0
B
Ộ GIÁO DỤC VÀ
ĐÀO T
ẠO

B
Ộ CÔNG TH
ƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

TRẦN VĂN DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ ĐỂ
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY Chuyên ngành đào tạo: Công nghệ tạo hình vật liệu
Mã ngành: 62.52.04.05
thành cao.
- Việc nghiên cứu Công nghệ phun phủ kim loại, đề xuất các biện
pháp cũng như các thông số công nghệ để nâng cao chất lượng
lớp phủ, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu làm việc của
chi tiết máy là nhiệm vụ có tính cấp thiết cao tại Việt nam.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu xây dựng bộ thông số chế độ công nghệ phù hợp
thông qua thực nghiệm để nâng cao chất lượng lớp phủ.
- Nghiên cứu công nghệ kết hợp lớp phủ lót Ni5Al với lớp phủ
hợp kim 67Ni18Cr5Si4B để nâng cao độ bền bám dính của lớp
phủ chịu mòn.
3. Đối tượng nghiên cứu ứng dụng
- Cấu trúc lớp phủ, lớp lót trên kim loại nền
- Chế độ phun và chất lượng lớp phủ có cơ tính cao đáp ứng được
yêu cầu làm việc của chi tiết máy
- Đối tượng ứng dụng : Các chi tiết máy dạng trục chính của các
thiết bị quan trọng
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cấu trúc và chất lượng lớp phủ và lớp lót : Độ xốp, độ
bám dính, độ mài mòn vv…
- Nghiên cứu thực nghiệm để xác lập miền giá trị điều chỉnh
thích hợp các thông số công nghệ phun phủ có lớp lót Ni5Al
với lớp hợp kim 67Ni18Cr5Si4B để nâng cao chất lượng lớp
phủ;
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
a) Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án
2

Luận án bao gồm phần Mở đầu và 05 Chương, Tài liệu tham
khảo bằng Tiếng Việt, Tiếng Nga, Tiếng Anh và một số trang mạng,
Phần phụ lục bao gồm các ảnh chụp cấu trúc lớp phủ, các loại vật liệu
phun và các phiếu báo kết quả thí nghiệm, bản vẽ và biên bản nghiệm
thu. Tên của các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ phun phủ kim loại;
Chương 2: Ngiên cứu cơ sở lý thuyết phun phủ kim loại;
3
Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị thí nghiệm và phương pháp
nghiên cứu;
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm giải pháp nâng cao chất lượng
lớp phủ kim loại;
Chương 5: Ứng dụng kết quả của luận án.
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ
1. Khái quát chung
-

B
ản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim)
nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi
phun có sự va đập vào lớp kim loại nền, do ảnh hưởng của các
biến đổi lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc
vào lớp nền.
-

Phun ph
Hình 1.1. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại
Hình 1.2. Sơ đồ phun nổ
2.2. Các phương pháp phun điện:
a) Phun bằng hồ quang điện:
- Phương pháp này sử dụng năng lượng của hồ quang điện để
làm nóng chảy kim loại phun. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện
b) Phun bằng plasma:
- Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Người ta ứng dụng
năng lượng của luồng plasma để làm nóng chảy kim loại phun phủ.
Nhờ có hồ quang mà khí công tác được nung nóng tới nhiệt độ rất cao
5
sau đó thoát ra khỏi miệng đầu súng phun thành luồng plasma ổn định nhờ
hiệu ứng dòng khí xoáy chạy suốt thành ống phun trong kết cấu của đầu
phun.

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phun phủ plasma
- Do luồng plasma có nhiệt độ rất cao, có thể tới 10.000
O
K nên

3. Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng
trên thế giới
3.1. Phân loại vật liệu phun dùng cho các phương pháp phun
phủ:
Theo tài liệu của hãng PRAXAIR (Mỹ), các vật liệu phun phủ
xử lý bề mặt kim loại được chia thành 04 nhóm theo lĩnh vực ứng dụng
của các chi tiết máy và phương pháp phun phủ sau đây:
1) Nhóm I: Bột kim loại đơn kim hoặc tổ hợp kim loại nhiều
lớp gồm các loại vật liệu như:
- Bột trên cơ sở nền nhôm Al;
- Bột trên cơ sở nền Cô ban Co;
- Bột trên cơ sở nền Đồng Cu;
- Bột trên cơ sở nền Sắt Fe;
- Bột trên cơ sở nền Molíp đen Mo;
- Bột trên cơ sở nền Niken Ni.
2) Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu
chính gồm:
- Hợp kim bột trên cơ sở nền bột Cô ban Co;
- Hợp kim bột trên cơ sở nền bột Niken Ni.
3) Nhóm III: Bột gốm cho trong Bảng 3.3, gồm:
- Bột ô-xit nhôm là nền cơ sở;
- Bột ô-xit Crôm là nền cơ sở;
- Bột ô-xit Zirconi là nền cơ sở.
4) Nhóm IV: Bột các bít
- Bột các bít Crôm là nền cơ sở;
- Bột các bít Tungsten là nền cơ sở.
Tuỳ thuộc vào mục đích chế tạo mới hay phục hồi các lớp phủ
bề mặt trên chi tiết máy mà người ta sử dụng các phương pháp phun
phủ thích hợp, bao gồm thiết bị và vật liệu phủ tương ứng.
Kết luận chương 1

- Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nguồn năng lượng phun và cả
trạng thái làm sạch bề mặt phun trên kim loại nền. Các hiện tượng
tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ - lý – hoá tính khi hình thành lớp
phủ kim loại như sau :
2.1. Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy ra trên bề mặt phun phủ:
- Hiệu suất của quá trình nung nóng vật phun () theo biểu thức:
 = q / I.U. Trong đó: I và U – cường độ dòng điện và hiệu
điện thế của cung lửa.
- Quá trình hình thành liên kết giữa các hạt phun với nền, như là
một phản ứng hoá học trên mặt phân cách các pha tham dự vào mối
liên kết vật lý do các hạt bị biến dạng và bị dàn mỏng ra. Nếu ký
hiệu x là số nguyên tử đã tham gia vào phản ứng trong thời gian ,
thì phương trình động học của tốc độ phản ứng có dạng:
8

 












k - Là hằng số Boltxman.
2.2. Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun:
Một trong những thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá
học của các vật liệu khi tiếp xúc là nhiệt độ tiếp xúc giữa hạt nóng chảy
(lỏng) và nền cứng. Nhiệt độ tiếp xúc T
K
và năng lượng hoạt hoá E
a
được tính theo công thức gần đúng : E
a
 K . T
K
(ln  + 30)

Hình 2.1. Sơ đồ giải thích về thay đổi thời gian  (T
K
, P) theo nhiệt độ
tiếp xúc và áp suất vùng tiếp xúc
2.3. Hiện tượng va đập của các hạt kim loại phun :
Do ảnh hưởng của lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với
vận tốc V khi va đập sẽ bị chảy dàn ra trên bề mặt nền.
Biểu thức xác định tốc độ tối thiểu của hạt ở trạng thái nóng
chảy, cần đạt được để gây ra biến dạng khi va đập vào mặt phẳng là:
9
V 2

d

hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển.
Cấu trúc và tính chất của lớp phủ phụ thuộc vào thành phần cỡ
hạt bột phun. Thông thường cỡ hạt phù hợp nằm trong khoảng 40 70
m.

Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun:
4. Các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến chất lượng lớp
phủ
10
Đối với hầu hết các phương pháp phun thì những yếu tố ảnh
hưởng đến hiệu quả của quá trình phun là:
- Các thông số về kết cấu của đầu phun và về vật liệu phun;
- Các thông số về chế độ phun và về điều kiện phun phủ.
Trong điều kiện thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng
tôi chọn 3 thông số công nghệ chính để khảo sát là:
+ Khoảng cách phun (L, mm);
+ Lưu lượng cấp bột phun (M, g/phút);
+ Áp suất khí thổi (MPa).
5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bám dính lớp phủ với
kim loại nền
- Tốc độ va đập các hạt phun vào kim loại nền:
- Vai trò của sự gia nhiệt kim loại nền trước khi phun:
- Ảnh hưởng của ứng suất dư trong lớp phủ:
Kết luận chương 2

- Máy nén khí
2.2. Các dụng cụ đo lường và thiết bị kiểm tra:
- Cân tiểu ly, Vibra HAW 3 độ chính xác ± 0,01g
- Thước cặp 0 - 250, độ chính xác ± 0.05mm;
- Panme 0-100, độ chính xác ± 0.01
- Máy kéo nén:
- Máy đo độ cứng 600BDL Hãng Brown – Anh
3. Phương pháp xác định độ bền bám dính lớp phủ
3.1. Phương pháp kéo mẫu có keo dính Hình 3-2. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kéo mẫu có keo dính

Ứng suất kéo được tính theo công thức (3.1) sau :
б
F
P
 , Mpa ( 3.1)
12
Trong đó:
P- lực kéo mẫu;
F- Diện tích mẫu phần phá hủy;
б - Ứng suất pháp ( Lực bám dính) theo phương vuông góc
với mặt mẫu kéo.
3.2. Kiểm tra độ bền bám dính
Ø40
Ø5

dụng như độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ thấm khí, điện trở, độ bền bám
dính. Do vậy cần xác định độ xốp lớp phủ để đánh giá chất lượng lớp
phủ.
4.3. Phương pháp đo tỷ trọng lớp phủ
Nếu coi khối lượng nền kim loại m
n
và khối lượng lớp phủ m
p
và
C
1
, C
2
là thành phần theo khối lượng của nền và lớp phủ thì:

1
n
n p
m
C
m m


(1 – 7)
Và C
2
= 1 – C
1
(1 – 8)
4.4. Phương pháp cân khối lượng trong chất lỏng

phun, Áp suất khí thổi và Năng suất phun” và tạo lớp lót bằng hợp kim
NiAl để nâng cao chất lượng lớp phủ, từ đó có thể lựa chọn bộ thông số
và giải pháp công nghệ phù hợp để ứng dụng vào sản xuất phục hồi các
cổ trục chính của một số thiết bị trong công nghiệp. Quy trình thực
nghiệm và đánh giá được thực hiện như sau:
1. Phun phủ tạo mẫu thí nghiệm định hướng công nghệ:
Thực hiện tạo lớp phủ bằng phương pháp: Phun plasma tại Phòng thí
nghiệm trọng điểm quốc gia “Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt”, Viện
Nghiên cứu Cơ khí. Hình 4-1. Mẫu phun phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B sau khi mài
và cắt làm các mẫu thử cơ tính và khảo sát cấu trúc biên giới liên kết 2
lớp.
2. Độ cứng và chiều dày lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B:
15 Bảng 4.1. Kết quả khảo sát độ cứng lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B
và lớp nền thép 45

TT

Ký
hiệu
mẫu
Đ

769; 705; 687;
606
(Trung bình
= 691,75)
3. Kết quả kiểm tra độ mòn
3.1 Chế độ thử nghiệm
- Phương pháp thử mòn nhanh
- Điều kiện thử nghiệm: Ma sát khô
- Bề mặt của mẫu được làm sạch
- Vận tốc: V1 = 235.6 m/ph, V2 = 157 m/ph. V3 = 117.8 m/ph
- Tải trọng: P1= 1kg, P2= 3kg, P3= 5kg
- Thời gian thử nghiệm : 10h
3.2 Kết quả đo độ mòn
- Mẫu số 1 KL
V
ận
tốc
(V)
Tải(Kg)
Lần đo
1
2 3 4
Cường độ
mòn(I)
235.6 1 0,12 0,13 0,14 0,12 0,13
235.6 3 0,25 0,26 0,24 0,25 0,25
235.6 5 0,47 0,48 0,5 0,46 0,48
157 1 0,08 0,09 0,1 0,08 0,09
157 3 0,17 0,19 0,18 0,19 0,18
157 5 0,37 0,39 0,4 0,42 0,40

117.8 1 0,14 0,13 0,14 0,13 0,14
117.8 3 0,23 0,22 0,21 0,21 0,22
117.8 5 0,31 0,29 0,29 0,3 0,30
17

4. Độ bền bám dính lớp phủ với lớp nền
Kết quả đo và tính toán độ bền bám dính của lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B trung bình tính trên 08 mẫu như sau :
Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm xác định độ bám dính
Số thí
nghiệm
Thông số đầu vào

K
ết quả 2
thí nghiệm
song song
(MPa)
Giá trị
trung
bình
(MPa)
Phương
sai của
cặp thí
nghiệm


60

37

38

36

2

3

100

0,4

60

30,4

31,6

31

0,52

4

200


200

0,3

80

40,2

41,8

41

1,28

7

100

0,4

80

32,7

31,3

33

0,58


5. Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm
Hệ số tán xạ theo chỉ tiêu Koxpena
Theo công thức (4 - 1) tính
213,0
37,9
2

p
G

Hệ số tiêu chuẩn G
T
= 0,438>G
p
. Vậy thí nghiệm thỏa mãn.
6. Tính hệ số hồi quy
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm 19


X2
X3
X1
X2
X3

Kho
ảng
cách
phun
(mm)
Áp su
ất
khí thổi
(MPa)
Áp
suất
khí
ôxy
(MPa)

1

-

-

-

+


200

0,3

0,15

36

3

-

+

-

-

+

-

-

100

0,4

0,15


-

+

+

-

-

-

100

0,3

0,25

30

6

+

-

+

-


100

0,4

0,25

33

8

+

+

+

+

+

+

+

200

0,4

0,25

ag
i
S
S
F

Căn cứ vào TLTT ta có F
b
= 4,88>0,52
Do vậy phương trình tìm được có nghĩa và có dạng:
P = 35,87 + 5,37x
1
+2,13 x
2
+1,63x
3
+ 0,62x
1
x
2
+0,62x
1
x
3
– 0,25x
2
x
3

– 0,18x


P
,
MPa
Trung
bình,

P
,
MPa
Sai s
ố
tổng,



P
,
%
V,
m/s
M
G
,
g/ph

L, m

L
ần 1

300

0,15

46,20

46,45

46,71

46,45


0,05%

3

200

300

0,20

49,63

49,10

50,16

49,63

0,15

56,70

56,25

55,80

56,25


0,05%

6

250

400

0,20

59,42

58,90

59,95

59,42




66,70

65,39

66,04


0,05%

10. Kết quả nghiên cứu khảo sát cấu trúc vùng liên kết lớp nền
thép 45 với lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B
21
11
Hình 4.7. Ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B ở
vùng biên giới liên kết với nền thép 45 (Mẫu số 1.1- KL, x200).
Phân tích các bảng số liệu về cơ lý tính và đối chiếu với các
ảnh chụp cấu trúc tế vi trên các lô mẫu thí nghiệm thu nhận được,
ta có các nhận xét sau:
1) Chất lượng lớp phủ có thể được đánh giá là khá cao, vì
như thể hiện trên các ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng lân cận biên giới
liên kết lớp phủ 67Ni18Cr5Si4B với nền thép 45 cho thấy đường
biên giới liên kết kim loại giữa hai lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B
với nền thép 45 rất “sạch”, không ngậm xỉ hoặc các khuyết tật cấu
trúc khác. Với các kiểu liên kết kim loại giữa các lớp như vậy, chi
tiết máy có thể làm việc tốt ở điều kiện tải trọng tương đối cao, có
khả năng chịu xoắn, kéo, chống bong tróc và chịu mòn cao;

CHI TIẾT MÁY DẠNG TRỤC
Kết quả của đề tài đã được ứng dụng để phục hồi một số chi tiết
máy dạng trục bị mòn cổ trục tại vị trí lắp vòng bi. Trong quá trình
thực hiện công việc phun phủ phục hồi phải thực hiện theo các bước
sau :
1. Khảo sát tính chất làm việc, yêu cầu kỹ thuật của chi
tiết phục hồi
- Nghiên cứu xem xét bản vẽ chi tiết và bản vẽ chung cụm chi tiết
hoặc bản vẽ chung toàn bộ hệ thống ;
- Khảo sát tính chất làm việc của chi tiết tại hiện trường hoặc các tài
liệu giới thiệu, hướng dẫn sử dụng, yêu cầu công nghệ vv….
- Phân tích vật liệu chi tiết máy.

Hình 5.1. Trục tàu hút bùn
23
2. Phân tích nguyên nhân hư hỏng của chi tiết
Đối với các loại trục mối ghép trục-vòng bi hay bị xoay do mòn
trục chủ yếu do những nguyên nhân sau:
- Vòng bi bị hỏng. kẹt gây ra chuyển động tương đối giữa ca trong
vòng bi và cổ trục ;
- Cấp chính xác chế tạo vòng bi ;
- Mối ghép không đảm bảo dung sai ;
- Độ chính xác chế tạo trục ;
- Chế độ bảo dưỡng chưa đảm bảo ;
3. Lựa chọn vật liệu, phương pháp phun phủ và các
thông số công nghệ
Trên cơ sở điều kiện chịu tải và phân tích nguyên nhân hư hỏng của chi


KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN

1. Lần đầu tiên tại Việt nam với các trang thiết bị sẵn có đã thực
nghiệm một cách khoa học thành công phun phủ có lớp lót
Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B;
2. Đã ứng dụng phương pháp nghiên cứu: Quy hoạch thực nghiệm
với số thí nghiệm 2
3
= 8, phương pháp đánh giá bằng kim
tương học, phương pháp kiểm tra độ xốp của lớp phủ để đánh
giá chất lương lớp phun phủ ;
3. Đã sử dụng mẫu thí nghiệm theo tiêu chuẩn và các thiết bị có
đủ độ tin cậy để đánh giá kết quả thí nghiệm như: tổ hợp thiết
bị phun phủ tại phòng thí nghiệm Trọng điểm quốc gia tại viện
Nghiên cứu Cơ khí, thiết bị soi kim tương tại viện khoa học
Việt nam;
4. Trong một giới hạn đến 200 mm khi tăng khoảng cách phun, áp
suất khí thổi và mức tiêu hao vật liệu phun thì độ bền bám dính
tăng theo. Ảnh hưởng 3 thông số đồng thời gây ra đáng kể,
nhưng ảnh hưởng của khoảng cách phun thì nhiều hơn
5. Dùng lớp lót Ni5Al trên nền mẫu thép C45 với lớp phủ hợp kim
67Ni18Cr5Si4B thì độ bền bám dính tăng đáng kể;
6. Đã ứng dụng kết quả của luận án phun phục hồi thành công
Trục tàu hút bùn, trục động cơ và các loại trục khác từ thép
C45 với thời gian hoạt động 12 tháng, kết quả đạt tương đương
nhập ngoại.