1.7.1.Tính chất của lớp phủ
1.7.1.1Tính chất cơ học của lớp phun kim loại
Tính chất cơ học được đặc trưng bằng sức bền kéo, sức bền nén, sức bền uốn và mơđun đàn hồi.
Sức bền kéo của lớp phủ phụ thuộc vào sức bền liên kết của các phần tử kim loại và sức bền của bản thân các phần tử kim loại. Nĩi chung sức bền kéo của lớp phủ nhỏ hơn nhiều so với sức bền của kim loại đúc.
Trong bảng 1.27 cho biết giá trị độ bền kéo của các loại vật liệu lớp phủ. Bảng 1.27. Độ bền kéo của lớpphủ kim loại
Độ bền kéo của lớp phủ chịu nén, nĩi chung lớn hơn khoảng 4070% so với sức bền kéo. Sức bền chịu nén cũng phụ thuộc vào chế độ phun. Đối với lớp phủ là thép thì sức bền chịu nén trong khoảng từ 8001200N/mm2 , sức bền chịu nén của nhơm là 200 N/mm2, của kẽm là 130 N/mm2.
Độ cứng của lớp phủ bằng phun kim loại khác với tính chất của vật liệu ban đầu đến 75%đối với thép đơi khi cịn cao hơn nữa.
Độ cứng của một số lớp phủ được biểu thị trong bảng 1.28. Bảng 1.28. Độ cứng vật liệu ban đầu và lớp phủ
Sự tăng độ cứng là do tác dụng của dịng khí lạnh và của bề mặt nền nguội lạnh, do vậy các phần tử kim loại khi phun bị tác dụng như nhiệt luyện. Mặt khác khi va đập sinh biến dạng, biến cứng các phần tửvà lớp phủ. Nhưng phải nĩi rằng nguyên nhân chín h nang cao độ cứng của lớp phủ là do sự oxy hĩa kim loại phun, mặt khác phụ thuộc vào chất lượng của kim loại ban đầu. Ví dụ, với thành phần cacbon trong thép tăng thìđộ cứng của lớp phủ cũng tăng.
- Thép 20 40 10 -Độ cứng HB 187 229 286
Khi đo độ cứng của lớp phủ khơng thể dùng các thí nghiệm thơng thường để đo, như vậy khơng chính xác. Vì rằng lớp phủ kim loại bằng phun do cấu tạo bao gồmrất nhiều lỗ xốp, cĩ thể coi giống như cấu trúc của cacbit thiêu kết. Vì vậy phương pháp đo độ cứng của lớp phủ chính xác nhất là đo độ cứng tế vi của lớp. Ở đây từng phần tử kim loại phun của lớp phủ và phải đo ở trên nhiều vị trí khác nhau của lớp phủ (hình 1.57).
Hình 1.57. Đo độ cứng tế vi lớp phủ
1.7.1.2Tính chất chống mài mịn của lớp phun
Khả năng chống mài mịn của lớp phủ bằng phun kim loại phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái ma sát. Trong điều kiện ma sát khơ lớp phủ bằng phun kim loại cĩ độ mài mịn lớn hơn 2,5 lần so với độ mài mịn của thép cácbon trung bình. Bởi vì các phần tử kim loại phun cĩ đọ bám liên kết với nhau tương đối thấp cho nên chúng dễ bị trĩc ra. ở đây cĩ thể
nĩi rằng : trong điều kiện ma sát khơ thì tính chất chống mài ịn của lớp phủ tường tự như là gang xám.
Ngược lại nếu trong điều kiện ma sát ướt thì cácở trượt với lớp phủ bằng kim loại sẽ cĩ nhiều ưu điểm hơn kim loại đúc, tức là khả năng chống mài mịn của nĩ tốt hơn vì những lí do sau :
Các lỗ xốp cĩ trong lớp phủ kim loại được ngậm dầu đến 15% và tạo ra những túi đựng dầu nhỏ dự trữ cho các trường hợp màng dầu bị phá hủy.
Trong trường hợp đĩ dầu từ các lỗ nhỏ sẽ được khuếch tán và tạo ra các màng dầu và làm tốt hơn điều kiện ma sát của ổ.
Bằng các thí nghiệm chính xác, người ta đã cho biết những kết quả như sau: với kĩ thuật phun chính xác, tốt thì lớp phủ bằng đồng thanh cĩ thể hấp thụ đến 25% thể tích dầu được bơi trơn. Nhưng cần chú ý rằng nếu lớp phủ được gia cơng bằng phương pháp mài do các lỗ xốp bị đĩng kín hoặc các bụi chiếm chỗ, lượng dầu hấp thụ sẽ giảm đi.
Ví dụ : khi phun lớp phủ bằng thép cacbon, đem ngâm vào dầu sau 100 giờ sẽ hấp thụ 11,1% dầu, nhưng nếu đem gia cơng bằng mài thì chỉ cịn 5,4%. Thơng thường trước khi lớp phủ đem gia cơng cơ. Được đem ngâm vào bể dầu được sấy nĩng 80 1000
C sau thời gian từ 0,510 h để các lỗ xốp hấp thụ dầu.
Khi cácở trượt được phủ lớp kim loại làm việc trong điều kiện ma sát ướt, tải trọng làm việc cĩ thể tăng lên từ 34 lần (17,719,2 N/mm2 thay cho 4,55,2 N/mm2). Nhưng với các mối ghép làm việc trong điều kiện tải trọngva đập hoặc tốc độ vịng quá nhỏ mà tải trọng lại quá lớn thì lớp phủ bằng phun kim loại khơng cho phép chịu đựng.
Thực tế đã chứng minh rằng : độ mịn của lớp phủ kim loại bằng phun nhỏ rất nhiều. Điều này khơng những biểu hiện ở trên trục cĩ lớp phủ mà ngay cả ở với ổ khơng cĩ lớp phủ khi được lắp ghép với chúng cũng cĩ độ mịn rất nhỏ.
Bảng 1.29 cho biết các giá trị hệ số ma sát của các hợp kim ổ bi phun kim loại. Bảng 1.29. Hệ số ma sát của các ổ bi hợp kim phun kim loại
1.7.1.3Khả năng chống gỉ
Lớp phủ kim loại được sử dụng trong một phạm vi rộng rãiđể chống gỉ. Nĩ cĩ rất nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác, nhưng ở đây phải sử dụng chính xác bề mặt phủ kim loại trong các điều kiện cự thể. Bởi vì lớp phủ kim loại mang tính xốp cho nên
chiều dày lớp phủ được định bởi phương pháp sử dụng. Khi áp lực là 1atm, lớp phủ kim loại dễ dàng cho chất khí hoặc chất lỏng thẩm thấu qua chiều dày 0,3 mm (cho trường hợp lớp nhơm hoặc kẽm). Nhưng nếu chiều dày lớn hơn khả năng đĩ khơng thực hiện được.
Doảnh hưởng của tính chất điện hĩa qua lại của lớp phủ, của kim loại cơ sở và của mơi trường nên việc bảovệ lớp phủ xốp (lớp phủ bằng phun) khỏi sự oxit (sự gỉ) là cần phải chú ý. Vì sự nối mạch của hai kim loại dẫn điện bằng mơi trường điện phân sẽ làm xuất hiện vi pin và xảy ra quá trình gỉ điện hĩa.
Trong lớp phủ bằng phun kim loại , do cĩ các lỗ xốp cho nên khi tiếp xúc với mơi trường khơng khí ẩm, mơi trường lỏng…dễ dàng tạo ra mơi trường điện phân và sinh ra quá trình gỉ điện hĩa. Như trên đã giới thiệu về thực chất gỉ điện hĩa, khả năng chống gỉ điện hĩa của các kim loại phụ thuộc vào giá trị điện thế của chúng. Từ đĩ cho thấy các lớp phủ kim loại băng phun sau đây cĩ tính chống gỉ tốt.
Thơng thường trong lĩnh vực chống gỉ, chủ yếu là bảo vệ chống gỉ các kết cấu, chi tiết bằng thép, nên thường dùng nhơm và kẽm để bảo vệ thép. Lớp phủ nhơm hoặc kẽm, sẽ đĩng vai trị như những lớp bảo vệ anơt vàảnh hưởng của các lỗ xốp trong lớp phủ hầu như khơng bị ảnh hưởng và khả năng bảo vệ chống gỉ rất tốt.
Các lớp bảo vệ này rất thích hợp với sự tác dụng của mơi trường khí quyển, mơi trường nước biển, nước ngọt và mơi trường axit yếu.
Tuổi thọ của lớp khí bảo vệ chống gỉ của nhơm hoặc kém tỉ lệ với chiều dày và độ nhấp nhơ của chúng. Với lớp phủ bằng kẽm với chiều dày 0,057mm (tức là phủ khoảng 400g/m2) cĩ khả năng bảo vệ khỏi gỉ ít nhất là 5 năm. Nếu lớp phủ bằng phun kim loại lại được bảo vệ bằng sơn thì tuổi thọ của chúng lại được nâng cao thêm 1-2 năm.
Ngược lại lớp phủ kim loại bằng phun với độ xốp của nĩ khơng cĩ tác dụng chống gỉ khi mà lớp phủ đĩ đĩng vai trị cực dương đối với kim loại cần được bảo vệ (xem bản g 1.30).
Bảng 1.30. Các lớp phủ kim loại chống gỉ
Bảo vệ anơt Nhơm, kẽm, katmium, niken, đồng, chì
Bảo vệ catơt Bạc
1.7.1.4Khả năng chịu nhiệt
Để bảo vệ chống nhiệt cho các chi tiết bằng thép ít cacbon, thường người ta phủ lên trên một lớp phủ nhơm bằng phun kim loại. Với lớp phủ bằng nhơm khả năng chịu nhiệt của chi tiết cĩ thể đạt đến 9500C và thời gian chịu nhiệt cũng dài hơn.
Tính chất này cĩ được vì khi tạo ra lớp phủ nhơm bằng phun kim loại, một mặt các phần tử nhơm sẽ khuếch tán vào thép, mặt khác các phần tử nhơm trên bề mặt lại oxyt hĩa. Do vậy trên bề mặt thép cĩ một lớp bảo vệ nhơm bao gồm nhiều lớp. Lớp ngồi cũng là lớp
oxyt nhơm cĩ nhiệt độ chảy là 21000C- khả năng chịu nhiệt cao. Tuy nhiên lớp này liên kết rất yếu với bề mặt, bởi vậykhi nhiệt độ khoảng 8000C thì chúng dễ dàng bong khi cĩ sự biến dạng của kim loại.
Tiếp theo là lớp của hợp kim sắt và nhơm. Để nâng cao tuổi thọ của lớp phủ chịu nhiệt, thường người ta tiến hành ủ để cho cĩ sự liên kết khuếch tán giữa các lớp phủ với nhau và giữa lớp phủ với kim loại cơ bản, mặt khác cĩ thể nâng cao tuổi thọ của lớp phủ bằng lớp sơn tiếp theo.
Khả năng chịu nhiệt của lớp phủ phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của chi tiết phủ và thời gian làm việc. Trong điều kiện nhiệt độ cao, tuổi thọ của chi tiết thép cĩ lớp phủ bằng phun cao hơn khoảng 5÷20 lần so với chi tiết khơng cĩ lớp phủ.
1.7.2 Phương phápkiểm tra lớp phủ
Sau khi phun kim loại xong. Lớp kim loại phủ thường được kiểm tra chủ yếu về chiều dày lớp phủ, độ bám, chất lượng bề mặt lớp phủ, tính chất cơ học của lớp (như sức bền kéo, nén, độ cứng,…) Trong một số trường hợp cần thiết phải kiểm tra cả số lượng, độ lớn và dạng của các lỗ xốp.
Tất cả các giá trị này cĩ thể kiểm tra trên các mẫu và trong phịng thí nghiệm. 1.7.2.1 Đo chiều dày lớp phun phủ
Ở các chi tiết trịn xoay việc đo chiều dày lớp phủ tiến hành dễ dàng và chính xác bằng thước cặp
Đối với các lớp phủ khơng cĩ từ tính được phủ lên kim loại từ tính thì cĩ thể đo chiều dày của lớp phủ bằng phương pháp từ. Dụng cụ làm việc theo nguyên tắc đo gián tiếp bằng lực hút của vật mang từ. Lớp phủ Al, Zn,.v.v. Ở Việt Nam thường được đo bằng đầu đo ELCOMETER.
1.7.2.2 Kiểm tra độ bám lớp phủ
Trong thực tế cĩ hai phương pháp kiểm tra dộ bám lớp phủ với kim loại nền. a) Phương pháp kiểm tratheo mẫu
Mẫu thí nghiệm kéo thường làm bằng vật liệu C45 cĩ tiết diện 37 x 45 mm. Trong
mẫu cĩ lớp 8 9 chốt 50,01
(hình 1.58). Trên tồn bộ bề mặt mẫu và chốt được làm sần sùi bằng cơng nghệ phun phủ đã nĩi trên. Tiếp theo được làm sạch bằng dung dịch rửa như sau :
NaOH 20g/l Na2CO3 50g/l Na2SiO3 5g/l NaPO4 50g/l
Hình 1.58. Mẫu thử độ bền dính bám của lớp phủ 1-Đầu khoan lỗ kéoØ6; 2-Đầu gắn vào lớp phủ 3-Lớp phủ;4-Phần lớn lớp phủ bị kéo khỏi nền thép
Trong quá trình rửa phải tháo các chốt 5 để sửa bavia và rửa các chất bẩn
mặt chốt và cả trong lỗ chốt. Sau đĩ đem rửa tồn bộ bằng nước lã. Các nước phương Tây thường dùng 2 tiêu chuẩn sau:
ASTMC–633 "Stadard Test Method For Adhesion Or Cohesive Strength Of Flame – Sprayed Coatings". Phương pháp này được xác định bằng lực uốn cong mẫu tấm cho đến khi lớp phủ bị bong.
ASTM D. 4541 " Stadard Test Method For Pull– off Strength Of Coatings Using Portable Adhesion Testers".
Mẫu này chế tạo bằng thép cĩ kích thước như hình 1.58b.
Phương pháp này xác định lực kéo để phá hỏng lớp phủ thơng qua heo dính kim loại EPOXY (Sparko - USA).
Tùy theo vật liệu nền, vật liệu dây phun và đặc tính đầu phun mà lựa chọn chế độ phun thích hợp cho phun bề mặt phẳng (như đã giới thiệu ở trên).
Chiều dày lớp phun ảnh hưởng đến lực bám dính và chất lượng sản phẩm, vì vậy chọn chiều dày phủ thường chọn ở vùng II (hình 1.59) để đạt được độ bám dính cao nhất. Chiều dày lớp phủ thường từ 1 1,5 mm.
Sau khi phun xong, mẫu được gá lắp trên máy thí nghiệm kéo với lực kéo 500kg. Ứng suất bámkéo được tính theo cơng thức:
F P k (1.21) Trong đĩ P –lực kéo chốt (kg) F–tiết diện chốt (cm2)
Mẫu thí nghiệm độ bám trượt cĩ đường kính bề mặt đ ể phun phủ là 280,01
, bằng vật liệu C45
Mẫu được thực hiện phun phủ theo quy trình cơng nghệ tường ứng với yêu cầu để
đạt được kích thước sau khi phun 330,01
.
Mẫu được đặt trên máy thí nghiệm kéo và nén. Ứng suất bám trượt được tính theo cơng thức
F Pn (1.22) Pn : lực nén
F : diện tích tiết diện xung quanh, F = Dh
D : đường kính phần lớp phun , D = 28 mm h : chiều dài phần lớp phun, h = 13mm Kiểm tra cường độ chịu kéo của lớp phun.
Mẫu thử gồm hai ống hình trụ cĩ đường kính trong M26 và đường kính ngồi
300,01
- hình 1.60.
Hình 1.60. Mẫu thử kéo xác định chiều dài lớp phun
Haiống được nối trên một trục gá được giữ chặt hai đầu bằng mũ ốc để thực hiện phun theo quy định cơng nghệ yêu cầu đạt kích thước 350,01
. Sau đĩ tháo trục gá, lắp các chốt kéo và đưa lên máy thí nghiệm kéo nén thơng thường để xác định.
Độ bền của lớp phun được xác định theo cơng thức :
F P k (1.23) Trong đĩ : P –lực kéo đứt
4 ) (d12 do2 F (1.24) d1-đường kính ngồi lớp phun (mm) do – đường kính trong của mẫu phun (mm) Mấu đo độ bền nén của lớp phun.
Mẫu thí nghiệm đo độ bền nén lớp phun phủ được chế tạo bằng cách phun lên bề mặt của một lõi thép, sauđĩ gia cơng đến khi chỉ cịn lại lớp phun cĩ kích thước đường kính
trong 01 , 0 13 t
và đường kính ngoài 0,01
26
n
. Sau đĩ đưa lên máy kéo nén để thử. Lực
chịu nén ở đây làứng suất nén lớn nhất xuất hiện khi trên mẫu xuất hiện vết nứt đầu tiên. Gõ bằng búa
Gõ bằng búa để đánh giá độ bám chỉ tiến hành cho các lớp phủ bằng thép cĩ chiều dày khoảng 2 mm, độ bám đượ c đánh giá theo âm thanh khi gõ búa lên lớp phủ.
1.7.2.3Xác định độ xốp của lớp phun
Độ xốp là một trong những tính năng quan trọng nhất của lớp phủ. Đặc tính cấu trúc và độ ổn định của nĩ ảnh hưởng đến những tính chất sử dụng của lớp phủ như độ dẫn điện và nhiệt, độ thấm khí, điện trở… Ảnh hưởng của độ xốp tới độ bền kết cấu cĩ hai mặt. nếu chi tiết làm việc trong độ dơi, thì cấu trúc xốp cho phép thấm và giữ dầu bơi trơn và tăng khả năng chống mài mịn của thiết bị. Đối với lớp phủ bảo vệ thì cấu trúc xốp lại ảnh hưởng xấu vì khí và chất lỏng cĩ hại cĩ thể thấm qua các lỗ xốp hở vào kim loại nền và phá hủy nền.
Khi nghiên cứu cấu trúc xốp của lớp phun phủ người ta phân biệt mấy khái niệm sau: độ xốp tổng P, độ xốp hở Ph, độ xốp kín Pk và độ xốp tản mát Pt..
Thường thì người ta coi rằng : P = Ph + Pk (1.25)
Cịnđộ xốp tản mát xuất hiện khi độ hịa tan của khí vào lớp phủ giảm đi làm nguội chúng. Chúng ta đều biết rằng trong đa số các trường hợp phun phủ các hạt bột bị chảy ra, điều đĩ dẫn đến sự hịa tan mạnh của oxy, nitơ và các khí khác vào kim loại lỏng. Khi lớp phủ nguội và kết tinh thì khí sẽ thốt ra nhờ cơ chế khuếch tán. Nếu khí khĩ thốt hẳn ra ngồi thì sẽ động lại trong lớp phủ và tạo thành những lỗ xốp dạng cầu cực nhỏ. Những lỗ