Thiết kế tối ưu hệ thống đầu phun nhiệt khí dây oxy khí cháy ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy

..

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

Kiều Đăng Trường

THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐẦU PHUN NHIỆT KHÍ DÂY
OXY-KHÍ CHÁY ỮNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ
XỬ LÝ BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018


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

***************

Kiều Đăng Trường

THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐẦU PHUN NHIỆT KHÍ DÂY
OXY-KHÍ CHÁY ỮNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ
XỬ LÝ BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. Lê Đức Bảo

Hà Nội – 2018


MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 4
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ........................................................................ 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 9
CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ......................................................... 12
1.1. Khái niệm chung và phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí ............... 12
1.1.1. Khái niệm chung...................................................................................... 12
1.1.2. Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí ........................................ 15
1.2. Thiết bị phun phủ nhiệt khí ............................................................................ 19
1.2.1. Thiết bị phun ngọn lửa khí cháy............................................................... 19
1.2.2. Thiết bị phun điện.................................................................................... 22
1.2.3. Thiết bị phun plasma ............................................................................... 23
1.3. Vật liệu phun phủ ........................................................................................... 23
1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ..................................... 26
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước: ............................................................ 26
1.4.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ......................................................... 29
1.5. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 32
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ CỦA THIẾT BỊ ......... 33
PHUN NHIỆT KHÍ DÂY OXY - KHÍ CHÁY ...................................................... 33
2.1. Cơ sở lý thuyết về công nghệ phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy .................... 33
2.1.1. Đặc điểm cơng nghệ phun dây ngọn lửa khí............................................. 33

2.1.2. Các thông số công nghệ phun và ảnh hưởng của chúng tới chất lượng lớp
phủ. ................................................................................................................... 36
2.2. Hệ thống thiết bị nhiệt khí dây ơxy– khí cháy ................................................. 40
2.2.1. Sơ đồ tổng thể, nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị ....................... 40

1


2.2.2. Chức năng và yêu cầu kỹ thuật các bộ phận cấu thành thiết bị ................. 43
2.2.3. Phương hướng thiết kế tối ưu hệ thống đầu phun phun nhiệt ôxy khí cháy
.......................................................................................................................... 45
2.3. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 46
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TỐI ƯU CỤM ĐẦU SÚNG PHUN ............................... 47
3.1. Cấu tạo chung đầu súng phun ......................................................................... 47
3.1.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đầu phun nhiệt khí oxy - khí
cháy................................................................................................................... 47
3.1.2. Một số hệ thống phun nhiệt khí dây ơxy-khí cháy điển hình của một số
hãng nổi tiếng trên thế giới ................................................................................ 51
3.1.3. Các yêu cầu thiết kế tối ưu cho cụm đầu bép. .......................................... 57
3.2. Thiết kế tối ưu các chi tiết của đầu súng phun ................................................. 59
3.2.1. Cụm đầu bép phun chính ......................................................................... 59
3.2.2. Buồng phân phối khí ................................................................................ 63
3.2.3. Thân đầu phun ......................................................................................... 64
3.3. Tính tốn thiết kế bộ phận cấp dây phun ......................................................... 67
3.3.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý thiết kế tổng thể ............................................ 67
3.3.2. Đặc tính kỹ thuật của bộ phận cấp dây: .................................................... 68
3.4. Quy trình cơng nghệ lắp ráp và vận hành thiết bị ............................................ 71
3.4.1. Quy trình lắp ráp đầu phun: ..................................................................... 71
3.4.2. Vận hành thiết bị: .................................................................................... 73
3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 74

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................... 75
4.1. Thực nghiệm lắp ráp và vận hành thiết bị ....................................................... 75
4.2. Thực nghiệm vận hành thiết bị và phun thử nghiệm trên sản phẩm mẫu ......... 77
4.2.1. Chuẩn bị trước khí phun: ......................................................................... 77
4.2.2. Thực nghiệm quá trình phun .................................................................... 78
4.3. Đánh giá kết quả thử nghiệm thiết bị và các mẫu thử nghiệm ......................... 80
4.3.1. Đánh giá chất lượng thiết bị của Đề tài .................................................... 80
4.3.2. Đánh giá chất lượng sản phẩm phun thử nghiệm...................................... 80
4.3. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 83

2


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 85
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 86

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
đang sử dụng và các cơng trình được cơng bố (ngoại trừ các bảng biểu số liệu tham
khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được phép
sử dụng). Những kết quả thử nghiệm được lưu giữ, giới thiệu trong bản thuyết minh
và ghi lại bằng hình ảnh là hồn tồn trung thực.
Tơi chịu hồn tồn trách nhiệm và những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 3 năm 2018
Tác giả

Kiều Đăng Trường

4


LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn tác giả xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành của
mình tới TS. Lê Đức Bảo, người đã hướng dẫn trực tiếp và tận tình giúp đỡ trong việc
như: định hướng nghiên cứu đề tài, hướng dẫn thực hiện cũng như quá trình viết thành
bản luận văn hồn chỉnh.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với ban lãnh đạo Viện Cơ khí và Viện đào tạo
Sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn
thành bản luận văn này.
Tác giả trân trọng cảm ơn tới tập thể lãnh đạo và các anh chị đồng nghiệp
thuộc Phịng thí nghiệm Trọng điểm Cơng nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên
cứu Cơ khí đã giúp đỡ, đồng hành và tạo điều kiện trong q trình làm việc cơng tác,
nghiên cứu, làm thực nghiệm và hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ “Thiết kế tối ưu
hệ thống đầu phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy ứng dụng trong cơng nghệ xử lý bề
mặt chi tiết máy”.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy/cô, các nhà khoa học và
bạn bè đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 3 năm 2018
Tác giả

Kiều Đăng Trường

5

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí ...................................... 15
Bảng 1.2. Thành phần hóa học (%) và cơ tính ....................................................... 24
Bảng 1.3. Thành phần hóa học và cơ tính của đồng phơt-pho (JISH 3751) ............ 24
Bảng 1.4 .Thành phần hóa học của đồng thau (JIS4/3203), %................................ 25
Bảng 1.5. Thành phần hóa học (%) của Monel ...................................................... 25
Bảng 1.6. Thành phần hóa học của dây thép cacbon (%) ....................................... 26
Bảng 2.1. Tính chất hóa lý của các loại khí cháy ................................................... 34
Bảng 2.2. Nhiệt độ nóng chảy của các hỗn hợp khí khí nhau ................................. 35
Bảng 3.1. Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị FWS-20............................ 54
Bảng 4.1. Các thông số chế độ phun ...................................................................... 78
Bảng 4.2. Kết quả đo độ bám dính lớp phủ ............................................................ 82

6


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý cơng nghệ phun phủ nhiệt khí. [3]................................ 13
Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị phun dây bằng ngọn lửa khí ............................................. 19
Hình 1.3. Cấu tạo thiết bị phun bột bằng ngọn lửa khí ........................................... 21
Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị phun nổ ............................................................................ 21
Hình 1.5 Cấu tạo thiết bị phun hồ quang điện ........................................................ 22
Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống phun plasma .................................................................. 23
Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo đầu phun nhiệt khí ơxy – khí cháy .................................... 27
thực hiện cấp dây phun bằng tuốc bin khí .............................................................. 27
Hình 1.4. Đầu phun khí cháy của M. U. Schoop .................................................... 30
Hình 1.5. Súng phun Wire Flame Jet 5KM ............................................................ 31
Hình 1.6. Thiết bị phun nhiệt khí (Castolin)........................................................... 31
Hình 2.1. Ngun lý phương pháp phun dây ngọn lửa khí ..................................... 33

Hình 2.2. Sự thay đổi tốc độ ngọn lửa khí theo chiều dài khoảng cách phun. ......... 36
Hình 2.3. Ảnh hưởng của khoảng cách .................................................................. 39
phun tới độ chịu mòn của lớp phủ.......................................................................... 39
Hình 2.4. Sơ đồ kết cấu tổng thể hệ thống thiết bị phun nhiệt khí dây ơxy – khí cháy
.............................................................................................................................. 41
Hình 3.1. Sơ đồ kết cấu đầu phun nhiệt khí oxy - khí cháy .................................... 48
Hình 3.2. Ngun lý hoạt động bộ phận đầu phun ơxy – khí cháy.......................... 49
Hình 3.3. Cấu trúc và sự hình thành ngọn lửa phun nhiệt khí [1] .......................... 50
Hình 3.4. Sự phân bố nhiệt trong ngọn lửa khí ....................................................... 51
Hình 3.5. Đầu phun súng FWS-200 thuộc hệ thống phun FWS-20 ........................ 52
Hình 3.6. Bảng điều khiển các thông số của hệ thống phun FWS-20 ..................... 52
Hình 3.7. Hệ thống phun MK61-FS ....................................................................... 54
Hình 3.8. Đầu súng phun dòng MTU của hãng TAKEN ........................................ 55
Hình 3.9. Nguyên lý cơ bản của cụm bép phun [1-tr30] ......................................... 58
Hình 3.10. Sơ đồ cấu tạo cụm đầu bép phun .......................................................... 59
Hình 3.12. Cấu tạo đầu bép trong .......................................................................... 63

7


Hình 3.13. Cấu tạo buồng phân phối khí ................................................................ 63
Hình 3.14. Cấu tạo thân đầu phun .......................................................................... 65
Hình 3.15. Cấu tạo của đầu súng phun nhiệt khí dây ơxy – khí cháy ..................... 66
Hình 3.16. Sơ đồ cấu tạo cơ cấu cấp dây phun ....................................................... 67
Hình 3.17. Bản vẽ cấu tạo bộ phận cấp dây phun ................................................... 70
Hình 3.18. Sơ đồ quy trình lắp ráp đầu súng phun nhiệt khí ................................... 72
Hình 4.1. Lắp ráp các chi tiết cụm đầu bép phun chính với buồng phân phối khí ... 75
Hình 4.2. Đầu nối hệ thống đường ống dẫn khí với đầu súng phun ........................ 75
Hình 4.3. Vận hành thử đầu súng trước khi lắp vào hệ thống cấp dân .................... 76
Hình 4.4. Đầu phun sau khi đã lắp ráp hồn chỉnh ................................................. 76

Hình 4.5. Hệ thống phun nhiệt khí sau khi được lắp ráp hồn chỉnh ...................... 76
Hình 4.6. Phun thử nghiệm kẽm, đồng, thạch cao và sành .................................... 77
thiết bị trước khi phun mẫu .................................................................................... 77
Hình 4.7. Chuẩn bị bề mặt nền chi tiết trước khi phun ........................................... 78
Hình 4.8. Hình ảnh quá trình phun thực nghiệm .................................................... 79
Hình 4.9. Quá trình điều chỉnh tốc độ cấp dây phun .............................................. 79
Hình 4.10. Lớp phủ kẽm sau khi phun ................................................................... 79
Hình 4.11. Các lớp phủ đồng trên nền thép sau khi phun ....................................... 80
Hình 4.12. So sánh tương quan độ mịn giữa 2 lớp phủ........................................... 81
Hình 4.13. Thử nghiệm độ bám dính lớp phủ sau khi phun .................................... 82

8


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Khoa học kỹ thuật phát triển đã góp phần tạo ra những vật liệu mới có tính
năng vượt trội so với vật liệu truyền thống sử dụng trong công nghiệp. Chẳng hạn
như những bề mặt kết cấu làm việc trong mơi trường hố chất, đặc biệt khi có áp suất
cao sẽ chịu ăn mịn lớn; các bề mặt tiếp xúc kiểu ma sát làm việc trong điều kiện khắc
nghiệt cũng chóng bị mịn cơ học; những thiết bị hàng không, vũ trụ làm việc ở nhiệt
độ cao thậm chí cịn bị bốc cháy, tiêu hủy nếu khơng có lớp giáp bảo vệ đặc biệt...
Để giải quyết những vấn đề nêu trên, người ta đã nghiên cứu, ứng dụng và cho
đến nay đã hình thành một nhánh cơng nghệ mới trong chế tạo máy, đó là cơng nghệ
phun phủ. Bản chất q trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim) nóng chảy
nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun (va đập) vào lớp nền, do ảnh
hưởng của các biến cứng lý hố tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc vào
lớp nền.
Phun phủ kim loại là công nghệ không thể thiếu trong các lĩnh vực kim loại,
luyện kim; điện – điện tử, cơ khí.…Mục đích sử dụng của cơng nghệ này là bảo vệ

chống ăn mịn trong các mơi trường khí quyển, mơi trường nước, tạo các lớp phủ có
khả năng làm việc trong các điều kiện kỹ thuật đặc biệt như nhiệt độ cao, chịu ma sát,
sửa chữa các khuyết tật của vật đúc hoặc các khuyết tật xuất hiện khi gia cơng cơ khí,
tạo các lớp bảo vệ và trang trí cho các cơng trình mỹ thuật…
2. Lịch sử nghiên cứu
Trong nước đã có nhiều đơn vị nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt
vào chế tạo phục hồi chi tiết máy. Công nghệ phun phủ nhiệt trong những năm gần
đây đã được chuyển giao vào Việt Nam. Phịng Thí Nghiệm trọng điểm công nghệ
Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên Cứu Cơ khí và một số cơ đơn vị nghiên cứu, cơ
sở sản xuất đã được trang bị những thiết bị hiện đại nhập từ nước ngoài.
Ngoài ra tại đơn vị này đã có nghiều cơng trình khoa học được công bố về lĩnh
vực phun phủ nhiệt và trong số đó có cơng nghệ phun phủ nhiệt khí dây ơxy khí cháy.
Đã có những cơng trình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt áp dụng vào

9


sản suất như: Phun phục hồi cổ trục, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt
nâng cao chất lượng chi tiết cơ khí bằng phương pháp phun phủ Plasma; Nghiên cứu
triển khai công nghệ phun phủ đồng và hợp kim đồng bảo vệ chống ăn mòn và tạo
lớp phủ trang trí cho các sản phẩm mỹ thuật: phù điêu, tượng đài bằng thạch cao hoặc
bê tông…
Ở nước ta, chưa có đơn vị nào trực tiếp sản xuất loại thiết bị này và chủ yếu
là nhập khẩu từ nước ngồi. Chính vì vậy, nhiệm vụ của đề tài này đặt ra là làm chủ
việc thiết kế và chế tạo thiết bị thay để thế nhập ngoại, đóng góp một phần vào nền
kinh tế của đất nước.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
❖ Mục đích nghiên cứu:
- Làm chủ cơng nghệ thiết kế và chế tạo thiết bị phun nhiệt khí dây oxi – khí
cháy ứng dụng trong ngành cơ khí chế tạo và phục hồi chi tiết máy.

- Thiết kế tối ưu thiết bị phun phủ nhiệt khí dây – ơxy khí cháy với việc cấp dây
tự động.
- Đánh giá thử nghiệm thiết bị trên một số mẫu vật liệu khác nhau
❖ Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống thiết bị phun nhiệt khí dây ơ xy khí cháy cầm tay sử dụng việc cấp
dây bằng động cơ điện:
❖ Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu cấu tạo cụm đầu bép của thiết bị phun nhiệt khí dây ơxy
– khí cháy cầm tay sử dụng cấp dây bằng động cơ điện.
- Thời gian nghiên cứu: 1 năm kể từ ngày được giao nhận đề tài
4. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Hệ thống thiết bị phun nhiệt khí ơxy – khí cháy bao gồm các bộ phận chính
như: Đầu phun ơxy – khí cháy, bộ phận cấp khí (ơxy, khí cháy và khí nén áp lực cao),
hệ thống đồ gá phun… trong đó đầu phun là bộ phận quan trọng và có cấu tạo phức
tạp hơn cả. Nhiệm vụ chính của đầu phun nhiệt khí ơxy – khí cháy là tạo ra nguồn
nhiệt ( ngọn lửa khí) tập trung cường độ cao bằng phản ứng của hỗn hợp ôxy – khí

10


cháy và cấp dây trong suốt quá trình phun. Việc thiết kế tối ưu thiết bị phun phủ nhiệt
khí dây – ơxy khí cháy với việc cấp dây tự động, đồng thời đánh giá thử nghiệm thiết
bị trên một số mẫu vật liệu khác nhau là cần thiết.
- Tính thực tiễn:
Việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị đầu phun nhiệt khí thay thế thiết bị nhập
ngoại có ý nghĩa thực tiễn cao, khơng chỉ là việc nội địa hóa thiết bị mà còn là điều
kiện để các kỹ sư cơ khí, các doanh nghiệp trong nước nắm bắt và từng bước làm chủ
cơng nghệ hiện đại từ đó giúp các đơn vị chủ động trong sản xuất, giảm giá thành sản
phẩm, đa dạng hố về chủng loại tăng tính linh động trong sản xuất đáp ứng với yêu
cầu của sự nghiệp cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước.

Để đáp ứng nhu cầu trong nước và từng bước chủ động trong việc chế tạo,
thay thế sửa chữa những hư hỏng trong quá trình sử dụng, Đề tài: “Thiết kế tối ưu hệ
thống đầu phun nhiệt khí dây oxy – khí cháy ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt
chi tiết máy” mong muốn làm rõ các vấn đề cơ sở khoa học về thiết bị trong công
nghệ phun phủ xử lý bề mặt, cơng nghệ phun phủ nhiệt khí dây ơxy - khí cháy.
Nội dung Đề tài bao gồm 4 chương:
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan
Chương 2. Nghiên cứu phân tích cơng nghệ của thiết bị phun phủ nhiệt khí
cùng chủng loại và lựa chọn đối tượng thiết kế.
Chương 3. Thiết kế tối ưu cụm đầu phun nhiệt khí dây oxy khí cháy
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
5. Phương pháp nghiên cứu:
- Dựa trên thiết bị hiện có trong Phịng thí nghiệm trọng điểm cơng nghệ Hàn
và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, tiến hành nghiên cứu thiết kế đầu phun
nhiệt khí dây - ơxy khí cháy.
- Tiến hành phun thực nghiệm, kiểm tra đánh giá chất lượng thiết bị và các sản
phẩm mẫu thử.

11


CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm chung và phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí
1.1.1. Khái niệm chung
Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với
những chế độ công tác rất khác nhau. Chúng bị phá hủy và hư hỏng dưới nhiều dạng.
Có nhiều nguyên nhân, những nguyên nhân chính là: gỉ (do làm việc trong mơi trường
khơng khí – các kết cấu xây dựng, và nước – các phương tiện thủy; các môi trường
tĩnh và động – thiết bị hóa học…); ăn mịn (chẳng hạn dưới tác dụng của chất lỏng
và khí cháy); mài mịn cơ học và các hư hỏng khác (chẳng hạn tại các mặt tiếp xúc

của các chi tiết làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao).
Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được
đưa ra: gia cơng nhiệt để cải thiện tính chất của vật liệu; sản xuất vật liệu mới và hợp
kim. Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ chống ăn mịn
và mài mịn.
Có nhiều phương pháp phủ trên bề mặt chi tiết và kết cấu tùy theo mục đích
sử dụng và điều kiện làm việc của chúng. Có những lớp phủ bao vệ hoặc trang trí, có
những lớp phủ đặc biệt với những tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu mài mòn,
chịu nhiệt và cách nhiệt…
Phun phủ nhiệt khí là một nhóm các q trình trong đó vật liệu phun dưới dạng
dây, thanh hoặc bột được đốt nóng chảy và dưới tác dụng của luồng khí nén tạo thành
các hạt nhỏ chuyển động với tốc độ cao tới bề mặt chi tiết phun (vật liệu cơ bản hay
vật liệu nền ). Nguồn nhiệt đốt nóng vật liệu phun có thể là ngọn lửa oxy - khí cháy,
hồ quang điện, hồ quang plasma hoặc năng lượng nổ của hỗn hợp khí cháy. Dưới
đây là sơ đồ ngun lý cơng nghệ phun phủ nhiệt khí được trình bày trong hình 4:

12


Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý cơng nghệ phun phủ nhiệt khí. [3]
Phun kim loại có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim của chúng
lên bề mặt kim loại hoặc lên các bề mặt cứng khác như gốm sứ, thạch cao, bê tông,
gỗ…
Thông thường vật phun ( vật liệu cơ bản ) được làm nhám trước khi phun bằng
phương pháp phun cát hoặc phun hạt cứng. Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ
nói chung phụ thuộc vào điều kiện làm việc của các chi tiết và kết cấu. Ngoài ra sự
cải thiện chất lượng bề mặt của vật liệu cũng cho phép thiết kế và chế tạo máy móc
và thiết bị năng suất hơn.
Khi các phần tử kim loại nóng chảy đập vào vật phun, chúng biến thành các
phiến mỏng có dạng hình học khác nhau. Các phiến mỏng nhanh chóng nguội và

đơng cứng. Các lớp phiến mỏng liên tục được tạo thành tới độ dày yêu cầu và chuyển
thành cấu trúc lá mỏng.
Sự liên kết giữa vật liệu cơ bản và vật liệu phun có thể là liên kết cơ học, hố
học hoặc sự kết hợp của chúng. Sự xử lý nhiệt sau khi phun cho phép tăng độ bền của
lớp phun nhờ sự khuếch tán hoặc nhờ phản ứng hoá học giữa lớp phun và vật liệu cơ
bản.
Độ chặt ( mật độ ) của lớp phun phụ thuộc vào vật liệu phun, phương pháp phun,
điều kiện phun và sự xử lý nhiệt sau khi phun. Nói chung độ chặt của lớp phun bằng
khoảng 85 ÷ 90% độ chặt của vật liệu phun. Các tính chất của lớp phun phụ thuộc
vào các yếu tố như độ xốp, độ dính giữa các hạt ( phần tử ) phun, độ bám của lớp
phun với vật liệu cơ bản và thành phần hoá học của vật liệu phun.

13


➢ Ưu điểm của công nghệ phun phủ
Công nghệ phun phủ có những ưu điểm nổi trội so với các cơng nghệ khác. Đó
là:
- Bằng phun phủ 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... khơng
thể thực hiện được mục đích này do khơng có các thiết bị phụ trợ thích hợp (như bể
chứa hoặc thiết bị nung nóng). Phun phủ là phương pháp tiện lợi nhất và kinh tế nhất
đối 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 bị 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 ứng 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 tồn phần hoặc cục bộ
các chi tiết phủ bằng các phương pháp khác có thể gây biến dạng lớn.
- Bằng phương pháp phun có sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp. Trong
trường hợp này, phun phủ được tiến hành trên mặt khuôn mẫu. Sau khi phun khuôn
mẫu được tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun.
- Q trình cơng nghệ phun phủ đảm bảo năng suất cao và khối lượng công việc
không lớn.
➢ Nhược điểm của công nghệ phun phủ
- Khi chi tiết phun nhỏ, phun phủ ít hiệu quả do tổn hao vật liệu phun lớn. Trong
trường hợp này, kinh tế hơn là sử dụng phương pháp khác.

14


- Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi phun gây ô nhiễm môi trường làm việc do
phải sử dụng các thiết 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 tung toé, đồng thời có thể tạo
các hợp chất có hại cho sức khoẻ của người công nhân.
1.1.2. Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí
Dựa theo nguồn năng lượng nhiệt được cung cấp để làm nóng chảy vật liệu phun
có thể phân các phương pháp phun thành hai nhóm: phun ngọn lửa khí và phun điện.
Bảng 1.1. Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt khí
Nhóm 2: Nguồn điện

Nhóm 1: Khí cháy

1. Phương pháp phun ngọn lửa khí

1. Hồ quang điện

2. Phương pháp phun nổ

2. Hồ quang plasma

1.1.2.1. Phương pháp phun ngọn lửa khí
Khi phun ngọn lửa khí, nguồn năng lượng nhiệt được tạo bởi sự đốt cháy hỗn
hợp oxi với khí cháy. Tùy thuộc vào trạng thái vật liệu phun, sự phun có thể có ba
dạng: phun dây, phun thanh và phun bột. Ngoài ra, sự phun nổ dựa trên nguyên lý sử
dụng năng lượng nổ của hỗn hợp oxi – khí cháy cũng thuộc phương pháp phun ngọn
lửa khí.
➢ Phương pháp phun dây ngọn lửa khí:
Nguyên lý của phương pháp phun dây ngọn lửa khí: vật liệu được cấp qua lỗ
tâm của đầu súng phun và nóng chảy trong ngọn lửa. Luồng khơng khí nén làm phân
tán vật liệu phun nóng chảy thành các hạt nhỏ phủ trên bề mặt vật phun. Dây được
cấp với tốc độ không đổi nhờ các con lăn dẫn động của tua bin khơng khí hoặc động
cơ điện.
Khi sử dụng tua bin khí, việc điều chỉnh chính xác tốc độ cấp dây sẽ khó khăn,
tuy nhiên súng phun sẽ gọn nhẹ hơn. Vì vậy tua bin khí được dùng trong các súng
phun cầm tay. Súng phun dùng động cơ điện cho phép điều chỉnh tốc độ cấp dây

15


chính xác hơn và duy trì ổn định tốc độ đó. Tuy nhiên vì nặng hơn nên các súng phun
như vậy được lắp trên thiết bị cơ khí hóa dùng cho phun phủ.
Đường kính dây phun thường khơng q 3mm. Khi phun các kim loại có nhiệt

độ nóng chảy thấp (như nhơm, kẽm…) có thể sử dụng dây phun đường kính 5 ÷ 7mm.
➢ Phương pháp phun bột bằng ngọn lửa khí:
Nguyên lý phun ngọn lửa khí với vật liệu bột: Bột phun chảy từ phễu xuống
bị kéo theo bởi dịng khí tải (hỗn hợp oxi – khí cháy) và rơi vào ngọn lửa. Các phần
tử bột bị đốt nóng và bắn vào bề mặt vật phun. Trong các đầu súng phun bột và phun
dây, việc cấp vật liệu phun có thể được thực hiện nhờ luồng khơng khí nén. Trong
nhiều trường hợp khí axetylen được dùng làm khí cháy. Khi phun chất dẻo thường
dùng khí propan.
Ứng dụng: Phun khí cháy được dùng để tạo lớp phủ có chức năng khác nhau,
bằng cách phun các vật liệu bột và dây. Khác với phun plasma, phương pháp này
không đảm bảo khả năng phủ được những vật liệu khó nóng chảy.
Ưu điểm: Thiết bị phun không phức tạp và rẻ, phun dây có hệ số sử dụng vật
liệu cao.
Nhược điểm: Năng suất khơng cao, đặc biệt khi phun bột. Trong luồng lửa
khí có lẫn khí hoạt tính, tác động tới vật liệu kim loại; lớp phủ từ bột có chất lượng
thấp.
➢ Phương pháp phun nổ:
Phương pháp phun nổ khác nhiều so với phương pháp phun ngọn lửa khí về
nguyên lý. Ở đây các phần tử bột được đốt nóng nhiều lần và phóng tới mặt vật phun
bởi sự kích nổ nhanh và liên tục của hỗn hợp khí nổ oxi - acetylen trong buồng súng
phun.
Nguyên lý phương pháp phun nổ như sau: oxi và axêtylen được trộn theo tỷ lệ
xác định chặt chẽ, sau đó dẫn vào buồng đốt có phần nịng được làm lạnh bằng nước,
hướng nịng phun về phía chi tiết phun. Sau đó qua một lỗ nhỏ trên buồng đốt, dùng
khí nitơ người ta đẩy bột phun vào khoang. Dùng tia lửa điện để mồi cháy hỗn hợp

16


khí và bột phun ở trạng thái lơ lửng. Hỗn hợp khí phát nổ, sinh ra nhiệt và sóng va

đập, đốt nóng và phóng các phần tử bột trên bề mặt chi tiết phun.
Khi phun nổ các phần tử bột phun được tích lũy động năng rất lớn. Ở cự ly 75
mm tính từ miệng buồng nổ, tốc độ hạt có thể đạt tới 820 m/s và nhiệt độ của bột
phun trên bề mặt chi tiết có thể đạt tới 4000oC. Sau khi nổ, buồng nổ được làm sạch
sản phẩm cháy bằng nitơ và quá trình lại lặp lại. Tần số nổ được điều chỉnh trong
phạm vi 3 ÷ 4 lần/giây.
Phun nổ được ứng dụng để phun các lớp cứng và bền mịn từ bột cacbit có
chứa một lượng nhỏ bột oxit kim loại liên kết. Mỗi chu kỳ phun đạt độ dày khoảng
6µm. Q trình phun tiếp tục kéo dài tới khi lớp phun đạt được chiều dày cần thiết
(0,25 ÷ 0,3 mm). Các lớp phun nổ có độ chặt cao và độ bám dính cao. Khi phun nổ
nhiệt độ chi tiết phun không vượt quá 200oC (Khi phun ngọn lửa khí nhiệt độ chi tiết
vào khoảng 260÷320oC). Vì vậy chi tiết hầu như không bị biến dạng và khơng thay
đổi tính chất cơ lý khác.
Nhược điểm của phương pháp phun nổ
- Tiếng ồn tới 140 dB, vì vậy phải đặt thiết bị phun tại một vị trí đặc biệt.
- Thiết bị phun nổ có giá thành cao.
1.1.2.2. Phương pháp phun hồ quang điện
Phun hồ quang điện bản chất là một q trình phun phủ nhiệt khí, trong đó hồ
quang được tạo ra giữa hai điện cực nóng chảy của vật liệu phủ. Khí nén được sử
dụng để làm tơi nhỏ và đẩy vật liệu tới bề mặt chi tiết phủ.
Nguyên lý phương pháp phun hồ quang điện: Các dây phun được cấp qua hai
ống dẫn và đồng thời là hai điện cực. Khi hai đầu dây tiếp xúc nhau thì hồ quang xuất
hiện. Ống dẫn khơng khí nén được đặt giữa hai ống dẫn dây. Luồng khơng khí nén
thổi tách các giọt kim loại khỏi các điện cực tạo thành các phần tử kim loại nóng chảy
bám vào bề mặt chi tiết phun.
Thiết bị phun hồ quang điện có thể làm việc với dịng một chiều hoặc dịng
xoay chiều. Khi sử dụng dòng xoay chiều, hồ quang cháy khơng ổn định và tạo tiếng
nổ lớn. Q trình phun với dịng điện một chiều ổn định, lớp phun có cấu trúc hạt

17

mịn, năng suất cao. Vì vậy hiện nay các nguồn điện một chiều được dùng để phun hồ
quang. Dây phun có đường kính 0,8 – 3mm
Ưu điểm chính của phương pháp này là năng suất cao, đạt tới 50 kg/h.
Phương pháp này cũng đảm bảo hiệu suất nhiệt cao. Nhờ có nhiệt lượng cao của
hạt phun, mà lớp phun đạt chất lượng cao, có độ bám dính lớn (tốt hơn độ bám của
lớp phun ngọn lửa khí), độ bền lớp phun cao và độ xốp thấp. Khi sử dụng hai dây
kim loại khác nhau có thể nhận được lớp phủ hợp kim.
Nhược điểm của phương pháp phun hồ quang điện là sự quá nhiệt và oxi hóa
vật liệu phun khi tốc độ cấp dây bé. Ngoài ra, lượng nhiệt lớn phát ra từ hồ quang
làm cháy đáng kể các nguyên tố hợp kim tham gia vào lớp phủ.
1.1.2.3. Phương pháp phun plasma
Khi một chất khí với các phần tử tạo bởi nhiều nguyên tử được đốt nóng tới
nhiệt độ trên 1000K thì xảy ra quá trình phá hủy các liên kết phân tử và chất khí
chuyển sang trạng thái ion. Nhiệt độ của q trình đó – gọi là q trình phân ly được
xác định bởi chất khí và áp suất của nó. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, các điện tử tách
khỏi nguyên tử và xảy ra sự ion hóa ngun tử đó. Dưới áp suất khí quyển và nhiệt
độ 10000K, các khí như oxi và nitơ là những khí ion hóa. Chất khí mà trong đó phần
lớn các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa và nồng độ các điện tử và ion âm bằng
nông độ các ion dương gọi là plasma. Plasma có độ dẫn điện rất cao.
Các dạng phóng điện trong chất khí, trong đó có cả phóng điện hồ quang được
ứng dụng rộng rãi để tạo plasma.
Phương pháp phun plasma có những đặc điểm dưới đây.
- Nhiệt độ cao của tia plasma cho phép phun các vật liệu khó chảy. Nhiệt độ tia
plasma có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi đường kính miệng
phun (đầu bép) và chế độ cơng tác của súng phun. Điều đó cho phép phun các vật liệu
khác nhau (kim loại, gốm và vật liệu hữu cơ). Do sử dụng khí trơ làm khí cơng tác
nên lượng oxit tạo thành trong lớp phủ rất nhỏ. Khi cần thiết có thể tiến hành sự phun
trong buồng chứa khí trơ.

18


- Các lớp phun plasma có độ chặt cao và độ bám tốt với vật liệu nền. Tuy nhiên
năng suất phun plasma tương đối thấp, khi phun có tiếng ồn và tia cực tím. Giá thành
và chi phí vận hành cao là nhược điểm của phương pháp phun plasma.
1.2. Thiết bị phun phủ nhiệt khí
1.2.1. Thiết bị phun ngọn lửa khí cháy
Thiết bị đồng bộ để phun ngọn lửa khí bao gồm các bộ phận sau:
- Đầu phun;
- Bình chứa khí oxi và khí cháy;
- Thiết bị điều áp và lưu lượng khí;
- Bình nén khơng khí và bình lọc khí;
- Đồ gá chi tiết phun hoặc súng phun.
Đầu phun được thiết kế tùy thuộc vào vật liệu phun và dạng vật lý của nó (dây,
thanh hoặc bột).
➢ Thiết bị phun dây

Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị phun dây bằng ngọn lửa khí
1-Bộ chia khí; 2-Bình chứa khí; 3-Đồng hồ đo áp suất khí;
4-Đầu súng phun; 5-Ống dẫn khí.

19


Sơ đồ bố trí thiết bị phun dây ngọn lửa khí (hình 1.2) gồm hai cơ cấu chủ yếu:
cơ cấu cấp dây và cơ cấu cấp khí với chức năng kiểm tra và trộn các dịng khí đốt,
oxi và khơng khí. Nguyên lý hoạt động của tất cả các kiểu đầu phun dây ngọn lửa khí
đều giống nhau.

+ Cơ cấu cấp dây gồm động cơ và các con lăn. Chúng có thể được truyền động
bằng khơng khí (tua bin khí) hoặc bằng động cơ điện. Tốc độ cấp dây được kiểm tra
bằng cơ, điện cơ, điện tử hoặc bằng khí.
+ Thiết bị điều áp và lưu lượng khí (oxi và khí cháy) dùng để kiểm tra tỉ lệ khí
và cường độ của ngọn lửa khí. Chúng cho phép tăng tốc độ phun cao hơn so với khí
điều chỉnh bằng van khí. Do các hạt phun nóng chảy tiếp xúc với oxi nên các màng
oxit hình thành trên bề mặt, kể cả sử dụng hỗn hợp khí khử oxi. Chiều dày màng oxit
không thay đổi lớn khi thay đổi tỉ lệ oxi- khí cháy.
+ Khơng khí nén được dùng để ngun tử hóa và đẩy vật liệu phun nóng chảy
tới vật liệu nền. Việc lọc và sấy khơ khơng khí trước khi phun nhằm để nhận được
lớp phun chất lượng. Dầu và nước trong khơng khí nén làm thay đổi cường độ ngọn
lửa, ảnh hưởng xấu đến quá trình nguyên tử hóa của vật liệu phun, làm giảm độ bám
và các tính chất khác của lớp phun. Thiết bị lọc và sấy khơng khí phải đặt ở giữa
nguồn cấp khí và đầu phun. Sự điều chỉnh chính xác áp suất khí nén đảm bảo cho q
trình ngun tử hóa đồng đều của vật liệu phun.
➢ Thiết bị phun bột bằng ngọn lửa khí
Thiết bị này tương tự như đối với phun dây nhưng có điểm khác biệt đó là vật
liệu phun dạng bột và do đó về nguyên lý và cấu tạo đầu súng phun đặc biệt hơn so
với đầu súng phun bằng vật liệu dây. Thiết bị được thiết kế nhẹ nhàng để sách tay.
Trong nhiều trường hợp đặc biệt, thiết bị phun bột có kết cấu giống mỏ hàn oxi –
axetylen. Bột phun được cấp vào tia khí trước khi rời khỏi đầu bép.

20


Hình 1.3. Cấu tạo thiết bị phun bột bằng ngọn lửa khí
➢ Thiết bị phun nổ

Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị phun nổ
Súng phun nổ có kết cấu khác so với thiết bị phun khí cháy. Nó dùng năng

lượng nổ của hỗn hợp khí oxi- axetylen để thổi các phần tử bột lên bề mặt chi tiết
phun. Lớp phủ nhận được rất cứng, chặt và liên kết chắc.
Cấu tạo súng phun nổ gồm nịng dài trong đó hỗn hợp khí oxi – axetylen và
vật liệu phun bột lơ lửng trong khí nito được đưa vào. Hỗn hợp khí oxi – axetylen
được kích nổ nhiều lần trong một giây bằng tia lửa điện, tạo nên hàng loạt sóng nổ
làm gia tốc và nung nóng các phần tử bột khi chúng chuyển động trong nòng. Tốc độ
di chuyển của các hạt đạt tới 760m/s. Sau mỗi lần phun, dùng khí nito thổi sạch cơ
cấu trước khi nổ tiếp. Nhiệt độ súng nổ đạt 3315oC trong đó nhiệt độ vật phun giữ ở
mức dưới 150oC nhờ hệ thống làm mát bằng dioxit cacbon.

21


1.2.2. Thiết bị phun điện
Thiết bị phun hồ quang điện đồng bộ bao gồm đầu phun, nguồn điện tạo hồ
quang, máy nén khí với bình chứa khí và thiết bị lọc khí.
Nguồn điện thường dùng để phun là nguồn một chiều, một dây là catot- dây
kia là anot. Đầu dây catot bị đốt nóng tới nhiệt độ cao hơn đầu dây anot và nóng chảy
với tốc độ nhanh hơn. Nguồn điện một chiều với điện thế 18 -40 V cho phép phun
nhiều dây kim loại và hợp kim khác nhau. Sơ đồ bố trí thiết bị phun hồ quang điện
được trình bày trên (hình 1.5)

Hình 1.5 Cấu tạo thiết bị phun hồ quang điện
Khe hở của hồ quang và kích thước hạt tăng khi tăng điện thế. Điện áp phun
phải được giữ ở mức thấp nhất có thể và đảm bảo tính ổn định của hồ quang để nhận
được các lớp phun hạt mịn nhất và có độ chặt tối đa.

22

1.2.3. Thiết bị phun plasma

Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống phun plasma
Thiết bị phun plasma đồng bộ (hình 1.6) bao gồm súng phun plasma, nguồn
điện, nguồn bột, hệ thống cấp bột, tủ điều khiển, đồ gá và thiết bị di chuyển.
1.3. Vật liệu phun phủ
Trong các phương pháp công nghệ phun phủ nhiệt khí, người ta hay dùng vật
liệu phun là dạng dây (kim loại hay hợp kim). Dùng dây phun cho phép cấp liệu
liên tục và đều đặn vào đầu phun, giúp ổn định quá trình phun và đảm bảo chất
lượng lớp phun. Chúng ta sẽ lần lượt xem xét một số loại dây phun kim loại và hợp kim.
➢ Dây kẽm
Để phun có thể dùng các mác kẽm tiêu chuẩn JIS 2107 khác nhau mà độ sạch
trên 99,6% hoặc kẽm điện phân có độ sạch trên 99,97%. Độ sạch càng cao thì kích
thước hạt phun tạo thành càng nhỏ, mật độ lớp phun càng cao và càng dễ gia công
sau phun. Dây kẽm thường phun chủ yếu để bảo vệ kim loại đen chống rỉ.
➢ Dây nhôm
Thường hay dùng nhôm tiêu chuẩn JIS 2101, loại 1 (độ sạch rtên 99,85%),
hay nhôm tinh luyện tiêu chuẩn JIS 2111, loại 3 (độ sạch trên 99,95%) và nhôm
loại 4 (độ sạch trên 99,92%). Nếu trong nhơm có lẫn những tạp chất khác như
đồng và sắt thì sẽ giảm các tính chất chống rỉ đáng kể. Chính vì thế khi phun tạo
lớp nhơm chống rỉ thì u cầu đặt ra về độ sạch của vật liệu và hàm lượng tạp chất

23