Quá trình tạo thành lớp phun bằng phun kim loại t-ơng đối phức tạp. Trên cơ sở thực nghiệm ng-ời ta xác định rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt vật phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn.
Để hiểu đ-ợc sự hình thành lớp phun cần chú ý tới các hiện t-ợng xẩy ra khi va đập của các phần tử lên bề mặt ( vật liệu nền), cụ thể là hai vấn đề sau:
- Thứ nhất là động năng của các phần tử va đập lên bề mặt phun gây biến dạng rất nhanh và mạnh. Năng l-ợng này đ-ợc xác định bằng tốc độ của các phần tử và khối
l-ợng của chúng: Ek= 2
. 2 1
V
m . Bởi vậy, các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có động
năng khác nhau ( khi chúng có cùng một tốc độ ). Tốc độ bay của các phần tử là yếu tố chính để xác định sự biến dạng của các phần tử. Arnold đã tính toán tốc độ cần thiết
S t t C x mV .( ) 427 2 2 1 2 ( 3-1 ) ở đây g G
m ; khi G= 1g thì tốc độ cần thiết cho việc tan vỡ khi va đập là:
S t t C V 91. .( 2 1) (3-2) ở đây:
+ m: khối l-ợng của phần tử phun
+ V: tốc độ của các phần tử khi va đập, m/giây + c: tỷ nhiệt, calg-1 0C-1
+ t1: nhiệt độ của phần tử kim loại tại thời điểm va đập bề mặt chi tiết, 0C + t2: nhiệt độ chảy của các phần tử kim loại, 0C
+ s: ẩn nhiệt cal/g
- Thứ hai là khả năng biến dạng của các phần tử. Lớp oxit trên bề mặt các phần tử có ảnh h-ởng rất lớn đến tính chất này. Điều cần khẳng định là tại thời điểm va đập lớp oxit phải là lỏng. Nh- vậy, trong tr-ờng hợp này không thể giữ đ-ợc sự biến dạng của các phần tử và ng-ợc lại, ở các phần tử có lớp vỏ cứng; khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng lớp vỏ bọc này.
Khả năng biến dạng của phần tử thép với lớp màng mỏng oxit ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử tr-ớc nó không kết thúc ngay mà còn tiếp diễn do tác dụng của các phần tử sau, giống nh- tác dụng của quá trình rèn. Sự biến dạng của các phần tử xẩy ra rất nhanh. Bởi vậy, khi các phần tử sau va đập lên các phần tử tr-ớc thì các phần tử này còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, do đó giữa chúng dễ dàng xảy ra sự liên kết với nhau.
3.3. Các tính chất của lớp phun
Chất l-ợng và các tính chất của các lớp phun nhiệt chủ yếu đ-ợc xác định bởi kích th-ớc, nhiệt độ và tốc độ di chuyển giữa các giọt kim loại khi va chạm vật phun, và bởi mức độ oxy hoá của các giọt kim loại và bề mặt vật phun trong thời gian phun. Các yếu tố này rất khác nhau khi sử dụng các ph-ơng pháp và quy trình phun khác nhau.
Các lớp phun bằng kim loại và hợp kim tạo bởi quá trình phun nhiệt không còn giữ nguyên các thành phần hoá học ban đầu của chúng trừ khi ứng dụng các kỹ thuật đặc biệt. Các tính chất của lớp phun có thể thay đổi nhiều tuỳ thuộc vào ph-ơng pháp phun đ-ợc sử dụng. Khi phun plasma và phun hồ quang các nguyên tố có điểm nóng
chảy thấp bị bay hơi với khối l-ợng đáng kể, các giọt kim loại cũng bị oxy hoá khi di chuyển trong luồng không khí nén.
3.3.1. Cấu trúc của lớp phun
Lớp phun bằng kim loại có tính chất khác hẳn với vật liệu ban đầu ( hình 3.3 ). Đặc tr-ng cơ bản của cấu trúc này là những phiến kim loại với kích th-ớc từ 0,1 0,2 mm và dày 0,005 0,01 mm. Các phần tử này có độ biến dạng khác nhau và bị phân cách với nhau bằng một lớp oxit mỏng với chiều dày 0,001 mm.
Cấu trúc của lớp kim loại phun đặc tr-ng cho cấu trúc nguội lạnh đột ngột. ở
lớp thép cacbon ( có thành phần cacbon cao ) th-ờng có cấu trúc mactenxit cho đến cấu trúc bainit. Ngoài những phần tử nền này ra, trong lớp phun còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập lên vật liệu nền đã ở trạng thái rắn.
Sự nguội lạnh của các phần tử này xảy ra rất nhanh và bị tác động bởi tốc độ nguội lạnh rất lớn, nên trong cấu trúc ngoài dung dịch đặc Fe-C còn có dung dịch đặc của Fe-oxit. Do vậy, khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng những trung tâm lệch mạng ảnh h-ởng đến độ bám của lớp phun.
Trong lớp thép có hai loại oxit, một loại oxit đ-ợc hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại biến dạng. Loại thứ nhất làm xấu tính chất cơ học của lớp phun, loại thứ hai đóng vai trò liên kết các phần tử kim loại riêng biệt. Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phun phải kể đến một l-ợng khá lớn các lỗ xốp. Các lỗ xốp này sẽ cho lớp phun những tính chất tốt khi nó làm việc trong điều kiện bôi trơn. Hình 3.3 thể hiện cấu trúc kim t-ơng của một số lớp phun.
3.3.2. Độ bám của lớp phun
Trong lĩnh vực khoa học công nghệ phun nhiệt khí, vấn đề độ bám của lớp phun là một trong những yếu tố quan trọng nhất đ-ợc nhiều nhà khoa học trên thế giới ( Rukalin.N.N, Kast N.V, Kapek.A, Corttell.A.H.v.v...) nghiên cứu và đã đ-a ra các luận điểm về độ bám dính của lớp phun nh- sau:
1- Lực bám dính của các kim loại lỏng lên trên bề mặt các vật rắn
2- Lực bám dính Vandervan
3- Lực bám dính của kim loại với kim loại
4- Lực liện kết do tác động của sự co ngót
5- Lực liên kết do tác động của trạng thái bề mặt cơ sở ( lệch mạng, độ sạch, độ nhấp nhô v.v... )
6- Lực bám dính của vật liệu phun và vật liệu nền
7- Tác động của nhiệt độ bề mặt