Bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B được phủ trên nền thép C45 bằng phương pháp phun ôxy - nhiên liệu tốc độ cao HVOF với chiều dày lớp phủ khoảng 0,5mm. Các đặc tính của lớp phủ bao gồm độ cứng và tổ chức tế vi được nghiên cứu và phân tích. Kết quả cho thấy độ cứng tế vi của lớp phủ hợp kim lớn hơn độ cứng của kim loại nền, đồng thời kết hợp với việc phân tích tổ chức tế vi bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) khẳng định chất lượng lớp phủ thông qua vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU CƠ TÍNH VÀ TỔ CHỨC TẾ VI VÙNG BIÊN GIỚI LIÊN KẾT GIỮA LỚP PHUN PHỦ HVOF HỢP KIM 67Ni18Cr5Si4B VÀ NỀN THÉP C45 STUDY ON THE MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE AT THE INTERFACE BETWEEN 67Ni18Cr5Si4B HVOF THERMAL SPRAY COATING AND C45 STEEL SUBSTRATE Phạm Văn Liệu TÓM TẮT Bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B phủ thép C45 phương pháp phun ôxy - nhiên liệu tốc độ cao HVOF với chiều dày lớp phủ khoảng 0,5mm Các đặc tính lớp phủ bao gồm độ cứng tổ chức tế vi nghiên cứu phân tích Kết cho thấy độ cứng tế vi lớp phủ hợp kim lớn độ cứng kim loại nền, đồng thời kết hợp với việc phân tích tổ chức tế vi phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) khẳng định chất lượng lớp phủ thông qua vùng biên giới liên kết lớp phủ với kim loại Từ khóa: Phun phủ, HVOF, lớp phủ 67Ni18Cr5Si4B, bám dính, tở chức tế vi ABSTRACT 67Ni18Cr5Si4B alloy powder is coated on C45 steel substrate by high velocity oxygen-fuel method (HVOF) with a coating thickness of about 0.5mm The properties of coatings including hardness and microstructure was studied and analyzed The results show that the micro hardness of the alloy coating is greater than that of the substrate, and combined with the analysis of microstructure by scanning electron microscopy (SEM) confirms the quality of coating through border region linking the coating to the substrate Keywords: Thermal spray, HVOF, 67Ni18Cr5Si4B coating, adhesion, microstructure chất lượng, thể tính ưu việt so với công nghệ tạo lớp phủ khác Ưu điểm phun phủ nhiệt, đặc biệt phương pháp phun HVOF, tạo lớp phủ có độ xốp thấp bền bám dính cao, đồng thời, gây ứng suất nhiệt Do đó, việc nghiên cứu tính tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết lớp phủ kim loại vấn đề mang tính thực tiễn cao nhiều ngành nhà kỹ thuật quan tâm đến THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo mẫu Trong trình nghiên cứu thử nghiệm tác giả sử dụng vật liệu phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B cung cấp Công ty Surface enginnering alloy (Mỹ), với độ hạt trung bình từ 22µm đến 270µm (ký hiệu theo tiêu chuẩn ngành Nga 67H18X5C4P); Vật liệu thép C45 với thành phần hóa học tính nêu TCVN 8301: 2009, mẫu thử nghiệm có kích thước x L = 60 x 20mm, số lượng mẫu 27 mẫu [6] Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: phamvanlieu@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 15/01/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 21/5/2020 Ngày chấp nhận đăng: 24/6/2020 ĐẶT VẤN ĐỀ Độ bền chi tiết máy yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị Do đó, việc phục hồi lại hình dáng kích thước quan trọng tạo lớp bề mặt có tính đặc biệt đáp ứng tốt u cầu làm việc chi tiết vấn đề cấp thiết nhiều nhà khoa học nhà sản xuất quan tâm đến Có nhiều công nghệ sử dụng để phục hồi chi tiết như: hàn đắp [1], mạ [2], phun phủ nhiệt [3-5] Trong đó, phun phủ nhiệt ngày phát triển mở rộng quy mơ, cải thiện 68 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (6/2020) Hình Sơ đồ hệ thống thiết bị phun nhiệt tốc độ cao HVOF Mẫu thí nghiệm tiến hành phun tạo lớp phủ có chiều dày khoảng 0,5mm, theo chế độ quy hoạch thực nghiệm với thơng số sau: khoảng cách phun Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 L = 100 300mm, lưu lượng cấp bột phun m = 300 500g/ph, tốc độ trung bình dịng kim loại phun V = 800 1200m/s, sử dụng thiết bị phun HVOF- Model MP-2100 Manual HVOF Control Panel, hãng General Metal Alloys Intl (GMA) (hình 1) 2.2 Đánh giá chất lượng lớp phủ * Phương pháp xác định độ cứng tế vi Để xác định độ cứng tế vi bề mặt cắt ngang, mẫu phủ cắt mài bóng khơng cịn vết xước bề mặt Quá trình đo thực theo tiêu chuẩn ASTM E384 với tải trọng 100g máy đo độ cứng tế vi Duramin (Đan Mạch) thuộc Phịng Thí nghiệm kim loại học nhiệt luyện - Đại học Bách khoa Hà Nội, mẫu lắp cố định gá đảm bảo độ phẳng, giúp cho trình đo xác * Phân tích tổ chức vật liệu kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) Việc tạo mẫu chụp SEM khảo sát tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết lớp phủ kim loại tiến hành sau: Mẫu sau phun phủ cắt thành miếng nhỏ có kích thước (10 x 10 x 5)mm mài bóng đảm bảo khơng cịn vết xước Tiến hành tẩm thực toàn bề mặt chuẩn bị, sau rửa nước sấy khô Mẫu sau chuẩn bị xong phải bảo quản cẩn thận nhằm tránh xâm nhập nước khơng khí Để khảo sát phân bố tổ chức, cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45, mẫu lắp cố định đồ gá đưa vào thiết bị (FE-SEM) Model JSM 7600F hãng Oxford Instrument (UK) thuộc Viện tiên tiến khoa học công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội để tiến hành chụp với nhiều mức phóng đại khác (500; 1000; 1500; 2000; 2500; 3000) lần KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 3.1 Kết đo độ cứng tế vi mặt cắt ngang mẫu lớp phủ Quá trình đo độ cứng thực máy Duramin với tải trọng cài đặt 100g thực theo thứ tự từ lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B vào lõi thép C45, kết đo cho bảng Bảng Kết đo độ cứng lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trục thép C45 Tốc độ Lưu Khoảng Độ cứng theo thứ tự vết đo (HV) cách Ký dòng lượng Lớp Lớp biên Lớp phủ TT hiệu khí phun phun thép C45 giới liên (từ ngồi mẫu V m L (từ ngồi kết (vị trí vào lõi vị trí (km/s) (kg/ph) (m) vào vị trí 01) 02) 03) 000 0,8 0,3 0,1 19110 31310 507101 010 0,8 0,3 0,2 20110 32510 504101 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 10 11 12 13 14 15 16 17 18 020 100 110 120 200 210 220 001 011 021 101 111 121 201 211 221 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,3 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,3 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 19 20 21 22 23 24 25 26 27 002 012 022 102 112 122 202 212 222 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3 20110 33010 484101 22310 21910 21810 22910 21510 22410 20410 20310 20110 22910 23110 23410 23110 23510 23910 23710 23510 24210 34010 33410 35210 41810 42710 42110 28110 28410 27310 41810 40510 40910 28210 30010 31210 52210 52110 47210 580101 548101 568101 569101 569101 564101 562101 554101 554101 557101 508101 482101 434101 427101 455101 583101 532101 565101 22010 21110 20510 35610 37910 35410 553101 559101 557101 19210 29310 29310 35210 34810 34610 617101 566101 577101 Các số liệu bảng cho thấy, độ cứng lớp phủ đạt giá trị khoảng 500HV, độ cứng vùng biên giới liên kết hai lớp đạt giá trị khoảng 400HV, giá trị độ cứng lớp phủ vùng biên giới liên kết hai lớp phân bố không mẫu Đồng thời, ảnh chụp tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết lớp phủ hợp kim thép C45 (hình 2) cho thấy, vết lõm có kích thước tăng dần từ phần lớp phủ sang phần lõi thép, lớp phủ nhận mẫu thực nghiệm khảo sát có độ mịn, tỷ lệ tạp chất bên lớp phủ Độ cứng lớp thép C45, lớp biên giới liên kết lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B mẫu khảo sát ngẫu nhiên, đạt giá trị trung bình tương ứng là: Nền thép (1) = 191,3HV; biên giới liên kết (1) = 313,3HV lớp phủ (1) = 506,6HV Nền thép(10) = 203,7HV; biên giới liên kết (10) = 280,5HV lớp phủ (10) = 561,7HV Nền thép(27) = 193,0HV; biên giới liên kết (27) = 346,3HV lớp phủ (27) = 577HV Từ kết khảo sát mẫu cho thấy, độ cứng lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có giá trị trung bình cao khoảng gần lần so với độ cứng thép C45 có giá trị giảm dần theo hướng kính Có thể giải thích tượng Vol 56 - No (June 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 69 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ lớp phủ hợp kim phía ngồi mẫu có khả tản nhiệt mơi trường xung quanh nhanh nên chúng làm nguội nhanh so với lớp phủ phía bên Độ cứng vùng biên giới liên kết lớp phủ bột hợp kim thép C45 đạt giá trị trung bình khoảng từ 300 ÷ 400HV, cao độ cứng thép Kết đo độ cứng vùng biên giới liên kết lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 hai mẫu khảo sát ngẫu nhiên cho hình Từ ảnh chụp tổ chức tế vi mẫu thực nghiệm hình 2a cho thấy vùng biên giới lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 có tạp chất, tổ chức tế vi tương đồng toàn chiều dài mẫu khảo sát, điều chứng tỏ lớp phủ có độ bám dính tốt Các vết lõm mũi đâm nhận hai lớp vật liệu khảo sát có kích thước hình học khác là: kích thước vết lõm lớp phủ hợp kim có giá trị nhỏ kích thước vết lõm thép C45, điều chứng tỏ độ cứng lớp phủ hợp kim lớn độ cứng thép Trên mẫu thực nghiệm hình 2b cho thấy vùng biên giới liên kết lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 toàn chiều dài mẫu khảo sát lượng tạp chất ít, điều chứng tỏ lớp phủ có độ bền bám dính tốt Khi đo độ cứng hai lớp vật liệu mẫu thực nghiệm cho thấy kích thước vết lõm thép lớn kích thước vết lõm lớp phủ hợp kim điều chứng tỏ độ cứng lớp phủ hợp kim lớn độ cứng thép a) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 b1) b2) Hình Ảnh chụp tổ chức tế vi vùng liên kết thép C45 lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B Tiến hành đo kích thước vết lõm lớp phủ kim loại nền, loại vật liệu thực đo lần, kết đo biểu diễn hình 2(b1) hình 2(b2) với độ phóng đại lớn (mức x1000), hình 2(b1) cho thấy vết lõm lần đo thứ có giá trị d1 = 14,432µm, vết lõm lần đo thứ hai có giá trị d2 = 15,463µm, hình 2(b2) cho thấy vết lõm lần đo thứ có giá trị d1 = 50,166µm, vết lõm lần đo thứ hai có giá trị d2 = 55,518µm Từ giá trị đo làm rõ thêm nhận xét hai mẫu thực nghiệm hình (a, b) 3.2 Phân tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết Kết phân tích tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 hai mẫu khảo sát ngẫu nhiên cho hình Tổ chức tế vi mẫu thực nghiệm hình (có độ phóng đại x 100 x 200) Biên giới liên kết thép C45 (ở phía trái) lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B (ở phía phải) tương đối tốt Tuy nhiên, ảnh chụp tổ chức tế vi mẫu thực nghiệm phát thấy vùng biên giới liên kết hai lớp lớp phủ hợp kim có vài vị trí có cấu trúc cục mầu đen, lỗ xốp, tượng làm giảm đáng kể độ bền bám dính hai lớp tính chất đặc trưng lớp phủ Nền Lớp phủ b) 70 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (6/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Lớp phủ Nền Hình Ảnh chụp tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết thép C45 lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B Từ ảnh SEM với độ phóng đại 2000 lần (hình 4) thấy, tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết lớp phủ thép khơng có khuếch tán kim loại, điều giải thích sau: Do q trình làm nguội nhanh, khuếch tán qua lại lớp phủ vật liệu xảy mức độ hạn chế, nên bám dính chủ yếu mang tính chất vật lý khơng mang tính chất luyện kim hay hóa học Các hạt nóng chảy bột phun kết hợp với áp lực dịng khí nén, va đập lắng đọng kim loại phần làm biến dạng độ nhám bề mặt vật liệu tạo nhám từ trước, tạo thành liên kết học Từ Hình có độ phóng đại 1000 2500 lần cho thấy, vùng biên giới liên kết lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 có tạp chất, cấu trúc tế vi tương đồng, điều cho thấy lớp phủ có độ bám dính tốt Tuy nhiên, mẫu thực nghiệm (hình 5a), suốt chiều dài mẫu khảo sát, vị trí số 01 có vết nứt cục bộ, nguyên nhân trình phun lớp phủ làm nguội nhanh lên xảy tượng co ngót kim loại đột ngột gây tượng ứng suất dư lớp phủ Trên mẫu thực nghiệm (hình 5b), suốt chiều dài mẫu khảo sát, vị trí số 02 cho thấy liên kết lớp phủ vật liệu tạp chất mà trình chuẩn bị bề mặt mẫu chưa làm a) a) b) c) Hình Vùng biên giới liên kết lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 mẫu chụp ảnh SEM Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (June 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 71 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 b) Hình Phân tích vùng biên giới liên kết lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B với bề mặt thép C45 mẫu chụp ảnh SEM KẾT LUẬN Kết thực nghiệm đo thiết bị chuyên dùng số tiêu như: độ cứng HV lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B, lớp trung gian thép C45; phân tích tổ chức tế vi lớp phủ, chụp ảnh SEM vùng biên giới liên kết lớp phủ kim loại phương pháp phun HVOF Từ mẫu chụp ảnh SEM cho thấy vùng biên giới liên kết lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 có tạp chất, tổ chức tế vi mịn, điều mang lại độ xốp thấp cho lớp phủ độ bền bám dính cao phù hợp với quan điểm phần lý thuyết tính chất, tổ chức lớp phủ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Tùng, 2006 Giáo trình Vật liệu cơng nghệ hàn NXB Giáo dục [2] Nguyễn Văn Lộc, 2007 Công nghệ mạ điện NXB Giáo dục [3] Hồng Tùng, 2006 Cơng nghệ phun phủ ứng dụng NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Đinh Văn Chiến, Đinh Bá Trụ, 2014 Kỹ thuật phun nhiệt tốc độ cao HVOF, HVAF, D-Gun NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Nguyễn Văn Thông, 2006 Công nghệ phun phủ bảo vệ phục hồi NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Trần Văn Dũng, 2012 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Viện Nghiên cứu khí, Hà Nội AUTHOR INFORMATION Pham Van Lieu Hanoi University of Industry 72 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (6/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... Phân tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết Kết phân tích tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B thép C45 hai mẫu khảo sát ngẫu nhiên cho hình Tổ chức tế vi mẫu... 2615-9619 Lớp phủ Nền Hình Ảnh chụp tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết thép C45 lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B Từ ảnh SEM với độ phóng đại 2000 lần (hình 4) thấy, tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết. .. 67Ni18Cr5Si4B, lớp trung gian thép C45; phân tích tổ chức tế vi lớp phủ, chụp ảnh SEM vùng biên giới liên kết lớp phủ kim loại phương pháp phun HVOF Từ mẫu chụp ảnh SEM cho thấy vùng biên giới liên kết lớp