NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHUN PLASMATRONG PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY

Phun phủ cho phép phục hồicác chi tiết máy cần chiều dày phục hồi lớn nhưng lại không làm thay đổi cấu trúc tế vi của kim loại nền, không gây biến dạng chi tiết, bề mặt chi tiết được phủ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

- -PHAN ĐỨC KHÁNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHUN PLASMA

TRONG PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông, lâm nghiệp

Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐÀO QUANG KẾ

HÀ NỘI - 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Tác giả luận văn

Phan Đức Khánh

i

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và cộngtác nhiệt tình của nhiều tập thể cũng như các cá nhân trong và ngoài Trường Đạihọc Nông nghiệp Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về công nghệ hàn

và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí Đến nay luận văncủa tôi đã hoàn thành, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Phó giáo sư, Tiến

sĩ Đào Quang Kế đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình thựchiện và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơ điện, Viện đàotạo sau đại học, đặc biệt là Bộ môn Công nghệ Cơ khí Trường Đại học Nông nghiệp

Hà Nội đã đóng góp ý kiến, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện

và hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành cám ơn Tiến sĩ Hoàng Văn Châu, Thạc sỹ Lục VânThương, các cán bộ của Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về công nghệ hàn

và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí đã giúp đỡ, tạo mọiđiều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị cho tôi triển khai thực hiện và hoàn thànhluận văn

Nhân dịp này cho tôi được gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo đãgiảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức khoa học trong suốt thời gianhọc tập ở lớp Cao học Cơ khí nông nghiệp khóa 18, Trường Đại học Nôngnghiệp Hà Nội

Tôi xin chân thành cám ơn !

Tác giả luận văn

Phan Đức Khánh

ii

MỤC LỤC

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

3.1.3 Thành phần hỗn hợp khí trong phun plasma[10] 18 3.1.4 Vật liệu phun và điều kiện cấp liệu [14] 19 3.1.5 Đặc trưng cho các điều kiện phun bên ngoài [14] 19

3.2.1 Lý thuyết của Pospisil - Sehyl [1],[2] 21

iii

3.2.2 Lý thuyết của Shoop[1] 21 3.2.3 Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger [1] 22

3.2.5 Cơ cấu hình thành lớp phủ bằng phun [1] 22

iv

4.1.1 Các đặc tính kỹ thuật chính của thiết bị 58 4.1.2 Quy trình vận hành thiết bị phun plasma 58 4.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm trên mẫu thử 60

DANH MỤC BẢNG

3.1 Thành phần cấp hạt và độ sạch của bột kẽm phun (hạt hình cầu) 283.2 Tạp chất trong bột kẽm dùng để phun, % 283.3 Thành phần cấp hạt và độ sạch của bột nhôm dùng để phun 283.4 Tạp chất trong bột nhôm dùng để phun, % 293.5 Thành phần hóa học (%) và những tính chất chính của các hợp kim cứng tự

3.6 Thành phần hóa học (%) và độ cứng của các hợp kim cứng tự tạo xỉ Ni - Cr

vi

DANH MỤC HÌNH

1.3 Một số sản phẩm phục hồi bằng phun phủ 102.1 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kéo chốt 143.1 Mặt cắt ngang của súng phun Hồ quang Plasma [16] 153.2 Sự thay đổi nhiệt độ của tia plasma phụ thuộc vào khoảng cách phun 17

3.4 Sự thay đổi tốc độ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun 18

3.6 Xác định ứng suất dư theo sự biến dạng của vành khuyên: 413.7 Mô tả sự dính bám của giọt chất lỏng trên vật rắn Nếu gọi 42

3.11 Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề mặt 493.12 Ảnh hưởng của khoảng cách phun và độ nhấp nhô; 49

4.1 Hệ thống thiết bị phun plasma tại Phòng thí nghiệmcông nghệ hàn và xử lý

4.4 Đồ thị quan hệ giữa độ cứng và khoảng cách phun 634.5 Đồ thị quan hệ giữa độ bám dính và khoảng cách phun 644.6 Thiết bị nghiên cứu tổ chức tế vi Nikon Eclipse Model L 150 65

4.10 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu số 3 (x500) 674.11 Hình ảnh chi tiết trục khuỷu bị mòn cổ biên 68

vii

viii

MỞ ĐẦU

Chất lượng bề mặt của các chi tiết máy và các trang bị , dụng cụ, kết cấu có ýnghĩa quan trọng Tùy theo yêu cầu cụ thể của điều kiện làm việc, chúng ta phải chếtạo được các chi tiết, kết cấu có khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt, chống gỉ vv…Tất cả các tính chất trên có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ, độ tin cậy, độ bền củamáy móc, kết cấu công trình Thêm vào đó, xu thế nâng cao năng suất và tác dụngnhanh của thiết bị làm cho điều kiện làm việc của chúng thêm khắc nhiệt, buộc khoahọc - công nghệ phải giải quyết nhiều vấn đề mà trước hết là bề mặt chi tiết, kếtcấu Hiện nay nhu cầu về thiết bị ngày càng nhiều, nguồn tài nguyên ngày càng ít,

vì vậy việc phục hồi các chi tiết sau một thời gian làm việc đã mòn, mỏi mất hết giátrị sử dụng, ví dụ kích thước xuống quá giới hạn, không đảm bảo độ bền cũng nhưdung sai lắp ghép theo đúng thiết kế vv… có ý nghĩa kinh tế vô cùng lớn

Ngày nay để giải quyết các vấn đề trên, chúng ta có nhiều gải pháp công nghệ

Ví dụ mạ điện hóa, mạ hóa học, phủ hóa học, mạ nhúng trong kim loại nóng chảy,thấm kim loại, thấm lưu huỳnh, thấm các bon, thấm ni tơ, thấm xiauya, nhiệt luyện,

xử lý tia lửa điện, hàn đắp, phun phủ kim loại vv… Song công nghệ cho phép giảiquyết hai yêu cầu cùng một lúc, vừa phục hồi kích thước, vừa tạo nên chất lượng bềmặt phù hợp chỉ có mạ, hàn đắp, phun phủ mà thôi Phun phủ cho phép phục hồicác chi tiết máy cần chiều dày phục hồi lớn nhưng lại không làm thay đổi cấu trúc tế

vi của kim loại nền, không gây biến dạng chi tiết, bề mặt chi tiết được phủ các lớpoxit và đặc biệt bề mặt có thể được phủ các lớp vật liệu phi kim loại – đây chính lànhững điều mà các công nghệ khác không thực hiện được

Để phủ lên bề mặt làm việc của các chi tiết máy một lớp vật liệu đặc biệtnào đó người ta có thể sử dụng nhiều biện pháp công nghệ khác nhau Một trongnhững biện pháp công nghệ đó là phun phủ plasma Do plasma có nhiệt độ rất cao,

có thể dễ dàng hóa lỏng được tất cả các loại vật liệu kim loại mà kỹ thuật có thể tạo

ra từ trước đến nay Cho nên phun phủ plasma đang ngày càng được ứng dụng rộngrãi để chế tạo, phục hồi các chi tiết máy phục vụ trong nhiều ngành như: luyện kimmàu, luyện kim đen, chế tạo máy, hàng không, kỹ thuật điện- điện tử, xây dựng,

công nghiệp hóa dầu, thực phẩm, dệt,… thể hiện tính ưu việt so với cácphương pháp tạo lớp phủ khác.

Xuất phát từ những yêu cầu nêu trên, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đào Quang Kế sự giúp đỡ của các thầy giáo trong Bộ môn Công nghệ Cơ khí –

Khoa Cơ điện – Trường Đại học Nông nghiệp Hà tôi đã chọn đề tàinghiên cứu: “Nghiên cứu ứng dụng phun plasma trong phục

hồi chi tiết máy” Nội dung và nhiệm vụ của đề tài bao gồm:

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2: Đối tượng, và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Công nghệ phun Plasma

- Chương 4: Thực nghiệm và ứng dụng

- Kết luận và kiến nghị

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế

vì vậy nên sẽ không tránh khỏi thiết sót Rất mong sự đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp

 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu được sửdụng trong hơn nửa thế kỷ nay Công dụng chủ yếu của phun phủ là bảo vệ các kếtcấu và các chi tiết làm việc trong môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiếtmáy bị mòn, ăn mòn và xâm thực

Sự phát triển mạnh mẽ về thiết bị, vật liệu công nghệ phun trong vài chụcnăm gần đây đã đưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, gópphần đáng kể vào tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớntrong lĩnh vực chế tạo và phục hồi

Ở Việt Nam, nhiều ngành công nghệ lớn đang phát triển với tốc độ nhanh, như:đóng tàu, hàng không, dầu khí, xây dựng, hoá học, chế tạo máy Việt Nam là mộtnước nhiệt đới khí hậu luân nóng ẩm(độ ẩm cao 80 - 90%) – Thường tốc độ

ăn mòn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới cao khoảng gấp 2 lần sovới vùng khí hậu ôn đới, chính vì vậy làm cho các chi tiết kết cấu rất

dễ bị phá huỷ do ăn mòn Hàng năm, nhà nước phải nhập ngoại hàng ngàn tỉđồng vật liệu và phụ tùng thay thế; phải chi hàng trăm tỉ đồng cho việc thuê các nướcphun phủ phục hồi các chi tiết và kết cấu bị hư hỏng dưới dạng ăn mòn và mài mòn.Việc nâng cao chất lượng bề mặt, phục hồi các chi tiết máy để kéodài tuổi thọ cho chi tiết kết cấu càng là vấn đề trở nên cấp thiết Đềtài này sẽ góp phần giải quyết vấn đề đó

 Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):

Nghiên cứu tính toán xác lập, lựa chọn các thông số chế độ công nghệ tối

ưu c ủ a c ô n g n g h ệ phun Plasma, thiết lập Quy trình công nghệ phục hồi một

số chi tiết máy bằng phun Plasma

 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

- Nghiên cứu lựa chọn một số vật liệu phun phù hợp với phụchồi chi tiết máy;

- Nghiên cứu Công nghệ và xây dựng quy trình công nghệphun Plasma;

- Thực nghiệm trên mẫu và đánh giá kết quả;

- Ứng dụng công nghệ trong sản xuất

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm phun phủ kim loại [1], [2]

Kỹ thuật tạo lớp phủ bằng công nghệ phun phủ bề mặt thực chất là đưa cáchạt rắn vào dòng vật chất có năng lượng cao: dòng khí cháy hoặc dòng plasma ( tạobằng hồ quang hoặc bằng tần số radio) nhằm: tăng tốc độ hạt rắn, nung hạt nóngchảy ( có thể chỉ nóng chảy một phần), đẩy hạt nóng chảy đến bề mặt chi tiết cầnphủ Do ảnh hưởng của các biến cứng lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủbám chắc vào lớp nền

Có nhiều phương pháp phủ trên mặt chi tiết và kết cấu tuỳ theo mục đích sửdụng và điều kiện làm việc của chúng Có những lớp phủ bảo vệ hoặc trang trí; cónhững lớp phủ đặc biệt với những tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu màimòn, chịu nhiệt và cách nhiệt…

Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào điều kiệnlàm việc của các chi tiết và kết cấu Ngoài ra sự cải thiện chất lượng bề mặt của vậtliệu cũng cho phép thiết kế và chế tạo máy móc và thiết bị năng suất hơn

Nhóm phương pháp phủ bề mặt vật liệu:

a Các phương pháp hóa học và điện ly

Photphat hoá, sunfit hoá (phương pháp hoá học); mạ niken, mạ crom, oxithoá (phương pháp điện ly) Lớp phủ photphat hoá (còn gọi tẩm photphat) dùng đểtrang trí và bảo vệ chống gỉ Lớp phủ sunfit hoá có tác dụng nâng cao độ bền mòn.Các lớp phủ bằng mạ niken, mạ crom hay oxit hoá đều có tác dụng trang trí, bảo vệ

và chống mài mòn

b Các phương pháp vật lý

Các phương pháp phủ vật lý bao gồm tráng nhôm, nhúng kẽm khuếch tán(khuếch tán bột nhôm, bột crôm, tẩm các bon, tẩm nitơ hoặc tẩm hỗn hợp cac bon –nitơ) Sự tôi bề mặt, sự phủ chân không và sự thiêu kết thủy tinh với mặt kim loại

cũng thuộc nhóm phương pháp phủ vật lý Hầu hết các phương pháp thuộc nhómnày đều cho các lớp phủ có độ bền mòn, bền nhiệt cao, và tính chống gỉ tốt.

c Các phương pháp cơ học

Phủ bề mặt kim loại bởi một tấm kim loại khác bằng công nghệ cán, đúc, hànnổ…; tăng bề mặt bằng xảm; tăng các tính chất đặc biệt khác bằng phun phủ.Nhóm phương pháp cơ học Các tấm kim loại phủ bằng phương pháp đúc, cán hoặchàn nổ có thể là thép không gỉ, niken, monen, đồng titan… Chúng được dùng đểbảo vệ kim loại khỏi bị gỉ Lớp xảm tăng cường có chiều dày 0,3  0,5mm có tácdụng tăng độ bền mỏi mà không làm thay đổi cấu trúc của kim loại

Lớp phun phủ được hình thành trên bề mặt chi tiết là nhờ nguồn nhiệt từngọn lửa khi đốt hoặc nhờ hồ quang điện Nguồn nhiệt đốt nóng các phần tử kimloại phun tới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy; dưới áp lực của không khíhoặc hỗn hợp khí cháy các phần tử kim loại chuyển động với tốc độ rất cao tới bềmặt vật phun tạo thành lớp phun

Công nghệ phun phủ có những ưu điểm nổi trội so với các công nghệ khác:

- Bằng phun phủ có thể phủ các vật liệu rất khác nhau trên bề mặt chi tiết.Chẳng hạn, có thể phủ kim loại trên kính, vải, gỗ, giấy

- Có thể phun trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc các vùng nhỏ của chi tiếtlớn, trong khi đó, bằng các phương pháp khác như: nhúng, mạ khuếch tán khôngthể thực hiện được mục đích này do không có các thiết bị phụ trợ thích hợp (như bểchứa hoặc thiết bị nung nóng) Phun phủ là phương pháp tiện lợi nhất và kinh tếnhất đối với các chi tiết có yêu cầu mặt phủ lớn

- Cũng như hàn đắp, phun phủ cho phép tạo lớp đắp với chiều dày tương đốilớn (để phục hồi các chi tiết bị mài mòn)

- Thiết bị phun phủ khá đơn giản và gọn nhẹ, có thể di chuyển dễ dàng vànhanh chóng Chẳng hạn, khi phun bằng ngọn lửa khí chỉ cần máy nén khí, mỏ đốt

và bình khí Khi có nguồn điện có thể ứng dụng phương pháp phun điện với nhữngsúng phun cầm tay rất tiện lợi

- Chi tiết phun ít bị biến dạng, trong khi đó, sự đốt nóng toàn phần hoặc cục bộcác chi tiết phủ bằng các phương pháp khác có thể gây biến dạng lớn

- Bằng phương pháp phun có sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp.Trong trường hợp này, phun phủ được tiến hành trên mặt khuôn mẫu Sau khi phunkhuôn mẫu được tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun.

- Quá trình công nghệ phun phủ đảm bảo năng suất cao và khối lượng côngviệc không lớn

Công nghệ phun phủ có các nhược điểm sau:

- Khi chi tiết phun nhỏ, phun phủ ít hiệu quả do tổn hao vật liệu phun lớn.Trong trường hợp này, kinh tế hơn là sử dụng phương pháp khác

- Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi phun gây ô nhiễm môi trường làm việc

do phải sử dụng các thiết bị tẩy rửa và làm sạch như máy phun cát, phun bi, phunbột kim loại và các dung dịch tẩy rửa khác

- Trong quá trình phun, các hạt phun có thể bắn tung toé, đồng thời có thể tạocác hợp chất có hại cho sức khoẻ của người công nhân

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái ion hoá đặc biệt của khíđược định nghĩa từ năm 1923 [2], [10] Trong trạng thái này các phân tử khí sẽtrở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí Để đưa đến trạng thái ionhoá của các phân tử khí cần phải tạo nên và duy trì một môi trường và một nguồnnăng lượng thích hợp

Người đầu tiên phát minh ra phương pháp phun phủ là Shoop – kỹ sư ThụyĐiển Vào năm 1910 ông đã chế tạo được máy phun kim loại đầu tiên Theophương pháp của ông, kim loại lỏng được rót vào luồng không khí nóng thoát ra

từ vòi đốt Dưới tác dụng của luống khí nóng áp suất cao, kim loại lỏng bị táchthành từng hạt nhỏ bắn vào bề mặt vật phun

Máy phun dựa trên nguyên lý trên không có độ tin cậy cao và cho năng suấtrất thấp Sự phát triển của kỹ thuật đòi hỏi phải tạo được các máy móc thiết bị tincậy và năng suất hơn, có khả năng phun những vật liệu đa dạng nhất

Nhiều nguồn nhiệt có năng lượng cao và làm việc tin cậy đã được sáng chế;những phương pháp cấp vật liệu phun vào chùm nhiệt độ cao được phát minh

Ngày nay có rất nhiều kiểu máy phun cho năng suất lao động cao nhờ quátrình phun được tự động hóa.

Dựa theo nguồn năng lượng nhiệt được cung cấp để làm nóng chảy vật liệuphun, có thể phân các phương pháp phun thành hai nhóm: phun ngọn lửa khí vàphun điện Phun ngọn lửa khí, nhiệt phát sinh bởi sự đốt cháy hỗn hợp khí đốt vàoxi Phun điện dựa nguyên tắc sử dụng nhiệt của hồ quang điện

Phương pháp phun ngọn lửa khí có ứng dụng rộng rãi nhất Nó được dùng

để phun và làm nóng chảy các hợp kim tự bảo vệ trên nền niken và coban, và đểphun các vật liệu gốm và khó chảy khác Một trong những dạng đặc biệt củaphun ngọn lửa khí là phun nổ - dùng năng lượng nổ của hỗn hợp khí axetylen vàoxi Dạng này cho phép phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn

Phương pháp phun kim loại bằng hồ quang điện là dạng cũ nhất trong sốcác dạng phun phủ điện Trước đây hồ quang điện xoay chiều được sử dụng đểphun kim loại, do đó quá trình phun dây không ổn định Hiện nay, tính ổn định củaquá trình phun được đảm bảo bởi việc sử dụng hồ quang dòng một chiều trong cácmáy phun kim loại

Trong những năm gần đây, thiết bị phun plasma dùng để phun cảm ứng tần

số cao có khả năng công nghệ rộng hơn cả, có thể phun bất kỳ vật liệu nào[2].Trong công nghệ phun plasma, lớp phủ luôn có xu hướng bị bong tróc donhiều nguyên nhân khác nhau Nhưng nguyên nhân chính là do hệ số giãn nở

vì nhiệt khác nhau giữa các vật liệu (nền, lớp lót và lớp phủ) Vì vậy, giữa cáclớp khác nhau xuất hiện ứng suất dư

Để giảm thiểu quá trình bóc tách giữa các lớp, việc giảm hoặc khử hoàntoàn ứng suất dư là một trong các biện pháp công nghệ hiệu quả nhất Ngày nay,

có nhiều phương thức khác nhau nhằm giảm ứng suất dư tồn tại trong lớp phủ.Một trong những phương thức đơn giản và hiệu quả nhất là xử lý nhiệt chi tiết saukhi phun phủ

Hiện nay, công nghệ phun Plasma [1], [5], [10] là một trong những công nghệtiên tiến được phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp phát triển như: Anh,Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy Điển… với dây chuyền công suất

rất cao, có thể lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong mộtngày Tại các nước có công nghệ khoa học phát triển đều thànhlập các viện, trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụngcông nghệ phun phủ: Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS,Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS, viện Công nghệ Bombay (ẤnĐộ), viện Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản) hàng năm đều có các cuộc hội thảo báo cáo quốc tế về lĩnh vựcnày Các hiệp hội đều có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩncho lĩnh vực này.

Dưới đây là sơ đồ hệ thống phun plasma (hình 1.1) và cấu tạo súng phun (hình 1.2)

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống phun plasma [16]

Hình 1.2 Cấu tạo của súng phun plasma [16]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ phun plasma trong những năm gần đây đã đượcchuyển giao vào Việt Nam Tại Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn & xử

lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí và một cơ sở của quân đội đã có được thiết bịnhập từ nước ngoài

Có thể nói ở Việt Nam Khoa học Công nghệ phun phủ kim loại còn đangtrong giai đoạn nghiên cứu ứng dụng các thành quả của thế giới [10], [11] Đã cómột số đề tài cấp bộ, cấp nhà nước nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ củamột số cơ quan, viện , trường đại học…( Đề tài B91-01-04A của Trường ĐH BáchKhoa Hà Nội; Đề tài KC 04 - 02 của Viện Công nghệ Bộ Quốc phòng; Đề tài897/KT của Bộ Giao thong vận tải…) Cũng đã có một số cơ sở ứng dụng côngnghệ sản xuất ứng dụng một vài phương pháp công nghệ phun phủ: Liên doanh dầukhí vũng tàu; công ty cơ khí MAR 60 – Thủy lợi; Viện nghiên cứu cơ khí; Việnnăng lượng Mỏ; Viện công nghệ Bộ Quốc phòng… đã ứng dụng công nghệ phun

hồ quang điện với dây phun, thực hiện trên các đầu phun EM6, EM9 EM13,…đểtạo lớp bảo vệ chống gỉ Al, Zn Các cơ sở như Công ty cơ khí sửa chữa Thủy Lợi;Viện kỹ thuật giao thong; Cơ khí Quang Trung; Đại Học Bách khoa Hà Nội; Nhàmáy Cơ khí đạm Hà Bắc… đã phun tạo lớp chống mài mòn từ các dây thép các boncao; thép Mn; thép Cr- Ni, … được phun trên các súng phun EM9; EMP- 2- 57…

Tuy nhiên, việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lượng lớp phủ chưađược các tác giả quan tâm một cách đúng mức Mặc dù, một số sản phẩm phunphủ đã và đang được sử dụng rộng rãi.

Vì vậy, đề tài này đặt ra một quy trình công nghệ xử lý bề mặt từ bản chất củaquá trình phun phủ để giảm thiểu các hư hỏng do quá trình bong tróc và nângcao chất lượng chi tiết máy

Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quytrình công nghệ phun và xử lý ứng suất dư phù hợp đảm bảo chất lượng phủ

và khả năng làm việc là hết sức cần thiết

Hình 1.3 Một số sản phẩm phục hồi bằng phun phủ

1.3 Kết luận chương I

Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các công nghệ phun phủ, ta nhận thấyphương pháp phun phủ plasma là phương pháp tiên tiến trong công nghệ phun phủphục hồi chi tiết máy Ngày nay, nguyên vật liệu phục vụ cho quá trình phun phủplasma (khí Ar, H2, He; bột kim loại) rất phổ biến Vì vậy, việc áp dụng phươngpháp phun plasma không còn gặp khó khăn về nguyên vật liệu, mà vần đề cầngiải quyết là: Cần làm sáng tỏ hơn nữa về mặt lý thuyết bằng các thực nghiệm để

từ đó thiết lập được quy trình công nghệ phù hợp với từng đối tượng cụ thể

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Đối với mẫu thử: Vật liệu nền là thép C45, mẫu được chế tạo theo tiêuchuẩn thử độ bền bám dính JIS- H8664- 1977

- Sản phẩm ứng dụng: Phục hồi trục khuỷu động cơ ô tô

2.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ phun phủ plasma trong các tài liệu.Tìm hiểu trang thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãng PRAXAIR-JAFA do mỹ sản xuất

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng cách phun cho một số mẫu và cácchi tiết máy

2.3 Địa điểm nghiên cứu

- Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt- ViệnNghiên cứu cơ khí- Bộ công thương

- Phòng thực tập Kim loại học và Nhiệt luyện thuộc bộ môn công nghệ cơ

khí Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội.

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết công nghệ phun phủ plasma qua các tài liệu, tìmhiểu ứng dụng công nghệ này trên thế giới và ở Việt Nam

Nghiên cứu quá trình phun Plasma và các yếu tố ảnh hưởng chất lượngsản phẩm khi phun phủ trong đó trọng tâm của đề tài là nghiên cứu phun phủPlasma

2.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu, tìm hiểu thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãngPRAXAIR- JAFA do mỹ sản xuất Được lắp đặt tại Phòng thí nghiệm trọngđiểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt- Viện nghiên cứu cơ khí- Bộ công thương

Xây dựng chế độ phun phù hợp cho các loại vật liệu nền Với vật liệuphun bột hợp kim Ni-Cr-Si-B Tiến hành đánh giá chất lượng sản phẩm qua cácchỉ tiêu về độ cứng bề mặt, độ bám dính, tổ chức tế vi… Từ đó tìm được chế độphun phủ plasma phù hợp nhất

2.4.3 Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm

Các số liệu kiểm tra chất lượng sản phẩm sau khi thấm được kiểm tratheo tiêu chuẩn Số liệu thu được đo tại ít nhất 3 vị trí khác nhau trên mẫu đểđảm bảo xác suất tin cậy Nếu số liệu nghi ngờ không đáng tin cậy thì tiến hành

2.4.4 Phương pháp kiểm tra

a Soi kim tương

Soi kim tương giúp chúng ta biết tình trạng cấu trúc kim tương lớp phủ như:ôxy hóa, mức độ xốp và các khuyết tật khác Căn cứ vào cấu trúc kim tương chúng

ta có thể xác định được chất lượng lớp phủ Chất lượng tốt thì cấu trúc kim tươngmịn hơn còn chất lượng kém thì cấu trúc kim tương thường có lỗ (xốp) và thô Soi

tổ chức tế vi và chụp ảnh kim tương lớp phủ và nền trên kính hiển vi quang học

b Đo độ cứng Roocwell

Độ cứng Roocwell đo bằng cách ấn mũi đâm tiêu chuẩn ( bi thép tôi hoặcmũi kim cương dạng chop nón) xuống mẫu thử dưới tải trọng sơ bộ P0= 10kG

và tải trọng chính P1, tải trọng chung P = P1 + P0

Độ cứng Roocwell là đại lượng quy ước ( không thứ nguyên) và tính bằngchiều sâu vết lõm h gây ra bởi tải trọng chính P1 đặt vào rồi bỏ ra

Giá trị độ cứng Roocwell được tính theo công thức:

c Đo độ bám dính

Để đánh giá độ bền bám dính của lớp phủ với kim loại nền trong đề tài sửdụng phương pháp kéo theo phương pháp tuyến Phương pháp này xác định đượcứng suất bám dính giữa lớp phủ với bề mặt kim loại nền theo phương pháp tuyến.Mẫu thử độ bền bám dính được chế tạo theo tiêu chuẩn JIS H8664- 1977

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 2-1

Độ bền bám dính pháp là khả năng liên kết giữa lớp phun phủ với bề mặt mút chốt

khi bị kéo

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kéo chốt

Nguyên lý cấu tạo của mẫu: Chốt B bằng thép C45 được lắp ghép chính xácvới chi tiết A bằng thép C45 sao cho mặt mút của chốt B tạo với mặt mút của chitiết A thành cùng một mặt phẳng để phun phủ Sau khi đã phun phủ đạt yêu cầu kỹthuật thì tiến hành kéo chốt B cho đến khi phá hủy mối liên kết giữa mặt mút chốt Bvới lớp phủ C Độ bền bám dính pháp là khả năng liên kết giữa lớp phun phủ với bềmặt mút chốt khi bị kéo Ứng suất bám dính được xác định theo công thức (2-7)

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA

3.1 Nguyên lý phun Plasma

Hình 3.1 Mặt cắt ngang của súng phun Hồ quang Plasma [16]

Phun plasma là một phương pháp của công nghệ phun phủ kim loại Nguyên

lý phun plasma [2] là khi một chất khí kết hợp với các phần tử tạo bởi nhiềunguyên tử được đốt nóng tới nhiệt độ trên 1000oK, thì xảy ra quá trình phá hủy cácliên kết phân tử và chất khí chuyển sang trạng thái ion Nhiệt độ của quá trình đógọi là quá trình phân ly, được xác định bởi chất khí và áp suất Các biến đổi xảy ra,chẳng hạn đối với nitơ, có thể mô tả dưới dạng phản ứng sau:

và nitơ là những khí ion hóa:

Ở đây Ui – năng lượng ion hóa của một nguyên tử, eV

Chất khí mà trong đó phần lớn các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa và

nồng độ các điện tử và ion âm bằng nồng độ các ion dương, gọi là plasma.Plasma có độ dẫn điện rất cao.

Các phương pháp phóng điện trong các chất khí, trong đó có cả phóng điện hồquang, được ứng dụng rộng rãi nhất để tạo plasma Plasma có đặc trưng cơ bản là

có độ truyền dẫn điện rất cao và có nhiệt độ cũng rất cao Người ta phân ra thànhPlasma đẳng nhiệt và Plasma không đẳng nhiệt Plasma đẳng nhiệt chỉ tồn tại trong

vũ trụ, trong đó có mặt trời của thái dương hệ chúng ta Mức độ ion hóa ở trạng tháiPlasma đẳng nhiệt xấp xỉ bằng 1 và nhiệt độ của nó vượt 100000ºK Trong điềukiện của trái đất chỉ có thể phát sinh Plasma không đẳng nhiệt nghĩa là có sự phânchia nhiệt độ của các nguyên tử cấu tạo nên Plasma Mức độ ion hóa của nó phụthuộc vào nhiệt độ và áp lực đạt được từ 1 đến 10%, còn nhiệt độ dao động tronggiới hạn từ 5000ºK đến 50000ºK Phương pháp phun plasma có những đặc điểmdưới đây Nhiệt độ cao của tia plasma cho phép phun các vật liệu khó chảy.Nhiệt độ tia plasma có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổiđường kính miệng phun (đầu bép) và chế độ công tác của súng phun Điều đócho phép phun các vật liệu khác nhau (kim loại, gốm và vật liệu hữu cơ) Do sửdụng khí trơ làm khí công tác nên lượng oxit tạo thành trong lớp phủ rất nhỏ Khicần thiết có thể tiến hành sự phun trong buồng chứa khí trơ Các lớp phunplasma có độ chặt cao và độ bám tốt với vật liệu nền [2], [10]

Dưới đây giới thiệu một số các thông số ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ:

3.1.1 Nhiệt độ trong tia plasma [2],[10]

Khi phun, vật liệu phun được đốt nóng và di chuyển tới mặt vật phun dướitrạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy Mức độ nóng chảy và cường độ tươngtác của vật liệu phun với môi trường bao bọc nói chung phụ thuộc vào sự phân

bố nhiệt độ trong luồng khí thoát ra khỏi miệng súng phun plasma

Trên hình 3.2 giới thiệu sự thay đổi nhiệt độ của tia plasma phụ thuộckhoảng cách phun Các số liệu nhận được khi phun plasma với súng phun SG-1của Hãng “Plasmadyne” (Mỹ) Nhiệt độ trung bình ở miệng súng phun với dòngđiện 550A và lượng cấp khí công tác (argon) 30 l/min là 3000-5000o C; ởkhoảng cách 50mm là 2200oC, và ở khoảng cách 100mm là 900oC

Hình 3.2 Sự thay đổi nhiệt độ của tia plasma phụ thuộc

vào khoảng cách phun.

Lượng khí công tác tiêu thụ 30l/ph

Cường độ dòng điện:1) 550 A; 2) 450 A; 3) 300 A

Hình 3.3 dẫn các số liệu do sự phân bố nhiệt độ trong tia plasma nhận

được ở dòng 400 A và lượng argon tiêu thụ 10 l/ph.

Hình 3.3 Sự phân bố nhiệt trong tia plasma.

Nhiệt độ cao của tia plasma cho phép phun bất kỳ vật liệu khó chảy nào vàtrong quá trình phun các vật liệu phun không bay hơi và không thay đổi đáng kểcác tính chất của mình

So với phun ngọn lửa khí, tia plasma đốt nóng bột phun tới nhiệt độ cao hơn

và đốt nóng vật phun ít hơn, do đó đại lượng biến dạng của vật phun nhỏ hơn

3.1.2 Tốc độ phun [2]

Tính chất phân bố tốc độ trong tia plasma có ảnh hưởng đến tốc độ chuyểnđộng của các phần tử phun Sự phân bố tốc độ trong tia plasma được xác định tạivùng tâm của nó

Hình 3.4 Sự thay đổi tốc độ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun.

Lượng khí công tác tiêu thụ 30l/ph

Cường độ dòng điện: x) 550 A; o) 450 A; ·) 300 A

Sự thay đổi tốc độ tia plasma khi phun phụ thuộc khoảng cách tính từmiệng bép (đường kính 7mm, khí công tác là argon) được biểu thị trên hình 3.4.Các số đo được thực hiện theo trục tâm của tia Theo các số liệu nhận được, khiphun với dòng điện 550A (là dòng thường được ứng dụng trong thực tế), ở cáckhoảng cách 50, 100 và 150 mm tính từ đầu bép, tốc độ dòng plasma tương ứng

là 140, 55 và 35 m/s Các nghiên cứu được tiến hành trên súng phun SG-1 củaHãng “Plasmadyne” Theo tính toán, ở cường độ dòng điện 400 A, lượng khí

công tác 43 l/ph và đường kính bép 5,5 mm, tốc độ tia tại miệng bép là 750 m/s.

3.1.3 Thành phần hỗn hợp khí trong phun plasma[10]

Khi phun plasma, sau khi khí công tác ra khỏi miệng phun (bép), tiaplasma hình thành và di chuyển cùng môi trường bao bọc Kết quả thành phầnkhí của tia cũng thay đổi trên đường đi của nó Các số liệu về thành phần khí màtrong đó các phần tử vật liệu phun chuyển động có ý nghĩa to lớn đối với sựnghiên cứu chi tiết hơn quá trình tương tác của vật liệu phun với dòng khí nhiệt

độ cao, cơ chế hình thành và các tính chất của lớp phủ

Trong mọi trường hợp khảo sát, không phụ thuộc vào cường độ dòng điệncông tác, không khí môi trường bắn dữ dội vào tia plasma Ở khoảng cách 50mm

từ miệng phun lượng không khí trong tia là 55-65%, và ở khoảng cách 100mm

vào khoảng 90% Không cần phải nhấn mạnh thêm rằng, khi phun plasma, nhờ

sử dụng khí trơ làm khí công tác nên trong lớp phun kim loại hình thành mộtlượng nhỏ các oxit Các giả thiết như vậy cần được khảo sát

3.1.4 Vật liệu phun và điều kiện cấp liệu [14]

Trong phun plasma, người ta ta sử dụng bột có đường kính trung bình hạt cỡ1050m Nếu hạt có kích thước lớn thì khó nóng chảy hoàn toàn Và như vậy,hiệu quả phun giảm rõ rệt Nhất là những loại hạt to từ vật liệu khó nóng chảy có tỷtrọng thấp và độ dẫn nhiệt thấp, ví dụ ZrO2, MgO, WC

Trong số những thông số đặc trưng cho cấp bột vào đầu phun plasma thì cótiêu hao bột tính theo trọng lượng GB vào khoảng 0,25 - 2 g/s Tăng lượng cấpbột vào luồng plasma sẽ gây tắc đầu phun, kéo theo các chỉ tiêu về hiệu suất quátrình, hệ số sử dụng bột sẽ giảm Khí tạo bột, tương tự như khí tạo plasma Cũng

có thể dùng các loại khí khác Tiêu hao khí để tải bột thường chiếm khoảng 10%tiêu hao khí tạo plasma Khi tăng tiêu hao khí tải Gt, tức là tăng tốc độ thì sẽ ổnđịnh việc cấp bột Tuy nhiên phải điều chỉnh trong một giới hạn hợp lý vì nếutăng quá giới hạn sẽ dẫn đến việc hạt bột kém nóng chảy

3.1.5 Đặc trưng cho các điều kiện phun bên ngoài [14]

Đối với phun plasma thì tùy thuộc vào chế độ làm việc của đầu phunplasma, cự ly phun tối ưu nằm trong khoảng 50  300mm Cự ly ngắn, nằmtrong khoảng đoạn đầu của luồng plasma thường không đảm bảo đốt nóng hạtbột và tạo gia tốc cho chúng Ngoài ra còn có nguy cơ bị quá nhiệt Nhưng nếutăng cự ly phun trên đoạn cơ sở của luồng thì nhiệt độ và tốc độ luồng giảmmạnh kéo theo giảm nhiệt độ, tốc độ hạt Thông thường cự ly phun lớn, xảy rakhi dùng dòng plasma phân tầng hay chân không thấp Khi tăng công suất hồquang thì cự ly phun tăng mạnh

Tốc độ dịch chuyển đầu phun có ảnh hưởng lớn tới nhiệt độ tại vết phun(chi tiết) Tốc độ này thường nằm trong khoảng 0,05 - 1,0 m/s Tốc độ thấp sẽlàm tăng nhiệt độ tiếp xúc của hạt Tuy nhiên, trong trường hợp này sẽ tăng nguy

cơ gây quá nhiệt trên vật phun Còn có những thông số sau đây đặc trưng cho các

yếu tố bên ngoài: Tiêu hao khí bảo vệ khi phun có bảo vệ cục bộ; áp suất vànhiệt độ khí trong khoang bảo vệ.

Sự sụt giảm áp suất trong khoang có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất quátrình, bởi vì các tính chất nhiệt vật lý của luồng plasma, đặc điểm dòng chảynhiệt độ và vận tốc hạt, đều thay đổi mạnh Chẳng hạn, tốc độ hướng trục củaluồng plasma, tại cự ly 200mm tăng lên khoảng 4 lần Tốc độ hạt phun tăng lên 2

 5 lần, đạt cực đại áp suất khoang (5,3  10,6).103P Trong tất cả các phương

án phun, khi giảm áp suất trong khoang thì hệ số sử dụng bột giảm Điều này vẫnxảy ra, mặc dù đoạn có nhiệt độ cao của luồng plasma tăng lên

3.1.6 Luồng hạt khi phun [2]

Nhiệt độ hạt phun: Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt độ này bằng nhiệt

độ nóng chảy hay cao hơn Khi nhiệt độ hạt tăng và cũng là entalpi thì nhiệt độtiếp xúc sẽ cao, tạo thuận lợi hình thành liên kết bền vững trong nội bộ lớp phun

và giữa lớp phun với lớp nền

Tốc độ hạt: Nằm trong khoảng 100500 m/s Để hình thành được lớp phunthì tốc độ của những hạt đã nóng chảy không được vượt quá 200-300 m/s Điềunày đặc biệt nhạy cảm với những hạt quá nhiệt

Phân bố nhiệt độ và tốc độ hạt trên vùng phun: Khác với các phương phápphun nhiệt khí khác, đối với phun plasma có sự không đồng đều rất rõ rệt vềnhiệt độ và vận tốc hạt trên vùng phun Vùng ngoại vi có tốc độ và nhiệt độ nhỏhơn đáng kể Bởi vì thế, nên cố gắng chọn dòng phun Compact, góc thoát nhỏ.Tương tác giữa hạt phun với pha khí: Nếu dùng những vật liệu không có áplực với khí, chẳng hạn như oxid, hoặc dùng khí trơ có bảo vệ vùng phun, thì hầunhư không có tương tác giữa hạt phun với pha khí

Mật độ dòng hạt trên vùng phun: Mật độ tổng trên vùng phun vào khoảng

103 - 105 hạt/(cm2.s) Tại vùng ngoại vi thì mật độ giảm mạnh và thấp hơn mộtbậc Có thể khẳng định là tại những vùng mật độ nhỏ như thế của luồng hạt thì

sự tương tác giữa các hạt là rất khó xảy ra

3.2 Sự hình thành lớp phun phủ

Phun kim loại được biết từ lâu và từ đó đến nay đã xuất hiện nhiều côngtrình nghiên cứu khác nhau về việc giải thích sự hình thành và tính chất của lớpphủ, có thể chia thành các quan điểm lý thuyết như sau

3.2.1 Lý thuyết của Pospisil - Sehyl [1],[2]

Tác giả của lý thuyết này đã kết luận rằng: lớp phủ bằng phun kim loại đãxuất hiện do các giọt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rấtcao ( trung bình khoảng 200m/s) Các giọt này bị phá vỡ thành rất nhiều hạtnhỏ Dạng của các hạt này được đặc trưng bằng kim loại của nó Dạng của cáchạt khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu chỉ bị oxy hóa Sự oxy hóakim loại thực chất xảy ra từ quá trình làm chảy dây phun và trong thời điểm tạo

ra các hạt nhỏ một phần lớn các oxyt sinh ra trong quá trình bay của các hạt.Nghĩa là, khi các giọt kim loại lỏng bắt đầu tách thành các hạt nhỏ thì bề mặtcủa các hạt cũng bắt đầu tăng lớp oxyt Số lượng oxyt nhiều, ít là một nhân tốchính ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ

Thực nghiệm rất khó xác định quá trình va đập của các hạt, vì quá trìnhnày xảy ra trong thời gian ngắn, mà trong thời gian đó quá tình này có ảnhhưởng rất lớn tới độ bám của các phần tử với kim loại nền

Từ các thực nghiệm tác giả lý thuyết này tính toán và kết luận rằng: cácphần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là ở thể lỏng

3.2.2 Lý thuyết của Shoop[1]

Tác giả lý thuyết này cho rằng: năng lượng động năng của các hạt kimloại khi bay được cung cấp bằng dòng khí nén, nên khi va đập lên bề mặt bịphun thực tế có sự thay đổi nhiệt Thực nghiệm đã xác định được rằng nhữnghạt kim loại khi rời khỏi miệng vòi phun, bắt đầu nguội và đông đặc rất nhanh

do tác dụng của dòng khí nén Trong thời điểm va đập chúng sẽ bị biến dạngdẻo, do vậy chúng lien kết với nhau thành những lớp liên kết

Tác giả của lý thuyết này cố chứng minh rằng các phần tử kim loại chảylỏng khi phun, luôn luôn nguội dần Trong một khoảng cách rất ngắn, từ đầu vòiphun, sự giữ nhiệt trong dòng các tia kim loại là tương đối thấp còn khoảng

50ºC đến 100ºC Do vậy tác giả đã kết luận cho lý thyết của mình rằng: có thểphủ được cả những vật liệu dễ cháy mà không xảy ra sự cháy vật liệu nền

3.2.3 Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger [1]

Lý thuyết này cũng cho rằng những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là dotác dụng của nguồn năng lượng động năng của khí nén Mặt khác trong quátrình đi từ vòi phun các hạt đã ở trạng thái nguội như vậy sẽ xảy ra biến dạngdẻo khi va đập

3.2.4 Lý thuyết của schenk [2]

Tác giả lý thuyết này đã kết luận rằng: nhiệt độ của các hạt phun phải ởnhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt của chúng với nhau Có nghĩa là, ở thờiđiểm va đập trên bề mặt bị phun, kim loại lớp bề mặt của kim loại nền bị phun

sẽ đốt nóng đến nhiệt độ chảy để xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử với kimloại cơ sở, nhưng thực tế không hoàn toàn như vậy

3.2.5 Cơ cấu hình thành lớp phủ bằng phun [1]

Các quan điểm trên cho đến nay vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu để điđến sự hoàn chỉnh và thống nhất Tuy nhiên toàn bộ cơ cấu hình thành lớp phủ

có thể mô tả như sau:

3.2.5.1 Pha thứ nhất

Đặc trưng bằng sự chảy và phân tán của kim loại

Khi phun kim loại bằng hồ quang điện, đầu tiên xảy ra sự tiếp xúc của 2điện cực Sự đoản mạch gây tác dụng nung nóng đáng kể kim loại ở vị trí tiếpxúc Trong đó kim loại bị nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy củachúng Các giọt kim loại xuất hiện sau khi bị nóng chảy được phủ trên bề mặtđiện cực Giữa kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình khuếch tán và

sự tác dụng hóa lý với nhau như ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt độ và hệ sốdẫn nhiệt, khả năng co rút gây ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong và các tínhchất khác của giọt kim loại lỏng

Sự lớn lên của một số lượng kim loại lỏng chảy từ đầu dây tồn tại cho đếnkhi lực động học của dòng không khí nén lớn hơn ứng suất bề mặt kim loại lỏng

sẽ làm tách các giọt kim loại Giọt kim loại bị áp lực của dòng khí nén sẽ phân

tách thành rất nhiều hạt nhỏ, những hạt này tạo ra những tia phun kim loại.

Toàn bộ quá trình chảy và phân tán các hạt xảy ra rất nhanh Sự phân tánchỉ kéo dài khoảng 1/ 10000 đến 1/100000 giây Và sau mỗi giây rạo ra khoảng

7000 giọt kim loại Dạng của các hạt xuất hiện từ sự phân tách giọt kim loại phụthuộc vào kim loại

3.2.5.2 Pha thứ hai

Quá trình bay của hạt :

Toàn bộ quá trình bay của các hạt, từ lúc bị phân tách từ giọt kim loại đếnkhi va đập trên bề mặt phun kim loại xảy ra rất ngắn khoảng 0,002 ¿ 0,008giây Trong quá trình bay của hạt, chủ yếu chỉ xảy ra sự oxy hóa, do vậy cácphần tử phun kim loại bị bao bọc bằng một lớp oxyt, lớp này sẽ lớn lên theokhoảng cách bay

Các hạt kim loại chảy lỏng di động trong dòng không khí nén có tốc độ rấtlớn Ngoài ra các phần tử còn chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, biểu thị ởnhững phản ứng không đồng nhất Khi phun kim loại chúng ta phải tính đến kếtquả sau:

- Các hạt kim loại tách ra ở trạng thái lỏng hay ở trạng thái đã đặc sệt

- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường hợp giatốc

- Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ,hydro, hơi nước và các thành phần hóa học khác

Khả năng hòa tan của khí phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như áp lực riêngcủa khí

3.2.5.3 Pha thứ ba

Sự hình thành lớp phủ bằng phun

Quá trình tạo thành lớp phủ bằng phun kim loại tương đối phức tạp Trên

cơ sở những kết quả của nhiều thí nghiệm và tính toán, người ta đã xác địnhrằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt phun ở trạng tháilỏng và bị biến dạng lớn

Để hiểu sự hình thành lớp phủ cần phải chú ý các hiện tượng xảy ra khi va

đập của các phần tử lên bề mặt ( vật liệu nền) kim loại cần được phun phủ.

Vấn đề thứ nhất là năng lượng động năng của các phần tử va đập lên bềmặt phun gây ra lực tác động và biến dạng rất nhanh, mạnh Năng lượng độngnăng này được xác định bằng tốc độ của phần tử khối lượng của chúng :

Ek = 1,2 mv2 (3-1)

Bởi vậy các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có năng lượng động năng khácnhau ( khi chúng có cùng tốc độ) Tốc độ bay của các phần tử là một nhân tố choviệc xác định sự biến dạng của một phần tử Tốc độ cần thiết cho một vài kimloại khi va đập lên bề mặt chi tiết phun được tính toán theo phương trình sau:

Vấn đề thứ hai cần quan tâm để xác định sự biến dạng của các phần tử, đó

là khả năng biến dạng của các phần tử Lớp vỏ oxyt trên các phần tử có ảnhhưởng rất lớn đến tính chất này Điều cần khẳng định là: trong thời điểm va đậplớp oxyt là lỏng, thì trong trường hợp này không thể giữ được sự biến dạng củacác phần tử và ngược lại ở các phần tử có lớp oxyt vỏ cứng thì khả năng biếndạng của nó chủ yếu xác định bằng vỏ bọc này

Khả năng biến dạng của các phần tử thép với màng bọc oxyt ở trạng tháilỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước, đồng thời nó không kếtthúc ngay mà còn xảy ra biến dạng tiếp theo do sự tác dụng của cá phần tử sau,

giống như sự tác dụng của rèn Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh.Bởi vậy khi các phần tử sau va đập lên các phần tử trước khi các phân tử trướchãy còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, giữa chúng dễ xảy ra liên kết kimloại với nhau.

3.2.5.4 Tương tác vật liệu nền và vật liệu phun

Sự tương tác vật liệu nền và vật liệu hạt phun trên từng khoảng bề mặt tiếpxúc có thể hình dung thành 3 giai đoạn nối tiếp nhau:

1 Sự xích lại gần nhau đến mức tạo mối tiếp xúc vật lý giữa chúng, cónghĩa là trên một khoảng cách tương đương với kích thước mạng tinh thể

2 Sự hoạt hóa các bề mặt tiếp xúc và tương tác hóa học giữa các vật liệutrên bề mặt phân tách pha

3 Quá trình tiếp tục phát triển theo thể tích, dẫn đến sự khuếch tán lẫnnhau của các vật liệu hạt và nền qua mặt phân cách, tạo nên các liên kết hóahọc

Trong khi phun, thì thời gian tương tác chỉ khoảng 1/100.000 –1/10.000 giây, sau đó các hạt sẽ kết tinh, nguội đi nhanh chóng và mất khảnăng tương tác

Với một khoảng thời gian ngắn như vậy, quá trình khuếch tán không sâu

và ít ảnh hưởng tới độ bám của hạt Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu phụthuộc vào mức độ liên kết hóa học, mà biểu hiện bề ngoài của nó sự xuất hiệnnhững khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc Giai đoạn tiếp xúc vật lý không hạnchế sự tương tác bởi vì dưới tác động xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanhchóng bị dàn mỏng ra và ép chặt vào lớp nền

Các tính toán cho thấy nếu 2 giai đoạn đầu kịp kết thúc thì giai đoạn 3(khuếch tán) chỉ kịp xảy ra chủ yếu dựa vào các khuyết tật mạng Các biến dạngdẻo tại vùng tiếp xúc khi hạt va đập với nền sẽ giúp tăng cường khuếch tán.Ngoài ra nhiệt độ tiếp xúc cao cũng tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán

Do lớp phun là một loại vật liệu có cấu tạo lớp hình thành từ lòng các hạt nóngchảy cho nên có hai khả năng tương tác giữa các hạt tại vết phun:

1 Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt đã bám trước, nhưng chưa kịp đông

*Nhóm vật liệu gốm, oxyt kim loại: Sử dụng cho phủ cách ly hay bảo vệ

chi tiết nền Sau khi phủ không cần gia công

* Nhóm kim loại và hợp kim:

Nhóm này tương đối đa dạng, có thể chỉ là những kim loại như kẽm dùng

để phủ bảo vệ chống oxy hóa trong điều kiện môi trường hay có thể là hợp kimnhư: niken, crom, volfram, molipden, mangan, silic, đồng, nhôm, sắt,… với mụcđích bảo vệ chống oxy hóa, tăng độ cứng, độ mài mòn thông thường, chịu nhiệt,

… tùy thuộc vào các thành phần kim lọa trong hợp kim Nhóm này được phântheo kim loại nền, kim loại mà trong đó là thành phần chủ yếu như:

+ Trên nền kim loại sắt: với mục đích sử dụng chủ yếu làm tăng độ cứng

Vật liệu phun có thể ở dạng dây, dạng thỏi, dạng bột Trong hầu hết cáctrường hợp, vật liệu phun được cung cấp dưới dạng bột Tuy nhiên, với nguồnnhiệt như nhau thì các lớp phun bằng dây có mật độ lớn hơn và ít oxyt hơn làphun bột cùng mác vật liệu đó Nhược điểm nữa của phun bột là khó đảm bảocấp liệu ổn định vì thành phần cấp hạt, hình dạng hạt, cùng những yếu tố khác

Ưu điểm chính của phun bột là giá thành hạ, công nghệ tạo bột không phức tạp,

nhất là có những loại vật liệu không thể làm thành dây phun theo các công nghệthông thường vì chúng cứng và giòn.

Các phương pháp phun plasma và phun nổ hiện hành, chủ yếu dùng để tạo lớpphủ từ kim loại khó nóng chảy, cho nên chủ yếu là phun bột Nếu phun plasmanhững vật liệu có nhiệt độ nóng chảy không cao, thì người thường sử dụng ngaynhững loại bột có thể phun bằng ngọn khí cháy

Hạt bột dùng để phun, phải có hình cầu là tốt nhất, nếu không thì cũngphải là dạng hạt rời Loại hạt này có độ chảy tốt, tạo thuận lợi điều chỉnh lưulượng cấp bột Nếu hạt bột có hình dạng phức tạp, kèm nhiều chỗ lồi thì khó lưuthông trong đường dẫn từ bình cấp bột tới đầu phun Kết quả là do sự đọng lạicủa từng lớp bột trên bình cấp liệu mà có hiện tượng cấp bột không đều Mặtkhác, hạt bột không cầu, dễ bị oxy hóa chỉ chuyển động trong luồng khí nóng,làm giảm chất lượng phun Kích thước của hạt bột phun và thành phần cấp hạt

có ảnh hưởng lớn trong quá trình phun, đến tính chất vật liệu lớp phun phủ.Người ta lựa chọn kích thước hạt chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính nguồn nhiệt,các tính chất nhiệt vật lý của vật liệu phun, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt dungriêng, mật độ và nhiều thông số khác Thông thường, dùng bột mịn để phun thìlớp phun sẽ ít rồ xốp hơn Nhược điểm của lớp phủ đó là chứa một lượng lớnoxid do hạt bị quá nhiệt khi chuyển động trong luồng khí nhiệt độ cao

Nếu dùng bột có thành phần cỡ hạt không đồng đều thì những hạt nhỏ hơn

sẽ bị nóng chảy ngay gần điểm cấp bột vào bép phun, tạo vón cục ngay tại đó và

có thể dẫn đến lỗ phun bị chảy; Đôi khi, những vón cục này đạt kích thước đủlớn và bị luồng plasma kéo văng, bay ra ở dạng những giọt kim loại lỏng đọnglại trên bề mặt lớp phun, làm hỏng bề mặt phun Để tránh những hiện tượng đó,nên dùng bột có cấp hạt nhất định để phun Thường, dùng cấp hạt 44÷100 m.Khi bảo quản và vận chuyển bột phun, phải giữ để bột không bị ẩm

Chúng ta xem xét thành phần hóa học và các tính chất của những loại bộtphun từ kim loại

3.3.1 Kẽm

Trong bảng 3.1 và 3.2 nêu các tính chất của bột kẽm dùng để phun Thôngthường bột này được chế tạo bằng phương pháp phun nóng chảy Lớp phun bộtkẽm dùng để chống gỉ

Bảng 3.1 Thành phần cấp hạt và độ sạch của bột

kẽm phun (hạt hình cầu)

Mác

Tỷ trọng đống g/cm 3

Độ sạch,

99,899,899,8

< 1

10 - 20

< 1-

15 - 25

< 1-

VếtVết0,030

0,0030,002-

0,001

Độ sạch, %

Thành phần cấp hạt (%) theo đường kính

hạt, m 17

5 150 100 70 44 < 44

< 1 -

2-15

< 1

5-155-15

< 1-

10-2010-205-15

< 1

25-3525-3530-4025-35

25-4040-5545-6565-70

Bảng 3.4 Tạp chất trong bột nhôm dùng để phun, %

Zn (AT) -150

Zn (AT)- sạch

0,0970,044

0,100,015

0,0100,010

bề mặt grafit cứng Tuy nhiên nếu phun trực tiếp vônfram lên grafit thì lại tạo racacbit vônfram dễ nóng chảy hơn Bởi thế, người ta hay phun một lớp lót tantal,trước khi phun vônfram Trong trường hợp này, tantal có chức năng lớp rào cản hạnchế tác dụng của vônfram với lớp nền Lớp phủ vônfram có tỷ trọng (mật độ) cao vànhiều tính năng tốt so với nhúng vào kim loại nóng chảy hoặc bốc bay chân không

3.3.5 Thép không rỉ và nicrom

Cũng là những mác thép dùng làm dây phun, bột có dạng cầu Lớp phủbột từ những loại thép này có tính chất chống gỉ, chịu nhiệt và chịu mài mòn.Lớp phủ nicrôm (80% ni - 20% Cr) là loại chống gỉ và chịu nhiệt, có thể

dùng làm lớp lót trước khi phun gốm Lớp lót nicrôm bám dính tốt với lớp gốm.Ngoài ra, lớp phủ này có tỷ trọng cao, chống sự lọt khí có hại từ môi trường qua

lỗ xốp phủ để tác động tới kim loại cần bảo vệ

3.3.6 Hợp kim Coban và Niken

Các hợp kim trên nền côban, bao gồm crôm, vônfram và sắt, có độ cứngcao và không giảm độ cứng tại nhiệt độ cao, có độ chịu mài mòn và chống gỉ tốt.Trong hầu hết các trường hợp, những hợp kim này được dùng để phun cùng với

bo, silic, tạo ra hệ tự tạo xỉ, mà sau khi phun có thể làm nóng chảy Khi phunplasma những hợp kim này, ngay sau khi phun do nó tự nóng chảy nên đã có lớpphủ đặc xít Cho nên, người ta thường không làm nóng chảy thêm

3.3.7 Những hợp kim tự tạo xỉ

Khi phun hợp kim tự tạo xỉ và làm nóng chảy tiếp theo, ta sẽ có lớp phủkhông rỗ khí Người ta thường dùng hợp kim tự tạo xỉ mà sau khi phun khôngcần làm nóng chảy Đây là loại hợp kim hệ Ni - Cr - B - Si trên nền niken, có thểthay thế Cr bằng Co Lớp phủ thuộc hệ này có nhiều tính năng ưu việt: chịu màimòn, chịu ăn mòn, chống gỉ, chịu axit ở nhiệt độ cao Thông thường vật liệunày ở dạng bột, hãn hữu mới dùng dạng dây từng đoạn ngắn bằng cách đúc thỏihoặc là dây bột kết dính bằng nhựa

Trong bảng 3.5 và 3.6 là những mác hợp kim tự tạo xỉ trên nền niken dohãng "Wall Colmonoy" ở Mỹ chế tạo Thời gian gần đây, Nhật Bản cũng đã chếtạo được những mác tương đương Chẳng hạn, Colmonoy 6 là một loại hợp kim

tự tạo xỉ điển hình Hợp kim này có độ cứng cao nhất Các mác hợpkimColmonoy 4 và 5 có độ cứng thấp hơn nhưng độ bền va đập lại cao hơn và xuhướng tạo vết nứt thấp hơn Trong mác Colmonoy có thêm vônfram Hợp kimnày có độ cứng cao ở nhiệt độ cao, có tính rèn tốt, cùng những tính chất chống

ăn mòn cao Trong hợp kim colmonoy 20 để cải thiện tính gia công thì độ cứng

có giảm Hợp kim C-290 sau phun không phải làm nóng chảy lại và người tadùng luôn lớp phủ vẫn còn rỗ khí tạo ra trong khi phun Hợp kim này được dùng

để phun lên bề mặt ổ trượt Hợp kim Ni 75 khác với hợp kim Colmonoy 6 ởlượng cacbit vônfram cho thêm Các lớp phủ từ hợp kim này có đặc tính bôi trơn