CHƯƠNG 1. Tổng quan Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với những chế độ công tác rất khác nhau. Chúng bị phá huỷ và hư hỏng dưới nhiều dạng (Hình 1. Có nhiều nguyên nhân, nhưng nguyên nhân chính là: gỉ (do làm việc trong môi trường không khí - các kết cấu xây dựng, và nước - các phương tiện thuỷ; các môi trường tĩnh và động - thiết bị hoá học…); ăn mòn, xói mòn xâm thực (dưới tác dụng của các chất lỏng và khí cháy); mài mòn cơ học và các hư hỏng khác (tại các mặt tiếp xúc của các chi tiết làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao).
Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được đưa ra để hạn chế mài mòn trong thực tế, có thể kể đến như: bôi trơn, làm mát. Tuy nhiên, các giải pháp trên chỉ áp dụng ở giai đoạn vận hành và bảo dưỡng máy, quá trình mòn hỏng chi tiết vẫn xảy ra thường xuyên, nên định kỳ cần thay thế. Bởi vậy, giải pháp triệt để nhất vẫn là phục hồi và tạo một lớp phủ bề mặt có tính năng chống mài mòn cao là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao. Các cổ trục khuỷu động cơ xe thiết giáp chở quân M113 Hiện nay, có nhiều phương pháp phổ biến được ứng dụng để phục hồi hoặc chế tạo mới bề mặt như: phương pháp hàn, hóa nhiệt, bốc bay, mạ, phun phủ.
Riêng phương pháp phun phủ phục hồi bề mặt chi tiết cũng có nhiều công nghệ khác nhau như: phun hồ quang điện, phun khí cháy, phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF), phun plasma, phun nổ, phun nguội, … Luận văn lựa chọn công nghệ phun 2 phủ HVOF để nghiên cứu, bởi công nghệ này này có những ưu điểm vượt trội như: phun được trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc nhỏ, tạo được lớp phủ với chiều dày lên tới vài mm, có thể phun nhiều lớp với những vật liệu khác nhau để tạo các lớp phủ có tính chất đặc biệt, chi tiết phun ít bị ảnh hưởng nhiệt và biến dạng, phun được chi tiết có hình dạng phức tạp, năng suất phun cao. Một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến cho lớp phủ cứng, chịu mài mòn là hợp kim tự chảy NiCrBSi. Lớp phủ này có một số đặc tính thú vị, ví dụ: độ cứng tương đối cao, khả năng chống mài mòn và ăn mòn tốt ở nhiệt độ cao [1]. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện với mục đích cải thiện khả năng chống mài mòn của lớp phủ này và những nghiên cứu này đã chỉ ra hướng bổ sung các hạt cứng gia cường như WC, NbC, Cr3C2, TiC, SiC, VC, WC -Ni… [2].
Trong số các hạt cứng thương mại, cacbit vonfram WC được sử dụng rộng rãi cho lớp phủ chống mài mòn tốt nhờ độ cứng cao của nó. Bột WC được bổ sung thêm Co để cải thiện độ dai va đập [3], tạo thành vật liệu WC-Co, gồm hạt WC cứng được nhúng trong nền Co. Lớp phủ tự chảy NiCrBSi hoạt động tốt như một lớp phủ chống mài mòn trong điều kiện ứng suất thấp. Tuy nhiên, ở mức ứng suất cao hơn trong điều kiện trượt không được bôi trơn, nó bắt đầu biến dạng, có thể gây bó khi ứng suất tăng lên.
Molypden Mo được thêm vào lớp phủ để giảm hệ số ma sát, do đó, cải thiện khả năng chống mài mòn trượt khô của nó [4]. Ngoài ra, Mo có thể tạo liên kết kim loại với nhiều kim loại khác và làm giảm độ nhạy nứt của lớp phủ dưới tác dụng nhiệt. WC-10Ni là một loại bột hình cầu, kết tụ và thiêu kết để phun nhiệt, gồm 90% WC kích thước trung bình phân bố đều trong kim loại nền 10%Ni. Sự phân bố kích thước hạt bột mịn hơn tạo ra lớp phủ rất dai và sít chặt, trong một số trường hợp lớp phủ sau phun có thể đưa vào sử dụng mà không cần mài và đánh bóng sau đó.
Các lớp phủ làm từ vật liệu WC có khả năng chống mài mòn, chống trầy, chịu va đập và trượt tốt. Các sản phẩm WC-Ni thường được sử dụng làm lớp phủ chống mài mòn trong môi trường ma sát khô. Lớp phủ WC-(8-11)Ni có độ cứng cao hơn nhưng độ dai thấp hơn so với lớp phủ WC-17Ni. Khả năng chống ăn mòn tốt hơn WC-Co nhưng kém hơn WC-Co-Cr, Vì vậy, nó được sử dụng rộng rãi cho van bi, van cổng 3 (xả), thiết bị ngành khai thác dầu, các chi tiết trong điều kiện ngập trong nước biển, cũng như được sử dụng trong môi trường phóng xạ [5].
Phương pháp phun HVOF ra đời vào khoảng năm 1980 nhưng hiện nay đã được chú trọng và ứng dụng phổ biến. Một số doanh nghiệp trong nước cũng đã đầu tư một số thiết bị hiện đại để thực hiện công tác phun phủ phục hồi như Công Ty TNHH MetalTech Saigon - TP HCM, Công ty TNHH Dịch Vụ Kỹ thuật Quang Khánh - TP Vũng Tàu, Công Ty TNHH Cơ khí Công nghệ An Bình - TP HCM …bước đầu đáp ứng được một phần nhu cầu dân sự trong phun phủ phục hồi sửa chữa các các chi tiết máy bị mài mòn. Lớp phủ HVOF cũng như các lớp phủ phun nhiệt khác đều là kết quả của những quá trình phun khá phức tạp. Do đó, những thành tựu đạt được hiện nay là sự kế thừa và phát triển các kết quả nghiên cứu, ứng dụng qua một quá trình.
Những kết quả đó là cơ sở để tiếp tục triển khai, ứng dụng và phát triển các phương pháp phun phủ. Đối với phương pháp phun HVOF, những nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các vấn đề chính như: vật liệu, cấu trúc, thành phần cơ tính, khả năng chịu mòn của lớp phủ, ảnh hưởng của các thông số phun đến chất lượng của một số lớp phủ cơ bản. Các nghiên cứu đều được công bố trên các tạp chí chuyên ngành uy tín có thể kể đến như: V. Kalyankar và cộng sự [6] đã nghiên cứu so sánh cấu trúc tế vi và khả năng chống mài mòn của các lớp phủ NiCrBSi và NiCrBSi-WC khi hàn đắp PTA (plasma transferred arc) trên vật liệu nền inox 304.
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, khả năng chống mài mòn bùn của lớp phủ cứng composite NiCrBSi-WC tốt hơn 2,5 lần so với NiCrBSi và 40 lần so với thép không gỉ 304 (Hình 1. Kết quả của phân tích so sánh về cấu trúc tế vi và khả năng chống mài mòn do bùn của lớp phủ composite NiCrBSi-WC khá hữu ích để cải thiện tuổi thọ của đường ống dẫn bùn. Khối lượng mòn của NiCrBSi-WC, NiCrBSi và vật liệu nền A. Gowtham và cộng sự [7] đã nghiên cứu chế tạo lớp phủ NiCrBSi/WC trên nền thép không gỉ SS410 bằng kỹ thuật hàn đắp dùng nguồn laser (laser cladding), cho thấy với các thông số công nghệ công suất 3,6 kW và tốc độ nạp bột 65 g/phút, sẽ thu được lớp phủ chất lượng tốt (Hình 1.
Lớp phủ gồm WC gia cường cho nền NiCrBSi sử dụng laser cladding liên kết tốt với vật liệu nền, vật liệu nền ít bị ảnh hưởng nhiệt, cấu trúc ma trận -Ni có dạng nhánh cây. Các hạt WC trong ma trận Ni đã cải thiện đáng kể độ cứng của vật liệu composite nền kim loại này. Độ cứng tế vi vật liệu tăng tăng từ 390 HV lên 1900 HV khi gia cường WC. Ảnh SEM của các mẫu được phủ laser – lớp phủ hình thành ở các công suất phun và tốc độ cấp bột khác nhau 5 H.
Guo và cộng sự [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng WC-Co đến cấu trúc tế vi và cơ tính của lớp phủ NiCrBSi chế tạo bằng phương pháp phun plasma siêu âm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các tính chất cơ học của lớp phủ khi phun được cải thiện đáng kể bằng cách bổ sung WC-Co, với tỉ lệ WC-Co là 5, 10, 15, 20, 25 và 30% khối lượng. Biểu đồ XRD của các lớp phủ thể hiện ở (Hình 1. Khi tăng WC-Co, hệ số ma sát của lớp phủ sau phun tăng từ 0,59 lên 0,74 (Hình 1.
Lớp phủ với 15% WC-Co có độ cứng tế vi cao hơn 910,6 HV, và độ -6 3 bám dính 44,7 MPa và tốc độ mài mòn 8×10 mm /Nm thấp hơn so với các lớp phủ khác. Và nhóm tác giả nhận định rằng đây là tỉ lệ tối ưu cho lớp phủ NiCrBSi/WC-Co trên vật liệu nền 718. Các cơ chế mài mòn chính của lớp phủ chuyển đổi từ mài mòn do mòn kết hợp với nứt vỡ đối với các lớp phủ NiCrBSi có hàm lượng WC-Co thấp sang mài mòn do dính và đứt gãy do mỏi đối với các lớp phủ có hàm lượng WC-Co trung bình, thành sự kết hợp của sự phá hủy giòn và mòn do mài mòn nhẹ đối với các lớp phủ có hàm lượng WC-Co cao. XRD của các lớp phủ Hình 1.
Hệ số ma sát của các lớp phủ R. Rachidi và cộng sự [9] đã nghiên cứu cấu trúc tế vi và đặc tính cơ học của hợp kim NiCrBSi và lớp phủ composite NiCrBSi-WC được sản xuất bằng phương pháp phun ngọn lửa khí cháy. Khi phân tích XRD tiết lộ rằng các pha có trong lớp phủ thay đổi với các loại bột ban đầu, hình thành các pha mới như W2C và Cr7C3. Ngoài ra, hạt gia cường WC làm cho độ cứng của lớp phủ NiCrBSi-WC cao hơn 6 đáng kể so với hợp kim NiCrBSi (Hình 1.
Sự thay đổi độ cứng lớp phủ theo phương vuông góc từ vật liệu nền đến lớp phủ của các lớp phủ NiCrBSi và NiCrBSi-WC thể hiện ở Hình 1. Độ cứng tế vi của vật liệu nền, Hình 1. Biến thiên độ cứng tế vi theo NiCrBSi và NiCrBSi-WC chiều dày lớp phủ W. Wang và cộng sự [10] đã nghiên cứu cấu trúc tế vi và tính chất của lớp phủ PTA NiCrBSi/WC-Co.
Kết quả cho thấy liên kết giữa lớp NiCrBSi + 20%WC/12Co và vật liệu nền H13 là liên kết hàn. Phân tích XRD cho thấy các pha chính trong lớp phủ gồm γ-(Fe, Ni), Cr7BC4, Ni4B3, Cr7C3 và Co7W6, giúp lớp phủ có độ bền nhiệt và độ cứng cao hơn so với vật liệu nền H13 (Hình 1. XRD của lớp NiCrBSi+20%WC/12Co P. Niranatlumpong và cộng sự [11] đã khảo sát sự chuyển pha của lớp phủ phun hồ quang NiCrBSi–WC và NiBSi–WC.
Kết quả cho thấy đối với lớp phủ NiCrBSi–WC, cấu trúc tế vi thu được bao gồm các dung dịch rắn NiCr, NiCrW và WC/W2C là các pha chính (Hình 1. Đối với lớp phủ NiBSi–WC, các pha Ni, NiW là dung dịch rắn và WC/W2C là pha chính (Hình 1. B có mặt trong lớp phủ 7 dưới dạng tạp chất.