Nghiên cứu công nghệ cán phôi bimetal thép CD70 trên nền c45 làm dụng cụ cắt

Trình bày tổng quan qúa trình nghiên cứu và chế tạo Bimetal làm dụng cụ cắt. Phương pháp nghiên cứu. Xây dựng mô hình mô phỏng chất lượng Bimetal dụng cụ cắt. Thí nghiệm tối ưu hoá miền thông số công nghệ. Tác giả đưa ra kết luận và kiến nghị. Trình bày tổng quan qúa trình nghiên cứu và chế tạo Bimetal làm dụng cụ cắt. Phương pháp nghiên cứu. Xây dựng mô hình mô phỏng chất lượng Bimetal dụng cụ cắt. Thí nghiệm tối ưu hoá miền thông số công nghệ. Tác giả đưa ra kết luận và kiến nghị.

Chương 1 - Tổng quan quá trình nghiên cứu và chế tạo

1.1.1 Đặc điểm chung của vật liệu Bimetal 9

1.1.3 Các dạng tương tác giữa các lớp trong vật liệu Bimetal 10 1.1.4 Các kiểu liên kết giữa các lớp vật liệu Bimetal 11

1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật về vật liệu Bimetal dụng cụ cắt gọt 13 1.2.2 Các tính chất của vật liệu Bimetal dụng cụ cắt gọt 15 1.2.3 Đặc điểm và các yêu cầu kỹ thuật của một số loại vật liệu Bimetal

2.1.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc tế vi 52 2.1.4 Nghiên cứu cấu trúc tế vi lớp thép CD70 chịu mài mòn và vùng lân

cận biên giới hai lớp kim loại của băng Bimetal 54 2.2 Thiết bị và phương pháp tiến hành thí nghiệm 55

2.2.2 Nội dung nghiên cứu và phương pháp thí nghiệm 57

Chương 3 - Xây dựng mô hình mô phỏng chất lượng

3.1 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến chất

Chương 4 - Thí nghiệm tối ưu hoá miền thông số công

4.1 Thí nghiệm tối ưu hoá miền thông số công nghệ 80

4.2.1 Độ bền liên kiết giữa hai lớp kim loại 80

4.2.3 ảnh chụp cấu trúc tế vi một số mẫu điển hình 82 4.3 Kết quả thí nghiệm và xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của độ bền liên kiết hai lớp kim loại và các thông số công nghệ: tổng lượng biến dạng ε,

Bảng 1.4 Chiều dày các lớp vật liệu Bimetal

Bảng 1.5 Kết quả độ bền liên kết của các kim loại khác nhau

Bảng 1.6 Kết quả khi gia công ở nhiệt độ và lượng biến dạng khác nhau giữa

các thép hợp kim và thép Cacbon thấp (CT2)

Bảng 2.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình làm thí nghiệm

Bảng 3.1 Bảng khảo sát của các yếu tố ảnh hưởng

Bảng 3.2 Bảng chuyển biến từ ZR j R sang xR j R

Bảng 3.3 Bảng ma trận cấu trúc F quy hoạch thực nghiệm

Bảng 3.4 Kết quả đo các giá trị tại ba mẫu ở tâm

Bảng 3.5 Bảng kết quả tính toán các thông số

Bảng 4.1 Bảng kết quả đo độ bền liên kết của các mẫu thí nghiệm

Danh mục các hình

Hình 1.1 Sơ đồ các dạng liên kết cơ bản

Hình 1.2 Một số vật liệu Bimetal có vị trí lớp dán khác nhau

Hình 1.3 Một số dụng cụ cắt gỗ, giấy và da

Hình 1.4 Kết cấu phôi Bimetal để cán bó

Hình 1.5 Phôi Bimetal làm dụng cụ cắt

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp đúc tổ hợp

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý phương pháp mạ nhúng

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn đắp plasma và sản phẩm hàn đắp Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn chảy

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun phủ và súng phun ngọn lửa Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý phương pháp bốc hơi vật lí

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý phương pháp bốc hơi hoá học

Hình 1.13 Sơ đồ cán dính

Hình 1.14 Cấu tạo phôi hộp cán nóng

Hình 1.15 Sơ đồ hàn ép

Hình 1.16 Sơ đồ phương pháp nổ dính

Hình 2.1 Sơ đồ đo độ dày các kim loại Bimetal thép C45 – CD70

Hình 2.2 Mẫu thử độ bền liên kết Bimetal

Hình 2.6 Lò ủ điện trở 1 vùng nhiệt độ

Hình 2.7 Máy đo độ bền liên kết 100 tấn

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tổng lượng biến dạng đến độ bền

liên kết của băng Bimetal thép - thép, thép - thép hợp kim

Hình 3.2 Mô hình nghiên cứu

Hình 3.3 Mô hình quy hoạch thực nghiệm

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn độ cứng tế vi của Bimetal thép C45 – CD70 ở

nhiệt độ ủ T = 670P

0

P

C, ε = 55%, t = 240 phút Hình4.2 Đồ thị biểu diễn độ cứng tế vi của Bimetal thép C45 – CD70 ở nhiệt

độ ủ T = 720P

0

P

C, ε = 73%, t = 240 phút Hình 4.3 ảnh tổ chức tế vi của mẫu (9) độ phóng đại 100 lần

Hình 4.4 ảnh tổ chức tế vi của mẫu (9) độ phóng đại 200 lần

Hình 4.5 ảnh tổ chức tế vi của mẫu (12) độ phóng đại 100 lần

Hình 4.6 ảnh tổ chức tế vi của mẫu (12) độ phóng đại 200 lần

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian ủ và nhiệt độ ủ đến độ

bền liên kiết của Bimetal (ε = 40 %)

Hình 4.8.Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian ủ và nhiệt độ ủ đến độ

bền liên kiết của Bimetal (ε = 52 %)

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian ủ và nhiệt độ ủ đến độ

bền liên kiết của Bimetal (ε = 70 %)

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lượng biến dạng và thời gian ủ

đến độ bền liên kiết của Bimetal (T = 680P

0

P

C) Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lượng biến dạng và thời gian ủ

đến độ bền liên kiết của Bimetal (T = 720P

0

P

C) Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lượng biến dạng và thời gian ủ

đến độ bền liên kiết của Bimetal (T = 770P

0

P

C) Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lượng biến dạng và nhiệt độ ủ

đến độ bền liên kiết của Bimetal (t = 180 phút

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lượng biến dạng và nhiệt độ ủ

đến độ bền liên kiết của Bimetal (t = 240 phút)

Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lượng biến dạng và nhiệt độ ủ

đến độ bền liên kiết của Bimetal (t = 300 phút)

Mở đầu

ở nước ta, công nghiệp ngày càng phát triển mạnh mẽ, các thiết bị đòi hỏi phải có kết cấu gọn nhẹ, độ bền cao, vì vậy vật liệu chế tạo các chi tiết đó cần phải có tính năng tương ứng Dụng cụ cắt là một chi tiết quan trọng được

sử dụng nhiều trong các thiết bị chế tạo các chi tiết, sản phẩm bằng gia công cắt gọt Yêu cầu kỹ thuật của dụng cụ cắt là kết cấu gọn nhẹ, tiết kiệm được vật liệu quý hiếm, khả năng chống mài mòn cao, hệ số ma sát thấp, khả năng

tự mài sắc cao, chịu nhiệt, chịu tải trọng va đập lớn và độ dẻo dai cao Các tính năng này quyết định sự tiêu hao năng lượng và tuổi thọ của dụng cụ cắt Chính vì vậy dụng cụ cắt Bimetal đã được thay thế dụng cụ cắt đơn kim loại

Để chế tạo vật liệu Bimetal phôi dụng cụ cắt có thể sử dụng các phương pháp truyền thống như đúc, hoặc các phương pháp mới như hàn nổ, phun phủ,

ép bột, cán dính,…Việc lựa chọn phương pháp chế tạo vật liệu Bimetal phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có điều kiện thực tế Công nghệ chế tạo băng Bimetal dụng cụ cắt bằng phương pháp cán nóng thép dụng cụ trên nền thép kết cấu không yêu cầu đầu tư thiết bị phức tạp, đắt tiền Thiết bị có thể tự tạo trong nước, có khả năng tự động hoá cao dây chuyền công nghệ, tạo ra băng Bimetal đa dạng về chủng loại, kích thước hình học với chất lượng tốt, thích hợp cho việc chế tạo dụng cụ cắt cao cấp, làm việc ở chế độ tải trọng và vận tốc cắt lớn, có độ bền cao, độ chống mài mòn cao, ma sát nhỏ, độ dẻo dai cao

và khả năng chịu nhiệt lớn

Nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm, tôi

được giao đề tài “Nghiên cứu công nghệ cán phôi Bimetal thép CD70 trên

cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cán đến chất lượng băng Bimetal

phôi dụng cụ cắt gọt, tối ưu hoá các thông số công nghệ ấy để băng Bimetal

đạt chất lượng cao phụ vụ trong công nghiệp chế biến gỗ, giấy và da đồng thời làm cơ sở nghiên cứu, chế tạo các dụng cụ cắt chất lượng cao cho máy công cụ phụ vụ trong gia công cơ khí vật liệu kim loại Luận văn được trình bày thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về vật liệu Bimetal và các phương pháp chế tạo; Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu;

Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng chất lượng phôi Bimetal làm dụng cụ cắt;

Chương 4: Thí nghiệm tối ưu hoá các thông số công nghệ;

Chương 1 Tổng quan quá trình nghiên cứu và chế tạo bimetal

làm dụng cụ cắt

Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp không chỉ những ngành mũi nhọn như Hàng không, Vũ trụ mà còn cả những ngành công nghiệp truyền thống như điện tử, nhiệt lạnh, chế tạo máy, xây dựng, hoá học, công nghiệp giấy, gỗ, da,… đòi hỏi phải có những vật liệu mới có tính chất ưu việt hơn những vật liệu thông thường

Kim loại và hợp kim thuần tuý chỉ có những tính chất cơ lý xác định Khó có kim loại và hợp kim nào cùng một lúc có được tất cả tính chất cơ lý tốt, bởi vậy mặc dù ngày nay tồn tại một số lượng rất lớn kim loại và hợp kim, song không phải lúc nào vật liệu cũng đáp ứng được những yêu cầu đặt ra Như một quy luật tất yếu, vật liệu tổ hợp nhiều lớp, trong đó có vật liệu kim loại kép (Bimetal) đã ra đời Kết hợp tính chất của các vật liệu khác nhau vào cùng một vật liệu hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thoả mãn mọi nhu cầu, rất đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai Với các tính năng đặc biệt như khả năng chịu mài mòn, khả năng chống ăn mòn, khả năng chịu nhiệt, chịu ma sát và một số tính năng khác mà vật liệu truyền thống không có

Sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của vật liệu mới chính là nhằm giảm thiểu kích thước, trọng lượng các linh kiện và thiết bị hay thay thế những kim loại quí hiếm đắt tiền Vì vậy, vật liệu Bimetal ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế

1.1 Vật liệu Bimetal

1.1.1 Đặc điểm chung của vật liệu Bimetal

Bimetal là vật liệu không đồng nhất, nó được tạo nên bởi hai hay nhiều thành phần kim loại liên kết bền chắc với nhau, trong đó ít nhất một thành phần trội hơn về thể tích là một kim loại hoặc một hợp kim

Bimetal là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên Bimetal thường rất khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha Pha liên tục trong toàn khối vật liệu và trội hơn so với các pha khác về thể tích được gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn trong toàn khối vật liệu hoặc

ít hơn so với các pha khác về thể tích được gọi là pha dán, phủ hoặc pha cốt Trong Bimetal tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt tuân theo thiết kế có định hướng trước

Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của vật liệu mới tạo ra Tuy vậy, tính chất của vật liệu tạo ra không bao hàm tất cả các tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất cần thiết và phát huy những tính chất đó

1.1.2 Phân loại vật liệu Bimetal

Theo lĩnh vực ứng dụng Bimetal kim loại có thể chia thành năm nhóm sau:

a Bimetal chống gỉ:

Là loại Bimetal có nền là thép Cácbon hoặc thép hợp kim thấp, lớp phủ là kim loại chống gỉ: Đồng, Niken, Nhôm, Titan, các hợp kim nhôm, hợp kim Titan và một số hợp kim khác Độ dày của lớp phủ chiếm khoảng 5 ữ 25% chiều dày tổng cộng

b Bimetal chống ma sát:

Là loại Bimetal có lớp nền là thép và lớp dán là hợp kim chống ma sát cơ

sở nhôm hoặc cơ sở đồng Loại này thường được dùng để chế tạo các dạng bạc lót trục, độ dày của lớp dán chiếm khoảng 25ữ45% chiều dày tổng

c Bimetal tự mài sắc:

Là loại Bimetal có cấu tạo bởi những kim loại và hợp kim có độ bền cao

được dùng để chế tạo bàn gạt đất, gầu xúc đất đá, lưỡi cày, máy ủi, máy nông nghiệp,…

d Bimetal tiếp điểm:

Là loại Bimetal lớp vật liệu dán phải có tính dẫn điện, nhiệt tốt, độ bền cao, có nhiệt độ hoá mềm và nhiệt độ làm việc lâu dài cao, khả năng chống ăn mòn tốt Vật liệu làm tếp điểm được làm bằng những vật liệu có tính tiếp xúc thích hợp, như: Ag, Au, Pt, hợp kim Ag, vật liệu tổ hợp trên cơ sở Ag, Ag-Pladium, hợp kim Au, Pt, hợp kim có mạ Ag, Au, Pt,

e Bimetal dụng cụ và chống mài mòn:

Là loại Bimetal có lớp nền là thép Cácbon có độ dai cao, lớp phủ là thép dụng cụ hợp kim cao hoặc các hợp kim cứng Loại này được ứng dụng để chế tạo dao cắt kim loại, da, giấy,… Độ dày của lớp dán chiếm khoảng 30% chiều dày tổng cộng

f Bimetal nhiệt:

Là loại Bimetal được chế tạo bởi ít nhất 2 thành phần có độ dãn nở nhiệt khác nhau Thành phần có độ dãn nở nhiệt nhỏ gọi thà thành phần bị động, thành phần kia là phần chủ động Bimetal nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong

kỹ thuật điện, nhiệt, đo lường và điều khiển Thành phần bị động như: FeCr17, FeNi36, FeNi38, FeNi42, FeNi46, FeNi50 Thành phần chủ động như: FeCr18Ni8, FeCr18Ni10, FeNi19Cr2, FeNi22Cr3, FeNi25Cr8

1.1.3 Các dạng tương tác giữa các lớp trong vật liệu Bimetal

Theo đặc điểm liên kết giữa các lớp của Bimetal có thể phân thành ba dạng cơ bản sau:

1- Không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học;

2- Có tương tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan nhỏ nhưng không tạo hợp chất hoá học Đa số Bimetal kim loại đều thuộc loại này;

3- Có phản ứng tạo hợp chất hoá học

Tuỳ thuộc vào sự tương tác giữa các lớp vật liệu sẽ hình thành nên mối liên kết nhất định Độ bền của vật liệu chịu ảnh hưởng rất lớn vào độ bền liên kết giữa các lớp vật liệu đó

1.1.4 Các kiểu liên kết giữa các lớp vật liệu Bimetal

a Liên kết cơ học

Đây là loại liên kết thuần tuý về cơ học giữa các lớp vật liệu thông qua độ nhám bề mặt hoặc do lực ma sát Vật liệu tổ hợp (VLTH) sợi có liên kết dạng này thường kém bền khi chịu lực néndọc hoặc kéo ngang sợi

b Liên kết nhờ thấm ướt

Loại liên kết này thực hiện nhờ năng lượng sức căng bề mặt Đối với các VLTH tạo ra theo kiểu liên kết cơ học, khi tiến hành quy trình chế tạo, nếu pha nền được nung chảy và dính ướt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuyếch tán hoà tan lẫn nhau giữa chúng dù là nhỏ Sức căng bề mặt trên ranh giới giữa các lớp vật liệu sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định

độ bền của kiểu liên kết này

c Liên kết phản ứng

Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới giữa các lớp vật liệu xảy ra phản ứng tạo hợp chất hoá học dạng MfR x R Đặc tính của hợp chất mới tạo thành này ảnh hưởng quyết định đến độ bền liên kết giữa các lớp vật liệu

d Liên kết phản ứng phân đoạn

Đặc điểm của liên kết này là phản ứng hoá học tổng thể xảy ra theo nhiều giai đoạn, trong đó có một giai đoạn khống chế tốc độ tạo ra liên kết giữa các lớp vật liệu

e Liên kết ôxit

Liên kết dạng này là một dạng đặc biệt của liên kết phản ứng, đặc trưng cho VLTH kim loại - ôxit Đây là dạng liên kết tạo ra các dạng sản phẩm phản

a Liên kết cơ học; b Liên kết thấm ướt; c Liên kết phản ứng;

d Liên kết phản ứng phân đoạn; e Liên kết ôxit

Tóm lại, độ bền liên kiết giữa các lớp của vật liệu Bimetal phải đủ lớn để

đảm bảo cho vật liệu không bị bong, tróc khi làm việc với tải trọng cơ nhiệt

Để vật liệu Bimetal làm việc ổn định và chắc chắn thì độ bền liên kết giữa các thành phần phải đạt tới một giới hạn nhất định Độ bền liên kết phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như chọn vật liệu, chất lượng xử lý bề mặt, phương pháp chế tạo, điều kiện tạo dính kết cũng như việc xử lý sau khi tạo dính kết

Việc kết hợp các kim loại và hợp kim thích hợp với nhau cùng với việc lựa chọn chiều dày và vị trí tương đối của các thành phần trong tổ hợp đã cho phép tạo ra vô số Bimetal dạng lớp có các tính chất vật lý, hoá học và công nghệ như mong muốn

Trong số các Bimetal đã được sản xuất trước hết phải kể đến loại Bimetal

có nền là thép Cácbon hoặc thép hợp kim thấp được dán hoặc phủ bằng lớp thép không gỉ, kim loại màu, thép dụng cụ hoặc kim loại quý hiếm Trong

những trường hợp này kim loại nền là thép Cácbon hoặc hợp kim thấp sẽ gánh chịu tải trọng cơ học còn lớp phủ sẽ gánh chịu ăn mòn hoá học, ma sát, mài mòn, chịu nhiệt do cơ học hoặc do tác dụng nhiệt Ngày nay nhu cầu về vật liệu Bimetal trên toàn thế giới lên tới hàng triệu tấn/năm trong đó phần lớn là các loại thép cán và mạ

1.2 Vật liệu Bimetal dụng cụ cắt gọt

1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật về vật liệu Bimetal dụng cụ cắt gọt

Cơ tính

MPa

σR b MPa C45 0,42ữ0,50 0,50ữ0,80 0,17ữ0,37 ≤0,04 ≤0,04 241 353 598

Cơ tính

MPa

σR b MPa CD70 0,65ữ0,74 0,20ữ0,40 0,15ữ0,35 0,035 0,030 187 834 1030

- Kích thước băng thép: 5 x 22 x 150 mm

c Yêu cầu kỹ thuật:

Để đảm bảo cho dao cắt có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, thép

cácbon dụng cụ phải có hàm lượng cácbon lớn hơn 0.7% (thông thường trên dưới 1%)

Độ cứng sau nhiệt luyện của thép cácbon dụng cụ đạt HRC56ữ62 Càng tăng hàm lượng cácbon thì độ cứng, độ bền mòn càng tăng nhưng đồng thời

độ dẻo dai càng giảm, tính giòn tăng

Độ cứng sau ủ của thép đạt 107ữ217HB nên rất dễ gia công cơ hoặc gia công bằng áp lực

+ Ưu nhược điểm:

Ưu điểm của thép cácbon dụng cụ là giá thành hạ, dễ kiếm, tính gia công tốt Nhưng bên cạnh đó, loại vật liệu này còn một số nhược điểm cơ bản sau:

- Độ thấm tôi của thép cácbon dụng cụ rất thấp Do nhược điểm này,

thép cácbon dụng cụ chỉ thích hợp chế tạo các loại dao cắt nhỏ Trong một số trường hợp, các dụng cụ cần độ cứng bề mặt cao, lõi dẻo dai thì đây lại là một

ưu điểm của loại vật liệu này;

- Khi nhiệt luyện, dụng cụ chế tạo từ thép cácbon dụng cụ dễ bị nứt nẻ, cong vênh và tồn tại ứng suất dư. Do nhược điểm này, thép cácbon dụng cụ

không thích hợp chế tạo các loại dụng cụ có hình dáng phức tạp;

- Độ bền nhiệt thấp (chỉ khoảng 200ữ250P

0

P

C) Đây là nguyên nhân chủ yếu hạn chế tốc độ cắt của dụng cụ chế tạo từ thép Cácbon dụng cụ + Phạm vi sử dụng:

Do những nhược điểm như vậy nên thép cácbon dụng cụ chủ yếu dùng làm các dụng cụ cắt ở tốc độ thấp (thường chỉ cắt với tốc độ 4ữ10m/p) hoặc dụng cụ cắt bằng tay như dũa, đục, tarô, …

Hiện đang sử dụng một số mác thép cacbon dụng cụ sau: CD70, CD70A, CD80, CD80A, CD100, CD100A, CD110, CD110A, CD120,

CD120A, CD130, CD130A)

Bảng 1.3 Tính chất cơ lý và phạm vi sử dụng của một số mác thép Cácbon dụng cụ

1.2.2 Các tính chất của vật liệu Bimetal dụng cụ cắt gọt

Tính chất của vật liệu Bimetal phụ thuộc vào tính chất của các thành phần và phương pháp chế tạo

- Nhiệt độ của vật liệu Bimetal chính là nhiệt độ nóng chảy của thành phần có nhiệt độ chảy thấp nhất

- Tỉ nhiệt điện trở suất của vật liệu Bimetal chúng ta có thể tính theo cách trên Độ dãn nở nhiệt khác nhau của các thành phần được tận dụng trong Bimetal dãn nở nhiệt nhưng cũng có thể dẫn đến sự vặn vẹo hoặc biến dạng

Mác

thép

Cơ lí tính

Độ bền nhiệt (P

0

P

C)

Lĩnh vực sử dụng

Sau ủ Sau tôi và ram

Độ bền (MPa)

Độ cứng (HB)

Độ bền (Mpa)

Độ cứng (HRC) CD70,

không mong muốn ở những vật liệu Bimetal có nhiều lớp khác nhau nếu chiều dày của các lớp gần như nhau Bằng cách chọn vật liệu phù hợp và bố trí các thành phần trong tổ hợp một cách hợp lý có thể tránh hoặc hạn chế được sự biến dạng không đông đều giữa các lớp trong vật liệu ở những vật liệu Bimetal có lớp phủ mỏng thì nói chung lớp nền quyết định hình dáng

- Tính dẫn điện của Bimetal là dị hướng:

Theo phương song song với các lớp:

n

z b

a

ρ ρ

ρ

ρ // = + + +

100

2 1

(1.1) Theo phương vuông góc với các lớp:

ρ a.ρ1 +b.ρ1002 + + z.ρn

=

Trong đó:

ρR // R - Điện trở suất của Bimetal theo phương song song với các lớp;

ρR ⊥ R - Điện trở suất của Bimetal theo phương vuông góc với các lớp;

ρR 1 R, ρR 2 R, …,ρR n R - Điện trở suất của các thành phần 1, 2, …, n;

a, b, …, z – Chiều dày các lớp tính theo % so với chiều dày tổng Trên thực tế người ta thương tổ hợp những vật liệu có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt như Cu, Al, Ag với vật liệu có độ bền cao, hoặc vật liệu có tính tiếp xúc tốt như các kim loại quí hiếm và hợp kim của chúng với vật liệu nền

có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và độ bền cao

- Mô đun đàn hồi của vật liệu Bimetal một cách đơn giản có thể tính theo qui tắc hỗn hợp từ mô đun đàn hồi của các thành phần

Khi tính toán độ bền của Bimetal nói chung, ta xuất phát từ độ bền của vật liệu nền chừng nào các thành phần đều dẻo Trong trường hợp mô đun đàn hồi của các thành phần gần như không chênh nhau nhiều thì giới hạn bền kéo

và giới hạn chảy của Bimetal tính theo công thức sau:

(1.3)

Trong đó:

σ - giới hạn bền kéo hoặc giới hạn chảy của Bimetal;

σR 1 R,σR 2 R, σR n R - giới hạn bền kéo hoặc chảy của các thành phần 1,2, ,n; a,b, , z - chiều dày của các lớp tính theo % so với chiều dày tổng (trùng với giá trị được xác định bằng thực nghiệm)

Trong trường hợp Bimetal có các thành phần dòn thì độ bền phải được xác định bằng thực nghiệm Tính dẻo của Bimetal có thể xác định bằng thử kéo qua việc đo độ dãn dài và độ thắt tỷ đối cũng như qua việc xác định độ dai

va đập, giới hạn bền

Nhằm đảm bảo cho Bimetal làm việc ổn định và chắc chắn thì độ bền liên kết giữa các thành phần phải đạt tới một giới hạn nhất định Độ bền liên kết phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như chọn vật liệu, chất lượng xử lý bề mặt, phương pháp chế tạo, điều kiện tạo dính kết cũng như việc xử lý sau khi tạo dính kết

Để xác định độ bề liên kết của vật liệu Bimetal có rất nhiều phương pháp

mà việc sử dụng chúng lại tuỳ thuộc vào phương pháp tạo dính kết, vào chiều dày các lớp và vào độ bám dính giữa các lớp Các phương pháp xác định có thể là định tính hoặc định lượng Phần lớn các phương pháp định tính đều đơn giản, không tốn kém, dễ thực hiện như uốn, bẻ gập, xoắn, dập vuốt Còn các phương pháp định lượng thường rất tốn kém, phải chế tạo những mẫu và dụng

cụ đo đặc biệt nhằm đo được lực cần thiết để tách rời các lớp với nhau Điều này thường rất khó thực hiện nhất là đối với những lớp mỏng có độ bám dính chắc Một số phương pháp định lượng thường dùng như đẩy, trượt, bóc, Một số vật liệu tổ hợp dạng lớp khác được ứng dụng rộng dãi trong kỹ thuật như: Bimetal nhiệt, Bimetal tiếp điểm, Vật liệu dẫn điện, vật liệu đàn hồi dẫn điện, các loại dây phủ

100

.

.

Từ phân tích trên ta thấy thành phần, tính chất của các vật liệu thành phần ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cũng như các yêu cầu kỹ thuật của băng, tấm Bimetal Vì vậy việc đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu đầu vào

là một điều tất yếu

1.2.3 Đặc điểm và các yêu cầu kỹ thuật của một số loại vật liệu Bimetal

dụng cụ cắt gọt

Tấm và băng Bimetal hai hoặc ba lớp có ứng dụng rộng rãi để chế tạo dụng cụ cắt gọt trong chế tạo máy, trong công nghiệp da, giấy và một số lĩnh vực chế biến gỗ

Các dụng cụ cắt gọt như vậy được tích hợp các tính chất cắt cao của thép hợp kim và tính dẻo cao của phần thân do cách chế tạo bằng thép Cácbon thấp, như vậy nó có độ bền lớn trong quá trình cắt chịu va đập Đồng thời nó tiết kiệm được kim loại quí hiếm như: Cr, W, Va,… (hợp kim và nguyên tố hợp kim) do vậy Bimetal được ứng dụng rất rộng rãi khi chế tạo dụng cụ cắt Trong các dụng cụ cắt thì phần lớn thân được chế tạo bằng thép Cácbon thấp, phần cắt được chế tạo bằng thép hợp kim

Một số dụng cụ cắt thân được chế tạo bằng thép Cácbon như: C10, C15, C35, C50 (ΓOCT 1050 - 60), phần cắt được chế tạo bởi thép hợp kim cao như: X5Φ, 9XBΦ (ΓOCT 6567 - 61) hoặc X6BΦ, 85XΦ, X6Φ1, 85XB1ΦT, 6XC, 85X4B4Φ (ΓOCT 5950 - 61)

Các loại dao cắt được sử dụng trong công nghiệp có hình dáng đơn giản, khác nhau về kích thước Trong công nghiệp giấy và gỗ thì dụng cụ cắt thường

ở dạng băng và tấm, có diện tích mặt cắt ngang không lớn so với chiều dài của

nó Đôi khi chiều dài của dụng cụ ≥ 3000 mm

Các loại dao cắt được chế tạo bằng một loại vật liệu như: 6XC, UX15, P9, rất phức tạp và đắt đỏ vì phải tiêu tốn nhiều kim loại hợp kim cho toàn

bộ dao

Với cách nhìn kỹ thuật thì các loại dao như vậy không đảm bảo độ bền va

đập, ngoài ra khi nhiệt luyện thường bị cong vênh và nứt vỡ, đồng thời rất khó nắn thẳng sau khi nhiệt luyện, đây chính là nguyên nhân chủ yếu gây hỏng dao

Trong trường hợp ứng dụng Bimetal phần cắt được chế tạo bằng thép hợp kim và chiếm khoảng 8 ữ 12% trọng lượng dao Phần chính là thép Cácbon thấp nhằm cải thiện hiện tượng cong vênh, thoát Cácbon và dễ nắn thẳng sau nhiệt luyện, làm giảm tối đa sự hỏng hóc

Tấm và băng Bimetal được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất

gỗ và làm dụng cụ cắt gọt bằng tay như: Bào, đục, tràng, Các dụng cụ này

được sản xuất rất phổ biến ở phương Tây như: Anh, Nga,

Kích thước của băng Bimetal rất phong phú, đa dạng và được chế tạo theo đơn đặt hàng của người tiêu dùng phụ thuộc vào dụng cụ cắt gọt cụ thể Bimetal dạng tấm trong công nghiệp có độ dày từ 10 – 20mm, lớp hợp kim chiếm khoảng 30% độ dày chung của tấm Bình thường nó có thể không phủ toàn bộ bề mặt của tấm mà chỉ phủ một phần Trong khi chế tạo các dụng

cụ cắt phần không được phủ hợp kim được sử dụng làm phần chuôi dụng cụ cắt Trừ một vài loại Bimetal đặc biệt thì được phủ hai chỗ như hình 1.2

Hình 1.2 Một số vật liệu Bimetal có vị trí lớp dán khác nhau.(Thêm hình)

Kết hợp các kim loại và hợp kim thích hợp với nhau cùng với việc lựa chọn chiều dày lớp và vị trí tương đối của các thành phần trong tổ hợp cho phép tạo ra vô số vật liệu Bimetal có các tính chất vật lý, hoá học và công nghệ mong muốn

Tấm, băng Bimetal dùng để chế tạo dụng cụ cắt có chiều rộng 200 ữ 600

mm, độ dài ≤ 600 mm

Ví dụ một số loại băng, tấm Bimetal được chế tạo có các kích thước về

độ dày đối với từng thành phần kim loại như bảng 1.3

Bảng 1.4 Chiều dày các lớp vật liệu Bimetal

Chiều dày phần thép Cácbon thấp, mm

Chiều dày phần dán thép hợp kim, mm 2,5P

+0,35 3,0P

+0,4 4,0P

+ 0,8

3 , 0 5 , 0

0 ,

5 +−

3 , 0 5 , 00 ,

0,8P

± 0,15 1,0P

± 0,2 1,5P

± 0,3 2,0P

± 0,4 2,0P

Loại Bimetal này có lớp nền thường dùng là thép Cácbon thấp C30, C35 lớp phủ thường sử dụng: 9X5BΦ, 9X5Φ, 85XΦ, 85x4B4Φ,

Phổ biến có một số loại dao cắt khác bằng Bimetal để dùng trong công nghiệp của Anh – Hãng PotergramΦopr đã sản xuất các dụng cụ cắt bằng Bimetal hình 1.3

Hình 1.3 Một số dụng cụ cắt gỗ, giấy và da

1- Bào; 2- Lưỡi cắt da; 3,4- Đục gỗ; 5- Đục da; 6- Thanh răng gắn vào thước; 7- Dao cắt giấy; 8- Cắt vải; 9- Dao cắt cỏ; 10- Nẫy

Dạng Bimetal hình phần nhiều được chế tạo bằng phương pháp ép bột nóng, chủ yếu để ứng dụng cho dụng cụ cắt kim loại Khi đó phần bao ngoài của dao cắt được chế tạo bằng thép hợp kim có độ bền cao, tốc độ cắt lớn như: P9, P18, còn phần lõi của nó thường sử dụng thép Cácbon bình thường

- Vật liệu Bimetal để sản xuất dụng cụ cắt trong công nghiệp chế biến gỗ: Bimetal ứng dụng trong công nghiệp chế biến gỗ như bào, đục, tràng hoặc trong công nghiệp giấy và công nghiệp thuộc da chủ yếu làm các dụng

cụ cắt, xén,

Lớp thép phủ trong Bimetal để làm dao cắt thường ở dạng băng, tấm có

độ dày từ 10 ữ 20 mm, rộng ≥ 400 mm, dài ≤ 3000 mm, thường phủ một phía

và phủ tại một điểm chứ không phủ toàn bộ bề mặt Người ta dùng thép nền là C10, C30, lớp phủ làm phần cắt là thép 6XC, 9X5BΦ, B1, 85XΦ, sản xuất các loại này có thể bằng phương pháp đúc hoặc xếp bó rồi cán ép

Phương pháp cán bó: Chuẩn bị phôi: Thép nền và thép hợp kim hình 1.4

Hình 1.4 Kết cấu phôi Bimetal để cán bó 1- Rãnh hình thang cân để đặt thép làm lưỡi cắt;

Khi cán Bimetal hai lớp dạng này phải thuân theo đúng quy trình công nghệ như đối với thép hợp kim

Theo kết quả nghiên cứu thì việc giảm bớt các lưới cácbít trong lớp liên kết thì tốt nhất nên giữ nhiệt độ kết thúc cán ở khoảng (850ữ900P

0

P

C) Thực tế nhiệt độ kết thúc cán của băng tấm dày là từ 1000ữ1130P

0

P

C, nên việc giảm nhiệt độ kết thúc cán làm cho năng suất của máy cán cũng giảm nhiều, trong trường hợp này để giảm được nhiều lưới cácbít sinh ra bằng cách ủ phôi sau khi cán từ (850ữ880P

0

P

C) trong 10ữ12 giờ Độ bền liên kết giữa các lớp cũng

được thử như cách thử đối với các loại Bimetal khác, nó thường đạt từ 290ữ390 MPa

Phương pháp cán bó được dùng phổ biến ở các nhà máy chế tạo dụng cụ cắt tại Liên Xô cũ

VD: Để làm phôi bó Bimetal dụng cụ cắt với thép nền là thép C30, thép làm lưỡi cắt là thép 85XΦ được cắt từ phôi tấm, phay hết lớp ôxi hoá, làm sạch bằng chổi sắt quay Có kích thước như hình 1.5

1- Thép C30; 2- Thép 85XΦ

Hình 1.5 Phôi Bimetal làm dụng cụ cắt

H = 147ữ150 mm; B = 540ữ550 mm; h = 47ữ48 mm; b = 100 mm

Sau khi xếp bó được hàn lại bằng dây que hàn 06X19H9T Yêu cầu kỹ thuật khi hàn là không được có vết nứt ở trên mối hàn Phôi được nung ở lò nung 3 vùng, chế độ nung, tốc độ nung theo thép làm dụng cụ cắt Nhiệt độ nung: 1130ữ1150P

phải được tiến hành ủ theo chế độ sau: Nâng nhiệt độ ủ lên tới 900P

0

P

C trong khoảng 17 giờ và giữa ở nhiệt độ ấy 5 giờ rồi làm nguội cùng lò đến 560P

0

P

C trong khoảng 34 giờ, sau đó để nguội cùng hộp ủ

Độ cứng của lớp cắt trước khi ủ khoảng 30ữ31 HRC, lớp nền 16ữ17HRC Thậm chí nếu uốn nhẹ lớp băng có thể bị nứt và bong tróc

Tính chất của băng Bimetal liên kết: C30 và 85XΦ; C30 và 95X5Φ:

Độ bền liên kết: 471ữ510Mpa;

Độ dãn dài: δ = 24ữ22;

Độ cứng: Lớp cắt: 78ữ71HRC; Lớp nền:62ữ61HR

1.3 Các phương pháp chế tạo Bimetal làm dụng cụ cắt

Bimetal làm dụng cụ cắt có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau theo khối lượng kích thước, tính chất, yêu cầu kỹ thuật mà lựa chon phương pháp nào cho phù hợp và kinh tế nhất Các phương pháp sản xuất Bimetal dạng lớp có thể phân chia thành hai nhóm sau:

- Tạo liên kết ở thể lỏng (lỏng - lỏng hoặc rắn – lỏng);

đơn chiếc (nếu sản xuất bằng phương pháp cán dính hoặc ép chảy thì không kinh tế), thường dùng phương pháp hàn đắp

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý phương pháp mạ nhúng

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn đắp plasma

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn chảy

c Phương pháp phun phủ

Phương pháp này chủ yếu để tạo nên lớp chống mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt hoặc nhằm mục đích đặc biệt khác như trang sức, dẫn điện, dẫn nhiệt, cách nhiệt, Hầu hết các kim loại, các bít, borit đều có thể phun lên bề mặt của các vật liệu kim loại khác, song trong thực tế thường phun nhôm, kẽm, đồng, thiếc, đồng thanh, đồng thau, các bít, borit lên bề mặt thép

Thiết bị phun là các súng phun: súng phun ngọn lửa, súng phun hồ quang, súng phun plasma

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun phủ và súng phun ngọn lửa

d Phương pháp tạo lớp phủ mỏng:

Bao gồm các phương pháp mạ và bốc hơi Mạ có thể là toàn bộ hoặc cục

bộ, chiều dày lớp mạ thường trong khoảng 0,5ữ20àm Phủ bằng mạ được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật như mạ Ni, Cr, Cu, Zn, Sn, Pb, Au, Ag, Cd v.v Phương pháp bốc hơi có thể tạo ra lớp phủ từ mấy A0 đến hàng milimét

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý phương pháp bốc hơi hoá học

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý phương

pháp bốc hơi vật lí

thông qua sự ngưng tụ của kim loại đem phủ dưới dạng hơi lên bề mặt của kim loại nền trong chân không Phương pháp vật lý (PVD - Physical Vapour Deposition) và phương pháp hoá học (CVD - Chemical Vapour Deposition)

1.3.2 Tạo liên kết ở thể rắn

Sử dụng các phương pháp tạo liên kết bằng hàn ép, cán dính, nổ dính

Điểm chung của các phương pháp này là liên kết giữa các lớp được tạo ra trong điều kiện nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao dưới tác dụng của áp lực

Điều kiện để có thể sản xuất băng Bimetal bằng các phương pháp này là các kim loại thành phần phải có đầy đủ tính dẻo nguội và nóng ở mức độ cần thiết

a Chế tạo Bimetal bằng phương pháp cán dính từ các băng kim loại:

Cán dính có thể thực hiện ở nhiệt độ cao (cán nóng) hoặc nhiệt độ thường (cán nguội) Khi cán nóng các thành phần được nung nóng tới nhiệt độ cần thiết rồi đem cán, nhờ áp lực cán và các quá trình khuyếch tán xảy ra mà dẫn

đến dính kết trên bề mặt ranh giới giữa các thành phần Trong cán nguội thì

tấm hoặc băng kim loại được cán dính với nhau ngay ở nhiệt độ thường hoặc cao hơn nhiệt độ thường một chút Số lần cán có thể ≥1, với lượng ép lớn (50-80%) sau đó đem ủ khuyếch tán nhằm tạo liên kết giữa các lớp bền chặt hơn

Hình 1.13 Sơ đồ cán dính

1 – Băng vận chuyển phôi; 2 – phôi; 3 – Lò nung có khí bảo vệ;

4 – Trục cán; 5 – Băng Bimetal

+ So với cán nóng thì cán nguội có những ưu điểm sau đây:

- Tránh được hiện tượng ôxy hoá bề mặt giữa các lớp băng kim loại;

- Tránh được việc tạo thành những hợp chất hoá học, pha liên kim loại, quá trình khuyếch tán không mong muốn, tiết ra các pha dòn mà ở nhiệt độ cao thường xảy ra, tất cả những điều đó đều làm giảm mạnh độ bền liên kết giữa các thành phần;

- Có thể khống chế tỷ lệ chiều dày giữa các lớp một cách chính xác, chất lượng sản phẩm cao;

- Cho phép sản xuất băng kim loại nhiều lớp một cách liên tục;

Do phương pháp cán nguội đòi hỏi lượng ép lớn để tạo dính kết nên nó chỉ thích hợp với việc sản xuất băng mỏng cỡ nhỏ và trung bình (b = 400-600mm) Để đạt được mối liên kết bền vững giữa các thành phần thì điều kiện tiên quyết là những bề mặt liên kết của vật liệu phải được làm sạch bằng các phương pháp hoá học hoặc cơ học như tảy rửa bằng axít, mài, chải, tẩy dầu mỡ v.v Những bề mặt này phải được giữ sạch cho đến khi ép hoặc cán dính Khi cán nóng nhất thiết phải áp dụng các biện pháp ngăn ngừa oxy hoá ở nhiệt độ cao như bao gói bằng thép tấm, hàn phôi thành hộp hoặc gia nhiệt trong lò có khí bảo vệ

Để tạo được liên kết bền chắc giữa các thành phần ở nhiệt độ cao thì nhiệt độ phải chọn sao cho các quá trình khuyếch tán lẫn nhau của các thành phần được xảy ra một cách mạnh mẽ Đối với những thành phần mà giữa chúng không hoặc chỉ rất hạn chế tạo thành dung dịch đặc thì người ta thường dùng một lớp trung gian để tạo liên kết

Tránh ảnh hường xấu (tróc, bong) do chênh lệch quá lớn về độ lớn về tính dẻo hoặc độ giãn nở nhiệt giữa vật liệu nền và vật liệu phủ Thường chọn những vật liệu có tính tương đồng về cấu trúc mạng

c Chế tạo Bimetal bằng phương pháp nổ dính:

Hình 1.16 Sơ đồ phương pháp nổ dính 1- Vật liệu nền; 2- Vật liệu phủ; 3- Thuốc nổ;

Ti với thép Mối liên kết được tạo ra ở đây nhờ dòng tia và sóng kim loại xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa các thành phần khi nổ

1.3.3 Các kết quả đạt được về sản xuất Bimetal bằng phương pháp cán

Nhiệm vụ cơ bản khi sản xuất Bimetal bằng phương pháp cán là đáp ứng

được độ bền liên kết trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc Đồng thời xác định được quan hệ chiều dày giữa các lớp một cách chính xác cũng như về cấu trúc, tính công nghệ và một loạt các tính chất khác của Bimetal Vấn đề trở nên phức tạp khi biến dạng đồng thời các kim loại khác nhau, lại càng khó khăn nếu không hiểu hết các hiện tượng vật lý ở bề mặt tiếp xúc khi biến dạng

Vì vậy, công nghệ sản xuất vật liệu Bimetal phần lớn chỉ dựa vào các nghiên cứu thực nghiệm, rõ ràng là trong rất nhiều trường hợp không thể đáp ứng được các thông số công nghệ tối ưu để đạt được độ bền kim loại kép lớn nhất đồng thời cho ta tính công nghệ cao Nhiệm vụ cơ bản hiện nay trong lĩnh vực tạo các vật liệu Bimetal mới là sự hiểu biết sâu về quá trình tạo mối liên kết của kim loại ở pha rắn, đặc biệt là hiện tượng vật lý trong vùng liên kết khi cán Chính vì vậy, khi nghiên cứu độ bền liên kết giữa các lớp kim loại của bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ có ý nghĩa to lớn:

a Hiện tượng vật lý tại mặt liên kết khi cùng biến dạng kim loại kép:

Hiện tượng tạo liên kết kim loại ở pha rắn đã được nghiên cứu khi xem xét sự tác dụng qua lại của vật thể trong dịch chuyển có ma sát Các nghiên cứu của các nhà bác học về điều kiện tự nhiên và cơ cấu hình thành liên kết kim loại ở trạng thái rắn đã được phản ánh ở một loạt các giả thiết sau:

- Hiện tượng kết tinh lại: Khi biến dạng với tốc độ nhất định, ở vùng tiếp xúc nhiệt độ kết tinh lại của các kim loại thành phần giảm đi và xẩy ra hiện tượng chúng cùng kết tinh, khi ấy ở vùng tiếp xúc xuất hiện “các hạt chung” và các hạt này thiết lập độ bền liên kết

- Hiện tượng tạo màng ôxit: Khi liên kết các lớp kim loại, trên bề mặt kim loại luôn tồn tại lớp ôxit kim loại mỏng cản trở tạo liên kết Cho nên sự móc dính giữa hai kim loại thành phần trong một vài trường hợp đòi hỏi sự phá vỡ các lớp, các màng ôxit và tạo ra bề mặt sạch lý tưởng Trong quá trình cán màng ôxit bị phá huỷ tạo ra từng điểm liên kết ở trên bề mặt của chúng Vì vậy, màng ôxit mỏng có vai trò nhất định trong việc tạo liên kết kim loại kép bằng phương pháp cán

- Liên kết kim loại Bimetal (kép) phụ thuộc chủ yếu vào cơ lý tính của kim loại thành phần và các mạng tinh thể của các kim loại khác nhau

- Hiện tượng khuyếch tán trên bề mặt tiếp xúc - Lasco.N.P và Karancop N.P: Khi biến dạng bằng áp lực lớn sẽ gây nên hiện tượng sinh nhiệt, tạo nên

sự khuyếch tán của các nguyên tử kim loại thành phần, tạo ra sự dính kết

- Sự chảy dẻo trong vùng tiếp xúc – Actpob.E.U: Do sự biến dạng không đồng đều của các phần tử nhỏ và chính nó là nguồn gốc và do sự dịch chuyển của lệch dẫn tới việc tạo liên kết của các kim loại Khi đó khả năng của kim loại với việc tạo liên kết phụ thuộc vào tính dẻo và trở kháng biến dạng của chúng

- Thuyết năng lượng - A.P Cêmenôp: Giả thuyết này cho rằng khi năng lượng của các nguyên tử đạt được giá trị nào đó thì tạo nên thế năng liên kết giữa các bề mặt vật lý tiếp xúc và chính nó đã tạo nên liên kết kim loại

- Theo ông Krasylin IU.L và Xôrôrôp.M.K ở công trình [15, 25] đã đưa

ra quan niệm khi xét khả năng liên kết kim loại ở pha rắn gồm 3 quá trình: Quá trình biến dạng dẻo giữa các bề mặt tiếp xúc tạo liên kết kim loại nghĩa là dịch chuyển khoảng cách giữa các bề mặt tiếp xúc gần bằng khoảng cách tác dụng các lực nguyên tử; Tạo được các trung tâm năng động của bề mặt tiếp xúc mà ở đó xuất hiện các lệch và tạo nên các trường ứng suất đàn hồi; Năng lượng ấy đủ để tạo nên liên kết kim loại

- Theo ông Karakaorôp.E.C trong công trình [22] đã đưa ra phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm quá trình hóa lý xẩy ra ở vùng liên kết, chứng minh mô hình ba giai đoạn: Quá trình tạo bề mặt liên kết vật lý; Quá trình đẩy mạnh bề mặt tiếp xúc; Quá trình tạo liên kết

Phân tích tất cả kết quả của các giả thiết trên ta thấy rằng mỗi giả thiết chỉ giải thích được sự liên kết ở một khía cạnh nào đó chứ chưa đưa ra một giả thiết thuyết phục hoặc giải thích rõ ràng được hiện tượng liên kết Hơn nữa, những nghiên cứu lý thuyết ngày nay không trả lời được những câu hỏi về lượng, về sự phụ thuộc độ bền liên kết với thành phần hóa học của các kim loại thành phần và các yếu tố khác của công nghệ có thể biến đổi trong khoảng rộng Chính vì vậy đến nay, các nghiên cứu về quá trình công nghệ tạo liên kết kim loại kép đều được hình thành do kết quả nghiên cứu thực nghiệm

b ảnh hưởng bởi trạng thái bề mặt tiếp xúc và thành phần hóa học của kim loại thành phần

Trạng thái bề mặt tiếp xúc được đặc trưng bởi các thông số hình học, sự khác nhau của các màng ôxit, các lớp hữu cơ, nước, khí, dầu, các vết bẩn khác nhau do tự nhiên cũng như trạng thái cấu trúc của chúng Các thông số hình học liên quan đến độ sóng bề mặt, độ nhẵn bề mặt, qua thực nghiệm, nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc vĩ mô và vi mô ảnh hưởng tới độ bền liên kết cho phép đưa ra kết luận nâng cao độ sạch và gia công chính xác bề mặt

đưa tới hiện tượng tạo liên kết tốt

Các công trình [27,28,34] chỉ ra rằng độ nhấp nhô bề mặt tiếp xúc ảnh hưởng tới việc chảy dẻo của kim loại và chính nó tạo ra bề mặt tiếp xúc vật lý

và cho phép nhận được độ bền liên kết tốt Tuy nhiên, khi cán kim loại kép mỏng với bề mặt nhấp nhô cũng có thể đưa tới nguyên nhân phá vỡ bề mặt tiếp xúc và chính nó là nguyên nhân phá vỡ sự liên kết, tồn tại thường xuyên trên bề mặt liên kết các màng

ảnh hưởng của các màng ôxit ở bề mặt tiếp xúc ở điều kiện thường theo quy luật chung, màng ôxit này không dày, tuy nhiên các màng ôxit tự nhiên này khó bị phá vỡ khi biến dạng dẻo kim loại kép và khó khăn cho việc tạo bề mặt sạch lý tưởng Trong điều kiện thực tế để tạo được bề mặt tiếp xúc lý tưởng cần phải phủ lên bề mặt tiếp xúc của các kim loại liên kết một màng giòn, màng ấy cho khả năng tạo liên kết và loại trừ các màng hữu cơ và các vết bẩn ở vùng tiếp xúc khi cán kim loại kép

Trong công trình [33] nhấn mạnh rằng, khả năng ảnh hưởng không tốt tới quá trình tạo liên kết kim loại kép là vết bẩn hữu cơ như dàu, mỡ, màng axit trên bề mặt tiếp xúc Các chất này làm bẩn bề mặt tiếp xúc, tạo nên các đốm, các màng mỏng và có liên kết khá tốt với các nguyên tử trên bề mặt khi biến dạng dẻo các cặp kim loại này, các màng bẩn hữu cơ đó chảy và có thể làm bẩn toàn bộ bề mặt tiếp xúc và ngăn trở tạo liên kết kim loại Vì vậy, làm sạch các chất hữu cơ trên bề mặt tiếp xúc kim loại là một nguyên công bắt buộc đối với bất kì cặp kim loại kép nào, cho nên để tạo điều kiện liên kiết kim loại một cách bền vững, bề mặt tiếp xúc đòi hỏi phải sạch các chất hữu cơ và vô cơ

Người ta cũng chỉ ra rằng trạng thái bề mặt tiếp xúc cần được mài hoặc phay, bào các thí nghiệm nghiên cứu những ảnh hưởng của bề mặt tiếp xúc ở Maxcro và Mimcro tới độ bền liên kết khi biến dạng đồng thời cho các kết quả khác nhau

M.H Бoяpшuнoв và U.U Зaмopyeвa [39] đã tiến hành các thí nghiệm ở nhiệt độ 800P

quay, tẩy rửa bằng hoá học Các kết quả về mặt định luợng về ảnh hưởng của

bề mặt tiếp xúc tới độ bền liên kết không xác định được, tuy nhiên các ông cũng chỉ ra rằng các bề mặt tiếp xúc cần phải làm sạch theo bước cuối là tẩy rửa và đánh sạch bằng chổi sắt quay Có thể kết luận rằng khi tạo nên bề mạt tiếp xúc với độ phẳng lớn hơn khi mài thì không ảnh hưởng đến khả năng liên kết lớn, các thí nghiệm do các tác giả khác nhau đưa ra khi cán phôi nóng kim loại kép, thép - Ni cũng cho kết quả tương tự

Trong điều kiện sản xuất mục đích này có thể thực hiện được bằng gia công cơ khí (phay, bào, làm sạch bằng chổi sắt, tảy bằng sút, axit, thậm chí bằng sóng siêu âm) Phổ biến hơn cả là nguyên công chuẩn bị bề mặt tiếp xúc

là tẩy, rửa băng sút, axit sau đó làm sạch bằng chổi sắt

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ bền liên kết kim loại là thành phần hóa học của các kim loại thành phần

Trong công trình [35] đã chứng minh điều đó bằng cách thêm một số tạp chất và nguyên tố hợp kim hóa ở trong kim loại và hợp kim đã gây khó khăn cho việc tạo liên kết và đòi hỏi phải nâng cao lượng ép khi biến dạng mới tạo

được độ liên kết bền vững Theo kết quả của công trình [23] một vài nguyên tố hợp kim mà các nguyên tố hợp kim hóa tồn tại ở dạng từng phần, thí dụ đối vớp hợp kim chì tồn tại ở dạng hạt, dây, khi tạo liên kết loại này với thép thì các hạt, dây sẽ cản trở quá trình tạo liên kết Kết quả cũng nhận được tương tự khi thêm 5% thiếc và đồng vào hợp kim chì khả năng tạo liên kết cũng khó xẩy ra, thậm chí khi biến dạng lên đến hơn 90%, [19]

Thành phần hoá học của các lớp kim loại biểu hiện bởi trạng thái bề mặt tiếp xúc, giá trị biến dạng, nhiệt độ khi gia công,… độ bền liên kết này đã

được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và trong điều kiện công nghiệp (sản xuất) Các nghiên cứu này ở các khía cạnh khác nhau trong điều kiện khác nhau, tuy nhiên chưa đáp ứng được các yêu cầu đặt ra, nhưng chất lượng và một loạt các yếu tố ảnh hưởng tới nó cũng được nghiên cứu bằng thực nghiệm

Các công trình nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hoá học đến độ bền liên kết đã được công bố ở công trình [14, 29, 38, 28]

Vì thành phần hoá học xác định tính dẻo của kim loại và đặc tính của màng bề mặt liên kết và xác định quá trình khuếch tán,… ảnh hưởng của nó tới độ bền liên kết rất phức tạp, thực nghiệm chỉ ra rằng phương pháp nhận

được liên kết từ các kim loại đồng nhất ở nhiệt độ không bằng nhau

Các giá trị biến dạng có được sự liên kết ở các điều kiện khác nhau phụ thuộc vào các điều kiện thí nghiệm và trạng thái bề mặt của lớp liên kết và chính các thành phần hoá học của kim loại tạo ra các độ bền khác nhau Cái chung nhất nhận được qua các thí nghiệm này là các kim loại có độ dẻo lớn và trở kháng biến dạng nhỏ thì xuất hiện khả năng liên kết lớn hơn

Bảng 1.5 Kết quả độ bền liên kết của các kim loại khác nhau

biến dạng nóng và nguội là do tạo nên dung dịch rắn và chính nó đòi hỏi biến dạng lớn để tạo liên kết và ảnh hưởng của dung dịch rắn là hoàn toàn khác nhau đối với các kim loại Trong [38], [32] đã chỉ ra rằng khả năng liên kết ở nhiệt độ phòng khi có tạp chất nhỏ và chính sự ảnh hưởng này cũng làm cho trở kháng của kim loại tăng thêm và tính dẻo của kim loại giảm Khả năng tạo liên kết của kim loại khác nhau xảy ra hầu hết ở các trường hợp khi có hai kim loại và các khả năng biến dạng khác nhau Theo ông Семнов A.Б thì khả năng liên kết của hai kim loại được xác định bởi khả năng dính kết của kim loại có độ dẻo lớn hơn

VD: khi tạo dính kết của hai tấm Al thì phải có độ biến dạng là 55%, Cu- Cucần 73,7% nhưng khi tạo dính kết giữa Cu-Al cần 55%

- Khả năng tạo dính kết phụ thuộc vào độ biến dạng công nghệ của các mẫu và độ biến dạng tạo dính kết nằm ở giữa các mức độ biến dạng của các kim loại kác nhau [32]

- Để tạo dính kết các kim loại khác nhau một kim loại ở tinh thể rắn một kim loại ở thể lỏng thì độ bền liên kết được xác định bằng khả năng của kim loại ấy ở thể hoà tan trong tinh thể lỏng hoặc tinh thể rắn và khả năng tạo chất phi kim ở chất liên kết các kim loại ở trạng thai rắn lỏng như Cu, Pb cho

độ bền kim loại gần với độ bền của kim loại mềm hơn còn các kim loại hoà tan được với nhau ở trạng thái rắn hay lỏng như Zn-Sn; Ni-Cu thì lớp liên kết xác định bởi tính chất của kim loại ở biên giới liên kết có tính đẳng hướng

Độ bền liên kết lớn nhất được đánh dấu bởi các liên kết tạo nên ở biên giới của kim loại ấy như Fe-Al; Fe-Zn vì các chất này khác nhau ở chỗ là nó

có độ giòn lớn Đặc tính được chỉ ra do sự tác động qua lại của các kim loai khác nhau có ý nghĩa lớn khi biến dạng Khi cùng biến dạng các kim loại ở nhiệt độ cao tính dẻo của chúng tạo nên điều kiên thuận lợi cho quá trình khuyếch tán

ảnh hưởng của thành phần hoá học đối với khả năng liên kết khi biến dạng được nghiên cứu trong công trình [14] khi nấu luyện thép C thấp với các nguyên tố hợp kim khác nhau như : Cr, Ti, P,Si, Mn, Bo thì khi dùng làm phôi chế tạo Bimetal biến dạng đòi hỏi ở nhiệt độ cao 800P

Có thể do ảnh hưởng của các chất hợp kim hoá mà các tác giả chỉ ra rằng các oxit trên bề mắt do các hợp kim hoá tạo nên

Các thí nghiệm của E.U Actpoв về khả năng biến dạng của các thép khác [30] chỉ rõ rằngkhả năng tạo liên kết với thép Cacbon thấp như CT2 với các thép hợp kim giảm đi với sự tăng lên của các chất hợp kim hoá đặc biệt là trong biến dạng ở nhiệt độ thấp với lượng biến dạng nhỏ

Các phân tích về thực nghiệm cho kết luận như sau:

+ Khả năng tạo liên kết phụ thuộc vào thành phần hoá học có thể giả thích được nhờ sự biến đổi tính dẻo của kim loại và đồng thời quyết định tính chất của màng kim loại lớp bề mặt khi tiếp xúc làm cho tính chất của kim loại khác nhau và tạo nên các hợp chất ở lớp chuyển tiếp

ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong liên kết giữa thép hợp kim

và thép Cacbon thấp (CT2) khi gia công ở nhiệt độ và lượng biến dạng khác nhau, được biểu thị trong bảng 1.5

Bảng1.6 Kết quả khi gia công ở nhiệt độ và lượng biến dạng khác nhau giữa các thép hợp kim và thép Cacbon thấp (CT2)

Lượng biến dạng (kg/mmP

Càng ngày các thí nghiệm và thực tế càng chứng minh rằng vấn đề ảnh hưởng của thành phần hoá học tới độ liên kết cho ta cái nhìn chính xác hơn về cơ cấu ảnh hưởng của thành phần hoá học và tính chất hoá lí của các kim loại trong các điều kiện khác nhau Một đánh giá tương đối chính xác, ảnh hưởng của tính chất hoá học tới độ bền liên kết kim loại, E.U Actpoв đưa ra ở công trình [32] ông cho rằng kim loại nào có tính dẻo lớn và trở kháng biến dạng nhỏ thì có khả năng tạo liên kết lớn, và đã đưa ra các thông số để đánh giá nó

là quan hệ giữa độ cứng và độ giai va đập (HB/δ) khi tăng tỉ số này thì khả

năng tạo liên kết giảm đi và đã được thực nghiện chứng minh

Phân tích bằng thực nghiệm cho phép đi đến kết luận sự phụ thuộc của thành phần hóa học tới khả năng tạo liên kết có thể giải thích được bằng sự tương ứng với sự biến cứng, tính dẻo và tính chất giữa các bề mặt tiếp xúc của