Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG LỚP PHỦ BỘT HỢP KIM 67Ni18Cr5Si4B LÊN BỀ MẶT CHI TIẾT TRỤC THÉP C45 BỊ MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ HVOF IDENTIFYING THE ADHERENCE OF THE HARDNESS LAYER OF 67Ni18Cr5Si4B ON THE SURFACE OF CORRODED STEEL SHAFT C45 USING THE METHOD OF HIGH VELOCITY OXYGEN-FUEL (HVOF) PGS TS Đinh Văn Chiến Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội vanchien.dinh@gmail.com TÓM TẮT Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, máy móc thiết bị ngành công nghiệp hoạt động với công suất ngày lớn làm việc điều kiện khắc nghiệt Do đó, chi tiết phải đáp ứng yêu cầu độ bền độ chịu mài mòn cao Để đáp ứng yêu cầu trên, đòi hỏi phải có vật liệu tổ hợp lớp bề mặt có tính đặc biệt đảm bảo độ cứng, chịu mài mòn , kim loại có tính dẻo cao Báo cáo giới thiệu số kết nghiên cứu thực nghiệm công nghệ phun phủ HVOF để phục hồi số chi tiết bị mòn, tạo lớp phủ bề mặt có độ cứng cao, độ chịu mài mòn tốt đáp ứng yêu cầu sản xuất Đồng thời nêu kết nghiên cứu khảo sát ảnh chụp tổ chức tế vi vùng lân cận biên giới liên kết hai lớp Kết nghiên cứu tạo sở khoa học cho việc tính toán, lập quy trình công nghệ phun phủ tạo lớp bề mặt phục hồi chi tiết bị mòn tạo lớp bề mặt có tính cao loại bột hợp kim kim loại khác phương pháp phun HVOF Từ khóa: phun phủ HVOF, bột phun 67Ni18Cr5Si4B, lớp phủ, độ cứng ABSTRACT Along with the remarkable development of science and technology, the machinery and equipment in industries operate with greater and greater capacity and run under extreme conditions Therefore, parts have to meet the requirements for durability and high abrasion resistance In order to meet the aforementioned requirements, it is necessary to produce material combination and surface having special properties such as hardness assurance, abrasion resistance …, and base metal with high ductility This report reveals some results of the experimental research on HVOF spraying to recover some worn parts, form surface coatings with high hardness, good abrasion resistance in order to meet the production requirements In addition, the survey results of photomicrograph of border vicinity linking two layers are indicated The research results provide the scientific basis for the calculation and scheme for spraying to form surface layers recovering worn parts or form new surface layerswith high mechanical properties for other alloy powder and base metal powder with HVOF spraying Keywords: high velocity oxygen fuel (HVOF), 67Ni18Cr5Si4B, coating, hardness ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, với việc phát triển khoa học, công nghệ ngành kỹ thuật, công nghiệp [3], nhu cầu ứng dụng công nghệ tiên tiến ngày nhiều Để đáp ứng yêu cầu đó, thiết bị, máy móc nhập ngoại ngày nhiều Trong trình làm việc, chi tiết máy chịu tác động ngoại lực như: ma sát, mài mòn, ăn mòn Yêu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm kéo dài tuổi thọ kết cấu chi tiết điều kiện tiên [3] Công nghệ phun phủ HVOF giải vấn đề [4], tiết kiệm 392 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nhiều chi phí mua chi tiết thay đắt tiền thu thành tựu to lớn Sự phát triển phun nhiệt HVOF bước tiến quan trọng ngành công nghiệp Ưu điểm công nghệ phun HVOF tạo lớp phủ bề mặt có độ cứng cao, độ chịu mài mòn tốt Đồng thời, không gây ứng suất nhiệt lớn hàn đắp độ bám dính tốt nhiều so với phương pháp phun phủ khác phun hồ quang, phun Plasma Trong báo cáo này, tác giả trình bày kết nghiên cứu xác định độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B lên bề mặt chi tiết trục thép C45 bị mòn phương pháp phun nhiệt khí HVOF VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu phun phủ Trong trình nghiên cứu thử nghiệm tác giả sử dụng vật liệu phun bột hợp kim 67Ni15Cr5Si4B (ký hiệu theo tiêu chuẩn ngành Nga 67H18X5C4P); vật liệu thép C45 với thành phần hóa học tính thép theo TCVN 8301: 2009, mẫu thử nghiệm có kích thước ∅ x L = 60 x 20mm, số lượng mẫu 27 mẫu [2] 2.2 Hệ thống thiết bị phun phủ Hiện giới có nhiều loại thiết bị phun phủ HVOF Các thiết bị phun HVOF hoạt động theo nguyên lý chung Trong điều kiện thí nghiệm tác giả sử dụng thiết bị phun HVOF (Model: MP-2100 Manual HVOF Control Panel, hãng General Metal Alloys Intl (GMA) - Bỉ) Hình Hệ thống thiết bị phun nhiệt tốc độ cao HVOF [1] 2.2.1 Súng phun [1] 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 2.2.2 Bộ điều khiển [5] 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 393 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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) 2.2.3 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 [1]: 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 [1] 2.3 Thông số đo, thiết bị đo phương pháp tiến hành Độ cứng đặc tính vật liệu tiêu đánh giá chất lượng lớp phủ Để kiểm tra, đánh giá chất lượng lớp phủ thông qua độ cứng, tác giả sử dụng máy đo độ cứng tế vi Duramin (Hình 3) theo tiêu chuẩn, Vickers: DIN EN ISO 6507 phần 1-3, ASTM E-384-99 Quá trình kiểm tra độ cứng thực sau: mẫu thử sau cắt từ đối tượng phủ mài bóng không vết xước bề mặt, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật lắp cố định gá mẫu Hình 3: Máy đo độ cứng Duramin đảm bảo độ phẳng, giúp cho trình đo xác Thông qua ống kính xác định vị trí cần đo, điều chỉnh thông số kỹ thuật hình cảm ứng Mũi thử kim cương hình chóp cạnh có kích thước tiêu chuẩn, góc mặt phẳng đối diện 1360 (±30) tự động di chuyển vào vị trí, hạ thấp ấn vào bề mặt mẫu tác dụng tải trọng lập trình, sau ống kính di chuyển vị trí ban đầu để phân tích mũi thử (Hình 4) [6] Sau cắt bỏ tải trọng, tiến hành đo đường chéo d vết lõm, kết đo hiển thị hình số Độ cứng Vickers tính F/S Lấy lực thử F chia cho diện tích bề mặt lõm S Bề mặt lõm S tính theo độ dài trung bình hai đường chéo d Bề mặt lõm tạo thành tác dụng lực vào mẫu thử với mũi đột kim cương, hình chóp Góc tạo hai mặt đối đỉnh thể Hình 394 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Hình dạng vết đo Vickers [6] Hình Vết đo độ cứng Vickers [6] Quy trình đo độ cứng Vickers cụ thể hóa sơ đồ Hình 6: Hình Quy trình đo độ cứng phương pháp Vickers [6] KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Quá trình tiến hành đo độ cứng thực theo thứ tự từ lớp phủ bột hợp kim Ni67Cr18Si5B4 (phía phải) vào lõi thép C45 (phía trái) với tải trọng nhỏ thể Hình Từ cho thấy kích thước vết ấn có giá trị tăng dần từ phần lớp phủ sang phần lõi thép ảnh cấu trúc tương ứng với mẫu khảo sát số 02 mẫu số 18 quy hoạch thực nghiệm Kết đo độ cứng lớp mẫu sau hiệu chỉnh công nghệ cho Bảng Nhận xét: Từ số liệu cho Bảng hình ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng liên kết lớp thép C45 bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B Hình cho thấy: lớp phủ nhận mẫu thí nghiệm có độ mịn, tỷ lệ tạp chất bên lớp phủ ít, độ cứng lớp phủ đạt khoảng 500HV điều chứng tỏ lớp phủ thực công nghệ phun HVOF có chất lượng tốt Độ cứng lớp thép C45, lớp biên giới liên kết lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B mẫu sau hiệu chỉnh công nghệ khảo sát, đạt trung bình tương ứng là: thép = 193.0 HV; trung gian = 346.3 HV lớp phủ = 577 HV (mẫu không qua xử lý nhiệt sau phun phủ); Độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có giá trị trung bình cao khoảng lần so với độ cứng lớp thép C45 phần lõi có giá trị giảm dần theo hướng kính Điều giải thích phần lớp phủ hợp kim phía mẫu có khả tản nhiệt môi trường xung quanh nhanh nên chúng làm nguội nhanh lớp phủ phía bên Ngoài ra, lõi thép bên trước phun phải nung nóng sơ phần lớp phủ hợp kim phía nguội chậm phần lớp phủ phía Độ cứng 395 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV lớp trung gian lớp phủ hợp kim lớp thép C45 đạt trung bình 280,5 ÷ 522,3 HV, cao độ cứng lớp thép C45 STT Bảng Độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 phương pháp HVOF Độ cứng theo thứ tự vết đo (HV) Ký hiệu Lớp thép C45 Lớp trung gian Lớp phủ mẫu (từ vào) (biên giới liên kết) (từ vào lõi) 000 201; 181; 192 (Trung bình: 191.3) 372; 287; 281 (Trung bình: 313.3) 530; 375; 598; 599; 431 (Trung bình: 506.6) 010 221; 186; 196 (Trung bình: 201.0) 378; 304; 292 (Trung bình: 324.7) 378; 438; 532; 591; 583 (Trung bình: 504.4) 020 198; 195; 209 (Trung bình: 200.7) 338; 387; 265 (Trung bình: 330.0) 380; 392; 452; 601; 594 (Trung bình: 483.8) 100 277; 211; 187; 217 (Trung bình: 223.0) 340; 269; 410 (Trung bình: 339.7) 545; 570; 589; 616; (Trung bình: 580) 110 227; 261; 188; 200 (Trung bình: 219.0) 310; 287; 406 (Trung bình: 334.3) 541; 556; 588; 506 (Trung bình: 547.7) 120 223; 255; 161; 233 (Trung bình: 218.0) 277; 423; 357 (Trung bình: 352.3) 551; 542; 573; 606 (Trung bình: 568) 200 287; 213; 200; 198 (Trung bình: 229.0) 506; 214; 533 (Trung bình: 417.7) 442; 614; 593; 628; (Trung bình: 569.2) 210 267; 196; 211; 185 (Trung bình: 214.8) 527; 282; 473 (Trung bình: 427.3) 464; 611; 587; 613 (Trung bình: 568.7) 220 272; 202; 212; 208 (Trung bình: 223.5) 254; 467; 542 (Trung bình: 421.0) 456; 605; 571; 623 (Trung bình: 563.7) 10 001 230; 184; 197 (Trung bình: 203.7) 274; 287 (Trung bình: 280.5) 521; 551; 574; 601; (Trung bình: 561.7) 11 011 218; 186; 206 (Trung bình: 203.3) 263; 307; 281 (Trung bình: 283.7) 596; 463; 567; 598 (Trung bình: 553.7) 12 021 220; 194; 190 (Trung bình: 201.3) 260; 286; 272 (Trung bình: 272.7) 556; 460; 594; 607 (Trung bình: 554.2) 13 101 261; 223; 220; 212 (Trung bình: 229.0) 286; 359; 608 (Trung bình: 417.7) 365; 693; 684; 614; 534; 452 (Trung bình: 557) 14 111 237; 245; 219; 222 (Trung bình: 230.8) 308; 333; 574 (Trung bình: 405.0) 372; 534; 452; 673 (Trung bình: 507.7) 15 121 272; 214; 218; 231 (Trung bình: 233.8) 324; 313; 589 (Trung bình: 408.7) 346; 544; 423; 597 (Trung bình: 482) 16 201 262; 219; 211 (Trung bình: 230.7) 267; 296 (Trung bình: 281.5) 380; 454; 499; 403; (Trung bình: 434) 17 211 247; 233; 226 (Trung bình: 235.3) 276; 324 (Trung bình: 300.0) 511; 320; 375; 503 (Trung bình: 427.2) 396 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 18 221 255; 228; 233 (Trung bình: 238.7) 282; 347; 306 (Trung bình: 311.7) 357; 562; 403; 498 (Trung bình: 455) 19 002 311; 231; 184; 222 (Trung bình: 237.0) 600; 540; 427 (Trung bình: 522.3) 589; 605; 680; 489; 554 (Trung bình: 583.4) 20 012 323; 216; 187; 213 (Trung bình: 234.8) 589; 476; 497 (Trung bình: 520.7) 562; 589; 656; 491; 634 (Trung bình: 532.4) 21 022 328; 219; 193; 227 (Trung bình: 241.8) 458; 576; 381 (Trung bình: 471.7) 473; 607; 634; 567; 542 (Trung bình: 564.6) 22 102 229; 223; 173; 183 (Trung bình: 202.0) 274; 438 (Trung bình: 356.0) 418; 630; 621; 684; 410 (Trung bình: 552.6) 23 112 227; 218; 186; 214 (Trung bình: 211.3) 368; 389 (Trung bình: 378.5) 521; 613; 578; 634; 451 (Trung bình: 559.4) 24 122 222; 226; 192; 180 (Trung bình: 205.0) 287; 362; 413 (Trung bình: 354.0) 433; 561; 642; 681; 470 (Trung bình: 557.4) 25 202 223; 186; 170; 190 (Trung bình: 192.3) 399; 263; 393 (Trung bình: 351.7) 704; 623; 587; 554; (Trung bình: 617) 26 212 221; 192; 176; 181 (Trung bình: 192.5) 380; 277; 387 (Trung bình: 348.0) 518; 404; 689; 652 (Trung bình: 565.7) 27 222 219; 185; 180; 188 (Trung bình: 193.0) 412; 366; 261 (Trung bình: 346.3) 416; 507; 702; 683 (Trung bình: 577) Tổ chức tế vi độ cứng tế vi vùng lân cận biên giới lớp Tổ chức tế vi độ cứng lớp vật liệu sau phun phủ phương pháp HVOF tiêu chí đánh giá chất lượng tổng hợp Kết khảo sát ảnh chụp tổ chức tế vi vùng biên giới lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B lớp thép C45 cho Hình Lõi thép Biên giới lớp phủ Lõi thép a) Mẫu số 02, x100 Biên giới lớp phủ a) Mẫu 18, x100 Lõi thép Lớp phủ b) Mẫu số18, x500 c) Mẫu số 18, x500 Hình Ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng liên kết lớp thép C45 bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B 397 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Phân tích kết thí nghiệm Hình cho thấy: 1) Trên mẫu thí nghiệm số 02 (Hình 9a): vùng biên giới lớp, thép C45 lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B tốt toàn chiều dài mẫu khảo sát, điều chứng tỏ lớp phủ có độ bám dính tốt Các vết ấn đầu đo nhận lớp vật liệu khảo sát có kích thước hình học khác cụ thể là: kích thước vết ấn lớp phủ nhỏ kích thước vết ấn thép, điều cho thấy: độ cứng lớp phủ hợp kim lớn độ cứng thép 2) Ở mẫu thí nghiệm số 18 (Hình 9a, 9b, 9c): biên giới lớp thép C45 lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B tốt toàn chiều dài mẫu khảo sát, điều chứng tỏ lớp phủ có độ bền bám dính tốt Khi đo độ cứng lớp vật liệu mẫu thí nghiệm số 18 tương tự mẫu thí nghiệm số 02: cho thấy kích thước vết ấn lớp thép lớn kích thước vết ấn lớp phủ hợp kim điều chứng tỏ độ cứng lớp phủ hợp kim lớn độ cứng lớp thép 3) Với độ phóng đại lớn (mức x500) vết ấn lõm lớp phủ hợp kim (Hình 9c) vết lõm thép C45 (Hình 9b) cho thấy rõ kích thước hình học chúng khác nhau, điều làm rõ thêm nhận xét mẫu thí nghiệm số 02 18 a) Mẫu số 01, x100 b) Mẫu số 01, x200 c) Mẫu số 8, x100 d) Mẫu số 8, x200 Hình 10 Ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu biên giới liên kết lớp thép C45 với lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B Phân tích kết thí nghiệm Hình 10 cho thấy: 1) Tổ chức tế vi lớp phủ hợp kim mẫu số 01, nhận sau phun phủ cho Hình 10a 10b (có độ phóng đại x100 x200 tương ứng) Biên giới liên kết lớp thép C45 (ở phía trái) lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B (ở phía phải) tương đối tốt Tuy nhiên, ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu mẫu thí nghiệm có phát thấy vài đoạn cấu trúc cục biên giới lớp lớp phủ hợp kim có màu đen, lỗ xốp, điều làm giảm độ bền bám dính lớp, tính chất đặc trưng công nghệ phun phủ Tổ chức tế vi lớp thép C45 kim loại đặc xít 2) Tổ chức tế vi lớp phủ hợp kim mẫu số 8, nhận sau phun phủ cho Hình 10c 10d (có độ phóng đại x100 x200 tương ứng) Biên giới liên kết lớp thép C45 (ở phía trái) lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B (ở phía phải) nhận 398 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tốt Tuy nhiên tồn đoạn cấu trúc cục màu đen tương tự mẫu số 01 số lượng chúng tăng đáng kể, độ bền bám dính hai lớp bị giảm đáng kể Từ kết khảo sát mẫu số 01 mẫu số 08 phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 cho thấy, cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết hai lớp có ảnh hưởng lớn tới chất lượng lớp phủ nói chung độ bền bám dính, độ xốp độ cứng nói riêng Vì vùng biên giới liên kết hai lớp có tỷ lệ % cấu trúc cục màu đen tăng độ bám dính giảm, độ xốp tăng độ cứng giảm, ngược lại KẾT LUẬN Quá trình nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45 công nghệ phun HVOF với chế độ phun theo quy hoạch thực nghiệm Chụp ảnh phân tích cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết hai lớp để đánh giá độ cứng lớp phủ 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 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] 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 [2] 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 [3] http://vguss.com/san-pham/30/thiet-bi-cham-cong/cong-nghe-phun-phu-kim.html [4] http://metalgroup.com.vn/index.php?language=vi&nv=news&op=Giai-phap-phuc-hoi-vabao-ve-be-mat/PHUN-BOT-KIM-LOAI-BANG-HE-THONG-HVOF-77 [5] www.metalspraysupplies.com/mssa/images/brochure%20hipojet%202700%20man.pdf [6] http://www.vnmachine.com/2014/02/phuong-phap-do-do-cung THÔNG TIN TÁC GIẢ PGS TS Đinh Văn Chiến, giảng viên Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội; Email: vanchien.dinh@gmail.com 0913.214.028 (Địa chỉ: Đinh Văn Chiến - 459 - Trương Định - Tân Mai - Hoàng Mai - Hà Nội)./ 399