Do vậy hợp kim ổ trượt phải là loại có tổchức khơng đồng nhất, nhiều pha khác nhau rõ rệt đó là pha cứng và pha mềm trong đó phần ít được gọi là hạt, nhiều hơn gọi là nền, thường có dạng hạt cứng–nền mềm hoặc hạt mềm–nền cứng.
Trong quá trình làm việc phần mềm bị mònđi và trởnên rãnh chứa dầu. Tổchức
Không gian chứa dầu Trục
hạt cứng nền mềm cho ma sát nhỏ hơn tổ chức nền cứng hạt mềm.
b) Ít làm mịn cổtrục thép và chịu được áp lực cao.
Muốn vậyổ trượt phải được làm bằng các hợp kim mềm để không làm hại trục như: Sn, Pb Al, Cu ... đểnâng cao khả năng chịu áp lực cao và tiết kiệm kim loại màu cácổ trượt thường được chếtạo bằng cách đúc tráng hay gắn ép lên trên máng thép.
c) Tính cơng nghệtốt
Dễ đúc, khả năng dính bám vào máng thép cao... giá thành rẻ. Người ta thường chia các loại hợp kim ổ trượt ra làm 2 nhóm, nhóm có nhiệt độ chảy thấp và nhóm có nhiệt độ chảy cao.
3.3.2. Hợp kimổ trượt có nhiệt độchảy thấp.
Loại này dựa trên cơ sởcác kim loại dễchảy như: Sn. Pb ... được gọi là Babit. Đặc tính chung của các loại babit là rất mềm nên rất ít làm mịn cổtrục thép, có hệsốma sát nhỏvà giữdầu tốt, xong có nhược điểm là khơng chịu được áp suất và nhiệt độcao.
a) Babit thiếc.
Loại này có sự kết hợp tương đối tốt giữa tính ma sát, cơ tính và tính chống ăn mịn, xong giá thành quá đắt do chứa nhiều Sn. Thường dùng làm các ổ trượt quan trọng với tốc độlớn và trung bình như trong tua bin, động cơ Diezen. Thường dùng 2 mác: 83%Sn–11%Sb–6%Cu và 88%Sn–8%Sb–3%Cu–1%(Ni + Cd).
b) Babit chì.
Là loại hợp kimtrên cơ sởcủa chì 6 ÷16%Sn và 6 ÷16%Sb.
Ví dụ, PbSn16Sb16 có 16%Sn, 16%Sb, cịn lại là Pb hay PbSn6Sb6 có 6%Sn, 6%Sb cịn lại là Pb.
Loại babit này nền mềm phần lớn là (Pb + Sb), hạt cứng là các pha: SnSb; Cu3Sn; Cu2Sb.
c) Babit nhơm.
Là loại hợp kim ổ trượt có hệ số ma sát nhỏ, nhẹ, tính dẫn nhiệt cao, chống ăn mịn cao trong dầu, cơ tính cao xong tính cơng nghệkém.
Thường dùng các mác ACM, A020-1, A09-2 (AlSb6Mg; AlSn20Cu; AlSn9Cu2NiMg).
ACM có tổchức nền mềm là Al và các hạt cứng AlSb được dùng nhiều trong các động cơ xăng.
A020-1 và A092 có tổ chức là nền cứng là Al, hạt mềm là phần tửSn. Chúng có giới hạn mỏi cao, làm việc tốt trong điều kiện nặng của động cơ Diezen.
3.3.3. Hợp kimổ trượt có nhiệt độchảy cao
Ưu điểm chung của loại này là chịu được áp lực lớn do có độ bền cao, thường dùng gang xám và brơng.
Dùng loại gang có nền peclit nhỏ mịn đóng vai trò là nền cứng và lượng lớn graphít tấm đóng vai trị là hạt mềm.
Theo các mác của Nga (Liên Xô cũ) thường dung AЧC-1 và AЧC-2 (A- ít ma sát,Ч- gang, C–xám). Cũng có thểdùng gang cầu, gang dẻo làmổ trượt.
b) Brông thiếc.
Thường dùng các mác: CDA836, CDA544, trong đó Sb khơng tan là các hạt mềm, nền cứng là Cu hoà tan Sn, Zn.
c) Brơng chì.
Thường dùng các mác: ΓOCT БрC30 (30%Pb). Hạt mềm là Pb không tan, nền cứng là Cu. Do lượng Pb cao, cơ tính thấp nên thường phải đúc trên máng thép. Loại này dẫn nhiệt tốt được sửdụng nhiều đểlàmổ trượt trong động cơ.
3.4. Hợp kim bột
3.4.1. Khái niệm chung
Vật liệu bột là một lĩnh vực rộng, ở đây chỉ hạn chế chủ yếu trong phạm vi vật liệu trên cơ sởcác kim loại và hợp kim bột, tức thuộc lĩnh vực luyện kim bột.
Khác với phương pháp luyện kim thông thường là chế tạo kim loại và hợp kim bằng cách nấu chảy rồi qua kết tinh trongkhn đểtạo hình, cơng nghệluyện kim bột sử dụng bột kim loại như nguyên liệu ban đầu rồi qua ép và thiêu kết để tạo hình như mong muốn. Như vậy muốn có một sản phẩm từbột, nói chung phải qua các q trình chính sau:
Chếtạo bột với độhạt và độsạch thích hợp (nguyên liệu dạng bột). Tạo hình sơ bộbằng ép hỗn hợp bột trong khn dưới áp suất thích hợp.
Định hình kết thúc bằng cách sấy và nung (thiêu kết) ở nhiệt độ thích hợp (thường thấp hơn nhiệt độnóng chảy của các cấu tửchính).
Gạch, ngói và các sản phẩm đất nung (đồ gốm) được làm bằng kĩ thuật này và đã có từrất xa xưa, nhưng những vật liệu trên cơ sởkim loại và hợp kim bột thì mới được phát triển trong vòng năm mươi năm cuối thế kỉ này, do bột kim loại và hợp kim khơng có sẵn trong thiên nhiên (như đất sét để làm đồ gốm), mà phải qua chếtạo rất cơng phu, địi hỏi kỹthuật cao về mặt trang thiết bị (sản xuất cũng như kiểm tra chất lượng), vốn đầu tư ban đầu lớn,…Tuy vậy, so với phương pháp luyện kim thông thường, phương pháp luyện kim bột có những ưu việt khá rõ rệt, cho nên dù có ra đời muộn hơn, nó vẫn có tương lai phát triển vững chắc. Những ưu việt đó là:
+ Nguyên liệu (bột) được sửdụng gần như 100%, bởi vì hầu như khơng có phế liệu (kiểu phoi) sau các giai đoạn gia công.
+ Thành phần của sản phẩm có thểkhống chếdễdàng ngay từkhâu chọn và trộn bột ban đầu.
(khi chế tạo hàng loạt), do khâu ép và thiêu kết có tính lặp lại cao, vấn đề chỉ cịn là trộn đều nguyên liệu bột ban đầu.
+ Vốn đầu tư ban đầu khá cao, sẽ được bù lại nhờ tính đơn giản của các nguyên công và bởi khả năng tự động hóa cao, năng suất cao và cần ít nhân lực (khi quá trình sản xuất đãổn định).
+ Một số sản phẩm chỉ có thể chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột, hoặc bằng, luyện kim bột sẽ rẻ hơn so với luyện kim thông thường (như việc chế tạo các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, các vật liệu cứng và siêu cứng, các vật liệu chịu nhiệt và cách nhiệt, hoặc một sốsản phẩm cần có rỗxốp đều như các loại bạc xốp, các tấm lọc,…).
3.4.2. Vật liệu cắt và mài
Đây là hai loại vật liệu có tính chất làm việc giống nhau: dùng vật cứng hơn để cắt vật mềm hơn (thành mạt hoặc phoi).
3.4.2.1. Vật liệu bột mài
Đối với bột mài, các hạt cứng có kíchthước khơng đều nhau, nhưng ln có các góc cạnh sắc nhọn. Khi làm việc chúng trượt trên bề mặt cần gia công (mài, rà, đánh bóng,…) làm bong ra từ bề mặt gia cơng những mạt có kích thước khác nhau tùy độ hạt, tốc độ trượt và lực ép lên bềmặt cần gia công. Trong thực tế thường dùng các vật liệu sau, theo chiều tăng dần độ cứng làm bột mài cát trắng (SiO2), êmêri (hỗn hợp tự nhiên của Al2O3, SiC, Fe2O3), Al2O3, SiC, BN lập phương, cuối cùng là kim cương (tự nhiên hoặc nhân tạo), là loại vật liệu có độcứng cao nhất (khoảng 10000 HV).
Vật liệu mài có thểsửdụngở dạng tựdo (dạng bột) như trong máy phun cát, bột gia công thủy tinh, bột mài rà, bột đánh bóng, … hoặc ở dạng gắn trên giấy, vải (giấy giáp từbột cát trắng, vải tẩm êmêri, SiC, … dùng để gia công gỗ, hoặc kim loại), hoặc ởdạng khối (đá mài các loại).
3.4.2.2. Dụng cụcắt bằng hợp kim cứng
Đối với dụng cụ cắt (một hay nhiều lưỡi cắt, như tiện, phay, bào, khoan doa, chuốt, …), khi làm việc chúng cắt (bóc) từng lớp bề mặt chi tiết cần gia công, tạo ra phoi. Tốc độ cắt càng cao, nhiệt do ma sát sinh ra càng nhiều, do vậy ngoài độ cứng cao, dụng cụ địi hỏi có tính cứng nóng và bền nóng cao, với thép dụng cụcacbon và hợp kim thấp chỉ chịu được khơng q 2500C, với thép gió cũng chỉ dưới 6000C, nếu dùng hợp kim cứng có thể làm việc được tới 800-10000C, nâng cao năng suất cắt và tuổi thọcho dụng cụlên nhiều lần.
Thành phần chủ yếu của hợp kim cứng thơng dụng là các hạt WC dính kết với nhau bởi Co (loại một cacbit), hoặc WC + TiC + Co (loại hai cacbit), hoặc WC + TiC + TaC Co (loại ba cacbit). Lượng Co dao động trong phạm vi 2-30% tùy theo độ dai va đập cần thiết (Co càng nhiều độ dai càng cao nhưng độcứng càng thấp).
Nhóm 1 cacbit, ký hiệu BKx.
Nhóm này gồm có cacbit vonfram (WC) và coban (Co). Con số đứng đằng sau chữ K biểu thị thành phần phần trăm của Co.
Ví dụ, BK6gồm 6% Co còn lại là 9 4%WC
Thường dùng BK2, BK3, BK6 và BK8. Để gia công thô, tinh cho gang, kim loại màu và phi kim loại. Riêng BK8 có thể thay thế cho hợp kim cứng nhóm TK để gia cơng thép.
Nhóm 2 Cacbit, ký hiệuTK
Nhóm này gồm có cacbit vonfram (WC) và cacbit titan (TiC). Con số đứng đằng sau chữ T biểu thị thành phần phần trăm của cacbit titan (TiC). Con số đứng đằng sau chữ K là thành phần Co. Còn lại là thành phần cacbit vonfram (WC).
Ví dụ,T15K6 gồm 15%TiC; 6% Co; 79% WC
Thường dùng T15K10; T14K8; T15K6; T30K4 và T60K6. Để gia công cắt gọt thô, tinh thép các bon và thép hợp kim.
Nhóm 3 Cacbit, ký hiệu TTK
Nhóm này gồm có cacbit vonfram (WC), cacbit titan (TiC), cacbit tantan (TaC). Con số đứng đằng sau 2 chữ TT biểu thị thành phần phần trăm của tổng 2 cacbit Ti và Ta. Con số đằng sau chữ K biểu thị thành phần phần trăm của Co. Còn lại là thành phần cacbit vonfram. Thường dùng TT7K12; TT10K8; TT20K9.
Hợp kim cứng nhóm TTK do có TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn, chủ yếu được dùng để gia công thô các phôi đúc, cán, rèn.
Để chế tạo hợp kim cứng phải qua các bước hoàn nguyên bột WO3 trong dịng khí H2ở 700-9000C. Bột W thơ thu được đem nghiền nhỏ,qua sàng để có độ hạt nhưý (0,10-0.15µm đến 3-5 µm). Trộn bột cacbit với bột Co trong nhiều giờ để làm đều thành phần. Ép hỗn hợp bột dưới áp lực 100-400MPa rồi nung sơ bộ ở9000C trong 1h để tạo hình sơ bộ. Gia cơng cơ (phay, tiện) theo kích thước mong muốn, chú ý để độ dư cần thiết, vì sau thiêu kết có sự co ngót nhất định (khoảng 5-10%). Thiêu kết lần cuốiở1400-15000C trong 1-3h,ở nhiệt độnày Co chảy lỏng ra và tạo điều kiện đểcác hạt cabit sát lại gần nhau, giảm độ xốp (và đó là lý do làm chi tiết bị co chút ít), tăng sựliên kết giữa chúng.
Sau khi làm nguội, chúng trở nên rắn chắc, khơng thể gia cơng cơ khí được nữa, cách duy nhất là mài sửa trên đá mài đặc biệt hoặc bằng tia lửa điện.
Do hợp kim cứng giòn và khả năng thoát nhiệt kém (so với thép), nên dụng cụ thường được cấu tạo gồm hai phần, phần lưỡi cắt bằng hợp kim cứng và phần thân bằng thép thường, liên kết với nhau bằng hàn đồng hoặc kẹp kiểu ép hay bắt vít.
Ngồi chất dính kết bằng Co, cịn có thểdùng các kim loại khác như Ni, Mo, hay hợp kim Ni-Cr,… để làm nền liên kết các hạt cứng lại với nhau, gọi chung là cermet
(ceramic–metal), tức hợp kim cứng nền kim loại.
3.4.2.3. Vật liệu siêu cứng
Có thể chế tạo dụng cụ từ vật liệu siêu cứng bằng các cách, bột kim cương trộn với 1-2% bột B, Be, hoặc Si (chất dính kết), được ép nóng dưới áp suất cao tới 12 GPa, ởnhiệt độkhoảng 30000C. Sản phẩm có thể đạt độcứng tới 8000 HV.
Bột kim cương, hoặc bột BN rải lên bề mặt hợp kim cứng, rồi ép nóng dưới áp suất 5-8MPa,ở nhiệt độ khoảng 1 8000C, một phần nhỏ Co và thậm chí cả W, Ti của hợp kim cứng tiết ra thành chất dính kết đối với lớp siêu cứng. Lớp phủcó thể đạt độ cứng 5000- 8000 HV.
Bột kim cương, hoặc bột BN trộn với khoảng 20-30% bột kim loại (chất dính kết), ép nóng dưới áp suất 3-6 Gpa, ở nhiệt độ 1200-16000C. Sản phẩm có thể đạt độ cứng 4000-5000 HV, thích hợp làm dụng cụcắt đá.
Cần thấy rằng vật liệu trên cơ sở kim cương tuy có độ cứng cao nhưng lại hạn chếvềnhiệt độ và có sựkhuếch tán của C vào Fe, thép (khi cắt với tốc độcao). Trong khi đó vật liệu trên cơ sởBN vừa có độcứng cao, vừa có tính bền ởnhiệt độ cao hơn, nên rất thích hợp để gia cơng với tốc độ cao (khoan, tiện, phay,…) thép đã tơi, gang các loại. Ví dụ, gia công gang xám với độ cứng 180-210 HB, có thể đạt tốc độ cắt 1800-2000 m/ph.
3.4.2.4. Thép gió bột
Sự phát triển có tính cơng nghiệp các bán thành phẩm thép gió bằng con đường luyện kim bột mới có khoảng trên mười năm nay. Xuất phát từnguyên liệu bột (Fe, W, Cr, Mo, Co, V, C hay hợp kim trung gian) qua ép nóng với áp lực 100 MPa ở 11000C trong khí bảo vệAr, tạo thành các bán thành phẩm dạng thỏi lớn (200-1000 kg).
So với phương pháp nấu chảy cổ điển, phương pháp bột nhận được hạt mịn hơn và có thể tạo được những loại thép gió khó nấu luyện và khó rèn, như loại chứa C rất cao, V, Co cao.
Ví dụ, số hiệu 230W6M7Cr4V6Co10, (có thành phần tương ứng 2,3%C-6%W- 7%Mo-6%V-10%Co, còn gọi là Fe), chế độ rèn và nhiệt luyện cũng tương tự như với thép gió nấu chảy, nhưng rèn và tôi ở nhiệt độ thấp hơn. Do thành phần cacbon và nguyên tốhợp kim cao hơn lại có tổchức đồng đều hơn nên khả năng cắt gọt tốt hơn, chế độ làm việc nặng hơn, tuổi thọ cao hơn. Nhược điểm là độ dai và khả năng dẫn nhiệt kém hơn do ít nhiều vẫn cịn rỗxốp.
Gần đây, có thể sản xuất bột kim loại có độ sạch cao hơn, cho phép chếtạo trực tiếp ra các dụng cụ nhỏ (mũi khoan, lưỡi phay, mũi dao tiện,…) bằng cách ép nguội rồi thiêu kết trong chân khơng. Sản phẩm có độ sít chặt cao có thể nhiệt luyện và sử dụng ngay được. Phương pháp này khá kinh tế vì hầu như khơng mất ngun liệu (do khơng phải cắt gọt để tạo hình), tuy vậy chỉ thực sựcó lợi khi sản lượng khá cao (tối
thiểu 5000-10000 sản phẩm, với trọng lượng khoảng 50g mỗi chiếc).
Cuối cùng, bằng con đường luyện kim bột, có thểdễ dàng cho thêm bột graphit, bột cacbit mịn (TiC, WC,…) vào bột chế tạo thép gió, để tạo ra loại vật liệu cắt gọt mới, trung gian giữa thép gió và hợp kim cứng.
3.4.3. Vật liệu kết cấu
3.4.3.1. Vật liệu trên cơ sởFe, thép bột
Có thểkhẳng định rằng một sốchi tiết máy đã được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột có cơ tính khơng thua kém gì so với chi tiết bằng thép sản xuất theo phương pháp nấu chảy truyền thống.
Hai yếu tố quyết định chất lượng của chi tiết làm từ bột ép và thiêu kết, đó là khối lượng riêng và thành phần hóa học.
Khối lượng riêng, ta thấy rằng giới hạn bền kéo, giới hạn giãn dài, độ cứng, độ bền mỏi, môđun đàn hồi sẽ tăng lên khi khối lượng riêng tăng. Đối với sắt, thép bột ép và thiêu kết, khối lượng riêng vào khoảng 6,2-7,0 g/cm3 (hoặc độsít chặt tương đối là 80- 90%, cơ tính vào khoảng 50-75% so với sắt, thép nấu chảy tương ứng. Muốn khối lượng riêng vượt quá 7g/cm3(có thểtới 7,6 g/cm3), phải chếtạo bằng cách ép và thiêu kết nhiều lần, giá thành cao hơn, nhưng cơ tính tốt hơn (gần bằng phương pháp nấu chảy). Lực ép thường từ400-800Mpa và nhiệt độthiêu kết từ1100-13000C, thường là 11250C đối với lò liên tục và 1180-12000C đối với lò chu kỳ.
Thành phần hóa học và tính chất của sắt, thép bột, phụ thuộc chủ yếu vào độsít chặt (thể hiện qua khối lượng riêng cao, hay độ xốp nhỏ), nhưng thành phần hóa học của chúng cũng đóng vai trị khơng kém phần quan trọng.
Các nguyên tố hợp kim trong sắt, thép bột có tác dụng tương tự như đối với sắt, thép thường, ví dụcho thêm một lượng nhỏNi, Cr, Mo, Mn, Cu, ...có tác dụng tăng cơ tính, thêm C tăng khả năng nhiệt luyện (tôi thành tổchức mactenxit), thêm một lượng đủlớn Cr, Ni, Mo thành thép không gỉ,...