Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ HỒ QUANG ĐIỆN AISI 316 THE EFFECT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE QUALITY OF ARCSPRAYED AISI 316 COATINGS TS Phùng Tuấn Anh1a, ThS Nguyễn Thanh Hùng1, KS Trần Văn Nghĩa1 Học viện KTQS, Bộ Quốc phòng a phungtuananh@mta.edu.vn TÓM TẮT Trong báo này, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố điện áp, áp lực khí phun đến tổ chức tính chất lớp phủ AISI 316 thép không gỉ AISI 316 phẳng phương pháp phun phủ hồ quang điện Thông qua thực nghiệm xây dựng quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ AISI 316 chống ăn mòn với thông số phun phủ tối ưu, tương ứng với điện áp hồ quang (29÷32) V áp lực khí phun (0,34÷0,38) MPa Quá trình phun phủ không cho phép nhiệt độ lớp phủ vượt 100oC để đảm bảo độ bám dính với vật liệu Khi độ cứng lớp phủ AISI 316 đạt khoảng (37÷38) HRC, mật độ lớp phủ xác định khoảng (90÷90,3) %, độ bám dính lớp phủ với đạt không nhỏ (28,7÷29,4) MPa, tốc độ ăn mòn lớp phủ môi trường dung dịch 3,5% NaCl khoảng (0,012÷0,015) mm/năm dung dịch axit 0,1N H2SO4 (0,05M) khoảng (0,342÷0,385) mm/năm Từ khóa: phun phủ hồ quang điện, thép không gỉ AISI 316, quy trình công nghệ, điện áp hồ quang, áp lực khí phun ABSTRACT This paper is studied the effect of arc load voltage and air pressure parameters on microstructure and properties of AISI 316 stainless steel coatings on AISI 316 stainless steel substrate manufactured by electric arc spray method Technological procedure with the optimal main spray parameters for manufacturing AISI 316 anticorrosion coatings was established Arc load voltage, air pressure were established in the range 29 to 32 V and 0,34 to 0,38 MPa, respectively Hardness of coating was in the range (37÷38) HV, density of coating was about (90÷90,3) % and tensile bond strength of coating with stainless steel substrate was not less than (28,7÷29,4) MPa Corrosion rate of coating in 3,5% NaCl solution was in the range 0,012 to 0,015 mm per year In 0,1N H2SO4 (0,05M) acidic solution, corrosion rate of coating was determined in the range 0,342 to 0,385 mm per year Keywords: electric arc spray, AISI 316 stainless steel, technological procedure, arc load voltage, air pressure ĐẶT VẤN ĐỀ Trong sản xuất khí khoảng vài chục năm trở lại đây, việc ứng dụng công nghệ phun phủ hồ quang điện để phục hồi chi tiết bị ăn mòn trình làm việc môi trường khắc nghiệt (axit, bazơ,…) ngày trở nên phổ biến chi phí sản xuất nhỏ [1,2] Trên sở nghiên cứu thiết bị sẵn có, nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm, chế tạo đánh giá tính chất lớp phủ AISI 316 thép AISI 316 phẳng mật độ lớp phủ, độ cứng, tốc độ ăn mòn, độ bền bám dính, từ đưa quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu sản xuất thực tế 314 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM Quá trình phun phủ tiến hành thiết bị phun hồ quang điện Tafa Praxair MHU 8830 (Mỹ) Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ Quốc phòng Mẫu thép không gỉ AISI 316 có kích thước ban đầu 50x50x3mm Dây phun AISI 316 có đường kính 1,6 mm cung cấp hãng Tafa Praxair (Mỹ) Thành phần hóa học mẫu thép dây phun cho Bảng Trước tiên, mẫu phun cát làm tạo nhám để tăng tính bám dính lớp phủ với Để đảm bảo độ bề mặt mẫu, sau phun cát tạo nhám, mẫu rửa dung dịch axeton Sơ đồ công nghệ trình phun phủ kim loại điển hình cho Hình Bảng Thành phần hóa học mẫu thép dây phun AISI 316 Vật liệu Thành phần hóa học, % C Si Mn Cr Mo Ni P S Fe Mẫu thép 0,053 0,43 1,03 16,83 1,91 9,67 0,03 0,01 Còn lại Dây phun 0,08 1,0 2,0 17 2,5 12,0 0,04 0,03 Còn lại Các tham số công nghệ tiến hành phun phủ cho Bảng Lựa chọn điện áp phun dải từ 26 đến 32 V, áp lực khí phun từ (0,34-0,48) MPa Các thông số góc phun, khoảng cách phun, áp lực cấp dây lựa chọn cố định theo công trình công bố [2-4], với góc phun 90o, khoảng cách phun 100 mm áp lực cấp dây 0,2 MPa Hình Sơ đồ phun công nghệ phủ kim loại điển hình 315 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Các chế độ phun phủ lớp phủ AISI 316 phẳng Mẫu Áp lực khí phun, MPa Điện áp phun, V M1 0,34 26 M2 0,34 29 M3 0,34 32 M5 0,38 29 M6 0,38 32 M7 0,41 29 M8 0,45 29 M9 0,48 29 Quá trình phun nhiều lớp xảy tượng bong tách lớp phủ nhiệt độ lớp phủ trước cao Nhiệt độ thực nghiệm xác định không vượt 100oC để đảm bảo độ bám dính lớp phủ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA LỚP PHỦ VÀ THẢO LUẬN Các tính chất lớp phủ cần khảo sát độ cứng, mật độ lớp phủ (độ sít chặt), tốc độ ăn mòn độ bám dính Quá trình khảo sát độ cứng cho thấy, giá trị độ cứng lớp phủ tương đối cao so với vật liệu Điều giải thích lớp phủ mỏng nên nguội nhanh, hạt kim loại lỏng bay với tốc độ lớn đập vào bề mặt vật liệu nên bị biến dạng (biến cứng) mạnh, sau phun xuất oxit cacbit crôm góp phần làm cho lớp phủ có độ cứng tăng cao Độ cứng lớp phủ nằm khoảng (34÷38) HRC Với chế độ phun mẫu M2 M5 cho độ cứng lớp phủ đạt giá trị cao nhất, khoảng (37÷38) HRC Khi cố định điện áp không đổi 29 V, giá trị độ cứng lớp phủ cho Bảng biểu đồ biểu diễn phụ thuộc độ cứng lớp phủ vào áp lực khí phun thể Hình Bảng Độ cứng lớp phủ mẫu điện áp không đổi U = 29 V Tên mẫu Áp lực khí phun, MPa Điện thế, V Độ cứng, HRC M2 0,34 29 37,3 M5 0,38 29 37,7 M7 0,41 29 35,1 M8 0,45 29 34,8 M9 0,48 29 35,8 Hình Sự phụ thuộc độ cứng lớp phủ vào áp lực khí phun điện áp không đổi 29 V 316 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mật độ lớp phủ xác định phương pháp cân khối lượng với độ xác đến 10-4 gam Từ khối lượng lớp phủ xác định khối lượng riêng lớp phủ (ρlp) so sánh với vật liệu AISI 316 thu mật độ (độ sít chặt) lớp phủ Các kết thực nghiệm cho thấy, độ cứng lớp phủ cao tương ứng với mật độ lớp phủ cao Các mẫu có mật độ lớp phủ nằm khoảng từ (87,6÷90,3) % Khi cố định điện áp không đổi U = 29 V, giá trị mật độ lớp phủ cho Bảng biểu đồ biểu diễn phụ thuộc mật độ lớp phủ vào áp lực khí phun thể Hình Mẫu M2 M5 có mật độ lớp phủ lớn 90,3 % 90 %, tương ứng áp lực khí phun 0,34 0,38 MPa Bảng Mật độ (độ sít chặt) lớp phủ điện áp không đổi 29V Tên mẫu Áp lực khí phun, MPa Điện thế, V Mật độ, % M2 0,34 29 90,3 M5 0,38 29 90,0 M7 0,41 29 89,4 M8 0,45 29 87,5 M9 0,48 29 89,1 Hình Sự phụ thuộc mật độ lớp phủ vào áp lực khí phun U = 29 V Trên sở độ cứng mật độ lớp phủ, lựa chọn mẫu có độ cứng mật độ lớn (mẫu M2, M5) mẫu có mật độ nhỏ (mẫu M8) với mẫu vật liệu M0 lớp phủ để tiến hành xác định tốc độ ăn mòn (Pă.m) lớp phủ dung dịch NaCl 3,5% Tốc độ ăn mòn lớp phủ xác định theo tiêu chuẩn ASTM - G102 [5] Kết xác định tốc độ ăn mòn cho Bảng Với mẫu có mật độ lớp phủ lớn (M2 M5), tốc độ ăn mòn lớp phủ dung dịch 3,5% NaCl khoảng (0,012÷0,015) mm/năm, mẫu có mật độ nhỏ có tốc độ ăn mòn 0,021 mm/năm Tương tự, môi trường ăn mòn dung dịch axit 0,1N H2SO4 (0,05M), tốc độ ăn mòn lớp phủ có mật độ lớn đạt khoảng (0,342÷0,385) mm/năm Một tiêu quan trọng khác đánh giá chất lượng lớp phủ độ bám dính Độ bám dính lớp phủ với xác định máy thử kéo nén vạn nhờ phương pháp kéo chốt [1] Phương pháp sử dụng khối rông đen có lỗ rỗng hình trụ (vật liệu kim loại thép bất kỳ), chốt trụ làm vật liệu AISI 316 (Hình 4) Khi lắp chốt vào khối rông đen, mặt chốt nằm ngang mặt phẳng khối rông đen Sau gia công bề mặt chung chốt khối rông đen, tiến hành phun tạo lớp phủ AISI 316 lên Quá trình thử độ bám dính, kéo 317 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV chốt khỏi khối rông đen tỷ lệ lực kéo tối đa diện tích mặt chốt độ bám dính cần xác định Hình Mẫu xác định độ bám dính phương pháp kéo chốt Tiến hành thử kéo mẫu với lớp phủ có mật độ lớn M2 M5 Giá trị độ bám dính đo khoảng từ (28,7÷29,4) MPa Tốc độ ăn mòn độ bám dính lớp phủ xác định thực nghiệm tương đối phù hợp so với công trình công bố [2, 6, 7] Tổ chức tế vi số lớp phủ cho Hình 5, 6, Với mẫu có mật độ lớp phủ lớn (mẫu M2), tổ chức lớp phủ đồng đều, lỗ xốp tạp chất ít, phân tán, với mẫu có độ sít chặt thấp (M8), tổ chức hạt to, lỗ xốp tạp chất nhiều hơn, phân bố dày Hình Tổ chức tế vi lớp phủ với nền, mẫu M2 (x200) Hình Tổ chức tế vi lớp phủ mẫu M2 (x500) Hình Tổ chức tế vi lớp phủ mẫu M8 (x500) Kết phân tích EDX cho Hình 318 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 001 0.3 0.3 m mm m NiKesc CrKa FeKa NiKb 200 FeKb NiKa 300 CrKb 400 FeKesc 500 SiKsum CaKa CaKb Counts 600 SKa SKb 700 SiKa NiLsum 800 AlKa 900 SLl CKa OKa NiLl NiLa CrLa FeLl FeLa 1000 001 100 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình Kết phân tích EDX lớp phủ Từ kết phân tích cho thấy lớp phủ có nguyên tố C, O, S, Ca, Cr, Ni, Fe,… Nhìn chung, hàm lượng nguyên tố lớp phủ 316 giảm xuống Dây phun ban đầu có hàm lượng Cr 17,0 % Ni 12 % Phân tích vị trí khác lớp phủ cho thấy hàm lượng Ni giảm trung bình %, hàm lượng Cr giảm trung bình % (Bảng 6) Các hàm lượng nguyên tố lớp phủ đảm bảo thành phần hóa học theo yêu cầu thép AISI 316 Bảng Hàm lượng nguyên tố Cr, Ni lớp phủ AISI 316 Vị trí Hàm lượng, % Cr Ni 16,11 10,63 16,47 11,1 16,34 11,1 Giá trị trung bình 16,31 10,94 KẾT LUẬN Trên sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm xác định tham số công nghệ điện áp, áp lực khí phun tối ưu xây dựng quy trình chế tạo lớp phủ dây AISI 316 thép không gỉ AISI 316 phẳng với thông số sau: điện áp trình phun (29÷32) V, áp lực khí phun (0,34÷0,38) MPa Khi đó, hàm lượng nguyên tố lớp phủ đảm bảo đạt yêu cầu Kết xác định độ cứng lớp phủ đạt khoảng (37÷38) HRC, mật độ lớp phủ cao khoảng (90÷90,3) %, độ bám dính lớp phủ với đạt (28,7÷29,4) MPa, tốc độ ăn mòn lớp phủ môi trường dung dịch NaCl 3,5% 319 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV khoảng (0,012÷0,015) mm/năm môi trường dung dịch axit 0,1N H2SO4 (0,05M) khoảng (0,342÷0,385) mm/năm Tuy nhiên, kết nghiên cứu ban đầu, cần tiến hành nhiều thí nghiệm đánh giá số liệu thu để xác định chế độ phun tối ưu, đáp ứng nhu cầu thực tế sản xuất khí Việt Nam./ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Tùng, Công nghệ phun phủ ứng dụng NXB KH & KT, Hà Nội, 2006 [2] Davis J R., Handbook of Thermal Spray Technology, ASM international (2004) [3] PGS TS Hoàng Tùng, Nghiên cứu công nghệ phun phut nhiệt khí bột nhằm nâng cao tuổi thọ phục hồi chi tiết, Báo cáo kết đề tài khoa học công nghệ thuộc đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ xử lý bề mặt”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 1997-1999 [4] Quản Trọng Hùng, Xác định thông số chế độ công nghệ phun phủ kim loại để sửa chữa trục chân vịt tàu thủy Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải (Trường Đại học Hàng hải Việt Nam), 2012, Số 29 (1), trang 38-41 [5] ASTM G102-89, Standard practice for calculation of corrosion rates and related information from electrochemical measurements, ASTM International, Reapproved 2010 [6] Compere Chantal, Le Bozec Nathalie, Behaviour of stainless steel in natural seawater, The First stainless steel congress, Bangkok, Thailand, December 15-17, 1997 [7] Ray E Bolz, CRC Handbook of Tables for Applied Engineering Science, CRC Press Inc, 1973 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Phùng Tuấn Anh Học viện Kỹ thuật Quân Email: phungtuananh@mta.edu.vn, tel.: 0932277676 ThS Nguyễn Thanh Hùng Học viện Kỹ thuật Quân KS Trần Văn Nghĩa Học viện Kỹ thuật Quân 320