luyện kim bột công nghệ vật liệu kim loại

luyện kim bột là một phương pháp luyện kim mới được đưa vào sử dụng với nhiều ưu điểm vượt trội hơn các phương pháp khác .phương pháp này mang sử dụng bột kim loại phù hợp với các chi tiết có cấu trúc phức tạp

Ch ươ ng 3 LUY N KIM B T Ệ Ộ

Powder Metallurgy

MSE 441

Hanoi university of technology

thông thường, luyện kim bột là quá trình chế tạo chi tiết từ bột kim loại hoặc bột các hợp chất của kim loại Nguyên lý cơ bản là làm thế nào để tạo được liên kết bền giữa các

hạt mà bản chất của chúng hoàn toàn khác biệt Qui trình công nghệ sản xuất chi tiết

bằng phương pháp luyện kim bột bao gồm các công đoạn sau:

• Sản xuất bột kim loại, hợp kim hoặc bột gốm;

• Trộn bột kim loại, bột hợp kim với chất dính và chất phụ gia.

III Powder Metallurgy

MSE 441

Hanoi university of technology

III.A Powder Production

III.B Powder characteristics

III.C Compaction

III.D Densification

MSE 441

Hanoi university of technology

ii/ Tạo bột bằng phun nước

Ép kim loại lỏng chảy quan một lỗ nhỏ với tốc độ cao

để đảm bảo có dòng chảy rối Theo Reynold

R = . . where ρ = fluid density (kg/m 3 ), v =

velocity of the exit stream (m/s), d = diameter of the opening (m), and η = dynamic viscosity (Ns/m 2 )

Khi dòng kim loại thoát khỏi

- Khó phun kim lo i qua m t l nh h n n a ạ ộ ốỗ ỏ ả ơ ữ

– Kích th ướ c h t phân b trên m t ph r t ạ ốả ộ ốảấố

r ng ộ

A.3 Ph ươ ng pháp hóa lý

Hoàn nguyên oxit: dùng các loại khí như H2 , CO, CnHm hoặc than để hoàn nguyên oxit các kim loại, sau đó tiến hành nghiền, tạo bột kim loại Thí dụ , dùng khí oxit cácbon để hoàn nguyên vẩy rèn sẽ thu được bột sắt: FeO + CO = Fe + CO2

Hoàn nguyên các loại muối bằng kim loại thí dụ, dùng Mg hoàn nguyên Ti, Zr từ TiCl4, ZrCl4 ở

700 ° C sẽ thu được bột titan, bột ziêcôn.

• Điện phân: đây là quá trình ngược với mạ; thực chất là tạo ra một lớp mạ rất xốp, bám dính vào âm cực Chủ yếu dùng sản xuất bột đồng : dương cực là Cu kim loại,

âm cực là thép không gỉ; mật độ dòng I = 20 A/dm2 ; nhiệt độ điện phân T° = 60°C

• Nhiệt phân hay còn gọi là phương pháp carbonyl :

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là, phun khí CO

áp suất 200 atm vào dây Fe hoặc Ni đã nung đến (150 – 250)°C Đối với niken, sản phẩm thu được là cacbonyl Ni(CO)4 có nhiệt độ nóng chảy ở 43°C hoặc đối với sắt sản phẩm là Fe(CO)5 chảy ở 107°C Sau đó đem nung lên nhiệt độ khoảng (200-300)°C, carbonyl sẽ bị nhiệt

phân tạo thành hạt kim loại có đường kính khoảng 50)µm

(1-iii/ Phương pháp li tâm

Kim loại cần tạo bột được chế tạo thành dạng thỏi và đưa vào buồng quay với tốc độ rất nhanh Đối diện với đầu trục quay là điện cự hồ quang Khi có hồ quang, kim loại ở đầu thỏi sẽ nóng chảy Tốc độ cao

sẽ hất văng các hạt kim loại lỏng vào buồng đông đặc Một dòng khí tuần hoàn sẽ hút các hạt bụi KL ra khỏi buồng.

MSE 441

Hanoi university of technology

A.1 Nghi n b t ểề ộ

Nghi n nh các h t trong tr ng nghi n ề ỏ ạ ố ề

Môi trường nghi n: bi thép, bi g m:ề ố

1 B.2 Hình d ng h t (aspect ratio) ạ ạ

Dendritic Acicular( AR in 1 direction) Fibrous (AR=1000)

- B t nhi u c h t: as ộ ề ỡ ạ σg density

(ri =0 P? ρ?)

• C.3 Ép m t chi u (die compaction) ộ ề

- S d ch chuy n c a chày ép: Ma sat gi a khuôn ự ị ể ủ ữ

và v t épậ

0 2

r

Bh P

P

P = z z h = o − µ

=

37 , 0

1 ) 1 exp(

5

; 2 , 0

; 5 , 0

0 min = − = =

=

=

=

e P

VI.D T ng m t ă ậ độ

• D.1 Thiêu k t ế

Thiêu kết nhằm làm tăng năng lượng bề mặt của các hạt, làm cho toàn bộ khối vật liệu kết tinh lại, tạo cấu trúc mới Trong quá trình thiêu kết, xảy

ra hiện tượng thay đổi hình dáng và kích thước của phần tiếp xúc giữa các hạt vật liệu theo xu hướng tăng diện tích và thể tích phần tiếp xúc giữa các hạt và do đó hệ bị co ngót Đồng thời với co ngót, các nguyên tử bề mặt cũng tham

gia chuyển động trong quá trình thiêu kết.

-Số nguyên tử đi ra khỏi phần lồi của lỗ xốp bằng số nguyên tử đi vào khe của đoạn tiếp xúc và như vậy, tổng thể tích của lỗ xốp

không thay đổi mà chỉ làm cầu hoá các lỗ xốp

-Điểm quan trọng nữa là các hạt vật liệu

cũng tái kết tinh trong quá trình thiêu kết do

đã được nung đến nhiệt độ kết tinh lại Đây

là bản chất của quá trình thiêu kết

-Kết quả là, sau khi thiêu kết, các hạt bột

kim loại liên kết thành một khối liên tục có các lỗ xốp, tạo nên những tính chất ưu việt cho vật liệu.

• Examples of morphological evolutions

• Figure 16.7: (a) Sintering of two abutting single-crystal spherical particles of differing crystal orientations A

grain boundary has formed across the neck region (b) Detail of neck perimeter Seven possible sintering

mechanisms for the growth of the neck are

illustrated (see the text and Table 16.1)

• Sintering mechanisms (Ashby, Acta Met 1974, 22, 275)

CÁC PH ƯƠ NG PHÁP THIÊU K T Ế

Thiêu kết thông thường.

• Nhiệt độ thiêu kết bằng 2/3 ÷ 3/4 nhiệt độ nóng chảy của kim loại nền (tính theo nhiệt độ Kelvin); thời gian khoảng (15 ÷ 120) phút Kết tinh lại ở bề mặt tại (0,3-0,35)Tnc Khi T= (0,75-0,85)Tnc thì hiện tượng kết tinh lại có chọn lọc xảy

ra rất mãnh liệt, trong các hạt có sắp xếp lại tổ chức

Thông thường sau khi thiêu kết cần phải tiến hành ép chỉnh hình hoặc ép lại để đảm bảo cơ tính cho chi tiết

• Môi trường thiêu kết: H2 , CO , NH3 ; khí trung tính

N2, He, Ar hoặc chân không.

• Khi sản phẩm nhiều cấu tử có thể xuất hiện pha lỏng

Thành phần pha lỏng không được vượt quá 30% thể tích khối bột ép để đảm bảo được hình dạng của sản phẩm

không bị biến dạng trong quá trình thiêu kết Do đặc điểm của bột và tính chất của vật liệu mà sẽ xảy ra hiện tượng

co ngót khi thiêu kết Thể tích co khoảng (5 ÷ 25)%.

kim loại chịu nhiệt, áp lực ép

200 MPa, trong môi trường

MSE 441

Hanoi university of technology

Thiêu kết duwois áp lực có phóng

điện

Khuôn bằng graphit nằm giữa 2

chày ép Bản thân 2 chày ép

này lại chính là điện cực Cấp

điện cho điện cực đồng thời

tiến hành ép mẫu Tia lửa đầu

tiên phát ra từ điện cực sẽ loại

bỏ các chất bẩn trên bề mặt hạt

kim loại Tiếp tục duy trì dòng

điện khoảng 10 giây để tạo

năng luợng thiêu kết các hạt

Tiếp theo có thể đem sản phẩm

đi ép thuỷ lực để nâng cao mật

độ và tính chất của chi tiết