nghiên cứu ứng dụng phun plasma trong phục hồi chi tiết máy

luận văn thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-


    -

PHAN ðỨC KHÁNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHUN PLASMA TRONG

PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông, lâm nghiệp

Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ðÀO QUANG KẾ

HÀ NỘI - 2011

LỜI CAM ðOAN

T ô i xi n ca m ñ o a n ñ â y là cô n g t r ì n h n g h iê n cứ u củ a r i ên g

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi ựã nhận ựược sự giúp ựỡ và cộng tác nhiệt tình của nhiều tập thể cũng như các cá nhân trong và ngoài Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội, Phòng thắ nghiệm trọng ựiểm Quốc gia về công nghệ hàn

và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khắ đến nay luận văn của tôi ựã hoàn thành, tôi xin ựược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Phó giáo sư, Tiến

sĩ đào Quang Kế ựã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơ ựiện, Viện ựào tạo sau ựại học, ựặc biệt là Bộ môn Công nghệ Cơ khắ Trường đại học Nông nghiệp

Hà Nội ựã ựóng góp ý kiến, tạo ựiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện

và hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành cám ơn Tiến sĩ Hoàng Văn Châu, Thạc sỹ Lục Vân Thương, các cán bộ của Phòng thắ nghiệm trọng ựiểm Quốc gia về công nghệ hàn

và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khắ ựã giúp ựỡ, tạo mọi ựiều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị cho tôi triển khai thực hiện và hoàn thành luận văn

Nhân dịp này cho tôi ựược gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo ựã giảng dạy và truyền ựạt cho tôi những kiến thức khoa học trong suốt thời gian học tập ở lớp Cao học Cơ khắ nông nghiệp khóa 18, Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội

Tôi xin chân thành cám ơn !

Tác giả luận văn

Phan đức Khánh

CHƯƠNG II: ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

3.1.3 Thành phần hỗn hợp khí trong phun plasma[10] 18

3.1.4 Vật liệu phun và ñiều kiện cấp liệu [14] 19 3.1.5 ðặc trưng cho các ñiều kiện phun bên ngoài [14] 19

3.2.3 Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger [1] 22

3.5.4 Kiểm tra chất lượng sản phẩm 54

4.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm trên mẫu thử 60

DANH MỤC BẢNG

3.1 Thành phần cấp hạt và ñộ sạch của bột kẽm phun (hạt hình cầu) 28

3.3 Thành phần cấp hạt và ñộ sạch của bột nhôm dùng ñể phun 28

3.5 Thành phần hóa học (%) và những tính chất chính của các hợp

3.6 Thành phần hóa học (%) và ñộ cứng của các hợp kim cứng tự tạo

DANH MỤC HÌNH

3.1 Mặt cắt ngang của súng phun Hồ quang Plasma [16] 15 3.2 Sự thay ñổi nhiệt ñộ của tia plasma phụ thuộc vào khoảng cách

3.4 Sự thay ñổi tốc ñộ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun. 18

3.6 Xác ñịnh ứng suất dư theo sự biến dạng của vành khuyên: 41 3.7 Mô tả sự dính bám của giọt chất lỏng trên vật rắn Nếu gọi 42

3.11 Quan hệ giữa ñộ bám và ñộ nhấp nhô bề mặt. 49 3.12 Ảnh hưởng của khoảng cách phun và ñộ nhấp nhô; 49

4.1 Hệ thống thiết bị phun plasma tại Phòng thí nghiệmcông nghệ

hàn và xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí 57

4.4 ðồ thị quan hệ giữa ñộ cứng và khoảng cách phun 63 4.5 ðồ thị quan hệ giữa ñộ bám dính và khoảng cách phun 64

4.6 Thiết bị nghiên cứu tổ chức tế vi Nikon Eclipse Model L 150. 65

MỞ ðẦU

Chất lượng bề mặt của các chi tiết máy và các trang bị , dụng cụ, kết cấu có ý nghĩa quan trọng Tùy theo yêu cầu cụ thể của ñiều kiện làm việc, chúng ta phải chế tạo ñược các chi tiết, kết cấu có khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt, chống gỉ vv… Tất cả các tính chất trên có ý nghĩa quyết ñịnh ñến tuổi thọ, ñộ tin cậy, ñộ bền của máy móc, kết cấu công trình Thêm vào ñó, xu thế nâng cao năng suất và tác dụng nhanh của thiết bị làm cho ñiều kiện làm việc của chúng thêm khắc nhiệt, buộc khoa học - công nghệ phải giải quyết nhiều vấn ñề mà trước hết là bề mặt chi tiết, kết cấu Hiện nay nhu cầu về thiết bị ngày càng nhiều, nguồn tài nguyên ngày càng ít,

vì vậy việc phục hồi các chi tiết sau một thời gian làm việc ñã mòn, mỏi mất hết giá trị sử dụng, ví dụ kích thước xuống quá giới hạn, không ñảm bảo ñộ bền cũng như dung sai lắp ghép theo ñúng thiết kế vv… có ý nghĩa kinh tế vô cùng lớn

Ngày nay ñể giải quyết các vấn ñề trên, chúng ta có nhiều gải pháp công nghệ

Ví dụ mạ ñiện hóa, mạ hóa học, phủ hóa học, mạ nhúng trong kim loại nóng chảy, thấm kim loại, thấm lưu huỳnh, thấm các bon, thấm ni tơ, thấm xiauya, nhiệt luyện,

xử lý tia lửa ñiện, hàn ñắp, phun phủ kim loại vv… Song công nghệ cho phép giải quyết hai yêu cầu cùng một lúc, vừa phục hồi kích thước, vừa tạo nên chất lượng bề mặt phù hợp chỉ có mạ, hàn ñắp, phun phủ mà thôi Phun phủ cho phép phục hồi các chi tiết máy cần chiều dày phục hồi lớn nhưng lại không làm thay ñổi cấu trúc tế

vi của kim loại nền, không gây biến dạng chi tiết, bề mặt chi tiết ñược phủ các lớp oxit và ñặc biệt bề mặt có thể ñược phủ các lớp vật liệu phi kim loại – ñây chính là những ñiều mà các công nghệ khác không thực hiện ñược

ðể phủ lên bề mặt làm việc của các chi tiết máy một lớp vật liệu ñặc biệt nào ñó người ta có thể sử dụng nhiều biện pháp công nghệ khác nhau Một trong những biện pháp công nghệ ñó là phun phủ plasma Do plasma có nhiệt ñộ rất cao,

có thể dễ dàng hóa lỏng ñược tất cả các loại vật liệu kim loại mà kỹ thuật có thể tạo

ra từ trước ñến nay Cho nên phun phủ plasma ñang ngày càng ñược ứng dụng rộng rãi ñể chế tạo, phục hồi các chi tiết máy phục vụ trong nhiều ngành như: luyện kim màu, luyện kim ñen, chế tạo máy, hàng không, kỹ thuật ñiện- ñiện tử, xây dựng,

công nghiệp hóa dầu, thực phẩm, dệt,Ầ thể hiện tắnh ưu việt so với các phương pháp tạo lớp phủ khác

Xuất phát từ những yêu cầu nêu trên, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS đào Quang Kế sự giúp ựỡ của các thầy giáo trong Bộ môn Công nghệ Cơ khắ Ờ Khoa

Cơ ựiện Ờ Trường đại học Nông nghiệp Hà tôi ựã chọn ựề tài nghiên cứu: ỘNghiên cứu ứng dụng phun plasma trong phục hồi chi tiết máyỢ Nội dung và nhiệm

vụ của ựề tài bao gồm:

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2: đối tượng, và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Công nghệ phun Plasma

- Chương 4: Thực nghiệm và ứng dụng

- Kết luận và kiến nghị

Do thời gian thực hiện ựề tài có hạn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế

vì vậy nên sẽ không tránh khỏi thiết sót Rất mong sự ựóng góp của các thầy và các bạn ựồng nghiệp

• Cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài:

Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu ñược sử dụng trong hơn nửa thế kỷ nay Công dụng chủ yếu của phun phủ là bảo vệ các kết cấu và các chi tiết làm việc trong môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiết máy bị mòn, ăn mòn và xâm thực

Sự phát triển mạnh mẽ về thiết bị, vật liệu công nghệ phun trong vài chục năm gần ñây ñã ñưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, góp phần ñáng kể vào tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong lĩnh vực chế tạo và phục hồi

Ở Việt Nam, nhiều ngành công nghệ lớn ñang phát triển với tốc ñộ nhanh, như:

ñóng tàu, hàng không, dầu khí, xây dựng, hoá học, chế tạo máy Việt Nam là một nước nhiệt ñới khí hậu luân nóng ẩm(ñộ ẩm cao 80 - 90%) – Thường tốc ñộ ăn mòn trong ñiều kiện khí hậu nhiệt ñới cao khoảng gấp 2 lần so với vùng khí hậu ôn ñới, chính vì vậy làm cho các chi tiết kết cấu rất dễ bị phá huỷ do ăn mòn Hàng năm, nhà nước phải nhập ngoại hàng ngàn tỉ ñồng vật liệu và phụ tùng thay thế; phải chi hàng trăm tỉ ñồng cho việc thuê các nước phun phủ phục hồi các chi tiết và kết cấu bị hư hỏng dưới dạng ăn mòn và mài mòn Việc nâng cao chất lượng bề mặt, phục hồi các chi tiết máy ñể kéo dài tuổi thọ cho chi tiết kết cấu càng là vấn ñề trở nên cấp thiết ðề tài này sẽ góp phần giải quyết vấn ñề ñó

• Mục ñích của ñề tài (các kết quả cần ñạt ñược):

Nghiên cứu tính toán xác lập, lựa chọn các thông số chế ñộ công nghệ tối

ưu c ủ a c ô n g n g h ệ phun Plasma, thiết lập Quy trình công nghệ phục hồi một

số chi tiết máy bằng phun Plasma

• Nội dung của ñề tài, các vấn ñề cần giải quyết:

- Nghiên cứu lựa chọn một số vật liệu phun phù hợp với phục hồi chi tiết

máy;

- Nghiên cứu Công nghệ và xây dựng quy trình công nghệ phun Plasma;

- Thực nghiệm trên mẫu và ñánh giá kết quả;

- Ứng dụng công nghệ trong sản xuất

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm phun phủ kim loại [1], [2]

Kỹ thuật tạo lớp phủ bằng công nghệ phun phủ bề mặt thực chất là ñưa các hạt rắn vào dòng vật chất có năng lượng cao: dòng khí cháy hoặc dòng plasma ( tạo bằng hồ quang hoặc bằng tần số radio) nhằm: tăng tốc ñộ hạt rắn, nung hạt nóng chảy ( có thể chỉ nóng chảy một phần), ñẩy hạt nóng chảy ñến bề mặt chi tiết cần phủ Do ảnh hưởng của các biến cứng lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc vào lớp nền

Có nhiều phương pháp phủ trên mặt chi tiết và kết cấu tuỳ theo mục ñích sử dụng và ñiều kiện làm việc của chúng Có những lớp phủ bảo vệ hoặc trang trí; có những lớp phủ ñặc biệt với những tính chất ñặc biệt như: chống cháy, chịu mài mòn, chịu nhiệt và cách nhiệt…

Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào ñiều 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

Nhóm phương pháp phủ bề mặt vật liệu:

a Các phương pháp hóa học và ñiện ly

Photphat hoá, sunfit hoá (phương pháp hoá học); mạ niken, mạ crom, oxit hoá (phương pháp ñiện ly) Lớp phủ photphat hoá (còn gọi tẩm photphat) dùng ñể trang trí và bảo vệ chống gỉ Lớp phủ sunfit hoá có tác dụng nâng cao ñộ bền mòn Các lớp phủ bằng mạ niken, mạ crom hay oxit hoá ñều có tác dụng trang trí, bảo vệ

và chống mài mòn

b Các phương pháp vật lý

Các phương pháp phủ vật lý bao gồm tráng nhôm, nhúng kẽm khuếch tán (khuếch tán bột nhôm, bột crôm, tẩm các bon, tẩm nitơ hoặc tẩm hỗn hợp cac bon – nitơ) Sự tôi bề mặt, sự phủ chân không và sự thiêu kết thủy tinh với mặt kim loại cũng thuộc nhóm phương pháp phủ vật lý Hầu hết các phương pháp thuộc nhóm này ñều cho các lớp phủ có ñộ bền mòn, bền nhiệt cao, và tính chống gỉ tốt

c Các phương pháp cơ học

Phủ bề mặt kim loại bởi một tấm kim loại khác bằng công nghệ cán, ñúc, hàn nổ…; tăng bề mặt bằng xảm; tăng các tính chất ñặc biệt khác bằng phun phủ Nhóm phương pháp cơ học Các tấm kim loại phủ bằng phương pháp ñúc, cán hoặc hàn nổ có thể là thép không gỉ, niken, monen, ñồng titan… Chúng ñược dùng ñể bảo vệ kim loại khỏi bị gỉ Lớp xảm tăng cường có chiều dày 0,3 ÷ 0,5mm có tác dụng tăng ñộ bền mỏi mà không làm thay ñổi cấu trúc của kim loại

Lớp phun phủ ñược hình thành trên bề mặt chi tiết là nhờ nguồn nhiệt từ ngọn lửa khi ñốt hoặc nhờ hồ quang ñiện Nguồn nhiệt ñốt nóng các phần tử kim loại phun tới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy; dưới áp lực của không khí hoặc hỗn hợp khí cháy các phần tử kim loại chuyển ñộng với tốc ñộ rất cao tới bề mặt vật phun tạo thành lớp phun

Công nghệ phun phủ có những ưu ñiểm nổi trội so với các công nghệ khác:

- Bằng phun phủ có thể phủ các vật liệu rất khác nhau trên bề mặt chi tiết Chẳng hạn, có thể phủ kim loại trên kính, vải, gỗ, giấy

- Có thể phun trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc các vùng nhỏ của chi tiết lớn, trong khi ñó, bằng các phương pháp khác như: nhúng, mạ khuếch tán không thể thực hiện ñược mục ñích này do không có các thiết bị phụ trợ thích hợp (như bể chứa hoặc thiết bị nung nóng) Phun phủ là phương pháp tiện lợi nhất và kinh tế nhất ñối với các chi tiết có yêu cầu mặt phủ lớn

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

- Thiết bị phun phủ khá ñơn 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 ñốt

và bình khí Khi có nguồn ñiện có thể ứng dụng phương pháp phun ñiện với những súng phun cầm tay rất tiện lợi

- Chi tiết phun ít bị biến dạng, trong khi ñó, sự ñốt 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 ñược tiến hành trên mặt khuôn mẫu Sau khi phun

khuôn mẫu ñược tháo ra ñể lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun

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

Công nghệ phun phủ có các nhược ñiểm sau:

- 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, ñồng thời có thể tạo các hợp chất có hại cho sức khoẻ của người công nhân

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái ion hoá ñặc biệt của khí

ñược ñịnh nghĩa từ năm 1923 [2], [10] Trong trạng thái này các phân tử khí sẽ trở nên dẫn ñiện do sự ion hoá của các nguyên tử khí ðể ñưa ñến trạng thái ion hoá của các phân tử khí cần phải tạo nên và duy trì một môi trường và một nguồn năng lượng thích hợp

Người ñầu tiên phát minh ra phương pháp phun phủ là Shoop – kỹ sư Thụy ðiển Vào năm 1910 ông ñã chế tạo ñược máy phun kim loại ñầu tiên Theo phương pháp của ông, kim loại lỏng ñược rót vào luồng không khí nóng thoát ra

từ vòi ñốt Dưới tác dụng của luống khí nóng áp suất cao, kim loại lỏng bị tách thành từng hạt nhỏ bắn vào bề mặt vật phun

Máy phun dựa trên nguyên lý trên không có ñộ tin cậy cao và cho năng suất rất thấp Sự phát triển của kỹ thuật ñòi hỏi phải tạo ñược các máy móc thiết bị tin cậy và năng suất hơn, có khả năng phun những vật liệu ña dạng nhất

Nhiều nguồn nhiệt có năng lượng cao và làm việc tin cậy ñã ñược sáng chế; những phương pháp cấp vật liệu phun vào chùm nhiệt ñộ cao ñược phát minh Ngày nay có rất nhiều kiểu máy phun cho năng suất lao ñộng cao nhờ quá

Dựa theo nguồn năng lượng nhiệt ñược cung cấp ñể làm nóng chảy vật liệu phun, có thể phân các phương pháp phun thành hai nhóm: phun ngọn lửa khí và phun ñiện Phun ngọn lửa khí, nhiệt phát sinh bởi sự ñốt cháy hỗn hợp khí ñốt và oxi Phun ñiện dựa nguyên tắc sử dụng nhiệt của hồ quang ñiện

Phương pháp phun ngọn lửa khí có ứng dụng rộng rãi nhất Nó ñược dùng

ñể phun và làm nóng chảy các hợp kim tự bảo vệ trên nền niken và coban, và ñể phun các vật liệu gốm và khó chảy khác Một trong những dạng ñặc biệt của phun ngọn lửa khí là phun nổ - dùng năng lượng nổ của hỗn hợp khí axetylen và oxi Dạng này cho phép phun các vật liệu có nhiệt ñộ nóng chảy cao hơn

Phương pháp phun kim loại bằng hồ quang ñiện là dạng cũ nhất trong số các dạng phun phủ ñiện Trước ñây hồ quang ñiện xoay chiều ñược sử dụng ñể phun kim loại, do ñó quá trình phun dây không ổn ñịnh Hiện nay, tính ổn ñịnh của quá trình phun ñược ñảm bảo bởi việc sử dụng hồ quang dòng một chiều trong các máy phun kim loại

Trong những năm gần ñây, thiết bị phun plasma dùng ñể phun cảm ứng tần

số cao có khả năng công nghệ rộng hơn cả, có thể phun bất kỳ vật liệu nào[2] Trong công nghệ phun plasma, lớp phủ luôn có xu hướng bị bong tróc do nhiều nguyên nhân khác nhau Nhưng nguyên nhân chính là do hệ số giãn nở

vì nhiệt khác nhau giữa các vật liệu (nền, lớp lót và lớp phủ) Vì vậy, giữa các lớp khác nhau xuất hiện ứng suất dư

ðể giảm thiểu quá trình bóc tách giữa các lớp, việc giảm hoặc khử hoàn toàn ứng suất dư là một trong các biện pháp công nghệ hiệu quả nhất Ngày nay,

có nhiều phương thức khác nhau nhằm giảm ứng suất dư tồn tại trong lớp phủ Một trong những phương thức ñơn giản và hiệu quả nhất là xử lý nhiệt chi tiết sau khi phun phủ

Hiện nay, công nghệ phun Plasma [1], [5], [10] là một trong những công nghệ tiên tiến ñược phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp phát triển như: Anh, Pháp, ðức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy ðiển… với dây chuyền công suất rất cao, có thể lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong một ngày Tại các nước có công nghệ khoa học phát triển ñều thành lập các viện, trung tâm hay hiệp hội ñể 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 ðộ), viện Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản) hàng năm ñều có các cuộc hội thảo báo cáo quốc tế về lĩnh vực này Các hiệp hội ñều có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh vực này

Dưới ñây là sơ ñồ hệ thống phun plasma (hình 1.1) và cấu tạo súng phun (hình 1.2)

Hình 1.1 Sơ ñồ hệ thống phun plasma [16]

Hình 1.2 Cấu tạo của súng phun plasma [16]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ phun plasma trong những năm gần ựây ựã ựược chuyển giao vào Việt Nam Tại Phòng thắ nghiệm trọng ựiểm công nghệ hàn & xử

lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khắ và một cơ sở của quân ựội ựã có ựược thiết bị nhập từ nước ngoài

Có thể nói ở Việt Nam Khoa học Công nghệ phun phủ kim loại còn ựang trong giai ựoạn nghiên cứu ứng dụng các thành quả của thế giới [10], [11] đã có một số ựề tài cấp bộ, cấp nhà nước nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ của một số cơ quan, viện , trường ựại họcẦ( đề tài B91-01-04A của Trường đH Bách Khoa Hà Nội; đề tài KC 04 - 02 của Viện Công nghệ Bộ Quốc phòng; đề tài 897/KT của Bộ Giao thong vận tảiẦ) Cũng ựã có một số cơ sở ứng dụng công nghệ sản xuất ứng dụng một vài phương pháp công nghệ phun phủ: Liên doanh dầu khắ vũng tàu; công ty cơ khắ MAR 60 Ờ Thủy lợi; Viện nghiên cứu cơ khắ; Viện năng lượng Mỏ; Viện công nghệ Bộ Quốc phòngẦ ựã ứng dụng công nghệ phun

hồ quang ựiện với dây phun, thực hiện trên các ựầu phun EM6, EM9 EM13,Ầựể tạo lớp bảo vệ chống gỉ Al, Zn Các cơ sở như Công ty cơ khắ sửa chữa Thủy Lợi; Viện kỹ thuật giao thong; Cơ khắ Quang Trung; đại Học Bách khoa Hà Nội; Nhà máy Cơ khắ ựạm Hà BắcẦ ựã phun tạo lớp chống mài mòn từ các dây thép các bon cao; thép Mn; thép Cr- Ni, Ầ ựược phun trên các súng phun EM9; EMP- 2- 57Ầ Tuy nhiên, việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lượng lớp phủ chưa ựược các tác giả quan tâm một cách ựúng mức Mặc dù, một số sản phẩm phun phủ ựã và ựang ựược sử dụng rộng rãi

Vì vậy, ựề tài này ựặt ra một quy trình công nghệ xử lý bề mặt từ bản chất của quá trình phun phủ ựể giảm thiểu các hư hỏng do quá trình bong tróc và nâng cao chất lượng chi tiết máy

đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quy trình công nghệ phun và xử lý ứng suất dư phù hợp ựảm bảo chất lượng phủ

và khả năng làm việc là hết sức cần thiết

từ ñó thiết lập ñược quy trình công nghệ phù hợp với từng ñối tượng cụ thể

CHƯƠNG II: ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ðối tượng nghiên cứu

- ðối với mẫu thử: Vật liệu nền là thép C45, mẫu ñược chế tạo theo tiêu chuẩn thử ñộ bền bám dính JIS- H8664- 1977

- Sản phẩm ứng dụng: Phục hồi trục khuỷu ñộng cơ ô tô

2.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ phun phủ plasma trong các tài liệu

Tìm hiểu trang thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãng PRAXAIR- JAFA do mỹ sản xuất

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng cách phun cho một số mẫu và các chi tiết máy

2.3 ðịa ñiểm nghiên cứu

- Phòng thí nghiệm trọng ñiểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt- Viện Nghiên cứu cơ khí- Bộ công thương

- Phòng thực tập Kim loại học và Nhiệt luyện thuộc bộ môn công nghệ cơ khí Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết công nghệ phun phủ plasma qua các tài liệu, tìm hiểu ứng dụng công nghệ này trên thế giới và ở Việt Nam

Nghiên cứu quá trình phun Plasma và các yếu tố ảnh hưởng chất lượng sản phẩm khi phun phủ trong ñó trọng tâm của ñề tài là nghiên cứu phun phủ Plasma

2.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu, tìm hiểu thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãng PRAXAIR- JAFA do mỹ sản xuất ðược lắp ñặt tại Phòng thí nghiệm trọng ñiểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt- Viện nghiên cứu cơ khí- Bộ công thương

Xây dựng chế ñộ phun phù hợp cho các loại vật liệu nền Với vật liệu phun bột hợp kim Ni-Cr-Si-B Tiến hành ñánh giá chất lượng sản phẩm qua các chỉ tiêu về ñộ cứng bề mặt, ñộ bám dính, tổ chức tế vi… Từ ñó tìm ñược chế ñộ phun phủ plasma phù hợp nhất

2.4.3 Xác ñịnh và xử lý số liệu thực nghiệm

Các số liệu kiểm tra chất lượng sản phẩm sau khi thấm ñược kiểm tra theo tiêu chuẩn Số liệu thu ñược ño tại ít nhất 3 vị trí khác nhau trên mẫu ñể ñảm bảo xác suất tin cậy Nếu số liệu nghi ngờ không ñáng tin cậy thì tiến hành

n tb

σ

σ = (2-3) Giá trị tin cậy ñược tính theo tiêu chuẩn Student với mức ý nghĩa

α=0,05 bậc tự do ; f= α-1

→ðộ tin cậy

_

X ± tα.σtb (2-4)Với các số liệu nghi ngờ kiểm tra bằng quy luật phân bố chuẩn X >3σ thì loại bỏ

2.4.4 Phương pháp kiểm tra

a Soi kim tương

Soi kim tương giúp chúng ta biết tình trạng cấu trúc kim tương lớp phủ như: ôxy hóa, mức ñộ xốp và các khuyết tật khác Căn cứ vào cấu trúc kim tương chúng

ta có thể xác ñịnh ñược chất lượng lớp phủ Chất lượng tốt thì cấu trúc kim tương mịn hơn còn chất lượng kém thì cấu trúc kim tương thường có lỗ (xốp) và thô Soi

tổ chức tế vi và chụp ảnh kim tương lớp phủ và nền trên kính hiển vi quang học

b ðo ñộ cứng Roocwell

ðộ cứng Roocwell ño bằng cách ấn mũi ñâm tiêu chuẩn ( bi thép tôi hoặc mũi kim cương dạng chop nón) xuống mẫu thử dưới tải trọng sơ bộ P0= 10kG

và tải trọng chính P1, tải trọng chung P = P1 + P0

ðộ cứng Roocwell là ñại lượng quy ước ( không thứ nguyên) và tính bằng chiều sâu vết lõm h gây ra bởi tải trọng chính P1 ñặt vào rồi bỏ ra

Giá trị ñộ cứng Roocwell ñược tính theo công thức:

ho

h− (mm) (2-6)

Trong ñó ho và h là ñộ sâu vết lõm dưới tác dụng của tải trọng sơ bộ và tải trọng chung

Phương pháp này ñược ứng dụng rộng rãi vì nó tương ñối ñơn giản Nhược ñiểm của phương pháp này là mũi kim cương rất nhạy với rung dao ñộng của mẫu và máy nên khi kiểm tra phải thật tĩnh

c ðo ñộ bám dính

ðể ñánh giá ñộ bền bám dính của lớp phủ với kim loại nền trong ñề tài sử dụng phương pháp kéo theo phương pháp tuyến Phương pháp này xác ñịnh ñược ứng suất bám dính giữa lớp phủ với bề mặt kim loại nền theo phương pháp tuyến Mẫu thử ñộ bền bám dính ñược chế tạo theo tiêu chuẩn JIS H8664- 1977

Sơ ñồ nguyên lý ñược thể hiện trên hình 2-1

ðộ bền bám dính pháp là khả năng liên kết giữa lớp phun phủ với bề mặt mút chốt

khi bị kéo

Hình 2.1 Sơ ñồ nguyên lý của phương pháp kéo chốt

Nguyên lý cấu tạo của mẫu: Chốt B bằng thép C45 ñược lắp ghép chính xác với chi tiết A bằng thép C45 sao cho mặt mút của chốt B tạo với mặt mút của chi tiết A thành cùng một mặt phẳng ñể phun phủ Sau khi ñã phun phủ ñạt yêu cầu kỹ thuật thì tiến hành kéo chốt B cho ñến khi phá hủy mối liên kết giữa mặt mút chốt B với lớp phủ C ðộ bền bám dính pháp là khả năng liên kết giữa lớp phun phủ với bề mặt mút chốt khi bị kéo Ứng suất bám dính ñược xác ñịnh theo công thức (2-7)

ghép gây ảnh hưởng ñến ñộ chính xác của ứng suất kéo

B

C

A

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA

3.1 Nguyên lý phun Plasma

Hình 3.1 Mặt cắt ngang của súng phun Hồ quang Plasma [16]

Phun plasma là một phương pháp của công nghệ phun phủ kim loại Nguyên

lý phun plasma [2] là khi một chất khí kết hợp với các phần tử tạo bởi nhiều nguyên tử ñược ñốt nóng tới nhiệt ñộ trên 1000oK, thì xảy ra quá trình phá hủy các liên kết phân tử và chất khí chuyển sang trạng thái ion Nhiệt ñộ của quá trình ñó gọi là quá trình phân ly, ñược xác ñịnh bởi chất khí và áp suất Các biến ñổi xảy ra, chẳng hạn ñối với nitơ, có thể mô tả dưới dạng phản ứng sau:

Ở ñây Ui – năng lượng ion hóa của một nguyên tử, eV

Chất khí mà trong ñó phần lớn các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa và

nồng ñộ các ñiện tử và ion âm bằng nồng ñộ các ion dương, gọi là plasma Plasma có ñộ dẫn ñiện rất cao

Các phương pháp phóng ñiện trong các chất khí, trong ñó có cả phóng ñiện hồ quang, ñược ứng dụng rộng rãi nhất ñể tạo plasma Plasma có ñặc trưng cơ bản là

có ñộ truyền dẫn ñiện rất cao và có nhiệt ñộ cũng rất cao Người ta phân ra thành Plasma ñẳng nhiệt và Plasma không ñẳng nhiệt Plasma ñẳng nhiệt chỉ tồn tại trong

vũ trụ, trong ñó có mặt trời của thái dương hệ chúng ta Mức ñộ ion hóa ở trạng thái Plasma ñẳng nhiệt xấp xỉ bằng 1 và nhiệt ñộ của nó vượt 100000ºK Trong ñiều kiện của trái ñất chỉ có thể phát sinh Plasma không ñẳng nhiệt nghĩa là có sự phân chia nhiệt ñộ của các nguyên tử cấu tạo nên Plasma Mức ñộ ion hóa của nó phụ thuộc vào nhiệt ñộ và áp lực ñạt ñược từ 1 ñến 10%, còn nhiệt ñộ dao ñộng trong giới hạn từ 5000ºK ñến 50000ºK Phương pháp phun plasma có những ñặc ñiểm dưới ñây Nhiệt ñộ cao của tia plasma cho phép phun các vật liệu khó chảy Nhiệt ñộ tia plasma có thể ñiều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay ñổi ñường kính miệng phun (ñầu bép) và chế ñộ công tác của súng phun ðiều ñó 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 ñộ chặt cao và ñộ bám tốt với vật liệu nền [2], [10]

Dưới ñây giới thiệu một số các thông số ảnh hưởng ñến chất lượng lớp phủ:

3.1.1 Nhiệt ñộ trong tia plasma [2],[10]

Khi phun, vật liệu phun ñược ñốt nóng và di chuyển tới mặt vật phun dưới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy Mức ñộ nóng chảy và cường ñộ tương tác của vật liệu phun với môi trường bao bọc nói chung phụ thuộc vào sự phân

bố nhiệt ñộ trong luồng khí thoát ra khỏi miệng súng phun plasma

Trên hình 3.2 giới thiệu sự thay ñổi nhiệt ñộ của tia plasma phụ thuộc khoảng cách phun Các số liệu nhận ñược khi phun plasma với súng phun SG-1 của Hãng “Plasmadyne” (Mỹ) Nhiệt ñộ trung bình ở miệng súng phun với dòng ñiện 550A và lượng cấp khí công tác (argon) 30 l/min là 3000-5000o C; ở khoảng cách 50mm là 2200oC, và ở khoảng cách 100mm là 900oC

Hình 3.2 Sự thay ñổi nhiệt ñộ của tia plasma phụ thuộc

vào khoảng cách phun

Lượng khí công tác tiêu thụ 30l/ph

Cường ñộ dòng ñiện:1) 550 A; 2) 450 A; 3) 300 A

Hình 3.3 dẫn các số liệu do sự phân bố nhiệt ñộ trong tia plasma nhận

ñược ở dòng 400 A và lượng argon tiêu thụ 10 l/ph

Hình 3.3 Sự phân bố nhiệt trong tia plasma

Nhiệt ñộ cao của tia plasma cho phép phun bất kỳ vật liệu khó chảy nào và trong quá trình phun các vật liệu phun không bay hơi và không thay ñổi ñáng kể các tính chất của mình

So với phun ngọn lửa khí, tia plasma ñốt nóng bột phun tới nhiệt ñộ cao hơn

và ñốt nóng vật phun ít hơn, do ñó ñại lượng biến dạng của vật phun nhỏ hơn

3.1.2 Tốc ñộ phun [2]

Tính chất phân bố tốc ñộ trong tia plasma có ảnh hưởng ñến tốc ñộ chuyển ñộng của các phần tử phun Sự phân bố tốc ñộ trong tia plasma ñược xác ñịnh tại vùng tâm của nó

Hình 3.4 Sự thay ñổi tốc ñộ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun

Lượng khí công tác tiêu thụ 30l/ph

Cường ñộ dòng ñiện: x) 550 A; o) 450 A; ·) 300 A

Sự thay ñổi tốc ñộ tia plasma khi phun phụ thuộc khoảng cách tính từ miệng bép (ñường kính 7mm, khí công tác là argon) ñược biểu thị trên hình 3.4 Các số ño ñược thực hiện theo trục tâm của tia Theo các số liệu nhận ñược, khi phun với dòng ñiện 550A (là dòng thường ñược ứng dụng trong thực tế), ở các khoảng cách 50, 100 và 150 mm tính từ ñầu bép, tốc ñộ dòng plasma tương ứng

là 140, 55 và 35 m/s Các nghiên cứu ñược tiến hành trên súng phun SG-1 của Hãng “Plasmadyne” Theo tính toán, ở cường ñộ dòng ñiện 400 A, lượng khí

công tác 43 l/ph và ñường kính bép 5,5 mm, tốc ñộ tia tại miệng bép là 750 m/s

3.1.3 Thành phần hỗn hợp khí trong phun plasma[10]

Khi phun plasma, sau khi khí công tác ra khỏi miệng phun (bép), tia plasma hình thành và di chuyển cùng môi trường bao bọc Kết quả thành phần khí của tia cũng thay ñổi trên ñường ñi của nó Các số liệu về thành phần khí mà trong ñó các phần tử vật liệu phun chuyển ñộng có ý nghĩa to lớn ñối với sự nghiên cứu chi tiết hơn quá trình tương tác của vật liệu phun với dòng khí nhiệt

ñộ cao, cơ chế hình thành và các tính chất của lớp phủ

Trong mọi trường hợp khảo sát, không phụ thuộc vào cường ñộ dòng ñiện công tác, không khí môi trường bắn dữ dội vào tia plasma Ở khoảng cách 50mm

từ miệng phun lượng không khí trong tia là 55-65%, và ở khoảng cách 100mm

vào khoảng 90% Không cần phải nhấn mạnh thêm rằng, khi phun plasma, nhờ

sử dụng khí trơ làm khí công tác nên trong lớp phun kim loại hình thành một lượng nhỏ các oxit Các giả thiết như vậy cần ñược khảo sát

3.1.4 Vật liệu phun và ñiều kiện cấp liệu [14]

Trong phun plasma, người ta ta sử dụng bột có ñường kính trung bình hạt cỡ 10÷50µm Nếu hạt có kích thước lớn thì khó nóng chảy hoàn toàn Và như vậy, hiệu quả phun giảm rõ rệt Nhất là những loại hạt to từ vật liệu khó nóng chảy có tỷ trọng thấp và ñộ dẫn nhiệt thấp, ví dụ ZrO2, MgO, WC

Trong số những thông số ñặc trưng cho cấp bột vào ñầu phun plasma thì có tiêu hao bột tính theo trọng lượng GB vào khoảng 0,25 - 2 g/s Tăng lượng cấp bột vào luồng plasma sẽ gây tắc ñầu phun, kéo theo các chỉ tiêu về hiệu suất quá trình, hệ số sử dụng bột sẽ giảm Khí tạo bột, tương tự như khí tạo plasma Cũng

có thể dùng các loại khí khác Tiêu hao khí ñể tải bột thường chiếm khoảng 10% tiêu hao khí tạo plasma Khi tăng tiêu hao khí tải Gt, tức là tăng tốc ñộ thì sẽ ổn ñịnh việc cấp bột Tuy nhiên phải ñiều chỉnh trong một giới hạn hợp lý vì nếu tăng quá giới hạn sẽ dẫn ñến việc hạt bột kém nóng chảy

3.1.5 ðặc trưng cho các ñiều kiện phun bên ngoài [14]

ðối với phun plasma thì tùy thuộc vào chế ñộ làm việc của ñầu phun plasma, cự ly phun tối ưu nằm trong khoảng 50 ÷ 300mm Cự ly ngắn, nằm trong khoảng ñoạn ñầu của luồng plasma thường không ñảm bảo ñốt nóng hạt bột và tạo gia tốc cho chúng Ngoài ra còn có nguy cơ bị quá nhiệt Nhưng nếu tăng cự

ly phun trên ñoạn cơ sở của luồng thì nhiệt ñộ và tốc ñộ luồng giảm mạnh kéo theo giảm nhiệt ñộ, tốc ñộ hạt Thông thường cự ly phun lớn, xảy ra khi dùng dòng plasma phân tầng hay chân không thấp Khi tăng công suất hồ quang thì cự

ly phun tăng mạnh

Tốc ñộ dịch chuyển ñầu phun có ảnh hưởng lớn tới nhiệt ñộ tại vết phun (chi tiết) Tốc ñộ này thường nằm trong khoảng 0,05 - 1,0 m/s Tốc ñộ thấp sẽ làm tăng nhiệt ñộ tiếp xúc của hạt Tuy nhiên, trong trường hợp này sẽ tăng nguy

cơ gây quá nhiệt trên vật phun Còn có những thông số sau ñây ñặc trưng cho các

yếu tố bên ngoài: Tiêu hao khí bảo vệ khi phun có bảo vệ cục bộ; áp suất và nhiệt ñộ khí trong khoang bảo vệ

Sự sụt giảm áp suất trong khoang có ảnh hưởng rất lớn ñến hiệu suất quá trình, bởi vì các tính chất nhiệt vật lý của luồng plasma, ñặc ñiểm dòng chảy nhiệt ñộ và vận tốc hạt, ñều thay ñổi mạnh Chẳng hạn, tốc ñộ hướng trục của luồng plasma, tại cự ly 200mm tăng lên khoảng 4 lần Tốc ñộ hạt phun tăng lên 2

÷ 5 lần, ñạt cực ñại áp suất khoang (5,3 ÷ 10,6).103P Trong tất cả các phương án phun, khi giảm áp suất trong khoang thì hệ số sử dụng bột giảm ðiều này vẫn xảy ra, mặc dù ñoạn có nhiệt ñộ cao của luồng plasma tăng lên

3.1.6 Luồng hạt khi phun [2]

Nhiệt ñộ hạt phun: Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt ñộ này bằng nhiệt

ñộ nóng chảy hay cao hơn Khi nhiệt ñộ hạt tăng và cũng là entalpi thì nhiệt ñộ tiếp xúc sẽ cao, tạo thuận lợi hình thành liên kết bền vững trong nội bộ lớp phun

và giữa lớp phun với lớp nền

Tốc ñộ hạt: Nằm trong khoảng 100÷500 m/s ðể hình thành ñược lớp phun thì tốc ñộ của những hạt ñã nóng chảy không ñược vượt quá 200-300 m/s ðiều này ñặc biệt nhạy cảm với những hạt quá nhiệt

Phân bố nhiệt ñộ và tốc ñộ hạt trên vùng phun: Khác với các phương pháp phun nhiệt khí khác, ñối với phun plasma có sự không ñồng ñều rất rõ rệt về nhiệt ñộ và vận tốc hạt trên vùng phun Vùng ngoại vi có tốc ñộ và nhiệt ñộ nhỏ hơn ñáng kể Bởi vì thế, nên cố gắng chọn dòng phun Compact, góc thoát nhỏ Tương tác giữa hạt phun với pha khí: Nếu dùng những vật liệu không có áp lực với khí, chẳng hạn như oxid, hoặc dùng khí trơ có bảo vệ vùng phun, thì hầu như không có tương tác giữa hạt phun với pha khí

Mật ñộ dòng hạt trên vùng phun: Mật ñộ tổng trên vùng phun vào khoảng

103 - 105 hạt/(cm2.s) Tại vùng ngoại vi thì mật ñộ giảm mạnh và thấp hơn một bậc Có thể khẳng ñịnh là tại những vùng mật ñộ nhỏ như thế của luồng hạt thì

sự tương tác giữa các hạt là rất khó xảy ra

3.2 Sự hình thành lớp phun phủ

Phun kim loại ñược biết từ lâu và từ ñó ñến nay ñã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về việc giải thích sự hình thành và tính chất của lớp phủ, có thể chia thành các quan ñiểm lý thuyết như sau

3.2.1 Lý thuyết của Pospisil - Sehyl [1],[2]

Tác giả của lý thuyết này ñã kết luận rằng: lớp phủ bằng phun kim loại ñã

xuất hiện do các giọt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nén với tốc ñộ rất cao ( trung bình khoảng 200m/s) Các giọt này bị phá vỡ thành rất nhiều hạt nhỏ Dạng của các hạt này ñược ñặc trưng bằng kim loại của nó Dạng của các hạt khi bay hoàn toàn không thay ñổi mà chủ yếu chỉ bị oxy hóa Sự oxy hóa kim loại thực chất xảy ra từ quá trình làm chảy dây phun và trong thời ñiểm tạo

ra các hạt nhỏ một phần lớn các oxyt sinh ra trong quá trình bay của các hạt Nghĩa là, khi các giọt kim loại lỏng bắt ñầu tách thành các hạt nhỏ thì bề mặt của các hạt cũng bắt ñầu tăng lớp oxyt Số lượng oxyt nhiều, ít là một nhân tố chính ảnh hưởng ñến chất lượng của lớp phủ

Thực nghiệm rất khó xác ñịnh quá trình va ñập của các hạt, vì quá trình này xảy ra trong thời gian ngắn, mà trong thời gian ñó quá tình này có ảnh hưởng rất lớn tới ñộ bám của các phần tử với kim loại nền

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

3.2.2 Lý thuyết của Shoop[1]

Tác giả lý thuyết này cho rằng: năng lượng ñộng năng của các hạt kim loại khi bay ñược cung cấp bằng dòng khí nén, nên khi va ñập lên bề mặt bị phun thực tế có sự thay ñổi nhiệt Thực nghiệm ñã xác ñịnh ñược rằng những hạt kim loại khi rời khỏi miệng vòi phun, bắt ñầu nguội và ñông ñặc rất nhanh

do tác dụng của dòng khí nén Trong thời ñiểm va ñập chúng sẽ bị biến dạng dẻo, do vậy chúng lien kết với nhau thành những lớp liên kết

Tác giả của lý thuyết này cố chứng minh rằng các phần tử kim loại chảy lỏng khi phun, luôn luôn nguội dần Trong một khoảng cách rất ngắn, từ ñầu vòi phun, sự giữ nhiệt trong dòng các tia kim loại là tương ñối thấp còn khoảng

50ºC ñến 100ºC Do vậy tác giả ñã kết luận cho lý thyết của mình rằng: có thể phủ ñược cả những vật liệu dễ cháy mà không xảy ra sự cháy vật liệu nền

3.2.3 Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger [1]

Lý thuyết này cũng cho rằng những hạt kim loại bị nguội và ñông ñặc là do tác dụng của nguồn năng lượng ñộng năng của khí nén Mặt khác trong quá trình ñi từ vòi phun các hạt ñã ở trạng thái nguội như vậy sẽ xảy ra biến dạng dẻo khi va ñập

3.2.4 Lý thuyết của schenk [2]

Tác giả lý thuyết này ñã kết luận rằng: nhiệt ñộ của các hạt phun phải ở nhiệt ñộ chảy lỏng ñể xảy ra sự hàn chặt của chúng với nhau Có nghĩa là, ở thời ñiểm va ñập trên bề mặt bị phun, kim loại lớp bề mặt của kim loại nền bị phun

sẽ ñốt nóng ñến nhiệt ñộ chảy ñể xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử với kim loại cơ sở, nhưng thực tế không hoàn toàn như vậy

3.2.5 Cơ cấu hình thành lớp phủ bằng phun [1]

Các quan ñiểm trên cho ñến nay vẫn còn ñang tiếp tục nghiên cứu ñể ñi

ñến sự hoàn chỉnh và thống nhất Tuy nhiên toàn bộ cơ cấu hình thành lớp phủ

có thể mô tả như sau:

3.2.5.1 Pha thứ nhất

ðặc trưng bằng sự chảy và phân tán của kim loại

Khi phun kim loại bằng hồ quang ñiện, ñầu tiên xảy ra sự tiếp xúc của 2 ñiện cực Sự ñoản mạch gây tác dụng nung nóng ñáng kể kim loại ở vị trí tiếp xúc Trong ñó kim loại bị nung nóng tới nhiệt ñộ cao hơn nhiệt ñộ chảy của chúng Các giọt kim loại xuất hiện sau khi bị nóng chảy ñược phủ trên bề mặt ñiện cực Giữa kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình khuếch tán và

sự tác dụng hóa lý với nhau như ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt ñộ và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co rút gây ảnh hưởng ñến cấu trúc bên trong và các tính chất khác của giọt kim loại lỏng

Sự lớn lên của một số lượng kim loại lỏng chảy từ ñầu dây tồn tại cho ñến khi lực ñộng học của dòng không khí nén lớn hơn ứng suất bề mặt kim loại lỏng

tách thành rất nhiều hạt nhỏ, những hạt này tạo ra những tia phun kim loại Toàn bộ quá trình chảy và phân tán các hạt xảy ra rất nhanh Sự phân tán chỉ kéo dài khoảng 1/ 10000 ñến 1/100000 giây Và sau mỗi giây rạo ra khoảng

7000 giọt kim loại Dạng của các hạt xuất hiện từ sự phân tách giọt kim loại phụ thuộc vào kim loại

3.2.5.2 Pha thứ hai

Quá trình bay của hạt :

Toàn bộ quá trình bay của các hạt, từ lúc bị phân tách từ giọt kim loại ñến khi va ñập trên bề mặt phun kim loại xảy ra rất ngắn khoảng 0,002 ÷0,008 giây Trong quá trình bay của hạt, chủ yếu chỉ xảy ra sự oxy hóa, do vậy các phần tử phun kim loại bị bao bọc bằng một lớp oxyt, lớp này sẽ lớn lên theo khoảng cách bay

Các hạt kim loại chảy lỏng di ñộng trong dòng không khí nén có tốc ñộ rất lớn Ngoài ra các phần tử còn chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, biểu thị ở những phản ứng không ñồng nhất Khi phun kim loại chúng ta phải tính ñến kết quả sau:

- Các hạt kim loại tách ra ở trạng thái lỏng hay ở trạng thái ñã ñặc sệt

- Các phần tử phun luôn bị thay ñổi tốc ñộ bay trong trường hợp gia tốc

- Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ, hydro, hơi nước và các thành phần hóa học khác

Khả năng hòa tan của khí phụ thuộc vào nhiệt ñộ cũng như áp lực riêng của khí

3.2.5.3 Pha thứ ba

Sự hình thành lớp phủ bằng phun

Quá trình tạo thành lớp phủ bằng phun kim loại tương ñối phức tạp Trên

cơ sở những kết quả của nhiều thí nghiệm và tính toán, người ta ñã xác ñịnh rằng: các phần tử kim loại trong thời ñiểm va ñập lên bề mặt phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng lớn

ðể hiểu sự hình thành lớp phủ cần phải chú ý các hiện tượng xảy ra khi va ñập của các phần tử lên bề mặt ( vật liệu nền) kim loại cần ñược phun phủ

Vấn ñề thứ nhất là năng lượng ñộng năng của các phần tử va ñập lên bề mặt phun gây ra lực tác ñộng và biến dạng rất nhanh, mạnh Năng lượng ñộng năng này ñược xác ñịnh bằng tốc ñộ của phần tử khối lượng của chúng :

Ek = 1,2 mv2 (3-1)

Bởi vậy các phần tử có ñộ lớn khác nhau sẽ có năng lượng ñộng năng khác nhau ( khi chúng có cùng tốc ñộ) Tốc ñộ bay của các phần tử là một nhân tố cho việc xác ñịnh sự biến dạng của một phần tử Tốc ñộ cần thiết cho một vài kim loại khi va ñập lên bề mặt chi tiết phun ñược tính toán theo phương trình sau:

C x

Vấn ñề thứ hai cần quan tâm ñể xác ñịnh sự biến dạng của các phần tử, ñó

là khả năng biến dạng của các phần tử Lớp vỏ oxyt trên các phần tử có ảnh hưởng rất lớn ñến tính chất này ðiều cần khẳng ñịnh là: trong thời ñiểm va ñập lớp oxyt là lỏng, thì trong trường hợp này không thể giữ ñược sự biến dạng của các phần tử và ngược lại ở các phần tử có lớp oxyt vỏ cứng thì khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác ñịnh bằng vỏ bọc này

Khả năng biến dạng của các phần tử thép với màng bọc oxyt ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước, ñồng thời nó không kết thúc ngay mà còn xảy ra biến dạng tiếp theo do sự tác dụng của cá phần tử sau, giống như sự tác dụng của rèn Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh

hãy còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, giữa chúng dễ xảy ra liên kết kim loại với nhau

3.2.5.4 Tương tác vật liệu nền và vật liệu phun

Sự tương tác vật liệu nền và vật liệu hạt phun trên từng khoảng bề mặt tiếp

xúc có thể hình dung thành 3 giai ñoạn nối tiếp nhau:

1 Sự xích lại gần nhau ñến mức tạo mối tiếp xúc vật lý giữa chúng, có nghĩa là trên một khoảng cách tương ñương với kích thước mạng tinh thể

2 Sự hoạt hóa các bề mặt tiếp xúc và tương tác hóa học giữa các vật liệu trên bề mặt phân tách pha

3 Quá trình tiếp tục phát triển theo thể tích, dẫn ñến sự khuếch tán lẫn nhau của các vật liệu hạt và nền qua mặt phân cách, tạo nên các liên kết hóa học Trong khi phun, thì thời gian tương tác chỉ khoảng 1/100.000 – 1/10.000 giây, sau ñó các hạt sẽ kết tinh, nguội ñi nhanh chóng và mất khả năng tương tác

Với một khoảng thời gian ngắn như vậy, quá trình khuếch tán không sâu

và ít ảnh hưởng tới ñộ bám của hạt Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu phụ thuộc vào mức ñộ liên kết hóa học, mà biểu hiện bề ngoài của nó sự xuất hiện những khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc Giai ñoạn tiếp xúc vật lý không hạn chế sự tương tác bởi vì dưới tác ñộng xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanh chóng bị dàn mỏng ra và ép chặt vào lớp nền

Các tính toán cho thấy nếu 2 giai ñoạn ñầu kịp kết thúc thì giai ñoạn 3 (khuếch tán) chỉ kịp xảy ra chủ yếu dựa vào các khuyết tật mạng Các biến dạng dẻo tại vùng tiếp xúc khi hạt va ñập với nền sẽ giúp tăng cường khuếch tán Ngoài ra nhiệt ñộ tiếp xúc cao cũng tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán

Do lớp phun là một loại vật liệu có cấu tạo lớp hình thành từ lòng các hạt nóng chảy cho nên có hai khả năng tương tác giữa các hạt tại vết phun:

1 Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt ñã bám trước, nhưng chưa kịp ñông cứng

2 Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt ( kết tinh) ñang ñông cứng nhưng chưa nguội hoàn toàn, có nghĩa là nhiệt ñộ hạt ñó còn cao hơn nhiệt ñộ nền

3.3 Vật liệu phun [2], [10]

Vật liệu sử dụng cho phun phủ ñược các nhà cung cấp phân loại làm 3 nhóm chính theo mục ñích sử dụng

*Nhóm vật liệu gốm, oxyt kim loại: Sử dụng cho phủ cách ly hay bảo vệ

chi tiết nền Sau khi phủ không cần gia công

* Nhóm kim loại và hợp kim:

Nhóm này tương ñối ña dạng, có thể chỉ là những kim loại như kẽm dùng

ñể phủ bảo vệ chống oxy hóa trong ñiều kiện môi trường hay có thể là hợp kim như: niken, crom, volfram, molipden, mangan, silic, ñồng, nhôm, sắt,… với mục ñích bảo vệ chống oxy hóa, tăng ñộ cứng, ñộ mài mòn thông thường, chịu nhiệt,… tùy thuộc vào các thành phần kim lọa trong hợp kim Nhóm này ñược phân theo kim loại nền, kim loại mà trong ñó là thành phần chủ yếu như:

+ Trên nền kim loại sắt: với mục ñích sử dụng chủ yếu làm tăng ñộ cứng

Vật liệu phun có thể ở dạng dây, dạng thỏi, dạng bột Trong hầu hết các trường hợp, vật liệu phun ñược cung cấp dưới dạng bột Tuy nhiên, với nguồn nhiệt như nhau thì các lớp phun bằng dây có mật ñộ lớn hơn và ít oxyt hơn là phun bột cùng mác vật liệu ñó Nhược ñiểm nữa của phun bột là khó ñảm bảo cấp liệu ổn ñịnh vì thành phần cấp hạt, hình dạng hạt, cùng những yếu tố khác

Ưu ñiểm chính của phun bột là giá thành hạ, công nghệ tạo bột không phức tạp, nhất là có những loại vật liệu không thể làm thành dây phun theo các công nghệ thông thường vì chúng cứng và giòn

Các phương pháp phun plasma và phun nổ hiện hành, chủ yếu dùng ựể tạo lớp phủ từ kim loại khó nóng chảy, cho nên chủ yếu là phun bột Nếu phun plasma những vật liệu có nhiệt ựộ nóng chảy không cao, thì người thường sử dụng ngay những loại bột có thể phun bằng ngọn khắ cháy

Hạt bột dùng ựể phun, phải có hình cầu là tốt nhất, nếu không thì cũng phải là dạng hạt rời Loại hạt này có ựộ chảy tốt, tạo thuận lợi ựiều chỉnh lưu lượng cấp bột Nếu hạt bột có hình dạng phức tạp, kèm nhiều chỗ lồi thì khó lưu thông trong ựường dẫn từ bình cấp bột tới ựầu phun Kết quả là do sự ựọng lại của từng lớp bột trên bình cấp liệu mà có hiện tượng cấp bột không ựều Mặt khác, hạt bột không cầu, dễ bị oxy hóa chỉ chuyển ựộng trong luồng khắ nóng, làm giảm chất lượng phun Kắch thước của hạt bột phun và thành phần cấp hạt

có ảnh hưởng lớn trong quá trình phun, ựến tắnh chất vật liệu lớp phun phủ Người ta lựa chọn kắch thước hạt chủ yếu phụ thuộc vào ựặc tắnh nguồn nhiệt, các tắnh chất nhiệt vật lý của vật liệu phun, nhiệt ựộ nóng chảy, nhiệt dung riêng, mật ựộ và nhiều thông số khác Thông thường, dùng bột mịn ựể phun thì lớp phun sẽ ắt rồ xốp hơn Nhược ựiểm của lớp phủ ựó là chứa một lượng lớn oxid do hạt bị quá nhiệt khi chuyển ựộng trong luồng khắ nhiệt ựộ cao

Nếu dùng bột có thành phần cỡ hạt không ựồng ựều thì những hạt nhỏ hơn

sẽ bị nóng chảy ngay gần ựiểm cấp bột vào bép phun, tạo vón cục ngay tại ựó và

có thể dẫn ựến lỗ phun bị chảy; đôi khi, những vón cục này ựạt kắch thước ựủ lớn và bị luồng plasma kéo văng, bay ra ở dạng những giọt kim loại lỏng ựọng lại trên bề mặt lớp phun, làm hỏng bề mặt phun để tránh những hiện tượng ựó, nên dùng bột có cấp hạt nhất ựịnh ựể phun Thường, dùng cấp hạt 44ọ100 ộm Khi bảo quản và vận chuyển bột phun, phải giữ ựể bột không bị ẩm

Chúng ta xem xét thành phần hóa học và các tắnh chất của những loại bột phun từ kim loại

3.3.1 Kẽm

Trong bảng 3.1 và 3.2 nêu các tắnh chất của bột kẽm dùng ựể phun Thông thường bột này ựược chế tạo bằng phương pháp phun nóng chảy Lớp phun bột kẽm dùng ựể chống gỉ

ðộ sạch, %

99,8 99,8 99,8

Vết Vết 0,030

0,003 0,002

99,0 99,0 99,0 99,0

< 1

-

10-20 10-20 5-15

< 1

25-35 25-35 30-40 25-35

25-40 40-55 45-65 65-70

Bảng 3.4 Tạp chất trong bột nhôm dùng ñể phun, %

Zn (AT) -150

Zn (AT)- sạch

0,097 0,044

0,10 0,015

0,010 0,010

bề mặt grafit cứng Tuy nhiên nếu phun trực tiếp vônfram lên grafit thì lại tạo ra cacbit vônfram dễ nóng chảy hơn Bởi thế, người ta hay phun một lớp lót tantal, trước khi phun vônfram Trong trường hợp này, tantal có chức năng lớp rào cản hạn chế tác dụng của vônfram với lớp nền Lớp phủ vônfram có tỷ trọng (mật ñộ) cao và nhiều tính năng tốt so với nhúng vào kim loại nóng chảy hoặc bốc bay chân không

3.3.5 Thép không rỉ và nicrom

Cũng là những mác thép dùng làm dây phun, bột có dạng cầu Lớp phủ bột từ những loại thép này có tính chất chống gỉ, chịu nhiệt và chịu mài mòn Lớp phủ nicrôm (80% ni - 20% Cr) là loại chống gỉ và chịu nhiệt, có thể dùng làm lớp lót trước khi phun gốm Lớp lót nicrôm bám dính tốt với lớp gốm Ngoài ra, lớp phủ này có tỷ trọng cao, chống sự lọt khí có hại từ môi trường qua

lỗ xốp phủ ñể tác ñộng tới kim loại cần bảo vệ

3.3.6 Hợp kim Coban và Niken

Các hợp kim trên nền côban, bao gồm crôm, vônfram và sắt, có ñộ cứng cao và không giảm ñộ cứng tại nhiệt ñộ cao, có ñộ chịu mài mòn và chống gỉ tốt Trong hầu hết các trường hợp, những hợp kim này ñược dùng ñể phun cùng với

bo, silic, tạo ra hệ tự tạo xỉ, mà sau khi phun có thể làm nóng chảy Khi phun plasma những hợp kim này, ngay sau khi phun do nó tự nóng chảy nên ñã có lớp phủ ñặc xít Cho nên, người ta thường không làm nóng chảy thêm

3.3.7 Những hợp kim tự tạo xỉ

Khi phun hợp kim tự tạo xỉ và làm nóng chảy tiếp theo, ta sẽ có lớp phủ không rỗ khí Người ta thường dùng hợp kim tự tạo xỉ mà sau khi phun không cần làm nóng chảy ðây là loại hợp kim hệ Ni - Cr - B - Si trên nền niken, có thể thay thế Cr bằng Co Lớp phủ thuộc hệ này có nhiều tính năng ưu việt: chịu mài mòn, chịu ăn mòn, chống gỉ, chịu axit ở nhiệt ñộ cao Thông thường vật liệu này ở dạng bột, hãn hữu mới dùng dạng dây từng ñoạn ngắn bằng cách ñúc thỏi hoặc là dây bột kết dính bằng nhựa

Trong bảng 3.5 và 3.6 là những mác hợp kim tự tạo xỉ trên nền niken do hãng "Wall Colmonoy" ở Mỹ chế tạo Thời gian gần ñây, Nhật Bản cũng ñã chế tạo ñược những mác tương ñương Chẳng hạn, Colmonoy 6 là một loại hợp kim

tự tạo xỉ ñiển hình Hợp kim này có ñộ cứng cao nhất Các mác hợp kimColmonoy 4 và 5 có ñộ cứng thấp hơn nhưng ñộ bền va ñập lại cao hơn và

xu hướng tạo vết nứt thấp hơn Trong mác Colmonoy có thêm vônfram Hợp kim này có ñộ cứng cao ở nhiệt ñộ cao, có tính rèn tốt, cùng những tính chất chống

ăn mòn cao Trong hợp kim colmonoy 20 ñể cải thiện tính gia công thì ñộ cứng

có giảm Hợp kim C-290 sau phun không phải làm nóng chảy lại và người ta dùng luôn lớp phủ vẫn còn rỗ khí tạo ra trong khi phun Hợp kim này ñược dùng

ñể phun lên bề mặt ổ trượt Hợp kim Ni 75 khác với hợp kim Colmonoy 6 ở lượng cacbit vônfram cho thêm Các lớp phủ từ hợp kim này có ñặc tính bôi trơn tốt Hợp kim có thể chứa nhiều lượng bổ sung cacbit vônfram (tới 80%)

Những hợp kim coban tự tạo xỉ mà sau khi phun phải làm nóng chảy thì nêu tại bảng Những ñại diện ñiển hình của nhóm này có thể là stelit với nhiều mác khác nhau ñược sản xuất quy mô công nghiệp dùng cho phun

10,00 11,50 13,50 11,50 5,00 25,00 12,50 13,25

2,00 2,50 3,00 2,50 1,00 3,00 2,75 1,50

2,25 3,75 4,25 3,25 3,00 2,75 4,00 2,50

2,50 4,25 4,75 3,75 3,50 1,00 4,50 45,00

0,45 0,65 0,75 0,55 0,25 0,75 0,70 0,45

-

-

- 16,00W 10,00W 46,50 Co

< 0,20 Co

-

8,22 8,14 7,80 8,50

50 56-

61 50-

55 15-

-

-

-

1,90 2,90 3,35

3,50 4,50 4,40

-

- 0,60

-

- 0,14

-

- 20,15

3,5 - 5,0

3,5 - 5,0 - - -

Ni - Cr - Si - 82,0 7,0 2,90 4,50 - - - 60