Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI XUPAP MÁY THỦY BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN
PLASMA BỘT HỢP KIM COBAN
RESEARCHTORECOVERY OF EXHAUST VALVE BY PLASMA TRANSFERRED
ARC WELDING TECHNOLOGY USINGCOBALT ALLOYPOWDER
PGS.TS. Bùi Văn Hạnh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

TÓM TẮT
Xupap là một trong các bộ phận quan trọng của cơ cấu phối khí của các động cơ đốt
trong. Trong quá trình làm việc xupap chịu sự ăn mòn, mài mòn và chịu nhiệt độ cao. Do vậy
qua thời gian làm việc nhất định xupap bị mòn. Khi đó công suất động cơ sẽ bị giảm làm tổn
hao nhiên liệu nhiều hơn trong quá trình vận hành. Giải pháp hàn đắp phục hồi cho phép giảm
chi phí khá nhiều so với thay mới hoàn toàn. Giải pháp này đã và đang được ứng dụng ở
nhiều nước tiên tiến trên thế giới. Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu ứng dụng công
nghệ hàn palsma bột hợp kim coban để phục hồi xupap máy thủy nhằm nâng cao tuổi thọ và
giảm chi phí vận hành.
Từ khóa: xupap, hàn plasma bột, hợp kim coban
ABSTRACT
Exhaust valve is one of the important parts of the the combustion engine. During work
corrosion and abrasion of valve occurs at high temperatures. Therefore after a certain period of
time exhaust valve will worn. Then the engine power will be reduced as more fuel loss during
operation. Repairing recovery solution allows to reduce costs rather than replaced completely.
This solution has been implemented in advanced countries in the world. This paper presents the
results of research to application of palsma welding technology using cobalt alloy powder to
restore exhaust valve in order to improve life and reduce operating costs.
Keywords: valve, powder plasma welding, cobalt alloys
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Đi.1. VẤN ĐỀr pla c1. VẤN
Xupap trong cơ cấu phối khí của các động cơ đốt trong 4 kỳ sử dụng cơ cấu phối khí

- Rỗ bề mặt tiếp xúc với buồng đốt: Nguyên nhân chính của dạng hư hỏng này chính là
do buồng đốt có nhiệt độ rất cao khi cháy và nổ, dung môi là những chất khí cháy sinh ra các
loại khí ở điều kiện nhiệt độ cao tác dụng với mặt đáy nấm xupap sẽ xảy ra các phản ứng hóa
học ăn mòn bề mặt làm xuất hiện các vết rỗ (các phản ứng cháy, oxy hóa). Tuy nhiên dạng
hỏng này thường diễn ra chậm, có thể kiểm soát và dự đoán được.
- Mẻ phần đỉnh nấm xupap: Đây là hiện tượng hỏng hóc rất nguy hiểm, khi xảy ra hiện
tượng này rất có thể dẫn đến phá hủy các chi tiết máy liên quan hoặc làm hỏng động cơ. Đối
với trường hợp này thông thường phải thay xupap mới. Dạng hỏng này của xupap có cơ chế
của phá hủy mỏi chi tiết máy. Quá trình va đập liên tục với mặt quylat sẽ làm xuất hiện các
vết nứt tế vi, các vết nứt phát triển sẽ tăng dần kích thước tới một giới hạn nhất định sẽ phá
hủy kết cấu.

Hình 3: Xupap bị mẻ phần đỉnh nấm

Hình 4: Xupap bị cháy thủng

- Mòn cổ trục phần tiếp xúc với đỉnh nấm xupap: nguyên nhân của hiện tượng này chủ
yếu do quá trình làm việc xupap liên tục được đóng mở do đó phần thân này sẽ tiếp xúc với
bạc trượt (bạc dẫn hướng). Quá trình tiếp xúc lâu do ma sát và nhiệt độ cao dẫn tới hiện tượng
mòn cổ trục. Đây cũng là một dạng hỏng diễn ra chậm và có thể dự báo trước. Thông thường
dạng hỏng này cũng có thể được khắc phục bằng công nghệ hàn đắp.
- Cháy thủng phần đỉnh valve (đỉnh nấm). Đây là dạng hư hỏng có nguyên nhân là do
quá trình làm việc lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt sẽ bị rỗ (xảy ra các phản ứng hóa học,
phản ứng ăn mòn điện hóa trong điều kiện nhiệt độ cao), lâu ngày các vết rỗ sẽ tăng về số
lượng và kích thước, ngoài ra còn phải kể tới xung lực của áp suất trong một khoảng thời gian
rất ngắn và cường độ rất mạnh (nói cách khác là có gia tốc rất lớn) liên tục đập vào bề mặt
đỉnh nấm sẽ làm xuất hiện các vết nứt tế vi dưới điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ cũng như
có sự xuất hiện của các môi chất sẽ làm các vết nứt lớn dần lên và gây ra hiện tượng cháy
464


Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hàn plasma bột (PTA)
465


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.3. Ưu nhược điểm của phương pháp hàn plasma bột (PTA)
Ưu điểm:
- Thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim ở dạng bột nên có thể điều chỉnh
thành phần phù hợp để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
- Khi hàn PTA, mức độ tham gia của kim loại vào mối hàn thường thấp nằm trong
khoảng 3÷7% so với các phương pháp hàn khác từ 30÷35%, sự liên kết kim loại bề mặt với
lớp kim loại nền cao nâng cao chất lượng lớp đắp.
- Đặc điểm của quá trình hàn PTA là hồ quang có nhiệt độ rất cao, có thể đạt tới
20000÷30000oC, hồ quang ổn định, tốc độ hàn cao, biến dạng do nhiệt thấp, tốc độ kết tinh
nhanh, thời gian hàn ngắn. Vũng hàn được bảo vệ bởi khí trơ nên tránh được sự oxy hóa và
giảm thiểu các khuyết tật trong mối hàn.
- Năng lượng đường thấp, hạn chế sự bắn tóe kim loại, biến dạng hàn nhỏ, vùng ảnh
hưởng nhiệt nhỏ, không có xỉ, hạn chế sự mất mát các nguyên tố hợp kim, chất lượng và cơ
tính mối hàn cao.
- Hồ quang plasma tạo ra nguồn nhiệt cao, ổn định và tập trung. Có thể thực hiện nhiều
lớp hàn tuỳ thuộc vào thành phần, tính chất hợp kim bột và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.
- Tiết kiệm thời gian chế tạo, giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm.
Nhược điểm:
- Giá thành đầu tư thiết bị lớn quy trình vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa cũng phức tạp.
- Giá thành bột hàn khá cao.
- Chỉ hàn được ở tư thế hàn sấp.
2.4. Phân tích thành phần hóa học xupap
Mỗi một điều kiện làm việc khác nhau của xupap sẽ sử dụng loại xupap có nền kim loại
cơ bản khác nhau. Để có thể hàn phục hồi được xupap ta cần phải xác định được thành phần cơ
bản của xupap trên cơ sở để xây dựng chế độ hàn, chế độ xử lý nhiệt và lựa chọn vật liệu hàn.

Cr

Mo

10,3

0,688


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Có thể thấy rằng thành phần kim loại phần thân xupap có hàm lượng cacbon trung bình,
crom cao và có chứa molipden. Do bề mặt làm việc bị mòn nên tác giả không phân tích được
thành phần hóa học của kim loại bề mặt làm việc của xupap.
2.5. Phân tích, lựa chọn bột hàn
Việc nghiên cứu, lựa chọn loại bột hàn phù hợp theo yêu cầu làm việc của xupap là một
vấn đề rất quan trọng và phức tạp. Sở dĩ vậy là vì chúng ta có thể nghiên cứu được thành phần
hóa học, các tính chất của bề mặt làm việc xupap, tuy nhiên chúng ta lại không thể có được
các thông tin đến việc vật liệu hàn đắp có thành phần hóa học như thế nào, độ cứng và các chỉ
tiêu công nghệ khác ra sao vì đó là bí mật công nghệ của các hãng trên thế giới. Do đó, để
chọn được các loại bột phù hợp tác giả đã tiến hành nghiên cứu từ rất nhiều nguồn thông tin
như: nghiên cứu catalog về các loại bột của một số hãng sản xuất loại bột này trên thế giới,
nghiên cứu phân tích thành phần hóa học, tổ chức kim tương của bề mặt làm việc xupap mẫu,
kết hợp với các nguồn thông tin từ các đề tài, bài báo khoa học trong và ngoài nước, từ sự tư
vấn của các chuyên gia trong lĩnh vực hàn đắp và phun phủ,… để từ đó đưa ra quyết định lựa
chọn loại bột hàn phù hợp. Cơ sở lựa chọn loại bột hàn dựa trên các yếu tố về công nghệ (chất
lượng sản phẩm, độ cứng, khả năng chịu mài mòn ở nhiệt độ cao, khả năng chịu nhiệt của lớp
đắp, khả năng chịu độ dai va đập) còn có yếu tố kinh tế (giá thành hợp lý, độ hạt đều, khả
năng hàn, khả năng đắp, năng suất đắp cao, ít bắn tóe, mất mát do bắn tóe nhỏ,…). Để tăng
được khả năng chống mài mòn, các loại bột cần có hàn lượng nguyên tố Cr cao, tuy nhiên nếu
hàm lượng Cr quá cao sẽ dẫn tới giá thành tăng rất cao, tính chất lớp đắp bị thay đổi không


30

12

2,5

1.0

2,5

Nền

BISHILITE No.6 2,5

28

4

2,5

1.3

1,9

Xupap động cơ đốt trong, van
Nền chịu áp suất, nhiệt độ cao như:
van nồi hơi, van thủy lực

BISHILITE

1.1

1,8

Nền

Xupap động cơ đốt trong, các
loại van chịu ăn mòn hóa học

467


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bột hàn No.32 của hãng Mitsubitshi có giá thành khoảng 2,8 – 3 triệu đồng/kg. Thành
phần hóa học cơ bản của nó bao gồm: 2,5%Ni + 26%Cr + 12%W + 1%Fe + 1,1%Si + 1,8%C
+ nền Co. Từ bảng thành phần hóa học cơ bản của loại bột này cho chúng ta thấy hàm lượng
%Cr và %W cao sẽ giúp cho lớp đắp chịu được mài mòn ở nhiệt độ cao. Độ cứng đạt được
khi đắp bằng loại bột này dao động từ: 60 – 62 HRC. Theo khuyến cáo của nhà sản xuất, đây
là loại bột hàn sử dụng cho quá trình đắp bề mặt chi tiết máy của các phương pháp hàn plasma
bột và laser bột.
2.6. Gia công cơ khí và gá lắp trước khi hàn
Trước khi hàn cần phải chuẩn bị bề mặt xupap như sau: tiện bóc một lớp kim loại có
chiều dày khoảng 0,5-0,7mm tùy thuộc độ mài mòn của xupap (hình 8). Sau khi tiện cần phải
gá đặt xupap lên mâm cặp của đồ gá để chuẩn bị cho bước tiếp theo. Khi gá đặt sử dụng đồng
hồ so để rà bề mặt xupap nhằm đảm bảo tầm với điện cực đồng đều khi hàn toàn bộ bề mặt
xupap (hình 9).

Hình 8. Gia công cơ khí trước khi hàn

Hình 9. Rà bề mặt khi gá lắp xupap

Dòng điện hàn

110 A

Điệp áp hàn

21V

Lưu lượng bột

1.2 Kg/h

Vật tốc hàn, dao động đầu hàn.

2,5 mm/s, 13mm

Nung nóng sơ bộ

250oC

Lưu lượng khí bảo vệ

13l/phút

Lưu lượng khí mang bột

4l/phút

Lưu lượng khí tạo plasma


Hình 13. Xupap sau khi hàn đắp


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.9. Thực hiện hàn đắp lên bề mặt xupap đã chuẩn bị
Tiến hành hàn đắp lên bề mặt xupap đã được nung nóng sơ bộ với chế độ hàn như đã
nêu ở trên. Hình ảnh xupap sau khi hàn đưa ra trên hình 13.
2.10. Xây dựng quy trình xử lý nhiệt sau khi hàn
Với thép hợp kim chế tạo lớp đắp phục hồi xupap như đã phân tích, nếu để nguội trong
môi trường không khí hoặc tôi trong dầu sẽ tạo tổ chức cacbit rất cứng và giòn do đó rễ bị nứt
sau khi hàn và khi làm việc lớp đắp cứng này rất rễ bị mẻ, vỡ. Do đó cần phải tiến hành xử lý
nhiệt sau khi hàn. Trên cơ sở phân tích các phương pháp xử lý nhiệt sau khi hàn có tham khảo
ý kiến của các nhà khoa học, các nhà chuyên môn về xử lý nhiệt cho hàn đắp và tham khảo
các tài liệu hướng dẫn của nhà sản xuất bột tác giả tiến hành ram lớp đắp ngay sau khi hàn.
Lúc đó tốc độ nguội được khống chế do đó tránh được việc tạo cacbit cứng và giòn làm giảm
độ cứng tăng độ dai va đập cho sản phẩm, khử ứng suất dư và ổn định tổ chức[3].
Nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt:
- Nhiệt độ nung cần thiết là 620OC với thời gian giữ là 1 giờ cho chiều dày là 25mm của
lớp đắp.
- Nhiệt độ nung tối thiểu là 600OC, nhiệt độ nung tối đa: 650OC
Tốc độ nung:
Từ nhiệt độ ban đầu đến khi nhiệt độ nhỏ hơn 350OC không cần kiểm soát tốc độ nung.
Khi nhiệt độ lên tới 350OC thì tốc độ nung sẽ được kiểm soát với tốc độ nung sẽ không lớn
hơn 200OC/h. Trong giai đoạn nung, không được có sự chênh lệch nhiệt độ lớn hơn 120OC đối
với các phần của lớp đắp để tránh hiện chênh lệch nhiệt quá lớn dẫn tới bị nứt có thể xảy ra.
Với chiều dày lớp đắp khoảng là 6 - 7mm thì ta có tốc độ nung là:
-Từ nhiệt độ ban đầu đến dưới 350OC không kiểm soát tốc độ nung.
- Từ nhiệt độ là 350OC đến nhiệt độ giữ, thì tốc độ nung là: 200 OC/h.
- Thời gian tăng nhiệt từ 350-620OC là: t t = (620-350)/200 = 1,35h.
Tốc độ nguội:

Quy trình công nghệ gia công cơ sau khi hàn phục hồi xupap
- Nguyên công 1: Cắt bỏ thanh thép làm đồ gá khi hàn đắp bằng máy tiện vạn năng.
- Nguyên công 2: Mài lại mặt đầu của xupap (mặt đỉnh nấm).
- Nguyên công 3: Gia công thô lớp đắp với độ côn khoảng 45 độ. Sử dụng 3 chấu kẹp
tự lựa của mâm cặp máy tiện hoặc máy mài chuyên dụng để kẹp chặt thân xupap. Sau đó điều
chỉnh góc của dụng cụ cắt (đá mài) và tiến hành gia công. Chú ý trong quá trình mài cần sử
dụng dung dịch làm mát chuyên dụng liên tục tưới vào vị trí mài để giảm nhiệt độ cho chi tiết
tránh biến dạng hoặc làm thay đổi tính chất của chi tiết.
- Nguyên công 4: Mài tinh mặt làm việc (mặt côn) của xupap đạt độ bóng khoảng 0,2 –
0,3 micromet.
- Nguyên công 5: Mài lại mặt cạnh của đỉnh xupap. Để mài được có thể sử dụng máy
mài chuyên dụng bằng cách thay đổi vị trí gá đặt, định vị bằng điều chỉnh góc trên bàn máy.
Cũng có thể sử dụng máy tiện vạn năng sẵn có trong các xưởng gia công cơ khí bằng cách chế
tạo đồ gá có cơ cấu phân độ và cơ cấu di chuyển ra vào để tăng chiều sâu cạnh vát.
- Nguyên công 6: Mài lại mặt làm việc của quylat. Mục đích để góc côn trên mặt quylat
phù hợp với góc côn trên mặt làm việc của xupap. Thông thường góc côn trên mặt quylat sẽ
lớn hơn khoảng 2 – 3 độ so với góc côn xupap. Như vậy khi làm việc mặt quylat sẽ có xu
hướng tiếp xúc điểm với xupap để tăng độ kín khít và chính xác để tăng chất lượng làm việc
cho động cơ.
- Nguyên công 7: Mài nghiền (rà) bề mặt tiếp xúc của xupap và quylat. Nguyên công
này bao gồm các bước chính sau:
Bước 1: Bôi bột (nhão) của dụng dịch mài nghiền vào bề mặt quylat.
Bước 2: Lắp xupap tiếp xúc với mặt làm việc của quylat và tiến hành rà (quay xupap
đồng thời tạo lực ấn xupap tỳ mạnh lên quylat).
Bước 3: Lau sạch bằng vải mềm.
3. NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC KIM LOẠI MỐI HÀN ĐẮP PHỤC HỒI XUPAP
3.1. Chuẩn bị mẫu
- Cắt mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi kim loại mối hàn từ xupap đã được hàn đắp phục
hồi ở trên. Sử dụng phương pháp cắt dây để tránh ảnh hưởng đến tổ chức kim loại cần nghiên
cứu.

hình 17 (độ phóng đại 20 lần) và hình 18 (độ phóng đại 10 lần). Trên hình 17 và 18 ta thấy có
sự chuyển tiếp đồng đều giữa vùng kim loại cơ bản và vùng kim loại mối hàn, không xảy ra
các khuyết tật hàn như nứt, rỗ.

Hình 15. Tổ chức tế vi vùng kim loại cơ
bản (x40)

Hình 16. Tổ chức tế vi vùng kim loạimối
hàn (x40)

Hình 17. Tổ chức tế vi vùng giáp ranh giữa
kim loại cơ bản vàkim loại mối hàn (x20)

Hình 18. Tổ chức tế vi vùng giáp ranh giữa
kim loại cơ bản vàkim loại mối hàn (x10)

472


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4. KẾT LUẬN
Tác giả đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Tìm hiểu về điều kiện làm việc, các dạng hỏng của xupap và nhu cầu phục hồi trên
thực tế.
- Trình bày một cách tổng quan về quá trình hàn plasma bột (PTA), so sánh quá trình
hàn này với quá trình hàn khác có thể sử dụng.
- Đưa ra nguyên tắc chọn bột hàn, ảnh hưởng của các nguyên tố trong thành phần bột
hàn đến cơ tính lớp đắp.
- Xây dựng quy trình công nghệ phục hồi xupap máy thủy, bao gồm gia công cơ trước
khi hàn, gá lắp phôi, nung nóng sơ bộ, tiến hành hàn, xử lý nhiệt và gia công cơ sau khi hàn.