3.1.1 Thiết bị phối liệu
Khối lượng từng thành phần hỗn hợp bột kim loại ban đầu (bột TiH2, bột Nb và bột Zr) được xác định trên cân điện tử (Scientech, Mỹ) với độ chính xác 10-4g đặt tại phòng thí nghiệm Công nghệ cán ép, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Ngoài ra thiết bị này cũng được sử dụng để xác định độ xốp của mẫu sau khi đóng bánh, tổng độ xốp và tỷ lệ lỗ xốp hở của vật hợp kim Titan xốp sau khi thiêu kết.
Hình 3.2 Cân điện tử Scientech độ chính xác 10-4 g 3.1.2 Tính toán phối liệu
Vật liệu ban đầu được lựa chọn là bột thương mại, bao gồm : Bột TiH2
( độ sạch > 99% , kích thước hạt 300 nm , Whole Win (Beijing) Metarials. Sci. Tech. Co.,Ltd). Bột Zr ( độ sạch > 99%, kích thước hạt 400 nm, Whole
47
Win (Beijing) Metarials. Sci. Tech. Co.,Ltd). Bột Nb (20µm). Ta có kết quả phân tích của các giản đồ nhiễu xạ X-ray của 3 mẫu bột kim loại nguyên liệu ban đầu.
48
Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột TiH2 nguyên liệu
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau TiH2
25-0982 (I) - Titanium Hydride - TiH1.924 - Y: 19.64 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Toan-DHBK-TiH2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 16:29:08
L in ( C p s ) 0 100 200 300 400 500 600 700 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 80 d = 2 .5 6 5 5 d = 2 .2 2 5 7 d = 1 .5 7 0 7 d = 1 .3 4 1 1 d = 1 .2 8 1 8
49
Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Nb nguyên liệu
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Nb
34-0370 (*) - Niobium columbium - Nb - Y: 96.36 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Toan-DHBK-Nb.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 17:09:49
L in ( C p s ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 80 d = 2 .3 3 4 7 d = 1 .6 5 1 5 d = 1 .3 4 8 6
50
Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Zr nguyên liệu
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Zr
05-0665 (I) - Zirconium - Zr - Y: 47.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Toan-DHBK-Zr.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 18:15:25
L in ( C p s ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 80 d = 2 .8 0 3 7 d= 2 .5 7 8 2 d = 2 .4 6 2 7 d = 1 .8 9 6 9 d = 1 .6 1 8 2 d = 1 .4 6 4 4 d = 1 .4 0 2 4 d = 1 .3 7 0 3 d = 1 .3 5 2 4 d = 1 .2 8 8 6 d = 1 .2 3 1 2
51
Tổng lượng bột trong mỗi lần phối trộn là 20g. Tỉ lệ bột ban đầu được tính toán sao cho sau khi trộn ta được tỉ lệ như sau : TiH2-3,5Nb-3,5Zr. Thành phần bột mỗi loại ban đầu được tính như sau:
Gọi khối lượng bột Ti, Nb, Zr lần lượt là a,b,c. Nguyên tử khối của các bột theo thứ tự lần lượt là Ti = 48, Nb = 93, Zr = 91.
Khối lượng bột tổng cộng là 20g nên ta có phương trình : a + b + c = 20 (1)
Tỉ lệ thành phần bột là : TiH2-3,5Nb-3,5Zr nên ta có phương trình :
Từ (1); (2); (3) ta có hệ phương trình: a + b + c = 20
Giải hệ phương trình trên ta thu được : a = 17.47 b = 1.27 c = 1.26 Khối lượng cần phối liệu của các bột theo thứ tự lần lượt là: Ti = 17,47 (g), Nb = 1,27 (g), Zr = 1,26 (g)
Khối lượng bột TiH2được tính theo phản ứng sau : TiH2→ Ti + H2
Số mol : a a a Khối lượng : 18,2(g) 17,47 (g)
Vậy khối lượng cần phối liệu ban đầu của các bột theo thứ tự lần lượt là: TiH2 = 18,2 (g), Nb = 1,27 (g), Zr = 1,26 (g)
52
3.1.3 Thiết bị trộn đồng đều hóa thành phần
Thiết bị sử dụng cho công đoạn nghiền trộn hỗn hợp bột kim loại ban đầu là máy trộn tang trống nằm ngang (hình 3.6). Thiết bị này do nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo và được đặt tại phòng thí nghiệm Công nghệ Cán ép, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Quá trình nghiền trộn đồng đều hóa thành phần được thực hiện trên máy nghiền trộn dạng tang trống nằm ngang. Tang trống được đặt trên bộ phận giá đỡ có con lăn và nhận truyền động quay nhờ nối với trục chính động cơ. Khi tang trống chuyển động quay nằm ngang thì bột kim loại và bi nghiền sẽ chuyển động va đập vào nhau xung quanh tang trống dẫn đến bột kim loại được trộn đồng đều thành phần với nhau.
Hình 3.6 Máy trộn tang trống
Một số thông số đặc trưng của máy trộn tang trống: - Công suất động cơ: 0,37 kW;
- Số vòng quay của động cơ: 1390 vg/ph; - Đường kính trục động cơ: 38 mm;
- Vật liệu chế tạo tang nghiền: thép không gỉ SUS 304 dày 6 ÷ 8 mm; - Đường kính ngoài tang nghiền: 180 mm;
53
- Chiều dài tang nghiền: 130 mm kèm theo hệ thống khí bảo vệ;
- Bi nghiền: bi nghiền làm bằng thép không gỉ SU304, đường kính 3 mm.
3.1.4 Trộn đồng đều thành phần
Sau khi tính toán phối liệu theo tỷ lệ như trên, nạp 20 gr hỗn hợp bột ban đầu vào tang trống cùng với bi nghiền. Quá trình nghiền trộn được thực hiện trên máy trộn tang trống với chế độ nghiền như sau:
- Tốc độ tang quay: 150 vg/ph
- Tỉ lệ (theo khối lượng) bi nghiền/ bột: 10 : 1 - Thời gian nghiền: 2 h
- Môi trường bảo vệ: khí Argon
Mục đích chính của bước này là đồng đều hóa hỗn hợp bột kim loại, hoạt hóa bề mặt các hạt bột để đảm bảo các hạt bột TiH2, Nb, Zr có thể tiếp xúc với nhau. Hỗn hợp bột kim loại càng đồng đều thì diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chúng càng lớn. Do đó, phản ứng xảy ra dễ dàng hơn. Hơn nữa, việc hoạt hóa cơ học trộn đồng đều còn làm tăng năng lượng của các nguyên tử trên bề mặt các hạt bột làm chúng trở nên hoạt động hơn, do đó phản ứng phân hủy TiH2 dễ xảy ra hơn. Vì TiH2, Nb và Zr đều là kim loại có tính dẻo, do vậy các hạt bột sẽ bám dính với nhau ở giai đoạn hàn nguội nên thành phần hóa học các hạt bột được phân bố đồng đều hơn. Hơn nữa, quá trình hàn nguội cũng có khả năng làm cho các hạt bám dính với nhau nên kích thước hạt bột sẽ lớn hơn. Quá trình này tạo điều kiện tăng độ xốp trong quá trình đóng bánh với mục đích tăng độ xốp của mẫu sau khi thiêu kết. Kết quả trên hình ảnh trước và sau khi trộn đồng đều thành phần hỗn hợp 3 bột bằng máy nghiền nằm ngang đã không quan sát thấy sự thay đổi nào về kích thước hạt bột. Ta có kết quả phân tích hình ảnh SEM của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu sau khi trộn như trên (hình 3.7), hạt TiH2 có hình dạng khối, hạt Nb và Zr có hình dạng cầu.
54
Hình 3.7 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr sau quá trình trộn đồng đều thành phần (X200 và X2000)
55
3.2 Công đoạn ép đóng bánh tạo hình sơ bộ
3.2.1 Thiết bị ép đóng bánh hỗn hợp bột TiH2–3,5Nb–3,5Zr
Máy ép thủy lực 1000 KN (hình 3.8) của hãng STENHØJ đặt tại phòng thí nghiệm Công nghệ Cán ép, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, được sử dụng để đóng bánh sơ bộ hỗn hợp bột TiH2; Nb và Zr sau khi trộn đồng đều thành phần. Khuôn ép hình trụ có đường kính d = 10 mm, chiều cao h = 80 mm, vật liệu làm khuôn và chày ép là C45 nhiệt luyện đạt độ cứng 35 HRC, được gia công đạt độ nhám 1,25 µm và được đánh bóng.
Hình 3.8 Máy ép thủy lực 1000 KN hãng STENHØJ. 3.2.2 Phƣơng pháp ép
Quá trình ép đóng bánh sơ bộ tạo cho bột kim loại có hình dáng cần thiết và được gắn kết nhất định trước khi tiến hành thiêu kết.Với điều kiện thí nghiệm hiện có, tác giả lựa chọn phương pháp ép nguội một chiều trong
56
khuôn kín hình trụ, thép C45 đã qua nhiệt luyện, đường kính 10 mm, để tạo hình các mẫu thí nghiệm. Đây là phương pháp ép đơn giản, mặt khác đường kính và chiều cao của mẫu không lớn (H/D < 1). Kết cấu và hình dạng khuôn ép sơ bộ như trên (hình 3.9).
Hình 3.9 Khuôn và chày ép 3.2.3 Áp lực éptạo hình sơ bộ
Chọn áp lực ép sơ bộ trong khoảng (150 250) MPa để tạo hình khối sơ bộ mẫu hỗn hợp bột sau khi trộn đồng đều thành phần.
Sở dĩ chọn áp lực ép trong khoảng (100 250) MPa. Kết quả khảo sát quá trình ép một chiều trong khuôn kín cho thấy. Khi ép bột với áp lực ép 100 Mpa, ta thấy trên bề mặt mẫu sau khi ép sự liên kết giữa các hạt bột tiếp xúc với nhau còn rời rạc, mẫu chưa được đóng bánh thành khối. Đối với mẫu khi ép đóng bánh sơ bộ với áp lực ép 300 MPa thì mẫu ép bị phá hủy và nứt tách lớp tại chính giữa khối.Điều này được lý giải như sau: áp lực ép đóng vai trò tạo ra sự biến dạng dẻo của các hạt vật liệu bột, từ đó tạo ra sự biến dạng trên bề mặt tiếp xúc và tạo nên sự móc nối giữa các nguyên tử trên bề mặt này. Sự tham gia của các pha và tỷ trọng lệch tăng lên quá nhiều trong quá trình ép đã làm giảm tính dẻo của hỗn hợp bột và hạn chế quá trình liên kết giữa các hạt. Cho nên, cần phải giảm áp lực ép khi tạo hình đóng bánh hỗn hợp bột TiH2- 3,5Nb-3,5Zr.Quá trình ép bột được chia ra làm 3 giai đoạn cơ bản như sau:
57
- Giai đoạn 1: Là giai đoạn các hạt bột điền đầy các lỗ trống theo định luật trở kháng biến dạng nhỏ nhất . Trong giai đoạn này khi áp lực tăng thì tỷ trọng của mẫu cũng tăng gần như là tuyến tính [ 1 ].
- Giai đoạn 2: Là giai đoạn xảy ra quá trình biến dạng dẻo của các hạt bột kim loại [ 1 ]. Trong giai đoạn này lỗ trống gần như được điền đầy hoàn toàn , khi ta tăng áp lực ép vượt quá giới hạn đàn hồi của bột kim loại dẫn đến kim loại bị biến dạng dẻo . Kết quả là khi ta tăng lượng ép thì gần như tỉ trọng của mẫu bột không đổi
- Giai đoạn 3: Là giai đoạn bột kim loại bị phá hủy, kết quả là khi tăng áp lực ép thì tỷ trọng lệch của mẫu bột tăng nhanh [ 1 ].
Hình 3.10 Sự phụ thuộc của tỷ trọng vào áp lực ép 3.3 Công đoạn thiêu kết
3.3.1 Mục đích
Quá trình thiêu kết nhằm giúp liên kết giữa các cấu tử bột lại với nhau, sau khi thiêu kết ta đạt được cơ tính nhất định. Trong quá trình thiêu kết xảy ra hai quá trình, quá trình thứ nhất là TiH2bị phân rã ở khoảng 4000C đến 7800C và quá trình thứ hai là sự khuếch tán pha giữa các cấu tử bột với nhau trên biên giới hạt.
58
3.3.2 Chế độ thiêu kết
Chế độ thiêu kết được thể hiện trên sơ đồ (hình 3.11) và (bảng 3.1). Việc lựa chọn nhiệt độ thiêu kết dựa vào nhiệt độ của cấu tử bột có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn và dựa vào giản đồ pha 2 nguyên của các cấu tử trên. Nhiệt độ nóng chảy của 3 cấu tử lần lượt là: Ti = 16670C, Nb = 24670C và Zr = 18520C. Ta thấy nhiệt độ nóng chảy của Ti là nhỏ nhất trong 3 cấu tử nên ta lựa chọn nhiệt độ thiêu kết dựa theo nhiệt độ nóng chảy của Ti theo biểu thức.
TTK = (0,6 0,9)Tnc
Trong đó: TTK - nhiệt độ thiêu kết, 0C;
Tnc - nhiệt độ nóng chảy của Ti, 0C.
59
Hình 3.12 Giản đồ pha của Ti – Nb
60
Hình 3.14 Giản đồ pha của Ti-Zr
3.3.3 Thiết bị thiêu kết
Quá trình phân rã thiêu kết được thực hiện trên lò một ống SRJX-2-13 (hình 3.16). Nhiệt độ của lò được điều chỉnh bằng dòng điện thông qua bộ điều khiển số bằng điện tử. Môi trường thiêu kết của lò là môi trường chân không được tạo ra bởi bơm sơ cấp để giảm thiểu quá trình oxi hóa các cấu tử bột khi nhiệt độ tăng cao. Các thông số kỹ thuật của lò như sau:
- Kích thước buồng lò: Ø30 x 180, mm;
- Kích thước ngoại hình: 450 x 270 x 360, mm; - Khối lượng: 20 kg;
- Điện áp sử dụng: 220V, tần số 50 Hz; - Công suất: 2 kW;
61
Hình 3.15 Lò thiêu kết một ống SRJX-2-13 3.3.4 Quy trình thực nghiệm thiêu kết
- Bước 1: Mẫu hỗn hợp bột sau khi ép đóng bánh sơ bộ ở 3 chế độ áp lực ép thay đổi lần lượt là 150 MPa, 200 MPa và 250 MPa được đưa vào ống sứ chịu nhiệt của lò. Một đầu của ống sứ được bít kín hoàn toàn, đầu còn lại được đấu nối với bơm hút chân không để hạn chế tối đa môi trường oxi hóa trong lò. Bơm hút chân không được hoạt động liên tục trong suốt quá trình thiêu kết đến khi mẫu được làm nguội hẳn cùng lò. Môi trường chân không đạt được trong quá trình thiêu kết là 10 -2
Pa .
- Bước 2: Cài đặt nhiệt độ của lò theo chế độ thiêu kết cụ thể như sau: nâng nhiệt độ của lò lên 5000C trong vòng thời gian 2 giờ, khi lò đạt nhiệt thì giữ nhiệt độ tại 5000C trong 1 giờ để cho quá trình phân rã TiH2 được xảy ra hoàn toàn.
- Bước 3: Sau khi giữ nhiệt 1 giờ, ta tiếp tục nâng nhiệt độ thiêu kết lên theo 3 chế độ cụ thể đã chọn là:10500C, 11500C và 12500C và giữ nhiệt trong các khoảng thời gian theo từng chế độ cụ thể lần lượt là 2 giờ, 3 giờ và 4 giờ. Cuối cùng mẫu được làm nguội cùng lò. Các chế độ thiêu kết được thể hiện trên (bảng 3.1).
62 Bảng 3.1 Các chế độ công nghệ thiêu kết Mẫu thí nghiệm Nhiệt độ thiêu kết (T,0 C)
Thời gian thiêu kết (, h) Áp lực ép (P, MPa) 1 1050 2 150 2 1250 2 150 3 1050 4 150 4 1250 4 150 5 1050 2 250 6 1250 2 250 7 1050 4 250 8 1250 4 250 9 1150 3 200 10 1150 3 200 11 1150 3 200
Trong công trình nghiên cứu của luận văn này mục đích của tác giả chọn vật liệu ban đầu là bột kim loại TiH2 bởi vì có 2 yếu tố quan trọng như sau:
- Thứ nhất, qua tham khảo một số tài liệuđã được công bố nhiệt độ phân rã TiH2 dao động trong khoảng từ 4000C tới 7800C và nhiệt độ xảy ra quá trình phân rã TiH2 mãnh liệt nhất nằm trong khoảng 5000C tới 6000C [5], như vậy trong quá trình thiêu kết ở nhiệt độ khoảng 5000C và giữ nhiệt trong 1 giờ như đã chọn sẽ xảy ra quá trình phân rã TiH2 theo phương trình đã nêu ở điều 3.1.2 vì vậy bột Ti sẽ có diện tích bề mặt được hoạt hóa và xúc tác hơn tạo