Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ bằng phương pháp thực nghiệm hoàng văn gợt, đào duy trung pdf

công nghệ như: khoảng cách phun, áp khí ôxy, vận dòng hạt kim loại, cỡ hạt,chế độ cấp vật liệu và xử lý kim loại nền bằng phương pháp nhiệt khí để nâng và kha Trước nhu cầu đòi hỏi cấp b

671.734

H 4 0 7 G

TS H oàng Văn Gợt (Chủ biên)

TS Đào Duy Trung

m

mm

HtìPTH

HOÀNG VĂN GƠT - ĐÀO DUY TRUNG

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NÔI -2012

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐÀU 7

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ

1.1 BẢN CHÁT, ĐẶC ĐIẾM VÀ PHẠM VI ỦNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI 9 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ KIM LOẠI BẰNG NHIỆT K H Í 19

Chương 2 VẬT LIỆU DÙNG CHO PHUN PHỦ BẢNG NHIỆT KHÍ

2.1 VẬT LIỆU PHỦ DẠNG D Â Y 34 2.2 VẬT LIỆU PHỤ DẠNG THANH 36 2.3 VẬT LIỆU PHỦ DẠNG B Ộ T 36

Chương 3 THIẾT BỊ PHUN PHỦ KIM LOẠI BẰNG NHIỆT KHÍ

3.1 PHÂN LOẠI THIẾT B Ị 38 3.2 THIẾT BỊ PHUN PHỦ BẰNG KHÍ CHÁY ÔXY-A XÊTY LEN 39 3.3 ĐÀU P H U N 40

Chương 4 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN

Đ ộ BÈN BÁM DÍNH CỦA LỚP PHUN PHỦ KIM LOẠI

4.1 PHÂN LOẠI CÁC YÉU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG

LỚP P H Ủ 41 4.2 ÁNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU T ổ CÔNG NGHỆ ĐẾN

Đ ộ BỀN BÁM D ÍN H 43 4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG HÔ QUANG ĐIỆN VÀ DÒNG

VẬT LIỆU PHỦ 46

4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TƯƠNG QUAN ĐÀU PHUN VÀ

BỀ MẶT CHI TIẾT P H Ủ 47

4.5 ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CHUÁN BỊ BÈ M Ặ T 50

4.6 ẢNH HƯỞNG CỦA ÚNG SUẤT D ư TRONG LÓP PHỦ 51

4.7 ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT SAU PHUN PH Ủ 51

Chương 5 CÔNG N G H Ệ CHUẨN BỊ BÈ MẶT KIM LOẠI NÈN TR Ư Ớ C PHUN P H Ủ

5.1 MỤC ĐÍCH CỦA CÔNG NGHỆ CHUẨN BỊ BỀ M Ặ T 55

5.2 KHÁI NIỆM VỀ CHẮT BẨN BỀ M Ặ T 55

5.3 CÔNG NGHỆ CHUẨN BỊ BÈ M Ặ T 56

5.4 PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH BỀ M Ặ T 56

5.5 TẠO NHÁM BỀ MẶT TRƯỚC KHI PHUN PH Ủ 57

5.6 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ TẠO NHÁM BÊ M Ặ T 59

Chương 6 M Ộ T SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHÁT LƯỢNG LỚP PHỦ KIM LOẠI 6.1 TÍNH CHÁT C ơ HỌC CỦA LÓP PHỦ KIM L O Ạ I 65

6.2 TÍNH CHẤT CHỐNG MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ KIM LO Ạ I 65

6.3 KHẢ NĂNG CHỐNG GỈ CỦA LỚP PHỦ KIM LO Ạ I 65

6.4 KIÊM TRA ĐỘ BỀN KÉO 65

6.5 KIÊM TRA ĐỘ BỀN BÁM TRƯ ỢT 66

6.6 KIÊM TRA ĐỘ BỀN BÁM DÍNH 66

6.7 KIẾM TRA Đ ộ BỀN U Ố N 67

6.8 KIÊM TRA CHẤT LƯỢNG LÓP PHỦ BẰNG TÌNH TRẠNG VẾT PHÁ H Ủ Y 68

6.9 KIẾM TRA ĐỘ CÚNG CỦA LỚP PHỦ KIM L O Ạ I 69

6.10 KIẾM TRA ÚNG SUẤT DƯ CỦA LÓP PHỦ KIM L O Ạ I 69

6.11 KIẾM TRA Đ ộ XỐP LÓP PH Ủ 70

6.12 KIÊM TRA CHẤT LƯỢNG LÓP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KIM TƯƠNG HỌC 72

6.13 KIÊM TRA KHẢ NĂNG CHỊU MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP c ơ HỌC 72

4

6.14 KIẾM I RA KHẢ NĂNG CHỊU NHIỆT CỬA LÓP PHỦ 76

16.15 KIÊM TRA TỈNH CHỊU ẢN MÒN CỦA LỚP PHỦ KIM L O Ạ I 77

Chương 7 Đ ộ BÈN BÁM DÍNH VÀ CÁC YẾU TÓ ẢNH HƯỞNG TỚI Đ ộ BÈN BÁM DÍNH 7.1 Lực BÁM DÍNH CỦA HẠT KIM LOẠI LÒNG LÊN BỀ MẶT CÁC CHÁT R Ắ N 78

7.2 Lực VANDERVAN 80

7.3 L ự c LIÊN KẾT DO ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP ĐIỆN TÍCH KÉP 81

7.4 LIÊN KẾT KIM LOẠI 82

7.5 NHŨNG NHÂN TÓ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BÁM D ÍN H 83

7.6 SỤ' ẢNH HƯỞNG ĐỔNG THỜI CỦA NHIỀU YÊU TỐ CÔNG NGHỆ TỚI Đ ộ BỀN BÁM D ÍN H 92

7.7 ẢNH HƯỞNG CỦA x ù ' LÝ NHIỆT SAU PHUN ĐÉN CHÁT LƯỢNG LỚP P H Ủ 98

Chương 8 THIÉT BỊ VÀ PHƯONG PHÁP KIẾM TRA CHAT LƯỌNG LỚP PHUN PHỦ 8.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM PHUN PHỦ BẰNG ÔXY-AXÊTYLEN 104

8.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN KÉO CỦA LỚP PHỦ 108

8.3 PHU ONG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BÈN TRƯỢT CỦA LỚP P H Ủ 109

8.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN BÁM DÍNH PHÁP CỦA LỚP PHỦ 1 11 8.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ử u CHÁT LƯỢNG LỚP PHỦ BẰNG KIM TƯƠNG H Ọ C 112

Chương 9 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỎNG CỦA MỘT SỐ YẾU TÓ CÔNG NGHỆ ĐÉN Đ ộ BÁM DÍNH CỦA LỚP PHỦ VÀ ỨNG DỤNG 9.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 113

9.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN KÉO CỦA LỚP PHÚ VÀ BA THÔNG s ố : KHOẢNG CÁCH PHUN, ÁP LỤC KHÍ THỐI VÀ ÁP Lực KHÍ Ô X Y 117

9.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ỌUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN TRƯỢT CỦA

LỚP PHỦ VÀ BA THÔNG SỐ: KHOẢNG CÁCH PHUN, ÁP L ự c

KHÍ THỔI VÀ ÁP Lực KHÍ Ô X Y 126 9.4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUAN HỆ GIŨ A ĐỘ BỀN BÁM DÍNH PHÁP CỦA LỚP PHỦ VỚI BA THÔNG SỐ: KHOẢNG CÁCH PHUN, ÁP LỤC KHÍ THÔI VÀ ÁP Lực KHÍ Ô X Y 133

Chương 10

XỬ LÝ NHIỆT ĐÊ CẢI THIỆN LỚP PHỦ

10.1 CHỌN PHUÖNG PHÁP x ử LÝ N H IỆ T 141 10.2 ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM 141 10.3 MÔ TẢ THÍ N G H IỆ M 142 10.4 ỦNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN cử u PHỤC HÓI TRỤC

TỪ THÉP C45 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 157

6

MỞ ĐẦU

mạnh mẽ, trong đó cách mạng khoa công nghệ đạt đến đinh cao

với các phương pháp công nghệ khác Năm ¡912 ý tường phun phu kim

mới được một kỹ sư ngiíời Thụy S ĩ tên là Schoop thực hiện sau đỏ được

ứng dụng ngay vào mục đích trang trí Đến Chiến tranh thế thứ

phun phủ kim loại đã được ứng dụng trong một quy mô rộng hầu hết châu

Đen những năm 1970, 1980 phun kim đã thành một vực

Đê đánh giá sự phát triênmạnh mẽ của cóng nghệ phun phu kim

Castolim (Thụy Sĩ),Me ICO Plasmaday, Avko (Mỹ), Nobel Brocl

(Pháp), EciaGhiken (Nhật), Arcrosse (Bi), (Thụy

ơ Việt Nam khoa học công nghệ phun phù kim còn đang trong giai

đoạn nghiên cứu ứng dụng các thành quà của thế giới Các nhà khoa học đã

quan tâm đến công nghệ phù kim loại hước đầu được kêt một

số vật liệu phù như nhôm, kẽm phục vụ cho chong phăm

đại học,

công nghệ như: khoảng cách phun, áp khí ôxy, vận

dòng hạt kim loại, cỡ hạt,chế độ cấp vật liệu và xử lý

kim loại nền bằng phương pháp nhiệt khí để nâng và kha

Trước nhu cầu đòi hỏi cấp bách phát công nghệ phun kim

ở nước ta, cuốn sách "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ bằng

và Kỹ thuật đã giúp tác già hoàn thành bán

Nhóm tác giã

8

Chưong 1 TỒNG QUAN VÈ CỒNG NGHỆ PHUN PHỦ

1.1 BẢN CHÁT, ĐẶC ĐIẾM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI

Phun kim loại bằng nhiệt khí hoặc là Schoop (theo tên một kỹ sư cơ khí người Thụy Sĩ là u M Schoop ông đã tìm ra phương pháp này năm 1992)

có nguyên lý như sau: kim loại lỏng được dòng khí nén thôi làm phân tán thành các hạt nhỏ, bay va đập bám lên bề mặt vật đã được chuẩn bị sạch, như vậy sẽ tạo ra lớp kim loại phủ dày, trong đó có các phần tử kim loại đè lên nhau theo từng lớp

Phun kim loại có thê phủ được các kim loại nguvên chất, các hợp kim của chúng hoặc vật liệu phi kim lên mặt kim loại hoặc bề mặt cứng khác như gỗ, giấy, vải, sứ, Bang phun kim loại cũng có thể tạo ra những lớp dẫn điện trên vật không dẫn diện, tạo các lớp chịu nhiệt, Những công dụng này rất có ý nghĩa trong các lĩnh vực kỹ thuật

Trên hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun kim loại dây (đốt chảy kim loại bằng ngọn lửa khí cháy)

Hình 1.1.Sơ đồ nguyên lý đàu phun bằng khí cháy

Nguyên lý theo hình 1.1: Kim loại được đưa vào đầu phun dưới dạng dây có đường kính khoảng 1 , 2 - 3 mm Các ống dẫn khí ôxy, axêtylen và không khí nén có áp suất được đưa tới đầu phun Hỗn hợp khí ôxy và axêtylen cháy cho ngọn lửa như ngọn lửa hàn khí Dưới tác dụng của ngọn lửa đầu dây bị đốt nóng chảy, đồng thời không khí nén thối giọt kim loại lỏng làm bắn ra những hạt kim loại nhỏ bay theo dòng khí nén với tốc độ cao (khoảng 100 - 200 m/s) đập lên bề mặt vật đắp Ở đầu sự dịch chuyển của dây được thực hiện bằng cơ cấu dịch chuyển cơ khí Lớp kim loại phủ lên bề mặt vật sẽ có độ cứng lớn hơn kim loại dây và có sức bền kéo không lớn lắm Sức bền liên kết với vật liệu cơ sở cũng nhỏ Nhưng tính chất của lớp phủ sẽ có nhiều tác dụng khác như tính chịu mài mòn trong ma sát ướt,

có khả năng giữ dầu Để nâng cao độ bám của lóp phủ, bề mặt cơ sở phải hoàn toàn sạch và được chuẩn bị trước bàng phương pháp thích họp như gia công cơ khí, phun bi, gại điện, Sau khi làm sạch và tạo nhấp nhô, tốt nhất

là tiến hành phun ngay và không chậm hơn 2 giờ, nếu đế lâu bề mặt làm sạch lại bị ôxy hoá bởi không khí

Kim loại hoặc hợp kim trong trường họp không thể tạo được dưới dạng dây thì có thế đưa vào đầu phun dưới dạng bột (gọi là đầu phun bột kim loại)

Bộ truyền

Hình 1 Sơ đồ nguyên iý làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện

Nhiệt dùng đốt cháy kim loại có thể thu được bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen hoặc bằng hồ quang điện Hình 1.2 là đầu phun sử dụng hồ quang điện Bằng đầu phun này có thể phun các kim loại có điểm nóng chảy cao

10

Để gây cháy hồ quang người ta dùng nguồn điện bình thường như đối với hàn điện Kim loại phun bằng đầu phun khí và đầu phun hồ quang không nhất thiết phải có tính chất chung.

Ví dụ: khả năng chống gỉ của lớp nhôm sẽ tốt hon khi được phun bằng phương pháp hồ quang Lớp phù bàng kẽm hoặc nhôm ở đây dùng để chống

gỉ cho những kết cấu thép dẫn điện, cầu, ống, tàu thuỷ,

Mặt khác khả năng sử dụng phun kim loại không bị hạn chế bởi độ lớn, nhỏ của vật phủ vì thiết bị phun kim loại rất dễ dàng di động và có thể xách tay Phun kim loại rất thích hợp cho việc phục hồi các chi tiết bị mòn như: trục khuỷu, cổ trục lắp bi, chốt, và sửa chừa các khuyết tật của vật đúc.Trong sửa chữa, phục hồi các chi tiết người ta thường phủ các lóp có khả năng chống mài mòn như thép (thép không gỉ), đồng, đồng thau, nhôm, họp kim của niken, với các chiều dày khác nhau lên bề mặt chi tiết

Ngày nay người ta còn dùng các đầu phun với ngọn lửa plasma để phun các kim loại có điểm nóng chảy cao như: voníram, môlipđen, crôm, Phương pháp này rất có ý nghĩa trong việc phủ các lớp trong ngành kỹ thuật tên lừa, kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các cơ cấu chịu nhiệt độ cao Phương pháp này có thể tạo ra các lóp phủ mỏng và đồng đều Trong kỹ thuật tên lửa, các chi tiết của các tên lửa đạn đạo hoặc các con tàu vũ trụ thường được xử lý bàng phun kim loại với nhiệt độ tức thời khi phủ đạt đến 2500°c.

Phun kim loại hiện nay dùng cho các mục đích sau:

- Phục hồi các chi tiết máy mòn;

- Sửa chữa các khuyết tật của vật đúc;

- Sửa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí;

- Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển;

- Bảo vệ các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao;

- Thay thế kim loại màu bằng kim loại phun;

- Trang trí

Một vài thống kê trên thế giới về sử dụng phun kim loại ở một số lĩnh vực như sau:

- 65% cho việc bảo vệ chống gỉ các thiết bị, cấu trúc,

- 35% cho việc phục hồi các chi tiết máy mòn, trong đó sử dụng nhiều tính chất trượt (tính chịu mài mòn) của lớp phun

Tuy nhiên phun kim loại vẫn còn những nhược điểm sau:

- Mối liên kết giữa các lớp phủ và kim loại nền còn thấp;

- Tổn thất kim loại nhiều;

- Ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết);

- Be mặt phun luôn luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo nhấp nhô;

- Đòi hỏi trình độ tay nghề công nhân kỹ thuật cao, điều kiện làm việc nặng nhọc

Những nhược điểm này cũng chính là những hướng đang được nghiên cứu hiện nay

1.1.1 Sự hình thành và cấu trúc lớp phun phủ

Phun kim loại được tiến hành trên các đầu phun (pistole) dưới tác dụng nung nóng chảy kim loại (dây phun) của hồ quang điện hoặc ngọn lửa khí cháy Kim loại lỏng được dòng khí nén thổi làm phân tán thành các lớp sương mù kim loại rất nhỏ và được bám lên bề mặt chi tiết đã được chuẩn bị sạch, tạo nên một lóp phủ dày, trong đó các phần tử kim loại đè lên nhau theo từng lớp Trên cơ sở các hiện tượng lý - hoá xảy ra trong quá trình phun kim loại, sự hình thành lớp phủ rất phức tạp và vấn đề này có rất nhiều quan điểm Ở đây ta nêu một số quan điểm chính về sự hình thành lóp phủ bằng phun kim loại

1.1.2 Những quan điểm về sự xuất hiện lớp phủ

Phun kim loại được biết đến từ lâu và từ đó đến nay đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về việc giải thích sự hình thành và tính chất của lóp phủ Có thể chia ra thành các quan điểm lý thuyết như sau:

- Lý thuyết của Pospisil - Sehyl;

- Lý thuyết của Schoop;

12

- Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger;

- Lý thuyết của Schenk

Tác giả của lý thuyết này đã kết luận ràng lớp phủ bằng phun kim loại xuất hiện do các giọt kim loại lỏng bị phun bàng một dòng khí nén tốc độ cao (trung bình khoảng 200 m/s) Các giọt này bị phá vỡ thành 'nhiều hạt nhỏ Dạng của các hạt này được đặc trưng bằng kim loại của nó Theo bản chất có thể chia thành hai nhóm:

- Các kim loại mà ôxyt của nó khi phun ở thể lỏng thì luôn luôn tạo thành các hạt có dạng hình cầu,

- Các kim loại mà ôxyt của nó khi phun ở thể rẳn (như nhôm, kẽm) sẽ tạo thành những hạt không đồng đều (đa cạnh)

Dạng của các hạt khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu chỉ xảy

ra sự ôxy hoá Sự ôxy hoá kim loại thực chất bắt đầu xảy ra từ quá trình chảy dây phun và trong thời điểm tạo ra các hạt nhở một phần lớn các ôxyt sinh ra trong quá trình bay của các hạt, nghĩa là khi các giọt kim loại lỏng bắt đầu tách thành các hạt nhỏ thì bề mặt của các hạt cũng bắt đầu tăng lớp ôxyt Số lượng ôxyt nhiều hay ít là nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng của lóp phủ

Quá trình va đập cùa các hạt rất khó xác định bàng thực nghiệm vì quá trình này xảy ra trong một thời gian rất ngắn, mà trong thời gian đó quá trình này có ảnh hường rất lớn tới tốc độ bám của các phần tử với kim loại nền

Từ các thực nghiệm, tác giả tính toán và kết luận ràng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là thể lỏng

2) Lý thuyết của Schoop

Tác giả đã giả định ràng: Năng lượng động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bằng dòng khí nén, nên khi khi va đập lên bề mặt phun thực tế có sự thay đổi nhiệt Thực nghiệm đã xác định được rằng: những hạt kim loại khi rơi khoi miệng vòi phun, bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén Trong thời điểm va đập chúng

sẽ có sự biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết vói nhau thành những lóp liên kết

Tác già cố gắng chứng minh rằng các phần tử kim loại chảy lỏng khi phun luôn luôn nguội dần Trong một khoảng cách rất ngắn từ đầu vòi phun,

sự giữ nhiệt trong các dòng tia kim loại là tương đối thấp còn khoảng 50°c

đến 100°c Do vậy tác giả đã kết luận cho lý thuyết của mình rằng: có thê phủ được những vật liệu dễ cháy mà không xảy ra sự cháy

Lý thuyết này cho rằng những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác dụng của nguồn năng lượng động năng của khí nén Mặt khác trong quá trình đi từ vòi phun các hạt đã ở trong trạng thái nguội như vậy sẽ không xảy ra sự biến dạng dẻo

4 ) Lý thuyết của Schenk

Tác giả cho ràng: nhiệt độ của các hạt phun phải lớn hom nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt chúng với nhau Nhưng điều này không thực tế vì thời điểm va đập trên bề mặt bị phun, kim loại lớp bề mặt nền có khả năng

bị đốt nóng đến nhiệt độ chảy để có thể xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử với kim loại nền

1.1.3 Co’ chế hình thành lớp phủ bằng phun

Trên cơ sở phân tích các lý thuyết trên, toàn bộ cơ cấu hình thành lớp phủ có thể mô tả như sau: Trong pha đầu của quá trình phun kim loại được đặc trưng bằng sự chảy của đầu dây phun Trong pha thứ hai là sự tách các giọt kim loại từ đầu dây, tiếp đó là quá trình bay và va đập của các hạt trên

bề mặt đã được chuẩn bị và cuối cùng là sự hình thành lớp phun kim loại bàng mối liên kết của chúng với bề mặt kim loại nền

1

)Quả trình chảy và sự phân tán kim loại phun

Khi phun kim loại bằng hồ quang điện, đầu tiên xảy ra sự tiếp xúc của hai dây kim loại (điện cực) Nhờ ngọn lửa hồ quang điện gây tác dụng nung nóng đáng kể kim loại ở vị trí tiếp xúc Trong đó kim loại bị nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy của chúng Giọt kim loại xuất hiện sau khi bị nóng chảy được phủ lên bề mặt điện cực Giữa kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình khuyếch tán và sự tác dụng hoá - lý với nhau như ứng

14

suất bề mặt, nội năng, nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co rút gây ảnh hường đến cấu trúc bên trong và các tính chất khác của giọt kim loại lỏng Trong quá trình chảv cũng xảy ra sự đốt cháy một số thành phần hoá học trong kim loại lỏng.

Sự lớn lên của một số lượng kim loại lỏng chảy từ đầu dây tồn tại cho đến khi lực động học của dòng không khí nén lớn hon ứng suất bề mặt kim loại lỏng sẽ tách các giọt kim loại Giọt kim loại bị áp lực của dòng khí nén

sẽ phân tách thành rất nhiều hạt nhỏ, những hạt này tạo ra những tia phun kim loại

Toàn bộ quá trình chảy và phân tán các hạt xảy ra rất nhanh Sự phân tán chỉ kéo dài khoảng 1/10.000 đến 1/100.000 giây Và sau mồi giây tạo ra khoảng 7.000 hạt kim loại Dạng của các hạt xuất hiện từ sự phân tách giọt kim loại và phụ thuộc vào loại kim loại Điêu này có thê giải thích như sau: mỗi hạt kim loại còn có phần trăm tỷ lệ nhất định các ôxyt, các ôxyt này có thể chia làm hai loại:

- Loại lỏng bao bọc xung quanh hạt và tạo hạt có dạng hình cầu như

ở thép;

- Loại đặc bị đông đặc rất nhanh và giọt kim loại lỏng không thế tạo ra dạng cầu, ví dụ như nhôm, kẽm

Toàn bộ quá trình bay của các hạt từ lúc bị phân tách từ giọt kim loại đến khi va đập trên bề mặt phun kim loại xảy ra rất ngắn khoảng 2/1000 - 8/1000 giây Trong quá trình bay của hạt, chủ yếu chỉ xảy ra sự ôxyt hoá, do vậy các phần từ phun kim loại bị bao bọc bàng một lớp ôxyt, lớp này sẽ lớn lên theo khoáng cách bay

Các hạt kim loại chảy lỏng di động trong dòng không khí nén có tốc độ rất lớn Ngoài ra các phần tứ còn bị ảnh hưởng của rất nhiều nhân tố, biểu

thị ở những phản ứng không đồng nhất Khi phun kim loại chúng ta phải

tính toán đến các vấn đề sau:

— Các hạt kim loại bay ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đã đặc sệt;

— Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường gia tốc;

- Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh mà trong môi

trường này chứa ôxy, nitơ, hydrô, hơi nước và các thành phần hoá học khác;

- Khả năng của khí phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như áp lực riêng

của khí

3) Sự hình thành lóp phủ bàng phun kim loại

Quá trình hỉnh thành lóp phủ bằng phun kim loại tương đối phức tạp

Trên cơ sở những kết quả của nhiều thí nghiệm và tính toán, người ta đã xác

định rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt phun ở

trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn

Để hiểu sự hình thành lớp phủ cần phải chủ ý đến các hiện tượng xảy ra

khi va đập của các phần tử lên bề mặt kim loại cần được phun phủ (vật

liệu nền):

+ Vấn đề thứ nhất là động năng của các phần tử va đập lên bề mặt phun

gây ra sự tác dụng và biến dạng rất nhanh, mạnh Năng lượng động năng

này được xác định bằng tốc độ của các phần tử và khối lượng của chúng

Eli = 1/2 mV2. Bởi vậy các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có năng lượng

động năng khác nhau (khi chúng có cùng một tốc độ) Tốc độ bay của các

phần tử là một nhân tố cho việc xác định sự biến dạng của các phần tử

Arnold tính toán tốc độ cần thiết cho một vài kim loại khi va đập lên bề mặt

chi tiết theo phương trình [10]:

Ở đây: m - — , khi G= 1 thì tốc độ cần thiết cho việc tan vỡ khi va đập là:

m - khối lượng của phần tử phun [g];

V — tốc độ của các phần tử khi va đập [m/s];

c - tỷ nhiệt [calg-1 °c~1];

tị - nhiệt độ phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt chi tiết [°C];

h - nhiệt độ chảy của các phần tử kim loại [°C];

+ vấn đê thứ hai cần quan tâm để xác định sự biến dạng của các phần tử: lớp vỏ ôxyt trên các phần tứ có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất này Điều cân khăng định là trong thời gian va đập lớp ôxyt phải là lỏng Như vậy, trong trường hợp này không thể giữ được sự biển dạng của các phần tử và ngược lại ờ các phần tử có lớp vỏ cứng, khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng lóp vỏ bọc này.

Khả năng biến dạng của các phần tử thép với lóp màng bọc ôxyt ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước nó không kết thúc ngay mà còn xảy ra sự biến dạng tiếp theo do sự tác dụng của các phần

tử sau, giống như sự tác dụng của rèn Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh Bởi vậy khi các phần tử sau va đập lên các phần tử trước thì các phần tử trước hãy còn ở trạng thái lỏng hoặc ở trạng thái sệt, giữa chúng dễ dàng xảy ra sự liên kết kim loại với nhau

4) Cẩu trúc của lóp phun kim loại

Lóp phủ bằng phun kim loại có tính chất và thành phần khác hẳn với vật liệu ban đầu Trên hình 1.3 là cấu trúc thô đại của lóp phủ bằng phun Ở đây ta thấy rằng: đặc trưng cơ sở của cấu trúc này là những tấm kim loại với kích thước từ 0,1 - 0,2 mm và chiều dày là 0,005 - 0,01 mm Các phần tử này có độ biến dạng khác nhau và bị phân cách với nhau bàng một lóp ôxyt mỏng với chiều dày 0,001 mm

cấu trúc của lớp kim loại phủ có đặc trưng cùa các cấu trúc bị nguội lạnh đột ngột Ở lớp thép cácbon (có thành phần cácbon cao) thường có cấu trúc bainhit Ngoài những phần tử nền này ra, trong lớp phủ còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập lên bề mặt nền

đã ở trạng thái rắn

Sự nguội lạnh của các phần tử xảy ra rất nhanh và bị tác dụng bởi tốc

độ nguội lạnh rất lớn, nên trong cấu trúc, ngoài dung dịch đặc Fe - c còn có dung dịch đặc của Fe - ôxyt, do vậy khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng những trung tâm lệch mạng, những trung tâm này có ảnh hưởng đến độ bám của lóp phủ

Trong lóp phủ thép có thể có hai loại ôxyt, một loại ôxyt được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc quanh các phần tử kim loại biến dạng Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất cơ học của lớp phủ Loại thứ hai đóng vai trò liên kết các phần tử kim loại riêng biệt Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc của lóp phủ phải kể đến một lượng khá lớn các lồ xốp Các lỗ xốp này được hình thành do sự liên kết không

*£hặt chẽ của các phần tử kim loại khi biến dạng Các lồ xốp có trong cấu trúc của lóp phủ sẽ tạo cho lóp phủ những tính chất tốt khi làm việc trong điều kiện cần bôi trơn (hình 1.4)

Ngoài ra cần xét đến thành phần hoá học của lóp phủ kim loại Nói chung thành phần hoá học (các nguyên tố kim loại) của lóp phủ thường giảm đi so với kim loại ban đầu (dây phun hoặc bột phun)

Bảng 1.1 cho ta thấy sự so sánh thành phần hoá học của lớp phủ thép với dây phun

Bảng 1 Thành phần hoá học

c (%) Mn (%) Si (%) s (%) Dây phun 0,47 0,65 0,33 0,033

Lớp phủ 0,31 0,25 0,16 0,024

18

Như vậy thành phần hoá học của lớp phủ so với thành phần gốc thì hàm lượng bị giảm 40 - 50% Nguyên nhân của hàm lượng bị giảm là do bị ôxy hoá trong quá trình phun.

Hình 1.4 Cấu trúc của một số lớp phủ

a) Vật liệu phun lll-H A 01 200; b) Vật liệu III 10H 01 200; c) Vật liệu IIC 124 BK 01 200

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ KIM LOẠI BẢNG NHIỆT KHÍ 1.2.1 Phân loại [10], [47]

Do phun kim loại đều dùng nhiệt đề nung chảy kim loại và dùng dòng khí có áp suất để thổi kim loại lỏng phân tán ra thành bụi để phủ lên bề mặt kim loại nền, vì vậy phương pháp có tên gọi là phun kim loại bằng nhiệt khí.Tuỳ theo quan điểm về dấu hiệu và đặc trưng mà phương pháp phun kim loại bằng nhiệt khí có các tên gọi khác nhau:

Theo dạng năng lượng có: phương pháp điện - khí, phương pháp ngọn lửa ga

Theo nguồn nhiệt: phương pháp điện - khí được chia ra: phương pháp

hô quang điện, phương pháp plasma, phương pháp dòng điện cảm ứng cao tần Phương pháp ngọn lửa ga bao gồm: phương pháp ngọn lửa cháy ôxy-axêtylen và phương pháp dùng nhiệt bằng kích nổ khí

Theo môi trường bảo vệ: có phương pháp áp suất thường (ngoài không khí) và phun trong môi trường chân không

Theo dạng vật liệu phủ thì phun kim loại còn chia ra: phun bàng dây và phun bằng bột

1.2.2 Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen

Vật liệu phủ (có thể dạng dây hoặc dạng bột) được nung nóng chảy

bàng ngọn lửa ga Kim loại lỏng bị dòng khí nén phân tán thành bụi và đẩy

đi với vận tốc cao hướng vào bề mặt kim loại cơ sở đã được chuẩn bị Tại bề

mặt chi tiết diễn ra quá trình liên kết giữa các phần tử của hai pha kim loại

để tạo thành lớp phủ

100~200 rrưn

Hình 1 5 Sơ đồ nguyên lý phun phủ bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen

1 Khí nén; 2 Khí ôxy; 3 Dây vật liệu phủ; 4 Thân đầu phun;

5 Tâm ngọn lửa; 6 Vùng nóng chảy; 7 Ngọn lửa; 8 Dòng khí nén;

9 Lớp phủ; 10 Dòng phần tử kim loại phủ; 11 Kim loại nền.

Dây vật liệu phủ cấp theo lỗ tâm (2) và bị nung chảy tại vùng tâm ngọn

lửa (5) Dòng khí nén (8) phân tán kim loại lỏng thành bụi và thổi đi thành

dòng phần tử (10) hướng vào bề mặt kim loại cơ sở (11) tạo ra lớp phủ (9)

Phản ứng khí cháy axêtylen:

2C2H2 + 502 = 4C02 + 2H20 + 1262,86 kJNhư vậy cứ 2,5 ôxy thì 1 axêtylen, nhưng thực tế tỷ lệ trên chỉ là 1,1:1,

điều này được giải thích phần ôxy còn lại được lấy từ không khí xung quanh

1.2.2.3.Các thông số ảnh hưởng đến chát lượng phun phủ

- Đường kính lỗ phun ga, đường kính lỗ đầu phun.

20

Chế độ phun:

- Áp suất khí cháy pc,áp suất khí thổi mức tiêu thụ khí cháy ơ, tỷ lệ

hỗn hợp khí ß: thường dùng pc = (30 - 35) 1 o3 Pa; = (3 00 - 400) 103 Pa;

- Khoảng các phun: 75 - 200 mm, góc phun 30° - 90°.

- Vận tốc tia lửa ga: 150 - 300 m/s, vận tốc của phần tử phủ 20 - 100 m/s,

nhiệt độ cho vật liệu bột < 2437°K nhiệt độ cho vật liệu dây < 2973°K (0°c

tương ứng với thang đo 273° K)

Phương pháp ứng dụng rất đa dạng cho các sản phẩm và dùng cho cả

vật liệu phủ dạng dây và dạng bột có nhiệt độ nóng chảy < 2473°K và

2973 K

1.2.3 Phun phủ bằng kích nổ khí

1.2.3.1.K hái niệm

Phương pháp dùng nguồn nhiệt tạo ra do kích nổ khí với công suất đạt

hàng triệu oát, vận tốc phần tử phủ đạt tới 800 - 1500 m/s, nhiệt độ đạt

3000 - 4000°K

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Buồng cháy; 2 Bộ phóng điện; 3 Sóng nhiệt;

4 Sóng nổ; 5 Kênh dẫn; 6 Hỗn hợp khi; 7 Ngọn lửa; 8 Dòng phần tử.

I - khí C 2 H 2 , II - khí 0 2, III - khí N2.

Trong buồng cháy (1) được nạp hỗn hợp khí, ví dụ: C2H2 + O2 + N2

Khi bộ phóng điện (2) phóng điện làm cháy hồn hợp khí, tạo ra sóng nhiệt

(3), sóng nổ (4), tạo ra sản phấm cháy và hỗn hợp khí (6) Vật liệu phù đồng

thời nạp vào kênh Ngọn lửa (7) làm nóng chảy vật liệu phủ và bị dòng khí

có áp suất đẩy đi tạo thành dòng phần tử phủ (8)

Thông sổ kết cẩu đầu phun gồm: đường kính kênh dẫn chiều dài

kênh dẫn lc,thường lấy dc = 8 - 4 0 mm, /c = 1200 - 2000 mm Hình dạng

ổng, độ bóng bề mặt ống và tỷ lệ dcllc cũng ảnh hưởng nhiều đến chất lượng

Thông sô ngoại vi gôm:

- Khoảng cách phun 50 - 200 mm,

- Góc phun 45° - 90°

- Độ bền bám dính cao hơn 10 MPa, có thể phủ được chi tiết nguội có

nhiệt độ nóng chảy < 473°K, năng suất cao, 0 = 1 — 10 rrr/h, dùng được

nhiều loại bột kim loại

- Tiếng ồn lớn (>140 ílB), không phủ được sản phấm có độ címg > 60

HRC, khó khăn khi dùng bột có khối lượng riêng nhỏ, đầu tư trang thiết bị lớn

- ủng dụng cho dùng loại bột và phủ cho các sản phẩm khác nhau về

độ lớn, có yêu cầu độ bám dính cao Phủ được cho sản phẩm nguội có nhiệt

độ nóng chảy < 473°K

1.2.4 Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện

Bản chất của phương pháp hồ quang điện là lợi dụng ngọn lửa hồ quang

để nung nóng chảy vật liệu phủ, rồi dùng dòng khí có áp suất thổi những

giọt kim loại lỏng thành dòng bụi với vận tốc cao hướng vào bề mặt kim

loại cơ sở

Nguyên lý hoạt động: Dây vật liệu (2) được nối với hai điện cực khác

nhau nhờ công tắc (5) Khi mạch điện đóng đồng thời dây kim loại (2)

chuyển động nhờ con lăn (4) Khi tiếp cận đầu dây (2) xuất hiện hồ quang

làm nóng cháy kim loại Khí thổi phân tán những giọt kim loại vào bề mặt

kim loại nền

1 2 3 4

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý cùa phun phủ bằng hồ quang điện

1 Ngọn lửa hồ quang; 2 Dây kim loại phủ; 3 Đầu phun;

4 Con lăn; 5 Công tắc; 6 Dòng vật liệu.

/ - Khoảng cách phun; /|C - chiều dài công tắc; ld khoảng cách từ công tăc

tới đầu phun; ƠH - đường kính bề mặt phủ; u - hiệu điện thế mạch.

Đường kính lỗ đầu phun ¿4 = 3 - 6 mm, hình dạng đầu phun, góc chéo

nhau của 2 dây, thường chọn (0 = 30°

Chế độ phun gồm:

Công suất dòng hồ quang Nd\ tiêu hao khí thổi G

Kinh nghiệm cho thấy chọn Nd = 2000 - 10.000 kJ/kg và = 60 - 150

m3/h tưcmg ứng với áp suất 0,35 - 0,55 MPa

- Đường kính dây d.Tốc độ cấp dây Thường lấy = 1 - 3,5 mm,

v= 0,05 -0 ,3 5 m/s.

Các thông số công nghệ gồm:

- Góc phun chọn: 65° - 90°, khoảng cách phun 60 - 150 mm.

- Thường chọn cỡ hạt 10 - 100 pm, vận tốc bay của hạt tại phần đầu

của dòng hạt > 300 m/s và đến gần bề mặt kim loại nền còn 50 - 150 m/s

24

- ứng dụng phố biến để phủ bảo vệ các sản phẩm kết cấu Do vậy vật

liệu phủ chủ yêu là nhôm, kẽm thiếc, đồng và các hợp kim của chúng

bắt đầu có trạng thái (a)

chuyển lộng song song theo

trục X, y, z Ở nhiệt độ 10°K

thì xuấl hiện thêm chuyến

động quiy, nếu tiếp tục tăng,

ví dụ dến 1000°K thi các

phần tử dao dộng (b) Sự va

chạm minh lẫn nhau dẫn đến

phân chia phàn tử (c) Ở trạng

thải nhu vậy mỗi chất khí có

nhiệt độ riêng, ví dụ: khí ôxy

3000°K, nitơ 4500°K Tiếp

tục tăng nhiệt độ thì quá trình ion hoá hoàn toàn (d) trong điều kiện áp suất

không kú bắt đầu ớ nhiệt độ 10.000°K Trạng thái được tạo thành với phần

lớn ngujên tử hoặc phân tử được ion hoá, còn lượng điện tích và ion âm

d>

Hình 1.8 Sơ dồ CO’ chế tạo thành plasma

1 lon dương, 2 Điện tlch a) Trạng thái ban đầu; b) Trạng thái dao động;

c) Trạng thái phân chia phân tử;

d) Trạng thái mất điện tích

băng lượng ion dương gọi là plasma Phương pháp plasma có thê tạo ra hô

quang với vài chục ngàn độ Kelvin

Sơ đồ cơ chế tạo thành plasma hình 1.8

Khi đóng mạch thì tại vị

trí đầu phun giữa đầu voníram

(cực âm) và đầu thân đồng

(cực dương) xuất hiện hồ

quang, dòng khí (1) (argon

hoặc nitơ đôi khi bổ sung thêm

hyđrô) đồng thời được cấp vào

đầu phun Như vậy ngọn lửa

plasma được tạo thành khi

dòng khí gặp hồ quang Từ cửa

(2) vật liệu cũng được cấp vào

vùng nhiệt độ cao và được

nung chảy Khi gặp khí thổi có

áp suất kim loại lỏng phân tán

thành bụi và bay với vận tốc

cao hướng vào bề mặt kim loại

- Dùng để phun phủ vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao

Kết luận về phương pháp phun kim loại bàng nhiệt khí trong môi

trường không khí: Xuất phát từ thực nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí

trong vài năm qua có thể đưa ra một số kết luận sau: Phương pháp phun phủ

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý phun phù plasma

1 Dòng khí plasma; 2 Đường cấp vật liệu phủ;

3 Nguồn điện; 4 Cực âm; 5 Cực dương;

6 Kim loại cơ sở

26

băng ngọn lửa ga đầu tư thâp và thông dụng Phương pháp hô quang điện dùng để phù bảo vệ sản phẩm cơ khí dạng kết cấu Phương pháp phú bàng kích nô khí dùng cho sản phẩm đòi hỏi độ bám cao và không có khả năng nung nóng trước Phương pháp plasma dùng cho vật liệu phủ có nhiệt độ nóng chảy quá cao.

Lựa chọn chế độ tối ưu phải dựa trên cơ sở thực nghiệm trên mẫu thử tương tự cần áp dụng

So sánh với các phương pháp xử lý bề mặt bọc lót một lớp kim loại như: mạ, hàn đắp thì phun kim loại có nhiều ưu thế hơn vì tính đa dạng của vật liệu phủ dược ứng dụng, tính chất cơ học đạt được cao, không bị hạn chế

vê độ lớn của kích thước và hiệu quá kinh tế cao

1.2.6 Phương pháp phủ kim loại bằng bốc bay trong chân không

1 2 6 1 Đặc điếm rà bân chất của phưongpháp

Cơ sở của phương pháp phủ kim loại trong chân không là làm bốc hơi kim loại phủ, dòng phần tử ờ dạng hơi được hướng vào bề mặt kim loại nền, sau đó sẽ ngưng tụ trên nó tạo ra lớp liên kết

Thiết bị phủ kim loại trong môi trường chân không trên hình 1.10

7 6

5 4

3 21

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phủ kim loại trong chân không

1 Đế; 2 Buồng phủ; 3 Vật liệu phủ; 4 Nguồn nàng lượng; 5 Dòng vật liệu phủ;

6 Cửa; 7 Chi tiết phủ; 8 Lớp phủ; 9 Cửa cấp khi; 10 Tấm ngăn.

Quá trình xảy ra trong buồng (2) như sau: Vật liệu (3) được bốc hơi ở

dạng dây nhỏ hoặc bột, do được nung nóng bằng nhiệt điện Chi tiết cần phủ

(7) được treo phía trên buồng (2) Khi nhiệt độ đạt đến yêu cầu, vật liệu phủ

(3) tức khắc bốc hơi, toả ra trong buồng chân không (2) Dòng phần tử (5)

(ở dạng phân tử, nguyên tử hoặc ở trạng thái ion) bị tác động bởi các nguồn

năng lượng khác nhau, chuyển động va đập vào bề”mặt kim loại nền (7) và

ngưng tụ tạo ra lóp phủ (8)

Quá trình được diễn ra trong buồng kín có áp suất 13,3 - 133.103 Pa

Nhờ điều kiện đó đã tạo ra được bước nhảy tự do cần thiết cho phần tử kim

loại phủ Lực tác dụng làm chuyển dời dòng phân tử đến bề mặt kim loại

nền (7) chính là do sự chênh lệch áp suất của các pha hơi

Giá trị áp suất cao nhất đạt được ở vùng gần bề mặt bốc hơi (3) và giá

trị nhỏ nhất ờ vùng kim loại nền (7) Ngoài nguyên nhân chênh lệch áp suất

còn có nguyên nhân khác làm chuyển dời phân tử đó là dòng phân tử ờ trạng

thái ion Năng lượng của các phần tử ở trạng thái ion còn làm cho lớp phủ

có chất lượng cao

Quá trình phủ kim loại trong chân không được các nhà khoa học chia ra

làm ba giai đoạn chính:

Giai đoạn I Sự chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng của vật liệu phủ sau

đó sang trạng thái khí (hơi)

Giai đoạn 2.Sự hình thành dòng phân tử và sự chuyển động của chúng

đến bề mặt kim loại nền

Giai đoạn 3 Sự ngưng tụ của các phần tử trên bề mặt kim loại nền và

sự tạo thành liên kết - nghĩa là lóp phủ

Trong đó hai giai đoạn đầu có tính quyết định giai đoạn 3

Vận tốc hình thành lóp phủ được xác định theo công thức:

nữ

(1.3)

(1.4)Công thức (1.3) dùng cho nguồn bốc hơi là điểm

Công thức (1.4) dùng cho nguồn bốc hơi là mặt phẳng

28

Trong đó:

Vp - tốc độ bay hơi của dòng phân tử;

s - diện tích phủ;

L - khoảng cách phun;

a - góc phun - góc đo giũa phương của dòng phần tử và phương vuông

góc với bề mặt phủ, trường họp nguồn bốc hơi là điếm;

0 - góc phun - góc đo giữa phương và dòng phần tử và phương vuông

góc với bề mặt kim loại nền khi nguồn bốc hơi là mặt phang

Từ công thức trên cho thấy các thông số đặc trưng cho phủ chân

không là: Khoảng cách phun L; Góc phun 0 và a; Diện tích phủ s.

chân không

Phương pháp được phân loại theo các dấu hiệu sau:

- Theo phương pháp phun vật liệu và hình thành dòng phân tử thì được

chia ra: phương pháp bốc hơi bàng nhiệt (vật liệu rắn hoặc lỏng), phương

pháp bốc hơi bằng nổ và phương pháp phun bằng ion của vật liệu rắn;

- Theo trạng thái năng lượng của phần tử phủ thì có phương pháp phun

bằng các phần tử trung tính (nguyên tử và phân tử) với các trạng thái năng

lượng khác nhau;

- Theo phương pháp tác động tương hồ giữa phần tứ phủ và chất khí

trong buồng chân không thì được chia ra: phun trong môi trường khí trơ

hoặc trong môi trường chân không cao (133.10 3 Pa) và phun trong môi

trường hoạt tính (133 - 133.10~' Pa) có nghĩa là dưa vào buồng chân không

một số khí hoạt tính như ôxy, nitơ để tạo các ôxyt, nitrit, cacbit,

Căn cứ vào phân loại người ta có thể lựa chọn phương pháp phủ chân

không cho thích hợp Một trong những phương pháp tiên tiến phủ trong

chân không là phương pháp plasma

1.2.6.3 Những yêu cầu k ỹ thuật đối với chi tiết phủ trong

chân không

Chi tiết phủ trong chân không cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Kích thước chi tiết phải hợp lý để tạo ra thiết bị chân không;

- Vật liệu phủ không cho phép tạo ra áp suất cao khi hoá hơi;

- Vật liệu phủ có khả năng nung nóng bề mặt kim loại nền đế nâng cao

độ bám dính

chân không

Chất lượng lớp phủ bị ảnh hưởng bởi các nhóm yếu tố sau:

Kích thước và cấu tạo buồng chân không ảnh hưởng đến chất lượng của

quá trình phủ Sự tăng thể tích cũng như bề mặt trong cúa buồng ảnh hưởng

tốt đến quá trình phủ

Thông số đặc trưng cho chế độ làm việc của thiết bị là công suất riêng

tiêu hao cho việc tạo thành dòng hơi (dòng phần tử) ở mật độ đã cho Công

suất riêng là nâng lượng tiêu hao cho một đơn vị diện tích bề mặt kim loại

nền Nếu tăng công suất riêng thì tăng năng suất phủ, cũng làm thay đổi tốc

độ ngưng tụ của các phần từ và ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Tóm lại

khi điều chinh công suất của dòng phần tử sẽ làm thay đổi cấu trúc và tính

chất lớp phủ

Lý - hoá tính của vật liệu phủ ảnh hưởng lớn đến sự bốc hơi và phun

Chất lượng phun còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của vật liệu

phủ Vật liệu có thể ở dạng thanh, dây, viên, đĩa, bột

Mỗi loại vật liệu đều liên quan đến một phương pháp cấp liệu, đưa liệu

đều đặn vào vùng bốc hơi ảnh hường đến chất lượng lóp phủ và xuất hiện

của quá trình phun

30

4) Yếu tỏ nhiệt độ cùa vật liệu phu

Trong phương pháp bốc hơi bằng nhiệt thì nhiệt độ vật liệu phủ đóng

vai trò quyết định Còn trong phương pháp bốc hơi bằng ion thì nhiệt độ của

vật liệu phủ không có vai trò quyết định

5

Các thông số đặc trưng cho nhóm yếu tố là: khoảng cách phun, góc của

dòng phần tử, góc phun, môi trường phun, nhiệt độ và kích thước chi tiết, áp

suất trong buồng,

Khoảng cách phun ảnh hưởng lớn đến chất lượng lóp phủ Theo định

luật của Lambert - Knutxen

+ Định luật 1: cường độ hơi hướng vào mặt chi tiết thì tỷ lệ thuận với

cosin góc của dòng phần tử

+ Định luật 2: lượng phân tử ngưng tụ ở bề mặt chi tiết tỷ lệ nghịch với

bình phương khoảng cách phun Khoảng cách phun thích họp 150 - 200 mm

Áp suất trong buồng (P): Áp suất tác dụng vào phần tử gây ảnh hưởng

trực tiếp đến bước nhảy tự do của chúng và đến độ bền của lóp phủ Áp suất

trong buồng chọn p< \ữ~2 Pa Khi p > 1,33.10“1 Pa thì tốc độ bổc hơi sẽ giảm.

Nhiệt độ của chi tiết: Nhiệt độ cùa bề mặt chi tiết ảnh hường trực tiếp đến

độ bám của lóp phủ, cấu trúc lớp phủ, ứng suất dư trong lớp phủ và các tính

chất khác của nó Nhiệt độ tối thiểu < 0,3 lần nhiệt độ nóng chảy của vật

liệu nền

Các thông số đặc trưng của nhóm này là: mật độ dòng phần tử phủ ( ,

số phần tử/ ctn2 s), năng lượng cùa phần tử phù ( , EV/nguyên tử), mức ion

hoá của dòng phần tử («„ %), vận tốc của dòng phần tử theo hướng vào chi

Kết l u ậ n về phủ kim toại bằng bốc bay trong chân không

Qua phân tích về các phương pháp phun kim loại trong môi trường chân

không, có thể rút ra các kết luận sau:

- Phương pháp phun kim loại trong chân không có ưu điểm là cho phép

tạo được lớp phủ chất lượng cao về độ liên kết, mỹ thuật, năng suất phủ khá

cao, dùng được nhiều loại vật liệu phủ

- Phương pháp có nhược điểm là thiết bị khá phức tạp, giá thành cao do

phải đảm bảo điều kiện chân không và vận hành chúng cũng phức tạp

- Phương pháp còn bị hạn chế do phải làm buồng chân không theo kích

thước sản phẩm

Tổng họp ưu, nhược điểm của các phương pháp phun phủ bằng nhiệt

khí thể hiện trên bảng 1.2

phun phủ kim loại bằng nhiệt khí

P h u n p h ủ bằng plasm a

P hun p h ủ b ằ n g

bố c b a y trong chân kh ô n g

• V ậ t liệu dạng dây (chủ yếu đồng, nhôm , niken)

• C á c lớp phủ

có công dụng

k h á c nhau

• N hiều loại vậ t liệu bột

• D ùng ch o vật liệu phù

có n hiệt độ nóng c h ả y cao (keramic)

• Dùng cho sản phẳm yêu cầu chất lượng cao,

• Hệ số sử dụng vật liệu cao (0,7 - 0 , 8 5 )

• Đ ộ bám dính tốt

• Sản phẳm có kích th ư ớ c và khối lư ợ ng lớn

• Phủ đư ợ c sản phẩm có độ

độ nóng chảy cao

• Đ ộ bám cao

• C hắt lượ ng lớp phủ cao

• Cần có nguồn điện

• T h iế t bị phứ c tạp, đắt tiến

• T iếng ồn >

140 db

• Yêu cầu có buồng cách âm

• T h iế t bị phứ c tạp, đắt tiền

• N ăng suất tháp

• T iế n g ồn lớn

• Lớ p phủ m ò n g

• P hải có b uồng chân không

• B uồng chân không phải theo kích thư ớ c sản phẩm

32

A # 'hânxét

Trên cơ sở phân tích các phương pháp, thiết bị và vật liệu phun phủ kim

loại bằng nhiệt khí có thê đi đến nhận xét sau:

- Có khả năng sử dụng được khá đa dạng vật liệu phủ, không bị hạn

chế về kích thước của chi tiết ít gây biến dạng cho chi tiết và tạo được chiều

dày lớp phù khá lớn từ 1 - 3 mm;

- Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen rất thông dụng

do có thiết bị không phức tạp vận hành đơn giàn, giá thành thấp, tính vạn

năng cao, dùng được cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy đến 3000°K;

- Những hạn chế của phương pháp: trong khí thổi chứa chất khí có

hoạt tính cao như ôxy, đó là nguyên nhân gây ôxy hoá lớp phú;

- Nhóm hợp kim N i- Cr- Si- B có khả năng chổng gi, chịu mài mòn,

chịu được tải va đập, loại trừ được ôxyt và bọt khí trong lớp phủ khi xử lý

nhiệt, tạo được độ cứng bề mặt chi tiết lớn hơn 50 HRC Ưu điểm đó phù

hợp với công nghệ phục hồi chi tiết máy

- Tạo ra lớp phủ kim loại chất lượng cao về cả độ liên kết và mỹ thuật,

năng suất cao;

- Phương pháp bị hạn chế do phải có buồng chân không theo kích

thước sản phẩm, thiết bị phức tạp và chi phí cao nên chỉ ứng dụng cho sản

phẩm có kích thước nhỏ đòi hỏi chất lượng và mỹ thuật cao, có lớp phủ mỏng

Chương 2 VẬT LIỆU DÙNG CHO PHUN PHỦ

BẰNG NHIỆT KHÍ

Vật liệu dùng để phun phủ thường ở dạng dây và bột Dạng dây dùng trong phun phủ bàng ngọn lửa ga, bằng hồ quang điện và bằng điện xung, còn dạng bột dùng cho phun phủ bàng plasma, kích nổ khí bằng ngọn lửa ga

34

2.1.4 Thiếc và hợp kim thiếc

Tráng thiếc là phương pháp tăng khả năng chịu axit cho chi tiết, chống ôxy hoá, thường dùng phương pháp phủ thiếc trong sản suất đồ gia dụng cho thực phẩm

c) Đồng - phốt pho (0,03 - 0,35% P) loại lóp phủ này chịu mài mòn cao, vì vậy dùng cho việc tăng cứng hoặc phục hồi các ngòng trục, bạc trượt của các cơ cấu của tàu thuỷ;

d) Đồng - latun - loại hợp chất đồng có tính chống sự ăn mòn Sử dụng các chi tiết được phủ đồng latun trong môi trường nước biển;

e) Đồng - chì (23 - 42% Pb) lóp phủ bằng họp kim đồng - chì có khả năng chịu mài mòn cao, vì vậy dùng để mạ lót các chi tiết làm việc ở tốc độ cao vậ tải trọng lớn

2.1.6 Niken và hợp kim của niken

Loại vật liệu này gồm:

a) Niken nguyên chất: niken có khả năng làm việc phần lớn trong môi trường hoá chất, không bị ôxy hoá trong nước

b) Niken - crôm (80% Ni và 20% Cr) trên thực tế vật liệu này không bị

gi trong môi trường nhiệt độ cao và môi trường axit và kiềm

2.1.7 Thép cácbon và hợp kim thấp của thép cácbon

Dùng để tăng cứng bề mặt và tăng khả năng chịu mòn cho các chi tiết máy

2.1.8 Thép chịu ăn mòn

Loại thép này gồm có: thép mactexit và austenit

a) Mactexit dùng ở môi trường chống mài mòn và chống ăn mòn (hợp kim Fe - Cr)

b) Austenit (hợp kim Fe - Cr - Ni và Fe - Cr - Ni - Mn) loại thép này

có khả năng chống ăn mòn cao

2.1.9 Bạc

Dùng để phủ các tiếp điểm điện

2.2 VẬT LIỆU DẠNG THANH

Dạng vật liệu này phổ biến được dùng bởi các hãng của Mỹ như

"Rokide", "Rokide A" - ôxyt nhôm, "Rokide ZS"- silicat siecôn, "RokideC" - ôxyt crôm

Kim loại bột gồm:

2.3.1 Nhôm, kẽm, đồng và hợp kim đồng, môlipđen, thép chịu

ăn mòn, hợp kim bacbit

Công dụng như đã trình bày tại mục (2.1)

2.3.2 Vật liệu compozit

Đây là loại vật liệu được tập hợp từ hai loại vật liệu khác nhau nên mang tính chất của hai vật liệu:

3 6

Ví dụ: Mo - AI dùng để phun phủ các bạc trượt, hoặc vật liệu tông hợp

AI - Ni có thể làm việc được ở nhiệt độ 650°c và có khả năng chịu ăn mòn, hay kim loại tổng hợp từ Ni - Cr - AI có khả năng chống ôxy hoá trong không khí ở nhiệt độ cao Người ta còn sử dụng bột hàn từ: Co - c - w,

2.3.5 Ôxyt

Họp kim kém dẫn nhiệt và dẫn điện nhưng có độ bền cao ờ nhiệt độ cao ôxyt có hai loại: loại đơn giàn là ôxyt chỉ có một kim loại, còn ôxyt phức tạp có từ hai kim loại trở lên, nhưng không phải mọi ôxyt đều có liên kết hoá học bền vững ở nhiệt độ cao Do vậy khi sử dụng trong điều kiện cụ thể phải nghiên cứu đầy đủ tính chất của ôxyt

2.3.6 Cacbit

Nhiệt độ nóng chảy cùa cacbit cao hơn của chính kim loại cấu thành Cacbit có khả năng chịu nhiệt độ cao, dẫn nhiệt, đẫn điện tốt Ví dụ: c - Si,

dao cắt gọt kim loại Do vật liệu cacbit khó nóng chảy nên khi phun phủ thường dùng phương pháp plasma, hoặc kích nổ khí

Chương 3 THIÉT BỊ PHUN PHỦ KIM LOẠI

BẰNG NHIỆT KHÍ

3.1 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ

3.1.1 Phân loại thiết bị theo phưong pháp cấp bột

Có thể phân loại theo phương pháp cấp bột như: Thiết bị cấp bột bàng khí động, cấp bột kiểu rôto, cấp bột dạng đĩa và cấp bột bằng vít (hình 3.1)

Hình 3 1.Sơ dồ nguyên lý các dạng thiết bị cấp liệu bột.

a) Dạng khí động; b) Dạng rôto; c) Dạng đỉa; d) Dạng vít tải.

3.1.2 Phân loại thiết bị theo dạng vật liệu phủ

Theo dạng vật liệu phủ có thiết bị phun bằng dây, thiết bị phun dạng bột Dạng cơ bản cấp dây phổ biến mô tả bằng sơ đồ (hình 3.2)

38

a ) 1 TWTW~4~H~5

Hình 3.2 Sơ đồ cơ cấu cấp dảy

a) Sơ đồ chức năng; b) Sơ đồ thiết bị

1 Động cơ dẫn động; 2 Giảm tốc; 3 Con làn dẫn dây;

4 Cơ cấu điều chỉnh dây; 5 Đầu phun

3.2 THIÊT BỊ PHUN PHỦ BẢNG KHÍ CHÁY ÔXY-AXÊTYLEN

Phun phủ bằng nhiệt khí có nguồn nhiệt là ngọn lửa khí cháy là phương pháp rất phổ biến do khả năng ứng dụng rộng rãi, vận hành đơn giản, vốn đầu tư thấp Một trong những thiết bị đó là thiết bị phun bàng khí cháy ôxy-axêtylen dùng cho cả vật liệu dây và bột Nguyên lý chung cấu tạo của thiết bị trên hình 3.3

Nguyên lý làm việc của thiết bị được tóm tắt như sau: Sau khi chế độ phun đã được xác định, nghĩa là áp suất khí ôxy, axêtylen và không khí đã được xác định, các đường dẫn khí được tập trung vào tủ điều khiển (3) và được dẫn đến đầu phun (1) Khi mọi việc đã được chuẩn bị vật liệu được cấp qua bunke (2) vào đầu phun (1) Bộ lọc (4) để lọc không khí sạch trước khi đưa vào dầu phun Tủ điều khiển (3) để lắp đặt các van và điều tiết khí trước khi đi vào đầu phun (1)

Thiết bị có thể phun được vật liệu dạng dây khi đầu phun (1) được thay bằng đầu phun chuyên dụng Ngoài các trang thiết bị nêu trên còn có thiết bị phụ để gá chi tiết gia công

K hông khí

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun bằng khí cháy ôxy-axêtylen

1 Đầu phun; 2 Bunke cấp liệu; 3 Tủ điều khiển; 4 Bộ lọc khí nén; 5 Đồng hồ đo áp suất.

vật liệu được thoát ra

tại mặt mút (làm bằng vật liệu chịu nhiệt độ cao) cùa đầu phun Đầu phun có thể được gá trên máy và cũng có thể cầm tay

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý đầu phun ôxy-axêtylen

1 Dây vật liệu; 2 Cơ cấu dẫn dây; 3 Đường dẫn khí;

4 Ngọn lửa; 5 Đường dẫn khí ôxy-axêtylen;

6 Hệ con lăn dẫn dây.

4 0