Công nghệ phu phủ plasma

Ứng dụng công nghệ phun phủ plasma vật liệu hợp kim-gốm
tăng độ bền mịn, chịu mài mịn của trục chính máy khoan,
doa CNC và một số chi tiết máy
Th.S Lục Vân Thương, TS. Hoàng Văn Châu – Giám đốc
PTN TĐ Hàn và Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu Cơ khí

TĨM TẮT:
Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu được 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 đây đã đưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học cơng nghệ riêng, góp
phần đáng 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. Trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu về
công nghệ phun phủ plasma và một số ứng dụng của nó trong lĩnh vực chế tạo chi
tiết máy.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với
những chế độ công tác rất khác nhau. Chúng bị phá huỷ và hư hỏng dưới nhiều
dạng. Có nhiều nguyên nhân, những ngun nhân chính là: gỉ (do làm việc trong
mơi trường khơng khí – các kết cấu xây dựng, và nước – các phương tiện thuỷ; các
môi trường tĩnh và động - thiết bị hố học…); ăn mịn (dưới tác dụng của các chất
lỏng và khí cháy); mài mịn cơ học và các hư hỏng khác (tại các mặt tiếp xúc của
các chi tiết làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao).
Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã
được đưa ra: gia cơng nhiệt để cải thiện các tính chất của vật liệu; sản xuất vật liệu
mới và hợp kim. Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ
chống ăn mịn và mài mịn.
Có nhiều phương pháp phủ trên mặt chi tiết và kết cấu tuỳ theo mục đích sử
dụng và điều kiện làm việc của chúng. Có những lớp phủ bảo vệ hoặc trang trí; có

những lớp phủ đặc biệt với những tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu mài
mòn, chịu nhiệt và cách nhiệt…
Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào điều kiện
làm việc của các chi tiết và kết cấu. Ngoài ra sự cải thiện chất lượng bề mặt của vật
liệu cũng cho phép thiết kế và chế tạo máy móc và thiết bị năng suất hơn.
Trong bài viết này chúng tôi muốn giới thiệu chủ yếu là phương pháp phun
phủ plasma, ứng dụng vào phục hồi và làm mới các chi tiết máy làm việc trong điều
kiện chịu mài mòn, chầy xước,..
1


2. CƠNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA
2.1. Ngun lý của cơng nghệ phun phủ plasma
Công nghệ phun plasma nhờ năng lượng cao của nguồn nhiệt hồ quang
plasma gián tiếp của đầu phun mà vật liệu được nung chảy và phun vào chi tiết.
Khái niệm hồ quang plasma gián tiếp ở đây có nghĩa là hồ quang được tạo nên
trong các bộ phận cathode và anode của đầu phun, còn chi tiết khơng được tiếp với
nguồn điện. Khí trơ hoặc các chủng loại khí khử dưới áp lực lớn được thổi vào
khoảng giữa cathode và anode, dưới tác động của hồ quang bị ion hoá ở nhiệt độ
rất lớn (khoảng 17.000C). Luồng plasma được phun qua đầu phun với vận tốc cao,
bột phun được hút vào luồng khí này, nóng chảy và bay ra phủ lên bề mặt chi tiết.
Trên bề mặt chúng liên kết lại thành lớp phủ xốp. Sự liên kết giữa các hạt chủ yếu
bằng qúa trình chảy kết và bám dính lên bề mặt bằng lực cơ học. Bề mặt vật phủ có
nhiệt độ thấp nên khơng xảy ra qúa trình khuếch tán.
Lớp phủ lên bề mặt cần phải có độ bám dính cao với bề mặt, độ xốp thấp. Khi
thực hiện phun phủ nhiệt dẫn xuống bề mặt càng ít càng tốt để tránh rộp tế vi và
biến dạng bề mặt. Để thực hiện được công nghệ phun phủ hồ quang plasma thì cần:
kèm;

* Thiết bị: súng phun hồ quang plasma, máy móc và hệ thống làm mát đi

* Bột ngun liệu;
* Qui trình cơng nghệ.
Phương pháp này dùng nguyên liệu bột tạo ra các loại lớp bề mặt :
* Bảo vệ chống mài mòn;
* Dẫn điện;
* Cách nhiệt;
* Tương thích sinh học với cơ thể sống.
* Nhiều tính chất đặc biệt khác.

Vai trị của tất cả các lớp phủ lên các lớp oxit bám dính tốt để bảo vệ vật liệu
nền khỏi bị oxi hoá và sự giảm độ bền. Các khí cháy ln chứa một lượng chất thải
từ hỗn hợp dầu, khí và nước. Lượng chất tạp càng lớn thì thời gian cơng tác của
các chi tiết máy tuabin khí càng giảm do tác dụng của q trình oxi hóa ở nhiệt độ
cao. Ngồi oxy hóa ở nhiệt độ cao, khi nhiệt độ cháy của tuabin khí càng cao, thì
sự oxy hố ở nhiệt độ cao càng mạnh.
Ưu điểm của công nghệ phun phủ kim loại này không bị hạn chế bởi độ lớn,
nhỏ của vật phủ do thiết bị phun rất dễ dàng di động và có thể xách tay. Cơng nghệ
này rất thích hợp cho việc tạo lớp phủ mới hoặc phục hồi các cơng trình, kết cấu có
kích thước lớn bất kỳ, cũng như các chi tiết máy móc nhỏ - Tạo các lớp phủ bề mặt
có độ dày như ý muốn.
2.2. Vật liệu dùng trong phun phủ plasma
2


- Bột gốm kim loại (hỗn hợp cơ học giữa oxyt với kim loại và hợp kim)
- Bột hợp kim cứng (cacbit W, Cr, Ti vv… và hỗn hợp chúng với Co, Ni)
- Bột Ni-164-2 và ZRO - 182.
- Vật liệu siêu cứng, gồm cả kim cương.
Nguyên liệu phun cho lớp lót (lớp liên kết) thường dùng: Ni-164 - 2. Lớp
phun bằng bột Ni164-2 có độ cứng ~60RB và độ bám tối thiểu là 2750 psi

(~193,2kg/cm2).
Cho lớp phủ (lớp bề mặt làm việc): có thể sử dụng bột Ceramic, bột WC, bột
ZRO - 182.
Sử dụng khí Ar, He, H2 để tham gia trong quá trình phun phủ plasma.
2.3. Thiết bị phun phủ plasma
Có rất nhiều thiết bị phun phủ plasma khác nhau, dưới đây xin được giới thiệu
01 thiết bị phun plasma hiện có của Phịng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn
và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí:
- Máy phun plasma SG-100 (Praxair Thermal SG-100 Spray System). Các chế
độ phun thay đổi được trong phạm vi rộng hoặc hẹp dần để lựa chọn những chế độ
thích hợp nhất cho phép nhận được lớp phun có độ bám, độ cứng và độ chặt (hoặc
độ xốp) theo yêu cầu của các lớp phun.
Các đặc tính kỹ thuật chính của thiết bị:
- Cơng suất nguồn: 60kW
- Kích thước bột phun : 40-120m
- Năng suất phun: Qkl = 2-10kg;
Qcacbit = 1-6kg; Qceramic = 1-6kg
- Trọng lượng đầu phun: 1.8 kg
- Hệ thống làm lạnh: 30.3 l/min
- Bộ phân phối khí (lọc khí vào): 80 PSI
(550 kPa)
- Bộ điều khiển : 220 VAC, 50Hz
- Nguồn plasma : 60kW, t0max 490C
- Bộ khởi động cao tần: 220VAC, 2.75A, 50Hz
- Bộ phận phun 1264
- Làm mát: 31kW, 106BTU/hr.
3. GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM VÀ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT

3

3.1. Trục chính máy khoan doa CNC nhiều đầu trục (Spindle unit for Drilling
and Boring CNC Machine Multiple Spindle).

Trục trước khi phun

Trục sau khi phun

Trục sau khi mài tinh và hồn
thiện

- Tính năng cơng tác (ứng dụng): Spindle unit for Drilling and Boring CNC
Machine là trục chính dùng để gá dao khoan, doa trên máy Khoan doa nhiều đầu
trục đồng thời. Máy chuyên dùng cho gia công càng xe Môtô các loại.
- Tính chất làm việc: Trục có vai trị truyền động mơmen xoắn từ động cơ có
cơng suất 30 kW, tốc độ quay 2880 vòng/ph, qua cặp bánh răng chính và bánh răng
trung gian để truyền chuyển động đến đầu dao làm việc. Trong q trình gia cơng
chi tiết cơ khí, trục chính làm việc chịu tác động một lực nén dọc trục, chịu một lực
xoắn và làm việc trong mơi trường có hệ thống dầu mỡ bơi trơn đầy đủ. Trục có
u cầu chịu mài mịn tốt tại các vị trí lắp phớt chắn dầu đặc biệt nên cần được phủ
bề mặt bằng vật liệu gốm Ceramic hoặc hợp kim TiN (Titanium Nitride). Đây là
một trong những yêu cầu khó nhất mà trước đây chưa được phổ biến ở Việt Nam.
- Đặc tính Kỹ thuật: Là loại trục có nhiều bậc yêu cầu đảm bảo các điều kiện
kỹ thuật như: Dung sai kích thước chính xác đến 0.005mm, 0.01mm tại các vị trí
lắp ổ lăn, bánh răng… và sai số hình dáng hình học khá khắt khe: độ khơng đồng
tâm cho phép và độ khơng vng góc cho phép giữa các bề mặt tương quan đều là
0.01mm trên chiều dài 100mm (bản vẽ kèm theo).
- Vật liệu chế tạo trục: SCM21 (Nhật), hoặc 20XM (Nga)
- Tính chất cơ lý yêu cầu: Để đảm bảo khả năng chịu mài mòn bề mặt lắp
ghép mà bên trong vẫn dẻo dai, trục cần nhiệt luyện theo chế độ sau: Tôi cải thiện

toàn bộ đạt độ cứng 32-35HRC, các bề mặt của trục yêu cầu tôi tần số đạt độ cứng
45-50HRC.
3.2. Trục rotor động cơ

Trục trước khi phun

Trục sau khi phun

Sau khi gia cơng đạt kích
thước
4


- Tính năng ứng dụng: dùng cho hệ thống tời nâng hạ nắp lị trong nhà máy
Nhiệt điện.
- Tính chất làm việc: Trục có vai trị truyền động mơmen xoắn từ động cơ có
cơng suất 75 kW.
- Đặc tính kỹ thuật: yêu cầu đảm bảo các điều kiện kỹ thuật như: Dung sai
kích thước chính xác đến 0.005mm, 0.01mm tại các vị trí lắp ổ lăn, bánh răng… và
sai số hình dáng hình học khá khắt khe: độ khơng đồng tâm cho phép và độ khơng
vng góc cho phép giữa các bề mặt tương quan đều là 0.01mm trên chiều dài
100mm (bản vẽ kèm theo).
- Tính chất cơ lý yêu cầu: Để đảm bảo khả năng chịu mài mòn bề mặt lắp
ghép mà bên trong vẫn dẻo dai, các bề mặt của trục yêu cầu đạt độ cứng 4550HRC.
3.3. Cánh bơm
- Tên sản phẩm: bánh cơng tác NPS 65/500.
- Tính chất làm việc: làm việc với tốc độ quay 4000 vg/min.
- Vật liệu chế tạo: 20X13
- Yêu cầu kỹ thuật: lớp phủ có chiều dày 0,6 mm, độ cứng 50-55HRC.

Trước khi phun

Sau khi được phun hạt mài
làm sạchvà tạo nhám

Sau khi phun phủ plasma

3.4. Lá van

Trước khi làm sạch tạo nhám

Sau khi được làm sạch

Sau khi được phun phủ plasma

- Tính năng ứng dụng: loại Van gate 3.1/8” dùng trong các đường ống dẫn
dầu khí
- Yêu cầu kỹ thuật: lớp phủ có chiều dày 0,20,4 mm, độ cứng 50-55HRC.
5




Chế độ phun và kết quả đạt được

Chế độ phun: Phương pháp phun được áp dụng là hồ quang plasma. Hỗn hợp khí
Ar + He dùng cho lớp lót; hỗn hợp khí Ar + H2 - lớp phủ; khí tải (mang) bột - Ar.
Chế độ phun - bảng 1.
Bảng 1. Bảng thông số chế độ phun đối với các vật liệu khác nhau
Vật liệu phun

Cr-Ni-B
Cr
CrB2
Cr3C2
Co
MgO
Mo
MoSi2
MoS2
Monel
Ni
Ni-Cr
TaC
TiC
TiB2
TiO2
TiSi2
TiN
Wc
Wc+CO
ZvO2
ZvC

Dịng,
A

300
500
400

250
400
750
450
400
400
450
650
300
750
725
550
750
400
500
525
500
600
725

Điện thế,
V

30
30
28
29
29
30
29

26
30
29
29
29
26
27
27
27
30
29
25
25
32
27

Lưu lượng khí
Ar, l/ph

37,5
37,5
30
37,5
30
30
30
22,5
30
30
30

30
25
25
30
17,5
37,5
37,5
30
30
50
30

Lưu lượng khí
mang, ( l/ph)

8
9
12
11
10
9
10
9
8
10
14
13
8
8
10

10
9
11
7
10
12
9

Cỡ hạt,
m

44
63
63
63
63
44
63
63
44
44
63
63
44
63
44
44
63
44
63

63
44
63

Kết quả: Lớp phun phủ phục hồi chi tiết máy được tạo bởi lớp liên kết từ bột Ni164-2 và lớp phủ từ bột WC, Ceramic, ZRO – 182 với chiều dày tương ứng là 0,4 0,6 mm và độ cứng đạt 4055 HRC.
4. KẾT LUẬN
Sản phẩm trục chính máy khoan doa CNC nhiều đầu trục (Spindle unit for
Drilling and Boring CNC Machine Multiple Spindle) được đánh giá của phía
khách hàng là 1 chi tiết máy có yêu cầu kỹ thuật cao và khó chế tạo thành công tại
Việt Nam trong những năm 2008 trở về trước, thường phải nhập khẩu từ các nước
có nền Cơng nghiệp chế tạo máy tiên tiến như: Nhật, Hàn Quốc, Thái Lan và Đài
Loan. Điểm đặc biệt cần nhấn mạnh ở đây là yêu cầu bề mặt của sàn phẩm cần
được phủ Plasma vật liệu Gốm Ceramic. Công nghệ này đã được áp dụng tại một
vài doanh nghiệp và cơ quan nghiên cứu nhưng chưa đươc đánh giá là thành công.
6


Trong thời gian vừa qua, Phịng thí nghiệm - Viện Nghiên Cứu Cơ khí (NARIME)
đã triển khai chế tạo thành công và đưa sản phẩm vào ứng dụng thực tế. Điều này
đã khẳng định được bước phát triển vượt trội trong cơng nghệ phun phủ bề mặt của
Phịng thí nghiệm - Viện Nghiên Cứu Cơ khí nói riêng và ngành cơ khí chế tạo
Việt nam nói chung.
Ngồi ra một số chi tiết như bánh công tác, trục rotor động cơ, lá van ,.. đều
được nhà sử dụng đánh giá cao về chất lượng sản phẩm sau phun.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Văn Thông (2006), Công nghệ phun phủ bảo vệ và phục hồi NXB
khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
2. Nguyễn Văn Thông, Uông Sỹ Áp, “Về các lớp phun chịu nhiệt cao”. Tạp
chí Cơng nghiệp No: 1/2006
3. Hồng Tùng (2004), Công nghệ phun phủ và ứng dụng, NXB khoa học và

kỹ thuật, Hà Nội.
4. Nguyễn Văn Thông (1998), Vật liệu và công nghệ phun, NXB Khoa học và
Kỹ thuật.
5. Nguyễn Xuân Toàn (1998), Phương pháp phần tử hữu hạn, ĐHBK – Hà
Nội.
6. Phạm văn Nghệ - Đỗ văn Phúc, Phương pháp phần tử hữu hạn – lý thuyết và
lập trình, NXB Giáo dục.
7. Trần Ích Thịnh – Trần Đức Trung – Nguyễn Việt Hùng (2000), Phương
pháp phần tử hữu hạn trong kỹ thuật, ĐHBK – Hà Nội.
8. Khasui A. Technica Napylenia. Mashinostroenie, Moscow 1975.
9. Miller RA, Lowell CR. Failure mechanism of thermal barrier coatings
exposed to evaluated temperatures. Thin Solid Films 1982; 95:265-73
10.Teixeira V. Mechanical integrity in PVD coatings due to the presence of
residual stresses. Thin Solid Films 2001;392:276-81.
11.Zhang XC, Gong JM, Tu ST. Analysis on deposition process and residual
stress in plasma spraying. Pressure Vessel Technol 2003; 20:33-6. [in
Chinese]
12.Knotek O, Elsing R, Balting U. On the influence of thermophys-ical data and
spraying parameters on the temperature curve in the thermally sprayed
coatings during production. Surf Coat Technol 1988;36:99-110.
13.Lee JD, Ra HY, Hong KT, Hur SK. Analysis of deposition phenomena and
residual stress in plasma spray coatings. Surf Coat Technol 1992;56:27-37.
14.Widjaja S, Limarga AM, Yip TH. Modeling of residual stress in a plasmasprayed zirconia/alumina functionally graded-thermal barrier coating. Thin
Solid Films 2003;434:216227.

7