Chương 12: VẬT LIỆU BỘT

Chia sẻ: Nguyễn Trọng Tuấn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

817
lượt xem 134
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đòi hỏi chế tạo các chi tiết ngày càng chính xác, tinh xảo và có nhiều tính năng mà các phương pháp chế tạo vật liệu truyền thống không đáp ứng được hoặc là gặp rất nhiều khó khăn để chế tạo. Sự phát triển công nghệ vật liệu bột là một trong những công nghệ mới góp phần đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 12: VẬT LIỆU BỘT

Chương 12 VẬT LIỆU BỘT 12.1 Khái quát về vật liệu bột Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đòi hỏi chế tạo các chi tiết ngày càng chính xác, tinh xảo và có nhiều tính năng mà các phương pháp chế tạo vật liệu truyền thống không đáp ứng được hoặc là gặp rất nhiều khó khăn để chế tạo. Sự phát triển công nghệ vật liệu bột là một trong những công nghệ mới góp phần đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Vật liệu bột trên cơ sở các chất vô cơ đã có từ lâu và là cơ sở để sản xuất các loại vật liệu vô cơ trong công nghiệp. Loại vật liệu bột vô cơ đã được trình bày trong chương vật liệu vô cơ. Trong chương này chúng ta chỉ xét về vật liệu kim loại và hợp kim bột. Khác với các vật liệu kim loại và hợp kim được chế tạo theo phương pháp truyền thống là nấu chảy và đúc khuôn, vật liệu kim loại bột được chế tạo trên cơ sở các bột kim loại theo quy trình như trình bày trong hình 12.1. Hình 12.1 Quy trình chế tạo vật liệu bột. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp luyện kim bột. Điểm khác biệt của phương pháp luyện kim bột so với phương pháp nấu đúc truyền thống là không có quá trình nấu chảy kim loại hoặc hợp kim. Các loại kim loại và hợp kim dạng bột sau khi được chế tạo xong được đem phối hợp với tỉ lệ thích hợp và trộn đều. Hỗn hợp sau đó được đem tạo hình thành các chi tiết có hình dạng, kích thước và khối lượng nhất định (thường là các hình dạng đơn giản). Các chi tiết tạo hình sau đó được đem nung tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính trong môi trường khí bảo vệ để tăng độ -1-
bền và sự liên kết của các phần tử bột. Quá trình nung này được gọi là sự thiêu kết. Sau quá trình thiêu kết, các chi tiết được đem đi gia công cơ khí hoặc các phương pháp gia công khác để tạo ra hình dạng và kích thước mong muốn. Công nghệ vật liệu kim loại bột có một số ưu điểm sau: - Ít hao phí vật liệu do không mất một lượng kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi…như trong phương pháp nấu đúc truyền thống. - Có khả năng tạo ra những loại vật liệu có tính năng khác hẳn vật liệu cùng loại bằng phương pháp đúc. Điều khác biệt này là do đặc điểm cấu trúc của vật liệu bột. - Có khả năng tạo ra các vật liệu mà các phương pháp nấu đúc truyền thống không thể tạo ra được. Ví dụ như các hợp kim đồng – graphit, đồng – graphit – teflon, hợp kim cứng … - Có thể điều chỉnh thành phần bột theo ý muốn với độ đồng đều rất cao. Tuy nhiên, công nghệ vật liệu bột cũng có một số nhược điểm sau: - Khả năng sản xuất hàng khối, loạt lớn không bằng phương pháp nấu đúc truyền thống, chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ và vừa. - Công nghệ vật liệu bột chỉ có ưu thế khi chế tạo vật liệu chứa lỗ xốp và vật liệu kết hợp. - Vật liệu kim loại bột có độ bền thấp hơn vật liệu truyền thống do trong tổ chức có nhiều lỗ xốp và màng ôxýt trên biên giới hạt. Độ xốp và màng ôxýt trên biên giới hạt là nguyên nhân làm cho vật liệu bột có độ bền thấp hơn và tính dòn cao hơn so với vật liệu cùng loại chế tạo bằng phương pháp nấu đúc. Một đặc điểm của vật liệu bột cần lưu ý là trong chúng lúc nào cũng có lỗ xốp. Lỗ xốp có thể ảnh hưởng có lợi hay có hại tuỳ theo ứng dụng của chi tiết. 12.2 Quá trình sản xuất vật liệu bột 12.2.1 Các phương pháp sản xuất bột kim lọai 12.2.1.1 Phương pháp cơ học 1. Phương pháp tạo bột bằng nghiền cơ học Các vật liệu dòn như crôm, mangan … và các hợp chất cácbit, ôxyt, sulfit, nitrit…Có thể được tạo bột bằng phương pháp nghiền bi hoặc nghiền búa. Kích thước hạt bột phụ thuộc vào thời gian nghiền, phương pháp nghiền và kích thước bi nghiền. Tuy nhiên không phải ta có thể tạo ra hạt bột có kích thước nhỏ tuỳ ý vì trong một số vật liệu có quá trình tự kết hợp lại (kết tinh lại) ở nhiệt độ thường làm cho hạt phát triển về kích thước. -2-
Sau khi nghiền, người ta phân loại các hạt bột theo kích thước bằng rây hoặc các phương pháp khác. Phương pháp nghiền cơ học tạo ra bột có độ sạch không cao do nhiễm bẩn từ bi nghiền, búa nghiền… và không thể nghiền được các kim loại, hợp kim có độ dẻo cao. Hình 12.2 trình bày sơ đồ phương pháp nghiền bi. Hình 12.2 Sơ đồ phương pháp nghiền bi. 2. Phương pháp tạo bột bằng hoá bột từ lỏng Các kim loại có nhiệt độ chảy thấp như Cu, Al, Zn, Sn dễ dàng tạo bột bằng cách phun từ thể lỏng. Dòng kim loại lỏng chảy từ trên xuống bị dòng khí hoặc nước, dưới áp suất cao phân tán tạo thành bột. Dòng khí có thể là không khí nén hoặc khí trơ Ar và hạt bột thu được có dạng hình cầu. Nếu dùng nước để phun thì hạt bột có dạng bị kéo dài. Kích thước hạt bột khá nhỏ từ 10÷ 20µm, nếu muốn nhỏ hơn thì phải nghiền thêm. Ngoài ra có thể tạo bột từ kim loại và hợp kim lỏng bằng các cách khác như rót kim loại lỏng vào đĩa quay, phương pháp tạo bột từ kim loại lỏng trong chân không, phương pháp quay điện cực (kim loại cần tạo bột) với vận tốc cao… 3. Phương pháp hoá hơi ngưng tụ. -3-
Phương pháp này thực hiện bằng cách cho kim loại hoặc hợp kim hoá hơi bằng dòng điện cảm ứng hoặc bằng chùm tia điện tử trong khí bảo vệ hoặc chân không rồi cho ngưng tụ trên đĩa quay có tẩm dầu silicôn. Bột kim loại chứa trong thùng chứa được sấy khô rồi đem sử dụng. 12.2.1.2 Phương pháp hoá lý 1. Phương pháp hoàn nguyên. Phương pháp hoàn nguyên có thể là hoàn nguyên kim loại từ ôxýt, hoàn nguyên từ các hợp chất thể khí và hoàn nguyên bằng kim loại. Trong phương pháp hoàn nguyên từ ôxýt, các ôxýt kim loại sau khi nghiền nhỏ được hoàn nguyên bằng bột than, H2, NH3, nhiệt phân, hyđrôcácbon, CO…Độ mịn của bột phụ thuộc vào nhiệt độ hoàn nguyên. Nhiệt độ hoàn nguyên càng thấp thì độ mịn càng cao. Phương pháp này dùng để chế tạo các bột Fe từ quặng ôxýt sắt và các loại cácbit, nitrit, borit, các kim loại khó chảy từ ôxýt của chúng. Ví dụ Fe3O4 + CO → Fe + CO2↑ ; MoO3 + H2 → Mo + H2O↑ WO3 + H2 → W + H2O↑; 2B2O3 + 7C→ B4C + 2CO↑ SiO2 + 3C → SiC + 2CO↑. Trong phương pháp hoàn nguyên từ các hợp chất thể khí, người ta dùng hyđrô hoàn nguyên các muối clorua hoặc florua kim loại ở nhiệt độ cao tại 800 ÷ 1200OC trong buồng lò: WCl6 + H2 → W + HCl↑ MoCl6 + H2 → Mo + HCl↑ Các kim loại có thể tạo bột từ các muối clorua hoặc ôxýt của nó bằng cách dùng các kim loại có ái lực hoá học mạnh hơn để đẩy nó ra khỏi hợp chất theo kiểu phản ứng nhiệt nhôm. Ví dụ, để chế tạo bột titan hoặc ziếccôn có thể dùng manhê hoàn nguyên TiCl 4 hoặc ZrCl4 (hoặc ZrO2) -4-
TiCl4 + Mg → Ti + MgCl2 700O C ZrO2 + 2Ca → Zr + 2CaO ZrCl4 + Mg → Zr + MgCl2 2. Phương pháp điện phân. Phương pháp điện phân có thể điện phân được nhiều kim loại như Fe, Cr, Mn, Cu, Sn, Ti, Zr…, nhưng hiện nay phương pháp này chủ yếu vẫn dùng để điện phân lấy bột đồng (Cu). Chọn chế độ điện phân thích hợp sẽ cho ta các loại bột có kích thước nhỏ mịn và độ xốp cao. 3. Phương pháp nhiệt phân. Nhiệt phân các cácbônyl kim loại nhóm chuyển tiếp (Fe, Ni, Co, W…) cho phép nhận được bột các kim loại có độ sạch rất cao. Các cacbonyl có nhiệt độ nóng chảy thấp, 43OC với Ni (CO)4 và 107OC đối với Fe(CO)5 được tạo thành bằng cách phun khí CO dưới áp suất cao (200 bar) vào phoi hoặc dây kim loại ở nhiệt độ 150÷ 250OC. Sau đó các cacbonyl được nhiệt phân dưới áp suất khí quyển trong khoảng nhiệt độ 200÷ 300OC sẽ nhận được bột kim loại có kích thước từ 1÷ 50µm. Bột sắt cacbonyl có dạng cầu và được sử dụng chế tạo các hợp kim từ Fe-Ni hoặc hợp kim hàn gắn thuỷ tinh Fe-Ni-Co. Bột niken có dạng không đều và sản xuất khá dễ dàng, rất phổ biến trên thị trường và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm thiêu kết chứa niken. 12.2.2 Các phương pháp tạo hình Bột kim loại và hợp kim sau khi phối trộn được đem đi tạo hình trước khi thiêu kết. Có thể tạo hình bằng các phương pháp nén hoặc các phương pháp không cần nén. 12.2.2.1 Các phương pháp nén 1. Phương pháp ép bột Trong phương pháp này, bột kim loại được ép trong một hệ thống bao gồm các chày ép và khuôn ép. Hình 12.3 trình bày một ví dụ về phương pháp ép bột – đó là phương pháp ép một chiều. -5-
Trong ép một chiều, lực ép tác dụng vào chày trên và thực hiện công tác nén bột trong lòng khuôn ép, trong khi chày dưới được giữ cố định trong quá trình ép. Sau khi ép xong mới tác dụng lực đẩy chày dưới lên để tháo sản phẩm ép ra khỏi khuôn. Phương pháp ép thường áp dụng cho các chi tiết đơn giản, các loại ống như bạc trượt, hợp kim cứng… Để tăng mật độ của sản phẩm ép hoặc giảm lực ép người ta có thể kết hợp ép với rung. Dưới tác dụng của sự rung động, mật độ của phôi ép tăng lên hoặc mật độ không tăng nhưng lực ép cần tạo ra nhỏ hơn khi không tác dụng rung. Người ta có thể kết hợp ép bột với nung nóng chi tiết cùng lúc gọi là quá trình ép nóng. Đây là dạng kết hợp của quá trình tạo hình và quá trình thiêu kết. Sản phẩm ép nóng có độ sít chặt rất cao, có thế đạt được chi tiết có độ sít chặt gần bằng 100%. Hình 12.3 Sơ đồ ép một chiều. a) Cho bột vào khuôn; b) Ép; c) Lấy phôi. 2. Các phương pháp ép nén khác Phương pháp ép đẳng tĩnh ở nhiệt độ thường: Bột chứa trong khuôn dạng vỏ mỏng bằng cao su hoặc chất dẻo dưới một áp suất thuỷ tĩnh trong không gian kín chứa nước hoặc khí. Tác dụng vào chất lỏng hoặc khí một áp suất cao 200÷ 500MPa để nén hỗn hợp bột chứa trong khuôn. Phương pháp này có thể chế tạo được các chi tiết lớn đến 1000kg với mật độ rất đồng đều hoặc chi tiết có thành mỏng. -6-
Phương pháp cán bột: Phương pháp này dùng để chế tạo các băng, dải có kích thước lớn, chiều dày mỏng từ 2÷ 6 mm bằng các bột kim loại có độ dẻo cao như đồng, latông, brông, niken…Các băng sau khi cán nguội được thiêu kết ngay và cuộn lại trong một dây chuyền liên tục. Sau đó băng vật liệu thiêu kết có thể được cán lại và ủ tiếp theo. Sản phẩm tạo ra không có lỗ và cơ tính còn cao hơn cả kim loại và hợp kim đúc. Phương pháp ép chảy ở nhiệt độ thường (ép đùn): Phương pháp này dùng để chế tạo các ống, thanh có chiều dài lớn từ các bột kim loại có độ dẻo cao hoặc được hoá dẻo bằng chất hữu cơ như polyme, paraphin…Hỗn hợp bột được ép chảy qua lỗ côn dẫn hướng tạo thành vật liệu ép như hình 12.4. Hình 12.4 Phương pháp ép đùn. Ngoài ra, còn có nhiều phương pháp ép nén khác như rèn với tốc độ lớn, ép nổ, ép bằng xung điện… 12.2.2.1 Các phương pháp không cần nén Trong một số các chi tiết dạng thành mỏng được chế tạo từ bột kim loại như các bình chứa, cốc nung, nồi nấu, lớp phủ kim loại… thì phương pháp nén, ép là không thích hợp. Trong trường hợp này có thể sử dụng các phương pháp không cần nén, ép sau đây: Phương pháp lắng đọng: Bột kim loại và hợp kim có độ mịn cao được trộn cùng với chất phụ gia trong nước tạo nên thể huyền phù. Sau đó đổ dung dịch vào khuôn thạch cao, -7-
thạch cao sẽ hút nước làm khô hỗn hợp. Tháo khuôn và sấy khô rồi lấy chi tiết ra đem thiêu kết. Phương pháp này sử dụng để chế tạo các chi tiết có thành mỏng và các loại hợp kim cứng trên cơ sở cácbit, nitrit, borit…(Hình 12.5) Hình 12.5 Chế tạo chi tiết bằng phương pháp lắng đọng Phương pháp phun phủ: để tạo một lớp vật liệu thiêu kết mỏng trên nền một vật liệu thích hợp có thể sử dụng một số phương pháp phun phủ sau: - Bột kim loại được trộn với một dung dịch keo thích hợp và dùng pistole phun lên trên vật liệu nền thích hợp. Sau khi sấy có thể tháo lõi bằng cơ học và sau đó đem thiêu kết. - Bột kim loại và hợp kim được phun phủ trên lõi hoặc vật liệu nền thích hợp bằng ngọn lửa ôxy-axêtylen hoặc trong plasma Ar-H2 theo sơ đồ hình 12.6. Hình 12.6 Phương pháp phun phủ bằng plasma -8-
Sau khi phun phủ hình thành lớp phủ kim loại bột gồm vật liệu nền, lớp khuếch tán trung gian và lớp vật liệu phủ. Tuỳ theo công nghệ, lớp vật liệu phủ gồm các phần tử kim loại, các lỗ xốp và các phần tử ôxyt. Sau khi phun phủ vật liệu có thể được thiêu kết lại để tăng độ bám dính. Phương pháp này rất thuận lợi để chế tạo các lớp phủ mỏng với mục đích nào đó chẳng hạn phủ vônfram lên mặt trong của ống xả tên lửa nhằm nâng cao tính chịu nóng của nó. Phương pháp này cũng thuận tiện để chế tạo các bimetal và các lớp phủ chống mài mòn khác nhau. 12.2.3 Thiêu kết Thiêu kết là nguyên công kế tiếp việc tạo hình bột kim loại. Thiêu kết bao gồm việc nung nóng bột kim loại ép ở gần nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính, giữ nhiệt một thời gian để tạo ra mối liên kết bền vững giữa các hạt nhằm tạo ra cơ, lý, hoá tính cần thiết cho vật liệu. 12.2.3.1 Các quá trình xảy ra khi thiêu kết Quá trình thiêu kết được tiến hành ở gần nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính trong một thời gian. Khi thiêu kết sẽ xảy ra hai quá trình bao gồm kết tinh lại và khuếch tán các nguyên tử. Kết tinh lại xảy ra giống như quá trình kim loại bị biến dạng dẻo. Kết quả là tạo ra các hạt tinh thể mới. Khi kéo dài thời gian thiêu kết hoặc thiêu kết ở nhiệt độ quá cao, các hạt cũng có quá trình phát triển kích thước hạt làm cho hạt lớn có thể ảnh hưởng xấu đến cơ tính. Bản thân sự kết tinh lại với sự sinh mầm và phát triển mầm các hạt tinh thể mới đã là một quá trình khuếch tán. Ở đây nói thêm tới sự khuếch tán của các nguyên tử khác loại để tạo thành dung dịch rắn hoặc các pha liên kim loại. Trong các hỗn hợp bột có nhiều cấu tử, kết quả của sự khuếch tán có thể là các hạt kim loại xen kẽ nhau, không hoà tan vào nhau; có thể các kim loại hoà tan vào nhau tạo thành các dung dịch rắn hoặc có thể các hạt kim loại khó chảy nằm phân tán trên một nền gồm tổ chức các hạt của cấu tử có nhiệt độ chảy thấp hơn. -9-
12.2.3.2 Các thông số công nghệ khi thiêu kết Các thông số công nghệ thiêu kết bao gồm nhiệt độ, thời gian và môi trường thiêu kết. 1. Nhiệt độ thiêu kết Nhiệt độ thiêu kết là một thông số quan trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu kim loại bột. Chọn nhiệt độ thiêu kết phải đảm bảo sao cho quá trình kết tinh lại và khuếch tán xảy ra thuận lợi đảm bảo vật liệu có cơ, lý, hoá tính cần thiết. Nhiệt độ thiêu kết quá cao sẽ dẫn đến hạt tinh thể lớn và cơ tính sẽ thấp. Nhiệt độ thiêu kết thấp (nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ kết tinh lại) làm quá trình kết tinh xảy ra chậm chạp và thời gian thiêu kết phải dài. Thường chọn nhiệt độ thiêu kết bằng (2/3÷3/4) nhiệt độ nóng chảy của bột kim loại cấu tử chính. 2. Thời gian thiêu kết Thời gian thiêu kết ảnh hưởng tới độ hạt tinh thể vật liệu bột. Thời gian thiêu kết quá ngắn, các quá trình khuếch tán và kết tinh lại chưa xảy ra triệt để có thể dẫn tới vật liệu không đủ bền. Thời gian thiêu kết quá dài làm cho hạt tinh thể thô to và cũng giảm độ bền. Thời gian nung khi thiêu kết phụ thuộc vào trọng lượng mẻ nung, chế độ truyền nhiệt và cách sắp xếp chi tiết trong lò. Thời gian giữ nhiệt khi thiêu kết phụ thuộc vào kích thước chi tiết, thông thường chọn từ 1÷3 giờ. 3. Môi trường thiêu kết Các vật liệu kim loại và hợp kim rất dễ bị ôxy hoá khi nung do tiếp xúc với môi trường nung. Đặc biệt trong vật liệu bột, do ảnh hưởng của lỗ xốp nên quá trình ôxy hoá càng được thúc đẩy mạnh hơn, có thể ôxy hoá vào tận lõi chi tiết. Do đó môi trường thiêu kết thường là môi trường khử như trong khí H2, CO2 hoặc NH3 nhiệt phân. Môi trường khí bảo vệ hoặc khí trơ như Ar, N2, He cũng được sử dụng. Đôi khi cũng sử dụng quá trình thiêu kết chân không. 12.2.4 Gia công chi tiết sau khi thiêu kết - 10 -
Sau khi thiêu kết, do sự giảm thể tích của vật liệu (quá trình kết tinh lại làm tăng mật độ của hợp kim cộng với sự giảm thể tích các lỗ xốp bên trong vật liệu) nên chi tiết không đạt được độ chính xác kích thước cũng như các tính chất mong muốn. Do đó sau khi thiêu kết cần phải tiến hành một số nguyên công gia công tiếp theo để tạo ra thành phẩm. Các nguyên công gia công sau thiêu kết như nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện đã được trình bày trong chương 4 của giáo trình này. Các nguyên công gia công cơ khí được trình bày trong các giáo trình chuyên ngành. Trong phần này chúng tôi trình bày hai nguyên công là tẩm dầu bôi trơn và ép hiệu chuẩn. 2. Tẩm dầu bôi trơn Trong các vật liệu chống mài mòn, tổ chức vật liệu tồn tại các lỗ xốp lại trở thành yếu tố thuận lợi nếu các lỗ xốp đó được bịt bằng dầu bôi trơn hoặc các chất bôi trơn rắn khác. Một số chất bôi trơn rắn như Mo2S, graphit…được đưa ngay vào thành phần vật liệu từ đầu. Các chất bôi trơn lỏng như dầu, mỡ…được tẩm vào các lỗ xốp của vật liệu sau khi thiêu kết. Khi làm việc dưới áp lực tương đối nhỏ, dầu bôi trơn từ các lỗ xốp liên thông nhau sẽ bị đẩy ra hình thành một lớp màng dầu bôi trơn cặp chi tiết ma sát. Màng dầu hoặc chất bôi trơn rắn có hệ số ma sát nhỏ có tác dụng làm tăng tính chống mài mòn cho vật liệu thiêu kết. Khi chi tiết không làm việc, màng dầu lại được hút vào bên trong, như vậy trong suốt quá trình hoạt động của chi tiết, không cần phải cấp thêm chất bôi trơn. Công nghệ tẩm dầu tiến hành bằng cách đun dầu biến thế lên tới nhiệt độ 110÷ 120oC, cho chi tiết vào cho tới khi hết sủi bọt (khoảng 2 – 3 giờ) sau đó để dầu nguội hẳn và lấy chi tiết ra. 2. Ép hiệu chuẩn - 11 -
Hình 12.7 Sơ đồ ép hiệu chuẩn. Chi tiết sau khi thiêu kết có kích thước không chính xác theo thiết kế. Đối với một số chi tiết đủ dẻo có thể tiến hành ép hiệu chuẩn để đưa chi tiết đến kích thước chính xác. Công nghệ ép hiệu chuẩn tiến hành bằng cách ép chi tiết đã thiêu kết trong một khuôn tương ứng với kích thước chính xác của chi tiết. Lực ép hiệu chuẩn thường cao hơn ép tạo hình từ 30÷ 50%. Sau khi ép hiệu chuẩn, ngoài việc chi tiết có kích thước chính xác, còn làm cho các lỗ xốp trong vật liệu bị dẹp lại do đó làm giảm độ xốp và độ bền tăng lên. Khuôn để ép hiệu chuẩn thường được làm bằng hợp kim cứng hoặc thép hợp kim độ bền cao. Khi thiết kế chú ý tới việc lấy chi tiết ra khỏi khuôn. Ngoài ra cần chú ý tới độ xốp còn lại sau khi ép hiệu chuẩn vì lượng dầu bôi trơn chứa trong các lỗ xốp cần đủ và khi ép không được làm tắc nghẽn sự lưu thông của lỗ xốp (đối với vật liệu chống mài mòn tự bôi trơn). Hình 12.7 trình bày sơ đồ ép hiệu chuẩn đồng thời mặt trong và mặt ngoài của chi tiết. 12.3 Một số vật liệu bột điển hình Các loại vật liệu bột điển hình bao gồm hợp kim ổ trượt, màng lọc, vật liệu ma sát, vật liệu điện từ, dụng cụ cắt… 12.3.1 Hợp kim ổ trượt Các hợp kim ổ trượt truyền thống được chế tạo bằng phương pháp nấu đúc như babit, đồng thanh thiếc, đồng thanh chì, hợp kim nhôm…đáp ứng được các yêu cầu của nền công nghiệp. Tuy nhiên phương pháp nấu đúc để chế tạo các chi tiết này đôi khi gặp nhiều - 12 -
khó khăn do sự thiên tích, do nhiệt độ nóng chảy khác nhau nhiều, một số cẩu tử dễ bay hơi… Hợp kim ổ trượt chế tạo bằng công nghệ luyện kim bột khắc phục được các nhược điểm của phương pháp truyền thống. Hơn nữa, trong hợp kim ổ trượt có các lỗ xốp chứa dầu bôi trơn nên khi làm việc không xảy ra hiện tượng bó trục và làm giảm ma sát. Các loại hợp kim ổ trượt chế tạo bằng công nghệ bột được sử dụng trong công nghiệp thường gồm các loại sau: - Hợp kim ổ trượt thiêu kết hệ Fe – graphit. - Hợp kim ổ trượt thiêu kết thép không gỉ - chất bôi trơn rắn. - Hợp kim ổ trượt thiêu kết hệ đồng thanh – graphit. - Hợp kim ổ trượt thiêu kết dạng lớp bimetal. - Hợp kim ổ trượt thiêu kết hệ kim loại – thuỷ tinh. - Vật liệu ổ trượt thiêu kết trên cơ sở kim loại – chất dẻo. - Hợp kim ổ trượt thiêu kết chịu nóng. 12.3.2 Hợp kim bột dùng làm màng lọc Màng lọc là những vật liệu có độ xốp cao từ 30 ÷ 50% và các vật liệu có độ xốp lớn hơn 50% được gọi là vật liệu siêu xốp. Lỗ xốp trong phin lọc ở dạng xốp hở, dễ dàng cho các chất khí, chất lỏng đi qua và giữ lại các phần tử rắn, các hạt bụi kích thước ~2µm. So với phin lọc bằng các vật liệu khác như vải, giấy, sợi thuỷ tinh, gốm, vật liệu lưới hữu cơ, phin lọc bằng hợp kim bột có ưu điểm là có thể lọc được các phần tử rắn rất bé, bền hơn, khả năng chống lại các sóng va đập (nhiệt, thuỷ lực…) tốt hơn, vận hành đơn giản, dễ tẩy cặn khỏi các lỗ xốp. Hợp kim màng lọc thiêu kết thường được chế tạo dưới dạng bán thành phẩm như tấm, ống…hoặc dưới dạng vật phẩm như bạc, đĩa… 12.3.3. Vật liệu ma sát Vật liệu ma sát được sử dụng trong các bộ phận hãm chuyển động, trong bộ truyền ma sát. Vật liệu ma sát được chế tạo trên cơ sở bột đồng và đồng thanh thiếc, trên cơ sở bột sắt và trên cơ sở hàm lượng các cấu tử phi kim cao. 12.3.4 Vật liệu điện từ thiêu kết - 13 -
Vật liệu điện từ thiêu kết có nhiều chi tiết có thể được chế tạo bằng công nghệ bột. Đó là các vật liệu như hợp kim tiếp điểm, chổi điện, vật liệu ferít từ… Các chi tiết tiếp điểm và chổi điện được chế tạo bằng cách kết hợp các kim loại có tính dẫn điện cao như Ag, Cu và các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như W, Mo, Ta, Nb, Pd, Pt…hoặc các hợp chất có độ cứng cao để tăng tính chống mài mòn. 12.3.5 Dụng cụ cắt gọt thiêu kết Các dụng cụ cắt gọt thiêu kết điển hình là hợp kim cứng, thép gió bột,… 1. Hợp kim cứng Hợp kim cứng là loại vật liệu có khả năng cắt gọt rất cao, có độ cứng rất lớn (lên tới 70 ÷ 92 HRC) và độ bền chịu nhiệt tới 10000C. Mặc dù nó rất đắt nhưng vẫn được dùng nhiều do nó không phải nhiệt luyện, có thể cắt với tốc độ cao hơn 3 lần so với thép gió. Dao hợp kim cứng có thể cắt được các thép cứng mà dao thép gió không thể cắt được. Dựa trên thành phần các lọai cácbít có mặt trong hợp kim cứng người ta chia chúng ra thành ba nhóm: • Nhóm hợp kim cứng một cácbít: Ðây là nhóm chỉ có một lọai các bít vônfram, chất kết dính là côban. Theo tiêu chuẩn Nga, nhóm hợp kim cứng này được ký hiệu bằng chữ BK và số chỉ lượng phần trăm cô ban. Thí dụ BK6 là hợp kim cứng một cácbít với 6% côban còn lại 94% là cácbít vônfram. Ðể cắt gang, thép và kim lạoi và hợp kim mầu người ta thường dùng BK6, BK8 và BK10. • Nhóm hợp kim cứng hai cácbít: Ðây là nhóm có hai lọai các bít là cácbít vônfram và các bít titan, chất kết dính là côban. Theo tiêu chuẩn Nga, nhóm hợp kim cứng này được ký hiệu bằng chữ TK với số sau chữ T chỉ lượng phần trăm cácbít titan, số sau chữ K chỉ lượng phần trăm cô ban. Thí dụT15K6 làhợp kim cứng hai cácbít với 6% côban 15% cácbít titan, còn lại 79% là cácbít vônfram. Khi cắt các loại thép bền nóng và tốc độ cao người ta dùng T5K10, T15K6, v.v. . • Nhóm hợp kim cứng ba cácbít: Ðây là nhóm có ba lọai các bít là cácbít vônfram, các bít titan và các bít tanta với chất kết dính là côban. Theo tiêu chuẩn Nga, nhóm hợp kim cứng này được ký hiệu bằng chữ TTK với số sau hai chữ T chỉ lượng phần trăm cácbít titan và cácbít tanta, số sau chữ K chỉ lượng phần trăm cô ban. Thí dụ TT7K12 làhợp kim cứng ba cácbít với 12% côban và7% cácbít titan và cácbít tanta, còn lại 81% là cácbít vônfram. Khi gia công thép đặc biệt, gia công cắt trong những điều kiện nặng nhất như thỏi đúc, phôi rèn, v.v thường dùng hợp kim cứng nhóm TTK như TT7K12. - 14 -
Ðể chế tạo hợp kim cứng người ta đem nghiền các cácbít trên và cô ban ra thành bột nhỏ mịn rồi trộn với nhau theo tỉ lệ xác định, tiếp đó đem ép trong khuôn thành từng miếng có hình dạng và kích thức nhất định rồi đem nung sơ bộ ở nhiệt độ 9000C, gia công cơ rồi thiêu kết ở 1400 – 15500C. Khi thiêu kết cho cô ban hòa tan một phần các bít và nóng chảy. Cuối cùng ta thu được hợp kim cứng sít chặt, tổ chức gồm 80-95% các hạt cácbít liên kết chặt với nhau. Tăng hàm lượng côban sẽ làm giảm độ cứng nhưng lại tăng độ bền và độ dai. 2. Các vật liệu siêu cứng. Ngoài hợp kim cứng là vật liệu cắt gọt có năng suất cao được chế tạo bằng công nghệ bột, hiện nay người ta còn sử dụng nhiều vật liệu cắt gọt có tính ưu việt hơn đó là vật liệu siêu cứng. Trong số các vật liệu siêu cứng kim cương chiếm vị trí hàng đầu sau đến bo nitrua. Kim cương có hệ số ma sát nhỏ, chịu mài mòn tốt, có độ cứng 100.000 HV, cao hơn khoảng 5 ÷ 6 lần độ cứng của các bít vôn fram và 8 lần so với thép gió. Nhược điểm chủ yếu của kim cương là giòn và có độ chịu nhiệt chỉ đến 8000C (khi bị nung cao hơn nó sẽ bị graphít hóa), hơn nữa giá thành của nó rất cao nên kim cương còn được sử dụng hạn chế. Tuy nhiên tính chịu nhiệt không cao của kim cương được bù lại bằng tính dẫn nhiệt cao hơn 1,5 ÷ 2,5 lần so với hợp kim cứng. Hiện nay, ngoài kim cương tự nhiên người ta còn dùng cả kim cương nhân tạo để chế tạo dụng cụ cắt. Bo nitrua cũng có kiểu mạng tinh thể như kim cương và tính chất gần giống kim cương. Nó có độ cứng gần bằng kim cương (90.000HV) nhưng có độ chịu nóng cao hơn (12000 C) và trơ về mặt hóa học. 3. Thép gió bột So với cách chế tạo thép gió theo phương pháp nấu đúc, phương pháp chế tạo theo công nghệ bột có nhiều ưu điểm như khắc phục được tính thiên tích, thành phần đồng đều và dễ rèn hơn. Các nguyên liệu bao gồm bột Fe, C, W, Cr, Mo, V, Co được trộn đều rồi ép nóng ở nhiệt độ 1100oC với áp suất 100MPa trong khí bảo vệ argon. Chế độ rèn và nhiệt luyện giống như thép gió chế tạo theo phương pháp đúc. Người ta có thể đưa thêm các thành phần các bít vào nguyên liệu ban đầu để tạo thành dạng trung gian giữa thép gió và hợp kim cứng. - 15 -
- 16 -