Nghiên cứu công nghệ chế tạo bạc compozit nền đồng - Hạt thép hai lớp (có vỏ thép) bằng phương pháp đúc

óc hÖ hîp kim ®ång - h¹t thÐp bao gåm nÒn c¬ b¶n lµ ®ång hîp kim m¸c ЬРОЦС-5.5.5 vµ ЬРОЦС 6-6-3 vµ pha cøng lµ h¹t thÐp CT45 vµ ШХ15. VËt liÖu ®óc compozit, theo c¬ së lý thuyÕt Tribology lµ hÖ vËt liÖu cÊu tróc lín, ®ång ®Òu hîp lý nhÊt, ë ®ã c¸c h¹t thÐp ®−îc ph©n bè ®Òu trong lßng hîp kim nÒn ®ång cña vËt ®óc. Khi lµm viÖc, lùc t¸c dông chñ yÕu lªn c¸c pha r¾n, c¸c hîp kim nÒn cã t¸c dông ph©n t¸n, gi¶i phãng lùc. C¸c nguyªn tè trong cÊu tróc ®−îc ®−a vµo ®Ó thùc hiÖn nh÷ng chøc n¨ng kh¸c nhau: H¹t thÐp (pha r¾n) cã ®é bÒn cao ®¶m b¶o cho vËt liÖu cã kh¶ n¨ng chÞu t¶i, chÞu mµi mßn lín, hîp kim ®ång (pha mÒm) cã t¸c dông lµm h×nh thµnh c¸c líp mµng máng b¶o vÖ bÒ mÆt tiÕp xóc, gi¶m ma s¸t khi vËt liÖu lµm viÖc. 8 1.2 Ph−¬ng ph¸p ®óc nhiÒu líp kim lo¹i hoÆc hîp kim C¸c nhµ khoa häc trªn thÕ giíi ®· nghiªn cøu vµ cho s¶n xuÊt ra nhiÒu s¶n phÈm ®óc bimªtal tõ nh÷ng n¨m 35.. 45 cña thÕ kû tr−íc, tiªu biÓu lµ bé ®«i thÐp c¸c bon vµ hîp kim ®ång, ®Ó lµm b¹c cho c¸c chiÕn xa phôc vô thÕ chiÕn thø hai. §· xuÊt hiÖn nh÷ng d©y truyÒn s¶n xuÊt hiÖn ®¹i chuyªn ®óc s¶n phÈm b¹c b»ng vËt liÖu bimªtal (nhµ m¸y « t« Zil Liªn x« cò). §óc nhiÒu líp kim lo¹i hoÆc hîp kim lµ sù liªn kÕt chÆt chÏ gi÷a hai hay nhiÒu líp kim lo¹i hoÆc hîp kim cã nh÷ng thµnh phÇn ho¸ häc kh¸c nhau trong khu«n ®óc. VËt ®óc nhiÒu líp hîp kim cho phÐp t¹o ra nh÷ng tÝnh n¨ng kÜ thuËt míi, ®Æc biÖt lµ tÝnh n¨ng sö dông. Nã cã ®−îc mäi tÝnh −u viÖt cÇn thiÕt cña mçi líp kim lo¹i, nªn chi tiÕt sÏ cã hiÖu qu¶ sö dông cao nhÊt, khèi l−îng thÊp nhÊt. Nh÷ng chi tiÕt nµy nhê tÝnh liªn kÕt bÒ mÆt hai líp, hoÆc lµ nhê tæng hîp thµnh phÇn cña nhiÒu líp kim lo¹i, n©ng cao ®−îc c¬ lý tÝnh cña chi tiÕt. VËt liÖu ®óc nhiÒu líp ®−îc chÕ t¹o b»ng nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau trªn c¬ së ®¶m b¶o sù liªn kÕt v÷ng ch¾c cña c¸c lo¹i hîp kim h×nh thµnh chi tiÕt m¸y. HiÖn nay ng−êi ta biÕt hai ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ c¬ b¶n (6,7,8): - Ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ cña pha láng + pha r¾n. §ã lµ nung phÇn hîp kim r¾n tíi nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh vµ rãt kim lo¹i láng vµo khu«n. Do ë nhiÖt ®é cao, trªn bÒ mÆt c¸c líp sÏ xÈy ra hiÖn t−îng khuÕch t¸n c¸c nguyªn tè cña c¸c pha láng vµo pha r¾n t¹o nªn sù liªn kÕt cña c¸c líp kim lo¹i. - Ph−¬ng ph¸p c«ng nghÖ cña pha láng + pha láng. §ã lµ: trong cïng mét khu«n rãt hai kim lo¹i láng t¹i hai thêi ®iÓm kh¸c nhau. Sù khuÕch t¸n gi÷a hai kim lo¹i láng (nh−ng kh«ng hoµ tan) sÏ t¹o nªn sù liªn kÕt cña c¸c líp kim lo¹i trong khu«n. C«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp ®−îc ph¸t triÓn trªn c¬ së kinh nghiÖm c«ng nghÖ ®óc hai líp (bimetal) hîp kim, tiÕp xóc nhau mµ kh«ng hoµ tan, ®ång thêi lµ kÕt qu¶ nghiªn cøu qu¸ tr×nh liªn kÕt gi÷a pha láng + pha r¾n vµ pha láng + pha láng. ¸p dông c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp cho phÐp gi¶m chi phÝ vËt liÖu, gi¶m 9 träng l−îng m¸y mãc thiÕt bÞ, gi¶m chi phÝ lao ®éng. Bëi ®−îc chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p nµy sÏ ®¸p øng tèt nhÊt c¸c yªu cÇu, c¸c ®Æc tÝnh cña chi tiÕt m¸y. C«ng nghÖ ®óc hai hay nhiÒu líp hîp kim cã thÓ t¹o ra c¸c chi tiÕt cã h×nh d¸ng phøc t¹p. §óc nhiÒu líp hîp kim cho phÐp n©ng cao ®é bÒn, chèng mµi mßn côc bé (vïng chèng mµi mßn theo ý muèn), tr¸nh ®ù¬c tÝnh dßn vµ dÔ vì cña gang, hoÆc cña nhãm c¸c bÝt, t¹o nªn hiÖu qu¶ kinh tÕ cña vËt liÖu, n©ng cao tÝnh chÊt c«ng nghÖ cña ph«i vµ t¹o ra tÝnh chÊt c¬ lý míi cho chi tiÕt. §¹i bé phËn nh÷ng gi¶i ph¸p c«ng nghÖ c¸c n−íc chän kim lo¹i lµm cèt lµ thÐp c¸c bon kÕt cÊu, ®−îc chÕ t¹o thµnh b¸n s¶n phÈm hoÆc chi tiÕt, sau ®ã ®−îc lµm s¹ch bÒ mÆt, t×m c¸ch b¶o vÖ bÒ mÆt ®ã chèng « xy ho¸ ë nhiÖt ®é nung nhÊt ®Þnh, tiÕp lµ nÊu luyÖn hîp kim víi thµnh phÇn theo ý muèn råi rãt vµo khu«n, ®Ó nguéi cïng khu«n, lÊy ra kiÓm tra chÊt l−îng b¸m dÝnh vµ cho ®i gia c«ng thµnh s¶n phÈm hoµn chØnh. Ngoµi ra, còng cã c«ng nghÖ ®óc nhóng, hoÆc ®óc ly t©m. §óc hai hay nhiÒu kim lo¹i láng kh¸c nhau kÕt hîp cïng lóc, hoÆc theo thø tù rãt kim lo¹i láng vµo mét khu«n cho s¶n phÈm bi mªtal. ViÖc nghiªn cøu vµ øng dông thµnh c«ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp mét c¸ch réng r·i ®· më ra h−íng míi trong trong ngµnh chÕ t¹o chi tiÕt m¸y. VËt liÖu cho phÐp n©ng cao thêi gian sö dông thiÕt bÞ, tiÕt kiÖm vËt t− vµ c¸c chi phÝ duy tu b¶o d−ìng. Chi phÝ ®Çu t− thiÕt bÞ vµ vËt t− cho s¶n xuÊt thÊp, kh¶ n¨ng tËn dông vËt t− phÕ liÖu cho phÕp h¹ gi¸ thµnh s¶n phÈm. V× vËy hiÖn nay nhiªu ®¬n vÞ tiÕp tôc nghiªn cøu s©u vËt liÖu nµy. Do ®é cøng, ®é bÒn cña nÒn hîp kim ®ång thÊp nªn chÞu lùc nÐn ch−a cao. §Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò trªn c¸c nhµ khoa häc ®ang nghiªn cøu b»ng viÖc t¹o mét líp vá thÐp. Nhê líp vá thÐp cã ®é bÒn cao h¬n ta cã thÓ yªn t©m l¾p thay thÕ cho c¸c thiÕt bÞ chÞu t¶i lín vµ më réng giíi h¹n sö dông cña vËt liÖu. §ång thêi tiÕt kiÖm ®−îc mét phÇn vËt liÖu quý, ®¾t tiÒn lµ hîp kim ®ång vµ h¹t thÐp. 10 T¸c gi¶ Ephimov sau khi kh¶o s¸t viÖc sö dông s¶n phÈm ®−îc chÕ t¹o b»ng c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp t¹i mét sè xÝ nghiÖp cña Liªn x« cò ®· tæng kÕt theo (b¶ng 1). B¶ng 1(Theo m¸c Liªn X« cò) ChÕ t¹o hµng lo¹t S¶n phÈm theo c«ng nghÖ bimetal TiÕt kiÖm kim lo¹i T T Tªn s¶n pnÈm VËt liÖu Khèi l−îng (kg) Bé ®«i bimetal Kim lo¹i c¬ b¶n Kim lo¹i cña phÇn lµm viÖc ThÐp-gang HK(%) theo khèi l−îng ThÐp kÕt cÊu (kg) 1 B¸nh l¨n ThÐp ®óc 45 14.8 C45- gang cÇu 9.5 5.3 - 6.3÷8 2 Bóa nghiÒn than ThÐp 45-T- 620 12.2 ThÐp 45- ИЧХ28 11.5 2.7 77 4.8÷5.4 3 Tay gÇu xóc ThÐp ЭИ- 256 87.4 ThÐp 45- thÐp X12 53.4 34 61 153 C¸c s¶n phÈm ®óc bimªtan sö dông thÐp kÕt cÊu c¸c bon trung b×nh cho phÐp tiÕt kiÖm ®−îc kho¶ng 60% nhu cÇu ®èi víi thÐp hîp kim cao. ЭИ-256, thÐp Mn13, BK .v.v. TÝnh chÊt vËt ®óc nhiÒu líp hîp kim phô thuéc rÊt nhiÒu vµo chÊt l−îng cña t×nh tr¹ng bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c thµnh phÇn hîp kim, kh«ng ®−îc phÐp cã khuyÕt tËt t¹i vïng tiÕp xóc, v× ë ®Êy diÔn ra qu¸ tr×nh ph¶n øng lý - ho¸ phøc t¹p vµ liªn tôc, nghiªm ngÆt (7). V× vËy viÖc lµm s¹ch bÒ mÆt vµ b¶o vÖ mÆt kim lo¹i r¾n khi nung lµ vÊn ®Ò phøc t¹p cÇn tu©n thñ quy tr×nh nghiªm ngÆt. C«ng nghÖ mang tÝnh kinh tÕ næi bËt khi më réng vµ ph¸t triÓn c«ng nghÖ ®óc hai hay nhiÒu líp hîp kim. §Æc ®iÓm lµ tiÕt kiÖm lín thÐp hîp kim vµ kim lo¹i quý hiÕm, t¨ng 1,5- 4 lÇn hÖ sè an toµn chi tiÕt, gi¶m 1,5 - 2 lÇn n¨ng l−îng, gi¶m chi phÝ cho phôc vô s¶n xuÊt, khÊu hao thiÕt bÞ. 11 1.3 T×nh h×nh nghiªn cøu c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp vµ b¹c compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp t¹i ViÖt Nam. C«ng nghÖ ®óc bimªtal ®· ®−îc më ra b»ng nh÷ng ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc vµ c«ng nghÖ, nh−ng chñ yÕu giíi h¹n ë s¶n phÈm ®¬n chiÕc hoÆc sè l−îng nhá chÊt l−îng kh«ng æn ®Þnh, ®é bÒn trong sö dông ch−a cao, vµ còng chØ míi chän bé ®«i hîp kim s¾t + hîp kim mµu.§óc b¹c thÐp + hîp kim ®ång ch× lµ s¶n phÈm vµ ®èi t−îng tiªu biÓu mµ c¸c c¬ së nghiªn cøu, s¶n xuÊt trong n−íc ®· thùc hiÖn nh−ng hiÖn nay còng kh«ng cßn n¬i nµo s¶n xuÊt. ViÖn c«ng nghÖ - thuéc Tæng côc Quèc phßng - Bé Quèc Phßng ®· nhiÒu n¨m ®i s©u nghiªn cøu chÕ t¹o b¹c b»ng ph−¬ng ph¸p ®óc, Ðp vµ thiªu kÕt kim lo¹i bét. Nh−ng ®Òu dõng l¹i ë s¶n phÈm thÝ nghiÖm hoÆc tao ra c¸c s¶n phÈm cña ®Ò tµi. Nhµ m¸y §iªzen S«ng c«ng ®· ®óc b¹c thÐp + hîp kim ®ång ch× b»ng ph−¬ng ph¸p ®óc nhóng. NhiÒu c¬ së kh¸c ®· nghiªn cøu vµ ®óc thö lo¹i s¶n phÈm trªn b»ng vËt liÖu lµ thÐp + hîp kim ®ång - ch×, víi c«ng nghÖ ®óc kh¸c nhau: Nh− ®óc nhóng, ®óc ly t©m, ®óc trong khu«n kim lo¹i. Nh÷ng v−íng m¾c lín nhÊt mµ c«ng nghÖ ®óc bimªtal lµ tÝnh b¸m dÝnh, thiªn tÝch, ®é bÒn trong sö dông kh«ng ®Òu nhau. §èi víi lo¹i vËt liÖu kh¸c nh− Gang - XAM (Zn + Al + Cu) nhµ m¸y Z153 - TCKT Bé Quèc Phßng ®· ®óc thµnh c«ng gèi ®ì trôc m¸y c¸n cao su, b»ng ®óc bimªtal vá lµ gang x¸m, mÆt lµm viÖc lµ hîp kim kÏm - nh«m- ®ång. Nh−ng rÊt tiÕc còng chØ dõng ë ®¬n chiÕc, mang tÝnh chÊt dÞch vô c¬ ®iÖn. ViÖn C«ng nghÖ, thuéc Tæng c«ng ty m¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nghiÖp - Bé c«ng nghiÖp nghiªn cøu nh÷ng c¬ së lý thuyÕt ®óc bimªtal, mét vµi hîp kim kh¸c nhau. GÇn ®©y ®· thµnh c«ng trong triÓn khai c«ng nghÖ t¹o s¶n phÈm ®óc compozÝt kim lo¹i b»ng ph−¬ng ph¸p thÈm thÊu. KÕt hîp c«ng nghÖ trªn víi lý thuyÕt vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p ®óc nhiÒu líp chóng t«i ®· nghiªn cøu chÕ t¹o b¹c compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp. 12 Qua t×nh tr¹ng trªn cho thÊy c«ng nghÖ ®óc bimªtal nãi chung thuéc lo¹i ®Æc biÖt phøc t¹p, cÇn cã nh÷ng nghiªn cøu s©u h¬n, c¬ b¶n h¬n th× míi cã thÓ ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh c«ng nghÖ, t¹o ra ®−îc s¶n phÈm cã chÊt l−îng theo ý muèn. Riªng ®óc bimªtal tõ c¸c vËt liÖu compozit th× ch−a cã c¬ së nµo nghiªn cøu, chÕ t¹o. 1.4 T×nh h×nh nghiªn cøu c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp vµ compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp trªn thÕ giíi. Nh÷ng n¨m 70 cña thÕ kû XX t¹i Liªn x« vµ ch©u ¢u ®· xuÊt hiÖn nhiÒu d©y chuyÒn c¸n b¨ng b»ng vËt liÖu thÐp c¸c bon vµ hîp kim ®ång vµ nh÷ng bé ®«i kh¸c lµ s¾t vµ kim lo¹i mµu. Trong ®ã cã nhµ m¸y «t« h¹ng nÆng Bela cña Nga; HiÖn nay ViÖn VËt lý vµ C«ng nghÖ c¸c kim lo¹i vµ hîp kim thuéc ViÖn Hµn L©m khoa häc Ucraina ®ang nghiªn cøu chÕ t¹o b¹c kompozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp vµ ®· t¹o ®−îc nh÷ng s¶n phÈm thÝ nghiÖm ®Çu tiªn. Nh÷ng n¨m 80 cña thÕ kû XX, mét lo¹t nh÷ng Trung t©m khoa häc chuyªn vÒ ®óc ®· b¾t tay vµo nghiªn cøu vµ x©y dùng lý thuyÕt c¬ b¶n vÒ kim lo¹i häc, b¶n chÊt hiÖn t−îng khuÕch t¸n nguyªn tö gi÷a hai hay nhiÒu hîp kim kh¸c nhau, hiÖn t−îng lý nhiÖt, ®éng lùc häc cña qu¸ tr×nh h×nh thµnh ph«i ®óc hai hay nhiÒu líp kim lo¹i kh¸c nhau. §Æc biÖt lµ c¸c hîp kim trªn nÒn s¾t. X©y dùng quy tr×nh c«ng nghÖ ®óc s¶n phÈm, lý thuyÕt vÒ chän bé ®«i cho ®óc bi mªtal. §iÓn h×nh lµ nh÷ng bé ®«i sau ®©y: ThÐp ®óc 40Cr – Gang x¸m ThÐp ®óc C 25 – Gang 280Cr28Ni4 ThÐp ®óc C25 – ThÐp Cr12Mo ThÐp ®óc C25 – ThÐp ®óc Mn13 ThÐp ®óc C25 – Hîp kim ®ång 13 Tõ nh÷ng s¶n phÈm vµ vËt liÖu chän bé ®«i nh− trªn ®· sö dông cã hiÖu qu¶ trong c¸c ngµnh chÕ t¹o m¸y, c«ng nghiÖp luyÖn kim, n¨ng l−îng, c«ng nghiÖp mÝa ®−êng còng nh− nh÷ng ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c. 1.5 Nhu cÇu phô tïng s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p ®óc nhiÒu líp vµ b¹c compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp. Thùc tÕ trong c«ng nghÖ khai th¸c kho¸ng s¶n, còng nh− trong c¸c ngµnh chÕ biÕn, s¶n xuÊt xi m¨ng, nhiÖt ®iÖn, hµng n¨m sö dông réng r·i vµ víi khèi l−îng rÊt lín nhãm c¸c phô tïng chÕ t¹o b»ng vËt liÖu chÞu mµi mßn do ma s¸t vµ t¸c ®éng va ®Ëp cao: R¨ng gÇu xóc, bóa ®Ëp than vµ ®Ëp ®¸ tõ thÐp mangan cao, tÊm lãt cña c¸c lo¹i m¸y nghiÒn b»ng gang hîp kim Cr«m cao. Trong chÕ t¹o dông cô c¾t sö dông hîp kim cøng BK, hoÆc TK v.v . Nh−ng ®øng vÒ khèi l−îng sö dông h÷u Ých trªn mçi chi tiÕt, chØ chiÕm tíi 20÷30%. PhÇn cßn l¹i trë thµnh phÕ liÖu, s¾t thÐp vôn. NhiÒu c¬ së ¸p dông ph−¬ng ph¸p hµn phôc håi, nh−ng chÊt l−îng, vµ gi¸ thµnh kh«ng chÞu ®ùng ®ù¬c (bóa ®Ëp ®¸). ChØ tÝnh riªng c¸c lo¹i chi tiÕt chÞu mµi mßn va ®Ëp vµ ma s¸t, hµng n¨m còng tíi hµng ngh×n tÊn. NhÊt lµ trong c¸c ngµnh c«ng nghiªp nhiÖt ®iÖn vµ s¶n xuÊt xi m¨ng, rÊt cÇn c¸c lo¹i b¹c cã thÓ lµm viÖc chÞu mµi mßn tèt trong ®iÒu kiÖn t¶i träng lín, nãng bôi vµ kh«ng ®−îc b«i tr¬n. §©y lµ ch−a kÓ ®Õn nhu cÇu chÕ t¹o b¹c trªn vËt liÖu thÐp + hîp kim ®ång thanh phôc vô chÕ t¹o ®éng c¬ ®iªzel. Nh− vËy, nhiÒu n¬i vµ nhiÒu ngµnh ®ang cã nhu cÇu sö dông. NÕu cã c«ng nghÖ b¶o ®¶m chÊt l−îng vµ s¶n xuÊt n¨ng xuÊt mang tÝnh c«ng nghiÖp cao sÏ ®em l¹i nhiÒu lîi Ých kinh tÕ , tiÕt kiÖm ®¸ng kÓ nguån kim lo¹i quý hiÕm, tiÕt kiÖm chi phÝ gia c«ng, t¹o b−íc ®ét ph¸ trong c«ng nghÖ vËt liÖu vµ chÕ t¹o m¸y. B¹c compozit do ViÖn C«ng NghÖ chÕ t¹o ®· ®−îc thÞ tr−êng chÊp nhËn vµ cã uy tÝn cao vÒ chÊt l−îng. Thêi gian sö dông cña chi tiÕt chÕ t¹o b»ng vËt liÖu nªu trªn kÐo dµi gÊp tõ 4 ®Õn 5 lÇn so víi c¸c b¹c chÕ t¹o b»ng hîp kim ®ång tr−íc ®©y.Víi môc tiªu n©ng cao chÊt l−îng vµ tiÕt kiÖm ®¸ng kÓ chi phÝ chÕ t¹o 14 chóng t«i muèn thay thÕ mét phÇn vËt liÖu trªn b»ng thÐp - lµ vËt liÖu dÔ kiÕm vµ gi¸ rÎ h¬n. ChÝnh v× vËy, ®Ò tµi sÏ chän c¸c chi tiÕt ®Ó nghiªn cøu: B¹c hai líp: Compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp + líp vá thÐp CT25 víi c¸c lo¹i kÝch th−íc vµ l¾p cho nhiÒu thiÕt bÞ kh¸c nhau. II. PhÇn lý thuyÕt c¬ së 2.1. C¬ së lý thuyÕt c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp 2.1.1 Sù h×nh thµnh vïng chuyÓn tiÕp gi÷a hai líp tiÕp xóc vµ liªn kÕt nhê qu¸ tr×nh khuÕch t¸n. Mét phÇn chi tiÕt (pha r¾n) ®−îc ®Æt s½n trong khu«n ®óc, khi rãt kim lo¹i láng x¶y ra liªn kÕt thµnh thÓ thèng nhÊt. HiÖn t−îng trªn cã thÓ gi¶i thÝch lµ kÕt qu¶ cña lùc liªn kÕt c¬ häc, lùc dÝnh b¸m, lùc liªn kÕt nguyªn tö vµ qu¸ tr×nh khuÕch t¸n t¹o thµnh vïng tiÕp xóc. H×nh thµnh vËt ®óc nhiÒu líp lµ qu¸ tr×nh c«ng nghÖ phøc t¹p, phô thuéc vµo rÊt nhiÒu yÕu tè. Trong ®ã cã nhiÖt ®é nung ph«i r¾n vµ nhiÖt ®é rãt kim lo¹i láng, sù lùa chän hîp lý bé ®«i hîp kim, c«ng nghÖ nung ph«i r¾n, c«ng nghÖ lµm s¹ch bÒ mÆt tiÕp xóc... XÐt vÒ mÆt cÊu tróc h×nh häc vµ sù ph©n bè cña c¸c cÊu tö vËt liÖu gèc hîp thµnh, vËt liÖu compozit ®−îc coi lµ hÖ thèng vËt liÖu cã nÒn c¬ b¶n kh«ng æn ®Þnh (biÕn ®æi). Tuú theo yªu cÇu cña chi tiÕt vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o vµ tÝnh lµm viÖc, c¸c th«ng sè vÒ cÊu tö cøng vµ nÒn cña vËt liÖu compozit ®−îc thay ®æi (kÝch th−íc, h×nh häc, thµnh phÇn, ph©n bè...) vµ theo møc ®é kh¸c nhau quyÕt ®Þnh tÝch chÊt cña chóng. Do vËy khi x¸c ®Þnh nhiÖm vô chÕ t¹o vËt liÖu compozit ®Çu tiªn ph¶i x¸c ®Þnh cÊu tö, sù h×nh thµnh pha cøng vµ lùa chän thµnh phÇn cÊu thµnh compozit. C¸c ph−¬ng ¸n tæ hîp phong phó cña c¸c cÊu thµnh tuy ®a d¹ng nh−ng ph¶i theo mét nguyªn lý chung vÒ ph©n tÝch tæng hîp c¸c c¬ lý tÝnh h×nh thµnh vµ c¸c ®iÒu kiÖn kinh tÕ kü thuËt cô thÓ (3). Mét phÇn v« cïng quan träng lµ lùa chän ®−îc thµnh phÇn trî dung hîp lý. Nguyªn t¾c lùa chän trî dung cã thµnh phÇn tæng hîp tèi −u, cã thÓ b¶o vÖ ®−îc bÒ mÆt ngay c¶ khi qu¸ nhiÖt ®é nung kh«ng lín. §ång thêi còng lµ chÊt 15 t¹o nªn qu¸ tr×nh tinh luyÖn, lµm s¹ch bÒ mÆt khái c¸c oxÝt (7). §iÒu nµy cho phÐp më réng kh¶ n¨ng øng dông nh÷ng ph−¬ng ph¸p t¸c dông lý ho¸ cho qu¸ tr×nh ®óc liªn tôc b»ng c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp. ViÖn VËt lý c¸c kim lo¹i vµ hîp kim ®· kÕt hîp cïng ViÖn hµn Paton (thµnh phè KiÐp - Ucraina) nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt ho¸ lý cña hÖ thèng trî dung vµ ®· ®−a ra c¸c thµnh phÇn trî dung tæng hîp cã hiÖu qu¶ cao. §ã lµ trî dung cã nhiÖt ®é tr−íc cïng tinh cña hîp kim trªn c¬ së tæng hîp cña muèi Bor¸t (Na2B4O7.10H2O) vµ axÝt BorÝc (H2B4O7) víi c¸c thµnh phÇn ho¹t ho¸ phô kh¸c. Lo¹i trî dung tæng hîp nµy cã ®é hoµ tan c¸c oxÝt kim lo¹i cao, kh«ng bÞ ph©n huû ë nhiÖt ®é 1000 ÷ 1100 0C, t¨ng mËt ®é cña c¸c ion trong cÊu tróc. ChiÒu dµy líp mµng phñ trî dung ë nhiÖt ®é 1000 ÷ 1100 0C kho¶ng 0,4 ÷ 0,6 mm. Khi ®é nhít 4 ÷ 6 Pa.c, søc c¨ng bÒ mÆt 200 ÷ 210 Mdj/m2 vµ tû träng 2,0 ÷ 2,2 g/cm3. Gãc b¸m t¹i bÒ mÆt lµm viÖc trong kho¶ng (15 ÷ 20)0. Líp trî dung phñ nµy hoµn toµn cho phÐp b¶o vÖ nung mÆt kim lo¹i cã nÒn s¾t trong m«i tr−êng b×nh th−êng cña kh«ng khÝ, t¹o ®iÒu kiÖn cho qu¸ tr×nh liªn kÕt khuÕch t¸n gi÷a kim lo¹i láng vµ kim lo¹i r¾n. Líp trî dung b¶o vÖ tèt bÒ mÆt kÓ c¶ trong tr−êng hîp nhiÖt ®é nung cã thÓ cao h¬n nhiÖt ®é nãng ch¶y mét chót, chóng cã thÓ ®ãng vai trß trung hoµ c¸c oxÝt. §ång thêi t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh tinh luyÖn cña xØ gåm nhiÒu thµnh phÇn oxÝt (6). Khi rãt kim lo¹i láng vµo kim lo¹i r¾n, hiÖn t−îng khuÕch t¸n b·o hoµ bÒ mÆt th−êng xuyªn c¶n trë qu¸ tr×nh hoµ tan. Khi ®¹t ®−îc mËt ®é nhÊt ®Þnh cña c¸c nguyªn tè hîp kim sÏ x¶y ra hiÖn t−îng nãng ch¶y bÒ mÆt. Theo ®Þnh luËt Nernsta ®−a vµo kh¸i niÖm líp biªn giíi b·o hoµ, trong ®ã ®¹t ®−îc ®é ®Ëm ®Æc lín nhÊt cña kim lo¹i hoµ tan CA trong kim lo¹i láng “B” Nh− vËy ®é hoµ tan cña kim lo¹i viÕt nh− sau: Trong ®ã: ∆J = D d CA 4 - CA 16 d- ChiÒu dµy cña líp t¹i biªn giíi 2 líp. CA- Møc ®é kim lo¹i hoµ tan t¹i líp gÇn biªn giíi víi kim lo¹i láng. D- HÖ sè khuÕch t¸n. Trªn biªn giíi cña hai líp kim lo¹i cßn cã thÓ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ ∆U, do nh÷ng hiÖn t−îng c¶m øng nhiÖt ®iÖn tö hoÆc ion ho¸ c¸c nguyªn tö khuÕch t¸n (1). Mét qu¸ tr×nh ®ãng vai trß quan träng lµ cÇn nghiªn cøu tr¹ng th¸i øng suÊt nhiÖt cña vËt ®óc bimªtan, trong ®ã cã mèi quan hÖ tíi viÖc lùa chän cÆp kim lo¹i sÏ ®óc bimªtan ®Ó ®¶m b¶o tèt cho qu¸ tr×nh khuÕch t¸n, tèi −u ho¸ c«ng nghÖ chÕ t¹o ®Ó ®¹t ®−îc hiÖu qu¶ sö dông cao nhÊt. Gi¸o s− tiÕn sÜ KOSTENKO (ViÖn vËt lý c«ng nghÖ kim lo¹i vµ hîp kim - Ucraina) ®· nghiªn cøu rÊt kü hiÖn t−îng thÈm thÊu, khuyÕch t¸n cña cÆp bimªtan thÐp 25 - thÐp X12M trªn c¸c thiÕt bÞ ph©n tÝch hiÖn ®¹i (h×nh 1). 17 Ph©n bè c¸c nguyªn tè hîp kim vµ cÊu tróc cña c¸c khu vùc trong vïng khuÕch t¸n cña kim lo¹i láng vµ kim lo¹i r¾n trong vËt ®óc bimªtan. H×nh 1 a) §−êng cong ph©n bè ®èi víi cÆp bimªtan 40Cr - Gang x¸m. b) CÊu tróc cña cÆp bimªtan thÐp 25 - Cr12Mo. Vïng I: - NÒn kim lo¹i c¬ b¶n ®· cã mét sè kim lo¹i láng thÈm thÊu tíi. a b I IIIII I II III Vïng Cr, Mn Vïng Cu, Si 18 Vïng II: - Vïng gi¸p biªn víi kim lo¹i c¬ b¶n. ë ®©y cã hiÖn t−îng hoµ tan nÒn kim lo¹i c¬ b¶n vµ thÈm thÊu, khuÕch t¸n c¸c nguyªn tè hîp kim cña kim lo¹i vµo kim lo¹i r¾n. Vïng III:- Cã cÊu tróc vµ thµnh phÇn cña kim lo¹i phÇn lµm viÖc cña chi tiÕt bimªtan. Tû lÖ thµnh phÇn c¸c nguyªn tè hîp kim t¹i c¸c vïng cña cÆp bimªtan - thÐp25 vµ thÐp Cr12Mo B¶ng 2 Thµnh phÇn (% theo träng l−îng) TT Vïng nghiªn cøu C Si Cr Mn Fe Ni Mo 1 Vïng kim lo¹i nÒn (1) 0,3 0,25 0,3 0,5 98,8 0,1 0,0 2 Vïng biªn giíi hai hîp kim (2)(lÊy tõ phÝa thÐp Cr12Mo, ch−a cã c¸c bÝt) 1,4 1,5 7 0,7 88,8 0,1 0,4 3 Vïng thÐp pÐclÝt Cr12Mo (3) 2,6 1,7 12,4 0,7 81,5 0,1 0,9 Qua b¶ng kÕt qu¶ trªn ta thÊy t¹i vïng biªn giíi gi÷a 2 pha láng vµ r¾n ®· cã hiÖn t−îng khuÕch t¸n c¸c nguyªn tè hîp kim cña kim lo¹i láng vµo kim lo¹i r¾n. Nguyªn tè khuÕch t¸n ®−îc nhiÒu nhÊt lµ Cr, sau ®ã lµ Si, C vµ Mo. 19 HÖ sè khuÕch t¸n DЭФ cña c¸c nguyªn tè B¶ng 3 Bé ®«i bimetal Nguyªn tè khuÕch t¸n DЭФ cm2/s §é thÊm s©u trong thêi gian 100s, mkm ThÐp 20 Cr 1*10-10 4 ThÐp Cr12 Si 5*10-10 10 Mn 3,5*10-10 - ThÐp 25 Cr (1,2 ÷ 1,5)*10-10 1 ÷ 3 Gang Cr28Ni2 Ni 2,5*10-10 5 Si (4,0 ÷ 4,5)*10-10 10 ThÐp 25 Mn 4*10-10 10 Gang Si 6*10-10 10 Ghi chó: Kho¶ng nhiÖt ®é khuÕch t¸n 1400 ÷ 1420oC, 1250oC. Trong ®iÒu kiÖn m«i tr−êng phï hîp (nhiÖt ®é nung, nhiÖt ®é rãt kim lo¹i vµo khu«n cã vËt cÊy, kho¶ng thêi gian ë nhiÖt ®é ®ã) bÒ mÆt chi tiÕt cÊy cã ®é nhÊp nh« cho phÐp, hoÆc kh«ng bÞ «xy ho¸...) Lùc liªn kÕt nhê qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ®ãng vai trß hÕt søc quan träng. Ng−êi ta ®· x©y dùng ®−îc nh÷ng quy luËt phô thuéc gi÷a nhiÖt ®é nung, nhiÖt ®é rãt, cña hai thµnh phÇn láng + r¾n (gang - thÐp) lµ chi tiÕt cÊy vµ bÒ dµy vïng tiÕp xóc ®−îc t¹o nªn. Khi nghiªn cøu mèi liªn hÖ cña nhiÖt ®é rãt, nhiÖt ®é nung ph«i vµ nhiÖt ®é bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a hai líp gang láng vµ r¾n, ng−êi ta nhËn thÊy r»ng khi t¨ng nhiÖt ®é nung cña pha r¾n cã thÓ gi¶m ®−îc nhiÖt ®é qu¸ nhiÖt tr−íc khi rãt 20 cña kim lo¹i láng vÉn cã thÓ ®¶m b¶o bÒ mÆt tiÕp xóc cã nhiÖt ®é ®¶m b¶o cho sù khuÕch t¸n (1130 ÷ 1160oC). Khi nghiªn cøu c¸c th«ng sè nhiÖt ®é lâi thÐp, bÒ dµy líp tiÕp xóc vµ nhiÖt ®é rãt ng−êi ta ®· vÏ ®−îc ®å thÞ trªn phô thuéc vµo nhiÖt ®é rãt gang láng. §å thÞ cho thÊy r»ng bÒ dµy líp tiÕp xóc cña hai kim lo¹i t¨ng tû lÖ thuËn víi sù gia t¨ng cña nhiÖt ®é nung lâi thÐp vµ nhiÖt ®é rãt. Kh«ng thÓ ®¹t ®−îc h×nh thµnh vïng tiÕp xóc nÕu b¶n chÊt biªn ®é dao ®éng cña nguyªn tö thuéc hai thµnh phÇn nhá h¬n kho¶ng c¸ch gi÷a hai chi tiÕt khi tiÕp xóc... Sù di chuyÓn c¸c bon tõ gang vµo thÐp ë tr¹ng th¸i nung cã thÓ theo quy luËt nh− sau: Trªn bÒ mÆt chi tiÕt b»ng thÐp cÊy b·o hoµ c¸c nguyªn tö c¸c bon tõ gang láng rãt vµo. Mét phÇn bÒ mÆt chi tiÕt thÐp bÞ tan. ChÝnh nhê hiÖn t−îng tan bÒ mÆt chi tiÕt thÐp mµ xuÊt hiÖn hiÖn t−îng khuÕch t¸n nguyªn tö c¸c bon tõ gang sang thÐp, ®ång thêi trong ®iÒu kiÖn trªn còng khuÕch t¸n c¸c nguyªn tè kh¸c nh− Si, Mn, Cr, Mo (8). Nh− vËy, c«ng nghÖ ®óc hai hay nhiÒu líp thùc chÊt lµ mèi liªn kÕt vµ t¹o líp tiÕp xóc h×nh thµnh trªn c¸c nguyªn lý tæng hîp c¸c lùc liªn kÕt nguyªn tö vµ sù thÈm thÊu, khuÕch t¸n gi÷a c¸c líp hîp kim. 21 2.1.2 Sù h×nh thµnh liªn kÕt c¬. Qu¸ tr×nh më réng s¶n xuÊt c¸c chi tiÕt b»ng c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp yªu cÇu cã nh÷ng nghiªn cøu c¬ b¶n vÒ c«ng nghÖ. Trong ®ã ph¶i nghiªn cøu c¸c hiÖn t−îng thuû ®éng häc x¶y ra trong vËt ®óc, c¸c hiÖn t−îng gi÷a hoÆc trªn bÒ mÆt c¸c pha, tr¹ng th¸i øng suÊt nhiÖt. C¸c ®iÒu kiÖn thuû ®éng häc ®Ó h×nh thµnh c¸c chi tiÕt theo c«ng nghÖ ®óc nhiÒu líp ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c ®Þnh luËt chuyÓn ®éng cña kim lo¹i láng trong c¸c phÇn máng víi tÝnh to¸n cã sù chuyÓn biÕn pha, tu©n thñ theo ph−¬ng tr×nh nhiÖt (10): ∆G - Khèi l−îng Kl ch¶y qua tiÕt diÖn ∆F C - NhiÖt dung; T1 - NhiÖt ®é rãt ban ®Çu T2 - NhiÖt ®é dßng ch¶y δ - ChiÒu dµy líp cÇn rãt TΦ - NhiÖt ®é cña khu«n Nus - HÖ sè kh«ng ®¬n vÞ ~ 1 λ - §é dÉn nhiÖt C«ng thøc cho thÊy khi thay ®æi ®¹i l−îng hÖ sè trao ®æi nhiÖt Nus. VÝ dô cã thÓ cho mét t¸c dông nhiÖt bªn ngoµi hoÆc t¸c ®éng cña tõ tr−êng th× cã thÓ ®Èy nhanh qóa tr×nh h×nh thµnh vËt ®óc bimetal. Do ®ã cã thÓ t×m ra nh÷ng biÖn ph¸p c«ng nghÖ h÷u hiÖu khi chÕ t¹o vËt ®óc bimetal. Ng−êi ta thÊy r»ng lùc c¨ng bÒ mÆt còng ®ãng vai trß ®¸ng kÓ trong viÖc h×nh thµnh vËt ®óc cã nhiÒu líp. Khi trî dung cã ho¹t tÝnh cao cã thÓ lµm gi¶m søc c¨ng bÒ mÆt gi÷a kim lo¹i láng vµ trî dung (бPL), lµm t¨ng søc c¨ng bÒ mÆt trªn biªn giíi gi÷a vËt r¾n vµ trî dung (бPR), do ®ã t¨ng kh¶ n¨ng b¸m dÝnh cña kim lo¹i láng trªn bÒ mÆt pha r¾n vµ tõ ®ã cã thÓ viÕt ph−¬ng tr×nh: φ δ λ TT TTLnC FNusG − − ∆=∆ 1 12.. ..2 22 Trong ®ã: θ - Gãc b¸m dÝnh бLR - Søc c¨ng bÒ mÆt trªn biªn giíi vËt r¾n vµ kim lo¹i láng. ThuÇn tuý chØ cã liªn kÕt c¬ lµ hiÖn thùc trong tr−êng hîp nÕu kim lo¹i láng kh«ng b¸m dÝnh chÆt toµn bé bÒ mÆt chi tiÕt tr¹ng th¸i r¾n vµ gi÷a chóng kh«ng x¶y ra bÊt cø ph¶n øng ho¸ häc nµo. §Ó sinh ra lùc liªn kÕt c¬ häc, chi tiÕt r¾n (vËt cÊy) khi ®ù¬c rãt kim lo¹i láng, trong qu¸ tr×nh kÕt tinh ®«ng nguéi ph¶i t¹o ra sù co ngãt, nhê sù co ngãt sinh ra lùc Ðp theo ph−¬ng th¼ng ®øng tíi bÒ mÆt vËt cÊy ( PN), xÐt vËt thÓ h×nh trô ®Æc hoÆc h×nh trô rçng cã thÓ dïng c«ng thøc sau ®©y: Trong ®ã: δ - §¹i l−îng ngãt; dk - §−êng kÝnh ngoµi chi tiÕt cÊy, lµ ®−êng kÝnh trong vËt ®óc bao bäc d1 d2 ------- --------- K1 = dk vµ K2 = dk K1 vµ K2 tû lÖ chiÒu dµy (d1 - ®−êng kÝnh trong chi tiÕt cÊy; d2 - §−êng kÝnh ngoµi mµ vËt ®óc) Theo h×nh vÏ: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− += µµ δ 2 1 2 1 2 2 1 2 1 1 1 11 1 11 K K EK K E dkPN d1 dk d2 PL LRPRCos σ σσθ −= 23 E1 vµ E2 HÖ sè ®µn håi gi÷a chi tiÕt cÊy d¹ng cøng vµ phÇn hîp kim láng ®−îc rãt. µ1 vµ µ2 - HÖ sè Poan x¬. §Ó phÇn r¾n cña chi tiÕt vµ hîp kim láng g¾n chÆt vµo nhau, nÕu chØ liªn kÕt c¬ thuÇn tuý, ng−êi ta chÕ t¹o trªn vËt cÊy d¹ng trô lµ t¹o ren. Liªn kÕt nµy t−¬ng ®èi bÒn chÆt nhê liªn kÕt c¬, vµ lùc ngãt bao chÆt. 2.2 C«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp Qua nh÷ng nghiªn cøu b»ng c¸c thiÕt bÞ hiÖn ®¹i, c¸c nhµ khoa häc ®· rót ra kÕt luËn vÒ c¬ chÕ chÞu mµi mßn cña vËt liÖu ®óc compozit hÖ hîp kim nÒn ®ång h¹t thÐp nh− sau: Khi cã lùc t¸c dông, ë thêi kú ®Çu lùc ma s¸t chñ yÕu lµm h×nh thµnh vµ nghiÒn nhá c¸c h¹t cacbit s¾t. Chóng ®−îc c¸c hîp kim ®ång liªn kÕt l¹i, khi ®ã h×nh thµnh líp vËt liÖu chÞu ma s¸t cã mËt ®é ph©n bæ ë chiÒu s©u dµy h¬n ë bÒ mÆt. Líp h¹t cacbit s¾t cùc máng lu«n ë tr¹ng th¸i chuyÓn ®éng vµ do ®ã ®−îc thÊm dÇn b»ng vËt liÖu c¬ b¶n - lµ hîp kim ®ång. Do ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t, bÒ mÆt lµm viÖc ph¸t nhiÖt vµ t¨ng dÇn nhiÖt ®é. T¸c ®éng cña nhiÖt ®é tiÕp xóc cao, trªn bÒ mÆt líp mµng ph©n c¸ch x¶y ra qu¸ tr×nh oxy ho¸ ®ång vµ s¾t, ®−a c¸c oxit ra khái vïng ma s¸t. KÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh trªn t¹o ra trªn bÒ mÆt ma s¸t cña vËt liÖu compozit mét líp h¹t cacbit s¾t cùc nhá mÞn vµ bÒn ch¾c. Chóng ®−îc liªn kÕt v÷ng ch¾c víi nhau vµ víi vËt liÖu c¬ b¶n lµ nÒn ®ång, t¹o ra mét mµng máng cã cÊu tróc phøc t¹p. Líp ngoµi cïng h×nh thµnh chñ yÕu tõ c¸c oxit dµy kho¶ng 70 – 100µm, líp trong dµy kháang 900 – 1000µm h×nh thµnh chñ yÕu tõ hçn hîp oxit ®ång vµ cacbit s¾t. Líp nµy lµm gi¶m lùc ma s¸t, ®¶m b¶o cho vËt liÖu compozit cã ®é chÞu mµi mßn cao mµ kh«ng lµm cho trôc bÞ mµi mßn.§Æc tÝnh −u viÖt nµy cµng thÓ hiÖn râ h¬n khi lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao kÓ c¶ khi lµm viÖc ë 800°c (3). C¸c nhµ khoa häc còng tiÕn hµnh nghiªn cøu khi vËt liÖu ®óc compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp lµm viÖc trong nhiÒu ®iÒu kiÖn kh¸c nhau, ë chÕ ®é biÕn ®éng vÒ momen ma s¸t, thay ®æi nhiÖt ®é tõ 0 - 600°c, trong ®iÒu kiÖn cã b«i tr¬n vµ ë ®iÒu kiÖn kh«, kh¾c nghiÖt, khã hoÆc kh«ng thÓ b«i tr¬n. 24 C¸c thÝ nghiÖm cho thÊy vËt liÖu trªn lµm viÖc kh¸ tèt ë c¸c ®iÒu kiÖn trªn vµ æn ®Þnh ë kho¶ng nhiÖt ®é 200°c, thêi gian sö dông t¨ng tõ 1,5 - 5 lÇn. V× vËy, rÊt phï hîp víi c¸c thiÕt bÞ cña c¸c ngµnh luyÖn kim, xi m¨ng, khai th¸c má ... C¸c giai ®o¹n chÝnh ®Ó h×nh thµnh vËt ®óc compozit khi kÕt hîp c¸c pha ë tr¹ng th¸i láng lµ: Khi rãt, hîp kim nÒn sÏ thÊm vµ bao bäc c¸c h¹t cïng lóc víi sù tiÕp xóc gi÷a pha láng vµ pha r¾n. T¸c dông ho¸ häc vµ khuyÕc t¸n x¶y ra trªn biªn giíi cña c¸c pha. §ång thêi sù hoµ tan, ch¶y láng cïng víi sù h×nh thµnh dung dÞch r¾n, c¸c hîp chÊt ho¸ häc vµ c¸c hîp chÊt ®a nguyªn. Sau ®ã diÔn ra sù kÕt tinh cña kim lo¹i nÒn vµ qu¸ tr×nh lµm nguéi ph«i. Sù t¸c ®éng lÉn nhau gi÷a c¸c nguyªn tè ë c¸c giai ®o¹n h×nh thµnh vËt ®óc compozit t¹o nªn sù liªn kÕt c¬ häc, sù b¸m dÝnh, khuÕch t¸n dung dÞch, sù tiÕp xóc tÝch cùc cña c¸c h¹t r¾n vµ kim lo¹i nÒn (3). §Ó cã ®−îc vËt liÖu compozit víi chÊt l−îng ®¹t yªu cÇu, t¹o ®−îc tæ chøc ®· ®Æt ra b»ng sù liªn kÕt cña c¸c thµnh phÇn cÊu thµnh, cÇn ph¶i tèi −u ho¸ c¸c th«ng sè trªn tÊt c¶ c¸c giai ®o¹n cña qu¸ tr×nh c«ng nghÖ. §ã lµ: chän vËt liÖu ®Çu vµo, c«ng nghÖ chuÈn bÞ liÖu, rãt kim lo¹i láng, lµm nguéi ph«i vµ c¸c c«ng viÖc kÕt thóc qu¸ tr×nh t¹o ph«i. Chøc n¨ng quan träng nhÊt cña giai ®o¹n ®Çu lµ chuÈn bÞ c¸c nguyªn liÖu h¹t cho qu¸ tr×nh tiÕp xóc víi hîp kim nÒn: T¹o ®−îc pha r¾n cã cì h¹t vµ ®é s¹ch cÇn thiÕt. Lµm s¹ch vµ ho¹t ho¸ bÒ mÆt c¸c cÊu tö lµ nguyªn c«ng v« cïng quan träng. Bëi v× nã ®¶m b¶o cho qu¸ tr×nh rãt kh«ng bÞ lÉn c¸c t¹p chÊt cã h¹i, sù tiÕp xóc toµn diÖn vµ liªn kÕt bÒn ch¾c gi÷a c¸c nguyªn tè cña vËt liÖu ®óc compozit nh»m ®¹t ®−îc chÊt l−îng s¶n phÈm cao. Lµm s¹ch vµ ho¹t ho¸ bÒ mÆt c¸c cÊu tö ®Ó ®óc compozit cã thÓ b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ häc, nhiÖt häc, mµi va ®Ëp. VÝ dô: lµm s¹ch c¸c h¹t thÐp trong c¸c m¸y nghiÒn trén, tang quay lôc l¨ng, m¸y nghiÒn rung, m¸y nghiÒn bi... Ph−¬ng ph¸p lµm s¹ch nµy bÞ h¹n chÕ bëi ®é bÒn, ®é cøng, cña c¸c h¹t so víi bÒ mÆt nghiÒn cña thiÕt bÞ. Ngoµi ra cßn cã c«ng nghÖ lµm s¹ch trong líp gi¶ s«i hoÆc luång khÝ xung ®éng, khi ®ã lµm s¹ch c¬ häc x¶y ra do sù va ch¹m gi÷a c¸c h¹t hoÆc va ®Ëp vµo c¸c vËt chuyªn dïng. §Ó t¨ng c¸c ®iªï kiÖn tiÕp xóc gi÷a c¸c thµnh phÇn cña vËt liÖu ®óc compozit th−êng 25 dïng líp phñ c«ng nghÖ b»ng muèi bari. Líp phñ nµy b¶o vÖ c¸c sîi vµ c¸c h¹t kh«ng bÞ t¸c ®éng ®ét ngét víi kim lo¹i nãng ch¶y. Qu¸ tr×nh kim lo¹i ho¸ c¸c h¹t thuû tinh vµ gèm cã thÓ b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p: nhiÖt ch©n kh«ng, ®iÖn ph©n, ma s¸t va ®Ëp, phun bôi vµ c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c. Sù t¸c ®éng cña c¸c h¹t r¾n víi kim lo¹i láng cã ho¹t tÝnh cao, dÉn ®Õn hµng lo¹t c¸c yªu cÇu ®èi víi vËt liÖu ®Ó ®óc compozit . §ã lµ: Hîp kim nÒn cÇn cã ®é ch¶y lo·ng cao, nhiÖt nãng ch¶y thÊp, kho¶ng kÕt tinh ng¾n, ®é co ngãt thÊp nhÊt. §iÒu rÊt cÇn thiÕt lµ hîp kim nÒn cÇn dÔ nãng ch¶y, thÊm ®−îc trªn bÒ mÆt cña h¹t cÊu tö vµ pha r¾n nãi chung. VËt liÖu cña c¸c h¹t cÊu tö ph¶i bÒn nhiÖt ë nhiÖt ®é h×nh thµnh vËt ®óc compozit . TØ träng cña vËt liÖu nÒn vµ c¸c h¹t nÒn kh«ng ®−îc chªnh lÖch nhiÒu, nh−ng nhiÖt ®é nãng ch¶y cña c¸c h¹t pha cøng ph¶i cao h¬n nhiÒu so víi nhiÖt ®é nãng ch¶y cña vËt liÖu nÒn (1). VËt liÖu ®Çu vµo dïng ®Ó ®óc vËt liÖu compozit cÇn ®−îc lùa chän tèt, sao cho biªn giíi cña c¸c pha cã cÊu tróc ®ång nhÊt vµ kh«ng ¶nh h−ëng tíi chÊt l−îng cña vËt ®óc compozit. §é hoµ tan t−¬ng ®èi gi÷a c¸c nguyªn tè ph¶i ë møc thÊp nhÊt. Sau khi thö nghiÖm nhiÒu lÇn víi c¸c gi¶i ph¸p chóng thÊyc«ng nghÖ ®óc thÈm thÊu - lµ ph−¬ng ph¸p phï hîp nhÊt víi ®iÒu kiÖn thiÕt bÞ vµ vËt liÖu cña ViÖt nam. Nh÷ng vËt liÖu sö dông cho viÖc chÕ t¹o b¹c tr−ît b»ng vËt liÖu ®óc compozit ®−îc lµ: H¹t thÐp ШΧ-15 hoÆc У-8, chÕ t¹o trong n−íc, ®ång thanh БpOЧC 5-5-5 hoÆc 6-6-3 (cã thÓ dïng phÕ liÖu cña chóng), cån c«ng nghiÖp, muèi Bo Na2B4O7, KCl vµ NaCl, axit Boric. §ång thêi víi qu¸ tr×nh chuÈn bÞ vËt liÖu, ph¶i tiÕn hµnh chÕ t¹o khu«n, ruét. Khu«n cã thÓ sö dông ®iÖn cùc Grafit hoÆc khu«n b»ng kim lo¹i. Trî dung b»ng muèi Na2B4O7, axit Boric, KCl vµ NaCl, ph¶i nghiÒn nhá tíi cì h¹t 0,5 mm. H¹t thÐp ®−îc lµm s¹ch b»ng cån vµ muèi Na2B4O7. NÊu ph«i ®ång hîp kim theo m¸c qui ®Þnh b»ng lß c¶m øng trung tÇn. Lµm s¹ch vµ c¾t ph«i theo kÝch th−íc vµ träng l−îng ®· tÝnh to¸n phï hîp víi chi tiÕt cÇn ®óc. TiÕn hµnh ®óc thÈm thÊu trong lß ph¶n x¹ cã thÓ ®iÒu chØnh ®−îc nhiÖt ®é ë giíi h¹n max = 13000C, ®¶m b¶o ®−îc nhiÖt ®é ®ång ®Òu trong toµn 26 bé buång lµm viÖc cña lß. §Æc biÖt theo chiÒu cao cña buång lß. HiÖn t¹i chóng «i sö dông lß ®èt b»ng gaz tù ®éng ®iÒu chØnh theo quy tr×nh ®· x¸c ®Þnh. H×nh 2: S¬ ®å c«ng nghÖ chÕ t¹o chi tiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p ®óc thÈm thÊ Pha r¾n Ho¹t ho¸ R¸p khu«n Nung thÈm thÊu Lµm nguéi ngoµi kh«ng khÝ Gia c«ng c¬ khÝ tinh Nung khu«n ChÊt liÖu Gia c«ng c¬ khÝ NghiÖm thu chÊt l−îng NÊu kim lo¹i Rãt khu«n ChÊt trî dung 27 2.3 C«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp + líp vá thÐp. Ph−¬ng ph¸p ®óc b¹c compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp + líp vá thÐp ®−îc thùc hiÖn dùa trªn nguyªn lý cña hai c«ng nghÖ: - C«ng nghÖ t¹o vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp. - C«ng nghÖ ®óc vËt liÖu bao gåm hai hay nhiÒu líp. V× vËy cÇn nghiªn cøu nh÷ng vÊn ®Ò phøc t¹p cña nhiÒu mèi liªn kÕt gi÷a pha láng ( pha nÒn) lµ c¸c hîp kim ®ång víi (pha r¾n) lµ h¹t thÐp vµ vá thÐp. §é bÒn cña c¸c mèi liªn kÕt ®ã ®−îc h×nh thµnh bao gåm tÊt c¶ nh÷ng hiÖn t−îng x¶y ra ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh ®Ó t¹o ra vËt liÖu. - §ã lµ qu¸ tr×nh x¶y ra ph¶n øng hãa häc gi÷a c¸c nguyªn tè hãa häc cã trong thµnh phÇn cña pha r¾n vµ pha láng, bao gåm ®ång, nh«m, ch×, thiÕc, kÏm, s¾t v.v vµ mét sè lo¹i oxÝt t¹o nªn c¸c hîp chÊt hãa häc phøc t¹p vµ nh÷ng hîp kim ®a nguyªn tè. - Sù h×nh thµnh mèi liªn kÕt do qu¸ tr×nh nãng ch¶y mét phÇn cña pha cøng hßa tan vµo pha láng vµ ng−îc l¹i. - Trong qu¸ tr×nh nung thÈm thÊu d−íi t¸c ®éng cña nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh x¶y ra hiÖn t−îng khuyÕc t¸n c¸c nguyªn tè hîp kim. Kim lo¹i pha láng vµo pha r¾n vµ ng−îc l¹i. - Sù h×nh thµnh liªn kÕt c¬ gi÷a c¸c phÇn tö hîp kim vµ kim lo¹i trong c¸c pha nÒn vµ pha r¾n. Trong thùc tÕ c¸c hiÖn t−îng trªn diÔn ra ë mçi ®iÒu kiÖn ®Òu kh¸c nhau vµ rÊt khã x¸c ®Þnh. Cã lóc chØ x¶y ra ph¶n øng hãa häc hoÆc khuyÕc t¸n. Cã khi x¶y ra tÊt c¶ c¸c hiÖn t−îng trªn nh−ng ë møc ®é kh¸c nhau vµ rÊt khã x¸c ®Þnh, hiÖn t−îng nµo nhiÒu h¬n hoÆc Ýt h¬n. V× vËy c¸c nhµ khoa häc ®ang cè g¾ng 28 nghiªn cøu c¸c th«ng sè, c¸c quy luËt ®Ó n¾m b¾t vµ ®iÒu khiÓn ®−îc nh÷ng hiÖn t−îng trªn ë møc ®é tèi ®a. Tõ ®ã t¹o nªn ®−îc chÊt l−îng vËt liÖu gÇn nh− mong muèn theo yªu cÇu. C¸c nghiªn cøu còng cho thÊy r»ng kh«ng cã mèi liªn kÕt c¬ trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp hay nãi ®óng h¬n lµ lµ kh«ng xuÊt hiÖn mèi liªn kÕt c¬ gi÷a ®ång vµ s¾t. H×nh 3 - Gi¶n ®å ®ång - s¾t 29 H×nh 4 - BiÓu ®å vïng khuyÕc t¸n t−¬ng t¸c gi÷a ®ång vµ s¾t 30 H×nh 5 - Sù thÊm cña c¸c lo¹i hîp kim ®ång ®èi víi c¸c lo¹i hîp kim ®en kh¸c H×nh2.7.1.- ThÐp c¸c bon H×nh 2.7.2 – ThÐp Vßng bi H×nh2.7.3.- Gang th−êng 1- §ång 2- Hîp kim ®ång thanh БрOo10-1 3- Hîp kim ®ång thanh БрA 9-4 4- Hîp kim ®ång thanh Бр KMnU 3-1 31 III. Môc tiªu vµ néi dung ®Ò tµi: 3.1 Môc tiªu nghiªn cøu Môc tiªu nghiªn cøu cña ®Ò tµi lµ t×m ra c«ng nghÖ chÕ t¹o b¹c compozit nÒn hîp kim ®ång Броцc 5–5-5 vµ h¹t thÐp Y7 + vá thÐp C25 .øng dông c«ng nghÖ ®óc bimªtal vµo chÕ t¹o phô tïng, chi tiÕt chÞu mµi mßn, tõng b−íc x©y dùng c«ng nghÖ chÕ t¹o thiÕt bÞ chuyªn dïng, trang bÞ c«ng nghÖ cho d©y chuyÒn chÕ t¹o vËt liÖu. Trªn c¬ së kinh nghiÖm vµ kÕt qu¶ thu ®−îc cña c«ng nghÖ, tiÕp tôc nghiªn cøu vÒ lý thuyÕt vµ øng dông vµo s¶n xuÊt phô tïng cho c¸c ngµnh c«ng nghiÖp. - KiÓm tra vµ x©y dùng bé ¶nh kim t−¬ng vïng trùc tiÕp tiÕp xóc gi÷a hai líp kim lo¹i. 3.2 Nghiªn cøu thùc nghiÖm chÕ t¹o s¶n phÈm - Nghiªn cøu c«ng nghÖ xö lý bÒ mÆt cña kim lo¹i r¾n t¹i nh÷ng vïng tiÕp xóc hîp kim láng. - Nghiªn cøu c«ng nghÖ ®óc, chÕ t¹o khu«n kim lo¹i hoÆc ph−¬ng ph¸p lµm khu«n kh¸c ®Ó ®óc s¶n phÈm. - Nghiªn cøu c«ng nghÖ xö lý kh¶ n¨ng b¸m dÝnh khi ®óc compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp + vá thÐp - KiÓm tra, ®¸nh gi¸ chÊt l−îng s¶n phÈm . - §−a s¶n phÈm ®i l¾p, ch¹y thö t¹i hiÖn tr−êng. Theo dâi chÊt l−îng trong qu¸ tr×nh sö dông. - X©y dùng quy tr×nh c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c b¹c compozit nÒn ®ång, h¹t thÐp + vá thÐp trªn c¬ së c«ng nghÖ ®óc hai hay nhiÒu líp. 32 IV. ®Æc tÝnh sö dông vµ vËt liÖu cña c¸c s¶n phÈm øng dông 4.1. §iÒu kiÖn kü thuËt cña vËt liÖu chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm øng dông. Nh÷ng s¶n phÈm øng dông lµ c¸c lo¹i b¹c chÞu t¶i träng lín, lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn chÞu mµi mßn kh¾c nghiÖt, cã thÓ cã hoÆc kh«ng cã b«i tr¬n. V× vËy, nh÷ng vËt liÖu cÊu thµnh trong s¶n phÈm ®Òu ph¶i ®¸p øng ®−îc c¸c yªu cÇu kü thuËt trªn. VËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp cã kh¶ n¨ng lµm tèt chøc n¨ng chÞu mµi mßn, phÇn chÞu t¶i träng ®−îc gia c−êng b»ng líp vá thÐp cã ®é bÒn cao h¬n hîp kim ®ång. VÒ c«ng nghÖ cho phÐp t¹o ®−îc kh¶ n¨ng khuyÕch t¸n, t¹o thµnh c¸c hîp kim ®a nguyªn tè ®¶m b¶o cho kh¶ n¨ng liªn kÕt gi÷a líp hîp kim ®ång vµ vá thÐp. Chóng t«i chän thÐp c¸c bon th−êng. + Thµnh phÇn ho¸ häc cña thÐp c¸c bon th−êng nh− sau: B¶ng 4 Thµnh phÇn ho¸ häc; % M¸c thÐp C Si Mn Cr P; S ThÐp 25 0,20 - 0,30 0,17- 0,37 0,35- 0,65 0,35- 0,5 < 0,003 ThÐp 30 0,27- 0,35 0,17- 0,37 0,5 - 0,8 0,35- 0,5 < 0,003 + C¬ lý tÝnh cña m¸c thÐp: Phô thuéc vµo t¹p chÊt cña m¸c thÐp ®Æc biÖt lµ %P vµ %S , th«ng th−êng chia ra 03 cÊp ch©t l−îng, chñ yÕu sÏ cã ®é chªnh lÖch c¬ lý tÝnh. D−íi ®©y chØ nªu c¸c th«ng sè c¬ lý tÝnh cña thÐp c¸c bon chÊt l−îng vµ sau th−êng ho¸: 33 B¶ng 5 C¬ lý tÝnh M¸c thÐp бs (MPa) бb (MPa) δ (%) ϕ (%) ak (MPa) ThÐp 25 240 450 19 30 40 ThÐp30 260 480 17 30 35 - Thµnh phÇn ho¸ häc cña hîp kim ®ång ЬРОЦС-5.5.5 : Thµnh phÇn ho¸ häc; % M¸c hîp kim Pb Zn Sn Cu ЬРОЦС-5.5.5 4,0 - 6,0 4,0 – 6,0 4,0 – 6,0 Cßn l¹i - C¬ lý tÝnh hîp kim ®ång ЬРОЦС-5.5.5: C¬ lý tÝnh M¸c hîp kim бb (MPa) δ (%) HB ЬРОЦС-5.5.5 180 4 60 Qua qóa tr×nh nghiªn cøu c¸c nhµ khoa häc thÊy r»ng ®ång lµ nguyªn tè cã kh¶ n¨ng khuÕch t¸n m¹nh vµo trong thÐp. Sù liªn kÕt c¬, sù b¸m dÝnh, khuÕch t¸n cao ®· t¹o nªn kh¶ n¨ng t¹o ra b¹c compozit nÒn ®ång h¹t thÐp + vá thÐp cã ®é bÒn tæng hîp cao, tiÕt kiÖm ®−îc vËt liÖu ®ång vµ h¹t thÐp. NÒn ®ång lµ pha b«i tr¬n, h¹t thÐp lµ pha chÞu mµi mßn vµ vá thÐp t¨ng kh¶ n¨ng chÞu lùc nÐn cña b¹c. 34 B¹c compozit hai líp nÒn ®ång h¹t thÐp + vá thÐp mang ®ñ ®Æc tÝnh −u viÖt cña vËt liÖu compozite nÒn ®ång h¹t thÐp. §ã lµ vËt liÖu tæ hîp cã thÓ chÞu mµi mßn cao, chÞu ®−îc t¶i träng, lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao. Trong ®iÒu kiÖn nh− trªn thêi gian cã thÓ gÊp 3 - 5 lÇn b¹c ®ång b×nh th−êng cïng m¸c vËt liÖu víi nÒn ®ång. Khi cã líp vá thÐp kh¶ n¨ng chÞu lùc cña vËt liÖu ®−îc t¨ng lªn. VËt liÖu ®óc hai líp Compozite nÒn ®ång h¹t thÐp + vá thÐp cho phÐp tiÕt kiÖm chi phÝ söa ch÷a thiÕt bÞ, tËn dông c¸c vËt t− phÕ liÖu vµ nguyªn liÖu ®ång vµ h¹t thÐp. Chi phÝ ®Çu t− c«ng nghÖ vµ c¸c trang thiÕt bÞ thÊp, hiÖu qu¶ ®Çu t− cao. V× dïng lu«n líp vá thÐp lµm khu«n, nªn so víi chÕ t¹o vËt liÖu compozit nÒn ®ång + h¹t thÐp th× ®óc hai líp vËt liÖu nµy tiÕt kiÖm kh¸ lín chi phÝ chÕ t¹o khu«n. 4.2 §Æc ®iÓm cÊu t¹o vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña b¹c th¶i xØ than. B¹c th¶i xØ than dïng ®Ó ®ì hai ®Çu trôc vÝt th¶i xØ than víi chøc n¨ng vËn chuyÓn xØ than sau khi ®èt cña x−ëng lß C«ng ty nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh. B¹c th¶i xØ than lµm viÖc liªn tôc ë chÕ ®é mµi mßn cao, trong ®iÒu kiÖn v« cïng kh¾c nghiÖt lµ nãng, bôi, kh«ng ®−îc b«i tr¬n vµ lu«n lu«n n»m trong n−íc. Lo¹i b¹c nµy ®−îc ViÖn C«ng NghÖ chÕ tao b»ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp vµ ®· cÊp cho C«ng ty nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh tõ n¨m 2003. Qua theo dâi thèng kª cña ®¬n vÞ sö dông, chóng cã thêi gian sö dông gÊp 3 -4 lÇn b¹c ®ång ®· l¾p trªn m¸y tr−íc ®©y. B¶n vÏ ®−îc tr×nh bµy ë phÇn phô lôc. 4.3 §Æc ®iÓm cÊu t¹o vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña b¹c vÝt t¶i than. B¹c vÝt t¶i than lµm viÖc liªn tôc ë chÕ ®é mµi mßn cao, kh«ng cã b«i tr¬n, trong ®iÒu kiÖn v« cïng kh¾c nghiÖt lµ nãng, bôi vµ lu«n lu«n bÞ vïi trong bét than. Lo¹i b¹c nµy ®−îc l¾p vµo gèi ®ì cña b¨ng chuyÒn vÝt t¶i ®Ó vËn chuyÓn bét than gi÷a c¸c lß cña ph©n x−ëng lß. B¹c vÝt t¶i than tõ n¨m 2000 ViÖn C«ng NghÖ ®· chÕ tao b»ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp vµ ®−îc C«ng ty 35 nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh l¾p ch¹y thö rÊt tèt. Thêi gian sö dông gÊp 3- 4 lÇn b¹c gang ®· sö dông tr−íc ®©y. B¶n vÏ ®−îc tr×nh bµy ë phÇn phô lôc. 4.4 §Æc ®iÓm cÊu t¹o vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña b¹c ®ång m¸y xóc . B¹c ®ång m¸y xóc ®−îc ®Ò tµi chän lµm s¶n ph¶m chÕ thö gåm 3 lo¹i: - B¹c trôc ®øng trung t©m - B¹c b¸nh c¨ng xÝch. - B¹c b¸nh ®ì xÝch C¸c lo¹i b¹c trªn ®Òu lµm viÖc ë ®iÒu kiÖn t¶i träng lín, thiÕt bÞ vËn hµnh trong ®iÒu kiÖn mÊp m«, phøc t¹p, cã b«i tr¬n. §iÒu kiÖn th¸o l¾p phøc t¹p, rÊt tèn kÐm vÒ kinh phÝ nªn yªu cÇu ®é bÒn vµ chÊt l−îng cao, ®¶m b¶o cho thiÕt bÞ ch¹y an toµn, æn ®Þnh, l©u dµi. Tr−íc ®©y ®· sö dung b¹c ®ång trong n−íc chÕ t¹o nh−ng chÊt l−îng kÐm, kh«ng ®¸p øng ®−îc thêi gian sö dông. Tõ n¨m 2004 chóng t«i ®· m¹nh d¹n phèi hîp víi C«ng ty Apatit Lµo Cai sö dông vËt liÖu compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp. Thêi gian lµm viÖc cña lo¹i b¹c lµm b»ng vËt liÖu trªn cao h¬n 1,5 – 2 lÇn b¹c ®ång nhËp ngo¹i. Tuy vËy do t¶i träng lµm viÖc cña m¸y xóc rÊt lín ( kho¶ng 150 tÊn) nªn rÊt cÇn gia c−êng b»ng vá thÐp - vËt liÖu cã ®é bÒn cao h¬n. V. Quy tr×nh chÕ t¹o b¹c compozit nÒn ®ång h¹t thÐp + líp vá thÐp. 5.1 ThiÕt kÕ khu«n kim lo¹i C¸c lo¹i khu«n kim lo¹i ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu thÐp c¸c bon CT3. Bëi v× c¸c vá khu«n ®ãng vai trß lµ líp vá thÐp cña b¹c nªn ®−îc t¹o ph«i ®óc. C¸c ph«i sau khi ®óc xong ®−îc gia c«ng bÒ mÆt bªn trong b¶o ®¶m ®é bãng t−¬ng ®−¬ng ∇5, s¹ch, kh«ng rØ bÈn. Sau ®ã vá khu«n ®−îc hµn ®¸y, lâi, phÇn ®Ëu ngãt 36 vµ bé phËn chøa liÖu theo c¸c kÝch th−íc ®· ®−îc thiÕt kÕ phï hîp víi mçi lo¹i ph«i. B¶n vÏ khu«n c¸c lo¹i b¹c ®−îc tr×nh bµy ë phÇn phô lôc. 5.2 Lùa chän thiÕt bÞ. ThiÕt bÞ ®Ó tiÕn hµnh ®óc thÈm thÊu c¸c lo¹i b¹c compozit ®−îc lùa chän lµ lß gaz hiÖn cã cña ViÖn C«ng NghÖ. NhiÖt ®é cña lß cã thÓ ®¹t tíi 1200°C. Qu¸ tr×nh ch¹y lß ®−îc ®iÒu khiÓn theo ch−¬ng tr×nh ®Æt s½n. V× vËy chÕ ®é nhiÖt, thêi gian lªn vµ gi÷ nhiÖt cña quy tr×nh ®−îc tu©n thñ thùc hiÖn chÝnh x¸c vµ nghiªm ngÆt. Do ®ã chÊt l−îng s¶n phÈm ®−îc ®¶m b¶o theo sù tÝnh to¸n cña ng−êi thùc hiÖn. H×nh 6 - ThiÕt bÞ nung – Lß gaz vµ khu«n t¹o ph«i c¸c lo¹i b¹c compozit sau khi kÕt thóc qu¸ tr×nh nÊu ch¶y vµ thÈm thÊu 37 5.2 ChuÈn bÞ c¸c ®iÒu kiÖn vËt t− kü thuËt cho mÎ nÊu. - Vá khu«n vµ khay chøa khu«n: Khu«n ®−îc chÕ t¹o theo kÝch th−íc ph«i cña b¹c gèi trôc b¨ng truyÒn vÝt t¶i than, b¹c trôc vÝt th¶i xØ C«ng ty nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh.( xem phô lôc) Khu«n cña c¸c lo¹i ph«i b¹c b¸nh c¨ng xÝch, b¸nh ®ì xÝch, b¹c trôc ®øng trung t©m cña m¸y xóc ®−îc chÕ t¹o theo kÝch th−íc b¶n vÏ. ( xem phô lôc) Vá khu«n cña c¸c lo¹i b¹c ®Òu ®−îc ®óc b»ng thÐp CT3. Tr−íc khi chÊt h¹t thÐp bÒ mÆt bªn trong cña c¸c vá khu«n ®−îc lµm s¹ch b»ng axÝt HCL nång ®é 30%. Sau ®ã ®−îc röa qua n−íc nãng, trung hoµ b»ng xót nãng 10%, yªu cÇu lµm s¹ch kh«ng cßn b¸m rØ, dÇu mì. Cuèi cïng mÆt trong cña khu«n ®−îc phñ líp dung m«i b¶o vÖ bÒ mÆt chèng « xy ho¸ bÒ mÆt. C¸c khay chøa khu«n ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp tÊm dµy 3 – 4 mm, réng 300mm, dµi 800mm, cao 200mm. C¸c khay chøa khu«n ®−îc sö dông víi môc ®Ých chèng ch¶y kim lo¹i láng ra lß vµ gi÷ nhiÖt cho khu«n. - H¹t thÐp: H¹t thÐp sö dông lµ thÐp hîp kim Y8 (m¸c Liªn x« cò). Th−êng chän theo bao b¸n s½n cña nhµ cung cÊp cì h¹t trong kho¶ng 0,8 – 1.2. NÕu kh«ng cã s½n th× ph¶i sµn ®Ó ph©n lo¹i. Tuú theo kÝch th−íc cña c¸c lo¹i b¹c chän cì h¹t theo tû lÖ nhÊt ®Þnh. B¹c cã kÝch th−íc lín ®−îc chän tû lÖ cì h¹t lín nhiÒu h¬n, b¹c cã kÝch th−íc nhá th× chän cì h¹t nhá nhiÒu h¬n. - Cån c«ng nghiÖp: Lo¹i 90 ®é. - C¸c lo¹i ho¸ ch©t dïng lµm trî dung: AxÝt Boric H3BO4 vµ muèi Borat Na2B4O7, muèi ¨n NaCl, muèi KCl, ®é tinh khiÕt theo tiªu chuÈn c«ng nghiÖp. C¸c vËt liÖu trªn nÊu vµ chÕ biÕn thµnh trî dung tæng hîp. Trî dung tæng hîp nÊu xong ®Ó nguéi, nghiÒn nhá sµng qua ph©n ly cì h¹t 0,25 – 0,3mm ®Ó sö dông. - VËt liÖu ®Ó nÊu ra ph«i ®ång ЬРОЦС-5.5.5 38 - NÊu ph«i ®ång ЬРОЦС-5.5.5 dïng cho qu¸ tr×nh ®óc thÈm thÊu, ph¶i sö dông c¸c vËt liÖu sau: §ång ®á - thµnh phÇn ®¹t 99% ®ång, sach dÇu mì. ThiÕc - thµnh phÇn ®¹t 99%, sach dÇu mì. KÏm - thµnh phÇn ®¹t 99%, sach dÇu mì. Ch× - thµnh phÇn ®¹t 99%, sach dÇu mì. - Khu«n ®Ó ®óc ph«i §óc ph«i ®ång thanh thiÕc - kÏm - ch× - 5.5.5 b»ng c«ng nghÖ khu«n mÉu tù thiªu. Tuú theo kÝch th−íc vµ träng l−îng ph«i cña mçi lo¹i b¹c, c¸c mÉu ph«i ®−îc t¹o b»ng xèp, s¬n xÊy kh«. C¸c mÉu ®−îc g¾n hÖ thèng rãt, ngãt, chÒn vµo thïng khu«n chê rãt. - NÊu luyÖn vµ rãt hîp kim NÊu luyÖn hîp kim ®−îc tiÕn hµnh trong lß c¶m øng trung tÇn cña anh lo¹i Ajax, dung tÝch 250 kg/mÎ, nåi lß b»ng vËt liÖu grafÝt. Tr−íc khi nÊu kiÓm tra ®é an toµn cña thiÕt bÞ, tÝnh to¸n vµ c©n ®ong phèi liÖu theo tû lÖ thµnh phÇn ®· yªu cÇu cña m¸c hîp kim. ChÊt liÖu thø tù tõ ®ång, kÏm, thiÕc, ch×, Khi phèi liÖu kim lo¹i ch¶y xong, ph©n tÝch thµnh phÇn hîp kim. NÕu cã chót sai lÖch th× tiÕn hµnh ®iÒu chØnh cho ®Õn khi ®¹t yªu cÇu. §iÒu chØnh xong thµnh phÇn, x¸c ®Þnh nhiÖt ®é vµ rãt khu«n. Tr−íc, trong vµ sau khi rãt khu«n 15 phót lu«n ph¶i lu«n ph¶i gi÷ ¸p lùc ch©n kh«ng ë – 0,6 – 0,8 at. C¸c mÉu nÊu luyÖn ®−îc ph©n tÝch thµnh phÇn trªn m¸y quang phæ ph¸t x¹ ARL-3460 cña Thuþ sÜ. §Ó ngu«i trong kho¶ng thêi gian 60 phót th× tiÕn hµnh dì khu«n lµm s¹ch, c¾t hÖ thèng rãt, ngãt theo kÝch th−íc yªu cÇu cña c«ng nghÖ vµ mang ®i gia c«ng c¬ khÝ. 5.3 Quy tr×nh l¾p r¸p khu«n vµ ®óc thÈm thÊu 39 Quy tr×nh l¾p r¸p khu«n: H¹t thÐp ®−îc lùa chän theo cì h¹t vµ tØ lÖ cÇn thiÕt nh− ®· tr×nh bµy ë trªn. Sau ®ã dïng l−¬ng cån nhá, võa ®ñ thÊm h¹t ®Ó tÈy s¹ch líp «xÝt, rØ bÈn vµ b×nh nghiÒn qua trî dung. ë ®©y kh«ng cã thiÕt bÞ nªn lµm thñ c«ng b»ng tay vµ sÊy kh« ë nhiÖt ®é ≤ 100oC. ChÊt h¹t thÐp vµo ®Çy khu«n theo träng l−îng ®· ®−îc tÝnh to¸n. L−îng ph«i ®ång hîp kim ®· chuÈn bÞ s½n träng l−îng theo phèi liÖu ®· ®−îc tÝnh to¸n cho mçi lo¹i ph«i, chuÈn bÞ s½n ®Ó chÊt hÕt vµo khu«n khi tiÕn hµnh nung thÈm thÊu. NÊu vËt liÖu Compozite nÒn ®ång + h¹t thÐp vµ vá thÐp Qu¸ tr×nh nÊu vËt liÖu ®−îc tiÕn hµnh trong lß ga cã chÕ ®é nhiÖt tù ®éng ®iÒu chØnh theo quy tr×nh b¾t buéc, sµn lß di ®éng. KiÓm tra ®é an toµn cña thiÕt bÞ tr−íc khi vËn hµnh. NÕu thÊy ®· an tßan th× tiÕn hµnh chÊt khu«n ®· chuÈn bÞ s·n lªn ®¸y lß vµ ch¹y sµn lß vµo. KiÓm tra ®é kÝn khÝt cña cöa lß. NÕu lß nguéi th× bËt sÊy lß vµ gi÷ ë nhiÖt ®é 300 - 350oC thêi gian 15 - 20 phót. Khi ®· ®¹t thêi gian gi÷ nhiÖt th× kÐo sµn lß ra vµ chÊt l−îng ph«i ®ång ®· chuÈn bÞ s½n vµo khu«n, thêi gian thao t¸c cÇn nhanh ®Ó tr¸nh mÊt nhiÖt cña lß, sau ®ã l¹i kÐo sµn lß vµo. TiÕn hµnh bËt lß vµ n©ng nhiÖt ®é víi tèc ®é 16oC / phót tíi khi ®¹t 800 - 850oC. Thêi gian gi÷ ë nhiÖt ®é trªn trong kho¶ng 20 – 40 phót vµ ®−îc tÝnh to¸n theo chiÒu dµy cña chi tiÕt cÇn ®óc. NÕu trong lß cã c¸c khu«n chiÒu dµy kh¸c nhau th× −u tiªn theo khu«n cã kÝch th−íc dµy nhÊt. N©ng nhiÖt tíi 1100oC tèc ®é 7oC / phót. Thêi gian gi÷ ë nhiÖt ®é trªn lµ 20 phót cho tÊt c¶ chiÒu dµy cña b¹c. TiÕp tôc n©ng nhiÖt tíi 1170 - 1200oC tèc ®é kho¶ng 2 - 3oC / phót. Khi trong lß ®· ®¹t nhiÖt ®é trªn, gi÷ nhiÖt trong kho¶ng thêi gian 30 phót vµ t¾t lß. §Ó nguéi trong lß tíi 800oC th× më cöa lß. Khi nhiÖt ®é lß xuèng tíi 300 oC th× kÐo ra vµ ®Ðn khi nguéi h¼n th× rì khu«n. 40 - TiÕn hµnh lµm s¹ch, c¾t ba via, ®Ëu ngãt, kiÓm tra chÊt l−îng s¶n phÈm b»ng th−íc ®o vµ m¾t th−êng. NÕu ®¹t yªu cÇu th× mang ®i gia c«ng c¬ khÝ theo kÝch thøíc yªu cÇu cña c¸c lo¹i b¹c. - Gia c«ng cÇn ph¶i sö dông giao tiÖn hîp kim BK-8, tèc ®é ¨n chËm. H×nh 7 - Khu«n c¸c lo¹i ph«i c¸c lo¹i b¹c compozit sau kÐo ra trªn sµn ®¸y lß di ®éng Nghiªn cøu xem xÐt c¸c th«ng sè: 41 - Sau khi cã s¶n phÈm, mÉu vËt liÖu ®−îc c¾t mang ®i kiÓm tra. V× c¸c b¹c c«mpozit chñ yÕu lµm viÖc d−íi chÕ ®é t¶i nÐn vµ chÞu mµi mßn nªn chØ kiÓm tra ®é cøng. KÕt qu¶ nh− sau: B¶ng 6 §é cøng [HB] Tªn mÉu ThÐp 25 Líp tiÕp gi¸p NÒn ®ång ThÐp 25 - Compozit ®ång 170 131 125 H×nh 8 - KÕt qu¶ soi chôp tæ chøc kim t−¬ng: Tæ chøc kim t−¬ng b¹c compozit - thÐp 25 ®∙ tÈm thùc (phãng ®¹i 100 lÇn) H¹t thÐp hîp kim NÒn ®ång 5-5-5 ThÐp 25 Tæ chøc kim t−¬ng b¹c compozit - thÐp 25 ®∙ tÈm thùc (phãng ®¹i 50 lÇn) 42 NhËn xÐt kÕt qu¶ kiÓm tra: §é cøng cña vá thÐp cao h¬n ®é cøng cña líp tiÕp gi¸p vµ ®é cøng cña líp tiÕp gi¸p l¹i cao h¬n nÒn hîp kim ®ång. §ång thêi xem c¸c ¶nh soi chôp kim t−¬ng ta thÊy: Sau khi nung c¸c pha r¾n vµ láng ®· liªn kÕt rÊt tèt. Hîp kim ®ång, vá thÐp vµ h¹t thÐp, cã hiÖn t−îng hoµ tan mét l−îng nhá vµ khuyÕc t¸n vµo lÉn nhau. Qua hai kÕt qu¶ trªn ta biÕt ®−îc vËt liÖu compozit nÒn ®ång h¹t thÐp + líp vá thÐp ®· liªn kÕt tèt, t¹o thµnh mét khèi thèng nhÊt. §é bÒn líp vá cao h¬n h¼n ®¶m b¶o an toµn cho chi tiÕt lµm viÖc chÞu mµi mßn d−í t¶i träng lín. H×nh 9 - B¹c gèi ®ì b¨ng truyÒn vÝt t¶i than cña C«ng ty nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp 25 Líp vá thÐp Líp compozitLíp biªn giíi thÐp vµ compozit 43 H×nh 10 - B¹c b¬m th¶i xØ cña nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp 25 44 H×nh 11 B¹c b¬m th¶i xØ cña nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp 25 Vá thÐp Biªn giíi thÐp vµ Compozit Líp compozit 45 H×nh 12 B¹c b¸nh c¨ng vµ b¸nh ®ì xÝch cña C«ng ty ApatÝt Lµo Cai ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp 25 Líp vá thÐp Líp biªn giíi thÐp vµ compozit Líp compozit 46 H×nh 13 - B¹c b¸nh c¨ng vµ b¸nh ®ì xÝch cña C«ng ty ApatÝt Lµo Cai ®−îc chÕ t¹o b»ng vËt liÖu compozit nÒn ®ång – h¹t thÐp + líp vá thÐp 25 KÕt qu¶ sö dông: §· t¹o ra ®−îc b¹c hai líp compozit nÒn ®ång - h¹t thÐp + vá thÐp víi kh¶ n¨ng liªn kÕt tèt. C¸c s¶n phÈm cña ®Ò tµi ®· ®−îc mang l¾p ch¹y thö kh¶o nghiÖm t¹i C«ng ty nhiÖt ®iÖn Ninh B×nh vµ C«ng ty Apatit Lµo cai ®Òn nay ®· ®−îc 4 – 5 th¸ng, vÉn ®ang tiÕp tôc sö dông. KÕt qu¶ kiÓm tra lÇn ®Çu ®−îc ®¸nh gi¸ tèt. VËt liÖu cã kh¶ n¨ng chÞu mµi mßn vµ ®é bÒn cao. Nh− vËy,®Ò tµi ®· hoµn thµnh môc tiªu lµ nghiªn cøu ra quy tr×nh chÕ thö s¶n phÈm vµ ch¹y thö ®· ®¹t yªu cÇu, më ra h−íng nghiªn cøu míi trong lÜnh vùc vËt liÖu compozit. 47 KÕt luËn 1. Ph−¬ng ph¸p ®óc nhiÒu líp vËt liÖu compozit nÒn ®ång h¹t thÐp + vá thÐp cho phÐp ®¹t ®−îc tÝnh chÊt vËt liÖu tæng hîp. VËt liÖu compozit nÒn ®ång h¹t thÐp t¨ng kh¶ n¨ng chÞu mµi mßn, vá thÐp lµm t¨ng ®é bÒn cña b¹c. S¶n phÈm ®· l¾p ch¹y tèt t¹i hiÖn tr−êng. C«ng nghÖ nµy gãp phÇn gi¶m chi phÝ vËt liÖu ®¾t tiÒn lµ nÒn ®ång h¹t thÐp kho¶ng 40%. 2. §Ò tµi ®· hoµn thµnh c¸c môc tiªu ®· ®Æt ra, x©y dùng ®−îc c¸c quy tr×nh c«ng nghÖ, t¹o ra c¸c s¶n phÈm øng dông. Tuy nhiªn ®©y lµ nh÷ng vÊn ®Ò hoµn toµn míi nªn cÇn ph¶i ®−îc nghiªn cøu s©u h¬n vÒ c¶ lý thuyÕt, c«ng nghÖ vµ thiÕt bÞ c«ng nghÖ míi cã thÓ ®−a vµo s¶n xuÊt æn ®Þnh. 48 Tµi liÖu tham kh¶o 1. Ts. KH Nai®ªk V.L. VËt liÖu ®óc compozit – VËt liÖu cña ngµnh chÕ t¹o m¸y trong t−¬ng lai. Kiep -1997 2. Ts. KH Zatulovski C.C . Ph−¬ng h−íng ph¸t triÓn vËt liÖu ®óc compzit. Kiep -1997 3. Zatulovski A.C . Quy luËt c¬ - nhiÖt cña qu¸ tr×nh h×nh thµnh vËt liÖu compzit. Kiep -1997 4. TiÕn sÜ: G.§. Kostenko. Kh¶ n¨ng t¹o vËt ®óc nhiÒu líp trong c«ng nghiÖp. xuÊt b¶n t¹i Kiep - 1988. 5. Ephimob V.A. - HiÖn tr¹ng vµ t−¬ng lai cña c¸c nhiÖm vô nghiªn cøu, øng dông vµ ph¸t triÓ S V.E. n ®óc bimetal vµ ®óc nhiÒu líp - xuÊt b¶n t¹i Kiep - 1991. 6. Nhephe®«va; Pertovska L.S.; Ugovikov A.E. . Sö dông trî dung trong qu¸ tr×nh ®óc bimetal liªn tôc.XuÊt b¶n t¹i Kiep - 1987. 7. Postin S.§, Legentruk - V.I. C¸c ®iÒu kiÖn nhiÖt - VËt lý ®Ó h×nh thµnh vËt ®óc bimetal. XuÊt b¶n t¹i Kiep - 1991. 8. Kostenko G.§., Brin V.B. - Nh÷ng quy luËt c¬ b¶n vÒ khuÕch t¸n vµ ph©m bè c¸c nguyªn tè hîp kim trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh trªn biªn giíi c¸c líp cña vËt ®óc bimetal vµ ®óc nhiÒu líp trªn nÒn s¾t. XuÊt b¶n t¹i Kiep - 1987. 9. Srepxov L. A., §an B . M., Pavluk A.A - Qu¸ tr×nh h×nh thµnh vïng gi¸p biªn trong vËt ®óc bimetal trªn nÒn gang vµ c¸c hîp kim kh¸c. XuÊt b¶n t¹i Kiep - 1987. 10. Nikitenko N.I, Model to¸n häc c¸c th«ng sè tÝnh hµm cña vËt ®óc bimetal b»ng c¸c hîp kim chÞu mµi mßn.Mosc¬va – 2001