Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao (hvof) để phục hồi chi tiết máy và thiết bị mỏ bị mòn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

ĐÀO ĐỨC HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ
CAO (HVOF) ĐỂ PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ BỊ
MÒN.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

ĐÀO ĐỨC HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ
CAO (HVOF) ĐỂ PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ BỊ MÒN.

Chuyên nghành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ, DẦU KHÍ
Mã số: 60.52.12

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐINH VĂN CHIẾN

HÀ NỘI, NĂM 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào.
Hà nội, ngày 10 tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn

Đào Đức Hùng


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục hình vẽ, đồ thị
Mở đầu

1

Chương 1 – Tổng quan về máy và thiết bị mỏ

4

1.1 Quy hoạch phát triển và đổi mới công nghệ, thiết bị của

4

ngành than Việt Nam
1.2. Điều kiện làm việc, những nguyên nhân gây ra mòn hỏng

7

chi tiết máy và thiết bị mỏ
Chương 2: Giới thiệu các phương pháp xử lý bề mặt kim

9

loại mòn.
2.1. Giới thiệu các phương pháp

9

2.1.1. Mục đích của xử lý bề mặt kim loại

9

2.1.2. Công nghệ hàn đắp

10

2.1.3. Công nghệ mạ

10

2.1.4. Các phương pháp phun phủ kim loại

14

2.1.5. Ưu, nhược điểm của phun phủ

24

2.1.6. Vật liệu phun phủ thông dụng

24

2.2. Lựa chọn phương pháp

41

2.2.1. Chọn phương pháp phun phủ theo yêu cầu độ bền nhiệt

41

2.2.2. Chọn phương pháp phun phủ theo tính năng cơ lý

42

2.2.3. Chọn phương pháp phun theo phương pháp phun

42


Chương 3: Tính tốn lựa chọn 1 số thơng số cơ bản ảnh

44

hưởng đến chất lượng phun
3.1. Giới thiệu thiết bị và nguyên lý làm việc

44

3.1.1. Giới thiệu 1 số các thiết bị chuyên dùng sử dụng trong

44

công nghệ phun
3.1.2. Mơ phỏng q trình phun

48

3.1.3. Một số u cầu cơng nghệ khi phun phủ chi tiết trịn xoay

49

3.2. Tính tốn lựa chọn 1 số thông số cơ bản ảnh hưởng đến chất

50

lượng phun
3.2.1. Lựa chọn thông số cơ bản để nghiên cứu

50

3.2.2. Ngun lý hình thành dịng phun

50

3.2.3. Nghiên cứu, tính tốn thơng số khoảng cách L từ đầu phun

51

đến chi tiết phun
3.2.4. Tính tốn, lựa chọn thơng số vận tốc phun ảnh hưởng đến

61

chất lượng phun phủ
3.3. Áp dụng công nghệ phun nổ phục hồi trục cam trên xe ô tô

70

Komatsu HD 465-7
Kết luận – Kiến nghị

78

Tài liệu tham khảo

80

Phụ lục: Tiến trình cơng nghệ phục hồi trục cam xe ô tô

82

Komatsu HD 465-7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tiêu đề bảng

Bảng 2.1

Vật liệu phun phủ bột kim loại hoặc tổ hợp kim loại

Trang
26

nhiều lớp ( nhóm 1)
Bảng 2.2

Vật liệu phun phủ hỗn hợp bột các bít ( nhóm 2)

35

Bảng 2.3

So sánh 1 số đặc trưng của 3 dạng phun nhiệt khí và

42

Plasma
Bảng 3.1

Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của khoảng cách phun

52

đến độ xốp
Bảng 3.2

Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của khoảng cách phun

52

đến độ bền bám dính
Bảng 3.3

Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc phun đến

63

độ xốp
Bảng 3.4

Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc phun đến
độ bền bám dính

63


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hình

Tên hình vẽ và đồ thị

Trang

Hình 2.1

Mạ trong chân khơng

13

Hình 2.2

Hệ thống thiết bị phun plasma

15

Hình 2.3

Hệ thống thiết bị HVOF

15

Hình 2.4

Phun nhiệt khí – phun dây

16

Hình 2.5

Ngun tắc làm việc của phun nhiệt khí - thanh

16

Hình 2.6

Sơ đồ ngun lý phun nhiệt khí – bột

17

Hình 2.7

Phun nhiệt khí – nổ

18

Hinh 2.8

Súng phun nổ và cơ cấu điều khiển

20

Hình 2.9

Phun nhiệt khí cao tốc HVOF

22

Hình 2.10

Phun plasma

23

Hình 2.11

Quá trình bay của các hạt phun Plasma

23

Hình 2.12

Q trình phát triển cơng nghệ phun phủ

41

Hình 2.13

Chọn phương pháp phun phủ chống ăn mịn

42

Hình 3.1

Hệ thống thiết bị phun

45

Hình 3.2

Súng phun cầm tay phun chi tiết gá trên máy tiện

45

Hình 3.3

Đồ gá chi tiết đứng

46

Hình 3.4

Chi tiết gá trên máy tiện

46

Hình 3.5

Súng phun kẹp trên robot và tự động điều chỉnh

47

thơng số phun
Hình 3.6

Súng phun gá trên robot và được điều chỉnh tự động

47

Hình 3.7

Kết cấu đầu súng phun, bảo đảm độ chụm khi phun

48

Hình 3.8

Nguyên lý hình thành dịng phun

51

Hình 3.9

Quan hệ khoản cách với độ xốp trong các điều kiện

53

lưu lượng phun khác nhau


Hình 3.10

Vùng tối ưu giữa độ xốp và lưu lượng khi khoảng

54

cách phun nằm trong khoảng 200 đến 400mm
Hình 3.11

Vùng tối ưu độ bền - lưu lượng với các khoảng cách

55

khác nhau
Hình 3.12

Quan hệ khoảng cách phun với tốc độ phun và độ

56

bền bám dính
Hình 3.13

Quan hệ khoảng cách phun với độ xốp lớp phủ và

57

độ bền bám dính
Hình 3.14

Quan hệ khoảng cách phun trong hệ tọa độ độ bền

57

và độ xốp
Hình 3.15

Biểu đồ đồng mức khoảng cách phun quan hệ với

58

độ xốp lớp phủ và độ bền bám dính
Hình 3.16

Biểu đồ 3đ quan hệ khoảng cách với độ bền và tốc

58

độ phun
Hình 3.17

Quan hệ khoảng cách phun trong hệ tọa độ độ bền

59

và tốc độ phun
Hình 3.18

Quan hệ khoảng cách phun với độ bền và tốc độ

59

phun
Hình 3.19

Quan hƯ khoảng cách phun với tốc độ phun và l-u

60

l-ợng
Hỡnh 3.20

Đ-ờng đồng mức l-u l-ợng phun trong quan hệ

60

khoảng cách phun và tốc độ phun
Hỡnh 3.21

Biểu đồ đồng mức quan hệ khoảng cách phun với độ

61

bền bám dính và độ xốp
Hỡnh 3.22

Đầu phun và dịng phun

61

Hình 3.23

Quan hệ giữa tốc độ phun với lưu lượng và khoảng

64


cách phun
Hình 3.24

Quan hệ tốc độ phun với lưu lượng và khoảng cách phun

65

Hình 3.25

Biểu đồ 3D quan hệ tốc độ phun với độ bền bám và

65

khoảng cách phun
Hình 3.26

Bình đồ tốc độ phun phân bố trên tọa độ khoảng

66

cách và lưu lượng
Hình 3.27

Bình đồ tốc độ phun phân bố trên tọa độ độ bền và

66

lưu lượng
Hình 3.28

Bình đồ tốc độ phun phân bố trên tọa độ xốp và lưu lượng

67

Hình 3.29

Bình đồ phân bố tốc độ phun phân bố trên hệ tọa độ

67

xốp và lưu lượng phun
Hình 3.30

Bình đồ phân bố tốc độ phun phân bố trong hệ tọa

68

độ độ bền và độ xốp
Hình 3.31

Bình đồ lưu lượng phun quan hệ với khoảng cách

69

phun và tốc độ phun – Hàn hồi quy
Hình 3.32

Hình ảnh xe ơ tơ Komatsu HD 465-7

71

Hình 3.33

Kết cấu xe Komatsu HD 465-7

72

Hình 3.34

Hình ảnh bề mặt ăn mịn của trục cam xe ơ tơ

73

Komatsu HD 465-7


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển của ngành khai thác mỏ thì nhu cầu sử dụng thiết bị
phục vụ cho sản xuất ngày càng nhiều, xu thế nâng cao năng suất, tác động
nhanh của thiết bị làm cho điều kiện làm việc của chúng thêm khắc nghiệt.
Việc phục hồi các chi tiết máy sau thời gian làm việc bị mòn thay thế cho chế
tạo mới hoặc nhập ngoại có ý nghĩa kinh tế rất lớn, giảm được chi phí gia
cơng chế tạo cũng như chủ động cung cấp phụ tùng thay thế kịp thời phục vụ
sản xuất.
Để giải quyết vấn đề phục hồi chi tiết máy nói trên, tuỳ theo lượng mịn
thực tế trên chi tiết máy mà người ta có nhiều giải pháp cơng nghệ như: hàn
đắp, phun phủ, mạ điện, mạ hoá học, phủ hố học, mạ nhúng trong kim loại
nóng chảy, thấm kim loại, thấm các bon, thấm nitơ, nhiệt luyệt, mạ chân
không, xử lý tia lửa điện… trong các phương pháp phun phủ kim loại thì cơng

nghệ phun HVOF tuy ra đời sau, nhưng tạo được lớp phủ có nhiều ưu điểm
nổi trội: vật liệu lớp phủ có độ bám dính cao, độ xốp thấp, độ cứng cao; thành
phần lớp phủ tương đối đồng đều và trong một số trường hợp phun tạo lớp
phủ bảo vệ chi tiết có thể khơng cần gia cơng lại; làm ảnh hưởng ít nhất đến
cơ tính của kim loại nền.
Trong khn khổ của đề tài, tác giả đã thực hiện các nghiên cứu thực
nghiệm về công nghệ phun HVOF trên các mẫu trong quy mô phịng thí
nghiệm tại viện cơ khí năng lượng mỏ - TKV và Viện nghiên cứu cơ khí - Bộ
cơng thương. Các nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi lớp phủ và vùng liên kết
hai lớp nền thép và lớp phủ hợp kim
Trên cơ sở kết quả thu nhận được trong các thí nghiệm với việc tạo lớp
từ bột phủ hợp kim 25Cr5Ni lên nền thép 45Cr, đề tài đã triển khai áp dụng


2

phun phục hồi chi tiết trục cam xe ô tô Komatsu HD 465-7 đang được dùng
tại một số công ty Than thuộc Vinacomin.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
- Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF để
phục hồi chi tiết máy và thiết bị mỏ bị mòn nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất,
hạ giá thành sản phẩm .
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
- Đối tượng nghiên cứu: Phục hồi chi tiết máy và thiết bị mỏ bị mòn.
- Phạm vi nghiên cứu: Lụa chọn phương pháp phun HVOF để phục hồi
chi tiết máy và thiết bị mỏ bị mòn.
4. Nhiệm vụ của đê tài
- Trên cơ sở thực nghiệm, phân tích, đánh giá kết quả khảo sát mẫu
theo quy hoạch thực nghiệm tìm ra miền thơng số phun HVOF chính có ảnh
hưởng đến lớp phủ bề mặt trên mẫu dạng trụ.

- Đề xuất tiến trình cơng nghệ phun HVOF phục hồi chi tiết trục cam xe
ô tô Kômmatsu HD 465-7.
5. Nội dung nghiên cứu của luận văn
- Tổng quan về máy và thiết bị của một số Cơng ty thuộc tập đồn Cơng
nghiệp Than và Khống sản Việt Nam - Vinacomin. Tìm hiểu ngun nhân
gây mịn, hỏng.
- Tìm hiểu các phương pháp xử lý bề mặt kim loại bị mịn, lựa chọn
phương pháp phun nhiệt khí HVOF
- Tính tốn và lựa chọn một số thơng số cơng nghệ ảnh hưởng đến chất
lượng phun phủ.
6. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm:


3

- Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm: lập quy hoạch thực nghiệm
trên mẫu thí nghiệm dạng trục.
- Phương pháp nghiên cứu đánh giá tổng hợp tính chất lớp phủ: độ xốp
lớp phủ, độ bền bám dính lớp phủ với kim loại nền, cấu trúc tế vi lớp phủ và
cấu trúc biên giới của nó với lớp kim loại nền.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Xác lập luận cứ cơ sở khoa học bằng thực nghiệm
cho việc đề xuất tiến trình công nghệ phun HVOF phục hồi, sửa chữa các chi
tiết trong ngành máy và thiết bị mỏ Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn: Góp giải quyết việc phục hồi được những chi tiết
có hình dáng hình học phức tạp của máy và thiết bị phục vụ cho ngành khai
thác mỏ, đáp ứng kịp thời, chủ động nhu cầu thay thế thiết bị trong sản xuất
mà không phụ thuộc nhiều vào việc nhập ngoại. Tận dụng được khả năng về
tri thức cũng như thiết bị, công nghệ các cơ sở sản xuất trong nước, tạo thêm

thu nhập và công việc cho người lao động.
8. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được trình bày trong 81trang thuyết minh khổ A4 được chia
làm 3 chương. Bao gồm phần mở đầu, các danh mục biểu bảng (7 bảng và 47
hình), phần kết luận, kiến nghị, phụ lục. Luận văn được hồn thành tại Bộ
mơn Máy và thiết bị Mỏ Trường Đại học Mỏ Địa Chất dưới sự hướng dẫn của
TS Đinh Văn Chiến.
T«i xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo h-ớng dẫn:
TS Đinh Văn Chiến và toàn thể các thầy giáo trong bộ môn.
Hà Nội,ngày 10 tháng 10 năm 2011
Học viên: o c Hựng


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY VÀ THIẾT BỊ MỎ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC,
NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY RA MÒN HỎNG CHI TIẾT MÁY VÀ
THIẾT BỊ MỎ
1.1 Quy hoạch phát triển và đổi mới công nghệ, thiết bị của ngành than
Việt Nam.
Trong những năm gần đây nền kinh tế nước ta tăng trưởng rất mạnh
đảm bảo tốc độ tăng trưởng GDP luôn vượt 7%/ năm. Cùng với ngành khác,
các ngành công nghiệp đảm bảo tốc độ tăng trưởng theo kế hoạch, trong đó có
các ngành cơng nghiệp năng nượng: than, dầu khí, điện lực.
Ngành than trong những năm gần đây có tốc đọ tăng trưởng rất mạnh.
Theo quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam giai đoạn 20003 ÷ 2010 có
xét tới triển vọng đến năm 2020 đã được chính phủ phê duyệt, sản lượng than
đá thương phẩm tới năm 2020 là 29 ÷ 30 triệu tấn. Trong đó sản lượng than
hầm lò tăng từ ~ 6,5 triệu tấn năm 2002 lên tới ~ 17,2 triệu tấn năm 2010.

Nhịp độ tăng trưởng bình qn trong gia đoạn 2005 ÷ 2010 là 7%/ năm trong
đó sản lượng khai thác than hầm lị tăng 8 ÷ 13%/ năm. Đến năm 2010 sản
lượng khai thác bằng phương pháp hầm lò đạt 60,3%. Trong thực tế sản lượng
khai thác trong các năm 3003 và 2004 vượt nhiều con số trong quy hoạch:
năm 2003 đạt đạt 18,82 triệu tấn năm 2004 đạt ~ 24,5 triệu tấn, năm 2005 đạt
~ 30 triệu tấn. Vì vậy tới năm 2010 ÷ 2020, sản lượng than có thể đạt tới 40 ÷
50 triệu tấn.
Đạt được thành tích đó là nhờ vào đổi mới công nghệ, thiết bị và tổ
chức, quản lý trong Than Việt Nam trong những năm gần đây.Một trong
những hướng đổi mới công nghệ và thiết bị trong khai thác than hầm lò là sử
dụng cột chống thủy lực đơn kết hợp với xà kim loại đã tăng năng suất, đảm


5

bảo an tồn lao động và có hiệu quả rõ rệt so với việc sử dụng gỗ chống lò,
cột chống ma sát, xà kim loại trước đây. Nhằm nâng cao năng suất và an toàn
lao động, tận thu tài nguyên, giảm gỗ chống lị, Tập đồn Than Việt Nam
(Than Việt Nam) từ năm 1998 đã áp dụng vì chống thủy lực trong khai thác
than hầm lò. Từ tháng 3 năm 1998 lò chợ cột chống thủy lực đơn đầu tiên
được đưa vào chống giữ trong lò chợ số 3 vỉa 8 Tây Vàng Danh - Công ty
Than Vang Danh, các lò chợ tiếp theo được đưa vào khai thác tại vỉa 14-5 Công ty Than Khe Chàm, vỉa 7 Tây Vàng Danh - Công ty Than Vàng Danh,
vỉa 9b Tây Cơng ty Than Mạo Khê và vỉa 8 Xí nghiệp Than Nam Mẫu - Cơng
ty Than ng Bí. Sau thời gian thử nghiệm thành cơng, hàng loạt các lị chợ
cột thủy lực đơn đã được các công ty đưa vào sử dụng
Tiến lên một bước nữa, Than Việt Nam đã đưa vào sủ dụng giá thủy
lực di động. Giá thủy lực di động vừa có tính năng như giàn chống thủy lực
mà lại gọn nhẹ, có tính thích ứng cao, giá thành rẻ... phù hượp với điều kiện
khai thác hiện nay. Để giải quyết vấn đề khai thác các vỉa dày với sơ đồ công
nghệ khai thác hạ trần thu hồi than nóc, khấu đồng thời tồn bộ chiều dài vỉa,

các Công ty than kết hợp cùng Vện Khoa học công nghệ Mỏ nghiên cứu áp
dụng thử nghiệm giá thủy lực di động của Trung Quốc. Do tính ưu việt, nhu
cầu về giá thủy lực ngày càng tăng. Xu thế chung có thể nói sẽ dần chiếm tỷ
trọng ngày càng lớn hơn. Có thể nói từ chống giữ trong lị bằng gỗ tới sử dụng
cột ma sát với sà kim loại, tiếp theo tới cột chống thủy lực đơn và xà kim loại
và cuối cùng là giàn chống tự hành là các tiến bộ trong thiết bị chống giữ
trong khai thác than hầm lò. Hiện nay ở tất cả các Cơng ty than hầm lị đều sử
dụng giá đỡ thủy lực loại XDY - 1 của Trung Quốc.
Cùng với sự tăng nhanh của sản lượng khai thác, khối lượng vận
chuyển than và đất đá rất cao. Vì vậy địi hỏi các phương tiện vận tải phải đáp
ứng kịp thời và hiệu quả việc vận chuyển, trong đó có vận chuyển bằng


6

đường sắt. Hệ thống đường sắt mỏ để vận chuyển than được xây dựng rất lớn.
Từ năm 1894 tuyến đường sắt mỏ đầu tiên (Hà Tu - Hòn Gai) đã được xây
dựng và từ đó hệ thống đường sắt mỏ ngày càng được hoàn chỉnh. Ngày nay
hệ thống đương sắt thuộc Tập đoàn Than Việt Nam (Than Việt Nam) quản lý
phục vụ vận tải than là hệ thống đường sắt cơng nghiệp lớn nhất ngồi hệ
thống đường sắt quốc gia Việt Nam với chiều dài gần 161km, dùng để kéo
than nguyên khai từ các mỏ về nhà máy tuyển chế biến, vận chuyển công
nhân đi lam (Cẩm Phả - Cửa Ơng, Vàng Danh - ng Bí) và tới nhà máy
điện. Khối lượng vận chuyển trong giai đoạn 2001 - 2005 tăng ~ 205% (từ
59,4.106 Tkm tới 121,5.106 Tkm) và trong những năm tới còn tăng mạnh hơn
nữa. Cùng với việc tăng khối lượng vận chuyển bằng đường sắt, nhu cầu về
các thiết bị tĩnh cũng như động của đường sắt mỏ cũng tăng theo, trong đó có
toa xe đường sắt mỏ. Trước đây ngành than phải nhập toa xe trọn bộ từ nước
ngồi. Trong những năm gần đây cơ khí than đã đóng mới được toa xe phục
vụ vận chuyển than. Tuy nhiên vẫn còn các chi tiết, bộ phận phải nhập từ

nước ngồi như: vịng bi, giá chuyển hướng, đầu đấm - móc nối tự động, tam
pơng...
Ngồi sự tiến bộ của các thiết bị chống đỡ, vận tải để đáp ứng với sự
tăng nhan của sản lượng khai thác, nhằm đảm bảo an tồn cho q trình sản
xuất hiện, giảm sức lao động của con người hiện nay hầu hết các Cơng ty
Than cũng đã cơ giới hóa hầu hết các giai đoạn của quá trình sản suất bằng
việc sử dụng các loại máy móc thiết bị như: máy khấu than, máy liên hợp đào
lò, máy xúc...
Trong khai thác lộ thiên, các bộ phận sản xuất chính gồm các công
trường khoan nổ, máy xúc, vận tải, xe gạt... Khâu vận tải thường dùng ở một
mỏ lộ thiên là các xe Bellaz 7522, 7527, 7555B, CAT 773, HD, Vônvô,
Kamaz... Khối lượng xúc bốc đất đá mỗi mỏ lộ thiên là hàng triệu tấn. Ví dụ ở


7

Công ty Than Đèo Nai khối lượng xúc bốc đất đá năm 2011 là 18.846.000
tấn, vận chuyển 176.127.000 Tkm; Vận tải than khối lượng 2.800.000 tấn,
vận chuyển than 7.500.00 Tkm.
1.2. Điều kiện làm việc, những nguyên nhân gây ra mòn hỏng chi tiết
máy và thiết bị mỏ
Điều kiện khí hậu mơi trường của nước ta là điều kiện khí hậu nóng ẩm
vì vậy tất cả các máy móc thiết bị cũng đều chịu tác động của điều kiện mơi
trường đó (máy chịu sự ơxi hóa từ mơi trường). Mặt khác đối với các cơng
việc trong ngành mỏ nói chung đều là những công việc nặng nhọc, đặc biệt là
mỏ hầm lị có mơi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm lớn) các máy móc
thiết bị khi làm việc trong mỏ cũng chịu những sự tác động của môi trường
mỏ gây ra mòn hỏng cho chi tiết và thiết bị. Ngồi ra trong q trình làm việc
trong mỏ hầm lị máy móc thiết bị cũng chịu sự tác động của áp lực mỏ làm
ảnh hưởng đến quá trình làm việc của máy móc thiết bị. Những tác động của

mơi trường cũng làm giảm năng suất của các thiết bị.
Trong một cụm máy có nhiều loại chi tiết, điều kiện ma sát của từng
loại cũng khác nhau. Các chi tiết khác nhau về vật liệu, gia cơng chế tạo... Vì
vậy, trong quá trình làm việc các chi tiết của cụm máy có độ mịn khơng đồng
đều. Khi cụm máy đưa vào sửa chữa có những chi tiết có thể dùng lại được,
có chi tiết phải sửa chữa
Hư hỏng do chế tạo, hư hỏng do vận hành và hư hỏng do chất lượng vật
liệu...Hư hỏng do vận hành là nguyên nhân chủ yếu gây nên các hư hỏng máy.
Hư hỏng do vận hành được chia ra làm 3 nhóm chính :
• Hư hỏng do mịn ( mịn đều, mịn khơng đều sinh ra ô van và độ côn,
các vết xước nhỏ và các vết xây xát. Dạng hư hỏng này có liên quan với ma
sát.)


8

• Hư hỏng cơ học ( nứt, thủng, xước, tróc, gẫy, biến dạng do tác dụng
cơ học gây nên cong, vênh, xoắn, ...)
• Hư hỏng hố nhiệt : ăn mịn, bị rỗ, bị biến dạng do nhiệt độ,...
Từ những điều kiện làm việc trong mỏ và nhũng nguyên nhân ta thấy
rằng nguyên nhân chủ yếu gây mòn hỏng chi tiết máy và thiết bị mỏ là:
- Do ma s¸t xuÊt hiện giữa các bề mặt có sự chuyển động t-ơng đối với
nhau, làm bề mặt tiếp xúc của các chi tiết bị mài mòn, dẫn đến làm giảm kích
th-ớc hình học của chi tiết và thay đổi khe hở lắp ghép ban đầu. Kích th-ớc
hình học giảm, làm độ bền của chi tiết giảm, đồng thời làm tăng khe hở mối
ghép, dẫn đến làm giảm độ kín khít, gây va đập và tải trọng động, xuất hiện
tiếng ồn khi máy làm việc, giảm hiệu suất và năng suất máy...
- Do các điều kiện làm việc của máy nh- tải trọng, tốc độ tr-ợt, nhiệt độ
mối ghép tăng cao đột ngột. Những yếu tố này xuất hiện khi chế độ vận hành
máy không đúng, do điều chỉnh các thông số làm việc không phù hợp, do việc

bôi trơn không đảm bảo, làm cho các chi tiết bị biến dạng, bị mỏi, dÉn ®Õn
háng ®ét ngét nh- nøt, g·y, cong, kĐt... Sù mòn hỏng này th-ờng mang tính
qui luật, phần lớn do ý thức trách nhiệm, do trình độ kỹ thuật non kém của
ng-ời sử dụng gây ra.
- Do ảnh h-ởng của môi tr-ờng( nh- độ ẩm, độ bụi, chất ăn mòn...), do
thiết kế( vật liệu không đủ bền, kết cấu ch-a hợp lý gây tập trung ứng suất),
do chế tạo( ph-ơng pháp gia công, ph-ơng pháp lắp ráp, khe hở lắp giáp...).
Những yếu tố này cũng gây ảnh h-ởng không nhỏ đến quá trình mòn của chi
tiết và máy.
T tỡnh hỡnh trang bị, điều kiện làm việc và những nguyên nhân hư
hỏng, mòn của các máy và thiết bị nêu trên. Tìm hiểu và lựa chọn các phương
pháp xử lý bề mặt kim loại mòn hợp lý nhất, phù hợp với điều kiện trang thiết
bị của Việt Nam để phục hồi sự mòn hỏng của các thiết bị mỏ nhằm đáp ứng
yêu cầu sản xuất, hạn chế nhập khẩu, góp phần hạ giá thành sản phẩm.


9

CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
BỀ MẶT KIM LOẠI MỊN
2.1. GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP.
2.1.1.Mục đích của xử lý bề mặt kim loại
Hiện nay xử lý bề mặt được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực, nhưng
có thể phân loại xử lý bề mặt theo mục đích xử lý của chúng như sau:
- Xử lý bề mặt với mục đích đạt được về thẩm mỹ, tức là vẻ đạp của chi
tiết, xử lý này chủ yếu dung trang trí cho các dụng cụ tiêu dung, trang sức…
- Xử lý bề mặt với mục đích nâng cao khả năng chống mòn tức là khả
năng nâng cao tuổi thọ của chi tiết:
+ Nâng cao khả năng chống mòn cơ học.

+ Nâng cao khả năng chống gỉ trong các môi trường khác nhau như hóa
học, axit, trong điều kiện nhiệt độ khác nhau…
- Xử lý bề mặt với mục đích thay thế kim loại màu, hợp kim và các vật
liệu quý hiếm khác. Trong trường hợp này vật liệu nền của chi tiết được chọn
từ các loại thép chất lượng thường, nên chỉ cần phủ trên bề mặt một lớp kim
loại quý.
- Xử lý bề mặt để phục hồi, sửa chữa chi tiết máy.
- Xử lý bề mặt với mục đích thu được một số tính chất vật lý như tính
dẫn điện, tính cách điện…
Các phương pháp xử lý bề mặt kim loại: Xử lý bề mặt là một phương
pháp cơng nghệ để thu được những tính chất, u cầu nhận định hoặc để tạo
ra một trạng thái bề mặt nhất định. Chọn phương pháp xử lý bề mặt xuất phát
từ các yêu cầu làm việc của chi tiết hoặc sản phẩm như:
- Yêu cầu về hình dáng tế vi của bề mặt ( theo phương pháp gia công như
mài, đánh bóng,….).


10

- Yêu cầu về tính chất cơ học của bề mặt ( như lăn ép, phun bi, tôi bề
mặt,…)
- Yêu cầu về thành phần hóa học, cấu trúc lớp bề mặt (xementit hóa, nitơ
hóa, khuyếch tán crơm, nhơm,…)
u cầu lớp phủ bề mặt có tính chất vật lý khác mà thành phần hóa học
giống hoặc khác với vật liệu nền (mạ, phun kim loại,…)
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương pháp xử lý bề mặt, trong đề
tài này tác giả chỉ giới thiệu một số công nghệ xử lý bề mặt như:
2.1.2. Công nghệ hàn đ p
Hàn đắp rất thích hợp cho việc sửa chữa các bề mặt nhỏ và trung bình,
hàn đắp để phủ các lớp kim loại dầy, đặc biệt rất thích hợp cho việc sửa chữa

và sản xuất các bề mặt làm việc chịu tải trọng, các bề mặt chịu mài mòn và gỉ.
Phương pháp hàn đắp có thể đắp được vật liệu có thành phần tương tự hoặc
giống với vật liệu nền. Lớp phủ hàn đắp có độ cứng và các tính chất cơ học
khác tương đối cao.
2.1.3 Cơng nghệ mạ
Mạ có thể dùng để xử lý bề mặt của các loại chi tiết to hoặc nhỏ, các
dạng bề mặt, phủ được lớp mỏng, nhưng lớp phủ lớn nhất đạt được là 1mm.
Có thể phủ các lớp phủ dung để chống gỉ hoặc chống mài mòn. Phủ trên các
chi tiết làm việc với các chế độ tải trọng khác nhau như tải trọng chu kỳ.
Mạ có thể phủ các loại vật liệu khác nhau mà các loại vật liệu này khác
với tính chất vật liệu nền. Mạ có thể chia ra thành các loại như:
2.1.3.1. Mạ điện
Mạ điện, chính xác hơn là mạ điện hóa được tạo ra theo nguyên lý điện phân.
Theo định luật Faraday: Chi tiết cần mạ sẽ là điện cực âm, chúng được
treo trên những thanh hoặc ống đồng thau, chi tiết được nhúng vào bể điện
phân chứa chất điện phân bên cạnh chúng ta treo vào bể những đĩa kim loại
cực dương.


11

Chất điện phân chứa các ion kim loại cần mạ. Khi dẫn vào điện cực dòng
điện một chiều, dòng điện sẽ đi qua bể. Khi đó kim loại điện cực dương sẽ
thoát ra và trên bề mặt cực âm sẽ thu được một lớp mạ.
Vật cần mạ phải dẫn điện. Nếu khơng thì cần phải xử lý ngay từ đầu hoặc
phải mạ chân khơng.
Dùng phương pháp mạ điện có thể tiến hành mạ hai lớp như mạ niken,
crôm. Đầu tiên trên bề mặt mạ lớp niken, sau đó lớp này được đánh bong và tiến
hành mạ lớp mỏng crôm. Để nâng cao chất lượng lớp mạ, thích hợp nhất trước
khi mạ crôm, niken người ta mạ một lớp đồng, như vậy ta có lớp phủ 3 lớp.

+ Cơng hiệu và chiều dày của cấu trúc lớp kim loại phủ.
Theo nguyên tắc phải thu được lớp chiều dày mạ như nhau trên toàn bộ
bề mặt mạ. Trường hợp ở những vật có hình dạng khơng đồng đều thì mong
muốn đó khó thực hiện, vì ở những vị trí gần với cực dương thì tất nhiên sẽ
tạo ra lớp phủ dày hơn mật độ dòng điện lớn hơn và ngược lại, ở những điểm
có vị trí xa hơn thậm trí khơng thu được lớp mạ. Do đó cần phải thay đổi hình
dáng cực dương để biến đổi mật độ dòng điện, sẽ thu được chiều dày lớp phủ
yêu cầu.
+ Bể mạ: Đây là bể chứa các chất điện phân, các chất này có thể chia
thành các nhóm sau:
- Nước dung để tạo chất điện phân: Gồm các muối đơn giản hoặc các
muối phức hợp.
- Các chất dung để nâng cao tính dẫn điện của dung dịch ( muối dẫn
điện) và muối này sẽ tạo khả năng nâng cao mật độ dòng điện.
- Các chất gây mầm kết tinh như: Các muối hoặc các chất hữu cơ, hoặc
có thể nâng cao độ nhẵn bong của lớp mạ ( các chất phụ làm bóng).
+ Dùng mạ điện có thể thu được các lớp mạ sau:
- Lớp đồng: Chủ yếu dùng cho nguyên công trước khi mạ niken, crôm
như vậy sẽ tiết kiệm kim loại niken.


12

- Lớp niken: Có độ bóng tốt hơn, nhưng trong mơi trường khí quyển
cơng nghiệp, độ sáng của nó trở nên xám, bởi vậy thường người ta sẽ mạ
thêm một lớp crôm mỏng. Lớp mạ niken thường dùng trong sản xuất các dụng
cụ điện, dùng trong mối hàn điểm của một vài hợp kim khi khơng có niken thì
có sự liên kết không thể tồn tại.
- Lớp mạ kẽm: Thường dùng cho các tấm thép, các vật liệu điện, dây thép.
- Lớp mạ crôm: Là lớp mạ thông dụng nhất và là q trình mạ quan trọng

nhất. Lớp mạ crơm có độ cứng cao, vì thế trong điều kiện nhất định nó có khả
năng chống mài mịn cơ học tốt, có hệ số ma sát nhỏ, lớp mạ crơm có khả
năng chịu đựng phần lớn các axit, đặc biệt với axit và muối của lưu huỳnh,
chiều dày nhỏ nhất của lớp mạ crơm có thể đạt được 0,5 µm.
- Lớp mạ bạc: Dùng trong kỹ thuật điện với tính chất dẫn điện tốt và bền
hóa học, dung trong các điểm tiếp xúc ở các dụng cụ máy điện, đặc biệt tính
dẫn điện cao của lớp mạ bạc đã được dung trong các máy cao tần, như ống
dẫn nóng.
2.1.3.2. Mạ hóa học khơng có dịng điện
Phương pháp mới nhất và có ý nghĩa nhất hiện nay là mạ niken
khơng có dịng điện trong dung dịch muối niken. Muối niken có thể là
clorua hay sunfat, lớp mạ này chỉ hình thành trên bề mặt kim loại, khơng
thể hình thành trên bề mặt phi kim. Phương pháp này có thể thu được
chiều dày lớp mạ đủ lớn. Ngồi ra phương pháp này cịn tốt hơn so với
phương pháp mạ điện niken là chiều dày lớp phủ đều đặn ở trên các đỉnh
cũng như ở trên các khe, lỗ.
2.1.3.3. Mạ bằng khuyếch tán
Lớp phủ được hình thành bằng sự khuyếch tán của một số kim loại vào kim
loại nền, sự khuyếch tán rõ rệt khi ở nhiệt độ cao. Khi mạ khuyếch tán, đầu tiên
rắc lên vật một lớp kim loại cần (kẽm, crôm, mangan, nhơm…). Sau đó vật được


13

bao bọc bằng một môi trường bảo vệ và đem nung nóng. Thường mơi trường
thích hợp là chân khơng. Lớp phủ được hình thành khơng phải là kim loại
ngun chất mà là các hợp kim tạo thành từ bột kim loại và kim loại nền.
2.1.3.4. Mạ trong chân không
Cơ sở của mạ trong chân không là làm bốc hơi kim loại trong chân
không. Các thiết bị cho mạ trong chân khơng như hình 3.1. Q trình xảy ra

trong buồng mạ như sau: Vật liệu chúng ta muốn làm bốc hơi như nhơm có
dạng khúc dây hoặc dạng bột. Chi tiết này được nung nóng nhờ điện trở làm
từ vật liệu khó cháy (vonfram, mơlipđen), chi tiết cần mạ được kẹp vào giữa
hai trụ đồng làm nhiệm vụ dẫn điện.

1: Buồng mạ, 2: Vật cần mạ, 3: Vật dẫn điện
Hình 2.1. Mạ trong chân không

Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ yêu cầu đủ cho bốc hơi, vật liệu bốc hơi (3)
sẽ tức khắc bốc hơi và tỏa ra trong không gian một chân khơng 10 -4 ÷ 10-5 tor.
Hơi kim loại thâm nhập (các nguyên tử kim loại) sẽ mở rộng theo tất cả
hướng trong không gian và va đập lên bề mặt vật, sau đó sẽ ngưng tụ trên nó,
tạo ra lớp liên kết. Mạ trong chân khơng sẽ có khả năng mạ những lớp kim
loại khác nhau cũng như các vật liệu phi kim loại, vật liệu được mạ có thể
khơng là kim loại.


14

2.1.4. Các phương pháp phun phủ kim loại
2.1.4.1. Các phương pháp phun phủ thường dùng
- Phun phủ bằng lửa khí hàn oxy-axêtylen, phun dây bằng khí cháy (Wire
Flame Spray), viết tắt là: WFS; nguyên liệu dùng ở dạng bột hoặc dây.
- Phun phủ bằng plasma: Phun plasma trong môi trường khơng khí (Air
Plasma Spray – APS) hoặc Phun plasma trong môi trường chân không
(Vacuum Plasma Spray- Low Pressure Plasma Spray – VPS), nguyên liệu
dùng ở dạng bột.
- Phun tốc độ cao bằng Oxy-nhiên liệu (High Velocity Oxygen-Fuel –
HVOF), nguyên liệu dùng ở dạng bột.
- Phun phủ bằng quá trình nổ các hỗn hợp khí trong súng phun, phun nổ

(Detonation Flame Spray DFS), gọi tắt là phương pháp phun nổ, nguyên liệu
dùng ở dạng bột.
Mỗi phương pháp dùng một số loại nguyên liệu nhất định. Khi phun phủ,
nguyên liệu được nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy (hoặc đến nhiệt độ xác
định, tùy theo phương pháp). Chúng được phun lên bề mặt cần phủ với áp lực
và tốc độ cao. Trên bề mặt chi tiết, chúng liên kết lại tạo thành lớp phủ xốp.
Sự liên kết giữa các hạt chủ yếu bằng qúa trình nóng chảy và bám dính lên bề
mặt bằng lực cơ học. Bề mặt vật phủ có nhiệt độ thấp nên khơng sảy ra q
trình khuyếch tán.
Phương pháp dùng nguyên liệu bột đã nêu trên tạo ra các loại lớp bề mặt
có các thuộc tính đặc biệt:
* Bảo vệ chống mài mịn
* Dẫn điện
* Cách nhiệt
* Tương thích sinh học với cơ thể sống.
* Các bề mặt yêu cầu cơ lý hóa tính đặc biệt.


15

2.1.4.2. Hệ thống thiết bị

Hình 2.2. Hệ thống thiết bị phun plasma

Hình 2.3. Hệ thống thiết bị HVOF

Thiết bị phun phủ gồm các bộ phận cơ bản sau:
- Đầu phun
- Máy nén khí
- Bình khí ga

- Nguồn năng lượng
- Hệ thống nước và thiết bị trao đổi nhiệt
- Hệ thống cấp vật liệu phun.
- Trên đây là các cụm thiết bị chính, các dạng phun khác nhau sử dụng
các đầu phun có kết cấu và tính năng tương ứng.


16

2.1.4.3. Đặc điểm các phương pháp phun phủ
2.1.4.3.1. Phun phủ nhiệt khí
a. Phương pháp phun dây:
Phương pháp phun phủ nhiệt khí được ứng dụng rộng rãi và dùng để
phun phủ xử lý bề mặt chi tiết máy.
Nguồn nhiệt thường được sử dụng là hỗn hợp ơxy-axêtylen, khi hỗn hợp
khí cháy, tạo sản phẩm khí cháy có áp suất cao và nhiệt độ cao đến 3000 0C;
vật liệu phun có 3 dạng: Phun dây, phun thanh và phun bột.

Hình 2.4. Phun nhiệt khí –phun dây

Hình 2.5.Ngun tắc làm việc của phun nhiệt khí - thanh