Tìm hiểu khả năng dùng vật liệu XADO để khôi phục bề mặt cổ trục bằng phương pháp lăn miết

MỤC LỤC
M ục Trang
MỤC LỤC…………………………………………………………………..........1
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………… …..5
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………. …..6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN………………………………………………… …..7
I. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GỐM……………………………………...7
I.1 Khái niệm về vật liệu gốm……………….………………………...7
I.2 Cấu tạo và công dụng của vật liệu gốm…………………………...7
I.3 Những đặc tính và cấu trúc của gốm....……………………………8
I.3.1 Sự xung nhiệt...………..…………………………………..12
I.3.2 Nhiệt cơ học không bền vững…………………………......14
I.3.3 Các hợp kim xử lý nhiệt…………………………………..16
I.3.4 Các công dụng bằng hợp kim gốm ………………………..18
I.4 Ứng dụng…………………………………………………………20
I.5 Gốm kim loại……………………………………………………..21
I.5.1 Khái niệm…………………………………………………21
I.5.2 Các thành phần của gốm kim loại………………………...22
I.5.3 Ứng dụng gốm kim loại vào lĩnh vực hoá bền chi tiết……25
II. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XADO………………………………...26
II.1 Lịch sử ra đời của công nghệ XADO……………………………26
II.2 Cơ sở lý thuyết của công nghệ XADO…………………………. 26
II.2.1 Bản chất vật lý, nguyên tắc hoạt động của công nghệ
XADO………………………………………………………….26
II.2.1.1 Ma sát và vấn đề chống mài mòn……………….26
II.2.1.2 Công nghệ XADO………………………………28
II.2.1.3 Chất hồi sinh XADO……………………………29
II.2.1.4 Cơ chế tạo thành lớp gốm kim loại……………..30
II.2.1.5 Những đặc tính của lớp gốm kim loại…………. 34
- 2 -
II.2.1.6 Hiệu quả của công nghệ…………………………..34
III. ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ XADO……………………………37
III.1 Lĩnh vực ứng dụng……………………………………………...37
III.2 Phạm vi ứng dụng………………………………………………38
III.3 Tình hình ứng dụng của công nghệ XADO…………………….39
III.3.1 Trên thế giới……………………………………………..39
III.3.2 Ở Việt Nam……………………………………………...40
III.4 Các giai đoạn của quá trình phục hồi công nghệ XADO……….40
III.4.1 Giai đoạn xử lý làm sạch bề mặt………………………...40
III.4.2 Giai đoạn bồi phủ tạo ra lớp gốm kim loại bù đắp hao
mòn……………………………………………………………. 40
III.5 Ứng dụng sản phẩm XADO…………………………………….41
III.5.1 Các chất Revitalizant XADO thông dụng ………………41
III.5.2 Lựa chọn chất XADO để sử dụng……………………………43
III.5.2.1 Chất XADO dùng cho hộp giảm tốc. (XADO Gel)…. 43
III.5.2.2 XADO dạng mơ……………………………………….45
CHƯƠNG II: LĂN MIẾT VÀ TÁC DỤNG CỦA LĂN MIẾT……………49
I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP LĂN MIẾT…………………...49
I.1 Sai lệch mạng tinh thể- bản chất của biến dạng dẻo……………………49
I.1.1 Sai lệch điểm……………………………………………………49
I.1.2. Sai lệch đường-Lệch……………………………………………50
I.1.3 Sai lệch mặt……………………………………………………..51
I.1.4 Sai lệch khối…………………………………………………….51
I.2 Biến dạng dẻo và hoá bền biến dạng……………………………………52
I.3 Các tính chất năng lượng bề mặt vật rắn………………………………..55
I.3.1 Các dạng bề mặt của vật rắn…………………………………….55
I.3.2 Tính chất bề mặt của vật rắn……………………………………57
I.4 Bôi trơn giới hạn với chất bôi trơn rắn………………………………….58
I.4.1 Quá trình thấm và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thấm…...60
II. TÁC DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LĂN MIẾT……………………………….62
- 3 -
III. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MA SÁT ƯỚT VÀ BÔI TRƠN ƯỚT …………….63
III.1 Khái niệm và phân loại……………………………………………….63
III.2 Bôi trơn trong điều kiện ma sát giới hạn R≤1………………………..64
III.3 Bôi trơn ướt hoàn toàn 5≤ R ≤ 100…………………………………..65
III.4 Bôi trơn trong trường hợp ma sát thủy động đàn hồi 1≤ R≤10………65
III.5 Bôi trơn thuỷ động tiếp xúc…………………………………………..67
III.6 Bôi trơn trong điều kiện ma sát hỗn hợp R≤5 ……………………….69
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ VÀ THỰC NGHIỆM………..70
I. XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ LĂN MIẾT……………………………….70
I.1 Mô tả phương pháp lăn miết…………………………………………...70
I.2 Mục đích của đề tài…………………………………………………….71
I.3 Xây dựng mô hình thí nghiệm………………………………………….72
I.3.1 Nguyên lý hoạt động của máy MS-TS1………………………...73
I.3.2 Cách xác định mô men ma sát trên máy MS-TS1………………74
1.3.3 Xác định thông số cường độ mòn……………………………... 77
I.3.4 Công dụng của máy MS-TS1…………………………………...77
II. XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM……………………………………………….77
II.1 Quy trình thực nghiệm…………………………………………………77
II.1.1 Các bước tiến hành thí nghiệm………………………………...77
II.1.2 Chọn vật liệu chế tạo mẫu……………………………………...78
II.1.3 Chọn số lượng mẫu thí nghiệm………………………………...79
II.1.4 Chọn vật liệu chế tạo mẫu và số lượng con lăn………………..79
II.1.5 Phương pháp chế tạo mẫu thử và con lăn……………………...80
II.1.5.1 Cấu tạo của mẫu thử và con lăn……………………...80
II.1.5.2 Đặc điểm và điều kiện làm việc……………………..80
II.1.5.3 Phương pháp chế tạo phôi……………………………84
II.1.5.4 Phương pháp gia công………………………………..85
II.2. Tiến hành thử nghiệm trên máy MS-TS1……………………………..85
II.2.1 Bước chuẩn bị………………………………………………….85
II.2.2 Tính toán tải trọng tác dụng lên mẫu thử………………………87
II.2.3 Bước tiến hành thí nghiệm trên máy khảo nghiệm MS-TS1 …90
- 4 -
II.2.3.1 Thí nghiệm XADO trên mẫu thử. ……………………90
I.2.3.2 Tiến hành thử nghiệm bạc lót trên mẫu thử. ………..91
II.2.4 Kết quả sơ bộ sau khi thí nghiệm ……………………………..93
II.2.5 Nhận Xét ……………………………………………………..100
Chương IV : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT………………………………………104
I. KẾT LUẬN …………………………………………………………………104
II. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ………………………………………………………...104
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................106
- 5 -
LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta hiện nay đang đi vào thời kỳ phát triển vì vậy việc áp dụng các
loại thiết bị máy móc vào trong các lĩnh vực sản xuất nhằm phục vụ đời sống của
xã hội là điều rất cần thiết hiện nay. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu về sinh
hoạt, đi lại, mức sống của con người ngày càng tăng.
Trong quá trình hoạt động của các loại máy móc cũng như các loại phương
tiện giao thông bằng động cơ, có rất nhiều các tác động bên ngoài như nhiệt độ,
hơi nước… và đối với chính bản thân của máy móc khi hoạt động rất dễ xảy ra
các hiện tượng hao mòn, hỏng hóc bề mặt chủ yếu là do hiện tượng ma sát.
Chính vì vậy hàng tháng, hàng năm con người đều phải có một hình thức phục
hồi máy là bảo trì hay trung tu, đại tu máy móc theo một định kỳ. Để có thể làm
được điều đó con người phải mất rất nhiều thời gian, cũng như tiền của để khôi
phục lại sự hỏng hóc của hệ thống máy móc của mình bằng nhiều phương pháp.
Vấn đề đặt ra là liệu có một loại chất nào, hay một loại vật liệu nào có thể cải tiến
được quá trình hư hỏng, phục hồi lại bề mặt của chi tiết bằng một phương pháp
nào đó mà không phải tháo máy, có thể thực hiện khôi phục bề mặt chi tiết ngay
trong quá trình làm việc.
Chính vì lý do trên mà nhà trường đã giao cho em làm luận án tốt nghiệp với
đề tài “Tìm hiểu khả năng dùng vật liệu XADO để khôi phục bề mặt cổ trục bằng
phương pháp lăn miết”.
Nội dung của đề tài bao gồm 3 chương:
Chương I : Tổng quan
Chương II : Lăn miết và tác dụng của lăn miết.
Chương III : Xây dựng công nghệ và thực nghiệm.
Chương IV : Kết luận và đề xuất ý kiến.
Do thời gian có hạn nên việc tìm hiểu kỹ hơn và thực hiện các thông số kỹ thuật
về vật liệu còn hạn chế vì vậy đề tài này còn phải tìm hiểu và phát triển tiếp về ở
mức nâng cao hơn và rộng hơn.
- 6 -
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp của mình trong thời gian qua:
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Quách Đình
Liên đã nhiệt tình hướng dẫn em thực hiện đề tài này.
Cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn chế tạo máy đặc biệt là Thầy Ths.
Trần Ngọc Nhuần và Ths. Nguyễn Hữu Thật đã tạo điều kiện cho em trong công
việc đo các thông số kỹ thuật, bộ môn động lực tầu thuyền đặc biệt là Thầy TS.
Lê Bá Khang đã tạo điều kiện cho em tiến hành thực nghiệm tại xưởng động lực,
các thầy giáo và các anh công nhân trong xưởng cơ khí của trường Đại Học Nha
Trang, các thầy cô giáo của phòng thí nghiệm thuộc bộ môn công nghệ thực
phẩm khoa chế biến.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã dạy dỗ em trong suốt thời
gian qua.
Nhân đây em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình em đã nuôi, dạy bảo
em khôn lớn để có được ngày hôm nay.
Nha Trang, tháng 6 năm 2007
Người thực hiện
Hoàng Mạnh Hùng
- 7 -
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN
I. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GỐM (CERAMIC)
I.1 Khái niệm về vật liệu gốm ( Ceramic)
Từ Ceramic có nguồn gốc từ tiếng Hi Lạp- keramikes. Là thuật ngữ chỉ chất
vô cơ phi kim loại có tính chất chịu nhiệt. Từ lâu người ta đã biết sản xuất vật
liệu và đồ gia dụng bằng gốm. Gốm cũng là thước đo cho nền văn hoá của loài
người từ thời cổ xưa. Đồ gốm cổ hiện nay là món hàng đang được sưu tập. Từ
những năm 1950 trở lại đây người ta đã nghiên cứu và đa dạng hoá các loại vật
liệu gốm (ceramic), và ứng dụng ngày càng rộng trong kỹ thuật nói chung trong
ngành cơ khí nói riêng.
Hiện nay vật liệu gốm được phát triển mạnh trong 4 lĩnh vực:
Xây dựng: Gạch, ngói, gạch nền, thủy tinh…
Vật liệu chịu lửa: Vật liệu lót lò lung, luyện, lò đốt khí ga, nồi nấu thép
thủy tinh…
Gốm trắng (đồ sứ) liên quan đến đồ ăn uống trang trí nội thất và mỹ nghệ.
Kỹ thuật (người đi tiên phong là Nhật Bản), đó là các sản phẩm chất lượng
đặc biệt phục vụ cho mọi lĩnh vực công nghiệp và dân dụng, trong cơ khí là gốm
kim loại, hợp kim chất lượng cao (ceramet), mà nguyên liệu của nó không chỉ là
đất sét.
I.2 Cấu tạo và công dụng của vật liệu gốm:
 Cấu tạo không tinh thể- vô định hình, điển hình là thủy tinh.
 Cấu tạo tinh thể, sự kết tinh của vật liệu gốm tinh thể rất khó điều khiển
trong quá trình công nghệ.
Theo công dụng của vật liệu người ta thường phân ra:
 Đồ gốm (ceramic).
 Gốm kim loại (ceramet).
 Thủy tinh (glases)
 Kim loại chịu lửa (refractory).
- 8 -
 Hợp kim chất lượng cao (super alloys).
 Áo của hợp kim cứng
I.3 Những đặc tính và cấu trúc của gốm.
Điểm nóng chảy: 12750C-3600 0C
Độ cứng: 157 - 3500 DPH
Độ bền kéo: 517 - 2400 MPA
Mô đun đàn hồi: 150-550 GPA
Tỷ trọng: 2. 2E+3 - 1. 7E+4 KG/m3
Độ giãn nở nhiệt: 2. 2E-6 - 1. 78E-5 m/m
Độ dẫn nhiệt: 1, 6-176 W/m
Độ bền đứt: 0, 7-12 MPA
Các gốm khác với các hợp kim kim loại ở chỗ chúng là các Ion hoặc các
tinh thể được liên kết khi quá trình kết dính kim loại được thực hiện nhờ các
electron tự do. Kim loại có thể bị tan chảy và cho phép tạo ra các tinh thể khi rót
thành hình dạng giống như khi làm nguội. Gốm phụ thuộc vào sự gắn kết của các
tinh thể rắn dạng bột để tạo ra những hình dạng lớn hơn. Nó được tạo thành nhờ
các chất kết dính định hình có các điểm tan chảy tương đối thấp hoặc tự kết dính
các tinh thể được nén và kết tủa ở nhiệt độ cao.
Mối liên kết giữa các nguyên tử trong liên kết hóa trị của gốm ở các vật
liệu bằng hợp kim rất bền vững và ở mức định hình cao. Do đó, các mối liên kết
bền vững và có các điểm nóng chảy khá cao.
Ví dụ: Các bua Hafini có điểm nóng chảy cao nhất 4150 0C (7500 0F). Các
vật liệu này cũng có các tỷ lệ độc hại rất thấp.
Các mối liên kết của kim loại thì khó định hình được vì vậy, việc định
hình sai có thể xảy ra do ứng suất dư thấp hơn nhiều. Các tinh thể liên kết các ion
lại với nhau nhờ sự hút của chuỗi ion dương và âm. Trong các tinh thể đơn, lực
cản trượt là tương đối thấp, do đó, tinh thể đơn MgO và NaCl có đặc tính cơ học
tương tự như của kim loại. Tuy nhiên, các hệ thống trượt trong các vật liệu chứa
ion được giới hạn hơn trong các kim loại và khi các tinh thể ion được liên kết lại
- 9 -
để tạo ra các loại vật liệu đa tinh thể. Sự biến dạng tồn tại là do các tinh thể đơn
không thể ổn định được về những thay đổi ở các tinh thể kế cận. Do vậy, sự phá
vỡ sẽ phát triển tạo ra các hạt nhỏ dọc theo đường biên. Một số hợp kim, như
nhôm chẳng hạn, có thể có hệ thống trượt phức tạp bởi vì các ion dương và âm
được liên kết trên các chuỗi trượt tương đồng nên các vị trí chưa định hình phải
mở rộng đến các chuỗi để chuyển qua tinh thể mà không làm thay đổi trường lực
trong mạng (tinh thể). Nó làm cho độ trượt trong nhôm đa tinh thể khác nhau và
do đó, làm tăng tính giòn cho vật liệu này.
Phụ thuộc vào phương pháp chế tạo hợp kim nó hầu như không đạt được
tỷ trọng lí thuyết trong một chi tiết được tạo ra, do đó làm hợp kim rỗ. Độ rỗ của
chúng và có các vi xước nên hợp kim này giòn do đó rất khó khăn trong việc
kiểm tra độ rỗ của khối hợp kim nên đôi khi người ta phải kiểm tra toàn diện các
giá trị về độ bền.
Một số thông số kỹ thuật, giá trị của vật liệu gốm.
Hình 1-1: Khoảng phân bố giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu gốm.
- 10 -
Hình 1-2: Tỉ trọng lý thuyết (Theoretical Density), nhiệt độ nóng chảy và
phân huỷ (Melting Point or Decomposition Temperature) của một số vật liệu
gốm.
- 11 -
Hình 1-3: Giá trị giãn nở nhiệt tuyến tính của một vài vật liệu gốm.
.
Hình 1-4: Độ dẫn nhiệt của một số loại vật liệu gốm.
- 12 -
Hình 1-5: Độ cứng vi mô của vật liêu gốm.
I.3.1 Sự xung nhiệt
Nói chung, các hợp kim đều được sử dụng ở nhiệt độ cao hoặc trong những
vị trí nơi nhiệt do ma sát tạo ra trên bề mặt cao. Do đó, việc ngăn ngừa sự xung
nhiệt là cần thiết trong các ứng dụng này. Việc làm nguội nhanh các hợp kim sẽ
làm tổn hại nhiều hơn so với nhiệt tăng. Nó làm cho bề mặt căng ra. Do vậy,
trong quá trình thiết kế phải giảm việc tôi vật liệu. Các gradien nhiệt cao được
tạo ra trong các hợp kim được xem là kết quả nhiệt dẫn của chúng thấp và hạn
chế các vết xước, làm tăng độ bền của các hợp kim.
Điều đáng chú ý là việc xung nhiệt được hạn chế chính là là hệ số giãn nở vì
nhiệt, các mô đun đàn hồi và tính dẫn nhiệt. Do đó:
TSR~K/Eα. (1-1)
Trong đó:  là ứng suất đứt gẫy.
K là độ dẫn nhiệt.
E là mô đun đàn hồi.
α. là hệ số giãn nở vì nhiệt.
Các giá trị TSR ở các vật liệu bằng gốm và các kim loại rắn đã được so sánh
ở (bảng 1-1 )
- 13 -
Bảng 1-1: Độ bền xung nhiệt của các loại gốm
Vật liệu Nhiệt giãn nở
(%C)
Nhiệt dẫn
W/m%C TRS
Beryl 36 1.7 0.01
Các bua tungsten 6 1.56 0.42
PSZ 10 1.7 0.6
Crôm các bua 9.8 19 1.4
HP Tic 8.6 17.3 1.7
PSZ Z191 10 2.9 1.5
Boron các bua 2.5 19 3
Nhôm 7.1 34.6 3.4
Silic 12.96 164.7 3.5
Titan các bua 8 26 6
Silic các bua 4 147 10.3
SiALON 3.04 21.3 10.95
Silic Nitrit 2.3 30 22
Thép công cụ 10 38 50
Than chì S95 4 138.4 244
Từ bảng trên ta thấy độ bền giá trị ứng suất nhiệt của vật liệu Berili (BeO)
có mô đun đàn hồi cao, hệ số giãn nở vì nhiệt cao và độ bền kéo thấp. Khi so
sánh độ bền ứng suất nhiệt của Nitrit Silic với cácbua Silic ta thấy. Nitrit Silic có
độ bền kéo cao hơn Cácbua Silic. Mức dẫn nhiệt cao của than các bon chỉ ra
trong bảng nêu rõ độ bền xung nhiệt cao. Các giá trị mô đun đàn hồi quá thấp đối
với than các bon chỉ ra giá trị bất thường này. Ngay cả PSZ cũng có độ bền đứt
gãy cao đối với các vật liệu bằng hợp kim, tính chịu xung nhiệt của nó thấp đáng
kể so với độ dẫn nhiệt kém và cao hơn so với hệ số giãn nở vì nhiệt. Đây là yếu
tố có ý nghĩa quan trọng trong các đặc tính của nó ở các điều kiện trượt ở vận tốc
cao đồng thời với các đặc tính về độ bền cơ-nhiệt thấp của nó được giải thích
dưới đây. Sự ảnh hưởng của sự xung nhiệt ở trên chỉ là dự báo, nó không thể sử
dụng được như là độ đo chính xác thực về độ bền đứt gẫy.
- 14 -
Các nghiên cứu khác cũng đề cập đến xu hướng này của các vật liệu đàn
hồi tạo ra xung nhiệt được gợi mở đó là việc áp dụng các tiêu chuẩn đối với độ
bền đứt.
I.3.2 Nhiệt cơ học không bền vững
Trong suốt quá trình trượt với vận tốc cao trên bề mặt khô, các vật liệu có
thể tạo ra các điểm nóng. Quá trình này thuộc về hiện tượng đã được biết đến gọi
là nhiệt cơ học không bền (TMI). Nó còn được gọi là nhiệt đàn hồi không bền
vững. Khi TMI xuất hiện nóng đỏ đến sáng trắng có thể quan sát thấy trên mặt
trượt. Các vật này thường có xu hướng kéo về sau và tới trước bởi một đường ăn
mòn đứt đoạn. Một ví dụ của TMI đã chỉ ra ở (hình vẽ 1-6). Nó được phát triển
thành dạng nút bấm để chống lại vết dạng tròn dạng đĩa, Đĩa này quay được ở
vận tốc cao và các vệt này được ghi lại qua các mép của vệt dạng tròn.
Hình 1-6: Vết nhiệt độ cao ứng với nút điều khiển đĩa tốc độ cao
của các loại gốm thử nghiệm 8800 C
Nhiệt làm biến dạng bề mặt mặt trượt là phản ứng của sự phát triển của
những vết nóng. Quá trình này là quá trình tự hoạt động trong điều kiện khắc
nghiệt đó mà ở đó một số điểm tiếp xúc không phẳng đã làm cho nhiệt cục bộ
tăng nhanh. Do vật liệu không có khả năng tản nhiệt nên nhiệt sẽ tăng lên theo
chiều cao của bề mặt. Điểm này sau đó phần lớn tiếp xúc với tải và làm cho nhiệt
- 15 -
đầu vào tăng lên. Nhiệt độ và sự giãn nhiệt tăng lên theo tỷ lệ cho đến khi giảm
sự bay hơi và độ phẳng khác tạo ra sự tiếp xúc và quá trình này được lặp lại. Các
vùng có nhiệt độ thay đổi theo kết quả của bề mặt. Biểu đồ quá trình này đã được
nêu ở (hình vẽ 1-7). Đối với một số vật liệu, tồn tại các đặc tính xung nhiệt thấp
nên TMI dễ bị phá hủy. Các điểm nóng truyền sang toàn bộ bề mặt làm cho độ
mài mòn tăng.
Hình 1-7: Biểu đồ của quá trinh nhiệt cơ học không bền vững
Một mô hình toán học về TMI đã được đưa ra. Việc bắt đầu của TMI có thể
đươc xem như tốc độ tới hạn đối với một vật liệu cho trước và vận tốc trượt. Tốc
độ tới hạn, tốc độ trượt tới hạn Vcr có thể được lấy từ phương trình sau đây:
Vcr = 42/(μ E)2z (1-2)
trong đó: Vcr là tốc độ tới hạn
 là độ dẫn nhiệt
 là hệ số ma sát
 hệ số giãn nở vì nhiệt
E là mô đun đàn hồi
 nhiệt khuyếch tán (k/dc)
d là tỷ trọng
c nhiệt riêng
z bề rộng của mặt trượt
Tốc độ tới hạn là tốc độ trượt tương đối ở trên mà tại đó nhiệt không bền
vững được tạo nên. Chú ý tải tiếp xúc không có ảnh hưởng tới nhiệt không bền
vững. Tải sẽ ảnh hưởng tới số lượng nhiệt ma sát nói chung.
- 16 -
Có sự khác nhau lớn giữa các giá trị của tốc độ tới hạn đối với các loại hợp
kim, phụ thuộc vào đặc tính cơ - nhiệt của chúng và hệ số ma sát trên mặt trượt.
Một số vật liệu bằng hợp kim đã được so sánh ở (bảng 1-2.)
Những khác biệt lớn về tốc độ tới hạn đối với các vật liệu đã chỉ ra ở (bảng
1-2) có thể thấy rõ, được Dufrane chứng minh trong thực nghiệm động cơ.
Bảng 1-2: Tốc độ tới hạn về nhiệt cơ học không bền vững của một số loại gốm
Vật liệu Hệ số ma sát
(ước lượng)
Tốc độ tới hạn
cm/s(fpm)
PSZ() 0.12( Được bôi trơn) 8.9(17.6)
ATTZ 0.12(Được bôi trơn) 15(29.7)
Si3N4 0.8 538(1065)
SiC 0.7 1100(2178)
I.3.3 Các hợp kim xử lý nhiệt.
Sự biến đổi bền vững của các loại gốm đã được phát triển thành trong công
nghệ. Bằng cách bổ xung vào cấu trúc một lượng nhỏ chất phụ gia, độ bền rắn có
thể đạt được nhờ gia tăng ứng suất dư có lợi. Zicon làm bền nhờ alumin (ZIA) là
hợp kim gốc alumin tốt có chứa từ 10 – 20% Zicon. Việc điều chỉnh thêm alumin
làm tăng độ bền và tính đàn hồi gấp 2-3 độ bền đứt gãy mà không làm tăng tỷ
trọng của chúng. ZIA không được sử dụng ở trên 900 0C vì khi đó sự dão vì nhiệt
sẽ tăng cao, các gốm khác cũng có độ bền tương tự như Siliccon Vỉtide – Zicon.
Bản thân Zicon cũng có thể bền vững nhờ bổ xung thêm các chất phụ gia và
xử lý nhiệt. Oxit Canxi, Magiê và Ytri đã được sử dụng thành công trong quy
trình này. Rõ ràng là các chất phụ gia này được sử dụng để ổn định cấu trúc lập
phương; Zicon sử dụng có hiệu quả khi nung. Ở nhiệt độ đông kết khi Zicon kết
tụ và làm mát ở nhiệt độ thường pha khối chuyển sang pha nếp uốn thì có sự thay
đổi lớn về khối lượng. Kết quả các ứng suất kéo sẽ làm mở rộng các vết nứt trong
khối vật rắn Zicon đã ổn định hoàn toàn giữ được hình khối nhưng có hệ số giãn
- 17 -
nở vì nhiệt cao, đồng thời cũng có tỷ lệ giãn nhiệt thấp, kết quả là độ bền xung
nhiệt thấp.
Nếu số lượng các chất ổn định giảm thì Zicon được ổn định từng phần
(PSZ) sẽ được tạo ra biểu đồ của pha Zicon – Magiê được chỉ ra ở hình vẽ 1-8.
điều này chứng tỏ việc bổ xung Magiê sẽ làm giảm nhiệt độ của khối cho đến khi
thay đổi bằng tứ pha.
Hình 1-8: Hệ thống biểu đồ pha của Zicon – Magiê ôxyt.
Bằng việc sử dụng hàm lượng 8 – 11% MgO trong PSZ người ta có thể
nung ở nhiệt độ thích hợp. Do sự thay đổi các pha trong vật liệu này này tương
đối chậm nên có thể giới hạn bằng vật liệu khối có chứa một lượng tứ pha nhất
định. Vật liệu này có hệ số giãn nở vì nhiệt thấp hơn Zicon do có độ giãn khối
làm mát, vật liệu đã cho có độ bền thấp. Tuy vậy, nếu vật liệu được nung trong
khối và có độ hoá già tăng cộng với phạm vi của tứ pha thì pha này có thể chuyển
- 18 -
sang pha nếp uốn đơn khi tạo ra ứng suất cho các khu vực nén, do đó sẽ tạo sự
phát triển của các khe nứt. Độ bền đứt tăng gấp 2 lần so với Các bua Silic. Độ
cứng và tính chịu mòn vẫn giữ được.
Toàn bộ Zicon ở TZP đều có qua công đoạn nung bột Zicon khác biệt, bởi
vậy ngăn chặn được việc chuyển tiếp qua pha nếp uốn đơn. ZTP có độ bền và độ
cứng khá cao. Những thuận lợi của gốm đang được sử dụng khá nhiều trong các
chi tiết có hao mòn phức tạp. Bao gồm: các ống nối, các vấu cam, các đệm kín
chịu được nhiệt độ cao, các ổ trục chịu nhiệt độ cao của bơm nước.
Các vật liệu PSZ đang được nghiên cứu sử dụng nhiều trong các động cơ
điêzen.Thực nghiệm đã chỉ ra rằng ngay cả các vật liệu có độ bền đứt và độ bền
cao, tốc độ tới hạn của nhiệt cơ học không bền vững thấp hơn vận tốc của pittông
tiêu chuẩn được quy định trong đông cơ cấp tiến. Kết quả là tạo ra độ va cham
nhiệt (xung nhiệt) bởi các đỉnh nhiệt xuất hiện.
I.3.4 Các công cụ bằng hợp kim gốm
Gốm đang được ứng dụng như các vật liệu công cụ có tốc độ cao nhất, tốc
độ di chuyển cao làm việc gia công cơ khí rất khó khăn do đó, tỷ lệ loại bỏ cao và
khó khăn khi sử dụng đối với các vật liệu cơ học. Đặc tính ưu điểm của gốm là
mang đến độ bền tức thời, và tính chịu mài mòn cao.
Hai loại hợp kim thường được sử dụng để cắt kim loại: Alimin và Silicon
nitride. Do có độ giòn, mà các vật liệu này được bổ sung thêm để tạo ra một công
cụ có thể chịu được các điều kiện gia công.
 Alumin: là chất phụ gia kèm với Các bua Titan, Zinco và Các bua
Silic.Một trong những chất phụ gia được sử dụng là “hợp kim đen” hoặc alumin
có 25 – 40% Tic. Nó làm tăng độ cứng và nhiệt dẫn của Alumin. Alumin rắn
chuyển sang Zicon (ZTA) được tạo ra nhờ bổ sung thêm 10 – 20% Zicon..
Alumin với hàm lượng Zicon cao hơn cả lượng Các bua tungsten cũng được sử
dụng cho các vật liệu gia công, cũng như Các bua Silic được tăng cứng bởi
Alumin.
- 19 -
Độ c ứ n g Vick er s (HV) ,kg/mm 2
 Silicon nitride: là sự hoà trộn thích hợp của các đặc tính cơ học ở nhiệt độ
cao, tỷ lệ với độ bền xung nhiệt, nhiệt dẫn hầu như tăng gấp đôi so với so với
Alumin – Tic và tính giãn nhiệt khoảng ½. Do đó, như đã nói trước đây, tính chịu
nhiệt tỷ lệ thuận với tốc độ dẫn nhiệt và tỷ lệ nghịch với tính giãn nhiệt. Silicon
nitride ở nhiều dạng nhờ các chất phụ gia khác nhau đòi hỏi làm tăng độ nung.
Alumin và Silic là các chất phụ gia phổ biến nhất được sử dụng.
SIALONS là một chuỗi các thành phần hợp nhất của Silicon nitride và
Alumin. Một ưu thế được lấy ra từ việc sử dụng Alumin chính là tính trơ của nó.
Sự có mặt của Alumin đã hạn chế được sự tái tạo hao mòn do phản ứng hoá học
giữa công cụ và chi tiết gia công. mặc dù SIALONS không cứng như cácbua
Titan có bổ xung thêm Alumin. Tính chịu mòn của nó và độ bền nhiệt là rất tốt.
Độ bền nhiệt của một số vật liệu gia công đã được nêu trong biểu đồ ở (hình vẽ
1-9.)
Hình 1-9: Độ bền nhiệt của một số hợp kim vật liệu công cụ
Chú ý rằng SIALONS vẫn duy trì được độ cứng tốt hơn các vật liệu khác từ
- 20 -
6000C – 10000C.
Điều này chứng tỏ rằng Silicon nitride sẽ phản ứng với thép khi nhiệt độ
tăng. Bởi vậy SIALONS thường không sử dụng được để cắt thép. Alumin-Tic thì
thích hợp hơn để cắt các hợp kim cao cấp, SIALON và SIC được tăng cứng nhờ
cho thêm Alumin đều có thể được sử dụng.
I.4 Ứng dụng
Do gốm có những đặc tính như ở trên mà nó được ứng dụng rất rộng trong
nhiều lĩnh vực. Chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực ma sát trong môi trường có
nhiệt độ cao, hoặc môi trường có tính ăn mòn cao.
Ví dụ:
Các dụng cụ cắt có vận tốc cắt cao, các mũi khoan đá, các thiết bị khí đốt
than đá, bơm nước với nhiệt độ cao, các kiểu van và bộ phận trao đổi nhiệt, các
chi tiết của loại bơm có các đường ống dẫn chất lỏng, ổ lăn tiếp xúc có vận tốc
cao, cũng như hệ thống băng tải có vận tốc cao.
Gốm không chỉ có giá trị trong cấu trúc của chúng mà còn cả trong các chi
tiết gia công từ chúng. Các chi tiết bằng hợp kim được chế tạo ra theo mẫu hoặc
nung cho đến chi tiết cuối cùng làm tốn nhiều thời gian và tiền bạc cho việc thực
hiện mài bóng. Các kỹ thuật đặc trưng đang được áp dụng để loại bỏ các mảnh
vụn do mài mòn, có thể làm cho kết quả xấu đi, khi nó đang vận hành.
Do những nguyên nhân trên mà chúng ta cần phối hợp chế tạo ra những chi
tiết bằng gốm, mạ gốm một cách bình thường như chúng đã từng phát triển. Theo
phương pháp này chi phí của một chi tiết được chế tạo bằng hợp kim , kim loại
tương đối thấp hơn và các bề mặt ma sát được phủ thêm lớp vật liệu bằng hợp
kim thích hợp. Phương pháp tương tự cũng đã được áp dụng cho các loại hợp
kim đặc biệt.
Các loại gốm đã được con người sử dụng hàng nghìn năm nay. Đầu tiên
chúng được tìm thấy trong các thành phố hoang tàn ở dạng gốm sứ, dạng gạch và
ốp lát trang trí. Gần đây, người ta đã sử dụng trong ngành chế tạo máy. Hợp kim
này được sử dụng chống mòn và ma sát, tạo ra số phần trâm nhỏ nhất và ngày
- 21 -
nay được sử dụng rộng rãi. Các vật liệu đó được áp dụng trong các vấn đề về ma
sát, mài mòn và bôi trơn trong động cơ và đã được áp dụng một cách có hiệu quả.
Các vật liệu này nguyên chất hơn nhiều so với gạch và ngói.
I.5 Gốm kim loại
I.5.1 Khái niệm
Gốm kim loại-metalceramic viết tắt là ceramet thuộc lớp vật liệu kết hợp
composit nền kim loại cốt gốm. Nó là vật liệu nhiều pha, gồm các pha kim loại
hoặc hợp kim với một hay nhiều pha gốm. Kim loại có thể là đồng, nhôm,
niken, sắt, thép, hợp kim.
Gốm kim loại được coi là một trong số ít vật liệu đặc biệt tốt của
ngành cơ khí. Thông thường gốm kim loại được chế tạo bằng công nghệ luyện
kim bột khá phức tạp. Vì có độ cứng cao nên khi gia công chúng cần có máy
móc và công cụ chuyên dùng riêng.
Ví dụ:
Độ cứng của gốm kim loại thường trong khoảng 60 - 75 HRC. Giả sử ta có phôi
gốm kim loại, cần cắt khoan, đánh bóng thì cần dụng cụ gì ? Dụng cụ thép gió
đương nhiên không được. Dụng cụ hợp kim cứng BK ( 2, 3,4...20, 25 ) hay TK
hoặc TTK có độ cứng 70-75 HRC cũng chỉ tương đương. Thực ra đây cũng là vật
liệu gốm kim loại được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Dụng cụ loại
này giá cũng khá đắt. Tất nhiên ta phải dùng loại siêu cứng dạng kim cương tổng
hợp chẳng hạn, nhưng giá còn đắt hơn. Sơ qua như vậy dễ thấy rằng giá thành
chế tạo và gia công gốm kim loại rất cao. Hiện nó mới chỉ được ứng dụng
ở phạm vi hẹp trong hàng không, vũ trụ, hạt nhân, tên lửa để chế tạo chi tiết động
cơ phản lực,các gối đỡ, cánh tuabin, miệng phụt của tên lửa vv... Dù đã được
phát minh ra từ khoảng trên 30 năm về trước nhưng chúng ta còn rất ít gặp gốm
kim loại trong các máy móc thông dụng. Hiện nay Nhật và Mỹ đang triển khai
chương trình nghiên cứu ứng dụng rộng rãi gốm kim loại vào một số lĩnh vực
công nghiệp
- 22 -
Các quá trình sản xuất trong việc chế tạo của các sản phẩm đó, và cả các
tính chất lý học và hoá học của chúng, được tính tới cả hai thành phần gốm và
kim loại, bởi vậy chúng có tên là Gốm kim loại.
I.5.2 Các thành phần của gốm kim loại
Gốm kim loại chứa cả hai thành phần: một thành phần là gốm (chịu nhiệt và
có điểm nóng chảy cao) và một thành phần kim loại.
Thành phần gốm luôn luôn bao gồm oxit, cacbua, Borides...
Thành phần kim loại gồm một kim loại như : Sắt, Niken, Nhôm, Crôm hoặc
Coban. Gốm kim loại được chế tạo bởi việc kết dính, phân tán hoặc bởi các quá
trình khác. Gốm kim loại quan trọng nhất thu được từ:
 Một kim loại và một ôxit, ví dụ: Oxit Magie-sắt, ôxit Magie-Niken, ôxitnhôm-
Crôm, ôxit nhôm-nhôm.
 Zirconium hoặc Borua crôm, các sản phẩm đó được biết dưới cái tên
Borolites.
 Zirconium, crôm, tungsten... các cacbua với coban, niken hoặc niobium.
 Cacbua Bo và nhôm: các sản phẩm mạ nhôm được biết dưới cái tên gốm
kim loại boral.
Gốm kim loại được sử dụng trong công nghiệp máy bay và công nghiệp hạt
nhân và trong tên lửa, chúng cũng được sử dụng trong các lò đốt và các lò đúc
kim loại (ví dụ: như các bình, vòi phun, các ống) trong việc sản xuất các ổ trục,
các lớp lót phanh...)
Gốm kim loại bao gồm các borít, cácbít, nitrít, oxít, silixít kim loại vv..... Như
vậy có rất nhiều dạng loại gốm kim loại khác nhau tùy theo thành phần nguyên liệu
và phương pháp công nghệ chế tạo. Gốm kim loại có những tính chất tốt của hai loại
vật liệu cấu thành lên nó là kim loại và gốm. Nó rất cứng, bền vững chống mài mòn
ma sát, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh vv...
Các hình dạng cấu trúc của thành phần gốm kim loại.
 Gốm ôxýt: như ôxýt nhôm (Al2O3), zircon dioxyt (ZrO2) (Hình 1-10)
- 23 -
Hình 10
 Gốm không ôxyt gốm các loại từ cacbit, borit, nitrit, silic (hình 1-11)
Hình 1-11
 Gốm cacbit điển hình là Calium carbit (CaC2).
 Silicon carbide (hình 12)
Hình 12
- 24 -
 Wolfram carbit (WC, W2C): dùng chế tạo dụng cụ cắt gọt kim loại (mũi
khoan).
 Cementit: Fe3C.
 Borit có thể đơn bao gồm: lanthanum boride, có công thức hoá LaB6, và
incorrectly có công thức hoá học LaB là vật liệu chống ăn mòn và chịu nhiệt,
nhiệt độ nóng chảy trên 2200oC, magnesium diboride có công thức hoá học
(MgB2), titanium diboride có công thức (TiB2).
Bảng1-4 các đặc tính của vật liệu gốm kỹ thuật
Vật liệu
Độ
cứng
(Vicke
)
Độ
bền
(Mpa)
Mô đun
đàn hồi
(Mpa)
KIC
(MPa)
Max
OP
TEMP
(oC)
Tỉ trọng
Hệ số
dẫn
nhiệt
(W/m/
oK)
Hệ số
giãn nở
nhiệt
( /oC)
Tỉ
nhiệ
t
(J/g
0K)
ALUMINA 1.500 262 3,72E+05 3,00 1760 3,88E+03 34,60 7,10E-06 0,13
BERYLLA 103 3,79E+05 2,21E+0,3 1,73 3,60E-05 2,09
BORON
CARBID 3.200 172 4,41E+05 6,00 6,64E+03 19,03 2,50-06 1,67
CHROMIUM
CARBIRD 2.600 262 3,72E+05 6,64E+03 19,03 9,80-06 0,84
GLASS,
QUARTZ 110 7,24E+04 0,68 1.649 2,49E+03 1,56 1,26
GLASS, SODA 6,89E+04 0,70 2,49E+03 1,00E-05 1,26
HP TIC 3.000 345 4,14E+05 5,54E+03 17,30 8,60E-06 1,05
K 1628 1.400 4,07E+05 6,09E+03 19’03 9,50E-06
PSZ 1027 276 2,00E+05 10,00 1.371 1,98E-05 0,67
PSZ 2016 172 1,72E+05 10,00 1.371
PSZ MS 1.600 689 2,00E+05 9,00 5,54E+03 1,73 1,00E-05
PSZ TZ3Y 1.158 1172 2,00E+05 6,50 6,09E=03 2.94 1,00E-05
PSZ Z191 286 1020 2,05E+05 8,50 1.482 5,81E+03 2,94 1,00E-06 0,50
SIAlON 1.780 450 2,88E+05 7,70 1.400 3.24E+03 21,30 3.04-06
SILICA 853 103 3,79E+05 0,50 2.399 3,04E+03 164,70 1,30E-05 0,84
SILICON
CARBIRD
2.700 103 3,79E+05 4,60 1.649 3,04E+03 147,00 4,00E-06 0,67
SILICO
NITRIDE
1.300 524 3,10E+05 4,00 1.482 3,04E+03 30,00 2,30E-06 1,05
SPK SN80
Zr02
545 3,58E+05 5,30 4,15E+03 25,00 8,10E-06 0,85
TITANIA 900 2,34E+05 2,70 4,15E+03 5,02 9,40E-06 0,84
TITANIUM
CARBIRRD
3.000 896 4,83E+05 4,43E+03 25,95 8,00E-06 0,84
TITANIUM
DIBORIDE
3.500 3,45E+05 7,00 4,43E+03 25,95 8,10E-06 1,05
TITANIUM
NITRIDE
2.000 2,48E+05 5,54E+03 65,74 8,00E-06 0,84
TUNGSTEN
CARBIRDE
1.500 896 5,52E+05 12 3,03E+03 1,56 6,00E-06 0,25