NGHIÊN cứu xác ĐỊNH độ CỨNG 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 XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG LỚP PHỦ BỘT HỢP KIM 67Ni18Cr5Si4B LÊN BỀ MẶT CHI TIẾT TRỤC THÉP C45 BỊ MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ HVOF IDENTIFYING THE ADHERENCE OF THE HARDNESS LA

Trang 1

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG LỚP PHỦ BỘT HỢP KIM

67Ni18Cr5Si4B LÊN BỀ MẶT CHI TIẾT TRỤC THÉP C45 BỊ MÒN

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ HVOF

IDENTIFYING THE ADHERENCE OF THE HARDNESS LAYER OF 67Ni18Cr5Si4B

ON THE SURFACE OF CORRODED STEEL SHAFT C45 USING THE METHOD

OF HIGH VELOCITY OXYGEN-FUEL (HVOF)

Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội

vanchien.dinh@gmail.com

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các máy móc thiết bị trong các ngành công nghiệp hoạt động với công suất ngày càng lớn và làm việc trong các điều kiện

khắc nghiệt Do đó, các chi tiết phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ chịu mài mòn cao

Để đáp ứng được các yêu cầu trên, đòi hỏi phải có những vật liệu tổ hợp lớp bề mặt có tính năng đặc biệt như đảm bảo độ cứng, chịu mài mòn , còn kim loại nền có tính dẻo cao Báo cáo này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm công nghệ phun phủ HVOF để

phục hồi một số chi tiết bị mòn, tạo ra lớp phủ bề mặt có độ cứng cao, độ chịu mài mòn tốt đáp ứng yêu cầu sản xuất Đồng thời cũng nêu ra kết quả nghiên cứu khảo sát ảnh chụp tổ

chức tế vi vùng lân cận biên giới liên kết giữa hai lớp Kết quả nghiên cứu tạo cơ sở khoa học cho việc tính toán, lập quy trình công nghệ phun phủ tạo lớp bề mặt phục hồi các chi tiết bị mòn hoặc tạo lớp bề mặt mới có cơ tính cao đối với các loại bột hợp kim và kim loại nền khác

bằng phương pháp phun HVOF

Từ khóa: phun phủ HVOF, bột phun 67Ni18Cr5Si4B, lớp phủ, độ cứng

ABSTRACT

Along with the remarkable development of science and technology, the machinery and equipment in industries operate with greater and greater capacity and run under extreme conditions Therefore, parts have to meet the requirements for durability and high abrasion resistance In order to meet the aforementioned requirements, it is necessary to produce material combination and surface having special properties such as hardness assurance, abrasion resistance …, and base metal with high ductility This report reveals some results of the experimental research on HVOF spraying to recover some worn parts, form surface coatings with high hardness, good abrasion resistance in order to meet the production requirements In addition, the survey results of photomicrograph of border vicinity linking two layers are indicated The research results provide the scientific basis for the calculation and scheme for spraying to form surface layers recovering worn parts or form new surface layerswith high mechanical properties for other alloy powder and base metal powder with HVOF spraying

Keywords: high velocity oxygen fuel (HVOF), 67Ni18Cr5Si4B, coating, hardness

Trong những năm gần đây, cùng với việc phát triển khoa học, công nghệ của các ngành

kỹ thuật, công nghiệp [3], nhu cầu ứng dụng các công nghệ mới tiên tiến ngày càng nhiều Để đáp ứng yêu cầu đó, các thiết bị, máy móc được nhập ngoại ngày càng nhiều Trong quá trình làm việc, các chi tiết máy chịu sự tác động của ngoại lực như: ma sát, mài mòn, ăn mòn Yêu

cầu nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các kết cấu chi tiết là điều kiện tiên quyết [3] Công nghệ phun phủ HVOF đã giải quyết cơ bản những vấn đề này [4], tiết kiệm

Trang 2

được nhiều chi phí do không phải mua mới các chi tiết thay thế đắt tiền và đã thu được những thành tựu to lớn Sự phát triển của phun nhiệt HVOF là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp Ưu điểm của công nghệ phun HVOF là tạo ra lớp phủ bề mặt có độ cứng cao, độ

chịu mài mòn tốt Đồng thời, không gây ra ứng suất nhiệt lớn như khi hàn đắp và độ bám dính

tốt hơn nhiều so với các phương pháp phun phủ khác như phun hồ quang, phun Plasma Trong báo cáo này, tác giả trình bày kết quả nghiên cứu xác định độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B lên bề mặt chi tiết trục thép C45 bị mòn bằng phương pháp phun nhiệt khí HVOF

2.1 Vật liệu phun phủ

Trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm tác giả sử dụng vật liệu phun là bột hợp kim 67Ni15Cr5Si4B (ký hiệu theo tiêu chuẩn ngành của Nga là 67H18X5C4P); vật liệu nền là thép C45 với các thành phần hóa học và cơ tính của thép theo TCVN 8301: 2009, các mẫu thử nghiệm có cùng một kích thước ∅ x L = 60 x 20mm, số lượng mẫu là 27 mẫu [2]

2.2 Hệ thống thiết bị phun phủ

Hiện nay trên thế giới có nhiều loại thiết bị phun phủ HVOF Các thiết bị phun HVOF đều hoạt động theo một nguyên lý chung Trong điều kiện thí nghiệm tác giả sử dụng thiết bị phun HVOF (Model: MP-2100 Manual HVOF Control Panel, của hãng General Metal Alloys Intl (GMA) - Bỉ)

2.2.1 Súng phun [1]

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

2.2.2 B ộ điều khiển [5]

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 và không khí đều được trang bị trên bình chứa khí

Trang 3

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)

2.2.3 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 [1]: 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

Độ cứng là đặc tính của vật liệu và cũng là một

trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp phủ Để

kiểm tra, đánh giá chất lượng lớp phủ thông qua độ

cứng, tác giả sử dụng máy đo độ cứng tế vi Duramin 2

(Hình 3) theo tiêu chuẩn, Vickers: DIN EN ISO 6507

phần 1-3, ASTM E-384-99

Quá trình kiểm tra độ cứng được thực hiện như

sau: mẫu thử sau khi cắt từ đối tượng phủ được mài

bóng không còn các vết xước trên bề mặt, đảm bảo

yêu cầu kỹ thuật và được lắp cố định trên bộ gá mẫu

đảm bảo độ bằng phẳng, giúp cho quá trình đo chính

xác Thông qua ống kính xác định vị trí cần đo, điều chỉnh các thông số kỹ thuật trên màn hình cảm ứng Mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có kích thước tiêu chuẩn, góc giữa các

mặt phẳng đối diện là 1360 (±30) sẽ tự động di chuyển vào vị trí, hạ thấp và ấn vào bề mặt

mẫu dưới tác dụng của các tải trọng đã được lập trình, sau đó ống kính di chuyển về vị trí ban đầu để phân tích mũi thử (Hình 4) [6]

Sau khi cắt bỏ tải trọng, tiến hành đo đường chéo d của vết lõm, kết quả đo hiển thị trên màn hình số

Độ cứng Vickers tính bằng F/S Lấy lực thử F chia cho diện tích bề mặt lõm S Bề mặt lõm S được tính theo độ dài trung bình hai đường chéo d Bề mặt lõm được tạo thành khi tác

dụng một lực vào mẫu thử với mũi đột kim cương, hình chóp Góc tạo giữa hai mặt đối nhau cùng đỉnh được thể hiện trong Hình 5

Hình 3: Máy đo độ cứng Duramin 2

Trang 4

Hình 4 V ết đo độ cứng Vickers [6] Hình 5 Hình dạng vết đo Vickers [6]

Quy trình đo độ cứng Vickers được cụ thể hóa trên sơ đồ Hình 6:

Quá trình tiến hành và đo độ cứng được thực hiện theo thứ tự từ ngoài lớp phủ bột hợp kim Ni67Cr18Si5B4 (phía phải) vào trong lõi thép C45 (phía trái) với tải trọng nhỏ được thể

hiện trong Hình 9 Từ đó cho thấy kích thước các vết ấn có giá trị tăng dần từ phần lớp phủ sang

phần lõi thép trên ảnh cấu trúc tương ứng với mẫu khảo sát số 02 và mẫu số 18 trong quy hoạch

thực nghiệm Kết quả đo độ cứng các lớp trên mẫu sau hiệu chỉnh công nghệ cho trong Bảng 1

Từ số liệu cho trong Bảng 1 và hình ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng liên kết 2 lớp giữa nền thép C45 và bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trong Hình 9 cho thấy: lớp phủ nhận được trên các

mẫu thí nghiệm có độ mịn, tỷ lệ tạp chất ở bên trong lớp phủ ít, độ cứng lớp phủ đạt được trong khoảng hơn 500HV điều đó chứng tỏ lớp phủ thực hiện bằng công nghệ phun HVOF

có chất lượng khá tốt

Độ cứng lớp nền thép C45, lớp biên giới liên kết và lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên các mẫu sau hiệu chỉnh công nghệ được khảo sát, đạt trung bình tương ứng là: nền thép = 193.0 HV; trung gian = 346.3 HV và lớp phủ = 577 HV (mẫu không qua xử lý nhiệt sau phun phủ);

Độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có giá trị trung bình cao hơn khoảng 3

lần so với độ cứng lớp nền thép C45 ở phần lõi và có giá trị giảm dần theo hướng kính Điều này có thể giải thích là do các phần lớp phủ hợp kim ở phía ngoài mẫu có khả năng tản nhiệt

ra môi trường xung quanh nhanh hơn nên chúng được làm nguội nhanh hơn các lớp phủ ở phía bên trong Ngoài ra, lõi thép bên trong trước khi phun phải được nung nóng sơ bộ vì thế các phần lớp phủ hợp kim phía trong nguội chậm hơn các phần lớp phủ phía ngoài Độ cứng

Trang 5

lớp trung gian giữa lớp phủ hợp kim và lớp nền thép C45 đạt trung bình 280,5 ÷ 522,3 HV, cao hơn độ cứng lớp nền thép C45

Bảng 1 Độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 bằng

phương pháp HVOF

hi ệu

Độ cứng theo thứ tự vết đo (HV)

(từ ngoài vào)

(biên giới liên kết)

(từ ngoài vào lõi)

1 000 201; 181; 192

(Trung bình: 191.3)

372; 287; 281

530; 375; 598; 599; 431

2 010 221; 186; 196

378; 304; 292

378; 438; 532; 591; 583

3 020 198; 195; 209

338; 387; 265

380; 392; 452; 601; 594

4 100 277; 211; 187; 217

340; 269; 410

545; 570; 589; 616;

(Trung bình: 580)

5 110 227; 261; 188; 200

310; 287; 406

541; 556; 588; 506

6 120 223; 255; 161; 233

277; 423; 357

551; 542; 573; 606

7 200 287; 213; 200; 198

506; 214; 533

442; 614; 593; 628;

8 210 267; 196; 211; 185

527; 282; 473

464; 611; 587; 613

9 220 272; 202; 212; 208

254; 467; 542

456; 605; 571; 623

10 001 230; 184; 197

274; 287

521; 551; 574; 601;

11 011 218; 186; 206

263; 307; 281

596; 463; 567; 598 (Trung bình: 553.7)

12 021 220; 194; 190

260; 286; 272

556; 460; 594; 607

13 101 261; 223; 220; 212

286; 359; 608

365; 693; 684; 614; 534; 452

14 111 237; 245; 219; 222

308; 333; 574

372; 534; 452; 673

15 121 272; 214; 218; 231

324; 313; 589

346; 544; 423; 597

16 201 262; 219; 211

267; 296

380; 454; 499; 403;

17 211 247; 233; 226

276; 324

511; 320; 375; 503

Trang 6

18 221 255; 228; 233

282; 347; 306

357; 562; 403; 498

19 002 311; 231; 184; 222

600; 540; 427

589; 605; 680; 489; 554

20 012 323; 216; 187; 213

589; 476; 497

562; 589; 656; 491; 634

21 022 328; 219; 193; 227

458; 576; 381

473; 607; 634; 567; 542

22 102 229; 223; 173; 183

274; 438

418; 630; 621; 684; 410

23 112 227; 218; 186; 214

368; 389

521; 613; 578; 634; 451

24 122 222; 226; 192; 180

287; 362; 413

433; 561; 642; 681; 470

25 202 223; 186; 170; 190

399; 263; 393

704; 623; 587; 554;

26 212 221; 192; 176; 181

380; 277; 387

518; 404; 689; 652

27 222 219; 185; 180; 188

412; 366; 261

416; 507; 702; 683

Tổ chức tế vi và độ cứng tế vi vùng lân cận biên giới 2 lớp

Tổ chức tế vi và độ cứng của các lớp vật liệu sau phun phủ bằng phương pháp HVOF là các tiêu chí đánh giá chất lượng tổng hợp Kết quả khảo sát ảnh chụp tổ chức tế vi tại vùng biên giới giữa lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B và lớp thép nền C45 cho ở Hình 9

Lõi thép Biên gi ới lớp phủ Lõi thép Biên giới lớp phủ

a) Mẫu số 02, x100 a) Mẫu 18, x100

Lõi thép L ớp phủ

b) Mẫu số18, x500 c) Mẫu số 18, x500

67Ni18Cr5Si4B

Trang 7

Phân tích k ết quả thí nghiệm trên Hình 9 cho thấy:

1) Trên mẫu thí nghiệm số 02 (Hình 9a): vùng biên giới giữa 2 lớp, nền thép C45 và lớp

phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B rất tốt trên toàn bộ chiều dài mẫu khảo sát, điều đó chứng tỏ

rằng lớp phủ có độ bám dính tốt Các vết ấn của đầu đo nhận được trong 2 lớp vật liệu khảo sát có kích thước hình học khác nhau cụ thể là: kích thước các vết ấn trong lớp phủ nhỏ hơn kích thước vết ấn trong nền thép, điều đó cho thấy: độ cứng của lớp phủ hợp kim lớn hơn độ

cứng của nền thép

2) Ở mẫu thí nghiệm số 18 (Hình 9a, 9b, 9c): biên giới 2 lớp nền thép C45 và lớp phủ

bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B rất tốt trên toàn bộ chiều dài mẫu khảo sát, điều đó chứng tỏ

rằng lớp phủ có độ bền bám dính rất tốt Khi đo độ cứng của 2 lớp vật liệu trên mẫu thí nghiệm số 18 cũng tương tự như mẫu thí nghiệm số 02: cho thấy kích thước vết ấn trong lớp

nền thép lớn hơn kích thước vết ấn trong lớp phủ hợp kim điều đó chứng tỏ độ cứng lớp phủ

hợp kim lớn hơn độ cứng lớp nền thép

3) Với độ phóng đại lớn hơn (mức x500) các vết ấn lõm trong lớp phủ hợp kim (Hình

9c) và vết lõm trong nền thép C45 (Hình 9b) càng cho thấy rõ kích thước hình học của chúng khác nhau, điều đó càng làm rõ thêm những nhận xét đối với cả 2 mẫu thí nghiệm số 02 và

18

a) Mẫu số 01, x100 b) Mẫu số 01, x200

c) Mẫu số 8, x100 d) Mẫu số 8, x200

Phân tích kết quả thí nghiệm trên Hình 10 cho thấy:

1) Tổ chức tế vi lớp phủ hợp kim đối với mẫu số 01, nhận được sau phun phủ cho trên Hình 10a và 10b (có độ phóng đại x100 và x200 tương ứng) Biên giới liên kết giữa lớp thép C45 (ở phía trái) và lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B (ở phía phải) tương đối tốt Tuy nhiên, trên ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu mẫu thí nghiệm này có phát hiện thấy một vài đoạn

cấu trúc cục bộ trên biên giới 2 lớp và trong lớp phủ hợp kim có màu đen, có thể đây là lỗ

xốp, điều này làm giảm độ bền bám dính 2 lớp, nhưng đó cũng chính là tính chất đặc trưng

của công nghệ phun phủ Tổ chức tế vi lớp nền thép C45 là kim loại đặc xít

2) Tổ chức tế vi lớp phủ hợp kim đối với mẫu số 8, nhận được sau phun phủ cho trên Hình 10c và 10d (có độ phóng đại x100 và x200 tương ứng) Biên giới liên kết giữa lớp nền thép C45 (ở phía trái) và lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B (ở phía phải) nhận được cũng

Trang 8

khá tốt Tuy nhiên ở đây vẫn tồn tại các đoạn cấu trúc cục bộ màu đen tương tự như đối với

mẫu số 01 và số lượng của chúng tăng đáng kể, do đó độ bền bám dính giữa hai lớp cũng bị

giảm đi đáng kể

Từ kết quả khảo sát trên mẫu số 01 và mẫu số 08 khi phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 cho thấy, cấu trúc tế vi tại vùng biên giới liên kết giữa hai lớp có ảnh hưởng

lớn tới chất lượng lớp phủ nói chung và độ bền bám dính, độ xốp và độ cứng nói riêng Vì khi vùng biên giới liên kết giữa hai lớp có tỷ lệ % cấu trúc cục bộ màu đen tăng thì độ bám dính

sẽ giảm, độ xốp tăng và độ cứng giảm, và ngược lại

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các giá trị về độ cứng lớp phủ bột

hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 bằng công nghệ phun HVOF với chế độ phun theo quy hoạch thực nghiệm Chụp ảnh và phân tích cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết hai

lớp để đánh giá độ cứng của lớp phủ 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

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

NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2014

[2] 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

[3] http://vguss.com/san-pham/30/thiet-bi-cham-cong/cong-nghe-phun-phu-kim.html

[4] http://metalgroup.com.vn/index.php?language=vi&nv=news&op=Giai-phap-phuc-hoi-va-bao-ve-be-mat/PHUN-BOT-KIM-LOAI-BANG-HE-THONG-HVOF-77

[5] www.metalspraysupplies.com/mssa/images/brochure%20hipojet%202700%20man.pdf [6] http://www.vnmachine.com/2014/02/phuong-phap-do-do-cung

Email: vanchien.dinh@gmail.com 0913.214.028

(Địa chỉ: Đinh Văn Chiến - 459 - Trương Định - Tân Mai - Hoàng Mai - Hà Nội)./

Định dạng
Số trang	8
Dung lượng	664,01 KB