Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính chất vật liệu bột sắt có hạt cứng các bít titan sau thiêu kết
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.49 MB, 101 trang )
....
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
--------------
--------------
NGUYỄN TIẾN DŨNG
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BỘT SẮT
CĨ HẠT CỨNG CÁC BÍT TITAN SAU THIÊU KẾT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2009
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
--------------
--------------
NGUYỄN TIẾN DŨNG
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BỘT SẮT
CĨ HẠT CỨNG CÁC BÍT TITAN SAU THIÊU KẾT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chun ngành
: Cơ khí nơng 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
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
ii
LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Những số
liệu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Các kết quả
nghiên cứu do chính tơi thực hiện dưới sự chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn
cùng với sự chỉ giáo tận tình, vơ tư của các thầy, cơ giáo Trường ðại học
nơng nghiệp Hà Nội là hồn tồn đúng sự thật.
Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2009
Học viên
Nguyễn Tiến Dũng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
i
LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian nghiên cứu và thực hiện ñề tài, ñến nay về cơ bản ñề tài
của tôi đã hồn thành. Với tất cả lịng chân thành tơi xin cám ơn lãnh ñạo
Nhà trường, Khoa Cơ ñiện, các Thầy, Cơ giáo trường ðại học nơng nghiệp
Hà Nội đã giảng dạy và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi trong suốt
q trình nghiên cứu thực nghiệm.
ðặc biệt tôi xin cám ơn PGS. TS. Hà Minh Hùng người ñã dành nhiều
thời gian hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những vấn ñề mới trong việc nghiên cứu
và thực hiện ñề tài. Qua ñây, tôi cũng xin cảm ơn tất cả bạn bè, ñồng nghiệp
và người thân là ñộng lực giúp tơi hồn thành đề tài đúng tiến độ.
Tuy nhiên, mặc dù đã có nhiều cố gắng song vì trình độ năng lực có
hạn, điều kiện thời gian khơng cho phép và kinh phí hạn hẹp nên đề tài của
tơi chắc chắn cịn thiếu sót và hạn chế về nội dung. Rất mong ñược các thầy
giáo và các nhà nghiên cứu góp ý chỉnh sửa để cho đề tài của tơi được hồn
chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày 30 tháng 11 năm 2009
Học viên
Nguyễn Tiến Dũng
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
MỤC LỤC ...............................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ...............................................................................................viii
MỞ ðẦU................................................................................................................. i
Chương 1 ................................................................................................................ 3
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT..................... 3
1.1. Khái quát về công nghệ luyện kim bột ................................................................ 3
1.1.1. Sơ lược về lịch sử ngành luyện kim bột:........................................................... 3
1.1.2. Những ñặc ñiểm cơ bản của luyện kim bột:...................................................... 4
1.1.3. Ưu nhược ñiểm của luyện kim bột:................................................................... 6
1.1.4. Sơ đồ ngun lý cơng nghệ luyện kim bột:....................................................... 6
1.2. Tình hình sản xuất, cung ứng kim loại bột trên thị trường thế giới ..................... 7
1.3. Tình hình sản xuất, ứng dụng các chi tiết máy luyện kim bột ........................... 10
1.4. Triển vọng thị trường sản phẩm luyện kim bột Việt Nam:................................ 14
1.4.1. Tính cấp thiết của vấn đề: ............................................................................... 14
1.4.2. Nhu cầu của cơng nghiệp dầu & khí:.............................................................. 14
1.4.3. Nhu cầu của công nghiệp sợi, dệt, may mặc:.................................................. 15
1.4.4. Nhu cầu của công nghiệp da giày xuất khẩu................................................... 15
1.4.5. Nhu cầu của công nghiệp chế tạo, thiết bị chế biến nông sản, máy công cụ và
máy nông nghiệp:...................................................................................................... 15
1.4.6. Nhu cầu của công nghiệp lắp ráp và chế tạo phụ tùng ô tô - xe máy: ............ 15
1.5. Một số kết quả nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện kim bột chế tạo chi tiết
máy từ bột sắt tại Viện Nghiên cứu Cơ khí............................................................... 16
1.5.1. Sự hình thành hướng nghiên cứu - phát triển chung ở Việt Nam:.................. 16
1.5.2. ðánh giá năng lực thiết bị luyện kim bột của Việt Nam hiện nay: ................. 16
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
iii
1.5.3. Sự khởi ñầu mới áp dụng cho chi tiết máy từ bột sắt thép:............................. 16
1.5.4. Một số kết quả điển hình tại Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công Thương: . 17
1.6. Kết luận Chương 1:............................................................................................ 19
Chương 2 .............................................................................................................. 20
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ÉP TẠO HÌNH CHI TIẾT KIM LOI BT
TRONG KHUễN KN ......................................................................................... 20
2.1. Các quá trình xẩy ra khi ép tạo hình bột kim loại .............................................. 20
2.2. Ảnh hưởng của lực ép tới mật ñộ vật ép từ bột kim loại ................................... 25
2.3. ðộ bền của phôi ép từ bột kim loại.................................................................... 37
2.4. Kết luận chương 2:............................................................................................. 40
Chương
................................................................................................................42
3
VẬT
LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 42
3.1. Chọn vật liệu và các bước thí nghiệm: .............................................................. 42
3.2. Thiết bị và phương pháp tiến hành thí nghiệm: ................................................. 42
3.3. Phương pháp tiến hành thí nghiệm: ................................................................... 47
3.3.1. Các bước thực hiện thí nghiệm: ...................................................................... 47
3.3.2. Phương pháp kiểm tra, đánh giá cơ - lý tính vật liệu sau thiêu kết:................ 49
3.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học mơ phỏng cơng nghệ.................... 50
3.4.1. Chọn hàm mục tiêu mơ hình hố: ................................................................... 50
3.4.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm bằng thống kê tốn học;.................. 51
3.4.3. Phương pháp tính mật độ và độ xốp: .............................................................. 52
3.4.4. Tính tốn xây dựng hàm mục tiêu độ xốp dựa trên cơ sở phương pháp bình
phương nhỏ nhất: ...................................................................................................... 53
3.5. Kết luận chương 3:............................................................................................. 55
Chương 4 .............................................................................................................. 56
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN.................................................. 56
4.1. ðiều kiện thí nghiệm tạo mẫu vật liệu ............................................................... 57
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
iv
4.2. Kết quả thực nghiệm khảo sát ñộ xốp và mật ñộ ............................................... 58
4.2.1. Ảnh hưởng của thời gian nghiền trộn ñến ñộ xốp: ......................................... 58
4.2.2. Ảnh hưởng của ñộ xốp và mật ñộ vào áp lực ép bột tạo hình: ...................... 60
4.2.3. Ảnh hưởng của độ xốp và mật ñộ vào nhiệt ñộ thiêu kết: ............................. 61
4.2.4. Ảnh hưởng của ñộ xốp và mật ñộ vào thời gian thiêu kết: ............................ 63
4.2.5. Ảnh hưởng của hàm lượng % W, TiC đến tính chất vật liệu:......................... 64
4.3. Kết quả thực nghiệm khảo sát chụp ảnh cấu trúc tế vi và thảo luận:................. 66
4.3.1. Kết quả thực nghiệm:...................................................................................... 66
4.3.2. Thảo luận: ....................................................................................................... 70
KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN ...................................................................... 80
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại vật liệu kim loại bột theo [1, 2, 3]............................................ 5
Bảng 1.2. Sản lượng KLB thế giới theo Metal Powder Industries Federation and
U.S. Department of Commerce , nghìn tấn [7] ........................................................ 7
Bảng 1.3. Cung ứng kim loại bột (KLB) của Bắc Mỹ, nghìn tấn [5, 8] ................... 8
Bảng 1.4. Cung ứng kim loại bột sắt và bột ñồng của Nhật Bản theo Japanese
Powder Metallurgy Association, nghìn tấn [5, 8] .................................................... 9
Năm sản xuất............................................................................................................... 9
Bảng 1.5. Sản xuất sản phẩm LKB của Nhật Bản theo Japanese Powder Metallurgy
Association, nghìn tấn [5, 8] ................................................................................... 9
Năm sản xuất............................................................................................................... 9
Bảng 1.6. Sản xuất luyện kim bột của các nước châu Á năm 1993 ñể chế tạo chi tiết
kết cấu (khơng tính Nhật Bản) [9]......................................................................... 10
Bảng 1.7. Cơ cấu sử dụng các sản phẩm LKB trong các lĩnh vực kinh tế Bắc Mỹ
năm 1992 theo Updat on North American P/M Industry, % sản lượng [ 4] ........... 11
Bảng 1.8. Cơ cấu sử dụng sản phẩm kết cấu LKB và bạc trượt của Nhật Bản theo
Powder Metallurgy in Japan [9] ............................................................................ 11
Bảng 1.9. Cơ tính sản phẩm luyện kim bột bằng thép hợp kim hoá [13]................ 12
Bảng 1.10. Kết quả giám ñịnh chất lượng bánh răng mô ñun m = 2, Z=28............ 17
từ KLB [14] .......................................................................................................... 17
Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa mật độ và lực ép khi ép tạo hình bột kim loại ........... 31
Bảng 2.2. ðộ cứng, và áp lực ép của một số vật liệu bột kim loại theo [ 2 ] .......... 37
Bảng 3.1. ðiều kiện thí nghiệm thăm dị và hiệu chỉnh cơng nghệ ........................ 53
Bảng 4.1. ðiều kiện QHTN tạo mẫu vật liệu bột sắt có pha trộn hạt cứng W:....... 58
Bảng 4.2. Sự phụ thuộc của ñộ xốp, mật ñộ tương ứng trên mẫu vật liệu vào thời
gian nghiền trộn hỗn hợp bột nguyên liệu đầu vào. ............................................... 59
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
vi
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của áp lực ép bột tạo phơi đến độ xốp, mật độ tương ứng trên
mẫu vật liệu .......................................................................................................... 60
Bảng 4.4. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ thiêu kết đến độ xốp, mật độ tương ứng trên mẫu
thí nghiệm............................................................................................................. 62
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết ñến ñộ xốp, mật ñộ tương ứng trên
mẫu thí nghiệm. .................................................................................................... 63
Bảng 4.6. Sự phụ thuộc của ñộ xốp, mật ñộ tương ứng trên mẫu vật liệu .............. 65
và hàm lượng % W (theo khối lượng) ................................................................... 65
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
vii
DANH MC CC HèNH
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ luyện kim bột truyền thống (ép tạo hình và thiêu kết) [2].
............................................................................................................................... 7
Hình 1.2. Các chi tiết máy trong động cơ ô tô chế tạo bằng công nghệ LKB [9] ... 13
Hình 1.3. Các loại bạc trượt, xy lanh, trong động cơ ơ tơ và máy móc khác chế tạo
bằng cơng nghệ luyện kim bột của hãng Callo A B. [9] ........................................ 13
Hình 1.4.Tình hình sản xuất, cung ứng kim loại bột để chế tạo các sản phẩm cơ khí
luyện kim bột tại các khu vức thế giới và Nhật Bản [1]......................................... 14
Hình 1.5. Bánh răng máy tiện T618/T619 (a) và tay biên ñộng cơ xe máy C100 (b)
chế tạo bằng công nghệ LKB ðề tài cấp Nhà nước mã số KHCN 05.06) [24]. ..... 18
Hình 1.6. Bạc trượt từ bột sắt trong công nghiệp (a) và từ hỗn hợp bột ñồng + hạt
sắt ......................................................................................................................... 18
(b) chế tạo bằng công nghệ LKB tại Viện Nghiên cứu Cơ khí [25]. ...................... 18
H×nh 2.1. Nguyên lý khuôn ép bột kim loại ........................................................... 21
Hình 2.2. Mô hình ép bột kim loại của Zerling: ..................................................... 21
Hình 2.3. Mô hình các giai đoạn 1, 2, 3 kế tiếp nhau khi ép bột kim loại dẻo......... 21
trong khu«n kÝn..................................................................................................... 21
Hình 2.4. ðường cong lý tưởng lèn chặt của bột kim loại (sự phụ thuộc của mật ñộ
vật ép vào áp lực nén ép) ...................................................................................... 22
Hình 2.5. Sơ ñồ nguyên lý ép tạo hình chi tiết máy bằng bột kim loại theo [5]: .... 23
Hình 2.6. Sơ đồ ép bột kim loại một chiều tạo hình mẫu (a); Sơ ñồ biến dạng của
các lỗ xốp theo A.P. Kolikov (b) theo [6] ............................................................. 24
Hình 2.7. Mơ hình mơ phỏng khi ép bột ơxit nhơm Al2O3 theo [3]: ...................... 24
Hình 2.8a. Mơ hình phân bố ứng suất khi ép chảy bột kim loại theo [3]................ 26
Hình 2.8b. Sơ đồ phân bố mật ñộ trong vật ép từ bột kim loại theo mặt ngang khi ép
một chiều trong khn kín .................................................................................... 26
Hình 2.9. Phân bố mật độ trong mẫu ép niken ở áp lực 700 MP........................... 26
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
viii
Hình 2.10. Sự thay đổi của mật độ theo chiều cao mẫu [ 22 ]:............................... 27
Hình 2.11. ðường cong lý thuyết ép bột kim loại của Kunin và Juchenko theo [23]
............................................................................................................................. 27
Hình 2.12. ðường cong lơgarit (σK = PK) ép tạo hình kim loại bột trong khn kín [
16 ] ....................................................................................................................... 31
Hình 2.13. Giản đồ logarít q trình ép bột kim loại [ 25 ]:.................................. 32
Hình 2.14. Mối liên quan giữa ñộ lèn chặt bột ñồng và khối lượng nạp liệu tương
đối β ..................................................................................................................... 33
Hình 2.15. ðường cong lý thuyết lgβ - lgp theo [2] .............................................. 36
Hình 2.16. ðường cong lý thuyết γ - áp suất p theo [2] ........................................ 36
Hình 2.17. Mối quan hệ giữa độ bền của phơi ép từ bột kim loại vào áp lực ép tạo
hình....................................................................................................................... 38
Hình 2.18. Mối liên hệ giữa mật độ và độ bền phơi ép từ bột kim loại và độ lớn của
hạt kim loại chế tạo bằng phương pháp: ................................................................ 39
Hình 2.19. ảnh hưởng của mật ñộ ñổ ñống bột ñồng đến độ bền phơi ép............... 40
Hình 3.1. Máy nghiền trộn bột kim loại kiểu ly tâm hành tinh. ............................. 44
Hình 3.2. Thiết bị cân ñiện tử dùng ñể xác ñịnh các cấu tử bột thép hợp kim sau
thiêu kết và biến dạng dẻo..................................................................................... 44
Hình 3.3. Máy ép thí nghiệm ép bánh răng DZ – 40.............................................. 45
Hình 3.4. Lị thiêu kết kim loại bột điện trở ống.................................................... 45
Hình 3.5. Máy điều chế khí bảo vệ hydrơ cung cấp cho lị thiêu kết kim loại bột .. 46
Hình 3.6. Máy thử kéo nén kỹ thuật số tại Viện nghiên cứu Cơ khí. ..................... 46
Hình 3.7. Máy dập trục khuỷu 350 Tấn để dập nóng tạo hình phơi tay biên động cơ
xe máy C70, C100 sau thiêu kết từ bột sắt (Công ty CP dụng cụ cơ khí xuất khẩu)47
Hình 4.1. Sự ảnh hưởng của thời gian nghiền trộn tới ñộ xốp và mật độ tương ứng
............................................................................................................................. 59
trên mẫu thí nghiệm sau ép – thiêu kết từ bột Fe – W – TiC.................................. 59
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
ix
Hình 4.2. Sự ảnh hưởng của áp lực ép bột tạo hình tới độ xốp và mật độ tương ứng
trên mẫu thí nghiệm sau ép – thiêu kết từ bột Fe – W – TiC.................................. 61
Hình 4.3. Sự ảnh hưởng của nhiệt ñộ thiêu kết tới ñộ xốp và mật ñộ tương ứng
trên mẫu thí nghiệm sau ép – thiêu kết từ bột Fe – W – TiC.................................. 63
Hình 4.4. Sự ảnh hưởng của thời gian thiêu kết tới ñộ xốp và mật độ tương ứng
trên mẫu thí nghiệm sau ép – thiêu kết từ bột Fe – W – TiC.................................. 64
Hình 4.5. Sự ảnh hưởng của hàm lượng % W tới ñộ xốp và mật ñộ tương ứng
trên mẫu thí nghiệm sau ép – thiêu kết từ bột Fe – W – TiC.................................. 66
Hình 4.6. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu sau ép – thiêu kết từ bột ñầu vào hệ Fe – W –
TiC ....................................................................................................................... 67
Hình 4.7. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu sau ép – thiêu kết từ bột ñầu vào hệ Fe – W –
TiC ....................................................................................................................... 67
Hình 4.8. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu sau ép – thiêu kết từ bột ñầu vào hệ Fe – W –
TiC ....................................................................................................................... 68
Hình 4.9. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu sau ép – thiêu kết từ bột ñầu vào hệ Fe – W –
TiC ....................................................................................................................... 68
Hình 4.10. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu sau ép – thiêu kết từ bột ñầu vào hệ Fe – W –
TiC ....................................................................................................................... 69
Hình 4.11. Tổ chức tế vi mẫu vật liệu sau ép – thiêu kết từ bột ñầu vào hệ Fe – W –
TiC ....................................................................................................................... 69
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
x
MỞ ðẦU
Những năm ñầu thế kỷ 21 Việt Nam sẽ có nhiều chuyển biến mạnh mẽ về
Khoa học Cơng nghệ nhờ kết quả của sự hợp tác quốc tế toàn diện trong lĩnh vực
chuyển giao công nghệ mới. Trong chiến lược phát triển kinh tế xã hội đến năm
2020, Chính phủ Việt Nam ñã khẳng ñịnh mục tiêu: Xây dựng nền kinh tế quốc dân
và các lĩnh vực ñời sống xã hội trên cơ sở những thành tựu Khoa học và Công nghệ
mới nhất, tạo nên một xã hội văn minh, hiện đại và cơng bằng. Các Viện nghiên cứu
Khoa học Kỹ thuật và các Trường ðại học công nghệ trong cả nước ñang ñứng
trước những vận hội mới với trách nhiệm hết sức nặng nề ñể tiếp thu và sáng tạo các
cơng nghệ hiện đại và mới nhất của thế giới nhằm góp phần đổi mới tiềm lực Khoa
học Cơng nghệ nội sinh, đóng góp tích cực, hiệu quả cho sự nghiệp Cơng nghiệp
hố - Hiện đại hố đất nước ñể từng bước hội nhập vào cộng ñồng các nước cơng
nghiệp phát triển thế giới.
Vì vậy, hiện nay việc tiếp cận học hỏi, nghiên cứu các công nghệ vật liệu
mới, trong đó có việc thực nghiệm tạo ra vật liệu bột sắt có thành phần hạt cứng W,
TiC và cơng nghệ ép thiêu kết kim loại bột để chế tạo các chi tiết máy quan trọng
làm việc ở chế ñộ tải trọng và chịu mòn cao ñể áp dụng vào sản xuất ở Việt Nam
đóng vai trị rất quan trọng trong chiến lược đổi mới cơng nghệ và nội địa hố
chúng. Cơng nghệ luyện kim bột ở các nước công nghiệp phát triển trên thế giới
trong những năm gần ñây phát triển rất mạnh mẽ. Các sản phẩm luyện kim bột
chiếm tỷ trọng khá lớn trong công nghiệp chế tạo máy ñộng lực, thiết bị kỹ thuật
ñiện, chế tạo vũ khí, chế tạo ơ tơ - xe máy... và có nhiều ưu thế đặc biệt so với các
sản phẩm luyện kim truyền thống, đặc biệt là tiêu hao ít nguyên vật liệu do công
nghệ là gia công không phoi, giá thành chế tạo chúng có sức cạnh tranh tốt trên thị
trường người sử dụng.
Ở Việt Nam trong vài năm gần đây cơng nghiệp lắp ráp ơ tơ - xe máy ñã và
ñang phát triển rất mạnh mẽ, nhu cầu nội địa hố một số phụ tùng, chi tiết máy cho
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
1
ngành công nghiệp này cũng rất lớn và ngày càng gia tăng. Cơng nghệ luyện kim bột
đã bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng tại một số cơ sở ñào tạo và Viện nghiên cứu
chuyên ngành, có nhiều kết quả khả quan và ứng dụng ñược trong sản xuất quy mơ
nhỏ, ví dụ như; Viện Cơng nghệ (Bộ quốc phịng), Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ
Cơng Thương), trường ðại học Bách khoa Hà Nội (Bộ GD&ðT)…
ðề tài Luận văn Cao học “Nghiên cứu tính chất vật liệu bột sắt có hạt cứng
các bít titan sau thiêu kết” mà tác giả lựa chọn nghiên cứu nhằm mục tiêu nâng cao
cơ tính và khả năng chịu mịn vật liệu sử dụng để chế tạo tay biên ơ tơ, xe máy trong
điều kiện trang thiết bị luyện kim bột hiện có ở Việt Nam hiện nay, xuất phát từ
cách tiếp cận nói trên là hết sức cấp thiết và có tính khả thi cao.
Việc kế thừa các nghiên cứu trước đây về cơng nghệ ép – thiêu kết bột sắt có
một số kim loại hợp kim hóa (mua của hãng HOGANAS – Thụy ðiển) và nghiền
trộn cơ học them các thành phần hạt cứng như W, WC, TiC của chính nhóm nghiên
cứu, trong ñó có sự tham gia trực tiếp của tác giả Luận văn cao học này, là một ñịnh
hướng mới về mặt khoa học trong việc áp dụng công nghệ này ñể chế tạo các chi tiết
máy có khả năng chịu mịn và cơ tính cao trong độ cơ ơ tơ, xe máy, máy móc động
lực và máy nơng nghiệp nhằm tăng tuổi thọ của chúng là rất có ý nghĩa thực tiễn.
ðề tài Luận văn được tác giả hồn thành tại Trung tâm ðào tạo và Ứng dụng
công nghệ Cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) dưới
sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Hà Minh Hùng và ngồi các kết quả chính do
học viên thực hiện cịn được phép sử dụng kết quả thực nghiệm của người chủ trì
nhóm nghiên cứu cơng nghệ luyện kim bột theo hướng tạo hình vật liệu bột sắt sử
dụng cho tay biên ñộng cơ xe máy C70, C100, một số động cơ diezen cơng suất vừa
và nhỏ trong máy động lực và máy nơng nghiệp.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
2
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LUYỆN KIM BỘT
1.1. Khái quát về công nghệ luyện kim bột
1.1.1. Sơ lược về lịch sử ngành luyện kim bột:
Luyện kim bột là một lĩnh vực khoa học công nghệ nghiên cứu chế tạo các chi
tiết kim loại bằng cách biến dạng tạo hình bột kim loại, sau đó thiêu kết chúng ở
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại.
Bột kim loại là tổ hợp các phần tử kim loại, hợp kim có kích thước tới
milimét nằm trong một mối tiếp xúc nhất định với nhau nhưng khơng có liên kết
giữa chúng.
Luyện kim bột không những chỉ là một ngành cơng nghiệp hiện đại mà cịn là
sự sáng tạo cổ xưa của lồi người. Lịch sử lồi người đã chỉ ra rằng, hàng trăm năm
trước Công nguyên khi phương pháp nấu chảy gang chưa được khám phá thì lồi
người ñã tạo ra sản phẩm bằng kim loại theo phương pháp luyện kim bột. Khi luyện
kim trong lò cao xuất hiện, Luyện kim bột bị lãng quên ñi, tưởng như con người
chưa từng biết đến cơng nghệ Luyện kim bột bao giờ.
Mở ñầu cho giai ñoạn luyện kim bột hiện ñại là những năm ñầu của thế kỷ
19, nước Nga sản xuất đồng tiền bằng bạch kim theo cơng nghệ luyện kim bột vì khi
đó chưa tạo ra được thiết bị nấu chảy bạch kim ở nhiệt ñộ 1.800OC. ðặc biệt ở
những năm cuối thế kỷ 19, luyện kim bột mới được phục hồi vị trí quan trọng trong
ngành luyện kim. Bước đầu cơng nghệ luyện kim bột được áp dụng đối với kim loại
khó nóng chảy như bạch kim, vonfram, sau đó phát triển áp dụng đối với các vật
liệu tổ hợp và hợp kim như: hợp kim cứng, vật liệu compozit. Ngày nay kỹ thuật
luyện kim bột ñã phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực sau:
1. Sản xuất các chi tiết máy từ hợp kim cứng, bền nhiệt: các bít vonfram,
titan và kim cương nhân tạo... để chế tạo vật liệu cắt gọt trong công nghiệp;
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
3
2. Sản xuất các vật liệu ñặc biệt, vật liệu tổ hợp của các kim loại, ơxít kim
loại và phi kim loại ñể chế tạo các sản phẩm chịu nhiệt ñến 1.000OC: cánh tua bin,
vật liệu gốm, vật liệu từ;
3. Sản xuất vật liệu ma sát và chống ma sát, vật liệu xốp có chứa dầu như:
bạc xốp, má phanh, xécmăng;
4. Gia cơng khơng phoi.
1.1.2. Những đặc điểm cơ bản của luyện kim bột:
Trong công nghệ luyện kim bột tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà quá trình biến
dạng tạo hình và thiêu kết có thể tiến hành nhiều lần hoặc có thêm vài ngun cơng
đặc biệt khác. Trong sản phẩm luyện kim bột có những lỗ xốp, hốc khí ñó ñã làm
cho nó kém bền hơn so với các sản phẩm ñúc, cán, rèn nhưng lại tạo ra ñược những
tính chất đặc biệt mà bằng các phương pháp khác khơng thể đạt được bởi các đặc
điểm sau:
+ Ngun liệu ở dạng bột đồng đều, có thể là hỗn hợp của nhiều kim loại và
hợp kim;
+ Hỗn hợp bột kim loại dễ biến dạng tạo hình chi tiết máy cần thiết;
+ Sản phẩm sau khi biến dạng tạo hình được thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ nóng chảy của kim loại nền để tăng bền.
Trong bảng 1.1 trình bày phân loại vật liệu bột kim loại.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
4
Bảng 1.1. Phân loại vật liệu kim loại bột theo [1, 2, 3]]
TT
Loại vật liệu
1 Vật liệu kết cấu
Các cấu tử chính
Fe, Fe-Cu, Fe-Ni-Cu, Fe-C, Fe-Cu-C,
Fe-Ni-Cu-Mo-C, thép khơng gỉ, brơnza,
latơng, Ti, Al-Cu
2 Hợp kim ñặc biệt:
2.1 Hợp kim từ cứng
Al-Ni-Co, SmCo3, Ferit từ cứng
2.2 Hợp kim từ mềm
Fe-Ni, Fe-Si, Fe-P, Ferit từ mềm
2.3 Hợp kim hàn với thủy tinh
Fe-Ni-Co
2.4 Hợp kim siêu dẫn
Nb2Sn, Ca-Cu-O
2.5 Hợp kim tiếp ñiểm và ñiện cực W-Cu, W-Ag, Ni-Ag
2.6 Hợp kim nặng
W-Ni-Cu, W-Ni-Fe
3 Hợp kim mật ñộ cao:
3.1 Hợp kim chịu nhiệt
W, Mo, Ta, Nb, Re
3.2 Hợp kim kỹ thuật hạt nhân
Be, Zr
3.3 Siêu hợp kim
Các hợp kim trên cơ sở Ni, Co
3.4 Thép hợp kim
Thép dụng cụ, thép gió
4 Vật liệu có độ xốp cao:
4.1 Bạc xốp tự bơi trơn
Hợp kim đồng, Fe-Cu, thép không gỉ, Al-Cu,
brônza, Ni, Ni-Cr
4.2 Tấm vật liệu xốp
Monel, thép không gỉ, Ti, Zn, Ag, Ta
5 Vật liệu liên kim loại
(Intermetalid)
Ni-Al, moSi2, Ti-Al, Co-Mo-Si
6 Vật liệu compozit
6.1 - Hợp kim cứng
(W, Ti, Ta) C + Co, TiC + Ni - Mo
6.2 - Hợp kim cứng nền kim loại
Al2O3 + Cr, TiC + Ni + Cr, Mo + ZrO2
6.3 - Vật liệu ma sát
Hợp kim đồng + C + ơxit kim loại Cu + Graphit
6.4 - Vật liệu có pha phân tán
Fe+ Graphit, Ni + ThO2, Al+ Al2O3, AgCdO
6.5 - Vật liệu tẩm kim cương
Cu+AlO, Hợp kim ñồng + kim cương,
WC - Co + kim cương
7 Vật liệu chịu nhiệt sạch cao
TaC, Mo2C, ZrB2, AlN, Si2N4, SiC
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
5
1.1.3. Ưu nhược điểm của luyện kim bột:
+ Cơng nghệ luyện kim bột ngắn gọn, ngay cả ñối với các chi tiết máy có hình
dạng, thành phần phức tạp, cũng khơng địi hỏi nhiều máy móc và cơng nhân kỹ
thuật cao;
+ Thiết bị luyện kim bột có mức độ tự động hố, cơ khí hố cao;
+ Chế tạo được sản phẩm có những tính chất đặc biệt mà đơi khi bằng các
phương pháp công nghệ khác không thể hoặc rất khó khăn. Sản phẩm tạo ra có cơ lý tính, độ chính xác, độ bóng cao;
+ Hệ số thu hồi sản phẩm tới 95 ÷ 98 % (cịn đối với gia cơng cơ khí, đúc – hệ
số thu hồi sản phẩm nhỏ hơn nhiều: 60 ÷ 70 %);
+ Vốn đầu tư cho luyện kim bột không lớn, khả năng thu hồi vốn tương ñối
nhanh;
+ Khả năng chế tạo các sản phẩm có kích thước lớn bị hạn chế do khó khăn
trong chế tạo khn ép tạo hình và biến dạng tạo chi tiết, cũng như kích thước của
thiết bị áp lực, lị thiêu kết khá lớn;
+ Khơng có hiệu quả cao trong sản xuất sản phẩm luyện kim bột ở quy mơ
nhỏ dưới 500.000 sản phẩm /năm.
1.1.4. Sơ đồ ngun lý công nghệ luyện kim bột:
Công nghệ luyện kim bột rất ña dạng, phương pháp truyền thống ñược 1Chuẩn bị bột kim loại;
2- Biến dạng tạo hình bột kim loại;
3- Thiêu kết vật thể bột kim loại;
4- Biến dạng dẻo vật thể kim loại xốp;
5- Gia công hiệu chuẩn;
6- Kiểm tra sản phẩm, đóng gói.
cho trên các hình 1.1, bao gồm các cơng đoạn chủ yếu sau:
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
6
Bột kim loại, thành phần và phụ gia
Nghiền, trộn, hoàn nguyên lại
Ép tạo phôi kim loại bột (1 chiều, 2 chiều, đẳng hướng ...)
Thiêu kết lần I
Ép nóng, dập nóng tinh chỉnh kích thước
Rèn, dập nóng
Gia cơng nhiệt luyện cuối cùng
Hồn thiện bề mặt sản phẩm, gia cơng cơ
ðóng mác, bao gúi sn phm tinh
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ luyện kim bột truyền thống (ép tạo hình và thiêu kÕt) [2].
1.2. Tình hình sản xuất, cung ứng kim loại bột trên thị trường thế giới
Tình hình nghiên cứu ứng dụng và sản xuất cung ứng trong ngành luyện kim
bột trên thế giới theo số liệu cập nhật ñược ñến năm 2000 sau:
• Tổng sản lượng tồn thế giới : Năm 2000 ñạt 1.970.000 tấn (bảng 1.2).
Bảng 1.2. Sản lượng KLB thế giới theo Metal Powder Industries Federation
and U.S. Department of Commerce , nghìn tấn [7]]
BỘT KIM LOẠI
NĂM 1990
NĂM 1995
NĂM 2000
Sắt và thép hợp kim
540
945
1530
Thép khơng gỉ
13,5
20
31
Thép gió
9,0
14
18
ðồng và hợp kim đồng
43,2
61
90
Nhơm
90
140
225
Niken
19,8
27
36
Vonphram, các bít vơnphram
27,0
36
41
TỔNG SẢN LƯỢNG
742,5
1240
1970
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
7
• Tổng sản lượng khu vực Bắc Mỹ:
Năm 2000 riêng khu vực Bắc Mỹ ñạt 1,8 - 2 tỷ USD. (bảng 1.3)
Bảng 1.3. Cung ứng kim loại bột (KLB) của Bắc Mỹ, nghìn tấn [5, 8]]
TÊN KIM LOẠI BỘT
Năm
1989
196,2
1990
197,3
1995
223,4
2005
355,2
Thép khơng gỉ
3,1
2,7
-
2,9
ðồng&hợp kim đồng
18,3
17,4
18,1
19,6
Nhơm
30,2
33,1
26,9
30,4
Molipđen
1,8
2,3
2,3
2,4
Volfram
1,9
2,3
1,3
1,5
Carbit volfram
4,8
4,5
4,1
6,5
Niken
9,2
9,1
9,0
10,3
Thiếc
0,9
0,9
0,86
1,1
266,4
269,33
286,0
429,9
Sắt và thép hợp kim hố thấp
TỔNG SẢN LƯỢNG
• Tổng sản lượng khu vực Tây Âu và Skadinavơ:
* Năm 2000 ñạt sản lượng các CTM từ KLB ñến 135.000 tấn, trong ñó tại
CHLB ðức là 27.000 tấn/năm ; Italia là 14.000 tấn/năm; Tây Ban Nha là 12.000
tấn/năm ; Anh quốc là 9.000 tấn/năm .
* Riêng Thụy ðiển sản lượng kim loại bột hàng năm hiện nay ñạt trên 100.000
tấn (chiếm 30% công suất chế tạo bột sắt; 70% bột thép và 40% hợp kim cứng của
thế giới). Tổng giá trị hàng hoá của Thuỵ ðiển năm 1989 ñạt 1,06 tỷ USD (bình
quân 115 triệu USD / ñầu người).
• Tổng sản lượng của Nhật Bản :
* Thiết bị cơng nghệ chế tạo CTM bằng KLB có trình độ tự động hố cao.
* Thị trường bột sắt và bột ñồng tại Nhật Bản (bảng 1.4, 1.6) .
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
8
Bảng 1.4. Cung ứng kim loại bột sắt và bột ñồng của Nhật Bản theo Japanese
Powder Metallurgy Association, nghìn tấn [5, 8]]
Tên kim loại bột
Năm sản xuất
1989
1990
1995
2005
Bột sắt dùng cho
S.P. LKB
95,023
103,981
89,375
120,297
Bột sắt dùng cho
mục đích khác
38,062
39,510
56,458
64,489
Bột sắt dùng cho
xuất khẩu
10,732
11,632
Tổng cộng bột sắt
143,817
155,123
154,815
184,786
Bột ñồng dùng cho
S.P. LKB
5,626
5,818
5,563
8,472
Bột ñồng dùng cho
mục ñích khác
1,147
1,162
Bột ñồng dùng cho
xuất khẩu
0,255
0,264
Tổng cộng bột ñồng
7,028
7,244
2,153
1,458
7,021
9,625
Bảng 1.5. Sản xuất sản phẩm LKB của Nhật Bản theo Japanese Powder
Metallurgy Association, nghìn tấn [5, 8]]
Vật liệu sản phẩm
LKB
Năm sản xuất
1989
1990
1995
2005
Chi tiết kết cấu
75,818
81,074
79,172
100,138
Bạc trượt
7,887
8,947
7,773
10,267
Vật liệu ma sát
0,548
0,585
0,550
1,275
Tiếp ñiểm ñiện tử
0,191
0,205
0,170
0,190
Cổ góp động cơ điện
0,264
0,325
0,242
0,289
Lĩnh vực khác
0,338
0,283
0,179
0,197
Tổng cộng
85,045
91,419
88,086
112,356
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
9
• Tổng sản lượng khu vực Châu Á (NĂm 1990) :
* Thứ tự phát triển của nền công nghiệp LKB khu vực châu Á: Nhật Bản →
Trung quốc → ðài Loan → Hàn Quốc → Ấn ðộ → Singapor và Malaixia.
* Trung quốc và Hàn Quốc có nền sản xuất LKB phát triển do công nghiệp chế
tạo ô tô - xe máy phát triển.
• Tổng sản lượng KLB các nước châu Á:
Bảng 1.6. Sản xuất luyện kim bột của các nước châu Á năm 1993 ñể chế tạo chi
tiết kết cấu (khơng tính Nhật Bản) [9]]
NƯỚC SẢN
XUẤT
Trung quốc
SẢN LƯỢNG,
TẤN
21.200
NƯỚC SẢN
XUẤT
Úc
SẢN LƯỢNG,
TẤN
2.400
ðài Loan
12.500
Malaixia
2.300
Hàn Quốc
12.200
Singapor
1.000
Ấn độ
4.500
Thái Lan
500
• Tổng sản lượng khu vực các nước ðông Âu và SNG thuộc Liên Xô (cũ):
* Tình hình khu vực này gần đây có biến động nên các số liệu về sản lượng
LKB của các nước ðơng âu và SNG khơng được cơng bố.
* Cơng suất thiết bị thì các nước SNG có nhiều thế mạnh, có thể sản xuất
70.000 - 80.000 tấn bột sắt và 20.000 - 30.000 tấn các loại bột khác cộng lại.
* Do khơng có đầu ra, nên các nhà máy của SNG đều hoạt động dưới mức
cơng suất thiết kế nhiều.
1.3. Tình hình sản xuất, ứng dụng các chi tiết máy luyện kim bột
Cơ cấu sử dụng các sản phẩm LKB trong các lĩnh vực kinh tế Bắc Mỹ:
Tỷ trọng bột sắt và bột đồng dùng trong cơng nghiệp ơ tơ - xe máy khu vực
Bắc Mỹ chiếm 85 % tổng sản lượng thế giới .
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
10
Bảng 1.7. Cơ cấu sử dụng các sản phẩm LKB trong các lĩnh vực kinh tế Bắc
Mỹ năm 1992 theo Updat on North American P/M Industry, % sản lượng [ 4]]
Lĩnh vực sử dụng sản phẩm luyện kim bột
Tổng khối lượng, %
1. Chế tạo ô tô
68,3
2. Dụng cụ cầm tay, dụng cụ rèn dập, hàng phục vụ nghỉ ngơi
9,9
3. Chế tạo dụng cụ ño
4,7
4. Thiết bị kèm theo (dây chuyền cơng nghệ)
4,0
5. Hàng dân dụng
3,6
6. Hàng kỹ thuật điện tử
1,6
7. Lĩnh vực khác
7,9
• Cơ cấu sử dụng các sản phẩm LKB trong các lĩnh vực kinh tế Nhật Bản ñược
tổng kết trong bảng 1.8
Bảng 1.8. Cơ cấu sử dụng sản phẩm kết cấu LKB và bạc trượt của Nhật Bản
theo Powder Metallurgy in Japan [9]]
LĨNH VỰC SỬ DỤNG
TỔNG SẢN LƯỢNG, %
NĂM 1985
NĂM 1990
2005
1. Chế tạo ô tô
75
85
90
2. ðiện kỹ thuật
4
8
10
3. Chế tạo máy
9
5
7
4. Lĩnh vực khác
2
2
3
5. Chế tạo ô tô
40
48
57
6. ðiện kỹ thuật
35
32
41
7. Chế tạo máy
18
14
17
8. Lĩnh vực khác
7
7
9
SẢN PHẨM KẾT CẤU:
BẠC TRỰƠT:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
11
• Một số chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm KLB thế giới:
Bảng 1.9. Cơ tính sản phẩm luyện kim bột bằng thép hợp kim hố [13]]
TT
Vật liệu, đánh giá CLSP
Ký
trong sản xuất công nghiệp hiệu
ðơn vị
Chỉ số
So với thép các
ño
ñạt ñược
bon ñúc - cán
1 Giới hạn bền
σb
MPa
281
-
2 Giới hạn chy
c
MPa
211
311,5-562,0
62 - 65
-
3
cng
*Thép hợp kim hoá từ kim loại bột ( áp lực nén khi ép tạo phôi 281-703 MPa)
Nhận xét:
1). Tỉ trọng các chi tiết máy luyện kim bột trong thiết bị máy móc, trong đó có
chi tiết máy ô tô - xe máy (kể cả bánh răng hộp số , tay biên xe máy, cò mổ, cần gạt
số, ñĩa ma sát...) từ KLB tại các nước trên thế giới như:
• Nhật Bản và một số nước châu Âu : 8 kg/ xe ô tô du lịch ( gần 80% ) .
• Bắc Mỹ ( chủ yếu là Mỹ, Canada ) : 6 - 12 kg/ xe ô tơ du lịch (gần 73%)
• Hàn Quốc : khoảng 60%.
2). Cơ cấu sử dụng bột sắt, thép, ñồng, hợp kim ñể chế tạo chi tiết máy:
• 85 % tổng sản lượng KLB của thế giới dùng ñể chế tạo các chi tiết máy
luyện kim bột, trong đó 60 % dùng cho công nghiệp chế tạo ô tô - xe máy
.
3). Trên hình 1.2 là các sản phẩm luyện kim bột trong động cơ, hộp số ơ tơ
(hãng Krebsoge), cịn trên hình 1.3. – các loại bạc trượt luyện kim bột (hang Carlo).
Trên hình 1.4 biểu diễn tổng quan tình hìn sản xuất, cung ứng kim loại bột ñể chế
tạo các sản phẩm cơ khí luyện kim bột tại các khu vức thế giới và Nhật Bản trong
những năm gần ñây.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
12
Hình 1.2. Các chi tiết máy trong động cơ ơ tơ chế tạo bằng cơng nghệ LKB [9]]
Hình 1.3. Các loại bạc trượt, xy lanh, trong động cơ ơ tơ và máy móc khác chế tạo
bằng cơng nghệ luyện kim bột của hãng Callo A B. [9]]
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………….
13
