Nghiên cứu chế tạo vật liệu chịu ma sát hệ fe 2 5 % cu 1 3% grafit

Vật liệu tổ hợp ra đời cũng trong xu hướng phát triển đó và ngày càng có vị trí xứng đáng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ,

-

NGUYỄN PHƯƠNG NAM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CHỊU MA SÁT HỆ

2

-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Tác giả luận văn

Nguyễn Phương Nam

Danh mục cách hình vẽ, đồ thị 8

Phần mở đầu 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHIU MA SÁT 12

CHƯƠNG 2 XÉC MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 19

2.1 Nhu cầu về sản xuất xéc măng 19

2.2 Đặc điểm và điều kiện làm việc với yêu cầu kĩ thuật của xéc măng 20

a Đặc điểm 20

4

b Điều kiện làm việc của xéc măng 21

c Yêu cầu kĩ thuật 21 2.3 Công nghệ chể tạo xéc măng 23

2.3.1 Phương pháp đúc truyền thống 24

a Chế tạo xéc măng từ phôi ống 24

b Chế tạo xéc măng từ phôi đúc từng chiếc 24

c Ưu nhược điểm công nghệ sản xuất séc măng đúc 25

2.3.2 Phương pháp chế tạo xéc măng từ bột kim loại 26

a Giới thiệu quy trình công nghệ chế tạo đã được áp dụng với xéc

3.1 Xác định họ vật liệu xéc măng bột và chuẩn bị phối liệu 33

3.2 Công đoạn nghiền trộn cơ học 35

3.2.2 Phương pháp thực nghiệm 37

3.2.2.1 Thiết bị 37 3.2.2.2 Chế độ nghiền 39

3.3 Công đoạn ép tạo hình sơ bộ 47

5

-3.4.1 Mục đích 49 3.4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến quá trình

3.5.2 Kết quả đo độ xốp của vật liệu 57

3.6 Xác định độ cứng của vật liệu Fe-Cu-C 58

3.8 Tổ chức tế vi của vật liệu Fe-Cu-C 61

3.9 Xây dựng mô hình và lựa chon phương pháp ngiên cứu 64

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO XÉC MĂNG 76

4.1 Giới thiệu TCVN của xéc măng 77

4.2 Đề xuất quy trình chế tạo xéc măng 81

4.3 Thiết kế khuôn ép xéc măng 82

7

-DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Tựa bảng Trang

2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi ống 24

2.3 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi đúc từng chiếc 25

2.4 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ bột kim loại 27

3.2 Sơ đồ nguyên lý nghiền bi trong máy nghiền đứng (cánh khuấy) 37

3.4 Một số chi tiết của máy nghiền đứng (cánh khuấy) 39

3.7 Giản đồ nhiễu xạ rơnghen của mẫu hỗn hợp vật liệu bột 43

3.8 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu 44

3.9 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 2h nghiền 45

3.10 Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền 46

3.11 Khuôn và chày ép sơ bộ 48

9

4.2 Sơ đồ chế tạo xéc măng từ bột kim loại 80

4.3 Kết cấu và kích thước khuôn ép xéc măng 83

4.5 Trục gá ram 5 điểm 86 4.6 Dụng cụ ram định hình sau khi sécmăng đã đươc gá kẹp chặt 86

4.8 Sản phẩm Xéc măng 87

10

-PHẦN MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung, khoa học công nghệ vật liệu cũng có sự phát triển mạnh mẽ Bởi lẽ, vật liệu bao giờ cũng là một yếu tố thiết yếu quyết định sự phát triển của nền công nghiệp đối với mọi quốc gia Nền công nghiệp càng phát triển thì yêu cầu về chất lượng vật liệu ngày càng cao, trình

độ công nghệ sản xuất vật liệu phải càng hiện đại Vì vậy, khoa học công nghệ cần phải có sự đổi mới, tiếp thu, sáng tạo các phương pháp công nghệ mới tiên tiến, hiện đại và công nghệ cao một cách kịp thời, nhằm góp phần tích cực, có hiệu quả vào công cuộc “công nghiệp hoá - hiện đại hoá” đất nước, đồng thời tiến tới hội nhập từng bước vào cộng đồng các nước trong khu vực và trên thế giới Sự đổi mới công nghệ, trong đó có sự cấp thiết phát triển Công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển của nền kinh tế - xã hội Việt Nam

Trước thực tế đó, trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các công nghệ truyền thống cần phải phát triển các công nghệ mới nhằm chế tạo các vật liệu có những tính chất đặc biệt, có khả năng đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy móc hiện đại làm việc trong điều kiện khắc nghiệt Như một quy luật tất yếu, nhiều loại vật liệu mới đã ra đời Vật liệu tổ hợp ra đời cũng trong xu hướng phát triển đó

và ngày càng có vị trí xứng đáng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử, đóng tàu, chế tạo máy, xây dựng …

Vật liệu bột đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu khác nhau hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi nhu cầu, rất đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai với các tính năng đặc biệt như: vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao và một số tính năng khác

mà vật liệu truyền thống không có được Vì vậy, luyện kim bột ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong nền kinh tế quốc dân hiện nay

11

-Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu từ bột kim loại nói chung, đặc biệt

là vật liệu kết hợp nhiều bột kim loại khác nhau nói riêng còn rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong vài năm gần đây Việc nghiên cứu vật liệu kết hợp nhiều bột kim loại, được phát triển theo hai hướng chính, đó là: Nghiên cứu các phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu các phương pháp công nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm

từ vật liệu bột là lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới tiềm năng, đầy triển vọng

Với những tiềm năng to lớn của vật liệu bột Tác giả đã lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu chế tạo vật liệu chịu ma sát hệ Fe 2-5%Cu 1-3%C (graphite)” để

nghiên cứu Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao trong thực tế hiện nay và khá mới

mẻ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới Việc nghiên cứu đề tài này, mở ra triển vọng lớn trong nghiên cứu các loại vật liệu trên cơ sở nền Fe, có khả năng ứng dụng thực tế trong các điều kiện làm việc chịu ma sát, vật liệu chịu mài mòn…

Bản luận văn được trình bày thành 4 chương Chương 1, trình bày tổng quan

về vật liệu ma sát trong chương 2 sẽ trình bày những vấn đề về cơ sở lý thuyết và công nghệ chế tạo xéc măng, chương 3 sẽ đề cập đến kỹ thuật thực nghiệm chế tạo vật liệu ma sát cụ thể là xéc măng được tiến hành tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Và xác định một số tính chất, tối ưu hóa quá trình công nghệ chế tạo vật liệu

ma sát ứng dụng làm xéc măng, trong chương 4 tác giả sẽ đi sâu vào việc chế tao xéc măng để tạo ra được một xéc măng hoàn chỉnh, và cuối cùng là kết luận của luận văn và một số kiến nghị cho hướng đi tiếp theo của công trình nghiên cứu Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS - TS Trần Văn Dũng, người đã tận tình hướng dẫn, gợi ý và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong việc nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Đăng Thủy, người đã đóng góp những ý kiến xác thực góp phần hoàn chỉnh luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty Gang thép Thái Nguyên, Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu Kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này

12

-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHỊU MA SÁT

* Ứng dụng ma sát

Lực ma sát có thể được ứng dụng để làm biến dạng các bề mặt như trong kỹ thuật đánh bóng, mài gương, sơn mài, Nó được dùng để hãm tốc độ các phương tiện giao thông trên Trái Đất, chuyển động năng của phương tiện thành nhiệt năng

và một phần động năng của Trái Đất

Nhiệt năng sinh ra bởi lực ma sát còn được ứng dụng để đánh lửa, trong đá lửa, hoặc các dụng cụ tạo lửa của người tiền sử như theo một số giả thuyết

Với các vật liệu có hệ số ma sát thấp người ta ứng dụng làm các loại ổ lót, xéc măng…

1.2 VẬT LIỆU CHỊU MÀI MÒN

Vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy như ổ trượt, bạc lót, vv., làm việc trong điều kiện ma sát trượt và cần có hệ số ma sát thấp, không dính bám, có khả năng chạy

rà tốt, dẫn nhiệt tốt và ổn định tính chất trong thời gian dài Thường sử dụng 3 loại vật liệu:

1 Kim loại dạng khối gồm gang, các hợp kim trên cơ sở thiếc, đồng, nhôm, kẽm, trong đó bacbit và kim loại hai lớp (bimetan) được sử dụng rộng rãi

1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU CHỊU MÀI MÒN

Lựa chọn vật liệu là một vấn đề quan trọng cho tất cả các bạc lót, vòng bi Đặc điểm cơ bản mà vật liệu để làm vòng bi cần là:

từ khoảng 0,12 hoặc cao hơn là 0,18 đến 0,30 Bằng cách so sánh hệ số ma sát trong quá trình cho nhôm trên thép là 0,32 và thép trên thép là 1,0

Hợp kim như đồng thanh pha chì được sử dụng vì chúng cung cấp một lớp bôi trơn chì tại bề mặt bi Chì có ứng suất trượt thấp và có thể lấp đầy vào bất thường trong trục hoạt động như một chất bôi trơn khẩn cấp nếu việc cung cấp dầu tạm thời

14

-kim (Kẽm cũng nâng cao ứng suất, nhưng nhiều hơn khoảng 4% kẽm làm giảm các tính chất chống ma sát của hợp kim vòng bi) Hợp kim đồng thiếc cứng và có độ dẻo dai rất cao Sự kết hợp của các tính chất mang lại cho nó khả năng tải trọng cao, chịu mài mòn tốt và khả năng chịu được và đập liên tục Các hợp kim này có khả năng chống ăn mòn trong nước biển và nước muối

Hợp kim đồng thiếc hoạt động tốt hơn với dầu mỡ bôi trơn hơn so với hợp kim đồng khác

Sự khác biệt về đặc tính cơ học giữa các hợp kim đồng thiếc không lớn Một

số có chứa kẽm như là một chất gia cố thay thế một phần cho các vật liệu thiếc đắt tiền hơn

Một số hợp kim đồng thiếc có chứa một lượng nhỏ chì Trong nhóm các hợp kim, chức năng chính của chì là để cải thiện tính chất cơ học Một trong số các hợp kim đồng pha chì cũng có chứa kẽm là tăng cường hợp kim với chi phí thấp hơn thiếc Các hợp kim đồng pha chì trong nhóm này này không có tính chất tương tự

và ứng dụng như hợp kim đồng thiếc

c Hợp kim Fe-Cu-Al

Phương pháp truyền thống là kết hợp vài vật liệu với nhau để giảm ma sát và đảm bảo tính chất cơ học Tuy nhiên chế bạc nhiều lớp khá phức tạp và tốn khá nhiều tiền Vì thế cần loại vật liệu mới đạt được hai loại tính chất chính của bạc, đó

là cơ tính tốt và ma sát rất thấp

Loại vật liệu này được tạo ra với mục đích đạt được hai loại tính chất đó là cơ tính tốt và ma sát rất thấp, hệ vật liệu này có độ bền cao, độ xốp cao và độ bôi trơn cao Ứng dụng này tạo khả năng cho công nghiệp vật liệu chịu ma sát phát triển để

15

-tạo ra những vật liệu chịu ma sát chất lượng cao và giá thành thấp

Hợp kim Fe-Cu-Al có độ bền, xốp và bôi trơn cao là do sự xuất hiện của hợp kim Cu-Al trên nền Fe, hợp kim Cu-Al trong một vài trường hợp được sử dụng như một một nhân tố chống ma sát Hợp kim Fe-Cu-Al sẽ có ma sát trượt rất thấp, có độ bền đủ lớn để chịu điều kiện áp suất cao, có thời gian sử dụng dài, thêm vào đó vật liệu này trên cơ sở nền Fe, do vậy vật liệu này không cần thêm thép

d Vật liệu đồng

Vật liêu đồng có độ bền, độ dẻo, độ cứng, khả năng chịu mài mòn, khả năng chống kẹt khá cao, ma sát thấp, chịu được môi trường hoạt động bẩn và chất bôi trơn bị ô nhiễm Khả năng chống ăn mòn của bạc lót đồng vượt trội so với các loại bạc lót khác, và có thể được lựa chọn để đáp ứng các điều kiện cụ thể của môi

cho phép các bạc lót được làm thành các hình dạng đặc biệt với chi phí thấp

Hình 1.1: Các thiết kế phổ biến của cấu trúc bạc lót

Một trong những thiết kế phổ biến nhất của bạc lót gồm đa lớp Lớp bên trong đóng vai trò bôi trơn quan trọng Lưng bằng thép đảm bảo các tính chất cơ học của bạc lót Các lớp ở giữa là để liên kết giưa các lớp khác nhau

1.3.2 Một vài loại vật liệu phi kim chịu ma sát

a Carbon graphite

Bạc lót carbon có thuộc tính tự bôi trơn, khả năng ổn định ở nhiệt độ lên đến

16

-750 ° F, và khả năng chống lại các tác dụng của hóa chất và các dung môi Bạc lót Carbon-graphite được sử dụng trong môi trường ô nhiễm bởi dầu hoặc mỡ

Chúng được sử dụng trong lò, nồi hơi, và động cơ phản lực nơi có nhiệt

độ quá cao đối với dầu nhờn thông thường

thể được thay đổi để cung cấp các đặc tính cần thiết cho các đặc tính cần thiết cho các ứng dụng cụ thể Graphite carbon có từ 5 đến 20% độ xốp Những lỗ xốp có thể được với một loại nhựa phenolic hoặc epoxy để cải thiện sức mạnh và độ cứng, hoạc với dầu, kim loại ( chẳng hạn như bạc đông, đồng, cadmium, hoạc Babbit )

để cải thiện các đặc tính tương thích phải chú ý trong việc áp dụng và hệ số giãn nở thấp (khoảng một phần tư của thép)

Tải trọng tối đa nên được giới hạn từ 35đến 50psi, không có giới hạn về tốc

độ, và nhiệt độ hoạt động vẫn còn dưới 150 ° F

c Gỗ

Gỗ cứng: gỗ sồi có các tính chất tự bôi trơn, chi phí thấp, và làm việc môi trường có độ sạch Bạc lót gỗ hữu ích ở nhiệt độ lên đến 150 ° F và với tốc độ lên đến vài trăm vòng/phút

d Gốm kim loại-metalceramic ( viết tắt là cermet )

Thuộc lớp vật liệu kết hợp composit nền kim loại cốt gốm Nó là vật liệu nhiều pha, gồm các pha kim loại hoặc hợp kim với một hay nhiều pha gốm Kim loại có thể là đồng, nhôm, niken, sắt, thép, hợp kim, gốm có thể là các borít, cácbít, nitrít, oxít, silixít kim loại vv Như vậy có rất nhiều dạng loại gốm kim

17

-loại khác nhau tùy theo thành phần nguyên liệu và phương pháp công nghệ chế tạo Gốm kim loại có những tính chất tốt của hai loại vật liệu cấu thành lên nó là kim loại và gốm Nó rất cứng, bền vững chống mài mòn ma sát, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh v.v

e Gốm

Silicon nitride đã được phát triển thành vật liệu làm bạc lót hiệu suất cao, biểu hiện các tính chất mới tương đương hoặc vượt trội các loại thép chịu lực chất lượng cao

Ứng dụng chủ yếu của các vật liệu này là trong các vật quay như vòng bi hoặc con lăn tích hợp để chịu lực

Những bạc lót như vậy làm từ gốm hybrid và tiêu chuẩn đạt được cho các loại bạc lót siêu chính xác có hiệu suất cao Tất cả các loại bạc lót làm từ gốm chỉ

có một số lượng nhất định dựa trên các yêu cầu đặt hàng đặc biệt cho các ứng dụng đặc biệt

Độ cứng, chống ăn mòn của nhiều loại gốm, carbide, và gốm kim loại được ứng dụng làm bạc lót chịu lực

f Sapphire và thủy tinh

Sapphire tổng hợp công nghiệp (100% nhôm oxide) được sử dụng rộng rãi cho các Bạc lót giá trị dùng trong các ứng dụng, dụng cụ yêu cầu mô men xoắn thấp Thủy tinh borosilicate đã được thay thế sapphire trong một vài ứng dụng Bạc lót giá trị có một vài hình dạng, bao gồm hình chữ V, nhẫn, endstone, cốc, và lỗ

Kết luận

Hầu hết các vật liệu phi kim có tính chất tốt cho các ứng dụng bạc trong cấu trúc máy Tuy nhiên cơ tính lại khá thấp Vì thế, vật liệu phi kim làm bạc khó có thể ứng dụng trong các bộ phận kỹ thuật

18

-1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua nghiên cứu các công trình nghiên cứu ở phần tổng quan tài liệu cũng cho phép ta kết luận đề tài mà tác giả lựa chon là một đề tài rất rộng và có tính thiết thực với nhu cầu sử dung của dạng vật liệu này là rất cao

Từ những phân tích và nhận định ở trên cho thấy rằng, việc đi nghiên cứu chế tạo vật liệu chịu ma sát là hoàn toàn hợp lý và có khả năng thực hiện được và mở ra một tiềm năng ứng dụng trong thực tế là rất cao Mặc dù vậy, để chế tạo được vật liệu chịu ma sát bằng phương pháp cơ - hóa thì cần phải nghiên cứu một cách sâu sắc các vấn đề trong quá trình tổng hợp vật liệu

Trong chương này tác giả đã tiến hành tổng hợp một số tài liệu liên quan đến vật liệu ma sát nói chung và vật liệu chịu mài mòn nói riêng đã được ứng dụng trong kỹ thuật Từ các tài liệu nghiên cứu đó có thể nhận thấy, tính chất của vật liệu này là rất cần thiết với con người

19

-CHƯƠNG 2 XÉC MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

2.1 NHU CẦU VỀ SẢN XUẤT XÉC MĂNG

của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử, công nghệ thông tin, công nghệ sinh học - thực phẩm Nhu cầu cần đến các loại vật liệu mới có các ưu điểm vượt trội để tăng tính bền nhiệt, có điện dẫn cao, chịu

mài món lớn, chịu nhiệt độ cao Để đáp ứng nhu cầu đòi hỏi của người sử dụng và đáp ứng nhu cầu ngày càng trở nên thiết thực của xã hội và ngành công nghệ máy

nổ cũng lằm trong số đó, cần phải có những vật liệu mới và các phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu mới để tăng tuổi thọ cho động cơ cũng như hạ giá thành

sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Trong điều kiện hoạt động bình thường, tuổi thọ của động cơ thường được tính bằng tổng thời gian sử dụng sau 3 lần thay thế xéc-măng, tương đương khoảng 10.000 giờ sử dụng Sau 3 lần thay xéc-măng, động cơ phải đưa đi đại tu, doa xi-lanh lên một cốt (đường kính xi-lanh tăng thêm 0,5 mm) và phải thay thế toàn bộ nhóm piston và bạc lót thanh truyền Như vậy có thể nói tuổi thọ của động cơ hoàn toàn phụ thuộc vào độ bền của xéc măng, nó là một chi tiết của máy nổ có hình dạng rất đơn giản, nhưng lại có nhiều vấn đề kỹ thuật hết sức phức tạp liên quan đến chất lượng của nó, và quan trọng với các loại máy nổ cũng như nhu cầu sử dụng của chúng ta chính vì vậy đặt ra một nhu cầu về sử dụng xéc măng là rất lớn, ở các nước công nghiệp phát triển cũng như ở Việt Nam, các loại máy nổ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: hàng không - vũ trụ, ôtô, tàu thủy, đầu máy và toa xe lửa, thiết bị và máy móc nông nghiệp

Đứng trước yêu cầu cấp thiết đó tác giả đã đặt mục tiêu nghiên cứu chế tạo vật liệu xéc măng từ bột kim loại trên cơ sở nền Fe nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của xã hội

20

Do đó trong khuôn khổ đề tài cần nghiên cứu vật liệu làm xéc măng có các yêu cầu đối với vật liệu như sau:

- Có khả năng làm việc bền vững ở nhiệt độ cao

- Độ bền mòn (hóa học và cơ học) cao;

- Có độ bền nén cao để có thể chịu được áp suất nén lớn;

- Có khả năng tự bôi trơn

- Có cơ tính cao ở khoảng nhiệt độ rộng, có khả năng chống lại sự mài mòn

và biến dạng ở điều kiện làm việc nhiệt độ và áp suất cao

2.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VỚI YÊU CẦU KĨ THUẬT CỦA XÉC MĂNG

- Xéc măng dầu

- Xéc măng hơi

Xéc măng dầu dùng để đưa dầu thừa ra, vì theo kết cấu và theo vị trí của nó trên pistông thì nó chỉ có tính chất truyền nhiệt còn nén rất ít

Xéc măng khí ( hơi ) làm việc làm việc nặng hơn so với xéc măng dầu, đặc biệt

do xéc măng nằm trên cùng gần buồng cháy, xéc măng này làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và ma sát gần như khô, nên bề mặt làm việc của nó thường được phủ một lớp Crôm để tăng thời gian phục vụ và giảm bớt độ mòn của xy lanh

b Điều kiện làm việc của xéc măng

Tuy là một chi tiết không lớn, xong điều kiện làm việc của xéc măng rất nặng và khắc nhiệt Khi làm việc, xéc-măng chịu ma sát nửa khô, va đập lớn và chịu lực ép ngang đảo chiều, chịu nhiệt độ cao, áp suất va đập lớn, ma xát mài mòn nhiều, chiu

an mòn hóa học của khí cháy và dầu nhờn Chính vì vậy nó bị mài mòn rất nhanh,

độ mòn của xéc-măng thể hiện ở khe hở miệng Nếu khe hở này vượt quá 1÷1,2

mm, áp suất nén sẽ giảm 30% và công suất của động cơ cũng giảm tương ứng, suất tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng từ 40-50% Lúc này động cơ phải vào bảo dưỡng, thay thế xéc-măng

c Yêu cầu kĩ thuật

Để đảm bảo hiệu quả truyền năng lượng qua khí nén hoạc qua môi trường chất lỏng, xéc măng phải làm kín khe hở giữa pitstông và xy lanh, để đảm bảo cho dầu

và khí trong xy lanh không truyền được từ phần này qua phần khác Do vậy xéc

22

-măng phải tiếp xúc thật tốt, khít với mặt trong thành xy lanh, đồng thời nó ép nên xy lanh một lực đồng đều trên toàn bộ chu vi xéc măng để tránh sự mài mòn không đều, tạo khe hở hoạc lỗ rò rỉ, lực nén cũng không được quá lớn tránh làm mòn xy lanh Có đạt được như vậy hiệu quả truyền động của pitstông ra thanh truyền mới cao

Xéc măng chuyển động cùng pitstông với tần suất lớn trong xy lanh dưới áp lực lớn

và ở nhiệt độ khá cao trong thời gian dài, rất dễ phát sinh ra biến dạng dẻo làm giảm khả năng đàn hồi của xéc măng, từ đó phá vỡ điều kiện làm việc bình thường của đông

cơ máy nổ, chính do yêu cầu như vây nên xéc măng phải có các yêu cầu sau:

- Để đảm bảo cho sự kín khít cao với mặt trong xy lanh trong quá trình làm việc, xéc măng cần có độ đàn hồi cao Được đặc trưng bởi mô đun đàn hồi E Mô đun

xéc măng là chỉ tiêu rất quan trọng

- Để đảm bảo tính bền lâu khi làm việc, xéc măng cần phải có độ cứng thích hợp

để chịu mài mòn tốt trong điều kiện ma sát giới hạn, đây cũng là một chỉ tiêu quan trọng ( xéc măng đúc độ cứng cần đạt đươc: 92÷105HRB)

- Vật liệu chế tạo phải có hệ sô ma sát nhỏ, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, có khả năng tự bôi trơn trong quá trình làm việc…

- Ngoài ra đối với xéc măng bột thì độ xốp cần đạt từ 7 ÷ 10%

Để xéc măng đỡ bị mài mòn, người ta thường mạ 1 lớp crôm xốp trên bề mặt làm việc của xéc măng, chiểu dày (0,1 đến 0,2mm) vì lớp mạ này tăng cường độ cứng

bề mặt, tính chống ăn mòn tốt giảm hệ số ma sát

Ngoài ra người ta còn mạ thiếc mỏng, chiều dày lớp mạ từ (0,005 đến 0,01) mm

để nâng cao tính chống mòn và nhằm mục đích giảm thời gian chạy rà của động cơ

23

Độ nhám bề mặt Ra = 2,5 ÷ 0,32, độ không vuông góc giữa lỗ và mặt đầu 0,02

÷ 0,2mm/100mm

1 Dung sai theo chiều cao xéc măng: 0,01 ÷ 0,012 mm

3 Dung sai kích thước khe hở miệng ở trạng thái nén là 0,3mm

2.3 CÔNG NGHỆ CHỂ TẠO XÉC MĂNG

* Yêu cầu về vật liệu:

Xéc-măng là chi tiết máy có yêu cầu chế tạo khá khắt khe về độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt, độ cứng, độ mài mòn, tính đàn hồi và các yêu cầu kỹ thuật khác như khe hở miệng cắt, sai lệch bề dày, độ không song song giữa 2 mặt đầu xéc-măng Để đảm bảo tính năng làm việc, trong trạng thái tự do xéc-măng là dạng đĩa mỏng, méo, để khi lắp vào xi lanh nó trở thành tròn và tiếp xúc găng đều đảm bảo độ kín khít khi làm việc

Như vậy đòi hỏi cần phải có một hệ vật liệu thích hợp để có thể đáp ứng được các yêu cầu đã nói ở trên

Thành phần chủ yếu của vật liệu xéc măng gồm Fe và các nguyên tố: Cu, Cr, C,

Mn, Si, Mo, W, V, TiC, đôi khi có cả Sunphua

-Yêu cầu về vật liệu xéc măng sản xuất bằng phương pháp đúc: Vật liệu chế tạo xéc măng hiện nay dùng trong động cơ thường làm bằng gang xám, gang peclit

có chất lượng cao, để đảm bảo tính chịu nhiệt cao nên trong gang hợp kim có

Cr, Mo, W, V Loại gang hợp kim rẻ tiền để chế tạo xéc măng như hợp kim gang Cr-Cu-Ti có thành phần như sau: 3,7 ÷ 3,9C; 2,5 ÷ 2,7Si; 0,5 ÷ 0,7Mn; 0,4

÷ 0,5P; 0,2 ÷ 0,35Cr; 0,35 ÷ 0,5 Cu và không quá 0,18Ti và 0,05S

- Xéc măng của động cơ Diezel hai kỳ được chế tạo bằng gang biến thể có độ bền cao, loại gang này nhận đươc bằng cách cho thêm vào nước gang Mn, loại gang này đặc biệt là chắc, có mô-duyn đàn hồi và độ dẻo cao

- Yêu cầu về vật liệu xéc măng sản xuất bằng phương pháp nghiền trộn cơ học: Hợp kim hóa học các loại bột cần thiết trên nền cơ bản là bột sắt Fe, bột Cu,Graphite, Zn, Si, Mn, Mo…Sử dụng kết hợp phương pháp nghiền trộn; gia

24

-công áp lực với thiêu kết và ram định hình; Gia -công cơ khí và mạ

Về mặt công nghệ gia công xéc măng có 2 phương pháp gia công chế tạo xéc măng:

- Phương pháp đúc truyền thống

- Phương pháp chế tạo xéc măng từ kim loại bột

2.3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐÚC TRUYỀN THỐNG

a Chế tạo xéc măng từ phôi ống

Phôi để chế tạo xéc-măng được đúc ly tâm dưới dạng ống tròn để đảm bảo chất lượng gang đúc Trình tư gia công bao gồm:

Quy trình công nghệ sản xuất xéc măng đúc từ phôi ống biểu diễn trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi ống

b Chế tạo xéc măng từ phôi đúc từng chiếc

Phương pháp này dùng trong sản xuất hàng khối xéc-măng được đúc từng chiếc có độ méo tương tự như độ méo cùa xéc-măng thành phẩm Trình tự gia

25

-công như sau:

Quy trình công nghệ sản xuất xéc măng từ phôi đúc từng chiếc biểu diễn trên hình 2.3

c Ưu nhược điểm công nghệ sản xuất séc măng đúc

+ Nâng cao năng suất

+ Quy trình công nghệ dài, khá phức tạp

26

-+ Thành phần hợp kim không đồng đều do thiên tích và lực li tâm

2.3.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO XÉC MĂNG TỪ BỘT KIM LOẠI

Phương pháp chế tạo xéc măng từ kim loại bột có một số ưu điểm so với phương pháp đúc:

- Tận dụng được phế liệu để tạo ra bột

- Tiết kiệm năng lượng

- Quy trình công nghệ không phức tạp

- Chi phí không lớn, giá thành hạ

- Hao phí vật liệu chế tạo thấp hơn nhiều so với séc măng đúc

- Vốn đầu tư lại thấp hơn

Nhược điểm:

- Năng suất thấp

- Rất khó có thể chế tạo được xéc măng dầu

Quy trình công nghệ sản xuất xéc măng từ kim loại bột biểu diễn trên hình 2.4

27

Hình 2.4 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ bột kim loại

2.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

XÉC MĂNG ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG

a Giới thiệu quy trình công nghệ chế tạo đã được áp dụng với xéc măng

bột

Dưới đây là một vài bảng chế độ công nghệ chế tạo xéc măng bột sử dụng trong

xe máy, ôtô, máy kéo, máy bơm…

28

Bảng 2.1 Công nghệ chế tạo xéc măng bột của viện nghiên cứu luyện kim bột,

viện hàn lâm khoa học Ucraina

Bảng 2.2 Công nghệ chế tạo xéc măng bột đầu tiên của Liên Xô (cũ)

đều trong 3÷4 giờ

b Giới thiệu quy trình công nghệ chế tạo đã được áp dụng với xéc măng

đúc

Quy trình công nghệ chế tạo xéc măng dầu của động cơ D15 đã đươc áp dụng

chế tạo tai công ty phụ tùng máy số 1 ( FUTU1 ) thuộc công ty DIEZEL Sông Công

Thái Nguyên

31

-Bảng 2.5 Chế độ công nghệ chế tạo xéc măng đúc của công ty FUTU1

1 Đúc phôi: Bề mặt không bị rỗ, lồi lõm, độ cứng đạt 95÷110HRB, Φ106+1

2 Hóa già: Khử hết ứng suất dư, tăng độ dẻo dai, đàn hồi

4 Tiện phá lỗ: Φ90,1-0,3

22 Sửa tinh miệng (trong vòng kiềm Φ100-0,015, khe hở S= 0,2+0,1 )

23 Tổng kiểm ( đạt tiêu chuẩn, không làm sước và chống rỉ các bề mặt)

Từ cơ sở lý thuyết của một số phương pháp đã được nói ở trên để chế tạo vật liệu xéc măng từ bột kim loại mà kết quả là sản phẩm đạt được những yêu cầu cần thiết như: Độ cứng, độ xốp, độ bền, độ chịu mài mòn, độ đàn hồi …

Dựa vào những tiền đề đó, tác giả sẽ có những luận chứng thực tiễn để tiến hành thực nghiệm chế tạo vật liệu xéc măng từ bột kim loại bằng sự kết hợp của quá trình nghiền cơ học, với phương pháp này, có những ưu điểm như sau:

- Nguyên lý của quá trình tổng hợp đơn giản và dễ chế tạo;

- Khống chế được chính xác thành phần hàm lượng mỗi loại bột

- Đảm bảo được sự phân tán đồng đều của Graphite trong nền Fe

Với những ưu điểm trên, cũng như các thiết bị thí nghiệm hiện có để tiến hành quá trình thực nghiệm cho thấy việc lựa chọn phương pháp cơ - hóa kết hợp là hoàn toàn hợp lý và có cơ sở thực tiễn rất cao Phương pháp này không chỉ có hiệu quả trong việc chế tạo vật liệu tổ hợp nền Fe, mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong công nghệ chế tạo các hệ vật liệu tổ hợp nền kim loại nói chung

Mục đích của nghiên cứu này là để khẳng định khả năng tác động của quá trính tổng hợp bằng phương pháp cơ – hóa đến một số tính chất công nghệ như độ xốp, độ cứng, độ mài mòn, độ đàn hồi, tổ chức tế vi của vật liệu Với những kết quả

dự kiến đặt ra có thể đạt được sẽ là tiền đề cho phép tác giả tiếp tục cải tiến quá trình tổng hợp và tối ưu các chế độ công nghệ để chế tạo được vật liệu xéc măng với các yêu cầu như đã nói ở trên với chất lượng tốt nhất, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế của hệ vật liệu này cho các động cơ máy nổ như: xe máy, ôtô, các đầu nổ, bơm pít tông…

3.1 XÁC ĐỊNH HỌ VẬT LIỆU XÉC MĂNG BỘT VÀ CHUẨN BỊ PHỐI LIỆU

Thành phần cơ bản của xéc măng bột gồm bột Fe ≥ 90% trọng lượng, ngoài ra còn các nguyên tố hợp kim Be, Si, Ti, Cr, Sn, Cu, Gr… = 7 ÷ 10%

Tùy thuộc vào chủng loại xéc măng với điều kiện làm việc khác nhau cần có các yêu cầu kĩ thuật đặc biệt đòi hỏi quá trình hợp kim hóa các nguyên tố hợp kim phải phù hợp

Đề tài nghiên cứu chọn đối tượng cụ thể là xéc măng khí của động cơ xe máy

phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và ma sát gần như khô, cần có khả năng

tự bôi trơn…

Hệ các nguyên tố hợp kim được sử dụng để chế tạo xéc măng xe máy: Cu, Si,

34

-Gr, Mn, Mo… Thực tế ở đề tài này đã sử dụng hệ vật liệu nghiên cứu Fe: 90 ÷ 95%, Cu: 2 ÷ 5%, Graphite: 1÷ 3% để sản xuất xéc măng bột cho các loại động cơ ôtô, xe máy, máy khí nén… Đối với xéc măng làm việc ở điều kiện tải trọng cao cần thêm các nguyên tố Mo, Ti… để tăng khả năng chịu mài mòn và tăng khả năng chịu nhiệt

™ Chuẩn bị phối liệu và trộn phối liệu

Vật liệu ban đầu được sử dụng là bột thương mại bao gồm:

Trọng lượng một xéc măng: 2 gram

Việc nghiền trộn này nhằm mục đích đồng dều hóa thành phần, làm nhỏ kích thước hạt Nghiền trên máy nghiền kiểu cánh khuấy hiện đang có tại phòng thi nghiệm ĐHBK Hà Nội, tỷ lệ giưa bi / bột là: 10/1 với kích thước bi là 8mm, ta tiến hành nghiền mỗi mẻ với thời gian từ 2 ÷ 4h, khi trộn trên máy này tương đối kín nên hiện tượng ôxy hóa rất ít và gần như là không có, không cần tiến hành xử lý thêm

™ Thiết bị phối liệu

Khối lượng từng thành phần trong hỗn hợp bột ban đầu được cân đong trên

Vật liệu kim loại, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

35

Hình 3.1 Cân điện tử, độ chính xác 10 -3 g

3.2 CÔNG ĐOẠN NGHIỀN TRỘN CƠ HỌC

3.2.1 Các thông số cơ bản của quá trình nghiền

Quá trình nghiền cơ - hóa đặc trưng bằng va đập giữa dụng cụ gia công và bột dẫn tới nứt vỡ và dính kết bột Các dạng va đập như là bột và bị nghiền va đập nhau, giữa bi nghiền và thành trong tang nghiền hay là giữa bi nghiền và cánh khuấy

Nghiền cơ - hóa là một quá trình phức tạp, và do đó kéo theo sự tối ưu hóa một

số thông số công nghệ để đạt được các yêu cầu của pha sản phẩm hoặc cấu trúc tế

vi Có một số thông số quan trọng có ảnh hưởng tới kết cấu sản phẩm cuối cùng của vật liệu bột:

- Loại máy nghiền;

- Tang nghiền;

- Tốc độ nghiền;

- Thời gian nghiền;

- Loại, kích thước và sự phân bố theo kích thước của máy nghiền;

- Tỷ lệ bi nghiền/ bột theo khối lượng;

- Khoảng không chiếm chỗ của vật liệu nghiền;

- Môi trường nghiền;

™ Mục đích của quá trình nghiền bi

Quá trình nghiền trộn cơ học nhằm mục đích:

- Tạo năng lượng để thực hiện quá trình hợp kim hóa cơ học;

- Biến dạng, giảm kích thước hạt bột;

- Đồng đều hóa thành phần hỗn hợp bột nghiền …

™ Chọn loại máy nghiền

Có rất nhiều loại máy nghiền như: Máy nghiền trộn; máy nghiền hành tinh; máy nghiền mài mòn … Các máy nghiền này khác nhau về năng suất, tốc độ vận hành, và khả năng điều khiển sự vận hành bởi sự thay đổi của nhiệt độ nghiền và mức độ nhiễm bẩn nhỏ nhất của bột nghiền Tùy thuộc loại vật liệu bột, số lượng vật liệu bột và thành phần cuối cùng yêu cầu mà chọn một máy nghiền phù hợp Máy nghiền bi đứng kiểu cánh khuấy được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm Phần lớn số lần va đập trong máy nghiền loại này có dạng: bi nghiền – bột – bi nghiền Dạng va đập này được dùng làm cơ sở cho việc mô tả lượng hóa quá trình nghiền cơ - hóa Các hạt bột mắc giữa các bi nghiền đang va đập nhau phải chịu biến dạng dẻo mãnh liệt, làm chúng phẳng ra và hóa bền Nếu bề mặt của các hạt bột bị gián đoạn làm lộ ra bề mặt sạch thì có thể dẫn đến hiện tượng hàn nguội (kết dính) khi bề mặt sạch của các hạt phẳng đè lên nhau tiếp xúc với nhau Hơn nữa, biến dạng với tốc độ biến dạng cao và biến dạng tích lũy kèm theo những

va đập này dẫn tới nứt vỡ hạt Các hiện tượng nứt vỡ và kết dính này xảy ra đồng thời liên tục trong suốt quá trình nghiền Để hoàn thành quá trình nghiền cơ - hóa cần đạt được sự cân bằng phù hợp giữa chúng Trong phần lớn các trường hợp, cân bằng đạt được khi có sự phân bố kích thước bột xấp xỉ trạng thái ổn định Trong giai đoạn này, các hạt (nếu chúng được làm từ các kim loại dẻo) thường có dạng

37

-Cánh khuấyTang nghiền

bột hệ Fe-Cu-C(graphite) Đây là máy nghiền do nhóm nghiên cứu vật liệu compozit nền kim loại, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu chế tạo

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý nghiền bi trong máy nghiền cánh khuấy

3.2.2 Phương pháp thực nghiệm

3.2.2.1 Thiết bị

Thiết bị sử dụng cho công đoạn nghiền trộn cơ học là máy nghiền bi kiểu cánh khuấy Tang nghiền được lắp đặt trên một giá đỡ, có thể nâng hạ theo hướng thẳng đứng với chiều cao mong muốn Với kết cấu này, tang nghiền đứng yên và quá trình nghiền được thực hiện thông qua bi nghiền và cánh khuấy đặt thẳng đứng trong cối nghiền, chuyển động quay của cánh khuấy được thực hiện thông qua hệ thống dây đai - puli nối với động cơ

Do chuyển động quay tròn quanh một trục tâm của cánh khuấy, sự chuyển động này dẫn đến sự va đập giữa bi nghiền - thành trong tang nghiền, bi nghiền - bi nghiền, bi nghiền - hỗn hợp vật liệu bột nghiền - bi nghiền Tần suất va đập, năng

Một số thông số đặc trưng của máy nghiền bi kiểu cánh khuấy:

- Công suất động cơ: 350 W

- Số vòng quay của động cơ: 1425 vg/ph

- Số vòng quay (nhỏ nhất) của cánh khuấy: 620 vg/ph

- Kích thước dây đai: sử dụng dây đai M27

- Vật liệu chế tạo tang nghiền: thép không gỉ

- Kích thước tang nghiền: đường kính trong 60 mm, chiều cao 80 mm

- Vật liệu chế tạo cánh khuấy: thép không gỉ

- Bi nghiền: bi thép hợp kim đã biến cứng, đường kính 8 mm

- Các thiết bị phụ trợ: hệ thống nước làm nguội tuần hoàn

Hình 3.3 Máy nghiền bi kiểu cánh khuấy

Sau khi tính toán phối liệu, hỗn hợp 20 gr vật liệu bột ban đầu được nạp vào

buồng nghiền cùng với bi nghiền được chế tạo bằng thép hợp kim đã biến cứng

Quá trình nghiền cơ - hóa được thực hiện trên máy nghiền cánh khuấy với chế độ

nghiền như sau:

3.2.2.3 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình nghiền trộn cơ học

Hiện tượng cơ bản xảy ra trong quá trình nghiền trộn là làm giảm kích thước hạt,

đồng đều hóa thành phần hỗn hợp bột kim loại và có thể hợp kim hóa, thay đổi cấu trúc

hạt hỗn hợp bột kim loại

Sự giảm kích thước hạt hỗn hợp bột kim loại trong nghiền trộn:

- Giai đoạn đầu của quá trình nghiền, khi các hạt bột kim loại chưa có biến dạng,

còn mềm (hỗn hợp bột kim loại có độ bền nhất định), sự va đập của bi làm cho

chúng bẹt ra và có xu hướng hàn lại với nhau tạo thành các hạt có kích thước lớn

hơn Sự hàn nguội chiếm ưu thế hơn sự đập vỡ làm cho kích thước trung bình của

các hạt tăng lên Như vậy, sau giai đoạn này các hạt bột kim loại có kích thước

trung bình lớn hơn, có cấu trúc compozit dạng lớp và có tính chất, thành phần kết

40

-hợp của các chất ban đầu

- Với sự va đập không ngừng, các hạt bột tiếp tục bị biến dạng dẻo, dần dần đến biến cứng và cuối cùng bị đập vỡ thành các mảnh vụn ở đây, các hạt bột đã biến cứng nên sự bẻ gãy chiếm ưu thế hơn sự hàn nguội Điều này làm cho kích thước trung bình của các hạt giảm

- Do sự va đập liên tục của bi nghiền, các hạt bột có kích thước lớn hơn kích thước trung bình sẽ có xu hướng bị bẻ gãy thành các hạt có kích thước nhỏ hơn Các hạt có kích thước nhỏ hơn kích thước trung bình sẽ khó bị đập vỡ hơn và có xu hướng bị hàn lại với nhau Các hạt có kích thước trung bình thì xác suất bị bẻ gãy

và hàn lại là như nhau Như vậy, cuối cùng kích thước các hạt bột kim loại trở nên nhỏ mịn và đồng đều Khi kích thước trung bình các hạt bột kim loại trở nên ổn định thì hỗn hợp bột kim loại đã đạt được một trạng thái cân bằng và ổn định, các hạt bột có thành phần giống thành phần hỗn hợp lúc ban đầu, tốc độ hàn nguội và tốc độ bẻ gãy các hạt bột kim loại là như nhau

- Do các hạt bột kim loại có kích thước trở nên nhỏ mịn hơn nên số lượng hạt bột

sẽ tăng lên so với số lượng hạt lúc ban đầu Kích thước hạt bột kim loại đồng đều hơn nên dải phân bố kích thước hạt sẽ hẹp lại Tỷ lệ thành phần của mỗi hạt bột kim loại là tỷ lệ thành phần hỗn hợp bột ban đầu Tính chất của mỗi hạt bột kim loại là kết hợp các tính chất của mỗi thành phần trong hỗn hợp

Số lượng hạt bột kim loại trong hỗn hợp tăng lên, kích thước trung bình hạt giảm xuống làm tổng diện tích bề mặt của các hạt bột kim loại và tổng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các hạt tăng lên

Với chế độ nghiền đã nêu ở trên, sau khi nghiền kích thước hạt bột đã giảm một cách đáng kể Kết quả chụp ảnh SEM (hình 3.5) cho thấy kích thước trung bình của hạt bột ban đầu là 40 ÷ 50 µm, sau khi nghiền 4h, có thể nhận thấy rõ rằng kích thước hạt bột đạt được cỡ vài micromet