Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất giải pháp nâng cao tuổi bền mòn trục vít ép thanh củi trấu

Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất giải pháp nâng cao tuổi bền mòn trục vít ép thanh củi trấu Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất giải pháp nâng cao tuổi bền mòn trục vít ép thanh củi trấu Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất giải pháp nâng cao tuổi bền mòn trục vít ép thanh củi trấu Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất giải pháp nâng cao tuổi bền mòn trục vít ép thanh củi trấu

MỤC LỤC

Trang

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC BẢNG xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

5 Kết cấu của đề tài 3

TỔNG QUAN 5

1.1 Trấu và các ứng dụng 5

1.1.1 Khái quát về trấu 5

1.1.2 Ứng dụng và sản phẩm chế biến từ trấu 6

1.2 Máy ép thanh củi trấu 7

1.3 Trục vít ép thanh củi trấu 8

1.3.1 Chức năng 8

1.3.2 Kết cấu 9

1.3.3 Mòn của trục vít ép thanh củi trấu 9

1.3.4 Tuổi bền 10

1.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 10

1.4.1 Nghiên cứu trong nước 10

1.4.2 Nghiên cứu ngoài nước 13

1.5 Các vấn đề tồn tại và định hướng nghiên cứu 16

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

2.1 Nội dung nghiên cứu 17

2.2 Phương pháp nghiên cứu 17

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 17

2.2.2 Phương pháp khảo sát 17

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 17

2.2.4 Phương pháp đo đạc thực nghiệm 20

2.2.5 Phương pháp bố trí thực nghiệm 20

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

3.1 Khái quát về phun phủ nhiệt 21

3.1.1 Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt 21

3.1.2 Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt 22

3.1.3 Sơ lược về một số phương pháp phun phủ 24

3.1.4 Quy trình công nghệ phun phủ 28

3.2 Quy trình nhiệt luyện thép SKD61 36

3.2.1 Nung nóng và tôi 36

3.2.2 Ram 42

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

4.1 Nghiên cứu đề xuất phương án kết cấu cho trục vít ép 44

4.1.1 Mục đích 44

4.1.2 Đề xuất phương án kết cấu cho trục vít ép 44

4.1.3 Lựa chọn phương án 55

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm trục vít ép có phần ép được chế tạo từ thép SKD61 56

4.2.1 Gia công phần 1 và phần 3 trục vít ép 56

4.2.2 Gia công phần 2 trục vít ép 58

4.2.3 Thực nghiệm 60

4.3 Nghiên cứu thực nghiệm trục vít ép có phần ép được chế tạo từ thép S45C phủ wolfram carbide 66

4.3.1 Gia công phần 2 trục vít 66

4.3.2 Thực nghiệm 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 81

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Cấu tạo hạt lúa [2] 5

Hình 1.2: Một số ứng dụng và sản phẩm từ trấu 7

Hình 1.3: Sơ đồ máy ép thanh củi trấu điển hình (kiểu Bangladesh) [3] 8

Hình 1.4: Kết cấu trục vít ép 9

Hình 1.5: Vị trí mòn của trục vít ép [8] 10

Hình 1.6: Trục vít ép được hàn đắp [8] 10

Hình 1.7: Hàn đắp trục vít bằng que hàn Cobalarc 9E [7] 11

Hình 1.8: Trục vít hai vật liệu ghép nối bằng hàn [7] 11

Hình 1.9: Phục hồi ngõng trục trục vít máy nén khí [10] 13

Hình 1.10: Phục hồi trục khuỷu động cơ ô tô [10] 13

Hình 1.11: Trục vít trước và sau khi bị mòn [5] 13

Hình 1.12: Một kiểu trục vít ép đùn [6] 14

Hình 1.13: Ảnh hưởng của độ ẩm đến độ bền của vật liệu sinh khối [11] 15

Hình 1.14: Ảnh hưởng của tốc độ trục vít đến độ bền của vật liệu sinh khối [11] 15

Hình 1.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ bền của vật liệu sinh khối [11] 16

Hình 2.1: Máy ép củi trấu [8] 18

Hình 2.2: Đồng hồ đo thời gian 18

Hình 2.3: Máy đo chiều dày lớp phủ Elcometer 456B [12] 19

Hình 2.4: Máy đo độ cứng Rockwell HR 150A [13] 19

Hình 3.1: Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt [14] 21

Hình 3.2: Phun dây bằng ngọn lửa khí [15] 24

Hình 3.3: Nguyên lý phun bột bằng ngọn lửa khí [15] 25

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý phun nổ [15] 25

Hình 3.5: Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực [14] 26

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [14] 26

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý phun plasma [16] 27

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý phun HVOF [16] 28

Hình 3.9: Sơ đồ công nghệ và quy trình phun phủ kim loại [14] 29

Hình 3.10: Quy trình công nghệ tổng quát nhiệt luyện thép SKD61 [18] 36

Hình 3.11: Tính chất cơ lý ở nhiệt độ cao của thép SKD61 [18] 39

Hình 3.12: Sự phụ thuộc của độ cứng sau tôi với nhiệt độ tôi [18] 39

Hình 3.13: Mối liên quan giữa độ cứng, nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt [18] 40

Hình 3.14: Đường cong làm nguội thép SKD61 trong dầu [18] 41

Hình 3.15: Đường cong làm nguội thép SKD61 trong dd muối nóng chảy [18] 41

Hình 3.16: Đường cong làm nguội thép SKD61 ngoài không khí [18] 42

Hình 3.17: Sự phụ thuộc của độ cứng vào nhiệt độ ram [18] 43

Hình 3.18: Sự phụ thuộc độ cứng vào nhiệt độ và thời gian ram [18] 43

Hình 4.1: Kết cấu, kích thước của trục vít ép [8] 44

Hình 4.2: Kết cấu tổng thể của trục vít ép ba phần 45

Hình 4.3: Mối ghép phần 1 và phần 2 47

Hình 4.4: Lực ép tác dụng vào bề mặt côn 47

Hình 4.5: Kết cấu trục vít ép bằng mối ghép then bằng 49

Hình 4.6: Kích thước sơ bộ 50

Hình 4.7: Chuyển vị và ứng suất của mối ghép then bằng 52

Hình 4.8: Kết cấu trục vít ép sử dụng mối ghép then hoa 53

Hình 4.9: Chuyển vị và ứng suất của mối ghép then hoa 54

Hình 4.10: Trục vít ép sử dụng mối ghép then bằng 55

Hình 4.11: Các kích thước phần 1 của trục vít ép 56

Hình 4.12: Phần 1 trục vít ép 57

Hình 4.13: Các kích thước phần 3 trục vít ép 57

Hình 4.14: Phôi phần 3 57

Hình 4.15: Kéo giãn cánh vít bằng bước xoắn 58

Hình 4.16: Phần 3 trục vít ép 58

Hình 4.17: Phần 2 trục vít ép được chế tạo từ thép SKD61 59

Hình 4.18: Gia công biên dạng cánh vít trên máy CNC 4 trục 59

Hình 4.19: Phần 2 trục vít ép trước và sau khi nhiệt luyện 60

Hình 4.20: Kiểm tra độ cứng sau khi nhiệt luyện 60

Hình 4.21: Trục vít có phần 2 bằng thép SKD61 đã lắp ghép 60

Hình 4.22: Thực nghiệm chạy máy ép củi trấu 61

Hình 4.23: Tuổi bền của trục vít S45C, hàn đắp Cobalarc 9E và SKD61 63

Hình 4.24: So sánh chi phí chế tạo 66

Hình 4.25: So sánh lợi nhuận 66

Hình 4.26: Chi tiết sau khi bắn cát 67

Hình 4.27: Vật liệu phủ WC10%Co4%Cr 68

Hình 4.28: Sơ đồ gá đặt chi tiết khi phun 68

Hình 4.29: Quá trình phun phủ 69

Hình 4.30: Phần 2 trục vít ép trước và sau khi phủ carbide 70

Hình 4.31: Kiểm tra chiều dày lớp phủ 70

Hình 4.32: Trục vít ép có phần 2 được chế tạo từ thép S45C phủ wolfram carbide 71

Hình 4.33: Tuổi bền của trục vít S45C phủ carbide, hàn đắp Cobalarc 9E và S45C 72

Hình 4.34: So sánh chi phí chế tạo 73

Hình 4.35: So sánh lợi nhuận 73

Hình 4.36: So sánh tuổi bền mòn của các trục vít ép 73

Hình 4.37: So sánh chi phí chế tạo 74

Hình 4.38: So sánh lợi nhuận 74

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [2] 5

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của vỏ trấu [2] 6

Bảng 1.3: Que hàn dùng để thử nghiệm [6] 14

Bảng 1.4: Mòn của trục vít ép đùn [6] 14

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật máy ép củi trấu [8] 18

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật đồng hồ đo thời gian 18

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật máy đo chiều dày lớp phủ Elcometer 456B [12] 19

Bảng 2.4:Thông số kỹ thuật máy đo độ cứng Rockwell HR 150A [13] 19

Bảng 3.1: So sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt [14] 23

Bảng 3.2: Các kim loại dùng làm vật liệu phun [17] 29

Bảng 3.3: Thành phần hóa học các loại dây thép [17] 30

Bảng 3.4: Vật liệu nền và điều kiện xử lý lớp phủ [17] 35

Bảng 4.1: So sánh ưu nhược điểm giữa mối ghép then bằng và mối ghép hàn 56

Bảng 4.2: Thời gian làm việc và tổng khối lượng 62

Bảng 4.3: Bảng giá chi phí gia công các phần trục vít ép 63

Bảng 4.4: Bảng giá chi phí sản xuất 1 kg củi trấu (1/2018) [8] 64

Bảng 4.5: Bảng thời gian làm việc và tổng khối lượng 71

Bảng 4.6: Bảng giá chi phí gia công các phần trục vít ép 72

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ở Việt Nam bình quân mỗi năm sản xuất ra hơn 40 triệu tấn lúa Theo thống

kê năm 2014 sản lượng lúa đạt 44,84 triệu tấn Khối lượng trấu chiếm 20% trong thành phần hạt lúa, vậy mỗi năm có xấp xỉ 9 triệu tấn trấu thải ra môi trường, đây là

số lượng chất thải khổng lồ mà nếu không xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và là một

sự lãng phí lớn [1]

Trong thực tế trấu là một chất thải khó tái chế, nó cũng là vật liệu khó cháy, khó mục nát trong môi trường Theo truyền thống ở nước ta trấu thường được dùng làm nhiên liệu đốt trực tiếp, vài năm gần đây trấu được chế biến thành củi, trấu cũng được chế tạo thành các tấm ép phục vụ xây dựng và trang trí nội thất Nhưng số lượng trấu dùng cho các mục đích nêu trên chỉ chiếm một tỷ lệ quá nhỏ so với khối lượng trấu lớn mỗi năm thải ra môi trường

Để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng nhiệt từ vỏ trấu, ở Việt Nam và thế giới đã chế tạo máy ép sinh khối bằng nhiều cơ cấu như ép đùn bằng trục vít, ép bằng con lăn, ép bằng piston thủy lực để tạo ra nhiên liệu đốt ở các dạng viên nhỏ hoặc dạng thanh Hiện nay nhờ các ưu điểm như khả năng ép liên tục, ít hao tốn nguyên liệu…, máy ép củi trấu sử dụng cơ cấu trục vít đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất Trong các bộ phận của máy ép thanh củi trấu thì trục vít ép là một trong những thành phần quan trọng, và nó quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm Tuy nhiên trục vít ép cũng là bộ phận rất nhanh bị mài mòn do phải làm việc trong môi trường áp suất, nhiệt độ và ma sát lớn

Để khắc phục được hạn chế đó nhiều giải pháp đã được đưa ra: gia công nhiệt

để cải thiện các tính chất của vật liệu sản xuất vật liệu mới, hợp kim, phun phủ bề mặt,… Trong đó, giải pháp ứng dụng vật liệu mới có tính chịu nhiệt mòn cao, pháp phủ lên bề mặt chi tiết một lớp kim loại chống mài mòn đang được quan tâm nghiên cứu Giải pháp sử dụng kim loại có cơ tính cao không yêu cầu cao về công nghệ thiết

bị, còn giải pháp phun phủ kim loại không yêu cầu vật liệu nền có cơ tính tốt nhưng lại đòi hỏi thiết bị chuyên dụng phức tạp Việc nghiên cứu xác định giải pháp phù hợp để có thể chế tạo ra được trục vít ép tuổi bền cao, chi phí chế tạo giảm có ý nghĩa kinh tế và tăng tính cạnh tranh cho các cơ sở sản xuất

Với định hướng đó, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm đề xuất giải pháp nâng

cao tuổi bền mòn trục vít ép thanh củi trấu” đã triển khai thực hiện nhằm đề xuất

một giải pháp phù hợp tăng tuổi bền trục vít ép, giảm giá thành sản xuất, đẩy mạnh việc tiêu thụ củi trấu ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long Qua đó, giảm thiểu vấn

đề ô nhiễm môi trường do thải, sử dụng trấu trực tiếp trong sản xuất, sinh hoạt trấu

và làm tăng giá trị gia tăng của trấu

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu, phân tích, đánh giá các giải pháp khả thi và đề xuất giải pháp hợp

lý nhằm tăng tuổi bền trục vít ép thanh củi trấu giúp giảm chi phí sản xuất

2.2 Mục tiêu cụ thể

Để đạt được mục tiêu chung trên, đề tài có các mục tiêu cụ thể sau:

- Nghiên cứu, đề xuất phương án kết cấu cho trục vít ép ba phần với vật liệu khác nhau, được ghép bằng mối ghép tháo lắp được

- Nghiên cứu giải pháp phần đầu trục vít được chế tạo từ thép SKD61 (40Cr5MoV)

- Nghiên cứu giải pháp phần đầu trục vít được chế tạo từ thép S45C và phủ carbide bề mặt

- Thực nghiệm đánh giá các giải pháp và xác định giải pháp hợp lý, kinh tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Trục vít ép trong máy ép thanh củi trấu

- Máy ép thanh củi trấu trục vít

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu và đề xuất các giải pháp nâng cao tuổi bền mòn cho trục vít ép máy ép thanh củi trấu Các kết cấu, chi tiết hoặc công việc chế tạo khác không là nội dung nghiên cứu của đề tài

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Mang đến hiệu quả cao khi sản xuất và tiêu thụ thanh củi trấu giúp giảm việc

sử dụng trấu trực tiếp trong sản xuất, sinh hoạt góp phần vào việc giảm ô nhiễm môi trường do trấu gây ra

5 Kết cấu của đề tài

Kết cấu đề tài gồm các chương sau:

- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Đề cập các nội dung nghiên cứu và thực hiện của đề tài cùng các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày những lý thuyết liên quan đến đề tài

- Chương 4: Kết quả nghiên cứu

Trình bày các kết quả nghiên cứu đã được triển khai thực hiện

- Kết luận và kiến nghị

- Phụ lục

TỔNG QUAN

1.1 Trấu và các ứng dụng

1.1.1 Khái quát về trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát (hình 1.1)

Hình 1.1: Cấu tạo hạt lúa [2]

Các chất hữu cơ của trấu (bảng 1.1) là các mạch polycarbohydrate rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt

Bảng 1.1: Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [2]

Thành phần hữu cơ Tỷ lệ theo khối lượng (%)

Thành phần hóa học của vỏ trấu (bảng 1.2) thay đổi theo loại thóc, mùa vụ canh tác, thổ nhưỡng của từng vùng miền Nhưng hầu hết trong vỏ trấu chứa trên 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của vỏ trấu [2]

Thành phần hóa học Tỷ lệ theo khối lượng (%)

- Chất đốt (hình 1.2a): được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt như nấu ăn, nấu thức ăn gia súc và sản xuất làm gạch, sấy lúa bằng cách đốt trấu trực tiếp

- Sứ lọc nước (hình 1.2b): loại sứ này được tạo ra bằng cách tách ôxit silic từ trấu, có đặc tính lọc cực tốt, với lỗ lọc siêu nhỏ

- Thanh củi trấu (hình 1.2c): được sản xuất bằng máy ép đùn thanh củi trấu Củi trấu có đường kính từ 60 – 90 mm, dài từ 0,5 – 1 m

- Sản phẩm mỹ nghệ (hình 1.2d): vỏ trấu được nghiền nhỏ tạo thành bột dưới dạng mịn và bột sợi Sau khi kết hợp với keo, trấu được cho vào máy ép định hình sản phẩm và sấy khô, hoàn thiện

- Nguyên liệu xây dựng (hình 1.2e): vỏ trấu nghiền mịn và có thể được trộn với các thành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thủy tinh

- Sản xuất ôxit silic: tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn 80% là silic oxyt được

sử dụng để sản xuất ra ôxyt silic

- Các ứng dụng khác của vỏ trấu (hình 1.2f) như: thiết bị cách nhiệt, chất độn, giá thể trong công sản xuất meo giống để trồng nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại, tro trấu có thể dùng làm phân bón,…

a) Lò đốt bằng vỏ trấu b) Sứ lọc nước c) Thanh củi trấu

Hình 1.2: Một số ứng dụng và sản phẩm từ trấu 1.2 Máy ép thanh củi trấu

Trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống của người Việt Nam với chủng loại sản phẩm khá phong phú Với lượng trấu khá dồi dào ở đồng bằng sông Cửu Long nên việc chế biến các sản phẩm từ trấu, đặc biệt là thanh củi trấu, rất

phát triển Thanh củi trấu (còn gọi là củi trấu cây, củi trấu) được ép từ 100% vỏ trấu

qua công nghệ ép gia nhiệt nhờ một thiết bị là máy ép thanh củi trấu tạo nên những

thanh củi trấu cứng chắc rất dễ bén lửa Sản phẩm thân thiện với môi trường do được sản xuất từ 100% vỏ trấu tự nhiên, không hóa chất, không gây độc hại đến sức khỏe con người Nhờ dễ bén lửa, khả năng duy trì sự cháy lâu hơn các nguyên liệu khác như than đá, than củi và chất đốt khác nên củi trấu được dùng khá phổ biến để đốt lò hơi công nghiệp, lò gạch, lò sấy, lò nhuộm vải, dệt sợi, may mặc,…

Máy ép thanh củi trấu còn gọi là máy ép đùn thanh củi trấu có quá trình hoạt

động ép đùn thanh củi trấu được chia thành các giai đoạn sau:

Trục vít ép quay đưa trấu từ phễu cấp liệu, qua các đoạn khuôn ép đi vào

đầu ép sẽ tạo nên áp suất lớn dọc theo trục vít (hình 1.3) Ở giai đoạn này sẽ phát sinh

ma sát giữa khối trấu với khuôn ép, ma sát trong nội bộ trấu - trấu nguyên liệu dẫn đến làm tăng dần nhiệt độ của khối trấu

Hình 1.3: Sơ đồ máy ép thanh củi trấu điển hình (kiểu Bangladesh) [3]

Khi tới đầu ép côn hình dạng của thanh củi trấu sẽ được hình thành Ở giai đoạn này, áp lực tác dụng lên khối trấu là tối đa do bước vít của trục vít ép giảm dần Bên ngoài đầu ép côn có điện trở gia nhiệt đưa nhiệt độ bên ngoài của đầu ép lên khoảng 290ºC - 320ºC làm cháy lớp trấu phía ngoài tiếp xúc với đầu ép Do nhiệt độ bên trong khối trấu và nhiệt độ do gia nhiệt mà có nên nhiệt độ vùng ép đạt trên 220ºC làm chất lignin (hắc ín) có trong vỏ trấu (chiếm từ 25 - 30%) chuyển sang trạng thái lỏng dính giúp kết dính các vỏ trấu lại với nhau hình thành nên thanh củi trấu

Tuỳ theo năng suất, kiểu thiết kế mà máy ép thanh củi trấu có nhiều biến thể khác nhau như: máy ép củi trấu 180 – 220 kg/h, 300 – 350 kg/h, 500 – 600 kg/h, Mặc dù có khá nhiều biến thể nhưng về cơ bản trục vít ép thanh củi trấu có kết cấu gần giống nhau, chỉ khác nhau về kích thước dài và đường kính

1.3 Trục vít ép thanh củi trấu

1.3.2 Kết cấu

Trục vít có cấu tạo gồm hai phần: phần tải liệu và phần ép (có bước thay đổi, côn) được giới thiệu ở hình 1.4

Hình 1.4: Kết cấu trục vít ép 1.3.3 Mòn của trục vít ép thanh củi trấu

Ở nước ta hiện nay máy ép thanh củi trấu kiểu trục vít được sử dụng tương đối rộng rãi để sản xuất thanh củi trấu Tuy nhiên trục vít ép, một trong những chi tiết quyết định đến năng suất của máy, lại rất nhanh bị mài mòn

Cơ chế hư hỏng của trục vít ép thanh củi trấu:

Mòn là một quá trình, các lớp bề mặt truợt tương dối dẫn dến sự cắt, bẻ gẫy chỗ nhấp nhô, tạo thành miền có nhấp nhô mới, mòn còn do nén ép các bề mặt nhấp

nhô do biến dạng dàn hồi, dẻo,nhiệt, va dập, do môi truờng không khí, ôxy hoá…Khi

máy ép hoạt động trục vít ép quay tiếp nhận trấu và tải trấu đẩy qua lòng khuôn tới đầu ép, tại đây áp suất dọc trục là lớn nhất [4] làm cho lực ma sát giữa trấu và trục vít tăng cao, hơn nữa hàm lượng silic trong trấu là khá cao chính hàm lượng silic này làm cho bề mặt cánh vít nhanh mòn Hỏng trục vít ép chủ yếu là mòn nguyên nhân

do trục vít làm việc dưới áp suất, nhiệt độ cao, thời gian dài và liên tục trong môi trường ma sát lớn nên phần đầu trục vít ép thường bị mòn nhanh

Theo một số nghiên cứu và theo khảo sát tại các cơ sở sản xuất thanh củi trấu, hiện tượng mòn trục vít ép chỉ xảy ra ở hai bước ren đầu của trục vít ép (hình 1.5) [5][6][7] Chính vì vậy, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc cải thiện khả năng chịu mài mòn ở hai bước ren đầu của trục vít ép

Hình 1.5: Vị trí mòn của trục vít ép [8]

1.3.4 Tuổi bền

Trục vít nén củi trấu cần được bảo quản tốt và bảo trì một cách thường xuyên, nguyên nhân bởi vì hàm lượng silic trong trấu là khá cao làm cho trục vít khi nén bị mòn nhanh Trục vít ép của máy ép củi trấu khi bị mòn có thể được hàn đắp cánh vít, mài nhẵn để có thể đưa vào tái hoạt động Tuy nhiên, với trục vít được hàn đắp khi đưa vào hoạt động sẽ có năng suất không đạt được như trục vít mới (hình 1.6)

Hình 1.6: Trục vít ép được hàn đắp [8]

Khi trục vít ép bị mòn dẫn đến hình dạng bên ngoài của trục vít ép bị thay đổi, làm giảm áp lực ép ảnh hưởng xấu đến chất lượng và năng suất thành phẩm nên phải thay mới

1.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

1.4.1 Nghiên cứu trong nước

Một số nghiên cứu trong nước gần đây như:

- Luận văn thạc sĩ Dương Vĩnh Nghi (2017), Nghiên cứu thực nghiệm xác định vật liệu và kết cấu để nâng cao tuổi thọ trục vít côn máy ép củi trấu, đã nghiên cứu

và đề xuất hai phương án như sau [7]:

+ Phương án hàn đắp: sử dụng que hàn chịu nhiệt, chịu mài mòn Cobalarc 9E hàn đắp lên chỗ bị mòn của trục vít ép theo qui trình xác định (hình 1.7)

+ Phương án trục vít có hai phần được hàn nối lại với nhau bằng phương pháp hàn hồ quang: phần đầu là vật liệu SKD61, phần thân là vật liệu S45C (hình 1.9)

Hình 1.8: Trục vít hai vật liệu ghép nối bằng hàn [7]

Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng vật liệu SKD61 để chế tạo phần đầu của trục vít ép Với cơ tính cao và chế độ nhiệt luyện phù hợp nên tuổi thọ của trục vít ép đã tăng lên 6 lần [7] Tuy nhiên, việc chế tạo phần đầu bằng SKD61 hoàn toàn phụ thuộc vào tình trạng và kết cấu trục vít sử dụng nên việc chế tạo là đơn

chiếc có giá thành khá cao Bên cạnh đó, việc chế tạo và hàn ghép nối 2 phần trục vít đòi hỏi công nhân phải có tay nghề cao, mất nhiều thời gian gia công và việc cắt

- hàn phần đầu trục vít thay thế bằng phần đầu bằng vật liệu SKD61 cũng chỉ được

- Nghiên cứu của Nguyễn Trung Kiên (2015), Ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt trong phục hồi bề mặt chi tiết, đã đề cập đến việc ứng dụng công nghệ phun

phủ nhiệt bao gồm các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường nước [10] Nghiên cứu đã giới thiệu các lớp phủ Zn-Al với khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước của các chi tiết máy Nghiên cứu này đến nay vẫn còn tiếp tục và bước đầu triển khai thử nghiệm trong thực tế Ngoài ra, một số lớp phủ bằng các vật liệu như một số mác thép cacbon, thép hợp kim và hợp kim CrNi cũng đã được nghiên cứu, giới thiệu để tăng khả năng chịu mài mòn của các chi tiết máy trong các điều kiện chịu mài mòn khô, mài mòn có bôi trơn, mài mòn dưới tải trọng lớn, mài mòn trượt tốc độ cao,… Kết quả nghiên cứu đã được triển khai phủ thử nghiệm phục hồi cho các ngõng trục, trục khuỷu, cánh tuabin thuỷ điện,…

1.4.2 Nghiên cứu ngoài nước

Một số nghiên cứu của các nước khác như:

- Tác giả Mridaney S Poudel, Krishna R Poudel, Krishna R Shrestha và Ramesh M Singh đã nghiên cứu về mài mòn trục vít và trình bày công nghệ hàn để tăng tuổi thọ cho trục vít

Kết quả nghiên cứu cho thấy trục vít ép mài mòn rất nhanh do trong trấu có khoảng (16 - 19)% tro [5] Trục vít sẽ bị mòn trong vòng 4 – 5 giờ (hình 1.11) và cần phải được sửa chữa bằng cách hàn đắp Tuy nhiên, mác que hàn và các thành phần

hoá học của que hàn không được đề cập đến

Hình 1.11: Trục vít trước và sau khi bị mòn [5]

- Nghiên cứu về mài mòn trục vít ép và biện pháp khắc phục bằng hàn đắp của R.M Singh [6] đã giới thiệu một số loại que hàn khác nhau để làm cứng bề mặt làm tăng khả năng chịu mòn cho trục vít (bảng 1.3) Việc mất trọng lượng do mòn của trục vít được chỉ ra ở hình 1.12 và sự thay đổi đường kính mặt cắt ngang của ba bước

ren đầu của trục vít được cho trong bảng 1.4

Bảng 1.3: Que hàn dùng để thử nghiệm [6]

Hình 1.12: Một kiểu trục vít ép đùn [6]

Nghiên cứu đã cho thấy việc mòn vít diễn ra chủ yếu trong 3 bước ren đầu tiên của trục vít Độ mài mòn tối đa được nhận thấy ở bước ren đầu tiên và bước ren thứ hai nơi mà áp lực và ma sát là lớn nhất trong quá trình ép thanh củi trấu (bảng 1.4) Bảng 1.4 cũng chỉ ra kết quả thử nghiệm mòn khi hàn đắp lên trục vít bằng các que hàn khác nhau và với que hàn mác CXA-41, HF-1000+Eutalloy 10000 sẽ có khối lượng mòn theo giờ nhỏ nhất hoặc qui đổi sang số giờ làm việc sẽ có thời gian làm việc dài nhất (mòn ít nhất)

Bảng 1.4: Mòn của trục vít ép đùn [6]

Muhammad et al., Innov Ener Res 2016 [11] đã thiết kế và phát triển máy

ép vật liệu sinh khối rỗng Máy đã được thiết kế và chế tạo hoàn thành đưa vào thử nghiệm các tham số như: độ ẩm của nguyên liệu, tốc độ trục vít và nhiệt độ của khuôn

+ Ảnh hưởng của độ ẩm

Ảnh hưởng của độ ẩm đến độ bền của tất cả các loại vật liệu sinh khối được thể hiện ở hình 1.13 Độ bền của các vật liệu sinh khối sẽ có giá trị cao nhất ở độ ẩm 12%, khi độ ẩm tăng trên 12% trở đi thì độ bền của than bánh giảm và với độ ẩm lớn hơn 20% thì không sản suất được

+ Ảnh hưởng của tốc độ trục vít

Thử nghiệm 5 tốc độ khác nhau để xác định ảnh hưởng của tốc độ lên độ bền của vật liệu sinh khối Ở tốc độ chậm thì độ bền than bánh cao hơn, khi tốc độ trục vít tăng đến 250 vòng/phút thì độ chặt và độ bền của than bánh đã giảm (hình 1.14)

Hình 1.13: Ảnh hưởng của độ ẩm đến độ

bền của vật liệu sinh khối [11]

Hình 1.14: Ảnh hưởng của tốc độ trục vít

đến độ bền của vật liệu sinh khối [11]

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn

Máy không thể sản xuất than bánh ở nhiệt độ dưới 200oC, sau 200oC máy có thể sản xuất than bánh nhưng không đạt chất lượng tốt như yêu cầu Độ bền của than bánh đạt được khi nhiệt độ khuôn ở 300oC

Hình 1.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ bền của vật liệu sinh khối [11]

Trong nghiên cứu của mình, Muhammad và cộng sự đã không tiến hành nghiên cứu về độ mòn của trục vít ép nên các thông tin liên quan đến vấn đề này không được đề cập

1.5 Các vấn đề tồn tại và định hướng nghiên cứu

Qua khảo sát các đề tài trong và ngoài nước ta thấy vấn đề mòn trục vít ép đã

có một số nghiên cứu, tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm như:

- Thời gian dừng máy để sửa chữa lâu;

- Giải pháp chủ yếu vẫn là hàn đắp [6];

- Đòi hỏi công nhân có tay nghề cao;

- Trục vít ép phục hồi cũng chỉ được 1 – 2 lần, tính kinh tế chưa cao

Từ các tồn tại trên, đề tài định hướng nghiên cứu như sau:

- Đề xuất kết cấu trục vít ép 3 phần với các vật liệu khác nhau không ghép nối bằng hàn, ghép nối bằng mối ghép tháo lắp được cho phép sử dụng phần thân trục vít

ép nhiều lần

- Ứng dụng thép SKD61 để chế tạo phần ép của trục vít ép với kết cấu phù hợp

- Nghiên cứu phủ wolfram carbide lên phần ép của trục vít ép với kim loại nền

là thép S45C để tăng tuổi bền cho trục vít ép

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

Các vấn đề chính sau đây sẽ được tập trung nghiên cứu:

Nghiên cứu tổng quan về trục vít ép thanh củi trấu;

Nghiên cứu đề xuất phương án kết cấu cho trục vít ép;

Nghiên cứu thực nghiệm trục vít ép có phần ép được chế tạo từ thép SKD61; Nghiên cứu thực nghiệm trục vít ép có phần ép phủ wolfram carbide

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Thu thập các nội dung từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu bao gồm:

Phương pháp kế thừa;

Phương pháp tiếp cận;

Phương pháp thu thập thông tin;

Phương pháp tính toán thiết kế

2.2.2 Phương pháp khảo sát

Khảo sát máy ép trấu trục vít ở các công ty, xí nghiệp sản xuất củi trấu Qua việc điều tra sẽ có được các dữ liệu về hiện tượng mòn, thời gian hoạt động của trục vít ép, chế độ hoạt động của máy (số vòng quay, nhiệt độ)

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Thực nghiệm là phương pháp thu thập thông tin bằng cách quan sát trong điều kiện có gây biến đổi đối tượng khảo sát một cách chủ định Bằng cách thay đổi tham

số, người nghiên cứu có thể thu được những kết quả mong muốn, như: Tách riêng từng phần thuần nhất của đối tượng nghiên cứu để quan sát; Biến đổi các điều kiện tồn tại của đối tượng nghiên cứu; Rút ngắn được thời gian tiếp cận trong quan sát;

Tiến hành những thực nghiệm lặp lại nhiều lần để kiểm tra lẫn nhau; Không bị hạn chế về không gian và thời gian

2.2.3.1 Vật liệu và địa điểm thực nghiệm

- Vật liệu: thân trục vít được chế tạo từ thép S45C, phần ép được chế tạo từ thép SKD61 (40Cr5MoV), phần ép được chế tạo từ thép C45 được phun phủ wolfram carbide (WC)

- Địa điểm thực hiện: phòng thí nghiệm REME Lab (trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật Tp.HCM), xưởng củi trấu doanh nghiệp tư nhân Châu Hưng – Sóc Trăng

2.2.3.2 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm

a Máy ép củi trấu 600 – 700 kg/h (DNTN Châu Hưng) [8]

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật máy ép

củi trấu [8]

Hình 2.1: Máy ép củi trấu [8]

Kích thước: 1850*1450*850 mm Đường kính củi: 65 mm

Công suất máy: 600 – 700 kg/h Công suất mô tơ: 20 kW/380 V Điện trở nhiệt: 2,5 kW*3/380 V Chiều dài củi: 0,3 – 3 m

b Đồng hồ đo thời gian hoạt động

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật đồng

hồ đo thời gian

Hình 2.2: Đồng hồ đo thời gian

Độ phân giải: 1’

c Máy đo chiều dày lớp phủ Elcometer

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật máy đo chiều dày lớp phủ Elcometer 456B [12]

Hình 2.3: Máy đo chiều dày lớp

Chiều ngang lớn nhất đo được: 135 mm Tải trọng ép:

588,4 N (60 kgf) 980,7 N (100 kgf)

1471 N (150 kgf) Tải trọng đặt trước định vị mẫu: 98,1 N (10 kgf)

2.2.4 Phương pháp đo đạc thực nghiệm

Các số liệu thí nghiệm cần xác định có hai loại: số liệu đo đạc trực tiếp và số liệu xác định gián tiếp Các số liệu đo đạc trực tiếp gồm thời gian thí nghiệm, năng suất, Còn lại, hầu hết các số liệu kỹ thuật khác đều xác định bằng các công thức tính toán sau khi đã đo đạc trực tiếp các số liệu thành phần

2.2.5 Phương pháp bố trí thực nghiệm

2.2.5.1 Các chỉ tiêu đầu ra của quá trình nghiên cứu

Các chỉ tiêu đầu ra của quá trình nghiên cứu phải đặc trưng cho chỉ tiêu kinh tế

và chỉ tiêu kỹ thuật của bài toán nghiên cứu

2.2.5.2 Các thông số đầu vào ảnh hưởng đến nghiên cứu

Căn cứ vào lý thuyết mô hình hoá, yêu cầu đối với thông số đầu vào như sau:

- Thông số đầu vào phải thật sự ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu, nếu sự ảnh hưởng chỉ là ngẫu nhiên cần loại bỏ và hạn chế sự ảnh hưởng của chúng bằng phương pháp ngẫu nhiên hoá các thí nghiệm

- Các thông số đầu vào của quá trình nghiên cứu phải có ý nghĩa vật lý và là một đại lượng đo đếm được, điều khiển được, đặc biệt là các thông số phải độc lập

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Khái quát về phun phủ nhiệt

3.1.1 Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt

Phun phủ nhiệt (thermal spray) là phương pháp công nghệ đưa các vật liệu rắn (dạng bột, dạng dây, dạng thanh, dạng lõi thuốc) vào dòng vật chất có năng lượng cao (dòng khí cháy hoặc dòng plasma) để nung nóng chảy một phần hay toàn bộ vật liệu; phân tán vật liệu thành các hạt dưới dạng sương mù nhỏ, tăng tốc độ hạt và đẩy hạt đến bề mặt chi tiết cần phủ đã được chuẩn bị trước Các vật liệu dùng để phun phủ có thể là kim loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa hoặc composit [14]

Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó, các phần tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau Vì vậy chiều dày lớp phủ không bị giới hạn, có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục µm hoặc dày vài mm (hình 3.1)

Hình 3.1: Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt [14]

3.1.2 Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt

3.1.2.1 Mục đích công nghệ phun phủ nhiệt

Phun phủ kim loại hiện nay dùng cho các mục đích chính sau [14]:

Phục hồi các chi tiết máy mòn

Sửa chữa các khuyết tật của vật đúc và các khuyết tật xuất hiện khi gia công

cơ khí

Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển

Bảo vệ chống gỉ ở nhiệt độ cao

Thay thế kim loại màu bằng kim loại phun, tiết kiệm kim loại quý

Trang trí

Ưu điểm chính của phun phủ nhiệt như sau:

Tiết kiệm nguyên vật liệu quý

Tạo các lớp vật liệu phủ có độ dày theo ý muốn

Thích hợp cho việc chế tạo mới cũng như phục hồi chi tiết cũ nhờ khả năng

cơ động cao và dễ dàng điều khiển tự động; cũng có thể ứng dụng để xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn hoặc các chi tiết phức tạp

Có thể ứng dụng để phủ các loại vật liệu khác lên bề mặt các vật liệu dễ cháy như phủ lên gỗ, vải, giấy, polyme, do nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết và nhiệt độ bề mặt chi tiết khi phủ dưới 100oC Đặc biệt, công nghệ này thích hợp cho việc xử lý các chi tiết dễ biến dạng do nhiệt (trục khuỷu động cơ, cánh bơm, cánh turbin, )

Nhược điểm:

Mối liên kết giữa lớp phủ và kim loại nền còn thấp

Tổn thất kim loại nhiều

Ảnh hưởng đến sức bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết)

Bề mặt phun luôn luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo nhấp nhô

3.1.2.2 Phân loại công nghệ phun phủ nhiệt

Hiện nay người ta đã phát triển khá nhiều loại đầu phun phủ nhiệt khác nhau: đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu phun hồ quang điện, đầu phun plasma, đầu phun dùng nhiên liệu cháy bằng oxy tốc độ cao HVOF (high velocity oxygene fuel), đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun bằng kích nổ, phun lạnh, Phun phủ nhiệt có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim lên bề mặt kim loại, hợp kim hay bề mặt vật khác như gỗ, vải, giấy, sứ,…

Ngoài các phương pháp phun trên còn một số phương pháp phun khác như phun nguội (cold spray), phun ấm (warm spray), phun laser, Bảng 3.1 so sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt

Bảng 3.1: So sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt [14]

Đặc điểm Loại lớp

phủ

Phun khí cháy

Phun HVOF

Phun hồ quang điện

Phun Plasma

< 83

28 – 41

14 – 48 – –

0,05 – 2,5 0,05 – 2,5 – 0,002 – 0,20

0,1 – 2,5 0,1 – 5,0 – –

0, 4 – 2, 5 0,05 – 5,0 0,1 – 2,0 0,15 – 0,8

55 – 72

40

35 – –

< 1

3 – 10

3 – 10 – –

2 – 5

2 – 5

1 – 2

2 – 3

3.1.3 Sơ lược về một số phương pháp phun phủ

3.1.3.1 Phương pháp phun ngọn lửa khí (phun khí cháy)

Phun ngọn lửa khí, nguồn năng lượng nhiệt được tạo ra bởi sự đốt cháy hỗn hợp khí cháy với oxy Tùy thuộc vào trạng thái vật liệu phun sự phun phủ có thể có

3 dạng: phun dây phun thanh và phun bột Ngoài ra sự phun nổ dựa trên nguyên lý

sử dụng năng lượng nổ của hỗn hợp oxy – khí cháy cũng thuộc phương pháp phun ngọn lửa khí

Nguyên lý phun dây bằng ngọn lửa khí được trình bày trên hình 3.2 Phun thanh cũng diễn ra tương tự trong cả 2 trường hợp vật liệu phun dạng dây hoặc dạng thanh được cấp qua lỗ tâm của mỏ đốt và nóng chảy thành các hạt nhỏ phủ trên bề mặt vật phun Dây được cấp với tốc độ không đổi nhờ các con lăn dẫn động của tuabin khí hoặc động cơ điện

1- Dây phun; 2- Ngọn lửa khí cháy; 3- Đầu dây nóng chảy; 4- Dòng không khí nén; 5- Hạt kim

loại; 6- Lớp phủ; 7- Kim loại nền; 8- Đầu béc (đầu phun)

Hình 3.2: Phun dây bằng ngọn lửa khí [15]

Hình 3.3 giới thiệu nguyên lý phun ngọn lửa khí với vật liệu bột Bột phun chảy từ trên xuống bị kéo theo bởi dòng khí tải (hỗn hợp oxy – khí cháy) và rơi vào ngọn lửa Các phần tử bột bị đốt nóng và bắn vào bề mặt phun Trong nhiều trường hợp acetylen được dùng làm khí đốt Khi phun chất dẻo thường dùng propan

Công nghệ phun phủ ngọn lửa khí rất đơn giản, thiết bị và chi phí vận hành

1- Đầu béc; 2- Ngọn lửa; 3- Lớp phủ; 4- Kim loại nền

Hình 3.3: Nguyên lý phun bột bằng ngọn lửa khí [15]

Sơ đồ nguyên lý phun nổ được giới thiệu trên hình oxy và acetylen với tỷ lệ khối lượng chính xác cấp vào buồng 3 với đường kính 25 mm và được làm mát bằng nước (hình 3.4 a) Sau đó bột phun (chẳng hạn bột wolfram được cấp vào buồng cùng với khí nitơ)(hình 3.4 b), người ta phóng tia lửa điện vào buồng hỗn hợp khí chứa bột phun (hình 3.4 c), hỗn hợp khí phát nổ, sinh nhiệt và sóng va đập, đốt nóng và phóng các phần tử bột lên bề mặt chi tiết phun (hình 3.4 d)

1- Chi tiết phun; 2- Cơ cấu làm mát; 3- Buồng nổ; 4- Kênh điện;

a) Chất đẩy hỗn hợp công tác vào buồng; b) Cấp bột phun; c) Phóng điện; d) Tạo lớp phủ

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý phun nổ [15]

3.1.3.2 Phương pháp phun bằng hồ quang điện

Hồ quang điện được tạo ra bởi 2 hoặc 3 dây kim loại (hay hợp kim) dịch

chuyển bằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau (hình 3.5) Các dây kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ gây ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây kim loại Dây kim loại liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp với quá trình phun (hình 3.6)

Hình 3.5: Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực [14]

1 Máy nén khí; 2 Bình chứa khí nén; 3 Máy sấy lọc khí;

4 Thiết bị làm sạch; 5 Tủ điều khiển; 6 Đầu phun LD/U-2

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [14]

Kích thước và hình dáng đầu phun ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phủ, thông thường đầu phun có hình trụ, đường kính lỗ phun d = (3 – 6) mm

Góc chéo nhau của hai cực ảnh hưởng đến quá trình hình thành dòng phân

tử phun, thường dùng = 30o

Chiều dài bộ phận dẫn dây l ảnh hưởng đến chu trình phun, nếu l tăng thì tổn

thất điện áp tăng và thực tế cho phép thất thoát (0,8 – 1) V/100 A, nếu đầu phun có kết cấu hợp lý thì tổn thất chỉ (0,2 – 0,3) V/100 A và hệ số sử dụng năng lượng có ích đạt (0,8 – 0,9)

3.1.3.3 Phương pháp phun bằng Plasma

Phương pháp phun plasma có những đặc điểm: nhiệt độ cao cho phép phun các vật liệu khó nóng chảy; nhiệt độ plasma có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi đường kính miệng phun (đầu bép) và chế độ công tác của súng phun, điều đó cho phép phun các vật liệu khác nhau (kim loại, gốm, vật liệu hữu cơ…) Do sử dụng khí trơ làm công tác nên lượng oxit tạo thành trong lớp phủ rất nhỏ Khi cần thiết có thể tiến hành phun trong buồng chứa khí trơ (hình 3.7)

1- Cực dương; 2- cực âm; 3- Đầu nối nước và đầu nối cực âm; 4- Đầu nối nước và đầu nối cực dương; 5- Đầu vào khí làm việc; 6- Ống phun bột; 7- Chất cách điện

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý phun plasma [16]

Các lớp phun plasma có độ chặt cao và độ bám tốt với vật liệu mềm Tuy nhiên năng suất phun plasma tương đối thấp, khi phun có tiếng ồn và tia cực tím mạnh Giá thành và chi phí vận hành cao là nhược điểm của phun plasma

3.1.3.4 Phương pháp phun HVOF (High Velocity Oxygen – Fuel)

Công nghệ này có thể hiểu một cách đơn giản như sau: một hỗn hợp bao gồm nhiệu liệu cháy (khí hoặc lỏng) và oxy được đưa vào một buồng đốt và ở đó chúng được đốt cháy liên tục Các khí cháy này sẽ được đưa qua một miệng vòi phun có cấu

tạo sao cho có khả năng gia tốc vận tốc của dòng khí đến vài lần vận tốc âm thanh (thường là >1000m/s) Đồng thời với quá trình này sẽ có một bộ phận cấp bột cần phun vào dòng khí và phun tới bề mặt của chi tiết cần phủ Kết quả là lớp phủ có độ xốp rất thấp (nhỏ hơn 1%) độ bám dính rất cao (hình 3.8)

1- Nhiên liệu cháy (khí hoặc lỏng); 2- Oxy; 3- Buồng đốt; 4- Ống cấp bột phun

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý phun HVOF [16]

Về mặt lý thuyết, công nghệ phun phủ HVOF có thể phun dày tới 12 mm Nó thường được sử dụng để phun các dạng vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cực cao như: các dạng hợp kim cứng nền Co cốt hạt Wolfram carbide (tungsten carbide) WC-Co, Crom carbide (Chrome Carbide), hỗn hợp oxyt nhôm, hợp kim nền Niken…

3.1.4 Quy trình công nghệ phun phủ

Công nghệ phun phủ kim loại có thể biểu thị bằng sơ đồ chung (hình 3.9)

a) Sơ đồ công nghệ

b) Quy trình phun phủ kim loại

Hình 3.9: Sơ đồ công nghệ và quy trình phun phủ kim loại [14]

Trong từng điều kiện cụ thể hoặc sản phẩm cụ thể một số công đoạn có thể bỏ qua hoặc một số bước có thể được ghép lại làm đồng thời

3.1.4.1 Kiểm tra vật liệu nền

Ở bước đầu tiên này, đối với từng chi tiết người ta kiểm tra mác kim loại nền,

độ cứng và kích thước để chọn vật liệu phun và công nghệ thích hợp

Kim loại dùng làm vật liệu phun thường ở dạng dây hoặc dạng bột Các loại này được sản suất từ các nhà máy luyện kim theo yêu cầu của các đơn đặt hàng Các loại dây dùng làm vật liệu phun kim loại thường dùng cho trong bảng 3.2

Đối với kích thước đường kính dây sai số cho phép là 0,05 mm

Bảng 3.2: Các kim loại dùng làm vật liệu phun [17]

Vật liệu Thành phần Đường kính dây (mm) Chì

- Loại cứng

-

2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Đối với dây thép ngoài các loại trên, trong thực tế còn dùng nhiều loại khác để đạt được mục đích yêu cầu

Thông thường dùng các loại dây thép có thành phần cacbon từ 0,1 – 0,8% với các thành phần hóa học theo bảng 3.3

Bảng 3.3: Thành phần hóa học các loại dây thép [17]

0,02 0,03 0,01

0,3 0,3 0,26

0,3 0,35 0,35

0,03 0,03 0,03 Thép với thành phần cacbon 0,1% có ưu điểm là phun dễ và sau khi phun xong gia công cắt gọt dễ, nhưng nhược điểm là độ co lớn, dễ sinh nứt lớp phun khi chiều dày lớp phủ lớn hơn 2 mm Sức bền chịu kéo của lớp đạt được khoảng 200 N/mm2

Thép với thành phần 0,25% C dùng cho các lớp yêu cầu đạt độ cứng cao hơn Khả năng sinh nứt lớp phủ ít hơn Sức bền chịu kéo của lớp phủ đạt được khoảng 240 N/mm2

Thép với thành phần 0,8% C dùng để phun các lớp phủ dày vì nó có ưu điểm

là độ co nhỏ, nhưng nhược điểm là độ cứng cao nên chỉ có thể gia công bằng mài hoặc phải dùng các loại dao hợp kim như loại TK

3.1.4.2 Chuẩn bị bề mặt phun

lớp phun với nền là liên kết cơ học Vì vậy, để tăng cường độ bám cơ học của lớp phun cần tăng diện tích tiếp xúc giữa nó và bề mặt chi tiết, đồng thời cần tạo tính hoạt hóa cao của bề mặt để có được những liên kết hóa học giữa lớp phun và kim loại nền Hai yêu cầu này liên quan đến hai công đoạn chính của quá trình chuẩn bị, đó là làm sạch và làm sần sùi bề mặt trước khi phun

Đốt nóng: các chi tiết bị rỗ hoặc các sản phẩm gang đúc có thể chứa dầu

mỡ trong các lỗ rỗ; khi phun do bị đốt nóng, chúng thoát ra bề mặt làm giảm đáng kể

độ bám của lớp phun với nền Vì vậy các chi tiết đó phải được đốt nóng tới 250 –

b Tạo nhám bề mặt

Có những phương pháp sau đây được dùng để gia công bề mặt chi tiết trước khi phun: phun hạt (cát, bi, hạt kim loại); cơ khí; phun lớp mỏng molipden bám chắc với nền; tia lửa điện; hóa học

Nguyên công này đảm bảo độ bền, độ dính kết của kim loại phủ với bề mặt chi tiết được phủ Tạo nhám thường bằng phun cát, phun hạt kim loại hay phun bi,

cắt ren, gia công tia lửa điện Khi phủ lớp dày thường dùng các phương pháp như cắt ren tròn, cắt ren bằng cùng việc sửa lại đỉnh ren…Qua thực nghiệm, người ta thấy kết quả tốt nhất nhận được khi kích thước của các phần tử kim loại được phủ nhỏ hơn phần rỗng của các rãnh nhấp nhô trên bề mặt do nguyên công chuẩn bị tạo ra trong một khoảng nhất định

3.1.4.3 Phun phủ kim loại

Mỗi phương pháp phun có những đặc điểm và chế độ công nghệ riêng, được xác định bởi đặc điểm kết cấu của máy phun, kiểu và hình dạng vật liệu phun, kích thước và tính chất của vật phun, cũng như các yêu cầu đặt ra cho lớp phủ

Các yếu tố liên quan đến nguồn năng lượng nhiệt cho phun: loại khí cháy; lượng oxy trong hỗn hợp; sự tiêu hao cháy và oxy – nếu là nguồn năng lượng hoá học; công suất yêu cầu, loại khí công tác và lượng khí tiêu thụ - nếu là nguồn điện

Các yếu tố liên quan đến vật liệu phun: thành phần; tính chất vật lý; hình dạng

và kích thước hạt trong trường hợp vật liệu hạt; đường kính – trong trường hợp vật liệu dây và thanh

Lựa chọn vật liệu phun phủ

Vật liệu dùng cho phun phủ cũng như thiết bị phun phù hợp được các nhà cung cấp (PRAXAIR-TAFA, Sulzer METCO, MOGUL Metallizing GmbH,…) nghiên cứu chuyên sâu và có những chỉ dẫn trong từng phạm vi ứng dụng Vật liệu

sử dụng cho phun phủ bề mặt đều được các nhà cung cấp phân loại làm 3 nhóm chính theo mục đích sử dụng:

+ Nhóm vật liệu gốm, oxit kim loại:

Nhóm này sử dụng cho phủ cách ly hay bảo vệ chi tiết nền Sau khi phủ không cần gia công

+ Nhóm kim loại và hợp kim:

Nhóm này tương đối đa dạng, có thể chỉ là những kim loại như kẽm dùng

để phủ bảo vệ chống ôxy hóa trong điều kiện môi trường hay có thể là hợp kim