trên thế giới và Việt Nam
Theo một số tài liệu đ# công bố [4-8] bằng ph−ơng pháp luyện kim bột hiện nay có thể nhận đ−ợc các hợp chất, hợp kim hoặc hỗn hợp có thành phần phức tạp, có cơ lý tính cao và các tính chất đặc biệt khác mà ph−ơng pháp luyện kim truyền thống rất khó tạo ra: đáp ứng đ−ợc hai mặt đối lập của vật liệu – khả năng đạt đ−ợc mức độ dị thể cao, đồng thời đảm bảo đ−ợc tính chất đồng thể về cấu trúc và thành phần vật liệu. Sự phát triển của ngành luyện kim bột gắn liền với quá trình ứng dụng các vật liệu vô cơ mới có tính chất cơ lý hoá đặc biệt. Các quá trình luyện kim bột còn cho phép nhận đ−ợc nhiều sản
phẩm rắn ở trạng thái mới có chất l−ợng cao, đáp ứng đ−ợc các yêu cầu về tính chất vật lý, đồng thời làm giảm đáng kể sự ô nhiễm môi tr−ờng do công nghệ xử lý phôi xét về nguyên tắc là rất sạch so với luyện kim truyền thống vì dùng hyđrô và điện năng làm nguồn năng l−ợng chính cho quá trình đó.
B−ớc phát triển đột phá của ngành luyện kim bột đ−ợc đánh dấu bằng sự phát triển của các công nghệ mới để chế tạo các chi tiết kết cấu dùng vật liệu mới dạng bột, thật sự đ# tạo ra giá trị mới cho các chi tiết máy mà bằng các ph−ơng pháp công nghệ khác không thể nhận đ−ợc. ở các n−ớc công nghiệp phát triển, có đến 95 % công suất của ngành luyện kim bột là bột sắt, thép chất l−ợng cao trong đó 85 % sản l−ợng dùng để chế tạo các chi tiết kết cấu, 60% số chi tiết đó đ−ợc dùng trong công nghiệp chế tạo ô tô [4, 5]. Mặc dù khối l−ợng chi tiết chế tạo bằng công nghệ luyện kim bột chiếm tỉ trọng t−ơng đối nhỏ so với khối l−ợng xe ô tô, nh−ng chúng có chức năng đặc biệt mà các vật liệu khác không thay thế đ−ợc. Ví dụ ở Nhật Bản đ# ứng dụng vật liệu gốm trong các động cơ ô tô. Các chi tiết máy chế tạo theo công nghệ luyện kim bột từ hợp chất của sắt, đặc biệt là thép không gỉ, thép hợp kim đặc biệt hiện nay đang đ−ợc sử dụng ngày càng tăng cả về số l−ợng, cả về thể loại chi tiết máy cũng nh− dụng cụ gia đình vì có các yêu điểm sau:
- Sản xuất các chi tiết máy theo ph−ơng pháp công nghệ luyện kim bột cho phép nâng cao hệ số sử dụng lên tới 5 lần so với công nghệ thông th−ờng đối với các vật liệu có tính năng sử dụng t−ơng tự, khi sử dụng thép hợp kim đặc biệt hệ số này chỉ xấp xỉ 0.5 – 0.05.
- Chất l−ợng các chi tiết máy chế tạo theo công nghệ luyện kim bột có tuổi thọ th−ờng cao hơn so với chi tiết chế tạo theo công nghệ đúc từ 2 lần (đối với thiết bị thuỷ lực) đến 5 lần (đối với thép gió)…
- Giảm mất mát kim loại khi luyện sản phẩm ở khâu trung gian vì không phải cắt bỏ các đầu mẩu nh− khi đúc, cũng nh− ở dạng phoi khi gia công cơ khí. Do đó có thể giảm giá thành chế tạo.
- Tiết kiệm kim loại mầu quý hiếm một cách đáng kể là −u điểm nổi bật của công nghệ luyện kim bột, vì trong các hợp kim đặc biệt l−ợng kim loại quý hiếm bị mất mát trong quá trình nấu luyện và gia công cơ khí chỉ thu hồi đ−ợc ở mức độ rất thấp. Ví dụ khi chuyển 1000 tấn chi tiết máy chế tạo từ thép bằng công nghệ luyện kim truyền thống sang công nghệ luyện kim bột có thể tiết kiệm đến 240.000USD trở lên [6].
Do có các −u điểm kể trên, ngành luyện kim bột đang ngày càng phát triển rất nhanh. Theo thống kê của nhiều nhà nghiên cứu của Mỹ và Nhật Bản, cứ 10 năm sản l−ợng kim loại bột tăng lên khoảng 2 lần. Năm 1990 sản l−ợng kim loại bột đ−ợc sử dụng trên thế giới là 740.000 tấn, năm 2000 là 1.970.000 tấn, trong đó bột sắt và thép hợp kim hoá cao chất l−ợng cao chiếm tỷ trọng 85%, bột đồng và các hợp kim trên cơ sở nền đồng chiếm khoảng 6 -7%, bột nhôm, hợp kim nhôm, thép không gỉ, thép hợp kim hoá cao, kim loại khó chảy và hợp chất của chúng khoảng 5 -10% [7].
Với công suất chế tạo lắp ráp ô tô, xe máy hiện nay trên thế giới nhu cầu về chi tiết máy từ kim loại bột rất lớn trong t−ơng lai. Xu h−ớng phát triển công nghệ luyện kim bột để chế tạo các chi tiết máy và vật liệu kết cấu từ bột sắt thép chủ yếu bằng hai cách:
1. Nâng cao chất l−ợng, giảm giá thành để cạnh tranh với các ngành chế tạo máy truyền thống.
2. áp dụng công nghệ mới, vật liệu mới.
Để cạnh tranh với luyện kim bột cổ điển, các n−ớc công nghiệp phát triển đi vào h−ớng hợp kim hoá bột sắt bằng niken, môlipđen, crôm tìm cách sản xuất bột kim loại có tính chất công nghệ cao nh−: áp dụng ph−ơng pháp làm nguội nhanh, hợp kim hoá bằng cơ học…H−ớng sử dụng vật liệu vô định hình cũng là h−ớng công nghệ mới có nhiều triển vọng. Tuy nhiên, rất khó phỏng đoán đ−ợc mức độ áp dụng của nó trong t−ơng lai, nh−ng có thể thấy là tốc độ
gia tăng sản l−ợng vật liệu vô định hình sẽ dẫn đến hạ giá thành sản phẩm, đó là động lực phát triển của công nghệ này. Ngoài ra h−ớng phát triển của luyện kim bột để đạt đ−ợc những tính năng bề mặt sản phẩm có nhiều triển vọng vì nó cho phép mở rộng lĩnh vực sử dụng.
Các công nghệ phủ bề mặt chi tiết kết cấu sẽ phát triển rất mạnh trong t−ơng lai cùng với các lĩnh vực công nghệ khác có sử dụng vật liệu mới trong luyện kim bột sẽ phát triển rất mạnh mẽ trong thế kỷ 21. Các n−ớc công nghệ tiên tiến và đang phát triển hiện nay đang có sự quan tâm đặc biệt tới h−ớng công nghệ luyện kim bột [8].
A). Tình hình sản xuất kim loại bột ở khu vực Bắc Mỹ:
Công suất thiết bị của Bắc Mỹ hiện nay vào khoảng 400.000 tấn/ năm, do đó Bắc Mỹ không thiếu vật t− đầu vào trong t−ơng lai gần đây. Có đến 85% bột sắt và đồng ở Bắc Mỹ đ−ợc dùng để chế tạo chi tiết kết cấu trong công nghiệp ôtô. ở Mỹ kim loại bột thu đ−ợc bằng ph−ơng pháp nguội nhanh có xu h−ớng thị tr−ờng tốt. Theo ý kiến của nhiều chuyên gia luyện kim bột, sự phát triển mang tính chất bùng nổ của các vật liệu nguội nhanh sẽ bắt đầu vào thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 21 và nó sẽ là công nghệ vật liệu thống trị của thế kỷ mới.
B) Tình hình sản xuất kim loại bột tại Nhật Bản:
Công nghiệp luyện kim bột của Nhật Bản cạnh tranh tốt với các thị tr−ờng Bắc Mỹ và châu Âu nhờ những nghiên cứu đ−a vào sản xuất các thiết bị có hiệu quả cao và trình độ tự động hoá cao. Việc tăng công suất các nhà máy chế tạo kim loại bột những năm qua và vài năm tiếp theo của Nhật Bản vẫn không v−ợt qua đ−ợc nhu cầu thị tr−ờng về bột kim loại. Lĩnh vực tiêu thụ chủ yếu của các chi tiết kim loại bột kết cấu của Nhật Bản là công nghiệp ôtô xe máy. Ngoài ra Nhật Bản còn là n−ớc sản xuất vật liệu từ cứng và mềm lớn trên thế giới. Mức tăng tr−ởng trung bình của sản xuất hợp kim cứng của Nhật Bản là 8,9 %/ năm.
Các n−ớc Tây Âu năm 1991 sản xuất 92.900 tấn bột sắt và 9.900 tấn bột đồng. Mức tăng tr−ởng là 2-7 %, trong thập kỷ tới mức tăng tr−ởng này có thể rất nhanh.
D) Tình hình sản xuất kim loại bột tại các n−ớc khu vực Châu á
Theo các chuyên gia Nhật Bản đánh giá thì thị tr−ờng luyện kim bột chi tiết kết cấu và bạc tr−ợt ở khu vực Châu á năm 1990 là: Nhật Bản – 90.000 tấn, Trung Quốc – hơn 20.000 tấn, Đài Loan – 12.500 tấn, Hàn Quốc – 7.000 tấn, ấn Độ – 4.500 tấn, Singapor và Malaixia khoảng 1.000 tấn mỗi n−ớc. Ngoài Nhật Bản ra thì Trung Quốc là n−ớc có nền công nghiệp luyện kim bột phát triển mạnh mỗi năm Trung Quốc sản xuất khoảng 17.200 tấn bột sắt và 4.000 tấn hợp kim cứng. Tiếp đó là Hàn Quốc có nền sản xuất luyện kim bột phát triển do công nghiệp chế tạo ôtô xe máy phát triển.
E) Tình hình sản xuất kim loại bột tại các n−ớc Đông âu và SNG:
Do tình hình khu vực này trong những năm gần đây có biến động nên số liệu về sản l−ợng luyện kim bột của các n−ớc Đông âu và SNG không đ−ợc công bố. Tuy nhiên, về công suất thiết bị thì các n−ớc SNG có nhiều thế mạnh có thể sản xuất 70.000 – 80.000 tấn bột sắt và 20.000 – 30.000 tấn các bột khác cộng lại. Mặt khác vì có khó khăn về kinh tế và không có đầu ra, nên các nhà máy của SNG đều hoạt động d−ới mức công suất thiết kế.
G) Tình hình nghiên cứu và thị tr−ờng luyện kim bột ở Việt Nam:
ở Việt Nam từ thập kỷ 60 của thế kỷ 20 đ# bắt đầu hình thành các nghiên cứu về luyện kim bột mới chỉ phát triển ở quy mô rất nhỏ, chủ yếu tập trung vào các dạng sản phẩm sau: hợp kim cứng, vật liệu từ, bạc đồng và bạc sắt xốp, các loại tiếp điểm giả hợp kim và chổi than, vòng găng từ bột, vật liệu vô định hình, vật liệu tổ hợp trên cơ sở kết dính kim loại – compozít, vật liệu dùng cho hàn tự động và phun phủ bề mặt [6]. Nhìn chung, đó là các dạng sản phẩm luyện kim bột bằng vật liệu đặc biệt có kích th−ớc hình học nhỏ, không phức
tạp, chịu tải trọng thấp và chỉ mới đ−ợc nghiên cứu áp dụng trong những năm của thập kỷ 80 của thế kỷ 20. Các chi tiết máy chất l−ợng cao bằng thép ch−a đ−ợc đầu t− nghiên cứu ứng dụng.
Năng lực trang thiết bị có tại các cơ sở nghiên cứu về công nghệ luyện kim bột ở Việt Nam nhìn chung lạc hậu so với thế giới, thiếu đồng bộ, thao tác chủ yếu bằng ph−ơng pháp thủ công, trình độ chế tạo khuôn mẫu ép nóng chính xác còn kém. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ luyện kim bột tiên tiến của n−ớc ngoài để chế tạo các chi tiết máy bằng thép có kích th−ớc hình học lớn, hoặc có hình thù phức tạp gặp rất nhiều khó khăn.
Trong năm 1997 – 1999, để tạo ra b−ớc đột phá mới trong ngành luyện kim bột của Việt Nam, đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà n−ớc m# số KHCN 05.06 do Viện nghiên cứu Cơ khí chủ trì, TS. Hà Minh Hùng làm Chủ nhiệm đề tài đ# có phối hợp thực hiện với Phòng công nghệ vật liệu đặc biệt – Viện công nghệ Bộ Quốc phòng, Tr−ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đ# nghiên cứu chế tạo thử hai dạng sản phẩm luyện kim bột có hình dạng phức tạp, chịu tải trọng khắc nghiệt là bánh răng máy công cụ môđun 2 và tay biên xe máy theo mẫu của Đức và Nhật Bản [9, 10].
Do Việt Nam hiện nay ch−a có nền công nghiệp chế tạo ô tô, xe máy, phụ tùng thay thế cao cấp nên nhu cầu về kết cấu luyện kim bột còn rất hạn chế, do đó thị tr−ờng tiêu thụ bột sắt, thép, đồng, nhôm, các bột hợp kim khác của chúng còn rất thấp.
Tuy nhiên, trong t−ơng lai gần đây cùng với sự đầu t− công nghệ ngày càng tăng của các nhà đầu t− n−ớc ngoài theo Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá thì Việt Nam thì lĩnh vực công nghệ mới này chắc chắn sẽ phát triển mạnh phục vụ cho việc đáp ứng nhu cầu phụ tùng của các thiết bị công nghiệp, máy động lực, lắp ráp ô tô, xe máy… sẽ ngày càng tăng.
1.3. Các ph−ơng pháp tạo bột kim loại
1.3.1. Ph−ơng pháp cơ học:
- Nghiền: Chỉ áp dụng cho các vật liệu giòn ví dụ nh− phoi kim loại, các loại ôxyt, cácbít… Thiết bị nghiền th−ờng là máy nghiền bi.
- Tạo bột từ kim loại lỏng:
+ Với những kim loại có nhiệt độ nóng chảy nhỏ hơn 10.000 0C thì bột kim loại đ−ợc chế tạo bằng cách cho kim loại lỏng rơi lên đĩa ly tâm sau đó bụi kim loại văng vào n−ớc tạo thành bột.
+ Với những kim loại có độ nóng chảy cao khoảng 1.600 0C có thể tạo bột bằng cách phun n−ớc hoặc khí vào dòng kim loại lỏng. D−ới tác dụng của áp lực và động năng của dòng khí hoặc tia n−ớc, dòng kim loại lỏng sẽ bị xé vụn, hình thành các hạt bụi nhỏ sau đó đông đặc lại tạo thành bột. Trong kỹ thuật nên dùng các loại khí trơ nh− khí Nitơ, Argon để hạn chế quá trình ôxy hoá kim loại.
+ Ph−ơng pháp “Hiệu ứng hút”: nguyên lý giống nh− mỏ phun sơn, kim loại lỏng bị hút theo dòng khí nén và phụt ra ngoài tạo thành bụi, bụi này đông đặc tạo thành bột.
1.3.2. Ph−ơng pháp hoá lý:
- Hoàn nguyên ôxyt: dùng các loại khí nh− H2, CO, CnHm hoặc than để hoàn nguyên ôxyt các kim loại, sau đó tiến hành nghiền, tạo bột kim loại. Thí dụ, dùng khí ôxyt cacbon để hoàn nguyên vẩy rèn sẽ thu đ−ợc bột sắt: FeO + CO = Fe + CO2.
- Hoàn nguyên các loại muối bằng kim loại. Thí dụ, dùng Mg hoàn nguyên Ti, Zr từ TiCl4, ZrCl4 ở 700 0C sẽ thu đ−ợc bột titan, bột ziêcôn.
- Điện phân: đây là quá trình ng−ợc với quá trình mạ, thực chất là tạo ra một lớp mạ rất xốp, bán dính vào âm cực. Chủ yếu dùng sản xuất bột đồng
d−ơng cực là Cu kim loại, âm cực là thép không gỉ, mật độ dòng điện I = 20A/dm2, nhiệt độ điện phân T = 60 0C.
- Nhiệt phân hay còn gọi là ph−ơng pháp carbonyl: nguyên lý cơ bản của ph−ơng pháp này là phun khí CO áp suất 200 át-mốt-phe vào dây Fe hoặc Ni đ# nung đến 150 ữ 250 0C. Đối với Niken, sản phẩm thu đ−ợc là cacbonyl Ni(CO)4 có nhiệt độ nóng chảy ở 43 0C hoặc đối với sắt sản phẩm là Fe(CO)5 chảy ở 107
0C. Sau đó đem nung lên nhiệt độ 200 ữ 300 0C, cacbonyl sẽ bị nhiệt phân tạo thành kim loại có đ−ờng kính trong khoảng 1 ữ 50 àm.
-Ph−ơng pháp bay hơi: cho kim loại bay hơi trong khí trơ hoặc trong chân không sau đó cho hơi này ng−ng tụ trên đĩa quay tẩm silicon sẽ tạo ra kim loại siêu mịn cỡ hạt khoảng 0,01 ữ 1 àm
1.4. Các ph−ơng pháp thiêu kết bột kim loại
1.4.1. Thiêu kết thông th−ờng:
Chi tiết sau khi ép tạo hình đ−ợc đ−a đi thiêu kết trong lò có nhiệt độ và môi tr−ờng thích hợp. Thông th−ờng sau khi thiêu kết cần phải tiến hành ép chỉnh hình hoặc ép lại để đảm bảo cơ tính cho chi tiết.
Nhiệt độ thiêu kết bằng 2/3 ữ 3/4 nhiệt độ nóng chảy của kim loại nền (tính theo nhiệt độ Kelvin); thời gian khoảng 15 ữ 120 phút. Kết tinh lại ở bề mặt xảy ra ở nhiệt độ bằng 0,3 ữ 0,35 nhiệt độ nóng chảy của kim loại nền. Khi thiêu kết ở nhiệt độ khoảng 0,75 ữ 0,85 nhiệt độ nóng chảy thì hiện t−ợng kết tinh lại có chọn lọc xảy ra rất m#nh liệt, trong các hạt có sắp xếp lại tổ chức.
Môi tr−ờng thiêu kết có thể là khí hoàn nguyên nh− H2, CO, NH3; khí trung tính N2, He, Ar hoặc chân không.
Khi thiêu kết sản phẩm bao gồm nhiều cấu tử thì có thể xuất hiện pha lỏng. Trong tr−ờng hợp này, thành phần pha lỏng không đ−ợc v−ợt quá 30% thể
tích khối bột ép để đảm bảo đ−ợc hình dạng của sản phẩm không bị biến dạng trong quá trình thiêu kết.
Do đặc điểm của bột và tính chất của vật liệu mà sẽ xảy ra hiện t−ợng co ngót khi thiêu kết. Thể tính co ngót khoảng 5 ữ 25 %.