NGHIÊN cứu ĐÁNH GIÁ độ bền CHỊU NHIỆT của hợp KIM CO 263 3 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ hàn bột PLASMA

N GHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CHỊU NHIỆT CỦA HỢP KIM CO-263-3 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HÀN BỘT PLASMA RESEARCH ON ASSESSMENT OF HEAT RESISTANCE DURABILITY OF CO-263-3 ALLOY FOR APPLICATI

N GHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CHỊU NHIỆT CỦA HỢP KIM CO-263-3

ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HÀN BỘT PLASMA

RESEARCH ON ASSESSMENT OF HEAT RESISTANCE DURABILITY OF CO-263-3

ALLOY FOR APPLICATION IN PLASMA POWDER WELDING

Hoàng Văn Châu 1a , Đào N Quang Linh 2b , Trương Tiến Lộc 3c

, Đào Quang Kế 4d

1 TS., Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt

2 KS., Công ty CP Công nghệ Trực tuyến 365

3ThS., Trường Cao đẳng nghề Nông nghiệp & PTNT Thanh Hóa

4 PGS TS., Học viện Nông nghiệp Việt Nam

a hvchau.weld@gmail.com; b qlinh142@gmail.com

c truongtienloc.tts@gmail.com; d dqke@vnua.edu.vn

TÓM TẮT

Vật liệu hợp kim CO-263-3 là vật liệu có độ bền cao trong điều kiện chịu nhiệt độ cao Nghiên cứu thử nghiệm độ bền chịu nhiệt của vật liệu CO-263-3 có ý nghĩa quan trọng trong việc thử nghiệm cơ tính vật liệu phục vụ cho công nghệ hàn đắp hồi phục chi tiết máy Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu về độ bền chịu nhiệt của vật liệu CO-263-3 ứng dụng trong công nghệ hàn plasma nhằm tạo ra một lớp bề mặt có tính chịu mài mòn và ăn mòn cao trên nền thép hợp kim để phục hồi các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt

Từ khóa: độ bền chịu nhiệt, hợp kim CO-263-3, điều kiện khắc nghiệt, hàn bột plasma,

hàn đắp, lớp bề mặt, hồi phục chi tiết máy

ABSTRACT

CO-263-3 alloy materials have good durability under the high temperature condition Experimental research on the heat resistance durability of CO-263-3 materials has important implications in testing the mechanical properties of materials for fillet welding technology to recover machine parts The article represents the study results on the heat resistance durability

of CO-263-3 materials being applicable for plasma welding technology, for the purpose of creating a surface layer with high abrasion and corrosion resistance on alloy steel substrate to recover the machine parts working in harsh conditions

Keywords: heat resistance durability, CO-263-3 alloy, harsh conditions, plasma powder welding, fillet welding, surface layer, recover the machine parts

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ hàn đắp bột hợp kim bằng hồ quang plasma [1, 2, 3, 4] là một trong những

xu hướng công nghệ mới để nâng cao chất lượng lớp bề mặt trong hồi phục và chế tạo mới chi tiết máy Đối với phục hồi chi tiết máy, hàn đắp plasma là một trong những công nghệ tiên tiến và đang phát triển mạnh mẽ Đặc điểm nổi bật của phương pháp hàn plasma bột là do cường độ hồ quang rất cao, mối hàn hình thành rất nhanh, nên nhiệt lượng truyền vào vật hàn thấp và kết quả là bề rộng vùng ảnh hưởng nhiệt (AHN) rất nhỏ so với bề rộng vùng AHN của các phương pháp hàn truyền thống khác [1, 2] Mặt khác, cũng do cường độ hồ quang rất cao nên kịp thời làm nóng chảy một lớp mỏng kim loại cơ bản, do vậy liên kết giữa kim loại lớp đắp và kim loại cơ bản rất tốt, hoàn toàn có thể áp dụng các phương pháp gia công cơ khí tiếp theo mà không làm giảm chất lượng lớp kim loại đắp Do tập trung nhiệt nên phương pháp này có thể tạo lớp hàn với chiều dày rất mỏng khoảng 0,1mm và lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn đắp là rất nhỏ [1, 3, 4] Khi hàn với vật liệu hàn dạng bột có thể thay đổi và

điều chỉnh thành phần kim loại lớp hàn một cách thuận lợi đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết máy Phương pháp này đạt hiệu quả tốt khi hàn đắp các chi tiết chịu mài mòn với bột hợp kim cứng đặc biệt Chỉ tiêu cơ tính chủ yếu của kim loại lớp đắp là có độ cứng HRC ≥ 52,

có tính chống mài mòn cao và chịu va đập tốt [1, 2]

Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về độ bền chịu nhiệt của vật liệu hàn CO-263-3 ứng dụng trong công nghệ hàn plasma để tạo ra một lớp bề mặt có tính chịu mài mòn và ăn mòn cao trên nền thép hợp kim để phục hồi các chi tiết máy (như xupap xả của

động cơ diesel, ) làm việc trong điều kiện khắc nghiệt

2 ĐỘ BỀN CHỊU NHIỆT CỦA VẬT LIỆU

Khi làm việc ở nhiệt độ cao, so với nhiệt độ thường, thép có sự suy giảm rõ rệt cơ tính

và tính chống mòn (Hình 1) [5]

Hình 1 Tính chất kim loại thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ [1, 5]

Khi làm việc ở nhiệt độ cao, kim loại bị biến dạng dẻo chậm chạp theo thời gian được gọi

là dão Đánh giá độ bền của thép làm việc ở nhiệt độ cao bằng chỉ tiêu cơ tính riêng là giới hạn dão và độ bền dão Độ bền dão là ứng suất gây ra phá hủy dão sau một thời gian ấn định; giới hạn dão là ứng suất cần thiết để có độ biến dạng xác định sau một thời gian ấn định [7]

Cơ tính của vật liệu được xác định bằng các phương pháp thử khác nhau, tùy thuộc vào bản chất tải (độ lớn, tốc độ,…) và môi trường đặt tải (nhiệt độ, thời gian,…) Thực tế khi hoạt động, chi tiết chịu tải trọng phức tạp với ứng suất ba chiều Tuy nhiên, phương pháp thử đơn giản và thông dụng lại phản ánh được các đặc trưng cơ tính của vật liệu là thử kéo Trong đó, mẫu thử được kéo một chiều, đúng tâm với tải trọng tăng dần cho tới khi bị đứt [6]

3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

3.1 Vật liệu thực nghiệm

Vật liệu hàn đắp là bột hợp kim nền Cobalt CoCrNiWSi được ký hiệu CO-263-3 với thành phần hóa học (%): Cr 29,5, Ni 10,5, W7,0, Si 0,8, Mn 0,7, còn lại là Co; cỡ hạt 150 µm; trọng lượng riêng 4.4 g/cm3 [1]

Vật liệu cơ bản (vật liệu nền) là thép 40X9C2 có thành phần hóa học (%): C 0,35-0,45,

Cr 8,00-10,00, Mn 0,70, Si 2,00-3,00 Thép này có khả năng chống ăn mòn hóa học (tạo nên lớp vảy oxit crom Cr2O3, oxit silic SiO2 bền, xít chặt) và có tính chống ram tốt để không làm giảm độ bền, độ cứng khi làm việc ở nhiệt độ cao (tính cứng nóng) [5] Sử dụng vật liệu cơ bản 40X9C2 nhằm mô phỏng vật liệu xupap xả của động cơ diesel công suất lớn lắp đặt trên tàu vận tải biển

3.2 Thiết bị thực nghiệm

Các mẫu thực nghiệm được hàn trên máy hàn PTA WELDING SYSTEM DAIHEN SX500 Mẫu được nung nóng sơ bộ trước khi hàn ở nhiệt độ T = 3500C trong lò điện trở EF11/8B Sau khi hàn, mẫu được làm giảm ứng suất dự bằng cách ủ trong thùng chứa cát, để nguội đến nhiệt độ môi trường Xác định độ bền mối hàn đắp được thực hiện trên máy kéo nén vạn năng ZDTe-30

3.3 Phương pháp thực nghiệm

3.3.1 Chuẩn bị mẫu và hàn đắp

Chuẩn bị vật liệu cơ bản (vật liệu nền): Sử dụng thép 40X9C2, kích thước mẫu

200x200x18mm

Các mẫu thực nghiệm được hàn với chế độ sau: Dòng điện hàn Ih = 110A, Điện áp hàn

Uh = 26V, Vận tốc hàn Vh = 3,6 m/h, Lượng cấp bột G = 42g/min, Khoảng cách đầu hàn l = 15mm, Bề rộng dao động W = 12mm, Góc nghiêng đầu hàn α = 900, Lưu lượng khí tạo plasma Ap = 4 lít/ph, Lưu lượng khí bảo vệ và khí mang bột Ab = 3 lít/ph

3.3.2 T hử kéo

Sau khi hàn hồ quang plasma, mẫu hàn đắp được gia công để chế tạo các mẫu thử kéo ở nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn (Hình 2a) Các bước tiến hành như sau:

Xác định diện tích mặt cắt ngang ban đầu (S):

Diện tích mặt cắt ngang ban đầu phải được tính từ các số đo các kích thước của mẫu thử

2 2

2

585 63 4

9 14 , 3

d

Nung nóng mẫu thử:

Nung nóng mẫu thử [6] trong lò nung (Hình 3) có môi trường bảo vệ ở các nhiệt độ xác định (Bảng 1)

Tiến hành thử kéo:

Các mẫu thử sau khi nung được thử kéo ngay (Hình 2b) Nhiệt độ nung nóng và lực kéo tương ứng cho từng mẫu được chỉ rõ ở Bảng 1 Mỗi mẫu được lặp lại 3 lần, kết quả lấy giá trị trung bình

Hình 2 M ẫu thử trước khi kéo (a) và sau khi kéo (b)

Hình 3 Lò nung mẫu thử Bảng 1 Nhiệt độ nung nóng và lực kéo (thời gian nung 36 giờ) Tên mẫu Nhiệt độ nung nóng ( 0 C) Lực kéo (N)

4 K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

4 1 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm kiểm tra độ bền kéo σbvà độ giãn dài δ phụ thuộc nhiệt độ T của mẫu thử được thể hiện trên Hình 4 và Hình 5

750

650

510

390

285

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Hình 4 Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và độ bền

T, 0C

σb, MPa

14,60

11,40

9,30

8,10

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

Hình 5 Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và độ giãn dài

4 2 Thảo luận kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm được thể hiện trên Hình 4 và 5 cho thấy, ở các nhiệt độ khác nhau thì độ bền kéo σbvà độ giãn dài tương đối δ của vật liệu khác nhau

Khi được nung nóng đến nhiệt độ 5000C và 6500C mẫu thử có độ bền cao, tương ứng

750 và 650 MPa Ở nhiệt độ cao hơn nữa, từ 8000 C ÷ 9500C độ bền giảm từ 510 ÷ 390 MPa Đối chiếu với cơ tính của vật liệu [5], các giá trị bền kéo nói trên của mẫu thử đảm bảo chi tiết máy khi được chế tạo từ vật liệu cùng loại làm việc an toàn trong khoảng nhiệt độ 500÷9500C

Khi nhiệt độ vượt giới hạn cần thiết (trên 9500C, ở đây là 11000C) mẫu thử có độ bền kéo 285 MPa Tại giá trị này, vật liệu không đủ bền [5], sự phá hủy vật liệu không theo quy luật và khó kiểm soát

Trên khoảng nhiệt độ thực nghiệm, độ giãn dài tương đối δ giảm với sự gia tăng nhiệt

độ T Về trị số cho thấy, trong khoảng nhiệt độ từ 500÷7250C, độ giãn dài chấp nhận được [5] Còn trên 8000C, giá trị này không đủ để vật liệu làm việc lâu dài và ổn định [1, 5]

Cần lưu ý là, các chi tiết máy làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao cũng thường chỉ ở giới hạn cao nhất là 650÷7000C [1, 5], vì thế các giá trị độ bền kéo σbvà độ giãn dài tương đối

δ của vật liệu trong khoảng nhiệt độ này đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cần thiết Từ kết quả và các nhận xét trên có thể thấy, thép hợp kim 40X9C2 sử dụng cho xupap xả khi đã được đắp hồi phục bằng bột hợp kim nền coban CO-263-3 thì có khả năng làm việc tốt trong điều kiện thực

tế của động cơ diesel công suất lớn lắp đặt trên tàu vận tải biển vì có tính chất cơ học ổn định

ở nhiệt độ cao

K ẾT LUẬN

Đối chiếu với cơ tính của vật liệu, các giá trị bền kéo và độ dãn dài tương đối của mẫu thử đảm bảo chi tiết máy như xupap xả của động cơ diesel công suất lớn lắp đặt trên tàu vận tải biển khi được chế tạo từ thép 40X9C2 và được hàn đắp bằng hồ quang plasma bột hợp kim CO-263-3 có khả năng làm việc tốt, an toàn và ổn định trong khoảng nhiệt độ cao 500÷7250C Với việc ứng dụng bột hợp kim CO-263-3 làm kim loại đắp hồi phục chi tiết máy đã mở ra hướng mới trong việc tái sử dụng xupap xả nói trên thay thế một phần đáng kể nhập ngoại

T, 0C

δ, %

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hoàng Văn Châu, Đề tài KHCN độc lập cấp Nhà nước ĐT-PTNTĐ.2011-G/08: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn plasma để chế tạo và phục hồi các chi tiết máy, Hà Nội,

2013

[2] Bui Van Hanh, Hardsurfacing of wear and impact resistant layers with plasma powder

weld, Journal of Science and Technology No58, Hà Nội, 2013

[3] Nguyen Dac Trung, Plasma Pulver Auftragloeten zum Verschleissshutz von Aluminiumlegierungen, ISBN 3-937672061-3, 2004

[4] Tomonobu Owa and Takeshi Shinoda, TiAl surface coating on Titanium by Plasma

transferred arc Surfacing and its Oxidation Behavier, Materials Transactions, 2006, vol

47 (No2), pp.247-250

[5] Арзамасов Б.Н., Материаловедение, Изд Машиностроение, Москва, 1986

[6] TCVN 5886-2006, Thử kéo vật liệu ở nhiệt độ cao

[7] https://sites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi/home/gang-va-thep-1/thep/thep-hop-kim-dac-biet/thep-ben-nong/yeu-cau-doi-voi-thep-lam-viec-o-nhiet-do-cao.

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 Hoàng Văn Châu Phòng TNTĐ Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt

hvchauweld@gmail.com 0913003681

2 Đào Nguyễn Quang Linh Công ty CP Công nghệ Trực tuyến 365

qlinh142@gmail.com 0121514 0292

3 Trương Tiến Lộc Trường CĐ nghề Nông nghiệp & Phát triển nông thôn Thanh Hóa

truongtienloc.tts@gmail.com 0985690232

4 Đào Quang Kế Học viện Nông nghiệp Việt Nam

dqke@vnua.edu.vn 0904365844