Chế tạo bạc 2 lớp bằng phương pháp đúc ly tâm

Có thể thấy rằng việc chế tạo bạc cỡ lớn 2 lớp, với lớp lót bằng vật liệu trên cơ sở hợp kim Cu vừa có hiệu quả kỹ thuật, vừa có hiệu quả kinh tế, đáp ứng được nhu cầu rất cao của các ngành công nghiệp nặng về đóng mới thiết bị cũng như chủ động trong việc thay thế, sửa chữa.

Production of two-layer sleeve by centrifugal casting method

NGUYỄN HỒNG HẢI^1,*, HOÀNG THỊ NGỌC QUYÊN¹, VÀ NGUYỄN QUỐC TUẤN^{2 1}Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội ²Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: hai.nguyenhong@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 19/8/2019, Ngày duyệt đăng: 8/10/2019

TÓM TẮT

Bạc lót 2 lớp cỡ lớn (f100 mm, dài 100 mm), lớp ngoài bằng thép cacbon thấp, lớp trong bằng hợp kim đồng Cu9SnPbZn (tương đương mác C92600 của Mỹ) đã được chế thử bằng phương pháp đúc ly tâm với tốc độ 1400 vòng/ phút. Kết quả cho thấy một lớp biên giới khuếch tán dày (50 ÷ 90) mm được hình thành và rất bền. Phân tích phổ EDS đường cho thấy thành phần của lớp biên giới đó bao gồm ≈ 16 % Cu và 76 % Fe, chứng tỏ các nguyên tử Cu và Fe đã khuếch tán lẫn nhau. Kết quả thử cơ tính cho thấy độ bền của sản phẩm lớn hơn nhiều so với hợp kim C92600 (giới hạn bền kéo 415 MPa so với 305 MPa và giới hạn chảy 313 MPa so với 140 MPa, tương ứng), chứng tỏ đúc ly tâm là một phương pháp rất phù hợp để chế tạo bạc 2 lớp, đặc biệt là bạc cỡ lớn. Từ khóa: bạc 2 lớp, đúc ly tâm, khuếch tán.

ABSTRACT

Big two-layer sleeves (Dx L = 100x100 mm) with outer layer made of low carbon steel and inner layer of cop- per alloy Cu9SnPbZn (equivalent American copper alloy C92600) were produced by centrifual casting method with rotation speed of 1400 r/min. The results show that a diffusion boundary layer of thickness of (50 ÷ 90) mm was formed, which is very strong. The EDS line scan reveals its chemical composition as 16 % Cu and 76 % Fe, demon- strating that Cu and Fe atoms were inter-diffused. Tensile test shows that strength of the product is much greater than that of C92600 alloy (tensile strength is 415 MPa vs 305 MPa and yield strength is 313 MPa vs 140 MPa, cor- respondingly), proving that centrifugal casting method is suitable to produce two-layer sleeves, especially for that of big size. Keywords: two-layer sleeve, centrifugal casting, diffusion 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Bạc động cơ tầu thủy thường có 2 lớp chính: lớp chịu lực (thường làm bằng thép) và lớp chịu mài mòn tiếp xúc trực tiếp với trục. Ngoài ra còn có lớp trung gian nằm giữa 2 lớp trên có nhiệm vụ dính kết chúng và tùy vào điều kiện làm việc có thể có những lớp khác. Đây là kết cấu chuẩn dành cho các loại tầu khác nhau và thường là rất đắt. Các động cơ thấp tốc thường dùng bạc thành dày, các động cơ trung tốc và cao tốc thường dùng bạc thành mỏng [1]. Đối với các loại tầu công suất vừa nhỏ và trung bình (< 2000 CV) thì có thể chế tạo loại bạc đơn giản hơn gồm 2 lớp: lớp ngoài chịu lực bằng thép và lớp trong chịu mài mòn bằng đồng. Hai lớp này sẽ kết dính với nhau nhờ khuếch tán thông qua những công nghệ chế tạo và xử lý đặc biệt, nhờ vậy có thể giảm đáng kể chi phí chế tạo và nguyên vật liệu do không phải chế tạo các lớp phụ trợ (lớp kết dính, lớp phun phủ chịu ăn mòn v.v..). Để cải thiện khả năng chịu mài mòn của lớp đồng có thể bổ sung các chất bôi trơn khô [2], tuy nhiên vấn đề này sẽ được đề cập ở một dịp khác. Bên cạnh công nghiệp đóng tầu thì các ngành công nghiệp nặng khác (khai khoáng, luyện kim, hóa chất…), các ngành công nghiệp quốc phòng v.v… cũng có nhu cầu rất lớn về ổ trượt. Các loại bạc này có đường kính từ 100 đến 1000 mm, dài từ 80 đến 1500 mm. Các loại bạc nhập từ châu Âu hoặc Mỹ thường có giá rất cao và làm việc trong những điều kiện nặng nề. Thí dụ, đối với các loại bơm, sau khi bạc bị mòn khoảng 0,5 mm thì máy đã làm việc rất rung lắc, không ổn định và đôi khi còn gây nguy hiểm cho các loại thiết bị khác. Khi đó bài toán đặt ra sẽ là nhập mới hay chế tạo tại Việt nam. Do việc nhập mới mất nhiều thời gian, giá rất cao và không chủ động trong việc bảo trì, sửa chữa nên giải pháp tối ưu là tự chế tạo. Tuy nhiên nếu chế tạo bằng thép C45 thì tuổi thọ tối đa không quá 1 tháng, còn nếu dùng thép hợp kim thì cũng chỉ được vài tháng do khả năng chịu mài mòn của thép kém. Còn nếu chế tạo bằng đồng các loại bạc vừa có kích thước lớn lại vừa rất dày thì rất tốn đồng, giá nguyên vật liệu đã chiếm gần hết giá thành chế tạo sản phẩm, trong khi chỉ sử dụng một lớp làm việc rất mỏng (0,5 mm). Ngoài ra đồng không cứng vững bằng thép. Giải pháp là chế tạo bạc 2 lớp, với lớp ngoài chịu lực bằng thép và lớp trong chịu mài mòn bằng vật liệu chịu mài mòn và ăn mòn trên cơ sở hợp kim Cu. Như vậy có thể thay thế tới 90 % lượng đồng bằng thép (do lớp chịu mài mòn trong cùng vừa mỏng, chỉ (2 ÷ 3) mm, lại vừa có đường kính nhỏ nhất) và tiết kiệm được rất nhiều chi phí, đồng thời tăng khả năng chịu lực của bạc. Có thể thấy rằng việc chế tạo bạc cỡ lớn 2 lớp, với lớp lót bằng vật liệu trên cơ sở hợp kim Cu vừa có hiệu quả kỹ thuật, vừa có hiệu quả kinh tế, đáp ứng được nhu cầu rất cao của các ngành công nghiệp nặng về đóng mới thiết bị cũng như chủ động trong việc thay thế, sửa chữa. 2. THỰC NGHIỆM 1,5 kg hợp kim CuSn9PbZn (tương đương mác C92600) được nấu trong lò điện trở điều khiển nhiệt độ tự động. Trong quá trình nấu hợp kim được phủ than hoa bảo vệ, khi nóng chảy được phủ bằng criolit với hàm lượng (2 ÷ 3) % khối lượng mẻ nấu. Kim loại lỏng được giữ ở 1150 ^oC mười phút để đồng đều hóa thành phần, sau đó được sục khí Ar trong 2 phút rồi rót vảo khuôn ly tâm quay với tốc độ 1400 vòng/phút. Trong khuôn đã có sẵn vỏ thép cacbon thấp (< 0,1 %C) được làm sạch bề mặt trong và nung tới 1100 ^oC, kích thước D´L: 100 mmx100 mm, dày (5 ÷ 10) mm. Sau khi khuôn nguội vật đúc (vỏ thép + lớp phủ hợp kim Cu) được lấy ra khỏi máy, được ủ ở 200 ^oC từ 2 đến 8 giờ và lấy mẫu phân tích. Mỗi sản phẩm được cắt dây thành các mẫu kích thước 10 x 10 x 5 mm, sau đó mài trên giấy ráp từ 100 đến 2000 để đảm bảo bề mặt mẫu bằng phẳng. Sau đó tiến hành mài mẫu, chụp ảnh tế vi trên hiển vi quang học, SEM và phân tích EDS. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Như đã biết, trong các dạng liên kết thì liên kết do khuếch tán là vững chắc nhất và nghiên cứu cũng hướng đến việc tạo ra một lớp biên giới khuếch tán Fe-Cu. Trên hình 2 là ảnh hiển vi quang học (x 500) lớp biên giới khuếch tán của mẫu ủ khuếch tán ở cùng nhiệt độ (200 ^oC) với thời gian ủ khác nhau. [caption id="" align="aligncenter" width="913"] Hình 1. Sản phẩm đúc và vị trí lấy mẫu phân tích tổ chức[/caption] Có thể thấy khi tăng thời gian ủ lớp biên giới khuếch tán đã tăng từ ≈ 56 mm lên thành ≈ 85 mm. Theo lý thuyết thì quãng đường mà nguyên tử có thể dịch chuyển sau quãng thời gian t là r = 2,4(Dt)^1/2 [3], tức là r sẽ tăng gấp đôi nếu thời gian khuếch tán tăng từ 2h lên 8 giờ. Tuy nhiên trong thực tế r chỉ tăng 1,5 lần do còn nhiều yếu tố ảnh hưởng khác. [caption id="" align="aligncenter" width="840"] Hình 2. Ảnh hiển vi quang học lớp biên giới khuếch tán. A) Mẫu 1, ủ 2 h ở 200 oC; b) Mẫu 2, ủ 8 h ở 200 oC[/caption] Để tìm hiểu kỹ hơn về lớp biên giới khuếch tán này thì các ảnh SEM và đường quét phổ EDS đã được thực hiện (hình 3). Có thể thấy trong dải khuếch tán hẹp (≈ 25 mm) thì Cu và Fe đã khuếch tán lẫn nhau với tỷ lệ Cu/Fe = 1/3 (15,96 và 76,35 % khối lượng, tương ứng). [caption id="" align="aligncenter" width="985"] Hình 3. Ảnh SEM và phổ EDS ở vùng khuếch tán mẫu 1 (ủ ở 200 oC trong 2 h, nguội cùng lò)[/caption] Kết quả phân tích đường quét EDS được cho ở hình 4. [caption id="" align="aligncenter" width="1002"] Hình 4. Kết quả phân tích đường quét EDS trong vùng khuếch tán mẫu 1 (ủ ở 200 oC trong 2 h, nguội cùng lò).[/caption] Có thể thấy vùng biên giới khuếch tán chủ yếu trải trong khoảng (10 ÷ 35) mm, tức là có chiều rộng ~ 25 mm. Trong vùng khuếch tán còn có mặt một số nguyên tố khác như Cr, Si, Sn, O, P với hàm lượng nhỏ. Vùng khuếch tán có xu hướng lệch về phía nền đồng chứng tỏ sắt khuếch tán vào nền đồng mạnh hơn đồng vào nền thép. Đó là do Cu có thông số mạng fcc, aCu = 0,3615 nm, lớn hơn khá nhiều so với thông số mạng bcc của Fe-α (aFe = 0,287 nm) - gấp 1,26 lần - trong khi kích thước nguyên tử lại gần như nhau (rCu = 128 pm, rFe = 140 pm) - chỉ chênh 1,09 lần [4]. Đường biểu thị nồng độ sắt và đồng giao nhau tại vị trí 22,7 µm; tại vị trí này, hàm lượng đồng và sắt tương đương cùng đạt xấp xỉ 20 %. [caption id="" align="aligncenter" width="390"] Hình 5. Vị trí cắt mẫu thử kéo[/caption] Để đánh giá độ bền liên kết vùng khuếch tán Fe- Cu một số mẫu thử kéo đã được chế tạo. Mẫu thử có kích thước 15x7 mm, diện tích bề mặt là 105 mm², chiều dài mẫu 100 mm. Lớp đồng và lớp thép có chiều dày bằng nhau (3,5 mm). Đối với mẫu 1, giới hạn bền của mẫu (thời điểm lớp đồng bị phá hủy và lớp thép chưa đứt) là 0,415 kN/mm2, giới hạn chảy là 0,313 kN/mm2 (tương ứng với 415 MPa và 313 MPa), và độ biến dạng là 32,93 %. Điểm khoanh tròn trên biểu đồ ứng với tải trọng đặt vào 32,845 kN là giới hạn chảy của mẫu vì trong quả trình thử kéo lớp đồng bị phá hủy trước nên có thể coi giới hạn chảy của đồng là giới hạn chảy của mẫu. Khi tải trọng đặt vào khoảng 42 kN thì lớp đồng bị phá hủy và chỉ còn lại lớp thép. Khi tải trọng đặt vào đạt giá trị lớn nhất là 43,565 kN thì lớp thép bị phá hủy. Quá trình thử kéo kết thúc. Có thể nhận xét rằng giới hạn bền kéo và giới hạn chảy trong trường hợp này là lớn hơn khá nhiều so với giới hạn bền kéo và giới hạn chảy của hợp kim C92600 (305 MPa và 140 MPa, tương ứng [5]). Điều này chỉ có thể được giải thích là do lớp đồng được liên kết (khuếch tán) rất tốt với lớp thép, nhờ vậy độ bền tăng. Quan sát mẫu sau khi đứt có thể thấy vùng liên kết không bị phá hủy, chỉ có các lớp đồng và thép là bị kéo đứt vào những thời điểm khác nhau (đồng đứt trước, thép đứt sau). Nếu lớp đồng đứng riêng thì chắc chắn cơ tính của nó không thể vượt quá cơ tính của hợp kim C92600. Điều này chứng tỏ độ bền của lớp liên kết khuếch tán là rất cao. [caption id="" align="aligncenter" width="1047"] Hình 6. Hình ảnh thử phá hủy, mẫu (N1) sau khi thử và giản đồ kéo.[/caption] Đạt được mức độ liên kết tốt như vậy một phần cũng nhờ lực ly tâm Plt = mω²r [6], ở đây m là khối lượng kim loại, w là vận tốc góc và r là bán kính quay. Có thể so sánh tỷ lệ giữa lực ly tâm và lực trọng trường k = mω² r / mg, với w = 146,6 rad/s ứng với tốc độ quay 1400 v/phút, r = 0,045 m, g = 9,81 m/s² ta có k = 98,6. Như vậy với lực ly tâm lớn gấp gần 100 lần lực trọng trường thì lớp đồng bị ép rất chặt vào lớp vỏ thép và tạo điều kiện tốt cho quá trình khuếch tán ở nhiệt độ cao. 4. KẾT LUẬN 1. Cơ tính của sản phẩm tăng lên rõ rệt (lớp đồng chỉ bị đứt ở ứng suất 415 MPa, cao hơn nhiều so với mác đồng tương đương C92600 là 305 MPa). Giới hạn chảy cũng được cải thiện tương tự (313 MPa so với 140 MPa). Điều này chỉ có thể được giải thích là do có lớp liên kết (khuếch tán) rất tốt giữa đồng và thép. 2. Việc ủ sản phẩm ở 200 ^oC trong vòng (2 ÷ 8) giờ ngoài tác dụng khử ứng suất đã góp phần hỗ trợ quá trình khuếch tán. 3. Lớp biên giới khuếch tán dày vài chục mm là đủ để đảm bảo liên kết tốt giữa 2 lớp. 4. Chế tạo bạc lót 2 lớp bằng phương pháp đúc ly tâm đạt được mục đích: lớp thép ngoài cứng vững chịu lực, lớp trong là hợp kim đồng mỏng có khả năng chịu ăn mòn và mài mòn tốt. Kết quả thí nghiệm đã cho thấy có sự liên kết rất tốt nhờ khuếch tán lẫn nhau giữa Fe và Cu. Từ đó, nâng cao cơ tính của bạc lót, đặc biệt là giảm giá thành do tiết kiệm đánh kể khối lượng đồng so với các loại bạc lót thông thường, cho phép hy vọng ứng dụng rộng rãi để đúc các loại bạc lót cỡ lớn sử dụng trong các ngành công nghiệp nặng như đóng tàu, khai khoáng, luyện kim v.v... LỜI CẢM ƠN Các tác giả chân thành cảm ơn Trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã hỗ trợ phần thử cơ tính. TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Carol Powell and Peter Webster; Copper alloys for marine environments, Copper Development Association Inc., 260 Madison Avenue, New York, NY 10016, 2012.
2. Dr. Dmitri Kopeliovich, Solid lubricants. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=solid_lubricants. Truy cập 2016
3. Nguyễn Hồng Hải. Kinetic processes in Materials. Nhà xuất bản Bách Khoa, Hà Nội, 2014.
4. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_radius. Truy cập 2019
5. Willia. H. Cubberly et al; Metals handbook, ninth edition, Volume 2, Properties and Selection: Nonferrour alloys and pure metals, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1979.
6. Nguyễn Hữu Dũng, Các phương pháp đúc đặc biệt, Nhà xuất bản KH & KT, Hà Nội, 2014.