Bằng phương pháp luyện kim bột có thểchế tạo được các chi tiết có độxốp cao, phân bố đều và các rỗ xốp này thông với nhau và thông với bề mặt, chúng được ứng dụng trong hai lĩnh vực: bạc xốp tự bôi trơn và màng lọc.
3.4.4.1. Bạc xốp tự bôi trơn
Loại brông thiếc, bạc xốp bằng brông thiếc (10% Sn) với độ xốp 25%, sau khi tẩm dầu trong chân không ở 700C, có thể làm việc suốt cả cuộc đời máy mà không phải cho thêm dầu mỡ. Khi trục quay, có sự ma sát làm bạc nóng lên, dầu sẽ tiết ra từ các rỗ xốp, tạo ra sự bôi trơn tốt, trục quay êm theo kiểu cân bằng thủy động. Khi trục ngừng quay, nhiệt độhạxuống và dầu lại được hút trở lại các rỗxốp.
Phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng, từ các thiết bị nhỏ trong nhà (máy hút bụi, máy giặt, tủ lạnh, máy xay sinh tố, …) cho tới công nghiệp sản xuất xe gắn máy,ô tô, … vì chúng rẻ, lắp đặt dễdàng, làm việcổn định, chắc chắn và khôngồn.
Loại trên cơ sởsắt, thépđể tăng khả năng chịu tải, có thểdùng bạc xốp trên cơ sở Fe, Fe-Cu và cho thêm bột graphit (để giảm ma sát), sự bôi trơn có thể tương đương loại brông thiếc nhưng chịu được tải cao hơn, dùng trong động cơ ô tô, khi khởi động máy không bị kẹt ngay cảtrong trời băng giá.
Ngoài ra có thể dùng phương pháp bimetal (kim loại hai lớp),trên các băng thép cacbon thấp đã mạ đồng (nền chịu lực), phủ một lớp liên tục bột Cu-Pb, rồi qua cán, phủ một lớp bột Cu thô (cỡ hạt 150µm), rồi qua thiêu kết ở 8000C, lớp màng xốp này sẽtạo điều kiện bám dính tốt cho lớp nhựa hữu cơ trộn chì.
Loại trên cơ sởhợp kim Al bạc xốp tự bôi trơn bằng hợp kim nhôm có ưu điểm là nhẹ, nguyên liệu rẻ (so với brông thiếc), nhưng giá thành sản xuất lại cao hơn (vì công nghệ chế tạo phức tạp hơn), khả năng chịu tải kém hơn, do vậy cũng hạn chế sử dụng. Chúng có thểthay thếcho các bạc trên cơ sởnhựa hữu cơ.
Loại bạc xốp làm việcởnhiệt độ cao đó là các loại bạc xốp bằng hợp kim bột Ni- Cr, hoặc bột các kim loại chịu nhiệt khác (Mo, W, Co-Mo,…), dùng trong động cơ tuôcbin phản lực, trong máy bơm NaOH lỏng của các lò phản ứng hạt nhân,… Nếu làm việc trong không khí có thểchịu nhiệt tới 7000C, nếu trong chân không tới 9000C.
3.4.4.2. Các màng lọc
Các màng lọc được sản xuất từbột dạng cầu hoặc đẳng trục, kích thước hạt đều nhau (dmax/ dmin ≈ 1,5), áp lực nén nhỏ, với độ xốp 35-40%, các rỗ xốp phân bố đều,
đường kính trung bình của lỗxốp khoảng 1/6dmin.
a. Nguyên liệu đểchếtạo màng lọc
Nguyên liệu có thể là bột brông, thép không gỉ họ 18.9, Ni, các kim loại quý, hiếm (Ti, Zr, Ta, Ag, Pt) hoặc các hợp kim có tính chống oxy hóa ở nhiệt độcao (thép 25% Cr- 20%Ni, inconel, hastelloys) với phương pháp chế tạo đặc biệt (như phun dung dịch bột lên một lõi thích hợp, ép chảy, cán bột,…) có thể sản xuất được các chi tiết dạng ống, bình thành mỏng có tính thấm tương tự như giấy lọc kết hợp với tính chịu nhiệt và tính cứng vững của ceramic và tính bền trước sự thay đổi nhiệt độ đột ngột của kim loại.
Các phớt (dạ) kim loại được sản xuất từ các sợi cắt ngắn (đường kính 10-150 µm), qua ép nhẹrồi thiêu kết để có độ xốp 40-95% với đường kính rỗxốp 5-200 µm. Bằng cách tương tự cũng có thể chế tạo các loại vải dệt từ các sợi kim loại thiêu kết. Việc sử dụng phớt hoặc vải dệt nêu trên đã mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu bột thiêu kết, so với vật liệu bột, vật liệu làm màng lọc có những ưu điểm, có thể tạo được màng lọc rất mỏng (tới 0,1 mm), khả năng tấm lớn, cơ tính cao,giới hạn bền uốn cao, giới hạn bền kéo có thểtới 200 Mpa, dễdàng tạo được bềmặt làm việc lớn.
Nhược điểm chủyếu là cắt (do nguyên liệu đắt và việc chếtạo phức tạp).
b. Công dụng của vật liệu xốp
Công dụng chính của các vật liệu xốp thiêu kết là làm các màng lọc, đểtách các hạt rắn lẫn trong chất lỏng, khí.
Trong lĩnh vực điện cực xốp làm cực của bình acquy Ni, Ag, cực Ni xốp của pin đánh lửa. Tụ điện hóa học bằng tantan được chế tạo từ bột rất mịn (cỡ hạt khoảng 2 µm) bằng cách hoàn nguyên K2TaF2, hoặc bằng cách nghiền các mẩu kim loại rất sạch (sau khi hóa giòn bằng hydro), ép để có độ xốp 65%, thiêu kết trong chân không ở 18000C trong 5 phút.
Trong lĩnh vực y học, vật liệu thiêu kết xốp (thép không gỉ, Ti và hợp kim Ti, vật liệu từ sợi cacbon, …) được dùng để cấy ghép lên bề mặt xốp của xương, khi xương phát triển chúng bám dính tốt vào các rỗ xốp của vật liệu tạo ra một khối thống nhất, cứng vững (trồng răng, ghép xương,…)
Trong lĩnh vực động cơ tuốcbin, người ta sử dụng hợp kim Co, hợp kim Ni ở dạng sợi thiêu kết đểchếtạo doăng kín khe hởgiữa roto và stato.
Bộphận giảm thanh trong ống xảcủa động cơ phản lực tuốcbin, màng ngăn tạp âm trong bộphận thu của máy điện thoại được chếtạo bằng vật liệu xốp từthép không gỉ.
3.4.4.3. Vật liệu ma sát
a. Khái quát vềvật liệu ma sát
Vật liệu ma sát là loại vật liệu dùng vào việc chế tạo các khớp nối kiểu ma sát (má côn) đểtruyền chuyển động hoặc đểchếtạo các má phanh ngăn cản chuyển động,
nói cách khác nó được dùng để điều chỉnh công suất và tốc độ chuyển động của xe cộ, máy móc. Trước đây, để sử dụng vào mục đích này, người ta thường sửdụng các vật liệu tự nhiên như gỗ, da, sừng súc vật, …tiếp đến là vật liệu tổ hợp trên cơ sở amiăng với chất dính kết là cao su, nhựa phenol hoặc nhựa crezol,… Gần đây người ta nhận thấy rằng bột amiăng có hại cho sức khỏe con người nên tìm cách thay bằng vật liệu khác. Sựphát triển của ngành luyện kim bột đã mở ra hướng giải quyết tốt cho loại vật liệu này.
Những yêu cầu đối với vật liệu ma sát là có hệ số ma sát ổn định trong khi làm việc, có khả năng chống mài mòn tốt, đảm bảo tuổi thọcao, không làm mònđối tượng truyền động, có tính chịu nhiệt tốt, có khả năng dẫn nhiệt đảm bảo, có độ bền cơ học nhất định. Ngoài ra trong từng trường hợp cụ thể phải thỏa mãn các yêu cầu như tiếp nhận hoặc truyền chuyển động nhẹ nhàng, đảm bảo truyền độngổn định ít rung, chống ăn mòn tốt, ổn định khi thời tiết thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm của môi trường làm việc,…). Đểthỏa mãn những đòi hỏi như trên, vật liệu ma sát thường là loại vật liệu dị thể (nhiều cấu tử), bao gồm những cấu tửcó tính chất hỗtrợ cho nhau (giống như vật liệu compozit): chất dính kết và chất cho thêm (chất độn). Chất dính kết thường là bột kim loại có khả năng thiêu kết tốt như bột Cu, Fe hoặc hợp kim của chúng. Chất cho thêm để điều chỉnh tính chất ma sát, được phân thành hai họ có tính chất ngược nhau: loại làm giảm ma sát, dễ gây trượt như graphit, các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp như Pb, Bi, Cd hoặc các sulfit, sulfat kim loại, loại làm tăng ma sát thường là các hạt cứng như các oxyt, cacbit, silicat hoặc photphit,… Một thành phần rất quan trọng, gần như không thể thiếu đối với vật liệu chịu ma sát, đó là bột graphit. Ngoài tác dụng giảm ma sát dễ gây trượt, graphit còn có mặt các cấu tử bột kim loại, oxyt, cacbit, silicat, photphit kim loại,… Lớp đệm này có tác dụng truyền động chắc chắn,ổn định, giảm rung động và ít làm mòn các bề mặt làm việc, đặc biệt quan trọng khi truyền động công suất và tốc độlớn.
b. Vật liệu ma sát trên cơ sởbột đồng
Đây là loại vật liệu ma sát được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo má côn, má phanh cho các máy xóc, xe cộ có công suất trung bình và lớn. Chất dính kết là bột Cu và bột brông thiếc.
Đối tượng ma sát (truyền động) của loại hợp kim này là gang xám, thép cacbon, thép hợp kim thấpở trạng thái hóa tốt hoặc không qua nhiệt luyện, được sửdụng trong các lĩnh vực máy kéo, máy đào đất, máy làm đường, tàu hỏa, cần cẩu, máy nén, xe xích,… Lưu ý là trong trư ờng hợp ma sát ướt (có dầu), mômen truyền lực còn phụ thuộc vào cấu hình rãnh khía trên bềmặt làm việc của má côn.
c. Vật liệu ma sát trên cơ sởbột sắt
sửdụng trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, do nó rẻ hơn, hệsố ma sát cao hơn và độbền chống mài mònđảm bảo.
Đối tượng ma sát của loại hợp kim này với tải trọng trung bình là gang xám peclit, thép cacbon với độ bền kéo tối thiểu là 500MPa. Với tải trọng lớn hơn phải dùng thép đúc hợp kim thấp hoặc thép hóa tốt. Với tải trọng cao phải dùng thép mạ crôm cứng.
d. Vật liệu ma sát với hàm lượng lớn các cấu tửphi kim loại
Đây là loại vật liệu ma sát dùng cho các truyền động với công suất cao (tải nặng). Chất dính kết vẫn dùng là bột Cu, bột Fe, hoặc bột Ni, Mo. Các cấu tử phi kim loại thường dùng là các oxyt kim loại (Al2O3, SiO2, MgO, TiO2), các bột khoáng chất (mulit, sillimanit, silicat). Để điều chỉnh tính chất ma sát, thường cho thêm graphit, các kim loại có nhiệt độchảy thấp (Pb, Bi, Cd,…), sulfit, cacbit, photphit hoặc các pha liên kim loại (như pha Laves trong hệhợp kim Co-Mo-Si, Co-Mo-Cr-Si, chúng có độcứng cao, chống mài mòn tốt). Tỷlệcác hạt phi kim loại có thểchiếm tới trên 50% thểtích của vật liệu
Ngoài ra còn dùng loại vật liệu tổ hợp cacbon –sợi cacbon có trộn thêm các hạt cứng dạng ceramic, dùng làm má phanh cho các xe, máy có công suất lớn.
Vật liệu ma sát loại này được sử dụng trong các truyền động với công suất lớn (tải nặng), ví dụ làm má phanh cho máy bay khi hạcánh, má côn, má phanh cho máy đào đất, các loại xe tải và xe quân sẹ hạng nặng (như má phanh dẫn hướng cho xe tăng, xe xích,…), cũng như các máy móc h ạng nặng khác. [2]
Câu hỏi ôn tập
Câu 1. Trình bày những đặc điểm của nhôm nguyên chất.
Câu 2. Trình bày cách phân loại hợp kim nhôm và cách ký hiệu hợp kim nhôm. Câu 3. Trình bày những đặc điểm của đồng nguyên chất
Câu 4. Trình bày cách phân loại hợp kim đồng và cách ký hiệu hợp kim đồng. Câu 5. Thếnào là vật liệu bột, những đặc điểm của vật liệu bột.
Câu 6. Hãy trình bày các loại hợp kim cứng và cách ký hiệu của chúng, nêu một sốví dụminh họa.
CHƯƠNG 4
VẬT LIỆU VÔ CƠ (CERAMIC)
Vật liệu vô cơ được tạo thành từcác hợp chất hóa học của các nguyên tốhợp kim loại kết hợp với các nguyên tố không phải kim loại, hoặc của các nguyên tố không phải kim loại kết hợp với nhau.
Khoảng 75% nguyên tố trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học tham gia cấu tạo nên vật liệu vô cơ. Các nguyên tốchính và những khả năng kết hợp giữa chúng đểtạo nên vật liệu vô cơ được biểu diễn bằng hình 4.1.
Hình 4.1. Khả năng liên kết tạo vật liệu vô cơ
Theo sơ đồ một kim loại nào đó có thểkết hợp với bo tạo ra borit, với cacbon tạo ra cacbit, với nitơ tạo ra nitrit, với oxy tạo ra oxyt, với silic tạo ra silixit. Cũng tương tự như vậy khi xuất phát từsilic hay bo.
Sựkết hợp trên làm cho vật liệu vôcơ rất phong phú, đa dạng vềthành phần hóa học và tính chất. Các dạng hợp chất hóa học thường gặp trong vật liệu vô cơ là: đơn oxyt kim loại (ví dụ, Al2O3 trong gốm corinđông), đơn oxyt bán kim loại (ví dụ, SiO2 trong thủy tinh thạch anh), hỗn hợp nhiều oxyt kim loại (ví dụ, sứ, thủy tinh silicat), các nguyên tố không phải kim loại (ví dụ, bo, cacbon), các cacbit, nitrit của kim loại và bán kim loại (ví dụ TiC, SiC, BN, ZrN), …
Tùy theo mục đích, vật liệu vô cơ có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo thành phần hóa học, cấu trúc, phương pháp công nghệ, lĩnh vực sử dụng v. v. Trong cuốn sách này vật liệu vô cơ được phân chia theo đặc điểm kết hợp và trình bày theo 3 nhóm chính:
- Gốm và vật liệu chịu lửa. - Thủy tinh và gốm thủy tinh. -Ximăng vàbêtông.
Để phân biệt với các nhóm vật liệu lớn khác (vật liệu kim loại, vật liệu hữu cơ). Hiện nay, người ta thường dùng khái niệm vật liệu gốm (ceramic) để chỉ chung các loại vật liệu vô cơ phi kim loại bao gồm cảba nhóm vật liệu vô cơ kểtrên.
Vật liệu vô cơ là một nhóm vật liệu lớn, trong phạm vi chương này chỉ đề cập đến các vấn đề cơ bản và các đại diện chính của nó.