Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÍNH CHỐNG MÒN Ở NHIỆT ĐỘ CAO CỦA LỚP COMPOSITE TiC/Co MATRIX TRÊN BỀ MẶT THÉP AISI H13 TRÁNG PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LASER CLADDING MICROSTRUCTURE AND HIGH-TEMPERATURE WEAR BEHAVIORS OF Co/TiC LASER COATINGS ON TOOL STEEL Phạm Thị Hồng Nga1a, Võ Ngọc Yến Phương2b, Trần Ngọc Thiện1c, Trần Thế San1d, Yehua JIANG3e Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, TP HCM, Việt Nam Trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh, TP HCM, Việt Nam Trường Đại học Bách khoa Côn Minh, TP Côn Minh, Vân Nam, Trung Quốc a hongnga@hcmute.edu.vn, byenphuongctm@gmail.com c ngocthienbt@gmail.com, dtranthesanckm@gmail.com e 1557761566@qq.com TÓM TẮT Áp dụng phương pháp Laser Cladding, tạo lớp tráng phủ hợp kim Co50 lớp tráng phủ composite Co50+20%TiC, theo % trọng lượng, bề mặt thép dụng cụ hợp kim, khuôn gia công nóng, H13 Sử dụng thiết bị XRD, SEM máy thí nghiệm ma sát trượt MMU5G để phân tích pha tạo thành, phân bố độ cứng tế vi với tính chống mòn lớp phủ nêu Kết phân tích cho thấy, lớp tráng phủ Co50 chủ yếu gồm dung dịch rắn γ-Co pha Cr1.12Ni2.88, lớp phủ Co+20%TiC gồm TiC, pha Cr2Ni3 γ-Co Độ cứng lớp phủ composite Co+20%TiC cao lớp phủ hợp kim Co50 Tính chống mòn lớp phủ Co+20%TiC tốt lớp phủ Co50, hệ số ma sát ổn định, tính chống mòn nhiệt độ cao ưu việt Kết nghiên cứu cho thấy, 700oC, bề mặt lớp phủ tồn lượng lớn màng mỏng ôxyt, chế mài mòn chủ yếu mòn ôxy hóa mòn mỏi Tổng hợp kết nghiên cứu, lớp phủ Co+20%TiC thể tính tốt, độ cứng lẫn tính chống mòn, nhiều triển vọng đáp ứng yêu cầu khắt khe thực tiễn Từ khóa: Laser Cladding, lớp tráng phủ composite TiC/Co-matrix, ma sát nhiệt độ cao, hợp kim Coban tự nóng chảy, thép khuôn gia công nóng AISI H13 ABSTRACT Laser cladding Co50 alloy coating and Co50 composite coatings doped with 20wt.% TiC particles were prepared on the H13 steel The phase composition and micro-hardness of coatings were studied, the wear behaviors of the coatings at different temperatures were investigated using a MMU-5G high-temperature wear tester The results indicated that, Co50 coating consisted of γ-Co and Cr1.12Ni2.88, while Co+20%TiC coating contained TiC, Cr2Ni3 and γ-Co Cross section of coating micro-hardness distributions showed that, micro-hardness of TiC/Co based coating was significantly higher than that of Co-based coating Co+20%TiC coating showed better wear behavior than Co50 coating, had a more stable fiction coefficient and high-temperature wear properties are excellent High-temperature wear behaviors of these coatings were influenced by oxidation, the mechanism of them are mainly caused by adhesive wear and oxidation wear Co20%TiC composite coating exhibits good comprehensive properties, its hardness and high-temperature wear resistance can meet the use requirements Keywords: Laser Cladding; TiC/Co-based composite coating; high-temperature wear, self-fluxing Cobalt based alloys, AISI H13 hot work tool steel 378 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV DẪN NHẬP Phần lớn máy móc bị hỏng gãy mà mòn hư hỏng bề mặt ma sát mối liên kết động Hơn nửa nhiên liệu dùng để chạy ô tô, đầu máy xe lửa phương tiện giao thông khác thực chất để khắc phục trở lực ma sát gây nên chi tiết máy Trong trình sử dụng loại thép khuôn gia công nóng vậy, yêu cầu bề mặt vật liệu phải có độ bền độ dẻo nhiệt độ cao, đặc biệt khả chống mòn mỏi nhiệt nhiệt độ cao Hiện có nhiều phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt tiên tiến triển khai nghiên cứu, ứng dụng Việt Nam là: thấm N, thấm N-S nhiệt độ thấp, thấm nguyên tố hiếm,… Ngoài biện pháp công nghệ học, sử dụng phương pháp gia công điện hóa, hóa điện để gia công chi tiết hay bề mặt chi tiết máy tia lửa điện, cắt dây EDM, mạ điện, mạ xoa, thấm nguyên tố hiếm, Nhìn chung, vật liệu cứng giòn dễ vỡ, người ta cố gắng tìm loại vật liệu vừa có độ cứng, vừa có độ bền nhiệt độ bền uốn cao Trong phương pháp gia công trên, việc đạt mục đích có hình dáng, biên dạng kích thước bề mặt hay chi tiết định, làm cho cấu trúc tính lý hóa lớp bề mặt thay đổi nhiều Hiện hướng phát triển mạnh ngành chế tạo máy mà điển hình trình tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) Một hướng phủ vật liệu có độ cứng cao, hệ số mài mòn nhỏ lên vật liệu có độ bền uốn cao Những thập kỷ gần đây, Laser Cladding (LC) xem phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt vật liệu tiên tiến, phát triển với tốc độ chóng mặt đặc biệt có ưu việc sửa chữa, phục hồi bề mặt thiết bị có kích thước lớn [1~3] Kỹ thuật nóng chảy lớp hợp kim kim loại/ carbide phát triển mạnh năm gần nhằm mục đích nâng cao tính chống mòn vật liệu Trong đó, lớp phủ hợp kim Coban tự nóng chảy [4~9] nâng cao khả chống ôxy hóa tính chống mòn bề mặt vật liệu, đồng thời, bổ sung loại carbide WC, B4C, SiC, Cr2C3, TiC,… có tính bền nhiệt cao vào hợp kim Co nêu trên, cải thiện tính nhiệt độ cao cách hiệu Đối với lớp phủ nóng chảy, mài mòn ma sát trình phức tạp, chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, đặc biệt nhiệt độ cao độ cứng độ bền bị giảm rõ rệt, thêm vào trình ôxy hóa mãnh liệt, hệ số giãn nở tăng, làm cho tổ chức lớp phủ bị thay đổi hình thức hư hỏng phức tạp phổ biến Hiện tại, tính chống mòn lớp phủ nhiệt độ thường có nhiều nghiên cứu, nhiên báo cáo tính chống mòn nhiệt độ cao hạn chế, chí chọn dùng vật liệu nhiệt độ cao tham khảo số liệu thí nghiệm nhiệt độ thường PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu phương pháp thí nghiệm Hình 1: Máy LC loại GS-TFL 6000 transverse-flow CO2 lớp bột phủ sẵn Thí nghiệm chọn thép H13 làm thép nền, với thành phần chủ yếu sau phân tích phổ nêu Bảng 1, kích thước mẫu nghiên cứu: 100 mm×30 mm×10 mm Trước thí nghiệm, dùng giấy nhám mài bề mặt mẫu, sau rửa alcohol acetone 379 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV hong khô lò sấy Bột hợp kim tự nóng chảy Co50 có thành phần nêu Bảng 2, kích thước hạt ∼ 53 μm; bột TiC có độ tinh khiết 99.5%, kích thước hạt ∼ 10 μm Chọn phương pháp phủ sẵn lớp bột hợp kim bề mặt thép nền, sau áp dụng phương pháp LC để làm nóng chảy lớp bột phủ trước đó, lớp bột phủ sẵn dùng chất dính kết tự chế Lớp bột phủ sẵn gồm: lớp bột hợp kim Co50 lớp bột composite 20%TiC + Co50 (% trọng lượng), với chiều dày ∼ mm (Hình 1) Lớp bột phủ sẵn thép sau hong khô lò sấy 8h, trước đem thực nóng chảy phương pháp LC Bảng 1: Thành phần hóa học (% trọng lượng) thép H13 dùng thí nghiệm Nguyên tố C Si Mn Cr Mo V Fe % trọng lượng 0.43 1.17 0.48 4.79 1.38 0.94 Còn lại Bảng 2: Thành phần hóa học (% trọng lượng) bột hợp kim Co50 thí nghiệm Nguyên tố C W Si B Cr Mo Fe Co Ni % trọng lượng 0.6 3.0 3.5 2.25 20.0 5.1 5.0 Còn lại 14.0 Quá trình cải thiện, tráng phủ lớp bề mặt thép H13 thực Trường Đại học Bách khoa Côn Minh, máy Laser Cladding loại GS-TFL 6000 transverse-flow CO2 (Hình 1), với thông số chính: công suất dòng tia laser 3.3~3.9 kW, tốc độ quét 350~400 mm/min, khoảng cách từ đầu tia laser đến bề mặt thép 50 mm, lưu lượng dòng khí Argon bảo vệ lớp phủ L/h, thông số công nghệ lại nêu Bảng Bảng 3: Các thông số thực nghiệm áp dụng phương pháp LC Mẫu Tỷ số thành phần rm(TiC:Co50) (% trọng lượng) Công suất laser P [kW] Tốc độ quét Vs [mm/min] S0 0:1 3.3 400 S2 3:12 3.9 350 Hình dạng lớp phủ sau thực nóng chảy 2.2 Phương pháp xác định tính Chọn máy cắt vật liệu laser sợi kim loại để cắt mẫu thử XRD, mẫu đo độ cứng mẫu để thử nghiệm tính chống mòn Sử dụng máy phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) loại D/MAX-3B (Nhật Bản), với phạm vi góc quét 10o ~ 100°, xạ tia X: Cu Kα, l = 1.5406 Å, điện áp ống 40 kV, dòng điện ống 30 mA, tốc độ quét 10°/min Chọn máy đo độ cứng tế vi loại HMV-WIN, với tải trọng 1.961N (HV0.2), thời gian dừng lực kiểm tra 15 s, chọn mặt liên kết lớp phủ hợp kim thép H13 làm gốc tọa độ, sau tiến hành đo độ cứng phía phía gốc tọa độ theo khoảng cách khác nhau, phía gốc tọa độ mang giá trị dương ngược lại Hình 2: Máy thí nghiệm mài mòn ma sát nhiệt độ cao loại MMU-5G 380 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Dùng máy thí nghiệm mài mòn ma sát nhiệt độ cao loại MMU-5G (Hình 2) để nghiên cứu tính chống mòn lớp phủ nhiệt độ thường 700oC Chọn dùng cặp ma sát đối tiếp kiểu “loại trừ - vòng đĩa” thường dùng để thử nghiệm lớp phủ tia laser, cụ thể gồm: mẫu lớp phủ hợp kim, kích thước φ4x15 mm, dùng mẫu/ lần thí nghiệm; mẫu vòng đĩa đóng vai trò mẫu đối ứng, với vật liệu chọn dùng thép khuôn dập nguội Cr12MoV (TC Trung Quốc) qua xử lý nhiệt, độ cứng >50 HRC, kích thước φ43x3 mm Lực thí nghiệm 98 N, tốc độ 200 r/min, thời gian mài mòn 2h, chạy rà min, lượng mòn sau thí nghiệm ω = ωban đầu - ωsau thí nghiệm Trước sau thí nghiệm, mẫu mẫu rửa sóng siêu âm, sau sấy khô dùng cân điện tử (độ xác 0.1 mg) cân trọng lượng KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Phân tích pha lớp phủ phổ XRD Hình biểu diễn phổ XRD lớp phủ hợp kim Phân tích phổ XRD cho thấy, pha mẫu S0 chủ yếu gồm dung dịch rắn γ-Co có kiểu mạng lập phương tâm diện, fcc, pha Cr1.12Ni2.88, γ-Co cho đỉnh XRD có cường độ mạnh Như biết, Co kim loại có nhiều kiểu thù hình, nhiệt độ 4170C trở lên Co có kiểu mạng lập phương tâm diện (fcc), γ-Co; nhiệt độ giảm, Co lại chuyển biến thành kiểu mạng lục giác xếp chặt (hcp) εCo Tuy nhiên, phổ phân tích XRD cho kết γ-Co mà ε-Co Nguyên nhân thành phần bột hợp kim Co50 có chứa nguyên tố Ni Fe có kiểu mạng fcc ổn định (đặc biệt hàm lượng Ni chiếm cao), đồng thời có nguyên tố W có khuynh hướng làm giảm chuyển biến thù hình từ γ sang ε, nữa, lớp bề mặt cải tiến thực phương pháp LC có tốc độ kết tinh tốc độ làm nguội cực nhanh, làm cho γ-Co nhiệt độ cao không kịp chuyển biến thành ε-Co nhiệt độ giảm đột ngột, nhiệt độ bình thường, lớp phủ hợp kim thấy γ-Co Điều có nghĩa dung dịch rắn chứa γ-Co, nguyên tố khác[4,5] Pha Cr1.12Ni2.88 hình thành nguyên tố Cr Ni có thành phần bột hợp kim Co50 tác dụng chùm tia laser phản ứng hóa học với tạo thành, pha hình thành phần đặc điểm tốc độ kết tinh tốc độ làm nguội cực nhanh phương pháp LC, pha đồng thời hòa tan lượng nhỏ nguyên tố khác ▲ ○ ● ■ Intensity, a.u ○ ● ■ γ-Co Cr1.12Ni2.88 ○ ○ ■ 800 TiC Cr2Ni3 ● ○■ ○ Hardness ( HV0.2) ● S2 ▲ ● ▲ ● 30 40 50 60 70 2θ/ ° 80 600 400 200 Substrate S0 ● S0 S2 HAZ BZ CZ -1200 -800 -400 400 800 Distance from Clad/Substrate interface/ μm 90 Hình 4: Đường cong phân bố độ cứng vi mô lớp tráng phủ Hình 3: Kết phân tích phổ XRD lớp tráng phủ Từ phổ XRD thấy, lớp phủ S2 chủ yếu gồm pha TiC, Cr2Ni3 γ-Co Trong đó, TiC tồn hai dạng, TiC ban đầu bị nóng chảy phần TiC kết tinh chỗ (in situ), TiC kết tinh chỗ lại bao gồm TiC tạo thành TiC tiết γ-Co TiC kết tinh chỗ hình thành nguyên nhân, tốc độ gia nhiệt nhanh phương pháp LC, TiC có hiệu suất hấp thu lượng cao nhiều so với Co, nên mức độ phân giải TiC vùng nóng chảy chắn lớn Co Do đó, trình nóng chảy, số hạt TiC có nội cao [10] (do trình tạo bột TiC tồn biến dạng có chút khuyết tật) dẫn đến bị nóng chảy hoàn toàn, hạt TiC lớn bị nóng chảy phần biên phần nhô lên, TiC nóng chảy sau phân giải tạo thành nguyên tử Ti C Trong trình nguội, số nguyên tử Ti C từ pha lỏng tái kết hợp lại tạo thành 381 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TiC Cuối lớp phủ, TiC ban đầu bị nóng chảy phần có TiC tạo thành TiC tiết γ-Co Pha Cr2Ni3 hình thành tương tự pha Cr1.12Ni2.88, khác chỗ, có TiC tăng cường, cường độ pha Cr2Ni3 lại giảm Ngoài ra, phát thấy rằng, dung dịch rắn chứa γ-Co diện hai lớp phủ 3.2 Độ cứng tế vi lớp tráng phủ bề mặt Hình minh họa phân bố độ cứng tế vi lớp phủ hợp kim Có thể dễ dàng nhận thấy, độ cứng lớp phủ hợp kim phân thành ba vùng rõ rệt, giá trị độ cứng vùng chênh lệch cao Từ thép đỉnh lớp phủ, độ cứng tăng dần, nghĩa khả chống mòn thép H13 tăng tương ứng Từ kết thí nghiệm, nhận số liệu sau: độ cứng trung bình thép H13 208 HV0.2, độ cứng trung bình S0 S2 499 HV0.2 590 HV0.2, hai lớp phủ có độ cứng cao thép H13 2.4 2.8 lần Điều chứng tỏ, áp dụng phương pháp LC, độ cứng bề mặt thép H13 nâng cao rõ rệt Vùng liên kết (BZ) lớp phủ thép có độ cứng thấp lớp phủ (CZ), có diện nguyên tố Fe từ thép khuếch tán lên lớp phủ trình nóng chảy tác dụng nhiệt từ chùm tia laser công suất lớn, nguyên tố Fe có tác dụng xấu làm loãng thành phần khác, dẫn đến độ cứng BZ bị giảm Vùng bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có độ cứng cao vật liệu nền, nguyên nhân nguyên tố hợp kim Co, Mo nguyên tố khác, tác dụng chùm tia laser, khuếch tán xuống thép, tạo thành dung dịch rắn tăng cường Một nguyên nhân ảnh hưởng chùm tia laser, nhiệt độ HAZ cao điểm tới hạn Ac3, sau nhiệt độ lại giảm đột ngột, điều xem HAZ vùng (tương tự trình chuyển biến martensite làm nguội nhanh austenite), làm cho độ cứng khu vực tương đối cao [6] Càng cách xa BZ, nhiệt độ gia nhiệt giảm, khác biệt khu vực gia nhiệt không gia nhiệt nhỏ, cuối khu vực gia nhiệt độ sang tổ chức thép, độ cứng giảm theo [9] Độ cứng lớp phủ S0 nâng cao, pha Cr1.12Ni2.88 hình thành có độ cứng điểm nóng chảy cao, pha phân tán đồng dung dịch rắn γ-Co, hình thành tổ chức tinh nhỏ mịn với độ cứng cao, làm cản trở trình phát triển tinh thể, từ có tác dụng làm nhỏ mịn hạt tinh thể Ngoài ra, hợp kim Co50 có nguyên tố Cr, Ni, Fe C…, trình tác dụng chùm tia laser, nguyên tố bị nóng chảy hòa tan vào dung dịch rắn γ-Co, có tác dụng tăng cường cho dung dịch rắn Lớp phủ S2 có độ cứng cao S0, nguyên nhân pha hình thành có độ cứng điểm nóng chảy cao, đồng thời lớp phủ tồn lượng lớn TiC kết tinh chỗ (in situ) có tính chất hoàn hảo TiC ban đầu, TiC ban đầu bị nóng chảy phần (như phân tích phần trên) giữ đặc tính carbides, có kích thước nhỏ phân tán đồng đều, đóng vai trò tăng bền, nên độ cứng lớp phủ tăng cao 3.3 Phân tích khả chống mòn lớp phủ 1.0 room temperature 700℃ 0.6 0.4 0.8 ● γ-Co ○ TiC ● △ △ △ ▲○△ ▲ ▲ △ ▲ 700 ℃ Intensity, a.u 0.8 room temperature Friction coefficient , μ Friction coefficient , μ 1.0 0.6 0.4 ○△ △ ▲ ▲ ● △ ▲ CoCr2O4 △ NiCr2O4 △△ ▲ △ ○△ ▲△ △ ▲▲△ ● ▲○ ▲ ○ △△ △△ △ △ S2 - 700℃ ● ○ ○ ○ ● ○ ●○ S2 - 20℃ ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ● ▲ ▲ 0.2 0.2 0.0 0.0 1200 2400 3600 t/s 4800 6000 (a) Lớp phủ S0 7200 ▲ ▲ ● ● ▲ S0 - 700℃ ● S0 - 20℃ 1200 2400 3600 t/s 4800 6000 (b) Lớp phủ S2 7200 30 40 50 60 2θ/° 70 80 90 (c) Phân tích XRD bề mặt mẫu Hình 5: Đồ thị quan hệ hệ số ma sát - thời gian kết phân tích XRD bề mặt mẫu thí nghiệm mài mòn nhiệt độ thường 700oC lớp phủ S0 S2 382 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình biểu diễn đồ thị quan hệ hệ số ma sát - thời gian kết phân tích XRD bề mặt mẫu thí nghiệm mài mòn thực nhiệt độ thường 700oC lớp phủ S0 S2 Từ Hình 5a 5b ta thấy, nhiệt độ thường hệ số ma sát lớp phủ S0 S2 xấp xỉ 0.5 (của S0 0.508, S2 0.501), đồng thời ổn định, biến động không đáng kể Ở 700oC, lớp phủ S0 có xu tăng dần đều, lúc bắt đầu thí nghiệm hệ số ma sát S0 nhỏ bề mặt mẫu tồn lớp ôxy hóa, nhiên khoảng 10 phút sau lớp ôxy hóa nhanh chóng bị mài mòn hệ số ma sát bắt đầu xu hướng tăng dần Trong điều kiện thí nghiệm, hệ số ma sát lớp phủ S2 ổn định suốt trình thí nghiệm biến thiên theo thới gian, hệ số ma sát hiển thị giá trị cao, nhiên không vượt giá trị cao hệ số ma sát thí nghiệm với mẫu S0 Điều cho thấy sau thêm TiC, tính chống mòn lớp phủ cải thiện rõ rệt Phân tích cho thấy, tính chống mòn lớp phủ S0 chủ yếu dựa vào tác dụng tăng bền dung dịch rắn pha tăng cường Cr1.12Ni2.88 hình thành phân bố đồng lớp phủ, có tác dụng tăng bền, tổ chức tế vi nhỏ mịn góp phần nâng cao độ cứng S0 Tuy nhiên, độ cứng S0 so với mẫu đối ứng gần tương đương, tổ chức tế vi hợp kim Co50 có đặc điểm tổ chức tinh tồn dạng mạng lưới [6], tác dụng cao ứng lực trình ma sát, tính giòn tổ chức tinh dạng lưới dễ sinh ứng lực tập trung, từ dễ xuất vết nứt tế vi bong tróc So sánh cho thấy, khả chống mòn lớp phủ S2 cao S0, nguyên nhân trình tạo lớp phủ nóng chảy, phận TiC bị phân giải tái kết hợp tạo thành TiC mới, TiC tạo thành kiên kết chặt chẽ với matrix, đồng thời TiC với ưu điểm độ cứng cao phân bố đồng toàn lớp phủ, đương nhiên nâng cao khả chống mòn Do đó, tác dụng lực ma sát, hạt TiC tăng cường có tác dụng chống lại mạnh mẽ biến dạng, mặt chúng có khả chống đỡ lực tác dụng, mặt khác chúng đóng nhiệm vụ quan trọng việc bảo vệ matrix, từ giảm thiểu mài mòn matrix Hơn nữa, trình phân giải, TiC kết hợp với nguyên tố khác nóng chảy với dung dịch rắn dendrite chu sinh [7], chúng hình thành phân bố đồng dendrite eutectic nhỏ mịn [8], tăng bền cho lực kiên kết tổ chức, từ nâng cao độ bền tính chống mòn lớp phủ Lớp phủ S2 chủ yếu TiC ban đầu, TiC kết tinh chỗ, Cr2Ni3 dung dịch rắn γ-Co cấu tạo nên, TiC phân bố đồng đều, có tác dụng nâng cao lực kết hợp tổ chức, từ nâng cao khả chống mòn Thêm TiC đóng vai trò tăng bền, tổ chức tế vi lớp phủ nhỏ mịn rõ rệt, giảm thiểu khuyết tật, nâng cao độ liên kết thép lớp phủ, có tác dụng phân tán lực tác dụng giảm thiểu ma sát, làm cho hệ số ma sát ổn định, góp phần nâng cao tính chống mòn lớp phủ Do S2 không xuất biến dạng dẻo, chế mài mòn chủ yếu kiểu bám dính Ngoài ra, độ cứng S2 cao S0, giảm thiểu độ biến dạng bề mặt chịu lực tác dụng, đồng thời trì hoãn thời gian tạo thành vết nứt giảm tốc độ phát triển nó, giảm nguy tạo thành vết nứt Trong thí nghiệm, hệ số ma sát S2 ổn định giá trị cao, nguyên nhân hạt TiC S2 có kích thước không đồng đều, bị tác dụng lực thời gian dài, hạt bị vỡ bị bong tróc, làm giảm tính chịu ma sát [11] Nghiên cứu [12] đồng thời cho thấy, mật độ công suất chùm tia laser tăng cao, tính chống mòn không nâng cao, làm ảnh hưởng đến tính loãng TiC, góp phần làm tăng thời gian tăng trưởng TiC tiết pha γ-Co, từ hình thành bề mặt ma sát nhẵn bóng Bảng 4: Lượng mòn S0 S2 sau thí nghiệm ma sát nhiệt độ thường 700oC Nhiệt độ thí nghiệm Nhiệt độ thường 700oC Mẫu Lớp phủ Mẫu đối ứng Cr12MoV Lớp phủ Mẫu đối ứng Cr12MoV 383 Lượng mòn ω [mg] S0 S2 23.9 18.0 4.3 14.3 5.5 5.0 65.1 360.5 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng biểu diễn lượng mòn S0 S2 sau thực thí nghiệm ma sát nhiệt độ thường 700oC Từ bảng ta thấy, nhiệt độ thường, lượng mài mòn S0 23.9mg, mẫu đối ứng 4.3mg Trong điều kiện thí nghiệm, lượng mòn S2 18.0mg mẫu đối ứng 14.3mg Điều chứng tỏ tính chịu mài mòn S0 không cao Ở nhiệt độ 700oC, lượng mòn S0 S2 gần nhau, mẫu đối ứng S2 bị mài mòn gấp lần S0 Kết cho thấy rằng, tính chống mòn S2 cao S0, điều có nghĩa sau thêm TiC, tính chống mòn lớp phủ nâng cao rõ rệt Hiện tượng có liên quan mật thiết với độ cứng cao thấp, mức độ đồng tổ chức nhiệt độ nóng chảy S2 có độ cứng cao, trình ma sát, hạt có độ cứng cao mẫu đối ứng gặp phải pha tăng bền lớp phủ, tạo thành vết xước nông nhỏ, chí không có, bề mặt mẫu có khả chống xước mạnh mẽ, lượng ma sát nhỏ Thông thường, ảnh hưởng đến tính vật liệu mài mòn gồm có tính dẻo, độ cứng độ bền kéo, mà tính chống mòn bề mặt với độ cứng lại có quan hệ tuyến tính với Từ kết thí nghiệm cho thấy, độ cứng vật liệu cao, lượng mòn nhỏ 20 μm Solid oxide compact layer 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm (a) S0 nhiệt độ thường (b) S2 nhiệt độ thường (c) S0 700oC (d) S2 700oC Hình 5: Bề mặt mẫu sau tiến hành thí nghiệm ma sát nhiệt độ thường 700oC Hình biểu diễn hình dạng S0 S2 sau thực thí nghiệm ma sát nhiệt độ thường 700oC Từ hình ta thấy, bề mặt hai mẫu sau mài mòn nhiệt độ thường vết xước nhỏ rõ ràng, tồn số hạt bám dính Ở 700oC, vết xước rõ sâu, đồng thời xuất vết xước có ba vớ xuất hai bên Lúc hệ số ma sát cao lượng ma sát lại nhỏ Mặc dù vết xước lớp phủ S2 sâu S0, bề mặt lớp phủ S0 có màu vàng đậm, S2 xuất hạt màu xanh Điều chứng minh rằng, S2 bị ôxy hóa nhẹ, S0 tượng ôxy hóa nghiêm trọng [13] Tiến hành phân tích XRD bề mặt ma sát (Hình 5c), phát 700oC, bề mặt S0 tồn lượng lớn CoCr2O4 ôxyt, S2 vừa có CoCr2O4 ôxyt vừa có NiCr2O4 ôxyt Kết cho thấy, 700oC chế mài mòn lớp phủ chủ yếu mòn ôxy hóa [12] mòn mỏi Xuất hiện tượng chủ yếu nhiệt độ tăng, tượng ôxy hóa nghiêm trọng, bề mặt mẫu xuất lớp màng ôxyt để tránh cho kim loại bị tiếp xúc dẫn đến tượng mòn dính, điều góp phần bảo vệ bề mặt mẫu, có nhược điểm lớp màng ôxyt giòn, bị ngoại lực tác dụng dễ phát sinh tượng bong tróc làm xuất mầm vết nứt gia tăng mỏi nhiệt, từ lại xuất hiện tượng bong tróc mỏi [14] Lớp màng ôxyt bong tróc mỏi để lại vùng kim loại, vùng kim loại lại tiếp tục bị ôxy hóa Đây trình luân phiên ôxy hóa bong tróc Nói cách khác, cân động phá hoại phục hồi màng ôxyt mỏng bề mặt, đồng thời đặc trưng trình ma sát bình thường Quan sát bề mặt mẫu 700oC không phát thấy vết nứt KẾT LUẬN (1) Các pha lớp phủ hợp kim Co50 chủ yếu gồm dung dịch rắn γ-Co Cr1.12Ni2.88, lớp phủ composite Co+20%TiC gồm có TiC, Cr2Ni3 γ-Co 384 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV (2) Nâng cao chất lượng bề mặt thép H13 phương pháp LC, độ cứng cải thiện rõ rệt Độ cứng bình quân lớp phủ composite TiC/Co cao lớp phủ hợp kim Co50 tăng gấp 2.8 lần so với thép nền, kết nghiên cứu có ý nghĩa việc nâng cao khả chống mòn thép H13 (3) Khả chống mòn lớp phủ composite Co+20%TiC tốt lớp phủ hợp kim Co50, hệ số ma sát ổn định nhiệt độ cao, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu sản xuất Ở nhiệt độ thường, hai lớp phủ có chế mài mòn bám dính, nhiệt độ cao chế mài mòn chủ yếu mòn ôxy hóa mòn mỏi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 周建忠, 刘会霞 激光快速制造技术及应用 北京: 化学工业出版社, 2009 [2] Hardro J P, Development of materials for the rapid manufacture of die cast tooling, Graduate University of Rhode Island, United States, 2001 [3] Chen J Y, Conlon K, Xue L, et al , Experimental study of residual stresses in laser clad AISI P20 tool steel on pre-hardened wrought P20 substrate, Materials Science and Engineering, 2010, Vol 527(27-28): p 7265-7273 [4] 李明喜, 何宜柱, 孙国雄 Ni基合金/45＃钢宽、窄带熔覆Co基合金的组织 中国激光, 2003, Vol 30(11): p 1044-1048 [5] 李明喜, 何宜柱, 孙国雄 Co基合金激光熔覆层组织及近表面结晶方向 东南大学学报(自然科学版), 2002, Vol 32(6): p 1-4 [6] 钱星月, 童和强, 张丹莉, 等 H13模具钢表面激光熔覆Co基合金涂层的组织和性能 冶金丛刊, 2011, (5): p 1-3 [7] Zhao Y M, Wang J L, Mou J W, Microstructures and properties of Co-based alloy coatings prepared on surface of H13 steel China Welding, 2010, 19(3): p 41-44 [8] 朱蓓蒂, 彭英姿, 陶曾毅, 等 H13模具钢表面激光熔覆钴基合金的研究 特殊钢, 1994, Vol 15(5): p 38-40 [9] Si S H, He Y ZH, Yuan X M, et al , Microstructure and wear-resistance of laser clad Cobased alloy coatings with B4Cp and SiCp The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2003, Vol 13(2): p 454-459 [10] 裴宇韬, 孟庆昌, 欧阳家虎 等.激光熔覆TiCp/Ni合金复合涂层中TiC颗粒的溶解析出行为与分布特征 中国激光, 1995, Vol 22(12): p 935-938 [11] Guo J S, Su J W, Guang C S, Research on impact wear resistance of in situ reaction TiCp/Fe composite Wear, 2010, Vol 269 (3-4): p 285-290 [12] Candel J J, Amigó V, Ramos J A, et al , Sliding wear resistance of TiCp reinforced titanium composite coating produced by laser cladding Surface and Coatings Technology, 2010, 204(20): 3161-3166 [13] Chen Y, Wang H M, High-temperature wear resistance of a laser clad TiC reinforced FeAl in situ composite coating Surface and Coatings Technology, 2004, Vol 179(2-3): p 252-256 [14] Kashani H, Amadeh A, Ghasemi H M, Room and high temperature wear behaviors of Nickel and Cobalt base weld overlay coatings on hot forging dies Wear, 2007, Vol 262(7-8): p 800-806 385