NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

0



B
Ộ GIÁO DỤC VÀ
ĐÀO T
ẠO

B
Ộ CÔNG TH
ƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ




TRẦN VĂN DŨNG




NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ ĐỂ
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY


Chuyên ngành đào tạo: Công nghệ tạo hình vật liệu
Mã ngành: 62.52.04.05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT











Hà nội - 2012
1




A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN

1. Tính cấp thiết của đề tài
- Hiện nay ở Việt nam có nhu cầu lớn thay thế các chi tiết máy
quan trọng thuộc dây chuyền thiết bị trong hầu hết các nghành
công nghiệp. Để chủ động trong sản xuất tiết kiệm chi phí so
với nhập ngoại.
- Sử dụng phương pháp phun phủ để phục hồi hoặc chế tạo mới
các chi tiết máy quan trọng, sẽ làm tăng tuổi thọ bền mòn của
các chi tiết máy đặc biệt là các chi tiết máy dạng trục có giá

thành cao.
- Việc nghiên cứu Công nghệ phun phủ kim loại, đề xuất các biện
pháp cũng như các thông số công nghệ để nâng cao chất lượng
lớp phủ, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu làm việc của
chi tiết máy là nhiệm vụ có tính cấp thiết cao tại Việt nam.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu xây dựng bộ thông số chế độ công nghệ phù hợp
thông qua thực nghiệm để nâng cao chất lượng lớp phủ.
- Nghiên cứu công nghệ kết hợp lớp phủ lót Ni5Al với lớp phủ
hợp kim 67Ni18Cr5Si4B để nâng cao độ bền bám dính của lớp
phủ chịu mòn.
3. Đối tượng nghiên cứu ứng dụng
- Cấu trúc lớp phủ, lớp lót trên kim loại nền
- Chế độ phun và chất lượng lớp phủ có cơ tính cao đáp ứng được
yêu cầu làm việc của chi tiết máy
- Đối tượng ứng dụng : Các chi tiết máy dạng trục chính của các
thiết bị quan trọng
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cấu trúc và chất lượng lớp phủ và lớp lót : Độ xốp, độ
bám dính, độ mài mòn vv…
- Nghiên cứu thực nghiệm để xác lập miền giá trị điều chỉnh
thích hợp các thông số công nghệ phun phủ có lớp lót Ni5Al
với lớp hợp kim 67Ni18Cr5Si4B để nâng cao chất lượng lớp
phủ;
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
a) Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án
2

- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã chứng minh
được quy luật ảnh hưởng của bộ thông số phun tới độ bền
bám dính. Từ đó cho phép lựa chon được chế độ phun phù
hợp để nâng cao chất lượng lớp phủ.
- Lần đầu tiên tại Việt nam với các trang thiết bị sẵn có đã
thực nghiệm một cách khoa học thành công phun phủ có lớp
lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B có độ bám dính của lớp phủ với kim loại nền tăng
đáng kể;
b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận án
Kết quả của đề tài có ý nghĩa thiết thực trong công tác phục hồi
cũng như để tạo bề mặt chi tiết máy có cơ tính cao, tăng tuổi bền mòn,
có khả năng ứng dụng phục hồi các trục chính của các thiết bị có vật
liệu là thép các bon và có đường kính khác nhau.
6. Các điểm mới của luận án
- Với các trang thiết bị sẵn có trong nước lần đầu tiên đã thực
nghiệm một cách khoa học thành công phun phủ có lớp lót
Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B;
- Từ các kết quả thực nghiệm đã xây dựng được bộ thông số công
nghệ phun phủ và chế độ phun phù hợp để nâng cao chất lượng
lớp phủ đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu làm việc
của chi tiết.
- Dùng lớp lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B thì độ bền bám dính tăng đáng kể
- Đã ứng dụng kết quả của luận án phun phục hồi thành công trục
tàu cuốc với thời gian hoạt động 24 tháng, kết quả đạt tương
đương nhập ngoại.

7. Kết cấu của luận án

Luận án bao gồm phần Mở đầu và 05 Chương, Tài liệu tham
khảo bằng Tiếng Việt, Tiếng Nga, Tiếng Anh và một số trang mạng,
Phần phụ lục bao gồm các ảnh chụp cấu trúc lớp phủ, các loại vật liệu
phun và các phiếu báo kết quả thí nghiệm, bản vẽ và biên bản nghiệm
thu. Tên của các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ phun phủ kim loại;
Chương 2: Ngiên cứu cơ sở lý thuyết phun phủ kim loại;
3



Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị thí nghiệm và phương pháp
nghiên cứu;
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm giải pháp nâng cao chất lượng
lớp phủ kim loại;
Chương 5: Ứng dụng kết quả của luận án.
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ
1. Khái quát chung
-

B
ản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim)
nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi
phun có sự va đập vào lớp kim loại nền, do ảnh hưởng của các
biến đổi lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc
vào lớp nền.
-

Phun ph

ủ kim loại
đư
ợc sử dụng cho các mục
đích chính sau:

+ Phục hồi các bề mặt mòn chủa chi tiết máy
+ Tạo lớp bề mặt có cơ tính cao của các chi tiết chế tạo mới.
+ Sữa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí.
+ Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển và ở các môi
trường đặc biệt như: Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv…
+ Thay thế kim loại quý giảm giá thành sản phẩm
+ Công nghiệp trang trí
- Ở Việt nam công nghệ phun phủ kim loại cũng đã được sử dụng
và đã đem lại hiệu quả nhất định.
2. Các phương pháp phun kim loại
Dựa vào nguồn nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại phun, các
thiết bị phun hiện tại có thể chia làm hai nhóm chính: Nhiệt khí và Điện
năng.
2.1. Phương pháp phun phủ nhiệt khí:
- Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng rãi. Phương
pháp này sử dụng nhiệt năng ngọn lửa cháy làm nóng chảy các các
vật liệu phủ
- Một trong những dạng đặc biệt thuộc nhóm này là phương pháp
phun nổ, sử dụng năng lượng nổ hỗn hợp ôxy - axêtylen. Trong phun
nhiệt khí tuỳ thuộc vật liệu phun mà có thể phân ra 3 dạng: Phun
dây, phun thanh và phun bột.
4

Hình 1.1. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại



Hình 1.2. Sơ đồ phun nổ
2.2. Các phương pháp phun điện:
a) Phun bằng hồ quang điện:
- Phương pháp này sử dụng năng lượng của hồ quang điện để
làm nóng chảy kim loại phun.


Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện
b) Phun bằng plasma:
- Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Người ta ứng dụng
năng lượng của luồng plasma để làm nóng chảy kim loại phun phủ.
Nhờ có hồ quang mà khí công tác được nung nóng tới nhiệt độ rất cao
5



sau đó thoát ra khỏi miệng đầu súng phun thành luồng plasma ổn định nhờ
hiệu ứng dòng khí xoáy chạy suốt thành ống phun trong kết cấu của đầu
phun.

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phun phủ plasma
- Do luồng plasma có nhiệt độ rất cao, có thể tới 10.000
O
K nên

dùng phun plasma để tạo lớp phủ từ tất cả các loại vật liệu khó nóng
chảy hiện có đến nay và đây là một trong những ưu điểm nổi bật của
phương pháp này.
2.3. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp phun phủ :
a) Những ưu điểm chính của công nghệ phun phủ:
1). Sự đa dạng về vật liệu phun và lớp nền khác nhau. Ví dụ ta
có thể phun kim loại lên thủy tinh, gốm, vật liệu hữu cơ.
2). Có thể tạo lớp phun trên toàn bộ bề mặt chi tiết hoặc tại một
vùng cục bộ, trong khi bằng các phương pháp khác (nhúng, mạ ) lại
khó có thể đạt được.
3). Thiết bị phun tương đối đơn giản và gọn.
4). Bằng cách lựa chọn thành phần từng lớp phun và tổ hợp các
lớp phun có thể tạo ra vật liệu có những tính năng đặc biệt khác hẳn với
các vật liệu truyền thống.
5). Có thể dùng phương pháp phun để chế tạo chi tiết có hình
dáng khác nhau.
6). Công nghệ phun cho năng suất khá cao và thao tác không
phức tạp.
b) Một số nhược điểm của phương pháp phun phủ:
1). Khi tạo lớp phun trên bề mặt những chi tiết có kích thước
lớn thì quá trình này kém hiệu quả do tổn hao vật liệu phun và vì thế
không kinh tế.
2). Ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng điều kiện làm việc của
công nhân.
6



3). Quá trình phun cũng tạo ra những hợp chất độc trong không
khí do sản phẩm cháy tạo thành, có hại cho sức khoẻ.

3. Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng
trên thế giới
3.1. Phân loại vật liệu phun dùng cho các phương pháp phun
phủ:
Theo tài liệu của hãng PRAXAIR (Mỹ), các vật liệu phun phủ
xử lý bề mặt kim loại được chia thành 04 nhóm theo lĩnh vực ứng dụng
của các chi tiết máy và phương pháp phun phủ sau đây:
1) Nhóm I: Bột kim loại đơn kim hoặc tổ hợp kim loại nhiều
lớp gồm các loại vật liệu như:
- Bột trên cơ sở nền nhôm Al;
- Bột trên cơ sở nền Cô ban Co;
- Bột trên cơ sở nền Đồng Cu;
- Bột trên cơ sở nền Sắt Fe;
- Bột trên cơ sở nền Molíp đen Mo;
- Bột trên cơ sở nền Niken Ni.
2) Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu
chính gồm:
- Hợp kim bột trên cơ sở nền bột Cô ban Co;
- Hợp kim bột trên cơ sở nền bột Niken Ni.
3) Nhóm III: Bột gốm cho trong Bảng 3.3, gồm:
- Bột ô-xit nhôm là nền cơ sở;
- Bột ô-xit Crôm là nền cơ sở;
- Bột ô-xit Zirconi là nền cơ sở.
4) Nhóm IV: Bột các bít
- Bột các bít Crôm là nền cơ sở;
- Bột các bít Tungsten là nền cơ sở.
Tuỳ thuộc vào mục đích chế tạo mới hay phục hồi các lớp phủ
bề mặt trên chi tiết máy mà người ta sử dụng các phương pháp phun
phủ thích hợp, bao gồm thiết bị và vật liệu phủ tương ứng.
Kết luận chương 1

1- Phun phủ là một hướng công nghệ tiên tiến của thế giơí để tạo ra các
sản phẩm cơ khí mới có tính chất tổ hợp đặc biệt, sử dụng các vật
liệu kim loại và hợp kim truyền thống kết hợp với hợp kim đặc biệt
trong mỗi chi tiết máy làm nâng cao tính năng sử dụng của nó và tiết
kiệm vật liệu quý hiếm;
7



2- Công nghệ phun phủ có nhiều phương pháp. Tuỳ theo điều kiện về
các thiết bị phun phủ sử dụng mà tính chất vật liệu phun mà lựa chon
phương pháp phun phù hợp.
3- Phương pháp phun phủ có nhiều ưu điểm nổi bật mà các công nghệ
khác không có được. Tuy nhiên công nghệ này đòi hỏi một số thiết
bị chuyên dụng được nhập ngoại và nó có một số nhược điểm nên
chỉ ứng dụng công nghệ này cho các chi tiết phục hồi hoặc chế tạo
mới với các bề mặt làm việc có tính năng đặc biệt.
4- Đã hệ thống được một số vật liệu thông dụng dùng cho phun phủ
hiện nay trên thế giới.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI
1. Các lý thuyết về sự hình thành lớp phủ
Có nhiều ý kiến khác nhau về sự hình thành lớp phủ kim loại, nhưng nổi
bật nhất là các quan điểm sau:
- Lý thuyết của Pospisil – Sehyl
- Lý thuyết của Schoop
- Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger
- Lý thuyết của Schenk
2. Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại
- Động lực để hình thành lớp phủ kim loại là nhiệt lượng và nhiệt
động năng của các hạt kim loại phun.

- Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nguồn năng lượng phun và cả
trạng thái làm sạch bề mặt phun trên kim loại nền. Các hiện tượng
tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ - lý – hoá tính khi hình thành lớp
phủ kim loại như sau :
2.1. Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy ra trên bề mặt phun phủ:
- Hiệu suất của quá trình nung nóng vật phun () theo biểu thức:
 = q / I.U. Trong đó: I và U – cường độ dòng điện và hiệu
điện thế của cung lửa.
- Quá trình hình thành liên kết giữa các hạt phun với nền, như là
một phản ứng hoá học trên mặt phân cách các pha tham dự vào mối
liên kết vật lý do các hạt bị biến dạng và bị dàn mỏng ra. Nếu ký
hiệu x là số nguyên tử đã tham gia vào phản ứng trong thời gian ,
thì phương trình động học của tốc độ phản ứng có dạng:
8




 

















k
S
exp
kT
E
- expxN
d
dx
K
a
O



trong đó: N
O
- Là số nguyên tử trên bề mặt nền hoặc bề mặt hạt
 - Là tần số dao động riêng của các nguyên tử ;
E
a
- Là năng lượng hoạt hoá;
S - Là entropi hoạt hoá tại vùng có phản ứng hoá học;
T
K
- Là nhiệt độ tiếp xúc đo theo thang nhiệt độ tuyệt đối;

k - Là hằng số Boltxman.
2.2. Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun:
Một trong những thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá
học của các vật liệu khi tiếp xúc là nhiệt độ tiếp xúc giữa hạt nóng chảy
(lỏng) và nền cứng. Nhiệt độ tiếp xúc T
K
và năng lượng hoạt hoá E
a
được tính theo công thức gần đúng : E
a
 K . T
K
(ln  + 30)

Hình 2.1. Sơ đồ giải thích về thay đổi thời gian  (T
K
, P) theo nhiệt độ
tiếp xúc và áp suất vùng tiếp xúc
2.3. Hiện tượng va đập của các hạt kim loại phun :
Do ảnh hưởng của lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với
vận tốc V khi va đập sẽ bị chảy dàn ra trên bề mặt nền.
Biểu thức xác định tốc độ tối thiểu của hạt ở trạng thái nóng
chảy, cần đạt được để gây ra biến dạng khi va đập vào mặt phẳng là:
9



V 2

d

h
d
min










3
1

Trong đó:  - Sức căng mặt ngoài của vật liệu hạt ở TT nóng chảy;

1
- Tỷ trọng của vật liệu hạt;
d - Đường kính của hạt trước khi va đập ;
h - Chiều cao của hạt đã nguội.
3. Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền
Lớp phủ là loại vật liệu có cấu trúc lớp được tạo bởi các hạt
phun bị biến dạng mạnh, và gắn kết với nhau trên các vùng hàn bề mặt
kiểu tiếp xúc. Trong lớp phủ có thể phân biệt những vùng cấu tạo phản
ánh các quá trình hình thành nên chúng và được phân cách bởi các biên
của vùng. Biên giới phân cách lớp phủ và kim loại nền, sẽ quyết định độ
bám dính, hay cũng chính là độ bền liên kết giữa chúng.
Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các

hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển.
Cấu trúc và tính chất của lớp phủ phụ thuộc vào thành phần cỡ
hạt bột phun. Thông thường cỡ hạt phù hợp nằm trong khoảng 40 70
m.




Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun:
4. Các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến chất lượng lớp
phủ
10



Đối với hầu hết các phương pháp phun thì những yếu tố ảnh
hưởng đến hiệu quả của quá trình phun là:
- Các thông số về kết cấu của đầu phun và về vật liệu phun;
- Các thông số về chế độ phun và về điều kiện phun phủ.
Trong điều kiện thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng
tôi chọn 3 thông số công nghệ chính để khảo sát là:
+ Khoảng cách phun (L, mm);
+ Lưu lượng cấp bột phun (M, g/phút);
+ Áp suất khí thổi (MPa).
5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bám dính lớp phủ với
kim loại nền
- Tốc độ va đập các hạt phun vào kim loại nền:
- Vai trò của sự gia nhiệt kim loại nền trước khi phun:
- Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp phủ:
Kết luận chương 2

Cơ sở lý thuyết về công nghệ phun phủ kim loại đã làm rõ một số
vấn đề quan trọng chính như:
- Sự hình thành lớp phủ,
- Các hiện tượng cơ học, vật lý học và cơ học xảy ra trong quá
trình liên kết các pha kim loại;
- Các nhân tố gây ảnh hưởng đến độ bền bám dính lớp phủ với
kim loại nền và biện pháp điều chỉnh;
Chương 3: VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
1. Vật liệu phun phủ
- Vật liệu phun phủ sử dụng là bột hợp kim 67Ni18Cr5Si54B (ký
hiệu theo tiêu chuẩn ngành của Nga là 67H18X5C4P);
- Mẫu thí nghiệm:
+ Kích thước: Ø x L = 25,4 x 30 mm;
+ Vật liệu nền thép C45;
+ Số lượng: 08
2. Trang thiết bị thí nghiệm
2.1. Thiết bị phun phủ:
- Máy phun plasma SG-100 (Praxair Thermal SG-100 Spray
System).
11





Hình 3.1. Hệ thống thiết bị phun plasma tại Phòng thí nghiệm công
nghệ hàn và xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí
- Súng phun: Praxair Model 2086A
- Hệ thống thiết bị phun làm sạch bề mặt

- Máy nén khí
2.2. Các dụng cụ đo lường và thiết bị kiểm tra:
- Cân tiểu ly, Vibra HAW 3 độ chính xác ± 0,01g
- Thước cặp 0 - 250, độ chính xác ± 0.05mm;
- Panme 0-100, độ chính xác ± 0.01
- Máy kéo nén:
- Máy đo độ cứng 600BDL Hãng Brown – Anh
3. Phương pháp xác định độ bền bám dính lớp phủ
3.1. Phương pháp kéo mẫu có keo dính


Hình 3-2. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kéo mẫu có keo dính

Ứng suất kéo được tính theo công thức (3.1) sau :
б
F
P
 , Mpa ( 3.1)
12



Trong đó:
P- lực kéo mẫu;
F- Diện tích mẫu phần phá hủy;
б - Ứng suất pháp ( Lực bám dính) theo phương vuông góc
với mặt mẫu kéo.
3.2. Kiểm tra độ bền bám dính
Ø40
Ø5

Hình 3-3. Mẫu thử độ bền bám dính pháp
1- Lớp phun phủ, 2- Chốt kéo, 3- Thân mẫu
3.3. Phương pháp xác định độ bền bám trượt của lớp phun phủ
Mẫu kiểm tra
Mẫu thử ứng suất bám trượt
Ø29±0,02
Ø24,8
-0,05
14
2,5
2,5

Hình 3-4. Mẫu kiểm tra ứng suất bám trượt và mài mòn
4. Phương pháp nghiên cứu và đánh giá chất lượng lớp phủ
4.1. Phương pháp nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm
13



Phương pháp quy hoạch thực nghiệm cho phép ta nghiên cứu đồng thời
ảnh hưởng của nhiều thông số tham gia vào một quá trình công nghệ
tới một chỉ tiêu đầu ra của sản phẩm.
Mục đích của quy hoạch thực nghiệm là xây dựng mô hình toán học
(phương pháp hồi quy) biểu thị mối quan hệ giữa thông số đầu ra và
thông số đầu vào và từ mô hình toán học ấy ta có thể tối ưu hóa thông
số đầu ra.
4.2. Kiểm tra độ xốp
Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng của lớp phun
kim loại vì tình trạng cấu trúc xốp ảnh hưởng đến những tính chất sử

dụng như độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ thấm khí, điện trở, độ bền bám
dính. Do vậy cần xác định độ xốp lớp phủ để đánh giá chất lượng lớp
phủ.
4.3. Phương pháp đo tỷ trọng lớp phủ
Nếu coi khối lượng nền kim loại m
n
và khối lượng lớp phủ m
p
và
C
1
, C
2
là thành phần theo khối lượng của nền và lớp phủ thì:

1
n
n p
m
C
m m


(1 – 7)
Và C
2
= 1 – C
1
(1 – 8)
4.4. Phương pháp cân khối lượng trong chất lỏng

Đây là phương pháp đo khá chính xác. Để dùng phương pháp
này người ta tách lớp phủ ra khỏi kim loại nền.
4.5. Phương pháp kim tương học
Bằng phương pháp đánh giá cấu trúc tế vi tiểu vùng biên giới của
các mẫu có thể đánh giá được độ bền bám dính và độ xốp bên trong của lớp
phủ.
Kết luận chương 3
1. Đã lựa chọn vật liệu phủ là hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên mẫu nền
thép 45.
2. Lựa chọn trang thiết bị thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt nam:
Các thiết bị và dụng cụ đo lường phục vụ công tác nghiên cứu thực
nghiệm
3. Phương pháp nghiên cứu
Quy hoạch thực nghiệm với số lượng mẫu thí nghiệm là : 2
k
= 8
(k=3),Phương pháp kim tương học và phương pháp kiểm tra độ xốp để
nghiên cứu và đánh giá chất lượng lớp phủ.
14



Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GI
ẢI PHÁP
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ
Chất lượng lớp phủ kim loại chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố
trong đó chế độ phun đóng vai trò rất quan trọng như: Khoảng cách
phun, áp suất khí thổi để phun bột kim loại, năng suất phun, góc phun,
tạo lớp lót trên bề mặt nền để nâng cao độ bám dính… Chương 4 bằng
thực nghiệm sẽ khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của “ Khoảng cách

phun, Áp suất khí thổi và Năng suất phun” và tạo lớp lót bằng hợp kim
NiAl để nâng cao chất lượng lớp phủ, từ đó có thể lựa chọn bộ thông số
và giải pháp công nghệ phù hợp để ứng dụng vào sản xuất phục hồi các
cổ trục chính của một số thiết bị trong công nghiệp. Quy trình thực
nghiệm và đánh giá được thực hiện như sau:
1. Phun phủ tạo mẫu thí nghiệm định hướng công nghệ:
Thực hiện tạo lớp phủ bằng phương pháp: Phun plasma tại Phòng thí
nghiệm trọng điểm quốc gia “Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt”, Viện
Nghiên cứu Cơ khí.


Hình 4-1. Mẫu phun phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B sau khi mài
và cắt làm các mẫu thử cơ tính và khảo sát cấu trúc biên giới liên kết 2
lớp.
2. Độ cứng và chiều dày lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B:
15





Bảng 4.1. Kết quả khảo sát độ cứng lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B
và lớp nền thép 45

TT

Ký
hiệu
mẫu
Đ

ộ cứng theo thứ tự vết
đo, HV

L
ớp thép nền
45 (từ lõi ra)
L
ớp trung gian
(biên giới liên
kết)
L
ớp phủ

(từ ngoài vào
lõi)
1

KL
-
1

136; 136; 140;
173; 188; 206;
220; 224
(Trung bình
= 177,875)
253; 258; 260

(Trung bình
= 257,0)

769; 705; 687;
606
(Trung bình
= 691,75)
3. Kết quả kiểm tra độ mòn
3.1 Chế độ thử nghiệm
- Phương pháp thử mòn nhanh
- Điều kiện thử nghiệm: Ma sát khô
- Bề mặt của mẫu được làm sạch
- Vận tốc: V1 = 235.6 m/ph, V2 = 157 m/ph. V3 = 117.8 m/ph
- Tải trọng: P1= 1kg, P2= 3kg, P3= 5kg
- Thời gian thử nghiệm : 10h
3.2 Kết quả đo độ mòn
- Mẫu số 1 KL
V
ận
tốc
(V)
Tải(Kg)
Lần đo
1
2 3 4
Cường độ
mòn(I)
235.6 1 0,12 0,13 0,14 0,12 0,13
235.6 3 0,25 0,26 0,24 0,25 0,25
235.6 5 0,47 0,48 0,5 0,46 0,48
157 1 0,08 0,09 0,1 0,08 0,09
157 3 0,17 0,19 0,18 0,19 0,18
157 5 0,37 0,39 0,4 0,42 0,40

117.8 1 0,05 0,03 0,04 0,03 0,04
117.8 3 0,13 0,13 0,16 0,17 0,15
117.8 5 0,21 0,2 0,24 0,26 0,23
16





- Mẫu số 1 CL
V
ận
tốc(V)

Tải(Kg)
L
ần
đo 1
2 3 4
Cư
ờng
đ
ộ mòn
(I)
235.6 1 0,25 0,27 0,27 0,26 0,26
235.6 3 0,32 0,33 0,32 0,34 0,33
235.6 5 0,62 0,61 0,6 0,63 0,62
157 1 0,16 0,17 0,16 0,17 0,17
157 3 0,27 0,29 0,28 0,29 0,28
157 5 0,47 0,49 0,45 0,48 0,47

117.8 1 0,14 0,13 0,14 0,13 0,14
117.8 3 0,23 0,22 0,21 0,21 0,22
117.8 5 0,31 0,29 0,29 0,3 0,30
17




4. Độ bền bám dính lớp phủ với lớp nền
Kết quả đo và tính toán độ bền bám dính của lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B trung bình tính trên 08 mẫu như sau :
Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm xác định độ bám dính
Số thí
nghiệm
Thông số đầu vào

K
ết quả 2
thí nghiệm
song song
(MPa)
Giá trị
trung
bình
(MPa)
Phương
sai của
cặp thí
nghiệm

X1
(mm)

X2(MPa)

X3(g/ph)

Y1 Y2
1

100

0,3

60

27,5

28,5

28

0,5

2

200

0.3

60

37

38

36

2

3

100

0,4

60

30,4

31,6

31

0,52

4

200

0,4

60

41,3

42,7

42

0,49

5

100

0,3

80

29

31

30

2

6

200

0,3

80

40,2

41,8

41

1,28

7

100

0,4

80

32,7

31,3

33

0,58

8

200

0,4

80

45

47

46

2

Giá tr
ị trung bình

35,87

1,17

18




Hình 4.2: Ảnh mẫu phun kiểm tra độ bám dính lớp phủ với kim loại
nền

5. Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm
Hệ số tán xạ theo chỉ tiêu Koxpena
Theo công thức (4 - 1) tính
213,0
37,9
2

p
G

Hệ số tiêu chuẩn G
T
= 0,438>G
p
. Vậy thí nghiệm thỏa mãn.
6. Tính hệ số hồi quy
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm











19

S
M

Y
ếu tố ảnh h
ư
ởng

Giá tr
ị biến
đ
ổi của các yếu
tố
Ứng
suất
bám
dính
(MPa)
X1 X2

X3

X1
X2

X1
X3

X2
X3
X1
X2
X3

Kho
ảng
cách
phun
(mm)
Áp su
ất
khí thổi
(MPa)
Áp
suất
khí
ôxy
(MPa)

1

-

-

-

+

+

+

-

100

0,3

0,15

18

2

+

-

-

-

-

+

-

200

0,3

0,15

36

3

-

+

-

-

+

-

-

100

0,4

0,15

31

4

+

+

-

+

-

-

-

200

0,4

0,15

42

5

-

-

+

+

-

-

-

100

0,3

0,25

30

6

+

-

+

-

+

-

-

200

0,3

0,25

41

7

-

+

+

-

-

+

-

100

0,4

0,25

33

8

+

+

+

+

+

+

+

200

0,4

0,25

46

Giá tr
ị trung bình

35,87

7. Kiểm tra mức có nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu
chuẩn STUDENT
Phương sai trung bình:
17,137,9
8
1
2

y
S

8. Kiểm tra tính có nghĩa của phương trình theo tiêu chuẩn Fi
– Sơ
Theo công thức (2 - 24) tính được
Vậy hệ số
52,0
17,1
61,0
2
2

y

ag
i
S
S
F

Căn cứ vào TLTT ta có F
b
= 4,88>0,52
Do vậy phương trình tìm được có nghĩa và có dạng:
P = 35,87 + 5,37x
1
+2,13 x
2
+1,63x
3
+ 0,62x
1
x
2
+0,62x
1
x
3
– 0,25x
2
x
3

– 0,18x

1
x
2
x
3

20



Nhận xét: Như vậy từ phương trình xây dựng trên cơ sở thực
nghiệm có thể nhận xét như sau: Trong một giới hạn đến 200 mm
khi tăng khoảng cách phun, áp suất khí thổi và mức tiêu hao vật
liệu phun thì độ bền bám dính tăng theo. Ảnh hưởng 3 thông số
đồng thời gây ra đáng kể, nhưng ảnh hưởng của khoảng cách phun
thì nhiều hơn
9. Phun phủ có lớp lót Ni5Al
Hợp kim Ni5Al có khả khả năng tạo lớp lót có độ bám dính
tốt nhờ khả năng khuếch tán nhôm vào bề mặt kim loại nền thép
thước khi phun hợp kim 67Ni18Cr5Si4B. Kết quả phun lớp lót trong
bảng 4-8
Bảng 4.4. Độ bền bám dính lớp phủ hợp kim với lớp thép 45

TT
Ch
ế
đ
ộ phun

Độ bền bám dính,


P
,
MPa
Trung
bình,

P
,
MPa
Sai s
ố
tổng,



P
,
%
V,
m/s
M
G
,
g/ph

L, m

L
ần 1

L
ần 2

L
ần 3

1

200

300

0,1

43,27

43,55

43,00

43,27


0,05%

2

200

300

0,15

46,20

46,45

46,71

46,45


0,05%

3

200

300

0,20

49,63

49,10

50,16

49,63


0,05%

4

250

400

0,1
0

52, 84

53,30

53,07

53,07


0,05%

5

250

400

0,15

56,70

56,25

55,80

56,25


0,05%

6

250

400

0,20

59,42

58,90

59,95

59,42



0,05%

7

300

500

0,10

63,15

62,57

62,86

62,86


0,05%

8

300

500

0,15

66,04

66,70

65,39

66,04


0,05%

10. Kết quả nghiên cứu khảo sát cấu trúc vùng liên kết lớp nền
thép 45 với lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B
21



11
Hình 4.7. Ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B ở
vùng biên giới liên kết với nền thép 45 (Mẫu số 1.1- KL, x200).
Phân tích các bảng số liệu về cơ lý tính và đối chiếu với các
ảnh chụp cấu trúc tế vi trên các lô mẫu thí nghiệm thu nhận được,
ta có các nhận xét sau:
1) Chất lượng lớp phủ có thể được đánh giá là khá cao, vì
như thể hiện trên các ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng lân cận biên giới
liên kết lớp phủ 67Ni18Cr5Si4B với nền thép 45 cho thấy đường
biên giới liên kết kim loại giữa hai lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B
với nền thép 45 rất “sạch”, không ngậm xỉ hoặc các khuyết tật cấu
trúc khác. Với các kiểu liên kết kim loại giữa các lớp như vậy, chi
tiết máy có thể làm việc tốt ở điều kiện tải trọng tương đối cao, có
khả năng chịu xoắn, kéo, chống bong tróc và chịu mòn cao;

9) Tiêu chí tính chất liên kết thể hiện trên các ảnh chụp cấu
trúc tại vùng biên giới liên kết giữa hợp kim 67Ni18Cr5Si4B với
nền thép 45 thông qua “độ sạch”, tức không ngậm các tạp chất bẩn,
ôxit cũng rất quan trọng trong việc đánh giá tổng thể chất lượng
lớp phủ.
Kết luận chương 4:
Từ kết quả của chương 4 có thể rút ra kết luận như sau:
1) Quá trình thực nghiệm và các kết quả đo đạc, tính toán một
số chỉ tiêu như: độ cứng HV của lớp nền thép 45, lớp phủ trung
gian Ni5Al và lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B; độ xốp lớp phủ hợp
kim; độ bền bám dính lớp phủ hợp kim với lớp nền thép 45 trên các
mẫu thí nghiệm phun phủ bằng plasma
2) Các kết quả đo đạc và tính toán có trợ giúp của máy tính là
tin cậy được, nhận xét khi phân tích số liệu đo cũng như các ảnh
22



cấu trúc và ảnh đồ mô phỏng chất lượng lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B và vùng cấu trúc liên kết với lớp nền thép 45 là khá
xác đáng và có cơ sở lôgíc khoa học, phù hợp với cơ sở lý thuyết
phun phủ kim loại;
3) Trong một giới hạn khoảng cách phun đến 200 mm khi tăng
khoảng cách phun, áp suất khí thổi và mức tiêu hao vật liệu phun
thì độ bền bám dính tăng theo, nhưng ảnh hưởng của khoảng cách
phun thì nhiều hơn, ảnh hưởng 3 thông số đồng thời gây ra đáng kể.
4) Khi có lớp lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp
kim 67Ni18Cr5Si4B thì độ bền bám dính tăng đáng kể

Chương 5 : ỨNG DỤNG KẾT QUẢ ĐỂ PHUN PHỦ PHỤC HỒI

CHI TIẾT MÁY DẠNG TRỤC
Kết quả của đề tài đã được ứng dụng để phục hồi một số chi tiết
máy dạng trục bị mòn cổ trục tại vị trí lắp vòng bi. Trong quá trình
thực hiện công việc phun phủ phục hồi phải thực hiện theo các bước
sau :
1. Khảo sát tính chất làm việc, yêu cầu kỹ thuật của chi
tiết phục hồi
- Nghiên cứu xem xét bản vẽ chi tiết và bản vẽ chung cụm chi tiết
hoặc bản vẽ chung toàn bộ hệ thống ;
- Khảo sát tính chất làm việc của chi tiết tại hiện trường hoặc các tài
liệu giới thiệu, hướng dẫn sử dụng, yêu cầu công nghệ vv….
- Phân tích vật liệu chi tiết máy.

Hình 5.1. Trục tàu hút bùn
23



2. Phân tích nguyên nhân hư hỏng của chi tiết
Đối với các loại trục mối ghép trục-vòng bi hay bị xoay do mòn
trục chủ yếu do những nguyên nhân sau:
- Vòng bi bị hỏng. kẹt gây ra chuyển động tương đối giữa ca trong
vòng bi và cổ trục ;
- Cấp chính xác chế tạo vòng bi ;
- Mối ghép không đảm bảo dung sai ;
- Độ chính xác chế tạo trục ;
- Chế độ bảo dưỡng chưa đảm bảo ;
3. Lựa chọn vật liệu, phương pháp phun phủ và các
thông số công nghệ
Trên cơ sở điều kiện chịu tải và phân tích nguyên nhân hư hỏng của chi

tiết để lựa chọn được vật liệu phun và phương pháp phun, các thông số
công nghệ phun phù hợp với chi tiết.
4. Lập quy trình phun phủ phục hồi
1) Chuẩn bị bề mặt phun: Tẩy rửa và kiểm tra tình trạng hỏng
của trục xem có vết nứt, khả năng gãy
2) Gia công cơ khí tạo phôi cần thiết: bóc lớp biến cứng bề
mặt của chi tiết, đồng thời nhằm khử độ ô van bề mặt cần phun phủ.
3) Làm sạch và tạo nhám bề mặt chi tiết cần phục hồi
4) Chuẩn bị thiết bị, vật liệu và tiến hành phun phủ
5) Nhiệt luyện chi tiết sau phun phủ :
6) Gia công cơ khí sau khi phun phủ:
7) Kiểm tra chất lượng lớp phun phủ phục hồi:
5. Ứng dụng phun phủ phục hồi trục tàu quốc
Trong thời gian vừa qua đã áp dụng các kết quả nghiên cứu của
đề tài để phục hồi trục tàu cuốc cho Công ty cổ phần thi công cơ giới và
dịch vụ. Chi tiết đã được lắp đặt vào hệ thống thiết bị đảm bảo các yêu
cầu kỹ thuật và hoạt động tốt trong thời gian gân 2 năm và được chủ
đầu tư đánh giá cao.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 :
- Đã sử dụng kết quả nghiên cứu của đề tài để phụ hồi trục chính
của tàu hút bùn cho Công ty cổ phần thi công cơ giới và dịch vụ
- Trục chính tàu hút bùn đã được đưa vào hoạt động chịu tải ở
mức cao nhất
24



- Sau 14 tháng đưa vào hoạt động, qua kiểm tra tình trạng vị trí
phục hồi không có vết nứt xước, không có hiện tượng bong
tróc, vẫn đảm bảo dung sai lắp ghép vòng bi và cổ trục.

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN

1. Lần đầu tiên tại Việt nam với các trang thiết bị sẵn có đã thực
nghiệm một cách khoa học thành công phun phủ có lớp lót
Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B;
2. Đã ứng dụng phương pháp nghiên cứu: Quy hoạch thực nghiệm
với số thí nghiệm 2
3
= 8, phương pháp đánh giá bằng kim
tương học, phương pháp kiểm tra độ xốp của lớp phủ để đánh
giá chất lương lớp phun phủ ;
3. Đã sử dụng mẫu thí nghiệm theo tiêu chuẩn và các thiết bị có
đủ độ tin cậy để đánh giá kết quả thí nghiệm như: tổ hợp thiết
bị phun phủ tại phòng thí nghiệm Trọng điểm quốc gia tại viện
Nghiên cứu Cơ khí, thiết bị soi kim tương tại viện khoa học
Việt nam;
4. Trong một giới hạn đến 200 mm khi tăng khoảng cách phun, áp
suất khí thổi và mức tiêu hao vật liệu phun thì độ bền bám dính
tăng theo. Ảnh hưởng 3 thông số đồng thời gây ra đáng kể,
nhưng ảnh hưởng của khoảng cách phun thì nhiều hơn
5. Dùng lớp lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B thì độ bền bám dính tăng đáng kể;
6. Đã ứng dụng kết quả của luận án phun phục hồi thành công
Trục tàu hút bùn, trục động cơ và các loại trục khác từ thép
C45 với thời gian hoạt động 12 tháng, kết quả đạt tương đương
nhập ngoại.