Nghiên cứu chế tạo vật liệu chịu ma sát hệ fe 2 5 % cu 1 3% grafit

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
---------------------------------------

NGUYỄN PHƯƠNG NAM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CHỊU MA SÁT HỆ
Fe 2-5%Cu 1-3% GRAFIT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
P.GS - TS. TRẦN VĂN DŨNG

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.

Tác giả luận văn

Nguyễn Phương Nam

-2-

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các bảng

7

Danh mục cách hình vẽ, đồ thị

8

Phần mở đầu

10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHIU MA SÁT

12

1.1. Giới thiệu lực ma sát và ứng dụng ma sát

12

1.2. Vật liệu chịu mài mòn

12

1.3. Giới thiệu một số loại vật liệu chịu mài mòn

13

1.3.1. Một vài loại và hợp kim và kim loại chịu ma sát

13

a. Hợp kim đồng thiếc

13

b. Hợp kim đồng mangan

14

c. Hợp kim Fe-Cu-Al

14

d. Vật liệu đồng

15

1.3.2. Một vài loại vật liệu phi kim chịu ma sát

15

a. Carbon graphite

15

b. Cao su

16

c. Gỗ

16

d. Gốm kim loại-metalceramic

16

e. Gốm

17

f. Sapphire và thủy tinh

17

1.4. Kết luận chương 1

18

CHƯƠNG 2. XÉC MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

19

2.1. Nhu cầu về sản xuất xéc măng

19

2.2. Đặc điểm và điều kiện làm việc với yêu cầu kĩ thuật của xéc măng

20

a. Đặc điểm

20

-3-


b. Điều kiện làm việc của xéc măng

21

c. Yêu cầu kĩ thuật

21

2.3. Công nghệ chể tạo xéc măng

23

2.3.1. Phương pháp đúc truyền thống

24

a. Chế tạo xéc măng từ phôi ống

24

b. Chế tạo xéc măng từ phôi đúc từng chiếc

24

c. Ưu nhược điểm công nghệ sản xuất séc măng đúc

25

2.3.2. Phương pháp chế tạo xéc măng từ bột kim loại

26

2.4. Giới thiệu một số quy trình công nghệ chế tạo xéc măng đã được áp dụng
a. Giới thiệu quy trình công nghệ chế tạo đã được áp dụng với xéc
măng bột
b. Giới thiệu quy trình công nghệ chế tạo đã được áp dụng với xéc
măng đúc
2.5. Kết luận chương 2

27
27
30
32

CHƯƠNG 3. KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÉC
MĂNG

33

3.1. Xác định họ vật liệu xéc măng bột và chuẩn bị phối liệu

33

3.2. Công đoạn nghiền trộn cơ học

35

3.2.1. Các thông số cơ bản của quá trình nghiền

35

3.2.2. Phương pháp thực nghiệm

37

3.2.2.1. Thiết bị

37

3.2.2.2. Chế độ nghiền

39

3.2.2.3. Các hiện tượng xảy ra trong quá trình nghiền trộn cơ học

39

3.3. Công đoạn ép tạo hình sơ bộ

47

3.3.1. Mục đích

47

3.3.2. Phương pháp ép

47

3.3.3. Áp lực ép

48

3.3.4. Thiết bị ép

49

3.4. Công đoạn thiêu kết

49

-4-


3.4.1. Mục đích

49

3.4.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến quá trình
thiêu kết

49

3.4.3. Chế độ thiêu kết

50

3.4.4. Thiết bị thiêu kết

52

3.4.5. Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết

53

3.5. Xác định độ xốp của vật liệu

55

3.5.1. Phương pháp xác định độ xốp

55

3.5.2. Kết quả đo độ xốp của vật liệu

57

3.6. Xác định độ cứng của vật liệu Fe-Cu-C

58

3.7. Xác định mô đun đàn hồi và độ bền vật liệu Fe-Cu-C

59

3.8. Tổ chức tế vi của vật liệu Fe-Cu-C

61

3.9. Xây dựng mô hình và lựa chon phương pháp ngiên cứu

64

3.10. Kết luận chương 3

74

CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO XÉC MĂNG

4.1. Giới thiệu TCVN của xéc măng

76
77

A. Yêu cầu kỹ thuật chung (TCVN 5735-4)

77

1. Phạm vi áp dụng

77

2. Mã vòng găng

78

3. Kí hiệu vòng găng

78

B. Yêu cầu chất lượng (5735-5)

79

1. Phạm vi áp dụng

79

2. Dạng khuyết tật

80

3. Gia công mặt lưng

81

4.2. Đề xuất quy trình chế tạo xéc măng

81

4.3. Thiết kế khuôn ép xéc măng

82

4.3.1. Yêu cầu kỹ thuật khuôn ép

82

4.3.2. Kết cấu bộ khuôn ép

82

4.3.3. Nghiệm bền khuôn ép

83

-5-

a. Chày trên và dưới

83

b. Cối ép

84

4.4. Chế tạo xéc măng

85

4.5. Kết luận chương 4

88
89

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. KẾT LUẬN

89

II. KIẾN NGHỊ

89
91

TÀI LIỆU THAM KHẢO

-6-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tựa bảng

Trang

2.1

Công nghệ chế tạo xéc măng bột của viện nghiên cứu luyện kim
bột, viện hàn lâm khoa học Ucraina

28

2.2

Công nghệ chế tạo xéc măng bột đầu tiên của Liên Xô

28

2.3

Công nghệ chế tạo xéc măng bột của I.Acsonop và K.Sorokin

29

2.4

Chế độ công nghệ chế tạo xéc măng bột của Liên Xô

30

2.5

Chế độ công nghệ chế tạo xéc măng đúc của công ty FUTU1

31

3.1
3.2
3.3

Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ: Nhiệt độ
thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)
Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ: Nhiệt độ
thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)
Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi vào các thông số công nghệ:
Nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)

58
59
60

3.4

Điều kiện thí nghiệm được chọn

68

3.5

Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm

69

4.1

Các mã và sự mô tả vòng găng

78

4.2
4.3

Giá trị cho phép về kích thước, số lượng và khoảng cách vết rỗ, lỗ
hổng
Kích thước cho phép của các vết xước và vết lõm

-7-

80
81


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình

Tựa hình

Trang

1.1

Các thiết kế phổ biến của cấu trúc bạc lót

15

2.1

Hình dạng của xéc măng

20

2.2

Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi ống

24

2.3

Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi đúc từng chiếc

25

2.4

Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ bột kim loại

27

-3

3.1

Cân điện tử, độ chính xác 10 g

35

3.2

Sơ đồ nguyên lý nghiền bi trong máy nghiền đứng (cánh khuấy)

37

3.3

Máy nghiền bi kiểu đứng (cánh khuấy)

38

3.4

Một số chi tiết của máy nghiền đứng (cánh khuấy)

39

3.5

Ảnh SEM mẫu hỗn hợp bột Fe-Cu-C sau khi nghiền 4h, tốc độ 620
vg/ph

41

3.6

Máy phân tích rơnghen D5005 - SIEMENS

41

3.7

Giản đồ nhiễu xạ rơnghen của mẫu hỗn hợp vật liệu bột

43

3.8

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu

44

3.9

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 2h nghiền

45

3.10

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền

46

3.11

Khuôn và chày ép sơ bộ

48

3.12

Máy ép thủy lực 100 T

49

3.13

Giản đồ pha hợp kim Fe-Cu

51

3.14

Giản đồ thiêu kết mẫu Fe-Cu-C(graphite)

52

3.15

Lò thiêu kết Linn 1300

53

3.16

Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu Fe-Cu-C(graphite) sau khi thiêu kết

54

3.17

Mô hình xác định độ xốp của vật liệu Fe-Cu-C(Graphite)

56

3.18

Thiết bị đo mô đun đàn hồi (E) và độ bền nén бn

61

3.19

Ảnh hiển vi quang học sự phân tán graphite của mẫu Fe-CuC(graphite) sau khi thiêu kết ở 11000C trong 3h, X500

62

3.20

Ảnh hiển vi quang học của mẫu Fe-Cu-C(graphite) sau khi thiêu
kết ở 11000C trong 3h, X500

63

3.21

Ảnh hiển vi quang học của mẫu Fe-Cu-C(graphite) sau khi thiêu
kết ở 11000C trong 3h, X1000

63

-8-


Hình

Trang

4.1

Tựa hình
Hình dạng xéc măng ở trạng thái tự do

4.2

Sơ đồ chế tạo xéc măng từ bột kim loại

80

4.3

Kết cấu và kích thước khuôn ép xéc măng

83

4.4

Áp lực bột trên cối ép

84

4.5

Trục gá ram 5 điểm

86

4.6

Dụng cụ ram định hình sau khi sécmăng đã đươc gá kẹp chặt

86

4.7

Chế độ ram định hình xécmăng

87

4.8

Sản phẩm Xéc măng

87

-9-

77


PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung, khoa học công nghệ
vật liệu cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Bởi lẽ, vật liệu bao giờ cũng là một yếu tố
thiết yếu quyết định sự phát triển của nền công nghiệp đối với mọi quốc gia. Nền
công nghiệp càng phát triển thì yêu cầu về chất lượng vật liệu ngày càng cao, trình
độ công nghệ sản xuất vật liệu phải càng hiện đại. Vì vậy, khoa học công nghệ cần
phải có sự đổi mới, tiếp thu, sáng tạo các phương pháp công nghệ mới tiên tiến,
hiện đại và công nghệ cao một cách kịp thời, nhằm góp phần tích cực, có hiệu quả
vào công cuộc “công nghiệp hoá - hiện đại hoá” đất nước, đồng thời tiến tới hội
nhập từng bước vào cộng đồng các nước trong khu vực và trên thế giới. Sự đổi mới
công nghệ, trong đó có sự cấp thiết phát triển Công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi
khách quan trước yêu cầu phát triển của nền kinh tế - xã hội Việt Nam.
Trước thực tế đó, trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các công nghệ
truyền thống cần phải phát triển các công nghệ mới nhằm chế tạo các vật liệu có
những tính chất đặc biệt, có khả năng đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy
móc hiện đại làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Như một quy luật tất yếu, nhiều
loại vật liệu mới đã ra đời. Vật liệu tổ hợp ra đời cũng trong xu hướng phát triển đó

và ngày càng có vị trí xứng đáng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế
quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử, đóng tàu, chế tạo
máy, xây dựng …
Vật liệu bột đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu khác
nhau hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi nhu cầu,
rất đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong
tương lai với các tính năng đặc biệt như: vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu mài mòn,
vật liệu làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao và một số tính năng khác
mà vật liệu truyền thống không có được. Vì vậy, luyện kim bột ngày càng thu hút
được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực trong nền kinh tế quốc dân hiện nay.

- 10 -


Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu từ bột kim loại nói chung, đặc biệt
là vật liệu kết hợp nhiều bột kim loại khác nhau nói riêng còn rất hạn chế và mới chỉ
bắt đầu trong vài năm gần đây. Việc nghiên cứu vật liệu kết hợp nhiều bột kim loại,
được phát triển theo hai hướng chính, đó là: Nghiên cứu các phương pháp chế tạo
vật liệu và nghiên cứu các phương pháp công nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm
từ vật liệu bột là lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới tiềm năng, đầy triển vọng.
Với những tiềm năng to lớn của vật liệu bột. Tác giả đã lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu chịu ma sát hệ Fe 2-5%Cu 1-3%C (graphite)” để
nghiên cứu. Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao trong thực tế hiện nay và khá mới
mẻ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới. Việc nghiên cứu đề tài này, mở ra triển
vọng lớn trong nghiên cứu các loại vật liệu trên cơ sở nền Fe, có khả năng ứng dụng
thực tế trong các điều kiện làm việc chịu ma sát, vật liệu chịu mài mòn…
Bản luận văn được trình bày thành 4 chương. Chương 1, trình bày tổng quan
về vật liệu ma sát. trong chương 2 sẽ trình bày những vấn đề về cơ sở lý thuyết và
công nghệ chế tạo xéc măng, chương 3 sẽ đề cập đến kỹ thuật thực nghiệm chế tạo

vật liệu ma sát cụ thể là xéc măng được tiến hành tại Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội. Và xác định một số tính chất, tối ưu hóa quá trình công nghệ chế tạo vật liệu
ma sát ứng dụng làm xéc măng, trong chương 4 tác giả sẽ đi sâu vào việc chế tao
xéc măng để tạo ra được một xéc măng hoàn chỉnh, và cuối cùng là kết luận của
luận văn và một số kiến nghị cho hướng đi tiếp theo của công trình nghiên cứu.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS - TS. Trần Văn Dũng, người đã
tận tình hướng dẫn, gợi ý và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong việc nghiên
cứu và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Đăng Thủy, người đã đóng góp
những ý kiến xác thực góp phần hoàn chỉnh luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty Gang thép Thái Nguyên, Viện Đào tạo
Sau đại học, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán
kim loại, phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu Kim loại, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này.

- 11 -


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHỊU MA SÁT
1.1. GIỚI THIỆU LỰC MA SÁT VÀ ỨNG DỤNG MA SÁT
Trong vật lý học, ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất,
chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt.
Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề
mặt thành năng lượng ở dạng khác.
Lực ma sát cũng gây nhiều ảnh hưởng đôi khi ngược với mong muốn. Nó ngăn
trở chuyển động, gây thất thoát năng lượng. Nó mài mòn các hệ thống cơ học cho đến
lúc các hệ thống này bị biến dạng vượt qua ngưỡng cho phép của thiết kế. Nhiệt năng
sinh ra bởi lực ma sát có thể gây chảy hoặc biến chất vật liệu, thay đổi hệ số ma sát.
* Ứng dụng ma sát

Lực ma sát có thể được ứng dụng để làm biến dạng các bề mặt như trong kỹ
thuật đánh bóng, mài gương, sơn mài, ... Nó được dùng để hãm tốc độ các phương
tiện giao thông trên Trái Đất, chuyển động năng của phương tiện thành nhiệt năng
và một phần động năng của Trái Đất.
Nhiệt năng sinh ra bởi lực ma sát còn được ứng dụng để đánh lửa, trong đá
lửa, hoặc các dụng cụ tạo lửa của người tiền sử như theo một số giả thuyết.
Với các vật liệu có hệ số ma sát thấp người ta ứng dụng làm các loại ổ lót, xéc
măng…

1.2. VẬT LIỆU CHỊU MÀI MÒN
Vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy như ổ trượt, bạc lót, vv., làm việc trong
điều kiện ma sát trượt và cần có hệ số ma sát thấp, không dính bám, có khả năng chạy
rà tốt, dẫn nhiệt tốt và ổn định tính chất trong thời gian dài. Thường sử dụng 3 loại
vật liệu:
1. Kim loại dạng khối gồm gang, các hợp kim trên cơ sở thiếc, đồng, nhôm,
kẽm, trong đó bacbit và kim loại hai lớp (bimetan) được sử dụng rộng rãi.

- 12 -


2. Phi kim loại gồm: Gỗ, graphit, các chất hữu cơ poliamit, politetrafloetilen,
vv., có hệ số ma sát thấp và làm việc tốt trong điều kiện môi trường ăn mòn.
3. Bột thiêu kết thường là hỗn hợp của nhiều kim loại hoặc kim loại và phi
kim loại để bảo đảm khả năng chịu mài mòn tốt nhất

1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU CHỊU MÀI MÒN
Lựa chọn vật liệu là một vấn đề quan trọng cho tất cả các bạc lót, vòng bi.
Đặc điểm cơ bản mà vật liệu để làm vòng bi cần là:
• Có hệ số ma sát thấp so với các vật liệu trục cứng
• Ứng sử chống lại các ngõng trục thép (điểm kháng cự)

• Khả năng hấp thụ và loại bỏ các hạt nhỏ tạp chất (tính chất lún)
• Khả năng thích ứng và thích nghi với sự thô ráp trục
• Cường độ nén cao,
• Chịu độ mỏi cao,
• Chịu ăn mòn tốt,
• Ứng suất trượt thấp
• Kết cấu đồng nhất,
• Và chi phí hợp lý dễ chế tạo.
Một vật liệu có hệ số ma sát thấp là một yếu tố trong sức chịu đựng của vật
liệu, hệ số ma sát đối với các hợp kim đồng đối với thép nằm trong phạm vi 0,08 ÷
0,14. Trong quá trình làm việc không có chất bôi trơn, hệ số ma sát có thể dao động
từ khoảng 0,12 hoặc cao hơn là 0,18 đến 0,30. Bằng cách so sánh hệ số ma sát trong
quá trình cho nhôm trên thép là 0,32 và thép trên thép là 1,0.
Hợp kim như đồng thanh pha chì được sử dụng vì chúng cung cấp một lớp bôi
trơn chì tại bề mặt bi. Chì có ứng suất trượt thấp và có thể lấp đầy vào bất thường
trong trục hoạt động như một chất bôi trơn khẩn cấp nếu việc cung cấp dầu tạm thời
bị gián đoạn.

1.3.1. Một vài loại hợp kim và kim loại chịu ma sát
a. Hợp kim đồng thiếc
Chức năng chủ yếu của thiếc trong các hợp kim đồng là để tăng cường hợp

- 13 -


kim. (Kẽm cũng nâng cao ứng suất, nhưng nhiều hơn khoảng 4% kẽm làm giảm các
tính chất chống ma sát của hợp kim vòng bi). Hợp kim đồng thiếc cứng và có độ
dẻo dai rất cao. Sự kết hợp của các tính chất mang lại cho nó khả năng tải trọng cao,
chịu mài mòn tốt và khả năng chịu được và đập liên tục. Các hợp kim này có khả
năng chống ăn mòn trong nước biển và nước muối.

Hợp kim đồng thiếc hoạt động tốt hơn với dầu mỡ bôi trơn hơn so với hợp
kim đồng khác
Sự khác biệt về đặc tính cơ học giữa các hợp kim đồng thiếc không lớn. Một
số có chứa kẽm như là một chất gia cố thay thế một phần cho các vật liệu thiếc đắt
tiền hơn....
Một số hợp kim đồng thiếc có chứa một lượng nhỏ chì. Trong nhóm các hợp
kim, chức năng chính của chì là để cải thiện tính chất cơ học. Một trong số các hợp
kim đồng pha chì cũng có chứa kẽm là tăng cường hợp kim với chi phí thấp hơn
thiếc. Các hợp kim đồng pha chì trong nhóm này này không có tính chất tương tự
và ứng dụng như hợp kim đồng thiếc.

b. Hợp kim đồng mangan
Hợp kim đồng mangan được chuyển hóa của các loại hợp kim, kim loại
Muntz (đồng thau 60% 40% kẽm) có chứa bổ sung một lương nhỏ sắt, mangan
và nhôm, cộng với chất bôi trơn, nó có thể chịu ứng suất rất cao với khả năng
chống ăn mòn tốt. Vật liêu chịu ma sát đồng mangan có thể làm việc ở tốc độ
cao và tải trọng nặng

c. Hợp kim Fe-Cu-Al
Phương pháp truyền thống là kết hợp vài vật liệu với nhau để giảm ma sát và
đảm bảo tính chất cơ học. Tuy nhiên chế bạc nhiều lớp khá phức tạp và tốn khá
nhiều tiền. Vì thế cần loại vật liệu mới đạt được hai loại tính chất chính của bạc, đó
là cơ tính tốt và ma sát rất thấp.
Loại vật liệu này được tạo ra với mục đích đạt được hai loại tính chất đó là cơ
tính tốt và ma sát rất thấp, hệ vật liệu này có độ bền cao, độ xốp cao và độ bôi trơn
cao. Ứng dụng này tạo khả năng cho công nghiệp vật liệu chịu ma sát phát triển để

- 14 -

tạo ra những vật liệu chịu ma sát chất lượng cao và giá thành thấp.
Hợp kim Fe-Cu-Al có độ bền, xốp và bôi trơn cao là do sự xuất hiện của hợp
kim Cu-Al trên nền Fe, hợp kim Cu-Al trong một vài trường hợp được sử dụng như
một một nhân tố chống ma sát. Hợp kim Fe-Cu-Al sẽ có ma sát trượt rất thấp, có độ
bền đủ lớn để chịu điều kiện áp suất cao, có thời gian sử dụng dài, thêm vào đó vật
liệu này trên cơ sở nền Fe, do vậy vật liệu này không cần thêm thép.

d. Vật liệu đồng
Vật liêu đồng có độ bền, độ dẻo, độ cứng, khả năng chịu mài mòn, khả năng
chống kẹt khá cao, ma sát thấp, chịu được môi trường hoạt động bẩn và chất bôi
trơn bị ô nhiễm. Khả năng chống ăn mòn của bạc lót đồng vượt trội so với các loại
bạc lót khác, và có thể được lựa chọn để đáp ứng các điều kiện cụ thể của môi
trường xung quanh. Bạc lót đồng cho phép sản xuất dễ dàng và kinh tế,
cho phép các bạc lót được làm thành các hình dạng đặc biệt với chi phí thấp.

Hình 1.1: Các thiết kế phổ biến của cấu trúc bạc lót
Một trong những thiết kế phổ biến nhất của bạc lót gồm đa lớp. Lớp bên trong
đóng vai trò bôi trơn quan trọng. Lưng bằng thép đảm bảo các tính chất cơ học của
bạc lót. Các lớp ở giữa là để liên kết giưa các lớp khác nhau.

1.3.2. Một vài loại vật liệu phi kim chịu ma sát
a. Carbon graphite
Bạc lót carbon có thuộc tính tự bôi trơn, khả năng ổn định ở nhiệt độ lên đến

- 15 -


750 ° F, và khả năng chống lại các tác dụng của hóa chất và các dung môi. Bạc
lót Carbon-graphite được sử dụng trong môi trường ô nhiễm bởi dầu hoặc mỡ.
Chúng được sử dụng trong lò, nồi hơi, và động cơ phản lực nơi có nhiệt

độ quá cao đối với dầu nhờn thông thường.
Thành phần và quá trình gia công được sử dụng với các bạc carbon có
thể được thay đổi để cung cấp các đặc tính cần thiết cho các đặc tính cần thiết cho
các ứng dụng cụ thể. Graphite carbon có từ 5 đến 20% độ xốp. Những lỗ xốp có thể
được với một loại nhựa phenolic hoặc epoxy để cải thiện sức mạnh và độ cứng,
hoạc với dầu, kim loại ( chẳng hạn như bạc đông, đồng, cadmium, hoạc Babbit )
để cải thiện các đặc tính tương thích. phải chú ý trong việc áp dụng và hệ số giãn nở
thấp (khoảng một phần tư của thép)

b. Cao su
Vật liệu đàn hồi cho hiệu suất tốt trong các bạc lót trên trục chânvịt và bánh
lái của tàu.
Tính đàn hồi của cao su sẽ giúp triệt tiêu rung động giúp cho hoạt động êm ái,
cho phép chạy với độ hở tương đối lớn.
Bạc lót cao su thương mại bao gồm một cấu trúc rãnh để đặt kim loại rắn làm
tăng thêm độ bền và dẻo dai
Tải trọng tối đa nên được giới hạn từ 35đến 50psi, không có giới hạn về tốc
độ, và nhiệt độ hoạt động vẫn còn dưới 150 ° F.

c. Gỗ
Gỗ cứng: gỗ sồi có các tính chất tự bôi trơn, chi phí thấp, và làm việc môi
trường có độ sạch. Bạc lót gỗ hữu ích ở nhiệt độ lên đến 150 ° F và với tốc độ
lên đến vài trăm vòng/phút.

d. Gốm kim loại-metalceramic ( viết tắt là cermet )
Thuộc lớp vật liệu kết hợp composit nền kim loại cốt gốm. Nó là vật
liệu nhiều pha, gồm các pha kim loại hoặc hợp kim với một hay nhiều pha gốm.
Kim loại có thể là đồng, nhôm, niken, sắt, thép, hợp kim, gốm có thể là các borít,
cácbít, nitrít, oxít, silixít kim loại vv..... Như vậy có rất nhiều dạng loại gốm kim

- 16 -


loại khác nhau tùy theo thành phần nguyên liệu và phương pháp công nghệ chế tạo.
Gốm kim loại có những tính chất tốt của hai loại vật liệu cấu thành lên nó là
kim loại và gốm. Nó rất cứng, bền vững chống mài mòn ma sát, chống ăn mòn,
chịu nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh v.v...

e. Gốm
Silicon nitride đã được phát triển thành vật liệu làm bạc lót hiệu suất cao,
biểu hiện các tính chất mới tương đương hoặc vượt trội các loại thép chịu lực
chất lượng cao.
Ứng dụng chủ yếu của các vật liệu này là trong các vật quay như vòng bi hoặc
con lăn tích hợp để chịu lực.
Những bạc lót như vậy làm từ gốm hybrid và tiêu chuẩn đạt được cho các
loại bạc lót siêu chính xác có hiệu suất cao. Tất cả các loại bạc lót làm từ gốm chỉ
có một số lượng nhất định dựa trên các yêu cầu đặt hàng đặc biệt cho các ứng
dụng đặc biệt.
Độ cứng, chống ăn mòn của nhiều loại gốm, carbide, và gốm kim loại được
ứng dụng làm bạc lót chịu lực.

f. Sapphire và thủy tinh
Sapphire tổng hợp công nghiệp (100% nhôm oxide) được sử dụng rộng rãi cho
các Bạc lót giá trị dùng trong các ứng dụng, dụng cụ yêu cầu mô men xoắn thấp.
Thủy tinh borosilicate đã được thay thế sapphire trong một vài ứng dụng. Bạc lót
giá trị có một vài hình dạng, bao gồm hình chữ V, nhẫn, endstone, cốc, và lỗ.

Kết luận
Hầu hết các vật liệu phi kim có tính chất tốt cho các ứng dụng bạc trong cấu
trúc máy. Tuy nhiên cơ tính lại khá thấp. Vì thế, vật liệu phi kim làm bạc khó có thể

ứng dụng trong các bộ phận kỹ thuật.

- 17 -


1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Qua nghiên cứu các công trình nghiên cứu ở phần tổng quan tài liệu cũng cho
phép ta kết luận đề tài mà tác giả lựa chon là một đề tài rất rộng và có tính thiết
thực với nhu cầu sử dung của dạng vật liệu này là rất cao
Từ những phân tích và nhận định ở trên cho thấy rằng, việc đi nghiên cứu chế
tạo vật liệu chịu ma sát là hoàn toàn hợp lý và có khả năng thực hiện được và mở ra
một tiềm năng ứng dụng trong thực tế là rất cao. Mặc dù vậy, để chế tạo được vật
liệu chịu ma sát bằng phương pháp cơ - hóa thì cần phải nghiên cứu một cách sâu
sắc các vấn đề trong quá trình tổng hợp vật liệu.
Trong chương này tác giả đã tiến hành tổng hợp một số tài liệu liên quan đến
vật liệu ma sát nói chung và vật liệu chịu mài mòn nói riêng đã được ứng dụng
trong kỹ thuật. Từ các tài liệu nghiên cứu đó có thể nhận thấy, tính chất của vật liệu
này là rất cần thiết với con người.

- 18 -


CHƯƠNG 2
XÉC MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
2.1. NHU CẦU VỀ SẢN XUẤT XÉC MĂNG
Ngày nay với sự bùng nổ phát triển của Khoa học Kỹ thuật, nhiều lĩnh vực
của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử,
công nghệ thông tin, công nghệ sinh học - thực phẩm... Nhu cầu cần đến các loại
vật liệu mới có các ưu điểm vượt trội để tăng tính bền nhiệt, có điện dẫn cao, chịu
mài món lớn, chịu nhiệt độ cao... Để đáp ứng nhu cầu đòi hỏi của người sử dụng và

đáp ứng nhu cầu ngày càng trở nên thiết thực của xã hội và ngành công nghệ máy
nổ cũng lằm trong số đó, cần phải có những vật liệu mới và các phương pháp
nghiên cứu chế tạo vật liệu mới để tăng tuổi thọ cho động cơ cũng như hạ giá thành
sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường...
Trong điều kiện hoạt động bình thường, tuổi thọ của động cơ thường được
tính bằng tổng thời gian sử dụng sau 3 lần thay thế xéc-măng, tương đương khoảng
10.000 giờ sử dụng. Sau 3 lần thay xéc-măng, động cơ phải đưa đi đại tu, doa xilanh lên một cốt (đường kính xi-lanh tăng thêm 0,5 mm) và phải thay thế toàn bộ
nhóm piston và bạc lót thanh truyền. Như vậy có thể nói tuổi thọ của động cơ hoàn
toàn phụ thuộc vào độ bền của xéc măng, nó là một chi tiết của máy nổ có hình
dạng rất đơn giản, nhưng lại có nhiều vấn đề kỹ thuật hết sức phức tạp liên quan
đến chất lượng của nó, và quan trọng với các loại máy nổ cũng như nhu cầu sử dụng
của chúng ta chính vì vậy đặt ra một nhu cầu về sử dụng xéc măng là rất lớn, ở các
nước công nghiệp phát triển cũng như ở Việt Nam, các loại máy nổ được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp: hàng không - vũ trụ, ôtô, tàu thủy, đầu
máy và toa xe lửa, thiết bị và máy móc nông nghiệp...
Đứng trước yêu cầu cấp thiết đó tác giả đã đặt mục tiêu nghiên cứu chế tạo vật
liệu xéc măng từ bột kim loại trên cơ sở nền Fe nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng
ngày càng tăng của xã hội.

- 19 -


Do đó trong khuôn khổ đề tài cần nghiên cứu vật liệu làm xéc măng có các yêu
cầu đối với vật liệu như sau:
- Có khả năng làm việc bền vững ở nhiệt độ cao
- Độ bền mòn (hóa học và cơ học) cao;
- Có độ bền nén cao để có thể chịu được áp suất nén lớn;
- Có khả năng tự bôi trơn
- Có cơ tính cao ở khoảng nhiệt độ rộng, có khả năng chống lại sự mài mòn
và biến dạng ở điều kiện làm việc nhiệt độ và áp suất cao.

2.2. ĐẶC ĐIỂM VÀ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VỚI YÊU CẦU KĨ
THUẬT CỦA XÉC MĂNG
a. Đặc điểm

1. Hai mặt đáy

2. Mặt lưng

3. Mặt bụng

4 .Phần miệng

5. Khe hở miệng ở trạng thái lắp ghép trong xylanh.
Hình 2.1 Hình dạng của xéc măng
Xéc măng ( hay còn gọi là vòng găng ) là một chi tiết rất quan trọng trong các
loại động cơ máy nổ và máy thủy lực. Xéc măng được lắp tại rãnh ngoài của
pistông đảm bảo độ kín khít cao giữa pistông và xylanh, khi làm việc xéc măng
chạy dọc theo mặt trong xy lanh, nhưng lại có nhiều vấn đề kỹ thuật hết sức phức
tạp liên quan đến chất lượng của nó như:

- 20 -


Vấn đề sự đồng đều của hàm lượng các loại bột với xéc măng bột, chất lượng
của gang hợp kim và công nghệ đúc đơn chiếc từng xéc măng một.
Vấn đề xác định kích thước xéc măng ở trạng thái tự do để gia công chép hình
theo dạng ống.
Vấn đề phân bổ áp suất của xéc măng nén trên bề mặt xylanh theo một quy luật
phân bố áp suất không đều: Áp suất phần miệng xéc măng lớn hơn phần lưng…

Phụ thuộc vào công dụng của các loại xéc măng khác nhau trong pistông có hai
loại xéc măng:
- Xéc măng dầu
- Xéc măng hơi
Xéc măng dầu dùng để đưa dầu thừa ra, vì theo kết cấu và theo vị trí của nó trên
pistông thì nó chỉ có tính chất truyền nhiệt còn nén rất ít.
Xéc măng khí ( hơi ) làm việc làm việc nặng hơn so với xéc măng dầu, đặc biệt
do xéc măng nằm trên cùng gần buồng cháy, xéc măng này làm việc trong điều kiện
nhiệt độ cao và ma sát gần như khô, nên bề mặt làm việc của nó thường được phủ
một lớp Crôm để tăng thời gian phục vụ và giảm bớt độ mòn của xy lanh.

b. Điều kiện làm việc của xéc măng
Tuy là một chi tiết không lớn, xong điều kiện làm việc của xéc măng rất nặng và
khắc nhiệt Khi làm việc, xéc-măng chịu ma sát nửa khô, va đập lớn và chịu lực ép
ngang đảo chiều, chịu nhiệt độ cao, áp suất va đập lớn, ma xát mài mòn nhiều, chiu
an mòn hóa học của khí cháy và dầu nhờn ... Chính vì vậy nó bị mài mòn rất nhanh,
độ mòn của xéc-măng thể hiện ở khe hở miệng. Nếu khe hở này vượt quá 1÷1,2
mm, áp suất nén sẽ giảm 30% và công suất của động cơ cũng giảm tương ứng, suất
tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng từ 40-50%. Lúc này động cơ phải vào bảo dưỡng, thay
thế xéc-măng.

c. Yêu cầu kĩ thuật
Để đảm bảo hiệu quả truyền năng lượng qua khí nén hoạc qua môi trường chất
lỏng, xéc măng phải làm kín khe hở giữa pitstông và xy lanh, để đảm bảo cho dầu
và khí trong xy lanh không truyền được từ phần này qua phần khác. Do vậy xéc

- 21 -


măng phải tiếp xúc thật tốt, khít với mặt trong thành xy lanh, đồng thời nó ép nên xy

lanh một lực đồng đều trên toàn bộ chu vi xéc măng để tránh sự mài mòn không đều,
tạo khe hở hoạc lỗ rò rỉ, lực nén cũng không được quá lớn tránh làm mòn xy lanh. Có
đạt được như vậy hiệu quả truyền động của pitstông ra thanh truyền mới cao.
Xéc măng chuyển động cùng pitstông với tần suất lớn trong xy lanh dưới áp lực lớn
và ở nhiệt độ khá cao trong thời gian dài, rất dễ phát sinh ra biến dạng dẻo làm giảm
khả năng đàn hồi của xéc măng, từ đó phá vỡ điều kiện làm việc bình thường của đông
cơ máy nổ, chính do yêu cầu như vây nên xéc măng phải có các yêu cầu sau:
- Để đảm bảo cho sự kín khít cao với mặt trong xy lanh trong quá trình làm việc,
xéc măng cần có độ đàn hồi cao. Được đặc trưng bởi mô đun đàn hồi E. Mô đun
đàn hồi cần đạt được trong giới hạn E = 8500 ÷ 12000 Kg/mm2 mô đun đàn hồi của
xéc măng là chỉ tiêu rất quan trọng.
- Để đảm bảo tính bền lâu khi làm việc, xéc măng cần phải có độ cứng thích hợp
để chịu mài mòn tốt trong điều kiện ma sát giới hạn, đây cũng là một chỉ tiêu quan
trọng ( xéc măng đúc độ cứng cần đạt đươc: 92÷105HRB)
- Để đảm bảo độ dai va đập xéc măng cần có một độ bề бb cao. Ví dụ xéc măng
đúc: бb = 40 ÷ 50 Kg/mm2, xéc măng bột của Nga: бb = 70 ÷ 80 Kg/mm2 .
- Vật liệu chế tạo phải có hệ sô ma sát nhỏ, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, có khả năng tự
bôi trơn trong quá trình làm việc…
- Ngoài ra đối với xéc măng bột thì độ xốp cần đạt từ 7 ÷ 10%.
Để xéc măng đỡ bị mài mòn, người ta thường mạ 1 lớp crôm xốp trên bề mặt làm
việc của xéc măng, chiểu dày (0,1 đến 0,2mm) vì lớp mạ này tăng cường độ cứng
bề mặt, tính chống ăn mòn tốt giảm hệ số ma sát.
Ngoài ra người ta còn mạ thiếc mỏng, chiều dày lớp mạ từ (0,005 đến 0,01) mm
để nâng cao tính chống mòn và nhằm mục đích giảm thời gian chạy rà của động cơ.

* Yêu cầu về hình học
-

Đường kính mặt ngoài đạt cấp chính xác 7 ÷ 10

-

Đường kính lỗ đạt cấp chính xác 7

-

Độ dày thành bạc cho phép sai lệch 0,03 ÷ 0,15mm

- 22 -


-

Độ nhám bề mặt Ra = 2,5 ÷ 0,32, độ không vuông góc giữa lỗ và mặt đầu 0,02

÷ 0,2mm/100mm
1. Dung sai theo chiều cao xéc măng: 0,01 ÷ 0,012 mm
2. Dung sai theo chiều dày hướng kính: ± 0,01 ÷ 0,012 mm
3. Dung sai kích thước khe hở miệng ở trạng thái nén là 0,3mm

2.3. CÔNG NGHỆ CHỂ TẠO XÉC MĂNG
* Yêu cầu về vật liệu:
Xéc-măng là chi tiết máy có yêu cầu chế tạo khá khắt khe về độ chính xác kích
thước, độ nhám bề mặt, độ cứng, độ mài mòn, tính đàn hồi và các yêu cầu kỹ thuật
khác như khe hở miệng cắt, sai lệch bề dày, độ không song song giữa 2 mặt đầu
xéc-măng. Để đảm bảo tính năng làm việc, trong trạng thái tự do xéc-măng là dạng
đĩa mỏng, méo, để khi lắp vào xi lanh nó trở thành tròn và tiếp xúc găng đều đảm
bảo độ kín khít khi làm việc.
Như vậy đòi hỏi cần phải có một hệ vật liệu thích hợp để có thể đáp ứng được
các yêu cầu đã nói ở trên.

Thành phần chủ yếu của vật liệu xéc măng gồm Fe và các nguyên tố: Cu, Cr, C,
Mn, Si, Mo, W, V, TiC, đôi khi có cả Sunphua.
-Yêu cầu về vật liệu xéc măng sản xuất bằng phương pháp đúc: Vật liệu chế tạo
xéc măng hiện nay dùng trong động cơ thường làm bằng gang xám, gang peclit
có chất lượng cao, để đảm bảo tính chịu nhiệt cao nên trong gang hợp kim có
Cr, Mo, W, V. Loại gang hợp kim rẻ tiền để chế tạo xéc măng như hợp kim
gang Cr-Cu-Ti có thành phần như sau: 3,7 ÷ 3,9C; 2,5 ÷ 2,7Si; 0,5 ÷ 0,7Mn; 0,4
÷ 0,5P; 0,2 ÷ 0,35Cr; 0,35 ÷ 0,5 Cu và không quá 0,18Ti và 0,05S.
- Xéc măng của động cơ Diezel hai kỳ được chế tạo bằng gang biến thể có độ
bền cao, loại gang này nhận đươc bằng cách cho thêm vào nước gang Mn, loại
gang này đặc biệt là chắc, có mô-duyn đàn hồi và độ dẻo cao.
- Yêu cầu về vật liệu xéc măng sản xuất bằng phương pháp nghiền trộn cơ học:
Hợp kim hóa học các loại bột cần thiết trên nền cơ bản là bột sắt Fe, bột
Cu,Graphite, Zn, Si, Mn, Mo…Sử dụng kết hợp phương pháp nghiền trộn; gia

- 23 -


công áp lực với thiêu kết và ram định hình; Gia công cơ khí và mạ.
Về mặt công nghệ gia công xéc măng có 2 phương pháp gia công chế tạo xéc măng:
-

Phương pháp đúc truyền thống

-

Phương pháp chế tạo xéc măng từ kim loại bột

2.3.1. PHƯƠNG PHÁP ĐÚC TRUYỀN THỐNG
a. Chế tạo xéc măng từ phôi ống

Phôi để chế tạo xéc-măng được đúc ly tâm dưới dạng ống tròn để đảm bảo chất
lượng gang đúc. Trình tư gia công bao gồm:
Quy trình công nghệ sản xuất xéc măng đúc từ phôi ống biểu diễn trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi ống

b. Chế tạo xéc măng từ phôi đúc từng chiếc
Phương pháp này dùng trong sản xuất hàng khối. xéc-măng được đúc từng
chiếc có độ méo tương tự như độ méo cùa xéc-măng thành phẩm. Trình tự gia

- 24 -


công như sau:
Quy trình công nghệ sản xuất xéc măng từ phôi đúc từng chiếc biểu diễn trên
hình 2.3

c. Ưu nhược điểm công nghệ sản xuất séc măng đúc
- Ưu điểm:
+ Nâng cao năng suất
+ Độ chính xác và độ bóng bề mặt ngoài cao
- Nhược điểm:
+ Quy trình công nghệ dài, khá phức tạp
+ Độ hao phí kim loại lớn
+ Cơ tính của sản phẩm không đồng đều do có lẫn tạp chất và xỉ

- 25 -