Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TẾ VI VÀ ĐỘ CỨNG CỦA LỚP ĐẮP BỀ MẶT TRỤC VÍT TRONG LĨNH VỰC SẢN XUẤT GẠCH, NGÓI STUDY OF MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS OF SURFACE WELDING OF SCREW EXTRUSION IN THE FIELD OF BRICKS AND TILES PRODUCTION ThS Ngô Hữu Mạnha, ThS Tạ Hồng Phongb, ThS Nguyễn Đức Hảic Trường Đại học Sao Đỏ a manh.weldtech@gmail.com; btahongphong13@yahoo.com; cduchai@gmail.com TÓM TẮT Cấu trúc tế vi độ cứng có ảnh hưởng lớn đến đặc tính kim loại mối hàn Khi hàn đắp công nghệ hàn SMAW (Shielded metal arc welding), xuất hạt cứng Crôm bít (CrC) hỗn hợp Cr-Fe-C dạng sợi kim loại mối hàn làm tăng độ cứng khả làm việc kim loại lớp đắp Đây yếu tố định đến tuổi thọ hiệu suất làm việc bề mặt cánh trục vít ép đùn lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng Cấu trúc, độ cứng tế vi, thành phần kim loại mối hàn phân tích hiển vi quang học (OM), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc lượng (EDS) Trong báo này, nhóm tác giả phân tích cấu trúc tế vi độ cứng kim loại mối hàn để nâng cao tuổi thọ hiệu suất làm việc trục vít ép đùn ứng dụng lĩnh vực sản xuất gạch, ngói Từ khóa: cấu trúc kim loại, độ cứng tế vi, hàn đắp, SMAW, MMA ABSTRACT The microstructure and hardness have a strong influence on the characteristics of the weld metal During shielded metal arc welding (SMAW) process, the emergence of hard particles such as Chromium carbide (CrC) and mixed of Cr-Fe-C fibers in the weld metal increases the hardness and ability performance of metal covering layer This is a crucial factor to longevity and performance of surface of screw extrusion in the field construction materials produce The microstructure, microhardness, weld metal composition were analyzed using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) In this paper, the authors will analyze the microstructure and hardness of the weld metal to improve the longevity and performance of screw extrusion applications in the field of bricks and tiles production Keywords: Metal structure, SMAW, Microhardness, Welding, Abrasion MỞ ĐẦU Trong trình sản xuất, trục vít phải làm việc liên tục điều kiện chịu tải trọng lớn chịu mài mòn với cường độ cao Nếu trục vít chế tạo thép chịu lực, chịu va đập, chịu mài mòn làm tăng chi phí sản xuất gây lãng phí vật liệu Do đó, trục vít thường chế tạo gồm hai phần Thứ phần làm việc thường chế tạo từ thép hợp kim cứng, chịu ứng suất, chịu va đập, chịu mài mòn Thứ hai phần thân thường chế tạo từ thép bon để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tính hàn, độ dẻo giảm chi phí sản phẩm Hai phần liên kết với trình hàn SMAW (Shielded Metal Arc Welding) Tuy nhiên, vật liệu hàn vật liệu hai loại vật liệu hoàn toàn khác đặc tính Do đó, trình hàn không sử dụng biện pháp công nghệ dễ xảy tượng nứt, tróc tách lớp sau hàn Kim loại lớp đắp phải có độ cứng cao, bề mặt làm việc trục vít ép đùn phải có khả chịu mài mòn làm việc Các yếu tố bị ảnh hưởng cấu trúc tế 357 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV vi kim loại mối hàn Ngoài cấu trúc dạng hạt các bít có độ cứng cao, cấu trúc dạng sợi cần thiết để tăng cường khả chịu mài mòn, hạn chế nứt, tách lớp cho lớp đắp làm việc Vì vậy, tính toán, xác định chế độ hàn xây dựng quy trình công nghệ hàn SMAW phù hợp nhiệm vụ quan trọng để hàn đắp bề mặt làm việc cho cánh trục vít ép, đùn đảm bảo hai tiêu kinh tế kỹ thuật Ngoài ra, phân tích lựa chọn vật liệu cần thiết cho trình hàn để tạo bề mặt trục vít ép đùn có đặc tính theo yêu cầu THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu Trục vít ép, đùn lĩnh vực sản suất gạch, ngói chế tạo từ thép CT38 phương pháp đúc Chiều dày cánh vít khoảng 20mm Đường kính cánh vít khoảng 500mm Độ nghiêng cánh vít khoảng 300 Hình Trục vít ép, đùn lĩnh vực sản xuất gạch, ngói Bảng Thành phần hóa học thép CT38 theo TCVN 1765-85 [2] C Si Mn S Thành phần hóa học % 0.14-0.22 0.12-0.30 0.40-0.60 ≤0.04 P ≤0.045 Bảng Cơ tính thép CT38 theo TCVN 1765-85 [2] Giới hạn bền (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài (%) 380-470 >235 >25 2.2 Vật liệu hàn Vật liệu hàn đắp bề mặt cánh trục vít ép, đùn lựa chọn que hàn UTP 718S hãng Bohler (Đức) Đây que hàn đắp có độ cứng cao, chịu va đập, chịu mài mòn Que hàn UTP 718S, có thành phần gồm nguyên tố C, Cr, Mn, Fe, Si Trong đó, hàm lượng Crôm (Cr) chiếm 28% kết hợp với Các bon (C) tạo Crôm bít nhằm tăng cường độ cứng cho kim loại lớp đắp Sự có mặt nguyên tố Mangan (Mn) với hàm lượng 2.5% kết hợp với Cr tạo liên kim Cr-Mn làm tăng cường độ bền khả chịu mài mòn cho kim loại mối hàn Ngoài ra, Sắt (Fe) với hàm lượng lớn làm kết hợp với Cr C để tạo hỗn hợp Cr-Fe-C nhằm tăng khả liên kết, độ cứng khả chịu mài mòn cho kim loại mối hàn Hình Que hàn UTP 718S hãng Bohler Welding Group (Đức) 358 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Thành phần hóa học que hàn đắp UTP 718S theo tiêu chuẩn DIN 8555: E 10-UM-60-G hãng Bohler [3] %C %Mn %Si %P %S %Cr %Fe 3.5 2.5 1.2 0.015 0.015 28 Nền 2.3 Chế độ hàn Chế độ hàn yếu tố quan trọng định đến công suất nguồn nhiệt, hình dạng kích thước mối hàn Các thông số chế độ hàn SMAW tác giả lựa chọn, tính toán xác định giá trị trình bày Bảng Các giá trị chế độ hàn SMAW tác giả tính toán, xác định sở lý thuyết thực nghiệm hàn sản phẩm thực tế Bảng Bảng thông số hàn SMAW Thông số chế độ hàn Ký hiệu Giá trị Đường kính que hàn (mm) dq 4.0 Cường độ dòng hàn (A) Ih 180-200 Điện áp hàn (V) Uh 33-35 Tốc độ hàn (cm/phút) Vh 25-27 Số lớp hàn (lớp) n Biên độ dao động que hàn (mm) B 25-30 Chiều dài hồ quang (mm) lhq 4-6 Góc độ que hàn (0) α 70-80 β 90 Ghi 2.4 Quy trình hàn Quá trình hàn thực cánh trục vít ép, đùn Bề mặt hàn đắp mặt phía trước (bề mặt làm việc) cánh vít Ở lớp hàn thứ nhất, đường hàn thực theo hướng vuông góc với trục cánh vít để hàn đắp lên bề mặt cánh vít Lớp hàn thứ hai, đường hàn thực dọc theo chiều xoắn cánh vít để phủ kín lớp hàn thứ Hình Cánh trục vít ép, đùn sau hàn đắp Cả hai lớp hàn thực trình hàn SMAW với que hàn UTP 718S, đường kính que hàn 4.0mm Chiều cao mối hàn trung bình khoảng 3mm tính từ bề mặt cánh vít Sau hai lớp đắp, chiều cao mối hàn đạt 5-6mm Chiều sâu ngấu mối hàn trung bình khoảng 0.8mm Chiều rộng phần hàn đắp khoảng 80mm tính từ mép cánh vít 2.5 Mô trình hàn Trong trình hàn SMAW, công suất nhiệt hồ quang, lượng đường bị ảnh hưởng thông số chế độ hàn cường độ dòng hàn (Ih), điện áp hàn (Uh), tốc độ hàn (Vh) Vì vậy, việc xác định giá trị thông số chế độ hàn sở để xác định công suất nhiệt hồ quang, lượng đường trình hàn Quá trình tính toán, xác định giá trị 359 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV thông số chế độ hàn tác giả thực sở lý thuyết thực nghiệm hàn sản phẩm trục vít ép, đùn Theo tài liệu [1, 4], lượng đường xác định theo công thức sau: Q= V I 60 η 1000.S Trong đó: Q lượng đường (kJ/mm) S tốc độ hàn (mm/phút) V điện áp hàn (V) I cường độ dòng điện hàn (A) η hệ số phụ thuộc vào trình hàn Thay số vào công thức trên, xác định giá trị lượng đường Q=1.2kJ/mm Đây sở quan trọng giúp tác giả mô trường nhiệt phương pháp phần tử hữu hạn (FEM- Finite Element Method) phần mềm ANSYS Quá trình mô giúp tác giả phân tích, xác định trường nhiệt trình hàn Từ có phân tích, đánh giá mức độ ảnh hưởng nhiệt, dự đoán trường ứng suất xu biến dạng kết cấu hàn Hình Mô trường nhiệt thời điểm hàn phần mềm ANSYS Trong trình hàn, trường nhiệt hàn thay đổi liên tục theo chiều dài đường hàn Để phân tích trường nhiệt điểm đường hàn, tác giả sử dụng mặt cắt ngang mối hàn vị trí cần quan sát phân tích KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Cấu trúc tế vi kim loại mối hàn Bề mặt kiểm tra mài tẩm thực màu để xác định cấu trúc tế vi kim loại mối hàn Quan sát phân tích ảnh chụp tổ chức kim loại mối hàn kính hiển vi quang học OM (Optical Microscopy) với độ phóng đại 500 lần thấy rằng, kim loại mối hàn có cấu trúc dạng hạt dạng sợi nằm xen kẽ Kim loại mối hàn có phân vùng rõ so với kim loại nền, không thấy xuất vùng đệm vùng kim loại mối hàn với kim loại Hình Cấu trúc tế vi kim loại mối hàn (OM, x500) 360 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Cấu trúc siêu tế vi kim loại mối hàn (SEM, x10000) Với ảnh chụp kỹ thuật SEM (Scanning Electron Microscope) có độ phóng đại 10.000 lần, sợi Crôm bít quan sát nõ nét Các sợi Crôm bít xuất vùng kim loại mối hàn với mật độ lớn liên tục làm tăng cường độ cứng, khả chịu va đập chịu mài mòn cho lớp đắp Tiến hành kiểm tra cấu trúc, thành phần hợp kim vị trí khác vùng kim loại mối hàn thấy rằng, có thay đổi lớn hàm lượng nguyên tố hợp kim Trên pha cứng, hàm lượng nguyên tố hợp kim cứng tạo bít Cr có gia tăng đáng kể, hàm lượng Fe bị sụt giảm mạnh Hình Thành phần kim loại mối hàn xác định EDS Tại vị trí kiểm tra nằm pha cứng cho thấy, hàm lượng nguyên tố có thay đổi mạnh Hàm lượng Fe giảm mạnh, hàm lượng Cr có gia tăng đáng kể Hàm lượng nguyên tố xác định vị trí kiểm tra sau Fe~60.7%, Cr~35.1%, Mn~0.9%, C~2.7%, Si~0.6% Sự gia tăng hàm lượng Cr C cho thấy có tập trung Crôm bít vị trí Đây yếu tố định đến độ cứng kim loại mối hàn Bên cạnh đó, nằm xen kẽ với pha cứng pha mềm với gia tăng hàm lượng Fe suy giảm hàm lượng Cr Đây điều kiện tốt để tăng cường liên kết pha tổ chức kim loại lớp đắp Như vậy, kim loại mối hàn tồn pha cứng pha mềm Pha cứng Crôm bít hỗn hợp Cr-Fe-C dạng sợi Các yếu tố định độ cứng, khả chịu mài mòn kim loại mối hàn Đây đặc tính quan trọng lớp đắp bề mặt cánh trục vít ép, đùn thực trình hàn SMAW mà tác giả tạo nhằm tăng cường khả làm việc, hiệu suất tuổi thọ sản phẩm 361 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2 Độ cứng kim loại mối hàn Kiểm tra độ cứng tế vi kim loại mối hàn để đánh giá đặc tính lớp đắp Vị trí kiểm tra độ cứng gồm điểm khác nằm vùng kim loại mối hàn vùng lân cận Hình Kiểm tra độ cứng vùng kim loại mối hàn vùng AHN (OM, x200) Bảng Bảng kết đo độ cứng vùng kim loại mối hàn Điểm kiểm tra Khoảng cách điểm (µm) Độ cứng tế vi (HV0,1) H1 795 742 H2 360 676 H3 74 594 H4 485 311 H5 920 238 Ở vùng kim loại mối hàn, có mặt Crôm bít với mật độ lớn làm tăng đáng kể độ cứng kim loại mối hàn Độ cứng có xu hướng giảm dần tiến đến gần vùng tiếp giáp với kim loại Ở vùng kim loại gần chân mối hàn (nằm vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn), độ cứng giảm nhiều so với vùng kim loại mối hàn Tuy nhiên, độ cứng đo vùng cao so với độ cứng kim loại thép CT38 Sở dĩ có tượng trình hàn SMAW có lượng (Q) cao, độ sâu ngấu lớn nên Crôm bị hòa tan mạnh vào thép CT38 KẾT LUẬN Khi hàn SMAW, vật liệu thép CT38 không nung nóng sơ bộ, vật liệu hàn sử dụng que hàn UTP 718S đường kính 4.0mm, lượng đường Q=1.27kJ/mm, chiều cao lớp đắp đạt khoảng 3mm, chiều sâu ngấu mối hàn trung bình 0.8mm Kim loại mối hàn có dạng hạt dạng sợi nằm xen kẽ Cấu trúc kim loại mối hàn gồm Crôm bít dạng hạt mịn hỗn hợp Cr-Fe-C dạng sợi làm tăng khả liên kết, tăng cường độ cứng tuổi thọ cho kim loại lớp đắp Độ cứng kim loại mối hàn dao động khoảng 594 - 742HV01 có xu hướng giảm dần tiếp giáp với kim loại Với vật liệu hàn, chế độ hàn quy trình hàn SMAW tác giả thực hiện, hiệu suất làm việc tuổi thọ trục vít ép đùn nâng lên 1.5-1.7 lần so với vật liệu hàn tương đương mà doanh nghiệp sử dụng 362 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sao Đỏ tạo điều kiện để thực đề tài nghiên cứu khoa học cấp Cơ sở gắn với đào tạo chuyển giao công nghệ hàn đắp cho doanh nghiệp Chúng xin trân trọng cảm ơn Công ty Cổ phần Viglacera Đông Triều (Quảng Ninh) hợp tác tích cực trình thử nghiệm ứng dụng kết nghiên cứu nhóm tác giả để hàn đắp, phục hồi cánh trục vít ép, đùn dây truyền sản xuất gạch, ngói nhằm nâng cao hiệu kinh tế kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy - Tập 1, NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2007 [2] TCVN 1765-75: Thép bon, kết cấu thông thường, mác thép yêu cầu kỹ thuật [3] Böhler welding group, UTP welding consumables, Germany, 2006 [4] Balamurugan Sivaramakrishnan, Murugan Nadarajan, A study on microhardness, microstructure and wear properties of plasma transferred arc hardfaced structural steel with Titanium carbide, Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, Vol 2, pp 160-168, 2014 THÔNG TIN CỦA TÁC GIẢ: ThS CGHQT Ngô Hữu Mạnh Email: manh.weldtech@gmail.com ThS Tạ Hồng Phong Email: tahongphong13@yahoo.com DĐ: 0936847980 DĐ: 0912227825 ThS Nguyễn Đức Hải Email: duchai@gmail.com DĐ: 0948412984 Đ/c: Trường Đại học Sao Đỏ (P Sao Đỏ - Tx.Chí Linh - T Hải Dương) ĐT: 03203.882269 Fax: 03203.882921 363 Website: www.saodo.edu.vn