NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG ĐẾN CƠ
LÝ TÍNH VẬT LIỆU SAU THIÊU KẾT TỪ BỘT THÉP CÓ
NGHIỀN TRỘN W VÀ TiC HẠT MỊN
Tóm tắt:
Báo cáo giới thiệu về kết quả nghiên cứu thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của mức
độ biến dạng vật liệu sau thiêu kết từ bột thép có nghiền trộn vonphram (W) và các bít titan
(TiC) hạt mịn đến một số tính chất cơ lý của nó như độ xốp, mật độ, độ cứng và tổ chức tế
vi của nhóm nghiên cứu ứng dụng công nghệ luyện kim bộ
t tại Viện Nghiên cứu Cơ khí
nhằm nâng cao tính năng sử dụng để chế tạo chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc
nghiệt (chịu mòn và chịu tải trọng cao). Đó cũng chính là những kết quả khoa học mới của
các tác giả, gắn liền với nội dung chính của các công trình Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật đang
được các nghiên cứu sinh Vũ Trung Tuyến, Đỗ Đình Lươ
ng đang hoàn thiện để bảo vệ học
vị của mình trước Hội đồng các cấp.
1. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm:
a) Vật liệu thí nghiệm: Để tiến hành ép tạo hình và thiêu kết các mẫu thí
nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm, chúng tôi sử dụng hai loại bột thép và bột sắt
mua của hãng HOGANAS có độ hạt trung bình θ ≤ 125 μm và tỷ lệ thành phần %
theo khối lượng như sau [2÷4]: 1) Vật liệu VL1: [1,48 % Cu; 1,69 % Ni; 0,5 %
Mo; 0,87% Grafit UF4 + 0,85 % Zn-Stearate]; 2) Vật liệu VL2: [2,0 % Cu; 0,8 %
Grafit UF4; 0,8 % Zn-Stearate và có nghiền trộn thêm các hạt cứng 0,5 ÷ 1,5 % W;
0,5 ÷
1,5 %TiC (độ hạt θ
h.c.
= 10 ÷ 20 μm)]. Hỗn hợp vật liệu bột VL2 có hạt mịn W,
TiC nhận được sau khi trộn đều trên máy trộn ly tâm hành tinh [6].
Phương pháp thí nghiệm: Các bước thực hiện thí nghiệm gồm: 1) Chuẩn bị
bột cả hai loại vật liệu; 2) Ép tạo hình mẫu thí nghiệm có kích thước hình học
H x B x L = 12,5 x 32,5 x 60,0 mm (xem hình 1 a, b); 3) Thiêu kết trong lò điện trở
ống than có môi trường khí bảo vệ hyđrô H

xác định khối lượng của mẫu chưa th
ấm tẩm (m
1
); mẫu đã qua thấm tẩm (m
2
); mẫu đã thấm
tẩm và cân trong trạng thái nhúng chìm trong xylen (m
3
) như sau:
m
2
= m
1
+ ρ
xl
. V
lỗ xốp
; m
3
= m
2
− ρ
xl
. V
t
(1)
trong đó: ρ
xl
- tỷ trọng của xylen; V
lỗ xốp

2. Kết quả thực nghiệm và thảo luận:
Ảnh chụp một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được từ vật liệu VL1 và
VL2 tương ứng sau khi ép và thiêu kết được cho trên hình 1 a, b.
a)

b)
Hình 1. Mẫu vật liệu bột thép HOGANAS - VL1 (a) và VL2 có trộn W, TiC hạt mịn (b)
sau ép tạo hình và thiêu kết [5,6]
a) Nghiên cứu cơ tính vật liệu mẫu thí nghiệm sau ép - thiêu kết:
Độ cứng thô đại theo Brinen (HB) được đo theo phương pháp đo độ cứng
(tiêu chuẩn Việt Nam), thang lực: P = 62,5 kG, đường kính bi: d = 5 mm, thời gian
giữ tải: 15 s. Kết quả đo độ cứng brinen trên các mẫu vật liệu VL1 sau thiêu kết
được cho trong bảng 1.
Bảng 1. Độ cứng vật liệu bột thép HOGANAS sau ép – thiêu kết [4÷6].
S
ố
thứ
tự
mẫu
Độ xốp trung
bình trước khi
cán, γ
O
,%
Mật độ TB
trước khi cán,
ρ
O
, g/cm
3

Độ xốp TB
trước khi
cán, γ
O
,%
Mật độ TB
t
rước khi cán
,
ρ
O
, g/cm
3

Pha mầu sáng
(Ferit), HV
Pha mầu thẫm
(Peclít), HV
Pha hạt thô đại,
HV
Vết 1 Vết 2 Vết 1 Vết 2
1 29,7290 5,5162 55 67 160 158 330,362
2 28,1046 5,6438 55 66 158 162 346,358
3 27,0060 5,7300 50 64 157 163 367,410
4 26,7387 5,7510 68 60 160 164 376,410
5 25,9000 5,8169 57 64 162 164 386,344
6 25,1157 5,8784 64 57 162 164 393,392
7 23,0020 6,0443 79 74 172 169 393,392
8 21,6426 6,1510 74 61 167 170 395,391
Phân tích kết quả nhận được trong bảng 2 ta nhận thấy:

3
.
Mẫu vật liệu sau khi đã giám định theo các chỉ tiêu độ xốp, mật độ, độ
cứng và cấu trúc tế vi (ở trạng thái sau ép tạo hình và thiêu kết) tiếp tục được nung
nóng trong các hộp có bột phủ chuyên dụng để chống bị ôxy hoá và giảm hiện
tượng thoát các bon đến nhiệt độ 1.000 ÷ 1.050
O
C, sau đó đem cán nóng trên máy
cán hai trục D150 (hoặc ép nóng) cho đến khi mẫu nguội đến nhiệt độ T
C
≥ 800
O
C.
Biến dạng thể tích tương đối của mẫu vật liệu (ε
V
)

có thể được coi như sự giảm thể
tích các lỗ xốp có trong chúng. Trong trường hợp này, có thể giả thiết coi trạng thái
biến dạng thể tích lần thứ i trong mỗi lượt cán (ε
V
i
) về trạng thái biến dạng phẳng
theo chiều vuông góc với hướng cán và coi biến dạng nở rộng theo băng cán bằng
không như một vài nhà nghiên cứu đề xuất trong lý thuyết biến dạng vật liệu kim
loại xốp. Với điều kiện biên đó, ta có:
+ Mức độ biến dạng làm giảm thể tích tuyệt đối (Δε
V
i
) của mẫu vật liệu

ε
V
i

≅ ε
Z
i
= 100%.Δε
V
i
/ γ
O
i
≅ 100%.(γ
O
i
− γ
1
i
) / γ
O
i
(4)
+ Tổng biến dạng làm giảm thể tích tuyệt đối (Δε
ΣV
i
) tính đến lượt cán thứ i
đang xét tính theo công thức gần đúng sau:
Δε
ΣV

hoàn toàn (thường nằm trong khoảng 1,5 ÷ 2 % tổng thể tích vật ép), còn biến
dạng khối (ε
V
i
)

có thể coi gần bằng biến dạng phẳng theo hướng ép trên trục z tại
lần cán hoặc ép thứ i đang xét (ε
Z
i
). Trong quá trình biến dạng các mẫu thí nghiệm
nói trên tuỳ theo độ xốp ban đầu trên từng mẫu và lượng điều chỉnh ke hở giữa 2
trục cán, chọn biến dạng tương đối trong khoảng ε
Z
i
≅ 5 ÷10 % cho mỗi lượt cán.
Kết quả tính toán đối với các mẫu điển hình từ vật liệu VL1 được cho trong bảng 3.
Sau mỗi một lượt biến dạng, phôi cán được cắt ra các đoạn nhỏ để gia công làm
mẫu thử cơ lý tính và mẫu khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi tương ứng với mỗi lượt
biến dạng đó. Mặt cắt mài mẫu ph
ải xác định sao cho thể hiện được mức độ biến
dạng thực của vật liệu mẫu thí nghiệm, tức là phải vuông góc với hướng biến dạng
cán hoặc ép nóng.
Bảng 3. Độ xốp, mật độ mẫu thí nghiệm VL1 sau biến dạng cán nóng theo [6].
Số
TN
Ký
hiệu
mẫu
Độ xốp

3
Tổng biến
dạng thể tích
trong các lượt
cán, ε
Σi
,%
1 1.1 29,7290 5,5162 10,2610 19,4680 6,3218
ε
Σ
1
= 10,2610
1.2 19,4680 6,32176 8,8780 10,5900 7,0187
ε
Σ
2
=19,1390
1.3 10,5900 7,0187 9,0300 1,5600 7,7275
ε
Σ
3
= 28,1690
2 2.1 28,1046 5,6438 8,8706 19,2340 6,3401
ε
Σ
1
= 8,8706
2.2 19,2340 6,3401 8,6440 10,5900 7,0187
ε
Σ

= 16,1507
4.3 10,5880 7,0188 9,3320 1,2560 7,7514
ε
Σ
3
= 25,4827
5 5.1 25,9000 5,8169 6,6660 19,2340 6,3401
ε
Σ
1
= 6,6660
5.2 19,2340 6,3400 8,6460 10,5880 7,0188
ε
Σ
2
= 15,3120
5.3 10,5880 7,0188 9,0260 1,5620 7,7274
ε
Σ
3
= 9,0260
6 6.1 25,1157 5,8784 6,1157 19,0000 6,3585
ε
Σ
1
= 6,1157
6.2 19,0000 6,3585 5,4105 13,5895 6,7832
ε
Σ
2

= 21,7460
8 8.1 21,6426 6,1510 8,0531 13,5895 6,7832
ε
Σ
1
= 8,0531
8.2 13,5895 6,7832 5,9965 7,5930 7,2539
ε
Σ
2
= 14,0496
8.3 7,5930 7,2539 6,3370 1,2560 7,7514
ε
Σ
3
= 20,3866
Nhiệt độ nung phôi trước khi cán T = 1.000
O
C; t = 20 phút; phủ bảo vệ chóng thoát C
Phân tích các kết quả thực nghiệm cho trong bảng 3 ta nhận thấy:
+ Độ xốp dư các mẫu thí nghiệm sau 3 ÷ 4 lượt cán giảm từ giá trị ban đầu
γ
O
= 21,6426 ÷ 29,729 % xuống tới giá trị bằng γ
Σi
= 1,256 ÷ 1,562 %, còn mật độ
tương ứng tăng từ ρ
O
= 6,151 ÷ 5,5162 g/cm
3

trước khi
cán, ρ
O
,
g/cm
3

Tổng biến
dạng th
ể
tích
sau cán,
ε
Σ
i
,%
Độ cứng Brinen theo các lần đo,
HB
Độ cứng
Brinen trung
bình, HB
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4
1.0 29,7290 5,5162
ε = 0
38 46 42 43 42
1.1 19,4680 6,32176 10,2610 60 51 57 57 56
1.2 10,5900 7,0187 19,1390 70 66 69 67 68
1.3 1,5600 7,7275 28,1690 118 116 112 118 116
3.0 27,006 5,7300
ε = 0

+ Mẫu số 6.0: độ cứng tăng 63 HB, tương ứng với tổng biến dạng thể tích
ε
Σ3
= 23,5537 %;
+ Mẫu số 7.0: độ cứng tăng 60 HB, tương ứng với tổng biến dạng thể tích
ε
Σ3
= 21,746 %.
Trong các trường hợp khảo sát đo độ cứng trên 4 mẫu điển hình lựa chọn
trên đây, hiện tượng tăng độ cứng Brinen có liên quan tới hàm lượng các lỗ xốp có
trong mẫu vật liệu sau khi kết thúc quá trình cán nóng chúng. Đối với các mẫu thí
nghiệm sau ép và thiêu kết có độ xốp ban đầu trước khi biến dạng cán khác nhau
(γ
O
= 21,6426 ÷ 29,729 %) và có độ xốp dư còn lại sau lượt cán cuối cùng khi kết
thúc quá trình cán gần bằng nhau (γ
Σi
= 1,256 ÷ 1,652 %) thì mức độ biến dạng thể
tích tổng cộng khác nhau, điều đó dẫn tới cường độ tăng độ cứng vật liệu sau khi
kết thúc quá trình cán khác nhau. Nhưng sau lượt cán cuối cùng, độ cứng Brinen
trên tất cả 4 mẫu có giá trị gần bằng nhau (115 ÷ 118 HB). Điều này càng minh
chứng cho sự ảnh hưởng khá rõ nét của các lỗ xốp dư còn lại trong vật liệu qua mỗi
lượ
t biến dạng cán tới cơ lý tính của nó (độ cứng, mật độ tương ứng). Cùng với
chiều tăng của biến dạng thể tích tổng cộng, độ cứng và mật độ vật liệu tăng tỷ lệ
thuận.
d) Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến cấu trúc tế vi vật liệu:
Cần so sánh kết quả xác định cơ lý tính vật liệu b
ột thép VL1 với kết quả
phân tích thành phần pha bằng phần mềm tin học chuyên dụng Pro-Material

ổng thể tích tương đối trên các mẫu điển hình được
cho ở các hình 2 ÷ 8 là các ảnh chụp tổ chức tế vi và biểu đồ phân tích thành phần
pha đã được nghiên cứu khảo sát về ảnh hưởng của p đến γ
O
và ρ
O
.
a)
b)
Hình 2. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 28,1046 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.
a)
b)
Hình 3. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 25,1157 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.
|
100
μ
m
||
100
μ
m


| 100 μm |
|
100
μ
m
|

a)
b)
Hình 6. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 15,0689 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.
a)
b)
Hình 7. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 11,7709 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.

- Đa số các lỗ xốp trong vật liệu sau ép - thiêu kết có hình thù khác nhau và
thiên hướng không phải có dạng hình cầu, mà là các hình thù phức tạp phân bố trên
đường biên giới giữa các nhóm hạt pha Peclít và Ferít;
- Đặc tính phân bố các lỗ xốp quan sát thấy ở một số mẫu thí nghiệm là
tương đối đồng đều (hình 5 ÷ 8), những mẫu khác có các lỗ xốp cục bộ khá lớn,
phân bố không đều trên vùng khảo sát (hình 2 ÷ 4). Điều này có thể
được giải thích
bởi ví trí chụp ảnh cấu trúc tế vi trên các mẫu đó bởi nhóm nghiên cứu lựa chọn
chú ý tới những vùng cục bộ có phân bố nhiều lỗ xốp kích thước lớn. Để có kết quả

đo đạc và tính toán độ xốp bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh qua mỗi một lượt đo.
Điều đó nói lên rằng, có thể chấp nhận được các số liệu phân tích trên ảnh chụp cấu
trúc tế vi mẫu thí nghiệm sau ép – thiêu kết nêu trên (chủ yếu là đối với vật liệu
VL1) là trùng khớp với số liệu đo được b
ằng thực nghiệm và chúng có độ tin cậy
khá cao.
3. Kết luận:
1) Đối với các mẫu thí nghiệm điển hình nhận được sau ép thiêu kết từ vật
liệu VL1 và VL2 đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng thể tích tương
đối tới độ xốp, mật độ, tổ chức tế vi trong quá trình biến dạng ở trạng thái nóng.
Kết quả cho thấy với độ xốp dư ban đầu trong khoảng γ
O
= 25,7709 ÷ 28,1046 %
(hình 2 & 3) nhưng qua 3 ÷ 4 lần biến dạng đã giảm xuống tới mức độ xốp dư còn
lại là γ
1
= 3,871% (hình 8). Tuy nhiên, theo nguyên lý cơ bản của vật liệu xốp thì
tổng các lỗ xốp dư còn lại trong vật cán sẽ không thể tiến tới giá trị bằng không,
tức là vật liệu trở nên đặc xít tuyệt đối, bởi do trở kháng chống biến dạng của áp
suất khí trong các lỗ vi xốp sẽ cân bằng với ngoại lực bên ngoài tác động vào vật
liệu khi cán (hoặc ép). Trong trường hợp này không thể áp dụng định lu
ật thể tích
không đổi như đối với vật liệu đúc cán thông thường, mà phải chấp nhận định luật
về khối lượng không đổi để tính toán biến dạng vật liệu xốp;

|
100
μ
m
|

HONDA -C100/110” (Phần 2: HD-GF6), Báo cáo Chuyên đề KHCN05-06-05 thuộc đề tài
NCKH cấp Nhà nước KHCN 05-06, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Hà Nội, 246 trang;
[2]. Hà Minh Hùng, Đỗ Đình Lương, Ngô Xuân Cường, (2002), “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế
độ ép – thiêu kết bột thép Hoganas đến độ xốp và cơ tính vật liệu”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số
69, T12/2002, trang 25 – 28;
[3]. Hà Minh Hùng, Lê Kim Sơ
n, Trần Việt Hoài, (2003),“Đánh giá khả năng sử dụng tay biên
luyện kim bột trong động cơ xe máy HONDA-C100 ở điều kiện Việt Nam”, Tạp chí Cơ khí Việt
Nam., số 72, T3/2003, trang 39-41;
[4]. Vũ Trung Tuyến, (2004),“Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến độ xốp bột thép sau thiêu
kết”, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học vật rắn biến dạ
ng lần thứ 7, Đồ Sơn 8-2004, Hải
Phòng, trang 338-344;
[5]. Vũ Trung Tuyến, (2005), “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến cơ tính vật liệu thép
hợp kim thiêu kết”, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, 108 trang;
[6]. Vũ Trung Tuyến, (2008),“Thực nghiệm ép tạo hình – thiêu kết bột thép hợp kim hóa và biến
dạng vật liệu sau thiêu kết”, Chuyên đề Tiến sĩ 3, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Hà Nội, 12/2008,
132 trang.
[7]. Hà Minh Hùng,Vũ Trung Tuyến, Nguyễn Hà Tuấn, (2009), “Ảnh hưởng của chế độ biến dạng
tạo hình và thiêu kết đến tính chất vật liệu bột thép nghiền trộn W, TiC hạt mịn”, Báo cáo khoa
học tại Hội thảo quốc tế Việt – Đức “Khoa học và Công nghệ vật li
ệu”, Hà Nội, 27/03/2009,
Trường Đại học Thủy lợi, Việt Nam, trang 42-55.