Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ cứng tin trên khuôn kim loại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH THANH BÌNH ĐINH THANH BÌNH CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP PHỦ CỨNG TiN TRÊN KHUÔN KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chế tạo máy 2010B Hà Nội - Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐINH THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP PHỦ CỨNG TiN TRÊN KHUÔN KIM LOẠI Chuyên ngành: Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chế tạo máy NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI TS PHẠM HỒNG TUẤN Hà Nội - Năm 2012 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC 1.1 Công nghệ đúc áp lực 1.1.1 Đặc điểm trình Đúc áp lực cao cơng nghệ đúc kim loại lỏng điền đầy khuôn đông đặc tác dụng áp lực cao khí nén dầu ép xilanh ép tạo Có thể hình dung q trình cơng nghệ (hình 1.1): a) b) c) d) Hình 1.1 Quá trình đúc a) Giai đoạn cấp liệu; b) Giai đoạn điền đầy ép tĩnh c), d) Giai đoạn tháo khuôn, lấy vật đúc Khuôn đúc áp lực cao bao gồm nửa khuôn, nửa khuôn động nửa khn tĩnh (5) Bắt đầu chu trình đúc, hai nửa khn đóng lại Rót kim loại lỏng định lượng vào buồng ép qua lỗ rót xilanh ép (2) Sau rót, pittơng (1) xilanh (2) đẩy kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn Thời gian điền đầy nhanh khoảng phần chục giây với tốc độ hàng trăm m/s áp suất khoảng vài trăm đến 14 hàng nghìn atmơtphe Áp suất trì đến vật đúc đơng đặc hồn tồn Rút ruột khỏi vật đúc Nửa khuôn động tách khỏi nửa khuôn tĩnh Chốt đẩy (4) tống vật đúc khỏi khuôn Chu trình đúc lại bắt đầu Đúc áp lực cao sử dụng máy buồng ép nóng máy buồng ép nguội Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khn q trình kết tinh, pittông ép tạo Lực để làm pittông chuyển động lại bơm thuỷ lực gây nên Tốc độ dịch chuyển chất lỏng thuỷ lực áp lực ép pittông thay đổi khác suốt chu trình đúc Có thể chia chu trình đúc thành giai đoạn (hình 1.1) 1.1.2 Các giai đoạn q trình đúc Giai đoạn 1: Pittông qua bịt lỗ rót Vận tốc pittơng ép áp lực buồng ép cịn nhỏ Vì áp lực cần đủ để thắng lực ma sát buồng ép xilanh thuỷ lực Giai đoạn 2: Kim loại lỏng điền đầy toàn buồng ép Tốc độ pittông tăng lên đạt giá trị cực đại v2 Giá trị áp suất p2 tăng chút phải thắng trở lực dòng chảy buồng ép Hình 1.2 Vận tốc áp suất buồng đúc giai đoạn trình đúc Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót hốc khuôn Do thiết diện rãnh dẫn thu hẹp lại tốc độ pittông giảm xuống thành v3 áp suất ép lại tăng lên Kết thúc giai đoạn này, pittơng dừng lại tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà áp suất ép tiếp tục tăng lên Sau dao động áp suất tắt dần, 15 áp suất đạt giá trị không đổi Đây áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho trình kết tinh Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh Áp suất đạt tới 50-5000 daN/cm2, tuỳ thuộc vào chất vật liệu đúc yêu cầu công nghệ Khi áp lực đạt giá trị thuỷ tĩnh mà rãnh dẫn cịn kim loại lỏng áp lực truyền vào vật đúc-kim loại kết tinh trạng thái áp lực cao 1.2 Khuôn đúc áp lực 1.2.1 Cấu tạo khuôn đúc áp lực Khuôn cấu thành từ nhiều linh kiện, linh kiện lại có chức riêng Ở đúc áp lực cao khn kim loại đắt tiền nên phải tính tốn kỹ chức để hướng tới cấu tạo lãng phí Ngồi ra, cần phải nỗ lực việc cắt giảm chi phí khn cách thúc đẩy tiêu chuẩn hóa linh kiện cấu thành, nâng cao khả thay lẫn linh kiện, cắt giảm số lượng linh kiện cách chế tạo liền, sử dụng linh kiện tiêu chuẩn công ty chế tạo khn bán thị trường Hình 1.3 Kết cấu khuôn đúc áp lực 1- Kênh dẫn; 2- Rãnh dẫn; 3- Khuôn tĩnh; 4- Ruột; 5- Tấm đẩy; 6- Khuôn động; 7,8- Tấm lắp đặt hệ thống làm mát khuôn 16 1.2.2 Vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực Vật liệu khuôn lựa chọn từ chức yêu cầu, trường hợp cần thiết phải thực xử lý nhiệt xử lý bề mặt Về vật liệu, xử lý nhiệt, xử lý bề mặt linh kiện cấu thành khuôn tiêu biểu thể (phụ lục 1) Hiện nay, khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm sản xuất chủ yếu thép SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS G4404 (1983) Nhật Bản, có thành phần (bảng 1.1): Bảng 1.1 Thành phần thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực C 0,32 – 0,42 Si 0,8 – 1,2 Thành phần hóa học % Mn Cr ≤ 0,5 4,5 – 5,5 Mo 1,0 – 1,5 V 0,8 – 1,2 1.2.3 Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực Trong làm việc bề mặt khuôn đúc áp lực phải tiếp xúc kim loại nóng chảy làm cho thân bị nung nóng Nhiệt độ khn lên tới 5000C÷6000C Do thép làm khn đúc áp lực có u cầu sau: - Tính bền nhiệt cao tức khả bảo đảm bề mặt làm việc khuôn không bị biến dạng dẻo, tính đánh giá qua tiêu giới hạn chảy nhiệt độ cao độ cứng nhiệt độ cao không nhỏ 45÷50HRC - Độ dai cao: Độ mỏi nhiệt thép có quan hệ mật thiết với độ dai Thơng thường u cầu nhiệt độ thường độ dai thép không nhỏ 35J/cm2, nhiệt độ làm việc độ dai không nhỏ 50J/cm2 - Độ bền mỏi nhiệt cao: Thơng thường thép có tính bền nhiệt độ dai cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ độ bền mỏi nhiệt cao - Có khả chống ơxy hố chống ăn mịn tốt: Thép làm khn có đặc điểm dựa vào tác dụng hố bền cacbit, song để có độ dai cao, độ bền mỏi nhiệt cao lại mong muốn hàm lượng cacbon thấp tốt Hàm lượng cacbon thép cao phần lớn 0,3÷0,5% Nếu hàm lượng cacbon thấp tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim cần cao Xử lý nhiệt xử lý công đoạn thể (hình 1.4) đặc 17 biệt điều quan trọng phải quản lý nhiệt độ, quản lý thời gian, quản lý môi trường Nếu điều kiện bị sai lệch dẫn đến bất thường tổ chức, bất thường độ cứng, dẫn đến thoát cácbon bề mặt, trở thành nguyên nhân tình trạng sớm bị nứt nóng làm suy giảm tuổi thọ khn Tiếp nhận Làm Làm nguội Gia nhiệt Ram Kiểm tra Tơi Hình 1.4 Sử lý nhiệt khn đúc áp lực Nhiệt độ nhôm đúc áp lực khoảng 6000C chà xát lên bề mặt khn, khn cần độ cứng bề mặt cao để khơng bị mài mịn Đồng thời, khn cịn chịu lực ép lớn thay đổi nên phải có độ dai va đập chống biến dạng tốt Không thế, khuôn đúc áp lực cần phải bảo đảm giữ độ cứng nhiệt độ làm việc thời gian dài tuổi thọ cao Hay nói cách khác, khn đúc áp lực cần có tính cứng nóng cao Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng khn trình làm việc: Nếu coi thành phần SKD61 theo tiêu chuẩn JIS quy định yếu tố quan trọng ảnh hưởng định đến tính cứng nóng khn q trình nhiệt luyện khn Trước hết nhiệt độ tơi khn (hình 1.5) Để đạt độ cứng từ 48-53 HRC thép SKD61 nhiệt độ khác từ 9500C đến 11000C Tuy nhiên tơi nhiệt độ thích hợp tính cứng nóng độ bền nóng cải thiện Khi nung nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn Nền thép giàu nguyên tố hợp kim ổn định giữ độ cứng nhiệt độ cao hơn, thời gian dài Tôi nhiệt độ cao (trên 10800C) hạt tinh thể thép bị thô, độ dai thép nhỏ khn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm Trái lại, nung nhiệt độ thấp (dưới 10000C) thép hoà tan nguyên tố hợp kim ổn định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng khn 18 Hình 1.5 Quy trình tơi thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực Kết nghiên cứu cho thấy nung tơi SKD61 tốt 1020÷10700C Giới hạn dùng cho khuôn lớn, thời gian giữ nhiệt nung dài Giới hạn dùng cho khuôn nhỏ, thành mỏng 20 mm Môi trường làm nguội tơi khn SKD61 tốt dầu nóng Dùng quạt thổi gió lạnh để tơi áp dụng cho khn nhỏ Song khn lớn, thổi gió lạnh không đủ để làm nguội nhanh lõi độ cứng lõi thấp, chất lượng Chế độ ram ảnh hưởng tới tính cứng nóng theo chiều hướng ngược lại: Hình 1.6 Quy trình ram thép SKD61 làm khn đúc áp lực 19 Nhiệt độ ram lớn 6000C tính cứng nóng giảm mạnh tượng tiết cacbit làm thép nghèo ngun tố hợp kim đi, tính cứng nóng giảm Ram nhiệt độ thấp (500, 5500C) độ cứng giảm chậm theo thời gian, khả chống mài mịn khơng tận dụng độ cứng thứ hai nhờ chuyển biến austenit dư thành mactenxit ram Kết tốt ram lần nhiệt độ từ 570 đến 5900C Phân tích các kết nhận thấy tơi ram thép SKD61 chế độ khác cho giá trị độ cứng (ví dụ từ 48÷53 HRC) nhiệt độ thường độ cứng độ bền nhiệt độ cao thay đổi theo thời gian khác Hơn nung nhiệt độ thấp, chi phí lượng giảm đi, nguy gây nứt tơi u cầu cụ thể tính khuôn đúc áp lực sau: Lõi khuôn yêu cầu từ 48÷53 HRC Độ cứng đạt nhờ q trình nhiệt luyện Để chống mài mịn, khn cần thấm nitơ để có độ cứng bề mặt khoảng 62÷65 HRC Chiều dày lớp thấm tốt khoảng từ 0,1 đến 0,2 mm Nếu chiều dày nhỏ hơn, khuôn chóng bị mịn, tuổi thọ thấp, lớn q khơng tốt lớp thấm dễ bị bong tróc Trong thành phần cấu, lớp thấm cần có lượng pha nitơrit hợp kim có độ cứng cao để tăng tính chống mài mịn Tuy nhiên, lượng pha nhiều quá, lớp thấm bị giòn Thấm nitơ giai đoạn cuối sản xuất khuôn Sau q trình làm việc, khn bị mịn đồng độ cứng bề mặt khuôn không đảm bảo làm giảm chất lượng sản phẩm Vì vậy, sau số chu kỳ vận hành, sau số lượng sản phẩm định (tùy theo hình dáng kích thước chi tiết để định lượng sản phẩm), khn phục hồi cách chỉnh hình (nếu cần) thấm nitơ lại Tiếp theo, khn cịn làm việc thấm lại chất lượng khuôn không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Một khuôn thường thấm nitơ phục hồi nhiều lần Thực tế cho thấy, có khn thấm lại sử dụng hàng chục lần, có khn vài lần hỏng Vấn đề đặt thấm lại lần để khn làm việc với số chu kỳ lớn không bị sứt, vỡ, biến 20 - Áp suất làm việc buồng: 1,23.10-2mbar - Khởi động nguồn cao tần (60 giây để ổn định công suất phát) - Nối cao tần vào bia nâng công suất cao tần từ từ lên 1500W Đồng thời hiệu chỉnh mạch L - C để công suất phản hồi nhỏ nhất: 50W bias bia đạt 2000V - Hiệu chỉnh bias đế cỡ 30 - 40V - Duy trì khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =130), thời gian trì 30 phút - Điều chỉnh khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =135), thời gian trì 30 phút - Điều chỉnh khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =140), thời gian trì Duy trì máy chạy ổn định suốt thời gian tạo màng Thời gian tạo màng 120 phút Độ dày lớp màng phụ thuộc vào thời gian Hình 3.8 Buồng phản ứng chế tạo màng TiN có tỉ lệ 1:1 3.2.6 Kết thúc trình tạo màng Hình 3.9 Chi tiết sau phủ 77 - Đưa công suất cao tần 0, lúc công suất phản hồi bias - Tắt nguồn phát cao tần - Đóng van chiết lưu khí argon nitơ - Đóng van V1, tắt bơm turbo - Đóng van V2, tắt bơm học Đến trình làm việc kết thúc 3.3 Đo tính chất lớp phủ 3.3.1 Đánh giá bề mặt lớp phủ Bề mặt lớp phủ chụp kính hiển vi KEYENCE -VK450 (digital micros copy) Bộ mơn Cơ khí xác & Quang học- Đại học BKHN (Hình 3.10a) bề mặt lớp phủ TiN mịn, đồng đều, chiều dày lớp phủ (0,6±0,1µm) (hình 3.11); (hình 3.10b) chi tiết khơng phủ TiN có nhiều vết xước q trình gia cơng để lại a) b) Hình 3.10 Bề mặt chụp kính hiển vi x1000 a) Chi tiết có phủ TiN; b) Chi tiết khơng phủ TiN Trong q trình đúc áp lực bề mặt khn ảnh hưởng lớn đến khả dính khn nhôm lỏng Độ nhấp nhô bề mặt lớn điều kiện thuận lợi cho nhôm lỏng áp lực cao dính bám vào bề mặt khn, ảnh hưởng khơng tốt đến chất lượng vật đúc Quá trình làm việc, vị trí bám nhơm khn gây xước bề mặt chi tiết đúc Ma sát nhôm lỏng với bề mặt khuôn lớn, ảnh hưởng đến tách khuôn lấy sản phẩm đúc 78 Lớp phủ TiN Hình 3.11 Bề mặt 3D lớp phủ TiN chụp kính hiển vi x3000 3.3.2 Đo độ cứng lớp phủ Màng titannitrit xác định độ cứng tế vi theo phương pháp đo Vicker máy Microharte Pruefeinrichitung 100 CHLB Đức, sử dụng mũi kim cương Vicker, phịng Cơng nghệ Màng mỏng- Trung tâm Quang điện tử- Viện Ứng dụng công nghệ- Bộ Khoa học công nghệ Đo độ cứng màng TiN (hình 3.12): Nguyên lý đo: Hình 3.12 Nguyên lý đo Vickers Mũi thử trường hợp mũi hình tháp, có cạnh chia đều, có kích thước tiêu chuẩn, đáy vng góc đỉnh 136o±30’ kim cương Mũi thử đuợc ấn vào vật liệu tác dụng tải trọng, có dải lực đo: micro 10g ÷ 1000g macro 1kg ÷ 100kg Với thời gian giữ tải trọng tiêu chuẩn 10 ÷ 15 giây Vết lõm mũi thử để lại vật liệu đo theo chiều dài đường chéo 79 đáy hình vng vật liệu thử Vết đâm mẫu Hình 3.13 Thực thao tác đo độ cứng màng TiN phòng Công nghệ Màng mỏng - Trung tâm Quang điện tử Thiết bị đo độ cứng tế vi Mikrohärte-Prüfeinrichtung mhp 100 có hệ quang học với độ phóng đại 480 lần Tải trọng lớn đặt mũi thử 100 gf (980 mN) tải trọng nhỏ gf ( 19,6 mN) Tải trọng nhỏ thay đổi lần đo g (19,8 mN) Những thông số máy phù hợp việc đo độ cứng tế vi lớp phủ cứng với chiều dày nhỏ (cỡ vài µm) Độ cứng màng xác định bằng: HV = 1852 F/d2 Trong đó: F - Lực tác dụng d - Độ rộng vạch màng Kết biểu diễn (bảng 3.1): Bảng 3.2 Kết đo độ cứng màng TiN Mẫu Độ cứng (HV) Mẫu 1850 Mẫu 2000 Mẫu 2150 Mẫu 1900 3.3.3 Thử nghiệm sốc nhiệt Đúc áp lực cao công nghệ đúc có đặc trưng tượng đơng đặc phức tạp dựa vào biến đổi thời gian ngắn tác động áp lực cao, khn giữ vai trị quan trọng trao đổi nhiệt Năng suất làm mát khn có mối quan hệ mật thiết với chu kì, độ xác kích thước sản phẩm, chất 80 lượng Sau 10 lần bắn khuôn (15 phút làm việc) nhiệt độ bề mặt khuôn nhiệt độ khn thay đổi (hình 3.14) ổn định, phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn thay đổi dựa theo độ dày sản phẩm lượng nhiệt dung khuôn Khi làm việc khuôn chi tiết khn đúc bị nung nóng nhanh nhơm lỏng, thời gian ngắn Sau bề mặt khuôn làm nguội nước dầu tách khn Trong khn có hệ thống làm mát liên tục nước Quá trình thay đổi nhiệt độ diễn liên tục sau lần bắn nhôm lỏng vào khuôn tạo sản phẩm đúc Khoảng nhiệt độ thay đổi từ 150-3000C Những chi tiết tạo lỗ bị nung nóng tới 450-5500C Điều gây cho chi tiết bị mỏi nhiệt Hình 3.14 Thay đổi nhiệt độ khn theo thời gian từ sau khởi động khuôn Để kiểm tra khả chịu thay đổi nhiệt lớp phủ bề mặt khn khó khăn, khn đúc chế tạo xác, việc gắn cảm biến nhiệt vị trí kiểm tra khn sản xuất phức tạp Do đó, kiểm tra sốc nhiệt lớp phủ tiến hành mẫu (mục 3.1.1) phủ TiN mẻ chi tiết chốt vòng ôm (Hình 3.14) thể thay đổi nhiệt độ bề mặt khn thay đổi dạng sóng theo thời gian, thiết bị thử nghiệm khó điều chỉnh nhiệt độ theo giản đồ, thao tác thí nghiệm khơng trì sản xuất nên việc kiểm tra sốc nhiệt thực sau: Mẫu nung nhiệt độ 81 xác định (nung nóng phút, giữ nhiệt phút, làm nguội giây) lặp lại 10 lần thời gian 30 phút (hình 3.15) Hình 3.15 Thử nghiệm sốc nhiệt nhiệt độ khác Thử nghiệm sốc nhiệt lớp phủ TiN thực nhà máy Z117Tổng cục Công nghiệp quốc phòng-Bộ Quốc phòng 82 Mẫu thử nghiệm: Mẫu φ12, δ=3 phủ TiN Số lượng: 06 mẫu; Thiết bị thử nghiệm: Lị thử nghiệm: RJX4 (max 9000C±3) Hình 3.16 Mẫu thử sốc nhiệt phủ TiN Bảng 3.3 Điều kiện thử nghiệm sốc nhiệt Thời gian thử Nung Giữ nhiệt Làm nguội (phút) (phút) nước (giây) 1 TT Nhiệt độ thử (0C) Số lượng mẫu 450 2 500 1 550 1 Số lần thử Tổng thời gian thử (phút) 10 30 10 30 10 30 Kết thử nghiệm sốc nhiệt: Ở nhiệt độ 5500C lớp phủ TiN mẫu khơng bong Lớp phủ đưa vào ứng dụng để sản xuất Kết xác nhận nhà máy 3.3.4 Thử nghiệm khả dính bám nhôm lỏng lớp phủ TiN 3.3.4.1 Kiểm tra khả tách khuôn lớp phủ TiN Theo [1] thử nghiệm thực thực để kiểm tra khuynh hướng hàn dính kim loại lớp phủ Thử nghiệm sử dụng để kiểm tra hiệu khuôn bôi trơn với khn khơng bơi trơn giải phóng chất bơi trơn khỏi khn, đặc biệt hữu ích để xác định lớp phủ sử dụng khuôn khuôn đúc áp lực lý định nội tương tác lực ma sát lớp phủ kim loại rắn Một chi tiết hình trụ có phủ đặt nồi nấu kim loại gốm chứa nhôm lỏng đổ chặt xung quanh lõi trụ (hình 3.17a) [1] (Hình 3.17b) thí nghiệm luận văn gồm hai chốt trụ (1 chốt có phủ TiN chốt không phủ TiN) đặt cốc kim loại phủ bề mặt dầu tách khuôn chứa nhôm lỏng đổ chặt xung quanh chốt 83 Chốt không phủ TiN Chốt có phủ TiN a) b) Hình 3.17 Mẫu kiểm tra khả tách khuôn Lõi trụ nhôm cứng hóa lấy khỏi nồi nấu đặt kết cấu gá dạng dàn MTS (hình 3.18a) [1], lõi trụ kéo khỏi nhơm cứng hóa Biểu đồ tải đặt theo thời gian sau phân tích khả bám dính lực ma sát (Hình 3.18b) chốt trụ nhơm thí nghiệm gá gá (khối nhôm cố định trụ kim loại, đầu chốt kẹp chặt mỏ kẹp thiết bị kéo) a) b) Hình 3.18 Gá mẫu thử kéo Thực kéo chốt khỏi khối nhôm máy thử kéo INSTRON 5569 (max 50kN)- Trung tâm công nghệ vật liệu- Viện Ứng dụng công nghệ- Bộ Khoa học công nghệ Lắp mẫu gá kẹp, tiến hành kéo chốt tách khỏi khối nhơm Thí nghiệm xác định lực lớn chốt tách, lực ma sát lại chốt rời dần (hình 3.19) 84 Chốt Hình 3.19 Thử kéo a) Chi tiết có phủ TiN; b) Chi tiết khơng phủ TiN (Hình 3.20) trình bày đường cong “thời gian -tải” lớp phủ thép dụng cụ H13 cho kiểm tra tách khuôn [1] Các điểm cực đại đường cong tải trọng tới hạn để rút chốt trụ khỏi phần nhôm đúc, đại diện cho lực dính bám lực liên kết hàn lớp phủ nhôm rắn: Khi tải trọng tới hạn thấp lớp làm việc tách khn tốt Diện tích đường cong liên quan với lượng bám dính lớp phủ nhơm rắn, diện tích chia thành hai phần Các khu vực từ tải đến tải cực đại lượng kết dính, khu vực tải cực đại đến lấy chốt trụ hồn tồn khỏi khối nhơm rắn liên quan đến lượng ma sát 20000 18000 16000 Lực kéo (N) 14000 12000 Series1 10000 Series2 8000 6000 4000 2000 Chiều dài kéo (mm) Hình 3.20 Đường cong Hình 3.21 Biểu đồ lực kéo mẫu thí nghiệm “thời gian-tải” [1] Series1: Chốt có phủ TiN; Series2: Chốt khơng phủ TiN 85 (Hình 3.21) biểu đồ “lực kéo-chiều dài kéo” (chiều dài kéo thay đổi tuyến tính theo thời gian) kéo chốt có phủ TiN chốt khơng phủ TiN khỏi khối nhơm, (bảng 3.4) thơng số thí nghiệm mẫu có phủ TiN lực kéo tới hạn nhỏ (11354N), mẫu không phủ TiN lớn nhiều (17985N), đồng thời lực lại sau chốt tách khỏi khối nhơm nhỏ Bảng 3.4 Thơng số thí nghiệm kéo Chốt có phủ TiN Chốt khơng phủ TiN 0 11354 17985 3582 7063 Chiều dài kéo (mm) 10 12 14 16 Lực kéo (N) 1894 1443 1055 1055 5907 5378 3219 2146 18 20 1055 1830 1055 1830 Kết luận: Mẫu có phủ TiN có khả tách khuôn tốt, giảm ma sát trình lấy sản phẩm tốt so với mẫu khơng phủ TiN 3.3.4.2 Kiểm tra khả thấm ướt nhôm lỏng lớp phủ TiN Trong kim loại lỏng nguyên tử liên kết với nhờ vào lực cân Do vậy, mà chất lỏng trạng thái cân Nhưng bề mặt tiếp xúc với mơi trường khác (thành khn, khơng khí…), cân nói bị phá hủy khơng có mối liên kết kim loại lỏng môi trường (khuôn, khơng khí) có liên kết giá trị lại khác Tùy theo đặc tính kim loại, hợp kim môi trường tiếp xúc, mà người ta phân chia thành trường hợp để xem xét a) Nếu lực liên kết nguyên tử kim loại lỏng với mà lớn lực tương tác kim loại lỏng môi trường (thành khn), khơng cân lực làm bề mặt thống chất lỏng phồng lên (hình 3.22) Hình 3.22 Kim loại lỏng khơng thấm ướt khn 86 Nghĩa bề mặt kim loại dâng lên cao vị trí tiếp xúc kim loại với khn khoảng xác định Sự dâng lên làm cân ứng suất hình thành vị trí tiếp xúc khn kim loại Trong trường hợp này, kim loại lỏng không thấm ướt thành khuôn Nếu ta ký hiệu 1, thay cho kim loại lỏng, khơng khí khn, người ta viết sức căng (ứng suất) môi trường sau: Giữa kim loại lỏng khơng khí σ1,2; kim loại lỏng khuôn σ1,3; khơng khí khn σ2,3 Đối với trường hợp σ1,3 lớn σ2,3 theo (hình 3.22) trạng thái cân bằng, ta có: σ1,3 = σ1,2 cos(1800 - θ) + σ2,3 = σ2,3 - σ1,2 cosθ σ2,3 - σ1,3 cosθ = σ1,2 Sự không thấm ướt thành khn kim loại lỏng có ý nghĩa đặc biệt Hiện tượng ngăn cản kim loại xâm nhập vào lỗ hổng thành khuôn Như hạn chế bám dính kim loại lên thành khôn đúc b) Nếu sức căng bề mặt kim loại lỏng khuôn sức căng bề mặt khơng khí khn, nghĩa là: σ1,3 = σ2,3, trường hợp trung hịa Trong trường hợp khơng có tượng thâm nhập kim loại vào đẩy kim loại lỏng khỏi bề mặt khuôn, tiếp xúc với thành khn (hình 3.23) Góc θ = 900, cosθ = Do vậy, ta rút ra: σ1,3 = σ2,3 Hình 3.23 Kim loại lỏng trung hòa 87 c) Trường hợp thứ ba thể (hình 3.24) Đối với trường hợp σ1,3 < σ2,3 Trong trường hợp ta có: σ2,3 = σ1,2 cosθ + σ1,3 Từ rút ra: σ2,3 - σ1,3 θ < 900 cosθ = σ1,2 Hình 3.24 Kim loại lỏng thấm ướt khuôn Như vậy, trường hợp này, mức kim loại lỏng tiếp xúc với thành khn nâng lên Người ta nói rằng, khuôn dễ thấm ướt, nghĩa kim loại lỏng dễ chui lỗ hổng thành khn Điều làm xuất bám dính kim loại lên thành khơn đúc Chốt có phủ TiN Chốt khơng phủ TiN Nhôm không thấm ướt bề mặt chốt Nhôm thấm ướt bề mặt chốt Hình 3.25 Mẫu kiểm tra khả thấm ướt kim loại lỏng 88 Theo [1] vật liệu TiN có “chỉ số thấm ướt” thấp, chịu ma sát tốt, có khả làm việc thuận lợi Tại thí nghiệm kiểm tra khả tách khn lớp phủ TiN, quan sát chi tiết có phủ TiN, nhôm không thấm ướt bề mặt; chi tiết không phủ TiN nhơm thấm ướt lên bề mặt (hình 3.25) Lớp phủ TiN không thấm ướt kim loại lỏng, giảm ma sát khn sản xuất (Hình 3.26) bề mặt chốt sau kéo, chốt có phủ TiN bám nhơm khơng phủ TiN bám nhiều nhơm Chốt có phủ TiN Chốt khơng phủ TiN Hình 3.26 Chốt sau thí nghiệm kéo Khối nhơm cắm chốt có phủ TiN Khối nhơm cắm chốt khơng phủ TiN Hình 3.27 Khối nhơm sau thí nghiệm kéo 89 3.3.5 Thử nghiệm sản suất Chi tiết thử nghiệm sản xuất (mục 3.1.2.1) Chốt vịng ơm phủ TiN, lắp khn vịng ơm; Máy đúc áp lực: ZDC-150T-V2BP Điều kiện làm việc máy đúc áp lực: - Nhiệt độ nhôm: 6700C - Lực khóa khn: 150 - Đường kính đầu pitston: 50 mm - Áp lực bắn: 1145 kgf/cm2 Thực tế sản xuất nhà máy: Máy đúc làm việc 3ca/ngày để đảm bảo công suất làm việc tối đa máy, giảm thời gian, lượng tiêu hao lần đốt lị nấu chảy nhơm Một ca làm việc máy bắn 800 lần Để đảm bảo chất lượng sản phẩm an tồn q trình sản xuất ca làm việc cho phép bắn tối đa 500 lần, trình bắn thử, kiểm tra sản phẩm, nung nóng khn ban đầu sau lần giao ca thời gian nghỉ ca công nhân Kết thử nghiệm xác nhận nhà máy Hình 3.28 Sản xuất thử nghiệm Nhà máy Z117-Tổng cục CNQP-Bộ QP 90 Kết quả: - Sử dụng thiết bị Z550 chế tạo lớp phủ TiN với tỷ lệ 1:1 thép SKD61 với phương pháp phún xạ cathode cao tần (RF - Sputtering) - Bề mặt lớp phủ TiN mịn đồng đều, độ dày 0,6±0,1µm Chất lượng bề mặt lớp phủ tốt bề mặt chi tiết sản xuất thực tế - Độ cứng lớp phủ TiN: 1800-2100 HV lớn độ cứng chi tiết sau nhiệt luyện 58-62 HRC (∼600HV) - Thử nghiệm sốc nhiệt (thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ khuôn đúc) lớp phủ TiN chịu nhiệt độ 5500C không bị bong - Góc thấm ướt nhơm lỏng lớp phủ θ>900, nhôm lỏng không thấm ướt vào lớp phủ TiN q trình đúc - Lực tách khn nhỏ (thử nghiệm kéo), bề mặt chốt có phủ TiN sau kéo nhơm dính bám ít, lực ma sát nhỏ Lớp phủ có khả giảm ma sát cho khn, giúp q trình rút khn tốt, giảm dính bám cho khn đúc - Thử nghiệm thời gian sản xuất nhà máy chi tiết có phủ TiN tạo sản phẩm có chất lượng bề mặt tốt, đạt yêu cầu kỹ thuật Sau 45000 sản phẩm, lớp phủ bong, chi tiết tiếp tục sản xuất bình thường 91 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐINH THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP PHỦ CỨNG TiN TRÊN KHUÔN KIM LOẠI Chuyên ngành: Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chế tạo máy... lõi khuôn tăng tuổi thọ khuôn đến 50% Lớp phủ cứng dựa nitrit cacbit kim loại chuyển tiếp, ví dụ TiN, CrN, TiAlN, CRC, CrAlN, phương pháp xử lý kép kết hợp biến đổi bề mặt khuôn lớp phủ cứng. .. chế tạo lớp phủ cứng khuôn đúc kim loại nhằm nâng cao chất lượng chi tiết tuổi bền khuôn 46 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ TiN 2.1 Các phương pháp chế tạo màng 2.1.1 Phương pháp phun phủ (spray