Nghiên cứu chế tạo dung dịch polyme trong nước sử dụng để tôi thép

bởi những lý do chính sau đây [1, 2, 3]: Tốc độ làm nguội của dung dịch polyme trong nước có thể được điều chỉnh trong một khoảng rộng từ tốc độ làm nguội của dầu khoáng đến của nước để

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12

từ mạt, ba via nhôm trong quá trình đúc áp lực cao

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS TRẦN TỰ TRÁC

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo dung dịch polyme trong nước sử dụng để tôi thép

Mã số 33.12 RD/HĐ-KHCN

Cơ quan chủ quản: Viện Công nghệ - Bộ Công Thương

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Phi Trung

9607

Hà Nội - 11-2012

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

Tên đề tài:

Nghiên cứu chế tạo dung dịch polyme trong nước sử dụng để tôi thép

Thực hiện theo Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 33.12 RD/HĐ-KHCN ngày 15/34/2012

giữa Bộ Công Thương và Viện Công nghệ

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Phi Trung

Các thành viên tham gia

1 Phạm Văn Lành Viện Công nghệ

3 Nguyễn Tiến Trình Viện Công nghệ

4 Nguyễn Xuân Thắng Viện Công nghệ

5 Nguyễn Thị Ngọc Bích Viện Công nghệ

6 Đặng Quốc Đông Viện Công nghệ

Hà Nội - 11-2012

MỤC LỤC

Tr

MỞ ĐẦU……… 1

I TỔNG QUAN……… 2

1.1 Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép……… 2

1.1.1 Austenite hóa (nung nóng và giữ nhiệt)……… 2

1.1.2 Tôi (làm nguội)……… 3

1.1.3 Những môi trường tôi thép thông dụng trên thế giới và trong nước……… 4

1.2 Dung dịch polyme trong nước sử dụng để tôi thép……… 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng……… 5

1.2.2 Ưu điểm của dung dịch tôi chứa polyme……… 6

1.2.3 Một số polyme dùng để chế tạo dung dịch tôi……… 9

1.2.3.1 Chất tôi chứa polyankylen glycol……… 11

1.2.3.2 ChÊt t«i chøa polyacrylat……… 12

1.2.3.3 ChÊt t«i chøa polyvinyl ancol……… 13

1.2.3.4 ChÊt t«i chøa polyacrylamit……… 13

1.2.3.5 ChÊt t«i chøa polyvinyl pyrolidon……… 14

1.2.3.6 ChÊt t«i chøa polyetyl oxazolin……… 14

II NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DUNG DỊCH POLYME TRONG NƯỚC SỬ DỤNG ĐỂ TÔI THÉP 16 2.1 Khả năng và mức độ hòa tan trong nước của một số loại polyme lựa chọn 16 2.1.1 Khái niệm chung……… 16

2.1.2 Nguyên liệu……… 17

2.1.3 Quy trình thử nghiệm……… 17

2.1.4 Kết quả và thảo luận……… 18

2.2 Ảnh hưởng của chủng loại, hàm lượng polyme tới độ nhớt của dung dịch 23 2.2.1 Thành phần của dung dịch tôi……… 23

2.2.2 Độ nhớt của dung dịch tôi……… 25

2.3 Sự biến đổi độ nhớt của dung dịch theo thời gian gia nhiệt……… 27

III KHẢO NGHIỆM DUNG DỊCH TÔI POLYME TRONG NƯỚC……… 29

IV CHẾ TẠO DUNG DỊCH PVA TRONG NƯỚC ĐỂ TÔI THÉP………… 35

V KẾT LUẬN……… 38

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 39

PHỤ LỤC……… 41

DANH MỤC BẢNG

Tr

Bảng 1.1 Một số polyme tan trong nước được dùng để chế tạo dung dịch tôi …… 10Bảng 2.1 Khả năng và mức độ hòa tan của PAAS trong nước ……… 19Bảng 2.2 Khả năng và mức độ hòa tan của PAM trong nước ……… 20Bảng 2.3 Khả năng và mức độ hòa tan của PVA trong nước ……… 22Bảng 2.4 Thành phần các nguyên liệu và hóa chất để chế tạo dung dịch tôi trong

nước

23

Bảng 2.5 Khả năng tạo bọt của của dung dịch PVA chứa etylenglycol ……… 24Bảng 2.6 Độ nhớt của các dung dịch polyme ……… 26Bảng 2.7 Độ nhớt của các dung dịch thay đổi theo thời gian gia nhiệt ở 90OC … 27Bảng 3.1 Thành phần hóa học các mác thép chế tạo mẫu ……… 30Bảng 3.2 Độ cứng sau khi tôi của mẫu ……… 32Bảng 4.1 Các nguyên liệu và hóa chất ……… 35

Hình 1.3 Ít tạo khói, mùi và không có nguy cơ bắt lửa khi tôi các loại trục thép

trong dung dịch polyme

Hình 3.2 Kích thước mẫu thép thí nghiệm 30Hình 3.3 Các mẫu thép thí nghiệm 30Hình 3.4 Lò nung buồng điện trở 31

Hình 3.6 Độ cứng của mẫu thép 45 sau khi tôi trong các chất tôi khác nhau 33Hình 3.7 Độ cứng của mẫu thép 40X sau khi tôi trong các chất tôi khác nhau 33Hình 3.8 Độ cứng của mẫu thép 40XM sau khi tôi trong các chất tôi khác nhau 34Hình 4.1 Sơ đồ khối quy trình chế tạo dung dịch đặc 15% PVA trong nước 36

MỞ ĐẦU

Để đạt được tính năng cơ lý tối ưu theo yêu cầu, các sản phẩm thép thường phải qua công đoạn tôi ở các điều kiện công nghệ thích hợp Một số môi trường tôi truyền thống như nước, dầu khoáng, kim loại và muối nóng chảy.v.v… từ lâu đã được sử dụng rộng rãi, đáp ứng nhiều điều kiện công nghệ nhiệt luyện cho nhiều loại thép trong ứng dụng thực tế của công nghiệp chế tạo máy Trên thế giới, dung dịch polyme trong nước được nghiên cứu, ứng dụng làm môi trường tôi thép và nhôm từ thập niên 60 của thế kỷ trước Hướng nghiên cứu và ứng dụng này đang ngày càng được xúc tiến mạnh mẽ

Trong số nhiều polyme tan trong nước, một số loại đã được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến như: polyankylen glycol [-O-C2H4]n-[O-C2H4-CH2-]m, nari polyacrylat, polyacrylamit [-CH2-CHCONH2-]n, polyvinyl ancol [-CH2-CHOH-]n, polyvinyl

pyrolidon.v.v bởi những lý do chính sau đây [1, 2, 3]:

Tốc độ làm nguội của dung dịch polyme trong nước có thể được điều chỉnh trong một khoảng rộng từ tốc độ làm nguội của dầu khoáng đến của nước để phù hợp với những vật liệu và sản phẩm khó có thể tôi được trong nước và dầu Quá trình làm nguội thép diễn ra đồng đều trên toàn bộ diện tích bề mặt sản phẩm Bởi vậy so với nước và dầu, khi tôi thép các loại trong dung dịch polyme cho phép thu được sản phẩm tôi với cấu trúc ít có ứng suất, ít bị cong vênh hay nứt gãy, có tính chất cơ thích hợp với điều kiện ứng dụng thực tế hay với quá trình gia công biến dạng nguội cần thiết tiếp theo [4] Một mặt do dung môi là nước, mặt khác do bản chất vốn có của các polyme sử dụng nên so với dầu thì dung dịch chứa polyme là những chất tôi ít độc hại, ít tạo mùi, tạo khói và khó bắt cháy khi tôi Một số dung dịch tôi chứa polyme có giá thành rẻ so với dầu khoáng và một số kim loại, muối hoặc kiềm vẫn được dùng để làm chất tôi ở dạng nóng chảy hay ở dạng dung dịch trong nước [5]

Hiện nay ở nước ta, việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng dung dịch tôi sử dụng polyme còn chưa được quan tâm đúng mức Sự thay thế chất tôi như dầu hay nước – là hai môi trường tôi được áp dụng phổ biến trong quá trình nhiệt luyện thép ở các đơn vị sản xuất trong nước nhất định sẽ mang lại hiệu quả cao Để có thể nhanh chóng đưa phương pháp mới vào thực tế, đồng thời để tận dụng những ưu điểm về mặt công nghệ, nâng cao tính an toàn, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh tế, Bộ Công

Thương đã cho phép Viện Công nghệ thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo dung dịch polyme trong nước sử dụng để tôi thép”

I TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép

Mục đích công đoạn nhiệt luyện là làm thay đổi cấu trúc ban đầu của vật liệu theo hướng phù hợp với yêu cầu sử dụng Tổ chức cần đạt sau nhiệt luyện thông thường bao gồm nền martensite và carbide mịn phân bố đều trong đó Một quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát bao gồm austenite hóa (nung nóng và giữ nhiệt), làm nguội (tôi) và ram Mỗi công đoạn của quá trình này đều có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Đối với từng sản phẩm cụ thể, tùy thuộc vào mác thép, hình dạng, kích thước cũng như yêu cầu

về tính chất của sản phẩm, người nhiệt luyện chọn quy trình công nghệ hợp lý Với chi tiết có hình dạng phức tạp và qua nhiều công đoạn gia công cần được tiến hành nung sơ

bộ hoặc nung thành nhiều bước để hạn chế sự biến dạng hoặc nứt vỡ

1.1.1 Austenite hóa (nung nóng và giữ nhiệt)

Thiết bị và môi trường nung

Trong quá trình nung, bề mặt của sản phẩm cần được bảo vệ để tránh thấm hoặc thoát các bon Quá trình thấm hoặc thoát các bon bắt đầu xảy ra từ nhiệt độ khoảng trên

800OC Sự thấm hoặc thoát các bon sẽ dẫn đến hiện tượng bề mặt bị mềm, tạo ứng suất

và gây nứt Để tránh hiện tượng này, sản phẩm phải được nung trong môi trường trơ hoặc chân không

Austenite hóa là quá trình hòa tan đến mức độ cần thiết các bon và các nguyên tố hợp kim để nền có khả năng cứng sau tôi nhưng không làm thô hạt và giòn Ở nhiệt độ austenite hóa, carbide được hòa tan và nền chuyển từ ferrite sang austenite Như vậy các bon và các nguyên tố hợp kim từ carbide có thể hòa tan được vào nền austenite

Nung đến nhiệt độ tôi

Nguyên tắc cơ bản của quá trình này là nung sản phẩm từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ tôi với tốc độ hợp lý Trong quá trình nung nóng đến nhiệt độ tôi, tùy theo hình dạng sản phẩm có thể tiến hành qua hai giai đoạn nhằm mục đích khử các ứng suất sinh

ra khi gia công cơ khí Giai đoạn 1 ở nhiệt độ khoảng 650 đến 700OC với tốc độ nung không nên vượt quá 220OC/giờ, giai đoạn 2 là khoảng 810 đến 870OC Nhiệt độ tôi có

tầm quan trọng đặc biệt khi tôi, nhiệt độ này sẽ quyết định hàm lượng các bon cũng như các nguyên tố hợp kim trong austenite và cuối cùng là độ cứng sau khi tôi Khi nung đến nhiệt độ tôi, một phần carbide được hòa tan vào austenite

Nhiệt độ tôi cao thì lượng carbide sẽ hòa tan nhiều hơn Carbide được hòa tan sẽ làm giàu thêm các bon và các nguyên tố hợp kim cho austenite Khi tôi, lượng carbide này trong dung dịch sẽ có xu hướng kết tinh ở biên giới hạt làm giảm độ dẻo dai của vật liệu Khi nhiệt độ tôi cao sẽ tăng hàm lượng các bon và các nguyên tố hợp kim, như thế

sẽ tăng độ cứng martensite sau khi tôi, tuy nhiên cũng đồng thời tăng lượng austenite dư Nhưng nếu nhiệt độ cao quá sẽ có hiện tượng thô hạt, vì thế không nên để quá nhiệt nhằm tránh giảm độ cứng và biến dạng sản phẩm

Nhiệt độ tôi thấp, ngược lại, cho ta sản phẩm có độ dẻo cao hơn, tuy nhiên nếu thấp quá khi chưa hòa tan được carbide thì sẽ không nhận được sản phẩm có độ cứng cao

để sau khi ram có được tính chất tốt hơn

Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi

Rất khó để đưa ra một công thức chính xác về thời gian này vì nó phụ thuộc nhiều vào thiết bị nung, nhiệt độ tôi, kích thước, số lượng sản phẩm Có thể đưa ra một gợi ý như sau: sau khi đạt được nhiệt độ tôi trên toàn bộ chiều dày của sản phẩm (thấu nhiệt), nên giữ nhiệt khoảng 30 phút rồi mới tôi Tuy nhiên đối với các sản phẩm mỏng hay nhiệt độ tôi cao thì thời gian này có thể giảm xuống 15 phút hay chỉ vài phút Thông thường người ta tính thời gian giữ nhiệt khi bắt đầu đạt nhiệt độ tôi là 1 giờ/25mm chiều dày sản phẩm [6]

1.1.2 Tôi (làm nguội)

Tôi là quá trình làm nguội để nhận được tổ chức không cân bằng của chuyển biến hoặc phân hóa austenite khi quá nguội rất lớn với tốc độ lớn hơn tốc độ nguội tới hạn của thép Kết quả cuối cùng của quá trình tôi phụ thuộc vào tốc độ nguội và nhiệt độ kết thúc chuyển biến martensite Tổ chức martensite chỉ có thể có được khi tốc độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn, đối với thép có điểm kết thúc chuyển biến martensite lớn hơn 20OC Những loại thép có điểm kết thúc chuyển biến martesite nhỏ hơn 20OC thì trong tổ chức

sau khi tôi cùng với martensite còn có cả austenite dư Dựa vào giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của từng loại thép người ta có thể xác định được tốc độ nguội tới hạn của chúng Đối với thép các bon hóa tốt, tốc độ nguội tới hạn giảm khi hàm lượng các bon tăng Tốc

độ nguội tới hạn của thép các bon nằm trong khoảng 400 đến 1200OC/giây Nhiều nguyên

tố hợp kim như: Mn, Ni, Cr, Mo,… cũng có tác dụng làm giảm tốc độ nguội tới hạn và tăng độ thấm tôi của thép hợp kim thấp Khi tốc độ nguội nhỏ hơn tốc độ nguội tới hạn sẽ nhận được tổ chức phân hóa của austenite - trustite, xoocbite - perrlite

1.1.3 Những môi trường tôi thép thông dụng trên thế giới và trong nước

Theo bản chất các chất làm nguội, có thể chia chúng làm hai nhóm chính:

Nhóm 1: Gồm những môi trường mà trong quá trình làm nguội không có sự thay đổi trạng thái của chúng Thuộc nhóm này là các loại muối nóng chảy, kim loại nóng chảy, các chất khí,… Khả năng làm nguội của môi trường tôi này phụ thuộc chủ yếu vào

sự chênh nhiệt độ giữa môi trường làm nguội và nhiệt độ bề mặt chi tiết

Nhóm 2: Gồm những môi trường tôi mà khi làm nguội có sự thay đổi cục bộ trạng thái Các môi trường đó là nước, các dung dịch muối, kiềm trong nước, dầu… Khả năng làm nguội của môi trường này phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ bề mặt chi tiết và trạng thái của môi trường tôi nằm sát bề mặt kim loại

Sau đây là một số môi trường tôi thép đươc sử dụng phổ biến trên thế giới [7]:

Nước:

Nước là môi trường tôi rẻ, an toàn và được dùng phổ biến nhất Khi nhúng thép nung nóng đỏ vào nước, sản phẩm nguội đột ngột xuống 700 đến 600OC và xung quanh chi tiết tạo nên lớp màng hơi quá nhiệt, lúc này sự thoát nhiệt xảy ra qua lớp màng hơi nên tốc độ nguội chậm Sau đó lớp màng hơi bị phá hủy và nước bắt đầu sôi trên bề mặt thép Nhiệt hóa hơi của nước rất lớn (khoảng 539 cal/gam), do đó hấp thụ lượng nhiệt lớn của thép, làm thép nguội đi với tốc độ rất nhanh Giai đoạn này kéo dài từ 600OC xuống tới 100OC Khi thép bị nguội xuống dưới 100OC, nước không sôi nữa, quá trình nguội xảy

ra bằng đối lưu với tốc độ chậm Với nhiệt độ ban đầu là 30OC, trong khoảng nhiệt độ tôi

650 đến 550OC, tốc độ làm nguội của nước đạt khoảng 500OC/giây Nước là môi trường tôi phổ biến cho thép các bon

Dung dịch muối, kiềm trong nước:

Người ta nhận thấy, khi trong nước có các ion điện ly, nó sẽ dẫn nhiệt tốt hơn, do

đó làm tăng tốc độ nguội thép trong khoảng 650 đến 550OC, nhưng không làm tăng đáng

kể tốc độ làm nguội trong vùng chuyển biến martensite Vì thế các dung dịch NaOH và

Na2CO3 trong nước là môi trường tôi mạnh hơn nước Tôi trong dung dịch 40 đến 50% NaOH đảm bảo độ biến dạng tối thiểu, bề mặt dễ làm sạch và độ cứng khá đồng nhất Dung dịch nước hòa tan muối ăn, xút là môi trường tôi thích hợp cho thép các bon có tốc

độ nguội tới hạn lớn

Dầu:

Dầu là môi trường tôi phổ biến và quan trọng So với nước, lớp màng hơi của dầu rất ổn định, do đó tốc độ làm nguội thép ở nhiệt độ cao của dầu thấp hơn so với nước nhiều Dầu là môi trường tôi yếu Nhiệt độ sôi của dầu cao hơn so với nước, khoảng 150 đến 300OC, do vậy giai đoạn truyền nhiệt bằng đối lưu với tốc độ nguội chậm ứng với khoảng chuyển biến martensite

Ở dưới 200OC tốc độ làm nguội của dầu thấp hơn của nước khoảng 28 lần Dầu là môi trường tôi ít nứt và cong vênh Ở nga cũng như Việt nam thường dùng hơn cả là dầu

“công nghiệp 20”, VIT 32 hoặc VIT 46 để tôi thép hợp kim, là loại thép có tốc độ nguội tới hạn nhỏ hoặc thép các bon có tiết diện mỏng

1.2 Dung dịch polyme trong nước sử dụng để tôi thép

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng

Từ những năm 60 ở châu Âu, châu Mỹ, xu thế nghiên cứu ứng dụng môi trường tôi mới đặc biệt là các dung dịch polyme hòa tan trong nước để làm môi trường tôi đang là vấn đề thời sự hấp dẫn nhiều nhà khoa học và công nghệ Việc nghiên cứu và ứng dụng dung dịch polyme hữu cơ làm dung dịch tôi thay dầu công nghiệp rất phát triển Những dung dịch này có đặc điểm chung là tốc độ làm nguội có thể điều chỉnh theo nồng độ Ở gần điểm Ms, chúng có tốc độ làm nguội gần như dầu và có tính lưu động tốt Dựa vào tính chất hòa tan của polyme, người ta phân các dung dịch của chúng thành hai nhóm:

Nhóm thứ nhất bao gồm các môi trường tôi chứa các polyme có khả năng hòa tan giảm khi nhiệt độ dung dịch tăng Khi tiếp xúc với kim loại nóng, polyme bị kết tủa, tạo thành một lớp mỏng trên bề mặt chi tiết và đương nhiên là sẽ làm chậm quá trình nguội Khi nguội màng polyme lại tan trở lại vào dung dịch

Nhóm thứ hai bao gồm các môi trường tôi chứa các polyme có khả năng hòa tan tăng khi nhiệt độ dung dịch tăng Khi tiếp xúc với kim loại nóng, tại vùng lân cận bề mặt chi tiết, nước bị bay hơi nhanh nên một màng polyme cũng được tạo thành trên bề mặt,

do vậy làm giảm khả năng làm nguôi

1.2.2 Ưu điểm của dung dịch tôi chứa polyme

Bên cạnh nước, dầu khoáng là chất tôi được sử dụng phổ biến Trong ứng dụng thực tế, người ta nhận thấy một số nhược điểm chính của việc sử dụng dầu khoáng làm chất tôi đó là: sự nhiễm nước vào dầu, tạo mùi, tạo khói và dễ bắt cháy Điều này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các dung dịch tôi có chứa polyme [8, 9] Các polyme được dùng là các chất có điểm bắt cháy cao, không mùi và ít độc hại Khi các polyme này

bị phân hủy nhiệt, các chất tạo thành chủ yếu là nước và khí cacbonic Ngoài polyme ra, dung dịch tôi còn được pha chế với một số phụ gia khác ở hàm lượng thấp như chất chống gỉ, chất chống tạo bọt, chất chống mốc, Đây cũng là các chất được chọn với tiêu chí có hiệu quả cao, ít độc hại với con người và ít gây ô nhiễm môi trường Một mặt với các tính chất như đã đề cập, mặt khác các polyme và hóa chất này lại được hòa tan trong nước để tạo thành dung dịch tôi nên có thể nói, đây là những chất tôi không bắt cháy, ít tạo khói và tạo mùi, ít độc hại với con người và không gây ô nhiễm môi trường

Các dung dịch tôi chứa các polyme khác nhau sẽ cho hiệu quả tôi khác nhau Sự linh hoạt và đa dạng về đặc tính tôi cần thiết có thể đạt được bằng cách lựa chọn chủng loại polyme, nồng độ polyme, nhiệt độ bể tôi và tốc độ khuấy khi tôi Việc ứng dụng thành công dung dịch tôi chứa polyme sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng thấm tôi của chi tiết, độ nhám bề mặt của chi tiết, hệ thống tôi và tính năng cơ lý yêu cầu của sản phẩm Nhờ có những tính chất nêu trên, dung dịch tôi chứa polyme có thể mang lại

những ưu điểm về môi trường và công nghệ sau đây trong quá trình nhiệt luyện [10, 11, 12]:

- Ưu điểm về an toàn lao động và môi trường (Hình 1.1, 1.2 và 1.3):

+ Ít nguy hiểm khi nhúng chi tiết vào chất tôi

+ Môi trường làm việc sạch và an toàn

+ Không tạo khói và mùi trong khi tôi và ram

+ Không cần có các thiết bị, hệ thống và dụng cụ bảo vệ bằng khí trơ hay hệ thống cứu hỏa

+ Nền nhà xưởng không bị bám dầu Sự bám dầu sẽ gây nguy hiểm tiềm ẩn, đòi hỏi cần dùng các chất hấp phụ hay tẩy rửa đắt tiền Khi dùng dung dịch tôi chứa polyme, nền nhà được dễ dàng giữ sạch và an toàn triệt để bằng cách lau qua nước khi cần thiết

Hình 1.1 - Tạo khói, mùi và nguy cơ bắt lửa khi tôi thép trong dầu

Hình 1.2 - Ít tạo khói, mùi và không có nguy cơ bắt lửa khi tôi thép tấm

trong dung dịch polyme

Hình 1.3 - Ít tạo khói, mùi và không có nguy cơ bắt lửa khi tôi các loại trục thép

trong dung dịch polyme

- Ưu điểm về công nghệ

+ Tính linh hoạt của tốc độ tôi: Đối với dung dịch tôi chứa một loại polyme nhất định, bằng cách thay đổi nồng độ, nhiệt độ và tốc độ khuấy ta có thể thu được một khoảng tốc độ tôi rộng để có thể xử lý được nhiều loại vật liệu và sản phẩm khác nhau

+ Loại bỏ sự tạo thành các điểm mềm trên sản phẩm: Do có sự hình thành màng polyme đồng đều trên bề mặt sản phẩm nên việc thường xuất hiện các bọt khí và dẫn tới tạo thành các điểm mềm như khi tôi trong nước có thể được loại bỏ

+ Giảm ứng suất, cong vênh hay nứt gãy: Sự hình thành màng polyme cũng làm giảm chênh lệch nhiệt độ trên sản phẩm khi tôi (Hình 1.4), giảm ứng suất hình thành trong sản phẩm nên sự biến dạng, cong vênh hay nứt gãy của vật tôi cũng được cải thiện nhiều

+ Ảnh hưởng của sự nhiễm nước: Dung dịch có thể chấp nhận một lượng nước nhiễm vào khá lớn trước khi có sự ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ tôi Khả năng này cho phép hạn chế được các vấn đề tạo thành điểm mềm, cong vênh hay nứt gãy có liên quan đến sự nhiễm nước như khi tôi trong dầu khoáng

+ Giảm chi phí: Phụ thuộc vào chủng loại polyme và nồng độ yêu cầu, chi phí cho bể tôi chứa polyme pha loảng có thể được giảm đáng kể so với dầu tôi Do dung dich

tôi chứa polyme có độ nhớt thấp hơn đáng kể so với dầu tôi nên sự tổn hao do chất tôi bám vào sản phẩm được giảm đi đáng kể

+ Dễ làm sạch: Sản phẩm sau khi tôi có thể không cần phải làm sạch trước khi ram bởi màng polyme bám trên nó sẽ không hóa than như các loại dầu mà phân hủy hoàn toàn ở nhiệt độ cao để tạo thành nước và khí cacbonic Các sản phẩm có thể được ram ngay sau khi tôi, điều này giúp loại bỏ sự cần thiết phải qua các công đoạn làm sạch dầu bằng kiềm hay hơi nước tốn kém Khi cần ram hay các công đoạn xử lý khác ở nhiệt độ thấp mà polyme không thể phân hủy hoàn toàn được thì màng polyme có thể được loại bỏ

dễ dàng bằng cách rửa với nước

+ Giảm sự tăng nhiệt độ khi tôi: Dung dịch tôi chứa polyme có nhiệt dung riêng lớn hơn gần gấp đôi so với dầu Do đó, đối với một lượng sản phẩm tôi xác định, sự gia tăng nhiệt độ của dung dịch tôi chứa polyme sẽ giảm đi khoảng một nửa

(a) (b)

Hình 1.4 - So sánh quá trình làm nguội thép của dung dịch chứa polyme PAG với nước Mẫu thép CrNi được nung nóng đến 850OC (a): Nhiệt độ đo tại tâm mẫu; (b): Nhiệt độ

đo tại bề mặt mẫu [8]

1.2.3 Một số polyme dùng để chế tạo dung dịch tôi

Một số polyme được dùng làm chất tôi phổ biến trên thế giới, được tổng hợp ở Bảng 1.1 Nói chung, tất cả các polyme tan trong nước này đều có thể được dùng để chế tạo dung dịch tôi Tuy nhiên, đặc tính tôi của từng polyme là khác nhau bởi sự khác nhau

về các tính chất cơ, hóa lý của chúng Khi hai polyme khác nhau về bản chất hóa học

1-3 1

(được tạo thành từ hai loại monome khác nhau) thì điều dễ hiểu là chúng sẽ khác nhau về các tính chất có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tôi như: trạng thái vật lý, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, khả năng cũng như mức độ hòa tan trong nước, độ nhớt của dung dịch tôi, độ bền của màng polyme, hoạt tính bề mặt và khả năng thấm ướt, tính ổn định của dung dịch, Nhưng ngay cả khi hai polyme được tạo thành từ cùng một loại monome thì chúng cũng có thể có sự khác nhau nhiều về các tính chất này tùy thuộc vào điều kiện chế tạo Đối với polyme được tổng hợp từ một loại monome, các tính chất này sẽ phụ thuộc vào khối lượng phân tử, cấu hình, cấu dạng hay cách sắp xếp của monome trong mạch, mức độ phân nhánh, nhóm chức cuối mạch, của đại phân tử tạo thành Đối với các copolyme (được tạo thành từ hai loại monome trở lên) thì các tính chất nêu trên còn phụ thuộc vào tỷ lệ của các monome và cách thức sắp xếp của chúng (copolyme ngẫu nhiên hay copolyme khối) trong mạch

Bảng 1.1 - Một số polyme tan trong nước được dùng để chế tạo dung dịch tôi

Polyme Nhận xét Tài liệu

Khối lượng phân tử từ 500.000 đến 5.000.000 Khối lượng phân tử thấp hơn đáng kể so với các loại được kể đến trong [16] và [17]

Có đặc tính tôi tương đương với nước và dầu Cacboxylmetyl xelulozơ, metyl xelulozơ, hydroxyletyl xelulozơ,

Polyvinyl ancol, polyvinyl axetat Khối lượng phân tử từ 50.000 đến 500.000 Khối lượng phan tử từ 5.000 đến 400.000

Độ nhớt của dung dịch 20% ở 25OC có thể thay

[1]

[23]

[3]

[4]

tử đến khoảng 1000 và có dạng rắn khi khối lượng phân tử lớn hơn Điều này dẫn tới khả năng và mức độ hòa tạn trong nước của polyme sẽ giảm và đến mức nào đó thì nó hoàn toàn không còn khả năng hòa tan được nữa Hay với cùng hàm lượng trong dung dịch, khối lượng phân tử của polyme tăng sẽ làm cho độ nhớt của dung dịch tăng lên

1.2.3.1 Chất tôi chứa polyankylen glycol

Polyankylen glycol (PAG) là sản phẩm đồng trùng hợp của etylenglycol với

propylenglycol:

O nCH 2 CH 2 mCH 2 CH

và đai ốc …) cho đến các chi tiết rất lớn như trục và vật đúc nặng tới hơn 10 tấn Khoảng giữa các chi tiết này còn có nhiều sản phẩm như: bulông, gối đỡ, trục khuỷu, lò xo, thép

thanh, thộp cuộn, cỏc chi tiết cho thiết bị nụng nghiệp và ụ tụ,… đó được tụi cú kết quả trong chất tụi chứa PAG

Chất tôi chứa PAG được dùng trong nhiều thiết bị tôi khác nhau như: lò tôi liên tục,

lò đáy phẳng, thiết bị tôi dưới áp lực cũng như tôi thể tích Chất tôi chứa polyme được ứng dụng rộng rãi để tôi các chi tiết sau nhiệt luyện tần số hay nhiệt luyện ngọn lửa thay thế cho các loại dầu phân tán trong nước hay dầu khoáng Nói chung, nó được dùng ở nồng

độ 5 đến 10% để loại bỏ các vết mềm hình thành khi tôi trong nước, để kiểm soát sự cong vênh và để bảo vệ ăn mòn cho thiết bị nhiệt luyện tần số

Chất tôi chứa PAG được dùng như chất thay thế cho nước và dầu để tôi các chi tiết nhôm như: khung máy bay thành mỏng, các bộ phậm làm vỏ, các chi tiết đúc, đùn trong trong thiết bị vũ trụ, vỏ động cơ, đầu xylanh và bánh lái trong công nghiệp ôtô

Đặc tính tôi được giữ đồng đều của PAG có thể làm giảm đáng kể hay loại bỏ sự cong vênh xảy ra như khi tôi trong nước mà không gây ảnh hưởng xấu tới tính chất cơ và

độ bền ăn mòn Điều này rất quan trọng đối với các chi tiết hàng không bằng nhôm lá mỏng trong công nghiệp vũ trụ hay nhiều sản phẩm đúc và rèn, thường được tôi trong nước nóng và dầu khoáng, để hạn chế sự cong vênh

Nói chung, chất tôi chứa PAG được dùng ở nồng độ 10 đến 20% cho các chi tiết

đúc và rèn dày và ở 25 đến 40% cho các chi tiết tấm mỏng

Chất tôi chứa PAG của Houghton Aqua-Quench đã được các nhà chế tạo thiết bị vũ trụ trên thế giới xác nhận và được dùng đặc biệt thích hợp trong các ứng dụng quan trọng của công nghệ vũ trụ

1.2.3.2 Chất tôi chứa polyacrylat

Chất tôi chứa polyme trên cơ sở polyacrylat (PACR), trong đó bao gồm natri polyacrylat (PAAS), được trùng hợp từ monome natri acrylat theo phản ứng sau:

nCH 2 CH

CO ONa

(CH 2 CH) n CO ONa

Các chất tôi PACR là dung dịch hay nhũ tương trong nước, có đặc tính tôi giống dầu Chúng cho phép xử lý nhiều loại thép hợp kim và các vật liệu có tính thấm tôi cao, làm thay đổi quá trình tôi qua ba giai đoạn thông thường nhờ tạo thành lớp giàu polyme

có độ nhớt cao quanh chi tiết Điều này rất có hiệu quả trong việc giảm tốc độ tôi ở giai

đoạn đối lưu Giống như PAG, hiệu ứng làm nguội của chất tôi chứa PACR phụ thuộc vào các thông số cơ bản đó là nồng độ polyme, nhiệt độ bể tôi và tốc độ khuấy

Nồng độ PACR ảnh hưởng tới độ nhớt dung dịch và tốc độ tôi Nói chung, chất tôi chứa PACR được dùng ở nồng độ đến 20% trong nước, có tính chất tôi rất giống dầu tôi

có tốc độ tôi bình thường Nhiệt độ của dung dịch tăng thì giai đoạn tạo hơi được mở rộng

và tốc độ nguội tối đa giảm Bình thường, nhiệt độ làm việc tối đa nên dùng là 60OC để giảm thiểu mất mát do bay hơi của hệ thống

Đặc tính tôi giống dầu của chất tôi chứa PACR cho phép nhiệt luyện các vật liệu có tính thấm tôi cao hơn như ống dẫn dầu không hàn từ thép AISI 4140, các vật rèn và đúc từ thép AISI 4140 và 4340, bánh răng lớn, trục khuỷu tiết diện bé và bi cầu chứa lượng crom cao

1.2.3.3 Chất tôi chứa polyvinyl ancol

Bằng phương pháp thủy phân polyvinylacetat trong môi trường axit ta thu được polyvinylancol (PVA) theo sơ đồ phản ứng sau:

có thể được dùng để tôi thép cacbon và thép hợp kim thấp Sản phẩm thương mại Plastiquech của công ty Heatbath/Park là dung dịch PVA được sử dụng để tôi các sản phẩm có kích thước nhỏ và vừa như bulông, đai ốc, các loại thép hình, thép cuộn, vật

đúc,…

1.2.3.4 Chất tôi chứa polyacrylamit

Polyacrylamit (PAM) được chế tạo bằng cách trùng hợp monome acrylamit theo sơ

đồ sau:

nCH CH 2 CO

NH 2

(CH CO

NH 2

CH 2 ) n

PAM cũng là loại polyme thông dụng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Có ba loại PAM, đó là loại anionic, cationic và loại trung hòa Tuy nhiên, trong thực tế thì loại trung hòa thường được dùng để chế tạo dung dịch tôi Với nồng độ từ

1 đến 10% trong nước, chất tôi này có thể được dùng để tôi thép cacbon và thép hợp kim thấp cho các sản phẩm có kích thước nhỏ và vừa như bulông, đai ốc, trục cán, vật rèn vật

đúc,…

1.2.3.5 Chất tôi chứa polyvinyl pyrolidon

Bằng cách trùng hợp vinylpyrolidon ta thu được polyvinyl pyrolidon (PVP) Sơ đồ phản ứng được thể hiện như sau:

nCH 2 CH

N O

(CH 2 CH) n

N O

Chất tôi trên cơ sở PVP cũng có đặc tính tôi tương đối giống dầu Nồng độ thông dụng của chất tôi này thường được dùng từ 15 đến 25% Khi nhiệt độ của dung dịch PVP tăng, giai đoạn tạo hơi được mở rộng và tốc độ làm nguội tối đa giảm Nhiệt độ làm việc tối đa là 60OC được khuyên dùng để hạn chế đến mức thấp nhất sự tổn hao do bay hơi từ

hệ thống Điều luôn quan trọng là cần phải khuấy đều dung dịch để bảo đảm sự phân bố nhiệt độ đồng đều và đặc tính tôi đồng nhất trong bể Đặc tính tôi giống dầu của PVP cho phép mở rộng khả năng ứng dụng để xử lý nhiệt các vật liệu và hợp kim có tính thấm tôi cao Các chất tôi chứa PVP được dùng rộng rãi trong công nghiệp để tôi các loại thép thanh, thép hình và vật rèn

1.2.3.6 Chất tôi chứa polyetyl oxazolin

Bằng phương pháp trùng hợp mở vòng monome etyloxazolin, người ta thu được polyetyl oxazolin (PEO) theo sơ đồ phản ứng sau:

nC 2 H 5 C

O

N

(NCH 2 CH 2 ) n CO

C 2 H 5

Sản phẩm trên cơ sở PEO là đại diện cho công nghệ mới nhất của các chất tôi chứa polyme Đến nay, công nghệ PEO đã được củng cố bởi nhiều patent trên thế giới Chất tôi PEO trong nước có đặc tính tôi giống dầu nhất so với tất cả các loại chất tôi khác chứa polyme có mặt trên thị trường Đây là nguyên nhân mà nó được ứng dụng rộng rãi, từ tôi tần số cho thép và gang đến tôi thể tích các vật đúc và rèn từ thép hợp kim có tính thấm tôi cao Công nghệ hóa học cho phép biến đổi đặc tính tôi của PEO một cách hiệu quả và thu được tính chất mong muốn trong khoảng nồng độ polyme thấp Điều này tạo cho PEO

ít bị tổn hao hơn so với các loại polyme khác nên có hiệu quả kinh tế cao khi sử dụng Polyme bám trên bề mặt sản phẩm tôi sẽ khô, tạo lớp màng cứng và không bám bụi

Chất tôi trên cơ sở PEO có thể được dùng trong một khoảng nồng độ rộng, phụ thuộc vào từng trường hợp ứng dụng Chất tôi có giai đoạn tạo hơi ít ổn định nhất so với tất cả các chất tôi chứa polyme khác Vấn đề có ý nghĩa lớn là tốc độ làm nguội của chất tôi này chậm trong giai đoạn đối lưu, ở đó khi nồng độ 15 đến 25% thì tốc độ tôi hầu như giống của dầu tôi Điều này có thể mở rộng phạm vi ứng dụng cho cả thép hợp kim rất cao Vì sản phẩm PEO có nhiệt độ hoà tan nghịch đảo ở nhiệt độ khoảng 63OC, do đó bể tôi cần phải được làm nguôi một cách có hiệu quả

Nói chung, chất tôi chứa PEO được dùng trong khoảng nồng độ 5 đến 10% để thay PAG hay dầu khi xử lý các chi tiết thép hay gang cầu ứng dụng điển hình là để tôi trục cam, trục khuỷu và bánh răng trong công nghiệp ô tô, ống khoan trong công nghiệp dầu Trong một số trường hợp, màng polyme khô cứng tạo thành trên bề mặt sản phẩm rất có ích cho quá trình thao tác tiếp theo Dung dịch 10% PEO sử dụng có kết quả để tôi vít và bulông trong lò tôi liên tục Tốc độ làm nguội chậm trong giai đoạn đối lưu cho phép PEO

sử dụng thích hợp để tôi các chi tiết thép hợp kim có tính thấm tôi cao mà bình thường chúng cần được tôi trong dầu

II NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DUNG DỊCH POLYME TRONG NƯỚC SỬ DỤNG

ĐỂ TÔI THÉP 2.1 Khả năng và mức độ hòa tan trong nước của một số loại polyme lựa chọn

2.1.1 Khái niệm chung

Khác với các hợp chất thấp phân tử, do có khối lượng phân tử cao, các polyme hòa tan vào dung môi rất chậm Quá trình hòa tan qua giai đoạn trương nở, làm giảm tương tác giữa các đại phân tử, sau đó mới đến giai đoạn hòa tan của mạch polyme vào dung môi Tốc độ hòa tan phụ thuộc nhiều vào bản chất hóa học, khối lượng phân tử, cấu hình

và cấu dạng của các đại phân tử cũng như trạng thái ban đầu của polyme Ta nói: một polyme tan được trong một dung môi nhất định, có nghĩa rằng, ở điều kiện môi trường polyme này có khả năng tan được một lượng đáng kể trong dung môi đó Tuy nhiên, trong thực tế ứng dụng của dung dịch polyme thì chỉ có những dung dịch có độ nhớt nhất định mới thích hợp với một mục đích sử dụng cụ thể

Cũng như các hợp chất thấp phân tử, khả năng và tốc độ hòa tan của polyme phụ thuộc vào nhiệt độ Nói chung, khả năng hòa tan của nhiều loại polyme tăng khi nhiệt độ hòa tan tăng lên Tuy nhiên, một số loại polyme như PAG, PEO,…có khả năng hòa tan trong nước giảm khi nhiệt độ tăng và đến một nhiệt độ nào đó thì chúng không còn khả năng hòa tan được nữa

Do có khối lượng phân tử cao, quá trình hòa tan của một số loại polyme có thể kéo dài đến cả tuần, cả tháng hoặc thậm chí lâu hơn Về mặt nhiệt động, sự khuấy trộn không ảnh hưởng đến mức độ hòa tan của chúng Tuy nhiên trên phương diện động lực học, sự khuấy trộn có vai trò quan trọng trong việc tăng tốc quá trình hòa tan của các chất, bởi vậy nó rất có ý nghĩa trong thực tế sản xuất Đối với các polyme dạng rắn, khi có khuấy trộn, khả năng thấm dung môi để làm trương nở các hạt polyme cũng như khả năng làm tách các liên kết ngoại phân tử để đại phân tử polyme tan vào dung môi được dễ dàng hơn Do khả năng kết dính cao của các hạt polyme ở trạng thái trương nở, sự khuấy trộn liên tục còn có tác dụng ngăn ngừa sự co cụm, kết tụ với nhau thành các cục lớn - là nguyên nhân làm giảm mạnh tốc độ hòa tan của chúng

2.1.2 Nguyên liệu

Các polyme được dùng nghiên cứu gồm:

- PAAS: Nước sản xuât: Trung Quốc; trạng thái rắn, dạng hạt, kích thước hạt trung bình 0.5 mm, màu trắng đục

- PAM: Nước sản xuât: Trung Quốc; trạng thái rắn, dạng hạt, kích thước hạt trung bình 0.5 mm, trong suốt, hơi đục

- PVA: Nước sản xuât: Nhật; trạng thái rắn, dạng hạt, kích thước hạt trung bình 0.5

mm, trong suốt, hơi đục

Các phụ gia được dùng gồm:

- Natri nitrit: Nước sản xuất: Trung Quốc; loại tinh khiết

- Natri benzoat: Nước sản xuất: Trung Quốc; loại tinh khiết

- Etylenglycol: Nước sản xuất: Trung Quốc; loại tinh khiết

Cho 100 ml nước vào bình thủy tinh Đun nóng nước đến nhiệt độ cần thiết Vừa khuấy chậm, vừa cho từ từ toàn bộ lượng polyme xác định vào cốc Cứ sau một thời gian nhất định, ngừng khuấy để quan sát, đánh giá khả năng, mức độ hòa tan của polyme trong nước và độ nhớt của dung dịch tạo thành Khi polyme đã tan hết trong nước, tắt nguồn nhiệt để đưa dung dịch về nhiệt độ phòng Ngừng khuấy, đánh giá trạng thái của hỗn hơp Trường hợp polyme đã tan hết, bảo quản dung dịch 24 giờ rồi đánh giá lại trạng thái của

nó (xem Hình 2.1) Độ nhớt quy ước của dung dịch được đo theo TCVN 2092

Hình 2.1 - Thiết bị khuấy trộn có thể điều chỉnh nhiệt độ

2.1.4 Kết quả và thảo luận

Kết quả thử nghiệm, khảo sát quá trình hòa tan cho 3 loại polyme theo khối lượng, nhiệt độ và thời gian được trình bày ở Bảng 2.1, 2.2 và 2.3

Từ Bảng 2.1 ta thấy, ở nhiệt độ thấp (30OC), tốc độ hòa tan của PAAS rất chậm Với lượng polyme thấp nhưng sau 120 phút chúng vẫn chưa tan hết vào dung dịch Sự gia tăng tốc độ hòa tan thể hiện rất rõ khi nâng nhiệt độ lên dần Sau thời gian 90 phút và 60 phút, lượng polyme đã hòa tan hết ở nhiệt độ tương ứng là 50 và 80OC Trong khoảng thời gian nghiên cứu, kết quả cũng cho thấy tốc độ hòa tan ít phụ thuộc vào lượng polyme ban đầu được cho vào nước Ở cả 3 mức hàm lượng polyme, khi nhiệt độ khuấy trộn là

50 và 80OC thì thời gian hòa tan hoàn toàn đều đạt giá trị tương ứng là 90 và 60 phút Tuy nhiên, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh theo hàm lượng polyme và tăng rất nhanh trong khoảng hàm lượng từ 5 đến 8g/100ml nước Với lượng PAAS là 8g/100 ml nước thì dung dịch tạo thành đã có trạng thái rất đặc (độn nhớt quy ước đạt 15 phút 35 giây) Sau khi tan trong nước, các dung dịch tạo thành đều có tính ổn định tốt, trong suốt, không màu, không mùi và không có hiện tượng tách lớp hay kết tủa sau thời gian bảo quản lâu dài ở điều kiện phòng

Bảng 2.1 - Khả năng và mức độ hòa tan của PAAS trong nước

Khối lượng

polyme,

g/100ml

Nhiệt độ hòa tan, (OC)

Thời gian khuấy trộn (phút)

Trạng thái hỗn hợp sau trộn

30 Polyme chưa hòa tan hết

60 Polyme chưa hòa tan hết

90 Polyme chưa hòa tan hết

30

120 Polyme chưa hòa tan hết

30 Polyme chưa hòa tan hết

60 Polyme chưa hòa tan hết

50 90 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch loãng trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ

30 Polyme chưa hòa tan hết

2

80 60 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch loãng trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 Độ nhớt quy ước đạt 25giây

30 Polyme chưa hòa tan hết

60 Polyme chưa hòa tan hết

50 90 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch hơi đặc trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ Độ nhớt quy ước đạt 1 phút 65 giây

30 Polyme chưa hòa tan hết

5

80 60 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch hơi đặc trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ

30 Polyme chưa hòa tan hết

60 Polyme chưa hòa tan hết

50 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch rất đặc trong

90 suốt, không màu và không thay đổi trạng thái

sau 24 giờ Độ nhớt quy ước đạt 15 phút 35 giây

30 Polyme chưa hòa tan hết

PAM dễ hòa tan trong nước hơn so với PAAS Từ Bảng 2.2 nhận thấy, ở nhiệt độ thấp (30OC) thì sau 90 phút lượng polyme cho vào đã tan hết vào dung dịch Tốc độ hòa tan của PAM cũng tăng nhanh khi nhiệt độ tăng Trong khoảng hàm lượng nghiên cứu (từ 2 đến 10g/100ml nước), ở nhiệt độ 50OC toàn bộ lượng polyme đã hòa tan hoàn toàn sau sau 60 phút khuấy trộn Kết quả cũng cho thấy, trong khoảng thời gian nghiên cứu tốc độ hòa tan ít phụ thuộc vào lượng polyme ban đầu được cho vào nước Cũng như PAAS, độ nhớt của dung dịch PAM tăng nhanh theo hàm lượng polyme và tăng rất nhanh trong khoảng hàm lượng từ 5 đến 10g/100ml nước Dung dịch tạo thành đã có trạng thái rất đặc khi lượng PAM là 10g/100ml nước (độ nhớt quy ước đạt 18 phút 15 giây) Sau khi tan trong nước, các dung dịch đều có khả năng ổn định tốt, trong suốt, không màu, không mùi và không có hiện tượng tách lớp hay kết tủa sau thời gian bảo quản lâu dài ở điều kiện phòng

Bảng 2.2 - Khả năng và mức độ hòa tan của PAM trong nước

Khối lượng

polyme,

g/100ml

Nhiệt độ hòa tan, (OC)

Thời gian khuấy trộn (phút)

Trạng thái hỗn hợp sau trộn

30 Polyme chưa hòa tan hết

60 Polyme chưa hòa tan hết

30

90 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch loãng trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ Độ nhớt quy ước đạt 21 giây

30 Polyme chưa hòa tan hết

2

50

60 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch loãng trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái

sau 24 giờ

30 Polyme chưa hòa tan hết

60 Polyme chưa hòa tan hết

30 90 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch hơi đặc trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ Độ nhớt quy ước đạt 1 phút 12 giây

30 Polyme chưa hòa tan hết

5

50 60 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch hơi đặc trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ

30 Polyme chưa hòa tan hết

60 Polyme chưa hòa tan hết

30

90

Polyme đã hòa tan hết Dung dịch rất đặc trong suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ Độ nhớt quy ước đạt 18 phút 15 giây

30 Polyme chưa hòa tan hết

Từ Bảng 2.3 ta thấy, ở nhiệt độ thấp (30OC), tốc độ hòa tan của PVA rất chậm; chậm hơn cả PAAS Với lượng polyme 4g/100ml nước nhưng sau 360 phút chúng vẫn chưa tan hết vào dung dịch Tốc độ hòa tan của polyme này cũng tăng lên theo nhiệt độ Sau thời gian 360 phút và 240 phút, lượng polyme mới hòa tan hết ở nhiệt độ tương ứng

là 50 và 80OC Trong khoảng thời gian nghiên cứu, kết quả cho thấy tốc độ hòa tan ít phụ thuộc vào lượng polyme ban đầu được cho vào nước Ở cả 2 mức hàm lượng polyme ban đầu khác (8 và 15g/100ml), khi nhiệt độ khuấy trộn là 50 và 80OC thì thời gian hòa tan hoàn toàn đều đạt giá trị tương ứng là 360 và 240 phút So với PAAS và PAM thì độ nhớt của dung dịch PVA tăng chậm hơn theo hàm lượng polyme Trong khoảng hàm lượng polyme đến 8g/100ml nước, độ nhớt của dung dịch tăng chậm, sau đó mới bắt đầu tăng nhanh trong khoảng 8 đến 15g/100ml nước Với lượng PVA là 15g/100ml nước thì dung

dịch mới đạt trạng thái rất đặc (độn nhớt quy ước đạt 17 phút 30 giây) Sau khi tan trong nước, các dung dịch tạo thành đều có tính ổn định tốt, trong suốt, không màu, không mùi

và không có hiện tượng tách lớp hay kết tủa sau thời gian bảo quản lâu dài ở điều kiện phòng

Bảng 2.3 - Khả năng và mức độ hòa tan của PVA trong nước

Khối lượng

polyme,

g/100ml

Nhiệt độ hòa tan, (OC)

Thời gian khuấy trộn (phút)

Trạng thái hỗn hợp sau trộn

120 Polyme chưa hòa tan hết

240 Polyme chưa hòa tan hết

30

360 Polyme chưa hòa tan hết

120 Polyme chưa hòa tan hết

240 Polyme chưa hòa tan hết

50 360 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch loãng trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ Độ nhớt quy ước đạt 19 giây

120 Polyme chưa hòa tan hết

4

80 240 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch loãng trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24

120 Polyme chưa hòa tan hết

240 Polyme chưa hòa tan hết

50

360 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch loãng trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ Độ nhớt quy ước đạt 1 phut 31 giây

120 Polyme chưa hòa tan hết

8

80 240 Polyme đã hòa tan hết Dung dịch hơi đặc trong

suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ

120 Polyme chưa hòa tan hết

240 Polyme chưa hòa tan hết

120 Polyme chưa hòa tan hết

80

240

Polyme đã hòa tan hết Dung dịch rất đặc trong suốt, không màu và không thay đổi trạng thái sau 24 giờ

2.2 Ảnh hưởng của chủng loại, hàm lượng polyme tới độ nhớt của dung dịch

2.2.1 Thành phần của dung dịch tôi

Các polyme sử dụng đều là polyme có khả năng phân hủy sinh học, được hòa tan trong nước do đó để hạn chế tối đa khả năng bị mốc, tạo mùi trong quá trình sử dụng và bảo quản, giảm thiểu sự tạo rỉ cho sản phẩm tôi và hạn chế tạo bọt, gây ảnh hưởng xấu đến quá trình chế tạo chất tôi và quá trình tôi thường người ta bổ sung vào dung dịch một

số chất phụ gia như: chất chống rỉ, chống mốc và chất chống tạo bọt… với một hàm lượng nhất định Các phụ gia lựa chọn cần bảo đảm các tiêu chí: có hiệu quả ở hàm lượng thấp, ít độc hại, tương hợp tốt với các chất khác trong dung dịch Trên cơ sở tham khảo các tài liêu [4, 10, 11], đề tài lựa chọn thành phần nguyên liệu chế tạo dung dịch tôi như sau (Bảng 2.4)

Bảng 2.4 - Thành phần các nguyên liệu và hóa chất để chế tạo dung dịch tôi trong nước

TT Chức năng Nguyên liêu, hóa chất Phần khối lượng

Bảng 2.5 - Khả năng tạo bọt của của dung dịch PVA chứa etylenglycol

TT Hàm lượng etylenglycol,

g/100g PVA

Khả năng tạo bọt

Hình 2.2 - Dung dịch tạo bọt tương đối nhiều (a) và ít tạo bọt (b) sau khi khuấy trộn

Hình 2.3- Dung dịch ít tạo bọt khi tôi thép

2.2.2 Độ nhớt dung dịch tôi

Đối với mỗi loại polyme, độ nhớt của dung dịch tôi là thông số rất quan trọng liên quan trực tiếp tới tốc độ làm nguội và do đó đến độ cứng sau tôi của sản phẩm Để sơ bộ đánh giá khả năng áp dụng làm chất tôi thép của các dung dịch, đề tài tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng polyme tới độ nhớt của dung dịch Độ nhớt được đo ở 30±1OC trên thiết bị Viscometer UK-2 (Hình 2.4) với tốc độ quay của rotor 60v/phút, theo tiêu chuẩn ASTM D 562

Kết quả đo được thể hiện ở Bảng 2.6 và hình 2.5 (Phụ luc 1) Theo sự gia tăng nhiệt độ, độ nhớt của các polyme tăng lên ở mức tương đương nhau trong khoảng hàm lượng đến 2% Trong khoảng từ 2 đến 4%, độ nhớt của PAAS và PAM tăng gần như nhau và nhanh hơn khá nhiều so với PVA Cả hai loại polyme này đều có độ nhớt tăng rất nhanh ở mức hàm lượng lớn hơn 4% Trong khi đó, đối với PVA thì sau 8% độ nhớt mới bắt đầu tăng nhanh Như vậy nếu xét riêng về trạng thái đặc loảng của dung dịch để phù hợp với mục đích tôi thép thì trong số ba loại polyme nghiên cứu, PVA là loại cho phép

có thể sử dụng được trong khoảng hàm lượng rộng hơn

Hình 2.4 - Thiết bị đo độ nhớt Viscometer UK-2

Bảng 2.6 - Độ nhớt của các dung dịch polyme

Độ nhớt các dung dịch (cP) Hàm lượng

Hình 2.5 - Phụ thuộc của độ nhớt các dung dịch vào hàm lượng polyme (29OC)

2.3 Sự biến đổi độ nhớt của dung dịch theo thời gian gia nhiệt

Khi tôi thép, nhiệt độ cục bộ của phần dung dịch tiếp xúc trực tiếp hoặc ỏ vùng lân cận bề mặt sản phẩm tôi có thể đạt đến nhiệt độ sôi của dung dịch Trong dung dịch nước, dưới tác dụng của nhiệt độ và sự khuấy trộn cơ học một số loại polyme sẽ bị phân hủy dẫn tới việc thay đổi tính chất hóa lý trong đó có độ nhớt của dung dịch Cũng như dầu,

độ nhớt của dụng dịch polyme thay đổi theo thời gian sử dụng, dẫn tới làm thay đổi đặc tính tôi của chúng Như vậy một chất tôi tốt không những cần có đặc tính tôi ban đầu phù hợp mà đặc tính này còn phải được ổn định trong khoảng thời gian làm việc lâu dài Để

bổ sung thông tin làm căn cứ cho việc lựa chọn dung dịch tôi thích hợp, đề tài đã tiến hành nghiên cứu sự thay đổi độ nhớt của các dung dịch theo thời gian gia nhiệt ở 90OC khi có khuấy trộn ở tốc độ 600 v/phút

Kết quả nghiên cứu cho thấy (Bảng 2.7, Hình 2.6), trong số ba loại polyme, độ nhớt của dung dịch PAM giảm nhanh nhất và giảm rất nhanh sau đó đến độ nhớt của dung dịch PAAS theo thời gian gia nhiệt Trong khi đó độ nhớt của dung dich PVA giảm hầu như không đáng kể sau thời gian gia nhiệt là 36 giờ Sự giảm khối lượng phân tử do quá trình phân hủy gây đứt mạch dẫn tới việc giảm độ nhớt của PVA và PAM cũng đã được khẳng định khi nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm và nhiệt độ tới tính chất của dung dịch các polyme này trong nước [26, 27] Xét khả năng ổn định tính chất theo thời gian tôi và do đó khả năng làm việc lâu dài của một chất tôi, đề tài lựa chọn PVA là polyme làm chất tôi để tiếp tục nghiên cứu

Bảng 2.7 - Độ nhớt của các dung dịch thay đổi theo thời gian gia nhiệt ở 90OC

Độ nhớt các dung dịch (cP) Thời gian

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Hình 2.6 - Thay đổi độ nhớt các dung dịch theo thời gian gia nhiệt ở 90OC

III KHẢO NGHIỆM DUNG DỊCH TÔI POLYME TRONG NƯỚC

Từ kết quả thu được, đề tài chọn dung dịch PVA (Hình 3.1) để tiếp tục nghiên cứu

sự phụ thuộc độ cứng sau khi tôi của mẫu thép vào hàm lượng polyme trong dung dịch

Để có kết quả đánh giá so sánh, các mẫu thép đồng thời cũng được tôi trong nước và dầu

- Lò nung: Loại lò buồng điện trở (Hình 3.4), công suất 35 KW, nhiệt độ nung tối

đa 1100OC, kích thước buồng 400 x 500 x 850mm

- Chế độ nhiệt luyện:

+ Môi trường nung: Khí argon, tốc độ cấp khí 25 lít/phút, + Nâng nhiệt độ lò lên 650 OC, xếp mẫu vào rồi tiếp tục nâng lên 860OC trong thời gian 2 giờ, giữ 1 giờ ở nhiệt độ này trước khi lấy mẫu ra tôi (Hình 3.5)

Bảng 3.1 - Thành phần hóa học các mác thép chế tạo mẫu (Phụ lục 2)

Hàm lượng các nguyên tố, % Mác

45 0,47252 0,70500 0,23312 0,01520 0,00994 0,01560 0,10860 40X 0,42734 0,77704 0,23016 0,00815 0,00617 0,00363 0,92673 40XM 0,43229 0,83038 0,20878 0,01518 0,01726 0,15493 1,21126

Hình 3.2 - Kích thước mẫu thép thí nghiệm

Hình 3.3 - Các mẫu thép thí nghiệm

Hình 3.4 - Lò nung buồng điện trở

Hình 3.5 - Tôi mẫu thép trong dung dịch PVA

Đo độ cứng của mẫu sau khi tôi bằng máy đo độ cứng HPO 250 và WHL 380 của Đức Đo 3 vị trí dọc theo chiều dài mẫu, cách bề mặt 1mm rồi tính giá trị trung bình Dựa vào giá trị độ cứng của các mẫu sau khi tôi, để tiến hành phân tích, đánh giá khả năng tôi của các dung dịch polyme cho từng loại thép Độ cứng sau khi tôi trong các chất tôi khác nhau của các mác thép 45, 40X và 40XM được thể hiện trong Bảng 3.2 và biễu diễn tương ứng trên Hình 3.6, 3.7 và 3.8

Đối với cả 3 mác thép, khi hàm lượng PVA tăng thì độ cứng của mẫu đều giảm Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả và đã được giải thích bởi sự giảm khả năng dẫn nhiệt của dung dịch polyme khi nồng độ tăng lên

Mức độ giảm độ cứng của thép 40X lớn hơn thép 40XM chút ít nhưng nhỏ hơn nhiều so với thép 45 Trong khoảng nghiên cứu, với hàm lượng PVA ≥ 2%, độ cứng của thép 40X (51,8 đến 55,5 HRC) và 40XM (53,4 đến 56,2 HRC) đạt gần bằng độ cứng của

chúng khi tôi trong dầu (51,5 và 53,3 HRC) và thấp hơn khá nhiều so với khi tôi trong nước (57,3 và 58,4 HRC) Điều này chứng tỏ tốc độ làm nguội của các dung dịch PVA bảo đảm lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn của hai mác thép này và không quá lớn để gây nứt vỡ hoặc cong vênh sản phẩm trong một số trường hợp Như vậy, xét trên góc độ về chi phí và tiện ích của một chất tôi chúng ta có thể chọn dung dịch nồng độ 2% cho 2 mác thép 40X và 40XM Tuy nhiên, trong thực tế, khoảng hàm lượng 2 đến 5% PVA là khoảng ta có thể lựa chọn để phù hợp nhất với kích thước, hình dạng và tính chất cơ lý của sản phẩm cần tôi

Đối với thép 45, trong khoảng 0,2 đến 2% PVA, độ cứng của mẫu giảm chậm sau

đó giảm rất nhanh khi hàm lượng polyme tiếp tục tăng Tuy độ cứng của mẫu sau khi tôi trong các dung dịch này có thấp hơn khi tôi trong nước nhưng vẫn đạt giá trị cao (từ 52,3 đến 57,3 HRC) Điều này cho thấy tốc độ làm nguội của các dung dịch này lớn hơn tốc

độ nguội tới hạn của thép 45 Như đã đề cập ở trên, khoảng hàm lượng 0,2 đến 2% PVA

là khoảng ta có thể lựa chọn để phù phù hợp nhất với kích thước, hình dạng và tính chất

cơ lý của sản phẩm cần tôi

Bảng 3.2 - Độ cứng sau khi tôi của mẫu, HRC (Phụ lục 3) Mẫu thép

Hình 3.6 - Độ cứng của mẫu thép 45 sau khi tôi trong các chất tôi khác nhau

57.3

51.5

55.5

54 52.7

52 52.5 51.8 52.2

45 50 55 60

N −í

c D© u

P 1(

2%) P2 (0 .5%

) P3 (1

.0 %) P4 (2

N −í c

P 1(

2%) P2 (0 .5 % )

N −íc D ©u

P 1(

0.2

%) P2 (0

.5 %) P3 (1 .0%

) P4 (2 .0%

IV CHẾ TẠO DUNG DỊCH PVA TRONG NƯỚC ĐỂ TÔI THÉP

Từ các kết quả nghiên cứu, căn cứ vào thực tế chế tạo và ứng dụng chất tôi gốc polyme trong nước ở trên thế giới Để tiện lợi, giảm chi phí trong quá trình chế tạo, bảo quản và vận chuyển chất tôi, đề tài thiết lập quy trình chế tạo qua hai giai đoan Giai đoạn đầu là chế tạo dung dịch đặc và giai đoạn tiếp theo là pha loãng thành các dung dịch có khối lượng và hàm lượng polyme theo yêu cầu thực tế

a) Chế tạo dung dịch đặc PVA 15% trong nước

- Nguyên liệu và hóa chất

Lượng các nguyên liệu và hóa chất đưa ra trong Bảng 4.1 dùng để chế tạo 100kg dung dịch PVA 15% trong nước Khi chế tạo một lượng cần thiết bất kỳ khác, ta cần tính toán các nguyên liệu tương ứng theo tỷ lệ đã cho

Bảng 4.1 - Các nguyên liệu và hóa chất

1 PVA Khối lượng phân tử: 57000;

Hàm lương nhóm hydroxyl: 98,2%

15,0

2 Nước Nước máy công nghiệp 80,9

+ Thùng chứa, phểu rót

- Cách tiến hành

+ Sơ đồ khối quy trình chế tạo (Hình 4.1)