NGHIÊN cứu cấu TRÚC tế VI và độ CỨNG của lớp đắp bề mặt TRỤC vít TRONG LĨNH vực sản XUẤT GẠCH, NGÓI

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

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TẾ VI VÀ ĐỘ CỨNG CỦA LỚP ĐẮP BỀ MẶT
TRỤC VÍT TRONG LĨNH VỰC SẢN XUẤT GẠCH, NGÓI
STUDY OF MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS OF SURFACE WELDING
OF SCREW EXTRUSION IN THE FIELD OF BRICKS AND TILES PRODUCTION
ThS. Ngô Hữu Mạnha, ThS. Tạ Hồng Phongb, ThS. Nguyễn Đức Hảic
Trường Đại học Sao Đỏ
a
; ;
TÓM TẮT
Cấu trúc tế vi và độ cứng có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của kim loại mối hàn. Khi
hàn đắp bằng công nghệ hàn SMAW (Shielded metal arc welding), sự xuất hiện của hạt cứng
như Crôm các bít (CrC) và hỗn hợp Cr-Fe-C dạng sợi trong kim loại mối hàn sẽ làm tăng độ
cứng và khả năng làm việc của kim loại lớp đắp. Đây là yếu tố quyết định đến tuổi thọ và hiệu
suất làm việc của bề mặt cánh trục vít ép đùn trong lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng. Cấu
trúc, độ cứng tế vi, thành phần kim loại mối hàn được phân tích bằng hiển vi quang học
(OM), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng (EDS). Trong bài báo này, nhóm
tác giả sẽ phân tích cấu trúc tế vi và độ cứng của kim loại mối hàn để nâng cao tuổi thọ và
hiệu suất làm việc của trục vít ép đùn ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất gạch, ngói.
Từ khóa: cấu trúc kim loại, độ cứng tế vi, hàn đắp, SMAW, MMA.
ABSTRACT
The microstructure and hardness have a strong influence on the characteristics of the
weld metal. During shielded metal arc welding (SMAW) process, the emergence of hard
particles such as Chromium carbide (CrC) and mixed of Cr-Fe-C fibers in the weld metal
increases the hardness and ability performance of metal covering layer. This is a crucial factor
to longevity and performance of surface of screw extrusion in the field construction materials
produce. The microstructure, microhardness, weld metal composition were analyzed using
optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive
spectroscopy (EDS). In this paper, the authors will analyze the microstructure and hardness of
the weld metal to improve the longevity and performance of screw extrusion applications in

the field of bricks and tiles production.
Keywords: Metal structure, SMAW, Microhardness, Welding, Abrasion.
1. MỞ ĐẦU
Trong quá trình sản xuất, trục vít phải làm việc liên tục trong điều kiện chịu tải trọng
lớn và chịu mài mòn với cường độ cao. Nếu trục vít được chế tạo bằng thép chịu lực, chịu va
đập, chịu mài mòn sẽ làm tăng chi phí sản xuất và gây lãng phí vật liệu. Do đó, trục vít
thường được chế tạo gồm hai phần cơ bản. Thứ nhất là phần làm việc thường được chế tạo từ
thép hợp kim cứng, chịu ứng suất, chịu va đập, chịu mài mòn. Thứ hai là phần thân thường
chế tạo từ thép các bon để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về tính hàn, độ dẻo và giảm chi phí sản
phẩm. Hai phần này sẽ được liên kết với nhau bằng quá trình hàn SMAW (Shielded Metal
Arc Welding). Tuy nhiên, vật liệu hàn và vật liệu nền là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau
về đặc tính. Do đó, quá trình hàn nếu không sử dụng các biện pháp công nghệ thì rất dễ xảy ra
hiện tượng nứt, tróc hoặc tách lớp sau khi hàn.
Kim loại lớp đắp không những phải có độ cứng cao, bề mặt làm việc của trục vít ép đùn
còn phải có khả năng chịu mài mòn khi làm việc. Các yếu tố này bị ảnh hưởng bởi cấu trúc tế
357


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
vi của kim loại mối hàn. Ngoài cấu trúc dạng hạt là các các bít có độ cứng cao, cấu trúc dạng
sợi là cần thiết để tăng cường khả năng chịu mài mòn, hạn chế nứt, tách lớp cho lớp đắp khi
làm việc. Vì vậy, tính toán, xác định chế độ hàn và xây dựng quy trình công nghệ hàn SMAW
phù hợp là nhiệm vụ quan trọng để hàn đắp bề mặt làm việc cho cánh trục vít ép, đùn đảm bảo
được hai chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật. Ngoài ra, phân tích và lựa chọn vật liệu cũng rất cần
thiết cho quá trình hàn để tạo ra bề mặt của trục vít ép đùn có đặc tính theo yêu cầu.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu nền
Trục vít ép, đùn trong lĩnh vực sản suất gạch, ngói được chế tạo từ thép CT38 bằng
phương pháp đúc. Chiều dày cánh vít khoảng 20mm. Đường kính ngoài của cánh vít khoảng
500mm. Độ nghiêng của cánh vít khoảng 300.

Hình 1. Trục vít ép, đùn trong lĩnh vực sản xuất gạch, ngói
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép CT38 theo TCVN 1765-85 [2].
C
Si
Mn
S
Thành phần hóa học
%

0.14-0.22

0.12-0.30

0.40-0.60

≤0.04

P
≤0.045

Bảng 2. Cơ tính của thép CT38 theo TCVN 1765-85 [2].
Giới hạn bền (MPa)
Giới hạn chảy (MPa)
Độ giãn dài (%)
380-470

>235

>25

2.2. Vật liệu hàn
Vật liệu hàn đắp bề mặt cánh trục vít ép, đùn được lựa chọn là que hàn UTP 718S của
hãng Bohler (Đức). Đây là que hàn đắp có độ cứng cao, chịu va đập, chịu mài mòn. Que hàn
UTP 718S, có thành phần cơ bản gồm các nguyên tố C, Cr, Mn, Fe, Si. Trong đó, hàm lượng
Crôm (Cr) chiếm 28% khi kết hợp với Các bon (C) sẽ tạo ra Crôm các bít nhằm tăng cường
độ cứng cho kim loại lớp đắp. Sự có mặt của nguyên tố Mangan (Mn) với hàm lượng 2.5%
khi kết hợp với Cr sẽ tạo ra liên kim Cr-Mn làm tăng cường độ bền và khả năng chịu mài mòn
cho kim loại mối hàn. Ngoài ra, Sắt (Fe) với hàm lượng lớn làm nền sẽ kết hợp với Cr và C để
tạo ra hỗn hợp Cr-Fe-C nhằm tăng khả năng liên kết, độ cứng và khả năng chịu mài mòn cho
kim loại mối hàn.

Hình 2. Que hàn UTP 718S của hãng Bohler Welding Group (Đức)
358


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 3. Thành phần hóa học của que hàn đắp UTP 718S theo tiêu chuẩn DIN 8555: E
10-UM-60-G của hãng Bohler [3]
%C
%Mn
%Si
%P
%S
%Cr
%Fe
3.5
2.5
1.2
0.015

0.015
28
Nền
2.3. Chế độ hàn
Chế độ hàn là yếu tố quan trọng quyết định đến công suất nguồn nhiệt, hình dạng và
kích thước mối hàn. Các thông số chế độ hàn SMAW được tác giả lựa chọn, tính toán và xác
định giá trị như trình bày trong Bảng 4 dưới đây. Các giá trị của chế độ hàn SMAW được tác
giả tính toán, xác định trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm hàn trên sản phẩm thực tế.
Bảng 4. Bảng thông số hàn SMAW
Thông số chế độ hàn
Ký hiệu
Giá trị
Đường kính que hàn (mm)
dq
4.0
Cường độ dòng hàn (A)

Ih

180-200

Điện áp hàn (V)

Uh

33-35

Tốc độ hàn (cm/phút)

Vh

25-27

Số lớp hàn (lớp)

n

2

Biên độ dao động que hàn (mm)

B

25-30

Chiều dài hồ quang (mm)

lhq

4-6

Góc độ que hàn (0)

α

70-80

β

90

Ghi chú

2.4. Quy trình hàn
Quá trình hàn được thực hiện trên cánh của trục vít ép, đùn. Bề mặt được hàn đắp là mặt
phía trước (bề mặt làm việc) của cánh vít. Ở lớp hàn thứ nhất, các đường hàn được thực hiện
theo hướng vuông góc với trục cánh vít để hàn đắp lên bề mặt cánh vít. Lớp hàn thứ hai, các
đường hàn được thực hiện dọc theo chiều xoắn của cánh vít để phủ kín lớp hàn thứ nhất.

Hình 4. Cánh trục vít ép, đùn sau khi được hàn đắp
Cả hai lớp hàn đều được thực hiện bằng quá trình hàn SMAW với que hàn UTP 718S,
đường kính que hàn 4.0mm. Chiều cao mối hàn trung bình khoảng 3mm tính từ bề mặt cánh
vít. Sau hai lớp đắp, chiều cao mối hàn sẽ đạt được 5-6mm. Chiều sâu ngấu mối hàn trung
bình khoảng 0.8mm. Chiều rộng phần hàn đắp khoảng 80mm tính từ mép của cánh vít.
2.5. Mô phỏng quá trình hàn
Trong quá trình hàn SMAW, công suất nhiệt hồ quang, năng lượng đường bị ảnh hưởng
bởi các thông số chế độ hàn như cường độ dòng hàn (Ih), điện áp hàn (Uh), tốc độ hàn (Vh). Vì
vậy, việc xác định giá trị của các thông số chế độ hàn này sẽ là cơ sở để xác định công suất
nhiệt hồ quang, năng lượng đường của quá trình hàn. Quá trình tính toán, xác định giá trị của
359


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
các thông số chế độ hàn này được tác giả thực hiện trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm hàn
sản phẩm trục vít ép, đùn.
Theo tài liệu [1, 4], năng lượng đường được xác định theo công thức sau:
Q=

V .I .60
.η

1000.S

Trong đó: Q là năng lượng đường (kJ/mm)
S là tốc độ hàn (mm/phút)
V là điện áp hàn (V)
I là cường độ dòng điện hàn (A)
η là hệ số phụ thuộc vào quá trình hàn.
Thay số vào công thức trên, xác định được giá trị của năng lượng đường Q=1.2kJ/mm.
Đây là cơ sở quan trọng giúp tác giả mô phỏng trường nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu
hạn (FEM- Finite Element Method) trên phần mềm ANSYS. Quá trình mô phỏng giúp tác giả
phân tích, xác định trường nhiệt của quá trình hàn. Từ đó có sự phân tích, đánh giá mức độ
ảnh hưởng nhiệt, dự đoán trường ứng suất và xu thế biến dạng của kết cấu hàn.

Hình 3. Mô phỏng trường nhiệt ở từng thời điểm hàn bằng phần mềm ANSYS
Trong quá trình hàn, trường nhiệt hàn thay đổi liên tục theo chiều dài đường hàn. Để
phân tích trường nhiệt tại một điểm bất kỳ trên đường hàn, tác giả sử dụng mặt cắt ngang mối
hàn tại vị trí cần quan sát và phân tích.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Cấu trúc tế vi của kim loại mối hàn
Bề mặt kiểm tra được mài và tẩm thực màu để xác định cấu trúc tế vi của kim loại mối
hàn. Quan sát và phân tích ảnh chụp tổ chức kim loại mối hàn bằng kính hiển vi quang học
OM (Optical Microscopy) với độ phóng đại 500 lần thấy rằng, kim loại mối hàn có cấu trúc
dạng hạt và dạng sợi nằm xen kẽ. Kim loại mối hàn có sự phân vùng khá rõ so với kim loại
nền, không thấy xuất hiện vùng đệm giữa vùng kim loại mối hàn với kim loại nền.

Hình 5. Cấu trúc tế vi kim loại mối hàn (OM, x500)
360


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

Hình 6. Cấu trúc siêu tế vi kim loại mối hàn (SEM, x10000)
Với ảnh chụp bằng kỹ thuật SEM (Scanning Electron Microscope) có độ phóng đại
10.000 lần, các sợi Crôm các bít quan sát được là khá nõ nét. Các sợi Crôm các bít xuất hiện
trong vùng kim loại mối hàn với mật độ khá lớn và liên tục sẽ làm tăng cường độ cứng, khả
năng chịu va đập và chịu mài mòn cho lớp đắp.
Tiến hành kiểm tra cấu trúc, thành phần hợp kim tại các vị trí khác nhau trên vùng kim
loại mối hàn thấy rằng, có sự thay đổi lớn về hàm lượng các nguyên tố hợp kim. Trên các pha
cứng, hàm lượng các nguyên tố hợp kim cứng tạo các bít như Cr có sự gia tăng đáng kể, trong
khi đó hàm lượng Fe bị sụt giảm khá mạnh.

Hình 7. Thành phần kim loại mối hàn xác định bởi EDS
Tại vị trí kiểm tra nằm trên pha cứng cho thấy, hàm lượng các nguyên tố đã có sự thay
đổi khá mạnh. Hàm lượng Fe giảm mạnh, còn hàm lượng Cr có sự gia tăng đáng kể. Hàm
lượng các nguyên tố xác định được tại vị trí kiểm tra như sau Fe~60.7%, Cr~35.1%,
Mn~0.9%, C~2.7%, Si~0.6%. Sự gia tăng hàm lượng Cr và C cho thấy có sự tập trung Crôm
các bít tại vị trí này. Đây là yếu tố quyết định đến độ cứng của kim loại mối hàn. Bên cạnh đó,
nằm xen kẽ với các pha cứng là các pha mềm hơn với sự gia tăng của hàm lượng Fe và sự suy
giảm hàm lượng Cr. Đây là điều kiện tốt để tăng cường sự liên kết giữa các pha trong tổ chức
kim loại lớp đắp.
Như vậy, trong kim loại mối hàn tồn tại cả pha cứng và pha mềm. Pha cứng là Crôm các
bít và hỗn hợp Cr-Fe-C dạng sợi. Các yếu tố này là quyết định độ cứng, khả năng chịu mài
mòn của kim loại mối hàn. Đây là đặc tính quan trọng của lớp đắp trên bề mặt cánh trục vít
ép, đùn được thực hiện bằng quá trình hàn SMAW mà tác giả đã tạo ra được nhằm tăng cường
khả năng làm việc, hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm.
361


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.2. Độ cứng của kim loại mối hàn

Kiểm tra độ cứng tế vi của kim loại mối hàn để đánh giá đặc tính của lớp đắp. Vị trí
kiểm tra độ cứng gồm các điểm khác nhau nằm trên vùng kim loại mối hàn và vùng lân cận.

Hình 8. Kiểm tra độ cứng trên vùng kim loại mối hàn và vùng AHN (OM, x200)
Bảng 5. Bảng kết quả đo độ cứng trên vùng kim loại mối hàn.
Điểm kiểm tra
Khoảng cách giữa các điểm (µm)
Độ cứng tế vi (HV0,1)
H1

795

742

H2

360

676

H3

74

594

H4

485

311

H5

920

238

Ở vùng kim loại mối hàn, sự có mặt của Crôm các bít với mật độ lớn đã làm tăng đáng
kể độ cứng của kim loại mối hàn. Độ cứng có xu hướng giảm dần khi tiến đến gần vùng tiếp
giáp với kim loại nền.
Ở vùng kim loại nền gần chân mối hàn (nằm trong vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn),
độ cứng giảm khá nhiều so với trên vùng kim loại mối hàn. Tuy nhiên, độ cứng đo được tại
vùng này là khá cao so với độ cứng của kim loại nền thép CT38. Sở dĩ có hiện tượng này là
do trong quá trình hàn SMAW có năng lượng (Q) khá cao, độ sâu ngấu lớn nên Crôm bị hòa
tan khá mạnh vào nền thép CT38.
4. KẾT LUẬN
Khi hàn SMAW, vật liệu nền là thép CT38 không nung nóng sơ bộ, vật liệu hàn được
sử dụng là que hàn UTP 718S đường kính 4.0mm, năng lượng đường Q=1.27kJ/mm, thì chiều
cao mỗi lớp đắp đạt được khoảng 3mm, chiều sâu ngấu mối hàn trung bình là 0.8mm.
Kim loại mối hàn có dạng hạt và dạng sợi nằm xen kẽ nhau. Cấu trúc kim loại mối hàn
gồm Crôm các bít dạng hạt mịn và hỗn hợp Cr-Fe-C dạng sợi làm tăng khả năng liên kết, tăng
cường độ cứng và tuổi thọ cho kim loại lớp đắp.
Độ cứng của kim loại mối hàn dao động trong khoảng 594 - 742HV01 và có xu hướng
giảm dần khi tiếp giáp với kim loại nền.
Với vật liệu hàn, chế độ hàn và quy trình hàn SMAW tác giả đã thực hiện, hiệu suất làm
việc và tuổi thọ của trục vít ép đùn được nâng lên 1.5-1.7 lần so với vật liệu hàn tương đương
mà doanh nghiệp đang sử dụng.
362

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
LỜI CẢM ƠN
Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sao Đỏ đã tạo điều
kiện để chúng tôi được thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp Cơ sở gắn với đào tạo và
chuyển giao công nghệ hàn đắp cho các doanh nghiệp.
Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Công ty Cổ phần Viglacera Đông Triều (Quảng Ninh)
đã hợp tác tích cực trong quá trình thử nghiệm và ứng dụng kết quả nghiên cứu của nhóm tác
giả để hàn đắp, phục hồi cánh trục vít ép, đùn trong dây truyền sản xuất gạch, ngói nhằm nâng
cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy - Tập 1, NXB Khoa học & Kỹ thuật,
2007.
[2] TCVN 1765-75: Thép các bon, kết cấu thông thường, mác thép và yêu cầu kỹ thuật.
[3] Böhler welding group, UTP welding consumables, Germany, 2006.
[4] Balamurugan Sivaramakrishnan, Murugan Nadarajan, A study on microhardness,
microstructure and wear properties of plasma transferred arc hardfaced structural steel
with Titanium carbide, Journal of Minerals and Materials Characterization and
Engineering, Vol. 2, pp. 160-168, 2014.
THÔNG TIN CỦA TÁC GIẢ:
1.

ThS. CGHQT. Ngô Hữu Mạnh
Email:

2.

ThS. Tạ Hồng Phong
Email:

3.

DĐ: 0936847980
DĐ: 0912227825

ThS. Nguyễn Đức Hải
Email:

DĐ: 0948412984

Đ/c: Trường Đại học Sao Đỏ (P. Sao Đỏ - Tx.Chí Linh - T. Hải Dương)
ĐT: 03203.882269

Fax: 03203.882921

363

Website: www.saodo.edu.vn