Phụ Lục Các Quá Trình Gia Công Cơ Khí

Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIÊP
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

PHỤ LỤC
CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG
PHẦN 1. VẬT LIỆU PHI KIM DÙNG TRONG CƠ KHÍ
PHẦN 2. CÔNG NGHỆ LẮP RÁP
PHẦN 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

Thái nguyên, tháng 2 năm 2011
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

1


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên

PHẦN 1. VẬT LIỆU PHI KIM DÙNG TRONG CƠ KHÍ
1. GỖ
1.1. Cấu tạo của gỗ
1.1.1. Thành phần của gỗ
Gỗ là hợp chất hữu cơ gồm 43 - 45% xenlulo (C6H12O5) còn gọi là tế bào thực
vật, 19 - 29% licnin (C18H30O15) còn gọi là mộc chất, còn lại là hydrat cacbon phân tử
thấp (còn gọi là chất đạm) và các nguyên tố khác.
1.2. Tính chất của gỗ
1.2.1. Tính chất vật lý.
+ Độ ẩm
Độ ẩm là lượng nước chứa ở trong gỗ, biểu diến bằng phần trăm. Độ ẩm được

xác định bằng công thức:
Trong đó:

W =

m − m0
.100% .
m0

m- là khối lượng của mẫu có độ ẩm cần đo (g)
m0- là khối lượng của mẫu ở trạng thái khô tuyệt đối (sấy ở

100±5oC) (g).
Lượng nước chứa trong gỗ có 2 dạng: Nước tự do (nước mao dẫn) chứa trong
các lỗ rỗng; và nước liên kết (hút ẩm) nằm trong các vỏ tế bào. Như vậy độ ẩm của
gỗ gồm có độ ẩm liên kết và độ ẩm tự do. Khi sấy, đầu tiên mất độ ẩm tự do sau đó
mới mất độ ẩm liên kết.
Trạng thái của gỗ khi chỉ còn độ ẩm liên kết gọi là điểm bão hòa của gỗ. Đối
với các loại gỗ khác nhau độ ẩm liên kết tối đa dao động từ 23 đến 30%. Gỗ mới khai
thác có lượng ẩm từ 50-100%, để lâu trong không khí lượng ẩm có thể còn 10~20%.
Ở các xứ lạnh và khô để lâu trong nhà lượng ẩm có thể đạt đến 7~10%. Gỗ khô tuyệt
đối có độ ẩm 0%. Độ ẩm tiêu chuẩn để thử cơ tính và một số thông số khác là 15%.
Độ ẩm sản xuất cần phải bằng hoặc thấp hơn độ ẩm sử dụng 2% (hay nói khác đi là
khi gia công gỗ để chế tạo các sản phẩm nhất là các sản phẩm gia dụng thì phải sấy).
Kích thước và hình dáng của gỗ thay đổi phụ thuộc độ ẩm. Khi sấy, đầu tiên mất độ
ẩm tự do, lúc này kích thước của gỗ không thay đổi mà chỉ thay đổi khối lượng. Khi
sấy tiếp tục từ điểm bão hòa gỗ, các sợi gỗ mất nước liên kết và kích thước sẽ nhỏ lại.
Khi gỗ co theo chiều tiếp tuyến nhiều hơn theo chiều dọc thớ.
+ Độ co.
Hệ số co K là độ co trung bình thay đổi độ ẩm 1% xác định theo công thức:

K=

C
W

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

2


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
Trong đó: C - độ co ;
W - độ ẩm
Ở các mức độ khác nhau, độ co toàn phần theo hướng kính là Ck = 3 ~ 5%, độ
co theo hướng tiếp tuyến là CT = 8~10%. Hệ số co hướng kính của gỗ dao động trong
khoảng KK = 0,09~0,31%, hệ số co tiếp tuyến KT = 0,17~0,43%, hệ số co thể tích
KV=0,32~0,7%. Độ co theo chiều dọc thớ khoảng 0,1~0,35% và thường là không
tính.
1.2.2. Cơ tính của gỗ
Gỗ là polyme dị hướng, tính chất của gỗ phụ thuộc độ ẩm và các yếu tố khác.
Cơ tính của gỗ được xác định khi có độ ẩm từ 8 đến 20%, lấy độ ẩm tiêu chuẩn là
15% và ký hiệu là σ15, xác định theo công thức:
σ15 = σw[1+α(W-15)]
Trong đó:
σw- độ bền đo được khi có độ ẩm W ở thời điểm đo.
W- độ ẩm lúc đo.
α- hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc độ ẩm α = 0,01~0,05
Việt Nam là nước có nhiều loại gỗ (hơn 1000 loại khác nhau) có độ bền nén
dọc từ 2,0 đến 10,0 KG/cm2, độ bền kéo dọc từ 4 đến 29 KG/mm2. Cường độ (độ
bền) theo thớ ngang thấp hơn so với thớ dọc 6~30 lần. Độ bền uốn theo hướng dọc

bằng 1,5~2 lần độ bền nén. Mođun đàn hồi khi kéo nén gần bằng nhau và theo hướng
dọc thì gấp 10~30 lần lớn hơn theo hướng ngang.
Theo hướng dọc E = (1,17~1,58).103 KG/mm2.
1.3. Phân loại gỗ
1.3.1. Phân loại theo mật độ gỗ.
Theo TCVN 1072-71 gỗ được chia thành 6 nhóm:
Nhóm 1 có mật độ lớn hơn 0,86 g/cm3. Nhóm này thuộc loại gỗ tốt và gỗ quý
như mun (1,39), nghiến (1,12), sến (1,08), giẻ xám (0,97), lim (0,95), muồng đen
(0,94), táu (0,93).
Nhóm 2 có mật độ từ 0,85 đến 0,73 g/cm3.
Nhóm 3 có mật độ từ 0,72 đến 0,62 g/cm3.
Nhóm 4 có mật độ từ 0,61 đến 0,55 g/cm3.
Nhóm 5 có mật độ từ 0,54 đến 0,55 g/cm3.
Nhóm 6 có mật độ ≤ 0,49 g/cm3.
1.3.2. Phân loại theo cơ tính.
Theo TCVN 1072-71 nhóm gỗ có cường độ kéo dọc lớn hơn 1600 KG/cm2 gọi
là gỗ quý hay gỗ đặc biệt. Nhóm gỗ này chủ yếu dùng làm đồ mỹ nghệ và đồ gia
dụng. Loại này có mật độ cao, thớ mịn, vân đẹp, màu sắc đẹp không cần sơn phủ bên
ngoài, không bị mối mọt. Nhóm gỗ quý này ở Việt Nam đặc biệt phong phú hơn
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

3


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
nhiều nước khác. Theo phân loại của TCVN rừng Việt Nam có khoảng gần 30 loại gỗ
quý như lát, gụ, dáng hương, cẩm lai, trắc, mun, gõ mật, thông tre, pơ mu...
Còn lại gỗ được chia thành 6 nhóm:
Nhóm 1 có cường độ từ 1600 đến 1395 KG/cm3.
Nhóm 2 có cường độ từ 1394 đến 1165 KG/cm3.

Nhóm 3 có cường độ từ 1164 đến 970 KG/cm3.
Nhóm 4 có cường độ từ 969 đến 810 KG/cm3.
Nhóm 5 có cường độ từ 809 đến 675 KG/cm3.
Nhóm 6 có cường độ ≤ 674 KG/cm3.
Tuy nhiên, hiện nay trong sản xuất người ta thường dùng tên gọi theo sử dụng
do có các nhóm gỗ theo cơ tính như sau (so với cách phân loại của TCVN):
Tên gọi theo sử dụng
Tên gọi theo TCVN
Nhóm 1
Nhóm gỗ quý
Nhóm 2
Nhóm 1
Nhóm 3
Nhóm 2
Nhóm 4
Nhóm 3
Nhóm 5
Nhóm 4
Nhóm 6
Nhóm 5
Nhóm 7
Nhóm 6
Nhóm 8
Nhóm 6
Trong bảng phụ lục cuối chương dẫn ra tên gọi, tên latinh, phân nhóm (theo
tên sử dụng) và độ bền của các gỗ đã được xác định của đại đa số các loại gỗ rừng
Việt Nam.
1.3.3. Phân loại theo phương pháp chế biến
Gồm có:
- Gỗ súc (gỗ tròn): Gỗ nguyên cây.

- Gỗ xẻ, gỗ lạng: bán thành phẩm đã qua qua cưa xẻ ở dạng tấm, thanh.
- Gỗ dán, ván ép hay còn gọi là gỗ nhân tạo: Gỗ đã qua công nghệ chế biến
như dán, ép thành tấm có chiều dày 3mm, 4mm, 5mm, 7mm... gồm nhiều lớp xếp thớ
lệch góc nhau.
- Gỗ tẩm thuốc: tẩm thuốc chống mục, chống mọt để làm cột điện, tà vẹt, đóng
tàu...
- Gỗ bột giấy.
1.4. Sử dụng gỗ
Gỗ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
1.4.1. Gỗ gia dụng
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

4


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
Gỗ gia dụng là gỗ dùng để chế tạo các đồ dùng trong nhà như giường, tủ, bàn,
ghế,... hay còn gọi là đồ mộc.
Để chế tạo bàn, ghế, giường, tủ thông thường dùng các loại gỗ nhóm 6,7, bàn
ghế ở những nơi đặc biệt dùng gỗ nhóm 4, 5 ở dạng gỗ xẻ. Ngoài ra hiện nay các
xưởng mộc sản xuất lớn thường dùng các loại gỗ ép, ván dăm, ván sợi để chế tạo bàn
ghế mang tính kinh tế lớn.
1.4.2. Gỗ xây dựng
Gỗ dùng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp gọi là gỗ xây dựng, được sử
dụng dưới dạng các loại gỗ xẻ, chế biến từ gỗ nhóm 1 đến nhóm 8. Gỗ làm cốp pha
thường là gỗ nhóm 7, 8. Gỗ xây dựng cho những công trình cố định dùng nhóm 4, 5,
6. Đối với những công trình đặc biệt được sử dụng gỗ nhóm 2, có thể dùng cả nhóm 1.
1.4.3. Gỗ đóng tầu thuyền
Gỗ làm tàu thuyền là các loại gỗ chịu nước. Tùy thuộc tính chất chịu lực và
chịu nước của từng bộ phận của tàu thuyền người ta sử dụng các loại gỗ khác nhau:

+ Gỗ làm vỏ tàu
Nhóm 2: Lim xanh, táu mật, kiền kiền, sến mật, sến đắng, xoay.
Nhóm 3: Săng lẻ, chò chỉ, huỳnh, trường mật, chua khét, trường chua, cà ổi
xanh.
Nhóm 4: Re hương, re rừng, gội nếp, re mít, re vàng, gội , sâng, kháo mật.
Nhóm 5: Trâm tía, trâm xanh, trâm sung, sồi đá, kẹn gia, dãi, vải thiều, lim
xẹt, hoàng linh đá.
Nhóm 6: Sú tía, cồng tía, cồng chìm, gội tẻ, vàng kiêng, lõi thọ, re xanh, giẻ
đỏ, giẻ đề xi, chẹo tía, sâng, nhội, sồi vàng mép, thôi ba, thôi chanh, phay sừng, chò
nếp, ràng ràng mật, ràng ràng đá, sau sau.
+ Gỗ làm khung: Dùng gỗ nhóm 2,3 và 5.
+ Các bộ phận khác như ván sàn, cabin, lá canh dùng gỗ nhóm 6, 7 và một số gỗ
nhóm 5.
1.4.4. Gỗ làm bột giấy
Để làm bột giấy ở Việt Nam chủ yếu dùng các cây họ tre như giang, nứa, vầu,
dùng. Ngoài ra để có thể cung cấp lượng bột giấy lớn, chất lượng cao nhà nước đã
quy định dùng gỗ bồ đề, bạch đàn.

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

5


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên

2. Polyme
2.1. Khái niệm về vật liệu polyme
Polyme (hay còn gọi là cao phân tử) là các vật thể mà đại phân tử của nó gồm
nhiều mắt xích cơ bản có tổ chức giống nhau liên kết với nhau theo kiểu lặp đi lặp lại
nhiều lần.

Đại phân tử của polyme là những mạch gồm những mắt xích riêng biệt liên kết
với nhau như một bó. Mặt cắt ngang của mạch chỉ vài anstron (Å) còn chiều dài tới
vài nghìn (Å). Do đó polyme có một đặc tính cơ bản là tính dẻo (có thể uốn tuỳ ý).
Tính dẻo là một trong những đặc tính nổi bật của polyme.
Mỗi mắt xích cơ bản gọi là một đơn phân hay monome. Vì khối lượng phân tử
của polyme rất lớn nên mỗi phân tử được gọi là một đại phân tử và do đó vật liệu
polyme còn gọi là vật liệu cao phân tử. Khối lượng đại phân tử của polyme có thể từ
5000 đến cả triệu.
Với kích thước của đại phân tử như vậy nên tính chất của polyme không
những được xác định do thành phần hoá học của chúng mà còn do sự phân bố tương
đối giữa các mắt xích và do cấu tạo của chúng trong từng mắt xích.
Các đại phân tử của polyme có thành phần hoá học giống nhau nhưng thường
có kích thước khác nhau. Hiện tượng đó làm phân tán các đặc tính cơ lý của vật liệu
và được gọi là sự đa tán.
Đại phân tử có thể được tạo thành từ các đơn phân (monome) giống nhau hoặc
khác nhau về thành phần hoá học. Khi gồm các đơn phân giống nhau thì được gọi
homopolyme. Trong trường hợp gồm các đơn phân khác nhau thì gọi là copolyme.
Khi mạch cơ bản của polyme được cấu tạo bởi các nguyên tử cùng loại thì gọi
là polyme đồng mạch, nếu bởi các nguyên tử khác loại thì gọi là polyme dị mạch.
Polyme ở dạng lập thể (mạng không gian) có giá trị lớn khi tất cả các mắt xích
(monome) và các chất thay thế phân bố trong không gian theo một trật tự nhất định và
tạo cho polyme có các tính chất cơ lý cao. Polyme có khả năng thay đổi sự phân bố
theo không gian gọi là polyme điều chỉnh được (khác với một số loại không điều
chỉnh được).
2.2. Phân loại polyme
Có nhiều cách phân loại polyme:
2.2.1. Phân loại theo nguồn gốc có:
- Polyme thiên nhiên như cao su thiên nhiên, xenlulô, mica, graphit thiên
nhiên...

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

6


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
- Polyme nhân tạo hay còn gọi là polyme tổng hợp như chất dẻo, cao su nhân
tạo, thuỷ tinh...
2.2.2. Phân loại theo thành phần:
+ Polyme hữu cơ. Là polyme có mạch cơ bản là một hydrocacbon.
Nếu mạch phân tử cơ bản chỉ gồm các nguyên tử cácbon thì gọi là polyme
mạch cácbon. Trong đó các nguyên tử C nối với các nguyên tử H hoặc các gốc hữu
cơ khác.
Thí dụ:
H
...C C C C ...

R = gốc hữu cơ (radical)

R

Trong polyme dị mạch, mạch cơ bản gồm các nguyên tử C và các nguyên tử
khác làm thay đổi rất lứon tính chất của các polyme.
Thí dụ:
... C O C ...

hoặc

O
C N C

Khi nối với các nguyên tử C trong mạch, các nguyên tử H làm tăng tính uốn
của mạch, do đó làm tăng tính dẻo của polyme (như đối với các sợi và màng chất
dẻo), các nguyên tử P và Cl làm tăng tính chịu nóng, nguyên tử S làm tăng tính chống
thấm (thí dụ cao su), F làm tăng tính bền hoá học.
Một số polyme mạch cácbon và dị mạch có thể có hệ thống liên kết hợp như:
...CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH-....
hoặc
...
Năng lượng mạch liên hợp lớn hơn loại đồng mạch. Thí dụ: năng lượng liên
kết C-C là 80 Kcal/mol. Trong lúc đó năng lượng liên kết giữa các mạch liên hợp đến
100~110 Kcal/mol, do đó làm tăng tính ổn định khi nung nóng.
Polyme hữu có gồm các loại chất dẻo và cao su.
+ Polyme vô cơ
Là các polyme mà trong mạch cơ bản của chúng không có các hydrocacbon.
Thí dụ thuỷ tinh silicat, gốm, mica, amian. Thành phần cơ bản của các polyme vô cơ
là các loại oxit silic, oxit nhôm, oxit magiê, oxit canxi...
Trong silicat có 2 loại liên kết: các nguyên tử trong mỗi mắt xích nối với nhau
bằng liên kết đồng hoá trị (Si-O), còn liên kết giữa các mắt xích là liên kết ion. Do đó
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

7


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
tính chất của các chất này thay đổi trong phạm vi rất rộng; từ sợi thuỷ tinh (có tính
dòn) đến các màng đàn hồi. Polyme vô cơ có mật độ cao, bền nhiệt, nhưng thuỷ tinh
và gốm thì dòn, không chịu tải trọng động.
Graphit thuộc liạu polyme vô cơ nhưng có mạch cacbon.
+ Polyme hữu cơ phần tử

Là polyme mà trong mạch cơ bản chứa các nguyên tử vô cơ như Si, Ti, Al...
Các nguyên tử này nối với các gốc hữu cơ như metyl (-CH3), fenyl (-C6H5), etyl (C2H5). Các gốc hữu cơ cho vật liệu tính bền và dẻo, còn các nguyên tử vô có cho tính
chịu nhiệt cao. Trong thiên nhiên không có các loại vật liệu này mà chỉ tạo được bằng
cách tổng hợp nhân tạo.
Thí dụ: đại diện cho nhóm này là hợp chất silic hữu cơ có cấu trúc:
R

R

... Si O Si ...
R'

R'

Giữa các nguyên tử Si và O có liên kết hoá học bền, liên kết siloxan Si-O có
năng lượng 89,3 Kcal/mol. Từ đó tính bền nhiệt của nhựa silíc hữu cơ hoặc cao su
siloxan cao hơn mặc dù tính đàn hồi và tính dẻo kém hơn so với nhựa hữu cơ và cao
su thiên nhiên. Polyme chứa trong mạch cơ bản các nguyên tử Ti, O gọi là
polytitanoxan, mạch cơ bản chứa Ti, O, Si gọi là polytitansiloxan hữu cơ.
2.2.3. Phân loại theo hình dáng đại phân tử
Hình dáng đại phân tử gọi là mạch cơ bản. Theo cấu tạo mạch polyme được
chia ra:

Hình 1 – 1. Hình dáng các đại phân tử của Polyme

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

8

Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
+ Polyme mạch thẳng
Có đại phân tử là một chuỗi các mắt xích nối nhau theo đường dic dắc hay
hình xoắn ốc (hinh 1 – 1a). Đại phân tử uốn cong (hình bó) có độ bền cao dọc theo
mắt xích và độ bền thấp giữa các phân tử. Do đó, làm cho vật liệu có tính đàn hồi và
bị biến mềm khi nung nóng nhưng khi nguội thì cứng lại.
Nhiều polyme loại này hoà tan trong các dung môi. Khi mật độ "bó" của các
phân tử trong một đơn vị thể tích tăng thì độ bền và nhiệt độ biến mềm tăng nhưng
khả năng hoà tan trong dung môi giảm. Thí dụ thuộc loại này có polyetylen (PE),
polyamid (PA)...
+ Polyme mạch nhánh (polyme phân nhánh)
Cũng là polyme mạch thẳng nhưng trong đại phân tử có thêm các nhánh (hình
1-1b). Sự phân nhanh làm cản trở sự xích lại gần nhau của các phân tử, do đó làm
giảm liên kết giữa các phân tử và làm giảm "mật độ bó". Loại này có độ bền thấp, dễ
nóng chảy và dễ hoà tan hơn. Thí dụ: polyizobutylen (PIB).
+ Polyme hình thang
Gồm có hai mạch nối với nhau bằng liên kết hoá học. Khi cắt đứt các đại phân
tử polyme hình thang thường phải phá huỷ mạch liên kết ở ít nhất là 2 chỗ theo quy
luật ngẫu nhiên. Do đó, chúng bền hơn loại mạch thẳng (một mạch). Loại này không
hoà tan trong các dung môi hữu cơ tiêu chuẩn, có tính ổn định nhiệt cao hơn và cứng
hơn. Thí dụ polyme silic hữu cơ (hình 1-1c).
+ Polyme mạng lưới
Các mạch cạnh nhau trong polyme này được nối với nhau bằng liên kết đồng
hóa trị ở một số vị trí như trên hình 1-1d. Cấu trúc mạng lưới có thể hình thành trong
quá trình tổng hợp hoặc do phản ứng không thuận nghịch được tiến hành sau đó ở
nhiệt độ cao hoặc có xúc tác. Thông thường quá trình tạo mạng lưới được thực hiện
bằng cách cho thêm các nguyên tử hoặc phân tử có thể tạo liên kết đồng hoá trị với
mạch chính. Đa số các loại vật liệu cao su có cấu trúc mạng lưới do quá trình lưu hoá.
+ Polyme không gian
Các monome có ba nhóm hoạt động tạo nên polyme không gian ba chiều như

trên hình 1-1e. Các polyme này có tính chất cơ lý nhiệt đặc biết.
2.3.4. Phân loại theo trạng thái pha
Theo trạng thái pha polyme được chia làm hai loại: polyme vô định hình (hay
polyme 1 pha) và polyme tinh thể (hay polyme 2 pha).
Theo phân tích Rơnghen và kính hiển vi điện tử, thực ra các đại phân tử trong
polyme không phân bố hỗn loạn mà có trật tự, liên quan với nhau. Tổ chức tạo thành
do sự sắp xếp khác nhau của các phân tử gọi là siêu phân tử. Sự trật tự hoá trong tổ
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

9


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
chức được xác định bằng tính uốn của các đại phân tử mạch thẳng hoặc mạch nhánh
sẽ làm thay đổi hình dáng xếp xen kẽ theo từng phần.
Polyme vô định hình là loại có một pha, tạo nên từ các phân tử của mạch, xếp
thành từng bó. Mỗi bó gồm nhiều dãy đại phân tử phân bố nối tiếp nhau. Các bó có
khả năng dịch chuyển tương đối với nhau giữa các phân tử nằm cạnh nhau. Polyme
vô định hình cũng có thể tạo nên từ các mạch cuốn thành từng cuộn tròn gọi là "quả
cầu". Tổ chức cầu của polyme có cơ tính không cao. Khi tăng nhiệt độ các quả cầu
duỗi ra thành dạng thẳng, làm tăng có tính của polyme.

Hình 1-2: Quá trình tinh thể hoá của polyme.
Polyme tinh thể được tạo thành nếu các đại phân tử của chúng đủ cong và có
thể điều chỉnh được. Ở những điều kiện tương ứng, chuyển biến pha xảy ra trong các
bó và tạo thành mạng tinh thể không gian. Sự tạo thành tinh thể có thể biểu diễn theo
sơ đồ hình 1-2. Các bó (1) xếp thành dãy (2) bằng cách xoay bó nhiều lần theo góc
180o. Sau đó các dãy liên kết với nhau theo các mặt bên của mình để tạo thành tấm
(3). Các tấm này xếp thành lớp và tạo thành các tinh thể.
Trong trường hợp khi sự tạo thành các tinh thể khối từ các phân tử cấu trúc

nhỏ hơn gặp khó khăn, thì các hình cầu được tạo thành. Polyme có cấu trúc hình cầu
phổ biến hơn. Kích thước của chúng từ vài chục micromet đến vài milimet. Thí dụ,
các loại chất dẻo polyetylen, polypropylen, polyamid là những chất dẻo tinh thể.
2.3.5. Phân loại theo mức độ phân cực
Được chia ra polyme phân cực (hay polyme có cực) và polyme không phân
cực (hay polyme không cực).
Ở các phân tử polyme không phân cực, đám mây điện tử có tác dụng cố định
các nguyên tử, được phân bố giữa các phân tử ở mức độ giống nhau. Ở những phân tử
đó trung tâm kéo của các hạt tích điện khác dấu trùng với nhau.
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

10


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
Ở các phân tử polyme phân cực, đám mây điện tử chung dịch chuyển về phía
các nguyên tử có tích điện âm hơn. Do đó, trung tâm kéo của các hạt tích điện khác
dấu không trùng nhau.
Sự phân cực của polyme được đánh giá bằng momen lưỡng cực, ký hiệu là µ,
bằng tích của điện tích nguyên tố q (điện tích của một điện tử) trên khoảng cách l
giữa các tâm kéo của các hạt mang điện âm và dương.
Như vậy: µ = q.l
Điện tích của một điện tử q = 4,8.10-10 đơn vị tĩnh điện, khoảng cách l khoảng
10-18 cm (1Å).
Giá trị momen lưỡng cực µ khoảng 10-18 đơn vị tĩnh điện x cm. Các giá trị này còn
được đo bằng đơn vị Đê bai (D). Thí dụ:
C-H : µ = 0,2D
; C - N : µ = 0,4D ; C-O : µ = 0,9D
C-F : µ = 1,83D
; C-Cl : µ = 2,05D

Điều kiện đầu tiên để phân cực polyme là sự có mặt của các mối liên kết phân
cực ở trong polyme (các phân nhóm C-Cl; C-F ; -OH). Điều kiện thứ hai là sự bất đối
xứng trong tổ chức. Sự phân bố đối xứng của các nhóm chức năng tạo cho polyme
không phân cực vì momen lưỡng cực của các mối liên kết nguyên tử bù cho nhau.
Thí dụ:
a- Polyme không phân cực (các phân tử đối xứng).
H

H

H

H

F

F

C

C

C

C

C

C

H

H

F

F

n
Polyetylen

H CH3
Polypropylen

n

n
Teflon-4

b- Polyme phân cực: Trong Polyvinyl clorua (PVC) phân tử không đối xứng,
momen lưỡng cực C-H (0,2D) và C-Cl (2,05D)không bù cho nhau được. Độ phân
cực có ảnh hưởng đến tính chất của polyme.
H

H

C

C

H Cl
n
PVC

Thí dụ: Các polyme không phân cực (chủ yếu trên cơ sở các hydrocacbon) là
chất điện môi chất lượng cao. Tính chất của các polyme không phân cực ở nhiệt độ
thấp ít bị xấu đi, chịu lạnh tốt.

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

11


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
Tính phân cực, trong khi làm tăng lực kéo giữa các phân tử, làm cho polyme
cứng, chịu nhiệt, khó hoà tan vào các dung môi. Polyme phân cực dùng làm chất điện
môi chỉ trong một phạm vi tần số hạn chế (tần số thấp). Ngoài ra polyme phân cực có
đặc trưng là chịu lạnh kém (thí dụ: polyvinylclorua chịu lạnh từ -10oC đến - 20oC).
2.3.6. Phân loại theo khả năng chịu nhiệt
Chia ra polyme nhiệt dẻo và polyme nhiệt rắn.
Polyme nhiệt dẻo: Là polyme khi nung nóng thì mềm ra, thậm chí chảy lỏng,
khi để nguội thì cứng lại. Quá trình này thuận nghịch, tức là vật liệu không thay đổi
bản chất hoá học. Tổ chức đại phân tử loại này là polyetylen, polystyren, polyamid...
Polyme nhiệt rắn: là polyme ở giai đoạn đầu là mạch thẳng và khi nung nóng
thì mềm ra. Sau đó do phản ứng hoá học mà đông cứng lại (tạo thành tổ chức không
gian) và trở thành vật liệu cứng. Trạng thái đông cứng của polyme gọi là "cứng ổn
định". Thí dụ: nhựa fenolformal-dehyd...
3. CAO SU
3.1. Khái niệm chung, cấu tạo, thành phần và phân loại
Cao su là một loại vật liệu kỹ thuật có đặc tính đặc biệt là có khả năng đàn hồi

cao. Cao su là một loại polyme hữu cơ mà ở nhiệt độ thường nó đã ở trạng thái đàn
hồi cao, khả năng biến dạng đàn hồi ở nhiệt độ trong phòng có thể lên đến 1000%
(trong lúc đó kim loại chỉ có khả năng biến dạng đàn hồi nhỏ hơn 1%). Modul đàn
hồi thấp E = 0,1 - 1 KG/cm3. Cao su chịu kéo tốt nhưng chịu nén rất kém. Cao su
không thấm khí, không thấm nước, ổn định trong các môi trường tẩy rửa, cách điện
tốt, có mật độ thấp...
Về cấu tạo, cao su là một polyme có các phân tử vô giới hạn, có một nối đôi
giữa các nguyên tử cacbon trong mạch nguyên tử của đại phân tử. Khối lượng phân
tử có thể đạt đến 400.000 - 450.000. Cấu tạo đại phân tử mạch thẳng hoặc mạch
nhánh yếu và gồm các mắt xích riêng biệt, có xu hướng gập lại thành cụm, chiếm thể
tích nhỏ. Nhưng do bị cản trở bởi lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử nên các
phân tử cao su bị uốn thành hình zic zắc. Hình dáng của các phân tử cao su chính là
nguyên nhân làm cho cao su có tính đàn hồi đặc biệt.
Về tính chất, cao su là polyme nhiệt dẻo. Sự có mặt trong các phân tử cao su
các mối liên kết vô hạn đảm bảo ở những điều kiện nhất định chuyển sang trạng thái
ổn định nhiệt. Khi cho lưu huỳnh vào cao su, các nguyên tử lưu huỳnh hoá trị 2 tách
mối nối kép giữa hai nguyên tử cacbon trong mạch chính để nối các mạch cao su với
nhau theo hướng cắt ngang, nguyên tử S đóng vai trò như "cầu nối" giữa các phân tử
sợi cao su, do đó nhận được cấu tạo không gian gọi là cao su được lưu hoá. Phụ thuộc
vào lượng lưu huỳnh đưa vào cao su độ dày đặc của mạch lưới có khác nhau. Khi
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

12


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
lượng lưu huỳnh từ 1~5% tạo thành cao su mạch lưới thưa, có tính chất mềm, đàn hồi
cao. Tăng lượng lưu huỳnh mạch không gian của cao su trở nên dầy đặc hơn, cao su
cứng hơn và khi lượng lưu huỳnh đạt tối đa (30%) cao su bão hoà lưu huỳnh tạo nên
vật liệu cứng, hầu như không đàn hồi được gọi là êbôhit.

Thí dụ, đối với cao su thiên nhiên chưa lưu hoá có độ bền σb = 0,10~0,15
KG/cm3, sau khi lưu hoá σb = 3,5 KG/cm3 đồng thời tăng độ cứng và tăng tính chống
mài mòn.
Hiện nay trong các ngành công nghiệp sử dụng hai loại cao su sau: cao su
thiên nhiên và cao su tổng hợp.
Cao su tổng hợp lại có các phân loại sau:
- Theo công dụng chia ra: Cao su tổng hợp công dụng chung và cao su tổng
hợp công dụng đặc biệt.
- Theo cấu tạo hoá học chia ra làm 3 nhóm: Cao su có cấu tạo điều chỉnh được,
cao su đồng trùng hợp và cao su đặc biệt.
4. VẬT LIỆU COMPOZIT
4.1. Cấu tạo và tính chất chung
Vật liệu compozit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều vật liệu khác nhau kết hợp
lại, trong đó các ưu đểm của mỗi loại vật liệu thành phần được phối hợp với nhau,
hoặc tạo nên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng lẻ thì không một loại
vật liệu thành phần nào có thể đáp ứng được, còn nhược điểm của mỗi vật liệu thành
phần thì được khắc phục.
Vật liệu compozit có hai thành phần chính là vật liệu cốt và vật liệu nền.
Nhiệm vụ chính của vật liệu cốt là chịu tải trọng nên phải có độ bền cao. Vật liệu cốt
thường ở dạng sợi như sợi cacbon, sợi thuỷ tinh, sợi bo, sợi polyme, sợi kim loại, sợi
graphit, hoặc có thể ở dạng hạt như hạt cacbonrun (SiC), corindon (Al2O3), cacbit bo
(B4C)...
Vật liệu nền thực hiện nhiệm vụ chất liên kết tạo nên sự liên kết tốt giữa các
thành phần cốt. Vật liệu nền là các vật liệu có tính dẻo cao. Vật liệu nền thông dụng
chia ra 3 loại: polyme, cacbon và kim loại dẻo. Vật liệu nền polyme thường là các
polyeste, vật liệu nền kim loại thường là nhôm, đồng, niken...
Như vậy đặc điểm chính của vật liệu compozit là:
Thứ nhất: Là vật liệu nhiều pha, các pha không hoà tan vào nhau và phân cách
bằng ranh giới pha, trong đó nền là pha liên tục còn cốt là các pha gián đoạn.
Thứ hai: Trong compozit tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của

nền và cốt tuân theo các quy định thiết kế trước.

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

13


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
Thứ ba: Tính chất của các pha thành phần được phối hợp để tạo nên tính chất
chung của compozit.
Tuy nhiên, các vật liệu thành phần không phải cứ sử dụng bất kỳ vật liệu nào
cũng được nghĩa là không phải cứ bất kỳ vật liệu nào dẻo cũng có thể làm nền và bất
kỳ vật liệu có độ bền cao đều có thể làm cốt được mà phải lựa chọn sao cho các tính
chất tốt của vật liệu thành phần có thể kết hợp được với nhau và phát huy được trên
cơ sở các tính toán. Các vật liệu thành phần cốt và nền phải chọn sao cho có hệ số
dãn nở nhiệt phải gần bằng nhau để đảm bảo tính truyền lực liên tục giữa cốt và nền
trong quá trình làm việc.
4.2. Phân loại
4.2.1. Phân loại theo bản chất của nền
- Compozit nền chất dẻo.
- Compozit nền kim loại.
- Compozit nền gốm.
- Compozit nền hỗn hợp nhiều pha.
4.2.2. Phân loại theo hình học hoặc đặc điểm cấu trúc của cốt có thể phân thành 3
nhóm: compozit cốt hạt, compozit cốt sợi và compozit cấu trúc như sơ đồ hình 3-1
dưới đây.

Composite

Cốt hạt

Hạt thô

Hạt
mịn

Cốt sợi

Liên
tục

Có hướng

Gián
đoạn

Cấu trúc

Lớp

Tấm 3
lớp

Tổ ong

Ngẫu nhiên

Hình 1-3: Sơ đồ phân loại compozit

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

14


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
Compozit cốt hạt và cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: Cốt sợi
có tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phần tử đẳng trục.
Khái niệm về compozit cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm trong đó thông
dụng nhất là dạng lớp và dạng tấm 3 lớp, được cấu thành từ vật liệu đồng nhất, phối
hợp với các compozit khác.
5. VẬT LIỆU GỐM
5.1. Khái niệm về vật liệu gốm
Vật liệu gốm là vật liệu vô cơ, nhận được bằng cách dùng nguyên liệu ở dạng
hạt, ép thành hình, sau đó nung ở một nhiệt độ nhất định gọi là thiêu kết. Sản phẩm
nhận được sau khi thiêu kết thường không phải gia công gì thêm và có những tính
chất cơ lý hoá cần thiết.
Đặc điểm về cấu tạo vật liệu gốm khác với các vật liệu khác là trong vật liệu
gốm bao giờ cùng tồn tại 3 pha:
1) Pha tinh thể (pha hạt) ở dạng kim loại nguyên chất, hợp chất hoá học hay
dung dịch rắn. Pha này là pha chủ yếu, quyết định các tính chất cơ lý hoá cơ bản của
sản phẩm.
2) Pha thuỷ tinh ở dạng vô định hình, đóng vai trò chất liên kết các hạt (tinh
thể) với nhau. Pha này thường chiếm từ 1 đến 40% thể tích của sản phẩm.
Pha thuỷ tinh tạo thành do trong vật liệu có các tạp chất hoặc các hợp chất dễ
nóng chảy cao hơn so với pha tinh thể, trong quá trình thiêu kết chảy ra, phân tán
đồng đều giữa các hạt tinh thể. Pha thuỷ tinh làm giảm độ bền của vật liệu nhưng nó
lại làm dễ dàng cho quá trình công nghệ chế tạo sản phẩm.
3) Pha khí: Do vật liệu được ép từ các hạt với nhau nên bên trong sản phẩm
bao giờ cùng còn những lỗ xốp nhất định. Pha khí chính là khí chứa trong các lỗ xốp
đó. Pha khí có ảnh hưởng đến một số tính chất của vật liệu. Trạng thái của pha khí

được chia làm 3 loại: Đặc (tỷ lệ pha khí ≈ 0), lỗ xốp kín và lỗ xốp hở. Loại cấu tạo
đặc chỉ gặp trong trường hợp chế tạo theo công nghệ sành sứ từ đất sét, cao lanh hoặc
một số công nghệ đặc biệt. Loại có lỗ xốp kín là điều không mong muốn vì loại lỗ
xốp này làm giảm rất mạnh độ bền và các cơ tính khác của sản phẩm. Thường gặp
nhất là loại lỗ xốp hở. Tuy nhiên không nên coi pha khí trong vật liệu gốm là một loại
khuyết tật như trong các vật đúc. Các lỗ xốp hở đóng vai trò tích cực, nó tạo cho sản
phẩm gốm có những tính chất độc đáo mà trong các vật liệu thông thường không thể
có được (sẽ được giải thích qua các sản phẩm cụ thể ở phần sau).
Căn cứ vào độ xốp, các vật liệu gốm được chia làm 3 loại:
a - gốm đặc là gốm có độ xốp từ 0 đến 5%.
b - Gốm xốp có độ xốp từ 5 đến 25%
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

15


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên

(Ωm)

Điện trở riêng

(Kcal/mhoC)

khi độ xốp bằng 0

Hệ số dãn nở nhiệt

α.108 (oC-1)

Hệ số dãn dài

Độ cứng theo Mohs

E x 10-2 (KG/cm2)

Mođun đàn hồi

Nén

Kéo

Uốn

Giới hạn bền ở
20oC (KG/cm3)
g/cm3

Mật độ (lý thuyết)

C

o

Nhiệt độ nóng chảy

Oxít

c - Gốm rất xốp có độ xốp trên 25%.
Pha tinh thể là pha quan trọng nhất. Các vật liệu gốm kỹ thuật thường dùng

pha tinh thể là các oxit thuần nhất (tinh khiết) hoặc các cacbit, nitrit, borit hoặc kim
loại nguyên chất.
Các oxit thường dùng như Al2O3 (ở dạng coridon hay cương ngọc), ZrO2,
MgO, CaO, BeO, ThO2, UO2.
Đây là các hợp chất có tính chịu nóng cao, nhiệt độ nóng chảy của chúng trên
2000oC. Trong nguyên liệu có thể có chứa một ít tạp chất mà khi thiêu kết sẽ tạo
thành pha thuỷ tinh.
Vật liệu gốm loại này có độ bền nén rất cao, nhưng độ bền kéo và bền uốn thì
rất thấp. Độ bền càng cao khi kích thước hạt tinh thể càng nhỏ vì hạt càng lớn ứng
suất bên trong càng lớn.
Bảng 1-1 nêu lên một số tính chất cơ lý của các gốm trên cơ sở các oxit.

Al2O3

2050

3,99

26

15

300

382

9

8,4

24,8

1016

ZrO2

2700

5,60

15

23

210

172

7

7,7

1,5

104 ở
1000oC

BeO

2580

3,02

10

13

80

310

9

10,6

180

1014

MgO

2800

3,55

10

11

140

214

5-6

15,6

29,7

1015

CaO

2570

3,35

-

8

-

-

4-5

13,8

12,0

1014

ThO2

3050

9,69

10

-

150

140

6,5

10,2

7,3

1013

UO2

2760

10,96

-

-

98

164,5

3,5

10,5

6,3

103 ở
800oC

Các kim loại gốm là các hợp chất không chứa oxit của các kim loại khó chảy ở
dạng các cacbit, nitrit, borit, silisit có độ chịu nóng cao (tnc = 2500 ~ 3500oC), độ
cứng rất cao, một số có độ cứng tương đương kim cương, có tính chống mài mòn cao.
Các cacbit thường dùng có WC, TiC, TaC, NbC dùng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt,
SiC (cacborun) dùng để chế tạo các thanh điện trở là lò nung ở nhiệt độ 1300 ~
1500oC hoặc làm đá mài, giấy nhám.
Nitrit bo (BN) còn gọi là graphit trắng hay elbo, ở nhiệt độ thường với thù
hình α-BN có mạng lục giác, có độ cứng tương đương kim cương dùng làm hạt mài

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

16

Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
siêu tinh xác thay bột kim cương. Bảng 1-2 dẫn ra độ cứng của một số cacbit, nitrit và
borit.
Bảng 1-2
Hợp
chất

Độ cứng
Tế vi
(KG/cm2)

Mohs

Hợp
chất

HRA

Độ cứng
Tế vi
(KG/cm2)

Mohs

HRA

Fe2C

-

>8

-

VN

1520

9-10

-

Cr23C6

1650

9

83

TiN

2000

8-10

75

SiC

3000

-

-

TaN

1100

8

-

WC

1700-1800

9

80

CrB

1200-1300

8,5

90

Mo2C

1500

7

74

WB

3700

9

-

VC

2094

9

94

Mo2B

2500

8-9

90

TiC

3000

8-9

-

VB2

2100

8-9

-

TaC

1600-1800

9

82

TiB

2700-2800

-

86

ZrC

2800

8-9

87

TiB2

3350

8

-

NbC

1900-2000

-

83

TaB2

2500

8

-

HfC

2800

-

84

ZrB

3500-3600

-

87-89

AlN

1230

9

-

ZrB2

2250

8-9

-

B4C

4950

-

-

-

-

-

-

Chú thích: Theo nhiều tài liệu khác nhau và tải trọng để đo độ cứng khác
nhau nên số đơn vị độ cứng tế vi không thật tương ứng với các đơn vị theo Mohs
hoặc HRA.
Về mục đích vật liệu gốm được chế tạo để đáp ứng nhiều yêu cầu sử dụng

khác nhau, chia ra:
- Vật liệu gốm chống mài mòn, loại này có hệ số ma sát f ≤ 0,1.
- Vật liệu gốm ma sát, loại này phải có hệ số ma sát f ≥ 0,05 khi có bôi trơn và
f≥ 0,2 khi không có bôi trơn.
- Chế tạo các bộ lọc khí.
- Chế tạo các chi tiết chịu nóng và cách nhiệt.
- Chế tạo các chi tiết tiếp xúc với môi trường ăn mòn hoá học.
- Chế tạo các tiếp điểm khi có dòng điện cường độ khác nhau.
- Chế tạo các chi tiết từ mềm.
- Chế tạo các chi tiết từ cứng (nam châm vĩnh cửu).
- Chế tạo các dụng cụ cắt gọt.
5.2. Quá trình chế tạo chi tiết bằng vật liệu gốm.
Bất kỳ một chi tiết gốm nào cũng được chế tạo theo một quá trình gồm 3 giai
đoạn: giai đoạn tạo bột, giai đoạn ép thành chi tiết và giai đoạn thiêu kết.
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

17


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
5.2.1. Giai đoạn tạo bột
Vật liệu gốm thuộc nhóm oxit có thể chế tạo từ đất sét, cao lanh. Nhưng đất
sét, cao lanh thiên nhiên chứa nhiều tạp chất, làm cho tỷ lệ pha thuỷ tinh cao, làm
giảm độ bền và tính chịu nóng của sản phẩm, do đó pha tinh thể của các chi tiết gốm
quan trọng đều phải chế tạo từ các vật liệu tinh khiết và nhân tạo ở dạng hạt.
Các hạt gốm ở dạng oxit, cacbit, nitrit, kể cả kim loại nguyên chất hoặc dung
dịch rắn... có thể tạo bằng các phương pháp hoá học, điện hoá, nhiệt điện, cơ học, vật
lý...
Thí dụ: Để tạo kim loại nguyên chất như bột Fe, bột W... người ta hoàn
nguyên kim loại từ các oxit bằng các phản ứng khử ở nhiệt độ cao, hoặc để tạo đồng

nguyên chất dùng phương pháp điện phân từ các thỏi đồng không nguyên chất. Để
tạo cacbit silic người ta nung cát (SiO2) trộn với than trong lò hồ quang. Phản ứng
khử xảy ra tạo thành SiC.
SiO2 + C Æ SiC + 2CO
Các hạt gốm nhận được phải tinh khiết (không lẫn tạp chất) được nghiền nhỏ
và được phân loại theo cỡ hạt.
5.2.2. Giai đoạn ép
Trước khi ép bột kim loại và chất kết dính phải được định lượng đúng theo
thành phần quy định và trộn đều trong máy trộn. Thời gian trộn từ 1 đến 5 giờ, trộn
khô hoặc trộn ướt. Trộn ướt sử dụng khi có cho thêm chất kết dính là các chất lỏng
hoặc keo như cồn, xăng, glixerin... Nếu trộn ướt sau khi trộn đều phải đem sấy sơ bộ
ở nhiệt độ 120 - 200oC. Để tạo hình người ta có thể ép nóng hoặc ép nguội. Thường
dùng nhất là ép nguội trong khuôn ép kín. Ép một chiều hoặc hai chiều trên các máy
ép khác nhau, ép nổ hay cán... nhưng thường dùng nhất là ép đẳng tĩnh trên máy ép
thuỷ lực. Lực ép phụ thuộc độ xốp yêu cầu của sản phẩm và đặc điểm của hạt gốm.
Khi tạo sản phẩn có độ xốp thường dùng phương pháp ép nguội với áp lực ép
từ 0,4~0,5 đến 8~12 tấn/cm2.
Khi chế tạo các sản phẩm đặc (không có lỗ xốp) thí dụ chế tạo dụng cụ cắt gọt,
người ta thường dùng phương pháp ép nóng. Nhiệt độ ép thường lấy bằng 0,5~0,8
nhiệt độ nóng chảy của kim loại theo nhiệt độ tuyệt đối (oK).
Với các hạt gốm khó ép như các loại cacbit hoặc borit của các kim loại khó
chảy người ta thường dùng phương pháp ép nóng động học. Phương pháp này gồm 2
giai đoạn: Giai đoạn 1: ép nguội sơ bộ bột kim loại thành chi tiết có kích thước lớn
hơn quy định và có độ xốp 25~30%. Giai đoạn 2: Nung nhanh chi tiết lên đến nhiệt
độ ép ở trong khuôn kín và ép, sau đó làm nguội với tốc độ cần thiết. Với phương

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

18

Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
pháp ép này, sau khi ép sản phẩm hầu như đặc (chỉ để lại 1 ~ 2% độ xốp dư) có kích
thước chính xác, bề mặt sạch, năng suất ép cao.
5.2.3. Giai đoạn thiêu kết
Chi tiết sau khi ép có độ bền chưa cao và một số tính chất lý hoá khác chưa
đáp ứng yêu cầu, do đó cần phải qua giai đoạn thiêu kết.
Nhiệt độ thiêu kết lấy 0,7 ~ 0,9 nhiệt độ nóng chảy (lấy theo oK) của kim loại
chủ yếu (nếu trong vật liệu gồm nhiều nguyên). Trong quá trình thiêu kết do dao
động nhiệt của nguyên tử tăng làm tăng quá trình tiếp xúc và liên kết giữa các phần tử
trong chi tiết nên độ bền, mật độ của chi tiết tăng và các tính chất lý hoá khác cũng
đạt được các chỉ tiêu cần thiết.
Phôi thiêu kết phải đặt trong môi trường hoàn nguyên, trung tính hoặc chân
không.
Điểm đặc biệt cần chú ý là trong thời gian thiêu kết trong khối gốm có thể tạo
thành pha lỏng do các chất dính, các tạp chất hoặc các kim loại có nhiệt độ nóng chảy
thấp chảy ra. Pha lỏng này khi đông đặc sẽ liên kết các hạt gốm lại với nhau. Nhưng
vì có tạo pha lỏng này nên hình dáng chi tiết trong thời gian thiêu kết có thể biến
dạng do đó trong nhiều trường hợp chi tiết sau khi ép muốn đem thiêu kết phải xếp
vào hộp và được nén chặt xung quanh bằng các chất tạo môi trường hoàn nguyên ở
thể rắn (thí dụ than đá,...).
Thời gian giữ nhiệt khi thiêu kết phụ thuộc thành phần vật liệu gốm, kích
thước chi tiết có thể dao động từ vài phút đến vài giờ.
Sau khi thiêu kết để nguội, cần phải kiểm tra chất lượng và kích thước. Nếu bị
biến dạng cần phải gia công chỉnh hình. Tốt nhất là chỉnh bằng phương pháp ép,
chuốt nếu gốm có độ dẻo nhất định. Một số trường hợp sau khi thiêu kết có thể nhiệt
luyện hoặc mạ phủ kim loại hoặc tráng một lớp chất dẻo...
6. THỦY TINH VÔ CƠ
6.1. Khái niệm
Thủy tinh vô cơ được coi như là một dạng cấu tạo đặc biệt của các dạng dung

dịch đông đặc, là một khối nóng chảy phức tạp có độ nhớt cao của các oxit axit và
oxit kiềm.
6.2. Cấu tạo của thủy tinh
Trạng thái thủy tinh hóa là một dạng khác của trạng thái vô định hình của vật
chất. Khi thủy tinh chuyển từ trạng thái chảy lỏng sang trạng thái rắn vô định hình,
trong quá trình nguội nhanh và tăng độ nhớt thì tổ chức mất trật tự, đặc trưng của
trạng thái lỏng, lại được giữ lại ở trạng thái đông đặc. Do đó thủy tinh vô cơ có đặc
trưng của cấu trúc bên trong là mất trật tự và không đồng nhất.
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

19


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
Bộ sườn thủy tinh hóa của thủy tinh là một mạng lưới không gian phi quy luật,
được tạo nên bởi các hình trực thoi của oxit silic [SiO4]-2. Trên hình 8-1a biểu diễn
mạng của thủy tinh thạch anh, trong đó các vòng đen là nguyên tử Si, vòng trắng là
nguyên tử oxi.

Hình 1- 4: Cấu trúc của thủy tinh vô cơ
Khi các nguyên tử như Al, B thay thế đồng hình từng phần các nguyên
tử Si ở dạng trực thoi, tạo nên lưới tổ chức aluminosilicat [SixAlO4]z- hoặc borosilicat
[SixBO4]z-. Các ion kiềm (Na, K) và kiềm thổ (Ca, Mg, Ba) gọi là chất biến tính,
trong lưới tổ chức của thủy tinh phân bố trung gian giữa các nhóm trực thoi (hình 81b). Vai trò của Na2O hoặc các chất biến tính khác là tách mối liên kết Si-O-Si khá
bền, giảm tính ổn định nhiệt và ổn định hóa học của thủy tinh, như do đó làm dễ dàng
cho công nghệ sản xuất thủy tinh. Đa số các thủy tinh có cấu trúc xốp, bên trong
không đồng nhất và có nhiều khuyết tật bề mặt.
Trong thành phần của thủy tinh vô có có oxit silic, bo, photpho, giecmani, asen
thủy tinh hóa tạo nên mạng lưới cấu trúc và các oxit biến tính natri, kali, canxi,
magiê, bari làm thay đổi các tính chất lý hóa của thủy tinh. Ngoài ra trong thành phần

của thủy tinh còn có các ôxit nhôm, sắt, chì, titan, beri... mà bản thân chúng không
tạo nên mạng lưới cấu trúc, nhưng chúng có thể xen vào từng phần cấu trúc của thủy
tinh và làm cho thủy tinh có những đặc tính kỹ thuật cần thiết. Đó là những thủy tinh
công nghiệp thuộc hệ thống nhiều nguyên phức tạp.
6.3. Phân loại thuỷ tinh theo nhiều dấu hiệu khác nhau
+ Theo bản chất hoá học của các chất thuỷ tinh hoá
Chia ra thuỷ tinh silicat (SiO2), thuỷ tinh alumosilicat (Al2O3.SiO2), thuỷ tinh
bosilicat (B2O3-SiO2), thuỷ tinh alumobosilicat (Al2O3-B2O3-SiO2), thuỷ tinh
alumophophat (Al2O3-P2O5),...
+ Theo lượng chứa các chất biến tính có thuỷ tinh kiềm (chứa các oxit Na2O, K2O),
thuỷ tinh không kiềm và thuỷ tinh thạch anh.
Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

20


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
+ Theo công dụng tất cả thuỷ tinh chia ra:
- Thuỷ tinh kỹ thuật (thuỷ tinh quang học, thuỷ tinh màu kỹ thuật, thuỷ tinh kỹ
thuật điện, thuỷ tinh thí nghiệm hoá, thuỷ tinh khí cụ, thuỷ tinh ống).
- Thuỷ tinh xây dựng (thuỷ tinh làm cửa sổ, thuỷ tinh làm tủ kính, thuỷ tinh có
cốt, gạch thuỷ tinh).
- Thuỷ tinh sinh hoạt (chậu thuỷ tinh, chén đĩa, kính soi...)
Thuỷ tinh kỹ thuật đa số thuộc nhớm alumosilicat và phân biệt nhau bằng các
chất cho thêm khác nhau.
6.4. Tính chất chung của thuỷ tinh
Khi nung nóng thuỷ tinh nóng chảy trong một khoảng nhiệt độ nhất định, phụ
thuộc vào thành phần của thuỷ tinh.
Hình 8-2 biểu diễn quan hệ của một số tính chất của thuỷ tinh thay đổi theo
nhiệt độ, trong đó ttt là nhiệt độ thuỷ tinh hoá, thấp hơn nhiệt độ này thuỷ tinh rất dòn.

Thuỷ tinh silicat công nghiệp có ttt = 425 ~ 600 oC, tm gọi là nhiệt độ biến mềm nằm
trong khoảng 600 ~ 800oC. Trong khoảng nhiệt độ từ ttt đến tm thuỷ tinh ở trạng thái
dẻo có độ nhớt cao. Khi tiến hành các công nghệ gia công thuỷ tinh thành các sản
phẩm nhiệt độ thuỷ tinh phải ở trên tm (1000 ~ 1100oC)
Tính chất của thuỷ tinh cũng giống như tất cả mọi vật liệu vô định hình khác là
vô hướng.
Mật độ của thuỷ tinh (khối lượng riêng) dao động trong khoảng 2,2 đến
6,5g/cm3 (thuỷ tinh có oxit chì và oxit bari đến 8 g/cm3).
Hình 8-2
Tính chất cơ khí: Thuỷ tinh có độ bền nén cao (50 ~ 200 KG/cm2) nhưng có
giới hạn bền kéo rất thấp (3 ~ 9 KG/cm2), độ bền uốn rất thấp (5 ~ 15 KG/cm2).
Modun đàn hồi cao (4500 đến 104 KG/mm2), hệ số poisson µ = 0,184 - 0,26. Độ cứng
của thuỷ tinh thường xác định theo thang độ cứng Mohs bằng 5 ~ 7 đơn vị. Độ dai va
đập thấp ak = 1,5 ~ 2,5 KGm/cm2. Thuỷ tinh thạch anh và thuỷ tinh không chứa kiềm
có cơ tính cao hơn các thuỷ tinh khác.
Đặc tính kỹ thuật quan trọng của thuỷ tinh là các tính chất quang học: tính
trong suốt, tính phản xạ, tính tán xạ, tính hấp thụ và tính khúc xạ ánh sáng. Thuỷ tinh
tấm không nhuộm màu bình thường cho ánh sáng đi qua 90%, phản xạ 8%, hấp thụ
1% ánh sáng trắng và một phần tia hồng ngoại. Tia tử ngoại hầu như được thuỷ tinh
hấp thụ toàn bộ. Thuỷ tinh thạch anh trong suốt đối với tia tử ngoại. Hệ số khúc xạ
của thuỷ tinh 1,47 ~ 1,96, hệ số tán xạ nằm trong khoảng 20 đến 71. Thuỷ tinh có

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

21


Trường Đại học kỹ thuật công nghiêp Thái Nguyên
chứa lượng oxit chì lớn hấp thụ các tia Rơnghen nên thường dùng làm kính bảo vệ
trong các thiết bị và phòng làm việc có tia Rơnghen.

Tính chịu nhiệt của thuỷ tinh là đặc trưng của tuổi thọ của nó trong điều kiện
thay đổi nhiệt độ. Tính chịu nhiệt của thuỷ tinh được xác định bằng nhiệt độ và từ
nhiệt độ đó làm nguội nhanh trong nước (đến 0oC) mà thuỷ tinh không bị nứt.
Trên hình 8-3a chỉ rõ thuỷ tinh có hệ số giãn nở nhiệt càng nhỏ, tính chịu nhiệt
càng cao. Hệ số giãn nở nhiệt của thuỷ tinh α từ 5,6.10-7 l/oC đối với thuỷ tinh xây
dựng. Hệ số dẫn nhiệt từ 0,57 đến 1,3 Kcal/m.h.oC. Đa số các thuỷ tinh có tính chịu
nhiệt dao động từ 90 đến 170oC, riêng đối với thuỷ tinh thạch anh (quartz) chịu đến
800 ~ 1000oC. Tính ổn định hóa học của thuỷ tinh phụ thuộc các cấu tử tạo thành nó:
Các oxit SiO2, ZrO2, TiO2, B2O3, Al2O3, CaO, MgO, ZnO có độ bền hoá học cao, còn
các oxit Li2O, Na2O, K2O, BaO và PbO ngược lại làm thuỷ tinh bị ăn mòn. Trên hình
8-3b biểu diễn quan hệ giữa độ bền và tính chịu nhiệt của thuỷ tinh. Độ bền càng cao,
tính chịu nhiệt của thuỷ tinh càng cao. Có thể nâng cao độ bền và tính chịu nhiệt của
thuỷ tinh bằng tôi và hoá bền hoá nhiệt.
Tôi gồm có nung nóng thuỷ tinh cao hơn tott sau đó làm nguội nhanh và đồng
đều trong dòng không khí hoặc trong dầu (nhớt). Lúc này độ bền tải trọng tĩnh tăng
lên 3 ~ 6 lần, còn độ dai va đập tăng 5 ~ 7 lần và như vậy tính chịu nhiệt đương nhiên
cũng sẽ tăng lên tương ứng.
Hoá bền hoá nhiệt thuỷ tinh là làm thay đổi tổ chức và tính chất của bề mặt
thuỷ tinh. Thuỷ tinh đem tôi trong một bể chứa thuỷ tinh hữu cơ nóng chảy, làm cho
trên bề mặt thuỷ tinh tạo thành một màng polyme. Hoá bền như vậy thuỷ tinh được
hoá bền cao hơn tôi thông thường.
Có thể nâng cao độ bền và tính chịu nhiệt của thuỷ tinh bằng cách tẩm thực
thuỷ tinh đã tôi trong axit flohydric (HF), làm như vậy loại bỏ được các khuyết tật bề
mặt là nguyên nhân làm giảm chất lượng của thuỷ tinh.
Thuỷ tinh 3 lớp silicat (triplex) là thuỷ tinh gồm 2 lớp thuỷ tinh đã tôi (dày
2~3mm) ở giữa dán bằng một lớp keo polyme trong suốt và đàn hồi. Khi bị vỡ triplex
tạo thành những mảnh không nhọn (dạng hạt lựu) được giữ trên màng polyme.
Triplex thường có dạng tấm phẳng hoặc cong.
Termopan là thuỷ tinh 3 lớp gồm 2 lớp thuỷ tinh và ở giữa có 1 lớp không khí.
Lớp không khí đảm bảo thuỷ tinh có tinh chất cách nhiệt cao.

Trần Anh Đức – bộ môn: Công nghệ vật liệu – khoa Cơ Khí

22


Trng i hc k thut cụng nghiờp Thỏi Nguyờn

PHN 2. CễNG NGH LP RP
Công nghệ lắp ráp các sản phẩm cơ khí
1 Khái niệm về sản phẩm cơ khí và các mối lắp ghép
a. Khái niệm
Sản phẩm cơ khí là tổ hợp của nhiều chi tiết. Quá trình gia công cơ khí là giai đoạn
chủ yếu của quá trình sản xuất nhằm chế tạo đợc các chi tiết thỏa mãn các yêu cầu
kỹ thuật đã đặt ra. Lắp ráp là giai đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất nhằm tổ hợp
các chi tiết thành các thiết bị hoặc sản phẩm hoàn chỉnh.
Quá trình lắp ráp là một quá ttrinhf lao động kỹ thuật phức tạp. Trong dạng sản xuất
hàng khối, khối lợng lao động lắp ráp chiếm từ 10 ữ15%, trong sản xuất hàng loạt
20ữ35% và trong sản xuất đơn chiếc khoảng 30ữ45% khối lợng gia công cơ. Quá
trình thiết kế sản phẩm và chế tạo các chi tiết ảnh hởng trực tiếp đến khối lợng lao
động và thời gian lắp ráp. Nếu kết cấu sản phẩm hợp lý, độ chính xác của các chi tiết
cao thì khối lợng lao động và thời gian lắp ráp sẽ giảm, giá thành sản phẩm hạ. Chất
lợng của quá trình lắp ráp có ảnh hởng rất quan trọng tới chất lợng sản phẩm.
Ví dụ: chất lợng của xe đạp ngoài viêvj phụ thuộc váo chất lợng của các chi tiết
còn phụ thuộc rất nhiều vào chất lợng lắp ráp.
Chính vì vậy việc nghiên cứu công nghệ lắp ráp hợp lý phải đợc đặt ra từ giai đoạn
thiết kế sản phẩm và giai đoạn gia công cơ khí để chế tạo đợc những sản phẩm có
chất lợng cao, giá thành hạ.
b. Nhiệm vụ của công nghệ lắp ráp
Nhiệm vụ của công nghệ lắp ráp là căn cứ vào những điều kiệnkyx thuật của bản vẽ

lắp sản phẩm để thiets kế ra quy trình cong nghệ lắp hợp lý và tìm các biện pháp kỹ
thuật để lắp ráp nhằm thỏa mãn hai yêu cầu sau:
- Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.
- Đảm bảo năng suất cao góp phần hạ giá thành sản phẩm.
Muốn vậy cần phải:
- Nghiên cứu kỹ bản vẽ lắp và yêu cầy kỹ thuật của sản phẩm từ đó xây dựng đợc
quy trình công nghệ lắp ráp hợp lý nhằm đảm báo lắp đợc sản phẩm thỏa mãn
các yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra. Muốn vậy ngời thơ lắp ráp phải có kiến thức tổng
hợp về công nghệ lắp ráp và có tay nghề để thực hiện những nội dung cơ bản của
nhiệm vụ lắp.
- Phải thực hiện quy trình công nghệ lắp theo một trình tự hợp lý nhằm đảm bảo lắp
đợc sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật với thời gian nhỏ nhất.
- Cần nắm vững công nghệ lắp ráp, sử dụng hợp lý các trang thiết bị đồ gá, dụng cụ
đo kiểm v.v để giảm nhẹ lao động và âng coa năng suất lắp ráp.
2 Các loại mối lắp vá độ chính xác lắp ráp
a. Phân loại các mói lắp
Sơ đồ phân loại các mối lắp đợc trình bày trên hình 11.1
Trn Anh c b mụn: Cụng ngh vt liu khoa C Khớ

23


Trng i hc k thut cụng nghiờp Thỏi Nguyờn

- Mối lắp cố định là mối lắp mà vị trí tơng đối giữa các chi tiết không thay đổi trong
quá trình làm việc. Mối lắp cố định bao gồm:
+ Mối lắp cố định tháo đợc.
Ví dụ: mối lắp ren bulon - đai ốc, chốt, mối lắp chêm, then v.v
+ Mối lắp cố định không tháo đợc.
Ví dụ: mối lắp bằng hàn, dán, đinh tán các loại mối lắp này thờng gặp trong

chế tạo tàu thủy, máy bay, cầu v.v
- Mối lắp di động là các mối lắp mà các chi tiết có thể chuyển động tơng đối với
nhau trong quá trình làm việc. Mối lắp di động bao gồm:
+ Mối lắp di động tháo đợc nh các loại khớp trợt, ăn khớp bánh răng, pít tông
và xi lanh v.v
+ Mối lắp di động không tháo đợc.
Ví dụ: mối lắp giữa ca bi ngoài, ca bi trong và các viên bi để tạo thành vòng bi.
b. Khái niệm về độ chính xác lắp ráp
Trong quá trình lắp ráp có khả năng xuất hiện các sai lệch vị trí của các chi tiết lắp,
các cụm lắp hoặc các mối lắp không thỏa mãn các yêu cầu của bản vẽ lắp.
Các nguyên nhân ảnh hởng tới độ chính xác lắp bao gồm:
- Các chi tiết máy không đảm bảo độ chính xác gia công.
- Do thực hiện quá trình lắp không chính xác.
Để đảm bảo độ chính xác lắp ráp, khi lắp cần phai r đạt đợc các yêu cầu sau:
- Phải đẩm bảo tính chất của từng mối lắp theo yêu cầu thiết kế.
- Các nối lắp ghép liên tiếp tạo thành những chuỗi kích thớc lắp. Khi lắp tráp phải
đảm bảo sao cho khi làm việc, dới tác dụng tải trọng vị trí tơng quan gia các

Trn Anh c b mụn: Cụng ngh vt liu khoa C Khớ

24


Trng i hc k thut cụng nghiờp Thỏi Nguyờn
chi tiết và cụm máu không thay đổi nhằm đảm bảo đợc tính năng và sự ổn định
của máy.
- Trong quá trình làm việc tại các mối lắp di động các bề mặt tiếp xúc của các chi
tiết sẽ bị mài mòn làm tăng dần khe hở dẫn tới thay đổi vị trí tơng quan của các
chi tiết. Khi lắp ráp cần tìm cách giảm khe hở ban đầu và có khả năng hiệu chỉnh
vị trí của chi tiết khi chi tiết bị mài mòn nhằm nâng cao tuổi bền và hiệu quả sử

dụng thiết bị.
c. Các phơng pháp đảm bảo độ chính xác lắp ráp
Để đảm bảo độ chính xác lắp ráp ngời ta thờng sử dụng các phơng pháp lắp sau:
- Phơng pháp lắp lẫn hoàn toàn
Bản chất của phơng pháp lắp lẫn hoàn toàn là ta lấy bất kỳ một chi tiết nào đó đem
lắp vào vị trí của nó trong cụ hay sản phẩm lắp thì đều không phải sửa chữa hoặc điều
chỉnh mà vẫn đảm bảo tính chất của mối lắp theo thiết kế.
Ví dụ : lắp các viên bi vào ổ trục của xe đạp.
u điểm của phơng pháp này là đơn giản, năng suất lắp cao, không đòi hỏi trình độ
công nhân cao, dễ xây dựng định mức kỹ thuật, có khả năng cơ khí hóa và tự động
hóa, thuận tiện cho việc sửa chữa hoặc thay thế trong quá trình sử dụng.
Nhợc điểm của phơng pháp này là yêu cầu
độ chính xác gia công cao, số khâu trong chuỗi
kích thớc lắp ít.
- Phơng pháp lắp chọn
Bản chất của phơng pháp lắp chọn là đo kích
thớc của một chi tiết rồi căn cứ vào yêu cầu
của mối lắp để xác định kích thớc của chi tiết
cần lắp với nó, từ đó ta chọn chi tiết có kích
thớc phù hợp với kích thớc đã xác định để
tiến hành lắp.
Phơng pháp lắp chonhj cho năng suất thấp vì
thế ít dùng.
- Phơng pháp lắp sửa
Nội dung của phơng pháp lắp sửa là sửa chữa một khâu chọn trớc trong các khâu
thành phần của sản phẩm lắp bằng cách lấy đi một lợng kim loại trên bề mặt lắp
ghép của nó để đạt đợc yêu cầu của mối lắp. Khâu sửa chữa đợc gọi là khâu bồi
thờng.
Ví dụ: khi lắp ráp hệ dẫn hớng (hình 11.2) ta chọn khâu A2 trên chi tiết 2 làm khâu
bồi thờng với lợng d bồi thờng là Z. Trong quá trình lắp ngời thợ cạo lớp kim

loại cần thiết Z ở khâu bồi thờng nhằm đảm bảo khe hở lắp ghép TA .
- Phơng pháp lắp điều chỉnh
Khi lắp điều chỉnh độ chính xác của khâu khép kín đạt đợc nhờ thay đổi vị trí của
khâu bồi thờng bằng cách dịch chuyển hay điều chỉnh.

Trn Anh c b mụn: Cụng ngh vt liu khoa C Khớ

25