Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nổ bột thép hợp kim 20cr3NI vào phục hồi chi tiết máy dạng trục

bộ giáo dục và đào tạo
Trờng Đại học nông nghiệp I
===================

Nguyễn Văn Long

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nổ bột thép
hợp kim 20Cr3Ni vào Phục hồi chi tiết máy dạng trục
Chuyên ng nh : Kỹ thuật máy v Cơ giới hoá Nông Lâm nghiệp
MÃ số

: 60.52.14

luận văn tHạc Sĩ Kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS. Hà Minh Hùng
Đơn vị:

ViệN nghiên cứu cơ khí, Bộ Công Thơng

H Nội 2007


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các số liệu v kết quả nghiên cứu trong Luận văn n y l
trung thực v cha hề đợc sử dụng để bảo vệ một học vị n o. Mọi sự giúp đỡ trong
việc thực hiện luận văn đợc cảm ơn v thông tin trích dẫn trong Luận văn đều đ rõ
nguồn gốc.

Tác giả: Nguyễn Văn Long

Tr ng i h c Nụng nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….1


Lời cảm ơn
Tác giả xin chân th nh cảm ơn sự giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn vừa l
Chủ nhiệm đề t i nghiên cứu khoa học cấp Nh nớc m số KC06-13CN: PGS.TS.
H Minh Hùng, các thầy giáo v đồng nghiệp đang l m việc tại Khoa Cơ điện
Trờng Đại học Nông nghiệp I, Trung tâm Đ o tạo v ứng dụng công nghệ Cơ khí
Tự động hoá (Viện Nghiên cứu Cơ khí), Bộ môn Vật liệu học v Nhiệt luyện
(Trờng Đại học Bách khoa H Nội) đ tận tình giúp đỡ ho n th nh Luận văn n y.

Tác giả: Nguyễn Văn Long

Tr ng i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….2


Danh mục các hình
T
T
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

11
12
13
14
15
16
17
18
19
30
31
32
33
34

Tên hình
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý phun phủ
Hình 1.2. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại
Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị phun nhiệt khí dùng bột kim loại
Hình 1.4. Trạm phun phủ nhiệt khí dùng dây v bột phun
Hình 1.5. Sơ đồ phun nổ
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện 2 dây
Hình 1.7. Súng phun plasma v sơ đồ nguyên lý trạm phun plasma
Hình 1.8. To n cảnh một sè bé phËn chÝnh cđa thiÕt bÞ phun nỉ dïng để
phun phủ bằng bột kim loại
Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc lớp phun
Hình 1.10. Sơ đồ ảnh hởng của hạt có tính hoạt hoá nhiệt đến chu
trình nhiệt trong tiếp xúc hạt khi hình th nh lớp phun theo
Hình 2.1. Sơ đồ đa nhiệt năng v o các hạt kim loại phun v lớp nền
bằng dòng plasma

Hình 2.2. Phân bố thực nghiệm, tính toán của dòng năng lợng riêng
trên vết nung
Hình 2.3. a) Hệ số tập trung dòng nhiệt riêng khi phun dây bằng dòng
plasma
Hình 2.3. b) Sự thay đổi hiệu suất nung vật phun
Hình 2.4. Sơ đồ biến dạng ®ång thêi víi kÕt tinh l¹i cđa h¹t kim lo¹i
phun khi va đập v o mặt phẳng
Hình 2.5. Phân bố nhiệt độ tại các thời điểm khác nhau
Hình 2.6. Sơ đồ giải thích về thay đổi thời gian
Hình 2.7. ảnh hởng của nhiệt độ đến hệ số dẫn nhiệt
Hình 2.8. Biểu đồ để tính
Hình 2.9. Chu trình nhiệt khi tiÕp xóc
H×nh 2.10. Chu tr×nh nhiƯt khi tiÕp xóc
H×nh 2.11. Sự va đập của hạt phun với kim loại nền
Hình 2.12. Sự thay đổi tốc độ bay của các hạt hợp kim
Hình 2.13. ảnh hởng của tốc độ bay của các hạt Niken đến độ bền

Tr ng i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….3

Trang
3
5
6
6
7
9
10
11
14
18

23
24
24
24
29
29
30
30
31
32
32
41
43
43


35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48

49
50
51
52
53
54
55
56
57
58

bám dính lớp phủ với nền l thép C35
Hình 2.14. Sù phơ thc cđa nhiƯt ®é tiÕp xóc TK v o nhiệt độ nung
kim loại nền T2
Hình 2.15. Độ bám dính lớp phun có chiều d y khác nhau
Hình 2.16. §−êng cong lý thut vỊ sù phơ thc cđa độ bám dính v o
khoảng cách phun L
Hình 3.1. Thiết bị dùng để tạo mẫu thí nghiệm phun phủ tại Viện NC Cơ
khí
Hình 3.2. Thiết bị phun cát l m sạch bề mặt trớc khi phun phủ tại Viện
Hình 3.3. Bộ phận điều khiển thiết bị phun v súng phun nổ để thí
nghiệm
Hình 3.4. Kính hiển vi dùng để soi kim tơng mẫu phun phủ
Hình 3.5. Dụng cụ để đo độ nhám bề mặt lớp phủ
Hình 3.6. Thiết bị v dụng cụ đo độ bền bám dính bằng phơng pháp
keo dán
Hình 3.7. Lò thí nghiệm để gia công nhiệt mẫu phun phủ
Hình 3.8. Thiết bị đo độ độ cứng lớp kim loại phủ theo HV v đo độ cứng
tế vi
Hình 3.9. VÝ dơ vỊ ¶nh chơp vÕt lâm cđa khèi tứ diện ép tạo mốc nhân

tạo
Hình 3.10. Sơ đồ thử m i mòn vật liệu phun phủ
Hình 3.11. Mẫu thử v sơ đồ thử độ bền liên kết bằng phơng pháp
kéo chốt
Hình 3.12. Mẫu để nghiên cứu cấu trúc tế vi v đo độ cứng lớp phủ v
vùng lân cận biên giới liên kết theo hớng dới góc nghiêng
Hình 4.1.Phun tạo lớp phủ 20Cr3Ni trên mẫu hình trụ bằng súng phun nỉ
H×nh 4.2. MÉu sè 1, 2, 3 sau phun phủ bột thép hợp kim 20Cr3Ni
Hình 4.3. Mẫu phun phủ bột thép hợp kim 20Cr3Ni sau khi m i để cắt
l m các mẫu khảo sát cơ tính v cấu trúc
Hình 4.4. Mẫu thí nghiệm xác định độ bền bám dÝnh líp phđ víi kim lo¹i
nỊnsau phun phđ bét thÐp hợp kim 20Cr3Ni
Hình 4.5 . Thí nghiệm xác định độ bền bám dính lớp phủ với kim loại
nền sau phun phủ bột thép hợp kim 20Cr3Ni
Hình 4.6. Phun tạo lớp phủ thép hợp kim 20Cr3Ni phục hồi trục chân vịt
t u thuỷ bằng súng phun nổ tại Viện NC Cơ khí
Hình 4.7. Phun tạo lớp phủ thép hợp kim 20Cr3Ni phục hồi trục cổ trục
bánh răng hộp số bằng súng phun nổ tại Viện NC Cơ khí
Hình 4.8. ảnh đồ độ xốp lớp phủ 20Cr3Ni
Hình 4.9. ảnh đồ độ bền b¸m dÝnh líp phđ 20Cr3Ni víi nỊn thÐp

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….4

45
47
48
48
48
51
52

53
53
53
53
61
64
64
68
69
70
70
71
71
72
72
75
76


59
60
61
62
63
64
65
66

Hình 4.10. ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận
biên giới với nền thép C35, x 200 (MÉu sè 7, L = Normal, KNL)

H×nh 4.11. ¶nh chơp cÊu tróc tÕ vi líp phđ 20Cr3Ni ë vùng lân cận
biên giới với nền thép C35, x 200 (Mẫu số 2, L = min, KNL)
Hình 4.12. ảnh chụp cÊu tróc tÕ vi líp phđ 20Cr3Ni ë vïng l©n cËn
biªn giíi víi nỊn thÐp C35, x 500 (MÉu sè 3, L = Normal, NL)
Hình 4.13. ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận
biên giới víi nỊn thÐp C35, x 200 (MÉu sè 4, L < Normal, KNL)
Hình 4.14. ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận
biên giới với nền thÐp C35, x 200 (MÉu sè 5, L < Normal, NL)
Hình 4.15. ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân
cận biên giới với nền thép C35, x 200 (MÉu sè 6, L = Normal, NL)
H×nh 4.16. ¶nh chơp cÊu tróc tÕ vi líp phđ 20Cr3Ni ë vùng lân cận
biên giới với nền thép C35, x 200 (Mẫu số 8, KNL)
Hình 4.17. ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ hợp kim 20Cr3Ni, x200
v ảnh đồ phân tÝch pha xèp trong líp phđ b»ng phÇn mỊm
Material-Pro analyser

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….5

77
78
78
79
79
80
80
81


Sơ đồ bảng biểu
TT

Trang

1 Bảng 3.1. Th nh phần hoá học bột hợp kim phun phủ, % khối lợng
3
2 Bảng 3.2. VÝ dơ vỊ quy ho¹ch thùc nghiƯm theo kiĨu N = 3 = 27
3 B¶ng 4.1. KÕt qu¶ kh¶o sát độ cứng lớp phủ v kim loại nền
4 Bảng 4.2. Kết quả khảo sát đo chiều d y lớp phủ v trung gian
5 Bảng 4.3. Kết quả đo đạc v tính toán độ xốp lớp phủ
6 Bảng 4.4. Kết quả đo đạc v tính toán độ bền bám dính σ P

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….6

49
59
73
73
74
74


Mục lục
Trang
Mở đầu

1
3

1.

Chơng 1. Tổng quan

1.1.
1.2.
1.2.1.

Khái quát chung
Các phơng pháp phun kim loại
Phơng pháp phun phủ nhiệt khí

4

1.2.2.

Các phơng pháp phun điện

8

1.2.3.

Ưu điểm v nhợc điểm của các phơng pháp phun phủ

12

1.3.

Đặc trng sự hình th nh v cấu trúc lớp phủ trên nền
kim loại
Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng lớp phủ
Phơng pháp đánh giá năng suất v chất lợng lớp

phủ kim loại
Mục tiêu nghiên cứu của đề t i luận văn
Kết luận Chơng 1

12

2.

Chơng 2. nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công
nghệ phun phủ kim loại

21

2.1.
2.1.1.

Cơ chế hình th nh lớp phủ kim loại
Quá trình hoạt hóa nhiệt xẩy ra trên bề mặt phun phủ

22
22

2.1.2.

Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun

26

2.1.3.

Hiện tợng va đập của các hạt kim loại phun

34

2.2.

Các biện pháp nâng cao độ bám dính lớp phủ với lớp kim
loại nền
Vai trò của tốc độva đập các hạtphun v o kim loại nền
Vai trò của sự gia nhiệt kim loại nền tr−íc khi phun

42

1.4.
1.5.
1.6.

2.2.1
2.2.2.
2.2.3.

3
4

¶nh h−ëng cđa øng st d− trong líp phủ
Kết luận chơng 2

16
17
20

43
43
46
48

3.

Chơng 3. đối tợng, vật liệu, thiết bị
nghiệm và phơng pháp nghiên cứu

thí

3.1.

Vật liệu v thiết bị thÝ nghiƯm

49

3.1.1.

VËt liƯu thÝ nghiƯm

49

3.1.2.

ThiÕt bÞ thÝ nghiƯm v kiĨm tra

49

49

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….7


3.2.

Phơng pháp phun

55

3.3.

56

3.4.

Phơng pháp xây dựng mô hình toán học đánh giá chất
lợng lớp phủ
Chọn h m mục tiêu trong mô hình toán học mô phỏng chất
lợng lớp phủ
Phơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm bằng thống kê toán học
Phơng pháp tính toán xây dựng h m mục tiêu
Phơng pháp kiểm tra đánh giá chất lợng lớp phủ

3.4.1.

Độ bền chịu mòn lớp phủ

61

3.4.2.

Độ bám dính lớp phun với kim loại nền

63

3.4.3.

Phơng pháp tính độ xốp v mật độ tơng ứng của lớp phủ

65

3.4.4.

Phơng pháp kim tơng
Kết luận Chơng 3

68
68

4.
4.1.

Chơng 4. kết quả thí nghiệm và thảo luận

69

Thực nghiệm tạo lớp phủ bằng phơng pháp phun plasma

v phun nổ
Kết quả thực nghiệm đo đạc v tính toán các chỉ tiêu cơ tính
Kết quả nghiên cứu cấu trúc tế vi lân cận biên giới liên kết
lớp phủ v kim loại nền
Thảo luận khoa học
Kết luận Chơng 4

69

3.3.1.
3.3.2.
3.3.3.

4.2.
4.3.
4.3.

56
57
58
61

73
77
82
85

Kết luận

86

Danh mục tài liệu sư dơng

87

Phơ lơc

89

Trư ng ð i h c Nơng nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….8


Mở đầu
Trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các các công nghệ sản xuất
truyền thống, công nghệ phun phủ đ v đang ng y c ng phát triển rÊt m¹nh mÏ v
cho phÐp chÕ t¹o nhiỊu lo¹i vËt liệu mới có những tính chất đặc biệt, có khả năng
đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy móc l m việc trong điều kiện khắc
nghiệt.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để tạo ra vật liệu mới nhiều lớp,
trong đó lớp kim loại nền l thép các bon, còn lớp bề mặt l m việc trong bộ đôi ma
sát l lớp bột thép, bột hợp kim l một hớng công nghệ mới. Vật liệu tổ hợp nhận
đợc bằng công nghệ phun phủ có các tính chất cơ - lý v tính chất sử dụng đặc biệt
m bằng các công nghệ truyền thống không thể nhận đợc.
Các chi tiết máy có lớp phủ bề mặt ng y c ng đợc sử dụng rộng r i vì có
nhiều −u ®iĨm:
1) - Cã hƯ sè tiÕt kiƯm sư dơng kim loại quý hiếm cao hơn so với phơng
pháp công nghệ truyền thống;
2) - Có thể giảm giá th nh chế tạo chi tiết máy với tính năng kỹ thuật v ti
thä n©ng cao, cã thĨ phơc håi nhiỊu chđng loại chi tiết máy bị m i mòn;
3) Có thể chế tạo các chi tiết máy chịu m i mòn cao, chịu tải trọng va đập

cũng nh tải trọng thay đổi chiều... đợc sử dụng khá nhiều trong máy móc v thiết
bị hiện đại nh: động cơ h ng không, phơng tiện ng nh giao thông vận tải, máy
móc nông nghiệp, hộp giảm tốc, các máy công cụ...
Hiện nay ở Việt Nam cha có các nghiên cứu một cách có hệ thống về những
vấn đề nh: đặc tính hình th nh lớp phủ kim loại trên vật liệu nền thÐp, cÊu tróc líp
phđ b»ng bét thÐp Cr-Ni, thc tÝnh vËt liƯu líp phđ sau phun phđ v gia c«ng
nhiƯt... Chính vì vậy, việc chọn đề t i nghiên cứu của Luận văn theo hớng ứng
dụng công nghệ phun phủ để phục hồi một số chi tiết máy dạng trục phôc vô sù

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….9


nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá ở nớc ta l rÊt cÇn thiÕt, cã tÝnh míi vỊ
khoa häc v tÝnh øng dơng thùc tiƠn cao.
§Ị t i Ln văn Thạc sỹ Kỹ thuật n y giải quyết b i toán về nghiên cứu sự
ảnh hởng của một số thông số công nghệ phun phủ chính đến độ xốp v cÊu tróc
líp phđ b»ng bét thÐp hỵp kim Cr-Ni, ®Ị cËp ®Õn c¸c vÊn ®Ị sau:
1). Kh¸i qu¸t vỊ phun phủ kim loại;
2). Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ phun phủ kim loại;
3). Vật liệu thí nghiệm, thiết bị sử dụng, phơng pháp nghiên cứu thực
nghiệm;
4). KÕt qu¶ thùc nghiƯm v th¶o ln;
Néi dung cđa ln văn đợc ho n th nh trên cơ sở sử dụng một số kết quả
bớc đầu trong h ng loạt thÝ nghiƯm khoa häc vỊ c«ng nghƯ phun phđ b»ng plasma
v phun nổ cha công bố. Các thí nghiệm đợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng
điểm Quốc gia Công nghƯ h n & Xư lý bỊ mỈt” - ViƯn Nghiên cứu Cơ khí do
PGS.TS. H Minh Hùng chủ trì v có sự tham gia trực tiếp của tác giả luận văn
Nguyễn Văn Long.

Tr ng i h c Nụng nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….10

Chơng 1:
Tổng quan về công nGhệ phun phủ kim loại
1.1. Khái quát chung:
Khoa học kỹ thuật phát triển đ góp phần tạo ra những vật liệu mới có tính
năng vợt tréi so víi vËt liƯu trun thèng sư dơng trong công nghiệp. Chẳng hạn
nh những bề mặt kết cấu l m việc trong môi trờng hoá chất, đặc biệt khi có áp
suất cao sẽ chịu ăn mòn lớn; các bề mặt tiếp xúc kiểu ma sát l m việc trong điều
kiện khắc nghiệt cũng chóng bị mòn cơ học, những thiết bị h ng không, vũ trụ l m
việc ở nhiệt độ cao thậm chí còn bị bốc cháy, tiêu hủy nếu không có lớp bảo vệ bề
mặt đặc biệt ...
Để giải quyết những vấn đề nêu trên, ngay từ những năm đầu thế kỷ 20 ngời
ta đ nghiên cứu, ứng dụng v cho đến nay đ hình th nh một hớng công nghệ mới
trong chế tạo máy, đó l công nghệ phun phủ.
Bản chất quá trình l tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim) nóng chảy
nhờ c¸c ngn nhiƯt kh¸c nhau, d−íi ¸p st khi phun có sự va đập v o lớp kim loại
nền, do ảnh hởng của các biến cứng lý hoá tơng tác, m hình th nh nên lớp phủ
bám chắc v o lớp nền. Máy phun kim loại đầu tiên đợc sáng chế v o năm 1910 bởi
một ngời Thụy Sĩ có tên l Shoop. Sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình n y đợc thể
hiện trên Hình 1.1.

Tr ng i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….11


Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý phun phủ theo [1]: 1) Đầu phun; 2) M n bảo vệ;
3) Luồng hạt nãng ch¶y cã gia tèc; 4) Líp phđ; 5) Líp nền.

1.2. Các phơng pháp phun phủ kim loại:
Dựa v o nguồn nhiệt lợng l m nóng chảy kim loại phun, các thiết bị phun

hiện tại có thể chia l m hai nhóm chính: nhiệt khí v điện năng. Trong các thiÕt bÞ
phun phđ nhiƯt khÝ, ng−êi ta sư dơng nhiƯt lợng tạo ra từ phản ứng cháy ôxynhiên liệu. Thiết bị phun bằng điện năng thì dùng nhiệt tạo ra từ hồ quang điện.
1.2.1. Phơng pháp phun phủ nhiệt khí:
Phơng ph¸p phun phđ nhiƯt khÝ cã øng dơng réng r i v dïng ®Ĩ phun phđ
kÌm theo l m nãng chảy các lớp phủ từ những hợp kim tự tạo xØ hƯ Co - Ni, cịng
nh− hƯ gèm v c¸c kim loại khó nóng chảy khác. Một trong những dạng đặc biệt
thuộc nhóm n y l phơng pháp phun nổ, sử dụng năng lợng nổ hỗn hợp ôxy axêtylen. Phơng pháp phun nổ cho phép phun đợc cả những vật liệu có nhiệt độ
nóng chảy cao hơn nữa. Ng y nay, đ có thiết bị phun hồ quang điện dùng dòng một
chiều l m cho quá trình phun ổn định hơn.
Sau đây l mô tả vắn tắt về các phơng pháp phun vừa kể trên. Trong phun
nhiệt khí tuỳ thuộc vật liệu phun m có thể phân ra 3 dạng: phun d©y, phun thanh v
phun bét. Ngo i ra, nh− đ đề cập ở trên thì phun nổ cũng thuộc nhóm n y.
Trên Hình 1.2 mô tả nguyên lý phun phủ nhiệt khí dùng dây kim loại. Luồng
khí nén phun vật liệu nóng chảy th nh những hạt nhỏ v các hạt n y đọng lại trên
lớp nền. Nhờ một tuabin khí chạy bằng khí nén lắp trong đầu phun hoặc động cơ
điện với cơ cấu giảm tốc m dây phun đợc cấp với tốc độ ổn định bởi các con lăn.
Vấn đề quan trọng l điều chỉnh chính xác tốc độ quay của tuabin hoặc động cơ
điện.
Khi sử dụng tuabin khí thì khó hiệu chỉnh chính xác tốc độ cấp dây, tuy
nhiên đầu phun lại có kích thớc gọn v nhỏ hơn. Vì thế ngời ta dùng tuabin khí
trong các đầu phun tay. Các đầu phun có lắp động cơ điện thì có thể duy trì tốc độ
cấp dây ổn định v hiệu chỉnh tốc độ chính xác hơn. Thế nhng đầu phun loại n y
có kích thớc lớn v thờng đợc lắp đặt trên các cơ cấu cơ khí hoá dùng trong
phun. Đờng kính dây phun thờng không vợt quá 3 mm. Với những kim loại dễ
Tr ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….12


nóng chảy hơn (nhôm, kẽm ...) thì có thể dùng dây đờng kính 5 ữ 7 mm để tăng
năng suất phun [1].

Hình 1.2. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại theo [1]:
1) Khí nén ; 2) Khí cháy axetylen- ôxy hoặc propan- ôxy;3) Dây kim loại phun; 4) Bép
phun ; 5) Tâm ngọn lửa phun; 6)- Đầu dây phun bị nóng chảy; 7) Ngọn lửa; 8)- Luồng khí;
9) Lớp phủ kim loại; 10) Dòng các hạt kim loại phun; 11) Lớp kim loại nền.

Phun nhiệt khí dùng đoạn dây (thỏi) cũng tơng tự nh phun dây kim loại.
Thỏi dây đợc đa v o đầu miệng súng phun để l m nóng chảy v dới áp lực luồng
khí cháy, hạt nóng chảy bắn v o lớp nền tạo liên kết.
Trên Hình 1.3 l sơ đồ nguyên lý quá trình phun nhiệt khí dùng bột. Bột
phun đợc cấp v o đầu phun từ một phễu chứa, qua một lỗ nhỏ, từ đó đợc luồng
khí tải (hỗn hợp ôxy - khí cháy) đẩy v o ngọn lửa cháy l m nóng chảy. Cũng nhờ
luồng khí cháy n y m các hạt bột bay tới va đập với lớp nền. Trong các đầu phun
dùng dây hoặc dùng bột thì đều có thể dùng luồng khí nén tách bột để tải vật liệu
phun v o luồng lửa cháy v tăng tốc hạt bột nóng chảy tạo va đập với lớp nền.
Trong phun nhiệt khí, khí axêtylen thờng đợc dùng l m khí cháy. Cũng có
thể dùng Propan, Hydrô, Mentytaxelenprôpan. Còn khi phun vật liệu nhựa thì hay sử
dụng khí Propan.
Phản ứng cháy của axªtylen nh− sau:
C2H2
2C + O2

= 2C + H2 + 54,8 Kcal;

= 2CO + 52,9 Kcal;

H2 + 0,5O2 = H2O (khÝ) + 57,8 Kcal;
2CO + O2 = 2CO2 + 135,9 Kcal;
Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….13

C2H2 + 2,5 O2 = 2CO2 + H2O + 301,4 Kcal
Sơ đồ tổng thể một trạm phun nhiệt khí theo tác giả công trình [1] đợc nêu
trên Hình 1.4.

Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị phun nhiệt khí dùng bột kim lo¹i theo[1]:
1)- Sóng phun ; 2)- Bng t¹o lưa phun ; 3)-Bé phËn ®iỊu khiĨn; 4)- Bé phËn cÊp bét kim
loại; 5, 6) Bình đựng axêtylen v ôxy.

Hình 1.4. Trạm phun phủ nhiệt khí dùng dây v bột phun ПУП-3Д cña Nga theo [1]:
Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….14


1) Buồng phun; 2)- Bộphận tạo chuyển động quay cđa chi tiÕt phun; 3)- Bé phËn ®iỊu
chØnh sóng phun; 4)-Bình chứa bột kim loại v điều chỉnh lợng cấp bộ, chỉnh lu lợng khí
nén; 5)- Đầu phun lửa khí cháy ; 6)- Bộ phận điều khiển; 7) Các bình chứa khí nén;
8)- Bộ nguồn;

Nhiệt độ ngọn lửa không quá 2.850OC, vì thế không thể dùng phơng pháp
phun nhiệt khí để tạo lớp phủ từ những vật liệu khó nóng chảy nhất.
Sơ đồ trên Hình 1.5 mô tả tóm tắt quá trình phun nổ [1].
Ngời ta trộn ôxy với axêtylen theo tỷ lệ xác định chặt chẽ, sau đó dẫn v o
buồng đốt (3) có phần nòng (2) đờng kính 25 mm đợc l m lạnh bằng nớc.
Hớng nòng phun về phía chi tiết gia công (1) nh Hình 1.5 a. Sau đó qua một lỗ
nhỏ trên buồng đốt, dùng khí Nitơ ngời ta đẩy vật liệu phun dạng bột v o khoang,
vÝ dơ lo¹i bét WC cì h¹t ∼50 àm (Hình 1.5 b).
Lớp phủ

Bugi

Chùm phun

Cấp bột
Khí trơ
Ôxy
Khí ga
Lớp nền

a)

Tr ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….15


b)
Hình 1.5. Sơ đồ phun nổ theo [2] - a) v theo [1] - b): 1)- Chi tiÕt phun; 2)- Nòng phun đợc
l m mát bằng nớc; 3)- Buồng đốt; 4)- Mồi lửa điện: a- Nạp hỗn hợp; b- Dẫn bột v o buồng đốt;
c- Hỗn hợp nổ v đẩy h¹t bétkim lo¹i ra; d- T¹o líp phđ.

Dïng tia lưa điện để mồi cháy hỗn hợp khí v bột phun ở trạng thái lơ lửng
(Hình 1.5 c). Kết quả của phản ứng nổ hỗn hợp tạo ra nhiệt lợng v sóng va đập
l m nóng hạt bột v tạo cho chúng có động năng. Trong phun nổ, các hạt có động
năng lớn! ở cự ly 75 mm cách miệng nòng súng phun, tốc độ hạt có thể đạt tới 820
m/s.
Sau khi gây nổ hỗn hợp khí cháy, ngời ta dùng khí Nitơ để thổi sạch khoang
đốt, đẩy hết các sản phẩm cháy ra ngo i. Quá trình đợc hiệu chỉnh sao cho tần số
lặp lại l 3 ữ 4 lần trong một giây. Thông thờng, dùng phun nổ để tạo nên các lớp
phủ chịu m i mòn cao từ cácbít. ChiỊu d y líp phun th−êng v o kho¶ng 0,25 ữ 0,3
mm. Phun nổ tạo tiếng ồn có khi đạt tới 140 dexibel, vì thế phải đặt thiết bị phun
trong một khoảng cách âm.
1.2.2. Các phơng pháp phun điện:
a) Phun bằng hồ quang điện:

Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang ®iƯn v sóng phun, bé phËn cÊp 2 d©y ®ång
thêi đợc trình bầy trên Hình 1.6 a, b, c, d. Hai dây phun đợc cấp qua các ống dẫn
Tr ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….16


hớng đa v o miệng đầu phun v dùng hồ quang điện để mồi. Ngời ta thổi khí
nén qua lỗ trung tâm trong đầu phun để tách những hạt kim loại nóng chảy khỏi các
đầu dây phun v đẩy chúng bay tới bề mặt phun. Đầu phun có thể l m việc với dòng
một chiều hoặc xoay chiều. Khi dùng dòng xoay chiều thì hồ quang cháy không ổn
định v độ ồn lớn! Còn với dòng một chiều, quá trình phun ổn định, năng suất cao
v hạt mịn. Ngời ta dùng thế hiệu cao tần để duy trì hồ quang điện chảy ổn định.
Các loại dây phun thờng có đờng kÝnh 0,8; 1; 1,6 v 2 mm [1], [4].
b) Phun bằng plasma:
Plasma l trạng thái thứ tự của vật chất! Ngời ta ứng dụng năng lợng của
luồng plasma để phun phủ. Ng y nay trong công nghiệp có 2 loại đầu phun plasma:
Hồ quang plasma v dòng plasma. ở kiểu đầu phun hồ quang plasma (Hình 1.7 a) thì
hồ quang điện cháy giữa anod (chi tiết phun) v catod (Vonfram hay hợp kim
Vonfram chứa khoảng 2 % Thori), dòng khí xoáy chạy từ mép đầu phun để ổn định
hồ quang. Còn đối với kiểu đầu phun dòng plasma (Hình 1.7 b) thì hồ quang đợc tạo
ra giữa catod Vonfram v anod l một kết cấu ống bằng đồng v đợc l m m¸t b»ng
n−íc! Nhê cã hå quang m khÝ công tác đợc nung nóng tới nhiệt độ rất cao sau đó
thoát ra khỏi miệng đầu súng phun th nh luồng plasma ổn định nhờ hiệu ứng dòng khí
xoáy chạy suốt th nh ống phun trong kết cấu của đầu phun.

a)
Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….17

b)

c)

d)

Hình 1.6. a) - Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện 2 dây; b) Nguyên lý cấp dây
điện cực theo [1]; c) - Súng bắn hồ quang tại Viện NCCK; d) - Bộ phận cấp dây dùng cho
phun hồ quang điện tại Viện NCCK: 1)- Các ®iƯn cùc d©y phun ; 2)- Vïng ngän lưa phun ;
3) Dòng của khí cháy với các hạt bột kim loạiphun; 4) Hớng cấp điện cực dây phun với
tốc độ V; 5) Dòng khí phun; V1 - Hớng vuông góc với mặt phẳng nóng chảy của điện cực
dây phun.

a)

Tr ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….18


b)

Hình 1.7. a) Súng phun plasma; b) - Sơ đồ nguyên lý trạm phun plasma theo [2]

Do luồng plasma có nhiệt độ rất cao, có thể tới 10.000OK nên dùng phun
plasma để tạo lớp phủ từ tất cả các loại vật liệu khó nóng chảy hiện có đến nay v
đây l một trong những u điểm nổi bật của phơng pháp công nghệ n y.

Tr ng i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….19


a)

b)

Hình 1.8. To n cảnh một số bộ phận chính của thiết bị phun nổ dùng để phun phủ bằng bét
kim lo¹i (a) v sóng phun nỉ HI-JET P2000 (b) tại Viện NC Cơ khí theo [2].
Tr ng i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….20


ảnh chụp thiết bị phun nổ hiện đại đợc nhập từ Mỹ hiện có tại Viện Nghiên
cứu Cơ khí cho trên Hình 1.8 a. Súng phun nổ đi kèm thiết bị n y có ký hiệu HI-JET
P2000 ( Hình 1.8 b ) l loại đầu phun tốc độ cháy cao có thể tạo ra tốc độ phun siêu
âm để đa các hạt nóng chảy tới bề mặt chi tiết cần phủ.

Đặc tính va đập

của ngọn lửa siêu âm l tạo ra nhiều xung (có khoảng 7 xung hình thoi). Kỹ thuật
tốc độ cao l cơ hội cho việc phun phủ chất lợng cao gần nh không có rỗ trong lớp
phủ. Giá trị kinh tế gần nh đạt yêu cầu.
1.2.3. Ưu điểm v nhợc điểm của các phơng pháp phun phủ :
Những u điểm chính của công nghệ phun phủ [4]:
1). Sự đa dạng về vật liệu phun v lớp nền khác nhau. Ví dụ ta có thể phun
kim loại lên thủy tinh, gốm, vật liệu hữu cơ.
2). Có thể tạo lớp phun trên to n bộ bề mặt chi tiết hoặc tại một vùng cục bộ,
trong khi bằng các phơng pháp khác (nhúng, mạ ...) lại khó có thể đạt đợc.
3). Thiết bị phun tơng đối đơn giản v gọn. Chẳng hạn để phun nhiệt khí chỉ
cần có máy nén khí v máy n y cũng dùng để xì cát l m sạch bề mặt, kèm theo đầu
phun, chai khí. Nếu có thêm nguồn điện l có thể dùng để phun điện.
4). Bằng cách lựa chọn th nh phần từng lớp phun v tổ hợp các lớp phun có
thể tạo ra vật liệu có những tính năng đặc biệt khác hẳn với các vật liệu truyền
thống.
5). Có thể dùng phơng pháp phun để chế tạo chi tiết có hình dáng khác
nhau. Trớc hết ngời ta phun lên lõi khuôn sau đó tháo lõi thì còn lại khuôn từ vật
liệu phun.

6). Công nghệ phun cho năng suất khá cao v thao tác không phức tạp.
Một số nhợc điểm của phơng pháp phun phủ:
1). Khi tạo lớp phun trên bề mặt những chi tiết có kích thớc lớn thì quá trình
n y kÐm hiƯu qu¶ do tỉn hao vËt liƯu phun v vì thế không kinh tế.
2). Để chuẩn bị bề mặt trớc khi phun, ngời ta thờng dùng các phơng
pháp nh xì cát kèm bi gang l m ô nhiễm môi trờng, ảnh hởng điều kiện l m việc
của công nhân.
Tr ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….21


3). Quá trình phun cũng tạo ra những hợp chất độc trong không khí do sản
phẩm cháy tạo th nh, có hại cho sức khoẻ. Chính vì thế m phải có thông gió, ngăn
bụi tại các trạm phun.
1.3. Đặc trng sự hình th nh v cấu trúc lớp phủ trên kim lo¹i nỊn:
Líp phđ l lo¹i vËt liƯu cã cÊu trúc lớp theo các tác giả [1], [4], đợc tạo bởi
các hạt phun bị biến dạng mạnh, v gắn kết với nhau trên các vùng h n bề mặt kiểu
tiếp xóc cã ®−êng kÝnh DX. Nh− vËy diƯn tÝch tiÕp xúc FX = ( D 2 )/4 (Hình 1.9).
X
Các vùng h n không điền đầy to n bộ diện tích tiếp xúc (hay bề mặt tiếp xúc) giữa
các hạt v vì thế m độ bền v mật độ các lớp phun thấp hơn độ bền v mật độ của
vật liệu phun ở trạng thái đặc xít. Độ bền của chính những vùng h n phụ thuộc v o
số lợng các mối liên kết đợc hình th nh trên diện tích FX trong giai đoạn va đập,
biến dạng v nguội hạt v đợc xác định theo tiến triển của sự tơng tác hoá học các
loại vật liệu trong tiếp xúc.
Trong lớp phủ có thể phân biệt những vùng cấu tạo phản ánh các quá trình
hình th nh nên chúng v đợc phân cách bởi các biên của vùng. Biên giới phân cách
lớp phủ v kim loại nền, sẽ quyết định độ bám dính, hay cũng chính l độ bền liên
kết giữa chúng. Còn sở dĩ có biên phân cách giữa các lớp sau một lần phun l do sai
khác thời gian khi phun hạt trong một lớp với hạt lớp giữa.
Các điều kiện hình th nh biên liên kết giữa các lớp v giữa các hạt đợc xác

định bởi khoảng thời gian chóng tån t¹i trong khÝ qun. T thc v o kích thớc
v cấu hình của sản phẩm phun, quỹ đạo dịch chuyển đầu phun, khoảng nghỉ giữa
các lớp phun có thể từ v i giây đến v i chục giây. Khoảng thời gian đó lớn gấp nhiều
lần khoảng nghỉ khi các hạt trong một lớp phun tơng tác sau một lợt phun. Sự
hình th nh lớp phun bằng cách xếp liên tiếp vô số các hạt biến dạng tất nhiên sẽ dẫn
đến rỗ xốp, m trớc hết l trên mặt tiếp xúc giữa các hạt.
Cấu trúc v tính chất cđa líp phđ phơ thc v o th nh phÇn cỡ hạt bột phun.
Khi cỡ hạt giảm thì sự điền đầy tạo lớp phun đợc cải thiện, giảm rỗ xốp v cấu trúc
lớp phủ sẽ đồng nhất hơn. Tuy nhiên, nếu cỡ hạt nhỏ quá, giới hạn

(< 1 àm)

sẽ gây khó khăn cho việc tải chúng v o đầu phun. Hạt quá nhỏ, một mặt bị bốc cháy
Tr ng i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….22


hết trên cự ly phun, mặt khác lại vón cục lại th nh các hạt cỡ lớn hơn v sẽ bị bay
lệch khỏi quỹ đạo tới vật phun vì có động năng không đủ lớn. Thông thờng cỡ hạt
phù hợp nằm trong khoảng 40 ữ70 àm.

a)

b)

Hình 1.9. Sơ đồ cấu tróc líp phun: a)- theo [1] v b) - theo [2]:
1)- Mặt phân cách giữa lớp phun v lớp nền; 2)- Mặt phân cách giữa các lớp phun;
3)- Mặt phân cách (mặt tiếp xúc) giữa các hạt trong một lớp; DX - Đờng kính
của vùng bề mặt tiếp xúc m tại đó xảy ra sự h n gắn của các hạt.

Sự tơng tác của vật liệu nền v vật liệu hạt phun trên từng khoảng bề mặt

tiếp xúc có thể hình dung th nh 3 giai đoạn nối tiếp nhau [4]:
1). Sự xích lại gần nhau đến mức tạo mối tiếp xúc vật lý giữa chúng, có nghĩa
l trên một khoảng cách tơng đơng với kích thớc mạng tinh thể.
2). Sự hoạt hoá các bề mặt tiếp xúc v tơng tác hoá học giữa các vật liệu trên
bề mặt phân tách pha.
3). Quá trình tiếp tục phát triển theo thể tích, dẫn đến sự khuếch tán lẫn nhau
của các vật liệu hạt v nền qua mặt phân cách, tạo nên các liên kết hoá học.
Trong khi phun, thì thời gian tơng tác chỉ trong khoảng 10-3 ữ 10-7 giây, sau
đó các hạt sẽ kết tinh, nguội đi nhanh chóng v mất khả năng tơng tác. Với một
khoảng thời gian ngắn nh vậy, quá trình khuếch tán không sâu v ít ảnh hởng tới
độ bám của hạt. Sự gắn kết của h¹t víi nỊn, chđ u phơ thc v o møc độ liên kết
hoá học, m biểu hiện bề ngo i của nó sự xuất hiện, những khoảng bám dính trên
mặt tiếp xúc. Giai đoạn tiếp xúc vật lý không hạn chế sự tơng tác bởi vì dới tác
Tr ng i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….23


động xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanh chãng bÞ d n máng ra v bÞ Ðp v o
mặt lớp nền.
Các thực nghiệm v tính toán theo các tác giả các công trình [1] - [3] đ cho
thấy nếu 2 giai đoạn đầu kịp kết thúc thì giai đoạn 3 (khuếch tán) chỉ kịp xảy ra chủ
yếu dựa v o các khuyết tật mạng. Các biến dạng dẻo tại vùng tiếp xúc khi hạt va đập
với nền sẽ giúp tăng cờng khuếch tán. Ngo i ra nhiệt độ tiếp xúc cao cũng tạo điều
kiện thuận lợi cho sự khuếch tán. Do lớp phủ l một loại vật liệu có cấu tạo lớp hình
th nh từ lòng các hạt nóng chảy cho nên có hai khả năng tơng tác giữa các hạt tại
vết phun:
1). Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt đ bám trớc, nhng cha kịp đông
cứng;
2). Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt (kết tinh) đang đông cøng nh−ng ch−a
nguéi ho n to n, cã nghÜa l nhiệt độ hạt đó còn cao hơn nhiệt độ nền.
Chúng ta gọi hạt loại đó l hạt hoạt tính nhiệt. Bằng các tính toán đơn giản đ

cho thấy l các hạt phun sẽ nằm chồng lên những hạt cha ho n to n đông cứng
trong lớp phủ, khi m sự gia tăng bề d y lớp phủ có tốc độ bằng hoặc lớn hơn h/O
(trong đó: h - Chiều cao của hạt đông cứng trong khoảng thời gian O). Đó l một
trong những điều kiện thuận lợi nhất, sẽ xảy ra, khi năng suất phun có giá trị tính
theo biểu thøc sau:

πB 2 hγ 1 3,14 ⋅ 2 2 ⋅ 10 -3 ⋅ 10
=
G=
= 1,1 . 103 kg/h
4τ O
4 ⋅ 10 -4

(1.1)

trong đó: B - Đờng kính vết phun;
1 - Trọng lợng riêng của vật liệu phun.
Giá trị nêu trên lớp gấp h ng chục lần giá trị thực tế, thông thờng không
vợt quá 5 ữ 20 kg/h. Điều n y đ đợc khẳng định khi xem lại những pha quay
chậm quá trình hình th nh lớp phun plasma.
Bằng các hình ảnh quay phim đợc cho thấy l không có hiện tợng hạt phun
nằm chồng lên hạt cha kịp nguội trªn líp nỊn.
Trư ng ð i h c Nơng nghi p Hà N i – Lu n văn th c s K thu t……………………………………….24