ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM bột CHẾ tạo vật LIỆU MA sát nền bột sắt làm má PHANH tàu vận tải ĐƯỜNG sắt

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT CHẾ TẠO VẬT LIỆU MA SÁT
NỀN BỘT SẮT LÀM MÁ PHANH TÀU VẬN TẢI ĐƯỜNG SẮT
APPLICATION OF POWDER METALLURGY TECHNOLOGY FOR
MANUFACTURING FRICTION MATERIALS WITH IRON POWDER FOUNDATION
TO MAKE BRAKE PADS OF TRAIN IN RAILWAY TRANSPORTATION
PGS. TS. Hà Minh Hùng (1,a), TS. Đoàn Đình Phương (2,b)
1
Viện Nghiên cứu Cơ khí
2
Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam
a
; b
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm chế tạo vật liệu hợp kim ma sát
trên cơ sở nền bột sắt, ứng dụng làm phanh tàu vận tải khoáng sản đường sắt trên khai trường
mỏ tỉnh Quảng Ninh nhằm thay thế vật liệu gang đúc truyền thống. Tính chất cơ lý của vật liệu
chế thử phụ thuộc vào hàm lượng các thành phần phối liệu bột nguyên liệu, chế độ ép tạo hình,
thiêu kết và biến dạng ép nóng làm cơ sở khoa học để điều chỉnh công nghệ phù hợp với yêu
cầu kỹ thuật cần thiết. Các tiêu chí chính đánh giá chất lượng vật liệu hợp kim ma sát luyện kim
bột nền sắt báo gồm: độ xốp, mật độ trung bình, độ cứng tải trọng nhỏ và ảnh tổ chức tế vi mẫu
ở trạng thái sau thiêu kết.
Từ khóa: luyện kim bột (LKB); hợp kim ma sát trên cơ sở nền bột sắt (HKMSFe);
quy hoạch thực nghiệm (QHTN).
ABTRACT
This article introduces some experimental research results when manufacturing alloy
friction materials on the basic of iron powder foundation, for application of making brake pads
of mineral transportation train in mining field of Quang Ninh province, in order to replace cast
iron – the traditional materials. The mechanical properties of testing materials depend on the
concentration of the mixed powder material components, forming mode and sintering in several

experimental planning modes, as the scientific basis to adjust the technology in consistent with
the necessary technical requirements. The main criteria for assessing the quality of the alloy
friction materials with the iron powder metallurgy foundation include: The average porosity and
corresponding density, small weight hardness and microstructure of the tested sample in the
phase after pressing-sintering.
Key words: iron powder metallurgy; alloy friction materials on the basic of iron powder
foundation; experimental planning, experimental planing.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới như: Đức, Pháp, Mỹ, Nhật Bản, Nga,...
có hệ thống đường sắt vận tải hàng hóa và hành khách (kể cả các tuyến đường tàu cao tốc)
chiếm tỷ trọng lớn trong ngành giao thông vận tải. Trước đây, các má phanh trong hệ thống
phanh trên toa xe thường được chế tạo bằng vật liệu gang chịu mòn cao (gang xám, gang giun
vermicular graphit). Má phanh tàu vận tải đường sắt là chi tiết làm vật hy sinh hết sức quan
trọng trong bộ đôi ma sát khô với bánh xe goòng, làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao và dưới áp
lực rất lớn, nên bị mòn rất nhanh và phải thay thế thường xuyên mới đảm bảo trong an toàn
chạy tàu. Đặc biệt là đối với các tàu cao tốc hiện nay sử dụng vật liệu composit kim loại có độ
cứng thấp, nhưng khả năng chịu mòn cao bởi do có chứa các chất bôi trơn rắn, làm việc tốt ở
điều kiện ma sát khô để làm má phanh. Hai nhóm vật liệu ma sát được chế tạo bằng công
267


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
nghệ luyện kim bột (LKB) trên cơ sở nền bột đồng và bột sắt đều có tính năng vượt trội hơn
gang hợp kim là chịu nhiệt, chịu mài mòn cao được sử dụng phổ biến làm má phanh cho các
toa tàu khách và tàu vận tải đường sắt, có thể tra cứu trong tài liệu đã công bố [1]. Gần đây, có
nhiều nghiên cứu cơ bản về phát triển tính năng của vật liệu ma sát LKB làm việc ở nhiệt độ
cao đến 11000C nhờ đưa vào hỗn hợp bột nguyên liệu với hàm lượng khác nhau của các thành
phần pha trộn như Al2O3 [4], [5] hoặc SiO2 [3], đồng - thiếc [1], [2], [6], [11].
Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ LKB để chế tạo các chi tiết
máy làm việc ở điều kiện chống ma sát dưới tải trọng cao và vật liệu ma sát đang được nhiều

nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Cơ khí thuộc Bộ Công thương [7], [8], [11], Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội [9], Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Viện
Phát triển Kỹ thuật Công nghệ tiên tiến (IDAT) thuộc Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam
[12],... triển khai ở quy mô phòng thí nghiệm và có nhiều kết quả khả quan, có thể tiếp tục
nghiên cứu phát triển hướng tới thử nghiệm trên quy mô pi-lốt. Với ý tưởng đưa công nghệ
LKB vào một số nghiên cứu ứng dụng trên thực tế phục vụ các ngành công nghiệp khai thác mỏ
ở nước ta, bài báo này giới thiệu khái quát một vài kết quả chế thử vật liệu hợp kim ma sát trên
cơ sở nền bột sắt (HKMSFe) ở quy mô phòng thí nghiệm nhằm mục đích sử dụng làm má
phanh đầu máy tàu vận tải khoáng sản bằng đường sắt thay thế cho vật liệu gang đúc (Hình 1).
2. ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM
Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu tham khảo, lựa chọn hệ vật liệu HKMSFe có các thành
phần chính gồm: 71%Fe + 6 %Cu + 6 %Cgr + 10 %SiO2 + 7% phụ gia kết dính và chất bôi trơn
rắn Pb, Sn, Zn,… còn lại. Bột nguyên liệu trước và sau khi nghiền trộn được chụp ảnh trên kính
hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định hình thái, cũng như sự đồng đều hóa của các bột thành
phần. Áp dụng công nghệ ép tạo hình và thiêu kết trong môi trường khí bảo vệ để tạo phôi vật
liệu HKMSFe. Mật độ trung bình tính toán theo lý thuyết của vật liệu này ở trạng thái đặc xít
(không có lỗ xốp) tương ứng với thành phần hóa học đã chọn là ρt.b= 6,56436g/cm3.
Điều kiện quy hoạch thực nghiệm (QHTN) chọn như sau: bột nguyên liệu được nghiền
trộn trên máy trộn năng lượng cao trong thời gian từ 1,5 h đến 2,5 h, sau đó được ép tạo hình
mẫu hình trụ trên máy ép thủy lực 300 T với áp lực ép cho trong khoảng p = từ 250 ÷ 350
MPa. Sử dụng lò thiêu kết có nguồn cấp khí hydro. Nhiệt độ thiêu kết giữ đẳng nhiệt thử
trong khoảng Tt.k = 950 ÷ 1050OC trong thời gian tt.k = 1,5 ÷ 2,5 giờ. Hàm mục tiêu đánh giá
chất lượng là mật độ và độ xốp trung bình tương ứng, độ cứng tải trọng nhỏ HV0,02 và tổ chức
tế vi vật liệu sau thiêu kết. Sử dụng phương pháp hiển vi quang học, SEM-EDX để nghiên
cứu cấu trúc vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1, đồng thời xác định thành phần tại một số
tiểu vùng cấu trúc đặc biệt. Các trang thiết bị nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm của Viện Khoa
học Vật liệu (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) và Trung tâm nghiên cứu vật liệu (Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội) đều đạt chuẩn kiểm định chuyên
ngành, đáp ứng yêu cầu phối hợp nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ của Viện
Phát triển Kỹ thuật, Công nghệ tiên tiến (IDAT) để thực hiện các thí nghiệm đề ra.

b)

a)

Hình 1. Ảnh chụp chi tiết guốc phanh (a) sử dụng cho đầu máy tàu vận tải khoáng sản bằng
đường sắt trên khai trường mỏ Quảng Ninh (b) [11]
268


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
3.1. Bột nguyên liệu đầu vào ép – thiêu kết
Hình thái các bột nguyên liệu chính tham gia vào thành phần hỗn hợp nghiền trộn được
thể hiện qua ảnh SEM và kết quả phân tích XRD như sau: Bột đồng hợp kim – Hình 2; Bột
graphit – Hình 3; Bột SiO2 – Hình 4; Bột hợp kim nhôm – Hình 5; Bột Fe – Hình 6. Sau khi
nghiền trộn trên máy nghiền năng lượng cao, bột nguyên liệu đầu vào cho ép tạo hình mẫu thí
nghiệm sau khi trộn với thời gian 1,5 giờ có hình thái cho trên Hình 7. Từ đó cho thấy: các bột
cấu thành hỗn hợp bột nguyên liệu đầu vào ép tạo hình qua nghiền trộn đều mịn hạt hơn và
phân bố khá đồng đều. Kết quả X-ray bột nguyên liệu sau nghiền trộn cho thấy sự có mặt của
các nguyên tố tham gia vào quá trình nghiền trộn.
3.2. Mật độ và độ xốp trung bình vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1
Mật độ và độ xốp trung bình của các mẫu vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1 được xác
định bằng phương pháp cân thủy tĩnh. Kết quả thực nghiệm trong Bảng 1 cho thấy trong lô thí
nghiệm số 1, 2, 3 - QHTN mật độ trung bình của HKMSFe có giá trị trong khoảng ρt.b =
3,8067 ÷ 4,7526 g/cm3, còn độ xốp trung bình tương ứng là: γt.b = 40,0746 ÷ 25,8142%. Sau
khi điều chỉnh tăng áp lực ép tạo hình và thời gian thiêu kết (mẫu số 14*, 17* và 18*) ta thấy
mật độ tăng, còn độ xốp giảm đáng kể. Điều đó dẫn đến tăng cơ tính vật liệu HKMSFe ngay
cả sau khi ép – thiêu kết.
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau bot HK Cu

1500
1400
1300
d=2.1014

1200
1100
1000

700
600

d=1.8190

d=2.1224

Lin (Cps)

900
800

500

d=1.4933

100

d=1.7500

d=2.8588

300
200

d=2.4722

400

0
6

70

60

50

40

30

20

10

2-Theta - Scale
File: Hung-Vien NCCK-Bot HK Cu(10-9-2014).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/12/14 10:26:57
06-0657 (D) - Copper Zinc - CuZn - Y: 4.96 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
04-0686 (*) - Lead, syn - Pb - Y: 2.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
06-0658 (D) - Aluminum Copper Magnesium - AlCuMg - Y: 12.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

a)

b)

Hình 2. Ảnh SEM (a) và kết quả X-ray (b) bột hợp kim đồng trước khi nghiền trộn
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau bot graphite
2000
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300

Lin (Cps)

1200
1100
1000
900

d=1.3807
d=1.3718

d=1.4504

d=1.4251

d=1.5397
d=1.5217

d=1.6764
d=1.6448
d=1.6248
d=1.6017

d=2.1291
d=2.1060
d=2.0529

d=2.2823
d=2.2345
d=2.2002

d=2.5567
d=2.4950
d=2.4557

d=3.192

d=2.9894

d=2.8550
d=2.7829

d=4.981

d=7.181

200
100

d=4.472
d=4.263
d=4.051
d=3.851
d=3.682
d=3.572

500
400
300

d=1.8172
d=1.7909

600

d=1.9950

d=9.958

800
700

0
5

10

20

30

40

50

60

7

2-Theta - Scale
File: Hung-Vien NCCK-Bot Graphite(10-9-2014).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/11/14 15:52:12
33-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 20.31 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
02-0056 (D) - Illite - KAl2Si3AlO10(OH)2 - Y: 2.91 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
06 0221 (D) K li it 1Md Al2Si2O5(OH)4 Y 1 09 % d b 1 000 WL 1 54056

a)

Hình 3. Ảnh SEM (a) và kết quả X-ray (b) bột graphit trước khi nghiền trộn

269

b)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

d=3.346

VNU-HN-SIEMENSD5005- Maubot SiO2

Lin (Cps)

3000

2000

d=1.3814
d=1.3720

d=1.4170

d=1.5399

d=1.4507

d=1.6049

d=1.6693
d=1.6586

d=1.8161

d=2.1234

d=1.9763

d=2.2805
d=2.2352

d=2.4489

d=4.246

1000

0
70

60

50

40

30

20

10

5

2-Theta- Scale

a)

b)

File: Hung-VienNCCK-Bot SiO2(10-9-2014).raw- Type: 2Th/Thlocked- Start: 5.000° - End: 70.010° - Step: 0.030° - Steptime: 1.0s - Temp.: 25.0°C(Room) - Anode: Cu - Creation: 09/12/1411:48:36
33-1161 (D) - Quartz syn- SiO2- Y: 4364%- d xby: 1000 - WL: 154056

Hình 4. Ảnh SEM (a) và kết quả X-ray (b) bột SiO2 trước khi nghiền trộn
VNU-HN-SIEMENSD5005 - Mau bot Al2O3
1100

1000

d=2.3348

900

800

Lin (Cps)

700

d=2.0203

600

500

d=1.4295
d=1.4571
d=1.4398

100

d=1.4837

d=1.6568

200

d=2.0606

300

d=2.7903

d=2.9182

400

0
70

60

50

40

30

20

10

5

2-Theta - Scale
File: Hung-Vien NCCK-Bot Al2O3(10-9-2014).raw- Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C(Room) - Anode: Cu - Creation: 09/12/14 11:11:06
04-0673 (*) - Tin, syn - Sn - Y: 3.56 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056
04-0787 (*) - Aluminum, syn [NR] - Al - Y: 13.02 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056

a)

b)

Hình 5. Ảnh SEM (a) và kết quả X-ray (b) bột hợp kim nhôm trước khi nghiền trộn

d=2.0261

400

Lin (Cps)

300

d=1.8065

d=2.0849

100

d=1.4314

200

0
70

60

50

40

30

20

10

2-Theta - Scale
File: Hung-Vien NCCK-Bot sat lo nho.raw- Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C(Room) - Anode: Cu - Creation: 11/24/11 11:03:59
06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - Y: 17.12 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056
04-0836 (*) - Copper, syn - Cu - Y: 3.35 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056

a)

b)

Hình 6. Ảnh SEM (a) và kết quả X-ray (b) bột sắt trước khi nghiền trộn

VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau bot Fe+HK Cu+graphite+SiO2
1000

d=3.345

900

800

700

Lin (Cps)

600

500

d=1.3804

d=1.4309

d=1.5399

d=1.4985

d=1.8141

d=1.6755

d=1.9964

d=1.9751

d=2.1222
d=2.1011

d=2.4518
d=2.3813
d=2.3348

d=2.2715

d=2.9136
d=2.8576
d=2.7900

d=4.998

d=4.456
d=4.251

d=9.944

200

100

d=2.0230

400

300

0
5

10

20

30

40

50

60

70

2-Theta - Scale

a)

File: Hung-Vien NCCK-Bot Fe+HKCu+Graphite+SiO2(10-9-2014).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/11/14 15:08:38
06-0657 (D) - Copper Zinc - CuZn - Y: 5.29 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056
06-0658 (D) - AluminumCopper Magnesium- AlCuMg - Y: 2.33 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056
33-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 10.34 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056
04-0787 (*) - Aluminum, syn [NR] - Al - Y: 4.04 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056
02-0056 (D) - Illite - KAl2Si3AlO10(OH)2 - Y: 0.74 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056

Hình 7. Ảnh SEM (a) và kết quả X-ray (b) bột nguyên liệu sau nghiền trộn 1,5 h

270

b)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm QHTN tạo mẫu vật liệu HKMSFe (thiêu kết lần 1)
T,
C

t, Mật độ, ρt.b, Độ xốp,
phút
g/cm3
γt.b, %

STT

Mã số

P,
MPa

1

000

250

950

90

3,8067

40,0746

-

2

010

250

1000

90

3,8397

39,5551

-

3

020

250

1050

90

3,8774

38,9617

-

4

100

300

950

90

3,9204

38,2847

Ảnh tổ chức tế vi ở Hình 9a

5

110

300

1000

90

4,0833

35,7204

-

6

120

300

1050

90

4,1666

34,4090

Ảnh tổ chức tế vi ở Hình 9b

7

200

350

950

90

4,2153

33,6424

-

8

210

350

1000

90

4,2670

32,8285

Ảnh tổ chức tế vi ở Hình 9c

9

220

350

1050

90

4,3125

32,1123

Ảnh tổ chức tế vi ở Hình 9d

14*

111

300

1000

120

4,3515

31,4983

Ảnh tổ chức tế vi ở Hình 10a

17*

212

350

1000

150

4,6807

26,3160

Ảnh tổ chức tế vi ở Hình 10b

18*

222

350

1500

150

4,7526

25,8142

-

0

Ghi chú

Theo các số liệu ở Bảng 1, nhóm tác giả đã xây dựng được đồ thị biểu diễn mối quan hệ
giữa các thông số công nghệ chính là (p, MPa), (Tt.k,OC) và (tt.k, phút) và hàm mục tiêu độ xốp
trung bình (γt.b, %), mật độ trung bình tương ứng (ρt.b, g/cm3) như cho trên Hình 8a,b.

b)

a)

Hình 8. Sự phụ thuộc của độ xốp (a) và mật độ (b) của vật liệu HKMSFe sau ép – thiêu
kết lần 1 vào chế độ ép tạo hình và thiêu kết [11]
Từ việc phân tích kết quả thí nghiệm nêu trên thấy rõ độ xốp vật liệu thiêu kết lần 1 còn
lớn, còn mật độ thấp, do đó để tăng cơ tính của nó cần tiến hành công đoạn ép nóng lại lần 2.
Mức độ biến dạng tổng cộng quá trình ép nóng cần khảo sát trong khoảng εΣi = 12,5 ÷ 50% để
đạt được yêu cầu độ xốp và mật độ tương ứng cần thiết trên sản phẩm guốc phanh luyện kim
bột của Liên bang Nga [1].
3.3. Độ cứng tế vi vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1
Kết quả đo độ cứng tế vi dưới tải trọng nhỏ (HV0,02) trên một số mẫu vật liệu HKMSFe
điển hình có thể tham khảo trong công trình [8]. Ở đây nêu một số thí nghiệm điển hình đối
với mẫu nhận được trong Bảng 1 khi đo với tải trọng P = 2 N, thời gian giữ tải t = 10 s:
271

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Mẫu số 4: Ảnh tổ chức tế vi tương ứng ở Hình 9a. Độ cứng tế vi trung bình nhận được
đo tại các lớp và tiểu vùng cấu trúc khác nhau của mảnh ghép HKMSFe có giá trị đạt trong
khoảng HV0,02 = 206 ÷ 314 (tương đương với HRC = 12,4 ÷ 31,5);
- Mẫu số 6: Ảnh tổ chức tế vi tương ứng ở Hình 9b. Độ cứng tế vi trung bình nhận được
đạt trong khoảng HV0,02 = 208 ÷ 327 (tương đương HRC = 12,8 ÷ 33,0);
- Mẫu số 7: Ảnh tổ chức tế vi tương ứng ở Hình 9c. Độ cứng tế vi trung bình nhận được
đạt trong khoảng HV0,02 = 235 ÷ 367 (tương đương với HRC = 19,2 ÷ 37,0);
- Mẫu số 9: Ảnh tổ chức tế vi tương ứng ở Hình 9d. Độ cứng tế vi trung bình nhận được
đạt trong khoảng HV0,02 = 235 ÷ 370 (tương đương với HRC = 19,2 ÷ 37,0);
Từ đó có nhận xét: độ cứng tế vi trung bình của một số mẫu điển hình khảo sát đo tại
các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng khác nhau có xu hướng tăng dần theo chiều tăng của áp lực
ép bột tạo hình theo thứ tự mẫu số 4 → mẫu số 6 → mẫu số 7 → mẫu số 9. Hiện tượng này có
thể được giải thích do khi áp lực ép tạo hình tăng, độ xít chặt vật liệu thiêu kết tăng, dẫn đến
độ cứng trung bình tăng (xem Hình 9a÷d và Hình 10a,b ở mục 3.4 dưới đây).
3.4. Tổ chức tế vi vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1
Trong số các thí nghiệm trên, chọn 06 mẫu điển hình để nghiên cứu khảo sát tổ chức
tế vi của chúng trên kính hiển vi quang học, kết quả cho trên Hình 9a÷d và Hình 10a,b. Các
ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1 ở đây cho thấy trên mỗi một
mẫu thí nghiệm thì độ cứng tại các tiểu vùng cấu trúc điển hình khác nhau có giá trị khác
nhau: tại những tiểu vùng lỗ xốp (màu đen đậm) hoặc có hàm lượng tích tụ nhiều graphit và
nguyên tố hợp kim mềm (màu xám sáng hơn) thì độ cứng thấp, còn ở những tiểu vùng cấu
trúc là pha nền sắt hoặc hợp chất liên kim loại (màu sáng trắng hoặc nâu hồng) thì độ cứng
có giá trị cao hơn.

a)

b)

c)

d)

Hình 9. Ảnh tổ chức tế vi mẫu vật liệu HKMSFe (QHTN 1) sau thiêu kết lần 1, x100:
a) Mẫu số 4; b) Mẫu số 6; c) Mẫu số 7; d) Mẫu số 9
272


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a)

b)

Hình 10. Ảnh tổ chức tế vi mẫu vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1 ở chế độ hiệu chỉnh
công nghệ, x100: a) Mẫu số 14; b) Mẫu số 17

500
400
300
200
100

0
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

10
10 µm
µm

6.00

TiKsum

600

Counts

001

FeKb

700

TiKesc
KKa
KKb
CrKesc CaKa

CaKb
TiKa
TiKb
CrKa
CrKb MnKa
MnKb FeKa

800

001

AlKsum

900

KLl TiLl
TiLa
OKa
CrLa
FeLl MnLa
TiLsum
CrLsum OKsum MgKa
AlKa
KKesc
SiKa

1000

7.00

8.00

9.00

10.00

keV

a)

b)

Hình 11. Ảnh SEM (a) và kết quả phân tích EDX (b) vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1
tại tiểu vùng cấu trúc 001 - mẫu No7 (34,73%O; 5,15%Al; 28,36%Si; 28,36%Ca;
3,77%Mn; 15,5%Fe)
1000

003

FeKa
FeKb

CuKb

200

CuKa

300

CrKa
CrKb

400

CrKesc

500

CaKb

Counts

600

CaKa

700

AlKsum

800
003

CKa
CrLa
FeLa FeLl
CuLl
CuLa
CrLsum

AlKa
SiKa CuLsum

900

100
0
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

10
10 µm
µm

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

keV

a)

b)

Hình 12. Ảnh SEM (a) và kết quả phân tích EDX (b) vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1
tại tiểu vùng cấu trúc 003 - mẫu No7 (4,87%C; 7,25%Cu; 86,95%Fe)

TiKsum

200

FeKb

300

MnKa
MnKb FeKa

400

KKb
CaKb
TiKa
TiKb

500

TiKesc
KKa

TiLa

005

KLl TiLl

Counts

600

AlKsum

800
700

CaKa

005

900

OKaFeLa
MnLa FeLl
TiLsum
OKsum NaKa

MgKa
AlKa
KKesc
SiKa
NaKsum

1000

100
0
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

30
30 µm
µm

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

keV

a)

b)

Hình 13. Ảnh SEM (a) và kết quả phân tích EDX (b) vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1
tại tiểu vùng cấu trúc 005 - mẫu No7 (45,23%O; 9,58%Al; 28,91%Si; 7,22%Ca;
2,28%Ti; 2,17%Mn; 0,94%Fe)
273


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1000

005

300
200

CuKa

400

CuLsum

500

CKa
CuLl CuLa

Counts

600

CuKb

700

FeKb

FeLa FeLl

800

005

FeKa

900

100
0
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

20
20 µm
µm

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

keV

a)

b)

Hình 14. Ảnh SEM (a) và kết quả phân tích EDX (b) vật liệu HKMSFe sau thiêu kết lần 1
tại tiểu vùng cấu trúc 005 (mẫu No9: 4,0%C; 5,61%Cu; 90,4%Fe)
3.5. Phân tích các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng vật liệu HKMSFe bằng phương pháp
SEM-EDX
Ngoài các tiêu chí đánh giá chất lượng vật liệu HKMSFe bằng phương pháp hiển vi
quang học nói trên, kết quả phân tích SEM-EDX tại một số tiểu vùng cấu trúc đặc trưng là
những vị trí khảo sát cục bộ của vật liệu HKMSFe (Hình 11 ÷ 14) cho ta thấy thành phần vật
liệu ở đó đóng vai trò quyết định đến độ cứng tải trọng nhỏ nhận được tương ứng.
Từ kết quả khảo sát cấu trúc tế vi vật liệu HKMSFe bằng phương pháp hiển vi quang
học, việc phân tích SEM-EDX tại các tiểu vùng đặc trưng của nó là cần thiết và được thực
hiện tại Trung tâm COMFA – Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam). Kết quả thí nghiệm cho trên các Hình 11 ÷ 14 góp phần giải thích sự khác nhau
của độ cứng tế vi nhận được trên các mẫu khảo sát [11].
- Phân tích kết quả nhận được ở Hình 11 cho thấy: thành phần vật liệu HKMSFe mẫu số
7 tại tiểu vùng cấu trúc 001 có hàm lượng nguyên tử ô-xy lớn (34,73 % O), tiếp đó là canxy
(28,36 % Ca) và silic (28,36 % Si), còn sắt chỉ có 15,5 % Fe, rồi đến nhôm (5,15% Al) và măng-gan
(3,77 % Mn). Đối với hợp chất này độ cứng chỉ đạt giá trị thấp;
- Từ Hình 12 thấy rõ: thành phần vật liệu HKMSFe cũng trên mẫu số 7, nhưng tại tiểu
vùng cấu trúc 003 có hàm lượng nguyên tố cacbon không lớn (4,87 %C), tiếp đó là đồng (7,25
% Cu), còn sắt chiếm tỷ trọng lớn (86,95 % Fe). Ở đây không phát hiện thấy các nguyên tố như ôxy và tạp chất khác, điều đó đảm bảo độ cứng vật liệu đạt giá trị cao;
- Đối với tiểu vùng cấu trúc 005 của mẫu số 7 (Hình 13): thành phần vật liệu HKMSFe
có hàm lượng nguyên tử ô-xy rất lớn (45,23 % O), sau đó là silic (28,91 % Si), tiếp đến là
nhôm (9,58% Al) và can xy (7,22 % Ca), rồi đến titan (2,28 % Ti) và măng-gan (2,17 %
Mn), còn sắt chỉ có 0,94 %. Độ cứng vật liệu ở đây cũng thấp tương tự như tại tiểu vùng
001 đã xét ở Hình 11 trên đây;
- Kết quả phân tích trên Hình 14: thành phần vật liệu HKMSFe tại tiểu vùng cấu trúc
003 có hàm lượng nguyên tố cacbon không lớn (4,0 % C), tiếp đó là đồng (5,61 % Cu), còn sắt
chiếm tỷ trọng lớn (90,4 % Fe). Ở đây cũng giống như tại tiểu vùng 003 (mẫu No.7) không phát
hiện thấy các nguyên tố như ô-xy và tạp chất khác, điều đó đảm bảo độ cứng vật liệu đạt giá trị cao;

- Các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng của vật liệu HKMSFe trên là liên kim hoặc hợp chất
của những nguyên tố phát hiện được với khối lượng tương ứng bằng phương pháp phân tích
SEM-EDX.
4. KẾT LUẬN
Đã thực nghiệm chế tạo thành công vật liệu hợp kim ma sát luyện kim bột trên cơ sở
nền bột sắt với hàm lượng 71% Fe pha trộn với các nguyên tố Sn, Pb, Cgr, SiO2 và phụ gia
khác (% khối lượng), phụ gia kết dính còn lại trong điều kiện trang thiết luyện kim bột hiện có
ở Việt Nam ở quy mô phòng thí nghiệm;
274


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tổng hợp các tiêu chí giám định về thành phần hóa học bột nguyên liệu đầu vào ép
thiêu kết, tính chất cơ – lý và tổ chức vật liệu sau thiêu kết lần 1 cho thấy HKMSFe chế thử
tại Việt Nam có đặc tính kỹ thuật tương đối tốt;
Kiến nghị cần đầu tư cho các nghiên cứu phát triển ở mức cao hơn về vấn đề này một
cách có hệ thống, đặc biệt là việc xác định khả năng chịu mài mòn ở điều kiện ma sát khô
trong môi trường không khí nhiệt ẩm mô phỏng điều kiện làm việc thực tế của hệ thống phanh
đầu máy tàu vận tải khoáng sản đường sắt. Từ đó sẽ làm cơ sở khoa học cho việc làm chủ
công nghệ ở quy mô sản xuất thử nghiệm trong điều kiện Việt Nam với mục tiêu hình thành
doanh nghiệp KHCN vệ tinh của nền Công nghiệp hỗ trợ Cơ khí chế tạo Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Федорченко И.М. и другие, Свойства порошков, металлов, тугоплавких
соединений и спеченных материалов, Киев, Издат-вo: Наукова думка, 1978, 183 c.;
[2]. J. M. Tura, A. Traveria, M. D. de Castellarm, J. Pujadas, J. Blouet, R. Gras, H.G.
Magham. P.Belair, T. Hanau, A. Romero, Frictionanl properties and wear of
molybdenum coating and a bronze (Cu – 10%Sn) with friction modifier fillers, Elsevier
Science S.A., 1995;
[3]. Xiang Xiong, Jie Chen, Pinping Yao, Shipeng Li, Baiyun Huang, Friction and behaviors
and mechanisms of Fe and SiO2 in Cu-based P/M friction materials, 2006, From

www.sciencedirect.com;
[4]. Mustafa Boz, Adem Kurt, The effect of Al2O3 on the friction perfomence of automotive
brake friction materialsi, 2007, From www.slsevier.com.locate.triboint;
[5]. A. Shrestha, R. Asthana, T. K. Laksonen, and M. Singh, Synthesis and Characterization
of Air-Sintered Al2O3-Bronze Composites, 2009, From www.sciencedirect.com;
[6]. Bekir Unlu, Enver Atik, Evaluation of effect of alloy elements copper based CuSn10
and CuSn30 bearings on tribological and mechanical properties, Journal of Alloys and
Compounds, 2009, From www.elsevier.com/locate/jallcom;
[7]. Hà Minh Hùng, Nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện kim bột chế tạo bánh răng máy
công cụ (m = 2, Z = 28), Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Nhà nước mã số KHCN05.06
(Chuyên đề KHCN05.06-03), Viện Nghiên cứu Cơ khí, 2000, Hà Nội, 120 trang;
[8].

Hà Minh Hùng, Nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện kim bột chế tạo tay biên xe máy
HONDA -C100/110 (Phần 2: HD-GF6), Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Nhà nước mã số
KHCN05.06 (Chuyên đề KHCN05.06-05), Viện Nghiên cứu Cơ khí, Hà Nội, 2000, 246 trang;

[9]. Trần Quốc Lập, Phạm Thảo, Vũ Lai Hoàng, Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu ma sát
trên cơ sở nền sắt – mác ФMK-11, Hội thảo khoa học toàn quốc Công nghệ vật liệu và bề
mặt – Thái Nguyên - 2008, Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên, số 4(48), trang 68-72;
[10]. Hà Minh Hùng, Vũ Thanh Sơn, Nghiên cứu vật liệu hợp kim bột ma sát trên cơ sở nền sắt
ứng dụng trong chế tạo cơ khí, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 3, T3/2014, 2014, trang 115-122;
[11]. Hà Minh Hùng, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phối hợp luyện kim bột và xử lý bề
mặt để chế tạo vật liệu hợp kim ma sát nền bột sắt làm guốc phanh tàu vận tải khoáng
sản đường sắt, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ Công Thương mã số
106.14RD/HĐ-KHCN, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Hà Nội, 2014;
[12]. Hà Minh Hùng, Nghiên cứu tổng quan và xây dựng Thuyết minh đề tài và khảo sát một
số loại bạc trượt bimetal, trimetal thép – hợp kim đồng chịu mòn để lựa chọn công nghệ
phù hợp ở Việt Nam dùng cho động cơ đến 250 mã lực, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài
NCKH cấp Liên hiệp Hội Việt Nam mã số 61/LHHVN, Viện Phát triển Kỹ thuật, Công

nghệ tiên tiến (IDAT), Hà Nội, 2014.
275