Tóm tắt luận án tiến sĩ nghiên cứu tạo lớp đắp chịu mài mòn trên nền thép các bon bằng công nghệ hàn plasma bột

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ HỮU MẠNH

NGHIÊN CỨU TẠO LỚP ĐẮP CHỊU MÀI MÒN
TRÊN NỀN THÉP CÁC BON BẰNG
CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA BỘT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 62520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2015


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Bùi Văn Hạnh
2. PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Phản biện 1: PGS. TS. Đào Quang Kế
Phản biện 2: TS. Vũ Dương
Phản biện 3: TS. Hà Xuân Hùng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi ………giờ, ngày….…tháng…….năm………

Có thể tìm hiểu Luận án tại:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Nguồn nhiệt hồ quang plasma lớn và tập trung.
Năng suất hàn cao, chất lượng mối hàn tốt, biến dạng hàn nhỏ.
Độ bền liên kết giữa lớp đắp với kim loại nền cao.
Hàn được nhiều loại vật liệu khác nhau, tiết kiệm vật liệu quý.
Hạn chế sự tham gia kim loại nền vào mối hàn và sự bắn tóe kim loại.
Thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim ở dạng bột nên có thể
điều chỉnh theo yêu cầu.
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn PTA.
Phân tích thành phần, hàm lượng và pha trộn hỗn hợp bột hợp kim ứng
dụng cho công nghệ hàn PTA.
Thực nghiệm hàn đắp bột hợp kim lên tấm thép các bon C45 bằng công
nghệ hàn PTA, kim loại mối hàn đạt độ cứng 55-60HRC và chịu mài mòn
do ma sát trong điều kiện khô.
Phân tích và xác định chế độ công nghệ nhằm hạn chế mức độ tham gia
của kim loại nền vào mối hàn nhỏ hơn 10%.
Phân tích và xác định cấu trúc, tổ chức, thành phần, độ cứng và khả
năng chịu mài mòn của kim loại mối hàn.
Đối tượng nghiên cứu
Hợp kim bột ứng dụng cho quá trình hàn PTA để tạo ra lớp đắp có độ
cứng 55-60HRC, có khả năng chịu mài mòn trong điều kiện khô.
Vật liệu nền là thép C45 không nung nóng sơ bộ trước khi hàn.

Chế độ hàn PTA và mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kim loại mối hàn và mức
độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn.
Nghiên cứu, phân tích, xác định thành phần và hàm lượng bột hợp kim;
pha trộn hỗn hợp bột hợp kim bằng phương pháp cơ học.
Nghiên cứu, phân tích thành phần, cấu trúc và tổ chức kim loại mối hàn;
xác định độ cứng và khả năng chịu mài mòn của kim loại mối hàn.
Phương pháp nghiên cứu
Tham khảo, phân tích tài liệu của nhà sản xuất; các công trình nghiên
cứu về PTA đã được công bố trong và ngoài nước.
Khảo sát cơ sở vật chất, thiết bị và vật liệu hàn phục vụ cho quá trình
nghiên cứu, phân tích và thực nghiệm.
Phân tích thành phần, xác định hàm lượng các nguyên tố hợp kim và pha
trộn được hỗn hợp bột hợp kim phù hợp với yêu cầu.
Tổ chức thực nghiệm hàn hợp kim bột trên nền thép các bon C45 bằng
quá trình hàn PTA.
1


Phân tích tổ chức, cấu trúc; xác định thành phần, độ cứng và khả năng
chịu mài mòn của kim loại mối hàn.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn, mức độ tham gia
của kim loại nền vào mối hàn, cấu trúc và tổ chức kim loại mối hàn, độ
cứng và khả năng chịu mài mòn của kim loại mối hàn.
Phân tích sự ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim đến hỗn hợp bột,
xác định thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim, pha trộn được
hỗn hợp bột hợp kim bằng phương pháp cơ học và tiến hành hàn thử
nghiệm bột hợp kim trên nền thép các bon C45 bằng công nghệ hàn PTA.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Phân tích, xác định được các thông số, chế độ công nghệ hàn PTA bằng
hợp kim bột trên nền thép các bon trung bình C45 không nung nóng sơ bộ.
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng nhằm hạn chế mức độ tham gia kim loại
cơ bản vào mối hàn nhỏ hơn 10%.
Phân tích và tạo được hỗn hợp bột hợp kim ứng dụng cho quá trình hàn
PTA bằng phương pháp pha trộn cơ học đáp ứng yêu cầu về độ cứng và khả
năng chịu mài mòn.
Phân tích được cấu trúc và tổ chức tế vi, xác định được các yếu tố quyết
định đến độ cứng và khả năng chịu mài mòn của lớp đắp.
Ứng dụng công nghệ hàn tiên tiến vào lĩnh vực hàn đắp tạo bề mặt theo
yêu cầu. Đây là cơ sở để chế tạo, phục hồi các chi tiết yêu cầu bề mặt cứng,
chịu mài mòn ứng dụng trong các ngành công nghiệp giấy, xi măng, xây
dựng, khai khoáng, mía đường, cơ khí, nông nghiệp,...
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm tài liệu tham khảo trong quá
trình đào tạo.
Các kết quả mới của luận án
Phân tích mức độ ảnh hưởng của WC, Cr3C2 và Fe đến cơ tính mối hàn;
xác định được các thành phần, hàm lượng, pha trộn được hỗn hợp bột hợp
kim M bằng phương pháp cơ học ứng dụng cho quá trình hàn PTA ở điều
kiện Việt Nam.
Phân tích ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến hình dạng, kích thước
mối hàn; tìm ra giải pháp hạn chế mức độ tham gia của kim loại nền vào
mối hàn.
Phân tích các yếu tố quyết định đến độ cứng và khả năng chịu mài mòn
của kim loại mối hàn; xác định được tổ chức, cấu trúc, độ cứng, khối lượng
mòn của kim loại mối hàn khi hàn hợp kim bột Eutroloy 16606 và hợp kim
bột M trên nền thép C45 không nung nóng sơ bộ bằng quá trình hàn PTA.
Kết cấu của luận án
Ngoài các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được

trình bày trong 05 chương, cụ thể như sau:
2


Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn.
Chương 3: Phân tích thành phần và pha trộn bột hợp kim.
Chương 4: Xây dựng mô hình và hàn thực nghiệm.
Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận.
Kết luận chung của luận án và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.
Tài liệu tham khảo.
Danh mục các công trình đã công bố của luận án.
Phụ lục.
1. Tổng quan
1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ hàn PTA
Công nghệ hàn hồ quang plasma bột (PTA-Plasma Transferred Arc hoặc
PTAW-Plasma Transferred Arc Welding) được nghiên cứu từ những năm
60 của thế kỷ XX.
1.2. Đặc điểm của công nghệ hàn PTA
Điểm khác biệt của phương pháp hàn PTA đó là sử dụng vật liệu hàn
dạng bột.
1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Các đề tài nghiên cứu về công nghệ hàn PTA có đặc điểm chung đó là
tạo mới hoặc phục hồi bề mặt làm việc cho các sản phẩm làm việc trong
điều kiện chịu mài mòn, chịu nhiệt, chống ăn mòn,...
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước
Năm 2004, PGS.TS. Bùi Văn Hạnh làm đã nghiên cứu ứng dụng quá
trình hàn PTA để tạo phần lưỡi cắt của dao chặt mảnh ứng dụng trong
ngành công nghiệp sản xuất bột giấy ở Việt Nam.
Năm 2011, TS. Hoàng Văn Châu đã thực hiện đề tài nghiên cứu ứng

dụng công nghệ hàn PTA để phục hồi Dao xén giấy và Xupap máy thủy.
Kết luận Chương 1
Phần lớn các hãng sản xuất thiết bị và vật liệu bột ứng dụng cho công
nghệ hàn PTA đều tập trung ở các nước phát triển.
Các đề tài nghiên cứu về công nghệ hàn PTA chủ yếu tập trung nhằm
tạo ra các bề mặt làm việc trong điều kiện đặc biệt.
2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn
2.1. Sự hình thành mối hàn
2.1.1. Sự hình thành hồ quang plasma
Ở trạng thái và điều kiện bình thường, các phân tử khí không dẫn điện.
Khi bị ion hóa, chúng có năng lượng và vận tốc rất lớn, chuyển động có
hướng tạo ra hồ quang plasma.
2.1.2. Hiệu suất hồ quang plasma
Hồ quang xung làm tăng hiệu suất nhưng nó không làm mất sự ổn định
của hồ quang plasma.
3


Miệng phun plasma được làm mát bằng nước sẽ làm giảm nhiệt ở đầu
miệng phun, làm tăng năng suất hàn, tăng tuổi thọ của đầu hàn.
2.1.3. Sự phân bố nhiệt trong cột hồ quang plasma
Nhiệt tập trung cao nhất ở vùng đầu điện cực. Nó giảm dần theo chiều
dài và bán kính của cột hồ quang plasma.
2.1.4. Sự chuyển động của dòng kim loại lỏng trong vũng hàn
Dòng kim loại lỏng chuyển động từ tâm ra biên của vũng hàn được gọi
là dòng đối lưu phân kỳ. Dòng kim loại lỏng chuyển động từ biên vào tâm
của vũng hàn được gọi là dòng đối lưu hội tụ.
2.1.5. Sự nóng chảy và kết tinh kim loại
2.1.5.1. Sự nóng chảy và bay hơi
Kích cỡ hạt từ 80-100μm khi hàn sẽ đi qua đầu miệng phun và nóng

chảy hoàn toàn trong cột hồ quang plasma. Khi kích cỡ hạt nhỏ hơn 60μm
rất dễ bị bay hơi khi đi qua cột hồ quang plasma.
2.1.5.2. Sự kết tinh và hình thành mối hàn
Khi vào vũng hàn, dòng kim loại lỏng chuyển động đối lưu, các quá
trình hóa-lý xảy ra rất nhanh trước khi kim loại kết tinh tạo thành mối hàn.
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn
2.2.1. Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn
2.2.1.1. Điện cực hàn
Điện cực dùng trong quá trình hàn PTA là điện cực không nóng chảy WTh với hàm lượng oxyt Thôri (ThO2) chiếm khoảng 2% [21].
2.2.1.2. Cường độ dòng hàn
Khi cường độ dòng hàn (Ih) lớn, sẽ làm tăng áp lực hồ quang plasma,
mức độ chảy loãng của kim loại vũng hàn, sự xáo trộn kim loại lỏng trong
vũng hàn, chiều sâu ngấu, sự tham gia của kim loại nền vào mối hàn cũng
tăng lên và ngược lại.
2.2.1.3. Tốc độ hàn
Khi tăng tốc độ hàn sẽ làm giảm chiều sâu ngấu, chiều rộng, chiều cao,
mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn và ngược lại.
2.2.1.4. Lưu lượng bột
Khi tốc độ cấp bột tăng lên sẽ làm tăng chiều cao và chiều rộng mối hàn,
chiều sâu ngấu mối hàn có xu hướng giảm xuống và ngược lại.
2.2.1.5. Dao động mỏ hàn
Dao động mỏ hàn nhằm làm tăng chiều rộng mối hàn. Khi hàn PTA,
biên độ dao động mỏ hàn không nên chọn lớn hơn 30mm [81].
2.2.1.6. Chiều dài cột hồ quang
Sự thay đổi khoảng cách giữa mỏ hàn và vật hàn dẫn đến sự thay đổi
chiều dài cột hồ quang, điện áp hàn và công suất nguồn nhiệt hồ quang
plasma.
2.2.1.7. Góc nghiêng và hướng dịch chuyển mỏ hàn
4

Khi sử dụng mỏ hàn cầm tay, chọn phương pháp dịch chuyển mỏ hàn từ
phải sang trái, với góc nghiêng khoảng 70-800 so với trục của mối hàn.
Khi hàn tự động, góc độ mỏ hàn thường được điều chỉnh ở vị trí vuông
góc với trục mối hàn và vật hàn.
2.2.1.8. Khí bảo vệ, khí tạo plasma và khí mang bột
Khí Argon (Ar) giúp cho quá trình bảo vệ vùng hàn tốt hơn vì tỉ trọng
của nó cao hơn không khí.
Heli (He) là khí trơ có tính dẫn nhiệt và khả năng ion hóa cao hơn khí
Ar, tuy nhiên, mức độ tiêu hao khí He là lớn hơn so với khí Ar.
2.2.2. Năng lượng đường
Năng lượng đường (qd) phụ thuộc vào công suất nhiệt hiệu dụng (q) và
tốc độ hàn (V).
2.2.3. Sự tham gia của kim loại vào mối hàn
2.2.3.1. Sự tham gia của kim loại nền vào mối hàn
Trong quá trình hàn PTA, mức độ tham gia của kim loại nền vào mối
hàn được kiểm soát trong khoảng 3-10% [30].

Hình 2.44. Hình dạng mối hàn [16, 50, 51, 52, 61, 62, 81]
Mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn được xác định qua công
thức dưới đây [31, 50, 80]:
B
(2.16)
D
100%
A B

Trong đó: D - Mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn (%)
A - Diện tích mặt cắt ngang phần lồi mối hàn (mm2)
B - Diện tích mặt cắt ngang phần sâu ngấu mối hàn(mm2)

P - Chiều sâu ngấu của mối hàn (mm)
R - Chiều cao phần lồi của mối hàn (mm)
2.2.3.2. Sự tham gia của kim loại bột vào mối hàn
Mức độ tham gia của hợp kim bột vào mối hàn có thể được xác định
qua công thức dưới đây [85].
1
V pc .Ebm
(2.23)
D1

1

.

m

.U .I

E pc .V pc

.100%

Trong đó: Ebm là giới hạn chảy của vật liệu nền.
Epc là giới hạn chảy của hợp kim bột.
Vpc là tốc độ cấp hợp kim bột
2.2.4. Sự khuếch tán và hòa tan các nguyên tố hợp kim
Sự khuếch tán xảy ra khi các nguyên tử kim loại được kích hoạt và có sự
chênh lệch về nồng độ của chúng giữa các vùng. Sự khuếch tán sẽ dừng lại
khi nồng độ của các nguyên tử bị bão hòa.
5

Kết luận Chương 2
Loại điện cực, đường kính và góc mài đầu điện cực ảnh hưởng đến công
suất nhiệt và sự ổn định của hồ quang.
Cường độ dòng hàn tỉ lệ thuận với năng lượng đường, công suất nhiệt hồ
quang, chiều sâu ngấu và mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn.
Tốc độ hàn tỉ lệ nghịch với năng lượng đường, chiều sâu ngấu và mức
độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn.
Lưu lượng bột tỉ lệ thuận với chiều cao mối hàn, tỉ lệ nghịch với mức độ
tham gia của kim loại nền vào mối hàn.
Biên độ dao động mỏ hàn tỉ lệ thuận với chiều rộng mối hàn và năng
suất hàn, nhưng tỉ lệ nghịch với chiều sâu ngấu và mức độ tham gia kim loại
nền vào mối hàn.
Chiều dài cột hồ quang tỉ lệ thuận với điện áp hàn, tiết diện cột hồ
quang, năng lượng đường, công suất nhiệt hồ quang.
Góc nghiêng mỏ hàn ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng mối hàn, chiều
sâu ngấu, khả năng bảo vệ của khí.
Khí mang bột, khí tạo plasma, khí bảo vệ có ảnh hưởng đến khả năng
bảo vệ vũng hàn, công suất nhiệt hồ quang, áp lực hồ quang, tuổi thọ điện
cực, lượng bột được cấp, năng suất đắp.
Năng lượng đường tỉ lệ thuận với cường độ dòng hàn, điện áp hàn, công
suất nguồn nhiệt, mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn, nhưng nó
tỉ lệ nghịch với tốc độ hàn.
Mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn nhỏ và phụ thuộc vào
chế độ hàn. Mức độ tham gia của hợp kim bột vào mối hàn phụ thuộc vào
điện áp hàn (U), cường độ dòng hàn (I) và tốc độ cấp bột (Vpc).
3. Phân tích thành phần và pha trộn bột hợp kim
3.1. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt và thành phần bột
3.1.1. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt

Khi kích cỡ hạt của bột hợp kim lớn hơn 150µm sẽ làm tăng nguy cơ
nứt. Ngược lại, khi kích cỡ hạt của bột hợp kim nhỏ hơn 50µm sẽ làm tăng
áp lực hồ quang lên vũng hàn [50].
3.1.2. Ảnh hưởng của thành phần bột hợp kim
3.1.2.1. Ảnh hưởng của Các bon
Các bon là nguyên tố hợp kim quan trọng và có ảnh hưởng trực tiếp đến
đặc tính của kim loại mối hàn. Sự gia tăng hàm lượng C dẫn đến độ bền, độ
giòn và độ cứng của kim loại mối hàn; nhưng độ dẻo, khả năng chịu va đập,
tính hàn và tính gia công của kim loại giảm xuống [23].
3.1.2.2. Ảnh hưởng của Crôm
Sự có mặt của Crôm sẽ làm tăng khả năng chống gỉ, tăng cường độ
cứng, khả năng chịu mài mòn lớp đắp. Khi hàn, Cr sẽ kết hợp với C để tạo
ra các bít Crôm (CrxCy) có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt [23].
6


3.1.2.3. Ảnh hưởng của Vônfram
Vônfram là nguyên tố hợp kim có khả năng tạo cácbit rất mạnh. Khi hàn
Vônfram (W) sẽ kết hợp với Cácbon (C) để tạo thành các bít Vônfram có độ
cứng rất cao, khả năng chịu mài mòn tốt [57].
3.1.2.4. Ảnh hưởng của Molybden
Sự có mặt của Mo sẽ làm tăng độ mịn, tăng khả năng chịu nhiệt, tăng
khả năng chống ăn mòn, cải hiện tính hàn, tăng giới hạn bền của kim loại
mối hàn [23].
3.1.2.5. Ảnh hưởng của Vanadi
Sự có mặt của VC sẽ làm tăng khả năng chịu mài mòn, tăng độ cứng, độ
bền cơ học và độ bền nhiệt cho kim loại mối hàn [23, 65].
3.2. Xác định thành phần và pha trộn hỗn hợp bột hợp kim M
3.2.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn
Hiện nay ở Việt Nam, chưa có đơn vị nào sản xuất bột hợp kim ứng

dụng cho hàn PTA.
Yêu cầu bề mặt làm việc của các chi tiết có độ cứng cao (khoảng
60HRC), có khả năng chịu mài mòn tốt.
3.2.2. Xác định thành phần và pha trộn bột hợp kim
Hỗn hợp bột hợp kim gồm 3 thành phần cơ bản là Cr3C2, WC và Fe.
Trong đó, nguyên tố Fe được chọn làm nền của hỗn hợp bột. Các thành
phần bột trên được cung cấp bởi Công ty CHI của Trung Quốc.
Bảng 3.4. Các thành phần hợp kim được sử dụng để tạo hỗn hợp bột.
T
Ký
Thành phần hóa học (%)
Kích cỡ
Loại hợp kim
T
hiệu
hạt (µm)
1 Vonfram cácbít
WC
W≥92, C=6÷7, Si<0.5, V<0.2
50-100
2 Crom cácbít
Cr3C2
Cr≥88, C=9÷11, Si<0.5
3 Sắt
Fe
Fe≥97, C<0.5, Si<0.5, Al<0.2
Quá trình phân tích thấy rằng, Cr3C2 và WC có ảnh hưởng lớn đến độ
cứng của kim loại mối hàn (H).
Bảng 3.5. Mức độ biến thiên giá trị của các biến.
Thành phần hợp kim

Đơn vị
Ký
Mã hóa
Mức độ biến thiên
hiệu
Nhỏ nhất Lớn nhất
Vônfram cácbít
%
WC
x1
6
10
Crôm cácbít
%
Cr3C2
x2
6
10
Sắt
%
Fe
x3
80
88
Giả thuyết rằng, tổng của ba thành phần hợp kim này là 100%. Do đó,
tác giả sử dụng phương pháp mạng đơn hình với hệ ba cấu tử đơn hình
chính tắc là tam giác đều. Mỗi đỉnh của tam giác tương ứng với 100% theo
khối lượng của một thành phần hợp kim trong hỗn hợp bột. Dạng tổng quát
của hệ như sau [7]:

7


k

xi 1

(3.1)
Trong đó: xi là phần trăm theo khối lượng của mỗi thành phần
k là số thành phần trong hỗn hợp bột, k=3
Thực hiện kế hoạch toàn phần bậc một hai mức tối ưu 2k, khi đó, số thí
nghiệm thực nghiệm kiểu 2 mức, 3 yếu tố có dạng như sau [7]:
N=2k+3=23+3=11
(3.2)
Trong đó: N - Số thí nghiệm được thực hiện.
k - Các biến số ảnh hưởng, k = 3.
Bảng 3.6. Bảng giá trị thí nghiệm theo kế hoạch toàn phần 2k
Giá trị của các biến
Độ cứng H Tên gọi hợp kim
TT
(HRC)
bột tương ứng
WC
Cr3C2
Fe
1
0.06
0.06
0.88
56

M1
2
0.1
0.06
0.84
59
M2
3
0.06
0.1
0.84
58
M3
4
0.1
0.1
0.8
62
M4
5
0.06
0.08
0.86
57
M5
6
0.1
0.08
0.82
61

M6
7
0.08
0.06
0.86
58
M7
8
0.08
0.1
0.82
60
M8
9
0.08
0.08
0.84
60
M9
10
0.08
0.08
0.84
59
M10
11
0.08
0.08
0.84
59

M11
Mối quan hệ giữa các biến số đầu vào và sự ảnh hưởng của chúng đến
độ cứng (H) của kim loại mối hàn được mô tả bằng hàm số dưới đây.
H = f(WC, Cr3C2, Fe)
(3.3)
Trong đó: H – Độ cứng của kim loại mối hàn (HRC)
WC – Hàm lượng Vonfram các bít (%)
Cr3C2 – Hàm lượng Crom các bít (%)
Fe – Hàm lượng nguyên tố Sắt (%)
Phương trình hồi quy có dạng tổng quát như sau [10]:
k
(3.4)
Y a
a .x
i 1

0

i

i

i 1

Trong đó: a0, ai là các hệ số
xi là biến số, 1≤i≤k
Với k=3, phương trình hồi quy bậc nhất có dạng như sau:
Y

a0

a1 .WC

a 2 .Cr3 C 2

a3 .Fe

(3.5)
Phân tích kết quả thực nghiệm kết hợp với sử dụng phần mềm Modde
5.0, tác giả đã xác định được hệ số tương quan R2=0.95 và hệ số của
phương trình hồi quy như sau:
8


H=59+1.23x1+0.71x2–0.26x3=59+1.23WC+0.71Cr3C2–0.26Fe

(3.6)
Mức độ ảnh hưởng của từng thành phần hợp kim đến độ cứng H là khác
nhau. Trong đó, Cr3C2 và WC tỉ lệ thuận với H, còn Fe tỉ lệ nghịch với H.

Hình 3.13. Ảnh hưởng của WC, Cr3C2 và Fe đến H
Khi cần thay đổi giá trị của H thì chỉ cần thay đổi giá trị của WC hoặc
Cr3C2 hoặc cả WC và Cr3C2 tùy theo yêu cầu và mục đích sử dụng.

Hình 3.14. Tam giác nồng độ của hợp kim bột M ảnh hưởng đến H
Như vậy, mức độ ảnh hưởng đến H của WC là lớn hơn Cr3C2.
Kết luận Chương 3
Kích cỡ hạt của bột hợp kim nằm trong khoảng 50-150μm để thuận lợi
nhất cho quá trình nóng chảy, luyện kim và kết tinh của kim loại mối hàn.
Hợp kim bột M gồm các thành phần WC, Cr3C2 và Fe, trong đó Fe

được lựa chọn làm nền. Các thành phần hợp kim có ảnh hưởng rất lớn đến
tổ chức, cấu trúc, độ cứng, khả năng chịu mài mòn của kim loại mối hàn.
Các thành phần hợp kim WC, Cr3C2 và Fe có ảnh hưởng đến độ cứng
của kim loại mối hàn. Giá trị của H thay đổi theo xu hướng tỉ lệ thuận với
sự thay đổi về hàm lượng WC và Cr3C2, nhưng tỉ lệ nghịch với sự thay đổi
hàm lượng của Fe. Mức độ ảnh hưởng đến H của WC là lớn hơn Cr3C2.
4. Xây dựng mô hình và hàn thực nghiệm
4.1. Xác định các thông số chế độ hàn
4.1.1. Chọn biến số đầu vào
Các thông số ảnh hưởng lớn đến D đó là cường độ dòng điện hàn (Ih),
tốc độ hàn (Vh), lưu lượng bột (Vb), biên độ dao động mỏ hàn (Bm) và chiều
dài hồ quang (Le).

9


Bảng 4.1. Các thông số chế độ hàn PTA.
Thông số hàn
Đơn vị
Ký
Mã
Mức độ biến thiên của biến
hiệu hóa
-2
-1
0
+1
+2
Cường độ hàn
A

Ih
x1
90
100 110 120 130
Tốc độ hàn
mm/phút
Vh
x2
260 280 300 320 340
Lưu lượng bột
g/phút
Vb
x3
20
25
30
35
40
Dao động mỏ
mm
Bm
x4
8
10
12
14
16
hàn
Chiều dài hồ
mm

Le
x5
8
10
12
14
16
quang
4.1.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm
Phương trình thực nghiệm kiểu 2 mức, 5 yếu tố như sau [7]:
N = 2k-1+2.k+3 = 29
(4.1)
Trong đó: N - Số thí nghiệm được thực hiện.
k - Các biến số ảnh hưởng, k = 5.
Mối quan hệ giữa các thông số chế độ hàn và D như sau:
D = f(Ih, Vh, Vb, Bm, Le)
(4.2)
Trong đó: D - Mức độ tham gia kim loại nền vào mối hàn (%)
Ih - Cường độ dòng hàn (A)
Vh - Tốc độ hàn (mm/phút)
Vb – Lưu lượng bột (g/phút)
Bm - Biên độ dao động mỏ hàn (mm)
Le - Chiều dài hồ quang (mm)
Phương trình hồi quy thực nghiệm có dạng tổng quát sau [7]:
k
k
k
(4.3)
Y b0
bi .xi

bii .xi2
bij .xi .x j
i 1

i 1

i, j 1
i j

Trong đó: b0, bi, bij là các hệ số
xi, xj là biến số, i≠j, 1≤i, j≤k
Phương trình thực nghiệm với 5 yếu tố ảnh hưởng đến sự tham gia của
kim loại nền vào mối hàn (D) có dạng như sau:
Y

b0

b1.I h
2
m

b44.B

b2 .Vh

b55.Le

b24.Vh .Bm

2

b3 .Vb

b4 .Bm

b12.I h .Vh

b25.Vh .Le

b5 .Le

b13.I h .Vb

b34.Vb .Bm

b11.I h

b14.I h .Bm

b35.Vb .Le

2

b22.Vh

2

b33.Vb

b15.I h .Le

2

(4.4)

b23.Vh .Vb

b45.Bm .Le

Phân tích ANOVA (Analysic of variance), xác định được R2=94.2%.
Phương trình hồi quy thực nghiệm đánh giá mức độ ảnh hưởng của 5
thông số chế độ hàn đến D như sau:
D

5.99 1.21I h
2
b

0.02V

0.31VhVb

0.06 B

0.41Vh
2
m

0.36Vb
2

e

0.06 L

0.09Vh Bm

0.19 Bm

0.05I hVh

0.15Vh Le

0.02 Le

0.03I hVb

0.02Vb Bm

0.29 I h2

0.06 I h Bm

0.02Vb Le

0.01Vh2
0.09 I h Le

0.12 Bm Le

(4.5)

4.1.3. Đánh giá sự ảnh hưởng của Ih, Vh, Vb, Bm, Le đến D
10


Hình 4.3. Ảnh hưởng của Ih và Vh đến D khi Vb=20g/phút, Bm=12mm, Le=12mm

Khi Vb=20g/phút, Bm=12mm, Le=12mm, Ih=90-130A và Vh=260340mm/phút thì giá trị D=4.66-10.69%. Phân tích biểu đồ hình trên thấy
rằng, diện tích vùng D≤5.33% là tương đối lớn. Điều này cho phép điều
chỉnh Ih và Vh trong phạm vi khá rộng. Trong trường hợp này, miền giá trị
D≤5.33% khi Ih=90-102A và Vh=260-295mm/phút.

Hình 4.4. Ảnh hưởng của Ih và Vh đến D khi Vb=40g/phút, Bm=12mm, Le=12mm

Khi Vb=40g/phút, Bm=12mm, Le=12mm, Ih=90-130A và Vh=260340mm/phút thì giá trị D=2.1-10.83%. Phân tích biểu đồ hình trên thấy
rằng, diện tích vùng D≤5.01% là tương đối rộng, nó cho phép điều chỉnh I h
và Vh trong phạm vi khá lớn. Trong trường hợp này, miền giá trị D≤5.01%
khi Ih=90-122At, Vh=285-340mm/phút.

Hình 4.5. Ảnh hưởng của Ih và Vh đến D khi Vb=30g/phút, Bm=8mm, Le=12mm

Khi Bm=8mm, Vb=30g/phút, Le=12mm, Ih=90-130A và Vh=260340mm/phút thì giá trị D=4.09-10.21%. Phân tích biểu đồ hình trên thấy
rằng, diện tích vùng D≤4.77% là tương lớn, nó cho phép điều chỉnh I h và Vh
trong phạm vi tương đối rộng. Tuy nhiên, giá trị của D phụ thuộc chủ yếu
vào Ih.

Hình 4.6. Ảnh hưởng của Ih và Vh đến D khi Vb=30g/phút, Bm=16mm, Le=12mm

Khi Bm=16mm, Vb=30g/phút, Le=12mm, Ih=90-130A và Vh=260340mm/phút thì giá trị D=4.65-11.22%. Phân tích biểu đồ hình trên thấy
11

rằng, diện tích vùng D≤5.38% là tương đối rộng, nó cho phép điều chỉnh I h
và Vh trong phạm vi khá lớn. Trong trường hợp này, miền giá trị D≤5.38%
khi Ih=90-110A và Vh=312-340mm/phút.

Hình 4.7. Ảnh hưởng của Ih và Vh đến D khi Vb=30g/phút, Bm=12mm, Le=8mm

Khi Le=8mm, Bm=12mm, Vb=30g/phút, Ih=90-130A và Vh=260340mm/phút thì giá trị D=3.25-11.53%. Phân tích biểu đồ hình trên thấy
rằng, diện tích vùng D≤5.09% là tương đối rộng, nó cho phép điều chỉnh I h
và Vh trong phạm vi khá lớn. Cụ thể trong trường hợp này, miền giá trị
D≤5.09% khi Ih=90-110A và Vh=312-340mm/phút.

Hình 4.8. Ảnh hưởng của Ih và Vh đến D khi Vb=30g/phút, Bm=12mm, Le=16mm

Khi Le=16mm, Bm=12mm, Vb=30g/phút, Ih=90-130A và Vh=260340mm/phút thì giá trị D=5.41-9.91%. Phân tích biểu đồ hình trên thấy
rằng, diện tích vùng D=5.41% là rất nhỏ, yêu cầu điều chỉnh Ih và Vh trong
phạm vi khá hẹp. Giá trị của D phụ thuộc chủ yếu vào I h. Trong trường hợp
này, giá trị D=5.41% khi Ih=92-95A và Vh=270-305mm/phút.
4.2. Thực nghiệm hàn PTA
4.2.1. Thiết bị hàn PTA
Thiết bị PTA được sử dụng gồm máy hàn Eutronic GAP 3000 AC/DC,
máy hàn DURWELD 300/2 PTA và máy hàn HPT-500A.
4.2.2. Vật liệu
4.2.2.1. Vật liệu nền
Thép các bon trung bình C45.
4.2.2.2. Hợp kim bột Eutroloy 16606
Bảng 4.7. Thành phần hóa học của bột Eutroloy 16606 [28, 29].
%C
%Mo
%Cr

%W
%V
%Fe
1.0
5.0
4.2
6.4
2.0
Nền
Bảng 4.8. Đặc tính của bột hợp kim Eutroloy 16606 [28, 29].
Kích cỡ hạt (µm)
Độ cứng của kim loại mối hàn (HRC)
50 -150
58 - 60
4.2.2.3. Hợp kim bột M
Hợp kim bột M có thành phần cơ bản gồm WC, Cr3C2 và Fe, trong đó
Fe được chọn làm nền.
12


4.2.2.4. Khí bảo vệ, khí mang bột, khí tạo plasma
Khí sử dụng để bảo vệ vũng hàn, mang bột và tạo plasma là khí Argon
với độ tinh khiết đạt 99.9%.
4.2.3. Điện cực hàn
Điện cực hàn là W-Th với hàm lượng oxyt Thori (ThO2) khoảng 2%.
4.2.4. Đồ gá hàn
Phôi hàn được kẹp chặt trên đồ gá. Vị trí kẹp là hai mặt bên của phôi.
4.2.5. Các thông số chế độ hàn
Thông số chế độ hàn
Ký hiệu

Giá trị
Ghi chú
Cường độ dòng hàn (A)
Ih
90-130
Điện áp hàn (V)
Uh
25-30
Tốc độ hàn (mm/phút)
Vh
260-340
Lưu lượng bột (g/phút)
Vb
20-40
Năng lượng đường (J/mm)
HI
270-380
Dao động mỏ hàn (mm)
Bm
8-16
Dạng dao động mỏ hàn
Dm
Răng cưa
Đường kính điện cực (mm)
De
2,4
W-Th (màu đỏ)
Chiều dài hồ quang (mm)
Le
8-16

Khí tạo hồ quang (l/phút)
Kp
3-4
Ar 99.9%
Khí mang bột (l/phút)
Kb
3-4
Ar 99.9%
Khí bảo vệ (l/phút)
Kbv
12-15
Ar 99.9%
Gia nhiệt (0C)
Gt
Không gia nhiệt
Nhiệt độ ram (0C)
Rt
250-300
Từ 1-2 giờ
4.3. Xử lý nhiệt hàn
4.3.1. Nung nóng trước khi hàn
Không nung nóng sơ bộ tấm thép C45 trước khi hàn.
4.3.2. Xử lý nhiệt sau khi hàn
Ram thấp toàn phần để khử ứng suất dư và ổn định tổ chức. Nhiệt độ
ram từ 250-3000C bằng thiết bị gia nhiệt điện trở. Thời gian ram khoảng 1-2
giờ. Sau đó giữ nhiệt và làm nguội chậm.
Kết luận Chương 4
Khảo sát và phân tích sự ảnh hưởng của 5 thông số chế độ hàn đến hình
dạng mối hàn và mức độ tham gia của kim loại nền vào mối hàn
Xác định được giá trị các thông số hàn và xây dựng được mối quan hệ

giữa Ih, Vh, Vb, Bm, Le đến D.
Khi hàn PTA, mối hàn chủ yếu được tạo nên bởi bột hợp kim. Vì vậy,
hàn PTA hạn chế được sự tham gia của kim loại nền vào mối hàn, hạn chế
được các khuyết tật hàn như nứt, rỗ, xốp, tách lớp.
Khi hàn PTA, thép C45 dạng tấm có kích thước 100x50x12mm không
nung nóng sơ bộ. Điều này giúp tiết kiệm được chi phí và thời gian chế tạo.

13


Ram thấp toàn phần để khử ứng suất dư và ổn định tổ chức. Mẫu hàn
được ram ở nhiệt độ từ 200-3000C bằng thiết bị gia nhiệt điện trở. Thời gian
ram từ 1-2 giờ. Sau đó giữ nhiệt và làm nguội chậm.
5. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
5.1. Cấu trúc kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (AHN)
5.1.1. Cấu trúc thô đại
Sau khi cắt bằng máy cắt dây, mẫu được mài và đánh bóng bề mặt, tẩm
thực màu để thuận lợi cho quá trình phân tích tổ chức và cấu trúc.

Hình 5.3. Ảnh chụp cấu trúc thô đại mối hàn
5.1.2. Cấu trúc tế vi của kim loại mối hàn và vùng AHN
5.1.2.1. Cấu trúc tế vi kim loại mối hàn
Khi hàn hợp kim bột Eutroloy 16606: Phân tích bằng XRD thấy rằng,
có sự xuất hiện của liên kim Fe-Cr chiếm tỉ lệ khoảng 50% và pha Austenit
γFe-C với tỉ lệ 10,91% trong vùng kim loại mối hàn.

Hình 5.7. Phân tích thành phần và tổ chức kim loại mối hàn bằng XRD
Tại vị trí số 1 trên mối hàn, tổng diện tích được quét là 34825.98µm2,
trong đó diện tích của các bít Crôm là 1178.55µm2, chiếm tỉ lệ 3.38%.

Hình 5.8. Hàm lượng các bít Crôm trong kim loại mối hàn tại vị trí số 1
Tại vị số 2, tổng diện tích quét là 34825.98µm2, tổng diện tích của các
bít Crôm là 1078.56µm2 chiếm tỉ lệ khoảng 3.1%.

Hình 5.9. Hàm lượng các bít Crôm trong kim loại mối hàn tại vị trí số 2
14


Sử dụng SEM và EDS để phân tích cấu trúc, thành phần và hàm lượng
các nguyên tố hợp kim ở các vị trí khác nhau trên mối hàn.

Hình 5.10. Vị trí kiểm tra khi hàn hợp kim bột Eutroloy 16606

Hình 5.11. Thành phần và hàm lượng hợp kim trên pha cứng
Tại vị trí số 1 nằm trên pha cứng, hàm lượng các nguyên tố hợp kim có
sự thay đổi rõ rệt. Hàm lượng nguyên tố Fe lại bị suy giảm khá mạnh sẽ làm
giảm độ dẻo của kim loại mối hàn.

Hình 5.12. Thành phần và hàm lượng hợp kim giữa các pha cứng
Tại vị trí số 2 nằm giữa các pha cứng, hàm lượng các nguyên tố hợp kim
ở vị trí này có sự thay đổi khá nhiều so với vị trí kiểm tra số 1. Các nguyên
tố hợp kim cứng như Cr, W, V bị suy giảm mạnh. Nhưng hàm lượng Fe
tăng lên khá cao sẽ làm tăng độ dẻo và sự liên kết giữa các pha cứng trong
kim loại mối hàn.
Khi hàn hợp kim bột M10:

Hình 5.13. Cấu trúc kim loại mối hàn khi hàn bột hợp kim M10
Trong kim loại mối hàn không có sự tồn tại các khuyết tật như nứt, rỗ
khí, xốp, tách lớp. Các pha cứng là các bít Crôm và các bít Vônfram nằm
xen kẽ nhau.

Hình 5.14. Cấu trúc kim loại mối hàn khi hàn bột hợp kim M10
15


Phân tích XRD thấy xuất hiện hỗn hợp Fe-Cr-C với tỉ lệ 23.67% và pha
Austenit γFe-C với tỉ lệ 39.54%.

Hình 5.15. Phân tích thành phần và tổ chức pha bằng XRD
Tại vị trí số 1, tổng diện tích quét là 238463.04µm2, tổng diện tích của
các bít Crôm là 14008.93µm2 chiếm tỉ lệ 5.87%.

Hình 5.16. Hàm lượng các bít Crôm trong kim loại mối hàn tại vị trí số 1
Tại vị trí số 2, tổng diện tích quét là 238463.04µm2, tổng diện tích của
các bít Crôm là 13476.42µm2 chiếm tỉ lệ 5.65%.

Hình 5.17. Hàm lượng các bít Crôm trong kim loại mối hàn tại vị trí số 2
Tại vị trí số 1, tổng diện tích quét là 238463.04µm2, tổng diện tích của
các bít Vônfram là 5231.13µm2 chiếm tỉ lệ 2.19%.

Hình 5.18. Hàm lượng các bít Vônfram trong kim loại mối hàn tại vị trí số 1
Tại vị trí số 2, tổng diện tích quét là 238463.04µm2, tổng diện tích của
các bít Vônfram là 4834.46µm2 chiếm tỉ lệ 2.03%.

Hình 5.19. Hàm lượng các bít Vônfram trong kim loại mối hàn tại vị trí số 2
Phân tích thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong mối
hàn bằng kỹ thuật SEM và EDS.

Hình 5.20. Vị trí kiểm tra trên mối hàn khi hàn bột hợp kim M10
16

Tại vùng kiểm tra số 1 nằm trên pha cứng, các nguyên tố hợp kim với
hàm lượng như sau Cr=25.9%, W=0.2%, Fe=73.9%.

Hình 5.21. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim tại vùng kiểm
tra số 1 nằm trên pha cứng khi hàn hợp kim bột M10
Tại vùng kiểm tra số 2 nằm giữa các pha cứng, hàm lượng các nguyên tố
hợp kim lần lượt như sau W=0.5%, Cr=15.4%, Fe=83%, Si=0.9%, V=0.2%.

Hình 5.22. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim tại vùng kiểm
tra số 2 nằm giữa các pha cứng khi hàn hợp kim bột M10
5.1.2.2. Cấu trúc tế vi kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt
Thép các bon C45, có cấu trúc Ferritic và Pearlitic.

Hình 5.23. Cấu trúc tế vi kim loại trong vùng AHN
5.1.2.3. Cấu trúc kim loại vùng ranh giới
Khi hàn hợp kim bột Eutroloy 16606:

Hình 5.25. Cấu trúc kim loại vùng ranh giới giữa mối hàn với nền C45

Hình 5.26. Cấu trúc siêu tế vi vùng ranh giới giữa mối hàn với nền C45
Phân tích thành phần vùng ranh giới bằng EDS.

Hình 5.28. Vùng ranh giới giữa mối hàn và nền C45
17


Hình 5.29. Phân bố các nguyên tố hợp kim trong vùng ranh giới

Hình 5.30. Thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim
Khi hàn hợp kim bột M6:

Hình 5.31. Cấu trúc kim loại vùng ranh giới giữa mối hàn với nền C45
Ở vùng này, có sự tập trung nhiều các bít Crôm dạng sợi và các bít
Vônfram dạng hạt. Không thấy tồn tại khuyết tật mối hàn như nứt, rỗ khí,...

Hình 5.32. Cấu trúc tế vi kim loại vùng ranh giới (x5000)
Có sự xuất hiện các các bít cứng gần đường ranh giới giữa mối hàn với
kim loại nền C45.
5.2. Sự khuếch tán và hòa tan các nguyên tố hợp kim
Sự hòa tan và khuếch tán các nguyên tố hợp kim xảy ra trong quá trình
lỏng và tập trung chủ yếu ở gần vùng ranh giới giữa kim loại mối hàn và
kim loại nền C45.

Hình 5.34. Mật độ và sự phân bố của các nguyên tố hợp kim
Phân tích các điểm khác nhau nằm trên đường thẳng vuông góc với
đường phân giới giữa mối hàn và kim loại nền C45.

18


Hình 5.38. Xác định thành phần và hàm lượng các nguyên tố

Hình 5.39. Biểu đồ phân bố các nguyên tố hợp kim

Hình 5.40. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim
Ở trên pha cứng nằm, hàm lượng Fe bị suy giảm khá mạnh. Thay vào
đó có sự gia tăng đáng kể hàm lượng W và Cr trong mối hàn.
5.3. Độ cứng của kim loại mối hàn và vùng AHN

5.3.1. Độ cứng kim loại vùng mối hàn
Khi hàn bằng hợp kim bột Eutroloy 16606:

Hình 5.41. Các vị trí kiểm tra độ cứng trên mối hàn bột Eutroloy 16606
Bảng 5.4. Độ cứng của kim loại mối hàn bột Eutroloy 16606
Kiểm tra
Các vị trí
Khoảng cách các
Độ cứng
Độ cứng
độ cứng
kiểm tra
điểm đo (µm)
(HV0.1)
(HRC)
A1
350
812
64.3
A2
250
795
63.8
Vùng kim
A3
150
787
63.5
loại mối
A4

50
767
62.8
hàn
A5
50
760
62.5
A6
50
773
63.0
A7
20
689
59.6
Khi hàn bằng hợp kim bột M2:

Hình 5.43. Các vị trí kiểm tra độ cứng trên mối hàn bột M2
19


Bảng 5.5. Độ cứng của kim loại mối hàn khi hàn hợp kim bột M2
Kiểm tra
Các vị trí
Khoảng cách các
Độ cứng
Độ cứng
độ cứng
kiểm tra

điểm đo (µm)
(HV0.1)
(HRC)
H1
400
665
58.6
Vùng kim
H2
300
647
57.7
loại mối
H3
200
646
57.6
hàn
H4
100
614
56.0
5.3.2. Độ cứng kim loại vùng ranh giới
Khi hàn bằng hợp kim bột Eutroloy 16606:

Hình 5.45. Các vị trí kiểm tra độ cứng ở vùng ranh giới
Bảng 5.6. Độ cứng vùng ranh giới khi hàn bột Eutroloy 16606.
Vùng kiểm
Vị trí kiểm Khoảng cách các
Độ cứng

Độ cứng
tra độ cứng
tra
điểm đo (µm)
(HV0.1)
(HRC)
Vùng phân
A8
0
504
49.4
giới
A9
10
520
50.4
Khi hàn bằng hợp kim bột M2:

Hình 5.46. Độ cứng vùng ranh giới khi hàn hợp kim bột M2
Bảng 5.7. Độ cứng vùng ranh giới khi hàn hợp kim bột M2
Vùng kiểm
Vị trí
Khoảng cách các
Độ cứng
Độ cứng
tra độ cứng kiểm tra
điểm đo (µm)
(HV0,1)
(HRC)
Vùng phân

H5
10
520
50.4
giới
H6
0
519
50.4
5.3.3. Độ cứng kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt
Khi hàn bằng hợp kim bột Eutroloy 16606:

Hình 5.47. Độ cứng vùng AHN khi hàn bột Eutroloy 16606.

20


Bảng 5.8. Độ cứng kim loại AHN khi hàn bột Eutroloy 16606.
Vùng
Vị trí
Khoảng cách các
Độ cứng
Độ cứng
kiểm tra
kiểm tra
điểm đo (µm)
(HV0,1)
(HRC)
A10
20

462
46.3
Vùng
A11
200
420
42.7
AHN
A12
400
393
40.1
Khi hàn bằng hợp kim bột M2:

Hình 5.48. Độ cứng vùng AHN khi hàn hợp kim bột M2
Bảng 5.9. Độ cứng vùng AHN khi hàn bột hợp kim M2.
Vùng kiểm
Vị trí
Độ cứng
Độ cứng
Khoảng cách các
tra
kiểm tra
(HV0,1)
(HRC)
điểm đo (µm)
H7
100
357
36.3

Vùng
H8
200
342
34.6
AHN
H9
300
321
32.3
5.4. Khả năng chịu mài mòn của kim loại mối hàn
5.4.1. Mối quan hệ giữa độ mòn và độ cứng
Thể tích mòn được xác định theo công thức sau [56]:
L
(5.1)
V K
S
3H

Trong đó: H là độ cứng của vật liệu
K là hằng số phụ thuộc vào đặc điểm quá trình mài.
Thể tích mòn (V) tỉ lệ thuận với khoảng cách trượt (S) và lực tải (L),
nhưng tỉ lệ nghịch với độ cứng (H) của vật liệu.
5.4.2. Kiểm tra mài mòn trong điều kiện khô
Mẫu hàn được tiện hạ bậc đạt đường kính 3.9mm, chiều dài 15mm,
độ nhám bề mặt đạt cấp 7c tương đương Ra=0.8µm [10].
Khi hàn bằng hợp kim bột Eutroloy 16606:
Hình 5.51. Mẫu thử mài mòn theo tiêu chuẩn ASTM G99-04

Hình 5.52. Biểu đồ biểu diễn quá trình mòn của mẫu hàn Eutroloy 16606

21


Sau thời gian mài là 900 giây, lực tải là 30N và quãng đường mài là
28.2m, chiều dài đoạn mòn đo được là 54µm, khối lượng mòn của mẫu hàn
là 2242.10-4g. Hệ số mòn trung bình của kim loại lớp đắp là 0.378.
Khi hàn bằng hợp kim bột M10:
Hình 5.53. Mẫu thử mài mòn theo tiêu chuẩn ASTM G99-04

Hình 5.54. Biểu đồ biểu diễn quá trình mòn mẫu hàn M10
Sau thời gian mài là 900 giây, lực tải là 30N và quãng đường mài là
28.2m, chiều dài đoạn mòn là 67µm, khối lượng mòn của mẫu hàn là
2339.10-4g. Hệ số mòn trung bình của kim loại lớp đắp là 0.58.
Kết luận Chương 5
Kích thước của vùng AHN của mối hàn là tương đối nhỏ vì năng lượng
đường thấp hơn so với các phương pháp hàn khác.
Kim loại mối hàn có cấu trúc dạng hạt và dạng sợi. Không có sự tồn tại
các khuyết tật như nứt, rỗ khí, xốp, tách lớp.
Cấu trúc mối hàn gồm các pha cứng Cácbít và Máctensít nằm xen kẽ
nhau.
Các bít Vônfram bị nóng chảy một phần, phần còn lại không bị nóng
chảy mà tồn tại ở dạng hạt cứng nằm phía dưới chân mối hàn làm tăng
cường khả năng chịu mài mòn cho kim loại mối hàn.
Phân tích bằng XRD thấy có sự xuất hiện của hỗn hợp Fe-Cr-C với tỉ lệ
23.67% và Austenit γFe-C với tỉ lệ 39.54% trong vùng kim loại mối hàn.
Hàm lượng các bít Crôm và các bít Vônfram trong kim loại mối hàn là
gần tương đương nhau.
Các bít Crôm dịch chuyển từ hợp kim bột M10 vào mối hàn đạt tỉ lệ
72%, số còn lại có thể bị mất mát do bay hơi hoặc bắn tóe.
Các bít Vônfram dịch chuyển từ hợp kim bột M10 vào mối hàn đạt

26.4%, tỉ lệ này là không cao vì một phần lớn WC không bị nóng chảy và
không hòa tan vào kim loại mối hàn, mà tồn tại ở dạng hạt cứng.
Hàm lượng các nguyên tố W, V, Mo và C trên pha cứng tăng lên rất cao
so với hàm lượng của chúng trong hợp kim bột Eutroloy 16606 ban đầu.
Hàm lượng các nguyên tố hợp kim cứng như Cr, W, V và Mo ở giữa các
pha cứng bị suy giảm khá mạnh so với vị trí kiểm tra trên pha cứng.
Ở vùng kim loại mối hàn gần đường phần giới với kim loại nền C45, có
sự tập trung nhiều các bít Crôm dạng sợi và các bít Vônfram dạng hạt.
22


Không thấy xuất hiện liên kim trên vùng ranh giới, ở một số vị trí, chân
mối hàn bị hòa tan hoàn toàn vào kim loại nền C45.
Các nguyên tố hợp kim Cr, W, V, Mo khuếch tán từ kim loại mối hàn
sang kim loại nền C45. Chúng chỉ xuất hiện trong vùng AHN ở khu vực gần
đường phân giới với kim loại mối hàn. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim
bị khuếch tán và hòa tan vào tấm nền là không nhiều.
Độ cứng ở các vùng là khác nhau và có xu hướng giảm dần từ đỉnh mối
hàn đến vùng ranh giới giữa kim loại mối hàn với kim loại cơ bản.
Khi hàn hợp kim bột Eutroloy 16606, kiểm tra mài mòn theo tiêu chuẩn
ASTM G99-04, sau thời gian mài là 15 phút, với lực tải là 30N, quãng
đường mài là 28.2m, chiều dài đoạn mòn là 54µm, thì khối lượng mòn của
mẫu hàn là 2242.10-4g. Hệ số mòn trung bình của kim loại lớp đắp là 0.378.
Khi hàn hợp kim bột M10, kiểm tra mài mòn theo tiêu chuẩn ASTM
G99-04, sau thời gian mài là 15 phút, với lực tải là 30N, quãng đường mài
là 28.2m, chiều dài đoạn mòn là 67µm, thì khối lượng mòn của mẫu hàn là
2339.10-4g. Hệ số mòn trung bình của kim loại lớp đắp là 0.58.
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN
1. Khi hàn đắp tạo bề mặt cứng, chịu mài mòn trên nền thép C45 kích
thước 100x50x12mm bằng quá trình hàn PTA với bột hợp kim nền Fe, phôi

hàn không cần nung nóng sơ bộ trước khi hàn. Mối hàn không có khuyết
tật, mức độ tham gia kim loại nền vào mối hàn được hạn chế ở mức
D<10%.
2. Các thông số chế độ hàn gồm cường độ dòng hàn (I h), tốc độ hàn
(Vh), lưu lượng bột (Vb), biên độ dao động mỏ hàn (Bm) và chiều dài hồ
quang (Le) có ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng, kích thước và mức độ
tham gia của kim loại nền vào mối hàn (D). Mức độ ảnh hưởng của các
thông số này đến D là khác nhau, cụ thể Ih, Bm và Le tỉ lệ thuận với D. Trong
đó, mức độ ảnh hưởng của Ih đến D là lớn nhất, mức độ ảnh hưởng của B m
và Le đến D là thấp hơn rất nhiều so với Ih. Ngoài ra, Vh và Vb tỉ lệ nghịch
với D, mức độ ảnh hưởng của Vh và Vb đến D là gần như nhau.
3. Kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm là cơ sở để xác định thành
phần, hàm lượng; từ đó pha trộn hỗn hợp bột hợp kim M bằng phương pháp
cơ học, với thành phần cơ bản là bột WC, Cr3C2 và Fe, trong đó Fe được
chọn làm nền. Giá trị của H tỉ lệ thuận với sự thay đổi hàm lượng của WC
và Cr3C2, nhưng tỉ lệ nghịch với sự thay đổi hàm lượng Fe.
4. Các bít Crôm dịch chuyển từ hợp kim bột M10 vào mối hàn, nóng
chảy và hòa tan đạt tỉ lệ 72%. Các bít Crôm bị nóng chảy và hòa tan hoàn
toàn vào kim loại mối hàn.
5. Các bít Vônfram dịch chuyển từ hợp kim bột M10 vào mối hàn, nóng
chảy và hòa tan đạt tỉ lệ 26.4%. Các bít Vônfram bị nóng chảy một phần,
phần còn lại không bị nóng chảy mà tồn tại trong mối hàn ở dạng hạt cứng.
23