B. Nội dung chính báo cáo
1.3. Xác định mác vật liệu, phương án tạo phôi và thiết bị thí nghiệm chế thử bạc trượt
Trên hình 1.13 là ảnh chụp một loại bạc trượt động cơ ô tô vận tải do một hãng của Nhật Bản chế tạo, sử dụng cho động cơ xe tải HUYNDAI tải trọng 15 tấn.
a) b)
Hình 1.13. Ảnh chụp bạc trượt động cơ xe tải HUYNDAI 15 tấn: a) Bạc biên; b) bạc paliê Từ bạc mẫu cho trên hình 1.13 đề tài đã lấy mẫu kiểm tra thành phần vật liệu lớp hợp kim chịu mòn, xác định các kích thước hình học cơ bản để lựa chọn phương án công nghệ tạo phôi bimetal và tính toán công nghệ chế tạo bạc theo mẫụ
Kết quả phân tích cho thấy đối với gam công suất động cơ có tải trọng làm việc của bạc trượt tương ứng nói trên có thể chọn hợp kim nhôm chịu mòn theo hệ của Nga là AO9-2 (các nguyên tố chính là: 8 ÷ 10% Sn; 1,5 ÷ 2,5% Cu, còn lại là Al). Việc chọn vật liệu làm lớp hợp kim nhôm chịu mòn nhưu vậy là xuất phát từ việc tra cứu tài liệu kỹ thuật đối với hợp kim nhôm của Liên Xô trước đây có mác AO20-1 được lắp cho các đọng cơ xe tải hạng nặng đến 30 ÷ 40 tấn các nguyên tố chính là: 19 ÷ 20% Sn; 0,8 ÷ 1,2 % Cu, còn lại là Al). Trong bảng 1.1 là thành phần hóa học của mác thép và hợp kim nhôm sử dụng cho thí nghiệm.
Theo nội dung nhiệm vụ nghiên cứu đề ra ở phần này đã được trình bày cụ thể trong chuyên đề 2 của đề tài về một số vấn đề có liên quan đến cơ sở lý thuyết giải bài toán quy hoạch thực nghiệm trong việc phối liệu các nguyên liệu để nấu luyện hợp kim nhôm chịu mòn tương đương mác AO9-2 có thành phần hóa học gồm các nguyên tố chính: 8 ÷ 9 % Sn; 1,5 ÷ 2,0 % Cu; tạp chất khác ≤ 0,6 %, còn lại là Al (khối lượng).
Tiêu chí thành phần hóa học và cơ tính của mác hợp kim nhôm sau đúc – cán là quan trọng nhất vì nó xác định tính chất của lớp vật liệu chịu mòn trên bạc trượt bimetal và đảm bảo điều kiện làm việc của bạc trượt trong động cơ dự kiến thử nghiệm. Ngoài ra, chất lượng vật liệu hợp kim nhôm AO9-2 sau nấu luyện và đúc rót thành các thỏi còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố công nghệ như: thiết bị và nồi sử dụng cho nấy luyện; khuôn mẫu đúc thỏi hợp kim; khí bảo vệ trong quá trình nấu luyện hợp kim; chế độ xử lý nhiệt sau đúc và trước khi hàn nổ, …
Do tính phức tạp cao của công nghệ đúc hợp kim nhôm, các vấn đề liên quan tới phương pháp khử tạp chất khi nấu luyện, bảo vệ hợp kim đúc khỏi bị ôxy hóa, tránh hiện tượng thiên tích của các nguyên tố hợp kim hóa lên lớp bề mặt trong quá trình đúc và biến dạng dẻo sau đó, v.v… là những bí quyết công nghệ mà trong phạm vi nghiên cứu hạn hẹp về thời gian cũng như kinh phí của chuyên đề này không đề cập đến. Nếu đề tài sau này có được phát triển ở mức cao hơn ở cấp Nhà nước, chúng tôi sẽ đi sâu nghiên cứu về vấn đề này một cách có hệ thống.
1) Đúc hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2, kiểm tra chất lượng hợp kim đúc; 2) Cán phôi đúc AO9-2 xuống kích thước yêu cầu làm pakets hàn nổ;
3) Hàn nổ với thép 08Kn (qua lớp lót trung gian Al1050), kiểm tra chất lượng phôi bimetal sau hàn nổ;
4) Xử lý nhiệt và cán là xuống kích thước phôi chế tạo bạc, kiểm tra chất lượng phôi bimetal sau cán;
5) Gia công cơ khí thành bạc trượt 2 nửa, kiểm tra chất lượng bạc.
Kết luận chương 1:
Qua việc nghiên cứu tổng quan về các công nghệ cơ bản sử dụng để chế tạo vật liệu bimetal làm bạc trượt trên thế giới à tình hình nghiên cứu trong nước cho thấy:
1) Phương án phối hợp công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn và sau đó cán là xuống kích thước yêu cầu của phôi gia công bạc trượt trong điều kiện nước ta hiện nay là phù hợp, không cần đầu tư thiết bị cán dính đắt tiền cho khâu tạo phôi bimetal ban đầụ Các khâu còn lại trong phương án công nghệ đề xuất đều đã có thiết bị phù hợp;
2) Mác vật liệu lớp nền chọn mác thép các bon thấp dễ biến dạng dẻo là 08Kn, còn mác hợp kim nhôm chịu mòn lấy theo tiêu chuẩn ngành của Nga tương đương mác AO9 – 1, nhưng ở đây tăng hàm lượng đồng lên 2% nhằm tăng khả năng chịu tải trọng trong bộ đôi ma sát của bạc với trục.
Chương 2.
MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2
a) Mô hình thí nghiệm đúc hợp kim nhôm AO9-2
Để tổ chức thực hiện các thí nghiệm nấu luyện và đúc cán hợp kim nhôm chịu mòn (mác AO9-2) làm phôi paket đầu vào cho việc hàn nổ tạo vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt, cần phải có phương pháp luận khoa học dựa trên ứng dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm.
Luyện kim là quá trình công nghệ rất phức tạp. khó điều khiển tự động quá trình, do vậy có nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng vật đúc, đồng thời phế liệu do sai hỏng về thành phần hóa học vật đúc chiếm tỷ lệ rất caọ Việc xây dựng một phương án thí nghiệm nhằm mục tiêu giảm thiểu phế phẩm đúc và ổn định công nghệ đúc hợp kim nhôm chịu mòn là một bài toán khó, phải tiến hành rất nhiều thí nghiệm và kinh phí thử nghiệm này rất tốn kém. Vì thế: chọn phương án tổ chức thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm hai yếu tố ở hai mức điều chỉnh là phù hợp với nguồn kinh phí dự toán được cấp rất hạn hẹp của đề tàị
Để giảm thiểu chi phí thí nghiệm tìm kiếm chế độ công nghệ nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2, cần thiết phải áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 2 yếu tố ở 2 mức (kiểu N = 2k + 1 = 22 + 1 = 5) cho trong bảng 2.2.
Mô hình thực nghiệm với các thông số đầu vào, điều kiện biên và thông số đầu ra trong quy hoạch thực nghiệm của đề tài cho trên hình 2.1.
Điều kiện biên: X3;X4; X5; … Yếu tố độc lập
(thông số đầu vào): X1; X2
Y §èi t−îng
nghiªn cøu
Hàm mục tiêu (thông số đầu ra):
Y1; Y2;…
Hình 2.1. Mô hình quy hoạch thực nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm chịu mòn dùng làm phôi hàn nổ bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt
Từ hình 2.1 và bảng 2.2 cho thấy: các yếu tố đầu vào lựa chọn ở đây là: 1 – Hàm lượng phối liệu thiếc (% Sn) trong nguyên liệu trước nấu luyện; 2 – Hàm lượng phối liệu đồng (% Cu) trong nguyên liệu trước nấu luyện.
Hàm mục tiêu lựa chọn là: Tỷ lệ cháy hao của các nguyên tố hợp kim hóa nhôm (Sn, Cu) còn lại trong mẫu vật liệu hợp kim nhôm sau đúc với ký hiệu:
Y1 = Tỷ lệ % Sn phối liệu nấu luyện /% Sn trong hợp kim sau đúc; Y2 = Tỷ lệ % Cu phối liệu nấu luyện /% Cu trong hợp kim sau đúc.
Bảng 2.2. Điều kiện thực nghiệm kiểu N = 22 + 1 = 5 áp dụng cho nấu luyện hợp kim nhôm AO9-2
Miền khảo sát Thông số cần khảo sát
trong quy hoạch thực nghiệm Ký hiệu, đơn vị đo Mức 0 (min) Mức 1 (trung bình) Mức 2 (max) Bước điều chỉnh 1. Tỷ lệ thiếc phối liệu
đầu vào nấu luyện HKAl
Sn, % k.l.
9,0 11,0 13,0 2,0 2. Tỷ lệ đồng phối liệu
đầu vào nấu luyện HKAl
Cu, % k.l.
2,0 3,0 4,0 1,0 3. Nhôm và tạp chất khác: % k.l. còn lại tính trên tổng sô 100 % k.l.
Thông qua các tiêu chí hàm mục tiêu Y1 và Y2 dễ dàng xác định được hàm lượng của chúng còn lại trong mẫu hợp kim đúc, tức là thành phần hóa học thực tế của nó so với thành phần tiêu chuẩn của hợp kim.
b) Phương pháp phối liệu và điều kiện thí nghiệm đúc hợp kim nhôm AO9-2
Hợp kim nhôm đúc chịu mòn theo quy ước có ký hiệu mác vật liệu AO9-2 với thành phần hóa học gồm các nguyên tố chính: (8,5 ÷ 9,5 % Sn; 1,6 ÷ 2,2 % Cu; Tổng các nguyên tố tạp chất khác ≤ 0,95 % và Al – % còn lại).
Vì trong quá trình nấu luyện, nhiệt độ nóng chảy của các nguyên tố Sn, Cu, Al khác nhau nên rất khó đưa Sn, Cu vào Al mà không bị cháy hao, cũng như tránh được hiện tượng thiên tích và đảm bảo độ phân bố đồng đều trong toàn bộ khôi hợp kim đúc. Chính vì vậy, cần tiến hành một số thí nghiệm định hướng quanh mức giá trị chuẩn cần đạt của hợp kim AO9-2 nhằm xác định tỷ lệ khối lượng đầu vào phối liệu so với đầu ra trong thỏi hợp kim đúc của hai nguyên tố Sn và Cu một cách hợp lý nhất.
Do đồng (Cu) có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhôm (Al) và thiếc (Sn) nên việc tạo ra sự phân tán của Cu trong thỏi hợp kim đúc là gặp nhiều khó khăn. Vì thế, có thể thử nghiệm phương án đưa Cu vào hợp kim nhôm ở dạng bột có cỡ hạt khoảng 180 µm. Tuy nhiên, bằng cách này lượng Cu bị cháy hao sẽ rất lớn, vì thế có thể sử dụng các vỏ áo bọc bằng nhôm lá mỏng cho bột đồng khi đưa và nhôm nung chảy và khuấy đều trong thời gian xác định tối thiểu để tránh cháy hao nhiềụ
Thiếc (Sn) có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với nhôm và đồng. Do đó, nguyên tố này chỉ đưa vào hợp kim ở thời điểm thích hợp nhất sau khi nhôm đã được nung chảy, khấy đều cùng với lượng đồng (bột đồng) trong thời gian tối thiểu đủ để Cu phân tán đều trong nền nhôm. Sau đó cần khuấy đều hợp kim nhôm nóng chảy và tiến hành đúc thành các thỏi hợp kim nhôm trong khuôn kim loại có kích thước hình học tính toán cho trước.
Như đã trình bày trong Chuyên đề 2, phối liệu các nguyên tố Sn và Cu được dự kiến cho các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm cho trong bảng 3.1. Nếu ký hiêu tỷ lệ % Sn đưa vào phối liệu so với % Sn nhận được khi phân tích mẫu hợp kim nhôm đúc là Y1 = % Sn / % Sn* - là hàm mục tiêu thứ nhất ở dạng biến mã hóa và không có thứ nguyên; Y2 = % Cu / % Cu* - là yếu hàm mục tiêu thứ 2. ở dạng biến mã hóa và không có thứ nguyên. Cả hai trị số này (Y1 và Y2) là các hàm số phụ thuộc vào các yếu tố độc lập đầu vào cần khảo sát trong quy hoạch thực nghiệm: X1 = % Sn; X2 = % Cu; X3 = % Sn*; X4 = % Cu*. Như vậy ta có công thức tính như sau:
Y1 = X1/X3; Y2 = X2/X4 (2.1) Đầu tiên cần tiến hành thí nghiệm với X1 = 11 % Sn và X2 = 3 % Cu (ở mức trung bình). Sau khi nấu luyện theo đặc điểm quá trình đúc nêu trên, phôi hợp kim nhôm đúc được lấy mẫu ở 3 vị trí: đầu phôi; giữa phôi và cuối đậu ngót (hình 3.1) để tiến hành phân tích xác định thành phần hóa học vật liệu đúc, đặc biệt quan tâm đến hàm lượng trung bình của các nguyên tố % Sn và % Cu đạt được trong nó, tức là xác định các chỉ tiêu X3 và X4. Từ kết quả thực nghiệm này sẽ tiến hành điều chỉnh tăng (hoặc giảm) các yếu tố độc lập phối liệu đầu vào X1 và X2.
Sau khi đã có bảng điều kiện quy hoạch thực nghiệm với các mức điều chỉnh hợp lý của các yếu tố độc lập X1 và X2, tiến hành thí nghiệm đầy đủ ở các điểm nút quy hoạch. Các phôi hợp kim nhôm đúc nhận được trong loạt thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm đầy đủ sẽ được lấy mẫu phân tích thành phần hóa học tương tự như các mẫu tham dò định hướng công nghệ nói trên.
2.2. Thiết bị sử dụng cho thí nghiệm nấu luyện và đúc hợp kim nhôm AO9-2
Việc nấu luyện và đúc rót phôi hợp kim nhôm được thực hiện tại xưởng đúc của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (Bộ Công Thương), sử dụng lò trung tần với mỗi mẻ luyện có khối lượng 50 kg liệu (hình 2.2).
Do đặc thù công nghệ mấu luyện và đúc hợp kim nhôm cần sử dụng khuôn đúc làm bằng gàn hoặc thép chịu nhiệti (hình 2.3). Trước khi rót hợp kim nhôm nóng chảy vào khuôn đúc, khuôn cần được gia nhiệt đến nhiệt độ thích hợp để đảm bảo dòng chảy kim loại lỏng trong đường dẫn và điền đầy lòng khuôn tốt nhất.
Khuôn đúc hợp kim nhôm chịu mòn được thiết kế sao cho đảm bảo được phôi đúc (không kể đến phần đậu ngót phải cắt bỏ) có kích thước hình học như sau: H x B x L = 22 x 110 x 350 mm, trong đó: H – chiều dày; B – chiều rộng; L – chiều dài phôị
Mẫu hợp kim nhôm sau khi đúc và làm nguội được xử lý nhiệt trong lò điện trở (hình 2.4) trước khi cán xuống kích thước yêu cầu làm phôi paket hàn nổ với lớp thép trên máy cán hai trục D300 (hình 2.5).
Trên hình 2.2 ÷ 2.5 là ảnh chụp một số thiết bị đúc cán hợp kim nhôm AO9-2 hiện có tại Viện KH&CN Mỏ – luyện kim được sử dụng trong nghiên cứu của đề tài nàỵ
Hình 2.2. Ảnh chụp lò trung tần nấu luyện hợp
kim nhôm AO9-2
Hình 2.3. Ảnh chụp khuôn kim loại dùng cho
đúc thỏi hợp kim nhôm AO9-2
Hình 2.4. Ảnh chụp lò thí nghiệm xử lý nhiệt
phôi hợp kim nhôm sau đúc - cán
Hình 2.5. Ảnh chụp máy cán phôi hợp kim
nhôm làm paket hàn nổ
Nhận xét:
- Việc nghiên cứu thực nghiệm nấu luyện và đúc cán hợp kim nhôm chịu mòn trong điều kiện các thiết bị thí nghiệm hiện có là rất khó khăn, do chúng không đồng bộ, taho tác công nghệ chủ yếu là thủ công, khó tự động hóạ Do vậy, để ổn định chất
lượng vật đúc, cần thiết phải tiến hành nhiều lô thí nghiệm, song điều này lại bị hạn chế bới kinh phí đề tài được cấp phát quá hạn hẹp.
- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm có thể nâng cao tính ổn định chất lượng vật đúc, nhưng cần có đầu tư cho việc này nhiều hơn nếu có điều kiện tiếp tục phát triển đề tài này ở cấp cao hơn.
2.3. Mô hình thí nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal
a) Đặt vấn đề:
Theo nhiệm vụ dự kiến ở nội dung 1.4 – Giải trình dự toán chi của bản Thuyết minh đề tài, nhiệm vụ chủ yếu của Chuyên đề 4 là nghiên cứu thực nghiệm hàn nổ tạo mẫu phôi vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm AO9-2 với kích thước nhỏ (mẫu quy hoạch thực nghiệm) để xác định chế độ hàn nổ thích hợp sao cho đảm bảo được sự hàn dính của các lớp thép và hợp kim nhôm tốt nhất.
Từ những cơ sở khoa học đã được xác lập trong phần nghiên cứu lý thuyết ở Chuyên đề 1 và phương pháp thí nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm đã trình bày trong Chuyên đề 2, việc thực hiện các bước thí nghiệm trong công trình nghiên cứu này tuân thủ theo những chế độ quy hoạch thực nghiệm đã chọn. Trong bản báo cáo Chuyên đề 1 của đề tài đã đề cập đến sự tương tác giữa nhôm và hợp kim nhôm với thép khi hàn với đặc thù công nghệ là luôn hình thành các liên kim loại giòn và lớp màng mỏng cấu trúc giữa các lớp thép – nhôm (hợp kim nhôm). Các nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này ở ngoài nước đã được các nhà khoa học Nga chỉ rõ trong công trình [33], [34]. Ở Việt Nam những nghiên cứu đầu tiên về đặc tính cấu trúc vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm; thép – nhôm – hợp kim nhôm nhận được bằng phương pháp hàn nổ như: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp thép 08s – hợp kim nhôm AMг6 dùng trong hàn kết cấu [14]; Nghiên cứu tính chất hợp kim nhôm dùng trong công nghiệp đóng tầu thủy [16]; Nghiên cứu hàn áp lực thép với nhôm và hợp kim nhôm [17]; Nghiên cứu tương tác giữa nhôm và hợp kim nhôm với thép khi hàn