Đề tài Nghiên cứu công nghệ chế tạo bạc compozit nền đồng - Hạt thép hai lớp (có vỏ thép) bằng phương pháp đúc

BỘ CễNG THƯƠNG TỔNG CễNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NễNG NGHIỆP VIỆN CễNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2008 Tờn đề tài: NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ CHẾ TẠO BẠC COMPOZIT NỀN ĐỒNG - HẠT THẫP HAI LỚP (Cể VỎ THẫP) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CễNG THƯƠNG CƠ QUAN CHỦ TRè: VIỆN CễNG NGHỆ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: VŨ VĂN MIấNG 7098 16/02/2009 Hà Nội, 12 - 2008 1 Mục lục T.T Nội dung Trang Mở đầu 3 I Tổng quan về công nghệ 5 1.1 Công nghệ đúc vật liệu compozit nền đồng - hạt thép 5 1.2 Ph−ơng pháp đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim 10 1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp và bạc compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép tại Việt Nam. 12 1.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp và compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép trên thế giới. 13 1.5 Nhu cầu phụ tùng sản xuất bằng ph−ơng pháp đúc nhiều lớp và bạc compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép 15 II Phần lý thuyết cơ sở 16 2.1 Công nghệ đúc nhiều lớp 16 2.1.1 Sự hình thành vùng chuyển tiếp giữa hai lớp tiếp xúc và liên kết nhờ quá trình khuếch tán. 16 2.1.2 Sự hình thành liên kết cơ. 21 2.2 Công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền đồng - hạt thép 23 2.3 Công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền đồng - hạt thép + lớp vỏ thép 26 III Mục tiêu và nội dung đề tài 30 3.1 Mục tiêu nghiên cứu 30 2 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo sản phẩm 30 IV đặc tính sử dụng và vật liệu của các sản phẩm ứng dụnG 31 4.1 Điều kiện kỹ thuật của vật liệu chế tạo các sản phẩm ứng dụng 31 4.2 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của bạc thải xỉ than. 32 4.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của bạc vít tải than. 33 4.4 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của bạc đồng máy xúc 33 V Quy trình chế tạo hai lớp bạc compozit nền đồng hạt thép+vỏ thép 33 5.1 Thiết kế khuôn kim loại 33 5.2 Chuẩn bị các điều kiện vật t− kỹ thuật cho mẻ nấu 35 5.3 Quy trình lắp ráp khuôn và đúc thẩm thấu 36 Kết luận 45 Tài liệu tham khảo 46 Phần phụ lục 47 3 Mở đầu Nhiều năm tr−ớc đây các nhà chế tạo máy trên thế giới đã đặt ra những mục tiêu trọng tâm để nghiên cứu: Nâng cao đặc tính kỹ thuật, chất l−ợng của máy móc, thiết bị. Đặc biệt là nghiên cứu ứng dụng và mở rộng những công nghệ tiên tiến trong các ngành kỹ thuật công nghiệp. Trong đó phải đi sâu nghiên cứu, tìm kiếm công nghệ chế tạo ra những vật liệu mới có những cơ lý tính tổng hợp cao và đ−a vào ứng dụng có hiệu quả hơn trong ngành chế tạo máy. Một trong những loại vật liệu mới, phải kể đến là kim loại đúc hai hoặc nhiều lớp (bimêtal) và mang tính tổ hợp (compozit). Vật liệu đúc compozit nền kim loại mới đ−ợc nghiên cứu và đ−a vào sử dụng trong những năm gần đây. Việc phát hiện và ứng dụng vật liệu compozit là b−ớc ngoặt to lớn trong công nghệ nghiên cứu vật liệu. Nó cho phép tiết kiệm đáng kể số l−ợng các kim loại quý hiếm đang ngày càng khan hiếm và đắt giá. Với sự liên kết hợp lý giữa các pha rắn của các nguyên tố cấu thành, vật liệu compozit có những tính chất cơ lý đặc biệt tổng hợp cao mà những vật liệu khác không bao giờ đạt đ−ợc. Vì vậy, nó đ−ợc sử dụng có hiệu quả cao hơn nhiều trong các môi tr−ờng làm việc khắc nghiệt, chịu nhiệt độ cao, chịu mài mòn abrazive và khó bôi trơn. Cùng với sự phát triển công nghệ vật liệu, công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp (bimetal) hợp kim trên thế giới đã thu đ−ợc nhiều thành tựu quan trọng, giải quyết nhiều vấn đề đặt ra trong ngành chế tạo máy. Công nghệ đúc hai hay nhiều lớp kim loại trên cùng một chi tiết là dựa trên nhiều ngành khoa học: Kim loại học, động lực học, vật lý học, hoá học ở nhiệt độ cao vv. Tóm lại, đây là những vấn đề khoa học và công nghệ hết sức phức tạp và tổng hợp. Những nhà vật liệu học đã nghiên cứu xây dựng những phần lý thuyết, những giải pháp công nghệ thực tế sản xuất đúc hai hay nhiều lớp kim loại, hợp kim. Lập quy trình công nghệ chế tạo vật liệu, nghiên cứu trang thiết bị chuyên dùng phục vụ công nghệ. Công nghệ đúc hai lớp hay nhiều lớp kim loại đ−ợc áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong đó có công nghệ chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, chế tạo 4 cao su, công nghiệp chế tạo máy, ngành điện lực, bạc đồng chì trong những loại ph−ơng tiện vận chuyển trọng tải lớn, tốc độ cao. Vật liệu đúc nhiều lớp cho phép sử dụng nguyên vật liệu một cách kinh tế, có hiệu quả, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nguyên liệu quý hiếm, giảm các chi phí gia công , năng l−ợng, khấu hao thiết bị, nhất là đối với loại hợp kim khó gia công. Nhiệm vụ của các nhà khoa học trên thế giới là phải tiếp tục giải quyết hàng loạt vấn đề về xây dựng và hoàn thiện lý thuyết, những giải pháp thực nghiệm. Nghiên cứu quá trình kết tinh thể tại biên giới của hai kim loại, bản chất của sự khuếch tán và thẩm thấu, sự phân bổ những nguyên tố nằm trong lớp tiếp xúc, hiện t−ợng nhiệt lý học, hoá học, truờng nhiệt xuất hiện ở biên giới hai lớp. Tại Việt Nam, một số cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp đã tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm công nghệ đúc hai lớp (bimêtal) kim loại. Đặc biệt là có nhiều công trình nghiên cứu đúc bạc thép + hợp kim đồng chì. Nh−ng hầu hết các công trình mới chỉ dừng ở phần nghiên cứu, ch−a có những ứng dụng rộng rãi vào sản xuất. Qua nhiều năm nghiên cứu và ứng dụng vật liệu compozit phục vụ các ngành kinh tế quốc dân, chúng tôi thấy rằng có thể tăng khả năng chịu lực của vật liệu bằng một lớp thép. Đồng thời bằng ph−ơng pháp công nghệ này có thể tiết kiệm đ−ợc một l−ợng đáng kể vật liệu compozit. Vì vậy chúng tôi đề xuất nghiên cứu công nghệ đúc chi tiết bằng vật liệu cômpzit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép và đã đ−ợc chấp nhận cho phép thực hiện đề tài: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ đúc chi tiết cômpzit nền đồng + hạt thép + lớp vỏ thép. Công nghệ đúc compozit hai lớp với vỏ thép hoàn toàn mới, nh−ng rất hấp dẫn, nếu thành công sẽ mang lại hiệu quả to lớn và h−ớng đi mới trong ch−ơng trình nghiên cứu vật liệu. 5 I. Tổng quan về công nghệ 1.1 Công nghệ đúc vật liệu compozit nền đồng - hạt thép Tr−ớc đây, vật liệu compozit kim loại th−ờng đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp luyện kim bột. Ngày nay một số n−ớc trên thế giới đã nghiên cứu thành công công nghệ tạo ra vật liệu compozit bằng ph−ơng pháp đúc. Sự ra đời của vật liệu đúc compozit cho phép tạo ra những chi tiết có kích th−ớc lớn hơn hẳn mà công nghệ luyện kim bột không thể làm đ−ợc (do công nghệ luyện kim bột quá phụ thuộc vào công suất của máy ép). Do đó vật liệu đúc compozit đã mở ra điều kiện cho khả năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp của toàn bộ nền kinh tế quốc dân. Các sản phẩm đã đ−ợc nghiên cứu chế tạo từ nhiều loại vật liệu compozit chịu mài mòn ma sát, chịu nhiệt, có cơ lí tính tổng hợp cao, thay thế các vật liệu nguyên gốc mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật to lớn. Trong số đó có vật liệu compozit nền hợp kim nhôm - hạt graphít, hợp kim nhôm - hạt gốm hoặc hợp kim nhôm - sợi gốm. Thay thế có hiệu quả các loại bạc hợp kim gang và đồng tr−ớc đây là bạc compozit hợp kim đồng - hạt thép chịu tải trọng tốt hơn, chịu mài mòn ma sát cao hơn từ 3ữ5 lần và có khả năng làm việc tốt trong điều kiện khó bôi trơn (1). Công nghệ tạo vật liệu compozit bằng ph−ơng pháp đúc đơn giản, giá thành hạ, chu kỳ sản xuất nhanh hơn công nghệ luyện kim bột. Đầu t− thiết bị công nghệ không có gì lớn vì có thể tận dụng các thiết bị nấu luyện, thiết bị nung gia nhiệt của các x−ởng đúc, nhiệt luyện hiện có. Ngoài ra, nó cho phép tận dụng tối đa l−ợng hồi liệu, phế liệu từ các ngành công nghiệp khác. Trong nhiều năm gần đây, những đặc tính −u việt của vật liệu đúc compozit đã và đang kích thích mạnh mẽ quá trình nghiên cứu nhiều của tập thể các nhà khoa học. Trong đó có: Viện vật lý - Công nghệ các kim loại và hợp kim thuộc Viện hàn lâm khoa học ucraina, Đại hạc Bách khoa Vlađimir (Nga), Viện dúc Kracôp (Ba Lan), nhiều tổ chức và hãng khác ở Mỹ, Nhật Bản, Đức ... Hiện nay hơn 100 hãng của các n−ớc Mỹ, Nhật Bản, Đức và một số n−ớc khác trên thế giới đã nghiên cứu và sử dụng vật liệu đúc compozit để nghiên cứu và chế tạo ra 6 hàng loạt sản phẩm. Các sản phẩm đó đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và các ngành kỹ thuật mới nhất. Kết quả các quá trình nghiên cứu đã xác định đ−ợc quy luật hình thành vật liệu đúc compozit nhiều pha. Quy luật đó phụ thuộc vào các yếu tố của pha cơ bản và quy trình công nghệ đúc. Đã nghiên cứu đ−ợc quá trình hình thành cấu trúc, các hiện t−ợng hoá lí xuất hiện trên biên giới của các pha khi kết hợp với pha lỏng. Đồng thời cũng xác định đ−ợc các tính chất cơ lý, chịu ma sát và các đặc tính −u việt khác. Trong qúa trình nghiên cứu các nhà khoa học đã tìm ra cơ chế chịu tải trọng cao, chịu mài mòn (Abrasive) của vật liệu compozit, sử dụng các biện pháp công nghệ tăng c−ờng các tính chất cơ lý tổng hợp của vật liệu nh− gia công áp lực, bằng ph−ơng pháp laser (1). Hiện tại trong công nghiệp nền cơ bản của vật liệu compozit đúc th−ờng đ−ợc dùng là hợp kim nhôm đúc, đồng đúc các mác và một số hợp kim, kim loại khác. Pha cứng của vật liệu compozit đúc nhôm th−ờng dùng là các bon, các polime chứa các bon ... Còn gốm sứ thì dùng cácbít, nitrit, ôxít các loại nh− cácbit silic, nitric silic, ôxít nhôm, ziêcon... và nhiều chủng loại hợp kim, kim loại khác. Cấu tử hình thành pha cứng đ−ợc đ−a vào tổ hợp ở dạng bột (1ữ20àm), dạng hạt và viên (20ữ2000àm), hoặc các dạng sợi, dây dài hoặc ngắn. Tỉ lệ d−a vào tổ hợp của cấu tử cứng th−ờng từ 5ữ20% khối l−ợng vật liệu có khi tới 50%. Điển hình nhất trong compozit nền đồng là các vật liệu tổ hợp dùng cho các loại bạc tr−ợt chống ma sát. ucraina đi đầu trong việc chế tạo này dùng nền đống và pha cứng là hạt thép các loại có kích th−ớc 0,8ữ1,2mm. Vật liệu đúc compozit hệ hợp kim đồng - hạt thép có thể sử dụng để chế tạo nhiều loại chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn Tribology. Vì vậy, sản phẩm đặc tr−ng để chọn đối t−ợng nghiên cứu là các loại bạc tr−ợt, ống lót, các loại tấm chịu mài mòn... Phạm vi sử dụng bạc compozit trong giai đoạn hiện nay của các hãng chế tạo là: - Đ−ờng kính bên trong của bạc: ≥ 10mm 7 - Đ−ờng kính bên ngoài của bạc: ≤ 1.000mm - Chiều cao của bạc: ≤ 300mm - Thành dày của bạc: từ 5mm ữ 100mm - Nhiệt độ làm việc: ≤ 800°c - Tải trọng: ≤ 50 Mpa - Tốc độ ma sát: 20 m/s - Độ chịu mài mòn: + Trong điều kiện không có bôi trơn: 30mg/cm2 - km + Trong điều kiện có bôi trơn: 10mg/cm2 - km Vật liệu đúc hệ hợp kim đồng - hạt thép bao gồm nền cơ bản là đồng hợp kim mác ЬРОЦС-5.5.5 và ЬРОЦС 6-6-3 và pha cứng là hạt thép CT45 và ШХ15. Vật liệu đúc compozit, theo cơ sở lý thuyết Tribology là hệ vật liệu cấu trúc lớn, đồng đều hợp lý nhất, ở đó các hạt thép đ−ợc phân bố đều trong lòng hợp kim nền đồng của vật đúc. Khi làm việc, lực tác dụng chủ yếu lên các pha rắn, các hợp kim nền có tác dụng phân tán, giải phóng lực. Các nguyên tố trong cấu trúc đ−ợc đ−a vào để thực hiện những chức năng khác nhau: Hạt thép (pha rắn) có độ bền cao đảm bảo cho vật liệu có khả năng chịu tải, chịu mài mòn lớn, hợp kim đồng (pha mềm) có tác dụng làm hình thành các lớp màng mỏng bảo vệ bề mặt tiếp xúc, giảm ma sát khi vật liệu làm việc. 8 1.2 Ph−ơng pháp đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và cho sản xuất ra nhiều sản phẩm đúc bimêtal từ những năm 35.. 45 của thế kỷ tr−ớc, tiêu biểu là bộ đôi thép các bon và hợp kim đồng, để làm bạc cho các chiến xa phục vụ thế chiến thứ hai. Đã xuất hiện những dây truyền sản xuất hiện đại chuyên đúc sản phẩm bạc bằng vật liệu bimêtal (nhà máy ô tô Zil Liên xô cũ). Đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim là sự liên kết chặt chẽ giữa hai hay nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim có những thành phần hoá học khác nhau trong khuôn đúc. Vật đúc nhiều lớp hợp kim cho phép tạo ra những tính năng kĩ thuật mới, đặc biệt là tính năng sử dụng. Nó có đ−ợc mọi tính −u việt cần thiết của mỗi lớp kim loại, nên chi tiết sẽ có hiệu quả sử dụng cao nhất, khối l−ợng thấp nhất. Những chi tiết này nhờ tính liên kết bề mặt hai lớp, hoặc là nhờ tổng hợp thành phần của nhiều lớp kim loại, nâng cao đ−ợc cơ lý tính của chi tiết. Vật liệu đúc nhiều lớp đ−ợc chế tạo bằng nhiều ph−ơng pháp khác nhau trên cơ sở đảm bảo sự liên kết vững chắc của các loại hợp kim hình thành chi tiết máy. Hiện nay ng−ời ta biết hai ph−ơng pháp công nghệ cơ bản (6,7,8): - Ph−ơng pháp công nghệ của pha lỏng + pha rắn. Đó là nung phần hợp kim rắn tới nhiệt độ nhất định và rót kim loại lỏng vào khuôn. Do ở nhiệt độ cao, trên bề mặt các lớp sẽ xẩy ra hiện t−ợng khuếch tán các nguyên tố của các pha lỏng vào pha rắn tạo nên sự liên kết của các lớp kim loại. - Ph−ơng pháp công nghệ của pha lỏng + pha lỏng. Đó là: trong cùng một khuôn rót hai kim loại lỏng tại hai thời điểm khác nhau. Sự khuếch tán giữa hai kim loại lỏng (nh−ng không hoà tan) sẽ tạo nên sự liên kết của các lớp kim loại trong khuôn. Công nghệ đúc nhiều lớp đ−ợc phát triển trên cơ sở kinh nghiệm công nghệ đúc hai lớp (bimetal) hợp kim, tiếp xúc nhau mà không hoà tan, đồng thời là kết quả nghiên cứu quá trình liên kết giữa pha lỏng + pha rắn và pha lỏng + pha lỏng. áp dụng công nghệ đúc nhiều lớp cho phép giảm chi phí vật liệu, giảm 9 trọng l−ợng máy móc thiết bị, giảm chi phí lao động. Bởi đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp này sẽ đáp ứng tốt nhất các yêu cầu, các đặc tính của chi tiết máy. Công nghệ đúc hai hay nhiều lớp hợp kim có thể tạo ra các chi tiết có hình dáng phức tạp. Đúc nhiều lớp hợp kim cho phép nâng cao độ bền, chống mài mòn cục bộ (vùng chống mài mòn theo ý muốn), tránh đựơc tính dòn và dễ vỡ của gang, hoặc của nhóm các bít, tạo nên hiệu quả kinh tế của vật liệu, nâng cao tính chất công nghệ của phôi và tạo ra tính chất cơ lý mới cho chi tiết. Đại bộ phận những giải pháp công nghệ các n−ớc chọn kim loại làm cốt là thép các bon kết cấu, đ−ợc chế tạo thành bán sản phẩm hoặc chi tiết, sau đó đ−ợc làm sạch bề mặt, tìm cách bảo vệ bề mặt đó chống ô xy hoá ở nhiệt độ nung nhất định, tiếp là nấu luyện hợp kim với thành phần theo ý muốn rồi rót vào khuôn, để nguội cùng khuôn, lấy ra kiểm tra chất l−ợng bám dính và cho đi gia công thành sản phẩm hoàn chỉnh. Ngoài ra, cũng có công nghệ đúc nhúng, hoặc đúc ly tâm. Đúc hai hay nhiều kim loại lỏng khác nhau kết hợp cùng lúc, hoặc theo thứ tự rót kim loại lỏng vào một khuôn cho sản phẩm bi mêtal. Việc nghiên cứu và ứng dụng thành công vật liệu compozit nền đồng – hạt thép một cách rộng rãi đã mở ra h−ớng mới trong trong ngành chế tạo chi tiết máy. Vật liệu cho phép nâng cao thời gian sử dụng thiết bị, tiết kiệm vật t− và các chi phí duy tu bảo d−ỡng. Chi phí đầu t− thiết bị và vật t− cho sản xuất thấp, khả năng tận dụng vật t− phế liệu cho phếp hạ giá thành sản phẩm. Vì vậy hiện nay nhiêu đơn vị tiếp tục nghiên cứu sâu vật liệu này. Do độ cứng, độ bền của nền hợp kim đồng thấp nên chịu lực nén ch−a cao. Để khắc phục vấn đề trên các nhà khoa học đang nghiên cứu bằng việc tạo một lớp vỏ thép. Nhờ lớp vỏ thép có độ bền cao hơn ta có thể yên tâm lắp thay thế cho các thiết bị chịu tải lớn và mở rộng giới hạn sử dụng của vật liệu. Đồng thời tiết kiệm đ−ợc một phần vật liệu quý, đắt tiền là hợp kim đồng và hạt thép. 10 Tác giả Ephimov sau khi khảo sát việc sử dụng sản phẩm đ−ợc chế tạo bằng công nghệ đúc nhiều lớp tại một số xí nghiệp của Liên xô cũ đã tổng kết theo (bảng 1). Bảng 1(Theo mác Liên Xô cũ) Chế tạo hàng loạt Sản phẩm theo công nghệ bimetal Tiết kiệm kim loại T T Tên sản pnẩm Vật liệu Khối l−ợng (kg) Bộ đôi bimetal Kim loại cơ bản Kim loại của phần làm việc Thép-gang HK(%) theo khối l−ợng Thép kết cấu (kg) 1 Bánh lăn Thép đúc 45 14.8 C45- gang cầu 9.5 5.3 - 6.3ữ8 2 Búa nghiền than Thép 45-T- 620 12.2 Thép 45- ИЧХ28 11.5 2.7 77 4.8ữ5.4 3 Tay gầu xúc Thép ЭИ- 256 87.4 Thép 45- thép X12 53.4 34 61 153 Các sản phẩm đúc bimêtan sử dụng thép kết cấu các bon trung bình cho phép tiết kiệm đ−ợc khoảng 60% nhu cầu đối với thép hợp kim cao. ЭИ-256, thép Mn13, BK .v.v. Tính chất vật đúc nhiều lớp hợp kim phụ thuộc rất nhiều vào chất l−ợng của tình trạng bề mặt tiếp xúc giữa các thành phần hợp kim, không đ−ợc phép có khuyết tật tại vùng tiếp xúc, vì ở đấy diễn ra quá trình phản ứng lý - hoá phức tạp và liên tục, nghiêm ngặt (7). Vì vậy việc làm sạch bề mặt và bảo vệ mặt kim loại rắn khi nung là vấn đề phức tạp cần tuân thủ quy trình nghiêm ngặt. Công nghệ mang tính kinh tế nổi bật khi mở rộng và phát triển công nghệ đúc hai hay nhiều lớp hợp kim. Đặc điểm là tiết kiệm lớn thép hợp kim và kim loại quý hiếm, tăng 1,5- 4 lần hệ số an toàn chi tiết, giảm 1,5 - 2 lần năng l−ợng, giảm chi phí cho phục vụ sản xuất, khấu hao thiết bị. 11 1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp và bạc compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép tại Việt Nam. Công nghệ đúc bimêtal đã đ−ợc mở ra bằng những đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ, nh−ng chủ yếu giới hạn ở sản phẩm đơn chiếc hoặc số l−ợng nhỏ chất l−ợng không ổn định, độ bền trong sử dụng ch−a cao, và cũng chỉ mới chọn bộ đôi hợp kim sắt + hợp kim màu.Đúc bạc thép + hợp kim đồng chì là sản phẩm và đối t−ợng tiêu biểu mà các cơ sở nghiên cứu, sản xuất trong n−ớc đã thực hiện nh−ng hiện nay cũng không còn nơi nào sản xuất. Viện công nghệ - thuộc Tổng cục Quốc phòng - Bộ Quốc Phòng đã nhiều năm đi sâu nghiên cứu chế tạo bạc bằng ph−ơng pháp đúc, ép và thiêu kết kim loại bột. Nh−ng đều dừng lại ở sản phẩm thí nghiệm hoặc tao ra các sản phẩm của đề tài. Nhà máy Điêzen Sông công đã đúc bạc thép + hợp kim đồng chì bằng ph−ơng pháp đúc nhúng. Nhiều cơ sở khác đã nghiên cứu và đúc thử loại sản phẩm trên bằng vật liệu là thép + hợp kim đồng - chì, với công nghệ đúc khác nhau: Nh− đúc nhúng, đúc ly tâm, đúc trong khuôn kim loại. Những v−ớng mắc lớn nhất mà công nghệ đúc bimêtal là tính bám dính, thiên tích, độ bền trong sử dụng không đều nhau. Đối với loại vật liệu khác nh− Gang - XAM (Zn + Al + Cu) nhà máy Z153 - TCKT Bộ Quốc Phòng đã đúc thành công gối đỡ trục máy cán cao su, bằng đúc bimêtal vỏ là gang xám, mặt làm việc là hợp kim kẽm - nhôm- đồng. Nh−ng rất tiếc cũng chỉ dừng ở đơn chiếc, mang tính chất dịch vụ cơ điện. Viện Công nghệ, thuộc Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp - Bộ công nghiệp nghiên cứu những cơ sở lý thuyết đúc bimêtal, một vài hợp kim khác nhau. Gần đây đã thành công trong triển khai công nghệ tạo sản phẩm đúc compozít kim loại bằng ph−ơng pháp thẩm thấu. Kết hợp công nghệ trên với lý thuyết về các ph−ơng pháp đúc nhiều lớp chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo bạc compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép. 12 Qua tình trạng trên cho thấy công nghệ đúc bimêtal nói chung thuộc loại đặc biệt phức tạp, cần có những nghiên cứu sâu hơn, cơ bản hơn thì mới có thể điều khiển quá trình công nghệ, tạo ra đ−ợc sản phẩm có chất l−ợng theo ý muốn. Riêng đúc bimêtal từ các vật liệu compozit thì ch−a có cơ sở nào nghiên cứu, chế tạo. 1.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp và compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép trên thế giới. Những năm 70 của thế kỷ XX tại Liên xô và châu Âu đã xuất hiện nhiều dây chuyền cán băng bằng vật liệu thép các bon và hợp kim đồng và những bộ đôi khác là sắt và kim loại màu. Trong đó có nhà máy ôtô hạng nặng Bela của Nga; Hiện nay Viện Vật lý và Công nghệ các kim loại và hợp kim thuộc Viện Hàn Lâm khoa học Ucraina đang nghiên cứu chế tạo bạc kompozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép và đã tạo đ−ợc những sản phẩm thí nghiệm đầu tiên. Những năm 80 của thế kỷ XX, một loạt những Trung tâm khoa học chuyên về đúc đã bắt tay vào nghiên cứu và xây dựng lý thuyết cơ bản về kim loại học, bản chất hiện t−ợng khuếch tán nguyên tử giữa hai hay nhiều hợp kim khác nhau, hiện t−ợng lý nhiệt, động lực học của quá trình hình thành phôi đúc hai hay nhiều lớp kim loại khác nhau. Đặc biệt là các hợp kim trên nền sắt. Xây dựng quy trình công nghệ đúc sản phẩm, lý thuyết về chọn bộ đôi cho đúc bi mêtal. Điển hình là những bộ đôi sau đây: Thép đúc 40Cr – Gang xám Thép đúc C 25 – Gang 280Cr28Ni4 Thép đúc C25 – Thép Cr12Mo Thép đúc C25 – Thép đúc Mn13 Thép đúc C25 – Hợp kim đồng 13 Từ những sản phẩm và vật liệu chọn bộ đôi nh− trên đã sử dụng có hiệu quả trong các ngành chế tạo máy, công nghiệp luyện kim, năng l−ợng, công nghiệp mía đ−ờng cũng nh− những ngành công nghiệp khác. 1.5 Nhu cầu phụ tùng sản xuất bằng ph−ơng pháp đúc nhiều lớp và bạc compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép. Thực tế trong công nghệ khai thác khoáng sản, cũng nh− trong các ngành chế biến, sản xuất xi măng, nhiệt điện, hàng năm sử dụng rộng rãi và với khối l−ợng rất lớn nhóm các phụ tùng chế tạo bằng vật liệu chịu mài mòn do ma sát và tác động va đập cao: Răng gầu xúc, búa đập than và đập đá từ thép mangan cao, tấm lót của các loại máy nghiền bằng gang hợp kim Crôm cao. Trong chế tạo dụng cụ cắt sử dụng hợp kim cứng BK, hoặc TK v.v . Nh−ng đứng về khối l−ợng sử dụng hữu ích trên mỗi chi tiết, chỉ chiếm tới 20ữ30%. Phần còn lại trở thành phế liệu, sắt thép vụn. Nhiều cơ sở áp dụng ph−ơng pháp hàn phục hồi, nh−ng chất l−ợng, và giá thành không chịu đựng đựơc (búa đập đá). Chỉ tính riêng các loại chi tiết chịu mài mòn va đập và ma sát, hàng năm cũng tới hàng nghìn tấn. Nhất là trong các ngành công nghiêp nhiệt điện và sản xuất xi măng, rất cần các loại bạc có thể làm việc chịu mài mòn tốt trong điều kiện tải trọng lớn, nóng bụi và không đ−ợc bôi trơn. Đây là ch−a kể đến nhu cầu chế tạo bạc trên vật liệu thép + hợp kim đồng thanh phục vụ chế tạo động cơ điêzel. Nh− vậy, nhiều nơi và nhiều ngành đang có nhu cầu sử dụng. Nếu có công nghệ bảo đảm chất l−ợng và sản xuất năng xuất mang tính công nghiệp cao sẽ đem lại nhiều lợi ích kinh tế , tiết kiệm đáng kể nguồn kim loại quý hiếm, tiết kiệm chi phí gia công, tạo b−ớc đột phá trong công nghệ vật liệu và chế tạo máy. Bạc compozit do Viện Công Nghệ chế tạo đã đ−ợc thị tr−ờng chấp nhận và có uy tín cao về chất l−ợng. Thời gian sử dụng của chi tiết chế tạo bằng vật liệu nêu trên kéo dài gấp từ 4 đến 5 lần so với các bạc chế tạo bằng hợp kim đồng tr−ớc đây.Với mục tiêu nâng cao chất l−ợng và tiết kiệm đáng kể chi phí chế tạo 14 chúng tôi muốn thay thế một phần vật liệu trên bằng thép - là vật liệu dễ kiếm và giá rẻ hơn. Chính vì vậy, đề tài sẽ chọn các chi tiết để nghiên cứu: Bạc hai lớp: Compozit nền đồng - hạt thép + lớp vỏ thép CT25 với các loại kích th−ớc và lắp cho nhiều thiết bị khác nhau. II. Phần lý thuyết cơ sở 2.1. Cơ sở lý thuyết công nghệ đúc nhiều lớp 2.1.1 Sự hình thành vùng chuyển tiếp giữa hai lớp tiếp xúc và liên kết nhờ quá trình khuếch tán. Một phần chi tiết (pha rắn) đ−ợc đặt sẵn trong khuôn đúc, khi rót kim loại lỏng xảy ra liên kết thành thể thống nhất. Hiện t−ợng trên có thể giải thích là kết quả của lực liên kết cơ học, lực dính bám, lực liên kết nguyên tử và quá trình khuếch tán tạo thành vùng tiếp xúc. Hình thành vật đúc nhiều lớp là quá trình công nghệ phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Trong đó có nhiệt độ nung phôi rắn và nhiệt độ rót kim loại lỏng, sự lựa chọn hợp lý bộ đôi hợp kim, công nghệ nung phôi rắn, công nghệ làm sạch bề mặt tiếp xúc... Xét về mặt cấu trúc hình học và sự phân bố của các cấu tử vật liệu gốc hợp thành, vật liệu compozit đ−ợc coi là hệ thống vật liệu có nền cơ bản không ổn định (biến đổi). Tuỳ theo yêu cầu của chi tiết về công nghệ chế tạo và tính làm việc, các thông số về cấu tử cứng và nền của vật liệu compozit đ−ợc thay đổi (kích th−ớc, hình học, thành phần, phân bố...) và theo mức độ khác nhau quyết định tích chất của chúng. Do vậy khi xác định nhiệm vụ chế tạo vật liệu compozit đầu tiên phải xác định cấu tử, sự hình thành pha cứng và lựa chọn thành phần cấu thành compozit. Các ph−ơng án tổ hợp phong phú của các cấu thành tuy đa dạng nh−ng phải theo một nguyên lý chung về phân tích tổng hợp các cơ lý tính hình thành và các điều kiện kinh tế kỹ thuật cụ thể (3). Một phần vô cùng quan trọng là lựa chọn đ−ợc thành phần trợ dung hợp lý. Nguyên tắc lựa chọn trợ dung có thành phần tổng hợp tối −u, có thể bảo vệ đ−ợc bề mặt ngay cả khi quá nhiệt độ nung không lớn. Đồng thời cũng là chất 15 tạo nên quá trình tinh luyện, làm sạch bề mặt khỏi các oxít (7). Điều này cho phép mở rộng khả năng ứng dụng những ph−ơng pháp tác dụng lý hoá cho quá trình đúc liên tục bằng công nghệ đúc nhiều lớp. Viện Vật lý các kim loại và hợp kim đã kết hợp cùng Viện hàn Paton (thành phố Kiép - Ucraina) nghiên cứu các tính chất hoá lý của hệ thống trợ dung và đã đ−a ra các thành phần trợ dung tổng hợp có hiệu quả cao. Đó là trợ dung có nhiệt độ tr−ớc cùng tinh của hợp kim trên cơ sở tổng hợp của muối Borát (Na2B4O7.10H2O) và axít Boríc (H2B4O7) với các thành phần hoạt hoá phụ khác. Loại trợ dung tổng hợp này có độ hoà tan các oxít kim loại cao, không bị phân huỷ ở nhiệt độ 1000 ữ 1100 0C, tăng mật độ của các ion trong cấu trúc. Chiều dày lớp màng phủ trợ dung ở nhiệt độ 1000 ữ 1100 0C khoảng 0,4 ữ 0,6 mm. Khi độ nhớt 4 ữ 6 Pa.c, sức căng bề mặt 200 ữ 210 Mdj/m2 và tỷ trọng 2,0 ữ 2,2 g/cm3. Góc bám tại bề mặt làm việc trong khoảng (15 ữ 20)0. Lớp trợ dung phủ này hoàn toàn cho phép bảo vệ nung mặt kim loại có nền sắt trong môi tr−ờng bình th−ờng của không khí, tạo điều kiện cho quá trình liên kết khuếch tán giữa kim loại lỏng và kim loại rắn. Lớp trợ dung bảo vệ tốt bề mặt kể cả trong tr−ờng hợp nhiệt độ nung có thể cao hơn nhiệt độ nóng chảy một chút, chúng có thể đóng vai trò trung hoà các oxít. Đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tinh luyện của xỉ gồm nhiều thành phần oxít (6). Khi rót kim loại lỏng vào kim loại rắn, hiện t−ợng khuếch tán bão hoà bề mặt th−ờng xuyên cản trở quá trình hoà tan. Khi đạt đ−ợc mật độ nhất định của các nguyên tố hợp kim sẽ xảy ra hiện t−ợng nóng chảy bề mặt. Theo định luật Nernsta đ−a vào khái niệm lớp biên giới bão hoà, trong đó đạt đ−ợc độ đậm đặc lớn nhất của kim loại hoà tan CA trong kim loại lỏng “B” Nh− vậy độ hoà tan của kim loại viết nh− sau: Trong đó: ∆J = D d CA 4 - CA 16 d- Chiều dày của lớp tại biên giới 2 lớp. CA- Mức độ kim loại hoà tan tại lớp gần biên giới với kim loại lỏng. D- Hệ số khuếch tán. Trên biên giới của hai lớp kim loại còn có thể xuất hiện một hiệu điện thế ∆U, do những hiện t−ợng cảm ứng nhiệt điện tử hoặc ion hoá các nguyên tử khuếch tán (1). Một quá trình đóng vai trò quan trọng là cần nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt của vật đúc bimêtan, trong đó có mối quan hệ tới việc lựa chọn cặp kim loại sẽ đúc bimêtan để đảm bảo tốt cho quá trình khuếch tán, tối −u hoá công nghệ chế tạo để đạt đ−ợc hiệu quả sử dụng cao nhất. Giáo s− tiến sĩ KOSTENKO (Viện vật lý công nghệ kim loại và hợp kim - Ucraina) đã nghiên cứu rất kỹ hiện t−ợng thẩm thấu, khuyếch tán của cặp bimêtan thép 25 - thép X12M trên các thiết bị phân tích hiện đại (hình 1). 17 Phân bố các nguyên tố hợp kim và cấu trúc của các khu vực trong vùng khuếch tán của kim loại lỏng và kim loại rắn trong vật đúc bimêtan. Hình 1 a) Đ−ờng cong phân bố đối với cặp bimêtan 40Cr - Gang xám. b) Cấu trúc của cặp bimêtan thép 25 - Cr12Mo. Vùng I: - Nền kim loại cơ bản đã có một số kim loại lỏng thẩm thấu tới. a b I IIIII I II III Vùng Cr, Mn Vùng Cu, Si 18 Vùng II: - Vùng giáp biên với kim loại cơ bản. ở đây có hiện t−ợng hoà tan nền kim loại cơ bản và thẩm thấu, khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại vào kim loại rắn. Vùng III:- Có cấu trúc và thành phần của kim loại phần làm việc của chi tiết bimêtan. Tỷ lệ thành phần các nguyên tố hợp kim tại các vùng của cặp bimêtan - thép25 và thép Cr12Mo Bảng 2 Thành phần (% theo trọng l−ợng) TT Vùng nghiên cứu C Si Cr Mn Fe Ni Mo 1 Vùng kim loại nền (1) 0,3 0,25 0,3 0,5 98,8 0,1 0,0 2 Vùng biên giới hai hợp kim (2)(lấy từ phía thép Cr12Mo, ch−a có các bít) 1,4 1,5 7 0,7 88,8 0,1 0,4 3 Vùng thép péclít Cr12Mo (3) 2,6 1,7 12,4 0,7 81,5 0,1 0,9 Qua bảng kết quả trên ta thấy tại vùng biên giới giữa 2 pha lỏng và rắn đã có hiện t−ợng khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại lỏng vào kim loại rắn. Nguyên tố khuếch tán đ−ợc nhiều nhất là Cr, sau đó là Si, C và Mo. 19 Hệ số khuếch tán DЭФ của các nguyên tố Bảng 3 Bộ đôi bimetal Nguyên tố khuếch tán DЭФ cm2/s Độ thấm sâu trong thời gian 100s, mkm Thép 20 Cr 1*10-10 4 Thép Cr12 Si 5*10-10 10 Mn 3,5*10-10 - Thép 25 Cr (1,2 ữ 1,5)*10-10 1 ữ 3 Gang Cr28Ni2 Ni 2,5*10-10 5 Si (4,0 ữ 4,5)*10-10 10 Thép 25 Mn 4*10-10 10 Gang Si 6*10-10 10 Ghi chú: Khoảng nhiệt độ khuếch tán 1400 ữ 1420oC, 1250oC. Trong điều kiện môi tr−ờng phù hợp (nhiệt độ nung, nhiệt độ rót kim loại vào khuôn có vật cấy, khoảng thời gian ở nhiệt độ đó) bề mặt chi tiết cấy có độ nhấp nhô cho phép, hoặc không bị ôxy hoá...) Lực liên kết nhờ quá trình khuếch tán đóng vai trò hết sức quan trọng. Ng−ời ta đã xây dựng đ−ợc những quy luật phụ thuộc giữa nhiệt độ nung, nhiệt độ rót, của hai thành phần lỏng + rắn (gang - thép) là chi tiết cấy và bề dày vùng tiếp xúc đ−ợc tạo nên. Khi nghiên cứu mối liên hệ của nhiệt độ rót, nhiệt độ nung phôi và nhiệt độ bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp gang lỏng và rắn, ng−ời ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ nung của pha rắn có thể giảm đ−ợc nhiệt độ quá nhiệt tr−ớc khi rót 20 của kim loại lỏng vẫn có thể đảm bảo bề mặt tiếp xúc có nhiệt độ đảm bảo cho sự khuếch tán (1130 ữ 1160oC). Khi nghiên cứu các thông số nhiệt độ lõi thép, bề dày lớp tiếp xúc và nhiệt độ rót ng−ời ta đã vẽ đ−ợc đồ thị trên phụ thuộc vào nhiệt độ rót gang lỏng. Đồ thị cho thấy rằng bề dày lớp tiếp xúc của hai kim loại tăng tỷ lệ thuận với sự gia tăng của nhiệt độ nung lõi thép và nhiệt độ rót. Không thể đạt đ−ợc hình thành vùng tiếp xúc nếu bản chất biên độ dao động của nguyên tử thuộc hai thành phần nhỏ hơn khoảng cách giữa hai chi tiết khi tiếp xúc... Sự di chuyển các bon từ gang vào thép ở trạng thái nung có thể theo quy luật nh− sau: Trên bề mặt chi tiết bằng thép cấy bão hoà các nguyên tử các bon từ gang lỏng rót vào. Một phần bề mặt chi tiết thép bị tan. Chính nhờ hiện t−ợng tan bề mặt chi tiết thép mà xuất hiện hiện t−ợng khuếch tán nguyên tử các bon từ gang sang thép, đồng thời trong điều kiện trên cũng khuếch tán các nguyên tố khác nh− Si, Mn, Cr, Mo (8). Nh− vậy, công nghệ đúc hai hay nhiều lớp thực chất là mối liên kết và tạo lớp tiếp xúc hình thành trên các nguyên lý tổng hợp các lực liên kết nguyên tử và sự thẩm thấu, khuếch tán giữa các lớp hợp kim. 21 2.1.2 Sự hình thành liên kết cơ. Quá trình mở rộng sản xuất các chi tiết bằng công nghệ đúc nhiều lớp yêu cầu có những nghiên cứu cơ bản về công nghệ. Trong đó phải nghiên cứu các hiện t−ợng thuỷ động học xảy ra trong vật đúc, các hiện t−ợng giữa hoặc trên bề mặt các pha, trạng thái ứng suất nhiệt. Các điều kiện thuỷ động học để hình thành các chi tiết theo công nghệ đúc nhiều lớp đ−ợc xác định bằng các định luật chuyển động của kim loại lỏng trong các phần mỏng với tính toán có sự chuyển biến pha, tuân thủ theo ph−ơng trình nhiệt (10): ∆G - Khối l−ợng Kl chảy qua tiết diện ∆F C - Nhiệt dung; T1 - Nhiệt độ rót ban đầu T2 - Nhiệt độ dòng chảy δ - Chiều dày lớp cần rót TΦ - Nhiệt độ của khuôn Nus - Hệ số không đơn vị ~ 1 λ - Độ dẫn nhiệt Công thức cho thấy khi thay đổi đại l−ợng hệ số trao đổi nhiệt Nus. Ví dụ có thể cho một tác dụng nhiệt bên ngoài hoặc tác động của từ tr−ờng thì có thể đẩy nhanh qúa trình hình thành vật đúc bimetal. Do đó có thể tìm ra những biện pháp công nghệ hữu hiệu khi chế tạo vật đúc bimetal. Ng−ời ta thấy rằng lực căng bề mặt cũng đóng vai trò đáng kể trong việc hình thành vật đúc có nhiều lớp. Khi trợ dung có hoạt tính cao có thể làm giảm sức căng bề mặt giữa kim loại lỏng và trợ dung (бPL), làm tăng sức căng bề mặt trên biên giới giữa vật rắn và trợ dung (бPR), do đó tăng khả năng bám dính của kim loại lỏng trên bề mặt pha rắn và từ đó có thể viết ph−ơng trình: φ δ λ TT TTLnC FNusG − − ∆=∆ 1 12.. ..2 22 Trong đó: θ - Góc bám dính бLR - Sức căng bề mặt trên biên giới vật rắn và kim loại lỏng. Thuần tuý chỉ có liên kết cơ là hiện thực trong tr−ờng hợp nếu kim loại lỏng không bám dính chặt toàn bộ bề mặt chi tiết trạng thái rắn và giữa chúng không xảy ra bất cứ phản ứng hoá học nào. Để sinh ra lực liên kết cơ học, chi tiết rắn (vật cấy) khi đựơc rót kim loại lỏng, trong quá trình kết tinh đông nguội phải tạo ra sự co ngót, nhờ sự co ngót sinh ra lực ép theo ph−ơng thẳng đứng tới bề mặt vật cấy ( PN), xét vật thể hình trụ đặc hoặc hình trụ rỗng có thể dùng công thức sau đây: Trong đó: δ - Đại l−ợng ngót; dk - Đ−ờng kính ngoài chi tiết cấy, là đ−ờng kính trong vật đúc bao bọc d1 d2 ------- --------- K1 = dk và K2 = dk K1 và K2 tỷ lệ chiều dày (d1 - đ−ờng kính trong chi tiết cấy; d2 - Đ−ờng kính ngoài mà vật đúc) Theo hình vẽ: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− += àà δ 2 1 2 1 2 2 1 2 1 1 1 11 1 11 K K EK K E dkPN d1 dk d2 PL LRPRCos σ σσθ −= 23 E1 và E2 Hệ số đàn hồi giữa chi tiết cấy dạng cứng và phần hợp kim lỏng đ−ợc rót. à1 và à2 - Hệ số Poan xơ. Để phần rắn của chi tiết và hợp kim lỏng gắn chặt vào nhau, nếu chỉ liên kết cơ thuần tuý, ng−ời ta chế tạo trên vật cấy dạng trụ là tạo ren. Liên kết này t−ơng đối bền chặt nhờ liên kết cơ, và lực ngót bao chặt. 2.2 Công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền đồng - hạt thép Qua những nghiên cứu bằng các thiết bị hiện đại, các nhà khoa học đã rút ra kết luận về cơ chế chịu mài mòn của vật liệu đúc compozit hệ hợp kim nền đồng hạt thép nh− sau: Khi có lực tác dụng, ở thời kỳ đầu lực ma sát chủ yếu làm hình thành và nghiền nhỏ các hạt cacbit sắt. Chúng đ−ợc các hợp kim đồng liên kết lại, khi đó hình thành lớp vật liệu chịu ma sát có mật độ phân bổ ở chiều sâu dày hơn ở bề mặt. Lớp hạt cacbit sắt cực mỏng luôn ở trạng thái chuyển động và do đó đ−ợc thấm dần bằng vật liệu cơ bản - là hợp kim đồng. Do ảnh h−ởng của lực ma sát, bề mặt làm việc phát nhiệt và tăng dần nhiệt độ. Tác động của nhiệt độ tiếp xúc cao, trên bề mặt lớp màng phân cách xảy ra quá trình oxy hoá đồng và sắt, đ−a các oxit ra khỏi vùng ma sát. Kết quả của quá trình trên tạo ra trên bề mặt ma sát của vật liệu compozit một lớp hạt cacbit sắt cực nhỏ mịn và bền chắc. Chúng đ−ợc liên kết vững chắc với nhau và với vật liệu cơ bản là nền đồng, tạo ra một màng mỏng có cấu trúc phức tạp. Lớp ngoài cùng hình thành chủ yếu từ các oxit dày khoảng 70 – 100àm, lớp trong dày khỏang 900 – 1000àm hình thành chủ yếu từ hỗn hợp oxit đồng và cacbit sắt. Lớp này làm giảm lực ma sát, đảm bảo cho vật liệu compozit có độ chịu mài mòn cao mà không làm cho trục bị mài mòn.Đặc tính −u việt này càng thể hiện rõ hơn khi làm việc ở nhiệt độ cao kể cả khi làm việc ở 800°c (3). Các nhà khoa học cũng tiến hành nghiên cứu khi vật liệu đúc compozit nền đồng - hạt thép làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau, ở chế độ biến động về momen ma sát, thay đổi nhiệt độ từ 0 - 600°c, trong điều kiện có bôi trơn và ở điều kiện khô, khắc nghiệt, khó hoặc không thể bôi trơn. 24 Các thí nghiệm cho thấy vật liệu trên làm việc khá tốt ở các điều kiện trên và ổn định ở khoảng nhiệt độ 200°c, thời gian sử dụng tăng từ 1,5 - 5 lần. Vì vậy, rất phù hợp với các thiết bị của các ngành luyện kim, xi măng, khai thác mỏ ... Các giai đoạn chính để hình thành vật đúc compozit khi kết hợp các pha ở trạng thái lỏng là: Khi rót, hợp kim nền sẽ thấm và bao bọc các hạt cùng lúc với sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha rắn. Tác dụng hoá học và khuyếc tán xảy ra trên biên giới của các pha. Đồng thời sự hoà tan, chảy lỏng cùng với sự hình thành dung dịch rắn, các hợp chất hoá học và các hợp chất đa nguyên. Sau đó diễn ra sự kết tinh của kim loại nền và quá trình làm nguội phôi. Sự tác động lẫn nhau giữa các nguyên tố ở các giai đoạn hình thành vật đúc compozit tạo nên sự liên kết cơ học, sự bám dính, khuếch tán dung dịch, sự tiếp xúc tích cực của các hạt rắn và kim loại nền (3). Để có đ−ợc vật liệu compozit với chất l−ợng đạt yêu cầu, tạo đ−ợc tổ chức đã đặt ra bằng sự liên kết của các thành phần cấu thành, cần phải tối −u hoá các thông số trên tất cả các giai đoạn của quá trình công nghệ. Đó là: chọn vật liệu đầu vào, công nghệ chuẩn bị liệu, rót kim loại lỏng, làm nguội phôi và các công việc kết thúc quá trình tạo phôi. Chức năng quan trọng nhất của giai đoạn đầu là chuẩn bị các nguyên liệu hạt cho quá trình tiếp xúc với hợp kim nền: Tạo đ−ợc pha rắn có cỡ hạt và độ sạch cần thiết. Làm sạch và hoạt hoá bề mặt các cấu tử là nguyên công vô cùng quan trọng. Bởi vì nó đảm bảo cho quá trình rót không bị lẫn các tạp chất có hại, sự tiếp xúc toàn diện và liên kết bền chắc giữa các nguyên tố của vật liệu đúc compozit nhằm đạt đ−ợc chất l−ợng sản phẩm cao. Làm sạch và hoạt hoá bề mặt các cấu tử để đúc compozit có thể bằng ph−ơng pháp hoá học, nhiệt học, mài va đập. Ví dụ: làm sạch các hạt thép trong các máy nghiền trộn, tang quay lục lăng, máy nghiền rung, máy nghiền bi... Ph−ơng pháp làm sạch này bị hạn chế bởi độ bền, độ cứng, của các hạt so với bề mặt nghiền của thiết bị. Ngoài ra còn có công nghệ làm sạch trong lớp giả sôi hoặc luồng khí xung động, khi đó làm sạch cơ học xảy ra do sự va chạm giữa các hạt hoặc va đập vào các vật chuyên dùng. Để tăng các điêù kiện tiếp xúc giữa các thành phần của vật liệu đúc compozit th−ờng 25 dùng lớp phủ công nghệ bằng muối bari. Lớp phủ này bảo vệ các sợi và các hạt không bị tác động đột ngột với kim loại nóng chảy. Quá trình kim loại hoá các hạt thuỷ tinh và gốm có thể bằng các ph−ơng pháp: nhiệt chân không, điện phân, ma sát va đập, phun bụi và các ph−ơng pháp khác. Sự tác động của các hạt rắn với kim loại lỏng có hoạt tính cao, dẫn đến hàng loạt các yêu cầu đối với vật liệu để đúc compozit . Đó là: Hợp kim nền cần có độ chảy loãng cao, nhiệt nóng chảy thấp, khoảng kết tinh ngắn, độ co ngót thấp nhất. Điều rất cần thiết là hợp kim nền cần dễ nóng chảy, thấm đ−ợc trên bề mặt của hạt cấu tử và pha rắn nói chung. Vật liệu của các hạt cấu tử phải bền nhiệt ở nhiệt độ hình thành vật đúc compozit . Tỉ trọng của vật liệu nền và các hạt nền không đ−ợc chênh lệch nhiều, nh−ng nhiệt độ nóng chảy của các hạt pha cứng phải cao hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu nền (1). Vật liệu đầu vào dùng để đúc vật liệu compozit cần đ−ợc lựa chọn tốt, sao cho biên giới của các pha có cấu trúc đồng nhất và không ảnh h−ởng tới chất l−ợng của vật đúc compozit. Độ hoà tan t−ơng đối giữa các nguyên tố phải ở mức thấp nhất. Sau khi thử nghiệm nhiều lần với các giải pháp chúng thấycông nghệ đúc thẩm thấu - là ph−ơng pháp phù hợp nhất với điều kiện thiết bị và vật liệu của Việt nam. Những vật liệu sử dụng cho việc chế tạo bạc tr−ợt bằng vật liệu đúc compozit đ−ợc là: Hạt thép ШΧ-15 hoặc У-8, chế tạo trong n−ớc, đồng thanh БpOЧC 5-5-5 hoặc 6-6-3 (có thể dùng phế liệu của chúng), cồn công nghiệp, muối Bo Na2B4O7, KCl và NaCl, axit Boric. Đồng thời với quá trình chuẩn bị vật liệu, phải tiến hành chế tạo khuôn, ruột. Khuôn có thể sử dụng điện cực Grafit hoặc khuôn bằng kim loại. Trợ dung bằng muối Na2B4O7, axit Boric, KCl và NaCl, phải nghiền nhỏ tới cỡ hạt 0,5 mm. Hạt thép đ−ợc làm sạch bằng cồn và muối Na2B4O7. Nấu phôi đồng hợp kim theo mác qui định bằng lò cảm ứng trung tần. Làm sạch và cắt phôi theo kích th−ớc và trọng l−ợng đã tính toán phù hợp với chi tiết cần đúc. Tiến hành đúc thẩm thấu trong lò phản xạ có thể điều chỉnh đ−ợc nhiệt độ ở giới hạn max = 13000C, đảm bảo đ−ợc nhiệt độ đồng đều trong toàn 26 bộ buồng làm việc của lò. Đặc biệt theo chiều cao của buồng lò. Hiện tại chúng ôi sử dụng lò đốt bằng gaz tự động điều chỉnh theo quy trình đã xác định. Hình 2: Sơ đồ công nghệ chế tạo chi tiết bằng ph−ơng pháp đúc thẩm thấ Pha rắn Hoạt hoá Ráp khuôn Nung thẩm thấu Làm nguội ngoài không khí Gia công cơ khí tinh Nung khuôn Chất liệu Gia công cơ khí Nghiệm thu chất l−ợng Nấu kim loại Rót khuôn Chất trợ dung 27 2.3 Công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền đồng - hạt thép + lớp vỏ thép. Ph−ơng pháp đúc bạc compozit nền đồng - hạt thép + lớp vỏ thép đ−ợc thực hiện dựa trên nguyên lý của hai công nghệ: - Công nghệ tạo vật liệu compozit nền đồng – hạt thép. - Công nghệ đúc vật liệu bao gồm hai hay nhiều lớp. Vì vậy cần nghiên cứu những vấn đề phức tạp của nhiều mối liên kết giữa pha lỏng ( pha nền) là các hợp kim đồng với (pha rắn) là hạt thép và vỏ thép. Độ bền của các mối liên kết đó đ−ợc hình thành bao gồm tất cả những hiện t−ợng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ nhất định để tạo ra vật liệu. - Đó là quá trình xảy ra phản ứng hóa học giữa các nguyên tố hóa học có trong thành phần của pha rắn và pha lỏng, bao gồm đồng, nhôm, chì, thiếc, kẽm, sắt v.v và một số loại oxít tạo nên các hợp chất hóa học phức tạp và những hợp kim đa nguyên tố. - Sự hình thành mối liên kết do quá trình nóng chảy một phần của pha cứng hòa tan vào pha lỏng và ng−ợc lại. - Trong quá trình nung thẩm thấu d−ới tác động của nhiệt độ nhất định xảy ra hiện t−ợng khuyếc tán các nguyên tố hợp kim. Kim loại pha lỏng vào pha rắn và ng−ợc lại. - Sự hình thành liên kết cơ giữa các phần tử hợp kim và kim loại trong các pha nền và pha rắn. Trong thực tế các hiện t−ợng trên diễn ra ở mỗi điều kiện đều khác nhau và rất khó xác định. Có lúc chỉ xảy ra phản ứng hóa học hoặc khuyếc tán. Có khi xảy ra tất cả các hiện t−ợng trên nh−ng ở mức độ khác nhau và rất khó xác định, hiện t−ợng nào nhiều hơn hoặc ít hơn. Vì vậy các nhà khoa học đang cố gắng 28 nghiên cứu các thông số, các quy luật để nắm bắt và điều khiển đ−ợc những hiện t−ợng trên ở mức độ tối đa. Từ đó tạo nên đ−ợc chất l−ợng vật liệu gần nh− mong muốn theo yêu cầu. Các nghiên cứu cũng cho thấy rằng không có mối liên kết cơ trong quá trình hình thành vật liệu compozit nền đồng – hạt thép hay nói đúng hơn là là không xuất hiện mối liên kết cơ giữa đồng và sắt. Hình 3 - Giản đồ đồng - sắt 29 Hình 4 - Biểu đồ vùng khuyếc tán t−ơng tác giữa đồng và sắt 30 Hình 5 - Sự thấm của các loại hợp kim đồng đối với các loại hợp kim đen khác Hình2.7.1.- Thép các bon Hình 2.7.2 – Thép Vòng bi Hình2.7.3.- Gang th−ờng 1- Đồng 2- Hợp kim đồng thanh БрOo10-1 3- Hợp kim đồng thanh БрA 9-4 4- Hợp kim đồng thanh Бр KMnU 3-1 31 III. Mục tiêu và nội dung đề tài: 3.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tìm ra công nghệ chế tạo bạc compozit nền hợp kim đồng Броцc 5–5-5 và hạt thép Y7 + vỏ thép C25 .ứng dụng công nghệ đúc bimêtal vào chế tạo phụ tùng, chi tiết chịu mài mòn, từng b−ớc xây dựng công nghệ chế tạo thiết bị chuyên dùng, trang bị công nghệ cho dây chuyền chế tạo vật liệu. Trên cơ sở kinh nghiệm và kết quả thu đ−ợc của công nghệ, tiếp tục nghiên cứu về lý thuyết và ứng dụng vào sản xuất phụ tùng cho các ngành công nghiệp. - Kiểm tra và xây dựng bộ ảnh kim t−ơng vùng trực tiếp tiếp xúc giữa hai lớp kim loại. 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo sản phẩm - Nghiên cứu công nghệ xử lý bề mặt của kim loại rắn tại những vùng tiếp xúc hợp kim lỏng. - Nghiên cứu công nghệ đúc, chế tạo khuôn kim loại hoặc ph−ơng pháp làm khuôn khác để đúc sản phẩm. - Nghiên cứu công nghệ xử lý khả năng bám dính khi đúc compozit nền đồng - hạt thép + vỏ thép - Kiểm tra, đánh giá chất l−ợng sản phẩm . - Đ−a sản phẩm đi lắp, chạy thử tại hiện tr−ờng. Theo dõi chất l−ợng trong quá trình sử dụng. - Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo các bạc compozit nền đồng, hạt thép + vỏ thép trên cơ sở công nghệ đúc hai hay nhiều lớp. 32 IV. đặc tính sử dụng và vật liệu của các sản phẩm ứng dụng 4.1. Điều kiện kỹ thuật của vật liệu chế tạo các sản phẩm ứng dụng. Những sản phẩm ứng dụng là các loại bạc chịu tải trọng lớn, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn khắc nghiệt, có thể có hoặc không có bôi trơn. Vì vậy, những vật liệu cấu thành trong sản phẩm đều phải đáp ứng đ−ợc các yêu cầu kỹ thuật trên. Vật liệu compozit nền đồng – hạt thép có khả năng làm tốt chức năng chịu mài mòn, phần chịu tải trọng đ−ợc gia c−ờng bằng lớp vỏ thép có độ bền cao hơn hợp kim đồng. Về công nghệ cho phép tạo đ−ợc khả năng khuyếch tán, tạo thành các hợp kim đa nguyên tố đảm bảo cho khả năng liên kết giữa lớp hợp kim đồng và vỏ thép. Chúng tôi chọn thép các bon th−ờng. + Thành phần hoá học của thép các bon th−ờng nh− sau: Bảng 4 Thành phần hoá học; % Mác thép C Si Mn Cr P; S Thép 25 0,20 - 0,30 0,17- 0,37 0,35- 0,65 0,35- 0,5 < 0,003 Thép 30 0,27- 0,35 0,17- 0,37 0,5 - 0,8 0,35- 0,5 < 0,003 + Cơ lý tính của mác thép: Phụ thuộc vào tạp chất của mác thép đặc biệt là %P và %S , thông th−ờng chia ra 03 cấp chât l−ợng, chủ yếu sẽ có độ chênh lệch cơ lý tính. D−ới đây chỉ nêu các thông số cơ lý tính của thép các bon chất l−ợng và sau th−ờng hoá: 33 Bảng 5 Cơ lý tính Mác thép бs (MPa) бb (MPa) δ (%) ϕ (%) ak (MPa) Thép 25 240 450 19 30 40 Thép30 260 480 17 30 35 - Thành phần hoá học của hợp kim đồng ЬРОЦС-5.5.5 : Thành phần hoá học; % Mác hợp kim Pb Zn Sn Cu ЬРОЦС-5.5.5 4,0 - 6,0 4,0 – 6,0 4,0 – 6,0 Còn lại - Cơ lý tính hợp kim đồng ЬРОЦС-5.5.5: Cơ lý tính Mác hợp kim бb (MPa) δ (%) HB ЬРОЦС-5.5.5 180 4 60 Qua qúa trình nghiên cứu các nhà khoa học thấy rằng đồng là nguyên tố có khả năng khuếch tán mạnh vào trong thép. Sự liên kết cơ, sự bám dính, khuếch tán cao đã tạo nên khả năng tạo ra bạc compozit nền đồng hạt thép + vỏ thép có độ bền tổng hợp cao, tiết kiệm đ−ợc vật liệu đồng và hạt thép. Nền đồng là pha bôi trơn, hạt thép là pha chịu mài mòn và vỏ thép tăng khả năng chịu lực nén của bạc. 34 Bạc compozit hai lớp nền đồng hạt thép + vỏ thép mang đủ đặc tính −u việt của vật liệu compozite nền đồng hạt thép. Đó là vật liệu tổ hợp có thể chịu mài mòn cao, chịu đ−ợc tải trọng, làm việc ở nhiệt độ cao. Trong điều kiện nh− trên thời gian có thể gấp 3 - 5 lần bạc đồng bình th−ờng cùng mác vật liệu với nền đồng. Khi có lớp vỏ thép khả năng chịu lực của vật liệu đ−ợc tăng lên. Vật liệu đúc hai lớp Compozite nền đồng hạt thép + vỏ thép cho phép tiết kiệm chi phí sửa chữa thiết bị, tận dụng các vật t− phế liệu và nguyên liệu đồng và hạt thép. Chi phí đầu t− công nghệ và các trang thiết bị thấp, hiệu quả đầu t− cao. Vì dùng luôn lớp vỏ thép làm khuôn, nên so với chế tạo vật liệu compozit nền đồng + hạt thép thì đúc hai lớp vật liệu này tiết kiệm khá lớn chi phí chế tạo khuôn. 4.2 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của bạc thải xỉ than. Bạc thải xỉ than dùng để đỡ hai đầu trục vít thải xỉ than với chức năng vận chuyển xỉ than sau khi đốt của x−ởng lò Công ty nhiệt điện Ninh Bình. Bạc thải xỉ than làm việc liên tục ở chế độ mài mòn cao, trong điều kiện vô cùng khắc nghiệt là nóng, bụi, không đ−ợc bôi trơn và luôn luôn nằm trong n−ớc. Loại bạc này đ−ợc Viện Công Nghệ chế tao bằng vật liệu compozit nền đồng - hạt thép và đã cấp cho Công ty nhiệt điện Ninh Bình từ năm 2003. Qua theo dõi thống kê của đơn vị sử dụng, chúng có thời gian sử dụng gấp 3 -4 lần bạc đồng đã lắp trên máy tr−ớc đây. Bản vẽ đ−ợc trình bày ở phần phụ lục. 4.3 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của bạc vít tải than. Bạc vít tải than làm việc liên tục ở chế độ mài mòn cao, không có bôi trơn, trong điều kiện vô cùng khắc nghiệt là nóng, bụi và luôn luôn bị vùi trong bột than. Loại bạc này đ−ợc lắp vào gối đỡ của băng chuyền vít tải để vận chuyển bột than giữa các lò của phân x−ởng lò. Bạc vít tải than từ năm 2000 Viện Công Nghệ đã chế tao bằng vật liệu compozit nền đồng - hạt thép và đ−ợc Công ty 35 nhiệt điện Ninh Bình lắp chạy thử rất tốt. Thời gian sử dụng gấp 3- 4 lần bạc gang đã sử dụng tr−ớc đây. Bản vẽ đ−ợc trình bày ở phần phụ lục. 4.4 Đặc điểm cấu tạo và điều kiện làm việc của bạc đồng máy xúc . Bạc đồng máy xúc đ−ợc đề tài chọn làm sản phảm chế thử gồm 3 loại: - Bạc trục đứng trung tâm - Bạc bánh căng xích. - Bạc bánh đỡ xích Các loại bạc trên đều làm việc ở điều kiện tải trọng lớn, thiết bị vận hành trong điều kiện mấp mô, phức tạp, có bôi trơn. Điều kiện tháo lắp phức tạp, rất tốn kém về kinh phí nên yêu cầu độ bền và chất l−ợng cao, đảm bảo cho thiết bị chạy an toàn, ổn định, lâu dài. Tr−ớc đây đã sử dung bạc đồng trong n−ớc chế tạo nh−ng chất l−ợng kém, không đáp ứng đ−ợc thời gian sử dụng. Từ năm 2004 chúng tôi đã mạnh dạn phối hợp với Công ty Apatit Lào Cai sử dụng vật liệu compozit nền đồng - hạt thép. Thời gian làm việc của loại bạc làm bằng vật liệu trên cao hơn 1,5 – 2 lần bạc đồng nhập ngoại. Tuy vậy do tải trọng làm việc của máy xúc rất lớn ( khoảng 150 tấn) nên rất cần gia c−ờng bằng vỏ thép - vật liệu có độ bền cao hơn. V. Quy trình chế tạo bạc compozit nền đồng hạt thép + lớp vỏ thép. 5.1 Thiết kế khuôn kim loại Các loại khuôn kim loại đ−ợc chế tạo bằng vật liệu thép các bon CT3. Bởi vì các vỏ khuôn đóng vai trò là lớp vỏ thép của bạc nên đ−ợc tạo phôi đúc. Các phôi sau khi đúc xong đ−ợc gia công bề mặt bên trong bảo đảm độ bóng t−ơng đ−ơng ∇5, sạch, không rỉ bẩn. Sau đó vỏ khuôn đ−ợc hàn đáy, lõi, phần đậu ngót 36 và bộ phận chứa liệu theo các kích th−ớc đã đ−ợc thiết kế phù hợp với mỗi loại phôi. Bản vẽ khuôn các loại bạc đ−ợc trình bày ở phần phụ lục. 5.2 Lựa chọn thiết bị. Thiết bị để tiến hành đúc thẩm thấu các loại bạc compozit đ−ợc lựa chọn là lò gaz hiện có của Viện Công Nghệ. Nhiệt độ của lò có thể đạt tới 1200°C. Quá trình chạy lò đ−ợc điều khiển theo ch−ơng trình đặt sẵn. Vì vậy chế độ nhiệt, thời gian lên và giữ nhiệt của quy trình đ−ợc tuân thủ thực hiện chính xác và nghiêm ngặt. Do đó chất l−ợng sản phẩm đ−ợc đảm bảo theo sự tính toán của ng−ời thực hiện. Hình 6 - Thiết bị nung – Lò gaz và khuôn tạo phôi các loại bạc compozit sau khi kết thúc quá trình nấu chảy và thẩm thấu 37 5.2 Chuẩn bị các điều kiện vật t− kỹ thuật cho mẻ nấu. - Vỏ khuôn và khay chứa khuôn: Khuôn đ−ợc chế tạo theo kích th−ớc phôi của bạc gối trục băng truyền vít tải than, bạc trục vít thải xỉ Công ty nhiệt điện Ninh Bình.( xem phụ lục) Khuôn của các loại phôi bạc bánh căng xích, bánh đỡ xích, bạc trục đứng trung tâm của máy xúc đ−ợc chế tạo theo kích th−ớc bản vẽ. ( xem phụ lục) Vỏ khuôn của các loại bạc đều đ−ợc đúc bằng thép CT3. Tr−ớc khi chất hạt thép bề mặt bên trong của các vỏ khuôn đ−ợc làm sạch bằng axít HCL nồng độ 30%. Sau đó đ−ợc rửa qua n−ớc nóng, trung hoà bằng xút nóng 10%, yêu cầu làm sạch không còn bám rỉ, dầu mỡ. Cuối cùng mặt trong của khuôn đ−ợc phủ lớp dung môi bảo vệ bề mặt chống ô xy hoá bề mặt. Các khay chứa khuôn đ−ợc chế tạo bằng thép tấm dày 3 – 4 mm, rộng 300mm, dài 800mm, cao 200mm. Các khay chứa khuôn đ−ợc sử dụng với mục đích chống chảy kim loại lỏng ra lò và giữ nhiệt cho khuôn. - Hạt thép: Hạt thép sử dụng là thép hợp kim Y8 (mác Liên xô cũ). Th−ờng chọn theo bao bán sẵn của nhà cung cấp cỡ hạt trong khoảng 0,8 – 1.2. Nếu không có sẵn thì phải sàn để phân loại. Tuỳ theo kích th−ớc của các loại bạc chọn cỡ hạt theo tỷ lệ nhất định. Bạc có kích th−ớc lớn đ−ợc chọn tỷ lệ cỡ hạt lớn nhiều hơn, bạc có kích th−ớc nhỏ thì chọn cỡ hạt nhỏ nhiều hơn. - Cồn công nghiệp: Loại 90 độ. - Các loại hoá chât dùng làm trợ dung: Axít Boric H3BO4 và muối Borat Na2B4O7, muối ăn NaCl, muối KCl, độ tinh khiết theo tiêu chuẩn công nghiệp. Các vật liệu trên nấu và chế biến thành trợ dung tổng hợp. Trợ dung tổng hợp nấu xong để nguội, nghiền nhỏ sàng qua phân ly cỡ hạt 0,25 – 0,3mm để sử dụng. - Vật liệu để nấu ra phôi đồng ЬРОЦС-5.5.5 38 - Nấu phôi đồng ЬРОЦС-5.5.5 dùng cho quá trình đúc thẩm thấu, phải sử dụng các vật liệu sau: Đồng đỏ - thành phần đạt 99% đồng, sach dầu mỡ. Thiếc - thành phần đạt 99%, sach dầu mỡ. Kẽm - thành phần đạt 99%, sach dầu mỡ. Chì - thành phần đạt 99%, sach dầu mỡ. - Khuôn để đúc phôi Đúc phôi đồng thanh thiếc - kẽm - chì - 5.5.5 bằng công nghệ khuôn mẫu tự thiêu. Tuỳ theo kích th−ớc và trọng l−ợng phôi của mỗi loại bạc, các mẫu phôi đ−ợc tạo bằng xốp, sơn xấy khô. Các mẫu đ−ợc gắn hệ thống rót, ngót, chền vào thùng khuôn chờ rót. - Nấu luyện và rót hợp kim Nấu luyện hợp kim đ−ợc tiến hành trong lò cảm ứng trung tần của anh loại Ajax, dung tích 250 kg/mẻ, nồi lò bằng vật liệu grafít. Tr−ớc khi nấu kiểm tra độ an toàn của thiết bị, tính toán và cân đong phối liệu theo tỷ lệ thành phần đã yêu cầu của mác hợp kim. Chất liệu thứ tự từ đồng, kẽm, thiếc, chì, Khi phối liệu kim loại chảy xong, phân tích thành phần hợp kim. Nếu có chút sai lệch thì tiến hành điều chỉnh cho đến khi đạt yêu cầu. Điều chỉnh xong thành phần, xác định nhiệt độ và rót khuôn. Tr−ớc, trong và sau khi rót khuôn 15 phút luôn phải luôn phải giữ áp lực chân không ở – 0,6 – 0,8 at. Các mẫu nấu luyện đ−ợc phân tích thành phần trên máy quang phổ phát xạ ARL-3460 của Thuỵ sĩ. Để nguôi trong khoảng thời gian 60 phút thì tiến hành dỡ khuôn làm sạch, cắt hệ thống rót, ngót theo kích th−ớc yêu cầu của công nghệ và mang đi gia công cơ khí. 5.3 Quy trình lắp ráp khuôn và đúc thẩm thấu 39 Quy trình lắp ráp khuôn: Hạt thép đ−ợc lựa chọn theo cỡ hạt và tỉ lệ cần thiết nh− đã trình bày ở trên. Sau đó dùng l−ơng cồn nhỏ, vừa đủ thấm hạt để tẩy sạch lớp ôxít, rỉ bẩn và bình nghiền qua trợ dung. ở đây không có thiết bị nên làm thủ công bằng tay và sấy khô ở nhiệt độ ≤ 100oC. Chất hạt thép vào đầy khuôn theo trọng l−ợng đã đ−ợc tính toán. L−ợng phôi đồng hợp kim đã chuẩn bị sẵn trọng l−ợng theo phối liệu đã đ−ợc tính toán cho mỗi loại phôi, chuẩn bị sẵn để chất hết vào khuôn khi tiến hành nung thẩm thấu. Nấu vật liệu Compozite nền đồng + hạt thép và vỏ thép Quá trình nấu vật liệu đ−ợc tiến hành trong lò ga có chế độ nhiệt tự động điều chỉnh theo quy trình bắt buộc, sàn lò di động. Kiểm tra độ an toàn của thiết bị tr−ớc khi vận hành. Nếu thấy đã an tòan thì tiến hành chất khuôn đã chuẩn bị sãn lên đáy lò và chạy sàn lò vào. Kiểm tra độ kín khít của cửa lò. Nếu lò nguội thì bật sấy lò và giữ ở nhiệt độ 300 - 350oC thời gian 15 - 20 phút. Khi đã đạt thời gian giữ nhiệt thì kéo sàn lò ra và chất l−ợng phôi đồng đã chuẩn bị sẵn vào khuôn, thời gian thao tác cần nhanh để tránh mất nhiệt của lò, sau đó lại kéo sàn lò vào. Tiến hành bật lò và nâng nhiệt độ với tốc độ 16oC / phút tới khi đạt 800 - 850oC. Thời gian giữ ở nhiệt độ trên trong khoảng 20 – 40 phút và đ−ợc tính toán theo chiều dày của chi tiết cần đúc. Nếu trong lò có các khuôn chiều dày khác nhau thì −u tiên theo khuôn có kích th−ớc dày nhất. Nâng nhiệt tới 1100oC tốc độ 7oC / phút. Thời gian giữ ở nhiệt độ trên là 20 phút cho tất cả chiều dày của bạc. Tiếp tục nâng nhiệt tới 1170 - 1200oC tốc độ khoảng 2 - 3oC / phút. Khi trong lò đã đạt nhiệt độ trên, giữ nhiệt trong khoảng thời gian 30 phút và tắt lò. Để nguội trong lò tới 800oC thì mở cửa lò. Khi nhiệt độ lò xuống tới 300 oC thì kéo ra và đén khi nguội hẳn thì rỡ khuôn. 40 - Tiến hành làm sạch, cắt ba via, đậu ngót, kiểm tra chất l−ợng sản phẩm bằng th−ớc đo và mắt th−ờng. Nếu đạt yêu cầu thì mang đi gia công cơ khí theo kích thứớc yêu cầu của các loại bạc. - Gia công cần phải sử dụng giao tiện hợp kim BK-8, tốc độ ăn chậm. Hình 7 - Khuôn các loại phôi các loại bạc compozit sau kéo ra trên sàn đáy lò di động Nghiên cứu xem xét các thông số: 41 - Sau khi có sản phẩm, mẫu vật liệu đ−ợc cắt mang đi kiểm tra. Vì các bạc cômpozit chủ yếu làm việc d−ới chế độ tải nén và chịu mài mòn nên chỉ kiểm tra độ cứng. Kết quả nh− sau: Bảng 6 Độ cứng [HB] Tên mẫu Thép 25 Lớp tiếp giáp Nền đồng Thép 25 - Compozit đồng 170 131 125 Hình 8 - Kết quả soi chụp tổ chức kim t−ơng: Tổ chức kim t−ơng bạc compozit - thép 25 đ∙ tẩm thực (phóng đại 100 lần) Hạt thép hợp kim Nền đồng 5-5-5 Thép 25 Tổ chức kim t−ơng bạc compozit - thép 25 đ∙ tẩm thực (phóng đại 50 lần) 42 Nhận xét kết quả kiểm tra: Độ cứng của vỏ thép cao hơn độ cứng của lớp tiếp giáp và độ cứng của lớp tiếp giáp lại cao hơn nền hợp kim đồng. Đồng thời xem các ảnh soi chụp kim t−ơng ta thấy: Sau khi nung các pha rắn và lỏng đã liên kết rất tốt. Hợp kim đồng, vỏ thép và hạt thép, có hiện t−ợng hoà tan một l−ợng nhỏ và khuyếc tán vào lẫn nhau. Qua hai kết quả trên ta biết đ−ợc vật liệu compozit nền đồng hạt thép + lớp vỏ thép đã liên kết tốt, tạo thành một khối thống nhất. Độ bền lớp vỏ cao hơn hẳn đảm bảo an toàn cho chi tiết làm việc chịu mài mòn d−ớ tải trọng lớn. Hình 9 - Bạc gối đỡ băng truyền vít tải than của Công ty nhiệt điện Ninh Bình đ−ợc chế tạo bằng vật liệu compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép 25 Lớp vỏ thép Lớp compozitLớp biên giới thép và compozit 43 Hình 10 - Bạc bơm thải xỉ của nhà máy nhiệt điện Ninh Bình đ−ợc chế tạo bằng vật liệu compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép 25 44 Hình 11 Bạc bơm thải xỉ của nhà máy nhiệt điện Ninh Bình đ−ợc chế tạo bằng vật liệu compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép 25 Vỏ thép Biên giới thép và Compozit Lớp compozit 45 Hình 12 Bạc bánh căng và bánh đỡ xích của Công ty Apatít Lào Cai đ−ợc chế tạo bằng vật liệu compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép 25 Lớp vỏ thép Lớp biên giới thép và compozit Lớp compozit 46 Hình 13 - Bạc bánh căng và bánh đỡ xích của Công ty Apatít Lào Cai đ−ợc chế tạo bằng vật liệu compozit nền đồng – hạt thép + lớp vỏ thép 25 Kết quả sử dụng: Đã tạo ra đ−ợc bạc hai lớp compozit nền đồng - hạt thép + vỏ thép với khả năng liên kết tốt. Các sản phẩm của đề tài đã đ−ợc mang lắp chạy thử khảo nghiệm tại Công ty nhiệt điện Ninh Bình và Công ty Apatit Lào cai đền nay đã đ−ợc 4 – 5 tháng, vẫn đang tiếp tục sử dụng. Kết quả kiểm tra lần đầu đ−ợc đánh giá tốt. Vật liệu có khả năng chịu mài mòn và độ bền cao. Nh− vậy,đề tài đã hoàn thành mục tiêu là nghiên cứu ra quy trình chế thử sản phẩm và chạy thử đã đạt yêu cầu, mở ra h−ớng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu compozit. 47 Kết luận 1. Ph−ơng pháp đúc nhiều lớp vật liệu compozit nền đồng hạt thép + vỏ thép cho phép đạt đ−ợc tính chất vật liệu tổng hợp. Vật liệu compozit nền đồng hạt thép tăng khả năng chịu mài mòn, vỏ thép làm tăng độ bền của bạc. Sản phẩm đã lắp chạy tốt tại hiện tr−ờng. Công nghệ này góp phần giảm chi phí vật liệu đắt tiền là nền đồng hạt thép khoảng 40%. 2. Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đã đặt ra, xây dựng đ−ợc các quy trình công nghệ, tạo ra các sản phẩm ứng dụng. Tuy nhiên đây là những vấn đề hoàn toàn mới nên cần phải đ−ợc nghiên cứu sâu hơn về cả lý thuyết, công nghệ và thiết bị công nghệ mới có thể đ−a vào sản xuất ổn định. 48 Tài liệu tham khảo 1. Ts. KH Naiđêk V.L. Vật liệu đúc compozit – Vật liệu của ngành chế tạo máy trong t−ơng lai. Kiep -1997 2. Ts. KH Zatulovski C.C . Ph−ơng h−ớng phát triển vật liệu đúc compzit. Kiep -1997 3. Zatulovski A.C . Quy luật cơ - nhiệt của quá trình hình thành vật liệu compzit. Kiep -1997 4. Tiến sĩ: G.Đ. Kostenko. Khả năng tạo vật đúc nhiều lớp trong công nghiệp. xuất bản tại Kiep - 1988. 5. Ephimob V.A. - Hiện trạng và t−ơng lai của các nhiệm vụ nghiên cứu, ứng dụng và phát triể S V.E. n đúc bimetal và đúc nhiều lớp - xuất bản tại Kiep - 1991. 6. Nhepheđôva; Pertovska L.S.; Ugovikov A.E. . Sử dụng trợ dung trong quá trình đúc bimetal liên tục.Xuất bản tại Kiep - 1987. 7. Postin S.Đ, Legentruk - V.I. Các điều kiện nhiệt - Vật lý để hình thành vật đúc bimetal. Xuất bản tại Kiep - 1991. 8. Kostenko G.Đ., Brin V.B. - Những quy luật cơ bản về khuếch tán và phâm bố các nguyên tố hợp kim trong quá trình hình thành trên biên giới các lớp của vật đúc bimetal và đúc nhiều lớp trên nền sắt. Xuất bản tại Kiep - 1987. 9. Srepxov L. A., Đan B . M., Pavluk A.A - Quá trình hình thành vùng giáp biên trong vật đúc bimetal trên nền gang và các hợp kim khác. Xuất bản tại Kiep - 1987. 10. Nikitenko N.I, Model toán học các thông số tính hàm của vật đúc bimetal bằng các hợp kim chịu mài mòn.Moscơva – 2001