L ỜI NÓI ĐẦU
2.1 Khoa học về bề mặt và phương pháp xử lý chung
Xử lý bề mặt kim loại thông thường là bảo vệ các sản phẩm, các chi tiết khỏi sự phá hỏng vì gỉ, mòn. Nói tổng quát hơn, xử lý bề mặt kim loại có nghĩa là cho sản phẩm những tính chất có giá trị kinh tế mới. Ví dụ, như tính dẫn điện, khả năng cách điện, khả năng cản trở tia sáng, độ cứng bề mặt cao để chống mòn, làmđẹp thêm về hình thức hoặc sử dụng để sửa chữa và phục hồi bề mặt.
Trước đâyxửlý bề mặt là một lĩnh vực nghệ thuật trang trí và tạo hình mang nhiều tính chất thực tế. Đã có nhiều bề mặt được phủ những vật liệu hữu cơ (chất được chế tạo từ nhựa, dầu thiên nhiên), kim loại màu, tráng men, nhuộm màu trong ngọn lửa,v.v...
Ở Roma đã từng dùng đồng thau để phủ bề mặt,ở châu Âu đã sử dụng dầu khô từ thế kỉ 8. Thể kỷ 18, 19 người ta đãđưa hoá học vào xử lý bề mặt bằng hàng loạt những sắc tố nhân tạo mới.
Đầu tiên phải kể đến mạ điện được tiến hành từ những năm đầu của thể kỷ 19, tiếp đó tìm thấy phương pháp mạ bạc, mạ vàng và mạ một số hợp kim khác. Khoảng từ năm 1880 mà niken lên vật chất bằng thép đã phát triển rất nhanh. Và khoảng từ năm 1914 trong công nghiệp người ta đã tiến hành mạ hàng loạt kim loại và hợp kim khác như kẽm, thiếc, đồng thau, đồng thanh, v.v... Sau đó hàng loạt các phương pháp mới khác tốt hơn cũng ra đời như mạ crôm, tạo lớpô xít nhôm,v.v.. đồng thời hàng loạt các thiết bị tự động liên hợp cho công nghệnhúng và mạ điện cũng xuất hiện.
Vào khoảng năm 1910 kỹ thuật chuyên môn về sơn đã chuyển bước ngoặt quyết định bằng sự phát minh ra nhựa fenolfomandehyt. Dầu thiên nhiên và nhựa đã dần dần đượcthay thế bằng các chất nhân tạo. Đó là kỹ thuật về sơn.
Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã luôn luôn tác động đến lĩnh vực xử lý bề mặt và bảo vệ chống gỉ của kim loại. Điều đó thể hiện rất rõ trong tất cả các phư ơng pháp công nghệ xử lý bề mặt như phủ bằng sơn, quá trình làm sạch bề mặt. quá trình khuyếch tán, xử lý bề mặt bằng phun kim loại.v.v... Tất cả các phương pháp này đều đi theo hướng tự động hoá nâng cao chất lượng và kinh tế trong tất cả các lĩnh vực xử lý bề mặt.
Đi theo hướng phát triển tương lai đó các nhà máy luyện kim sẽ sản xuất ra các loại thép tấm với lớp bảo vệ bề mặt bằngkim loại hoặc bằng chất hữu cơ.
Ở các nước tiên tiến nh ư Anh, Mỹ, Đức có các nhà máy, xí nghiệp chuyên nghiên cứu chế tạo các thiết bị phụ tùng và các dây chuyền sản xuất phục vụ cho xử lý bề mặt kim loại.
Ở nước ta với tính chất khí hậu nhiệt đới, không khí có độ ẩm rất cao, vì vậy điều kiện phát sinh và phát triển gỉ rất thuận lợi và mạnh. Nói chung các chi tiết cũng như cáckết cấu kim loại, máy móc làm việc trong điều kiện khí hậu và trong cơ chế quản lý của chúng ta hiện nay, chúng dễ dàng và nhanh bị gỉ phá hỏng. Điều đó chúng ta thấy nhưng chúng ta chưa thật quan tâm và chưa thấy hết tác hại ghê gớ m của nó về kinh tế và kỹ thuật. Chính vì vậy, chưa có nhiều biện pháp, phương pháp cũng như chưa có những tiêu c huẩn kỹ thuật cho việc thiết kế, chế tạo cũng như sử dụng các kết cấu máy, chi tiết máycho thíchứng với điều kiện khí hậu.
Nói tóm lại, vấn đềvề xử lý bề mặt kim loại ở nước ta chưa phát triển kịp thời với tình hình phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại. Hiện nay ở Việt Nam đang ứng dụng các phương pháp công nghệ như mạ crôm, niken, sơn tĩnh điện, phun phủ hồ quang, phun phủ nổ, phun phủ palazma, phủ CVD, DVD, các công nghệ thấm.
2.1.2.Định nghĩa về phân loại bề mặt
Chúng ta có thể hiểu một cách tổng quát khái niêm về bề mặt là biên giới của hai pha khác nhau (thể khác nhau). Ở đây phải chú ý đếnviệcphân ranh giới của vật thể đối với môi trường xung quanh,có nghĩa là đối với môi trường đó vật có mối quan hệ trực tiếp hay không.
Trong chế tạo máy, khi xét đến các chi tiết chúng ta thường có những khái niệm về bề mặt danh nghĩa mang nhiều tính chất lý tưởng
- Bề mặt thực tế hay còn gọi bề mặt kỹ thuật.
Khái niệm về về bề mặt này bao gồm không chỉ có độ sạch đặc trưng hình học của chi tiết mà còn bao gồm tính chất của lớp dưới bề mặt của chi tiết.
Chất lượng bề mặt kỹthuật thường phụ thuộc vào công nghệ chế tạo được lựa chọn. Thựcchất này có thể có thể biểu thị bởiba đặc trưng sau:
+ Dạng hình học(bao gồm dạng hình học vĩ vô và vi mô)
+ Chất lượng của bề mặt biên giới (bao gồm các tính chất lý hoá). + Chất lượng của lớp dưới lớp bề mặt (ứng suất dư, độ cứng nguội.vv..) Lựa chọn chất lượng bề mặt chi tiết còn phù thuộc vào loại tải trọng mà bề mặt chi tiết phải làm việc. Do vậy, có thể phân loại bề mặt kỹ thuật theo loạitrọng tải (Bảng 2.1).
Tính chất vật lý của lớp giới lớp bề mặt khác với tính chất của vật liệu bản thân hay nói cách khác là nó khác tính chất của các lớp phía trong của vật liệu, bởi vì chúng có sự khác nhau về cấu trúc.
Nguyên nhân của sự khác nhau này là do sự khác nhau nay là sự tác động của quá trình sản xuất với các phương pháp công nghệ gia công chúng. Ví dụ như gia công áp lực, gia công cătgọt,vv... Nói chung các chi tiết máy được biểu thị bằng hai loại bề mặt không làm việc.
Bảng2.1. Các bề mặt kỹ thuật
Bởi vậy trên mỗi loại bề mặt không chỉ có yêu cầu khác nhau về tính chất cũng như phương pháp gia công,mà ngay cả phương pháp sửa chữa chúng cũng khác nhau.
Từ bảng2.1 có thể nhận xét rằng:trong quy tắc chung của bề mặt kỹthuật ,có thể là bề mặt chịu tải.Trong đó tải trọng có thể tải trọng cơ học hoặc các đặc trưn g khác như các tác dụng hoá học, nhiệt tình, vv..
Bề mặt chịu cơ học phân thành các loại sau: + Bề mặt chịu tải trọng động
Ví dụ như các bề mặt chịu tải trọng chu kỳ hoặc tải trọng cắt. Chúng ta thường gặp các bề mặt chịu tải trọng động chu kì là các bề mặt trượt. Các bềmặt trượt của ổ bi,bề mặt trượt các bề mặt của ổ bi, bề mặt răng các bánh răng, pittông v.v... Ở đây bề mặt thường xảy ra ma sát trượt và đó chính là nguyên nhân gây ra mòn cơ học bề mặt làm việc.
Trường hợp này đặc biệt hơn là ma sát lăn.Ởnhững bề mặt có ma sát lăn thường có sự trần theo nhaucủa các bề mặt .
+ Bề mặt chịu tải trọng tĩnh
Bề mặt này thường gặp nhiều như các bề mặt lắp ghép, các bề mặt đỡ, các bề mặt lót.Ởcác bề mặt này yêu cầu chính đặt ra là chúng phải tiếp xúc với nhau tốt nhất để đảm bảo sự phân bố áp lực đồng đều trên suốt bề mặt và bảo đảm được độ lắp ghép tốt nhất.
Ngoài tải trọng cơ học ra còn có các bề mặt ch ịu tải trọng do tác dụng lý học, những bề mặt này thường phải được xử lý bề mặt thích hợp , để bề mặt cókhả năng chịu đựng tác dụng gỉ, nhiệt v.v...
2.1.3 Sự mòn bề mặt và đặc trưng cửa chúng
Khi chế tạo các bề mặt kỹ thuật (bề mặt của các chi tiết máy) nhất thiết phải tôn trọng những vấn đế sau:
+ Những yêu cầu về chất lượng đứng trên quan điểm hình học được trình bày t rên bảo vẽ kết cấu (kích thước , độ nhấp nhô, độ bóng ,v.v...).
+ Những yêu cầu về chất lượng trên quan điểm về khả năng làm việc cảu lớp bề mặt chi tiết đối với tải trọng chi tiếtlàm việc trong điều kiên của nó.
Nhưng trong kỹ thuật mọi hiện tượng rất hiển nhiên là mỗi tải trọng đều dẫn đến tác hại hư hỏng bề mặt chi tiết- cụthể là sự mài mòn của chi tiết.
Vậy sự mài mòn của bề mặt chi tiết là sự thay đổi không mong muốn bề mặt vật thể rắn (các chi tiết máy).
Các chi tiết máy có thể do tác dụng chia cắt bằng lực cơ học của các phần tử rắn từ bề mặt chi tiết (các hạt mài) hoặc cũng có thể do những khuyết tật về lý hoca của lớp bề mặt. Trường hợp đặc biệt là sự kết hợp của cả hai hiện tượng trên.
-Đặc trưng cho quá trình tác dụng phá hỏng cơ học được gọi là sự mài mòn. -Đặc trưng chotác dụng lý hoá gọi là sự gỉ (phần này sẽ trình bàyở phần sau)
1. Sự mòn cơ học
Mòn cơ học có thể xuất hiệntheo hai dạng cơ bản sau: - Khi có chuyển động của kim loại trên kim loại.
- Khi có chuyển động của môi trường phi kim trên trên bề mặt kim loại.
Loại mòn này thường xảy ra trên các bề mặt chịu tải trọng cơ học (tải trọng tĩnh hoặc động) do hậu quả chuyển dịch của các hạt cứng cùng với tải trọng tác động rất lớn sẽ mài mòn bề mặt. Loại này thường xảy ra nhiều ở các chuyển động trượt hoặc lăn giữa kim loại với kim loại hoặc cũng có thể giữa kim loại với vật liệu phi kim loại.
Sự mài mòn cơ học cảu vật liệu nói chung xảy ra là kết quả của sự không đồng đều về mặt vĩ mô và vi mô của các bề mặt tiếp xúc với nhau. Do tác dụng cơ học, các nhấp nhô bề mặt bị cắt đứt khichúng có chuyển động tương đối với nhau.
Thực chất quá trình mài mòn này rất phức tạp có rất nhiều hiện tượng xảy ra như biến dạng, ô xít hoá , v.v...
Quá trình mài mòn thường xảy ra mãnh liệt ở giai đoạn đầu, sau đó hầu như sự mài mòn xảy ra rất chậm (hình 2.1).
Hình 2.1. Sựmài mòn theo thời gian của bề mặt
Dưới tác dụng cơ học, các nhấp nhô tế vi của bề mặt trượt sẽ dần dần bị giảm.
Khi nghiên cứu về mòn người ta thấy có nhiều loại mòn những có những đặc điểm khác nhau. Theo B.I.Kotexki có thể chia mòn thành các loại sau:
+ Mòn do ô xít hoá
Sự mòn này xảy ra do hậu quả cuả sự khuyếch tán ôxy do lớp bề mặt kim loại bị biến dạng. Do sự khuyếch tán đó đã tạo nên trong lớp bề mặt của kim loại dung dịch đặc của ôxýt sắt nằm trong sắt như FeO, Fe3O4 ,Fe2O3.
Trong quá trình mòn, đồng thờicó hai quá trình diễn biến sau:
- Một quá trìnhđược đ ặc trưng cho sự tác dụng cơ học , được biểu thị như sự mòn lớp bề mặt.
- Một quá trìnhđược đặc trưng cho quá trình lý hoá, quá trình này sự khuyếch tán ôxy cào các phầntử kim loại.
Sự mài mòn do ô xít hoá xảy ra theo hai pha, ở pha đầu là sự tạo ra dung dịch đặc và tạo trên bề mặt một lớp ô xít. Pha thứ hai là sự chuyển biến lớp bề mặt thành lớp rất cứng và dòn,đóng vai trò như những hạt mài , do vậy không những chúng làm tăng sự ma sát mà còn làm tăng thêm sự mài mòn.
Sự mài mòn ô xít hoá thường thấy ở các ô trượt,ở các trục khuỷu, bánh răng,... + Sự mài mòn do nhiệt.
Khi hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau sẽ dẫn đến có ma sát ở bề mặt tiếp xúc.
Cácứng suấtnày trải ra trong chi tiết hoặc trên toàn bộ bề mặt lăn của chi tiết.Ứng suất này lặp đi lặp lại theo chu kỳ của tải trọng (tải trọng chu kỳ) sẽ gây ra sự mỏi.Sự mỏi đó sẽ làm phá hỏng lớp bề mặt.
Mòn do mỏi biểu hiện như các khe nứt tế vi-các khe nứt này thường nghiên một góc rất nhỏ với bề mặt ma sát và sẽ phát triển thành các hổ sâu (hố rỗ). Mòn do mỏi thường gặp ở các ô lăn và các bánh răng.
Đặc trưng cho mòn rỗ là quá trình mòn xảy ra có kèm theo sự mòn do ô xít-hoá - sự mòn này phát triển trong các lớp bề mặt.
2. Sự mòn của kim loại do tác dung của môi trường các dòng chảy
Các chi tiết máy làm việc trong môi trường của dòng chảy phàn lớn sinh mòn. Dạng mòn nàyđược quan niệm như dạng mòn cơ học, môi trường dòng có các phần tử cứng riêng (hạt mài) hoặc chính là dòng của các chất lỏng bề mặt, các chất khí. Với dòng chất lỏng hoặc khí có chứa cả các hạt chât lỏng chung sẽ làm phá hỏng bề mặt. Sự phá huỷ bề mặt như vậy cũng gọi là sự mòn. Nhưng sự mònở đây phải hiểu là sự phá huỷ và mài mòn bề mặt vật là do tác dụng cơ học của vật thể nào đó chuyển động theo bề mặt đó.
Theo quan điểm phương pháp dẫn đến sự mòn, cũng chia làm ba loai: + Mòn do tác dụng cắt hoặc mài của các vật liệu cứng (hạt mài). + Mòn do tác dụng của chất lỏng- tức là mòn thuỷ lực.
+ Mòn do tác dụng của khí tức là mòn khí nén.
2.1.4 Mục đích và phương pháp xử lý bề mặt
2.1.4.1 Mục đích của xử lý bề mặt kim loại
Hiện nay xử lý bề mặt được sử dụng rộng rãi, trên nhiều lĩnh vực,nhưng có thể phân loại xử lý bề mặt theo mục đích xử lý của nó như sau:
+ Xử lý bề mặt với mục đích đạt được về thẩm mỹ tức là vẻ đẹp của chi tiết. Xử lý này chủ yếu dùng trang trí cho các dụng cụ tiêu dùng, trang sức.vv..
+ Xử lý bề mặt với mục đích nâng cao khả năng chống mòn tức là với mục đích nâng cao tuổithọ của chi tiết hoặc kéo dài tuổi thọ của chi tiết có nghĩa là:
- Nâng cao khả năng chống mòn do cơ học.
- Nâng cao khả năng chống gỉ trong môi trường khác nhau như hóa học, axit, trong điều kiện nhiệt độ khác nhauvv....
+ Xử lý bề mặt vớimục đích thay thế kim loại mầu, hợp kim và các vật liệu hiếm khác.Ở đây vật liệu nền của chi tiết được chọn từ các loại thép chất lượng thường, nên chỉ cần phủ bề mặt một lớp kim loại quý.
+ Xử lý bề mặt với mục đích thu được một số tính chất vật lý, ví dụ như tính chất dẫn điện, cách điệnvv....
2.1.4.2Các phương pháp xử lý bề mặt kim loại
Xử lý bề mặt là một phương pháp công nghệ để thu được những tính chất, yêu cầu nhất định hoặc tạo ra các trạng thái bề mặt nhất định.
Chọn phương pháp xử lý bề mặt được xuất phát từ các yêu cầu làm việc của chi tiết hoặc sản phẩm.
Cụ thể là các yêu cầu sau
a,Yêu cầu về hình dáng tế vị của bề mặt (theo phương pháp gia công như mài, đánh bóng ....)
c, Yêu cầu về thành phần hoá học, cấu trúc lớp bề mặt (xementit hoá, nitơ hoá, khếch tán crôm, nhôm,vv....)
d,Yêu cầu lớp phủ bề mặt có các tính chất vật lý khác mà thành phần hoá học giống hoặc khác với vật liệu nền(mạ,phun kim loại,vv..).
Xử lý bề mặt kimloại có thể giải quyết được nhiều mục đích. Tuy nhiên mục đích thông thường của nó là để bảo vệ chống gỉ, cho nên việc chọn và sử dụng lớp phủ thế nào cho tốt nhất để bảo vệ chống gỉ là một việc quan trọng.
2.1.4.3 Sự gỉ của kim loại
1. Khái niệm
Gỉ là hiện tượng phá huỷ có hại đối với các vật rắn (kimloại) bằng tác dụng của hoá học, của điện hoá, của môi trường xung quanh làm xuất hiện gỉ từ trên bề mặt kim loại rồi đi vào phía trong của vật thể.
Ví dụ: đối với kim loại, gỉ thường thấy ở kim loại có chứa sắtlà rõ nhất. Ảnh hưởng của gỉ đến nền kinh tế quốc dân là rất lớn. Sự hao phí này được xác định bằng lượng kim