nghiên cứu ứng dụng phun plasma trong phục hồi chi tiết máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
----------


----------

PHAN ðỨC KHÁNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHUN PLASMA TRONG
PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hố
nơng, lâm nghiệp
Mã số
: 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ðÀO QUANG KẾ

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ðOAN

Tơi xin ca m đoan đ ây là cơ ng trình ngh iên cứu của riêng
tơi. C ác kết quả , số liệu tron g luận văn là trung thự c và
chưa từng đư ợc a i cơn g bố trong b ất kỳ cơng trình nào .
Tác giả luận văn

Phan ðức Khánh

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

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, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí. ðến nay luận văn
của tơi đã hồn thành, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Phó giáo sư, Tiến
sĩ ðào Quang Kế đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt q trình thực
hiện và hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơ ñiện, Viện 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 Tiến sĩ Hoàng Văn Châu, Thạc sỹ Lục Vân
Thương, các cán bộ của Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về công nghệ hàn
và xử lý bề mặt, Bộ Công Thương tại Viện Nghiên cứu cơ khí đã giúp đỡ, tạo mọi
ñiều 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 18, Trường ðại học Nơng
nghiệp Hà Nội.
Tơi xin chân thành cám ơn !
Tác giả luận văn

Phan ðức Khánh

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

ii


MỤC LỤC
Lời cam ñoan

i

Lời cám ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục bảng

vi

Danh mục hình

vii

MỞ ðẦU

1

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

4

1.1

Khái niệm phun phủ kim loại [1], [2]

4

1.2

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước

6

1.2.1

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

6

1.2.2

Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

9

1.3

Kết luận chương I

10

CHƯƠNG II: ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

11

2.1

ðối tượng nghiên cứu

11

2.2

Nội dung nghiên cứu

11

2.3

ðịa ñiểm nghiên cứu

11

2.4

Phương pháp nghiên cứu

11

2.4.1

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

11

2.4.2

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

11

2.4.3

Xác ñịnh và xử lý số liệu thực nghiệm

12

2.4.4

Phương pháp kiểm tra

12

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA

15

3.1

Nguyên lý phun Plasma

15

3.1.1

Nhiệt ñộ trong tia plasma [2],[10]

16

3.1.2

Tốc độ phun [2]

17

3.1.3

Thành phần hỗn hợp khí trong phun plasma[10]

18

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

iii

3.1.4

Vật liệu phun và ñiều kiện cấp liệu [14]

19

3.1.5

ðặc trưng cho các điều kiện phun bên ngồi [14]

19

3.1.6

Luồng hạt khi phun [2]

20

3.2

Sự hình thành lớp phun phủ

21

3.2.1

Lý thuyết của Pospisil - Sehyl [1],[2]

21

3.2.2

Lý thuyết của Shoop[1]

21

3.2.3

Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger [1]

22

3.2.4

Lý thuyết của schenk [2]

22

3.2.5

Cơ cấu hình thành lớp phủ bằng phun [1]

22

3.3

Vật liệu phun [2], [10]

26

3.3.1

Kẽm

27

3.3.2

Nhơm

28

3.3.3

Molip đen

29

3.3.4

Volfram

29

3.3.5

Thép không rỉ và nicrom

29

3.3.6

Hợp kim Coban và Niken

29

3.3.7

Những hợp kim tự tạo xỉ

30

3.3.8

Gốm

33

3.3.9

Silixid

34

3.3.10 Cacbit

35

3.3.10 Nitrid

36

3.4

Một số tính chất của lớp phun

37

3.4.1

Ứng suất dư trong lớp phun [2]

37

3.4.2

ðộ bám dính của lớp phun

42

3.5

Quy trình cơng nghệ phun [1],[3],[4],[5]

50

3.5.1

Chuẩn bị bề mặt chi tết trước khi phun

50

3.5.2

Phun phủ bề mặt chi tiết

52

3.5.3

Gia công chi tiết sau phun

54

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

iv


3.5.4

Kiểm tra chất lượng sản phẩm

54

3.5.5

An tồn lao động và bảo vệ môi trường

54

3.6

Kết luận chương III

54

CHƯƠNG IV. THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG

57

4.1

Khảo sát thiết bị phun phủ Plasma

57

4.1.1

Các ñặc tính kỹ thuật chính của thiết bị

58

4.1.2

Quy trình vận hành thiết bị phun plasma

58

4.2

Phương pháp tiến hành thí nghiệm trên mẫu thử

60

4.2.1

Chuẩn bị điều kiện thí nghiệm

60

4.2.2

Phương pháp tiến hành

62

4.3.2

Kết quả

63

4.3

Ứng dụng phục hồi chi tiết thật

68

4.3.1

Khảo sát chi tiết

68

4.3.2

Quy trình phun phục hồi trục khuỷu

69

KẾT LUẬN VÀ KIỄN NGHỊ

71

1

KẾT LUẬN

71

2

KIẾN NGHỊ

71

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

72

v


DANH MỤC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

3.1

Thành phần cấp hạt và ñộ sạch của bột kẽm phun (hạt hình cầu)

28

3.2

Tạp chất trong bột kẽm dùng ñể phun, %

28

3.3

Thành phần cấp hạt và ñộ sạch của bột nhơm dùng để phun

28

3.4

Tạp chất trong bột nhơm dùng để phun, %

29

3.5

Thành phần hóa học (%) và những tính chất chính của các hợp
kim cứng tự tạo xỉ kiểu Colmonoy.

3.6

Thành phần hóa học (%) và độ cứng của các hợp kim cứng tự tạo
xỉ Ni - Cr - B - Si

3.7

31
31

Nhiệt ñộ tương tác của các oxid khó nóng chảy với những kim
loại khác nhau, 0C.

33

3.8

Tính chất của một số silixit khó nóng chảy.

34

3.9

Tính chất của một số Cacbit.

35

3.10

Tính chất của một số nitrid

37

3.11

Bảng thơng số chế ñộ phun ñối với các vật liệu khác nhau:

53

4.1

Thành phần hóa học của hợp kim Ni-Cr- B- Si

60

4.2

Khoảng cách phun cho các nhóm mẫu thử

62

4.3

Kết quả kiểm tra độ cứng lớp phủ

63

4.4

Kết quả kiểm tra độ bám dính

64

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

vi


DANH MỤC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

1.1

Sơ đồ hệ thống phun plasma [16]

8

1.2

Cấu tạo của súng phun plasma [16]

8

1.3

Một số sản phẩm phục hồi bằng phun phủ

10

2.1

Sơ ñồ nguyên lý của phương pháp kéo chốt

14

3.1

Mặt cắt ngang của súng phun Hồ quang Plasma [16]

15

3.2

Sự thay ñổi nhiệt ñộ của tia plasma phụ thuộc vào khoảng cách

phun.

17

3.3

Sự phân bố nhiệt trong tia plasma.

17

3.4

Sự thay ñổi tốc ñộ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun.

18

3.5

Mẫu ñể xác ñịnh ứng suất dư

39

3.6

Xác ñịnh ứng suất dư theo sự biến dạng của vành khuyên:

41

3.7

Mô tả sự dính bám của giọt chất lỏng trên vật rắn. Nếu gọi

42

3.9

Ứng suất trong lớp phun

47

3.10

Mơ hình tính tốn phần tử phun

47

3.11

Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhơ bề mặt.

49

3.12

Ảnh hưởng của khoảng cách phun và độ nhấp nhơ;

49

3.13

Dạng ren trịn

51

3.14

Tạo ren và đục đỉnh ren

51

3.15

Tiện ren và lăn ép

52

4.1

Hệ thống thiết bị phun plasma tại Phịng thí nghiệmcơng nghệ
hàn và xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí

57

4.2

Bảng điều khiển và súng phun plasma

57

4.3

Hình ảnh của mẫu thử

61

4.4

ðồ thị quan hệ giữa ñộ cứng và khoảng cách phun

63

4.5

ðồ thị quan hệ giữa độ bám dính và khoảng cách phun

64

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

vii


4.6

Thiết bị nghiên cứu tổ chức tế vi Nikon Eclipse Model L 150.

65

4.7

Tổ chức tế vi nền Mẫu 2 (x500)

66

4.8

Tổ chức lớp phủ mẫu 2 (x500)

66

4.9

Tổ chức tế vi mẫu 2 (x 500)

66

4.10

Ảnh tổ chức tế vi của mẫu số 3 (x500)

67

4.11

Hình ảnh chi tiết trục khuỷu bị mịn cổ biên.

68

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

viii


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 vv… 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. Phun phủ 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 được phủ các lớp vật liệu phi kim loại – đây chính là
những điều mà các cơng nghệ khác khơng thực hiện được.
ðể phủ lên bề mặt làm việc của các chi tiết máy một lớp vật liệu đặc biệt
nào đó người ta có thể sử dụng nhiều biện pháp công nghệ khác nhau. Một trong
những biện pháp cơng nghệ đó là phun phủ plasma. Do plasma có nhiệt độ rất cao,
có thể dễ dàng hóa lỏng được tất cả các loại vật liệu kim loại mà kỹ thuật có thể tạo
ra từ trước đến nay. Cho nên phun phủ 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 ñiện- ñiện tử, xây dựng,

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

1


cơng nghiệp hóa dầu, thực phẩm, dệt,… thể hiện tính ưu việt so với các phương
pháp tạo lớp phủ khác.
Xuất phát từ những yêu cầu nêu trên, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. ðào
Quang Kế sự giúp ñỡ của các thầy giáo trong Bộ mơn Cơng nghệ Cơ khí – Khoa
Cơ điện – Trường ðại học Nơng nghiệp Hà tơi ñã chọn ñề tài nghiên cứu: “Nghiên
cứu ứng dụng phun plasma trong phục hồi chi tiết máy”. Nội dung và nhiệm
vụ của ñề tài bao gồm:
-

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

-

Chương 2: ðối tượng, và phương pháp nghiên cứu

-

Chương 3: Công nghệ phun Plasma

-

Chương 4: Thực nghiệm và ứng dụng

-

Kết luận và kiến nghị

Do thời gian thực hiện ñề tài có hạn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế cịn hạn chế
vì vậy nên sẽ khơng tránh khỏi thiết sót. Rất mong sự đóng góp của các thầy và
các bạn ñồng nghiệp.

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

2


• Cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài:
Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu ñược sử
dụng trong hơn nửa thế kỷ nay. Công dụng chủ yếu của phun phủ là bảo vệ các kết
cấu và các chi tiết làm việc trong môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiết
máy bị mòn, ăn mòn và xâm thực.
Sự phát triển mạnh mẽ về thiết bị, vật liệu công nghệ phun trong vài chục
năm gần ñây ñã ñưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học cơng nghệ riêng, góp
phần đáng kể vào tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn
trong lĩnh vực chế tạo và phục hồi.
Ở Việt Nam, nhiều ngành công nghệ lớn ñang phát triển với tốc ñộ nhanh, như:
ñóng tàu, hàng khơng, dầu khí, xây dựng, hố học, chế tạo máy... Việt Nam là một
nước nhiệt đới khí hậu ln nóng ẩm(ñộ ẩm cao 80 - 90%) – Thường tốc ñộ ăn mịn
trong điều kiện khí hậu nhiệt đới cao khoảng gấp 2 lần so với vùng khí hậu ơn đới,
chính vì vậy làm cho các chi tiết kết cấu rất dễ bị phá huỷ do ăn mòn. Hàng năm, nhà
nước phải nhập ngoại hàng ngàn tỉ ñồng vật liệu và phụ tùng thay thế; phải chi hàng
trăm tỉ ñồng cho việc thuê các nước phun phủ phục hồi các chi tiết và kết cấu bị hư

hỏng dưới dạng ăn mòn và mài mòn. Việc nâng cao chất lượng bề mặt, phục hồi các
chi tiết máy ñể kéo dài tuổi thọ cho chi tiết kết cấu càng là vấn ñề trở nên cấp thiết. ðề
tài này sẽ góp phần giải quyết vấn đề đó.
• Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):
Nghiên cứu tính tốn xác lập, lựa chọn các thơng số chế độ cơng nghệ tối
ưu c ủ a c ô n g n g h ệ phun Plasma, thiết lập Quy trình cơng nghệ phục hồi một
số chi tiết máy bằng phun Plasma.
• Nội dung của ñề tài, các vấn ñề cần giải quyết:
- Nghiên cứu lựa chọn một số vật liệu phun phù hợp với phục hồi chi tiết
máy;
- Nghiên cứu Công nghệ và xây dựng quy trình cơng nghệ phun Plasma;
- Thực nghiệm trên mẫu và đánh giá kết quả;
- Ứng dụng cơng nghệ trong sản xuất.

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

3


CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm phun phủ kim loại [1], [2]
Kỹ thuật tạo lớp phủ bằng công nghệ phun phủ bề mặt thực chất là ñưa các
hạt rắn vào dịng vật chất có năng lượng cao: dịng khí cháy hoặc dịng plasma ( tạo
bằng hồ quang hoặc bằng tần số radio) nhằm: tăng tốc ñộ hạt rắn, nung hạt nóng
chảy ( có thể chỉ nóng chảy một phần), đẩy hạt nóng chảy đến bề mặt chi tiết cần
phủ. Do ảnh hưởng của các biến cứng lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ
bám chắc vào lớp nền.
Có nhiều phương pháp phủ trên mặt chi tiết và kết cấu tuỳ theo mục đích sử
dụng và điều kiện làm việc của chúng. Có những lớp phủ bảo vệ hoặc trang trí; có
những lớp phủ đặc biệt với những tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu mài

mịn, chịu nhiệt và cách nhiệt…
Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào điều kiện
làm việc của các chi tiết và kết cấu. Ngoài ra sự cải thiện chất lượng bề mặt của vật
liệu cũng cho phép thiết kế và chế tạo máy móc và thiết bị năng suất hơn.
Nhóm phương pháp phủ bề mặt vật liệu:
a. Các phương pháp hóa học và điện ly
Photphat hố, sunfit hoá (phương pháp hoá học); mạ niken, mạ crom, oxit
hố (phương pháp điện ly). Lớp phủ photphat hố (cịn gọi tẩm photphat) dùng để
trang trí và bảo vệ chống gỉ. Lớp phủ sunfit hố có tác dụng nâng cao ñộ bền mòn.
Các lớp phủ bằng mạ niken, mạ crom hay oxit hố đều có tác dụng trang trí, bảo vệ
và chống mài mòn.
b. Các phương pháp vật lý
Các phương pháp phủ vật lý bao gồm tráng nhôm, nhúng kẽm khuếch tán
(khuếch tán bột nhôm, bột crôm, tẩm các bon, tẩm nitơ hoặc tẩm hỗn hợp cac bon –
nitơ). Sự tôi bề mặt, sự phủ chân không và sự thiêu kết thủy tinh với mặt kim loại
cũng thuộc nhóm phương pháp phủ vật lý. Hầu hết các phương pháp thuộc nhóm
này đều cho các lớp phủ có độ bền mịn, bền nhiệt cao, và tính chống gỉ tốt.

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

4


c. Các phương pháp cơ học
Phủ bề mặt kim loại bởi một tấm kim loại khác bằng công nghệ cán, ñúc, hàn
nổ…; tăng bề mặt bằng xảm; tăng các tính chất đặc biệt khác bằng phun phủ.
Nhóm phương pháp cơ học. Các tấm kim loại phủ bằng phương pháp ñúc, cán hoặc
hàn nổ có thể là thép khơng gỉ, niken, monen, ñồng titan… Chúng ñược dùng ñể
bảo vệ kim loại khỏi bị gỉ. Lớp xảm tăng cường có chiều dày 0,3 ÷ 0,5mm có tác
dụng tăng độ bền mỏi mà khơng làm thay đổi cấu trúc của kim loại.

Lớp phun phủ được hình thành trên bề mặt chi tiết là nhờ nguồn nhiệt từ
ngọn lửa khi ñốt hoặc nhờ hồ quang điện. Nguồn nhiệt đốt nóng các phần tử kim
loại phun tới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy; dưới áp lực của khơng khí
hoặc hỗn hợp khí cháy các phần tử kim loại chuyển ñộng với tốc ñộ rất cao tới bề
mặt vật phun tạo thành lớp phun.
Công nghệ phun phủ có những ưu điểm nổi trội so với các cơng nghệ khác:
- Bằng phun phủ có thể phủ các vật liệu rất khác nhau trên bề mặt chi tiết.
Chẳng hạn, có thể phủ kim loại trên kính, vải, gỗ, giấy...
- Có thể phun trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc các vùng nhỏ của chi tiết
lớn, trong khi đó, bằng các phương pháp khác như: nhúng, mạ khuếch tán... khơng
thể thực hiện được mục đích này do khơng có các thiết bị phụ trợ thích hợp (như bể
chứa hoặc thiết bị nung nóng). Phun phủ là phương pháp tiện lợi nhất và kinh tế
nhất ñối với các chi tiết có yêu cầu mặt phủ lớn.
- Cũng như hàn ñắp, phun phủ cho phép tạo lớp ñắp với chiều dày tương ñối
lớn (ñể phục hồi các chi tiết bị mài mòn)
- Thiết bị phun phủ khá ñơn giản và gọn nhẹ, có thể di chuyển dễ dàng và
nhanh chóng. Chẳng hạn, khi phun bằng ngọn lửa khí chỉ cần máy nén khí, mỏ đốt
và bình khí. Khi có nguồn điện có thể ứng dụng phương pháp phun ñiện với những
súng phun cầm tay rất tiện lợi.
- Chi tiết phun ít bị biến dạng, trong khi đó, sự đốt nóng tồn phần hoặc cục bộ
các chi tiết phủ bằng các phương pháp khác có thể gây biến dạng lớn.
- Bằng phương pháp phun có sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp.
Trong trường hợp này, phun phủ được tiến hành trên mặt khn mẫu. Sau khi phun
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

5


khn mẫu được tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun.
- Q trình cơng nghệ phun phủ ñảm bảo năng suất cao và khối lượng công

việc không lớn.
Cơng nghệ phun phủ có các nhược điểm sau:
- Khi chi tiết phun nhỏ, phun phủ ít hiệu quả do tổn hao vật liệu phun lớn.
Trong trường hợp này, kinh tế hơn là sử dụng phương pháp khác.
- Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi phun gây ô nhiễm môi trường làm việc
do phải sử dụng các thiết bị tẩy rửa và làm sạch như máy phun cát, phun bi, phun
bột kim loại và các dung dịch tẩy rửa khác.
- Trong q trình phun, các hạt phun có thể bắn tung t, đồng thời có thể tạo
các hợp chất có hại cho sức khoẻ của người cơng nhân.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái ion hố đặc biệt của khí
được ñịnh nghĩa từ năm 1923 [2], [10]. Trong trạng thái này các phân tử khí sẽ
trở nên dẫn điện do sự ion hố của các ngun tử khí. ðể đưa đến trạng thái ion
hố của các phân tử khí cần phải tạo nên và duy trì một mơi trường và một nguồn
năng lượng thích hợp.
Người đầu tiên phát minh ra phương pháp phun phủ là Shoop – kỹ sư Thụy
ðiển. Vào năm 1910 ơng đã chế tạo được máy phun kim loại đầu tiên. Theo
phương pháp của ơng, kim loại lỏng được rót vào luồng khơng khí nóng thốt ra
từ vịi đốt. Dưới tác dụng của luống khí nóng áp suất cao, kim loại lỏng bị tách
thành từng hạt nhỏ bắn vào bề mặt vật phun.
Máy phun dựa trên nguyên lý trên khơng có độ tin cậy cao và cho năng suất
rất thấp. Sự phát triển của kỹ thuật địi hỏi phải tạo được các máy móc thiết bị tin
cậy và năng suất hơn, có khả năng phun những vật liệu đa dạng nhất.
Nhiều nguồn nhiệt có năng lượng cao và làm việc tin cậy ñã ñược sáng chế;
những phương pháp cấp vật liệu phun vào chùm nhiệt ñộ cao ñược phát minh.
Ngày nay có rất nhiều kiểu máy phun cho năng suất lao động cao nhờ q
trình phun được tự động hóa.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

6


Dựa theo nguồn năng lượng nhiệt ñược cung cấp ñể làm nóng chảy vật liệu
phun, có thể phân các phương pháp phun thành hai nhóm: phun ngọn lửa khí và
phun ñiện. Phun ngọn lửa khí, nhiệt phát sinh bởi sự ñốt cháy hỗn hợp khí ñốt và
oxi. Phun ñiện dựa nguyên tắc sử dụng nhiệt của hồ quang ñiện.
Phương pháp phun ngọn lửa khí có ứng dụng rộng rãi nhất. Nó được dùng
để phun và làm nóng chảy các hợp kim tự bảo vệ trên nền niken và coban, và ñể
phun các vật liệu gốm và khó chảy khác. Một trong những dạng đặc biệt của
phun ngọn lửa khí là phun nổ - dùng năng lượng nổ của hỗn hợp khí axetylen và
oxi. Dạng này cho phép phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn.
Phương pháp phun kim loại bằng hồ quang ñiện là dạng cũ nhất trong số
các dạng phun phủ ñiện. Trước ñây hồ quang ñiện xoay chiều ñược sử dụng ñể
phun kim loại, do đó q trình phun dây khơng ổn định. Hiện nay, tính ổn định của
q trình phun được đảm bảo bởi việc sử dụng hồ quang dòng một chiều trong các
máy phun kim loại.
Trong những năm gần ñây, thiết bị phun plasma dùng để phun cảm ứng tần
số cao có khả năng cơng nghệ rộng hơn cả, có thể phun bất kỳ vật liệu nào[2].
Trong công nghệ phun plasma, lớp phủ ln có xu hướng bị bong tróc do
nhiều ngun nhân khác nhau. Nhưng nguyên nhân chính là do hệ số giãn nở
vì nhiệt khác nhau giữa các vật liệu (nền, lớp lót và lớp phủ). Vì vậy, giữa các
lớp khác nhau xuất hiện ứng suất dư.
ðể giảm thiểu quá trình bóc tách giữa các lớp, việc giảm hoặc khử hồn
tồn ứng suất dư là một trong các biện pháp công nghệ hiệu quả nhất. Ngày nay,
có nhiều phương thức khác nhau nhằm giảm ứng suất dư tồn tại trong lớp phủ.
Một trong những phương thức ñơn giản và hiệu quả nhất là xử lý nhiệt chi tiết sau
khi phun phủ.
Hiện nay, công nghệ phun Plasma [1], [5], [10] là một trong những cơng nghệ

tiên tiến được phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp phát triển như: Anh,
Pháp, ðức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy ðiển… với dây chuyền công suất rất cao, có thể
lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong một ngày. Tại các nước có cơng nghệ
khoa học phát triển ñều thành lập các viện, trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

7


ứng dụng công nghệ phun phủ: Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội
phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS, viện Công nghệ Bombay (Ấn ðộ), viện Khoa học vật
liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)... hàng năm ñều có các cuộc hội thảo báo
cáo quốc tế về lĩnh vực này. Các hiệp hội đều có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu
chuẩn cho lĩnh vực này.
Dưới ñây là sơ ñồ hệ thống phun plasma (hình 1.1) và cấu tạo súng phun
(hình 1.2).

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống phun plasma [16]

Hình 1.2. Cấu tạo của súng phun plasma [16]
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

8


1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, cơng nghệ phun plasma trong những năm gần đây đã được
chuyển giao vào Việt Nam. Tại Phịng thí nghiệm trọng ñiểm công nghệ hàn & xử
lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí và một cơ sở của quân đội đã có được thiết bị
nhập từ nước ngồi.

Có thể nói ở Việt Nam Khoa học Cơng nghệ phun phủ kim loại cịn đang
trong giai đoạn nghiên cứu ứng dụng các thành quả của thế giới [10], [11]. ðã có
một số ñề tài cấp bộ, cấp nhà nước nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ của
một số cơ quan, viện , trường ñại học…( ðề tài B91-01-04A của Trường ðH Bách
Khoa Hà Nội; ðề tài KC 04 - 02 của Viện Cơng nghệ Bộ Quốc phịng; ðề tài
897/KT của Bộ Giao thong vận tải…). Cũng đã có một số cơ sở ứng dụng công
nghệ sản xuất ứng dụng một vài phương pháp cơng nghệ phun phủ: Liên doanh dầu
khí vũng tàu; cơng ty cơ khí MAR 60 – Thủy lợi; Viện nghiên cứu cơ khí; Viện
năng lượng Mỏ; Viện cơng nghệ Bộ Quốc phịng… đã ứng dụng cơng nghệ phun
hồ quang ñiện với dây phun, thực hiện trên các ñầu phun EM6, EM9. EM13,…ñể
tạo lớp bảo vệ chống gỉ Al, Zn. Các cơ sở như Cơng ty cơ khí sửa chữa Thủy Lợi;
Viện kỹ thuật giao thong; Cơ khí Quang Trung; ðại Học Bách khoa Hà Nội; Nhà
máy Cơ khí đạm Hà Bắc… đã phun tạo lớp chống mài mòn từ các dây thép các bon
cao; thép Mn; thép Cr- Ni, … ñược phun trên các súng phun EM9; EMP- 2- 57…
Tuy nhiên, việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lượng lớp phủ chưa
ñược các tác giả quan tâm một cách ñúng mức. Mặc dù, một số sản phẩm phun
phủ ñã và ñang ñược sử dụng rộng rãi.
Vì vậy, đề tài này đặt ra một quy trình công nghệ xử lý bề mặt từ bản chất của
quá trình phun phủ để giảm thiểu các hư hỏng do q trình bong tróc và nâng
cao chất lượng chi tiết máy.
ðối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quy
trình cơng nghệ phun và xử lý ứng suất dư phù hợp ñảm bảo chất lượng phủ
và khả năng làm việc là hết sức cần thiết.

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

9


Hình 1.3. Một số sản phẩm phục hồi bằng phun phủ

1.3. Kết luận chương I
Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu các công nghệ phun phủ, ta nhận thấy
phương pháp phun phủ plasma là phương pháp tiên tiến trong công nghệ phun phủ
phục hồi chi tiết máy. Ngày nay, nguyên vật liệu phục vụ cho q trình phun phủ
plasma (khí Ar, H2, He; bột kim loại) rất phổ biến. Vì vậy, việc áp dụng phương
pháp phun plasma khơng cịn gặp khó khăn về ngun vật liệu, mà vần đề cần
giải quyết là: Cần làm sáng tỏ hơn nữa về mặt lý thuyết bằng các thực nghiệm để
từ đó thiết lập được quy trình cơng nghệ phù hợp với từng đối tượng cụ thể.

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

10


CHƯƠNG II: ðỐI TƯỢNG VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. ðối tượng nghiên cứu
- ðối với mẫu thử: Vật liệu nền là thép C45, mẫu ñược chế tạo theo tiêu
chuẩn thử ñộ bền bám dính JIS- H8664- 1977.
- Sản phẩm ứng dụng: Phục hồi trục khuỷu động cơ ơ tơ.

2.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ phun phủ plasma trong các tài liệu.
Tìm hiểu trang thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãng PRAXAIRJAFA do mỹ sản xuất.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng cách phun cho một số mẫu và các
chi tiết máy.

2.3. ðịa ñiểm nghiên cứu
- Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ hàn và xử lý bề mặt- Viện
Nghiên cứu cơ khí- Bộ cơng thương.

- Phòng thực tập Kim loại học và Nhiệt luyện thuộc bộ mơn cơng nghệ cơ
khí Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội.

2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết công nghệ phun phủ plasma qua các tài liệu, tìm
hiểu ứng dụng cơng nghệ này trên thế giới và ở Việt Nam.
Nghiên cứu quá trình phun Plasma và các yếu tố ảnh hưởng chất lượng
sản phẩm khi phun phủ trong đó trọng tâm của ñề tài là nghiên cứu phun phủ
Plasma.

2.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu, tìm hiểu thiết bị phun phủ plasma kiểu 3710 của hãng
PRAXAIR- JAFA do mỹ sản xuất. ðược lắp đặt tại Phịng thí nghiệm trọng
điểm cơng nghệ hàn và xử lý bề mặt- Viện nghiên cứu cơ khí- Bộ cơng thương.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………………..

11