Thiết kế tối ưu hệ thống đầu phun nhiệt khí dây oxy khí cháy ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy

Phun phủ kim loại là công nghệ không thể thiếu trong các lĩnh vực kim loại, luyện kim; điện – điện tử, cơ khí.…Mục đích sử dụng của công nghệ này là bảo vệ chống ăn mòn trong các môi trư

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

***************

Kiều Đăng Trường

THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐẦU PHUN NHIỆT KHÍ DÂY OXY-KHÍ CHÁY ỮNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ

XỬ LÝ BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Lê Đức Bảo

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

LỜI CẢM ƠN 5

DANH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 12

1.1 Khái niệm chung và phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí 12

1.1.1 Khái niệm chung 12

1.1.2 Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí 15

1.2 Thiết bị phun phủ nhiệt khí 19

1.2.1 Thiết bị phun ngọn lửa khí cháy 19

1.2.2 Thiết bị phun điện 22

1.2.3 Thiết bị phun plasma 23

1.3 Vật liệu phun phủ 23

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 26

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước: 26

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 29

1.5 Kết luận chương 1 32

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CỦA THIẾT BỊ 33

PHUN NHIỆT KHÍ DÂY OXY - KHÍ CHÁY 33

2.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy 33

2.1.1 Đặc điểm công nghệ phun dây ngọn lửa khí 33

2.1.2 Các thông số công nghệ phun và ảnh hưởng của chúng tới chất lượng lớp phủ 36

2.2 Hệ thống thiết bị nhiệt khí dây ôxy– khí cháy 40

2.2.1 Sơ đồ tổng thể, nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị 40

2.2.2 Chức năng và yêu cầu kỹ thuật các bộ phận cấu thành thiết bị 43

2.2.3 Phương hướng thiết kế tối ưu hệ thống đầu phun phun nhiệt ôxy khí cháy 45

2.3 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TỐI ƯU CỤM ĐẦU SÚNG PHUN 47

3.1 Cấu tạo chung đầu súng phun 47

3.1.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đầu phun nhiệt khí oxy - khí cháy 47

3.1.2 Một số hệ thống phun nhiệt khí dây ôxy-khí cháy điển hình của một số hãng nổi tiếng trên thế giới 51

3.1.3 Các yêu cầu thiết kế tối ưu cho cụm đầu bép 57

3.2 Thiết kế tối ưu các chi tiết của đầu súng phun 59

3.2.1 Cụm đầu bép phun chính 59

3.2.2 Buồng phân phối khí 63

3.2.3 Thân đầu phun 64

3.3 Tính toán thiết kế bộ phận cấp dây phun 67

3.3.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý thiết kế tổng thể 67

3.3.2 Đặc tính kỹ thuật của bộ phận cấp dây: 68

3.4 Quy trình công nghệ lắp ráp và vận hành thiết bị 71

3.4.1 Quy trình lắp ráp đầu phun: 71

3.4.2 Vận hành thiết bị: 73

3.5 Kết luận chương 3 74

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 75

4.1 Thực nghiệm lắp ráp và vận hành thiết bị 75

4.2 Thực nghiệm vận hành thiết bị và phun thử nghiệm trên sản phẩm mẫu 77

4.2.1 Chuẩn bị trước khí phun: 77

4.2.2 Thực nghiệm quá trình phun 78

4.3 Đánh giá kết quả thử nghiệm thiết bị và các mẫu thử nghiệm 80

4.3.1 Đánh giá chất lượng thiết bị của Đề tài 80

4.3.2 Đánh giá chất lượng sản phẩm phun thử nghiệm 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 86

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện đang sử dụng và các công trình được công bố (ngoại trừ các bảng biểu số liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được phép

sử dụng) Những kết quả thử nghiệm được lưu giữ, giới thiệu trong bản thuyết minh

và ghi lại bằng hình ảnh là hoàn toàn trung thực

Tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm và những lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 3 năm 2018

Tác giả

Kiều Đăng Trường

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành của mình tới TS Lê Đức Bảo, người đã hướng dẫn trực tiếp và tận tình giúp đỡ trong việc như: định hướng nghiên cứu đề tài, hướng dẫn thực hiện cũng như quá trình viết thành bản luận văn hoàn chỉnh

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với ban lãnh đạo Viện Cơ khí và Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản luận văn này

Tác giả trân trọng cảm ơn tới tập thể lãnh đạo và các anh chị đồng nghiệp thuộc Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí đã giúp đỡ, đồng hành và tạo điều kiện trong quá trình làm việc công tác, nghiên cứu, làm thực nghiệm và hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ “Thiết kế tối ưu

hệ thống đầu phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy”

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy/cô, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí 15

Bảng 1.2 Thành phần hóa học (%) và cơ tính 24

Bảng 1.3 Thành phần hóa học và cơ tính của đồng phôt-pho (JISH 3751) 24

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của đồng thau (JIS4/3203), % 25

Bảng 1.5 Thành phần hóa học (%) của Monel 25

Bảng 1.6 Thành phần hóa học của dây thép cacbon (%) 26

Bảng 2.1 Tính chất hóa lý của các loại khí cháy 34

Bảng 2.2 Nhiệt độ nóng chảy của các hỗn hợp khí khí nhau 35

Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị FWS-20 54

Bảng 4.1 Các thông số chế độ phun 78

Bảng 4.2 Kết quả đo độ bám dính lớp phủ 82

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt khí [3] 13

Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị phun dây bằng ngọn lửa khí 19

Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị phun bột bằng ngọn lửa khí 21

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị phun nổ 21

Hình 1.5 Cấu tạo thiết bị phun hồ quang điện 22

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống phun plasma 23

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo đầu phun nhiệt khí ôxy – khí cháy 27

thực hiện cấp dây phun bằng tuốc bin khí 27

Hình 1.4 Đầu phun khí cháy của M U Schoop 30

Hình 1.5 Súng phun Wire Flame Jet 5KM 31

Hình 1.6 Thiết bị phun nhiệt khí (Castolin) 31

Hình 2.1 Nguyên lý phương pháp phun dây ngọn lửa khí 33

Hình 2.2 Sự thay đổi tốc độ ngọn lửa khí theo chiều dài khoảng cách phun 36

Hình 2.3 Ảnh hưởng của khoảng cách 39

phun tới độ chịu mòn của lớp phủ 39

Hình 2.4 Sơ đồ kết cấu tổng thể hệ thống thiết bị phun nhiệt khí dây ôxy – khí cháy 41

Hình 3.1 Sơ đồ kết cấu đầu phun nhiệt khí oxy - khí cháy 48

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động bộ phận đầu phun ôxy – khí cháy 49

Hình 3.3 Cấu trúc và sự hình thành ngọn lửa phun nhiệt khí [1] 50

Hình 3.4 Sự phân bố nhiệt trong ngọn lửa khí 51

Hình 3.5 Đầu phun súng FWS-200 thuộc hệ thống phun FWS-20 52

Hình 3.6 Bảng điều khiển các thông số của hệ thống phun FWS-20 52

Hình 3.7 Hệ thống phun MK61-FS 54

Hình 3.8 Đầu súng phun dòng MTU của hãng TAKEN 55

Hình 3.9 Nguyên lý cơ bản của cụm bép phun [1-tr30] 58

Hình 3.10 Sơ đồ cấu tạo cụm đầu bép phun 59

Hình 3.12 Cấu tạo đầu bép trong 63

Hình 3.13 Cấu tạo buồng phân phối khí 63

Hình 3.14 Cấu tạo thân đầu phun 65

Hình 3.15 Cấu tạo của đầu súng phun nhiệt khí dây ôxy – khí cháy 66

Hình 3.16 Sơ đồ cấu tạo cơ cấu cấp dây phun 67

Hình 3.17 Bản vẽ cấu tạo bộ phận cấp dây phun 70

Hình 3.18 Sơ đồ quy trình lắp ráp đầu súng phun nhiệt khí 72

Hình 4.1 Lắp ráp các chi tiết cụm đầu bép phun chính với buồng phân phối khí 75

Hình 4.2 Đầu nối hệ thống đường ống dẫn khí với đầu súng phun 75

Hình 4.3 Vận hành thử đầu súng trước khi lắp vào hệ thống cấp dân 76

Hình 4.4 Đầu phun sau khi đã lắp ráp hoàn chỉnh 76

Hình 4.5 Hệ thống phun nhiệt khí sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh 76

Hình 4.6 Phun thử nghiệm kẽm, đồng, thạch cao và sành 77

thiết bị trước khi phun mẫu 77

Hình 4.7 Chuẩn bị bề mặt nền chi tiết trước khi phun 78

Hình 4.8 Hình ảnh quá trình phun thực nghiệm 79

Hình 4.9 Quá trình điều chỉnh tốc độ cấp dây phun 79

Hình 4.10 Lớp phủ kẽm sau khi phun 79

Hình 4.11 Các lớp phủ đồng trên nền thép sau khi phun 80

Hình 4.12 So sánh tương quan độ mịn giữa 2 lớp phủ 81

Hình 4.13 Thử nghiệm độ bám dính lớp phủ sau khi phun 82

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Khoa học kỹ thuật phát triển đã góp phần tạo ra những vật liệu mới có tính năng vượt trội so với vật liệu truyền thống sử dụng trong công nghiệp Chẳng hạn như những bề mặt kết cấu làm việc trong môi trường hoá chất, đặc biệt khi có áp suất cao sẽ chịu ăn mòn lớn; các bề mặt tiếp xúc kiểu ma sát làm việc trong điều kiện khắc nghiệt cũng chóng bị mòn cơ học; những thiết bị hàng không, vũ trụ làm việc ở nhiệt

độ cao thậm chí còn bị bốc cháy, tiêu hủy nếu không có lớp giáp bảo vệ đặc biệt

Để giải quyết những vấn đề nêu trên, người ta đã nghiên cứu, ứng dụng và cho đến nay đã hình thành một nhánh công nghệ mới trong chế tạo máy, đó là công nghệ phun phủ Bản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim) nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun (va đập) vào lớp nền, do ảnh hưởng của các biến cứng lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc vào lớp nền

Phun phủ kim loại là công nghệ không thể thiếu trong các lĩnh vực kim loại, luyện kim; điện – điện tử, cơ khí.…Mục đích sử dụng của công nghệ này là bảo vệ chống ăn mòn trong các môi trường khí quyển, môi trường nước, tạo các lớp phủ có khả năng làm việc trong các điều kiện kỹ thuật đặc biệt như nhiệt độ cao, chịu ma sát, sửa chữa các khuyết tật của vật đúc hoặc các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí, tạo các lớp bảo vệ và trang trí cho các công trình mỹ thuật…

2 Lịch sử nghiên cứu

Trong nước đã có nhiều đơn vị nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt vào chế tạo phục hồi chi tiết máy Công nghệ phun phủ nhiệt trong những năm gần đây đã được chuyển giao vào Việt Nam Phòng Thí Nghiệm trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên Cứu Cơ khí và một số cơ đơn vị nghiên cứu, cơ

sở sản xuất đã được trang bị những thiết bị hiện đại nhập từ nước ngoài

Ngoài ra tại đơn vị này đã có nghiều công trình khoa học được công bố về lĩnh vực phun phủ nhiệt và trong số đó có công nghệ phun phủ nhiệt khí dây ôxy khí cháy

Đã có những công trình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt áp dụng vào

sản suất như: Phun phục hồi cổ trục, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt nâng cao chất lượng chi tiết cơ khí bằng phương pháp phun phủ Plasma; Nghiên cứu triển khai công nghệ phun phủ đồng và hợp kim đồng bảo vệ chống ăn mòn và tạo lớp phủ trang trí cho các sản phẩm mỹ thuật: phù điêu, tượng đài bằng thạch cao hoặc

bê tông…

Ở nước ta, chưa có đơn vị nào trực tiếp sản xuất loại thiết bị này và chủ yếu

là nhập khẩu từ nước ngoài Chính vì vậy, nhiệm vụ của đề tài này đặt ra là làm chủ việc thiết kế và chế tạo thiết bị thay để thế nhập ngoại, đóng góp một phần vào nền kinh tế của đất nước

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá thử nghiệm thiết bị trên một số mẫu vật liệu khác nhau

❖ Đối tượng nghiên cứu:

Hệ thống thiết bị phun nhiệt khí dây ô xy khí cháy cầm tay sử dụng việc cấp dây bằng động cơ điện:

❖ Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu cấu tạo cụm đầu bép của thiết bị phun nhiệt khí dây ôxy – khí cháy cầm tay sử dụng cấp dây bằng động cơ điện

- Thời gian nghiên cứu: 1 năm kể từ ngày được giao nhận đề tài

4 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Hệ thống thiết bị phun nhiệt khí ôxy – khí cháy bao gồm các bộ phận chính như: Đầu phun ôxy – khí cháy, bộ phận cấp khí (ôxy, khí cháy và khí nén áp lực cao),

hệ thống đồ gá phun… trong đó đầu phun là bộ phận quan trọng và có cấu tạo phức tạp hơn cả Nhiệm vụ chính của đầu phun nhiệt khí ôxy – khí cháy là tạo ra nguồn nhiệt ( ngọn lửa khí) tập trung cường độ cao bằng phản ứng của hỗn hợp ôxy – khí

cháy và cấp dây trong suốt quá trình phun Việc thiết kế tối ưu thiết bị phun phủ nhiệt khí dây – ôxy khí cháy với việc cấp dây tự động, đồng thời đánh giá thử nghiệm thiết

bị trên một số mẫu vật liệu khác nhau là cần thiết

- Tính thực tiễn:

Việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị đầu phun nhiệt khí thay thế thiết bị nhập ngoại có ý nghĩa thực tiễn cao, không chỉ là việc nội địa hóa thiết bị mà còn là điều kiện để các kỹ sư cơ khí, các doanh nghiệp trong nước nắm bắt và từng bước làm chủ công nghệ hiện đại từ đó giúp các đơn vị chủ động trong sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, đa dạng hoá về chủng loại tăng tính linh động trong sản xuất đáp ứng với yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Để đáp ứng nhu cầu trong nước và từng bước chủ động trong việc chế tạo,

thay thế sửa chữa những hư hỏng trong quá trình sử dụng, Đề tài: “Thiết kế tối ưu hệ

thống đầu phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy” mong muốn làm rõ các vấn đề cơ sở khoa học về thiết bị trong công

nghệ phun phủ xử lý bề mặt, công nghệ phun phủ nhiệt khí dây ôxy - khí cháy

Nội dung Đề tài bao gồm 4 chương:

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan

Chương 2 Nghiên cứu phân tích công nghệ của thiết bị phun phủ nhiệt khí cùng chủng loại và lựa chọn đối tượng thiết kế

Chương 3 Thiết kế tối ưu cụm đầu phun nhiệt khí dây oxy khí cháy

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Dựa trên thiết bị hiện có trong Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ Hàn

và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, tiến hành nghiên cứu thiết kế đầu phun nhiệt khí dây - ôxy khí cháy

- Tiến hành phun thực nghiệm, kiểm tra đánh giá chất lượng thiết bị và các sản phẩm mẫu thử

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm chung và phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí

1.1.1 Khái niệm chung

Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với những chế độ công tác rất khác nhau Chúng bị phá hủy và hư hỏng dưới nhiều dạng

Có nhiều nguyên nhân, những nguyên nhân chính là: gỉ (do làm việc trong môi trường không khí – các kết cấu xây dựng, và nước – các phương tiện thủy; các môi trường tĩnh và động – thiết bị hóa học…); ăn mòn (chẳng hạn dưới tác dụng của chất lỏng

và khí cháy); mài mòn cơ học và các hư hỏng khác (chẳng hạn tại các mặt tiếp xúc của các chi tiết làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao)

Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được đưa ra: gia công nhiệt để cải thiện tính chất của vật liệu; sản xuất vật liệu mới và hợp kim Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ chống ăn mòn

và mài mòn

Có nhiều phương pháp phủ trên bề mặt chi tiết và kết cấu tùy theo mục đích

sử dụng và điều kiện làm việc của chúng Có những lớp phủ bao vệ hoặc trang trí, có những lớp phủ đặc biệt với những tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu mài mòn, chịu nhiệt và cách nhiệt…

Phun phủ nhiệt khí là một nhóm các quá trình trong đó vật liệu phun dưới dạng dây, thanh hoặc bột được đốt nóng chảy và dưới tác dụng của luồng khí nén tạo thành các hạt nhỏ chuyển động với tốc độ cao tới bề mặt chi tiết phun (vật liệu cơ bản hay vật liệu nền ) Nguồn nhiệt đốt nóng vật liệu phun có thể là ngọn lửa oxy - khí cháy,

hồ quang điện, hồ quang plasma hoặc năng lượng nổ của hỗn hợp khí cháy Dưới đây là sơ đồ nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt khí được trình bày trong hình 4:

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt khí [3]

Phun kim loại có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim của chúng lên bề mặt kim loại hoặc lên các bề mặt cứng khác như gốm sứ, thạch cao, bê tông, gỗ…

Thông thường vật phun ( vật liệu cơ bản ) được làm nhám trước khi phun bằng phương pháp phun cát hoặc phun hạt cứng Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào điều kiện làm việc của các chi tiết và kết cấu Ngoài ra sự cải thiện chất lượng bề mặt của vật liệu cũng cho phép thiết kế và chế tạo máy móc

và thiết bị năng suất hơn

Khi các phần tử kim loại nóng chảy đập vào vật phun, chúng biến thành các phiến mỏng có dạng hình học khác nhau Các phiến mỏng nhanh chóng nguội và đông cứng Các lớp phiến mỏng liên tục được tạo thành tới độ dày yêu cầu và chuyển thành cấu trúc lá mỏng

Sự liên kết giữa vật liệu cơ bản và vật liệu phun có thể là liên kết cơ học, hoá học hoặc sự kết hợp của chúng Sự xử lý nhiệt sau khi phun cho phép tăng độ bền của lớp phun nhờ sự khuếch tán hoặc nhờ phản ứng hoá học giữa lớp phun và vật liệu cơ bản

Độ chặt ( mật độ ) của lớp phun phụ thuộc vào vật liệu phun, phương pháp phun, điều kiện phun và sự xử lý nhiệt sau khi phun Nói chung độ chặt của lớp phun bằng khoảng 85 ÷ 90% độ chặt của vật liệu phun Các tính chất của lớp phun phụ thuộc vào các yếu tố như độ xốp, độ dính giữa các hạt ( phần tử ) phun, độ bám của lớp phun với vật liệu cơ bản và thành phần hoá học của vật liệu phun

➢ Ưu điểm của công nghệ phun phủ

Công nghệ phun phủ có những ưu điểm nổi trội so với các công nghệ khác Đó

- Cũng như hàn đắp, phun phủ cho phép tạo lớp đắp với chiều dày tương đối lớn (để phục hồi các chi tiết bị mài mòn)

- Thiết bị phun phủ khá đơn giản và gọn nhẹ, có thể di chuyển dễ dàng và nhanh chóng Chẳng hạn, khi phun bằng ngọn lửa khí chỉ cần máy nén khí, mỏ đốt và bình khí Khi có nguồn điện có thể ứng dụng phương pháp phun điện với những súng phun cầm tay rất tiện lợi

- Có thể sử dụng các kim loại và hợp kim khác nhau, hoặc hỗn hợp của chúng

Có thể phun nhiều lớp với những vật liệu khác nhau để tạo các lớp phủ có các tính chất đặc biệt

- Chi tiết phun ít bị biến dạng, trong khi đó, sự đốt nóng toàn phần hoặc cục bộ các chi tiết phủ bằng các phương pháp khác có thể gây biến dạng lớn

- Bằng phương pháp phun có sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp Trong trường hợp này, phun phủ được tiến hành trên mặt khuôn mẫu Sau khi phun khuôn mẫu được tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun

- Quá trình công nghệ phun phủ đảm bảo năng suất cao và khối lượng công việc không lớn

➢ Nhược điểm của công nghệ phun phủ

- Khi chi tiết phun nhỏ, phun phủ ít hiệu quả do tổn hao vật liệu phun lớn Trong trường hợp này, kinh tế hơn là sử dụng phương pháp khác

- Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi phun gây ô nhiễm môi trường làm việc do phải sử dụng các thiết bị tẩy rửa và làm sạch như máy phun cát, phun bi, phun bột kim loại và các dung dịch tẩy rửa khác

- Trong quá trình phun, các hạt phun có thể bắn tung toé, đồng thời có thể tạo các hợp chất có hại cho sức khoẻ của người công nhân

1.1.2 Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí

Dựa theo nguồn năng lượng nhiệt được cung cấp để làm nóng chảy vật liệu phun

có thể phân các phương pháp phun thành hai nhóm: phun ngọn lửa khí và phun điện

Bảng 1.1 Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí

1 Phương pháp phun ngọn lửa khí

2 Phương pháp phun nổ

1 Hồ quang điện

2 Hồ quang plasma

1.1.2.1 Phương pháp phun ngọn lửa khí

Khi phun ngọn lửa khí, nguồn năng lượng nhiệt được tạo bởi sự đốt cháy hỗn hợp oxi với khí cháy Tùy thuộc vào trạng thái vật liệu phun, sự phun có thể có ba dạng: phun dây, phun thanh và phun bột Ngoài ra, sự phun nổ dựa trên nguyên lý sử dụng năng lượng nổ của hỗn hợp oxi – khí cháy cũng thuộc phương pháp phun ngọn lửa khí

➢ Phương pháp phun dây ngọn lửa khí:

Nguyên lý của phương pháp phun dây ngọn lửa khí: vật liệu được cấp qua lỗ tâm của đầu súng phun và nóng chảy trong ngọn lửa Luồng không khí nén làm phân tán vật liệu phun nóng chảy thành các hạt nhỏ phủ trên bề mặt vật phun Dây được cấp với tốc độ không đổi nhờ các con lăn dẫn động của tua bin không khí hoặc động

cơ điện

Khi sử dụng tua bin khí, việc điều chỉnh chính xác tốc độ cấp dây sẽ khó khăn, tuy nhiên súng phun sẽ gọn nhẹ hơn Vì vậy tua bin khí được dùng trong các súng phun cầm tay Súng phun dùng động cơ điện cho phép điều chỉnh tốc độ cấp dây

chính xác hơn và duy trì ổn định tốc độ đó Tuy nhiên vì nặng hơn nên các súng phun như vậy được lắp trên thiết bị cơ khí hóa dùng cho phun phủ

Đường kính dây phun thường không quá 3mm Khi phun các kim loại có nhiệt

độ nóng chảy thấp (như nhôm, kẽm…) có thể sử dụng dây phun đường kính 5 ÷ 7mm

➢ Phương pháp phun bột bằng ngọn lửa khí:

Nguyên lý phun ngọn lửa khí với vật liệu bột: Bột phun chảy từ phễu xuống

bị kéo theo bởi dòng khí tải (hỗn hợp oxi – khí cháy) và rơi vào ngọn lửa Các phần

tử bột bị đốt nóng và bắn vào bề mặt vật phun Trong các đầu súng phun bột và phun dây, việc cấp vật liệu phun có thể được thực hiện nhờ luồng không khí nén Trong nhiều trường hợp khí axetylen được dùng làm khí cháy Khi phun chất dẻo thường dùng khí propan

Ứng dụng: Phun khí cháy được dùng để tạo lớp phủ có chức năng khác nhau, bằng cách phun các vật liệu bột và dây Khác với phun plasma, phương pháp này không đảm bảo khả năng phủ được những vật liệu khó nóng chảy

Ưu điểm: Thiết bị phun không phức tạp và rẻ, phun dây có hệ số sử dụng vật liệu cao

Nhược điểm: Năng suất không cao, đặc biệt khi phun bột Trong luồng lửa khí có lẫn khí hoạt tính, tác động tới vật liệu kim loại; lớp phủ từ bột có chất lượng thấp

➢ Phương pháp phun nổ:

Phương pháp phun nổ khác nhiều so với phương pháp phun ngọn lửa khí về nguyên lý Ở đây các phần tử bột được đốt nóng nhiều lần và phóng tới mặt vật phun bởi sự kích nổ nhanh và liên tục của hỗn hợp khí nổ oxi - acetylen trong buồng súng phun

Nguyên lý phương pháp phun nổ như sau: oxi và axêtylen được trộn theo tỷ lệ xác định chặt chẽ, sau đó dẫn vào buồng đốt có phần nòng được làm lạnh bằng nước, hướng nòng phun về phía chi tiết phun Sau đó qua một lỗ nhỏ trên buồng đốt, dùng khí nitơ người ta đẩy bột phun vào khoang Dùng tia lửa điện để mồi cháy hỗn hợp

khí và bột phun ở trạng thái lơ lửng Hỗn hợp khí phát nổ, sinh ra nhiệt và sóng va đập, đốt nóng và phóng các phần tử bột trên bề mặt chi tiết phun

Khi phun nổ các phần tử bột phun được tích lũy động năng rất lớn Ở cự ly 75

mm tính từ miệng buồng nổ, tốc độ hạt có thể đạt tới 820 m/s và nhiệt độ của bột phun trên bề mặt chi tiết có thể đạt tới 4000oC Sau khi nổ, buồng nổ được làm sạch sản phẩm cháy bằng nitơ và quá trình lại lặp lại Tần số nổ được điều chỉnh trong phạm vi 3 ÷ 4 lần/giây

Phun nổ được ứng dụng để phun các lớp cứng và bền mòn từ bột cacbit có chứa một lượng nhỏ bột oxit kim loại liên kết Mỗi chu kỳ phun đạt độ dày khoảng 6µm Quá trình phun tiếp tục kéo dài tới khi lớp phun đạt được chiều dày cần thiết (0,25 ÷ 0,3 mm) Các lớp phun nổ có độ chặt cao và độ bám dính cao Khi phun nổ nhiệt độ chi tiết phun không vượt quá 200oC (Khi phun ngọn lửa khí nhiệt độ chi tiết vào khoảng 260÷320oC) Vì vậy chi tiết hầu như không bị biến dạng và không thay đổi tính chất cơ lý khác

Nhược điểm của phương pháp phun nổ

- Tiếng ồn tới 140 dB, vì vậy phải đặt thiết bị phun tại một vị trí đặc biệt

- Thiết bị phun nổ có giá thành cao

1.1.2.2 Phương pháp phun hồ quang điện

Phun hồ quang điện bản chất là một quá trình phun phủ nhiệt khí, trong đó hồ quang được tạo ra giữa hai điện cực nóng chảy của vật liệu phủ Khí nén được sử dụng để làm tơi nhỏ và đẩy vật liệu tới bề mặt chi tiết phủ

Nguyên lý phương pháp phun hồ quang điện: Các dây phun được cấp qua hai

ống dẫn và đồng thời là hai điện cực Khi hai đầu dây tiếp xúc nhau thì hồ quang xuất hiện Ống dẫn không khí nén được đặt giữa hai ống dẫn dây Luồng không khí nén thổi tách các giọt kim loại khỏi các điện cực tạo thành các phần tử kim loại nóng chảy bám vào bề mặt chi tiết phun

Thiết bị phun hồ quang điện có thể làm việc với dòng một chiều hoặc dòng xoay chiều Khi sử dụng dòng xoay chiều, hồ quang cháy không ổn định và tạo tiếng

nổ lớn Quá trình phun với dòng điện một chiều ổn định, lớp phun có cấu trúc hạt

mịn, năng suất cao Vì vậy hiện nay các nguồn điện một chiều được dùng để phun hồ quang Dây phun có đường kính 0,8 – 3mm

Ưu điểm chính của phương pháp này là năng suất cao, đạt tới 50 kg/h Phương pháp này cũng đảm bảo hiệu suất nhiệt cao Nhờ có nhiệt lượng cao của hạt phun, mà lớp phun đạt chất lượng cao, có độ bám dính lớn (tốt hơn độ bám của lớp phun ngọn lửa khí), độ bền lớp phun cao và độ xốp thấp Khi sử dụng hai dây kim loại khác nhau có thể nhận được lớp phủ hợp kim

Nhược điểm của phương pháp phun hồ quang điện là sự quá nhiệt và oxi hóa vật liệu phun khi tốc độ cấp dây bé Ngoài ra, lượng nhiệt lớn phát ra từ hồ quang làm cháy đáng kể các nguyên tố hợp kim tham gia vào lớp phủ

1.1.2.3 Phương pháp phun plasma

Khi một chất khí với các phần tử tạo bởi nhiều nguyên tử được đốt nóng tới nhiệt độ trên 1000K thì xảy ra quá trình phá hủy các liên kết phân tử và chất khí chuyển sang trạng thái ion Nhiệt độ của quá trình đó – gọi là quá trình phân ly được xác định bởi chất khí và áp suất của nó Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, các điện tử tách khỏi nguyên tử và xảy ra sự ion hóa nguyên tử đó Dưới áp suất khí quyển và nhiệt

độ 10000K, các khí như oxi và nitơ là những khí ion hóa Chất khí mà trong đó phần lớn các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa và nồng độ các điện tử và ion âm bằng nông độ các ion dương gọi là plasma Plasma có độ dẫn điện rất cao

Các dạng phóng điện trong chất khí, trong đó có cả phóng điện hồ quang được ứng dụng rộng rãi để tạo plasma

Phương pháp phun plasma có những đặc điểm dưới đây

- Nhiệt độ cao của tia plasma cho phép phun các vật liệu khó chảy Nhiệt độ tia plasma có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi đường kính miệng phun (đầu bép) và chế độ công tác của súng phun Điều đó cho phép phun các vật liệu khác nhau (kim loại, gốm và vật liệu hữu cơ) Do sử dụng khí trơ làm khí công tác nên lượng oxit tạo thành trong lớp phủ rất nhỏ Khi cần thiết có thể tiến hành sự phun trong buồng chứa khí trơ

- Các lớp phun plasma có độ chặt cao và độ bám tốt với vật liệu nền Tuy nhiên năng suất phun plasma tương đối thấp, khi phun có tiếng ồn và tia cực tím Giá thành

và chi phí vận hành cao là nhược điểm của phương pháp phun plasma

1.2 Thiết bị phun phủ nhiệt khí

1.2.1 Thiết bị phun ngọn lửa khí cháy

Thiết bị đồng bộ để phun ngọn lửa khí bao gồm các bộ phận sau:

- Đầu phun;

- Bình chứa khí oxi và khí cháy;

- Thiết bị điều áp và lưu lượng khí;

- Bình nén không khí và bình lọc khí;

- Đồ gá chi tiết phun hoặc súng phun

Đầu phun được thiết kế tùy thuộc vào vật liệu phun và dạng vật lý của nó (dây, thanh hoặc bột)

➢ Thiết bị phun dây

Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị phun dây bằng ngọn lửa khí 1-Bộ chia khí; 2-Bình chứa khí; 3-Đồng hồ đo áp suất khí;

4-Đầu súng phun; 5-Ống dẫn khí

Sơ đồ bố trí thiết bị phun dây ngọn lửa khí (hình 1.2) gồm hai cơ cấu chủ yếu:

cơ cấu cấp dây và cơ cấu cấp khí với chức năng kiểm tra và trộn các dòng khí đốt, oxi và không khí Nguyên lý hoạt động của tất cả các kiểu đầu phun dây ngọn lửa khí đều giống nhau

+ Cơ cấu cấp dây gồm động cơ và các con lăn Chúng có thể được truyền động bằng không khí (tua bin khí) hoặc bằng động cơ điện Tốc độ cấp dây được kiểm tra bằng cơ, điện cơ, điện tử hoặc bằng khí

+ Thiết bị điều áp và lưu lượng khí (oxi và khí cháy) dùng để kiểm tra tỉ lệ khí

và cường độ của ngọn lửa khí Chúng cho phép tăng tốc độ phun cao hơn so với khí điều chỉnh bằng van khí Do các hạt phun nóng chảy tiếp xúc với oxi nên các màng oxit hình thành trên bề mặt, kể cả sử dụng hỗn hợp khí khử oxi Chiều dày màng oxit không thay đổi lớn khi thay đổi tỉ lệ oxi- khí cháy

+ Không khí nén được dùng để nguyên tử hóa và đẩy vật liệu phun nóng chảy tới vật liệu nền Việc lọc và sấy khô không khí trước khi phun nhằm để nhận được lớp phun chất lượng Dầu và nước trong không khí nén làm thay đổi cường độ ngọn lửa, ảnh hưởng xấu đến quá trình nguyên tử hóa của vật liệu phun, làm giảm độ bám

và các tính chất khác của lớp phun Thiết bị lọc và sấy không khí phải đặt ở giữa nguồn cấp khí và đầu phun Sự điều chỉnh chính xác áp suất khí nén đảm bảo cho quá trình nguyên tử hóa đồng đều của vật liệu phun

➢ Thiết bị phun bột bằng ngọn lửa khí

Thiết bị này tương tự như đối với phun dây nhưng có điểm khác biệt đó là vật liệu phun dạng bột và do đó về nguyên lý và cấu tạo đầu súng phun đặc biệt hơn so với đầu súng phun bằng vật liệu dây Thiết bị được thiết kế nhẹ nhàng để sách tay Trong nhiều trường hợp đặc biệt, thiết bị phun bột có kết cấu giống mỏ hàn oxi – axetylen Bột phun được cấp vào tia khí trước khi rời khỏi đầu bép

Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị phun bột bằng ngọn lửa khí

➢ Thiết bị phun nổ

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị phun nổ

Súng phun nổ có kết cấu khác so với thiết bị phun khí cháy Nó dùng năng lượng nổ của hỗn hợp khí oxi- axetylen để thổi các phần tử bột lên bề mặt chi tiết phun Lớp phủ nhận được rất cứng, chặt và liên kết chắc

Cấu tạo súng phun nổ gồm nòng dài trong đó hỗn hợp khí oxi – axetylen và vật liệu phun bột lơ lửng trong khí nito được đưa vào Hỗn hợp khí oxi – axetylen được kích nổ nhiều lần trong một giây bằng tia lửa điện, tạo nên hàng loạt sóng nổ làm gia tốc và nung nóng các phần tử bột khi chúng chuyển động trong nòng Tốc độ

di chuyển của các hạt đạt tới 760m/s Sau mỗi lần phun, dùng khí nito thổi sạch cơ cấu trước khi nổ tiếp Nhiệt độ súng nổ đạt 3315oC trong đó nhiệt độ vật phun giữ ở mức dưới 150oC nhờ hệ thống làm mát bằng dioxit cacbon

1.2.2 Thiết bị phun điện

Thiết bị phun hồ quang điện đồng bộ bao gồm đầu phun, nguồn điện tạo hồ quang, máy nén khí với bình chứa khí và thiết bị lọc khí

Nguồn điện thường dùng để phun là nguồn một chiều, một dây là catot- dây kia là anot Đầu dây catot bị đốt nóng tới nhiệt độ cao hơn đầu dây anot và nóng chảy với tốc độ nhanh hơn Nguồn điện một chiều với điện thế 18 -40 V cho phép phun nhiều dây kim loại và hợp kim khác nhau Sơ đồ bố trí thiết bị phun hồ quang điện được trình bày trên (hình 1.5)

Hình 1.5 Cấu tạo thiết bị phun hồ quang điện

Khe hở của hồ quang và kích thước hạt tăng khi tăng điện thế Điện áp phun phải được giữ ở mức thấp nhất có thể và đảm bảo tính ổn định của hồ quang để nhận được các lớp phun hạt mịn nhất và có độ chặt tối đa

1.2.3 Thiết bị phun plasma

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống phun plasma

Thiết bị phun plasma đồng bộ (hình 1.6) bao gồm súng phun plasma, nguồn điện, nguồn bột, hệ thống cấp bột, tủ điều khiển, đồ gá và thiết bị di chuyển

1.3 Vật liệu phun phủ

Trong các phương pháp công nghệ phun phủ nhiệt khí, người ta hay dùng vật liệu phun là dạng dây (kim loại hay hợp kim) Dùng dây phun cho phép cấp liệu liên tục và đều đặn vào đầu phun, giúp ổn định quá trình phun và đảm bảo chất lượng lớp phun Chúng ta sẽ lần lượt xem xét một số loại dây phun kim loại và hợp kim

➢ Dây kẽm

Để phun có thể dùng các mác kẽm tiêu chuẩn JIS 2107 khác nhau mà độ sạch trên 99,6% hoặc kẽm điện phân có độ sạch trên 99,97% Độ sạch càng cao thì kích thước hạt phun tạo thành càng nhỏ, mật độ lớp phun càng cao và càng dễ gia công sau phun Dây kẽm thường phun chủ yếu để bảo vệ kim loại đen chống rỉ

➢ Dây nhôm

Thường hay dùng nhôm tiêu chuẩn JIS 2101, loại 1 (độ sạch rtên 99,85%), hay nhôm tinh luyện tiêu chuẩn JIS 2111, loại 3 (độ sạch trên 99,95%) và nhôm loại 4 (độ sạch trên 99,92%) Nếu trong nhôm có lẫn những tạp chất khác như đồng và sắt thì sẽ giảm các tính chất chống rỉ đáng kể Chính vì thế khi phun tạo lớp nhôm chống rỉ thì yêu cầu đặt ra về độ sạch của vật liệu và hàm lượng tạp chất

sắt, đồng, cần được khống chế Sử dụng phun nhôm để chống rỉ, tăng độ chịu nhiệt

và độ dẫn điện

➢ Dây môlipđen

Dây môlipđen dùng để phun có độ sạch trên 99,95% Môlipđen bám dính tốt trên bề mặt các kim loại màu, vì thế thường được dùng làm lớp lót trung gian để tiếp tục phủ những vật liệu khác Các lớp phủ môlipđen có độ chịu mòn cao Môlipđen là vật liệu duy nhất được dùng trong công nghiệp để bảo vệ kết cấu chống tác động của axit nitơric nóng

Bảng 1.2 Thành phần hóa học (%) và cơ tính một số mác đồng thau-nhôm đặc biệt

Bảng 1.3 Thành phần hóa học và cơ tính của đồng phôt-pho (JISH 3751)

Đồng thau có khả năng chống gỉ tương đối cao Trong môi trường nước biển các loại đồng này chỉ bị ăn mòn ở nhiệt độ khá cao

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của đồng thau (JIS4/3203), %

Việc đưa thêm phôt-pho (0,03-0,35%) vào đồng thau có tác dụng khử oxi của

nó Các lớp phủ của loại đồng này có độ chịu mòn cao và thường được phun lên những bạc trượt của tàu thủy Cũng có thể dùng làm vật liệu hàn đắp lên những bộ phận chịu ma sát khác Lớp phủ dùng đồng phôt-pho có màu nâu sáng đẹp và cũng

có thể dùng để trang trí

➢ Dây niken và hợp kim niken

Khi phun dây, người ta hay dùng loại niken dùng trong bóng đèn điện tử JIS4, 4511, VNiW1, VNiW2 Lớp phủ bằng niken dùng để bảo vệ chống ăn mòn điện hóa Ngoài ra, niken còn dùng để tạo lớp phủ có độ cứng cao và độ chống gỉ cao

Một vật liệu rất thông dụng là: NiCr - hợp kim 80% Ni + 20% Cr, hầu như không

bị ôxy hóa ở nhiệt độ cao và chịu axit, kiềm Lớp phủ từ nicrôm là vật liệu chịu nhiệt và chống gỉ điển hình Tuy nhiên, nicrôm lại dễ bị hòa tan trong axit nitơric, sunfuric và nhanh chóng bị phá hủy ở nhiệt độ cao trong môi trường khí quyển có chứa hợp chất sunfua hyđrô, khí lưu huỳnh

Bảng 1.5 Thành phần hóa học (%) của Monel

mônel có tính chất chịu gỉ khá tốt Nhược điểm của hợp kim này là khi tiếp xúc với sắt thì khả năng chống gỉ giảm

0,03 0,03 0,35 0,35 0,15-0,25 0,15-0,25 0,15-0,25 0,15-0,25 0,15-0,25 0,15-0,25 0,15-0,25

0,30-0,55 0,50 0,50 0,50 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,70-0,90

0,045 0,04 0,06 0,06 0,045 0,045 0,045 0,045 0,030 0,030 0,030

0,045 0,040 0,060 0,050 0,045 0,045 0,045 0,045 0,030 0,030 0,045

- 0,30

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ở Việt Nam khoa học công nghệ phun phủ kim loại còn đang trong giai đoạn nghiên cứu ứng dụng các thành quả của thế giới Đã có một số đề tài cấp Bộ, cấp Nhà nước nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ của một số cơ quan, Viện, Trường Đại học…(Đề tài B91-01-04A của Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Đề tài KC -04-02 của Viện Công nghệ - Bộ quốc phòng; Đề tài 987/KT của Bộ Giao thông vận tải )

Cũng có một số cơ sở sản xuất đầu tư thiết bị và ứng dụng một vài phương pháp công nghệ phun phủ: Liên doanh dầu khí Vũng Tàu, Công ty cơ khí MAR 60 – Thủy Lợi, Phòng thí nghiệm TĐ Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu

Cơ khí, Viện năng lượng Mỏ, Viện công nghệ - Bộ Quốc phòng…đã ứng dụng công nghệ phun phủ hồ quang điện thực hiện trên các đầu phun EM6, EM9, EM13… để

thuật Giao thông, Cơ khí Quang Trung, Nhà máy cơ khí Đạm Hà Bắc… đã phun tạo lớp chống mài mòn từ các dây thép các bon, dây thép Mangan, thép Cr –Ni… được phun trên các súng phun EM9, EMP-2-57…

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo đầu phun nhiệt khí ôxy – khí cháy

thực hiện cấp dây phun bằng tuốc bin khí

Năm 2002 Phòng Thí Nghiệm trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên Cứu Cơ khí là đơn vị đã được nhà nước đầu tư những thiết bị phun phủ hiện đại phục vụ trong quá trình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ mới trong lĩnh vực

xử lý bề mặt như: thiết bị phun hồ quang, thiết bị phun nhiệt khí ôxy – khí cháy, thiết

bị phun HVOF, thiết bị phun phủ Plasma Đã có những công trình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt áp dụng vào sản suất như:

+ Đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt nâng cao chất lượng chi tiết cơ khí bằng phương pháp phun phủ Plasma” – ThS Lục Vân Thương – Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí;

+ Đề tài “Nghiên cứu triển khai công nghệ phun phủ đồng và hợp kim đồng bảo vệ chống ăn mòn và tạo lớp phủ trang trí cho các sản phẩm mỹ thuật: phù điêu, tượng đài bằng thạch cao hoặc bê tông,- Ngô Văn Dũng - Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí;

+ Đề tài KHCN cấp Nhà nước mã số KC05.10: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt – Uông Sỹ Áp, Viện nghiên cứu Cơ khí”;

+ Đề tài luận án tiến sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ

để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy” – Trần Văn Dũng, Viện Nghiên cứu Cơ khí;

Đặc biệt gần đây nhất, năm 2014 Đề tài KHCN cấp Bộ 2014" Nghiên cứu thiết

kế, chế tạo thiết bị phun nhiệt khí cầm tay sử dụng động cơ điện thay thế tuốc bin khí ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy" của kỹ sư Ngô Văn Dũng và

nhóm tác giả thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí Nhóm tác giả đã tiến hành thiết kế chế tạo thiết bị phun sử dụng động cơ điện để cấp dây phun thay thế bằng việc cấp dây bằng tuốc bin khí truyền thống Với những ưu điểm vượt trội đó là tốc độ cấp dây ổn định trong suốt quá trình phun và việc điều chỉnh tốc độ cấp dây một cách chính xác được thực hiện thông qua bộ điều khiển vô cấp động cơ đưa dây, các thao tác vận hành và kết cấu đơn giản

Trong hệ thống thiết bị phun nhiệt khí dây ôxy khí cháy đầu phun là bộ phận quan trọng và có cấu tạo phức tạp hơn cả Nhiệm vụ chính của đầu phun nhiệt khí ôxy – khí cháy là tạo ra nguồn nhiệt ( ngọn lửa khí) tập trung cường độ cao bằng phản ứng của hỗn hợp ôxy – khí cháy và cấp dây trong suốt quá trình phun Kế tiếp từ thành công của đề tài việc chú trọng thiết kế tối ưu đầu phun phủ nhiệt khí dây – ôxy khí cháy với việc cấp dây tự động, đồng thời đánh giá thử nghiệm thiết bị trên một số mẫu vật liệu khác nhau là cần thiết Ngoài ra trong quá trình sử dụng thiết bị các đầu bép phun thường xuyên bị hỏng do phải chịu nhiệt độ cao và ma sát lớn, nhu cầu thay

thế các linh kiện đầu bép phun là rất cấp thiết Đề tài “Thiết kế tối ưu hệ thống đầu

phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy” sẽ đóng góp phần giúp các nhà khoa học, các nhà sản xuất thiết bị trong nước

tiếp cận và có những bước tiến trong công nghệ chế tạo loại thiết bị này

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Phun phủ kim loại cũng là một lĩnh vực khoa học công nghệ tuy rất trẻ so với các phương pháp công nghệ khác Năm 1910 ý tưởng phun phủ kim loại mới được một kỹ sư người Thụy Điển Schoop thực hiện và sau đó đã được ứng dụng ngay vào mục đích trang trí Đến chiến tranh thế giới thứ 2, phun phủ kim loại đã được ứng dụng trong một quy mô rộng ở hầu hết các nước Châu âu Phương pháp này đã trở thành một phương pháp công nghệ rất vạn năng, có nhiều tính ưu việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí và tiết kiệm kim loại quý…

Đến những năm 70, 80 phun phủ kim loại đã trở thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng được biểu hiện giống như một khoa học công nghệ xử lý bề mặt, mặt khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất Những năm 90, khoa học công nghệ phun phủ cũng đạt tới đỉnh cao của khoa học ứng dụng

Có thể nói, với sự phát triển của công nghệ phun phủ nhiệt, các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo và đưa vào sử dụng nhiều loại đầu phun khác nhau: đầu phun dùng ôxy- khí cháy (dây, bột), đầu phun hồ quang điện, đầu phun plasma, đầu phun tốc độ cao (HVOF), đầu phun nổ.v.v Đặc biệt đã có những cải tiến đáng kể trong năng suất phun như phát triển các thiết bị và dây chuyền phun tự động với độ ổn định

và chất lượng ngày càng cao Sự phát triển của phun phủ lên bề mặt 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…

Hiện nay trên thế giới, nhiều nước tiên tiến, các nước có truyền thống về công nghệ phun phủ kim loại (Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy Sỹ) đều có các hãng nghiên cứu thiết kế sản xuất và ứng dụng các thiết bị phun phủ: Hãng plasma Technique, Castolin (Thụy Sỹ), Mêtco Plasmaday, Dressez, Avko (Mỹ), Nobel – Brocl (Pháp), Ecia (Nhật), Arcosse (Bỉ), Flame Spray Technology (Đức), Metallisation (Anh)… cung cấp và đáp ứng nhu cầu rất lớn phục vụ cho các ngành công nghiệp trên khắp thế giới

Thiết bị phun phủ nhiệt ôxy – khí cháy ra đời vào những năm 1900 cũng do

MU Schoop cùng với các nhà nghiên cứu người Thụy Sỹ Đây là loại thiết bị đầu tiên được nghiên cứu, chế tạo nhằm phục vụ cho việc phun phủ các kim loại dạng dây Phun phủ bằng nhiệt khí có nguồn nhiệt là ngọn lửa khí cháy là phương pháp rất phổ biến do khả năng ứng dụng rộng rãi, vận hành đơn giản, vốn đầu tư thấp Một trong những thiết bị đó là thiết bị phun bằng khí cháy ôxy – axetylen dùng vật liệu dây

Hình 1.4 Đầu phun khí cháy của M U Schoop

Với tính năng cơ động của loại thiết bị phun nhiệt khí ôxy - khí cháy dùng vật liệu dây được ứng dụng rất nhiều trong việc xử lý bề mặt chi tiết máy Việc cấp dây phun được thực hiện bao gồm 2 phương pháp chính là: Sử dụng động cơ tua bin khí

và cấp dây trực tiếp thông qua động cơ điện Ưu điểm nổi bật của việc cấp dây phun bằng tua bin khí là có kết cấu nhỏ gọn và vận hành tương đối đơn giản thông qua việc điều chỉnh lưu lượng và áp lực khí Tuy nhiên, trong quá trình phun yêu cầu lượng cấp dây, tốc độ cấp cần phải được thực hiện một cách ổn định và điều chỉnh tốc độ phù hợp với từng loại vật liệu cụ thể Để khắc phục những nhược điểm trên, các nhà khoa học tại nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất nhiều phương

án công nghệ trong kết cấu thiết bị phun

Một trong các phát minh sáng chế đó chính là việc thay thế bộ cấp dây nhờ bộ phận tuốc bin khí bằng cơ cấu cấp dây sử dụng động cơ điện điều chỉnh vô cấp Trên đây là một số thiết bị phun sử dụng động cơ cấp dây của một số nhà sản xuất thiết bị

trên thế giới (hình 1.5 -hình 1.7)

Hình 1.5 Súng phun Wire Flame Jet 5KM

Hình 1.6 Thiết bị phun nhiệt khí (Castolin)

1.5 Kết luận chương 1

Qua phân tích tổng quan công nghệ phun phủ nhiệt từ đó tác giả có một cơ sở

lý thuyết để nghiên cứu tính toán, hiểu rõ bản chất từ đó làm bản lề, kim chỉ nam cho quá trình thiết kế ở các phần sau

Về tình hình nghiên cứu công nghệ, sản xuất chế tạo thiết bị phun phủ nhiệt ở trong nước và trên thế giới đi đến kết luận:

- Công nghệ và thiết bị phun phủ nhiệt đã được các nhà khoa học ở nhiều nước trên thế giới nghiên cứu đã và đang phát triển mạnh Dưa vào các công trình khoa học

đã công bố có thể thấy đây là một hướng đi đúng đắn trong việc nắm bắt, vận đụng những công nghệ tiên tiến để nâng cao tính năng hoạt động của thiết bị phun đã được đưa ra và vận dụng rất thành công trong sản xuất

- Riêng về tình hình nghiên cứu và sản xuất thiết bị phun ở trong nước vẫn còn rất hạn chế, vấn đề chế tạo sửa chữa thiết bị vẫn còn để ngỏ, chưa được quan tâm, định hướng của đề tài nhằm mục đích chế tạo các phụ kiện của thiết bị, tiến tới chế tạo hoàn chỉnh thiết bị

Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phun nhiệt khí oxy - khí cháy sử dụng động cơ điện thay thế tuốc bin khí trong viêc cấp dây phun mà Đề tài tiến hành triển khai không những cải thiện và nâng cao tính năng sử dụng, tối ưu hóa thiết bị mà còn góp phần nội địa hóa thiết bị, có ý nghĩa thực tiễn cao

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ CỦA THIẾT BỊ

PHUN NHIỆT KHÍ DÂY OXY - KHÍ CHÁY

2.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy

2.1.1 Đặc điểm công nghệ phun dây ngọn lửa khí

2.1.1.1 Nguyên lý phương pháp phun dây ngọn lửa khí

Khi phun bằng ngọn lửa khí, nguồn năng lượng nhiệt được tạo ra bởi sự đốt cháy hỗn hợp khí cháy với ôxy Nguyên lý phương pháp phun dây bằng ngọn lửa khí được trình bày trên hình 2.1 Dây phun được cấp qua lỗ tâm của đầu phun và nóng chảy dưới tác dụng của ngọn lửa phản ứng từ hỗn hợp khí cháy – ôxy tại đầu mỏ đốt Đồng thời không khí nén đi qua đầu phun làm phân tán vật liệu phun nóng chảy thành các hạt nhỏ bay tới bề mặt vật phun với tốc độ rất nhanh (khoảng 100-200 m/s) tạo thành lớp phủ

Hình 2.1 Nguyên lý phương pháp phun dây ngọn lửa khí

Dây được cấp với tốc độ không đổi nhờ cơ cấu con lăn dẫn động bằng tua bin khí nén hoặc động cơ điện Khi sử dụng tua bin khí, việc điều hỉnh tốc độ cấp dây sẽ khó khăn Dây phun thường có đường kính khoảng từ 1,2 ÷ 3mm Các ống dẫn khí ôxy, khí cháy và không khí nén có áp suất khoảng 5 ÷ 6 atm Phản ứng hỗn hợp ôxy

và khí cháy cho ta ngọn lửa khí làm nóng chảy vật liệu phun

2.1.1.2 Đặc điểm công nghệ phun dây ngọn lửa khí

✓ Ngọn lửa khí như là nguồn nhiệt và sự phun vật liệu

Ngọn lửa khí được tạo ra bằng cách đốt cháy những khí cháy trong ôxy hoặc không khí Hỗn hợp cháy được đưa vào vùng ngoại vi của bép phun trong những đầu phun chuyên dụng Khu vực trung tâm dùng để tải vật liệu phun vào luồng khí cháy tại mặt cắt của bép phun, thì ngọn lửa khí có hình nón với mặt cắt vành khăn Xa dần khỏi mặt cắt đó thì ngọn lửa tạo thành 1 dòng khí nhiệt độ cao và dầy dặc Người ta phân biệt 2 loại dòng khí: Dòng phân tầng và dòng rối Chuyển chế độ cháy và thoát dòng khí từ dòng phân tầng sang dòng rối phụ thuộc vào loại khí cháy

Luồng khí cháy là một nguồn nhiệt để đốt nóng, phun và tăng tốc khi phun phủ Những hạt phun tương tác với pha khí có thành phần phức tạp, bao gồm những khí cháy, sản phẩm cháy của chúng, sản phẩm phân tách, ôxy, nitơ Mức độ ôxy hóa khử trên đoạn đầu của luồng khí có thể điều chỉnh dễ dàng khi thay đổi tỷ lệ giữa khí cháy và ôxy Người ta quy ước chia thành 3 chế độ tạo ngọn lửa: trung tính, ôxy hóa, khử Khi phun để tăng tốc các hạt phun thường cấp nguồn khí nén vào ngọn lửa Vì vậy, thành phần khí trong ngọn lửa ở những vùng khác nhau sẽ thay đổi

Những khí được dùng làm khí cháy, là axêtylen (C2H3), mêtan (CH4), prôpan (C3H8), butan (C4H10), hyđrô (H2) Đôi khi có thể dùng hỗn hợp, chẳng hạn prôpan - butan

Bảng 2.1 Tính chất hóa lý của các loại khí cháy

Tỷ trọng tương đối so với không khí 0,91 0,56 1,57 2,10 0,07 Khả năng tạo nhiệt ở 250C và

Phun khí cháy được tiến hành trong môi trường hở Không khí lẫn vào luồng lửa vì thế lượng ôxy sẽ lớn hơn mức cần thiết để ôxy hóa hoàn toàn các thành phần khí cháy theo các phản ứng trên Để cân bằng các thành phần, người ta giảm lượng ôxy trong hỗn hợp khí cháy - ôxy

✓ Sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa khí

Khi phun vật liệu được đốt nóng và di chuyển tới mặt vật phun dưới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy Mức độ nóng chảy và cường độ tương tác của vật liệu phun với môi trường bao bọc nói chung phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt trong luồng khí thoát ra từ miệng súng phun

Khi phun ngọn lửa khí thông thường sử dụng ngọn lửa oxy – axetylen hoặc oxy – propan làm nguồn nhiệt Nhiệt độ lớn nhất có thể nhận được trong trường hợp

đó bằng nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp khí Trong bảng 2.2 trình bày nhiệt độ nóng chảy của các loại hỗn hợp khí cháy:

Bảng 2.2 Nhiệt độ nóng chảy của các hỗn hợp khí khí nhau

Sự phân bố nhiệt độ dọc theo trục tâm của ngọn lửa phụ thuộc vào khoảng cách phun và cấu tạo của từng loại đầu phun khác nhau

✓ Sự phân bố tốc độ trong ngọn lửa khí:

Tính chất phân bố tốc độ trong ngọn lửa khí có ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động của các phần tử phun Sự phân bố tốc độ trong ngọn lửa khí được xác định tại vùng tâm của chúng Trong hình 2.2 trình bày sự thay đổi tốc độ ngọn lửa khí theo khoảng cách phun [1]:

Hình 2.2 Sự thay đổi tốc độ ngọn lửa khí theo chiều dài khoảng cách phun

Áp suất không khí nén 3,5 kg /cm2 Lượng khí công tác tiêu thụ, l/ph [2-tr107]:

Khi phun bột 1) 16,5 O2 và 10,0 C2H2

2)12,5 O2 và 12,5 C2H2

Khi phun dây 3) 25,0 O2 và 12,0 C2H24) 18,5 O2 và 18,5 C2H2Trên hình 2.2 giới thiệu sự thay đổi tốc độ khí theo chiều dài của ngọn lửa phụ thuộc khoảng cách tính từ miệng bép khi phun bột và phun dây:

+ Khi phun bột, ở khoảng cách 50, 100, 150mm, tốc độ khí tương ứng là 80,

50 và 30 m/s Để phun bột dùng đầu phun kiểu P- Mettco

+ Khi phun dây, cũng ở khoảng cách tốc độ đó, tốc độ dòng khí tương ứng là

370, 160 và 95 m/s Để phun dây dùng đầu phun kiểu K- Mettco

2.1.2 Các thông số công nghệ phun và ảnh hưởng của chúng tới chất lượng lớp phủ

2.1.2.1 Áp suất khí cháy, áp suất khí ôxy và tỉ lệ hỗn hợp khí

Những thông số đáng kể nhất là loại khí cháy, áp suất của nó tại đầu vào súng phun và lưu lượng; áp suất khí ôxy hóa và lưu lượng của nó; tỷ lệ giữa khí ôxy hóa

Quá trình đạt hiệu suất cao nhất, khi sử dụng axêtylen hay hỗn hợp prôpan - butan làm khí cháy

+ Áp suất khí cháy xác định lưu lượng của nó và độ ổn định cấp khí Thông thường nên chọn trong khoảng 0,03 ÷ 0,05 MPa Với áp suất này thì lưu lượng khí cháy trong khoảng 1 - 2 m3/h

+ Để phun lửa khí, người ta sử dụng ôxy với áp suất 0,35 ÷ 0,45MPa Lưu lượng từ 1 m3/h trở lên Muốn nén ngọn lửa thì tăng áp suất khí lên 0,3 ÷ 0,4 MPa và lưu lượng 30 ÷ 40 m3/h

+ Tỷ lệ lưu lượng khí ôxy với khí cháy cũng có vai trò lớn Trên thực tế tỷ lệ này trong khoảng 1,1÷4,0 Giới hạn dưới cho axêtylen; giới hạn trên cho hỗn hợp prôpan-butan Trị số  xác định các tính chất hóa lý của ngọn lửa Nếu tăng lưu lượng khí cháy và ấn định hệ số  thì sẽ tăng công suất nhiệt của ngọn lửa khí, tốc độ của

nó và chiều dài phần nhiệt độ cao của luồng khí cháy Và như vậy, tốc độ cấp liệu sẽ tăng, dẫn đến tăng năng suất

+ Áp lực không khí nén cần thiết đủ để thổi các giọt kim loại lỏng thành chùm hạt nhỏ, duy trì sự ổn định của hồ quang và làm bay các hạt kim loại đến bề mặt chi tiết Hơn thế nữa, áp lực này còn cung cấp cho các hạt kim loại năng lượng cần thiết

để biến dạng mạnh khi va đập trên bề mặt chi tiết để bám dính tại đó

Áp lực không khí nén còn ảnh hưởng tới độ chịu mài mòn của lớp phủ, tới mất mát kim loại phun Khi phun bằng đầu phun hồ quang điện, áp suất tốt nhất của không khí nén để phun là 0,6 Mpa và lượng giao động của nó không được phép lớn hơn 0,1 Mpa Vì nếu lớn quá sẽ ảnh hưởng đến quá trình phun, độ bám, khi giảm áp lực của khí nén dưới 0,45 MPa thì thường gây giá đoạn công việc phun và không bảo đảm đạt được lớp phủ có độ hạt nhỏ mịn

2.1.2.2 Các thông số vật liệu phun và cấp liệu vào ngọn lửa khí

Vật liệu phun đưa vào ngọn lửa khí ở dạng dây có đường kính từ 1,6 ÷ 3,2mm Tiêu hao vào khoảng 0,5 ÷ 3,0 kg/h Dây có đường kính lớn thì năng suất phun cao Đường kính nhỏ gây cản trở quá trình, sẽ đòi hỏi phải tăng tốc độ cấp dây Như vậy, năng suất phun đạt tới tối đa khi công suất ngọn lửa khí cao và đường kính dây

lớn.Với vật liệu phun dây đồng và hợp kim đồng thì đường kính dây phun tối ưu đối với phương pháp phun ngọn lửa khí là 3mm

Trong trường hợp dây được đưa vào nhờ bộ cấp dây hoạt động bằng tua bin khí nén Dùng các loại khí trơ sẽ giảm được mức độ ôxy hóa của ngọn lửa Áp suất khí tải lựa chọn trong khoảng 0,1÷ 0,2 MPa, còn lưu lượng 0,3 ÷ 0,6 m3/h Với từng chế độ phun đã lựa chọn, người ta chọn tốc độ cấp dây tối đa Tốc độ cấp dây phụ thuộc vào đường kính dây phun và cơ tính của vật liệu Tốc độ cấp dây ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại nóng chảy trong quá trình phun Tốc độ cấp dây nằm trong giới hạn 3 ÷ 8 m/ph

2.1.2.3 Các thông số của luồng phun và dòng hạt phun

Những thông số này được xác định bằng chế độ phun Tại vùng gần mặt ống phun nhiệt độ tối đa của ngọn lửa đạt khoảng 2000 - 3100oC và chủ yếu phụ thuộc vào loại khí cháy, và trị số β Tốc độ của luồng lửa khí là 150-200 m/s và được xác định bởi tiêu hao khí cháy β, cũng như hình dáng kết cấu của ống phun Thành phần ngọn lửa khí trên đoạn đầu của luồng khí, được quyết định chủ yếu bởi trị số β

Chiều dài phần luồng khí có nhiệt độ cao phụ thuộc vào loại khí cháy, tiêu hao của nó và β Đối với axêtylen và hỗn hợp prôpan-butan thì chiều dài quy ước vào khoảng 150-250 mm Giới hạn trên ứng với tiêu hao khí cháy lớn và trị số β tối ưu Các biên nhiệt và biên tốc độ của luồng khí là giống nhau và vào khoảng 17-25 0C

Nhiệt độ các hạt phun trong những phương pháp phun bột, không vượt quá

2000oC khi phun dây thì có thể đạt tới 3.000 oC Tốc độ hạt tại vùng gần bề mặt phun vào khoảng 15-50 m/s Mật độ dòng phun trong khoảng 103÷105 hạt / (cm2.s)

2.1.2.4 Các thông số phun đặc trưng trong quá trình phun

➢ Khoảng cách phun:

Khoảng cách từ súng phun tới bề mặt chi tiết có ảnh hưởng lớn tới việc truyền năng lượng cho các hạt phun trong quá trình bay tới bề mặt chi tiết Do đó độ cứng của lớp phun và độ bám của nó phụ thuộc vào khoảng cách phun