Nghiên cứu công nghệ phun phủ Cr Ni lên thép cấu trúc tính chất và lĩnh vực áp dụng điển hình của lớp phủ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
************

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ Cr-Ni LÊN THÉP;
CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT VÀ LĨNH VỰC ÁP DỤNG
ĐIỂN HÌNH CỦA LỚP PHỦ
NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU

MÃ SỐ:

LÝ QUỐC CƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN TƯ

HÀ NỘI 2006


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
************

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ Cr-Ni LÊN THÉP;
CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT VÀ LĨNH VỰC ÁP DỤNG
ĐIỂN HÌNH CỦA LỚP PHỦ

LÝ QUỐC CƯỜNG

HÀ NỘI 2006


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
LỜI NĨI ĐẦU…………………………………………………………..…….1
PHẦN I- TỔNG QUAN
CHƯƠNG I- CRƠM, NIKEN VÀ VAI TRỊ CỦA LỚP PHỦ Cr-Ni LÊN THÉP
I.1- CRƠM……………………………………………………………..5
I.1.1 - Lịch sử Crơm……………………………….…………….5
I.1.2 - Tính chất của Crơm………………………………...…….5
I.2- NIKEN………………………………………………….….………6
I.2.1 - Lịch sử Ni……………………………………………..….6
I.2.2 - Tính chất của Ni………………………………….………7
I.3- THÉP HỢP KIM HÓA Cr – Ni…………………………….……...8
CHƯƠNG II- PHUN PHỦ, LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN LOẠI
II.1- LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN……………………………………….....9
II.2- PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ………….….10
PHẦN II- THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
CHƯƠNGIII- TRANG THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ HỒ
QUANG ĐIỆN
III.1- CƠ SỞ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ KIM LOẠI HỒ QUANG
ĐIỆN……………………………………………………….……..…..16
III.1.1 - Khái niệm………………………………………..…….16
III.1.2 - Nguyên lý hoạt động…………………………………..16

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


III.1.3- Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình
phun……………………………………………………………17
III.1.4- Ưu nhược điểm của phương pháp phun phủ kim loại hồ
quang điện……………………………………………...………18
III.2- MỘT SỐ THIẾT BỊ PHUN PHỦ KIM LOẠI………...………..19
III.2.1- Thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU-HESSLER 300A
(Đức)……………………………………………………...……19
III.2.2- Trang thiết bị phụ trợ………………………….………22
III.2.3 - Các yều cầu về an tồn lao động………………..……26
III.3- QUY TRÌNH PHUN PHỦ KIM LOẠI……………….………..27
III.3.1- Phân tích kết cấu, vật liệu, điều kiện làm việc của bề mặt
kim loại cần phủ…………………………………………...…..28
III.3.2 - Kỹ thuật phun……………………………..……..……28
III.3.3 - Gia cơng cơ khí sau khi phun phủ để đạt chiều dày lớp
phủ và độ bóng bề mặt làm việc yêu cầu………………………30
III.3.5 - Xử lý nhiệt lớp phủ……………………………...…….30
III.3.6 - Kiểm tra chất lượng lớp phun phủ……………..……..30
CHƯƠNG IV- CHUẨN BỊ BỀ MẶT TRƯỚC KHI PHỦ, CHỌN VẬT LIỆU
PHỦ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ
IV.1- CHUẨN BỊ BỀ MẶT MẪU TRƯỚC KHI PHUN PHỦ……...31
IV.1.1 - Làm sạch bề mặt………………………………………31
IV.1.2 - Tạo nhám bề mặt……………………………….……..32
IV.2- LỰA CHỌN VẬT LIỆU PHUN……………………………….36

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


IV.3- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ
IV.3.1– Độ xốp…………………………………………………37
IV.3.3 – Đánh giá khả năng liên kết của lớp phủ……………..41
IV.4- QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH
PHUN PHỦ......................................................................................... 44
V.4.1. Những khái niệm cơ bản của quy hoạch thực nghiệm.....44
IV.4.2. Thuật toán của phương pháp quy hoạch thực nghiệm cực
trị................................................................................................46
IV.4.3. Ứng dụng của quy hoạch thực nghiệm trong công nghệ
vật liệu........................................................................................48
IV.5- XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG CỦA LỚP PHỦ…..............….....……51
IV.6- ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ..52
IV.7- ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA LỚP PHỦ54
IV.8- ĐÁNH GIÁ KHĂ NĂNG CHỊU NHIỆT CỦA LỚP PHỦ........57
IV.9-NGHIÊN CỨU MẶT CẮT NGANG CỦA LỚP PHỦ................59
PHẦN III- KẾT QUẢ VÀ LÝ GIẢI
CHƯƠNG V- QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH HĨA Q
TRÌNH PHUN PHỦ, VAI TRỊ CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN
CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ.............................................................................62
V.1-KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐO ĐỘ XỐP, TỶ TRỌNG VÀ ĐỘ
DAI LIÊN KẾT CỦA LỚP PHỦ ........................................................64
V.2- TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH PHUN............................................65
V.3-TỐI ƯU HĨA MƠ HÌNH.............................................................66
V.3.1. Chọn thuật tốn tối ưu hóa, lập chương trình tính giá
trị(cựu đại) của hàm mục tiêu.....................................................66
V.3.2. Nhận xét kết quả...............................................................70

CHƯƠNG VI- KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA LỚP PHỦ
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


VI.1- ĐỘ CỨNG CỦA LỚP PHỦ………………………………..….72
VI.2- KHẢ NĂNG CHỊU MÀI MÒN CỦA LỚP PHỦ……………..73
VI.3- KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA LỚP PHỦ....................79
VI.3.1. Kết quả đo khả năng chống ăn mòn của lớp phủ...........79
VI.3.2. Nghiên cứu mặt cắt ngang của lớp phủ trước và sau khi
thử ăn mòn..................................................................................91
VI.4- NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU NHIỆT CỦA LỚP PHỦ...93
VI.4.1- Kết quả thử oxy hoá của lớp phủ …………….………..93
VI.4.2- Động học thực nghiệm của q trình ơxy hố vật liệu
chịu nhiệt.....................................................................................96
VI.4.2.1 - Cơ sở lí thuyết………………………………….……96
VI.4.2.2- Tính tốn các thơng số động học đặc trưng của q
trình ơxi hố……………………………………………………98
VI.4.2.3- Nhận xét……………………………………….…....101
VI.5- NGHIÊN CỨU MẶT CẮT NGANG CỦA LỚP PHỦ.............106
VI.5.1-Nghiên cứu mặt cắt ngang của lớp phủ trước và sau khi
thử ăn mòn................................................................................106
VI.5.2-Nghiên cứu mặt cắt ngang của lớp phủ sau khi thử ơ xi
hóa ............................................................................................107
VI.6- PHÂN TÍCH NHIỄU XẠ RƠNGHEN………………….…....109
CHƯƠNG 7- MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LỚP PHỦ HỢP
KIM Cr-Ni, CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ HỒ QUANG
ĐIỆN………………………………………………………………………..110
VII.1-MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LỚP PHỦ HỢP KIM

Cr-Ni………………………………………………………..……….110

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


VII.1.1-Phân tích kết cấu chi tiết và mức độ hư hỏng cần khắc
phục của quạt hút………………………………..……………110
VII.1.2- Quá trình phun phủ phục hồi bề mặt chi tiết bị ăn
mòn…………………………………………………………....112
VII.2- MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC CỦA LỚP PHỦ HỢP KIM CrNi…………………………………………………………………….114
PHẦN IV- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận chung……………………………………………................116
Kiến nghị.............................................................................................117
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………...……….118
TÓM TẮT LUẬN VĂN ( TIẾNG VIỆT)
TÓM TẮT LUẬN VĂN ( TIẾNG ANH)

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1. 1: Một số tính chất cơ bản của Cr………………………………..………5
Bảng 1. 2: Một số tính chất cơ bản của Ni………………………………..………7
Bảng 4. 1: Thông số tạo nhám bề mặt…………………………………..………..34
Bảng 4. 2: Chế độ làm sạch và tạo nhám bề mặt mẫu thí nghiệm……………35

Bảng 4. 3: Thành phần hố học cơ bản của loại dây thí nghiệm………….….36
Bảng 4.4: I, S, C phụ thuộc vào các vật liệu phủ và nền khác nhau……….…43
Bảng 5.1: Kết quả thí nghiệm…………………………………..……………..…..64
Bảng 5.2: Ma trận thực nghiệm kế hoạch toàn phần hai mức tối ưu...…..…..66
Bảng 5.3: Thí nghiệm đánh giá sai số khi tối ưu hoá hàm mục tiêu…….…...69
Bảng 5.4: Chế độ phun cho dây hợp kim Cr20Ni80……………………...…….71
Bảng 6.1: Kết quả đo độ cứng lớp phủ…………………………………….…..…72
Bảng 6.2: Chế độ chạy máy đo độ mài mòn lớp phủ.......................................73
Bảng 6.3: Thành phần dung dịch nước biển nhân tạo....................................87
Bảng 6.4: Các hệ số n, K p ứng với các nhiệt độ……………………………….100
Bảng 6.5 : Kết quả tính toán Q và K 0 ……………………………………..….…101

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 2.1- Lịch sử phát triển của cơng nghệ phun phủ……………….……..…..9
Hình 3.1- Sơ đồ cấu tạo của đầu phun hồ quang điện hai điện cực….......….16
Hình 3.2- Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện OSU Hessler 300A…..……..19
Hình 3.3- Đầu phun hồ quang điện LD/U-2……………………………..….…..20
Hình 3.4- Hệ thống nguồn điện và tủ điều khiển……………………………..…21
Hình 3.5- Máy nén khí trục vít BOGE S29……………………………………....23
Hình 3.6- Máy làm khơ khí nén D17-D275……………………………...…..…..23
Hình 3.7- Thiết bị làm sạch EDUC-O-MATIC…………………...…….....….…24
Hình 3.8- Mũ chụp CASSO……………………………..……………………....…26
Hình 3. 9- Quy trình thực hiện phun phủ kim loại………………..………….…28
Hình 3.10- Hướng phun và góc phun mặt phẳng…………………………….…30

Hình 3.11- Hướng phun và góc phun mặt trịn xoay…………………………...30
Hình 4.1- Quy trình cơng nghệ chuẩn bị bề mặt……………………………..…32
Hình 4.2-Bề mặt mẫu trước (a) và sau (b) khi phun hạt mài tạo nhám..........35
Hình 4.3- Khối trụ dùng để phun mẫu đo độ xốp lớp phủ………………...…...40
Hình 4.4- Mẫu đo độ xốp lớp phủ………………………………………….….….40
Hình 4.5- Nguyên tắc cân…………………..………………………….…………..41
Hình 4.6- Sơ đồ đo độ dai liên kết giữa lớp phủ và nền thép………………….42
Hình 4.7- Máy đo độ cứng Mitutoyo ARK-600………………………..........…..51
Hình 4.8- Nguyên tắc đo độ mài mịn…………………………………….......….52
Hình 4.9- Máy đo độ mài mịn TE97...............................................................53
Hình 4.10- Kích thước mẫu thử mài mịn…………………………...……….…..54
Hình 4.11- Sơ đồ ngun lý đo điện hóa.........................................................55
Hình 4.12- Máy đo điện hóa AUTOLAB.........................................................56
Hình 4.13- Quy trình tạo mẫu thử ăn mòn......................................................57
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


Hình 4.14- Mẫu thử chịu nhiệt sau khi đã sấy……………………………...….58
Hình 4. 15- Kính hiển vi điện tử qt JEOL 5300.........................................60
Hình 5.1- Ảnh SEM mặt cắt ngang của lớp phủ ứng với
chế độ phun tốt nhất X200............................................................................71
Hình 6.1- Ảnh chụp mẫu thử mài mịn trước khi tạo nhám…………...….…..73
Hình 6.2- Mẫu thử mài mịn sau khi phun phủ…………………….…….…….74
Hình 6.3- Mẫu thử độ mài mịn sau khi phun phủ và mài phẳng................74
Hình 6.4- Độ mài mòn của lớp phủ CN51, CN52 với ma sát ướt
theo thời gian................................................................................................76
Hình 6.5-Hệ số ma sát của lớp phủ CN51,CN52 với ma sát ướt
theo thời gian................................................................................................76

Hình 6.6- So sánh độ mài mòn của lớp phủ CN5 với ma sát khơ
và ma sát ướt theo thời gian..........................................................................78
Hình 6.7- So sánh độ hệ số ma sát của lớp phủ CN5 với ma sát khơ
và ma sát ướt theo thời gian.........................................................................78
Hình 6.8- Bề mặt của các lớp phủ CN trong dung dịch
HCl 5% sau các khoảng thời gian khác nhau..............................................79
Hình 6.9- Đồ thị so sánh mật độ dòng ăn mòn (mA/cm2) và điện
trở phân cực R p (Ω.cm2) của lớp phủ CN...................................................80
Hình 6. 10- Bề mặt của các lớp phủ CN trong dung dịch
HNO 3 5% sau các khoảng thời gian khác nhau.............................................81
Hình 6.11- Đồ thị so sánh mật độ dịng ăn mòn (mA/cm2)
và điện trở R p (Ω.cm2) của lớp phủ CN.........................................................82
Hình 6.12- Bề mặt của các lớp phủ CN trong dung dịch
H 2 SO 4 5% sau các khoảng thời gian khác nhau...........................................83
Hình 6.13- Đồ thị so sánh mật độ dòng ăn mòn (mA/cm2)
và điện trở R p (Ω.cm2) của lớp phủ ...............................................................84
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


Hình 6.14- Bề mặt của các lớp phủ trong dung dịch
H 2 SO 4 30% sau các khoảng thời gian khác nhau……………………...……….85
Hình 6.15- Đồ thị so sánh mật độ dịng ăn mòn (mA/cm2)
và điện trở R p (Ω.cm2) của lớp phủ ..............................................................86
Hình 6.16- Bề mặt của các lớp phủ trong dung dịch
nước biển nhân tạo sau các khoảng thời gian khác nhau..............................88
Hình 6.17- Đồ thị so sánh mật độ dịng ăn mòn (mA/cm2)
và điện trở R p (Ω.cm2) của lớp phủ ................................................................89
Hình 6.18- Mặt cắt ngang của lớp phủ CN5..................................................90

Hình 6.19- Mặt cắt ngang của lớp phủ CN5 sau khi ngâm trong nước
biển 13 ngày....................................................................................................90
Hình 6.20- Đồ thị biểu diễn mức độ tăng khối lượng tương đối
của mẫu thử theo thời gian ở các nhiệt độ 500 và 7000C………………..…....94
Hình 6.21- Đồ thị biểu diễn mức độ tăng khối lượng tương đối
của mẫu thử theo thời gian ở các nhiệt độ 900 và 11000C…………….….….95
Hình 6.22- Đồ thị biểu diễn mối quan hệ X,Y của mẫu CT38 ở 9000C….…..99
Hình 6.23- Đồ thị biểu diễn quan hệ x, y của mẫu phủ Cr – Ni………….….101
Hình

6.24-

Quan

hệ

n

và

nhiệt

độ……………………………………………..…102
Hình 6.25- Quan hệ giữa K p và nhiệt độ………………………………………..102
Hình 6.26- Bề mặt mẫu ơxi hố ở 11000C……………………………….....….104
Hình 6.27- Biểu đồ so sánh năng lượng hoạt hoá của các mẫu thử…….…..104
Hình 6.28- Ảnh mặt cắt ngang của mẫu thử ơ xi hóa X 100…..................…106
Hình 6.29- Kết quả phân tích X-RAY mặt cắt ngang của
mẫu 5000C/58h/mài phẳng……………………………………………...…….….107
Hình 6.30- Kết quả phân tích X-RAY mặt cắt ngang của mẫu

9000C/50h/mài phẳng………………………………………………………...…..107
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


Hình6.31- Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu phủ Cr-Ni nung ở
9000C/4h/mài phẳng và chỉ ra các điểm phân tích ADS……………….……108
Hình6.32- Kết quả phân tích ADS tại điểm 1…………………….………..…..108
Hình6.33- Kết quả phân tích ADS tại điểm 2……………………….………...109
Hình6.34- Kết quả phân tích ADS tại điểm 3…………………………….…..109
Hình6.35- Kết quả phân tích ADS tại điểm 4………………………….……..109
Hình 7.1- kết cấu vỏ hộp……………………………………………………...…..110
Hình 7.2- Bộ phận quạt hút………………………………………………...…….111
Hình 7.3- Mặt bích………………………………………………………………..111
Hình 7.4- Các điểm bị ăn mịn của mặt bích…………………………………..112
Hình 7.5- Q trình phun vỏ hộp………………………………………………..113
Hình 7.6- Chi tiết cánh quạt sau khi phun phủ…………………………...……113
Hình 7.7- Phun lớp phủ hợp kim Cr-Ni chịu mài mòn, phục hồi
trục máy dập 250 tấn (Công ty CREDIT UP Đài Loan – Khu cơng nghiệp
Nội Bài)………………………………………………………………………...…...114
Hình 7.8- Phun lớp phủ hợp kim Cr-Ni và Al, nâng cao khả năng chịu mài
mịn, bền hóa chất cho các cánh bơm trong dây truyền xử lý nước thải công
nghiệp (Công ty HONDA Vietnam - Thị xã Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc)……..…..114
Hình 7.9- Phun lớp phủ hợp kim Cr-Ni, phục hồi 2 đầu cổ trục đỡ vịng bi
quạt gió, Φ 150 (nhà máy xi măng Hải Phịng)……………………………….115
Hình 7.10- Phun phủ hợp kim Cr-Ni, phục hồi 2 đầu cổ trục động cơ, Φ 150
(nhà máy xi măng La Hiên, Thái Nguyên)…………………………...…….…..115

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


1

LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay tuy vẫn chưa có con số thống kê chính thức về thiệt hại do ăn
mịn kim loại tại Việt Nam, nhưng theo một số tài liệu thống kê trên thế giới
thì mỗi năm có từ (10 ÷ 15)% khối lượng kim loại bị phá hủy do ăn mòn trong
các điều kiện khác nhau. Ta thấy tỷ lệ này rất cao, gây mức độ thiệt hại vô
cùng to lớn. Đặc biệt trong các ngành công nghiệp nặng, các chi tiết máy
thường phải làm việc trong các điều kiện hết sức khắc nghiệt (độ ẩm cao,
nhiệt độ cao, mơi trường bụi, hóa chất…) dẫn đến các hiện tượng mài mòn, ăn
mòn và cuối cùng là phá hủy. Mỗi khi các chi tiết bị mài mòn hoặc ăn mòn thì
chi phí để sửa chữa và thay thế là rất lớn, ngồi chi phí về vật liệu vốn đã rất
cao thì cịn kèm theo chi phí cho cơng tháo, lắp, sửa chữa và các thiệt hại khác
do dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động. Ta có thể lấy một vài ví dụ về
mài mịn và ăn mịn ở Việt Nam: mài mòn các trục khuỷu động cơ, mài mòn
các trục tuabin của các nhà máy phát điện, mài mòn các xy lanh, mài mòn
các kết cấu băng tải, ăn mòn các chân giàn khoan, ăn mòn các chân bến cầu
cảng, ăn mòn kết hợp mài mòn trên các cánh cống ngăn mặn, ăn mòn các bồn
bể chứa, ăn mòn các cánh tuabin…
Bên cạnh đó phục hồi các chi tiết máy là một biện pháp tích cực để sử
dụng các chi tiết máy, máy móc, thiết bị đã bị hỏng hoặc mất chíng xác.
Nguyên vật liệu dùng cho phục hồi lại các chi tiết máy chỉ cần một khối
lượng nhỏ so với khối lượng toàn bộ của chi tiết mới phải sản xuất lại, ngồi
ra cơng lao động cần thiết để phục hồi cũng rất nhỏ.
Phục hồi các chi tiết máy mòn bằng phương pháp phun phủ kim loại
gần như có thể hồn lại được các tính chất ban đầu. Trong một số trường hợp

các chi tiết máy phục hồi có chất lượng và tuổi thọ cao hơn các chi tiết máy

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


2

mới. Ví dụ như phủ lên bề mặt chi tiết làm việc một lớp kim loại phủ có tính
chất làm việc tốt hơn tính chất của vật liệu nền của chi tiết.
Ở Việt Nam trong những năm gần đây, do sự đổi mới của đường lối
kinh tế – thị trường, đã thúc đẩy các ngành kinh tế phát triển, đặc biệt các
ngành xây dựng, điện năng, khai thác dầu khí và giao thông vận tải...
Hiện nay do yêu cầu nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các sản phẩm
và các kết cấu cơng trình đã kích thích sự quan tâm đáng kể của các nhà khoa
học, cán bộ kỹ thuật vào công nghệ phun phủ. Phun phủ kim loại đã được sử
dụng trong nhiều ngành kỹ thuật và đem lại hiệu quả đáng khích lệ. Để nâng
cao hơn nữa chất lượng lớp phủ, nhiều nhà khoa học và cán bộ kỹ thuật đang
tiếp tục nghiên cứu, để từng bước hồn thiện cơng nghệ.
So với các phương pháp tạo các lớp phủ khác (nhúng nóng, mạ…) cơng
nghệ phun phủ có nhiều ưu điểm: cơng nghệ đơn giản, thiết bị có tính cơ động
cao, cho phép phun phủ lên các chi tiết với hình dạng, kích thước bất kỳ, đồng
thời có khả năng tạo chiều dầy lớp phủ theo yêu cầu. Hiện nay, tuỳ theo
nguồn năng lượng sử dụng, phun phủ chia làm ba phương pháp cơng nghệ
chính: phun bằng hồ quang điện, phun plasma, phun bằng ngọn lửa khí cháy.
Mỗi cơng nghệ phun đều có đặc điểm riêng và lĩnh vực áp dụng của nó.
Luận văn này tập trung vào công nghệ phun hồ quang điện.
Ở nước ta hiện nay việc chế tạo chi tiết, phụ tùng thay thế còn hạn chế,
do đó việc phục hồi các chi tiết máy bị mài mịn và ăn mịn ln là vấn đề bức

xúc. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ phun phủ Cr-Ni lên thép, cấu trúc, tính
chất và lĩnh vực áp dụng điển hình của lớp phủ” sẽ góp phần đưa ra một
giải pháp để bảo vệ, nâng cao tuổi thọ của các chi tiết máy làm việc trong các
điều kiện khắc nghiệt được chế tạo từ thép cacbon thông dụng, phục hồi các
chi tiết đã bị mài mòn. Hy vọng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực, có thể
thay thế phần nào phụ tùng ngoại nhập.

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


3

Bản luận văn này bao gồm các phần:
Phần I- Tổng quan: Cơ sở chung phun phủ và lớp phủ Cr-Ni lên thép.
+ Crơm, Niken vai trị của lớp phủ Cr-Ni lên thép
+ Phun phủ, lịch sử phát triển và phân loại
+ Công nghệ phun phủ, nguyên lý, phạm vi ứng dụng.
Phần II- Trang thiết bị và phương pháp nghiên cứu.
+ Thiết bị phun phủ hồ quang điện.
+ Quy trình cơng nghệ phun phủ mẫu thí nghiệm.
+ Các phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ: chịu mài mòn, chống
ăn mòn, chịu nhiệt.
Phần III- Kết quả và lý giải.
+ Tạo lớp phủ Cr-Ni lên thép, quy hoạch thực nghiệm mơ hình hóa q
trình phun, vai trị của các thơng số cơng nghệ ảnh hưởng đến chất
lượng lớp phủ.
+ Cấu trúc lớp phủ: độ xốp, độ dai liên kết, chiều dày, thành phần
pha…

+ Cơ tính của lớp phủ: bền chịu mài mịn, bền ăn mòn, bền nhiệt của
lớp phủ.
+ Các ứng dụng thực tế
Phần IV- Kết luận và kiến nghị.
Hà nội, ngày

tháng 11 năm 2006
Học viên

Lý Quốc Cường

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


4

PHẦN I-TỔNG QUAN
CƠ SỞ CHUNG PHUN PHỦ VÀ
LỚP PHỦ Cr-Ni LÊN THÉP

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


5

CHƯƠNG I- CRƠM, NIKEN VÀ VAI TRỊ CỦA LỚP

PHỦ Cr – Ni LÊN THÉP
I.1 - CRƠM
I.1.1 - Lịch sử Crơm
Năm 1796 ÷ 1797, Voclanh (pháp) đã đưa crocoit ra phân tích hóa học
và lần đầu tiên tách ra được một nguyên tố mới. Furoa đề nghị gọi nguyên tố
này là crôm (theo tiếng Hy Lạp, “chroma” nghĩa là chất màu), vì các hợp chất
của nó có màu rực rỡ và đa dạng.
Năm 1845, nhà bác học người Đức là Bunzen đã tách được dưới dạng
tinh khiết bằng cách điện phân crơm clorua.
I.1.2 - Tính chất của Crơm
Cr là kim loại chuyển tiếp nhóm VIB. Bảng 1.1 trình bày một số tính
chất cơ bản của Cr.
Bảng 1. 1: Một số tính chất cơ bản của Cr
Nguyên tử lượng
Khối lượng riêng (g/cm3)

51,996
7,19

Kiểu mạng tinh thể

Lập phương thể tâm

Chu kỳ mạng (A0)

2,884

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1875

Crơm có đủ tất cả những tính chất đặc trưng của các kim loại: dẫn điện
và dẫn nhiệt tốt, có ánh kim - một thuộc tính có ở đa số các kim loại. Một đặc
điểm rất đáng chú ý của crôm là: ở nhiệt độ khoảng 370C nhiều tính chất vật
lý của nó thay đổi đột ngột, có bước nhảy vọt. Ở điểm nhiệt độ này, ma sát
trong của crơm đạt giá trị lớn nhất, cịn mơđun đàn hồi thì tụt xuống mức nhỏ
nhất. Độ dẫn điện, hệ số giãn dài, sức nhiệt điện động cũng thay đổi bất ngờ
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


6

như vậy. Cr với độ sạch bình thường thì rất giòn. Ngược lại, khi luyện vùng,
độ dẻo của Cr rất cao (ψ = 40%). Nhiệt độ biến giòn của Cr khá cao (Cr kỹ
thuật có nhiệt độ biến giịn khoảng 50 ÷ 2500C) và phụ thuộc rất mạnh vào
lượng tạp chất. Các nguyên tố tạp chất gây ảnh hưởng mạnh đến tính chất của
Cr là N, O, H và C. Trong số các tạp chất xen kẽ này, N là nguyên tố có hại
nhất; hàm lượng cho phép của nó trong Cr là (0,002 ÷ 0,003)%.
Cr là kim loại phản sắt từ (khơng có từ tính). Đặc tính quan trọng nhất
của Cr là tính ổn định hố học cao, chống lại được sự oxi hóa trong khơng khí
và khơng tương tác với các axit. Trong nhiều môi trường axit, Cr có khả năng
tạo màng thụ động hố và trở nên rất ổn định. Tính ổn định nhiệt của Cr rất
cao, màng oxit tạo ra trên bề mặt Cr có tính bảo vệ tốt, ở 12000C Cr tỏ ra ổn
định hơn cả W, Mo, Nb, Ta. Cơ tính của Cr, đặc biệt là độ dẻo phụ thuộc
mạnh vào lượng tạp chất xen kẽ trong nó.
Cr tác dụng với C tạo ra ba loại cacbit: Cr 23 C 6 , Cr 7 C 3 và Cr 2 C 3 . Khi
cacbit tồn tại ở dạng mạng phân bố theo biên giới hạt sẽ làm hợp kim nhạy
cảm với phá huỷ giòn.

Cr là nguyên tố hợp kim không thể thiếu trong chế tạo các loại thép và
hợp kim không gỉ. Ưu điểm của các loại thép này là chịu được áp lực lớn,
chịu được các hóa chất, dễ gia cơng, chịu được nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp.
Các hợp kim trên cơ sở Cr ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.
I.2 - NIKEN
I.2.1 - Lịch sử Ni
Con người đã biết đến niken từ nhiều thế kỷ trước. Chẳng hạn, ngay từ
thế kỷ thứ II trước công nguyên, người Trung Hoa cổ đại đã nấu luyện được
thứ hợp kim của niken với đồng và kẽm, gọi là “bạch đồng”, rất được ưa
chuộng. Được dùng để đúc tiền từ năm 235 trước công nguyên.
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


7

Niken được phát hiện năm 1751: nhà hóa học kiêm luyện kim người
Thụy Điển tên là Acxen Fređeric Cronxtet (Axel Frederic Cronseted) đã khám
phá ra nó trong khống vật “cupfe niken”, có nghĩa là “con quỷ đồng”. Nhưng
các nhà hóa học không ai muốn thừa nhận niken là một nguyên tố. Mãi đến
năm 1775, tức là mười năm sau khi Cronxtet qua đời. Người ta mới khẳng
định, niken không phải là hỗn hợp của vài nguyên tố như những người chống
đối đã khẳng định, mà nó là một kim loại độc lập.
Nhưng cả sau đó nữa, các cuộc tranh cãi vẫn không lắng xuống. Phải
gần ba mươi năm nữa trôi qua, nhà hóa học Đức Ieremia Richtrơ (Jeremiah
Richter) mới chấm dứt được các cuộc tranh cãi ấy: năm 1804, vẫn từ “con
quỷ đồng” này, ông đã tách được niken rất tinh khiết, nhưng để đạt điều đó,
ơng đã phải cho niken sunfat kết tinh lại 32 lần. Nhà bác học này đã đặt đầu
đề cho bài báo mà trong đó ông đã mô tả niken là “Bàn về niken tinh khiết

tuyệt đối - một thứ kim loại quý, cách điều chế và những tính chất của nó”.
Ngày nay, do sự phát triển của nhiều ngành kỹ thuật hiện đại như điện
tử, điều khiển tự động, vật lý âm thanh, vật lý quang học, kỹ thuật nhiệt độ
cao… vai trò của Ni và hợp kim của nó ngày càng trở nên quan trọng.
I.2.2 - Tính chất của Ni
Ni là kim loại chuyển tiếp nhóm VIIIB. Bảng 1.2 trình bày một số tính
chất cơ bản của Ni.
Bảng 1. 2: Một số tính chất cơ bản của Ni
Nguyên tử lượng

58,71

Khối lượng riêng (g/cm3)

8,907

Kiểu mạng tinh thể

Lập phương diện tâm

Chu kỳ mạng (A0)

4,08

Nhiệt độ nóng chảy (0C)

1455

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


8

Ni là kim loại có cơ tính cao (σ b = 400 ÷ 500MPa, δ = 50%), khả năng
ổn định chống ăn mòn lớn. So với các kim loại khác, Ni có khả năng ổn định
chống ăn mịn trong khí quyển cao hơn cả. Dưới tác dụng của khơng khí ẩm,
bề mặt Ni bị mờ do tạo ra lớp oxit mỏng có tính bảo vệ tốt. Trong nước ngọt,
Ni bị ăn mòn rất chậm khoảng 0,003mm/năm. Dưới tác dụng của nước biển
hoặc nước khống, Ni bị ăn mịn nhanh hơn nhưng cũng khơng đáng kể (0,13
÷ 0,61)mm/năm. Các dung dịch muối, kiềm hoặc axit hữu cơ hầu như không
gây ăn mòn Ni. Trong một số axit mạnh (HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 …) Ni tỏ ra kém
ổn định. Một số loại khí khơ (O 2 , N 2 , H 2 S, NH 3 , HF…) không gây ăn mòn Ni
nhưng khi tăng độ ẩm Ni sẽ bị ăn mịn khá nhanh. Tính chất của Ni phụ thuộc
nhiều vào thành phần các tạp chất trong nó.
I.3-VAI TRỊ CỦA LỚP PHỦ Cr-Ni LÊN THÉP
Hợp kim Cr – Ni, được kết hợp các tính chất của Cr và Ni nên nó có
ưu điểm là khả năng chịu nhiệt, chống ăn mịn, chịu mài mịn và có độ bền
khá cao trong nhiều mơi trường hố chất. Tuy nhiên, trong các axit mạnh nó
kém ổn định, dễ bị hồ tan.
Về lý thuyết, lớp phủ bằng hợp kim Cr - Ni tạo bề mặt sáng, sạch, có
khả năng chịu mài mịn, chống ăn mịn; đặc biệt, nó có khả năng chịu nhiệt tốt
(lên tới 9800C).
Lớp phủ này thường được sử dụng làm lớp kết dính và lớp lót chịu
nhiệt trên lớp ceramic, lò nấu luyện kim loại, thiết bị chịu nhiệt….

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học

9

CHƯƠNG II- PHUN PHỦ, LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN LOẠI
II.1- LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Phun phủ kim loại đã được một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max
Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20. Nguyên lý của
phương pháp công nghệ này là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy,
plasma) làm nóng chảy kim loại. Sau đó, kim loại lỏng được dịng khơng khí
nén thổi mạnh làm phân tán thành các hạt sương mù rất nhỏ, bắn lên bề mặt
vật đã được chuẩn bị sẵn (làm sạch, tạo nhám) tạo ra một lớp kim loại phủ có
độ dày theo yêu cầu, trong đó các hạt kim loại đè lên nhau theo từng lớp. Mãi
đến năm 1923 công nghệ này mới bắt đầu được đưa vào ứng dụng trong sản
xuất. Lúc đầu, phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí, đến chiến
tranh thế giới lần thứ hai, công nghệ này bắt đầu được sử dụng với quy mô
rộng. Công nghệ phun phủ kim loại dần dần được sử dụng ở hầu khắp các
nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt trong các lĩnh
vực: phục hồi các chi tiết bị mài mòn, bảo vệ chống ăn mòn, trang trí… Lịch
sử phát triển của cơng nghệ phun phủ được sơ đồ hóa trong hình 2.1.

Hình 2. 1 – Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ.
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


10

Càng ngày công nghệ xử lý bề mặt càng được quan tâm do nó có ý

nghĩa quan trọng và quyết định nhiều đến tính chất của vật liệu. Có thể nói,
một chi tiết máy móc thiết bị khi làm việc ở bất kỳ mơi trường nào thì mọi
dạng phá huỷ về mỏi, mài mòn, ăn mòn... đều được quyết định chủ yếu bởi
cấu trúc của lớp bề mặt. Xuất phát từ nhu cầu đó đã có nhiều nghiên cứu, giải
pháp nhằm khai thác các tính chất của bề mặt và nâng cao hệ số sử dụng vật
liệu. Một trong những giải pháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp
ứng các điều kiện làm việc như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt...
Đến nay, chúng ta có thể kể đến các phương pháp xử lý bề mặt như sau:
+ Nhiệt luyện.
+ Hoá Nhiệt luyện.
+ Tạo các lớp phủ lên bề mặt: mạ, nhúng, công nghệ CVD, PVD,
phun phủ…
Trong đó, phương pháp phun phủ ngày càng được phát triển và mở
rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện tính ưu việt so với các
phương pháp tạo lớp phủ khác. Nó đã trở thành một lĩnh vực chuyên môn
riêng, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Một mặt, phương pháp
này biểu hiện như một biện pháp xử lý bề mặt, mặt khác chính bản thân nó lại
có vai trị là một công nghệ sản xuất. Để đánh giá sự phát triển của phương
pháp phun phủ và có cái nhìn so sánh với các phương pháp tạo lớp phủ khác,
chúng ta cần phải dựa trên cơ sở sự phát triển về trang thiết bị, các quy trình
cơng nghệ và đặc biệt là phạm vi ứng dụng.
II.2- PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ
Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và công nghệ,
người ta đã nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng nhiều loại đầu phun khác
nhau phục vụ cho các phương pháp phun phủ: đầu phun dùng nhiên liệu khí
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học

11

cháy (dây, bột), đầu phun hồ quang điện (loại hai dây, ba dây…), đầu phun
plasma (dây, bột), đầu phun bằng dịng cao tần, đầu phun bằng kích nổ.... Đặc
biệt đã có những cải tiến đáng kể trong năng suất phun như phát triển các thiết
bị và dây truyền phun tự động với độ ổn định và chất lượng ngày càng cao.
Về công nghệ cũng đã giải quyết thành công các chế độ cơng nghệ phun cho
các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (vật liệu gốm, các loại cacbid, các loại
oxit kim loại...). Phun phủ có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp
kim lên bề mặt kim loại, hợp kim hay bề mặt vật khác như gỗ, vải, giấy, sứ….
Bằng phun phủ người ta có thể tạo ra lớp chịu nhiệt, lớp dẫn điện trên vật liệu
khơng dẫn điện; tạo ra lớp chống ăn mịn cho các kết cấu thép (cầu, cảng, ống
dẫn, tầu thuyền…) làm việc trong mơi trường oxi hóa hay mơi trường ăn mịn
điện hố; phủ các lớp kim loại màu (kim loại quý hiếm) lên trên bề mặt của
những kim loại khác nhằm mục đích tiết kiệm kim loại quý và tăng giá trị
thẩm mỹ trong trang trí. Đối với các chi tiết làm việc trong mơi trường chịu
mài mịn, tuỳ theo điều kiện làm việc cụ thể người ta có thể phủ lên bề mặt
các lớp có khả năng chống mài mịn như thép khơng gỉ, đồng thau, nhơm, hợp
kim của niken… với các chiều dày theo yêu cầu. Phun phủ rất thích hợp và tỏ
ra ưu việt trong việc sửa chữa và phục hồi các chi tiết (sửa chữa các khuyết tật
của vật đúc, sửa chữa các chi tiết bị mòn như trục khuỷu, xy lanh, chốt…).
Sự phát triển của phun phủ lên bề mặt ngày nay đã mở rộng cho nhiều
lĩnh vực khác nhau áp dụng: khí động học, hạt nhân, trong cơ khí để tạo lớp
phủ chịu mài mòn, chống ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách
nhiệt.... Đặc biệt, trong những năm qua công nghệ phun phủ plasma đạt được
sự tiến bộ vượt bậc nhờ ứng dụng những thành tựu về đo lường các dịng hạt
bằng laser. Phương pháp này có thể phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy
cao như vonfram, mơlípđen, crơm…. Phương pháp này rất có ý nghĩa trong

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


12

việc phủ các lớp trong ngành kỹ thuật tên lửa, ngành kỹ thuật điện (phủ vật
liệu không dẫn điện) và trong gia công các chi tiết chịu nhiệt độ cao.
Phạm vi ứng dụng của phương pháp phun phủ có thể được phân loại
như sau:
+ Phun phủ phục hồi.
+ Công nghệ gia cơng mới.
+ Phun các lớp phủ đặc biệt có giá thành vật liệu cao: chịu mài
mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…
+ Phun các lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, lớp phủ từ
tính…) lên các chi tiết mà vật liệu cơ bản khơng có các đặc tính này.
+ Sửa chữa khuyết tật của vật đúc.
+ Sửa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ.
+ Tạo lớp trang trí.
Trong đó, mục đích phun phủ phục hồi các chi tiết máy mòn và bảo vệ
chống ăn mòn các kết cấu thép là được ứng dụng nhiều hơn cả.
Bên cạnh những ưu điểm thì phương pháp phun phủ vẫn còn một số
nhược điểm cần khắc phục:
+ Mối liên kết giữa lớp phủ và nền còn thấp.
+ Tổn thất vật liệu phun nhiều.
+ Ảnh hưởng đến sức bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết).
+ Bề mặt phun luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo độ nhấp nhơ.
+ Địi hỏi trình độ tay nghề cơng nhân kỹ thuật cao, điều kiện làm
việc nặng nhọc, độc hại.
Nếu dựa theo nguồn nhiệt sử dụng để phun thì phun phủ được chia làm

3 cơng nghệ chính như sau:

Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học


13

+ Phun bằng hồ quang điện.
+ Phun bằng ngọn lửa khí cháy.
+ Phun plasma.
Nếu chia theo loại vật liệu phun thì có hai loại: vật liệu phun dạng dây,
vật liệu phun dạng bột. Ngồi kim loại cịn có thể phun các vật liệu phi kim
loại (gốm, carbid…).
Hiện nay, phun phủ đang được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến
như: Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy Điển… với dây chuyền cơng suất
rất cao, có thể lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong một ngày. Tại các
nước có công nghệ khoa học phát triển đều thành lập các viện, trung tâm hay
hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ: Hiệp hội phun phủ
nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS, viện Công nghệ
Bombay (Ấn Độ), viện Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật
Bản)... hàng năm đều có các cuộc hội thảo báo cáo quốc tế về lĩnh vực này.
Các hiệp hội đều có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh vực này.
Ở nước ta trong những năm vừa qua công nghệ phun phủ được ứng
dụng và nghiên cứu còn rất hạn chế mặc dù nhu cầu nâng cao chất lượng và
tuổi thọ của các kết cấu cơng trình là rất lớn. Đặc biệt là Việt Nam có khí hậu
nhiệt đới gió mùa, hầu như quanh năm ẩm ướt (độ ẩm cao 80 ÷ 90%) làm cho
các chi tiết kết cấu rất dễ bị phá huỷ do ăn mòn, việc nâng cao chất lượng bề
mặt để kéo dài tuổi thọ cho chi tiết kết cấu càng là vấn đề trở nên cấp thiết.

Nhưng do chưa được đầu tư nghiên cứu và khai thác ứng dụng một cách có
hiệu quả và quy mơ nên so với các phương pháp bảo vệ khác như mạ, phun
sơn... phun phủ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, song song với việc phát triển
kinh tế, khoa học công nghệ, các ngành kỹ thuật, cơng nghiệp thì việc địi hỏi
nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các kết cấu chi tiết là
Lý Quốc Cường

Luận văn thạc sỹ khoa học