Nghiên cứu công nghệ chế tạo bạc hai lớp trên cơ sở hợp kim đồng BCuSn6Zn6Pb3 nền thép 08s

Nội dung bài báo đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết, áp lực cán đến độ xốp và khả năng bám dính giữa hai lớp, từ đó đưa ra được quy trình công nghệ hợp lý tạo ra băng bimetal đạt yêu cầu chất lượng với tỉ lệ phế phẩm thấp nhất.

Preparation of bimetallic bearing of system BCuSn6Zn6Pb3-08s steel

Nguyễn Minh Đạt¹, Hoàng Ánh Quang² 1. Viện khoa học và công nghệ Mỏ-Luyện kim, 2. Trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên

(Nhận bài ngày 17/11/2011, duyệt đăng ngày 15/01/1012)

Tóm Tắt     Độ xốp, độ bền liên kết là hai thông số chủ yếu đánh giá độ bền vật liệu bimetal. Bài báo đề cập ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian thiêu kết và áp lực cán tới hai thông số trên. Đồng thời đã thử nghiệm độ bền mòn của chi tiết bạc nhíp Φ32xΦ38xL88 chế tạo từ băng bimetal dạng này. Nhờ vậy đã hoàn thiện công nghệ chế tạo bạc lót hai lớp sản xuất trong nước theo công nghệ luyện kim bột. Từ khóa: [symple_highlight color="green"]Bạc hai lớp[/symple_highlight], [symple_highlight color="green"]hợp kim đồng[/symple_highlight], [symple_highlight color="green"]nền thép[/symple_highlight] Abstract     The interfacial porosity and coherent endurance are two important parameters of the bimetal. So the its influence of temperature, heating time and roling pressure are researched. The abrasion of bimetallic spring f32xf38xL88 is estimated. The achieved results are applied to improve domestic bimetallic products with powder technology. Key words: [symple_highlight color="green"]Bimetal[/symple_highlight], [symple_highlight color="green"]bearing[/symple_highlight], [symple_highlight color="green"]spring, [symple_highlight color="green"]steel[/symple_highlight] 1. Đặt Vấn Đề     Đa số bạc trượt của các máy móc động lực, động cơ ô tô, thiết bị công nghiệp hiện nay đều được chế tạo từ vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) thay cho các hợp kim đơn lớp, do chúng tích hợp được những tính năng kỹ thuật vừa chịu mài mòn cao vừa chịu tải trọng lớn mà kích thước hình học lại giảm thiểu rất đáng kể, điều đó làm cho thiết bị và máy móc ngày càng nhỏ gọn, giảm chi phí sản xuất và tiêu hao nguyên vật liệu quý hiếm.     Về phía các nhà sản xuất hiện có Công ty Cổ phần Cơ khí ô tô Ngô Gia Tự là một trong những doanh nghiệp đi đầu triển khai công nghệ cán dính tạo băng bimetal và bạc trượt ô tô ngay từ những năm 1985. Gần đây, Công ty đã nhập một dây chuyền thiết bị từ Trung Quốc nhằm sản xuất băng bimetal theo công nghệ luyện kim bột, các thiết bị chính đã đưa vào hoạt động. Trong quá trình sản xuất còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết triệt để, ví dụ như: xử lý bề mặt thép trước khi rải bột, chế độ thiêu kết hay chế độ biến dạng dẻo băng, đặc biệt là khi chuyển sang sử dụng các hợp kim ổ trượt khác mà không phải do Trung Quốc chuyển giao.     Khó khăn lớn nhất hiện nay khi sản xuất bạc lót chính là ở công đoạn chế tạo băng bimetal, trong đó có hai thông số là độ xốp và khả năng bám dính giữa hai lớp gần như chưa khống chế được. Nội dung bài báo đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết, áp lực cán đến độ xốp và khả năng bám dính giữa hai lớp, từ đó đưa ra được quy trình công nghệ hợp lý tạo ra băng bimetal đạt yêu cầu chất lượng với tỉ lệ phế phẩm thấp nhất. 2. Thực Nghiệm a. Bột BCuSn6Zn6Pb3 - Bột nguyên liệu có thành phần hóa học như sau:

Sn, %	Zn, %	Pb, %	Tạp chất, %	Cu, %
5-7	5-7	2-3	<0,5	Còn lại

- Kích thước hạt: ≤100 μm, - Khối lượng riêng của bột: 2,9 g/cm³, - Khối lượng riêng của hợp kim: 8,74 g/cm³. b. Thép tấm 08s - Kích thước: 400x120x2,5mm - Thành phần hóa học:

C, %	Mn, %	Si, %	P, %	S, %
0,05-0,11	0,25-0,50	<0,25	<0,04	<0,035

c. Thiết bị thí nghiệm     Thiết bị công nghệ sử dụng là các lò thiêu kết và máy cán:

1. Lò thiêu kết thí nghiệm, 2. Lò thiêu kết bán tự động, 3. Máy cán

Hình 1. Sơ đồ xác định độ bền liên kết

d. Phương pháp xác định độ xốp     Cân mẫu trong không khí xác định được trọng lượng G₁ (g)     Cân mẫu trong nước xác định được trọng lượng G₂ (g)     Thể tích của mẫu:

    Tỷ trọng của mẫu:

    Độ xốp của mẫu:

    Tấm thép sau khi nắn phẳng được phun cát để làm sạch bề mặt và tăng độ nhám bề mặt. Theo sơ đồ, phần diện tích liên kết giữa hai lớp được xác định là 24π, do đó công thức xác định độ bền liên kết là:

    Trong đó:     γ: Tỷ trọng thực của mẫu được xác định thông qua công thức (2)     γ₀: Tỷ trọng của mẫu với độ xốp bằng 0. e. Phương pháp xác định độ bền liên kết     Sơ đồ xác định độ bền liên kết được trình bày như hình 1, thông qua chày ép tác dụng áp lực lên lớp hợp kim đồng, áp lực P tăng dần cho tới khi lớp hợp kim đồng và lớp thép tách rời khỏi nhau, áp lực lớn nhất (Pmax) được sử dụng để xác định độ bền liên kết giữa hai lớp BCuSn6Zn6Pb3-08s.

Hình 2. Phụ thuộc áp lực cán của độ xốp (trái) và độ bền liên kết (phải) của băng bimetal

TT	Nhiệt độ (oC)	Thời gian (phút)	áp lực can (MPa)	Độ xốp (%)	Độ bền liên kết (MPa)
1	900	75	70	13,6	82,1
2	900	90	70	11,6	90,5

Bảng 1. Chế độ công nghệ cho chi tiết bạc B6: Φ32xΦ38xL88

TT	Nhiệt độ (oC)	Thời gian (phút)	áp lực can (MPa)	Độ xốp (%)	Độ bền liên kết (MPa)
1	850	75	60	22,5	46,2
2	850	60	70	23,4	46,3

Bảng 2. Chế độ công nghệ cho chi tiết bạc B13: Φ20xΦ25x20

3. Kết Quả Và Thảo Luận 3.1. Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ chế tạo băng bimetal     Khoảng khảo sát các thông số công nghệ như sau:     Nhiệt độ thiêu kết:   800 - 900 ^oC,     Thời gian thiêu kết:  60 - 90 phút,     Áp lực cán:             40 - 80 MPa.     Các kết quả nghiên cứu được tổng hợp trên các đồ thị ở hình 2.     Đối với vật liệu xốp tự bôi trơn, độ xốp thường trong khoảng 12÷25%, tùy vào từng trường hợp cụ thể mà lựa chọn độ xốp cho phù hợp, khi chịu tải lớn với tốc độ chậm thì cần chọn độ xốp nhỏ để nâng cao độ bền và khả năng chịu tải của chi tiết, khi chịu tải nhỏ với tốc độ lớn thì phải chọn độ xốp lớn để đảm bảo khả năng tự bôi trơn. ở tất cả nhiệt độ và thời gian thiêu kết, áp lực cán quá lớn (80 MPa) sẽ dẫn tới làm dạn lớp hợp kim đồng làm cho độ bền liên kết giảm xuống, khi thiêu kết ở (850÷900) ^oC, nếu áp lực cán > (65÷70) MPa thì độ bền liên kết bắt đầu giảm, vì vậy trong các quy trình công nghệ không nên sử dụng áp lực cán >70 MPa. Với áp lực cán <(45÷50) MPa thì độ bền liên kết chưa đạt được giá trị cao nhất, vì vậy phải sử dụng áp lực cán > 50 MPa.

Bảng 3. Kết quả kiểm tra độ xốp sản phẩm băng bimetal làm bạc nhíp a) Băng trước khi biến dạng

TTT	1	2	3	4	5
Quy cách sản phẩm	450 x 120 x 3,67
Độ xốp, %	24,4	26,3	22,3	25,8	25,5
Độ cứng, HB	44	41	43	44	43
Độ xốp TB, %	24,9
Độ cứng TB, HB	43

b) Băng sau biến dạng

TTT	1	2	3	4	5
Quy cách sản phẩm	550 x 120 x 3,15
Độ xốp, %	12,9	13,7	12,5	14,1	13,9
Độ cứng, HB	62	57	62	63	63
Độ xốp TB, %	13,4
Độ cứng TB, HB	61,4

    Như vậy, áp lực cán nên dùng nằm trong khoảng (50÷70) MPa. Với phân tích ở trên, đã đề xuất chế độ công nghệ cho chi tiết bạc nhíp (B6:Φ32xΦ38xL88, B4: Φ25xΦ31xL68) và bạc trục bánh răng trung gian (B13: (Φ20xΦ25x20). Với bạc B6, chịu tải lớn, tốc độ chậm, chọn độ xốp nhỏ (12÷5%), các thông số công nghệ nên chọn theo bảng 1. Với bạc B13, tốc độ lớn, cần bôi trơn tốt, do đó chọn độ xốp cao (20÷23%), các thông số công nghệ nên chọn theo bảng 2.     Trong bảng 3 nêu kết quả kiểm tra băng bimet- al làm bạc nhíp trước và sau biến dạng.

Bảng 4. Kết quả khảo sát độ bền mòn lớp hợp kim BCuSn6Zn6Pb3 bạc trượt B6, P = 400 kG

Bảng 5. Kết quả khảo sát độ bền mòn lớp hợp kim BCuSn6Zn6Pb3 bạc trượt B6, P = 800 kG

Bảng 6. Kết quả khảo sát độ bền mòn lớp hợp kim BCuSn6Zn6Pb3 bạc trượt B6, P = 1200 kG

3.2. Giám định chạy thử nghiệm bạc nhíp (D32xd38xL88)     Độ mòn là hàm số phụ thuộc vào các thông số thí nghiệm: tải trọng P, tốc độ trượt V, thời gian trượt t và độ nhớt của dầu bôi trơn. Trong các nghiên cứu mòn, đã chọn dầu bôi trơn là Castrol 2T, tốc độ trượt V = 0,837 m/s (tốc độ 500 vòng/ phút), thời gian chạy thử 200 h, tải trọng 400, 800, 1200 kG.     Kết quả khảo sát độ mòn U lớp hợp kim đồng của bạc B6, làm việc ở chế độ thử nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm tại Viện nghiên cứu Cơ khí như trình bày ở bảng 4, 5, 6. Nhận xét: Khi tăng tải trọng, độ mòn của lớp hợp kim tăng nhanh, với tải trọng P = 400 kG, độ mòn trung bình là 23 μm, khi tải trọng tăng lên 800 kG độ mòn tăng lên 29 μm, tải trọng P = 1200 kG độ mòn tăng mạnh đến giá trị 53 μm. 3.3. Tổ chức tế vi     Vật liệu bimetal thép 08s - hợp kim đồng BCuSn6Zn6Pb3 nhận được ở các chế độ rải bột và thiêu kết ở mức thấp (ví dụ như mẫu số 01 và 03) đã chứa trên biên giới 2 lớp một lượng lớn các “lỗ xốp đường biên” với chiều dài lên đến (100÷250) μm (hình 3 a, b), điều đó làm cho độ bền bám dính 2 lớp chỉ đạt ở mức thấp (σ_b.d. < 40 MPa), không khuyến dùng làm bạc trượt.     Khi tăng áp lực ép bột trên băng thép (mẫu số 04) và tăng đồng thời nhiệt độ thiêu kết (mẫu số 06) lên mức trung bình, số lượng và kích thước hình học của các “lỗ xốp đường biên” giảm rõ rệt, lỗ xốp đặc trưng phát hiện thấy ở vùng lân cận biên giới 2 lớp bimetal có kích thước lớn nhất chỉ trong khoảng từ 50 μm (hình 3c) đến cỡ ≤ 100 μm (hình 3d).

Hình 3. Tổ chức tế vi trên mẫu vật liệu bimetal thép 08s – hợp kim đồng BCuSn6Zn6Pb3 sau thiêu kết và cán

    Khi tăng áp lực ép bột trên băng thép (P) và nhiệt độ thiêu kết (T_t.k.) lên mức cao nhất (mẫu số 04) hoặc tăng đồng thời P với T_t.k. lên mức trung bình và cao nhất (mẫu số 06), thì hầu như không quan sát thấy có các “lỗ xốp đường biên”, điều đó làm tăng độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal lên một cách rõ rệt (hình 3d). 4. Kết Luận     - Đã hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất băng bimetal cho tỉ lệ phế phẩm 1%.     - Đã xác định các thông số công nghệ cụ thể chế tạo loại bạc B6 và B13. Sản phẩm băng bimetal thu được đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra: độ xốp 13,4 %, độ cứng 61,4HB.     - Chế tạo được bạc nhíp và bạc trục bánh răng trung gian từ băng bimetal theo công nghệ đã nêu.     - Giám định chạy thử nghiệm bạc nhíp ô tô D32xd38xL88, đạt được các thông số về độ bền mòn cũng như khuyến cáo phạm vi sử dụng [symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"] Tài Liệu Trích Dẫn

1. Đặng Thị Hồng Huế, Nghiên cứu công nghệ luyện kim bột tạo băng bimetal thép + hợp kim đồng, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2002
2. Hà Minh Hùng, Một số công nghệ tiên tiến tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp làm bạc trượt đã được nghiên cứu áp dụng thử ở Việt Nam, Tạp chí Công nghiệp Việt Nam, số 13/ 1999, trang 31-34
3. Hà Minh Hùng, Nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện kim bột tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp làm bạc trượt ở Việt Nam, Tạp chí Công nghiệp Việt Nam, số 18/1999, trang 25-28
4. Trần Văn Dũng, Biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit hạt, NXB Bách khoa, Hà Nội, 2009 5. Randall M.German, Powder Metallurgy science, The Pennsylvania State University, 1994

[/symple_box][symple_clear_floats]