Nghiên cứu ứng dụng hợp kim cơ sở chì hệ Pb-Na-Ca thay thế E-2 làm lót trụ cho đầu máy xe lửa

Trong bài báo nay trình bày kết quả ban đầu về việc ứng dụng hợp kim cơ sở chì hệ Pb-Ca-Na thay thế hợp kim giàu thiếc làm bạc lót cho đầu máy xe lửa.

Replace of E-2 alloy by Pb-Na-Ca alloy in manufactruring bearing bush for railway engine

Đặng Văn Hảo Bộ môn Vật liệu kim loại màu và compompozit Trường Đại học bách khoa Hà Nội

Tóm tắt

   Bài báo đề cập đến công nghệ chế tạo hợp kim cơ sở chì hệ Pb-Ca-Na thay thế hợp kim E-2 làm lót trục cho đầu máy xe lửa. Kết quả thí nghiêm cho thấy, hợp kim có thành phần (0,7-0,9) % Na; 1,0 % Ca; còn lại là chì có độ cứng khoảng (30-32) HB, giới bền kéo (96-97) Mpa, độ dai va đập 11,8.106 J/m², độ dãn dài tương đối cỡ (8- 8,5)%, tổ chức tế vi bao gồm các tinh thể cứng Pb₃Ca, Na₂Pb₅ phân bố trên nền mềm. Hợp kim này có thể so sánh với mác B83 (AE-2) và hoàn toàn có thể dùng làm lót trục cho đầu máy hơi nước và toa xe lửa.

Abstract

   This reseach focuses on led alloy Pb-Ca-Na replacing E-2 alloy, used in manufacturing bearing bush for rail- way engine. Experimental results showed that mechanical properties of alloy Pb- (0,7-0,9) % Na-1,0 % Caare as follous: hardness = (30-32) HB, tensile strength (δ) =(96-97) Mpa, toughness (a_k) = 11,8.106 J/m², elongation (δ) = (8-8,5)%. Microstructure of the alloy consits of hard Pb₃Ca and Na₂Pb₅ particles embetted in soft matrix (pb). This alloy is similar to the alloy B83 (E-2) and completely can be used for bearing bush of railway engine.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

   Trong lĩnh vực phát triển vật liệu, xu hướng chung hiện nay là nghiên cứu thay thế những vật liệu khan hiếm và đắt tiền bằng những vật liệu dễ kiếm, trên cơ sở bảo đảm các tính năng kỹ thuật cần thiết [1].

   Trong ngành chế tạo ổ trượt, vấn đề tiết kiệm kim loại màu được đặt ra cấp bách, vì trong các vật liệu lót trục hiện đang dùng như E-2 (80% Sn, 12% Sb, 8% Cu); B83 (81-83% Sn, 12% Sb, 6% Cu) chứa một lượng thiếc rất lớn.

   Thiếc là một kim loại chiến lược đắt tiền và khan hiếm, nên ở các nước đều có quy chế nghiêm ngặt về việc sử dụng thiếc và tận dụng nguồn thiếc thứ sinh.

   Ở nước ta, hiện nay các cơ sở sản xuất thuộc Bộ Giao thông vận tải như nhà máy Xe lửa Gia lâm, Công ty Xe lửa Hà nội... sản xuất và sử dụng khá nhiều E-2 và B83 để chế tạo bạc lót trục đầu máy xe lửa. Để tiết kiệm thiếc, ngoài việc thực hiện nghiêm chỉnh công nghệ đúc bạc cần giải quyết vấn đề này triệt để hơn là thay thế hẳn các hợp kim giàu thiếc đang dùng bằng các hợp kim không chứa thiếc nhưng có tính năng kỹ thuật tương đương.

   Trong bài báo nay trình bày kết quả ban đầu về việc ứng dụng hợp kim cơ sở chì hệ Pb-Ca-Na thay thế hợp kim giàu thiếc làm bạc lót cho đầu máy xe lửa. Đây là vấn đề có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn, vì hiện tại mỗi tấn thiếc có giá trên 320.000.000 đ [2] có giá trị xuất khẩu cao.

2. THỰC NGHIỆM

   Để chế tạo hợp kim cơ sở chì có chứa canxi và natri có thể dùng một trong số phương pháp sau [3]:

- Nấu luyện trực tiếp kim loại Pb, Na, Ca - Phản ứng: Pb + CaC₂ → Pb₃Ca + 2C - Điện phân trong dung dịch muối nóng chảy với catốt là chì lỏng

   Hiện nay ta chưa sử dụng phương pháp đầu vì không có sẵn canxi và natri, bản thân các kim loại này cũng rất đắt. Phương pháp thứ hai cũng không hiệu quả nên ít sử dụng. Phương pháp nối [[3]] được coi là thuận tiên hơn cả, nên được chọn là đối tượng nghiên cứu. Sơ đồ thiết bị điện phân hợp kim trung gian Pb-Ca-Na trình bày trên hình 1.

   Đá chế tạo hai hệ hợp kim với thành phần sau:

- Hệ hai nguyên: Pb-(0,4-2,0)% Na - Hệ ba nguyên: Pb-0,8%Na-(0,4-2,0)%Ca.

   Hợp kim được quan sát tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học và kiểm tra cơ tính bằng đo độ cứng, thử kéo và va đập.

Hình 1. Thiết bị điện phân hợp kim trung gian Pb-Ca-Na 1- vỏ lò, 2- tường lò, 3- dây điện trở, 4- nồi lò, 5-nồi chứa chất điện phân, 6- can nhiệt, 7- thanh dẫn xuống cực âm, 8- nắp lò, 9- cực dương

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng natri tới cơ tính của hợp kim 2 nguyên tố Pb-Na

   Trong các mẫu nghiên cứu hàm lượng Na thay đổi từ 0,4 đến 2,0 %. Các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của natri đến cơ tính của hợp kim Pb-Na trình bày trên bảng 1, hình 2. Từ đó thấy rằng, khi hàm lượng Na tăng thì độ cứng của hợp kim Pb-Na tăng. Tuy nhiên, độ cứng hợp kim chỉ tăng nhanh trong khoảng 0,4-2% Na. Khi hàm lượng Na lớn hơn 2% hiệu quả tăng độ cứng giảm dần. Từ giản đồ trạng thái Pb-Na thấy rằng, Na hòa tan hạn chế trong chì và hợp kim thuộc hệ này có khả năng hóa già tự nhiên (sau khi làm nguội nhanh, theo thời gian có thể tiết ra hợp chất liên kim Na₂Pb₅ từ dung dịch rắn quá bão hòa, nên độ bền và độ cứng tăng lên) [1, 4].

Hình 2. ảnh hưởng của lượng natri tới cơ tính hợp kim 2 nguyên Pb- Na

   Độ dẻo của hợp kim giảm liên tục với sự tăng hàm lượng Na trong hợp kim.

   Độ bền và độ dai va đập lúc đầu tăng khi tăng lượng Na và đạt giá trị cực đại, tại (0,7-0,9)% Na. Nếu tiếp tục tăng lượng Na thì độ dai va đập và bền giới hạn giảm nhanh. Như vậy, thành phần tối ưu của hợp kim 2 nguyên có độ cứng nhỏ hơn (28- 30) HB là 0,8% Na; còn lại là chì.

Bảng 1. ảnh hưởng của hàm lượng Na tới cơ tính của hợp kim hệ Pb-Na

3.2. Ảnh hưởng của Ca đến tính chất hệ ba nguyên Pb-Ca-Na

   Trên cơ sở hệ Pb-Na, đã nghiên cứu ảnh hưởng lượng canxi tới cơ tính của hợp kim Pb-Ca-Na, với hàm lượng natri không đổi là 0,8%. Hàm lượng canxi thay đổi trong khoảng từ 0,4 đến 2%. Kết quả thí nghiệm trình bày trên bảng 2 và hình 3.

Hình 3. ảnh hưởng của lượng Ca đến cơ tính của hợp kim Pb-Na-Ca (hàm lượng Na = 0,8%)

   Từ kết quả thực nghiệm trong bảng 2 và hình 3 thấy rằng:

   - Khi tăng hàm lượng canxi thì độ cứng của hợp kim tăng lên rõ rệt, trong khoảng từ 0,4% đến 1,5% Ca.

   - Độ dẻo của hợp kim giảm liên tục khi tăng hàm lượng can xi .

Bảng 2. ảnh hưởng của lượng canxi tới cơ tính của hợp kim Pb-Ca-Na 

   - Giới hạn bền kéo và độ dai va đập của hợp kim tăng lên, khi hàm lượng can xi tăng từ 0,4 đến 1% và đạt trị số cực đại khi hàm lượng can xi ở trong khoảng (1-1,2)%. Sau đó, nếu tiếp tục tăng hàm lượng can xi, độ bền và độ dai va đập giảm.

   Các quy luật trên có thể giải thích trên cơ sở giản đồ trạng thái Pb-Ca và kết quả nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim. Với hàm lượng canxi quá cao, pha hoá bền Pb3Ca [1] tạo ra nhiều gây dòn và cứng. Hợp kim 3 nguyên Pb-Ca-Na có thành phần hợp lý là 0,8%, 1% Ca, còn lại là chì.

4. KẾT LUẬN

   Từ số liệu thực nghiệm của hệ 3 nguyên Pb-Ca- Na thấy rằng, thành phần tối ưu của hợp kim là: (0,7-0,9)% Na, 1% Ca, còn lại là chì. Hợp kim này có thành phần tương đương với mác BK của Nga [4, 5]. Với thành phần tối ưu hợp kim có độ cứng khoảng (30-32) HB, giới hạn bền kéo (96-97) Pa, độ dai va đập 11,8.106 J/m2, độ dãn dài tương đối 8-8,5%, tổ chức tế vi bao gồm các pha phân tán Pb3Ca, Na2Pb5 [1] phân bố trên nền chì mềm. Hợp kim này có tính năng giống như hợp kim mác B83 (AE-2) và hoàn toàn có thể dùng làm lót trục cho đầu máy và toa xe lửa.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

1. P. П. Эллот, Структуры двойных сплавов,TOM I, Издателъство Металлургия, Москва, 1970
2. Thông tin giá vật tư, www.gia vat tu.com.vn
3. А.Φ. Алабишев и др, Металлургя Натрий и Канций, Издателъство Металлургия, Москва,1959
4. Абуше, Подшипниковые сплавы для подвижново состава, Издателъство Металлургия, Москва, 1965

[/symple_box][symple_clear_floats]