Nghiên cứu chế tạo lớp mạ composite NI-CBN trên nền phẳng để chế tạo thanh đá mài và đĩa mài CBN bằng phương pháp mạ điện hóa

Bài viết tiến hành nghiên cứu chế tạo lớp mạ composite Ni-cBN trên nền phẳng là cơ sở để chế tạo thanh đá và đĩa mài cBN bằng phương pháp mạ điện. Quá trình mạ composite được thực hiện với dung dịch Watts có pha hạt mài cBN với nồng độ 160g/l, nhiệt độ dung dịch duy trì trong quá trình mạ điện là 55 ᴏC, mật độ dòng nghiên cứu từ 1-10 A/dm2 và thời gian mạ composite từ 1-10 phút.

Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (10/2020), 935-943 Transport and Communications Science Journal RESEARCH ON FABRICATION ELECTROPLATING COMPOSITE Ni-CBN LAYER IN FLAT SURFACE FOR ELECTROPLATING CBN GRINDING STIKS AND DISCS Tran Thi Van Nga1*, Truong Hoanh Son2, Tran Vinh Hung3 Faculty of Mechanical Engineering, University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam School of Mechanical Engineering, Hanoi University of Science and Technology, No Dai Co Viet, Hanoi, Vietnam Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics, Phenikaa University, Yen Nghia Ward, Ha Dong District, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 30/9/2020 Revised: 22/10/2020 Accepted: 26/10/2020 Published online: 28/10/2020 https://doi.org/10.47869/tcsj.71.8.5 * Corresponding author Email: ngattv@utc.edu.vn; son.truonghoanh@hust.edu.vn Abstract This paper proposes an experimental research on the fabrication of Ni-cBN composite electroplating layer in a flat surface, which is the foundation for fabricating cBN grinding stick and disc by the electroplating method The Watts solution with 160 g/l of cBN grit at temperature 55 ᴏC, the current density from to 10 A/dm2, and the plating time from to 10 minutes were used in the composite plating process As a result, the Ni-cBN composite electroplating layers in a flat surface observed by SEM showed that the quality of plating layer was good and grinding particles were evenly distributed The cBN grinding particles were only partially buried and protruded from the surface to perform the cutting function The density of cBN grits was defined by counting particles in the SEM photo Based on experiments, a regrestion equation of the density, which depends on current density and plating time, was determined Keywords: composite plating, cBN grinding stick, cBN grinding disc, electroplating method, flat surface © 2020 University of Transport and Communications 935 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 71, Số (10/2020), 935-943 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP MẠ COMPOSITE Ni-CBN TRÊN NỀN PHẲNG ĐỂ CHẾ TẠO THANH ĐÁ MÀI VÀ ĐĨA MÀI CBN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN HÓA Trần Thị Vân Nga1*, Trương Hoành Sơn2, Trần Vĩnh Hưng3 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thơng vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Số Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Khoa Cơ khí - Cơ điện tử, Trường Đại học Phenikaa, Phường Yên Nghĩa, Quận Hà Đông, Hà Nội, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 30/9/2020 Ngày nhận sửa: 22/10/2020 Ngày chấp nhận đăng: 26/10/2020 Ngày xuất Online: 28/10/2020 https://doi.org/10.47869/tcsj.71.8.5 * Tác giả liên hệ Email: ngattv@utc.edu.vn; son.truonghoanh@hust.edu.vn Tóm tắt Bài báo tiến hành nghiên cứu chế tạo lớp mạ composite Ni-cBN phẳng sở để chế tạo đá đĩa mài cBN phương pháp mạ điện Quá trình mạ composite thực với dung dịch Watts có pha hạt mài cBN với nồng độ 160g/l, nhiệt độ dung dịch trì trình mạ điện 55 ᴏC, mật độ dòng nghiên cứu từ 1-10 A/dm2 thời gian mạ composite từ 1-10 phút Bề mặt nhận được quan sát kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy chất lượng lớp mạ thu tốt, hạt mài phân bố đồng đều, hạt mài cBN bị chôn lấp phần nhô lên khỏi bề mặt để thực chức cắt Mật độ hạt phân bố xác định cách đếm hạt ảnh SEM chụp mẫu thí nghiệm Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, mật độ phân bố hạt mài bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào hai thơng số q trình mạ mật độ dịng thời gian mạ nghiên cứu phương trình hồi quy mối quan hệ tìm Từ khóa: mạ composite, đá cBN, phương pháp mạ điện, mật độ dịng, bề mặt phẳng © 2020 Trường Đại học Giao thông vận tải 936 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (10/2020), 935-943 ĐẶT VẤN ĐỀ Tại nước có khí chế tạo máy phát triển nghiên cứu chế tạo đá mài cBN ứng dụng chúng vào sản xuất phổ biến ưu điểm vật liệu hạt mài cBN xem loại vật liệu tốt để mài thép [1,2] Đá mài cBN chế tạo chủ yếu phương pháp phương pháp mạ điện phương pháp thiêu kết [1,2] Do vật liệu cBN giá thành cao, nên chế tạo đá phương pháp thiêu kết thường chế tạo nguyên khối đắt tiền, việc chế tạo phương pháp mạ điện đơn lớp giảm lượng hạt mài cBN sử dụng nên giảm giá thành sản phẩm Do bí công nghệ, công bố liên quan đến chế tạo đá mài hạn chế Ở nước ta có số cơng trình nhóm tác giả [3-7] nghiên cứu liên quan đến việc chế tạo đá mài bề mặt trụ, chưa có nghiên cứu liên quan đến việc chế tạo lớp mạ bề mặt phẳng sở để chế tạo đá bề mặt đĩa mài (hình 1) Sự phân bố mật độ hạt mài bề mặt đá ảnh hưởng lớn đến khả cắt đá Việc tạo lớp phủ composite Ni-cBN phẳng bề mặt trụ có đặc điểm khác đặc biệt liên quan đến việc phân bố hạt mài nghiên cứu chế tạo lớp phủ hạt cBN yếu tố ảnh hưởng đến phân bố hạt mài nên phẳng cần thiết a) Thanh đá CBN mạ điện b) Đĩa mài CBN chế tạo phương pháp mạ điện Hình Lớp mạ Ni-cBN phẳng VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu nghiên cứu Dung dịch mạ sử dụng dung dịch Watts (NiSO4.7H2O 250 ÷ 300g/l, NiCl2.6H2O 25 ÷ 30 g/l, H3BO3 25 ÷ 40 g/l, Natri lauryl sunphat 0,1 ÷ 0,15 g/l) để mạ niken Vật liệu hạt sử dụng hạt cBN với cỡ hạt #120 (tương đương với kích cỡ hạt mài 90 ÷ 104 µm), tỷ lệ hạt mài dung dịch 160 g/l Mẫu nghiên cứu chế tạo thép C45 đóng vai trị làm catốt, anốt niken để bổ sung lượng niken cho dung dịch mạ 2.2 Phương pháp thực nghiệm Quá trình mạ chia làm giai đoạn: Mạ lớp niken mạ lót để tăng khả liên kết lớp mạ composite Ni-cBN với lớp lõi (gọi lớp mạ nền) [3]; Mạ composite Ni-cBN để gắn hạt mài cBN lên bề mặt mạ niken chôn lấp để chôn lấp hạt mài cBN đến mức độ cần thiết đảm 937 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số (10/2020), 935-943 bảo chiều sâu gắn cần thiết mà nhô lên bề mặt đảm bảo chức cắt lớp mạ Q trình thực mạ niken điện hóa để tạo lớp mạ (lớp 1) lớp mạ để chôn lấp hạt cBN (lớp 3) với thông số công nghệ sau: lớp mạ với mật độ dòng i = A/dm2; tmạ = 15 phút; lớp mạ với i = A/dm2; tmạ = 30 phút Sự phân bố hạt mài bề mặt phụ thuộc vào giai đoạn mạ composite Ni-cBN, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng chế độ mạ giai đoạn Hai thơng số ảnh hưởng đến q trình mạ mật độ dịng thời gian mạ composite [6,7] Thực trình mạ niken nhiệt độ dung dịch mạ 55 ᴏC, mật độ dòng phù hợp mạ niken dung dịch Watts ÷ 10A/dm2, thời gian mạ 1÷10 phút [8-12] Khi mạ, sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt hiển thị số AREX, model AREX DIGI hãng VELP cho phép điều chỉnh nhiệt độ dung dịch mạ đến nhiệt độ cần thiết 55 0C điều chỉnh tốc độ khuấy giúp cho hạt phân bố lên bề mặt đá mài mong muốn tăng hiệu q trình mạ điện hóa Bề mặt mẫu đá mài sau chế tạo quan sát kính hiển vi điện tử quét (SEM) SM-6510LV với tỷ lệ phóng đại 50; 100; 200; 500 lần (×50, ×100, ×200, ×500) để quan sát mức độ phân bố hạt mài mức độ liên kết hạt mài với lớp mạ Mật độ phân bố hạt xác định cách chụp ảnh SEM với tỷ lệ phóng đại 100 lần vị trí khác sau tiến hành đếm hạt xác định số hạt mài mật độ phân bố hạt, chế độ tiến hành thực nghiệm mẫu (hình 2) a) Mẫu 1: Điểm 1: KPB=51,26 hạt/mm2 b) Mẫu 1: Điểm 2: KPB=48,01 hạt/mm2 c) Mẫu 17: Điểm 1: KPB = 52.89 hạt/mm2 d) Mãu 17: Điểm 2: KPB = 52,89 hạt/mm2 Hình Bề mặt mẫu M1 M17 chụp SEM đếm hạt mài phân bố 938 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (10/2020), 935-943 2.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Hai thông số chủ yếu ảnh hưởng đến phân bố hạt mài bề mặt đá mài là: Mật độ dòng mạ thời gian mạ composite Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng đến phân bố hạt mài yếu tố với mức giá trị theo bảng Bảng Các mức giá trị chế độ mạ điện hóa nghiên cứu Các mức Mức Mức Mức Mức i (A/dm2) 10 t (phút) 10 Các số liệu thực nghiệm thu phân tích nhằm xây dựng quan hệ hàm mục tiêu mật độ hạt với thông số công nghệ q trình mạ điện Hàm mục tiêu có dạng [13]: 𝑦 = 𝑏0 + 𝑏1 𝑥1 + 𝑏2 𝑥2 + 𝑏12 𝑥1 𝑥2 (1) Các hệ số b0, b1, b2, b12 phương trình hồi quy tính tốn theo số liệu thực nghiệm, hệ số cho thấy mức độ ảnh hưởng yếu tố hàm mục tiêu Trong nghiên cứu, sử dụng phần mềm Minitab 19.0 để xử lý số liệu thực nghiệm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Bề mặt mẫu nhận ×50 ×200 ×600 Hình Bề mặt mẫu thí nghiệm chụp SEM với mức độ phóng đại khác Quan sát bề mặt mẫu nhận (hình 3) cho thấy bề mặt hạt mài phân bố tương đối đồng bề mặt mẫu, hạt mài nhô lên niken để thực chức cắt Tại chỗ tiếp xúc với nền, có tiếp xúc tốt hạt mài niken Nếu so với hình ảnh liên kết đá mài cBN Nhật chế tạo (hình 4) thương mại hóa thị trường bề mặt tương tự, cho thấy lớp mạ NicBN tạo có chất lượng tốt 939 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số (10/2020), 935-943 ×20 ×200 ×600 Hình Ảnh SEM bề mặt mẫu đá mài Nhật Bản chế tạo 3.2 Kết mật độ phân bố hạt mài bề mặt mẫu Tiến hành thực nghiệm xác định mật độ phân bố mẫu thí nghiệm, kết thí nghiệm nhận bảng TT 10 11 12 13 14 15 16 Bảng Mật độ phân bố hạt mài KPB Biến thực Giá trị hàm mục tiêu T ( phút) i (A/dm2) Lần Lần 1 1 4 4 7 7 10 10 10 10 10 10 10 10 49,63 56,55 62,25 65,50 56,55 58,58 63,47 66,72 57,36 62,65 68,76 72,82 61,03 63,87 72,82 79,74 52,89 59,40 61,43 63,06 56,55 60,21 63,47 70,38 58,18 61,84 68,76 71,20 61,84 63,47 74,45 77,71 Sử dụng phần mềm Minitab 19.0 để phân tích kết thử nghiệm (bảng 2), kết phân tích thể hình 5, Qua biểu đồ Pareto giá trị ảnh hưởng (hình 5) cho thấy Minitab sử dụng mức ý nghĩa α = 0,05 để vẽ đường giới hạn (có hồnh độ 2,12) đồ thị Các giá trị ảnh hưởng: t, i, t*i biểu diễn dạng nằm ngang Các yếu tố ứng với biểu diễn có giá trị vượt qua bên phải đường giới hạn, chúng là yếu tố có ảnh hưởng đáng kể hàm mục tiêu Qua cho thấy yếu tố t, i, t*i có ý nghĩa hàm mục tiêu Nếu quan sát biểu đồ đánh giá ảnh hưởng yếu tố (hình 6), cho thấy mức độ ảnh hưởng đến hàm mục tiêu KPB hai yếu tố không chênh lệch nhiều thể độ dốc đồ thị hình thay đổi khơng nhiều, nhiên ảnh hưởng t nhiều so với i độ dốc biểu thị quan hệ t lớn i 940 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (10/2020), 935-943 Hình Biểu đồ Pareto Hình Biểu đồ đánh giá ảnh hưởng yếu tố Bảng Phân tích biến số Source Regression DF Adj SS 1447.35 Adj MS 482.452 F-Value 191.34 P-Value 0.000 i 55.91 55.913 22.18 0.000 t 143.97 143.968 57.10 0.000 i*t 21.71 21.707 8.61 0.007 Error 28 70.60 2.521 Lack-of-Fit 12 44.11 3.676 2.22 0.069 Pure Error 16 26.49 1.655 Total 31 1517.95 941 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số (10/2020), 935-943 Bảng Phân tích tổng hợp mơ hình (Model summary) S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred) 1,58788 95,35% 94,85% 93,59% Phương trình hồi quy thu có dạng: 𝐾𝑃𝐵 = 50,79 + 0,757𝑖 + 1,215𝑡 + 0,0732 𝑖 𝑡 (2) Bảng giá trị P-Value biến số i t nhỏ 0,001, giá trị PValue yếu tố i.t 0,007 < α = 0,05 nên hệ số phương trình hồi quy có ý nghĩa Bảng cho thấy hệ số R2 (ký hiệu R-sq) 95,35 % R2 điều chỉnh (ký hiệu Rsq(adj)) 94,85% thông số đánh giá mơ hình hồi quy lớn 90% , chứng tỏ mơ hình tìm khớp tốt với liệu Phương trình hồi quy cho thấy: Các yếu tố i t ảnh hưởng đến phân bố hạt mài Khi i t tăng mật độ phân bố tăng thể giá trị dương hệ số i, t i*t phương trình hồi quy (2), nhiên mức độ phụ thuộc vào t nhiều so với i thể hệ số yếu tố i 0,757 hệ số t 1,215 hệ số yếu tố i*t 0,0732 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu trên, kết luận đưa là: - Đã chế tạo lớp mạ composite Ni-cBN phẳng dung dịch Watts sở để chế tạo đĩa mài đá mài cBN phương pháp mạ điện - Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhân tố mức giá trị tìm phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ mật độ phân bố hạt mài bề mặt mẫu phụ thuộc vào thời gian mạ mật độ dòng điện mạ: 𝐾𝑃𝐵 = 50,79 + 0,757𝑖 + 1,215𝑡 + 0,0732 𝑖 𝑡 Từ phương trình hồi quy cho phép dự đốn mật độ phân bố hạt mài bề mặt mạ hai thơng số q trình mạ thời gian mạ mật độ dòng điện LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Trường đại học Giao thông vận tải đề tài mã số T2020CK-004 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Malkin, C Guo, Grinding technology: theory and application of machining with abrasives, Industrial Press Inc, 2008 [2] Ioan D Marinescu, Handbook of Machining with Grinding Wheels, Taylor & Francis Group, 2007 [3] Trần Thị Vân Nga, Trương Hoành Sơn, Trần Vĩnh Hưng, Nghiên cứu công nghệ chế tạo đá mài đơn lớp bước đầu nghiên cứu chế tạo đá mài cBN phương pháp mạ điện, Tạp chí Khoa học cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, 27 (2015) 130-133 942 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (10/2020), 935-943 [4] Tran Thi Van Nga, Truong Hoanh Son, Research on application composite electroplating to fabricate grinding tool, International Cooperation Issue of Transpotation (Especial Issue, No.06), (2015) 80-84 [5] Trần Thị Vân Nga, Trương Hoành Sơn, Trần Vĩnh Hưng, Nghiên cứu ảnh hưởng mật độ dòng thời gian mạ đến phân bố hạt mài chế tạo đá mài cBN phương pháp mạ điện, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 1+2 (2017) 127-133 [6] Trần Thị Vân Nga, Trương Hoành Sơn, Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tốc độ quay catốt nhiệt độ dung dịch mạ đến phân bố hạt mài chế tạo đá mài cBN phương pháp mạ điện, Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, 67 (2018) 11-16 [7] Trần Thị Vân Nga, Trương Hoành Sơn, Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ mạ điện đến mật độ hạt mài đá mài phương pháp quy hoạch thực nghiệm chế tạo đá mài cBN đơn lớp liên kết kim loại phương pháp mạ điện, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (2020) 50-55 [8] Trần Minh Hoàng, Nguyễn Văn Thanh, Lê Đức Tri, Sổ tay mạ điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2013 [9] Nguyễn Đức Hùng, Kỹ thuật mạ, Nhà xuất Thanh niên, 2000 [10] H Gül, F Kılıc, S Aslan, A Alp, H Akbulut, Characteristics of electro-co-deposited Ni–Al2O3 nano-particle reinforced metal matrix composite (MMC) coatings, Wear, 267 (2009), 976-990 https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.12.022 [11] P Narasimman, M Pushpavanama, V M Periasamyb, Effect of surfactants on the electrodeposition of Ni-SiC composites, Portugaliae Electrochimica Acta, 30 (2012) 1-14 http://dx.doi.org/10.4152/pea.201201001 [12] G Parida, et al., Synthesis and characterization of Ni-TiO2 composite coatings by electro-codeposition, Surface and Coatings Technology, 205 (2011) 4871-4879 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.04.102 [13] Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Đăng Bình, Quy hoạch thực nghiệm kỹ thuật, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2011 943 ... Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP MẠ COMPOSITE Ni -CBN TRÊN NỀN PHẲNG ĐỂ CHẾ TẠO THANH ĐÁ MÀI VÀ ĐĨA MÀI CBN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN HÓA Trần Thị Vân Nga1*, Trương Hoành... nên phẳng cần thiết a) Thanh đá CBN mạ điện b) Đĩa mài CBN chế tạo phương pháp mạ điện Hình Lớp mạ Ni -cBN phẳng VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu nghiên cứu Dung dịch mạ. .. Bài báo tiến hành nghiên cứu chế tạo lớp mạ composite Ni -cBN phẳng sở để chế tạo đá đĩa mài cBN phương pháp mạ điện Quá trình mạ composite thực với dung dịch Watts có pha hạt mài cBN với nồng độ