NGHIÊN cứu ĐÁNH GIÁ độ bền CHỊU NHIỆT của hợp KIM CO 263 3 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ hàn bột PLASMA

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CHỊU NHIỆT CỦA HỢP KIM CO-263-3 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HÀN BỘT PLASMA RESEARCH ON ASSESSMENT OF HEAT RESISTANCE DURABILITY OF CO-263-3 ALLOY FOR APPLICATION IN PLASMA POWDER WELDING Hoàng Văn Châu1a, Đào N Quang Linh2b, Trương Tiến Lộc3c, Đào Quang Kế4d TS., Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn Xử lý bề mặt KS., Công ty CP Công nghệ Trực tuyến 365 ThS., Trường Cao đẳng nghề Nông nghiệp & PTNT Thanh Hóa PGS TS., Học viện Nông nghiệp Việt Nam a hvchau.weld@gmail.com; bqlinh142@gmail.com c truongtienloc.tts@gmail.com; d dqke@vnua.edu.vn TÓM TẮT Vật liệu hợp kim CO-263-3 vật liệu có độ bền cao điều kiện chịu nhiệt độ cao Nghiên cứu thử nghiệm độ bền chịu nhiệt vật liệu CO-263-3 có ý nghĩa quan trọng việc thử nghiệm tính vật liệu phục vụ cho công nghệ hàn đắp hồi phục chi tiết máy Bài báo trình bày kết nghiên cứu độ bền chịu nhiệt vật liệu CO-263-3 ứng dụng công nghệ hàn plasma nhằm tạo lớp bề mặt có tính chịu mài mòn ăn mòn cao thép hợp kim để phục hồi chi tiết máy làm việc điều kiện khắc nghiệt Từ khóa: độ bền chịu nhiệt, hợp kim CO-263-3, điều kiện khắc nghiệt, hàn bột plasma, hàn đắp, lớp bề mặt, hồi phục chi tiết máy ABSTRACT CO-263-3 alloy materials have good durability under the high temperature condition Experimental research on the heat resistance durability of CO-263-3 materials has important implications in testing the mechanical properties of materials for fillet welding technology to recover machine parts The article represents the study results on the heat resistance durability of CO-263-3 materials being applicable for plasma welding technology, for the purpose of creating a surface layer with high abrasion and corrosion resistance on alloy steel substrate to recover the machine parts working in harsh conditions Keywords: heat resistance durability, CO-263-3 alloy, harsh conditions, plasma powder welding, fillet welding, surface layer, recover the machine parts ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ hàn đắp bột hợp kim hồ quang plasma [1, 2, 3, 4] xu hướng công nghệ để nâng cao chất lượng lớp bề mặt hồi phục chế tạo chi tiết máy Đối với phục hồi chi tiết máy, hàn đắp plasma công nghệ tiên tiến phát triển mạnh mẽ Đặc điểm bật phương pháp hàn plasma bột cường độ hồ quang cao, mối hàn hình thành nhanh, nên nhiệt lượng truyền vào vật hàn thấp kết bề rộng vùng ảnh hưởng nhiệt (AHN) nhỏ so với bề rộng vùng AHN phương pháp hàn truyền thống khác [1, 2] Mặt khác, cường độ hồ quang cao nên kịp thời làm nóng chảy lớp mỏng kim loại bản, liên kết kim loại lớp đắp kim loại tốt, hoàn toàn áp dụng phương pháp gia công khí mà không làm giảm chất lượng lớp kim loại đắp Do tập trung nhiệt nên phương pháp tạo lớp hàn với chiều dày mỏng khoảng 0,1mm lượng kim loại tham gia vào mối hàn đắp nhỏ [1, 3, 4] Khi hàn với vật liệu hàn dạng bột thay đổi 408 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV điều chỉnh thành phần kim loại lớp hàn cách thuận lợi đáp ứng yêu cầu làm việc chi tiết máy Phương pháp đạt hiệu tốt hàn đắp chi tiết chịu mài mòn với bột hợp kim cứng đặc biệt Chỉ tiêu tính chủ yếu kim loại lớp đắp có độ cứng HRC ≥ 52, có tính chống mài mòn cao chịu va đập tốt [1, 2] Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm độ bền chịu nhiệt vật liệu hàn CO-263-3 ứng dụng công nghệ hàn plasma để tạo lớp bề mặt có tính chịu mài mòn ăn mòn cao thép hợp kim để phục hồi chi tiết máy (như xupap xả động diesel, ) làm việc điều kiện khắc nghiệt ĐỘ BỀN CHỊU NHIỆT CỦA VẬT LIỆU Khi làm việc nhiệt độ cao, so với nhiệt độ thường, thép có suy giảm rõ rệt tính tính chống mòn (Hình 1) [5] Hình Tính chất kim loại thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ [1, 5] Khi làm việc nhiệt độ cao, kim loại bị biến dạng dẻo chậm chạp theo thời gian gọi dão Đánh giá độ bền thép làm việc nhiệt độ cao tiêu tính riêng giới hạn dão độ bền dão Độ bền dão ứng suất gây phá hủy dão sau thời gian ấn định; giới hạn dão ứng suất cần thiết để có độ biến dạng xác định sau thời gian ấn định [7] Cơ tính vật liệu xác định phương pháp thử khác nhau, tùy thuộc vào chất tải (độ lớn, tốc độ,…) môi trường đặt tải (nhiệt độ, thời gian,…) Thực tế hoạt động, chi tiết chịu tải trọng phức tạp với ứng suất ba chiều Tuy nhiên, phương pháp thử đơn giản thông dụng lại phản ánh đặc trưng tính vật liệu thử kéo Trong đó, mẫu thử kéo chiều, tâm với tải trọng tăng dần bị đứt [6] VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 3.1 Vật liệu thực nghiệm Vật liệu hàn đắp bột hợp kim Cobalt CoCrNiWSi ký hiệu CO-263-3 với thành phần hóa học (%): Cr 29,5, Ni 10,5, W7,0, Si 0,8, Mn 0,7, lại Co; cỡ hạt 150 µm; trọng lượng riêng 4.4 g/cm3 [1] Vật liệu (vật liệu nền) thép 40X9C2 có thành phần hóa học (%): C 0,35-0,45, Cr 8,00-10,00, Mn 0,70, Si 2,00-3,00 Thép có khả chống ăn mòn hóa học (tạo nên lớp vảy oxit crom Cr2O3, oxit silic SiO2 bền, xít chặt) có tính chống ram tốt để không làm giảm độ bền, độ cứng làm việc nhiệt độ cao (tính cứng nóng) [5] Sử dụng vật liệu 40X9C2 nhằm mô vật liệu xupap xả động diesel công suất lớn lắp đặt tàu vận tải biển 409 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2 Thiết bị thực nghiệm Các mẫu thực nghiệm hàn máy hàn PTA WELDING SYSTEM DAIHEN SX500 Mẫu nung nóng sơ trước hàn nhiệt độ T = 3500C lò điện trở EF11/8B Sau hàn, mẫu làm giảm ứng suất dự cách ủ thùng chứa cát, để nguội đến nhiệt độ môi trường Xác định độ bền mối hàn đắp thực máy kéo nén vạn ZDTe-30 3.3 Phương pháp thực nghiệm 3.3.1 Chuẩn bị mẫu hàn đắp Chuẩn bị vật liệu (vật liệu nền): Sử dụng thép 40X9C2, kích thước mẫu 200x200x18mm Các mẫu thực nghiệm hàn với chế độ sau: Dòng điện hàn Ih = 110A, Điện áp hàn Uh = 26V, Vận tốc hàn Vh = 3,6 m/h, Lượng cấp bột G = 42g/min, Khoảng cách đầu hàn l = 15mm, Bề rộng dao động W = 12mm, Góc nghiêng đầu hàn α = 900, Lưu lượng khí tạo plasma Ap = lít/ph, Lưu lượng khí bảo vệ khí mang bột Ab = lít/ph 3.3.2 Thử kéo Sau hàn hồ quang plasma, mẫu hàn đắp gia công để chế tạo mẫu thử kéo nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn (Hình 2a) Các bước tiến hành sau: Xác định diện tích mặt cắt ngang ban đầu (S): Diện tích mặt cắt ngang ban đầu phải tính từ số đo kích thước mẫu thử S= πd = 3,14.9 = 63.585mm Nung nóng mẫu thử: Nung nóng mẫu thử [6] lò nung (Hình 3) có môi trường bảo vệ nhiệt độ xác định (Bảng 1) Tiến hành thử kéo: Các mẫu thử sau nung thử kéo (Hình 2b) Nhiệt độ nung nóng lực kéo tương ứng cho mẫu rõ Bảng Mỗi mẫu lặp lại lần, kết lấy giá trị trung bình a) b) Hình Mẫu thử trước kéo (a) sau kéo (b) 410 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Lò nung mẫu thử Bảng Nhiệt độ nung nóng lực kéo (thời gian nung 36 giờ) Tên mẫu Nhiệt độ nung nóng (0C) Lực kéo (N) Mẫu thử số 500 48133.845 Mẫu thử số 650 41584.59 Mẫu thử số 800 32555.52 Mẫu thử số 950 25179.66 Mẫu thử số 1100 18121.725 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết thực nghiệm Kết thực nghiệm kiểm tra độ bền kéo σb độ giãn dài δ phụ thuộc nhiệt độ T mẫu thử thể Hình Hình σb, MPa 800 700 750 650 600 510 500 400 390 300 285 200 100 500 650 800 950 1100 Hình Đồ thị quan hệ nhiệt độ độ bền 411 T, 0C Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV δ, % 20,00 18,00 18,20 16,00 14,60 14,00 12,00 11,40 10,00 9,30 8,00 8,10 6,00 4,00 2,00 0,00 500 650 800 950 1100 T, 0C Hình Đồ thị quan hệ nhiệt độ độ giãn dài 4.2 Thảo luận kết thực nghiệm Kết thực nghiệm thể Hình cho thấy, nhiệt độ khác độ bền kéo σb độ giãn dài tương đối δ vật liệu khác Khi nung nóng đến nhiệt độ 5000C 6500C mẫu thử có độ bền cao, tương ứng 750 650 MPa Ở nhiệt độ cao nữa, từ 8000 C ÷ 9500C độ bền giảm từ 510 ÷ 390 MPa Đối chiếu với tính vật liệu [5], giá trị bền kéo nói mẫu thử đảm bảo chi tiết máy chế tạo từ vật liệu loại làm việc an toàn khoảng nhiệt độ 500÷9500C Khi nhiệt độ vượt giới hạn cần thiết (trên 9500C, 11000C) mẫu thử có độ bền kéo 285 MPa Tại giá trị này, vật liệu không đủ bền [5], phá hủy vật liệu không theo quy luật khó kiểm soát Trên khoảng nhiệt độ thực nghiệm, độ giãn dài tương đối δ giảm với gia tăng nhiệt độ T Về trị số cho thấy, khoảng nhiệt độ từ 500÷7250C, độ giãn dài chấp nhận [5] Còn 8000C, giá trị không đủ để vật liệu làm việc lâu dài ổn định [1, 5] Cần lưu ý là, chi tiết máy làm việc điều kiện nhiệt độ cao thường giới hạn cao 650÷7000C [1, 5], giá trị độ bền kéo σb độ giãn dài tương đối δ vật liệu khoảng nhiệt độ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cần thiết Từ kết nhận xét thấy, thép hợp kim 40X9C2 sử dụng cho xupap xả đắp hồi phục bột hợp kim coban CO-263-3 có khả làm việc tốt điều kiện thực tế động diesel công suất lớn lắp đặt tàu vận tải biển có tính chất học ổn định nhiệt độ cao KẾT LUẬN Đối chiếu với tính vật liệu, giá trị bền kéo độ dãn dài tương đối mẫu thử đảm bảo chi tiết máy xupap xả động diesel công suất lớn lắp đặt tàu vận tải biển chế tạo từ thép 40X9C2 hàn đắp hồ quang plasma bột hợp kim CO-263-3 có khả làm việc tốt, an toàn ổn định khoảng nhiệt độ cao 500÷7250C Với việc ứng dụng bột hợp kim CO-263-3 làm kim loại đắp hồi phục chi tiết máy mở hướng việc tái sử dụng xupap xả nói thay phần đáng kể nhập ngoại 412 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Văn Châu, Đề tài KHCN độc lập cấp Nhà nước ĐT-PTNTĐ.2011-G/08: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn plasma để chế tạo phục hồi chi tiết máy, Hà Nội, 2013 [2] Bui Van Hanh, Hardsurfacing of wear and impact resistant layers with plasma powder weld, Journal of Science and Technology No58, Hà Nội, 2013 [3] Nguyen Dac Trung, Plasma Pulver Auftragloeten zum Verschleissshutz von Aluminiumlegierungen, ISBN 3-937672061-3, 2004 [4] Tomonobu Owa and Takeshi Shinoda, TiAl surface coating on Titanium by Plasma transferred arc Surfacing and its Oxidation Behavier, Materials Transactions, 2006, vol 47 (No2), pp.247-250 [5] Арзамасов Б.Н., Материаловедение, Изд Машиностроение, Москва, 1986 [6] TCVN 5886-2006, Thử kéo vật liệu nhiệt độ cao [7] https://sites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi/home/gang-va-thep-1/thep/thephop-kim-dac-biet/thep-ben-nong/yeu-cau-doi-voi-thep-lam-viec-o-nhiet-do-cao THÔNG TIN TÁC GIẢ Hoàng Văn Châu Phòng TNTĐ Công nghệ Hàn Xử lý bề mặt hvchauweld@gmail.com 0913003681 Đào Nguyễn Quang Linh Công ty CP Công nghệ Trực tuyến 365 qlinh142@gmail.com 0121514 0292 Trương Tiến Lộc Trường CĐ nghề Nông nghiệp & Phát triển nông thôn Thanh Hóa truongtienloc.tts@gmail.com 0985690232 Đào Quang Kế Học viện Nông nghiệp Việt Nam dqke@vnua.edu.vn 0904365844 413