Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vật liệu chế tạo dao xén giấy bằng công nghệ hàn nổ

....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------

---------

NGUYỄN MINH HẢI

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO DAO XÉN
GIẤY BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------

---------

NGUYỄN MINH HẢI

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO DAO XÉN
GIẤY BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nơng lâm nghiệp
Mã số:

60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HÀ MINH HÙNG
Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Cơng Thương

HÀ NỘI - 2009


LỜI CAM ðOAN
Tôi xin sự chỉ giáo của người hướng dẫn. Những số liệu và kết
quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực
và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ học vị nào. Các thơng tin
trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà nội, ngày 18 tháng 11 năm 2009
Học viên

Nguyễn Minh Hải

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

i


LỜI CẢM ƠN
Với tình cảm chân thành của mình tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới Lãnh
đạo nhà trường, Viện ñào tạo sau ñại học, Khoa cơ ñiện Trường đại học nơng

nghiệp Hà nội, Viện nghiên cứu cơ khí - Bộ cơng thương, Trường Cao đẳng
nghề kỹ thuật cơng nghiệp Việt nam - Hàn quốc ñã tạo mọi ñiều kiện cho tơi
trong suốt q trình học tập, nghiên cứu để cho tơi được nâng cao trình độ và
đạt được kết quả như hơm nay, nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu
nhiệm vụ.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS-TS Hà Minh Hùng, đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài, đặc biệt là PGS-TS ðào
Quang kế cùng với các Thầy giáo, Cơ giáo Khoa Cơ điện Trường ðại học
nơng nghiệp Hà Nội đã hết lịng khơng quản thời gian giúp đỡ để tơi thực hiện
hồn thành đề tài đúng tiến độ.
Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, bản thân tơi đã thực sự
nỗ lực trong thực nghiệm, tìm hiểu nhiều tài liệu tham khảo, kết hợp với
những kiến thức ñã ñược học ứng dụng vào ñề tài ñược giao ñể hoàn thành
nội dung ñặt ra. Tuy nhiên, do năng lực và kinh nghiệm còn hạn chế nên nội
dung của bản luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót . Rất mong được sự
quan tâm, góp ý của q Thầy, Cơ giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận
văn được hồn chỉnh hơn và có hướng khắc phục trong nghiên cứu tiếp theo.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 18 tháng 11 năm 2009
Học viên

Nguyễn Minh Hải

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN................................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................................vi
MỞ ðẦU.............................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................................1
2. Mục đích của đề tài .........................................................................................................1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu......................................................................................................2
4. Cấu trúc luận văn ............................................................................................................2
Chương 1.............................................................................................................................3
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU..........................................................................................3
1.1 Sơ lược về dao xén giấy trong công nghiệp.................................................................... 3
1.2 Tổng quan về vật liệu bimetal hàn nổ .............................................................................. 4
1.2.1 Nguyên lý hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal ......................................................... 7
1.2.2 Các thông số chủ yếu của công nghệ hàn nổ ................................................... 17
Chương 2...........................................................................................................................34
VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ......................................34
2.1. Vật liệu, thiết bị thí nghiệm............................................................................................. 34
2.2. Các phương pháp thí nghiệm ........................................................................................ 37
2.2.1. Phương pháp tiến hành thí nghiệm hàn nổ ...................................................... 37
2.2.2. Phương pháp đánh giá chất lượng vật liệu bimetal thép CT3 - thép
CD 100 sau hàn nổ............................................................................................................. 41
Chương 3...........................................................................................................................48
ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ðỘ HÀN NỔ ðẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU
BIMETAL THÉP CT3 - THÉP CD 100 .........................................................................48

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

iii

3.1. Phân tích ảnh hưởng của chế độ hàn nổ ñến tính chất bề mặt vật liệu bimetal thép
CT3 - thép CD 100............................................................................................................48
3.2. Phân tích tính chất vật liệu bimetal thép CT3 – thép CD 100 sau hàn nổ thông qua
cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp................................................................................................... 55
Chương 4...........................................................................................................................62
ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO TỚI TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BIMETAL
THÉP CT3 - THÉP CD 100.............................................................................................62
4.1. Tính chất vật liệu bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau ép nóng...................... 62
4.2. Kết quả khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới hai lớp Bimetal.................................... 66
KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN ................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................76
PHỤ LỤC.........................................................................................................................79

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
2.1.

Tên bảng

Trang

Thành phần hoá học và cơ tính thép CT3 và thép dụng cụ

34

CD 100 sử dụng để hàn nổ (Theo TCVN 1822-76)................
2.2.

Kích thước hình học mẫu thí nghiệm hàn nổ theo số liệu.......

3.1.

Quy hoạch thực nghiệm thăm dị cơng nghệ hàn nổ tạo vật

37
49

liệu bimetal thép CT3 - thép CD 100......................................
3.2.

Kết quả hàn nổ tạo phôi bimetal thép CT3 - thép CD 100

50

theo [4] ..................................................................................
4.1

ðộ bền bám dính 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100 sau
2 lần ép nóng, thử bằng phương pháp kéo dứt...........................

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

64

v

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Các thơng số kích thước của dao xén giấy

3

1.2

Mô phỏng phôi vật liệu hai lớp kim loại (bimetal)

5

Sơ đồ nổ dưới góc nghiêng giữa 2 tấm kim loại (a) và tại một thời
1.3

ñiểm nổ (b); và sơ ñồ nổ song song giữa 2 tấm kim loại (c) và tại
một thời điểm nổ (d)…………………………….…………………

8

1.4

Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ ………………….

9

1.5

Hình ảnh liên kết hai lớp kim loại tại một thời ñiểm hàn nổ……..

12

1.6

Sơ đồ hàn nổ treo…………..…………………................................

13

1.7
1.8
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7

Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết hàn nổ các kim loại khác
nhau………………………………………………………………..

15

Sơ ñồ hình học tấm kim loại hàn khi bay tại một thời điểm của
q trình hàn nổ……………………………………………………

19

Phơi bimetal thép CT3 - thép CD 100 bị cong vênh………………

37

Máy ép thuỷ lực ET- 400 (a) và hệ thống ñiện ñiều khiển PLC (b)
dùngđể nắn phẳng phơi bimetal hàn nổ thép CT3 - thép CD 100

37

Một số mẫu thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm hàn nổ tạo phôi
bimetal thép CT3 - thép CD 100 ………………………………….

39

Pakét nổ sau khi ñược rải thuốc nổ dạng bột trong khung chắn ñặt
trên tấm kim loại hàn: ñế nổ là nền ñất ñá cứng + gỗ tấm………...

40

Sơ ñồ cắt lấy mẫu thử phá huỷ và mẫu nghiên cứu cấu trúc tế vi
trên băng bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau hàn nổ ...................

42

Mẫu thử phá hủy xác ñịnh ñộ bền bám dính 2 lớp bimetal thép
CT3 - thép CD 100 theo phương pháp kéo dứt……………….…...

43

Sơ ñồ nguyên lý ñặt tải khi thử kéo dứt mẫu bimetal ñể xác định
44

độ bền bám dính 2 lớp……………………………………………..

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

vi


2.8

Thí nghiệm ép phá huỷ mẫu bimetal có kết nối máy tính để xác
định lực phá huỷ……………………………………………….......

2.9

45

Kính hiển vi quang học khảo sát cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp
bimetal……………………………………………………………..

3.1

46

Mẫu thí nghiệm bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau hàn nổ ở
một số chế ñộ QHTN 1: Mẫu số 1, mã số 000 (D = 4.500 m/s)…..

3.2

52

Mẫu thí nghiệm bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau hàn nổ ở
52

một số chế ñộ QHTN 1: (Mẫu số 11, mã số 101, D = 5.000 m/s)...
3.3

Mẫu thí nghiệm bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau hàn nổ ở chế
ñộ QHTN 1: (Mẫu số 14, mã số 111, D = 5.000 m/s)……………..

3.4

Mẫu thí nghiệm bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau hàn nổ ở chế
ñộ QHTN 1: (Mẫu số 24, mã số 122, D = 5.500 m/s)……………

3.5

54

Mẫu thí nghiệm khảo sát cấu trúc biên giới 2 lớp bimetal thép
CT3 - thép CD 100 ……………………………………………...

3.6

57

Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng lân cận biên giới lớp bimetal thép
CT3 - thép CD 100 ( x 500, Mã số 000)………………………….

3.7

58

Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng lân cận biên giới lớp bimetal thép
CT3 - thép CD 100 (x 200, Mã số 010)…………………………

3.8

58

Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng lân cận biên giới lớp bimetal
thép CT3 - thép CD 100 (x 200, Mã số 101)……………………..

3.9

59

Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng lân cận biên giới lớp bimetal thép
CT3 - thép CD 100 (x 200, Mã số 011)………………………….

3.10

59

Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng lân cận biên giới lớp bimetal thép
CT3 - thép CD 100 (x 200, Mã số 111)………………………….

3.11

60

Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng lân cận biên giới lớp bimetal thép
CT3 – thép CD 100 (x 200, Mã số 122)…………………………..

3.12
4.1

53

60

Ảnh chụp cấu trúc tế vi ở vùng lân cận biên giới lớp bimetal thép
CT3 - thép CD 100 (x 500, Mã số 022)……...................................

61

Ảnh chụp hiện trạng bề mặt mẫu bimetal thép CT3 - thép CD 100

63

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

vii


4.2

Hiện trạng mẫu thử sau khi ñã thử phá hủy ñể xác ñịnh ñộ bền
bám dính hai lớp vật liệu thép CT3 - thép CD 100 ………………

4.3

64

Kiểm tra các kích thước hình học và hiện trạng bề mặt mẫu thử
phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép CT3 - thép
CD 100 .........................................................................................

67

4.4

Ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp thép nền thép CT3 - thép CD 100 …..

67

4.5

Ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ thép CD 100 , x 100……………..

67

4.6

Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép CT3 - thép
CD 100 (mẫu cắt dọc hướng biến dạng, x 100 )………………….

4.7

68

Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp thép CT3 - thép CD 100
(cắt ngang theo hướng cán, mẫu 04 N, x100 )…………………....

4.8

Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép CT3 – thép
CD 100 (mẫu cắt dọc hướng biến dạng, x 100)…………………..

4.9

69

Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép CT3 – thép
69

CD 100 (mẫu cắt ngang hướng biến dạng, x 100)……………….
4.10

68

Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100

(cắt ở phần giữa phôi, dọc theo hướng nổ & 1 lần biến dạng dẻo,
x 100)...............................................................................................

4.11

70

Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100
(cắt ở phần giữa phôi, dọc theo hướng nổ & 2 lần biến dạng
dẻo, x 100)...............................................................................

4.12

70

Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100
(cắt tại vùng mép biên cuối phôi, ngang theo hướng nổ & biến
71

dạng dẻo, x 100 )..........................................................................
4.13

Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100
(cắt tại vùng mép biên cuối phôi, dọc theo hướng nổ & biến
dạng dẻo, x 100)..........................................................................

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp………..

viii

71


MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần ñây Việt Nam là một trong những nước ñang
phát triển mạnh mẽ trên tất cả các lĩnh vực kinh tế, văn hóa, xã hội và từ đó
đời sống tinh thần, vật chất của nhân dân ñược nâng cao. Một trong những
đóng góp chủ yếu là ngành cơng nghiệp chế tạo máy. Nhiều máy móc thiết bị
đã được chế tạo ra phục vụ trong nhiều ngành sản xuất khác nhau nhằm nâng
cao năng suất, và giảm sức lao ñộng của cơng nhân. Với thực tế như vậy thì
nhu cầu về vật liệu ngày càng lớn dẫn ñến việc giá thép hợp kim ngày càng
tăng cao do khan hiếm vật liệu. Do vậy, việc ứng dụng các công nghệ tạo ra
vật liệu mới ñể giảm tiêu hao vật liệu ñắt tiền là hết sức cấp thiết và có tính
hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
Việc ứng dụng công nghệ hàn nổ tạo phơi vật liệu bimetal để chế tạo
dao xén giấy xét cịn tạo điều kiện thuận lợi cho việc gia cơng cơ các bề mặt
định vị được dễ dàng vì tại các vị trí cần gia cơng này nằm trên miền thép
CT3 có độ cứng khơng cao.
Ngồi ra, dao xén giấy thường dùng có hệ số sử dụng vật liệu thấp, vì
khi dao bị mịn phần lưỡi cắt chỉ chiếm khoảng 10 %, khối lượng còn lại 90 %
kim loại phần cốt bằng thép hợp kim ñắt tiền trở thành phế liệu vì hết hạn độ.
Sử dụng vật liệu bimetal thép CT3 - thép CD 100 như ñề tài ñề xuất có thể
cho phép tiết kiệm tới 70 ÷ 85 % thép hợp kim làm dụng cụ cắt rất ñắt tiền
hiện nay để chế tạo. Vì vậy, đề tài nghiên cứu vật liệu chế tạo dao xén giấy
bằng công nghệ hàn nổ là cần thiết và có tính ứng dụng thực tiễn cao.
2. Mục đích của đề tài
ðề tài “ Nghiên cứu vật liệu chế tạo dao xén giấy bằng cơng nghệ hàn nổ”
nhằm tìm ra một chế độ hàn nổ thích hợp để tạo được phơi vật liệu bimetal

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

1


thép CT3 – CD 100 có độ bền dính kết giữa hai tấm vật liệu kim loại hàn cao
và có ñầy ñủ các tính chất cơ lý ñảm bảo, ñủ ñiều kiện ñể chế tạo dao xén
giấy trong ñiều kiện tại Việt Nam, giải quyết vấn ñề tiết kiệm vật liệu có giá
thành cao, cải thiện được tính cơng nghệ trong gia cơng cơ khí và đáp ứng kịp
thời nhu cầu thay thế trong nước, tăng tính chủ động trong sản xuất.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Thí nghiệm kiểm tra ñộ bền bám dính hai lớp vật liệu bimetal thép thép
CT3 – CD 100 và kiểm tra cơ tính vật liệu sau hàn nổ.
- Nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết 2 lớp thép
CT3 – CD 100 trong mẫu vật liệu bimetal sau hàn nổ và biến dạng dẻo ở một
số chế ñộ hàn và xác định các thơng số hợp lý của q trình hàn nổ tạo cho
tạo phơi bimetal vật liệu dùng chế tạo dao xén giấy.
4. Cấu trúc luận văn
Trong luận văn này tác giả xin được trình bày những nội dung sau :
Chương 1: Tổng quan về dao xén giấy và vật liệu bimetal hàn nổ
Chương 2: Vật liệu, thiết bị và phương pháp thí nghiệm
Chương 3: Ảnh hưởng của chế độ hàn nổ đến tính chất vật liệu
bimetal thép CT3 – thép CD 100
Chương 4: Ảnh hưởng của biến dạng dẻo tới tính chất vật liệu
bimetal thép thép CT3 – thép CD 100
Kết luận

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

2

Chương 1
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 Sơ lược về dao xén giấy trong cơng nghiệp
Nước ta là một nước có diện tích rừng lớn, có nhiều tiềm năng phát triển
kinh tế rừng, trong đó có lĩnh vực trồng và chế biến nguyên liệu giấy. Trên
thực tế hiện nay, nước ta có nền cơng nghiệp sản xuất giấy phát triển và đã
có nhiều cơng ty hoạt động, kinh doanh sản xuất tốt trong lĩnh vực này, ñể
chế thành sản phẩm giấy và ña dạng hóa chúng nhằm phục vụ nhu cầu tiêu
dùng thiết yếu trên thị trường và hiện nay người ta sử dụng các loại máy xén
giấy có lưỡi xén với các kích cỡ khác nhau tùy thuộc vào từng đơn vị sử
dụng. Qua khảo sát tại một số cơ sở thì phần lớn các loại dao xén giấy hiện
nay trên thị trường đều có xuất xứ nhập khẩu từ nước ngồi được chế tạo từ
vật liệu một loại thép hợp kim cho toàn bộ dao hoặc vật liệu tổ hợp hai lớp
thép các bon + thép dụng cụ cắt nhưng s lng chng loi ny cũn ớt trờn

0,63

th trng.
1,25
10 lỗ

Hỡnh 1.1 Các thơng số kích thước của dao xén giấy

Các thiết bị trong các ngành kinh tế ñược sản xuất ra làm việc trong
các ñiều kiện và chế ñộ làm việc khác nhau, trong đó có nhóm máy xén
giấy làm việc ở chế độ chịu mịn, ma sát khơ, lưỡi dao khi làm việc chịu
một lực cắt tương ñối lớn, ñối tượng cần cắt xén ở trang thái xơ và dai nên

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

3


qua sử dụng một thời gian không dài dễ bị mịn nhanh, hư hỏng dẫn đến
chúng ta phải mài lại nhiều lần từ đó tuổi thọ của dao rất thấp. Như vây,
với sản lượng giấy ñược sản xuất thành sản phẩm tiêu dùng ở nước ta cũng
như xuất khẩu ra ngồi nước, hàng năm các cơng ty có liên quan cần phải
nhập ñể cung ứng nhu cầu thay thế với số lượng rất lớn dao xén giấy. Ứng
dụng công nghệ hàn nổ ñể chế tạo dao xén giấy vấn ñề ñặt ra là chọn vật liệu
phù hợp với chức năng và ñiều kiện làm việc ñã nêu trên, giới hạn ñược chế
ñộ hàn ñể nhận ñược mối hàn tốt, tạo ra vật liệu bimetal sau hàn nổ có đầy đủ
các tính chất tương đương, khơng thua kém dao nhập khẩu hiện nay ñang sử
dụng trên thị trường.
1.2 Tổng quan về vật liệu bimetal hàn nổ
Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chế tạo máy dẫn tới
các nhu cầu to lớn về các loại vật liệu, song song nhu cầu đó là cần phải phát
triển mạnh mẽ ở lĩnh vực khoa học công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các loại
vật liệu mới có đầy đủ các u cầu về cơ lý tính cần thiết nhằm chế tạo thay
thế các thành phẩm nhập khẩu, chủ ñộng trong sản xuất. Hiện nay, ðảng và
Nhà nước ta ñang chủ trương ñẩy mạnh thực hiện các chương trình nghiên
cứu và phát triển khoa học cơng nghệ vật liệu mới, trong đó có cơng nghệ chế
tạo phơi với các loại vật liệu có tính năng đặc biệt ứng dụng vào sản xuất
mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao. Những vật liệu mới trong đó có vật
liệu kim loại hai lớp (bimetal) có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp,
tuy nhiên sử dụng phương pháp nào và công nghệ nào là phù hợp ñáp ứng
ñược yêu cầu ñặt ra là ñiều cần nghiên cứu thực hiện.
Hiện nay, tại các nước cơng nghiệp phát triển trên thế giới, cơng nghệ
đúc và cán tạo phơi bimetal được sử dụng khá phổ biến, họ đã có đầu tư

những thiết bị máy cán luyện kim cơng suất lớn, đảm bảo đáp ứng được ñiều

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

4


kiện hình thành liên kết kim loại làm dính 2 lớp vật liệu khác nhau với nhau
ñủ ñộ bền theo yêu cầu làm việc của chi tiết máy. ðối với các nước có nền
cơng nghiệp luyện kim yếu hơn và khơng có đầu tư các máy cán luyện kim
với cơng suất lớn, người ta thiên theo xu hướng nghiên cứu tìm kiếm và ứng
dụng các cơng nghệ chế tạo vật liệu bimetal khơng truyền thống khác, ví dụ
như: hàn nổ (tạo liên kết 2 lớp kim loại bằng năng lượng nổ); Luyện kim bột
(tạo liên kết 2 lớp kim loại bằng thiêu kết ở nhiệt độ cao và mơi trường thiêu
kết thích hợp đối với kim loại và hợp kim phủ trên kim loại nền), Hàn đắp..

Hình 1.2 Mơ phỏng phôi vật liệu hai lớp kim loại (bimetal)

ðể giảm giá thành sản xuất, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường
nhưng vẫn ñảm bảo ñược ñộ tin cậy và ñộ bền, ñáp ứng ñược chức năng
làm việc của các chi tiết, cần phải ứng dụng nhiều chi tiết máy bằng vật
liệu hợp kim nhiều lớp, vì chúng cho chúng ta được những tính chất có lợi
đảm bảo nhận được độ bền tương ứng với vật liệu khác, tính chống mài
mịn và độ dẻo dai phù hợp có thể thay thế ñược các vật liệu một loại hợp
kim có giá thành cao.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

5

Ở hầu hết các nước công nghiệp phát triển trên thế giới người ta ñã
thực hiện hàng loạt các nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ mới đưa vào
sản xuất vật liệu tấm hoặc băng hợp kim nhiều lớp (bimetal, trimetal) dùng
ñể chế tạo các chi tiết trong ngành chế tạo máy có tính chịu mịn, chịu
nhiệt, chống ma sát, làm vật liệu kỹ thuật ñiện và ñồ dùng dân dụng bằng
các phương pháp khác nhau. Một trong những công nghệ tiên tiến mới
ñược tập trung nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi trên thế giới là công
nghệ hàn nổ. Ưu điểm của cơng nghệ hàn nổ là nó có thể hàn được các tấm
vật liệu có diện tích lớn, ñặc biệt là hàn ñược các loại vật liệu khó liên kết
với nhau mà khơng thể sử dụng cơng nghệ truyền thống khác hoặc rất khó
tạo ra liên kết kim loại giữa hai vật liệu khác xa nhau về cơ lý tính, ví dụ
như : thép + chì, thép + bạc, thép + titan, phương pháp hàn nổ có năng suất
cao và ñảm bảo chất lượng liên kết hai lớp kim loại. Hàn bằng năng lượng
nổ là một công nghệ mới rất tiên tiến, khi sử dụng nó cho phép nhận ñược
các tấm và băng vật liệu hợp kim nhiều lớp, các chi tiết hình trụ, các chi
tiết kết nối có hình thù u cầu nhất định. Hàn nổ cịn được sử dụng để tạo
vỏ bọc các chi tiết máy và kết cấu, tạo lớp phủ trên bề mặt kim loại khác
nhau.
Tuy nhiên, nhược điểm của cơng nghệ này là phải làm việc trực tiếp
với chất nổ, do đó cần phải có đào tạo chun mơn nghiệp vụ nổ cho cơng
nhân vận hành q trình nổ trong dây chuyền sản xuất vật liệu tổ hợp nhiều
lớp có sử dụng năng lượng nổ [5, 8].
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo máy hiện ñại, ngày càng
ñược ứng dụng nhiều tổ hợp vật liệu ñặc biệt, vật liệu hợp kim hai lớp.
Những vật liệu mới này đều có thể ñược chế tạo bằng công nghệ hàn nổ và
hiện nay, năng lượng nổ ñã ñược sử dụng trong sản xuất các loại vật liệu
hợp kim nhiều lớp, trong đó có vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal). Công nghệ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

6


hàn nổ ñã ñược nghiên cứu và thực hiện trên thế giới cho phép chúng ta có
thể ứng dụng nó ñể sản xuất vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) chế tạo các
chi tiết máy trong các thiết bị công nghiệp ở nước ta.
1.2.1 Nguyên lý hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal
Hàn nổ là q trình nhận được liên kết kim loại và hợp kim dưới tác
ñộng của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ. Xét theo kiểu năng
lượng đưa vào, có liên quan đến nhóm q trình cơ học liên kết các kim
loại. Khi đó năng lượng hóa học chuyển hóa của lượng thuốc nổ ở dạng
sản phẩm khí nổ được chuyển thành năng lượng cơ, làm cho một phần của
vùng hàn trong các tấm kim loại dịch chuyển với vận tốc rất lớn. ðộng
năng va ñập của phần chuyển ñộng với bề mặt của phần cố định, được
dùng làm cơng biến dạng mềm hỗn hợp của các lớp tiếp xúc của các kim
loại (2 kim loại cần hàn), dẫn đến việc hình thành liên kết hàn hay mối
hàn.
Công biến dạng mềm chuyển thành nhiệt, nhiệt này do hậu quả tính
đoạn nhiệt của q trình, do vận tốc lớn có thể đốt nóng kim loại ở vùng
liên kết cho ñến khi ñạt nhiệt ñộ khá cao (cho đến khi tạo những vùng nóng
chảy cục bộ)[32].
Sơ ñồ hàn nổ tạo phôi bimetal ñược thể hiện trên hình 1.1. Tấm kim
loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt dưới một góc nghiêng (α)
ở khoảng cách cố ñịnh (hO). Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2).
Bên trên là kíp nổ (1). Tất cả phơi được đặt trên đế nổ (5) bằng kim loại, bê
tơng, cát... Khi bị kích nổ, theo tồn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng nổ
với tốc độ (D) đạt tới vài nghìn mét trong một giây. Dưới sự tác dụng của
áp suất cao do sự nở của khí nổ, tấm kim loại hàn đạt được tốc ñộ (vO)
khoảng vài trăm mét trong một giây và va ñập vào với tấm kim loại cố ñịnh

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

7


dưới một góc xác định γ = β + α (γ - góc va đập; β - góc uốn động; α - góc
nghiêng ban đầu).
1

2

3

4

5

β
Vk

V

ho

γ

α

P

α

a)
1

2

(b)
D
D
ho

3
4

a =ί
γ

vp

vk

5
6

(c)

(d)

Hình 1.3 Sơ đồ hàn nổ nghiêng (a), song song (c) và tại một thời ñiểm nổ (b và d)
theo [6] 1 – Kíp nổ ñiện, 2 – Thuốc nổ,
4 – Chốt nhọn,

3 – Tấm kim loại hàn,

5 – Tấm kim loại nền

6 - ðế nổ

Với trường hợp hàn nổ nghiêng với sự phân bố ñối xứng các tấm kim
loại hàn có chiều dày bằng nhau, trên chúng ñặt các thuốc nổ cũng giống
nhau, các tấm kim loại hàn nhận ñược tốc ñộ va ñập bằng nhau. Tuy nhiên, sơ
đồ này khó thực hiện trên thực tế do khơng thể áp dụng được đối với các tấm
kim loại hàn có kích thước lớn, vì trong q trình nổ khơng thể tăng góc
nghiêng ở phần cuối tấm hàn vơ hạn được cho nên người ta đã ñề xuất sơ ñồ
hàn nổ song song, dễ thực hiện và chấp nhận ñược ñối với các tấm kim loại
hàn có kích thước lớn.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

8


Kết quả của q trình kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt ñộ rất
cao, trong vùng tiếp xúc hai tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ là ñiều
kiện cho chúng liên kết kim loại với nhau. Tốc ñộ cao và áp suất cao ở vùng
tiếp xúc xảy ra sự đánh sạch màng ơxit trên các bề mặt tiếp xúc, làm linh hoạt
hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các lớp với nhau.
Mối liên kết kim loại đó thường có dạng sóng đặc trưng của hàn nổ (hình 1.2)

[32].

Hình 1.4 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ [32]

Thơng báo đầu tiên về hàn nổ hai đĩa mỏng hợp kim đồng latơng với
nhau do nhà nghiên cứu Karl [28] cơng bố năm 1944. Trong năm 1944 ÷1946
hiệu ứng liên kết kim loại được nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự lãnh ñạo
của M. A. Lavrentiev và các cộng sự quan sát thấy khi thí nghiệm với tia kim
loại cục bộ [18]. Tuy nhiên, các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế của
hiện tượng này chỉ bắt đầu sau năm 1961 tại Viện Thuỷ khí động học thuộc
Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô khi thực nghiệm một trong các sơ ñồ làm
biến cứng hai tấm kim loại bằng năng lượng nổ [8]. Giả thiết cho rằng: cơ
sở của quá trình hàn nổ là sự hình thành tia kim loại cục bộ, xuất hiện trong

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

9


các ñiều kiện va ñập với tốc ñộ cao giữa hai tấm kim loại nằm nghiêng một
góc hoặc song song với nhau. Khi kích nổ thuốc nổ, theo nó di chuyển mặt
phân cách nổ với tốc ñộ lên ñến hàng nghìn mét trong một giây [27]. Tốc
độ va đập của tấm kim loại trên với tấm kim loại dưới ñạt ñến 1.500 m/s.
Tại ñiểm va ñập các hạt kim loại chuyển ñộng với tốc ñộ cao trong khe hở
giữa hai tấm kim loại hàn và tạo ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [8, 11].
Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc hai
tấm kim loại. Dưới tác ñộng của áp suất và nhiệt ñộ rất cao, hai tấm kim
loại ñi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và nhờ đó tạo ra liên kết
kim loại trên tồn bộ diện tích các bề mặt tiếp xúc. Trong cơng trình [29]
đã ñược ñề xuất các ñiều kiện hình thành tia kim loại cục bộ như sau:

1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc ñộ di chuyển của
ñiểm va ñập, áp suất ñược tạo ra trực tiếp trước ñiểm va ñập cần phải ñủ
lớn ñể thắng giới hạn ñàn hồi ñộng của vật liệu và ñảm bảo nén ép các bề
mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ;
2) Nếu tốc ñộ di chuyển của ñiểm va ñập (Vk) nhỏ hơn tốc ñộ truyền âm
thanh C0 trong vật liệu kim loại hàn thì về mặt lý thuyết tia kim loại cục bộ
có thể được hình thành ở mọi góc nghiêng α giữa hai tấm kim loại hàn.
Tuy nhiên, trên thực tế mức áp suất cần thiết ñược cho bởi một góc
nghiêng tối thiểu nào đó.
3) Nếu điểm va đập di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ sóng âm trong
vật liệu kim loại hàn thì tia kim loại cục bộ có thể được hình thành chỉ ở
góc nghiêng lớn hơn một góc tới hạn nào đó.
Một trong những thơng số cơng nghệ hàn nổ chính xác định chất lượng liên
kết hai lớp kim loại là giữ ñược ñộ ổn ñịnh của khe hở ban ñầu giữa chúng.
Hiện ñã có rất nhiều sáng chế giải quyết vấn đề này bằng nhiều cách khác

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

10


nhau [21÷24] ví dụ như: dùng bi cầu, chốt nhọn, tấm cách từ băng gấp chữ
V, dây kim loại quấn thành hình lị xo hoặc các mảnh cắt từ tấm kim loại
hàn (tấm trên) có chiều dày khoảng 1 ÷ 3 mm [30].
Sóng nổ lan truyền với vận tốc D phụ thuộc vào việc chọn thuốc nổ, tính
chất, khối lượng, trạng thái…, sẽ trong khoảng 2000-8000 m/s. Ở mặt sau tạo
thành những sản phẩm nổ dạng khí trong khoảng thời gian rất ngắn theo qn
tính chúng sẽ bảo tồn thể tích trước kia của thuốc nổ nằm trên đó dưới áp suất
hàng nghìn át mốt phe, sau đó với vận tốc 0,5- 0,7D chúng sẽ mở rộng ra theo
hướng vuông góc với những mặt phẳng tự do của khối thuốc nổ. Việc này tạo

ra vùng kim loại ở dưới xung lượng nào đó, xung lượng này sẽ cuốn lần lượt
từng khoảng thể tích kim loại thứ nhất vào sự chuyển ñộng hướng tới bề mặt
của tấm kim loại cố ñịnh và va đập với nó với vận tốc VP (vận tốc va đập).

Hình 1.5 Hình ảnh liên kết hai lớp kim loại tại một thời ñiểm hàn nổ. [31]

Trong quá trình này, tấm kim loại hàn sẽ bị bẻ cong . Phần nghiêng của nó
chuyển động với vận tốc Vk - (vận tốc tiếp ñiểm), chuyển ñộng ngay sau mặt

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

11


phân cách nổ của sóng dẫn nổ, cịn phần phía trước nữa của sóng dẫn nổ chưa
kịp nổ thì dưới quán tính sẽ tiếp tục chiếm trạng thái của trạng thái ban đầu. [31]
Khi hàn nổ có hiện tượng khơng hàn tại vùng đặt kíp kích nổ, vấn đề là
làm sao tại ñây phải hạn chế tối ña ñược hiện tượng khơng có liên kết hàn
giữa hai tấm kim loại. Có đề xuất tại điểm kích nổ đặt một tấm kim loại
hình tam giác hoặc hình thoi giữa hai tấm kim loại hàn [25], nhưng bằng
cách này rất khó định vị được tấm lót đó. Việc loại trừ vùng khơng hàn tại
điểm kích nổ được thực hiện bằng cách kích nổ một phần thuốc nổ phụ trợ
[26] từ loại thuốc nổ tốc độ cao. Khi đó, thuốc nổ có tốc ñộ nổ lớn hơn nằm
ở bên ngoài thuốc nổ sử dụng cho hàn nổ trên bề mặt cơ bản của tấm kim
loại trên. Tuy vậy, đến nay vẫn chưa có phương án nào để loại bỏ hồn
tồn vùng khơng hàn tại điểm kích nổ một cách hồn hảo. Ngồi ra, ñể bảo
vệ bề mặt tấm kim loại hàn khỏi tác ñộng trực tiếp của thuốc nổ phân huỷ
khi nổ ta sử dụng một lớp vật liệu trung tính như polietilen, cao su mỏng
làm lớp cách giữa thuốc nổ và tấm kim loại trên. ðể giảm thiểu hiện tượng
không hàn theo chu vi tấm bimetal, người ta sử dụng phương án nổ “treo”

B=bn+2c

A

ln

lnp

A

A-A

120°

l5

I

l3

C

của thuốc nổ [9].

Hình 1.6 Sơ đồ hàn nổ treo [9]

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

12

Có rất nhiều các đề xuất trong giải quyết các bài tốn cơng nghệ hàn nổ để
nhận được các liên kết kim loại các vật liệu khác nhau có chất lượng cao. Tuy
nhiên, việc giải bài tốn tối ưu cơng nghệ hàn nổ ñối với từng cặp vật liệu hàn cụ
thể mang tính chất cá biệt.
Sự va đập với vận tốc lớn của kim loại hàn và kim loại cố ñịnh phát
triển ra trong phạm vi của ñỉnh chuyển ñộng với góc γ, các mặt phẳng kim
loại gặp nhau với áp lực lớn. Sự nén của nổ khắp các hướng tạo thuận lợi cho
xu hướng mềm hóa ở khu vực tiếp xúc theo hướng hàn nhờ có sự hiện diện
của mặt phẳng tự do phía trước góc γ và thành phần vận tốc VP, ñiều này bắt
buộc những lớp bề mặt của cả 2 kim loại ñồng thời biến dạng theo cùng
hướng vận tốc Vk. Kết quả dẫn ñến sự kết dính hai bề mặt các kim loại và
nhận được mối hàn. Cũng dưới cơ chế này thì các màng oxi hóa và những tạp
chất bẩn trên bề mặt kim loại cũng bị ñập vỡ, phân tán và rơi ra khỏi đỉnh góc
γ dưới sự tác động của hiệu ứng dồn (hiệu ứng chồng chất).
Các tấm kim loại hàn khi thực hiện theo một trong các sơ đồ nổ nói trên
có đi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm xuất hiện sự nung nóng đẳng nhiệt
cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá trình đó là hình thành được
liên kết kim loại [1]. Khi ñó, ñể nhận ñược liên kết bền vững, cần thiết phải
ñảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực dương lớn hơn thời
gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại nền nóng chảy [6].
Mối hàn nổ kim loại thường có biên dạng sóng, thỉnh thoảng có các tạp chất
kim loại nóng chảy và kết tinh phân bố trên đỉnh sóng. Các phía của đỉnh và
chân sóng liên kết theo hướng lan truyền sóng va đập, hình thành bởi tia kim
loại cục bộ, ñược hấp thụ bởi vật liệu tấm kim loại hàn (tấm trên), cịn ở phía
sau sóng va đập là vật liệu tấm kim loại nền (tấm dưới). Toàn bộ khối lượng
kim loại bị ñẩy ra khi hàn nổ bị cuốn vào tia kim loại cục bộ, vì phần lớn của

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

13


nó cuốn vào các vịng xốy từ phía sau đỉnh sóng liên kết, nơi có hỗn hợp cơ
học của các hạt rất mịn từ bề mặt hai tấm kim loại hàn.
Thơng thường sự nóng chảy nhờ chuyển biến động năng của tia kim loại
cục bộ thành nhiệt năng các vùng có kim loại nóng chảy tại điểm va đập khi
hàn nổ ñược làm nguội nhanh bởi sự tản nhiệt của nó, điều này dẫn đến sự
hình thành các vùng kết tinh trên đỉnh sóng liên kết. Nếu như các đoạn kết
tinh đó khơng lớn và phân bố cách biệt so với nhau thì chúng ít gây ảnh
hưởng tới chất lượng liên kết kim loại hai lớp bimetal. Nếu khi hàn nổ có tia
kim loại cục bộ có cường độ cực cao thì tồn bộ bề mặt liên kết hai lớp kim
loại bimetal bị phủ bởi một lớp vật liệu nóng chảy. Trên hình 1.5. cho thấy các
phía của đỉnh và chân sóng liên kết theo hướng lan truyền sóng va ñập, hình
thành bởi tia kim loại cục bộ, ñược hấp thụ bởi vật liệu tấm kim loại hàn (tấm
trên), còn ở phía sau sóng va đập là vật liệu tấm kim loại nền (tấm dưới).
Toàn bộ khối lượng kim loại bị ñẩy ra khi hàn nổ bị cuốn vào tia kim loại cục
bộ, vì phần lớn của nó cuốn vào các vịng xốy từ phía sau đỉnh sóng liên kết,
nơi có hỗn hợp cơ học của các hạt rất mịn từ bề mặt hai tấm kim loại hàn.
gβ
V/t

gβ
V/t

a)

b)
S

c)

V/tg β

V/tg α
V/sin α

V/sin β

S

gβ
V/t

d)

V/t

gβ

e)
S

f)
S

g)

h)

S

S
S

i)
S

Hình 1.7 Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết hàn nổ các kim loại khác nhau [8]

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

14


Dựa trên cơ sở hàng loạt các nghiên cứu hàn nổ, trong cơng trình [15] đưa ra
kết luận rằng: để hình thành được sóng liên kết cần phải có sự kích hoạt đủ
mạnh ban đầu khi hàn nổ và việc tạo thành sóng liên kết khơng phải là sự xuất
hiện của trạng thái khơng bền vững nào đó, mà xẩy ra do q trình tự dao
động cùng với kích hoạt cứng sóng kiên kết và tại vùng lân cận xung quanh
điểm va đập là ảnh đồ của nó.
Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh rằng: điểm bắt đầu kích hoạt
sóng liên kết là sóng phản xung va đập theo bề mặt tự do của tấm kim loại
hàn và ñuổi theo sau ñiểm tiếp xúc va ñập khi hàn nổ. Việc làm sạch bề mặt
tiếp xúc hai tấm kim loại hàn nổ được gắn kết với hiện tượng dịng khối lượng
kim loại trước điểm tiếp xúc va đập, có thể ñược quan sát thấy ở dạng dòng
chảy ngược khi hàn nổ với góc va đập lớn, cũng như ở dạng ñám mây của các
hạt mịn kim loại khi góc va đập nhỏ [6]. Trong cơng trình [13] bằng thực
nghiệm đã nhận được quan hệ giữa bước sóng (λ) và các thơng số va đập
trong trường hợp tấm kim loại hàn có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với chiều

dày tấm kim loại nền:
λ = 26.δ1. [sin (γ / 2)]2

(1.1)

trong đó: δ1 – chiều dày tấm kim loại hàn (tấm trên).
Mối tương quan này cũng ñược các nhà nghiên cứu Gordopolov Yu. A.
và Dremin A. N. [33]. Trên cơ sở lý thuyết sóng mao dẫn trên biên giới phân
cách hai lớp chất lỏng có chiều sâu vơ hạn, các nhà nghiên cứu trên đẫ đề xuất
sự phụ thuộc của bước sóng vào tốc độ nhóm tương tự như biểu thức (1.1):
λ / δ1 = A. [sin (r / 2)]2

(1.2)

và ñưa ra kết luận về ảnh hưởng có thể của sức căng bề mặt kim loại ở trạng
thái khơng bình thường các lớp bề mặt của chúng trong ñiều kiện va ñập tốc

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp…………….

15