Phun kim loại là quá trình tạo ra lớp phủ bằng cách phun các hạt kim loại nóng chảy nhờ luồng khí nén hoặc khí tr ơ lên bề mặt chi tiết đãđược chuẩn bị trước. Việc làm nóng chảy và phun kim loại được tiến hành nhờ các máy phun kim loại. Tùy thuộc vào phương pháp làm nóng chảy kim loại, việc phun kim loại đ ược chia ra: phun kim loại điện hồ quang, phun kim loại h ơi, phun kim loại cao tần, phun kim loại hồ quang platma, v.v...
quang làm nóng chảy kim loại cần phun. Trên sơ đồ (hình 2.2) ta thấy các dây kim loại (1) cách ly với nhau và được đẩy đi trong rãnh của vỏ máy phun nhờ các con
lăn. Trong đầu phun của máy phun, giữa các dây kim loại có chênh lệch điện áp vì
vậy xuất hiện tia hồ quang v à dưới tác dụng của nó chúng bị nóng chảy. Các phần tử kim loại nóng chảy nhờ luồng khí nén (2) được thổi lên bề mặt đã chuẩn bị sẵn của chi tiết(3).
Hình 2.2.Sơ đồ làm việccủamáy phun kimloại.
1- Dây phun; 2- Luồngkhí nén; 3- Chi tiết được phun; 4- Dây dẫn từnguồn điện.
Khi phun kim loại có thể phủ một lớp kim loại bất kỳ có chiều dày từ 0,03mm tới vài milimet lên bất kỳ vật liệu nào như kim loại, gỗ, thủy tinh, thạch cao, giấy, v.v... mà không làm những vật liệu đó bị nóng chảy.
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình phun kim loại.
1- Bề mặt được phun; 2- Dây kim loại phun;3-Đường cong thay đổi vận tốc khí nén; 4-Đường cong thay đổi tốc độ hạt kim loại.
1 2
3 4
Quá trình phun kim loại có thể chia ra làm 3 giai đoạn: Giai đoạn làm nóng chảy kim loại dây phun, giai đoạn phun kim loại nóng chảy đó nhờ luồng khí v à giai đoạn hình thành lớp phủ. (Hình 2.3) miêu tả sơ đồ quá trình phun kim loại. Theo nghiên cứu A.Ph.Trô-it-xki, khi đốt chảy dây kim loại trong máy phun xảy ra những chu trình như sau đây:
- Xuất hiện hồ quang giữa các điện cực v à đốt chảy chúng; - Ngắt mạch đầu tiên của mạch điện các điện cực;
- Ngắn mạch và làm nóng chảy điện cực;
- Phóng tia lửa điện và tiếp tục tia hồ quang mới.
Sự nóng chảy kim loại xảy ra ở thời điểm chảy và ngắn mạch của tia hồ quang,
ở những thời điểm ngắt mạch điện của các điện cực kim loại không bị nóng chảy.
Nhiệt độ nóng chảy của kim loại ở những giai đoạn khác nhau đều khác nhau. Khi hồ quang cháy thì nhiệt độ của kim loại phun t ương đối lớn, lúc đó sẽ tạo ra số
lượng các hạt kim loại có kích th ước nhỏ, còn khi đoản mạch nhiệt độ giảm xuống
và lúc này tạo ra các hạt kim loại có kích th ước lớn hơn. Khi các phần tử va vào bề mặt phun thì chúng bị làm lạnh bởi dòng không khí nén hoặc khí trơ và do truyền nhiệttừ các phần tử đã bám tới kim loại của chi tiết. Từ đó thấy được rằng, nhiệt độ đốt nóng của chi tiết khi phun kim loại không cao lắm, vào khoảng trên dưới 2000oC.Người ta cho rằng liên kết bên trong của lớp kim loại phun với kim loại chi tiết có được là do lực bám tương hỗ cơ giới và tác động của các lực phân từ. Độ bám của lớp kim loại phủ với kim loại c ơ bản phụ thuộc vào trạng thái bề mặt sửa chữa của các chi tiết, vào nhiệt độ và vận tốc của các hạt phun vào, kim loại phun và chế độ phun kim loại.
Khi phun kim loại có thể tạo ra những hạt kim loại có kích th ướckhác nhau từ (2 ÷ 100) m. Tốc độ bay của các hạt kim loại có thể đạt tới khoảng (85 ÷ 190) m/s còn thời gian chuyển động tới chi tiết thì không tới 0,003 giây. Ở vận tốc lớn và thời gian chuyển động nhỏ như vậy các phần tử không kịp làm lạnh một cách nhanh chóng được và khi chạm vào bề mặt chi tiết chúng vẫn nằm ở trạng thái dẻo. Vì bị va đập mạnh cho nên những phần tử này bị đàn hồi (biến dạng đi) và dính vào
nhau, kếtquả là nhờ tác dụng của các lực bám giữa các phân tử và nguyên tử tại chỗ tiếp xúc, các phân tử kim loại được liên kết với kim loại của chi tiết và với những phần tử kim loại phun lên trước nó.
Vận tốc đưa dây và áp suất luồng khí cũng làm ảnh hưởng tới các quá trình trên. Khi vận tốc đưa dây lớn thì cường độ cực đại của dòng điện tăng lên và kéo dài thời gian ngắn mạch của điện cực v à như vậy sẽ làm tăng khối lượng các hạt kim loại có kích thước lớn. Khi tăng áp suất luồng khí sẽ l àm tăng chu kỳ cháy của tia hồ quang và như vậy chất lượng phun tốt hơn vì sẽ làm tăng khối lượng của các hạt có kích thước nhỏ. Tuy nhiên, cần chú ý rằng áp suất cao của luồng khí và sự tăng đột ngột vận tốc đưa dây tới một trị số lớn hơn trị số cực đại nào có thể dẫn
đến là ở chu kỳ ngắn mạch kim loại không kịp nóng chảy hết. Những hạt kim loại
lớn thậm chí những cục kim loại có thể bị bứt ra, va vào chi tiết làm ảnh hưởng không tốt tới chất lượng phun. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ chịu ảnh h ưởng lớn của các yếu tố như vận tốc của các hạt, khối l ượng và kích thước của chúng, nhiệt độ của các hạt trong thời gian chúng di chuyển, các hiện tượng xảy ra trong quá trình phun cũng như trạng thái bề mặt chi tiết và vật liệu dây kim loại. Đại bộ phận các yếu tố đó phụ thuộc vào chế độ phun. Cấu trúc của lớp kim loại phun rất khác biệt so với cấu trúc của kim loại đúc hoặc cán. Lớp phủ thường là xốp, trị số độ xốp phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố, trong đó quan trọng nhất là phương pháp làm nóng chảy kim loại và chế độ làm việc của máy phun kim loại. Thành phần hóa học của lớp phủ cũng khác so với thành phần hóa học của dây phun bởi vì trong khi phun một số thành phần của nó như cácbon, silic, mangan, v.v… đã bị đốt cháy.
Sự tồn tại các màng ôxy hóa trên bề mặt các phần tử kim loại phun cản trở sự tạo thành cấu trúc đồng nhất bình thường cuả lớp phủ và là nguyên nhân làm giảm độ dẻo của nó, đồng thời so với kim loại của chi tiết thì sức cản va đập, sức cản đứt, sức cản xoắn, sức cản uốn của nó nhỏ h ơn rất nhiều. Lớp phủ chịu nén tốt nhưng chịu kéo tồi.
Độ cứng của lớp phủ lớn h ơn độ cứng của dây phun là do khi bị làm lạnh thì
lớp phủ đảm bảo cho nó có độ chống mòn cao khi làm việc có bôi trơn. Tại điểm tiếp xúc giữa hai điện cực nhiệt độ sinh ra lớn, lớn h ơn khá nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại, do đó tại đây xuất hiện hai trạng thái của kim loại: kim loại lỏng và hơi kim loại. Kim loại nóng chảy đ ược luồng khí cuốn đi và được phun ra thành những hạt nhỏ với vận tốc lớn của luồng khí. Kim loại cũng nh ư nhiệt độ của các hạt thay đổi từ điểm nóng chảy tới bề mặt của chi tiết và theo tiết diện của luồng khí từ đường tâm luồng khí ra tới lớp biên. Vận tốc của các hạt tăng dần từ vận tốc ban đầu khoảng 18 m/s cho tới trị số cực đại v à sau đó càng xa vùng ch ảy thì càng giảm xuống. Trị số cực đại khi phun thép có thể đạt tới 190 m/s.
Vận tốc cuối cùng của các hạt ở khoảng cách 250 mm cách đầu máy phun vào khoảng 85 m/s, thời gian bay của hạt vào khoảng 0,003 giây. Do đó hạt không bị làm lạnh đột ngột khi chạm tới bề mặt chi tiết và nó vẫn còn ở trạng thái dẻo. Sau đây là một số số liệu.
- Khoảng cách từ đầu máy phun, mm: 50 100 200 - Nhiệt độ của các hạt kim loại tr ên đường
tâm của luồng khí thổi0C: 1030 980 900 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như trên đã nói, vận tốc nhiệt độ của các hạt kim loại giảm xuống theo tiết diện của luồng khí thổi từ đường tâm ra tới chu vi. Nếu cho rằng trong quá trình bay, các hạt kim loại được làm mát không đồng đều và bị ôxy hóa một phần ở những mức độ khác nhau, thì thấy rõ ràng rằng, khi đạt tới bề mặt chi tiết, các hạt kim loại sẽ có kích thước, khối lượng, vận tốc và nhiệt độ khác nhau. Khi va đập vào bề mặt chi tiết, do những nguyên nhân trên, các hạt kim loại sẽ bị biến dạng, biến cứng và bị làm lạnh do bề mặt nguội của chi tiết ở những mức độ khác nhau và do vậy cấu trúclớp phủ sẽ không đồng nhất và sẽ khác biệt rất nhiều so với cấu trúc của kim loại phun. Độ bền bám giữa các hạt kim loại với nhau có thể xem nh ư độ bền tiếp xúc tạo bởi sự tác dụng của các lực bám giữa các nguyên tử, phân tử của các phần tiếp xúc.
Thành phầncủa lớpphủrấtkhác so vớithành phầnhóahọccủa dây phunvìkhi
Mn 35- 38%, S 25- 26%. Lớpphủnhận được bằngcách phun dây kim loạicó thành phần 0,7- 0,8%Ccócấutrúc gồm xoocbiit, trôxit, mactenxit.