1 MỞ ĐẦU Theo số tài liệu thống kê giới năm có từ 10 – 15% khối lượng kim loại bị phá hủy ăn mòn điều kiện khác [1] Trong ngành công nghiệp nặng, chi tiết máy thường phải làm việc điều kiện khắc nghiệt (độ ẩm cao, nhiệt độ cao, mơi trường bụi, hóa chất…) dẫn đến tượng mài mòn, ăn mòn cuối phá hủy [2, 3] Mỗi chi tiết bị mài mịn ăn mịn chi phí để thay lớn, ngồi chi phí vật liệu vốn cao cịn kèm theo chi phí cho cơng tháo, lắp, sửa chữa thiệt hại khác dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động Những năm gần đây, song song với việc phát triển khoa học công nghệ ngành kỹ thuật cơng nghiệp việc địi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm kéo dài tuổi thọ chi tiết máy quan tâm Đặc biệt chi tiết máy làm việc mơi trường khắc nghiệt chịu ăn mịn, mài mịn tính chất vật liệu bề mặt chi tiết máy đặt lên hàng đầu Hiện có nhiều phương pháp xử lý bề mặt ứng dụng nhằm đáp ứng yêu cầu chi tiết điều kiện làm việc khác Công nghệ phun phủ xử lý nhiệt phương pháp đáp ứng yêu cầu làm việc chi tiết điều kiện nói [4, 5] Trong công nghệ xử lý bề mặt sử dụng, công nghệ phun phủ nhiệt ngày phát triển mở rộng quy mô, cải thiện chất lượng, thể tính ưu việt so với phương pháp xử lý bề mặt khác kỹ thuật kinh tế [5, 6] Như biết, kim loại Cr, Ni, Al có khả chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn có độ bền cao nhiều mơi trường hóa chất Lớp phủ Al thường biết đến lớp phủ chống ăn mịn khí tốt, khả chịu nhiệt tốt, ra, xử lý nhiệt lớp phủ Al thép, Al cịn có khả khuếch tán vào thép tạo thành pha liên kim Al Fe như: Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, Fe3Al, FeAl Các pha liên kim có độ cứng cao, chịu mài mịn, chịu nhiệt tốt [7 – 13] Ngồi khả khuếch tán vào thép, có mặt ngun tố Ni Cr đủ lớn Al cịn tương tác với nguyên tố Ni Cr tạo thành liên kim Al – Ni như: AlNi3, Al3Ni5, AlNi, Al3Ni2, Al3Ni; Al – Cr như: AlCr2, Al8Cr5, Al9Cr4, Al11Cr2, Al7Cr pha có độ cứng cao Ni Cr nguyên tố thường dùng để hợp kim hóa thép tạo thành thép hợp kim, với hàm lượng cao với Fe C tạo loại thép không gỉ, hợp kim bền nóng Ni kết hợp với Cr theo tỷ lệ gần 80% Ni gần 20% Cr tạo thành hợp kim Ni-20Cr, hợp kim thường dùng làm dây sợi đốt cho loại lò buồng, nhiệt độ làm việc lên đến 900 – 1100oC [14, 15, 16] Ngoài khả chịu nhiệt, hợp kim Ni-20Cr ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp dầu khí, khai thác khống sản, hóa chất dạng lớp phun phủ nhiệt [17] Để đáp ứng yêu cầu vừa chịu mài mòn, chống ăn mịn chịu nhiệt cần tìm giải pháp phối hợp lớp phủ với Việc đưa lớp phủ nhôm vào bên (tiếp giáp với thép) lớp phủ Ni-20Cr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán lớp phủ lớp phủ với làm tăng liên kết, đồng thời có số tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn hướng có triển vọng, nhiên nghiên cứu lại chưa nhiều Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo hệ lớp phủ có khả làm việc mơi trường khắc nghiệt vừa chống mài mòn, ăn mòn chịu nhiệt, tác giả lựa chọn hệ lớp phủ kép Al kết hợp với lớp phủ Ni-20Cr, lớp phủ Al tiếp giáp thép, lớp phủ Ni-20Cr trên, kết hợp xử lý ủ nhiệt Thép C45 CT3 nhóm vật liệu thơng dụng cơng nghiệp, ưu điểm rẻ tiền, tính hàn tốt, dễ gia công cắt gọt, thường dùng để chế tạo chi tiết máy, kết cấu khơng địi hỏi tính chất đặc biệt Thép C45 thường dùng để chế tạo chi tiết dạng trục, thép CT3 thường dùng dạng tấm, thanh, để chế tạo kết cấu, cánh quạt, cánh khuấy, vỏ, thân lò Vì đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất hệ lớp phủ kép nhôm hợp kim Ni-20Cr thép” chọn thép C45 CT3 làm vật liệu nhằm khai thác ưu điểm nhóm vật liệu này, đồng thời nhờ lớp phủ để nâng cao khả làm việc chúng số môi trường đặc biệt chống ăn mịn, mài mịn, ví dụ: cánh quạt lò đốt rác thải, cánh tuabin, cánh bơm… Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt giới Phun phủ nhiệt phương pháp công nghệ khoa học cơng nghệ bề mặt nói chung cơng nghệ xử lý bề mặt nói riêng Nói cơng nghệ bề mặt nói đến công nghệ truyền thống cổ điển tồn hàng trăm năm lịch sử văn minh nhân loại; đặc biệt đến đầu thập kỷ 80 kỷ 20 tích lũy nhiều kinh nghiệm phong phú trở thành lĩnh vực đặc thù đáp ứng nhu cầu ngày tăng xã hội loài người Phun phủ nhiệt lĩnh vực khoa học cơng nghệ cịn trẻ so với phương pháp bề mặt cổ điển khác như: sơn, mạ Năm 1910, ý tưởng phun phủ nhiệt kỹ sư khí người Thụy Sĩ M.U Shoop đưa năm 1923, phương pháp công nghệ đưa vào sản xuất, ban đầu dùng cho mục đích trang trí Đến chiến tranh Thế Giới thứ 2, phun phủ nhiệt ứng dụng quy mô công nghiệp hầu Châu Âu Phương pháp công nghệ trở thành cơng nghệ vạn năng, có nhiều ưu việt lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, với ưu điểm tiết kiệm kim loại quý, tạo lớp bề mặt có tính chất đặc biệt Đến năm 70, 80 kỷ 20, phun phủ nhiệt trở thành lĩnh vực khoa học công nghệ riêng biệt, biểu giống khoa học công nghệ bề mặt (Công nghệ xử lý bề mặt); mặt khác giống phương pháp công nghệ chế tạo sản xuất Đến năm 90 kỷ 20, khoa học công nghệ phun phủ có tốc độ phát triển ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực khí (cơ khí chế tạo máy, khí hàng khơng, khí giao thơng vận tải, khí hóa chất ) Để đánh giá phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ phun phủ nhiệt, dựa sở phát triển thiết bị, phương pháp công nghệ, phạm vi ứng dụng, hiệu kinh tế lĩnh vực công nghiệp đời sống xã hội Hiện giới, nhiều nước tiên tiến, nước có truyền thống cơng nghiệp phun phủ nhiệt có hãng chuyên nghiên cứu, thiết kế thiết bị, vật liệu ứng dụng công nghệ như: Hãng Plasma Technique, Castolin (Thụy Sĩ); Plasmaday, Dressef, Avko (Mỹ); OSU Hessler; UTP (CHLB Đức), Nobel-Brocl (Pháp); Dnipro (Nga); Arcosse (Bỉ); Volvo Flemotor (Thụy Điển) Các hãng thiết kế, chế tạo hàng loạt thiết bị phun phủ nhiệt với loại nguồn nhiệt hồ quang, khí cháy, cao tần, plasma dùng với vật liệu phun dạng dây, dạng bột như: EM9; ME14; EMC-1; MTΠ-1; YΠY-3; DNIPRO-3M (Nga); ∆D1; SUMMTT; EMP-2-57; PAL-160-2 (Séc); GPM-L2; (Ba Lan); METCO-10MB; METCO-11B; FONTAR-ZIET (UTP); OSU-HESSLER 300A (CHLB Đức); PAL9AED (Anh) Phun phủ nhiệt phát triển mạnh mẽ nước như: Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga, Nhật Ở nước tiên tiến có dây chuyền phun phủ công suất cao khoảng vật liệu phun ngày Song song với phát triển ứng dụng, họ tiếp tục nghiên cứu sở lý thuyết để hồn chỉnh dần Các nước có viện nghiên cứu, thành lập hiệp hội tạp chí riêng; họ xây dựng tiêu chuẩn quốc gia, tiêu chuẩn quốc tế phun phủ nhiệt; hàng năm có cơng bố phát minh sáng chế khoa học cơng nghệ [6, 17, 18] 1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ phun phủ nhiệt Việt Nam Công nghệ phun phủ nhiệt du nhập vào nước ta cách khoảng 50 năm Thời gian đầu, công nghệ sử dụng chủ yếu cho mục đích phục hồi chi tiết máy bị mài mòn, sử dụng vật liệu phủ loại thép Cho đến năm 1990, xuất phát từ nhu cầu thực tế, số sở nghiên cứu sản xuất bắt đầu tập trung phát triển ứng dụng cơng nghệ với mục đích tạo lớp phủ có khả chịu ăn mịn tốt phải làm việc môi trường khắc nghiệt Năm 1975, Viện Kỹ thuật giao thông vận tải thuộc Bộ giao thơng vận tải cho nhóm cán kỹ sư sang Liên Xô (cũ) thực tập công nghệ phục hồi bảo vệ kết cấu máy công nghệ hàn đắp, phun phủ mạ Sau giao thông xây dựng đề tài cấp nhà nước giai đoạn 1970 – 1979 với đề tài “Phục hồi chi tiết máy ngành giao thông vận tải Công nghệ hàn đắp, phun phủ mạ” Đề tài Viện Kỹ thuật giao thông vận tải chủ trì Ủy ban Khoa học Nhà nước trước (bây Bộ Khoa học Công nghệ) cấp kinh phí nghiên cứu Do có phát triển phương diện nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu ứng dụng phát triển rộng nhiều nhà máy, nên công nghệ phun phủ Việt Nam phát triển với tốc độ cao Năm 1980 – 1985, nhà máy khí sửa chữa ôtô thủy lợi thiết kế chế tạo mẫu đầu phun M-6 toàn trang thiết bị khác để thực việc phục hồi trục bơm trạm bơm nước thuộc tỉnh Hà Nam, lớp phủ chống mài mịn chống ăn mịn hóa học từ thép không gỉ 12Cr18Ni9 trục thép cacbon kết cấu Giai đoạn đất nước đổi mới, lĩnh vực công nghiệp, xã hội có đổi phát triển; đặc biệt lĩnh vực khai thác dầu khí, khai thác than đạt nhiều thành tích; đồng thời kế hoạch xây dựng đường dây điện cao 500 kV Bắc Nam Vấn đề bảo vệ chống ăn mòn kết cấu dàn khoan, cầu đường, tàu biển đặt Công nghệ phun phủ nhiệt quan tâm đáng kể Nhiều đơn vị Viện Công nghệ – Bộ quốc phịng, Viện nghiên cứu máy – Bộ cơng nghiệp nặng, Trường đại học bách khoa Hà Nội sử dụng thiết bị phun phủ hồ quang dây M9; M14-M; Y-1 Liên Xô để phun phủ lớp bảo vệ nhôm, kẽm với chiều dày phun 160 – 200 m cho chân cột, giằng, trụ dàn khoan (Vũng Tàu); cột điện, trụ cột bê tông (đảo Trường Sa) Song song với kết ứng dụng, đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước hình thành; nhà nước quan tâm hỗ trợ Trước thành tựu đổi mới, tăng trưởng kinh tế đất nước liên tục hàng năm, Đảng phủ có quan tâm đáng kể đến nhiều vấn đề kinh tế - xã hội; đặc biệt đến phát triển Khoa học Cơng nghệ Chương trình xây dựng 16 phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia phủ phê duyệt Trong năm 2001 thức triển khai xây dựng phịng thí nghiệm có Phịng thí nghiệm cơng nghệ hàn xử lý bề mặt Viện nghiên cứu khí thuộc Bộ Cơng nghiệp nặng chủ trì Với khoảng kinh phí đáng kể (50 tỷ đồng), Viện nghiên cứu khí xây dựng phương án đầu tư phương pháp công nghệ hàn phun phủ tiên tiến nhằm thúc đẩy khả nghiên cứu khoa học phục vụ nghiệp cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước Về lĩnh vực phun phủ nhiệt, phịng thí nghiệm trang bị thiết bị phun phủ khí cháy, phun phủ plasma, phun phủ nổ Song song với thiết bị cơng nghệ, phịng thí nghiệm đo lường, kiểm tra trang bị đầy đủ đại (kính hiển vi điện tử, thiết bị đo chiều, đo ứng suất dư ) Với điều kiện tốt trang thiết bị nghiên cứu vậy, đồng thời Viện giao đề tài nghiên cứu cấp nhà nước theo chương trình khoa học giai đoạn 2001-2005, có đề tài KC05-10 “Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ phun nhiệt khí ép nóng để tạo bề mặt có độ chịu mịn bám dính cao phục hồi chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt” Đề tài có ý nghĩa khoa học công nghệ kinh tế lớn Môi trường làm việc khắc nghiệt nhắm tới đề tài chủ yếu mơi trường mài mịn trượt tải trọng điều kiện mài mòn khô (trục cán, búa nghiền, khuôn ép …) mài mịn có bơi trơn dầu (cổ trục đỡ ổ bi, má nghiền…) Đề tài khảo sát nhiều loại vật liệu, chủ yếu số mác thép hợp kim (65Mn, 20NiCr3…) Độ bền vật liệu mơi trường ăn mịn khơng nghiên cứu Các kết nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt Việt Nam năm qua có nhiều kết ngày phát triển Vì năm tiếp theo, ngành có quan tâm hỗ trợ tích cực Viện khí lượng mỏ thuộc Bộ Cơng Thương thúc đẩy công nghệ phun phủ nhiệt đầu tư toàn thiết bị phun phủ nổ CHLB Nga, thiết bị DNIPRO-3M với công suất nổ 3000 lần/phút Để phun lớp phủ bột kim loại, bột hợp kim, bột ôxit khác với thiết bị phun phủ nổ này, Viện có điều kiện nghiên cứu nâng cao chất lượng bám dính lớp phủ để tạo lớp phủ có tính chất đặc biệt cho việc phục hồi chế tạo chi tiết làm việc điều kiện mài mòn ăn mòn cao ngành khai thác mỏ Việt Nam Viện công nghệ thuộc Bộ Công Thương đầu tư thiết bị phun ЭM6; ЭM14; ЭM-12/67 Nga; Mogan UP-1 CHLB Đức, để thực chương trình nghiên cứu lớp phủ xử lý bề mặt chi tiết Cùng với thời gian này, Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên Công nghệ Quốc Gia (nay Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) nhà nước đầu tư trang thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU HESSLER 300A ROTARY CHLB Đức, với thiết bị có chất lượng cao, độ ổn định tốt Viện tiến hành nghiên cứu lớp phủ bảo vệ chống ăn mịn hóa học điều kiện môi trường khác nhau, đồng thời nghiên cứu lớp phủ chống mài mòn nhằm mục đích ứng dụng cho kết cấu làm việc vùng khai thác mỏ Quảng Ninh Tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, công nghệ phun phủ kim loại dùng hồ quang điện nghiên cứu từ khoảng năm 1995 thu số kết nghiên cứu triển khai ứng dụng Tính đến nay, sau 15 năm hoạt động, Viện chủ trì tham gia 10 đề tài nghiên cứu cấp liên quan đến phun phủ kim loại, công bố 50 báo báo cáo khoa học nghiên cứu - đánh giá lớp phủ bảo vệ, đào tạo 11 sinh viên cao học, khoảng 50 sinh viên đại học cao đẳng, thực 50 hợp đồng lĩnh vực phun phủ nhiệt công nghệ xử lý bề mặt [19] 1.3 Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt Nguyên liệu thanh, dây bột Nguồn nhiệt (điện, khí plasma) Hạt gia tốc Đập lên bề mặt Lớp phủ Hình 1.1 Nguyên lý chung công nghệ phun phủ nhiệt [20] Nguyên lý chung phun phủ nhiệt dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy, plasma) làm nóng chảy tồn hay phần vật liệu phun dạng bột, dạng thanh, dạng dây hay dạng lõi thuốc Vật liệu sau phân tán thành hạt dạng sương mù, tác dụng dịng khí lượng cao tăng tốc phun lên bề mặt chi tiết chuẩn bị trước Các vật liệu dùng để phun phủ kim loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa composit Với đặc điểm hình thành vậy, lớp phủ có cấu trúc dạng lớp, đó, phần tử vật liệu bị biến dạng xếp chồng lên Vì chiều dày lớp phủ khơng bị giới hạn, tạo lớp phủ mỏng vài chục µm dày vài mm (hình 1.1) [20] 1.3.1 Mục đích phân loại cơng nghệ phun phủ nhiệt 1.3.1.1 Mục đích phương pháp phun phủ nhiệt Phun phủ có ứng dụng nhiều thực tế, số ứng dụng quan trọng nhất: - Phun phủ phục hồi chi tiết bị mòn - Tạo lớp phủ chức năng: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt… - Phun lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cách điện, cách nhiệt, lớp phủ từ tính…) lên chi tiết mà vật liệu khơng có đặc tính - Sửa chữa khuyết tật (vật đúc, chi tiết sau gia cơng cơ) - Tạo lớp phủ trang trí 1.3.1.2 Phân loại công nghệ phun phủ Phân loại theo lượng phun: phun khí cháy, phun nguồn lượng điện Phân loại theo công nghệ phun: phun khí cháy, phun hồ quang điện, phun nổ, phun plasma, phun HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) Ngoài phương pháp phun số phương pháp phun khác phun nguội (cold spray), phun ấm (warm spray), phun laser, Bảng 1.1 so sánh đặc điểm số phương pháp phun phủ nhiệt [21] Hình 1.2 cơng nghệ phun phủ nhiệt điển hình [22] Hình 1.2 Các công nghệ phun phủ nhiệt [22] Bảng 1.1 So sánh đặc điểm số phương pháp phun phủ nhiệt Phun Đặc điểm Loại lớp Phun khí Phun hồ Phun phủ cháy HVOF quang Plasma điện Nhiệt độ khí (oC) 3000 Tốc độ phun 16000 10 – 25 – 10 14 – 21 48 – 62 28 – 41 21 – 34 – 34 48 – 62 14 – 48 14 – 48 14 – 34 – – 21 – 41 34 – 48 < 83 Hợp kim Fe 0,05 – 0,05 – 2,5 Hợp kim 2,0 0,05 – 2,5 màu 0,05 – 5,0 – Gốm 0,25 – 2,0 0,002 – Cácbit 0,15 – 0,8 0,200 35 45 40 40 20 55 35 50 40 – 65 – – 45 – 65 45 – 55 55 – 72 – 50 – 65 – 10