NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của các yếu tố CÔNG NGHỆ đến CHẤT LƯỢNG lớp PHỦ hồ QUANG điện AISI 316

Trần Văn Nghĩa 1 a phungtuananh@mta.edu.vn T ÓM TẮT Trong bài báo này, nhóm tác giả đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điện áp, áp lực khí phun đến tổ chức và tính chất

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ

ĐẾN CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ HỒ QUANG ĐIỆN AISI 316

THE EFFECT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE QUALITY OF

ARC-SPRAYED AISI 316 COATINGS

TS Phùng Tuấn Anh 1a , ThS Nguyễn Thanh Hùng 1 , KS Trần Văn Nghĩa 1

a phungtuananh@mta.edu.vn

T ÓM TẮT

Trong bài báo này, nhóm tác giả đã tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điện

áp, áp lực khí phun đến tổ chức và tính chất của lớp phủ AISI 316 trên nền thép không gỉ

dựng được quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ AISI 316 chống ăn mòn với các thông số phun phủ chính tối ưu, tương ứng với điện áp hồ quang (29÷32) V và áp lực khí phun (0,34÷0,38) MPa Quá trình phun phủ không cho phép nhiệt độ lớp phủ vượt quá 100oC để đảm bảo độ bám dính với vật liệu nền Khi đó độ cứng lớp phủ AISI 316 đạt khoảng (37÷38) HRC, mật độ lớp phủ xác định được khoảng (90÷90,3) %, độ bám dính của lớp phủ với nền đạt được không nhỏ hơn (28,7÷29,4) MPa, tốc độ ăn mòn của lớp phủ trong môi trường dung dịch 3,5% NaCl khoảng (0,012÷0,015) mm/năm và trong dung dịch axit 0,1N H2SO4 (0,05M) khoảng (0,342÷0,385) mm/năm

Từ khóa: phun phủ hồ quang điện, thép không gỉ AISI 316, quy trình công nghệ, điện

áp hồ quang, áp lực khí phun

ABSTRACT

This paper is studied the effect of arc load voltage and air pressure parameters on microstructure and properties of AISI 316 stainless steel coatings on AISI 316 stainless steel substrate manufactured by electric arc spray method Technological procedure with the optimal main spray parameters for manufacturing AISI 316 anticorrosion coatings was established Arc load voltage, air pressure were established in the range 29 to 32 V and 0,34

to 0,38 MPa, respectively Hardness of coating was in the range (37÷38) HV, density of coating was about (90÷90,3) % and tensile bond strength of coating with stainless steel substrate was not less than (28,7÷29,4) MPa Corrosion rate of coating in 3,5% NaCl solution was in the range 0,012 to 0,015 mm per year In 0,1N H2SO4 (0,05M) acidic solution, corrosion rate of coating was determined in the range 0,342 to 0,385 mm per year

Keywords: electric arc spray, AISI 316 stainless steel, technological procedure, arc

load voltage, air pressure

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong sản xuất cơ khí khoảng vài chục năm trở lại đây, việc ứng dụng công nghệ phun phủ hồ quang điện để phục hồi chi tiết bị ăn mòn trong quá trình làm việc ở môi trường khắc nghiệt (axit, bazơ,…) ngày càng trở nên phổ biến do chi phí sản xuất nhỏ [1,2] Trên cơ sở nghiên cứu trên các thiết bị sẵn có, nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm, chế tạo và đánh giá các tính chất của lớp phủ AISI 316 trên nền thép AISI 316 phẳng như mật độ lớp phủ, độ cứng, tốc độ ăn mòn, độ bền bám dính, từ đó đưa ra quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu sản xuất thực tế

2 THỰC NGHIỆM

Quá trình phun phủ được tiến hành trên thiết bị phun hồ quang điện Tafa Praxair MHU

8830 (Mỹ) tại Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ Quốc phòng

Mẫu thép không gỉ AISI 316 có kích thước ban đầu 50x50x3mm Dây phun AISI 316

có đường kính 1,6 mm được cung cấp bởi hãng Tafa Praxair (Mỹ) Thành phần hóa học của mẫu thép và dây phun được cho trong Bảng 1

Trước tiên, mẫu được phun cát làm sạch và tạo nhám để tăng tính bám dính của lớp phủ với nền Để đảm bảo độ sạch của bề mặt mẫu, sau khi phun cát và tạo nhám, mẫu được rửa sạch bằng dung dịch axeton Sơ đồ công nghệ quá trình phun phủ kim loại điển hình được cho trên Hình 1

Bảng 1 Thành phần hóa học mẫu thép và dây phun AISI 316

Các tham số công nghệ chính khi tiến hành phun phủ cho trong Bảng 2 Lựa chọn điện

áp phun trong dải từ 26 đến 32 V, áp lực khí phun từ (0,34-0,48) MPa Các thông số như góc phun, khoảng cách phun, áp lực cấp dây được lựa chọn cố định theo các công trình đã công bố [2-4], với góc phun là 90o, khoảng cách phun là 100 mm và áp lực cấp dây là 0,2 MPa

Hình 1 Sơ đồ phun công nghệ phủ kim loại điển hình

Bảng 2 Các chế độ phun phủ lớp phủ AISI 316 phẳng Mẫu Áp lực khí phun, MPa Điện áp phun, V

Quá trình phun nhiều lớp xảy ra hiện tượng bong tách lớp phủ khi nhiệt độ lớp phủ trước quá cao Nhiệt độ thực nghiệm xác định được không vượt quá 100oC để đảm bảo độ bám dính của lớp phủ

3 KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA LỚP PHỦ VÀ THẢO LUẬN

Các tính chất cơ bản của lớp phủ cần khảo sát là độ cứng, mật độ lớp phủ (độ sít chặt), tốc độ ăn mòn và độ bám dính

Quá trình khảo sát độ cứng cho thấy, giá trị độ cứng lớp phủ tương đối cao so với vật liệu nền Điều này được giải thích là do lớp phủ mỏng nên nguội nhanh, các hạt kim loại lỏng bay với tốc độ lớn đập vào bề mặt vật liệu nền nên bị biến dạng (biến cứng) mạnh, sau phun xuất hiện các oxit và cacbit crôm cũng góp phần làm cho lớp phủ có độ cứng tăng cao Độ cứng của lớp phủ nằm trong khoảng (34÷38) HRC Với chế độ phun mẫu M2 và M5 sẽ cho

độ cứng lớp phủ đạt giá trị cao nhất, khoảng (37÷38) HRC Khi cố định điện áp không đổi 29

V, giá trị độ cứng lớp phủ được cho trong Bảng 3 và biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc độ cứng của lớp phủ vào áp lực khí phun thể hiện trên Hình 2

Bảng 3 Độ cứng lớp phủ các mẫu khi điện áp không đổi U = 29 V

Tên m ẫu Áp lực khí phun, MPa Điện thế, V Độ cứng, HRC

Hình 2 Sự phụ thuộc độ cứng lớp phủ vào áp lực khí phun khi điện áp không đổi 29 V

Mật độ của lớp phủ được xác định bằng phương pháp cân khối lượng với độ chính xác đến 10-4 gam Từ khối lượng của lớp phủ sẽ xác định được khối lượng riêng của lớp phủ (ρlp)

và khi so sánh với vật liệu nền AISI 316 sẽ thu được mật độ (độ sít chặt) của lớp phủ

Các kết quả thực nghiệm cho thấy, độ cứng lớp phủ cao sẽ tương ứng với mật độ lớp phủ cũng cao Các mẫu có mật độ lớp phủ nằm trong khoảng từ (87,6÷90,3) % Khi cố định điện áp không đổi U = 29 V, giá trị mật độ lớp phủ được cho trong Bảng 4 và biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc mật độ của lớp phủ vào áp lực khí phun được thể hiện trên Hình 3 Mẫu M2

và M5 có mật độ lớp phủ lớn nhất là 90,3 % và 90 %, tương ứng áp lực khí phun là 0,34 và 0,38 MPa

Bảng 4 Mật độ (độ sít chặt) của lớp phủ khi điện áp không đổi 29V

Tên m ẫu Áp lực khí phun, MPa Điện thế, V Mật độ, %

Hình 3 Sự phụ thuộc mật độ của lớp phủ vào áp lực khí phun khi U = 29 V

Trên cơ sở độ cứng và mật độ của lớp phủ, lựa chọn các mẫu có độ cứng và mật độ lớn nhất (mẫu M2, M5) và mẫu có mật độ nhỏ nhất (mẫu M8) cùng với mẫu vật liệu nền M0 không có lớp phủ để tiến hành xác định tốc độ ăn mòn (Pă.m) của lớp phủ trong dung dịch NaCl 3,5% Tốc độ ăn mòn của lớp phủ xác định theo tiêu chuẩn ASTM - G102 [5] Kết quả xác định tốc độ ăn mòn được cho trong Bảng 5 Với các mẫu có mật độ lớp phủ lớn nhất (M2

và M5), tốc độ ăn mòn của lớp phủ trong dung dịch 3,5% NaCl khoảng (0,012÷0,015) mm/năm, trong khi mẫu có mật độ nhỏ nhất có tốc độ ăn mòn trên 0,021 mm/năm

Tương tự, khi môi trường ăn mòn là dung dịch axit 0,1N H2SO4 (0,05M), tốc độ ăn mòn của lớp phủ có mật độ lớn nhất đạt khoảng (0,342÷0,385) mm/năm

Một chỉ tiêu quan trọng khác đánh giá chất lượng lớp phủ là độ bám dính Độ bám dính của lớp phủ với nền được xác định trên máy thử kéo nén vạn năng nhờ phương pháp kéo chốt [1] Phương pháp này sử dụng một khối rông đen có lỗ rỗng hình trụ (vật liệu kim loại thép bất kỳ), một chốt trụ làm bằng vật liệu nền AISI 316 (Hình 4) Khi lắp chốt vào khối rông đen, mặt chốt nằm ngang mặt phẳng khối rông đen Sau khi gia công bề mặt chung giữa chốt

và khối rông đen, tiến hành phun tạo lớp phủ AISI 316 lên đó Quá trình thử độ bám dính, kéo

chốt ra khỏi khối rông đen và tỷ lệ giữa lực kéo tối đa trên diện tích mặt chốt chính là độ bám dính cần xác định

Hình 4 Mẫu xác định độ bám dính bằng phương pháp kéo chốt

Tiến hành thử kéo các mẫu với lớp phủ có mật độ lớn nhất M2 và M5 Giá trị độ bám dính đo được khoảng từ (28,7÷29,4) MPa

Tốc độ ăn mòn và độ bám dính của lớp phủ xác định được bằng thực nghiệm tương đối phù hợp so với các công trình đã công bố [2, 6, 7]

Tổ chức tế vi của một số lớp phủ được cho trên các Hình 5, 6, 7 Với mẫu có mật độ lớp phủ lớn (mẫu M2), tổ chức lớp phủ khá đồng đều, lỗ xốp và tạp chất ít, phân tán, trong khi với mẫu có độ sít chặt thấp (M8), tổ chức hạt to, lỗ xốp và tạp chất nhiều hơn, phân bố dày hơn

Hình 5 Tổ chức tế vi lớp phủ với nền, mẫu M2 (x200)

Hình 6 Tổ chức tế vi lớp phủ mẫu M2

(x500)

Hình 7 Tổ chức tế vi lớp phủ mẫu M8

(x500)

Kết quả phân tích EDX được cho trong Hình 8

001 001

0.3 mm

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

keV

001

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

L Ni

Hình 8 Kết quả phân tích EDX lớp phủ

Từ kết quả phân tích cho thấy trong lớp phủ có các nguyên tố C, O, S, Ca, Cr, Ni, Fe,…

ban đầu có hàm lượng Cr là 17,0 % và Ni là 12 % Phân tích tại 3 vị trí khác nhau trong lớp phủ cho thấy hàm lượng Ni giảm trung bình 8 %, hàm lượng Cr giảm trung bình 4 % (Bảng

6) Các hàm lượng các nguyên tố chính này trong lớp phủ vẫn đảm bảo thành phần hóa học theo yêu cầu đối với thép AISI 316

Bảng 6 Hàm lượng các nguyên tố chính Cr, Ni trong lớp phủ AISI 316

4 KẾT LUẬN

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã xác định được các tham số công nghệ như điện áp, áp lực khí phun tối ưu và xây dựng được quy trình chế tạo lớp phủ dây AISI 316 trên nền thép không gỉ AISI 316 phẳng với các thông số chính như sau: điện áp quá trình phun (29÷32) V, áp lực khí phun (0,34÷0,38) MPa Khi đó, hàm lượng các nguyên tố chính trong lớp phủ vẫn đảm bảo đạt yêu cầu Kết quả xác định độ cứng lớp phủ đạt khoảng (37÷38) HRC, mật độ lớp phủ cao nhất khoảng (90÷90,3) %, độ bám dính lớp phủ với nền đạt trên (28,7÷29,4) MPa, tốc độ ăn mòn của lớp phủ trong môi trường dung dịch NaCl 3,5%

khoảng (0,012÷0,015) mm/năm và trong môi trường dung dịch axit 0,1N H2SO4 (0,05M) khoảng (0,342÷0,385) mm/năm Tuy nhiên, đây mới chỉ là những kết quả nghiên cứu ban đầu, cần tiến hành nhiều thí nghiệm hơn nữa và đánh giá số liệu thu được để xác định chế độ phun tối ưu, đáp ứng nhu cầu thực tế trong sản xuất cơ khí ở Việt Nam./

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hoàng Tùng, Công ngh ệ phun phủ và ứng dụng NXB KH & KT, Hà Nội, 2006

[2] Davis J R., Handbook of Thermal Spray Technology, ASM international (2004)

[3] PGS TS Hoàng Tùng, N ghiên cứu công nghệ phun phut nhiệt khí bột nhằm nâng cao tuổi thọ và phục hồi chi tiết, Báo cáo kết quả đề tài khoa học công nghệ thuộc đề tài cấp

Nhà nước “Nghiên cứu các công nghệ xử lý bề mặt”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 1997-1999

chữa trục chân vịt tàu thủy Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải (Trường Đại học

Hàng hải Việt Nam), 2012, Số 29 (1), trang 38-41

[5] ASTM G102-89, Standard practice for calculation of corrosion rates and related

information from electrochemical measurements, ASTM International, Reapproved2010

[6] Compere Chantal, Le Bozec Nathalie, Behaviour of stainless steel in natural seawater,

The First stainless steel congress, Bangkok, Thailand, December 15-17, 1997

[7] Ray E Bolz, CRC Handbook of Tables for Applied Engineering Science, CRC Press Inc,

1973

THÔNG TIN TÁC GIẢ

Email: phungtuananh@mta.edu.vn, tel.: 0932277676

3 KS Trần Văn Nghĩa Học viện Kỹ thuật Quân sự