Nghiên cứu công nghệ sản xuất phôi bimetal làm bạc trượt bằng phương pháp biến dạng dẻo bột hợp kim đồng trên nền thép 08 k(pi)

1

Bộ giáo dục và đào tạo
Tr-ờng đại học bách khoa hà nội

----------------------------Luận văn thạc sĩ khoa học
Nghiên cứu công nghệ sản xuất phôi bimetal
làm bạc tr-ợt bằng ph-ơng pháp biến dạng
dẻo bột hợp kim đồng trên nền thép 08 k
Ngành: Công nghệ cơ khí
MÃ số:
04.01
Đặng thị Hồng huế

H-ớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần văn Dũng
Hà nội - 2005


2

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả
nghiên cứu trong Luận văn là hoàn toàn trung thực và ch-a đ-ợc công bố ở
bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Đặng Thị Hồng HuÕ

3

Lời cảm ơn

Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội,
đ-ợc sự chỉ bảo của các thầy trong Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại,
Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu và các thầy trong Bộ môn Gia công áp lực,
Khoa Cơ khí Tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đà hoàn thành Luận văn
Cao học, nhân dịp này tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới toàn thể các thầy
đà giúp đỡ trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Tr-ờng.
Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Văn Dũng đà tận tình h-ớng dẫn tôi
hoàn thành luận văn này.
Cũng xin cảm ơn các thầy giáo phản biện và các thầy trong Hội đồng bảo
vệ Luận văn Cao học đà bớt chút thời gian quan tâm đến Luận văn của tôi, hy
vọng sẽ có những góp ý bổ ích cho tôi.
Nhân đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đà tạo điều kiện
và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cøu cịng nh- trong c«ng viƯc.


4

MụC LụC
Ch-ơng 1: Tổng quan về công nghệ
chế tạo phôibimetal bạc tr-ợt
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.2

1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.3
1.3.1
1.3.2

Vật liệu Bimetal, đặc điểm và phân loại
Đặc điểm chung của vật liệu Bimetal
Phân loại vật liệu Bimetal
Các dạng t-ơng tác giữa các lớp vật liệu
Các kiểu liên kết giữa các lớp vật liệu
Vật liệu Bimetal bạc tr-ợt
Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu Bimetal bạc tr-ợt
Các tính chất của vật liệu Bimetal bạc tr-ợt
Đặc điểm làm việc & yêu cầu kỹ thuật của một số loại bạc tr-ợt
Các ph-ơng pháp chế tạo Bimetal bạc tr-ợt
Ph-ơng pháp tạo liên kết ở thể lỏng
Ph-ơng pháp tạo liên kết ở thể rắn

Ch-ơng 2:
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.3
2.3.1
2.3.1

Nội dung nghiên cứu chế tạo bimetal bạc tr-ợt
Đánh giá chất l-ợng sản phẩm
Ph-ơng pháp xác định sự biến dạng của các lớp kim loại
Ph-ơng pháp xác định độ bền và độ liên kết trên toàn bộ bề mặt
tiếp xúc hai lớp thép và hợp kim đồng
Xác định độ xốp lớp kim loại bột
Ph-ơng pháp nghiên cứu cấu trúc tế vi lớp hợp kim đồng chịu
mòn và vùng lân cận biên giới hai lớp kim loại
Thiết bị và ph-ơng pháp tiến hành thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm
Ph-ơng pháp tiến hành thí nghiệm

Ch-ơng 3:

3.1

Ph-ơng pháp nghiên cứu

Xây dựng mô hình mô phỏng
chất l-ợng bimetal bạc tr-ợt

Nghiên cứu sự ảnh h-ởng của các thông số công nghệ cơ bản đến

Tr
3

3
3
4

4
5
7
7
8
11
14
14
16
33
33
34
34
35
38
41
44
44
46
49

49


5

3.1.1

3.1.2

3.1.3
3.2
3.2.1
3.2.2

chất l-ợng băng bimetal
ảnh h-ởng của nhiệt độ thiêu kết đến độ bền bám dính hai lớp
kim loại (thép hợp kim đồng) và độ xốp lớp kim loại bột chịu
mòn
ảnh h-ởng của thời gian thiêu kết đến độ bền bám dính hai lớp
kim loại (thép hợp kim đồng) và độ xốp lớp kim loại bột chịu
mòn
ảnh h-ởng của áp lực cán đến độ bền bám dính hai lớp kim loại
(thép hợp kim đồng) và độ xốp lớp kim loại bột chịu mòn
Mô hình nghiên cứu
Chọn mô hình và xây dựng ma trận thực nghiệm
Ph-ơng trình toán học kiểm tra tính thống kê

Ch-ơng 4:

Thí nghiệm tối -u hoá miền
thông số công nghệ

4.1
4.2
4.2.1
4.2.1
4.2.3
4.2.4
4.3

Thí nghiệm tối -u hoá miền thông số công nghệ
Kiểm tra chất l-ợng mẫu thu đ-ợc
Thành phần hợp kim chịu mòn
Độ xốp lớp kim loại bột chịu mòn
Độ cứng các lớp
Độ bền bám dính giữa hai lớp kim loại
Đánh giá kết quả thí nghiệm và xây dựng đồ thị độ bền bám dính
giữa hai lớp kim loại & độ xốp phụ thuộc vào các thông số công
nghệ chủ yếu
4.3.1 Đánh giá kết quả thí nghiệm
4.3.2 Đánh giá kết quả thí nghiệm và xây dựng đồ thị độ bền bám dính
giữa hai lớp kim loại & độ xốp phụ thuộc vào các thông số công
nghệ chủ yếu

Ch-ơng 5

Kết luận và kiến nghị

49

50

51
52
55
59
65

65

67
67
67
69
69
77
77
79

88
90

Tài liệu tham khảo
Phụ lục

Lời nói đầu


6

Công nghiệp ngày càng phát triển, các máy móc thiết bị đòi hỏi phải có kết
cấu gọn nhẹ, vì vậy vật liệu chế tạo các chi tiết đó cần có tính năng t-ơng ứng.
Bạc tr-ợt là một chi tiết quan trọng đ-ợc sử dụng nhiều trong các bộ phận truyền
chuyển động quay hoặc tịnh tiến. Yêu cầu kỹ thuật của bạc tr-ợt là kết cấu gọn
nhẹ, khả năng chống mài mòn cao, hệ số ma sát thấp và chịu tải trọng lớn. Các
tính năng ấy quyết định sự tiêu hao năng l-ợng và tuổi thọ của chi tiết. Chính vì
vậy bạc tr-ợt Bimetal đà thay thế bạc tr-ợt đơn kim loại.
Để chế tạo vật liệu Bimetal-phôi bạc tr-ợt có thể sử dụng các ph-ơng pháp
truyền thống nh- đúc, hoặc các ph-ơng pháp mới nh- cán dính, hàn nổ, cán bột
hợp kim trên nền thép kết hợp với thiêu kết. Việc lựa chọn ph-ơng pháp chế tạo

vật liệu Bimetal phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có điều kiện thực tế. Công
nghệ chế tạo băng Bimetal - phôi bạc tr-ợt bằng ph-ơng pháp thiêu kết và biến
dạng dẻo kim loại bột chịu mài mòn trên nền thép không yêu cầu đầu t- thiết bị
đắt tiền. Thiết bị có thể tự tạo trong n-ớc, có khả năng tự động hoá dây chuyền
công nghệ cao, tạo ra băng Bimetal đa dạng về chủng loại, kích th-ớc hình học
với chất l-ợng tốt, thích hợp cho việc chế tạo bạc tr-ợt cao cấp, làm việc ở chế độ
tải trọng và tốc độ tr-ợt lớn, có độ bền chống mài mòn, độ xốp thấm dầu, chống
ma sát.
Nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sản xuất và chất l-ợng sản phẩm, tôi
được giao đề tàiNghiên cứu công nghệ sản xuất băng Bimetal làm bạc tr-ợt
bằng ph-ơng pháp biến dạng dẻo bột hợp kim đồng chịu mòn trên nền thép
08k. Luận văn trình bày một số kết quả nghiên cứu ảnh h-ởng của các thông số
công nghệ đến chất l-ợng băng bimetal phôi bạc tr-ợt, tối -u hoá các thông số
công nghệ ấy để băng bimetal đạt chất l-ợng cao. Luận văn đ-ợc trình bày thành
5 ch-ơng:


7

Ch-ơng 1: Tổng quan về vật liệu bimetal và các ph-ơng pháp chế tạo.
Ch-ơng 2: Các ph-ơng pháp nghiên cứu,
Ch-ơng 3: Xây dựng mô hình mô phỏng chất l-ợng phôi bimetal bạc tr-ợt
Ch-ơng 4: Thí nghiệm tối -u hoá các thông số công nghệ
Ch-ơng 5: Kết luận và Kiến nghị
Tác giả mong muốn đ-ợc sự góp ý của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 8 tháng 10 năm 2005
Tác giả

Đặng Thị Hồng HuÕ

8

Ch-ơng 1
tổng quan về tình hình nghiên cứu và
chế tạo bimetal bạc tr-ợt
Sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp hiện đại đòi hỏi một nguồn vật
liệu lớn về số l-ợng, và cao về chất l-ợng. Nh- một quy luật tất yếu, vật liệu tổ
hợp nhiều lớp, trong đó có vật liệu kim loại kép (Bimetal), đà ra đời. Với các tính
năng đặc biệt nh- khả năng chịu mài mòn, khả năng chống ăn mòn hoá học, khả
năng chịu nhiệt, chịu ma sát và một số tính chất khác, mà vật liệu truyền thống
không có. Vì vậy Bimetal ngày càng thu hút đ-ợc sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu và đ-ợc ứng dụng rộng rÃi trong nhiều ngành kinh tế.
Từ vật liệu Bimetal, các nhà công nghệ có thể tạo ra những sản phẩm mới
có khả năng thỏa mÃn mọi nhu cầu rất đa dạng và phong phú của nền công
nghiệp phát triển hiện nay cũng nh- trong t-ơng lai.
1.1. Vật liệu Bimetal, đặc điểm chung và phân loại
1.1.1. Đặc điểm chung của vật liệu Bimetal
Vật liệu Bimetal là vật liệu không đồng nhất, nó đ-ợc tạo nên bởi hai hay
nhiều thành phần kim loại liên kết bền chắc với nhau, trong đó ít nhất thành phần
trội hơn về thể tích là một kim loại hoặc một hợp kim.
Bimetal là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên Bimetal th-ờng rất khác
nhau về bản chất, không hoà tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha.
Pha liên tục trong toàn khối vật liệu và trội hơn so với các pha khác về thể tích
đ-ợc gọi là pha nền, pha phân bố gián đoạn trong toàn khối vật liệu hoặc ít hơn


9

so với các pha khác về thể tích đ-ợc gọi là pha dán, phủ, cấy hoặc pha cốt (nằm
giữa).
Trong Bimetal tỷ lệ, hình dáng, kích th-ớc cũng nh- sự phân bố của nền và
cốt tuân theo thiết kế có định h-ớng tr-ớc.
Tính chất của các pha thành phần đ-ợc kết hợp lại để tạo nên tính chất
chung của vật liệu mới tạo ra. Tuy nhiên, tính chất của vật liệu tạo ra không bao
hàm tất cả các tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa
chọn trong đó những tính chất cần thiết và phát huy những tính chất đó.
1.1.2. Phân loại vật liệu Bimetal
Theo lÜnh vùc øng dơng Bimetal kim lo¹i cã thĨ chia thµnh bèn nhãm sau:
a. Bimetal chèng gØ: Cã nỊn lµ thép Cácbon hoặc thép hợp kim thấp, lớp phủ là
kim loại chống gỉ: Đồng, Niken, Nhôm, Titan, các hợp kim đồng, hợp kim Titan
và một số hợp kim khác. Độ dày của lớp phủ chiếm khoảng 5 25% chiều dày
tổng cộng.
b. Bimetal chống ma sát: Có lớp nền là thép và lớp dán là hợp kim chống ma sát
cơ sở nhôm. Loại Bimetal này th-ờng đ-ợc dùng để chế tạo các dạng bạc lót trục.
Độ dày của lớp dán chiếm khoảng 25 45% chiều dày tổng cộng.
c. Bimetal dụng cụ và chống mài mòn: Lớp nền là thép Cácbon có độ dai cao,
lớp phủ là thép dụng cụ hợp kim cao hay các hợp kim cứng. Loại này th-ờng
đ-ợc ứng dụng để chế tạo dao cắt kim loại, da hoặc giấy... Độ dày của lớp phủ
chiếm khoảng 30% chiều dày tổng cộng.
d. Bimetal tiếp điểm: Các thành phần của tổ hợp cùng tạo nên khung x-ơng
chung. Ví dụ nh- vật liệu tiếp điểm và vật liệu điện cực W-Cu và Mo-Cu.


10

e. Bimetal tự mài sắc: Cấu tạo bởi những kim loại và hợp kim có độ bền cao
đ-ợc dùng để chế tạo bàn gạt đất, gầu xúc đất đá, l-ỡi cày, các máy làm đất
công trình, máy công, nông nghiệp...

11

1.1.3. Các dạng t-ơng tác giữa lớp vật liệu Bimetal
Theo đặc điểm liên kết giữa các lớp vật liệu Bimetal có thể phân thành ba
dạng cơ bản sau:
1- Không hoà tan lẫn nhau và không tạo thành hợp chất hoá học.
2- Có t-ơng tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rất nhỏ nh-ng không tạo hợp
chất hoá học. Phần lớn các Bimetal kim loại đều thuộc loại này.
3- Có phản ứng tạo hợp chất hoá học.
Tuỳ thuộc vào t-ơng tác giữa các lớp vật liệu Bimetal sẽ hình thành mối liên
kết nhất định. Độ bền của vật liệu chịu ảnh h-ởng rất mạnh vào độ bền liên kết
giữa các lớp.

1. 1.4. Các kiểu liên kết giữa các lớp vật liệu Bimetal
a. Liên kết cơ học
Liên kết này là liên kết thuần tuý về cơ học giữa các lớp vật liệu thông qua
độ nhám bề mặt hoặc do lực ma sát. Vật liệu tổ hợp (VLTH) sợi có liên kết dạng
này th-ờng kém bền khi chịu lực nén dọc hoặc kéo ngang sợi cốt.
b. Liên kết nhờ thấm -ớt
Liên kết này thực hiện nhờ năng l-ợng sức căng bề mặt. Đối với các VLTH
tạo ra kiểu liên kết cơ học, khi tiến hành quy trình chế tạo, nếu pha nền đ-ợc
nung chảy và dính -ớt với cốt thì bao giờ cũng xảy ra quá trình khuyếch tán hòa
tan lẫn nhau giữa chúng dù là nhỏ. Sức căng bề mặt trên ranh giới giữa các lớp
vật liệu sau khi pha nền đông đặc chính là yếu tố quyết định độ bền của kiểu liên
kết này.
c. Liên kết phản ứng

12

Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới giữa các lớp vật liệu xảy ra
phản ứng tạo hợp chất hoá học dạng Mfx. Đặc tính của hợp chất mới tạo thành
này ảnh h-ởng quyết định đến độ bền liên kết giữa các lớp vật liệu.
d. Liên kết phản ứng phân đoạn
Đặc điểm của liên kết này là phản ứng hoá học tổng thể xảy ra theo nhiều
giai đoạn, trong đó có một giai đoạn khống chế tốc độ tạo ra liên kết giữa các lớp
vật liệu.
e. Liên kết ôxit
Đây là một dạng đặc biệt của liên kết phản ứng, đặc tr-ng cho VLTH kim
loại - ôxit. Liên kết dạng này tạo ra các dạng sản phẩm phản ứng ở dạng màng
ôxit (MOx).
g. Liên kết hỗn hợp
Liên kết này là hỗn hợp của các kiểu liên kết, t-ơng tác giữa các lớp vật liệu
phụ thuộc mạnh vào quá trình công nghệ hoặc điều kiện sử dụng.

m

f

mm

f

mm

f

m m(A,B)

f

Mfx

a)

b)

c)

m(A,B) m

f0x m

Afx

d)

m0x

e)

Hình 1.1. Sơ đồ các dạng liên kết cơ bản.
a. Liên kết cơ học; b. Liên kết thấm -ớt; c. Liên kết phản ứng;
d. Liên kết phản ứng phân đoạn; e. Liên kết ôxit.


13

Tóm lại, độ bền liên kết của VLTH dạng lớp phải đủ lớn để đảm bảo cho
vật liệu không bị tróc, bong khi làm việc với tải trọng cơ nhiệt.
Kết hợp các kim loại và hợp kim thích hợp với nhau cùng với việc lựa chọn
chiều dày lớp và vị trí t-ơng đối của các thành phần trong tổ hợp đà cho phép tạo
ra vô số Bimetal dạng lớp có các tính chất vật lý, hoá học và công nghệ mong
muốn.
Trong số Bimetal đà đ-ợc sản xuất tr-ớc hết phải kể đến loại Bimetal có
nền là thép Cácbon hoặc thép hợp kim thấp đ-ợc dán hoặc đ-ợc phủ bằng lớp
thép không gỉ, kim loại màu hoặc kim loại quý hiếm. Trong những tr-ờng hợp
này kim loại nền là thép Cácbon hoặc là hợp kim thấp sẽ gánh chịu tải trọng cơ
học còn lớp phủ sẽ gánh chịu ăn mòn hoá học, ma sát, mài mòn do cơ học hoặc
do tác dụng nhiệt. Ngày nay nhu cầu về Bimetal trên toàn thế giới lên tới hàng
triệu tấn/năm trong đó phần lớn các loại thép cán và mạ.
1.2. Vật liệu Bimetal bạc tr-ợt
1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật về vật liệu Bimetal bạc tr-ợt
a. Vật liệu nền: Thép 08 (Tiêu chuẩn Liên bang Nga).
Bảng1.1: Thành phần hoá học của thép 08
Thành phần hoá học(%)

Kí

Độ

hiệu
C
08

Mn

0,050,11 0,250,50

Si

P

S

0,03 0,04 0,04

- Kích th-ớc băng thép: 3,3 x 50 x 300mm.

C¬ tÝnh

cøng

0,2

b

(HB)

(MN/m2)

(MN/m2)

131

180

300

14

b. Vật liệu dán: Bột hợp kim Đồng chịu mòn Cu6Sn6Pb3Zn.
Bảng 1.2 Thành phần hoá học của bột hợp kim đồng chịu mòn(Cu6Sn6Pb3Zn)
Thành phần hoá học(%)

Kí hiệu

Độ
hạt

Cu6Sn6Pb3Zn

Cu

Sn

Pb

Zn

Grafit

7778

48

69

25

1

Độ bền(Kg/cm2)
Kéo

Uốn

Nén

3,5

-

30

(m)
125

Sở dĩ vật liệu phải đáp ứng đ-ợc các yêu cầu trên vì tính chất của băng
Bimetal đ-ợc sản xuất ra phụ thuộc vào tính chất của vật liệu thành phần và
ph-ơng pháp chế tạo.
Nói chung, các tính chất riêng của từng thành phần, tính góp chung, tính sản
phẩm, tính cấu trúc đều đ-ợc tận dụng trong vật liệu Bimetal.
1.2.2. Các tính chất của vật liệu Bimetal bạc tr-ợt
- Nhiệt độ nóng chảy của Bimetal chính là nhiệt độ nóng chảy của thành
phần có nhiệt độ chảy thấp nhất.
- Tỷ trọng của Bimetal đ-ợc tính từ các giá trị t-ơng ứng của các thành

phần:



a. 1 b. 2 ... z. n
%
100

(1.1)

- Tû träng cđa vËt liƯu tỉ hỵp Bimetal, (%);
1, 2, ..., n - Tỷ trọng của thành phần 1, 2, ... n;
a,b, ... z - ChiỊu dµy cđa thµnh phần tính bằng % so với chiều dày tổng.


15

- Tû nhiƯt ®iƯn trë st cđa Bimetal cịng tÝnh t-ơng tự nh- trên. Độ giÃn nở
nhiệt khác nhau của các thành phần đ-ợc tận dụng trong Bimetal giÃn nở nhiệt,
nh-ng cũng có thể dẫn đến sự biến dạng không ®ång ®Ịu ë Bimetal cã nhiỊu líp
kh¸c nhau nÕu chiỊu dày của các lớp gần nh- nhau. Bằng cách chọn vật liệu phù
hợp và bố trí các thành phần trong tổ hợp có thể tránh hoặc hạn chế đ-ợc sự biến
dạng không đồng đều giữa các lớp trong vật liệu.
- Tính dẫn điện của Bimetal là dị h-ớng:
Theo ph-ơng song song víi c¸c líp:

100 a
b
z
   ... 

 // 1 2
n

(1.2)

Theo ph-ơng vuông góc với các lớp:



a.1 b. 2  ...  z. n
100

(1.3)

// - §iƯn trë suất của Bimetal theo ph-ơng song song với các lớp;
- Điện trở suất của Bimetal theo ph-ơng vuông góc với các lớp.
1, 2, ..., n- Điện trở suất của các thành phần 1, 2, ..., n;
a, b, ..., z - Chiều dày của các lớp tính theo % so với chiều dày tổng.
Trong thực tế, th-ờng tổ hợp những vật liệu có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt
nh- Cu, Al, Ag víi vËt liƯu cã ®é bỊn cao, hoặc vật liệu có tính tiếp xúc tốt nhcác kim loại quí hiếm và hợp kim của chúng với vật liệu nền có tính dẫn điện,
dẫn nhiệt tốt và độ bÒn cao;


16

- Môđun đàn hồi của Bimetal có thể tính theo quy tắc hỗn hợp từ môđun đàn
hồi của từng thành phần.
- Tính toán độ bền của Bimetal nói chung th-ờng xuất phát từ độ bền của vật
liệu nền. Trong tr-ờng hợp môđun của các thành phần gần nh- không chênh nhau
nhiều thì giới hạn bền kéo và giới hạn chảy cđa Bimetal tÝnh theo c«ng thøc sau.



a.1  b. 2  ...  z. n
100

 kg 


2
mm



(1.4)

 - Giíi h¹n bền kéo hoặc giới hạn chảy của Bimetal;
1, 2, .. ,n- Giới hạn bền kéo hoặc giới hạn chảy của kim loại thành
phần;
a, b, ..., z - Chiều dày các thành phần tính theo % so với chiều dày tổng.
Giá trị này cũng trùng với giá trị thực nghiệm, tính dẻo của Bimetal có thể
xác định bằng thử kéo qua việc đo độ giÃn dài và độ thắt tỷ đối cũng nh- qua việc
xác định độ dai va đập, giới hạn bền.
Để bảo đảm cho Bimetal làm việc ổn định và chắc chắn độ bền liên kết
giữa các thành phần phải đạt tới một giới hạn nhất định. Độ bền liªn kÕt phơ
thc rÊt nhiỊu u tè nh- vËt liƯu, chất l-ợng xử lý bề mặt, ph-ơng pháp chế
tạo, điều kiƯn t¹o dÝnh kÕt cịng nh- viƯc xư lý nhiƯt sau khi tạo dính kết.
Để xác định độ bền liên kết của Bimetal có rất nhiều ph-ơng pháp mà việc
sử dụng chúng lại tuỳ thuộc vào ph-ơng pháp tạo dính kết, vào chiều dày các lớp
và vào độ bám dính giữa các lớp. Các ph-ơng pháp xác định có thể là định tính

hoặc định l-ợng. Phần lớn các ph-ơng pháp định tính đều t-ơng đối đơn giản,
không tốn kém, dễ thực hiện. Ví dụ: nh- uốn, bẻ gập, xoắn, dập vuốt, v.v... còn
các ph-ơng pháp định l-ợng th-ờng rất tốn kém vì phải chế tạo những mẫu và


17

dụng cụ đặc biệt nhằm đo đ-ợc lực cần thiết để tách các lớp với nhau. Điều này
th-ờng rất khó thực hiện nhất là đối với những lớp mỏng có độ bám dính chắc.
Một số ph-ơng pháp định l-ợng th-ờng dùng: đẩy, tr-ợt, bóc...
Một số vật liệu tổ hợp dạng lớp khác đ-ợc ứng dụng rộng rÃi trong kỹ
thuật nh-: Bimetal tiÕp ®iĨm, Bimetal nhiƯt, VËt liƯu dÉn ®iƯn, vËt liệu đàn hồi
dẫn điện, các loại dây phủ.
Từ phân tích trên ta thấy thành phần của các vật liệu thành phần ảnh h-ởng
rất lớn đến tính chất cũng nh- các yêu cầu kỹ thuật của băng Bimetal. Vì vậy
việc đ-a ra các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu đầu vào là một điều tất yếu.
1.2.3. Đặc điểm làm việc và các yêu cầu kỹ thuật của một số loại bạc tr-ợt.

a)

b)
Hình 1.2. Một số sản phẩm bạc tr-ợt Bimetal
a) Bạc tr-ợt có rÃnh chứa dầu

b) Bạc tr-ợt không cã r·nh chøa dÇu


ỉ75

ỉ102

18

50

60

ỉ70

ỉ45

ỉ55

ỉ30

a)

45
16

b)

22

c)

Hình 1.3: Kích th-ớc của một số loại bạc tr-ợt
ã Tính chất của bạc tr-ợt compozit tự bôi trơn
a) Bạc xốp
Bạc trựơt tự bôi trơn đ-ợc chế tạo bằng công nghƯ lun kim bét. Do tÝnh chÊt

c«ng nghƯ, vËt liƯu sau khi ép và thiêu kết có độ xốp nhất định. Các lỗ rỗng trong
vật liệu có tác dụng chứa chất bôi trơn (lỏng hoặc khí). Thông th-ờng, hàm l-ợng
xốp nằm trong khoảng từ 15-30%. Khoảng 98-99% lỗ xốp liên kết (nối) với nhau
tạo thành mạng xốp. Tuỳ thuộc vào tính chất của bột (thành phần, kích th-ớc và
hình dáng của hạt kim loại), các lỗ rỗng có đ-ờng kính từ 1-20 m. Ngay ở trạng
thái đứng yên (trục không quay), lực ép lên chất bôi trơn ở rÃnh (khe hở giữa trục
và bạc) và trong mạng xốp đều ở trạng thái cân bằng. Nhờ vậy, ngay từ khi bắt
đầu có chuyển động quay của trục đà tồn tại một màng mỏng chất bôi trơn giữa
trục và bạc. Khi trục có tải, khe hở giữa trục và bề mặt bạc sẽ giảm theo h-ớng
của lực tác dụng. Chuyển động quay của trục đà tạo ra hiệu ứng của động lực
chất lỏng đ-ợc bơm vào bề mặt tiếp xúc giữa bạc vµ trơc.


19

Các loại vật liệu nh- Bronze(đồng thanh), sắt và sắt-đồng đ-ợc dùng nhiều để
chế tạo bạc tr-ợt. Vật liệu để chế tạo bạc xốp theo công nghệ luyện kim bột là bột
hợp kim. Bột hợp kim đ-ợc chế tạo chủ yếu bằng công nghệ phun trong môi tr-ờng khí hoặc n-ớc. Để đảm bảo độ liên kết cơ học tốt, ngời ta th-ờng dùng loại
bột có cạnh sắc (không phải dạng cầu). Sự lựa chọn kích th-ớc và hình dạng của
hạt cũng nh- thông số công nghệ chế tạo phụ thuộc vào yêu cầu về kích th-ớc và
hàm l-ợng của lỗ xốp. Lực ép thông th-ờng giao động trong khoảng 200-300 MPa
nhằm tạo đ-ợc hàm l-ợng xốp cần thiết. Trong điều kiện làm việc bình th-ờng,
tuổi thọ của bạc xốp tẩm dầu có thể đạt 3000-4000 h. Nếu tăng l-ợng chất bôi trơn
dự trữ, tuổi thọ và hiệu suất của bạc sẽ tăng lên từ 3-4 lần .
Tính chất và giới hạn sử dụng của bạc xốp phụ thuộc không chỉ vào thành phần
vật liệu mà còn phụ thuộc nhiều vào hàm l-ợng và cấu tạo của lỗ xốp. Đối với một
hàm l-ợng xốp nhất định, tính năng của lỗ xốp thay đổi khi độ lớn của lỗ xốp thay
đổi. Lỗ xốp nhỏ có diện tích bề mặt lớn, lực cản tăng và qua đó khả năng l-u thông
dầu trong toàn bộ thể tích của bạc kém. Ng-ợc lại, lỗ xốp lớn có diện tích bề mặt
nhỏ hơn và qua đó khả năng l-u thông dầu cũng cao hơn. Bạc có lỗ xốp lớn đ-ợc

bôi trơn ngay ở thời điểm khởi động nh-ng khi tốc độ tăng thì tổn hao dầu cũng
tăng nhanh. Vì vậy, những loại bạc này chỉ phù hợp với những chuyển động chậm
và chuyển động đảo chiều, chuyển động lắc. Một nh-ợc điểm nữa của bạc có lỗ
xốp lớn là sự hấp thụ không khí trong quá trình l-u thông dầu. Hỗn hợp không khídầu trong khe hở của bạc và trục sẽ làm giảm khả năng chịu tải của bạc.
b. Bạc compozit hệ nền kim loại-chất bôi trơn rắn
Trong điều kiện cần tải trọng lớn và nhiệt độ làm việc cao, th-ờng dùng vật liệu
compozit hệ nền kim loại-chất bôi trơn rắn để chế tạo bạc tr-ợt. Vật liệu nền
thông dụng là các hệ hợp kim Cu-Sn, Cu-Pb, Cu-Zn, Cu-Ni, Fe-Cu, Fe-Ni. Chất
bôi trơn đ-ợc sư dơng nhiỊu lµ graphit (C), MoS2, Pb . Graphit là thành phần bôi
trơn quan trọng nhất. Các loại bạc compozit có sự bôi trơn hỗ trợ chứa khoảng
10% graphit. Với 30% graphit, bạc compozit làm việc trong chế độ hoàn toàn tự
bôi trơn. Tuy nhiên hàm l-ợng graphit tăng thì cơ tính của vật liệu compozit


20

giảm. Vì vậy hàm l-ợng graphit đựợc tính toán trên cơ sở độ bền tối thiểu của vật
liệu. Để tăng khả năng liên kết và qua đó tăng độ bền cũng nh- tính năng của vật
liệu compozit, graphit đ-ợc xử lý đặc biệt tr-ớc khi sử dụng. Các cụm graphit ở
dạng l-ới phân bố đều trong nền kim loại khi tiếp xúc với trục trong quá trình
làm việc sẽ tách ra các hạt nhỏ mịn và qua đó làm tăng khả năng bôi trơn.
Bạc tr-ợt compozit hệ nền kim loại-chất bôi trơn rắn đ-ợc dùng có hiệu
quả trong điều kiện không thể sử dụng chất bôi trơn lỏng. Lợi thế chính của loại
bạc này là chịu đ-ợc nhiệt độ cao. Bạc tr-ợt compozit nền thép chịu đ-ợc nhiệt
độ 600 0C và nền đồng chịu đ-ợc nhiệt độ 450 0C. Các loại dầu bôi trơn hiện có
không thể sử dụng đ-ợc trong vùng nhiệt độ cao này. Bạc compozit này cũng đợc
sử dụng ở vùng nhiệt độ thấp mà ở đó dầu bôi trơn bị đông cứng, không thể tạo
đ-ợc màng bôi trơn.
1.3. Các ph-ơng pháp chế tạo Bimetal bạc tr-ợt
Bimetal bạc tr-ợt có thể sản xuất bằng nhiều ph-ơng pháp khác nhau. Tuỳ

theo khối l-ợng kích th-ớc, tính chất, yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn ph-ơng pháp
nào cho phù hợp và kinh tế nhất.
1.3.1. Ph-ơng pháp chế tạo liên kết ở thể lỏng (lỏng - lỏng hoặc rắn - lỏng)
Thuộc nhóm này có các ph-ơng pháp đúc, mạ nhúng, phun phủ, tráng, hàn
đắp, phun hồ quang hoặc plasma.
a. Ph-ơng pháp đúc: Điển hình của đúc tổ hợp là đúc ổ tr-ợt vỏ ngoài bằng
gang hoặc thép còn mặt trong là hợp kim chịu mài mòn nh- đồng thanh chì, hợp
kim nhôm thiếc...
b. Ph-ơng pháp mạ nhúng th-ờng gặp nh- mạ kẽm, mạ thiếc mạ nhôm đối với thép.
Ph-ơng pháp này th-ờng đ-ợc dùng để hàn chảy hoặc tráng hợp kim ổ tr-ợt lên thân
ổ. Để phủ những chi tiết đặc hoặc rỗng lớn đơn chiếc, nếu sản xuất bằng ph-ơng pháp
cán dính hoặc ép chảy thì không kinh tế, th-ờng dùng ph-ơng pháp hàn đắp.


21

c. Ph-ơng pháp phun phủ: Ph-ơng pháp này chủ yếu để tạo nên lớp chống mài
mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt hoặc nhằm mục đích đặc biệt khác nh- trang sức,
dẫn điện, dẫn nhiệt, cách nhiệt v.v. hầu hết các kim loại, Cácbit, Borit đều có thể
phun lên bề mặt của các vật liệu kim loại khác, song trong thực tế th-ờng phun
Nhôm, Kẽm, Đồng, Thiếc, Chì, Bạc, Đồng thanh, Đồng thau, Cácbít, Borit ... lên
bề mặt thép.
Nguyên lý của ph-ơng pháp này là làm nóng chảy vật liệu để phun nhờ
một nguồn nhiệt, sau đó dùng khí nén hoặc các khí khác phun lên bề mặt của vật
liệu nền đà đ-ợc xử lý. Nguồn nhiệt có thể là các khí cháy (Axêtylen, O 2) hoặc
hồ quang, plasma, cảm ứng. Tuỳ theo chiều dày của lớp phủ mà bề mặt của vật
liệu nền phải làm sạch và xù xì bằng cách phun cát, bi (0,5mm) hoặc tiện ren,
phay rÃnh (lớp phủ dày tới 2mm). Vật liệu để phun th-ờng làm d-ới dạng dây
(kim loại dẻo) dạng bột (kim loại giòn, ôxit kim loại, chất dẻo) thanh thiêu kết
(ôxit kim loại) hoặc d-ới dạng bột nhÃo (chất dẻo). Thiết bị phun là các súng

phun: súng phun ngọn lửa, súng phun hồ quang, súng phun plasma.
1

2

3
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý ph-ơng pháp hàn chảy.
1. Băng hàn chảy; 2. Lò nung; 3.Vật liƯu nỊn


22

2

1

3
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý ph-ơng pháp nhúng
1. Băng thép; 2. Làm sạch băng; 3. Bể kẽm
d. Ph-ơng pháp tạo lớp phủ mỏng: Tr-ớc hết phải kể đến ph-ơng pháp mạ và
bốc hơi. Mạ có thể là mạ toàn bộ hoặc mạ cục bộ, chiều dày lớp mạ thông th-ờng
trong khoảng 0,5-20m. Phủ bằng cách mạ đ-ợc ứng dụng rÊt réng r·i trong kü
thuËt nh- m¹ Ni, Cr, Cu, Zn, Sn, Pb, Au, Ag... Bằng ph-ơng pháp bốc hơi có thể
tạo ra lớp phủ từ vài Ao đến hàng milimét thông qua sự ng-ng tụ của kim loại mạ
trong chân không. Xét về bản chất của quá trình ng-ời ta phân biệt các ph-ơng
pháp vật lý và ph-ơng pháp hoá học.
1.3.2. Tạo liên kết ở thể rắn (rắn - rắn)
a. Chế tạo Bimetal từ các băng kim loại
Bằng các ph-ơng pháp hàn ép, cán dính, nổ dính. Điểm chung là liên kết
giữa các lớp đ-ợc tạo ra d-ới tác dụng của áp lực. Điều kiện để có thể sản xuất

băng Bimetal bằng các ph-ơng pháp này là các kim loại thành phần phải có đủ
tính dẻo ở mức độ cần thiết.
1

2

3

Hình1.6. Sơ đồ cán dính.
1. Băng vận chuyển phôi;
2. Phôi;
3. Lò nung có khí bảo vệ.


23

1

2

3

Hình 1.7. Sơ đồ hàn ép
1. Băng vận chuyển

phôi;
2. Phôi;
3. Lò nung có khí bảo
vệ.
Trong số các ph-ơng pháp này, hàn ép đ-ợc coi là ph-ơng pháp cổ điển

nhất, trong đó, các tấm hoặc băng các kim loại thành phần đ-ợc gắn với nhau ở
nhiệt độ cao d-ới tác dụng của áp lực lớn hoặc có lớp hàn trung gian. Ph-ơng
pháp này thích hợp với sản xuất nhỏ, các kim loại quí hiếm. Trong sản xuất lớn,
ph-ơng pháp cán dính hoặc ép chảy kinh tế hơn.
Cán dính có thể ở trạng thái biến dạng nóng hoặc biến dạng nguội. Với
quá trình biến dạng nóng các thành phần đ-ợc nung tới nhiệt độ cần thiết, d-ới
tác động của áp lực cán, các phẩn tử kim loại khuyếch tán dần vào nhau tạo nên
một lớp liên kết giữa các pha thành phần. Với quá trình biến dạng nguội: Tấm
hoặc băng kim loại đ-ợc cán dính với nhau ngay ở nhiệt độ th-ờng, số lần cán có
thể 1, với l-ợng ép t-ơng đối lớn (50-80)% sau đó đem ủ khuếch tán.
ã So với biến dạng nóng thì biến dạng nguội có những -u điểm sau đây:
- Tránh đ-ợc hiện t-ợng ôxy hoá bề mặt các lớp băng kim loại;
- Tránh tạo thành những hợp chất hoá học, các pha liên kim loại...
- Có thể khống chế tỷ lệ chiều dày giữa các lớp một cách chính xác;
- Cho phép sản xuất băng kim loại nhiều lớp một cách liên tục;
- Năng suất cao.
ã Nh-ợc điểm của cán nguội:
Do ph-ơng pháp cán nguội đòi hỏi l-ợng ép lớn để tạo dính kết nên nó chỉ
thích hợp với việc sản xuất băng mỏng cỡ nhỏ và trung bình với chiều rộng


24

băng b = (400 600)mm. Để đạt đ-ợc mối liên kết bền vững giữa các thành
phần thì điều kiện tiên quyết là những bề mặt liên kết của vật liệu phải đ-ợc
làm sạch bằng các ph-ơng pháp hoá học hoặc cơ học nh-: Tẩy rửa bằng axít,
mài, chải, tẩy dầu mỡ v.v. Những bề mặt này phải đ-ợc giữ sạch cho đến khi ép
hoặc cán dính. Khi cán dính, nhất thiết phải áp dụng các biện pháp ngăn ngừa
ôxy hoá ở nhiệt độ cao nh- bao gói bằng thép tấm, hàn phôi thành hộp hoặc gia
nhiệt trong lò có khí bảo vệ.

Để tạo đ-ợc liên kết bền chắc giữa các thành phần kim loại kép ở nhiệt độ
cao, phải chọn nhiệt độ sao cho các quá trình khuyếch tán của các thành phần
đ-ợc xảy ra một cách mạnh mẽ. Đối với những thành phần mà giữa chúng không
hoặc rất hạn chế tạo thành dung dịch rắn th-ờng dùng một lớp trung gian để tạo
liên kết. Ví dụ: Dùng đồng làm lớp trung gian để tạo liên kết giữa Bạc và Niken
vì đồng có thể hình thành dung dịch rắn với cả hai thành phần là Ag và Ni.

6
1
3

1- Kim loại nền;
2- Kim loại phủ;

2

3
4
Hình 1.8. Cấu tạo phôi5hộp cán nóng.
5- Mối hàn;
1 3- Lớp ngăn cách;
6- Vỏ bao gói b»ng thÐp tÊm;
2 4- NĐp hµn;
2

3

4
1

25

Hình 1.9. Sơ đồ cán dính nguội
1. Buồng làm sạch;

3. Lò ủ khuyếch tán;

2. Máy cán 4 trục;

4. Máy cuộn;

- Tránh ảnh h-ởng không tốt (tróc, bong) do chênh lệch quá lớn về tính dẻo
hoặc độ giÃn nở nhiệt giữa vật liệu nền và vật liệu phủ. Th-ờng chọn những vật
liệu có tính t-ơng đồng về cấu trúc mạng.
b) Chế tạo Bimetal bằng ph-ơng pháp cán một lớp bột kim loại hoặc bột hợp
kim trên nền một băng kim loại.
Trong những năm gần đây công nghệ này đ-ợc ứng dụng nhiều hơn cả: Cán
kim loại bột chịu mòn trên nền thép, sau đó đem thiêu kết trong môi tr-ờng có
khí bảo vệ để tránh ôxy hoá với một thời gian cần thiết, rồi biến dạng dẻo ở
trạng thái nguội đến hình dạng kích th-ớc của băng theo yêu cầu đ-ợc định
tr-ớc. Đây là ph-ơng pháp phối hợp giữa gia công vật liệu bột và biến dạng dẻo
để tạo phôi chính xác cho các công đoạn gia công tiếp theo đối với một số chi tiết
cơ khí điển hình. Kích th-ớc ban đầu đ-ợc xác định bởi l-ợng d- co ngót vật liệu
khi thiêu kết và mức độ biến dạng dẻo tiếp theo.
Quá trình uốn hoặc lốc ống tạo sản phẩm đ-ợc thực hiện ở trạng thái nguội.
Ưu điểm nổi bật của ph-ơng pháp công nghệ này là tiết kiệm đ-ợc kim loại,
năng suất cao, sản phẩm có kích th-ớc đa dạng, chất l-ợng bám dính giữa hai lớp
kim loại đạt chỉ tiêu t-ơng đ-ơng với các ph-ơng pháp gia công biến dạng khác.
Hơn nữa sản phẩm nhận đ-ợc theo ph-ơng pháp công nghệ này có khả năng tự