Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ để tạo phôi bimetal thép cacsbon – thép hợp kim dạng hình trụ

1 A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trên thế giới hiện nay, vật liệu mới trong kỹ thuật chủ yếu là vật liệu trimetal (ba lớp); bimetal (hai lớp); compozit chịu mòn; gốm kim loại; hợp kim cứng luyện kim bột làm dụng cụ gia công cơ khí; vật liệu kỹ thuật điện và điện tử; vật liệu nanô được sử dụng cho chế tạo mới các phụ tùng mau mòn bởi tích hợp được tính năng tốt của các thành phần để có nhiều tính năng đặc biệt so với vật liệu truyền thống. Ở Việt Nam hiện nay hầu hết các máy móc, thiết bị công nghệ đều nhập từ nhiều quốc gia như: Anh, Mỹ, CHLB Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Liên bang Nga, Ucraina và các Đông Âu. Sau một thời gian làm việc chúng cần được bảo dưỡng và thay thế phụ tùng mau mòn chóng hỏng, ví dụ như các chi tiết dạng trục, bạc trượt, ổ bi, phụ tùng máy động lực và máy công cụ với số lượng lớn. Hàn nổ là công nghệ tiên tiến đảm bảo tạo phôi bimetal làm các chi tiết máy chịu mài mòn và có độ cứng cao. Vì thế, đề tài luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu lựa chọn chế độ hàn nổ thích hợp để tạo phôi bimetal thép các bon – thép hợp kim có dạng hình trụ, sử dụng cho việc chế tạo các chi tiết máy như: chốt biên của bộ trục khuỷu; chốt pít tông trong bộ nổ động cơ đốt trong; bi trụ 3. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ để tạo phôi vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 với lớp thép hợp kim hàn trên bề mặt hình trụ có tính chất ổn định và độ bền bám dính với lớp thép C45 cao, đảm bảo mục đích sử dụng được đề xuất. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học 1. Đã sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng để xử lý số liệu thực nghiệm và nhận được mô hình toán học mô tả hàm mục tiêu độ bền bám dính 2 lớp ( b.d ) phụ thuộc các thông số hàn nổ (r), (h) và (C) theo quy hoạch thực nghiệm kiểu N = 3 3 có dạng đa thức ở công thức (4.1). Từ đó phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng riêng biệt, cũng như ảnh hưởng tổng hợp của các từng thông số nổ đến tính chất cơ học và cấu trúc vật liệu bimetal sau hàn nổ. Bằng mô hình (4.1) có thể điều khiển được bộ thông số công nghệ hàn nổ chủ yếu đã chọn để xác định được miền tối ưu của chúng, đảm bảo nhận được chất lượng liên kết 2 lớp bimetal đạt ở mức cao; 2. Đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của biến dạng dẻo sau hàn nổ phôi trụ bimetal thép C45 – thép ШX15 bằng phương pháp ép chảy nóng đến chất lượng liên kết hai lớp của nó thông qua hàm mục tiêu ( b.d ) phụ thuộc vào mức độ biến dạng dẻo tương đối theo hướng kính (  ). Từ đó đã xác định quy luật thay đổi của ( b.d ) phụ thuộc vào (  ) và xác định biến dạng dẻo tới hạn nên dừng ở mức   = 7,5  15 %; 3. Đã nghiên cứu khảo sát và xác định được đặc tính cấu trúc tế vi vật liệu tại vùng biên giới liên kết hai lớp thép C45 – thép ШX15 ở trạng thái sau hàn nổ và biến dạng dẻo bằng phương pháp kim tương học (hiển vi quang học, hiển vi điện tử và phân tích SEM-EDX). Bằng các kết quả thực nghiệm đã chứng minh được rằng: trong vùng liên kết 2 lớp kim loại bimetal thép C45 – thép ШX15 sau khi hàn nổ có thể hình thành các liên kim loại có thành phần hóa học, cơ tính khác nhau. Tuy nhiên ở các chế độ 2 hàn nổ tối ưu, sự hình thành các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng có kích thước nhỏ và phân bố không liên tục, nên ít ảnh hưởng đến độ bền và chất lượng phôi bimetal. - Ý nghĩa thực tiễn Lần đầu tiên ở Việt Nam đã thử nghiệm thành công việc ứng dụng năng lượng nổ để biến dạng dẻo tóp ống thép hợp kim ШX15 và hàn dính với lõi thép các bon C45 đạt chất lượng cao: độ bền bám dính 2 lớp vật liệu sau hàn nổ đạt trong khoảng  b.d = 128,7333  258,6667 MPa, có đặc tính cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết tốt. 5. Các đóng góp mới của luận án 1. Đã hệ thống hoá cơ sở lý thuyết công nghệ hàn nổ ứng dụng cho tạo phôi bimetal dạng tấm phẳng, bề mặt cong từ các tài liệu đăng tải trong và ngoài nước làm cơ sở khoa học cho việc giải bài toán biến dạng dẻo tóp ống và hàn nổ ống thép hợp kim ШX15 vào lõi thép C45 có dạng hình trụ và thực nghiệm trong điều kiện Việt Nam; 2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm kiểu ba mức ba yếu tố (N = q k = 3 3 = 27) đã tiến hành thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép ШX15 dạng trụ và khảo sát đánh giá ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ hàn nổ chính (r), (h), (C) đến độ bền bám dính 2 lớp ( b.d ) và đặc tính cấu trúc tế vi vùng liên kết hai lớp ở trạng thái sau hàn nổ. Từ đó chọn chế độ hàn nổ phù hợp yêu cầu về chất lượng bám dính giữa hai lớp kim loại hàn nổ; 3. Sử dụng phương pháp ép chảy nóng để nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo tương đối với khác nhau theo hướng kính ( V ) đến ( b.d ), từ đó cho phép xác định giới hạn cần thiết của nó để chỉnh kích thước hình học dọc theo phôi nổ và lựa chọn chế độ công nghệ hàn nổ phối hợp ép chảy nóng thích hợp, đảm bảo vật liệu phôi bimetal đạt đặc tính kỹ thuật và có chất lượng cao ứng dụng vào chế tạo các chi tiết máy dạng hình trụ. 6. Phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận 6.1. Phương pháp nghiên cứu: kết hợp nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ các bề mặt cong và hai tấm kim loại với quy hoạch thực nghiệm để xác định chế độ hàn nổ đảm bảo nhận được chất lượng vật liệu bimetal tốt nhất, 6.2. Cách tiếp cận nội dung nghiên cứu - Từ nghiên cứu tổng quan các kết quả ứng dụng công nghệ hàn nổ trong và ngoài nước để xác định nội dung nghiên cứu phát triển thêm của luận án; - Thực nghiệm xác định mức độ biến dạng dẻo tới hạn theo hướng kính của phôi bimetal thép C45 – thép ШX15 sao cho vẫn đảm bảo độ bền bám dính 2 lớp và đặc tính cấu trúc vật liệu cần thiết; - Sử dụng các thiết bị đo lường, thiết bị phân tích kim tương hiện đại để xác định các thông số kỹ thuật và đánh giá đặc tính của vật liệu bimetal sau hàn nổ, ép chảy nóng. 7. Cấu trúc luận án Luận án gồm 5 chương với 136 trang (không kể phần Phụ lục): Đặt vấn đề (06 trang); Chương 1: Tổng quan về công nghệ hàn nổ và giới hạn nghiên cứu đề tài luận án (19 trang); Chương 2: Cơ sở lý thuyết hàn nổ hai tấm kim loại (26 trang); Chương 3: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu (24 trang); Chương 4: Ảnh hưởng của chế độ nổ tới độ bền bám dính 2 lớp và tổ chức vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15ạng hình trụ (33 trang); Chương 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau ép 3 chảy nóng (20 trang); Kết luận chung luận án (02 trang); Danh mục các công trình khoa học đã công bố (01 trang); Danh mục tài liệu tham khảo (06 trang); Ngoài ra, phần Phụ lục luận án có 20 trang. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN NỔ VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 1.1. Khái quát về vật liệu kết cấu chịu mài mòn Vật liệu chịu mòn kết cấu có độ cứng cao dùng làm các chi tiết trong vòng bi thường là bằng thép hợp kim cao, rất khó biến dạng dẻo và khó gia công, còn các chi tiết dạng trục như: chốt biên, chốt ắc pit tông…có thể làm bằng thép hợp kim thấp và thấm tôi nên công nghệ rất phức tạp, chi phí nguyên vật liệu và năng lượng cao. Từ sau năm 1960 ở các nước thuộc Liên Xô trước đây tại nhiều Viện nghiên cứu và các Trường Đại học đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ 1, 2362 để chế tạo vật liệu bimetal, trong đó có bimetal thép – thép hợp kim chịu mòn, thép - thép không gỉ, thép - titan, Về mặt lý thuyết hàn nổ được sử dụng hầu như đối với các cặp vật liệu khác nhau, đặc biệt là các cặp kim loại và hợp kim có cơ lý tính khác xa nhau và rất khó bám dính bằng các phương pháp tạo phôi bimetal khác. Ngoài ra, hàn nổ có thể được sử dụng trong sản xuất đơn chiếc hoặc loạt nhỏ các sản phẩm với năng suất cao, đảm bảo tạo ra các liên kết kim loại chất lượng cao, chi phí đầu tư thiết bị ít tốn kém, phù hợp với các nước chưa từng có công nghiệp luyện kim và máy cán mạnh như Việt Nam. Cho đến thời điểm hiện nay ở Việt Nam, công nghệ hàn nổ mới được bắt đầu triển khai nghiên cứu ứng dụng ở dạng tấm phôi bimetal thép các bon – thép hợp kim, thép các bon – thép không rỉ, thép các bon thấp – hợp kim nhôm, thép các bon – hợp kim đồng, nhưng chưa có nghiên cứu sâu nào về vấn đề tạo phôi bimetal ở dạng trụ có tính năng chịu mài mòn cao. 1.1.1. Vật liệu bimetal chịu mòn để chế tạo chi tiết máy dạng trục, chi tiết ổ bi Các chi tiết hình trụ thuộc về nhóm chốt biên, chốt ắc pít tông trong động cơ ô tô, xe máy và máy động lực, ca bi trong và ca bi ngoài, chiếm phần lớn các phụ tùng mau mòn chóng hỏng cần thay thế định kỳ trong máy móc thiết bị nhiều ngành kinh tế. Hiện nay ở ngoài nước người ta sản xuất các loại chi tiết đó bằng các công nghệ tạo phôi tiên tiến (trong đó có hàn nổ), tiết kiệm nguyên liệu cao, với lớp bề mặt làm việc có tính năng đặc biệt, khả năng chịu mòn cao. Ở Việt Nam hàn nổ là một trong những công nghệ tiên tiến đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong tạo phôi vật liệu bimetal dùng trong chế tạo máy, đóng tầu, 1.1.2. Một số chi tiết kết cấu khác từ vật liệu bimetal Trong công nghiệp chế tạo các loại bình chịu áp lực cao, việc sử dụng công nghệ hàn nổ để tạo ra ứng suất dư cho trước trong các lớp kim loại thành bình cũng là một trong những biện pháp công nghệ tiên tiến đã được nhiều nước công nghiệp phát triển trên thế giới nghiên cứu áp dụng thành công và cho hiệu quả kinh tế – kỹ thuật cao. Trong công nghiệp hoá chất, hoá dầu việc bọc lót phía ngoài các đường ống dẫn có thể sử dụng công nghệ hàn nổ. Trong các công trình biển các kết cấu cột hình trụ làm việc trong môi trường ăn mòn xà xâm thực cao của nước biển cũng có thể được hạn chế nhờ bọc lót phía ngoài các chi tiết kết cấu đó bằng thép không rỉ. Lớp vỏ bọc chống xâm thực đó có thể được tạo ra bằng phương pháp phun phủ hoặc hàn nổ. Tuy 4 nhiên, những ý tưởng đó chỉ mới được đề cập đến trong một số patent của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới, nhưng khó tiếp cận được trong điều kiện Việt Nam. Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng hàn nổ để tạo ra lớp kim loại bề mặt có tính năng kỹ thuật cao, làm việc trong điều kiện khắc nghiệt có thể sẽ là tiền đề khoa học mới cho những nghiên cứu ứng dụng tiếp theo ở nước ta. 1.2. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ các bề mặt cong dạng bán cầu đường kính nhỏ Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về khả năng nhận được mối hàn khi hàn các bề mặt cong (hình 1.1 và 1.2) đã được các nhà khoa học Nga đề xướng và đưa ra các công thức tính toán lý thuyết được trích dẫn trong công trình [30]. Theo phương trình đường cong mô tả prôphin tấm hàn ốp, có thể xác định được thể tích chiếm chỗ của thuốc nổ, khối lượng thuốc nổ và tấm kim loại hàn ốp. Giả sử chiều dày tấm kim loại hàn ốp là (), khe hở hàn ban đầu (h) và việc hàn nổ thực hiện trên một nửa bán cầu có bán kính (R), được kích nổ từ tâm điểm. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết nêu trên đã được sử dụng để tính toán và kiểm tra bằng thực nghiệm các thông số va đập khi hàn nổ các ụ đỡ tự lựa bằng thép có bề mặt trong là nửa hình cầu với bán kính R = 80 mm được hàn ốp một lớp hợp kim đồng БpOФ6,5- 0,15 có chiều dày 4 mm [1]. Hình 1.1. Sơ đồ tính toán phương án hàn ốp bề mặt hình cầu từ phía trong 1 Hình 1.2. Sự lan truyền sóng nổ tr ên bề mặt hình trụ 1 1.3. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ các bề mặt lồi hình trụ Để thành lập được công nghệ hàn nổ sát với thực tiễn đối với phôi đúc cánh tuabin thuỷ lực với hình dạng prôphin không gian rất phức tạp, ở Liên Xô trước đây đã nghiên cứu các đặc tính nổ của thuốc nổ dạng hình trụ có bán kính (R) thì mặt phân cách nổ luôn luôn bị biến dạng từ mặt phẳng AB ở thời điểm ban đầu (hình 1.2) thành đường thân khai CE và đưa ra các công thức tính toán lý thuyết 40. Hiệu ứng đó cũng được khẳng định bằng các nghiên cứu thực nghiệm trích dẫn trong công trình 1. 1.4. Nghiên cứu ứng dụng năng lượng nổ để tạo phôi bimetal, trimetal ở Việt Nam 1.4.1. Khái quát chung Ứng dụng năng lượng nổ trong hàn các kim loại có thành phần hóa học và cơ tính khác nhau làm bạc trượt, cũng như tóp ống xy lanh bằng thép trong phục hồi cụm xy lanh giảm xóc xe ô tô vận tải mỏ đã được khởi xướng ở Việt Nam từ những năm thập kỷ 80 thế kỷ trước [1], [30]. Tuy nhiên, các nghiên cứu theo hướng này bị gián đoạn do có nhiều yếu tố khách quan của nền kinh tế nước ta ở giai đoạn này. Chỉ sau năm 1995 và cho đến nay, nhóm nghiên cứu ứng dụng hàn nổ tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) lại tiếp tục triển khai hướng công nghệ này: 5 1. Hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép các bon – thép các bon dụng cụ làm dao cắt trong máy công cụ và thép các bon – thép hợp kim dụng cụ làm dao băm gỗ [7], [9], [11],[12], [14], [16], [17], [22], [24], [27]; 2. Hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép CT3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm đóng tầu AA5083 sử dụng trong công nghiệp đóng tầu thuỷ [10], [15], [19], [20], [23], [25], [26]; 3. Hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép 08s – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm chịu mòn hệ Al – Sn – Cu (mác AO9-2) làm bạc trượt [10], [19], [20], [21], [23], [25], [26]; 4. Hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép 08s – đồng M1 làm thanh cái dẫn điện điện động lực [13], [18]; 5. Một số ứng dụng năng lượng nổ khác trong tạo phôi các chi tiết máy có kích thước hình học lớn, khó chế tạo bằng các công nghệ truyền thống, ví dụ như bạc gối đỡ tuốc bin thuỷ điện, máy nghiền cỡ lớn,…đang có triển vọng ứng dụng thực tiễn. 1.4.2. Đặc điểm biến dạng tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ Sơ đồ nổ tóp ống xy lanh bằng thép cho trên hình 1.3, còn giả thiết phân bố áp suất nén theo bề mặt hình trụ ngoài của ống xy lanh – hình 1.4 [3]. Cơ sở lý thuyết tính toán ứng dụng cho tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ dựa trên việc giải bài toán sau 7: Chúng ta quan sát một ống kim loại hình trụ có bán kính ngoài (R 1 ) và bán kính trong R 2 , chịu áp lực p phân bố đều ở mặt ngoài (xem hình 3.4 ở Chương 3). Khi (p) đạt một gía trị (p 1 ) nào đó thì ống kim loại bắt đầu biến dạng dẻo và các phân tố của ống bị dịch chuyển vào phía tâm một cách đối xứng. Để đơn giản hóa quá trình tính toán, chúng tôi giới hạn ống kim loại có chiều dầy nhỏ so với bán kính của ống. Từ đó cho phép có thể bỏ qua ảnh hưởng của chiều dài ống trong phép tính và có thể coi như bài toán phẳng. Khi đó, phương trình cân bằng ứng suất tại một phần tử nhỏ của ống khi chưa chuyển động trong tọa độ cực có dạng: 0   r dr d r r     (1.14) Theo điều kiện dẻo Misses: Tr   3 2  (1.15) trong đó:  r ,   - ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến tương ứng;  T - ứng suất chảy của vật liệu. Sau các phép biến đổi ta có giới hạn áp suất p 1 đủ để xy lanh biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng tĩnh được xác định theo biểu thức:   2 1 11 ln 3 2 R R Rrp T r     (1.19) ở đây: dấu “” biểu thị áp suất nén. Trong trường hợp ống thép biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động xung cao tốc khi nổ thì  T không thể là ứng suất chảy tĩnh của vật liệu, mà khi đó ta phải lấy giới hạn chảy động  td : 2 1 ln 3 2 R R p tdtd    (1.20) Xét trường hợp ống bị tóp co lại theo hướng kính (vật liệu thành ống chuyển động hướng vào tâm) dưới tác dụng của áp lực xung nổ, nhà khoa học 6 người Nga Đeribas A. A. 40 giả thiết coi hình trụ bị biến dạng rất nhanh như một chất lỏng lý tưởng. Khi đó, nếu gọi r o là khoảng cách của một phần tử nhỏ của ống đối với tâm trước lúc biến dạng: r(r o , t) là khoảng cách của chính điểm đó ở thời điểm (t) trong quá trình dịch chuyển khi nổ. Áp lực sinh ra do quá trình nổ tác dụng lên ống hình trụ được xác định như sau: 3 11100 )( / )( 27 16 )(           dt tdR DHt tRRH D tp  (1.27) trong đó:  o , D - khối lượng riêng (g/cm 3) và tốc độ nổ (m/s) của thuốc nổ tương ứng; H - chiều dày lớp thuốc nổ (mm). Kết quả tính toán và thử nghiệm ứng dụng phục hồi xy lanh thuỷ lực: Vật liệu ống biến dạng dẻo dưới tác dụng của năng lượng nổ là xy lanh thuỷ lực bằng thép tương đương mác thép C45 trong bộ phận giảm xóc của xe ô tô vận tải mỏ KOMATSU–320 (Nhật Bản). Vật liệu này có cơ tính như sau: mật độ  1 = 7,85g/cm 3 ; trở kháng chống biến dạng K d = 610,7 MPa; ống có kích thước ban đầu R 10 = 56 mm; R 20 = 50 mm. Thuốc nổ được dùng là loại amônít 6ЖB có mật độ rải bằng  0 = 0,9 g/cm 3 và chiều dầy lớp thuốc nổ tối thiểu bằng H = 9 mm. Kết quả thí nghiệm đạt được rất tốt, các xy lanh thủy lực sau phục hồi được đưa vào sử dụng trên khai trường mỏ Quảng Ninh có hiệu quả. 1.4.3. Đề xuất phương án nổ tóp ống để hàn với lõi thép ở giữa Trong công trình [7 tác giả đã đưa ra đề xuất hàn nổ tạo phôi bimetal dạng ống trên cơ sở ứng dụng năng lượng nổ biến dạng tóp ống phục hồi các xy lanh thuỷ lực nói trên và một số kết quả thực nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal dạng trụ thép C45  thép ШХ15, khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa hai lớp kim loại sau hàn nổ trên mặt cắt ngang và cắt dọc theo hướng nổ trên các phân vùng khác nhau theo một số phương pháp luận đã đề xuất ở các công trình [4], [6], 7, [8], [9]. Bài toán sẽ được hoàn thành khi đảm bảo được điều kiện sau: 0 )( max 2  H v dt tdR (1.33) Nếu dR 2 /dt max  v H thì cần phải tăng thêm chiều dầy lớp thuốc nổ và lặp lại các thí nghiệm. Cuối cùng, khi đã xác định được (H), đồng thời ta sẽ xác định được (R) tối ưu bằng chương trình tính toán theo sơ đồ khối trên hình 1.5 chương 1 luận án 7. 1.5. Kết luận chương 1 và giới hạn nghiên cứu của đề tài luận án Kết luận chương 1 1. Đã hệ thống hoá cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới về hàn nổ tạo vật liệu bimetal như: đặc điểm và sơ đồ hàn nổ; điều kiện hình thành liên kết hàn nổ; các thông số chính quá trình hàn nổ 2 tấm kim loại; ảnh hưởng của các thông số nổ tới tính chất và cấu trúc mối hàn trong bimetal; cơ sở lý thuyết hàn nổ các bề mặt cong có đường kính nhỏ; cơ sở lý thuyết hàn nổ các bề mặt lồi hình trụ; 2. Hàn nổ để tạo phôi bimetal dạng thanh, ống hoặc dạng tấm là một hướng công nghệ mới được nghiên cứu ứng dụng ở nhiều nước công nghiệp phát triển đảm bảo yêu cầu về kích thước lớn và hiệu quả kinh tế cao. Ở Việt Nam có thể áp dụng công nghệ này để tạo phôi vật liệu bimetal, trimetal dùng cho gia công chế tạo những chi 7 tiết máy có tính năng đặc biệt (kết hợp khả năng chịu mài mòn cao của lớp hợp kim bề mặt làm việc với độ dẻo dai chịu va đập của phần kim loại cơ bản của thân chi tiết) mà bằng các công nghệ truyền thống khác khó có thể thực hiện được, đồng thời giải quyết được bài toán chi phí đầu tư thiết bị công nghệ nhỏ nhất; 3. Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng năng lượng nổ trên thế giới và ở Việt Nam từ trước đến nay, đã lựa chọn và đưa ra miền các giá trị của lượng thuốc nổ cần sử dụng, khe hở hàn,…cần khảo sát khi lập quy hoạch thực nghiệm hàn nổ các loại ống thép vào lõi thép đặc bên trong với mức biến dạng co theo hướng kính cần thiết. Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu của luận án Với mục tiêu đề ra nội dung chính của luận án này tập trung vào các vấn đề sau: 1. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ tạo phôi bimetal từ dạng tấm, băng đến dạng có bề mặt cong đã được đăng tải trong và ngoài nước để lựa chọn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm hàn nổ ống thép hợp kim ШХ15 vào mặt ngoài đối với chi tiết có bề mặt dạng hình trụ làm bằng thép C45. Điều kiện thực nghiệm hàn nổ ở đây được xác định trên cơ sở nghiên cứu trường hợp khi đường kính trong của ống thép hợp kim và khe hở hàn so với lõi thép bên trong chọn ở giá trị không lớn. Với giả thiết điều kiện biên là nếu xét trên một phần tử vật liệu ống thép hàn dọc phôi nổ đủ nhỏ, có thể áp dụng các thông số nổ tính toán của bài toán hàn nổ tấm phẳng làm dữ liệu đầu vào cho trường hợp hàn nổ bề mặt cong, sử dụng phương pháp điều chỉnh tăng dần lên tới mức tạo ra được liên kết kim loại giữa 2 lớp trên phôi nổ dạng hình trụ; 2. Đề xuất mô hình thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định các quy luật cơ bản khi hàn nổ tạo phôi hình trụ dựa trên cơ sở lý thuyết hàn tấm, có tính đến bài toán biến dạng ống thép ШХ15 hình trụ bọc ốp tạo lớp bề mặt chịu mòn phía ngoài lõi thép đặc C45 bên trong. Việc đề xuất phương án thực hiện thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal dạng hình trụ với các giả thiết ban đầu khi coi sự ảnh hưởng của thành phần biến dạng dẻo co ngang theo chu vi xét trên mặt cắt ngang phôi nổ tại thời điểm va đập của ống thép bên ngoài với lõi thép bên trong sẽ được tính đến trong các hệ số ẩn của mô hình toán học thực nghiệm của luận án là cần thiết và khả thi trong điều kiện Việt Nam. Các thí nghiệm hàn nổ trong công trình này chỉ giới hạn ở trường hợp phôi nổ gồm ống thép hợp kim và lõi thép các bon chọn ở trạng thái đã qua xử lý nhiệt thường hóa để có độ dẻo cao nhất; 3. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ hàn nổ chính đến tính chất liên kết hai lớp kim loại bimetal thép C45 – thép ШХ15 thông qua thử phá hủy mẫu xác định độ bền bám dính hai lớp và phân tích tổ chức tế vi vùng biên giới 2 lớp trên các mẫu thí nghiệm dạng trụ sau hàn nổ bằng phương pháp hiển vi quang học; 4. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo tương đối theo hướng kính phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ sau hàn nổ và ép chảy ở trạng thái nóng đến độ bền bám dính và đặc tính cấu trúc vật liệu trên biên giới 2 lớp ở trạng thái thường hóa bằng phương pháp hiển vi quang học; 5. Phân tích đặc điểm cấu trúc tại các tiểu vùng đặc trưng trên vùng gần biên giới liên kết 2 lớp hàn nổ bằng phương pháp hiển vi điện tử quét và phân tích EDX. 8 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN NỔ HAI TẤM KIM LOẠI 2.1. Đặc điểm của quá trình hàn nổ: 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 với sơ đồ nguyên lý cho trên hình 2.1a d và hình 2.2. Hình 2.1. Sồ đồ nổ dưới góc nghiêng (a), (b) và nổ song song (c), (d) 30 Hình 2.2. Sồ đồ hình học tấm kim loại hàn tại một thời điểm khi hàn nổ 30 Tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt dưới một góc nghiêng () ở khoảng cách cố định (h O ). 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 một 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 (v O ) khoảng vài trăm mét trong một giây và va đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác định  =  +  ( - góc va đập;  - góc uốn động;  - 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 va đập 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 có dạng sóng âm đặc trưng hoặc không có dạng sóng 30, 37, 40. 2.2. Nguyên lý cơ bản hình thành liên kết kim loại khi hàn nổ Sự va đập của các tấm kim loại hàn có đi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm xuất hiện sự nung nóng đẳng nhiệt cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá trình đó là hình thành được liên kết kim loại 1, 37. Khi đó, để nhận được liên kết bền vững, cần thiết phải đảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực dương lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại nền nóng chảy 48.Cơ chế hình thành biên giới liên kết kim loại hai lớp vật liệu dạng sóng âm trong quá trình hàn nổ cho trên hình 2.3  2.6 15, 28. Quá trình hình thành liên kết kim loại giữa 2 tấm vật liệu hàn nổ được mô tả trên hình 2.6ac có thể phân tích như sau: 1. Vị trí ban đầu của 2 tấm kim loại trước khi hàn nổ theo sơ đồ song song, đặt cách nhau với khe hở hàn (h), chiều dày lớp thuốc nổ (H), chiều dày các tấm kim loại trên và dưới tương ứng là  1 và  2 được cho trên hình 2.6a. Khi kích nổ thuốc nổ bằng kíp nổ đặt ở phần đầu pakét nổ, tấm kim loại trên dưới tác dụng của quá trình nổ tạo ra áp suất cao (p), nhận được động năng cao và va đập vào tấm dưới, chuyển năng lượng vào điểm va đập và tạo ra trạng thái chảy lỏng các lớp bề mặt 2 tấm kim 9 loại hàn, đồng thời đẩy màng ôxit ra khỏi vùng có độ nén cao (vùng I – hình 2.6b) để hình thành liên kết kim loại bền vững; 2. Vùng tiếp xúc trong quá trình cháy nổ chuyển động từ trái sang phải, khi đó vùng II là miền có sự dịch chuyển biến dạng dẻo với cường độ cao, ở đó dưới áp suất cao hơn nhiều so với độ bền trượt lý thuyết nên xuất hiện hàng loạt các lệch mạng trên 2 bề mặt tiếp xúc hàn và chúng đi sâu vào phía trong 2 tấm kim loại hàn nổ. Tại vùng va đập giữa 2 tấm kim loại hàn nổ xuất hiện tia kim loại cục bộ nhờ hiệu ứng bề mặt, tạo điều kiện để hình thành liên kết kim loại giữa chúng với nhau trong vùng II – miền tương tác của các vật liệu còn chưa tham gia vào tiếp xúc giữa 2 lớp (hình 2.6b); Hình 2.3. Đặc điểm thay đổi độ bền bám dính theo thời gian hình thành tiếp xúc vật lý và tương tác hóa học nhanh (a), hàn chậm (b) ở trạng thái rắn khi hàn (theo M. X. Shorshor và Ju.L. Kraculin 28 Hình 2.4. Đặc điểm thay đổi thế năng các nguyên tử khi tích tụ vật lý (f) và tích tụ hóa học (c) phụ thuộc vào khoảng cách r từ nguyên tử đến bề mặt vật rắn 28 Hình 2.5. Sơ đồ hình thành đỉnh sóng âm biến dạng trong quá trình va đập ở tốc độ cao 28: 1) Tấm kim loại hàn; 2) Tấm kim loại cố định; K) Điểm tiếp xúc khi va đập a) b) c) Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hình thành mối hàn giữa hai tấm kim loại trong quá trình hàn nổ 28: a) Sơ đồ nổ song song; b) Giai đoạn nổ chưa ổn định; c) Giai đoạn nổ ổn định 3. Toàn bộ mối hàn cấu thành từ các phần cục bộ của kim loại nóng chảy và đông đặc nhanh có thể đạt được chỉ khi dưới tác dụng của sóng đàn hồi dỡ tải (di chuyển ngay sau vùng nén ép ở điểm va đập) với tốc độ sao cho trong vùng IV không xẩy ra hiện tượng phá hủy mối liên kết kim loại đang hình thành giữa 2 lớp hàn nổ (hình 2.6c). 2.3. Các thông số chủ yếu của công nghệ hàn nổ: Phân biệt các thông số chủ yếu đặc trưng cho quá trình hàn nổ kim loại sau đây 1, 30: 1. Nhóm thông số động học gồm có: tốc độ bay của tấm kim loại hàn khi va đập vào tấm kim loại nền (v P ), tốc độ điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại (v K ), góc va đập (), góc uốn động (). 2. Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại điểm tiếp xúc khi va đập (p K ), thời gian va đập (t) , nhiệt độ tại điểm va đập (T). 3. Nhóm các thông số công nghệ: tốc độ nổ (D) - đặc trưng bởi mỗi loại thuốc nổ; thông số không đơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng tấm kim loại hàn; khe hở hàn (h O ) – khoảng cách ban đầu giữa các tấm kim loại hàn; độ nhám bề mặt tiếp xúc khi hàn (R Z ); nhiệt độ các tấm kim loại hàn (T 1 , T 2 ); kích thước và đặc tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ dai,…). 10 4. Nhóm các thông số năng lượng gồm có: động năng riêng của tấm kim loại hàn (W 1 ); động năng riêng của tấm kim loại nền (W 2 ), tính theo nhóm thông số động học. Để hình thành được liên kết kim loại phải đảm bảo điều kiện sau: v K  C O (2.5) trong đó: C O – tốc độ sóng âm trong vật liệu các kim loại hàn. Đối với sơ đồ nổ nghiêng, tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc được xác định theo công thức: v K = D. sin (  ) / sin  = D. sin / sin  (2.8) Tốc độ hàn chủ yếu được xác định theo công thức cho trong công trình 30: v P     1 r 27 / 32 1 1 - r 27 / 32 1 1,2D    ; (với K = 3) (2.13) Trên thực tế, để tính áp suất va đập khi hàn nổ, tốt nhất nên sử dụng công thức được đề xuất trong công trình 37, 43 và được trích dẫn trong công trình 30: Các thông số hàn nổ chính bao gồm: 1. Thông số công nghệ 1: đặc trưng cho thuốc nổ sử dụng, sự thay đổi của nó phụ thuộc vào đặc tính vật lý của thuốc nổ, thứ nhất là tốc độ nổ (D): đường kính hoặc chiều dày, mật độ, thành phần hỗn hợp, kích thước hạt, độ ẩm, vỏ bọc đã được trình bày khá rõ trong công trình 35, 37, 40, 43, 66. 2. Thông số công nghệ 2: (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ sử dụng và khối lượng tấm kim loại hàn. Nếu diện tích thuốc nổ được đặt trên bề mặt tấm kim loại hàn bằng diện tích của nó thì thông số này được xác định theo công thức: r = m TN / m 1 =  O . H /  1  1 (2.27) 3. Thông số công nghệ 3: là khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn nổ (h O ). Thông số này có gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại giữa hai lớp bimetal. Cùng với sự gia tăng của từng thông số: (D), (r) hoặc (h O ), số lượng các tạp chất nóng chảy, bước sóng và biên độ sóng liên kết đều tăng tỷ lệ thuận. Độ bền bám dính hai lớp bimetal ( b.d ) ở một số giá trị nhất định của (D), (r), (h O ) sẽ ổn định, nếu tăng chúng lên mức quá cao thì ( b.d ) và hiệu ứng hình thành sóng liên kết giảm. Trên thực tế thường cho trước khe hở hàn h O = (1  2). 1 ( 1 – chiều dày tấm kim loại hàn 30). 2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn nổ đến chất lượng mối hàn 2.4.1. Biên giới tới hạn của vùng hàn nổ: Trên hình 2.8 là đồ thị biểu diễn vùng xác định hàn nổ tốt:   2 Kb ρ.vσ  (2.30) trong đó:  b – Độ bền (trở kháng biến dạng tức thời) của kim loại hàn. 2.4.2. Ảnh hưởng của các thông số ban đầu khi hàn nổ đến cấu trúc: có quy luật lý thuyết cho trên các hình 2.9  2.11. 2.4.3. Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu hàn đến chất lượng mối hàn Để tính đến độ cứng vật liệu hàn, tác giả công trình [1] trích dẫn đề xuất của tác giả công trình 34: R e = ( 1 + 2 ) 2 K v / [2(H 1 +H 2 )]  10. Ý nghĩa vật lý của điều kiện R e là: áp suất tại vùng lân cận điểm tiếp xúc cao hơn nhiều so với độ bền của vật liệu va đập. Sử dụng điều kiện này để hàn nổ đối với thép có độ cứng đến 50 HRC và thép các bon có độ cứng thấp cho thấy: tốc độ chuyển động của điểm tiếp xúc phải tăng lên 1,6 lần. [...]... để hàn nổ 3.2 Chọn trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 3.2.1 Mô hình hàn nổ tạo phôi bimetal dạng hình trụ Để hàn nổ các phôi bimetal dạng trụ, thanh, trong công trình nghiên cứu này sử dụng mô hình paket hàn nổ (hình 3.3) Phân bố áp suất tác dụng lên mặt trụ ống thép khi hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 - thép ШX15 được biểu diễn trên sơ đồ ở hình 3.4 Thiết bị đo tốc độ nổ kỹ thuật số được sử dụng để. .. vào tốc độ nổ (D) 1 Kết luận chương 2 1 Qua nghiên cứu hệ thống hoá cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới về hàn nổ tạo vật liệu bimetal ở phần này tác giả luận án đã lựa chọn phương án thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép hợp kim ШX15 dạng hình trụ phù hợp với điều kiện Việt Nam với ba thông số hàn nổ chính là: Tỷ lệ khối lượng thuốc nổ trên khối... trên hình 3.5 1 2 3 4 5 6 7 a) Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý hàn nổ ống kim loại vào lõi thép đặc (a) và mô hình paket trước khi nổ (b): 1 - Kíp nổ; 2 - Chóp nón bằng gỗ; 3 - Ống kim loại cần tóp; 4 - Lõi thép cố định kích thước đường kính trong; 5 - Thuốc nổ; 6 - Ống bọc thuốc nổ bằng bìa giấy; b) 7 - Đế nổ 13 Hình 3.4 Sơ đồ phân bố áp suất tác dụng lên mặt trụ ống thép khi hàn nổ tạo phôi bimetal thép. .. Sơ đồ cắt lấy phôi gia công các mẫu thử nghiệm kéo trượt để xác định dộ bền bám dính 2 lớp bimetal trên phôi bimetal thép C45 - thép ШХ15 có dạng hình trụ nhận được sau hàn nổ cho trên hình 3.9 Dọc hướng nổ a) Hình 3.8 Máy ép thuỷ lực 400 tấn dùng để thí nghiệm ép chảy ở trạng thái nóng phôi bimetal thép C.45 – thép ШХ15 sau hàn nổ tại một nhà máy sản xuất cơ khí quốc phòng b) Hình 3.9 Sơ đồ vị trí... số 6 (MS: 120) Hình 4.12 Ảnh chụp cấu trúc biên giới 2 lớp bimetal thép C45 – thép ШХ15 dọc hướng nổ (ae) và vết đo độ cứng tế vi vùng biên giới 2 lớp bimetal (e,f) Chế độ hàn nổ theo QHTN 2 đảm bảo nhận được phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 đạt chất lượng tổng hợp tốt, khả dụng cho việc chế tạo chi tiết máy dạng hình trụ có tính năng đặc biệt vì lớp vật liệu bề mặt bằng thép hợp kim chịu mòn cao... chương 2 đã được kiểm chứng đối với trường hợp hàn nổ hai tấm kim loại với nhau và là cơ sở tính toán ban đầu để thực nghiệm hàn nổ bề mặt cong của luận án Trong trường hợp hàn nổ phôi bimetal dạng hình trụ thì yếu tố ảnh hưởng của trở kháng chống biến dạng theo hướng co theo chu vi tiết diện ngang phôi nổ dạng hình trụ được giả thiết sẽ chỉ ra trong các hệ số ẩn tính toán của mô hình toán học thực nghiệm... tiến hành hàn nổ tạo phôi bimetal: Thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ được thực hiện theo quy hoạch thực nghiệm kiểu trực giao N = 33 = 27 30, 31, 32 Từ các số liệu thực nghiệm xây dựng mô hình toán học hàm mục tiêu độ bền bám dính hai lớp bimetal (b.d) phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ hàn nổ chính trong miền khảo sát đã chọn (r), (h) và (C) Hình 3.12 Thíết... ống thép hợp kim ШХ15 với lõi thép nền C45 có xu hướng tăng tỷ lệ thuận so với (r) và (C) a) 1 2 3 4 b) 5 6 7 8 Hình 4.1 Mẫu bimetal thép C45  thép ШХ15 sau khi hàn nổ theo chế độ nổ QHTN 1 4.1.2 Mẫu hàn nổ ở chế độ hiệu chỉnh công nghệ QHTN 2 : Khi hàn nổ theo quy hoạch hiệu chỉnh công nghệ (QHTN 2) mẫu nhận được cho trên hình 4.3 a,b,c 02 03 04 a) 05 06 12 14 / 15 / 16 b) 17 24 25 26 27 c) Hình. .. 17 24 25 26 27 c) Hình 4.3 Mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau khi hàn nổ theo chế độ QHTN 2: a) Lô 1: Mẫu số 2 6; b) Lô số 2: Mẫu số 12, 14  17; c) Lô số 3: Mẫu số 24 27 1 Tất cả các mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ sau khi hàn nổ đều có khả năng bám dính giữa lõi thép C45 với ống thép hợp kim ШХ15 tốt; 2 Độ sai lệch tương đối giữa các đường kính phôi bimetal trung bình trên 03 phân... bằng phương pháp ép chảy nóng phôi sau hàn nổ Trên cơ sở đó, đã lựa chọn một cách có cơ sở khoa học vật liệu và thiết bị thí nghiệm phù hợp để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính khi hàn nổ (r), (h), (C) và mức độ biến dạng dẻo tổng cộng tương đối trong quá trình ép chảy phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau hàn nổ () đến chất lượng của nó phù hợp với điều kiện ở Việt Nam;