Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20Cr trên nền thép

sạch tẩm dung môi axeton lau sạch bề mặt tấm thép, tiếp theo nhúng tấm thép vào nước sạch để bề mặt được khử nốt những chất bẩn còn lại. Vật liệu phun: Hợp kim Ni-20Cr là loại vật liệu tương đối phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt là dưới dạng dây để làm điện trở. Nhôm là vật liệu cũng rất thông dụng ở Việt Nam, dây nhôm thường được dùng làm lõi dây cáp điện. Hai loại vật liệu phun để chế tạo lớp phủ kép đó là dây Ni80Cr20 (Ni- 20Cr) và dây Al, đều có đường kính 2 mm (thích hợp với đầu phun LD/U – 2 của thiết bị phun hồ quang điện OSU – Hessler 300A). Thành phần hóa học của hai loại vật liệu phun được đưa ra trong bảng 2.2. 2.2. Các thông số phun nhám nền thép Hạt mài corindon nâu (Công ty Cổ phần chế tạo đá mài Hải Dương) Cỡ hạt mài: # 18 (~ 1,2 mm), # 24 (~ 1,0 mm) và # 36 – 46 (~ 0,7 mm). Khoảng cách phun: 50, 100, 200, 300 mm, Áp lực khí phun: 8 – 10 atm. 2.3. Lựa chọn thông số công nghệ phun phủ tối ưu Chế độ công nghệ phun được nêu trong catalog của thiết bị OSU – Hessler 300A như sau: - Đối với vật liệu phủ hợp kim Ni-20Cr: áp lực khí phun 4,5 atm, điện áp hồ quang: 27 – 30 V. - Đối với vật liệu phủ Al: áp lực khí phun 5,5 atm, điện áp hồ quang 24 – 26 V 2.4. Các chế độ xử lý ủ nhiệt lớp phủ Các chế độ ủ nhiệt được đưa ra trong bảng 2.3. - Nghiên cứu xử lý nhiệt tại vùng nhiệt độ 200 – 300oC nhằm mục đích giảm độ xốp, khử bớt ứng suất dư. Loại dây Al(%) Si(%) C(%) Cr(%) Ni(%) Al 99 1 - - - Ni-20Cr - - <0,15 22÷23 75÷78 Bảng 2.2. Thành phần hóa học cơ bản của 2 loại vật liệu phun [14]. 6 - Xử lý nhiệt trong khoảng nhiệt độ 400 – 600oC nhằm nghiên cứu khả năng khuếch tán giữa các lớp phủ, giữa lớp phủ và nền thép. Bảng 2.3. Các chế độ xử lý nhiệt TT Chế độ Nhiệt độ ủ ( o C) Thời gian (giờ) 2 4 6 8 1 Ủ khử ứng suất 200 X 2 Khử ứng suất + giảm xốp 300 X X X 3 Khuếch tán + giảm xốp 400 X X X 4 Khuếch tán + giảm xốp 500 X X X 5 Khuếch tán + giảm xốp 550 X X X X 6 Khuếch tán + giảm xốp 600 o C X X X X 2.5. Các phương pháp, thiết bị nghiên cứu 2.5. Nghiên cứu cấu trúc lớp phủ - Đo độ xốp lớp phủ: bằng phương pháp kim tương định lượng dùng phần mềm Image-Pro Plus. - Nghiên cứu tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học: sử dụng kính hiển vi quang học Axiovert 25CA tại Phòng thí nghiệm Kim loại học – Trường đại học Bách khoa Hà Nội. - Xác định độ cứng tế vi: sử dụng máy đo độ cứng Struers Duramin 2 (Đức) ở Phòng thí nghiệm Kim loại học tại Trường đại học Bách khoa Hà Nội. 2.6. Nghiên cứu thành phần của lớp phủ - Nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS: sử dụng thiết bị JEOL JSM – 6490 của Viện khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. - Phân tích thành phần các pha bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen: sử dụng máy phân tích thành phần pha D8 Advance của hãng Brucker (Đức) thuộc Phòng thí nghiệm vật liệu – Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ Vinacomin. 7 2.7 Nghiên cứu các tính năng của lớp phủ - Đánh giá khả năng bám dính của lớp phủ: sử dụng thiết bị đo độ bám dính là máy DLR (CHLB Đức) – Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam. - Đo cường độ mài mòn của lớp phủ: theo tiêu chuẩn ASTM G99, sử dụng thiết bị đo cường độ mòn và hệ số ma sát TE97 Friction and Wear Demonstrator thuộc Phòng thí nghiệm vật liệu – Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ Vinacomin. - Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp phủ: sử dụng phương pháp đo điện thế mạch hở theo thời gian, quét đường cong phân cực. Thiết bị nghiên cứu: các phép đo điện hóa được thực hiện trên thiết bị Autolab PGSTAT 30 tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu xác định chế độ xử lý bề mặt trước khi phun phủ Kết quả đo độ nhám của thép nền C45 và CT3 ứng với các chế độ tạo nhám khác nhau cho thấy: giá trị độ nhám cao nhất trên nền thép C45 và CT3 lần lượt là Rz = 58,39 µm và Rz = 62,5 µm tương ứng với chế độ phun hạt mài cỡ hạt #18 và khoảng cách phun L = 100 mm. Các giá trị độ nhám này thỏa mãn yêu cầu về chất lượng xử lý bề mặt kim loại nền đối với các lớp phun phủ nhiệt được nêu trong các tiêu chuẩn quốc tế liên quan đến phun phủ nhiệt. Trên cơ sở các kết quả thu được, chế độ xử lý bề mặt tối ưu đối với hai loại thép C45 và CT3 được đưa ra trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Chế độ tạo nhám bề mặt cho thép nền (C45 và CT3) TT Chế độ Thông số 1 Loại hạt mài Corindon Al2O3 2 Cỡ hạt mài #18 3 Áp lực khí nén (atm) 8 – 10 4 Khoảng cách đầu phun (mm) 100 5 Góc phun ( θ o ) 90 3.2. Nghiên cứu xác định chế độ phun phủ tối ưu Phương án thí nghiệm được xây dựng theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao toàn phần với 2 mức thí nghiệm và số biến độc lập k = 3. Số thí nghiệm tại biên được thực hiện là N = 2 3 = 8. 8 3.2.1. Tối ưu hóa chế độ phun phủ hợp kim Ni-20Cr Các yếu tố công nghệ với miền giá trị như sau: - Áp suất khí phun: P = Z1 = 3,5 – 5,5 atm - Khoảng cách phun: L = Z2 = 100 – 300 mm - Điện thế hồ quang: U = Z3 = 26 – 33 V 3.2.2. Tối ưu hóa chế độ phun phủ Al Các yếu tố công nghệ với miền giá trị như sau: - Áp suất khí phun: P = Z1 = 3,5 – 5,5 atm - Khoảng cách phun: L = Z2 = 100 – 300 mm - Điện thế hồ quang: U = Z3 = 25 – 30 V Từ kết quả nghiên cứu đã lựa chọn chế độ công nghệ chế tạo hệ lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nêu ở bảng 3.9. TT Chế độ công nghệ Thông số Al Ni-20Cr 1 Góc phun ( o ) 90 2 Khoảng cách phun (mm) 200 300 3 Áp lực không khí nén (atm) 4,7 3,5 4 Điện áp hồ quang (V) 27,5 26 5 Cường độ dòng điện (A) 150 – 200 6 Vận tốc di chuyển đầu phun (mm/s) ~ 20 7 Kỹ thuật phun Kỹ thuật phun mặt phẳng 3.3. Độ bám dính lớp phủ nhôm trên nền thép trước khi xử lý ủ nhiệt Kết quả đo độ bám dính của lớp phủ Al trên nền thép trước khi xử lý nhiệt cho thấy: đối với thép nền C45 độ bám dính cao nhất đạt được K = 14,90 MPa, ứng với Rz = 58,39 µm, tại chế độ phun hạt mài: cỡ hạt #18, khoảng cách phun 100 mm. Đối với thép nền CT3 độ bám dính cao nhất đạt K = 16,26 MPa ứng với Rz = 62,25 µm tại chế độ phun hạt mài: cỡ hạt #18, khoảng cách phun 100 mm. 3.4. Tổ chức tế vi và độ cứng tế vi của lớp phủ kép Al/Ni-20Crtrước khi xử lý ủ nhiệt 3.4.1. Tổ chức tế vi trước khi xử lý ủ nhiệt Bảng 3.9. Chế độ phun cho dây Al và dây hợp kim Ni-20Cr Comment [U1]: Theo thứ tự thực hiện thí nghiệm thì sau khi phun hạt mài sẽ đến công đoạn phun Al, sau đó mới đến phun Ni-20Cr  cân nhắc chuyển phun Al lên trên 9 Hình 3.5 a, b là ảnh tổ chức tế vi lớp phủ kép Al/Ni-20Crtrên nền thép C45 và CT3 trước xử lý ủ nhiệt. Tổ chức tế vi có sự phân biệt rõ ràng giữa các loại vật liệu phủ và nền. Lớp bên phải là nền thép, tiếp theo ở giữa là lớp phủ nhôm, ngoài cùng là lớp phủ hợp kim Ni-20Cr. 3.4.2. Độ cứng tế vi trước khi xử lý nhiệt Kết quả đo độ cứng cho thấy: có 3 vùng độ cứng khác nhau tính từ bề mặt vào trong nền, lớp phủ Ni-20Cr, lớp Al và nền thép, đó là: vùng Ni- 20Cr ở sát trục tung (vùng bề mặt ngoài) có độ cứng cao nhất khoảng 350 – 400 HV; vùng Al (khoảng cách từ 150 – 200 µm tính từ bề mặt) có độ cứng thấp nhất khoảng 45 – 50 HV. Nền thép có độ cứng cao hơn nền Al và thay đổi theo mác thép, nền C45 có độ cứng khoảng 260 – 300 HV, nền CT3 có độ cứng khoảng 240 – 280 HV. 3.5. Ảnh hưởng của xử lý ủ nhiệt tới tổ chức tế vi, độ cứng và độ xốp của hệ lớp phủ kép Al/Ni-20Cr 3.5.1. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tổ chức tế vi của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr Trên hình 3.7 và hình 3.8 lần lượt là ảnh tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45 và CT3 sau khi ủ 4 giờ tại các nhiệt độ khác nhau. Trên hình 3.7 a, b và 3.8 a, b là tổ chức tế vi của lớp phủ kép Al/Ni- 20Cr sau khi xử lý nhiệt ở 200 và 300 o C trên nền C45 và CT3 sau 4 giờ. Quan sát ảnh tổ chức tế vi ta thấy, tại biên giới giữa các lớp phủ, giữa lớp phủ và nền thép chưa thấy có sự thay đổi nhiều so với ảnh tổ chức tế vi ban đầu (hình 3.5 a, b). Lớp phủ trông đồng đều hơn, đặc biệt là cấu trúc lớp phủ nhôm trên ảnh tổ chức tế vi ở nhiệt độ 300 o C – 4 giờ (hình 3.7 b, (b) (b) Hình 3.5. Tổ chức lớp phủ trước xử lý ủ nhiệt trên mẫu thép nền C45 và CT3. (a) Lớp phủ nền C45 x 200 (b) lớp phủ nền CT3 x 200. 50μm Ni-20Cr Thép Lỗ xốp Al (a) 50μm Lỗ xốp Ni-20Cr Al Thép 10 hình 3.8 b). Đó là do ảnh hưởng của nhiệt độ làm các lỗ xốp trong lớp phủ Al sẹp xuống do không khí thoát ra ngoài. Trên hình 3.7 c, d và 3.8 c, d là tổ chức tế vi của lớp phủ kép Al/Ni- 20Cr sau khi xử lý nhiệt ở 400 và 500 o C trên nền C45 và CT3 sau 4 giờ. Quan sát ảnh tổ chức tế vi ta thấy, tại biên giới giữa các lớp phủ và nền thép chưa thấy thay đổi nhiều, nhưng tại biên giới giữa lớp phủ Al và Ni- 20Cr quan sát thấy có sự thay đổi khá rõ ràng, đặc biệt trên ảnh tổ chức tế vi của mẫu ủ ở 500 o C – 4 giờ (hình 3.7 d, hình 3.8 d), tại biên giới giữa hai lớp phủ Al và Ni-20Cr ta thấy, xuất hiện thêm một dải mầu sáng hơi sẫm Ni- 20Cr Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Pha liên kim Hình 3.7. Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr trên nền C45 sau khi ủ 4 giờ tại các nhiệt độ khác nhau. a) C45-200 o C-4giờ x200 Ni-20Cr Al Thép b) C45-300 o C-4giờ x200 Ni-20Cr Al Thép p c) C45-400 o C-4giờ x200 Ni-20Cr Al Thép d) C45-500 o C-4giờ x200 Ni-20Cr Al Thép e) C45-550 o C- 4giờ x200 Ni-20Cr Al Thép f) C45-600 o C- 4giờ x200 Ni-20Cr Al Thép 11 hơn so với lớp phủ Ni-20Cr nhưng lại sáng hơn lớp phủ Al, đây được dự đoán là pha mới được hình thành sau khi ủ nhiệt, vùng này có độ rộng xấp xỉ bằng ½ so với lớp phủ Al (khoảng 40 – 60 µm), để biết rõ hơn tính chất của pha này ta cần đo độ cứng tế vi pha, kết hợp phân tích EDS và phân tích pha, để kết luận chính xác hơn pha mới được tạo thành. Pha liên kim Pha liên kim Hình 3.8. Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr trên nền CT3 sau khi ủ 4 giờ tại các nhiệt độ khác nhau e) CT3-550 o C-4 giờ x 200 Al Thép Ni-20Cr Pha liên kim a) CT3-200 o C-4 giờ x 200 Ni-20Cr Al Thép c) CT3-400 o C-4 giờ x 200 Ni-20Cr Al Thép Pha liên kim d) CT3-500 o C-4 giờ x 200 Ni-20Cr Al Thép Pha liên kim f) CT3-600 o C-4 giờ x 200 Ni-20Cr Al Thép Pha liên kim b) CT3-300 o C-4 giờ x 200 Ni-20Cr Al Thép 12 Trên hình 3.7 e, f và 3.8 e, f là tổ chức tế vi của lớp phủ kép Al/Ni- 20Cr sau khi xử lý nhiệt ở 550 và 600 o C trên nền C45 và CT3 sau 4 giờ. Quan sát ảnh tổ chức tế vi ta thấy, tại biên giới giữa các lớp phủ, giữa lớp phủ và thép nền đã xẩy ra tương tác khá mạnh, rõ ràng. Đặc biệt tại biên giới giữa lớp phủ Al và Ni-20Cr ta thấy có sự tương tác rõ ràng hơn, vùng pha mới xuất hiện nhiều hơn, dày đặc và liền mạch. Trên các mẫu ủ nhiệt ở nhiệt độ 600 o C (hình 3.7 f, và hình 3.8 f) ta thấy lớp phủ Al gần như biến mất, thay vào đó là một pha mới dày và nhiều hơn được tạo thành, vùng này có chiều dày khoảng 80 – 100µm. 3.5.2. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến độ xốp của lớp phủ kép Al/Ni- 20Cr Độ xốp của mẫu sau khi xử lý nhiệt được xác định bằng phương pháp phân tích ảnh trên phần mềm Image – Pro Plus. Đây là phương pháp định tính dựa trên việc quan sát tỉ lệ giữa các vùng có màu sắc khác nhau của ảnh tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học Axiovert 25CA. 3.5.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ xốp của lớp phủ Độ xốp giảm khi tăng nhiệt độ ủ, độ xốp nhỏ nhất ở nhiệt độ 550 o C (mẫu giữ nhiệt 4 giờ là 4,21%). Ở nhiệt độ 600 o C với thời gian giữ nhiệt 4 giờ và 6 giờ, độ xốp đều tăng lên so với mẫu ủ nhiệt ở nhiệt độ 550 o C, nguyên nhân có thể là do lớp phủ Al đã bị chảy lỏng cục bộ ở một số vị trí tạo thành lỗ xốp mới. 3.5.2.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ đến độ xốp của lớp phủ Thời gian ủ tác động đến độ xốp của lớp phủ theo quy luật tăng thời gian thì độ xốp giảm.Từ các số liệu độ xốp thu được ta có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến độ xốp để lựa chọn công nghệ xử lý nhiệt phù hợp vừa đảm bảo tính công nghệ vừa đảm bảo tính kinh tế. Thời gian giữ nhiệt càng dài, độ xốp nói chung càng giảm, riêng mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr ủ ở nhiệt độ 600 o C thời gian giữ nhiệt 2 giờ độ xốp là 3,65%, nhưng khi thời gian ủ tăng lên 6 giờ, độ xốp lại tăng lên 4,3%. 3.5.3. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến độ cứng của lớp phủ kép Al – Ni- 20Cr Mặt cắt ngang lớp phủ kép Al/Ni-20Crsau khi xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau được mài nhẵn qua các cỡ giấy giáp (từ #100 đến #1500), sau đó mẫu được đánh bóng trên máy đánh bóng với bột ôxit Cr, tiếp theo mẫu được đo độ cứng tế vi từ ngoài lớp phủ vào trong nền thép, khoảng cách 13 các vết đo độ cứng là 30μm, kết quả đo độ cứng là kết quả trung bình của 3 lần đo. 3.5.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ cứng của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr Kết quả đo độ cứng các mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45 và nền CT3 sau khi xử lý nhiệt ở các nhiệt độ 400; 500; 550; 600 o C với thời gian giữ nhiệt 6 giờ cho thấy: có 5 vùng độ cứng khác nhau được phân bố từ ngoài bề mặt lớp phủ vào trong nền thép, vùng 1 tương ứng là độ cứng của lớp phủ Ni-20Cr (độ cứng 240 – 250 HV), tiếp theo vùng 2 là vùng độ cứng cao nhất (cao nhất lên đến hơn 1000 HV, chế độ xử lý nhiệt 600 o C), vùng này có độ rộng khoảng 120 – 150 µm, đây là vùng liên kim của lớp phủ Ni-20Cr và Al (vùng mẫu sẫm trên ảnh tổ chức tế vi), vùng 3 là vùng có độ cứng thấp nhất, đó là vùng độ cứng của Al (45 – 55 HV), vùng 4 có độ cứng khá cao (cao nhất gần 600 HV, chế độ chế độ xử lý nhiệt 600 o C), vùng này có độ rộng khoảng 80 – 100 µm, đây là vùng liên kim của Al và nền thép, cuối cùng là vùng 5 là độ cứng của nền thép, nền C45 có độ cứng 230 – 240 HV, nền CT3 độ cứng 200 – 230 HV. 3.5.3.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ nhiệt tới độ cứng tế vi của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr a. Ảnh hưởng của thời gian ủ nhiệt tới độ cứng tế vi của lớp phủ kép Al – Ni-20Cr ở nhiệt độ 550 o C Kết quả đo độ cứng của vùng biên giới giữa lớp phủ Ni-20Cr và Al, giữa lớp phủ Al và nền thép C45 ủ nhiệt tại nhiệt độ 550 o C với thời gian giữ nhiệt khác nhau cho thấy: với thời gian giữ nhiệt 2 giờ, độ cứng vùng khuếch tán Ni-20Cr và Al đã khá cao (độ cứng đạt 450 – 500 HV), chiều rộng lớp khuếch tán khoảng 15 – 20 µm. Khi thời gian tăng lên, ta thấy độ cứng cũng tăng lên, thời gian tăng lên 6 giờ độ cứng cao nhất đạt 800 HV, chiều rộng lớp khuếch tán khoảng 20 – 25 µm. Khi thời gian tăng lên 8 giờ, độ cứng tăng lên không đáng kể, chiều rộng lớp khuếch tán tăng lên khoảng 30 – 35 µm. b. Ảnh hưởng của thời gian ủ nhiệt tới độ cứng tế vi của lớp phủ kép Al/Ni- 20Crở nhiệt độ 600 o C Kết quả đo độ cứng của vùng biên giới giữa lớp phủ Ni-20Cr và Al, giữa lớp phủ Al và nền thép C45 xử lý nhiệt tại nhiệt độ 600 o C với thời gian giữ nhiệt khác nhau cho thấy: ngay tại thời gian giữ nhiệt 2 giờ, vùng biên giới giữa lớp phủ Ni-20Cr – Al đã có độ cứng khá cao đạt 750 HV, chiều dày lớp khuếch tán khoảng 15 – 20 µm, kết quả này tương đương với kết quả đo độ cứng vùng biên giới Ni-20Cr – Al xử lý nhiệt tại 550 o C với thời gian giữ nhiệt 4 – 5 giờ. Khi thời gian giữ nhiệt tăng lên 6 giờ và 8 giờ, độ cứng cao nhất đạt 800 – 850 HV, chiều dày lớp khuếch tán khoảng 14 45 – 50 µm. Các kết quả đo độ cứng vùng khuếch tán giữa Al/Ni-20Cr và vùng Al – nền thép khá phù hợp với các kết quả nghiên cứu trong các tài liệu đã tham khảo. 3.6. Kết quả nghiên cứu cấu trúc bằng phương pháp EDS Phổ EDS được thực hiện trên mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr trên nền thép CT3 xử lý nhiệt ở 550 o C, thời gian giữ nhiệt 8 giờ, trên thiết bị của Trung tâm đánh giá hư hỏng Vật liệu (COMFA) – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Vị trí các điểm quét được thể hiện trên hình 3.27 và thành phần hóa học tại các điểm quét được đưa ra ở bảng 3.11. Điểm đầu tiên tương ứng với thành phần của lớp phủ Ni-20Cr, vị trí này chưa có các pha trung gian. Điểm thứ 2 và thứ 3 là vùng có các pha trung gian của 3 nguyên tố Al –Ni – Cr. Đây là vùng biên giới giữa 2 lớp phủ Al – Ni-20Cr. Sự tương tác giữa các nguyên tố ở vùng này khá phức tạp: Al – Ni, Al – Cr và có thể có tương tác Al – Ni – Cr tạo pha của 3 nguyên tố. Có thể dự báo một số pha xuất hiện theo tỷ lệ của các nguyên tố xuất hiện tại điểm quét. Về phía gần lớp phủ Ni-20Cr (điểm 2): 45,66% Al – 10,3% Cr – 43,21% Ni, từ 22 – 24% Cr mới xuất hiện pha liên kim Al7Cr ở vùng nhiệt độ thấp, như vậy khả năng không có pha liên kim của Al và Cr tại điểm 2, ở đây chỉ là dung dịch rắn Al(Cr). Giữa Al – Ni, khi hàm lượng Ni Hình 3.27. Vị trí các điểm quét phân tích thành phần trên mẫu phủ kép Al/Ni-20Crtrên nền thép CT3 xử lý nhiệt ở 550 o C/8 giờ 001 15 từ 40 – 56% có thể tạo thành pha Al3Ni, hàm lượng Ni từ 56 – 60% tạo thành pha Al3Ni2 ở vùng nhiệt độ thấp. TT Khoảng cách các điểm đo Hàm lượng các nguyên tố (%) Tổng (%) C O Al Si Cr Fe Ni 1 0,000 µm 1,46 0,42 0,93 19,13 78,05 100 2 22,778 µm 0,09 45,66 0,73 10,30 43,21 100 3 34,444 µm 0,77 62,77 0,27 8,58 27,61 100 4 51,670 µm 2,33 1,48 96,19 100 5 74,543 µm 0,71 1,29 57,20 0,10 40,71 100 6 92,229 µm 1,30 0,67 56,40 41,64 100 7 140,000 µm 0,34 99,66 100 Do vậy tại điểm 2 có thể xuất hiện pha Al3Ni. Về phía gần lớp phủ Al (điểm 3): 62,77% Al – 8,58% Cr – 27,61% Ni –0,77% O2, vùng này có mặt của ô xy hòa tan hoặc ôxit nhôm. Giữa AlCr: từ 30 – 32% Cr (còn lại là Al) có pha liên kim Al4Cr; từ 45 –48% Cr là pha Al9Cr4 ở vùng nhiệt độ thấp. Vậy điểm 3 cũng không tồn tại pha liên kim Al – Cr, chỉ có thể là dụng dịch rắn Al (Cr). Giữa Al – Ni có thể tạo thành dung dịch rắn Al (Ni). Điểm 4 có thành phần tương ứng với lớp phủ nhôm (96,19%Al) Điểm 5 và 6 là vùng trung gian giữa Al và nền thép, vùng này tồn tại các pha của Al – Fe. Điểm 5 (57,2% Al – 40,7% Fe) và điểm 6 (56,4% Al – 41,64% Fe) có thành phần xấp xỉ nhau. Từ giản đồ Al – Fe, khoảng từ 48 – 49% Al, xuất hiện pha FeAl2; từ 53 –56% Al xuất hiện pha Fe2Al5; từ 57 – 61%Al có pha FeAl3 ở vùng nhiệt độ thấp, giữa các khoảng nồng độ trên của nhôm là hỗn hợp các pha liên kim. Do vậy, tại điểm 5 và 6 có thể xuất hiện các pha liên kim Fe2Al5 và pha FeAl3. Điểm 7 là thành phần tương ứng với nền thép (99,6% Fe – 0,34% C). Bảng 3.11. Thành phần hóa học tại các điểm trên biên giới giữa lớp phủ kép Al/Ni-20Cr 16 3.7. Kết quả nghiên cứu các pha liên kim bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen Nghiên cứu sử dụng mẫu lớp phủ kép Al và Ni-20Cr trên nền thép CT3 đã qua ủ nhiệt ở 600 o C, thời gian giữ nhiệt 8 giờ, để phân tích nhiễu xạ Rơnghen. Phương pháp này cho biết các pha tạo thành nhờ vị trí và cường độ của các pic nhận được trên các giản đồ nhiễu xạ. Nghiên cứu đã thực hiện bóc từng lớp mỏng trên mặt phẳng lớp phủ, quét lần lượt từ lớp phủ Ni-20Cr, lớp Al và đến nền thép. Các pha liên kim phát hiện được tại vùng biên giới Al và Ni-20Cr là: AlNi3, Al4CrNi15, Al3Ni2, Al3Ni. Góc 2θ của các vạch nhiễu xạ tương ứng với các pha được liệt kê ở bảng 3.12. Pha Góc 2θ ( o ) Al3Ni 25,901 41,800 43,589 45,291 Al4CrNi15 44,075 51,301 75,484 Al3Ni2 25,615 44,933 45,291 AlNi3 43,645 48,153 76,915 86,646 Các pha liên kim phát hiện được tại vùng biên giới Al – Fe là: AlFe3, AlFe, FeAl3. Góc 2θ của các vạch nhiễu xạ tương ứng với các pha được liệt kê ở bảng 3.13. Các pha liên kim giữa Al và Ni-20Cr tạo thành liên tiếp tùy theo tỉ lệ của Al với hai nguyên tố còn lại. Trong đó Al tạo thành các liên kim riêng lẻ với Ni. Ở vùng gần lớp phủ Ni-20Cr, xuất hiện pha giàu niken AlNi3 (từ phổ XRD), còn vùng gần lớp phủ Al, xuất hiện pha giàu nhôm Al3Ni (từ phổ EDS). Pha Góc 2θ ( o ) AlFe3 44,189 64,313 81,287 AlFe 30,796 44,117 64,099 81,144 FeAl3 43,544 44,905 64,242 Bảng 3.13. Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng vùng Al – Fe Bảng 3.12. Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng vùng Al – Ni-20Cr 17 Do vậy, có thể xuất hiện thêm các pha khác, cần phải có nhiều phân tích thì mới có thể kết luận về tất cả các pha xuất hiện. Phân tích XRD còn phát hiện thêm pha phức của 3 nguyên tố Ni-Cr-Al, là pha Al4CrNi15 Trên biên giới giữa Al với nền thép (Fe), các pha FeAl2 là pha giả bền trong quá trình khuếch tán, khả năng tạo thành là thấp nhất vì chúng dễ bị phân huỷ, trên các kết quả phân tích X- ray đều không thấy sự có mặt của pha này. Nhôm khuếch tán sâu vào trong bề mặt nền thép, nên hàm lượng nhôm giảm dần và hình thành các pha trung gian (theo giản đồ pha): Al3Fe → Al5Fe2 → AlFe → AlFe3. Qua kết quả phân tích thành phần hóa học băng phương pháp EDS và phân tích pha bằng phương pháp XRD cho thấy các kết quả nghiên cứu pha khá tương đồng với các kết quả nghiên cứu trong các tài liệu đã thảm khảo. 3.8. Nghiên cứu khả năng chống mài mòn của lớp phủ Kết quả đo cường độ mòn và hệ số ma sát được nêu ra trong bảng 3.14, cho thấy: cường độ mòn của mẫu xử lý nhiệt giảm theo chiều tăng của nhiệt độ ủ và thấp hơn so với mẫu chưa xử lý nhiệt, đó là do các mẫu được xử lý nhiệt có chứa các pha có độ cứng cao nên có khả năng chống mài mòn tốt hơn mẫu chưa xử lý nhiệt, mẫu xử lý nhiệt ở 600 o C có độ cứng cao hơn mẫu xử lý nhiệt ở 550 o C. 3.9. Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của lớp phủ Nghiên cứu sử dụng mẫu sau khi ủ nhiệt ở 550 o C – 8 giờ (mẫu M2), mẫu sau khi ủ nhiệt ở 600 o C – 8 giờ (mẫu M3) và mẫu lớp phủ kép trước khi ủ nhiệt (mẫu M1) để so sánh. Các mẫu lớp phủ kép nghiên cứu được chọn đều có nền thép là CT3, kích thước bề mặt mẫu nghiên cứu là 100 mm 2 . STT Các mẫu vật liệu Cường độ mòn trung bình tính theo khối lượng (kg/N.m) Hệ số ma sát trung bình 1 Mẫu chưa ủ 4,86. 10 9 0,75 2 Mẫu sau ủ 550 o C – 8 giờ 2,15. 10 9 0,65 3 Mẫu sau ủ 600 o C – 8 giờ 1,92. 10 9 0,60 Bảng 3.14. Kết quả đo cường độ mòn và hệ số ma sát 18 Các mẫu được ngâm trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2, đo điện hóa và chụp ảnh bề mặt mẫu tại các khoảng thời gian ngâm mẫu khác nhau. 3.9.1. Ảnh chụp bề mặt mẫu theo thời gian Kết quả về hình ảnh bề mặt của mẫu sau khi ngâm mẫu tại các khoảng thời gian khác nhau thể hiện trong bảng 3.15. Thời gian ngâm Mẫu trước khi xử lý nhiệt Mẫu sau ủ 550 o C–8 giờ Mẫu sau ủ 600 o C–8 giờ 18 giờ Bề mặt các mẫu chưa có sự thay đổi so với trước khi ngâm 72 giờ Bề mặt xuất hiện 01 vết phồng 3mm, trên đỉnh vết phồng có vết nứt 2mm Bề mặt xuất hiện 01 vết phồng 2mm nhưng chưa có vết nứt Bề mặt mẫu vẫn bình thường, không xuất hiện vết phồng Bảng 3.15. Ảnh chụp bề mặt các mẫu theo thời gian, sau khi ngâm trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2. 19 3.9.2. Điện thế mạnh hở theo thời gian Từ đồ thị biến thiên của điện thế mạch hở (OCP) theo thời gian trên hình 3.33 có thể thấy: Đối với mẫu M1, ngay khi bắt đầu ngâm mẫu vào dung dịch axít H2SO4 với pH = 2, điện thế ăn mòn của mẫu này đã thấp hơn so với điện thế ăn mòn của mẫu M2 và M3. Điều này có thể giải thích là do độ xốp của mẫu lớn, dung dịch axít dễ dàng ngấm vào sâu bên trong lớp phủ Ni- 20Cr thông qua các lỗ xốp, khi tiếp xúc với lớp phủ Al nó làm giảm điện thế ăn mòn của cả hệ xuống và xu hướng gần giá trị điện thế ăn mòn của Al. Do điều kiện thí nghiệm chỉ có thể bố trí đo liên tục (tần suất đo 10s/lần) điện thế mạch hở cho các mẫu từ khi bắt đầu ngâm cho đến khoảng 16 giờ (hình 3.33 b), ở các thời điểm sau 16 giờ giá trị điện thế mạch hở được đo tại từng thời điểm sau 72 giờ, 168 giờ, 336 giờ và 672 giờ thể hiện trên hình 3.33 a. Đối với mẫu M1 không qua ủ nhiệt, tại thời điểm 72 giờ (3 ngày), điện thế của mẫu chưa xử lý nhiệt rất “âm”, ở mức – 0,615 V/SCE, thể hiện điện thế gần với lớp phủ Al, điều này cũng phù hợp với ảnh chụp bề mặt mẫu thực tế. Tuy nhiên, tại thời điểm 168 giờ (7 ngày), điện thế của mẫu có xu hướng tăng lên so với thời điểm 72 giờ, thời điểm 336h (14 ngày), điện thế của mẫu cũng vẫn cao. Điều này có thể giải thích là do lớp phủ Al bị ăn mòn, các sản phẩm ăn mòn này thụ động hóa học, đồng thời bít kín các lỗ xốp trong lớp phủ, ngăn cản axít tiếp xúc với Al, lúc này điện thế ăn mòn lại thể hiện điện thế của lớp phủ Ni-20Cr. Đến thời điểm 504 giờ (21 ngày), điện thế của mẫu lại giảm, điều này có thể do các sản phẩm ăn mòn Al bị tan ra và axít tiếp tục tiếp xúc với Al hoặc ngoài những điểm ban đầu axít tiếp xúc được với 168 giờ Vết phồng rộng hơn, đường kính 5mm, vết nứt dài 5mm Đã xuất hiện vết nứt trên vết phồng, chiều dài khoảng 2mm Bề mặt mẫu chưa xuất hiện vết phồng cũng như vết nứt nào. 20 Al thì trong thời gian ngâm, axít tiếp tục xâm nhập vào lớp phủ và tiếp xú