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

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CƠ
TÍNH LỚP PHỦ BỘT HỢP KIM 67Ni18Cr5Si4B TRÊN NỀN TRỤC THÉP C45
BẰNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO HVOF
A STUDY OF EFFECTS OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON
MECHANICAL CHARACTERISTICS OF 67Ni18Cr5Si4B ALLOY POWDER
COATING ON C45 STEEL SHAFT BY WITH HIGH VELOCITY OXYGEN FUEL
THERMAL SPRAY METHOD (HVOF)
ThS. Phạm Văn Liệu1a, PGS. TS. Đinh Văn Chiến2b
1
Trường Đại học Sao Đỏ
2
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
a
;
TÓM TẮT
Hiện nay công nghệ xử lý bề mặt ngày càng được quan tâm, do nó có ý nghĩa quan
trọng và quyết định nhiều đến tính chất của vật liệu. Một trong những giải pháp đó là ứng
dụng công nghệ phun phủ kim loại để tạo ra một lớp phủ bề mặt có độ cứng cao và độ xốp
thấp đáp ứng các điều kiện làm việc của chi tiết máy như chịu ma sát, chịu mài mòn và chịu
nhiệt. Bài báo này trình bày kết quả thử nghiệm phun phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên
nền trục thép C45 bằng công nghệ phun HVOF. Đồng thời phân tích ảnh hưởng của các thông
số công nghệ đến độ cứng và độ xốp của lớp phủ. Từ đó lựa chọn được bộ thông số hợp lý
ứng dụng vào phục hồi các chi tiết dạng trục bị mòn.
Từ khóa: phun phủ, HVOF, bột phun 67Ni18Cr5Si4B, lớp phủ, độ bám dính, độ xốp.
ABSTRACT
Nowadays, surface treatment technology has been paid attention more increasingly
because it has a decisive importance to the properties of materials. One of the solutions is the
application of metal spray coating technology to create a surface coating with high hardness
and low porosity in order to meet the working conditions of machine parts such as friction,

cứu, cũng như còn một số các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ vẫn chưa được làm
sáng tỏ.
Do vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng lớp phủ
bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B lên bề mặt chi tiết trục thép C45 bị mòn bằng phương pháp
HVOF là một vấn đề mới và đây cũng là vấn đề mang tính thực tiễn cao được nhiều ngành
công nghiệp quan tâm đến.
2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
2.1. Vật liệu
Vật liệu phủ được sử dụng trong nghiên cứu là bột hợp kim 67Ni15Cr5Si4B (ký hiệu
theo tiêu chuẩn ngành của Nga là 67H18X5C4P) [5]. Vật liệu nền là thép C45 với các cơ tính
của vật liệu được lấy theo TCVN 8301:2009. Mẫu có đường kính D là 60 mm, chiều dài mẫu
L0 bằng 20 mm. Số lượng mẫu được thực hiện trong nghiên cứu này là 27 mẫu.
2.2. Hệ thống thiết bị phun phủ HVOF
Mẫu thí nghiệm được tiến hành
phun theo chế độ quy hoạch thực
nghiệm các thông số chính như sau:
khoảng cách phun L = 100 ÷ 300mm,
lưu lượng cấp bột phun m = 300 ÷ 500
g/ph. Tốc độ trung bình dòng kim loại
phun V = 800 ÷ 1200m/s. Sử dụng thiết
bị phun HVOF- Model MP-2100
Manual HVOF Control Panel, của hãng
General Metal Alloys Intl (GMA) – Bỉ.
Tại công ty Quang Khánh - Vũng Tàu.

Hình 1. Sơ đồ hệ thống thiết bị phun HVOF

2.3. Thiết bị đo và phương pháp tiến hành
Quá trình đo độ cứng lớp phủ được thực hiện bằng máy đo độ cứng tế vi Duramin 2 và
đo độ xốp lớp phủ được thực hiện trên kính hiển vi quang học Axiover 25A tại phòng thí

0,1

800

2.

010

0,1

3.

020

4.

100

Lô thí
nghiệm

Lô 1

Độ cứng trung bình theo thứ tự vết đo (HV)
Lớp nền thép
C45
(từ ngoài vào)

Lớp trung gian
(biên giới liên

200.7

330.0

483.8

0,1

1000

300

223.0

339.7

580.0

0,1

1000

400

219.0

334.3

547.7


200

0,1

1200

300

229.0

417.7

569.2

8.

210

0,1

1200

400

214.8

427.3

568.7


561.7

11.

011

0,2

800

400

203.3

283.7

553.7

12.

021

0,2

800

500

201.3


230.8

405.0

507.7

15.

121

0,2

1000

500

233.8

408.7

482.0

16.

201

0,2

1200


1200

500

238.7

311.7

455.0

19.

002

0,3

800

300

237.0

522.3

583.4

20.

012


102

0,3

1000

300

202.0

356.0

552.6

23.

112

0,3

1000

400

211.3

378.5

559.4


617.0

26.

212

0,3

1200

400

192.5

348.0

565.7

27.

222

0,3

1200

500

193.0


Tổ chức tế vi và độ cứng của lớp phủ được thực hiện bằng phương pháp HVOF là các
tiêu chí đánh giá chất lượng tổng hợp của lớp phủ. Kết quả khảo sát ảnh chụp tổ chức tế vi tại
vùng biên giới giữa lớp thép nền C45 và lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B cho ở Hình 2.

Lõi thép

Biên giới

lớp phủ

Lõi thép

a) Mẫu số 01, x100

Biên giới

lớp phủ

a) Mẫu 19, x100

Lõi thép

Lớp phủ

b) Mẫu số19, x200

c) Mẫu số 19, x200

Hình 2. Ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng liên kết 2 lớp giữa nền thép C45
và bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B

rằng việc điều chỉnh các thông số phun phủ gần tới vùng tối ưu và đã cho phép nhận được lớp
phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có độ xốp giảm đáng kể so với lô thí nghiệm định hướng
công nghệ ban đầu theo quy hoạch thực nghiệm.
Bảng 2. Kết quả đo độ xốp lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B
lên lớp vật liệu nền thép C45
Chế độ phun
STT

Mã

Lô thí nghiệm

Độ xốp lớp phủ, %

L
(m)

V
(m/s)

m
(g/ph)

γTN

γQH

(%)

(%)

1,923

2,024

5,26

3

020

0,1

800

500

2,341

2,426

3,64

4

100

0,1

1000


0,1

1000

500

3,732

3,594

3,70

7

200

0,1

1200

300

3,975

3,921

1,36

8


10

001

0,2

800

300

1,053

1,017

3,45

11

011

0,2

800

400

1,673

1,603


1000

300

2,151

2,327

8,18

14

111

0,2

1000

400

2,777

2,743

1,23

15

121


211

0,2

1200

400

3,392

3,45

1,71

18

221

0,2

1200

500

3,471

3,533

1,79


4,27

21

022

0,3

800

500

1,789

1,807

1,01

22

102

0,3

1000

300

1,892


2,583

2,579

0,15

25

202

0,3

1200

300

2,719

2,668

1,86

26

212

0,3

1200



a) Ảnh chụp tổ chức tế vi lớp phủ

b) Ảnh 2D phân tích độ xốp lớp phủ bằng phần mềm ImagePro Plus trên kính hiển vi quang học Axiover 25A

Hình 3. Ảnh đồ 2D phân tích độ xốp lớp phủ trên lớp vật liệu nền
Tổ chức tế vi vật liệu vùng biên giới liên kết 2 lớp giữa nền thép C45 với lớp phủ bột
hợp kim 67Ni18Cr5Si4B (Hình 4)

a) Mẫu số 01, x100

b) Mẫu số 8, x100

Hình 4. Ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu vùng biên giới liên kết 2 lớp
424


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Phân tích kết quả thí nghiệm trên Hình 4 cho thấy:
1) Tổ chức tế vi lớp phủ hợp kim đối với mẫu số 01, nhận được sau phun phủ cho trên
hình 4ª. Biên giới liên kết giữa lớp thép C45 (ở phía trái) và lớp phủ bột hợp kim
67Ni18Cr5Si4B (ở phía phải) tương đối tốt. Tuy nhiên, trên ảnh chụp tổ chức tế vi vật liệu
mẫu thí nghiệm này có phát hiện thấy một vài đoạn cấu trúc cục bộ trên biên giới giữa hai lớp
và trong lớp phủ hợp kim xuất hiện các điểm màu đen, có thể đây là lỗ xốp, điều này làm
giảm độ bền bám dính giữa hai lớp và giảm độ cứng của lớp phủ và đây cũng chính là tính
chất đặc trưng của công nghệ phun phủ. Thông qua ảnh chụp cho thấy tổ chức tế vi lớp nền
thép C45 là kim loại đặc xít;
2) Tổ chức tế vi lớp phủ hợp kim đối với mẫu số 08, nhận được sau phun phủ cho trên
Hình 3b. Biên giới liên kết giữa lớp nền thép C45 (ở phía trái) và lớp phủ bột hợp kim
67Ni18Cr5Si4B (ở phía phải) nhận được cũng khá tốt. Tuy nhiên ở đây vẫn tồn tại các đoạn


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

Hình 6. Quan hệ giữa lưu lượng phun và khoảng cách phun đến độ xốp của lớp phủ
Hình 8 biểu diễn quan hệ giữa khoảng cách phun và tốc độ trung bình dòng kim loại
phun đến độ xốp của lớp phủ. Kết quả thu được chỉ ra rằng khi thay đổi lưu lượng phun trong
khoảng m = 300-500 g/ph, độ xốp lớp phủ theo tỷ lệ % có xu hướng tăng. Mặt khác, ứng với
một giá trị lưu lượng phun m không đổi, độ xốp lớp phủ có xu hướng tăng theo mức tăng tốc
độ trung bình dòng kim loại phunnhưng lại có xu hướng giảm theo mức tăng của khoảng cách
phun. Mức tăng độ xốp tỷ lệ thuận với mức tăng tốc độ trung bình dòng kim loại phunvà tỷ lệ
nghịch với mức tăng của khoảng cách phun. Khi muốn độ xốp của lớp phủ nhỏ, cần điều
chỉnh giá trị lưu lượng phun và tốc độ trung bình dòng kim loại phun giảm, trong khi khoảng
cách phun tăng.

Hình 7. Quan hệ giữa khoảng cách phun và tốc độ trung bình dòng kim loại phun
đến độ xốp của lớp phủ
3.2.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ phun đến độ xốp của lớp phủ bột hợp
kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 được biểu diễn bằng hàm toán học
Các số liệu cho trong Bảng 2 đã cho phép xây dựng mô hình toán học bậc 2 của độ xốp γ
theo khoảng cách phun L, tốc độ trung bình dòng kim loại phun V và lưu lượng phun m.
(1)

Từ các kết quả nghiên cứu thu được cho thấy nếu giữ nguyên khoảng cách phun L và
tốc độ trung bình của dòng kim loại phun V, tăng dần lưu lượng phun m thì độ xốp có tỷ lệ %
tăng lên. Khi giữ nguyên lưu lượng bột phun m và khoảng cách phun L, tăng tốc độ trung bình
của dòng kim loại phun V thì độ xốp cũng tăng theo. Nhưng khi giữ nguyên tốc độ trung bình
của dòng kim loại phun V và lưu lượng bột phun m, tăng dần khoảng cách phun L thì độ xốp
lại có xu hướng giảm dần. Điều này có thể giải thích nếu cùng một lưu lượng cấp bột và vận
tốc dòng kim loại phun mà khoảng cách phun quá gần các hạt phun không điền đầy khít với
nhau làm cho độ xốp tăng lên và ngược lại khi khoảng cách tăng, năng lượng va đập của các

một số chi tiết máy bị mòn có dạng trục và ống tròn xoay, Báo cáo đề tài cấp thành phố Mã số: 01C-01/04-2009-2, 2009.
[7] Đinh Văn Chiến và Đinh Bá Trụ, Kỹ thuật phun nhiệt tốc độ cao HVOF/HVAF/D-GUN,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2014.
[8] BA BAI, Production of Coated and Free-Standing Engineering Components using the
HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), Process, Dublin City University, 2003.
[9] Mahbub, H, High Velocity Oxy-Fuel (HVOF) Thermal Spray Deposition of Functionally
Graded Coatings, Dublin City University, 2005.
[10] Tan, J. C, Optimisation of the HVOF Thermal Spray Process For Coating, Forming and
Repair of Components, Dublin City University, 1997.

427