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

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 k