Khảo Sát Hệ Hợp Kim Cứng BK và TK Trong Điều Kiện Nhiệt Độ Cao: Phân Tích Cơ Tính, Chuyển Biến Pha và Ứng Dụng Trong Khai Thác Khoáng Sản

Tóm tắt nghiên cứu

Nghiên cứu "Khảo sát trong điều kiện nhiệt độ cao hệ hợp kim cứng BK, TK sử dụng trong chế tạo dao cắt, khoan khai thác đá" do Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ – TKV (chủ trì: ThS. Bạch Đông Phong) thực hiện, tập trung giải quyết câu hỏi then chốt: Hành vi nhiệt, sự ổn định tổ chức pha và cơ tính của các hệ hợp kim cứng WC-Co (BK) và WC-TiC-Co (TK) biến đổi như thế nào trong môi trường nhiệt độ cao (lên tới 1800°C) khi làm việc trong điều kiện ma sát khắc nghiệt của ngành khai khoáng?

Phương pháp thực nghiệm sử dụng tổ hợp thiết bị hiện đại: hệ thống phân tích nhiệt đồng thời TG – DTA – DSC (Setsys Evolution 24, Pháp), thiết bị đo mài mòn ma sát TE97 (Anh), máy đo độ cứng thô đại Digi-Testor 751N (Mỹ), kính hiển vi kim tương nhiệt độ cao Axioplan 2 (Đức) cùng phân tích nhiễu xạ tia X (XRD).

Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng các mác hợp kim cứng hệ BK và TK có độ trơ nhiệt và tính ổn định pha cao từ nhiệt độ phòng đến 800°C. Quá trình biến đổi pha thu nhiệt bắt đầu diễn ra nhẹ từ 800°C – 1000°C do thoát tạp chất và biến đổi mạnh mẽ trong khoảng 1000°C – 1400°C trước khi pha liên kết Coban (Co) chảy lỏng ở ngưỡng ~1485°C. Độ cứng của các mẫu đạt mức rất cao từ 87 đến 90 HRA, đi kèm hệ số ma sát thấp (0,134 – 0,151) và cường độ mài mòn dao động từ $0,163 \times 10^{-16}$ đến $0,222 \times 10^{-16} \text{ m}^3/(\text{N}\cdot\text{m})$.

Công trình mang lại ý nghĩa then chốt trong việc làm chủ công nghệ kiểm chuẩn vật liệu mác cao, tối ưu hóa quy trình nhiệt luyện và chế tạo dụng cụ cắt gọt, khoan đá chịu nhiệt phục vụ thiết thực ngành công nghiệp khai khoáng tại Việt Nam.

Bối cảnh và tầm quan trọng

Trong ngành công nghiệp khai khoáng và gia công cơ khí, các chi tiết làm việc trực tiếp trên bề mặt gương than, vỉa đá như mũi khoan xoay đập, dao tiện bào cắt gọt phải đối mặt với điều kiện vận hành cực kỳ khắc nghiệt. Hiện tượng ma sát trượt tốc độ cao và áp lực tập trung sinh ra lượng nhiệt ma sát cục bộ rất lớn, đẩy nhiệt độ làm việc của bề mặt lưỡi cắt lên ngưỡng 800°C – 1000°C.

Trước đây, ngành cơ khí thường sử dụng thép hợp kim dụng cụ hoặc thép gió (HSS) để chế tạo công cụ. Tuy nhiên:

  • Thép cacbon dụng cụ chỉ duy trì được độ bền ở nhiệt độ dưới 250°C.
  • Thép gió cao cấp sau tôi và ram 3 lần chỉ giữ được độ cứng nóng ở mức dưới 600°C (tương đương tối đa ~65 HRC hay ~84 HRA).

Khi vượt qua ngưỡng nhiệt này, công cụ thép nhanh chóng bị ram mềm, mòn vẹt và phá hủy dẻo bề mặt.

                    GIỚI HẠN NHIỆT ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CÁC VẬT LIỆU
Thép dụng cụ Cacbon   [===] 250°C
Thép gió (HSS)        [======] 600°C
Hợp kim cứng BK, TK   [==============================] 800°C - 1000°C (Nóng chảy pha kết dính tại ~1485°C)
                      0°C    300°C    600°C    900°C    1200°C   1500°C

Sự ra đời của công nghệ luyện kim bột đã tạo ra bước đột phá với các hệ hợp kim cứng:

  • Hệ BK (1 cacbit: WC-Co): Độ dẻo dai va đập cao, chuyên dụng cho mũi khoan đập khai thác đá.
  • Hệ TK (2 cacbit: WC-TiC-Co): Độ cứng nóng và độ trơ nhiệt vượt trội, tối ưu cho dao cắt phoi tốc độ cao.
  • Hệ TTK (3 cacbit: WC-TiC-TaC-Co): Tính năng tổng hợp chịu tải và bền nhiệt.

Mặc dù việc sản xuất và phục hồi hợp kim cứng theo phương pháp hoàn nguyên oxit hay tái sinh bằng kẽm (Zn) đã được tiến hành tại Việt Nam, song việc nghiên cứu bản chất hành vi vật liệu ở điều kiện nhiệt độ cao thực tế từng gặp khoảng trống lớn do thiếu thốn thiết bị chuyên dụng và quy trình thử nghiệm nhiệt vi sai đồng bộ. Đề tài nghiên cứu của Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ – TKV giải quyết trực diện khoảng trống công nghệ này, đặt nền móng kiểm định chính xác cơ lý tính của vật liệu tính năng cao trong nước.

Methodology và approach

Nghiên cứu ứng dụng quy trình tiếp cận đa phương pháp (Multi-methodology) từ cấp độ tế vi đến cơ tính vĩ mô, dựa trên các thiết bị đo lường chuẩn hóa quốc tế:

                                QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU & THỰC NGHIỆM

1. Phân tích nhiệt chuyển biến pha (TG – DTA – DSC)

  • Thiết bị: Hệ thống SETSYS Evolution 24 (Hãng SETARAM – Pháp).
  • Điều kiện thực nghiệm: Dải nhiệt độ khảo sát từ nhiệt độ phòng đến 1800°C với tốc độ nâng nhiệt $10^\circ\text{C/phút}$, làm nguội $30^\circ\text{C/phút}$.
  • Cấu hình đo: Chén nung than chì (Graphite Crucible chịu nhiệt 2400°C), cặp nhiệt điện hợp kim WRe 5%/26% (S60/36540), thanh đo DTA W5 2400. Môi trường phân tích duy trì chân không ban đầu đạt $(8 \div 6) \times 10^{-2}\text{ mbar}$ kết hợp dòng khí bảo vệ Argon siêu sạch (99,999%) với lưu lượng chuẩn để loại bỏ hoàn toàn quá trình oxy hóa ngoài ý muốn.
  • Nguyên lý: Đồng thời ghi nhận đường cong DTA (hiệu ứng thu nhiệt/tỏa nhiệt do chuyển pha), đường cong nhiệt khối lượng TG (độ tăng/giảm khối lượng $\Delta m$) và vi phân DTG (tốc độ biến đổi khối lượng $\frac{dm}{dt}$).

2. Đo mài mòn và hệ số ma sát

  • Thiết bị: Máy TE97 Friction and Wear Demonstrator (Phoenix Tribology – Anh Quốc).
  • Thông số: Cặp ma sát dạng đĩa hợp kim cứng (BK, TK) tiếp xúc trượt với bi thép đã tôi cứng dưới tải trọng pháp tuyến xác định ($N$), không bôi trơn nhằm mô phỏng điều kiện ma sát khô khốc liệt.
  • Xác định cường độ mòn ($I_h$): $$I_h = \frac{V}{N \cdot S}$$ Trong đó: $V = \frac{M - m}{\gamma}$ là thể tích mòn ($m^3$), $M$ và $m$ là khối lượng mẫu trước và sau thử, $\gamma$ là tỷ trọng mẫu ($kg/m^3$), $S = 2\pi n R$ là tổng quãng đường trượt ($m$).

3. Khảo sát độ cứng thô đại (HRA)

  • Thiết bị: Máy đo độ cứng Digi-Testor 751N (Mỹ).
  • Phương pháp: Đo độ cứng Rockwell thang A (HRA) sử dụng mũi nón kim cương với tải trọng tác dụng $60\text{ kg}$, thực hiện tối thiểu trên 3 mẫu thử để triệt tiêu sai số ngẫu nhiên.

4. Nghiên cứu tổ chức tế vi và cấu trúc pha

  • Kính hiển vi kim tương: Axioplan 2 (Carl Zeiss – Đức) tích hợp bộ gia nhiệt buồng mẫu từ nhiệt độ phòng lên đến 1600°C, dải phóng đại $100\times \div 1000\times$, xử lý định lượng pha và kích thước hạt theo chuẩn ASTM qua phần mềm KS 300-3.
  • Phân tích Rơnghen (XRD): Khảo sát cấu trúc mạng tinh thể và nhận diện pha theo định luật phản xạ Bragg: $$\lambda = 2d_{hkl}\sin\theta$$

Phát hiện chính

Các phân tích thực nghiệm trên các mác đại diện gồm nhóm 1 cacbit (BK3, BK8) và nhóm 2 cacbit (T30K4, T15K6, T5K10) đã cung cấp các chỉ số kỹ thuật giá trị:

1. Đặc tính chuyển biến pha ở nhiệt độ siêu cao

  • Dải $25^\circ\text{C} - 800^\circ\text{C}$: Giản đồ nhiệt của các mẫu BK và TK hoàn toàn ổn định, đường DTA gần như trùng khít với đường cơ sở ($\Delta T \approx 0$), chứng minh độ bền nhiệt cao của khung cacbit và pha liên kết Co trong giai đoạn đầu.
  • Dải $800^\circ\text{C} - 1000^\circ\text{C}$: Bắt đầu xuất hiện các hiệu ứng thu nhiệt nhỏ đi kèm độ giảm khối lượng không đáng kể trên đường TG, nguyên nhân do sự bốc hơi của các tạp chất vi lượng còn sót lại từ khâu thiêu kết hoặc bột tái sinh.
  • Dải $1000^\circ\text{C} - 1400^\circ\text{C}$: Quá trình chuyển pha diễn ra mạnh mẽ, biểu hiện qua các pic biến thiên rõ nét trên đường DTA, phản ánh sự biến đổi tổ chức tế vi và hòa tan cục bộ giữa các pha.
  • Ngưỡng nhiệt cận $1500^\circ\text{C}$: Ghi nhận hiệu ứng thu nhiệt sâu tại vùng nhiệt độ xấp xỉ $1485^\circ\text{C}$, tương ứng chính xác với điểm nóng chảy của pha liên kết Coban (Co), dẫn đến sự suy giảm hoàn toàn cấu trúc liên kết hạt cacbit.
                   CÁC GIAI ĐOẠN BIẾN ĐỔI NHIỆT TRÊN GIẢN ĐỒ DTA/TG
     [ Ổn định tuyệt đối ]  [ Thu nhiệt nhẹ ]   [ Chuyển pha mạnh ]  [ Co nóng chảy ]  [ Pha lỏng hoàn toàn ]
     (Độ trơ nhiệt cao)     (Thoát tạp chất)    (Tái sắp xếp mạng)   (Mất liên kết)

2. Độ cứng bề mặt vượt trội (HRA)

Kết quả đo thực nghiệm trên máy Digi-Testor 751N cho thấy các mẫu hợp kim cứng khảo sát đạt độ cứng rất cao, tập trung trong khoảng 87 – 90 HRA.

Mác hợp kim Thành phần chính Độ cứng thực nghiệm (HRA) So sánh với Thép gió HSS
BK3 $97%\text{ WC} + 3%\text{ Co}$ 89,5 – 90,0 Cao hơn đáng kể (~84 HRA max)
BK8 $92%\text{ WC} + 8%\text{ Co}$ 87,5 – 88,0 Chịu va đập tốt hơn nhóm ít Co
T30K4 $66%\text{ WC} + 30%\text{ TiC} + 4%\text{ Co}$ 90,0 – 90,5 Độ cứng cao nhất trong nhóm khảo sát
T15K6 $79%\text{ WC} + 15%\text{ TiC} + 6%\text{ Co}$ 89,0 – 89,5 Bền nóng và chống mòn tốt
T5K10 $85%\text{ WC} + 5%\text{ TiC} + 10%\text{ Co}$ 87,0 – 87,5 Cân bằng độ dẻo và độ cứng

[!NOTE] Độ cứng thực nghiệm một số mẫu có độ lệch nhỏ so với tài liệu lý thuyết chuẩn, do kích cỡ hạt bột ban đầu và lượng tạp chất dư sau quy trình nghiền trộn/tái sinh. Tuy nhiên, sai lệch này nằm trong ngưỡng kiểm soát cho phép và không làm suy giảm cơ tính tổng thể.

3. Động học mài mòn và hệ số ma sát

Phép thử ma sát trượt khô trên máy TE97 ghi nhận các thông số mài mòn ấn tượng:

                            HỆ SỐ MA SÁT & CƯỜNG ĐỘ MÀI MÒN
Mác Hợp Kim      Hệ số ma sát (f)               Cường độ mòn (Ih x 10^-16 m³/Nm)
T30K4            [==== 0.134 ====]             [=== 0.163 ===]
T15K6            [===== 0.138 =====]           [==== 0.184 ====]
BK3              [====== 0.143 ======]         [=== 0.171 ===]
T5K10            [======= 0.147 =======]       [===== 0.202 =====]
BK8              [======== 0.151 ========]     [====== 0.222 ======]
  • Hệ hai cacbit (TK) thể hiện khả năng chống mài mòn vượt trội: Mác T30K4 đạt hệ số ma sát thấp nhất ($f = 0,134$) và cường độ mòn thấp nhất ($I_h = 0,163 \times 10^{-16}\text{ m}^3/\text{N}\cdot\text{m}$). Hàm lượng pha $30%\text{ TiC}$ tạo độ trơ hóa học bề mặt, hạn chế hiện tượng dính bám và cắt vi mô khi trượt tiếp xúc.
  • Ảnh hưởng của hàm lượng Coban (Co): Khi hàm lượng chất kết dính Co tăng lên (như ở BK8 với $8%\text{ Co}$, T5K10 với $10%\text{ Co}$), hệ số ma sát và cường độ mài mòn đều có xu hướng tăng nhẹ ($I_h$ đạt $0,222 \times 10^{-16}\text{ m}^3/\text{N}\cdot\text{m}$ ở BK8). Điều này phản ánh đúng quy luật kim loại: Co tăng giúp tăng độ dai va đập nhưng làm giảm độ cứng chống mài mòn hạt vi mô.

Đóng góp khoa học và giá trị thực tiễn

                              ĐÓNG GÓP TOÀN DIỆN CỦA ĐỀ TÀI

  1. Đóng góp về mặt lý thuyết & phương pháp luận:

    • Cung cấp tập dữ liệu nhiệt động học hoàn chỉnh về chuyển biến pha và biến thiên khối lượng của hệ hợp kim cứng WC-Co và WC-TiC-Co trong dải nhiệt độ siêu rộng ($25^\circ\text{C} \div 1800^\circ\text{C}$).
    • Thiết lập quy trình chuẩn quốc gia về phân tích kim tương nhiệt độ cao kết hợp phân tích vi sai TG-DTA-DSC cho vật liệu vô cơ siêu cứng.

  2. Giá trị thực tiễn trong công nghiệp mỏ:

    • Định hướng lựa chọn vật liệu chuẩn xác: Các đơn vị chế tạo cơ khí mỏ có cơ sở khoa học để lựa chọn mác vật liệu tối ưu: sử dụng hệ BK (BK6, BK8) cho các chi tiết chịu tải va đập và mài mòn áp lực cao (mũi khoan xoay đập khai thác đá); sử dụng hệ TK (T15K6, T30K4) cho các dụng cụ tiện, phay gọt cắt than và đá vôi có vận tốc cắt cao sinh nhiệt lớn.
    • Làm chủ thiết bị và công nghệ chế tạo: Nhóm tác giả đã biên dịch toàn bộ tài liệu kỹ thuật của các tổ hợp máy cao cấp (Setaram, Carl Zeiss, Bruker) sang tiếng Việt, nâng cao năng lực kiểm chuẩn độc lập cho các phòng thí nghiệm vật liệu kỹ thuật cao của Tập đoàn TKV, giảm phụ thuộc vào việc kiểm định tại nước ngoài.

Đối tượng quan tâm

Báo cáo nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng và tham khảo sâu sắc cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Các nhà nghiên cứu & Giảng viên ngành Khoa học Vật liệu: Làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về nhiệt động học chuyển pha, cơ chế mài mòn ma sát và phương pháp phân tích nhiệt DTA/TG trên vật liệu gốm kim loại (Cermet).
  • Kỹ sư cơ khí, chế tạo máy & luyện kim bột: Vận dụng thông số thực nghiệm để thiết kế quy trình ép nung thiêu kết, công nghệ tái sinh hợp kim cứng bằng kẽm (Zn), và thiết kế kết cấu dao cắt gọt composite (lưỡi hợp kim cứng hàn đắp hoặc kẹp cơ khí trên thân thép kết cấu).
  • Cán bộ kỹ thuật & Lãnh đạo doanh nghiệp khai thác mỏ: Có cơ sở định mức kỹ thuật lựa chọn mũi khoan, răng cào, dao cắt phù hợp với từng cấp độ cứng của đất đá, nâng cao tuổi thọ công cụ làm việc và tiết kiệm chi phí thay thế vật tư phụ tùng.

FAQ – Các câu hỏi thường gặp

1. Phát hiện quan trọng nhất của đề tài là gì?

Nghiên cứu đã xác định chính xác hành vi nhiệt và cơ tính của hệ BK, TK: vật liệu giữ nguyên pha và độ bền nhiệt tới 800°C, chuyển pha thu nhiệt mạnh từ 1000°C – 1400°C và pha liên kết Coban nóng chảy hoàn toàn ở ~1485°C. Đồng thời xác lập bộ thông số cơ tính chuẩn với độ cứng 87 – 90 HRA và cường độ mài mòn cực thấp ($\approx 10^{-17}\text{ m}^3/\text{N}\cdot\text{m}$).

2. Phương pháp thực nghiệm của đề tài có điểm gì đặc biệt?

Điểm đột phá là việc triển khai đồng bộ tổ hợp thiết bị phân tích hiện đại bậc nhất thời điểm nghiên cứu: hệ phân tích nhiệt đồng thời TG – DTA – DSC đến 1800°C (Setsys Evolution 24), quan sát kim tương nhiệt độ cao trực tiếp đến 1600°C (Axioplan 2), kết hợp phân tích pha Rơnghen XRD và đo mài mòn ma sát theo chuẩn quốc tế.

3. Kết quả đo cơ tính có thể khái quát hóa (generalize) cho toàn bộ sản phẩm hợp kim cứng trên thị trường không?

Có thể khái quát hóa cho các mác hợp kim cứng tiêu chuẩn hệ WC-Co và WC-TiC-Co. Tuy nhiên, các sản phẩm thực tế có thể dao động nhẹ về độ cứng và độ mòn tùy thuộc vào độ tinh khiết của nguyên liệu bột ban đầu, cỡ hạt cacbit vi mô và chế độ công nghệ ép – thiêu kết của từng nhà máy sản xuất.

4. Hướng nghiên cứu tiếp theo (Next steps) từ đề tài này là gì?

Nhóm nghiên cứu định hướng: (1) Khảo sát sâu hơn cấu trúc pha định lượng bằng XRD phân giải cao; (2) Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ màng mỏng chịu nhiệt PVD/CVD (như TiAlN, TiN) lên bề mặt hợp kim cứng BK/TK để nâng ngưỡng chịu nhiệt vượt quá 1000°C; (3) Tối ưu hóa công nghệ hoàn nguyên tái sinh từ phế liệu công nghiệp.

5. Ứng dụng thực tế tức thời của nghiên cứu là gì?

Ứng dụng trực tiếp vào quy trình tuyển chọn, kiểm tra chất lượng và chế tạo mũi khoan khai thác đá, dao cắt than mỏ tại các nhà máy cơ khí trực thuộc Tập đoàn Than – Khoáng sản Việt Nam (TKV), giúp kéo dài tuổi thọ dụng cụ và thay thế hàng nhập khẩu.

Kết luận

Báo cáo nghiên cứu khoa học của Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ – TKV đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu khảo sát toàn diện hệ hợp kim cứng BK và TK trong môi trường nhiệt độ cao. Bằng việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết luyện kim bột và các phép đo thực nghiệm nhiệt động học tiên tiến, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế chuyển pha, khả năng chống mài mòn ma sát và độ cứng vững của vật liệu.

Kết quả của đề tài khẳng định năng lực làm chủ thiết bị khoa học kỹ thuật cao của đội ngũ nghiên cứu trong nước, mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc nâng cao chất lượng dụng cụ gia công cắt gọt và khai thác mỏ tại Việt Nam.