NGHIÊN cứu độ bám DÍNH lớp PHỦ bột hợp KIM 67ni18cr5si4b lên bề mặt CHI TIẾT TRỤC THÉP c45 bị mòn BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ HVOF

NGHIÊN CỨU ĐỘ BÁM DÍNH LỚP PHỦ BỘT HỢP KIM 67Ni18Cr5Si4B LÊN BỀ MẶT CHI TIẾT TRỤC THÉP C45 BỊ MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ HVOF STUDY ON THE ADHESION OF 67Ni18Cr5Si4B ALLOY COAT

NGHIÊN CỨU ĐỘ BÁM DÍNH LỚP PHỦ BỘT HỢP KIM 67Ni18Cr5Si4B LÊN BỀ MẶT CHI TIẾT TRỤC THÉP C45 BỊ MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PHUN NHIỆT KHÍ HVOF

STUDY ON THE ADHESION OF 67Ni18Cr5Si4B ALLOY COATING POWDER ON THE SURFACE OF C45 WORN STEEL SHAFT BY USING HIGH VELOCITY

OXYGEN FUEL THERMAL SPRAY METHOD HVOF

ThS Phạm Văn Liệu 1a , PGS TS Đinh Văn Chiến 2b

1Trường Đại học Sao Đỏ

2Trường Đại học Mỏ - Địa chất

a lieudhsd@gmail.com; b vanchien.dinh@gmail.com

TÓM T ẮT

Hiện nay, lớp phủ phun nhiệt được sử dụng để nâng cao cơ tính của vật liệu Một trong

những công nghệ để tạo lớp phủ phun nhiệt là công nghệ phun HVOF Đây là công nghệ tiên

tiến, hiện đại nhất đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp do tính linh hoạt

và khả năng tạo ra lớp phủ có độ bền bám dính cao hơn so với các phương pháp phun nhiệt khác Trong báo cáo này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm phun phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 bằng công nghệ phun HVOF Đồng thời phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ bám dính của lớp phủ Từ đó lựa chọn được bộ thông số công nghệ phun HVOF hợp lý để phục hồi các chi tiết dạng trục bị mòn

Từ khóa: phun phủ, HVOF, bột phun 67Ni18Cr5Si4B, thép C45, lớp phủ, độ bám dính

ABSTRACT

Nowadays, thermal spray coatings are used to enhance mechanical properties of the material One of the technologies used to produce thermal spray coating is HVOF spray technology This is the most advanced and modern technology which has been widely used in industrial sessions due to its flexibility and ability to create coatings with better adhesion in comparison with other thermal spray methods This article presents some empirical findings

of spray coating 67Ni18Cr5Si4B alloy powder on C 45 steel shaft by HVOF spray technology It also analyzes the influence of some technological parameters on the adhesion

of the coating As a result, the parameters of HVOF spray technology is selected in order to recover the worn axis-sized workpieces

Keywords: spray; HVOF, 67Ni18Cr5Si4B spray powder; C45 steel, coatings, adhesion

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

HVOF là một phương pháp phun nguội, trong đó sử dụng áp lực khí cao và tốc độ lớn

để tạo một lớp phủ có độ bám dính và độ chịu mài mòn cao hơn rất nhiều so với các phương pháp phun nguội khác

Trước đây, các chi tiết như: trục bơm, cánh bơm, trục khuỷu, các gối đỡ hộp số, v.v sau

một thời gian làm việc bị mòn, tại những vị trí lắp ghép, các chi tiết này thường được thay

mới hoặc sửa chữa với những nguyên công phức tạp và gây tốn kém ảnh hưởng đến tiến độ

sản xuất, chất lượng và giá thành sản phẩm Cho đến khi phát minh ra công nghệ HVOF thì

đã giải quyết được phần lớn vấn đề này, tiết kiệm được nhiều chi phí không phải mua mới các chi tiết thay thế đắt tiền

Ngày nay, phương pháp phun phủ HVOF được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong tất

cả các ngành công nghiệp: chế tạo máy, hàng không, tên lửa, đóng tàu, dầu khí, luyện kim, v.v Công nghệ HVOF đang dần thay thế công nghệ mạ Crom để chống mài mòn và ăn mòn

Ưu điểm chính của công nghệ phun phủ HVOF là tạo ra lớp phủ có độ bền bám dính cao với kim loại nền Đồng thời, không gây ra ứng suất nhiệt lớn như khi hàn đắp Trong báo cáo này, nhóm tác giả trình bày kết quả “nghiên cứu xác định độ bền bám dính lớp phủ bột

hợp kim 67Ni18Cr5Si4B lên bề mặt chi tiết trục thép C45 bị mòn bằng phương pháp phun nhiệt khí HVOF”

2 V ẬT LIỆU, HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHUN PHỦ

2.1 Vật liệu phun phủ

Trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm, nhóm tác giả sử dụng vật liệu phun là bột hợp kim 67Ni15Cr5Si4B (ký hiệu theo tiêu chuẩn ngành của Nga là 67H18X5C4P) [1]; vật liệu nền

là thép C45 với các thành phần hóa học và cơ tính của thép theo TCVN 8301: 2009 [2], các

mẫu thử nghiệm có cùng một kích thước ∅ x L = 60 x 20mm, số lượng mẫu là 27 mẫu

2 2 Hệ thống thiết bị phun phủ

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm, sử dụng thiết bị phun HVOF Model: MP-2100 Manual HVOF Control Panel, của hãng General Metal Alloys Intl (GMA) – Bỉ) Tại Công ty Quang Khánh – Vũng Tàu

Hình 1 Sơ đồ hệ thống thiết bị phun nhiệt tốc độ cao HVOF

Súng phun: Súng phun HIPOJET-2700 là loại súng phun chắc chắn và linh hoạt, được thiết kế đặc biệt phù hợp với tất cả khí nhiên liệu Thiết bị làm việc đảm bảo độ tin cậy và

hiệu quả, có thể điều chỉnh để phun bằng tay hoặc phun tự động bằng máy

B ộ điều khiển: Bộ điều khiển MP-2100 là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống phun

bột Nó là một công cụ mạnh được thiết kế để điều chỉnh an toàn cho cả hệ thống và đo lưu lượng khí oxy, khí đốt và không khí đến súng phun Kết nối giữa các nguồn cung cấp khí đốt

và súng phun, và là thành phần giúp cho chất lượng lớp phủ đạt mức tốt nhất

03 đồng hồ đo trên bảng điều khiển được dùng để đo lưu lượng: oxy (0 - 21 kg/cm2), Khí đốt (LPG /Propane) (0 - 10 kg/cm2) và khí nén (0 – 10 kg/cm2) Áp suất và lưu lượng được cài sẵn thông qua việc điều chỉnh khí; không khí đều được trang bị trên bình chứa khí và thiết bị điều khiển khí nén tương ứng Bảng điều khiển cũng bao gồm cả 3 thước đo lưu lượng

của các chất khí oxy, nhiên liệu, khí nén

Lưu lượng cũng có thể được điều chỉnh bởi các van cung cấp Điện áp đầu vào cung cấp cho bảng điều khiển là 220 V /1 P / 50 Hz (110V optional)

2.3 Nguyên lý phun ph ủ HVOF

Trong quá trình phun phủ HVOF, các thông số được điều chỉnh trong phạm vi miền

khảo sát quy hoạch thực nghiệm với L=0,1÷0,3m, V= 800÷1200m/s và m = 300÷500g/ph Nguyên lý phun phủ HVOF được mô tả trong Hình 2 [3]: Một hỗn hợp của nhiên liệu khí

hoặc chất lỏng (khí hydro, khí mê-tan, propan, propylen, acetylene, khí tự nhiên, ) hoặc các

chất lỏng (dầu lửa, ) và oxy được đưa vào buồng đốt, nơi chúng được đốt cháy và đốt cháy liên tục Tạo thành khí nóng với áp suất gần bằng 1 MPa qua vòi phun hội tụ - phân kì và đi qua một đoạn thẳng với vận tốc vượt quá tốc độ của âm thanh, một phần bột phun được đưa vào trong dòng khí tại tốc độ lên đến 800 m/s Hỗn hợp khí cháy và bột hướng về bề mặt được

phủ Bột kim loại tan chảy trong dòng khí cháy và dính lên bề mặt Kết quả là hình thành các

lớp phủ có độ xốp thấp và lực liên kết cao

Hình 2 Nguyên lý phun nhi ệt khí tốc độ cao HVOF [3]

3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Việc xác định độ bám dính của lớp phủ đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu với nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp keo dính, phương pháp kéo mẫu trực tiếp, Trong quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng thiết bị máy kéo, nén MTS 809 (Hình 3) để làm thử nghiệm và lựa chọn phương pháp kiểm tra độ bám dính lớp phủ với bề mặt kim loại

nền theo phương tiếp tuyến (bằng phương pháp kéo trượt) theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS H

8664 – 1977 Bởi vì phương pháp này đảm bảo tính chính xác và khả năng để lại ít hoặc không có biến dạng trên bề mặt cắt và mang lại hiệu quả cao cho thu thập dữ liệu định lượng

về mối quan hệ giữa lớp phủ và chất nền được thể hiện trong Hình 3 và kích thước khuôn cối

và mẫu thử được thể hiện trong Hình 4

Hình 3 Máy kéo, nén MTS 809

a b c

Hình 4 Kích thước khuôn cối và mẫu thử

a Khuôn cối; b Trục dẫn hướng; c Mẫu thử

Khuôn cối được chế tạo từ thép X12M có kích thước 100mm x 100mm x 10mm, được gia công bằng công nghệ cắt dây, có kích thước đường kính là ∅60.2mm như Hình 4a Mẫu

thử được chế tạo từ thép C45 và được phủ một lớp hợp kim 67Ni18Cr5Si4B bằng công nghệ phun HVOF có chiều dày là 0.6mm, sau đó được gia công có kích thước như Hình 4c Khuôn

cối được lắp với mẫu thử ở chế độ lắp sít trượt thông qua trục dẫn hướng như Hình 4b

Dưới tác dụng của lực nén, lớp phun phủ bị bong ra khỏi bề mặt nền Ứng suất bám trượt (τ) được xác định theo công thức [1], [4], [5]:

𝜏𝜏 = PT

F (1)

Trong đó: τ - ứng suất bám trượt (kG/mm2 hoặc Pa và MPa)

PT - lực nén đứt (kG)

F - diện tích bề mặt xung quanh lớp phủ tiếp xúc với mẫu (mm2)

F = π.D.h mà: D - đường kính ngoài của mẫu (D = 60mm)

h - chiều cao lớp phủ, (h = 6mm)

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả đo và tính toán độ bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45, với số lượng 27 mẫu theo quy hoạch thực nghiệm cho trong Bảng 1

Bảng 1 Kết quả đo độ bám dính lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B

b ằng công nghệ HVOF

L (m) V (m/s) m (g/ph) σTN (MPa) σQH (MPa) Sai s ố εσ (%)

STT Mã Chế độ phun Ứng suất bám dính

L (m) V (m/s) m (g/ph) σTN (MPa) σQH (MPa) Sai s ố εσ (%)

Phân tích các số liệu thực nghiệm trong Bảng 1 cho thấy: Độ bền bám dính lớp phủ bột

hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 trong các mẫu thí nghiệm có xu hướng tăng (tỷ lệ thuận) theo chiều tăng của các thông số phun đạt giá trị trong khoảng cụ thể là: lô thí nghiệm 1: σTB = 29,134 đến 46,263; lô thí nghiệm 2: σTB = 41,446 đến 60,674; lô thí nghiệm 3: σTB = 63,255 đến 86,162 Điều đó chứng tỏ rằng, việc điều chỉnh các thông số phun phủ

gần tới vùng tối ưu và đã cho phép nhận được lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có độ bền bám dính tăng đáng kể so với lô thí nghiệm định hướng công nghệ ban đầu theo quy hoạch

thực nghiệm

4.1 Xây d ựng các đồ thị 2D, 3D ảnh hưởng của các thông số L, V và m đến độ bám dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45

4.1.1 Xây d ựng đồ thị 2D

Từ các số liệu trong Bảng 1 kết hợp việc sử dụng phần mềm tính toán xử lý số liệu

thống kê toán học thực nghiệm chuyên dụng đã xây dựng được đồ thị dạng 2D biểu diễn độ bám dính lớp phủ phụ thuộc vào các thông số đầu vào L, V và m như các hình dưới đây

a) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số V khi

L=0.1m, m=400g/ph

b) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số V

khi L=0.2m, m=400g/ph

c) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số V khi L=0.3m, m=400g/ph

Hình 5 Đồ thị 2D biểu diễn độ bám dính phụ thuộc vào thông số L và V khi m=400g/ph

a) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số m

khi L=0.1m, V=1000m/s

b) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số m

khi L=0.2m, V=1000m/s

c) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số m khi L=0.3m, V=1000m/s

Hình 6 Đồ thị 2D biểu diễn độ bám dính phụ thuộc vào thông số L và m khi V=1000m/s

a) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số V

khi m=300g/ph, L=0.2m

b) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số V

khi m=400g/ph, L=0.2m

c) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số V khi m=500g/ph, L=0.2m

Hình 7 Đồ thị 2D biểu diễn độ bám dính phụ thuộc vào thông số m và V khi L=0.2m

Từ các đồ thị cho trên Hình 5, 6 và 7 cho thấy:

Xét trường hợp với m=400g/ph (mức trung bình trong miền khảo sát QHTN) còn L và

m thay đổi trong khoảng: L=0.1÷0.3m và V=800÷1200m/s thì độ bền bám dính (σP) có xu hướng tăng theo chiều tăng của L và V Mức độ tăng (σP) ở lô thí nghiệm 3, Hình 5(c) có giá

trị cao hơn hẳn so với lô thí nghiệm 1 và 2 Hình 5(a,b) như đã phân tích số liệu trong Bảng 1 Khi giữ nguyên V=1000m/s (mức trung bình trong miền khảo sát QHTN) còn L và m thay đổi trong khoảng: L=0.1÷0.3m và m=300÷500m/s đồ thị trên Hình 6(a,b,c) thì độ bền bám dính (σP) cũng có xu hướng tăng theo chiều tăng của L và m Mức độ tăng (σP) ở lô thí nghiệm 3, Hình 6(c) có giá trị cao hơn hẳn so với lô thí nghiệm 1 và 2 Hình 6(a,b) như đã phân tích số liệu trong Bảng 1

Trường hợp L=0.2m (mức trung bình trong miền khảo sát QHTN) còn m và V thay đổi trong khoảng: m=300÷500m/s và V=800÷1200m/s thì độ bền bám dính (σP) có xu hướng tăng theo chiều tăng của m và V Mức độ tăng (σP) ở cả 3 lô thí nghiệm có giá trị sấp xỉ như nhau

4.1.2 Xây d ựng đường đặc tính 3D

a) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số m=300-500g/ph khi L, V = const

b) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số V=800-1200m/s khi L, m = const

c) Biểu diễn sự phụ thuộc vào thông số L=0.1-0.3m khi V, m = const

Hình 8 Đồ thị 3D biểu diễn ảnh hưởng đồng thời 3 thông số L, V và m đến độ bền bám

dính lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45

b ằng công nghệ phun HVOF

Hình 8 cho thấy mức độ ảnh hưởng đồng thời của 3 thông số công nghệ phun trong

miền khảo sát lựa chọn đến độ bền bám dính (σP) rõ hơn so với các đồ thị 2D cho trên Hình 5,

6 và 7 và (σP) tỷ lệ thuận theo chiều tăng của các thông số công nghệ phun L, V và m (trong

miền khảo sát QHTN)

4.2 Xây d ựng phương trình toán học hàm hồi quy ảnh hưởng của V, L, m đến độ bền

bám dính l ớp phủ

Việc xây dựng phương trình toán học hàm hồi quy độ bền bám dính lớp phủ hợp kim

67Ni18Cr5Si4B với lớp nền trục thép C45 được thực hiện theo phương pháp quy hoạch thực

nghiệm Từ các số liệu trong Bảng 1 cho phép xây dựng mô hình toán học hàm hồi quy bậc 2

của độ bền bám dính (σP) theo 3 thông số công nghệ phun L, V và m

Hàm hồi quy bậc 2:

(2) Trong đó: L – khoảng cách được tính bằng (m);

V – tốc độ trung bình dòng kim loại phun tính bằng (m/s);

m – Lưu lượng phun tính bằng (g/ph)

Hàm hồi quy được kiểm tra tính thích hợp theo chỉ tiêu Fisher đảm bảo độ tin cậy

Từ mô hình toán học cho thấy ảnh hưởng của các thông số L, V và m đến độ bám dính

lớp phủ theo thứ tự giảm dần như sau: V m L

Thông số (V) có ảnh hưởng mạnh nhất đến (σP) vì hệ số trước hạng bậc 1 (+ 0.0960) và

bậc 2 (- 0.0000617) của (V) mặc dù hệ số trước hạng bậc 1 và bậc 2 nhỏ và trái chiều nhưng tham số (V) lại rất lớn điều đó làm cho (V) tăng dẫn đến giá trị cuối cùng của (σP) tăng

Thông số (m) cũng có ảnh hưởng mạnh đến (σP) vì hệ số trước hạng bậc 1 (+ 0.00364)

và bậc 2 (+ 0.0000137) của (m) tuy không lớn nhưng đều mang dấu dương, khi đó (m) tăng thì (σP) cũng tăng

Thông số (L): vì các hệ số trước số hạng bậc 1 (-154) và bậc 2 (+618) của (L) mặc dù cả hai hệ số trước hạng của bậc 1 và bậc 2 có giá trị lớn nhưng lại ảnh hưởng trái chiều, hơn nữa tham số của (L) lại quá nhỏ nên (L) tăng không đáng kể dẫn đến giá trị cuối cùng của (σP) cũng tăng không đáng kể

5 K ẾT LUẬN

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã xây dựng được đồ thị 2D (Hình 9, 10, 11), 3D (Hình 12) và mô hình toán học hàm hồi quy bậc 2 (công thức số 2) để đánh giá độ bám dính

lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 bằng công nghệ phun HVOF

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng để tính toán, lựa chọn chế độ công nghệ phun hợp lý trong việc phục hồi các chi tiết dạng trục làm việc trong môi trường chịu ma sát, mài mòn

hoặc tạo ra vật liệu mới, Kết quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo trong việc xây dựng quy trình và lựa chọn thông số phun hợp lý trong công nghệ phun phủ HVOF với các loại bột phun và kim loại nền khác nhau trong việc phục hồi các chi tiết máy bị mòn

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Trần Văn Dũng, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật – Viện Nghiên cứu Cơ khí, 2012

[2] Phuluc_TCVN8301_2009

[3] Đinh Văn Chiến, Đinh Bá Trụ, Kỹ thuật phun nhiệt tốc độ cao HVOF, HVAF, D-Gun,

NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2014

[4] Hoàng Tùng, Công ng hệ phun phủ và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006

[5] Nguyễn Văn Thông, Công nghệ phun phủ bảo vệ và phục hồi, NXB Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội, 2006