phun phủ zirconia và tinh chất zirconia

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại phát triển hiện nay, các dụng cụ máy móc công nghệ được sử dụng rất
nhiều đển tạo ra các sản phẩm thiết yếu cho con người và trong nhiều lĩnh vực khác.
Vì vậy, các dụng cụ thiết bị máy móc đó cần được bảo vệ và bảo trì thật tốt như vậy
mới có thể làm phát triển kinh tế và cung cấp đầy đủ cho các yêu cầu của con người.
Zirconi kim loại nói chung, bột zirconi kim loại nói riêng là nguyên liệu được
Ứng dụng rất rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của công nghiệp. 90% zirconi kim loại
được ứng dụng vào công nghiệp nguyên tử, còn lại 10% được ứng dụng vào các ngành công
nghiệp khác phi hạt nhân như công nghiệp luyện kim, công nghiệp hóa chất và ứng dụng đặc
biệt quan trọng trong công nghiệp quốc phòng.
Hiện nay trên thế giới, sản xuất zirconi kim loại xốp theo phương pháp Kroll do J. W.
K Roll phát minh ra.
Các sản phẩm chính có liên quan đến zirconi là: ZrO 2 được dùng trong lĩnh vực gốm
sứ, gốm cao cấp, gốm chịu nhiệt, chịu mài mòn. Silicát zirconi sạch, mịn được dùng trong
thuỷ tinh, gốm sứ. Các hợp chất của Zr như ZrC, ZrN để chế tạo lớp lót chịu nhiệt độ cao ứng
dụng vào chế tạo tuy-e tên lửa. Các loại muối như ZrCl4, ZrF4, ZrI4 được sử dụng rất nhiều
vào chế tạo Zr kim loại chất lượng cao. Đặc biệt ZrCl 4 được sử dụng làm nguyên liệu để kết
tủa đồng thời với các hợp chất hữu cơ CmHn trong môi trường khí trơ bằng phương pháp bốc
hơi ngưng tụ tạo ra lớp ZrC ứng dụng vào chế tạo các chi tiết chịu nhiệt của tên lửa.
Zr là nguyên tố rất hoạt động vì vậy trong tự nhiên chúng chỉ tồn tại dưới dạng hợp
chất. Khoáng chất phổ biến nhất của Zr trong tự nhiên có dạng ZrO.SiO 4. Sản phẩm này ở
Việt Nam có trữ lượng khá lớn tới hàng triệu tấn nằm dọc bờ biển miền Trung. Do đó đây đây
là yếu tố rất thuận lợi để Việt Nam chế biến và sử dụng các sản phẩm từ zircon.
Nên tạo ra lớp phủ bề mặt đã được quan tâm và nghiên cứu, các lớp phủ bề mặt se
làm tăng độ bền và chịu nhiệt cho dụng cụ máy móc được phủ lên. Hiện nay có hai kim loại
được lấy làm lớp phủ bề mặt là titan và zirconi
Trong bài báo cáo này se nói về lớp phủ zirconia, một hợp chất của zirconi.

1

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................................0
DANH MỤC HÌNH...................................................................................................................2
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ZIRCONI..............................................................................5
1.1.
TỔNG QUAN VỀ ZIRCONI.............................................................................................5
1.1.1. Lịch sử phát triển....................................................................................................5
1.1.2. Zirconi là gì............................................................................................................6
1.1.3. Tính chất của zirconi..............................................................................................7
1.1.4. Ứng dụng................................................................................................................7
1.2.
TÔN
̉ G QUAN VỀ ĐIOXIT ZIRCONI.................................................................................9
CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ TRÁNG PHỦ ZIRCONIA.................................................................11
2.1.
TỔNG QUAN LỚP PHỦ BỀ MẶT...................................................................................11
2.1.1. Cơ chế các quá trình phun phủ lên bề mặt:..........................................................12
2.1.2. Vật liệu phun........................................................................................................14
2.2.
PHƯƠNG PHAṔ TAO
̣ LƠṔ PHỦ BỀ MĂṬ ........................................................................15
2.2.2. Phương pháp ngọn lửa khí...................................................................................16
2.2.3. Phương pháp phun hồ quang điện........................................................................17
2.2.4. Phương pháp phun plasma...................................................................................17
2.3.
CHUÂN
̉ BỊ BỀ MĂṬ CHI TIÊT́ PHUN............................................................................24
2.3.1. Làm sach chi tiết..................................................................................................24
2.3.2. Xử lý bề mặt chi tiết.............................................................................................27

2.5.
GIA CÔNG CAC
́ LƠṔ PHUN.........................................................................................31
2.6.
GIA CÔNG SAU KHI PHUN..........................................................................................31
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA VẬT LIỆU.......................................................32
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.

NHỮNG NHƯỢC ĐIỂM CẦN CẢI THIỆN.......................................................................32
NHỮNG YÊU CẦU VỀ ĐẶC TÍNH CỦA SẢN PHẨM.......................................................32
PHƯƠNG PHAṔ PHÂN TIC
́ H TEM...............................................................................33
PHƯƠNG PHAṔ PHÂN TIC
́ H SEM...............................................................................36
PHƯƠNG PHAṔ PHÂN TIC
́ H RAMAN...........................................................................40

CHƯƠNG 4: CẢM NGHĨ.......................................................................................................43
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................................44
TÀI LIỆU KHAM KHẢO.......................................................................................................45

2


DANH MỤC HÌNH
HÌNH 1.1: VỊ TRÍ ZIRCONI TRÊN BẢNG TUẦN HOÀN HÓA HỌC [2]............................6

HÌNH 1.2: KIM LOẠI ZIRCONI (HTTPS://VI.WIKIPEDIA.ORG).......................................7
HÌNH 1.3: VẬT LIỆU ĐÃ ĐUỌC PHỦ LỚP ĐIÔXÍT ZIRCONI
(HTTP://WWW.PERIODICTABLE.COM )..............................................................................8
HÌNH 1.4: RĂNG SỨ LÀM BẰNG VẬT LIỆU
ZIRCONIA(HTTP://GLIDEWELLDENTAL.COM)................................................................8
HÌNH 1.5: CÁC DẠNG CẤU TRÚC TINH THỂ ZIRCONI (WWW.BBDIO.COM).............9
HÌNH 1.6: CHẤT KHOÁNG BADELEYITA VÀ KHOÁNG CHẤT ZIRCON
(HTTP://WWW.CERAROOT.COM).......................................................................................10
HÌNH 2.1: ĐỘ DÀY PHỦ TƯƠNG ĐỐI CỦA LỚP PHỦ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP, IRON
PHOSPHATE VÀ ZINC PHOSPHATE[2]..............................................................................12
HÌNH 2.2: PHUN DÂY BẰNG NGỌN LỬA KHÍ (HTTPS://WWW.OERLIKON.COM).. .16
HÌNH 2.3: PHUN BỘT BẰNG NGỌN LỬA KHÍ (HTTP://WWW.HAN-TAI.COM.TW).. .16
HÌNH 2.4: NGUYÊN LÝ PHUN HỒ QUANG ĐIỆN (HTTP://WEARMANAGEMENT.CH).............................................................................................................17
HÌNH 2.5 : NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH PHUN PLASMA
(HTTP://WWW.ADVANCED-COATING.COM)...................................................................18
HÌNH 2.6: HỆ THỐNG PHUN PLASMA ĐỒNG BỘ[4].......................................................19
HÌNH 2.7: MÁY PHUN PLASMA SG-100 (PRAXAIR THERMAL SG-100 SPRAY
SYSTEM)[5]............................................................................................................................19
HÌNH 2.8: SÚNG PHUN PLASMA DẠNG BỘT (HTTPS://METALIZETECH.COM).......20
HÌNH 2.9: NGUYÊN LÝ PHUN PHỦ PLASMA (HTTP://WWW.CESTI.GOV.VN)...........20
HÌNH 2.10 : CÔNG NGHỆ PHUN PLASMA CÓ THỂ TẠO RA LỚP BAO PHỦ Ở DƯỚI
DẠNG LIÊN KẾT HÓA HỌC.(HTTP://WWW.CESTI.GOV.VN).........................................22
HÌNH 2.11: SỰ PHÂN BỐ NHIỆT CỦA TIA PLASMA (HTTPS://WWW.NATURE.COM).
..................................................................................................................................................23
HÌNH 2.12: ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TIA PLASMA ĐẾN KHOẢNG CÁCH
PHUN[4]..................................................................................................................................23
HÌNH 2.13: GIẤY NHÁM (HTTP://DUCTHANHSHOP.COM)...........................................25
3

HÌNH 2.14: THIẾT BỊ XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG TIA NƯỚC
(HTTP://WWW.SAFIREWATERJET.CO.UK).......................................................................26
HÌNH 2.15: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY PHUN HẠT MÀI THEO PHƯƠNG PHÁP HÚT
[4].............................................................................................................................................27
HÌNH 2.16: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY PHUN HẠT MÀI THEO PHƯƠNG PHÁP ĐẨY
[4].............................................................................................................................................27
HÌNH 2.17: CHAI DUNG DỊCH PHUN LỚP LÓT MOLIPĐEN
(HTTP://WWW.IMAJEENYUS.COM)...................................................................................29
HÌNH 3.1: TRỤC CHÍNH MÁY KHOAN DOA CNC NHIỀU ĐẦU TRỤC (SPINDLE
UNIT FOR DRILLING AND BORING CNC MACHINEMULTIPLE SPINDLE)[5]..........32
HÌNH 3.2: TRỤC ROTOR ĐỘNG CƠ[5]...............................................................................33
HÌNH 3.3: CÁNH BƠM[5]......................................................................................................33
HÌNH 3.4: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỦA KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN
QUA TEM.( HTTP://WWW.BACHKHOATRITHUC.VN)....................................................34
HÌNH 3.5: HÌNH CHỤP CỦA TEM CỦA ZIRCONIA.
(HTTPS://WWW.RESEARCHGATE.NET)............................................................................35
HÌNH 3.6: HÌNH CHỤP TEM CỦA NANO ZRO2 VÀ SO3H................................................35
HÌNH 3.7: HÌNH CHỤP TEM CỦA ZIRCONIA TOUGHENED ALUMINA (ZTA) Ở
NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN KHÁC NHAU. ( HTTP://WWW.MDPI.COM).......................36
HÌNH 3.8: SƠ ĐỒ CẤU TẠO CỦA MÁY SEM (HTTPS://VI.WIKIPEDIA.ORG)..............36
HÌNH 3.9: HÌNH CHỤP SEM CỦA ZIRCONIA(HTTPS://UABSEM.WORDPRESS.COM)
..................................................................................................................................................38
HÌNH 3.10: HÌNH CHỤP SEM CẤU TRÚC CỦA ZIRCONIA-TOUGHENED ALUMINA
(ZTA) (HTTPS://WWW.RESEARCHGATE.NET).................................................................38
HÌNH 3.11: HÌNH CHỤP SEMCÁC HẠT NANO ZIRCONI TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG
PHÁP SOL-GEL SỬ DỤNG ZR (SO)H (HTTPS://WWW.RESEARCHGATE.NET)...........39
HÌNH 3.12: HÌNH ẢNHSEM CỦA BỀ MẶT MẪU ZIRCONIA (Z) SAU KHI THỬ
NGHIỆM CAVITATION. (HTTPS://WWW.RESEARCHGATE.NET).................................39
HÌNH 3.13: SƠ ĐỒ BIẾN ĐỔI RAMAN(HTTP://WWW.BIOMEDIA.VN).........................40
HÌNH 3.14: PHỔ RAMAN CỦA CUBIC ZIRCONIA (HTTP://RRUFF.INFO)...................41

HÌNH 3.15: PHỔ RAMAN CỦA ZIRCONIA TẠI CÁC THỜI ĐIỂM KHÁC
NHAU(WWW.RESEARCHGATE.NET)................................................................................41
HÌNH 3.16: PHỔ RAMAN CỦA ZIRCONIA ĐIỀU CHẾ TỪ CÁC CHẤT KHÁC
NHAU(WWW.RESEARCHGATE.NET)................................................................................42

4


DANH MỤC BẢN
BẢNG 2.1: BẢNG SO SÁNH VỀ ĐỘ DÀY, KHỐI LƯỢNG[2]...........................................11
BẢNG 2.2 : MỘT SỐ TIÊU CHUẨN ĐỂ LÀM SẠCH BỀ MẶT THEO TIÊU CHUẨN
TCVN.......................................................................................................................................13
BẢNG 2.3: THÀNH PHẦN CÁC CHẤT CÓ TRONG VẬT LIỆU THANH[4]....................14
BẢNG 2.4 : ĐỘ CHẶT VÀ ĐỘ XỐP CỦA CÁC LỚP PHUN GỐM KHI PHUN THANH
BẰNG NGỌN LỬA KHÍ[4]....................................................................................................16
BẢNG 2.5: NĂNG LƯỢNG PHÂN LY CỦA CÁC CHẤT KHÍ[4].......................................18
BẢNG 2.6: CÁC VẬT LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ
PLASMA[4].............................................................................................................................21
BẢNG 2.7: NHIỆT ĐỘ NÓNG CHẢY CỦA HỖN HỢP KHÍ[4]..........................................22
BẢNG 2.8: ĐỘ CỨNG CỦA LỚP PHUN PLASMA[4].........................................................22
BẢNG 2.9: CÁC CẤP ĐỘ ÁP SUẤT NƯỚC.........................................................................26

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
VỀ ZIRCONI
1.1.
Tổng quan về zirconi
1.1.1. Lịch sử phát triển

Vào năm 1945 Cục khai khoáng mỏ Albani ở Mỹ bắt đầu tiến hành nghiên cứu khảo
sát tính kinh tế của việc chế tạo zirconi kim loại dẻo. Các nhà khoa học đã sử dụng các dữ
liệu công nghệ có được từ năm 1921, tuy nhiên các khuynh hướng mới ban đầu được đề cập
đến là của nhà bác học William J. KRoll, một nhà luyện kim đã được hoàn thiện từ lĩnh vực
kim loại đất hiếm. Một quá trình khử magie để chế tạo titan kim loại dẻo được phát triển bởi
WilliamKRoll tại phòng thí nghiệm ở Luxambua và tác giả đã khẳng định rằng có thể sử
dụng công nghệ cơ bản tương tự để chế tạo zirconi kim loại.
Năm 1824 nhà hoá học Berzelius người Thuỵ Điển đã điều chế được bột zirconi kim
loại bằng việc khử natri florua zirconi với natri, tuy nhiên sản phẩm vẫn còn lẫn nhiều tạp
chất.
Cho mãi tới năm 1865 khi mà Troost sau khi lặp lại nhiều lần các thí nghiệm của
Berzelius đã mở ra được khả năng điều chế zirconi kim loại, như vậy đã thu được kim loại
bằng việc khử hơi của ZrCl4 với magie. Không riêng Berzelius mà cũng không riêng Troost
đã điều chế ra zirconi sạch, kim loại sạch này có tính dễ dát mỏng, dễ uốn và có khả năng
chịu được ăn mòn cao mà cả Lely và Hamburger cũng đã chế tạo được các viên kim loại
zirconi dẻo bằng phản ứng của hơi tetrazirconi clorua được ngưng tụ lại với natri kim loại
trong bom áp suất kín.
Vào các năm tiếp theo, năm 1925 Van Arkel đã giới thiệu phương pháp phân ly nhiệt
muối iôt. Von Zeepplin đã phát triển tiếp phương pháp của Troost và đã có được các patent
vào các năm 1939, 1940 và 1941. Phương pháp trên là nung nóng chảy NaCl – ZrCl4 và
magie trong một chén sắt. Hỗn hợp được nóng chảy hoàn toàn, muối hòa tan được gạn bỏ đi,
phần kim loại được tạo ra ở đáy chén hoà tách với nước, axit clohydric và được sấy khô. Tính
ròn của kim loại zirconi là do có lượng lớn tạp chất phi kim loại mà cơ bản là oxy, hydro và
nitơ. Các khí này được sinh ra trong quá trình khử, trong dung dịch nước khi xử lý sản phẩm
sau nhiệt kim bằng phương pháp ướt hoặc trong quá trình bảo quản do kim loại tiếp xúc với
không khí. Việc loại không khí và các chất khí nhiễm bẩn ở mức tới hạn nào đó thì đã tạo
được kim loại xốp dẻo. Để thực hiện được giải pháp này cần tiến hành điều chế sản phẩm
trong chân không và trong môi trường khí trơ.
Tháng 2 năm 1945, chỉ 90 gam zirconi kim loại đầu tiên điều chế được bằng phương
pháp khử magie tại phòng thí nghiệm của Albany, điều này đã tạo nên một sự phấn khích lớn,

sự động viên lớn cho các nhà khoa học tại đây.
Sau đó trên cơ sở này các nhà khoa học đã phát triển tiếp quá trình công nghệ, tháng
11 năm 1945 lớp zirconi kim loại đầu tiên được hình thành ở dưới đáy của lò arc-melting.
Vào đầu tháng 12 năm 1945 từ 1,8 kg đến 2,7 kg zirconi kim loại trên một tuần đã
được chế tạo phục vụ cho công việc nghiên cứu hoá học, sản xuất và nấu luyện cacbit.
Vào tháng 2 năm 1947 pilot có năng suất 27 kg zirconi kim loại một tuần đi vào hoạt
động. Trong quá trình phát triển Cục Khai khoáng mỏ của Mỹ đã liên tục thay đổi kích thước
thiết bị để tăng sản lượng zirconi kim loại xốp theo yêu cầu thực tế.
Sau năm 1947 Cục khai thác mỏ đã vận hành pilôt 4500 pound một tuần, sau đó là
5000 pound/tuần.

6


Năm 1952 đã sản xuất 270000 pound/tuần. Bên cạnh đó đồng thời một pilot khác đã
tiến hành chế tạo hafini kim loại 6000 pound/năm để chế tạo hợp kim làm thanh điều khiển
cho lò phản ứng hạt nhân[3].
Việc áp dụng oxit zirconi đầu tiên đối với thép là vào năm 1996, việc rửa tráng không
có crôm dựa trên zirconi. Áp dụng một lớp phủ chuyển đổi phosphate kim loại truyền thống
tạo thành lớp chống ăn mòn. Ngành hóa học sau đó đã được sửa đổi vào năm 1998 để phục
vụ như một sự thay thế crom. Để chuyển đổi lớp phủ trên nhôm. Được áp dụng lần đầu tiên
trên thép vào năm 2002[2].
Ở Việt Nam tuy số lượng dùng chưa thật nhiều, nhưng hàng năm Bộ Quốc phòng
cũng đã phải nhập của nước ngoài theo con đường tiểu ngạch tới vài tạ một năm.
Năm 1998 – 2000 Viện Công nghệ xạ hiếm cũng đã triển khai đề tài điều chế bột
zirconi kim loại bằng phương pháp điện phân muối nóng chảy nhưng vì công nghệ, thiết bị
phức tạp, vật tư không đảm bảo,… Nên đã không điều chế được sản phẩm đảm bảo chất
lượng cung cấp cho nhu cầu quốc phòng. Vậy phương pháp nhiệt kim ZrO 2 bằng canxi kim
loại và hệ thiết bị phù hợp mà đề tài đặt ra đã điều chế được sản phẩm cung cấp cho quốc
phòng, đây là điều kiện cần thiết mà đề tài đã đáp ứng được. Do đó Việt Nam se chủ động

được nguồn nguyên liệu quan trọng này, đó là việc làm hết sức có ý nghĩa[3].
Vậy bột zirconi kim loại luôn luôn là nguyên liệu cần thiết của tất cả các quốc gia, đặc
biệt trong công nghiệp Quốc phòng.
1.1.2. Zirconi là gi
Zirconi là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Zr và số nguyên tử 40. Trạng thái oxy
hóa được ưu tiên là 4 và không phải là thành phần hóa dược, tỷ lệ cao về tỷ số bán kính,
không có cấu hình hệ thống[1].
Nó là một kim loại chuyển tiếp màu trắng xám bóng láng, tương tự như titan. Nó
không bao giờ được tìm thấy như là một kim loại tự nhiên mà thu được chủ yếu từ khoáng
vật zircon, chất có thể được làm tinh khiết nhờ clo.
Zirconi không có vai trò sinh học nào đã biết. Nó tạo thành các hợp chất hữu cơ và vô
cơ, như điôxít zirconi và đibrômua zirconocen.

Hình 1.1: Vị trí Zirconi trên bảng tuần hoàn hóa học [2]
7


1.1.3. Tính chất của zirconi
Lí tính
Zirconi thường thấy dưới dạng bột vô định hình màu đen hoặc ở dạng tinh thể.
Zirconi là một kim loại mềm, dẻo và dễ uốn, ở trạng thái rắn khi có nhiệt độ phòng. Khi độ
tinh khiết thấp thì nó trở nên cứng và giòn hơn.
Nhiệt độ nóng chảy 1850ºC, nhiệt độ sôi 4377ºC. Tỉ khối 6,51, độ cứng theo thang
Mosh là 4,5, dộ dẫn điện so với Hg là 2,3.
Hoá tính
Ở dạng bột thì zirconi rất dễ cháy nhưng ở dạng khối rắn thì nó khó bắt lửa hơn.
Zirconi có khả năng chống ăn mòn bởi các chất kiềm, axít, nước muối và các tác nhân khác
rất cao.
Tuy nhiên, nó rất ít hòa tan trong các axít như axít clohiđric và axít sulfuric ở dạng
lỏng, đặc biệt chỉ tác dụng với HF. Các hợp kim của nó với kem se có từ tính khi nhiệt độ

dưới 35 K.

Hình 1.2: Kim loại Zirconi ()
Độc tính
Phơi nhiễm ngắn hạn với bột zirconi có thể gây ra dị ứng, nhưng chỉ khi tiếp xúc với
mắt mới cần theo dõi y tế. Việc hít thở phải các hợp chất zirconi có thể gây ra u hạt da và
phổi. Hơi zirconi có thể gây ra u hạt phổi. Phơi nhiễm kinh niên đối với tetraclorua zirconi có
thể làm tăng tỷ lệ chết ở chuột nhắt và chuột lang cũng như làm giảm hemoglobin máu và
hồng cầu ở chó.
OSHA (Occupational Safety and Health Administration) khuyến cáo giới hạn phơi
nhiễm trung bình 5 mg/m và 10 mg/m3 cho giới hạn phơi nhiễm ngắn hạn.
Zirconi không gây nguy hiểm cho môi trường. Trong khi thực vật thuỷ sinh có lượng
zirconium hòa tan nhanh, cây trồng thực vật ít có xu hướng hấp thụ nó, và thực tế là 70%
thực vật đã được kiểm tra cho thấy không có zirconi nào có mặt.
1.1.4. Ứng dụng
Zirconi được sử dụng như là một tác nhân tạo hợp kim do khả năng cao trong chống
ăn mòn của nó. Do khả năng chống ăn mòn tốt của zirconi nên nó thường được sử dụng như
là tác nhân tạo hợp kim trong các vật liệu phải chịu tác động của môi trường có tính ăn mòn
cao, chẳng hạn như các loại vòi, các dụng cụ phẫu thuật, kíp nổ, các chất thu khí và các sợi
của ống chân không.

8


Trong khi không phải là một nguyên liệu chính cho các mũi khoan, zirconium bọc
kim loại hoạt động rất tốt cho mũi khoan. Các lớp phủ nitride zirconi có thể làm tăng sức
mạnh cho các vật liệu cứng nhưng giòn, như thép. Các trang điểm của zirconi cũng làm giảm
ma sát cho cải thiện khoan chính xác.
Zirconia (ZrO2) là oxit của kim loại Zirconium (Zr) được phát hiện từ rất lâu. Do có
tính chất đặc biệt, Zirconia được sử dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp kỹ thuật cao

như: làm vỏ tàu vũ trụ con thoi, thắng xe hơi.

Hình 1.3: Vật liệu đã đuọc phủ lớp điôxít zirconi ( )
Zirconia còn được sử dụng rộng rãi trong y khoa từ lâu do có đặc tính tương hợp sinh
học tốt, như thay thế khớp hông, khớp gối nhân tạo.Được áp dụng nhiều trong nha khoa làm
răng sứ

Hình 1.4: Răng sứ làm bằng vật liệu Zirconia()
Zircon (ZrSiO4) được cắt thành đá quý để sử dụng trong ngành kim hoàn.
Cacbonat zirconi ngậm nước (3ZrO2•CO2•H2O) từng được dùng trong mỹ phẩm dành
cho da để trị tác động của sơn độc, nhưng đã bị loại bỏ do nó gây ra một số phản ứng làm hại
da trong một số trường hợp.
Khoảng 90% lượng zirconi sản xuất ra được dùng trong các lò phản ứng hạt nhân do
nó có tiết diện bắt nơtron thấp và khả năng chống ăn mòn cao. Các hợp kim của zirconi cũng
được dùng chế tạo một số bộ phận của tàu vũ trụ do khả năng chịu nhiệt của nó.

9


Trong ngành sơn đang tìm kiếm sơn dung môivà như những máy sấy phối hợp, nơi có
thể sử dụng cacboxylat zirconium thay cho các máy sấy có chì độc và trong sơn nước như
thixotropes[1].
1.2.
Tổng quan về đioxit zirconi
Zirconi dioxit là một hợp chất rất quan trọng của zirconi, được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực. Hợp chất này có khả năng chống đứt gãy hiếm có và khả năng chống ăn mòn cao,
đặc biệt là khi ở dạng hình hộp. Các tính chất này làm cho zirconia là hữu ích khi làm lớp che
phủ cản nhiệt, và nó cũng là vật liệu thay thế phổ biến cho kim cương.
1.2.1. Cấu trúc
ZrO2 tồn tại ở những dạng tinh thể khác nhau: đơn tà (monoclinic), tứ diện (tetragona),

lập phương (cubic). Cấu trúc của ZrO 2 phụ thuộc vào phương pháp điều chế và theo đó vùng
năng lượng cấm (band gap) cung thay đổi theo.
ZrO2 tinh khiết tồn tại dưới dạng đơn tà ở nhiệt độ thường, khi tăng nhiệt độ nó
chuyển sang dạng tứ diện và lập phương kèm theo là sự tăng thể tích. Khi chuyển từ nhiệt độ
cao về nhiệt độ thấp thường xuất hiện những vết nứt do sự thay đổi (co lại) thể tích.

Hình 1.5: Các dạng cấu trúc tinh thể zirconi (www.bbdio.com).

1.2.2. Tính chất
ZrO2 là chất rắn màu trắng, rất cứng, khó nóng chảy, bền về nhiệt, không tan trong
nước. Gióng như TiO2, ZrO2 là chất bán dẫn loại n. Nhiệt độ nóng chảy 2700 – 2900 oC. ZrO2
có một sốdạng thù hình: Đến 1000 - 1100oC dạng đơn tà, trong khoảng 1100 – 1900oC có
dạng tứ diện, trên 1900oC có dạng lập phương.
ZrO2 có tính chất lưỡng tính, ở dạng đơn tà và lập phương tan được trong các axit vô
cơ, dạng tứ diện chỉ tan trong HF.
Với axit: nó không tan trong HCl, tan được trong HF loãng hoặc khi đun nóng lâu với H 2SO4
đặc
ZrO2 + H2SO4  ZrOSO4 + H2O
Với bazơ: Trong các dung dịch nước nó không tác dụng rõ ràng với kiềm. Khi nung
nóng chảy ZrO2 với kiềm thu được muối zirconat.
ZrO2 + 2KOH  K2ZrO3 + H2O
Muối K2ZrO3 bị thuỷ phân hoàn toàn:
K2ZrO3 + 3H2O  Zr(OH)4 + 2KOH

10


1.2.3. Nguồn gốc ZrO2 trong tự nhiên.
Trong thiên nhiên, zirconi chiếm 0,028% tổng khối lượng của vỏ quả đất. Lượng
zirconi này cao gấp 3 – 4 lần so với kem và đồng, tương đương với cacbon có trong vỏ trái

đất. Tính đến nay người ta đã biết được có khoảng 35 khoáng vật có chứa zirconi.
Do tính chất hoat động của zirconi nên người ta không tìm thấy zirconi ở dạng đơn
chất mà thường ở dạng các hợp chất, nhiều nhất là dạng silicat và oxit. Zirconi có nhiều nhất
trong 2 loại quặng là zircon và baddeleyita.

Hình 1.6: Chất khoáng badeleyita và khoáng chất zircon ()

11


CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ
TRÁNG PHỦ ZIRCONIA
2.1.
Tổng quan lớp phủ bề mặt
Các bề mặt vật liệu làm việc trong những môi trường khác nhau se bị hư hỏng theo
thời gian dưới nhiều dạng như sét rỉ, ăn mòn, mòn cơ học và các hư hỏng khác. Có nhiều
cách để nâng cao độ bền và tuổi thọ cho sản phẩm như xử lý bằng gia công nhiệt hay gia
công cơ (để cải thiện các tính chất của vật liệu), hoặc tạo lớp phủ bề mặt vật liệu (để tạo ra
lớp bảo vệ để chống ăn mòn, mài mòn, chống cháy, chịu nhiệt và cách nhiệt) bằng các
phương pháp hóa học, vật lý, cơ học,tùy theo vật liệu, mục đích sử dụng và điều kiện làm
việc. Tuy nhiên, các phương pháp này có thường gây ô nhiễm môi trường, tốn nhiều năng
lượng, thời gian.
Lớp phủ bề mặt là một lĩnh vực rộng, đa dạng bao gồm vô số các hệ thống khác nhau.
Tuy nhiên, có một khái niệm cơ bản ràng buộc tất cả các khu vực này với nhau, là lớp phủ
được áp dụng cho các chất nền bằng các phương tiện khác nhau để bảo vệ và ( hoặc) trang trí.
Tùy thuộc vào phương pháp thi công và độ dày, lớp phủ được phân loại thành sơn, mực[2].
Hiện nay có rất nhiều cách để tạo lớp phủ lên bề mặt kim loại: phủ dạng bột, phủ bằng
nhiệt, phủ nano hay TMC( Transition Metal Coatings).
Để chống ăn mòn cho kim loại hay tăng tính chịu nhiệt. Các dụng cụ se được phủ một
lớp phủ bề mặt (phun, sơn, vv) và các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm để tạo ra lớp phủ ngày

càng mỏng và tăng sức chịu đựng. Đầu tiên là để tiết kiệm chi phí và nguyên liệu, kim loại
được áp dụng nhiều là kim loại chuyển tiếp.
Lớp phủ kim loại chuyển tiếpTMC( Transition Metal Coatings ) có tính chất hơn hẳn
những kim loại khác về độ dày và các tính chất khác. Điển hình là kim loại Zirconi.
TMC hiện đang được hàng trăm người sử dụng rộng rãi trên thế giới vànhiều ngành
công nghiệp khác.Các sản phẩm của TMC dễ sử dụng, không tạo rào cản trong quy trình làm
việc của thiết bị[2].
Bảng 2.1: Bảng so sánh về độ dày, khối lượng[2]
TMC

Iron Phosphate

Zinc Phosphate

Lớp kết cấu

Vô định hình

Vô định hình

Tinh thể

Độ dày điển
hình

~50 nm

~250 nm

~1000 nm

50-150 mg2

300-700 mg/m2

2-3 g/m2

5-15 mg/ft2

25-65 mg/ft2

180-300 mg/ft2

Khối lượng
điển hình

12


Hình 2.1: Độ dày phủ tương đối của lớp phủ kim loại chuyển tiếp, iron phosphate và zinc
phosphate[2].
2.1.1. Cơ chế các quá trinh phun phủ lên bề mặt:
2.1.1.1. Tẩy rửa
Có nhiều phương pháp tẩy dầu mỡ và bám bẩn khác khỏi bề mặt chi tiết. Tùy thuộc
vào mức độ bám bẩn có thể ứng dụng một hoặc tất cả các phương pháp làm sạch và phải theo
TCVN 9276 : 2012 sơn phủ bảo vệ kết cấu thép - hướng dẫn kiểm tra, giám sát chất lượng
quá trình thi công.

13

Bảng 2.2 : Một số tiêu chuẩn để làm sạch bề mặt theo tiêu chuẩn TCVN

St3

Cạo, tẩy gỉ và các chất bẩn bằng bàn chải sắt phải rất cẩn thận. Việc xử
lý bể mặt phải loại bỏ lớp gì và các vật lạ. Sau khi làm sạch bằng không
khí khô nén hay bàn chải sạch, bề mặt phải có độ bóng sáng của kim
loại.

Sa 2.0

Bề mặt làm sạch bằng phun cát kỹ, các vết gỉ, cặn bẩn được tẩy sạch để
lộ hầu hết bề mặt nền, sau đó được làm sạch lại bằng không khí khô nén,
hoặc bàn chải sạch.

Sa 2.5

Bề mặt được phun cát rất kỹ, hiện lên màu kim loại gốc. Các vết gỉ nếu
còn chỉ ở dạng vết hoặc sợi mảnh, bề mặt sau đó được làm sạch bằng
không khí khô nén, hay bàn chải sạch.

Sa 3.0

Bề mặt được phun cát cực kỹ cho kim loại thuần. Loại bỏ hoàn toàn lớp
gỉ, vật lạ, sau đó được làm sạch lại bằng không khí khô nén hay bàn chải
sạch. Bề mặt sau khi phun cát và làm sạch se cho mầu sáng kim loại
đồng nhất.

14

2.1.1.2. Xử lý bề mặt
Là quá trình tạo khuyết tật trên bề mặt vật liệu nhằm tăng độ nhám, độ bám dính của
lớp tráng phủ lên bề mặt. Có những phương pháp sau đây được dùng để gia công bề mặt chi
tiết trước khi phun: phun hạt (cát, bi, hạt kim loại); cơ khí; phun lớp mỏng molipđen bám
chắc với nền; tia lửa điện; hóa học.
2.1.1.3.Tạo lớp phủ
Có 3 nhóm phương pháp phủ bề mặt vật liệu[4]:

Các phương pháp hóa học và điện ly

Các phương pháp vậy lý

Các phương pháp cơ học
Phương pháp hóa học và điện ly bao gồm photphat hóa, sunfit hóa ( phương pháp hóa
học), mạ nhôm, mạ niken( phương pháp điện ly)
Photphat hóa là là một phương pháp gia công bề mặt kim loại được áp dụng rộng rãi
trong công nghiệp để xử lý bề mặt kim loại, được coi là một trong những phương pháp chuẩn
bị bề mặt kim loại tốt nhất trước khi sơn phủ hoặc nhúng dầu mỡ nhằm bảo vệ các chi tiết
kim loại .
Mạ nhôm là việc xử lý bề mặt nhôm, tấm nhôm trở thành tập hợp các anode cực
dương, cực âm là bể hóa chất, cho dòng điện chạy qua bể oxy hóa bề mặt nhôm. Khi đó, se
có 1 lớp bọc cứng thay lớp nhôm thường, cứng gần bằng kim cương.
Phương pháp vậy lýbao gồm tráng nhôm, nhúng kem khuyếch tán.phương pháp này
đều cho lớp phủ có độ bền cao, bền nhiệt cao, tính chống gỉ tốt.
Trong phương pháp cơ học được sử dụng nhiều nhất là phương pháp phun phủ. ;ớp
phủ của phương pháp này là từ nguồn nhiệt đốt nóng các phân tử kim loại tới trạng thái nóng
chảy hoặc gần nóng chảy(bột phun), dưới áp lực của khí nén( không khí hoặc hỗn hợp khí)
đẩy các phân tử kim loại ra ngoài tạo thành lớp phủ bảo vệ.

2.1.2. Vật liệu phun
Có 3 dạng vật liệu phun là dạng bột, dạng dây và dạng thanh.
Vật liệu phun dạng dây
Những phương pháp phun phủ hồ quang điện hay ngọn lửa khí thường sử dụng chủ
yếu là dây kim loại. Sử dụng dây thì được cấp liên tục nâng cao tính ổn định quả quá trình
phun và chất lượng lớp phun.
Do zirconia thường được sản suất dưới dạng thanh và bột nên những phương pháp sử
dụng vật liệu phun dây không áp dụng được.
Vật liệu phun dạng bột
Trong nhiều truòng hợp vật liệu phủ có thể ở dạng bột. Tuy nhiên, với cùng một
nguồn nhiệt vật liệu phủ dạng dây có độ chặt lớn hơn và chứa lượng oxit nhỏ hơn so với vật
liệu phun dạng bột cùng loại vật liệu.
Khi phun vật liệu dạng bột, chi tiết phun nhận được lớp phủ khi bột phun chưa nóng
chảy hoàn toàn. Điều đó không có khi vật liệu phun dạng dây và dạng thanh.
Ưu điểm: giá thành thấp. Công nghệ sản xuất đơn giản kim loại, hợp kim và các hỗn
hợp hóa học dạng bột khác.
Nhược điểm: sự phức tạp trong việc cấp bột ổn định vào ngọn lửa phun.Vật liệu phun
dạng thanh.
Đối với những vật liệu nhiệt độ nóng chảy cao thì rất phù hợp với phương pháp phun
phủ plasma. Các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp có thể áp dụng cho phương pháp
phunngọn lửa khí.
15


Zirconia là vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao vàoxit ổn định ở nhiệt độ cao, là một
trong những vật liệu phun phổ bến nhất cùng với oxit nhôm và cacbit vonfram.
Để sử dụng zirconia thường thêm CaO để ổn định hóa( chẳng hạn, 93% ZrO 2, 5%
CaO, 0,5% Al2O3 và 0,35% SiO2)
Ngoài ra, các lớp phủ của zirconia không hoạt hóa và có độ giòn không cao cho phép

sử dụng trong chân không ở nhiệt độ cao.
Nếu chi tiết phun dễ bị oxi hóa thì nên phun lớp lót từ hợp kim nicrom[4].
Vật liệu phun dạng thanh
Các thanh phun được sản xuất với đường kính 3,2 mm; 4,8mm và 6,4 mm và chiều
dài tương ứng là 305mm; 457mm và 610mm. Dể sản xuất vật liệu phun dạng thanh thường
sử dụng các oxit dạng bột. Các thanh được tạo hình từ các oxit bột mịn và các chất liên kết
sau đó đem thiêu kết[4].
Bảng 2.3: Thành phần các chất có trong vật liệu thanh[4].
Tên

Thành phần các chất (%)
ZrO2

Al2O3

SiO2

Fe2O3

TiO2

N2O2

CaO

Cr2O3

MgO

Rokide A

-

98,55

0,58

0,10

0,04

0,31

0,19

-

0,23

Rokide Z

94,75

0,63

0,33

0,33

0,39

0,02

3,73

-

-

Rokide ZS

64,12

1,42

33,22

0,14

0,19

0,07

0,57

-

-

Rokide C

-

3,16

8,39

0,78

0,16

0,28

1,28

82,94

2,96

Rokide MA

-

66,8

2,9

0,04

0,02

0,02

0,69

-

29,5

16


2.2.
Phương pháp tạo lớp phủ bề mặt
Do zirconia có nhiệt độ cao nên các phương pháp phủ của zirconia thường phải có
nhiệt độ cao.
Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu được sử dụng trong
hơn nửa thế kỷnay. Công dụng chủyếu của phun phủlà bảo vệcác kết cấu và các chi tiết làm
việc trong môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiết máy bịmòn, ăn mòn và xâm thực.
Sự phát triển mạnh me về thiết bị, vật liệu công nghệ phun trong vài chục năm gần
đây đã đưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, góp phần đáng kể vào
tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong lĩnh vực chế tạo và
phục hồi[4].
Ưu điểm
Bằng sự phun có thể phủ các vật liệu rất khác nhau trên bề mặt chi tiết. Chẳng hạn, có
thể phủ kim loại trên kính, vải, gỗ, giấy.
Có thể phun trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc các vùng nhỏ của chi tiết lớn, trong
khi đó, bằng các phương pháp khác như nhúng, mạ, khuếch tán,... không thể thực hiện được
mục đích này do không có các thiết bị phụ trợ thích hợp. Phun phủ là phương pháp tiện lợi
nhấtvà kinh tế nhất với các chi tiết có yêu cầu mặt phủ lớn.

Cũng như hàn đắp, phun phủ cho phép tạo lớp đắp với chiều dày tương đối lớn (để
phục hồi các chi tiết mài mòn).
Thiết bị phun phủ khá đơn giản và gọn nhẹ, có thể di chuyển dễ dàng và nhanh chóng.
Chẳng hạn, khi phun bằng ngọn lửa khí chỉ cần máy nén khí, mỏ đốt và bình khí. Khi có
nguồn điện có thể ụng dụng phương pháp phun điện với những súng phun cầm tay rất tiện
lợi.
Có thể sử dụng các kim loại và hợp kim khác nhau, hoặc hỗn hợp của chúng. Có thể
phun nhiều lớp với những vật liệu khác nhau để tạo các lớp phủ có các tính chất đặc biệt.
Chi tiết phun ít bị biến dạng, trong khi đó, sự đốt nóng toàn phần hoặc cụ bộ các chi
tiết phủ bằng các phương pháp khác có thể gây biến dạng.
Bằng phương pháp phun có thể sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp. Trong
trường hợp này, sự phun đươc tiến hành trên mặt khuôn mẫu. Sau khi phun khuôn mẫu được
tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun.
Quá trình công nghệ phun phủ đảm bảo năng suất cao và đặc trưng bởi khối lượng
công việc không lớn.
Nhược điểm:
Khi chi tiết phun nhỏ, sự phun ít hiệu quả do tổn hao vật liệu phun lớn. Trong trường
hợp này, kinh tế hơn là sử dụng phương pháp khác.
Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi phun gây ô nhiễm môi trường do việc phải sử
dụng các thiệt bị tẩy rửa và làm sạch như máy phun cát, phun bi, phun bột kim loại và các
dung dịch tẩy rửa khác.
Trong quá trình phun, các hạt phun có thể bắn trúng tóe, đồng thời có thể tạo các hợp
chất có hại cho sức khỏe của người công nhân.
Trong phương pháp phun phủ có 3 phương pháp chính: phương pháp lửa khí, phuong
pháp phun hồ quang điện, phương pháp plasma.
2.2.1.

17

2.2.2. Phương pháp ngọn lửa khí
Khi phun bằng phương pháp ngọn lửa khí, nguồn năng lượng được tạo ra bởi sự đốt
cháy hỗn hợp khí với oxi.tùy thuộc vào trạng thái vật liệu phun, sự phun phủ có thể có ba
dạng: phun dây, phun thanh, phun bột.
Phun dây, thanh
Đối với việc phun, vật liệu được áp dụng là dây, thanh hoặc các vật liệu hình dạng dây
linh hoạt. Đường kính của các nguyên liệu có thể thay đổi từ 1 mm đến 8 mm. Ở đầu dây,
thanh các nguyên liệu bị nấu chảy và sau đó được phun ra bằng 1 dòng khí gas.

Hình 2.2: phun dây bằng ngọn lửa khí ().
Phun bột
Súng phun sử dụng nguồn năng lượng lớn để làm tan chảy và tạo cho bột nguyên liệu
một gia tốc lớn. Tùy thuộc vào yêu cầu truyền nhiệt của các nguyên liệu được sử dụng ở dạng
bột, các thiết kế sung phun khác nhau mà ta thêm hoặc không thêm các chất khí bổ sung cho
bột có gia tốc mạnh hơn.

Hình 2.3: Phun bột bằng ngọn lửa khí ().
Bảng 2.4 : Độ chặt và độ xốp của các lớp phun gốm khi phun thanh bằng ngọn lửa khí[4]
Vật liệu phun
Oxit nhôm
Dioxit zirconi
Zirconi
Oxit crom
Oxit magie

Thành phần, %
Al2O3-98,6
ZrO2+HfO2+CaO
ZrO2-65+SiO2-34
Cr2O3-85

MgO-98+Al2O3

, g/cm3
3,3
5,2
3,8
4,6
3,3

p,%
8
8
8
4
6

18


2.2.3. Phương pháp phun hồ quang điện
Trong quá trình hồ quang điện, các nguyên liệu dạng dây được làm nóng chảy bằng
hai điện cực. Chất tan được hình thành và đẩy ra bằng một loại khí hóa lỏng, thường là khí
nén lên bề mặt nền.[ ]
Phun hồ quang điện cho lớp phun có cấu trúc hạt mịn, năng suất cao.
Ưu điểm: cho năng suất cao, rút ngắn thời gian, độ bám của lớp phun tốt hơn phương
pháp phun lửa khí. Khi sử dụng hai dây kim loại khác nhau có thể nhận được lớp hợp kim.
Chi phí vận hành máy phun không lớn. Cân lưu ý khi phun với hai dây kim loại lớp phun
khác nhau (không đồng nhất).
Nhược điểm: là sự quá nhiệt và oxi hóa vật liệu phun khi tốc độ cấp dây phun bé.
Ngoài ra, lượng nhiệt phát ra từ hồ quang làm cháy đang kể các nguyên tố hợp kim tham gia

lớp phủ. Do vậy cần sử dụng dây phun chứa hàm lượng lớn các nguyên tố hợp kim với giá
thành cao.
Do nguyên lý của quá trình nên chỉ có thể áp dụng với các vật liệu dẫn điện dạng dây.

Hình 2.4: nguyên lý phun hồ quang điện ().

2.2.4. Phương pháp phun plasma
Khi một chất khí được đốt nóng tới 1000K thì xảy ra quá trình phá hủy các liên kết
phân tử và chất khí chuyển sang trạng thái ion. Nhiệt độ của quá trình đó gọi là quá trình
phân ly.
Nhiệt độ cao của tia plasma cho phép phun các vật liêu khó chảy. Nhiệt độ tia plasma
có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi đường kính miện phun và chế độ
công tác của súng phun. Điều đó cho phép phun các loại vật liệu khác nhau (kim loại, gốm và
vật liêu hữu cơ). Sử dụng khí trơ làm khí công tác nên lượng oxit tạo thành rất nhỏ. Các lớp
phun plasma có độ chặt cao và độ bám tốt[4].
Tuy nhiên, năng suất phun plasma tương đối thấp; khi phun có tiếng ồn và tia cực tím
mạnh. Giá thành và chi phí vận hành thiết bị cao là nhược điểm của phun plasma.

19


Hình 2.5 : Nguyên lý của quá trình phun plasma ().
Bảng 2.5: năng lượng phân ly của các chất khí[4]
Khí

Năng lượng phân ly, eV

H2

4,477

N2

9,76

O2

5,08

CO

11,11

NO

6,48

OH

4,37

CO2

16,56

20


Để thực hiện được công nghệphun phủplasma thì cần:
* Thiết bị: súng phun plasma, máy móc và hệthống làm mát đi kèm;

* Bột nguyên liệu;
* Qui trình công nghệ.
Phương pháp này dùng nguyên liệu bột tạo ra các loại lớp bềmặt :
* Bảo vệchống mài mòn;
* Dẫn điện;
* Cách nhiệt;
* Tương thích sinh học với cơthểsống.
* Nhiều tính chất đặc biệt khác[5]
Thiết bị phun phủ plasma
Có rất nhiều thiết bịphun phủ plasma khác nhau.

Hình 2.6: Hệ thống phun plasma đồng bộ[4].
Dưới đây xin được giới thiệu 01 thiết bịphun plasma hiện có của Phòng thí nghiệm
trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí:
- Máy phun plasma SG-100 (Praxair Thermal SG-100 Spray System). Các chế độ
phun thay đổi được trong phạm vi rộng hoặc hẹp dần để lựa chọn những chế độ thích hợp
nhất cho phép nhận được lớp phun có độ bám, độ cứng và độ chặt (hoặc độ xốp) theo yêu cầu
của các lớp phun.

21


Hình 2.7: Máy phun plasma SG-100 (Praxair Thermal SG-100 Spray System)[5].
Các đặc tính kỹ thuật chính của thiết bị:
- Công suất nguồn: 60kW
- Kích thước bột phun : 40-120μm
- Năng suất phun: Qkl= 2-10kg;
Qcacbit= 1-6kg; Qceramic= 1-6kg
- Trọng lượng đầu phun: 1.8 kg
- Hệthống làm lạnh: 30.3 l/min

- Bộphân phối khí (lọc khí vào): 80 PSI (550 kPa)
- Bộ điều khiển : 220 VAC, 50Hz
- Nguồn plasma : 60kW, t0max 490C
- Bộkhởi động cao tần: 220VAC, 2.75A, 50Hz
- Bộphận phun 1264
- Làm mát: 31kW, 106BTU/hr.
Có nhiều kiểu súng phun plasma, thường có công suất từ 40 – 80 kW.

22


Hình 2.8: Súng phun plasma dạng bột ().
Nguồn điện cung cấp cho súng plasma cần có các yêu cầu sau

Dòng điện một chiều không thay đổi

Mạch hở và điện thế tải biến đổi được

Tiếng ồn thấp

Điều chỉnh tốt
Nguyên lý hoạt động

Hình 2.9: Nguyên lý phun phủ plasma ()

23


Bảng 2.6: Các vật liệu được sử dụng trong phương pháp phun phủ plasma[4]
Vật liệu

Thành phần
hóa học

Kích thước
hạt m

Vật liệu nền

ZrO2

Nền ZrO2, 5% CaO

43-104

Thép chống ghỉ 304,
thép cacbon thấp,
nhôm

UO2

88,2% U, còn lại O

38-74

-

TiC

Nền Ti, 19,03% C,

04% C tự do. Tạp
chất 0,45%

5-147

Beri

ZrC

84-87 Zr, 10-12%C,
0,5-0,78%N

12-74

-

TaC

Nền Ta 6,25%C;
0,01%C tự do. Tạp
chất 0,32%

12-74

-

TiN

75-77% Ti, 18-19%
N, 1-2% C

12-74

-

Hợp kim 4340

Nền Fe, 0,42%C,
0,66%Mn, 0,99%Cr,
1,83%Ni, 0,27%Mo

43-74

Nhôm

24


Công nghệ phun plasma dựa theo nguyên lý: sử dụng khí trơ (hoặc các loại khí khử),
với áp lực lớn thổi vào khoảng giữa cực dương và cực âm, dưới tác động của hồ quang, khí bị
ion hóa ở nhiệt độ cực cao, luồng plasma sinh ra được phun qua đầu phun với vận tốc cao;
bột phun được hút vào luồng khí này, nóng chảy và phun phủ lên bề mặt chi tiết.
Công nghệ plasma tạo ra lớp màng phủ kích cỡ nano với độ dày nhỏ hơn khoảng 500
lần so với độ dày sợi tóc. Đây là loại màng phủ đa tính năng, có thể bảo vệ hầu hết các bề mặt
vật liệu. Công nghệ này có thể thực hiện phun phủ lên nhiều loại vật liệu khác nhau, kim loại
hay phi kim loại như: gốm sứ, giấy, gỗ và các vật liệu polymer ... với chất phủ và công nghệ
phủ thích hợp; và thực hiện được với nhiều loại chi tiết, cũng như xử lý tại chỗ đối với các
kết cấu lớn.
Bề mặt vật liệu được phủ để tạo ra lớp bảo vệ chống ăn mòn, mài mòn, chống cháy,
chịu nhiệt, cách nhiệt và cũng có thể để trang trí, giúp tăng chất lượng, giá trị sản phẩm, cũng

như cho phép thiết kế chế tạo máy móc, thiết bị có năng suất, chất lượng cao hơn. Vì thế,
công nghệ xử lý bề mặt bằng lớp phủ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cơ
khí, xây dựng, y tế, môi trường.

Hình 2.10 : Công nghệ phun plasma có thể tạo ra lớp bao phủ ở dưới dạng liên kết hóa học.
()
Trong quá trình phun phủ, cần có hỗn hợp khí thích hợp để đốt nóng vật liệu phun và
nhiệt độ lớn nhất để đốt nóng là nhiệt độ cháy của hỗn hợp khí.
Bảng 2.7: Nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp khí[4]
Hỗn hợp khí

Nhiệt độ nóng chảy

Hỗn hợp khí

Nhiệt độ cháy

Oxi – axetylen

3100

Không khí – axetylen

2325

Oxi – butan

3100

Không khí – hydro

2055

Oxi – propan

2760

Không khí – khí than đá

1530

Oxi – hydro

2700

25