CHƯƠNG 3 CHẾ tạo lớp PHỦ TRÊN CHI TIẾT KHUÔN

Việc tìm hiểu, nghiên cứu cấu tạo và quá trình làm việc của khuôn đúc áp lực nhôm để tìm ra vị trí, chi tiết trong quá trình làm việc ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng vật đúc, đồng thời

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO LỚP PHỦ TRÊN CHI TIẾT KHUÔN

VÀ KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ

Khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm có kích thước lớn, khối lượng lớn Việc chế tạo lớp phủ trên toàn bộ khuôn là rất khó khăn Khuôn được cấu tạo bởi rất nhiều chi tiết làm việc, mỗi chi tiết có kích thước, vật liệu chế tạo khác nhau Mặt khác thiết bị tạo lớp phủ không thể tạo lớp phủ cho chi tiết có kích thước lớn hơn đường kính bia Ti và khối lượng lớn Việc tìm hiểu, nghiên cứu cấu tạo và quá trình làm việc của khuôn đúc áp lực nhôm để tìm ra vị trí, chi tiết trong quá trình làm việc ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng vật đúc, đồng thời cũng bị các tác động lớn nhất tiêu biểu cho khuôn là cần thiết Một chu kỳ tạo sản phẩm của đúc áp lực thường diễn ra rất nhanh (dưới một phút) từ khi đóng khuôn, bắn nhôm, chờ sản phẩm nguội, mở khuôn, lấy sản phẩm Vị trí mà điều kiện làm việc khốc liệt nhất là các chi tiết tạo lỗ cho sản phẩm đúc Cụ thể trên hai bộ khuôn vòng ôm và khuôn giá đỡ tại nhà máy Z117-Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, thì chốt vòng ôm và thao giá đỡ là hai chi tiết thường xuyên xảy ra mòn trên khuôn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm đúc Khi làm việc, tại vị trí tạo lỗ của hai chi tiết nhôm lỏng bao bọc xung quanh nên nhiệt độ cao, khi nhôm đông đặc quá trình rút khuôn ma sát giữa bề mặt chi tiết lớn Chi tiết chịu áp lực của quá trình đúc, bị mỏi nhiệt, đồng thời chịu ma sát lớn gây cho chi tiết bị hỏng do mòn, tróc rỗ bề mặt Để có khảo sát và đánh giá chính xác thì việc khảo sát đánh giá tiến hành trên mẫu thử được chế tạo có cùng vật liệu với chi tiết thử nghiệm (chi tiết khuôn) Các mẫu thử và chi tiết thử nghiệm được phủ TiN cùng một chế độ để đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ trên khuôn đúc

áp lực, khuôn có lớp phủ phải:

- Không thấm ướt với nhôm lỏng

- Có khả năng chống mòn và chống oxy hóa

- Có khả năng thích ứng với ứng suất dư do nhiệt sinh ra trong chu trình bắn vật liệu (nhiệt độ và áp suất) trong quá trình ép khuôn đúc áp lực

- Độ dính bám với vật liệu khuôn - một tương tác có tính kỹ thuật

- Có khả năng hạn chế sự bắt đầu của vết nứt do mỏi nhiệt (kiểm tra nhiệt)

3.1 Chế tạo mẫu thử

3.1.1 Mẫu kiểm tra tính chất cơ lý

Mẫu kiểm tra tính chất cơ lý được chế tạo tại nhà máy Z117 - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng - Bộ Quốc phòng Số lượng mẫu: 20 mẫu; vật liệu chế tạo: SKD61 Kích thước: φ12, δ=3 Sau khi chế tạo, bề mặt mẫu được đánh bóng ∇10

3.1.2 Các chi tiết thử nghiệm sản xuất tại nhà máy

3.1.2.1 Chốt vòng ôm

Chốt vòng ôm là chi tiết được lắp trên khuôn tĩnh của bộ khuôn đúc vòng

ôm, chốt tạo lỗ cho sản phẩm vòng ôm tay phanh xe máy Kích thước như (hình 3.1), vị trí lắp chốt tạo lỗ trên khuôn (hình 3.2), trên một bộ khuôn lắp 12 chốt Kích thước khuôn tĩnh (450x400x220) khối lượng ∼300kg

Phần làm việc của chốt có kích thước 13.1-0,03 Thực tế sản xuất tại nhà máy phần làm việc này của các chốt thường bị mòn, bong tróc bề mặt nhanh hơn các chi tiết khác trong khuôn Các chốt trong cùng bộ khuôn thì tốc độ mòn phần làm việc cũng khác nhau gây ảnh hưởng tới việc sản xuất loạt Đồng thời việc thay thế hay sửa chữa tốn nhiều thời gian và công sức làm giảm năng suất chạy máy Xung quanh chốt tạo lỗ là ba chốt đẩy, sau khi vật đúc đông đặc các chốt đẩy sẽ đẩy vật đúc ra khỏi khuôn Vật liệu chế tạo chốt vòng ôm: SKD61, nhiệt luyện đạt 58-60

HRC

3.1.2.2 Thao giá đỡ

Thao giá đỡ là chi tiết được lắp trên khuôn đúc giá đỡ lựu đạn, chốt tạo lỗ cho sản phẩm giá đỡ lựu đạn Kích thước thao giá đỡ như (hình 3.3), vị trí lắp trên khuôn (hình 3.4), gồm 02 thao Phần làm việc của chốt có kích thước l=40 Khi đúc thì phần làm việc này bị bao bọc bởi kim loại lỏng, sau khi vật đúc đông đặc, thao được rút ra khỏi sản phẩm Ảnh hưởng của phần làm việc của thao giá đỡ tương tự như chốt tạo lỗ Nhưng đối với các chi tiết quân sự thì yêu cầu kỹ thuật rất cao, để đảm bảo an toàn cho các công đoạn tiếp sau Do vậy thao giá đỡ không có sửa chữa trong quá trình làm việc, khi có sai lệch đến mức cho phép thì chi tiết được thay thế bằng chi tiết mới Vật liệu chế tạo thao: SKD61, nhiệt luyện đạt 58-60 HRC

Hình 3.3 Thao giá đỡ

Quy trình chế tạo lớp phủ TiN như (hình 3.5) Trong đó bước thứ nhất, làm sạch chi tiết được coi là một trong những bước quan trọng nhất vì quá trình này quyết định độ dính bám của lớp phủ Bước tạo lớp phủ là bước căn bản nhất để có được lớp phủ đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật Hai bước này quyết định cả quy trình công nghệ

Hình 3.5 Quy trình công nghệ tạo lớp phủ trên thiết bị Z550

Tạo nguồn cao tần

Điều chỉnh công suất

cao tần

Điều chỉnh khí N2 trong

buồng

Duy trì dòng phún xạ

Rửa chi tiết

Xếp chi tiết vào

- Tạo khí nén cho đến khi hệ đạt 5atm

- Tạo nước làm lạnh tuần hoàn áp đạt 5atm, lưu lượng 8lít/phút

- Khởi động bơm cơ học, mở van V3, hút chân không buồng làm việc đến khi chân không đạt > 1.10-2mbar

- Cho bơm cơ học hút bơm turbo, mở van V2 cho đến khi chân không đạt

Lúc này hệ máy ở trạng thái sẵn sàng làm việc, thời gian thực hiện các bước trên khoảng 60 phút

Hình 3.7 Chi tiết được xếp trong buồng trước khi phủ

3.2.5 Tiến hành tạo màng

Bảng 3.1 Chế độ công nghệ khi chế tạo lớp phủ TiN tỷ lệ 1:1 trên thiết bị Z550

Thông số công nghệ Trị số

Áp suất buồng chân không 1,23.10-2mbar

Áp suất riêng khí N2 đưa vào 2,2.10-4mbar

Áp suất riêng Ar đưa vào 4,8.10-4mbar

- Đưa khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =130) Hiệu chỉnh van chiết lưu áp suất trong buồng ổn định ở 2,2.10-4mbar Thời gian ổn định chân không 15 phút

- Đưa khí argon vào buồng làm việc (Ar =25) Hiệu chỉnh van chiết lưu áp suất ổn định ở 4,8.10-4mbar Thời gian ổn định chân không 15 phút (khí làm việc gồm argon và nitơ)

- Áp suất làm việc của buồng: 1,23.10-2mbar

- Khởi động nguồn cao tần (60 giây để ổn định công suất phát)

- Nối cao tần vào bia và nâng công suất cao tần từ từ lên 1500W Đồng thời hiệu chỉnh mạch L - C để công suất phản hồi nhỏ nhất: 50W và thế bias ở bia đạt 2000V

- Hiệu chỉnh thế bias đế cỡ 30 - 40V

- Duy trì khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =130), thời gian duy trì 30 phút

- Điều chỉnh khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =135), thời gian duy trì 30 phút

- Điều chỉnh khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =140), thời gian duy trì 1 giờ Duy trì máy chạy ổn định trong suốt thời gian tạo màng Thời gian tạo màng

120 phút Độ dày lớp màng phụ thuộc vào thời gian này

Hình 3.8 Buồng phản ứng khi chế tạo màng TiN có tỉ lệ 1:1

3.2.6 Kết thúc quá trình tạo màng

Hình 3.9 Chi tiết sau khi được phủ

- Đưa công suất cao tần về 0, lúc này công suất phản hồi và thế bias về 0

- Tắt nguồn phát cao tần

- Đóng van chiết lưu khí argon và nitơ

- Đóng van V1, tắt bơm turbo

- Đóng van V2, tắt bơm cơ học

Đến đây quá trình làm việc kết thúc

Hình 3.11 Bề mặt 3D lớp phủ TiN chụp bằng kính hiển vi x3000

3.3.2 Đo độ cứng lớp phủ

Màng titannitrit được xác định độ cứng tế vi theo phương pháp đo Vicker trên máy Microharte Pruefeinrichitung 100 của CHLB Đức, sử dụng mũi kim cương Vicker, tại phòng Công nghệ Màng mỏng- Trung tâm Quang điện tử- Viện Ứng dụng công nghệ- Bộ Khoa học công nghệ.Đo độ cứng của màng TiN (hình 3.12):

Nguyên lý đo:

Hình 3.12 Nguyên lý đo Vickers

Mũi thử trường hợp này là mũi hình tháp, có 4 cạnh chia đều, có kích thước tiêu chuẩn, đáy vuông và góc ở đỉnh là 136o±30’ bằng kim cương

Mũi thử đuợc ấn vào vật liệu dưới tác dụng của tải trọng, có 2 dải lực đo: micro 10g ÷ 1000g và macro 1kg ÷ 100kg Với thời gian giữ tải trọng tiêu chuẩn là

10 ÷ 15 giây

Vết lõm của mũi thử để lại trên vật liệu được đo theo chiều dài đường chéo

Lớp phủ TiN

đáy hình vuông trên vật liệu thử

Hình 3.13 Thực hiện thao tác đo độ cứng màng TiN tại phòng Công nghệ Màng mỏng - Trung tâm Quang điện tử

Thiết bị đo độ cứng tế vi Mikrohärte-Prüfeinrichtung mhp 100 có hệ quang học với độ phóng đại 480 lần Tải trọng lớn nhất đặt trên mũi thử là 100 gf (980 mN) và tải trọng nhỏ nhất là 2 gf ( 19,6 mN) Tải trọng nhỏ nhất có thể thay đổi trong mỗi lần đo là 2 g (19,8 mN) Những thông số của máy hết sức phù hợp trong việc đo độ cứng tế vi của lớp phủ cứng với chiều dày rất nhỏ (cỡ vài µm)

Độ cứng của màng xác định bằng:

HV = 1852 F/d2 Trong đó: F - Lực tác dụng

d - Độ rộng của vạch trên màng

Kết quả được biểu diễn ở (bảng 3.1):

Bảng 3.2 Kết quả đo độ cứng của màng TiN

3.3.3 Thử nghiệm sốc nhiệt

Đúc áp lực cao là công nghệ đúc có đặc trưng là hiện tượng đông đặc phức tạp dựa vào sự biến đổi trong một thời gian ngắn dưới sự tác động của áp lực cao, khuôn sẽ giữ vai trò quan trọng trong trao đổi nhiệt Năng suất làm mát khuôn có mối quan hệ mật thiết với chu kì, độ chính xác của kích thước sản phẩm, chất

Vết đâm trên mẫu

lượng Sau 10 lần bắn khuôn (15 phút làm việc) nhiệt độ bề mặt khuôn và nhiệt độ trong khuôn thay đổi (hình 3.14) ổn định, phân bố nhiệt độ bề mặt của khuôn sẽ thay đổi dựa theo độ dày của sản phẩm và lượng nhiệt dung của khuôn

Khi làm việc khuôn và các chi tiết trong khuôn đúc bị nung nóng nhanh bởi nhôm lỏng, thời gian rất ngắn Sau đó bề mặt khuôn được làm nguội bằng nước và dầu tách khuôn Trong khuôn có hệ thống làm mát liên tục bằng nước Quá trình thay đổi nhiệt độ diễn ra liên tục sau mỗi lần bắn nhôm lỏng vào khuôn tạo sản phẩm đúc Khoảng nhiệt độ thay đổi từ 150-3000C Những chi tiết tạo lỗ có thể bị nung nóng tới 450-5500C Điều này gây cho chi tiết bị mỏi do nhiệt

Hình 3.14 Thay đổi nhiệt độ khuôn theo thời gian từ sau khi khởi động khuôn

Để kiểm tra khả năng chịu thay đổi nhiệt của lớp phủ trên bề mặt khuôn là rất khó khăn, bởi khuôn đúc được chế tạo chính xác, việc gắn cảm biến nhiệt tại vị trí kiểm tra trên khuôn đang sản xuất là rất phức tạp

Do đó, kiểm tra sốc nhiệt lớp phủ được tiến hành trên mẫu (mục 3.1.1) được

phủ TiN cùng mẻ chi tiết chốt vòng ôm (Hình 3.14) thể hiện sự thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn là thay đổi dạng sóng theo thời gian, nhưng do thiết bị thử nghiệm khó điều chỉnh nhiệt độ theo giản đồ, thao tác khi thí nghiệm không duy trì được như sản xuất nên việc kiểm tra sốc nhiệt thực hiện như sau: Mẫu được nung ở nhiệt độ

xác định (nung nóng 1 phút, giữ nhiệt 1 phút, làm nguội 3 giây) lặp lại 10 lần trong thời gian 30 phút (hình 3.15)

Hình 3.15 Thử nghiệm sốc nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau

Thử nghiệm sốc nhiệt đối với lớp phủ TiN được thực hiện tại nhà máy Tổng cục Công nghiệp quốc phòng-Bộ Quốc phòng

Z117-Mẫu thử nghiệm: Z117-Mẫu φ12, δ=3 được phủ TiN

Số lượng: 06 mẫu; Thiết bị thử nghiệm: Lò thử nghiệm: RJX4 (max

lần thử

Tổng thời gian thử (phút)

Nung (phút)

Giữ nhiệt (phút)

Làm nguội trong nước (giây)

3.3.4 Thử nghiệm khả năng dính bám nhôm lỏng của lớp phủ TiN

3.3.4.1 Kiểm tra khả năng tách khuôn của lớp phủ TiN

Theo [1] thử nghiệm được thực hiện thực hiện để kiểm tra khuynh hướng hàn dính giữa kim loại và lớp phủ Thử nghiệm này cũng có thể được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của các khuôn được bôi trơn với khuôn không được bôi trơn và giải phóng chất bôi trơn khỏi khuôn, đặc biệt hữu ích để xác định lớp phủ được sử dụng trong khuôn khuôn đúc áp lực lý do là nó quyết định nội tương tác và lực ma sát giữa lớp phủ và kim loại rắn

Một chi tiết hình trụ có phủ được đặt trong một nồi nấu kim loại bằng gốm chứa nhôm lỏng được đổ chặt xung quanh lõi trụ (hình 3.17a) [1] (Hình 3.17b) thí nghiệm trong luận văn gồm hai chốt trụ (1 chốt có phủ TiN và 1 chốt không phủ TiN) đặt trong cốc kim loại phủ bề mặt bằng dầu tách khuôn chứa nhôm lỏng được

đổ chặt xung quanh chốt

Hình 3.17 Mẫu kiểm tra khả năng tách khuôn

Lõi trụ và nhôm đã cứng hóa được lấy ra khỏi nồi nấu và được đặt trong kết cấu gá dạng dàn MTS (hình 3.18a) [1], trong đó lõi trụ được kéo ra khỏi nhôm đã cứng hóa Biểu đồ tải đặt theo thời gian sau đó được phân tích về khả năng bám dính và lực ma sát (Hình 3.18b) chốt trụ và nhôm thí nghiệm được gá trong bộ gá (khối nhôm được cố định trong trụ kim loại, đầu chốt được kẹp chặt bằng mỏ kẹp của thiết bị kéo)

Hình 3.18 Gá mẫu khi thử kéo

Thực hiện kéo chốt ra khỏi khối nhôm trên máy thử kéo INSTRON 5569 (max 50kN)- tại Trung tâm công nghệ vật liệu- Viện Ứng dụng công nghệ- Bộ Khoa học công nghệ Lắp mẫu trên gá kẹp, tiến hành kéo chốt tách khỏi khối nhôm Thí nghiệm xác định lực lớn nhất khi chốt tách, lực ma sát còn lại khi chốt rời dần

ra (hình 3.19)

Chốt

có phủ TiN

Chốt không phủ TiN

Hình 3.19 Thử kéo

a) Chi tiết có phủ TiN; b) Chi tiết không phủ TiN (Hình 3.20) trình bày đường cong “thời gian -tải” của các lớp phủ và thép dụng cụ H13 cho kiểm tra tách khuôn [1] Các điểm cực đại của mỗi đường cong là tải trọng tới hạn để rút chốt trụ ra khỏi phần nhôm đúc, và đại diện cho lực dính bám cũng như lực liên kết hàn giữa các lớp phủ và nhôm rắn: Khi tải trọng tới hạn thấp hơn thì lớp làm việc tách khuôn tốt hơn Diện tích dưới mỗi đường cong liên quan với năng lượng bám dính giữa lớp phủ và nhôm rắn, diện tích này có thể được chia thành hai phần Các khu vực từ tải bằng 0 đến tải cực đại là năng lượng kết dính, khu vực giữa các tải cực đại đến khi lấy chốt trụ hoàn toàn khỏi khối nhôm rắn liên quan đến năng lượng ma sát

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Hình 3.20 Đường cong Hình 3.21 Biểu đồ lực kéo mẫu thí nghiệm “thời gian-tải” [1] Series1: Chốt có phủ TiN;

Series2: Chốt không phủ TiN Chốt

(Hình 3.21) biểu đồ “lực kéo-chiều dài kéo” (chiều dài kéo thay đổi tuyến tính theo thời gian) khi kéo chốt có phủ TiN và chốt không phủ TiN ra khỏi khối nhôm, (bảng 3.4) thông số thí nghiệm đối với mẫu có phủ TiN thì lực kéo tới hạn nhỏ (11354N), mẫu không phủ TiN lớn hơn nhiều (17985N), đồng thời lực còn lại sau khi chốt tách khỏi khối nhôm cũng nhỏ hơn

Bảng 3.4 Thông số thí nghiệm kéo

Chiều dài kéo (mm)

3.3.4.2 Kiểm tra khả năng thấm ướt nhôm lỏng của lớp phủ TiN

Trong kim loại lỏng các nguyên tử được liên kết với nhau nhờ vào các lực cân bằng Do vậy, mà chất lỏng ở trạng thái cân bằng Nhưng ở bề mặt tiếp xúc với môi trường khác (thành khuôn, không khí…), thì sự cân bằng nói trên bị phá hủy do không có mối liên kết giữa kim loại lỏng và môi trường (khuôn, không khí) hoặc có liên kết đó nhưng giá trị của nó lại khác Tùy theo đặc tính của từng kim loại, hợp kim và môi trường tiếp xúc, mà người ta có thể phân chia thành 3 trường hợp để xem xét

a) Nếu lực liên kết của các nguyên tử kim loại lỏng với nhau mà lớn hơn lực tương tác giữa kim loại lỏng và môi trường (thành khuôn), thì sự không cân bằng các lực sẽ làm bề mặt thoáng của chất lỏng phồng lên (hình 3.22)

Hình 3.22 Kim loại lỏng không thấm ướt khuôn

Nghĩa là bề mặt kim loại dâng lên cao hơn vị trí tiếp xúc của kim loại với khuôn một khoảng xác định Sự dâng lên đó làm cân bằng ứng suất hình thành tại vị trí tiếp xúc giữa khuôn và kim loại Trong trường hợp này, thì kim loại lỏng không thấm ướt thành khuôn

Nếu ta ký hiệu 1, 2 và 3 thay cho kim loại lỏng, không khí và khuôn, thì người ta có thể viết được sức căng (ứng suất) giữa các môi trường đó như sau: Giữa kim loại lỏng và không khí là σ1,2; giữa kim loại lỏng và khuôn là σ1,3; giữa không khí và khuôn là σ2,3 Đối với trường hợp này thì σ1,3 lớn hơn σ2,3 và theo (hình 3.22)

nó hạn chế sự bám dính của kim loại lên thành khôn đúc

b) Nếu sức căng bề mặt giữa kim loại lỏng và khuôn bằng sức căng bề mặt giữa không khí và khuôn, nghĩa là: σ1,3 = σ2,3, thì đây là trường hợp trung hòa Trong trường hợp này không có hiện tượng thâm nhập kim loại vào và đẩy kim loại lỏng ra khỏi bề mặt khuôn, khi nó tiếp xúc với thành khuôn (hình 3.23) Góc θ =

900, cosθ = 0 Do vậy, ta rút ra:

σ1,3 = σ2,3

Hình 3.23 Kim loại lỏng trung hòa