B GIÁO DO
I HC BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------
NGUYN QUC VIT
NGHIÊN CU QUÁ TRÌNH ÉP CHY VT LIU T HP Cu Cr
Chuyên ngành: CÔNG NGH CH TO MÁY
LUC
CÔNG NGH CH TO MÁY
NG DN KHOA HC:
1.
2.
HÀ NI 2012
1
170817796464263364126-040b-4170-b17e-d939b6de4ef6
1708177964642f3bbd771-a9b4-4339-848c-d42cf071106e
17081779646425e98d9b1-a60e-4683-b65c-2756ff142601
L
u luc ca tôi. Các s
liu, kt qu nghiên cu trong luung thc ai cơng b
trong bt k cơng trình nghiên c
2
MC LC
Trang
Trang ph bìa
1
L
2
Mc lc
3
Danh mc các bng
6
Danh mc cách hình v th
7
Li m u
9
Chng I. TNG QUAN
12
-Cr
1.1. KHÁI NIM CHUNG
12
NGHIÊN CU, SN XUT VT LI N CC
13
HÀN
1.3. HP KIM Cu Cr VT LU IN CC HÀN CH YU
15
HÀN
18
1.4.1. Khái nim v vt liu t h
18
1.4.2. c im ca vt liu t hp hố bn phân tán
19
1.5. QUY TRÌNH CƠNG NGH CH TO VT LIU T HP CT
20
HT MN
1.5.1. Chun b hn hp bt kim loi
21
1.5.2. Nghin trc hn hp bt kim loi
23
1.5..2.1. Các dng máy nghin trn c hc
23
n ca quá trình nghin trc
26
1.5.3. Quá trình ép t
27
1.5.4. Quá trình thiêu kt
29
3
1.5.5. Ép chy vt liu t hp xp
31
KT LU
40
II. VT LIU, THIT B U
41
2.1. VT LIU NGHIÊN CU
41
2.1.1. La chn vùng kho sát thành phn hn hp kim loi Cu-Cr
41
2.1.2. Tính tốn phi liu
43
2.2. THIT B NGHIÊN CU
43
2.2.1.Thit b phi liu
43
2.2.2. Thit b nghin trc
44
2.2.3. Thit b ép t và ép chy
46
2.2.4. Thit b thiêu kt
46
U
47
xp
47
cng ca VLTH Cu-Cr
49
nh t chc t vi ca VLTH Cu-Cr
49
nh s hình thành và bii thành phn pha ca VLTH
49
2.3.5. D dn
51
2.3.6. T ch to VLTH Cu-Cr
52
2.4. KT LU
59
. K THUT THC NGHIM CH TO VT LIU T HP
Cu-Cr
60
3.1. CHUN B VÀ NGHIN TRN HN HP KIM LOI Cu-Cr
60
3.1.3. Nghin trn hn hp bt kim loi
60
3.2. ÉP T
66
3.3. THIÊU KT
66
3.3.1. Ch thiêu kt
66
3.3.2. Kt qu q trình hồn ngun - thiêu kt
67
4
3.4. KT QU VÀ BÀN LUN KT QU CH TO VLTH XP Cu-Cr
68
3.4.1. Kt qu xp ca VLTH xp Cu-Cr
cng ca VLTH xp Cu-Cr
68
3.4.3. T chc t vi ca VLTH xp Cu-Cr
70
3.4.4. D dn ca VLTH xp Cu-Cr
3.5. KT LU
: K THUT NGHIM ÉP CHY PHÔI VT LIU T HP
XP Cu-Cr
ÉP CHY PHÔI VT LIU T HP XP Cu-Cr
Y PHƠI VLTH XP Cu-Cr
69
72
73
75
75
76
p Cu-Cr khơng có v bc
77
p Cu-Cr trong cng
79
4.NH MT S TÍNH CHT CA PHÔI Cu-Cr SAU ÉP CHY
xp
cng ca vt liu Cu-Cr
nh t chc t vi ca vt liu Cu-Cr
4.4. KT LU
80
81
81
82
82
83
KT LUN VÀ KIN NGH
5
DANH MC BNG BIU
Bng
1.1
Ta bng
Trang
13
1.2
2.1
Một số bộ điện cực hàn cắt thông dụng trên thị trường Việt Nam
Các thông số đặc trưng của một số nguyên tố
Điều kiện thí nghiệm được chọn
2.2
2.3
Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm
Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thơng số cơng nghệ
4.1
4.2
Kết quả q trình ép chảy vật liệu tổ hợp Cu-5%(khối lượng)Cr
Bảng kết quả đo độ xốp mẫu vật liệu sau khi ép chảy
77
81
4.3
Bảng kết quả đo độ cứng mẫu vật liệu sau khi ép chảy
81
6
16
54
5569
70
DANH MC CÁC HÌNH V TH
Hình
Ta hình
Trang
1.1
Giản đồ trạng thái
17
1.2
1.3
17
22
1.4
1.5
Giới hạn vùng bão
Quy trình cơng nghệ chế tạo sản phẩm VLTH cốt hạt mịn bằng
phương pháp nghiền trộn cơ học- thiêu kết kết hợp biến dạng tạo
hình
Một số thiết bị thông dụng dùng để nghiền trộn cơ học
Sơ đồ nguyên lý nghiền bi trong máy nghiền cánh khuấy
1.6
Các giai đoạn trong quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dẻo
26
1.7
Các giai đoạn trong quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo –
dịn
Kích thước của khn ép tạo hình sơ bộ
Bề mặt tiếp xúc của hỗn hợp vật liệu bột trước và sau thiêu kết
Sơ đồ ép chảy thuận và ép chảy ngược
26
Giản đồ trạng thái Cu – Cr
31
1.8
1.9
1.10
2.1
ảnh h-ởng của các nguyên tố khác nhau đến độ cứng lâu của Cu ở
2.2
2.3
nhiệt độ cao.
nh SEM hỡnh dng mẫu hỗn hợp bột ban đầu
-4
Cân điện tử độ chính xác 10 g
2.4
2.5
Máy nghiền bi kiểu cánh khuấy do nhóm nghiên cứu tự chế tạo
Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy
2.6
Máy ép thủy lực 100 T
2.7
2.8
Lò thiêu kết Linn 1300
Kính hiển vi điện tử quét FEI quanta 200
2.9
3.1
Máy phân tích Rơnghen D5005 – SIEMENS
Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột Cu- Cr
3.2
3.3
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu
3.4
3.5
24
25
28
30
42
42
44
45
45
46
47
47
50
50
62
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu vật liệu sau khi thiêu kết
63
64
Giản đồ thiêu kết mẫu Cu-Cr
67
7
3.6
Kết quả phân tích EDX mẫu sau khi thiêu kếtở 9000C, thời gian 1
68
3,7
giờ
Ảnh hiển vi quang học mẫu Cu-5% (khối lượng) Cr sau khi thiêu
kết ở 9000C trong 1h,
Ảnh SEM mẫu Cu-5% (khối lượng)Cr sau khi thiêu kết ở 9000C
trong 1h (X 30.000)
71
3.8
3.9
71
Kết quả phân tích EDS mẫu Cu-5% (khối lượng) Cr sau khi thiêu
kết ở 9000C trong 1h (X 30.000)
72
3.10
4.1
Sự phụ thuộc độ dẫn điện VLTH Cu-Cr vào hàm l-ợng %Cr
S quỏ trỡnh ộp chy vt liu tổ hợp Cu-Cr
73
75
4.2
Ảnh các mẫu thí nghiệm sau khi ép chảy
78
4.3
Sơ đồ mẫu ép chảy VLTH xốp Cu- 5% (khối lượng) Cr trong cốc
đồng
79
4.4
4.5
Ảnh mẫu ép chảy vật liệu tổ hợp Cu – Cr
Tiết diện dọc mẫu ép chảy phôiVLTH xốp xốp Cu-5% (khối lượng)Cr
80
80
4.6
Ảnh chụp kim tương tổ chức tế vi của mẫu ép chảy vật liệu tổ hợp
Cu-Cr
82
8
, H
-
nguyên công sau này.
hàn
-
giá thành không cao
Trong
.
n trong lò
kim
nói chung, v-Cr nói riêng
9
trong
Cu-
.
tình hình nghiên
-Cr.
-Cr.
.
Tác gi xin t lòng bi n PGS. TS. Tr n
ng dn, gi ý và cho nhng li khuyên ht sc b ích trong vic nghiên cu và
hoàn thành lu
Tác gi xin trân trng c, TS Nguyng Thy,
ng ý ki ng viên quý báu trong quá trình tác gi làm luân
Tác gi xin trân trng cVin Khoa hc và K thut vt liu, B
hc vt liu và Cán kim loi, B mơn Gia cơng áp lc, phịng thí nghim Cơng ngh
vt liu kim loi, Phịng thí nghim B mơn Gia công áp l i hc Bách
Khoa Hà No mu kin thun l tơi hồn thành bn lu
Xin chân thành c chân tình ca các bn trong nhóm nghiên cu
trong sut quá trình làm thc nghim c tài.
10
Hà Nội, ngày27 tháng12 năm 2012
Tác gi
Nguyn Quc Vit
11
Chng I. TNG QUAN
TÌNH HÌNH , -Cr
1.1. KHÁI NIM CHUNG
Cơng ngh hàn ct là công ngh hàn ct hi i, mang nhi m cho ra
nhng sn phm chng cao, có th dùng cho mi kim loi và hp kim. Cơng ngh
hàn ct linh hou su, gic chi phí và cho ra sn pht cht
ng cao. Vi nh m ni tri cơng ngh hàn ct có th to ra nh ng
hàn, ct rt sâu và hp vi t rt cao, vì vy trong mt s ng dng quan tr
thc hin hàn ct kim loi có chiu dày trên 10mm và c kim loi màu. Vit Nam
hin nay công ngh hàn cc ng dng rt rng rãi.
Tuy nhiên hin nay các thit b n cc hàn chúng ta nhp khu toàn b
c c ngoài (Nga, Nht, M c, Hàn Qu c...). Các loi
cc hàn (có phn d trc nhi vi nhng nhà máy có nhiu
máy hàn thì khi hn ci ta tip tc nhp vi vi nhng nhà máy có
ít máy do s ng nhp ít nên vic nhp kh
Qua kho sát và v n cc hàn Vi n cc hàn ct
ng là có xut x t Trung Quc qua phân tích thành phn
hóa h n cc ch to t k thun
cc này nu làm vic liên tc thì tui th ch t vài gi, nu làm vic không liên tc
thì tui th c khong 1 tun cc nhp khu
t c tiên tin thì có thi gian s dt cao có khi lên
ti (2 ÷ 3) ln cc hàn có xut x Trung Quc cho trong bng 1.1.
12
Bng 1.1. Mt s b n cc hàn ct thông dng trên th ng Vit Nam
Điện cực
Bép cắt
Part
Part
No.:04082404
No.:04082261,
Đơn giá:55.000 Đơn giá:60.000
VNĐ
VNĐ
Điện cực CNC
Bép cắt CNC
Part No.: 0409 - Part No.: 0409 –
1204
1216
Đơn giá:135.000 Đơn giá:135.000
VNĐ
VNĐ
Điện cực
Part No.: 1376
Đơn giá:55.000
VNĐ
Điện cực dài
Bép cắt dài
Part No.: 120574 Part No.: 120578
Đơn giá: 90.000 Đơn giá: 60.000
VNĐ
VNĐ
Bép cắt plasma
Part No.: 1376,
...
Đơn giá: 50.000
VNĐ
1.2. NGHIÊN CU, SN XUT VT LIN CC HÀN
n xun cc hàn
gian c nu luyn t các kim loi s ng kim loi, crôm kim loi, zircôn kim
loi và magiê kim lo tinh khit cao trong lò phn ng chân không .
Nga và Ucraina nghiên cu và sn xut các loi in cc hàn (dng thanh
trịn, thanh vng, dng bánh xe vi kích thc khác nhau) t các mác hp kim Cu b
0,6%Cr; 0,1÷0,85%Zr; Cu
cịn l 0.35% Cr; 0,20.35%Zr; Cu còn l..
13
u cơng trình nghiên cng hc phn ng
nhit kim kh ôxit crôm (Cr2O3), ôxit zircôn (ZrO2), silicat zircôn bng Al và Si hoc
c công b Nga và M. Bt kim có th sn xu
trung gian Cu - Cr, Cu - Zr và Cu - Cr - ng Cr và Zr t 1÷ 0,10%.
n hành nhi2 O3 có crơmat kali, tr dung
NaCl,CaO có th sn xu sch cao (99% Cr).
Paten ca M b nguyên Cr2O3
ng argôn sn xut nhôm kim loi dng bt.
T - Cr, Cu-Zr- n xut các loi
hp kim Cu bn cc hàn có chn cc CuZr- Cr m b ng trong chân không.
Gn y vi mc ch tng bn, dn in và nhit làm vic ca in
cc hàn, ngi ta và ang nghiên cu nh hng ca mt s nguyên t hp kim hóa
mi nh Si, Zr, Be,... n cht lng ca in cc hàn; nghiên cu cơng ngh nu
luyn tiên tin (nu trong lị chân khơng, nu trong lị có khí bo v và cơng ngh tinh
luyn platsma...). Ngồi ra ngang nghiên cu cơng ngh nhit luyn n
nh c các pha tng bn khi làm vic nhit cao.
hu nh toàn b các loi máy hàn tip xúc cùng các loi in cc
hàn u nhp khu t nc ngoài (Nga, Nht, M, c, Hàn Quc, i Loan, Trung
Quc...). Các nhà máy có nhiu và s dng nhiu máy hàn tip xúc in c
Cơng ty C khí Hà Ni, Cty Xu i nhp in c nc ngồi,
cịn i v dng ít máy hàn ti khí xut
khu, Cơng ty Khí c in 1... s dch ch to in cc hàn. Các
in cc hàn t ch này có c - lý tính thp nhit cao nên khi sn xut hay phi
mài u hoc thay th th in c
14
c t sn xu
gian gn y có mt s c s
Nm 1985 Vin Nghiên cu M và Luyn kim nghiên cu ch to in cc hàn
cho Cơng ty Xn Hịa t Cu- Cr) theo phng pháp hoàn nguyên Cr2O3
p kim ng còn thp, hn na, tp cht còn nhiu, cht lng
in cc hàn không t.
Nm l995 Vin Công ngh - B Quc phòng nghiên c o in cc
hàn t mác hp kim ng bn nhit (h Cu- Cr) cho nhà máy Z115 hàn cánh uôi
n ci. Vic a Cr vào hp kim i theo phng pháp hoàn nguyên Cr2O3
p (0,31 %), hn n
nghit lng sn phm và n nh cha cao.
n Nghiên cu Mn kim tin hành nghiên cu công ngh
nu luyn hp kim b Cu- Cr và Cu- Cr- các kim loi
sch, nu trc ti ng nu luyn h
nu luy
khơng có khí bo v
n Nghiên cu M n kim tip tc nghiên cu công ngh
nu luyn hp kim b nu luy- Cr, CuCr- Zr, Cu- Zr- sn xut h ng b Cu- Cr- Zr - Mg bng
2O3 các kim loi sch.
Hiu sut thu hi Cr, Zr thp do nu luyn trong lị h, khơng có khí bo v
1.3. Cu Cr IN
các nc công nghip phát tri Vit Nam các loi máy hàn in
tip xúc c s dng rng rãi trong nhic công nghip: hàng không - ,
ôtô, tàu thy, u máy và toa xe la, thit b và máy móc nơng nghip...
15
Công ngh hàn tip xúc là công ngh hàn không cn s dng que hàn to các
mi hàn. Các mi hàn c to ra do s nóng chy cc b ca chính vt hàn.
in cc hàn có nhim v nén ép các chi tit cn hàn, dn in qua mi hàn,
thốt nhit khi mi hàn, ngồi ra in cc hàn cịn làm vic trong iu kin mi nhit
500÷7000C, thm chí cịn cao hn nh trong hàn h quang plasma . Do các yêu
cu i vi vt liu làm in cc hàn là:
1- Có dn in tt, cho phép dòng in cng cao i qua mà khơng b
nóng.
2- Có c tính cao khong nhit rng, có kh nng chng li s mài mịn và
bin dng in cc iu kin làm vic nhit và áp sut cao.
3- Không b chy và to thành các liên kt vi vi vt liu ca sn phm cn hàn.
Bng 1.2. Các thông s c trng ca mt s nguyên t
Nguyên
0
C
Cu
Cr
Al
Mg
Cd
Zr
1083
1877
660
650
321
1865
sôi,
0
C
2540
2200
2520
1107
766
3650
g/cm 3
8,94
7,16
2,698
1,74
8,65
6,50
HM
0,128
0,128
0,143
0,162
0,156
0,159
T c coi là kim lo d n cao, rt thun li
trong vic ch t n c ng mm, d bn nhit
ch tn cc hàn bn nhit có in d c
hng mng khơng lm loy, tuy có làm gi
dn, dn nhit c
bn c nhi nhi cao.
16
Trong thành phn hp kim ng bn nhit có in dn cao, ngồi Cu là kim loi
nn cịn có các nguyên t hp kim hóa là Al, Mg, Cd, Zr, Ni, Si, Be, Zn... Trong bng
1.2 biu din mt s thông s c trng ca Cu, Cr, Al. Mg, Cd, Zr.
Các hp kim Cu - Cr có c tính, dn in, dn nhit cao và nhit kt
tinh li c nâng cao. Nhng hp kim này c s dng rng rãi ch to các in
cc hàn. Ngoài ra còn c s dng ch to các chi tit phi làm vic nhit
cao, lúc u phi có bn, cng, dn in, và dn nhit cao.
Các hp kim Cu - Cr khi gia cơng áp lc trng thái nóng và ngui u tt.
Gin trng thái h Cu - Cr c biu din trên hình 1.1 và 1.2.
Theo gi tr-1 và 1.2n vào Cu
tr tan ca Cr rt thp. nhi tr
o Cu).
Crôm không tng tác vi ng to pha liên kim loi. n vào
Cu trng thái rn nhit cùng tinh (10720C). hòa tan ca Cr t n 0,65%.
Khi gim nhit thì gii hn hòa tan ca dung dch rm t ngt, 4000C gii
hn này là 0,02%.
Hình 1.1. Gi trng thái
h Cu- Cr [31]
Hình 1.2. Gii hn vùng bão
ch rn
17
h Cu Cr [ 31]
Sau khi nhit luyn (tôi 9500C trong nc và 4000C trong 6 gi), bn,
cng dn in, dn nhit ca các hp kim Cu- Cr tng mnh. Ag vi hàm lng
0,2% có nh hng tt; cịn Pb, Bi, Sb có nh hng xu n các hp kim Cu- Cr.
1.4
1.4.1. Khái nim v vt liu t hp
Vt liu t hp (VLTH) là vt liu nhiu pha, các pha to nên thng rt khác
nhau v bn cht, khơng hồ tan ln nhau và phân cách nhau bng ranh gii pha, kt
hp li nh s can thip k thut ca con ngi theo nhng s thit k trc, nhm
tn dng và phát trin nhng tính cht tt ca tng pha trong vt liu compozit cn ch
to. Pha liên tc trong toàn khi vt liu c gi là pha nn, pha phân b gián on
c nn bao bc gi là pha ct.
Trong VLTH t l, hình dáng, kích th s phân b ca nn và ct
tuân theo các quy nh thit k trc.
Tính cht ca các pha thành phn c kt hp to nên tính cht chung ca
VLTH to ra. Tuy nhiên tính cht ca VLTH to ra không bao hàm tt c các tính cht
ca pha thành phn khi chúng ng riêng r mà ch la chn trong nhng tính cht
tt và phát huy thêm. Xét v các ch tiêu bn riêng, mơun n hi riêng, bn
nóng, bn m nhiu tính cht khác, vt liu compozit cao hn ng k so
vi các hp kim kt cu bit.
Vt liu t hp ct ht là loi vt liu mà t chc ca chúng tn ti trên n
s có gn pha th t. Tính cht ca vt liu này là
ng là các h c bn cao phân b trên nn mm
ct ht là các pha m bn ct nh
các vt liu compozit chng ma sát. Các ht cng (ht phân tán, pha th hai) hồn tồn
khơng hồ tan vào nn và không phn ng vi nn. Nhng ht mn phân tán bn vng
18
có th là các ơxit, cacbit, nitrit, borid, silicat. Các ht (chm) r c
m sau:
- ht nh (tùy yêu cu);
- Khong cách gia các cht im nh (tùy u cu);
- Khơng hịa tan vào nn;
- cng cao;
Mc ch ca vic phân tán các ht cng này là tng bn ca kim loi nn,
cn tr chuyn ng ca lch.
Vt liu t hp ct ht mn (phân tán): VLTH t mn cịn gi là VLTH
hố bn phân tán. VLTH t mn thng là các vt liu bn nóng và n nh nóng.
Do vy chúng thng c dùng thay th các vt liu truyn thng nhm nâng cao
hiu sut hoc kéo dài tui th thit b, cơng trình trong các iu kin s dng tng
ng.
1.4.2. c im ca vt liu t hp hoá bn phân tán
Nn các VLTH này thng là các kim loi hoc hp kim. c im ca loi vt
liu compozit này là cu trúc t vi gm có pha nn ch yu mà bên trong nó c b trí
phân tán bi các ht sch mt cách ng u. Các phn t ct có kích thc nh (0,01
÷ 0,1m) và kích thc ht phân tán thay i trong khong 1 ÷15%, thng là các vt
liu bn, cng và có tính n nh nhit cao, ví d các ôxit, nitrit, borit hoc các pha liên
kim loi, ...
Tng tác ct - nn trong VLTH này xy ra mc vi mơ ng vi kích thc
ngun t hoc phân t. C ch hoá bn tng t c ch tit pha phân tán bin cng khi
phân hoá dung dch rn quá bão hoà. Di tác dng ca lc, trong mu VLTH, nn s
hng chu hu nh toàn b ti trng, các phn t ct nh mn, phân tán ng vai trò hãm
lch, làm tng bn và cng ca vt liu. Vì vy, bn ph thuc c vào t chc lch
hình thành trong quá trình bin dng do khi ch to chi tit t VLTH. Hiu ng hoá bn
phân tán t c trong vt liu compozit ct ht mn không ln lm nhng rt n nh
19
nhit cao. S vy vì các phn t ct c chn t nhng vt liu có kh nng
n nh t chc, tính cht và khơng hịa tan vào nn khi nhit tng cao. Ngoài ra, các
ht ct cịn có tác dng hóa bn gián tip, khi to nên t chc vi s không ng trc rt
ln ca các ht (dng th). T chc này to thành khi kt hp bin dng do vi , lúc
này các ht ct phân tán s cn tr mt phn hoc hồn tồn q trình kt tinh li.
S hóa bn cao có th t c khi kích thc các ht nm trong gii hn 0,01 ÷
0,1m và khong cách gia chúng bng 0,05 ÷ 0,5m. Hàm lng th tích ct ht ph
thuc vào s ct hóa.
1.5. QUY TRÌNH CƠNG NGH CH TO VT LIU T HP CT HT
MN
Hin ti có nhiu phng pháp ch to vt liu t hp ct ht mn h
bin nht :
a. Phng pháp khuch tán
y là phng pháp tng i n gin và kinh t. Trong phng pháp này xy
ra phn ng chn (ôxi hoá, nit hoá, cacbua hoá, bo hoá) ca mt nguyên t khuch
tán vi mt hoc nhiu thành phn hp kim trng thái rn. Phng pháp n gin
nht là ôxi hóa bên trong mà s xut hin ca nó ph thuc vào các iu kin sau:
- hòa tan ca O2 trong dung dch rn tng i cao;
- Tc khuch tán ca các nguyên t nguyên t hp kim phi nh hn tc
khuch tán ca O2 trong dung dch rn;
- Hàm lng ca các nguyên t hp kim hịa tan khơng c vt q giá tr
gii hn nht nh nu khơng mt s q t ơxi hố bên trong tr thành ơxi hóa bên
ngồi s xy ra.
b. Phng pháp nghin trc thiêu kt kt hp bin dng to hình
Phng pháp này tng i n gin và c s dng rng rãi. Hn 60% sn
phm VLTH c sn xut bng phng pháp này. u im ca phng pháp bin
20