CÔNG NGHỆ PHUN ĐẮP 1. Khái niệm Bản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim) nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun có sự va đập vào lớp kim loại nền, do ảnh hưởng của các biến đổi lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc vào lớp nền. Phun phủ kim loại được sử dụng cho các mục đích chính sau: + Phục hồi các bề mặt mòn chủa chi tiết máy + Tạo lớp bề mặt có cơ tính cao của các chi tiết chế tạo mới. + Sữa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí. + Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển và ở các môi trường đặc biệt như: Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv… + Thay thế kim loại quý giảm giá thành sản phẩm + Công nghiệp trang trí. 2. Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại Động lực để hình thành lớp phủ kim loại là nhiệt lượng và nhiệt động năng của các hạt kim loại phun. Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nguồn năng lượng phun và cả trạng thái làm sạch bề mặt phun trên kim loại nền. Các hiện tượng tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ lý – hoá tính khi hình thành lớp phủ kim loại như sau : • Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy ra trên bề mặt phun phủ: Hiệu suất của quá trình nung nóng vật phun theo biểu thức: H = q I.U. Trong đó: I và U – cường độ dòng điện và hiệu điện thế. Quá trình hình thành liên kết giữa các hạt phun với nền, như là một phản ứng hoá học trên mặt phân cách các pha tham dự vào mối liên kết vật lý do các hạt bị biến dạng và bị dàn mỏng ra. Nếu ký hiệu x là số nguyên tử đã tham gia vào phản ứng trong thời gian , thì phương trình động học của tốc độ phản ứng có dạng: Trong đó: NO Là số nguyên tử trên bề mặt nền hoặc bề mặt hạt Là tần số dao động riêng của các nguyên tử Ea Là năng lượng hoạt hoá; Là entropi hoạt hoá tại vùng có phản ứng hoá học; TK Là nhiệt độ tiếp xúc đo theo thang nhiệt độ tuyệt đối; k Là hằng số Boltxman. • Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun: Một trong những thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá học của các vật liệu khi tiếp xúc là nhiệt độ tiếp xúc giữa hạt nóng chảy (lỏng) và nền cứng. Nhiệt độ tiếp xúc TK và năng lượng hoạt hoá Ea được tính theo công thức gần đúng : Ea =K . TK (ln + 30) Hình 1.2 Sơ đồ giải thích về thay đổi thời gian (TK, P) theo nhiệt độ tiếp xúc và áp suất vùng tiếp xúc • Hiện tượng va đập của các hạt kim loại phun : Do ảnh hưởng của lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với vận tốc V khi va đập sẽ bị chảy dàn ra trên bề mặt nền. Biểu thức xác định tốc độ tối thiểu của hạt ở trạng thái nóng chảy, cần đạt được để gây ra biến dạng khi va đập vào mặt phẳng là: Vmin = 2 Trong đó: Sức căng mặt ngoài của vật liệu hạt ở TT nóng chảy; Tỷ trọng của vật liệu hạt; d Đường kính của hạt trước khi va đập ; h Chiều cao của hạt đã nguội. 3. Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền Lớp phủ là loại vật liệu có cấu trúc lớp được tạo bởi các hạt phun bị biến dạng mạnh, và gắn kết với nhau trên các vùng hàn bề mặt kiểu tiếp xúc. Trong lớp phủ có thể phân biệt những vùng cấu tạo phản ánh các quá trình hình thành nên chúng và được phân cách bởi các biên của vùng. Biên giới phân cách lớp phủ và kim loại nền, sẽ quyết định độ bám dính, hay cũng chính là độ bền liên kết giữa chúng. Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt bột phun. Thông thường cỡ hạt phù hợp nằm trong khoảng 4070% Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun. 4. Các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ: Đối với hầu hết các phương pháp phun thì những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình phun là: Các thông số về kết cấu của đầu phun và về vật liệu phun; Các thông số về chế độ phun và về điều kiện phun phủ. Trong điều kiện thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng tôi chọn 3 thông số công nghệ chính để khảo sát là: + Khoảng cách phun (L, mm); + Lưu lượng cấp bột phun (M, gphút); + Áp suất khí thổi (MPa). 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bám dính lớp phủ với kim loại nền Tốc độ va đập các hạt phun vào kim loại nền: Vai trò của sự gia nhiệt kim loại nền trước khi phun: Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp phủ: 6. Các phương pháp phun kim loại Dựa vào nguồn nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại phun, các thiết bị phun hiện tại có thể chia làm hai nhóm chính: Nhiệt khí và Điện năng. • Phương pháp phun phủ nhiệt khí: Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng rãi. Phương pháp này sử dụng nhiệt năng ngọn lửa cháy làm nóng chảy các các vật liệu phủ Một trong những dạng đặc biệt thuộc nhóm này là phương pháp phun nổ, sử dụng năng lượng nổ hỗn hợp ôxy axêtylen. Trong phun nhiệt khí tuỳ thuộc vật liệu phun mà có thể phân ra 3 dạng: Phun dây, phun thanh và phun bột. Hình 2. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại Hình 3. Sơ đồ phun nổ • Các phương pháp phun điện: a) Phun bằng hồ quang điện: Phương pháp này sử dụng năng lượng của hồ quang điện để làm nóng chảy kim loại phun. Hình 4. Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện b) Phun bằng plasma: Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Người ta ứng dụng năng lượng của luồng plasma để làm nóng chảy kim loại phun phủ. Nhờ có hồ quang mà khí công tác được nung nóng tới nhiệt độ rất cao sau đó thoát ra khỏi miệng đầu súng phun thành luồng plasma ổn định nhờ hiệu ứng dòng khí xoáy chạy suốt thành ống phun trong kết cấu của đầu phun. Hình 5. Sơ đồ nguyên lý phun phủ plasma Do luồng plasma có nhiệt độ rất cao, có thể tới 10.000OK nên dùng phun plasma để tạo lớp phủ từ tất cả các loại vật liệu khó nóng chảy hiện có đến nay và đây là một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này. 7. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp phun phủ : a) Những ưu điểm chính của công nghệ phun phủ: 1). Sự đa dạng về vật liệu phun và lớp nền khác nhau. Ví dụ ta có thể phun kim loại lên thủy tinh, gốm, vật liệu hữu cơ. 2). Có thể tạo lớp phun trên toàn bộ bề mặt chi tiết hoặc tại một vùng cục bộ, trong khi bằng các phương pháp khác (nhúng, mạ ...) lại khó có thể đạt được. 3). Thiết bị phun tương đối đơn giản và gọn. 4). Bằng cách lựa chọn thành phần từng lớp phun và tổ hợp các lớp phun có thể tạo ra vật liệu có những tính năng đặc biệt khác hẳn với các vật liệu truyền thống. 5). Có thể dùng phương pháp phun để chế tạo chi tiết có hình dáng khác nhau. 6). Công nghệ phun cho năng suất khá cao và thao tác không phức tạp. b) Một số nhược điểm của phương pháp phun phủ: 1). Khi tạo lớp phun trên bề mặt những chi tiết có kích thước lớn thì quá trình này kém hiệu quả do tổn hao vật liệu phun và vì thế không kinh tế. 2). Ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng điều kiện làm việc của công nhân. 3). Qúa trình phun cũng tạo ra những hợp chất độc trong không khí do sản phẩm cháy tạo thành, có hại cho sức khoẻ.
Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm CÔNG NGHỆ PHUN ĐẮP - Khái niệm Bản chất trình tạo luồng kim loại (kể hợp kim) nóng chảy nhờ nguồn nhiệt khác nhau, áp suất phun có va đập vào lớp kim loại nền, ảnh hưởng biến đổi lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám vào lớp Phun phủ kim loại sử dụng cho mục đích sau: + Phục hồi bề mặt mòn chủa chi tiết máy + Tạo lớp bề mặt có tính cao chi tiết chế tạo + Sữa chữa khuyết tật xuất gia công khí + Bảo vệ chống gỉ môi trường khí môi trường đặc biệt như: Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv… + Thay kim loại quý giảm giá thành sản phẩm + Công nghiệp trang trí Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại - Động lực để hình thành lớp phủ kim loại nhiệt lượng nhiệt động hạt kim loại phun - Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nguồn lượng phun trạng thái làm bề mặt phun kim loại Các tượng tác động tương hỗ lẫn - lý – hoá tính hình thành lớp phủ kim loại sau : • Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy bề mặt phun phủ: Hiệu suất trình nung nóng vật phun theo biểu thức: H = q / I.U Trong đó: I U – cường độ dòng điện hiệu điện - Quá trình hình thành liên kết hạt phun với nền, phản ứng hoá học mặt phân cách pha tham dự vào mối liên kết vật lý hạt bị biến dạng bị dàn mỏng Nếu ký hiệu x số nguyên tử tham gia vào phản ứng thời gian τ , phương trình động học tốc độ phản ứng có dạng: dx E ∆S = ( N * x ) *υ * exp(− a ) * exp( ) dτ kTk k Trong đó: NO - Là số nguyên tử bề mặt bề mặt hạt υ - Là tần số dao động riêng nguyên tử Ea - Là lượng hoạt hoá; SVTH: Nguyễn Văn Phong – 11C1C Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm ∆S - Là entropi hoạt hoá vùng có phản ứng hoá học; TK - Là nhiệt độ tiếp xúc đo theo thang nhiệt độ tuyệt đối; k- Là số Boltxman • Nhiệt độ tiếp xúc vùng va đập phun: Một thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá học vật liệu tiếp xúc nhiệt độ tiếp xúc hạt nóng chảy (lỏng) cứng Nhiệt độ tiếp xúc T K lượng hoạt hoá Ea tính theo công thức gần : Ea =K TK (ln τ + 30) Hình 1.2 Sơ đồ giải thích thay đổi thời gian τ (TK, P) theo nhiệt độ tiếp xúc áp suất vùng tiếp xúc • Hiện tượng va đập hạt kim loại phun : Do ảnh hưởng lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với vận tốc V va đập bị chảy dàn bề mặt Biểu thức xác định tốc độ tối thiểu hạt trạng thái nóng chảy, cần đạt để gây biến dạng va đập vào mặt phẳng là: SVTH: Nguyễn Văn Phong – 11C1C Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm Vmin = d σ ( − 3) h γ 1d Trong đó: σ - Sức căng mặt vật liệu hạt TT nóng chảy; γ - Tỷ trọng vật liệu hạt; d - Đường kính hạt trước va đập ; h - Chiều cao hạt nguội Đặc trưng hình thành cấu trúc lớp phủ kim loại Lớp phủ loại vật liệu có cấu trúc lớp tạo hạt phun bị biến dạng mạnh, gắn kết với vùng hàn bề mặt kiểu tiếp xúc Trong lớp phủ phân biệt vùng cấu tạo phản ánh trình hình thành nên chúng phân cách biên vùng Biên giới phân cách lớp phủ kim loại nền, định độ bám dính, độ bền liên kết chúng Các điều kiện hình thành biên liên kết lớp hạt xác định khoảng thời gian chúng tồn khí Cấu trúc tính chất lớp phủ phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt bột phun Thông thường cỡ hạt phù hợp nằm khoảng 40-70% µm Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc lớp phun SVTH: Nguyễn Văn Phong – 11C1C Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ: Đối với hầu hết phương pháp phun yếu tố ảnh hưởng đến hiệu trình phun là: - Các thông số kết cấu đầu phun vật liệu phun; - Các thông số chế độ phun điều kiện phun phủ Trong điều kiện thí nghiệm Viện Nghiên cứu Cơ khí, chọn thông số công nghệ để khảo sát là: + Khoảng cách phun (L, mm); + Lưu lượng cấp bột phun (M, g/phút); + Áp suất khí thổi (MPa) Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bám dính lớp phủ với kim loại - Tốc độ va đập hạt phun vào kim loại nền: - Vai trò gia nhiệt kim loại trước phun: - Ảnh hưởng ứng suất dư lớp phủ: Các phương pháp phun kim loại Dựa vào nguồn nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại phun, thiết bị phun chia làm hai nhóm chính: Nhiệt khí Điện • Phương pháp phun phủ nhiệt khí: - Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng rãi Phương pháp sử dụng nhiệt lửa cháy làm nóng chảy các vật liệu phủ - Một dạng đặc biệt thuộc nhóm phương pháp phun nổ, sử dụng lượng nổ hỗn hợp ôxy - axêtylen Trong phun nhiệt khí tuỳ thuộc vật liệu phun mà phân dạng: Phun dây, phun phun bột SVTH: Nguyễn Văn Phong – 11C1C Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm Hình Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại Hình Sơ đồ phun nổ • Các phương pháp phun điện: a) Phun hồ quang điện: - Phương pháp sử dụng lượng hồ quang điện để làm nóng chảy kim loại phun Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm Hình Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện b) Phun plasma: - Plasma trạng thái thứ tư vật chất Người ta ứng dụng lượng luồng plasma để làm nóng chảy kim loại phun phủ Nhờ có hồ quang mà khí công tác nung nóng tới nhiệt độ cao sau thoát khỏi miệng đầu súng phun thành luồng plasma ổn định nhờ hiệu ứng dòng khí xoáy chạy suốt thành ống phun kết cấu đầu phun - Hình Sơ đồ nguyên lý phun phủ plasma O Do luồng plasma có nhiệt độ cao, tới 10.000 K nên dùng phun plasma để tạo lớp phủ từ tất loại vật liệu khó nóng chảy có đến ưu điểm bật phương pháp 1) 2) 4) 5) 6) 1) 2) Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm Ưu điểm nhược điểm phương pháp phun phủ : a) Những ưu điểm công nghệ phun phủ: Sự đa dạng vật liệu phun lớp khác Ví dụ ta phun kim loại lên thủy tinh, gốm, vật liệu hữu Có thể tạo lớp phun toàn bề mặt chi tiết vùng cục bộ, phương pháp khác (nhúng, mạ ) lại khó đạt 3) Thiết bị phun tương đối đơn giản gọn Bằng cách lựa chọn thành phần lớp phun tổ hợp lớp phun tạo vật liệu có tính đặc biệt khác hẳn với vật liệu truyền thống Có thể dùng phương pháp phun để chế tạo chi tiết có hình dáng khác Công nghệ phun cho suất cao thao tác không phức tạp b) Một số nhược điểm phương pháp phun phủ: Khi tạo lớp phun bề mặt chi tiết có kích thước lớn trình hiệu tổn hao vật liệu phun không kinh tế Ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng điều kiện làm việc công nhân 3) Qúa trình phun tạo hợp chất độc không khí sản phẩm cháy tạo thành, có hại cho sức khoẻ Một số vật liệu phun phủ thông dụng sử dụng giới Các vật liệu phun phủ xử lý bề mặt kim loại chia thành 04 nhóm theo lĩnh vực ứng dụng chi tiết máy phương pháp phun phủ sau đây: 1) Nhóm I: Bột kim loại đơn kim tổ hợp kim loại nhiều lớp gồm loại vật liệu như: - Bột sở nhôm Al; - Bột sở Cô ban Co; - Bột sở Đồng Cu; - Bột sở Sắt Fe; - Bột sở Molíp đen Mo; - Bột sở Niken Ni 2) Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu gồm: - Hợp kim bột sở bột Cô ban Co; Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm - Hợp kim bột sở bột Niken Ni 3) Nhóm III: Bột gốm cho Bảng 3.3, gồm: - Bột ô-xit nhôm sở; - Bột ô-xit Crôm sở; - Bột ô-xit Zirconi sở 4) Nhóm IV: Bột bít - Bột bít Crôm sở; - Bột bít Tungsten sở Tuỳ thuộc vào mục đích chế tạo hay phục hồi lớp phủ bề mặt chi tiết máy mà người ta sử dụng phương pháp phun phủ thích hợp, bao gồm thiết bị vật liệu phủ tương ứng Metalizare HVAF - HVAF Thermal Spray Chrome Carbide.mp4 ... Minh Diệm - Hợp kim bột sở bột Niken Ni 3) Nhóm III: Bột gốm cho Bảng 3.3, gồm: - Bột ô-xit nhôm sở; - Bột ô-xit Crôm sở; - Bột ô-xit Zirconi sở 4) Nhóm IV: Bột bít - Bột bít Crôm sở; - Bột bít... liệu như: - Bột sở nhôm Al; - Bột sở Cô ban Co; - Bột sở Đồng Cu; - Bột sở Sắt Fe; - Bột sở Molíp đen Mo; - Bột sở Niken Ni 2) Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu gồm: - Hợp kim... SVTH: Nguyễn Văn Phong – 11C1C Bài tập LĐ&SCM GVHD: Đinh Minh Diệm Vmin = d σ ( − 3) h γ 1d Trong đó: σ - Sức căng mặt vật liệu hạt TT nóng chảy; γ - Tỷ trọng vật liệu hạt; d - Đường kính hạt