Nghiên cứu công nghệ tạo lớp phủ Babit trên nền thép bằng phương pháp phun phủ hồ quang điện - Lê Viết Bình

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 39 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO LỚP PHỦ BABIT TRÊN NỀN THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ HỒ QUANG ĐIỆN Lê Viết Bình*, Triệu Khương, Phùng Xuân Thịnh, Đinh Văn Long Tóm tắt: Trong bài báo này, tác giả trình bày ảnh hưởng của các tham số công nghệ khi phun đến tổ chức và tính chất của lớp phủ. Lớp phủ được chế tạo từ nguyên liệu đầu vào là dây phun babit lên nền thép C45. Tác giả khảo sát ảnh hưởng của các tham số công nghệ của quá trình phun như điện áp hồ quang, áp lực khí nén đến độ xốp, độ cứng của lớp phủ chế tạo được. Trên cơ sở đó tiến hành tối ưu hóa các tham số công nghệ của quá trình phun để thu được lớp phủ có độ xít chặt nhất. Với chế độ công nghệ tìm được, chế tạo mẫu để tiến hành khảo sát tổ chức, thành phần pha và các tính chất quan trọng của lớp phủ: hệ số ma sát, tính chống mài mòn và độ bền bám dính của lớp phủ với nền. Từ khóa: Lớp phủ babit, phun phủ hồ quang điện. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Babit thiếc là vật liệu ổ trượt dùng trong các ứng dụng chịu ma sát và mài mòn cao [1]. Do vật liệu trên cơ sở thiếc có giá thành cao và để tăng cường khả năng chịu tải, Babit thường được dùng dưới dạng một lớp tráng lên bề mặt chi tiết chịu ma sát bằng phương pháp đúc. Với sự phát triển của các công nghệ phun phủ, có thể tiến hành phủ lớp tương đối mỏng trên nền thép để tiết kiệm vật liệu [2 – 5]. Bài báo trình bày về công nghệ chế tạo lớp phủ babit thiếc trên nền thép cho các ứng dụng chịu ma sát và mài mòn cao. 2. TỔ CHỨC THỰC NGHIỆM Lớp phủ babit được tạo nên bằng cách phun dây 04T Tafa của hãng Praxair lên nền thép tấm C45. Chế tạo 10 mẫu thí nghiệm từ thép tấm C45 kích thước 80 x 80 x 5mm với các chế độ phun khác nhau. Thành phần hóa học của dây phun và của thép nền được cho trong bảng 1 và 2 [6 – 7]: Bảng 1. Thành phần dây phun babit 04T. Loại dây Sb (%) Cu (%) Sn (%) 04T 7 3 90 Bảng 2. Thành phần hóa học của thép C45. Mác thép C Si Mn P S Cr Ni C45 0,465 0,214 0,632 0,031 0,02 0,25 0,25 Độ xốp lớp phủ được xác định bằng phương pháp kim tương định lượng. Thiết bị sử dụng là kính hiển vi AXIOVERT. Mẫu được mài phẳng và đánh bóng (không tẩm thực) rồi tiến hành chụp ảnh trên kính hiển vi. Khi đó trên ảnh tổ chức tế vi sẽ có hai màu rõ rệt. Màu tối là các lỗ xốp không phản xạ ánh sáng, phần lớp phủ không xốp sẽ có màu sáng do phản xạ ánh sáng tốt hơn. Hóa học và Kỹ thuật môi trường L.V. Bình, Tr.Khương, P.X. Thịnh, Đ.V.Long, “Nghiên cứu công nghệ quang điện.” 40 Để xác định tổ chức kim tương và thành phần pha của lớp phủ tác giả tiền hành chụp ảnh kim tương và phân tích nhiễu xạ Rơnghen. Thiết bị sử dụng là kính hiển vi kim tương AXIOVERT L630 và thiết bị nhiễu xạ Rơnghen Diffactometer D5005. Để hiện tổ chức kim tương lớp phủ, dùng dung dịch tẩm thực 2ml HNO3 + 98ml methanol 95%. Thời gian tẩm thực từ 30 giây – 5 phút. Độ cứng lớp phủ được đo theo thang R15T trên máy Durajet, tải trọng 15kg với mũi đâm bằng bi thép đường kính 1/16”. Độ mài mòn của lớp phủ được kiểm tra theo tiêu chuẩn ASTM G 133 – 95 trên thiết bị CETR370. Chế độ thử mài mòn được cho trong bảng 3: Bảng 3. Chế độ tải khi thử mài mòn theo tiêu chuẩn G133 - 95. STT Chế độ Thông số 1 Lực (N) 25,0 2 Chiều dài hành trình (mm) 10 3 Tần số dao động (Hz) 5 4 Thời gian kiểm tra (s) 500 5 Nhiệt độ môi trường (oC) 25 Một tính chất quan trọng khác của lớp phủ là độ bám dính của lớp phủ với nền được xác định bằng phương pháp kéo chốt. Thiết bị sử dụng trong thí nghiệm này gồm máy kéo nén (Đức) và bộ chuyển đổi tín hiệu lực - hiển thị tín hiệu điện PH50. Tiến hành thử nghiệm trên hai mẫu, hình 1 là hình ảnh của hai mẫu sau khi kéo chốt: Hình 1. Bề mặt chốt côn của mẫu 1 và mẫu 2 sau khi kéo. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Độ cứng và độ xốp lớp phủ được thống kê trong bảng 4: Bảng 4. Kết quả xác định độ xốp và độ cứng của lớp phủ. TT mẫu Thông số công nghệ phun Độ xốp (%) Độ cứng (R15T) Áp suất khí nén (psi) Điện áp hồ quang (V) M1 65 18 16,7 20,15 M2 65 20 15,84 28,43 M3 65 22 11,32 34,38 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 41 M4 65 24 14,65 30,97 M5 65 26 13,7 32,54 M6 50 22 19,84 19,67 M7 55 22 18,25 20,12 M8 60 22 15,6 28,28 M9 68 22 16,32 19,73 M10 70 22 17,8 21,64 Bảng 4 là tổng hợp các kết quả đo độ cứng và độ xốp ở các chế độ phun khác nhau. Trong phạm vi khảo sát, độ xốp lớp phủ nằm trong khoảng từ 11,32% đến 19,84%, độ cứng lớp phủ nằm trong khoảng 19,67R15T đến 34,38R15T. Để khảo sát ảnh hưởng của điện áp hồ quang và áp lực khí nén đến các tính chất của lớp phủ. Tác giả tiến hành xây dựng đồ thị mô tả sự phụ thuộc của độ cứng và độ xốp lớp phủ vào hai tham số này: 18 20 22 24 26 10 15 20 25 30 35 Y - D o x o p , D o c u n g X - Dien Ap(V) DoXop DoCung a) 50 55 60 65 70 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Y - D o x o p , D o c u n g X - Ap Suat khi(V) DoXop DoCung b) Hình 2. Đồ thị mô tả phụ thuộc của độ xốp và độ cứng lớp phủ vào điện áp (a), áp suất (b). Độ xốp lớp phủ càng cao thì độ cứng càng thấp và ngược lại. Tại điện áp bằng 22V, áp suất khí phun từ 60 - 65 Psi thì độ xốp lớp phủ đạt giá trị nhỏ nhất đồng thời độ cứng lớp phủ cao nhất. Trong quá trình phun nếu điện áp hồ quang quá thấp thì hồ quang không ổn định và bị ngắt quãng, vật liệu phun không được nóng chảy hết tạo nên rất nhiều khuyết tật trong lớp phủ. Ngược lại khi chọn điện áp hồ quang quá cao, mức độ oxy hoá các hạt sẽ tăng, do đó sẽ làm giảm chất lượng lớp phủ và tăng lượng kim loại bị mất mát. Nếu chọn áp suất khí nén quá cao, thì lượng kim loại bị mất mát nhiều, dẫn đến hiệu suất phun thấp, ngược lại khi chọn áp suất phun quá thấp thì khả năng chống mài mòn của lớp phủ sẽ giảm đi rất nhiều. Trên cơ sở 10 thí nghiệm nêu trên, tiến hành quy hoạch thực nghiệm hai nhân tố (điện áp hồ quang và áp lực khí nén) với 7 thí nghiệm và dựa vào phần mềm quy hoạch thực nghiệm Moodle 5.0 tìm ra được chế độ công nghệ tối ưu là điện áp hồ Hóa học và Kỹ thuật môi trường L.V. Bình, Tr.Khương, P.X. Thịnh, Đ.V.Long, “Nghiên cứu công nghệ quang điện.” 42 quang 22V, áp lực khí nén 65Psi. Với chế độ công nghệ tối ưu này thì độ xốp lớp phủ đạt giá trị nhỏ nhất 11,32%. Độ cứng đạt giá trị lớn nhất 34,38R15T . Hình 3 là hình ảnh kim tương của lớp phủ theo chế độ phun tối ưu (mẫu số 3) ở độ phóng đại 500 và 1000 lần. Ảnh tổ chức tế vi của lớp phủ Babit gồm có hai pha liên kim loại màu trắng SnSb và Cu6Sn5 phân bố trên nền là dung dịch rắn giàu Sn. Cấu trúc của nền gồm các các hạt có kích thước cỡ 50µm rất đều nhau. Trên nền quan sát thấy các chấm đen đó chính là các lỗ xốp đặc trưng cho lớp phủ. Các hạt màu trắng nhỏ mịn là pha Cu6Sn5, các hạt màu trắng có kích thước to hơn là các pha SnSb. Các pha này có độ cứng cao phân bố trên nền mềm giàu Sn. Đây là tổ chức đặc trưng của Babit. a) b) Hình 3. Ảnh tổ chức tế vi của lớp phủ với độ phóng đại:500x (a), 1000x (b). Sau khi chụp ảnh kim tương, để xác định thành phần pha của lớp phủ tiến hành phân tích nhiễu xạ Rơnghen: Hình 4. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của lớp phủ. Trên giản đồ nhiễu xạ Rơnghen hình 4 thấy có ba pha: Pha nền giàu Sn có cường độ các vạch nhiễu xạ mạnh nhất, hai pha cứng phân bố trên nền là Cu6Sn5 và SnSb có cường độ các vạch nhiễu xạ yếu hơn. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 43 Bảng 5. Kết quả đo độ bám dính bằng phương pháp kéo chốt. STT Số V Hằng số Lực kéo (N) Đường kính mặt chốt (mm) Độ bám dính (Mpa) Mẫu 1 0,120 9810 1176 12 10,4 Mẫu 2 0,099 9810 972 12 8,6 Bảng 5 là kết quả đo độ bám dính của lớp phủ với nền. Mẫu 1 chốt côn bị bật ra khỏi khối rông đen tại thời điểm lực kéo đạt giá trị 1176N. Bề mặt chốt côn sau khi bật ra không quan sát ta thấy lớp phủ. Như vậy giá trị lực kéo đo được chính là độ bám dính của lớp phủ với nền (hình 1). Mẫu 2 chốt côn bị bật ra khỏi khối rông đen tại thời điểm lực kéo đạt giá trị 972N. Bề mặt chốt côn sau khi bật ra không quan sát thấy lớp phủ. Như vấy giá trị lực kéo đo được cũng chính là độ bám dính của lớp phủ với nền. Như vậy, trong cả hai trường hợp giá trị lực kéo được xác định từ thực nghiệm đều là độ bám dính của lớp phủ với nền. Tuy nhiên, giá trị độ bám dính của mẫu một là 10,4Mpa cao hơn mẫu hai là 8,6Mpa. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, độ bám dính của lớp phủ như trên còn thấp. Cần có những nghiên cứu mở rộng tiếp theo để tăng độ bám dính của lớp phủ với nền. Với áp lực 25N, thời gian thử tải 500s kết quả xác định độ mài mòn và hệ số ma sát của lớp phủ được xác định bằng độ thị hình 8 và 9: Hình 5. Đồ thị biểu diễn độ mài mòn của lớp phủ theo thời gian. Đồ thị hình 5 biểu thị độ mài mòn của lớp phủ (mẫu số 3) theo thời gian. Trục Z biểu thị độ lún của mũi đâm. Trục x biểu thị thời gian thử nghiệm. Độ mài mòn được xác định theo công thức thực nghiệm: Z = 0.0000179*T Trong đó T là thời gian và được xác định trên độ thị. T = 498 – 81 = 417 z = 0.0000179*417 = 7,5µm. Hóa học và Kỹ thuật môi trường L.V. Bình, Tr.Khương, P.X. Thịnh, Đ.V.Long, “Nghiên cứu công nghệ quang điện.” 44 Hình 6. Đồ thị biểu diễn hệ số ma sát của lớp phủ. Hình 6 là đường cong ma sát của lớp phủ (mẫu số 3) trong quá trình thử tải. Quá trình tính toán cho thấy hệ số ma sát trung bình của lớp phủ là 0,1196. Vậy với chế độ thử tải như bảng 5, kết quả thu được như sau: - Hệ số ma sát của lớp phủ: 0,1196. - Độ mài mòn của lớp phủ: 7,5 µm. 4. KẾT LUẬN Với chế độ công nghệ tối ưu là điện áp 22V và áp suất khí nén 65 Psi, tổ chức lớp phủ đạt được gồm có ba pha. Pha nền giàu Sn, hai pha cứng phân bố đồng đều trên nền là SnSb và Cu6Sn5. Với chế độ công nghệ tối ưu này độ xốp lớp phủ đạt giá trị nhỏ nhất 11,32%, độ cứng đạt giá trị lớn nhất 34,38R15T. Kết quả thử mài mòn cho thấy, với áp lực 25N và thời gian thử 500s độ mài mòn của lớp phủ là 7,5 µm, hệ số ma sát là 0,1196. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Khắc Xương, ”Vật liệu kim loại màu”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2002, tr. 324 - 328. [2]. PGS.TS Hoàng Tùng (2002), “Công nghệ phun phủ và ứng dụng”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Hoàng Tùng (1993), “Phục hồi và bảo vệ bề mặt bằng phun phủ”, Đại học Bách khoa Hà Nội. [4]. Nguyễn Văn Thông (2003), “Công nghê phun phủ bảo vệ và phục hồi”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 45 [5]. A.P. Newbery, P.S. Grant, R.A. Neiser, Surface and Coatings Technology, ELSEVIER volume 195 (2005), tr. 91 - 101. [6]. J.R. Davis, “Hanfbook of thermal Spray Technology”, Library of Congress Cataloging - in - Publication Data (2002), tr. 785 - 803. [7]. “Praxair and tafa Arc Spray Babit Wire 04T”, Praxair surface Technologyes 1555 Main street Indianapolis, IN 46224 (2006). ABSTRACT STUDY MANUFACTURED TECHNOLOGY OF BABIT COATING ON STELL SUBSTRATES BY THERMAL ARC – SPRAYED TECHNOLOGY In this paper, the author presents the influence of technological parameters spray to microtructure and properties of the coating. Coatings made from inputs materials is babit wire on steel C45 substrates. The authors investigated the effect of technological parameters of the process arc spraying such as voltage, compressed air pressure to the porosity, hardness of the coating was manufactured. On that basis, conduct optimization technological parameters of the process spray to obtain coating has the most tightly. With technological regime found, prototyping to surveyed microtructure, components phase and important properties of the coating: the coefficient of friction, abrasion resistance and durability of the coating adhesion with substrates. Keywords: Babbitt coating, Spraying electric arc. Nhận bài ngày 09 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 28 tháng 07 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: Viện Hoá học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. *Email: binhleviet83@gmai.com, Phone: 0988099301