Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> TẠO LỚP PHỦ THÉP HỢP KIM TRÊN BỀ MẶT CHI TIẾT DẠNG TRỤ<br /> BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ<br /> Hà Minh Hùng - Phạm Văn Quế (Viện Nghiên cứu Cơ khí)<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề:<br /> Sử dụng năng lượng nổ trong gia công kim loại bằng áp lực là một trong các phương<br /> pháp biến dạng tạo hình tiên tiến để tạo phôi, hoặc phục hồi các chi tiết máy có hình thù từ đơn<br /> giản đến phức tạp mà không cần phải đầu tư thiết bị tạo áp lực lớn nhờ có nhiều ưu điểm và tính<br /> chất đặc biệt của quá trình nổ, và do vậy đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi tại các nước<br /> công nghiệp tiên tiến như Mỹ, Liên Xô trước đây, Nhật Bản và nhiều nước khác, trong đó đã có<br /> một vài nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam.<br /> Ở Mỹ, người ta đã sử dụng năng lượng nổ để hàn các tấm kim loại kích thước lớn có diện<br /> tích đến 34 m2 với nhau bằng một lần nổ mà không cần thiết bị tạo áp lực nào có thể thay thế được.<br /> Năng lượng nổ cũng được ứng dụng trong việc tạo phôi hợp kim nhiều lớp đồng thời kết hợp với<br /> nhiều phương pháp công nghệ truyền thống như: phun nổ tạo lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại<br /> nền, ép nổ tạo hình vật liệu bột kim loại, dập nổ biến dạng tạo hình các hợp kim khó biến dạng dẻo,<br /> gia công biến cứng chi tiết bằng thép hợp kim tại những vùng cục bộ chịu tải trọng lớn...<br /> Hàn bằng năng lượng nổ đã được các nhà khoa học trên thế giới, trong đó có Liên Xô<br /> trước đây, đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi các chi tiết<br /> máy có kích thước và khối lượng lớn ngay tại hiện trường sử dụng, ví dụ như: hàn phục hồi các<br /> chỗ hư hỏng trên đường ống dẫn dầu khí, tạo phôi để làm các bể chứa chịu ăn mòn hoá học, chế<br /> tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp từ những kim loại và hợp kim khó biến dạng dẻo ở điều kiện<br /> thông thường dùng trong công nghiệp hàng không và vũ trụ. Một lĩnh vực ứng dụng năng lượng<br /> nổ khác trên thế giới là phục hồi các chi tiết từ vật liệu bằng thép và hợp kim mầu khác có dạng<br /> ống như xy lanh thuỷ lực, dạng cánh tuốc bin thuỷ khí, các gối tựa chịu lực dạng cầu... cũng rất<br /> có hiệu quả kinh tế [1].<br /> 3. Cách tiếp cận<br /> - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn nổ để biến dạng dẻo tóp ống chi tiết dạng hình trụ để từ<br /> đó tính toán lượng thuốc nổ sử dụng cần thiết để thí nghiệm phục hồi một số xy lanh thuỷ lực<br /> bằng thép trong bộ giảm xóc xe ô tô vận tải mỏ tại Quảng Ninh;<br /> - Nghiên cứu thực nghiệm phát triển công nghệ hàn nổ tóp ống để tạo phôi bimetal dạng<br /> trụ từ vật liệu lõi thép bên trong là thép chế tạo máy thông thường (thép 45), và lớp phủ bề mặt<br /> làm việc của một số chi tiết máy bằng thép hợp kim chịu mòn cao (thép ШХ15);<br /> - Nghiên cứu tính chất biên giới hai lớp bimetal thép 45 + thép ШХ15 sau hàn nổ theo một<br /> số phương pháp ở các công trình [1÷5].<br /> 3. Nội dung báo cáo<br /> 3.1. Bài toán biến dạng tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ<br /> Chúng ta quan sát một ống kim loại hình trụ có bán kính ngoài R1 và bán kính trong R2,<br /> chịu áp lực p phân bố đều ở mặt ngoài (hình 1). Khi p đạt một giá trị p1 nào đó thì ống kim loại<br /> 45<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> bắt đầu biến dạng dẻo và các phân tố của ống bị dịch chuyển vào phía tâm một cách đối xứng.<br /> Để đơn giản hóa quá trình tính toán, chúng tôi giới hạn ống kim loại có chiều dầy nhỏ so với<br /> bán kính của ống. Từ đó cho phép có thể bỏ qua ảnh hưởng của chiều dài ống trong phép tính,<br /> và ta có thể coi như bài toán phẳng. Khi đó, phương trình cân bằng ứng suất tại một phần tử nhỏ<br /> của ống khi chưa chuyển động trong tọa độ cực có dạng:<br /> <br /> dσ r σ r − σ ϕ<br /> +<br /> =0<br /> dr<br /> r<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Theo điều kiện dẻo Misses:<br /> <br /> σr −σϕ =<br /> <br /> 2<br /> 3<br /> <br /> σT<br /> <br /> (2)<br /> <br /> trong đó: σr, σϕ - ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến tương ứng;<br /> σT - ứng suất chảy của vật liệu.<br /> Đặt biểu thức (2) vào (1) và lấy tích phân phương trình (1) ta có:<br /> − 2σ T<br /> σr =<br /> ln r + c<br /> (3)<br /> 3<br /> Khi ống bắt đầu biến dạng dẻo, hằng số tích phân được xác định bởi điều kiện sau:<br /> 2σ T<br /> σr (r = R2) = 0; c =<br /> (4)<br /> ln R 2<br /> 3<br /> − 2σ T<br /> r<br /> Đặt biểu thức (4) vào (3) ta có:<br /> (5)<br /> ln<br /> σ r =<br /> R<br /> 3<br /> Giới hạn áp suất p1 đủ để xy lanh biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng tĩnh được xác định<br /> theo biểu thức:<br /> − 2σ T<br /> R<br /> p 1 = + σ r (r = R 1 ) =<br /> ln 1<br /> (6)<br /> R2<br /> 3<br /> ở đây: dấu “−” biểu thị áp suất nén.<br /> Trong trường hợp ống thép biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động xung cao tốc khi nổ<br /> thì σT không thể là ứng suất chảy tĩnh của vật liệu, mà khi đó ta phải lấy giới hạn chảy động σtd:<br /> − 2<br /> R<br /> p td =<br /> σ td ln 1<br /> (7)<br /> R2<br /> 3<br /> Sau đ ây ta hãy xét tr ườ ng h ợ p ố ng b ị tóp co l ạ i theo h ướ ng kính (v ậ t li ệ u thành<br /> ố ng chuyể n độ ng h ướ ng vào tâm) d ướ i tác d ụ ng c ủ a áp l ự c xung n ổ . Nhà khoa h ọ c<br /> ng ườ i Nga nghiên c ứ u trong l ĩ nh v ự c hàn n ổ Đeribas A. A. gi ả thi ế t coi hình tr ụ b ị bi ế n<br /> d ạ ng r ấ t nhanh nh ư m ộ t ch ấ t l ỏ ng lý t ưở ng. Khi đ ó, n ế u g ọ i r o là kho ả ng cách c ủ a m ộ t<br /> ph ầ n t ử nh ỏ c ủ a ố ng đố i v ớ i tâm tr ướ c lúc bi ế n d ạ ng: r(r o , t) là kho ả ng cách c ủ a chính<br /> đ i ể m đ ó ở th ờ i đ i ể m t (sau khi n ổ ) trong quá trình d ị ch chuyể n. Ph ươ ng trình liên t ụ c<br /> c ủ a ph ầ n t ử trên thành ố ng có d ạ ng:<br /> <br /> ∂ r ( r0 , t )<br /> r0<br /> =<br /> ∂ r0<br /> r ( r0 , t )<br /> 46<br /> <br /> (8)<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> Phương trình chuyển động của phần tử có dạng:<br /> <br /> ∂ 2 r ( r0 , t ) r ( r0 , t )<br /> 1 ∂ P ( r0 , t )<br /> = −<br /> 2<br /> ∂t<br /> r0<br /> ρ1<br /> ∂ r0<br /> <br /> (9)<br /> <br /> trong đó: p - áp suất của chất lỏng; ρ1 - khối lượng riêng của vật liệu được coi như chất lỏng.<br /> <br /> r=<br /> <br /> Lấy tích phân phương trình (8) theo r 0 :<br /> <br /> r0 + C ( t )<br /> 2<br /> <br /> (10)<br /> <br /> ở đây: C (t) - hằng số tích phân phụ thuộc vào biến số (t).<br /> Lấy đạo hàm biểu thức (10) theo (t) và đặt vào phương trình (9) ta có:<br /> <br /> C " R 210 + c c '2  1<br /> 1<br /> 1 <br /> 1<br /> [ p(R1 ) − p(R2 )]<br /> ln 2<br /> +  2<br /> − 2<br /> − 2<br /> =<br /> −<br /> 4 R 20 + c 8  R 10 + c R 10 + c R 20 + c <br /> ρ1<br /> <br /> (11)<br /> <br /> trong đó: p (R2) = 0; p(R1) = t; R12 = R210 + C ; R22 = R220 + C<br /> 2<br /> <br /> C' =<br /> <br /> Ta có:<br /> <br /> 2<br /> d ( R1 )<br /> d 2 ( R1 )<br /> ; C" =<br /> dc<br /> dt 2<br /> <br /> (12)<br /> <br /> Thay C' và C" vào phương trình (11) ta nhận được:<br /> <br /> [<br /> <br /> ]<br /> <br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> <br /> R1 (t )  d 2  R10 − R20<br /> R1<br /> 1 d2 2<br /> 1<br /> R<br /> t<br /> R<br /> (<br /> t<br /> )<br /> p<br /> t<br /> K<br /> p<br /> t<br /> (<br /> )<br /> ln<br /> −<br /> =<br /> (<br /> )<br /> −<br /> ln<br /> −<br /> (<br /> )<br /> <br /> <br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br />  8R 2 (t ) R 2 (t ) ρ<br /> 4 dt 2<br /> R2 (t )  dt<br /> R2<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> K = σ r −σϕ<br /> <br /> (13)<br /> <br /> Vì nếu coi vật liệu trong trường hợp biến dạng ở tốc độ và áp suất cao khi nổ như một<br /> chất lỏng lý tưởng không nén được, nên ta có thể viết:<br /> <br /> R1 − R2 = R10 − R20 ; R2 = R1 + R20 − R10<br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> Áp lực sinh ra do quá trình nổ tác dụng lên ống hình trụ được xác định như sau:<br /> 16 ρ 0  H + R 10 − R 1 ( t )<br /> dR 1 ( t ) <br /> p (t ) =<br /> +<br /> <br /> <br /> 27 D <br /> t + H /D<br /> dt<br /> <br /> 3<br /> <br /> (14)<br /> <br /> trong đó: ρo, D - khối lượng riêng và tốc độ nổ của thuốc nổ tương ứng;<br /> H - chiều dày lớp thuốc nổ.<br /> Trong thực tế ống kim loại bằng thép bị biến dạng không hoàn toàn như một chất lỏng lý<br /> tưởng. Do đó, trong quá trình dịch chuyển vào phía trong, tại các phần tử của ống thép sẽ phát<br /> sinh phản lực chống lại hiện tượng biến dạng dẻo (trở kháng biến dạng). Vì thế, ống thép chỉ<br /> duy trì sự biến dạng của nó sau một thời gian nhất định và đạt một giá trị nào đó. Vì ống kim<br /> loại bị biến dạng với tốc độ rất nhanh dưới tác dụng của áp suất nổ cực cao, nên trong trường<br /> hợp này ta phải lấy K = K0 là ứng suất tiếp động. Giải phương trình vi phân (13) với hai điều<br /> dR 2 ( 0)<br /> = 0 và chúng ta sẽ xác định được quy luật chuyển động của ống kim loại<br /> kiện: R2 = 0 ;<br /> dt<br /> dưới tác dụng của áp lực xung nổ.<br /> <br /> 47<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> • Kết quả tính toán và thử nghiệm ứng dụng phục hồi xy lanh thuỷ lực:<br /> Dưới đây chúng tôi giới thiệu kết quả tính toán áp dụng cho bài toán như sau: Vật liệu ống<br /> biến dạng dẻo dưới tác dụng của năng lượng nổ là ống xy lanh thuỷ lực bằng thép tương đương<br /> mác thép 45 trong bộ phận giảm xóc của xe ô tô vạn tải mỏ KOMASHU –320 (Nhật Bản).Vật<br /> liệu này có cơ tính như sau: mật độ ρ1 = 7,85g/cm3; trở kháng chống biến dạng Kd = 610,7<br /> MPa; ống có kích thước ban đầu R10 = 56 mm; R20 = 50 mm (trước khi biến dạng tóp). Thuốc<br /> nổ được dùng là loại Amônít 6ЖB của Nga có mật độ rải bằng ρ0 = 0,9 g/cm3 và chiều dầy lớp<br /> thuốc nổ tối thiểu bằng H = 9 mm. Trên hình 3 thể hiện sơ đồ khối để lập chương trình máy tính<br /> cho việc tính toán bài toán nổ tóp ống xy lanh thuỷ lực nói trên. Kết quả tính toán được cho<br /> trong bảng 1.<br /> Trong trường hợp chiều dày lớp thuốc nổ không lớn, tốc độ nổ được tính toán theo biểu<br /> 2 , 44 <br /> <br /> D = 4 ,5  1 −<br /> thức sau [2]:<br /> (15)<br /> <br /> H 0 , 79 <br /> <br /> trong đó: D – tốc độ nổ của thuốc nổ, được biểu thị bằng mm/µs; H – chiều dày lớp thuốc nổ,<br /> được tính theo mm.<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> R1<br /> <br /> R2<br /> <br /> P<br /> <br /> 4<br /> 5<br /> <br /> P<br /> <br /> 6<br /> 7<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ phân bố áp suất tác dụng<br /> lên mặt trụ ống thép khi biến dạng dẻo<br /> bằng năng lượng nổ.<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ nổ tóp ống kim loại:<br /> 1) - Kíp nổ; 2) - Chóp nón bằng gỗ; 3) – Ống kim loại<br /> cần tóp; 4) - Lõi thép cố định kích thước đường kính<br /> trong; 5) - Thuốc nổ; 6) - Ống bọc thuốc nổ bằng bìa<br /> giấy; 7) -Đế nổ.<br /> <br /> Bảng 1. Kết quả tính toán nổ tóp ống kim loại bằng thép<br /> r , µs<br /> 0<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> ....<br /> <br /> R2, mm<br /> 50<br /> 49,99<br /> 49,96<br /> 49,91<br /> .....<br /> <br /> dR2/dt, mm/µs<br /> 0<br /> 0,019<br /> 0,037<br /> 0,056<br /> .....<br /> <br /> r , µs<br /> 8<br /> 9<br /> 10<br /> 20<br /> 30<br /> <br /> R2, mm<br /> 49,40<br /> 49,28<br /> 49,16<br /> 48,12<br /> 47,39<br /> <br /> dR2/dt, mm/µs<br /> 0,126<br /> 0,123<br /> 0,120<br /> 0,089<br /> 0,056<br /> <br /> Kết quả tính toán trên đây cho thấy: dưới tác dụng của áp lực xung nổ các phần tử của<br /> ống dịch chuyển tăng dần đến một thời điểm nào đó và tốc độ dịch chuyển đạt giá trị cực đại.<br /> Tiếp sau đó, tốc độ dịch chuyển giảm dần và tiến tới bằng không và khi đó ống thép sẽ nhận giá<br /> trị thực sau khi bị biến dạng bằng năng lượng nổ. Với số liệu tính toán trong bảng 1 trên đây có<br /> 48<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> thể chỉ định các giá trị biên của miền khảo sát khi lập quy hoạch thực nghiệm nổ tóp các loại<br /> ống kim loại từ các vật liệu khác nhau để thực hiện thí nghiệm thăm dò công nghệ. Sau khi xác<br /> định được giá trị thực nghiệm ở các chế độ đó, cần thực hiện các thí nghiệm hiệu chỉnh để tìm<br /> các thông số công nghệ nổ tối ưu đảm bảo kích thước cuối cùng của ống thép sau khi nổ tóp.<br /> Nhập số liệu vào máy<br /> <br /> Tính cực trị Kd, VH<br /> Chu kỳ biến đổi R2<br /> Chu kỳ biến đổi lớn H2<br /> Thay đổi kích thước ống khác nhau<br /> Tính toán các thông số của phương trình (13)<br /> Chu kỳ biến đổi nhỏ dR2<br /> <br /> Để giải PT vi phân<br /> <br /> Giải phương trình vi phân (13)<br /> Xác định dR2/dt; ∆R2<br /> <br /> Không<br /> <br /> NÕu<br /> dR/dt<br /> 2/dt<br /> NÕu dR<br /> 2<br /> cùc ®¹i<br /> Nếu dR2/dt -VH<br /> <br /> Không<br /> In kết quả R2, H, V, ∆R<br /> Kết thúc chu kỳ R2<br /> <br /> Kết thúc giải<br /> Hình 3. Sơ đồ khối lập trình tính toán bài toán nổ tóp ống kim loại.<br /> <br /> 49<br /> <br />