Bài giảng Hàn đắp và phun phủ

ững nơi đào tạo ra đội ngũ Kỹ sư và Công nhân kỹ thuật lành nghề đặc biệt là đội ngũ Kỹ sư, công nhân ngành công nghệ hàn phục vụ cho các lĩnh vực cơ khí, xây dựng trong cả nước. Để đáp ứng nhu cầu trong thời đại mới, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định luôn chú ý tới chương trình đào tạo, đổi mới phương pháp dạy và học. Trong đó công tác biên soạn tập bài giảng, tài liệu để sử dụng cho dạy và học là một mục tiêu quan trọng hàng đầu. Tập bài giảng “Hàn đắp và phun phủ” được biên soạn dựa theo chương trình môn học “Hàn đắp và phun phủ” dùng cho đào tạo bậc kỹ sư, cao đẳng công nghệ hàn thuộc bộ môn Hàn - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam định. Tập bài giảng dùng để làm tài liệu tham khảo, giảng dạy cho giáo viên, tài liệu học tập cho sinh viên ngành công nghệ hàn. Để tập bài giảng được hoàn thiện hơn, chúng tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến và xây dựng của các đồng nghiệp và các độc giả. Xin trân trọng cảm ơn! Nhóm tác giả ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ & HÀN ĐẮP ............1 1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ và hàn đắp ....................................................1 1.1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ ................................................................1 1.1.1.1 Thực chất ....................................................................................................1 1.1.1.2 Đặc điểm .....................................................................................................3 1.1.2 Thực chất, đặc điểm của hàn đắp ...................................................................4 1.1.2.1 Thất chất .....................................................................................................4 1.1.2.2 Đặc điểm .....................................................................................................4 1.2. Trang thiết bị dùng t rong hàn đắp và phun phủ ..................................................5 1.2.1. Trang thiết bị dùng trong hàn đắp .................................................................5 1.2.1.1 Thiết bị hàn điện hồ quang tay ...................................................................5 1.2.1.2 Thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ ...7 1.2.2 Trang thiết bị dùng trong phun phủ ...............................................................8 1.2.2.1 Máy nén khí ................................................................................................8 1.2.2.2 Bình chứa khí ............................................................................................10 1.2.2.3 Nguồn điện để phun phủ ...........................................................................10 1.2.2.4 Hệ thống điện và tủ điện điều khiển .........................................................11 1.2.2.5 Đầu phun ...................................................................................................12 1.2.2.6 Các thiết bị phụ .........................................................................................19 1.3 Sự hình thành lớp phủ và cấu trúc kim loại lớp phủ ..........................................24 1.3.1 Các quan điểm về sự hình thành lớp phủ .....................................................24 1.3.1.1 Lý thuyết của Pospisil-Sehyl ....................................................................24 1.3.1.2 Lý thuyết của Schoop ...............................................................................25 1.3.1.3 Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger.................................................25 1.3.1.4 Lý thuyết của Schenk................................................................................25 1.3.2 Cơ cấu hình thành lớp phủ ...........................................................................25 1.3.2.1 Quá trình chảy, phân tán kim loại phun....................................................25 1.3.2.2 Quá trình bay của các hạt ..........................................................................26 1.3.2.3 Sự hình thành lớp phủ bằng kim loại ........................................................27 1.3.2.4 Cấu trúc của lớp phủ kim loại ...................................................................28 1.4 Độ bám dính của lớp phủ kim loại .....................................................................29 1.4.1. Lực bám dính của các hạt kim loại .............................................................29 1.4.1.1 Lực dính bám của hạt kim loại lỏng lên bề mặt các chất rắn ...................29 1.4.1.2 Lực Vandervan .........................................................................................31 1.4.1.3 Lực liên kết do ảnh hưởng của lớp điện tích kép .....................................31 1.4.1.4 Liên kết kim loại .......................................................................................32 1.4.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến độ bám dính ...............................................33 1.4.2.1 Ảnh hưởng của lực co rút kim loại. ..........................................................33 1.4.2.2 Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt cơ sở (nền) ...........................................34 iii 1.4.2.3 Ảnh hưởng của chuẩn bị bề mặt ...............................................................36 1.5. Công nghệ phun phủ và hàn đắp .......................................................................40 1.5.1 Công nghệ phun phủ ....................................................................................40 1.5.1.1 Kiểm tra vật liệu .......................................................................................40 1.5.1.2 Công nghệ chuẩn bị bề mặt chi tiết trước khi phun phủ ...........................45 1.6. Gia công cơ khí sau khi phun phủ, hàn đắp ......................................................75 1.6.1. Tiện .............................................................................................................75 1.6.2. Bào ..............................................................................................................76 1.6.3. Phay ............................................................................................................77 1.6.4 Mài ...............................................................................................................77 1.7. Tính chất và phương pháp kiểm tra lớp phủ .....................................................78 1.7.1. Tính chất của lớp phủ .................................................................................78 1.7.1.1 Tính chất cơ học của lớp phun kim loại ...................................................78 1.7.1.2 Tính chất chống mài mòn của lớp phun ...................................................79 1.7.1.3 Khả năng chống gỉ ....................................................................................80 1.7.1.4 Khả năng chịu nhiệt ..................................................................................81 1.7.2 Phương pháp kiểm tra lớp phủ.....................................................................82 1.7.2.2 Kiểm tra độ bám lớp phủ ..........................................................................82 1.7.2.3 Xác định độ xốp của lớp phun ..................................................................85 1.7.2.4 Đo ứng suất dư của lớp phun ....................................................................87 1.7.2.5 Xác định độ chịu mài mòn của lớp phun. .................................................87 1.8 Câu hỏi ôn tập ....................................................................................................88 CHƯƠNG 2 PHỤC HỒI VÀ BẢO VỆ BỀ MẶT KIM LOẠI BẰNG PHUN PHỦ VÀ HÀN ĐẮP ..............................................................................................................89 2.1 Khoa học về bề mặt và phương pháp xử lý chung .............................................89 2.1.1 Khái niệm và sự phát triển của xử lý bề mặt kim loại .................................89 2.1.2. Định nghĩa về phân loại bề mặt ..................................................................90 2.1.3 Sự mòn bề mặt và đặc trưng cửa chúng .......................................................92 2.1.4 Mục đích và phương pháp xử lý bề mặt ......................................................94 2.2 Sự gỉ của kim loại ...............................................................................................97 2.2.1 Gỉ hóa học ....................................................................................................97 2.2.2 Gỉ điện hóa ...................................................................................................98 2.2.3 Gỉ trong môi trường khí quyển ..................................................................104 2.2.6 Gỉ do dòng điện rò .....................................................................................106 2.2.7 Gỉ cấu trúc ..................................................................................................107 2.3 Bảo vệ chống gỉ ................................................................................................107 2.4 Bảo vệ bằng lớp phun kim loại ........................................................................112 2.4.1 Lớp phủ từ vật liệu vô cơ ...........................................................................112 2.4.2 Phun phủ kim loại và hàn đắp ....................................................................123 2.5 Câu hỏi ôn tập ..................................................................................................128 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................130 iDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phun dây bằng ngọn lửa khí cháy ..1 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện..2 Hình 1.3. Ống nối bị đứt..4 Hình 1.4. Bạc lót trong máy ép trục khuỷu cần sửa chữa phục hồi.4 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn xoay chiều6 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý máy hàn một chiều6 Hình 1.7 Sơ đồ khối máy hàn trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy7 Hình 1.8 Sơ đồ khối máy hàn TIG..8 Hình 1.9. Bình chứa khí .10 Hình 1.10. Các đặc tính ngoài máy hàn .11 Hình 1.11. Quá trình phát triển phun kim loại...12 Hình 1.12. Phân loại các đầu phun.12 Hình 1.13. Đầu phun điện trở.13 Hình 1.14. Đầu phun hồ quang điện...13 Hình 1.15. Thiết bị phun hồ quang điện.14 Hình 1.17. Thiết bị phun khí cháy..15 Hình 1.18. Sơ đồ súng phun khí-bột kim loại ROTOTEC-80 (Thuỵ Sỹ)15 Hình 1.19. Nguyên lý phun phủ plasma17 Hình 1.20. Kết cấu một số đầu phun plasma..17 Hình 1.21. Nguyên lý công nghệ phun nổ..18 Hình 1.22. Thiết bị phun nổ19 Hình 1.24. Nguyên lý thùng lọc thô không khí..20 Hình 1.25. Bình chuyển cát (hạt phun)..21 Hình 1.26. Súng phun cát cầm tay22 Hình 1.27. Sơ đồ nguyên lý máy nắn dây phun.22 Hình 1.28. Cấu trúc của lớp phủ kim loại..28 Hình 1. 29. Sự bám dính của giọt lỏng trên vật rắn 29 Hình 1.30. Hình dáng giọt lỏng..31 Hình 1.31. Ứng suất trong lớp phủ.33 Hình 1.32 Mô hình phần tử phun..34 Hình 1.33 Sự bố trí nguyên tử trong mạng...35 Hình 1.34. Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề mặt..37 Hình 1.35. Ảnh hưởng của khoảng cách phun hạt kim loại đến độ dính bám và độ nhấp nhô..38 Hình 1.36. Sơ đồ chùm tia phun.39 ii Hình 1.37. Sự hình thành cấu trúc lớp ..39 Hình 1.38. Sơ đồ công nghệ phun phủ kim loại40 Hình 1.39. Các dạng tia phun phụ thuộc thành phần cacbon42 Hình 1.40. Công nghệ chuẩn bị bề mặt.45 Hình 1.41. Yêu cầu về hình dáng bề mặt với lớp phun phủ ..47 Hình 1.42. Nguyên lý phun cát.48 Hình 1.43. Độ nhấp nhô phụ thuộc áp suất khí nén..49 Hình 1.44. Độ nhấp nhô phụ thuộc khoảng cách phun cát, kích thước hạt cát50 Hình1.45. Bề mặt mẫu trước và sau khi phun tạo nhám52 Hình 1.46. Nguyên lý phun bi53 Hình 1.47. Dạng trăng tròn53 Hình 1.48. Độ cứng phụ thuộc khoảng cách phun56 Hình 1.49. Độ bám dính phụ thuộc vào khoảng cách phun ..56 Hình 1.50. Độ chịu mài mòn phụ thuộc vào khoảng cách phun 57 Hình 1.51. Độ chịu mòn phụ t huộc theo điện áp hồ quang của thép 0,8%C58 Hình 1.52. Các loại ngọn lửa khí cháy...59 Hình 1.53. Hướng và góc phun.62 Hình 1.54. Phương pháp làm tăng độ bám lớp phủ phần đầu tiên63 Hình 1.55. Vát cạnh lớp phun trước khi bào.77 Hình 1.56. Phay lớp phun phủ...77 Hình 1.57. Đo độ cứng tế vi lớp phủ.79 Hình 1.58. Mẫu thử độ bền dính bám của lớp phủ83 Hình 1.59. Chiều dày lớp phun phủ ảnh hưởng đến lực dính bám83 Hình 1.60. Mẫu thử kéo xác định chiều dài lớp phun 84 Hình1.61. Sơ đồ đo tỷ trọng lớp phủ.86 Hình 1.62. Sơ đồ nguyên lý máy đo mòn AMSLER 88 Hình 2.1. Sự mài mòn theo thời gian của bề mặt...93 Hình 2.2. Các dạng gỉ bề mặt.96 Hình 2.3. Sự gỉ theo thời gian98 Hình 2.4. Tốc độ gỉ của Zn trong H2SO4..98 Hình 2.5. Lớp điện tích kép98 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của pin..100 Hình 2.7. Quá trình gỉ pin sắt – đồng101 Hình 2.8. Pin gỉ điện hóa...101 Hình 2.9. Đường cong phân cực...103 iii Hình 2.10. Chống gỉ ống dẫn bằng thiết bị bảo vệ...110 Hình 2.12. Tráng kẽm bằng tay.116 Hình 2.11. Phân loại lớp phủ.117 Hình 2.13. Sự bố trí cực anôt và catôt trong bể mạ..118 Hình 2.14 Mạ trong chân không...122 Hình 2.15.Phục hồi trục mòn bằng phun kim loại.125 Hình 2.16.Trục được phục hồi bằng hun kim loại .125 Hình 2.17.Trục khuỷu được phục hồi bằng phun (kích thước Ф 85f8) .125 Hình 2.18.Trục lệch tâm được phun đắp kich thước Ф65k6 .126 Hình 2.19. Phục hồi bề mặt ma sát piston máy búa bằng phun.126 Hình 2.20 .Phục hồi thân máy khoan cần bằng phun.127 Hình 2.21 .Phun bề mặt của cánh tuabin khí..127 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật máy nén khí dùng cho phun kim loại ...9 Bảng 1.2. Đường kính ống dẫn khí nén cho phun kim loại...9 Bảng 1.3. Kích thước các bình chứa khí áp lực 6 – 8 kG/cm2....10 Bảng 1.4. Một số loại đầu phun kim loại.16 Bảng 1.5. Đặc tính kỹ thuật của súng phun cát...21 Bảng 1.6. Trang thiết bị cần thiết cho phân xưởng phun kim loại...23 Bảng 1.7. Các kim loại dùng làm vật liệu phun ...41 Bảng 1.8. Thành phần hóa học các loại dây thép.41 Bảng 1.9. Nhiệt độ chảy của một số kim loại dùng để phun ...43 Bảng 1.10a. Kích thước của các nhóm bột phun .44 Bảng 1.11a. Kích thước hạt cát và hạt thép.51 Bảng 1.12. Chế độ phun cát.51 Bảng 1.13. Chiều dày tối thiểu của lớp phun sau khi gia công ....55 Bảng 1.14. Lượng dư cho tiện mài..55 Bảng 1.15. Cường độ dòng điện phun .58 Bảng 1.16. Tốc độ quay của chi tiết và di động của đầu phun.59 Bảng 1.17 Chế độ phun với đầu phun зM6 với dòng xoay chiều .60 Bảng 1.18 Chế độ phun của đầu phun khí cháy MГИ –1.61 Bảng 1.19 Ảnh hưởng của áp lực khí nén đến sự mất mát kim loại .64 Bảng 1.20. Ảnh hưởng của góc phun đến sự mất mát kim loại 64 Bảng 1.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt ..65 Bảng 1.22 Thành phần hóa học của kim loại lớp đắp dưới thuốc ҖCH -5, %.....72 iv Bảng 1.23 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đối với thành phần hóa học của kim loại hàn đắp74 Bảng 1.24 Ảnh hưởng của cường độ và điện áp đến thành phần hóa học lớp đắp (thành phần thuốc hàn : 65%AH- 348A + 25% Fe_Cr)74 Bảng 1.25. Chế độ cắt khi tiện76 .Bảng 1.26. Chế độ khi bào lớp phun76 Bảng 1.27. Độ bền kéo của lớp phủ kim loại.78 Bảng 1.28. Độ cứng vật liệu ban đầu và lớp phủ79 Bảng 1.29. Hệ số ma sát của các ổ bi hợp kim phun kim loại80 Bảng 1.30. Các lớp phủ kim loại chống gỉ..81 Bảng 2.1. Điện thế chuẩn của một số kim loại..99 1CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ & HÀN ĐẮP 1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ và hàn đắp 1.1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ 1.1.1.1 Thực chất Phun kim loại đôi khi còn gọi là kim loại hoá (Metallization) hoặc là Schoop (theo tên một kỹ sư cơ khí người Thuỵ Sỹ là U. M. Schoop ông đã tìm ra phương pháp này năm 1910). Thực chất của phun phủ là phương pháp công nghệ đưa các vật liệu rắn (dạng bột, dạng dây, dạng thanh cứng hoặc mềm) vào dòng vật chất có năng lượng cao (dòng khí cháy, hồ quang, dòng plasma,) nhằm nung nóng chảy một phần hay toàn bộ vật liệu, phân tán vật liệu thành các hạt dưới dạng sương mù rất nhỏ, tăng tốc độ hạt và đẩy hạt đến bề mặt chi tiết cần phủ đã được chuẩn bị sạch, như vậy sẽ tạo ra một lớp kim loại phủ dày, trong đó các phần tử kim loại đè lên nhau theo từng lớp. Ví dụ 1: Trên hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun kim loại dây (đốt chảy kim loại bằng ngọn khí cháy). Hình 1.1. Phun dây bằng ngọn lửa khí cháy 1. Dây phun; 2. Ngọn lửa khí cháy; 3. Đầu dây nóng chảy; 4. Dòng không khí nén 5. Hạt kim loại; 6. Lớp phủ; 7. Kim loại nền; 8 Đầu bép Ở đây kim loại được đưa vào trong đầu phun dưới dạng dây có đường kính khoảng 1,2 ÷ 3 mm. Các ống dẫn khí oxy, axêtylen và không khí nén có áp suất khoảng 5-6atm. Ôxy và axêtylen cháy cho ta ngọn lửa hàn khí. Dưới tác dụng của ngọn lửa đầu dây bị đốt nóng chảy. Đồng thời không khí nén thổi giọt kim loại lỏng làm bắn ra những hạt kim loại nhỏ bay theo dòng khí nén với tốc độ rất nhanh (khoảng 100 ÷ 200m/s) đập lên bề mặt vật đắp. Ở đây sự dịch chuyển của dây được thực hiện bằng cơ cấu dịch chuyển cơ khí. Lớp kim loại phủ trên bề mặt vật sẽ có độ cứng và dòn hơn là kim loại dây và có sức bền kéo không lớn lắm. Sức bền liên kết với vật liệu cơ sở cũng nhỏ. Nhưng tính chất của lớp p hủ sẽ có nhiều 2tác dụng khác như tính chịu mài mòn trong ma sát ướt, có khả năng giữ dầu. Để nâng cao độ bám dính của lớp phủ, bề mặt cơ sở phải hoàn toàn sạch và được chuẩn bị trước bằng các phương pháp thích hợp như gia công cơ khí, phun bi, gại điện, vvSau khi làm sạch và tạo nhấp nhô, khoảng 2 giờ sau phải được tiến hành phun. Nếu để lâu bề mặt làm sạch lại bị ôxyt hoá bởi không khí Kim loại hoặc hợp kim, trong trường hợp không thể tạo được dưới dạng dây, thì có thể đưa vào các đầu phun dưới dạng bột - gọi là đầu phun bột kim loại. Trên hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện 1. Đầu kẹp cáp điện; 2. Ống dẫn dây phun Sơ đồ nguyên lý máy phun hồ quang điện được giới thiệu trên hình 1.2. Dây phun được cấp qua hai ống dẫn dây 2. Các đây phun đồng thời là dây dẫn điện. Khi hai đầu dây chạm nhau thì hổ quang xuất hiện. Ống dẫn không khí nén được đặt giữa hai ống dẫn dây. Luồng không khí nén thổi tách các giọt kim loại khỏi các điện cực tạo thành các phần tử kim loại nóng chảy bám vào bề mặt vật phun. Máy phun hồ quang điện có thể làm việc với dòng điện một chiều hoặc xoay chiều. Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, h ồ quang cháy không ổn định và tạo tiếng nổ lớn. Quá trình phun với dòng điện một chiều ổn định, lớp phun có cấu trúc hạt mịn, năng suất phun cao. Vì vậy hiện nay các nguồn điện một chiều được dùng để phun hồ quang. Sự ổn định của hồ quang được đảm bảo bởi điện thế tần số cao. Dây phun có đường kính 0,8; 1 ,0; 1,6 và 2,0 mm. Ưu điểm cùa phương pháp phun hồ quang điện là năng suất cao và có khả năng rút ngắn thòi gian phun. Chẳng hạn, khi sử dụng dòng điện 750 A có thể phun (lược 36 kg/h lớp phun dây, cao hơn nhiều lần so với khi phun ngọn lửa khí; độ bám cùa lớp phun hồ quang điện cũng tốt hơn độ bám của lớp phun ngọn lửa khí. Khi sử dụng hai dây phun kim 3loại khác nhau có thể nhận được lớp phun hợp kim. Chi phí vận hành máy phun không lớn. Cần lưu ý khi phun với hai dây kim loại lớp phun khác nhau (không đồng nhất). Nhược điểm của phựơng pháp nói trên là sự quá nhiệt và oxi hoá vật liệu phun khi tốc độ cấp dây phun bé. Ngoài ra, lượng nhiệt lớn phát ra từ hồ quang làm cháy đáng kể các nguyên tố hợp kim tham gia vào lớp phủ (chằng hạn, hàm lượng cacbon trong l ớp phủ giảm 40 ÷ 60%; còn silic và mangan giảm 10 ÷ 15%). Do vậy cần phải sử dụng các dây phun chứa hàm lượng lớn các nguyên tố hợp kim. Tuy nhiên, giá thành dây hợp kim như vậy cao hơn khoảng 3 lần. Ngày nay người ta còn dùng các đầu phun với ngọn lửa plazma để phun các kim loại có điểm nóng chảy cao như volfram, môlipđen, crômPhương pháp này rất có ý nghĩa trong việc phủ các lớp trong nghành kỹ thuật tên lửa, kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các cơ cấu chịu nhiệt độ cao. 1.1.1.2 Đặc điểm Phun kim loại có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim của chúng hoặc các vật liệu phi kim lên bề mặt kim loại hoặc bề mặt vật cứng khác. Có thể tạo ra những lớp dẫn điện trên những bề mặt các chất không dẫn điện, tạo ra các lớp chịu nhiệt. Các công dụng này rất có ý nghĩa trong kỹ thuật. Nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết, nhiệt độ bề mặt chi tiết khi phủ có thể giữ ở nhiệt độ C là 80 ÷ 100. Điều này cho phép phủ các loại vật liệu khác lên bề mặt các vật liệu dễ cháy (phun phủ lên gỗ, vải, giấy, polyme...) nhờ lựa chọn vật liệu phủ và công nghệ thích hợp. Lớp phủ có cấu trúc dạng lớp do các phần tử vật liệu dưới dạng hạt nóng chảy hoặc mềm đập lên bề mặt chi tiết với một động năng cao làm chúng biến dạng rất lớn. Các hạt rắn dưới tác dụng vật lý, hoá học của dòng vật chất có năng lượng cao sẽ có thành phần và tính chất thay đổi, do đó lớp phủ nhận được không nhất thiết có thành phần trùng với vật liệu phun ban đầu. Với khả năng cơ động cao (thiết bị phun dễ dàng di chuy ển và có thể xách tay) công nghệ phun phủ có thể thực hiện đối với nhiều loại chi tiết; cũng có thể xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn. Phun phủ có thể tạo được lớp phủ cho các chi tiết phức tạp nhờ sử dụng các đồ gá điều khiển tự động. Trong sửa chữa và phục hồi các chi tiết người ta thường phủ các lớp có khả năng chống mài mòn như thép ( thép không gỉ), đồng, đồng thau, nhôm, hợp kim của niken, vvvà sửa chữa các khuyết tật của vật đúc. Ngày nay người ta còn dùng các đầu phun với ngọn lửa plazma để phun các kim loại có điểm nóng chảy cao như volfram, môlipđen, crômPhương pháp này rất có ý nghĩa 4trong việc phủ các lớp trong nghành kỹ thuật tên lửa, kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các cơ cấu chịu nhiệt độ cao. Phun kim loại hiện nay dùng cho các mục đích sau: Phục hồi các chi tiết máy mòn Sửa chữa các khuyết tật của vật đúc Sửa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển. Bảo vệ chống gỉ ở nhiệt độ cao Thay thế kim loại màu bằng kim loai phun, tiết kiệm kim loại quý. Một vài thống kê trên thế giới về sử dụng phun kim loại trong một số lĩnh vực sau: 65% cho việc bảo vệ chống gỉ các thiết bị, cấu trúc 35% cho việc phục hồi các chi tiết máy mòn, trong đó sử dụng nhiều tính chất trượt (tính chịu mài mòn) của lớp phun. Phun kim loại còn có những nhược điểm sau: Mối liên kết giữa lớp phủ và kim loại nền còn thấp. Tổn thất kim loại nhiều. Ảnh hưởng đến sức bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết). Bề mặt phun luôn luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo nhấp nhô. Đòi hỏi tay nghề công nhân kỹ thuật cao, điều kiện làm việc nặng nhọc. 1.1.2 Thực chất, đặc điểm của hàn đắp 1.1.2.1 Thất chất Hàn đắp là một quá trình đem phủ lên bề mặt chi tiết một lớp kim loại nhằm thay đổi kích thước, hình dáng và tính chất của bề mặt bằng các phương pháp hàn khác nhau 1.1.2.2 Đặc điểm Hàn đắp có thể dùng để phục hồi các chi tiết bị mài mòn, hoặc bị hư hỏng như gãy, vỡ, nứt do đã qua thời gian làm việc như cổ trục khuỷu, bánh xe lửa, khuôn dập , dao cắt nóng ... Sử dụng hàn đắp để phục hồi các chi tiết máy là một phương pháp rẻ tiền mà khả năng làm việc của chi tiết không thua kém chi tiết mới bao nhiêu. Ngoài ra phục hồi bằng hàn đắp còn có thể cải thiện được tính chất cơ lý của chi tiết làm tăng tuổi thọ của nó. Hàn đắp cũng có thể sử dụng để chế tạo chi tiết mới. Dùng hàn đắp để tạo ra một lớp kim loại có những khả năng về chịu mài mòn, tăng ma sát... 5Hình 1.3. Ống nối bị đứt Hình 1.4. Bạc lót trong máy ép trục khuỷu cần sửa chữa phục hồi Vật liệu hàn đắp có thể là thép các bon, thép chịu mài mòn, thép có tính chất đặc biệt như chịu nhiệt, độ cứng cao, bền nhiệt, chịu axít ... Tiết kiệm kim loại, nó phục hồi được các chi tiết hỏng bề mặt. Có tính cơ động cao, có năng suất cao, dễ tự động hoá Những tồn tại của công nghệ hàn đắp: Phải gia công lại sau khi hàn, tạo ứng suất dư trong lớp hàn (ứng suất nhiệt); chi tiết bị biến dạng, có thể bị nứt (thô đại, tế vi) ; phải chuẩn bị bề mặt trước khi hàn Lớp kim loại đắp: Tính chất lớp bề mặt thay đổi, phụ thuộc vào phương pháp hàn và vật liệu hàn. Lớp đắp đạt độ cứng cao, chống mài mòn, tổ chức kim loại ổn định, thành phần hóa học khác kim loại cơ bản, có thể tồn tại ứng suất dư sau hàn...Cấu trúc và tổ chức mối hàn không đồng nhất, dễ gâ y ra các khuyết tật gần mối hàn. Thông thường hay dùng phương pháp hàn hồ quang điện (xoay chiều, 1 chiều, chỉnh lưu) hàn khí, hàn trong môi trường khí bảo vệ (dưới lớp thuốc, hay CO2 , Ar, He) Công nghệ này đơn giản, năng suất cao, chất lượng đảm bảo n hưng dễ gây biến dạng, nứt (thô đại tế vi) ứng suất nhiệt và một số khuyết tật khác. Cấu trúc và tổ chức thô đại mối hàn không đồng nhất, dễ gây ra các khuyết tật vùng gần mối hàn. 1.2. Trang thiết bị dùng trong hàn đắp và phun phủ 1.2.1. Trang thiết bị dùng trong hàn đắp 1.2.1.1 Thiết bị hàn điện hồ quang tay a. Yêu cầu chung đối với nguồn điện hàn. Nguồn điện hàn trong hàn hồ quang tay có thể là nguồn điện xoay chiều hoặc một chiều. Nhìn chung nguồn điện hàn và máy hàn phải đảm bảo các yêu cầu chung sa u: - Điện áp không tải phải Uh < U0 < 80 V. - Đối với máy hàn xoay chiều: U0 = 5580 V, Uh = 3055 V. 6- Đối với máy hàn một chiều: U0 = 2545 V, Uh = 1635 V - Có khả năng chịu quá tải khi ngắn mạch - Có khả năng điều chỉnh dòng điện hàn trong phạ m vi rộng. - Máy hàn phải có khối lượng nhỏ, hệ số hữu ích lớn, giá thành rẻ, dễ sử dụng và dễ sửa chữa. b. Phân loại thiết bị hàn điện hồ quang tay. - Thiết bị hàn hồ quang điện xoay chiều: Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn xoay chiều Không có ký hiệu (-), (+) tại đầu thứ cấp. - Thiết bị hàn hồ quang điện một chiều: Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý máy hàn một chiều Có ký hiệu (-), (+) tại đầu thứ cấp 71.2.1.2 Thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ Hình 1.7 Sơ đồ khối máy hàn trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy (1) Nguồn điện hàn; (2) Núm điều khiển điện áp hàn; (3) Chai đượng khí CO2 hóa lỏng hoặc khí Ar; (4) Van giảm áp khí CO2 hoặc khí Ar; (5) Dây dẫn khí bảo vệ ra hệ hộp điều khiển số (7); (6) Cuộn dây điện cực và giá đỡ cuộn dây; (7) Hộp điều khiển (Hệ thống điều khiển); (8) Núm điều khiển tốc độ cấp dây điện cực; (9) Dây dẫn khí bảo vệ từ hộp điều khiển ra mỏ hàn; (10) Dây điều khiển mỏ hàn (súng hàn); (11) Dây điều khiển Contactor đóng ngắt nguồn hàn; (12) Dây cấp điện nguồn 110 [V] cho hộp điều khiển; (13) Cơ cấu cấp dây điện cực; (14) Mỏ hàn và dây cáp mỏ hàn; (15) Vật hàn. 1.2.1.3 Thiết bị hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ Nguồn hàn dùng trong các máy hàn TIG có thể là nguồn hàn một chiều hoặc xoay chiều với họ đặc tính ngoài dốc (kiểu CC) để đảm bảo dòng điện hàn ổn định. Khi độ dài hồ quang thay đổi, đảm bảo cho hồ quang cháy ổn định trong quá trình hàn. Bởi vậy điện áp không tải của nguồn hàn yêu cầu cao hơn điện áp hồ quang + Mỏ hàn có chức năng: - Kẹp chặt điện cực không nóng chảy, có đường kính từ (0,8  6)mm. - Cấp nguồn khí bảo vệ vùng hàn. - Cấp nguồn nước làm mát cho mỏ hàn. + Bình chứa nước làm mát. + Hộp điều khiển từ xa. 8Hình 1.8 Sơ đồ khối máy hàn TIG Ngày nay với nhiều loại máy hàn khác nhau trên thị trường, nhưng điều quan trọng là phải chọn đúng loại máy hàn phù hợp với yêu cầu của công việc. Việc lựa chọn đặc tính của dòng điện đầu ra của máy hàn là một điều hết sức quan trọng. Loại điện áp và dòng điện đầu ra cần thiết cho một quá trình hàn xác định. Sau đó phải chọn một máy hàn có nguồn điện đầu ra thích hợp với yêu cầu của công việc cần hàn. Cần phải nhớ rằng đặc tính của nguồn điện đầu ra phải nằm trong chu kỳ tải cho phép của máy hàn. Máy hàn có công suất nhỏ (dòng điện đầu ra yêu cầu của loại máy này bằng 200 A hoặc nhỏ hơn). Thông thường các loại máy hàn này thường làm việc với nguồn điện đầu vào một pha, chu kỳ tải là 60% hoặc nhỏ hơn. Loại máy hàn này đặc biệt phù hợp với các cửa hàng hoặc các Gara sửa chữa, nơi mà chỉ thường dùng với lưới điện 1 pha. Một số loại máy hàn 1 pha nhỏ hơn có khả năng sử dụng với điện áp sơ cấp xoay chiều là 115 V. Các loại máy khác thì có thể sử dụng điện áp đầu vào sơ cấp là 230 V hoặc lớn hơn. Máy hàn TIG với dòng điện đầu ra một chiều lớn hơn được sử dụng để hàn các tấm kim loại có kích thứơc lớn và dày, các kết cấu thép trong xây dựng, chế tạo máy, và các sản phẩm hàn có chất lượng hàn cao thường cần nguồn điện đầu vào sơ cấp xoay chiều 3 pha. Hầu hết các khu công nghiệp đều được cung cấp lưới điện xoay chiều 3 pha và được trang bị nhiều môtơ điện và các thiết bị điện công nghiệp khác. Những loại máy này thường có cương độ dòng điện lớn hơn 200 A v à thường có chu kỳ tải là 100%. 1.2.2 Trang thiết bị dùng trong phun phủ 1.2.2.1 Máy nén khí Các loại máy nén khí phải đảm bảo các yêu cầu sau: 9Lưu lượng khí tối thiểu 10m3/h (tức 1,7 m3/p) để đảm bảo không những dùng cho phun kim loại mà còn dùng để phun cát làm sạch (lưu lượng phun cát từ 0,8 – 1,2 m3/p). Khi phun thép: 0,8 – 0,9 m3/p. Bảo đảm áp suất ổn định liên tục: khi làm việc từ 6 – 8 kG/cm2. Bảng 1.1 giới thiệu một số loại máy nén khí thực tế đang sử dụng ở Việt Nam. Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật máy nén khí dùng cho phun kim loại Đối với các nhà máy có hệ thống đường ống dẫn khí nén, cũng dùng cho phun kim loại được; nhưng phải lưu ý đến sự tổn thất khí nén từ trạm nén khí đến vị trí phun kim loại. Cho nên đường kính ống dẫn phải thích hợp để đạt được áp lực khí nén yêu cầu (bảng 1.2). Bảng 1.2. Đường kính ống dẫn khí nén cho phun kim loại 10 1.2.2....cos θ>0 dạng lỏng có dạng cụp vào (hình 1.30 a) và khi đó giọt lỏng dính ướt bề mặt chất rắn. Khi θ >900 tức là α13>α12 (tức góc θ là tù) giọt lỏng có dạng cong ra (hình 30 b). Trường hợp này giọt lỏng không dính ướt bề mặt chất rắn. Vì cosθ không lớn, ta có: 231213   (1.6) Đây là điều kiện dính ướt đối với bề mặt nhẵn. Với bề mặt làm nhám thì phương trình ( 1.4) (phải có dạng (1.8) có tính đến hệ số K. Hệ số này là tỷ lệ giữa thể tích mặt nhám và diện tích bề mặt p n S S K  (1.7) Sn - diện tích mặt nhám Sp - diện tích mặt nhẵn. Từ (1 .4) ta có  cos231213  KK (1.8) Khi đó θ có giá trị là θ1 1231213 cos  KK (1.9) 1231213 cos)(  K (1.10) Từ (1.5) ta suy ra: (1.11) (1.12) Khi Kθ dính ướt kém hơn Khi K>1 thì θ1<θ dính ướt tốt hơn 31 Do làm nhám nên diện tích dính ướt tăng lên K lần, do đó K luôn luôn lớn hơn 1 và góc θ nhỏ hơn nên tạo điều kiện dính bám tốt hơn. Hình 1.30. Hình dáng giọt lỏng a-dạng cụp vào; b- dạng cong ra 1.4.1.2 Lực Vandervan Khi một phần tử va vào bề mặt kim loại, giữa chúng có lực liên kết vandervan. Lực này có tác dụng tương hỗ giữa hai momen lưỡng cực của hai nguyên tử hay phân tử. khi trọng tâm diện tích của điện tử do bị thăng giáng không trùng với tâm điện tích của hạt nhân nguyên tử thì lúc đó nguyên tử thành một mô men lưỡng cực. Giá trị và hướng của mômen thay đổi theo thời gian và giá trị trung bình theo thời gian bằng không. Nếu một phân tử hay nguyên tử có mômen lưỡng cực rơi vào trường nguyên tử khác cũng có mômen lưỡng cực thì giữa chúng có lực tác dụng. Theo Đebai thì năng lượng trao đổi giữa chúng là: KTr Ew 1 ..3/2 6 2212 (1.13) Trong đó μ1, μ2 – mômen lưỡng cực r6- khoảng cách giữa hai nguyên tử T-nhiệt độ Nhưng khi nguyên tử hay phân tử tác dụng với bề mặt kim loại thì năng lượng trao đổi rất khó xác định vì các nguyên tử nằm trong mạng liên kết với các nguyên tử khác. 1.4.1.3 Lực liên kết do ảnh hưởng của lớp điện tích kép Trong quá trình chuyển động nhiệt các điện tử dẫn điện có thể chuyển động vượt ra khỏi ranh giới của bề mặt và tạo thành một lớp mây điện tử ở bề mặt kim loại. Giữa lớp mây điện tử các nguyên tử tạo thành mộ t lớp diện tích kép, một cực là mây điện tử, cực kia là các nguyên tử ở bề mặt. Lớp này gọi là lớp điện tử kép. Khi có hai kim loại tiếp xúc với nhau thì do sự chênh lệch hiệu điện thế ở 2 đầu bề mặt, giữa chúng có lực điện tác dụng. Lực đó được tính theo công thức: SF 22 (1.14)  - diện tích riêng trên một đơn vị diện tích của lớp mây điện tử S- diện tích tiếp xúc. Diện tích này phụ thuộc vào lực làm c ho hạt kim loại bẹt lại ở vùng tiếp xúc. 32 Lực ép này phụ thuộc nhiều vào bản chất của kim loại và các yếu tố bề mặt của kim loại tiếp xúc. 1.4.1.4 Liên kết kim loại Khi 2 kim loại tiếp xúc với nhau thì nguyên tử của kim loại này dưới ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt động, khuyếch tán vào mạng của kim loại kia tạo thành những vùng chuyển tiếp. Đó là dung dịch rắn giữa 2 kim loại đó. Khi đó ta nói giữa chúng có mối liên kết kim loại. Mối liên kết này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tiếp xúc và trạng thái bề mặt của kim loại. Bằng các công trình thực nghiệm các nhà nghiên cứu đã bổ sung những nhận thức về độ bám của lớp phun phủ với kim loại nền bằng các hình thức sau: Bằng sự khuyếch tán của 2 kim loại với nhau( kể cả khuyếch tán tế vi). Bằng sự hàn hoặc hàn tế vi với nhau . Bằng sự liên kết của các phản ứng hóa học. Bằng lực của sự co rút kim loại khi kết tinh. Bằng độ bám cơ học . Lý thuyết về sự khuếch tán của kim loại cũng như quá trình hàn kim loại với nhau và sự liên kết của các phản ứng hóa học cho đến nay đã đạt được những nhận thức khá sâu sắc và đầy đủ. Ở đây xét thêm một vài nhận thức khác liên quan và ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ. Độ bám cơ học được biểu thị như một sự giữ chặt các phần tử kim loại đập vào những vị trí nhấp nhô của bề mặt kim loại nền. Độ bám này là một nhân tố quan trọng đối với toàn bộ độ bám của lớp phủ. Trong trường hợp nếu xét đến khuynh hướng sạch hoàn toàn của lớp bề mặt trước khi phủ ta thấy rằng: bề mặt không làm sạch các bụi kim loại, các oxyt, các bụi bẫn khác hoặc độ nhấp nhô khác nhau v.v có thể dẫn đến sự liên kết cũng khác nhau bằng lực liên kết hóa học hoặc cơ học. Trong những điều kiện phun thích hợp và hình thái không gian của bề mặt thích hợp, ờ một vài kim loại có thể đạt được sự hàn ở từng điểm giữa kim l oại nền và các phần tử phụ . Khi nghiên cứu độ bám của lớp phủ kim loại và vật bằng cách phun tác giả N. N. Rykalin đã chứng minh rằng ở từng vùng bề mặt có thể chia làm 3 giai đoạn sau: - Tạo nên một mặt tiếp xúc, nghĩa là tạo nên sự dịch gần nhau của c ác nguyên tử kim loại đến một khoảng cách đủ để có sự tác dụng hóa học. - Hoạt tính và sự tác dụng hóa học của các nguyên tử kim loại gần nhau sẽ đưa đến hình thành mối liên kết hóa học bền vững. - Các quá trình phục hồi( kết tinh lại, khuếch tán tạo pha mới,) xảy ra tiếp theo có thể nâng cao hoặc làm giảm sức bền của mối liên kết. 33 Trong đó 2 giai đoạn đầu biểu hiện sự biến đổi bề mặt, giai đoạn ba biểu thị sự thay đổi tính chất bên trong. Để tạo liên kết bền vững giữa lớp phủ và vật liệu được phủ cần t hiết phải thực hiện tốt 2 giai đoạn đầu. Còn sự khuếch tán không nhất thiết phải thực hiện ở giai đoạn 3. Giai đoạn này thường do kết quả khi gia công nung nóng ở nhiệt độ cao ( hoặc ủ sau khi phủ). 1.4.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến độ bám dính 1.4.2.1 Ảnh hưởng của lực co rút kim loại. Lực từ sự co rút của kim loại có ành hưởng đáng kể đến độ bám phủ. Những phần tử kim loại sau khi va đập lên bề mặt cơ sở sau một thời gian sẽ tự nguội dần và trong lớp phủ xuất hiện ứng suất do sự co rút của kim loại phủ. Ứng suất xuất hiện do sự co rút cũng có thể làm tăng độ dính kết lớp phủ với kim loại nền, ngược lại cũng có thể làm giảm đi sự liên kết của lớp phủ với nền cơ sở. Khi phun những bề mặt ngoài hình trụ, ví dụ như các trục, lực sinh ra do sự co rút của lớp phủ là các nội lực nên rất yếu do vậy ảnh hưởng của chúng không đáng kể (xem hình 1.31a). Hình 1.31. Ứng suất trong lớp phủ Những trường hợp phun với lớp đầy và kim loại phun có độ co rút lớn ( ví dụ thép 0,1% các bon) thì ảnh hưởng của nội lực có thể dẫn đến sự nứt dọc trên lớp phủ. Nội lực sinh ra do sự co rút đối với các bề mặt trong hình 31b, có ảnh hưởng xấu đến độ bám của lớp phủ. Trường hợp này sự co rút tác dụng theo hướng tâm, gây nên sự tách rời lớp phủ với bề mặt cơ sở. Để khắc phục những điểm này có nhiều biện pháp như: chi tiết phải nung nóng sơ bộ, làm nguội lớp phủ từ từ hoặc phun với các lớp phủ mỏng từ 0,05 đến 0,1 mm và ứng với mỗi lớp phủ phải làm nguội từ từ. Đối với các lớp phủ trên bề mặt phẳng, ứng suất sinh ra do sự co rút kim loại phủ có thể dẫn đến sự biến dạng của lớp phủ, kim loại nền hoặc làm bong lớp phủ ( hình 31 c, d, e). Ta xét một phần tử nhỏ lớp phủ AB có chiều dài l, chiều cao H với diện tích tiết diện ∆S, chúng ta có thể coi như một thanh được gắn trên đường thẳng AB (hình 1.32) 34 Hình 1.32 Mô hình phần tử phun Sau khi giả thiết rằng nhiệt độ của phần tử sau thời gian va đập là t2 nhiệt độ của môi trường xung quanh là t3, ứng suất sinh ra trong lớp phủ làm nguội sẽ là:   )/( 232 mNEttt   (1.15) Trong đó: t - hệ số giãn nở nhiệt của kim loại phủ( l/grad). E- mô đun đàn hồi của kim loại phủ( N/m2). Vì lớp phủ có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với mặt đáy, cho nên ta có thể bỏ qua sự biến dạng tiếp theo khác. Do vậy sự co ngắn của lớp phủ khi làm nguội sẽ là:  321 ttll   (1.16) Do sự co ngắn l cho nên trong lớp phủ sẽ sinh ra ứng suất kéo: )/(. 2mN l lE  (1.17) Và lực tách lớp phủ( theo các mép) khỏi bề mặt chi tiết sẽ là: SP   (1.18) Thay các giá trị trên vào phương trình ( 1.18) ta có:   )(.32 NSEttP t  (1.19) Từ phương trình này ta thấy việc tăng nhiệt độ của các phần tử trước lúc va chạm thì ứng lực có khuynh hướng làm tách lớp phủ ra khỏi nền cơ sở sẽ tăng lên. 1.4.2.2 Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt cơ sở (nền) Nói chung khi nghiên cứu độ bám của lớp phủ kim loại với vật liệu nền, cần thiết phải nói đến hoạt tính của bề mặt nền, hoạt tính này có ảnh hưởng đến độ bám của lớp phủ. Hoạt tính của bề mặt được đánh giá bằng trạng thái vật lý và năng lượng. Nguyên tử trong kim loại ở trường hợp lý tưởng được bố trí trong các mạng và dao động xung quanh vị trí của nó. Nhưng nếu xét về vị trí của nó, các nguyên tử trên bề mặt khác với các nguyên tử bố trí phía trong. Trên hình 1.33 biểu thị sự bố trí nguyên tử trên bề mặt chúng có mức năng lượng thoát khác nhau. 35 Hình 1.33 Sự bố trí nguyên tử trong mạng Nguyên tử 4 ở mặt cấu trúc không bị phá vỡ, có mức năng lượng thoát khỏi lớn nhất. Ngược lại những nguyên tử ở trong những lớp không liên tục, nguyên tử 1 có giá trị năng lượng nhỏ nhất. Nguyên tử trên bề mặt liên kết với nhau có năng lượng thoát khỏi tăng khi tổng số các nguyên tử xung quanh giảm. Do sự không đồng đều về năng lượng làm xuất hiện ứng suất bề mặt ứng suất này sinh ra có liên quan đến sự phát sinh, tồn tại ứng suất của lớp xung quanh mạng. Ngoài ra ta biết rằng các nguyên tử bề mặt có những đặc điểm khác với những nguyên tử bên trong, vì chúng có mối tiếp xúc với các nguyên tử ngoại lai kể cả trong trường hợp là phân tử. Do những đặc điểm của lớp bề mặt mà ta thấy rằng : năng lượng toàn bộ của tất cả các phần tử bề mặt sẽ tham gia vào các phản ứng với các nguyên tử ở trong các môi trường gần với bề mặt ( như lớp phủ). Nguyên nhân là trên bề mặt kim loại cũng không đồng đều về năng lượng, những khu vực có năng lượng thấp và năng lượng cao sẽ sinh ra hiện tượng chênh lệch về năng lượng. Vùng năng lượng cao có hoạt tính cao hơn và tự phản ứng với môi trường. Sau đó theo loại môi trường và tính chất lý hóa của vật liệu nền có thế sinh ra sự hấp thụ, sự dính và các phản ứng hóa học khác v.v Những vùng khác nhau về năng lượng không chỉ tạo ở cấu trúc vĩ mô mà còn trong phạm vi nguyên tử. Năng lượng của một số nguyên tử tụ tập trên bề mặt có thể là cao và như vậy trong điều kiện nhất định sẽ rời khỏi bề mặt. Năng lượng cần thiết để tách một nguyên tử từ mạng của chúng được gọi là năng lượng thoát hay năng lượng hoạt tính tách rời của nguyên tử. Sự biến động (biến dạng dẻo) có ảnh hưởng đến sự tăng hoạt tính, bởi vì: Trong phạm vi mở rộng sự biến dạng dẻo sẽ tích lũy năng lượng điện năng. Những vùng giàu năng lượng điện năng thường ở trong những vùng trực tiếp của những vị trí khuyết tật mạng tinh thể. 36 Các khuyết tật trong mạng có thể bao gồm: Khuyết tật điểm Các vị trí lỗ rỗng trong mạng. Các nguyên tử thay thế . Khuyết tật đường Lệch mạng đường Lệch mạng xoắn. Vị trí khuyết tật dạng mặt( theo 2 chiều ) Bề mặt biên giới Biên giới hạt Biên giới song tinh Vị trí khuyết tật theo kích thước 3 chiều Các lỗ xuất hiện bên ngoài tác dụng ở gần bề mặt hoặc ở phía trong. Các khe hở tế vi, các lỗ xốp tế vi. 1.4.2.3 Ảnh hưởng của chuẩn bị bề mặt Từ những khái niệm đã nói ở trên về độ bám của lớp phủ kim loại hoặc phi kim loại đối với vật liệu nền ta thấy rằng: Độ bám phụ thuộc vào hình dáng tế vi lớp bề mặt. Độ nhấp nhô này sẽ giữ chặt các phần tử kim loại, mặt khác độ bám dính phụ thuộc vào hình dạng hình học của bề mặt chi tiết. Chuẩn bị bề mặt là một nhân tố quyết định ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ kim loại. Chuẩn bị bề mặt trước khi phủ chủ yếu là làm sạch dầu mỡ và tạo nhấp nhô bề mặt. có rất nhiều phương pháp chuẩn bị bề mặt. Đối với chuẩn bị bề mặt bằng phương pháp ngâm có tác dụng như sau : Trên cơ sở cấu trúc hóa học của ngâm sẽ dẫn đến nâng cao hoạt tính bề mặt. Trong đó sự thay đổi hình dáng hình học chỉ đóng một vai trò thứ yếu. Bằng phương pháp ng âm, trên bề mặt hình thành một lớp màng mỏng, lớp này có thể dữ được hoạt tính cao của bề mặt trong thời gian dài, hoạt tính này biểu hiện trong việc giảm công thoát khỏi bề mặt của các điện tử., tức là làm cho các điện tử dễ thoát ra ngoài hơn. Hoạt tính là bản chất lý hóa cho nên trong một số trường hợp có ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ. Độ bám ở đây được tạo nên do tác dụng tương hỗ giữa các phần tử bằng lực liên kết Vandervan. Chuẩn bị bề mặt bằng phương pháp cơ học như phun cát, phun bi sẽ nâng cao được năng lượng điện trên bề mặt và cả lớp dưới bề mặt. Hoạt tính của bề mặt sau khi chuẩn bị sẽ giảm dần theo thời gian vì do phản ứng của môi trường xung quanh hoặc do sự hấp thụ của môi trường làm giảm năng lượng tự do của bề mặt. 37 Đứng về quan điểm độ nhâp nhô tế vi của bề mặt thực tế cũng như lý thuyết đã chứng minh rằng: độ nhấp nhô rất nhỏ được tạo nên bằng cách ngâm vào hóa chất chỉ có thể dùng cho quá trình hóa lý nhất định nào đó, ví dụ như dán kim loại. còn các hình thức như phun đắp phủ kim loại phải tạo nên độ nhấp nhô bề mặt bằng phương pháp cơ học như gia công cơ học cắt gọt, phun bi, phun cát, v.v Từ những khái quát trên, ta thấy được sự phụ thuộc nhất định giữa trạng thái bề mặt và hoạt tính bề mặt có ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ. Xét về hình dạng tế vi của lớp bề mặt của vật liệu nền ảnh hưởng đến lớp phủ đã được nhiều tác giả cũng như nhiều công trình nghiên cứu đề cập đến. “ Độ bám của lớp phủ kim loại phụ thuộc vào độ nhấp nhô của vật liệu nền. Đặc trưng bằng hình dạng hì nh học và độ lớn bề mặt thực tế”. Những kết quả thí nghiệm đã cho thấy rằng: độ bám của lớp phủ tăng cùng với sự tăng của độ nhấp nhô bề mặt, nhưng sự tăng đó chỉ đến một phạm vi giới hạn nhất định. Hình 1.34 biểu thị mối quan hệ về độ bám và độ nhấp nhô bề mặt. Hình 1.34. Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề mặt Đề cập đến ảnh hưởng của chất lượng bề mặt sau khi chuẩn bị đến độ bám dính của lớp phủ, nhiều tác giả đều thống nhất rằng: hiệu quả sau khi chuẩn bị bề mặt bằng các phương pháp cơ học đều dẫn đến các kết quả là: Tạo nên bề mặt có hoạt tính Tạo nên độ nhấp nhô tế vi Rz Tạo nên biến dạng dẻo Δε và độ biến cứng ΔH/H Tạo mật độ lệch mạng ρ-ρo Các tác giả đều kết luận là: độ bám dính phụ thuộc trực tiếp vào độ nhấp nhô, tức là mang tính chất cơ học hoàn toàn (hình 1.35a). Một số tác giả khác cũng cho rằng độ biến 38 cứng (ΔH/H) và mật độ lệch mạng (ρ -ρo) cũng có ảnh hưởng đến độ bám dính (có thể xảy ra tăng hoặc giảm, hình 1.35 b, c). Hình 1.35. a- ảnh hưởng của khoảng cách phun hạt kim loại đến độ dính bám và độ nhấp nhô b-ảnh hưởng độ biến cứng đến độ bám dính c-ảnh hưởng của mật độ lệch mạng đến độ dính bám I-Niken bột-nền thép; II-Al2O3 bột-nền thép. 1.4.2.4 Ảnh hưởng của cấu trúc hình thành lớp phun Các phần tử kim loại trong chùm tia va đập trên bề mặt cơ sở dưới góc độ khác nhau. Sự va đập thẳng góc được coi là lý tưởng chỉ xảy ra ở trung tâm của chùm tia hình 1.36 39 Hình 1.36. Sơ đồ chùm tia phun. Còn các phần tử khác bên ngoài va đập lên bề mặt dưới một góc nhỏ hơn 90º. Đ iều đó có nghĩa rằng: điều kiện trong tất cả các vị trí của chùm tia phun không đồng đều, do vậy mà cấu trúc của mỗi lớp xuất hiện trong tất cả các tiết diện cũng khác nhau. Có thể theo dõi vấn đề này trên hình 1.37. Hình 1.37. Sự hình thành cấu trúc lớp . Khi dịch chuyển đầu phun từ trái sang phải trên bề mặt cảu chi tiết bắt đầu phủ bằng lớp của các phần tử biên( 2), các phần tử này tạo ra lớp mỏng (3) ( gọi là lớp trung gian) hình 1.37b. Trong hướng về phía chi tiết đầu phun sẽ phủ lên lớp trung gian những phần tử ở trung tâm(1), những phần tử nào tạo ra lớp cơ sở (4) và đồng thời các phần tử biên ngoài (2) lại tạo ra lớp trung gian mới giống như lớp trung gian (3) trên bề mặt của chi tiết ( hình 1.37c,d). Độ bám của lớp xác định bằng mối liên kết tác dụng hóa học qua lại của các phần tử và bằng sự nâng cao khả năng biến dạng của chúng trong thời điểm va đập và bằng sự giảm số lượng ôxyt trên bề mặt các phần tử. Bởi vậy độ bám của lớp trung gian là nhỏ nhất so với 40 độ bám của lớp cơ sở với vật liệu nền. Từ đó chúng ta có thể thấy rằng: sự khác nhau về cấu trúc lớp có ảnh hưởng đến độ bám không đồng đều của lớp phủ kim loại với nền cơ sở và sự phân bố thể tích kim loại trong chùm tia phun không đồng đều phía giữa tia phun có sự tập trung nồng độ lớn nhất và ở vùng này biểu thị các thông số có lợi nhất của các phần tử. Khu vực biên được tạo thành những phần tử với năng lượng động năng nhỏ nên không có sự biến dạng, có nhiều lớp ôxyt và tạo nhiều lỗ xốp. 1.5. Công nghệ phun phủ và hàn đắp 1.5.1 Công nghệ phun phủ Công nghệ phun phủ kim loại có thể biểu thị bằng sơ đồ chung ( Hình 1.38). Hình 1.38. Sơ đồ công nghệ phun phủ kim loại 1.5.1.1 Kiểm tra vật liệu Kiểm tra mác kim loại nền, độ cứng và kích thước để chọn vật liệu phun và công nghệ thích hợp. Kim loại dùng làm vật liệu phun thường ở dạng dây hoặc dạng bột. Các loại này được sản xuất từ các nhà máy luyện kim theo yêu cầu của các đơn đặt hàng. Các loại dây dùng làm vật liệu phun kim loại thường dùng cho trong bảng 1.7. Đối với kích thước đường kính dây sai số cho phép là 0,05 mm. 41 Bảng 1.7. Các kim loại dùng làm vật liệu phun Đối với dây thép ngoài các loại trên, trong thực tế còn dùng nhiều loại khác để đạt được các mục đích yêu cầu. Thông thường dùng các loại dây thép có thành phần cacbon từ 0,1 ÷ 0,8% C với thành phần hóa học theo bảng 1.8. Bảng 1.8. Thành phần hóa học các loại dây thép Thép với thành phần cacbon 0,1% có ưu điểm là dễ phun và sau khi phun xong dễ gia công cắt gọt, nhưng nhược điểm là độ co lớn, dễ sinh nứt lớp phun khi chiều dày lớp phủ lớn hơn 2 mm. Giới hạn bền kéo của lớp đạt được khoảng 200 N/mm 2. Thép với thành phần 0,25% C dùng cho các yêu cầu đạt độ cứng cao hơn. Khả năng sinh nứt lớp phủ ít hơn. Sức bền chịu kéo của lớp phủ đạt được khoảng 240 N/mm 2. 42 Thép với 0,8% C dùng để phun các lớp phủ dày vì nó có ưu điểm là độ co nhỏ, nhưng nhược điểm là độ cứng cao nên chỉ có thể gia công bằng mài hoặc phải dùng các loại dao hợp kim như TK. Với thành phần cacbon khác nhau sẽ cho dạng tia phun cũng khác nhau (hình 1.39). Hình 1.39. Các dạng tia phun phụ thuộc thành phần cacbon. Nhiệt độ chảy của kim loại dây phun có ảnh hưởng đến việc chọn tốc độ dịch chuyển dây, chọn lưu lượng khí cháy và kỹ thuật phun. Bảng 1.9 biểu thị sự sắp xếp theo thứ tự nhiệt độ chảy của một số kim loại dùng để phun Nhôm và kẽm dùng chủ yếu cho mục đích chống gỉ, nhôm có thể dùng để chống cháy và dùng cho những mối tiếp xúc trong các thiết bị điện tử. Lớp phun bằng đồng rất tốt, thường dùng trong kỹ thuật điện, nhưng đồng nguyên chất làm cho công nghệ phun rất khó, nên thường dùng hợp kim đồng nhôm. Đối với bột phun phủ người ta kiểm tra những thông số chính như cấp hạt, hình dáng, độ chảy. Cấp hạt thường được đánh giá bằng cách sảy qua sàng, hình dáng hạt được kiểm tra trên kính hiển vi, còn độ chảy của một số bột có thể xác định theo tiêu chuẩn. Ví dụ, theo tiêu chuẩn Liên bang Nga ΓOCT – 20899 – 75. Trong một số trường hợp người ta còn kiểm tra những tính chất khác như thành phần hóa học, thành phần pha, tỷ trọng... 43 Bảng 1.9. Nhiệt độ chảy của một số kim loại dùng để phun. Các loại bột kim loại dùng cho phun thường có độ hạt từ 1600÷ 4900 lỗ/cm2, thường dùng là các bột thép và hợp kim của nó. Bột nhôm thường dùng với độ hạt từ 0,01 ÷ 0,2 mm , các loại bột phi kim thường dùng là polyamid có độ ạht từ 240÷4900 lỗ/ cm2. Các nước công nghiệp phát triển đã sản xuất rất nhiều loại bột. Căn cứ vào kích thước hạt, hiện nay người ta chia làm 7 nhóm (bảng 1.10a) và các loại bột phun hiện nay đang sử dụng (xem bảng 1.10b). Bảng 1.10c giới thiệu thành phần hóa học của một số loại bột phun dùng cho phun phủ Plazma. 44 Bảng 1.10a. Kích thước của các nhóm bột phun Nhóm hạt Kích thước 0 1 2 3 4 5 6 22,4-5,6 45-22,4 45-5,6 63-16 90-45 106-32 125-45 Bột dùng để phun phải được chuẩn bị trước. Công đoạn chuẩn bị bột phu n phủ bao gồm các bước: sấy bột và phân cấp hạt. Thông thường bột kim loại phun thường được sấy ở nhiệt độ 120 ÷ 150ºC trong khoảng thời gian từ 1÷3 giờ. Đối với loại bột gốm, nhiệt độ sấy cao hơn: 700 ÷ 800ºC và thời gian sấy từ 4 ÷ 5 giờ. Để phân cấp hạt của bột phun phủ thường dùng bộ dây sàng có kích thước nhỏ hơn 100 m. Bảng 1.10b. Các loại bột phun đã sử dụng hiện nay Bảng 1.10c. Thành phần hóa học của bột phun lótΠT- HA- 01, ΠΓ104-01 vàΠC-12 HBK-01 45 1.5.1.2 Công nghệ chuẩn bị bề mặt chi tiết trước khi phun phủ Công nghệ chuẩn bị bề mặt có thể biểu thị theo sơ đồ hình 1.40. Hình 1.40. Công nghệ chuẩn bị bề mặt 46 1. Làm sạch bề mặt a. Dùng các chất hòa tan hữu cơ và dung dịch của thành phần xút Khi làm sạch bằng các chất hòa tan hữu cơ người ta sử dụng trichoetylen, v.v những loại này không gây cháy, nhưng lại có hại đến sức khỏe, bởi vậy chỉ làm sạch vật trong thiết bị được đóng kín sau ngâm hoặc phun tạo ngay lớp bảo vệ, Chất hòa tan gây cháy thường ít sử dụng, chỉ dùng trong điều kiện nhi ệt độ bình thường và để tẩy sạch một cách sơ bộ, thường sử dụng dầu hoặc benzen để làm sạch những bề mặt kim loại hoặc những bề mặt có sơn. Sau khi làm sạch bằng dung dịch hòa tan hữu cơ, thường để trên bề mặt của vật có một lớp dầu rất mỏng, lớp dầu này không có tác dụng gây hại cho việc phủ lớp bảo vệ( trừ một số trường hợp đặc biệt cũng phải khử sạch). Các dung dịch kiềm nước có chứa khoảng 2-10% chất kiềm (hydroxyt kiềm, nitratfofat, nước thủy tinh ) với tỷ lệ khác nhau và cho thêm vào một lượng rất n hỏ (vài phần nghìn) chất làm ướt với mục đích để làm gỉảm ứng suất bề mặt giữa dung dịch nước và dầu. dùng các dung dịch này, dầu khoáng vật sẽ hòa tan thành các giọt nhỏ trong dung dịch nước và các lớp mỡ sẽ bị phá vỡ và khử sạch. Phương pháp thường tiến hành ở nhiệt độ 70 đến 1000C và dùng cho phần lớn các kim loại ( kể cả các kim loại không phải là sắt). Sau khi làm sạch trong dung dịch hòa tan phải làm sạch tiếp theo bằng cách nhúng vào nước sạch để bề mặt vật được khử bớt những chất bẩn còn lại. Làm sạch bằng điện phân: Là làm sạch trong dung dịch kiềm với mục đích sử dụng tác dụng phân ly để làm sạch. Vật được nối với cực âm, dước tác dụng của dòng điện, trên bề mặt kim loại thoát ra, ví dụ, Na và lập tức chúng phản ứng với nước tạo thành Na(OH)2 đ ậm đặc và hydrô. Các hydroxyt này sẽ có tác dụng làm sạch dầu mỡ bằng các tác dụng hóa học của mình. Phương pháp làm sạch bằng điện phân là một phương pháp duy nhất cho bề mặt sạch hoàn toàn vì thế rất có ý nghĩa trong mạ điện. Ngâm kim loại Ngâm kim loại là một phương pháp làm sạch bằng hóa chất. Bắng cách ngâm này các bề mặt kim loại được khử chất bẩn vô cơ như các oxyt, các vẩy, gỉ, nhưng trước khi ngâm vật phải được làm sạch dầu mỡ. Ngâm làm sạch thường cho phép dùng 10 đến 20% dung dịch nước axit lưu huỳnh và nung nóng đến 40÷700C hoặc dùng dung dịch axit có muối với nồng độ tương tự như trên và ở nhiệt độ bình thường. Các oxit bị khử sẽ hòa tan trực tiếp vào dung dịch axit ở những nơi có rỗ khí khe nứt. Dung dịch sẽ thấm vào đó cho đến lớp kim loại và hòa tan cả lớp kim loại. 47 Bể để ngâm thường làm bằng gạch chịu axit hoặc bằng thép. Bể thép có lớp bảo vệ bằng chì, bằng cao su đúc, bằng thủy tinh, đôi khi bể chỉ cần làm bằng gỗ. Bể được sấy nóng bằng hơi chạy trong ống chì hoặc có thể là dây điện trở. Để ngâm nhất thiết phải giải quyết tốt việc hút các khí độc từ bể ra. Vật sau khi ngâm phải được tráng lại bằng nước lạnh hoặc nước nóng và thường cho thêm các chất kiềm để các phần tử còn lại của nhóm axit sẽ bị trung hò a (ví dụ : dung dịch xút natri). Trong thực tế đối với các bề mặt yêu cầu khử thật sạch dầu mỡ và chất bẩn thường rửa sạch lần cuối bằng hỗn hợp sau: NaOH=20 g/lít Na2SiO3=5g/lít Na2CO3=50 g/lít Na3PO4=50g/lít Đem ngâm chi tiết vào dung dịch này từ 2 đến 4 giờ sau đó đem rửa sạch bằng nước lã. Khi trên bề mặt chi tiết còn một màng nước lã đều đặn không bị đứt quãng thì coi như bề mặt đã sạch dầu mỡ. Đối với các chi tiết cần phục hồi bề mặt, sau khi làm sạch dầu mỡ, chi tiết được gia công cơ bằng tiện, phay, bào để khử các vết nứt hoặc khử dạng mài mòn không đồng đều, khử độ côn, độ elip,... ở bước này cần chú ý đến các yêu cầu cơ bản như sau: Kích thước bề mặt phun phủ cần nhỏ hơn kích thước sản phẩm theo độ dày lớp phun. Trên bề mặt được phun không được có bavia, vết hàn, vết cháy, vết gỉ và bẩn. Đoạn cần phun phải có hình dáng thích hợp (hình 1.41) Chiều dày lớp phun phụ thuộc vào tính chất vật liệu phủ và chi tiết cần phun. Sự biến thiên chiều dày phụ thuộc vào tốc độ cấp dây, cấp độ hạt của bột, độ làm việc ổn định của dây và mức độ tự động hóa quá trình phun. Hình 1.41. Yêu cầu về hình dáng bề mặt với lớp phun phủ 1. Vật liệu nền của chi tiết; 2. Lớp phủ 48 Bằng phun phủ có thể phun dày 15 m đến 3mm với biến thiên độ dày vào khoảng 10 đến 150 m 2. Tạo nhám bề mặt trước khi phun phủ Lựa chọn phương pháp chuẩn bị bề mặt là nhằm mục đích tạo ra độ nhám trên bề mặt của chi tiết được phủ với độ nhám có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với độ nhám tính toán. Nói chung phương pháp chuẩn bị bề mặt đều có đặc điểm chung, còn một vài phương pháp khác được áp dụng cho các trường hợp riêng biệt. Gia công phun cát, phun hạt kim loại hoặc phun bi, cắt ren, gia công tia lửa điện (gại điện) là những phương pháp được sử dụng hiện nay trong lĩnh vực phun kim loại . Tuy nhiên khi lựa trọn một phương pháp chuẩn bị bề mặt cần thiết phải chú ý đến độ bền dính kết của lớp phủ; tới dạng bề mặt chi tiết; điều kiện làm việc của bề mặt. Mục đích chính của việc chuẩn bị bề mặt chi tiết là đảm bảo được độ bền dính lớn nhất của lớp phủ với bề mặt chi tiết. Bằng nghiên cứu và thực tế chỉ ra rằng độ bền dính phụ thuộc cơ bản vào 2 yếu tố: Mức độ làm sạch bề mặt (làm sạch lớp bẩn, màng oxyt, v.v) và độ nhám bề mặt. Bề mặt của chi tiết được chuẩn bị trước khi phun phủ kim loại cà ng sạch (không có lớp oxyt, mỡ và các chất bẩn khác) thì độ dính kết giữa các chi tiết và lớp phủ càng tốt. Thực nghiệm cho biết rằng: kết quả tốt nhất nhận được khi nào kích thước của phần tử kim loại được phủ nhỏ hơn phần rỗng của các rãnh nhấp nhô trê n bề mặt do nguyên công chuẩn bị phôi tạo ra. Nhưng mặt khác cũng cần phải chú ý rằng: khi độ nhám lớn quá sẽ không đạt được bề mặt phủ tốt, vì vậy chỉ cần đạt độ nhấp nhô nhất định. Vì vậy mức độ nhám tốt nhất là mức độ tạo sự liên kết cơ học các phẩn tử kim loại và nền cơ bản là cao nhất. Sau đây là một số phương pháp chuẩn bị tạo nhám bề mặt trước khi phun kim loại: Chuẩn bị nhám bằng phương pháp gia công phun cát Gia công phun cát được áp dụng với các chi tiết có đường kính hoặc chiều dày đến 15mm, các chi tiết có độ bền cơ học thấp hay giới hạn mỏi thấp. Phương pháp này dùng cả khi làm sạch các chi tiết có hình dáng phức tạp, sửa chữa các vết nứt trên chi tiết đúc bằng gang, chuẩn bị bề mặt chi tiết để bổ xung thêm lớp phủ chịu ăn mòn và dùng cho trang trí. Hình 1.42. Nguyên lý phun cát 49 Chuẩn bị bề mặt bằng phun cát thực hiện trong tủ phun cát nhờ đầu phun cát hoặc trong phòng phun cát bằng các thiết bị phun cát (hình 1.42). Chất lượng gia công bề mặt phun cát được xác định bằng độ nhám bề mặt mà độ nhám trước hết phụ thuộc vào độ cứng của bề mặt được gia công, chất lượng vật liệu phun, áp lực dòng khí nén,khoảng cách vòi phun của thiết bị đến bề mặt được làm sạch, đường kính vòi phun dòng và góc nghiêng của dòng cát với bề mặt phun. Vì vậy kỹ thuật phun cát dùng cho phun phủ kim loại có những đặc điểm cần quan tâm sau: + Không khí nén. Áp lực không khí nén càng tăng thi chi tiết càng sạch hoặc độ nhấp nhô càng tăng (hình 1.43). Song nếu áp lực tăng quá thì độ nhấp nhô không tăng lên nhanh tương ứn g, đồng thời tổn hao nhiều cát và không khí nén. Áp lực không khí nén tốt nhất khi phun bề mặt thép từ 4÷5 kG/cm2, khi phun bề mặt gang 3÷4 kG/cm2. Không khí nén để phun cát phải là không khí đã được lọc sạch dầu mỡ và hơi ẩm. + Khoảng cách từ vòi phun cát tới bề mặt chi tiết Khi khoảng cách này quá ngắn, các hạt cát chưa đủ tốc độ để có năng lượng cao nhất, do đó giảm độ nhấp nhô trên bề mặt chi tiết. Khi khoảng cách này quá xa, năng lượng hạt cũng bị suy giảm do đó cũng hạn chế mức độ sần sùi (hình1.44). Khoảng cách phun tốt nhất đối với thép: 75÷100mm. + Chất lượng của hạt cát. Kích thước hạt cát: hạt càng lớn, khối lượng của hạt càng tăng do đó khi bắn vào bề mặt chi tiết, càng làm tăng độ sần sùi (hình 1.44b,c) trong những điều kiện như nhau.Song nếu hạt cát quá to, sẽ không đủ năng lượng đồng thời không có khả năng để làm sạch những vết nhấp nhô trên bề mặt chi tiết. Hình 1.43. Độ nhấp nhô phụ thuộc áp suất khí nén. 50 Việc lựa chọn kích thước hạt để làm sẫn sùi bề mặt chi tiết, căn cứ vào chiếu dày lớp phun trên bề mặt chi tiết. Song thực tế với chiều dày khác nhau phải chọn kích thước hạt tương ứng. Vì vậy kích thước hạt được chọn theo bảng 1.11a. Vật liệu hạt cũng có ý nghĩa quan trọng. Nếu khối lượng riêng của hạt càng lớn thì tạo được bề mặt chi tiết càng sần sùi. Nếu sức bền cơ học của hạt càng cao, kết quả làm sần sùi càng tốt. Cũng vì vậy cát dùng để phun phải là cát núi có cạnh sắc và tinh khiết. Cát để phun phải sạch, khô, không cát, dẫu mỡ. Hình 1.44. a- Độ nhấp nhô phụ thuộc khoảng cách phun cát b- Độ nhấp nhô phụ thuộc kích thước hạt cát c- Kích thước hạt cát ảnh hưởng chất lượng phun 1-đúng 2-không 51 Trong quá trình phun cát, các hạt bị vỡ vụn tạo thành bụi cũng cần phải loại bỏ. Bảng 1.11a. Kích thước hạt cát và hạt thép. + Góc bắn của dòng cát . Góc này hợp bởi đường trục chi tiết và đường trục của dòng cát. Thay đổi góc bắn này cũng gây ra sự thay đổi nhấp nhô tế vi trên bề mặt. Bảng 1.11b biểu thị độ nhấp nhô tế vi bề mặt phụ thuộc vào góc bắn. Bảng 1.11b. Độ nhấp nhô tế vi bề mặt thay đổi theo góc bắn + Độ cứng bề mặt chi tiết. Nếu độ cứng bề mặt chi tiết quá lớn (HRC ≥ 58) thì phun cát sẽ không gây được độ sần sùi cần thiết. Vì vậy không thể ứng dụng phun cát trong trường hợp này. Khi chi tiết là vật liệu mềm, nếu phun với áp lực quá lớn như khi phun vật liệu cứng thì bề mặt chi tiết sẽ bị lấy đi một lượng quá nhiều, chi tiết sẽ bị biến dạng mạnh. Chế độ phun cát cho một số loại vật ...t được tiến hành the o trật tự phủ bao gồm:lớp cơ sở , lớp đệm và lớp bề mặt. Lớp sơn cơ sở là lớp sơn đầu tiên phủ lên vật và có thể phủ một lớp hoặc một số lớp . Lớp tiếp theo của nó là lớp sơn nền vì nó sẽ là cơ sở nền cho lớp sơn cuối cùng, nghĩa là lớp sơn bề mặt (lớp sơn đỉnh) là lớp sơn quyết định hình thức của lớp phủ sơn. Vật liệu sơn được chế biến từ một vài chất sau: Chất cơ bản phải luôn luôn là chất có khả năng tạo thành màng sơn-nghĩa là tạo sự liên kết, sự dính và khả năng cơ học của lớp phủ. Đó là các chất tạo màng. Thành phần chính thứ hai của chất sơn là các chất hòa tan. Đó là các chất hữu cơ lỏng để các thành phần tạo màng có thể hòa tan vào chúng. 114 Thành phần chính thứ ba là thành phần sắc tố là các bột màu không hòa tan. Bột này tạo cho sơn có những màu theo yêu cầu, những tính chất khác và khả năng chống gỉ. Sắc tố này có thể là các bột kim loại như bột nhôm, kẽm. Ngoài sắc tố ra đôi khi còn dùng mực, loại này rẻ tiền hơn. Nói chung là các chất này rất thích hợp cho việc xửa đổi các tính chất công nghệ của chất sơn. Loại sơn trong suốt không chứa chất màu hoặc các loại mực được gọi là sơn bóng hoặc vecni. Nó là dung dịch của chất tạo màng trong các chất hòa tan hữu cơ. Sơn có thể chia làm hai loại: - Loại sơn sắc tố tức là sơn có màu (bao gồm một số khá lớn sắc tố). - Loại sơn phủ dùng với mục đích chính là quét lên lưosp sơn trên đỉnh ,có tác dụng làm tăng hình thức bên ngoài và khả năng chống cháy. 1.Các loại vật liệu sơn . a. vật liệu sơn dầu . Thành phần chủ yếu là dầu thực vật, thông thường là dầu lanh hoặc dầu gỗ, loại dầu này phủ một lớp mỏng để gây phản ứng với ôxy của không khí tạo thành một màng cứng. Thực chất của nó là phủ lên một lớ p polymer. Để làm tăng nhanh quá trình khô của lớp dầu ,người ta cho thêm vào 0,1% chát sấy khô, chất này có tác dụng như chất xúc tác. Chất sấy khô bao gồm có xà phòng, muối của các loại axit béo và axit của kim loại (chủ yếu là chì, côban, mangan). Dầu được sấy khô cùng với một số chất phụ cho thêm gọi là dầu gai. Dầu gai được quét thành các lớp mỏng và sấy khô trong một ngày. Màu của dầu gai được sản xuất theo các chất sắc tố và không chứa thành phần dễ bay hơi. Người ta thường sủ dụng các loại dầu có màu để quét sơn cơ sở trên thép vì nó có chứa các chất sắc tố chống gỉ. b. Vật liệu xenlulô. Thành phần chủ yếu của nó là nitroxenlulô được hòa tan trong chất thích ứng như êtylen, axêtôn, vv.Các chất này thường có tính tự sấy khô nhanh (khoảng 30-60 phút). Bởi vậy loại này rất thích ứng với việc phủ các lớp sơn bằng phun với các đầu phun (pistole). c. Vật liệu sơn tổng hợp . Đây là loại sơn chứa đựng các ưu đ iểm của loại sơn dầu và xenlulô , đồng thời khử các nhược điểm của các loại sơn trên. Phần chính để tạ ra màng của loại này là các loại nhựa tổng hợp. Loại sơn từ vật liệu mang tính kiềm là loại có khả năng tốt nhất đối với các ảnh hưởng của thời tiết, đặc biệt ở điều kiện nhiệt độ (độ ẩm cao, nhiệt độ cao và có sự thay đổi điều kiện một cách khác thường). Các loại sơn tổng hợp này phần lớn được phủ bằng cách 115 phun và ngâm. Có thể để khô trong không khí với nhiệt độ bình thường. Bằng cách tăng nhiệt độ thì sấy khô sẽ tăng nhanh. 2. Các phương pháp sơn Có nhiều cách sơn, sơn bằng chổi lông là phương pháp cũ nhất và là kỹ thuật cơ sở. Nhược điểm là mất nhiều công lao động. Sơn bằng bút lông thích hợp cho các chi tiết phức tạp hoặc ở các vị trí gặp nhiều khó khăn mà bút lông thích ứng mới quét được. Hiện nay khi sơn các kết cấu, cầu,sơn bằng chổi lông vẫn đóng một vai trò quan trọng. Phun sơn là dùng khí nén thổi vào dòng sơn làm phân tán thành các giọt sơn nhỏ nén lên vật và như vậy trên bề mặt sẽ tạo ra một lớp sơn liên kết. Phun sơn được tiến hành bằng các đầu phun.Vật liệu sơn được đưa và đầu phun bằng ống dẫn từ thúng sơn. Ở đấy có áp lực bằng 4atm. Phun sơn có công suất cao hơn là quét sơn vì có thể sơn rất nhanh , nhưng mất mát về sơn cũng nhiều -có thể lên đến 40%. Để giảm sự mất mát sơn có thể sử dụng phun bằng từ trường điện (gọi là sơn tĩnh điện) hoặc sơn bằng vật liệu sơn nóng. Ngoài ra nó còn dùng phương pháp ngâm. Ngâm là phương pháp thấm ướt, phương pháp này tiết kiệm và đơn giản nhất không đòi hỏi công nhân có trình độ cao vào có thể dễ dàng tự động hóa được. Ở Việt Nam hiện nay đã dùng phổ biến công nghệ sơn tĩnh điện cho các sản phẩm. 3. Sấy khô sơn Có nhiều cách sây khô sơn, có thể sấy khô sơn trng không khí ở nhiệt độ thường trong phòng, nhược điểm của cách này là thời gian dài, đòi hỏi phải có một không gian lớn (ví dụ như sơn dầu) Để đẩy nhanh việc sấy khô, trong sản xuất hàng loạt có nhiều cách sấy khác nhau. Sấy ở nhiệt độ cao hơn 1500C gọi là nung. Loại này dùng cho một số loại sơn. Sấy trong các lò sấy: không khí được nung nóng từ các loại vật liệu lò sau đó nhiệt sẽ truyền sang vật đã được sơn. Thường sủ dụng các loại lò buồng hoặc tunen. Trong khi sấy không khí nóng di chuyển xung quanh, để nhiệt độ ở mọi chỗ như nhau và nhiệt truyền vào vật được sơn nhanh hơn. Phần không khí nóng trong lò sẽ chứa các sản phẩm của sơn bốc hơi ra (như hơi của các chất hòa tan), do đó nhất thiết phải có hệ thống hút để đảm bảo quá trình sấy kông bị trỏ ngại và không xảy ra tai nạn nổ. Sấy bằng bức xạ nhiệt, ở đây nhiệt được đưa đến bằng bức xạ nhiệt của tia hồng ngoại với chiều dài sóng hơn 0,75 micromet. Sự bức xạ nhiệt không nhìn thấy này được thâm nhập và các chi tiết được sơn từ lớp cơ sở đầu tiên đến lớp cuối cùng. Ưu điểm của phương pháp này là cả hơi của các chất dung môi có thể xuất hiện trên bền mặt và có thế sấy đến khi hoàn thiện. Phương pháp này năng suất cao hơn một vài lầ n so với phương pháp sấy trong lò (ở phương pháp này lớp sơn bị sấy từ bề mặt vào). 2.4.1.3 Bảo vệ bằng lớp phủ kim loại 116 Phương pháp bảo vệ thép cacbon và các kim loại màu khỏi gỉ thường dùng là lớp phủ kim loại hoặc phi kim, các lớp này có đặc điểm bền vững cao hơn kim loại chính ở trong môi trường gỉ. Lớp phủ bảo vệ có thể phân loại như trên sơ đồ hình 2.11. Ở đây sẽ xét một số lớp bảo vệ bằng các phương pháp sau: + Tráng kim loại bằng cách nhúng. Nhúng chùm chi tiết vào kim loại nóng chảy gị là tráng, nó là một phương pháp cũ nhất để bảo vệ kim loại chống gỉ. Bằng cách này sẽ thu được các lớp bảo vệ thông thường là kẽm, thiếc, chì. Phương pháp này thường sử dụng trong các nhà máy luyện kim. Những vật định cho tráng kẽm phải được chuẩn bị sạch bằng dung dịch axit lưu huỳnh và được trun g hòa bằng nước nóng hoặc lạnh. Quá trình tiến hành tráng kẽm thường ở trạng thái ướt (phương pháp cũ) hoặc trạng thái khô (phương pháp mới), các phương pháp này đều có thể tiến hành bằng tay hoặc bằng máy. Tráng kẽm bằng tay trong trạng thái ướt được biểu thị trên hình 2.12. Kẽm lỏng (Zn) được chứa trong bể thép (1), bể này có vách ngăn được chế tạo bằng thép tấm, ở phía phải của bể được phủ lớp chất trợ dung T. Chất trợ dung này là hỗn hợp của clorua kẽm (ZnCl) và clorua amoniac, vật sẽ được nhúng vào bể ướt (không sấy) qua chất trợ dung. Dưới tác dụng của chất trợ dung bề mặt của vật được làm sạch hoàn toàn. Hình 2.12. Tráng kẽm bằng tay Nhiệt độ trong bể khoảng 4500C. Vật được ngâm trong một thời gian ngắn để kẽm dính lên hết bề mặt của vật, sau đó vật được lấy ra ở phía bên trái (không có chất trợ dung). Vật lấy ra được làm sạch kim loại thừa, sau đó được làm nguội. 117 Hình 2.11. Phân loại lớp phủ Sự hình thành lớp phủ kẽm khi ngâm là do các nguyên tử kẽm xuất hiện trong bể ngâm, chúng khuếch tán vào mạng sắt nền của vật và tác dụng hóa học với nhau tạo lớp kim loại sắt và kẽm, điều đó có nghĩa là lớp hợp kim này với lớp kẽm sẽ được liên kết kim loại với nhau. Nhưng lớp hợp kim trung gian này rất dòn cho nên phải rất mỏng, thời gian ngâm không được dài so với yêu cầu. Khi tráng kẽm bằng phương pháp ướt, kẽm sẽ tác dụng với thành của bể thép, do đó bể chóng bị phá hủy. Phương pháp tráng kẽm ở trạng thái khô sẽ khắc phục được các thiếu sót c ủa phương pháp tráng kẽm ướt và thu được kết quả về kỹ thuật và kinh tế cao hơn. Nguyên lý chung là vật cần tráng được đưa vào bể tráng . Bể kẽm ở đây không phủ chất trợ dung mà có chất phụ, khoảng 0,2% Al. Tác dụng của nhôm là làm chậm sự khuyếch tán những nguyên tử kẽm vào mạng của sắt. Bởi vậy tính dòn của lớp trung gian sẽ nhỏ, mỏng đi nhiều lần so với phương pháp tráng ướt. 118 Tráng kẽm theo phương pháp khô được sử dụng rộng rãi hiện nay, chiều dày của lớp có thể đạt được nhỏ nhất 20 micr omet và thường để tráng các tấm, ống, vật đúc, nồi vè kết cấu thép toàn bộ. Thời gian tác dụng của lớp bảo vệ kẽm thường tỷ lệ với chiều dày của lớp. Lớp phủ kẽm nếu tốt có thể chịu đựng được trong môi trường không khí thực bên ngoài hàng chục năm. Tuổi thọ của chúng có thể kéo dài lâu hơn sơn phủ, đặc biệt trong môi trường khí quyển trung hòa ,nhưng trong môi trường nước nóng thì không thích hợp. Ngoài lớp tráng bằng kẽm, người ta còn dùng lớp tráng thiếc. Lớp tráng thiếc trên thép có khả năng chống mòn, nó có màu trắng.những tấm mạ thiếc thường cho ngành đóng đồ hộp trong công nghiệp thực phẩm. Lớp tráng thiêc thu được bằng phương pháp nhúng (tráng) yêu cầu phải có chiều dày mỏng vừa đủ (khoảng 20 micromet). Để có thể thu được lớp phủ như vậy, trước tiên bề mặt của tấm yêu cầu phải nhẵn, thường được đánh bóng sau đó mới tiến hành tráng. Quá trình tráng thiếc tương tự như tráng kẽm. Các tấm thép với lớp phủ chì được dùng chủ yếu trong môi trường xâm thực mạnh. Khi tráng thép bằng lớp chì thường khó hơn khi tráng kẽm, thiếc. Vì hai kim loại này không đủ tạo thành hợp kim. Chì nguyên chất không bám trên bề mặt của sắt, bởi vậy khi cho thêm chì khoảng 10-30% thiếc có tác dụng tạo thành hợp kim với sắt và quá trình công nghệ tráng cũng tương tự như khi tráng thiếc. Những dải thép mạ nửa chì thường thích hợp cho việc sản xuất các loại bạc của bộ phận cách điện của nhà cửa. 2.4.1.4 Mạ điện Mạ điện (hay nói chính xác là mạ điện hóa) được tạo ra theo nguyên lý của sự điện phân. Theo định Faraday: vật (1) là vật cần mạ sẽ là cực âm , chúng được treo lên những thanh hoặc ống bằng đồng thau, đồng thanh hoặc bằng nhôm(5). Vật được nhúng v ào bể điện phân (chất diện phân) (3) trong bể (4). Bên cạnh đó chúng ta treo vào bể những đĩa kim loại (cực dương) (2) , hình 2.13. Chất điện phân chứa các ion kim loại cần mạ, thông thường cực dương là những kim loại tương tự như kim loại mạ trên vật. Hình 2.13. Sự bố trí cực anôt và catôt trong bể mạ. 1-vật cần mạ (cực âm); 2-đĩa kim loại (cực dương); 3-chất điện phân; 4-bể điện phân; 5-thanh treo. 119 Khi dẫn vào điện cực dòng điện một chiều , dòng điện sẽ đi qua bể, lúc đó kim loại cực dương sẽ thoá t ra và trên bề mặt vật (cực âm) sẽ thu được một lớp mạ. Vật cần mạ phải dẫn điện. Nếu không ngay từ đầu phải được xử lý hoặc phaỉ mạ trong chân không. Mạ điện có thể mạ những lớp kim loại khác nhau như mạ niken, crôm, đòng kẽm, bac, vàng, vv Riêng nhôm không thể thoát ra dung dịch nước, vì nó có điện thế chuẩn âm lớn. Dùng phương pháp mạ điện có thể tiến hành mạ hai lớp như mạ niken, crôm. Đầu tiên trên bề mặt mạ lớp niken, sau đó lớp này được đánh bóng và tiến hành mạ lớp crôm mỏng. Để nâng cao chất lượng lớp mạ , thích hợp nhất trước khi mạ niken , crôm, người ta mạ trước một lớp mạ đồng, như vậy ta có lớp phủ 3 lớp: đồng, niken và crôm. Khi mạ điện cần phải xét đén một số yếu tố sau: 1.Công hiệu của chiều dày và cấu trúc lớp kim loại mạ . Theo nguyên tắc phải thu được lớp chiều dày mạ như nhau trên toàn bộ bề mặt mạ. Trường hợp ở những vật có hình dạng không đồng đều thì mong muốn đó khó thực hiện, vì ở những vị trí gần với cực dương (2) (hình 78) thì tất nhiên sẽ tạo ra lớp mạ dày hơn (do mật độ dòng điện lớn hơn)và ngược lại, ở những điểm xa thậm chí có thể không thu được lớp mạ. Do đó cần phải thay đổi hình dáng cực dương để biến đổi mật độ dòng điện, sẽ thu được chiều dày mạ yêu cầu. Như vậy công hiệu chiều dày của lớp mạ là khả năng của bể mạ phủ kim loại một bề dày đồng đều trên suốt bề mặt.cấu tạo lớp mạ cũng có thể giải thích như sự kết tinh của các kim loại nóng chảy. Các nguyên tử bám vào bề mặt và tập trung lại tạo thành mạng lưới tinh thể và các tinh thể này lớn lên tương tự như quá trình phát triển và lớn lên cảu các tinh thẻ khi kim loại hóa rắn. 2. Bể mạ. Là bể chứa các chất điện phân, các chất này được chia thành các nhóm sau: a. Nước kim loại dùng để tạo chất điện phân (gồm các muối đơn giản hoặc các muối phức hợp). b. Các chất dùng để năng cao tính dẫn điện của dung dịch (nghĩa là muối dẫn điện) và muối này sẽ tao khả năng nâng cao mật độ dùng. c. Các chất giữ cho tính axit của dung dịch ở mạ có giá trị nhất định. d. Các chất gây mầm kết tinh (ví dụ, các muối hoặc các chất hữu cơ) hoặc có thể nâng cao độ nhẵn bóng của lớp mạ (các chật phụ làm bóng). Ví dụ, đối với bể mạ niken người ta dùng các muối kim loại như sunfat niken, dùng chất clorua để nâng cao tính dẫn điện và dùng axit boric để điều chỉnh tính axit , dùng chất phụ đánh bóng như formandêhyt. 120 3. Dùng mạ điện có thể thu được các lớp mạ sau . a. Lớp đồng Người ta ít dùng lớp mạ đồng riêng biệt vì khả năng chống gỉ của nó kém, ví dụ dùng lớp đồng riêng biệt ở những bề mặt tiếp xúc trang các dụng điện.Tính sử dụng của nó dùng cho nguyên công trước khi mạ niken, crôm, như vậy sẽ tiết kiệm được niken. b. Lớp niken Có độ bóng tốt hơn, nhưng trong môi trường khí quyển công nghiệp, độ sáng của nó sẽ trở nên xám, không đẹp. Bởi vậy người ta thường mạ thêm một lớp mỏng crôm. Lớp mạ niken thường dùng trong sản xuất các dụng cụ điện dùng cho các mối hàn điểm của một vài kim loại và hợp kim . Ví dụ như mối hàn đồng trên volfram hoặc môlipden, ở các mối hàn này nếu không có niken thì sự liên kết không tồn tại. c. Lớp mạ kẽm Thường dùng cho các vật liệu điện , các tấm thép, giấy thép. d. Lớp mạ crôm Là lớp mạ thông dụng nhất và là quá trình mạ quan trọng nhất. ớp mạ crôm có khả năng chống gỉ tốt, đặc biệt chống gỉ ở khí quyển trong điều kiên nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao. Độ cứng của lớp mạ crôm cao, vì thê trong điều kiện nhất định nó có khả năng chống mài mòn cơ học tốt, có hệ số ma sát nhỏ. Lớp mạ crôm có khả năng chịu đựng phần lớn các axit, đặc biệt với các axit và muối của lưu huỳnh . Chiều dày nhỏ nhất của lớp mạ crôm có thể đạt được là 0,5 micromet. e. Lớp mạ bạc Dùng trong kinh tế điện với tính dẫn điện tốt và bền hóa học. Ví dụ dùng trong các điểm tiếp xúc ở các dụng cụ máy điện, bóng dèn điện tử và đặc biệt ý nghĩa dẫn điện cao của lớp mạ bạc đã được dùng trong các thiết bị cao tần như các ống dẫn sóng,các bóng đèn điện tử vv.. g. Lớp mạ rôđi Rôđi rất đắt (đắt hơn vàng) thường dùng ở các tiếp điểm của thiết bị sóng ngắn (các rada), ở đây tính ổn định của nó rát hoàn thiện đối với các tính chất tiếp xúc điện trong một thời gian dài và trong mọi điều kiện môi trường. h. Các thiết bị mạ điện Các thiết bị mạ điện có thể chia thành các nhóm chính sau: - Nguồn điện với hệ thống điều khiển. - Dụng cụ điều chỉnh và dụng cụ đo . - Bể và các thiết bị phụ . - Các phương tiện cơ khí hóa và tự động hóa. 121 Các thiết bị làm sạch thường dùng cho mạ điện được sử dụng rộng rãi là các thiết bị mài, đánh bóng,làm sạch dầu, phun bi,vv Nguồn điện dùng cho mạ điện là cá máy phát điện một chiều cho dòng điện đến hàng nghìn ampe và điện thế khoảng 4÷20V. Bể mạ được làm từ vật liệu có đầy đủ khả năng chịu đựng các tác dụn g điện hóa tương ứng. Thường người ta sử dụng các bể được bọc bằng lớp chì, thích hợp nhất là loại bể thép mà phía trong được bọc bằng loại cao su cứng hoặc chì, v.v Loại bể nhỏ hơn có thể xây bằng đá. Bể thường có thiết bị lọc, bộ phận sấy nóng, khuấy và hút hơi độc. Các cực dương của bể mạ thường làm bằng kim loại và được ngâm trong bể, các cực dương này thường hòa tan. Trong quá trình mạ, các cực dương không phát ra các ion mà chỉ là các electron, nghĩa là chỉ tác dụng dẫn dòng điện. Ví dụ, khi mạ crom sẽ không có sự hòa tan cực dương là chì. Độ lớn của bề mặt cực dương phải tỷ lệ với độ lớn của bề mặt vật mạ. Cực dương thường có dạng là các đĩa bằng và được treo lên các thanh. 2.4.1.5 Mạ hóa học không có dòng điện Phương pháp mới nhất và có ý nghĩa nhất định hiện nay là mạ niken không có dòng điện trong dung dịch muối niken. Muối niken có thể là clorua hoặc sunfat, lớp mạ này chỉ hình thành trên bề mặt kim loại, không thể hình thành trên bề mặt phi kim. Phương pháp này có thể thu được chiều dày lớp mạ đủ lớn. Ngoài ra phương pháp này tốt hơn so với phương pháp mạ điện niken là lớp phủ có chiều dày đều đặn ở trên các đỉnh cũng như trên các khe, lỗ. Lớp phủ niken bằng phương pháp này có khả năng chống gỉ rất tốt. 2.4.1.5 Mạ bằng dòng khuếch tán Lớp phủ được hình thành bằng sự khuếch tán của một số kim loại vào kim loại nền; sự khuếch tán rõ rệt xảy ra ở nhiệt độ cao. Khi mạ khuếch tán đầu tiên rắc lên vật một lớp bột kim loại cần (kẽm, nhôm, crom, mangan, v.v). Sau đó vật được bao bọc tất cả bằng một môi trường bảo vệ và đem nung nóng. Thường môi trường thích hợp là chân không. Lớp phủ được hình thành không phải là kim loại nguyên chất mà là các hợp kim (hợp chất) tạo thành từ kim loại bột và kim loại nền. Phương pháp tốt của mạ khuếch tán là khuếch tán nhôm và crom. Mạ khuếch tán nhôm là tạo ra trên bề mặt chi tiết thép một lớp kim loại với nhôm. Nhôn sẽ tăng khả năng chống cháy, nhưng lại dòn. Phương pháp này phù hợp với các chi tiết to, các kết cấu mà các chi tiết này yêu cầu phải có khả năng chống gỉ ở nhiệt độ cao. Có các phương pháp khuếch tán nhôm chính sau: 122 Phương pháp dùng nhiệt lượng. Phương pháp này tiến hành ở nhiệt độ 900 0C và sử dụng bột nhôm khuếch tán. Chi tiết trước tiên được phun một lớp nhôm bằng đầu phun lên bề mặt, sau đó đem vật vào ủ. Mạ khuếch tán crom là một phương pháp tạo ra trên bề mặt của thép cacbon thấp một lớp giàu crom. Lớp này có khả năng chống gỉ rất tốt, kể cả trong môi trường nước và hơi. Nó có thể chống được sự ô xít hóa ở nhiệt độ đến 8000C. Chi tiết cần crom hóa được đặt vào hỗn hợp của bột crom và bột ô xít nhôm. Môi trường tiến hành là hydro với độ ẩm hoàn toàn bình thường, nhưng nhất thiết phải nung đến nhiệt độ 1200 ÷ 13000C. Ở nhiệt độ cao như vậy làm các hạt thép lớn lên (dạng hạt thô) và như vậy sẽ gây tác hại cho sản phẩm, làm chi tiết có tính dòn cao. Bởi vậy phương pháp thích ứng hơn là nung gián tiếp. Ở phương pháp này nhiệt độ nung nóng chỉ khoảng 100 0C là đủ. 2.4.1.6 Mạ trong chân không Cơ sở mạ trong chân không là làm bốc hơi kim loại trong chân không. Thi ết bị cho mạ chân không biểu thị trên hình 2.14. Quá trình xảy ra trong buồng mạ (1) như sau: vật liệu chúng ta muốn làm bốc hơi như nhôm có dạng các khúc dây nhỏ hoặc bột. Chi tiết này được nung nóng bằng nhiệt điện trở làm từ vật liệu khó cháy (vonfram, môilipden), chi tiết (3) được kẹp vào giữa hai trụ đồng làm nhiệm vụ dẫn điện. Vật (2) là vật cần mạ được treo trên cán treo. Hình 2.14 Mạ trong chân không 1-Buồng mạ; 2-Vật cần mạ; 3- Vật dẫn điện Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ yêu cầu đủ cho bốc hơi , vật liệu bốc hơi (3) sẽ tức khắc bốc hơi và tỏa ra trong không gian một chân không 10-4-10-5 bar. Hơi kim loại thâm nhập (các nguyên tử kim loại) sẽ mở rộng theo tất cả các hướng trong không gian và va đập lên bề mặt vật.Sau đó sẽ ngưng tụ trên nó, tạo ra lớp liên kết. Mạ trong chân không sẽ có khả 123 năng mạ những lớp kim loại khác nhau cũng như các vật liệu phi kim loại. Vật được mạ có thể không phải là kim loại. Mạ trong chân không dùng nhiều trong trang trí, trong kỹ thuật điện và quang học như tạo ra những lớp gương ở phía trong bề mặt của các đồ trang sức, các lớp dẫn điện của các bóng điện tử, vv Ngày nay công nghệ này được gọi là công nghệ xử lý PVD (physical Vapour Deposition). 2.4.2 Phun phủ kim loại và hàn đắp Phun kim loại là một lĩnh vực còn trẻ n hưng đã được sử dụng khá rộng rãi trên các lĩnh vực kỹ thuật vì chúng có những ưu điểm sau: - Dùng phun kim loại để phục hồi các chi tiết máy như trục, ổ bị mài mòn . - Chế tạo các trục mới với lớp phủ kim loại dùng ở nơi lắp ghép ma sát. - Sửa chữa tất cả các khuyết tật của vật đúc từ các loại vật liệu khác nhau như gang xám, thép đúc, các loại kim loại khác hoặc phi kim loại. - Sửa chữa hoặc chế tạo các ổ. - Bảo vệ chống gỉ. - Bảo vệ chống cháy khi ma sát ướt bị phá vỡ. - Dùng để trang trí. - Dùng trong kinh tế radiô, điện tử để tạo các mối dẫn điện hoặc cách điện. - Để tạo các lớp không hòa tan trong công nghiệp hóa học hoặc thực phẩm. Dưới đây xét một vài phạm vi sử dụng lớp phủ bằng kim lọai. 2.4.2.1 Phun kim loại để xử lý bề mặt. Hiện nay kỹ thuật xử lý bề mặt có nhiều phương pháp như nhiệt huyện, hóa nhiệt luyện, mạ, phun kim loại Nhưng để chọn phương pháp công nghệ nào thì phụ thuộc vào nhiều nhân tố: như yêu cầu làm việc của bề mặt , khả năng xử lý chúng, khả năng và tính chất của từng lớp phủ khi làm việ c, khả năng công nghệ thực hiện. Ở đây so sánh phạm vi sử dụng và đặc điểm của một vài phương pháp xử lý bề mặt với phương pháp phủ bằng phun kim loại. 1. Phương pháp mạ Mạ có thể dùng để xử lý bề mặt của các loại chi tiết to hoặc nhỏ, các dạng bề mặt; phủ được lớp phủ mỏng, nhưng lớp phủ lớn nhất đạt được là 1mm. Có thể phủ các lớp phủ dùng để chống gỉ hoặc chống mài mòn. Phủ trên các chi tiết làm việc với các ché độ tải trọng khác nhau như tải trọng chu kỳ. Mạ có thể phủ các loại vật liệu khác nhau mà các loại vật liệu này khác với tính chất của vật liệu nền. 124 2. Hàn đắp Rất thích hợp cho việc sửa chữa các bề mặt nhỏ và trung bình, để phủ các lớp phủ dày, đặc biệt rất thích hợp cho việc sửa chữa và sản xuất các bề mặt làm việc chịu tải trọng,các bề mặt bị mài mòn và gỉ. P hương pháp hàn đắp có thể đắp được vật liệu có thành phần tương tự hoặc giống với vật liệu nền. Lớp phủ bằng hàn đắp có độ cứng và các tính chất cơ học khác tương đối cao. 3. Phương pháp phun kim loại Có thể phun một hoặc một vài kim lọa i khác nhau trong một lớp phủ, các kim loại này khác hoàn toàn vật liệu nền. Phun kim loại có thể phun được các lớp mỏng hoặc dày trên các dạng khác nhau của bề mặt thích hợp nhất là mặt trụ hoặc mặt phẳng. Lớp phủ bằng phun kim loại dùng để khử các khuyết tật của đúc, chống mòn, chống gỉ và tạo ra nhiều tính chất làm việc tốt trên bề mặt như tính chịu ma sát, tính chống nhiệt. 2.4.2.2Phun kim loại để phục hồi và chế tạo chi tiết máy 1. Sử dụng phun kim loại để phục hồi Rất nhiều chi tiết máy của cá thiết bị có thể sử dụng phương pháp phun để sữa chữa phục hồi: - Các trục có các bề mặt làm việc quay trong ổ trượt với tải trọng lớn và tốc độ quay lớn khoảng 5-8m/s như các trục lệch tâm của máy ép, các máy tiện tự động. - Các trục của máy cán. - Các ở trượt . - Các chi tiết truyền dẫn thủy lực. - Các sõng trượt cảu bàn dao . - Các rãnh trượt mang cá. Bằng phương pháp phun kim loại để phục hồi đã đạt được giá trị kinh tế cao. Giá thành phục hồi chỉ bằng 10-50% giá thành của chi tiết mới, khoảng 20-30% chi tiết mài mòn được phuc hồi băng phương pháp phun kim loại. Có thể chia các chi tiết phục hồi thành 4 nhóm: - Nhóm 1. Bao gồm những chi tiết mặt ngoài tròn bị mài mòn trong quá trình làm việc;bị mài mòn do ma sát ,lớp ghép không đảm bảo khe hở hoặc độ dôi,các chi tiết có rãnh then hoặc then hoa,các chi tiết có dạng cam. - Nhóm 2.Bao gồm các chi tiết có mặt tròn trong bị mòn trong quá trình làm việc. - Nhóm 3.Bao gồm những chi tiết mặt phẳng. - Nhóm 4.Bao gồm những chi tiết nứt hoặc vỡ trng quá trình làm Hình 2.15 là sơ đồ trục được phục hồi bằng phun kim loại. Toàn bộ bề mặt được phủ bằng lớp thép không gỉ với chiều dày 3,5mm, bề mặt được chuẩn bị bằng phương pháp cắt ren nhọn 600. 125 Hình 2.15.Phục hồi trục mòn bằng phun kim loại. Dưới đây giới thiệu thêm một số ch i tiết phục hồi bằng phun kim loại. Trên hình 2.16 là một trục thép bị mòn ở kích thước Ф 180 p11 trên chiều dài 142,5mm. Toàn bộ bề mặt đã được phục hồi sửa chữa bằng phun kim loại. Hình 2.16.Trục được phục hồi bằng hun kim loại Truc khuỷu (hình 2.17). Kích thước Ф 85f8 của trục khuỷu sau khi gia công sửa chữa hình dáng ôvan không còn đủ tiêu chuẩn,đã được phục hồi bằng phun kim loại với dây thép 0,8%C và bề mặt được làm nhấp nhô bằng phun kim loại và chiều dày lớp phun sau khi mài còn 1mm. Hình 2.17.Trục khuỷu được phục hồi bằng phun (kích thước Ф 85f8) Trục lệch tâm (hình 2.18) bị mòn toàn bộ bề mặt Ф65k6. 126 Hình 2.18.Trục lệch tâm được phun đắp kich thước Ф65k6. Trên chiều dài 385mm đã được phục hồi bằng phun kim loại với phương pháp chuẩn bị bề mặt là cắt ren và phun với dây thép 0,8%C. Piston gang của máy búa (hình 2.19) được thay bằng kết cấu hàn và bề mặt làm việc Ф449 và Ф299 đã được phủ một lớp kim loại bằng hợp kim nhôm. Bề mặt trước khi phun được chuẩn bị băng phương pháp cắt ren. Hình 2.19. Phục hồi bề mặt ma sát piston máy búa bằng phun Trên hình 2.20 là phục hồi thân máy khoan cần bằng phun kim loại với lớp phun là thép 0,9%C và chiều dày sau khi gia công là 5mm. Bề mặt được chuẩn bị trước khi phun là tiện ren vít với lăn ép đỉnh răng. Phục hồi cánh tua bin của máy nén (hình 2.21) với lớp phủ bằng phun kim loại cho bề mặt 1 từ vật liệu là thép không gỉ. Lớp phủ ở đây có tác dụng bảo vệ sự mòn nhanh của lớp bề mặt. Bề mặt được tạo nhấp nhô bằng công nghệ phun các hạt thép trước khi ph un. 127 Hình 2.20 .Phục hồi thân máy khoan cần bằng phun. Hình 2.21 .Phun bề mặt của cánh tuabin khí. 2.5. An toàn khi phun phủ và hàn đắp Khi sử dụng công nghệ phun kim loại và hàn đắp sẽ gây ra một số tác hại đến sức khỏe cũng như khả năng gây ra nguy h iểm. Vì vậy cán bộ kỹ thuật và công nhân phải tuân theo các qui định về an toàn lao động và thiết bị. Trước tiên phải: Chống tác hại của hồ quang điện. Chống khí độc hại của sự cháy kim loại cũng như các khí, hơi Chống bụi, đặc biệt là các phần tử nhỏ kim loại cũng như các ô xít của chúng. Trong phân xưởng phun kim loại phải được trang bị các thiết bị hút bụi, hút khí độc hại và phải thông gió tốt để luôn đem đến không khí sạch cho toàn bộ phân xưởng. Đối với công nhân phun phải được bảo vệ người, mặt và đ ặc biệt là mắt. Vì vậy trước khi phun kim loại (đặc biệt phun kim loại hồ quang) phải mặc quần áo bảo hộ, đeo găng tay và mặt nạ che mặt. Để bảo vệ trước các khí độc hại, các khí sinh ra của các kim loại (đặc biệt là đồng, kẽm) công nhân phải dùng mặt nạ có kèm theo kết cấu lọc của hệ thống hô hấp. Để bảo vệ khỏi tiếng động gây ra khi phun (các tiếng động rất lớn của máy nén khí, máy phun,) công nhân cũng như các cán bộ kỹ thuật khi làm việc phải được đeo dụng cụ giảm tiếng động ở tai. 128 Bên cạnh những biện pháp an toàn lao động, khi phun kim loại cũng còn phải chú ý các biện pháp an toàn tương tự cho các bước nguyên công của quy trình công nghệ phun kim loại như: cát, phun bi, mài, tiện để chuẩn bề mặt trước khi phun kim loại. Trong trường hợp phun kim loại bằng ngọn lửa khí cháy cần phải chú ý đến các quy định an toàn tránh gây ra nổ bình điều chế axêtylen và nổ chai chứa ôxy, cụ thể là: Phải đặt các bình chứa khí cách các chỗ hàn hoặc các nguồn nhiệt khác có ngọn lửa hở một khoảng cách ít nhất là 10 m, cách các lò sưởi ít nhất 1m. Những điều CẤM khi thao tác các chai ôxy: Dùng tay có dính dầu mỡ, Mang vác bằng tay hoặc lăn đi, Tháo nắp chai bằng búa đập và đục, Sử dụng các chai bị nứt, bị hỏng (bị bóp méo,sứt mẻ), Việc nâng chai chứa khí lên cao được tiến hành trong các thùng chứa đặc biệt. Cấm mang vác chai chứa khí lên thang hoặc thang xếp. Đối với điều kiện khí hạu Việt Nam, tránh tia nắng chiếu trực tiếp vào trong chai trong mùa hè. Khi nạp và tháo các thùng chứa cacbit canxi bằng dụng cụ đặc biệt, đồ gá dặc biệt không có khả năng gây ra tia lửa điện. Cấm di chuyển cacbit canxi trong các thùng hở. Đối với bình điều chế axêtylen cần phải thực hiện: Loại bỏ các vật liệu dễ bốc cháy. Kiểm tra độ kín và bền của chỗ nối ống dẫn khí. Kiểm tra nước trong van an toàn tới mức quy định. Kiểm tra mức độ bảo đảm của đầu phun khí, van giảm áp và các ống dẫn. Trước khi nối van giảm áp vào chai ôxy,cần phải lưu ý: Đứng về phía bên kia hướng của dòng khí đi ra khỏi chai. Chắc chắn không còn dấu vết dầu mỡ nào. Khoảng cách giữa chai ôxy và bình điều chế axêtylen phải đặt cách xa lớn hơn hoặc bằng 5m. Đối với phun kim loại bằng đầu phun hồ quang điện hoặc hồ quang plasma,phải thực hiện các quy định an toàn về điện, vì phần lớn các trang thiết bị phun kim loại đều sử dụng năng lượng điện công nghiệp (điện áp cao ). 2.5 Câu hỏi ôn tập Câu 1. Trình bày khái niệm và sự phát triển của xử lý bề mặt kim loại Câu 2. Trình bày mục đích và các phương pháp xử lý bề mặt Câu 3. Trình bày khái niệm và sự phân loại gỉ của kim loại Câu 4. Hãy trình bày phương pháp bảo vệ điện hóa trong chống gỉ 129 Câu 5. Hãy trình bày phương pháp mạ bằng khuếch tán Câu 6. Trình bày phương pháp bảo vệ chống gỉ tạm thời Câu 7. Trình bày các loại vật liệu sơn được dùng để bảo vệ kim loại Câu 8. Trình bày sự ăn mòn cơ học và những đặc trưng của chúng Câu 9. Hãy trình bày phương pháp tráng kim loại bằng cách nhúng Câu 10. Trình bày các biện pháp an toàn khi phun kim loại. 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Công Dưỡng (1997). Vật liệu học, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [2]. Lê Thu Quý, Báo cáo đề tài nghiên cứu cơ bản, mã số 518506 (2006-2008). Nghiên cứu lớp phủ hợp kim kẽm - nhôm chế tạo bằng phương pháp phun phủ hồ quang điện để bảo vệ thép khi làm việc trong môi trường biển , Bộ khoa học và Công nghệ. [3]. Hoàng Tùng (1993). Phục hồi và bảo vệ bề mặt bằng phun phủ, ĐHBK Hà Nội [4]. Nguyễn Văn Tư (1999). Xử lý bề mặt, ĐHBK Hà Nội [5]. Nguyễn Văn Tư (2002). Ăn mòn và bảo vệ vật liệu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [5]. Nghiêm Hùng (1999). Giáo trình vật liệu học, ĐHBK Hà Nội [6]. PGS.TS Hoàng Tùng (2002). Công nghệ phun phủ và ứng dụng , NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [7]. Phan Quang Thế (2008). Ma sát và mòn, ĐH Công nghiệp Thái Nguyên [8]. Trần Hiệp Hải (2005). Phản ứng điện hóa và ứng dụng, NXB Giáo dục, Hà Nội