Nghiên cứu nâng cao độ bền chịu mài mòn của xupap động cơ diesel bằng công nghệ hàn đắp plasma với bột hợp kim nền cobalt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI











TRƯƠNG TIẾN LỘC



NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ðỘ BỀN CHỊU MÀI MÒN CỦA
XUPAP ðỘNG CƠ ðIÊZEL BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN ðẮP
PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM NỀN COBALT




LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI











TRƯƠNG TIẾN LỘC



NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ðỘ BỀN CHỊU MÀI MÒN CỦA
XUPAP ðỘNG CƠ ðIÊZEL BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN ðẮP
PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM NỀN COBALT


CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 60.52.01.03
.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ðÀO QUANG KẾ
TS. HOÀNG VĂN CHÂU



HÀ NỘI, NĂM 2014

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả,
số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ
công trình nào.

Tác giả luận văn




Trương Tiến Lộc

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ii

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ và cộng
tác nhiệt tình của nhiều tập thể cũng như các cá nhân trong và ngoài Trường ðại học
Nông nghiệp Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng ñiểm Quốc gia về công nghệ hàn và xử lý
bề mặt, Viện Nghiên cứu cơ khí,Bộ Công Thương. ðến nay luận văn của tôi ñã hoàn
thành, tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS ðào Quang Kế và TS.
Hoàng Văn Châu ñã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình thực hiện
và hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơ ñiện, Ban ñào
tạo sau ñại học, ñặc biệt là Bộ môn Công nghệ Cơ khí Trường ðại học Nông nghiệp
Hà Nội ñã ñóng góp ý kiến, tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện
và hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ của Phòng thí nghiệm trọng
ñiểm Quốc gia về công nghệ hàn và xử lý bề mặt,Viện Nghiên cứu cơ khí, Bộ Công
Thương ñã giúp ñỡ, tạo mọi ñiều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị cho tôi triển
khai thực hiện và hoàn thành luận văn.
Nhân dịp này cho tôi ñược gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo ñã
giảng dạy và truyền ñạt cho tôi những kiến thức khoa học trong suốt thời gian
học tập ở lớp Cao học Cơ khí nông nghiệp khóa 21, Trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội.
Tôi xin chân thành cám ơn !
Tác giả luận văn


Trương Tiến Lộc



Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page iii

MỤC LỤC

Trang
Lời cam ñoan i
Lời cám ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt vi
Danh mục bảng vii
Danh mục hình viii

MỞ ðẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1. Công nghệ hàn plasma bột 4
1.1.1. ðặc ñiểm công nghệ hàn bột plasma. 4
1.1.2. Ưu, nhược ñiểm của công nghệ hàn bột Plasma 12
1.1.3. Ứng dụng công nghệ hàn plasma bột 13
1.2. Tổng quan về xupap 15
1.2.1. Cấu tạo xupap 15
1.2.3. ðiều kiện làm việc của xupap xả ñộng cơ ñiezel 21
1.2.4. Tình trạng hư hỏng và tuổi thọ của xupap xả ñộng cơ ñiezel 22
1.3. Tình hình nghiên cứu và các kết quả ñạt ñược ở nước ngoài 25
1.4. Tình hình nghiên cứu và một số kết quả ñạt ñược tại Việt Nam 27
1.5. Kết luận chương 1 28
CHƯƠNG 2: ðỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30
2.1. ðối tượng nghiên cứu 30
2.2. Phương pháp nghiên cứu, ñịa ñiểm, thời gian 30
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 30
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 30
2.2.3. Phương pháp kiểm tra 35
2.2.4. ðịa ñiểm nghiên cứu 37

2.2.5. Thời gian nghiên cứu 37

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page iv

2.3. Vật liệu, thiết bị công nghệ 37
2.3.1. Nghiên cứu, phân tích bột hợp kim cobal dùng trong công nghệ hàn
ñắp plasma 37
2.3.2. Trang thiết bị hàn ñắp plasma 40
2.4. Kết luận chương 2 40
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 43
3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế ñộ công nghệ hàn ñắp plasma với hợp kim
nền cobalt ñến ñộ bền chịu mài mòn của xupap ñộng cơ ñiêzel 43
3.1.1. Dòng ñiện, ñiện áp hàn và lưu lượng khí plasma 43
3.1.2. Thành phần bột hàn 45
3.1.3. Cỡ bột hàn 46
3.1.4. Khoảng cách làm việc 47
3.1.5. Lưu lượng khí bảo vệ, khí mang bột 47
3.1.6. Nhiệt ñộ nung sơ bộ 48
3.1.7. Chế ñộ công nghệ hàn 49
3.2. Nghiên cứu biện pháp xử lý nhiệt khi hàn plasma bột 52
3.2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán chế ñộ gia nhiệt 52
3.2.2. Xử lý nhiệt trước khi hàn 52
3.2.3. Xử lý nhiệt trong quá trình hàn 53
3.2.4. Xử lý nhiệt sau khi hàn 53
3.2.5. Thiết bị công nghệ xử lý nhiệt 55
3.2.6. Thứ tự các bước công nghệ xử lý nhiệt 56
3.2.7. Các biện pháp giảm ứng suất dư ñể tăng ñộ dai va ñập của chi tiết 56
3.3. Kết luận chương 3 59
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN VỀ KẾT QUẢ THỰC

NGHIỆM 60
4.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm trên mẫu thử 60
4.1.1. Chuẩn bị ñiều kiện thực nghiệm 60
4.1.2. Chế ñộ hàn thực ngiệm 65
4.2. Tiến hành thực nghiệm trên mẫu thử xupap. 66

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page v

4.2.1. Mô tả quá trình thực nghiệm 66
4.2.2. Kết quả thực nghiệm trên mẫu thử hàn ñắp xupap 67
4.3. Kiểm tra, ñánh giá ñộ bền chịu nhiệt bằng phương pháp thử kéo vật liệu [4] 74
4.3.1. Phạm vi áp dụng 74
4.3.2. Tóm tắt phương pháp thử 74
4.3.3. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm 74
4.4. Kết luận chương 4 82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83
1. Kết luận 83
2. Kiến nghị 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
PHỤ LỤC 86


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

- PAW : Công nghệ hàn hồ quang plasma (plasma Are Welding)
- PTA : Công nghệ hàn plasma bột (plasma Transferred Are)

- TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam
- TCTV : Tổ chức tế vi
- B : Chiều rộng mối hàn
- H : Chiều cao mối hàn
- W : Biên ñộ dao ñộng ngang ñầu hàn
- G : Lượng cấp bột hợp kim
- Q : Lưu lượng khí
- U
h
: ðiện áp hàn (v)
- I
h
: Dòng ñiện hàn (A)
- V : Tốc ñộ hàn
- DC : Dòng ñiện hàn một chiều
- AC : Dòng ñiện hàn xoay chiều

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page vii

DANH MỤC BẢNG

STT Tên bảng Trang


1-1: Một số loại thép thông dụng chế tạo xupap trên thế giới 20
1-2: Cơ tính của thép 40Х9С2 21
2-1: Thành phần hóa học, cỡ hạt, tỷ trọng của bột hợp kim Co 263-3 37
4-1: Thành phần, cỡ hạt và tỷ trọng bột Co 263-3 60
4-2: Chế ñộ hàn thực nghiệm 3 mẫu xupap 65

4-3: Kết quả ño ñộ cứng của 3 mẫu thử xupap 68
4-4: Sai số cho phép của nhiệt ñộ qui ñịnh θ và nhiệt ñộ chỉ thị θi [4] 78
4-5 : Chế ñộ thực nghiệm của mẫu thử 78
4-6: Kết quả kiểm tra ñộ bền của mẫu thử 79
4-7: Kết quả kiểm tra ñộ bền của mẫu thử, vật liệu Co 263-3, thời gian
nung 36 giờ 81
4-8: Kết quả kiểm tra ñộ giãn dài của mẫu thử, vật liệu Co 263-3, thời
gian nung 36 giờ 81


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page viii

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình Trang


1-1: Sơ ñồ cấu tạo của mỏ hàn bột Plasma. 5
1-2: Nguyên lý công nghệ hàn bột Plasma. 6
1-3 : Hàn bột Plasma 8
1- 4: Sơ ñồ những yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng mối hàn 8
1-5: Sơ ñồ mối ghép hàn (a) và tác dụng của nguồn nhiệt khi hàn hồ
quang (b) 9
1-6: Sơ ñồ ñường hàn và vị trí vũng hàn 9
1-7: Tổ chức kim loại vũng hàn 10
1-8: Vùng ảnh hưởng nhiệt 10
1-9: Tổ chức kim loại vùng mối hàn và cận mối hàn 10
1-10: Tạo lớp ñắp cứng bề mặt các chi tiết 14
1-11: Tạo lớp ñắp cứng bề mặt chịu mài mòn các chi tiết 14

1-12: Tạo lớp ñắp cứng bề mặt chịu mài mòn các chi tiết 14
1-13: Phục hồi bề mặt làm việc của xupap 15
1-14: Cấu tạo của xupap 15
1-15: Nấm xupap 16
1-16: Thân xupáp 16
1-17: ðuôi xupap(a) và kết cấu một số ñuôi xupap(b) 17
1-18: Các quy ñịnh chuẩn về kích thước của xupap 18
1-19: Phân bố nhiệt ñộ trên nấm xupap 22
1-20: Xupap bị rõ bề mặt tiếp xúc với buồng ñốt 22
1-21: Hiện tượng mòn, rỗ bề mặt làm việc của xupap 23
1-22: Xupap bị mẻ phần ñỉnh nấm 23
1-23: Nấm xupap bị nứt, vớ, cháy 24
2-1: Tính chất kim loại thay ñổi phụ thuộc vào nhiệt ñộ 31
2-2: ðường cong dão 32
2-3: Cơ chế chảy dẻo thông thường của hợp kim 32

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ix

2-4: Ảnh hưởng của nhiệt ñộ (a) và tốc ñộ biến dạng ε (b) ñến phá hủy
giòn vỡ dẻo. (ε 1< ε 2< ε 3) 32
2-5: Biểu ñồ kéo vật liệu 35
2-6: Máy ño ñộ cứng AKV-Co (Mitutoyo-Nhật Bản) 35
2-7 : Thiết bị nghiên cứu tổ chức tế vi 36
2-8: Hệ thống thiết bị công nghệ hàn bột plasma 40
2-9: Sơ ñồ cấu tạo của mỏ hàn bột Plasma. 40
3-1: Ảnh hưởng của dòng ñiện plasma, lưu lượng khí plasma, tỷ lệ bột
hàn tới sự hòa tan của kim loại mối hàn 43
3-2: Ảnh hưởng của lưu lượng khí lên hình dạng lớp ñắp và sự hòa tan
kim loại 44

3-3: Mối quan hệ của ñiện áp và dòng ñiện ñến nhiệt ñộ hồ quang plasma 45
3-4: Ảnh hưởng của chiều dày lớp ñắp tới sự hòa tan 46
3-5: Ảnh hưởng của kích thước bột hàn tới ñộ cứng và sự hòa tan 46
3-6: Ảnh hưởng của khoảng cách làm việc ñến sự hòa tan kim loại 47
3-7: So sánh tính chất lớp ñắp của hai loại bột hàn khác nhau 48
3-8: Hàn trái 49
3-9: Hàn phải 50
3-10: ðiện áp tối ưu khi hàn trong khí bảo vệ với các dây hàn có ñường
kính khác nhau 51
4-1: Hợp kim cobalt 263-3 60
4-2: Chai ñựng khí Heli, He 61
4-3: Chai ñựng khí Khí Acgon, Ar 61
4-4. Hệ thống thiết bị Hàn Plasma bột 62
4-5: Nguồn hàn 62
4-6: Giá treo ñồng hồ lưu lượng và giá ñỡ bình bột 63
4-7: ðồ gá hàn 64
4-8: Các loại mỏ hàn phân loại theo chức năng 65
4-9: ðồ thị thể hiện quan hệ giữa ñộ cứng và dòng ñiện hồ quang 69
4-10. Ảnh tổng thể của mẫu hàn và các vùng phân tích TCTV 70

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page x

4-11. Ảnh tổ chức tế vi của vùng hàn (vùng 1), a) 100x; b) 200x 70
4-12. Ảnh tổ chức tế vi của vùng ranh giới (vùng 2), a) 100x; b) 200x 71
4-13. Ảnh tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt (vùng 3), a) 100x; b)
200x 71
4-14. Ảnh tổ chức tế vi của vùng nền (vùng 4), a) 100x; b) 200x 71
4-15: Thiết bị thí nghiệm kéo nén vạn năng 75
4-16: Vát mép vật hàn 76

4-17: Hàn ñắp nhiều lớp 77
4-18: Mẫu thử kéo 77
4-19: Lò nung mẫu thử 78
4-20: Ảnh chụp mẫu thử trước (a) và sau khi kéo (b) 79
4-21: ðồ thị quan hệ giữa nhiệt ñộ và ñộ bền 79
4-22: ðồ thị quan hệ giữa nhiệt ñộ và ñộ giãn dài 80

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 1

MỞ ðẦU

Chất lượng bề mặt của các chi tiết máy và các trang bị , dụng cụ, kết cấu có ý
nghĩa quan trọng. Tùy theo yêu cầu cụ thể của ñiều kiện làm việc, chúng ta phải chế
tạo ñược các chi tiết, kết cấu có khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt, chống gỉ vv…
Tất cả các tính chất trên có ý nghĩa quyết ñịnh ñến tuổi thọ, ñộ tin cậy, ñộ bền của
máy móc, kết cấu công trình. Thêm vào ñó, xu thế nâng cao năng suất và tác dụng
nhanh của thiết bị làm cho ñiều kiện làm việc của chúng thêm khắc nhiệt, buộc
khoa học - công nghệ phải giải quyết nhiều vấn ñề mà trước hết là bề mặt chi tiết,
kết cấu. Hiện nay nhu cầu về thiết bị ngày càng nhiều, nguồn tài nguyên ngày càng
ít, vì vậy việc phục hồi các chi tiết sau một thời gian làm việc ñã mòn, mỏi mất hết
giá trị sử dụng, ví dụ kích thước xuống quá giới hạn, không ñảm bảo ñộ bền cũng
như dung sai lắp ghép theo ñúng thiết kế v.v… có ý nghĩa kinh tế vô cùng lớn.
Ngày nay ñể giải quyết các vấn ñề trên, chúng ta có nhiều gải pháp công
nghệ. Ví dụ mạ ñiện hóa, mạ hóa học, phủ hóa học, mạ nhúng trong kim loại nóng
chảy, thấm kim loại, thấm lưu huỳnh, thấm các bon, thấm ni tơ, thấm xiauya, nhiệt
luyện, xử lý tia lửa ñiện, hàn ñắp, phun phủ kim loại vv… Song công nghệ cho
phép giải quyết hai yêu cầu cùng một lúc, vừa phục hồi kích thước, vừa tạo nên chất
lượng bề mặt phù hợp chỉ có mạ, hàn ñắp, phun phủ mà thôi. Hàn ñắp plasma cho
phép phục hồi các chi tiết máy cần chiều dày phục hồi lớn nhưng lại không làm thay

ñổi cấu trúc tế vi của kim loại nền, không gây biến dạng chi tiết, bề mặt chi tiết
ñược phủ các lớp oxit và ñặc biệt bề mặt có thể ñược phủ các lớp vật liệu phi kim
loại – ñây chính là những ñiều mà các công nghệ khác không thực hiện ñược.
Do plasma có nhiệt ñộ rất cao, có thể dễ dàng hóa lỏng ñược tất cả các loại
vật liệu kim loại mà kỹ thuật có thể tạo ra từ trước ñến nay. Cho nên hàn ñắp
plasma ñang ngày càng ñược ứng dụng rộng rãi ñể chế tạo, phục hồi các chi tiết
máy phục vụ trong nhiều ngành như: luyện kim màu, luyện kim ñen, chế tạo máy,
hàng không, kỹ thuật ñiện- ñiện tử, xây dựng, công nghiệp hóa dầu, thực phẩm,
dệt,… thể hiện tính ưu việt so với các phương pháp khác.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 2

Xuất phát từ những yêu cầu nêu trên, dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. ðào
Quang Kế
và
TS.Hoàng Văn Châu
cùng sự giúp ñỡ của các thầy cô giáo trong
Bộ môn
Công nghệ Cơ khí – Khoa Cơ ñiện – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội,
tôi ñã chọn ñề tài nghiên cứu
:
“Nghiên cứu nâng cao ñộ bền chịu mài mòn của xupap ñộng cơ ñiêzel
bằng công nghệ hàn ñắp plasma với bột hợp kim nền cobalt”.
I. Nội dung của ñề tài
Chương 1:
Tổng quan vấn ñề nghiên cứu
Chương 2:
ðối tượng, thiết bị và phương pháp nghiên cứu

Chương 3:
Nghiên cứu lý thuyết
Chương 4:
Thực nghiệm và thảo luận về kết quả thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị.
II.Mục ñích, cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài:
1. Mục ñích của ñề tài

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ñắp plasma với hợp kim nền cobalt ñể
nâng cao ñộ bền chịu mài mòn xupap xả ñộng cơ ñiêzel phục vụ trong giao thông,
xây dựng, vận tải biển…

- Xác ñịnh ñược các yếu tố chính ảnh hưởng ñến ñộ bền chịu mài mòn của
xupap và quá trình làm việc của xupap ñộng cơ ñiêzel
- Trên cơ sở phân tích lý thuyết và thực nghiệm ñể lựa chọn các thông số
công nghệ hàn ñắp plasma với hợp kim nền cobalt trong phục hồi chi tiết xupap
ñộng cơ ñiêzel

- ðánh giá ñộ bền chịu nhiệt của vật liệu Co 263-3
- Phục hồi kích thước, hình dạng ban ñầu và nâng cao ñộ bền chịu mài mòn
của xupap ñộng cơ ñiêzel ñể ñưa vào sử dụng
2.Cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài
- ðề tài ñã tiến hành nội dung nghiên cứu trên các bước cơ bản kết hợp lý thuyết
và thực nghiệm, kiểm tra ño ñạc tại các Phòng thí nghiệm chuyên ngành, tại các cơ sở
sản xuất và áp dụng vào thực tế, tiến hành trên mẫu và trên chi tiết công nghiệp.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 3

- ðã ứng dụng hiệu quả công nghệ ñiều khiển, tin học vào nghiên cứu công
nghệ hàn và chế tạo, phục hồi chi tiết máy.

- ðề tài ñã tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực công nghệ trọng ñiểm: Thực
hiện các nghiên cứu chuyên sâu về ñặc ñiểm của phương pháp hàn Plasma với bột
hợp kim là phương pháp ñang ñược ứng dụng rộng rãi trên thế giới tại các nước
công nghiệp phát triển ñể chế tạo mới và phục hồi chi tiết máy.

- ðề tài ñã triển khai áp dụng công nghệ hàn ñắp tự ñộng bằng hồ quang
Plasma dịch chuyển với bột hợp kim trong phục hồi Xupap ñộng cơ máy thủy
phục vụ cho sản xuất, tạo ñiều kiện nâng cao chất lượng công nghệ sản phẩm
công nghệ hàn.

- Chất lượng lớp hàn ñắp phụ thuộc vào nhiều yếu tố của chế ñộ hàn ñắp
trong ñó yếu tố dòng ñiện hồ quang ñóng một vai trò quan trọng.
- Các phương pháp kiểm tra tính chất cơ học của lớp hàn ñắp như: ñộ bền
chịu nhiệt, ñộ cứng và chụp ảnh kim tương là các phương pháp kiểm tra chất lượng
chính, có ñộ tin cậy cao và dễ dàng ñược thực hiện trong ñiều kiện công nghệ và
thiết bị ở Việt Nam.

- Bằng thực nghiệm ñã xác ñịnh ñược mối quan hệ giữa dòng ñiện hồ quang
với ñộ cứng. Khi tăng dòng ñiện hồ quang lên thì ñộ cứng lớp hàn ñắp giảm xuống
và ngược lại.
- ðã ứng dụng kết quả của ñề tài hàn ñắp nâng cao ñộ bền chịu mài mòn của
xupap xả ñộng cơ ñiezell

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Công nghệ hàn plasma bột
1.1.1. ðặc ñiểm công nghệ hàn bột plasma.
1.1.1.1. Nguyên lý công nghệ hàn bột Plasma
Quy trình hàn bột Plasma (PTA) ñược sử dụng ñể ñắp lên vật liệu nền một
lớp kim loại làm tăng khả năng chống chịu mài mòn hoặc ăn mòn do những ñiều
kiện làm việc trong môi trường khắc nghiệt của chi tiết máy. Kỹ thuật này ñược ứng
dụng ñể làm tăng ñộ cứng bề mặt, tăng khả năng chịu mài mòn bề mặt chi tiết. ðây
là công nghệ tiên tiến trong xử lý bề mặt mà ñối tượng là hồ quang ñiện giữa ñiện
cực vonfram và vật liệu phủ bề mặt.
Quá trình hàn bột Plasma hồ quang dịch chuyển (PTA) có thể ñược coi là
một dẫn xuất của quá trình hàn hồ quang Plasma (PAW). Cả hai quy trình hàn sử
dụng một ñiện cực vonfram không tiếp xúc nằm bên trong ñầu hàn, mỗi mỏ hàn ñều
ñược làm mát bằng nước, khí bảo vệ ñể bảo vệ bể hàn nóng chảy và khí Plasma.
ðiểm khác biệt giữa hai quá trình hàn nằm trong bản chất của vật liệu phụ ñó là bột
thay vì dây, kim loại phụ ñược cung cấp dưới dạng bột bởi một chất khí vận chuyển
(khí mang) ñến khu vực hồ quang mà trong ñó ñã chứa ñầy ñủ các thành phần
nguyên tố hợp kim với hàm lượng cần thiết tuỳ thuộc vào tính chất lớp ñắp yêu cầu
(bột hợp kim).
Trong hai quá trình hàn bột Plasma và hàn hồ quang plasma sử dụng một khí
trơ như khí plasma, khí này buộc phải ñi qua các lỗ của ñầu hàn, nơi ñiện cực ñược
ñịnh tâm chắc chắn. Khí bảo vệ qua miệng ñầu hàn bao quanh bên ngoài lớp hàn có tác

dụng chống lại sự ôxy hóa từ không khí bên ngoài khí quyển lên bề mặt lớp hàn. Mặt
khác, trong quá trình hàn bột Plasma khí mang ñược sử dụng ñể vận chuyển vật liệu
phụ thông qua ñường dẫn và ñược ñiều chỉnh lượng cấp cho phép ñến khu vực hồ
quang plasma sao cho lượng bột cấp là tập trung nhất. Khí ñược sử dụng cho mục
ñích này thường là khí argon.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 5

ðặc trưng của phương pháp hàn bột plasma hồ quang dịch chuyển ñó chính
là hồ quang Plasma. Plasma (một chất khí bị ion hóa hoàn toàn ñạt ñến trạng thái
dẫn ñiện) có thể ñược xem như là trạng thái tự nhiên thứ tư của vật chất. Trạng thái
Plasma chiếm hơn 99,9% thành phần vật chất trong vũ trụ. Nhiệt Plasma bao gồm
một chất khí có ít nhất 1% bị ion hóa với một nhiệt ñộ lớn hơn 13.000 ° C và là một
chất dẫn ñiện tốt. Trong quá trình phát sinh từ khí trơ ñến argon tạo thành một dòng
Plasma tập trung ở nhiệt ñộ cao.
Bột hợp kim ñược ñưa từ cơ cấu cấp bột vào ñầu hàn plasma nhờ khí mang
bột. Cơ cấu cấp bột ñảm bảo ñịnh lượng bột cấp chính xác và ổn ñịnh nhờ mạch
phản hồi ñưa về ñộng cơ cấp bột ñược ñiều khiển bởi phần mềm máy tính.
Cấu tạo của ñầu hàn bột Plasma [8]:

Hình 1-1: Sơ ñồ cấu tạo của mỏ hàn bột Plasma.
1. Ống cấp vật liệu dạng bột;
2. Ống tạo khí Plasma;
3. ðường dẫn khí bảo vệ;
4. ðiện cực Vonfram;
5. Lớp hàn ñắp;
6. Chi tiết hàn.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 6

Bột hợp kim bị nóng chảy khi ñi qua hồ quang plasma và ñược rót vào vũng
hàn. Toàn bột vùng hàn ñược bao bọc bởi lớp khí bảo vệ Argon. Bộ cấp khí có
nhiệm vụ cung cấp và ñiều chỉnh tự ñộng bằng mạch ñiện tử lưu lượng khí tạo
plasma, khí mang bột.

Trong quá trình này, bột kim loại ñược ñưa vào một vũng hàn nóng chảy
ñược tạo ra bởi plasma ở nhiệt ñộ cao (lên ñến 20.000 ° C). Tất cả các thông số chế
ñộ hàn bao gồm cả thông số về tốc ñộ cấp bột, năng lượng ñầu vào (dòng ñiện hàn),
lưu lượng khí plasma và khí bảo vệ cũng như tốc ñộ của ñầu hàn và vật hàn ñều
ñược kiểm soát, khống chế và ñược ñiều chỉnh tự ñộng hoàn toàn bằng phần mềm
máy tính. Với nguồn năng lượng tập trung cao của hồ quang plasma cho phép ta
nhận ñược lớp ñắp có chất lượng cao nhất. Lớp ñắp hoàn toàn ñặc và ñược liên kết
về mặt luyện kim (tương tự như ñúc) với kim loại cơ bản.


Hình 1-2: Nguyên lý công nghệ hàn bột Plasma.

Hàn hồ quang Plasma ñể làm cứng bề mặt chi tiết là một phương pháp hàn
phù hợp tạo ra một liên kết kim loại nóng chảy giữa lớp nền và lớp ñắp. Chiều dày
lớp ñắp có thể dao ñộng từ 0,6 ÷ 6,0 mm, chiều rộng từ 3 ÷ 10 mm khi sử dụng một
lớp hàn ñắp, nhiều lớp hàn khi hàn chiều dày lớp ñắp có thể ñến 20 mm và chiều
rộng trên 30 mm [11].

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 7

Trong hàn hồ quang ñể làm cứng bề mặt chi tiết, hai nguồn cung cấp ñiện
DC ñược sử dụng: nguồn thứ nhất tạo hồ quang không dịch chuyển giữa ñiện cực

vonfram (-) và anot (+) và sau ñó hồ quang tạo nên giữa ñiện cực vonfram (-) và
vật hàn (+). Hồ quang mồi tạo nên do một thiết bị tần số cao và dòng khí plasma
bao quanh catot (cực âm) ñược ion hóa ở ñầu ñiện cực.
Khi hồ quang chuyển dịch ñược tạo nên, vật hàn trở thành một phần của
mạch ñiện và hồ quang plasma ñược dẫn hướng và tập trung thông qua các miệng
của ñầu hàn vào vật hàn. Bột phun ra dưới một áp lực lớn của dòng khí Argon, từ
ñầu hàn tới bề mặt của chi tiết hàn. ðầu hàn sau ñó hoặc là di chuyển bằng cách
dịch chuyển chùm tia lên trên vật hàn, hoặc là vật hàn ñược xoay hay di chuyển
theo ñầu hàn ñể tạo ra một lớp hàn ñắp.Các lớp ñắp hồ quang có tỷ trọng lớn và
ñược liên kết liền khối với vật hàn. Cấu trúc lớp ñắp là liền khối của kim loại nóng
chảy cùng với sự hình thành các tinh thể dạng nhánh trong suốt quá trình ñông ñặc.
Một tính năng quan trọng nhất của quá trình hàn bột plasma hồ quang dịch
chuyển là nó cho phép khống chế phần kim loại cơ bản tham gia vào kim loại ñắp.
Tỷ lệ kim loại cơ bản tham gia vào kim loại ñắp chỉ còn 5%, so với 20-25% khi hàn
bằng các phương pháp hàn tiên tiến khác như hàn MAG, MIG, TIG. Do ñó chỉ cần
một lượt hàn ñã có thể ñạt ñược các tính chất cần thiết của lớp ñắp.
1.1.1.2. Qúa trình lý hóa khi hàn plasma
Trong quá trình hàn nóng chảy, quá trình lý hóa xảy ra trong kim loại vũng
hàn cũng giống như quá trình luyện kim ví dụ quá trình oxy hoá, khử oxy, cháy hợp
chất hợp kim, hợp kim hoá … nhưng nó có dặc ñiểm riêng của nó.
Khi hàn hồ quang kim loại bị chảy ra rất nhanh ( khoảng vài giây) và lượng
kim loại bị nóng chảy rất nhỏ (khoảng 8cm
3
) nhiệt ñộ kim loại vũng hàn cao hơn rất
nhiều so với các lò luyện. Sau khi hàn xong kim loại vùng hàn do tiếp xúc với kim
loại vật hàn nên nguội lạnh rất nhanh. Do các ñặc ñiểm trên nên quá trình hoá lý
không thể thực hiện ñược triệt ñể.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 8

Hình 1-3 : Hàn bột Plasma
1.1.1.3.Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy
a. Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy
Khi hàn nóng chảy nhiệt ñộ vùng hàn trung bình là 1700 - 1800
o
C. Ở trạng thái
nhiệt ñộ cao kim loại lỏng chịu sự tác ñộng mạnh của môi trường xung quanh và các
nguyên tố có trong thành phần que hàn và thuốc bọc que hàn; Kim loại mối hàn ở trạng
thái lỏng và một phần bị bay hơi. Trong vùng mối hàn xảy ra nhiều quá trình như ôxy
hoá, khử ôxy, hoàn nguyên và hợp kim hoá mối hàn, quá trình tạo xỷ và tinh luyện ,
Các quá trình ñó phần nào tương tự như những quá trình luyện kim nên người ta
gọi quá trình này là quá trình luyện kim khi hàn nhưng xảy ra trong một thể tích nhỏ và
thời gian ngắn.

Hình 1- 4: Sơ ñồ những yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng mối hàn


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 9

b. Vũng hàn và ñặc ñiểm của nó
Khi hàn, dưới tác dụng của nguồn nhiệt, vùng kim loại nóng chảy tạo nên
một vũng hàn. Kim loại ở ñây là hổn hợp các nguyên tố của kim loại cơ bản và kim
loại vật liệu hàn. Vũng hàn ñược chia ra 2 vùng chính: vùng ñầu và vùng ñuôi vũng
hàn. Hình 1-5: biểu diễn sơ ñồ mối ghép hàn và tác dụng của nguồn nhiệt khi hàn
hồ quang [6]:

Hình 1-5: Sơ ñồ mối ghép hàn (a) và tác dụng của nguồn nhiệt khi hàn hồ

quang (b)

Hình 1-6: Sơ ñồ ñường hàn và vị trí vũng hàn
I- Vùng ñầu vũng hàn; II-Vùng ñuôi vũng hàn
1- Vùng có nhiệt ñộ không xác ñịnh;

2- Vùng có nhiệt ñộ khoảng 1800
o
C;
3-Vùng có nhiệt ñộ gần nhiệt ñộ nóng chảy (khoảng 1500
o
C)
B- Chiều rộng mối hàn;
C- Chiều cao mối hàn; H - Chiều sâu mối hàn.

c. Tổ chức kim loại mối hàn và vùng cận mối hàn
Sau khi ñông ñặc, kim loại mối hàn sẽ có thành phần khác so với kim loại cơ
bản. Dưới tác dụng của nhiệt ñộ tổ chức kim loại mối hàn cũng ñược chia thành
nhiều vùng khác nhau. Dưới ñây là sơ ñồ các vùng mối hàn [2]:

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 10


Hình 1-7: Tổ chức kim loại vũng hàn



Hình 1-8: Vùng ảnh hưởng nhiệt

Hình 1-9: Tổ chức kim loại vùng mối hàn và cận mối hàn
Tổ chức kim loại mối hàn phụ thuộc phương pháp hàn, kim loại vật hàn, và
chế ñộ hàn. Tổ chức kim loại vùng mối hàn và gần mối hàn ñược chia ra 7 vùng
khác nhau : Vùng mối hàn, vùng viền chảy, vùng ảnh hưởng nhiệt gồm có các vùng
: vùng quá nhiệt, vùng thường hoá, vùng kết tinh lại không hoàn toàn vùng kết tinh
lại, vùng dòn xanh.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 11

- Vùng mối hàn (1) :
Vùng này kim loại nóng chảy hoàn toàn, khi nguội lạnh có tổ chức tượng tự
tổ chức thỏi ñúc, thành phần và tổ chức khác với kim loại bột hàn và vật hàn.
Vùng sát với kim loại cơ bản do tản nhiệt nhanh, tốc ñộ nguội lớn nên hạt rất
nhỏ. Vùng tiếp theo kim loại sẽ kết tinh theo hướng thẳng góc với mặt tản nhiệt tạo
nên dạng nhánh cây kéo dài, vùng trung tâm do nguội chậm, nên hạt lớn và có lẫn
chất phi kim.
Có thành phần kim loại hỗn hợp giữa vật hàn, vật liệu hàn. Tổ chức có dạng kéo
dài về tâm mối hàn (theo hướng kết tinh). Vùng gần viền chảy có tổ chức hạt nhỏ mịn
do tốc ñộ tản nhiệt nhanh; vùng trung tâm có lẫn nhiều tạp chất do kết tinh sau cùng.
- Vùng viền chảy (2) :
Là vùng kim loại nóng chảy không hoàn toàn nằm giữa kim loại mối hàn (
nóng chảy) và kim loại vật hàn ( không chảy) vùng này kim loại vật hàn có pha lỏng
và ñặc có pha lẫn kim loại bột hàn. Hạt kim loại nhỏ và ảnh hưởng tốt ñến cơ tính
mối hàn
Vùng này kim loại nóng chảy không hoàn toàn. Thành phần kim loại mối
hàn có lẫn các nguyên tố của vật liệu hàn. Do có sự tác dụng qua lại giữa pha long
và pha ñặc nên trong mối hàn có thể lẫn các tạp chất. Hạt tinh thể vùng này nhỏ, có
cơ tính tốt. Vùng này tồn tại 2 pha lỏng có chhiều rộng vùng này nhỏ khoảng 0,1-
0,3 mm rất khó phân biệt chúng nên gọi chung là vùng viền chảy.

-Vùng ảnh hưởng nhiệt :
Là vùng có nhiệt ñộ thấp hơn nhiệt ñộ nóng chảy nhưng có tổ chức và tính
chất thay ñổi dưới tác dụng của nhiệt ñộ. Chiều rộng vùng này phụ thuộc chiều dày
vật hàn, nguồn nhiệt, chế ñộ hàn, phương pháp hàn,
- Vùng quá nhiệt (3) T = 1100 ÷1200
0
C
Là vùng có các hạt ôstenit bắt ñầu phát triển mạnh: Vùng này hạt kim loại rất
lớn có ñộ dai va chạm và tinh dẻo kém là vùng yếu nhất của vật hàn.
Do tổ chức hạt lớn, cơ tính giảm nhiều, dòn, dễ nứt, ðây là vùng thường
gây nên các vết gẫy nứt của mối hàn.
-Vùng thường hóa(4) có T>AC3

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 12

Có nhiệt ñộ khoảng (880 - 1100
0
C), có chiều rộng khoảng 0.2 - 5 mm có tổ
chức gồm các hạt ferit nhỏ và một số hạt peclit, cơ tính tốt.
- Vùng kết tinh lại không hoàn toàn (5):có nhiệt ñộ khoảng T = 720- 880
0
C.
Tức là nằm trong khoảng AC1 - AC3, nên có thể xảy ra quá trình chuyển biến
ôstenit về tổ chức péclít và martenxit cho nên có thành phần hoá học và cơ tính
không ñồng nhất, tổ chức là các hạt ferit to và ôstenit nhỏ, vì thế cơ tính vùng này
giảm (do hạt không ñều).
- Vùng kết tinh lại (6) :
Là vùng có nhiệt ñộ 500-700
0

C. Tổ chức giống tổ chức kim loại vật hàn,
nhưng ở nhiệt ñộ này là nhiệt ñộ biến mềm làm mất hiện tượng biến cứng ( ví dụ
làm mất sự không cân bằng và kéo dài của hạt khi gia công áp lực nguội) nên tổ
chức tính chất của kim loại trở lại trạng thái ban ñầu. Vùng này có ñộ cứng giảm,
tính dẻo tăng.
- Vùng dòn xanh (7) : T = 100 - 500
o
C
Tổ chức kim loại ít bị thay ñổi, gần giống vật liệu cơ bản nhưng do không
khí xâm nhập vào nên cơ tính giảm, tồn tại ứng suất dư, kim loại bị hoá già, khi thử
kéo mẫu hay bị ñứt vùng này. Chiều rộng của vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc:
chiều dày vật hàn, nguồn nhiệt hàn, ñiều kiện thoát nhiệt khỏi vũng hàn.
Chiều dày vật hàn lớn, nguồn nhiệt hàn nhỏ, ñiều kiện thoát nhiệt tốt, chiều
rộng vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ và ñộ cứng kim loại tăng. Nung nóng sơ bộ trước
khi hàn, nguồn nhiệt lượng, chiều dày vật hàn nhỏ thì tổ chức mối hàn ở vùng ảnh
hưởng nhiệt thô, chiều rộng vùng quá nhiệt tăng vì thế giảm tính dẻo, ñộ dai va
chạm của mối hàn và vùng lân cận mối hàn. Hàn hồ quang plasma có vùng ảnh
hưởng nhiệt nhỏ nhất. Dòng ñiện càng nhỏ, tốc ñộ hàn càng lớn, vùng ảnh hưởng
nhiệt càng nhỏ.
1.1.2. Ưu, nhược ñiểm của công nghệ hàn bột Plasma
1.1.2.1. Ưu ñiểm
- Nhờ có sự tập trung khí plasma mà vùng nóng chảy ñược thu hẹp một cách
tương ñối và ñiều này giảm tối thiểu nhiệt ñộ làm việc của vật liệu cơ bản.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 13

- Lớp bột chuyển tiếp rất mỏng tạo thành lớp hàn ñắp giữa vật liệu cơ bản
và bản thân bề mặt hàn với ñộ dày cho phép khoảng từ 1÷2 mm
- Cùng với việc ñịnh vị chi tiết bề mặt hàn,một lớp hàn ñược tạo thành giữa 2

bề mặt hàn với dung sai lớn khoảng 1mm nên giảm thiểu chi phí gia công tiếp theo.
- Giảm tối thiểu sự pha loãng của vật liệu nền, tự ñộng hóa dễ dàng, dễ dàng
ñiều chỉnh ñường hàn có nghĩa là tạo ra chất lượng cao và lớp phủ có tính chịu mài
mòn trong hầu hết các hợp kim. Ứng dụng rất hiệu quả cho sản xuất hàng loạt.
1.1.2.2. Nhược ñiểm
- Vật liệu hàn bột là các vật liệu ñắt tiền nhất so với vật liệu que hoặc dây hàn.
- ðối với hàn bột Plasma thì yêu cầu việc ñịnh vị với việc cấp bột tự ñộng lên
bề mặt theo dạng hình trụ và hình cầu phải rất chính xác trong giới hạn cho phép.
- Giống như việc bổ sung vât liệu, phương pháp này yêu cầu phải sử dụng
chủ yếu là bột nền coban như hợp kim nguội bao (gồm Coban, crom, vonfram và
molipden) ñể tạo ra lớp chống chịu ñược ñộ cứng cao (lên ñến 55HRC) chịu mài
mòn với hóa chất, và ăn mòn nhiệt và tải tiếp xúc.
- Trong quá trình PTA, khí plasma ñược tập trung trong khi buộc phải thông
qua các cực anot chịu nhiệt, gây ra một sự gia tăng ñáng kể mật ñộ hồ quang, năng
lượng và nhiệt ñộ.
1.1.3. Ứng dụng công nghệ hàn plasma bột
Hàn plasma bột là công nghệ hàn tiên tiến, PTA có rất nhiều ứng dụng trong
công nghiệp, ñặc biệt là lĩnh vực phục hồi các chi tiết máy chịu mài mòn và tạo lớp
ñắp cứng bề mặt của dụng cụ cắt (dao xén giấy, dao băm tre, ).
Một số ứng dụng ñiển hình của công nghệ hàn plasma bột: