nghiên cứu quy trình hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt

Luyện kim bột là quá trình công nghệ gắn kết bột kim loại hoặc hợp kim, tạo thành sản phẩm có cấu trúc gần như dạng lưới theo dạng mạng tinh thể dựa vào tính chất cơ học, vật lý xảy ra t

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH HOÀN NGUYÊN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Nghiên cứu qui trình hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt

Mã số: T2011 – 49

Chủ nhiệm đề tài: GV ThS NGUYỄN NHỰT PHI LONG

Tp HCM, 12/2011

KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Nghiên cứu qui trình hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt

Mã số: T2011 – 49

Chủ nhiệm đề tài: GV ThS NGUYỄN NHỰT PHI LONG

Tp HCM, 12/2011

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Đơn vị công tác Nhiệm vụ được giao

1

Trần Thế San Bộ mơn CNKL – Khoa CKM Cố vấn

ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

STT Tên đơn vị trong và ngoài nước Nội dung phối hợp

1

2

Công ty TNHH cơ khí chính xác Quốc An

Công ty CPCN Thép Mới Nghiên cứu thực tế

1 Thơng tin chung:

- Tên đề tài:

Nghiên cứu qui trình hồn nguyên oxyt sắt thành bột sắt

- Mã số: T2011 – 49

- Chủ nhiệm: Nguyễn Nhựt Phi Long

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

- Thời gian thực hiện: 01/2011 – 12/2011

2 Mục tiêu:

Xây dựng qui trình hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt xốp qui mô nhỏ

3 Nội dung chính:

- Tìm hiểu qui trình luyện kim bột từ các loại oxyt kim loại

- Tìm hiểu tính chất của oxyt sắt phát sinh trong quá trình cán nĩng thép

- Xác định qui trình hồn nguyên oxyt sắt thành bột sắt xốp qui mơ nhỏ

4 Kết quả nghiên cứu:

- Kết quả thí nghiệm qui trình công nghệ hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt xốp

5 Sản phẩm:

- Qui trình công nghệ hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt xốp

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Tận dụng phế liệu phát sinh trong quá trình cán nĩng thép, xử lý và bổ sung vào thành phần phối liệu luyện thép, cho phép giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng, giảm ơ nhiễm mơi trường, gĩp phần giải quyết nguyên liệu cho quá trình luyện thép

- Chuyển giao kết quả trực tiếp cho Cơng ty TNHH Cơ khí Chính xác Quốc

1 General information:

Project Title: Reducing – process iron oxides in to porous iron powder

Code number: T2011 – 49

Coordinator: Long Nguyen Nhut Phi

Implementing Institution: University of Technical Education HCMC

Cooperating Institution (s):

- QUOC AN Precision Mechanical Company Limited

- San Tran The

- Basics of powder metallurgy technology from metallic oxides

- Characteristics of oxide – scale developping on steel stocks during steel hot – rolling processes

- Building an experimental reducing – process iron oxides in to porous iron powder

6 Effect, transfer results, and possible aplications:

- Utilizing wast oxide – scale developing during steel hot – rolling to produce iron powder, using for steel – making in inducing furnaces, that allowing energy – economice, decreasing cost, and protecting environment,…contributting to suplly raw materials to steel – making

- Transfer directly the experimental results to Company Quoc An

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước 1

2 Tính cấp thiết 1

3 Mục tiêu 1

4 Cách tiếp cận 1

5 Phương pháp nghiên cứu 1

6 Đối tượng nghiên cứu 1

7 Phạm vi nghiên cứu 1

8 Nội dung nghiên cứu 1

Chương 1 - GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT 2

1.1 Đặc điểm chung 2

1.2 Quy trình luyện kim bột 3

1.3 Các phương pháp luyện kim bột 4

1.4 Đặc điểm tổ chức tế vi của vật liệu kim loại bột 9

1.5 Tính chất của vật liệu kim loại bột 11

1.6 Một số phương pháp tạo bột/hạt 13

Chương 2 - SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH CÁN THÉP SỰ PHÁT SINH OXYT SẮT TRONG QUÁ TRÌNH CÁN NÓNG THÉP 24

2.1 Sơ lược về quá trình cán thép 24

2.2 Sự phát sinh oxyt sắt trong quá trình cán nóng thép 27

Chương 3 - XÁC ĐỊNH QUI TRÌNH HOÀN NGUYÊN OXYT SẮT THÀNH BỘT SẮT XỐP QUI MÔ NHỎ 28

3.1 Cơ sở nghiên cứu và xác định 28

3.2 Xây dựng quy trình hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt xốp qui mô nhỏ 29

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

PHỤ LỤC CÁC BÀI BAO LIÊN QUAN 38

Trang 1

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngồi nước

- Công nghệ hoàn nguyên oxyt sắt, tạo thành sắt xốp - Brasile

- Ứng dụng luyện kim bột để sản xuất sắt xốp trên qui mô lớn – Nhật Bản

- Dự án liên doanh Việt – Nhật sản xuất bột sắt xốp qui mô 1 triệu tấn/năm đặt tại Hà Tĩnh

- Công nghệ tạo bột sắt xốp từ oxyt sắt

2 Tính cấp thiết

- Nhu cầu thực tế: Khu công nghiệp phía Nam hiện đang phát triển các nhà máy luyện cán thép qui mô nhỏ và vừa, một trong các chất phế thải là vảy cán, với thành phần chính là oxyt sắt Để tăng tính bảo vệ môi trường và tăng hiệu quả kinh tế, cần thu gom, xử lý vảy cán tạo thành sắt xốp Bột sắt xốp sẽ làm nguyên liệu bổ sung cho sắt, thép phế liệu khi luyện thép trong lò điện trung tần qui mô nhỏ Đây là nhu cầu cấp bách của các công ty luyện cán thép hiện nay

6 Đối tượng nghiên cứu

- Cơng nghệ hồn nguyên oxyt sắt

7 Phạm vi nghiên cứu

- Qui trình hoàn nguyên oxyt sắt thành bột sắt xốp qui mô nhỏ

8 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu qui trình luyện kim bột từ các loại oxyt kim loại

- Tìm hiểu tính chất của oxyt sắt phát sinh trong quá trình cán nĩng thép

- Xác định qui trình hồn nguyên oxyt sắt thành bột sắt xốp qui mơ nhỏ

Trang 2

Chương 1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT

Lĩnh vực luyện kim bột (PM: Powder metallurgy) được phát triển từ những năm đầu thế kỷ XVIII Ngày nay, công nghệ luyện kim bột được ứng dụng ngày càng rộng rãi để chế tạo các chi tiết máy phức tạp, những chi tiết kết hợp từ các vật liệu khác nhau (kim loại-chất dẻo; kim loại- thủy tinh; vv ), những chi tiết có độ cứng cao và nhiệt độ làm việc siêu cao trong ngành công nghiệp hạt nhân, vũ trụ; đồng thời người

ta cũng đã ứng dụng rất nhiều những sản phẩm chế tạo từ luyện kim bột trong đời sống Tuy nhiên, lĩnh vực luyện kim bột của nước ta còn chưa phát triển Rất nhiều chi tiết, vật liệu được chế tạo theo phương pháp luyện kim bột chúng ta phải đặt mua từ nước ngoài Vì vậy, đây là lĩnh vực đầu tư có triển vọng nếu được chú ý phát triển Luyện kim bột là quá trình công nghệ gắn kết bột kim loại hoặc hợp kim, tạo thành sản phẩm có cấu trúc gần như dạng lưới (theo dạng mạng tinh thể) dựa vào tính chất cơ học, vật lý xảy ra trong quá trình ép và kết dính bột Điều quan trọng là phải xác định mối liên hệ của các quá trình trên, vì một sự thay đổi rất nhỏ trong quá trình chế tạo có

thể là nguyên nhân làm thay đổi tính chất của sản phẩm

1.1 Đặc điểm chung

 Nguyên liệu được sử dụng gần như triệt để (tổn hao nguyên liệu ít )

 Sản phẩm tạo ra có tính đồng nhất cao và ít phải gia công

 Cấu trúc tế vi : không xít chặt, luôn có độ xốp Độ xốp thay đổi từ 2 đến vài

chục % tùy theo công nghệ và yêu cầu chế tạo sản phẩm

Các tính chất, đặc điểm của bột và những yêu cầu của sản phẩm sẽ quyết định việc lựa chọn phương pháp PM

 Kích thước của sản phẩm: do tính chất vật lý của quá trình và tính kinh tế khi chế tạo các thiết bị, dẫn đến những giới hạn về kích thước sản phẩm Với một số quá trình PM thì kích thước sản phẩm hạn chế (như phun ép áp lực), trong khi đó đối với

ép nóng đẳng tĩnh thì kích thước sản phẩm ít hạn chế hơn

Trang 3

 Hình dạng sản phẩm: PM là quá trình linh hoạt có khả năng tạo sản phẩm có hình dạng phức tạp (vì việc chế tạo các khuôn ép và khuôn đúc dễ dàng) và nó được quyết định bởi phương pháp tạo sự kết dính

 Dung sai kích thước: là một yêu cầu quan trọng của việc chế tạo Dung sai sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố như: tính chất bột, thông số nén và số lần thiêu kết

 Nguyên liệu: hình dạng, kích thước và độ sạch của bột là những yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ PM

 Tính chất sản phẩm: phụ thuộc vào tính chất vật lý và cơ tính của bột Trong quá trình tạo hình và thiêu kết các tính chất của bột sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật lý và cơ tính cho sản phẩm Do vậy cần phải kiểm soát chặt chẽ quá trình tạo bột và các điều kiện xử lý khi tạo hình và thiêu kết

1.2 Quy trình luyện kim bột

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình chung của quá trình PM

Sản phẩm sản xuất theo phương pháp luyện kim bột gồm các bước chính sau:

 Chế tạo bột kim loại, hợp kim có thành phần đúng với yêu cầu ở dạng bột rắn

và mịn Thường sản xuất bột kim loại theo phương pháp nghiền, phun sương, điện phân, hoàn nguyên

Bột kim loại (nguyên chất, hợp kim)

Chất phụ gia (Chất kết dính, bôi trơn)

Trộn

Khuôn Thiêu kết

sơ bộ

Thiêu kết kết thúc

Sản phẩm Gia công hoàn

thiện

Trang 4

 Tạo hình sản phẩm: Các loại bột được trộn theo tỉ lệ xác định sau đó đưa vào khuôn ép nén dưới áp lực (100-1000) Mpa Muốn có khối lượng riêng lớn và đồng đều phải ép dưới áp lực cao kết hợp với rung cơ học

 Thiêu kết: Ép xong đem nung nóng đến nhiệt độ thiêu kết trong khoảng thời gian xác định trong chân không hoặc trong môi trường khí bảo vệ, sẽ xảy ra quá trình kết tinh lại tạo ra các hạt mới đa cạnh, các hạt liên kết bền vững với nhau làm tăng cơ

lý tính của sản phẩm đến giá trị mong muốn

 Gia công hoàn thiện: Tùy vào yêu cầu và đặc điểm của sản phẩm mà chúng có thể được gia công hoàn thiện hoặc không

1.3 Các phương pháp luyện kim bột

1.3.1 Ép thông thường

Quá trình ép diễn ra dưới lực ép của công cụ nhằm làm giảm độ xốp, làm tăng mật độ để tăng cơ tính và lý tính, sau đó được thiêu kết, xử lý bề mặt và hoàn thiện

Quá trình nén ép với áp lực (350-700)Mpa

Thiêu kết ở nhiệt độ (1120-1200)oC trong thời gian (30-120) phút

Để tăng năng suất, các nhà thiết kế phải nắm được những ưu và khuyết điểm liên quan tới hình dạng, tính năng của sản phẩm và của các dụng cụ

Để giảm ma sát trong quá trình ép và tăng tuổi thọ của khuôn: Graphit, sáp (Acrawax) được dùng như là một chất bôi trơn và được thêm vào hỗn hợp bột trước khi nén

Xử lý bề mặt: còn gọi là oxi hóa hơi nước, nhiệt độ khoảng 540oC từ (1-2) giờ Quá trình này có thể được tiến hành hàng loạt trong lò áp lực hoặc lò liên tục, tùy vào điều kiện xử lý nhằm:

 Tăng khả năng chịu lực bề mặt

 Tăng độ cứng bề mặt

 Tăng khả năng chống mài mòn

 Tăng ứng suất nén

 Cải thiện độ kín khít cho sản phẩm

Xử lý nhiệt: do xuất hiện độ xốp dư trong thực tế cần xử lý nhiệt bằng khí hoặc môi trường lỏng (dầu làm nguội tốt hơn nước hoặc muối nấu chảy)

 Độ xốp lớn nhất: bộ lọc có độ xốp cao, vòng bi tự bôi trơn

 Chi phí sản xuất thấp so với các phương pháp khác

 Ứng dụng rộng rãi

 Khuyết điểm

 Độ xốp cao làm hạn chế cơ tính và lý tính của sản phẩm

 Hình dạng hình học của sản phẩm được giới hạn bởi chuyển động dọc trục của trục ép

 Ma sát giữa bột với dụng cụ ép và giữa các hạt với nhau gây cản trở việc nén chặt làm cho mật độ không đồng đều

 Mật độ không đồng đều làm cho sự thay đổi kích thước trong quá trình thiêu kết không đồng đều

1.3.2 Phun ép áp lực

Công nghệ phun ép áp lực (Metal Injection Molding: MIM) là quá trình bột được pha trộn thích hợp trong bồn chứa và được bơm phun vào lòng khuôn tương tự như ép nhựa Quá trình này sử dụng nguyên liệu được tạo thành từ bột mịn pha trộn với chất kết dính, polyme Sau khi phun ép các bán thành phẩm được lấy ra khỏi các khuôn và được xử lý để loại bỏ các hợp chất polyme, chất kết dính trước khi đem đi thiêu kết Quá trình này có thể được xử lý bằng nhiệt, hoặc hóa chất Cuối cùng là thiêu kết ở nhiệt độ (1200-1370)oC trong thời gian (30-120) phút Kết quả cho sản phẩm có khối lượng nhỏ hơn (30-35)% với bán thành phẩm

Trong MIM thì giai đoạn làm khuôn là bước quan trọng đầu tiên Các khuyết tật như có lỗ lõm, rỗng, vết đường hàn, và các biến thể có thể xảy ra do dụng

cụ hỏng hoặc lựa chọn không đúng các thông số chế tạo như nhiệt độ, áp suất phun

Để giảm chi phí và thời gian thiết kế người ta tiến hành mô phỏng trên máy tính, các

nó liên quan tới việc xác định độ nhớt, sự phân bố nhiệt độ ở từng vùng

Các phương trình của dòng chảy nhớt được thành lập để mô tả sự bảo tồn nhiệt, động lực và khối lượng Quá trình này bằng cách mô tả kết hợp các phương pháp toán học và hình học của dòng chảy hỗn hợp, mối quan hệ giữa áp lực và sự dịch chuyển của các dòng chảy

 Ưu điểm

 So với ép thông thường thì nó không bị giới hạn trong chuyển động dọc của trục ép

 Tính chất cơ học cao hơn nhờ tăng mật độ hạt

 Tạo ra sản phẩm có hình dạng phức tạp: khớp nối, thanh truyền

 Khuyết điểm

 Dụng cụ phun ép áp lực có giá thành cao

 Kích thước sản phẩm bị giới hạn do khả năng loại bỏ các hợp chất polyme và chất kết dính

 Tính kinh tế thấp

1.3.3 Ép nóng đẳng tĩnh

Ép nóng đẳng tĩnh (Hot Isostatic Pressing: HIP) là công nghệ dựa trên sự kết hợp các hạt dưới nhiệt độ và áp suất cao, có thể mang lại sản phẩm có chất lượng tốt, nhưng giá thành cao Bản chất là quá trình cơ nhiệt, bột được nén chặt và truyền nhiệt đồng thời Các quá trình vật lý xảy ra bao gồm sự chảy dẻo, nén chặt, khuếch tán Áp lực và nhiệt độ bột ở các vùng phụ thuộc vào thiết bị và lượng bột ép mỗi lần

Sự truyền nhiệt sẽ ảnh hưởng đến mật độ, do đó cần kiểm soát:

 Phương trình chuyển động

 Phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình liên tục

 Các điều kiện ban đầu và những giới hạn của thiết bị

Trang 7

 Ưu điểm

 Độ đồng đều hạt cao, không lõm hoặc co ngót, không có sự phân lớp

 Tính chất vật lý và cơ học cao hơn đúc và rèn

 Phù hợp với sản lượng nhỏ và vừa: thép dụng cụ, siêu hợp kim,v.v…

 Khuyết điểm

 Giá thành cao

 Yêu cầu cao về thiết bị, độ tinh khiết bột

 Khó khăn trong việc kiểm soát theo các chiều tạo hình với những sản phẩm phức tạp

1.3.4 Ép nguội

Ép nguội là một kỹ thuật ép có thể nhận được mật độ và những đặc tính cơ cần thiết giống như quá trình ép thông thường qua 2 lần Quá trình này phối hợp sử dụng cả bột được nung nóng và dụng cụ được nung nóng

Hình 1.2 mô tả sơ đồ của qui trình ép nguội, nhiệt độ bột và khuôn được dùng từ (75 – 100)0C, cứ 1000C tăng lên trong nhiệt độ ép thì khối lượng riêng tăng lên 0.08g/cm3

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình ép nguội

Trang 8

1.3.5 Cán ép

Cán ép là phương pháp phổ biến dùng để sản xuất các sản phẩm có dạng tấm mỏng Có 3 cách cán ép tùy thuộc vào hướng cấp bột: Cấp bột theo phương thẳng đứng, theo phương ngang, theo phương nghiên một góc 45o

Cấp bột theo phương thẳng đứng được thể hiện hình 1.3

Hình 1.3 Quy trình cán ép cấp bột theo phương đứng

 Ưu điểm:

 Bột được cấp liên tục, đều dựa vào trọng lực bột

 Điều khiển lượng bột dễ dàng

 Phù hợp với sản phẩm cán nhiều lớp

 Nhược điểm:

 Cần một lò thiêu kết có kích thước rất cao Tấm cán có thể được quay theo phương ngang để vào lò nhưng điều này có thể làm gãy các tấm

Cấp bột theo phương ngang thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4 Cán ép cấp bột theo phương ngang

 Việc cấp bột khó khăn hơn vì trọng lực nhỏ

 Điều khiển lượng bột cán khó khăn

Cấp bột theo phương nghiên 45 o thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5 Cán ép cấp bột theo phương nghiêng 45o

 Ưu điểm:

 Phương pháp này khắc phục được các nhược điểm của của hai phương pháp trên Vừa tận dụng được trọng lượng bột, vừa không đòi hỏi lò thêu kết quá cao

 Nhược điểm:

 Đây là phương pháp kết hợp giữa hai phương pháp trên nên cũng có những điểm hạn chế hơn.

1.4 Đặc điểm tổ chức tế vi của vật liệu kim loại bột

Trong lĩnh vực vật liệu, cấu trúc luôn là yếu tố quyết định các tính chất Vật liệu kim loại bột cũng vậy, yếu tố cấu trúc được đưa lên hàng đầu Trong kim loại hoặc hợp kim đúc hoặc rèn các nhân tố thành phần, độ phân tán và sự phân bố các pha, cũng như tỷ lệ số lượng của chúng, kích thước và hình dạng các hạt, quyết định tính chất của hợp kim Trong vật liệu bột ngoài các yếu tố kể trên, sự tiếp xúc bề mặt của các

a Không hạn chế sự hóa cứng sau khi ép nóng

b Ép nóng nhanh chóng sau khi nghiền Hình 1.6 Tổ chức tế vi hợp kim Al-Fe-Ce

Sự tồn tại các lỗ xốp trong vật liệu kim loại bột là điều hiển nhiên do đặc điểm công nghệ Hơn thế, các lỗ xốp trong vật liệu là một nhân tố đặc trưng quyết định tính chất của các vật liệu chống mài mòn hay ma sát Vì thế việc xác định độ xốp là việc làm không thể thiếu trong vật liệu kim loại bột Độ xốp trong vật liệu phải đảm bảo sao cho vật liệu đủ bền và đáp ứng nhu cầu kỹ thuật riêng biệt và sự bôi trơn hoặc khả năng thấm lọc các phần tử lỏng, khí…

Sự hình thành tổ chức vật liệu kim loại bột phụ thuộc vào các nhân tố công nghệ bột như thành phần, độ sạch, hình dạng, kích thước hạt bột ban đầu, mức độ đồng đều khi nghiền trộn, áp lực nén và phương pháp nén, nhiệt độ và thời gian thiêu kết, môi trường thiêu kết cũng như chất lượng khâu gia công kết thúc (ngâm dầu, phủ chất dẻo fluorplastic, ép chỉnh, gia công cơ, nhiệt luyện )

Để nghiên cứu tổ chức vật liệu kim loại bột người ta sử dụng cả phương pháp nghiên cứu mặt gãy và phương pháp nghiên cứu cấu trúc vi mô như kính hiển vi kim

tương, hiển vi điện tử…

Trang 11

1.5 Tính chất của vật liệu kim loại bột

Như đã trình bày vật liệu kim loại bột luôn có các lỗ xốp và vì thế chúng ảnh hưởng lớn đến cơ tính của vật liệu Do đó khi nói đến vật liệu bột ngoài cơ lý hóa tính còn phải kể đến độ xốp

1.5.1 Độ bền

So với kim loại chế tạo bằng phương pháp truyền thống như: nấu, đúc, rèn thì hầu như độ bền của vật liệu kim loại bột bao giờ cũng thấp hơn Tùy thuộc vào độ xốp trong tổ chức vật liệu kim loại bột được chia làm hai nhóm

Nhóm vật liệu có độ xốp cao, như các loại hợp kim chống mài mòn, vật liệu

ma sát, phin lọc những loại vật liệu thuộc nhóm này có độ bền thấp và phụ thuộc vào

độ xốp theo công thức: (Trang 14, [1])

p - giới hạn bền của vật liệu cùng thành phần không có lỗ

 - hệ số đặc trưng cho sự không đồng nhất của ứng suất theo tiết diện cho sự không đồng đều của lỗ xốp trên tiết diện đó Thường  = 2

 - Độ xốp

Nhóm vật liệu có độ xốp thấp, như các vật liệu kết cấu, vật liệu mật độ cao, hợp kim, kim loại khó chảy, hợp kim cứng… các loại vật liệu này được chia làm hai loại:

 Loại có độ dẻo cao như vật liệu kết cấu, vật liệu mật độ cao Độ bền của kim loại này cũng được tính bằng công thức (1.1)

 Loại có mật độ thấp như các loại hợp kim kim loại khó chảy, cermet, các hợp kim cứng

Độ bền của loại này được xác định theo công thức sau: (Trang 15,[1])

(1.2) Trong đó: - giá trị độ bền giòn trung bình của nhóm mẫu

V – thể tích mẫu

m – hệ số đồng nhất của vật liệu của một nhóm mẫu có thể tích như nhau

Vật liệu kim loại bột có xu hướng bị biến cứng mạnh hơn so với kim loại bình thường Vì thế việc ép chỉnh hoặc làm tăng mật độ bằng biến dạng làm tăng độ bền, độ cứng của vật liệu mà không làm giảm đột ngột độ dẻo

1.5.2 Độ cứng

Đa số các vật liệu bột có độ cứng thấp và được xác định bằng máy đo độ cứng brineil Tuy nhiên một số vật liệu bột trên cơ sở sắt-cacbon-graphit sau khi tôi và ram có độ cứng cao và được xác định bằng độ cứng Rockwell HRC Riêng hợp kim cứng dùng thang HRA

1.5.3 Mật độ và độ xốp

Mật độ và độ xốp của vật liệu bột là hai thông số quan trọng cho biết tổ chức

và tính chất vật liệu Mật độ vật liệu được xác định bằng phương pháp đo thể tích và cân trọng lượng (Trang 16, [1])

KK TK TK

m V

  (g/cm3) (1.3)

Trong đó:

TK – mật độ vật liệu kim loại bột

mKK – trọng lượng vật liệu trong môi trường không khí (g)

  (1.4)

 - độ xốp vật liệu(%)

Vlỗ - thể tích lỗ xốp trong vật liệu(cm3)

Trang 13

Để xác định lỗ xốp trong vật liệu thiêu kết, người ta thường dùng phương pháp bịt lỗ xốp bằng paraphin

Nhúng vật liệu vào paraphin nấu chảy và giữ ở nhiệt độ cố định t = tn/c +

50oC cho đến khi không còn hiện tưởng thoát bọt khí trong paraphin nóng chảy Cân trọng lượng mẫu đã được bịt lỗ xốp và xác định thể tích lỗ xốp theo công thức: (Trang 16,[1])

(1.5) Trong đó:

mp – trọng lượng mẫu đã được bịt lỗ bằng paraphin (g)

p – trọng lượng riêng của paraphin (g/cm3)

mKK – trọng lượng vật liệu trong môi trường không khí (g)

1.5.4 Các tính chất khác

Các tính chất khác của vật liệu kim loại bột như độ dai va đập, tính dẫn điện,

từ tính nói chung thấp hơn kim loại đúc do trong tổ chức có chứa lỗ xốp Tính chống

ăn mòn tương tự kim loại đúc

 Cải thiện, thay đổi tính chất của vật liệu (mật độ, độ dai, hoặc làm cứng)

 Pha trộn hai hay nhiều vật liệu

1.6.1.2 Nguyên lý nghiền cơ học

Dựa vào lực va đập giữa má nghiền, bi nghiền, búa nghiền và bột nghiền với nhau làm cho các hạt bị vỡ vụn đến kích thước mong muốn

Dựa vào lực ma sát giữa các bề mặt, lực nén, lực tách để mài mòn và đập nát các hạt tới kích thước hạt mong muốn

Nhiệt độ quá trình nghiền cùng với sự nhào trộn tạo nên hỗn hợp dung dịch rắn

1.6.1.3 Cơ chế quá trình nghiền cơ học

Cơ chế nghiền bao gồm giai đoạn nén ép ban đầu, trong các hạt diễn ra quá trình biến dạng , không có sự kết tụ bởi hàn và nứt vỡ Cuối cùng, các hạt bị biến cứng do

sự biến dạng và trở nên giòn, khi đó các vết nứt bởi sự mỏi cơ học được hình thành làm cho các hạt bị nứt vỡ Những mảnh vỡ được tạo ra bởi cơ chế này có thể tiếp tục giảm kích thước khi sự kết tụ xảy ra không mãnh liệt Khi quá trình nứt vỡ xảy ra mạnh liệt thì vai trò của nén ép không đáng kể và không có sự kết tụ do hàn nguội, các mảnh vỡ tiếp tục trở nên nhỏ hơn cho đến khi tương tác phân tử xảy ra bởi lực Vanderwaals ( lực liên kết các phân tử lại với nhau)

Khi các hạt trở nên mịn hơn, sự gắn kết có xu hướng tăng lên và quá trình kết tụ diễn ra mạnh mẽ hơn Cuối cùng, các hạt đạt tới trạng thái cân bằng dưới sự tác động của các lực, khi đó kích thước hạt được hình thành

Quá trình nghiền là một quá trình khép kín của nén ép (M), nứt vỡ (F) và kết tụ bằng cách hàn (Aw) như hình 1.7

Hình 1.7 Quá trình khép kín của nứt vỡ(F), Nén ép (M) và kết tụ (Aw)

Trang 15

Sau một thời gian, quá trình kết tụ và nứt vỡ đạt được trạng thái cân bằng Kích thước hạt trung bình đạt được phụ thuộc vào sự kết tụ do hàn nguội, độ giòn, bền mỏi của hạt và khả năng chống biến dạng của hạt

1.6.1.4 Các giai đoạn trong quá trình nghiền

Bao gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1

Là quá trình nén bao gồm sự sắp xếp và kết tụ của các hạt Các hạt trượt lên nhau làm chúng bị vỡ và biến dạng một phần, các hạt đặc biệt mịn tạo ra từ các hạt giòn và có hình dạng khác nhau

Trong giai đoạn này, các hạt mịn tương đối lắp đầy các khoảng trống, làm cho mật độ tăng lên

Hình dạng hạt đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn này Hạt hình cầu hầu như hoàn toàn bị đẩy ra khi hai viên bi va chạm với nhau, còn các hạt dạng tấm hay vảy có xu hướng bị giữ lại giữa các viên bi Các hạt có các dạng bề mặt khác có xu hướng liên kết với nhau tạo thành các khối

Giai đoạn 2

Bao gồm quá trình biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của các hạt Trong giai đoạn này quá trình hàn nguội có thể xảy ra Biến dạng đàn hồi có ảnh hưởng tương đối nhỏ, trong khi biến dạng dẻo và hàn nguội thì có ảnh hưởng lớn, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào độ dẻo của vật liệu và môi trường nghiền

Đối với vật liệu gốm và kim loại cứng, giòn thì sự biến dạng dẻo và hàn nguội ít ảnh hưởng đến quá trình nghiền nhỏ, tuy nhiên, chúng có ảnh hưởng mạnh khi nghiền vật liệu dẻo

Giai đoạn 3

Sự nứt gãy của hạt là kết quả của biến dạng thêm và vỡ vụn thường xảy ra khi nghiền các hạt gốm, kim loại giòn

Trong quá trình nghiền, tùy vào tính chất của vật liệu, tác dụng của lực nén

ép là khác nhau Quá trình nghiền một hạt vật liệu giòn (chẳng hạn là vật liệu gốm và kim loại cứng) được thể hiện trong hình 1.8 (a), từ một hạt lớn sẽ bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn Quá trình nghiền kim loại dẻo hình 1.8 (b), các hạt không bị nứt vỡ,

Trang 16

nhưng sự biến dạng làm thay đổi hình dạng của hạt, đầu tiên là hình đĩa và sau đó là hình tấm mỏng

a) Vật liệu giòn b) Vật liệu dẻo

 Vật liệu: Tùy thuộc vào tính kinh tế mà chúng ta có thể lựa chọn các vật liệu làm bi khác nhau: bi nghiền bằng cacbit vonfram dùng cho vật liệu quý hiếm và sản lượng nhỏ, bi nghiền bằng thép không gỉ được sử dụng nhiều trong sản xuất quy

Môi trường nghiền

Chất hoạt động bề mặt và chất bôi trơn thường được sử dụng để để hạn chế

sự tích tụ, giảm sức căng bề mặt vật liệu rắn Bởi vì năng lượng là như nhau để tạo ra một lượng bột mới với cùng thời gian, việc giảm sức căng bề mặt được sử dụng để rút

Ngoài ra, một lượng nhỏ chất phụ gia hoặc chất bôi trơn phân tán trong mỗi hạt làm ảnh hưởng đến chất lượng của hạt, nhưng chúng sẽ được loại bỏ khi thiêu kết

1.6.1.6 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm

 Có thể chế tạo hầu hết các loại vật liệu bột

 Bản chất của vật liệu không thay đổi

 Đơn giản, giá thành hạ

 Tận dụng được các phế liệu trong cán ép, gia công cắt gọt

Nhược điểm

 Rất khó nghiền các vật liệu quá cứng hoặc quá mềm

 Bột có độ sạch không cao do ma sát trên thành máy và các chi tiết chuyển động như bi nghiền, búa nghiền, má nghiền có thể tạo ra các tạp chất

Chất hoàn nguyên là chất có tính khử mạnh: ôxit cacbon (CO), hydro nguyên tử (H) và khí có chứa H2 và CO hỗn hợp, một số khí trơ như: ammoniac, cacbon rắn (muội than, than cốc…) và kim loại (Ca, Na, Mg) hoặc hợp chất của chúng (cacbit hoặc hidrit canxi) Khi chất hoàn nguyên tác dụng với hợp chất kim loại và giải phóng kim loại nguyên chất Quá trình hoàn nguyên còn gọi là quá trình ôxi hóa –

Trang 18

khử Khi mà hợp chất ban đầu bị khử các thành phần phi kim loại, các chất hoàn nguyên sẽ tác dụng với chúng, bị oxi hóa

Ví dụ: Nguyên liệu ban đầu để sản xuất bột volfram thông thường là ôxit

WO3, W2O5 chất hoàn nguyên là hydro hoặc cácbon Bột volfram phục vụ cho điện hoặc điện tử thường được hoàn nguyên WO3 bằng khí hydro khô bởi vì, nếu hoàn nguyên WO3 bằng cácbon, bột nhận được sẽ bị lẫn cacbon ở dạng tự do hay dạng cabit volfram Bột volfram trong kỹ thuật điện không được lẫn tạp chất, nhưng nếu bột volfram được dùng để sản xuất hợp kim cứng thì tạp chất cácbon không gây tác hại cho các công đoạn công nghiệp tiếp theo

Quá trình hoàn nguyên WO3 bằng hydro hay cacbon được tiến hành trong

lò điện trở thông thường Trong trường hợp hoàn nguyên WO3 bằng hydro thì lò hoàn nguyên có dây nung là micôm còn hoàn nguyên bằng cacbon trong lò có dây nung bằng môlipđen Bởi vì, quá trình hoàn nguyên bằng cacbon được tiến hành ở nhiệt độ cao hơn (1450 – 16000C)

Me : bột kim loại cần chế tạo

A : thành phần phi kim loại (O, Cl, F, muối kết tủa…) tạo nên hợp chất cần hoàn nguyên Me

Trang 19

Về mặt công nghệ hoàn nguyên chúng ta thấy, các ôxit kim loại nói chung giòn và dễ nghiền nhỏ, nghiền mịn Bột ôxit được hoàn nguyên ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của chúng Bột kim loại thu nhận được với độ hạt tùy thuộc vào độ mịn của ôxit trước khi đưa vào hoàn nguyên Chất hoàn nguyên có thể là bột than (cốc, antrxit…) hoặc các khí H2, NH3, CO, hydro cacbon, khí đốt cháy dở… Bột nhận được có độ xốp cao nên khả năng ép cao, độ hạt càng mịn nếu nhiệt độ hoàn nguyên càng nhỏ

Dấu mũi tên hai chiều ↔ có nghĩa rằng, trong phản ứng (1.6) có thể đồng thời tồn tại cả sự liên kết của kim loại bị hoàn nguyên và chất hoàn nguyên và cả sự hồi phục hợp chất ban đầu MeA Chất hoàn nguyên là chất mà nó trong điều kiện nhiệt

độ nhất định sẽ tạo ra các hợp chất tương tự thành phần phi kim loại A của hợp chất MeA hơn kim loại nằm trong thành phần hợp chất đó Để đánh giá khả năng hoàn nguyên cần so sánh giá trị đặc trưng cho độ bền của mối liên kết hóa học trong hỗn hợp MeA và XA Đơn vị đo giá trị đó (chấp nhận thuật ngữ “mức ái lực hóa học” ) là mức năng lượng được giải phóng trong quá trình tạo thành các hợp chất hóa học: Năng lượng tự do được giải tỏa càng lớn, mối liên kết hóa học càng bền Chính vì vậy phản ứng (1.6) xảy ra từ trái sang phải, có nghĩa là, theo hướng hoàn nguyên MeA thành

Me, loại trừ trường hợp, nếu khi tạo thành hợp chất hoàn nguyên XA sản ra năng lượng nhiều hơn năng lượng sản ra khi tạo thành hợp chất MeA theo phản ứng Me + A

→ MeA

Ví dụ: ở 10000 C năng lượng tự do tạo thành đioxit zircon theo phản ứng Zr + O2 = ZrO2 trong khoảng 420 KJ/g – nguyên tử ôxy Trong khi đó ôxit canxi theo phản ứng Ca + 0.5O2 = CaO, trong khoảng 525 KJ/g - nguyên tử ôxy Chúng ta thấy canxi rất tích cực hoàn nguyên ZrO2 cho tới kim loại sạch theo phản ứng ZrO2 + Ca =

Zn + CaO Rõ ràng, năng lượng tỏa ra của bất kỳ của một kim loại nào đó đối với thành phần phi kim loại trong hợp chất cũng nghịch biến theo nhiệt độ và hóa trị kim loại (hóa trị kim lọai hợp chất càng thấp độ bền nhiệt của nó càng cao: ví dụ: TiO bền nhiệt hơn TiO2)

Cùng với quá trình nhiệt động, tốc độ phản ứng cũng có một ý nghĩa quan trọng, nó được đặc trưng bởi số lượng vật chất được hoàn nguyên trong một đơn vị thời gian Trong mỗi thời điểm không phải tất cả các nguyên tử có trong hệ thống cùng

lượng hoạt tính Dĩ nhiên, trong hoạt động thực tế chúng ta cần quá trình xảy ra nhanh

1.6.2.4 Yêu cầu về mặt kỹ thuật và kinh tế

Đối với quá trình hoàn nguyên, chất hoàn nguyên phải đảm bảo các yêu cầu kinh tế kỹ thuật sau:

 Chất hoàn nguyên phải hoàn nguyên hoàn toàn kể cả khi nhiệt cấp bên ngoài thấp

 Lượng dư của chất hoàn nguyên cũng như xỉ tạo ra phải dễ tách khỏi kim loại được hoàn nguyên bằng cách rửa, chưng chân không, tạo xỉ…

 Hoàn nguyên phải có độ sạch cao để không bị lẫn tạp chất vào kim loại cần nhận

 Chất hoàn nguyên tan rất ít trong kim loại và không tạo thành hợp chất hóa học

 Chất hoàn nguyên phải rẻ tiền, dễ kiếm

Trong từng trường hợp cụ thể cần lựa chọn hợp chất kim loại ban đầu MeA

và chất hoàn nguyên X sao cho vừa an toàn về mặt kỹ thuật vừa hiệu quả về mặt kinh

tế

Trong công nghiệp sản xuất gốm kim loại, chất hoàn nguyên được sử dụng chủ yếu là khí H2, CO hay hỗn hợp khí CO+H2, khí thiên nhiên, khí lò cao… chất hoàn nguyên thể rắn như: hồ bóng, ôxit kim loại Các kim loại như : Na, Mn, Ca hay CaH2

cũng sử dụng như chất hoàn nguyên để điều chế bột kim loại

Tùy từng trường hợp cụ thể cần lựa chọn chất hoàn nguyên sao cho có hiệu quả kinh tế và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của bột kim loại và thuận tiện cho chế tạo bột kim loại

Phương pháp hoàn nguyên ôxit kim loại thường được dùng trong công nghệ

để sản xuất Fe từ quặng sắt, bột các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao và nhất là

lớn và mang lại hiệu quả kinh tế cao

Nguyên lý chung của phun sương là sự tan rã của dòng chất lỏng thành những giọt chất lỏng mịn, sau khi nguội biến thành dạng bột, thông thường kích thước của bột tạo thành nhỏ hơn 150µm

Các phương pháp phun sương gồm: