Hợp tác nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột

BKH&CN
VKHVL
BKH&CN
VKHVL

BKH&CN
VKHVL


Bộ Khoa học và Công nghệ

VIN KHOA HC V CễNG NGH VIT NAM
VIn khoa học Vật liệu

18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội


Báo cáo tổng kết khoa học

nhiệm vụ hợp tác Quốc tế
về khoa học và công nghệ Việt nam - TháI lan


Hợp tác nghiên cứu phát triển
vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột

(Vietnames-Thai Science Corporation Project on Development of
Sintered Friction Materials through Powder Metallurgy Technique)

Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học Vật liệu

Chủ trì nhiệm vụ:
Nguyễn Văn Tích






7061
12/01/2009


H Nội 10/2008

Bộ Khoa học và Công nghệ

VIN KHOA HC V CễNG NGH VIT NAM
VIn khoa học Vật liệu

18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội


Báo cáo tổng kết khoa học

nhiệm vụ hợp tác Quốc tế
về khoa học và công nghệ Việt nam - TháI lan


Hợp tác nghiên cứu phát triển
vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột

(Vietnames-Thai Science Corporation Project on Development of
Sintered Friction Materials through Powder Metallurgy Technique)








Cơ quan chủ trì:
Viện Khoa học Vật liệu
Chủ trì nhiệm vụ:
Nguyễn Văn Tích



Tài liệu này đợc viết trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài Khoa học Công nghệ hợp tác theo Nghị định th
giữa Việt Nam Thái Lan giai oạn 2006-2007 do TS Nguyễn Văn Tích chủ nhiệm. Tài liệu cũng đợc sử
dụng để bảo vệ tại các Hội đồng nghiệm thu cấp cơ sở và cấp nhà nớc.

Các số liệu và kết quả có tính bản quyền thuộc nhóm tác giả và cơ quan chủ trì là Viện Khoa
học Vật liệu.

Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
i

Mục lục

mở đầu
1
Chơng I Tổng quan về Vật liệu ma sát thiêu kết Luyện
kim bột (VLmstk)
2
1.1 Giới thiệu chung
2
1.2 Phân loại vật liệu ma sát thiêu kết luyện kim bột và ứng dụng
4
1.2.1 Vật liệu ma sát thiêu kết nền Fe
5
1.2.2 Vật liệu ma sát thiêu kết nền Cu
12
1.2.3 Các dạng vật liệu ma sát thiêu kết đặc biệt khác 15
1.3 Tổng quan về công nghệ chế tạo vật liệu ma sát thiêu kết luyện kim
bột
17
1.3.1 Chuẩn bị hỗn hợp bột kim loại 17
1.3.2 ép tạo hình bột kim loại 19
1.3.3 Thiêu kết vật thể bột kim loại 22
1.4 Tổng quan về cơ sở lý thuyết của các công nghệ ép, thiêu kết
VLMSTK và mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ép, thiêu kết
đến chất lợng vật liệu
23
1.4.1 Cơ sở lý thuyết của công nghệ ép
23
1.4.2 Cơ sở lý thuyết quá trình thiêu kết bột kim loại 29
Chơng ii Quy trình, Nguyên liệu và thiết bị thí nghiệm

42
2.1
Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm và quy trình chế tạo
mẫu thử
42
2.2 Nguyên liệu sử dụng trong quá trình nghiên cứu
44
2.3 Thiết bị nghiên cứu, đánh giá, kiểm tra
46
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
ii
2.3.1. Thiết bị nghiên cứu công nghệ
46
2.3.2. Thiết bị đo kiểm và đánh giá vật liệu 48
Chơng III nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu ma sát
thiêu kết nền đồng
50
3.1 Khảo sát ảnh hởng của các thông số công nghệ đến tính chất vật
liệu và lựa chọn các thông số công nghệ chế tạo
50
3.1.1 Các số liệu ban đầu
50
3.1.2 Khảo sát sự biến thiên tính chất vật liệu theo các chế độ công
nghệ
51
3.2

Nghiên cứu nâng cao tính chất công nghệ vật liệu ma sát thiêu kết
nền đồng

63
3.2.1 Khả năng nâng cao tính chất cơ lý vật liệu ma sát thiêu kết nền
đồng bằng việc thay đổi hàm lợng thiếc
63

3.2.2 Nghiên cứu nâng cao tính chất cơ lý vật liệu ma sát thiêu kết
nền đồng bằng việc bổ sung nhôm
72
Chơng IV Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu ma sát
thiêu kết nền sắt
83
4.1 Lựa chọn các thông số công nghệ chế tạo
84
4.2 Khảo sát ảnh hởng của hàm lợng graphít đến các thông số công
nghệ của VLMS nền sắt
88
4.3 ảnh hởng của thành phần và kích thớc hạt vô cơ đến tính chất
của vật liệu ma sát thiêu kết nền sắt

90
4.4 Một số đặc điểm cấu trúc vật liệu
95
Chơng V Nghiên cứu công nghệ liên kết Vật liệu ma sát
thiêu kết vào đế thép
99
5.1 Về cơ sở lý thuyết của liên kết VLMSTK- đế thép bằng phơng
pháp khuyếch tán nhiệt

99
5.2 Xây dựng sơ đồ công nghệ và các quy trình dính kết
99
5.2.1 Thí nghiệm tìm thành phần lớp trung gian
101
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
iii
5.2.2 Chọn chế độ nhiệt cho các phơng án dính kết vật liệu lên đế
thép
101
5.3 Thí nghiệm kiểm tra độ bền kết dính của vật liệu trên đế thép
103
5.3.1 Kiểm tra độ bền dính kết
103
5.3.2 Kiểm tra bằng ảnh kim tơng và phân tích thành phần lớp
trung gian
104
5.3.3 Kiểm tra bằng phân tích EDX lớp trung gian dính kết
104
Chơng VI Thực nghiệm chế tạo mẫu sản phẩm
107
6.1 Nghiên cứu đặc trng tính chất của vật liệu ma sát thiêu kết nền sắt
đang đợc sử dụng làm guốc phanh cho tầu hoả và má phanh ôtô đang
sử dụng ở Việt nam
107
6.1.1 Đặc trng thành phần - cấu trúc - tính chất vật liệu làm guốc

phanh tàu hoả nhập từ Trung Quốc
107
6.1.2 Đặc trng thành phần, cấu trúc và tính chất vật liệu làm má
phanh ô tô
113
6.2 Thiết kế chế tạo khuôn ép VLMSTK
116
6.3 Chế tạo chi tiết làm việc của phanh bằng VLMSTK
117
6.4 Gắn miếng vật liệu ma sát vào đế thép và hoàn thiện sản phẩm
118
6.5 Thử nghiệm đánh giá sản phẩm
120
6.6 Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết phanh bằng VLMSTK
121
Kết luận chung
123
Tài liệu than khảo
126
Phụ lục









Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái

Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
iv


Danh sách cán bộ tham gia thực hiện chính





TT
Họ và tên Đơn vị Nhiệm vụ
1 TS. Nguyên Văn Tích VKHVL
Chủ trì Nhiệm vụ

2 ThS. Trần Bảo Trung VKHVL Chủ trì nhánh vật liệu nền sắt
3 TS. Đoàn Đình Phơng VKHVL Thực nghiệm vật liệu nền sắt
4 ThS. Nguyễn Văn Luân VKHVL Thực nghiệm vật liệu nền sắt
5 ThS. Phạm Tiến Chiến VKHVL Chủ trì nhánh vật liệu nền đồng
6 KS. Lơng Văn Đơng VKHVL Thực nghiệm vật liệu nền đồng
7 KSC. Phan Anh Tú VKHVL Đo kiểm, đánh giá vật liệu
8 KTV. Lê Xuân Hiền VKHVL Thực nghiệm chế thử sản phẩm
9 PGS.TS. Trần Quốc Lập ĐHBKHN Thực nghiệm vật liệu nền đồng
10 KSC. Vũ Tân Cảnh VKHVL Thực nghiệm chế thử sản phẩm
11 ThS. Vũ Hồng Kỳ VKHVL Thực nghiệm thiêu kết vật liệu
12 ThS. Đỗ Khánh Tùng VKHVL Thực nghiệm thiêu kết vật liệu
13 KS. Vũ Hữu Tờng VKHVL Thực nghiệm thiêu kết vật liệu

Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
1

mở đầu
Vật liệu ma sát đợc sử dụng cho hệ thống phanh và truyền động của hệ
thiết bị động lực, là những cơ cấu chuyển năng lợng ở dạng động năng sang
dạng nhiệt năng thông qua ma sát trợt. Hệ số ma sát là tính năng đặc trng
của dạng vật liệu này. Sự phát triển của khoa học-công nghệ kéo theo phát
triển chủng loại vật liệu ma sát và ngày nay vật liệu ma sát thiêu kết
(VLMSTK) nền kim loại đã thay thế vật liệu ma sát nền hữu cơ, đáp ứng yêu
cầu phanh hay truyền chuyển động với động năng lớn. Việc ứng dụng công
nghệ luyện kim bột để chế tạo vật liệu ma sát nền kim loại đã đợc phát triển
trên thế giới.Việt nam cha phát triển ngành công nghiệp này, công tác nghiên
cứu mới hình thành ở các cơ sở nghiên cứu, trong đó có Viện Khoa học Vật
liệu.

Xuất phát từ nhu cầu, Viện Khoa học Vật liệu đã triển khai hợp tác với
Trung tâm MTEC-Thái Lan từ nhiều năm nay trong lĩnh vực Vật liệu kim loại.
Kết quả đã hình thành đề tài hợp tác nghiên cứu Nghiên cứu phát triển vật
liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột, đợc Bộ KH&CN hai nớc
chấp thuận là đề tài hợp tác Nghị định th của hai bên.

Nội dung đề tài bao gồm nghiên cứu công nghệ và nghiên cứu phát triển
hai loại vật liệu ma sát thiêu kết luyện kim bột đặc thù, đó là vật liệu nền sắt
và vật liệu nền đồng, tập trung vào hớng vật liệu làm phanh và ma sát khô.
Mục tiêu đề ra là lựa chọn đợc thành phần vật liệu, các chỉ tiêu cơ bản của

dây chuyền công nghệ chế tạo ở quy mô phòng thí nghiệm.Tiến tới chế tạo thử
đợc má phanh ôtô và guốc phanh tàu hỏa.

Báo cáo trình bày các kết quả khoa học của đề tài do phía Viện Khoa học
Vật liệu thực hiện, với sự công tác của MTEC-Thái Lan thông qua các hoạt
động trao đổi thông tin và đo kiểm tính chất vật liệu.


Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
2
Chơng I
Tổng quan về Vật liệu ma sát
thiêu kết Luyện kim bột
1.1 Giới thiệu chung
Vật liệu ma sát đợc sử dụng cho hệ thống phanh hay truyền chuyển động
của các hệ thiết bị chuyển động, những cơ cấu chuyển năng lợng ở dạng
động năng thành năng lợng nhiệt bằng ma sát trợt. Hệ số ma sát, chỉ số của
lực trợt của bộ đôi ma sát là những yếu tố xác định tính năng của vật liệu ma
sát. Xa xa, các chi tiết phanh hay truyền chuyển động đợc làm từ vật liệu
hữu cơ nh da động vật, gỗ Cùng với sự phát triển của các ngành cơ giới,
điều kiện làm việc của các chi tiết kể trên càng nặng hơn thì các vật liệu hữu
cơ dần đợc thay thế bằng vật liệu cơ sở sợi amiăng. Một thời gian dài của thế
kỷ 20, vật liệu ma sát trên cơ sở nền amiăng đáp ứng đợc yêu cầu làm việc
của các chi tiết phanh hay chuyền chuyển động. Tuy nhiên trong các điều kiện
làm việc khắc nghiệt, khi năng lợng hấp thụ vào vật liệu đủ lớn trong khi hệ
số truyền nhiệt của amiăng thấp, làm nhiệt độ tăng đến nhiệt độ biến mềm

của vật liệu dính kết. Trong điều kiện này, sợi amiăng kết khối, dehydrat hóa
rồi vỡ vụn.
Để làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, ngoài các tính chất cơ lý, vật liệu
ma sát cần có hệ số dẫn nhiệt đủ lớn đồng thời với khả năng chịu nhiệt cao.
Đến những năm 1990 vật liệu ma sát chứa amiăng còn bị hạn chế sử dụng do
amiăng có hại cho sức khỏe con ngời, từ đây phát triển loại vật liệu ma sát
nền kim loại (dính kết bằng hữu cơ hay qua thiêu kết) ứg dụng cho các loại
thiết bị có động năng lớn . Ngày nay, để đáp ứng điều kiện làm việc trên 1000
0
C ngoài hớng sử dụng các vật liệu chịu nhiệt cao nh bột Mo hay W thiêu
kết, bắt đầu phát triển các loại vật liệu ma sát mới có chứa sợi cacbon hay vật
liệu ma sát nền gốm.
Thành phần của vật liệu ma sát nói chung gồm các cấu tử chính nh sau:
1. Thành phần tạo hệ số ma sát (abrasive): kim loại bột, cát, thạch anh,
silicat zircôn, ôxit nhôm;
2. Điều chỉnh hệ số ma sát,(friction modifier): Sb
2
S
3
, cácbon, đồng, PbO,
PbS, Cu
2
S, MoS
2

Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN

3
3. Chất độn, chất tăng cờng (filler, reinforcement): graphít, BaSO
4
,
CaCO
3
, sợi thuỷ tinh, ZnO
4. Chất kết dính (binder matrix material): Nhựa phenol, kim loại (Cu, Fe,
Ni), và các loại nhựa biến tính (cresol, epoxy, PVB, cao su, dầu lanh)
Theo phơng pháp liên kết các thành phần, vật liệu ma sát đợc chia làm
hai loại chính nh sau:
- Hệ vật liệu ma sát liên kết bằng nhựa hữu cơ. Nhợc điểm của loại vật
liệu này là khả năng chịu nhiệt kém, tuổi thọ không cao và nhạy cảm với độ
ẩm của môi trờng, nhất là trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của các nớc
nhiệt đới. Loại vật liệu ma sát này thờng áp dụng cho môtô, xe máy những
thiết bị mà khi dừng động năng không quá lớn, không gây ra quá nhiều nhiệt
khi phanh.
- Hệ vật liệu ma sát liên kết bằng phơng pháp thiêu kết. Phơng pháp
này sử dụng kỹ thuật luyện kim bột để liên kết các cấu tử trong thành phần vật
liệu bằng kim loại có nhiệt độ nóng chảy phù hợp. Vật liệu ma sát thiêu kết
hơn hẳn vật liệu ma sát liên kết bằng nhựa hữu cơ về khả năng chịu nhiệt,
không nhậy cảm với sự thay đổi độ ẩm và bền gấp nhiều lần so với vật liệu ma
sát kết dính bằng chất hữu cơ. Loại vật liệu này thích hợp cho các cơ cấu
phanh của các thiết bị có động năng lớn nh: máy bay, tàu hoả, ôtô tải và xe
ca loại lớn.
Những yêu cầu chung đối với vật liệu ma sát là:
- Có hệ số ma sát ổn định trong quá trình làm việc;
- Có khả năng chống mài mòn tốt, đảm bảo tuổi thọ cao;
- Không làm mòn đối tợng truyền động;
- Có tính chịu nhiệt tốt;

- Có khả năng dẫn nhiệt đảm bảo;
- Có độ bền cơ học nhất định.
Ngoài ra trong từng trờng hợp cụ thể, còn phải đáp ứng các yêu cầu nh:
tiếp nhận hoặc truyền chuyển động nhẹ nhành, đảm bảo chuyển động ổn định,
ít rung, chống ăn mòn tốt, ổn định khi thời tiết thay đổi (nhiệt độ, độ ẩm của
môi trờng làm việc).
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
4
Để đáp ứng những yêu cầu trên, vật liệu ma sát thờng là loại vật liệu dị
thể (nhiều cấu tử), bao gồm những cấu tử có tính chất hỗ trợ cho nhau (giống
nh vật liệu composite). Chất dính kết thờng là bột kim loại có khả năng
thiêu kết tốt nh Cu, Fe hoặc các hợp kim của chúng. Chất cho thêm để điều
chỉnh tính chất ma sát, đợc phân thành hai họ có tính chất ngợc nhau: Loại
làm giảm ma sát, dễ gây trợt nh graphit, các kim loại có nhiệt độ nóng
chảy thấp nh Pb, Bi, Cd hoặc các sulfit, sulfat kim loại; loại làm tăng ma sát
thờng là các hạt cứng nh oxyt, cacbit, silicat hoặc photphit Một thành
phần rất quan trọng, gần nh không thể thiếu đối với vật liệu ma sát đó là bột
graphit. Ngoài tác dụng giảm ma sát, dễ gây trợt, graphit còn có tác dụng tạo
ra một lớp đệm phức hợp giữa hai bề mặt làm việc, lớp đó ngoài graphit còn
có các cấu tử bột kim loại, oxyt, cacbit, silicat, photphit kim loại Lớp đệm
này có tác dụng truyền chuyển động chắc chắn, ổn định, giảm rung động và ít
làm mòn bề mặt làm việc, đặc biệt quan trọng khi truyền chuyển động có
công suất và tốc độ lớn.
1.2 Phân loại vật liệu ma sát thiêu kết luyện kim bột và ứng dụng
Thành phần Vật liệu ma sát thiêu kết có tính phức hợp, đợc chia nhóm
theo vai trò công nghệ nh sau:

- Thành phần nền: bột kim loại, hợp kim đóng vai trò nền dính kết các
cấu tử và tạo ma sát. Phụ thuộc điều kiện làm việc để lựa chọn, vật liệu nền
thờng là đồng, sắt hay hợp kim của chúng;
- Thành phần tăng hệ số ma sát: các loại ôxít, cacbit kim loại của kim loại
nóng chảy cao;
- Thành phần điều chỉnh hệ số mài mòn: Graphit, Pb, một số loại muối
sunphít hay sunphát.
Tên gọi vật liệu thờng theo vật liệu nền và ta có hai nhóm vật liệu ma sát
thiêu kết thông dụng : vật liệu ma sát thiêu kết nền đồng và vật liệu ma sát
thiêu kết nền sắt. Trên thế giới, thành phần cơ bản của vật liệu ma sát do các
nớc và các hãng khác nhau chế tạo đợc ASM tổng hợp trong giới hạn nh
sau( bảng 1.1,VLMSTK- viết tắt của vật liệu ma sát thiêu kết):

Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
5
Bảng 1.1- Thành phần cơ bản của VLMSTK,%
Tên/Thành
phầnVLMSTK
Cu Fe Pb Sn Zn SiO
2
Graphit
Nền đồng 65-75 2-5 2-5 5-8 2-5 10-30
Nền sắt 10-15 50- 60 2- 4 2- 4 8-10 10-30
1.2.1 Vật liệu ma sát thiêu kết nền sắt(VLMSTK- Fe)
Vai trò các nguyên tố trong thành phần VLMSTK- Fe
Ngoài sắt làm nền, thành phần tối quan trọng của VLMSTK- Fe là graphít

với thành phần khoảng 10-30 %. Ngoài tác dụng tạo ma sát trợt, graphít còn
có tác dụng tạo ra một lớp đệm phức hợp giữa hai bề mặt làm việc để chống
lại lực rung, xung. Thông thờng graphít chiếm tỷ lệ 20% thành phần của
VLMSTK- Fe. Với thành phần graphit nhỏ hơn sẽ làm giảm hệ số chịu mài
mòn, ngợc lại khi tăng graphit để tăng hệ số mài mòn, sẽ làm giảm cơ tính,
làm vật liệu dễ bị phá vỡ. Đã có nhiều nghiên cứu về các mối quan hệ thành
phần graphit với hệ số mài mòn và hệ số ma sát. Các nghiên cứu còn đề cập
đến ảnh hởng của độ hạt, hình dáng hạt, bản chất (nguồn gốc) của graphit: tự
nhiên hay tổng hợp, có và không có hoạt hóa. Graphit dạng vảy tiếp xúc tốt
hơn với nền sắt, tạo độ cứng cao hơn cho vật liệu. Thông thờng cấp hạt
graphit là vảy 40X100 micromet. Trong quá trình thiêu kết vật liệu (nhiệt độ
khoảng 1000-1050
0
C) có xảy ra phản ứng Fe-C, pha nền Fe tạo thành dung
dịch ferit- peclit khi làm nguội, thậm chí tiết pha C trong lòng pha nền Fe.
Quá trình xử lý nhiệt vật liệu nhằm tạo pha nền có cấu trúc vững chắc giống
nh nhiệt luyện gang. Trong trờng hợp tạo ra nhiều pha ferit sẽ làm vật liệu
giảm hệ số mài mòn, ngợc lại pha xementit ở biên hạt giúp tăng hệ số mài
mòn.
Vừa làm chất dính kết, đồng (Cu) tác dụng điều chỉnh quá trình hình thành
pha nền, Cu ngăn cản sự hình thành pha peclit vì vậy với hàm lợng 10% Cu,
cấu trúc pha nền sẽ là ferit chứa đồng hòa tan. Tăng thêm hàm lợng Cu, tạo
điều kiện hình thành pha xementit thứ cấp.
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
6
Niken khi hòa tan trong dung dịch nền, làm tăng độ cứng tế vi pha nền

đồng thời ngăn cản phản ứng peclit hóa, vì vậy khi cần (khi có nhiều C trong
thành phần) ngời ta đa vào đến 5% Ni. Thông qua các tác động này Ni làm
tăng hệ số ma sát.
Crôm tác động tăng khả năng chịu mài mòn, tăng hệ số ma sát, trong khi
không làm xấu đi các tính chất cơ lý khác. Các tác động tốt này là do sự hình
thành cacbit crôm khi nhiệt luyện.
Đa Mo vào trong thành phần phối liệu sẽ tăng khả năng chịu mài mòn.
Với 5% Mo có thể tăng độ chịu mài mòn lên 3-5 lần. Các tác dụng tốt của Mo
là xuất phát từ khả năng làm nhỏ mịn cấu trúc tế vi của pha nền.
Để điều chỉnh các tính chất ma sát và mài mòn, ngời ta dùng các nguyên
tố kim loại màu có nhiệt độ nóng chảy thấp, không hòa tan trong pha nền- Pb,
Bi, Sn, Cd. Trong nhóm này, Pb có tác dụng hữu hiệu nhất, với 5 % Pb sẽ làm
tăng khả năng chịu mài mòn lên hai lần.Tuy nhiên do nhiệt độ nóng chảy
thấp, nếu tăng quá sẽ làm giảm ma sát khi chi tiết máy làm việc ở tải trọng
lớn.
Với hàm lợng nhỏ các ôxít nhôm, silic hay một số sunphit, sunphat,
nitrit, photphit (ví dụ: BaSO
4
,Mo
2
, Sb
2
S
3
) sẽ làm tăng khả năng mài mòn và
ổn định hệ số ma sát.
Một số mác VLMSTK- Fe điển hình
Bảng 1.2 Thành phần phối liệu một số mác VLMSTK-Fe, %
Mác VL Fe Cu Ni Graphit SiO
2

Amiăn
g
Thành phần khác
N
ớc sx
MK-11 64 15 0 9 3 3 BaSO
4
=6 Nga
MKB-50A 64 10 0 8 0 3 FeSO
4
=5,
SiC=5, B
4
C=5
Nga
CMK 40-65 9-25 0 0 0 0 Mn=6,5-10, Nga
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
7
B
4
C=8-15
CMK-80 48 23 0 0 0 0 Mn=6,5; MoS
2
=2,5;
BN=6,5; B
4

C=10;
SiC=3,5
Nga
CKM-83 54 20 0 0 0 0 Mn=7; MoSi
2
=2;
BN=6,5; B
4
C=9,5;
SiC=1
Nga
60-75 0 0 10-25 0 0 Co<6,5; Zn=3,8-4,9 Nhật
55-70 10-
20
0 4-8 0 0 Mo=5;W=5;
M
ulite=20; Bi;Cd;Pb
Đức
85 0 0 10 0 0 MoS
2
=2,6;Pb<3;m
ulite<2; Pb<1
Mỹ
69-78 0 0 20-25 0 0 Bi=5 Pháp
Bảng 1.3 Tính chất công nghệ của một số mác VLMSTK-Fe của Nga
Mác
vật liệu
Mật độ
riêng
(g/cm

3
)
Độ cứng
(MPa)
Độ bền
kéo
(MPa)
Độ bền
nén
(MPa)
Độ dẫn
nhiệt
(W/m.
O
K)
Hệ số
ma sát

MK-8 6,0 600-900 90-100 450-500 37,7 0,21-0,22
MK-11 6,0 800-1000 50-70 300-350 19-46
MKB-50A
5.0 800-1000 30-40 150-210 18,8-27,2 0,3-0,35
CMK-80
5,7 800-1000 200-250 21-29
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
8

Các ứng dụng thông dụng của VLMSTK-Fe
Vật liệu ma sát thiêu kết nền sắt đợc ứng dụng nhiều trong các chi tiết
truyền chuyển động thờng gặp ở các loại máy xúc, máy cào, máy nén, máy
cán, máy cắt gọt hoặc làm phanh hãm ô tô, tàu hỏa, dới đây là các minh
họa cụ thể:

Hình 1.2 Các dạng đĩa ma sát chuyền chuyển động
của Nga và trị số mômen chuyền tơng ứng.






Hình 1.1 Một số hình ảnh về má côn
(a,b) và má phanh (c) của Nga, đợc
chế tạo từ hợp kim Fe-graphit.
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
9





Hình 1.3 Hai dạng cấu trúc bộ phanh ô tô
Hình 1.4 Cơ cấu lắp ráp má phanh ô tô
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN

10


Hình 1.5 Các dạng má phanh ô tô


Hình 1.6 Cơ cấu phanh của tàu hỏa


Hình 1.7 Má phanh tầu hỏa
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
11





Hình 1.8 Các dạng má phanh khác

Hình 1.9 Một số dạng chi tiết truyền chuyển động.


Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
12
1.2.2 Vật liệu ma sát thiêu kết nền đồng
Vật liệu ma sát thiêu kết nền đồng đợc sử dụng rộng rãi trong việc chế
tạo các chi tiết truyền động cho các máy móc, xe cộ có công suất trung bình,
chất kết dính là bột đồng hoặc bột brông thiếc. Thành phần hoá học của một
số mác vật liệu loại này đợc nêu trên bảng 1.4
Bảng 1.4 Thành phần hoá một số mác vật liệu ma sát nền đồng (%)
Thành phần và hàm lợng (% trọng lợng)

TT
Cu Sn Pb Fe Grafit Amiăng SiO
2
Chất phụ gia
Nớc
SX
1 50-80 0 10 20 5-15 0 <5
MoS
2
< 2, Ti 2-
10
Mỹ

2 67.5 0 0 0 7.5 0 15 Bi 10 Mỹ
3 61- 62 6 0 7-8 6 0 0 Mulit 7; Zn 12 Mỹ
4 70 7 8 0 8 0 0 TiO
2
-10 Nhật
5 60-70 5-12 0 <10 9 0 0 0 Tiệp
6 60-75 6-10 <10 <5 1-8 0 0
(Ti, V, Si, As) 2-
10; MoS
2

Nga
7 67 5 0.5 8 4 0.2 3.5 Al
2
O
3
5; MoO
3
6 Anh
8 62-71 6-10 6-12
4.5-
8
5-9 0 0 Si 4 6 Nhật
9 50-65 0 0
5 -
15
<25 0 0
Si, SiC, Al
2
O

3
<10
Đức
10 62-67 6-10 6-12 4-6 5-9 0 4-8 0 Nhật
11 67-80 5-12 7-11 8 6-7 0 4.5 0 Nga
12 68-76 8-10 7-9 3-5 6-8 0 0 Mulit 20 Nga
13 75 0 0 0 0 0 5 Mulit 20, Mo 10 Pháp
14 18 2 0 0 0 30 0
Thuỷ tinh 40,
Sunfit Al 10
Đức
15 62-86 5-10 5-15 <2 4-8 <3 <3 Ni<2 Nga
16 73 7 14 0 6 0 0 0 Mỹ
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
13
Ta thấy, VLMSTK-Cu có nền cơ bản là đồng và thiếc mà khi thiêu kết thì
hình thành hợp kim Cu-Sn (hợp kim Brông thiếc), vì thế ngời ta còn gọi là
vật liệu ma sát thiêu kết nền Brông. Từ giản đồ pha cân bằng hệ Cu-Sn (hình
1.10) nhận thấy với hàm lợng Sn nhỏ hơn 13.5% hệ có một pha dung dịch
rắn . Đây là dung dịch rắn thay thế của Sn trong Cu, có kiểu mạng lập
phơng tâm mặt tơng đối dẻo và bền, do cơ chế hoá bền dung dịch rắn. Vì
khoảng kết tinh lớn, quá trình thiên tích xảy ra khá mạnh, nên chỉ ứng với hàm
lợng Sn khá nhỏ, khoảng 8%, trong điều kiện nguội khi đúc thông thờng đã
xuất hiện pha . Pha khi làm nguội tiếp, chuyển biến thành pha và sau đó
là thành pha . Quá trình chuyển biến [+] ở 350
o

C và sự tiết pha ở
trong dung dịch rắn ở dới 350
o
C không xảy ra đợc vì tốc độ phản ứng quá
nhỏ. Bản chất , , , đều là các hợp chất điện tử, cứng nhng giòn. ở nhiệt
độ thờng các hợp kim chứa ít hơn 8%Sn sau ủ có tổ chức một pha đồng
nhất, khá dẻo, chịu biến dạng tốt. Khi hàm lợng Sn vợt quá 8%, nhất là khi
lớn hơn 10%, tổ chức các hợp kim này gồm hai pha (-). Các phân tích trên
về hệ Cu-Sn giải thích vì sao hàm lợng Sn đợc dùng trong các brông công
nghiệp không vợt quá 10%.
Các brông thiếc biến dạng thờng chứa ít hơn 8%Sn (ở một số nớc cho
phép đến 10%Sn), có cơ tính cao và tính chống ăn mòn trong môi trờng nớc
biển tốt hơn latông. Trong thành phần brông thiếc biến dạng, thờng đa thêm
một lợng nhỏ phôtpho (ít hơn 0.1%) để khử ôxy, một lợng Zn vừa phải để
hoá bền và thay thế Sn, cũng có thể một lợng nhỏ Pb để cải thiện tính cắt gọt
và giảm hệ số ma sát.






Hình 1.10 - Giản đồ trạng thái hệ Cu-Sn, Cu-Al
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
14
Bảng 1.5 Tính chất của một số mác vật liệu ma sát thiêu kết nền đồng

Mác vật liệu Mật độ riêng
g/cm
3

Độ cứng
MPa
Kháng nén
MPa
Hệ số ma sát
(trungbình)
MK-5( Nga) 6,0-6,2 250-280 24
SM-1(Anh-
Cty Ferodo)
5,9-6,3 45,5-52,4 0,35-0,38
S-1(Tiệp khắc)
5,4-5,8 350-500 0,32-0,35
SM3-Ferodo 5,9-6,3 45-52 0,34-0,36

Một số ứng dụng của VLMSTK nền đồng

1 2

3 4
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
15

5 6 7
Hình 1.11 Sản phẩm của Công ty HIVANSHU- ấn Độ ( 1-7- Các loại ổ trợt
và gối đỡ, 2- vòng gioăng chịu dầu, 3-bánh xe, 4-ổ đỡ vòng bi, 5,6- các chi tiết
máy bơm dầu)

Hình 1.12 Các chi tiết máy của công ty Atlasbronze (Mỹ)
1.2.3 Các dạng vật liệu ma sát thiêu kết đặc biệt khác
- Vật liệu ma sát composite kim loaị với hàm lợng lớn các cấu tử phi
kim loại.
Đây là loại vật liệu ma sát dùng cho các truyền động với công suất cao, tải
nặng. Chất dính kết vẫn sử dụng bột Fe, bột Cu hoặc bột Ni, Mo tùy thuộc
điều kiện làm việc. Các cấu tử phi kim loại thờng dùng là các oxyt, cacbit,
nitrit độ cứng cao, các bột khoáng chất mulit, silicat, sillimanit. để điều chỉnh
chất ma sát, thờng cho thêm graphit, các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
16
(Pb, Bi, Cd, ), sulfit, cacbit, photphit hoặc các pha liên kim loại (nh pha
laves trong hệ hợp kim Co-Mo-Si, Co-Mo-Cr-Si, chúng có độ cứng cao, chống
mài mòn tốt). Tỷ lệ các hạt phi kim loại có thể chiếm tới 50% thể tích của vật
liệu. Ví dụ, một số loại hợp kim thuộc loại này có thành phần nh sau:
31%Cu + 22%mulit + 32%graphit + 15% chất khác.
55%Fe + 20%graphit + 20%MgO + 5%Pb.
47.6%Ni + 19.8% mulit + 27.5%graphit + 5%PbWO
3
.
50%Mo + 50% các hạt pha laves của hệ Co-Mo-Si.

- Vật liệu tổ hợp kim loại - sợi cacbon và các hạt cứng dạng ceramic,
dùng làm má phanh cho các loại xe có công suất lớn.
Đặc điểm chung của vật liệu ma sát loại này gồm các hạt phi kim loại có
nhiệt độ nóng chảy cao, rất bền nhiệt, có thể làm việc ở nhiệt độ 600-1000
o
C,
đôi khi còn cao hơn nữa. Hệ số ma sát tuỳ vào điều kiện làm việc có thể giao
động trong phạm vi 0,3-0,7. Cũng vì tỷ lệ các pha phi kim loại lớn, nên độ bền
cơ học (khi thử kéo) khá thấp. Để nâng cao độ bền cơ học có thể dùng kỹ
thuật ép và thiêu kết hai lần hoặc ép nóng.
Vật liệu loại này đợc sử dụng trong các truyền động công suất lớn (tải
nặng), ví dụ làm má phanh cho máy bay khi hạ cánh, má côn, má phanh cho
máy đào đất, các loại xe tải và xe quân sự hạng nặng (nh má phanh dẫn
hớng cho xe tăng, xe xích ) cũng nh các máy móc hạng nặng khác.

Hình 1.13 Phanh máy bay của Trung Quốc (vật liệu MSTK tổ hợp nền Ti).

1.3
Tổng quan về công nghệ chế tạo vật liệu ma sát thiêu kết luyện kim
bột

Mô tả sơ đồ công nghệ và các công đoạn công nghệ chế tạo vật liệu
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
17
Vật liệu ma sát thiêu kết đợc chế tạo bằng công nghệ luyện kim bột,
bằng cách ép tạo hình bột kim loại, sau đó thiêu kết chúng ở nhiệu độ thấp

hơn nhiệt độ chảy. Công nghệ này gồm các công đoạn chính sau:
- Phối liệu theo thành phần,
- Nhào trộn hỗn hợp bột kim loại,
- Biến dạng tạo hình bột kim loại (ép),
- Thiêu kết vật thể bột kim loại,
- Gia công hiệu chuẩn,
- Kiểm tra sản phẩm và đóng gói.
Hình 1.14 mô tả quy trình chế tạo các sản phẩm của công ty Shivanshu để
chế tạo các dạng VLMSTK luyện kim bột, gồm các công đoạn:
Chuẩn bị nguyên liệu ban đầu (Raw materials);
Nhào trộn hỗn hợp bột kim loại (Mixing/ Blending);
Tạo hình trên máy ép thủy lực (Compacting /Forming);
Thiêu kết (Sintering), nhiệt luyện- gồm một trong hai công đoạn là ủ đồng
đều cấp hạt (Sizing) hoặc gia công bằng hơi nớc khô (Steam treatment);
Gia công cơ khí (Machining);
Đánh bóng (Polishing);
Thấm dầu và bao gói.
1.3.1 Chuẩn bị hỗn hợp bột kim loại

Mục đích của công đoạn này là tạo cho hỗn hợp bột trớc khi ép có đợc
những tính chất cần thiết tạo cho quá trình ép và thiêu kết đợc dễ dàng. Các
công đoạn chuẩn bị trớc khi ép gồm có: phân loại, nhào trộn, phá kết tụ,
đồng đều; chuẩn bị khuôn có làm sạch và bôi trơn.
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
18

Hình 1.14 Quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm của công ty Shivanshu
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột


Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
19
Phân loại bột đợc thực hiện bằng phơng pháp rây cơ học hoặc phân loại
bằng gió nhằm thu đợc các kích cỡ bột theo yêu cầu. Ngoài ra để nâng cao
chất lợng bột thông qua việc phân loại kích cỡ bột còn có thể loại bỏ đợc
những tạp chất. Việc phân loại bột cũng nhằm mục đích tạo ra những kích cỡ
bột cần thiết để điều khiển đợc độ xốp của vật liệu sau quá trình ép và thiêu
kết.
Quá trình nhào và trộn (blending and mixing) là hai công đoạn thiết yếu
trong quá trình chuẩn bị bột nguyên liệu. Nhào bột là quá trình kết hợp các
loại kích cỡ khác nhau của cùng một loại bột (có cùng thành phần hoá học)
nhằm tạo ra đợc một tỷ lệ đồng đều theo yêu cầu, còn trộn (mixing) là quá
trình tạo sự phân bố đồng đều của nhiều loại bột có thành phần hoá học khác
nhau.
Bột có thể đợc trộn với nhau tạo ra hợp kim mới nhờ vào quá trình
khuếch tán trong quá trình thiêu kết. Có thể dùng bột hợp kim sẵn có từ trớc.
Do bột hợp kim hoá từ trớc thờng có độ cứng cao nên trong quá trình ép cần
có lực ép lớn hơn là ép bột với thành phần là các kim loại nguyên chất mềm
hơn.
1.3.2 ép tạo hình bột kim loại
Mục đích chính của quá trình tạo hình bột kim loại là biến dạng tạo hình
các hạt bột rời rạc thành bán sản phẩm (green part), có độ bền đủ đảm bảo giữ
vững hình dạng trong thời gian vận chuyển và thiêu kết hoặc sản phẩm có kích
thớc và hình dạng nhất định.
Tuỳ theo yêu cầu về hình dạng, kích thớc và yêu cầu khác về cơ - lý tính

của sản phẩm mà chúng ta lựa chọn phơng pháp tạo hình: phơng pháp biến
dạng tạo hình đợc sử dụng nhiều nhất và thích hợp với chi tiết nhỏ, hình dạng
đơn giản là phơng pháp ép một chiều hoặc ép hai chiều. Các chi tiết lớn hoặc
hình dáng phức tạp - phơng pháp ép thuỷ tĩnh. Chi tiết trụ rỗng hoặc thành
dày- phơng pháp ép chảy, chi tiết dạng băng, thanh - phơng pháp cán, chi
tiết dạng thanh mỏng - phơng pháp phun phủ
Trong quá trình ép trong khuôn kim loại bị nén ép, thể tích vật thể bột kim
loại ban đầu sẽ giảm đi một cách đáng kể. Sự thay đổi hình dạng ban đầu của