Luận án nghiên cứu ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc tính chất lớp phủ kép nhôm Ni-20Cr trên nền thép C45 và CT3

1 MỞ ĐẦU Theo một số tài liệu thống kê trên thế giới thì mỗi năm có từ 10 – 15% khối lượng kim loại bị phá hủy do ăn mòn trong các điều kiện khác nhau [1]. Trong các ngành công nghiệp nặng, các chi tiết máy thường phải làm việc trong các điều kiện hết sức khắc nghiệt (độ ẩm cao, nhiệt độ cao, môi trường bụi, hóa chất…) dẫn đến các hiện tượng mài mòn, ăn mòn và cuối cùng là phá hủy [2, 3]. Mỗi khi các chi tiết bị mài mòn hoặc ăn mòn thì chi phí để thay thế là rất lớn, ngoài chi phí về vật liệu vốn đã rất cao thì còn kèm theo chi phí cho công tháo, lắp, sửa chữa và các thiệt hại khác do dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động. Những năm gần đây, song song với việc phát triển khoa học công nghệ và các ngành kỹ thuật công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy luôn được quan tâm.

Đặc biệt đối với các chi tiết máy làm việc trong môi trường khắc nghiệt như chịu ăn mòn, mài mòn thì tính chất vật liệu bề mặt chi tiết máy đó được đặt lên hàng đầu. Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý bề mặt được ứng dụng nhằm đáp ứng các yêu cầu của chi tiết trong các điều kiện làm việc khác nhau. Công nghệ phun phủ và xử lý nhiệt là một trong những phương pháp có thể đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết trong điều kiện nói trên [4, 5]. Trong các công nghệ xử lý bề mặt được sử dụng, công nghệ phun phủ nhiệt ngày càng được phát triển mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện được những tính ưu việt so với các phương pháp xử lý bề mặt khác cả về kỹ thuật và kinh tế [5, 6].

Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hóa chất. Lớp phủ Al thường được biết đến là lớp phủ chống ăn mòn khí quyển tốt, khả năng chịu nhiệt khá tốt, ngoài ra, khi được xử lý nhiệt lớp phủ Al trên thép, Al còn có khả năng khuếch tán vào nền thép tạo thành các pha liên kim giữa Al và Fe như: Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, Fe3Al, FeAl. Các pha liên kim này có độ cứng cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt tốt [7 – 13]. Ngoài khả năng khuếch tán vào thép, nếu có mặt các nguyên tố Ni và Cr đủ lớn Al còn có thể tương tác với các nguyên tố Ni và Cr tạo thành các liên kim giữa Al – Ni như: AlNi3, Al3Ni5, AlNi, Al3Ni2, Al3Ni; giữa Al – Cr như: AlCr2, Al8Cr5, Al9Cr4, Al11Cr2, Al7Cr là các pha có độ cứng khá cao.

2 Ni và Cr là các nguyên tố thường dùng để hợp kim hóa trong thép tạo thành thép hợp kim, với hàm lượng cao cùng với Fe và C tạo ra các loại thép không gỉ, các hợp kim bền nóng. Ni kết hợp với Cr theo tỷ lệ gần 80% Ni và gần 20% Cr tạo thành hợp kim Ni-20Cr, hợp kim này thường được dùng làm dây sợi đốt cho các loại lò buồng, nhiệt độ làm việc lên đến 900 – 1100oC [14, 15, 16]. Ngoài khả năng chịu nhiệt, hợp kim Ni-20Cr còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dầu khí, khai thác khoáng sản, hóa chất dưới dạng lớp phun phủ nhiệt [17]. Để đáp ứng được các yêu cầu vừa chịu mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt cần tìm giải pháp phối hợp các lớp phủ với nhau.

Việc đưa lớp phủ nhôm vào bên trong (tiếp giáp với nền thép) và lớp phủ Ni-20Cr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán giữa các lớp phủ và lớp phủ với nền có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số các tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn là một hướng có triển vọng, tuy nhiên các nghiên cứu này lại chưa nhiều. Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo ra một hệ lớp phủ mới có khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như vừa chống được mài mòn, ăn mòn và chịu nhiệt, tác giả đã lựa chọn hệ lớp phủ kép Al kết hợp với lớp phủ Ni-20Cr, lớp phủ Al ở giữa tiếp giáp nền thép, lớp phủ Ni-20Cr ở trên, kết hợp xử lý ủ nhiệt. Thép C45 và CT3 là nhóm vật liệu thông dụng trong công nghiệp, ưu điểm là rẻ tiền, tính hàn tốt, dễ gia công cắt gọt, thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy, kết cấu không đòi hỏi các tính chất đặc biệt. Thép C45 thường được dùng để chế tạo các chi tiết dưới dạng trục, thép CT3 thường được dùng dưới dạng tấm, thanh, để chế tạo các kết cấu, cánh quạt, cánh khuấy, vỏ, thân lò.

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20Cr trên nền thép” chọn thép C45 và CT3 làm vật liệu nền nhằm khai thác những ưu điểm của nhóm vật liệu này, đồng thời nhờ lớp phủ để nâng cao khả năng làm việc của chúng trong một số môi trường đặc biệt như chống ăn mòn, mài mòn, ví dụ: cánh quạt trong lò đốt rác thải, cánh tuabin, cánh bơm… 3 Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới Phun phủ nhiệt là một trong những phương pháp công nghệ của khoa học và công nghệ bề mặt nói chung và công nghệ xử lý bề mặt nói riêng. Nói về công nghệ bề mặt là chúng ta nói đến một công nghệ truyền thống cổ điển đã tồn tại hàng trăm năm lịch sử của nền văn minh nhân loại; đặc biệt đến đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm phong phú và trở thành một lĩnh vực đặc thù đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của xã hội loài người. Phun phủ nhiệt là lĩnh vực khoa học và công nghệ còn rất trẻ so với các phương pháp bề mặt cổ điển khác như: sơn, mạ.Năm 1910, ý tưởng phun phủ nhiệt được một kỹ sư cơ khí người Thụy Sĩ là M.

Shoop đưa ra nhưng cho đến năm 1923, phương pháp công nghệ này mới được đưa vào sản xuất, ban đầu chỉ dùng cho mục đích trang trí. Đến chiến tranh Thế Giới thứ 2, phun phủ nhiệt mới được ứng dụng trong quy mô công nghiệp ở hầu hết các nước Châu Âu. Phương pháp công nghệ này đã trở thành một công nghệ vạn năng, có nhiều ưu việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, với ưu điểm là tiết kiệm kim loại quý, tạo các lớp bề mặt có tính chất đặc biệt. Đến những năm 70, 80 của thế kỷ 20, phun phủ nhiệt đã trở thành một lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng biệt, biểu hiện giống như một khoa học và công nghệ bề mặt (Công nghệ xử lý bề mặt); mặt khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất.

Đến những năm 90 của thế kỷ 20, khoa học và công nghệ phun phủ đã có tốc độ phát triển và ứng dụng rất mạnh mẽ trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí (cơ khí chế tạo máy, cơ khí hàng không, cơ khí giao thông vận tải, cơ khí hóa chất. Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ phun phủ nhiệt, có thể dựa trên cơ sở sự phát triển thiết bị, các phương pháp công nghệ, phạm vi ứng dụng, hiệu quả kinh tế trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống xã hội. Hiện nay trên thế giới, nhiều nước tiên tiến, các nước có truyền thống về công nghiệp phun phủ nhiệt đều có các hãng chuyên nghiên cứu, thiết kế thiết bị, vật liệu và ứng dụng công nghệ này như: Hãng Plasma Technique, Castolin (Thụy Sĩ); 4 Plasmaday, Dressef, Avko (Mỹ); OSU Hessler; UTP (CHLB Đức), Nobel-Brocl (Pháp); Dnipro (Nga); Arcosse (Bỉ); Volvo Flemotor (Thụy Điển). Các hãng này đã thiết kế, chế tạo hàng loạt các thiết bị phun phủ nhiệt với các loại nguồn nhiệt hồ quang, khí cháy, cao tần, plasma.

dùng với vật liệu phun dạng dây, dạng bột như: EM9; ME14; EMC-1; MTΠ-1; YΠY-3; DNIPRO-3M. Phun phủ nhiệt đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước như: Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga, Nhật. Ở các nước tiên tiến đã có những dây chuyền phun phủ công suất cao khoảng 1 tấn vật liệu phun trong một ngày. Song song với phát triển ứng dụng, họ còn tiếp tục nghiên cứu cơ sở lý thuyết để hoàn chỉnh dần.

Các nước này đã có các viện nghiên cứu, thành lập các hiệp hội và cả tạp chí riêng; họ xây dựng tiêu chuẩn quốc gia, tiêu chuẩn quốc tế về phun phủ nhiệt; hàng năm đều có các công bố phát minh sáng chế khoa học về công nghệ này [6, 17, 18]. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam Công nghệ phun phủ nhiệt đã du nhập vào nước ta cách đây khoảng 50 năm. Thời gian đầu, công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn, sử dụng vật liệu phủ là các loại thép. Cho đến những năm 1990, xuất phát từ nhu cầu thực tế, một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất bắt đầu tập trung phát triển và ứng dụng công nghệ này với mục đích tạo các lớp phủ có khả năng chịu ăn mòn tốt khi phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt.

Năm 1975, Viện Kỹ thuật giao thông vận tải thuộc Bộ giao thông vận tải cho một nhóm cán bộ kỹ sư sang Liên Xô (cũ) thực tập về công nghệ phục hồi và bảo vệ kết cấu máy bằng công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ. Sau đó bộ giao thông đã xây dựng được đề tài cấp nhà nước giai đoạn 1970 – 1979 với đề tài “Phục hồi các chi tiết máy trong ngành giao thông vận tải bằng Công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ”. Đề tài do Viện Kỹ thuật giao thông vận tải chủ trì và được Ủy ban Khoa học Nhà nước trước đây (bây giờ là Bộ Khoa học và Công nghệ) cấp kinh phí nghiên cứu. Do có sự phát triển cả về phương diện nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu ứng dụng cũng như sự phát triển rộng hơn trên nhiều nhà máy, nên công nghệ phun phủ ở 5 Việt Nam phát triển với tốc độ càng cao.