Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ĐỘ BÁM DÍNH LỚP PHỦ BỘT HỢP KIM 67Ni18Cr5Si4B LÊN BỀ MẶT CHI TIẾT TRỤC THÉP C45 BỊ MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ HVOF STUDY ON THE ADHESION OF 67Ni18Cr5Si4B ALLOY COATING POWDER ON THE SURFACE OF C45 WORN STEEL SHAFT BY USING HIGH VELOCITY OXYGEN FUEL THERMAL SPRAY METHOD HVOF ThS Phạm Văn Liệu1a, PGS TS Đinh Văn Chiến2b Trường Đại học Sao Đỏ Trường Đại học Mỏ - Địa chất a lieudhsd@gmail.com; bvanchien.dinh@gmail.com TÓM TẮT Hiện nay, lớp phủ phun nhiệt sử dụng để nâng cao tính vật liệu Một công nghệ để tạo lớp phủ phun nhiệt công nghệ phun HVOF Đây công nghệ tiên tiến, đại ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp tính linh hoạt khả tạo lớp phủ có độ bền bám dính cao so với phương pháp phun nhiệt khác Trong báo cáo giới thiệu số kết nghiên cứu thực nghiệm phun phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45 công nghệ phun HVOF Đồng thời phân tích ảnh hưởng số thông số công nghệ đến độ bám dính lớp phủ Từ lựa chọn thông số công nghệ phun HVOF hợp lý để phục hồi chi tiết dạng trục bị mòn Từ khóa: phun phủ, HVOF, bột phun 67Ni18Cr5Si4B, thép C45, lớp phủ, độ bám dính ABSTRACT Nowadays, thermal spray coatings are used to enhance mechanical properties of the material One of the technologies used to produce thermal spray coating is HVOF spray technology This is the most advanced and modern technology which has been widely used in industrial sessions due to its flexibility and ability to create coatings with better adhesion in comparison with other thermal spray methods This article presents some empirical findings of spray coating 67Ni18Cr5Si4B alloy powder on C 45 steel shaft by HVOF spray technology It also analyzes the influence of some technological parameters on the adhesion of the coating As a result, the parameters of HVOF spray technology is selected in order to recover the worn axis-sized workpieces Keywords: spray; HVOF, 67Ni18Cr5Si4B spray powder; C45 steel, coatings, adhesion ĐẶT VẤN ĐỀ HVOF phương pháp phun nguội, sử dụng áp lực khí cao tốc độ lớn để tạo lớp phủ có độ bám dính độ chịu mài mòn cao nhiều so với phương pháp phun nguội khác Trước đây, chi tiết như: trục bơm, cánh bơm, trục khuỷu, gối đỡ hộp số, v.v sau thời gian làm việc bị mòn, vị trí lắp ghép, chi tiết thường thay sửa chữa với nguyên công phức tạp gây tốn ảnh hưởng đến tiến độ sản xuất, chất lượng giá thành sản phẩm Cho đến phát minh công nghệ HVOF giải phần lớn vấn đề này, tiết kiệm nhiều chi phí mua chi tiết thay đắt tiền 364 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ngày nay, phương pháp phun phủ HVOF sử dụng rộng rãi giới tất ngành công nghiệp: chế tạo máy, hàng không, tên lửa, đóng tàu, dầu khí, luyện kim, v.v Công nghệ HVOF dần thay công nghệ mạ Crom để chống mài mòn ăn mòn Ưu điểm công nghệ phun phủ HVOF tạo lớp phủ có độ bền bám dính cao với kim loại Đồng thời, không gây ứng suất nhiệt lớn hàn đắp Trong báo cáo này, nhóm tác giả trình bày kết “nghiên cứu xác định độ bền bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B lên bề mặt chi tiết trục thép C45 bị mòn phương pháp phun nhiệt khí HVOF” VẬT LIỆU, HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHUN PHỦ 2.1 Vật liệu phun phủ Trong trình nghiên cứu thử nghiệm, nhóm tác giả sử dụng vật liệu phun bột hợp kim 67Ni15Cr5Si4B (ký hiệu theo tiêu chuẩn ngành Nga 67H18X5C4P) [1]; vật liệu thép C45 với thành phần hóa học tính thép theo TCVN 8301: 2009 [2], mẫu thử nghiệm có kích thước ∅ x L = 60 x 20mm, số lượng mẫu 27 mẫu 2.2 Hệ thống thiết bị phun phủ Trong trình tiến hành thí nghiệm, sử dụng thiết bị phun HVOF Model: MP-2100 Manual HVOF Control Panel, hãng General Metal Alloys Intl (GMA) – Bỉ) Tại Công ty Quang Khánh – Vũng Tàu Hình Sơ đồ hệ thống thiết bị phun nhiệt tốc độ cao HVOF Súng phun: Súng phun HIPOJET-2700 loại súng phun chắn linh hoạt, thiết kế đặc biệt phù hợp với tất khí nhiên liệu Thiết bị làm việc đảm bảo độ tin cậy hiệu quả, điều chỉnh để phun tay phun tự động máy Bộ điều khiển: Bộ điều khiển MP-2100 phận quan trọng hệ thống phun bột Nó công cụ mạnh thiết kế để điều chỉnh an toàn cho hệ thống đo lưu lượng khí oxy, khí đốt không khí đến súng phun Kết nối nguồn cung cấp khí đốt súng phun, thành phần giúp cho chất lượng lớp phủ đạt mức tốt 03 đồng hồ đo bảng điều khiển dùng để đo lưu lượng: oxy (0 - 21 kg/cm2), Khí đốt (LPG /Propane) (0 - 10 kg/cm2) khí nén (0 – 10 kg/cm2) Áp suất lưu lượng cài sẵn thông qua việc điều chỉnh khí; không khí trang bị bình chứa khí thiết bị điều khiển khí nén tương ứng Bảng điều khiển bao gồm thước đo lưu lượng chất khí oxy, nhiên liệu, khí nén Lưu lượng điều chỉnh van cung cấp Điện áp đầu vào cung cấp cho bảng điều khiển 220 V /1 P / 50 Hz (110V optional) 365 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.3 Nguyên lý phun phủ HVOF Trong trình phun phủ HVOF, thông số điều chỉnh phạm vi miền khảo sát quy hoạch thực nghiệm với L=0,1÷0,3m, V= 800÷1200m/s m = 300÷500g/ph Nguyên lý phun phủ HVOF mô tả Hình [3]: Một hỗn hợp nhiên liệu khí chất lỏng (khí hydro, khí mê-tan, propan, propylen, acetylene, khí tự nhiên, ) chất lỏng (dầu lửa, ) oxy đưa vào buồng đốt, nơi chúng đốt cháy đốt cháy liên tục Tạo thành khí nóng với áp suất gần MPa qua vòi phun hội tụ - phân kì qua đoạn thẳng với vận tốc vượt tốc độ âm thanh, phần bột phun đưa vào dòng khí tốc độ lên đến 800 m/s Hỗn hợp khí cháy bột hướng bề mặt phủ Bột kim loại tan chảy dòng khí cháy dính lên bề mặt Kết hình thành lớp phủ có độ xốp thấp lực liên kết cao Hình Nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF [3] TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Việc xác định độ bám dính lớp phủ nhiều nhà khoa học nghiên cứu với nhiều phương pháp khác như: phương pháp keo dính, phương pháp kéo mẫu trực tiếp, Trong trình nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng thiết bị máy kéo, nén MTS 809 (Hình 3) để làm thử nghiệm lựa chọn phương pháp kiểm tra độ bám dính lớp phủ với bề mặt kim loại theo phương tiếp tuyến (bằng phương pháp kéo trượt) theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS H 8664 – 1977 Bởi phương pháp đảm bảo tính xác khả để lại biến dạng bề mặt cắt mang lại hiệu cao cho thu thập liệu định lượng mối quan hệ lớp phủ chất thể Hình kích thước khuôn cối mẫu thử thể Hình Hình Máy kéo, nén MTS 809 366 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a b c Hình Kích thước khuôn cối mẫu thử a Khuôn cối; b Trục dẫn hướng; c Mẫu thử Khuôn cối chế tạo từ thép X12M có kích thước 100mm x 100mm x 10mm, gia công công nghệ cắt dây, có kích thước đường kính ∅60.2mm Hình 4a Mẫu thử chế tạo từ thép C45 phủ lớp hợp kim 67Ni18Cr5Si4B công nghệ phun HVOF có chiều dày 0.6mm, sau gia công có kích thước Hình 4c Khuôn cối lắp với mẫu thử chế độ lắp sít trượt thông qua trục dẫn hướng Hình 4b Dưới tác dụng lực nén, lớp phun phủ bị bong khỏi bề mặt Ứng suất bám trượt (τ) xác định theo công thức [1], [4], [5]: 𝜏𝜏 = PT (1) F Trong đó: τ - ứng suất bám trượt (kG/mm2 Pa MPa) PT - lực nén đứt (kG) F - diện tích bề mặt xung quanh lớp phủ tiếp xúc với mẫu (mm2) F = π.D.h mà: D - đường kính mẫu (D = 60mm) h - chiều cao lớp phủ, (h = 6mm) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết đo tính toán độ bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45, với số lượng 27 mẫu theo quy hoạch thực nghiệm cho Bảng Bảng Kết đo độ bám dính lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B STT Mã công nghệ HVOF Chế độ phun Ứng suất bám dính L (m) V (m/s) m (g/ph) σTN (MPa) σQH (MPa) Sai số εσ (%) 000 0,1 800 300 29,134 30,604 5,05 010 0,1 800 400 33,291 33,873 1,75 020 0,1 800 500 36,401 35,908 1,35 100 0,1 1000 300 37,346 36,302 2,80 367 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV STT Mã Chế độ phun Ứng suất bám dính L (m) V (m/s) m (g/ph) σTN (MPa) σQH (MPa) Sai số εσ (%) 110 0,1 1000 400 40,564 39,045 3,75 120 0,1 1000 500 41,214 40,554 1,60 200 0,1 1200 300 43,256 43,096 0,37 210 0,1 1200 400 44,091 45,313 2,77 220 0,1 1200 500 46,263 46,296 0,07 10 001 0,2 800 300 41,446 40,483 2,32 11 011 0,2 800 400 43,369 43,844 1,09 12 021 0,2 800 500 45,894 45,970 0,16 13 101 0,2 1000 300 49,540 47,797 3,52 14 111 0,2 1000 400 50,497 50,632 0,27 15 121 0,2 1000 500 51,127 52,232 2,16 16 201 0,2 1200 300 54,430 56,207 3,26 17 211 0,2 1200 400 58,940 59,590 1,10 18 221 0,2 1200 500 60,674 58,516 3,56 19 002 0,3 800 300 63,255 62,722 0,84 20 012 0,3 800 400 66,431 66,174 0,39 21 022 0,3 800 500 69,069 68,393 0,98 22 102 0,3 1000 300 70,316 71,652 1,90 23 112 0,3 1000 400 73,139 74,578 1,97 24 122 0,3 1000 500 76,028 76,271 0,32 25 202 0,3 1200 300 82,416 81,678 0,89 26 212 0,3 1200 400 84,461 84,078 0,45 27 222 0,3 1200 500 86,162 85,245 1,06 Phân tích số liệu thực nghiệm Bảng cho thấy: Độ bền bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45 mẫu thí nghiệm có xu hướng tăng (tỷ lệ thuận) theo chiều tăng thông số phun đạt giá trị khoảng cụ thể là: lô thí nghiệm 1: σTB = 29,134 đến 46,263; lô thí nghiệm 2: σTB = 41,446 đến 60,674; lô thí nghiệm 3: σTB = 63,255 đến 86,162 Điều chứng tỏ rằng, việc điều chỉnh thông số phun phủ gần tới vùng tối ưu cho phép nhận lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có độ bền bám dính tăng đáng kể so với lô thí nghiệm định hướng công nghệ ban đầu theo quy hoạch thực nghiệm 4.1 Xây dựng đồ thị 2D, 3D ảnh hưởng thông số L, V m đến độ bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45 4.1.1 Xây dựng đồ thị 2D Từ số liệu Bảng kết hợp việc sử dụng phần mềm tính toán xử lý số liệu thống kê toán học thực nghiệm chuyên dụng xây dựng đồ thị dạng 2D biểu diễn độ bám dính lớp phủ phụ thuộc vào thông số đầu vào L, V m hình 368 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số V L=0.1m, m=400g/ph b) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số V L=0.2m, m=400g/ph c) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số V L=0.3m, m=400g/ph Hình Đồ thị 2D biểu diễn độ bám dính phụ thuộc vào thông số L V m=400g/ph a) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số m b) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số m L=0.1m, V=1000m/s L=0.2m, V=1000m/s c) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số m L=0.3m, V=1000m/s Hình Đồ thị 2D biểu diễn độ bám dính phụ thuộc vào thông số L m V=1000m/s 369 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số V b) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số V m=300g/ph, L=0.2m m=400g/ph, L=0.2m c) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số V m=500g/ph, L=0.2m Hình Đồ thị 2D biểu diễn độ bám dính phụ thuộc vào thông số m V L=0.2m Từ đồ thị cho Hình 5, cho thấy: Xét trường hợp với m=400g/ph (mức trung bình miền khảo sát QHTN) L m thay đổi khoảng: L=0.1÷0.3m V=800÷1200m/s độ bền bám dính (σP) có xu hướng tăng theo chiều tăng L V Mức độ tăng (σP) lô thí nghiệm 3, Hình 5(c) có giá trị cao hẳn so với lô thí nghiệm Hình 5(a,b) phân tích số liệu Bảng Khi giữ nguyên V=1000m/s (mức trung bình miền khảo sát QHTN) L m thay đổi khoảng: L=0.1÷0.3m m=300÷500m/s đồ thị Hình 6(a,b,c) độ bền bám dính (σP) có xu hướng tăng theo chiều tăng L m Mức độ tăng (σP) lô thí nghiệm 3, Hình 6(c) có giá trị cao hẳn so với lô thí nghiệm Hình 6(a,b) phân tích số liệu Bảng Trường hợp L=0.2m (mức trung bình miền khảo sát QHTN) m V thay đổi khoảng: m=300÷500m/s V=800÷1200m/s độ bền bám dính (σP) có xu hướng tăng theo chiều tăng m V Mức độ tăng (σP) lô thí nghiệm có giá trị sấp xỉ 370 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 4.1.2 Xây dựng đường đặc tính 3D a) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số m=300-500g/ph L, V = const b) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số V=800-1200m/s L, m = const c) Biểu diễn phụ thuộc vào thông số L=0.1-0.3m V, m = const Hình Đồ thị 3D biểu diễn ảnh hưởng đồng thời thông số L, V m đến độ bền bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45 công nghệ phun HVOF Hình cho thấy mức độ ảnh hưởng đồng thời thông số công nghệ phun miền khảo sát lựa chọn đến độ bền bám dính (σP) rõ so với đồ thị 2D cho Hình 5, và (σP) tỷ lệ thuận theo chiều tăng thông số công nghệ phun L, V m (trong miền khảo sát QHTN) 4.2 Xây dựng phương trình toán học hàm hồi quy ảnh hưởng V, L, m đến độ bền bám dính lớp phủ Việc xây dựng phương trình toán học hàm hồi quy độ bền bám dính lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B với lớp trục thép C45 thực theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm Từ số liệu Bảng cho phép xây dựng mô hình toán học hàm hồi quy bậc độ bền bám dính (σP) theo thông số công nghệ phun L, V m 371 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hàm hồi quy bậc 2: (2) Trong đó: L – khoảng cách tính (m); V – tốc độ trung bình dòng kim loại phun tính (m/s); m – Lưu lượng phun tính (g/ph) Hàm hồi quy kiểm tra tính thích hợp theo tiêu Fisher đảm bảo độ tin cậy Từ mô hình toán học cho thấy ảnh hưởng thông số L, V m đến độ bám dính lớp phủ theo thứ tự giảm dần sau: V m L Thông số (V) có ảnh hưởng mạnh đến (σP) hệ số trước hạng bậc (+ 0.0960) bậc (- 0.0000617) (V) hệ số trước hạng bậc bậc nhỏ trái chiều tham số (V) lại lớn điều làm cho (V) tăng dẫn đến giá trị cuối (σP) tăng Thông số (m) có ảnh hưởng mạnh đến (σP) hệ số trước hạng bậc (+ 0.00364) bậc (+ 0.0000137) (m) không lớn mang dấu dương, (m) tăng (σP) tăng Thông số (L): hệ số trước số hạng bậc (-154) bậc (+618) (L) hai hệ số trước hạng bậc bậc có giá trị lớn lại ảnh hưởng trái chiều, tham số (L) lại nhỏ nên (L) tăng không đáng kể dẫn đến giá trị cuối (σP) tăng không đáng kể KẾT LUẬN Quá trình nghiên cứu thực nghiệm xây dựng đồ thị 2D (Hình 9, 10, 11), 3D (Hình 12) mô hình toán học hàm hồi quy bậc (công thức số 2) để đánh giá độ bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45 công nghệ phun HVOF Kết nghiên cứu ứng dụng để tính toán, lựa chọn chế độ công nghệ phun hợp lý việc phục hồi chi tiết dạng trục làm việc môi trường chịu ma sát, mài mòn tạo vật liệu mới, Kết nghiên cứu làm tài liệu tham khảo việc xây dựng quy trình lựa chọn thông số phun hợp lý công nghệ phun phủ HVOF với loại bột phun kim loại khác việc phục hồi chi tiết máy bị mòn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Dũng, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật – Viện Nghiên cứu Cơ khí, 2012 [2] Phuluc_TCVN8301_2009 [3] Đinh Văn Chiến, Đinh Bá Trụ, Kỹ thuật phun nhiệt tốc độ cao HVOF, HVAF, D-Gun, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2014 [4] Hoàng Tùng, Công nghệ phun phủ ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [5] Nguyễn Văn Thông, Công nghệ phun phủ bảo vệ phục hồi, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 372