luyện kim bột công nghệ vật liệu kim loại

MSE 441

Chương 3. LUYỆN

KIM BỘT

Hanoi university of technology


MSE 441

Powder Metallurgy
Khái niệm: Khác với phương pháp luyện kim
thông thường, luyện kim bột là quá trình chế
tạo chi tiết từ bột kim loại hoặc bột các hợp
chất của kim loại. Nguyên lý cơ bản là làm
thế nào để tạo được liên kết bền giữa các
hạt mà bản chất của chúng hoàn toàn khác
biệt. Qui trình công nghệ sản xuất chi tiết
bằng phương pháp luyện kim bột bao gồm
các công đoạn sau:
Hanoi university of technology


MSE 441

• Sản xuất bột kim loại, hợp kim hoặc bột gốm;
• Trộn bột kim loại, bột hợp kim với chất dính và
chất phụ gia.
• Tạo hình sản phẩm: tạo ra sản phẩm có hình
dáng theo yêu cầu nhưng chưa có liên kết bền

giữa các hạt bột vật liệu.
• Thiêu kết (gia công nhiệt): tạo liên kết bền giữa
các hạt vật liệu và độ bền cần thiết cho chi tiết.
• Gia công tinh: tinh chỉnh kích thước, ép lại, nhiệt
luyện…
Hanoi university of technology


MSE 441

III Powder Metallurgy
III.A. Powder Production
III.B. Powder characteristics
III.C. Compaction
III.D. Densification

Hanoi university of technology


MSE 441

A.1 Tạo bột
Tạo giọt kim loại
i/ Giọt kim loại

tundish

Để phá hủy dòng liên tục:
d s < dc
(để tạo giọt)

dc tăng w/ γ , giảm w/ ρ

melt
H

γ : s c căng b m t
ρ: khối lượng riêng
dD ~ 1.88 ds

ds

dD
Hanoi university of technology


MSE 441

ii/ Tạo bột bằng phun nước
Ép kim loại lỏng chảy quan một lỗ nhỏ với tốc độ cao
để đảm bảo có dòng chảy rối. Theo Reynold
nummber:

ρ .v.d
R=
η

where ρ = fluid density (kg/m3), v =
velocity of the exit stream (m/s), d =
diameter of the opening (m), and η =
dynamic viscosity (Ns/m2).

Dòng kim loại sẽ chảy rối và bị phá vỡ thành các giọt
nhỏ.

Hanoi university of technology


MSE 441

Khi dòng kim loại thoát khỏi
thùng rót, nó sẽ bị phá vỡ
do dòng nước có tốc độ cao
(nuowcs, không khí, khí
trơ).
dD ∝ ds, 1/sinα, 1/vw, v, γ
with v = viscosity of melt
γ = surface tension

Rapidly solidified powder
dD ≈ 30 to 1000 µm

Water jets: 5-20
MPa water press.
Vw≈70 to 250
m/s

Hanoi university of technology


MSE 441

iii/ Phun khí tạo bột
Sử dụng khí N2, Ar or He thay cho vòi nước:
dD ≈ 20 to 300 µm
Môi trườ ng phải kiểả
m soát đượ c (reactive
metals)
Tốố
c độ nguội chậm hơn, 10-1 ~ 102 ˚C/s
comp. to 10 ~ 104 ˚C/s đối với phun nước
tạo bột
- Khó phun kim loại qua một lốỗnhỏ
ả hơn nữa.
– Kích thướ c hạt phân bốảtrên một phốảấố
r t
rộng
Hanoi university of technology


MSE 441

A.3 Phương pháp hóa lý
Hoàn nguyên oxit: dùng các loại khí như H2 , CO,
CnHm hoặc than để hoàn nguyên oxit các kim
loại, sau đó tiến hành nghiền, tạo bột kim loại.
Thí dụ , dùng khí oxit cácbon để hoàn nguyên
vẩy rèn sẽ thu được bột sắt: FeO + CO = Fe +
CO2 .
Hoàn nguyên các loại muối bằng kim loại thí dụ,
dùng Mg hoàn nguyên Ti, Zr từ TiCl4, ZrCl4 ở

700°C sẽ thu được bột titan, bột ziêcôn.
Hanoi university of technology


• Điện phân: đây là quá trình ngược với mạ; thực chất là
tạo ra một lớp mạ rất xốp, bám dính vào âm cực. Chủ
yếu dùng sản xuất bột đồng : dương cực là Cu kim loại,
âm cực là thép không gỉ; mật độ dòng I = 20 A/dm2 ;
nhiệt độ điện phân T° = 60°C .
• Nhiệt phân hay còn gọi là phương pháp carbonyl :
Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là, phun khí CO
áp suất 200 atm vào dây Fe hoặc Ni đã nung đến (150 –
250)°C. Đối với niken, sản phẩm thu được là cacbonyl
Ni(CO)4 có nhiệt độ nóng chảy ở 43°C hoặc đối với sắt
sản phẩm là Fe(CO)5 chảy ở 107°C. Sau đó đem nung
lên nhiệt độ khoảng (200-300)°C, carbonyl sẽ bị nhiệt
phân tạo thành hạt kim loại có đường kính khoảng (150)µm.


MSE 441
iii/ Phương pháp li tâm
Kim loại cần tạo bột được chế tạo thành dạng thỏi và đưa vào buồng
quay với tốc độ rất nhanh. Đối diện với đầu trục quay là điện cự hồ
quang. Khi có hồ quang, kim loại ở đầu thỏi sẽ nóng chảy. Tốc độ cao
sẽ hất văng các hạt kim loại lỏng vào buồng đông đặc. Một dòng khí
tuần hoàn sẽ hút các hạt bụi KL ra khỏi buồng.

Hanoi university of technology

MSE 441

A.1. Nghiểề
n bột
Nghiền nhỏ các hạt trong trống nghiền
Môi trường nghiền: bi thép, bi gốm:
rball ≈ 1 to 20 mm
dung môi chiếm 50% thể tích
bu ng nghi n

Đ ường kính bột:
dia. ≈ 10 to 200 µm
Hanoi university of technology


MSE 441

Tốc độ quay ω:
• Lực li tâm: P =mrω2 = 2π2Dn2

•

Trọng lực: G =mg

p
α

Optimum ω = 60 ≈ 70% ω
Where:

ωmax

G
c

42,4
=
D

Hanoi university of technology


MSE 441

III.B Đặ c tính củ a bộ t
• B.1. Các dạng hạt
- Hạt bột: hạt ban đầu thường tồn tại ở dạng riêng lẻ
hơn là ở dạng kết khối.
- Tụ đám: các hạt liên kết lỏng lẻo, dễ bị phá vỡ khi
khuấy trộn.
- Kết khối -Aggregates: các hạt liên kết bền
B

C

A: hạt
B: hạt bột
C: tụ đám

A

Hanoi university of technology


MSE 441

1. B.2. Hình dạng hạt (aspect ratio)
Dendritic

Flaky

Acicular(AR in 1 direction)

Spherical

Fibrous (AR=1000)

Granular(small AR)

Hanoi university of technology


MSE 441

III.C. Ép bộ t
• C.1. Hạt đốảđốố
ng
- Xếp chặt tinh thể:

SC → 52% Coord. --> 6

BCC → 68% Coord. --> 8
FCC → 74% Coord. --> 12

- Bột cùng kích thước
Lý thuyết (spheres) : loose → 60%
tapped → 64%
Thực: spherical → 50.4% (loose) ; 59.4% (tapped)
irregular → 25.8% (I.)
; 35.2% (t.)
flaky →
4.5% (l.)
; 7.8% (t.)
- Bột nhiều cỡ hạt: as σg

density

Hanoi university of technology


MSE 441

• C.2. Thuộ c tính ép cả u bột
Ép bộ t bằ ng lực cơ họ c:
Một chiều, đẳng tĩnh, ba chiều
Mô hình vật lý của ép đẳng tĩnh

ri
ro

 ri 

ro
P = 2σ y ln
; 1−ρ =  
ri
 r0 
 1 

P = α + β ln 
 1− ρ 

3

(ri =0 P? ρ?)

ρ=

Vro − Vri
Vr 0

Hanoi university of technology


MSE 441

P
Very high P for
isostatic

α

ρ

Hanoi university of technology


MSE 441

• C.3. Ép mộ t chiề u (die compaction)
Single action

vs.

Double action

- Sự dị ch chuyể n củ a chày ép: Ma sat giữa khuôn
và vật ép

Hanoi university of technology


MSE 441

• Phân tích chính xác (uniaxial)

∑F

z

Pz
Pr

=0
Pz+dPz

Pzπr 2 − ( Pz + dPz ) ⋅ πr 2 − µPr ⋅ 2πr ⋅ dz = 0
Giả thiết Pr=B Pz (~ Poisson’s ratio)
Đẳng tĩnh B=1; kim loại B=0.5

 2 µBz 
Pz = Po exp −

r 


(Pz=Po at z=0)

Hanoi university of technology

µPr


MSE 441

- Lực ép nhỏ nhất ở đáy:
Pmin = Pz
B = 0,5;

z =h

Pr Pz

2µBh
= Po exp(−
)
r

µ = 0,2;

Pz =Po

h
=5
r

Pmin
1
= exp(−1) = = 0,37
P0
e

z

37%

Khi ép vật dài , h/r lớ n, do đó Pmin/Po có thểảlà đáng
kể => mật độ thay đổi
Giải pháp: ép sơ bộ
dùng chất dính
ép hai chiều
Hanoi university of technology

MSE 441

C.4. Ép đẳ ng tĩnh
Túi ướt: cho bột vào túi
+
nhấn chìm vào chất lỏng
có áp suất
Túi khô: Túi dán chặt đặt
trong bình áp lực
Ưu:
vs.
Hình dạng hạt b/ thườ ng
h/r có thể cao
~ mật độ đốề
ng nhấố
t
~ không ma sát

z

Khuyết:
chậm
ktra kích thướ c
gần mật độ full

Hanoi university of technology

MSE 441

VI.D. Tăng mậ t độ
• D.1 Thiêu kết
Thiêu kết nhằm làm tăng năng lượng bề mặt của
các hạt, làm cho toàn bộ khối vật liệu kết tinh lại,
tạo cấu trúc mới. Trong quá trình thiêu kết, xảy
ra hiện tượng thay đổi hình dáng và kích thước
của phần tiếp xúc giữa các hạt vật liệu theo xu
hướng tăng diện tích và thể tích phần tiếp xúc
giữa các hạt và do đó hệ bị co ngót. Đồng thời
với co ngót, các nguyên tử bề mặt cũng tham
gia chuyển động trong quá trình thiêu kết.

Hanoi university of technology


-Số nguyên tử đi ra khỏi phần lồi của lỗ xốp
bằng số nguyên tử đi vào khe của đoạn tiếp
xúc và như vậy, tổng thể tích của lỗ xốp
không thay đổi mà chỉ làm cầu hoá các lỗ
xốp.
-Điểm quan trọng nữa là các hạt vật liệu
cũng tái kết tinh trong quá trình thiêu kết do
đã được nung đến nhiệt độ kết tinh lại. Đây
là bản chất của quá trình thiêu kết.
-Kết quả là, sau khi thiêu kết, các hạt bột
kim loại liên kết thành một khối liên tục có
các lỗ xốp, tạo nên những tính chất ưu việt
cho vật liệu.

MSE 441

• Examples of morphological evolutions

Hanoi university of technology