3. Phân tích thành phần và pha trộn bột hợp kim
3.1. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt và thành phần bột
3.1.1. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt
Bột h p kim thường ó ạng h nh u. Kí h hạt thường nằm trong kho ng 50- 150àm. Kớ h hạt ủa h p kim ột ựng ho qu tr nh hàn PTA ũng kh so với phương ph p phun kim loại [82].
H nh 3.1. H nh ạng và kí h hạt ủa h p kim ột Surfit 1560 [96]
B ng 3.1. Kí h hạt ủa một s phương ph p hàn và phun kim loại [82]
Phương ph p Hàn O2–C2H2 Hàn PTA Phun phủ plasma Kớ h hạt ột h p kim (àm) 20-100 53-150 5-53
Tùy thuộ vào mụ í h s ụng và y u u ề m t ể x ịnh và lựa họn vật li u ột ó thành ph n, hàm lư ng và tính th o y u u. Khi họn h p kim ột ho phương ph p hàn PTA, n tính ến sự nh hưởng ủa t ộ h y, t ộ kết tinh ủa kim loại l ng trong vũng hàn, ơ tính kim loại m i hàn.
H nh 3.2. Kí h hạt ủa ột h p kim nền F , Co, Ni [101]
Theo tài li u [50], kớ h ột h p kim từ 50-150àm sẽ tạo iều ki n thuận l i ho qu tr nh ị h huyển, nóng h y và kết tinh ủa kim loại m i hàn. Nó hạn hế ƣ sự h nh thành ọt khí và hi n tƣ ng nứt trong m i hàn. Khi kí h hạt ủa ột h p kim tăng l n tr n 150àm sẽ làm gi m t ộ hàn, s lƣ ng ọt khớ trong m i hàn sẽ tăng l n và làm tăng nguy ơ nứt. Ngƣ lại, khi kớ h hạt ủa ột h p kim nh hơn 50àm sẽ làm tăng p lự ủa ột h quang plasma, nh hưởng ến kí h thướ ủa vũng hàn, sự ị h huyển kim loại vào vũng hàn, qu tr nh kết tinh ủa kim loại m i hàn.
H nh 3.3. nh hưởng ủa kí h hạt ến sự nóng h y và kết tinh khi hàn PTA [31]
Th o tài li u [31], t ộ kết tinh ủa kim loại m i hàn phụ thuộ r t lớn vào hế ộ hàn, ông su t nhi t và kí h hạt ủa ột h p kim. C qu tr nh nóng h y, ay hơi và kết tinh kim loại m i hàn phụ thuộ vào nhiều yếu t , trong ó ó kí h hạt ủa ột h p kim.
1- C hạt ó kí h nh , sẽ ị nóng h y khi i vào ột h quang plasma và một ph n sẽ ị ay hơi trướ khi vào vũng hàn.
2- Bột h p kim i vào ột h quang, tại y nó ị nóng h y hoàn toàn, sau ó i vào vũng hàn.
3- Bột h p kim i qua ột h quang plasma ể xu ng vũng hàn và ị nóng h y hoàn toàn trong vũng hàn.
4- Bột h p kim i qua ột h quang plasma và i vào vũng hàn. Tại y, một ph n ột h p kim ị nóng h y, ph n n lại không ị nóng h y và nằm lại trong vũng hàn ở trạng th i rắn.
5- Bột h p kim i qua ột h quang và i vào vũng hàn. Nhƣng nó không ị nóng h y và t n tại ở ạng thể rắn trong m i hàn.
Th o tài li u [38], kí h hạt ủa ột h p kim ó nh hưởng lớn ến trạng th i ề m t ủa m i hàn. Nếu thông hế ộ hàn không ó sự thay ổi, th h t lƣ ng và năng su t hàn ủa h p kim ột hạt mịn là t t hơn ( ao hơn) so với h p kim ột ó hạt thô ại.
H nh 3.4. nh hưởng ủa kí h hạt F -Cr ến m i hàn khi hàn PTA [50]
Th o tài li u [50], kí h hạt ủa ột h p kim ó nh hưởng ến ộ ứng tế vi ủa ề m t m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn.
Như vậy, qua sự ph n tí h nh hưởng ủa kí h hạt ột h p kim th y rằng, kí h hạt ủa ột h p kim nằm trong kho ng 50-150μm là phù h p với qu tr nh hàn PTA.
Với kí h hạt này, khi ột h p kim i qua ột h quang plasma, nó huyển sang trạng th i l ng hoàn toàn ƣới t ụng ủa ngu n nhi t plasma. Sau ó i vào vũng hàn ở trạng th i l ng, qu tr nh luy n kim và kết tinh vũng hàn sau ó x y ra thuận l i hơn.
3.1.2. Ảnh hưởng của thành phần bột hợp kim
Thành ph n ột h p kim ó nh hưởng r t lớn ến tỉ trọng, nhi t ộ nóng h y, tính h y lo ng, sự kết tinh, ộ ứng, kh năng hịu mài m n ủa kim loại m i hàn. Khi hàn PTA, tùy thuộ vào y u u lớp ắp ể lựa họn thành ph n ột h p kim phù h p với kim loại nền.
3.1.2.1. Ảnh hưởng của Cácbon
C on (C) ó u trú mạng tinh thể lụ gi , n kính nguy n t là 0.77Å, kh i lƣ ng ri ng là 3.51g/m3 [23], [29]. C on là nguy n t h p kim quan trọng và ó nh hưởng trự tiếp ến tính ủa kim loại m i hàn. Sự gia tăng hàm lư ng C ẫn ến ộ
kh năng hịu va ập, tính hàn và tính gia ông ủa kim loại [23]. Với n kính nguy n t nh , tính linh hoạt ao, C on ễ ị khuế h t n và h a tan khi hàn nh t là ở trạng th i l ng. Khi kết h p với nguy n t kh ho nguy n t C sẽ hiếm hỗ nguy n t kh trong mạng tinh thể ể tạo ra hỗn h p mới ho pha mới.
3.1.2.2. Ảnh hưởng của Crôm
Crôm (Cr) ó n kính nguy n t là 1,27Å, nhi t ộ nóng h y kho ng 18570C, kh i lƣ ng ri ng là 7.2g/ m3 [23], [29].
Crôm oxyt (Cr2O3) ó nhi t ộ nóng h y kho ng 18900C, kh i lƣ ng ri ng là 6.68g/cm3 [29].
Crôm ít (Cr4C3) ó nhi t ộ nóng h y kho ng 24350C, kh i lƣ ng ri ng là 5.21g/cm3 [29].
Crôm ít (Cr7C3) ó ộ ứng r t ao kho ng 1300HV, kh năng hịu mài m n, h ng ăn m n và h ng oxy ho t t [56]. Độ ứng ủa lớp ắp (F , Cr)7C3 là kho ng 790HV [87].
H nh 3.5. Độ ứng ủa lớp ắp ó thành ph n (Fe, Cr)7C3 [87]
Độ ứng sẽ gi m n th o hiều s u ủa lớp ắp tính từ ề m t m i hàn. Khi gi m hàm lƣ ng Cr sẽ làm gi m kh năng tạo Crôm ít, gi m ộ ứng, kh năng hịu mài m n và kh năng h ng ăn m n ũng ị suy gi m. Khi tăng hàm lƣ ng Cr trong thép sẽ làm iểm ùng tinh ị h huyển sang n tr i. Tuy nhi n, tăng hàm lƣ ng C ể tăng Crôm it là không n thiết, v nó sẽ nh hưởng ến ộ ẻo ủa kim loại m i hàn. C ít M7C3 ạng s i là yếu t quan trọng quyết ịnh ến kh năng hịu mài m n ủa kim loại m i hàn [65].
H nh 3.6. Gi n trạng th i khi hàn h p kim MC (M=Fe+4%Cr+6%W+5%Mo+2%V)[56]
Lớp ắp MMC (M tal Matrix Composit s) với thành ph n ơ n là Cr3C2 ó ộ ứng ao, ó kh năng hịu mài m n t t. Độ ứng ủa Crôm ít (Cr3C2) là kho ng 1000HV. Độ ứng sẽ gi m n th o hiều s u ủa lớp ắp [93].
H nh 3.7. Độ ứng ủa lớp ắp ó thành ph n Cr3C2 khi hàn PTA [93]
Th o tài li u [23], sự ó m t ủa Crôm sẽ làm tăng kh năng h ng gỉ, tăng ƣờng ộ ứng, kh năng hịu mài m n lớp ắp. Khi hàn, Cr sẽ kết h p với C ể tạo ra Crôm ít (CrxCy) ó ộ ứng r t ao. Khi hàm lƣ ng Crôm ít tăng sẽ làm tăng ộ ứng, kh năng hịu mài m n và hịu nhi t cho kim loại m i hàn. B n ạnh ó, sự ó m t ủa Crôm sẽ hạn hế sự ph t triển pha gamma (γ) và mở rộng sự ph t triển F rrit (α). Ngoài ra, Crôm ó thể kết h p với Mangan (Mn) và Nik n (Ni) ể tạo ra Aust nit Cr-Mn và Cr-Ni ó kh năng hịu mài m n, h ng ăn m n, h ng gỉ r t t t. Tuy nhi n, nó sẽ làm gi m kh năng ẫn nhi t, ẫn i n ủa lớp ắp và làm gi m tính hàn ủa thép.
Khi hàm lƣ ng Crôm ao tr n 13%, lớp ắp ó kh năng hịu mài m n t t, h ng oxy hóa, h ng ăn m n. Độ ền kéo ủa thép tăng l n kho ng 80-100MPa khi hàm lƣ ng Crôm tăng 1% [23]. V vậy, thép Crôm ƣ s ụng phổ iến ể hàn hi tiết trong ngành s n xu t xi măng, khai kho ng, thủy-nhi t i n, ông nghi p gi y, ho h t, u khí [88].
Th o tài li u [66], hàn ắp ứng với hàm lư ng Cr ao thường ư s ụng phổ iến trong ngành ông nghi p khai kho ng, ông nghi p m và nông nghi p v Crôm it ó kh năng hịu mài m n r t t t. Nhiều nghi n ứu ho th y, khi tăng hàm lƣ ng ít WC, CrC, VC sẽ i thi n ƣ kh năng hịu mài m n ủa lớp ắp. Ngoài ra, sự ó m t ủa Titan (Ti) khi kết h p với C sẽ tạo thành Titan ít (TiC) ó ộ ứng r t ao.
3.1.2.3. Ảnh hưởng của Vônfram
Vônfram (W) ó u trú mạng tinh thể lập phương, n kính nguy n t là 1,39Å, nhi t ộ nóng h y kho ng 34100C, kh i lƣ ng ri ng là 19.3g/ m3 [23], [29].
Vônfram ít (WC) ó nhi t ộ nóng h y kho ng 28700C, kh i lƣ ng ri ng là 15.6g/cm3 [29].
Vônfram là nguy n t h p kim ó kh năng tạo it r t mạnh. Khi hàn, W sẽ kết h p với C ể tạo thành Vônfram ít. Vônfram ít ó ộ ứng r t ao. Sự ó m t ủa Vônfram ít trong kim loại m i hàn sẽ làm tăng kh năng hịu mài m n, tăng ƣờng ộ ứng ho lớp ắp. Tuy nhi n, Vônfram ít lại ễ ị ph n hủy ở nhi t ộ ao [57].
Ngoài ra, sự ó m t ủa W sẽ hạn hế giai oạn huyển pha gamma (γ). Nó i thi n ộ ẻo ai và hạn hế sự ph t triển ủa hạt trong thép. Hơn nữa, W n làm tăng giới hạn ền nhi t, tăng giới hạn m i và tăng kh năng hịu mài m n ho lớp ắp. V vậy, W ƣ ổ sung vào ột h p kim nhằm làm tăng ƣờng ộ làm vi ho kim loại m i hàn.
Tuy nhi n, khi hàm lƣ ng W trong thép qu ao sẽ làm tăng ộ gi n, gi m tính hàn, m i hàn thường ó nhiều khuyết tật và làm tăng gi thành hế tạo [23].
H nh 3.8. So s nh ộ ứng ủa WC và W2C [54]
Th o tài li u [65], sự ó m t ủa nguy n t h p kim W trong kim loại m i hàn là r t n thiết. Nó sẽ kết h p với C ể tạo ra Vônfram ít. Đ y là yếu t ơ n quyết ịnh ến ộ ứng và kh năng hịu mài m n ủa lớp ắp. Sự ó m t ủa W và V sẽ làm iểm ùng tinh ủa gi n trạng th i F -C ị ị h huyển sang n tr i. Nó sẽ làm tăng ộ ứng, tăng ƣờng sự li n kết và kh năng hịu mài m n ho kim loại lớp ắp. V vậy, nó thường ư s ụng làm ụng ụ ắt, mũi khoan trong ngành ông nghi p khai kho ng.
3.1.2.4. Ảnh hưởng của Molybden
Molybden (Mo) ó u trú mạng tinh thể lập phương, n kính nguy n t là 1.39Å, nhi t ộ nóng h y kho ng 26200C, kh i lƣ ng ri ng là 10.22g/ m3 [23], [29].
Moly n thường ư ổ xung vào ột h p kim nhằm h p kim hóa kim loại m i hàn. Sự ó m t ủa Mo sẽ làm tăng ộ mịn, tăng kh năng hịu nhi t, tăng kh năng h ng ăn m n, i hi n tính hàn, tăng giới hạn ền ủa kim loại m i hàn. V vậy, Mo thường ƣ ùng kết h p với Cr ể tạo ra li n kim Cr-Mo và thép aust ntit Cr-Ni ể tạo ra li n kim Cr-Ni-Mo ó kh năng h ng ăn m n, hịu nhi t, hịu mài m n ao. Tuy nhi n, khi hàm lƣ ng Mo qu lớn sẽ làm gi m ộ nhạy ủa thép, gi m i n tí h vùng Aust nit [23].
3.1.2.5. Ảnh hưởng của Vanadi
Vanadi (V) ó u trú mạng tinh thể lập phương, n kính nguy n t là 1.34Å, nhi t ộ nóng h y kho ng 18900C, kh i lƣ ng ri ng là 5.96g/ m3 [23], [29].
Vana i ƣ ổ sung vào h p kim ột ƣới ạng hạt nguy n h t. Vana i sẽ kết h p với C on ể tạo ra Vana i ít (VC). Sự ó m t ủa VC sẽ làm tăng kh năng hịu mài m n, tăng ộ ứng, ộ ền ơ họ và ộ ền nhi t ho kim loại m i hàn [23], [65]. Khi kí h hạt VC trong kim loại m i hàn tăng l n sẽ làm tăng kh năng hịu mài m n ho lớp ắp. Kết qu kiểm tra mài m n ạt gi trị lớn nh t khi kí h ủa VC nằm trong kho ng 1.2-1.4μm [65]. B n ạnh ó, Vana i n ó t ụng làm tăng ộ mịn ủa kim loại m i hàn, hạn hế giai oạn huyển pha gamma (γ), tăng kh năng tho t khí Hy ro khi kim loại m i hàn kết tinh. Do vậy, Vana i thường ó trong thép gió, thép ền nhi t và thép hịu m i [23].
Như vậy, nguy n t h p kim ều ó nh hưởng ít nhiều ến tính ủa ột h p kim và kim loại m i hàn. Thành ph n ột h p kim s ụng trong qu tr nh hàn PTA ể tạo ra ề m t ó ộ ứng ao, hịu mài m n thường s ụng là h p kim ột nền F , Ni, Co với kí h hạt ột từ 75-150μm [40]. H p kim ột nền F , Ni, Co là vật li u ƣ s ụng phổ iến nh t ể hàn ắp [12]. Ngoài ra, ó thể s ụng h p kim ột ạng g m B4C, TiC và WC nhằm tạo ra ề m t ứng, hịu mài m n và hịu nhi t [83]. Tuy nhi n, h p kim nền Sắt (F ) ƣ s ụng phổ iến nhiều hơn , v nó ó nhiều ƣu iểm nhƣ tính hàn m o, ộ ứng ao, kh năng hịu mài m n t t, gi thành th p hơn so với vật li u nền Co ho nền Ni. Trong thự tế, h p kim ột nền F phù h p với nhiều loại vật ắp kh nhau n n ƣ s ụng phổ iến hơn so với h p kim nền Co ho Ni [48].