Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoân khai thác đá

Bộ công thơng
Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản việt nam
viện cơ khí năng lợng và mỏ - tkv




báo cáo tổng kết đề tài
nghiên cứu khoa học công nghệ

Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao
hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo
dao cắt, khoan khai thác đá





6779
12/4/2008



Hà Nội 2.2008



2
Bộ công thơng
Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản việt nam
viện cơ khí năng lợng và mỏ - tkv

báo cáo tổng kết đề tài
nghiên cứu khoa học công nghệ

Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao
hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo
dao cắt, khoan khai thác đá

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thơng
Cơ quan chủ trì: Viện Cơ khí Năng lợng và Mỏ TKV
Chủ nhiệm đề tài: Th.s Bạch Đông Phong

Chủ nhiệm đề tài Duyệt viện


Bạch Đông Phong

Hà Nội 2.2008

3

Danh sách cơ quan phối hợp:

Stt
Tên cơ quan
Nội dung thực hiện,
phối hợp
1 Viện Cơ khí Năng lợng và Mỏ TKV Chủ trì, thực hiện

2 Hãng Sectaram Pháp
Cung cấp tài liệu
và mẫu chuẩn
3 Hãng Brucker - Đức
Cung cấp tài liệu
và mẫu chuẩn


Danh sách ngời thực hiện

Stt Họ và tên Học vị Chức vụ Nơi công tác
1
Bạch Đông Phong Thạc sỹ
T.Phòng- Chủ
nhiệm đề tài
Viện CKNL và Mỏ -
TKV
2
Lê Thanh Bình Kỹ s
Nghiên cứu viên-
Thực hiện chính.
Viện CKNL và Mỏ -
TKV
3
Nguyễn Thu Hiền Kỹ s
P.Phòng
Nghiên cứu viên
Viện CKNL và Mỏ -
TKV
4

Trần Thị Mai Kỹ s Nghiên cứu viên
Viện CKNL và Mỏ -
TKV
5
Vũ Chí Cao Kỹ s Nghiên cứu viên
Viện CKNL và Mỏ -
TKV
6
Nguyễn Văn Sáng Kỹ s Nghiên cứu viên
Viện CKNL và Mỏ -
TKV

4
Bảng chú giải các chữ viết tắt, ký hiệu, đơn vị đo, từ ngắn và thuật ngữ:

DTA: Diffirential Thermal Analysis: Phân tích sai khác nhiệt vi sai.
TG: Thermal Gross: Nhiệt khối lợng.
DTG: Derivative Thermogravimetry: Tốc độ giảm khối lợng.



5
lời nói đầu 7
Chơng 1: tổng quan 9
I.1. Khái quát về luyện kim bột 9
I.II. Quy trình công nghệ chung của luyện kim bột 11
I.II. Quy trình công nghệ chung của luyện kim bột 11
I.3. Hợp kim cứng BK, TK và phơng pháp chế tạo 12
I.3.1 Khái quát về hợp kim cứng hệ BK, TK 12
I.3.2. Các bớc chế tạo hợp kim cứng hệ BK, TK 14

Chơng 2: cơ sở lý thuyết phơng pháp thực nghiệm 17
II.1. Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG - Dta 17
II.1.1. Quá trình phát triển 17
II.1.2. Những nguyên tắc cơ bản 18
II.1.3. Mục đích của phân tích nhiệt 19
II.1.4. Kỹ thuật đờng cong nhiệt vi sai DTA 19
II.1.5. Phơng pháp phân tích nhiệt khối lợng (TG, DTG) 21
II.1.6. Những yếu tố ảnh hởng đến đờng cong nhiệt 22
II.1.7. Cách đọc và xác định đờng cong nhiệt DTA, TG, DTG 23
II.2. Thử mài mòn và ma sát 26
II.2.1. Sơ lợc về ma sát 26
II.2.2. Cơ chế mài mòn của các bề mặt kim loại 27
II.3. Đo độ cứng 27
II.3.1. Sơ lợc về độ cứng 27
II.3.2. Các phơng pháp đo độ cứng 28
II.4. Nghiên cứu tổ chức tế vi 28
II.5. Phân tích Rơnghen 29
II.5.1. Cơ sở lý thuyết 29
II.5.2. Bản chất của tia X 29
II.5.3. Sự tơng tác của tia X với vật chất 30
Chơng 3: Thực nghiệm và thảo luận 32
III.1. Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG DTA - DSC 32
III.1.1. Thiết bị sử dụng 32
III.1.2. Quy trình chuẩn bị và phân tích 32

6
III.1.3. Các kết quả phân tích 38
III.1.4. Nhận xét 43
III.2. Đo độ mài mòn và hệ số ma sát 44
III.2.1. Thiết bị 44

III.2.2. Chuẩn bị mẫu 44
III.2.3. Các bớc tiến hành thử nghiệm 44
III.2.4. Kết quả đo mài mòn và hệ số ma sát 45
III.4. Đo độ cứng 46
III.3.1. Thiết bị 46
III.3.2. Chuẩn bị mẫu 46
III.3.3. Các bớc tiến hành thử nghiệm 46
III.3.4. Kết quả đo độ cứng trên các mẫu hợp kim cứng 46
III.3.5. Nhận xét 47
III.4. Nghiên cứu tổ chức tế vi 48
III.4.1. Thiết bị thử nghiệm 48
III.4.2. Quy trình phân tích ảnh tổ chức tế vi tại nhiệt độ phòng 48
III.4.3. Quy trình quan sát và chụp ảnh tổ chức tế vi tại nhiệt độ cao 50
III.4.4. ứng dụng nghiên cứu tổ chức tế vi 51
III.5. Phân tích cấu trúc pha bằng nhiễu xạ tia X 56
III.5.1. Thiết bị sử dụng 56
III.5.2. Quy trình chuẩn bị 56
III.5.3. Phân tích cấu trúc 65
III.5.4. Xử lý kết quả 66
III.5.5. Giản đổ nhiễu xạ Rơnghen của một số mẫu hợp kim cứng 66
Kết luận và kiến nghị 70
Tài liệu tham khảo 71
Phụ LụC 72


7
Lời nói đầu
ở nớc ta, việc nghiên cứu chế tạo, phục hồi hệ hợp kim cứng BK, TK đã
đợc thực hiện từ lâu, song để nghiên cứu hệ hợp kim này trong các điều kiện
nhiệt độ cao và trong điều kiện làm việc cụ thể thì hiện rất ít đơn vị thực hiện, do

quá trình nghiên cứu cần các thiết bị rất hiện đại và đắt tiền, đồng thời các dụng cụ
phục vụ thí nghiệm rất chóng hỏng. Hơn nữa, việc khảo sát đánh giá thực nghiệm
ở một trình độ khá hiện đại mà thời sinh viên ít hoặc cha từng đợc tiếp cận.
Năm 2005, Viện Cơ khí Năng lợng và Mỏ - TKV đợc trang bị thiết bị
phân tích nhiệt chuyển biến pha TG DTA DSC, thiết bị này cho phép phân
tích chuyển biến pha và khối lợng theo nhiệt độ. Nhằm từng bớc nâng cao chất
lợng đánh giá, phân tích các số liệu thực nghiệm ở điều kiện nhiệt độ cao của
một số loại vật liệu, trong đó có hợp kim cứng, cho một số đơn vị trong và ngoài
nớc, Viện đã đề xuất đề tài: Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim
cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá. Nội dung nghiên
cứu của đề tài là:
- Khảo sát sản phẩm hệ BK, TK với các thành phần hợp kim khác nhau;
- Khảo sát nhiệt độ làm việc của hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng các
phơng pháp thử nghiệm sau:
+ Phân tích pha định tính, định lợng ở nhiệt độ cao;
+ Nghiên cứu chuyển biến pha theo nhiệt độ bằng hệ máy phân tích
nhiệt TG DTA- DSC;
+ Nghiên cứu tổ chức ảnh kim tơng ở độ phóng đại đến 1000 lần từ
nhiệt độ môi trờng đến 1200
0
C;
+ Xác định hệ số ma sát và cờng độ mòn của mẫu với thành phần
hợp kim khác nhau;
+ Xác định độ bền nén với thành phần hợp kim khác nhau;
+ Xác định độ cứng với thành phần hợp kim khác nhau.
Kết quả của đề tài còn đạt đợc mục tiêu dịch toàn bộ hớng dẫn sử dụng,
tài liệu kỹ thuật của thiết bị sang tiếng Việt; tự đào tạo và nâng cao trình độ cho
CBCNV của Phòng thí nghiệm; đa thiết bị vào vận hành sử dụng tốt, đáp ứng nhu
cầu nghiên cứu chuyển biến pha, khối lợng của vật liệu ở nhiệt độ cao với kết
quả chính xác và đáng tin cậy, khẳng định khả năng làm việc và tính chính xác

của thiết bị nói trên. Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở nâng cao sự tín nhiệm của các

8
cơ sở nghiên cứu KHKT trong nớc và cũng nh tự đào tạo đợc nguồn nhân lực
hiểu biết trong công tác nghiên cứu, thí nghiệm kiểm tra cho Phòng thí nghiệm vật
liệu tính năng kỹ thuật cao.
Với thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nội dung báo cáo cha thể hiện hết
tất cả những mong muốn của nhóm nghiên cứu, rất mong nhận đợc sự đóng góp
ý kiến của các quí vị.

9
Chơng 1: tổng quan
I.1. Khái quát về luyện kim bột :
Vật liệu bột là một lĩnh vực rộng, ở đây chỉ hạn chế chủ yếu trong phạm vi
vật liệu trên cơ sở các kim loại và hợp kim bột, tức thuộc lĩnh vực luyện kim bột.
Khác với các phơng pháp luyện kim thông thờng là chế tạo kim loại và
hợp kim bằng cách nấu chẩy rồi qua kết tinh trong khuôn để tạo hình, công nghệ
luyện kim bột sử dụng bột kim loại nh nguyên liệu ban đầu rồi qua ép và thiêu
kết để tạo hình nh mong muốn. Nh vậy muốn có một sản phẩm từ bột, nói
chung phải qua các bớc chính sau:
Chế tạo bột Tạo hình Thiêu kết Sản phẩm
- Chế tạo bột với độ hạt và độ sạch thích hợp (nguyên liệu dạng bột);
- Tạo hình bằng cách ép hỗn hợp bột trong khuôn dới áp suất thích hợp
(gọi là bột ép);
- Định hình kết thúc bằng cách sấy và nung (thiêu kết) ở nhiệt độ thích hợp
(thờng là thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính).
Luyện kim bột đợc áp dụng trong thực tế cuộc sống loài ngời từ rất
sớm, trớc cả luyện kim trong lò cao. Tuy nhiên, những vật liệu trên cơ sở kim
loại và hợp kim bột thì mới đợc phát triển trong vòng khoảng 80 năm trở lại
đây, do bột kim loại và hợp kim không có sẵn trong thiên nhiên (nh đất sét để

làm đồ gốm), mà phải qua chế tạo rất công phu, đòi hỏi kỹ thuật cao về mặt
trang thiết bị (sản xuất cũng nh kiểm tra chất lợng), vốn đầu t ban đầu lớn
Bớc đầu luyện kim bột đợc áp dụng với kim loại khó hoà tan nh : Pb, Pt, W
sau đó áp dụng đối với các vật liệu khác nh : hợp kim cứng, vật liệu compozit.
Ngày nay kỹ thuật luyện kim bột đã phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực:
1. Sản xuất các dụng cụ từ hợp kim cứng, bền nhiệt: WC, Ti, Ta và kim
cơng nhân tạo để chế tạo dụng cụ cắt gọt: dao tiện, dao phay, mũi khoan
2. Sản xuất các vật liệu đặc biệt, vật liệu tổ hợp của các kim loại, ôxyt kim
loại và phi kim loại để chế tạo các sản phẩm chịu nhiệt đến 1000C nh : cánh
tuốc bin, vật liệu gốm, vật liệu từ
3. Sản xuất vật liệu ma sát và chống ma sát, vật liệu xốp có chứa dầu nh:
bạc xốp, má phanh, xéc măng
4. Sản xuất các chi tiết máy (gia công không phoi).

10
Bảng 1.1: Những loại vật liệu có thể chế tạo
bằng phơng pháp luyện kim bột.
Loại vật liệu Các cấu tử chính
Vật liệu kết cấu (Chi tiết máy) Fe, Fe-Cu, Fe-Ni-Cu, Fe-P
Fe-C, Fe-Cu-C, Fe-Ni-Cu-Mo-C
Thép không gỉ, Brông, Latông
Ti, Al-Cu.
Hợp kim đặc biệt:
- Hợp kim từ cứng
- Hợp kim từ mềm
- Hợp kim hàn với thuỷ tinh
- Hợp kim siêu dẫn
- Hợp kim tiếp điểm và điện cực
- Hợp kim nặng

Al-Ni-Co, SbCo5, ferit từ cứng
Fe-Ni, Fe-Si, Fe-P, ferit từ mềm
Fe-Ni-Co
Nb3Sn, Ca-Cu-O
W-Cu, W-Ag, Ni-Ag
W-Ni-Cu, W-Ni-Fe
Kim loại và hợp kim sít chặt:
- Kim loại chịu nhiệt
- Kim loại dùng trong kỹ thuật hạt nhân
- Siêu hợp kim
- Thép hợp kim

W, Mo, Ta, Nb, Re
Be, Zr
Các hợp kim trên cơ sở Ni, Co
Thép dụng cụ, thép gió
Vật liệu liên kim loại Ni-Al, MoSi2, Ti-Al, Co-Mo-Si
Vật liệu chịu lửa độ sạch cao TaC, Mo2C, ZrB2, AlN, Si3N4, SiC
Vật liệu có độ xốp cao:
- Bạc xốp tự bôi trơn
- Tấm lọc


Brông, Fe-Cu, thép không gỉ, Al-Cu
Brông, Ni, Ni-Cr, monel
Thép không gỉ, Ti, Zr, Ag, Ta
Vật liệu compozit:
- Hợp kim cứng

- Cermet (hợp kim cứng nền kim loại)

- Vật liệu ma sát
- Vật liệu ít ma sát
- Vật liệu có pha phân tán

- Vật liệu cắt gọt có kim cơng

(W, Ti, Ta)C+Co, TiC+Ni-Mo,
Cr3C2+Ni
Cr-Al2O3, TiC+Ni-Cr, Mo+ZrO2
Brông+C+Ôxyt kim loại
Cu+graphit, Fe+graphit
Ni+ThO2, Al+Al2O3, AgCdO,
Cu+Al2O3
Brông+kim cơng, WC-Co+kim
cơng

11
So với phơng pháp luyện kim thông thờng, phơng pháp luyện kim bột
có những u việt khá rõ rệt, cho nên dù có ra đời muộn hơn, nó vẫn có tơng lai
phát triển vững chắc. Những u việt đó là:
- Nguyên liệu (bột) đợc sử dụng gần nh 100%, bởi vì hầu nh không có
phế liệu (kiểu phoi) sau các giai đoạn gia công.
- Thành phần của sản phẩm có thể khống chế dễ dàng ngay từ khâu chọn và
trộn bột ban đầu.
- Bảm đảm tính đồng nhất về kích thớc, tổ chức tế vi và tính chất của sản
phẩm (khi chế tạo hàng loạt) do khâu ép và thiêu kết có tính lặp lại cao, vấn đề
chỉ còn là trộn đều nguyên liệu bột ban đầu.
- Vốn đầu t ban đầu khá cao, nhng sẽ đợc bù lại nhờ tính đơn giản của
các nguyên công và bởi khả năng tự động hóa cao, năng suất cao và cần ít nhân
lực (khi quá trình sản xuất ổn định).

- Một số sản phẩm chỉ có thể chế tạo bằng phơng pháp luyện kim bột,
hoặc bằng luyện kim bột sẽ rẻ hơn so với luyện kim thông thờng (nh việc chế
tạo các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, các vật liệu cứng và siêu cứng, các
vật liệu chịu nhiệt và cách nhiệt, hoặc một số sản phẩm cần có rỗ xốp đều nh
các loại bạc xốp, các tấm lọc).
Tuy nhiên, luyện kim bột vẫn có một số nhợc điểm sau:
- Khả năng chế tạo các sản phẩm có kích thớc lớn bị hạn chế vì liên quan
đến khuôn ép, thiết bị áp lực, lò thiêu kết
- Không hiệu quả trong sản xuất quy mô nhỏ do tốn kém trong việc chế tạo
khuôn.
- Kim loại bột có độ xốp nhất định, giữa các hạt bột tiếp xúc có khoảng
trống (với vật liệu xốp thì đây là u điểm của luyện kim bột).
I.2. Quy trình công nghệ chung của luyện kim bột:
Những nguyên công chính của việc chế tạo sản phẩm bằng phơng pháp
luyện kim bột:
- Tạo bột kim loại:
Tạo bột kim loại với độ sạch và cỡ hạt phù hợp với yêu cầu. Độ sạch và
kích thớc hạt là một trong những yếu tố quan trọng quyết định tính chất của sản
phẩm sau khi ép và thiêu kết.
- Trộn bột:
Có hai phơng pháp trộn bột là: trộn bột khô và trộn bột ớt.

12
Trộn bột ớt khác trộn bột khô là trong hỗn hợp bột có mặt của chất lỏng
nh: cồn công nghiệp, xăng, Crếp
- ép tạo hình sản phẩm:
Chuyển từ trạng thái rời rạc của các hạt bột thành vật có hình dạng và kích
thớc xác định theo khuôn ép.
- Sấy và thiêu kết:
Trớc khi đem thiêu kết, chi tiết có thể đợc sấy ở nhiệt độ cao nhằm tạo

cơ tính nhất định cho sản phẩm, để có thể tiến hành gia công cơ kích thớc theo
ý muốn.
Sau đó, nung vật phẩm lên nhiệt độ cao, nhng thấp hơn nhiệt độ nóng
chảy của cấu tử chính thờng ở nhiệt độ biến mềm, với mục đính tăng độ kết
dính và nâng cao độ bền của sản phẩm:
(t
tk
o
<t
nc
o
của cấu tử chính)
- Gia công tinh:
Kiểm tra kích thớc, mài sửa, đánh bóng.
I.3. Hợp kim cứng BK, TK và phơng pháp chế tạo:
I.3.1. Khái quát về hợp kim cứng hệ BK, TK:
Hợp kim cứng là loại chuyên dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong
điều kiện khắc nghiệt chịu ma sát, mài mòn (nh dao tiện, mũi khoan các loại
v.v ), đòi hỏi chúng phải có độ cứng, tính chống mài mòn cao và có khả năng
giữ nguyên đợc tính chất đến nhiệt độ nhất định. Những yêu cầu trên đây đặc
biệt quan trọng khi chi tiết phải làm việc trong điều kiện mài mòn, ma sát cao.
Đối với dụng cụ cắt (nh tiện, phay, bào, khoan, doa, chuốt), khi làm
việc chúng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt vật. Tốc độ cắt càng cao, nhiệt do ma sát
sinh ra càng nhiều, do vậy ngoài độ cứng cao, dụng cụ đòi hỏi có tính cứng nóng
và bền nóng cao. Trớc đây, các loại chi tiết trên thờng đợc chế tạo bằng thép
hợp kim cao và có cơ lý tính tơng đối tốt nhng tuổi thọ cha cao. Với thép
dụng cụ cacbon và hợp kim thấp chỉ chịu đợc không quá 250
o
C, với thép gió
cũng chỉ dới 600

o
C.
Ngày nay, nhờ phơng pháp luyện kim bột, chúng ta có thể tạo ra các hợp
kim thay thế với chất lợng vợt trội. Dụng cụ cắt bằng hợp kim cứng BK, TK có
thể làm việc đợc tới 800-1000
o
C, nâng cao năng suất cắt và tuổi thọ cho dụng
cụ lên nhiều lần.
Thành phần chủ yếu của hợp kim cứng thông dụng là các hạt WC dính kết
với nhau bởi Co (loại một cacbit) hoặc WC + TiC + Co (loại 2 cacbit) hoặc WC

13
+ TiC + TaC + Co (loại 3 cacbit). Lợng Co dao động trong phạm vi 2-30% tùy
theo độ dai va đập cần thiết (Co càng nhiều độ dai va đập càng cao nhng độ
cứng càng thấp).
Dới đây là một số loại hợp kim cứng hệ BK, TK và TTK khác nhau có
thể chế tạo bằng phơng pháp luyện kim bột:
Bảng 1.2: Một số loại hợp kim cứng hệ BK, TK và TTK.
Thành phần hóa học, %
Nhóm
hợp
kim cứng
Ký hiệu Công thức
WC TiC TaC Co
BK2 WCCo2 98 - - 2
BK3 WCCo3 97 - - 3
BK4 WCCo4 96 - - 4
BK6 WCCo6 94 - - 6
BK8 WCCo8 92 - - 8
BK10 WCCo10 90 - - 10

BK15 WCCo15 85 - - 15
BK20 WCCo20 80 - - 20
Nhóm
một
cacbit
BK25 WCCo25 75 - - 25
T30K4 WCTiC30Co4 66 30 - 4
T15K6 WCTiC15Co6 79 15 - 6
T14K8 WCTiC14Co8 78 14 - 8
T5K10 WCTiC5Co10 85 5 - 10
Nhóm
hai
cacbit
T5K12 WCTiC5Co12 83 5 - 12
TT7K12 WCTTC7Co12 81 4 9 12
TT10K8 WCTTC10Co8 82 3 7 8
Nhóm ba
cacbit
TT20K9 WCTTC20Co9 71 8 12 9


14
I.3.2. Các bớc chế tạo hợp kim cứng hệ BK, TK:

Hình 1.1: Quy trình công nghệ chế tạo hợp kim cứng BK, TK.
1. Tạo bột:
ở Việt Nam hiện nay có hai phơng pháp phổ biến để chế tạo hợp kim
cứng BK, TK là:
- Chế tạo hợp kim từ bột WO
3
;
- Chế tạo hợp kim theo phơng pháp tái sinh từ hợp kim cứng đã qua sử
dụng.
a) Chế tạo hợp kim từ bột WO
3
:
Bột W đợc tạo ra bằng cách cho hoàn nguyên bột WO
3
trong dòng khí H
2

ở 700-900
o
C. Bột W thô thu đợc đem nghiền nhỏ, qua sàng để có độ hạt nh ý
(0.10-0.15 àm đến 3-5 àm).
Trộn bột W với mồ hóng (muội than) và nung lên đến 1400
o
C trong 1h để
thu đợc WC (nếu chế tạo loại TK phải trộn thêm TiO
2

để sau khi nung đợc
ngay hỗn hợp hai cacbit).
b) Chế tạo hợp kim theo phơng pháp tái sinh:
Quy trình trng hợp kim với Zn:
Mục đích của quá trình này là nhằm phá vỡ liên kết của Co với cacbit WC
và TiC. Quá trình trng đợc tiến hành trong lò chân không ở nhiệt độ (820 ữ
850)
0
C và thời gian giữ nhiệt khoảng (20 ữ 22) giờ. Môi trờng chân không với
mức chân không (20 ữ 30) mbar. Các mẩu hợp kim BK hoặc TK và Zn đợc đa
vào lò cùng lúc. Để tránh tạo thành các hợp chất không mong muốn thì chất
lợng Zn đa vào quá trình trng phải đảm bảo độ tinh khiết 99,99%.
Tạo bột cacbit WC, TiC
Ngiền và trộn bột
ép tạo hình
Thiêu kết

15
Trong quá trình trng, Zn bay hơi và đợc quạt hút ra ngoài.








Hình 1.2: Sơ đồ quy trình công nghệ trng hợp kim với Zn.
Xác định lại thành phần bột:
Thành phần bột là yếu tố rất quan trọng do đó trớc khi chuyển sang các

nguyên công tiếp theo ta phải xác định lại thành phần bột. Nếu hàm lợng
nguyên tố nào thấp hơn so với mác cần chế tạo thì phải tiến hành bổ xung thêm
cho đủ.
Có ba phơng pháp thông dụng để chế tạo bột Coban:
- Phơng pháp hoàn nguyên oxit Coban bằng khí H
2
;
- Phơng pháp phun kim loại: Kéo dây 2 mm dùng phơng pháp hồ quang
tạo bột sau đó cho qua sàng;
- Ngoài ra bột Coban cũng đợc chế tạo bằng phơng pháp điện phân trong
dung dịch muối kim loại (với dơng cực tan hoặc không tan). ở phơng pháp
này muốn tạo đợc bột kim loại thì ta phải dùng mật độ dòng lớn, nồng độ axit
đặc, nồng độ ion kim loại thấp và điều quan trọng nhất là phải khuấy trộn mạnh
v.v để tạo đợc lớp bột kim loại xốp, bám dính kém vào âm cực và dễ dàng lấy
ra, thậm chí ngay sau khi rửa hoặc sấy chúng đã có thể tự rã ra thành bột mịn.
Tuy nhiên, trớc khi bột đợc đa vào sử dụng ta cần phải kiểm tra lại
kích cỡ hạt cho phù hợp với yều cầu bằng cách đa qua sàng.
2. ép tạo hình:
- Trộn bột cacbit với bột Co trong nhiều giờ để làm đồng đều thành phần.
Độ đồng nhất của bột phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh:
+ Phơng pháp trộn (trộn bằng máy hay bằng tay);
+ Tốc độ trộn;
+ Thời gian trộn;
+ Dạng trộn (trộn khô hay trộn ớt).
820
ữ
850
0
C
Nguội cùng lò

Thời gian (giờ)
20
ữ
22
t
0
trng
0

16
- ép hỗn hợp bột dới áp lực 300-500 MPa rồi nung sơ bộ ở 900
o
C trong 1h
để tạo hình sơ bộ.
- Gia công cơ (phay, tiện) theo kích thớc mong muốn, chú ý để độ d cần
thiết, vì sau khi thiêu kết có sự co ngót nhất định (khoảng 5-10%).
3. Thiêu kết:
Thiêu kết lần cuối ở 1400-1500
o
C trong 1-3h, ở nhiệt độ này Co chảy lỏng
ra và tạo điều kiện để các hạt cacbit sát lại gần nhau, giảm độ xốp (và đó là lý
do làm chi tiết bị co chút ít), tăng sự liên kết giữa chúng.
Sau khi làm nguội (thờng làm nguội cùng lò để giảm ứng suất d sau quá
trình tạo hình và thiêu kết), chúng trở nên rắn chắc, không thể gia công cơ khí
đợc nữa. Cách duy nhất là mài sửa trên máy mài đặc biệt (cacborun xanh) hoặc
bằng tia lửa điện.
Do khả năng thoát nhiệt của hợp kim cứng kém (bằng khoảng 50% so với
thép cacbon), nên dụng cụ thờng đợc cấu tạo gồm hai phần: phần lỡi cắt bằng
hợp kim cứng và phần thân bằng thép thờng, liên kết với nhau bằng hàn đồng
hoặc kẹp kiểu ép hay bắt vít.

17
Chơng 2: cơ sở lý thuyết
các phơng pháp thực nghiệm
II.1. Phân tích nhiệt chuyển biến pha TG - Dta:
Nhiệt độ chuyển biến pha là một trong những thông số quan trọng nhất
của vật liệu. Trớc đây, khi lựa chọn nhiệt độ để đa ra quy trình xử lý nhiệt chủ
yếu dựa vào kinh nghiệm, điều này khó khăn khi gặp phải những vật liệu không
theo tiêu chuẩn hoặc đợc nấu trong điều kiện riêng.
Với phơng pháp này có thể xác định chính xác các nhiệt độ chuyển biến
pha của từng vật liệu, từ đó ta có thể đa ra quy trình nhiệt luyện chính xác.
Ngoài ra, việc xác định đợc nhiệt độ chuyển biến pha chính xác còn giúp lựa
chọn đợc loại vật liệu thích hợp khi chúng phải làm việc trong một môi trờng
nhiệt độ nhất định.
II.1.1. Quá trình phát triển:
Phân tích nhiệt (Thermal Analysis) đợc xây dựng và phát triển trên cơ sở
định luật bảo toàn thành phần và tính chất của vật chất do A.Lavosier và
M.V.Lomonosop phát minh vào cuối thế kỷ XVIII, đầu thế kỷ XIX. Thiết bị thử
nghiệm lúc đầu khá đơn giản: gồm một lò nung có tốc độ nung 100
o
/phút. Nhiệt
độ của mẫu nghiên cứu đợc ghi trên kính ảnh nhờ một điện kế gơng
(Galvanometre) và một cặp pin nhiệt điện (Thermocouple). Nhiệt đồ
(Thermogram) là một dãy đờng thẳng song song cách đều nhau. Nếu trong
khoảng nhiệt độ nào đó xuất hiện những đờng thẳng song song giãn xa nhau
hoặc dầy đặc đó là hiệu ứng thu nhiệt (Endothermic efect) hoặc hiệu ứng tỏa
nhiệt (Exothermic efect).

Hình 2.1: Nhiệt đồ phân tích nhiệt của Le Chatelier năm 1886.
Năm 1899 Rober Ostin đa ra phơng pháp mới để ghi đờng cong
nhiệt (Thermo curve). Nhiệt đồ ghi trên kính ảnh đợc thay bằng một tờ giấy

18
ảnh. Cặp pin nhiệt điện đợc đấu vi sai (Differential - Thermocouple). Các hiệu
ứng nhiệt đợc đặc trng bằng các đỉnh (Peak). Đỉnh hớng xuống dới là hiệu
ứng thu nhiệt, đỉnh hớng lên trên là hiệu ứng tỏa nhiệt. Đờng cong nhiệt ghi
trên giấy ảnh đợc gọi là đờng cong phân tích nhiệt vi sai (Differential
Thermal Analysis - DTA).










Hình 2.2: Nhiệt đồ ghi đờng cong vi sai (DTA)
trên giấy ảnh của Rober Owtin năm 1899.
Ngày nay, phân tích nhiệt đã phát triển mạnh mẽ, và đợc ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu: muối mỏ, đất sét, boxit, luyện kim, hóa học,
công nghệ gốm sứ và thủy tinh.

ở Việt Nam từ thập niên 1960, máy phân tích nhiệt đầu tiên
Derivatograph MoM - Budapest đã đợc lắp đặt tại một số trờng đại học:
Đại học Tổng hợp Hà Nội, Đại học Dợc Hà Nội, Đại học Quân y. Sang thập
niên 1970 một loạt phòng thí nghiệm phân tích nhiệt đợc mở tại Viện Địa chất
và Khoáng sản, Viện Hóa Công nghiệp, Viện Nhiệt đới, Viện Luyện kim, Viện
Silicat, Viện Khoa học Vật liệu Xây dựng, Nhà máy Xi măng Hải Phòng Đối
tợng nghiên cứu đã đợc mở rộng sang các lĩnh vực địa chất khoáng vật học,
vật lý chất rắn, thổ nhỡng, y học, hóa học, công nghiệp gốm sứ
Thiết bị phân tích nhiệt ngày một cải tiến. Độ nhạy và độ phân dải ngày
càng cao. Các phép đo đợc xử lý tự động trên máy vi tính.
II.1.2. Những nguyên tắc cơ bản:
- Nguyên tắc tơng ứng: Các quá trình biến đổi hóa lý xảy ra khi nung nóng
các chất có hoạt tính nhiệt đều đợc ghi nhận tơng ứng trên đờng cong nhiệt.
- Nguyên tắc đặc trng: Vật chất có hoạt tính nhiệt, khi nung nóng đều có
những quá trình biến đổi hoá lý đặc trng cho từng chất riêng biệt. Nguyên tắc

19
nung nóng trong phân tích nhiệt đợc thực hiện liên tục với tốc độ đều trong lò
điện. Đây cũng là điều kiện để giải phơng trình vi truyền nhiệt có nghiệm.
- Định luật bảo toàn thành phần và tính chất của vật chất là nguyên tắc cơ
bản để nghiên cứu quá trình hoá lý xảy ra khi nung nóng các chất có hoạt tính
nhiệt.
II.1.3. Mục đích của phân tích nhiệt:
Từ các nguyên tắc cơ bản nêu trên cho phép chỉ ra mục đích của phân tích
nhiệt nh sau:
- Nguyên tắc đặc trng cho phép xác định thành phần vật liệu, xác định các
chất có hoạt tính nhiệt. Trờng hợp trong cùng một khoảng nhệt độ, xảy ra đồng
thời những quá trình biến đổi của nhiều chất, đờng cong nhiệt sẽ ghi lại toàn bộ
các quá trình biến đổi xen phủ lên nhau và đợc coi là không ảnh hởng lẫn
nhau.

- Nguyên tắc tơng ứng cho phép xác định nhiệt độ bắt đầu, cực đại và kết
thúc của hiệu ứng nhiệt. Dạng hình học của hiệu ứng nhiệt đợc ứng dụng để
nghiên cứu động học của các quá trình hoá lý xảy ra khi nung nóng các chất có
hoạt tính nhiệt. Khối lợng mẫu thay đổi là cơ sở của phơng pháp tính định
lợng các khoáng vật trong mẫu.
II.1.4. Kỹ thuật đờng cong nhiệt vi sai DTA:
Sơ đồ đờng cong nhiệt vi sai (DTA) đợc mô tả trên hình 2.3.









Hình 2.3: Thiết bị ghi đờng cong DTA (a); Nhiệt đồ DTA (b).
Sức điện động tại cặp pin nhiệt điện thứ nhất là:
E
1
= T
m

Trờng hợp nhiệt độ mẫu nghiên cứu T
m
bằng nhiệt độ mẫu chuẩn T
m
= T
c

ta có:
E
1
= E
2


20
Hai cặp pin nhiệt điện đợc mắc xung đối nên sức điện động E của hai pin
nhiệt điện có chiều ngợc nhau. Do đó sức nhiệt điện động tổng cộng trong toàn
mạch là: E = E
1
+ E
2
= 0
Trên đồ thị hình 2.3, đờng DTA có dạng là một đờng thẳng trùng với
đờng cơ sở có T = 0
Trờng hợp trong mẫu xảy ra quá trình thu nhiệt hoặc toả nhiệt, có nhiệt
độ trong mẫu chuẩn và mẫu nghiên cứu khác nhau:
T
m
T
c

Do đó:
E
1
E
2

Sức điện động trong toàn mạch:
E = E
1
+E
2
0
Trên đồ thị, đờng DTA lệch khỏi đờng cơ sở tạo nên đỉnh có chiều
hớng lên trên gọi là hiệu ứng toả nhiệt, hoặc có chiều hớng xuống là hiệu ứng
thu nhiệt.
Trong kỹ thuật ngời ta thờng đồng thời ghi hai đờng T và DTA theo sơ
đồ nguyên lý nh hình 2.4 dới đây:










Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý ghi đồng thời đờng cong T và DTA
1- Lò điện, 2- Mẫu n ghiên cứu, 3- Mẫu chuẩn, 4- cặp nhiệt điện vi sai,
5- đờng cong nhiệt độ T
m
, 6- đờng cong DTA.
Phép đo đồng thời T và DTA là cơ sở của phơng pháp phân tích nhiệt vi
sai. Đờng nhiệt độ T cho biết hiệu ứng nhiệt xảy ra ở nhiệt độ nào. Dạng hình
học của hiệu ứng nhiệt cho biết động học của các quá trình xảy ra trong mẫu
diễn ra nh thế nào. Đó là các quá trình phân ly, oxy hoá, thay đổi cấu trúc để

21
tạo nên các sản phẩm mới v.v tổng hợp các số liệu phân tích trên đồ thị T và
DTA cho phép xác định định tính và giải thích các đặc điểm nhiệt của vật chất.
II.1.5. Phơng pháp phân tích nhiệt khối lợng (TG, DTG):
Các chất khi nung nóng thờng có sự thay đổi khối lợng, đối với khoáng
vật, vật chất, sự thay đổi khối lợng liên quan đến cả quá trình tách nớc, phân
ly khí CO
2
, SO
3
, SO
2
hoặc quá trình oxy hoá
Nh vậy đờng thay đổi khối lợng TG cho biết khối lợng mẫu nghiên
cứ bị giảm đi hay tăng lên là bao nhiêu % so với khối lợng mẫu kể từ thời điểm
bắt đầu nung nóng.
Trờng hợp trong khoảng nhiệt độ nào đó có 2 hoặc nhiều quá trình xảy ra
đồng thời dẫn đến thay đổi khối lợng mẫu, trên đồ thị TG chỉ đo đợc tổng độ
giảm khối lợng của các quá trình xảy ra. Muốn biết độ giảm khối lợng của
mỗi quá trình riêng biệt, ngời ta lấy đạo hàm đờng cong TG.
Cơ sở của phép đo DTG liên quan tới tốc độ thay đổi khối lợng và tốc độ
dịch chuyển của cán cân theo mối tơng quan tỷ lệ thuận:
d
t
ds
d
t
dm

Trong đó:
- dm: lợng mẫu giảm;
- dt: thời gian;
- ds: quãng đờng;
Sức điện động E xuất hiện trong cuộn dây có chiều dài l chuyển động với
tốc độ ds/dt trong từ trờng đều của một nam châm vĩnh cửu có cờng độ là H
đợc tính theo công thức:
dt
ds
lHE=


22









Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý ghi đờng cong TG và DTG
trên tổ hợp thiết bị phân tích
1- Lò điện, 2- Mẫu nghiên cứu, 3- cân, 4- đèn chiếu, 5- thấu kính,
6- gơng phẳng, 7- nam châm, 8- ống đếm, 9- điện kế gơng, 10- băng giấy
Biết điện trở thuần của điện kế có giá trị không đổi. Do đó ứng với góc
quay không quá lớn của khung dây điện kế, ta có góc quay tỷ lệ với cờng
độ dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây:

dt
dm
dt
ds
EoIt )(


Khi mẫu nghiên cứu có nhiệt độ tăng tuyến tính với nhiệt độ của lò điện
thì góc quay đợc coi là hàm số của nhiệt độ T hay thời gian t.
()
)(tT
dt
dm



II.1.6. Những yếu tố ảnh hởng đến đờng cong nhiệt:
Những kết luận rút ra từ lý thuyết phân tích nhiệt cho thấy quá trình xảy ra
trong mẫu phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm. Với điều kiện khác nhau, sẽ thu
đợc những đờng cong nhiệt rất khác nhau, do đó phải lập quy trình nung nhiệt
cho từng loại vật liệu khác nhau.
Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng: ảnh hởng chủ yếu đến sự biến
đổi của các quá trình xảy ra trong vật chất khi nung nóng là: Độ dẫn nhiệt và
nhiệt dung của vật, các ion tạp chất, tốc độ nung nóng, kích thớc hạt trong dạng
bột, khối v.v Những yếu tố khác có ảnh hởng đến dạng đờng cong nhiệt là:
Độ tinh khiết của mẫu, khối lợng mẫu, độ nhạy của cặp pin nhiệt điện, áp suât
trong không gian hữu ích của lò điện, vị trí đặt đầu đo nhiệt độ của cặp pin nhiệt
điện trong mẫu.

23
II.1.7. Cách đọc và xác định đờng cong nhiệt DTA, TG, DTG:
1. Đờng cong DTA:
Cách đọc và giải thích đờng cong DTA theo các nội dung sau đây:
Đờng DTA có dạng là một đờng thẳng gần trùng với đờng cơ sở cho
biết mẫu nghiên cứu là chất trơ nhiệt (hệ số dẫn nhiệt của mẫu nghiên cứu
m

gần bằng với hệ số dẫn nhiệt của chất chuẩn
c
.









Hình 2.6: Đờng cơ sở T = 0 (a), đờng DTA có
m
>
c
(b),
đờng DTA có
m
<
c
(c).

Độ dẫn nhiệt
m
>
c
: Đờng DTA có dạng là một đờng thẳng nằm ở phía
trên đờng cơ sở, đờng b.
Độ dẫn nhiệt
m
<
c
: Đờng DTA có dạng là một đờng thẳng nằm ở
phía dới đờng cơ sở, đờng c.
* Các yếu tố để xác định một hiệu ứng nhiệt gồm:
Nhiệt độ tại thời điểm bắt đầu xảy ra hiệu ứng nhiệt T
đ
;
Nhiệt độ cực đại của hiệu ứng nhiệt T
M
;
Nhiệt độ kết thúc của hiệu ứng nhiệt T
c
.
Cách xác định điểm T
đ
và T
c
đợc tiến hành nh sau:
Từ nhánh bên trái và nhánh bên phải của hiệu ứng nhiệt, kẻ các đờng tiếp
tuyến cắt đờng cơ sở ở hai điểm P, Q. Từ P, Q kẻ đờng pháp tuyến cắt DTA ở
đâu chính là điểm T

đ
và T
c
.







24











Hình 2.7: Các yếu tố đặc trng cho hiệu ứng nhiệt.
T
M
cho biết nhiệt độ tại thời điểm cờng độ hiệu ứng nhiệt đạt tới cực đại.
Đờng cao (biên độ) của hiệu ứng nhiệt ký hiệu là H là đờng kẻ từ đỉnh
vuông góc với đờng nối điểm đầu và điểm cuối của hiệu ứng nhiệt. Diện tích
hiệu ứng S đợc giới hạn bởi các điểm Tđ, Tc, T

M
.











Hình 2.8: Một số dạng hình học của hiệu ứng nhiệt.
Các dạng hiệu ứng nhiệt:
- Hiệu ứng nhiệt có hai nhánh parapol cân đối, đỉnh nhọn, đợc đặc trng
bởi cho quá trình biến đổi có cờng độ tăng liên tục, đạt tới cực đại tại đỉnh T
M

và sau đó cờng độ giảm dần cho đến điểm kết thúc T
c
, hình 2.8a.
- Hiệu ứng nhiệt có nhánh bên trái dựng đứng (độ dốc lớn), nhánh bên phải
thoai thoải (độ dốc nhỏ) đặc trng cho quá trình biến đổi trong mẫu lúc ban đầu
rất nhanh. Cờng độ đạt tới cực đại ở đỉnh T
M
sau đó quá trình biến đổi giảm dần
cho tới điểm kết thúc T
c
hình 2.8 b.

25
- Tơng tự có thể giải thích cho trờng hợp hiệu ứng nhiệt có nhánh bên trái
thoai thoải, nhánh bên phải dựng đứng hình 2.8 c.
- Hiệu ứng nhiệt có nhánh bên phải nằm dới đờng cơ sở, chứng tỏ mẫu
sau khi nung nóng đã biến đổi thành sản phẩm có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn độ dẫn
nhiệt của mẫu chuẩn (m <
c
) tơng tự có thể giải thích ngợc lại quá trình cho
trờng hợp nhánh bên phải nằm trên đờng cơ sở hình 2.8 d, e.
- Hiệu ứng nhiệt có đỉnh không nhọn chứng tỏ quá trình biến đổi trong mẫu
xảy ra đều đều cho đến lúc kết thúc hình 2.8 f.
- Hiệu ứng nhiệt chồng chập lên nhau: Dấu hiệu nhận biết là nhánh bên trái
hoặc bên phải của hiệu ứng nhiệt xuất hiện các điểm uốn (c) và (c*) nh hình
2.9.






Hình 2.9: Hai hiệu ứng nhiệt chồng chập lên nhau.
2. Đờng cong TG và DTG:
Đờng cong TG và DTG có dạng là một đờng thẳng khi mẫu nghiên cứu
là chất trơ nhiệt, mẫu không thay đổi khối lợng trong suốt quá trình nung nh
hình 2.10a.

Hình 2.10: Đờng cong TG và DTG
a) mẫu chất trơ nhiệt, b) mẫu có một hiệu ứng nhiệt.