt thép bên trong sử dụng cho

thí nghiệm hàn nổ bimetal tại Quảng Ninh (H x B x L= 500x800x2000 mm)

24

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý lấy mẫu thử độ bền bám dính và chụp ảnh tổ chức tế vi

biên giới 2 lớp vật liệu bimetal:

25

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ nấu luyện, đúc thỏi hợp kim nhôm AO9-2 và cán

chuẩn bị phôi paket hàn nổ vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2)

Hình 3.6 Ảnh chụp hiện trạng bề mặt lớp hợp kim nhôm AO9-2 trên các mẫu

bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2), hàn nổ theo

phương án 1 (B1 = 60, L1 = 200 mm)

32

Hình 3.7 Ảnh chụp hính thái bề mặt lớp hợp kim nhôm AO9-2 trên các mẫu

bimetal nhôm (Al-1050) – hợp kim nhôm (AO9-2), hàn nổ theo

phương án 2 (B2 = 75, L2 = 400 mm)

33

Hình 3.9 Ảnh chụp bề mặt mẫu phôi hợp kim nhôm AO9-2 sau đúc và ủ đồng đều

hóa ở nhiệt độ Tủ = 390 ÷ 400 OC, tủ = 2,0 giờ

35

Hình 3.10 Ảnh chụp quá trình cán nguội tấm bimetal thép – hợp kim nhôm sau hàn

nổ tại Xưởng bạc trượt bimetal, Công ty TNHH MTV Ngô Gia Tự

35

Hình 3.11 Ảnh chụp bề mặt lớp hợp kim nhôm AO9-2 sau khi cán nguội (a) và bề

mặt bên thể hiện biến dạng không đều giữa 2 lớp thép – hợp kim nhôm (b)

37

Hình 4.3 Tổ chức tế vi hợp kim nhôm AO9-2 sau khi đúc 40 Hình 4.4 Ảnh chụp tổ chức tế vi hợp kim nhôm AO9-2 sau khi đúc và ủ đồng đều

hóa ở nhiệt độ Tủ = 390 ÷ 400 OC, tủ = 2,0 giờ (Lô số 2, x 500)

40

Hình 4.5 Ảnh chụp mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép

08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) bằng phương pháp kéo dứt (a);

bề mặt vết phá hủy trên lớp nhôm Al-1050 (b); bề mặt vết phá hủy trên lớp thép 08Kп (c);

41

Hình 4.6 Ảnh chụp mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép

08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) bằng phương pháp kéo trượt

(a); hiện trạng phá hủy mẫu bimetal (b)

41

Hình 4.7 Đồ thị mô phỏng sự phụ thuộc độ bám dính 2 lớp thép – nhôm vào các

thông số nổ ban đầu r; h và khi: r = 1,5 ÷ 1,7; h = 0,7 ÷ 1,0 và C = 0,8

42

Hình 4.8 Xác định vị trí lấy mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp

bimetal (a) và mẫu khảo sát tổ chức tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép 08Kп

– hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) (b, c, d)

43

Hình 4.9 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp

kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt

44

Hình 4.10 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp

kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt

44

Hình 4.11 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp

kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt

44

Hình 4.12 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp

kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt

44

Hình 4.13 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp

kim nhôm chịu mòn trên mẫu bạc trượt nhập ngoại, chế tạo bằng phương

pháp cán dính

45

Hình 4.14 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới liên kết 2 lớp vật liệu bimetal thép 08Kп –

hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) sau hàn nổ làm đầu vào cho quá trình

cán nguội

46

Hình 4.15 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 2 lớp nhôm + hợp kim nhôm sau hàn nổ 47 Hình 4.16 Ảnh chụp tổ chức tế vi lớp thép 08Kп trước khi hàn nổ, x200 (ε = 0) 47 Hình 4.17 Ảnh chụp tổ chức tế vi lớp hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 sau cán nguội

đạt mức độ tổng biến dạng dẻo tương đối εΣ ≅ 40 %

48

Hình 4.18 Ảnh chụp tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp nhôm Al – hợp kim nhôm AO9-2

trên mẫu vật liệu bimetal qua cán nguôi đạt εΣ ≅ 40 %

48

Hình 4.19 Ảnh chụp vết đo độ cứng tế vi vùng lân cận và trên biên giới 2 lớp vật liệu

bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al + AO9-2)

48

Hình 5.1 Dập cắt phôi bimetal thép – hợp kim nhôm chuẩn bị gia công bạc trượt tại

Công ty TNHH MTV Cơ khí Ngô Gia Tự

55

Hình 5.2 Ảnh chụp minh họa nguyên công ép tạo hình phôi bán trụ làm bạc trượt

hai nửa tại đơn vị phối hợp đề tài: Công ty Cơ khí NGô Gia Tự

56 Hình 5.3 Nguyên lý dập tạo hình tấm vật liệu bimetal tạo phôi bạc trượt 2 nửa 56 Hình 5.4 Máy phay sử dụng để phay mặt đầu phôi bạc trượt 56

Hình 5.5 Nguyên lý phay mặt đầu phôi bạc trượt hai nửa nhờ đồ gá phay chuyên

Hình 5.7 Đồ gá mài mặt lưng bạc trượt trước khi gia công tinh mặt trong 58

Hình 5.8 Máy khoan cần sử dụng để khoan lỗ cấp dầu của bạc trượt 58 Hình 5.9 Giới thiệu máy thử mòn nhanh TRIBOTESTER của hãng TTO-

TRIBOtechnic hiện có tại Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại

học Bách khoa Hà Nội:

59

Hình 5.10 Giới thiệu phần mềm chuyên dụng của máy thử mòn nhanh

TRIBOTESTER của hãng TTO-TRIBOtechnic

60

Hình 5.11 Ảnh chụp bạc trượt động cơ ô tô tải HUYNDAI 3,5 tấn sau gia công tinh

và mạ phủ lớp bảo vệ bề mặt

61

Hình 5.12 Ảnh chụp tổ chức tế vi vùng lân cận biên giới lớp thép 08Kп (a); lớp nhôm

trung gian Al nằm giữa 2 lớp thép và hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 (b);

lớp trên mẫu vật liệu bimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm cán đạt chiều

dày yêu cầu để chế tạo bạc trượt

62

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

1 Hà Minh Hùng PGS.TS Luyện kim,

Gia công áp lực

Viện NC Cơ khí

3 Nguyễn Hữu Bính Th.S Chế tạo máy Viện NC Cơ khí

5 Nguyễn Quang Vinh KS Chế tạo máy Cty TNHH MTV Cơ

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH vii

A Giới thiệu chung về đề tài 1

B Nội dung chính báo cáo 2

ĐẶT VẤN ĐỀ 2

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 4

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.3 Xác định mác vật liệu, phương án tạo phôi và thiết bị thí nghiệm chế thử bạc trượt 16

Kết luận chương 1 17

Chương 2: Mô hình thí nghiệm, phương pháp nghiên cứu 18

2.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2 18

2.2 Thiết bị sử dụng cho thí nhiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2 20

2.3 Mô hình thí nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal 21

2.4 Thí nghiệm cán hợp kim nhôm chịu mòn và xử lý nhiệt trong quá trình cán 26

2.5 Thí nghiệm cán băng bimetal và xứ lý nhiệt trong quá trình cán 26

2.6 Xác định công nghệ gia công bạc trượt từ phôi bimetal 26

Kết luận chương 2 27

Chương 3: Nghiên cứu điều chỉnh công nghệ tạo phôi bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt 28

3.1 Quy trình nấu luyện, đúc và cán thỏi hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 28

3.1.1 Kiểm tra thành phần hoá học hợp kim đúc AO9-2 29

3.1.2 Kiểm tra khuyết tật hợp kim đúc AO9-2 29

3.2 Nghiên cứu chế độ hàn nổ tạo phôi bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 31

3.2.1 Hàn nổ thăm dò công nghệ 31

3.2.2 Kết quả thí nghiệm hàn nổ sau điều chỉnh công nghệ 32

3.3 Nghiên cứu chế độ cán và xử lý nhiệt phôi bimetal thép – hợp kim nhôm 34

3.3.1 Chế độ cán và xử lý nhiệt tấm hợp kim nhôm đúc AO9-2 34

3.3.2 Chế độ cán và xử lý nhiệt bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 hàn nổ 36

Kết luận chương 3 38

Chương 4: Nghiên cứu tính chất vật liệu bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 39

4.1 Tính chất của hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 đúc, cán làm phôi hàn nổ 39

4.1.1 Cơ tính vật liệu AO9-2 39

4.1.2 Tổ chức tế vi vật liệu AO9-2 39

4.2 Tính chất của vật liệu bimetal thép 08Kn-hợp kim nhôm AO9-2 sau hàn nổ 41

4.2.1 Kết quả thí nghiệm 41

4.2.2 Mô hình hoá độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 sau hàn nổ 42

4.2.3 Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp thép – (nhôm + hợp kim nhôm) 43

4.3 Tính chất của vật liệu bimetal 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 sau cán mỏng 45

Kết luận chương 4 50

Chương 5: Ứng dụng vật liệu bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 để chế thử bạc trượt động cơ ô tô tải dưới 5 tấn 51

5.1 Yêu cầu kỹ thuật vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chế tạo bạc trượt động cơ ô tô 51

5.1.1 Phân loại băng bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt động cơ ô tô 51

5.1.2 Điều kiện kỹ thuật phôi bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt động cơ ô tô 53

5.2 Quy định kiểm tra chất lượng, ký hiệu, bảo quản phôi bimetal làm bạc trượt 54

5.3 Công nghệ và thiết bị chế thử bạc trượt động cơ ô tô tải 3,5÷5 tấn 55

5.3.1 Dập cắt tạo hình phôi bạc: 55

5.3.2 Dập tạo hình hai nửa phôi bạc trượt 55

5.3.3 Phạt mặt đầu lắp ghép hai nửa phôi bạc trượt 57

5.3.4 Tiện xén mặt bên, vát mép lỗ trong hai nửa bạc trượt 57

5.3.5 Mài mặt lưng bạc trượt 57

5.3.6 Tiện tinh lỗ trong và rãnh chứa dầu các nửa bạc trượt 58

5.3.7 Khoan lỗ và phay rãnh cấp dầu bôi trợn 58

5.3.8 Dập vấu chống xoay hai nửa bạc trượt 58

5.3.9 Đóng số ký hiệu, mạ phủ bảo vệ, bao gói, bảo quản bạc trượt 58

5.4 Kết quả giám định mẫu bạc trượt bimetal chế thử 58

5.4.1 Mô hình thí nghiệm thử mòn nhanh hợp kim nhôm chịu mòn 59

5.4.2 Kiểm tra kích thước hình học và hình thái bề mặt 60

5.4.3 Tổ chức tế vi và độ cứng lớp thep và lớp hợp kim nhôm chịu mòn 61

5.5 Kết quả lắp ráp thử nghiệm bạc trượt bimetal quy mô phòng thí nghiệm 63

Kết luận chương 5 63

Kết luận và kiến nghị 64

A.Kết luận chung đề tài 64

B Kiến nghị 65

Danh mục tài liệu tham khảo 66

Phụ lục 69

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1 Cơ sở pháp lý:

- Bản Thuyết minh đề tài, trong đó giải trình các nhiệm vụ, chuyên đề được giao

và giả trình chi thực hiện đã được phê duyệt;

- Bản Hợp đồng của Bộ Công Thương số 43.12.RD/HĐ-KHCN giao nhiệm vụ cho Viện Nghiên cứu Cơ khí và Chủ nhiệm đề tài (xem phần Phụ lục)

2 Nhiệm vụ chính đăng ký theo Hợp đồng:

Các công việc chính theo bản Thuyết minh đề tài và Hợp đồng như sau:

A) Báo cáo tổng quan về các kết quả nghiên cứu chế thử vật liệu bimetal thép 08Kn – AO9-2 làm bạc trượt:

1 Viết báo cáo chuyên đề 1: “Nghiên cứu tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt”;

2 Viết báo cáo chuyên đề 2: “Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

áp dụng cho đúc hợp kim nhôm chịu mòn”;

3 Viết báo cáo chuyên đề 6: “Nghiên cứu đề xuất mô hình thử nghiệm đo và tính toán lượng mòn nhanh hợp kim nhôm AO9-2 trong quy mô phòng thí nghiệm”;

B) Tài liệu kỹ thuật – công nghệ chế tạo vật liệu bimetal thép 08Kn – AO9-2 làm bạc trượt:

4 Viết báo cáo chuyên đề 3: “Nghiên cứu thực nghiệm đúc, cán hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 và giám định chất lượng phôi đúc”;

5 Viết báo cáo chuyên đề 4: “Nghiên cứu hàn nổ và giám định chất lượng phôi bimetal (mẫu QHTN)”;

6 Viết báo cáo chuyên đề 5: “Nghiên cứu nhiệt luyện phôi bimetal sau hàn nổ và biến dạng dẻo, giám định mẫu vật liệu bimetal và bạc trượt”; Viết báo cáo chuyên đề 7:

“Nghiên cứu lập quy trình công nghệ gia công chế tạo bạc trượt hai nửa (biên và paliê)

từ phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm”;

C) Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm:

7 Chế thử 05 bộ bạc trượt động cơ xe ô tô vận tải cỡ 3,5 tấn hoặc xe ô tô con 4-9 chỗ ngồi: Do thời gian hạn chế, đề tài chọn động cơ xe ô tô tải có công suất lớn hơn để thử nghiệm, chưa thử trên động cơ xe ô tô con);

8 Lắp ráp thử vào động cơ xe thí nghiệm đạt yêu cầu (có biên bản giám định)

- Hoàn thành việc xác định công nghệ gia công bạc trượt hai nửa từ băng vật liệu bimetal, chế thử 05 bộ bạc để lắp ráp vào động cơ thử nghiệm trên xe ô tô tải (xe Tập lái của Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng), có biên bản về chạy thử trong bãi tập lái xe của Trường đạt yêu cầu, chưa có sự cố kỹ thuật

A NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO

ĐẶT VẤN ĐỀ

Các kim loại và hợp kim ở dạng đơn kim loại không thể có được các tính năng tổng hợp như yêu cầu chế tạo vật liệu chịu mòn cao để sử dụng làm bạc trượt của máy móc thiết bị và trong động cơ máy động lực Do vậy, từ những năm 1950 thế kỷ trước, trên thế giới tại các nước công nghiệp phát triển G8 như Anh, Mỹ, Tây Đức, Nga, Belarus, Nhật Bản người ta đã nghiên cứu và đưa vào sản xuất các loại vật liệu bimetal (2 lớp), trimetal (3 lớp) và hợp kim nhiều lớp như: thép – hợp kim đồng chì; thép - hợp kim đồng la-tông; thép – hợp kim nhôm ACM (AO6-1; AO20-1) ở dạng tấm hoặc băng để thay thế cho việc đúc hợp kim đồng chì đơn lớp (mônôlit) trước đó nhằm mục tiêu sử dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo máy Do hợp kim đồng là vật liệu đắt tiền, nên xu hướng sử dụng hợp kim nhôm làm bạc trượt ngày càng phổ biến trên thế giới Đặc biệt là, khả năng dẫn nhiệt cao, khả năng chịu mòn tương đương các bạc đồng hợp kim của các mác vật liệu hợp kim nhôm – đồng – silíc, hợp kim nhôm – grafit dùng để chế tạo bạc trượt đã làm giảm giá thành của chúng rất đáng kể

Mỗi một loại sản phẩm bimetal hoặc trimetal nói trên đều cần có những bí quyết công nghệ đặc trưng, nếu không mua bản quyền bí quyết công nghệ của chính hãng nước ngoài có giá thành rất cao, thì phải trên cơ sở tích luỹ các kết quả nghiên cứu cơ bản và kinh nghiệm thực tiễn mà các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực này đã công bố trong và ngoài nước Hợp kim nhôm chịu mòn có khả năng biến dạng dẻo được ở mức độ cao thường dùng để sản xuất vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt bằng các công nghệ cán dính hoặc hàn nổ [1÷4], [10] Hợp kim nhôm chịu mòn khó biến dạng dẻo hơn, ví dụ như nhôm – grafit, nhôm – đồng – silíc , thường được dùng để đúc tạo phôi bạc trượt ở dạng vật liệu tổ hợp (compozit) trong khuôn kín dưới áp lực (đúc áp lực)

Trong quá trình hội nhập kinh tế thế giới, một số ngành kinh tế của nước ta đang có nhu cầu sử dụng các vật liệu có tính năng đặc biệt của vật liệu mới Việc tổ chức và thực hiện một đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới để chế tạo bạc trượt compozit hệ nhôm – graphit thay thế bạc đồng chì là rất quan trọng và có nhu cầu trong thực tiễn sản xuất máy động lực hiện nay ở nước ta Ngoài ra, đề tài còn có thể gắn kết việc nghiên cứu khoa học với đào tạo nguồn nhân lực Kỹ thuật – Công nghệ tại chỗ cho các doanh nghiệp trong nước, nâng cao năng lực nguồn nhân lực KHCN và sức cạnh tranh của họ trong việc tiếp thu công nghệ mới, sản phẩm mới

- Từ trước tới nay ở Việt Nam các loại bạc trượt trong máy móc thiết bị công nghiệp, cũng như trong động cơ ô tô, xe máy, máy động lực và máy nông nghiệp đều sử dụng hợp kim đồng, công nghệ chủ yếu là đúc với tỷ lệ phế phẩm và tiêu hao nguyên vật liệu cao, chất lượng theo các mẻ đúc không ổn định

- Từ những năm 1981-1984 tại Viện Nghiên cứu Máy (nay là Viện Nghiên cứu Cơ khí) đã phối hợp với Nhà máy Phụ tùng ô tô số 1 (nay là Công ty Phụ tùng 1) nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm công nghệ cán dính và công nghệ hàn nổ để tạo phôi bimetal thép – hợp kim nhôm ACM (AO6-1) làm bạc paliê và bạc biên cho động cơ ô tô công suất nhỏ

Ví dụ như: Viện Nghiên cứu Máy đã chế tạo thử bạc trượt cho động cơ ô tô vận tải W50 (Đức), PERKING – P354 (Trung Quốc), DESOTO (Mỹ) từ băng bimetal hàn nổ thép 08Kп – AO6-1; bạc trượt động cơ Diezen D9, D12, D22T từ băng bimetal cán dính thép 08Kп – ACM [10] Còn trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã phối hợp với nhà máy

IFA-ô tIFA-ô NgIFA-ô Gia Tự (nay là CIFA-ông ty Cơ khí NgIFA-ô Gia Tự) chế thử bạc trượt thép 08Kп –

ACM bằng phương pháp cán dính Kết quả thử nghiệm đối với các sản phẩm nghiên cứu giai đoạn này tuy có nhiều tiềm năng ứng dụng, nhưng do điều kiện kinh tế - xã hội lúc

đó ở nước ta chưa có điều kiện đầu tư cho việc xây dựng cơ sở sản xuất bạc trượt bimetal, nên chưa chuyển giao công nghệ được

Mặt khác qua giám định chạy thử một số bạc trượt làm từ vật liệu bimetal thép 08Kп – ACM trong động cơ diesel nói trên cho thấy hợp kim nhôm mác ACM chỉ có thể

sử dụng trong động cơ máy nông nghiệp cỡ nhỏ (dưới 50 mã lực), chưa đảm bảo tính năng sử dụng trong các động cơ ô tô chạy xăng và diesel hiện đại ngày nay có công suất lớn lớn hơn nhiều

- Gần đây, Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự (Tổng công ty Công nghiệp ô tô Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải) đã có đầu tư một xưởng pilốt nhỏ chuyên sản xuất băng vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng làm bạc cân bằng xe ô tô bằng phương pháp luyện kim bột Thiết bị được nhập của Trung Quốc Tuy nhiên, việc khai thác dây chuyền này

để sản xuất các loại bạc cân bằng chịu tải trọng cỡ vừa và lớn, đặc biệt là bạc trượt có lớp hợp kim nhôm chịu mòn trong các máy động lực có nhu cầu thay thế trên thị trường hiện nay thì do điều kiện kỹ thuật của thiết bị không thể thực hiện được Nhiệt độ thiêu kết đối với bột hợp kim nhôm yêu cầu phải cao, vì luôn có màng ôxít nhôm trên bề mặt các hạt nhôm và đòi hỏi môi trường thiêu kết là chân không

Do vậy, đề tài có tính cấp thiết và khả năng ứng dụng cao

Như đã biết trong nhiều công trình công bố gần đây, có rất nhiều phương pháp công nghệ khác nhau (kể cả công nghệ đúc – cán luyện kim truyền thống và các công nghệ tiên tiến) để chế tạo vật liệu nhiều lớp (bimetal, trimetal) sử dụng trong công nghiệp chế tạo máy, ô tô, máy động lực đã được nghiên cứu ứng dụng tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới như Anh, Đức, Nga, Mỹ Tùy theo năng lực công nghiệp luyện kim của mỗi nước do mức đầu tư thiết bị tạo áp lực cao có công suất rất lớn và trình độ hiện đại hóa của chúng mà quy mô chế tạo vật liệu bimetal, trimetal ở các nước đó khác nhau Hai công nghệ chính trong sản xuất vật liệu bimetal ở ngoài nước là công nghệ cán dính và hàn nổ [2÷5], [10]

Ở Việt Nam tuy đã có một vài nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu bimetal như: thép 08Kп – hợp kim nhôm ACM [2]; thép 08Kп – hợp kim nhôm AO9-1 làm bạc trượt động cơ diesel công suất nhỏ [34]; thép các bon – thép dụng cụ [12], [13], [24÷29]; thép các bon thấp (08s) – hợp kim đồng luyện kim bột làm bạc trượt [6÷8] và các chi tiết truyền dẫn điện động lực kiểu tiếp xúc [15], [30], [31]; thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 [19], [20], [22], [23] hoặc thép CT.3 hợp kim nhôm AMг6 làm chi tiết trung gian trong công nghiệp đóng tầu thủy [14] Công nghệ hàn nổ được nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu composit thép 08Kп – hợp kim đồng БрОФ6,5-0,15 sử dụng trong chế tạo bạc trượt ở Liên bang Nga cho trong các công trình [35] Vấn đề khó khăn nhất trong các công nghệ sản xuất phôi bimetal nói chung là cần có máy cán tấm (băng) công suất lớn để cán dính sơ bộ được phôi paket từ 2 lớp vật liệu khác nhau ở trạng thái nguội, đảm bảo lượng biến dạng dẻo tương đối của chúng ngay trong lượt cán đầu tiên đạt trên 55 % Những máy cán dính như vậy hiện nay ở nước ta chưa có và việc đầu tư các thiết bị này là bất khả kháng, do tốn kém nhiều ngoại tệ, còn sản lượng tiêu thụ các loại vật liệu bimetal là không đáng kể sẽ dẫn đến khó thu hồi vốn đầu tư

Vì vậy, việc tìm ra một giải pháp công nghệ thích hợp ở nước ta vừa đảm bảo được khả năng chế tạo vật liệu bimetal có kích thước hình học đủ lớn cho chế tạo sản phẩm cơ khí nói chung và bạc trượt nói riêng là vấn đề hết sức cấp thiết Do vậy ở phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi chỉ mới đề cập đến công nghệ phối hợp hàn nổ và biến dạng dẻo bằng phương pháp cán để chế tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm sử dụng làm bạc trượt cho động cơ diesel, động cơ xăng của ô tô cỡ nhỏ (xe con 4 ÷ 9 chỗ và xe tải đến 3,5 tấn)

Dưới đây trình bày một vài phương pháp chế tạo vật liệu bimetal phổ biến và điển hình trên thế giới, lấy ví dụ là công nghệ chế tạo các tiếp xúc điện bimetal bao gồm một tổ hợp nhiều công đoạn công nghệ có liên quan tới: làm sạch bề mặt tiếp xúc phôi; thực hiện phương án tạo liên kết bimetal; tạo hình các chi tiết tiếp xúc điện bằng dập cắt hoặc gia công cơ khí Phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu tiếp xúc điện bimetal cho trên hình 1.1 [31]

Hình 1.1 Phân loại các phương pháp chế tạo bimetal kỹ thuật điện [31]

Vật liệu bimetal sử dụng làm phôi chế tạo bạc trượt đòi hỏi phải có độ bền bám dính 2 lớp thép và hợp kim chịu mòn cao (có giá trị trên 40 MPa) mới đảm bảo trong quá trình làm việc của bạc trượt lớp hợp kim chịu mòn không bị bong tróc khỏi lớp nền thép Do vậy, chỉ có thể sử dụng các phương pháp biến dạng dẻo

a) Công nghệ rèn cháy tạo phôi bimetal

Phương pháp rèn cháy tạo vật liệu bimetal được sử dụng rất lâu đời, chủ yếu để rèn vũ khí như dao (kiếm) từ các lớp thép đặc biệt ở phần lưỡi với thân dao (kiếm) Nguyên lý công nghệ rèn cháy lấy ví dụ cho sản xuất dao cắt bimetal được cho trên hình 1.2 [31]

Hình 1.2 Sơ đồ rèn cháy tạo vật liệu băng bimetal: 1) Băng thép hợp kim lưỡi cắt; 2) Tấm thép các bon (lớp nền); 3) Đế rèn; 4) Búa rèn; b - chiều rộng băng thép hợp kim (lớp phủ); δ 1 , δ 2 - chiều dày lớp thépnền và lớp thép hợp kim phủ tương ứng

Bản chất công nghệ ở đây là người ta phải làm sạch bề mặt tiếp xúc 2 lớp thép khác nhau trước khi chồng xếp vào nhau ở phần xác định làm lưỡi cắt, sau đó làm kín

và nung nóng đến nhiệt độ rèn (có thể đến trên 1200 OC), tiếp sau đó là rèn tự do để tạo biến dạng dẻo đồng thời cả 2 lớp kim loại, nhằm tạo ra liên kết bền vững giữa chúng Kết thúc rèn thường ở nhiệt độ có thể tôi ngay sản phẩm rèn Nếu còn phải tiếp tục gia công thì nhất thiết phải có nguyên công ủ hoặc thường hóa để cải thiện cơ tính và tính

dẻo của toàn bộ vật liệu bimetal Như vậy, phương pháp rèn cháy là thủ công, chất lượng vật liệu bimetal hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của thợ rèn và năng suất thấp Ngày nay, với các công nghệ tiên tiến khác đã được ứng dụng phổ biến ở ngoài nước cho thấy không nên dùng cho việc tạo phôi bimetal thép các bon - thép hợp kim làm dụng cụ cắt

b) Công nghệ hàn đắp trong khuôn cán

Phương pháp hàn đắp trong khuôn cán ép định hình được sử dụng để sản xuất các bimetal dạng tấm, băng phẳng hoặc dạng prophin, thường dùng là đắp vật liệu bạc (Ag) lên nền thép dưới áp lực để chế tạo vật liệu tiếp xúc điện Trên thực tế sản xuất vật liệu tiếp xúc điện bề rộng băng cán thường không lớn, còn vật liệu hàn đắp lên nền thép là bạc (Ag) có độ dẻo cao, nên chỉ cần sử dụng máy cán công suất nhỏ mà vẫn đảm bảo được năng suất cao Sau khâu hàn đắp đầu tiên phôi bimetal được tiếp tục cán để làm tăng cơ tính, trước tiên là tăng độ cứng và độ đàn hồi của nó Phương pháp này được dùng chủ yếu là đối với bimetal có prophin hoặc băng phẳng để làm vật liệu chế tạo tiếp xúc điện [31] Sơ đồ nguyên lý công nghệ này cho trên hình 1.3

Công nghệ hàn đắp lớp hợp kim đồng hoặc hợp kim nhôm chịu mòn lên nền lớp thép 08Kп làm phôi chế tạo bạc trượt thường đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dùng để làm sạch bề mặt tiếp xúc hàn, áp lực cán cần thiết rất cao để cán ép chúng đảm bảo tạo

ra liên kết kim loại giữa hai lớp vật liệu bimetal có tính năng khác nhau Như vậy, đòi hỏi phải có đầu tư máy cán ép định hình công suất lớn và thiết bị phụ trợ khá phức tạp, chi phí tốn kém Vì thế trong điều kiện kinh phí đầu tư ở Việt Nam hiện nay cho nghiên cứu của đề tài này rất hạn hẹp thì việc đặt vấn đề để tạo phôi bimetal thép 08Kп - thép hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt là không hiện được

123

9

I5

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất vật liệu bimetal bằng phương pháp hàn đắp lớp hợp kim chịu mòn trong khuôn cán định hình [31]: 1 - Các cuộn băng vật

liệu tiếp xúc điện (lớp nền và lớp phủ); 2- Các chổi sắt; 3 - Bể tẩy rửa; 4 - Trục dẫn hướng; 5 - Lò cảm ứng liên tục; 6 - Máy cán 2 trục; 7 - Bể tẩy rửa; 8 - Máy cán kiểu

4 trục; 9 - Máy cuộn băng

c) Công nghệ hàn tiếp xúc tấm phẳng dưới áp lực

Hàn tiếp xúc dưới áp lực là một trong những phương pháp hàn có biến dạng dẻo

phổ biến để tạo phôi bimetal (tạo ra liên kết kim loại giữa hai lớp vật liệu gần giống

nhau hoặc khác nhau về cơ lý tính) Tuy nhiên, để hàn dính được các lớp vật liệu kim loại và hợp kim có kích thước chiều rộng lớn, sử dụng làm dụng phôi bạc trượt một cách có hiệu quả là một vấn đề khá khó khăn bởi hạn chế công suất của các thiết bị hàn tiếp xúc Mặt khác, với quy mô nghiên cứu thử nghiệm với sản phẩm bạc trượt động cơ

ô tô tải (dưới 3,5 tấn) theo dự kiến loạt nhỏ cảu đề tài trong điều kiện Việt Nam, thì việc đầu tư một thiết bị hàn tiếp xúc công suất lớn cũng là không phù hợp

Trên hình 1.4 thể hiện một ví dụ về công nghệ sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương pháp hàn tiếp xúc dưới áp lực [31] Ta thấy rằng quy trình công nghệ ở đây không phức tạp nhưng vẫn phải đảm bảo các bước sau đây: phôi pakét hàn tiếp xúc (4) phải được làm sạch trong thiết bị chuyên dụng (1), sau đó đi qua buồng sấy khô (2)

và đi vào vùng hàn tiếp xúc dưới áp lực trên máy ép nén (3), tiếp theo đi vào lò sấy (5), máy cán (6) và máy cắt phôi (7)

4

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương pháp

hàn dưới áp lực [31]: 1) Máy làm sạch vật liệu đầu vào; 2) Lò sấy;3) Máy ép tạo pakét;

4) Pakét hàn bimetal; 5) Lò sấy; 6) Máy cán 4 trục; 7) Máy cắt

Từ hình 1.4 cho thấy: sau khi hàn dưới áp lực trên máy ép 3, phôi bimetal được cán xuống kích thước yêu cầu trên máy cán (6) bằng nhiều lượt cán Công đoạn ủ khử ứng suất được tiến hành trong lò ủ có khí bảo vệ Trước lượt cán cuối cùng băng bimetal được tẩy sạch bề mặt trong dung dịch axit tương ứng Phương pháp hàn dưới áp lực cho phép sản xuất các băng bimetal có chiều dài tùy ý, điều đó cho ta có khả năng kiểm soát trong khoảng rất hẹp độ cứng của lớp kim loại nền và lớp kim loại tiếp xúc điện trực tiếp trong hệ thống các chuyển mạch điện Nếu dùng máy cán có đảo chiều thì năng suất tăng lên gấp 1,5 ÷ 2 lần so với máy cán không đảo chiều Kích thước phôi đầu vào ban đầu phụ thuộc vào công suất của máy ép dính và đó là nhược điểm của phương pháp này (phải có đầu tư mới các thiết bị công nghệ, chi phí tốn kém)

Như vậy, công nghệ hàn tiếp xúc dưới áp lực cũng giống như phương pháp hàn đắp bimetal dạng băng, cho năng suất và chất lượng ổn định hơn so với công nghệ rèn cháy nêu trên, nhưng phạm vi ứng dụng có nhiều hạn chế do phải đầu tư các thiết bị chuyên dùng công suất lớn mới đảm bảo khả năng tạo phôi bimetal thép các bon thấp − hợp kim chịu mòn làm bạc trượt có kích thước lớn trong công nghiệp Đối với vật liệu bimetal thép các bon thấp – hợp kim đồng (hợp kim nhôm) làm bạc trượt có thể nhận được bằng phương pháp hàn nguội dưới áp lực, song thời gian tạo liên kết giữa 2 lớp bimetal rất dài, không kinh tế

d) Công nghệ cán dính tạo băng bimetal ở trạng thái nguội

Công nghệ cán dính hai lớp kim loại ở trạng thái nguội ra đời khoảng năm

1950 Ở hầu hết các nước công nghiệp phát triển trên thế giới người ta đã thực hiện hàng loạt các nghiên cứu ứng dụng các công nghệ sản xuất vật liệu tấm hoặc băng hợp kim nhiều lớp (bimetal, trimetal) dùng để chế tạo bạc trượt và các chi tiết máy chịu mòn khác bằng phương pháp cán dính pakét thép - hợp kim nhôm chịu mòn, thép - thép hợp kim (sau đúc rót trong khuôn kim loại chuyên dụng)

Trên hình 1.5 là sơ đồ nguyên lý công nghệ cán dính tạo phôi vật liệu bimetal chủ yếu dùng làm phôi chế tạo bạc trượt [2], [28], [31] Điều kiện tiên quyết ở công nghệ này để hai lớp kim loại bám dính vào với nhau thì việc làm sạch bề mặt tiếp xúc của chúng rất khắt khe, đảm bảo độ sạch gần như tuyệt đối (sáng bóng như màu ánh kim), không bị ẩm và bám bụi bẩn hoặc các hợp chất hữu cơ Mức độ cán ép tương đối ngay trong lượt cán đầu tiên của

phôi pakét phải đạt ε1 = 55 ÷ 60 % mới tạo ra liên kết kim loại sơ bộ giữa 2 lớp cán dính Bước tiếp theo đó là phải qua ủ khuếch tán rồi mới tiếp tục cán phôi bimetal nhận được sau lượt 1 đến kích thước cơ bản yêu cầu làm dao cắt công nghiệp

Ta thấy rằng: mặc dù có nhiều ưu điểm hơn so với các công nghệ truyền thống khác, nhưng để tạo phôi bimetal có kích thước chiều dày và chiều dài lớn dùng làm phôi chế tạo dao cắt bimetal trong công nghiệp ở nước ta thì công nghệ này cũng rất phức tạp, đòi hỏi khắt khe về các bước công nghệ và mặt khác đối với nước ta là không thực hiện được, do không có các dây chuyền thiết bị cán dính chuyên dụng công suất đủ lớn

để biến dạng dẻo ở trạng thái nguội ngay trong một lượt cán dính đầu tiên như đã nêu trên

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý công nghệ cán dính tạo phôi bimetal dạng băng [2] : 1) Trục cán trên ;

2) Pakét băng cán bimetal ; 3) Trục cán dưới; H 1 , H 2 - Chiều dày lớp hàn và lớp nền trước khi đi vào

ổ biến dạng; h 1 , h 2 - Chiều dày lớp hàn và lớp nền sau khi đi qua ổ biến dạng

Quy trình công nghệ cán dính tạo phôi bimetal ở trạng thái nguội tương tự như khi hàn đắp trong khuôn cán nhờ dòng điện cảm ứng trong sản xuất vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện cho trên hình 1.4: hai lớp vật liệu đầu vào (lớp kim loại nền và lớp phủ) được quấn ở dạng các rulon (băng cuộn) và đi vào các bể tẩy rửa riêng biệt với nhau Vật liệu sau khi được tẩy sạch và đánh bóng cơ học được xấp vào với nhau bằng các con lăn ngay trước máy cán dính Sau mỗi một lượt cán phôi bimetal đều được ủ khử ứng suất, tẩy sạch bề mặt và tiếp tục cho vào máy cán để cán tới chiều dày yêu cầu Để nhận được chất lượng bám dính 2 lớp bimetal có chất lượng cao cần có máy cán công suất lớn, đảm bảo được tổng biến dạng phôi bimetal trong mỗi lượt cán đến 95 % [35] Theo các nghiên cứu ở nước ngoài đã được tác giả công trình [35] trích dẫn cho thấy: để nhận được bimetal đồng – bạc bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nguội cần có biến dạng khoảng 84 ÷ 87 % trong mỗi lượt cán Độ bền bám dính 2 lớp khi đó đạt 165 ÷165 MPa Sai khác về trở kháng chống biến dạng của vật liệu lớp nền và lớp phủ dẫn đến sự khác nhau về chiều dày cả hai kim loại theo chiều dài băng bimetal Hiện tượng này, có thể giảm xuống nhờ biện pháp biến cứng lớp kim loại mềm hơn trước khi đưa vào cán dính

e) Công nghệ cán dính tạo phôi bimetal ở trạng thái nóng

Công nghệ cán dính ở trạng thái nóng cũng được sử dụng để chế tạo vật liệu bimetal trong chế tạo máy rất có hiệu quả bởi nó cho phép nhận được sản phẩm có chất lượng ổn định và năng suất cao, dễ tự động hoá Áp lực cán dính hai lớp kim loại ở trạng thái nóng thường thấp hơn ở trạng thái nguội Tuy nhiên, công nghệ cán dính ở trạng thái nóng cũng có hạn chế theo chiều cao tối đa của pakét (chiều dày tổng cộng lớp nền thép và lớp hợp kim chịu mòn), chiều rộng tấm cán và có liên quan tới công suất và kết cấu của máy cán được sử dụng trong sản xuất luyện kim Ngoài ra, những yêu cầu rất cao của việc làm sạch các bề mặt tiếp xúc trước khi xếp thành pakét để cán dính hai lớp kim loại với nhau là những trở ngại chính trong việc thực hiện công nghệ cán dính Trên hình 1.6 thể hiện sơ đồ quá trình chế tạo băng bimetal bằng công nghệ cán dính ở trạng thái nóng để sản xuất vật liệu bimetal làm tiếp xúc điện [31]

Quy trình công nghệ tương tự như khi cán dính ở trạng thái nguội, nhưng trong trường hợp này do trở kháng chống biến dạng của các lớp thép các bon và thép dụng cụ

ở nhiệt độ nung cao thấp hơn, nên mức độ biến dạng dẻo ngay trong lượt cán đầu tiên tuy có giảm xuống, nhưng vẫn đòi hỏi ở mức khá cao (trên 40 %) Do vậy công suất máy cán dính tuykhông lớn bằng máy cán nguội, nhưng vẫn rất lớn so với máy cán thường

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương pháp cán dính ở trạng thái nóng [31]: 1) Lò nung phôi liên tục; 2) Đường dẫn con lăn; 3) Đèn khò bằng khí gas;

4) Pakét; 5) Máy cán hai trục; 6) Lò nung; 7) Máy cán 4 trục; 8) Máy cắt

Từ hình 1.6 cho thấy: phôi cặp đôi (paket) bimetal đầu tiên đi vào lò liên tục có khí bảo vệ 1 Paket bimetal cũng có thể được bảo vệ khỏi bị ôxy hóa bằng các phương pháp đã trình bày ở phần trên Sau khi nung nóng đến nhiệt độ cho trước các paket bimetal được vận chuyển bằng các con lăn có khí ga bảo vệ 2 đến máy cán nóng 5, đi qua lò ủ 6 và vào máy cán nguội 7 cho đến khi đạt được chiều dày yêu cầu Phương pháp này có năng suất cao hơn so với hàn dưới áp lực

Một trong những đặc điểm của công nghệ này là nhiệt độ của phôi paket khi cán nóng có thể dao động trong một khoảng hẹp: tốc độ cán phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, nhưng quan trọng nhất là phụ thuộc vào chiều dài phôi ban đầu, khi sản xuất băng bimetal đồng – bạc (có dải bạc làm lớp tiếp xúc điện trực tiếp) từ paket với kích thước 20 x 120 x

400 mm thì tốc độ cán thích hợp là 0,28 ÷ 0,42 m/s [31] Khi cán dính các băng bimetal có dải vật liệu tiếp xúc điện trực tiếp chúng cần có chiều rộng đồng đều và khoảng cách giữa lớp phủ với lớp nền phải đều nhau, điều này tạo điều kiện thuận lợi hơn cho khâu đột dập chi tiết tiếp xúc điện về sau

Hình 1.7 Phương pháp bảo vệ kim loại khỏi ôxy hóa theo cách đóng gói bằng bao bì kim loại [31]: a )– Phôi cán đơn chiếc không đối xứng pakét bimetal; b) – Phôi cán

đối xứng cặp đôi paket bimetal: 1 – Vật liệu tiếp xúc điện trực tiếp; 2 – Vật liệu hàn;

3 – Bao bì kim loại bảo vệ

loại nền; 4 – Lớp kim loại mỏng làm vách ngăn giữa 2 pakét bimetal

Khi sử dụng phương pháp cán dính phôi bimetal không đối xứng (hình 1.7 a) năng suất tăng gấp đôi so với khi cán đối xứng (hình 1.7 b) Trong trường hợp cán đối xứng cần phải đặt thêm một lớp lót trung gian thường là thép 12X18H9T (thép không rỉ) có chiều dày 0,4 ÷ 0,8 mm, được phủ cả hai mặt bởi một lớp dung dịch CaCO3 Để chống phôi dính bám vào bao bì, trong một số trường hợp người ta cho bột grafit, ôxit hoặc silicat được hòa tan trong nước, nước thủy tinh hoặc trong ête

Bảo vệ các bề mặt tiếp xúc hai lớp kim loại trước khi cán dính khỏi tác động của môi trường không khí thường được thực hiện bằng cách hàn (hình 1.8), sau đó thì phải mài phẳng vết hàn, quá trình này có thể tự động hóa Trong nhiều trường hợp khác có thể bảo vệ bề mặt tiếp xúc sau khi tẩy sạch bằng phương pháp mạ phủ, ví dụ như khi bảo vệ băng bimetal đồng latông – bạc thì bề mặt lớp đồng hoặc latông được mạ phủ một lớp bạc có chiều dày khoảng

10 ÷ 20 µm [31]

Như vậy, việc tạo một lớp phủ bảo vệ bề mặt kim loại sau khi đã được tẩy sạch khỏi tác động gây bẩn của môi trường có thể được thực hiện bằng nhiều cách, trong đó

có giải pháp sau: Trong lớp kim loại nền (đồng, latông hoặc thép) sau khi phay tạo rãnh

và đặt các dải băng vật liệu tiếp xúc điện trực tiếp đã làm sạch và sau đó hàn dính bằng phương pháp cán ở trạng thái nguội với biến dạng lần cán thứ nhất khoảng 12 ÷ 18 % Chất lượng bám dính mối hàn khi đó chưa được hình thành, tuy nhiên đã có sự nén ép hai bề mặt tiếp xúc kim loại với nhau và do đó bảo vệ được tác động của môi trường không khí khá tốt

Nhận xét: với những đặc điểm cơ bản nêu trên khiến việc lựa chọn công nghệ cán dính nóng để chế tạo phôi bimetal thép các bon - hợp kim đồng (hợp kim nhôm) chịu mòn làm bạc trượt trong công nghiệp nói chung ở Việt Nam cùng là không thích hợp

f) Công nghệ luyện kim bột

Công nghệ luyện kim bột chủ yếu để chế tạo bạc trượt [3], [6], [7]; chế tạo mảnh dao làm dụng cụ cắt gọt kim loại, mũi khoan, các chi tiết máy trong chế tạo cơ khí Một vài công trình nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Cơ khí đề cập đến ứng dụng công nghệ luyện kim bột để chế tạo chi tiết máy chịu tải trọng va đập lớn (ví dụ như tay biên động

cơ mô tô, bánh răng xích, bánh răng máy tiện,…là một hướng khác của công nghệ luyện kim bột chế tạo chi tiết kết cấu, nên không đề cập ở đây)

Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế tạo chi tiết máy khác nhau bằng phương pháp luyện kim bột ở dạng đơn kim loại được cho trên hình 1.9÷1.10 Hình 1.9 cho thấy nguyên lý công nghệ này chủ yếu sử dụng để chế tạo các chi tiết máy kết cấu hoặc các chi tiết bạc trượt composit dạng ống, ví dụ như chi tiết có dạng bậc Sơ đồ công nghệ luyện kim bột cho trên hình 1.10 chủ yếu sử dụng để chế tạo phôi vật liệu bimetal và bạc trượt dạng ống hoặc dạng hai nửa trong động cơ máy động lực

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế tạo chi tiết máy bằng phương pháp LKB [3]

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế tạo bạc trượt bimetal bằng phương pháp

Luyện kim bột (LKB) [3]

Như vậy: để sản xuất được các phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn ở dạng tấm (băng) có kích thước lớn cần phải đầu tư dây chuyền thiết bị luyện kim bột với kinh phí khá lớn (đến hàng nhiều triệu đô la Mỹ), nên rất khó áp dụng công nghệ này ở nước ta do kém hiệu quả kinh tế

g) Công nghệ hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal

Như đã trình bày ở trên, ngoài các hướng công nghệ tạo phôi vật liệu bimetal làm bạc trượt nói trên, công nghệ hàn nổ rất có tiềm năng phát triển ra nhiều chủng loại vật liệu bimetal và đã được ứng dụng trong quy mô sản xuất công nghiệp ở các nước như Nga, Mỹ với nhiều ưu điểm vượt trội của nó hơn các công nghệ đã nêu

Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo máy hiện đại, ngày càng được ứng dụng nhiều tổ hợp vật liệu đặc biệt, trong đó có vật liệu hợp kim hai lớp nhằm mục tiêu tổng hợp các tính chất nổi trội của kim loại thành phần trong vật liệu mới, đảm bảo chế

độ làm việc ở điều kiện tải trọng cao và khắc nghiệt trong các ngành kỹ thuật cơ khí luyện kim, khái thác mỏ, kỹ thuật hàng không, tên lửa, kỹ nghệ hoá dầu, công nghiệp hoá học… Những vật liệu mới này đều có thể được chế tạo bằng công nghệ hàn nổ Hiện nay, năng lượng nổ đã được ứng rộng rất rộng rãi trong sản xuất các loại vật liệu hợp kim nhiều lớp, trong đó có bimetal, từ những kim loại thành phần có cơ lý tính gần giống nhau, và đặc biệt có hiệu quả khi hàn các kim loại có cơ lý tính khác xa nhau bằng các phương pháp luyện kim truyền thống khác không thể tạo ra được mà không cần phải đầu tư lớn các thiết bị tạo áp lực cao

Bản chất của công nghệ hàn nổ là sử dụng năng lượng nổ của thuốc nổ công nghiệp để chuyển thành động năng của tấm kim loại hàn (tấm trên trực tiếp với lớp thuốc nổ) tạo va đập vào tấm kim loại dưới (tấm nền) với tốc độ nổ khoảng hàng nghìn mét/giây Tại vùng va đập cục bộ nhiệt độ dưới áp suất va đập rất cao (hàng chục gigapascal GPa) có thể lên tới hàng nghìn độ C, làm kim loại 2 lớp tại đó nóng chảy và hình thành liên kết kim loại bền vững

Theo các công bố trên tài liệu khoa học Hiệp hội hàn thế giới [12], [13], [28], [35] thì ở Mỹ bằng một lần nổ người ta có thể tạo ra một tấm bimetal thép các bon - thép không gỉ có diện tích đến 30 m2,sử dụng để chế tạo các loại bồn chứa hoá chất cỡ lớn, bởi vì với diện tích tiếp xúc giữa hai lớp kim loại lớn như vậy thì không thể có thiết bị tạo áp lực nào có thể đạt công suất làm hai lớp kim loại đó dính kết ở mức tạo ra liên kết mạng tinh thể kim loại với nhau được Công nghệ hàn nổ ở Nhật Bản cũng được nghiên cứu ứng dụng cho nhiều loại chi tiết máy đòi hỏi có tính năng tổ hợp

Đặc điểm của quá trình hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim loại và hợp kim dưới tác động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ Lịch sử hình thành quá trình công nghệ hàn nổ đã được đề cập trong các công trình [35] Theo trích dẫn của tác giả công trình này thì thông báo đầu tiên về hàn nổ hai đĩa mỏng hợp kim đồng latông với nhau do nhà nghiên cứu Karl công bố năm 1944 Trong năm 1944 ÷1946 hiệu ứng liên kết kim loại được nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của M A Lavrentiev và các cộng sự quan sát thấy khi thí nghiệm với tia kim loại cục bộ Tuy nhiên, các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế của hiện tượng này chỉ bắt đầu sau năm 1961 tại Viện Thuỷ khí động học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô khi thực nghiệm một trong các sơ đồ làm biến cứng hai tấm kim loại bằng năng lượng nổ Các nhà khoa học đã đề xuất sơ đồ hàn nổ nghiêng (hình 1.11 a), giả thiết cho rằng: cơ sở của quá trình hàn nổ là sự hình thành tia kim loại cục bộ, xuất hiện trong các điều kiện va đập với tốc độ cao giữa hai tấm kim loại nằm nghiêng một góc hoặc song song với nhau Khi kích nổ thuốc nổ, theo nó di chuyển mặt phân cách nổ với tốc độ lên đến hàng nghìn mét trong một giây Tốc độ va đập của tấm kim loại trên với tấm kim loại dưới đạt đến 1.500 m/s Tại điểm va đập xuất hiện một dòng có định hướng các hạt kim loại, chuyển động với tốc độ cao trong khe hở giữa hai tấm kim loại hàn và tạo ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [35] Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit trên các bề

mặt tiếp xúc hai tấm kim loại Tại điểm va đập dưới tác động của áp suất và nhiệt độ rất cao, hai tấm kim loại đi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và nhờ đó tạo ra liên kết kim loại trên toàn bộ diện tích các bề mặt tiếp xúc Trong công trình trên đã được đề xuất các điều kiện hình thành tia kim loại cục bộ như sau:

1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của điểm va đập , áp suất được tạo ra trực tiếp trước điểm va đập cần phải đủ lớn để thắng giới hạn đàn hồi động của vật liệu và đảm bảo nén ép các bề mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ;

2) Nếu tốc độ di chuyển của điểm va đập vK nhỏ hơn tốc độ truyền âm thanh COtrong vật liệu kim loại hàn thì về mặt lý thuyết tia kim loại cục bộ có thể được hình thành

ở mọi góc nghiêng α giữa hai tấm kim loại hàn Tuy nhiên, trên thực tế mức áp suất cần thiết được cho bởi một góc nghiêng tối thiểu nào đó;

3) Nếu điểm va đập di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ sóng âm trong vật liệu kim loại hàn thì tia kim loại cục bộ có thể được hình thành chỉ ở góc nghiêng lớn hơn một góc tới hạn nào đó

Hình 1.11 Sơ nổ dưới góc nghiêng giữa 2 tấm kim loại (a) và tại một thời điểm nổ (b);

Sơ đồ nổ song song giữa 2 tấm kim loại (c) và tại một thời điểm nổ (d) [35]: 1 – Kíp nổ

điện; 2 – Thuốc nổ; 3 – Tấm kim loại hàn; 4 – Tấm kim loại nền (cố định); 5 - Đế nổ

Từ hình 1.11 cho thấy: tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cố định (hO) Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2) Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1) Tất cả phôi được đặt trên đế nổ (5) bằng kim loại, bê tông, cát Khi bị kích nổ, theo toàn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng nổ với tốc độ (D) đạt tới vài nghìn mét trong một giây Dưới sự tác dụng của áp suất cao do sự nở của khí nổ, tấm kim loại hàn đạt được tốc độ (vO) khoảng vài trăm mét trong một giây và va đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác định γ = β + α (γ - góc va đập; β - góc uốn động; α - góc nghiêng ban đầu) Kết quả của quá trình kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt độ rất cao, trong vùng tiếp xúc hai tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ tạo điều kiện cho chúng liên kết kim loại với nhau Tốc

độ cao và áp suất cao ở vùng tiếp xúc xảy ra sự đánh sạch màng ôxit trên các bề mặt

tiếp xúc, làm linh hoạt hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các lớp với nhau Mối liên kết kim loại đó thường có dạng sóng âm đặc trưng (hình 1.12 a), tuy nhiên cũng có những trường hợp mối liên kết không có dạng sóng âm (hình 1.12 b) [35] Trên hình 1.12 là ảnh chụp cấu trúc điển hình của liên kết 2 lớp kim loại trong mối hàn nổ Ta nhận thấy tùy theo chế độ hàn nổ khác nhau mà biên giới tiếp xúc giữa

2 tấm kim loại hàn có thể là dạng hình sóng âm (hình 1.12 a), hoặc có thể có dạng gần như một mặt phân cách phẳng (hình 1.12 b)

Hình 1.12 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ theo [35]

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ở Việt Nam từ năm 1981 đã có một vài nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ tại Viện Nghiên cứu Máy (Bộ Cơ khí và Luyện kim) để tạo băng bimetal thép 08Kп − ACM, thép 08Kп − AO6-1 làm phôi chế tạo bạc trượt động cơ ô tô, máy kéo [2] Tuy nhiên, kết quả khảo nghiệm các loại bạc trượt bimetal thép 08Kn – ACM, thép 08Kn-AO6-1 cho thấy: các mác hợp kim nhôm lựa chọn lúc bấy giờ còn chưa đủ tính năng để

sử dụng cho bạc trượt động cơ ô tô công suất trung bình, ví dụ như xe IFA-W50, DESOTO-P354 Cũng trong thời gian tương tự, tại Trường Đại học Bách khóa Hà Nội, nhóm nghiên cứu bộ môn Cán kim loại có phối hợp với nhà máy ô tô Ngô Gia Tự thử nghiệm công nghệ cán dính tạo phôi bimetal thép 08Kn – ACM, sử dụng cho bạc trượt động cơ diesel D6, D12, D22, nhưng kết quả chưa đạt yêu cầu Phần lớn là do máy cán thí nghiệm công suất nhỏ, không đủ áp lực để hàn dính các lớp thép và hợp kim nhôm với nhau, bạc thường bị bong tróc sau một thời gian thí nghiệm không dài Mặt khác,có

lẽ do chọn mác vật liệu hợp kim nhôm chưa đúng với gam tải trọng làm việc cần thiết Những năm gần đây, nhóm nghiên cứu về công nghệ hàn nổ gồm các nghiên cứu sinh và học viên cao học tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) đã thực hiện nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ chế tạo vật liệu bimetal phục vụ ngành công nghiệp đóng tàu [11], [14], [16], [19], [20], [22], [23]; chế tạo xén giấy có kích thước chiều dài lớn [28], chế tạo dao băm gỗ [29]…

Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trong nước nói trên, đề tài lựa chọn phương án phối hợp công nghệ hàn nổ với công nghệ cán để tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn với mục tiêu chế tạo một số loại bạc trượt động cơ xe ô tô vận tải

có tải trọng đến 3,5 tấn và xe ô tô con 4 – 9 chỗ ngồi (lấy mẫu bạc trượt nhập ngoại) Gam công suất thiết kế của các động cơ ô tô này chỉ dưới mức 200 – 300 mã lực (C.V)

Cơ sở để lựa chọn phương án công nghệ phối hợp là có thể không cần đầu tư máy cán dính công suất lớn mà vẫn đảm bảo hàn dính tốt lớp hợp kim nhôm chịu mòn với lớp nền thép, sau đó chỉ cần cán là xuống đến kích thước chiều dày theo yêu cầu của mỗi loại phôi bạc cần chế tạo trên máy cán hiện có tại một vài nhà máy trong nước

1.3 Xác định mác vật liệu, phương án tạo phôi và thiết bị thí nghiệm chế thử bạc trượt:

Trên hình 1.13 là ảnh chụp một loại bạc trượt động cơ ô tô vận tải do một hãng của Nhật Bản chế tạo, sử dụng cho động cơ xe tải HUYNDAI tải trọng 15 tấn

Hình 1.13 Ảnh chụp bạc trượt động cơ xe tải HUYNDAI 15 tấn: a) Bạc biên; b) bạc paliê

Từ bạc mẫu cho trên hình 1.13 đề tài đã lấy mẫu kiểm tra thành phần vật liệu lớp hợp kim chịu mòn, xác định các kích thước hình học cơ bản để lựa chọn phương án công nghệ tạo phôi bimetal và tính toán công nghệ chế tạo bạc theo mẫu

Kết quả phân tích cho thấy đối với gam công suất động cơ có tải trọng làm việc của bạc trượt tương ứng nói trên có thể chọn hợp kim nhôm chịu mòn theo hệ của Nga

là AO9-2 (các nguyên tố chính là: 8 ÷ 10% Sn; 1,5 ÷ 2,5% Cu, còn lại là Al) Việc chọn vật liệu làm lớp hợp kim nhôm chịu mòn nhưu vậy là xuất phát từ việc tra cứu tài liệu

kỹ thuật đối với hợp kim nhôm của Liên Xô trước đây có mác AO20-1 được lắp cho các đọng cơ xe tải hạng nặng đến 30 ÷ 40 tấn các nguyên tố chính là: 19 ÷ 20% Sn; 0,8

÷ 1,2 % Cu, còn lại là Al) Trong bảng 1.1 là thành phần hóa học của mác thép và hợp kim nhôm sử dụng cho thí nghiệm

Theo nội dung nhiệm vụ nghiên cứu đề ra ở phần này đã được trình bày cụ thể trong chuyên đề 2 của đề tài về một số vấn đề có liên quan đến cơ sở lý thuyết giải bài toán quy hoạch thực nghiệm trong việc phối liệu các nguyên liệu để nấu luyện hợp kim nhôm chịu mòn tương đương mác AO9-2 có thành phần hóa học gồm các nguyên tố chính: 8 ÷ 9 % Sn; 1,5 ÷ 2,0 % Cu; tạp chất khác ≤ 0,6 %, còn lại là Al (khối lượng) Tiêu chí thành phần hóa học và cơ tính của mác hợp kim nhôm sau đúc – cán là quan trọng nhất vì nó xác định tính chất của lớp vật liệu chịu mòn trên bạc trượt bimetal

và đảm bảo điều kiện làm việc của bạc trượt trong động cơ dự kiến thử nghiệm Ngoài

ra, chất lượng vật liệu hợp kim nhôm AO9-2 sau nấu luyện và đúc rót thành các thỏi còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố công nghệ như: thiết bị và nồi sử dụng cho nấy luyện; khuôn mẫu đúc thỏi hợp kim; khí bảo vệ trong quá trình nấu luyện hợp kim; chế độ xử

lý nhiệt sau đúc và trước khi hàn nổ, …

Do tính phức tạp cao của công nghệ đúc hợp kim nhôm, các vấn đề liên quan tới phương pháp khử tạp chất khi nấu luyện, bảo vệ hợp kim đúc khỏi bị ôxy hóa, tránh hiện tượng thiên tích của các nguyên tố hợp kim hóa lên lớp bề mặt trong quá trình đúc

và biến dạng dẻo sau đó, v.v… là những bí quyết công nghệ mà trong phạm vi nghiên cứu hạn hẹp về thời gian cũng như kinh phí của chuyên đề này không đề cập đến Nếu

đề tài sau này có được phát triển ở mức cao hơn ở cấp Nhà nước, chúng tôi sẽ đi sâu nghiên cứu về vấn đề này một cách có hệ thống.

Phương án tạo phôi bimetal được xác định gồm có 05 bước cơ bản như sau:

1) Đúc hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2, kiểm tra chất lượng hợp kim đúc;

2) Cán phôi đúc AO9-2 xuống kích thước yêu cầu làm pakets hàn nổ;

3) Hàn nổ với thép 08Kn (qua lớp lót trung gian Al1050), kiểm tra chất lượng phôi bimetal sau hàn nổ;

4) Xử lý nhiệt và cán là xuống kích thước phôi chế tạo bạc, kiểm tra chất lượng phôi bimetal sau cán;

5) Gia công cơ khí thành bạc trượt 2 nửa, kiểm tra chất lượng bạc

Kết luận chương 1:

Qua việc nghiên cứu tổng quan về các công nghệ cơ bản sử dụng để chế tạo vật liệu bimetal làm bạc trượt trên thế giới à tình hình nghiên cứu trong nước cho thấy: 1) Phương án phối hợp công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn và sau đó cán là xuống kích thước yêu cầu của phôi gia công bạc trượt trong điều kiện nước ta hiện nay là phù hợp, không cần đầu tư thiết bị cán dính đắt tiền cho khâu tạo phôi bimetal ban đầu Các khâu còn lại trong phương án công nghệ đề xuất đều đã có thiết bị phù hợp;

2) Mác vật liệu lớp nền chọn mác thép các bon thấp dễ biến dạng dẻo là 08Kn, còn mác hợp kim nhôm chịu mòn lấy theo tiêu chuẩn ngành của Nga tương đương mác AO9 – 1, nhưng ở đây tăng hàm lượng đồng lên 2% nhằm tăng khả năng chịu tải trọng trong bộ đôi ma sát của bạc với trục

Chương 2

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2

a) Mô hình thí nghiệm đúc hợp kim nhôm AO9-2

Để tổ chức thực hiện các thí nghiệm nấu luyện và đúc cán hợp kim nhôm chịu mòn (mác AO9-2) làm phôi paket đầu vào cho việc hàn nổ tạo vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt, cần phải có phương pháp luận khoa học dựa trên ứng dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

Luyện kim là quá trình công nghệ rất phức tạp khó điều khiển tự động quá trình,

do vậy có nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng vật đúc, đồng thời phế liệu

do sai hỏng về thành phần hóa học vật đúc chiếm tỷ lệ rất cao Việc xây dựng một phương án thí nghiệm nhằm mục tiêu giảm thiểu phế phẩm đúc và ổn định công nghệ đúc hợp kim nhôm chịu mòn là một bài toán khó, phải tiến hành rất nhiều thí nghiệm và kinh phí thử nghiệm này rất tốn kém Vì thế: chọn phương án tổ chức thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm hai yếu tố ở hai mức điều chỉnh là phù hợp với nguồn kinh phí

dự toán được cấp rất hạn hẹp của đề tài

Để giảm thiểu chi phí thí nghiệm tìm kiếm chế độ công nghệ nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2, cần thiết phải áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 2 yếu tố

ở 2 mức (kiểu N = 2k + 1 = 22 + 1 = 5) cho trong bảng 2.2

Mô hình thực nghiệm với các thông số đầu vào, điều kiện biên và thông số đầu ra trong quy hoạch thực nghiệm của đề tài cho trên hình 2.1

Điều kiện biên: X3;X4; X5; … Yếu tố độc lập

(thông số đầu vào):

X1; X2

Y

§èi t−îng nghiªn cøu

Hàm mục tiêu (thông số đầu ra):

Y1; Y2;…

Hình 2.1 Mô hình quy hoạch thực nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm chịu mòn

dùng làm phôi hàn nổ bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt

Từ hình 2.1 và bảng 2.2 cho thấy: các yếu tố đầu vào lựa chọn ở đây là:

1 – Hàm lượng phối liệu thiếc (% Sn) trong nguyên liệu trước nấu luyện;

2 – Hàm lượng phối liệu đồng (% Cu) trong nguyên liệu trước nấu luyện

Hàm mục tiêu lựa chọn là: Tỷ lệ cháy hao của các nguyên tố hợp kim hóa nhôm (Sn, Cu) còn lại trong mẫu vật liệu hợp kim nhôm sau đúc với ký hiệu:

Y1 = Tỷ lệ % Sn phối liệu nấu luyện /% Sn trong hợp kim sau đúc;

Y2 = Tỷ lệ % Cu phối liệu nấu luyện /% Cu trong hợp kim sau đúc

Bảng 2.2 Điều kiện thực nghiệm kiểu N = 22 + 1 = 5 áp dụng cho nấu luyện hợp kim

nhôm AO9-2

Miền khảo sát Thông số cần khảo sát

trong quy hoạch thực

nghiệm

Ký hiệu, đơn vị đo Mức 0

(min)

Mức 1 (trung bình)

Mức 2 (max)

Bước điều chỉnh

1 Tỷ lệ thiếc phối liệu

đầu vào nấu luyện HKAl

Thông qua các tiêu chí hàm mục tiêu Y1 và Y2 dễ dàng xác định được hàm lượng của chúng còn lại trong mẫu hợp kim đúc, tức là thành phần hóa học thực tế của nó so với thành phần tiêu chuẩn của hợp kim

b) Phương pháp phối liệu và điều kiện thí nghiệm đúc hợp kim nhôm AO9-2

Hợp kim nhôm đúc chịu mòn theo quy ước có ký hiệu mác vật liệu AO9-2 với thành phần hóa học gồm các nguyên tố chính: (8,5 ÷ 9,5 % Sn; 1,6 ÷ 2,2 % Cu; Tổng các nguyên tố tạp chất khác ≤ 0,95 % và Al – % còn lại)

Vì trong quá trình nấu luyện, nhiệt độ nóng chảy của các nguyên tố Sn, Cu, Al khác nhau nên rất khó đưa Sn, Cu vào Al mà không bị cháy hao, cũng như tránh được hiện tượng thiên tích và đảm bảo độ phân bố đồng đều trong toàn bộ khôi hợp kim đúc Chính vì vậy, cần tiến hành một số thí nghiệm định hướng quanh mức giá trị chuẩn cần đạt của hợp kim AO9-2 nhằm xác định tỷ lệ khối lượng đầu vào phối liệu so với đầu ra trong thỏi hợp kim đúc của hai nguyên tố Sn và Cu một cách hợp lý nhất

Do đồng (Cu) có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhôm (Al) và thiếc (Sn) nên việc tạo

ra sự phân tán của Cu trong thỏi hợp kim đúc là gặp nhiều khó khăn Vì thế, có thể thử nghiệm phương án đưa Cu vào hợp kim nhôm ở dạng bột có cỡ hạt khoảng 180 µm Tuy nhiên, bằng cách này lượng Cu bị cháy hao sẽ rất lớn, vì thế có thể sử dụng các vỏ

áo bọc bằng nhôm lá mỏng cho bột đồng khi đưa và nhôm nung chảy và khuấy đều trong thời gian xác định tối thiểu để tránh cháy hao nhiều

Thiếc (Sn) có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với nhôm và đồng Do đó, nguyên tố này chỉ đưa vào hợp kim ở thời điểm thích hợp nhất sau khi nhôm đã được nung chảy, khấy đều cùng với lượng đồng (bột đồng) trong thời gian tối thiểu đủ để Cu phân tán đều trong nền nhôm Sau đó cần khuấy đều hợp kim nhôm nóng chảy và tiến hành đúc thành các thỏi hợp kim nhôm trong khuôn kim loại có kích thước hình học tính toán cho trước

Như đã trình bày trong Chuyên đề 2, phối liệu các nguyên tố Sn và Cu được dự kiến cho các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm cho trong bảng 3.1 Nếu ký hiêu tỷ lệ

% Sn đưa vào phối liệu so với % Sn nhận được khi phân tích mẫu hợp kim nhôm đúc

là Y1 = % Sn / % Sn* - là hàm mục tiêu thứ nhất ở dạng biến mã hóa và không có thứ nguyên; Y2 = % Cu / % Cu* - là yếu hàm mục tiêu thứ 2 ở dạng biến mã hóa và không

có thứ nguyên Cả hai trị số này (Y1 và Y2) là các hàm số phụ thuộc vào các yếu tố độc lập đầu vào cần khảo sát trong quy hoạch thực nghiệm: X1 = % Sn; X2 = % Cu; X3 = % Sn*; X4 = % Cu* Như vậy ta có công thức tính như sau:

Y1 = X1/X3; Y2 = X2/X4 (2.1)

Đầu tiên cần tiến hành thí nghiệm với X1 = 11 % Sn và X2 = 3 % Cu (ở mức trung bình) Sau khi nấu luyện theo đặc điểm quá trình đúc nêu trên, phôi hợp kim nhôm đúc được lấy mẫu ở 3 vị trí: đầu phôi; giữa phôi và cuối đậu ngót (hình 3.1) để tiến hành phân tích xác định thành phần hóa học vật liệu đúc, đặc biệt quan tâm đến hàm lượng trung bình của các nguyên tố % Sn và % Cu đạt được trong nó, tức là xác định các chỉ tiêu X3 và X4 Từ kết quả thực nghiệm này sẽ tiến hành điều chỉnh tăng (hoặc giảm) các yếu tố độc lập phối liệu đầu vào X1 và X2

Sau khi đã có bảng điều kiện quy hoạch thực nghiệm với các mức điều chỉnh hợp

lý của các yếu tố độc lập X1 và X2, tiến hành thí nghiệm đầy đủ ở các điểm nút quy hoạch Các phôi hợp kim nhôm đúc nhận được trong loạt thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm đầy đủ sẽ được lấy mẫu phân tích thành phần hóa học tương tự như các mẫu tham dò định hướng công nghệ nói trên

2.2 Thiết bị sử dụng cho thí nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2

Việc nấu luyện và đúc rót phôi hợp kim nhôm được thực hiện tại xưởng đúc của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (Bộ Công Thương), sử dụng lò trung tần với mỗi mẻ luyện có khối lượng 50 kg liệu (hình 2.2)

Do đặc thù công nghệ mấu luyện và đúc hợp kim nhôm cần sử dụng khuôn đúc làm bằng gàn hoặc thép chịu nhiệti (hình 2.3) Trước khi rót hợp kim nhôm nóng chảy vào khuôn đúc, khuôn cần được gia nhiệt đến nhiệt độ thích hợp để đảm bảo dòng chảy kim loại lỏng trong đường dẫn và điền đầy lòng khuôn tốt nhất

Khuôn đúc hợp kim nhôm chịu mòn được thiết kế sao cho đảm bảo được phôi đúc (không kể đến phần đậu ngót phải cắt bỏ) có kích thước hình học như sau: H x B x L =

22 x 110 x 350 mm, trong đó: H – chiều dày; B – chiều rộng; L – chiều dài phôi

Mẫu hợp kim nhôm sau khi đúc và làm nguội được xử lý nhiệt trong lò điện trở (hình 2.4) trước khi cán xuống kích thước yêu cầu làm phôi paket hàn nổ với lớp thép trên máy cán hai trục D300 (hình 2.5)

Trên hình 2.2 ÷ 2.5 là ảnh chụp một số thiết bị đúc cán hợp kim nhôm AO9-2 hiện

có tại Viện KH&CN Mỏ – luyện kim được sử dụng trong nghiên cứu của đề tài này

Hình 2.2 Ảnh chụp lò trung tần nấu luyện hợp

kim nhôm AO9-2

Hình 2.3 Ảnh chụp khuôn kim loại dùng cho đúc thỏi hợp kim nhôm AO9-2

Hình 2.4 Ảnh chụp lò thí nghiệm xử lý nhiệt

phôi hợp kim nhôm sau đúc - cán

Hình 2.5 Ảnh chụp máy cán phôi hợp kim

lượng vật đúc, cần thiết phải tiến hành nhiều lô thí nghiệm, song điều này lại bị hạn chế bới kinh phí đề tài được cấp phát quá hạn hẹp

- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm có thể nâng cao tính ổn định chất lượng vật đúc, nhưng cần có đầu tư cho việc này nhiều hơn nếu có điều kiện tiếp tục

phát triển đề tài này ở cấp cao hơn

2.3 Mô hình thí nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal

a) Đặt vấn đề:

Theo nhiệm vụ dự kiến ở nội dung 1.4 – Giải trình dự toán chi của bản Thuyết minh đề tài, nhiệm vụ chủ yếu của Chuyên đề 4 là nghiên cứu thực nghiệm hàn nổ tạo mẫu phôi vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm AO9-2 với kích thước nhỏ (mẫu quy hoạch thực nghiệm) để xác định chế độ hàn nổ thích hợp sao cho đảm bảo được sự hàn dính của các lớp thép và hợp kim nhôm tốt nhất

Từ những cơ sở khoa học đã được xác lập trong phần nghiên cứu lý thuyết ở Chuyên đề 1 và phương pháp thí nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm đã trình bày trong Chuyên đề 2, việc thực hiện các bước thí nghiệm trong công trình nghiên cứu này tuân thủ theo những chế độ quy hoạch thực nghiệm đã chọn Trong bản báo cáo Chuyên đề 1 của đề tài đã đề cập đến sự tương tác giữa nhôm và hợp kim nhôm với thép khi hàn với đặc thù công nghệ là luôn hình thành các liên kim loại giòn và lớp màng mỏng cấu trúc giữa các lớp thép – nhôm (hợp kim nhôm) Các nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này ở ngoài nước đã được các nhà khoa học Nga chỉ

rõ trong công trình [33], [34] Ở Việt Nam những nghiên cứu đầu tiên về đặc tính cấu trúc vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm; thép – nhôm – hợp kim nhôm nhận được bằng phương pháp hàn nổ như: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp thép 08s – hợp kim nhôm AMг6 dùng trong hàn kết cấu [14]; Nghiên cứu tính chất hợp kim nhôm dùng trong công nghiệp đóng tầu thủy [16]; Nghiên cứu hàn áp lực thép với nhôm và hợp kim nhôm [17]; Nghiên cứu tương tác giữa nhôm và hợp kim nhôm với thép khi hàn [18]; Ứng dụng năng lượng nổ để chế tạo vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm độ bền cao AA5083 [19]; Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc biên giới liên kết kim loại vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm độ bền cao AA5083 sau hàn nổ [20]; Nghiên cứu vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm hệ Al-Sn-Cu dùng làm bạc trượt động cơ ô tô công suất đến 350 mã lực [21]; Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc biên giới liên kết kim loại vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm độ bền cao sau hàn nổ [22]

Từ đó xác định điều kiện hàn nổ lớp hợp kim nhôm chịu mòn hệ Al-Sn-Cu với lớp thép 08Kn với các giá trị biên (cận dưới và cận trên của vùng khảo sát) của các thông

số hàn nổ chính là tương đối chuẩn Các mẫu thí nghiệm theo QHTN được tiến hành đánh giá sơ bộ hiện thái bề mặt lớp hợp kim nhôm sau hàn nổ; cắt lấy mẫu thử phá hủy

để xác định độ bền bám dính 2 lớp và khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi tại các vùng cục

bộ lân cận biên giới 2 lớp bimetal theo phương pháp luận đã trình bày trong công trình báo cáo trung gian của đề tài [34]

b) Xác định mô hình thí nghiệm hàn nổ:

Ta đã biết đối với các mẫu thí nghiệm kích thước hình học không quá nhỏ, phương

án hàn nổ theo sơ đồ nổ song song là dễ thực hiện nhất, chất lượng bám dính trên toàn bộ

bề mặt tiếp xúc giữa các lớp kim loại sau hàn nổ trong trường hợp này là khá đồng đều Chất lượng bám dính ở các vùng như: phần đầu kích nổ, hai mép bên của băng và phần cuối băng nổ thường không tốt, nguyên nhân vì do điểm đặc trưng của công nghệ hàn nổ

nên luôn phải loại bỏ Vì thế, hiệu suất sử dụng phôi nổ cao khi kích thước hình học băng

nổ lớn Trên hình 2.6 thể hiện sơ đồ nguyên lý hàn nổ song song 2 tấm kim loại

a)

b)

Hình 2.6 Sơ đồ nổ song song theo phương án “nổ treo” (a): 1 – Kíp nổ điện; 2 – Thuốc nổ hỗn

hợp AD 1+ Phụ gia; 3 – Bìa lót bảo vệ bề mặt tấm kim loạin hàn; 4 – Tấm kim loại hàn (Al+

AO9-2); 5 – Chốt kê định vị khe hở hàn; 6 – Tấm thép nền (08Kп); 7 – Đế nổ thép (CT.3)

c) Xác định tốc độ hàn nổ bằng điều chỉnh mật độ rải và phụ gia của thuốc nổ

Với kinh nghiệm của tác giả các công trình [10], [11] khi hàn nổ tạo phôi bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm ACM, tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng có ảnh hưởng đáng

kể tới chất lượng mối hàn giữa 2 lớp trên vật liệu bimetal nhận được sau hàn nổ

Hiện nay ở nước ta đã có thiết bị kỹ thuật số đo tốc độ nổ của thuốc nổ trực tiếp trên trường nổ [14] (hình 2.7) Trên hình 2.8 là ảnh chụp công nhân nổ đang chuẩn bị mẫu paket hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm và đo trực tiếp tốc độ

nổ của thuốc nổ ở mỗi thí nghiệm cho đề tài trên hiện trường nổ của Tổng công ty Hóa chất thuộc Tập đoàn VINACOMIN

Để đảm bảo chất lượng mối liên kết hàn nổ tốt các lớp thép với nhôm (hợp kim nhôm) kinh nghiệm thực tiễn cho thấy đế nổ phải có độ cứng vững nhất định, tốt nhất là dùng đế nổ bằng thép hoặc gang đúc chất lượng cao Tuy nhiên do hạn chế về kinh phí thực hiện đề tài, chúng tôi thử nghiệm một kiểu đế nổ kết cấu hàn vách bên trong 4 mặt

vỏ hộp, các khoang rỗng được lèn chặt bằng vật liệu bê tông mác cao (hình 2.9)

a) b)

c) d)

Hình 2.7 Thiết bị ký thuật số (a, b) đo tốc độ nổ trực tiếp kèm phần mềm xử lý số liệu đo (c)

và magnheto kích nổ (d) sử dụng để thí nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim

nhôm chịu mòn làm bạc trượt tại trường nổ Quảng Ninh [8]

Hình 2.8 Ảnh chụp quá trình thí nghiệm đo tốc độ nổ trực tiếp trên trường nổ Quảng Ninh

Hình 2.9 Đế nổ bằng thép kết cấu hàn vách và bê tông cốt thép bên trong sử dụng cho thí nghiệm

hàn nổ bimetal tại Quảng Ninh (H x B x L = 500 x 800 x 2000 mm)

Áp dụng sơ đồ nổ song song cho trên hình 2.6 nói trên để hàn nổ tạo phôi bimetal thép 08Kп – nhôm Al và bimetal nhôm Al – hợp kim nhôm AO9-2 theo 2 phương án hàn nổ như đã trình bày trong Chuyên đề 2 [2] Mặt khác, theo kinh nghiệm nghiên cứu thực nghiệm của nhóm nghiên cứu đề tài, tốc độ nổ (Dk) của thuốc nổ hỗn hợp (AD1 +

NH4NO3) sử dụng trong mỗi thí nghiệm, được điều chỉnh bởi mật độ rải (ρo) khác nhau, được đo bằng thiết bị chuyên dụng kỹ thuật số (hình 2.1), đạt trong khoảng D = 2.900 ÷ 3.900 m/s, với sai số lớn nhất trong khoảng 0,18 ÷ 0,2 % Khi đó, tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc va đập (vk) đối với sơ đồ hàn nổ song song [14]:

1

1 ) 27 / 32 ( 1

) 27 / 32 ( 1 2 , 1

+

− +

+

=

r

r D

trong đó: D – Tốc độ nổ của thuốc nổ đo được trên thực tế, m/s; ρ1 – Mật độ tấm kim loại hàn (Al + A09-2 hoặc Al), lấy giá trị gần đúng ρ1 = 2,85 g/cm3; δ1 – Chiều dày các tấm hợp kim loại nhôm; δ1 = (0,5 Al + 18,5 AO9-2) mm

d Phương pháp lấy mẫu thử kiểm tra chất lượng vật liệu bimetal sau hàn nổ:

Ba tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng vật liệu tấm (băng) bimetal là:

độ bền bám dính 2 lớp; tổ chức tế vi trên biên giới và lân cận của bề mặt tiếp xúc 2 lớp sau hàn nổ và độ bền mòn lớp hợp kim AO9-2 ở các chế độ thí nghiệm mòn nhanh Qua nghiên cứu các tài liệu kiểm định vật liệu bimetal của nước ngoài cho thấy: có thể

sử dụng 2 phương pháp thử phá hủy mẫu dạng trụ (xác định độ bền kéo dứt) và mẫu dẹt (xác định độ bền kéo trượt) Quy định lấy mẫu thử đã được tiêu chuẩn hóa bởi các điều kiện thử nghiệm áp dụng cho các nhà máy sản xuất băng bimetal làm bạc trượt, có thể tham khảo Tiêu chuẩn ngành của LB Nga (xem hình 2.10)

Việc lấy mẫu để thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal cũng như nghiên cứu chụp ảnh tổ chức tế vi biên giới giữa chúng đã được đề cập rõ trong các công trình của tác giả [11]; [14], [19], [20], [35] và nhiều công trình khác

300 L1

2 1

1 2

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý lấy mẫu thử độ bền bám dính và chụp ảnh tổ chức tế vi biên giới 2 lớp

vật liệu bimetal: a) Loại bỏ các vùng đầu, cuối, hai mép biên trên băng nổ; b) Chọn vị trí khác

nhau trên toàn bộ chiều dài mẫu băng bimetal khảo sát; c và d) Kích thước hình học chế tạo mẫu

dạng trụ để thử kéo dứt và kéo trượt tương ứng

e Phương pháp nghiên cứu tổ chức tế vi vùng biên giới 2 lớp vật liệu bimetal

Hiện nay có nhiều thiết bị kính hiển vi quang học, hiển vi điện tử, thiết bị phân tích rownghen-quang phổ hiện đại đã có ở Việt Nam (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Viện Nghiên cứu Cơ khí; Viện Khoa học vật liệu – Viện KHCN Việt Nam;…) cho phép ta nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi kim loại tại vùng lân cận biên giới 2 lớp vật liệu bimetal, có thể tham khảo trong các công trình [19]; [20]; [21]; [23]

Do đó trong báo cáo này chngs tôi không đề cập cụ thể

d Phương pháp thử mòn nhanh lớp hợp kim nhôm AO9-2: Xem công trình [31]

2.4 Thí nghiệm cán hợp kim nhôm chịu mòn và xử lý nhiệt trong quá trình cán:

Như ta đã biết lớp hợp kim nhôm chịu mòn nói chung trong bạc trượt bimetal chỉ chiếm khoảng 15 ÷ 20 % tổng chiều dày toàn bộ bạc trượt, nó được xác định tùy theo kích thước hình học của thiết kế bộ đôi trục khủy và bạc trượt động cơ (gồm bạc biên

và bạc paliê) Chiều dày của lớp hợp kim nhôm chịu mòn thường nằm trong khoảng

δhkn = 0,5 ÷ 0,8 mm

Như vậy, việc nấu luyện và đúc các thỏi hợp kim nhôm AO9-2 đủ điều kiện kích thước chiều dày phù hợp cho hàn nổ với lớp thép cần chọn gam chiều dày phôi đúc thích hợp để đảm bảo hiệu quả của quá trình tạo phôi Trong đề tài này chúng tôi chọn chiều dày phôi đúc là 22 mm Do đó, phôi hợp kim nhôm sau khi đúc cần qua xử lý nhiệt để khử ứng suất đúc và đồng đều hóa tổ chức vật liệu Tiếp đó phôi đúc được cán nguội xuống kích thước yêu cầu để hàn nổ cho mỗi loại phôi bimetal làm bạc trượt một cách hợp lý Do đó cần có một số thí nghiệm về vấn đề này để có cơ sở khoa học cho việc lựa chọn kích thước phôi đúc và phôi hàn nổ của hợp kim nhôm AO9-2 tối ưu nhất Các thiết bị thí nghiệm cho khâu đúc cán và hàn nổ đã đề cập ở trên

2.5 Thí nghiệm cán băng bimetal và xử lý nhiệt trong quá trình cán:

Sau khi nhận được băng bimetal thép – hợp kim nhôm bằng phương pháp hàn nổ,

có thể tiến hành cán là băng ở trạng thái nguội đến một mức độ biến dạng dẻo tổng cộng thích hợp nào đó để đảm bảo lớp hợp kim nhôm AO9-2 không bị bong tróc khỏi lớp nền thép 08Kn

Tiếp đó để khử ứng suất cán sinh ra do quá trình cán nguội vật liệu bimetal, cần thiết phải xử lý nhiệt ở chế độ phù hợp, sao cho nguyên tố hợp kim hóa là thiếc (Sn) không bị thiên tích nhiều lên bề mặt lớp hợp kim chịu mòn (tức làn thay đổi nhiều thành phần hóa học của hợp kim trên băng bimetal) Sau đó có thể tiếp tục cán nguội băng bimetal xuống tới kích thước yêu cầu của phôi chế tạo bạc trượt Nếu vật liệu bimetal được cán nguội ở công đoạn này có hiện tượng bong tróc thì phải tiếp tục xử lý nhiệt lần

2 để khử ứng suất cán và sau đó mới tiếp tục cán đến chiều dày phôi bạc yêu cầu

Những vấn đề nêu trên cần được xác định bằng thực nghiệm để có cơ sở khoa học cho việc chỉ định chế độ công nghệ cán và xử lý nhiệt phù hợp với mác hợp kim lựa chọn ở đề tài này

2.6 Xác định công nghệ gia công bạc trượt từ phôi bimetal:

Từ hình 1.10 đã nêu ở chương 1 cho thấy: từ băng bimetal thép – hợp kim chịu mòn nói chung có 3 phương án triển khai chế tạo bạc trượt dạng hai nửa và dạng ống Tuy nhiên, với mục tiêu đề tài này đặt ra là chế tạo một số bạc trượt lắp cho động cơ xe

ô tô tải đến 3,5 tấn và xe ô tô con 4-9 chỗ ngồi thuộc dạng hai nửa, nên phương án công nghệ gia công bạc trượt được chọn là theo phương án 1, với các bước cơ bản là:

1) Cắt phôi theo tính toán đủ lượng dư chế tạo bạc hai nửa, sử dụng máy dập và khuôn dập cắt tương ứng;

2) Dập uốn tạo hình 1/2 phôi bạc, sử dụng máy dập và khuôn dập tương ứng; 3) Dập vấu chống xoay, sử dụng máy dập và khuôn dập vấu;

4) Tiện tin mặt trong và tiện rãnh dầu, khoan lỗ cấp dầu, sử dụng máy tiện vạn năn hoặc chuyên dùng, tốt nhất là máy tiện điều khiển số để đảm bảo độ chính xác cao của bạc trượt;

5) Tạo lớp phủ bảo vệ bạc trượt băng phương pháp mạ

Những bước gia công cơ khí nói trên đều được thwucj hiện tại Xí nghiệp bạc trượt bimetal thuộc Công ty TNHH MTV Cơ khí Ngô Gia Tự là cơ sở sản xuất bạc trượt có

đủ điều kiện về thiết bị gia công và kinh nghiệm lâu năm trong việc này

Kết luận chương 2:

Trong chương 2 này đã trình bày những nội dung chính sau đây:

1) Đề xuất mô hình thí nghiệm đúc cán và hàn nổ tạo phôi bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam để lựa chọn được vùng giá trị tối ưu của các thông số đầu vào khảo sát, đảm bảo được tính chất tổng hợp của vật liệu bimetal cao nhất;

2) Giới thiệu phương pháp lấy mẫu giám định chất lượng vật liệu bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 sau hàn nổ và cán để xác định độ bền bám dính 2 lớp, cũng như khảo sát tổ chức kim loại trên bề mặt tiếp xúc giữa chúng;

3) Khái quát về phương pháp tiến hành thực nghiệm làm cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ công nghệ: nấu luyện, đúc cán tạo phôi vật liệu hợp kim nhôm AO9-2; hàn nổ bimetal thép – hợp kim nhôm; xử lý nhiệt phôi đúc và phôi bimetal sau hàn nổ, trong quá trình cán; thử nghiệm mòn nhanh lớp hợp kim nhôm AO9-2 trong phòng thí nghiệm; tiến trình gia công cơ khí bạc trượt dạng hai nửa từ băng bimetal;

Chương 3

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHỈNH CÔNG NGHỆ TẠO PHÔI BIMMETAL THÉP – HỢP KIM NHÔM CHỊU MÒN LÀM BẠC TRƯỢT

3.1 Quy trình nấu luyện, đúc và cán thỏi hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2

Trong báo cáo chuyên đề 3 đề tài này đã nêu cụ thể việc tiến hành thí nghiệm đúc

phôi hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 để làm paket hàn nổ với lớp nền thép 08Kп trong

công đoạn tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm Còn trong chuyên đề 5 đã đề cập các kết quả nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm nấu luyện, đúc, biến dạng dẻo (cán) và nhiệt luyện hợp kim nhôm nói chung và hợp kim nhôm chịu mòn nói riêng Đặc biệt là đã trích dẫn một số mác hợp kim nhôm chịu mòn tiêu chuẩn của các nước như Nga, Anh Mỹ (bảng 2.9&2.10- Phụ lục)

Trên hình 2.2 đã giới thiệu lò trung tần được sử dụng để nấu luyện hợp kim nhôm chịu mòn hiện đang hoạt động tại Xưởng thực nghiệm đúc của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Bộ Công Thương Sơ đồ công nghệ nấu luyện, đúc, cán hợp kim nhôm AO9-2 chuẩn bị cho việc hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) cho trên hình 3.1 Nồi nấu luyện hợp kim nhôm bằng graphit phấn chì, có dung tích đạt 50 kg/mẻ luyện

4 Khuấy trộn đều hợp kim nóng

chảy, khử khí trong hợp kim

3 Đưa nguyên tố hợp kim hóa Sn, Cu vào

thành phần Al nóng chảy

5 Nung khuôn đúc kim loại đến

nhiệt độ đúc rót hợp kim nhôm

8 Nhiệt luyện (ủ đồng đều hóa)

thỏi đúc hợp kim nhôm AO9-2

9 Phay bỏ khuyết tật hai lớp bề mặt

thỏi đúc hợp kim nhôm AO9-2

10 Cán nguội thỏi đúc hợp kim nhôm AO9-2 đến kích thước yêu cầu theo chiều dày, dài và rộng cho phôi paket hàn nổ

11 Cán nguội thỏi đúc hợp kim nhôm AO9-2 đến kích thước chiều dày yêu cầu

cho phôi paket hàn nổ

12 Kết thúc quá trình tạo phôi hợp

kim nhôm AO9-2 cho công đoạn

hàn nổ

Theo sơ đồ nguyên lý công nghệ trên hình 3.1 và sử dụng lò trung tần, khuôn đúc kim loại (hình 3.2 a,b) đã thực hiện việc phối liệu thành phần hợp kim đúc, đồng thời sử dụng các thiết bị thí nghiệm khác đã nêu trong chuyên đề 2 phục vụ việc xử lý nhiệt (ủ đồng đều hóa sau đúc), cán nguội đến kích thước yêu cầu làm phôi paket hàn

nổ tạo vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) đạt yêu cầu

3.1.1 Kiểm tra thành phần hóa học hợp kim đúc AO9-2

Bằng phương pháp điều chỉnh tăng dần các nguyên tố hợp kim hóa Sn, Cu trong

mẻ nấu luyện và đúc thỏi hợp kim nhôm chịu mòn từ giá trị ở mức cận dưới lên mức trung bình và mức cận trên (bảng 3.1) ta nhận được các mẫu đúc tương ứng và đánh số thứ tự để tiến hành kiểm tra thành phần hóa học của hợp kim Việc phân tích thành phần hóa học hợp kim chịu mòn đầu tiên được đưa mẫu phân tích quang phổ tại Trung tâm kiểm định vật liệu - Viện KHCN Cơ khí năng lượng Mỏ (Bộ Công Thương), nhưng kết quả phân tích có sai số lớn, nên không sử dụng phương pháp này

Đồng thời với việc thử phân tích quang phổ, nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích hợp kim đúc bằng phương pháp hóa ngay tại Viện KHCN Mỏ - Luyện kim, kết qủa cho trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần hóa học hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 đúc

Hàm lượng các nguyên tố chính, % khối lượng

Ký hiệu

Mác hợp kim tương ứng

3.1.2 Kiểm tra khuyết tật hợp kim đúc AO9-2

Các khuyết tật của thỏi hợp kim nhôm AO9-2 sau khi đúc được phát hiện thấy sau khi phay bỏ lớp kim loại bề mặt và đã được đề cập trong chuyên đề 3 của đề tài này Một số dạng khuyết tật cơ bản của thỏi hợp kim nhôm đúc cho trên hình 3.2 dưới đây Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do trong mẻ nấu luyện và đúc đầu tiên chúng tôi đã không sử dụng khí bảo vệ hợp kim trong quá trình nấu luyện

Để khắc phục hiện tượng trên, đề tài đã tiến hành lô nấu luyện hợp kim AO9-2 trong môi trường có khí bảo vệ Kết quả cho thấy không còn hiện tượng rỗ khí trong thỏi hợp kim nhôm, ngay cả khi chưa cần phay bổ một lớp kim loại bề mặt như ở trường hợp lô thí nghiệm đầu tiên Ví dụ như: trên hình 3.3 thể hiện ảnh chụp hiện trạng

bề mặt thỏi hợp kim nhôm AO9-2 sau khi đúc của 04 mẫu lô số 1, còn hình 3.4 – 05 mẫu lô đúc số 2 thuộc loạt thí nghiệm điều chỉnh công nghệ đúc

Như vậy, việc điều chỉnh chế độ nấu luyện hợp kim nhôm chịu mòn trong loạt thí nghiệp lặp đã cho kết quả tốt Chất lượng vật liệu hợp kim sau khi đúc đảm bảo yêu cầu tốt để sử dụng cho việc cán tạo băng làm paket hàn nổ