D. Tình hình sản xuất luyện kim bột tại các n−ớc
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 %.
1.4.2. Thiêu d−ới áp lực:
- Thiêu kết ở nhiệt độ cao tới 1500 ữ 2000 0C, trong khuôn graphit, áp lực ép 30 MPa, đạt độ sít chặt 95 ữ 98 % th−ờng dùng cho hợp kim cứng cacbit, borit, nitri.
- Thiêu kết ở nhiệt độ trung bình 800 ữ 1100 0C, trong khuôn kim loại chịu nhiệt, áp lực ép 200 MPa, trong môi tr−ờng bảo vệ hoặc chân không.
1.4.3. Thiêu kết d−ới áp lực bằng phóng điện:
Đặt bột kim loại hoặc chi tiết đ# đ−ợc tạo hình sơ bộ vào khuôn bằng graphit nằm giữa hai chày ép. Bản thân hai chày ép này lại chính là điện cực. Cấp điện cho điện cực đồng thời tiến hành ép mẫu. Những tia lửa đầu tiên phát ra từ điện cực sẽ loại bỏ các chất bẩn trên bề mặt hạt kim loại. Tiếp tục duy trì dòng điện khoảng 19 giây để tạo năng l−ơng thiêu kết các hạt. Tiếp theo có thể đem sản phẩm đi ép thuỷ lực để nâng cao mật độ và tính chất của chi tiết.
Ngoài những ph−ơng pháp thiêu kết nói trên, còn dùng ph−ơng pháp mới là ép nóng đẳng tĩnh. Nguyên lý của ph−ơng pháp này là, dùng khí nitơ hoặc khí argon áp suất 100 ữ 200 MPa nén lên khối bột ở 1.000 ữ 1.500 0C trong vài phút. Ph−ơng pháp này chế tạo đ−ợc các chi tiết không có xốp.
Một số sản phẩm kim loại bột điển hình: bạc đồng – graphit cho các loại quạt điện hiện nay; nắp ổ trục bằng hợp kim bột cơ sở thép năng suất 5000 tấn bột/năm thay gang cầu của động cơ V6 h#ng GMC đạt mật độ 6,6 g/cm3, độ bền đạt đến σb = 45 kN/mm2, độ cứng đến 70 HB.
1.5. Giới hạn nghiên cứu của luận văn:
Chính vì những hạn chế của các công nghệ nêu trên, chúng tôi có dự kiến đối với các loại sản phẩm bạc tr−ợt có khối l−ợng nhỏ, số l−ợng yêu cầu lớn, th−ờng đ−ợc sử dụng trong động cơ ô tô, máy kéo, máy móc nông nghiệp, xe máy…làm việc ở điều kiện áp suất và tốc độ tr−ợt cho phép nh− dạng hợp kim chịu mòn đồng + chì, có thể triển khai tạo băng bimêtal dạng compozít hai lớp theo ph−ơng pháp cán + thiêu kết kim loại bột trên nền thép các bon thấp.
-Nghiên cứu công nghệ thiêu kết bột đồng chì trên nền thép các bon. -Xác định độ xốp và độ cứng lớp hợp kim đồng chì sau thiêu kết.
-Nghiên cứu cấu trúc lớp hợp kim đồng chì và biên giới liên kết với nền thép các bon thấp (08Kп).
ch−ơng 2: ph−ơng pháp nghiên cứu và thiết bị thí nghiệm
2.1. Ph−ơng pháp nghiên cứu
Tạo lớp phủ bột đồng chì trên nền thép các bon làm bạc tr−ợt.
Lớp thép nền đ−ợc dùng là thép các bon thấp 08Kп của Nga có tiêu chuẩn thành phần hoá học ở bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thành phần hoá học thép 08Kп
Hàm l−ợng các nguyên tố, % theo khối l−ợng Ký hiệu mác thép C Si Cr Mn Ni S P Fe 08Kп 0,05ữ0,4 0,03 0,1 0,25ữ0,5 ≤0,25 ≤0,04 ≤0,035 Còn lại Nguyên liệu kim loại bột trong hỗn hợp nền đồng pha trộn bột chì theo định l−ợng tr−ớc khi thiêu kết gồm:
- Bột đồng chì của Ucraina có 25,5 – 25,56 % khối l−ợng chì, còn lại là đồng và các tạp chất.
-Bột đồng điện phân của Việt Nam do phòng Luyện kim bột, tr−ờng Đại học Bách khoa Hà Nội chế tạo có độ hạt đến 100 àm.
2.2. Nội dung nghiên cứu:
- Khảo sát, đo đạc các kích th−ớc hình học chủ yếu, xác định chế độ làm việc ở tải trọng và tốc độ tr−ợt cao đối với các loại bạc tr−ợt điển hình nhập ngoại dùng trong động cơ ôtô, xe máy. Các thông số kỹ thuật cần xác định gồm có:
+ Thành phần lớp thép nền; + Thành phần hợp kim chịu mòn;
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm để tạo ra một số mẫu có thành phần hoá học lớp hợp kim chịu mòn đ# đ−ợc xác định tr−ớc khi thiêu kết, trên cơ sở đó cần xác định cơ, lý tính của vật liệu nhận đ−ợc sau thiêu kết.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm thiêu kết sản phẩm theo qui hoạch tối −u hoá công nghệ.
- Giám định chất l−ợng sản phẩm (CLSP) trên các mẫu thí nghiệm theo qui hoạch tối −u hoá công nghệ thu nhận đ−ợc.
+ Thử lại thành phần hoá học lớp hợp kim bột chịu mòn.
+ Thử xác định độ bền bám dính hai lớp kim loại của sản phẩm.
+ Nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi bimêtal tại vùng biên giới liên kết hai lớp kim loại.
- Xây dựng mô hình toán mô phỏng chất l−ợng vật liệu sau thiêu kết tại các điểm nút qui hoạch tối −u hoá công nghệ. Hàm mục tiêu mô phỏng là độ bám dính của hai lớp kim loại, độ xốp lớp vật liệu bột phủ trên nền thép phụ thuộc vào các thông số công nghệ chính của quá trình thiêu kết tạo băng đ# lựa chọn.
- Kiểm tra tính thích hợp của mô hình toán học nhận đ−ợc theo tiêu chí FISHER.
- Kết luận chung về kết quả nghiên cứu thực nghiệm so với mô hình toán lý thuyết nhận đ−ợc.
Trên hình 2.1 là quy trình thực hiện các thí nghiệm thiêu kết vật liệu bột kim loại chịu mòn trên nền thép các bon thấp để chế tạo băng bimêtal làm bạc tr−ợt.
Không đạt
Đạt
Không đạt
Bắt đầu
Xác lập các thông số kỹ thuật của sản phẩm
Xác lập tiêu chí kiểm tra CLSP theo tiêu chuẩn thực nghiệm Thí nghiệm thăm dò công nghệ thiêu kết KLBCM trên nền thép để xác
định CLSP lớp KLBCM, xác định cơ lý tính của nó
So sánh với tiêu chí CLSP
Thực hiện các thí nghiệm theo hiệu chỉnh thông số công nghệ sau khi hiệu chỉnh đạt TPHH và cơ lý tính của lớp KLBCM
Giám định CLSP mẫu thí nghiệm (TPHH, σbd cấu trúc tế vi vùng biên
giới liên kết hai lớp kim loại) theo các chế độ công nghệ khác nhau
Tính toán xây dựng mô hình toán học quá trình thiêu kết KLBCM lên
nền thép σbd = f(t,T,ε,θ,...)
Kiểm tra so với
tiêu chí FISHER
Theo mô hình toán học nhận đ−ợc tính lại miền TSCN tối −u, đảm bảo CLSP đạt tiêu chí làm bạc tr−ợt theo yêu cầu của từng chủng loại máy móc
Kết thúc
2.3. Ph−ơng pháp kiểm tra chất l−ợng sản phẩm
a) Qui định lấy mẫu thử:
Mẫu thử lấy từ sản phẩm phải phản ánh đ−ợc mức độ đồng đều về chất l−ợng trên toàn bộ diện tích bề mặt. Qui định cách lấy mẫu thử nh− hình 2.2.
b) Ph−ơng pháp xác định độ bền bám dính hai lớp kim loại:
Ph−ơng pháp này cho phép định l−ợng độ bền bám dính của lớp thép nền và bột đồng chì trên cơ sở phá huỷ các mẫu thử chuyên dùng theo ph−ơng pháp thử của tác giả [11].
2.3.1. Ph−ơng pháp kéo dứt lớp hợp kim chịu mòn tách khỏi nền thép:
Nếu chiều dày tổng cộng cả hai lớp của sản phẩm là δ = 4,5 – 10 mm thì có thể sử dụng ph−ơng pháp nén đứt lớp hợp kim chịu mòn khỏi lớp nền thép của mẫu thử. Các kích th−ớc mẫu thử và sơ đồ thử đ−ợc trình bày ở hình 2.3a trên các thiết bị nén ép có bộ phận xác định giá trị lực tại thời điểm phá huỷ mẫu.
Mỗi mẫu thử tr−ớc khi cho vào đồ gá phá huỷ đều phải đ−ợc đo đạc để kiểm tra kích th−ớc hình học và chuẩn hoá diện tích bề mặt tiếp xúc hai lớp kim loại. Nếu chiều dày tổng cộng của mẫu thử δ ≤ 3mm thì có thể dùng sơđồ phá huỷ kéo cắt mẫu phẳng (hình 2.3 b), khi đó cần chú ý đến hệ số chiều dày mẫu thử.
Khi ta dùng đồ gá thử chuyên dùng và tiến hành theo quy trình thử nén đứt hai lớp kim loại của sản phẩm theo ph−ơng pháp trình bày ở tài liệu [5] thì lực nén đứt hai lớp kim loại tác dụng vuông góc với bề mặt tiếp xúc của chúng (hình 2.3 a).
Theo kinh nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu, việc thử nén dứt trong tr−ờng hợp này cho sai số đo đạc và tính toán độ bền bám dính hai lớp kim loại nhỏ nhất, vì lực tác dụng lên vật mẫu đo đ−ợc chính xác hơn so với ph−ơng pháp kéo cắt tr−ợt.
300 50 100 100 20 8 20 10 0 50 1 2 2 1 1 2 a) 300 L1 10 0 B 1 B L b)
Hình 2.2. Sơ đồ lấy mẫu thử kéo đứt và mẫu nghiên cứu kim t−ơng
a). Vị trí cắt thử bám dính hai lớp (1) và khảo sát cấu trúc tế vi (2)
1 2 3 4 5 a) 3 5 3 6 PKC PKC 10 Lớp hợp kim chịu mòn Lớp thép nền b)
Hình 2.3. Sơ đồ thử nén dứt mẫu tròn từ vật liệu bimêtal để tính toán độ bền bám dính hai lớp kim loại (a) và Mẫu thử theo sơ đồ kéo cắt tr−ợt lớp HKCM khỏi nền thép (b): 1) Chày ép ; 2) Mẫu thử bám dính; 3) Đệm mặt đầu mẫu; 4) Đai ốc kẹp
mẫu thử; 5) Đế gá thử.
Lực nén (hoặc lực kéo cắt) phá huỷ khi thử mẫu trong các đồ gá thử chuyên dùng cần phải nằm trong khoảng PH = 1250 – 2500 kN, còn tốc độ biến dạng khi ép (hoặc kéo cắt) là u = (1,2 – 1,7) mm/ph. Giá trị phá huỷ đ−ợc xác
định bằng biểu đồ ghi lực của máy thông th−ờng hoặc giá trị số của máy thử Digital. Độ bền bám dính hai lớp kim loại σbd đ−ợc xác định theo biểu thức (2.1) với hệ số chiều dày K = 1,58 – 1,0 đối với chiều dày tổng cộng của sản phẩm δ = 4,5 – 11,75 mm.
σbd = 4K PN /(π(D2 – d2) (2.1) ở đây: σbd - Độ bền bám dính hai lớp kim loại;
K – Hệ số chiều dày băng; PN – lực phá huỷ mẫu thử;
D và d - đ−ờng kính ngoài và lỗ trong của mẫu thử t−ơng ứng.
2.3.2. Xác định độ bền bám dính hai lớp kim loại của mẫu bimêtal bằng ph−ơng pháp kéo cắt tr−ợt: ph−ơng pháp kéo cắt tr−ợt:
Trong tr−ờng hợp chiều dầy tổng cộng của sản phẩm không cho phép dễ dàng chế tạo mẫu thử nén đứt δ ≤ 2,5 – 3,0 mm thì phải áp dụng ph−ơng pháp thử kéo cắt nh− hình 2.3a. Khi đó độ bền kéo cắt của mối liên kết hai lớp kim loại xác định bởi công thức sau:
TX KC KC S P K1 = σ (2.2)
ở đây: PKC – lực phá huỷ mẫu khi kéo cắt
K1 – Hệ số chiều dày băng, có thể chọn K1 = (0,9 – 0,95).K sẽ cho kết quả t−ơng đối trùng với ph−ơng pháp thử nén đứt nói trên.
STX = a.b = 5.10 = 50 mm2
Thông th−ờng giá trị tính toán đ−ợc của độ bền bám dính hai lớp kim loại theo ph−ơng pháp thử kéo cắt nhận đ−ợc cao hơn so với giá trị thực của nó. Thật vây, trong quá trình phá huỷ mẫu theo sơ đồ hình 2.3 a, do bề mặt liên kết giữa hai lớp kim loại hay uốn cong trong vùng phá huỷ khi kéo cắt, nên ngoài các ứng suất tuyến tính (thành phần ứng suất cắt) ta còn có ứng suất pháp (thành phần ứng suất kéo) có giá trị không xác định đ−ợc giá trị tác dụng, do
đó các giá trị tính toán của độ bền kéo cắt th−ờng nhỏ hơn độ bền nén đứt [11]. Khi đó một phần lực kéo đứt của máy thử bị tiêu phí để biến dạng uốn cong diện tích bề mặt bám dính hai lớp kim loại nền thép và bột đồng chì. Thành phần lực này chúng ta không thể xác định đ−ợc trong khi phá huỷ mẫu, do đó giá trị đo đ−ợc của lực phá huỷ mẫu toàn phần theo ph−ơng pháp song song với mặt tiếp xúc hai lớp kim loại đo đ−ợc trên máy thử có giá trị lớn hơn giá trị thực để kéo cắt chúng. Từ đó có thể khẳng định rằng, giá trị tính toán độ bền bám dính hai lớp kim loại nền thép và lớp bột đồng chì trong tr−ờng hợp này lớn hơn so với giá trị tính toán theo ph−ơng pháp thử kéo (nén) dứt lớp kim loại phủ sau thiêu kết.
2.3.3. Các ph−ơng pháp xác định cơ - lý tính khác của vật liệu lớp thép nền và bột đồng chì:
a) Xác định độ xốp vật liệu kim loại bột sau thiêu kết:
Để xác định độ xốp của lớp bột đồng chì (KLBCM) sau thiêu kết có thể dùng ph−ơng pháp truyền thống là xác định thể tích V1 và khối l−ợng vật mẫu M1. Ta có khối l−ợng riêng của vật liệu bột sau thiêu kết:
1 1 1 V M = ρ .
Nếu gọi ρ là khối l−ợng riêng của vật liệu t−ơng đ−ơng nhận đ−ợc bằng công nghệ đúc cán thông th−ờng thì độ xốp của KLBCM sau thiêu kết γ (coi vật liệu đúc, cán là đặc xít) đ−ợc xác định nh− sau: % 100 * * % 100 . 1 1 m m m − = − = ρ ρ ρ γ (2.3)
trong đó: m1 - khối l−ợng của KLBCM có thể tích V1.
m* - khối l−ợng của vật liệu đúc cán t−ơng đ−ơng có cùng thể tích V1. Độ xốp vật liệu kim loại bột thành phần tr−ớc khi thiêu kết đ−ợc xác định nh− sau: Tr−ớc tiên xác định tổng khối l−ợng các kim loại bột thành phần trong hỗn hợp tr−ớc thiêu kết M0. Sau đó xác định thể tích vật ép V0 và khối l−ợng
riêng vật ép tr−ớc khi thiêu kết ρ0. T−ơng tự nh− tr−ờng hợp vật liệu KLBCM sau thiêu kết ta có thể viết:
0 0 0 V M = ρ ; 0 0 .100% ρ ρ ρ γ = − (2.4)
trong đó: γ0 - độ xốp của vật liệu kim loại bột.
ρ - khối l−ợng riêng của vật liệu đúc cán t−ơng đ−ơng.
b). Xác định các tính chất cơ lý tính khác:
Về nguyên tắc, có thể sử dụng các ph−ơng pháp đo độ cứng Brinen, độ bền kéo, độ bền va đập, độ d#n dài t−ơng đối, thử thành phần hoá học…của vật liệu kim loại màu và thép theo các tiêu chuẩn nhà n−ớc Việt Nam hoặc tiêu chuẩn quốc tế t−ơng đ−ơng trong các tài liệu đ# công bố tr−ớc đây. Vì vậy, trong luận văn này tôi không đề cập nội dung cụ thể của các ph−ơng pháp đó.
2.3.4. Ph−ơng pháp nghiên cứu cấu trúc tế vi đánh giá tính chất vật liệu bimêtal:
Để nghiên cứu cấu trúc tế vi bên trong các lớp kim loại thành phần của sản phẩm băng bimêtal thép + hợp kim đồng chì, chế tạo theo ph−ơng pháp cán dính hoặc thiêu kết kim loại bột đồng chì trên nền thép cácbon thấp, ta có thể đánh giá bằng mắt nhờ tiến hành các thí nghiệm kim t−ơng học trên một số loại kính hiển vi có độ phóng đại t−ơng đối lớn (từ 200 – 1.800 lần hoặc lớn hơn).
Để nghiên cứu cấu trúc màng mỏng giữa các hạt kim loại bột đồng chì của sản phẩm sau thiêu kết và quá trình gia công tiếp theo, cần thực hiện các thí nghiệm trên kính hiển vi điện tử có độ phóng đại cho phép đến 4.000 – 6.000 lần.
Để nghiên cứu cơ cấu hình thành, sự khuếch tán các kim loại vào nhau và thành phần các hỗn hợp đa kim loại không hoà tan (Intermetallid), hay đánh