NGHIÊN cứu NÂNG CAO độ bền CHỊU mài mòn của XUPAP ĐỘNG cơ ĐIÊZEL BẰNG CÔNG NGHỆ hàn đắp PLASMA với bột hợp KIM nền COBALT
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (14.31 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
-------------------
TRƯƠNG TIẾN LỘC
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ðỘ BỀN CHỊU MÀI MỊN CỦA
XUPAP ðỘNG CƠ ðIÊZEL BẰNG CƠNG NGHỆ HÀN ðẮP
PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM NỀN COBALT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI, NĂM 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
-------------------
TRƯƠNG TIẾN LỘC
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ðỘ BỀN CHỊU MÀI MỊN CỦA
XUPAP ðỘNG CƠ ðIÊZEL BẰNG CƠNG NGHỆ HÀN ðẮP
PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM NỀN COBALT
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 60.52.01.03
.
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ðÀO QUANG KẾ
TS. HOÀNG VĂN CHÂU
HÀ NỘI, NĂM 2014
LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả,
số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào.
Tác giả luận văn
Trương Tiến Lộc
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page i
LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tơi đã nhận được sự giúp đỡ và cộng
tác nhiệt tình của nhiều tập thể cũng như các cá nhân trong và ngồi Trường ðại học
Nơng nghiệp Hà Nội, Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về cơng nghệ hàn và xử lý
bề mặt, Viện Nghiên cứu cơ khí,Bộ Cơng Thương. ðến nay luận văn của tơi đã hồn
thành, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS ðào Quang Kế và TS.
Hồng Văn Châu đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình thực hiện
và hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơ ñiện, Ban ñào
tạo sau ñại học, ñặc biệt là Bộ mơn Cơng nghệ Cơ khí Trường ðại học Nơng nghiệp
Hà Nội đã đóng góp ý kiến, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình thực hiện
và hồn thành luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ của Phịng thí nghiệm trọng
điểm Quốc gia về công nghệ hàn và xử lý bề mặt,Viện Nghiên cứu cơ khí, Bộ Cơng
Thương đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị cho tơi triển
khai thực hiện và hồn thành luận văn.
Nhân dịp này cho tơi được gửi lời cảm ơn tới các Thầy giáo, Cơ giáo đã
giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức khoa học trong suốt thời gian
học tập ở lớp Cao học Cơ khí nơng nghiệp khóa 21, Trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội.
Tôi xin chân thành cám ơn !
Tác giả luận văn
Trương Tiến Lộc
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam ñoan
i
Lời cám ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
vi
Danh mục bảng
vii
Danh mục hình
viii
MỞ ðẦU
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
4
1.1.
Công nghệ hàn plasma bột
4
1.1.1.
ðặc ñiểm công nghệ hàn bột plasma.
4
1.1.2.
Ưu, nhược ñiểm của công nghệ hàn bột Plasma
12
1.1.3.
Ứng dụng công nghệ hàn plasma bột
13
1.2.
Tổng quan về xupap
15
1.2.1.
Cấu tạo xupap
15
1.2.3.
ðiều kiện làm việc của xupap xả động cơ điezel
21
1.2.4.
Tình trạng hư hỏng và tuổi thọ của xupap xả động cơ điezel
22
1.3.
Tình hình nghiên cứu và các kết quả đạt được ở nước ngồi
25
1.4.
Tình hình nghiên cứu và một số kết quả ñạt ñược tại Việt Nam
27
1.5.
Kết luận chương 1
28
CHƯƠNG 2: ðỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
30
2.1.
ðối tượng nghiên cứu
30
2.2.
Phương pháp nghiên cứu, ñịa ñiểm, thời gian
30
2.2.1.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
30
2.2.2.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
30
2.2.3.
Phương pháp kiểm tra
35
2.2.4.
ðịa ñiểm nghiên cứu
37
2.2.5.
Thời gian nghiên cứu
37
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page iii
2.3.
Vật liệu, thiết bị cơng nghệ
2.3.1.
Nghiên cứu, phân tích bột hợp kim cobal dùng trong cơng nghệ hàn
37
đắp plasma
37
2.3.2.
Trang thiết bị hàn ñắp plasma
40
2.4.
Kết luận chương 2
40
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
3.1.
43
Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cơng nghệ hàn ñắp plasma với hợp kim
nền cobalt ñến ñộ bền chịu mài mịn của xupap động cơ điêzel
43
3.1.1.
Dịng điện, điện áp hàn và lưu lượng khí plasma
43
3.1.2.
Thành phần bột hàn
45
3.1.3.
Cỡ bột hàn
46
3.1.4.
Khoảng cách làm việc
47
3.1.5.
Lưu lượng khí bảo vệ, khí mang bột
47
3.1.6.
Nhiệt độ nung sơ bộ
48
3.1.7.
Chế độ cơng nghệ hàn
49
3.2.
Nghiên cứu biện pháp xử lý nhiệt khi hàn plasma bột
52
3.2.1.
Cơ sở lý thuyết tính tốn chế độ gia nhiệt
52
3.2.2.
Xử lý nhiệt trước khi hàn
52
3.2.3.
Xử lý nhiệt trong quá trình hàn
53
3.2.4.
Xử lý nhiệt sau khi hàn
53
3.2.5.
Thiết bị công nghệ xử lý nhiệt
55
3.2.6.
Thứ tự các bước công nghệ xử lý nhiệt
56
3.2.7.
Các biện pháp giảm ứng suất dư ñể tăng ñộ dai va ñập của chi tiết
56
3.3.
Kết luận chương 3
59
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN VỀ KẾT QUẢ THỰC
NGHIỆM
60
4.1.
Phương pháp tiến hành thực nghiệm trên mẫu thử
60
4.1.1.
Chuẩn bị ñiều kiện thực nghiệm
60
4.1.2.
Chế ñộ hàn thực ngiệm
65
4.2.
Tiến hành thực nghiệm trên mẫu thử xupap.
66
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page iv
4.2.1.
Mơ tả q trình thực nghiệm
66
4.2.2.
Kết quả thực nghiệm trên mẫu thử hàn ñắp xupap
67
4.3.
Kiểm tra, ñánh giá ñộ bền chịu nhiệt bằng phương pháp thử kéo vật liệu [4]
74
4.3.1.
Phạm vi áp dụng
74
4.3.2.
Tóm tắt phương pháp thử
74
4.3.3.
Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
74
4.4.
Kết luận chương 4
82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
83
1.
Kết luận
83
2.
Kiến nghị
83
TÀI LIỆU THAM KHẢO
85
PHỤ LỤC
86
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
- PAW
: Công nghệ hàn hồ quang plasma (plasma Are Welding)
- PTA
: Công nghệ hàn plasma bột (plasma Transferred Are)
- TCVN
: Tiêu chuẩn Việt Nam
- TCTV
: Tổ chức tế vi
-B
: Chiều rộng mối hàn
-H
: Chiều cao mối hàn
-W
: Biên ñộ dao ñộng ngang ñầu hàn
-G
: Lượng cấp bột hợp kim
-Q
: Lưu lượng khí
- Uh
: ðiện áp hàn (v)
- Ih
: Dịng điện hàn (A)
-V
: Tốc độ hàn
- DC
: Dịng điện hàn một chiều
- AC
: Dịng điện hàn xoay chiều
Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page vi
DANH MỤC BẢNG
STT
Tên bảng
Trang
1-1:
Một số loại thép thông dụng chế tạo xupap trên thế giới
20
1-2:
Cơ tính của thép 40Х9С2
21
2-1:
Thành phần hóa học, cỡ hạt, tỷ trọng của bột hợp kim Co 263-3
37
4-1:
Thành phần, cỡ hạt và tỷ trọng bột Co 263-3
60
4-2:
Chế ñộ hàn thực nghiệm 3 mẫu xupap
65
4-3:
Kết quả ño ñộ cứng của 3 mẫu thử xupap
68
4-4:
Sai số cho phép của nhiệt ñộ qui ñịnh θ và nhiệt ñộ chỉ thị θi [4]
78
4-5 :
Chế ñộ thực nghiệm của mẫu thử
78
4-6:
Kết quả kiểm tra ñộ bền của mẫu thử
79
4-7:
Kết quả kiểm tra ñộ bền của mẫu thử, vật liệu Co 263-3, thời gian
nung 36 giờ
4-8:
81
Kết quả kiểm tra ñộ giãn dài của mẫu thử, vật liệu Co 263-3, thời
gian nung 36 giờ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
81
Page vii
DANH MỤC HÌNH
STT
Tên hình
Trang
1-1:
Sơ đồ cấu tạo của mỏ hàn bột Plasma.
5
1-2:
Nguyên lý công nghệ hàn bột Plasma.
6
1-3 :
Hàn bột Plasma
8
1- 4:
Sơ ñồ những yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng mối hàn
8
1-5:
Sơ ñồ mối ghép hàn (a) và tác dụng của nguồn nhiệt khi hàn hồ
quang (b)
9
1-6:
Sơ ñồ ñường hàn và vị trí vũng hàn
9
1-7:
Tổ chức kim loại vũng hàn
10
1-8:
Vùng ảnh hưởng nhiệt
10
1-9:
Tổ chức kim loại vùng mối hàn và cận mối hàn
10
1-10:
Tạo lớp ñắp cứng bề mặt các chi tiết
14
1-11:
Tạo lớp đắp cứng bề mặt chịu mài mịn các chi tiết
14
1-12:
Tạo lớp ñắp cứng bề mặt chịu mài mòn các chi tiết
14
1-13:
Phục hồi bề mặt làm việc của xupap
15
1-14:
Cấu tạo của xupap
15
1-15:
Nấm xupap
16
1-16:
Thân xupáp
16
1-17:
ðuôi xupap(a) và kết cấu một số đi xupap(b)
17
1-18:
Các quy định chuẩn về kích thước của xupap
18
1-19:
Phân bố nhiệt ñộ trên nấm xupap
22
1-20:
Xupap bị rõ bề mặt tiếp xúc với buồng đốt
22
1-21:
Hiện tượng mịn, rỗ bề mặt làm việc của xupap
23
1-22:
Xupap bị mẻ phần ñỉnh nấm
23
1-23:
Nấm xupap bị nứt, vớ, cháy
24
2-1:
Tính chất kim loại thay ñổi phụ thuộc vào nhiệt ñộ
31
2-2:
ðường cong dão
32
2-3:
Cơ chế chảy dẻo thông thường của hợp kim
32
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page viii
2-4:
Ảnh hưởng của nhiệt ñộ (a) và tốc ñộ biến dạng ε (b) đến phá hủy
giịn vỡ dẻo. (ε 1< ε 2< ε 3)
32
2-5:
Biểu ñồ kéo vật liệu
35
2-6:
Máy ño ñộ cứng AKV-Co (Mitutoyo-Nhật Bản)
35
2-7 :
Thiết bị nghiên cứu tổ chức tế vi
36
2-8:
Hệ thống thiết bị công nghệ hàn bột plasma
40
2-9:
Sơ ñồ cấu tạo của mỏ hàn bột Plasma.
40
3-1:
Ảnh hưởng của dịng điện plasma, lưu lượng khí plasma, tỷ lệ bột
hàn tới sự hòa tan của kim loại mối hàn
3-2:
43
Ảnh hưởng của lưu lượng khí lên hình dạng lớp đắp và sự hịa tan
kim loại
44
3-3:
Mối quan hệ của điện áp và dịng điện đến nhiệt độ hồ quang plasma
45
3-4:
Ảnh hưởng của chiều dày lớp đắp tới sự hịa tan
46
3-5:
Ảnh hưởng của kích thước bột hàn tới độ cứng và sự hịa tan
46
3-6:
Ảnh hưởng của khoảng cách làm việc đến sự hịa tan kim loại
47
3-7:
So sánh tính chất lớp đắp của hai loại bột hàn khác nhau
48
3-8:
Hàn trái
49
3-9:
Hàn phải
50
3-10:
ðiện áp tối ưu khi hàn trong khí bảo vệ với các dây hàn có đường
kính khác nhau
51
4-1:
Hợp kim cobalt 263-3
60
4-2:
Chai đựng khí Heli, He
61
4-3:
Chai đựng khí Khí Acgon, Ar
61
4-4.
Hệ thống thiết bị Hàn Plasma bột
62
4-5:
Nguồn hàn
62
4-6:
Giá treo ñồng hồ lưu lượng và giá ñỡ bình bột
63
4-7:
ðồ gá hàn
64
4-8:
Các loại mỏ hàn phân loại theo chức năng
65
4-9:
ðồ thị thể hiện quan hệ giữa ñộ cứng và dịng điện hồ quang
69
4-10.
Ảnh tổng thể của mẫu hàn và các vùng phân tích TCTV
70
Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ix
4-11.
Ảnh tổ chức tế vi của vùng hàn (vùng 1), a) 100x; b) 200x
70
4-12.
Ảnh tổ chức tế vi của vùng ranh giới (vùng 2), a) 100x; b) 200x
71
4-13.
Ảnh tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt (vùng 3), a) 100x; b)
200x
71
4-14.
Ảnh tổ chức tế vi của vùng nền (vùng 4), a) 100x; b) 200x
71
4-15:
Thiết bị thí nghiệm kéo nén vạn năng
75
4-16:
Vát mép vật hàn
76
4-17:
Hàn đắp nhiều lớp
77
4-18:
Mẫu thử kéo
77
4-19:
Lị nung mẫu thử
78
4-20:
Ảnh chụp mẫu thử trước (a) và sau khi kéo (b)
79
4-21:
ðồ thị quan hệ giữa nhiệt ñộ và ñộ bền
79
4-22:
ðồ thị quan hệ giữa nhiệt ñộ và ñộ giãn dài
80
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page x
MỞ ðẦU
Chất lượng bề mặt của các chi tiết máy và các trang bị , dụng cụ, kết cấu có ý
nghĩa quan trọng. Tùy theo yêu cầu cụ thể của ñiều kiện làm việc, chúng ta phải chế
tạo ñược các chi tiết, kết cấu có khả năng chịu mài mịn, chịu nhiệt, chống gỉ vv…
Tất cả các tính chất trên có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ, độ tin cậy, độ bền của
máy móc, kết cấu cơng trình. Thêm vào đó, xu thế nâng cao năng suất và tác dụng
nhanh của thiết bị làm cho ñiều kiện làm việc của chúng thêm khắc nhiệt, buộc
khoa học - công nghệ phải giải quyết nhiều vấn ñề mà trước hết là bề mặt chi tiết,
kết cấu. Hiện nay nhu cầu về thiết bị ngày càng nhiều, nguồn tài nguyên ngày càng
ít, vì vậy việc phục hồi các chi tiết sau một thời gian làm việc đã mịn, mỏi mất hết
giá trị sử dụng, ví dụ kích thước xuống quá giới hạn, khơng đảm bảo độ bền cũng
như dung sai lắp ghép theo đúng thiết kế v.v… có ý nghĩa kinh tế vơ cùng lớn.
Ngày nay để giải quyết các vấn đề trên, chúng ta có nhiều gải pháp cơng
nghệ. Ví dụ mạ điện hóa, mạ hóa học, phủ hóa học, mạ nhúng trong kim loại nóng
chảy, thấm kim loại, thấm lưu huỳnh, thấm các bon, thấm ni tơ, thấm xiauya, nhiệt
luyện, xử lý tia lửa ñiện, hàn ñắp, phun phủ kim loại vv… Song công nghệ cho
phép giải quyết hai yêu cầu cùng một lúc, vừa phục hồi kích thước, vừa tạo nên chất
lượng bề mặt phù hợp chỉ có mạ, hàn đắp, phun phủ mà thơi. Hàn đắp plasma cho
phép phục hồi các chi tiết máy cần chiều dày phục hồi lớn nhưng lại khơng làm thay
đổi cấu trúc tế vi của kim loại nền, không gây biến dạng chi tiết, bề mặt chi tiết
ñược phủ các lớp oxit và ñặc biệt bề mặt có thể ñược phủ các lớp vật liệu phi kim
loại – đây chính là những điều mà các cơng nghệ khác khơng thực hiện được.
Do plasma có nhiệt độ rất cao, có thể dễ dàng hóa lỏng ñược tất cả các loại
vật liệu kim loại mà kỹ thuật có thể tạo ra từ trước đến nay. Cho nên hàn ñắp
plasma ñang ngày càng ñược ứng dụng rộng rãi ñể chế tạo, phục hồi các chi tiết
máy phục vụ trong nhiều ngành như: luyện kim màu, luyện kim đen, chế tạo máy,
hàng khơng, kỹ thuật điện- điện tử, xây dựng, cơng nghiệp hóa dầu, thực phẩm,
dệt,… thể hiện tính ưu việt so với các phương pháp khác.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 1
Xuất phát từ những yêu cầu nêu trên, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. ðào
Quang Kế và TS.Hoàng Văn Châu cùng sự giúp đỡ của các thầy cơ giáo trong
Bộ mơn Cơng nghệ Cơ khí – Khoa Cơ điện – Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội,
tơi đã chọn đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu nâng cao ñộ bền chịu mài mịn của xupap động cơ điêzel
bằng cơng nghệ hàn đắp plasma với bột hợp kim nền cobalt”.
I. Nội dung của ñề tài
Chương 1: Tổng quan vấn ñề nghiên cứu
Chương 2: ðối tượng, thiết bị và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Nghiên cứu lý thuyết
Chương 4: Thực nghiệm và thảo luận về kết quả thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị.
II.Mục đích, cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài:
1. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ hàn ñắp plasma với hợp kim nền cobalt ñể
nâng cao độ bền chịu mài mịn xupap xả động cơ ñiêzel phục vụ trong giao thông,
xây dựng, vận tải biển…
- Xác định được các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền chịu mài mịn của
xupap và q trình làm việc của xupap ñộng cơ ñiêzel
- Trên cơ sở phân tích lý thuyết và thực nghiệm để lựa chọn các thơng số
cơng nghệ hàn đắp plasma với hợp kim nền cobalt trong phục hồi chi tiết xupap
ñộng cơ ñiêzel
- ðánh giá ñộ bền chịu nhiệt của vật liệu Co 263-3
- Phục hồi kích thước, hình dạng ban đầu và nâng cao độ bền chịu mài mịn
của xupap động cơ điêzel ñể ñưa vào sử dụng
2.Cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài
- ðề tài ñã tiến hành nội dung nghiên cứu trên các bước cơ bản kết hợp lý thuyết
và thực nghiệm, kiểm tra ño ñạc tại các Phịng thí nghiệm chun ngành, tại các cơ sở
sản xuất và áp dụng vào thực tế, tiến hành trên mẫu và trên chi tiết công nghiệp.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 2
- ðã ứng dụng hiệu quả cơng nghệ điều khiển, tin học vào nghiên cứu công
nghệ hàn và chế tạo, phục hồi chi tiết máy.
- ðề tài ñã tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực cơng nghệ trọng điểm: Thực
hiện các nghiên cứu chuyên sâu về ñặc ñiểm của phương pháp hàn Plasma với bột
hợp kim là phương pháp ñang ñược ứng dụng rộng rãi trên thế giới tại các nước
cơng nghiệp phát triển để chế tạo mới và phục hồi chi tiết máy.
- ðề tài ñã triển khai áp dụng cơng nghệ hàn đắp tự động bằng hồ quang
Plasma dịch chuyển với bột hợp kim trong phục hồi Xupap ñộng cơ máy thủy
phục vụ cho sản xuất, tạo ñiều kiện nâng cao chất lượng công nghệ sản phẩm
công nghệ hàn.
- Chất lượng lớp hàn ñắp phụ thuộc vào nhiều yếu tố của chế độ hàn đắp
trong đó yếu tố dịng điện hồ quang đóng một vai trị quan trọng.
- Các phương pháp kiểm tra tính chất cơ học của lớp hàn ñắp như: ñộ bền
chịu nhiệt, ñộ cứng và chụp ảnh kim tương là các phương pháp kiểm tra chất lượng
chính, có độ tin cậy cao và dễ dàng ñược thực hiện trong ñiều kiện công nghệ và
thiết bị ở Việt Nam.
- Bằng thực nghiệm ñã xác ñịnh ñược mối quan hệ giữa dịng điện hồ quang
với độ cứng. Khi tăng dịng điện hồ quang lên thì độ cứng lớp hàn ñắp giảm xuống
và ngược lại.
- ðã ứng dụng kết quả của ñề tài hàn ñắp nâng cao ñộ bền chịu mài mịn của
xupap xả động cơ điezell
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Công nghệ hàn plasma bột
1.1.1. ðặc điểm cơng nghệ hàn bột plasma.
1.1.1.1. Ngun lý cơng nghệ hàn bột Plasma
Quy trình hàn bột Plasma (PTA) ñược sử dụng ñể ñắp lên vật liệu nền một
lớp kim loại làm tăng khả năng chống chịu mài mịn hoặc ăn mịn do những điều
kiện làm việc trong môi trường khắc nghiệt của chi tiết máy. Kỹ thuật này ñược ứng
dụng ñể làm tăng ñộ cứng bề mặt, tăng khả năng chịu mài mòn bề mặt chi tiết. ðây
là công nghệ tiên tiến trong xử lý bề mặt mà ñối tượng là hồ quang ñiện giữa ñiện
cực vonfram và vật liệu phủ bề mặt.
Quá trình hàn bột Plasma hồ quang dịch chuyển (PTA) có thể được coi là
một dẫn xuất của quá trình hàn hồ quang Plasma (PAW). Cả hai quy trình hàn sử
dụng một điện cực vonfram khơng tiếp xúc nằm bên trong đầu hàn, mỗi mỏ hàn đều
được làm mát bằng nước, khí bảo vệ để bảo vệ bể hàn nóng chảy và khí Plasma.
ðiểm khác biệt giữa hai quá trình hàn nằm trong bản chất của vật liệu phụ đó là bột
thay vì dây, kim loại phụ ñược cung cấp dưới dạng bột bởi một chất khí vận chuyển
(khí mang) đến khu vực hồ quang mà trong đó đã chứa đầy đủ các thành phần
nguyên tố hợp kim với hàm lượng cần thiết tuỳ thuộc vào tính chất lớp đắp u cầu
(bột hợp kim).
Trong hai quá trình hàn bột Plasma và hàn hồ quang plasma sử dụng một khí
trơ như khí plasma, khí này buộc phải ñi qua các lỗ của ñầu hàn, nơi ñiện cực ñược
ñịnh tâm chắc chắn. Khí bảo vệ qua miệng đầu hàn bao quanh bên ngồi lớp hàn có tác
dụng chống lại sự ơxy hóa từ khơng khí bên ngồi khí quyển lên bề mặt lớp hàn. Mặt
khác, trong q trình hàn bột Plasma khí mang được sử dụng ñể vận chuyển vật liệu
phụ thông qua ñường dẫn và ñược ñiều chỉnh lượng cấp cho phép ñến khu vực hồ
quang plasma sao cho lượng bột cấp là tập trung nhất. Khí được sử dụng cho mục
đích này thường là khí argon.
Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 4
ðặc trưng của phương pháp hàn bột plasma hồ quang dịch chuyển đó chính
là hồ quang Plasma. Plasma (một chất khí bị ion hóa hồn tồn đạt đến trạng thái
dẫn ñiện) có thể ñược xem như là trạng thái tự nhiên thứ tư của vật chất. Trạng thái
Plasma chiếm hơn 99,9% thành phần vật chất trong vũ trụ. Nhiệt Plasma bao gồm
một chất khí có ít nhất 1% bị ion hóa với một nhiệt độ lớn hơn 13.000 ° C và là một
chất dẫn điện tốt. Trong q trình phát sinh từ khí trơ đến argon tạo thành một dịng
Plasma tập trung ở nhiệt ñộ cao.
Bột hợp kim ñược ñưa từ cơ cấu cấp bột vào ñầu hàn plasma nhờ khí mang
bột. Cơ cấu cấp bột đảm bảo định lượng bột cấp chính xác và ổn định nhờ mạch
phản hồi ñưa về ñộng cơ cấp bột ñược ñiều khiển bởi phần mềm máy tính.
Cấu tạo của đầu hàn bột Plasma [8]:
Hình 1-1: Sơ đồ cấu tạo của mỏ hàn bột Plasma.
1. Ống cấp vật liệu dạng bột;
4. ðiện cực Vonfram;
2. Ống tạo khí Plasma;
5. Lớp hàn đắp;
3. ðường dẫn khí bảo vệ;
6. Chi tiết hàn.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 5
Bột hợp kim bị nóng chảy khi đi qua hồ quang plasma và được rót vào vũng
hàn. Tồn bột vùng hàn được bao bọc bởi lớp khí bảo vệ Argon. Bộ cấp khí có
nhiệm vụ cung cấp và điều chỉnh tự động bằng mạch điện tử lưu lượng khí tạo
plasma, khí mang bột.
Trong q trình này, bột kim loại được ñưa vào một vũng hàn nóng chảy
ñược tạo ra bởi plasma ở nhiệt ñộ cao (lên ñến 20.000 ° C). Tất cả các thơng số chế
độ hàn bao gồm cả thơng số về tốc độ cấp bột, năng lượng đầu vào (dịng điện hàn),
lưu lượng khí plasma và khí bảo vệ cũng như tốc ñộ của ñầu hàn và vật hàn đều
được kiểm sốt, khống chế và được điều chỉnh tự động hồn tồn bằng phần mềm
máy tính. Với nguồn năng lượng tập trung cao của hồ quang plasma cho phép ta
nhận được lớp đắp có chất lượng cao nhất. Lớp đắp hồn tồn đặc và được liên kết
về mặt luyện kim (tương tự như ñúc) với kim loại cơ bản.
Hình 1-2: Ngun lý cơng nghệ hàn bột Plasma.
Hàn hồ quang Plasma ñể làm cứng bề mặt chi tiết là một phương pháp hàn
phù hợp tạo ra một liên kết kim loại nóng chảy giữa lớp nền và lớp đắp. Chiều dày
lớp đắp có thể dao động từ 0,6 ÷ 6,0 mm, chiều rộng từ 3 ÷ 10 mm khi sử dụng một
lớp hàn ñắp, nhiều lớp hàn khi hàn chiều dày lớp đắp có thể đến 20 mm và chiều
rộng trên 30 mm [11].
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 6
Trong hàn hồ quang ñể làm cứng bề mặt chi tiết, hai nguồn cung cấp ñiện
DC ñược sử dụng: nguồn thứ nhất tạo hồ quang khơng dịch chuyển giữa điện cực
vonfram (-) và anot (+) và sau đó hồ quang tạo nên giữa ñiện cực vonfram (-) và
vật hàn (+). Hồ quang mồi tạo nên do một thiết bị tần số cao và dịng khí plasma
bao quanh catot (cực âm) ñược ion hóa ở ñầu ñiện cực.
Khi hồ quang chuyển dịch ñược tạo nên, vật hàn trở thành một phần của
mạch ñiện và hồ quang plasma ñược dẫn hướng và tập trung thơng qua các miệng
của đầu hàn vào vật hàn. Bột phun ra dưới một áp lực lớn của dịng khí Argon, từ
đầu hàn tới bề mặt của chi tiết hàn. ðầu hàn sau đó hoặc là di chuyển bằng cách
dịch chuyển chùm tia lên trên vật hàn, hoặc là vật hàn ñược xoay hay di chuyển
theo ñầu hàn ñể tạo ra một lớp hàn ñắp.Các lớp ñắp hồ quang có tỷ trọng lớn và
được liên kết liền khối với vật hàn. Cấu trúc lớp ñắp là liền khối của kim loại nóng
chảy cùng với sự hình thành các tinh thể dạng nhánh trong suốt q trình đơng đặc.
Một tính năng quan trọng nhất của q trình hàn bột plasma hồ quang dịch
chuyển là nó cho phép khống chế phần kim loại cơ bản tham gia vào kim loại ñắp.
Tỷ lệ kim loại cơ bản tham gia vào kim loại đắp chỉ cịn 5%, so với 20-25% khi hàn
bằng các phương pháp hàn tiên tiến khác như hàn MAG, MIG, TIG. Do đó chỉ cần
một lượt hàn đã có thể đạt được các tính chất cần thiết của lớp đắp.
1.1.1.2. Qúa trình lý hóa khi hàn plasma
Trong q trình hàn nóng chảy, q trình lý hóa xảy ra trong kim loại vũng
hàn cũng giống như quá trình luyện kim ví dụ q trình oxy hố, khử oxy, cháy hợp
chất hợp kim, hợp kim hố … nhưng nó có dặc ñiểm riêng của nó.
Khi hàn hồ quang kim loại bị chảy ra rất nhanh ( khoảng vài giây) và lượng
kim loại bị nóng chảy rất nhỏ (khoảng 8cm3) nhiệt độ kim loại vũng hàn cao hơn rất
nhiều so với các lò luyện. Sau khi hàn xong kim loại vùng hàn do tiếp xúc với kim
loại vật hàn nên nguội lạnh rất nhanh. Do các đặc điểm trên nên q trình hố lý
khơng thể thực hiện được triệt để.
Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 7
Hình 1-3 : Hàn bột Plasma
1.1.1.3.Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy
a. Q trình luyện kim khi hàn nóng chảy
Khi hàn nóng chảy nhiệt độ vùng hàn trung bình là 1700 - 1800oC. Ở trạng thái
nhiệt ñộ cao kim loại lỏng chịu sự tác động mạnh của mơi trường xung quanh và các
nguyên tố có trong thành phần que hàn và thuốc bọc que hàn; Kim loại mối hàn ở trạng
thái lỏng và một phần bị bay hơi. Trong vùng mối hàn xảy ra nhiều q trình như ơxy
hố, khử ơxy, hồn ngun và hợp kim hố mối hàn, quá trình tạo xỷ và tinh luyện ,...
Các quá trình đó phần nào tương tự như những q trình luyện kim nên người ta
gọi quá trình này là quá trình luyện kim khi hàn nhưng xảy ra trong một thể tích nhỏ và
thời gian ngắn.
Hình 1- 4: Sơ đồ những yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng mối hàn
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 8
b. Vũng hàn và đặc điểm của nó
Khi hàn, dưới tác dụng của nguồn nhiệt, vùng kim loại nóng chảy tạo nên
một vũng hàn. Kim loại ở ñây là hổn hợp các nguyên tố của kim loại cơ bản và kim
loại vật liệu hàn. Vũng hàn ñược chia ra 2 vùng chính: vùng đầu và vùng đi vũng
hàn. Hình 1-5: biểu diễn sơ ñồ mối ghép hàn và tác dụng của nguồn nhiệt khi hàn
hồ quang [6]:
Hình 1-5: Sơ đồ mối ghép hàn (a) và tác dụng của nguồn nhiệt khi hàn hồ
quang (b)
Hình 1-6: Sơ đồ đường hàn và vị trí vũng hàn
I- Vùng đầu vũng hàn; II-Vùng đi vũng hàn
1- Vùng có nhiệt độ khơng xác định;
2- Vùng có nhiệt độ khoảng 1800oC;
3-Vùng có nhiệt độ gần nhiệt ñộ nóng chảy (khoảng 1500oC)
B- Chiều rộng mối hàn;
C- Chiều cao mối hàn; H - Chiều sâu mối hàn.
c. Tổ chức kim loại mối hàn và vùng cận mối hàn
Sau khi đơng đặc, kim loại mối hàn sẽ có thành phần khác so với kim loại cơ
bản. Dưới tác dụng của nhiệt ñộ tổ chức kim loại mối hàn cũng ñược chia thành
nhiều vùng khác nhau. Dưới ñây là sơ ñồ các vùng mối hàn [2]:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 9
Hình 1-7: Tổ chức kim loại vũng hàn
Hình 1-8: Vùng ảnh hưởng nhiệt
Hình 1-9: Tổ chức kim loại vùng mối hàn và cận mối hàn
Tổ chức kim loại mối hàn phụ thuộc phương pháp hàn, kim loại vật hàn, và
chế ñộ hàn. Tổ chức kim loại vùng mối hàn và gần mối hàn ñược chia ra 7 vùng
khác nhau : Vùng mối hàn, vùng viền chảy, vùng ảnh hưởng nhiệt gồm có các vùng
: vùng q nhiệt, vùng thường hố, vùng kết tinh lại khơng hồn tồn vùng kết tinh
lại, vùng dịn xanh.
Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 10
- Vùng mối hàn (1) :
Vùng này kim loại nóng chảy hồn tồn, khi nguội lạnh có tổ chức tượng tự
tổ chức thỏi ñúc, thành phần và tổ chức khác với kim loại bột hàn và vật hàn.
Vùng sát với kim loại cơ bản do tản nhiệt nhanh, tốc ñộ nguội lớn nên hạt rất
nhỏ. Vùng tiếp theo kim loại sẽ kết tinh theo hướng thẳng góc với mặt tản nhiệt tạo
nên dạng nhánh cây kéo dài, vùng trung tâm do nguội chậm, nên hạt lớn và có lẫn
chất phi kim.
Có thành phần kim loại hỗn hợp giữa vật hàn, vật liệu hàn. Tổ chức có dạng kéo
dài về tâm mối hàn (theo hướng kết tinh). Vùng gần viền chảy có tổ chức hạt nhỏ mịn
do tốc độ tản nhiệt nhanh; vùng trung tâm có lẫn nhiều tạp chất do kết tinh sau cùng.
- Vùng viền chảy (2) :
Là vùng kim loại nóng chảy khơng hồn tồn nằm giữa kim loại mối hàn (
nóng chảy) và kim loại vật hàn ( khơng chảy) vùng này kim loại vật hàn có pha lỏng
và đặc có pha lẫn kim loại bột hàn. Hạt kim loại nhỏ và ảnh hưởng tốt ñến cơ tính
mối hàn..
Vùng này kim loại nóng chảy khơng hồn tồn. Thành phần kim loại mối
hàn có lẫn các nguyên tố của vật liệu hàn. Do có sự tác dụng qua lại giữa pha long
và pha ñặc nên trong mối hàn có thể lẫn các tạp chất. Hạt tinh thể vùng này nhỏ, có
cơ tính tốt. Vùng này tồn tại 2 pha lỏng có chhiều rộng vùng này nhỏ khoảng 0,10,3 mm rất khó phân biệt chúng nên gọi chung là vùng viền chảy.
-Vùng ảnh hưởng nhiệt :
Là vùng có nhiệt ñộ thấp hơn nhiệt ñộ nóng chảy nhưng có tổ chức và tính
chất thay đổi dưới tác dụng của nhiệt ñộ. Chiều rộng vùng này phụ thuộc chiều dày
vật hàn, nguồn nhiệt, chế ñộ hàn, phương pháp hàn,...
- Vùng quá nhiệt (3) T = 1100 ÷12000C
Là vùng có các hạt ôstenit bắt ñầu phát triển mạnh: Vùng này hạt kim loại rất
lớn có độ dai va chạm và tinh dẻo kém là vùng yếu nhất của vật hàn.
Do tổ chức hạt lớn, cơ tính giảm nhiều, dịn, dễ nứt, ... ðây là vùng thường
gây nên các vết gẫy nứt của mối hàn.
-Vùng thường hóa(4) có T>AC3
Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 11
Có nhiệt độ khoảng (880 - 11000C), có chiều rộng khoảng 0.2 - 5 mm có tổ
chức gồm các hạt ferit nhỏ và một số hạt peclit, cơ tính tốt.
- Vùng kết tinh lại khơng hồn tồn (5):có nhiệt độ khoảng T = 720- 8800C.
Tức là nằm trong khoảng AC1 - AC3, nên có thể xảy ra q trình chuyển biến
ơstenit về tổ chức péclít và martenxit cho nên có thành phần hố học và cơ tính
khơng đồng nhất, tổ chức là các hạt ferit to và ơstenit nhỏ, vì thế cơ tính vùng này
giảm (do hạt khơng đều).
- Vùng kết tinh lại (6) :
Là vùng có nhiệt độ 500-7000C. Tổ chức giống tổ chức kim loại vật hàn,
nhưng ở nhiệt ñộ này là nhiệt ñộ biến mềm làm mất hiện tượng biến cứng ( ví dụ
làm mất sự khơng cân bằng và kéo dài của hạt khi gia công áp lực nguội) nên tổ
chức tính chất của kim loại trở lại trạng thái ban đầu. Vùng này có độ cứng giảm,
tính dẻo tăng.
- Vùng dịn xanh (7) : T = 100 - 500oC
Tổ chức kim loại ít bị thay đổi, gần giống vật liệu cơ bản nhưng do khơng
khí xâm nhập vào nên cơ tính giảm, tồn tại ứng suất dư, kim loại bị hoá già, khi thử
kéo mẫu hay bị ñứt vùng này. Chiều rộng của vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc:
chiều dày vật hàn, nguồn nhiệt hàn, ñiều kiện thoát nhiệt khỏi vũng hàn.
Chiều dày vật hàn lớn, nguồn nhiệt hàn nhỏ, điều kiện thốt nhiệt tốt, chiều
rộng vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ và ñộ cứng kim loại tăng. Nung nóng sơ bộ trước
khi hàn, nguồn nhiệt lượng, chiều dày vật hàn nhỏ thì tổ chức mối hàn ở vùng ảnh
hưởng nhiệt thô, chiều rộng vùng quá nhiệt tăng vì thế giảm tính dẻo, độ dai va
chạm của mối hàn và vùng lân cận mối hàn. Hàn hồ quang plasma có vùng ảnh
hưởng nhiệt nhỏ nhất. Dịng ñiện càng nhỏ, tốc ñộ hàn càng lớn, vùng ảnh hưởng
nhiệt càng nhỏ.
1.1.2. Ưu, nhược điểm của cơng nghệ hàn bột Plasma
1.1.2.1. Ưu điểm
- Nhờ có sự tập trung khí plasma mà vùng nóng chảy được thu hẹp một cách
tương ñối và ñiều này giảm tối thiểu nhiệt ñộ làm việc của vật liệu cơ bản.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 12
- Lớp bột chuyển tiếp rất mỏng tạo thành lớp hàn ñắp giữa vật liệu cơ bản
và bản thân bề mặt hàn với độ dày cho phép khoảng từ 1÷2 mm
- Cùng với việc ñịnh vị chi tiết bề mặt hàn,một lớp hàn ñược tạo thành giữa 2
bề mặt hàn với dung sai lớn khoảng 1mm nên giảm thiểu chi phí gia cơng tiếp theo.
- Giảm tối thiểu sự pha lỗng của vật liệu nền, tự động hóa dễ dàng, dễ dàng
điều chỉnh đường hàn có nghĩa là tạo ra chất lượng cao và lớp phủ có tính chịu mài
mịn trong hầu hết các hợp kim. Ứng dụng rất hiệu quả cho sản xuất hàng loạt.
1.1.2.2. Nhược ñiểm
- Vật liệu hàn bột là các vật liệu ñắt tiền nhất so với vật liệu que hoặc dây hàn.
- ðối với hàn bột Plasma thì u cầu việc định vị với việc cấp bột tự động lên
bề mặt theo dạng hình trụ và hình cầu phải rất chính xác trong giới hạn cho phép.
- Giống như việc bổ sung vât liệu, phương pháp này yêu cầu phải sử dụng
chủ yếu là bột nền coban như hợp kim nguội bao (gồm Coban, crom, vonfram và
molipden) ñể tạo ra lớp chống chịu ñược ñộ cứng cao (lên đến 55HRC) chịu mài
mịn với hóa chất, và ăn mòn nhiệt và tải tiếp xúc.
- Trong quá trình PTA, khí plasma được tập trung trong khi buộc phải thông
qua các cực anot chịu nhiệt, gây ra một sự gia tăng ñáng kể mật ñộ hồ quang, năng
lượng và nhiệt độ.
1.1.3. Ứng dụng cơng nghệ hàn plasma bột
Hàn plasma bột là cơng nghệ hàn tiên tiến, PTA có rất nhiều ứng dụng trong
cơng nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực phục hồi các chi tiết máy chịu mài mòn và tạo lớp
ñắp cứng bề mặt của dụng cụ cắt (dao xén giấy, dao băm tre, ...).
Một số ứng dụng điển hình của cơng nghệ hàn plasma bột:
Học viện Nơng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 13
