NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ XANH CỦA HỢP KIM NIFE BẰNG PHƯƠNG PHÁP γ TRUYỀN QUA KHÔNG PHÁ HỦY

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ XANH CỦA HỢP KIM NI-FE
BẰNG PHƯƠNG PHÁP γ TRUYỀN QUA KHÔNG PHÁ HỦY

NGHIÊM XUÂN LONG, VŨ QUANG CHẤT

Trung tâm đánh giá không phá hủy

Tóm tắt: Mật độ xanh của mẫu hợp kim bột có tác động lớn đến tính chất của vật liệu sau khi
được nung kết. Báo cáo này trình bày phép đo mật độ xanh của mẫu hợp kim bột sử dụng
trong công nghệ luyện kim bột áp suất cao. Nguồn phát tia gamma sử dụng nguồn Americium-
241 với năng lượng bức xạ 59.5 KeV. Trong thí nghiệm thời gian chiếu xạ là 0.5 phút. Mật độ
xanh được xác định như một hàm của thành phần cấu tạo và độ dày của mẫu bột hợp kim. Tỉ
lệ phần trăm sai lệch của phép đo giữa lý thuyết và thực nghiệm chỉ nhỏ hơn 0.95%.
Abstract: The green density of powder metallurgy (PM) sample have a great influence
on the properties of a final sintered materials. This report presents the green density
measurement of PM sample in powder metallurgy technology. Americium-241 with a
radiation energy of 59.5 KeV is selected as a gamma ray source. The gamma ray
exposure time is 0.5 minutes. The green density shows as a function of sample
composition and thickness. The deviation percentage of the measurements between
calculated and measured density is only smaller than 0.95%.
I. GIỚI THIỆU
Hiện nay trên thế giới, các ứng dụng sử dụng bức xạ ngày càng phát triển, hoàn thiện
không chỉ về chất lượng mà còn đông đảo về số lượng. Các ứng dụng đó không những trong
công nghiệp, y tế, xây dựng mà còn len lỏi vào từng dụng cụ, thiết bị phục vụ cho cuộc sống
hàng ngày của chúng ta.
Tại Trung Quốc, năm 2010 các sản phẩm sử dụng bột luyện kim đạt tăng trưởng 46% /
năm tương đương 32.632 tấn. Tuy nhiên đối với ngành công nghiệp ô tô rộng lớn của đất
nước này tỉ lệ các chi tiết sử dụng công nghệ luyện kim bột trên một chiếc ô tô còn khiêm tốn

chỉ xấp xỉ 4,5 kg khá thấp so với tỉ lệ 15-20 kg ở châu Âu và châu Mỹ [1].
Ở Việt Nam, ngay từ những năm 60 đã bắt đầu hình thành các nghiên cứu về luyện
kim bột, nhưng cho tới năm 2006 lần đầu tiên Việt Nam mới có thể luyện kim bột bằng công
nghệ ép nguội áp suất cao để tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, độ bền, cơ tính cao
gấp nhiều lần kim loại thường. Đây là công nghệ cần đến những ứng dụng bức xạ với thị
trường phát triển đầy hứa hẹn.
So sánh với ép truyền thống cho ra các sản phẩm, thiết bị không đáp ứng được các yêu
cầu, tiêu chuẩn kỹ thuật lại tiêu tốn nguyên liệu, nhất là những nguyên liệu quý và đắt. Công
nghệ luyện kim bột, gia công không phoi đã khắc phục những hạn chế, tồn tại của những
phương pháp cũ.

Hình 1: Một số chi tiết thành phẩm từ công nghệ luyện kim bột
Công nghệ luyện kim bột được chia làm 3 giai đoạn chủ yếu đó là: trộn bột, nén và
nung kết [2]. Bột kim loại: sắt, niken, đồng, crôm được trộn với các thành phần khác cho
vào khuôn tạo hình và bọc trong một khuôn đàn hồi. Đưa khuôn này thả vào một buồng cao
áp, bơm dầu và nén bằng áp suất cao với áp lực từ 100-300 MPa. Trong môi trường áp suất
cao, vật liệu bị dồn lại, kim loại sẽ đạt đến tỷ trọng vật đặc. Tiếp tục đưa khuôn kim loại vào
môi trường thiêu kết nhiệt độ và áp suất cao sẽ cho ra vật liệu theo yêu cầu.

Hình 2: Các giai đoạn trong công nghệ bột luyện kim
Trong các giai đoạn của công nghệ luyện kim bột việc xác định mật độ của sản phẩm
sau khi nén có ý nghĩa quan trọng quyết định đến chất lượng sản phẩm sau khi nung kết. Để
đo mật độ thông thường hiện nay có rất nhiều phương pháp, các kĩ thuật truyền thống như kĩ
thuật sử dụng nguyên lý Archimedes, phép đo độ dẫn điện, và phép đo độ xốp quang học
[3,4]. Tuy nhiên tất cả các phương pháp trên đều có đặc điểm chung là tiêu tốn thời gian và
phá hủy đối tượng kiểm tra. Vì vậy việc sử dụng phương pháp ghi đo phóng xạ thông qua sự
thay đổi cường độ phóng xạ khi đi qua vật liệu đem lại sự hiệu quả, tính chính xác, tiết kiệm
thời gian cũng như không phá hủy sản phẩm.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khi tia gamma xuyên qua vật liệu, chúng tương tác với vật liệu và gây ra sự suy giảm

về cường độ. Sự suy giảm này phụ thuộc vào bề dày, mật độ và tuân theo quy luật hàm mũ:
 = 



(1)
Trong đó  và 

là cường độ của chùm tia gamma truyền qua và chùm tia gamma tới.
, ,  là hệ số hấp thụ khối, mật độ, và độ dày của vật liệu. Từ đó thấy rằng khi biết được hệ
số hấp thụ khối và độ dày. Mật độ của vật liệu có thể được xác định bằng việc đo  và 

.
 =
−1

ln



 (2)
Hệ số hấp thụ khối tổng thể của một hỗn hợp hay hợp chất được tính bằng tổng của
các hệ số hấp thụ khối của những thành phần hợp thành, nhân với tỉ trọng của chúng trong
hỗn hợp hay hợp chất đó [5].


= 




+ 



+ ⋯ (3)
Vì vậy trong trường hợp vật liệu hỗn hợp bao gồm một vài thành phần thì mật độ được
xác định bằng công thức sau:
 =
−1
(
∑






)
ln



 (4)
Từ phương trình (4) ta thấy rằng việc tính toán mật độ bao gồm yếu tố chiều dày vật
liệu . Nhưng trên thực tế độ dày của phần bị bao phủ bởi chùm phóng xạ tia gamma không
phải lúc nào cũng là một hằng số. Phần độ dày đó có thể có bề mặt dốc, cong, hoặc không cố
định về mặt hình học khi đó việc sử dụng phương pháp này gần như là không thể.

Hình 3: Đo mật độ sử dụng phóng xạ tia gamma trên một số bề mặt khác nhau
III. THỰC NGHIỆM

Hình 4: Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm
Chùm gamma từ nguồn Americium-241 năng lượng 59.5 KeV trước và sau khi đi qua
mẫu được làm hẹp bằng collimator. Thí nghiệm sử dụng đầu dò NaI, thời gian chiếu xạ là 0.5
phút đo 30 lần. Các tấm hợp kim bột xanh được tạo thành bằng bột Ni - Fe có độ tinh khiết
Mẫu
Nguồn
Amplifier
High Voltage
Suplier
Single Channel
Analyzer
Counter / Timer
Detector
(99.5+%) và tỉ lệ phần trăm giữa Fe và Ni khác nhau. Các mẫu có tỉ lệ phần trăm giữa (Ni,
Fe) là (60/40; 40/60) trên một mẫu được nén dưới áp suất ≈ 120 Mpa/20s, khối lượng mỗi
mẫu là 2.4g. Chùm tia gamma sau khi đi qua mẫu tới đầu dò được qua các khối khuếch đại và
cao thế tới bộ phân tích đơn kênh, sau cùng là tới bộ đếm với thời gian được định trước.
IV. KẾT QUẢ
Mật độ xanh của mẫu hợp kim bột có thành phần (Ni, Fe) - (40/60), độ dày 2.3 mm
được so sánh với giá trị mật độ tính toán từ thể tích và khối lượng mẫu cho ta sai số trung
bình 0.60%. Sai số này do ảnh hưởng của sai số trong phép đo độ dày mẫu, độ hẹp của chùm
tia gamma, cũng như thời gian đo.
Lần đo 1 2 3 4 5 6 7 … 29 30

Mật độ
tính
toán
4.14 g/



Mật độ
đo
được
4.09 4.11 4.12 4.14 4.16 4.15 4.12 … 4.13 4.13
Sai số trung bình: 0.60%
Bảng 1: Mật độ xanh đo được sử dụng phương pháp γ truyền qua
Mật độ xanh đo từ thí nghiệm được biểu diễn ở hình 4 so sánh với mật độ theo tính
toán ta thấy sai số hay độ lệch giữa phép đo và tính toán ổn định dần với số lần đo tăng. Tỉ lệ
sai lệch đối với mẫu hợp kim bột xanh (Ni, Fe) – (40/60) đo được trong các lần đo khác nhau
được mô tả trong hình 5.

Hình 4 – Mật độ xanh của mẫu Ni-Fe 40/60
4.06
4.08
4.1
4.12
4.14
4.16
4.18
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Green Density (g/cm3)
Calculated Values
Measured Values

Hình 5: Tỉ lệ phần trăm sai lệch so với tính toán của mẫu Ni-Fe 40/60
Tính toán tương tự với mẫu hợp kim bột Ni-Fe 60/40 độ dày 2.2mm, sai số trung bình
được tính toán bằng 0.55%. Mật độ xanh và tỉ lệ phần trăm sai lệch được mô tả trong hình 6,
hình 7.

Hình 6 – Mật độ xanh của mẫu Ni-Fe 60/40

0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930
%
Deviation
4.22
4.24
4.26
4.28
4.3
4.32
4.34
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Green Density (g/cm3)
Calculated
Values

Hình 7: Tỉ lệ phần trăm sai lệch so với tính toán của mẫu Ni-Fe 60/40
Ta thấy rằng độ lệch tương quan cực đại đối với các mẫu khác nhau về thành phần Ni-
Fe duy trì trong khoảng < 0.95% trong đó độ lệch tương quan cực đại được tính bằng phần
trăm giữa sự sai khác lớn nhất của mật độ đo được và mật độ tính toán chia cho mật độ đo
được.
V. KẾT LUẬN
Phép đo mật độ xanh đối với mẫu hợp kim bột sử dụng bức xạ gamma cho kết quả
nhanh, không phá hủy và khá chính xác so với giá trị được tính toán. Hướng phát triển của
báo cáo này sẽ khảo sát kĩ hơn đến sự biến đổi sai số trong phép đo đối với các thông số khác
nhau như độ dày mẫu, thời gian đo, và hoạt độ nguồn phóng xạ… Đóng góp thêm các ứng
dụng của bức xạ trong kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm đối với công nghiệp luyện
kim bột. Kĩ thuật này đã và đang được ứng dụng trên thế giới trong các công đoạn sản xuất
hợp kim bột áp suất cao, nhưng hiện nay ở Việt Nam vẫn còn thiếu và khá khiêm tốn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] China powder metallurgy industry report, 2010 2011, www.researchinchina.com
[2] G. S. Upadhyaya, Powder Metallurgy Technology , Cambridge International Science
Publishing.
[3] O.I. Shuloshova and I.A. Shcherbak, Investigation of density distribution in porous parts,
Poroshk. Metall., No1, 93-96.
[4] P.A. Vityaz, V.E. Pereman, and O.V. Roman, Porosity distribution in parts of complex
configuration and methods of its determination, Poroshk. Metall., No.3, 26-30.
0
0.1
0.2
0.3

0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Deviation
[5] Richard H.Bossi, Frank A. Iddings, George C.Wheeler, Radiographic Testing –
Nondestructive Handbook, American Society for Nondestructive Testing.