BKH&CN
VKHVL
BKH&CN
VKHVL
BKH&CN
VKHVL Bộ Khoa học và Công nghệ
VIN KHOA HC V CễNG NGH VIT NAM
VIn khoa học Vật liệu
18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Báo cáo tổng kết khoa học
nhiệm vụ hợp tác Quốc tế
về khoa học và công nghệ Việt nam - TháI lan
Hợp tác nghiên cứu phát triển
vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột
(Vietnames-Thai Science Corporation Project on Development of
Sintered Friction Materials through Powder Metallurgy Technique)
Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học Vật liệu
(Vietnames-Thai Science Corporation Project on Development of
Sintered Friction Materials through Powder Metallurgy Technique) Cơ quan chủ trì:
Viện Khoa học Vật liệu
Chủ trì nhiệm vụ:
Nguyễn Văn Tích
Tài liệu này đợc viết trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài Khoa học Công nghệ hợp tác theo Nghị định th
giữa Việt Nam Thái Lan giai oạn 2006-2007 do TS Nguyễn Văn Tích chủ nhiệm. Tài liệu cũng đợc sử
dụng để bảo vệ tại các Hội đồng nghiệm thu cấp cơ sở và cấp nhà nớc.
Các số liệu và kết quả có tính bản quyền thuộc nhóm tác giả và cơ quan chủ trì là Viện Khoa
học Vật liệu.
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
i
42
2.1
Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm và quy trình chế tạo
mẫu thử
42
2.2 Nguyên liệu sử dụng trong quá trình nghiên cứu
44
2.3 Thiết bị nghiên cứu, đánh giá, kiểm tra
46
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
ii
2.3.1. Thiết bị nghiên cứu công nghệ
46
2.3.2. Thiết bị đo kiểm và đánh giá vật liệu 48
Chơng III nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu ma sát
thiêu kết nền đồng
50
3.1 Khảo sát ảnh hởng của các thông số công nghệ đến tính chất vật
liệu và lựa chọn các thông số công nghệ chế tạo
50
3.1.1 Các số liệu ban đầu
50
3.1.2 Khảo sát sự biến thiên tính chất vật liệu theo các chế độ công
nghệ
51
3.2
99
5.2 Xây dựng sơ đồ công nghệ và các quy trình dính kết
99
5.2.1 Thí nghiệm tìm thành phần lớp trung gian
101
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
iii
5.2.2 Chọn chế độ nhiệt cho các phơng án dính kết vật liệu lên đế
thép
101
5.3 Thí nghiệm kiểm tra độ bền kết dính của vật liệu trên đế thép
103
5.3.1 Kiểm tra độ bền dính kết
103
5.3.2 Kiểm tra bằng ảnh kim tơng và phân tích thành phần lớp
trung gian
104
5.3.3 Kiểm tra bằng phân tích EDX lớp trung gian dính kết
104
Chơng VI Thực nghiệm chế tạo mẫu sản phẩm
107
6.1 Nghiên cứu đặc trng tính chất của vật liệu ma sát thiêu kết nền sắt
đang đợc sử dụng làm guốc phanh cho tầu hoả và má phanh ôtô đang
sử dụng ở Việt nam
107
6.1.1 Đặc trng thành phần - cấu trúc - tính chất vật liệu làm guốc
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
ivDanh sách cán bộ tham gia thực hiện chính TT
Họ và tên Đơn vị Nhiệm vụ
1 TS. Nguyên Văn Tích VKHVL
Chủ trì Nhiệm vụ
2 ThS. Trần Bảo Trung VKHVL Chủ trì nhánh vật liệu nền sắt
3 TS. Đoàn Đình Phơng VKHVL Thực nghiệm vật liệu nền sắt
4 ThS. Nguyễn Văn Luân VKHVL Thực nghiệm vật liệu nền sắt
5 ThS. Phạm Tiến Chiến VKHVL Chủ trì nhánh vật liệu nền đồng
6 KS. Lơng Văn Đơng VKHVL Thực nghiệm vật liệu nền đồng
7 KSC. Phan Anh Tú VKHVL Đo kiểm, đánh giá vật liệu
8 KTV. Lê Xuân Hiền VKHVL Thực nghiệm chế thử sản phẩm
9 PGS.TS. Trần Quốc Lập ĐHBKHN Thực nghiệm vật liệu nền đồng
10 KSC. Vũ Tân Cảnh VKHVL Thực nghiệm chế thử sản phẩm
11 ThS. Vũ Hồng Kỳ VKHVL Thực nghiệm thiêu kết vật liệu
12 ThS. Đỗ Khánh Tùng VKHVL Thực nghiệm thiêu kết vật liệu
13 KS. Vũ Hữu Tờng VKHVL Thực nghiệm thiêu kết vật liệu
dây chuyền công nghệ chế tạo ở quy mô phòng thí nghiệm.Tiến tới chế tạo thử
đợc má phanh ôtô và guốc phanh tàu hỏa.
Báo cáo trình bày các kết quả khoa học của đề tài do phía Viện Khoa học
Vật liệu thực hiện, với sự công tác của MTEC-Thái Lan thông qua các hoạt
động trao đổi thông tin và đo kiểm tính chất vật liệu. Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
2
Chơng I
Tổng quan về Vật liệu ma sát
thiêu kết Luyện kim bột
1.1 Giới thiệu chung
Vật liệu ma sát đợc sử dụng cho hệ thống phanh hay truyền chuyển động
của các hệ thiết bị chuyển động, những cơ cấu chuyển năng lợng ở dạng
động năng thành năng lợng nhiệt bằng ma sát trợt. Hệ số ma sát, chỉ số của
lực trợt của bộ đôi ma sát là những yếu tố xác định tính năng của vật liệu ma
sát. Xa xa, các chi tiết phanh hay truyền chuyển động đợc làm từ vật liệu
hữu cơ nh da động vật, gỗ Cùng với sự phát triển của các ngành cơ giới,
điều kiện làm việc của các chi tiết kể trên càng nặng hơn thì các vật liệu hữu
cơ dần đợc thay thế bằng vật liệu cơ sở sợi amiăng. Một thời gian dài của thế
kỷ 20, vật liệu ma sát trên cơ sở nền amiăng đáp ứng đợc yêu cầu làm việc
của các chi tiết phanh hay chuyền chuyển động. Tuy nhiên trong các điều kiện
làm việc khắc nghiệt, khi năng lợng hấp thụ vào vật liệu đủ lớn trong khi hệ
số truyền nhiệt của amiăng thấp, làm nhiệt độ tăng đến nhiệt độ biến mềm
3
3. Chất độn, chất tăng cờng (filler, reinforcement): graphít, BaSO
4
,
CaCO
3
, sợi thuỷ tinh, ZnO
4. Chất kết dính (binder matrix material): Nhựa phenol, kim loại (Cu, Fe,
Ni), và các loại nhựa biến tính (cresol, epoxy, PVB, cao su, dầu lanh)
Theo phơng pháp liên kết các thành phần, vật liệu ma sát đợc chia làm
hai loại chính nh sau:
- Hệ vật liệu ma sát liên kết bằng nhựa hữu cơ. Nhợc điểm của loại vật
liệu này là khả năng chịu nhiệt kém, tuổi thọ không cao và nhạy cảm với độ
ẩm của môi trờng, nhất là trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của các nớc
nhiệt đới. Loại vật liệu ma sát này thờng áp dụng cho môtô, xe máy những
thiết bị mà khi dừng động năng không quá lớn, không gây ra quá nhiều nhiệt
khi phanh.
- Hệ vật liệu ma sát liên kết bằng phơng pháp thiêu kết. Phơng pháp
này sử dụng kỹ thuật luyện kim bột để liên kết các cấu tử trong thành phần vật
liệu bằng kim loại có nhiệt độ nóng chảy phù hợp. Vật liệu ma sát thiêu kết
hơn hẳn vật liệu ma sát liên kết bằng nhựa hữu cơ về khả năng chịu nhiệt,
không nhậy cảm với sự thay đổi độ ẩm và bền gấp nhiều lần so với vật liệu ma
sát kết dính bằng chất hữu cơ. Loại vật liệu này thích hợp cho các cơ cấu
phanh của các thiết bị có động năng lớn nh: máy bay, tàu hoả, ôtô tải và xe
ca loại lớn.
Những yêu cầu chung đối với vật liệu ma sát là:
- Có hệ số ma sát ổn định trong quá trình làm việc;
- Có khả năng chống mài mòn tốt, đảm bảo tuổi thọ cao;
- Không làm mòn đối tợng truyền động;
- Có tính chịu nhiệt tốt;
- Thành phần nền: bột kim loại, hợp kim đóng vai trò nền dính kết các
cấu tử và tạo ma sát. Phụ thuộc điều kiện làm việc để lựa chọn, vật liệu nền
thờng là đồng, sắt hay hợp kim của chúng;
- Thành phần tăng hệ số ma sát: các loại ôxít, cacbit kim loại của kim loại
nóng chảy cao;
- Thành phần điều chỉnh hệ số mài mòn: Graphit, Pb, một số loại muối
sunphít hay sunphát.
Tên gọi vật liệu thờng theo vật liệu nền và ta có hai nhóm vật liệu ma sát
thiêu kết thông dụng : vật liệu ma sát thiêu kết nền đồng và vật liệu ma sát
thiêu kết nền sắt. Trên thế giới, thành phần cơ bản của vật liệu ma sát do các
nớc và các hãng khác nhau chế tạo đợc ASM tổng hợp trong giới hạn nh
sau( bảng 1.1,VLMSTK- viết tắt của vật liệu ma sát thiêu kết):
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
5
Bảng 1.1- Thành phần cơ bản của VLMSTK,%
Tên/Thành
phầnVLMSTK
Cu Fe Pb Sn Zn SiO
2
Graphit
Nền đồng 65-75 2-5 2-5 5-8 2-5 10-30
Nền sắt 10-15 50- 60 2- 4 2- 4 8-10 10-30
1.2.1 Vật liệu ma sát thiêu kết nền sắt(VLMSTK- Fe)
Vai trò các nguyên tố trong thành phần VLMSTK- Fe
Ngoài sắt làm nền, thành phần tối quan trọng của VLMSTK- Fe là graphít
đồng thời ngăn cản phản ứng peclit hóa, vì vậy khi cần (khi có nhiều C trong
thành phần) ngời ta đa vào đến 5% Ni. Thông qua các tác động này Ni làm
tăng hệ số ma sát.
Crôm tác động tăng khả năng chịu mài mòn, tăng hệ số ma sát, trong khi
không làm xấu đi các tính chất cơ lý khác. Các tác động tốt này là do sự hình
thành cacbit crôm khi nhiệt luyện.
Đa Mo vào trong thành phần phối liệu sẽ tăng khả năng chịu mài mòn.
Với 5% Mo có thể tăng độ chịu mài mòn lên 3-5 lần. Các tác dụng tốt của Mo
là xuất phát từ khả năng làm nhỏ mịn cấu trúc tế vi của pha nền.
Để điều chỉnh các tính chất ma sát và mài mòn, ngời ta dùng các nguyên
tố kim loại màu có nhiệt độ nóng chảy thấp, không hòa tan trong pha nền- Pb,
Bi, Sn, Cd. Trong nhóm này, Pb có tác dụng hữu hiệu nhất, với 5 % Pb sẽ làm
tăng khả năng chịu mài mòn lên hai lần.Tuy nhiên do nhiệt độ nóng chảy
thấp, nếu tăng quá sẽ làm giảm ma sát khi chi tiết máy làm việc ở tải trọng
lớn.
Với hàm lợng nhỏ các ôxít nhôm, silic hay một số sunphit, sunphat,
nitrit, photphit (ví dụ: BaSO
4
,Mo
2
, Sb
2
S
3
) sẽ làm tăng khả năng mài mòn và
ổn định hệ số ma sát.
Một số mác VLMSTK- Fe điển hình
Bảng 1.2 Thành phần phối liệu một số mác VLMSTK-Fe, %
Mác VL Fe Cu Ni Graphit SiO
2
C=10;
SiC=3,5
Nga
CKM-83 54 20 0 0 0 0 Mn=7; MoSi
2
=2;
BN=6,5; B
4
C=9,5;
SiC=1
Nga
60-75 0 0 10-25 0 0 Co<6,5; Zn=3,8-4,9 Nhật
55-70 10-
20
0 4-8 0 0 Mo=5;W=5;
M
ulite=20; Bi;Cd;Pb
Đức
85 0 0 10 0 0 MoS
2
=2,6;Pb<3;m
ulite<2; Pb<1
Mỹ
69-78 0 0 20-25 0 0 Bi=5 Pháp
Bảng 1.3 Tính chất công nghệ của một số mác VLMSTK-Fe của Nga
Mác
vật liệu
Mật độ
riêng
(g/cm
Các ứng dụng thông dụng của VLMSTK-Fe
Vật liệu ma sát thiêu kết nền sắt đợc ứng dụng nhiều trong các chi tiết
truyền chuyển động thờng gặp ở các loại máy xúc, máy cào, máy nén, máy
cán, máy cắt gọt hoặc làm phanh hãm ô tô, tàu hỏa, dới đây là các minh
họa cụ thể:
10Hình 1.5 Các dạng má phanh ô tô Hình 1.6 Cơ cấu phanh của tàu hỏa Hình 1.7 Má phanh tầu hỏa
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
11 Hình 1.8 Các dạng má phanh khác
2 67.5 0 0 0 7.5 0 15 Bi 10 Mỹ
3 61- 62 6 0 7-8 6 0 0 Mulit 7; Zn 12 Mỹ
4 70 7 8 0 8 0 0 TiO
2
-10 Nhật
5 60-70 5-12 0 <10 9 0 0 0 Tiệp
6 60-75 6-10 <10 <5 1-8 0 0
(Ti, V, Si, As) 2-
10; MoS
2
Nga
7 67 5 0.5 8 4 0.2 3.5 Al
2
O
3
5; MoO
3
6 Anh
8 62-71 6-10 6-12
4.5-
8
5-9 0 0 Si 4 6 Nhật
9 50-65 0 0
5 -
15
<25 0 0
Si, SiC, Al
2
O
C và sự tiết pha ở
trong dung dịch rắn ở dới 350
o
C không xảy ra đợc vì tốc độ phản ứng quá
nhỏ. Bản chất , , , đều là các hợp chất điện tử, cứng nhng giòn. ở nhiệt
độ thờng các hợp kim chứa ít hơn 8%Sn sau ủ có tổ chức một pha đồng
nhất, khá dẻo, chịu biến dạng tốt. Khi hàm lợng Sn vợt quá 8%, nhất là khi
lớn hơn 10%, tổ chức các hợp kim này gồm hai pha (-). Các phân tích trên
về hệ Cu-Sn giải thích vì sao hàm lợng Sn đợc dùng trong các brông công
nghiệp không vợt quá 10%.
Các brông thiếc biến dạng thờng chứa ít hơn 8%Sn (ở một số nớc cho
phép đến 10%Sn), có cơ tính cao và tính chống ăn mòn trong môi trờng nớc
biển tốt hơn latông. Trong thành phần brông thiếc biến dạng, thờng đa thêm
một lợng nhỏ phôtpho (ít hơn 0.1%) để khử ôxy, một lợng Zn vừa phải để
hoá bền và thay thế Sn, cũng có thể một lợng nhỏ Pb để cải thiện tính cắt gọt
và giảm hệ số ma sát.
Hình 1.10 - Giản đồ trạng thái hệ Cu-Sn, Cu-Al
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
14
Bảng 1.5 Tính chất của một số mác vật liệu ma sát thiêu kết nền đồng
5 6 7
Hình 1.11 Sản phẩm của Công ty HIVANSHU- ấn Độ ( 1-7- Các loại ổ trợt
và gối đỡ, 2- vòng gioăng chịu dầu, 3-bánh xe, 4-ổ đỡ vòng bi, 5,6- các chi tiết
máy bơm dầu)
Hình 1.12 Các chi tiết máy của công ty Atlasbronze (Mỹ)
1.2.3 Các dạng vật liệu ma sát thiêu kết đặc biệt khác
- Vật liệu ma sát composite kim loaị với hàm lợng lớn các cấu tử phi
kim loại.
Đây là loại vật liệu ma sát dùng cho các truyền động với công suất cao, tải
nặng. Chất dính kết vẫn sử dụng bột Fe, bột Cu hoặc bột Ni, Mo tùy thuộc
điều kiện làm việc. Các cấu tử phi kim loại thờng dùng là các oxyt, cacbit,
nitrit độ cứng cao, các bột khoáng chất mulit, silicat, sillimanit. để điều chỉnh
chất ma sát, thờng cho thêm graphit, các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
16
(Pb, Bi, Cd, ), sulfit, cacbit, photphit hoặc các pha liên kim loại (nh pha
laves trong hệ hợp kim Co-Mo-Si, Co-Mo-Cr-Si, chúng có độ cứng cao, chống
mài mòn tốt). Tỷ lệ các hạt phi kim loại có thể chiếm tới 50% thể tích của vật
liệu. Ví dụ, một số loại hợp kim thuộc loại này có thành phần nh sau:
31%Cu + 22%mulit + 32%graphit + 15% chất khác.
55%Fe + 20%graphit + 20%MgO + 5%Pb.
47.6%Ni + 19.8% mulit + 27.5%graphit + 5%PbWO
3
.
50%Mo + 50% các hạt pha laves của hệ Co-Mo-Si.
hơn nhiệt độ chảy. Công nghệ này gồm các công đoạn chính sau:
- Phối liệu theo thành phần,
- Nhào trộn hỗn hợp bột kim loại,
- Biến dạng tạo hình bột kim loại (ép),
- Thiêu kết vật thể bột kim loại,
- Gia công hiệu chuẩn,
- Kiểm tra sản phẩm và đóng gói.
Hình 1.14 mô tả quy trình chế tạo các sản phẩm của công ty Shivanshu để
chế tạo các dạng VLMSTK luyện kim bột, gồm các công đoạn:
Chuẩn bị nguyên liệu ban đầu (Raw materials);
Nhào trộn hỗn hợp bột kim loại (Mixing/ Blending);
Tạo hình trên máy ép thủy lực (Compacting /Forming);
Thiêu kết (Sintering), nhiệt luyện- gồm một trong hai công đoạn là ủ đồng
đều cấp hạt (Sizing) hoặc gia công bằng hơi nớc khô (Steam treatment);
Gia công cơ khí (Machining);
Đánh bóng (Polishing);
Thấm dầu và bao gói.
1.3.1 Chuẩn bị hỗn hợp bột kim loại
Mục đích của công đoạn này là tạo cho hỗn hợp bột trớc khi ép có đợc
những tính chất cần thiết tạo cho quá trình ép và thiêu kết đợc dễ dàng. Các
công đoạn chuẩn bị trớc khi ép gồm có: phân loại, nhào trộn, phá kết tụ,
đồng đều; chuẩn bị khuôn có làm sạch và bôi trơn.
Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ Hợp tác KH&CN Việt-Thái
Nghiên cứu phát triển vật liệu ma sát thiêu kết bằng kỹ thuật luyện kim bột Viện Khoa học Vật liệu Viện KH&CN VN
18
của sản phẩm mà chúng ta lựa chọn phơng pháp tạo hình: phơng pháp biến
dạng tạo hình đợc sử dụng nhiều nhất và thích hợp với chi tiết nhỏ, hình dạng
đơn giản là phơng pháp ép một chiều hoặc ép hai chiều. Các chi tiết lớn hoặc
hình dáng phức tạp - phơng pháp ép thuỷ tĩnh. Chi tiết trụ rỗng hoặc thành
dày- phơng pháp ép chảy, chi tiết dạng băng, thanh - phơng pháp cán, chi
tiết dạng thanh mỏng - phơng pháp phun phủ
Trong quá trình ép trong khuôn kim loại bị nén ép, thể tích vật thể bột kim
loại ban đầu sẽ giảm đi một cách đáng kể. Sự thay đổi hình dạng ban đầu của
Copyright: Tài liệu đại học ©