Nghiên cứu độ bền làm việc trong môi trường ăn mòn và mài mòn của lớp phủ hợp kim cr20ni80 chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện

Công nghệ phun phủ kim loại dần dần được sử dụng ở hầu khắp các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt trong các lĩnh vực: phục hồi các chi tiết bị mài mòn, bảo vệ ch

Trang 1

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG

ĂN MÒN VÀ MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ HỢP KIM Cr20Ni80 CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ HỒ QUANG ĐIỆN

Trang 2

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

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG

ĂN MÒN VÀ MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ HỢP KIM Cr20Ni80 CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ HỒ QUANG ĐIỆN

Trang 3

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN

Qua luận văn này tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS TS Hoàng Tùng cùng toàn thể các thầy cô trong Bộ môn Hàn & Công nghệ kim loại -

Trường đại học Bách khoa Hà Nội, TS Lê Thu Quý cùng các cán bộ thuộc phòng Dữ

liệu thử nghiệm Nhiệt đới và Môi trường - Viện Kỹ thuật Nhiệt đới thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!

Trang 4

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này được làm tại phòng Dữ liệu Thử nghiệm Nhiệt đới và Môi trường

- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Tôi xin xin cam đoan các số liệu trong luận văn là có thật!

Trang 5

Danh mục bảng

DANH MỤC BẢNG

Trang Bảng 2.1 - Một số vật liệu CrNi và phương pháp phun phủ

đã được thực hiện trên thế giới……… 8

Bảng 5.1 - Một số đặc tính cơ bản của nhôm……… 28

Bảng 5.2 - Một số đặc tính cơ bản của crom……… 29

Bảng 5.3 - Một số đặc tính cơ bản của niken……… 30

Bảng 5.4 - Đặc điểm thấm ướt của một số kim loại lỏng trên nền oxit nhôm… 33 Bảng 7.1 - Chế độ làm sạch và tạo nhám bề mặt mẫu thí nghiệm……… 49

Bảng 7.2 - Thành phần hoá học cơ bản của dây Al và dây hợp kim Cr20Ni80 50 Bảng 7.3 - Thông số chế độ phun cho dây Al và dây hợp kim Cr20Ni80…… 52

Bảng 7.4 - Chế độ chạy máy đo độ mài mòn lớp phủ……… 62

Bảng 8.1 - Kết quả đo độ xốp và tỷ khối lớp phủ……… 63

Trang 6

Danh mục hình

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 2.1 - Lịch sử phát triển công nghệ phun phủ kim loại……… 4

Hình 2.2 - Lớp phủ Al2O3 và ZrO2 trong tuabin động cơ Rolls – Royce AVON……… ……… 5

Hình 2.3 - Lớp phủ WC10Co4Cr……… 6

Hình 2.4 - Phun Al - Zn bảo vệ dàn khoan……… 7

Hình 3.1 - Quá trình tạo lớp phủ kim loại……… 9

Hình 3.2 - Bám dính cơ học của lớp phủ……… 12

Hình 3.3 - Trạng thái bề mặt và ứng suất……… 12

Hình 3.4 - Phân loại công nghệ phun phủ kim loại……… 13

Hình 3.5 - Nguyên lý công nghệ phun khí cháy……… 13

Hình 3.6 - Thiết bị phun khí cháy……… 14

Hình 3.7 - Nguyên lý công nghệ phun hồ quang điện……… 14

Hình 3.8 - Thiết bị phun hồ quang điện……… 14

Hình 3.9 - Nguyên lý công nghệ phun nổ……… 15

Hình 3.10 - Thiết bị phun nổ……… 15

Hình 3.11 - Nguyên lý công nghệ phun plasma……… 16

Hình 3.12 - Thiết bị phun plasma hệ kín……… 16

Hình 3.13 - Nguyên lý công nghệ phun HVOF……… 17

Hình 3.14 - Vận tốc và nhiệt độ dòng năng lượng của các công nghệ………… 17

Hình 3.15 - Cấu trúc của lớp phủ kim loại……… 18

Hình 4.1 - Một số dạng ăn mòn trong thực tế……… 21

Hình 4.2 - Sơ đồ các giai đoạn mài mòn cơ học……… 26

Hình 5.1 - Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt Al2O3 theo thời gian……… 34

Hình 5.2 - Ảnh SEM giọt hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt……… 34

Hình 5.3 - Giản đồ pha Al - Fe……… 36

Hình 6.1 - Tạo nhám bề mặt bằng phun hạt mài……… 39

Hình 6.2 - Nguyên tắc đo độ mài mòn……… 45

Trang 7

Danh mục hình

Trang

Hình 7.1 - Thiết bị làm sạch EDUC-O-MATIC……… 47

Hình 7.2 - Máy nén khí trục vít BOGE S29……… 47

Hình 7.3 - Máy làm khô khí nén D17-D275……… 47

Hình 7.4 - Ảnh hưởng của đường kính hạt Al2O3 và áp lực khí nén đến độ nhám bề mặt……… 48

Hình 7.5 - Bề mặt mẫu trước (a) và sau (b) khi phun hạt mài tạo nhám…… 49

Hình 7.6 - Phun cát làm sạch mẫu thí nghiệm……… 49

Hình 7.7 - Đầu phun hồ quang điện LD/U-2……… 50

Hình 7.8 - Hệ thống nguồn điện và tủ điều khiển……… 51

Hình 7.9 - Quá trình phun phủ mẫu thí nghiệm……… 52

Hình 7.10 - Mẫu xử lý nhiệt sau khi đắp samốt và để khô……… 53

Hình 7.11 - Quy trình xử lý nhiệt……… 54

Hình 7.12 - Tủ ổn định nhiệt……… 54

Hình 7.13 - Khối trụ gốm dùng để phun mẫu đo độ xốp, tỷ khối……… 55

Hình 7.14 - Mẫu đo độ xốp lớp phủ……… 55

Hình 7.15 - Cân lớp phủ khô (a) và cân lớp phủ trong nước cất (b)……… 55

Hình 7.16 - Máy đo độ cứng HPO 250……… 56

Hình 7.17 - Kính hiển vi điện tử Axiovert 25 CA……… 56

Hình 7.18 - Mẫu sau khi đánh bóng……… 56

Hình 7.19 - Phần mềm đo điện thế và kết quả đo……… 57

Hình 7.20 - Quy trình tạo mẫu thử ăn mòn……… 58

Hình 7.21 - Sơ đồ nguyên lý đo điện hóa……… 59

Hình 7.22 - Máy đo độ mài mòn tự chế tạo (a) và máy đo độ mài mòn TE97 (b)……… 60

Hình 7.23 - Mẫu thử mài mòn……… 61

Hình 8.1 - Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến độ cứng của lớp phủ…… 64

Hình 8.2 - Ảnh cấu trúc tế vi lớp phủ (x100)……… 65

Hình 8.3 - Ảnh cấu trúc tế vi lớp phủ nhôm(x500)……… 66

Hình 8.4 - Ảnh cấu trúc tế vi lớp phủ Cr20Ni80(x500)……… 66

Hình 8.5 - Ảnh cấu trúc tế vi lớp phân cách giữa nền thép và Al (x500)…… 67

Hình 8.6 - Ảnh cấu trúc tế vi lớp phủ xử lý nhiệt 8000C-3h……… 68

Trang 8

Danh mục hình

Trang

Hình 8.7 - Ảnh cấu trúc tế vi lớp phân cách giữa Al và nền thép (x500)…… 69

Hình 8.8 - Ảnh bề mặt lớp phủ theo thời gian ngâm mẫu

Hình 8.9 - Ảnh cấu trúc tế vi lớp phủ……… 71

Hình 8.10 - Biến thiên điện thế ăn mòn Ecorrcủa lớp phủ

theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch axit HNO3 (pH=6)…… 74

theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch axit H3PO4 (pH=6)…… 77

theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch axit H2SO4 (pH=6)…… 79

Hình 8.20 - Đồ thị độ mài mòn với ma sát khô……… 80

Hình 8.21 - Đồ thị độ mài mòn với ma sát ướt……… 82

Hình 8.22 - Đồ thị độ mài mòn lớp phủ ma sát khô và ma sát ướt……… 84

Trang 9

Mục lục

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

PHẦN I - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1 -MỞ ĐẦU ……… 1

CHƯƠNG 2 -TỔNG QUAN……… 4

CHƯƠNG 3 -CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI……… 9

3.1 - KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM……… 9

3.2 - CHUẨN BỊ BỀ MẶT TRƯỚC KHI PHUN PHỦ……… 11

3.3 - CÁC CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI……… 12

3.3.1 - Phun khí cháy……… 13

3.3.2 - Phun hồ quang điện……… 14

3.3.3 - Phun nổ……… 15

3.3.4 - Phun plasma……… 15

3.3.5 - HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)……… 16

3.3.6 - So sánh vận tốc và nhiệt độ dòng năng lượng của các công nghệ…… 17

3.4 - CẤU TRÚC CỦA LỚP PHỦ KIM LOẠI……… 17

CHƯƠNG 4 -KHÁI NIỆM VỀ ĂN MÒN VÀ MÀI MÒN KIM LOẠI……… 20

4.1 - ĂN MÒN……… 20

4.1.1 - Khái niệm……… 20

4.1.2 - Phân loại ……… 20

4.1.3 - Ăn mòn điện hóa……… 21

4.1.4 - Hiện tượng thụ động kim loại……… 23

4.1.5 - Tiêu chí đánh giá ăn mòn kim loại……… 24

4.1.6 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn……… 24

4.2 - MÀI MÒN……… 25

4.2.1 - Khái niệm……… 25

Trang 10

Mục lục

Trang

4.2.2 - Phân loại mài mòn……… 26

4.2.3 - Nâng cao khả năng chịu mài mòn……… 27

CHƯƠNG 5 -LỚP PHỦ NHÔM VÀ LỚP PHỦ Cr20Ni80……… 28

5.1 - NHÔM (Al), CROM (Cr) VÀ NIKEN (Ni) ……… 28

5.1.1 - Nhôm (Al)……… 28

5.1.2 - Crom (Cr)……… 29

5.1.3 - Niken (Ni)……… 30

5.2 - LỚP PHỦ NHÔM……… 31

5.3 - LỚP PHỦ Cr - Ni……… 31

5.4 - TỔ HỢP LỚP PHỦ KÉP NHÔM VÀ Cr20Ni80 TRÊN NỀN THÉP CACBON……… 32

5.5 - ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN MỐI LIÊN KẾT ……… 35

5.5.1 - Tương tác giữa lớp phủ Cr20Ni80 và lớp phủ nhôm……… 35

5.5.2 - Tương tác giữa lớp phủ nhôm và nền thép……… 36

PHẦN II - THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG 6 -PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM……… 39

6.1 - PHUN TẠO LỚP PHỦ .……… 39

6.1.1 - Chuẩn bị bề mặt trước khi phun phủ……… 39

6.1.2 - Phun phủ……… 39

6.1.3 - Xử lý nhiệt lớp phủ……… 40

6.2 - XÁC ĐỊNH TỶ KHỐI VÀ ĐỘ XỐP CỦA LỚP PHỦ……… 40

6.3 - XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG CỦA LỚP PHỦ……… 42

6.4 - CHỤP ẢNH QUAN SÁT CẤU TRÚC TẾ VI……… 43

6.5 - NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĂN MÒN……… 43

6.6 - NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MÀI MÒN……… 45

CHƯƠNG 7 -QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ SỬ DỤNG…… 46

7.1 - PHUN TẠO LỚP PHỦ LÊN BỀ MẶT MẪU THÍ NGHIỆM……… 46

7.1.1 - Chuẩn bị bề mặt mẫu trước khi phun……… 46

7.1.2 - Phun phủ mẫu thí nghiệm……… 50

7.1.3 - Xử lý nhiệt lớp phủ……… 53

7.2 - ĐO TỶ KHỐI VÀ ĐỘ XỐP CỦA LỚP PHỦ……… 54

7.3 - ĐO ĐỘ CỨNG CỦA LỚP PHỦ……… 56

Trang 11

Mục lục

Trang

7.4 - CHỤP ẢNH QUAN SÁT CẤU TRÚC TẾ VI

MẶT CẮT NGANG CỦA LỚP PHỦ……… 56

7.5 - NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA LỚP PHỦ……… 57

7.6 - NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ……… 59

CHƯƠNG 8 -KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ……… 63

8.1 - ĐỘ XỐP VÀ TỶ KHỐI CỦA LỚP PHỦ……… 63

8.2 - ĐỘ CỨNG CỦA LỚP PHỦ……… 64

8.3 - CẤU TRÚC TẾ VI MẶT CẮT NGANG CỦA LỚP PHỦ……… 65

8.3.1 - Xác định sự thay đổi độ xốp……… 65

8.3.2 - Khảo sát sự khuếch tán giữa các lớp phủ và lớp phủ với nền………… 66

8.4 - ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA LỚP PHỦ TRONG MỘT SỐ MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN .……… 70

8.4.1 - Trong dung dịch axit HCl (pH=6)……… 70

8.4.2 - Trong dung dịch axit HNO 3 (pH=6)……… 73

8.4.3 - Trong dung dịch axit H 3 PO 4 (pH=6)……… 75

8.4.4 - Trong dung dịch axit H 2 SO 4 (pH=6)……… 77

8.5 - ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ……… 79

8.5.1 - Độ mài mòn của lớp phủ với ma sát khô……… 79

8.5.2 - Độ mài mòn của lớp phủ với ma sát ướt……… 81

8.5.3 - So sánh độ mài mòn của lớp phủ trong trường hợp ma sát khô và ma sát ướt……… 83

PHẦN III - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN……… 86

KIẾN NGHỊ……… 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 88

Trang 12

có nhiều nghiên cứu, giải pháp nhằm thay đổi và khai thác các tính chất đặc biệt của lớp vật liệu bề mặt, nâng cao hệ số sử dụng vật liệu Một trong những giải pháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng tốt các điều kiện làm việc theo yêu cầu như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt trên nền của vật liệu cơ sở

Do các nguyên tố bề mặt là một trong các yếu tố quyết định đến cấu trúc lớp bề mặt nên việc nghiên cứu lựa chọn các nguyên tố thích hợp là rất quan trọng Tuy nhiên, không phải sản phẩm nào cũng dễ dàng chế tạo nguyên khối bằng nguyên tố đó

do phụ thuộc vào công nghệ và giá thành Ngoài việc chế tạo nguyên khối sản phẩm thì có thể đưa các vật liệu đã có tính chất đặc biệt lên vật liệu nền sẽ tiết kiệm được các nguyên liệu quý Hiện nay có rất nhiều loại vật liệu với các tính chất mới được nghiên cứu và phát triển, chúng được đưa vào sản xuất hàng loạt và được sử dụng nhiều trong sản xuất chế tạo Trong đó phải kể đến hợp kim Cr20Ni80 là loại vật liệu có ứng dụng

đa dạng trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết bền nhiệt, bền hóa chất

Trang 13

Chương 1: Mở đầu

Tuy nhiên, không phải phương pháp xử lý bề mặt nào cũng có thể tạo lớp bề mặt là Cr20Ni80 với tính chất theo yêu cầu và giá thành hợp lý để đưa vào sản xuất Đến nay, cùng với sự phát triển chúng ta có thể kể đến các phương pháp xử lý bề mặt như sau:

Hoá nhiệt luyện

Đối với công nghệ phun phủ chúng ta dễ dàng tạo được các lớp phủ từ các vật liệu khác với nền cơ bản Ngay bản thân công nghệ phun phủ được chia làm nhiều loại

(phun khí cháy, phun hồ quang, phun nổ, phun plasma, HVOF) với các ưu nhược điểm khác nhau Dựa trên đặc điểm của các công nghệ phun phủ đã được nghiên cứu thì công nghệ phun phủ hồ quang điện sẽ dễ dàng tạo lớp phủ Cr20Ni80 trên nền thép với chất lượng đảm bảo và giá thành hợp lý

Việc nghiên cứu một cách có hệ thống về độ bền làm việc của vật liệu phủ hợp kim Cr20Ni80 mang ý nghĩa thực tiễn trong việc định hướng mở rộng các ứng dụng loại vật liệu này Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu độ bền làm việc trong môi trường ăn mòn và mài mòn của lớp phủ hợp kim Cr20Ni80 chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện”

Vật liệu Cr20Ni80 có nhiều tính năng đặc biệt song do điều kiện có hạn nên đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu đặc tính chống ăn mòn và chịu mài mòn của lớp phủ

có thể ứng dụng được trong thực tế Tuy nhiên, để tăng khả năng chống ăn mòn và giảm giá thành trong sản xuất ta sẽ sử dụng thêm lớp phủ trung gian là nhôm (Al)

Trang 14

Chương 1: Mở đầu

Với đề tài như trên thì mục đích sẽ phải đạt được sau khi hoàn thành luận văn: Đánh giá độ bền làm việc của vật liệu phủ trong một số môi trường ăn mòn Đánh giá độ bền làm việc của vật liệu phủ khi chịu mài mòn

Để hoàn thành được mục đích trên thì trong luận văn sẽ tiến hành giải quyết các vấn đề:

Các vấn đề lý thuyết về công nghệ phun phủ

Các vấn đề lý thuyết về vật liệu phủ

Các công nghệ và phương pháp thực hiện đánh giá

Tạo lớp phủ trung gian nhôm và lớp phủ hợp kim Cr20Ni80 bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện lên nền thép CT38

Đo tốc độ mài mòn khô và mài mòn trong dầu của lớp phủ

Với việc nghiên cứu theo hệ thống như trên thì các kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra được tính chống ăn mòn và mài mòn của lớp phủ hợp kim Cr20Ni80 với lớp phủ trung gian nhôm Từ đó, có thể định hướng việc sử dụng hợp lý lớp phủ này trong thiết kế và sản xuất các chi tiết máy hoặc kết cấu mới được chế tạo từ thép cacbon nhưng có thể làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt hoặc phục hồi các chi tiết hoặc kết cấu đã bị mài mòn hoặc ăn mòn

Trang 15

Chương I1: Tổng quan

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

Công nghệ phun phủ đầu tiên là công nghệ phun phủ kim loại sử dụng khí cháy

do kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu thế

kỷ 20 Phương pháp công nghệ này tạo ra một lớp kim loại phủ có độ dày theo yêu cầu trên bề mặt chi tiết, trong đó các hạt kim loại đè lên nhau theo từng lớp Đến năm 1923 phương pháp công nghệ này mới bắt đầu được đưa vào ứng dụng trong sản xuất Lúc đầu, phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí, đến chiến tranh thế giới lần thứ hai, công nghệ này bắt

đầu được sử dụng với quy

mô rộng Công nghệ phun

phủ kim loại dần dần được

sử dụng ở hầu khắp các

nước châu Âu và càng

ngày càng tỏ ra có nhiều

tính ưu việt trong các lĩnh

vực: phục hồi các chi tiết

bị mài mòn, bảo vệ chống

ăn mòn, trang trí…

Để đánh giá sự phát triển của phương pháp phun phủ và có cái nhìn so sánh với các phương pháp tạo lớp phủ khác, chúng ta cần phải dựa trên cơ sở sự phát triển về trang thiết bị, các quy trình công nghệ và đặc biệt là phạm vi ứng dụng

Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và công nghệ, người ta đã nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng nhiều loại đầu phun khác nhau phục vụ cho các phương pháp phun phủ: đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy (dây, bột), đầu phun hồ quang điện (loại hai dây, ba dây…), đầu phun plasma (dây, bột), đầu phun bằng kích

Hình 2.1 -Lịch sử phát triển công nghệ phun phủ kim loại

Trang 16

nổ, đầu phun bằng dòng cao tần, Đặc biệt đã có những cải tiến đáng kể trong năng suất phun như phát triển các thiết bị và dây truyền phun tự động với độ ổn định và chất lượng ngày càng cao Về công nghệ cũng đã giải quyết thành công các chế độ công nghệ phun cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (vật liệu gốm, các loại cacbid, các loại oxit kim loại ) Phun phủ có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim lên bề mặt kim loại, hợp kim hay bề mặt vật khác như gỗ, vải, giấy, sứ… Bằng phun phủ người ta có thể tạo ra lớp chịu nhiệt, lớp dẫn điện trên vật liệu không dẫn điện; tạo ra lớp chống ăn mòn cho các kết cấu thép (cầu, cảng, ống dẫn, tầu thuyền…)

làm việc trong môi trường oxy hóa hay môi trường ăn mòn điện hoá; phủ các lớp kim loại màu (kim loại quý hiếm) lên trên bề mặt của những kim loại khác nhằm mục đích tiết kiệm kim loại quý và tăng giá trị thẩm mỹ trong trang trí Đối với các chi tiết làm việc trong môi trường chịu mài mòn, tuỳ theo điều kiện làm việc cụ thể người ta có thể phủ lên bề mặt các lớp có khả năng chống mài mòn như thép không gỉ, đồng thau, nhôm, hợp kim của niken… với các chiều dày theo yêu cầu Phun phủ rất thích hợp và

tỏ ra ưu việt trong việc sửa chữa và phục hồi các chi tiết (sửa chữa các khuyết tật của vật đúc, sửa chữa các chi tiết bị mòn như trục khuỷu, xy lanh, chốt…)

Sự phát triển của công nghệ phun phủ ngày nay đã mở rộng cho nhiều lĩnh vực khác nhau áp dụng: khí động học, hạt nhân, trong cơ khí để tạo lớp phủ chịu mài mòn, chống ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách nhiệt Đặc biệt, trong những năm qua công nghệ phun phủ plasma và công nghệ phun phủ HVOF đạt được

Hình 2.2 - Lớp phủ Al2O3 và ZrO2trong tuabin động cơ Rolls – Royce AVON

Trang 17

sự tiến bộ vượt bậc nhờ ứng dụng những thành tựu về đo lường các dòng hạt bằng laser Các phương pháp này có thể phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như vonfram, molipden, crom… rất có ý nghĩa trong việc phủ các lớp trong ngành kỹ thuật tên lửa, ngành kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các chi tiết chịu nhiệt độ cao

Tại các nước có công nghệ

khoa học phát triển đều thành lập

các viện, trung tâm hay hiệp hội để

nghiên cứu và ứng dụng công nghệ

phun phủ: Hiệp hội phun phủ nhiệt

Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội phun

phủ nhiệt Mỹ - ATSS, viện Công

nghệ Bombay (Ấn Độ), viện Khoa

học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)

Trên thế giới công nghệ phun phủ không còn dừng lại ở giai đoạn nghiên cứu

mà đã đi vào thực tiễn sản xuất Tại Việt nam hiện đã có một số công trình nghiên cứu nhưng còn rất hạn chế, việc ứng dụng sản xuất cũng chưa được rộng rãi, chỉ áp dụng trong một số dây chuyền đơn giản và một số công trình nhỏ lẻ chủ yếu là sửa chữa, mặc dù nhu cầu nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các kết cấu công trình là rất lớn Đặc biệt là Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, hầu như quanh năm ẩm ướt (độ ẩm cao 80 ÷ 90%) làm cho các chi tiết kết cấu rất dễ bị phá huỷ do ăn mòn Đối với các chi tiết làm việc trong môi trường chịu mài mòn thì việc thay thế khó khăn, chi phí cao Vì vậy, việc nâng cao chất lượng bề mặt để kéo dài tuổi thọ cho chi tiết kết cấu càng là vấn đề trở nên cấp thiết, nhưng do chưa được đầu tư nghiên cứu và khai thác ứng dụng một cách có hiệu quả và quy mô nên so với các phương pháp bảo vệ khác như mạ, phun sơn phun phủ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, trong những năm gần đây, song song với việc phát triển kinh tế, khoa học công nghệ, các ngành kỹ thuật, công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các kết cấu chi tiết là không thể thiếu Phun phủ là một phương pháp bắt đầu được nhiều ngành và các công ty ở Việt Nam quan tâm đến

Hình 2.3 - Lớp phủ WC10Co4Cr

Trang 18

Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ kim loại ở Việt nam còn khó khăn do một số nguyên nhân: thiết bị còn đắt tiền, công nghệ này chưa được nhiều người biết đến, chưa có hệ thống nghiên cứu hoàn thiện… Những hạn chế này gây ra khá nhiều bất lợi trong sản xuất: nhiều công trình ở Việt nam được thiết kế ở nước ngoài có sử dụng công nghệ phun phủ

kim loại nhưng khi triển khai ở Việt nam

gặp nhiều khó khăn về trang thiết bị, công

nghệ, vật liệu, thợ và giám sát Đặc biệt

khó khăn là thợ được cấp chứng chỉ, hiện

nay ở Việt nam chưa có cơ sở nào quan

tâm đến việc đào tạo và cấp chứng chỉ

cho thợ phun phủ kim loại cũng như giám

sát phun phủ kim loại Chính vì vậy,

nhiều chi tiết cần phun phủ phải đưa ra

nước ngoài rất tốn kém

Hiện tại, phun phủ đang được triển khai tại các trung tâm, viện nghiên cứu như: viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc viện Khoa học và công nghệ Việt Nam đang triển khai nghiên cứu về các lớp phủ chống ăn mòn cho các kết cấu biển, nghiên cứu các lớp phủ trên cơ sở hợp kim Cr - Ni chịu mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt bằng thiết bị phun hồ quang điện OSU-Hessler 300A (Đức); viện Nghiên cứu Cơ khí ứng dụng phun phủ trong phục hồi chi tiết máy bằng thiết bị phun hồ quang ЭM 6, ЭM 12 (Nga)

và tham gia thi công phun phủ bảo vệ cho kết cấu giàn khoan của Vietsopetro; viện Công nghệ Bộ quốc phòng, xưởng X50 Hải quân, A42 Không quân, trường đại học Bách khoa Hà nội… cũng có nhiều đề tài nghiên cứu về công nghệ phun phủ Nhìn chung, các đề tài nghiên cứu đã thu được các kết quả bước đầu và một số kết quả đã được đưa vào thực tiễn sản xuất Ngoài các trung tâm và các viện nghiên cứu thì hiện nay cũng có nhiều công ty quan tâm đến công nghệ mới này và áp dụng trong sản xuất Năm 2004, viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc viện Khoa học và công nghệ Việt Nam đã chuyển giao công nghệ phun kẽm bảo vệ và phục hồi bình ga bằng thiết bị phun phủ

hồ quang điện OSU-Hessler (Đức) cho Công ty dầu khí TP Hồ Chí Minh

Hình 2.4 - Phun Al - Zn bảo vệ dàn khoan

Trang 19

SAIGONPETRO và dây chuyền hiện nay đang sản xuất khá ổn định, công suất 450 bình ga mỗi ca làm việc Với xu thế Việt Nam ứng dụng công nghệ phun phủ ngày càng nhiều thì các hãng kinh doanh thiết bị hàn cũng đang muốn mở rộng kinh doanh các thiết bị phun phủ

Đối với vật liệu phủ Cr - Ni hiện nay trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu và có nhiều ứng dụng cụ thể trong ngành hàng không, phục hồi chi tiết máy Thường vật liệu phun dưới dạng bột và công nghệ sử dụng sử dụng là HVOF hoặc Plasma sẽ dẫn đến giá thành cao Việc thay thế vật liệu phun là dây sử dụng công nghệ phun hồ quang điện kết hợp với lớp phủ trung gian là Al có thể giảm giá thành

Bảng 2.1 - Một số vật liệu CrNi và phương pháp phun phủ

đã được thực hiện trên thế giới

STT Vật liệu Công nghệ STT Vật liệu Công nghệ

4 WC/Co/NiCrBSi HVOF 8 Cr20Ni80 Khí cháy hoặc Plasma

Tại Việt nam vào năm 1989 tại Viện nghiên cứu máy - Bộ công nghiệp đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị tự động hóa và công nghệ phun phủ plasma các chi tiết dạng trục” Trong đề tài đã sử dụng vật liệu bột CrNi phun phủ cho trục trụ trơn dùng cho máy dệt

Năm 2005, tại viện Kỹ thuật nhiệt đới tác giả đã cùng tham gia nghiên cứu, khảo sát một số tính chất chịu mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt của lớp phủ Cr20Ni80 và lớp phủ 12Cr18Ni10Ti lên nền thép CT38 chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện Nghiên cứu cũng đã cho nhiều kết quả khả quan, đặc biệt là tính chịu nhiệt của lớp phủ Cr20Ni80

Trang 20

Chương 3: Công nghệ phun phủ kim loại

CHƯƠNG 3

CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI

Phun phủ là phương pháp công nghệ đưa các vật liệu rắn (dạng bột, dạng dây, dạng thanh cứng hoặc mềm) vào dòng vật chất có năng lượng cao (dòng khí cháy, hồ quang, dòng plasma,…) nhằm nung nóng chảy một phần hay toàn bộ vật liệu; phân tán vật liệu thành các hạt dưới dạng sương mù rất nhỏ, tăng tốc độ hạt và đẩy hạt đến bề mặt chi tiết cần phủ đã được chuẩn bị trước Do đặc điểm hình thành, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó các phần tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau Tại bề mặt tiếp xúc giữa các phần tử với

chi tiết và bề mặt tiếp xúc của các phần tử

xảy ra các quá trình liên kết bền vững tạo

nên cấu trúc lớp phủ

Cơ cấu hình thành lớp phủ:

Trong pha đầu của quá trình phun kim loại được đặc trưng bằng sự chảy của vật liệu phun Trong pha thứ hai là sự tách các giọt kim loại, tiếp đó là quá trình bay và va đập của các hạt kim loại trên bề mặt đã được chuẩn bị và cuối cùng là sự hình thành lớp phun kim loại bằng mối liên kết của chúng với bề mặt kim loại nền

Các công nghệ phun phủ đều có chung đặc điểm:

- Nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết, nhiệt độ bề mặt chi tiết khi phủ có thể giữ ở nhiệt độ 80 ÷ 1000C Điều này cho phép phủ các loại vật liệu khác lên bề mặt các vật liệu dễ cháy (phun phủ lên gỗ, vải, giấy, polyme ) nhờ lựa chọn vật liệu phủ

Trang 21

- Các hạt rắn dưới tác dụng vật lý, hoá học của dòng vật chất có năng lượng cao sẽ

có thành phần và tính chất thay đổi, do đó lớp phủ nhận được không nhất thiết có thành phần trùng với vật liệu phun ban đầu

- Các phần tử vật liệu phủ, đang ở nhiệt độ cao, khi tiếp xúc với bề mặt chi tiết thì được làm nguội rất nhanh (tốc độ nguội khi phun plasma ước tính khoảng 10 5 ÷ 10 7

0 /s) Do đó, đối với kim loại có thể tạo thành các pha giả ổn định, vi tinh thể cỡ hạt khoảng 0,25 ÷ 0,5 µm hoặc vô định hình

- Để tạo được lớp phủ, tất cả các vật liệu phun phải có nhiệt độ chảy và nhiệt độ phân huỷ hoặc bay hơi chênh lệch nhau ít nhất 3000 để vật liệu không bị phân huỷ hoặc bay hơi hết trước khi đến bề mặt chi tiết

- Với khả năng cơ động cao (thiết bị phun dễ dàng di chuyển và có thể xách tay)

công nghệ phun phủ có thể thực hiện đối với nhiều loại chi tiết; cũng có thể xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn Phun phủ có thể tạo được lớp phủ cho các chi tiết phức tạp nhờ sử dụng các đồ gá điều khiển tự động

Phạm vi ứng dụng của phương pháp phun phủ có thể được phân loại như sau:

- Phun phủ phục hồi

- Công nghệ gia công mới

- Phun các lớp phủ đặc biệt: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…

- Phun các lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cách điện, cách nhiệt, lớp phủ

từ tính…) lên các chi tiết mà vật liệu cơ bản không có các đặc tính này

- Sửa chữa khuyết tật (vật đúc, chi tiết sau khi gia công cơ)

- Mối liên kết giữa lớp phủ và nền còn thấp

- Tổn thất vật liệu phun nhiều

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

Trang 22

- Bề mặt chi tiết trước khi phun 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 nặng nhọc, độc hại

Điều kiện đầu tiên để đạt được một lớp phủ bề mặt có chất lượng tốt bằng phun phủ là sự chuẩn bị bề mặt nền Bề mặt nền phải được chuẩn bị bằng một phương pháp

và quy trình thích hợp để đảm bảo đạt được độ bám dính yêu cầu của lớp phủ

Độ bám của lớp phủ lên bề mặt nền phụ thuộc rất lớn tới độ nhám và hoạt tính

bề mặt, đặc trưng của độ nhám và hoạt tính bề mặt sẽ khác nhau ở mỗi trường hợp chuẩn bị Do vậy, việc chuẩn bị ban đầu bề mặt trước khi phun có một ý nghĩa rất quan trọng

Chuẩn bị bề mặt có nhiều phương pháp và được chia làm hai công đoạn chính:

- Làm sạch bề mặt

- Tạo nhám bề mặt

Cùng một mục đích làm sạch bề mặt, hay tạo nhám bề mặt nhưng lại có nhiều phương pháp để thực hiện Tuỳ thuộc vào vật liệu nền và yều cầu về độ nhám, ta cần lựa chọn phương pháp làm sạch và phương pháp tạo nhám cho thích hợp; nếu cần thiết, có thể phối hợp nhiều phương pháp làm sạch và tạo nhám trên cùng một bề mặt

Làm sạch bề mặt [4]

Đây là một khâu không thể thiếu trong quá trình chuẩn bị bề mặt bởi lẽ bề mặt vật luôn dính dầu, mỡ, bụi bẩn… các chất này sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt phun do vậy cần được tiến hành trước khi phun phủ Thường làm sạch bề mặt vật bằng hai phương pháp sau:

- Dùng các chất hoà tan hữu cơ và dung dịch kiềm Sau khi làm sạch bằng dung dịch hoà tan hữu cơ, thường trên bề mặt của vật có một lớp dầu rất mỏng, lớp dầu này không còn tác dụng gây hại cho lớp phủ bảo vệ Sau khi làm sạch trong dung dịch hoà tan phải làm sạch tiếp theo bằng cách nhúng vào nước sạch để bề mặt được khử nốt những chất bẩn còn lại

Trang 23

- Làm sạch bằng cách điện phân trong dung dịch kiềm (sử dụng cho bề mặt nền kim loại) Vật được nối với cực âm, dưới tác dụng của dòng điện, trên bề mặt của kim loại

sẽ có các hydroxyt thoát ra làm sạch dầu mỡ bằng các tác dụng hoá học của mình Phương pháp làm sạch bằng điện phân là phương pháp duy nhất cho bề mặt sạch hoàn toàn nhưng nhược điểm của nó là thiết bị phức tạp

Tạo nhám bề mặt [5], [8]

Nguyên công này tạo nên các nhấp nhô bề mặt là nơi bám dính móc nối cơ học của lớp phủ lên bề mặt chi tiết, đảm bảo độ bền và độ dính kết của lớp phủ với bề mặt chi tiết (hình 3.2) Các nhấp nhô này cũng làm giảm ứng suất kéo tổng do nó được chia

ra thành nhiều phần nhỏ (trở thành ứng suất vi mô) không làm phá hủy lớp phủ Nếu

bề mặt phủ phẳng, nhẵn, ứng suất kéo trên bề mặt phân cách có thể gây nên các vết nứt

(hình 3.3)

Một số phương pháp tạo nhám bề mặt: phun cát, phun các loại hạt mài, cắt ren, gại điện… Khi lựa chọn một phương pháp chuẩn bị bề mặt cần quan tâm đến độ bền dính kết của lớp phủ, tới dạng bề mặt chi tiết, điều kiện làm việc của bề mặt, chiều dày

của lớp phủ… Ví dụ: lựa chọn phương pháp cắt ren tròn, cắt ren bằng cùng với việc

sửa lại đỉnh ren để tạo nhám bề mặt khi yêu cầu lớp phủ dày Ngoài tạo nhám thì một

số phương pháp còn có tác dụng làm sạch: phun cát, phun hạt mài

Nếu dựa theo công nghệ sử dụng thì phun phủ được chia làm 5 công nghệ chính được trình bày trong hình 3.4

Hình 3.2 -Bám dính cơ học của lớp phủ Hình 3.3 -Trạng thái bề mặt và ứng suất

a) Bề mặt phẳng b) Bề mặt nhấp nhô

Trang 24

3.3.1 - Phun khí cháy

Hỗn hợp khí (khí cháy và oxy) được dẫn qua miệng phun, tại đầu miệng phun hỗn hợp khí này được đốt cháy tạo nên ngọn lửa khí có nhiệt năng cao Dây phun được dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây, nếu dùng bột phun có thể được dẫn qua miệng phun hoặc cấp trực tiếp vào ngọn lửa từ đầu miệng phun Vật liệu phun qua miệng phun đến gặp ngọn lửa khí, tại đây ngọn lửa có nhiệt độ cao làm nóng chảy vật liệu Vật liệu liên tục được cấp với vận tốc phù hợp với quá trình phun

Hình 3.4 -Phân loại công nghệ phun phủ kim loại

Công nghệ phun phủ

Phun khí cháy Phun hồ quang điện Phun nổ (D-Gun) Phun plasma

Hệ kín

Hệ hở (APS)

LPPS LVPS VPS

HVOF

Hình 3.5 -Nguyên lý công nghệ phun khí cháy

a) Vật liệu dây b) Vật liệu bột

Trang 25

Ưu điểm: Giá trang thiết bị thấp, hệ thống đơn giản

Nhược điểm: Năng suất thấp, đặc biệt khi phun phủ dùng vật liệu có nhiệt

độ nóng chảy cao, chất lượng lớp phủ không cao và hệ số hiệu dụng vật liệu thấp khi dùng các vật liệu bột

3.3.2 - Phun hồ quang điện

Hai dây (điện cực) được dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau Các dây kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ gây ngọn

lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng

chảy đầu dây kim loại Dây kim loại liên

tục được cấp bởi cặp con lăn quay với

vận tốc phù hợp với quá trình phun

Nhược điểm: Chỉ dùng được

vật liệu dây kim loại để phun, nhạy

cảm với các khí hoạt tính

Hình 3.7 -Nguyên lý công nghệ phun

hồ quang điện

Hình 3.8 -Thiết bị phun hồ quang điện

Hình 3.6 -Thiết bị phun khí cháy

a) Vật liệu dây b) Vật liệu bột

Trang 26

có thể theo hướng kính Sau mỗi chu kỳ nổ, nitơ sẽ được cấp vào buồng phun để thổi sạch buồng phun Xung quanh đầu phun

có hệ thống tuần hoàn nước làm mát bảo

vệ đầu phun Quá trình này được lặp đi

lặp lại

Ưu điểm:

- Tạo ra lớp phủ có độ bền cao

- Năng suất tương đối cao Dùng

được nhiều loại bột kim loại có nhiệt độ

nóng chảy lớn

Nhược điểm:

- Đọng bụi ở phần dưới của đầu

phun, tiếng ồn lớn

- Khó khăn trong việc dùng bột kim

loại có khối lượng riêng nhỏ

Hình 3.9 -Nguyên lý công nghệ phun nổ

Hình 3.10 -Thiết bị phun nổ

Trang 27

Cơ chế phát triển:

- Khí plasma chuyển động tới vùng anod (đang có hiện tượng phóng điện) sẽ xuất hiện hồ quang điện, hồ quang này là hồ quang sơ cấp Dưới tác dụng của hồ quang điện, một số nguyên tử khí và một số nguyên tử kim loại bị ion hoá tạo thành plasma

- Một số điện tử bị giữ lại ở anod và hỗn hợp plasma tiếp tục chuyển động, vì bị mất một số electron nên plasma trở nên giàu ion dương và do vậy lớp phủ sẽ trở thành anod thứ cấp Hồ quang sinh ra giữa catod thứ cấp và anod thứ cấp gọi là hồ quang thứ cấp Nhờ có hồ quang thứ cấp mà

ngọn lửa plasma kéo dài ra, có tác

dụng vừa nung nóng bột vừa nung

nóng chi tiết do đó quá trình xảy ra

3.3.5 - HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)

Khí cháy (propane, propylene hoặc hydrogen) và oxy với áp suất cao được cấp vào buồng cháy trong đầu phun Đầu phun được thiết kế sao cho dòng năng lượng thoát ra có vận tốc cao nhất (trên 1800m/s) Với vận tốc này cho phép tạo lớp phủ khi hạt phun không cần đạt đến trạng thái nóng chảy hoàn toàn Vì vây, công nghệ này rất thích hợp khi phun vật liệu cacbit và gốm kim loại cho chất lượng cao Vật liệu phủ

Hình 3.11 -Nguyên lý công nghệ phun plasma

Hình 3.12 -Thiết bị phun plasma hệ kín

Trang 28

(dạng bột) được cấp vào buồng đốt có thể theo chiều trục và cũng có thể theo hướng kính

- Dễ gây biến dạng hoặc phá hủy chi tiết

3.3.6 - So sánh vận tốc và nhiệt độ dòng năng lượng của các công nghệ

Nhiệt độ và vận tốc phần tử phun là đặc trưng riêng của từng công nghệ Chúng

sẽ ảnh hưởng đến mức độ nóng chảy và oxy hóa của vật liệu, khả năng phân tán của các phần tử phun, động năng của các hạt, nhiệt độ và mức độ biến dạng của hạt khi tới nền

Thường thì nhiệt độ và vận tốc

phần tử phun càng cao thì chất lượng

lớp phủ sẽ tăng theo tương ứng Tuy

nhiên, tùy theo bản chất của vật liệu

phun và vật liệu nền mà ta chọn công

nghệ phun thích hợp để đảm bảo chất

lượng lớp phủ nhưng vẫn kinh tế

Lớp phủ kim loại có tính chất và thành phần khác hẳn với vật liệu ban đầu Cấu trúc của lớp kim loại phủ có đặc trưng của các cấu trúc bị nguội lạnh đột ngột Sự nguội lạnh của các phần tử xảy ra rất nhanh và tốc độ nguội lạnh rất lớn, do vậy khi

Hình 3.13 -Nguyên lý công nghệ phun HVOF

Hình 3.14 -Vận tốc và nhiệt độ dòng năng lượng của các công nghệ

Trang 29

đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng những trung tâm lệch mạng, những trung tâm này có ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ Do sự kết tinh nhanh của các hạt trong lớp phủ ta có thể nhận được cấu trúc giả bền vững dưới dạng các dung dịch rắn bão hòa và các trạng thái vô định hình của kim loại Công đoạn gia nhiệt sau khi phun sẽ phân tách các pha bền ở dạng tạp chất cấu trúc nhỏ, phân bố đều trong thể tích lớp phủ Cấu trúc như vậy sẽ tạo nên lớp phủ bền, có khả năng chịu nhiệt tốt

Trong lớp phủ kim loại có thể có hai loại oxit, một loại oxit được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại biến dạng Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất cơ học lớp phủ Loại thứ hai làm nhiệm vụ liên kết các phần tử kim loại riêng biệt Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phủ phải kể đến một lượng khá lớn các lỗ xốp Các lỗ xốp này được hình thành do sự liên kết không chặt chẽ của các phần tử kim loại khi biến dạng Các lỗ xốp

có trong các cấu trúc của lớp phủ sẽ cho lớp phủ những tính chất tốt khi lớp phủ làm việc trong điều kiện bôi trơn Lớp phủ hình thành trong không khí, do vậy các lỗ xốp

bị lấp đầy khí, do đó làm xấu đi các tính chất tiếp xúc, đặc biệt là giữa các lớp có khả năng bão hòa khí lớn nhất Còn có các khuyết tật khác cũng có thể hình thành như: không bám dính giữa lớp phủ và chi tiết, sự phân tầng, nứt tế vi do ứng suất kéo trên các phần tử biến dạng tạo thành, các vết nứt vuông góc với bề mặt do lớp phủ co lại khi nguội và bị cản co do lực bám dính, các hạt không nóng chảy Thành phần hoá học

Hình 3.15 -Cấu trúc của lớp phủ kim loại

Trang 30

của lớp phủ kim loại cũng khác với thành phần của vật liệu phủ ban đầu Nói chung thành phần hoá học (các nguyên tố kim loại)ở lớp phủ thường giảm đi, đặc biệt là các hợp kim

Lớp phủ có cấu trúc lớp, bao gồm các hạt bị biến dạng rất nhiều, nối với nhau theo bề mặt tiếp xúc Có đặc trưng gồm những tấm kim loại có sự phân lớp do các tấm hình thành ở các thời điểm khác nhau trượt lên nhau Các tấm này có độ biến dạng khác nhau và bị phân cách với nhau bằng một lớp oxit mỏng với chiều dày 1µm Biên giới phân chia giữa lớp phủ và nền kim loại xác định độ bám dính giữa chúng Tính chất của bản thân lớp phủ thể hiện bằng độ kết dính giữa các phần tử hạt Biên giới giữa các lớp hình thành do khoảng thời gian khác nhau giữa các lần phun Sau mỗi lần phun, bề mặt rất nhanh bị nhiễm bẩn, bị oxy hóa Do đó làm cho các quá trình tiếp xúc giữa các hạt trở nên khó khăn hơn và từ đó xuất hiện biên giới giữa các lớp phun Chiều dày lớp dao động rất nhiều và phụ thuộc vào công nghệ tiến hành

Cấu trúc và tính chất lớp phủ phụ thuộc vào các quá trình tương tác giữa các hạt kim loại với dòng khí và quá trình hình thành lớp phủ trên bề mặt kim loại nền, nó quyết định bởi công nghệ và chế độ công nghệ phun phủ

Trang 31

Chương 1V: Khái niệm về ăn mòn và mài mòn kim loại

Phân loại theo môi trường:

- Ăn mòn trong khí: oxy, khí sunfuarơ, khí H2S,

- Ăn mòn trong không khí: ăn mòn trong không khí ướt, ăn mòn trong không khí

ẩm, ăn mòn trong không khí khô

- Ăn mòn trong đất

- Ăn mòn trong chất lỏng: kiềm, axit, muối,

Phân loại theo dạng ăn mòn:

Có nhiều dạng ăn mòn, một số dạng ăn mòn trong thực tế được thể hiện trong hình 4.1

Phân loại theo cơ chế ăn mòn:

Sự phá huỷ kim loại do tác nhân hóa học cuả môi trường gây ra theo hai cơ chế:

ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học, trong đó ăn mòn vi sinh được coi là một dạng ăn mòn điện hoá đặc biệt

Trang 32

- Ăn mòn hoá học: là sự phá huỷ kim loại bởi phản ứng hoá học dị thể khi bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường gây ăn mòn, khi đó kim loại bị chuyển thành ion kim loại đi vào môi trường trong cùng một giai đoạn

- Ăn mòn điện hoá: là sự phá huỷ kim loại bởi các quá trình tương tác của môi trường ăn mòn với bề mặt kim loại theo cơ chế điện hoá Quá trình phá huỷ kim loại theo cơ chế này không phải xảy ra trong một giai đoạn mà nó thường xuyên bao gồm nhiều giai đoạn và tại nhiều vị trí khác nhau trên bề mặt kim loại

Ăn mòn ứng suất Ăn mòn pin điện Ăn mòn hang hốc

Ăn mòn điểm Ăn mòn giữa các tinh thể Ăn mòn do mài mòn

4.1.3 - Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa là loại ăn mòn phổ biến nhất, gây tác hại nhất và được nghiên cứu nhiều nhất Nó là sự ăn mòn kim loại trong môi trường chất điện giải (điện phân, điện ly) trong đó sự oxy hóa (hòa tan, phá hủy) của nguyên tử kim loại, sự khử của chất oxy hóa không phải xảy ra chỉ trong một phản ứng trực tiếp, là quá trình diễn biến phức tạp, song có thể coi rằng trong quá trình này kim loại hoạt động như một pin hay

vi pin (pin ăn mòn cục bộ) Nói chung bản thân các kim loại và các tạp chất, tổ chức chứa trong chúng có điện thế điện cực khác nhau, cho nên khi nhúng vào trong dung

Hình 4.1 - Một số dạng ăn mòn trong thực tế

Trang 33

dịch điện giải chúng tạo nên các vi pin, tùy thuộc hiệu số điện thế giữa các cực và số lượng vi pin mà tốc độ ăn mòn có thể nhanh hay chậm

Khi tiếp xúc với dung dịch điện giải, các ion kim loại có xu hướng chuyển vào dung dịch và do đó để lại những điện tử thừa trong kim loại Trên lớp bề mặt kim loại xuất hiện lớp điện tích kép và có điện thế nhất định gọi là điện thế điện cực Tại mỗi điều kiện môi trường cụ thể thì mỗi một kim loại có một điện thế điện cực đặc trưng, trong đó kim loại có điện thế âm hơn sẽ trở thành anod (bị hòa tan, phân hủy) trong các cặp vi pin

Ăn mòn điện hóa của kim loại gồm 3 quá trình cơ bản anod, catod và dẫn điện

[7]

Quá trình anod: là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó kim loại có điện thế

âm hơn chuyển vào dung dịch dưới dạng ion và giải phóng điện tử kim loại bị ăn mòn theo phản ứng:

Quá trình catod: là quá trình khử điện hóa, trong đó các chất oxy hóa (Oxh) nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng

Oxh là dạng chất oxy hóa, có thể là H+, O2 hay kim loại có điện thế điện cực dương hơn

- Nếu Oxh là H+(axit HCl) có H + + e → H hp, sau đó H hp + H hp → H 2 (Hhp là hydro hấp phụ); ta gọi là ăn mòn với chất khử phân cực hydro

- Nếu Oxh là O2

+ Khi môi trường là axit H2SO4 có O 2 + 4H + + 4e → H2 O (E = 1.23 V)

+ Khi môi trường trung tính hoặc bazơ có O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (E = 0,40V)

Khi trong dung dịch có những ion kim loại có điện thế điện cực dương lớn hơn kim loại bị ăn mòn có Me n+ + ne → Me hay Me n’+ + n”e → Me n”+ với n’ = n” + n’”

Quá trình dẫn điện: các điện tử tự do do kim loại bị ăn mòn giải phóng sẽ di chuyển từ anod tới catod, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch

Trang 34

Nhờ vậy có thể đoán trước được rằng tất cả các kim loại với điện thế điện cực thấp hơn của điện cực hydro (Mg đến Pb) sẽ bị ăn mòn trong axit không chứa oxy, đồng thời có sự thoát khí hydro

Ngược lại với các kim loại có điện thế điện cực cao hơn của hydro (như Cu, Ag)

không thể bị axit không chứa oxy hòa tan ăn mòn

Nếu trong axit có chứa oxy hòa tan thì phản ứng catod:

Phản ứng này có E = +1.23 V lớn hơn E tiêu chuẩn +0,34 V của phản ứng

Cu → Cu 2+ + 2e và +0,80 V của phản ứng Ag → Ag + + e, nên Cu và Ag đều bị ăn mòn

Nếu nói quá trình ăn mòn phụ thuộc vào chênh lệch các điện thế điện cực ở anod và catod thì cũng phải nói thêm rằng các giá trị này còn phụ thuộc vào nồng độ

(hoạt độ), nhiệt độ của dung dịch điện giải, sự thụ động hóa và chúng thay đổi trong quá trình ăn mòn (khi có dòng điện – dịch chuyển điện tử, gọi là hiện tượng quá thế)

4.1.4 - Hiện tượng thụ động kim loại

Một số kim loại trong dung dịch điện ly ở một điện thế đủ dương sẽ xảy ra phản ứng anod như sau:

Phản ứng oxy hoá này tạo nên trên kim loại một lớp oxit sít chặt, lớp này sẽ ngăn cách kim loại với môi trường xung quanh Độ dày của lớp này có thể thay đổi từ một lớp phân tử đến vài ngàn A0 Thường các điện cực kim loại oxit này bị ăn mòn với tốc độ rất nhỏ, và khi đó nó được xem là ở trạng thái thụ động

Thụ động là một hiện tượng quan trọng vì một số khá lớn kim loại được dùng

(Al, Mg, Fe, Ni, Cr, Mo, Ti, Zr) và các hợp kim của chúng bị thụ động trong nhiều môi trường khác nhau, điều đó có nghĩa là chúng có điện trở ăn mòn lớn Có hai cách để chuyển kim loại vào trạng thái thụ động:

- Phân cực anod kim loại (sử dụng chúng như là một anod trong bình điện hoá)

- Đưa kim loại vào trong một dung dịch điện ly có chứa cấu tử oxy hoá thích hợp

Trang 35

4.1.5 - Tiêu chí đánh giá ăn mòn kim loại

Tốc độ ăn mòn:

Tốc độ ăn mòn được tính bằng tổn thất khối lượng kim loại trên đơn vị thời gian

(mg/dm 2 ngày) hay độ xâm nhập tính theo chiều sâu kim loại bị ăn mòn trong một năm

(mm/năm)

Độ bền hay tính chống ăn mòn của kim loại:

- Cao, khi độ xâm nhập < 0,125mm/năm

- Đạt yêu cầu, khi độ xâm nhập trong khoảng 0,125 ÷ 1,25mm/năm

- Không đạt yêu cầu, khi độ xâm nhập > 1,25mm/năm

4.1.6 - Bảo vệ kim loại chống ăn mòn [11]

Hiện nay có rất nhiều phương pháp bảo vệ kim loại chống ăn mòn, chúng ta có thể phân loại thành các loại sau đây:

Chọn và chế tạo vật liệu có độ bền chống ăn mòn cao làm việc trong những môi trường ăn mòn

Bảo vệ kim loại bằng chất ức chế ăn mòn

Để hạn chế sự xâm thực của môi trường, người ta có thể ngăn cách tác động của môi trường với kim loại bằng cách cải tạo môi trường xâm thực, loại bỏ các cấu tử gây nên ăn mòn Ngoài ra cũng có thể sử dụng các chất ức chế ăn mòn để làm giảm tốc độ

ăn mòn; đó là chất hoá học với liều lượng sử dụng nhỏ đưa vào môi trường có thể kìm hãm các quá trình điện cực Tác dụng ức chế là do:

- Hấp phụ phân tử chất ức chế hữu cơ lên bề mặt

- Thụ động hoá kim loại

- Tạo lớp kết tủa muối lên bề mặt, ngăn oxy có thể tiếp cận kim loại

Trang 36

- Loại bỏ tác nhân ăn mòn (oxy hoà tan)

Chất ức chế là chất làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn nếu cho một lượng nhỏ của chúng vào dung dịch điện ly Chúng có thể được phân làm hai loại:

- Chất ức chế thụ động

- Chất ức chế hỗn hợp không thụ động

Bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn bằng cách thay đổi thế điện cực

- Bảo vệ catod:

+ Phương pháp bảo vệ catod bằng anod hy sinh

+ Phương pháp bảo vệ catod bằng dòng điện ngoài

- Bảo vệ anod: Nguyên tắc của phương pháp bảo vệ anod là phân cực kim loại cần bảo vệ bằng cách chuyển nó về phía điện thế dương hơn, khi đó thế của kim loại sẽ bị dịch chuyển vào vùng thế của trạng thái thụ động

- Bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn bằng các lớp che phủ

Phương pháp này nhằm cô lập bề mặt kim loại khỏi môi trường xâm thực Lớp ngăn cách như vậy thường bằng vật liệu bền ăn mòn Có thể phân loại các lớp phủ như sau:

+ Lớp phủ kim loại

+ Lớp phủ phi kim loại, vô cơ (các loại sơn vô cơ)

+ Lớp phủ hữu cơ (các loại sơn hữu cơ)

Xử lý môi trường gây ăn mòn nhằm giảm bớt tốc độ ăn mòn kim loại

Trang 37

4.2.2 - Phân loại mài mòn

Sự phá huỷ bề mặt do tróc nhiệt (tróc loại 2 hay mài mòn nhiệt)

Do ma sát nhiệt độ tăng đáng kể hình thành các mối liên kết cục bộ, gây biến dạng dẻo rồi phá hỏng mối liên kết ấy (quả tải nhiệt)

Dạng này xuất hiện chủ yếu do chuyển dịch tương đối lớn và áp lực riêng p tăng, cấu trúc kim loại xảy ra hiện tượng kết tinh lại, ram, tôi cục bộ

Tróc loại 2 còn tuỳ thuộc vào độ bền, tính dẫn nhiệt, độ cứng của vật liệu

Sự phá huỷ do mỏi (là dạng mài mòn rỗ hay pitting)

Do tác động của ứng suất biến đổi chu kỳ, ứng suất tăng lên và lớn hơn giới hạn đàn hồi Hiện tượng này xảy ra do mối liên kết ma sát không liên tục, nó xảy ra trong từng phần của của bề mặt tiếp xúc Phá huỷ do mỏi thường gặp ở những bề mặt có nứt

tế vi, vết lõm sâu, độ bóng thấp hoặc không đồng đều Dạng mòn này thường xảy ra khi có ma sát lăn, trên bề mặt của ổ lăn và ổ trượt, trên bề mặt của bánh răng,

Độ mài mòn

Thời gian

Hình 4.2 -Sơ đồ các giai đoạn mài mòn cơ học

I - Giai đoạn bắt đầu mài mòn

II - Giai đoạn mài mòn đã bão hòa III - Giai đoạn mài mòn phát triển nhanh

Trang 38

Phá huỷ bề mặt do xói mòn kim loại (Mòn do tác dụng của môi trường các dòng chảy)

Là sự phá huỷ các bề mặt do lực tác dụng va đập và lập lại nhiều lần hoặc thời gian kéo dài, áp lực lớn của dòng chất lỏng, dòng khí, dòng chuyển động của bột mài,

sự phóng điện hoặc chùm tia năng lượng chúng làm cho quá trình mòn do ma sát phức tạp thêm

Phá huỷ bề mặt do hiện tượng fretting

Quá trình fretting được đặc trưng:

- Bởi sự có mặt của các chuyển vị nhỏ (bắt đầu có trị số lớn hơn khoảng cách giữa các nguyên tử)

- Bởi sự đặc tính động của tải trọng

- Bởi sự ô xy hoá trong không khí làm tạo ra các sản phẩm bị ăn mòn

- Một số nhà khoa học còn cho rằng quá trình fretting còn do tróc gây nên thể hiện

rõ nhất ở những chỗ tiếp xúc

- Là hiện tượng phá huỷ bề mặt do tróc, gỉ do sự oxy hoá động, xảy ra do tổng hợp của nhiều yếu tố: ma sát, áp lực, độ dịch chuyển bề mặt tiếp xúc nhỏ, nhất là ở điều kiện vận tốc (v) lớn, áp lực cao (p), nhiệt độ (t 0 ) cao Muốn giảm hiện tượng này ta cần giảm vận tốc, áp lực, nhiệt độ

4.2.3 - Nâng cao khả năng chịu mài mòn

Để nâng cao khả năng chịu mài mòn có nhiều cách: tạo độ nhám bề mặt tối ưu cho hai bề mặt tiếp xúc nhau theo điều kiện cụ thể, bôi trơn bề mặt tiếp xúc đầy đủ, dùng vật liệu giảm ma sát, dùng các biện pháp làm tăng độ cứng bề mặt, sử dụng chế

độ hoạt động hợp lý… Tuy nhiên, tùy theo điều kiện làm việc cụ thể và khả năng mà ta chọn phương pháp nâng cao khả năng chịu mài mòn thích hợp

Trang 39

Chương 5: Lớp phủ nhôm và lớp phủ Cr20Ni80

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 2,7

Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm diện

Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 658

Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm, dễ uốn và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp oxit bảo vệ

Nó cũng không nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm diện, mật độ electron tự do tương đối lớn Do vậy, nhôm có khả năng dẫn nhiệt và nhiệt tốt

Độ bền, độ cứng của nhôm thấp, ở trạng thái ủ σb = 60Mpa, σ0,2 = 20Mpa, HB25 Tuy nhiên, do có kiểu mạng lập phương tâm diện nên có thể tăng giới hạn chảy

và độ cứng nhờ hiệu ứng hóa bền biến dạng

Trang 40

Chương 5: Lớp phủ nhôm và lớp phủ Cr20Ni80

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 7,15

Kiểu mạng tinh thể Lập phương thể tâm

Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 1875

Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao và nhiệt

độ nóng chảy cao Nó là chất không mùi, không vị, dễ rèn và là kim loại phản sắt từ

(không có từ tính)

Crom có đủ tất cả những tính chất đặc trưng của các kim loại: dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, có ánh kim - một thuộc tính có ở đa số các kim loại Một đặc điểm rất đáng chú ý của crom là: ở nhiệt độ khoảng 370C nhiều tính chất vật lý của nó thay đổi đột ngột, có bước nhảy vọt Ở điểm nhiệt độ này, ma sát trong của crom đạt giá trị lớn nhất, còn môđun đàn hồi thì tụt xuống mức nhỏ nhất Độ dẫn điện, hệ số giãn dài, sức nhiệt điện động cũng thay đổi bất ngờ như vậy

Crom với độ sạch bình thường thì rất giòn Ngược lại, khi ủ, độ dẻo của crom rất cao (ψ = 40%) Nhiệt độ biến giòn của crom khá cao (crom kỹ thuật có nhiệt độ biến giòn khoảng 50 ÷ 2500 C) và phụ thuộc rất mạnh vào lượng tạp chất Các nguyên

tố tạp chất gây ảnh hưởng mạnh đến tính chất của crom là N, O, H và C Trong số các tạp chất xen kẽ này, N là nguyên tố có hại nhất; hàm lượng cho phép của nó trong crom là 0,002 ÷ 0,003%

Đặc tính quan trọng nhất của crom là tính ổn định hoá học cao, chống lại được

sự oxy hóa trong không khí và không tương tác với các axit Trong nhiều môi trường axit, crom có khả năng tạo màng thụ động hoá và trở nên rất ổn định Tính ổn định nhiệt của crom rất cao, màng oxit tạo ra trên bề mặt crom có tính bảo vệ tốt, ở 12000C crom tỏ ra ổn định hơn cả W, Mo, Nb, Ta Crom tác dụng với cacbon tạo ra ba loại

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	5,64 MB