5. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
5.1.2. Cấu trúc tế vi của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt
S ụng kính hiển vi quang họ Axiov rt 25 ủa h ng Z iss tại ph ng thí nghi m Kim loại họ , trƣờng Đại họ B h khoa Hà Nội ể hụp nh tổ hứ tế vi kim loại m i hàn và vùng AHN (Phụ lụ 2). Mẫu kiểm tra kim tƣơng ƣ huẩn ị th o ti u huẩn ASTM E3-95 [18]. Đ y là ơ sở ể ph n tí h tổ hứ , u trú kim loại ƣ hính x hơn. Độ phóng ại ủa nh hụp ể ph n tí h ƣ họn ở mứ 100, 200, 500 và 1000 l n. Với ộ phóng ại này, ó thể quan s t ƣ u trú , tổ hứ kim loại ủa m i hàn và vùng AHN, ộ s u ng u ủa m i hàn, khuyết tật trong m i hàn nhƣ nứt tế vi, rỗ khí, t h lớp, tró ,....Phƣơng ph p này n ƣ gọi là phƣơng ph p ph n tí h kim tƣơng họ .
Tuy nhi n, kính hiển vi quang họ (OM- Opti al Mi ros op ) với ộ phóng ại 1000 l n ũng ó thể hƣa ph t hi n ra vết nứt si u tế vi, tổ hứ pha ủa kim loại m i hàn. V vậy, t gi s ụng phƣơng ph p hiển vi i n t quét (SEM- Scanning Electron Mi ros op ), phổ i n t (EDS-Energy Disp rsiv Sp tros op ), nhiễu xạ tia X (XRD- X-Ray Diffra tion) ể ph n tí h thành ph n, u trú pha, tổ hứ kim loại m i hàn ƣ hính x hơn. T gi tiến hành ph n tí h SEM, EDS và XRD mẫu hàn ƣ hàn ằng ột h p kim Eutrloy 16606 và ột h p kim M ể ó sự so s nh, i hứng. C mẫu ph n tí h SEM, EDS và XRD ƣ ắt, t h ở vị trí kh nhau tr n mẫu hàn ằng
Ngô Hữu Mạnh 71 phƣơng ph p ắt y ể hạn hế sự nh hƣởng ến tổ hứ kim loại. Kí h thƣớ mẫu ƣ ắt là 15mm x 12mm x 8mm ( ài x rộng x ày). B o o kết qu ph n tí h thành ph n, u trú pha, tổ hứ kim loại m i hàn nhƣ Phụ lụ 4 ủa luận n.
B n ạnh ó, t gi tiến hành kiểm tra si u m (UT- Ultrasoni T st) i với mẫu hàn ƣ hàn ằng ột h p kim Eutroloy 16606 và h p kim ột M nhằm mụ í h ph t hi n khuyết tật nhƣ nứt trong m i hàn và vùng AHN ủa m i hàn. Qu tr nh kiểm tra UT ƣ thự hi n th o úng ti u huẩn/quy phạm ASME V Arti l 4. Kiểm tra UT ho mẫu hàn ƣ thự hi n tại Ph ng thí nghi m A. RICHARD-VR LAB. 30, Trung t m o lƣờng, kiểm ịnh và tƣ v n kỹ thuật, thiết ị - ĐKT, Vi n nghi n ứu Cơ khí (NARIME). Trong qu tr nh kiểm tra UT, không th y t n tại hay xu t hi n vết nứt ở khu vự m i hàn và vùng AHN. B o o kết qu kiểm tra UT nhƣ Phụ lụ 4 ủa luận n.
5.1.2.1. Cấu trúc tế vi kim loại mối hàn
Vật li u hàn ƣ s ụng ể hàn ắp l n nền thép C45 ằng qu tr nh hàn PTA là ột h p kim Eutroloy 16606 và hỗn h p h p kim ột M (với M=WC+Cr3C2+F ). Hai h p kim ột này ều ó hung một iểm là nền F .
Khi hàn hợp kim bột Eutroloy 16606: H p kim ột Eutroloy 16606 với thành ph n ơ n g m nguy n t h p kim là F , C, Cr, W, V, Mo. Khi hàn, nguy n t Crôm (Cr), Vônfram (W), Vana i (V) ó thể kết h p với C on (C) ể tạo ra C ít ủa húng nhƣ ít Crôm (CrxCy), ít Vonfram (WxC) và ít Vana i (VC) nhằm tăng ƣờng ộ ứng và kh năng hịu mài m n ho kim loại m i hàn. B n ạnh ó, sự ó m t ủa nguy n t Moly n (Mo) sẽ giúp kim loại m i hàn ó kh năng làm vi trong môi trƣờng nhi t ộ ao hơn. Kim loại m i hàn không ị thay ổi ơ tính ởi nhi t sinh ra o ma s t khi làm vi . Hàm lƣ ng Sắt (F ) là thành ph n lớn nh t trong h p kim ột Eutroloy 16606. Nó sẽ hạn hế ộ gi n và tăng ộ ẻo và kh năng li n kết giữa pha. Ngoài ra, F n ó thể kết h p với Cr và C ể tạo ra hỗn h p (Cr, F )xCy mà iển h nh nh t là (Cr, F )7C3 ó ộ ứng ao và kh năng hịu mài m n t t.
H nh 5.6. C u trú kim loại m i hàn khi hàn ột h p kim Eutroloy 16606 (OM, x500) Ph n tí h nh hụp u trú ằng kính hiển vi quang họ (OM) tr n H nh 5.6 cho th y, kim loại m i hàn ó u trú hạt mịn và ạng s i. Trong kim loại m i hàn ó sự xu t hi n c ít Crôm ạng s i. Không th y sự t n tại ủa khuyết tật nhƣ nứt, rỗ khí, x p, t h lớp trong kim loại m i hàn.
Kim loại m i hàn ƣ ph n tí h ằng kỹ thuật XRD (X-Ray Diffra tion) tr n thiết ị D5005 ủa h ng Si m ns tại Khoa Vật l , trƣờng Đại họ Khoa họ Tự nhi n, Đại họ Qu gia Hà Nội (Phụ lụ 2). Kết qu ph n tí h ho th y ó sự xu t hi n ủa li n kim F - Cr hiếm tỉ l kho ng 50% và pha Aust nit γFe-C với tỉ l 10.91% trong vùng kim loại m i hàn. Li n kim F -Cr r t rễ kết h p với C ể tạo thành hỗn h p F -Cr-C làm tăng ng kể ộ ứng và kh năng hịu mài m n ủa kim loại m i hàn.
Ngô Hữu Mạnh 72 H nh 5.7. Ph n tí h thành ph n và tổ hứ pha trong vùng kim loại m i hàn ằng XRD
Để ph n tí h hàm lƣ ng ít Crôm trong vùng kim loại m i hàn, t gi tiến hành làm sạ h ề m t, mài, nh óng và tẩm thự màu ho mẫu hàn. Dung ị h tẩm thự màu ƣ pha với tỉ l 100mlH2O + 2mlHCl + 2gKOH. Qu tr nh tẩm thự và kiểm tra tại Ph ng thí nghi m Kim loại họ , trƣờng Đại họ B h khoa Hà Nội. Mụ í h ủa tẩm thự màu nhằm hiển thị thành ph n th o y u u. Cụ thể trong trƣờng h p này, t gi n ph n tí h hàm lƣ ng ít Crôm. Tiến hành ph n tí h h nh nh kết h p s ụng ph n mềm Image-Pro-Plus ể x ịnh hàm lƣ ng Crôm ít tại vị trí kh nhau trong kim loại m i hàn. Kết qu sau khi ph n tí h tại từng vị trí sẽ ƣ so s nh với nhau ể nh gi , x ịnh hàm lƣ ng ít Crôm trung nh ó trong kim loại m i hàn.
Tại vị trí s 1 tr n vùng kim loại m i hàn, kết qu ph n tí h ho th y, ít Crôm hiển thị màu và ó u trú hạt và ạng s i. Màu xanh là màu ủa nền Sắt (F ) và thành ph n kh . Tổng i n tí h ƣ quét tr n vùng m i hàn tại vị trí này là 34825.98µm2, trong ó i n tí h hiếm hỗ ủa ít Crôm là 1178.55µm2, hiếm tỉ l 3.38%. Di n tí h và hàm lƣ ng ủa ít Crôm nh hơn r t nhiều so với ủa nền F và thành ph n kh .
H nh 5.8. Hàm lƣ ng ít Crôm trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 1 Tại vị s 2 tr n vùng kim loại m i hàn, kết qu ph n tí h ho th y với tổng i n tí h quét là 34825.98µm2, tổng i n tí h ủa ít Crôm là 1078.56µm2
hiếm tỉ l kho ng 3.1%.
Ngô Hữu Mạnh 73 H nh 5.9. Hàm lƣ ng ít Crôm trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 2 B ng 5.1. Kết qu ph n tí h hàm lƣ ng ít Crôm trong kim loại m i hàn khi hàn PTA ằng ột h p kim Eutroloy 16606
Nội ung Vị trí s 1 Vị trí s 2 Trung b nh
Tổng i n tí h quét ủa kim loại m i hàn (µm2
) 34825.98 34825.98 34825.98
Tổng i n tí h ủa ít Crôm (µm2
) 1178.55 1078.56 1128.56
Tỉ l (%) 3.38 3.1 3.24
Nhƣ vậy, hàm lƣ ng ít Crôm trong kim loại m i hàn là không lớn. Với ùng một i n tí h quét ể ph n tí h hàm lƣ ng ít Crôm trong kim loại m i hàn tại hai vị trí kh nhau, nhƣng ều ho kết qu là i n tí h và tỉ l ph n trăm ủa ít Crôm trong m i hàn là g n tƣơng ƣơng nhau. Điều này hứng minh rằng, ít Crôm ó mật ộ không lớn và ƣ ph n tƣơng i ổn ịnh trong vùng kim loại m i hàn. Hàm lƣ ng ít Crôm trung nh hiếm tỉ l 3.24%
Tiếp tụ s ụng kỹ thuật SEM và EDS ể ph n tí h u trú , thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim ở vị trí kh nhau tr n m i hàn (Phụ lụ 2). Tiến hành kiểm tra vị trí s 1 (Sp trum 1) nằm tr n pha ứng và vị trí thứ 2 (Sp trum 2) nằm giữa pha ứng.
H nh 5.10. Vị trí kiểm tra tr n m i hàn khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 (SEM, x2500)
H nh 5.11. Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tại iểm kiểm tra s 1 nằm tr n pha ứng khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 ƣ ph n tí h ằng EDS
Ngô Hữu Mạnh 74 Tại vị trí kiểm tra s 1 (Sp trum 1) nằm tr n pha ứng, ó sự xu t hi n nguy n t h p kim nhƣ Cr, W, V, Mo, F , C. Hàm lƣ ng nguy n t h p kim ó sự thay ổi rõ r t. Cụ thể W=34.2%, Mo=27.8%, V=11.6%, C=6.7%, Cr=5.1%, F =14.6%. Trong ó, hàm lƣ ng nguy n t W, V, Mo và C tăng l n r t ao so với hàm lƣ ng ủa húng trong h p kim ột Eutroloy 16606. C nguy n t h p kim ứng nhƣ Cr, W, V kết h p với C ể tạo ra ít tƣơng ứng ủa nó. Sự ó m t ủa ít này sẽ làm tăng ng kể ộ ứng và kh năng hịu mài m n ho kim loại m i hàn. B n ạnh ó, sự xu t hi n ủa nguy n t Mo với hàm lƣ ng lớn sẽ làm tăng kh năng hịu nhi t ho kim loại m i hàn khi làm vi trong iều ki n hịu ma s t. Tuy nhi n, hàm lƣ ng nguy n t F lại ị suy gi m kh mạnh so với hàm lƣ ng F trong h p kim ột Eutroloy 16606. Sự sụt gi m mạnh hàm lƣ ng F tại vị trí này sẽ làm gi m ng kể ộ ẻo ủa kim loại m i hàn.
H nh 5.12. Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tại iểm kiểm tra s 2 nằm giữa pha ứng khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 ƣ ph n tí h ằng EDS
Tại vị trí kiểm tra s 2 (Sp trum 2) nằm giữa pha ứng, ó sự xu t hi n ủa nguy n t h p kim nhƣ Cr, W, V, Mo, F , C. Hàm lƣ ng nguy n t h p kim ở vị trí này l n lƣ t nhƣ sau Cr=3.4%, W=4.6%, V=1.5%, C=2.4%, F =84.9%, Mo=3.2%. Có thể th y rằng, hàm lƣ ng nguy n t h p kim ở vị trí này ó sự thay ổi kh nhiều so với vị trí kiểm tra s 1. Điều ng hú nh t ó là sự suy gi m kh mạnh về hàm lƣ ng ủa nguy n t h p kim ứng nhƣ Cr, W, V. V vậy, ít ứng o những nguy n t này tạo ra ũng ị suy gi m th o. B n ạnh ó, hàm lƣ ng nguy n t Mo ũng ị gi m i ng kể. Điều này sẽ làm gi m kh năng hịu nhi t khi làm vi ủa kim loại m i hàn trong iều ki n hịu ma s t khô. Tuy nhi n, hàm lƣ ng nguy n t F lại tăng l n kh mạnh. Sự gia tăng hàm lƣ ng F tại iểm này sẽ làm tăng ộ ẻo và sự li n kết giữa pha ứng trong kim loại m i hàn.
Nhƣ vậy, trong kim loại m i hàn ó sự x n kẽ giữa pha. B n ạnh pha ứng là pha mềm hơn. Sự li n kết giữa pha này sẽ giúp ho kim loại m i hàn vừa ó ộ ứng n thiết ể làm vi , nhƣng vẫn uy tr ƣ ộ ẻo ể hạn hế hi n tƣ ng nứt, v m nh o sự va hạm khi làm vi . Một iều ng hú nữa là không th y ó sự xu t hi n ủa nguy n t nhƣ Mangan (Mn) và Sili (Si) trong kim loại m i hàn. Hai nguy n t Mn và Si hỉ ó trong thép nền C45. Chúng không ị h a tan vào m i hàn.
Khi hàn hợp kim bột M10: H p kim ột M10 với thành ph n ơ n g m WC, Cr3C2 và F với hàm lƣ ng 8%Cr3C2+8%WC+84%Fe. Khi hàn, ít Cr3C2 và WC sẽ nóng h y và h a tan vào kim loại m i hàn. Sự ó m t ủa hai loại ít này sẽ làm tăng ƣờng ộ ứng và kh năng hịu mài m n ho kim loại m i hàn. V F ƣ họn làm nền n n hàm lƣ ng F là thành ph n lớn nh t trong h p kim ột M10. Nó sẽ tăng ƣờng ộ ẻo và kh năng li n kết giữa pha. Ngoài ra, F ó thể kết h p với Cr và C ể tạo ra hỗn h p (Cr, F )xCy mà iển h nh là (Cr, F )7C3 ó ộ ứng ao và kh năng hịu mài m n t t.
Ngô Hữu Mạnh 75 H nh 5.13. C u trú kim loại m i hàn khi hàn h p kim ột M10 (OM, x1000)
Ph n tí h tổ hứ kim loại m i hàn tr n h nh th y rằng, kim loại m i hàn khi hàn PTA ằng h p kim ột M10 ó tổ hứ tƣơng i ổn ịnh. Trong kim loại m i hàn không ó sự t n tại khuyết tật nhƣ nứt, rỗ khí, x p, t h lớp. C u trú kim loại m i hàn g m ó pha ứng là C ít và M t nsít. C pha ứng là ít Crôm và ít Vônfram nằm x n kẽ nhau. C ít Crôm ó ạng s i. Đ y là yếu t ơ n làm tăng ƣờng ộ ứng và kh năng hịu mài m n ho kim loại m i hàn.
Cũng tại vị trí kiểm tra này, ít Vônfram ƣ ph n hƣa ều tại vùng trong m i hàn. C ít Vonfram tập trung nhiều hơn ở g n h n m i hàn và vùng tiếp gi p với kim loại nền. Ở một s vị trí, WC vẫn n t n tại ở ạng hạt mà hƣa ị nóng h y và h a tan vào kim loại m i hàn. Kí h hạt WC ũng kh nhau. Nguy n nh n ơ n ủa v n ề này là o WC ó nhi t ộ nóng h y ao và kh i lƣ ng ri ng lớn n n trong qu tr nh hàn PTA, WC i qua ột h quang plasma nhƣng một s hạt WC không ị nóng h y. Khi i vào vũng hàn, hạt WC này vẫn t n tại ở trạng th i rắn. Ở trạng th i l ng, kim loại vũng hàn huyển ộng i lƣu li n tụ , hạt WC sẽ ị h huyển xu ng phía ƣới o ó kh i lƣ ng ri ng lớn hơn thành ph n kh . Khi hịu mài m n, sự xu t hi n pha ứng nhƣ WC là r t n thiết. V nó sẽ làm tăng ƣờng kh năng hịu mài m n ho kim loại m i hàn. Tuy nhi n, nếu mật ộ hạt WC tập trung lớn ở một vùng sẽ làm gi m sự li n kết và kh năng hịu va ập ủa kim loại m i hàn. Nhƣ vậy, sự t n tại ủa WC trong kim loại m i hàn ở ạng hạt ứng sẽ ó l i khi hi tiết làm vi trong iều ki n hịu mài m n, nhƣng không ó l i khi làm vi trong iều ki n hịu va ập.
Ở những vị trí ó hàm lƣ ng ít Vônfram lớn th ộ ứng và kh năng hịu mài m n sẽ ao hơn. C n tại vị trí ó mật ộ và hàm lƣ ng WC th p th ộ ứng và kh năng hịu mài m n ủa kim loại m i hàn sẽ ị gi m xu ng. Kh năng hịu mài m n suy gi m ẫn ến t ộ m n ủa kim loại m i hàn tại vị trí này sẽ tăng l n. Đ y là yếu t t l i và làm gi m hi u qu làm vi ủa hi tiết. V vậy, hàm lƣ ng và sự ph n ít ứng trong kim loại m i hàn, i t là ít Crôm và ít Vônfram là r t quan trọng. C ít này tập trung nhiều với mật ộ lớn ở g n ề m t ủa m i hàn là t t nh t. Khi ó, ộ ứng và kh năng hịu mài m n ủa lớp kim loại tr n ề m i hàn tăng l n ao hơn. Điều này sẽ làm tăng hi u qu s n xu t làm vi ho hi tiết.
Ngô Hữu Mạnh 76 Thành ph n và tổ hứ pha trong kim loại m i hàn khi hàn PTA với h p kim ột M10 ƣ ph n tí h ằng kỹ thuật XRD tr n thiết ị D5005 ủa h ng Si m ns tại Khoa Vật l , trƣờng Đại họ Khoa họ Tự nhi n, Đại họ Qu gia Hà Nội (Phụ lụ 2). Kết qu ph n tí h ho th y ó sự xu t hi n ủa hỗn h p F -Cr-C với tỉ l 23.67% và pha Aust nit