Tài liệu Chương 12: VẬT LIỆU BỘT docx

Chương 12 VẬT LIỆU BỘT12.1 Khái quát về vật liệu bột Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đòi hỏi chế tạo các chi tiết ngày càng chính xác, tinh xảo và có nhiều tính năng mà các phương ph

Chương 12 VẬT LIỆU BỘT

12.1 Khái quát về vật liệu bột

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đòi hỏi chế tạo các chi tiết ngày càng chính xác, tinh xảo và có nhiều tính năng mà các phương pháp chế tạo vật liệu truyền thống không đáp ứng được hoặc là gặp rất nhiều khó khăn để chế tạo Sự phát triển công nghệ vật liệu bột là một trong những công nghệ mới góp phần đáp ứng được các yêu cầu đặt ra

Vật liệu bột trên cơ sở các chất vô cơ đã có từ lâu và là cơ sở để sản xuất các loại vật liệu

vô cơ trong công nghiệp Loại vật liệu bột vô cơ đã được trình bày trong chương vật liệu vô cơ.

Trong chương này chúng ta chỉ xét về vật liệu kim loại và hợp kim bột

Khác với các vật liệu kim loại và hợp kim được chế tạo theo phương pháp truyền thống là nấu chảy và đúc khuôn, vật liệu kim loại bột được chế tạo trên cơ sở các bột kim loại theo quy

trình như trình bày trong hình 12.1.

Hình 12.1 Quy trình chế tạo vật liệu bột.

Phương pháp này còn được gọi là phương pháp luyện kim bột Điểm khác biệt của phương pháp luyện kim bột so với phương pháp nấu đúc truyền thống là không có quá trình nấu chảy kim loại hoặc hợp kim Các loại kim loại và hợp kim dạng bột sau khi được chế tạo xong được đem phối hợp với tỉ lệ thích hợp và trộn đều Hỗn hợp sau đó được đem tạo hình thành các chi tiết có hình dạng, kích thước và khối lượng nhất định (thường là các hình dạng đơn

trình nung này được gọi là sự thiêu kết Sau quá trình thiêu kết, các chi tiết được đem đi gia công cơ khí hoặc các phương pháp gia công khác để tạo ra hình dạng và kích thước mong muốn

Công nghệ vật liệu kim loại bột có một số ưu điểm sau:

- Ít hao phí vật liệu do không mất một lượng kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi…như trong phương pháp nấu đúc truyền thống

- Có khả năng tạo ra những loại vật liệu có tính năng khác hẳn vật liệu cùng loại bằng phương pháp đúc Điều khác biệt này là do đặc điểm cấu trúc của vật liệu bột

- Có khả năng tạo ra các vật liệu mà các phương pháp nấu đúc truyền thống không thể tạo

ra được Ví dụ như các hợp kim đồng – graphit, đồng – graphit – teflon, hợp kim cứng …

- Có thể điều chỉnh thành phần bột theo ý muốn với độ đồng đều rất cao

Tuy nhiên, công nghệ vật liệu bột cũng có một số nhược điểm sau:

- Khả năng sản xuất hàng khối, loạt lớn không bằng phương pháp nấu đúc truyền thống, chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ và vừa

- Công nghệ vật liệu bột chỉ có ưu thế khi chế tạo vật liệu chứa lỗ xốp và vật liệu kết hợp

- Vật liệu kim loại bột có độ bền thấp hơn vật liệu truyền thống do trong tổ chức có nhiều

lỗ xốp và màng ôxýt trên biên giới hạt Độ xốp và màng ôxýt trên biên giới hạt là nguyên nhân làm cho vật liệu bột có độ bền thấp hơn và tính dòn cao hơn so với vật liệu cùng loại chế tạo bằng phương pháp nấu đúc

Một đặc điểm của vật liệu bột cần lưu ý là trong chúng lúc nào cũng có lỗ xốp Lỗ xốp có thể ảnh hưởng có lợi hay có hại tuỳ theo ứng dụng của chi tiết

12.2 Quá trình sản xuất vật liệu bột

12.2.1 Các phương pháp sản xuất bột kim lọai

12.2.1.1 Phương pháp cơ học

1 Phương pháp tạo bột bằng nghiền cơ học

Các vật liệu dòn như crôm, mangan … và các hợp chất cácbit, ôxyt, sulfit, nitrit…Có thể

được tạo bột bằng phương pháp nghiền bi hoặc nghiền búa

Kích thước hạt bột phụ thuộc vào thời gian nghiền, phương pháp nghiền và kích thước bi

nghiền Tuy nhiên không phải ta có thể tạo ra hạt bột có kích thước nhỏ tuỳ ý vì trong một số

vật liệu có quá trình tự kết hợp lại (kết tinh lại) ở nhiệt độ thường làm cho hạt phát triển về kích

thước

Sau khi nghiền, người ta phân loại các hạt bột theo kích thước bằng rây hoặc các phương

pháp khác Phương pháp nghiền cơ học tạo ra bột có độ sạch không cao do nhiễm bẩn từ bi

nghiền, búa nghiền… và không thể nghiền được các kim loại, hợp kim có độ dẻo cao

Hình 12.2 trình bày sơ đồ phương pháp nghiền bi

Hình 12.2 Sơ đồ phương pháp nghiền bi.

2 Phương pháp tạo bột bằng hoá bột từ lỏng

Các kim loại có nhiệt độ chảy thấp như Cu, Al, Zn, Sn dễ dàng tạo bột bằng cách phun từ

thể lỏng Dòng kim loại lỏng chảy từ trên xuống bị dòng khí hoặc nước, dưới áp suất cao phân

tán tạo thành bột

Dòng khí có thể là không khí nén hoặc khí trơ Ar và hạt bột thu được có dạng hình cầu

Nếu dùng nước để phun thì hạt bột có dạng bị kéo dài Kích thước hạt bột khá nhỏ từ

10÷20µm, nếu muốn nhỏ hơn thì phải nghiền thêm

Ngoài ra có thể tạo bột từ kim loại và hợp kim lỏng bằng các cách khác như rót kim loại

lỏng vào đĩa quay, phương pháp tạo bột từ kim loại lỏng trong chân không, phương pháp quay

điện cực (kim loại cần tạo bột) với vận tốc cao…

3 Phương pháp hoá hơi ngưng tụ.

Phương pháp này thực hiện bằng cách cho kim loại hoặc hợp kim hoá hơi bằng dòng điện

cảm ứng hoặc bằng chùm tia điện tử trong khí bảo vệ hoặc chân không rồi cho ngưng tụ trên

đĩa quay có tẩm dầu silicôn Bột kim loại chứa trong thùng chứa được sấy khô rồi đem sử dụng

12.2.1.2 Phương pháp hoá lý

1 Phương pháp hoàn nguyên.

Phương pháp hoàn nguyên có thể là hoàn nguyên kim loại từ ôxýt, hoàn nguyên từ các

hợp chất thể khí và hoàn nguyên bằng kim loại

Trong phương pháp hoàn nguyên từ ôxýt, các ôxýt kim loại sau khi nghiền nhỏ được hoàn

nguyên bằng bột than, H2, NH3, nhiệt phân, hyđrôcácbon, CO…Độ mịn của bột phụ thuộc vào

nhiệt độ hoàn nguyên Nhiệt độ hoàn nguyên càng thấp thì độ mịn càng cao Phương pháp này

dùng để chế tạo các bột Fe từ quặng ôxýt sắt và các loại cácbit, nitrit, borit, các kim loại khó

chảy từ ôxýt của chúng

Ví dụ

Fe3O4 + CO → Fe + CO2↑ ; MoO3 + H2 → Mo + H2O↑

WO3 + H2 → W + H2O↑; 2B2O3 + 7C→ B4C + 2CO↑

SiO2 + 3C → SiC + 2CO↑

Trong phương pháp hoàn nguyên từ các hợp chất thể khí, người ta dùng hyđrô hoàn

nguyên các muối clorua hoặc florua kim loại ở nhiệt độ cao tại 800 ÷1200OC trong buồng lò:

WCl6 + H2 → W + HCl↑

MoCl6 + H2 → Mo + HCl↑

Các kim loại có thể tạo bột từ các muối clorua hoặc ôxýt của nó bằng cách dùng các kim

loại có ái lực hoá học mạnh hơn để đẩy nó ra khỏi hợp chất theo kiểu phản ứng nhiệt nhôm Ví

dụ, để chế tạo bột titan hoặc ziếccôn có thể dùng manhê hoàn nguyên TiCl4 hoặc ZrCl4 (hoặc

ZrO2)

TiCl4 + Mg → Ti + MgCl2

ZrO2 + 2Ca 700O C

→ Zr + 2CaO

ZrCl4 + Mg → Zr + MgCl2

2 Phương pháp điện phân.

Phương pháp điện phân có thể điện phân được nhiều kim loại như Fe, Cr, Mn, Cu, Sn,

Ti, Zr…, nhưng hiện nay phương pháp này chủ yếu vẫn dùng để điện phân lấy bột đồng (Cu)

Chọn chế độ điện phân thích hợp sẽ cho ta các loại bột có kích thước nhỏ mịn và độ xốp cao

3 Phương pháp nhiệt phân.

Nhiệt phân các cácbônyl kim loại nhóm chuyển tiếp (Fe, Ni, Co, W…) cho phép nhận

được bột các kim loại có độ sạch rất cao Các cacbonyl có nhiệt độ nóng chảy thấp, 43OC với

Ni (CO)4 và 107OC đối với Fe(CO)5 được tạo thành bằng cách phun khí CO dưới áp suất cao

(200 bar) vào phoi hoặc dây kim loại ở nhiệt độ 150÷250OC Sau đó các cacbonyl được nhiệt phân dưới áp suất khí quyển trong khoảng nhiệt độ 200÷300OC sẽ nhận được bột kim loại có kích thước từ 1÷50µm Bột sắt cacbonyl có dạng cầu và được sử dụng chế tạo các hợp kim từ Fe-Ni hoặc hợp kim hàn gắn thuỷ tinh Fe-Ni-Co Bột niken có dạng không đều và sản xuất khá

dễ dàng, rất phổ biến trên thị trường và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm thiêu kết

chứa niken

12.2.2 Các phương pháp tạo hình

Bột kim loại và hợp kim sau khi phối trộn được đem đi tạo hình trước khi thiêu kết Có thể tạo hình bằng các phương pháp nén hoặc các phương pháp không cần nén

12.2.2.1 Các phương pháp nén

1 Phương pháp ép bột

Trong phương pháp này, bột kim loại được ép trong một hệ thống bao gồm các chày ép

và khuôn ép Hình 12.3 trình bày một ví dụ về phương pháp ép bột – đó là phương pháp ép một chiều

Trong ép một chiều, lực ép tác dụng vào chày trên và thực hiện công tác nén bột trong lòng khuôn ép, trong khi chày dưới được giữ cố định trong quá trình ép Sau khi ép xong mới tác dụng lực đẩy chày dưới lên để tháo sản phẩm ép ra khỏi khuôn

Phương pháp ép thường áp dụng cho các chi tiết đơn giản, các loại ống như bạc trượt, hợp kim cứng…

Để tăng mật độ của sản phẩm ép hoặc giảm lực ép người ta có thể kết hợp ép với rung Dưới tác dụng của sự rung động, mật độ của phôi ép tăng lên hoặc mật độ không tăng nhưng lực

ép cần tạo ra nhỏ hơn khi không tác dụng rung

Người ta có thể kết hợp ép bột với nung nóng chi tiết cùng lúc gọi là quá trình ép nóng Đây là dạng kết hợp của quá trình tạo hình và quá trình thiêu kết Sản phẩm ép nóng có độ sít chặt rất cao, có thế đạt được chi tiết có độ sít chặt gần bằng 100%

Hình 12.3 Sơ đồ ép một chiều.

a) Cho bột vào khuôn; b) Ép; c) Lấy phôi.

2 Các phương pháp ép nén khác

Phương pháp ép đẳng tĩnh ở nhiệt độ thường: Bột chứa trong khuôn dạng vỏ mỏng bằng

cao su hoặc chất dẻo dưới một áp suất thuỷ tĩnh trong không gian kín chứa nước hoặc khí Tác

dụng vào chất lỏng hoặc khí một áp suất cao 200÷500MPa để nén hỗn hợp bột chứa trong khuôn Phương pháp này có thể chế tạo được các chi tiết lớn đến 1000kg với mật độ rất đồng

đều hoặc chi tiết có thành mỏng

Phương pháp cán bột: Phương pháp này dùng để chế tạo các băng, dải có kích thước lớn,

chiều dày mỏng từ 2÷6 mm bằng các bột kim loại có độ dẻo cao như đồng, latông, brông, niken…Các băng sau khi cán nguội được thiêu kết ngay và cuộn lại trong một dây chuyền liên

tục Sau đó băng vật liệu thiêu kết có thể được cán lại và ủ tiếp theo Sản phẩm tạo ra không có

lỗ và cơ tính còn cao hơn cả kim loại và hợp kim đúc

Phương pháp ép chảy ở nhiệt độ thường (ép đùn): Phương pháp này dùng để chế tạo các

ống, thanh có chiều dài lớn từ các bột kim loại có độ dẻo cao hoặc được hoá dẻo bằng chất hữu

cơ như polyme, paraphin…Hỗn hợp bột được ép chảy qua lỗ côn dẫn hướng tạo thành vật liệu

ép như hình 12.4

Hình 12.4 Phương pháp ép đùn.

Ngoài ra, còn có nhiều phương pháp ép nén khác như rèn với tốc độ lớn, ép nổ, ép bằng

xung điện…

12.2.2.1 Các phương pháp không cần nén

Trong một số các chi tiết dạng thành mỏng được chế tạo từ bột kim loại như các bình

chứa, cốc nung, nồi nấu, lớp phủ kim loại… thì phương pháp nén, ép là không thích hợp Trong

trường hợp này có thể sử dụng các phương pháp không cần nén, ép sau đây:

Phương pháp lắng đọng: Bột kim loại và hợp kim có độ mịn cao được trộn cùng với chất

phụ gia trong nước tạo nên thể huyền phù Sau đó đổ dung dịch vào khuôn thạch cao, thạch cao

sẽ hút nước làm khô hỗn hợp Tháo khuôn và sấy khô rồi lấy chi tiết ra đem thiêu kết Phương

pháp này sử dụng để chế tạo các chi tiết có thành mỏng và các loại hợp kim cứng trên cơ sở

cácbit, nitrit, borit…(Hình 12.5)

Hình 12.5 Chế tạo chi tiết bằng phương pháp lắng đọng

Phương pháp phun phủ: để tạo một lớp vật liệu thiêu kết mỏng trên nền một vật liệu thích

hợp có thể sử dụng một số phương pháp phun phủ sau:

- Bột kim loại được trộn với một dung dịch keo thích hợp và dùng pistole phun lên trên

vật liệu nền thích hợp Sau khi sấy có thể tháo lõi bằng cơ học và sau đó đem thiêu kết

- Bột kim loại và hợp kim được phun phủ trên lõi hoặc vật liệu nền thích hợp bằng

ngọn lửa ôxy-axêtylen hoặc trong plasma Ar-H2 theo sơ đồ hình 12.6

Hình 12.6 Phương pháp phun phủ bằng plasma

Sau khi phun phủ hình thành lớp phủ kim loại bột gồm vật liệu nền, lớp khuếch tán trung

gian và lớp vật liệu phủ Tuỳ theo công nghệ, lớp vật liệu phủ gồm các phần tử kim loại, các lỗ

xốp và các phần tử ôxyt Sau khi phun phủ vật liệu có thể được thiêu kết lại để tăng độ bám

dính Phương pháp này rất thuận lợi để chế tạo các lớp phủ mỏng với mục đích nào đó chẳng

hạn phủ vônfram lên mặt trong của ống xả tên lửa nhằm nâng cao tính chịu nóng của nó

Phương pháp này cũng thuận tiện để chế tạo các bimetal và các lớp phủ chống mài mòn khác

nhau

12.2.3 Thiêu kết

Thiêu kết là nguyên công kế tiếp việc tạo hình bột kim loại Thiêu kết bao gồm việc nung

nóng bột kim loại ép ở gần nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính, giữ nhiệt một thời gian để tạo

ra mối liên kết bền vững giữa các hạt nhằm tạo ra cơ, lý, hoá tính cần thiết cho vật liệu

12.2.3.1 Các quá trình xảy ra khi thiêu kết

Quá trình thiêu kết được tiến hành ở gần nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính trong một

thời gian Khi thiêu kết sẽ xảy ra hai quá trình bao gồm kết tinh lại và khuếch tán các nguyên

tử

Kết tinh lại xảy ra giống như quá trình kim loại bị biến dạng dẻo Kết quả là tạo ra các hạt

tinh thể mới Khi kéo dài thời gian thiêu kết hoặc thiêu kết ở nhiệt độ quá cao, các hạt cũng có

quá trình phát triển kích thước hạt làm cho hạt lớn có thể ảnh hưởng xấu đến cơ tính

Bản thân sự kết tinh lại với sự sinh mầm và phát triển mầm các hạt tinh thể mới đã là một

quá trình khuếch tán Ở đây nói thêm tới sự khuếch tán của các nguyên tử khác loại để tạo

thành dung dịch rắn hoặc các pha liên kim loại Trong các hỗn hợp bột có nhiều cấu tử, kết quả

của sự khuếch tán có thể là các hạt kim loại xen kẽ nhau, không hoà tan vào nhau; có thể các

kim loại hoà tan vào nhau tạo thành các dung dịch rắn hoặc có thể các hạt kim loại khó chảy

nằm phân tán trên một nền gồm tổ chức các hạt của cấu tử có nhiệt độ chảy thấp hơn

12.2.3.2 Các thông số công nghệ khi thiêu kết

Các thông số công nghệ thiêu kết bao gồm nhiệt độ, thời gian và môi trường thiêu kết

1 Nhiệt độ thiêu kết

Nhiệt độ thiêu kết là một thông số quan trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu kim loại

bột Chọn nhiệt độ thiêu kết phải đảm bảo sao cho quá trình kết tinh lại và khuếch tán xảy ra

thuận lợi đảm bảo vật liệu có cơ, lý, hoá tính cần thiết Nhiệt độ thiêu kết quá cao sẽ dẫn đến

hạt tinh thể lớn và cơ tính sẽ thấp Nhiệt độ thiêu kết thấp (nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ kết tinh

lại) làm quá trình kết tinh xảy ra chậm chạp và thời gian thiêu kết phải dài Thường chọn nhiệt

độ thiêu kết bằng (2/3÷3/4) nhiệt độ nóng chảy của bột kim loại cấu tử chính

2 Thời gian thiêu kết

Thời gian thiêu kết ảnh hưởng tới độ hạt tinh thể vật liệu bột Thời gian thiêu kết quá

ngắn, các quá trình khuếch tán và kết tinh lại chưa xảy ra triệt để có thể dẫn tới vật liệu không

đủ bền Thời gian thiêu kết quá dài làm cho hạt tinh thể thô to và cũng giảm độ bền Thời gian

nung khi thiêu kết phụ thuộc vào trọng lượng mẻ nung, chế độ truyền nhiệt và cách sắp xếp chi

tiết trong lò Thời gian giữ nhiệt khi thiêu kết phụ thuộc vào kích thước chi tiết, thông thường

chọn từ 1÷3 giờ

3 Môi trường thiêu kết

Các vật liệu kim loại và hợp kim rất dễ bị ôxy hoá khi nung do tiếp xúc với môi trường

nung Đặc biệt trong vật liệu bột, do ảnh hưởng của lỗ xốp nên quá trình ôxy hoá càng được

thúc đẩy mạnh hơn, có thể ôxy hoá vào tận lõi chi tiết Do đó môi trường thiêu kết thường là

môi trường khử như trong khí H2, CO2hoặc NH3 nhiệt phân Môi trường khí bảo vệ hoặc khí trơ

như Ar, N2, He cũng được sử dụng Đôi khi cũng sử dụng quá trình thiêu kết chân không

12.2.4 Gia công chi tiết sau khi thiêu kết

Sau khi thiêu kết, do sự giảm thể tích của vật liệu (quá trình kết tinh lại làm tăng mật độ

của hợp kim cộng với sự giảm thể tích các lỗ xốp bên trong vật liệu) nên chi tiết không đạt

được độ chính xác kích thước cũng như các tính chất mong muốn Do đó sau khi thiêu kết cần

phải tiến hành một số nguyên công gia công tiếp theo để tạo ra thành phẩm Các nguyên công

gia công sau thiêu kết như nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện đã được trình bày trong chương 4 của

giáo trình này Các nguyên công gia công cơ khí được trình bày trong các giáo trình chuyên

ngành Trong phần này chúng tôi trình bày hai nguyên công là tẩm dầu bôi trơn và ép hiệu

chuẩn

2 Tẩm dầu bôi trơn

Trong các vật liệu chống mài mòn, tổ chức vật liệu tồn tại các lỗ xốp lại trở thành yếu tố

thuận lợi nếu các lỗ xốp đó được bịt bằng dầu bôi trơn hoặc các chất bôi trơn rắn khác Một số