Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ bền bám dính của lớp phủ kim loại dược phun bằng phương pháp nhiệt khí

Trình bày tổng quan về công nghệ phun phủ. Nghiên cứu lý thuyết về độ bám dính. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu. Trình bày tổng quan về công nghệ phun phủ. Nghiên cứu lý thuyết về độ bám dính. Thiết bị và phương pháp nghiên cứu.

LỜI CAM ĐOAN

-*** -

“Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu của luận văn này chƣa từng đƣợc công bố ở một công trình nào khác mà tôi không tham gia.”

Tác giả

Phạm Hồng Chi

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 8

1.1 CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 8

1.1.1 Khái niệm, đặc điểm và phạm vi ứng đụng của công nghệ phun phủ 8

1.1.1.1 Khái niệm: 8

1.1.1.2 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp phun phủ 8

1.1.2 Sự hình thành và cấu trúc của lớp phun phủ 10

1.1.2.1 Những quan điểm về sự xuất hiện hiện lớp phun phủ 11

1.1.2.1 Cấu trúc của lớp phun kim loại 12

1.1.3 Các phương pháp phun phủ bằng nhiệt khí 14

1.1.3.1 Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa oxy-axetylen 15

1.1.3.2 Phương pháp phun phủ bằng kích nổ khí 16

1.1.3.3 Phương pháp phun phủ bằng Hồ quang điện 18

1.1.3.4 Phương pháp phun phủ bằng Plasma 19

1.1.3.5 Phương pháp phun phủ bằng bốc bay trong chân không 21

1.1.4 Các vật liệu chính dùng trong phương pháp nhiệt phun 23

1.1.4.1 Vật liệu phun phủ dạng dây 23

1.1.4.2 Vật liệu dạng thanh 24

1.1.4.3 Vật liệu dạng bột 25

1.1.4.4 Keramic 25

1.1.5 Thiết bị phun phủ kim loại bằng nhiệt khí 25

1.1.5.1 Khái niệm chung về chức năng thiết bị 25

1.1.5.2 Cơ cấu cấp vật liệu phủ 26

1.1.5.3 Thiết bị phun phủ bằng khí cháy Ôxy-axetylen 28

1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ 29

1.2 CÔNGNGHỆCHUẨNBỊBỀMẶTKIMLOẠINỀN 32

1.2.1 Mục đính của Công nghệ chuẩn bị bề mặt 32

1.2.2 Công nghệ chuẩn bị bề mặt trước khi phun phủ: 32

1.2.2.1 Phương pháp làm sạch bề mặt 33

1.2.2.2 Tạo nhám lớp bề mặt trước khi phun phủ 33

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 35

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ BÁM DÍNH 36

2.1 CƠSỞKÝTHUYẾTVỀĐỘBỀNBÁMDÍNH 36

2.1.1 Lực dính bám của hạt kim loại lỏng bên bề mặt các chất rắn 36

2.1.2 LỰC VANDERVAN: 38

2.1.3 LỰC LIÊN KẾT DO ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP ĐIỆN TÍCH KÉP: 39

2.1.4 Liên kết kim loại: 40

2.1.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến độ bám: 41

1.1.2.2 Ảnh hưởng của lực co rút kim loại: 41

1.1.2.3 Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt cơ sở (nền) 43

1.1.2.4 Ảnh hưởng do phương pháp chuẩn bị bề mặt: 44

1.1.2.5 Ảnh hưởng của cấu trúc lớp phun 46

1.1 ẢNHHƯỞNGCỦACÁCYẾUTỐCÔNGNGHỆĐẾNĐỘBỀNBÁM DÍNHCỦALỚPPHUNPHỦKIMLOẠI 48

1.1.2.6 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ bền bám dính 48

1.1.2.7 Ảnh hưởng của chế độ cấp vật liệu phun: 48

1.1.2.8 Ảnh hưởng của chế độ làm việc của đầu phun: 49

1.1.2.9 Ảnh hưởng của yếu tố chùm hồ quang điện và dòng vật liệu phủ 51

1.1.2.10 Ảnh hưởng của phương pháp chuẩn bị bề mặt: 53

1.1.2.11 Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp phủ: 54

1.1.2.12 Ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt sau phun phủ: 54

1.2 NGHIÊNCỨUẢNHHƯỞNGĐỒNGTHỜICỦANHIỀUYẾUTỐ CÔNGNGHỆTỚIĐỘBỀNBÁMDÍNH 58

1.1.2.13 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 58

1.1.2.14 Phương pháp hồi quy: 58

1.1.2.15 Xác định hệ số của phương trình hồi quy: 58

2.2.1.1 Kiểm tra mức ý nghĩa hệ số và tính thích ứng của mô hình toàn học: 59

1.1.2.16 Xây dựng phương trình hồi quy với 3 biến số và phương pháp tối ưu hoá: 60

1.1.2.17 Xây dựng phương trình hồi quy với 3 biến số 60

1.1.2.18 Phương pháp tối ưu 62

1.1.2.19 ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ NHIỆT SAU PHUN ĐẾN CHẤT LƯỢNG LỚP PHUN PHỦ 63

1.1.2.20 Mục đích của việc xử lý nhiệt lớp phun phủ 63

1.1.2.21 Phương pháp nung kết: 63

1.1.2.22 Phương pháp nung chảy: 64

1.1.2.23 Phương pháp biến dạng dẻo 66

1.1.2.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thiêu kết đến tính chất cơ học của lớp phun phủ 66

1.1.2.25 Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết tới sự khuếch tán của hai pha kim loại 67

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 68

CHƯƠNG 3THIẾT Ị V PHƯƠNG PH P NGHIÊN CỨU 69

3.1 THIÊTBI THI NGHIÊMPHUNPHU ĂNGOXYAXETYLEN 69

3.1.1 Đầu phun yp – 1 69

3.1.2 Máy phun 69

3.1.3 Máy n n khí tự động: 70

3.1.4 Các bình chứa khí: 70

3.1.5 Máy phun cát: 70

3.2 PHƯƠNG PH P X C ĐỊNH ĐỘ ỀN KÉO CỦA LỚP PHUN PHỦ 72

3.3 PHƯƠNG PH P X C ĐỊNH ĐỘ ỀN M DÍNH CỦA LỚP PHUN PHỦ 73

3.3.2 Phương pháp xác định độ bền bám dính pháp: 74

3.4 XÁCĐỊNHẢNHHƯỞNGCỦAMỘTSỐYẾUTỐCÔNGNGHỆĐẾN ĐỘBỀNBÁMDÍNHCỦALỚPKIMLOẠIBẰNGTHỰCNGHIỆM 75

3.4.1 QU TR NH CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 75

3.4.1.1 Công tác chuẩn bị kỹ thuật: 75

3.4.1.2 Lựa chọn vật liệu phun phủ 76

3.4.1.3 Chuẩn bị m u phun 77

3.4.1.4 Điều ch nh máy 77

3.4.1.5 Phun thử nghiệm 77

3.4.1.6 Phun chính thức 78

3.4.1.7 Kiểm tra chất lượng sản phẩm sau phun 78

3.4.1.8 Gia công phun phủ 78

3.4.1.9 Kiểm tra chất lượng lần cuối 78

3.4.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BIỂU THỊ QUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN BÁM DÍNH PHÁP CỦA LỚP PHUN PHỦ VỚI 3 THÔNG SỐ: KHOẢNG CÁCH PHUN, ÁP LỰC KHÍ THỔI VÀ ÁP LỰC KHÍ ÔXYT 79

3.4.2.1 Điều kiện thí nghiệm: 79

3.4.2.2 Điều kiện biên và chế độ thí nghiệm 80

3.4.2.3 Mô tả thí nghiệm: 80

3.4.2.4 Kết quả đo và xử lý số liệu thí nghiệm 81

3.4.2.5 Tìm vùng tối ưu của 3 thông số công nghệ 83

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 87

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI 89

4.1 ỨNGDỤNGKẾTQUẢCỦAĐỀTÀIĐỂCHỐNGĂNMÒNCHONGỌN ĐUỐCCỦAGIÀNCÔNGNGHỆTRUNGTÂMSƯTỬVÀNG 89

KẾT LUẬN CHUNG 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1-1: Nguyên lý đầu phun bằng khí cháy 8

Hình 1-2: nguyên tắc làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện 9

Hình 1-3: Cấu trúc lớp phun phủ 13

Bảng 1-1 cho ta thấy sự so sánh thành phần hoá học của lớp phủ với dây phun 13

Hình 1-4: Cấu trúc kim tương của một số lớp phủ 14

Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý phun phủ bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen 15

Hình 1 – 6 : Sơ đồ nguyên lý phun phủ bằng kích nổ khí 17

Hình 1-7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện 18

Hình 1-8: Sơ đồ chế tạo thành plasma 20

Hình 1-9: Sơ đồ nguyên lý phun phủ plasma 20

Hình 1-10: Sơ đồ nguyên lý thiết bị phủ kiem loại trong chân không 21

Hình 1-11 Sơ đồ chức năng của thiết bị phun phủ 26

Hình 1-12: Sơ đồ cơ cấu cấp vật liệu bột 26

Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý các dạng thiết bị cấp liệu bột 27

Hình 1-14 Sơ đồ cơ cấu cấp dây 28

Hình 1- 15 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun bằng khí cháy ôxy-axêtylen 28

Hình 1-16: cấu tạo của đầu phun ôxy-axêtylen 29

Hình 1-17: Sơ đồ công nghệ chuẩn bị bề mặt 32

Hình 2 – 1: Sự dính bám của giọt lỏng trên vật rắn 36

Hình 2 – 2: Hình dạng giọt lỏng 37

Hình 2 – 3: Ảnh hưởng của vị trí nguyên từ đến lực liên kết 39

Hình 2 – 4: Ứng suất trong lớp phủ 41

Hình 2-6 Sự bố trí nguyên tử trong mạng 43

Hình 2-7 Sự phụ thuộc giữa sức bền bám dính và độ nhám bề mặt 45

Hình 2 – 8 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ bám dính 46

Hình 2-9: Sơ đồ chùm tia phun 47

Hình 2 – 10: Sự hình thành cấu trúc lớp 48

Hình 2-11 Quan hệ giữa độ bền bám dính (a ) công suất riêng (N d ) và hệ số sử dụng vật liệu (K M ) 50

Hình 2-12 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của công suất dòng plasma N d đến một số thông

số kỹ thuật 51

Hình 2-13: Độ bám dính phụ thuộc vào khoảng cách phun lớp từ thép 45 52

Hình 2-14: Độ cứng phụ thuộc vào khoảng cách phun phủ từ thép C45 53

Hình 2-15: Độ chịu mài mòn phụ thuộc vào khoảng cách phun lớp phủ từ thép 0,8%C 53

Hình 2-16 Sơ đồ tóm tắt các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến độ bền bám dính 55

Bảng 2 – 1 61

nh 3 – 2: Sơ đồ cấu tạo phễu chuyển cát 71

nh 3- 3 Sơ đồ cấu tạo súng phun cát 72

nh 3-4 Sơ đồ m u thử bền k o lớp phủ kim loại 72

nh 3 – 5: u thử độ bền bám dính pháp 74

Hình 3-6 Sơ đồ quy trình công nghệ phun phủ 76

Hình 4 – 7: Sơ đồ ứng suất bám dính pháp 79

Hình 4 – 8: Ảnh m u thử độ bền bám dính pháp 80

Hình 4.1 Flare boom sau khi sử lý bề mặt bằng phương pháp nhiệt nhôm 89

Hình 4.2 Súng phun 90

Hình 4.3 Kiểm tra sự hoạt động của thiết bị trước khi tiến hành làm thực nghiệm (test panel) 90

Hình 4.4 Kiểm tra độ muối của hạt mài trước khi sử dụng để làm sạch bề mặt gia công 91

Hình 4.5 m u thử sau khi được phủ lớp nhôm bằng phương pháp nhiệt phun 91

Hình 4.6 kiểm tra nhiệt độ bề mặt kim lợi trưốc khi tiến hành nhiệt phun 92

Hình 4.7 Nhiệt phun m u thử 92

Hình 4.8 kiểm tra độ dày khô của lớp phủ 93

Hình 4.9 Tiến hành phun phủ trên chi tiết 95

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam đang trong tiến trình phát triển và ngày càng hội nhập sâu rộng vào kinh tế thế giới, nhiều nghành công nghiệp đang đưộc đầu tư lớn, trong đó có

cơ khí chế tạo, công nghiệp dầu khí… phần lớn các thiết bị công nghệ trước đây phải nhập nguyên chiếc hoặc đặt sản xuất từ nước ngoài với giá thành cao, chi phí lắp đặt vận chuyển và thay mới với chi phí rất lớn so với đầu tư ban đầu Do đó việc nghiên cứu và triển khai chế tạo sản phẩm trong nước nếu thành công sẽ góp phần không nhỏ vào việc giảm chi phí đầu tư và tăng sức cạnh tranh cho sản phẩm trong nước

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Làm công nghệ phun phủ để ứng dụng gia công bề mặt, tạo lớp chống oxy hóa cho các kết cấu của giàn khai thác dầu hoạt động trong môi trường oxy hóa cao

và chịu nhiệt cao

3 Đối tượng nghiên cứu ứng dụng

Ngọn đuốc (flare boom) của các giàn công nghệ trung tâm

4 Nhiệm vụ của nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệp để xác định các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến tính bám dính và khả năng chống oxy hóa của lớp phủ kim loại

Ứng dụng công nghệ phun phủ để gia công bề mặt của Đuốc (flare boom) với thời gian hoạt động trên 20 năm tại ngoài khơi thềm lục địa Việt Nam

5 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được chia thành 4 chương, cuối luận văn là kết luận chung và kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm :

+Phần mở đầu

+ Chương 1 : Tổng quan về công nghệ phun phủ

+ Chương 2 : Nghiên cứu lý thuyết về độ bám dính

+ Chương 3 : Thiết bị và phương pháp nghiên cứu

+ Chương 4 : Ứng dụng của đề tài

+ Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

+ Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ

đè lên nhau theo từng lớp

1.1.1.2 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp phun phủ

Phun kim loại có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim của chúng hoặc vật liệu phi kim lên mặt kim loại hoặc bề mặt vật cứng khác Bằng phun kim loại cũng có thể tạo ra những lớp d n điện trên vật không d n điện, tạo các lớp chịu nhiệt v.v… Những công dụng này rất có ý nghĩa trong các lĩnh vực kỹ thuật

Hình 1-1: Nguyên lý đầu phun bằng khí cháy

Ở đây kim loại được đưa vào trong đầu phun dưới dạng dây có đường kính khoảng 1.2÷3mm

Các ống d n khí ôxy, axêtylen và không khí nén có áp suất được đưa tới đầu phun Hỗn hợp khí ôxy và axêtylen cháy cho ta ngọn lửa hàn khí Dưới tác dụng của ngọn lửa đầu dây bị đốt nóng chảy Đồng thời không khí nén thổi giọt kim loại lỏng

làm bắn ra những hạt kim loại nhỏ bay theo dòng khí nén với tốc độ cao (khoảng 100

÷ 200m/s) đập lên bề mặt vật đắp Lớp kim loại phủ trên bề mặt vật sẽ có độ cứng lớn hơn kim loại dây và có sức bền kéo không lớn lắm Sức bền liên kết với vật liệu cơ sở cũng nhỏ Nhưng tính chất của lớp phủ sẽ có nhiều tác dụng khác như tính chịu mài mòn trong ma sát ướt, có khả năng giữ dầu Để nâng cao độ bám của lớp phủ, bề mặt

cơ sở phải hoàn toàn sạch và được chuẩn bị trước phương pháp thích hợp như gia công cơ khí, phun bi, bắn cát… Sau khi làm sạch và tạo nhấp nhô, tốt nhất là tiến hành phun ngay và không chậm hơn 2 giờ Nếu để lâu bề mặt làm sạch lại bị ôxy hoá bởi không khí

Kim loại hoặc hợp kim trong trường hợp không thể tạo được dưới dạng dây thì

có thể đưa vào dầu phun dưới dạng bột (gọi là đầu phun bột kim loại)

Hình 1-2: nguyên tắc làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện Nhiệt dùng đốt cháy kim loại có thể thu được bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen hoặc bằng hồ quang điện Hình 1- 2 Là đầu phun sử dụng hồ quang điện, bằng đầu phun loại này có thể phun các kim loại có điểm nóng chảy cao

Để gây cháy hồ quang người ta dùng nguồn điện bình thường như đối với hàn điện Kim loại phun bằng dầu phun khí và đầu phun hồ quang không nhất thiết phải

có tính chất chung

Mặt khác khả năng sử dụng phun kim loại không bị hạn chế bởi độ lớn, nhỏ của vật phủ Vì thiết bị phun kim loại rất dễ dàng di dộng và có thể xách tay Phun

kim loại rất thích hợp cho việc phục hồi các tiết bị mòn như: trục khuỷu, cổ trục lắp

bi, chốt … và sửa chữa các khuyết tật của vật đúc

Ngày nay người ta còn dùng các đầu phun với ngọn lửa Plasma để phun các kim loại có điểm nóng chảy cao như: vonfram, molipđen, crôm… Phun kim loại hiện nay dùng cho các mục đích sau:

- Phục hồi các chi tiết máy mòn

- Sửa chữa các khuyết tật của vật đúc

- Sửa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí

- Bảo vệ chống g ở môi trường khí quyển

- Bảo vệ các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao

- Thay thế kim loại mầu bằng kim loại phun

- Trang trí

Tuy nhiên phun kim loại còn có những nhựơc điểm sau:

- Mối liên kết giữa các lớp phủ và kim loại nền còn thấp

- Tổn thất kim loại nhiều d n đến giá thành sản phẩm cao

- Ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết)

- Bề mặt phun luôn luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo nhấp nhô

- Đòi hỏi trình độ tay nghề công nhân kỹ thuật cao Điều kiện làm việc năng nhọc

Những nhược điểm này cũng chính là những hướng được nghiên cứu hiện nay

1.1.2 Sự hình thành và cấu trúc của lớp phun phủ

Dứơi áp lực của dòng khí nén, kim lỏng được thổi làm phân tán thành các lớp sương mù kim loại rất nhỏ và được bám lên bề mặt chi tiết đã được chuẩn bị sạch, tạo nên một lớp phủ dày, trong đó các phần tử kim loại đè lên nhau theo từng lớp Trên

cơ sở các hiện tượng lý – hoá xảy ra trong quá trình phun kim loại, sự hình thành lớp phủ rất phức tạp và vấn đề này có rất nhiều quan điểm Ở đây ta nêu một số quan điểm chính về sự hình thành lớp phủ bằng phun kim loại

1.1.2.1 Những quan điểm về sự xuất hiện hiện lớp phun phủ

Phun kim loại được biết từ lâu và từ đó đến nay đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về việc giải thích sự hình thành và tính chất của lớp phủ Có thể chia ra thành các quan điểm lý thuyết như sau:

- Lý thuyết Pospisil – sehyl

- Lý thuyết của Schoop

- Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger

- Lý thuyết của Schenk

a Lý thuyết của Pospisil – sehyl

Theo pospisil-sehyl: lớp phủ bằng phun kim loại đã xuất hiện do các giọt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rất cao (trung bình khoảng 200m/s) Các giọt này bị phá vỡ thành rất nhiều hạt nhỏ, dạng của các hạt này được đặc trưng bằng kim loại của nó Theo bản chất có thể chia loại thành hai nhóm

- Các kim loại mà ôxyt của nó khi phun ở thể lỏng thì luôn tạo thành các hạt có dạng hình cầu

- Các kim loại mà ôxyt của nó khi phun ở thể rắn (như nhôm, kẽm) sẽ tạo thành những hạt không đồng đều (đa cạnh)

Dạng của các hạt khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu ch xảy ra sự ôxy hoá Sự ôxy hoá kim loại thực chất bắt đầu xảy ra từ quá trình làm chẩy dây phun

và tiếp tục khi kim loại lỏng bắt đầu tách thành các hạt nhỏ thì bề mặt của các hạt cũng bắt đầu tăng lớp ôxyt Số lượng ôxyt nhiều, ít là một nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ

Quá trình va đập của các hạt rất khó xác định bằng thực nghiệm vì quá trình này xảy ra trong một thời gian rất ngắn, mà trong thời gian đó quá trình này có ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ bám của các phân tử với kim loại nền

Từ các thực nghiệm tác giả của lý thuyết này tính toán và kết luận rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là ở thể lỏng

b Lý thuyết của Schoop

Theo Schoop: Năng lượng động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bởi áp lực của dòng khí n n, nên khi va đập lên bề mặt phun thực tế có sự thay đổi nhiệt Thực nghiệm đã xác định được rằng: những hạt kim loại khi rơi khỏi miêng vòi phun, bắt đầu bị nguội và đông dặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén Trong thời điểm va đập chúng sẽ có sự biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết với nhau thành lớp liên kết

c Lý thuyết của Kag, Katsch, Reininger

Lý thuyết này cho rằng những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác dụng của nguồn năng lượng động năng của khí nén Mặt khác trong quá trình đi từ vòi phun các hạt đã ở trạng thái nguội như vậy sẽ không xảy ra sự biến dạng dẻo

d Lý thuyết của Schenk

Theo Schenk: nhiệt độ của các hạt phun phải lớn hơn nhiệt độ chảy lỏng để xảy

ra sự hàn chặt chúng với nhau Nhưng điều này không thực tế vì thời điểm đó va đập trên bề mặt bị phun, kim loại lớp bề mặt nền có khả năng bị đốt nóng đến nhiệt độ chảy để có thể xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử với kim loại nền

1.1.2.1 Cấu trúc của lớp phun kim loại

Lớp phủ bằng phun kim loại có tính chất và thành phần khác hẳn với vật liệu ban đầu

Trên hình 1 – 3 là cấu trúc thô đại của lớp phủ bằng phun Ở đây ta thấy rằng: đặc trưng cơ sở của cấu trúc này là những tấm kim loại với kích thước từ 0,1 – 0,2

mm và chiều dày là 0,005 – 0,01 mm Các phần tử này có độ biến dạng khác nhau và

bị phân cách với nhau bằng một lớp ôxy mỏng với chiều dày 0,001 mm

Cấu trúc của lớp kim loại phủ có đặc trưng của các cấu trúc bị nguội lạnh đột ngột Ở lớp th p cácbon thường có cấu trúc mactenxit cho đến cấu trúc bainit Ngoài những phần tử nền này ra, trong lớp phủ còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập lên bề mặt nền đã ở trạng thái rắn

Hình 1-3: Cấu trúc lớp phun phủ

Sự nguội lạnh của các phần tử xảy ra rất nhanh và bị tác dụng bởi tốc độ nguội lạnh rất lớn, nên trong cấu trúc, ngoài dung dịch Fe-C còn có dung dịch đặc của Fe-oxy do vậy khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng nhưng trung tâm lệch mạng, những trung tâm này có ảnh hưởng đến độ bám của lớp phủ

Trong lớp phủ thép có thể có ôxyt, một loại ôxyt được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc quanh các phần tử kim loại biến dạng Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất tính chất cơ học của lớp phủ Loại thứ hai đóng nhiệm vụ liên kết các phần tử kim loại riêng biệt Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc của lớp phủ phải kể đến một lưông khá lớn các lỗ xốp Các lỗ xốp này đã được hình thành do sự liên kết không chặt chẽ của các phần tử kim loại khi bị biến dạng Các lỗ xốp có trong cấu trúc của lớp phủ sẽ tạo cho lớp phủ những tính chất tốt khi làm việc trong điều kiện cần bôi trơn (hình 1- 4)

Ngoài ra chúng ta phải x t đến thành phần hoá học của lớp phủ kim loại Nói chung thành phần hoá học (các nguyên tố kim loại) của lớp phủ thường giảm đi so với kim loại ban đầu (dây phun hoặc bột phun)

Bảng 1-1 cho ta thấy sự so sánh thành phần hoá học của lớp phủ với dây phun

Dây phun 0,47 0,,65 0,33 0,033

Như vậy thành phần hoá học của lớp phủ so với thành phần gốc thì hàm lượng

bị giảm 40  50% Nguyên nhân của hàm lượng bị giảm là do bị ôxy hoá trong quá trình phun

Hình 1-4: Cấu trúc kim tương của một số lớp phủ

a Vật liệu phun III – HA b Vật liệu III 10H 01 200

c Vật liệu IIC 124 BK 01 200

1.1.3 Các phương pháp phun phủ bằng nhiệt khí

Do phun kim loại đều dùng nhiệt để nung chảy kim loại và dùng dòng khí có áp suất để thổi kim loại lỏng phân tán ra thành bụi để phủ lên bề mặt kim loại nền Vì vậy phương pháp có tên gọi phun kim loại bằng nhiệt khí

Tuỳ theo quan điểm về dấu hiệu và đặc trưng mà phương pháp phun kim loại bằng nhiệt khí có các tên gọi khác nhau:

Theo dạng năng lượng có: Phương pháp điện – khí, phương pháp ngọn lửa ga Theo nguồn nhiệt phương pháp điện – khí được chia ra: Phương pháp hồ quang điện, phương pháp plasma, phương pháp dòng diện cảm ứng cao tần Phương pháp nhọn lửa ga bao gồm: Phương pháp ngọn lửa và phương pháp dùng nhiệt bằng kích

nổ khí

Theo môi trường bảo vệ; Có phương pháp áp suát thường (ngoài không khí) và phun trong môi trường chân không

Theo dạng vật liệu phủ thì phun kim loại còn chia ra: Phun bằng dây và phun bằng bột

1.1.3.1 Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa oxy-axetylen

b Nguyên lý và đặc điểm của phương pháp (xem hình 1-5)

Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý phun phủ bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen

1 – Khí nén, 2- khí ôxy – axetilen, 3- Dậy vật liệu phủ, 4- Thân đầu phun, 5- Tâm ngọn lửa, 6 – Vùng nóng cảy, 7 - Ngọn lửa, 8 – Dòng khí nén, 9 - Lớp phủ, 10 – Dòng phần tử kim loại phủ, 11- Kim loại nền

Dây vật liệu phủ cấp theo lỗ trung tâm 2 và bị nung chảy tại vùng tâm ngọn lửa

5 Dòng khí nén 8 phân tán loại lỏng thành bụi và thổi đi thành dòng phần tử 10 hướng vào bề mặt kim loại cơ sở 11 tạo ra lớp phủ 9

Phản ứng khí cháy axetilen:

2C2H2 + 5O2 = 4CO2 + 2H2O + 1262,86 KJ Như vậy cứ cứ 2,5 ôxy thì 1 axetilen, nhưng thực tế trên ch là 1,1: 1, điều này được giải thích phần ôxy còn lại được lấy từ không khí xung quanh

c Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng phu phủ

Thông số kết cấu đầu phun:

- Đường kính lỗ phun ga, đường kính lỗ đầu phun

Chế độ phun:

- Áp suất khí cháy Pc, áp suất khí thổi Pt, mức tiêu thụ khí cháy G, tỷ lệ hỗn hợp khí : thường dùng Pc = (30 – 35) 103 Pa; Pt = (300 – 400) 103 Pa; (1KG/cm2 = 100.000 pa; 1Mpa = 1.000.000 Pa) G = 0,5 – 2,5 m3/h, butan)

Các thống số của vật liệu phủ gồm:

- Cỡ hạt: 10 – 100m, hạt càng lớn nóng chảy càng kém, mức tiêu hao bột: 0,5 – 10kg/h, đường kính dây vật liệu phủ, 1,5 mm, vận tốc cấp vật liệu phủ, 0,15 – 1m/s Các thống số ngoại vi gồm:

- Khoảng cách phun: 75 – 200mm, góc phun, 30oC – 90oC;

Các thông số của tia lửa ga và dòng phân tử gồm:

- Vận tốc tia lửa ga: 150 – 300 m/s, vận tốc của phần tử phủ, 20 – 100 m/s, nhiệt

độ cho vật liệu bột  2473oK, vật liệu dây  2973oK (OoC tương ứng với thanh đo

Hình 1 – 6 : Sơ đồ nguyên lý phun phủ bằng kích nổ khí

1 - Buồng cháy, 2- Bộ phóng điện, 3- Sóng nhiệt, 4- Sóng nổ, 5- Kênh d n, 6- Hỗn hợp khí, 7- Ngọn lửa, 8- Dòng phần tử

I- khí C2H2, II – khí O2, III N2

Trong buồng cháy 1 máy đƣợc nạp hỗn hợp khí, ví dụ: C2H2 - O2 – N2 Khi bộ phóng điện 2 phóng điện làm cháy hỗn hợp khí, tạo ra sống nhiệt 3, sống nổ 4, tạo ra sản phẩm cháy của hỗn hợp khí 6 Vật liệu phủ đồng thời nạp vào kênh Ngọn lửa 7 làm nóng chảy vật liệu phủ và bị dòng khí có áp suất đẩy đi tạo thành dòng phần tử 8

Mức tiêu hao khí G, tỷ lệ khí cháy và ôxy , áp suất khí P

Lấy G = 0,2 – 6m3/h cho axetinle và ôxy,  = 1,21, Portland = 0,05 – 0,15Mpa Thông số ngoại vi gồm:

- Khoảng cách phun, 50 – 200mm

- Góc phun 45o – 90o

1.1.3.3 Phương pháp phun phủ bằng Hồ quang điện

a Khái niệm

Bản chất của phương pháp hồ quang điện là lợi dụng ngọn lửa hồ quang để nung nóng chảy vật liệu, rồi dùng dòng khí có áp suất thổi những giọt kim loại lỏng thành dòng bụi với vận tốc cao hướng vào bề mặt kim loại cơ sở

b Nguyên lý và đặc điểm của phương pháp (xem hình 1-7)

Hình 1-7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện 1- Ngọn lửa hồ quang, 2- Dây kim loại phủ, 3- Đầu phun, 4- Con lăn, 5- Công tắc, 6- Dòng vật liệu

Nguyên lý hoạt động của phương pháp

Dây vật liệu 2 được nối với hai cực điện khác nhau nhờ công tắc 5 Khi mạch điện đóng đồng thời dây kim loại 2 chuyển động nhờ con lăn 4 Khi tiếp cận tại đâu dây 2 xuất hiện hồ quang làm nóng chảy kim loại Khí thổi phân tán những giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền

c Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ

Thông số kết cấu đầu phun gồm:

- Đường kính đầu phun dc = 3 – 6 mm, hình dạng đầu phun, góc chéo nhau của

2 dây, thường chọn  = 30o

Chế độ phun gồm:

- Công suất dòng hồ quang Nd; tiêu hao khí thổi G

Kinh nghiệm cho thấy chọn Nd = 2000 – 10.000 KJ/kg và

G = 60 – 150m3/h tương ứng với áp suất 0,35 – 0,55 Mpa

Các thông số của vật liệu phủ gồm:

- Đường kính dây, d Tốc độ cấp dây, v Thường lấy d = 1 – 3,5 mm

4500oK Tiếp tục tăng nhiệt độ thì quá trình ion hoá hoàn toàn (d) trong điều kiện áp suất không khí bắt đầu ở nhiệt độ 10.000oK Trạng thái khí được tạo thành với phần lớn nguyên tử hoặc phân tử được ion hoá, còn lượng điện tích và ion âm bằng lượng ion dương gọi là plasma Phương pháp plasma có thể tạo ra hồ quang với vài trục ngàn độ kelvin

Sơ đồ chế tạo thành plasma (hình 1-8)

Hình 1-8: Sơ đồ chế tạo thành plasma

1- Ion dương, 2- Điện tích

a -Trạng thái bắt đầu, b-Trạng thái lao động, c-Trạng thái phân chia phân tử, Trạng thái mất điện tích

d-Nguyên lý và đặc điểm của phương pháp (xem hình 1 – 9)

Khi đóng mạch thì tại vị trí đầu phun giữa đầu vonfram (cực âm) và đầu thân đồng (cực dương) xuất hiện hồ quang, dòng khí 1 (argon hoặc nitơ đôi khi bổ xung thêm hydrô) đồng thời được cấp vào vùng nhiệt độ cao và được nung chảy Khi gặp khí thẩii có áp suất lớn, kim loại lỏng phân tán thành bụi và bay với vận tốc cao hướng vào bề mặt kim loại cơ sở 6

Hình 1-9: Sơ đồ nguyên lý phun phủ plasma

1- Dòng khí plasma, 2- Đường cấp vật liệu phủ, 3-Nguồn điện, 4-Cực âm, Cực dương, 6-Kim loại cơ sở

5-1.1.3.5 Phương pháp phun phủ bằng bốc bay trong chân không

a Đặc điểm và bản chất của phương pháp:

Cơ sở của phương pháp phủ kim loại trong chân không là làm bốc hơi kim loại phủ, dòng phần tử ở dạng hơi được hướng vào bề mặt kim loại nền Sau đó sẽ ngưng

tụ trên nó, tạo ra lớp lên kết

Thiết bị phủ kim loại trong môi trường chân không trên hình 1- 10

Hình 1-10: Sơ đồ nguyên lý thiết bị phủ kiem loại trong chân không

1- Đế, 2- Buồng phủ, 3- Vật liệu phủ, 4- Nguồn năng lượng, 5- Dòng vật liệu phủ, 6 - Cửa, 7 – Chi tiết phủ, 8- Lớp phủ, 9- Cửa cấp khí, 10 - Tấm ngăn

Quá trình xảy ra trong buồng (2) như sau: Vật liệu (3) được bốc hơi ở dạng dây nhỏ hoặc bột, do được nung nóng bằng nhiệt điện Chi tiết cần phủ (7) được treo ở phía trên buồng (2) Khi nhiệt độ đạt đến yêu cầu, vật liệu phủ (3) tức khắc bốc hơi, toả ra buồng chân không (2) Dòng phân tử (5) (ở lượng khkác nhau, chuyển động và đập vào bề mặt kim loại nền (7) và ngưng tụ tạo ra lớp phủ (8)

Quá trình được diễn ra trong buồn kín có áp suất 13,3 – 133.10-3

Pa Nhờ điều kiện đó đã tạo ra được bước nhảy tự do cần thiết cho phần tử loại kim phủ Lực tác dụng làm chuyển rời dòng phần tử đến bề mặt kim loại nền (7) chính là do sự chênh lệch áp suất của các pha hơi

Giá trị áp suất cao nhất đạt được ở vùng gần bề mặt bốc hơi (3) và giá trị nhỏ nhất ở vùng bề mặt kim loại nền (7) Ngoài chuyên nhân chênh lệch áp suất còn có nguyên nhân khác làm chuyển rời phần tử đó là dòng phần tử ở trạng thái ion Năng lượng của các phần tử ở trạng thái ion còn làm cho lớp phủ có chất lượng cao

Quá trình phủ kim loại trong chân không được các nhà khoa học chia ra làm 3 giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Sự chuyển từ trạng thái rắn hoặc lỏng của vật liệu phủ sang trạng thái rắn hoặc lỏng của vật liệu phủ sang trạng thái khí (hơi)

Giai đoạn 2: Sự hình thành dòng phân tử và sự chuyển động của chúng đến bề mặt kim loại nền

Giai đoạn 3: Sự ngưng tụ của các phần tử trên bề mặt kim loại nền và sự tạo thành liên kết – nghĩa là lớp phủ

Trong đó hai giai đoạn đầu có tính quyết định giai đoạn 3

Vận tốc hình thành lớp phủ được xác định theo công thức [75]:

2

cos4

p

V S V

L



Công thức (1-3) – dùng cho nguồn bốc hơi là điểm

Công thức (1-4) – dùng cho bốc hơi là mặt bằng

- Góc phun – góc đo giữa phương của dòng phần tử và phương vuông góc với

bề mặt kim loại nền khi nguồn bốc hơi là mặt phẳng

Từ công thức trên cho thấy các thông số đặc trưng cho phủ chân không là:

- Khoảng cách phun L; Góc phun  và  ; Diện tích phủ S

b Những yêu cầu kỹ thuật đối với chi tiết phun trong chân không

Chi tiết phủ trong chân không cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Kích thước chi tiết phải hợp lý để tạo ra thiết bị chân không;

- Vật liệu phủ không cho phép tạo ra áp suất cao khi hoá hơi;

- Vật liệu phủ có khả năng nung nóng bề mặt kim loại nền để nâng cao độ bám dính

1.1.4 Các vật liệu chính dùng trong phương pháp nhiệt phun

Vật liệu dùng để phun phủ thường ở dạng dây và bột Dạng dây dùng trong phun phủ bằng ngọn lửa ga, bằng hồ quang điện và bằng điện xung còn dạng bột dùng cho phun bằng phủ plasma, kích nổ khí và bằng ngọn lửa ga

1.1.4.1 Vật liệu phun phủ dạng dây

Vật liệu dạng dây có ưu điểm cấp liên tục và đều và đều vào vùng chảy, thông thường có các vật liệu sau đây:

a Nhôm (99,85% Al)

Lớp phủ bằng nhôn dùng để bảo vệ kim loại đen không bị ôxy hoá, trong trường hợp ủ khuyếch tán với mục đích để nhôm khuyếch tán và kim loại nền, tạo được một lớp bảo vệ ôxy hoá ở nhiệt độ cao Dây được phủ bằng nhôm có thể dùng làm dây d n điện

d Thiếc và hợp kin thiếc

Tráng thiếc là phương pháp tăng khả năng chịu axit cho chi tiết, chống ôxy hoá, thường dùng phương pháp phủ thiếc trong sản xuất đồ gia dụng cho thực phẩm

e Đồng và hợp kim đồng

Sử dụng việc phun phủ đồng và hợp kim của đồng có các loại sau:

Đồng nguyên chất ( 99,9% Cu) dùng cho mạ dây điện;

Đồng nhôm ( 5  12% Al) với bổ sung thêm thành phần sắt, niken, môi trường nước biển, chống ôxy hoá và chịu mòn tốt;

Đồng phốt pho (0,03  0,35% Portland) loại lớp phủ này chịu mòn cao vì vậy dùng cho việc tăng cứng hoặc phục hồi các ngõng trục, bạc trượt cho các cơ cấu của tầu thuỷ

Đồng latun - loại hợp chất đồng có tính chống sự ăn mòn Sử dụng các chi tiết được phủ đồng latun trong môi trường nước biển

Đồng chì ( 23  42% Pb) lớp phủ bằng hợp kim đồng chì có khả năng chịu mài mòn cao vì vậy dùng để mạ lót các chi tiết làm việc ở tốc độ cao và tải trọng lớn

f Niken và hợp chất của niken

Niken nguyên chất – niken có khả năng làm việc phần lớn môi trường hoá chất, không bị ôxy hoá trong nước

Niken – crôm (80% Ni và 20% cr) trên thực tế vật liệu này không bị g trong môi trường nhiệt độ cao và môi trường axit và kiềm

g Thép cácbon và hợp kim thấp của thép cácbon

Dùng để tăng cứng bề mặt và tăng khả năng chịu mòn cho các chi tiết máy Thép chịu ăn mòn

Loại thép này gồm có: thép mactenxit và austenit

Mactexit dung ở môi trường chống mài mòn, chống ăn mòn (hợp kim Fe–Cr) Austenit (Fe – Cr – Ni và Fe – Cr – Mn) có khả năng chống ăn mòn cao

1.1.4.2 Vật liệu dạng thanh

Dạng vật liệu này phổ biến được dùng bởi các hãng của Mỹ như” Rokide”,

“Rokide A” – ôxy nhôm, “Rokide ZS” – Silicat Siecôn, “Rokide C” ôxy crôm

1.1.4.3 Vật liệu dạng bột

- Xét về sản xuất thì kim loại bột kinh hơn so với dạng dây và dạng thỏi

- Nhược điểm: tạo ra nhiều ôxyt trong quá trình nung chảy trong phun phủ

- Độ chênh lệch kích thước các hạt d n đến vận tốc và mức nước nóng chảy khác nhau nên dễ ảnh hưởng đến chất lượng phun Để loại trừ được nhược điểm này

Bột hợp kim tự tạo x có tác dụng làm lớp phủ không bị bọt khí, rỗng, ngậm x

và độ điền đầy tốt hơn Những hợp kim đó là: hợp kim tựa trên niken, crôm – niken, coban có thêm thành phần Bo và silic Lớp phủ từ hợp kim trên cho khả năng chịu mòn, chịu ăn mòn ở không khí với nhiệt độ cao

1.1.4.4 Keramic

Keramic là loại vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (còn gọi là vật liệu khó nóng chảy) Nhiệt độ nóng chảy có thể đến 3000oC Keramic là hợp chất của ôxy kim loại, borit, nitrit, silicat, cacbit Trong số các hợp chất trên ôxy và cacbit được sử dụng rộng rãi hơn

1.1.5 Thiết bị phun phủ kim loại bằng nhiệt khí

1.1.5.1 Khái niệm chung về chức năng thiết bị

Thiết bị phun phủ bằng nhiệt thường bao gồm các bộ phận và thiết bị sau: nguồn năng lượng, bộ cấp vật liệu phủ, bộ điều khiển và đầu phun Sơ đồ chức năng trên hình 1-22

Hình 1-11 Sơ đồ chức năng của thiết bị phun phủ

1.1.5.2 Cơ cấu cấp vật liệu phủ

Nguyên lý kết cấu

Hệ thống cấp liệu của thiết bị phun phủ bằng nhiệt khí thường là:

Bunke - định lượng - thiết bị vận chuyển Sơ đồ cấp liệu được trình bày trên hình 1-12

Hình 1-12: Sơ đồ cơ cấu cấp vật liệu bột

a Sơ đồ chức năng, b Sơ đồ thiết bị

1- bunke, 2-cơ cấu định lượng, 3-thiết bị vận chuyển , 4- đầu phun

Để việc cấp vật liệu đạt được yêu cầu kỹ thuật, trong hệ thống ngoài bun ke 1 dùng

để cấp vật liệu vào còn có cơ cấu định lượng 2 cho phù hợp với yêu cầu của quá trình phun Thiết bị vận chuyển 3 là khâu trung gian nối cơ cấu định lượng 3 với thiết bị phun 4

Phân loại cơ cấu cấp liệu phủ

Các dạng thiết bị cấp liệu bột thể hiện hình 1-13

Hình 1-13 Sơ đồ nguyên lý các dạng thiết bị cấp liệu bột

a- dạng khí động, b- Dạng rôto, c- dạng đĩa, d- dạng vít tải

Cơ cấu cấp liệu được chia ra theo dạng vật liệu phủ:

1- Cơ cấu cấp liệu bột (dùng cho vật liệu phủ dạng bột)

2- Cơ cấu cấp liệu dây (dùng cho vật liệu phủ dạng dây)

Cơ cấu cấp liệu bột chia theo phương pháp chuyển liệu có các dạng sau: dạng khí động, dạng rôto, dạng đĩa, dạng vít tải

Trong các phương pháp phun phủ dùng vật liệu phủ dạng dây, người ta đã dùng nhiều cơ cấu cấp liệu Sự cấp liệu đều và định vị đầu mút nóng chảy của dây đóng vai trò rất quan trong Bởi vậy cấu cấp liệu dây được thiết kế bộ điều ch nh dây Dạng cơ cấu cấp dây phổ biến mô tả bằng sơ đồ (hình 1-14)

1 2

b)

a)

Hình 1-14 Sơ đồ cơ cấu cấp dây

a Sơ đồ chức năng, 2- Giảm tốc, 3- Con lăn d n dây,4- Cơ cấu điều ch nh dây, 5- Đầu phun

1.1.5.3 Thiết bị phun phủ bằng khí cháy Ôxy-axetylen

Nguyên lý chung cấu tạo của thiết bị

Phun phủ bằng nhiệt có nguồn nhiệt ngọn lửa khí cháy là phương pháp phổ biến

do khả năng ứng dụng rộng rãi, vận hành đơn giản, vốn đầu tư thấp Một trong những thiết bị đó là thiết bị phun bằng khí cháy dùng cho cả vật liệu dây và bột

Nguyên lý chung cấu tạo của thiết bị trên hình 1-15

Hình 1- 15 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun bằng khí cháy ôxy-axêtylen

1 Đầu phun, 2 – Bun ke cấp liệu, 3 - Tủ điều khiển,

4 Bộ lọc khí nén, 5 - Đồng đồ hồ đo áp suất Nguyên lý làm việc của thiết bị được tóm tắt như sau:

Sau khi chế độ phun đã được xác định, nghĩa là áp suất khí ôxyaxêtylen và không khí đã được xác định Các đường d n khí được tập trung vào tủ điều khiển 3 và được d n đến đầu phun 1 Khi mọi việc đã được chuẩn bị, vật liệu được cấp qua bunke 2 vào đầu phun 1 Bộ lọc 4 để lọc không khó sạch trước khi đưa vào đầu phun

Tủ điều khiển 3 để lắp đặt các van và điều tiết khí tiết trước khi đưa vào đầu phun 1 Đầu phun: Đầu phun có thể được gá trên máy và cũng có thể cầm tay

Hình 1-16: cấu tạo của đầu phun ôxy-axêtylen

1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ

Chất lượng lớp phủ bị ảnh hưởng bởi các nhóm yếu tố sau:

 Yếu tố kết cấu của thiết bị

Kích thước và cấu tạo buồng chân không ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình phủ Sự tăng thể tích cũng như bề mặt trong của buồng gây ảnh hưởng tốt đến quá trình phủ

 Yếu tố chế độ làm việc của thiết bị

Thống số đặc trưng cho chế độ làm việc của thiết bị là công suất riêng tiêu hao cho việc tạo thành dòng hơi (dòng phần tử) ở mật độ đã cho Công suất riêng – năng lượng tiêu hao cho một đơn vị diện tích bề mặt kim loại nền Nếu tăng công suất riêng

thì tăng năng suất phủ, cũng làm thay đổi tốc độ ngưng tụ các phần và ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Tóm lại khi điều ch nh công suất của dòng phần tử sẽ làm thay đổi cấu trúc và tính chất của lớp phủ

 Yếu tố vật liệu phủ và điều kiện cấp liệu

Lý – hoá tính của vật liệu phủ ảnh hưởng lớn đến sự bốc hơi và phun Chất lượng phun còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của vật liệu phủ Vật liệu có thể ở dạng thanh, dây, viên, đĩa, bột

Mỗi loại vật liệu đều liên quan đến một phương pháp cấp liệu, đưa liệu đều đặn vào vùng bốc hơi ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ và xuất hiện của quá trình phun

 Yếu tố nhiệt độ của vật liệu phủ

Trong phương pháp bốc hơi bằng nhiệt độ vật liệu phủ đóng vai trò quyết định Còn trong phương pháp bốc hơi bằng ion thì nhiệt độ của vật liệu phủ không có vai trò quyết định

 Yếu tố các điều kiện ngoài

Các thông số đặc trưng cho nhóm yếu tố này là: Khoảng cách phun, góc góc của của dòng phần tử, góc phun, môi trường phun, nhiệt độ và kích thước của chi tiết, áp suất trong buồng…

Khoảng cách phun ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp phủ Theo định luật của Lambert – Knutxen

+ Đình luật 1: Cường độ hơi hướng vào mặt chi tiết thì tỷ lệ thuận cosin góc của dòng phần tử

+ Định luật 2: Lượng phân tử ngưng tụ bề mặt chi tiết tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách phun Khoảng cách phun thích hợp 150 – 200 mm

* Áp suất trong buồng (P)

Áp suất tác dụng vào phần tử gây trực tiếp ảnh hưởng đến bước nhảy tự do của chúng và đến độ đều của lớp phủ Áp suất trong buống chọn P  10-2 Pa Khi P > 1,33.10-1 Pa thì tốc độ bốc hơi sẽ giảm

* Nhiệt độ của chi tiết

Nhiệt độ của bề mặt chi tiết ảnh hưởng trực tiếp đến độ bám của lớp phủ, cấu trúc lớp phủ, ứng suất dư trong lớp phủ và các tính chất khác của nó Nhiệt độ tối thiểu  0,3 nhiệt nóng chảy của vật liệu nền

 Yếu tố dòng vật liệu phủ

Các thông số đặc trưng của nhóm này là: Mật độ dòng phần tử phủ (N, số phần tử/cm2 S), năng lượng của phần tử phủ (W, EV/nguyên tử), mức ion hoá của dòng phần tử )ni, %), vận tốc của dòng phần tử theo hướng vào chi tiết (v, m/s)

Phun phủ bằng kích nổ khí

Phun phủ bằng plasma

Phun phủ bằng bốc bay trong chân không

- Vật liệu dạng đây (chú yếu đồng, nhôm, niken)

- Các lớp phủ có công cụng khác nhau

- Nhiều loại vật liệu bột

- Dùng cho vật liệu phủ có nhiệt độ nóng chảy cao (keramic)

- Dùng cho sản phẩm yêu cầu chất lượng cao, có lóp phủ mỏng

(0,7 – 0,85)

- Độ bám dính tốt

- Sản phẩm có kích thước và khối lượng lớn

- Độ bám cao

- Chất lượng lớp phủ cao

- Tiếng ồn > 140 db

- Yêu cầu có buồng cách âm

- Thiết bị phức tạp, đắt tiền

- Năng suất thấp

- Tiền ồn lớn

- Lớp phủ mòng

- Phải có buồng chân không

- Buồng chân không phải theo kích thước sản phẩm

1.2 CÔNG NGHỆ CHUẨN BỊ BỀ MẶT KIM LOẠI NỀN

1.2.1 Mục đính của Công nghệ chuẩn bị bề mặt

 Tạo độ nhấp nhô nhất định trên bề mặt kim loại nền để có khả năng liên kết cơ học với phần tử kim loại phủ

 Tăng khả năng hoạt tính cho bề mặt kim loại nền

Hiện nay trên thế giới có phương pháp chuẩn bị bề mặt được phổ biến sử dụng như: phương pháp hoá học, phương pháp cơ khí, phương pháp cơ học, phương pháp cơ

- điện

1.2.2 Công nghệ chuẩn bị bề mặt trước khi phun phủ:

Công nghệ chuẩn bị bề mặt theo trước khi phun phủ có thể biểu thị theo sơ đồ sau ( hình 1-17)

Hình 1-17: Sơ đồ công nghệ chuẩn bị bề mặt

Tẩy rửa chi tiết kiểm tra khuyết tật

Gia công cơ khí sơ

bộ

Tạo rãnh theo đường tròn và nhám ở đ nh

Gia công hồ quang (gai điện)

Tạo ren nhám

Phun phủ

1.2.2.1 Phương pháp làm sạch bề mặt

Để làm sạch các chất dầu mỡ, người ta dùng các phương pháp sau:

 Dùng các chất hoà tan hữu cơ và dung dịch của các thành phần xút

Khi làm sạch các chất hoà tan hữu cơ người ta dùng trichoetylen Phương pháp này thường tiến hành ở nhiệt độ 70 – 1000

C và dùng cho phần lớn các kom loại (kể cả kim loại không phảo là sắt) Sau khi làm sạch trong dung dịch hoà tan phải nhúng chi tiết vào nước sạch để bề mặt được khử nốt những chất bản còn lại

 Làm sạch bằng điện phân:

Làm sạch trong dung dịch kiềm bằng tác sụng phân lý Vật được nối với cực âm, dưới tác dụng của dòng điện, trên bề mặt kim loại thoát ra khí, chẳng hạn Na và lập tức chúng phản ứng với nước tạo ra Na0H động đặc và hydrô Các hydrôxyt này sẽ có tác dụng làm sạch dầu mỡ bằng bằng tác dụng hoá họpc Làm sạch bằng điện phân là phương pháp duy nhất cho bề mặt hoàn toàn sạch vì thế râấ có ý nghĩa trong việc mạ điện

 Ngâm kim loại:

Ngâm kim loại là phương pháp làm sạch bằng hoá học Bằng cách ngâm này, bề mặt chi tiết được khử chất bẩn vô cơ như các ôxyt, các vẩy, g , nhưng trước khi ngâm vật phải được làm sạch dầu mỡ Ngâm làm sạch th p thường dùng 10  20% dung dịch nước axít lưu huỳnh và nung nóng đến 40  700C

1.2.2.2 Tạo nhám lớp bề mặt trước khi phun phủ

Việc tạo nhám lớp bề mặt trước khi phun phủ là nguyên công quan trọng với mục đích đảm bảo độ bền và độ dính kết của kim loại phủ với bề mặt chi tiết được phủ

Có các phương pháp làm nhám bề mặt như: gia công phun cát, phun hạt kim loại hoặc phun bi, cắt ren, gia công tia lửa điện (gại điện)

Người ta áp dụng các phương pháp cắt ren tròn, cắt ren bằng cùng cới việc sửa lại đầu ren, cuộn dây có gia công phun cát là những phương pháp có nhiều ưu điểm khi phủ các lớp dày

Khi chọn một phương pháp chuẩn bị bề mặt cần phải chú ý đến độ bền dính kết

Loại công nhân

Thiết bị dụng cụ Phạm vi sử dụng

Min Max Công

3 – 4 Thiết bị

phun cát

Dùng cho những lớp phủ mỏng và trong việc phục hồi các trục khuỷu của ô tô

Cắt ren

bằng 0,5 20,0 Tiện 4 - 5

Máy tiện và dao cắt ren

Để phủ các chi tiết máy mòn (trục và bạc lót) bề mặt được xêmentit và

bề mặt không qua tôi

Dùng như trường hợp trên và dùng cho các bề mặt trụ trong của các xi lanh

Dùng cho các bề mặt qua xementit hoặc qua tôi (đặc biệt dùng cho chi tiết làm việc với tải trọng lớn

Gại điện 0,7 10,0 Thợ

Máy tiện, náy biến thế

và gá lắp gại điện chuyên dùng

Dùng cho các bề mặt qua xementit và tôi, chuẩn bị các bề mặt trong của các xi lanh

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Nhận xét:

Trên cơ sở phân tích các phương pháp thiết bị và vật liệu phun phủ kim loại bằng nhiệt khí có thể đi đến nhận x t như sau:

Các phương pháp phun kim loại bằng nhiệt khí

 Có khả năng sử được khá đa dạng vật liệu phủ, không bị hạn chế về kích thước của chi tiết, ít gây biến dạng cho chi tiết và tạo đựơc chiều dày lớp phủ khá lớn từ 0,1 – 3mm

 Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa ôxyaxêtylen rất thông dụng do có thiết bị không phức tạp, vận hành đơn giản giá thành thấp, tính vạn năng cao, dùng được cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy đến 3000oK

 Những hạn chế của phương pháp: trong khí thổi chửa chất khí có hoạt tính cao như ôxy đó là nguyên nhân gây ôxy hoá lớp phủ

 Nhóm hợp kim Ni – Cr – Si – B có khả năng chống g , chịu mài mòn, chịu được tải va đập, loại trừ được ôxy và bọt khí trong lớp phủ khi xử lý nhiệt, tạo được độ cứng bề mặt chi tiết lớn hơn 50 HRC Ưu điểm đó phù hợp với công nghệ phục hồi chi tiết máy

Phương pháp phủ kim loại bằng bốc bay trong chân không

 Tạo ra lớp phủ kim loại chất lượng cao về cả độ liên kết và mỹ thuật năng suất cao

 Phương pháp bị hạn chế do phải có buồng chân không theo kích thước sản phẩm, thiết bị phức tạp và chi phí cao nên ch ứng dụng cho sản phẩm có kích thước nhỏ đòi hỏi chất lượng và mỹ thuật cao có lớp phủ mỏng

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ BÁM DÍNH

2.1 CƠ SỞ KÝ THUYẾT VỀ ĐỘ BỀN BÁM DÍNH

Quá trình phun kim loại cho đến nay đã giải quyết được nhiều vấn đề về lý thuyết cũng như thực nghiệm, như vấn đề lý thuyết khuyếch tán, quá trình hoá học, các quy trình công nghệ phun v.v … Nhưng vấn đề độ bám của lớp phủ bằng phun kim loại với vật liệu nền v n còn là một vấn đề mà những năm gần đây nhiều nước, nhiều nhà khoa học còn phải chú ý đến một cách đáng kể Những nhận thức lý thuyết cho đến nay về độ bám của lớp phủ với vật liệu nền có thể được tóm tắt dưới các dạng sau:

2.1.1 Lực dính bám của hạt kim loại lỏng bên bề mặt các chất rắn

Giả thuyết hạt phun khi va đập vào bề mặt chi tiết đang ở trạng thái lỏng, lúc đó

sẽ có hiện tượng dính bám của một giọt lỏng lên bề mặt của chất rắn dựa vào lực căng

bề mặt của giọt lỏng đó và môi trường xung quanh nó

Hình 2 – 1: Nếu gọi 12 là lực căng giữa giọt lỏng và chất rắn

23 là lực căng giữa giọt lỏng và không khí

13 là lực căng giữa chất rắn và không khí

 là góc căng giữa giọt lỏng và chất rắn

Để cho giọt lỏng giữ lại ở trạng thái cân bằng thì [10]

13 12 23 cos

    (2 – 1) Suy ra:

1 Chất rắn 2 Chất lỏng 3 Không khí

Góc  phụ thuộc vào bản chất của ba thể, nó thay đổi trạng thái và độ sạch của

bề mặt Nếu góc căng của thể rắn và thể khí lớn hơn góc căng của thể rắn và thể lỏng thì góc 0 <  < 900

- Khi cos  > 0 giọt lỏng có dạng cụp vào (hình 2 – 2a) và khi đó giọt lỏng dính ướt bề mặt chất rắn

- Khi cos  > 900 tức là 13 12 (tức góc  là góc tù) giọt lỏng có dạng cong

ra (hình 2 – 2b) trường hợp này giọt lỏng không dính ướt bề mặt chất rắn Vì cos 

không lớn, ta có:

   ( 2 – 3) Đây là điều kiện dính ướt đối với bề mặt nhẵn

Hình 2 – 2: Hình dạng giọt lỏng

a Dạng cụp vào b Dạng cong ra Với bề mặt làm nhẵn thì phương trình (2 – 1) phải có dạng (2 – 5) có tính đến

hệ số K Hệ số K là tỷ lệ giữa diện tích mặt nhám và diện tích bề mặt nhẵn

n p

S K S

Nhưng khi nguyên tử hay phân tử tác dụng với bề mặt kim loại thì năng lượng trao đổi rất khó xác định bởi vì các nguyên tử kim loại nằm trong trạng liên kết với các nguyên tử khác

Nhưng thực tế cho thấy lực liên kết của nguyên tử năm ở chỗ lõm cao hơn nguyên tử nằm ở bề mặt và những nguyên tử nằm trong những hố sâu (hình 2 – 3b) có lực liên kết còn cao hơn so với các nguyên tử nằm ở chỗ lõm (hình 2 – 3a) và đặc biệt lực liên kết ở các đ nh nhấp nhô là thấp nhất Điều này có thể giải thích là các nguyên

tử nằm ở chỗ lõm liên kết với nhiều nguyên tử nằm trong mạng tinh thể hơn, nên liên kết lớn hơn

Hình 2 – 3: Ảnh hưởng của vị trí nguyên từ đến lực liên kết

a Chỗ lõm b Hố sâu

2.1.3 Lực liên kết do ảnh hưởng của lớp điện tích kép:

Trong quá trình chuyển động nhiệt các phân tử d n điện có thể chuyển động vượt ra khỏi ranh giới của bề mặt và tạo thành một lớp mây điện tử ở bề mặt kim loại Giữa lớp mây điện tử và các nguyên tử tạo thành một lớp điện tích kép, một cực là lớp mây điện tử, cực kia là các nguyên tử ở bề mặt Lớp này được gọi là lớp điện tử kép Khi có hai kim loại tiếp xúc với nhau thì do sự chênh lệch hiệu điện thế ở hai bề mặt, giữa chúng có điện lực tác dụng Lực đó tính theo công thức

2

F   S (2 – 11)

Trong đó:

 - diện tích riêng trên một đơn vị diện tích của lớp mây điện tử

S - diện tích tiếp xúc (diện tích này phụ thuộc vào lực làm cho hạt kim loại bẹt lại ở vùng tiếp xúc)