Với nhiệt độ thiêu kết đƣợc chọn từ mục 4.1 (1400oC), đề tài đã tiến hành khảo sát quá trình thiêu kết HKC với các khoảng thời gian giữ nhiệt là 30 phút, 60 phút và 90 phút. Hình 4.5 là một số mẫu HKC thu đƣợc sau quá trình thiêu kết trong chân không.
41 Hình 4.5. Một số mẫu HKC được thiêu kết trong chân không
Trên cơ sở việc xác định tỷ trọng các mẫu sau thiêu kết, đề tài đã lựa chọn các mẫu có mật độ cao nhất trong cùng một mẻ thiêu kết để tiến hành chụp ảnh SEM cũng nhƣ kiểm tra các tính chất cơ tính (độ bền uốn, độ cứng, độ dai). Bảng 4.1 là kết quả xác định các tính chất của mẫu HKC đƣợc thiêu kết trong 30 phút (mẫu C31), trong 60 phút (mẫu C62) và trong 90 phút (mẫu C91).
6 Bảng 4.1. Kết quả đo một số mẫu HKC được thiêu kết trong chân không
Mẫu Chế độ thiêu kết
Nhiệt độ/ thời gian/môi trường
Mật độ (g/cm3) HV30 (kgf/mm2) Độ bền uốn (MPa) Độ dai (MPa.m1/2) CK31 1400oC/30 phút/chân không 14,562 1263 1792 13,5 CK62 1400oC/60 phút/chân không 14,680 1295 1867 14,9 CK91 1400oC/ 90 phút/chân không 14,693 1310 1871 15,0 Nhận xét
- Từ kết quả trong bảng 4.1, có thể thấy rằng mẫu HKC đƣợc giữ nhiệt càng lâu thì mật độ càng cao: khi tăng thời gian giữ nhiệt từ 30 lên 60 phút, mật độ mẫu tăng 0,82%; còn khi tăng thời gian giữ nhiệt từ 60 lên 90 phút, mật độ
CK31 CK32 CK33 CK61 CK91 CK62 CK92 CK63 CK93
56
của mẫu tăng 0,13%. Điều này có thể đƣợc giải thích dựa trên việc phân tích kết quả ảnh SEM của các mẫu, đƣợc trình bày trên hình 4.6.
42 Hình 4.6. Ảnh SEM mẫu CK31 (a), mẫu CK62 (b) và mẫu CK91 (c)
(a) rỗ xốp (b) rỗ xốp (c) rỗ xốp tế vi
57
Nhƣ chúng ta đã biết, trong quá trình thiêu kết pha lỏng, rỗ xốp trong mẫu đƣợc điền đầy nhờ vào pha lỏng. Mức độ điền đầy phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: tính chất pha rắn (hình dạng, kích thƣớc hạt bột,...), tính chất pha lỏng (độ chảy lỏng, tính thấm ƣớt trên bề mặt pha rắn,...), thời gian giữ nhiệt,... Giả thiết rằng các yếu tố về pha rắn và pha lỏng đối với các mẫu khảo sát ở cùng nhiệt độ thiêu kết là tƣơng tự nhau, khi đó mức độ điền đầy rỗ xốp chỉ còn phụ thuộc vào thời gian thiêu kết. Trong thời gian giữ nhiệt 30 phút đầu, do tốc độ điền đầy của pha lỏng chậm nên còn tồn tại nhiều rỗ xốp lớn (hình 4.6a) trong mẫu, làm giảm mật độ của mẫu. Khi tăng thời gian giữ nhiệt, các rỗ xốp tiếp tục đƣợc pha lỏng điền đầy, chính vì vậy mật độ và kích thƣớc rỗ xốp giảm dần. Tuy nhiên, mức độ giảm rỗ xốp của mẫu khi giữ nhiệt trong 90 phút (hình 4.6c) thấp hơn so với mẫu đƣợc giữ nhiệt trong 60 phút (hình 4.6b). Nguyên nhân là do sau quá trình điền đầy các rỗ xốp lớn, trong mẫu chỉ còn tồn tại các rỗ xốp tế vi, có kích thƣớc rất nhỏ, khiến cho Co khó có thể điền đầy do tồn tại sức căng bề mặt của Co trên hạt WC cũng nhƣ khả năng trong rỗ xốp này vẫn còn chứa khí, không có khả năng thoát ra ngoài. Nhƣ đã đề cập trong mục 2.2.1, việc loại bỏ các rỗ xốp này chỉ có thể đƣợc thực hiện bằng việc sử dụng ép nóng đẳng tĩnh vào quá trình thiêu kết. Dƣới tác dụng của áp lực đẳng tĩnh, Co lỏng sẽ bị dồn nén, làm phá vỡ các bọt khí và điền đầy các rỗ xốp. Vấn đề này sẽ đƣợc làm rõ bằng thực nghiệm trong mục 4.4 của chƣơng này.
- Sự xuất hiện của rỗ xốp trong mẫu làm ảnh hƣởng đến cơ tính của vật liệu, nhất là về độ bền uốn của độ dai. Việc tăng mật độ (giảm rỗ xốp) của mẫu CK62 đã làm cho độ cứng của mẫu tăng lên 2,5 %, còn độ bền uốn và độ dai của mẫu lần lƣợt tăng lên 4,5 và 10% khi so sánh với mẫu CK31. Tuy nhiên, độ dai và độ bền uốn của mẫu CK91 tăng không nhiều (0,2 – 0,5%) so với độ dai và độ bền uốn của mẫu CK62, do rỗ xốp giảm không đáng kể, chỉ còn lại các rỗ xốp tế vi. Chính vì vậy, để có thể nâng cao cơ tính của vật liệu, ngoài việc tăng thời gian thiêu kết, cần sử dụng ép nóng đẳng tĩnh vào quá trình
58
thiêu kết nhằm loại bỏ các bọt xốp tế vi còn sót lại sau quá trình thiêu kết chân không.
Kết luận 4.2:
Thời gian giữ 30 phút ở 1400oC đối với quá trình thiêu kết mẫu HKC nghiên cứu là không đủ, mẫu nhận đƣợc còn nhiều rỗ xốp lớn và có mật độ thấp, vật liệu có cơ tính không cao.
Thời gian giữ 60 phút ở 1400oC đối với quá trình thiêu kết mẫu HKC nghiên cứu đảm bảo cho mẫu nhận đƣợc có mật độ và cơ tính đạt yêu cầu.
Việc tăng thời giữ nhiệt từ 60 lên 90 phút ở 1400oC đối với quá trình thiêu kết mẫu HKC nghiên cứu làm tăng không đáng kể về mật độ cũng nhƣ cơ tính vật liệu do trong mẫu chỉ còn lại các rỗ xốp tế vi.
Để có thể loại bỏ các rỗ xốp tế vi, nâng cao cơ tính vật liệu, cần bổ sung ép nóng đẳng tĩnh vào quá trình thiêu kết.
Xét về hiệu quả kinh tế và khả năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, đề tài chọn thời gian giữ nhiệt cho quá trình thiêu kết mẫu HKC nghiên cứu trong chân không là 60 phút.
Giản đồ nhiệt độ - thời gian quá trình thiêu kết HKC trong chân không:
43 Hình 4.7. Giản đồ nhiệt độ - thời gian quá trình thiêu kết HKC trong chân không
Nguội cùng lò T (oC) TPhòng (phút) 500 Ttk 60 100 128
59
4.3. Nghiên cứu công nghệ thiêu kết + ép nóng đẳng tĩnh HKC
Đề tài đã tiến hành nghiên cứu quá trình thiêu kết HKC có ép nóng đẳng tĩnh bổ sung, với các áp lực ép: 5, 10, 50 và 500 atm. Các kết quả xác định cơ lý tính của mẫu nghiên cứu đƣợc so sánh với cơ lý tính của mẫu HKC đƣợc thiêu kết trong chân không với cùng một thời gian giữ nhiệt (90 phút) và cơ lý tính của mác HKC GC-608M do hãng General carbide bán trên thị trƣờng (có cùng thành phần, cùng cấp hạt và đƣợc chế tạo bằng ép nóng đẳng tĩnh bổ sung) [57]. Bảng 4.2 là các thông số về cơ lý tính của một số mẫu HKC nghiên cứu.
7 Bảng 4.2. Các thông số cơ lý tính của một số mẫu HKC nghiên cứu
Mẫu Chế độ thiêu kết
Nhiệt độ/thời gian/môi trường
Mật độ (g/cm3) HV30 (kgf/mm2) Độ bền uốn (MPa) Độ dai (MPa.m1/2) CK91 - 1400oC/90 phút/chân không 14,693 1310 1871 15,0 P1 - 1400 o C/60 phút/chân không - 1400oC/30 phút/HIP-5 atm 14,761 1339 1937 16,2 P2 - 1400 o C/60 phút/chân không - 1400oC/30 phút/HIP-10 atm 14,805 1362 2013 17,1 P3 - 1400 o C/60 phút/chân không - 1400oC/30 phút/HIP-50 atm 14,829 1378 2136 18,2 P4 - 1400 o C/60 phút/chân không - 1400oC/30 phút/HIP-500 atm 14,841 1391 2259 18,9 GC-608M - 14,83 1360 2378 - Nhận xét
- Từ bảng 4.2, có thể thấy khi tăng áp lực ép đẳng tĩnh bổ sung từ 0 – 10 atm, mật độ của mẫu tăng nhanh (0,75%). Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh từ 10 – 50 atm, mật độ của mẫu tăng chậm dần (0,16%) và tăng không đáng kể khi tăng áp lực ép 50 - 500 atm (0,08%). Sử dụng phần mềm Origin, đề tài đã tiến hành vẽ đồ thị mô phỏng sự thay đổi mật độ mẫu HKC theo áp lực ép nóng đẳng tĩnh (hình 4.8). Trên hình 4.8, đƣờng đồ thị có độ dốc rất lớn trong đoạn từ CK91 đến P2, nhƣng giảm dần và gần nhƣ nằm ngang trên đoạn từ P3 đến P4.
60
44 Hình 4.8. Đồ thị mật độ - áp lực ép đẳng tĩnh của các mẫu HKC
Sự thay đổi về mật độ của các mẫu HKC theo áp lực ép nóng đẳng tĩnh đƣợc giải thích dựa trên việc phân tích ảnh SEM các mẫu nghiên cứu (hình 4.9)
45 Hình 4.9. Ảnh SEM mẫu HKC được thiêu kết ở các áp lực ép khác nhau
rỗ xốp P1 P2 rỗ xốp P3 rỗ xốp CK91 rỗ xốp
61
Trên hình 4.9, có thể thấy với áp lực ép đẳng tĩnh 5 atm, các rỗ xốp có trong mẫu P1 giảm nhiều về cả số lƣợng cũng nhƣ kích thƣớc, vì vậy mật độ của mẫu P1 tăng lên đáng kể so với mật độ mẫu CK91 (0,46%). Khi tiếp tục tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh lên 10 atm, số lƣợng rỗ xốp trong mẫu giảm đi trong khi kích thƣớc rỗ xốp ít thay đổi, vì vậy mật độ mẫu P2 chỉ tăng lên so với mật độ mẫu P1 là 0,3%. Chỉ đến khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh lên 50 atm, các rỗ xốp trong mẫu P3 mới tiếp tục giảm về kích thƣớc (giảm về thể tích) so với các rỗ xốp trong mẫu P2. Tuy nhiên, mức độ thay đổi về thể tích các rỗ xốp rất nhỏ so với toàn bộ thể tích mẫu, vì vậy mật độ của mẫu P3 tăng không đáng kể so với mật độ mẫu P2 (0,16%).
Rõ ràng, khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh, số lƣợng và kích thƣớc rỗ xốp giảm dần. Tuy nhiên, kích thƣớc của rỗ xốp càng nhỏ thì mức độ giảm về tổng thể tích rỗ xốp so với thể tích mẫu càng thấp, mật độ của mẫu tăng lên không đáng kể. Ngoài ra, do ảnh hƣởng của sức căng bề mặt, Co lỏng rất khó có thể điền đầy vào các rỗ xốp tế vi, nên khả năng tăng mật độ của mẫu bằng con đƣờng giảm số lƣợng rỗ xốp bị hạn chế. Vì vậy, càng tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh thì mức độ tăng mật độ của mẫu càng giảm (gần nhƣ không tăng). Có thể thấy rõ điều này khi xét mật độ của mẫu P4, đƣợc ép nóng đẳng tĩnh ở 500 atm, hầu nhƣ không tăng lên so với mật độ mẫu P3 (0,08%), mặc dù trên ảnh SEM (hình 4.10) mẫu gần nhƣ không có rỗ xốp.
46 Hình 4.10. Ảnh SEM mẫu P4
Từ các phân tích trên, xét về khả năng tăng mật độ của HKC, có thể thấy rằng áp lực ép nóng đẳng tĩnh có hiệu quả ở áp lực ép 0 – 50 atm và ít có hiệu quả ở áp lực ép từ 50 – 500 atm.
62
- Nhƣ chúng ta đã biết, đối với vật liệu đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp luyện kim bột, độ cứng của vật liệu có liên quan đến rỗ xốp (hình dạng, kích thƣớc,...), rỗ xốp càng giảm thì độ cứng càng tăng. Vì vậy, cùng với quá trình tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh, độ cứng của các mẫu tăng nhanh ở áp lực ép 0 – 10 atm (3,8%), tăng chậm dần ở áp lực ép 10 – 50 atm (1,3%) và tăng rất ít ở áp lực ép 50 – 500 atm (0,9%). Điều này đƣợc thể hiện rõ trên đồ thị độ cứng HV – áp lực ép (Hình 4.11)
47 Hình 4.11. Đồ thị độ cứng HV – Áp lực ép của các mẫu HKC
Cùng với quá trình tăng mật độ, độ cứng HV của mẫu tăng dần theo chiều tăng của áp lực ép nóng đẳng tĩnh. Độ cứng của mẫu tăng nhanh khi áp lực ép nóng đẳng tĩnh tăng từ 0 – 50 atm và tăng không nhiều khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh từ 50 – 500 atm.
- Việc tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh không chỉ làm tăng mật độ và độ cứng HV, mà còn làm tăng độ bền uốn và độ dai của vật liệu. Từ đồ thị Độ dai – áp lực ép (Hình 4.12), có thể thấy khi tăng áp lực ép từ 0 – 10 atm, độ dai của mẫu tăng rất nhanh (14%). Tiếp tục tăng áp lực ép từ 10 – 50 atm, độ dai của mẫu tăng chậm hơn (6,4%). Một điều đáng lƣu ý là trong khi mật độ và
63
độ cứng của mẫu tăng rất thấp khi tăng áp lực ép từ 50 – 500 atm (dƣới 1%) thì độ dai của mẫu vẫn tăng thêm 3,8%. Nguyên nhân của hiện tƣợng này là do bên cạnh ảnh hƣởng của rỗ xốp có trong mẫu, sự phân bố của pha dính kết (Co) cũng ảnh hƣởng đến độ dai của mẫu. Có nhiều phƣơng pháp để xác định sự phân bố của Co trong mẫu nhƣ: kỹ thuật Mapping (trên hiển vi điện tử quét - SEM), đo độ bão hòa từ (trên thiết bị từ kế mẫu rung - VSM),... Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật Mapping là chỉ thích hợp cho việc đo mẫu có kích thƣớc nhỏ và đòi hỏi nhiều thời gian chuẩn bị và đo mẫu. Trong khi đó, phƣơng pháp đo độ bão hòa từ có thể đƣợc thực hiện với các mẫu khối lớn và không mất nhiều thời gian cho việc chuẩn bị và đo mẫu. Chính vì vậy, đề tài đã sử dụng phƣơng pháp này trong việc xác định phân bố Co ở các vùng khác nhau (tâm, cạnh) trong mẫu. Vấn đề này sẽ đƣợc trình bày cụ thể trong phần 4.4
48 Hình 4.12. Đồ thị Độ dai – Áp lực ép của các mẫu HKC
So với mật độ và độ cứng, độ dai của mẫu tăng nhanh hơn với cùng mức độ tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh. Áp lực ép nóng đẳng tĩnh có hiệu quả cao đối với độ dai của mẫu khi tăng từ 0 – 50 atm và giảm hiệu quả khi áp lực ép tăng từ 50 – 500 atm.
64 Kết luận 4.3:
Khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh, độ xốp trong mẫu giảm dần và do đó làm tăng mật độ và cơ tính (độ cứng, độ bền uốn, độ dai) của mẫu.
Mật độ và cơ tính của mẫu tăng nhanh khi áp lực ép tăng từ 0 – 10 atm, chậm dần khi áp lực ép tăng từ 10 – 50 atm và tăng rất ít khi áp lực ép tăng từ 50 – 500 atm.
So sánh với mác GC-608M của hãng General carbide, mẫu HKC đƣợc ép nóng đẳng tĩnh bổ sung ở 50 atm có các thông số cơ lý tính chênh lệch không đáng kể (1% về độ cứng và 5% về độ bền uốn). Xét ở khía cạnh sản xuất hàng loạt trong công nghiệp, có thể xem 2 loại HKC là tƣơng đƣơng nhau. Xét về hiệu quả kinh tế (chi phí thiết bị, chi phí vận hành) và khả năng
ứng dụng trong công nghiệp, ép nóng đẳng tĩnh có hiệu quả trong việc nâng cao chất lƣợng HKC (mật độ, cơ tính) khi áp lực ép nóng ≤ 50 atm.
Giản đồ nhiệt độ - thời gian quá trình thiêu kết HKC có ép nóng đẳng tĩnh bổ sung
49 Hình 4.13. Giản đồ nhiệt độ - thời gian quá trình thiêu kết mẫu HKC có ép nóng đẳng tĩnh bổ sung T (oC) Ttk 500 TPhòng (phút) 60
Chân không 50 atm 1 atm
65