Ở nước ta từ những năm thập kỷ 60-80 mới bắt ủầu cỏc nghiờn cứu về cụng nghệ LKB, nhưng chưa thành hệ thống và qui mụ nhỏ. Cỏc sản phẩm ủược nghiờn cứu ứng dụng chủ yếu là: hợp kim cứng, vật liệu từ, bạc ủồng và bạc sắt xốp, cỏc loại tiếp ủiểm giả hợp kim, chổi than, sộcmăng từ bột, vật liệu vụ ủịnh hỡnh, vật liệu tổ hợp (compozit), vật liệu dựng cho hàn và phun phủ bề mặt ... Cỏc chi tiết mỏy cú
ủộ chớnh xỏc và chất lượng cao, cú profin phức tạp, chịu tải trọng làm việc cao bằng thộp chưa ủược ủầu tư nghiờn cứu ỏp dụng .
1.5.2. đỏnh giỏ năng lực thiết bị luyện kim bột của Việt Nam hiện nay:
+ Lạc hậu so với thế giới và thiếu ủồng bộ;
+ Thiếu qui trỡnh nghiờn cứu - chế thử cỏc sản phẩm cụng nghệ cao;
+ Thao tỏc cụng nghệ cũn thủ cụng, chưa ủược cơ giới hoỏ và tựủộng hoỏ; + Khả năng chế tạo khuụn mẫu thấp kộm, khụng ủảm bảo ủược ủộ chớnh xỏc cần thiết, ủặc biệt là khuụn ộp núng KLB;
+ Chưa cú chớnh sỏch ủầu tư cho cụng tỏc nghiờn cứu- triển khai ủỳng mức; + Chưa cú phũng thớ nghiệm trọng ủiểm cấp Quốc gia (khu vực) về LKB.
1.5.3. Sự khởi ủầu mới ỏp dụng cho chi tiết mỏy từ bột sắt thộp:
+ đề tài nghiờn cứu khoa học cấp Nhà nước giai ủoạn 1997 - 2000 thuộc Chương trỡnh trọng ủiểm (cụng nghệ chế tạo mỏy) mó số KHCN 05.06 cú chuyờn
ủề cụng nghệ KLB ủược phờ duyệt và triển khai thực hiện;
+ Thử nghiệm mụ hỡnh mới về tổ chức thực hiện NCKH trờn qui mụ một Viện nghiờn cứu ủầu ngành về Cơ khớ (Viện NC Cơ khớ) phối hợp với nhiều cơ quan thuộc cỏc Bộ, ngành, giữa nghiờn cứu và ủào tạo (Viện Cụng nghệ - Bộ Quốc phũng; đại học Bỏch khoa Hà Nội - Bộ Giỏo dục và đào tạo);
+ Cú sự kết hợp năng lực hiện cú về con người và thiết bị trong nước, khai thỏc khả năng hợp tỏc quốc tế về KHCN cao ủể nghiờn cứu - phỏt triển, sỏng tạo khoa học (Thuỵđiển; Trung quốc; CHLB đức; cỏc nước SNG...);.
+ Bước ủầu ủó cú nghiờn cứu ỏp dụng cụng nghệ LKB ủể chế tạo một số sản phẩm cơ khớ ủũi hỏi mức chất lượng cao, cú hỡnh dỏng hỡnh học và kết cấu phức
tạp từ bột sắt thộp hợp kim hoỏ như: bỏnh răng mỏy cụng cụ mụủun m = 2 (theo thiết kế)
1.5.4. Một số kết quả ủiển hỡnh tại Viện Nghiờn cứu Cơ khớ Ờ Bộ Cụng Thương:
+ Kết quả khoa học mới của chuyờn ủề cụng nghệ ộp - thiờu kết KLB chế tạo bỏnh răng mỏy tiện T618/619 ủược trỡnh bày trờn hỡnh 1.5. Kết quả giỏm ủịnh chất lượng bỏnh răng LKB tại Cụng ty Cơ khớ Hà Nội cho trong bảng 1.10 (Bỏo cỏo Khoa học đề tài KHCN 05.06):
Bảng 1.10. Kết quả giỏm ủịnh chất lượng bỏnh răng mụ ủun m = 2, Z=28 từ KLB [[[[14]]]]
Kớch thước bản vẽ Kớch thước thực tế đỏnh giỏ CLSP Ghi chỳ
∅59,1 h11 ∅ 59,0 đạt yờu cầu kỹ thuật Dung sai -0,19
∅30,0 H7 ∅30,005 đạt yờu cầu kỹ thuật Dung sai +0.021 KT: 10,5 10,52 đạt yờu cầu kỹ thuật
L = 21,44 21,41-21,45 Trong sai số cho phộp đạt YCKT KT: 32,6 H12 32,7 đạt yờu cầu kỹ thuật
KT: 5,9 H8 5,9-5,98 đạt yờu cầu kỹ thuật
độủảo Eo 0,06 đạt yờu cầu kỹ thuật
độ cứng thõn răng 40-42 HRC đạt yờu cầu kỹ thuật
Lực phỏ huỷ va ủập 1200 -1240 KG đạt yờu cầu kỹ thuật Khụng góy răng Kết luận - Kắch th−ớc hình học các bánh răng sau ép tinh đạt;
- Răng chịu tải va đập tốt;
a) b)
Hỡnh 1.5. Bỏnh răng mỏy tiện T618/T619 (a) và tay biờn ủộng cơ xe mỏy C100 (b) chế tạo bằng cụng nghệ LKB đề tài cấp Nhà nước mó số KHCN 05.06) [24].
a) b)
Hỡnh 1.6. Bạc trượt từ bột sắt trong cụng nghiệp (a) và từ hỗn hợp bột ủồng + hạt sắt (b) chế tạo bằng cụng nghệ LKB tại Viện Nghiờn cứu Cơ khớ [25].
- Nhận xột: Cỏc sản phẩm luyện kim bột do nhúm nghiờn cứu ủề tài KHCN 05.06 thực hiện tại Viện Nghiờn cứu Cơ khớ (từ bột sắt, thộp, bột ủồng + cốt hạt sắtẦ) là một trong những nhúm sản phẩm mới ủược thử nghiệm trờn quy mụ phũng thớ nghiệm. Nguyờn liệu chủ yếu dung trong cỏc nghiờn cứu này là nhập của cỏc hóng sản xuất bột kim loại ở Ucraina và Thụy điển. Một vài nghiờn cứu cú sử dụng bột kim loại do Việt Nam tự sản xuất nhưng chất lượng khụng ổn ủịnh. đặc biệt là
vật liệu bột thộp chịu mũn cao cú thành phần hạt cứng W, TiC thỡ chưa cú nghiờn cứu cơ bản nào ở nước ta thực hiện trong thời gian qua.
1.6. Kết luận Chương 1:
Trong phần này, tỏc giả Luận văn ủó trỡnh bày khỏi quỏt ủược những nội dung chớnh sau ủõy:
1) Sơ lược về lịch sử hỡnh thành và phỏt triển của ngành luyện kim bột trờn thế
giới, những ưu nhược ủiểm của cụng nghệ, nguyờn lý cơ bản của luyện kim bột truyền thống (ộp tạo hỡnh và thiờu kết vật ộp sau ủú). Hướng cụng nghệ luyện kim bột truyền thống này ủược tỏc giảủịnh hướng lựa chọn ủể nghiờn cứu làm Luận văn, do vỡ ủiều kiện thực tiễn ở trong nước hiện nay ủó cú những trang thiết bị thớ nghiệm cần thiết;
2) Khỏi quỏt tỡnh hỡnh sản xuất, cung ứng bột kim loại và cỏc sản phẩm luyện kim bột tại một số khu vực ủiển hỡnh trờn thế giới theo cỏc số liệu cập nhật ủược ở
nước ta trong những năm gần ủõy. Từ ủú rỳt ra ủược ủộng học quỏ trỡnh phỏt triển ngành luyện kim bột núi chung trờn thế giới và dự bỏo tiềm năng phỏt triển của nú trong quỏ trỡnh Cụng nghiệp húa, Hiện ủại húa ủất nước của Việt Nam;
3) Phõn tớch ủỏnh giỏ cỏc kết quả nghiờn cứu ỏp dụng thử cụng nghệ luyện kim bột của nhúm nghiờn cứu tại Viện nghiờn cứu Cơ khớ (Bộ Cụng Thương) gần ủõy làm cơ sở khoa học cho việc lựa chọn ủối tượng nghiờn cứu của ủề tài Luận văn. Việc nghiờn cứu ỏp dụng cụng nghệ luyện kim bột ủể chế tạo một số chi tiết mỏy chịu tải trọng va ủập cao như tay biờn ủộng cơ mụ tụ là một vấn ủề hết sức mới mẻ ở Việt Nam. Nhúm nghiờn cứu trong ủú cú sự tham gia của tỏc giả luận văn này, hiện ủang thực hiện nhiều ủề tài nghiờn cứu khoa học trong lĩnh vực ứng dụng cỏc chi tiết mỏy chịu mũn bằng cụng nghệ luyện kim bột dưới sự lónh ủạo của PGS.TS Hà Minh Hựng ủó cú kết quả rất khả quan. Vỡ thế, tụi chọn ủề tài nghiờn cứu làm luận văn ỘNghiờn cứu tớnh chất vật liệu bột sắt cú hạt cứng cỏc bớt titan sau thiờu kếtỢ là cú tớnh cấp thiết và tớnh mới về khoa học ở Việt Nam hiện nay.
Chương 2
NGHIấN CỨU Lắ THUYẾT ẫP TẠO HèNH CHI TIẾT KIM LOẠI BỘT TRONG KHUễN KÍN
2.1. Các quá trình xẩy ra khi ép tạo hình bột kim loại
Mục đắch chắnh của quá trình tạo hình bột kim loại là biến dạng tạo hình các hạt bột rời rạc thành bán sản phẩm, có một độ bền đủ đảm bảo giữ vững hình dạng trong thời gian vận chuyển và thiêu kết hoặc sản phẩm có kắch th−ớc và hình dạng nhất định. Có nhiều ph−ơng pháp ép bột kim loại để tạo hình chi tiết. Tuỳ theo yêu cầu về hình dạng, kắch th−ớc và các yêu cầu khác về cơ - lý tắnh của sản phẩm mà chúng ta lựa chọn ph−ơng pháp tạo hình thắch hợp. Ph−ơng pháp biến dạng tạo hình đ−ợc sử dụng nhiều nhất và thắch hợp với chi tiết nhỏ, hình dạng đơn giản là ph−ơng pháp ép một chiều hoặc ép hai chiều, nh−ng đơn giản và hiệu quả nhất là ép nguội một chiều trong khuôn kắn kim loại rồi đem đi thiêu kết (hình 2.1). Trong tr−ờng hợp này dễ thiết kế và chế tạo khuôn ép, thiết bị ép cũng đơn giản, tuy nhiên, chất l−ợng vật ép từ bột không cao vì mật độ chi tiết đạt đ−ợc khi ép một chiều t−ơng đối thấp và không đồng đều so với lý thuyết, cũng nh− so với các ph−ơng pháp ép tiên tiến khác. Nh−ợc điểm cơ bản của ph−ơng pháp ép một chiều bột kim loại là chi tiết ép có hạn chế về kắch th−ớc và hình dạng.
Trên hình 2.2 là mô hình ép vật liệu xốp nh− bột kim loại trong khuôn kắn thông qua các đĩa cao su tròn với thể tắch khoảng trống tới 60 ữ 70 % thể tắch lòng khuôn ép của Zerling [25], còn trên hình 2.3 Ờ biểu diễn ba giai đoạn khác nhau trong quá trình ép làm chặt vật liệu xốp. Trên hình 2.4 là đồ thị lý thuyết về sự biến đổi của mật độ vật ép trong quá tình ép ở ba giai đoạn nh− mô hình nói trên.
Theo quan điểm lý thuyết của một số nhà nghiên cứu khác trên thế giới trong các công trình [2, 3, 5, 6] thì nguyên lý cơ bản và mô hình biến dạng khi ép bột kim loại một chiều để tạo hình sản phẩm chi tiết máy luyện kim bột cho trên hình 2.1 ữ
2.4 Bản chất của quá trình ép trong khuôn kim loại là bột kim loại bị nén ép, thể tắch vật thể bột kim loại ban đầu sẽ giảm đi một cách đáng kể. Sự thay đổi hình dạng ban đầu của vật thể bột đó khác với sự biến đổi hình dạng vật thể đặc trong quá trình
biến dạng dẻo, thể tắch của nó không biến đổi trong quá trình ép. Thể tắch vật thể bột kim loại trong quá trình ép bị biến đổi do sự chuyển dịch của các phần tử bột tới các khoảng trống và do biến dạng của chúng.
a) b)
Hình 2.1. Nguyên lý khuôn ép bột kim loại: 1- Chày ép trên;
2- Khuôn ép; 3- Bột ép; 4- Chày d−ới (đế khuôn)
Hình 2.2. Mô hình ép bột kim loại của Zerling:
a) Ờ Trạng thái đổ bột tự do; b) Ờ bắt đầu lèn chặt các lỗ hổng
a) b) c)
Hình 2.3. Mô hình các giai đoạn 1, 2, 3 kế tiếp nhau khi ép bột kim loại dẻo trong khuôn kắn
Quỏ trỡnh biến dạng tạo hỡnh bột kim loại tiến hành theo 3 giai ủoạn như ủược mụ tả rất rừ trờn hỡnh 2.4:
Giai ủoạn 1: D−ới tác dụng của ngoại lực, các hạt kim loại chuyển động tự do, lấn chiếm dần các khoảng không gian trống theo quy luật trở kháng biến dạng nhỏ nhất, sau đó đ−ợc sắp xếp lại và lèn chặt, mật độ kim loại đạt đ−ợc giá trị cực đại khi áp lực ép t−ơng đối lớn (hình 2.4 a). Mối quan hệ giữa mật độ kim loại và lực ép hầu nh− mang tắnh tuyến tắnh.
Hỡnh 2.4. đường cong lý tưởng lốn chặt của bột kim loại (sự phụ thuộc của mật ủộ vật ộp vào ỏp lực nộn ộp): a) - Giai ủoạn 1: bột kim loại ủiền ủầy vào cỏc lỗ hổng lớn; b) - Giai
ủoạn 2: quỏ trỡnh ộp ổn ủịnh khi bắt ủầu cú biến dạng dẻo cỏc hạt bột kim loại; c) Ờ Giai
ủoạn 3: ỏp lực ộp lớn hơn giới hạn bền và bắt ủầu phỏ huỷ mẫu ộp
Từủồ thị trờn hỡnh 2.5a ta dễ nhận thấy hiện tượng lốn chặt tớch cực sẽ xảy ra
ở giai ủoạn ủầu tiờn của quỏ trỡnh, khi mà cỏc hạt ủược sắp xếp lại ủú trong khụng gian vật chất của vật thể là liờn tục. Cỏc hạt kim loại nằm trong trạng thỏi tương ủối thuận lợi hơn sẽ chuyển dịch tới cỏc hốc khớ gần mỡnh nhất mà khụng xảy ra hiện tượng ma sỏt trờn bề mặt tiếp xỳc của chỳng. Sự chuyển dịch của cỏc hạt kim loại cú trạng thỏi tương ủối ớt thuận lợi hơn sẽ bị hóm lại do lực ma sỏt tồn tại trờn bề mặt tiếp xỳc cỏc hạt và trờn bề mặt tiếp xỳc với thành khuụn. Khi kết thỳc giai ủoạn 1, vật thể ộp cú mật ủộ cực ủại. Hiện tượng lốn chặt trong giai ủoạn 1 cú liờn quan trực tiếp ủến sự phỏ huỷ mối liờn kết giữa cỏc hạt kim loại bột và hoàn toàn do sự chuyển dịch tự do của cỏc hạt kim loại.
Giai ủoạn 2: Sau khi bột kim loại ủiền ủầy cỏc hốc khớ, quỏ trỡnh biến dạng dẻo bắt ủầu xảy ra (hỡnh 2.5b). Ban ủầu quỏ trỡnh biến dạng dẻo giới hạn trờn vựng tiếp xỳc giữa cỏc hạt kim loại bột, sau ủú thẩm thấu sõu vào cỏc hạt. Trạng thỏi bề
mặt bột kim loại thay ủổi, bề mặt tiếp xỳc giữa cỏc hạt kim loại tăng lờn, lực hỳt hấp dẫn cơ học giữa cỏc hạt kim loại cũng tăng. Riờng trong quỏ trỡnh ộp cỏc vật liệu giũn, hiện tượng biến dạng dẻo xảy ra cựng với hiện tượng phỏ hủy bề mặt tiếp xỳc và ủập nhỏ mịn cỏc hạt kim loại.
a)
b) c)
Hỡnh 2.5. Sơ ủồ nguyờn lý ộp tạo hỡnh chi tiết mỏy bằng bột kim loại theo [5]:
b)
Hỡnh 2.6. Sơ ủồ ộp bột kim loại một chiều tạo hỡnh mẫu (a); Sơ ủồ biến dạng của cỏc lỗ xốp theo A.P. Kolikov (b) theo [6]
a) b)
Hỡnh 2.7.Mụ hỡnh mụ phỏng khi ộp bột ụxit nhụm Al2O3 theo [3]:
a) Phõn bốứng suất khi nộn ộp mẫu trụ; b) Cấu trỳc cỏc hạt Al2O3 trước khi ộp
Giai ủoạn 3: Khi cỏc hạt kim loại chịu ỏp lực lớn hơn giới hạn bền, quỏ trỡnh phỏ hủy sẽ xảy ra. Hiện tượng biến dạng của từng hạt kim loại sẽ bắt ủầu ngay từ khi ỏp lực cũn thấp, trong khi ủú, hiện tượng trượt của từng hạt kim loại tiếp tục ngay cả
khi tải trọng lớn. Chớnh vỡ vậy, cú thể núi, ưu thế của sự chuyển dịch cỏc hạt kim loại ở giai ủoạn ủầu tiờn và sự biến dạng của cỏc hạt kim loại ở giai ủoạn sau ủú.
Kim loại càng dẻo thỡ khả năng lốn chặt càng dễ xảy ra dưới ỏp lực càng thấp do biến dạng cỏc hạt kim loại. đối với kim loại cú giới hạn chảy lớn, cỏc giai ủoạn trượt và biến dạng khú phõn biệt hơn.Trường ứng suất và cỏc ủường cong mật ủộ lý thuyết khi ộp bột một chiều ủể tạo hỡnh ủó ủược nhiều nhà nghiờn cứu và tổng kết trong nhiều cụng trỡnh khoa học của mỡnh, trong ủú cú cỏc nhà nghiờn cứu Xụ Viết trước ủõy ủược cho trờn cỏc hỡnh 2.6 ữ hỡnh 2.8b.
2.2. Ảnh hưởng của lực ộp tới mật ủộ vật ộp từ bột kim loại
Khi ộp tạo hỡnh bột kim loại trong khuụn kớn, năng lượng sản ra ủể thắng lực ma sỏt giữa cỏc hạt kim loại và giữa cỏc hạt kim loại với thành khuụn ộp, ủồng thời làm biến dạng cỏc hạt kim loại. điều ủú cuối cựng dẫn ủến sự phõn bố mật ủộ kim loại khụng ủồng ủều trong khụng gian vật chất của vật ộp từ bột kim loại.
Sự phõn bố mật ủộ kim loại khụng ủồng ủều theo chiều cao phụi kim loại ủặc biệt rừ nột khi chiều cao phụi kim loại lớn hơn chiều rộng ban ủầu của nú. Nếu tiến hành ộp trong khuụn hỡnh trụ cỏc lớp bột kim loại cú khối lượng với chiều cao bằng nhau ủược phõn cỏch bởi cỏc tấm mỏng thỡ sau khi biến dạng cỏc lớp kim loại sẽ cú chiều dày và hỡnh dạng khỏc nhau (hỡnh 2.9). Theo chiều cao, cỏc lớp kim loại bờn trờn sẽ cú mật ủộ lớn hơn, ủược lốn chặt hơn so với cỏc lớp bờn dưới. Theo chiều nằm ngang, cỏc lớp kim loại bờn trờn cú mật ủộ tăng từ vựng trung tõm ra ngoài, cũn cỏc lớp bờn dưới, ngược lại, cú mật ủộ tăng từ ngoài vào trong.