luyện kim bột là một phương pháp luyện kim mới được đưa vào sử dụng với nhiều ưu điểm vượt trội hơn các phương pháp khác .phương pháp này mang sử dụng bột kim loại phù hợp với các chi tiết có cấu trúc phức tạp
MSE 441 Chương LUYỆN KIM BỘT Hanoi university of technology MSE 441 Powder Metallurgy Khái niệm: Khác với phương pháp luyện kim thông thường, luyện kim bột trình chế tạo chi tiết từ bột kim loại bột hợp chất kim loại Nguyên lý làm để tạo liên kết bền hạt mà chất chúng hoàn toàn khác biệt Qui trình công nghệ sản xuất chi tiết phương pháp luyện kim bột bao gồm công đoạn sau: Hanoi university of technology MSE 441 • Sản xuất bột kim loại, hợp kim bột gốm; • Trộn bột kim loại, bột hợp kim với chất dính chất phụ gia • Tạo hình sản phẩm: tạo sản phẩm có hình dáng theo yêu cầu chưa có liên kết bền hạt bột vật liệu • Thiêu kết (gia công nhiệt): tạo liên kết bền hạt vật liệu độ bền cần thiết cho chi tiết • Gia công tinh: tinh chỉnh kích thước, ép lại, nhiệt luyện… Hanoi university of technology MSE 441 III Powder Metallurgy III.A Powder Production III.B Powder characteristics III.C Compaction III.D Densification Hanoi university of technology MSE 441 A.1 Tạo bột Tạo giọt kim loại i/ Giọt kim loại tundish Để phá hủy dòng liên tục: d s < dc (để tạo giọt) dc tăng w/ γ , giảm w/ ρ melt H γ : s c căng b m t ρ: khối lượng riêng dD ~ 1.88 ds ds dD Hanoi university of technology MSE 441 ii/ Tạo bột phun nước Ép kim loại lỏng chảy quan lỗ nhỏ với tốc độ cao để đảm bảo có dòng chảy rối Theo Reynold nummber: ρ v.d R= η where ρ = fluid density (kg/m3), v = velocity of the exit stream (m/s), d = diameter of the opening (m), and η = dynamic viscosity (Ns/m2) Dòng kim loại chảy rối bị phá vỡ thành giọt nhỏ Hanoi university of technology MSE 441 Khi dòng kim loại thoát khỏi thùng rót, bị phá vỡ dòng nước có tốc độ cao (nuowcs, không khí, khí trơ) dD ∝ ds, 1/sinα, 1/vw, v, γ with v = viscosity of melt γ = surface tension Rapidly solidified powder dD ≈ 30 to 1000 µm Water jets: 5-20 MPa water press Vw≈70 to 250 m/s Hanoi university of technology MSE 441 iii/ Phun khí tạo bột Sử dụng khí N2, Ar or He thay cho vòi nước: dD ≈ 20 to 300 µm Môi trườ ng phải kiểả m soát đượ c (reactive metals) Tốố c độ nguội chậm hơn, 10-1 ~ 102 ˚C/s comp to 10 ~ 104 ˚C/s phun nước tạo bột - Khó phun kim loại qua lốỗnhỏ ả – Kích thướ c hạt phân bốảtrên phốảấố r t rộng Hanoi university of technology MSE 441 A.3 Phương pháp hóa lý Hoàn nguyên oxit: dùng loại khí H2 , CO, CnHm than để hoàn nguyên oxit kim loại, sau tiến hành nghiền, tạo bột kim loại Thí dụ , dùng khí oxit cácbon để hoàn nguyên vẩy rèn thu bột sắt: FeO + CO = Fe + CO2 Hoàn nguyên loại muối kim loại thí dụ, dùng Mg hoàn nguyên Ti, Zr từ TiCl4, ZrCl4 700°C thu bột titan, bột ziêcôn Hanoi university of technology • Điện phân: trình ngược với mạ; thực chất tạo lớp mạ xốp, bám dính vào âm cực Chủ yếu dùng sản xuất bột đồng : dương cực Cu kim loại, âm cực thép không gỉ; mật độ dòng I = 20 A/dm2 ; nhiệt độ điện phân T° = 60°C • Nhiệt phân hay gọi phương pháp carbonyl : Nguyên lý phương pháp là, phun khí CO áp suất 200 atm vào dây Fe Ni nung đến (150 – 250)°C Đối với niken, sản phẩm thu cacbonyl Ni(CO)4 có nhiệt độ nóng chảy 43°C sắt sản phẩm Fe(CO)5 chảy 107°C Sau đem nung lên nhiệt độ khoảng (200-300)°C, carbonyl bị nhiệt phân tạo thành hạt kim loại có đường kính khoảng (150)µm MSE 441 P Very high P for isostatic α ρ Hanoi university of technology MSE 441 • C.3 Ép mộ t chiề u (die compaction) Single action vs Double action - Sự dị ch chuyể n củ a chày ép: Ma sat khuôn vật ép Hanoi university of technology MSE 441 • Phân tích xác (uniaxial) ∑F z Pz Pr =0 Pz+dPz Pzπr − ( Pz + dPz ) ⋅ πr − µPr ⋅ 2πr ⋅ dz = Giả thiết Pr=B Pz (~ Poisson’s ratio) Đẳng tĩnh B=1; kim loại B=0.5 µBz Pz = Po exp − r (Pz=Po at z=0) Hanoi university of technology µPr MSE 441 - Lực ép nhỏ đáy: Pmin = Pz B = 0,5; z =h Pr Pz 2µBh = Po exp(− ) r µ = 0,2; Pz =Po h =5 r Pmin = exp(−1) = = 0,37 P0 e z 37% Khi ép vật dài , h/r lớ n, Pmin/Po có thểảlà đáng kể => mật độ thay đổi Giải pháp: ép sơ dùng chất dính ép hai chiều Hanoi university of technology MSE 441 C.4 Ép đẳ ng tĩnh Túi ướt: cho bột vào túi + nhấn chìm vào chất lỏng có áp suất Túi khô: Túi dán chặt đặt bình áp lực Ưu: vs Hình dạng hạt b/ thườ ng h/r cao ~ mật độ đốề ng nhấố t ~ không ma sát z Khuyết: chậm ktra kích thướ c gần mật độ full Hanoi university of technology MSE 441 VI.D Tăng mậ t độ • D.1 Thiêu kết Thiêu kết nhằm làm tăng lượng bề mặt hạt, làm cho toàn khối vật liệu kết tinh lại, tạo cấu trúc Trong trình thiêu kết, xảy tượng thay đổi hình dáng kích thước phần tiếp xúc hạt vật liệu theo xu hướng tăng diện tích thể tích phần tiếp xúc hạt hệ bị co ngót Đồng thời với co ngót, nguyên tử bề mặt tham gia chuyển động trình thiêu kết Hanoi university of technology -Số nguyên tử khỏi phần lồi lỗ xốp số nguyên tử vào khe đoạn tiếp xúc vậy, tổng thể tích lỗ xốp không thay đổi mà làm cầu hoá lỗ xốp -Điểm quan trọng hạt vật liệu tái kết tinh trình thiêu kết nung đến nhiệt độ kết tinh lại Đây chất trình thiêu kết -Kết là, sau thiêu kết, hạt bột kim loại liên kết thành khối liên tục có lỗ xốp, tạo nên tính chất ưu việt cho vật liệu MSE 441 • Examples of morphological evolutions Hanoi university of technology • Figure 16.7: (a) Sintering of two abutting single-crystal spherical particles of differing crystal orientations A grain boundary has formed across the neck region (b) Detail of neck perimeter Seven possible sintering mechanisms for the growth of the neck are illustrated (see the text and Table 16.1) MSE 441 • Sintering mechanisms (Ashby, Acta Met 1974, 22, 275) Hanoi university of technology MSE 441 CÁC PHƯƠ NG PHÁP THIÊU KẾT Hanoi university of technology Thiêu kết thông thường • Nhiệt độ thiêu kết 2/3÷ 3/4 nhiệt độ nóng chảy kim loại (tính theo nhiệt độ Kelvin); thời gian khoảng (15 ÷ 120) phút Kết tinh lại bề mặt (0,3-0,35)T nc Khi T= (0,75-0,85)Tnc tượng kết tinh lại có chọn lọc xảy mãnh liệt, hạt có xếp lại tổ chức Thông thường sau thiêu kết cần phải tiến hành ép chỉnh hình ép lại để đảm bảo tính cho chi tiết • Môi trường thiêu kết: H2 , CO , NH3 ; khí trung tính N2, He, Ar chân không • Khi sản phẩm nhiều cấu tử xuất pha lỏng Thành phần pha lỏng không vượt 30% thể tích khối bột ép để đảm bảo hình dạng sản phẩm không bị biến dạng trình thiêu kết Do đặc điểm bột tính chất vật liệu mà xảy tượng co ngót thiêu kết Thể tích co khoảng (5 ÷ 25)% MSE 441 Thiêu kết áp lực - Ép nóng nhiệt độ cao tới (1500 – 2500)°C , khuôn graphit, áp lực ép 30 MPa, đạt độ sít chặt (95 -98)% thường dùng cho hợp kim cứng cacbit, borit, nitrit - Ép nóng nhiệt độ trung bình 800 -1100°C, khuôn kim loại chịu nhiệt, áp lực ép 200 MPa, môi trường bảo vệ chân không Hanoi university of technology MSE 441 Thiêu kết duwois áp lực có phóng điện Khuôn graphit nằm chày ép Bản thân chày ép lại điện cực Cấp điện cho điện cực đồng thời tiến hành ép mẫu Tia lửa phát từ điện cực loại bỏ chất bẩn bề mặt hạt kim loại Tiếp tục trì dòng điện khoảng 10 giây để tạo luợng thiêu kết hạt Tiếp theo đem sản phẩm ép thuỷ lực để nâng cao mật độ tính chất chi tiết Hanoi university of technology ... thước, ép lại, nhiệt luyện… Hanoi university of technology MSE 441 III Powder Metallurgy III.A Powder Production III.B Powder characteristics III.C Compaction III.D Densification Hanoi university...MSE 441 Powder Metallurgy Khái niệm: Khác với phương pháp luyện kim thông thường, luyện kim bột trình chế... trơ) dD ∝ ds, 1/sinα, 1/vw, v, γ with v = viscosity of melt γ = surface tension Rapidly solidified powder dD ≈ 30 to 1000 µm Water jets: 5-20 MPa water press Vw≈70 to 250 m/s Hanoi university of