Chế tạo và ứng dụng vật liệu đúc compozit nền đồng - hạt thép trong ngành cơ khí

Công nghệ tạo vật liệu compozit bằng phương pháp đúc đơn giản, giá thành hạ, chu kỳ sản xuất nhanh hơn công nghệ luyện kim bột. Đầu tư thiết bị công nghệ không có gì lớn vì có thể tận dụng các thiết bị nấu luyện, thiết bị nung gia nhiệt của các xưởng đúc, nhiệt luyện hiện có. Ngoài ra, nó cho phép tận dụng tối đa lượng hồi liệu, phế liệu từ các ngành công nghiệp khác.

TS Nguyễn Văn Tân, KS Vũ Văn Miêng , KS Nguyễn Tiến Tài, Viện Công nghệ, Bộ công nghiệp

    Vật liệu đúc compozit nền kim loại đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng trong những năm gần đây. Việc phát hiện và ứng dụng vật liệu compozit là bước ngoặt lớn trong công nghệ vật liệu. Nó cho phép tiết kiệm đáng kể số lượng các kim loại quý hiếm đang ngày càng cạn kiệt và đắt giá. Với sự liên kết hợp lý giữa các pha rắn của các nguyên tố cấu thành, vật liệu compozit có những tính chất cơ-lý tổng hợp đặc biệt cao mà những vật liệu khác không đạt được. Vì vậy, nó được sử dụng có hiệu quả trong các môi trường làm việc khắc nghiệt, chịu nhiệt độ cao, chịu mài mòn ma sát và khó bôi trơn.

   Trước đây, vật liệu compozit kim loại thường được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Ngày nay một số nước trên thế giới đã nghiên cứu thành công công nghệ tạo ra vật liệu com-pozit bằng phương pháp đúc. Sự ra đời của công nghệ đúc com-pozit cho phép tạo ra những chi tiết có kích thước lớn hơn mà công nghệ luyện kim bột khó làm được do nó phụ thuộc vào công suất của máy ép. Do đó công nghệ đúc compozit đã mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Các sản phẩm đã được chế tạo từ các loại vật liệu compozit chịu mài mòn ma sát, chịu nhiệt, có cơ lí tính tổng hợp cao, thay thế các vật liệu truyền thống đã mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật to lớn. Trong số đó có vật liệu compozit nền hợp kim nhôm - hạt graphít, hợp kim nhôm - hạt gốm hoặc hợp kim nhôm - sợi gốm. Thay thế có hiệu quả các loại bạc hợp kim gang và đồng trước đây là bạc compozit hợp kim đồng - hạt thép chịu tải trọng tốt hơn, chịu mài mòn ma sát cao hơn từ 3 đến 5 lần và có khả năng làm việc tốt trong điều kiện khó bôi trơn.

   Công nghệ tạo vật liệu com-pozit bằng phương pháp đúc đơn giản, giá thành hạ, chu kỳ sản xuất nhanh hơn công nghệ luyện kim bột. Đầu tư thiết bị công nghệ không lớn và có thể tận dụng các thiết bị nấu luyện, thiết bị nung - gia nhiệt của các xưởng đúc, nhiệt luyện hiện có. Ngoài ra, nó cho phép tận dụng tối đa lượng hồi liệu, phế liệu từ các ngành công nghiệp khác.

   Trong nhiều năm qua, tính ưu việt của vật liệu đúc compozit đã khích lệ mạnh mẽ quá trình nghiên cứu của nhiều tập thể các nhà khoa học, trong đó có Viện Vật lý - công nghệ các kim loại và hợp kim thuộc Viện hàn lâm khoa học Ucraina, Đại học Bách khoa Vlađimir (Nga), Viện Đúc Kracôp (Ba Lan), nhiều tổ chức và hãng sản xuất ở Mỹ, Nhật Bản, Đức ... Hiện có hơn 100 hãng của Mỹ, Nhật Bản, Đức và một số nước khác trên thế giới đã nghiên cứu và sử dụng vật liệu đúc compozit để chế tạo ra hàng loạt sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại.

   Kết quả nghiên cứu đã cho thấy quy luật hình thành vật liệu đúc compozit nhiều pha. Quy luật đó phụ thuộc vào các pha cơ bản và quy trình công nghệ đúc. Đã xác lập được quá trình hình thành cấu trúc, các hiện tượng hoá lí xuất hiện trên vùng biên với pha lỏng. Đồng thời cũng xác định được cơ chế chịu tải trọng cao, chịu mài mòn (abrasive) của vật liệu compozit, đã sử dụng các biện pháp công nghệ tăng cường các tính chất cơ-lý tổng hợp của vật liệu như gia công áp lực, bằng laser.

   Ở nước ta còn có ít cơ sở nghiên cứu, về công nghệ chế tạo các chi tiết, phụ tùng bằng công nghệ đúc compozit. Một số cơ sở đã nghiên cứu sản xuất compozit kim loại ở quy mô nhỏ bằng công nghệ luyện kim bột. Vấn đề đúc vật liệu này bắt đầu được một số cơ sở, đơn vị sản xuất quan tâm tìm hiểu. Viện Công nghệ đã nghiên cứu thành công đúc vật liệu compozit nền đồng - hạt thép, tạo ra các loại bạc trượt ứng dụng hiệu quả trong các thiết bị của nhà máy Nhiệt điện Ninh Bình, Công ty bánh kẹo Hải Hà, Công ty Apatit Lao cai v.v..

2. Cơ sở lý luận của công nghệ đúc vật liệu compozit

   Xét về mặt cấu trúc hình học và sự phân bố của các cấu tử vật liệu gốc hợp thành, vật liệu com-pozit được coi là hệ thống vật liệu có nền cơ bản không ổn định (biến đổi). Tuỳ theo yêu cầu của công nghệ chế tạo và tính năng của chi tiết, các thông số về cốt và nền của vật liệu compozit được thay đổi (kích thước, hình học, thành phần, phân bố...) và tùy mức độ sẽ quyết định tích chất của vật liệu. Do vậy khi định chế tạo vật liệu compozit đầu tiên phải xác định các cấu tử, sự hình thành pha cốt và thành phần cấu tử của compozit. Các tổ hợp phong phú của các cấu từ tuy đa dạng nhưng phải lựa chọn theo nguyên lý tổng hợp các cơ lý tính hình thành và các điều kiện kinh tế kỹ thuật cụ thể.

   Trong công nghiệp nền cơ bản của vật liệu compozit đúc thường được dùng là hợp kim đúc của nhôm, đồng và một số hợp kim, kim loại khác. Pha cốt của vật liệu compozit đúc nhôm thường là cácbon, các polime chứa cácbon, các loại gốm cácbít, nitrit, ôxít các loại như cácbit silic, nitrit silic, ôxít nhôm, ôxit ziêrconi... và nhiều chủng loại hợp kim, kim loại khác. Cấu tử cốt được đưa vào tổ hợp ở dạng bột (1÷20µm), dạng hạt và viên (20÷2000µm), hoặc các dạng sợi, dây dài hoặc ngắn. Tỉ lệ đưa vào tổ hợp của cấu tử cốt thường là (5÷20)% khối lượng vật liệu, có khi tới 50%. Điển hình nhất trong compozit nền đồng là các vật liệu tổ hợp dùng cho các loại bạc trượt chống ma sát. Ucraina đi đầu trong việc chế tạo compozit nền đồng và pha cốt là hạt thép các loại có kích thước (0,8÷1,2)mm.

   Các quá trình chính để hình thành vật đúc compozit khi kết hợp các pha ở trạng thái lỏng như sau: Khi rót, hợp kim nền sẽ thấm và bao bọc các hạt cùng lúc với sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha rắn. Tương tác hoá học và khuếch tán xảy ra trên biên giới của các pha. Đồng thời xảy ra sự hình thành dung dịch rắn, các hợp chất hoá học và các hợp chất đa nguyên. Sau đó diễn ra sự kết tinh của kim loại nền và quá trình làm nguội phôi. Sự tương tác giữa các nguyên tố khi hình thành vật đúc compozit tạo nên sự liên kết cơ học, sự bám dính, khuếch tán sự tiếp xúc tích cực của các hạt cốt và kim loại nền. Để có được vật liệu compozit với chất lượng đạt yêu cầu, cần phải tối ưu hoá các thông số ở tất cả các giai đoạn của quá trình công nghệ. Đó là: chọn vật liệu ban đầu, chuẩn bị mẻ liệu, rót kim loại lỏng, làm nguội phôi và các công việc kết thúc quá trình tạo phôi.

   Trong giai đoạn đầu cần chuẩn bị nguyên liệu hạt cho quá trình tiếp xúc với hợp kim nền: tạo được pha rắn có cỡ hạt và độ sạch cần thiết. Làm sạch và hoạt hoá bề mặt các cấu tử là nguyên công vô cùng quan trọng. Nó đảm bảo trong quá trình rót không bị lẫn các tạp chất có hại, có sự tiếp xúc toàn diện và liên kết bền chắc giữa các cấu tử của vật liệu đúc compozit. Làm sạch và hoạt hoá bề mặt các cấu tử có thể thực hiện bằng phương pháp hoá học, nhiệt, mài va đập. Ví dụ: làm sạch các hạt thép trong các máy nghiền trộn, tang quay lục lăng, máy nghiền rung, máy nghiền bi... Phương pháp làm sạch này bị hạn chế bởi độ bền, độ cứng, của các hạt lớn hơn so với bề mặt nghiền của thiết bị. Dễ dàng hơn là làm sạch trong lớp giả sôi hoặc luồng khí xung động, khi đó làm sạch cơ học xảy ra do sự va chạm giữa các hạt hoặc sự va đập vào các vật chuyên dùng. Để tăng cường sự tiếp xúc giữa các thành phần của vật liệu đúc compozit thường dùng lớp phủ bằng muối bari. Lớp phủ này bảo vệ các sợi và các hạt không bị tác động đột ngột với kim loại nóng chảy. Quá trình kim loại hoá các hạt thuỷ tinh và gốm có thể thực hiện bằng các phương pháp: nhiệt chân không, điện phân, ma sát va đập, phun bụi v.v...

   Sự tác động của các hạt rắn với kim loại lỏng có hoạt tính cao dẫn đến hàng loạt các yêu cầu đối với vật liệu để đúc compozit . Đó là, hợp kim nền cần có độ chảy loãng cao, nhiệt nóng chảy thấp, khoảng kết tinh ngắn, độ co ngót thấp nhất. Điều rất cần thiết là hợp kim nền cần dễ nóng chảy, thấm được trên bề mặt của hạt cốt và pha rắn nói chung. Vật liệu của các hạt cốt phải bền nhiệt ở nhiệt độ hình thành vật đúc com-pozit . Tỉ trọng của vật liệu nền và các hạt cốt không được chênh lệch nhiều, nhưng nhiệt độ nóng chảy của các hạt pha cốt phải cao hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu nền. Vật liệu đầu vào dùng để đúc vật liệu compozit cần được lựa chọn tốt, sao cho biên giới của các pha có cấu trúc đồng nhất và không ảnh hưởng tới chất lượng của vật đúc compozit. Độ hoà tan tương đối giữa các nguyên tố phải ở mức thấp nhất.

   Cơ chế chịu mài mòn của vật liệu đúc compozit hệ hợp kim nền đồng hạt thép như sau. Khi có lực tác dụng, ở thời kỳ đầu lực ma sát chủ yếu làm hình thành và nghiền nhỏ các hạt cacbit sắt. Chúng được các hợp kim đồng liên kết lại, khi đó hình thành một lớp vật liệu chịu ma sát ở gần lớp bề mặt. Lớp hạt cacbit sắt cực mỏng luôn ở trạng thái chuyển động và do đó được thấm dần bằng vật liệu cơ bản - là hợp kim đồng. Do ảnh hưởng của lực ma sát, bề mặt làm việc phát nhiệt và tăng dần nhiệt độ. Tác động của nhiệt độ tiếp xúc cao, trên bề mặt lớp màng phân cách xảy ra quá trình oxy hoá đồng và sắt, đưa các oxit ra khỏi vùng ma sát. Kết quả của quá trình trên tạo ra trên bề mặt ma sát của vật liệu compozit một lớp hạt cacbit sắt cực nhỏ mịn và bền chắc. Chúng được liên kết vững chắc với nhau và với vật liệu cơ bản là nền đồng, tạo ra một màng mỏng có cấu trúc phức tạp. Lớp ngoài cùng hình thành chủ yếu từ các oxit dày khoảng (70÷100)µm, lớp trong dày khoảng (900÷1000)µm gồm chủ yếu là hỗn hợp oxit đồng và cacbit sắt. Lớp này làm giảm lực ma sát, đảm bảo cho vật liệu compozit có độ chịu mài mòn cao mà không làm cho trục bị mài mòn. Đặc tính ưu việt này càng thể hiện rõ hơn khi làm việc ở nhiệt độ cao kể cả ở 800°C. Đã nghiên cứu vật liệu đúc compozit nền đồng - hạt thép làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau, ở chế độ biến động về momen ma sát, thay đổi nhiệt độ từ 0 đến 600°C, trong điều kiện có bôi trơn và ở điều kiện khô, khắc nghiệt, khó hoặc không thể bôi trơn. Các thí nghiệm cho thấy vật liệu trên làm việc khá tốt ở các điều kiện trên và ổn định ở khoảng nhiệt độ 200°C, thời gian sử dụng tăng từ 1,5 đến 5 lần. Vì vậy, nó rất phù hợp với các thiết bị của các ngành luyện kim, xi măng, khai thác mỏ...

3. Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu đúc compozit hệ hợp kim đồng - hạt thép tại Viện Công nghệ

   Được sự hỗ trợ của vốn ngân sách, Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp đã nghiên cứu công nghệ đúc vật liệu compozit nền đồng hạt thép. Vật liệu đúc compozit hệ hợp kim đồng - hạt thép có thể sử dụng để chế tạo nhiều loại chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn ma sát. Sản phẩm đặc trưng để chọn nghiên cứu là các loại bạc trượt, ống lót, các loại tấm chịu mài mòn... Phạm vi sử dụng bạc compozit hiện nay của các hãng là:

- Đường kính bên trong của bạc: ≥ 10mm

- Đường kính bên ngoài của bạc: ≤ 1.000mm

- Chiều cao của bạc:≤ 300mm

- Thành dày của bạc: (5 ÷100)mm

- Nhiệt độ làm việc: ≤ 800°C

- Tải trọng: ≤ 50 MPa

- Tốc độ ma sát: 20 m/s

- Độ chịu mài mòn:

+ Trong điều kiện không có bôi trơn: 30mg/cm²

+ Trong điều kiện có bôi trơn: 10mg/cm²

   Vật liệu đúc hệ hợp kim đồng - hạt thép có nền cơ bản là đồng hợp kim mác БpOцC 5-5-5 và БpOцC 6-6-3 và pha cứng là hạt thép CT45 và щX15. Các nguyên tố trong cấu trúc được đưa vào để thực hiện những chức năng khác nhau. Hạt thép (pha cốt) có độ bền cao đảm bảo cho vật liệu có khả năng chịu tải, chịu mài mòn lớn, hợp kim đồng (pha nềm) có tác dụng làm hình thành các lớp màng mỏng bảo vệ bề mặt tiếp xúc, giảm ma sát khi vật liệu làm việc.

   Vật liệu đúc compozit hệ hợp kim đồng - hạt thép phải là một cấu trúc đồng nhất, ở đó các hạt thép được phân bố đều trong lòng hợp kim nền đồng của vật đúc. Khi làm việc, lực tác dụng chủ yếu lên các pha cốt, các hợp kim nền có tác dụng phân tán, giải phóng lực. Trong quá trình nghiên cứu đã kết hợp nhiều phương pháp nhằm tận dụng nguyên vật liệu, phế liệu trong nước. Về công nghệ, sau khi thử nghiệm nhiều lần với các giải pháp khác nhau đã chọn công nghệ đúc thẩm thấu là phương pháp phù hợp nhất với điều kiện thiết bị và nguyên vật liệu của Việt nam. Những vật liệu sử dụng chế tạo bạc trượt bằng vật liệu đúc compozit được là: hạt thép щX15 hoặc У8, chế tạo trong nước, đồng thanh БpOцC 5-5-5 hoặc 6-6-3 (có thể dùng phế liệu của chúng), cồn công nghiệp, muối Bo (Na₂B₄O₇), KCl và NaCl, axit Boric. Khuôn đúc có thể làm từ điện cực grafit hoặc khuôn kim loại. Trợ dung bằng muối Na₂B₄O₇, axit Boric, KCl và NaCl, phải nghiền nhỏ tới cỡ hạt 0,5 mm. Hạt thép được làm sạch bằng cồn và muối Na₂B₄O₇.

   Nấu phôi đồng hợp kim theo mác qui định bằng lò cảm ứng trung tần. Làm sạch và cắt phôi theo kích thước và trọng lượng đã tính toán phù hợp với chi tiết cần đúc. Tiến hành đúc thẩm thấu trong lò phản xạ có thể điều chỉnh được nhiệt độ ở giới hạn tối đa là 1300°C, đảm bảo được nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ buồng làm việc của lò, đặc biệt theo chiều cao của buồng lò. Hiện tại đang sử dụng lò đốt bằng gaz tự động điều chỉnh theo quy trình đã xác định.

4. Sơ đồ công nghệ chế tạo chi tiết bằng phương pháp đúc thẩm thấu

   Sau khi thử nghiệm đã tìm được các thông số công nghệ như công nghệ làm sạch hạt, cỡ hạt, chế độ nhiệt, kích thước đậu ngót... phù hợp với kích thước, trọng lượng của chi tiết cần chế tạo. Hiện nay đã hoàn toàn làm chủ được quá trình công nghệ (xem hình 2).

   Các sản phẩm đã được thương mại hoá và sử dụng rất có hiệu quả. Tại nhà máy nhiệt điện Ninh Bình đã lắp cho hệ vít tải của băng chuyền tải than chạy được hơn 2 năm, thời gian sử dụng gấp hơn 10 lần vật liệu trước đây. Tại Công ty bánh kẹo Hải Hà, lắp trên dây chuyền nung bánh kem xốp, thời gian sử dụng gấp hơn 6 lần bạc đồng của Xingapo nhập theo thiết bị trọn bộ. Tại Công ty Apatit Lao cai, lắp cho trục trung tâm của máy xúc E2503, dung tích gầu 4m³ đã chạy được hơn 1 năm, vẫn đang sử dụng và được đánh giá có chất lượng rất cao. Các đơn vị trên đang tiếp tục mua và sử dụng các sản phẩm tương tự bằng vật liệu compozit. Do phụ tùng không mòn, nên rất ít phải căn chỉnh chế độ chạy của dây chuyền thiết bị, nhất là các dây chuyền tự động, băng chuyền gồm nhiều đoạn cần đồng tâm, không phải ngừng sửa chữa, tiết kiệm chi phí và thời gian ngừng sửa chữa, năng suất thiết bị tăng lên. Đó cũng là lý do tại sao người sử dụng vẫn mua các sản phẩm bằng vật liệu compozit với giá cao hơn vật liệu đồng hợp kim bình thường.

Một số sản phẩm bạc com- pozit xem trên hình 1.

Hình 1: Sản phẩm bạc compozit

Hình 2: Quy trình công nghệ chế tạo compozit