Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20rc trên nền thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LÝ QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN
CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ LỚP PHỦ KÉP NHÔM VÀ HỢP
KIM Ni-20Cr TRÊN NỀN THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LÝ QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ
NHIỆT ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ LỚP PHỦ
KÉP NHÔM VÀ HỢP KIM Ni-20Cr TRÊN NỀN THÉP
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 62 44 01 19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Lê Thu Quý
2. PGS.TS. Phùng Thị Tố Hằng

Hà Nội – 2016


i
MỤC LỤC
MỤC

TRANG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU................................................................................................. ..
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế
giới.........................................................................................................

1

3

4

1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở
Việt Nam................................................................................................

5

1.3. Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt...........................................

7

1.3.1. Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt.........................

8

1.3.2. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ kim loại....................................

12

1.4. Vật liệu nhôm và lớp phủ nhôm......................................................

14

1.4.1. Sơ lược về vật liệu nhôm..................................................................

14

1.4.2. Lớp phủ nhôm..............................................................................

15

1.5. Vật liệu crôm, niken và lớp phủ hợp kim Ni-20Cr ......................

16

1.5.1. Sơ lược về crôm (Cr)........................................................................

16

1.5.2. Sơ lược về niken (Ni)......................................................................

17

1.5.3. Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr ............................................................

17

1.6. Lớp phủ kép Ni-20Cr và Al………………………………………..

19

1.6.1. Xử lý nhiệt lớp phủ kép Al/Ni-20Cr…………………………….…

23

1.6.2. Tương tác giữa lớp phủ Al với nền thép.........................................

24

ii
1.6.3. Tương tác giữa lớp phủ Ni-20Cr với lớp phủ nhôm………….…
CHƯƠNG 2
THỰC NGHIỆM

27

31

2.1. Chế tạo mẫu nghiên cứu................................................................

31

2.1.1. Mẫu thép nền................................................................................

31

2.1.2. Vật liệu phun.................................................................................

33

2.1.3. Trang thiết bị phun phủ kim loại...................................................

33

2.2. Nghiên cứu chế độ xử lý bề mặt nền thép.....................................

34

2.2.1. Mẫu thí nghiệm..............................................................................

34

2.2.2. Các thông số phun nhám.............................................................

34

2.2.3. Thiết bị đo độ nhám......................................................................

35

2.3. Lựa chọn thông số công nghệ phun phủ tối ưu……………….…

35

2.3.1. Chọn thông số công nghệ phun tối ưu..........................................

35

2.3.2. Phun phủ mẫu thí nghiệm.............................................................

36

2.4. Xử lý nhiệt lớp phủ........................................................................

36

2.4.1. Mẫu để xử lý nhiệt……………………….…………………….…..

36

2.4.2. Chế độ xử lý nhiệt.........................................................................

37

2.4.3. Thiết bị sử dụng.............................................................................

38

2.5. Nghiên cứu cấu trúc lớp phủ..........................................................

38

2.5.1. Đo độ xốp lớp phủ........................................................................

38

2.5.2. Nghiên cứu tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học……………

40

2.5.3. Xác định độ cứng lớp phủ.............................................................

40

2.6. Nghiên cứu thành phần của lớp phủ ...........................................

41

2.6.1. Nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS ..........

41

2.6.2. Phân tích các pha bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen……….

41

2.7. Nghiên cứu các tính năng của lớp phủ……………………….…..

42

2.7.1. Đánh giá khả năng bám dính của lớp phủ...................................

42

2.7.2. Đo cường độ mài mòn của lớp phủ...............................................

44

2.7.3. Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp phủ............................

46


iii
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu xác định chế độ xử lý bề mặt trước khi phun
phủ.........................................................................................................

52

52

3. 2. Nghiên cứu xác định chế độ phun phủ tối ưu...............................

55

3.2.1. Tối ưu hóa chế độ phun phủ hợp kim Ni-20Cr .............................

55

3.2.2. Tối ưu hóa chế độ phun phủ Al....................................................

59

3.3. Độ bám dính của lớp phủ nhôm trên nền thép trước khi xử lý ủ
nhiệt.......................................................................................................
3.4. Tổ chức tế vi và độ cứng tế vi của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr trước
khi xử lý ủ nhiệt.....................................................................................

62

64

3.4.1. Tổ chức tế vi trước khi xử lý nhiệt..................................................

64

3.4.2. Độ cứng tế vi trước khi xử lý nhiệt.................................................

65

3.5. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt tới tổ chức tế vi, độ cứng và độ xốp
của hệ lớp phủ kép Al/Ni-20Cr………………..……………………….
3.5.1. Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt đến tổ chức tế vi của lớp phủ

66

66

kép Al/Ni-20Cr........................................................................................
3.5.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt đến tổ chức tế vi của lớp phủ
kép Al/Ni-20Cr ở nhiệt độ 550 và 600oC ................................................
3.5.3. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến hình dạng, kích thước và phân bố rỗ
xốp trong lớp phủ kép Al/Ni-20Cr ………………………………………..

3.5.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến độ cứng của lớp phủ kép Al/Ni-

70

75

78

20Cr.......................................................................................................
3.6. Kết quả nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp
EDS..................................................................................................... ...
3.7. Kết quả nghiên cứu các pha liên kim bằng phương pháp nhiễu
xạ Rơnghen...........................................................................................

89

92

3.8. Nghiên cứu khả năng chống mài mòn của lớp phủ........................

96

3.9. Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của lớp phủ .......................

98

3.9.1. Ảnh chụp bề mặt mẫu theo thời gian.............................................

99


iv
3.9.2. Điện thế mạnh hở theo thời gian...................................................

100

3.9.3. Quét đường cong phân cực...........................................................

103

3.9.4. Đo phổ tổng trở điện hóa..............................................................

105

3.10. Một số ứng dụng điển hình của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr...

108

3.10.1. Phân tích kết cấu chi tiết và mức độ hư hỏng cần khắc phục của
quạt hút......................................................................................................

108

3.10.2. Quá trình phun phủ phục hồi bề mặt chi tiết bị ăn mòn................

110

3.10.3. Một số ứng dụng khác của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr .....................

111

KẾT LUẬN...............................................................................................

113

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN.....................................

114

TÀI LIỆU THAM KHẢO


v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CVD: Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hóa học
PVD: Physical vapor deposition: Lắng đọng hơi vật lý
BCC: Body centered cubic: Lập phương tâm khối
FCC: Face centered cubic: Lập phương tâm mặt
Cấu trúc tinh thể A2: Lập phương tâm khối, các nguyên tử ở góc và tâm khối lập
phương giống nhau.
Cấu trúc tinh thể B2: Dạng lập phương tâm khối nhưng các nguyên tử ở góc và tâm
khác nhau.
Cấu trúc tinh thể DO3: Dạng hỗn hợp của 2 cấu trúc A2 và B2 xếp trồng lên nhau.
HVOF: High Velocity Oxygen Fuel: Công nghệ phun nhiên liệu oxy tốc độ cao
EDS (EDX): Energy-dispersive X-ray spectroscopy: Phổ tán sắc năng lượng tia X
SEM: Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét
OCP: Open circuit potential: Điện thế mạch hở
PDP: Potentiodynamic polarization: Phương pháp phân cực thế động


vi
DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng

Chú thích bảng

Trang

Bảng 1.1

So sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt.....

9

Bảng 1.2

Một số tính chất cơ bản của nhôm.....................................

14

Bảng 1.3

Một số tính chất cơ bản của crôm......................................

16

Bảng 1.4

Một số tính chất cơ bản của niken......................................

17

Bảng 1.5

Đặc điểm thấm ướt của Ni, Cr lỏng trên nền ôxit nhôm....

22

Bảng 1.6

Nhiệt độ và phần trăm khối lượng tồn tại của các pha

theo giản đồ pha Fe –Al.....................................................

25

Bảng 1.7

Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln ....................

26

Bảng 2.1

Thành phần hóa học cơ bản của thép nền trước khi phun
phủ...................................................................................

31

Bảng 2.2

Thành phần hóa học cơ bản của 2 loại vật liệu phun

33

Bảng 2.3

Các chế độ xử lý nhiệt……..………………………..…...

38

Bảng 3.1

Giá trị độ nhám của thép nền C45 và CT3 ứng với các
chế độ tạo nhám khác nhau...............................................

52

Bảng 3.2

Chế độ tạo nhám bề mặt cho thép nền (C45 và CT3)

55

Bảng 3.3

Ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k = 3.......................

56

Bảng 3.4

Kết quả đo độ xốp mẫu lớp phủ Ni-20Cr..........................

56

Bảng 3.5

Kết quả thực nghiệm lặp ở tâm kế hoạch..........................

57

Bảng 3.6

Ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k = 3.......................

60

Bảng 3.7

Kết quả đo độ xốp các lớp phủ Al.....................................

60

Bảng 3.8

Kết quả thực nghiệm lặp ở tâm kế hoạch..........................

61

Bảng 3.9

Chế độ phun cho dây Al và dây hợp kim Ni-20Cr............

62

Bảng 3.10

Kết quả đo độ bám dính của các mẫu phủ Al....................

64

Bảng 3.11

Thành phần hóa học tại các điểm trên biên giới giữa lớp
phủ kép Al/Ni-20Cr...................................................

Bảng 3.12
Bảng 3.13

90

Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng vùng
Ni-20Cr – Al.............................................................

93

Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng vùng

93


vii
Al – Fe......................................................................
Bảng 3.14

Kết quả đo cường độ mòn và hệ số ma sát........................

Bảng 3.15

Ảnh chụp bề mặt các mẫu theo thời gian, sau khi ngâm
trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2.............................

97

98


viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Số hình

Chú thích hình

Trang

Hình 1.1

Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt......................

7

Hình 1.2

Các công nghệ phun phủ nhiệt điển hình..................................

8

Hình 1.3

Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực.........................

10

Hình 1.4

Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện........................................

10

Hình 1.5

Cấu trúc của lớp phủ kim loại...................................................

12

Hình 1.6

Biên giới giữa các lớp trong lớp phủ và giữa các lớp phủ
với kim loại..........................................................................

13

Hình 1.7

Giản đồ pha hai nguyên của Ni và Cr.......................................

18

Hình 1.8

Góc thấm ướt............................................................................

21

Hình 1.9

Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt
ôxyt nhôm (Al2O3), Hafnium (HfO2) và Ytri (Y2O3) theo thời
gian............................................................................................

Hình 1.10

22

Ảnh giọt hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt a) Al2O3, b) Y2O3, c)
HfO2 .........................................................................................

23

Hình 1.11

Giản đồ pha Fe – Al..................................................................

24

Hình 1.12

Hệ số khuếch tán của các chất trong α-Fe................................

27

Hình 1.13

Hệ số khuếch tán của các chất trong Al....................................

27

o

Hình 1.14

Giản đồ pha 3 nguyên Cr-Ni-Al: mặt cắt đẳng nhiệt ở 700 C..

28

Hình 1.15

Giản đồ pha Al – Cr..................................................................

29

Hình 1.16

Giản đồ pha Al – Ni..................................................................

30

Hình 2.1

Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án...................................

32

Hình 2.2

Mẫu thép nền trước khi phun phủ.............................................

31

Hình 2.3

Hệ thống kéo dây (a), nguồn điện (b) và tủ điều khiển (c).......

33

Hình 2.4

Đo chiều dày lớp phủ sau khi phun...........................................

36

Hình 2.5

Mẫu trước khi được xử lý ủ nhiệt phun phủ.............................

37

Hình 2.6

Quy trình ủ nhiệt mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr.......................

38

Hình 2.7

Mẫu đo độ xốp bằng phương pháp soi kim tương...................

39


ix
Hình 2.8

Phân tích độ xốp bằng phần mềm Image-Pro Plus .................

39

Hình 2.9

Mẫu thí nghiệm đo độ bám dính..............................................

42

Hình 2.10

Sơ đồ đo độ bám dính..............................................................

43

Hình 2.11

Mẫu kiểm tra độ bám dính và đồ gá kèm theo.........................

43

Hình 2.12

Bản vẽ chế tạo mẫu thử mài mòn.............................................

44

Hình 2.13

Mẫu lớp phủ Al/Ni-20Cr để thử mài mòn...............................

45

Hình 2.14

Thiết bị đo cường độ mòn và hệ số ma sát...............................

45

Hình 2.15

Thiết bị AUTOLAB PGSTAT30 (Hà Lan)..............................

46

Hình 2.16

Chuẩn bị mẫu thử ăn mòn ........................................................

46

Hình 2.17

Sơ đồ nguyên lý đo điện hóa (hệ điện hoá 3 điện cực).............

47

Hình 2.18

Hình minh họa phần mềm đo điện thế .....................................

48

Hình 2.19

Đường cong phân cực ∆E-f(i)...................................................

49

Hình 3.1

Ảnh hưởng của cỡ hạt mài đến độ nhám bề mặt của thép
nền CT3 và C45 ứng với khoảng cách phun L = 100 mm và L
= 200 mm..................................................................................

Hình 3.2

53

Ảnh hưởng của khoảng cách phun đến độ nhám bề mặt của
thép nền CT3 và C45 ứng với cỡ hạt 18...................................

54

Hình 3.3

Mẫu thử độ bám dính lớp phủ Al trên nền thép........................

62

Hình 3.4

Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến khả năng bám dính của
lớp phủ với nền thép C45 và CT3.............................................

Hình 3.5

63

Tổ chức lớp phủ trước xử lý ủ nhiệt trên mẫu thép nền C45
và CT3, (a) – Lớp phủ nền C45 x200, (b) – lớp phủ nền
CT3x200....................................................................................

Hình 3.6

Độ cứng tế vi của mẫu chưa xử lý nhiệt vùng biên giới giữa
các lớp phủ với nền thép C45 và CT3.......................................

Hình 3.7

67

Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3 sau
khi ủ 4 giờ tại các nhiệt độ khác nhau......................................

Hình 3.9

66

Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45 sau
khi ủ 4 giờ tại các nhiệt độ khác nhau......................................

Hình 3.8

65

69

Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45 sau
khi ủ nhiệt ở 550oC tại các thời gian giữ nhiệt khác nhau 2, 4,

71


x
6, 8 giờ......................................................................................
Hình 3.10

Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3 sau
khi ủ nhiệt ở 550oC tại các thời gian giữ nhiệt khác nhau 2, 4,
6, 8 giờ......................................................................................

Hình 3.11

Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45 sau
khi ủ 600oC tại thời gian giữ nhiệt khác nhau.............

Hình 3.12

72

73

Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3 sau
khi ủ 600oC tại thời gian giữ nhiệt khác nhau...........................

74

Hình 3.13

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ xốp mẫu nền C45 ủ 4 giờ ......

76

Hình 3.14

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ xốp mẫu nền CT3 ủ 4giờ.......

76

Hình 3.15

Ảnh hưởng của thời gian đến độ xốp mẫu nền C45..................

77

Hình 3.16

Ảnh hưởng của thời gian đến độ xốp mẫu nền CT3.................

78

Hình 3.17

Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý ủ nhiệt đến độ cứng tế mẫu lớp
phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45, thời gian 6 giờ...........................

Hình 3.18

Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý ủ nhiệt đến độ cứng tế mẫu lớp
phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3, thời gian 6 giờ..........................

Hình 3.19

Hình 3.26

85

Độ cứng tế vi vùng Al – thép trên lớp phủ kép nền C45 sau
khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau...........................

Hình 3.25

84

Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền C45
sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................

Hình 3.24

84

Độ cứng tế vi vùng Al – thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau
khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau..........................

Hình 3.23

83

Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền CT3
sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau....................

Hình 3.22

82

Độ cứng tế vi vùng Al – thép trên lớp phủ kép nền C45 sau

khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau...........................

Hình 3.21

80

Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền C45
sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau....................

Hình 3.20

79

86

Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền CT3
sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................

87

Độ cứng tế vi vùng Al – thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau

88


xi
khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau...........................
Hình 3.27

Vị trí các điểm quét phân tích thành phần trên mẫu phủ kép

Al/Ni-20Cr trên nền thép CT3 ủ nhiệt ở 550oC/8 giờ...............

89

Hình 3.28

Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới Ni-20Cr – Al.............................

94

Hình 3.29

Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới Al – thép...................................

95

Hình 3.30

Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu chưa ủ.......................................

96

Hình 3.31

o

97

o

97

Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 550 C – 8 giờ..................

Hình 3.32

Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 600 C – 8 giờ..................

Hình 3.33

Sự biến thiên của điện thế mạch hở theo thời gian khi ngâm
trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2....................................

Hình 3.34

Kết quả quét đường cong phân cực các mẫu sau 72 giờ ngâm
trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2....................................

Hình 3.35

Sự biến thiên của mật độ dòng ăn mòn và điện trở phân cực
theo thời gian khi ngâm trong dung dịch axít H2SO4, pH = 2

Hình 3.36

Phổ tổng trở điện hóa của các mẫu lớp phủ sau khi ngâm
2 giờ trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2...........................

Hình 3.37

Phổ tổng trở điện hóa của các mẫu lớp phủ sau khi ngâm
72 giờ trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2.........................

Hình 3.38

101

Phổ tổng trở điện hóa của các mẫu lớp phủ sau khi ngâm
168 giờ trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2.......................

103
104

106

106

107

Hình 3.39

Kết cấu vỏ quạt hút...................................................................

108

Hình 3.40

Các điểm bị ăn mòn của mặt bích.............................................

109

Hình 3.41

Quá trình phun phủ kim loại.....................................................

110

Hình 3.42

Chi tiết cánh quạt sau khi hoàn thiện........................................

110

Hình 3.43

Một số hình ảnh triển khai lớp phủ kép Al/Ni-20Cr cho
chi tiết bơm – Phân xưởng sàng tuyển than thuộc Cảng vụ
Cẩm Phả – Quảng Ninh............................................................

Hình 3.44

112

Một số hình ảnh triển khai lớp phủ kép Al/Ni-20Cr cho chi
tiết bơm – Công ty CP than Hà Lầm – Quảng Ninh.................

112


1

MỞ ĐẦU
Theo một số tài liệu thống kê trên thế giới thì mỗi năm có từ 10 – 15% khối
lượng kim loại bị phá hủy do ăn mòn trong các điều kiện khác nhau [1].
Trong các ngành công nghiệp nặng, các chi tiết máy thường phải làm việc trong
các điều kiện hết sức khắc nghiệt (độ ẩm cao, nhiệt độ cao, môi trường bụi, hóa
chất…) dẫn đến các hiện tượng mài mòn, ăn mòn và cuối cùng là phá hủy [2, 3]. Mỗi
khi các chi tiết bị mài mòn hoặc ăn mòn thì chi phí để thay thế là rất lớn, ngoài chi phí
về vật liệu vốn đã rất cao thì còn kèm theo chi phí cho công tháo, lắp, sửa chữa và các
thiệt hại khác do dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động.
Những năm gần đây, song song với việc phát triển khoa học công nghệ và các
ngành kỹ thuật công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài
tuổi thọ của các chi tiết máy luôn được quan tâm. Đặc biệt đối với các chi tiết máy làm
việc trong môi trường khắc nghiệt như chịu ăn mòn, mài mòn thì tính chất vật liệu bề
mặt chi tiết máy đó được đặt lên hàng đầu. Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý bề
mặt được ứng dụng nhằm đáp ứng các yêu cầu của chi tiết trong các điều kiện làm việc
khác nhau. Công nghệ phun phủ và xử lý nhiệt là một trong những phương pháp có thể
đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết trong điều kiện nói trên [4, 5].
Trong các công nghệ xử lý bề mặt được sử dụng, công nghệ phun phủ nhiệt ngày
càng được phát triển mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện được những
tính ưu việt so với các phương pháp xử lý bề mặt khác cả về kỹ thuật và kinh tế [5, 6].
Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn,
chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hóa chất. Lớp phủ Al
thường được biết đến là lớp phủ chống ăn mòn khí quyển tốt, khả năng chịu nhiệt khá
tốt, ngoài ra, khi được xử lý nhiệt lớp phủ Al trên thép, Al còn có khả năng khuếch tán
vào nền thép tạo thành các pha liên kim giữa Al và Fe như: Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5,
Fe3Al, FeAl. Các pha liên kim này có độ cứng cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt tốt [7 –
13]. Ngoài khả năng khuếch tán vào thép, nếu có mặt các nguyên tố Ni và Cr đủ lớn Al
còn có thể tương tác với các nguyên tố Ni và Cr tạo thành các liên kim giữa Al – Ni
như: AlNi3, Al3Ni5, AlNi, Al3Ni2, Al3Ni; giữa Al – Cr như: AlCr2, Al8Cr5, Al9Cr4,
Al11Cr2, Al7Cr là các pha có độ cứng khá cao.

2
Ni và Cr là các nguyên tố thường dùng để hợp kim hóa trong thép tạo thành thép
hợp kim, với hàm lượng cao cùng với Fe và C tạo ra các loại thép không gỉ, các hợp
kim bền nóng. Ni kết hợp với Cr theo tỷ lệ gần 80% Ni và gần 20% Cr tạo thành hợp
kim Ni-20Cr, hợp kim này thường được dùng làm dây sợi đốt cho các loại lò buồng,
nhiệt độ làm việc lên đến 900 – 1100oC [14, 15, 16]. Ngoài khả năng chịu nhiệt, hợp
kim Ni-20Cr còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dầu khí, khai
thác khoáng sản, hóa chất dưới dạng lớp phun phủ nhiệt [17].
Để đáp ứng được các yêu cầu vừa chịu mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt cần
tìm giải pháp phối hợp các lớp phủ với nhau. Việc đưa lớp phủ nhôm vào bên trong
(tiếp giáp với nền thép) và lớp phủ Ni-20Cr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt khuếch
tán giữa các lớp phủ và lớp phủ với nền có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số
các tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn là một hướng có triển vọng, tuy nhiên
các nghiên cứu này lại chưa nhiều.
Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo ra một hệ lớp phủ mới có khả năng làm việc
trong các môi trường khắc nghiệt như vừa chống được mài mòn, ăn mòn và chịu nhiệt,
tác giả đã lựa chọn hệ lớp phủ kép Al kết hợp với lớp phủ Ni-20Cr, lớp phủ Al ở giữa
tiếp giáp nền thép, lớp phủ Ni-20Cr ở trên, kết hợp xử lý ủ nhiệt.
Thép C45 và CT3 là nhóm vật liệu thông dụng trong công nghiệp, ưu điểm là rẻ
tiền, tính hàn tốt, dễ gia công cắt gọt, thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy,
kết cấu không đòi hỏi các tính chất đặc biệt. Thép C45 thường được dùng để chế tạo
các chi tiết dưới dạng trục, thép CT3 thường được dùng dưới dạng tấm, thanh, để chế
tạo các kết cấu, cánh quạt, cánh khuấy, vỏ, thân lò.
Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc,
tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20Cr trên nền thép” chọn thép
C45 và CT3 làm vật liệu nền nhằm khai thác những ưu điểm của nhóm vật liệu này,
đồng thời nhờ lớp phủ để nâng cao khả năng làm việc của chúng trong một số môi
trường đặc biệt như chống ăn mòn, mài mòn, ví dụ: cánh quạt trong lò đốt rác thải,

cánh tuabin, cánh bơm…


3
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới
Phun phủ nhiệt là một trong những phương pháp công nghệ của khoa học và
công nghệ bề mặt nói chung và công nghệ xử lý bề mặt nói riêng. Nói về công nghệ bề
mặt là chúng ta nói đến một công nghệ truyền thống cổ điển đã tồn tại hàng trăm năm
lịch sử của nền văn minh nhân loại; đặc biệt đến đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đã tích
lũy được nhiều kinh nghiệm phong phú và trở thành một lĩnh vực đặc thù đáp ứng
được nhu cầu ngày càng tăng của xã hội loài người.
Phun phủ nhiệt là lĩnh vực khoa học và công nghệ còn rất trẻ so với các phương
pháp bề mặt cổ điển khác như: sơn, mạ....Năm 1910, ý tưởng phun phủ nhiệt được một
kỹ sư cơ khí người Thụy Sĩ là M.U. Shoop đưa ra nhưng cho đến năm 1923, phương
pháp công nghệ này mới được đưa vào sản xuất, ban đầu chỉ dùng cho mục đích trang
trí. Đến chiến tranh Thế Giới thứ 2, phun phủ nhiệt mới được ứng dụng trong quy mô
công nghiệp ở hầu hết các nước Châu Âu.
Phương pháp công nghệ này đã trở thành một công nghệ vạn năng, có nhiều ưu
việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, với ưu điểm là tiết kiệm kim loại
quý, tạo các lớp bề mặt có tính chất đặc biệt. Đến những năm 70, 80 của thế kỷ 20,
phun phủ nhiệt đã trở thành một lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng biệt, biểu hiện
giống như một khoa học và công nghệ bề mặt (Công nghệ xử lý bề mặt); mặt khác nó
cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất. Đến những
năm 90 của thế kỷ 20, khoa học và công nghệ phun phủ đã có tốc độ phát triển và ứng
dụng rất mạnh mẽ trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí (cơ khí chế tạo
máy, cơ khí hàng không, cơ khí giao thông vận tải, cơ khí hóa chất...).
Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ phun phủ nhiệt,
có thể dựa trên cơ sở sự phát triển thiết bị, các phương pháp công nghệ, phạm vi ứng

dụng, hiệu quả kinh tế trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống xã hội.
Hiện nay trên thế giới, nhiều nước tiên tiến, các nước có truyền thống về công
nghiệp phun phủ nhiệt đều có các hãng chuyên nghiên cứu, thiết kế thiết bị, vật liệu và
ứng dụng công nghệ này như: Hãng Plasma Technique, Castolin (Thụy Sĩ);


4
Plasmaday, Dressef, Avko (Mỹ); OSU Hessler; UTP (CHLB Đức), Nobel-Brocl
(Pháp); Dnipro (Nga); Arcosse (Bỉ); Volvo Flemotor (Thụy Điển)....
Các hãng này đã thiết kế, chế tạo hàng loạt các thiết bị phun phủ nhiệt với các
loại nguồn nhiệt hồ quang, khí cháy, cao tần, plasma ... dùng với vật liệu phun dạng
dây, dạng bột như: EM9; ME14; EMC-1; MTΠ-1; YΠY-3; DNIPRO-3M...(Nga); ∆D1; SUMMTT; EMP-2-57; PAL-160-2 (Séc); GPM-L2; (Ba Lan); METCO-10MB;
METCO-11B; FONTAR-ZIET (UTP); OSU-HESSLER 300A (CHLB Đức); PAL9AED (Anh)....
Phun phủ nhiệt đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước như: Mỹ, Anh, Pháp,
Đức, Nga, Nhật... Ở các nước tiên tiến đã có những dây chuyền phun phủ công suất
cao khoảng 1 tấn vật liệu phun trong một ngày. Song song với phát triển ứng dụng, họ
còn tiếp tục nghiên cứu cơ sở lý thuyết để hoàn chỉnh dần. Các nước này đã có các
viện nghiên cứu, thành lập các hiệp hội và cả tạp chí riêng; họ xây dựng tiêu chuẩn
quốc gia, tiêu chuẩn quốc tế về phun phủ nhiệt; hàng năm đều có các công bố phát
minh sáng chế khoa học về công nghệ này [6, 17, 18].
1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam
Công nghệ phun phủ nhiệt đã du nhập vào nước ta cách đây khoảng 50 năm.
Thời gian đầu, công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích phục hồi các chi
tiết máy bị mài mòn, sử dụng vật liệu phủ là các loại thép. Cho đến những năm 1990,
xuất phát từ nhu cầu thực tế, một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất bắt đầu tập trung
phát triển và ứng dụng công nghệ này với mục đích tạo các lớp phủ có khả năng chịu
ăn mòn tốt khi phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt.
Năm 1975, Viện Kỹ thuật giao thông vận tải thuộc Bộ giao thông vận tải cho một
nhóm cán bộ kỹ sư sang Liên Xô (cũ) thực tập về công nghệ phục hồi và bảo vệ kết
cấu máy bằng công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ. Sau đó bộ giao thông đã xây dựng

được đề tài cấp nhà nước giai đoạn 1970 – 1979 với đề tài “Phục hồi các chi tiết máy
trong ngành giao thông vận tải bằng Công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ”. Đề tài do
Viện Kỹ thuật giao thông vận tải chủ trì và được Ủy ban Khoa học Nhà nước trước
đây (bây giờ là Bộ Khoa học và Công nghệ) cấp kinh phí nghiên cứu.
Do có sự phát triển cả về phương diện nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu ứng
dụng cũng như sự phát triển rộng hơn trên nhiều nhà máy, nên công nghệ phun phủ ở


5
Việt Nam phát triển với tốc độ càng cao. Năm 1980 – 1985, nhà máy cơ khí sửa chữa
ôtô thủy lợi đã thiết kế chế tạo mẫu đầu phun M-6 và toàn bộ trang thiết bị khác để
thực hiện việc phục hồi các trục bơm của các trạm bơm nước thuộc tỉnh Hà Nam, các
lớp phủ chống mài mòn và chống ăn mòn hóa học từ thép không gỉ 12Cr18Ni9 trên
trục thép cacbon kết cấu.
Giai đoạn đất nước đổi mới, các lĩnh vực công nghiệp, xã hội có sự đổi mới và
phát triển; đặc biệt lĩnh vực khai thác dầu khí, khai thác than... đạt được nhiều thành
tích; đồng thời kế hoạch xây dựng đường dây điện cao thế 500 kV Bắc Nam. Vấn đề
bảo vệ chống ăn mòn kết cấu như dàn khoan, cầu đường, tàu biển... được đặt ra. Công
nghệ phun phủ nhiệt được quan tâm đáng kể. Nhiều đơn vị như Viện Công nghệ – Bộ
quốc phòng, Viện nghiên cứu máy – Bộ công nghiệp nặng, Trường đại học bách khoa
Hà Nội... sử dụng thiết bị phun phủ hồ quang dây M9; M14-M; Y-1 của Liên Xô
để phun phủ lớp bảo vệ nhôm, kẽm với chiều dày phun 160 – 200 m cho các chân
cột, thanh giằng, các thanh trụ của dàn khoan (Vũng Tàu); của các cột điện, các thanh
trụ của cột bê tông (đảo Trường Sa).
Song song với các kết quả ứng dụng, các đề tài nghiên cứu khoa học các cấp bộ
và nhà nước cũng được hình thành; được nhà nước quan tâm hỗ trợ.
Trước những thành tựu đổi mới, sự tăng trưởng của nền kinh tế đất nước liên tục
hàng năm, do vậy Đảng và chính phủ đã có sự quan tâm đáng kể đến nhiều vấn đề
kinh tế - xã hội; đặc biệt đến sự phát triển của Khoa học và Công nghệ. Chương trình
xây dựng 16 phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia đã được chính phủ phê duyệt.

Trong năm 2001 đã chính thức triển khai xây dựng 6 phòng thí nghiệm đầu tiên trong
đó có Phòng thí nghiệm về công nghệ hàn và xử lý bề mặt do Viện nghiên cứu cơ khí
thuộc Bộ Công nghiệp nặng chủ trì.
Với khoảng kinh phí đáng kể (50 tỷ đồng), Viện nghiên cứu cơ khí đã xây dựng
phương án đầu tư các phương pháp công nghệ hàn và phun phủ tiên tiến nhằm thúc
đẩy khả năng nghiên cứu khoa học và phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại
hóa đất nước. Về lĩnh vực phun phủ nhiệt, phòng thí nghiệm này đã trang bị mới các
thiết bị phun phủ khí cháy, phun phủ plasma, phun phủ nổ. Song song với thiết bị công
nghệ, phòng thí nghiệm đo lường, kiểm tra cũng trang bị đầy đủ và khá hiện đại (kính
hiển vi điện tử, thiết bị đo 3 chiều, đo ứng suất dư...). Với điều kiện tốt về trang thiết bị


6
nghiên cứu như vậy, đồng thời Viện cũng được giao các đề tài nghiên cứu cấp nhà
nước theo chương trình khoa học giai đoạn 2001-2005, trong đó có đề tài KC05-10
“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nhiệt khí và ép nóng để tạo bề mặt có độ chịu
mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt”. Đề
tài này có ý nghĩa khoa học công nghệ cũng như kinh tế lớn. Môi trường làm việc khắc
nghiệt được nhắm tới trong đề tài này chủ yếu là môi trường mài mòn trượt dưới tải
trọng ở 2 điều kiện là mài mòn khô (trục cán, búa nghiền, khuôn ép …) hoặc mài mòn
có bôi trơn trong dầu (cổ trục đỡ ổ bi, má nghiền…). Đề tài khảo sát khá nhiều loại vật
liệu, chủ yếu là một số mác thép hợp kim (65Mn, 20NiCr3…). Độ bền của vật liệu
trong các môi trường ăn mòn đã không được nghiên cứu.
Các kết quả nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam trong
những năm qua đã có nhiều kết quả và ngày càng phát triển. Vì vậy hiện nay cũng như
các năm tiếp theo, các bộ ngành có quan tâm và hỗ trợ tích cực.
Viện cơ khí năng lượng và mỏ thuộc Bộ Công Thương đã thúc đẩy công nghệ phun
phủ nhiệt bằng sự đầu tư toàn bộ thiết bị phun phủ nổ của CHLB Nga, thiết bị
DNIPRO-3M với công suất nổ 3000 lần/phút. Để phun các lớp phủ bột kim loại, bột
hợp kim, bột các ôxit khác... với thiết bị phun phủ nổ này, Viện có điều kiện nghiên

cứu nâng cao chất lượng bám dính của lớp phủ để tạo lớp phủ có tính chất đặc biệt cho
việc phục hồi hoặc chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện mài mòn và ăn mòn
cao của ngành khai thác mỏ ở Việt Nam.
Viện công nghệ thuộc Bộ Công Thương cũng đầu tư các thiết bị phun ЭM6;
ЭM14; ЭM-12/67 của Nga; Mogan UP-1 của CHLB Đức, để thực hiện chương trình
nghiên cứu các lớp phủ và xử lý bề mặt chi tiết.
Cùng với thời gian này, Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Trung tâm Khoa học Tự
nhiên và Công nghệ Quốc Gia (nay là Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam) được nhà nước đầu tư trang thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU HESSLER
300A ROTARY của CHLB Đức, với thiết bị có chất lượng cao, độ ổn định tốt. Viện
đã tiến hành nghiên cứu các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn hóa học ở các điều kiện môi
trường khác nhau, đồng thời cũng nghiên cứu các lớp phủ chống mài mòn nhằm mục
đích ứng dụng cho các kết cấu làm việc trong vùng khai thác mỏ Quảng Ninh.
Tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, công nghệ phun phủ kim loại dùng hồ quang điện
đã được nghiên cứu từ khoảng năm 1995 và đã thu được một số kết quả nghiên cứu và


7
triển khai ứng dụng. Tính đến nay, sau hơn 15 năm hoạt động, Viện đã chủ trì và tham
gia 10 đề tài nghiên cứu các cấp liên quan đến phun phủ kim loại, công bố hơn 50 bài
báo và báo cáo khoa học về nghiên cứu - đánh giá các lớp phủ bảo vệ, đào tạo 11 sinh
viên cao học, khoảng 50 sinh viên đại học và cao đẳng, thực hiện hơn 50 hợp đồng
trong lĩnh vực phun phủ nhiệt và công nghệ xử lý bề mặt [19].
1.3. Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt
Nguyên liệu thanh, dây hoặc bột

Nguồn nhiệt (điện, khí
hoặc plasma)

Hạt được gia tốc

Đập lên bề mặt

Lớp phủ

Hình 1.1. Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt [20]
Nguyên lý chung của phun phủ nhiệt là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy,
plasma) làm nóng chảy toàn bộ hay một phần các vật liệu phun dưới dạng bột, dạng
thanh, dạng dây hay dạng lõi thuốc. Vật liệu sau đó được phân tán thành các hạt dưới
dạng sương mù, dưới tác dụng của dòng khí năng lượng cao sẽ tăng tốc và phun lên bề


8
mặt của chi tiết đã được chuẩn bị trước. Các vật liệu dùng để phun phủ có thể là kim
loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa hoặc composit.
Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó, các phần
tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau. Vì vậy chiều dày lớp phủ không bị giới
hạn, có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục µm hoặc dày vài mm (hình 1.1) [20].
1.3.1. Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt
1.3.1.1. Mục đích của phương pháp phun phủ nhiệt
Phun phủ có ứng dụng rất nhiều trong thực tế, dưới đây là một số ứng dụng quan
trọng nhất:
- Phun phủ phục hồi các chi tiết bị mòn.
- Tạo các lớp phủ chức năng: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…
- Phun các lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cách điện, cách nhiệt, lớp phủ
từ tính…) lên các chi tiết mà vật liệu cơ bản không có các đặc tính này.
- Sửa chữa khuyết tật (vật đúc, chi tiết sau khi gia công cơ).
- Tạo lớp phủ trang trí.
1.3.1.2. Phân loại công nghệ phun phủ
Phân loại theo năng lượng phun: phun bằng khí cháy, phun bằng nguồn năng

lượng điện. Phân loại theo công nghệ phun: phun khí cháy, phun hồ quang điện, phun
nổ, phun plasma, phun HVOF (High Velocity Oxygen Fuel).
Ngoài các phương pháp phun trên còn một số phương pháp phun khác như phun
nguội (cold spray), phun ấm (warm spray), phun laser,... Bảng 1.1 so sánh đặc điểm
một số phương pháp phun phủ nhiệt [21]. Hình 1.2 chỉ ra các công nghệ phun phủ
nhiệt điển hình [22].

Hình 1.2. Các công nghệ phun phủ nhiệt [22]


9
Bảng 1.1. So sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt

Phun
Đặc điểm

Loại lớp

Phun khí

Phun

hồ

Phun

phủ

cháy

HVOF

quang

Plasma

điện
Nhiệt độ khí (oC)

3000

Tốc độ phun

16000

10 – 25

2 – 10

14 – 21

48 – 62

28 – 41

21 – 34

7 – 34

48 – 62

14 – 48

14 – 48

14 – 34

–

–

21 – 41

34 – 48

< 83

Hợp kim Fe

0,05 –

0,05 – 2,5

Hợp kim

2,0

0,05 – 2,5

màu

0,05 – 5,0

–

Gốm

0,25 – 2,0

0,002 –

Cácbit

0,15 – 0,8

0,200

35

45

40

40

20

55

35

50

40 – 65

–

–

45 – 65

45 – 55

55 – 72

–

50 – 65

3 – 10

<2

3 – 10

2–5

3 – 10

<2

3 – 10

2–5

5 – 15

–

–

1–2

5 – 15

<1

–

2–3

Độ bám dính

Hợp kim

(MPa)

màu
Gốm
Cácbit

Hợp kim Fe
Hợp kim
màu
Gốm
Cácbit
Hợp kim Fe
Hợp kim
Độ xốp (%)

12000 –

1–9

Hợp kim Fe

Độ cứng (HRC)

3000

4000

2–6

(kg/giờ)

Chiều dày (mm)

2600 –

màu
Gốm
Cácbit

55 – 69
0,1 –
2,5

0, 4 – 2, 5

0,1 –

0,05 – 5,0

5,0

0,1 – 2,0

–

0,15 – 0,8

–


10
1.3.1.3. Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện
Nguyên lý: Hồ quang điện được tạo ra bởi 2 hoặc 3 dây kim loại (hay hợp kim)
dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau. Các dây
kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ

gây ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây kim loại. Dây kim loại
liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp với quá trình phun (hình
1.3) [22].

Hình 1.3. Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực [22]
Các yếu tố ảnh hưởng và thông số tối ưu quá trình phun phủ hồ quang điện:
Hình 1.4. Mô tả sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [23].
X
Y
Z
O

6
5

4

1

2

3

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [22]
1. Máy nén khí; 2. Bình chứa khí nén; 3. Máy sấy lọc khí;
4. Thiết bị làm sạch; 5. Tủ điều khiển; 6. Đầu phun LD/U-2


11
Kích thước và hình dáng đầu phun ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phủ,

thông thường đầu phun có hình trụ, đường kính lỗ phun d = (3 – 6) mm.
Góc chéo nhau  của hai cực ảnh hưởng đến quá trình hình thành dòng phân tử phun,
thường dùng  = 30o.
Chiều dài bộ phận dẫn dây lk ảnh hưởng đến chu trình phun, nếu lk tăng thì tổn
thất điện áp tăng và thực tế cho phép thất thoát (0,8 – 1) V/100A, nếu đầu phun có kết
cấu hợp lý thì tổn thất chỉ (0,2 – 0,3) V/100A và hệ số sử dụng năng lượng có ích đạt
(0,8 – 0,9).
Chế độ hoạt động của thiết bị:
Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất quá trình phun là công suất dòng hồ
quang và tiêu hao khí.
Công suất riêng của đầu phun Nd = (2.000 – 10.000) KJ/kg, nếu tăng Nd sẽ dẫn
đến thất thoát nhiều phân tử kim loại do bị quá nhiệt, song chất lượng lớp phủ sẽ tốt
hơn. Thường dùng thiết bị phun có công suất P = (5 – 20) kW, dòng điện I = (80 –
600) A, điện áp U = (18 – 35) V.
Áp suất, lượng tiêu hao khí cũng như các tính chất của khí thổi ảnh hưởng trực
tiếp đến các chỉ tiêu của quá trình. Việc tăng áp suất dẫn đến tăng tốc độ phun, tăng
lượng tiêu hao khí thổi. Chọn áp suất dòng khí trong khoảng (3,5 – 5,5) atm, tiêu hao
khí (16 – 150) m3/giờ.
Dây và tốc độ cấp dây:
Đường kính dây thường dao động trong khoảng (1 – 3,5) mm, tốc độ cấp dây
thường là (0,05 – 0,35) m/giây, tương ứng với năng suất phun (2 – 120) kg/giờ.
Điều kiện ngoại vi:
+ Góc phun được chọn trong khoảng (65o– 90o).
+ Khoảng cách phun L = (100 – 300) mm.
+ Tốc độ di chuyển đầu phun (20 – 50) m/phút.
Ưu điểm: Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện cho năng suất phun cao, có
thể đạt tới 120 kg/giờ, hệ số hiệu dụng năng lượng và hệ số sử dụng vật liệu phủ cao
(0,6  0,85). Chất lượng lớp phủ khá tốt, độ bám dính cao.
Nhược điểm: Chỉ dùng được vật liệu dây kim loại để phun, nhạy cảm với các khí
hoạt tính.

12
Trong thực tế phương pháp và các thiết bị phun phủ bằng hồ quang điện được lựa
chọn và sử dụng rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của phương pháp như như tính cơ
động, thực hiện trên nhiều chi tiết có hình dạng và bề mặt khác nhau, dễ dàng điều
chỉnh chiều dày lớp phủ theo ý muốn và giá thành rẻ hơn so với các công nghệ phun
phủ khác.
1.3.2. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ kim loại
Cấu trúc của lớp phủ kim loại có đặc trưng của các cấu trúc bị nguội nhanh đột
ngột. Các phần tử kim loại phủ bị nguội rất nhanh do tốc độ nguội rất lớn, do vậy khi
đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng tinh thể (hoặc trong cấu trúc) những trung tâm lệch
mạng. Do sự kết tinh nhanh của lớp phủ, có thể nhận được cấu trúc giả bền vững
dưới dạng các dung dịch rắn bão hòa và có thể có cả trạng thái vô định hình của
kim loại.
Trong lớp phủ kim loại có thể có 2 loại ôxit, một loại ôxit được hình thành riêng
biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại phun khi đập vào bề mặt cần
phun, các phần tử này sẽ bị biến dạng. Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất
cơ học của lớp phủ. Loại thứ hai tạo thành trên bề mặt (đặc biệt là ôxit crom) có độ xít
chặt cao, thụ động trong môi trường ăn mòn sẽ nâng cao độ bền ăn mòn và mài mòn
của lớp phủ. Hình 1.5 mô tả cấu trúc của lớp phủ kim loại [5].

Hình 1.5. Cấu trúc của lớp phủ kim loại

[20]

Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phủ phải kể đến một
lượng khá lớn các lỗ xốp. Các lỗ xốp này được hình thành do sự liên kết không chặt