bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
---------------------------------------
NGUYỄN PHƯƠNG NAM
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CHỊU MA SÁT HỆ
Fe 2-5%Cu 1-3% GRAFIT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
P.GS - TS. TRẦN VĂN DŨNG
HÀ NỘI - 2011
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Tác giả luận văn
Nguyễn Phương Nam
-2-
12
1.2. Vật liệu chịu mài mòn
12
1.3. Giới thiệu một số loại vật liệu chịu mài mòn
13
1.3.1. Một vài loại và hợp kim và kim loại chịu ma sát
13
a. Hợp kim đồng thiếc
13
b. Hợp kim đồng mangan
14
c. Hợp kim Fe-Cu-Al
14
d. Vật liệu đồng
15
18
CHƯƠNG 2. XÉC MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
19
2.1. Nhu cầu về sản xuất xéc măng
19
2.2. Đặc điểm và điều kiện làm việc với yêu cầu kĩ thuật của xéc măng
20
a. Đặc điểm
20
-3-
b. Điều kiện làm việc của xéc măng
21
c. Yêu cầu kĩ thuật
21
2.3. Công nghệ chể tạo xéc măng
27
27
30
32
CHƯƠNG 3. KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÉC
MĂNG
33
3.1. Xác định họ vật liệu xéc măng bột và chuẩn bị phối liệu
33
3.2. Công đoạn nghiền trộn cơ học
35
3.2.1. Các thông số cơ bản của quá trình nghiền
35
3.2.2. Phương pháp thực nghiệm
37
3.2.2.1. Thiết bị
37
49
-4-
3.4.1. Mục đích
49
3.4.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến quá trình
thiêu kết
49
3.4.3. Chế độ thiêu kết
50
3.4.4. Thiết bị thiêu kết
52
3.4.5. Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết
53
3.5. Xác định độ xốp của vật liệu
55
4.1. Giới thiệu TCVN của xéc măng
76
77
A. Yêu cầu kỹ thuật chung (TCVN 5735-4)
77
1. Phạm vi áp dụng
77
2. Mã vòng găng
78
3. Kí hiệu vòng găng
78
B. Yêu cầu chất lượng (5735-5)
79
1. Phạm vi áp dụng
79
2. Dạng khuyết tật
a. Chày trên và dưới
83
b. Cối ép
84
4.4. Chế tạo xéc măng
85
4.5. Kết luận chương 4
88
89
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. KẾT LUẬN
89
II. KIẾN NGHỊ
89
91
TÀI LIỆU THAM KHẢO
-6-
Chế độ công nghệ chế tạo xéc măng bột của Liên Xô
30
2.5
Chế độ công nghệ chế tạo xéc măng đúc của công ty FUTU1
31
3.1
3.2
3.3
Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ: Nhiệt độ
thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)
Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ: Nhiệt độ
thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)
Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi vào các thông số công nghệ:
Nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)
58
59
60
3.4
Điều kiện thí nghiệm được chọn
68
Trang
1.1
Các thiết kế phổ biến của cấu trúc bạc lót
15
2.1
Hình dạng của xéc măng
20
2.2
Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi ống
24
2.3
Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ phôi đúc từng chiếc
25
2.4
Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo xéc măng từ bột kim loại
Ảnh SEM mẫu hỗn hợp bột Fe-Cu-C sau khi nghiền 4h, tốc độ 620
vg/ph
41
3.6
Máy phân tích rơnghen D5005 - SIEMENS
41
3.7
Giản đồ nhiễu xạ rơnghen của mẫu hỗn hợp vật liệu bột
43
3.8
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu
44
3.9
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 2h nghiền
45
3.15
Lò thiêu kết Linn 1300
53
3.16
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu Fe-Cu-C(graphite) sau khi thiêu kết
54
3.17
Mô hình xác định độ xốp của vật liệu Fe-Cu-C(Graphite)
56
3.18
Thiết bị đo mô đun đàn hồi (E) và độ bền nén бn
61
3.19
Ảnh hiển vi quang học sự phân tán graphite của mẫu Fe-CuC(graphite) sau khi thiêu kết ở 11000C trong 3h, X500
62
80
4.3
Kết cấu và kích thước khuôn ép xéc măng
83
4.4
Áp lực bột trên cối ép
84
4.5
Trục gá ram 5 điểm
86
4.6
Dụng cụ ram định hình sau khi sécmăng đã đươc gá kẹp chặt
86
4.7
Chế độ ram định hình xécmăng
và ngày càng có vị trí xứng đáng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế
quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử, đóng tàu, chế tạo
máy, xây dựng …
Vật liệu bột đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu khác
nhau hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi nhu cầu,
rất đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong
tương lai với các tính năng đặc biệt như: vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu mài mòn,
vật liệu làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao và một số tính năng khác
mà vật liệu truyền thống không có được. Vì vậy, luyện kim bột ngày càng thu hút
được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực trong nền kinh tế quốc dân hiện nay.
- 10 -
Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu từ bột kim loại nói chung, đặc biệt
là vật liệu kết hợp nhiều bột kim loại khác nhau nói riêng còn rất hạn chế và mới chỉ
bắt đầu trong vài năm gần đây. Việc nghiên cứu vật liệu kết hợp nhiều bột kim loại,
được phát triển theo hai hướng chính, đó là: Nghiên cứu các phương pháp chế tạo
vật liệu và nghiên cứu các phương pháp công nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm
từ vật liệu bột là lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới tiềm năng, đầy triển vọng.
Với những tiềm năng to lớn của vật liệu bột. Tác giả đã lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu chịu ma sát hệ Fe 2-5%Cu 1-3%C (graphite)” để
nghiên cứu. Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao trong thực tế hiện nay và khá mới
mẻ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới. Việc nghiên cứu đề tài này, mở ra triển
vọng lớn trong nghiên cứu các loại vật liệu trên cơ sở nền Fe, có khả năng ứng dụng
thực tế trong các điều kiện làm việc chịu ma sát, vật liệu chịu mài mòn…
Bản luận văn được trình bày thành 4 chương. Chương 1, trình bày tổng quan
về vật liệu ma sát. trong chương 2 sẽ trình bày những vấn đề về cơ sở lý thuyết và
công nghệ chế tạo xéc măng, chương 3 sẽ đề cập đến kỹ thuật thực nghiệm chế tạo
Lực ma sát có thể được ứng dụng để làm biến dạng các bề mặt như trong kỹ
thuật đánh bóng, mài gương, sơn mài, ... Nó được dùng để hãm tốc độ các phương
tiện giao thông trên Trái Đất, chuyển động năng của phương tiện thành nhiệt năng
và một phần động năng của Trái Đất.
Nhiệt năng sinh ra bởi lực ma sát còn được ứng dụng để đánh lửa, trong đá
lửa, hoặc các dụng cụ tạo lửa của người tiền sử như theo một số giả thuyết.
Với các vật liệu có hệ số ma sát thấp người ta ứng dụng làm các loại ổ lót, xéc
măng…
1.2. VẬT LIỆU CHỊU MÀI MÒN
Vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy như ổ trượt, bạc lót, vv., làm việc trong
điều kiện ma sát trượt và cần có hệ số ma sát thấp, không dính bám, có khả năng chạy
rà tốt, dẫn nhiệt tốt và ổn định tính chất trong thời gian dài. Thường sử dụng 3 loại
vật liệu:
1. Kim loại dạng khối gồm gang, các hợp kim trên cơ sở thiếc, đồng, nhôm,
kẽm, trong đó bacbit và kim loại hai lớp (bimetan) được sử dụng rộng rãi.
- 12 -
2. Phi kim loại gồm: Gỗ, graphit, các chất hữu cơ poliamit, politetrafloetilen,
vv., có hệ số ma sát thấp và làm việc tốt trong điều kiện môi trường ăn mòn.
3. Bột thiêu kết thường là hỗn hợp của nhiều kim loại hoặc kim loại và phi
kim loại để bảo đảm khả năng chịu mài mòn tốt nhất
1.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU CHỊU MÀI MÒN
Lựa chọn vật liệu là một vấn đề quan trọng cho tất cả các bạc lót, vòng bi.
Đặc điểm cơ bản mà vật liệu để làm vòng bi cần là:
• Có hệ số ma sát thấp so với các vật liệu trục cứng
• Ứng sử chống lại các ngõng trục thép (điểm kháng cự)
Hợp kim đồng thiếc hoạt động tốt hơn với dầu mỡ bôi trơn hơn so với hợp
kim đồng khác
Sự khác biệt về đặc tính cơ học giữa các hợp kim đồng thiếc không lớn. Một
số có chứa kẽm như là một chất gia cố thay thế một phần cho các vật liệu thiếc đắt
tiền hơn....
Một số hợp kim đồng thiếc có chứa một lượng nhỏ chì. Trong nhóm các hợp
kim, chức năng chính của chì là để cải thiện tính chất cơ học. Một trong số các hợp
kim đồng pha chì cũng có chứa kẽm là tăng cường hợp kim với chi phí thấp hơn
thiếc. Các hợp kim đồng pha chì trong nhóm này này không có tính chất tương tự
và ứng dụng như hợp kim đồng thiếc.
b. Hợp kim đồng mangan
Hợp kim đồng mangan được chuyển hóa của các loại hợp kim, kim loại
Muntz (đồng thau 60% 40% kẽm) có chứa bổ sung một lương nhỏ sắt, mangan
và nhôm, cộng với chất bôi trơn, nó có thể chịu ứng suất rất cao với khả năng
chống ăn mòn tốt. Vật liêu chịu ma sát đồng mangan có thể làm việc ở tốc độ
cao và tải trọng nặng
c. Hợp kim Fe-Cu-Al
Phương pháp truyền thống là kết hợp vài vật liệu với nhau để giảm ma sát và
đảm bảo tính chất cơ học. Tuy nhiên chế bạc nhiều lớp khá phức tạp và tốn khá
nhiều tiền. Vì thế cần loại vật liệu mới đạt được hai loại tính chất chính của bạc, đó
là cơ tính tốt và ma sát rất thấp.
Loại vật liệu này được tạo ra với mục đích đạt được hai loại tính chất đó là cơ
tính tốt và ma sát rất thấp, hệ vật liệu này có độ bền cao, độ xốp cao và độ bôi trơn
cao. Ứng dụng này tạo khả năng cho công nghiệp vật liệu chịu ma sát phát triển để
- 14 -
độ quá cao đối với dầu nhờn thông thường.
Thành phần và quá trình gia công được sử dụng với các bạc carbon có
thể được thay đổi để cung cấp các đặc tính cần thiết cho các đặc tính cần thiết cho
các ứng dụng cụ thể. Graphite carbon có từ 5 đến 20% độ xốp. Những lỗ xốp có thể
được với một loại nhựa phenolic hoặc epoxy để cải thiện sức mạnh và độ cứng,
hoạc với dầu, kim loại ( chẳng hạn như bạc đông, đồng, cadmium, hoạc Babbit )
để cải thiện các đặc tính tương thích. phải chú ý trong việc áp dụng và hệ số giãn nở
thấp (khoảng một phần tư của thép)
b. Cao su
Vật liệu đàn hồi cho hiệu suất tốt trong các bạc lót trên trục chânvịt và bánh
lái của tàu.
Tính đàn hồi của cao su sẽ giúp triệt tiêu rung động giúp cho hoạt động êm ái,
cho phép chạy với độ hở tương đối lớn.
Bạc lót cao su thương mại bao gồm một cấu trúc rãnh để đặt kim loại rắn làm
tăng thêm độ bền và dẻo dai
Tải trọng tối đa nên được giới hạn từ 35đến 50psi, không có giới hạn về tốc
độ, và nhiệt độ hoạt động vẫn còn dưới 150 ° F.
c. Gỗ
Gỗ cứng: gỗ sồi có các tính chất tự bôi trơn, chi phí thấp, và làm việc môi
trường có độ sạch. Bạc lót gỗ hữu ích ở nhiệt độ lên đến 150 ° F và với tốc độ
lên đến vài trăm vòng/phút.
d. Gốm kim loại-metalceramic ( viết tắt là cermet )
Thuộc lớp vật liệu kết hợp composit nền kim loại cốt gốm. Nó là vật
liệu nhiều pha, gồm các pha kim loại hoặc hợp kim với một hay nhiều pha gốm.
Kim loại có thể là đồng, nhôm, niken, sắt, thép, hợp kim, gốm có thể là các borít,
cácbít, nitrít, oxít, silixít kim loại vv..... Như vậy có rất nhiều dạng loại gốm kim
ứng dụng trong các bộ phận kỹ thuật.
- 17 -
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Qua nghiên cứu các công trình nghiên cứu ở phần tổng quan tài liệu cũng cho
phép ta kết luận đề tài mà tác giả lựa chon là một đề tài rất rộng và có tính thiết
thực với nhu cầu sử dung của dạng vật liệu này là rất cao
Từ những phân tích và nhận định ở trên cho thấy rằng, việc đi nghiên cứu chế
tạo vật liệu chịu ma sát là hoàn toàn hợp lý và có khả năng thực hiện được và mở ra
một tiềm năng ứng dụng trong thực tế là rất cao. Mặc dù vậy, để chế tạo được vật
liệu chịu ma sát bằng phương pháp cơ - hóa thì cần phải nghiên cứu một cách sâu
sắc các vấn đề trong quá trình tổng hợp vật liệu.
Trong chương này tác giả đã tiến hành tổng hợp một số tài liệu liên quan đến
vật liệu ma sát nói chung và vật liệu chịu mài mòn nói riêng đã được ứng dụng
trong kỹ thuật. Từ các tài liệu nghiên cứu đó có thể nhận thấy, tính chất của vật liệu
này là rất cần thiết với con người.
- 18 -
CHƯƠNG 2
XÉC MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
2.1. NHU CẦU VỀ SẢN XUẤT XÉC MĂNG
Ngày nay với sự bùng nổ phát triển của Khoa học Kỹ thuật, nhiều lĩnh vực
của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử,
công nghệ thông tin, công nghệ sinh học - thực phẩm... Nhu cầu cần đến các loại
vật liệu mới có các ưu điểm vượt trội để tăng tính bền nhiệt, có điện dẫn cao, chịu
mài món lớn, chịu nhiệt độ cao... Để đáp ứng nhu cầu đòi hỏi của người sử dụng và
2.2. ĐẶC ĐIỂM VÀ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VỚI YÊU CẦU KĨ
THUẬT CỦA XÉC MĂNG
a. Đặc điểm
1. Hai mặt đáy
2. Mặt lưng
3. Mặt bụng
4 .Phần miệng
5. Khe hở miệng ở trạng thái lắp ghép trong xylanh.
Hình 2.1 Hình dạng của xéc măng
Xéc măng ( hay còn gọi là vòng găng ) là một chi tiết rất quan trọng trong các
loại động cơ máy nổ và máy thủy lực. Xéc măng được lắp tại rãnh ngoài của
pistông đảm bảo độ kín khít cao giữa pistông và xylanh, khi làm việc xéc măng
chạy dọc theo mặt trong xy lanh, nhưng lại có nhiều vấn đề kỹ thuật hết sức phức
tạp liên quan đến chất lượng của nó như:
- 20 -
Vấn đề sự đồng đều của hàm lượng các loại bột với xéc măng bột, chất lượng
của gang hợp kim và công nghệ đúc đơn chiếc từng xéc măng một.
Vấn đề xác định kích thước xéc măng ở trạng thái tự do để gia công chép hình
theo dạng ống.
Vấn đề phân bổ áp suất của xéc măng nén trên bề mặt xylanh theo một quy luật
phân bố áp suất không đều: Áp suất phần miệng xéc măng lớn hơn phần lưng…
lanh một lực đồng đều trên toàn bộ chu vi xéc măng để tránh sự mài mòn không đều,
tạo khe hở hoạc lỗ rò rỉ, lực nén cũng không được quá lớn tránh làm mòn xy lanh. Có
đạt được như vậy hiệu quả truyền động của pitstông ra thanh truyền mới cao.
Xéc măng chuyển động cùng pitstông với tần suất lớn trong xy lanh dưới áp lực lớn
và ở nhiệt độ khá cao trong thời gian dài, rất dễ phát sinh ra biến dạng dẻo làm giảm
khả năng đàn hồi của xéc măng, từ đó phá vỡ điều kiện làm việc bình thường của đông
cơ máy nổ, chính do yêu cầu như vây nên xéc măng phải có các yêu cầu sau:
- Để đảm bảo cho sự kín khít cao với mặt trong xy lanh trong quá trình làm việc,
xéc măng cần có độ đàn hồi cao. Được đặc trưng bởi mô đun đàn hồi E. Mô đun
đàn hồi cần đạt được trong giới hạn E = 8500 ÷ 12000 Kg/mm2 mô đun đàn hồi của
xéc măng là chỉ tiêu rất quan trọng.
- Để đảm bảo tính bền lâu khi làm việc, xéc măng cần phải có độ cứng thích hợp
để chịu mài mòn tốt trong điều kiện ma sát giới hạn, đây cũng là một chỉ tiêu quan
trọng ( xéc măng đúc độ cứng cần đạt đươc: 92÷105HRB)
- Để đảm bảo độ dai va đập xéc măng cần có một độ bề бb cao. Ví dụ xéc măng
đúc: бb = 40 ÷ 50 Kg/mm2, xéc măng bột của Nga: бb = 70 ÷ 80 Kg/mm2 .
- Vật liệu chế tạo phải có hệ sô ma sát nhỏ, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, có khả năng tự
bôi trơn trong quá trình làm việc…
- Ngoài ra đối với xéc măng bột thì độ xốp cần đạt từ 7 ÷ 10%.
Để xéc măng đỡ bị mài mòn, người ta thường mạ 1 lớp crôm xốp trên bề mặt làm
việc của xéc măng, chiểu dày (0,1 đến 0,2mm) vì lớp mạ này tăng cường độ cứng
bề mặt, tính chống ăn mòn tốt giảm hệ số ma sát.
Ngoài ra người ta còn mạ thiếc mỏng, chiều dày lớp mạ từ (0,005 đến 0,01) mm
để nâng cao tính chống mòn và nhằm mục đích giảm thời gian chạy rà của động cơ.
* Yêu cầu về hình học
-
Đường kính mặt ngoài đạt cấp chính xác 7 ÷ 10
Thành phần chủ yếu của vật liệu xéc măng gồm Fe và các nguyên tố: Cu, Cr, C,
Mn, Si, Mo, W, V, TiC, đôi khi có cả Sunphua.
-Yêu cầu về vật liệu xéc măng sản xuất bằng phương pháp đúc: Vật liệu chế tạo
xéc măng hiện nay dùng trong động cơ thường làm bằng gang xám, gang peclit
có chất lượng cao, để đảm bảo tính chịu nhiệt cao nên trong gang hợp kim có
Cr, Mo, W, V. Loại gang hợp kim rẻ tiền để chế tạo xéc măng như hợp kim
gang Cr-Cu-Ti có thành phần như sau: 3,7 ÷ 3,9C; 2,5 ÷ 2,7Si; 0,5 ÷ 0,7Mn; 0,4
÷ 0,5P; 0,2 ÷ 0,35Cr; 0,35 ÷ 0,5 Cu và không quá 0,18Ti và 0,05S.
- Xéc măng của động cơ Diezel hai kỳ được chế tạo bằng gang biến thể có độ
bền cao, loại gang này nhận đươc bằng cách cho thêm vào nước gang Mn, loại
gang này đặc biệt là chắc, có mô-duyn đàn hồi và độ dẻo cao.
- Yêu cầu về vật liệu xéc măng sản xuất bằng phương pháp nghiền trộn cơ học:
Hợp kim hóa học các loại bột cần thiết trên nền cơ bản là bột sắt Fe, bột
Cu,Graphite, Zn, Si, Mn, Mo…Sử dụng kết hợp phương pháp nghiền trộn; gia
- 23 -
công áp lực với thiêu kết và ram định hình; Gia công cơ khí và mạ.
Về mặt công nghệ gia công xéc măng có 2 phương pháp gia công chế tạo xéc măng:
-
Phương pháp đúc truyền thống
-
Phương pháp chế tạo xéc măng từ kim loại bột
2.3.1. PHƯƠNG PHÁP ĐÚC TRUYỀN THỐNG
a. Chế tạo xéc măng từ phôi ống
Copyright: Tài liệu đại học ©