MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp trên thế giới, các chi tiết máy phải làm việc trong những điều kiện hết sức khắc nghiệt như nhiệt độ, áp suất, tốc độ cao, chịu ảnh hưởng của ma sát mài mòn lớn. Do vậy các chi tiết máy sau khi gia công sử dụng kỹ thuật mạ nhằm nâng cao chất lượng bề mặt được sử dụng ngày càng phổ biến. Chúng dần thay thế cho các chi tiết máy gia công truyền thống không có sự can thiệp của công nghệ bề mặt hỗ trợ.
Những ưu việt của chi tiết được mạ có thể chỉ ra được ngay như: có độ bền và độ dai, khả năng chống va đập, chịu được ăn mòn về hóa học hay Ôxi hóa do môi trường…. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, ngành công nghệ bề mặt nói chung và kỹ thuật mạ cũng không ngừng tiến bộ và phát triển nhằm đáp ứng được nhu cầu của xã hội. Kỹ thuật bề mặt nói chung và kỹ thuật mạ nói riêng đã trở thành một trong những ngành kỹ thuật đầy tiềm năng. Trong thập niên đầu tiên của thế kỷ XXI, sự chuyển giao công nghệ, kỹ thuật mạ tiên tiến từ các tập đoàn nước ngoài vào nước ta diễn ra hết sức mạnh mẽ.
Mặt khác trong nền giáo dục sau đại học ở các nước công nghiệp phát triển kỹ thuật bề mặt cũng phát triển nở rộ tạo ra rất nhiều cơ hội nghiên cứu chuyên sâu cho các học viên cao học. Tuy nhiên tại thời điểm này, kỹ thuật mạ ở Việt Nam vẫn chủ yếu tập trung vào lĩnh vực mạ đơn thuần, tức là mạ các vật liệu ở dạng đơn chất như mạ Niken, Crôm, …lên vật dụng [4],[5]. Những cách mạ này có thể tăng được khả năng chống ăn mòn trên vật liệu tuy nhiên cơ tính bề mặt lại bị ảnh hưởng xấu đi. Mặt khác, các chi tiết được mạ ở dạng đơn chất có chất lượng bề mặt chỉ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 8 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM dừng lại ở mức độ trung bình.
Vì vậy vấn đề mạ chi tiết theo trạng thái Composite ở nước ta là một vấn đề hết sức cấp bách, nhằm đáp ứng yêu cầu chế tạo ra các chi tiết mạ với cơ tính, khả năng chịu ăn mòn tốt, vừa đảm bảo chất lượng bề mặt cao [6], [7]. Vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ Composite Al2O3-Ni trong điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn” Thành công của đề tài sẽ góp phần quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí làm việc trong môi trường ăn mòn của các lĩnh vực khác nhau. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ Composite Al2O3-Ni khi chúng làm việc trong môi trường có các chất hóa học ăn mòn như Axit, muối, xút….Qua đó nhận xét những ưu điểm của lớp mạ Composite Al2O3-Ni, phạm vi ứng dụng của các chúng đồng thời có những bước phát triển để khắc phục những tồn tại của những chi tiết mạ Composite Al2O3- Ni. Đối tƣợng nghiên cứu Tạo ra lớp mạ Composite Al2O3-Ni cho các chi tiết máy, nghiên cứu khả năng làm việc của các chi tiết máy được mạ so sánh với các chi tiết máy không có lớp mạ này.
Rút ra những ưu việt của lớp mạ Composite Al2O3-Ni. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với triển khai thực nghiệm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 9 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM Nghiên cứu lý thuyết, qua đó triển khai thí nghiệm tạo ra lớp mạ trên các chi tiết máy. Thí nghiệm Phân tích các đặc tính cơ lý của lớp mạ.
Thử nghiệm cho chi tiết làm việc trong môi trường có các chất hóa học ăn mòn. Ý nghĩa của đề tài 5. Ý nghĩa khoa học Về mặt khoa học đề tài rất phù hợp với xu thế phát triển trong và ngoài nước về công nghệ bề mặt. Do đó ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trong nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết máy được mạ Composite Al2O3-Ni, những tính năng vượt trội khi chi tiết được mạ so với các chi tiết không được mạ.
Ý nghĩa thực tiễn Ngày nay các chi tiết máy phải làm việc trong những điều kiện hết sức khắc nghiệt như nhiệt độ, áp suất, tốc độ cao, chịu ảnh hưởng của ma sát mài mòn lớn. Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi khoa học về công nghệ bề mặt phải tạo ra những chi tiết máy đáp ứng được những điều kiện khắc nghiệt này. Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa rất thực tiễn trong việc sản xuất, tạo ra các chi tiết có độ cứng và tuổi bền cao nhằm nâng cao tính kinh tế của chi tiết máy, hạ giá thành sản phẩm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 10 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM Nội dung của luận văn bao gồm: Phần 1: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ bề mặt: - Các vấn đề cơ bản về mạ Composite.
Khái quát về các hướng nghiên cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mạ Composite các chi tiết máy (tập chung vào mạ Composite Ni) để từ đó định hướng nội dung đề tài nghiên cứu. Phần 2: Thực hiện mạ Composite Al2O3-Ni trên một số chi tiết máy thông dụng phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đên đặc tính lớp mạ tổ hợp: - Tạo ra lớp mạ Composite Al2O3-Ni trên các chi tiết dạng trục cơ bản. - Phân tích các đặc tính cơ lý của lớp mạ Composite Al2O3-Ni trên các chi tiết máy. - Trên cơ sở phân tích SEM của lớp mạ nhận xét về các nhân tố ảnh hưởng đến đặc tính cơ lý của lớp mạ Composite Al2O3-Ni.
Tối ưu về giá thành của sản phẩm. Phần 3: Chế tạo thiết bị ma sát trƣợt, nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết đƣợc mạ tổ hợp composite Al2O3-Ni - Chế tạo thiết bị ma sát trượt dựa trên các cơ cấu nguyên lý máy cơ bản như mặt phẳng nghiêng, cơ cấu bốn khâu bản lề… - Thực hiện đưa các chi tiết máy đã được mạ Composite Al2O3-Ni và chi tiết máy chỉ được mạ Ni thông thường vào thiết bị ma sát trượt, sau đó so sánh và đánh giá khẳ năng chịu ma sát mài mòn giữa chúng. Thử nghiệm cho các chi tiết ngay trong môi trường ăn mòn: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 11 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM Phần 4: Kết luận cho đề tài của luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 12 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM Phần 1 – TỔNG QUAN 1. Những vấn đề cơ bản về mạ Composite Mạ composite là một biện pháp công nghệ cao nhằm tạo nên trên bề mặt chi tiết một lớp mạ có ít nhất hai pha; pha nền kim loại và pha có dạng hạt cứng hoặc sợi giúp chi tiết có khả năng làm việc vượt trội so với mạ điện thông thường.
Mạ composite có các ưu điểm sau : 1. Tăng khả năng chống mòn, mòn cho các cặp đôi ma sát kim loại và hượp kim. Tăng khả năng chống ăn mòn. Tạo nên lớp giảm ma sát trên bề mặt đối tiếp.
Tăng độ bền vững về cơ tính vùng bề mặt. Tạo nên lớp bề mặt có thể sử dụng trong các môi trường đặc biệt như trong công nghệ hạt nhân. - Pha nền sử dụng trong mạ điện composite bao gồm các kim loại hoặc hợp kim của chúng như: Cr, Ni, Cu, Pb, Co, Zn….Pha hạt cứng là các hạt Cac bit Ti, Ta, Si, W, Cr,…; Các Nitrit của B và Si, các hợp chất Borides của Ti, Zn Ni, các hợp chất sulfides của Mo, W, Mica, graphit, kim cương, các oxide của Al, Ti… - Chiều dày lớn nhất của lớp mạ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến sự thành công của quá trình mạ. Mạ composite có thể tạo ra lớp mạ đồng đều trên bề mặt các chi tiết máy có hình dạng phức tạp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 13 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM - Các thông số quan trọng của quá trình mạ điện composite là: Dung dịch điện phân, các chất phụ gia, kích thước hạt cứng, độ PH, mật độ dòng điện, nhiệt độ mạ, hiệu quả của quá trình khuấy, tần số xung…. - Mạ composite ngày nay được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết máy của động cơ máy bay, công nghiệp ô-tô, công nghiệp dược… 1. Nguyên lý Mạ composite. Mạ điện composite thường được thực hiện bằng các thiết bị mạ điện thông thường cộng thêm thiết bị khuấy để giữ các hạt trung tính lơ lửng trong dung dịch mạ và tham gia vào lớp mạ.1 Sơ đồ bố trí các thiết bị mạ điện a)Katot di động; b) bơm; c) khuấy không khí; d) chi tiết quay; e) khuấy cơ khí; f) quay li tâm; quay nghiêng; h) rung điện từ hoặc siêu âm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 14 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM *) Cơ chế mạ composite Cơ chế mạ composite là do: va chạm cơ học của các hạt trong quá trình khuấy đẩy các hạt về phía ca tốt; tương tác tĩnh điện của các hạt điện cực kim loại hay điện ly; đồng lắng đọng của các hạt bằng cơ chế liên kết hoá học với điện cực, hay hai giai đoạn hấp thụ.
Hiệu quả của Katot là rất quan trọng trong việc xác định khả năng các hạt cứng có tính trơ có thể tham gia vào lớp mạ được không. Nếu tốc độ mạ xảy ra quá nhanh các hạt cứng khi đến cathode sẽ bị bật ra. Độ giảm hiệu điện thế trong quá trình mạ điện (0,1 – 0,3 V/cm) là quá thấp để tạo nên cơ chế lắng đọng của các hạt cứng và vì thế việc khuấy dung dịch điện phân là rất cần thiết để đẩy các hạt cứng va chạm và gắn vào bề mặt cathode và sau đó tham gia vào lớp mạ. Hạt cứng trung tính H?t c?ng trung tính Bước 1 Bu?c 1 Bước l?p m?2:composite Hình thành lớp mạ t? h?p composite Dung d?chđiện Dung dịch di?nphân phân Hình 1.2 Sơ đồ mô tả cơ chế các hạt cứng tham gia vào lớp mạ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn Trang 15 Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM Theo Guglielmi có một mô hình toán học dựa trên hai bước hấp thụ kế tiếp.