Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến cơ lý tính của vật liệu nền thuỷ tinh trong đĩa cắt kim cương

Em của đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Minh Nghiệp, thầy Trương Ngọc Thận, thầy Vũ Chất Phác, thầy Kozo Ishizaki, thầy Matsumaru Koji, Tiến sĩ Jodan Kazuki và các thầy cô giáo trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ

TẠO VÀ CƠ LÝ TÍNH CỦA CHẤT LIÊN KẾT ĐẾN ĐỘ

BỀN CỦA ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG

MỤC LỤC

Mục lục……… 2

Lời mở đầu……… 4

Đặt vấn đề……… 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN……… 7

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐĨA CẮT……… 7

1.2 ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG……… 11

1.3 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG…… 12

1.3.1 Độ bền uốn………

1.3.2 Khả năng chống rung………

1.3.3 Phương pháp đo Modul Young và khả năng chống rung………

12 13 14 CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO……… 16

2.1 CHẾ TẠO BỘT……… 16

2.2 QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH……… 25

2.2.1 Chuẩn bị bột ép………

2.2.2 Ép bột………

2.2.3 Thiêu kết………

2.2.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ………

25 26 33 41 2.2.4.1 Tính chất của bột kim loại ban đầu………

2.2.4.2 Áp lực ép……… ……

2.2.4.2 Nhiệt độ thiêu kết………

2.2.4.4 Thời gian thiêu kết ………

2.2.4.5 Môi trường thiêu kết………

41 41 42 43 45 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM……… 47

3.1 NGUYÊN LIỆU……… 47

3.2 QUÁ TRÌNH ÉP TẠO HÌNH……… 49

3.3 QUÁ TRÌNH THIÊU KẾT……… 50

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ Micro và Nano ra đời tạo ra các công cụ đi kèm với chúng Đề tài này giới thiệu về một trong những công cụ tạo ra các chi tiết nhỏ, đó là đĩa cắt kim cương Ngoài việc giới thiệu, đề tài còn đi sâu nghiên cứu về một số yếu

tố ảnh hưởng tới cơ lý tính của vật liệu nền thuỷ tinh có trong đĩa cắt kim cương

Đề tài gồm 5 chương nhưng có thể tóm lại thành 3 phần Phần lý thuyết, thực nghiệm và kết luận Phần lý thuyết tóm tắt lại những kiến thức cơ bản về công nghệ chế tạo chi tiết này Phần thực nghiệm nêu quá trình chế tạo và các kết quả đạt được Phần kết luận có kèm theo một số hướng phát triển của đề tài

Em của đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Minh Nghiệp, thầy Trương Ngọc Thận, thầy Vũ Chất Phác, thầy Kozo Ishizaki, thầy Matsumaru Koji, Tiến sĩ Jodan Kazuki và các thầy cô giáo trong bộ môn Vật liệu kim loại Màu

và Compozit và các thầy cô giáo trong khoa Khoa học và CNVL đã tạo điều kiện cho em thực tập ở Nhật với thời gian một năm, thí nghiệm tại phòng cũng như các hướng dẫn để hoàn thành đề tài

Sinh viên

Đỗ thị Mai Dung

Đặt vấn đề

Trong công nghệ gia công vật liệu ceramic (gốm), việc chế tạo một thiết bị để gia công chúng là vô cùng khó bởi ceramic là loại vật liệu cứng và giòn Thời gian bắt đầu gia công vật liệu cho đến khi kết thúc tức là đến khi bề mặt ceramic ở trạng thái mịn là rất dài Nhìn chung, để đạt được một bề mặt mịn thì quá trình gia công phải trải qua 4 bước liên tục: cắt, cân chỉnh, làm sạch bụi và đánh bóng Nếu qúa trình không hiệu quả sẽ làm cho thời gian gia công dài và giá thành sản phẩm ceramic sẽ tăng lên

Trong thực tế người ta luôn mong muốn tạo ra một loại đĩa cắt với hiệu quả cắt cao và đường cắt mịn Các thông số quan trọng làm giảm giá trị chính xác cắt được nhận biết qua sự biến dạng của bánh xe cắt và độ chính xác của máy cắt Thông thường, độ chính xác của máy cắt dễ dàng đạt được khi đĩa cắt có

độ dày nhỏ hơn 1 m, và độ cứng lớn hơn 49 N/m Mặt khác, phần lớn đĩa cắt được sử dụng trong máy cắt có độ dày khoảng 0.5 mm[1] Do vậy độ cứng của đĩa cắt đóng vai trò quyết định đối với độ chính xác khi cắt Tuy nhiên sự biến dạng của bánh xe cắt lại được xác định bằng độ bền của nó Độ bền cao đồng nghĩa với việc thời gian làm việc của đĩa cắt dài dẫn tới hiệu quả giá trị

sử dụng đĩa cắt tăng Bên cạnh đó, độ bền cao cũng làm cho độ dao động của đĩa cắt trong quá trình làm việc lớn, hệ quả là bề mặt cắt thô và gồ ghề Vì vậy, hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu về độ bền của các đĩa cắt, nhằm đạt được yêu cầu về mặt chất lượng lẫn hiệu quả làm việc của dao cắt Nhiều loại đĩa cắt đang được nghiên cứu và sử dụng với các thành phần khác nhau, trong đó

có loại đĩa cắt có các hạt kim cương phân bố trong nền thuỷ tinh, ở loại đĩa cắt này độ bền của đĩa cắt phụ thuộc một phần vào độ bền của vật liệu nền

thuỷ tinh Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của đề tài này là nghiên cứu độ bền của vật liệu nền thuỷ tinh trong đĩa cắt kim cương và một số yếu tố ảnh hưởng lên nó Theo một số nghiên cứu, độ bền của thuỷ tinh có giá trị dao động trong khoảng từ 50 - 120 Gpa tuỳ theo thành phần có trong vật liệu thuỷ tinh

đó Hi vọng rằng những kết quả nghiên cứu này sẽ góp phần vào việc tính toán và xác định độ bền đĩa cắt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐĨA CẮT

Cách đây vài trăm năm, Krebs và Riedel là 2 nhà chế tạo công cụ người Đức

đã tìm ra cách chế tạo các công cụ cắt mài cho nhiều ứng dụng khác nhau

Khoảng hơn chục năm gần đây, nhiều bài báo trong tạp chí Các phương pháp

kỹ thuật cho chế tạo Micro và Nano giới thiệu sự tạo thành các cấu trúc hay

thiết bị với kích cỡ nhỏ Để gia công cắt gọt các thiết bị micro và nano này, người ta cần phải có những thiết bị đặc biệt để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, một trong số các thiết bị đó là đĩa cắt ceramic với các thành phần khác nhau Tuy nhiên, điều ẩn chứa trong các bài nghiên cứu là tìm ra chất nền có trong đĩa cắt để vừa tạo ra bề mặt phẳng vừa phải, vừa tạo nên những cấu trúc theo

ý muốn Vì vậy, có một mối liên hệ giữa sự tạo thành bề mặt phẳng và sự phát triển các công cụ tạo ra chúng [2]

Nhiều thuộc tính của gia công cơ khí đã được yêu cầu cùng với sự phát triển của những công cụ chính xác Hình 1.1 biểu diễn kết quả thăm dò về thuộc tính quan trọng của gia công Trong số các thuộc tính, sự chỉnh sửa bề mặt gồ

gề là quan trọng nhất, độ phẳng và thời gian gia công là thứ hai Tóm lại, hiệu quả cao và bề mặt nhẵn là yêu cầu của quá trình chế tạo [3]

Nhiều loại vật liệu mới như gốm kỹ thuật hay vật liệu điện tử có độ cứng và

độ dai cao nhưng lại có yêu cầu thiết kế phẳng Nhưng giá thành máy móc cao hạn chế mục đích sử dụng chúng trong việc chế tạo Đối với các thiết bị hoạt động như điện tử siêu dẫn và phương tiện truyền thông băng ghi, yêu cầu về kích thước tế vi và nano, bề mặt nhẵn và độ chính xác ngày càng trở nên cao

hơn với hiệu suất của thiết bị được nâng cao Để gia công cắt gọt các chi tiết của các thiết bị trên, người ta đã chế tạo ra một thiết bị cắt với độ rộng của vết cắt nhỏ, cỡ m bằng cách sử dụng một loại chất nền liên kết các hạt cắt lại với nhau và gọi chung là đĩa cắt Đĩa cắt này được chế tạo dựa trên kiến thức công nghệ chế tạo vật liệu xốp mà chủ yếu là công nghệ luyện kim bột và do đó nghiên cứu bột nền hay bột kết dính cũng được dựa trên các kiến thức chế tạo vật liệu xốp [2]

Hình 1.1 Những thuộc tính quan trọng trong gia công cắt gọt

Căn cứ vào loại chất nền và loại hạt cắt mà người ta có nhiều loại đĩa cắt khác nhau nhưng tất cả chúng đều bao gồm ba thành phần cơ bản: hạt cắt, vật liệu kết dính và lỗ xốp (hình 1.2) Khi đĩa cắt được thiết kế, cả ba thành phần trên

%

được xác định theo một tỉ lệ về thể tích, đặc biệt hạt cắt và vật liệu kết dính là các thông số quan trọng Ví dụ, để thu được bề mặt mịn thì hạt cắt phải là những hạt nhỏ mịn và sự phân bố các hạt phải chính xác Tuy nhiên việc giảm kích cỡ hạt có liên quan đến khả năng cắt giảm, vì vậy, trong quá trình chế tạo, các thông số sẽ được nghiên cứu sao cho phù hợp với yêu cầu

Hình 1.2 Cấu tạo của đĩa cắt kim cương

Có rất nhiều loại hạt cắt như oxit nhôm, silicon carbide, kim cương và CBN (cubic boron nitrite), tuỳ theo vật liệu được cắt mà các hạt trên được sử dung theo đúng yêu cầu Thông thường, CBN được sử dụng cho thép còn kim cương được sử dụng cho vật liệu kim loại màu, bởi vì CBN không phản ứng với sắt khi ở nhiệt độ cắt hoặc mài cao tới 1350C, trong khi kim cương là khoảng 600C Tuy nhiên gần đây, kim cương cũng được ứng dụng đối với thép do phương pháp làm nguội đã phát triển và nâng cao Độ cứng của hạt cắt phải cao hơn vật liệu được cắt Ví dụ, kim cương được ứng dụng cho vật liệu cứng như thủy tinh Kích cỡ hạt cắt cũng có ảnh hưởng tới bề mặt thô, mịn của vật liệu được cắt và lượng vật liệu bị cắt đi Kích cỡ hạt càng bé, độ

Hạt cắt (1)

Vật liệu kết

dính (2)

Lỗ xốp (3)

mịn càng lớn thì lượng cắt đi sẽ giảm Số lượng tổng các hạt cắt trong đĩa cắt cũng khác nhau giữa hạt lớn và hạt nhỏ, với đĩa cắt có thành phần hạt lớn ít hơn các hạt nhỏ, hiệu quả lực cắt trên mỗi hạt sẽ lớn hơn so với các hạt nhỏ và như vậy đĩa cắt có thành phần hạt lớn hoạt động với lượng cắt lớn hơn

Thực tế hiện nay, có năm loại vật liệu kết dính là nhựa tổng hợp, kim loại, thuỷ tinh và vật liệu liên kết mạ điện và gần đây là gang xốp Nhiệm vụ của vật liệu kết dính là liên kết các hạt cắt với nhau, với vật liệu nhựa tổng hợp nhân tạo, độ bền uốn và tỉ số bền thấp, trong khi đó kim loại kết dính lại cho

độ bền uốn và tỉ số bền cao Vật liệu kết dính bằng thuỷ tinh có độ bền uốn cao và tỉ số bền thấp Nếu vật liệu có tỉ số bền cao thì sẽ rất khó để cắt Nếu

độ bền uốn thấp, đĩa cắt sẽ bị biến dạng khi lực cắt tăng khi làm việc Điều này có nghĩa là đối với vật liệu có độ bền uốn thấp, đường cắt sẽ có độ chính xác thấp nhưng lại có độ nhẵn cao Do vậy, đối với một đĩa cắt kim cương, tốc

độ cắt, tỉ số cắt, độ chính xác của máy móc có sự ảnh hưởng lẫn nhau [3]

Lỗ xốp trong đĩa cắt đóng một vai trò quan trọng, nó như những kênh để làm nguội và như những túi chứa các hạt cắt bong ra Lỗ xốp còn làm tăng khả năng tự cắt, điều này có nghĩa là nó sẽ tự làm bong những hạt cắt đã cùn và làm lộ ra những hạt cắt mới trên bề mặt đĩa cắt Thường thì đĩa mài và cắt có chứa nhôm oxit (Al2O3) và silic carbit (SiC) có chứa nhiều lỗ xốp và được sản xuất bằng việc sử dụng chất kết dính thuỷ tinh Kích thước của lỗ xốp mở lớn vào khoảng 10 đến 1000 m và chứa khoảng 30% thành phần của dao cắt

1.2 ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG

Đĩa cắt kim cương bao gồm ba thành phần: (1) các hạt cắt là kim cương, (2) vật liệu kết dính là vật liệu thuỷ tinh đóng vai trò là bộ xương của đĩa cắt và

có nhiệm vụ dính kết các hạt kim cương lại với nhau và do đó, tạo nên các lỗ xốp (3) trong cấu trúc của dao cắt (Hình 1.2) Do có cấu tạo mỏng và liên kết giữa vật liệu kết dính và kim cương là liên kết cơ học nên độ bền của đĩa cắt được các nhà sản xuất đặc biệt chú ý Do vậy, độ bền của đĩa cắt kim cương phần nào được quyết định bởi độ bền của vật liệu kết dính, theo một số nghiên cứu, vật liệu thuỷ tinh có tỉ số bền thấp và độ bền uốn cao sẽ làm tăng

độ bền và tăng khả năng cắt vật liệu Vì lý do này, vật liệu thuỷ tinh đã được lựa chọn làm vật liệu nền trong đĩa cắt kim cương Hiện nay, các nhà sản xuất đang nghiên cứu xác định độ bền của đĩa cắt và các thông số ảnh hưởng lên

độ bền nhằm nâng cao được độ bền dao cắt mà khả năng chống rung của dao cắt vẫn nằm trong giới hạn cho phép Vì vậy đề tài nghiên cứu này mong muốn góp một phần nhỏ trong việc đánh giá đó

1.3 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG

1.3.1 Độ bền uốn

Biến dạng đàn hồi được coi là mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng tổng và tuân theo định luật Hooke tức là độ biến dạng tổng hợp tỉ lệ với ứng lực

 = E (1.1) trong đó  là ứng lực được định nghĩa là độ lớn của lực trên tổng diện tích lực

đó tác dụng lên

E là giới hạn đàn hồi hay Modul Young (Độ bền Young)

 là độ biến dạng là tỉ số của độ biến dạng chiều dài trên tổng chiều dài



(1.3)

Do vậy, E được tính là

E=  (1.4) Đối với vật liệu cứng và dòn thì E chính là độ bền uốn của vật liệu

Tuy nhiên, trường hợp này được ứng dụng cho vật liệu rắn, ở đây, trường hợp của chúng ta đang xét là vật liệu xốp, vì vậy, E được tính theo công thức sau[4]

E = E0 exp (-bp) (1.5)

Trong đó, E0 là độ bền khi độ xốp bằng không

p là độ xốp

a, b là hệ số của vật liệu

1.3.2 Khả năng chống rung (Damping Capacity)

Khả năng chống rung là một đại lượng đo khả năng của vật liệu làm biến mất năng lượng ứng suất đàn hồi trong suốt quá trình dao động cơ học hay sự truyền sóng Dựa vào khả năng chống rung mà chúng ta có thể điều chỉnh độ thô hay mịn của vật liệu, tuỳ theo sự chống rung cao hay thấp Sự chống rung vật liệu thấp có thể được dùng trong các nhạc cụ âm nhạc nơi mà dao động cơ học là liên tục và sự truyền sóng âm thanh được xác định trước Ngược lại, vật liệu có khả năng chống rung cao được sử dụng trong việc làm giảm dao động để kiểm soát tiếng ồn và tạo độ ổn định trong các hệ và các công cụ nhạy cảm Thuộc tính chống rung cao trong các cấu trúc có thể được thu được vừa bằng các biện pháp bên ngoài như chống rung bằng không khí, bằng cọ sát và giảm chấn (các hệ thống chống rung), vừa bằng các biện pháp bên trong, bao gồm việc sử dụng vật liệu chống rung tốt Ứng dụng của vật liệu chống rung cao có thể rất cần thiết cho những thiết bị kiểm tra hoạt động đặc biệt và cũng có thể tập trung để tiết kiệm tải trọng trong toàn bộ cấu trúc Khả năng chống rung được ký hiệu là Q-1 và được tính theo công thức sau:

fr là tần số cộng hưởng trong phổ của độ lớn bình phương trên tần số của mẫu dưới dao động lực

1.3.3 Phương pháp đo Modul Young và khả năng chống rung

Để đo được Modul Young và khả năng chống rung, người ta sử dụng thiết bị như ở hình 1.3 và 1.4 Thiết bị này sử dụng phương pháp dao động riêng với kiểu dao động cộng hưởng tự do và được sử dụng để đo giới hạn đàn hồi và

ma sát trong Phương pháp mẫu dao động tự do ở điểm dao động có tác dụng làm cho các phép đo lặp lại được giảm tối thiểu và kết quả nhận được sau khi

đo khá chuẩn xác

Hình 1.3 Thiết bị đo giới hạn đàn hồi

Sơ đồ đo độ bền và độ chống rung được biểu diễn ở hình 1.4 Mẫu được đặt trên 2 thanh đỡ Nhờ vào nguồn điện xoay chiều được nối với thanh đỡ mà mẫu và điện cực được tích điện Khi mẫu và điện cực cùng dấu, mẫu sẽ bị đẩy cong lên phía trên và khi cùng dấu, mẫu bị uốn cong xuống phía dưới Dầu dò phía trên mẫu đóng vai trò đếm số lần mẫu dao động và truyền thông tin qua một ampe kế và về phía máy vi tính Ở đây, dựa vào số dao động của mẫu,

máy tính sẽ tính toán đưa ra giá trị độ bền Young và khả năng chống rung của vật liệu

Hình 1.4 Sơ đồ đo độ bền Young và khả năng chống rung

Độ bền uốn hay Modul Young của mẫu được tính theo công thức sau:

) ) ( 59 , 6 1 ( ) )(

( 9465 ,

2

L

t t

L w

Mf

Trong đó: M - khối lượng của mẫu (kg)

W - độ rộng của mẫu (m)

fr - tần số cộng hưởng của mẫu (Hz)

L - chiều dài mẫu (m)

t - độ dày của mẫu (m)

E - Modul Young (GPa)

Mẫu 0.1mm

Ampe kế

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

Việc chế tạo đĩa cắt kim cương được thực hiện theo công nghệ luyện kim bột

và bao gồm các công đoạn chính sau:

2.1 CHẾ TẠO BỘT

Công nghệ sản xuất ceramic được bắt đầu bằng quá trình chế tạo bột Hiện nay đang tồn tại rất nhiều phương pháp sản xuất bột kim loại, việc lựa chọn phương pháp tạo bột phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ kỹ thuật của các chi tiết sản phẩm Các phương pháp chế tạo bột kim loại quyết định chất lượng, kích thước hạt, giá thành chế tạo và có thể chế tạo được bột kim loại có những tính chất đặc biệt

Các phương pháp chế tạo bột có thể phân thành 2 nhóm sau (bảng 2.1):

• Các phương pháp hoá lý

• Các phương pháp cơ học

Các quá trình công nghệ sản xuất bột kim loại thuộc nhóm phương pháp hoá-lý liên quan một cách sâu xa với các quá trình chuyển biến hoá – lý của vật liệu ban đầu Bột kim loại nhận được có những tính chất hoá – lý khác với vật liệu phôi ban đầu

Các phương pháp hoá lý chính là:

- Phương pháp hoàn nguyên

- Phương pháp điện phân

- Phương pháp phân ly Cacbonyl

Các phương pháp cơ học được xây dựng trên nguyên lý phá huỷ cơ học vật liệu ban đầu thành bột không có sự thay đổi đáng kể về thành phần hoá học Phương pháp nghiền các vật liệu cứng trong các máy nghiền có cấu tạo khác nhau và phun mù kim loại, hợp kim lỏng là những phương pháp cơ học chế tạo chủ yếu

Một trong những phương pháp kinh

tế nhất cho phép chế tạo bột kim loại chất lương cao Tác nhân hoàn nguyên là Cacbon hoặc Dioxit

Sắt, Đồng, Niken, Coban, Vonfram, Molipden, Tantan, Niobi, Sircon và kim loại, hợp kim khác

Sắt, Đồng, Niken, Coban, Vonfram, Molipden

Các hợp chất thể khí của kim loại và hợp kim được hoàn nguyên bằng phương pháp hydro trong lò nung thăng hoa hoặc trong plasma

Niken, Vonfram, Molipden

Điện phân dung

Nhiệt phân hợp chất kim loại với

CO dạng Mea(CO)c Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất bột kim loại chất lượng cao

Sắt, đồng, Niken, chì, bạc, kẽm-từ dung dịch nước; Sắt,Tantan, Niobi,

Phương pháp này được sử dụng để thu nhận bột kim loại thăng hoa và ngưng tụ trên các tấm làm nguội

Bột có chứa số lượng lớn các oxit

Trong kim loại đặc, với sự trợ giúp của các hoá chất phá huỷ các lớp mạng tinh thể

Bột thu nhận được bằng cách phân huỷ đầu điện cực

Latonz, hợp kim nền Crom, thép hợp kim cao

Cadmi và các kim loại khác có nhiệt

Các phương pháp cơ học

Nghiền

Phun kim loại

Nghiền xay các đoạn dây, đầu kim loại trong các cối nghiền bi, nghiền xoắn và nghiền búa Hiệu quả của phương pháp này không cao

Dòng kim loại nóng chảy được phun

lỏng

Tạo hạt

Cắt gọt

mù bằng các biện pháp cơ học (cánh quạt quay, dưới tác động lực ly tâm

hoặc dưới tác động dòng khí động học (khí hoặc chất lỏng)

Bột được tạo thành khi rót kim loại nóng chảy vào môi trường chất lỏng (ví

dụ, trong nước) Các hạt nhận được có kích thước lớn

Trong gia công cắt gọt kim loại được cắt gọt theo một chế độ để có thể tạo thành các phần tử mà không phải là các dây

Bronz, Latonz, Đồng, gang và thép

Bi hay hợp kim Ag-Mg, phêro các loại ra dạng bột Tuy nhiên, sử dụng phương pháp này còn tồn tại những nhược điểm cơ bản là rất khó nghiền các kim loại hay hợp kim quá cứng hoặc quá mềm Điều này dẫn tới năng suất thấp, giá thành sản phẩm cao Ngoài ra, bột nhận được bằng phương pháp nghiền bị biến cứng bề mặt, hình dáng hạt phức tạp khó đáp ứng với yêu cầu

kỹ thuật

Thiết bị nghiền thường sử dụng là : máy nghiền bi tang trống, máy nghiền lắc, máy nghiền rung, nghiền xoắn, nghiền búa, đập, hành tinh và ly tâm Thông dụng hơn cả trong sản xuất ceramic là máy nghiền bi tang trống, ngoài chức năng tạo bột, loại máy này còn có chức năng chuẩn bị bột để ép

Máy nghiền bi là tang trụ làm bằng hợp kim trong có bi nghiền Khi quay bi cùng tang được nâng lên một góc không lớn hơn góc rới tự do (90) do có lực

ma sát giữa bi và tang quay Sau dó bi rơi xuống va đập với bi và tang tạo thành quá trình nghiền Quá trình nghiền hay xiết xảy ra trong tang phụ thuộc vào kích thước hình học của tang nghiền Khi tỉ lệ D:L (đường kính và chiều dài tang) = 3 – 5 quá trình được tiến hành ở cơ chế nghiền Trường hợp D : L

 3 quá trình được tiến hành ở cơ chế xiết Chính vì vậy, để nghiền vật liệu cứng và dòn cần sử dụng máy nghiền bi có D: L > 3, còn khi nghiền các vật liệu mềm thì sử dụng tang có D : L < 3

Ngoài kết cấu của tang, máy nghiền còn chụi ảnh hưởng của tốc độ quay, hình dáng, kích thước bi nghiền, thời gian, đều đóng vai trò quyết định đến quá trình này

Khi tăng tốc độ quay của máy dẫn tới làm tăng lực ly tâm và làm tăng góc rơi của bi nghĩa là bi rơi ở độ cao lớn hơn, làm tăng lực đập giữa bi và bi, giữa bi

và tang tạo thành cơ chế đập Tốc độ quay càng tăng, lực hướng tâm cũng tăng theo đến mức vật nghiền, bi và tang cùng quay với nhau Tốc độ quay như vậy gọi là tốc độ quay lý thuyết Hình 2.1 trình bày sơ đồ về tính tốc độ quay lý tưởng của máy nghiền bi

Hình 2.1 Sơ đồ để tính tốc độ quay lý tưởng của máy nghiền bi

Khảo sát một viên bi hình cầu có trọng lượng là P nằm trên bề mặt trụ của tang nghiền, quay với vận tốc v (m/giây) Tại điểm trên mặt tang dưới sự tác

Viên bi có trọng lượng P ở điểm có góc nâng  có thể phân thành hai lực, lực theo bán kính Psin và lực tiếp tuyến Pcos Bỏ qua lực ma sát giữa viên bi

và thành tang, bi sẽ được giữ trên thành tang đến khi :



sin

2

P gR

PV  (2.1) hay

sin

Nếu tốc độ quay của tang sao cho bi có thể đạt đến đỉnh của tang, khi đó góc nâng  = 90, lúc này bi cũng đạt được ở trạng thái cân bằng động, như vậy:

sin = sin90 = 1 hay là 1

g N

Để nâng cao hiệu quả nghiền, trong thực tế tốc độ quay sử dụng 0,75 -0,8 tốc

độ quay lý thuyết Ngoài tốc độ vòng quay còn có trọng lượng bi, tỉ lệ kích thước giữa bi và vật nghiền đều có ảnh hưởng tới hiệu quả nghiền Thực tế đã chứng minh rằng nếu tốc độ quay của tang N = 0,75 Nlt thì trọng lượng tối ưu

là 1,7 – 1,9 kg/l thể tích của máy nghiền

Hệ số điền đày  của máy nghiền không quá 0,4 – 0, 5 bởi vì rằng nếu  lớn hơn thì các hạt bi đẩy lẫn nhau làm mất lực sống và quá trình nghiền kém hiệu quả

Kích thước viên bi cũng có hảnh hưởng tới quá trình nghiền Để cường hoá

quá trình nghiền, kích thước bi phải ở trong giới hạn

2418

D - Đường kính máy nghiền, d - đường kính của bi

Công suất của máy nghiền bi phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và đặc tính nghiền của vật liệu Đối với vật liệu ròn, quá trình nghiền được tiến hành trong môi trường dung dịch để hạn chế bốc bụi của vật liệu và tránh sự dính kết của các hạt quá mịn do tính nhiễm từ của bột Ngoài ra, chất lỏng tạo được lực mao dẫn lớn trong vùng nứt tế vi của hạt tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình

Đối với vật liệu cứng và dòn rất thuận tiện sử dụng máy nghiền bi trong quá trình tạo bột

Hình dáng của hạt bột nhận được khi nghiền trong máy nghiền bi rất đa dạng Bột nhận được có tỉ trọng đong lớn, độ xốp của tỉ trọng đong tự do khoảng 60% Chính vì vậy, quá trình nghiền trong máy nghiền bi như là quá trình phụ thêm để tăng tỉ trọng đong của bột

Để nhận bột có kích thước rất nhỏ, cỡ 1m, quá trình nghiền theo cơ chế đập các hạt bị rơi thì không có hiệu quả Trong trường hợp này (nghiền graphit để làm ruột bút chì, nghiền hợp kim cứng) sử dụng chế độ nghiền khác, đó là bi không rơi mà do ma sát giữa các hạt sắt mịn lực rơi lớn là không cần thiết và không có ý nghĩa Trong trường hợp này N  0,6 Nlt

2.2 QÚA TRÌNH TẠO HÌNH

2.2.1 Chuẩn bị bột ép

Các quá trình chuẩn bị bột để ép đóng một vai trò quan trọng trong lưu trình công nghệ luyện kim bột Trong thực tế sản xuất, bột kim loại được sản xuất ở các phân xưởng hay nhà máy riêng biệt nên không thể đáp ứng tất cả những yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm gốm kim loại Ngoài ra, tuỳ từng cơ sở sản xuất khác nhau đòi hỏi những yêu cầu kỹ thuật của bột khác nhau Vì vậy, trong mọi trường hợp cần phải có khâu chuẩn bị bột sao cho đảm bảo yêu cầu

về thành phần hoá học và yêu cầu vật lý, công nghệ để đáp ứng yêu cầu của sản phẩm cuối cùng [5]

Những khâu cơ bản của quá trình chuẩn bị bột bao gồm: Ủ, rây và trộn

Ủ bột nhằm nâng cao tính dẻo và tính ép bằng cách hoàn nguyên các màng oxit và biến mềm hạt bột Quá trình ủ trước khi ép được tiến hành trong môi trường khí bảo vệ hay hoàn nguyên ở nhiệt độ khoảng 0,4 – 0,6 nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó Trong một vài trường hợp quá trình ủ được tiến hành trong chân không

Trong thực tế sản xuất, để nhận bột có kích thước xác định cần phải phân cấp hạt (hay là rây bột để phân cấp) Phân chia kích thước hạt thành từng phần riêng biệt sau đó pha trộn phối liệu theo phần trăm kích thước hạt yêu cầu Do

đó mà tỉ trọng đong, lắc của bột được ổn định Đối với một số kích thước hạt không thích hợp (quá to, quá nhỏ) cần phải gia công thêm (nghiền lại đối với hạt to, ủ cho tăng kích thước đối với hạt nhỏ)

Trong công nghiệp luyện kim bột, các chi tiết cần sản xuất ít ở dạng một loại

bột riêng biệt mà là tổ hợp của hai hay nhiều cấu tử của hỗn hợp bột Sự đồng nhất của hỗn hợp bột có ảnh hưởng rất lớn tới cơ lý tính của sản phẩm Phối liệu gọi là đồng nhất trong trường hợp nếu lấy mẫu thử bất kỳ đều có thành phần hoá học như là thành phần hoá học pha trộn ban đầu Sự đồng đều của hỗn hợp bột phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng hơn cả là phương pháp, thời gian trộn Trong thực tế, tồn tại hai phương pháp trộn, chủ yếu là trộn cơ học và trộn hoá học Ngoài ra, môi trường để trộn cũng có ảnh hưởng khá lớn tới chất lượng của hỗn hợp bột nhận được Thông thường trộn được tiến hành trong môi trường không khí, khí trơ dung dịch (cồn, xăng, dầu…) Trong môi trường lỏng quá trình trộn được tiến hành nhanh hơn khi trộn ở môi trường không khí vì môi trường lỏng làm giảm lực tĩnh điện giữa các hạt, do đó các hạt phân bố đồng đều hơn Ngoài ra, dưới sự tác dụng của lực mao dẫn trong các khe nhỏ của hạt dẫn tới tạo nhiều khe hở nhỏ của các hạt mịn hơn Khi trộn trong môi trường lỏng, độ linh động của các hạt lớn hơn cũng làm cho khả năng đồng đều các cấu tử nhanh hơn

Tuỳ theo từng trường hợp cụ thể để sử dụng các phương pháp trộn khác nhau nhằm đảm bảo tính chất của sản phẩm và hiệu quả kinh tế

2.2.2 Ép bột

Quá trình ép là tạo cho hỗn hợp bột có hình dáng kích thước cần thiết, có độ bền nhất định để giữ hình dáng cho đến các công đoạn tiếp theo [5] Phổ biến hơn cả là ép trong khuôn bằng thép, sơ đồ kết cấu đơn giản nhất như ở hình 2.2

Bản chất của quá trình ép là biến dạng thể tích bột xốp bằng cách nén dẫn tới

làm giảm thể tích ban đầu của bột và định hình vật ép có hình dáng và kích thước mong muốn Thể tích của bột khi ép luôn luôn thay đổi do sự biến dạng của các hạt riêng biệt Khi đổ bột tự do vào thể tích kín, giữa các hạt có khoảng trống, dưới sự tác dụng của lực bên ngoài (lực ép), khoảng trống đó dần dần được điền bằng các hạt bột do sắp xếp lại giữa các hạt, sau đó là do quá trình biến dạng của các hạt Ban đầu, quá trình biến dạng chỉ hạn chế ở các phần tiếp xúc giữa các hạt, sau đó được biến dạng toàn thể các hạt Khi ép vật liệu dòn, sự biến dạng làm phá vỡ các điểm tiếp xúc trên bề mặt hạt Nếu lập đồ thị với trục tung là mật độ tương đối (%) còn trục hoành là áp lực ép thì sự phụ thuộc giữa hai đại lượng có đường cong như hình 2.3 nó có ba đoạn với đặc tính riêng biệt

d (%)

P (kg/cm 2 )

Hình 2.3 Sự phụ thuộc mật độ tương đối vào áp lực ép

Từ trên đồ thị thấy rằng khả năng điền đầy các lỗ xốp xảy ra rất mạnh ở giai đoạn một của quá trình do sự sắp xếp lại của các hạt dưới tác dụng của lực ép bên ngoài, do vậy các hạt xít chặt hơn Song sự vận chuyển của các hạt trong thể tích vật ép xảy ra không đồng đều nhau Các hạt ở vị trí thuận lợi chuyển

về lỗ xốp gần đấy một cách tự do, không có lực cản lớn của các hạt bên cạnh,

do vậy các hạt đó có sự tiếp xúc kém

Sự vận chuyển của các hạt ở vị trí không thuận tiện bị cản trở của lực ma sát trên bề mặt các hạt bên cạnh và ma sát thành khuôn, chính vì vậy các hạt đó ở trạng thái tiếp xúc bền hơn Kết thúc giai đoạn một của quá trình (a), vật ép nhận được có sự sắp xếp chặt nhất Giai đoạn hai của quá trình (b), các hạt sắp xếp chặt nhất có sự chống lại áp lực nén bên ngoài, tuy nhiên, áp lực nén vẫn tăng Bột ở giai đoạn này hầu như không xít chặt hơn giai đoạn một Cuối cùng, khi áp lực ép tăng hơn, lực chống nén của các hạt và các hạt và các hạt

bị biến dạng nghĩa là bắt đầu giai đoạn ba của quá trình (c) Trong thực tế, quá trình ép không phải tiến hành theo trình tự ba giai đoạn riêng biệt như đã nói

ở trên mà thực tế cả ba giai đoạn xảy ra cùng một lúc tuỳ theo vị trí sắp xếp các hạt

I II III

a

b

c

Sự biến dạng của các hạt riêng biệt bắt đầu từ khi còn áp lực rất bé, trong khi

đó sự trượt của các hạt riêng biệt khác vẫn tiếp tục ngay cả khi đã có áp lực lớn Chính vì vậy, sự chuyển động của các hạt ở giai đoạn đầu và sự biến dạng của các hạt ở giai đoạn cuối quyết định đến mật độ ép Đối với kim loại có tính dẻo lớn thì quá trình xếp chặt của các hạt càng ở áp suất thấp do biến dạng của hạt

Như vậy, năng lượng ép hao phí do lực ma sát giữa các hạt với nhau và giữa các hạt với thành khuôn và biến dạng của hạt dẫn tới sự phân bố mật độ không đều trong thể tích của vật ép Đó là đặc tính quan trọng của quá trình

ép

Mật độ không đồng đều của mẫu ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học và tính dẫn điện của mẫu, làm thay đổi hình dáng mẫu

Sự phụ thuộc của mật độ ép vào áp lực ép được biểu diễn bằng phương trình:

Log P = -L ( -1) + log Pmax (2.7) Trong đó : P –áp lực ép

Pmax – áp lực ép với độ xốp bằng không

L, m - Hằng số phụ thuộc vào vật liệu ép

 - Thể tích tương đối của vật ép

Hay: log P = -m log + log Pmax (2.8) Khi ép bột kim loại, ngoài ma sát giữa các hạt bột với nhau còn có ma sát giữa bột và thành khuôn (gọi là ma sát ngoài) Lực ma sát giữa bột và thành khuôn có khi lên tới 60 – 90% áp lực ép, phụ thuộc vào chất lượng lên thành

khuôn và chất bôi trơn Trên cơ sở lực ma sát thành khuôn có thể xác định được lực đẩy mẫu ra khỏi khuôn ép Áp lực này gọi là áp lực đẩy Trên cơ sở

áp lực đẩy, người ta có thể thiết kế cơ cấu đẩy của máy ép cho hợp lý và thuận tiện cho thao tác Thông thường áp lực đẩy bằng 0,2 -0,35 áp lực ép Thực tế chỉ ra rằng áp lực đẩy luôn luôn nhỏ hơn lực ma sát ngoài do có sự thay đổi thể tích của mẫu (do ứng lực đàn hồi) Sự đàn hồi của vật ép khi đẩy mẫu xảy

ra rất nhanh ngay tại thời điểm đẩy mẫu Sau đó, sự đàn hồi của mẫu có thể kéo dài vài ba ngày Chính vì vậy khi ép các chi tiết máy có độ chính xác cao, thời gian giữ vật ép trước khi thiêu kết không quá vài ba giờ Sự đàn hồi của mẫu phụ thuộc vào bản chất của bột, độ mịn, hình dáng hạt, trạng thái bề mặt, hàm lượng oxit… Để tránh sự đàn hồi mẫu, giảm lực ma sát trong giai đoạn

ép, người ta sử dụng chất bôi trơn Đó là phương pháp tốt nhất để bột có thể điền đầy khuôn ép Mẫu ép có mật độ lớn và đồng đều theo thể tích của nó Chất bôi trơn thường được dùng trong công nghiệp sản xuất gốm kim loại được trình bày ở bảng 2.2 Tuy nhiên, trong một vài trường hợp người ta dùng chất bôi trơn ở dạng lỏng như dung dịch axeton, xăng, CCl4 hay một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác Khi dùng chất bôi trơn, quá trình công nghệ có phức tạp hơn, thêm thiết bị nên giá thành sản phẩm cao hơn Khi dùng chất bôi trơn đã làm giảm ma sát trong, ma sát ngoài và giảm lực ép khi ép sản phẩm có mật độ xác định trước lực đẩy mẫu ra khỏi khuôn nhỏ dẫn tới tuổi thọ của khuôn lâu hơn Do có mật độ đồng đều, chất lượng của mẫu ép tốt, cơ

lý tính của sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật

Bảng 2.2 Một số chất bôi trơn thường dùng trong công nghiệp sản xuất gốm kim loại

Đối với bột kim loại và hợp kim có độ cứng lớn và độ ròn cao khi ép thường dùng chất kết dính là paraphin, cao su trong xăng…Để tạo điều kiện cho các hạt dính vào nhau, tránh xảy ra hiện tượng các hạt trượt lên nhau rất dễ bào mòn thành khuôn Đôi khi, để giảm lực ma sát người ta sử dụng hỗn hợp hai phương pháp bôi trơn, tuy nhiên đối với một số vật liệu đòi hỏi độ sạch cao, việc sử dụng chất bôi trơn như thế nào để cho đừng đưa thêm tạp chất vào vật liệu làm giảm từ tính và độ dẫn điện của sản phẩm Số lượng chất bôi trơn được cho vào hỗn hợp phụ thuộc vào kích thước của hạt bột, thông thường từ 3-5g trên một kg sản phẩm

Thực tế công đoạn ép

Quá trình ép bột kim loại nhằm mục đích tạo được mẫu có kích thước, hình dáng cần thiết Để giải quyết các yêu cầu cần phải tính toán khối lượng bột ép cho bột vào khuôn, ép và lấy mẫu ra khỏi khuôn ép

Một trong những điều kiện quan trọng là tính toán đúng trọng lượng của bột

ép để chuẩn bị cho chi tiết có hình dạng và kích thước cho trước Để tính toán lượng bột cần áp dụng công thức:

Q = V K  K1 K2 (2.9) Trong đó: V - Thể tích chi tiết thành phẩm

K - Mật độ của vật liệu không xốp

2 1

Trong đó: 1, 2, 3,…n: mật độ các cấu tử riêng biệt g/cm3

a1, a2, a3 … an: hàm lượng các cấu tử chứa trong hỗn hợp bột (%) trọng lượng

Sự tính toán K cần thiết chính cho cả đối với hệ một cấu tử khi hàm lượng tạp chất đáng kể Cũng có thể thay thế K bằng t (tỉ trọng thực) của vật liệu

Trong thực tế, việc định lượng bột cho khi ép có hai cách là định lượng bằng trọng lượng và định lượng bằng thể tích Việc chọn cách định lượng nào phụ thuộc vào phương pháp hay thiết bị ép bột Chẳng hạn khi ép không tự động thông thường người ta sử dụng cách định lượng bằng cân trực tiếp, còn khi ép

tự động thì định lượng bằng thể tích

2.2.3 Thiêu kết

Quá trình thiêu kết có thể thực hiện ở pha rắn và ở pha lỏng, phần này chỉ tập trung nghiên cứu quá trình thiêu kết ở pha rắn Các vật ép có độ bền thấp không thể đem sử dụng ngay Để làm tăng độ bền, tăng các tính chất cơ học của chúng, đòi hỏi sản phẩm sau ép nguội phải được gia công nhiệt Quá trình

đó gọi là thiêu kết Thiêu kết là quá trình phát triển sự liên kết giữa các hạt và hình thành các tính chất của vật liệu qua quá trình nung ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính (0,7-0,8)Tnc Qua thiêu kết, vật ép không bền thành chi tiết bền có các tính chất gần đúng với tính chất của vật đúc[6]

Cơ chế của các quá trình thiêu kết và biến dạng hạt bột

Thường thường, vật liệu ceramic được sản xuất bằng phương pháp ép thiêu kết Trong quá trình này, thuộc tính bột, công nghệ ép, quá trình thiêu kết và

sự kiểm soát đánh giá chất lượng là rất quan trọng Phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc tăng mật độ sản phẩm

Trong quá trình thiêu kết, riêng trạng thái ban đầu của quá trình đã được nghiên cứu một cách hoàn chỉnh về mặt lý thuyết Những nghiên cứu lý thuyết này dựa trên cơ sở nghiên cứu của Kuczynski [7], Kingery và Berg [8] Các phần tử bột ép có thể được liên kết ở nhiệt độ cao, dưới nhiệt độ nóng chảy Kết quả là bột nén được sít chặt Quá trình này được gọi là “thiêu kết” Động học của quá trình thiêu kết là sự giảm vùng bề mặt liên kết với các lỗ xốp Vùng bề mặt ban đầu của lỗ xốp, ví dụ như bề mặt tự do của các phần tử hạt, có năng lượng bề mặt đặc biệt trên một đơn vị diện tích Năng lượng bề

mặt đặc biệt này được dựa trên các nguyên tử ở bề mặt tự do thiếu nguyên tử

ở bên cạnh Sự giảm năng lượng tự do dẫn tới sự giảm năng lượng bề mặt Thiêu kết xuất hiện với sự giảm tổng năng lượng bề mặt Do đó, tổng năng lượng tự do của bột ép giảm theo quá trình thiêu kết

Hình 2.4 là biểu đồ mô tả quá trình tăng mật độ chi tiết vật thiêu kết Thường thường, thiêu kết có thể được phân loại thành 3 trạng thái: ban đầu, trung gian

và cuối Đối với việc sản xuất ra vật liệu xốp thì trạng thái đầu và trung gian

là quan trọng

Theo Kingery và những người khác, sự khác nhau trong năng lượng tự do hay thế hoá giữa bề mặt vùng cầu nối giữa các hạt và bề mặt từng phần tử cung cấp một động lực học cho sự vận chuyển vật chất ở vùng cầu nối Năng lượng

tự do thấp của vùng bề mặt cầu nối là nguyên nhân gây ra đường cong lõm ở vùng cầu nối đó và được ký hiệu là  Hình 2.5 chỉ cho thấy vùng cắt ngang của mẫu thiêu kết Bảng 2.3 liệt kê các hướng khuyếch tán trong suốt quá trình thiêu kết ở trạng thái ban đầu Có 6 hướng khuyếch tán trong quá trình thiêu kết Bằng quá trình khuyếch tán vật chất này, những vùng cầu nối lớn lên và quá trình thiêu kết được bắt đầu Động học của thiêu kết dựa trên mỗi

sự khuyếch tán cơ học và hướng đã được nghiên cứu Hamano và Kimura đã tổng kết động học thiêu kết, sự lớn lên ở vùng cầu nối và các hiện tượng co ngót [9] Thường, bán kính cầu, , ở một thời điểm nào đó, t có thể được biểu diễn bằng công thức sau:

Và độ co ngót, l/l0 như một hàm của t và được biểu diễn bằng công thức sau:

q b

m o

t kTr

D K l

r - bán kính phần tử,

3 - thể tích nguyên tử,

D - hệ số khuyếch tán,

k - hằng số Boltzmann,

T - nhiệt độ tuyệt đối

Hệ số w, K’, s, m và q phụ thuộc vào hướng khuyếch tán và hình dáng hình học của phần tử tiếp xúc, như được chỉ ra ở bảng 2.4 Ở công thức 2.12, hệ số K, q và m phụ thuộc và hướng và hình dáng của hạt tiếp xúc và được liệt kê ở bảng 2.5 Ký hiệu b biểu diễn độ dày của biên hạt

Trong công thức 2.11 và 2.12, người ta chứng minh rằng hướng vận chuyển vật chất sẽ chi phối quá trình thiêu kết Động học thiêu kết với sự chuyển vật chất lớn được nghiên cứu bởi Johnson Clarke, Rockland và Moriyoshi và Komatsu [10,11,12]