9. Bố cục luận án
3.2.VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
3.2.1. Vật liệu thí nghiệm
3.2.1.1. Vật liệu nền
Vật liệu nền sử dụng trong nghiên cứu này là thép hợp kim 16Mn, có thành phần hóa học được trình bày trong (bảng 3.1). Qua quá trình tìm hiểu và khảo sát
thực tế, mác thép hợp kim 16Mn được sử dụng phổ biến cho các kết cấu chi tiết máy làm việc trong điều kiện chịu mài mòn và xói mòn. Các chi tiết máy loại này được ứng dụng nhiều trong các ngành như khai thác mỏ, nhiệt điện, thủy điện, xi măng và các nồi hơi công nghiệp... Mẫu phun được gia công trên các máy công cụ đảm bảo theo đúng yêu cầu của từng loại mẫu thực nghiệm.
Bảng 3.1. Thành phần hóa học và cơ tính của mẫu thép 16Mn.
3.2.1.2. Vật liệu phủ
Qua các nghiên cứu khảo sát ở chương 1 và 2, bột Cr3C2 - NiCr (Sulzer Metco - Singapore) được lựa chọn sử dụng tạo lớp phủ trong nghiên cứu này. Hạt Cr3C2 - NiCr có đường kính trung bình -30/+5 μm, với thành phần hóa học: C ≤ 0,2%; Si ≤ 0,5%; NiCr 29,5% và Cr3C2 69,8%. Loại bột này ở điều kiện tiêu chuẩn tồn tại dưới dạng chất rắn có màu xám và hình thái bột (hình 3.2).
a, Ảnh chụp bột Crôm cacbit b, Hình thái cấu trúc bột Cr3C2 - NiCr Hình 3.2. Hình ảnh và cấu trúc bột Crôm cacbit
Khi các tinh thể Crôm cacbit được phủ lên bề mặt kim loại, nó cải thiện khả năng chống mài mòn, ăn mòn và xói mòn của kim loại và duy trì các đặc tính này ở nhiệt độ cao. Thành phần chính đóng vai trò cứng nhất trong hỗn hợp bột Cr3C2 - NiCr là Cr3C2, các thuộc tính của Crôm cacbit được trình bày trong (bảng 3.2) [4].
Thành phần C(%) Si(%) Mn(%) P(%) S(%) Cr(%) Cu(%) Ni(%) Mo(%) Tỷ lệ % nguyên tố 0.17 0.27 1.31 0.015 0.02 0.04 0.02 0.01 0.01 Cơ tính Giới hạn chảy Y.S (MPa) Giới hạn bền T.S (MPa) Độ dãn dài (%) 354 532 35.5
Bảng 3.2. Các thuộc tính của Crôm cacbit
3.2.2. Thiết bị gia công mẫu
Mẫu và đồ gá cần được gia công đảm bảo chính xác, vì vậy trong nghiên cứu này các mẫu được và đồ gá phục vụ cho việc nghiên cứu được gia công trên các máy công cụ có tại trung tâm Cơ khí, khoa Cơ khí - Trường đại học Công nghiệp Hà Nội bao gồm:
- Máy tiện CNC, Lynx 220L của hãng DOOSAN - HÀN QUỐC. - Máy mài tròn ngoài 120W của Trung Quốc.
- Máy mài phẳng JL-618 của Đài Loan.
- Máy cắt dây molipden GS-2532B của Trung Quốc. - Máy đánh bóng mẫu SmartLam 3.0
Ngoài ra còn sử dụng một số máy gia công khác như máy phun hạt mài Shang-Po có ở phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí Bộ Công thương.
3.2.3. Thiết bị phủ plasma
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống phun plasma Praxair (Model 3710)
Công thức phân tử Cr3C2
Khối lượng mol 180,009 g/mol
Hình dạng tinh thể Bát diện
Khối lượng riêng 3
6,68 g/cm
Nhiệt độ nóng chảy 1,895°C (2,168 K; 3,443°F) Nhiệt độ sôi 3,800°C (4,070 K; 6,870°F)
Hệ thống phun phủ plasma Praxair-3710 (của Mỹ), là thiết bị sử dụng để tạo lớp phủ cho các mẫu nghiên cứu và đồng thời cũng được sử dụng tạo lớp phủ cho cánh quạt khói ứng dụng trong luận án này. Hệ thống phun phủ plasma Praxair-3710 có ở phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí (hình 3.3).
Hệ thống gồm một tổ hợp các thiết bị có các thông số cơ bản như sau: - Trạm khí bao gồm: Argon, hidrogen, heli.
- Bảng điều khiển:
+ Nguồn: 115 VAC/1 pha, 50/60 Hz, 20 amps. + Khí cấp thanh lọc: > 80 psi
+ Khí chính (argon): (33,5 ~ 202) l/phút; (30 ~ 250) psi. + Khí thứ cấp (heli): (33,5 ~ 202) l/phút; (30 ~ 250) psi. + Khí thứ cấp (hydro): (2 ~ 12,4) l/phút; (30 ~ 250) psi. + Khí mang (argon): (4 ~ 22,6) l/phút; (30 ~ 200) psi.
- Nguồn: Nguồn PS-1000 là nguồn điện không đổi 3 pha (dòng điện không đổi 3 pha), 40kW, 100% chu kỳ công suất (chu kỳ làm việc), được thiết kế đặc biệt cho phun plasma.
- Bộ khởi động tần số cao HF-2210: Bộ đánh lửa cao tần HF-2210 hoạt động với nguồn điện để khởi động súng phun plasma. Nó có đầu ra liên tục 1200 Amp, điều khiển cường độ tần số cao và bộ dao động (dao động), giúp quá trình đánh lửa ổn định hơn.
- Hệ thống cấp bột 1264: Hệ thống cấp bột phun 1264 hoạt động theo nguyên tắc thể tích trực tiếp kiểm soát tỷ lệ lưu lượng cấp bột bằng cách thay đổi tốc độ quay của đĩa gạt bột, khí mang và chuyển động quay của đĩa gạt để cung cấp bột đến súng phun.
3.2.4. Thiết bị kiểm tra và đánh giá các đặc tính của lớp phủ
Trên cơ sở các trang thiết bị hiện có tại các phòng thí nghiệm, các đặc tính lớp phủ và phương pháp đánh giá, kết cấu của từng loại mẫu để lựa chọn thiết bị kiểm tra và đánh giá phù hợp nhất. Trong luận án, các thiết bị được lựa chọn
để kiểm tra và đánh giá có tại phòng thí nghiệm của khoa Cơ khí - Trường Đại học Công nghiệp Hà nội được sử dụng như sau:
3.2.4.1. Máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH
Hình 3.4. Máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH
Máy kéo, nén vạn năng BESTUTM 500HH (hình 3.4), là thiết bị được sửa dụng để đo và thu thập số liệu các chỉ tiêu đánh giá trong luận án bao gồm độ bền bám dính, độ bền bám trượt và độ bền kéo đứt sự liên kết của lớp phủ trên các mẫu tiêu chuẩn. Máy kéo, nén vạn năng BESTUTM 500HH có các đặc tính kỹ thuật chính sau:
+ Máy có lực ép danh nghĩa: 500kN
+ Tốc độ dịch chuyển đầu chày ở trạng thái làm việc: 0 ÷ 10 (mm/ph) + Khoảng hành trình di chuyển đầu ép: 150mm.
+ Khoảng cách lớn nhất giữa mặt bàn máy với mặt đầu lắp chày: 500mm. + Các thông số hiển thị được trên máy tính: Lực, ứng suất, biến dạng tuyệt đối, biến dạng tương đối, thời gian, tốc độ biến dạng.
3.2.4.2. Kính hiển vi Leice ICC50E
Kính hiển vi Leice ICC50E (hình 3.5), được sử dụng để chụp ảnh, quan sát và phân tích hình ảnh mẫu và lớp phủ. Kính hiển vi Leice ICC50E có các đặc tính kỹ thuật chính sau:
+ Vật kính: 5x, 10x, 20x và 50x. + Th ị kính (camera): 10x.
+ Có bốn đèn led phía trên: Để chỉnh các chế độ chiếu sáng khác nhau. + Khả năng điều khiển đế theo 3 phương: dX= 25mm, dY=76mm và dZ= 30mm (5x) hoặc dZ= 20mm (50x).
3.2.4.3. Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC
Hình 3.6. Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC
Thi ết bị đo phiên bản ISOSCAN AC (hình 3.6), cho phép th ực hi ện ki ể m tra độ c ứng và độ c ứng siêu nh ỏ Vickers của l ớ p phủ bằng cách đo đườ ng chéo c ủ a v ết lõm đượ c t ạo ra t ự động b ở i thiế t b ị . Hệ th ống đả m b ảo độ tin cậ y cao và đo lường nhanh chóng, đượ c tuân th ủ đầy đủ các tiêu chu ẩn ISO-
ASTM. Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC có các đặ c tính k ỹ thuậ t chính sau:
+ Vậ t kính: 10x, 20x, 40x và 80x + Th ị kính (camera): 10x
+ Mũi đâm: Vickers, Knoop + Tả i trọ ng: t ừ 25g đế n 2Kg
+ Kh ả năng điều khi ển đế theo 3 phương : dX = 25mm, dY = 25mm, dZ = 85mm.
3.3. XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHUN PHỦ TRÊN MẪU
Quy trình phun phủ trên mẫu được thực hiện theo sơ đồ (hình 3.7), gồm các bước sau:
Bước 1. Chuẩn bị:
- Mẫu phủ: Mẫu phủ được chế tạo từ thép hợp kim 16Mn và được gia công trên các máy công cụ theo đúng yêu bản vẽ kỹ thuật của từng loại mẫu.
- Thiết bị phủ: Hệ thống thiết bị phun phủ plasma Praxair được kiểm tra và chuẩn bị các điều kiện đảm bảo hoạt động ổn định.
- Vật liệu phủ: Bột Cr3C2 - 30%NiCr được sấy khô ở nhiệt độ 100°C ÷ 150°C khoảng 12 giờ trước phun để loại bỏ tối đa độ ẩm có trong bột.
Bước 2. Tạo nhám bề mặt mẫu: Bề mặt phủ của tất cả các mẫu được tạo nhám đạt (Rz = 71±2µm). Các mẫu sau khi tạo nhám được làm sạch bằng khí khô và được phủ ngay (tối đa không để quá 4 giờ tránh bề mặt mẫu bị oxy hóa).
Bước 3. Gá đặt mẫu và súng phun: Đối với các loại mẫu tròn lớp phủ được tạo trên bề mặt đường sinh, mẫu được lồng vào trục gá và được kẹp chặt trên mâm cặp của máy tiện với tốc độ quay 10v/ph. Súng phun được gá trên bàn dao của máy với bước dịch chuyển ngang là 2mm/vòng. Đối với mẫu lớp phủ được tạo trên bề mặt phẳng, mẫu được gá cố định trên bàn đồ gá phun, đầu phun dịch chuyển theo hai phương dọc và ngang.
Bước 4. Cài đặt các thông số phun: Các thông số công nghệ phủ được thực hiện theo kế hoạch thực nghiệm đã định sẵn, các thông số còn lại được giữ cố định gồm điện áp (UP = 35V), lưu lượng khí chính (PAr = 50 (l/ph)), lưu lượng khí thứ cấp (PH₂ = 5 (l/ph)), lưu lượng khí tải bột (PAr = 40 (l/ph)), góc phun (βp
= 900 ±50).
Bước 5. Gia nhiệt ban đầu cho mẫu: Gia nhiệt ban đầu cho mẫu bằng cách sử dụng trực tiếp ngọn lửa mà súng phun đang tạo ra để nung nóng sơ bộ bề mặt mẫu phủ có nhiệt độ khoảng (140ºC ÷ 150ºC). Kiểm soát nhiệt này trên mẫu, bằng cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại OPTEX PT-7LD.
Bước 6. Tiến hành tạo lớp phủ: Ngay sau khi kiểm tra mẫu đã đạt nhiệt độ ban đầu ta tiến hành phủ với các bước thực hiện như sau:
+ Điều chỉnh cường độ dòng điện phun.
+ Hiệu chỉnh áp suất, lưu lượng khí đúng với yêu cầu. + Điều chỉnh lưu lượng cấp bột và mở van cấp bột.
+ Tiến hành phun tạo lớp phủ trên mẫu đạt độ dày tối thiểu 1mm theo quy trình đã được thiết lập. Trong quá trình phun cần kiểm tra để duy trì nhiệt độ bề mặt mẫu phun không quá 150°C.
Bước 7. Gia công cơ khí sau phủ: Căn cứ vào tính chất và phương pháp đo và đánh giá của từng loại mẫu, cần lựa chọn phương pháp gia công sau khi phủ cho phù hợp để không làm ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ trên mẫu đo. Trong nghiên cứu này cụ thể các mẫu được gia công sau phủ như sau:
+ Sử dụng máy mài tròn ngoài, mài mẫu đo đạt kích thước Ø42+0,2mm. + Mài và đánh bóng cho các mẫu thử độ bền bám trượt, độ xốp và độ cứng.
Bước 8. Kiểm tra tổng thể mẫu phủ: Sử dụng các thiết bị chuyên dùng đã được lựa chọn và mô tả ở trên để kiểm tra và đánh giá các đặc tính của lớp phủ như: Độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi trên các mẫu.
3.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ3.4.1. Phương pháp xác định độ bền bám dính của lớp phủ (σBd) 3.4.1. Phương pháp xác định độ bền bám dính của lớp phủ (σBd)
a, Mẫu đo: Trong nghiên cứu này, mẫu độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền được lựa chọn chế tạo theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 [92].
Hình 3.8. Mẫu thử đo độ bền bám dính theo JIS-H-8664 [92]
Mẫu thử gồm có 2 chi tiết chính là chốt và đĩa chốt (hình 3.8). Chốt và đĩa chốt sau khi lắp ghép được kẹp chặt với nhau nhờ vít M3, yêu cầu mặt đầu chốt Ø8 và mặt đầu đĩa chốt đảm bảo kín khít và đồng phẳng với nhau sau khi lắp ghép như (hình 3.9a), trước khi phủ bề mặt phủ của mẫu được tạo nhám bằng máy
phun hạt mài đạt độ nhám Rz = 71±2µm (hình 3.9b). Lớp phủ được tạo trên mẫu đạt chiều dày từ (1÷1,2)mm như (hình 3.9c). Chế độ phun tạo lớp phủ mẫu được thực hiện theo bảng quy hoạch thực nghiệm đã định.
a, Lắp ghép mẫu b, Tạo nhám mẫu c, Mẫu sau khi phủ Hình 3.9. Hình ảnh các bước thực hiện tạo lớp phủ cho mẫu
b, Chế tạo đồ gá đo mẫu thử bám dính: Để quá trình đo mẫu trên máy diễn ra nhanh và chính xác, cần có một bộ đồ gá mẫu như sơ đồ (hình 3.10).
a, Sơ đồ nguyên lý đo mẫu b, Ảnh chụp đồ gá mẫu thử sau khi chế tạo Hình 3.10. Đồ gá đo độ bền bám dính lớp phủ trên mẫu thử
c, Quy trình đo mẫu trên máy: Đồ gá kéo mẫu được lắp lên máy kéo, trước khi lắp mẫu lên đồ gá thì vít M3 phải được tháo bỏ. Đặt mẫu thử kéo vào rãnh định vị phía trên của đồ gá, đẩy chố kéo áp sát vào cuối rãnh định vị của gá đỡ
đồ gá như (hình 3.11a). Điều khiển cho ụ động máy tịnh tiến đi lên sao cho lỗ chốt của mẫu kéo và lỗ chốt của trục kéo trùng nhau để xỏ chốt như (hình 3.11b).
Hình 3.11. Hình ảnh đồ gá và mẫu thử đo độ bền bám dính trên máy kéo-nén
Hình 3.12. Biểu đồ lực kéo mẫu thử khi đo độ bám dính lớp phủ
Dưới tác dụng lực kéo của máy, máy tính sẽ tự động vẽ ra biểu đồ đường đặc tính biểu diễn giá trị lực kéo, cho tới khi chốt bật ra khỏi lớp phủ (hình 3.12). Quan sát biểu đồ cho ta thấy đường đặc tính được chia ra thành 3 giai đoạn, giai
đoạn đầu (I) đường đặc tính là một đường thẳng nằm ngang trùng với trục hoành, đây là quãng đường đầu máy di chuyển và chưa có lực tác dụng (vì khi lắp mẫu thử trên đồ gá lúc này còn khoảng hở). Giai đoạn hai (II) đường đặc tính là một đường cong đi lên lúc này mới bắt đầu xuất hiện lực, ở giai đoạn ba (III) lực kéo bắt đầu tăng dần đến một giới hạn lớn nhất rồi giảm về 0, thông qua biểu đồ giá trị lực kéo cũng cho ta thấy độ bám dính của lớp phủ với thép nền là tương đối đều và khá ổn định. Tại điểm đạt giá trịnh lớn nhất của đường đặc tính rồi giảm về 0, có nghĩa lúc này chốt đã bật ra khỏi lớp phủ trên đĩa chốt. Kết quả phản ánh đúng giá trị độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền là khi chốt kéo bung ra khỏi đĩa chốt, lớp phủ không bị phá hủy trên bề mặt đĩa chốt như (hình 3.13).
a, Mặt trên mẫu. b, Mặt dưới mẫu.
Hình 3.13. Ảnh mẫu thử sau khi đo độ bền bám dính.
Tỷ lệ giữa lực kéo tối đa trên diện tích mặt chốt chính là độ bám dính được xác định theo công thức (3.1).
σ Bd = P
F ;(MPa) (3.1)
Trong đó: σBd - Độ bền bám dính lớp phủ. P - Lực kéo chốt (N).
F - Diện tích tiết diện chốt (Trong nghiên cứu này F = 50,24 mm2)
3.4.2. Phương pháp xác định độ bền bám trượt của lớp phủ (τBtr)
a, Mẫu đo: Mẫu đo độ bền bám trượt của lớp phủ với thép nền cũng được lựa chọn thực hiện theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 [1, 92] với kích thước mẫu và sơ đồ nguyên lý đo như (hình 3.14).
Hình 3.14. Mẫu thử đo độ bền bám trượt theo JIS-H-8664 [1, 92]
Mẫu đo được làm từ vật liệu thép 16Mn, sau khi gia công bề mặt phủ của mẫu được tạo nhám bằng máy phun hạt mài, độ nhám đạt Rz = 71±2µm. Tiếp theo lớp phủ được tạo trên mẫu có chiều dày tối thiểu 1mm (Ø42+0,2mm) như (hình 3.15a). Chế độ phun tạo lớp phủ mẫu được thực hiện theo bảng quy hoạch thực nghiệm đã định.
a, Ảnh mẫu sau khi phủ b, Đồ gá và mẫu thử được gá đặt trên máy Hình 3.15. Mẫu và đồ gá mẫu được lắp trên máy nén
a, Lắp trục dẫn vào khuôn. b, Lắp mẫu thử vào trục dẫn. c, Đặt bạc ép lên mẫu.
b, Chế tạo đồ gá đo mẫu thử bám trượt: Để có được kết quả đo chính xác, một vấn đề quan trọng là phương pháp đo cần được đảm bảo khi đo được nén đúng tâm cho mẫu thử. Dựa trên kích thước và kết cấu của mẫu đo, bộ đồ gá đo mẫu được thiết kế và sau khi chế tạo đạt được (hình 3.16).
c, Quy trình đo mẫu trên máy: Để xác định độ bền bám trượt của lớp phủ với thép nền, ta tiến hành lắp ráp mẫu với đồ gá theo sơ đồ (hình 3.14) và thứ tự thực hiện các bước như (hình 3.16). Sau khi lắp ráp, tiến hành đặt và điều chỉnh đồ gá vào đúng tâm của đầu trục nén của máy như (hình 3.15b). Dưới tác dụng lực nén của máy, hệ thống máy tính được kết nối sẽ tự động vẽ ra biểu đồ đường