Công nghệ chế tạo Hợp kim

Trang 1

Bộ công thương

Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản việt nam viện cơ khí năng lượng và mỏ - tkv

báo cáo tổng kết đề tài

nghiên cứu khoa học công nghệ

Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao

hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá

6779

12/4/2008

Hà Nội 2.2008

Trang 2

Bộ công thương

Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản việt nam viện cơ khí năng lượng và mỏ - tkv

báo cáo tổng kết đề tài

nghiên cứu khoa học công nghệ

Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo

dao cắt, khoan khai thác đá

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì: Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ TKV Chủ nhiệm đề tài: Th.s Bạch Đông Phong

Chủ nhiệm đề tài Duyệt viện

Bạch Đông Phong

Hà Nội 2.2008

Trang 3

Danh s¸ch c¬ quan phèi hîp:

Stt Tªn c¬ quan Néi dung thùc hiÖn, phèi hîp

2

Thùc hiÖn chÝnh

ViÖn CKNL vµ Má - TKV

3

Nghiªn cøu viªn

ViÖn CKNL vµ Má - TKV

4

TKV 5

TKV 6

TKV

Trang 4

Bảng chú giải các chữ viết tắt, ký hiệu, đơn vị đo, từ ngắn và thuật ngữ:

DTA: Diffirential Thermal Analysis: Phân tích sai khác nhiệt vi sai

DTG: Derivative Thermogravimetry: Tốc độ giảm khối l−ợng

Trang 5

lời nói đầu 7

Chương 1: tổng quan 9

I.1 Khái quát về luyện kim bột 9

I.II Quy trình công nghệ chung của luyện kim bột 11

I.3 Hợp kim cứng BK, TK và phương pháp chế tạo 12

I.3.1 Khái quát về hợp kim cứng hệ BK, TK 12

I.3.2 Các bước chế tạo hợp kim cứng hệ BK, TK 14

Chương 2: cơ sở lý thuyết phương pháp thực nghiệm 17

II.1 Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG - Dta 17

II.1.1 Quá trình phát triển 17

II.1.2 Những nguyên tắc cơ bản 18

II.1.3 Mục đích của phân tích nhiệt 19

II.1.4 Kỹ thuật đường cong nhiệt vi sai DTA 19

II.1.5 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TG, DTG) 21

II.1.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến đường cong nhiệt 22

II.1.7 Cách đọc và xác định đường cong nhiệt DTA, TG, DTG 23

II.5.2 Bản chất của tia X 29

II.5.3 Sự tương tác của tia X với vật chất 30

Chương 3: Thực nghiệm và thảo luận 32

III.1 Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG – DTA - DSC 32

III.1.1 Thiết bị sử dụng 32

III.1.2 Quy trình chuẩn bị và phân tích 32

Trang 6

III.1.3 Các kết quả phân tích 38

III.1.4 Nhận xét 43

III.2 Đo độ mài mòn và hệ số ma sát 44

III.2.1 Thiết bị 44

III.2.2 Chuẩn bị mẫu 44

III.2.3 Các bước tiến hành thử nghiệm 44

III.2.4 Kết quả đo mài mòn và hệ số ma sát 45

III.4 Đo độ cứng 46

III.3.1 Thiết bị 46

III.3.2 Chuẩn bị mẫu 46

III.3.3 Các bước tiến hành thử nghiệm 46

III.3.4 Kết quả đo độ cứng trên các mẫu hợp kim cứng 46

III.3.5 Nhận xét 47

III.4 Nghiên cứu tổ chức tế vi 48

III.4.1 Thiết bị thử nghiệm 48

III.4.2 Quy trình phân tích ảnh tổ chức tế vi tại nhiệt độ phòng 48

III.4.3 Quy trình quan sát và chụp ảnh tổ chức tế vi tại nhiệt độ cao 50

III.4.4 ứng dụng nghiên cứu tổ chức tế vi 51

III.5 Phân tích cấu trúc pha bằng nhiễu xạ tia X 56

III.5.1 Thiết bị sử dụng 56

III.5.2 Quy trình chuẩn bị 56

Trang 7

Lời nói đầu

ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo, phục hồi hệ hợp kim cứng BK, TK đã được thực hiện từ lâu, song để nghiên cứu hệ hợp kim này trong các điều kiện nhiệt độ cao và trong điều kiện làm việc cụ thể thì hiện rất ít đơn vị thực hiện, do quá trình nghiên cứu cần các thiết bị rất hiện đại và đắt tiền, đồng thời các dụng cụ phục vụ thí nghiệm rất chóng hỏng Hơn nữa, việc khảo sát đánh giá thực nghiệm ở một trình độ khá hiện đại mà thời sinh viên ít hoặc chưa từng được tiếp cận

Năm 2005, Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV được trang bị thiết bị phân tích nhiệt chuyển biến pha TG – DTA – DSC, thiết bị này cho phép phân tích chuyển biến pha và khối lượng theo nhiệt độ Nhằm từng bước nâng cao chất lượng đánh giá, phân tích các số liệu thực nghiệm ở điều kiện nhiệt độ cao của một số loại vật liệu, trong đó có hợp kim cứng, cho một số đơn vị trong và ngoài

nước, Viện đã đề xuất đề tài: Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim

cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá Nội dung nghiên

cứu của đề tài là:

- Khảo sát sản phẩm hệ BK, TK với các thành phần hợp kim khác nhau; - Khảo sát nhiệt độ làm việc của hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng các phương pháp thử nghiệm sau:

+ Phân tích pha định tính, định lượng ở nhiệt độ cao;

+ Nghiên cứu chuyển biến pha theo nhiệt độ bằng hệ máy phân tích nhiệt TG – DTA- DSC;

+ Nghiên cứu tổ chức ảnh kim tương ở độ phóng đại đến 1000 lần từ

+ Xác định hệ số ma sát và cường độ mòn của mẫu với thành phần hợp kim khác nhau;

+ Xác định độ bền nén với thành phần hợp kim khác nhau; + Xác định độ cứng với thành phần hợp kim khác nhau

Kết quả của đề tài còn đạt được mục tiêu dịch toàn bộ hướng dẫn sử dụng, tài liệu kỹ thuật của thiết bị sang tiếng Việt; tự đào tạo và nâng cao trình độ cho CBCNV của Phòng thí nghiệm; đưa thiết bị vào vận hành sử dụng tốt, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu chuyển biến pha, khối lượng của vật liệu ở nhiệt độ cao với kết quả chính xác và đáng tin cậy, khẳng định khả năng làm việc và tính chính xác của thiết bị nói trên Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở nâng cao sự tín nhiệm của các

Trang 8

cơ sở nghiên cứu KHKT trong nước và cũng như tự đào tạo được nguồn nhân lực hiểu biết trong công tác nghiên cứu, thí nghiệm kiểm tra cho Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao

Với thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nội dung báo cáo chưa thể hiện hết tất cả những mong muốn của nhóm nghiên cứu, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các quí vị

Trang 9

Chương 1: tổng quan

I.1 Khái quát về luyện kim bột :

Vật liệu bột là một lĩnh vực rộng, ở đây chỉ hạn chế chủ yếu trong phạm vi vật liệu trên cơ sở các kim loại và hợp kim bột, tức thuộc lĩnh vực luyện kim bột

Khác với các phương pháp luyện kim thông thường là chế tạo kim loại và hợp kim bằng cách nấu chẩy 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 để tạo hình như mong muốn Như vậy muốn có một sản phẩm từ bột, nói chung phải qua các bước chính sau:

Chế tạo bột → Tạo hình → Thiêu kết → Sản phẩm

(gọi là bột ép);

(thường là thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính)

Luyện kim bột được áp dụng trong thực tế cuộc sống loài người từ rất sớm, trước cả luyện kim trong lò cao Tuy nhiên, những vật liệu trên cơ sở kim loại và hợp kim bột thì mới được phát triển trong vòng khoảng 80 năm trở lại đây, do bột kim loại và hợp kim không có sẵn trong thiên nhiên (như đất sét để làm đồ gốm), mà phải qua chế tạo rất công phu, đòi hỏi kỹ thuật cao về mặt trang thiết bị (sản xuất cũng như kiểm tra chất lượng), vốn đầu tư ban đầu lớn… Bước đầu luyện kim bột được áp dụng với kim loại khó hoà tan như : Pb, Pt, W sau đó áp dụng đối với các vật liệu khác như : hợp kim cứng, vật liệu compozit Ngày nay kỹ thuật luyện kim bột đã phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực:

1 Sản xuất các dụng cụ từ hợp kim cứng, bền nhiệt: WC, Ti, Ta và kim cương nhân tạo để chế tạo dụng cụ cắt gọt: dao tiện, dao phay, mũi khoan

2 Sản xuất các vật liệu đặc biệt, vật liệu tổ hợp của các kim loại, ôxyt kim loại và phi kim loại để chế tạo các sản phẩm chịu nhiệt đến 1000°C như : cánh tuốc bin, vật liệu gốm, vật liệu từ

3 Sản xuất vật liệu ma sát và chống ma sát, vật liệu xốp có chứa dầu như: bạc xốp, má phanh, xéc măng

4 Sản xuất các chi tiết máy (gia công không phoi)

Trang 10

Bảng 1.1: Những loại vật liệu có thể chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột

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 thuỷ tinh - Hợp kim siêu dẫn

- Hợp kim tiếp điểm và điện cực - Hợp kim nặng

Al-Ni-Co, SbCo5, 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 compozit:

(W, Ti, Ta)C+Co, TiC+Ni-Mo, Cr3C2+Ni

Cr-Al2O3, TiC+Ni-Cr, Mo+ZrO2 Brông+C+Ôxyt kim loại

Cu+graphit, Fe+graphit

Ni+ThO2, Al+Al2O3, AgCdO, Cu+Al2O3

Brông+kim cương, WC-Co+kim cương

Trang 11

So với phương pháp luyện kim thông thường, phương pháp luyện kim bột có những ưu việt khá rõ rệt, cho nên dù có ra đời muộn hơn, nó vẫn có tương lai phát triển vững chắc Những ưu việt đó là:

phế liệu (kiểu phoi) sau các giai đoạn gia công

trộn bột ban đầu

phẩm (khi chế tạo hàng loạt) do khâu ép và thiêu kết có tính lặp lại cao, vấn đề chỉ còn là trộn đều nguyên liệu bột ban đầu

các nguyên công và bởi khả năng tự động hóa cao, năng suất cao và cần ít nhân lực (khi quá trình sản xuất ổn định)

hoặc bằng luyện kim bột sẽ rẻ hơn so với luyện kim thông thường (như việc chế tạo các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, các vật liệu cứng và siêu cứng, các vật liệu chịu nhiệt và cách nhiệt, hoặc một số sản phẩm cần có rỗ xốp đều như các loại bạc xốp, các tấm lọc…)

Tuy nhiên, luyện kim bột vẫn có một số nhược điểm sau:

đến khuôn ép, thiết bị áp lực, lò thiêu kết

khuôn

trống (với vật liệu xốp thì đây là ưu điểm của luyện kim bột)

I.2 Quy trình công nghệ chung của luyện kim bột:

Những nguyên công chính của việc chế tạo sản phẩm bằng phương pháp luyện kim bột:

Tạo bột kim loại với độ sạch và cỡ hạt phù hợp với yêu cầu Độ sạch và kích thước hạt là một trong những yếu tố quan trọng quyết định tính chất của sản phẩm sau khi ép và thiêu kết

Có hai phương pháp trộn bột là: trộn bột khô và trộn bột ướt

Trang 12

Trộn bột ướt khác trộn bột khô là trong hỗn hợp bột có mặt của chất lỏng như: cồn công nghiệp, xăng, Crếp

Sau đó, nung vật phẩm lên nhiệt độ cao, nhưng thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính thường ở nhiệt độ biến mềm, với mục đính tăng độ kết dính và nâng cao độ bền của sản phẩm:

(ttko <tnco của cấu tử chính)

Kiểm tra kích thước, mài sửa, đánh bóng

I.3 Hợp kim cứng BK, TK và phương pháp chế tạo: I.3.1 Khái quát về hợp kim cứng hệ BK, TK:

Hợp kim cứng là loại chuyên dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt chịu ma sát, mài mòn (như dao tiện, mũi khoan các loại v.v ), đòi hỏi chúng phải có độ cứng, tính chống mài mòn cao và có khả năng giữ nguyên được tính chất đến nhiệt độ nhất định Những yêu cầu trên đây đặc biệt quan trọng khi chi tiết phải làm việc trong điều kiện mài mòn, ma sát cao

Đối với dụng cụ cắt (như tiện, phay, bào, khoan, doa, chuốt…), khi làm việc chúng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt vật Tốc độ cắt càng cao, nhiệt do ma sát sinh ra càng nhiều, do vậy ngoài độ cứng cao, dụng cụ đòi hỏi có tính cứng nóng và bền nóng cao Trước đây, các loại chi tiết trên thường được chế tạo bằng thép hợp kim cao và có cơ lý tính tương đối tốt nhưng tuổi thọ chưa cao Với thép

Trang 13

+ TiC + TaC + Co (loại 3 cacbit) Lượng Co dao động trong phạm vi 2-30% tùy theo độ dai va đập cần thiết (Co càng nhiều độ dai va đập càng cao nhưng độ cứng càng thấp)

Dưới đây là một số loại hợp kim cứng hệ BK, TK và TTK khác nhau có thể chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột:

Bảng 1.2: Một số loại hợp kim cứng hệ BK, TK và TTK

Thành phần hóa học, % Nhóm

hợp kim cứng

WC TiC TaC Co BK2 WCCo2 98 - - 2 BK3 WCCo3 97 - - 3

Nhóm ba cacbit

Trang 14

I.3.2 Các bước chế tạo hợp kim cứng hệ BK, TK:

Hình 1.1: Quy trình công nghệ chế tạo hợp kim cứng BK, TK 1 Tạo bột:

ở Việt Nam hiện nay có hai phương pháp phổ biến để chế tạo hợp kim cứng BK, TK là:

- Chế tạo hợp kim theo phương pháp tái sinh từ hợp kim cứng đã qua sử dụng

a) Chế tạo hợp kim từ bột WO3:

(0.10-0.15 àm đến 3-5 àm)

ngay hỗn hợp hai cacbit)

b) Chế tạo hợp kim theo phương pháp tái sinh:

Quy trình trưng hợp kim với Zn:

Mục đích của quá trình này là nhằm phá vỡ liên kết của Co với cacbit WC và TiC Quá trình trưng được tiến hành trong lò chân không ở nhiệt độ (820 ữ

mức chân không (20 ữ 30) mbar Các mẩu hợp kim BK hoặc TK và Zn được đưa vào lò cùng lúc Để tránh tạo thành các hợp chất không mong muốn thì chất lượng Zn đưa vào quá trình trưng phải đảm bảo độ tinh khiết 99,99%

Tạo bột cacbit WC, TiC

Ngiền và trộn bột

ép tạo hình

Thiêu kết

Trang 15

Trong quá trình trưng, Zn bay hơi và được quạt hút ra ngoài

Hình 1.2: Sơ đồ quy trình công nghệ trưng hợp kim với Zn

Xác định lại thành phần bột:

Thành phần bột là yếu tố rất quan trọng do đó trước khi chuyển sang các nguyên công tiếp theo ta phải xác định lại thành phần bột Nếu hàm lượng nguyên tố nào thấp hơn so với mác cần chế tạo thì phải tiến hành bổ xung thêm cho đủ

Có ba phương pháp thông dụng để chế tạo bột Coban:

tạo bột sau đó cho qua sàng;

dung dịch muối kim loại (với dương cực tan hoặc không tan) ở phương pháp này muốn tạo được bột kim loại thì ta phải dùng mật độ dòng lớn, nồng độ axit đặc, nồng độ ion kim loại thấp và điều quan trọng nhất là phải khuấy trộn mạnh v.v để tạo được lớp bột kim loại xốp, bám dính kém vào âm cực và dễ dàng lấy ra, thậm chí ngay sau khi rửa hoặc sấy chúng đã có thể tự rã ra thành bột mịn

Tuy nhiên, trước khi bột được đưa vào sử dụng ta cần phải kiểm tra lại kích cỡ hạt cho phù hợp với yều cầu bằng cách đưa qua sàng

2 ép tạo hình:

Độ đồng nhất của bột phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: + Phương pháp trộn (trộn bằng máy hay bằng tay); + Tốc độ trộn;

+ Thời gian trộn;

+ Dạng trộn (trộn khô hay trộn ướt)

820 ữ 8500

C

Nguội cùng lò Thời gian (giờ)

20 ữ 22

t0trưng

0

Trang 16

- ép hỗn hợp bột dưới áp lực 300-500 MPa rồi nung sơ bộ ở 900oC trong 1h để tạo hình sơ bộ

thiết, vì sau khi thiêu kết có sự co ngót nhất định (khoảng 5-10%)

3 Thiêu kết:

ra và tạo điều kiện để các hạt cacbit sát lại gần nhau, giảm độ xốp (và đó là lý do làm chi tiết bị co chút ít), tăng sự liên kết giữa chúng

Sau khi làm nguội (thường làm nguội cùng lò để giảm ứng suất dư sau quá trình tạo hình và thiêu kết), chúng trở nên rắn chắc, không thể gia công cơ khí được nữa Cách duy nhất là mài sửa trên máy mài đặc biệt (cacborun xanh) hoặc bằng tia lửa điện

Do khả năng thoát nhiệt của hợp kim cứng kém (bằng khoảng 50% so với thép cacbon), nên dụng cụ thường được cấu tạo gồm hai phần: phần lưỡi cắt bằng hợp kim cứng và phần thân bằng thép thường, liên kết với nhau bằng hàn đồng hoặc kẹp kiểu ép hay bắt vít

Trang 17

Chương 2: cơ sở lý thuyết các phương pháp thực nghiệm

II.1 Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG - Dta:

Nhiệt độ chuyển biến pha là một trong những thông số quan trọng nhất của vật liệu Trước đây, khi lựa chọn nhiệt độ để đưa ra quy trình xử lý nhiệt chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, điều này khó khăn khi gặp phải những vật liệu không theo tiêu chuẩn hoặc được nấu trong điều kiện riêng

Với phương pháp này có thể xác định chính xác các nhiệt độ chuyển biến pha của từng vật liệu, từ đó ta có thể đưa ra quy trình nhiệt luyện chính xác Ngoài ra, việc xác định được nhiệt độ chuyển biến pha chính xác còn giúp lựa chọn được loại vật liệu thích hợp khi chúng phải làm việc trong một môi trường nhiệt độ nhất định

II.1.1 Quá trình phát triển:

Phân tích nhiệt (Thermal Analysis) được xây dựng và phát triển trên cơ sở định luật bảo toàn thành phần và tính chất của vật chất do A.Lavosier và M.V.Lomonosop phát minh vào cuối thế kỷ XVIII, đầu thế kỷ XIX Thiết bị thử

độ của mẫu nghiên cứu được ghi trên kính ảnh nhờ một điện kế gương (Galvanometre) và một cặp pin nhiệt điện (Thermocouple) Nhiệt đồ (Thermogram) là một dãy đường thẳng song song cách đều nhau Nếu trong khoảng nhiệt độ nào đó xuất hiện những đường thẳng song song giãn xa nhau hoặc dầy đặc đó là hiệu ứng thu nhiệt (Endothermic efect) hoặc hiệu ứng tỏa nhiệt (Exothermic efect)

Hình 2.1: Nhiệt đồ phân tích nhiệt của Le Chatelier năm 1886

Năm 1899 Rober – Ostin đưa ra phương pháp mới để ghi đường cong nhiệt (Thermo curve) Nhiệt đồ ghi trên kính ảnh được thay bằng một tờ giấy

Trang 18

ảnh Cặp pin nhiệt điện được đấu vi sai (Differential - Thermocouple) Các hiệu ứng nhiệt được đặc trưng bằng các đỉnh (Peak) Đỉnh hướng xuống dưới là hiệu ứng thu nhiệt, đỉnh hướng lên trên là hiệu ứng tỏa nhiệt Đường cong nhiệt ghi

trên giấy ảnh được gọi là đường cong phân tích nhiệt vi sai (Differential –

Thermal Analysis - DTA)

Hình 2.2: Nhiệt đồ ghi đường cong vi sai (DTA) trên giấy ảnh của Rober – Owtin năm 1899

Ngày nay, phân tích nhiệt đã phát triển mạnh mẽ, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu: muối mỏ, đất sét, boxit, luyện kim, hóa học, công nghệ gốm sứ và thủy tinh

“Derivatograph – MoM - Budapest” đã được lắp đặt tại một số trường đại học: Đại học Tổng hợp Hà Nội, Đại học Dược Hà Nội, Đại học Quân y Sang thập niên 1970 một loạt phòng thí nghiệm phân tích nhiệt được mở tại Viện Địa chất và Khoáng sản, Viện Hóa Công nghiệp, Viện Nhiệt đới, Viện Luyện kim, Viện Silicat, Viện Khoa học Vật liệu Xây dựng, Nhà máy Xi măng Hải Phòng… Đối tượng nghiên cứu đã được mở rộng sang các lĩnh vực địa chất khoáng vật học, vật lý chất rắn, thổ nhưỡng, y học, hóa học, công nghiệp gốm sứ…

Thiết bị phân tích nhiệt ngày một cải tiến Độ nhạy và độ phân dải ngày càng cao Các phép đo được xử lý tự động trên máy vi tính

II.1.2 Những nguyên tắc cơ bản:

các chất có hoạt tính nhiệt đều được ghi nhận tương ứng trên đường cong nhiệt

những quá trình biến đổi hoá lý đặc trưng cho từng chất riêng biệt Nguyên tắc

Trang 19

nung nóng trong phân tích nhiệt được thực hiện liên tục với tốc độ đều trong lò điện Đây cũng là điều kiện để giải phương trình vi truyền nhiệt có nghiệm

bản để nghiên cứu quá trình hoá lý xảy ra khi nung nóng các chất có hoạt tính nhiệt

II.1.3 Mục đích của phân tích nhiệt:

Từ các nguyên tắc cơ bản nêu trên cho phép chỉ ra mục đích của phân tích nhiệt như sau:

chất có hoạt tính nhiệt Trường hợp trong cùng một khoảng nhệt độ, xảy ra đồng thời những quá trình biến đổi của nhiều chất, đường cong nhiệt sẽ ghi lại toàn bộ các quá trình biến đổi xen phủ lên nhau và được coi là không ảnh hưởng lẫn nhau

thúc của hiệu ứng nhiệt Dạng hình học của hiệu ứng nhiệt được ứng dụng để nghiên cứu động học của các quá trình hoá lý xảy ra khi nung nóng các chất có hoạt tính nhiệt Khối lượng mẫu thay đổi là cơ sở của phương pháp tính định lượng các khoáng vật trong mẫu

II.1.4 Kỹ thuật đường cong nhiệt vi sai DTA:

Sơ đồ đường cong nhiệt vi sai (DTA) được mô tả trên hình 2.3

Hình 2.3: Thiết bị ghi đường cong DTA (a); Nhiệt đồ DTA (b)

Sức điện động tại cặp pin nhiệt điện thứ nhất là: E1= αTm

ta có:

E1= E2

Trang 20

Hai cặp pin nhiệt điện được mắc xung đối nên sức điện động E của hai pin nhiệt điện có chiều ngược nhau Do đó sức nhiệt điện động tổng cộng trong toàn mạch là: E = E1+ E2 = 0

Trên đồ thị hình 2.3, đường DTA có dạng là một đường thẳng trùng với đường cơ sở có ∆T = 0

Trường hợp trong mẫu xảy ra quá trình thu nhiệt hoặc toả nhiệt, có nhiệt độ trong mẫu chuẩn và mẫu nghiên cứu khác nhau:

Tm ≠ TcDo đó:

E1 ≠ E2Sức điện động trong toàn mạch:

E = E1 +E2 ≠ 0

Trên đồ thị, đường DTA lệch khỏi đường cơ sở tạo nên đỉnh có chiều hướng lên trên gọi là hiệu ứng toả nhiệt, hoặc có chiều hướng xuống là hiệu ứng thu nhiệt

Trong kỹ thuật người ta thường đồng thời ghi hai đường T và DTA theo sơ đồ nguyên lý như hình 2.4 dưới đây:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý ghi đồng thời đường cong T và DTA 1- Lò điện, 2- Mẫu n ghiên cứu, 3- Mẫu chuẩn, 4- cặp nhiệt điện vi sai,

5- đường cong nhiệt độ Tm, 6- đường cong DTA

Phép đo đồng thời T và DTA là cơ sở của phương pháp phân tích nhiệt vi sai Đường nhiệt độ T cho biết hiệu ứng nhiệt xảy ra ở nhiệt độ nào Dạng hình học của hiệu ứng nhiệt cho biết động học của các quá trình xảy ra trong mẫu diễn ra như thế nào Đó là các quá trình phân ly, oxy hoá, thay đổi cấu trúc để

Trang 21

tạo nên các sản phẩm mới v.v tổng hợp các số liệu phân tích trên đồ thị T và DTA cho phép xác định định tính và giải thích các đặc điểm nhiệt của vật chất

II.1.5 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TG, DTG):

Các chất khi nung nóng thường có sự thay đổi khối lượng, đối với khoáng vật, vật chất, sự thay đổi khối lượng liên quan đến cả quá trình tách nước, phân ly khí CO2, SO3, SO2 hoặc quá trình oxy hoá

Như vậy đường thay đổi khối lượng TG cho biết khối lượng mẫu nghiên cứ bị giảm đi hay tăng lên là bao nhiêu % so với khối lượng mẫu kể từ thời điểm bắt đầu nung nóng

Trường hợp trong khoảng nhiệt độ nào đó có 2 hoặc nhiều quá trình xảy ra đồng thời dẫn đến thay đổi khối lượng mẫu, trên đồ thị TG chỉ đo được tổng độ giảm khối lượng của các quá trình xảy ra Muốn biết độ giảm khối lượng của mỗi quá trình riêng biệt, người ta lấy đạo hàm đường cong TG

Cơ sở của phép đo DTG liên quan tới tốc độ thay đổi khối lượng và tốc độ dịch chuyển của cán cân theo mối tương quan tỷ lệ thuận:

dtdsdtdm ≈

Trong đó:

- dm: lượng mẫu giảm; - dt: thời gian;

- ds: quãng đường;

Sức điện động E xuất hiện trong cuộn dây có chiều dài l chuyển động với tốc độ ds/dt trong từ trường đều của một nam châm vĩnh cửu có cường độ là H được tính theo công thức:

dtdslHE=

Trang 22

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý ghi đường cong TG và DTG trên tổ hợp thiết bị phân tích

1- Lò điện, 2- Mẫu nghiên cứu, 3- cân, 4- đèn chiếu, 5- thấu kính, 6- gương phẳng, 7- nam châm, 8- ống đếm, 9- điện kế gương, 10- băng giấy

Biết điện trở thuần của điện kế có giá trị không đổi Do đó ứng với góc quay ϕ không quá lớn của khung dây điện kế, ta có góc quay ϕ tỷ lệ với cường độ dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây:

II.1.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến đường cong nhiệt:

Những kết luận rút ra từ lý thuyết phân tích nhiệt cho thấy quá trình xảy ra trong mẫu phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm Với điều kiện khác nhau, sẽ thu được những đường cong nhiệt rất khác nhau, do đó phải lập quy trình nung nhiệt cho từng loại vật liệu khác nhau

Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng: ảnh hưởng chủ yếu đến sự biến đổi của các quá trình xảy ra trong vật chất khi nung nóng là: Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của vật, các ion tạp chất, tốc độ nung nóng, kích thước hạt trong dạng bột, khối v.v Những yếu tố khác có ảnh hưởng đến dạng đường cong nhiệt là: Độ tinh khiết của mẫu, khối lượng mẫu, độ nhạy của cặp pin nhiệt điện, áp suât trong không gian hữu ích của lò điện, vị trí đặt đầu đo nhiệt độ của cặp pin nhiệt điện trong mẫu

Trang 23

II.1.7 Cách đọc và xác định đường cong nhiệt DTA, TG, DTG:

1 Đường cong DTA:

Cách đọc và giải thích đường cong DTA theo các nội dung sau đây:

Đường DTA có dạng là một đường thẳng gần trùng với đường cơ sở cho

Hình 2.6: Đường cơ sở ∆ T = 0 (a), đường DTA có λm >λc (b), đường DTA có λm <λc (c)

trên đường cơ sở, đường b

phía dưới đường cơ sở, đường c

* Các yếu tố để xác định một hiệu ứng nhiệt gồm:

Từ nhánh bên trái và nhánh bên phải của hiệu ứng nhiệt, kẻ các đường tiếp tuyến cắt đường cơ sở ở hai điểm P, Q Từ P, Q kẻ đường pháp tuyến cắt DTA ở đâu chính là điểm Tđ và Tc

Trang 24

Hình 2.7: Các yếu tố đặc trưng cho hiệu ứng nhiệt

Đường cao (biên độ) của hiệu ứng nhiệt ký hiệu là H là đường kẻ từ đỉnh vuông góc với đường nối điểm đầu và điểm cuối của hiệu ứng nhiệt Diện tích

Hình 2.8: Một số dạng hình học của hiệu ứng nhiệt

Các dạng hiệu ứng nhiệt:

thoai thoải (độ dốc nhỏ) đặc trưng cho quá trình biến đổi trong mẫu lúc ban đầu

Trang 25

- Tương tự có thể giải thích cho trường hợp hiệu ứng nhiệt có nhánh bên trái thoai thoải, nhánh bên phải dựng đứng hình 2.8 c

sau khi nung nóng đã biến đổi thành sản phẩm có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn độ dẫn

trường hợp nhánh bên phải nằm trên đường cơ sở hình 2.8 d, e

xảy ra đều đều cho đến lúc kết thúc hình 2.8 f

hoặc bên phải của hiệu ứng nhiệt xuất hiện các điểm uốn (c) và (c*) như hình 2.9

Hình 2.9: Hai hiệu ứng nhiệt chồng chập lên nhau

2 Đường cong TG và DTG:

Đường cong TG và DTG có dạng là một đường thẳng khi mẫu nghiên cứu là chất trơ nhiệt, mẫu không thay đổi khối lượng trong suốt quá trình nung như hình 2.10a

Hình 2.10: Đường cong TG và DTG

a) mẫu chất trơ nhiệt, b) mẫu có một hiệu ứng nhiệt

Trang 26

Khi mẫu xuất hiện quá trình biến đổi kèm theo thay đổi khối lượng, đường TG chạy xuống phía dưới hoặc phía trên tạo thành một đoạn dốc dựng đứng (hoặc thoai thoải) Độ dốc này phụ thuộc vào quá trình biến đổi khối lượng có cường độ xảy ra nhanh (hoặc chậm) hình 2.10b

Hình 2.11: (a) Đường cong TG, DTG tương ứng với quá trình tăng khối lượng (b) Đường cong DTG và TG tương ứng với hai quá trình biến đổi

xảy ra đồng thời

Đường DTG xuất hiện một đỉnh tương ứng hướng xuống dưới nếu là quá trình giảm khối lượng hình 2.11 b, hoặc đỉnh hướng lên trên nếu quá trình là tăng khối lượng hình 2.11 a

Để xác định giá trị ∆m, ta thực hiện phép chiếu điểm đầu và điểm cuối của đỉnh trên đường DTG xuống đường TG (hình 2.10 b, và hình 2.11 a)

Ma sát là quá trình tự tổ chức, trong đó các hiện tượng xảy ra theo một trình tự xác định và hợp lý, các hiện tượng này dẫn đến sự phá huỷ bề mặt của vật liệu, hoặc tạo ra một hệ giản đồ mài mòn và ma sát Hiện tượng này gắn liền với ma sát là một trong những vấn đề cấp thiết nhất Sự hao mòn của máy móc và thiết bị, chi phí cho việc sửa chữa máy móc do mòn là rất lớn Vấn đề này đã

Trang 27

nhận được sự chú ý của đông đảo các nhà thiết kế, công nghệ và những người sử dụng, nhằm đưa ra những biện pháp để nâng cao tuổi thọ của máy móc

II.2.2 Cơ chế mài mòn của các bề mặt kim loại

Trong quá trình mài mòn, bề mặt lắp ghép sẽ chuyển động tương đối với nhau, dẫn đến sự cắt và bẻ gẫy những chỗ nhấp nhô mới Quá trình đó cứ tiếp diễn với sự làm nhẵn các bề mặt ma sát

a) Sự thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt kim loại:

Sự thay đổi xảy ra trên các bề mặt ma sát bao gồm các quá trình sau:

Đo độ cứng là phương pháp xác định cơ tính đơn giản nhất, được dùng phổ biến nhất và cũng có những ý nghĩa quan trọng

Người ta đo độ cứng bằng cách ép (ấn) lên bề mặt vật liệu một mũi đâm làm bằng vật liệu cứng hầu như không bị biến dạng dẻo (thép tôi cứng, hợp kim cứng, kim cương) bằng một tải trọng xác định Khi bỏ tải, mũi đâm sẽ để lại trên vật liệu một vết lõm Vết đâm càng to hoặc càng sâu thì giá trị độ cứng càng thấp

Vậy độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo của vật liệu thông qua tác dụng của mũi đâm

Độ cứng có những đặc điểm sau:

không phải của toàn sản phẩm, nếu vật liệu có tính không đồng nhất (giữa bề mặt và lõi)

tính chống mài mòn càng tốt

Trang 28

- Độ cứng có quan hệ nhất định với giới hạn bền kéo và khả năng gia công cắt

đơn giản (có thể đo ngay trực tiếp trên sản phẩm), nhanh (thời gian chỉ vài chục giây), không phá huỷ và có thể thực hiện trên các vật mỏng, thiết bị thử nhỏ gọn hơn và rẻ hơn

Chính vì vậy đo độ cứng được dùng thường xuyên trong sản xuất và nghiên cứu Có hai loại độ cứng: thô đại và tế vi Độ cứng nói chung đều là độ cứng thô đại vì mũi đâm đủ lớn để làm biến dạng nhiều hạt và pha, nên độ cứng đo được phản ánh khả năng chống lại biến dạng dẻo của tập hợp pha Khi đo độ cứng tế vi phải dùng mũi đâm nhỏ, tải trọng nhỏ, tác dụng vào từng pha (hạt) riêng rẽ với sự trợ giúp của kính hiển vi quang học Cách này phức tạp hơn và thường chỉ dùng trong nghiên cứu khoa học

II.4 Nghiên cứu tổ chức tế vi:

Tổ chức tế vi là hình ảnh bề mặt mẫu nhìn thấy bằng kính hiển vi Kính hiển vi đem dùng có thể là quang học (dùng ánh sáng thường – tức ánh sáng trắng hoặc tia cực tím) hay điện tử ở đây chỉ giới thiệu tổ chức tế vi quan sát được bằng kính hiển vi quang học với ánh sáng trắng, là loại dụng cụ quang học tương đối đơn giản và được dùng phổ biến trong nghiên cứu và sản xuất Như đã biết, cơ tính, tính công nghệ cũng như tính chất hoá - lý của vật liệu không những phụ thuộc vào thành phần hoá học mà còn phụ thộc rất nhiều vào tổ chức tế vi của nó

Nhiệm vụ của phân tích tổ chức tế vi là:

của chúng trên tổ chức tế vi;

phân bố của các pha, nhờ đó có thể sác định gần đúng tính chất của vật liệu

Trang 29

II.5 Phân tích Rơnghen: II.5.1.Cơ sở lý thuyết:

Tia X (tia Rơnghen) được nhà bác học người Đức Rơnghen (1895) phát hiện ra Khi một dòng electron có vận tốc cao tạo ra từ catot chuyển động đến và đập vào mặt một bia kim loại làm phát ra một chùm tia mang năng lượng cao đi ra ngoài, có thể làm đen kính ảnh và có khả năng đâm xuyên lớn Chùm tia đó chính là tia X còn bia kim loại là anot Tia X có chiều dài bước sóng từ 0,1 đến 100 Å

Người ta phân chia ra 3 loại phương pháp phân tích Rơnghen: hấp thụ tia X, huỳnh quang tia X và nhiễu xạ tia X Các phương pháp này đều được ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực như: hóa học, vật lý, luyện kim…

Bia kim loại có thể chế tạo bằng các kim loại khác nhau, nên chùm tia X phát ra có năng lượng khác nhau, tức là có bước sóng khác nhau

Bảng 2.1: Bước sóng của một số vật liệu làm anốt

II.5.2 Bản chất của tia X:

Nguyên tử có cấu tạo gồm hạt nhân và electron chuyển động trên các obitan bao quanh có kí hiệu:

n 1 2 3 4 5 K L M N O

Khi chùm electron có động năng lớn chuyển động đập vào bia kim loại, các electron này có thể đi sâu vào các obitan bên trong và làm bật electron nằm ở obitan nguyên tử ra khỏi vị trí của nó tạo ra chỗ trống Sau đó các electron ở

Trang 30

obitan bên ngoài nhảy vào các chỗ trống này, phát ra bức xạ tương ứng với mức năng lượng:

21 ư

E∆Trong đó:

Khi một chùm tia X đi qua một lớp vật chất, một phần năng lượng của nó bị mất đi do nhiễu xạ, một phần do bị hấp thụ và một phần bị phản xạ

Aθ

Trang 31

Phương trình Wulf-Bragg biểu thị mối quan hệ đơn giản giữa góc của các tia nhiễu xạ với bước sóng tia X tới và khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên

chất sẽ không có vì cường độ tia nhiễu xạ thu được là rất nhỏ

Trong hầu hết các trường hợp, bậc phản xạ thứ nhất sẽ được sử dụng (n=1), do đó phương trình Wulf-Bragg được viết như sau:

Khi n > 1, các phản xạ được gọi là phản xạ bậc cao Ta có thể viết phương trình như sau:

Trong đó: ndhkl

Trang 32

Chương 3: Thực nghiệm và thảo luận

Trong đề tài này chúng tôi sử dụng các mẫu hợp kim cứng BK, TK thu thập trên thị trường Việt Nam Sử dụng ít nhất 03 mẫu cho mỗi phép thử, sau đó lấy kết quả trung bình để khử sai số ngẫu nhiên

III.1 Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG – DTA - DSC: III.1.2 Thiết bị sử dụng:

với một số thông số kỹ thuật như sau: + Nguồn điện: 230V/16A/50-60Hz + Kích thước:

- Dài: 657 mm - Rộng: 490 mm

- Cao: 783mm, 1180 mm (khi vận hành nâng cột) - Khối lượng: 110 Kg

+ áp lực khí tối đa: 3 Bar + Nước làm mát:

Trang 33

III.1.3 Quy trình chuẩn bị:

+ Chuẩn bị mẫu phân tích:

Mẫu phân tích ở dạng khối hoặc bột với khối l−ợng lớn nhất là 40mg Trong đề tài này, chúng tôi dùng mẫu ở dạng khối với khối l−ợng 20 ữ 30 mg

Chuẩn bị máy: + Thanh đo:

Tuỳ thuộc vào nhiệt độ, yêu cầu của mẫu phân tích mà ta chọn thanh đo thích hợp

Bảng 3.5: Các thanh đo và đặc tính kỹ thuật của chúng