CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI
2.2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
2.2.1. Nghiền trộn cơ học
Phương pháp nghiền cơ học được sử dụng rộng rãi trong công nghệ luyện kim bột và trong công nghiệp xử lý khoáng sản. Phương pháp nghiền cơ học sẽ làm cho các hạt bột không thay đổi hoặc bị đập vỡ thành các hạt nhỏ hơn trong quá trình nghiền. Quá trình khơng sinh ra vật liệu mới bởi vì cấu trúc tế vi của hạt bột không thay đổi.
Trong những thập niên gần đây, việc nghiên cứu compozit nền kim loại (Metal Matrix Compozits - MMCs) được triển khai mạnh mẽ ở các nước cơng nghiệp phát triển theo hai hướng chính: nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu các phương pháp cơng nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm từ MMCs [86, 87, 88].
Phương pháp nghiền cơ học được phát triển bởi S. Alamolhoda và các đồng sự [47]. Họ nhận thấy, bằng quá trình nghiền hỗn hợp bột Al và TiO2 trong mơi trường khí bảo vệ, hỗn hợp bột mới với thành phần nhôm titan và cốt hạt phân tán đã được tạo thành. Bằng việc nghiên cứu tác động của nghiền cơ học đến phản ứng trong pha rắn giữa Al và TiO2 của N.J. Welham và các cộng sự [49] cho thấy, khi tăng thời gian nghiên lên 100 giờ thì nhiệt độ của phản ứng pha rắn giữa Al và TiO2 giảm xuống cịn 560oC. Điều này đã kích thích sự quan tâm thay đổi khái niệm nghiền cơ học thành một khái niệm tổng quát hơn: “Phương pháp nghiền cơ - hóa”, đó là sự kết hợp của nghiền cơ học và phản ứng hóa học xảy ra trong q trình nghiền.
2.2.1.1. Cơ chế của quá trình nghiền cơ học
a) Sự va chạm trong quá trình nghiền trộn cơ học
Theo D.L Zhang [89], trong quá trình nghiền trộn cơ học, bốn trường hợp va chạm có thể xảy ra:
- Va chạm thơng thường giữa bi nghiền và bề mặt trong của tang nghiền; - Va chạm với sự chiếm chỗ do trượt giữa bi nghiền và bề mặt trong của tang nghiền;
- Va chạm thông thường giữa bi nghiền với nhau;
- Va chạm với sự chiếm chỗ do trượt giữa các bi nghiền với nhau. Ưu điểm của phương pháp nghiền [25]:
- Có thể chế tạo được hầu hết các loại vật liệu compozit. - Bản chất của vật liệu không bị thay đổi.
- Đơn giản, giảm giá thành sản phẩm.
- Tận dụng được phế liệu trong gia công cắt gọt. Nhược điểm cơ bản:
ΔH −
- Rất khó nghiền vật liệu quá cứng hoặc quá mềm.
- Bột có độ sạch khơng cao do ma sát trên thành máy và các chi tiết chuyển động như bi nghiền, má nghiền ...
- Vật liệu bột bị biến cứng bề mặt, hình dạng phức tạp, khó đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật.
Sự va chạm giữa các bi nghiền và mặt trong của tang nghiền có hiệu quả hơn so với giữa các bi nghiền với nhau vì các bi nghiền thường di chuyển theo cùng phương. Sự biến dạng của bột giữa hai bi nghiền hoặc giữa một bi nghiền với thành trong của tang nghiền trong các trường hợp va chạm có thể so sánh với q trình tương tự trong khi chồn giữa hai tấm song song.
Sự biến dạng cho mỗi trường hợp va chạm có thể tính theo cơng thức [90]: Trong đó:
εmax = ln
H
H − ΔH 2.12
H- chiều cao của cụm vật liệu bột;
∆H- sự thay đổi chiều cao của cụm vật liệu bột trong một va chạm. Ứng suất trung bình cần thiết cho sự biến dạng của một cụm vật liệu là [90]:_
ημ
σ = 2k1+ 3H 2.13
Trong đó:
_
ο - ứng suất trung bình trong quá trình chồn;
k- ứng suất cắt;
η- kích thước của một cụm vật liệu bột; µ- hệ số ma sát giữa vật liệu bột và bi nghiền. Năng lượng biến dạng E có thể được tính tốn như sau [90]:
kη2π ημ[ln(H − ΔH)] 2.14
2 3
∆H có thể thu được bởi sự thay thế biểu thức (2.14) vào biểu thức tính năng lượng va chạm, Ec= 1 mv2 2 Hình 2.2. Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột -
bi nghiền trong quá trình nghiền trộn cơ học [89,
E =
b) Sự hàn nguội
Quá trình hàn nguội trong khi va chạm có thể được coi gần đúng như sự hàn nguội của hai tấm dưới áp lực. Sự tăng áp lực khi va chạm tăng diện tích tiếp xúc thực tế giữa các hạt vật liệu bột. Sức căng biến dạng cần yêu cầu bởi sự hàn nguội phụ thuộc hệ vật liệu được sử dụng và có thể xảy ra trong các trường hợp sau đây:
- Hàn giữa hai hợp kim khác nhau; - Hàn giữa một loại hợp kim;
- Hàn giữa một hợp kim tương tự với một hợp kim khác mà không xảy ra sự hàn nguội.
Độ bền liên kết giữa các hạt bột là một hàm số của sức căng biến dạng. Hình 2.3 chỉ ra mối quan hệ giữa độ bền liên kết của các vật liệu khác nhau và sự giảm biến dạng. Có thể dự đốn rằng giá trị của sức căng biến dạng tại một giao điểm giữa đường ngoại suy của số liệu thí nghiệm với trục x là giá trị biến dạng nhỏ nhất cho quá trình hàn nguội xảy ra trong khi nghiền. Do đó, sự giảm biến dạng của các hạt bột trong mỗi va chạm có thể lớn hơn giá trị tới hạn này. Như vậy có thể thấy, vật liệu càng mềm thì khả năng hàn nguội càng tốt. Trong thời gian đầu của quá trình hợp kim hóa cơ học, do các hạt vật liệu thường mềm, sự tăng kích thước hạt có thể quan sát được. Tuy nhiên, kích thước hạt giảm thời gian hợp kim hóa cơ học tăng bởi vì sự tăng độ cứng của các hạt bột. Để tăng hiệu quả của quá trình nghiền, mỗi loại bột phải được ủ ở giai đoạn trung gian hoặc phải tăng tốc độ nghiền.
Hình 2.3. Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng [90]
Trong trường hợp nghiền với tốc độ cao, nhiệt có thể sinh ra nhiều hơn, có thể tính tốn theo biểu thức [90]: Trong đó: ΔT = σ0 2 2.15 ∆T- sự tăng nhiệt độ;
Cp- nhiệt dung riêng của hạt vật liệu bột; σ0- giới hạn chảy ban đầu của vật liệu bột; K0- tính dẫn nhiệt của vật liệu bột; ρ- tỷ trọng tương đối của vật liệu bột. τ- thời gian nghiền.
2.2.1.2. Các giai đoạn của quá trình nghiền cơ học
τ π K 0 ρ C p
Các giai đoạn nghiền trộn cơ học của hai vật liệu dẻo được sơ đồ hóa [90, 91] và trình bày như trên hình 2.4. Đầu tiên, các hạt bột chịu sự biến dạng, hình dáng của chúng thay đổi từ đẳng trục sang dạng tấm. Trong các giai đoạn tiếp theo, cơ chế hàn nguội chiếm ưu thế, đó là ngun nhân các hạt đẳng trục hình thành. Tại giai đoạn này, định hướng của mặt phân giới được nhìn thấy rõ nét. Cơ chế hàn nguội và phá hủy đạt tới sự cân bằng và sự hình thành của các hạt với sự ngẫu nhiên của các biên giới hạt, hoặc nói cách khác, sự hàn có hướng ngẫu nhiên. Q trình kết thúc được giải thích bởi sự ổn định của q trình, trong đó sự hồn thành cấu trúc tế vi có thể tiếp tục, nhưng kích thước hạt và kích thước phân bố các hạt được giữ nguyên gần như nhau.
Hình 2.4. Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dẻo [90]
Các giai đoạn của q trình hợp kim hóa cơ học giữa vật liệu dẻo và vật liệu dịn đã được dự đốn (trên hình 2.5). Trong giai đoạn đầu tiên, các hạt dẻo bị biến dạng trong khi các hạt cứng bị làm vỡ vụn. Sau đó, trong khi các hạt dẻo bắt đầu hàn với nhau, các hạt dòn ghim vào giữa các hạt dẻo khi va chạm với bi nghiền. Kết quả là, các hạt gia cố bị gãy sẽ được đưa vào mặt biên giới của các hạt bị hàn lại, và kết quả là sự sinh ra của các hạt compozit thực sự. Sự hàn là cơ chế nổi bật trong phương pháp này, các hạt thay đổi hình dạng của chúng bằng cách ghim lên các tầng hạt. Các hiện tượng biến dạng, hàn và các hạt rắn phân tán làm cứng vật liệu và làm tăng quá trình bẻ gãy.
Hình 2.5. Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dịn [90]
2.2.1.3. Các thơng số cơ bản của q trình nghiền trộn cơ học
Nghiền trộn cơ học là một quá trình phức tạp, và do đó kéo theo sự tối ưu hóa một số thơng số cơng nghệ để đạt được các yêu cầu của pha sản phẩm hoặc cấu trúc tế vi. Có một số thơng số quan trọng có ảnh hưởng tới kết cấu sản phẩm cuối cùng
của vật liệu bột [25, 90]: - Loại máy nghiền; - Tang nghiền; - Tốc độ nghiền; - Thời gian nghiền;
- Loại, kích thước và sự phân bố theo kích thước của máy nghiền; - Tỷ lệ bi nghiền/ bột theo khối lượng;
- Khoảng không chiếm chỗ của vật liệu nghiền; - Môi trường nghiền;
- Các nhân tố điều khiển quá trình; - Nhiệt độ nghiền.
Tất cả các biến q trình khơng hồn tồn độc lập, chẳng hạn, thời gian nghiền tối ưu phụ thuộc vào loại máy nghiền, kích thước của máy nghiền, nhiệt độ nghiền, tỉ lệ bi nghiền/ bột nghiền …
a) Loại máy nghiền:
Có rất nhiều loại máy nghiền như: máy nghiền bi, máy nghiền trộn; máy nghiền hành tinh; máy nghiền mài mòn … [25]. Các máy nghiền này khác nhau về năng suất, tốc độ vận hành, và khả năng điều khiển sự vận hành bởi sự thay đổi của nhiệt độ nghiền và mức độ nhiễm bẩn nhỏ nhất của bột nghiền. Tùy thuộc loại vật liệu bột, số lượng vật liệu bột và thành phần cuối cùng yêu cầu mà chọn một máy nghiền phù hợp.
Trong phương pháp hợp kim hóa cơ học, một lượng bột ban đầu là hỗn hợp các bột cơ sở hoặc đã hợp kim hóa trước được đặt vào trong máy nghiền năng lượng cao cùng với môi trường nghiền phù hợp điển hình là bi thép biến cứng.
Quá trình nghiền trộn cơ học đặc trưng bằng va đập giữa dụng cụ gia công và bột dẫn tới nứt vỡ và dính kết bột. Các dạng va đập như là bột bị ép giữa 2 bi nghiền va đập nhau, giữa bi nghiền và thành trong tang nghiền. Nếu 2 nguyên liệu bột và tang nghiền giống nhau thì sản phẩm nghiền thu được có thể có tính chất khác nhau, phụ thuộc vào chế độ nghiền.
Việc quan sát sự phát triển hình thái bột trong q trình hợp kim hóa cơ học là nhận dạng các giai đoạn phát triển hình dạng và kích thước hạt bột. Qua đó phát triển các kỹ thuật để tạo cân bằng thích hợp giữa nứt vỡ và kết dính bột. Tuy nhiên, chưa định rõ và lượng hóa được tiêu chuẩn cho các q trình này.
b) Vật liệu chế tạo tang nghiền và bi
Sự va chạm của bi nghiền lên thành trong của tang nghiền, một số vật liệu có thể bị mài mịn và bật ra nhiễm vào bột nghiền. Điều này có thể làm bẩn vật liệu bột hoặc thay đổi thành phần và tính chất hóa học của vật liệu bột. Vì vậy, vật liệu chế tạo tang nghiền khá quan trọng. Nếu vật liệu chế tạo tang nghiền khác so với vật liệu bột nghiền thì bột có thể bị nhiễm bẩn. Các viên bi thép và tang nghiền được biến cứng có thể được dùng với các vật liệu tương tự vật liệu nghiền được phủ lên bề mặt làm việc của tang nghiền để hạn chế sự nhiễm bẩn đến bột nghiền.
c) Tốc độ nghiền
Tốc độ nghiền càng lớn thì năng lượng cung cấp cho bột nghiền càng cao. Nhưng tùy thuộc vào sự thiết kế của máy nghiền mà có những giá trị giới hạn đối với tốc độ lớn nhất có thể sử dụng. Ví dụ, ở các máy nghiền bi thơng thường khi tăng tốc độ quay vượt quá một tốc độ tới hạn, các bi nghiền sẽ ép sát lên bề mặt thành trong của
thùng chứa và không thể gây ra bất kỳ sự va chạm nào. Vì thế, tốc độ lớn nhất phải nhỏ hơn giá trị tới hạn này, sự va chạm trong q trình nghiền sẽ sinh ra năng lượng lớn nhất có thể.
Ngồi ra, hạn chế đối với tốc độ lớn nhất là tại tốc độ này, nhiệt độ trong tang nghiền tăng cao. Điều này có thể có lợi trong một số trường hợp khi cần đến sự khuếch tán để đẩy mạnh sự đồng nhất hoặc hợp kim hóa trong các hạt bột. Tuy nhiên, trong một số trường hợp sự tăng nhiệt độ có thể là bất lợi, bởi vì nhiệt độ tăng thúc đẩy quá trình chuyển pha tạo hợp chất khơng mong muốn, có thể phân hủy các dung dịch rắn quá bão hòa và tạo ra các pha giả ổn định trong quá trình nghiền. Thêm nữa, nhiệt độ cao sinh ra cịn có thể làm nhiễm bẩn bột và làm cho bột bám lên bi nghiền và thành trong của tang nghiền. Để tránh gây ô nhiễm chéo trong tang nghiền nên có khí bảo vệ như N2 hoặc Ar…
Mặt khác, khi nhiệt độ nghiền tăng có thể nhận được hỗn hợp bột khơng mong muốn. Điều này đã được chỉ ra trong một số nghiên cứu, trong thời gian hình thành tinh thể kích thước nano, giá trị trung bình của kích thước tinh thể sẽ tăng, nội năng sẽ giảm khi tốc độ nghiền đạt giá trị cao. Nguyên nhân của vấn đề này là sự gia tăng động học q trình kết tinh lại. Ví dụ, một pha có cấu trúc vơ định hình hồn tồn nhận được khi nghiền năng lượng cao hỗn hợp bột Ni - Zr. Khi nghiền hỗn hợp bột này với mức năng lượng thấp hoặc trung bình thì hỗn hợp bột nhận được vẫn có cấu trúc tinh thể [25, 90].
Ảnh hưởng của tốc độ nghiền hay là mức năng lượng nghiền đến cấu trúc cuối cùng của hỗn hợp bột, đã được chứng minh bằng thí nghiệm của Calka, khi nghiền hỗn hợp bột vanadi có kích thước hạt nano và cacbon có cấu trúc vơ định hình. Calka nghiền hỗn hợp bột trên với mức năng lượng nghiền thấp, sau khi nung nhận được hợp chất V2C hoặc dung dịch VC + V. Nghiền hỗn hợp bột trên với mức năng lượng trung bình, sau khi nung nhận được hợp chất VC. Ở mức nghiền năng lượng cao thì hợp chất VC được hình thành trực tiếp trong quá trình nghiền [89, 90].
d) Thời gian nghiền
Thời gian nghiền là thông số quan trọng nhất. Thông thường thời gian nghiền được lựa chọn khi nhận được trạng thái ổn định giữa sự bẻ gãy và sự hàn nguội của các hạt vật liệu bột. Thời gian yêu cầu thay đổi tùy thuộc vào loại máy nghiền sử dụng, cường độ nghiền, tỉ lệ bi nghiền/bột nghiền và nhiệt độ nghiền. Thời gian nghiền phải được lựa chọn với sự kết hợp của các thông số trên và cho mỗi hệ vật liệu bột cụ thể. Ngoài ra cần xác định khả năng tạo các pha khơng mong muốn trong q trình nghiền. Từ đó xác định thời gian nghiền cần thiết cho từng hỗn hợp bột cụ thể [90].
e) Tỉ lệ bi nghiền/ bột nghiền
Tỉ lệ bi nghiền/ bột nghiền là một thơng số quan trọng trong q trình nghiền. Tỉ lệ này thay đổi tùy từng mục đích nghiên cứu từ 1:1 đến 220:1. Thông thường, giá trị hay được sử dụng nhất là 10:1 khi nghiền trong các máy nghiền có dung lượng nhỏ. Tỉ lệ khối lượng bi/ bột ảnh hưởng đáng kể đến thời gian nghiền. Tỉ lệ bi/ bột càng lớn thì thời gian nghiền càng ngắn, vì tần số va chạm sẽ tăng lên, năng lượng chuyển giao cho bột sẽ nhanh hơn, do đó q trình nghiền sẽ nhanh hơn, hiệu quả hơn [92].
f) Môi trường nghiền
Ảnh hưởng chủ yếu của môi trường nghiền là sự nhiễm bẩn của bột bị nghiền. Vì thế các bột được nghiền trong mơi trường được hút chân khơng hoặc điền đầy một
loại khí trơ như Ar hoặc He … Khí Ar sạch là mơi trường thơng dụng nhất bảo vệ sự ơxi hóa và (hoặc) nhiễm bẩn của bột.
g) Các nhân tố điều khiển q trình cơng nghệ