Tài liệu Chương 12: VẬT LIỆU BỘT docx

Chương 12 VẬT LIỆU BỘT
12.1 Khái quát về vật liệu bột
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đòi hỏi chế tạo các chi tiết ngày càng chính xác, tinh
xảo và có nhiều tính năng mà các phương pháp chế tạo vật liệu truyền thống không đáp ứng
được hoặc là gặp rất nhiều khó khăn để chế tạo. Sự phát triển công nghệ vật liệu bột là một
trong những công nghệ mới góp phần đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
Vật liệu bột trên cơ sở các chất vô cơ đã có từ lâu và là cơ sở để sản xuất các loại vật liệu
vô cơ trong công nghiệp. Loại vật liệu bột vô cơ đã được trình bày trong chương vật liệu vô cơ.
Trong chương này chúng ta chỉ xét về vật liệu kim loại và hợp kim bột.
Khác với các vật liệu kim loại và hợp kim được chế tạo theo phương pháp truyền thống là
nấu chảy và đúc khuôn, vật liệu kim loại bột được chế tạo trên cơ sở các bột kim loại theo quy
trình như trình bày trong hình 12.1.
Hình 12.1 Quy trình chế tạo vật liệu bột.
Phương pháp này còn được gọi là phương pháp luyện kim bột. Điểm khác biệt của
phương pháp luyện kim bột so với phương pháp nấu đúc truyền thống là không có quá trình nấu
chảy kim loại hoặc hợp kim. Các loại kim loại và hợp kim dạng bột sau khi được chế tạo xong
được đem phối hợp với tỉ lệ thích hợp và trộn đều. Hỗn hợp sau đó được đem tạo hình thành
các chi tiết có hình dạng, kích thước và khối lượng nhất định (thường là các hình dạng đơn
giản). Các chi tiết tạo hình sau đó được đem nung tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của
cấu tử chính trong môi trường khí bảo vệ để tăng độ bền và sự liên kết của các phần tử bột. Quá
- 1 -
trình nung này được gọi là sự thiêu kết. Sau quá trình thiêu kết, các chi tiết được đem đi gia
công cơ khí hoặc các phương pháp gia công khác để tạo ra hình dạng và kích thước mong
muốn.
Công nghệ vật liệu kim loại bột có một số ưu điểm sau:
- Ít hao phí vật liệu do không mất một lượng kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu
hơi…như trong phương pháp nấu đúc truyền thống.
- Có khả năng tạo ra những loại vật liệu có tính năng khác hẳn vật liệu cùng loại bằng
phương pháp đúc. Điều khác biệt này là do đặc điểm cấu trúc của vật liệu bột.
- Có khả năng tạo ra các vật liệu mà các phương pháp nấu đúc truyền thống không thể tạo
ra được. Ví dụ như các hợp kim đồng – graphit, đồng – graphit – teflon, hợp kim cứng …

- Có thể điều chỉnh thành phần bột theo ý muốn với độ đồng đều rất cao.
Tuy nhiên, công nghệ vật liệu bột cũng có một số nhược điểm sau:
- Khả năng sản xuất hàng khối, loạt lớn không bằng phương pháp nấu đúc truyền thống,
chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ và vừa.
- Công nghệ vật liệu bột chỉ có ưu thế khi chế tạo vật liệu chứa lỗ xốp và vật liệu kết hợp.
- Vật liệu kim loại bột có độ bền thấp hơn vật liệu truyền thống do trong tổ chức có nhiều
lỗ xốp và màng ôxýt trên biên giới hạt. Độ xốp và màng ôxýt trên biên giới hạt là nguyên nhân
làm cho vật liệu bột có độ bền thấp hơn và tính dòn cao hơn so với vật liệu cùng loại chế tạo
bằng phương pháp nấu đúc.
Một đặc điểm của vật liệu bột cần lưu ý là trong chúng lúc nào cũng có lỗ xốp. Lỗ xốp có
thể ảnh hưởng có lợi hay có hại tuỳ theo ứng dụng của chi tiết.
12.2 Quá trình sản xuất vật liệu bột
12.2.1 Các phương pháp sản xuất bột kim lọai
12.2.1.1 Phương pháp cơ học
1. Phương pháp tạo bột bằng nghiền cơ học
Các vật liệu dòn như crôm, mangan … và các hợp chất cácbit, ôxyt, sulfit, nitrit…Có thể
được tạo bột bằng phương pháp nghiền bi hoặc nghiền búa.
Kích thước hạt bột phụ thuộc vào thời gian nghiền, phương pháp nghiền và kích thước bi
nghiền. Tuy nhiên không phải ta có thể tạo ra hạt bột có kích thước nhỏ tuỳ ý vì trong một số
vật liệu có quá trình tự kết hợp lại (kết tinh lại) ở nhiệt độ thường làm cho hạt phát triển về kích
thước.
- 2 -
Sau khi nghiền, người ta phân loại các hạt bột theo kích thước bằng rây hoặc các phương
pháp khác. Phương pháp nghiền cơ học tạo ra bột có độ sạch không cao do nhiễm bẩn từ bi
nghiền, búa nghiền… và không thể nghiền được các kim loại, hợp kim có độ dẻo cao.
Hình 12.2 trình bày sơ đồ phương pháp nghiền bi.
Hình 12.2 Sơ đồ phương pháp nghiền bi.
2. Phương pháp tạo bột bằng hoá bột từ lỏng
Các kim loại có nhiệt độ chảy thấp như Cu, Al, Zn, Sn dễ dàng tạo bột bằng cách phun từ
thể lỏng. Dòng kim loại lỏng chảy từ trên xuống bị dòng khí hoặc nước, dưới áp suất cao phân

tán tạo thành bột.
Dòng khí có thể là không khí nén hoặc khí trơ Ar và hạt bột thu được có dạng hình cầu.
Nếu dùng nước để phun thì hạt bột có dạng bị kéo dài. Kích thước hạt bột khá nhỏ từ
10÷20µm, nếu muốn nhỏ hơn thì phải nghiền thêm.
Ngoài ra có thể tạo bột từ kim loại và hợp kim lỏng bằng các cách khác như rót kim loại
lỏng vào đĩa quay, phương pháp tạo bột từ kim loại lỏng trong chân không, phương pháp quay
điện cực (kim loại cần tạo bột) với vận tốc cao…
3. Phương pháp hoá hơi ngưng tụ.
- 3 -
Phương pháp này thực hiện bằng cách cho kim loại hoặc hợp kim hoá hơi bằng dòng điện
cảm ứng hoặc bằng chùm tia điện tử trong khí bảo vệ hoặc chân không rồi cho ngưng tụ trên
đĩa quay có tẩm dầu silicôn. Bột kim loại chứa trong thùng chứa được sấy khô rồi đem sử dụng.
12.2.1.2 Phương pháp hoá lý
1. Phương pháp hoàn nguyên.
Phương pháp hoàn nguyên có thể là hoàn nguyên kim loại từ ôxýt, hoàn nguyên từ các
hợp chất thể khí và hoàn nguyên bằng kim loại.
Trong phương pháp hoàn nguyên từ ôxýt, các ôxýt kim loại sau khi nghiền nhỏ được hoàn
nguyên bằng bột than, H
2
, NH
3
, nhiệt phân, hyđrôcácbon, CO…Độ mịn của bột phụ thuộc vào
nhiệt độ hoàn nguyên. Nhiệt độ hoàn nguyên càng thấp thì độ mịn càng cao. Phương pháp này
dùng để chế tạo các bột Fe từ quặng ôxýt sắt và các loại cácbit, nitrit, borit, các kim loại khó
chảy từ ôxýt của chúng.
Ví dụ
Fe
3
O
4

+ CO → Fe + CO
2
↑ ; MoO
3
+ H
2
→ Mo + H
2
O↑
WO
3
+ H
2
→ W + H
2
O↑; 2B
2
O
3
+ 7C→ B
4
C + 2CO↑
SiO
2
+ 3C → SiC + 2CO↑.
Trong phương pháp hoàn nguyên từ các hợp chất thể khí, người ta dùng hyđrô hoàn
nguyên các muối clorua hoặc florua kim loại ở nhiệt độ cao tại 800 ÷1200
O
C trong buồng lò:
WCl

6
+ H
2
→ W + HCl↑
MoCl
6
+ H
2
→ Mo + HCl↑
Các kim loại có thể tạo bột từ các muối clorua hoặc ôxýt của nó bằng cách dùng các kim
loại có ái lực hoá học mạnh hơn để đẩy nó ra khỏi hợp chất theo kiểu phản ứng nhiệt nhôm. Ví
dụ, để chế tạo bột titan hoặc ziếccôn có thể dùng manhê hoàn nguyên TiCl
4
hoặc ZrCl
4
(hoặc
ZrO
2
)
TiCl
4
+ Mg → Ti + MgCl
2
ZrO
2
+ 2Ca
C
O
700
→

Zr + 2CaO
- 4 -
ZrCl
4
+ Mg → Zr + MgCl
2
2. Phương pháp điện phân.
Phương pháp điện phân có thể điện phân được nhiều kim loại như Fe, Cr, Mn, Cu, Sn,
Ti, Zr…, nhưng hiện nay phương pháp này chủ yếu vẫn dùng để điện phân lấy bột đồng (Cu).
Chọn chế độ điện phân thích hợp sẽ cho ta các loại bột có kích thước nhỏ mịn và độ xốp cao.
3. Phương pháp nhiệt phân.
Nhiệt phân các cácbônyl kim loại nhóm chuyển tiếp (Fe, Ni, Co, W…) cho phép nhận
được bột các kim loại có độ sạch rất cao. Các cacbonyl có nhiệt độ nóng chảy thấp, 43
O
C với
Ni (CO)
4
và 107
O
C đối với Fe(CO)
5
được tạo thành bằng cách phun khí CO dưới áp suất cao
(200 bar) vào phoi hoặc dây kim loại ở nhiệt độ 150÷250
O
C. Sau đó các cacbonyl được nhiệt
phân dưới áp suất khí quyển trong khoảng nhiệt độ 200÷300
O
C sẽ nhận được bột kim loại có
kích thước từ 1÷50µm. Bột sắt cacbonyl có dạng cầu và được sử dụng chế tạo các hợp kim từ
Fe-Ni hoặc hợp kim hàn gắn thuỷ tinh Fe-Ni-Co. Bột niken có dạng không đều và sản xuất khá

dễ dàng, rất phổ biến trên thị trường và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm thiêu kết
chứa niken.
12.2.2 Các phương pháp tạo hình
Bột kim loại và hợp kim sau khi phối trộn được đem đi tạo hình trước khi thiêu kết. Có
thể tạo hình bằng các phương pháp nén hoặc các phương pháp không cần nén.
12.2.2.1 Các phương pháp nén
1. Phương pháp ép bột
Trong phương pháp này, bột kim loại được ép trong một hệ thống bao gồm các chày ép
và khuôn ép. Hình 12.3 trình bày một ví dụ về phương pháp ép bột – đó là phương pháp ép một
chiều.
Trong ép một chiều, lực ép tác dụng vào chày trên và thực hiện công tác nén bột trong
lòng khuôn ép, trong khi chày dưới được giữ cố định trong quá trình ép. Sau khi ép xong mới
tác dụng lực đẩy chày dưới lên để tháo sản phẩm ép ra khỏi khuôn.
Phương pháp ép thường áp dụng cho các chi tiết đơn giản, các loại ống như bạc trượt,
hợp kim cứng…
- 5 -
Để tăng mật độ của sản phẩm ép hoặc giảm lực ép người ta có thể kết hợp ép với rung.
Dưới tác dụng của sự rung động, mật độ của phôi ép tăng lên hoặc mật độ không tăng nhưng lực
ép cần tạo ra nhỏ hơn khi không tác dụng rung.
Người ta có thể kết hợp ép bột với nung nóng chi tiết cùng lúc gọi là quá trình ép nóng.
Đây là dạng kết hợp của quá trình tạo hình và quá trình thiêu kết. Sản phẩm ép nóng có độ sít
chặt rất cao, có thế đạt được chi tiết có độ sít chặt gần bằng 100%.
Hình 12.3 Sơ đồ ép một chiều.
a) Cho bột vào khuôn; b) Ép; c) Lấy phôi.
2. Các phương pháp ép nén khác
Phương pháp ép đẳng tĩnh ở nhiệt độ thường: Bột chứa trong khuôn dạng vỏ mỏng bằng
cao su hoặc chất dẻo dưới một áp suất thuỷ tĩnh trong không gian kín chứa nước hoặc khí. Tác
dụng vào chất lỏng hoặc khí một áp suất cao 200÷500MPa để nén hỗn hợp bột chứa trong
khuôn. Phương pháp này có thể chế tạo được các chi tiết lớn đến 1000kg với mật độ rất đồng
đều hoặc chi tiết có thành mỏng.

Phương pháp cán bột: Phương pháp này dùng để chế tạo các băng, dải có kích thước lớn,
chiều dày mỏng từ 2÷6 mm bằng các bột kim loại có độ dẻo cao như đồng, latông, brông,
niken…Các băng sau khi cán nguội được thiêu kết ngay và cuộn lại trong một dây chuyền liên
tục. Sau đó băng vật liệu thiêu kết có thể được cán lại và ủ tiếp theo. Sản phẩm tạo ra không có
lỗ và cơ tính còn cao hơn cả kim loại và hợp kim đúc.
- 6 -