1.KHÁI NIỆM Khác với phương pháp luyện kim thông thường là chế tạo kim loại và hợp kim bằng cách nấu chảy rồi qua kết tinh trong khuôn để tạo hình,công nghệ luyện kim bột sử dụng bột k
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VÀ XỬ LÝ
TIỂU LUẬN
VẬT LIỆU BỘT
LUYỆN KIM BỘT
GV-Th.S : Nguyễn Đăng Khoa
SV : 1 Trịnh Xuân Mạnh.
2 Bùi Duy Nhật.
T.p Hồ Chí Minh 19/12/2010.
Trang 2
PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGÀNH LUYỆN KIM BỘT.
1.KHÁI NIỆM
Khác với phương pháp luyện kim thông thường là chế tạo kim loại và hợp kim bằng cách
nấu chảy rồi qua kết tinh trong khuôn để tạo hình,công nghệ luyện kim bột sử dụng bột kim loại như nguyên liệu ban đầu rồi qua ép và thiêu kết tạo hình mong muốn
Muốn có một sản phẩm từ bột nói chung phải qua các bước sau:
- Chế tạo bột với độ hạt và độ sạch thích hợp
- Tạo hình sơ bộ bằng ép hỗn hợp trong khuôn dưới áp suất thích hợp
- Định hình kết thúc bằng sấy và nung ở nhiệt độ thích hợp (thường thấp hơn nhiệt độ
nó chảy của các cấu tử chính)
2 LỊCH SỬ
+Năm 3000 trước Công nguyên,người Hi Lạp đã chế tạo được công cụ nhờ phương pháp luyện kim bột
+Năm 1839 công ty WOOLASTON,được cho là tạo ra PLATIN rắn từ bột Platin xốp +Một số ứng dụng :
-Năm 1900 tạo ra wonfram dạng sợi cho bóng đèn điện
-Năm 1930 chế tạo Cac bit làm vật liệu cắt gọt
-Năm 1960,ứng dụng chế tạo một số bộ phận của xe ôtô
-Năm 1980 ứng dụng chế tạo tuabin động cơ máy bay
Sợi wonfram
3.ĐẶC ĐIỂM
+ So với ngành chế tạo khác như :Đúc ,Rèn, và ngành chế tạo máy thì,ngành luyện kim bột được sử dụng khi kim loại,hợp kim:
Trang 3- Nhiệt độ nóng chảy rất cao như W
- Có phản ứng hoá học tại thời điểm nóng chảy
- Vật liệu rất cứng để gia công (dao hk,đá mài )
- Số lượng rất lớn
+ Gần 70% khối lượng chế tạo trong ngành luyện kim bột là tự động hoá
+ Kích thước chế tạo rất chính xác
+ Có thể kiểm soát được các rỗ(xốp)
+ Có thể chế tạo được vật nhỏ như đầu bi của bút bi đến vật nặng 100
Pao(Pao~0,454kg).Thông thường ở khoảng 5 Pao
4.ƯU ĐIỂM :
+ Nguyên liệu hầu như được sử dụng 100% vì không có phoi khi gia công
+ Khống chế dễ dàng thành phần của sản phẩm ngay từ khi chon và trộn bột ban đầu
+ Đảm bảo tính đồng nhất về kích thước,tổ chức tế vi và thinh chất của sản phẩm khi sản xuất hàng loạt lớn.Vấn đề này được quyết định ở khâu trộn bột thật kỹ và đều theo tỷ lệ qui định
+ Nhờ tính đơn giản của các nguyên công, khả năng tự động hoá cao,năng suất cao, tiết kiệm nhân lực, nên giá thành hợp lý
+ Một số loại sản phẩm chỉ chế tạo được bằng phương pháp luyện kim bột, hay sẽ rẻ hơn so với hợp kim thông thường (vật liệu có độ nóng chảy cao,vật liệu cứng và siêu cứng, chịu nhiệt và cách nhiệt, vật liệu có độ xốp đều…)
5 NHƯỢC ĐIỂM
+ Chi phí đầu tư ban đầu cao
Trang 4
PHẦN II CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT
A PHÂN LOẠI, ỨNG DỤNG.
1.NHỮNG LOẠI VẬT LIỆU CÓ THỂ CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỘT
Loại vật liệu Các cấu tử chính Vật liệu kết cấu (chi tiết máy )
Fe, Fe-Cu, Fe-Ni-Cu, Fe-P Fe-C, Fe-Cu-C, Fe-Ni-Cu-Mo-C Thép không gỉ, brông, latông
Ti, Al-Cu Hợp kim đặc biệt :
- Hợp kim từ cứng
- Hợp kim từ mềm
- Hợp kim hàn với thủy tinh
- Hợp kim siêu dẫn
- Hợp kim tiếp điểm và điện cực
- Hợp kim nặng
Al-Ni-Co, SmCo5, ferit từ cứng Fe-Ni, Fe-Si, Fe-P, ferit từ mềm Fe-Ni-Co
Nb3Sn, Ca-Cu-O W-Cu, W-Ag, Ni-Ag W-Ni-Cu, W-Ni-Fe Kim loại và hợp kim sít chặt :
- Kim loại chịu nhiệt
- Kim loại dùng trong kỹ thuật hạt nhân
- Siêu hợp kim
- Thép hợp kim
W, Mo, Ta, Nb, Re
Be, Zr Các hợp kim trên cơ sở Ni, Co Thép dụng cụ, thép gió
Vật liệu có độ xốp cao :
- Bạc xốp tự bôi trơn
- Tấm lọc
Brông, Fe-Cu, thép không gỉ, Al-Cu Brông, Ni, Ni-Cr, Monel
Thép không gỉ, Ti, Zr, Ag, Ta Vật liệu liên kim loại Ni-Al, MoSi2, Ti-Al, Co-Mo-Si
Vật liệu compozit :
- Hợp kim cứng
- Cermet (hợp kim cứng nền kim loại)
- Vật liệu ma sát
- Vật liệu ít ma sát (ổ trượt)
(W, Ti, Ta)C+Co, TiC+Ni-Mo, Cr3C2+Ni Cr+Al2O3, TiC+Ni-Cr, Mo+ZrO2
Brông+C+oxyt kim loại Cu+graphit, Fe+graphit
- Vật liệu có pha phân tán
- Vật liệu tẩm kim cương
Ni+ThO2, Al+Al2O3, AgCdO, Cu+Al2O3
Brông+kim cương, WC-Co+kim cương Vật liệu chịu lửa độ sạch cao TaC, Mo2C, ZrB2, AlN, Si3N4, SiC
2.PHÂN LOẠI
THEO CÔNG DỤNG CHIA RA:
+ Bột mài và dung cụ cắt
+ Vật liệu bột kết cấu
+ Hợp kim xốp và thấm
+ Vật liệu thiêu kết độ sít chặt cao
3 NHỮNG NGUYÊN CÔNG CHÍNH
Trang 5
Tên nguyên công Ví dụ :Chế tạo bạc lót từ Brong
1.Chuẩn bị nguyên liệu Cu :điện phân
Sn hoá bột bằng cách phun dòng nước áp lực cao vào dòng thiếc lỏng
Graphit :tạo bột bằng ngiền cơ học
2.Tạo bột(hạt rắn kich thước ≤ 0,1 mm Cu ≤150
3.Trộn bột Cân bột theo tỷ lệ rồi trộn đều
4.Tạo hình:chuyển từ trạng thái bột sang
hình dạng,kích thước định sẵn
Ép nguội trong khuôn áp lực khoảng 100Mpa
5.Thiêu kết:Nung vật lên đến nhiệt dộ
cao,nhưng thấp hơn nhiệt độ nóng chảy
của cấu tử chính,mục đích tăng bền cho
vật liệu
Nung ở khoảng 800 độ trong điều kiện khí bảo
vệ thu nhiệt,xuất hiện pha lỏng tạm thời của Sn hoà tan Cu và tạo thành hợp kim giữa chúng 6.Gia công tinh :Sửa,mài Kiểm tra kích thước, ngâm dầu
Trang 6
4 ỨNG DỤNG
4.1.BỘT MÀI VÀ DỤNG CỤ CẮT
Đây là hai loại vật liệu có tính chất làm việc giống nhau : dùng vật cứng hơn để cắt vật mềm hơn (thành mạt hoặc phoi) Bảng 10.3 Giới thiệu đặc tính của một số vật liệu có độ cứng cao, có thể dùng làm bột mài và là nguyên liệu để chế tạo dụng cụ cắt
a Vật liệu bột mài :
Vật liệu bột mài có độ hạt cứng có kích thước không đồng đều được chế tạo từ vật liệu: SiO2,
Al2O3, SiC và kim cương tự nhiên hay nhân tạo
Bảng 10.3 Tính chất đặc trưng của một số vật liệu có độ cứng cao
Loại vật liệu
(thành phẩm) Độ cứng(Knoop) Mođun đàn hồi(GPa) Giới hạn bền nén.(Mpa) Nhiệt độ nóng chảyhoặc phân hủy (oC)
Bo nitrit (BN)
Bo cacbit
Titan cacbit
Silic cacbit
Volfram cacbit
Nhôm oxyt
Thạch anh
-Ghi chú : (1) Số liệu của thép để so sánh
Đá mài Hợp kim cứng
b Dụng cụ cắt bằng hợp kim cứng :
Đối với dụng cụ cắt ngoài độ cứng cao còn phải có độ bền nhiệt Thép cácbon dụng cụ và thép hợp kim thấp chỉ chịu được không quá 2500C, thép gió dưới 6000C, nếu dùng hợp kim cứng dao có thể làm việc được tới 800÷10000C Hợp kim cứng có 3 loại :
- Loại một cácbít: các hạt WC dính kết với nhau nhờ Co
- Loại hai cácbít: WC + TiC + Co;
- Loại 3 cácbít: WC + TiC +TaC + Co
Trang 7Bảng 10.4 Thành phần hóa học và cơ tính của một số hợp kim cứng
Nhóm hợp kim
cứng Số hiệu
Thành phần hóa học Cơ tính
Nhóm một
cacbit, WC
Nhóm hai cacbit,
WC+TiC
Nhóm ba cacbit,
WC+TiC+TaC
c Vật liệu siêu cứng :
Đây là loại vật liệu xuất phát từ kim cương hoặc BN
- Bột kim cương trộn với 1÷2% bột B, Be hoặc Si được ép nóng dưới P tới 12 GPa, ở nhiệt độ khoảng 30000C Sản phẩm có thể đạt đến độ cứng 8000HV
- Bột kim cương hoặc bột BN rãi lên bề mặt hợp kim cứng rồi ép nóng dưới áp suất 5÷8 GPa, ở nhiệt độ 18000C Lớp phủ đạt độ cứng 5000÷8000HV
- Bột kim cương hoặc bột BN trộn với 20÷30% bột kim loại (chất dính kết), ép nóng dưới
P = 3÷6 GPa, ở T0= 1200÷16000C Sản phẩm có thể đạt đến độ cứng 4000÷5000 HV, thích hợp làm dụng cụ cắt đá
d Thép gió bột :
Xuất phát từ nguyên liệu bột (Fe, W, Cr, Mo, Co, V, C hay hợp kim trung gian của chúng) qua ép nóng với áp lực 100MPa ở 1.1000C trong khí bảo vệ argon Ar
Ngày nay bằng con đường luyện kim bột, có thể dễ dàng cho thêm bột grafit, bột cácbít mịn (TiC, WC) vào bột chế tạo thép gió, để tạo ra các loại vật liệu cắt gọt mới
4.2.VẬT LIỆU BỘT KẾT CẤU
a Vật liệu trên cơ sở FE,thép bột.
+Độ cứng ,giãn dài,bền mỏi tăng khi khối luợng riêng tăng.khối lượng riêng:sắt,thép bột :6,2 -7 g/cm3,cơ tính khỏang 50-60% vói sắt thép nấu chảy tương ứng khi ở dạng bột,ép, thiêu kết co thể đạt 7,6g/cm3
+Thành phần hoá học và tính chất.tương tự như thép thường,các nguyên tố hợp kim thêm vào cũng có tác dụng tăng cơ tính(ni,cr,mo,cu…)
+ Nhiệt luyện thép bột:
- Nhiệt luyện thể tích
- Nhiệt luyện bề mặt
Trang 8
b Vật liệu trên cơ sở đồng và hợp kim đồng.
+ Bột đồng nguyên chất:trong ky thuật điện,(độ dẫn điện 80-90% cu nguyen chất chế tạo bằng pp nấu chảy
+ Bột brông thiếc(10% sn) có khối luợng riêng cao và độ dẻo cao
+ Bột brong thiếc-niken:cơ tính dao động trong phạm vi rộng
Bảng 10.8 Thành phần và tính chất của Cu và hợp kim Cu chế tạo từ bột ép và thiêu kết
Loại hợp
kim
Thành phần
g/cm3
Cơ tính
Cu nguyên
Brông Sn 10 - - Thiêu kết mộ lần 7,5 180 5
Thiêu kết hai lần 8,2 220 18 Brông Ni 10 - 5
Thiêu kết và nhiệt luyện (1) 8,2 600 3 Thiêu kết và nhiệt luyện (2) 8,2 430 14
Maillechot -- 3027 2018 Thiêu kếtThiêu kết 8,28,2 290350 1814 Ghi chú : (1) Tôi và hóa già nhân tạo ở 3500C trong 3h;
(2) Tôi và hóa già nhân tạo ở 3000C trong 0,5h
c Vật liệu trên cơ sở nhôm và hợp kim nhôm.
+Ưu điểm: nhẹ cống ăn mòn tốt trong không khí,chịu tải trung bình,thay thế nhựa khi phải làm việc vói chi tiết bằng thép.,làm việc ở nhiệt độ cao(300-500 c)
ứng dụng :duyra,silumin có dộ bền cao hơn ở nhiệt dộ 250-300 có thể dung thay thép trong dụng
cụ đo
d Vật liệu trên cơ sở Ti và hợp kim Ti
Mãi đến những năm tám mươi loại vật liệu này mới được nghiên cứu ứng dụng, trước hết ở
Mỹ, Nhật Bản, lý do chính là để tiết kiệm nguyên liệu
Đôi khi xuất phát từ bột Ti nguyên chất, nhưng thường từ hợp kim Titan quen biết, Ví dụ loại Ti-6Al-4V Quy trình chế tạo như sau :
Tạo hình : áp lực ép 700 MPa, đạt độ sít chặt không nhỏ hơn 95%
Thiêu kết ở 1200 – 1300oC trong chân không 10-2Pa (khoảng 10-4 torr)
Rèn với áp lực 200 MPa ở 950oC
Ủ lại ở 700oC trong 2h
Sau khi làm như vậy có thể đạt độ sít chặt gần 100% và cơ tính cao xấp xỉ bằng hợp kim nấu chảy :
1000 1050
� , 10 15%.Những ứng dụng đầu tiên trong chế tạo máy bay (ốc vít, đinh tán, … ), trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm để thay thế thép không gỉ, một số chi tiết trong tàu ngầm, v.v…
4.3.HỢP KIM XỐP VÀ THẤM
Trang 9Bằng phương pháp luyện kim bột có thể chế tạo được các chi tiết có độ xốp cao phân bố đều
và các rỗ xốp này thông với nhau và thông với bề mặt, chúng được ứng dụng trong 3 lĩnh vực :
a/ Bạc xốp tự bôi trơn :
Loại brông thiếc: (< 10% Sn) với độ xốp 25 %, sau khi tẩm dầu trong chân không ở 700C có thể làm viec suốt đời mà không phải tra thêm dầu mỡ Khi trục quay, dầu sẽ tiết ra từ các rỗ xốp, tạo ra sự bôi trơn tốt; Khi trục ngừng quay, nhiệt độ giảm xuống và dầu lại được hút trở lại các rỗ xốp
b/ Các loại màng lọc :
Các màng lọc được sản xuất từ bột dạng cầu hoặc đẳng trục, kích thước hạt đều nhau (dmax/dmin » 1,5), áp lực nén nhỏ, với độ xốp 35÷40 %, các rỗ xốp phân bố đều, Dtb của rỗ xốp khoảng 1/6dmin
Nguyên liệu: bột brông, thép không gỉ, Ni, các kim loại quý hiếm (Ti, Zr, Ta, Ag, Pt) bằng cách phun dung dịch bột lên một lõi thích hợp, ép chảy, cán bột có thể sản xuất được các chi tiết dạng ống, bình thành mỏng có tính thấm tương tự như giấy lọc kết hợp với tính chịu nhiệt và độ cứng vững của ceramic và độ bền trước sự thay đổi nhiệt độ đột ngột của kim loại
c Vật liệu ma sát.
+ Chế tạo khớp nối kiểu ma sát, phanh má,
+ Vật liệu ma sát trên cơ sở bột đồng :chế tạo má côn, má phanh…
+ Trên cơ sở bột sắt :dùng trong truyền động khô,rẻ hơn, hệ số ma sát cao hơn,độ bền chống mài mòn đảm bảo
+ Vật liệu ma sát với hàm lượng lơn các cấu tử phi kim loại :sử dụng trong truyền động công suất cao(tải nặng-phanh má cho máy bay) các hạt phi kl có nhiệt độ nóng chảy cao,bền nhiệt, làm việc ở nhiệt độ 600-1000 ºC.Nhược là độ bền cơ học thấp
4.4 VẬT LIỆU THIÊU KẾT ĐỘ SÍT CHẶT CAO
a/ Hợp kim từ tính :
+Vật liệu từ mềm.
Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ nhỏ, khả năng từ hóa nhanh trong từ trường, đường cong từ trễ hẹp và điện trở lớn
Dùng để chế tạo lõi rơle, lõi biến áp, động cơ
Vật liệu từ mềm thông dụng nhất là hợp kim trên cơ sở sắt có pha thêm Si (thép kỹ thuật điện) Hợp kim Fe - Ni (permaloi) có độ từ thẩm rất cao trong từ trường yếu
+ Vật liệu từ cứng(Nam châm vĩnh cửu)
- Vật liệu từ cứng có lực kháng từ cao, cảm ứng từ dư lớn, độ từ thẩm không cao, đường cong từ trễ rộng "béo" Vật liệu từ cứng chất lượng cao có tổ chức nhiều pha có tính chất rất khác nhau
-Vật liệu từ cứng chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột Phương pháp này bảo đảm các pha khác nhau không hòa tan lẫn nhau trong quá trình thiêu kết cũng như khi sử dụng
- Vật liệu từ cứng thông dụng được chế tạo trên cơ sở hệ Fe - Al - Ni- Co có tên gọi là hợp kim alni, alnico, magnico, cunife
b/ Hợp kim tiếp xúc :
Trong lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử sử dụng rất rộng rãi các hợp kim tiếp xúc Chế tạo hợp kim tiếp xúc bằng luyện kim bột trên cơ sở các kim loại quý như: Ag, Re, Cd, W, Cu
+Tiếp điểm một cấu tử là kim loại:
Thường dùng các kim loại sau: Ag, W, Pt, Mo
Tuy nhiên loại một câu tử kim loại khó thỏa mãn các yêu cầu đa dạng của tiếp điểm trong suốt thời gian làm việc Cu dùng chế tạo các tiếp điểm có độ chính xác thấp; Pt, Au, Ag chế tạo các tiếp điểm
có độ dẫn điện cao và ổn định hóa học cao
+ Tiếp điểm hai cấu tử là kim loại :
Trang 10Là sự kết hợp giữa các kim loại dẫn điện cao: Ag, Au, Cu và các kim loại chịu nhiệt độ cao:
W, Mo, Ni
- Hợp kim W-Ag với 50-60% W dùng cho thiết bị cao áp, với lượng W thấp dùng cho thiết
bị hạ áp
- Hợp kim W-Cu có thêm 2-3% Ni dùng cho thiết bị cao áp trong môi trường dầu, thiết bị hàn điện (hồ quang mạnh, dòng lớn, tải nặng…)
- Hợp kim Ag-Ni dùng trong các rơle điện từ, công tắc tơ, máy ngắt mạch cao áp nhưng công suất nhỏ
- Hợp kim Ag-CdO vGi 10-15%CdO dùng trong hàng không, thông tin (dẫn điện cao, dập
hồ quang nhanh)
+ Tiếp điểm kết hợp kim loại và phi kim loại :
- Hợp kim Ag - graphit với 5% graphit dùng trong aptomat, đóng mạch điện, rơle tín
hiệu, đảo mạch trong radio
- Hợp kim Cu - graphit làm chổi quét trong động cơ điện, máy phát điện
- Hợp kim Cu hay Ag-graphit với 2-50% graphit làm chổi quét trong các dụng cụ đo
chính xác
c.Thép không gỉ từ bột ép và thiêu kết.
+Ứng dụng : chế tạo vật liệu làm việc trong môi trường ăn mòn : phụ tùng ôtô, đồ trang sức, thiết bị thực phẩm
d.Kim loại chịu nhiệt.
+Một số kl nhiệt độ nóng chảy cao, khi luyện kim thông thườg sẽ gặp khó khăn :W,Mo Ta,Nb,Re
e.Vật liệu dùng trong kỹ thuật hạt nhân :
Các kim loại như : uran (U), thôri (Th), ziêcôn (Zr), … và hợp kim của chúng dùng trong kỹ thuật hạt nhân thường được sản xuất bằng cách nấu chảy truyền thống, nhưng riêng berili (Be) dẻo chỉ có thể chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột Ngày nay, ngay cả một số hợp kim trên cơ sở U,
Th, Zr, … dưới dạng bán thành phẩm hoặc dưới dạng các chi tiết nhỏ cũng được chuyển sang chế tạo bằng phương pháp bột nén thiêu kết
Một số hợp kim nặng hệ W-Ni-Cu, W-Ni-Fe chứa 90-96%W, có khối lượng riêng 17-18,5 g/cm3, sản xuất từ bột mịn, lực ép lớn, thiêu kết ở nhiệt độ cao, vật liệu trở nên đặc chắc, hầu như không còn rỗ xốp, có khả năng hấp thụ tia phóng xạ lớn gấp 1,5 lần so với Pb
B CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BỘT KIM LOẠI
Các phương pháp sản xuất bột kim loại hiện hành được chia thành hai nhóm lớn : các phương pháp cơ học và phương pháp hóa lý Việc chọn phương pháp nào là tùy thuộc vào yêu cầu về kỹ thuật và khả năng kinh tế Nhiều khi phải kết hợp các phương pháp khác nhau mới tạo được bột có chất lượng mong muốn
1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC :
a/ Nghiền :
Sử dụng cho các kim loại như mangan, crôm và ôxyt, cácbit, hydrôxyt, sunfit, nitrit có tính dòn cao Dùng các máy nghiền bi, nghiền búa thông thường để nghiền thành bột trực tiếp từ trạng thái rắn: cục, hạt, phoi ) Phương pháp này đơn giản tạo được bột có độ mịn cao nhưng năng suất thấp,
độ sạch không cao ( do mài mòn của vật liệu nghiền, buồng máy nghiền ) và không nghiền được các kim loại dẻo
b/ Tạo bột từ kim loại lỏng :
Tạo bột từ kim loại lỏng trong chân không :
Nấu chảy kim loại bằng phương pháp cảm ứng trong chân không, cho dòng khí hydrô áp suất cao để tăng lượng hòa tan của nó vào kim loại lỏng Nối đáy nồi kim loại lỏng với ống dẫn đến