3.2.1.1. Chuẩn bị bột để ép
Qúa trình chuẩn bị bột để ép đóng vai trò quan trọng trong ép bột kim loại. Thực tế , bột phải được sản xuất ở một nơi khác và vận chuyển đến.
Bột sản xuất kim loại chưa đáp ứng được yêu cầu . Do vậy trong bất kỳ
trường hợp nàocũng cần có bước chuẩn bị bột để đảm bảo về thành phần hóa học cũng như yêu cầu vật lý , công nghệ cần thiết, nhằm đảm bảo cơ lý tính cho sản xuất cuối cùng.
Hình 3.2: Các công đoạn chính của quá trình chuẩn bị bột
a. Rây
Mục đích là để nhận được sản phẩm bột có kích thước yêu cầu, có cơ lý tính xác định, bột nhận được sau khi ủ phải đem đi rây để phân cấp hạt thành các phần riêng biệt và trộn theo tỷ lệ nhất định, để tỷ trọng đong γđ và tỷ trọng lắc γl ổn định. Nếu kích thước hạt quá to ta đem nghiền lại, nấu nếu bột quá nhỏ thì ủđể tăng kích thước .
b. Trộn
Có 2 phương pháp trộn là trộn cơ học và trộn hóa học.
Trộn hóa học : là phương pháp kết tủa từ dung dịch kim loại phụ gia lên bề
mặt của kim loại cơ sở và thường có kèm theo khuấy trộn, ưu điểm của phương pháp này là tạo nên sự phân bốđồng đều cao của các cấu tử. Song phương pháp này
Rây Trộn Các công
-41-
không đặc trưng cơ bản cho luyện kim bột mà chỉ ứng dụng đối với vật liệu composite.
Trộn cơ học : một hay nhiều cấu tử cho phép cùng một lúc vừa nghiền vừa trộn. Phổ biến rộng rãi là trộn trong máy nghiền bi tương tự nghiền để tạo bột.
3.3.1.2. Qúa trình ép bột kim loại
Mục đích chính của quá trình tạo hình bột kim loại là biến dạng tạo hình các hạt bột rời rạc thành bán sản phẩm, có độ bền đủ để đảm bảo giữ vững hình dạng nhất định .
Bản chất của quá trình ép trong khuôn kim loại là bột kim loại bị ép , thể
tích vật thể bột kim loại ban đầu sẽ giảm đi một cách đáng kể. Sự thay đổi hình dạng ban đầu của vật thể bột đó khác với sự biến đổi hình dạng vật thể đặc trong quá trình biến dạng dẻo, thể tích của nó không biến đổi trong quá trình ép.
Nguyên lý ép bột trong khuôn dựa vào 3 chi tiết cơ bản sau:
Hình 3.3: Các chi tiết của khuôn ép
Quy luật chung của quá trình ép :
- Tạo ra sản phẩm kích thước, hình dáng nhất định, đảm bảo cho qúa trình thiêu kết về sau - Vật có cơ lý tính đồng đều , ổn định . Φ 13 Φ 18 Φ 13 Φ 13 10 68 50 ∇ 9 ∇ 9 ∇ 9
-42-
- Trong thiêu kết không có pha lỏng chỉ có pha rắn , quá trình khuyếch tán quyết định bề mặt pha rắn.
Các giai đoạn tiến hành ép :
- Lắp áo khuôn & chày dưới - Đổ bột vào khuôn kim loại - Đưa chày trên vào và ép .
Bản chất của quá trình ép là sự thay đổi thể tích . Khi bột đổ vào khuôn ban
đầu trong lòng nó có rất nhiều lỗ xốp ( dù đã lắc ) . Khi ta đặt lực ép vào khuôn các khoảng trống dần được điền đầy là do có sự sắp xếp lại trật tự các hạt. Nếu ta tiếp tục tăng P (lực ép) các hạt sẽ bị biến dạng dẫn tới độ xốp giảm. Ban đầu quá trình biến dạng xảy ra ở những nơi mà chúng tiếp xúc nhau, sau đó biến dạng trên toàn bộ thể tích.
Hình 3.4 : Sự thay đổi độ xốp và hình dạng hạt bột kim loại khi tăng áp lực ép
Qúa trình ép bột được thể hiện qua đồ thị thay đổi của mật độ ép vào áp lực ép dưới đây:
-43-
Hình 3.5: Quan hệ giữa mật độ vật ép và áp lực ép.
Từđồ thị ta thấy :
+ Khả năng điền đầy bột vào các lỗ trống diễn ra rất nhanh ở giai đoạn I do tác dụng của P ngoài vào các hạt được xít chặt hơn, ởđây các hạt bột được chuyển
động một cách tự do trong thể tích kín vào các lỗ trống không có cản trở. Kết thúc giai đoạn I vật ép có γ tương đối lớn.
+ Giai đoạn II tăng áp lực ép từ P1lên áp lực ép P2 : P tăng còn γ tăng không
đáng kể do Pep ≈Σ Pi trong khối bột do đó chưa làm hạt biến dạng mà chỉ xếp xít lỗ trống.
+ Giai đoạn III tiếp tục tăng áp lực ép P > P2 tới P > Σ Pi chống nén ở bột, các hạt bột biến dạng làm cho γ tăng nhanh chóng tới giá trị lớn nhất.
Trong thực tế nhiều khi ta không thể xác định được ba giai đoạn riêng biệt, có nhiều khi nó xảy ra đồng thời cả ba giai đoạn phụ thuộc vị trí các hạt của hạt trong hỗn hợp bột.
I II III
Lực ép Mật độ
-44-
3.2.2. Thiêu kết
Thiêu kết là một trong những giai đoạn công nghệ cơ bản và quan trọng của luyện kim bột. Trong quá trình thiêu kết xảy ra sự chuyển biến của vật thể độ bền thấp được ép từ bột kim loại thành vật thể độ bền cao hơn với cơ lý tính gần với cơ
lý tính của kim loại đặc nấu chảy. Thiêu kết là quá trình nung nóng và giữ nhiệt độ
cho vật thể kim loại bột ở nhiệt độ nhất định ( nhiệt độ này nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính ) trong một khoảng thời gian nhất định
Ttk = (0.8-0.9)Tnc .
Thực chất của quá trình thiêu kết là quá trình chuyển đổi từ năng lượng tự do cao, không ổn định về trạng thái năng lượng tự do thấp, ổn định hơn của các phần tử
bột kim loại .
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy cơ chế cơ bản của quá trình thiêu kết là sự chuyển dịch các nguyên tử bằng cách khuyếch tán ( khuyếch tán bề mặt, khuyếch tán thể tích ) tuy nhiên quá trình thiêu kết chỉ xảy ra ở một khoảng nhiệt độ
xác định .
- Các hiện tượng xảy ra trong quá trình thiêu kết:
Trong quá trình thiêu kết xảy ra nhiều hiện tượng vật lý hóa học khác nhau : + Hoàn nguyên , bốc hơi ẩm ở bột
+ Sự vận chuyển chất dẫn đến làm tăng kích thước hạt, giảm lỗ xốp co ngót của vật .
+ Hoàn nguyên và kết tinh lại
Ta có thể chia quá trình thiêu kết thành 2 quá trình như sau : + Sự hình thành
+ Sự lớn lên chỗ tiếp xúc .
Hình 3.6 dưới đây trình bày chu trình nhiệt của quá trình thiêu kết. Sơđồ nung :
-45-
Hình 3.6 : Chu trình nhiệt của quá trình thiêu kết.
Các phương pháp đánh giá quá trình thiêu kết:
Việc đánh giá quá trình thiêu két được thể hiện qua đặc tính cơ học , tính chất cơ học , tính chất vật lý như độ bền , độ dẫn điện . Nhưng thông thường nhất người ta đánh giá qua độ co ngót .
độ xốp θ = – 100% xop xop thuc vat xop thuc γ γ γ độ co thể tích = – 1 0 0 % sa u ep sa u tket va tsa u ep V V V
Trong đó : Vsau ép : thể tích của vật sau khi ép (cm3) Vsau thiêu kết : thể tích vật sau thiêu kết (cm3)
độ co dài = ( ) ( ) ( ) H sau ep H sau tk H sau ep L L 100% L − . Thiêu kết T (0C) t (h) Bốc hơi Khuyếch tán Nguội
-46-
Trong đó : L( H) sau ep : chiều dài của vật sau khi ép .(cm) L ( H) sau thiêu kết : chiều dài vật sau thiêu kết.(cm)
Toàn bộ quá trình thiêu kết có thể nhìn một cách tổng quan qua sơ đồ hình 3.7 sau:
Hình 3.7 : Sơ đồ qúa trình thiêu kết
3.2.2.1. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình thiêu kết và tính chất
của vật thể thiêu kết.
a. Tính chất của bột kim loại ban đầu.
Điều kiện chế tạo bột kim loại có ảnh hưởng rất nhiều tới quá trình thiêu kết. Cường độ quá trình thiêu kết phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc của hạt, bề mặt tiếp xúc của hạt càng lớn cường độ quá trình thiêu kết càng mạnh, bởi vì năng lượng bề mặt có quan hệ mật thiết tới hình dạng của hạt. Hạt càng mịn thì tổng tiếp xúc bề mặt của hạt càng lớn quá trình thiêu kết càng nhanh. Bởi vì năng lượng bề mặt của hạt liên quan chặt chẽ với hình dạng của hạt nên mật độ và cơ lý tính của chi tiết thiêu kết tăng cùng với độ nhám bề mặt hạt, với cùng một mật độ, cơ lý tính và độ dẫn
điện của vật liệu phụ thuộc vào độ mịn của hạt . Hạt càng mịn thì độ bền cơ, độ dẫn Thiêu kết
Thiêu kết một cấu tử Thiêu kết nhiều cấu tử
Sự hình thành Sự lớn lên Pha rắn Pha lỏng
Pha lỏng tồn tại trong quá trình thiêu kết
Pha lỏng biến mất trong quá trình thiêu kết
-47-
điện cao. Màng oxit kim loại này càng lớn và hạt càng mịn. Các màng oxit được hoàn nguyên tông quá trình thiêu kết làm tăng quá trình vận chuyển chất qua pha khí dẫn tới làm tăng sự tiếp xúc giữa các hạt với nhau. Nếu tăng diện tích riêng bề
mặt của hạt bột lên thì sự co ngót của vật liệu thiêu kết tăng. Tuy nhiên, nếu lượng oxit quá nhiều sẽ gây ảnh hưởng rất lớn tới quá trình ép .
Như vậy kích thước hạt, thành phần cấp hạt, hàm lượng oxit, khuyết tật mạng thể tích có ảnh hưởng lớn tới quá trình thiêu kết, ảnh hưởng tới mật độ và cơ lý tính của vật thiêu kết. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm mà lựa chọn phương pháp chế tạo bột đểđáp ứng yêu cầu kỹ thuật cần thiết .
b. Áp lực ép
Áp lực ép tạo hình là một yếu tố có ý nghĩa quyết định các hiện tượng sẽ xảy ra trong quá trình thiêu kết. Khi mật độ vật ép tăng ,độ co ngót thể tích và độ co ngót chiều dai giảm có nghĩa là độ tăng mật độ tương đối trong quá trình thiêu kết lớn hơn của chi tiết ép áp lực nhỏ.
M.IU.Balsin đã chứng minh rằng, giữa độ co ngót của vật thể thiêu kết và độ
xốp ban đầu của vật ép tồn tại một mối quan hệ tỷ lệ tuyến tính ( trong một giới hạn
độ xốp đủ lớn ) dạng ∆V/V ~ K(1- Ө ). Phôi ép có độ xốp lớn sẽ có hệ số nhớt và độ
co ngót nhỏ. Nếu trong quá trình ép do điều kiện kỹ thuật phôi ép có mật độ không
đồng đều thì sau khi thiêu kết thường xảy ra hiện tượng phôi thiêu kết dạng tang trống. Song trong trường hợp thiêu kết bột kim loại mịn, mật độ kim loại khá đồng
đều sau khi ép, hiện tượng tang trống không còn nữa, nhìn chung nếu tăng áp lực ép dẫn đến sự gia tăng tất cả các thông số bền của vật thể thiêu kết : độ cứng , trở
kháng phá hủy , trở kháng nén ….
3.2.2.2. Nhiệt độ thiêu kết
Nhiệt độ thiêu kết có ảnh hưởng rất rõ đến mật độ của vật thiêu kết , nhiệt độ
-48-
Trong vùng nhiệt độ thấp, sự tiếp xúc giữa các hạt với nhau là tiếp xúc phi kim loại, hiện tượng co ngót hầu như khôn đáng kể. Mật độ kim loại có tăng lên không đáng kể chủ yếu là do bay hơi nước và thoát khí. Ngoài ra trong quá trình này có giảm lực ép. Chính áp lực này có thể ép chặt các lỗ xốp nhỏ . Sau đó là quá trình hoàn nguyên các mạng oxit trong quá trình thiêu kết có nghĩa là sự tiếp xúc biến đổi về chất. Qúa trình này trong một khoảng nhiệt độ nhất định có thể xảy ra cùng với sự giảm mật độ , mức độ giảm mật độ tăng cùng với sự gia tăng áp lực ép sơ bộ và hàm lượng oxit và một số tạp chất khác.
Tại vùng nhiệt độ cao, bề mặt tiếp xúc kim loại càng lớn và điền đầy các lỗ
xốp dưới ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài và lén chặt của phôi bột kim loại. Sự
khác biệt về tác dụng của nhiệt độ đến quá trình thiêu kết là tương đối và có nhiều trường hợp ngoại lệ .
Sự khác biệt về tác dụng của nhiệt độ đến quá trình thiêu kết thể hiện rất rõ trong trường hợp thiêu kết vật thể kim loại bộ mịn. Cần chú ý rằng tốc độ gia tăng nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình thiêu kết. Khi tăng nhanh nhiệt độ sẽ
2 Nhiệt độ thiêu kết, 0C Độ xốp tương đối 1 3 4 1-Bột rót tự do 2-Bột ép dưới áp lực thấp 3-Bột ép dưới áp lực cao 4-Bột ép dưới áp lực rất cao
-49-
xuất hiện hiện tượng không đồng đều về độ xốp do nhiệt độ và hậu quả là cũng có sự chênh lệch về độ xốp sau khi ép tạo hình. Độ bền cũng như mật độ thường tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ thiêu kết ngay cả trong trường hợp giảm mật độ và độ
bền .
Sự biến đổi của độ cứng vật thể thiêu kết cũng như giới hạn chảy khi nén trong quá trình thiêu kết có khác so với sự biến đổi của các thông số khác, khi nhiệt
độ thiêu kết tăng , ứng suất dư trong kim loại ép giảm , độ cứng giảm và khi tăng mật độ, độ nhớt ,độ cứng tăng. Điều đó làm xuất hiện hiện tượng không đồng đều về mật độ và độ cứng của phôi thiêu kết, cần xác định chế độ tối ưu để có thể chế
tạo được phôi thiêu kết có cơ lý tính đồng đều .
3.2.2.3. Thời gian thiêu kết
Việc giữ nhiệt độ thiêu kết của vật ép sẽ làm cho mật độ kim loại đầu tiên tăng đột ngột sau đó tăng chậm lại, các tính chất của kim loại bột biến đổi gần như
mật độ như vậy mật độ của vật thiêu kết đạt cực đại trong khoảng thời gian rất ngắn, khi tiếp tục giữ nhiệt mật độ của vật thiêu kết hoàn toàn không đổi, đôi khi còn có chiều hướng giảm,thời gian giữ nhiệt tăng thì tính dẻo tăng do giải phóng hết oxy trong mẫu. Trong thực tế thời gian giữ nhiệt dao động, có thể là mấy phút có khi kéo dài vài ba tiếng đồng hồ phụ thuộc vào thành phần, mật độ của vật thiêu kết, kích thước và trọng lượng của vật thiêu kết cũng như kích thước lò…
1 2 M ậ t độ t ươ ng đố i,% Thời gian thiêu kết, 0C
-50-
1. Nhiệt độ thiêu kết trung bình 2. Nhiệt độ thiêu kết cao
3.2.2.4. Môi trường và sự cường hóa của quá trình thiêu kết
Qúa trình thiêu kết được tiến hành trong môi trường bảo vệ, tuy nhiên nếu quá trình được tiến hành trong môi trường hoàn nguyên, mật độ của thiêu kết lớn hơn so với môi trường trung tính. Môi trường hoàn nguyên sẽ hoàn nguyên các màng oxit tạo điều kiện hoàn nguyên nhanh hơn. Đặc biệt nếu quá trình được tiến hành trong môi trường chân không thì thiêu kết sẽ nhanh hơn và triệt để, ảnh hưởng của môi trường thiêu kết rõ rệt nếu môi trường cho thêm một lượng hợp chất dễ bay hơi của nhóm Halogen. Ngoài cách cường hóa bằng phương pháp hóa học có thể
cường hóa bằng phương pháp vật lý như thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ, tác dụng của siêu âm .
Cường hóa quá trình thiêu kết do thay đổi thành phần môi trường bảo vệ là một trong những phương pháp đơn giản có hiệu quả cao được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ luyện kim bột hiện đại. Trong trường hợp sử dụng hơi HCl sẽ làm thay đổi tiếp xúc phi kim loại bằng tiếp xúc kim loại ở nhiệt độ thấp do hơi HCl tác dụng với oxit kim loại tạo thành kim loại trong vùng tiếp xúc, ngoài việc sử dụng hơi HCl đã làm bay hơi một số tạp chất chứa trong vật liệu thiêu kết như oxit silic