NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHUN PLASMATRONG PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
--------------------

PHAN ĐỨC KHÁNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHUN PLASMA
TRONG PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá
nông, lâm nghiệp
Mã số
: 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐÀO QUANG KẾ

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng
tôi. Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tác giả luận văn

Phan Đức Khánh

2

2


LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và cộng
tác nhiệt tình của nhiều tập thể cũng như các cá nhân trong và ngoài Trường Đại
học Nông nghiệp Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về công nghệ hàn
và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí. Đến nay luận văn
của tôi đã hoàn thành, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Phó giáo sư, Tiến
sĩ Đào Quang Kế đã 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 điện, Viện đào
tạo sau đại học, đặc biệt là Bộ môn Công nghệ Cơ khí Trường Đại học Nông nghiệp
Hà Nội đã đóng góp ý kiến, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện
và hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn Tiến sĩ Hoàng Văn Châu, Thạc sỹ Lục Vân
Thương, các cán bộ của Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về công nghệ hàn
và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí đã giúp đỡ, tạo mọi
điều 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 được gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo đã
giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức khoa học trong suốt thời gian
học tập ở lớp Cao học Cơ khí nông nghiệp khóa 18, Trường Đại học Nông
nghiệp Hà Nội.
Tôi xin chân thành cám ơn !
Tác giả luận văn

Phan Đức Khánh

3

3


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cám ơn
Mục lục
Danh mục bảng
Danh mục hình

4

4


STT

5

Tên bảng

Trang

5


STT

6

Tên hình

Trang

6


MỞ ĐẦU
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 điều kiện làm việc, chúng ta phải chế
tạo được 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 định đến tuổi thọ, độ tin cậy, độ bền của
máy móc, kết cấu công trình. Thêm vào đó, xu thế nâng cao năng suất và tác dụng
nhanh của thiết bị làm cho điều kiện làm việc của chúng thêm khắc nhiệt, buộc
khoa học - công nghệ phải giải quyết nhiều vấn đề 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 đã mòn, mỏi mất hết
giá trị sử dụng, ví dụ kích thước xuống quá giới hạn, không đảm bảo độ bền cũng
như dung sai lắp ghép theo đúng thiết kế vv… có ý nghĩa kinh tế vô cùng lớn.
Ngày nay để giải quyết các vấn đề trên, chúng ta có nhiều gải pháp công nghệ.
Ví dụ mạ điện 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 điện, hàn đắp, 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 đắp, phun phủ mà thôi. Phun phủ cho phép phục hồi
các chi tiết máy cần chiều dày phục hồi lớn nhưng lại không làm thay đổi cấu trúc tế
vi của kim loại nền, không gây biến dạng chi tiết, bề mặt chi tiết được phủ các lớp
oxit và đặc biệt bề mặt có thể được phủ các lớp vật liệu phi kim loại – đây chính là

những điều mà các công nghệ khác không thực hiện được.
Để phủ lên bề mặt làm việc của các chi tiết máy một lớp vật liệu đặc biệt
nào đó người ta có thể sử dụng nhiều biện pháp công nghệ khác nhau. Một trong
những biện pháp công nghệ đó là phun phủ plasma. Do plasma có nhiệt độ rất cao,
có thể dễ dàng hóa lỏng được tất cả các loại vật liệu kim loại mà kỹ thuật có thể tạo
ra từ trước đến nay. Cho nên phun phủ plasma đang ngày càng được ứng dụng rộng
rãi để chế tạo, phục hồi các chi tiết máy phục vụ trong nhiều ngành như: luyện kim
màu, luyện kim đen, chế tạo máy, hàng không, kỹ thuật điện- điện tử, xây dựng,

7

7


công nghiệp hóa dầu, thực phẩm, dệt,… thể hiện tính ưu việt so với các
phương pháp tạo lớp phủ khác.
Xuất phát từ những yêu cầu nêu trên, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Đào
Quang Kế sự giúp đỡ của các thầy giáo trong Bộ môn Công nghệ Cơ khí –
Khoa Cơ điện – Trường Đại học Nông nghiệp Hà tôi đã chọn đề tài
nghiên cứu: “Nghiên cứu ứng dụng phun plasma trong phục
hồi chi tiết máy”. Nội dung và nhiệm vụ của đề tài bao gồm:
-

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

-

Chương 2: Đối tượng, và phương pháp nghiên cứu

-

Chương 3: Công nghệ phun Plasma

-

Chương 4: Thực nghiệm và ứng dụng

-

Kết luận và kiến nghị

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế
vì vậy nên sẽ không tránh khỏi thiết sót. Rất mong sự đóng góp của các thầy và
các bạn đồng nghiệp.

8

8


•

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu được sử
dụng trong hơn nửa thế kỷ nay. Công dụng chủ yếu của phun phủ là bảo vệ các kết
cấu và các chi tiết làm việc trong môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiết
máy bị mòn, ăn mòn và xâm thực.
Sự phát triển mạnh mẽ về thiết bị, vật liệu công nghệ phun trong vài chục
năm gần đây đã đưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, góp
phần đáng kể vào tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn

trong lĩnh vực chế tạo và phục hồi.
Ở Việt Nam, nhiều ngành công nghệ lớn đang phát triển với tốc độ nhanh, như:
đóng tàu, hàng không, dầu khí, xây dựng, hoá học, chế tạo máy... Việt Nam là một
nước nhiệt đới khí hậu luân nóng ẩm(độ ẩm cao 80 - 90%) – Thường tốc độ
ăn mòn trong điều kiện khí hậu nhiệt đới cao khoảng gấp 2 lần so
với vùng khí hậu ôn đới, chính vì vậy làm cho các chi tiết kết cấu rất
dễ bị phá huỷ do ăn mòn. Hàng năm, nhà nước phải nhập ngoại hàng ngàn tỉ
đồng vật liệu và phụ tùng thay thế; phải chi hàng trăm tỉ đồng cho việc thuê các nước
phun phủ phục hồi các chi tiết và kết cấu bị hư hỏng dưới dạng ăn mòn và mài mòn.
Việc nâng cao chất lượng bề mặt, phục hồi các chi tiết máy để kéo
dài tuổi thọ cho chi tiết kết cấu càng là vấn đề trở nên cấp thiết. Đề
tài này sẽ góp phần giải quyết vấn đề đó.

•

Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):
Nghiên cứu tính toán xác lập, lựa chọn các thông số chế độ công nghệ tối
ưu c ủ a c ô n g n g h ệ phun Plasma, thiết lập Quy trình công nghệ phục hồi một
số chi tiết máy bằng phun Plasma.

•

Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- Nghiên cứu lựa chọn một số vật liệu phun phù hợp với phục
hồi chi tiết máy;
- Nghiên cứu Công nghệ và xây dựng quy trình công nghệ
phun Plasma;

9

9


- Thực nghiệm trên mẫu và đánh giá kết quả;
- Ứng dụng công nghệ trong sản xuất.

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm phun phủ kim loại [1], [2]
Kỹ thuật tạo lớp phủ bằng công nghệ phun phủ bề mặt thực chất là đưa các
hạt rắn vào dòng vật chất có năng lượng cao: dòng khí cháy hoặc dòng plasma ( tạo
bằng hồ quang hoặc bằng tần số radio) nhằm: tăng tốc độ hạt rắn, nung hạt nóng
chảy ( có thể chỉ nóng chảy một phần), đẩy hạt nóng chảy đến bề mặt chi tiết cần
phủ. Do ảnh hưởng của các biến cứng lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ
bám chắc vào lớp nền.
Có nhiều phương pháp phủ trên mặt chi tiết và kết cấu tuỳ theo mục đích sử
dụng và điều kiện làm việc của chúng. Có những lớp phủ bảo vệ hoặc trang trí; có
những lớp phủ đặc biệt với những tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu mài
mòn, chịu nhiệt và cách nhiệt…
Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào điều kiện
làm việc của các chi tiết và kết cấu. Ngoài ra sự cải thiện chất lượng bề mặt của vật
liệu cũng cho phép thiết kế và chế tạo máy móc và thiết bị năng suất hơn.
Nhóm phương pháp phủ bề mặt vật liệu:
a. Các phương pháp hóa học và điện ly
Photphat hoá, sunfit hoá (phương pháp hoá học); mạ niken, mạ crom, oxit
hoá (phương pháp điện ly). Lớp phủ photphat hoá (còn gọi tẩm photphat) dùng để
trang trí và bảo vệ chống gỉ. Lớp phủ sunfit hoá có tác dụng nâng cao độ bền mòn.
Các lớp phủ bằng mạ niken, mạ crom hay oxit hoá đều có tác dụng trang trí, bảo vệ
và chống mài mòn.
b. Các phương pháp vật lý
Các phương pháp phủ vật lý bao gồm tráng nhôm, nhúng kẽm khuếch tán

(khuếch tán bột nhôm, bột crôm, tẩm các bon, tẩm nitơ hoặc tẩm hỗn hợp cac bon –
nitơ). Sự tôi bề mặt, sự phủ chân không và sự thiêu kết thủy tinh với mặt kim loại

10

10


cũng thuộc nhóm phương pháp phủ vật lý. Hầu hết các phương pháp thuộc nhóm
này đều cho các lớp phủ có độ bền mòn, bền nhiệt cao, và tính chống gỉ tốt.
c. Các phương pháp cơ học
Phủ bề mặt kim loại bởi một tấm kim loại khác bằng công nghệ cán, đúc, hàn
nổ…; tăng bề mặt bằng xảm; tăng các tính chất đặc biệt khác bằng phun phủ.
Nhóm phương pháp cơ học. Các tấm kim loại phủ bằng phương pháp đúc, cán hoặc
hàn nổ có thể là thép không gỉ, niken, monen, đồng titan… Chúng được dùng để
bảo vệ kim loại khỏi bị gỉ. Lớp xảm tăng cường có chiều dày 0,3 ÷ 0,5mm có tác
dụng tăng độ bền mỏi mà không làm thay đổi cấu trúc của kim loại.
Lớp phun phủ được hình thành trên bề mặt chi tiết là nhờ nguồn nhiệt từ
ngọn lửa khi đốt hoặc nhờ hồ quang điện. Nguồn nhiệt đốt nóng các phần tử kim
loại phun tới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy; dưới áp lực của không khí
hoặc hỗn hợp khí cháy các phần tử kim loại chuyển động với tốc độ rất cao tới bề
mặt vật phun tạo thành lớp phun.
Công nghệ phun phủ có những ưu điểm nổi trội so với các công nghệ khác:
- Bằng phun phủ có thể phủ các vật liệu rất khác nhau trên bề mặt chi tiết.
Chẳng hạn, có thể phủ kim loại trên kính, vải, gỗ, giấy...
- Có thể phun trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc các vùng nhỏ của chi tiết
lớn, trong khi đó, bằng các phương pháp khác như: nhúng, mạ khuếch tán... không
thể thực hiện được mục đích này do không có các thiết bị phụ trợ thích hợp (như bể
chứa hoặc thiết bị nung nóng). Phun phủ là phương pháp tiện lợi nhất và kinh tế
nhất đối với các chi tiết có yêu cầu mặt phủ lớn.

- Cũng như hàn đắp, phun phủ cho phép tạo lớp đắp với chiều dày tương đối
lớn (để phục hồi các chi tiết bị mài mòn)
- Thiết bị phun phủ khá đơn giản và gọn nhẹ, có thể di chuyển dễ dàng và
nhanh chóng. Chẳng hạn, khi phun bằng ngọn lửa khí chỉ cần máy nén khí, mỏ đốt
và bình khí. Khi có nguồn điện có thể ứng dụng phương pháp phun điện với những
súng phun cầm tay rất tiện lợi.
- Chi tiết phun ít bị biến dạng, trong khi đó, sự đốt nóng toàn phần hoặc cục bộ
các chi tiết phủ bằng các phương pháp khác có thể gây biến dạng lớn.

11

11


- Bằng phương pháp phun có sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp.
Trong trường hợp này, phun phủ được tiến hành trên mặt khuôn mẫu. Sau khi phun
khuôn mẫu được tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun.
- Quá trình công nghệ phun phủ đảm bảo năng suất cao và khối lượng công
việc không lớn.
Công nghệ phun phủ có các nhược điểm sau:
- Khi chi tiết phun nhỏ, phun phủ ít hiệu quả do tổn hao vật liệu phun lớn.
Trong trường hợp này, kinh tế hơn là sử dụng phương pháp khác.
- Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi phun gây ô nhiễm môi trường làm việc
do phải sử dụng các thiết bị tẩy rửa và làm sạch như máy phun cát, phun bi, phun
bột kim loại và các dung dịch tẩy rửa khác.
- Trong quá trình phun, các hạt phun có thể bắn tung toé, đồng thời có thể tạo
các hợp chất có hại cho sức khoẻ của người công nhân.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái ion hoá đặc biệt của khí
được định nghĩa từ năm 1923 [2], [10]. Trong trạng thái này các phân tử khí sẽ
trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí. Để đưa đến trạng thái ion
hoá của các phân tử khí cần phải tạo nên và duy trì một môi trường và một nguồn
năng lượng thích hợp.
Người đầu tiên phát minh ra phương pháp phun phủ là Shoop – kỹ sư Thụy
Điển. Vào năm 1910 ông đã chế tạo được máy phun kim loại đầu tiên. Theo
phương pháp của ông, kim loại lỏng được rót vào luồng không khí nóng thoát ra
từ vòi đốt. Dưới tác dụng của luống khí nóng áp suất cao, kim loại lỏng bị tách
thành từng hạt nhỏ bắn vào bề mặt vật phun.
Máy phun dựa trên nguyên lý trên không có độ tin cậy cao và cho năng suất
rất thấp. Sự phát triển của kỹ thuật đòi hỏi phải tạo được các máy móc thiết bị tin
cậy và năng suất hơn, có khả năng phun những vật liệu đa dạng nhất.
Nhiều nguồn nhiệt có năng lượng cao và làm việc tin cậy đã được sáng chế;
những phương pháp cấp vật liệu phun vào chùm nhiệt độ cao được phát minh.

12

12


Ngày nay có rất nhiều kiểu máy phun cho năng suất lao động cao nhờ quá
trình phun được tự động hóa.
Dựa theo nguồn năng lượng nhiệt được cung cấp để làm nóng chảy vật liệu
phun, có thể phân các phương pháp phun thành hai nhóm: phun ngọn lửa khí và
phun điện. Phun ngọn lửa khí, nhiệt phát sinh bởi sự đốt cháy hỗn hợp khí đốt và
oxi. Phun điện dựa nguyên tắc sử dụng nhiệt của hồ quang điện.
Phương pháp phun ngọn lửa khí có ứng dụng rộng rãi nhất. Nó được dùng
để phun và làm nóng chảy các hợp kim tự bảo vệ trên nền niken và coban, và để
phun các vật liệu gốm và khó chảy khác. Một trong những dạng đặc biệt của

phun ngọn lửa khí là phun nổ - dùng năng lượng nổ của hỗn hợp khí axetylen và
oxi. Dạng này cho phép phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn.
Phương pháp phun kim loại bằng hồ quang điện là dạng cũ nhất trong số
các dạng phun phủ điện. Trước đây hồ quang điện xoay chiều được sử dụng để
phun kim loại, do đó quá trình phun dây không ổn định. Hiện nay, tính ổn định của
quá trình phun được đảm bảo bởi việc sử dụng hồ quang dòng một chiều trong các
máy phun kim loại.
Trong những năm gần đây, thiết bị phun plasma dùng để phun cảm ứng tần
số cao có khả năng công nghệ rộng hơn cả, có thể phun bất kỳ vật liệu nào[2].
Trong công nghệ phun plasma, lớp phủ luôn có xu hướng bị bong tróc do
nhiều nguyên nhân khác nhau. Nhưng nguyên nhân chính là do hệ số giãn nở
vì nhiệt khác nhau giữa các vật liệu (nền, lớp lót và lớp phủ). Vì vậy, giữa các
lớp khác nhau xuất hiện ứng suất dư.
Để giảm thiểu quá trình bóc tách giữa các lớp, việc giảm hoặc khử hoàn
toàn ứng suất dư là một trong các biện pháp công nghệ hiệu quả nhất. Ngày nay,
có nhiều phương thức khác nhau nhằm giảm ứng suất dư tồn tại trong lớp phủ.
Một trong những phương thức đơn giản và hiệu quả nhất là xử lý nhiệt chi tiết sau
khi phun phủ.
Hiện nay, công nghệ phun Plasma [1], [5], [10] là một trong những công nghệ
tiên tiến được phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp phát triển như: Anh,
Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy Điển… với dây chuyền công suất

13

13


rất cao, có thể lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong một
ngày. Tại các nước có công nghệ khoa học phát triển đều thành lập
các viện, trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công

nghệ phun phủ: Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội
phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS, viện Công nghệ Bombay (Ấn Độ), viện
Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)... hàng năm
đều có các cuộc hội thảo báo cáo quốc tế về lĩnh vực này. Các hiệp
hội đều có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh vực
này.
Dưới đây là sơ đồ hệ thống phun plasma (hình 1.1) và cấu tạo súng phun
(hình 1.2).

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống phun plasma [16]

14

14


Hình 1.2. Cấu tạo của súng phun plasma [16]
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, công nghệ phun plasma trong những năm gần đây đã được
chuyển giao vào Việt Nam. Tại Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn & xử
lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí và một cơ sở của quân đội đã có được thiết bị
nhập từ nước ngoài.
Có thể nói ở Việt Nam Khoa học Công nghệ phun phủ kim loại còn đang
trong giai đoạn nghiên cứu ứng dụng các thành quả của thế giới [10], [11]. Đã có
một số đề tài cấp bộ, cấp nhà nước nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ của
một số cơ quan, viện , trường đại học…( Đề tài B91-01-04A của Trường ĐH Bách
Khoa Hà Nội; Đề tài KC 04 - 02 của Viện Công nghệ Bộ Quốc phòng; Đề tài
897/KT của Bộ Giao thong vận tải…). Cũng đã có một số cơ sở ứng dụng công
nghệ sản xuất ứng dụng một vài phương pháp công nghệ phun phủ: Liên doanh dầu
khí vũng tàu; công ty cơ khí MAR 60 – Thủy lợi; Viện nghiên cứu cơ khí; Viện

năng lượng Mỏ; Viện công nghệ Bộ Quốc phòng… đã ứng dụng công nghệ phun
hồ quang điện với dây phun, thực hiện trên các đầu phun EM6, EM9. EM13,…để
tạo lớp bảo vệ chống gỉ Al, Zn. Các cơ sở như Công ty cơ khí sửa chữa Thủy Lợi;
Viện kỹ thuật giao thong; Cơ khí Quang Trung; Đại Học Bách khoa Hà Nội; Nhà
máy Cơ khí đạm Hà Bắc… đã phun tạo lớp chống mài mòn từ các dây thép các bon
cao; thép Mn; thép Cr- Ni, … được phun trên các súng phun EM9; EMP- 2- 57…

15

15


Tuy nhiên, việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lượng lớp phủ chưa
được các tác giả quan tâm một cách đúng mức. Mặc dù, một số sản phẩm phun
phủ đã và đang được sử dụng rộng rãi.
Vì vậy, đề tài này đặt ra một quy trình công nghệ xử lý bề mặt từ bản chất của
quá trình phun phủ để giảm thiểu các hư hỏng do quá trình bong tróc và nâng
cao chất lượng chi tiết máy.
Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quy
trình công nghệ phun và xử lý ứng suất dư phù hợp đảm bảo chất lượng phủ
và khả năng làm việc là hết sức cần thiết.

Hình 1.3. Một số sản phẩm phục hồi bằng phun phủ

16

16


1.3. Kết luận chương I

Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các công nghệ phun phủ, ta nhận thấy
phương pháp phun phủ plasma là phương pháp tiên tiến trong công nghệ phun phủ
phục hồi chi tiết máy. Ngày nay, nguyên vật liệu phục vụ cho quá trình phun phủ
plasma (khí Ar, H2, He; bột kim loại) rất phổ biến. Vì vậy, việc áp dụng phương
pháp phun plasma không còn gặp khó khăn về nguyên vật liệu, mà vần đề cần
giải quyết là: Cần làm sáng tỏ hơn nữa về mặt lý thuyết bằng các thực nghiệm để
từ đó thiết lập được quy trình công nghệ phù hợp với từng đối tượng cụ thể.

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
- Đối với mẫu thử: Vật liệu nền là thép C45, mẫu được chế tạo theo tiêu
chuẩn thử độ bền bám dính JIS- H8664- 1977.
- Sản phẩm ứng dụng: Phục hồi trục khuỷu động cơ ô tô.

2.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ phun phủ plasma trong các tài liệu.
Tìm hiểu trang thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãng PRAXAIRJAFA do mỹ sản xuất.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng cách phun cho một số mẫu và các
chi tiết máy.

2.3. Địa điểm nghiên cứu
- Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt- Viện
Nghiên cứu cơ khí- Bộ công thương.
- Phòng thực tập Kim loại học và Nhiệt luyện thuộc bộ môn công nghệ cơ

17

17

khí Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội.

2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết công nghệ phun phủ plasma qua các tài liệu, tìm
hiểu ứng dụng công nghệ này trên thế giới và ở Việt Nam.
Nghiên cứu quá trình phun Plasma và các yếu tố ảnh hưởng chất lượng
sản phẩm khi phun phủ trong đó trọng tâm của đề tài là nghiên cứu phun phủ
Plasma.

2.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu, tìm hiểu thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãng
PRAXAIR- JAFA do mỹ sản xuất. Được lắp đặt tại Phòng thí nghiệm trọng
điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt- Viện nghiên cứu cơ khí- Bộ công thương.
Xây dựng chế độ phun phù hợp cho các loại vật liệu nền. Với vật liệu
phun bột hợp kim Ni-Cr-Si-B. Tiến hành đánh giá chất lượng sản phẩm qua các
chỉ tiêu về độ cứng bề mặt, độ bám dính, tổ chức tế vi… Từ đó tìm được chế độ
phun phủ plasma phù hợp nhất.

2.4.3. Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm
Các số liệu kiểm tra chất lượng sản phẩm sau khi thấm được kiểm tra
theo tiêu chuẩn. Số liệu thu được đo tại ít nhất 3 vị trí khác nhau trên mẫu để
đảm bảo xác suất tin cậy. Nếu số liệu nghi ngờ không đáng tin cậy thì tiến hành
đo lại.
Các giá trị đo được:
Xi ( i = 1,…, n);
Giá trị trung bình:
1
X= n

___

n

∑
i =1

Xi ;

(2-1)

Sai số:
n

σ=

18

∑(X

____

i

− X )2

i =1

n −1

(2-2)

18


Sai số trung bình:

σ

tb

=

σ
n

(2-3)

Giá trị tin cậy được tính theo tiêu chuẩn Student với mức ý nghĩa
α =0,05 bậc tự do ; f= α -1
___

→ Độ tin cậy X ±

tα .σ

(2-4)

tb

Với các số liệu nghi ngờ kiểm tra bằng quy luật phân bố chuẩn X >3 σ thì
loại bỏ.

2.4.4. Phương pháp kiểm tra
a. Soi kim tương
Soi kim tương giúp chúng ta biết tình trạng cấu trúc kim tương lớp phủ như:
ôxy hóa, mức độ xốp và các khuyết tật khác. Căn cứ vào cấu trúc kim tương chúng
ta có thể xác định được chất lượng lớp phủ. Chất lượng tốt thì cấu trúc kim tương
mịn hơn còn chất lượng kém thì cấu trúc kim tương thường có lỗ (xốp) và thô. Soi
tổ chức tế vi và chụp ảnh kim tương lớp phủ và nền trên kính hiển vi quang học.
b. Đo độ cứng Roocwell
Độ cứng Roocwell đo bằng cách ấn mũi đâm tiêu chuẩn ( bi thép tôi hoặc
mũi kim cương dạng chop nón) xuống mẫu thử dưới tải trọng sơ bộ P 0= 10kG
và tải trọng chính P 1, tải trọng chung P = P 1 + P0.
Độ cứng Roocwell là đại lượng quy ước ( không thứ nguyên) và tính bằng
chiều sâu vết lõm h gây ra bởi tải trọng chính P 1 đặt vào rồi bỏ ra.
Giá trị độ cứng Roocwell được tính theo công thức:
HR = k-e

(2-5)

k- hệ số ( mức khởi tính);
k= 100 với thang A, C;
k= 130 với thang B;
∆h
h − ho
=
e = 0,002 0,002 (mm)

(2-6)

Trong đó ho và h là độ sâu vết lõm dưới tác dụng của tải trọng sơ bộ và

19

19


tải trọng chung.
Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi vì nó tương đối đơn giản.
Nhược điểm của phương pháp này là mũi kim cương rất nhạy với rung dao động
của mẫu và máy nên khi kiểm tra phải thật tĩnh.
c. Đo độ bám dính
Để đánh giá độ bền bám dính của lớp phủ với kim loại nền trong đề tài sử
dụng phương pháp kéo theo phương pháp tuyến. Phương pháp này xác định được
ứng suất bám dính giữa lớp phủ với bề mặt kim loại nền theo phương pháp tuyến.
Mẫu thử độ bền bám dính được chế tạo theo tiêu chuẩn JIS H8664- 1977
Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 2-1
Độ bền bám dính pháp là khả năng liên kết giữa lớp phun phủ với bề mặt mút chốt
khi bị kéo.

C
A
B

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kéo chốt
Nguyên lý cấu tạo của mẫu: Chốt B bằng thép C45 được lắp ghép chính xác
với chi tiết A bằng thép C45 sao cho mặt mút của chốt B tạo với mặt mút của chi
tiết A thành cùng một mặt phẳng để phun phủ. Sau khi đã phun phủ đạt yêu cầu kỹ

thuật thì tiến hành kéo chốt B cho đến khi phá hủy mối liên kết giữa mặt mút chốt B
với lớp phủ C. Độ bền bám dính pháp là khả năng liên kết giữa lớp phun phủ với bề
mặt mút chốt khi bị kéo. Ứng suất bám dính được xác định theo công thức (2-7)

20

20


PK
б= F

( 2-7)
2

Trong đó: б - Ứng suất bám dính (Kg/ mm hoặc Mpa);

P

K

- Lực kéo đứt(Kg)
2

F- Diện tích mặt mút chốt ( mm )
Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, nhưng ứng suất của mối
ghép gây ảnh hưởng đến độ chính xác của ứng suất kéo.

21

21


CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA
3.1. Nguyên lý phun Plasma

Hình 3.1. Mặt cắt ngang của súng phun Hồ quang Plasma [16]
Phun plasma là một phương pháp của công nghệ phun phủ kim loại. Nguyên
lý phun plasma [2] là khi một chất khí kết hợp với các phần tử tạo bởi nhiều
nguyên tử được đốt nóng tới nhiệt độ trên 1000 oK, thì xảy ra quá trình phá hủy các
liên kết phân tử và chất khí chuyển sang trạng thái ion. Nhiệt độ của quá trình đó
gọi là quá trình phân ly, được xác định bởi chất khí và áp suất. Các biến đổi xảy ra,
chẳng hạn đối với nitơ, có thể mô tả dưới dạng phản ứng sau:
N 2 + U D → 2N
Ở đây UD – năng lượng phân ly, thông thường được tính bằng điện tử vôn
(eV).
Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, các điện tử tách khỏi nguyên tử và xảy ra sự ion
hóa nguyên tử đó. Dưới áp suất khí quyển và nhiệt độ 1000 0K, các khí như oxi
và nitơ là những khí ion hóa:
N + U i → N + + e,

Ở đây Ui – năng lượng ion hóa của một nguyên tử, eV.

22

22


Chất khí mà trong đó phần lớn các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa và
nồng độ các điện tử và ion âm bằng nồng độ các ion dương, gọi là plasma.

Plasma có độ dẫn điện rất cao.
Các phương pháp phóng điện trong các chất khí, trong đó có cả phóng điện hồ
quang, được ứng dụng rộng rãi nhất để tạo plasma. Plasma có đặc trưng cơ bản là
có độ truyền dẫn điện rất cao và có nhiệt độ cũng rất cao. Người ta phân ra thành
Plasma đẳng nhiệt và Plasma không đẳng nhiệt. Plasma đẳng nhiệt chỉ tồn tại trong
vũ trụ, trong đó có mặt trời của thái dương hệ chúng ta. Mức độ ion hóa ở trạng thái
Plasma đẳng nhiệt xấp xỉ bằng 1 và nhiệt độ của nó vượt 100000ºK. Trong điều
kiện của trái đất chỉ có thể phát sinh Plasma không đẳng nhiệt nghĩa là có sự phân
chia nhiệt độ của các nguyên tử cấu tạo nên Plasma. Mức độ ion hóa của nó phụ
thuộc vào nhiệt độ và áp lực đạt được từ 1 đến 10%, còn nhiệt độ dao động trong
giới hạn từ 5000ºK đến 50000ºK. Phương pháp phun plasma có những đặc điểm
dưới đây. Nhiệt độ cao của tia plasma cho phép phun các vật liệu khó chảy.
Nhiệt độ tia plasma có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi
đường kính miệng phun (đầu bép) và chế độ công tác của súng phun. Điều đó
cho phép phun các vật liệu khác nhau (kim loại, gốm và vật liệu hữu cơ). Do sử
dụng khí trơ làm khí công tác nên lượng oxit tạo thành trong lớp phủ rất nhỏ.
Khi cần thiết có thể tiến hành sự phun trong buồng chứa khí trơ. Các lớp phun
plasma có độ chặt cao và độ bám tốt với vật liệu nền [2], [10].
Dưới đây giới thiệu một số các thông số ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ:

3.1.1. Nhiệt độ trong tia plasma [2],[10]
Khi phun, vật liệu phun được đốt nóng và di chuyển tới mặt vật phun dưới
trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy. Mức độ nóng chảy và cường độ tương
tác của vật liệu phun với môi trường bao bọc nói chung phụ thuộc vào sự phân
bố nhiệt độ trong luồng khí thoát ra khỏi miệng súng phun plasma.
Trên hình 3.2 giới thiệu sự thay đổi nhiệt độ của tia plasma phụ thuộc
khoảng cách phun. Các số liệu nhận được khi phun plasma với súng phun SG-1
của Hãng “Plasmadyne” (Mỹ). Nhiệt độ trung bình ở miệng súng phun với dòng
điện 550A và lượng cấp khí công tác (argon) 30 l/min là 3000-5000 o C; ở

23

23


khoảng cách 50mm là 2200 oC, và ở khoảng cách 100mm là 900 oC.

Hình 3.2. Sự thay đổi nhiệt độ của tia plasma phụ thuộc
vào khoảng cách phun.
Lượng khí công tác tiêu thụ 30l/ph.
Cường độ dòng điện:1) 550 A; 2) 450 A; 3) 300 A
Hình 3.3 dẫn các số liệu do sự phân bố nhiệt độ trong tia plasma nhận
được ở dòng 400 A và lượng argon tiêu thụ 10 l/ph.

Hình 3.3. Sự phân bố nhiệt trong tia plasma.
Nhiệt độ cao của tia plasma cho phép phun bất kỳ vật liệu khó chảy nào và
trong quá trình phun các vật liệu phun không bay hơi và không thay đổi đáng kể
các tính chất của mình.
So với phun ngọn lửa khí, tia plasma đốt nóng bột phun tới nhiệt độ cao hơn
và đốt nóng vật phun ít hơn, do đó đại lượng biến dạng của vật phun nhỏ hơn.

3.1.2. Tốc độ phun [2]
Tính chất phân bố tốc độ trong tia plasma có ảnh hưởng đến tốc độ chuyển
động của các phần tử phun. Sự phân bố tốc độ trong tia plasma được xác định tại

24

24

vùng tâm của nó.

Hình 3.4. Sự thay đổi tốc độ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun.
Lượng khí công tác tiêu thụ 30l/ph.
Cường độ dòng điện: x) 550 A; o) 450 A; ·) 300 A
Sự thay đổi tốc độ tia plasma khi phun phụ thuộc khoảng cách tính từ
miệng bép (đường kính 7mm, khí công tác là argon) được biểu thị trên hình 3.4.
Các số đo được thực hiện theo trục tâm của tia. Theo các số liệu nhận được, khi
phun với dòng điện 550A (là dòng thường được ứng dụng trong thực tế), ở các
khoảng cách 50, 100 và 150 mm tính từ đầu bép, tốc độ dòng plasma tương ứng
là 140, 55 và 35 m/s. Các nghiên cứu được tiến hành trên súng phun SG-1 của
Hãng “Plasmadyne”. Theo tính toán, ở cường độ dòng điện 400 A, lượng khí
công tác 43 l/ph và đường kính bép 5,5 mm, tốc độ tia tại miệng bép là 750 m/s.

3.1.3. Thành phần hỗn hợp khí trong phun plasma[10]
Khi phun plasma, sau khi khí công tác ra khỏi miệng phun (bép), tia
plasma hình thành và di chuyển cùng môi trường bao bọc. Kết quả thành phần
khí của tia cũng thay đổi trên đường đi của nó. Các số liệu về thành phần khí mà
trong đó các phần tử vật liệu phun chuyển động có ý nghĩa to lớn đối với sự
nghiên cứu chi tiết hơn quá trình tương tác của vật liệu phun với dòng khí nhiệt
độ cao, cơ chế hình thành và các tính chất của lớp phủ.
Trong mọi trường hợp khảo sát, không phụ thuộc vào cường độ dòng điện
công tác, không khí môi trường bắn dữ dội vào tia plasma. Ở khoảng cách 50mm

25

25