2 BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ NĂM 2012
Tên đề tài:
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu 2 lớp chịu mòn thép 08Kn + hợp kim nhôm hệ
Al-Sn-Cu dùng làm bạc trượt động cơ ô tô công suất vừa và nhỏ”
Ký hiệu: 43.12.RD/HĐ-KHCN VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ
PHÓ VIỆN TRƯỞNG
tài, c
ũng như các PTN chuyên ngành của Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện KHCN
Việt Nam, bộ môn Ma sát học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
nhóm nghiên cứu chúng tôi hoàn thành các nhiệm vụ được giao.
Chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Hà Minh Hùng
Thành phần hóa học của thép 08Kп theo Tiêu chuẩn Nga ΓOCT
1050-74
53
Bảng 2.4. Thành phần hóa học của một số hợp kim nhôm chịu mòn của Nga 53
Bảng 5.5. Cơ tính của hợp kim nhôm đúc sau ủ đồng đều hóa của đề tài 53
Bảng 5.6. Kết quả kiểm tra bạc trượt trimetal chế thử trước khi lắp ráp vào động
cơ thử nghiệm trên xe tải 3,5 tấn
61
Bảng 5.7. Kết quả giám định lắp ráp, thử nghiệm bạc trượt trimetal trong động
cơ ô tô
63 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1.
Phân loại các phương pháp chế tạo bimetal kỹ thuật điện [31]
5
Hình 1.2. Sơ đồ rèn cháy tạo vật liệu băng bimetal 5
Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất vật liệu bimetal bằng phương pháp
hàn đắp lớp hợp kim chịu mòn trong khuôn cán định hình [31]:
6
Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương
pháp hàn dưới áp lực [31]
7
Hình 1.5.
Hình 2.3. Ảnh chụp khuôn kim loại dùng cho đúc thỏi hợp kim nhôm AO9-2 20
Hình 2.4. Ảnh chụp lò thí nghiệm xử lý nhiệt phôi hợp kim nhôm sau đúc - cán 20
Hình 2.5. Ảnh chụp máy cán phôi hợp kim nhôm làm paket hàn nổ 20
Hình 2.6. Sơ đồ nổ song song theo phương án “nổ treo” 22
Hình 2.7. Thiết bị ký thuật số (a, b) đo tốc độ nổ trực tiếp kèm phần mềm xử lý số
liệu đo (c) và magnheto kích nổ (d) sử dụng để thí nghiệm hàn nổ tạo phôi
vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt tại trường nổ
Quảng Ninh [8]
23
4 Hình 2.8. Ảnh chụp quá trình thí nghiệm đo tốc độ nổ trực tiếp trên trường nổ
Quảng Ninh
23
Hình 2.9. Đế nổ bằng thép kết cấu hàn vách và bê tông cốt thép bên trong sử dụng cho
thí nghiệm hàn nổ bimetal tại Quảng Ninh (H x B x L= 500x800x2000 mm)
24
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý lấy mẫu thử độ bền bám dính và chụp ảnh tổ chức tế vi
biên giới 2 lớp vật liệu bimetal:
25
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ nấu luyện, đúc thỏi hợp kim nhôm AO9-2 và cán
chuẩn bị phôi paket hàn nổ vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim
nhôm (Al-1050 + AO9-2)
28
Hình 3.2. Một số dạng khuyết tật đúc thỏi hợp kim nhôm AO9-2 30
Hình 3.3. Lô số 1 mẫu thí nghiệm đúc hợp kim nhôm AO9-2 có kích thước hình học
H x B x L = 135 x 20 x 300 mm
30
Hình 3.4. Lô số 1 mẫu thí nghiệm đúc hợp kim nhôm AO9-2 có kích thước hình học
ủ
= 2,0 giờ
35
Hình 3.10. Ảnh chụp quá trình cán nguội tấm bimetal thép – hợp kim nhôm sau hàn
nổ tại Xưởng bạc trượt bimetal, Công ty TNHH MTV Ngô Gia Tự
35
Hình 3.11. Ảnh chụp bề mặt lớp hợp kim nhôm AO9-2 sau khi cán nguội (a) và bề
mặt bên thể hiện biến dạng không đều giữa 2 lớp thép – hợp kim nhôm (b)
37
Hình 4.1. Mẫu thử kéo hợp kim nhôm AO9-2 39
Hình 4.2.
M
ẫu thử va đập hợp kim nhôm AO9-2 39
Hình 4.3. Tổ chức tế vi hợp kim nhôm AO9-2 sau khi đúc 40
Hình 4.4. Ảnh chụp tổ chức tế vi hợp kim nhôm AO9-2 sau khi đúc và ủ đồng đều
hóa ở nhiệt độ T
ủ
= 390 ÷ 400
O
C, t
ủ
= 2,0 giờ (Lô số 2, x 500)
40
Hình 4.5. Ảnh chụp mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép
08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) bằng phương pháp kéo dứt (a);
bề mặt vết phá hủy trên lớp nhôm Al-1050 (b); bề mặt vết phá hủy trên lớp
thép 08Kп (c);
41
5
cán nguội
46
Hình 4.15. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 2 lớp nhôm + hợp kim nhôm sau hàn nổ 47
Hình 4.16.
Ảnh chụp tổ chức tế vi lớp thép 08Kп trước khi hàn nổ, x200 (ε = 0)
47
Hình 4.17. Ảnh chụp tổ chức tế vi lớp hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 sau cán nguội
đạt mức độ tổng biến dạng dẻo tương đối ε
Σ
≅ 40 %.
48
Hình 4.18. Ảnh chụp tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp nhôm Al – hợp kim nhôm AO9-2
trên mẫu vật liệu bimetal qua cán nguôi đạt ε
Σ
≅ 40 %
48
Hình 4.19. Ảnh chụp vết đo độ cứng tế vi vùng lân cận và trên biên giới 2 lớp vật liệu
bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al + AO9-2)
48
Hình 5.1. Dập cắt phôi bimetal thép – hợp kim nhôm chuẩn bị gia công bạc trượt tại
Công ty TNHH MTV Cơ khí Ngô Gia Tự
55
Hình 5.2. Ảnh chụp minh họa nguyên công ép tạo hình phôi bán trụ làm bạc trượt
hai nửa tại đơn vị phối hợp đề tài: Công ty Cơ khí NGô Gia Tự
56
Hình 5.3. Nguyên lý dập tạo hình tấm vật liệu bimetal tạo phôi bạc trượt 2 nửa 56
Hình 5.4. Máy phay sử dụng để phay mặt đầu phôi bạc trượt
56
6
7
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH
TT Họ và tên Học vị Chuyên môn Nơi công tác
1 Hà Minh Hùng PGS.TS. Luyện kim,
Gia công áp lực
Viện NC Cơ khí
2 Đào Duy Trung TS Chế tạo máy Viện NC Cơ khí
3 Nguyễn Hữu Bính Th.S Chế tạo máy Viện NC Cơ khí
4 Đỗ Thái Cường KS Chế tạo máy Viện NC Cơ khí
5 Nguyễn Quang Vinh KS Chế tạo máy Cty TNHH MTV Cơ
khí Ngô Gia Tự
6 Lương Văn Tiến Th.S CN vật liệu Trường CĐ Công
nghiệp và Xây dựng
7 Hoàng Minh Thuận Th.S CN vật liệu Trường CĐ Công
nghiệp và Xây dựng
8 Lê Đức Bảo Th.S. Chế tạo máy Trường ĐHBK
Hà Nội
9 Nguyễn Văn Đức Th.S Nhiệt luyện Trường ĐHBK
Hà Nội
10 Nguyễn Minh Đạt Th.S Đúc – luyện kim Viện KHCN Mỏ -
Luyện kim
Chương 3: Nghiên cứu điều chỉnh công nghệ tạo phôi bimetal thép – hợp kim nhôm
chịu mòn làm bạc trượt 28
3.1. Quy trình nấu luyện, đúc và cán thỏi hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 28
3.1.1. Kiểm tra thành phần hoá học hợp kim đúc AO9-2 29
3.1.2. Kiểm tra khuyết tật hợp kim đúc AO9-2 29
3.2. Nghiên cứu chế độ hàn nổ tạo phôi bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 31
3.2.1. Hàn nổ thăm dò công nghệ 31
3.2.2. Kết quả thí nghi
ệm hàn nổ sau điều chỉnh công nghệ 32
3.3. Nghiên cứu chế độ cán và xử lý nhiệt phôi bimetal thép – hợp kim nhôm 34
3.3.1. Chế độ cán và xử lý nhiệt tấm hợp kim nhôm đúc AO9-2 34
3.3.2. Chế độ cán và xử lý nhiệt bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 hàn nổ 36
Kết luận chương 3 38
Chương 4: Nghiên cứu tính chất vật liệu bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 39
4.1. Tính chất của hợp kim nhôm chịu mòn AO9-2 đúc, cán làm phôi hàn nổ 39
4.1.1. Cơ tính vật liệu AO9-2 39
4.1.2. Tổ chức tế vi vật liệu AO9-2 39
9 4.2. Tính chất của vật liệu bimetal thép 08Kn-hợp kim nhôm AO9-2 sau hàn nổ 41
4.2.1. Kết quả thí nghiệm 41
4.2.2. Mô hình hoá độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 sau
hàn nổ 42
4.2.3. Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp thép – (nhôm + hợp kim nhôm) 43
4.3. Tính chất của vật liệu bimetal 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 sau cán mỏng 45
Kết luận chương 4 50
Chương 5: Ứng dụng vật liệu bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 để chế thử
bạ
c trượt động cơ ô tô tải dưới 5 tấn 51
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1. Cơ sở pháp lý:
- Bản Thuyết minh đề tài, trong đó giải trình các nhiệm vụ, chuyên đề được giao
và giả trình chi thực hiện đã được phê duyệt;
- Bản Hợp đồng của Bộ Công Thương số 43.12.RD/HĐ-KHCN giao nhiệm vụ
cho Viện Nghiên cứu Cơ khí và Chủ nhiệm đề tài (xem phần Phụ lục).
2. Nhiệm vụ chính đăng ký theo Hợp đồng:
Các công việc chính theo bản Thuy
ết minh đề tài và Hợp đồng như sau:
A) Báo cáo tổng quan về các kết quả nghiên cứu chế thử vật liệu bimetal thép
08Kn – AO9-2 làm bạc trượt:
1. Viết báo cáo chuyên đề 1: “Nghiên cứu tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu
bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt”;
2. Viết báo cáo chuyên đề 2: “Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm
áp dụng cho đúc hợp kim nhôm chịu mòn”;
3. Viết báo cáo chuyên
đề 6: “Nghiên cứu đề xuất mô hình thử nghiệm đo và tính
toán lượng mòn nhanh hợp kim nhôm AO9-2 trong quy mô phòng thí nghiệm”;
B) Tài liệu kỹ thuật – công nghệ chế tạo vật liệu bimetal thép 08Kn – AO9-2
làm bạc trượt:
4. Viết báo cáo chuyên đề 3: “Nghiên cứu thực nghiệm đúc, cán hợp kim nhôm
chịu mòn AO9-2 và giám định chất lượng phôi đúc”;
5. Viết báo cáo chuyên đề 4: “Nghiên cứu hàn nổ và giám định chất lượng phôi
bimetal (mẫu QHTN)”;
6. Viết báo cáo chuyên đề 5: “Nghiên cứu nhi
ệt luyện phôi bimetal sau hàn nổ và
biến dạng dẻo, giám định mẫu vật liệu bimetal và bạc trượt”; Viết báo cáo chuyên đề 7:
“Nghiên cứu lập quy trình công nghệ gia công chế tạo bạc trượt hai nửa (biên và paliê)
từ phôi vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm”;
Belarus, Nhật Bản ng
ười ta đã nghiên cứu và đưa vào sản xuất các loại vật liệu
bimetal (2 lớp), trimetal (3 lớp) và hợp kim nhiều lớp như: thép – hợp kim đồng chì;
thép - hợp kim đồng la-tông; thép – hợp kim nhôm ACM (AO6-1; AO20-1) ở dạng tấm
hoặc băng để thay thế cho việc đúc hợp kim đồng chì đơn lớp (mônôlit) trước đó nhằm
mục tiêu sử dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo máy. Do hợp kim đồng là vật
liệu đắt tiề
n, nên xu hướng sử dụng hợp kim nhôm làm bạc trượt ngày càng phổ biến
trên thế giới. Đặc biệt là, khả năng dẫn nhiệt cao, khả năng chịu mòn tương đương các
bạc đồng hợp kim của các mác vật liệu hợp kim nhôm – đồng – silíc, hợp kim nhôm –
grafit dùng để chế tạo bạc trượt đã làm giảm giá thành của chúng rất đáng kể.
Mỗi một loại sản phẩm bimetal hoặc trimetal nói trên đều c
ần có những bí quyết
công nghệ đặc trưng, nếu không mua bản quyền bí quyết công nghệ của chính hãng nước
ngoài có giá thành rất cao, thì phải trên cơ sở tích luỹ các kết quả nghiên cứu cơ bản và
kinh nghiệm thực tiễn mà các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực này đã công bố trong và ngoài
nước. Hợp kim nhôm chịu mòn có khả năng biến dạng dẻo được ở mức độ cao thường
dùng để sản xuất v
ật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm làm bạc trượt bằng các công nghệ
cán dính hoặc hàn nổ [1÷4], [10]. Hợp kim nhôm chịu mòn khó biến dạng dẻo hơn, ví dụ
như nhôm – grafit, nhôm – đồng – silíc , thường được dùng để đúc tạo phôi bạc trượt ở
dạng vật liệu tổ hợp (compozit) trong khuôn kín dưới áp lực (đúc áp lực).
Trong quá trình hội nhập kinh tế thế giới, một số ngành kinh tế củ
a nước ta đang có
nhu cầu sử dụng các vật liệu có tính năng đặc biệt của vật liệu mới. Việc tổ chức và thực
hiện một đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới để chế tạo bạc trượt compozit hệ
nhôm – graphit thay thế bạc đồng chì là rất quan trọng và có nhu cầu trong thực tiễn sản
xuất máy động lực hiện nay ở nước ta. Ngoài ra, đề tài còn có th
ể gắn kết việc nghiên cứu
khoa học với đào tạo nguồn nhân lực Kỹ thuật – Công nghệ tại chỗ cho các doanh nghiệp
- Gần đây, Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự (Tổng công ty Công nghi
ệp ô tô Việt
Nam, Bộ Giao thông Vận tải) đã có đầu tư một xưởng pilốt nhỏ chuyên sản xuất băng
vật liệu bimetal thép – hợp kim đồng làm bạc cân bằng xe ô tô bằng phương pháp luyện
kim bột. Thiết bị được nhập của Trung Quốc. Tuy nhiên, việc khai thác dây chuyền này
để sản xuất các loại bạc cân bằng chịu tải trọng cỡ vừa và lớn, đặc biệt là bạc trượt có
lớp hợp kim nhôm chịu mòn trong các máy động lực có nhu cầu thay thế trên thị trường
hiện nay thì do điều kiện kỹ thuật của thiết bị không thể thực hiện được. Nhiệt độ thiêu
kết đối với bột hợp kim nhôm yêu cầu phải cao, vì luôn có màng ôxít nhôm trên bề mặt
các hạt nhôm và đòi hỏi môi trường thiêu kết là chân không
Do vậy, đề tài có tính cấp thiết và khả năng ứng dụng cao.
13
Vấn đề khó khăn nhất trong các công nghệ sản xuất phôi bimetal nói chung là
cần có máy cán tấm (băng) công suất lớn để cán dính sơ bộ được phôi paket từ 2 lớp vật
liệu khác nhau ở
trạng thái nguội, đảm bảo lượng biến dạng dẻo tương đối của chúng
ngay trong lượt cán đầu tiên đạt trên 55 %. Những máy cán dính như vậy hiện nay ở
nước ta chưa có và việc đầu tư các thiết bị này là bất khả kháng, do tốn kém nhiều
ngoại tệ, còn sản lượng tiêu thụ các loại vật liệu bimetal là không đáng kể sẽ dẫn đến
khó thu hồi vốn đầu tư.
Vì vậ
y, việc tìm ra một giải pháp công nghệ thích hợp ở nước ta vừa đảm bảo
được khả năng chế tạo vật liệu bimetal có kích thước hình học đủ lớn cho chế tạo sản
phẩm cơ khí nói chung và bạc trượt nói riêng là vấn đề hết sức cấp thiết. Do vậy ở
phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi chỉ mới đề cập đến công nghệ phối hợp
hàn nổ
và biến dạng dẻo bằng phương pháp cán để chế tạo phôi vật liệu bimetal thép –
hợp kim nhôm sử dụng làm bạc trượt cho động cơ diesel, động cơ xăng của ô tô cỡ nhỏ
(xe con 4 ÷ 9 chỗ và xe tải đến 3,5 tấn).
Dưới đây trình bày một vài phương pháp chế tạo vật liệu bimetal phổ biến và
điển hình trên thế giới, lấy ví dụ là công nghệ chế tạo các tiếp xúc đ
iện bimetal bao gồm
một tổ hợp nhiều công đoạn công nghệ có liên quan tới: làm sạch bề mặt tiếp xúc phôi;
thực hiện phương án tạo liên kết bimetal; tạo hình các chi tiết tiếp xúc điện bằng dập cắt
hoặc gia công cơ khí. Phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu tiếp xúc điện bimetal
cho trên hình 1.1 [31].
14
Hình 1.2. Sơ đồ rèn cháy tạo vật liệu băng bimetal: 1) Băng thép hợp kim lưỡi cắt;
2) Tấm thép các bon (lớp nền); 3) Đế rèn; 4) Búa rèn; b - chiều rộng băng thép hợp
kim (lớp phủ);
δ
1
,
δ
2
- chiều dày lớp thépnền và lớp thép hợp kim phủ tương ứng
Bản chất công nghệ ở đây là người ta phải làm sạch bề mặt tiếp xúc 2 lớp thép
khác nhau trước khi chồng xếp vào nhau ở phần xác định làm lưỡi cắt, sau đó làm kín
và nung nóng đến nhiệt độ rèn (có thể đến trên 1200
O
C), tiếp sau đó là rèn tự do để tạo
biến dạng dẻo đồng thời cả 2 lớp kim loại, nhằm tạo ra liên kết bền vững giữa chúng.
Kết thúc rèn thường ở nhiệt độ có thể tôi ngay sản phẩm rèn. Nếu còn phải tiếp tục gia
công thì nhất thiết phải có nguyên công ủ hoặc thường hóa để cải thiện cơ tính và tính
δ1
3
21
4
δ
dẻo của toàn bộ vật liệu bimetal. Như vậy, phương pháp rèn cháy là thủ công, chất
lượng vật liệu bimetal hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của thợ rèn và năng suất
thấp. Ngày nay, với các công nghệ tiên tiến khác đã được ứng dụng phổ biến ở ngoài
nước cho thấy không nên dùng cho việc tạo phôi bimetal thép các bon - thép hợp kim
làm dụng cụ cắt.
b) Công nghệ hàn đắp trong khuôn cán
Phương pháp hàn đắp trong khuôn cán ép định hình được sử dụng để sản xuất các
bimetal dạng tấm, băng phẳng hoặc dạng prophin, thường dùng là đắp vật liệu bạc (Ag)
lên nền thép dưới áp lực để chế tạo vật liệu tiếp xúc điện. Trên thực tế sản xuất vật liệu
tiếp xúc điện bề rộng băng cán thường không lớn, còn vật li
ệu hàn đắp lên nền thép là
bạc (Ag) có độ dẻo cao, nên chỉ cần sử dụng máy cán công suất nhỏ mà vẫn đảm bảo
được năng suất cao. Sau khâu hàn đắp đầu tiên phôi bimetal được tiếp tục cán để làm
tăng cơ tính, trước tiên là tăng độ cứng và độ đàn hồi của nó. Phương pháp này được
dùng chủ yếu là đối với bimetal có prophin hoặc băng phẳng để làm vật liệu chế tạo
tiế
p xúc điện [31]. Sơ đồ nguyên lý công nghệ này cho trên hình 1.3.
Công nghệ hàn đắp lớp hợp kim đồng hoặc hợp kim nhôm chịu mòn lên nền lớp
thép 08Kп làm phôi chế tạo bạc trượt thường đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dùng để
làm sạch bề mặt tiếp xúc hàn, áp lực cán cần thiết rất cao để cán ép chúng đảm bảo tạo
ra liên kết kim loại giữa hai lớp vật liệu bimetal có tính năng khác nhau. Nh
ư vậy, đòi
hỏi phải có đầu tư máy cán ép định hình công suất lớn và thiết bị phụ trợ khá phức tạp,
chi phí tốn kém. Vì thế trong điều kiện kinh phí đầu tư ở Việt Nam hiện nay cho nghiên
cứu của đề tài này rất hạn hẹp thì việc đặt vấn đề để tạo phôi bimetal thép 08Kп - thép
hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt là không hiện được.
1
2
Trên hình 1.4 thể hiện một ví dụ về công nghệ sản xuất tiếp xúc điện bimetal
bằng phương pháp hàn tiếp xúc dưới áp lực [31]. Ta thấy rằng quy trình công nghệ ở
đây không phức tạp nhưng vẫn phải đảm bảo các bước sau đây: phôi pakét hàn tiếp xúc
(4) phải được làm sạch trong thiết bị chuyên dụng (1), sau đó đi qua buồng sấy khô (2)
và đi vào vùng hàn tiếp xúc dưới áp lực trên máy ép nén (3), ti
ếp theo đi vào lò sấy (5),
máy cán (6) và máy cắt phôi (7).
1
2
3
4
5
6
7
Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương pháp
hàn dưới áp lực [31]: 1) Máy làm sạch vật liệu đầu vào; 2) Lò sấy;3) Máy ép tạo pakét;
4) Pakét hàn bimetal; 5) Lò sấy; 6) Máy cán 4 trục; 7) Máy cắt
Từ hình 1.4 cho thấy: sau khi hàn dưới áp lực trên máy ép 3, phôi bimetal được
cán xuống kích thước yêu cầu trên máy cán (6) bằng nhiều lượt cán. Công đoạn ủ khử
ứng suất được tiến hành trong lò ủ có khí bảo vệ. Trước lượt cán cuối cùng băng bimetal
được tẩy sạch bề mặt trong dung dịch axit tương ứng. Phương pháp hàn dưới áp lực cho
phép sản xuất các băng bimetal có chiều dài tùy ý, điều đó cho ta có khả năng kiểm soát
trong khoảng rấ
t hẹp độ cứng của lớp kim loại nền và lớp kim loại tiếp xúc điện trực tiếp
trong hệ thống các chuyển mạch điện. Nếu dùng máy cán có đảo chiều thì năng suất tăng
lên gấp 1,5 ÷ 2 lần so với máy cán không đảo chiều. Kích thước phôi đầu vào ban đầu
1
= 55 ÷ 60 % mới tạo ra liên kết kim loại sơ bộ giữa 2 lớp cán dính.
Bước tiếp theo đó là phải qua ủ khuếch tán rồi mới tiếp tục cán phôi bimetal nhận được sau
lượt 1 đến kích thước cơ bản yêu cầu làm dao cắt công nghiệp.
Ta thấy rằng: mặc dù có nhiều ưu điểm hơn so với các công nghệ truyền thống
khác, nhưng để tạo phôi bimetal có kích thước chiều dày và chiều dài lớn dùng làm
phôi chế tạo dao cắt bimetal trong công nghiệp ở nước ta thì công nghệ này cũng rất
phức tạp, đòi hỏi khắt khe về các bước công nghệ và mặt khác đối với nước ta là không
thực hiện được, do không có các dây chuyền thiết bị cán dính chuyên dụng công suất đủ lớn
để biến dạng dẻo ở trạng thái nguội ngay trong một lượt cán dính đầu tiên như đã nêu
trên.
Hình 1.5. Sơ
đồ nguyên lý công nghệ cán dính tạo phôi bimetal dạng băng [2] : 1) Trục cán trên ;
2) Pakét băng cán bimetal ; 3) Trục cán dưới; H
H1
H2
I
d1
I
d2
R
2
R
1
α
2
α
1
n
1
n
2
Trôc c¸n trªn (1)
Trôc c¸n d−íi (3)
Líp b¨ng
hîp kim chÞu mßn
Líp nÒn thÐp
(2)
h1
h2
V cán
18
Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ sản xuất tiếp xúc điện bimetal bằng phương pháp cán dính ở trạng
thái nóng [31]: 1) Lò nung phôi liên tục; 2) Đường dẫn con lăn; 3) Đèn khò bằng khí gas;
4) Pakét; 5) Máy cán hai trục; 6) Lò nung; 7) Máy cán 4 trục; 8) Máy cắt
Từ hình 1.6 cho thấy: phôi cặp đôi (paket) bimetal đầu tiên đi vào lò liên tục có
khí bảo vệ 1. Paket bimetal cũng có thể được bảo vệ khỏi bị ôxy hóa bằng các phương
pháp đã trình bày ở phần trên. Sau khi nung nóng đến nhiệt độ cho trước các paket
bimetal được vận chuyển bằng các con lăn có khí ga bảo vệ 2 đến máy cán nóng 5, đi
qua lò ủ 6 và vào máy cán nguội 7 cho đến khi đạt được chiều dày yêu cầu. Phương
pháp này có năng suất cao hơn so với hàn dưới áp lự
c.
Một trong những đặc điểm của công nghệ này là nhiệt độ của phôi paket khi cán
nóng có thể dao động trong một khoảng hẹp: tốc độ cán phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố,
nhưng quan trọng nhất là phụ thuộc vào chiều dài phôi ban đầu, khi sản xuất băng bimetal
đồng – bạc (có dải bạc làm lớp tiếp xúc điện trực tiếp) từ paket với kích thước 20 x 120 x
400 mm thì tốc độ cán thích h
ợp là 0,28 ÷ 0,42 m/s [31]. Khi cán dính các băng bimetal có
dải vật liệu tiếp xúc điện trực tiếp chúng cần có chiều rộng đồng đều và khoảng cách giữa
lớp phủ với lớp nền phải đều nhau, điều này tạo điều kiện thuận lợi hơn cho khâu đột dập
chi tiết tiếp xúc điện về sau.
19
Hình 1.7. Phương pháp bảo vệ kim loại khỏi ôxy hóa theo cách đóng gói bằng bao bì
kim loại [31]: a )– Phôi cán đơn chiếc không đối xứng pakét bimetal; b) – Phôi cán
đối xứng cặp đôi paket bimetal: 1 – Vật liệu tiếp xúc điện trực tiếp; 2 – Vật liệu hàn;
3 – Bao bì kim loại bảo vệ
phương pháp cán ở trạng thái nguội với biến dạng lần cán thứ nhất khoảng 12 ÷ 18 %.
Chất lượng bám dính mối hàn khi đó chưa được hình thành, tuy nhiên
đã có sự nén ép
hai bề mặt tiếp xúc kim loại với nhau và do đó bảo vệ được tác động của môi trường
không khí khá tốt.
Nhận xét:
với những đặc điểm cơ bản nêu trên khiến việc lựa chọn công nghệ cán
dính nóng để chế tạo phôi bimetal thép các bon - hợp kim đồng (hợp kim nhôm) chịu
mòn làm bạc trượt trong công nghiệp nói chung ở Việt Nam cùng là không thích hợp. 20 f) Công nghệ luyện kim bột
Công nghệ luyện kim bột chủ yếu để chế tạo bạc trượt [3], [6], [7]; chế tạo mảnh
dao làm dụng cụ cắt gọt kim loại, mũi khoan, các chi tiết máy trong chế tạo cơ khí. Một
vài công trình nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Cơ khí đề cập đến ứng dụng công nghệ
luyện kim bột để
chế tạo chi tiết máy chịu tải trọng va đập lớn (ví dụ như tay biên động
cơ mô tô, bánh răng xích, bánh răng máy tiện,…là một hướng khác của công nghệ
luyện kim bột chế tạo chi tiết kết cấu, nên không đề cập ở đây).
Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế tạo chi tiết máy khác nhau bằng phương pháp
luyện kim bột ở dạng đơn kim loại được cho trên hình 1.9÷1.10. Hình 1.9 cho thấy
nguyên lý công nghệ
này chủ yếu sử dụng để chế tạo các chi tiết máy kết cấu hoặc các
chi tiết bạc trượt composit dạng ống, ví dụ như chi tiết có dạng bậc. Sơ đồ công nghệ
luyện kim bột cho trên hình 1.10 chủ yếu sử dụng để chế tạo phôi vật liệu bimetal và
bạc trượt dạng ống hoặc dạng hai nửa trong động cơ máy động lực.
hợp kim nhiều lớp, trong đó có bimetal, từ những kim lo
ại thành phần có cơ lý tính gần
giống nhau, và đặc biệt có hiệu quả khi hàn các kim loại có cơ lý tính khác xa nhau
bằng các phương pháp luyện kim truyền thống khác không thể tạo ra được mà không
cần phải đầu tư lớn các thiết bị tạo áp lực cao.
Bản chất của công nghệ hàn nổ là sử dụng năng lượng nổ của thuốc nổ công
nghiệp để chuyển thành động năng của tấm kim lo
ại hàn (tấm trên trực tiếp với lớp
thuốc nổ) tạo va đập vào tấm kim loại dưới (tấm nền) với tốc độ nổ khoảng hàng nghìn
mét/giây. Tại vùng va đập cục bộ nhiệt độ dưới áp suất va đập rất cao (hàng chục
gigapascal GPa) có thể lên tới hàng nghìn độ C, làm kim loại 2 lớp tại đó nóng chảy và
hình thành liên kết kim loại bền vững.
Theo các công bố trên tài liệu khoa học Hiệp hội hàn th
ế giới [12], [13], [28], [35]
thì ở Mỹ bằng một lần nổ người ta có thể tạo ra một tấm bimetal thép các bon - thép
không gỉ có diện tích đến 30 m
2
,
sử dụng để chế tạo các loại bồn chứa hoá chất cỡ lớn,
bởi vì với diện tích tiếp xúc giữa hai lớp kim loại lớn như vậy thì không thể có thiết bị
tạo áp lực nào có thể đạt công suất làm hai lớp kim loại đó dính kết ở mức tạo ra liên
kết mạng tinh thể kim loại với nhau được. Công nghệ hàn nổ ở Nhật Bản cũng đượ
c
nghiên cứu ứng dụng cho nhiều loại chi tiết máy đòi hỏi có tính năng tổ hợp.
Đặc điểm của quá trình hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim loại và hợp
kim dưới tác động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ. Lịch sử hình thành
quá trình công nghệ hàn nổ đã được đề cập trong các công trình [35]. Theo trích dẫn
của tác giả công trình này thì thông báo đầu tiên về hàn nổ hai đĩa mỏng hợp kim
đồng
K
nhỏ hơn tốc độ truyền âm thanh C
O
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 được 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. Hình 1.11. Sơ nổ dưới góc nghiêng giữa 2 tấm kim loại (a) và tại một thời điểm nổ (b);
Sơ đồ nổ song song giữa 2 tấm kim loại (c) và tại một thời điểm nổ (d) [35]: 1 – Kíp nổ
điện; 2 – Thuốc nổ; 3 – Tấm kim loại hàn; 4 – Tấm kim loại nền (cố định); 5 - Đế nổ
Từ hình 1.11 cho thấy: tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt
dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cố định (h
O
). Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp
thuốc nổ (2). Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1). Tất cả phôi được đặt trên đế nổ
(5) bằng kim loại, bê tông, cát Khi bị kích nổ, theo toàn 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 độ (v
O
) khoảng vài trăm
mét trong một giây và va đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác định γ = β
+ α (γ - góc va đập; β - góc uốn động; α - góc nghiêng ban đầu). Kết quả của quá trình
kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt độ rất cao, trong vùng tiếp xúc hai tấm kim
lẽ do chọn mác vật liệu hợp kim nhôm chưa đúng với gam tải trọng làm việc cần thiết.
Những năm gần đây, nhóm nghiên cứu về công nghệ hàn nổ gồm các nghiên cứu
sinh và học viên cao học tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) đã thực hi
ện
nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ chế tạo vật liệu bimetal phục vụ ngành
công nghiệp đóng tàu [11], [14], [16], [19], [20], [22], [23]; chế tạo xén giấy có kích
thước chiều dài lớn [28], chế tạo dao băm gỗ [29]….
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trong nước nói trên, đề tài l
ựa chọn phương án
phối hợp công nghệ hàn nổ với công nghệ cán để tạo phôi vật liệu bimetal thép – hợp
kim nhôm chịu mòn với mục tiêu chế tạo một số loại bạc trượt động cơ xe ô tô vận tải
có tải trọng đến 3,5 tấn và xe ô tô con 4 – 9 chỗ ngồi (lấy mẫu bạc trượt nhập ngoại).
Gam công suất thiết kế của các động cơ ô tô này chỉ dưới mứ
c 200 – 300 mã lực (C.V).
Cơ sở để lựa chọn phương án công nghệ phối hợp là có thể không cần đầu tư máy
cán dính công suất lớn mà vẫn đảm bảo hàn dính tốt lớp hợp kim nhôm chịu mòn với
lớp nền thép, sau đó chỉ cần cán là xuống đến kích thước chiều dày theo yêu cầu của
mỗi loại phôi bạc cần chế tạo trên máy cán hiện có tại một vài nhà máy trong nước.
Copyright: Tài liệu đại học ©