9. Bố cục luận án
3.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ
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). Bd P σ = ;(MPa) F (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 đặc tính như (hình 3.17), biểu đồ đường đặc tính biểu diễn giá trị lực nén từ khi bắt đầu cho tới khi lớp phủ bung ra khỏi mẫu thép nền.
Hình 3.17. Biểu đồ lực nén mẫu thử khi đo độ bền bám trượt lớp phủ
Quan sát trên biểu đồ cũng cho thấy đường đặc tính được chia thành 3 giai đoạn, giai đoạn đầu (I) đường đặc tính là một đường thẳng nằm ngang song song
và trùng với trục hoành, đây là khoảng thời gian chưa có lực tác dụng lên mẫu thử. Ở giai đoạn (II) đường đặc tính là một đường cong đi lên, đây là giai đoạn đầu trục máy nén bắt đầu tiếp xúc với bạc ép của đồ gá và lúc này bắt đầu xuất hiện lực. Giai đoạn (III) lực nén tăng đều và nhanh đến một giá trị lớn nhất rồi giảm về 0, nhìn vào đường đặc tính của giai đoạn này cũng cho ta thấy đường đặc tính gần như tuyến tính, điều đó chứng tỏ rằng độ bền bám trượt của lớp phủ với thép nền là tương đối đều và ổn định cho tới khi lớp phủ bị bong trượt ra khỏi mẫu thép nền như (hình 3.18).
Hình 3.18. Ảnh chụp mẫu thử sau khi đo độ bền bám trượt
Độ bền bám trượt (τBtr) được xác định theo công thức (3.2):
Btr
P
= ; (MPa)
F
(3.2)
Trong đó: τBtr - Độ bền bám trượt lớp phủ (MPa). P- Lực nén (N).
F - Diện tích xung quanh lớp phủ tiếp xúc với mẫu (mm2)
F = .d.h (3.3) Ở đây: d - đường kính ngoài của mẫu thép nền (mm).
h - chiều cao mẫu (mm).
Diện tích lớp phủ kiểm tra trong nghiên cứu này F ≈ 1030 (mm2)
3.4.3. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ (σk)
a, Mẫu đo: Mẫu đo độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ (độ bền liên kết giữa
các phần tử phủ với nhau) được lựa chọn chế tạo theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 với kết cấu và kích thước như (hình 3.19). Mẫu thử kéo gồm hai nửa, nửa mẫu bên trái và nửa mẫu bên phải được lắp ghép với nhau thành một khối có cùng kích thước Ø40mm và có tổng chiều dài là 65mm.
Hình 3.19. Mẫu thử đo độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ theo JIS-H-8664 [1, 92]
Mẫu khi ghép hai nửa với nhau tạo ra mặt cắt tách rời để khi kéo lớp phủ bị phá hủy tại vị trí đó, ở hai đầu phía ngoài của mẫu có gia công ren M24x2 để lắp ghép bulông trục kéo. Độ không đồng tâm của hai nửa mẫu không được vượt quá 0,02mm, sau khi gia công mẫu được lồng vào trục gá để tạo nhám bề mặt phủ có độ nhám Rz = 71±2µm. Tiếp theo mẫu được phủ có lớp phủ đạt chiều dày (1 ÷ 1,2)mm, các bước thực hiện cơ bản được mô tả như (hình 3.20).
a, Lắp ghép hai nửa mẫu thử b, Lắp mẫu vào trục gá
c, Gá kẹp mẫu trên đồ gá phun d, Mẫu sau khi phủ và được thiêu kết
Hình 3.20. Hình ảnh các bước thực hiện tạo lớp phủ trên mẫu
Trước khi đo, mẫu được mài trên máy mài tròn ngoài đạt kích thước Ø42+0.2mm (hình 3.21).
a, Ảnh mẫu đang mài trên máy b, Ảnh mẫu sau khi mài xong Hình 3.21. Ảnh mẫu được gia công mài trên máy mài tròn ngoài
b, Chế tạo trục gá kéo mẫu: Căn cứvào kích thước và kết cấu của mẫu đo
cũng như khoảng mở má kẹp của máy đo, ta tiến hành thiết kế và chế tạo 2 trục kéo với một đầu có ren M24x2 để lắp vào 2 đầu mẫu thử như (hình 3.22).
a, Sơ đồ nguyên lý b, Ảnh chụp trục gá lắp vào mẫu thử Hình 3.22. Sơ đồ lắp ráp mẫu thử kéo
c, Quy trình đo độ bền kéo đứt lớp phủ: Để đo ta tiến hành lắp bulông trục gá vào hai đầu của mẫu thử như (hình 3.22b), tiếp theo bulông trục gá kéo được kẹp chặt trên má kẹp của hai đầu máy kéo như (hình 3.23). Điều khiển cho đầu máy kéo tự động dịch chuyển cho tới khi lớp phủ bị đứt rời hai nửa với nhau như (hình 3.24), lực máy đo được chính là lực kéo đứt của lớp phủ được biểu diễn trong (hình 3.25).
Hình 3.23. Ảnh mẫu gá kẹp trên máy kéo Hình 3.24. Ảnh mẫu sau khi kéo đứt
Hình 3.25. Biểu đồ lực kéo khi đo độ bền kéo đứt lớp phủ
Quan sát biểu đồ (hình 3.25) cho thấy đường đặc tính về cơ bản được chia ra thành 3 giai đoạn, giai đoạn ban đầu (I) lực tăng dần theo quy luật đường
thẳng nhưng chậm, theo quy luật thì giai đoạn này gọi là biến dạng đàn hồi. Ở giai đoạn (II) đường đặc tính là một đường ngang gần như song song với trục hoành, giai đoạn này gọi là giai đoạn biến dạng dẻo kèm biến dạng đàn hồi. Giai đoạn (III) đường đặc tính bắt đầu tăng nhanh đến một giá trị lớn nhất sau đó giảm về 0, có nghĩa tại thời điểm này lớp phủ đã bị đứt lìa và giai đoạn này gọi là giai đoạn phá hủy.
Độ bền kéo đứt (𝜎𝑘) của lớp phủ được xác định theo công thức (3.4) sau:
k k
P
σ = ;(MPa)
F (3.4) Trong đó: σk – Độ bền kéo (MPa/mm2)
Pk – Lực kéo (N)
F – Tiết diện lớp phủ (mm2)
Mặt khác diện tích lớp phủ được xác đinh theo công thức (3.5) sau:
2 2 1 2 (d d ) F 4 (3.5)
Trong đó: d1 – Đường kính ngoài lớp phủ (mm) d2 – Đường kính ngoài mẫu (mm)
Diện lớp phủ ở trong nghiên cứu này là:
2 3,14(1764 1600) F 128, 74(mm ) 4 3.4.4. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ (γlp)
Vị trí đo độ xốp là phần mặt cắt ngang của lớp phủ trên mẫu, vì vậy mẫu được cắt và gia công bề mặt trên máy mài phẳng, sau đó được đánh bóng bằng máy đánh bóng chuyên dụng với các loại giấy giáp có kích thước hạt từ (400 ÷ 1200)µm. Mẫu sau khi đánh bóng đạt yêu cầu mới tiến hành mang đi đo.
a, Độ xốp được phân tích trên máy b, Kết quả đo độ trên máy Hình 3.27. Ảnh đo độ xốp và phân tích trên máy kính hiển vi Leice ICC50E
Độ xốp được xác định bằng cách trực tiếp đo diện tích các lỗ xốp trong khu vực quan sát của kính hiển vi và so sánh các khu vực này với tổng diện tích quan sát. Kính hiển vi được trang bị hệ thống máy tính và phần mềm để phân tích, xác định giá trị độ xốp của mẫu bằng cách chuyển đổi các vùng rỗ xốp thành màu xanh trong khi phần còn lại của các cấu trúc tế vi chuyển thành màu đỏ như (hình 3.27a). Chương trình máy tính được sử dụng để tính toán độ xốp bằng cách đánh giá về màu sắc khác nhau giữa vùng màu xanh và và màu đỏ (hình 3.27b).
3.4.5. Phương pháp xác định độ cứng tế vi lớp phủ (KLp)
Độ cứng tế vi của lớp phủ được đo tại vị trí phần mặt cắt ngang của lớp phủ trên mẫu (hình 3.28), chính vì vậy mẫu cũng được cắt và gia công bề mặt trên máy mài phẳng, sau đó được đánh bóng bằng máy đánh bóng chuyên dụng với các loại giấy giáp có kích thước hạt từ (400 ÷ 1200)µm. Mẫu sau khi đánh bóng đạt yêu cầu mới tiến hành mang đi đo. Độ cứng tế vi của lớp phủ được xác định là giá trị trung bình của ba vị trí đo khác nhau trên mẫu, ba vị trí đo khác nhau này được ấn định vùng đo trên lớp phủ là (vị trí ngoài cùng, vị trí điểm giữa và vị trí gần biên giới thép nền), vị trí đo được mô tả như (hình 3.29).
Hình 3.29. Hình ảnh mô tả vị trí đo độ cứng tế vi lớp phủ
Quá trình đo được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM E384. Thông qua ống kính xác định vị trí cần đo, điều chỉnh các thông số kỹ thuật trên máy. Mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có kích thước tiêu chuẩn, góc giữa các mặt phẳng đối diện là 136° (±30°) sẽ tự động di chuyển vào vị trí, hạ thấp và ấn vào bề mặt mẫu với tải trọng là 100g. Sau khi cắt bỏ tải trọng, máy được chuyển sang chế độ quan sát bằng kính hiển vi quang học tiến hành đo hai đường chéo của vết lõm (hình 3.30).
a, Đo độ cứng lớp phủ trên máy b, Vết đo độ cứng Vickers Hình 3.30. Ảnh đo độ cứng lớp phủ trên máy
Kết quả độ cứng vicker được xác định theo công thức (3.6) như sau:
2 2 2Fsin F F 2 F HV = k = 0,102 = 0,102 0,18915 S S d d (kgf/mm2) (3.6) Trong đó: HV - độ cứng Vickers k - là một hằng số (k = 1/gn = 1/9,80665 = 0,102) F - lực thử S - diện tích bề mặt lõm
d - độ dài đường kính trung bình, 𝑑 = (d1+ d2)/2
- góc hợp bởi hai mặt phẳng đối diện = 1360
3.5. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU PHỤC VỤ CHO QUÁ TRÌNH PHỦ BỘT Cr3C2-NiCr TRÊN NỀN THÉP 16Mn PHỦ BỘT Cr3C2-NiCr TRÊN NỀN THÉP 16Mn
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của các công trình khoa học đã tổng hợp ở chương 2, cho thấy chất lượng lớp phủ bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố như đặc tính bề mặt của chi tiết phủ, tỷ lệ thành phần hợp chất bột phủ, và cường độ dòng điện phun….Đó là những cơ sở ban đầu và quan trọng để làm căn cứ cho việc lựa chọn, tuy nhiên chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra cho biết chính xác giá trị những thông số đó khi phun bột Cr3C2 - NiCr bằng phương pháp phun plasma trên bề mặt nền thép 16Mn. Để có cơ sở cho việc xác định và lựa chọn bộ thông số phun hợp lý, thông qua một số các kết quả thực nghiệm khảo sát sơ bộ ban đầu như sau:
3.5.1. Xác định độ nhám bề mặt phù hợp cho mẫu thép 16Mn
Quá trình phun phủ ngoài việc làm sạch bề mặt, còn cần tạo ra độ nhám phù hợp để tăng độ bền bám dính của lớp phủ trên bề mặt chi tiết… Liên quan đến vấn đề này và trực tiếp đến lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr, thông qua nghiên cứu khảo sát thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới độ bám dính của lớp phủ trên bề mặt thép nền 16Mn, bằng phương pháp phủ plasma. Kết quả cho biết độ bám dính của lớp phủ cao nhất đạt được là 32,4MPa khi bề mặt mẫu phủ có độ nhám Rz = 71±2µm (hình 3.31) [20].
Hình 3.31. Ảnh hưởng của nhám bề mặt tới độ bền bám dính lớp phủ [20]
28.3 28.6 29.7 31.4 32.4 31.8 28 29 30 31 32 33 55 58 61 64 67 70 73 76 Độ bề n bám dín h σ (MPa) Độ nhám bề mặt mẫu phủ Rz (µm)
Đồng thời thông qua thực nghiệm khảo sát này cũng cho biết bề mặt mẫu phủ được tạo nhám bằng máy phun hạt mài Shang-Po TM-DT1, sử dụng hạt