HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ HỢP KIM ...

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI

--------------

BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM

CẤP VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ

HỢP KIM NIKEN CROM BẰNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ

HỒ QUANG ĐIỆN ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BỀN MÀI MÒN ĂN MÒN

CHO CÁC CHI TIẾT MÁY CÔNG NGHIỆP LÀM VIỆC

TRONG MÔI TRƯỜNG KHẮC NGHIỆT

MÃ SỐ : VAST.SXTN.02/16-17

ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ : VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI

CHỦ NHIỆM DỰ ÁN : TS. LÝ QUỐC CƯỜNG

HÀ NỘI – 2018

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI

--------------

BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM

CẤP VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ

HỢP KIM NIKEN CROM BẰNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ

HỒ QUANG ĐIỆN ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BỀN MÀI MÒN ĂN MÒN

CHO CÁC CHI TIẾT MÁY CÔNG NGHIỆP LÀM VIỆC

TRONG MÔI TRƯỜNG KHẮC NGHIỆT

MÃ SỐ : VAST.SXTN.02/16-17

ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ : VIỆN KỸ THUẬT NHIỆT ĐỚI

CHỦ NHIỆM DỰ ÁN : TS. LÝ QUỐC CƯỜNG

Chủ nhiệm dự án Viện Kỹ thuật nhiệt đới

Lý Quốc Cường

HÀ NỘI – 2018

LỜI CẢM ƠN

Ban chủ nhiệm Dự án xin trân trọng cảm ơn:

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, toàn thể các thành viên

Ban Ứng dụng và phát triển Công nghệ, Ban kế hoạch tài chính đã phê duyệt và

luôn sát sao theo dõi ủng hộ chúng tôi trong suốt thời gian triển khai Dự án.

Lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới cùng toàn thể viên chức Phòng Quản lý Tổng

hợp Viện đã luôn ủng hộ giúp đỡ chúng tôi trong mọi thời điểm triển khai Dự án.

Cán bộ khoa học Viện kỹ thuật nhiệt đới và toàn thể các thành viên tham gia

Dự án đã đóng góp các phần việc khác nhau của Dự án.

Công ty TNHH cơ điện Đại Dương đã cộng tác chặt chẽ nhiệt tình để Dự án

kết thúc thành công.

Thay mặt ban chủ nhiệm dự án

Chủ nhiệm

TS. Lý Quốc Cường

CÁC CÁN BỘ THAM GIA DỰ ÁN

TT Họ và tên Nơi công tác Trách nhiệm

1 TS. Lý Quốc Cường Viện Kỹ thuật nhiệt đới Chủ nhiệm dự án

2 TS. Nguyễn Văn Tuấn Viện Kỹ thuật nhiệt đới Thư ký dự án

3 ThS.Đào Bích Thủy Viện Kỹ thuật nhiệt đới Tham gia

4 ThS. Phạm Thị Lý Viện Kỹ thuật nhiệt đới Tham gia

5 ThS. Phạm Thị Hà Viện Kỹ thuật nhiệt đới Tham gia

6 CN. Võ An Quân Viện Kỹ thuật nhiệt đới Tham gia

7 PGS.TS. Lê Thu Quý

Phòng thí nghiệm trọng điểm Công

nghệ Hàn và Xử lý bề mặt, Viện

Nghiên cứu cơ khí Tham gia

8 CN. Phùng Minh Lượng Phòng Dữ liệu, Thử nghiệm nhiệt

đới và Môi trường Tham gia

9 Nguyễn Bao Sõi Công ty TNHH Cơ điện Đại Dương Tham gia

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CVD: Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hóa học

PVD: Physical vapor deposition: Lắng đọng hơi vật lý

BCC: Body centered cubic: Lập phương tâm khối

FCC: Face centered cubic: Lập phương tâm mặt

Cấu trúc tinh thể A2: Lập phương tâm khối, các nguyên tử ở góc và tâm khối lập

phương giống nhau.

Cấu trúc tinh thể B2: Dạng lập phương tâm khối nhưng các nguyên tử ở góc và tâm

khác nhau.

Cấu trúc tinh thể DO3: Dạng hỗn hợp của 2 cấu trúc A2 và B2 xếp trồng lên nhau.

HVOF: High Velocity Oxygen Fuel: Công nghệ phun nhiên liệu oxy tốc độ cao

EDS (EDX): Energy-dispersive X-ray spectroscopy: Phổ tán sắc năng lượng tia X

SEM: Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét

OCP: Open circuit potential: Điện thế mạch hở

PDP: Potentiodynamic polarization: Phương pháp phân cực thế động

http://www.google.com.vn/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&ved=0CDsQFjAD&url=http%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FScanning_electron_microscope&ei=7cpeUty_Koa6iQfsw4Aw&usg=AFQjCNFY2595-cVDO83dYumd4cyRxipOSQ&bvm=bv.54176721,d.aGc

MỤC LỤC

TRANG

MỞ ĐẦU………………………………………………………………….. 1

TỔNG QUAN…………………………………………………………….. 3

1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới………... 3

1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt

Nam......................................................................................................……. 5

1.3. Các vật liệu thường dùng để chế tạo chi tiết máy.........................……. 9

1.3.1. Thép carbon thấp................................................................……… 9

1.3.2. Gang xám……………………………………………………….. 11

1.3.3. Gang cầu………………………………………………………… 13

1.3.4. Gang hợp kim…………………………………………………… 14

1.3.5. Thép không gỉ………………………………………………….... 16

1.4. Lớp phủ hợp kim NiCr ............................…………………………….. 21

1.5. Vật liệu nhôm và lớp phủ nhôm........................................................…. 22

1.6. Xử lý nhiệt lớp phủ kép NiCr/Al……………………….…………… 23

1.7. Những vấn đề mà Dự án cần giải quyết về công nghệ……………… 25

2. THỰC NGHIỆM 30

2.1. Mẫu nghiên cứu........................………….......................................….. 30

2.1.1. Chuẩn bị mẫu thép nền................................................................ 30

2.1.2. Vật liệu phun.............................................................................… 31

2.1.3. Phun tạo lớp phủ hợp kim NiCr……………………………………… 32

2.1.4. Xử lý nhiệt lớp phủ....................................………………………. 32

2.2. Nghiên cứu các tính chất của lớp phủ……………….……………… 33

2.2.1. Cấu trúc của lớp phủ.....................................…………………… 33

2.2.2. Đo độ xốp lớp phủ………........................................................…... 34

2.2.3. Đo độ bám dính………………………………………………………… 34

2.2.4. Đo độ cứng lớp phủ……………………………………………………. 35

2.2.5. Nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS……… 35

2.2.6. Phân tích thành phần các pha bằng phương pháp nhiễu xạ

Rơnghen ………………………………………………………………………... 35

2.3. Nghiên cứu tính chất chống ăn mòn của lớp phủ…………………….. 36

2.3.1.Thử nghiệm phun mù muối…………………………………………….. 36

2.3.2. Đo điện hóa……………………………………………………………... 36

2.3.3. Quét đường cong phân cực…………………………………………… 37

2.3.4. Đo phổ tổng trở điện hóa……………………………………………… 37

2.4. Thiết kế hệ thử nghiệm ăn mòn và mài mòn.............................…..…. 38

2.4.1. Giới thiệu tổng quan hệ thử nghiệm…………………….………. 38

2.4.2. Thiết kế hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn................…………….. 39

2.5. Thử nghiệm ăn mòn mài mòn……………………………………..…. 41

2.5.1. Mẫu thử ăn mòn....................................................................….… 41

2.5.2. Xử lý bề mặt………………………………..……………..………..… 41

2.5.3. Phun phủ kim loại…………………………………………………....… 41

2.5.4. Xử lý nhiệt lớp phủ…………………………………………………..… 42

2.5.5. Mài phằng các bề mặt……………………………………………….… 42

2.5.6. Điều kiện thử nghiệm, phương pháp đánh giá ăn mòn, mài mòn... 43

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………………………. 45

3.1. Cấu trúc mặt cắt ngang………………………………………………. 45

3.2. Độ xốp của lớp phủ……………………….............................…….. 46

3.3. Độ bám dính....……………………………......……...................….. 48

3.4. Độ cứng..................................…………………………………....…. 49

3.5. Nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS…………… 51

3.6. Phân tích thành phần các pha bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 53

3.7. Độ bền ăn mòn của lớp phủ trước và sau khi xử lý nhiệt……………. 55

3.8. Kết quả thử nghiệm ăn mòn và mài mòn………………………….… 60

BÁO CÁO TÓM TẮT CÁC KẾT QUẢ CỦA DỰ ÁN………………….. 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................….. 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................….. 71

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng Chú thích bảng Trang

Bảng 1.1 Các loại thép carbon thường gặp……………………..…. 10

Bảng 1.2 Các loại gang xám thường gặp...........................…......…. 12

Bảng 1.3 Các loại gang cầu thường gặp.........……........................... 13

Bảng 1.4 Các loại gang hợp kim thường gặp................................… 15

Bảng 1.5 Một số mác thép không gỉ họ austenit thường

gặp..…….. 17

Bảng 1.6 Một số mác thép không gỉ đặc biệt..................…………... 20

Bảng 1.7 Một số tính chất cơ bản của nhôm ..................………….. 22

Bảng 1.8 Các vị trí bị ăn mòn xâm thực, sói mòn của vành chèn…. 26

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của thép nền trước khi phun phủ….. 31

Bảng 2.3 Thành phần hóa học cơ bản của 2 loại vật liệu phun……. 32

Bảng 2.4 Điều kiện thử nghiệm phun mù muối…………………… 36

Bảng 2.5 Vật liệu và chi tiết sử dụng trong hệ thử nghiệm ăn mòn

và mài mòn………………………………………………. 39

Bảng 2.6 Tên, ký hiệu mẫu thử nghiệm ăn mòn mài mòn………… 43

Bảng 3.1 Độ cứng tế vi đo trên cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ

NiCr/Al………………………………………………….. 50

Bảng 3.2 Thành phần hóa học tại các vùng trên mặt cắt ngang……

của lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng………………. 52

Bảng 3.3 Thành phần hóa học tại các vùng trên mặt cắt ngang

của lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy……………….. 52

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Số hình Chú thích hình Trang

Hình 1.1 Giản đồ pha của Ni – Cr...................…………………………. 21

Hình 1.2 Vành chèn trước BXCT................................………………… 26

Hình 1.3 a – Vành chèn sau BXCT, b – Nửa trên

c – Vết nứt ngang , d – Vết mòn……………………………. 27

Hình 1.4 Bộ phận ống bao đầu vòi đốt lò DC 2...................................... 28

Hình 1.5 Trục chính trong dây chuyền kéo dây nhôm…………………. 29

Hình 2.1 Quy trình chế tạo mẫu nghiên cứu lớp phủ hợp kim NiCr,

NiCr/Al………………………………………………………. 30

Hình 2.2 Mẫu thép nền trước khi phun phủ……………………………. 31

Hình 2.3 Xử lý nhiệt mẫu lớp phủ NiCr và NiCr/Al…………………... 33

Hình 2.4 Ảnh mẫu lớp phủ và đồ gá thử nghiệm độ bám dính………… 35

Hình 2.5 Sơ đồ đo điện hóa 3 điện cực..........................……………….. 37

Hình 2.6 Hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn....................……………….. 38

Hình 2.7 Bản vẽ thiết kế tổng thể hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn…… 40

Hình 2.8 Bồn thử nghiệm ...............……………………………………. 39

Hình 2.9 Bộ gá lắp mẫu thử nghiệm.............................………............... 41

Hình 2.10 Bộ gá lắp mẫu trong bồn thử nghiệm ăn mòn mài mòn……… 41

Hình 2.11 Phun phủ mẫu thử ăn mòn, mài mòn………………………… 42

Hình 2.12 Mẫu thử ăn mòn mài mòn...........................................……….. 42

Hình 2.13 Mẫu lớp phủ sau khi xử lý nhiệt.............................………….. 43

Hình 2.14 Hình ảnh bồn thử nghiệm ăn mòn mài mòn………………… 44

Hình 3.1 Cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ NiCr và lớp phủ kép

NiCr/Al trên nền thép C45 trước và sau khi xử lý nhiệt……. 45

Hình 3.2 Ảnh hiển vi quang học chụp trên mặt cắt ngang của các lớp

phủ…………………………………………………………… 47

Hình 3.3 Độ xốp của các mẫu lớp phủ trước và sau khi xử lý nhiệt. 48

Hình 3.4 Độ bám dính của các mẫu lớp phủ trên nền thép trước và sau

khi xử lý nhiệt……………………………………………….. 49

Hình 3.5 Ảnh vết đâm xác định độ cứng tế vi trên cấu trúc mặt cắt

ngang của lớp phủ NiCr/Al………………………………….. 50

Hình 3.6 Ảnh chụp SEM các vùng phân tích EDS mẫu NiCr/Al xử lý

nhiệtcảm ứng………………………………………………… 51

Hình 3.7 Giản đồ XRD trên bề mặt của mẫu lớp phủ NiCr/Al

sau khi xử lý nhiệt cảm ứng…………………………………. 54

Hình 3.8 Ảnh bề mặt mẫu lớp phủ NiCr trong quá trình thử nghiệm phun

mù muối.............................…………………………………… 55

Hình 3.9 Ảnh bề mặt mẫu lớp phủ NiCr/Al trong quá trình thử nghiệm

phun mù muối……………………………………………… 56

Hình 3.10 Đường cong phân cực của các lớp phủ NiCr đo trong dung

dịch NaCl 3,5%………………………………………………. 57

Hình 3.11 Đường cong phân cực của các lớp phủ NiCr/Al đo trong dung

dịch NaCl 3,5%………………………………………………. 58

Hình 3.12 Giản đồ Nyquist của các lớp phủ NiCr đo

trong dung dịch NaCl 3,5%………………………………….. 59

Hình 3.13 Giản đồ Nyquist của các lớp phủ NiCr/Al đo

trong dung dịch NaCl 3,5%………………………………….. 59

Hình 3.14 Ảnh quan sát bề mặt theo thơi gian thử nghiệm ăn mòn mài

mòn…………………………… 62

Hình 3.15 Tổn hao khối lượng theo thời gian thử nghiệm của lớp phủ

NiCr.............………………………………………………….. 63

Hình 3.16 Tổn hao khối lượng theo thời gian thử nghiệm của lớp phủ

NiCr/Al……………………………………………………….. 63

1

MỞ ĐẦU

Trong những năm vừa qua, với sự lớn mạnh của các ngành công nghiệp nước

nhà, đi cùng đó là một lượng lớn các thiết bị máy móc được đưa vào khác thác, sử

dụng, các thiết bị đa phần là ngoại nhập đắt tiền. Sau một thời gian vận hành, các chi

tiết máy bắt đầu hư hỏng cần phải tiến hành sửa chữa và thay mới. Việc sửa chữa các

chi tiết máy lớn khá tốn kém và gặp nhiều khó khăn về công nghệ cũng như tiến độ

thi công. Một giải pháp đem lại hiệu quả cao và tiết kiệm thời gian đó là công nghệ

phun phủ kim loại. Phun phủ kim loại được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực chống

mài mòn, chống ăn mòn, trang trí….Vật liệu phun khá đa dạng có thể là các loại hợp

kim như NiCr, CrBo, thép không gỉ SUS316, SUS304; Cu, Al, Zn….

Lớp phủ hợp kim NiCr được kết hợp các tính chất của Ni và Cr nên có khả

năng chống ăn mòn, bền mài mòn khá tốt trong nhiều môi trường hóa chất. Tuy

nhiên, do đặc điểm cấu trúc của các lớp phun phủ nhiệt luôn tồn tại các lỗ xốp, độ

xốp của các lớp phun phủ nhiệt có thể dao động trong khoảng khá rộng (1-15%) tùy

thuộc vào phương pháp chế tạo. Đặc biệt là lớp phủ NiCr chế tạo bằng công nghệ

phun phủ dùng hồ quang điện có độ xốp khá cao khoảng 11,5%. Điều này sẽ làm

ảnh hưởng lớn đến khả làm việc của lớp phủ này trong các môi trường khắc nghiệt.

Để khắc phục nhược điểm này của lớp phủ, cần phải có các giải pháp thích hợp để

xử lý lớp phủ sau khi phun.

Năm 2011-2012, Phòng Dữ liệu thử nghiệm Nhiệt đới và Môi trường - Viện

Kỹ thuật nhiệt đới được Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

giao thực hiện đề tài cấp Viện: “Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hợp kim niken crôm

bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện để bảo vệ chống ăn mòn cho các chi tiết

máy bơm công nghiệp làm việc trong môi trường axít”, mã số VAST04.01/11-12.

Đề tài đã được nghiệm thu ngày 29 tháng 7 năm 2013.

Đề tài đã thu được một số các kết quả chính về khoa học và công nghệ, trong

đó đã có phần hoàn thiện nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường

axit của lớp phủ hợp kim NiCr bằng cách sử dụng chất bịt phốt phát nhôm, tuy

nhiên kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy chất bịt phốt phát nhôm chỉ phát huy tác

2

dụng chống ăn mòn mà không có tác dụng chống mài mòn, trong trường hợp môi

trường làm việc là nước có lẫn các hạt rắn gây mài mòn thì cần có giải pháp khác để

nâng cao độ cứng cũng như khả năng làm việc của lớp phủ.

Để lớp phủ hợp kim NiCr làm việc được trong các môi trường khắc nghiệt,

ngoài tính chất liên quan đến độ xốp, lớp phủ cần phải đảm bảo các tính chất khác

như độ cứng, khả năng chịu mài mòn, đặc biệt là khả năng bám dính của lớp phủ

với nền. Một phần kết quả nghiên cứu trong đề tài mã số VAST04.01/11-12 cũng

cho thấy, lớp phủ được phun ở chế độ tối ưu có độ cứng không cao chỉ đạt vào

khoảng 25 HRC và độ bám dính trên nền thép C45 tương đối thấp (khoảng 16

MPa). Điều đó đã hạn chế rất lớn khả năng làm việc của lớp phủ, đặc biệt là khi lớp

phủ phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như điều kiện có tải trọng cao và có

các tác nhân gây xói mòn…Để đảm bảo cho lớp phủ có khả năng làm việc tốt trong

các môi trường khắc nghiệt cần phải có các bước nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn

thiện và đưa lớp phủ NiCr vào ứng dụng rộng rãi nhiều hơn trong thực tế.

Xuất phát từ đề tại mã số VAST04.01/11-12, nhóm nghiên cứu đã được Chủ

tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam giao thực hiện dự án: “Hoàn

thiện công nghệ chế tạo lớp phủ hợp kim Niken Crom bằng công nghệ phun phủ hồ

quan điện để nâng cao độ bền mài mòn ăn mòn cho các chi tiết máy công nghiệp

làm việc trong môi trường khắc nghiệt”, mã số VAST.SXTN.02/16-17. Dự án đã

nghiên cứu và xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ đảm bảo

các tính chất về độ xốp, độ cứng, khả năng chống ăn mòn mài mòn và khả năng

bám dính cao đáp ứng được yêu cầu làm việc được trong các môi trường khắc

nghiệt của các chi tiết máy công nghiệp.

Lớp phủ NiCr được hoàn thiện gồm hai loại: một loại lớp phủ NiCr sau khi

xử lý nhiệt không có lớp nhôm. Loại thứ hai lớp phủ NiCr có lớp phủ Al bên trên

sau đó xử lý nhiệt. Sản phẩm của dự án đã được sử dụng để phủ lên các chi tiết máy

công nghiệp như: khai thác khoáng sản, thủy điện, xi măng, mía đường….

3

I. TỔNG QUAN

1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới

Phun phủ nhiệt là lĩnh vực khoa học và công nghệ còn rất trẻ so với các

phương pháp bề mặt cổ điển khác như: sơn, mạ....Năm 1910, ý tưởng phun phủ

nhiệt được một kỹ sư cơ khí người Thụy Sĩ là M.U. Shoop đưa ra nhưng cho đến

năm 1923, phương pháp công nghệ này mới được đưa vào sản xuất, ban đầu chỉ

dùng cho mục đích trang trí. Đến chiến tranh Thế Giới thứ 2, phun phủ nhiệt mới

được ứng dụng trong quy mô công nghiệp ở hầu hết các nước Châu Âu [1, 2].

Phương pháp công nghệ này đã trở thành một công nghệ vạn năng, có nhiều

ưu việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, với ưu điểm là tiết kiệm kim

loại quý, tạo các lớp bề mặt có tính chất đặc biệt. Đến những năm 70, 80 của thế kỷ

20, phun phủ nhiệt đã trở thành một lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng biệt, biểu

hiện giống như một khoa học và công nghệ bề mặt (Công nghệ xử lý bề mặt); mặt

khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất.

Đến những năm 90 của thế kỷ 20, khoa học và công nghệ phun phủ đã có tốc độ

phát triển và ứng dụng rất mạnh mẽ trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ

khí (cơ khí chế tạo máy, cơ khí hàng không, cơ khí giao thông vận tải, cơ khí hóa

chất...) [3].

Trong các nghiên cứu [5 – 15] lớp phủ NiCr được chế tạo bằng công nghệ

phun phủ HVOF (High Velocity Oxygen Fuel – Nhiên liệu ôxy tốc độ cao) hoặc

công nghệ phun nguội trên nền thép chế tạo lò hơi. Các nghiên cứu cấu trúc, tính

chất của lớp phủ cho thấy, lớp phủ NiCr có thể làm việc ở miền nhiệt độ cao lên đến

800 – 900oC.

Lớp phủ hợp kim NiCr được kết hợp các tính chất của Cr và Ni có ưu điểm

là khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong

nhiều môi trường hoá chất. Tuy nhiên, do đặc điểm cấu trúc của các lớp phun phủ

nhiệt luôn tồn tại các lỗ xốp, độ xốp của các lớp phun phủ nhiệt có thể dao động

trong khoảng khá rộng (1-15%) tùy theo phương pháp chế tạo [16, 17]. Lớp phun

phủ NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện có độ xốp thấp nhất vẫn

4

ở mức 11,5%. Điều này ảnh hưởng đến khả năng che chắn bảo vệ chống ăn mòn

của lớp phủ.

Để nâng cao khả năng làm việc của các lớp phun phủ nhiệt, người ta có thể

xử lý bằng nhiều phương pháp như dùng tia laze, ứng dụng các lớp bốc bay hóa

học, sử dụng các chất bịt hữu cơ hoặc vô cơ,…trong đó phương pháp xử lý nhiệt

trước hoặc kết hợp với lớp phủ vô cơ khác sau đó xử lý nhiệt là một trong những

phương pháp được ưu tiên sử dụng hơn cả [18 – 28].

Nhóm nghiên cứu người Nhật Bản Kazuo Ishikawa và cộng sự [29] đã có

những nghiên cứu về lớp phủ kép NiCr kết hợp lớp phủ nhôm trên nền thép cacbon

thấp, trong các nghiên cứu này lớp phủ Al được phủ lên trên lớp phủ NiCr, các lớp

phủ được chế tạo bằng công nghệ phun khí cháy METCO 12E của hãng Sulzer

Metco-Nhật Bản, sử dụng vật liệu là dây kim loại. Các lớp phủ được khống chế

chiều dày lần lượt là lớp phủ NiCr dày 100 – 150 µm, lớp phủ Al dày là 200 - 250

µm, sau đó lớp phủ NiCr/Al được nghiên cứu cấu trúc và các tính chất điện hóa. Kết

quả cho thấy lớp phủ kép NiCr/Al có khả năng chống ăn mòn trong dầu thực vật tốt

hơn thép không gỉ SS400 và các lớp phủ đơn riêng rẽ. Khả năng bám dính của lớp

phủ Al trên lớp phủ NiCr cũng tốt hơn lớp phủ Al trên nền thép do lớp phủ NiCr có

độ nhấp nhô bề mặt cao.

Trong một số nghiên cứu khác, Al được trộn vào hợp kim NiCr kết hợp với

các nguyên tố Ti, Co, Y, Ta, Fe làm nguyên liệu để chế tạo lớp phủ gốm bằng công

nghệ phun phủ HVOF, Plasma [30 – 34]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ

hợp kim NiCr khi có thêm nguyên tố Al có khả năng chịu nhiệt lên đến 900 –

1100oC và có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường hóa chất.

Trong nghiên cứu [35], Wei – Jen Cheng và cộng sự đã nghiên cứu lớp phủ

kép Al và lớp phủ Ni trên nền thép AISI 1005, lớp Ni có chiều dày 18 – 20 µm chế

tạo bằng phương pháp mạ điện, tiếp theo lớp phủ Ni được phủ một lớp Al bằng

phương pháp nhúng nóng ở nhiệt độ 670oC trong bể nhôm lỏng với các thời gian

khác nhau 5 – 750 giây, các kết quả nghiên cứu cấu trúc, tính chất bằng phương

pháp XRD và EDS cho thấy tại biên giới giữa lớp phủ Ni và Al hình thành các pha

liên kim NiAl3; Ni2Al3; tại biên giới nền thép và Ni hình thành các pha liên kim (Fe,

5

Ni)2Al9; FeAl3; Fe2Al5; các thử nghiệm cũng cho thấy lớp phủ kép Al/Ni có khả

năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí Cl ở nhiệt độ cao.

Trong nghiên cứu [36], J.M. Brossard và cộng sự đã nghiên cứu khả năng

khuếch tán của Al trên nền hợp kim NiCr, lớp nhôm dày 3 µm được chế tạo bằng

phương pháp bốc bay vật lý, lớp phủ Al sau đó được xử lý nhiệt hai giai đoạn trong

môi trường khí Argon, giai đoạn đầu ở 600oC trong thời gian 1 giờ, giai đoạn thứ

hai ở 900 – 1100oC trong 15 phút, các kết quả nghiên cứu XRD cho thấy nhôm đã

khuếch tán vào NiCr tạo thành các pha liên kim β-NiAl, γ’-Ni3Al; kết quả thử ôxi

hóa ở nhiệt độ 1100oC sau 90 giờ cho thấy mẫu NiCr có lớp phủ nhôm có khả năng

chống ôxi hóa tốt hơn mẫu NiCr không có lớp phủ nhôm.

Trong nghiên cứu [37], các tác giả nghiên cấu trúc, tính chất của lớp thấm Al

trên nền hợp kim Ni-15Cr, thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 1050oC, thời gian

giữ nhiệt 5 giờ. Kết quả phân tích X-ray, SEM, TEM, EPMA cho thấy, nhôm đã

khuếch tán vào hợp kim Ni-15Cr với chiều sâu 20 – 30 µm, tạo thành các pha liên

kim NiAl như: γ’-Ni3Al, β-NiAl và hỗn hợp các pha β-NiAl + αCr; pha Cr2Al cũng

đã được tìm thấy. Xử lý nhiệt lớp phủ làm giảm độ xốp, tăng độ bám dính cũng đã

được nghiên cứu.

Trong công trình [38] các tác giả sử dụng phương pháp xử lý nhiệt là dùng

ngọn lửa khí cháy để xử lý các lớp phủ hợp kim Ni chế tạo bằng phương pháp phun

khí cháy và phun HVOF. Kết quả nghiên cứu cho thấy, độ xốp của lớp phủ giảm từ

6% xuống còn khoảng 1,5%, độ bám dính của lớp phủ đối với bề mặt nền thép sau

khi lớp phủ được xử lý nhiệt tăng hơn 10 lần so với lớp phủ không được xử lý nhiệt,

từ khoảng 40 MPa lên gần 500 MPa, ngoài ra độ cứng của lớp phủ cũng tăng từ 600

HV lên 800 HV.

1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam

Công nghệ phun phủ nhiệt đã du nhập vào nước ta cách đây khoảng 50 năm.

Thời gian đầu, công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích phục hồi các chi

tiết máy bị mài mòn, sử dụng vật liệu phủ là các loại thép. Cho đến những năm

1990, xuất phát từ nhu cầu thực tế, một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất bắt đầu tập

trung phát triển và ứng dụng công nghệ này với mục đích tạo các lớp phủ có khả

năng chịu ăn mòn tốt khi phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt [39 - 41].

6

Trước những thành tựu đổi mới, sự tăng trưởng của nền kinh tế đất nước liên

tục hàng năm, do vậy Đảng và chính phủ đã có sự quan tâm đáng kể đến nhiều vấn

đề kinh tế - xã hội; đặc biệt đến sự phát triển của Khoa học và Công nghệ. Chương

trình xây dựng 16 phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia đã được chính phủ phê

duyệt. Trong năm 2001 đã chính thức triển khai xây dựng 6 phòng thí nghiệm đầu

tiên trong đó có Phòng thí nghiệm về công nghệ hàn và xử lý bề mặt do Viện

nghiên cứu cơ khí thuộc Bộ Công nghiệp nặng chủ trì [42].

Các kết quả nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam

trong những năm qua đã có nhiều kết quả và ngày càng phát triển. Vì vậy hiện nay

cũng như các năm tiếp theo, các bộ ngành có quan tâm và hỗ trợ tích cực.

Tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, công nghệ phun phủ kim loại dùng hồ quang

điện đã được nghiên cứu từ khoảng năm 1995 và đã thu được một số kết quả nghiên

cứu và triển khai ứng dụng. Tính đến nay, sau hơn 15 năm hoạt động, Viện đã chủ

trì và tham gia 10 đề tài nghiên cứu các cấp liên quan đến phun phủ kim loại, công

bố hơn 50 bài báo và báo cáo khoa học về nghiên cứu - đánh giá các lớp phủ bảo vệ,

đào tạo 11 sinh viên cao học, khoảng 50 sinh viên đại học và cao đẳng, thực hiện

hơn 50 hợp đồng trong lĩnh vực phun phủ nhiệt và công nghệ xử lý bề mặt [42].

Năm 2011-2012, Phòng Dữ liệu thử nghiệm Nhiệt đới và Môi trường được

Chủ tịch Viện giao thực hiện đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt

Nam: “Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hợp kim niken crôm bằng công nghệ phun phủ

hồ quang điện để bảo vệ chống ăn mòn cho các chi tiết máy bơm công nghiệp làm

việc trong môi trường axít”. Đề tài đã được nghiệm thu ngày 29 tháng 7 năm 2013.

Đề tài đã thu được các kết quả chính về khoa học và công nghệ như sau [42]:

1. Đã xây dựng được quy trình công nghệ phun phủ hồ quang điện chế tạo

lớp phủ hợp kim NiCr trên nền gang xám với các tính năng sau: độ xốp đạt mức

thấp nhất là 11,5%; độ cứng ở mức trung bình là 267 HV; độ bám dính > 16 MPa;

lớp phủ đáp ứng các tiêu chí lựa chọn làm lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn trong môi

trường hóa chất.

2. Nghiên cứu ăn mòn trong môi trường axít cho thấy, trong cả 3 môi trường

nghiên cứu, trong đó có 2 môi trường nước thải có tính axit được lấy trực tiếp từ mỏ

7

than, lớp phủ hợp kim NiCr vẫn còn khả năng bảo vệ tốt đối với nền gang xám sau

168 giờ ngâm thông qua việc hình thành các sản phẩm ăn mòn có tính thụ động.

3. Đã thiết kế và xây dựng 1 bộ thí nghiệm đánh giá khả năng bảo vệ chống

mài mòn ăn mòn của lớp phủ NiCr trong điều kiện làm việc khi vật liệu phủ quay

trong dung dịch axít có chứa các hạt rắn gây mài mòn. Kết quả thu được cho thấy,

điều kiện thử nghiệm mài mòn ăn mòn với tốc độ dòng chảy 4 m/s và có mặt các tác

nhân gây mài mòn là các hạt rắn với tỉ lệ “rắn / lỏng” là 50:50 là rất khắc nghiệt, có

tác dụng gia tốc đánh giá nhanh được các quá trình suy giảm khả năng bảo vệ của

lớp phủ hợp kim khi quay trong môi trường axit.

4. Đã tiến hành nghiên cứu nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mòn trong

môi trường axit của lớp phủ hợp kim NiCr bằng cách sử dụng chất bịt phốt phát

nhôm, kết quả là đã lựa chọn được 1 thành phần chất bịt phốt phát nhôm có khả

năng bảo vệ nền gang sau 336 giờ ngâm mẫu trong môi trường axit pH2.

5. Đã tiến hành chế tạo thử lớp phủ hợp kim NiCr lên 6 cụm chi tiết máy

bơm vận hành trong môi trường axit tại 3 cơ sở sản xuất của ngành than. Tính đến

nay, sau hơn 9 tháng lắp đặt và sử dụng, bề mặt các phần làm việc có lớp phủ hợp

kim vẫn còn nguyên vẹn, các máy bơm đều đang ở tình trạng hoạt động tốt.

Sau khi kết thúc đề tài, nhóm tác giả tiếp tục thử nghiệm ở một số công ty

khác như: Công ty CP than Hà Lầm, Công ty TNHH MTV than Quang Hanh... và

nhận được nhiều ý kiến đóng góp. Nhờ đó, nhóm tác giả có cơ sở để khẳng định

việc áp dụng công nghệ phun phủ hợp kim NiCr của đề tài là hoàn toàn khả thi sau

khi đã hoàn thiện và thử nghiệm sản xuất.

Trong mục 4 kết luận của đề tài đã có phần hoàn thiện nâng cao khả năng

bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axit của lớp phủ hợp kim NiCr bằng cách sử

dụng chất bịt phốt phát nhôm, tuy nhiên kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy chất

bịt phốt phát nhôm chỉ phát huy tác dụng chống ăn mòn mà không có tác dụng

chống mài mòn, trong trường hợp môi trường làm việc là nước có lẫn các hạt rắn

gây mài mòn thì cần có giải pháp khác để nâng cao độ cứng cũng như khả năng làm

việc của lớp phủ.

8

Trong nước, việc nghiên cứu công nghệ phun phủ nhiệt, đặc biệt là nâng cao

khả năng làm việc của lớp phủ NiCr chế tạo bằng phương pháp phun phủ hồ quang

điện còn ít được quan tâm. Cũng có một số nhóm nghiên cứu (thuộc Viện Nghiên

cứu cơ khí, Viện Kỹ thuật nhiệt đới) cũng có những nghiên cứu để nâng cao khả

năng làm việc của lớp phủ NiCr. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn chưa được ứng

dụng thực tế [43, 44]. Nhóm tác giả trong công trình [45, 46] cũng đã có những

nghiên cứu về lớp phủ kép Al và hợp kim Cr, hợp kim NiCr. Trong công trình [46],

nghiên cứu lớp phủ Al bên dưới tiếp giáp nền thép, lớp phủ NiCr bên trên sau khi

xử lý nhiệt ở nhiệt độ 550 – 600oC thời gian giữ nhiệt 4 – 8 giờ, kết quả phân tích

XRD và EDS cho thấy Al có khả năng khuếch tán vào nền thép tạo thành các pha

liên kim FeAl3, AlFe3 và AlFe, Al khuếch tán lên lớp phủ NiCr tạo thành các pha

AlNi, Al4Cr, (AlNi + Al3Ni), Al3Ni, Al3Ni2, AlNi3 và Al4CrNi15. Các kết quả

nghiên cứu cấu trúc, tính chất cho thấy: các pha liên kim mới có độ cứng cao (đạt

600 – 800 HV), chiều dày khuếch tán đạt 35 – 45 μm; hệ số ma sát nhỏ và khả năng

chống mài mòn tốt hơn các mẫu chưa xử lý nhiệt; khả năng chống ăn mòn trong

môi trường axit (cụ thể là H2SO4 có pH = 2) tốt hơn mẫu không xử lý nhiệt.

Với các loại chi tiết cần chú trọng khả năng bảo vệ chống ăn mòn ở nhiệt độ

cao thường được phun lớp phủ kép NiCr và Al với lớp nhôm bên ngoài để nâng cao

khả năng chống ăn mòn. Ở đây NiCr chỉ đóng vai trò là lớp màng chống oxy hóa thứ

hai sau lớp nhôm chứ không được nhấn mạnh đến khả năng chịu mài mòn. Việc kết

hợp lớp phủ NiCr với lớp phủ nhôm sau đó xử lý nhiệt cũng đã được nghiên cứu.

Với mong muốn đưa các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất công

nghiệp, chúng tôi đăng ký thực hiện dự án sản xuất thử nghiệm “Hoàn thiện công

nghệ chế tạo lớp phủ hợp kim niken crôm bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện

để nâng cao độ bền mài mòn ăn mòn cho các chi tiết máy công nghiệp làm việc

trong môi trường khắc nghiệt”. Tuy nhiên, để có thể áp dụng vào thực tế sản xuất

công nghiệp với quy mô lớn, nhất thiết phải trải qua giai đoạn hoàn thiện công nghệ

chế tạo để đảm bảo chất lượng, giá thành hợp lý.

Trong dự án này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu hoàn thiện quy trình,

công nghệ chế tạo lớp phủ NiCr đã được nghiên cứu trong thời gian trước. Các

9

nghiên cứu xử lý nhiệt lớp phủ NiCr và kết hợp với lớp phủ nhôm để giảm độ xốp,

tăng độ cứng, tăng khả năng bám dính cũng là một phần trọng tâm của dự án này.

Lớp phủ NiCr được hoàn thiện gồm hai loại: một loại lớp phủ NiCr sau khi

xử lý nhiệt không có lớp nhôm. Loại thứ hai lớp phủ NiCr có lớp phủ Al bên trên

sau đó xử lý nhiệt. Sản phẩm của dự án sẽ được sử dụng để phủ lên các chi tiết máy

công nghiệp chủ yếu phục vụ cho ngành thủy điện và khai thác khoáng sản.

1.3. Các vật liệu thường dùng để chế tạo chi tiết máy

Các chi tiết máy được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau như các loại

gang, các loại thép, hợp kim đồng, hợp kim nhôm, các loại vật liệu phi kim loại,…

tùy thuộc vào điệu kiện làm việc cụ thể của các chi tiết. Dưới đây là các thông tin

mà chúng tôi đã thu thập được đối với các loại vật liệu thường dùng trong các

ngành khai thác than khoáng sản, ngành điện, ngành hóa chất và một số ngành công

nghiệp khác.

1.3.1. Thép carbon thấp

Thép có thể được phân loại là "hợp kim thấp" nếu không có các nguyên tố

hợp kim nào vượt quá 4,5%. Thông thường các nguyên tố hợp kim ít khi lớn hơn

3%. Một số loại thép hợp kim thấp có bổ sung thêm Ni và Cr để nâng cao độ bền ở

nhiệt độ cao. Thép đúc được sử dụng chủ yếu cho các máy bơm cao áp và bơm chất

lỏng nóng, nhưng xu thế hiện nay chúng thường được thay thế bằng gang cầu và

thép hợp kim cao. Từ khía cạnh ăn mòn, thép đúc không tốt như gang xám hoặc

gang cầu, bởi vì với hàm lượng carbon < 1,5% không đủ để tạo lớp bảo vệ graphit.

Thành phần carbon ảnh hưởng đến khả năng xử lý nhiệt và tính hàn của thép. Cr và

Ni cải thiện khả năng biến cứng, độ dẻo và độ bền va đập. Thép với khoảng 0,4% C

và 1% Cr có độ bền khá cao. Bảng 1.1. Các thép carbon thường gặp [47].

10

Bảng 1.1. Các loại thép carbon thường gặp [47]

Tiêu chuẩn Mác vật liệu Thành phần chính

Độ bền

kéo thấp

nhất, MPa

Nhiệt độ

làm việc

cao nhất, oC

EN 10213-2 GP240GR 0.21C 0.6Si 0.6Mn

0.03P 0.02S 420 200

EN10213-2 GP280GH 0.21C 0.6Si 0.5Mn

0.03P 0.02S 480

DIN 1681

Werkstoff

ISO 4991

ASTM A216

GS-45

1.0435

C23-45B

WCA

0.25C 0.25Cr

0.15Mo 0.4Ni 430 400

DIN 1681

ISO 4991

ASTM A216

GS-52

C26-52H

WCB

0.30C 0.25Cr

0.15Mo 0.4Ni 480 390/480

BS 1503 164-490 0.25C 0.25Cr

0.1Mo 0.4Ni 1Mn 490 480

EN10213-2 G12MoCrV5

-2

0.12C 0.45Si

0.55Mn 0.5Mo

0.4Cr 0.03P 0.02S

610 400

BS 1503 221-550 0.35C 0.25Cr

0.1Mo l.lMn 0.4Ni 550 350

BS 3100

ISO 4991

ASTM A352

ALl

C23-46BL

LCB

0.2C l.lMn 425

BS 970

Werkstoff

070M20'N'

1.0402 0.2C 0.7Mn 400 200

BS 970 080M30'N' 0.3C 0.75Mn 460 200

BS 970

Werkstoff

080M40'N'

1.0503 0.4C 0.8Mn 510 200

BS 970

Werkstoff

708M40'S'

1.7225

0.4C 0.85Mn 1Cr

0.2Mo 770 500

11

AISI

Werkstoff

1040

1.1186 0.4C 0.75Mn 551 200

AISI

Werkstoff

4140

1.7225

0.43C 0.8Mn 1Cr

0.2Mo 860 500

EN 10113-2

Werkstoff

S355N

1.0483 0.2C1.2Mn + N2 470

EN 10113-2

Werkstoff

S420NL

1.0570

0.2C 1.35Mn

0.15Cr+N2 500

BS 4882

ASTM A193

DIN 17200

B7

B7

42Cr.MO.4

0.4C 0.85Mn 1Cr

0.2Mo 860 400/500

BS 4882

ASTM A194

DIN 17200

2H

2H

C45

0.4C 450

1.3.2. Gang xám

Gang được chế tạo với độ bền khác nhau, quy định theo tiêu chuẩn BS 1452.

Các mác gang sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu áp lực có thể tham khảo theo tiêu

chuẩn ASTM A278. Nói chung, gang ít được phân loại theo thành phần hóa học, mà

chủ yếu được phân loại theo các tính chất vật lý. Độ bền kéo của gang phụ thuộc

chủ yếu vào hàm lượng carbon, và độ bền giảm đi khi hàm lượng carbon tăng lên.

Do có độ bền kéo khá thấp nên các chi tiết được chế tạo từ vật liệu này thường được

hạn chế ở miền làm việc với động năng không cao. Ví dụ như các loại cánh bơm

đúc bằng gang xám có hạn chế là chỉ hoạt động với tốc độ quay nhỏ. Đối với những

môi trường ăn mòn không quá khắc nghiệt, các phần chi tiết máy thường được chế

tạo bằng gang do giá thành rẻ, độ bền xói mòn ăn mòn của gang cũng khá cao.

Ngoài ra, gang còn có tính đúc tốt (nhiệt độ nóng chảy thấp, khả năng điền đầy

khuôn đúc tốt) nên hạn chế được đáng kể các khuyết tật như lõm, co, rỗ khí hoặc

hình thành các vết nứt và các rủi ro khác trong quá trình đúc. Theo quan điểm ăn

mòn, gang xám có miền ứng dụng khá rộng, bền trong các môi trường nước có giá trị

pH trong khoảng 6-10. Tùy trường hợp, nó cũng có thể sử dụng trong môi trường có

pH thấp hơn. Gang xám cũng được sử dụng để chế tạo các gối đỡ vòng bi do có độ

bền nén và khả năng chống rung tốt. Bảng 1.2. Các loại gang xám thường gặp [47].

12

Bảng 1.2. Các loại gang xám thường gặp [47]

Tiêu chuẩn Mác vật

liệu

Độ bền kéo

thấp nhất,

MPa

Nhiệt độ làm

việc cao

nhất, oC

Tải trọng kéo thiết kế

cao nhất cho phép,

MPa

EN 1561

DIN 1691

ASTM A48

EN JL 1020

EN JL 1030

EN JL 1040

EN JL 1050

EN JL 1060

150

200

250

300

350

300

38

50

63

75

88

ISO 185 200

250

200

250 300

50

62

ASTM A126 A

B

145

214 230

36

53

ASTM A278

C120

C 125

C 130

C135

138

172

207

241

230

35

43

52

60

ASTM A278

C140

C145

C 150

C155

C160

276

310

345

379

414

345

70

77

86

94

103

Meehanite

GF150

GE200

GD250

GB300

GM400

150

200

250

300

400

350

40

50

62

75

100

13

1.3.3. Gang cầu

Gang cầu có thành phần tương tự gang xám đối với các nguyên tố C và Si.

Điểm khác biệt là ở chỗ, graphit trong gang không ở dạng mảnh mà có dạng hình

cầu trên nền peclit. Điều này được hình thành bằng việc thêm một lượng nhỏ Mg

vào gang lỏng trước khi rót. Cấu trúc graphit dạng cầu làm cho gang có độ bền và

độ dẻo tốt hơn nhiều so với gang thường. Hơn nữa, gang cầu còn có giới hạn đàn

hồi và độ bền va đập tốt hơn. Bằng cách xử lý nhiệt, giới hạn đàn hồi và độ bền va

đập của gang cầu có thể được nâng cao, khi đó, cấu trúc nền chuyển hóa dần sang

dạng ferit. Gang cầu là vật liệu lý tưởng để chế tạo các chi tiết chịu áp lực, nó có

tính hàn khá tốt. Khả năng chống ăn mòn của gang cầu tương tự như gang xám

trong điều kiện vận tốc dòng chảy thấp. Ở vận tốc dòng chảy cao hơn, vật liệu này

có độ bền kém hơn so với gang đúc thông thường. Bảng 1.3. Các loại gang cầu

thường gặp [48].

Bảng 1.3. Các loại gang cầu thường gặp [48]

Tiêu chuẩn Mác vật

liệu

Độ bền kéo

thấp nhất,

MPa

Nhiệt độ

làm việc

cao nhất,

oC

Tải trọng kéo

thiết kế cao

nhất cho

phép, MPa

Độ dãn

dài,

%

EN 1563

DIN 1693

EN JS 1015

EN JS 1025

EN JS 1040

EN JS 1050

EN JS 1060

EN JS 1090

350

400

450

500

600

900

350

102

116

130

145

156

225

22

18

10

7

3

2

ISO 1083

350-22

400-15

500-7

600-3

350

400

500

600

350

350

350

120

87

100

125

150

22

15

7

3

ISO 2531 400-5 400 350 100 5

14

ASTM

A536

60-40-18

65-45-12

0-55-06

100-70-03

120-90-02

413

448

551

689

827

350

102

112

137

172

206

18

12

6

3

2

Meehanite

SFF350

SFF400

SF400

SFP500

350

400

400

500

350

87

100

100

125

24

20

17

8

1.3.4. Gang hợp kim

Các tính chất của gang thường và gang cầu có thể được thay đổi rất lớn khi

được bổ xung thêm một số nguyên tố hợp kim sau đây:

- Đồng (áp dụng đối với gang thường): Phụ gia Cu làm cho cấu trúc peclit

đồng đều hơn với ít hơn ferrit, còn graphit được phân bố tốt hơn. Độ bền kéo tăng

10 - 20% khi bổ sung 1 - 2% Cu. Độ bền chống ăn mòn trong axít sulfuric được cải

thiện đáng kể.

- Niken và Crôm: Bổ sung lượng nhỏ Ni và/hoặc Cr làm cho cấu trúc trở

nên mịn hơn, tương tự như trường hợp của Cu. Bổ sung 20% Ni biến đổi cấu trúc

thành dạng austenit không nhiễm từ, cải thiện đáng kể độ bền hóa học trong môi

trường nước biển và các môi trường chứa ion clorua, ở nhiệt độ thường cũng như

nhiệt độ cao. Độ bền cơ học của vật liệu khi đó đạt mức tương đương với gang xám

và gang cầu. Gang hợp kim với hàm lượng khoảng 6% Ni và 9% Cr có cấu trúc

martensit có chứa carbid chrome, nâng cao độ cứng lên khoảng 500 - 600 HB. Độ

cứng có thể được tăng thêm bằng cách xử lý nhiệt hoặc bằng cách tăng hàm lượng

Cr lên đến 30%. Vật liệu này có độ bền mài mòn và xói mòn rất cao.

- Silic: Gang silic có độ bền axít cao khi hàm lượng Si > 13%. Vật liệu này

bền trong axít sulfuric ở tất cả các nồng độ và bền trong nhiều axít vô cơ và hữu cơ

khác, không bền trong các axít HF, HCl đặc nóng, H2SO3, H2S và trong các môi

trường kiềm nóng. Bổ sung thêm khoảng 3% Mo làm cho vật liệu trở nên bền trong

15

HCl và môi trường chứa ion clorua khác. Gang silic rất khó đúc và chịu áp lực

không tốt. Do vậy, nó không dùng để chế tạo các chi tiết bơm có áp lực trong > 4

bar. Bảng 1.4. Các loại gang hợp kim thường gặp [48].

Bảng 1.4. Các loại gang hợp kim thường gặp [48]


Độ bền kéo

thấp nhất,

MPa

Nhiệt độ

làm việc

cao nhất, oC

ASTM

A436 Type 1

2.1Cr 15.5Ni 1Mn

6.5Cu 1.9Si 172

BS 3468

DIN 1694

L-NiCr 20 2

GGG-

NiCr202

1.8Cr 20Ni 1Mn 0.3Cu

1.9Si 170 650

ASTM

A436 Type 2


1.9Si 172 705

BS 3468

DIN 1694

S-NiCr 20 2

GGG-

NiCr20 3


2.2Si 170 650

ASTM

A439 Type D-2

2.25Cr 20Ni 1Mn

2.25Si 400 815

BS 3468 S-NiMn 23

4 0.2Cr 23Ni 4.2Mn 2Si 440

ASTM

A439 Type D-2M

0.2Cr 22.5Ni 4Mn

2.2Si 417

BS 3468

ASTM

A436

L-NiCr 30 3

Type 3

3Cr 30Ni 1Mn 0.3Cu

1.5Si 172 815

ASTM

A439 Type D-3 3Cr 30Ni 1Mn 1.9Si 379 815

16

ASTM

A439 Type D-4 5Cr 30Ni 1Mn 5.5Si 414 815

ASTM

A436 Type 4

5Cr 30.5Ni 1Mn 0.3Cu

5.5Si 172

ASTM

A436 Type 5

0.05Cr 35Ni 1Mn

0.3Cu 1.5Si 138 425

ASTM

A439 Type D-5 0.05Cr 35Ni 1Mn 1.9Si 379

1.3.5. Thép không gỉ

Theo nguyên tắc, tổng hàm lượng các nguyên tố hợp kim không được vượt

quá 50%. Thép không gỉ chứa tối thiểu khoảng 15%Cr. Khi có mặt oxy, trên bề mặt

thép không gỉ hình thành lớp màng mỏng oxit crom bền hóa chất, ngăn cách giữa

môi trường ăn mòn với thép nền. Khi có mặt oxy, thép được cho là ở trong trạng

thái thụ động. Cụm từ "không gỉ" không phải là luôn chính xác, nhiều loại thép

không gỉ vẫn bị ăn mòn trong nhiều trường hợp, tùy thuộc vào nhiều yếu tố như

nguyên tố hợp kim, mức độ nhiệt luyện, ảnh hưởng của gia công hàn đắp … Độ bền

ăn mòn của thép không gỉ phụ thuộc vào tốc độ hòa tan của lớp oxit thụ động. Mo,

Ni và Cu là các nguyên tố hợp kim thường dùng để nâng cao độ bền ăn mòn của

thép không gỉ [49, 50]. Tùy theo cấu trúc, thép không gỉ được phân loại thành các

họ sau:

- Ferit: có thể biến cứng bằng xử lý nhiệt

- Martensit: có thể biến cứng bằng xử lý nhiệt

- Austenit: không nhiễm từ và không thể biến cứng bằng xử lý nhiệt

- Ferit - Austenit: vật liệu thuận từ

Thép không gỉ họ austenit có độ bền kéo thấp nhất nhưng lại có độ bền ăn

mòn tốt hơn các họ thép không gỉ khác. Các loại thép không gỉ có cùng thành phần

hóa học nhưng nếu được xử lý khác nhau (gia công cơ khí đúc, rèn, xử lý nhiệt …)

có thể có các tính chất khác nhau. Độ bền thấp của thép không gỉ họ austenit có thể

được cải thiện bằng cách thấm nitơ.

17

Trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt công nghiệp sản xuất axít, thép không

gỉ là vật liệu được dùng phổ biến nhất. Hàm lượng Cr trong thép không gỉ càng cao

thì khả năng thụ động của thép càng tốt. Trong sản xuất phân đạm nitơ, môi trường

ăn mòn đặc trưng là axít nitric, vật liệu bền ăn mòn thích hợp là thép không gỉ

austenit 03Cr18Ni9 (tương đương mác 316L của Mỹ) [49]. Riêng tháp phản ứng

(NH3+HNO3) làm việc với axít HNO3 đặc nóng (nồng độ 40 - 70%), và các đầu

phun axít được chế tạo bằng thép 03Cr25Ni21Nb (tương đương mác thép Z2 CNCb

25-20, tiêu chuẩn NFA 35-584 của Pháp). Trong sản xuất phân lân, môi trường đặc

trưng là H3PO4, là một loại axít trung bình, vật liệu bền ăn mòn thích hợp là thép

không gỉ 316. Trong trường hợp bể xử lý apatit, môi trường vừa có mặt H2SO4, các

anion Cl-, F

- và các hạt rắn CaSO4 lơ lửng gây ăn mòn - xói mòn, ta cần chọn vật

liệu rất bền là 03Cr17Ni16Mo5Cu3 (tương đương với Z2 CDU17-16 của Pháp).

Trong sản xuất phân đạm urê, quá trình tổng hợp (NH3+CO2) thực hiện ở

nhiệt độ 180oC và áp suất 200 at, phải dùng thép 02Cr22Ni25Mo4Cu (tương đương

Z1 NCDU25-20, Pháp) [49]. Bảng 1.5. Một số mác thép không gỉ họ austenit

thường gặp.

Bảng 1.5. Một số mác thép không gỉ họ austenit thường gặp [49]


Độ bền

kéo thấp

nhất, MPa

Nhiệt độ

làm việc cao

nhất, oC

Werkstoff

DIN 17445

ISO 4991

1.4308

G-X6 NiCr

18 9

C47

0.12C 17Cr 7Ni 2Mn 460 700

BS 1503

Werkstoff

DIN 17440

304S11

1.4306

X 2 NiCr 18

9

0.03C 18Cr 10.5Ni

2Mn 0.3Mo 480 450

ASTM

A351

ISO 4991

CF-3M

C61LC 0.03C 18Cr 9Ni 2Mo 480 454

18

EN 10213-4

Werkstoff

DIN 17445

GX5NiCrNb1

9-11

1.4552

G-X7

NiCrNNb 18

9

0.07C 19Cr 9Ni

1.5Mn 480 680

BS 1503

Werkstoff

DIN 17440

347S31

1.4550

X 10 NiCrNb

18 9

0.08C 18Cr 10.5Ni

2Mn 0.3Mo 510 450

EN 10213-4

Werkstoff

DIN 17445

ISO 4991

GX5NiCrMo

19-11-2

1.4408

G-X6

NiCrMo 18

10

C60

C61

0.08C 19Cr 10Ni

2.5Mo 1.5Mn 480 700

BS 1503

Werkstoff

DIN 17440

ISO 2604-1

316S31

1.4401/36

X 5 NiCrMo

17 12 2

F62

0.07C 17.5Cr 12Ni

2Mn 2.2Mo 610 700

ASTM

A351

DIN 17445

ISO 4991

CF-8M

G-X3

NiCrMoN 17

13 5

C57

0.08C 19.5Cr 10.5Ni

1.5Mn 2.5Mo 483 815

SIS

Werkstoff

DIN 17440

2343

1.4436

X 5 NiCrMo

18 12

0.05C 17.5Cr 12Ni

2.8Mo 450 400

19

ASTM

A351 CG-6MMN 22Cr 13Ni 5Mo + N2 517 565

ASTM

A182

ISO 2604-1

F316L

F59

0.03C 16Cr 12Ni

2Mo 448 454

BS 1503 318S13 0.03C 22Cr 5Ni 2Mn

3Mo 640 300

ASTM

A182 XM-19

22Cr 13Ni 5Mn

2Mo+N2 689 565

SIS

Werkstof

2324

1.4460

0.05C 25Cr 5.7Ni

1.5Mo 2Mn 600 315

BS 1506 304S71 0.07C 18Cr 9.5Ni

2Mn

BS 1506 316S51 0.07C 17.5Cr 12Ni

2.2Mo 2Mn

BS 4882

ASTM

A193

B8 0.08C 19Cr 9Ni 2Mn 517 425/575

BS 4882

ASTM

A193

B8M 0.08C 17Cr 12Ni

2.5Mo 2Mn 517 425/575

ASTM

A193 B8R

0.06C 22Cr 12.5Ni

5Mn 2Mo + N2 689

Sự phát triển của các ngành công nghiệp đòi hỏi sự phát triển của nhiều loại

thép không gỉ đặc biệt (bảng 1.6). Nhiều nghiên cứu ứng dụng trong các ngành khai

thác dầu khí và sản xuất bơm công nghiệp cho thấy Mo và N2 là những nguyên tố

có nhiều ý nghĩa quan trọng. Những loại thép không gỉ đặc biệt này có tính hàn tốt,

có độ bền chống ăn mòn ứng lực cao, tuy nhiên độ dai và độ bền chống ăn mòn tinh

giới có thể suy giảm chút ít.

20

Bảng 1.6. Một số mác thép không gỉ đặc biệt [50]

Tiêu

chuẩn Mác vật liệu Thành phần chính

Độ bền kéo

thấp nhất,

MPa

Nhiệt độ làm

việc cao nhất,

oC

EN

10213-4

GX2NiCrMo

N22-5-3

0.03C 22Cr 5.5Ni

3Mo 2Mn N2 600

300

FMN 0.05C 25Cr 5Ni 2Mo

0.8Mn N2 695

Ferralium 255 0.08C 25.5Cr 5.5Ni

3Mo 2Mn N2 830

Amazon 256-

Cu

0.04C 25.5Cr 5.5Ni

3Mo 1.5Mn N2 760

Zeron 25 0.03C 25Cr 6.5Ni

2.5Mo 1.5Mn N2 650

Zeron 100 0.03C 25Cr 7Ni

3.5Mo 1Mn N2 756

Ferralium 288 0.08C 27.5Cr 7.5Ni

2.5Mo 2Mn N2 800

254SMO 0.02C 20Cr 18Ni

6.1Mo 0.5Mn N2 651

Trong thời gian thực hiện dự án, Công ty TNHH Cơ điện Đại Dương có nhận

được một số đơn hàng liên quan đến việc phục hồi cho các chi tiết máy với vật liệu

nền chủ yếu là nền thép C45 với yêu cầu về chất lượng lớp phủ như sau: Độ xốp

của lớp phủ thấp, không bị rỗ; độ bám dính của lớp phủ cao; lớp phủ có độ cứng

cao, có khả năng chống ăn mòn mài mòn.

Nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế nêu trên, chúng tôi đã tập trung nghiên cứu

hoàn thiện đối với lớp phủ hợp kim NiCr trên nền thép C45.

Kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

Việt Nam với mã số VAST04.01/11-12 đã đưa ra được chế độ công nghệ tối ưu với

lớp phủ chế tạo được có độ xốp khoảng 11%. Do đó cần phải thêm công đoạn xử lý

nhằm hoàn thiện lớp phủ sau khi phun.

21

Phương pháp xử lý nhiệt là một trong những phương pháp phổ biến thường

dùng để xử lý làm giảm độ xốp của lớp phủ sau khi phun. Do đó, để hoàn thiện lớp

phủ đáp ứng được yêu cầu thực tế, chúng tôi sẽ tiến hành xử lý nhiệt đối với lớp

phủ hợp kim NiCr, lớp phủ NiCr/Al. Một số khảo sát liên quan đến công đoạn xử lý

nhiệt đối với lớp phủ sẽ được trình bày cụ thể trong phần tiếp theo.

1.4. Lớp phủ hợp kim NiCr

Cr, Ni là các nguyên tố hợp kim quan trọng được sử dụng để cải thiện độ

bền, độ dẻo của thép. Thép được hợp kim hóa Cr, Ni có độ bền, độ dẻo dai cao đồng

thời có khả năng chống ăn mòn, mài mòn và chịu nhiệt tốt.

Từ giản đồ pha Ni – Cr ở hình 1.1 [51] có thể thấy Cr tan khá tốt vào Ni với

độ hòa tan tối đa là 47% ở 1345oC và giảm xuống còn 30% ở nhiệt độ thường.

Ở nhiệt độ thường, khi hàm lượng Cr trong hợp kim từ 30% trở lên thì tổ chức

của Ni-20Cr có 2 pha: α-Cr và γ-Ni. Pha α-Cr là pha giòn do đó làm giảm độ dai

của hợp kim. Nếu hợp kim có hàm lượng Cr < 7% sẽ làm giảm khả năng chống oxy

hoá vì tỷ lệ khuếch tán của oxy vào trong hợp kim này sẽ tăng lên. Hàm lượng Cr từ

7 – 30%, thì tỷ lệ khuếch tán oxy vào hợp kim giảm, như vậy thành phần hợp kim

có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống oxy hoá ăn mòn và mài mòn.

Do có độ bền hóa học nên hợp kim NiCr có rất nhiều ứng dụng thực tế, quan

trọng nhất là để chế tạo các phần tử đốt nóng. Các phần tử này có điện trở rất cao; vì

Hình 1.1. Giản đồ pha của Ni – Cr [51]

22

vậy, khi có dòng điện đi qua, chúng sẽ được nung nóng mạnh. Nếu pha thêm Co và

Al thì các hợp kim này sẽ có khả năng chịu được tải trọng lớn ở nhiệt độ 650 –

900oC [52].

Các chi tiết như cánh quạt của tuabin khí chẳng hạn, được chế tạo bằng loại

hợp kim chịu nhiệt như vậy. Crôm còn có mặt trong nhiều loại hợp kim khác mà ta

có thể nhận thấy qua tên gọi của chúng: cromen, croman, cromansi. Hợp kim

comocrom (CoMoCr) không độc hại đối với cơ thể người; vì vậy, nó được sử dụng

trong việc phẫu thuật phục hồi. Các ứng dụng của crôm còn phải kể đến các hợp

chất hóa học của nó được dùng để chế tạo pigment tạo màu cho sơn, lớp mạ điện

hóa crôm có độ cứng rất cao và bền hóa học, các ứng dụng làm chất xúc tác trong

công nghiệp hóa học, …

Lớp phủ hợp kim NiCr được kết hợp các tính chất của Cr và Ni có ưu điểm

là khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong

nhiều môi trường hoá chất.

1.5. Vật liệu nhôm và lớp phủ nhôm

Nhôm (Al) là kim loại yếu nhóm IIIA, có tính chất mềm, dẻo, nhẹ, trên bề

mặt luôn có một lớp mỏng ôxit tạo thành rất nhanh khi nó tiếp xúc với không khí do

Al có điện thế điện cực khá âm (Al= -1,662 V).

Nhôm có khả năng bền ăn mòn trong một số môi trường có hoạt tính yếu do

lớp ôxit bảo vệ có tính lưỡng tính. Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm mặt do

vậy dễ biến dạng dẻo, có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt. Bảng 1.7. Trình bày một số

tính chất cơ bản của nhôm [49, 52].

Bảng 1.7. Một số tính chất cơ bản của nhôm [52]

Nguyên tử khối (đvC) 26,982

Khối lượng riêng (g/cm3) 2,7

Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm mặt

Thông số mạng (A0) 2,75

Nhiệt độ nóng chảy (oC) 658

Nhôm dễ dàng tạo lớp ôxit thụ động bền hóa học trên bề mặt, có thể làm việc

ở miền nhiệt độ cao (gần 660oC trong môi trường khô). Do đó, lớp phủ nhôm vừa

có tác dụng như một rào cản chống lại sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, đồng

23

thời do điện thế điện cực của nhôm khá âm, khi phủ trên thép, nó có tính năng hoạt

động của anốt hy sinh, tan dần ra để bảo vệ nền sắt thép, làm giảm tốc độ ăn mòn.

Vì vậy, nhôm bảo vệ thép ngay cả khi nền thép bị hở trong trường hợp lớp phủ có

khuyết tật. Ngoài ra, nhôm còn có đặc tính chống mài mòn tốt do sự có mặt của lớp

ôxit nhôm hình thành dễ dàng khi tạo thành lớp phủ.

Lớp phủ Al cũng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dầu

khí với vai trò là lớp phủ chịu nhiệt và chống ăn mòn [53 – 63].

Nghiên cứu của nhà khoa học Nga V.A. Pavloskii - 2005 [53] cho thấy: lớp

phủ Al kết hợp với Ni đươc ứng dụng làm lớp phủ chịu nhiệt, lớp phủ Al – Ni có

thể làm việc ở miền nhiệt độ 950 – 1100oC, ở nhiệt độ cao Al tương tác với Ni tạo

thành các pha Ni2Al3 (Al ≈ 40 – 45%); NiAl (Al ≈ 22 – 36%); Ni3Al (Al ≈ 12,5 –

14%); độ cứng các pha tương ứng là 850, 520 và 420 kg/mm2.

Do có độ xốp tương đối lớn nên chiều dày lớp phun phủ nhôm là yếu tố cần

quan tâm khi tính toán tuổi thọ làm việc của lớp phủ. Cũng cần lưu ý đến hiện

tượng ăn mòn điểm (pitting) có thể xảy ra trên bề mặt nhôm.

Các xu hướng nghiên cứu trên thế giới hiện nay tập trung mở rộng phạm vi ứng

dụng của lớp phun phủ nhôm khi làm việc trong các môi trường khắc nghiệt và khả

năng kết hợp của lớp phủ này với các lớp phủ vô cơ cũng như hữu cơ khác [64 – 67].

1.6. Xử lý nhiệt lớp phủ kép NiCr/Al

Như đã biết, bám dính nhờ liên kết nguyên tử hoặc phân tử cho độ bền cao

nhất. Trong phun phủ, nếu không có xử lý nhiệt, các lớp phủ liên kết theo cơ chế

bám dính cơ học, độ bền liên kết phụ thuộc vào độ nhấp nhô bề mặt trước khi phun

và sự thấm ướt bề mặt của kim loại phủ lên kim loại cần phủ.

Xử lý nhiệt tiếp theo với mục đích khuếch tán kim loại phủ vào nền thép

hoặc ngược lại và sự khuếch tán lẫn nhau trong tổ hợp lớp phủ kép nhờ hình thành

liên kết giữa các nguyên tử với nhau, tạo nên các pha dung dịch rắn hay pha liên

kim nhằm tăng độ bám dính giữa các lớp phủ, do vậy làm thay đổi tính chất của lớp

phủ. Ngoài ra, xử lý nhiệt còn làm giảm độ xốp của lớp phủ, khử bớt ứng suất dư

trong lớp phủ và ứng suất dư trong nền gây ra do quá trình nguội nhanh và sự khác

nhau của hệ số giãn nở nhiệt của các kim loại và hợp kim.

24

Lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện có

độ xốp tương đối lớn (khoảng 11%), và độ bám dính với nền không cao (khoảng 16

MPa) đã hạn chế đáng kể khả năng làm việc của lớp phủ đặc biệt là trong các môi

trường khắc nghiệt. Do đó, công đoạn xử lý lớp phủ sau khi phun nhằm cải thiện

các tính chất của lớp phủ là cần thiết. Xử lý nhiệt nhằm làm giảm độ xốp và nâng

cao khả năng bám dính của lớp phủ đã được chứng minh trong các công trình

nghiên cứu trên thế giới. Trên cở sở tham khảo các nghiên cứu trên thế giới, trong

nghiên cứu này chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến

các tính chất của lớp phủ bao gồm: độ xốp, khả năng bám dính, độ cứng, độ bền

mài mòn và độ bền ăn mòn, mài mòn. Lớp phủ được xử lý nhiệt tại các giá trị nhiệt

độ 900 - 950oC.

Việc kết hợp giữa hai lớp phủ, lớp phủ hợp kim NiCr ở dưới và lớp phủ Al ở

trên sẽ phát huy thế mạnh của cả hai loại lớp phủ. Lớp phủ Al ở trên đóng vai trò là

chất bịt, khi xử lý nhiệt lớp phủ nhôm sẽ điền đầy vào các lỗ xốp của lớp phủ NiCr,

ngoài ra Al sẽ khuếch tán vào lớp phủ NiCr tạo thành các pha liên kim làm tăng khả

năng chống ăn mòn, bền mài mòn, khả năng chịu nhiệt của lớp phủ. Lớp phủ hợp

kim NiCr đóng vai trò làm lớp phủ nền có độ bám dính cao, độ bền cao, khả năng

chống ăn mòn, mài mòn tốt.

Các mẫu nền thép C45 sau khi được phun phủ lớp phủ NiCr và lớp phủ

NiCr/Al tiếp tục được xử lý nhiệt, có nhiều phương pháp xử lý nhiệt khác nhau như:

dùng lò buồng, dùng lò cảm ứng cao tần, dùng khí cháy, dùng tia laze,

plasma….Trong khuôn khổ dự án này nhóm nghiên cứu chọn hai phương pháp xử

lý nhiệt thông dụng và có tính ứng dụng cao thích hợp cho xử lý nhiệt lớp phủ trên

các sản phẩm thực tế đó là phương pháp xử lý nhiệt dùng là cao tần và phương pháp

dùng khí cháy.

Phương pháp xử lý nhiệt cảm ứng dùng lò cảm ứng cao tần là dựa vào

hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi đặt một khối kim loại vào trong một từ trường biến

thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện (cảm ứng) các dòng điện xoáy (dòng

Foucault). Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại. Lò cảm ứng

được cấu tạo dựa trên nguyên lý của một máy biến áp không khí, cuộn cảm ứng

được chế tạo bằng đồng theo dạng xoắn ốc.

25

Phương pháp xử lý nhiệt dùng khí cháy: khí cháy là hỗn hợp gồm oxy và

axetylen. Nhiệt sinh ra do phản ứng cháy của hai khí này rất lớn và tập trung, ngọn

lửa có vùng nhiệt độ cao nhất lên tới 3200oC. Tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần của

hỗn hợp cháy mà ngọn lửa được chia làm ba loại khác nhau: ngọn lửa trung hòa,

ngọn lửa oxy hóa và ngọn lửa cacbon hóa. Ngọn lửa có thể chia làm ba vùng: nhân

ngọn lửa có màu sáng trắng, vùng trung tâm có màu sáng vàng và vùng đuôi (oxy

hóa) màu vàng sẫm có khói.

1.7. Những vấn đề mà Dự án cần giải quyết về công nghệ

Kết quả của đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số

VAST04.01/11-12 đã đưa ra được các thông số công nghệ phun phủ hồ quang tối ưu,

ứng dụng cho các chi tiết máy bơm làm việc trong các nhà máy khai thác than, nhằm

nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết này. Đến nay, chúng tôi vẫn thường xuyên nhận

được các đơn đặt hàng yêu cầu chế tạo lớp phủ này trên các chi tiết máy bơm (vỏ

bơm, trục máy bơm, cánh bơm) đã bị hỏng trong quá trình sản xuất cần được phục

hồi. Ngoài các chi tiết máy bơm bị hỏng cần được phục hồi, các chi tiết của các bộ

máy bơm mới cũng có yêu cầu cần chế tạo lớp phủ trước khi sử dụng nhằm nâng cao

tuổi thọ trong quá trình làm việc. Tuy nhiên, do lớp phủ này có độ xốp còn tương đối

lớn (11,5%), độ bám dính của lớp phủ với nền chưa cao (khoảng 16 MPa), độ cứng

tương đối thấp (khoảng 267 HV) nên mới chỉ ứng dụng có hiệu quả trên các chi tiết

máy bơm làm việc trong môi trường có tính axit không cao và không có các hạt rắn

gây xói mòn, các máy bơm có công suất nhỏ với giá trị kinh tế thấp.

Trong quá trình nghiên cứu, ứng dụng triển khai cũng như tiếp xúc với các

khách hàng tại các Công ty khai thác than (Công ty TNHH MTV than Quang Hanh,

Công ty CP than Hà Lầm, Công ty CP than Núi Béo, Công ty CP than Thành Công,

Công ty than Đông Bắc,…), các nhà máy nhiệt điện (Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí,

Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại,…), các nhà máy sản xuất hóa chất…, chúng tôi nhận

thấy, ngoài các chi tiết máy bơm còn có rất nhiều các chi tiết máy công nghiệp khác

làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt, đòi hỏi phải sử dụng các loại chi tiết máy

được chế tạo từ các thép không gỉ có giá thành cao như SCS5, SCS13, SCS14,

SUS316L,… nhưng cũng chỉ làm việc được trong một thời gian ngắn là phải tiến

hành sửa chữa hoặc thay thế mới. Quá trình sửa chữa và thay thế các chi tiết thường

26

mất khá nhiều thời gian và làm gián đoạn dây chuyền sản xuất, gây thiệt hại không

nhỏ cho các doanh nghiệp.

Ví dụ điển hình đó là chi tiết vành chèn bánh xe công tác (BXCT) trong nhà

máy thủy điện (Công ty cổ phần thủy điện Mường Kim, địa chỉ Bản Trống Là, xã

Hồ Bốn, huyện Mù Cang Chải, tỉnh Yên Bái).

Vành chèn là chi tiết quan trọng có tác dụng làm kín nước trong buồng

tuabin, không cho nước chảy ra ngoài làm giảm áp lực trong buồng tuabin khi máy

phát điện làm việc. Vành chèn có hai loại: vành chèn trước BXCT và vành chèn sau

BXCT, vật liệu chế tạo vành chèn là thép không gỉ 04Cr13Ni4Mo.

Căn cứ vào kết quả khảo sát hiện trạng vành chèn trước BXCT tại hiện

trường hình 1.2, kết quả khảo sát cho thấy vành chèn trước BXCT có 6 vị trí lắp

giáp bị ăn mòn sâm thực, sói mòn được liệt kê trong bảng 1.8.

Bảng 1.8. Các vị trí bị ăn mòn xâm thực, sói mòn của vành chèn

TT Vị trí bị ăn mòn sâm thực, sói mòn Số lượng

1 Mặt hướng kính 860 mm, rộng 45 mm 01



4 Mặt phẳng 860 mm, rộng 15 mm 01



Hình 1.2. Vành chèn trước BXCT

27

Chiều sâu ăn mòn xâm thực trung bình 1 – 1,5 mm, đặc biệt tại các mặt

phẳng lắp giáp bị sói mòn lõm sâu 3 – 5 mm.

Kết quả khảo sát hiện trạng vành chèn sau BXCT tại hiện trường hình 1.3 a.

Kết quả khảo sát cho thấy vành chèn sau BXCT có 2 vị trí lắp giáp 1155 mm,

rộng 70 mm và 1155 mm, rộng 85 mm bị xâm thực, sói mòn khá nhiều, đặc biệt

vùng viền ngoài bị mòn sâu 8 – 10 mm, rộng 40 – 50 mm (hình 1.3b), nửa dưới có

một vị trí bị nứt ngang rộng 1 – 1,5 mm dài 80 – 100 mm, một vài vị trí bị rỗ sâu

hình 1.3 c, d. Toàn bộ bề mặt lắp giáp bị xâm thực, sói mòn trung bình 2 – 3 mm.

Hình 1.3. a – Vành chèn sau BXCT, b – Nửa trên

c – Vết nứt ngang , d – Vết mòn

Chi tiết ống bao đầu vòi đốt lò DC 2 trong nhà máy xi măng (Nhà máy xi

măng Duyên Hà, địa chỉ: Xã Ninh Vân, huyện Hoa Lư, tỉnh Ninh Bình) hình 1.4,

đây là chi tiết hình trụ có đường kính 384 mm, chiều dài đoạn phun mài mòn

khoảng 400 mm. Vật liệu tạo ra ống bao đầu vòi đốt lò DC 2 là thép không gỉ SUS

304 dày 10 mm, đây là loại vật liệu bền ăn mòn.

b a

c d

28

Môi trường làm việc: ống bao đầu vòi đốt lò DC 2 làm việc trong lò quay (

4800*74000, công suất 5000 tấn clinker/ngày) nên các chi tiết luôn tiếp xúc với môi

trường nhiệt độ cao (700 – 800oC), áp suất cao, bụi than, các hóa chất gây ăn mòn.

Nguyên nhân dẫn đến hư hỏng ống bao đầu vòi đốt lò DC 2:

Khi lò quay làm việc, các vòi đốt có nhiệm vụ phun than bột vào lò để cung

cấp nhiệt lượng cho lò, bụi than di chuyển với tốc độ lớn, các hạt bụi than này va

đập vào các bề mặt phía trong của vòi đốt và ống bao đầu vòi đốt gây ra hiện tượng

mài mòn, xói mòn. Mặt khác nhiệt độ trong lò đốt rất cao, phần làm việc của ống

bao đầu vòi đốt lò DC 2 luôn tiếp xúc với nhiệt độ khoảng 700 – 800oC, khi bụi

than cháy tạo ra nhiều loại khí thải khác nhau (CO2;NOx; H2O…), gây ra ăn mòn

kim loại.

Hình 1.4. Bộ phận ống bao đầu vòi đốt lò DC 2

Vì vậy, chi tiết ống bao đầu vòi đốt lò DC 2 này phải làm việc trong môi

trường hết sức khắc nghiệt, đó là vừa bị ăn mòn, vừa bị mài mòn, hiện tượng này

xảy ra dưới xúc tác của nhiệt độ cao, áp suất cao.

Trên thực tế tại các nhà máy còn rất nhiều các chi tiết bị mòn cần phục hồi

như chi tiết trục chính trong dây chuyền cán nhôm (Công ty TNHH Almine Việt

Nam KCN Lương Sơn, Xã Hòa Sơn, H Lương Sơn, Tỉnh Hòa Bình) hình 1.5, đây là

chi tiết rất quan trọng trong dây chuyền cán kéo dây nhôm của nhà máy; tại vị trí

lắp giáp vòng bi có kích thước Φ240, dài 220 mm. Sau một thời gian làm việc cổ

trục bị mòn gây ra lỏng kabi, khi tiếp tục chạy kabi sẽ cào xước cổ trục và gây ra hư

hỏng, các vết cào xước có thể sâu 1 đến 3 mm. Nếu chi tiết này phải thay mới thì

29

chi phí rất tốn kém, việc phục hồi lại vị trí cổ trục lắp vòng bi bằng công nghệ phun

phủ kim loại sẽ tiết kiệm chi phí, giảm thời gian dừng dây chuyền, đem lại hiệu quả

kinh tế cao.

Hình 1.5. Trục chính trong dây chuyền kéo dây nhôm

Qua thực tế khảo sát tại các nhà máy, chúng tôi nhận thấy có rất nhiều các

chi tiết máy công nghiệp khác nhau phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt sau

một thời gian hoạt động dẫn đến ăn mòn, mài mòn và hư hỏng cần phải thay mới.

Dự án “Hoàn thiện công nghệ chế tạo lớp phủ hợp kim niken crôm bằng công

nghệ phun phủ hồ quang điện để nâng cao độ bền mài mòn ăn mòn cho các chi

tiết máy công nghiệp làm việc trong môi trường khắc nghiệt” sau khi hoàn thiện

sẽ là một giải pháp rất tốt để phục hồi các chi tiết máy cũ sau một thời gian sử dụng

bị ăn mòn, mài mòn hoặc để tăng tuổi thọ cho các chi tiết mới trước khi đưa vào lắp

đặt để vận hành.

30

II. THỰC NGHIỆM

Việc khảo sát ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến các tính chất của lớp phủ được

thực hiện theo quy trình sau:

Hình 2.1. Quy trình chế tạo mẫu nghiên cứu lớp phủ hợp kim NiCr, NiCr/Al

2.1. Mẫu nghiên cứu

Quy cách các mẫu nghiên cứu được lựa chọn tùy thuộc vào các chỉ tiêu cần

nghiên cứu, đánh giá đối với lớp phủ.

2.1.1. Chuẩn bị mẫu thép nền

Mẫu thép nền dùng để nghiên cứu là thép cacbon thông dụng C45 có kích

thước 50 x 3 mm (hình 2.2). Thành phần hóa học của thép nền trước khi phun phủ

nêu trong bảng 2.1.

Mẫu nghiên cứu

Phun hạt mài tạo nhám bề mặt

Sử dụng chế độ tạo nhám

tối ưu

Tẩy dầu mỡ

Sử dụng chế độ công

nghệ phun phủ tối ưu

Xử lý nhiệt lớp phủ

Nghiên cứu các tính chất

của lớp phủ

Phun lớp phủ NiCr

Phun lớp phủ NiCr/Al

31

Hình 2.2. Mẫu thép nền trước khi phun phủ

Bảng 2.1.Thành phần hóa học của thép nền trước khi phun phủ

Thành phần mẫu thép nền C45 (TCVN 1766 – 75)

Nguyên tố %C %Si %Mn %P %S %Fe

Hàm lượng trung bình 0,4414 0,2080 0,6466 0,0137 0,0104 98,560

Trước khi phun, các mẫu thép nền được chuẩn bị bề mặt theo tiêu chuẩn

ASTM – G1. Các mẫu được làm sạch dầu mỡ và các chất bẩn khác bằng cách dùng

vải sạch tẩm dung môi axeton lau sạch bề mặt tấm thép, tiếp theo nhúng tấm thép

vào nước sạch để khử nốt những chất bẩn còn lại. Sau đó các mẫu được sấy khô và

tạo nhám bề mặt bằng cách phun hạt mài corindon nâu cỡ hạt 18 (~ 1,2 mm) với chế

độ tạo nhám tối ưu: góc phun 45o, khoảng cách phun 100 mm, áp lực khí phun 8

atm, thời gian phun 30 giây, đầu phun có đường kính 4 mm được làm từ vật liệu BN

(Nitrit bo), độ nhấp nhô bề mặt (độ nhám) trên nền thép C45 là Rz =58,39 µm (đo

trên máy đo độ nhám bề mặt vật liệu Mitutoyo Surftest SJ301- Mỹ).

Nền thép sau khi được tạo nhám với chế độ tối ưu sẽ được dùng để làm mẫu

phun phủ kim loại cho các nghiên cứu tiếp theo.

2.1.2. Vật liệu phun

Hai loại vật liệu phun để chế tạo lớp phủ kép đó là dây Ni80Cr20 (NiCr) và

dây Al, đều có đường kính 2 mm (thích hợp với đầu phun LD/U – 2 của thiết bị

phun hồ quang điện OSU – Hessler 300A). Thành phần hóa học của hai loại vật liệu

phun được đưa ra trong bảng 2.2.

32

Bảng 2.2. Thành phần hóa học cơ bản của 2 loại vật liệu phun

Loại dây Al(%) Si(%) C(%) Cr(%) Ni(%)

Al 99 1 - - -

NiCr - - <0,15 22÷23 75÷78

2.1.3. Phun tạo lớp phủ hợp kim NiCr

Sau khi tạo nhám, các mẫu thép nền được phun phủ lớp NiCr chiều dày

khoảng 200 – 250 m, tiếp theo mẫu được phun phủ lớp phủ Al lên trên lớp phủ

NiCr với chiều dày 80 –120 m. Chiều dày lớp phủ được đo trên máy Minitest 600

của hãng ElektroPhysik (Mỹ). Chế độ phun phủ kim loại đã lựa chọn được trong đề

tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam VAST.01.04/2011-2012 và

luận án tiến sĩ của TS. Lý Quốc Cường [68] được sử dụng trong nghiên cứu này

(bảng 2.3).

Bảng 2.3. Chế độ công nghệ phun phủ hợp kim NiCr, Al

TT Chế độ công nghệ Thông số

Al NiCr

1 Góc phun ( o ) 90

2 Khoảng cách phun (mm) 200 300

3 Áp lực không khí nén (atm) 4,7 3,5

4 Điện áp hồ quang (V) 27,5 26

5 Cường độ dòng điện (A) 150 – 200

6 Vận tốc di chuyển đầu phun (mm/s) ~ 20

7 Kỹ thuật phun Kỹ thuật phun mặt phẳng

2.1.4. Xử lý nhiệt lớp phủ

Lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện có

độ xốp tương đối lớn (khoảng 11%), và độ bám dính với nền không cao (khoảng 16

MPa) đã hạn chế đáng kể khả năng làm việc của lớp phủ đặc biệt là trong các môi

trường khắc nghiệt.

33

Xử lý nhiệt cảm ứng (hình 2.3a). Thiết bị sử dụng là lò nung cao tần

IGBT (New IGBT induction heating equipment).

+ Mẫu xử lý: số lượng 2 mẫu, 1 mẫu lớp phủ NiCr và 1 mẫu lớp phủ NiCr/Al.

+ Thời gian xử lý nhiệt lớp phủ NiCr 8 - 10 phút, nhiệt độ xử lý 900 -

950oC, tốc độ nâng nhiệt 250

oC/ phút.

+ Thời gian xử lý nhiệt lớp phủ NiCr/Al chia làm hai giai đoạn: giai đoạn

đầu nung nóng đến nhiệt độ 600oC giữ nhiệt 3 - 5 phút, tiếp tục nâng nhiệt lên 900 -

950oC giữ nhiệt trong khoảng 8-10 phút.

Xử lý nhiệt bằng khí cháy ôxi và axetilen (hình 2.3b)

+ Mẫu xử lý: số lượng 2 mẫu, 1 mẫu lớp phủ NiCr và 1 mẫu lớp phủ NiCr/Al.

+ Thời gian xử lý lớp phủ NiCr 12 - 15 phút, nhiệt độ xử lý 900 - 950oC, tốc

độ nâng nhiệt 200oC/ phút.



950oC, giữ nhiệt 10 - 12 phút.

2.2. Nghiên cứu các tính chất của lớp phủ

2.2.1. Cấu trúc của lớp phủ

Các mẫu lớp phủ NiCr và NiCr/Al trên nền thép C45 sau khi xử lý nhiệt sẽ

được phân tích tổ chức (cấu trúc) trên mặt cắt ngang của lớp phủ để xác định mật độ

Hình 2.3. Xử lý nhiệt mẫu lớp phủ NiCr và NiCr/Al

a- Xử lý nhiệt bằng lò cảm ứng cao tần b- Xử lý nhiệt bằng khí cháy

a b

34

lỗ rỗng trước và sau khi xử lý nhiệt thông qua thành phần cấu trúc khác nhau (thành

phần phân bố các pha khác nhau) trên mặt cắt ngang của lớp phủ, từ đó xác định tỷ

lệ các lỗ xốp của lớp phủ hợp kim NiCr và NiCr/Al đã được xử lý nhiệt.

Cách tiến hành:

Các mẫu lớp phủ sau khi xử lý nhiệt, được cắt nhỏ ra bằng máy cắt mẫu

chuyên dùng, sau đó được đưa vào trong ống nhựa có đường kính trong 20 mm và

đổ nhựa epoxy. Tiếp theo, các mẫu được mài, đánh bóng qua các loại giấy giáp SiC

qua các cỡ từ #100 đến #2000 và được làm sạch trong thiết bị làm sạch siêu âm. Sấy

khô trong tủ gia nhiệt có hút chân không ở nhiệt độ 50˚C trước khi tiến hành phân

tích cấu trúc mặt cắt ngang trên kính hiển vi quang học Axiovert 40 Mat-Viện Khoa

học Vật liệu.

2.2.2. Đo độ xốp của lớp phủ

Độ xốp của lớp phủ được xác định bằng phương pháp phân tích ảnh cấu trúc

mặt cắt ngang theo tiêu chuẩn ASTM E2109, mặt cắt ngang của lớp phủ được chụp

dưới kính hiển vi quang học với độ phóng đại 100 lần tại 5 vị trí khác nhau. Độ xốp

của lớp phủ được xác định dưới sự hỗ trợ của phần mềm phân tích thành phần pha

AxioVision.

2.2.3. Đo độ bám dính

Độ bám dính của lớp phủ được đo theo tiêu chuẩn JIS H8666. Theo đó, hệ

lớp phủ được phun lên mẫu thép C45 hình trụ có đường kính 30 mm, chiều cao 50

mm. Sau khi mài bóng, mẫu được đưa lên máy tiện để tiện 2 đầu. Sau đó, mẫu được

lắp trên đồ gá (khuôn cối) đã được thiết kế trước. Phần mẫu không có lớp phủ được

lắp sít trượt với khuôn, dưới tác dụng của lực nén, lớp phủ bị trượt và bong ra khỏi

nền. Lực bám dính của lớp phủ được xác định theo công thức:

t: Độ bền bám dính trượt, MPa

P: Lực nén tiếp tuyến giữa hai mặt tiếp xúc của lớp phủ và bề mặt nền, N

F: Diện tích bề mặt xung quanh lớp phủ tiếp xúc với nền thép, mm2

35

a. Mẫu thép nền và đồ gá

b. Mẫu lớp phủ sau phun

c. Mẫu lớp phủ sau khi tiện

Hình 2.4. Ảnh mẫu lớp phủ và đồ gá thử nghiệm độ bám dính

2.2.4. Đo độ cứng của lớp phủ

Độ cứng của lớp phủ được đo trên thiết bị AVK-CO/Mitutoyo (Đức) tại Viện

Khoa học vật liệu, độ cứng của lớp phủ được đo tại 10 điểm trên bề mặt của lớp phủ

đã được mài nhẵn, dưới tải trọng 300 g, thời gian lưu lực 15 s.

2.2.5. Nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS

Sử dụng phương pháp phân tích EDS (Energy – Dispersive Spectrometer) để

biết được thành phần hóa học các pha mới được tạo thành, vùng trung gian giữa các

lớp phủ, giữa lớp phủ và thép nền. EDS là phương pháp phân tích phổ tán xạ năng

lượng dùng tích hợp với kính hiển vi điện tử quét (SEM) dựa trên phân tích các bức

xạ từ bề mặt mẫu phát ra, do tác động của chùm điện tử và so sánh với phổ chuẩn để

cho kết quả thành phần hóa học tại vị trí khảo sát.

Mẫu để phân tích EDS là các mẫu lớp phủ NiCr và mẫu lớp phủ kép NiCr/Al

sau khi chụp ảnh tổ chức tế vi.

Phân tích thành phần hóa học các pha được thực hiện trên thiết bị JEOL JSM –

6490 của Viện khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

2.2.6. Phân tích thành phần các pha bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

Các mẫu lớp phủ NiCr và mẫu lớp phủ kép NiCr/Al sau khi xử lý nhiệt xong

được tiến hành phân tích cấu trúc và thành phần pha bằng phương pháp XRD trên

thiết bị X-RAY D5005/ SIEMENS (Đức) - Trường Đại học khoa học tự nhiên - Đại

36

học Quốc gia Hà Nội (nhiệt độ 25˚C, góc 2θ được quét từ 10˚ đến 60˚, bước đo

0.03˚, bước quét 1s, sử dụng anot Cu).

Vị trí quét pha: trên bề mặt vùng biên giới giữa lớp phủ NiCr/Al

2.3. Nghiên cứu tính chất chống ăn mòn của lớp phủ

Độ bền ăn mòn của các lớp phủ được xác định bằng phương pháp đo tổng trở

và đo phân cực điện hóa kết hợp với thử nghiệm phun mù muối theo tiêu chuẩn

ASTM B117.

2.3.1. Thử nghiệm phun mù muối

Các mẫu lớp phủ có kích thước 50 × 50 × 5 mm được sử dụng trong thử

nghiệm phun mù muối. Thử nghiệm được thực hiện trên thiết bị Q-FOG Cyclic

Corrosion Tester CCT 600 (USA) 300 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam, theo tiêu chuẩn ASTM B117 trong 48 giờ, với

điều kiện thử nghiệm được trình bày trong bảng 1. Trước và sau thử nghiệm, các

mẫu được chụp ảnh bề mặt bằng máy ảnh kỹ thuật số Canon IXUS 180.

Bảng 2.4. Điều kiện thử nghiệm phun mù muối

pH

dung dịch

Nồng độ

NaCl

Áp suất

phun

Nhiệt độ

kiểm tra

Nhiệt độ

bồn bão hòa

Tốc độ

phun

6,5 - 7,2 5 % 1,0 atm 35 ± 2oC 47 ± 2

oC

2 ml/giờ/

80 cm2

2.3.2. Đo điện hóa

Tính chất ăn mòn của các lớp phủ được khảo sát bằng phương pháp quét

đường cong phân cực và đo phổ tổng trở điện hóa (EIS). Các phép đo điện hóa được

thực hiện trên thiết bị đo điện hóa Biologic đa kênh VSP - 300 tại Viện Kỹ thuật

nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với hệ đo ba điện cực

được thể hiện trên sơ đồ hình 2.5.

37

Hình 2.5. Sơ đồ đo điện hóa 3 điện cực

1- Điện cực nghiên cứu; 2- Điện cực đối (Pt); 3- Điện cực so sánh (Calomel bão

hòa); 4- Cầu muối (chứa KCl bão hòa); 5- Cốc chứa dung dịch NaCl 3,5%; 6- Cốc

chứa dung dịch KCl bão hòa

Chuẩn bị mẫu đo điện hóa

Các mẫu lớp phủ được cắt nhỏ thành 4 phần bằng nhau. Sau đó các mẫu

được tiến hành khoan lỗ ở góc, hàn dây điện và đổ nhựa epoxy. Sử dụng khuôn là

các ống nhựa PVC có đường kính 40 mm với chiều cao 10 mm. Diện tích bề mặt

của các mẫu để lộ ra sau khi được đổ nhựa epoxy là 1 cm2.

2.3.3. Quét đường cong phân cực

Đường cong phân cực của các mẫu lớp phủ được đo trong khoảng điện thế ±

500 mV quanh điện thế mạch hở với tốc độ quét thế là 1 mV/s. Trước khi đo, các

mẫu được ngâm trong dung dịch NaCl 3,5 % trong khoảng thời gian 2 giờ để giá trị

điện thế Eocp đạt trạng thái ổn định. Điện trở phân cực Rp được xác định theo tiêu

chuẩn ASTM G59 - 03. Mật độ dòng ăn mòn và điện thế ăn mòn được xác định

đồng thời bằng phương pháp phân tích Tafel trên đường cong phân cực theo tiêu

chuẩn ASTM G102 - 10.

2.3.4. Đo phổ tổng trở điện hóa

Phổ tổng trở điện hóa (EIS) của các mẫu ngâm trong dung dịch NaCl 3,5 %

được đo với các thông số cụ thể như sau:

38

- Khoảng tần số quét từ 105 ÷ 10

-2 Hz, 7 điểm/decade.

- Biên độ điện thế ∆E = ± 5mV.

- Thời gian chờ điện thế mạch hở 30 giây.

- Các phép đo được thực hiện tại giá trị điện thế mạch hở (tuân theo tiêu

chuẩn ASTM G102).

2.4. Thiết kế hệ thử nghiệm ăn mòn và mài mòn

2.4.1. Giới thiệu tổng quan hệ thử nghiệm

Khả năng chống ăn mòn, mài mòn của lớp phủ hợp kim NiCr; NiCr/Al là

một trong các tính chất rất quan trọng được nhóm thực hiện dự án đặc biệt quan

tâm. Hình 2.6 giới thiệu tổng quan về hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn mà nhóm

thực hiện dự án đã thiết kế và xây dựng bao gồm các chi tiết chính: Moto 3 pha

công suất 0,37 kW với tốc độ vòng quay 1040 vòng/phút; trục động cơ; Bồn inox

đường kính 470 mm; hệ thống gá lắp mẫu.

Hình 2.6. Hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn

39

2.4.2. Thiết kế hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn

Hệ thử nghiệm ăn mòn, mài mòn do nhóm thực hiện dự án thiết kế được mô

tả theo sơ đồ dưới đây:

Hình 2.7. Bản vẽ thiết kế tổng thể hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn

Hình 2.7 là bản thiết kế tổng thể về hệ thử nghiệm ăn mòn và mài mòn với

các chi tiết cụ thể được liệt kê ở bảng 2.5 dưới đây.

Bảng 2.5. Vật liệu và chi tiết sử dụng trong hệ thử nghiệm ăn mòn và mài mòn

TT Tên chi tiết Vật liệu Số lượng

1 Bạc cách Teplon 2

2 Bích chặn mẫu Teplon 4

4 Nắp bích đầu SUS 304 1

5 Nắp chắn bi Teplon 1

40

6 Trục SUS 304 1

7 Đĩa gá mẫu Teplon 4

8 Bạc cách 2 Teplon 1

9 Vòng bi Mua sẵn 2

10 Ụ gối CT3 1

11 Giá treo CT3 1

13 Động cơ 0,37 kW Mua sẵn 1

14 Nối trục Mua sẵn 1

15 Nồi chứa dung dịch thử nghiệm SUS 304 1

16 Ống Teflon Teplon 1

17 Nắp bịt đầu bi SUS 304 1

18 Nắp lỗ 1 Teplon 3

19 Nắp lỗ 1_êcu Teplon 3

20 Gioăng Teplon 1

21 Bồn chứa nước muối gia nhiệt SUS 304 1

22 Bu lông SUS 304 6

23 Đai SUS 304 6

Một số hình ảnh của hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn sau khi thiết kế và chế

tạo xong được thể hiện trên các hình 2.8, hình 2.9, hình 2.10.

Hình 2.8. Bồn thử nghiệm

41

Hình 2.9. Bộ gá lắp mẫu thử nghiệm

Hình 2.10. Bộ gá lắp mẫu trong bồn thử nghiệm ăn mòn mài mòn

2.5. Thử nghiệm ăn mòn mài mòn

2.5.1. Mẫu thử ăn mòn

Mẫu thử nghiệm ăn mòn mài mòn được chế tạo từ thép C45 có kích thước 50

× 50 × 5 mm, số lượng 6 mẫu.

2.5.2. Xử lý bề mặt

Các mẫu thép nền được rửa sạch dầu mỡ và các chất bẩn bằng dùng môi

axeton, sau đó sấy khô, tiếp theo các mẫu được phun hạt mài corindon cỡ hạt 18

theo chế độ phun tối ưu đạt độ sạch Sa 3.0, độ nhám Rz = 58,39 µm.

2.5.3. Phun phủ kim loại

1- Phun phủ hợp kim NiCr theo chế độ phun tối ưu, phủ kín 2 mặt hai bên

và 4 cạnh đạt chiều dày 0,8 - 1,2 mm (hình 2.11a), số lượng 6 mẫu.

2- Phun phủ lớp phủ nhôm: mẫu lớp phủ NiCr tiếp tục được phun lớp phủ

Al dày 0,2 - 0,3 mm (hình 2.11b), số lượng 3 mẫu.

42

Hình 2.11. Phun phủ mẫu thử ăn mòn, mài mòn

Phun hợp kim NiCr b- Phun phủ nhôm

2.5.4. Xử lý nhiệt lớp phủ

Các mẫu nền thép C45 sau khi được phun phủ lớp phủ NiCr và lớp phủ

NiCr/Al tiếp tục được xử lý nhiệt bằng hai phương pháp: dùng cảm ứng và phương

pháp khí cháy.

2.5.5. Mài phằng các bề mặt

Các mẫu lớp phủ NiCr, NiCr/Al sau khi xử lý nhiệt được mài phẳng các bề

mặt đạt kích thước 50 × 50 × 5 mm (hình 2.13). Hình 2.14. Các mẫu lớp phủ sau

khi xử lý nhiệt và sau khi được mài phẳng.

a b

Hình 2.12. Mẫu thử ăn mòn mài mòn

5 mm

50 mm

50 mm

43

Hình 2.13. Mẫu lớp phủ sau khi xử lý nhiệt

a-Trước khi mài phẳng b- Mẫu sau khi mài phằng

2.5.6. Điều kiện thử nghiệm, phương pháp đánh giá ăn mòn, mài mòn

Các mẫu thử nghiệm ăn mòn và mài mòn được liệt kê trong bảng 2.4.

Hình ảnh bồn thử nghiệm ăn mòn mài mòn thể hiện trên hình 2.14. Tiến hành thử

nghiệm ăn mòn và mài mòn trong khoảng thời gian 168 giờ (1 tuần) đối với các

mẫu lớp phủ trên hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn được thiết kê như trên. Mẫu thử

nghiệm ăn mòn mài mòn là mẫu phằng có kích thước 50 × 50 × 5 mm.

Bảng 2.6. Tên, ký hiệu mẫu thử nghiệm ăn mòn mài mòn

TT Tên mẫu Ký hiệu mẫu

1 Lớp phủ NiCr M1

2 Lớp phủ NiCr sau khi xử lý nhiệt

bằng ngọn lửa khí cháy M2

3 Lớp phủ NiCr sau khi xử lý nhiệt

bằng dòng điện cao tần M3

4 Lớp phủ NiCr/Al M4

5 Lớp phủ NiCr/Al sau khi xử lý

nhiệt bằng ngọn lửa khí cháy M5

6 Lớp phủ NiCr/Al sau khi xử lý

nhiệt bằng dòng điện cao tần M6

a b

44

.

Hình 2.14. Hình ảnh bồn thử nghiệm ăn mòn mài mòn

Các mẫu được thử nghiệm trong dung dịch H2SO4 pH2 có chứa 3% hạt SiC.

Tốc độ vòng quay 1040 vòng/phút tương đương với vận tốc dòng chảy tối đa 4 m/s.

Đối với các máy bơm chất thải thông thường thì vận tốc dòng chảy khoảng 1,6 m/s.

Qua khảo sát tình hình thực tế vận hành của các máy bơm công nghiệp sử dụng

trong điều kiện nước thải ở mỏ Quảng Ninh, tham khảo các thông số thử nghiệm

được sử dụng trong luận án tiến sỹ của TS. Đoàn Đình Phương - Viện Khoa học vật

liệu cùng với các tài liệu chúng tôi chọn vận tốc quay của mẫu là 4 m/s trong môi

trường gây mài mòn, ăn mòn trong dung dịch H2SO4 pH2 có chứa 3% hạt SiC.

Nhóm tác giả dự án đã dùng phương pháp đánh giá trực quan, quan sát bề

mặt các mẫu thí nghiệm mài mòn, ăn mòn bằng mắt thường và chụp ảnh trước và

sau thí nghiệm mài mòn, ăn mòn bằng máy ảnh kĩ thuật số Canon IXUS 75IS để

theo dõi sự thay đổi hình ảnh bề mặt.

Dùng phương pháp đánh giá tổn hao trọng lượng để đánh giá khả năng bảo

vệ ăn mòn, mài mòn của mẫu thử nghiệm.

45

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ NiCr, NiCr/Al trước và sau khi xử

lý nhiệt

Hình 3.1 là cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ NiCr và lớp phủ kép NiCr/Al

trên nền thép C45 trước và sau khi xử lý nhiệt. Các ảnh trên hình 3.1 cho thấy cấu

trúc đặc trưng của lớp phun phủ nhiệt bao gồm cấu trúc lớp, hạt và các lỗ xốp.

NiCr chưa xử lý nhiệt

NiCr xử lý nhiệt cảm ứng

NiCr xử lý khí cháy

NiCr/Al chưa xử lý nhiệt

NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng

NiCr/Al xử lý khí cháy

Hình 3.1. Cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ NiCr và lớp phủ kép NiCr/Al

trên nền thép C45 trước và sau khi xử lý nhiệt

Lớp phủ NiCr trên nền thép C45 có chiều dày khoảng 200 – 250 µm. Bề mặt

lớp phủ tương đối nhấp nhô. Ở lớp phủ NiCr chưa xử lý nhiệt, trong lớp phủ và tại

biên giới giữa lớp phủ và nền thép vẫn còn xuất hiện nhiều lỗ xốp. Tuy nhiên, sau

khi xử lý nhiệt, các lỗ xốp trong lớp phủ và tại vùng biên giới giữa lớp phủ và nền

giảm đi đáng kể.

Lớp phủ NiCr/Al trên nền thép C45 có chiều dày khoảng 400 – 450 µm với

chiều dày lớp phủ Al khoảng 150 – 200 µm, chiều dày lớp phủ NiCr khoảng 200 –

Nền thép

Nền thép

NiCr

NiCr

Al

Lỗ xốp

Lỗ xốp

46

250 µm. Ở lớp phủ NiCr/Al chưa xử lý nhiệt, ranh giới giữa các lớp phủ và giữa lớp

phủ với nền được thể hiện rõ rệt đồng thời trong lớp phủ còn tồn tại nhiều lỗ xốp. Ở

lớp phủ NiCr/Al đã xử lý nhiệt, tỷ lệ lỗ xốp trong lớp phủ đã giảm đi rất nhiều,

chiều dày lớp phủ nhôm bị giảm đi so với ban đầu đồng thời ranh giới giữa lớp phủ

NiCr và Al không còn rõ rệt. Điều này được giải thích là do trong quá trình xử lý

nhiệt, lớp phủ nhôm bị nóng chảy và khuyếch tán vào bên trong lớp phủ NiCr, giúp

lấp đầy các lỗ xốp trong lớp phủ NiCr. Đối với lớp phủ NiCr/Al sau khi xử lý nhiệt

cảm ứng, lớp phủ nhôm khuếch tán vào lớp phủ NiCr đồng đều hơn so với lớp phủ

được xử lý bằng khí cháy.

Để xác định tỷ lệ phần trăm các lỗ xốp của các lớp phủ NiCr và lớp phủ kép

NiCr/Al trước và sau khi xử lý nhiệt, chúng tôi tiến hành phân tích tỷ lệ thành phần

pha trên cấu trúc mặt cắt ngang của tất cả các mẫu lớp phủ dưới kính hiển vi quang

học Axiovert 40 Mat kèm theo phần mềm phân tích cấu trúc pha AxioVision. Các

kết quả phân tích độ xốp được trình bày chi tiết ở phần tiếp theo.

3.2. Độ xốp của lớp phủ

Độ xốp của lớp phủ được xác định bằng phương pháp phân tích ảnh trên cấu

trúc mặt cắt ngang của lớp phủ theo tiêu chuẩn ASTM B276. Hình 3.2 là ảnh phân

tích cấu trúc tế vi của lớp phủ NiCr trước và sau khi xử lý nhiệt cảm ứng. Thành

phần pha của các hệ lớp phủ được phân tích tại 5 vị trí đặc trưng khác nhau trên

toàn bộ chiều dày lớp phủ, kết quả phân tích thành phần pha là kết quả lấy trung

bình trên 5 vị trí được phân tích. Các mẫu còn lại được tiến hành phân tích thành

phần pha tương tự như đối với mẫu lớp phủ NiCr trước và sau khi xử lý nhiệt cảm

ứng, kết quả phân tích được thể hiện trong Hình 3.3.

47

Mẫu NiCr chưa xử lý

Mẫu NiCr xử lý nhiệt cảm ứng

Hình 3.2. Ảnh hiển vi quang học chụp trên mặt cắt ngang của các lớp phủ:

Lỗ xốp của lớp phủ (màu xanh da trời); biên giới hạt (màu xanh lá cây);

Nền lớp phủ hợp kim NiCr (màu đỏ)

Sau khi được xử lý bởi phần mềm phân tích ảnh AxioVision, hình ảnh biên

giới hạt và lỗ xốp có trong lớp phủ đã được thể hiện rõ. Kết quả phân tích cho thấy,

lớp phủ NiCr và NiCr/Al sau khi được xử lý nhiệt có độ xốp và vết nứt trong lớp

phủ giảm đi rõ rệt. Kết quả tính toán cụ thể cho thấy, độ xốp có trong lớp phủ NiCr

trước khi xử lý nhiệt là 2,1 %. Sau khi xử lý nhiệt cảm ứng, độ xốp của lớp phủ còn

0,9 %, giảm đi khoảng 2,3 lần so với lớp phủ chưa xử lý nhiệt. Độ xốp của lớp phủ

NiCr sau khi xử lý nhiệt khí cháy giảm còn 1,1 %. Tương tự, đối với lớp phủ

NiCr/Al, sau khi xử lý nhiệt cảm ứng, độ xốp của lớp phủ (0,8 %) giảm đi khoảng

2,7 lần so với lớp phủ trước khi xử lý nhiệt (2,2 %). Sau khi xử lý nhiệt khí cháy, độ

xốp của lớp phủ NiCr/Al giảm còn 1,0 %.

48

Hình 3.3. Độ xốp của các mẫu lớp phủ trước và sau khi xử lý nhiệt

M1- NiCr chưa xử lý; M2-NiCr xử lý nhiệt cảm ứng; M3-NiCr xử lý nhiệt

khí cháy

M4-NiCr/Al chưa xử lý; M5-NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng

M6-NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy

3.3. Độ bám dính

Kết quả đo độ bám dính giữa lớp phủ và nền thép thể hiện trên hình 3.4 cho

thấy, độ bám dính của mẫu lớp phủ trên nền thép C45 trước khi xử lý nhiệt có giá

trị khá thấp, với mẫu NiCr là 8,85 MPa, với mẫu NiCr/Al là 8,2 MPa. Sau khi xử lý

nhiệt, độ bám dính của lớp phủ tăng lên mạnh. Độ bám dính của lớp phủ NiCr xử lý

nhiệt cảm ứng là 60,25 MPa và xử lý nhiệt khí cháy là 56,7 MPa, tăng hơn 6 lần so

với lớp phủ chưa xử lý nhiệt. Đối với lớp phủ NiCr/Al, sau khi xử lý nhiệt cảm ứng

và khí cháy, độ bám dính của lớp phủ đạt giá trị gần 66 MPa, tăng khoảng 8 lần so

với lớp phủ chưa xử lý nhiệt. Điều này chứng tỏ rằng, quá trình xử lý nhiệt ở nhiệt

độ cao, giữa nền thép và lớp phủ có sự khuếch tán vào nhau tạo thành các pha liên

kim làm tăng độ bám dính giữa lớp phủ và nền thép. Kết quả phân tích XRD ở một

49

số tài liệu cho thấy, trên ranh giới giữa lớp phủ và nền thép có sự hình thành pha

liên kim FeNi3 làm tăng khả năng liên kết giữa lớp phủ và nền thép.

Hình 3.4. Độ bám dính của các mẫu lớp phủ trên nền thép trước và sau khi xử

lý nhiệt

M1- NiCr chưa xử lý ; M2-NiCr xử lý nhiệt cảm ứng ; M3-NiCr xử lý nhiệt

khí cháy

M4-NiCr/Al chưa xử lý; M5-NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng

M6-NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy

3.4. Độ cứng

Độ cứng tế vi được đo trên cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ NiCr/Al trước

và sau khi xử lý nhiệt. Các mẫu được đo độ cứng tế vi liên tục từ ngoài lớp phủ vào

trong nền thép, khoảng cách các vết đo độ cứng là 30 μm, kết quả đo độ cứng là kết

quả trung bình của 3 lần đo. Trên hình 3.5 a là ảnh vết đâm xác định độ cứng trên

mặt cắt ngang của lớp phủ từ bề mặt bên ngoài vào sâu bên trong đến phần tiếp giáp

với lớp phủ NiCr, hình 3.5 b là hình ảnh các vết đâm xác định độ cứng trên mặt cắt

ngang của phần lớp phủ hợp kim NiCr và hình 3.5 c là ảnh vết đâm ở phần tiếp giáp

giữa lớp phủ NiCr và nền thép. Giá trị độ cứng tế vi trên bề mặt cắt ngang của các

lớp phủ được thể hiện trên bảng 3.1.

50

(a)

(b)

(c)

Hình 3.5. Ảnh vết đâm xác định độ cứng tế vi trên cấu trúc mặt cắt ngang của

lớp phủ NiCr/Al. a - Đo lần lượt từ phía ngoài vào sâu về phía nền thép; b - Đo

trên phần lớp phủ NiCr; c - Đo phần tiếp giáp giữa lớp phủ NiCr và nền thép

Bảng 3.1. Độ cứng tế vi đo trên cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ NiCr/Al

Vị trí vết đâm

Giá trị độ cứng tế vi, Hv 0.3

NiCr/Al

chưa xử lý

NiCr/Al

xử lý nhiệt cảm

ứng

NiCr/Al

xử lý nhiệt khí

cháy

Sát bề mặt ngoài 55 600 541

Cách bề mặt khoảng 50 μm 53 820 799




Cách bề mặt khoảng 400 μm

(Lớp phủ NiCr)

175 215 181

Cách bề mặt khoảng 420 μm

(Lớp phủ NiCr)

176 230 190

Cách bề mặt khoảng 500 µm

(nền thép C45)

200 220 225

Kết quả trong bảng 3.1 cho thấy, độ cứng tế vi của các lớp phủ có xử lý nhiệt

cao hơn hẳn so với lớp phủ không xử lý nhiệt. Đối với các lớp phủ NiCr/Al có xử lý

51

nhiệt, độ cứng tế vi trên bề mặt lớp phủ nhôm trên lớp phủ hợp kim NiCr có giá trị

cao hơn hẳn so với độ cứng tế vi đo tại vị trí sâu bên trong lớp phủ. Giá trị độ cứng

tế vi cao nhất đo được là 820 HV (tại vị trí cách bề mặt khoảng 50 μm). Kết quả này

cho thấy, sự hình thành pha liên kim Al3Ni đã làm gia tăng đáng kể độ cứng trên bề

mặt lớp phủ so với độ cứng của lớp phủ hợp kim NiCr. Độ cứng cao trên bề mặt lớp

phủ sẽ góp phần làm tăng khả năng chịu mài mòn của lớp phủ.

3.5. Nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS

Nghiên cứu thành phần hóa học của các lớp phủ được thực hiện trên mặt cắt

ngang của lớp phủ và đo lần lượt tại 7 vùng vị trí từ lớp phủ ngoài cùng đến nền

thép. Hình 3.6 là ảnh chụp SEM các vùng phân tích EDS đối với mẫu lớp phủ

NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng. Thành phần hóa học tại các vùng phân tích của lớp

phủ NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng và xử lý nhiệt khí cháy được trình bày trong bảng

3.2 và 3.3.

Hình 3.6. Ảnh chụp SEM các vùng phân tích EDS mẫu NiCr/Al xử lý nhiệt

cảm ứng

Kết quả phân tích cho thấy rằng, tại các vùng phân tích đối với cả lớp phủ

NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng và xử lý nhiệt khí cháy đều có sự xuất hiện của các

nguyên tố giống nhau với thành phần hóa học khác nhau.

52

Bảng 3.2. Thành phần hóa học tại các vùng trên mặt cắt ngang

của lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng

Vùng O Al Si Cr Mn Fe Ni

Tổng

(% khối lượng)

1 1,48 75,08 0,79 3,61 19,04 100

2 1,62 61,18 0,53 15,63 21,04 100

3 2,05 5,44 0,9 17,14 74,47 100

4 1,61 0,7 19,67 78,02 100

5 2,95 0,84 20,04 10,01 66,07 100

6 0,25 4,05 1,05 84,51 10,14 100

7 0,25 1,06 98,69 100

Bảng 3.3. Thành phần hóa học tại các vùng trên mặt cắt ngang

của lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy

Vùng O Al Si Cr Mn Fe Ni

Tổng

(% khối lượng)

1 2,79 51,02 0,44 16,38 29,37 100

2 3,21 40,14 0,82 17,86 37,97 100

3 3,18 3,24 0,66 19,64 73,28 100

4 3,60 0,74 19,44 76,22 100

5 3,08 0,76 18,86 3,34 73,96 100

6 0,19 2,12 1,10 88,49 8,10 100

7 0,29 1,04 98,67 100

Ở vùng đầu tiên, tương ứng với vùng lớp phủ ngoài cùng, thành phần của

nguyên tố Al là lớn nhất, tuy nhiên có cả sự xuất hiện của nguyên tố Ni và Cr. Điều

này chứng tỏ rằng lớp phủ Al đã khuếch tán gần như toàn bộ vào trong lớp phủ

NiCr. Như vậy ở lớp phủ ngoài cùng có thể đã xuất hiện các pha trung gian của 3

nguyên tố Al-Ni-Cr.

Vùng 2 và vùng 3 là vùng tiếp giáp giữa lớp phủ Al và lớp phủ NiCr. Hàm

lượng Al giảm dần từ ngoài vào và vẫn có sự xuất hiện của Ni và Cr.

53

Vùng 4 ở lớp phủ xử lý nhiệt cảm ứng có thành phần 78,02% Ni – 19,67%

Cr – 0,7% Si – 1,61% O và ở lớp phủ xử lý nhiệt khí cháy có thành phần 76,22% Ni

– 19,44% Cr – 0,74% Si – 3,6% O. Vùng này tương ứng với thành phần của vùng

lớp phủ NiCr.

Vùng 5 và vùng 6 là vùng tiếp giáp giữa lớp phủ NiCr và nền thép. Kết quả

phân tích cho thấy cả hai vùng đều có Fe, Ni và Cr, chứng tỏ giữa lớp phủ NiCr và

nền thép có sự tương tác với nhau và có thể xuất hiện pha liên kim ở vùng biên giới

giữa lớp phủ và nền.

Vùng 7 ở cả hai lớp phủ đều tương ứng với thành phần của nền thép C45.

Như vậy, các kết quả phân tích thành phần EDS cho phép dự báo sự xuất hiện

của các pha trên cơ sở thành phần các nguyên tố tại điểm nghiên cứu và dựa vào giản

đồ pha. Để có những kết luận rõ ràng hơn nữa về các pha xuất hiện sau khi xử lý

nhiệt, tiếp tục nghiên cứu các pha liên kim bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen.

3.6. Phân tích thành phần các pha bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

Thành phần pha trên bề mặt các mẫu lớp phủ trước và sau khi xử lý nhiệt

cảm ứng được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả phân

tích thể hiện trên hình 3.7.

Kết quả phân tích cho thấy, trên bề mặt lớp phủ, ngoài thành phần pha tinh

thể nhôm (Al) còn có thành phần các pha tinh thể liên kim Al3Ni với cường độ

tương đối lớn. Điều này chứng tỏ rằng, lớp phủ sau khi được xử lý nhiệt, một lượng

lớn lớp phủ nhôm trên bề mặt đã tương tác với lớp phủ hợp kim NiCr hình thành lên

pha mới Al3Ni.

54

Hình 3.7. Giản đồ XRD trên bề mặt của mẫu lớp phủ NiCr/Al

sau khi xử lý nhiệt cảm ứng

Kết luận

Kết quả phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp EDS và phân tích

pha bằng phương pháp XRD cho thấy các kết quả nghiên cứu pha khá tương đồng

với các kết quả nghiên cứu trong các tài liệu đã thảm khảo [69]. Các lớp phủ sau khi

được xử lý nhiệt có độ xốp giảm, độ cứng tế vi và độ bám dính tăng so với lớp phủ

không xử lý nhiệt. Sau khi xử lý nhiệt, pha liên kim Al3Ni tạo ra trên bề mặt lớp phủ

với cường độ các pic đặc trưng tương đối lớn, góp phần làm tăng độ cứng cho hệ

lớp phủ so với lớp phủ hợp kim NiCr ban đầu. Như vậy, từ các kết quả nghiên cứu

đã đạt được, chúng tôi lựa chọn phương pháp xử lý nhiệt cảm ứng và xử lý nhiệt khí

cháy để xử lý lớp phủ sau khi phun, với chế độ xử lý nhiệt như sau:

Xử lý nhiệt cảm ứng:

+ Thời gian xử lý nhiệt lớp phủ NiCr 8 - 10 phút, nhiệt độ xử lý 900 -

950oC, tốc độ nâng nhiệt 250

oC/ phút.



950oC giữ nhiệt trong khoảng 8-10 phút.

Góc 2θ

55

Xử lý nhiệt bằng khí cháy ôxi và axetilen

+ Thời gian xử lý lớp phủ NiCr 12 - 15 phút, nhiệt độ xử lý 900 - 950oC, tốc

độ nâng nhiệt 200oC/ phút.



950oC, giữ nhiệt 10 - 12 phút.

3.7. Độ bền ăn mòn của lớp phủ trước và sau khi xử lý nhiệt

3.7.1. Độ bền mù muối của lớp phủ

Ảnh bề mặt các mẫu lớp phủ NiCr và NiCr/Al sau 48 giờ trong môi trường

thử nghiệm mù muối được thể hiện trên hình 3.8 và hình 3.9 tương ứng.

Thời gian

thử nghiệm

NiCr

không xử lý nhiệt

NiCr xử lý nhiệt

khí cháy

NiCr xử lý

nhiệt cảm ứng

Trước thử

nghiệm

Sau 24 giờ

Sau 48 giờ

Hình 3.8. Ảnh bề mặt mẫu lớp phủ NiCr trong quá trình thử nghiệm phun mù muối

56

Ảnh quan sát bề mặt thể hiện trên hình 3.8 cho thấy, khả năng bảo vệ chống

ăn mòn trong điều kiện thử nghiệm phun muối của các mẫu lớp phủ NiCr có sự

khác nhau rõ ràng. Sau 24 giờ thử nghiệm, đối với mẫu NiCr chưa xử lý nhiệt, xuất

hiện các vùng gỉ đỏ rõ ràng trên bề mặt mẫu và mẫu gần như bị phá hủy hoàn toàn

sau 48 giờ thử nghiệm. Đối với mẫu NiCr có xử lý nhiệt khí cháy, gỉ đỏ xuất hiện

thành các điểm nhỏ trên bề mặt sau 24 giờ, và lan rộng hơn sau 48 giờ thử nghiệm.

Trong khi đó, mẫu NiCr xử lý nhiệt cảm ứng, gỉ đỏ chỉ xuất hiện sau 48 giờ thử

nghiệm và xuất hiện ở các cạnh của mẫu thử nghiệm. Điều đó chứng tỏ rằng, xử lý

nhiệt đã góp phần cải thiện đáng kể khả năng bảo vệ chống ăn của lớp phủ NiCr.

Lớp phủ NiCr bảo vệ nền thép theo cơ chế che chắn. Các lớp phủ NiCr sau khi xử

lý nhiệt có độ xốp giảm, lớp phủ chặt khít hơn so với lớp phủ không được xử lý

nhiệt, do đó ngăn cản dung dịch ăn mòn thấm sâu vào nền thép.

Thời gian

thử nghiệm

NiCr/Al

không xử lý nhiệt

NiCr/Al xử lý nhiệt

khí cháy

NiCr/Al xử lý nhiệt

cảm ứng

Trước thử

nghiệm

Sau 24 giờ

Sau 48 giờ

Hình 3.9. Ảnh bề mặt mẫu lớp phủ NiCr/Al trong quá trình thử nghiệm phun

mù muối

57

Hình 3.9 thể hiện ảnh bề mặt các mẫu lớp phủ NiCr/Al trước và sau thử

nghiệm phun muối. Kết quả cho thấy, sau 24 giờ thử nghiệm, gỉ đỏ chỉ xuất hiện

trên mẫu NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy. Sau 48 giờ thử nghiệm, gỉ đỏ bắt đầu xuất

hiện trên mẫu NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng. Đối với mẫu NiCr/Al không xử lý

nhiệt, lớp phủ Al ở ngoài đóng vài trò là anot hy sinh, sẽ bị hòa tan dần trong quá

trình thử nghiệm.

3.7.2. Quét đường cong phân cực

Kết quả đo đường cong phân cực của các lớp phủ NiCr và NiCr/Al được thể

hiện trên Hình 3.10 và hình 3.11 tương ứng.

Hình 10. Đường cong phân cực của các lớp phủ NiCr

đo trong dung dịch NaCl 3,5%.

Kết quả trên hình 3.10 cho thấy, các mẫu lớp phủ đều có khoảng điện thế thụ

động nhất định. Mẫu lớp phủ hợp kim NiCr xử lý nhiệt cảm ứng có khoảng điện thế

thụ động tương đối rộng ở mật độ dòng điện nhỏ nhất, trong khi đó mẫu lớp phủ hợp

kim NiCr không xử lý nhiệt có khoảng điện thế thụ động với mật độ dòng điện là cao

nhất. Đường cong phân cực của các mẫu lớp phủ NiCr trên nền thép đều có điểm gãy

ở điện thế - 0,45V (đối với lớp phủ NiCr không xử lý nhiệt) và khoảng - 0,4V đối với

lớp phủ NiCr xử lý nhiệt, điều này là do các sản phẩm ăn mòn tích tụ lại trong lớp

58

phủ, chưa kịp khuếch tán ra ngoài dung dịch. Mặt khác, điện thế ăn mòn của mẫu lớp

phủ NiCr không xử lý nhiệt âm hơn và gần với điện thế ăn mòn của nền thép hơn so

với mẫu NiCr có xử lý nhiệt. Như vậy, quá trình xử lý nhiệt đã góp phần nâng cao

khả năng bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ NiCr đối với nền thép.

Hình 3.11. Đường cong phân cực của các lớp phủ NiCr/Al

đo trong dung dịch NaCl 3,5%.

Kết quả trên hình 3.11 cho thấy, lớp phủ NiCr/Al không xử lý nhiệt có điện thế

ăn mòn khoảng - 0,8V, thấp hơn nhiều so với điện thế ăn mòn của nền thép, và gần

với điện thế ăn mòn của nhôm (khoảng - 0,9V). Như vậy, lớp phủ nhôm ở bên ngoài

lớp phủ NiCr sẽ đóng vai trò là anot hy sinh, theo thời gian sẽ bị hòa tan vào trong

dung dịch.

Đối với lớp phủ NiCr/Al có xử lý nhiệt khí cháy và xử lý nhiệt cảm ứng, lớp

phủ nhôm bên ngoài đã bị nóng chảy và khuếch tán vào trong lớp phủ NiCr. Hệ lớp

phủ kép NiCr/Al đóng vai trò là lớp phủ che chắn, ngăn cản dung dịch ăn mòn thấm

sâu vào nền thép. Lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng có điện thế ăn mòn dương

hơn và mật độ dòng ăn mòn thấp hơn so với lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy,

do đó lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt cảm ứng có khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho

nền thép tốt hơn lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy.

59

3.7.3. Phổ tổng trở điện hóa

Giản đồ Nyquist của các lớp phủ sau khi ngâm trong dung dịch NaCl 3,5%

được thể hiện trên Hình 3.12 và Hình 3.13.

Hình 3.12. Giản đồ Nyquist của các lớp phủ NiCr đo

trong dung dịch NaCl 3,5%.

Hình 3.13. Giản đồ Nyquist của các lớp phủ NiCr/Al đo

trong dung dịch NaCl 3,5%.

60

Kết quả trên giản đồ hình 3.12 cho thấy, tổng trở điện hóa của mẫu lớp phủ

NiCr không xử lý nhiệt thấp hơn so với hai mẫu NiCr có xử lý nhiệt. Xử lý nhiệt lớp

phủ giúp loại bỏ ứng suất dư, làm giảm lỗ xốp trong lớp phủ, do đó lớp phủ sau xử lý

nhiệt có khả năng ngăn cản sự khuếch tán của dung dịch vào sâu trong nền thép, từ đó

bảo vệ chống ăn mòn cho nền thép tốt hơn lớp phủ không được xử lý nhiệt.

Giản đồ thể hiện trên hình 3.13 cho thấy, tổng trở của lớp phủ NiCr/Al không

xử lý nhiệt có dạng nửa bán cung, thể hiện quá trình diễn ra trên bề mặt của lớp phủ.

Mặt khác, lớp phủ NiCr/Al không xử lý nhiệt có tổng trở điện hóa lớn hơn so với

mẫu NiCr/Al có xử lý nhiệt. Điều này có thể được giải thích là do quá trình hòa tan

nhôm tạo nên các sản phẩm ăn mòn tích tụ lên bề mặt của lớp phủ, hình thành lớp

màng thụ động bảo vệ sự tấn công của dung dịch ăn mòn vào sâu trong lớp phủ.

Phổ tổng trở của lớp phủ NiCr/Al xử lý nhiệt khí cháy có dạng hai bán cung, điều

này có thể do dung dịch ăn mòn đã thấm đến nền thép gây ra ăn mòn cho nền thép.

Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu phun mù muối đã trình này ở trên.

3.8. Kết quả thử nghiệm ăn mòn và mài mòn

Các mẫu thử nghiệm ăn mòn mài mòn được liệt kê trong Bảng 2.4. Tiến

hành thử nghiệm ăn mòn mài mòn trong khoảng thời gian 168 giờ (1 tuần) đối với

các mẫu lớp phủ trên hệ thử nghiệm ăn mòn mài mòn được thiết kê như trên. Mẫu

thử nghiệm ăn mòn mài mòn là mẫu phằng có kích thước 50 × 50 × 5 mm. Các mẫu

được thử nghiệm trong dung dịch H2SO4 pH2 có chưa 3% hạt gây xói mòn SiC.

Ảnh quan sát bề mặt theo thời gian thử nghiệm ăn mòn mài mòn được thể

hiện trên hình 3.14. Kết quả quan sát bề mặt cho thấy, sau 24 giờ đầu thử nghiệm bề

mặt của tất cả các mẫu chưa xuất hiện điểm gỉ đỏ. Sau 72 giờ thử nghiệm trên bề

mặt mẫu M2 và M3 xuất hiện nhiều gỉ đỏ. Mẫu M1 điểm gỉ đỏ bắt đầu xuất hiện

trên bề mặt mẫu. Đối với các mẫu M4, M5, M6 chưa thấy xuất hiện điểm gỉ đỏ trên

bề mặt sau 72 giờ thử nghiệm. Sau 168 giờ thử nghiệm trên bề mặt các mẫu M1,

M2, M3, M4 có rất nhiều gỉ đỏ. Trong khi đó, gỉ đỏ vẫn chưa thấy xuất hiện trền bề

mặt các mẫu M5 và M6. Kết quả này cho thấy, lớp phủ hợp NiCr/Al sau khi được

xử lý nhiệt có khả năng chống ăn mòn và mai mòn tốt hơn so với mẫu lớp phủ

NiCr/Al không được xử lý nhiệt.

61

Ban đầu

M1 M2 M3

M4 M5 M6

Sau 24 giờ

M1 M2 M3

M4 M5 M6

Sau 72 giờ

M1 M2 M3

M4 M5 M6

62

Sau 168 giờ

M1 M2 M3

M4 M5 M6

Hình3.14. Ảnh quan sát bề mặt theo thơi gian thử nghiệm ăn mòn

mài mòn

Tổn hao khối lượng của lớp phủ NiCr trước và sau khi xử lý nhiệt được thể

hiên trên hình 3.15. Kết quả khảo sát cho thấy, sau khi xử lý nhiệt lớp phủ NiCr có

khả chống xói mòn cao hơn so với lớp phủ không được xử lý nhiệt. Cụ thể, đối với

lớp phủ sau khi được xử lý nhiệt bằng ngon lửa khí cháy (M2), tổn hao trọng lượng

của lớp phủ sau 168 giờ thử nghiệm là 468,6 mg, tương đương với 0,1115

mg/h.cm2. Tổn hao trong lượng sau 168 giờ thử nghiệm của mẫu M3 là 356 mg,

tương đương 0,0847 ma/h.cm2. Đối với mẫu M1, tổn hao khối lượng sau 168 giờ

thử nghiệm ăn mòn mài mòn là 610,2 mg, tương đương với 0,1452 mg/h.cm2, cao

hơn khoảng 1,7 lần so với mẫu M3 và 1,3 lần so với mẫu M2.

63

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0

100

200

300

400

500

600

700

Tæn

hao k

hèi

lîn

g, m

g

Thêi gian thö nghiÖm, giê

M1

M2

M3

Hình 3.15. Tổn hao khối lượng theo thời gian thử nghiệm của lớp phủ NiCr

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0

200

400

600

800

1000

Tæn

hao k

hèi

lîn

g, m

g

Thêi gian thö nghiÖm, giê

M4

M5

M6

Hình 3.16. Tổn hao khối lượng theo thời gian thử nghiệm của

lớp phủ NiCr/Al

Thời gian thử nghiệm, giờ

Tổn

hao k

hối

lượ

ng, m

g

Thời gian thử nghiệm, giờ

Tổn

hao k

hối

lượ

ng, m

g

64

Kết quả khảo sát về tổn hao trọng lương đối với mẫu lớp phủ NiCr/Al trước và

sau khi xử lý nhiệt được thể hiện trên hình 3.16. Kết quả khảo sát cho thấy, trong

khoảng thời gian đầu thử nghiệm tổn hao khối lượng của các mẫu có sự khác nhau

không nhiều. Tuy nhiên, sau 48 giờ thử nghiệm tổn hao khối lượng của các mẫu có sự

khác nhau khá lớn. Sau 168 giờ thử nghiệm tổn hao khối lượng của các mẫu M4, M5,

M6 lần lượt là 966,2; 804,9; 441,9 mg. Như vậy có thể thấy mẫu lớp phủ NiCr/Al sau

khi xử lý nhiệt bằng dòng điện cao tần có khả năng chịu xói mòn cao hơn so với mẫu

lớp phủ được xử lý nhiệt bằng phương pháp dùng ngọn lửa khí cháy.

Kết luận

Trên cơ sở khảo sát, nghiên cứu các môi trường công nghiệp thực tế, chúng

tôi đã thiết kế và chế tạo được thiết bị thử nghiệm ăn mòn, mài mòn khi vật liệu

được vận hành trong môi trường hóa chất có chứa các hạt rắn gây mài mòn khắc

nghiệt. Qua đó, đánh giá được khả năng bảo vệ chống ăn mòn, mài mòn của lớp phủ

NiCr, NiCr/Al trong môi trường này.

Mô hình thử nghiệm ăn mòn mài mòn trên có thể áp dụng thử nghiệm cho

các lớp phủ làm bạc lót, băng tải, cánh tua bin, thành lò nung, khung giá đỡ phụ

kiện lò, cánh bơm, cánh quạt, tuabin, các cổ trục động cơ.... Thay đổi với các môi

trường thử nghiệm và hàm lượng hạt rắn khác nhau tùy thuộc vào điều kiện thực tế.

Đã xử lý nhiệt lớp phủ bằng cảm ứng và ngọn lửa khí cháy điều này tạo điều

kiện thuận lợi cho thực tế sản xuất, khi cần phục hồi hoặc chế tạo mới lớp phủ qua

xử lý nhiệt.

Các kết quả thu được từ thử nghiệm này đã góp phần giúp chúng tôi đưa ra

quy trình đánh giá các tính chất cho lớp phủ NiCr, NiCr/Al mà dự án lựa chọn.

65

BÁO CÁO TÓM TẮT CÁC SẢN PHẨM CỦA DỰ ÁN

Dạng I

TT Tên sản phẩm Số

lượng

Chất lượng

cần đạt Kết quả Ghi chú

1 Lớp phủ NiCr 25 m2 100% đạt tiêu

chuẩn chất

lượng đầu ra

27 m2 Đạt

2 Lớp phủ NiCr/Al 25 m2 27,5 m

2 Đạt

Dạng II

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu

khoa học

cần đạt

Yêu cầu khoa

học cần đạt

Kết quả nhận

được

Ghi

chú

1

Quy trình công

nghệ chế tạo lớp

phủ hợp kim

NiCr

Đảm bảo

các chi tiêu

kỹ thuật

Đảm bảo các chi

tiêu kỹ thuật

Quy trình công


phủ hợp kim

NiCr

Đạt

2

Quy trình công


phủ hợp kim

NiCr/Al

Đảm bảo

các chỉ tiêu

kỹ thuật

Đảm bảo các chỉ

tiêu kỹ thuật

Quy trình công


phủ hợp kim

NiCr/Al

Đạt

66

Dạng III

Công bố khoa học

TT

Tên sản

phẩm

Yêu cầu

khoa học

(số lượng)

Dự kiến nơi

công bố Kết quả Ghi chú

1

Báo

chuyên

ngành

Trong nước

(01)

- Tạp chí Cơ

khí Việt Nam

- Tạp chí Kim

loại

01 bài đăng trên tạp

chí Cơ khí Việt Nam

01 bài đăng trên tạp

chí Kim loại (đã có

xác nhận chấp nhận

đăng)

đạt

2 Sáng chế Trong nước

(01)

Cục sở hữu trí

tuệ, Bộ

KHCN

01, đã được chấp

nhận đơn hợp lệ Đạt

67

BẢNG SẢN PHẨM VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT, CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA DỰ ÁN

TT Tên sản phẩm và

chỉ tiêu chất lượng chủ yếu Đơn vị đo

Mức chất lượng

Đạt được Cần đạt

Tương tự mẫu

Trong nước Thế giới

1 2 3 4 5 6 7

1. Lớp phủ NiCr

1 Độ xốp % 4 - 8 ~ 11,5 1,5 - 15 1 - 1,5

2 Độ bám dính MPa ≥ 30 ~ 17 20 - 50 50 - 60

3 Độ cứng HV ≥ 300 ~ 300 200 - 1000 300 - 350

4

Độ bền ăn mòn mài mòn

trong môi trường axit chứa

các hạt gây xói mòn.

Kéo dài thời gian sử

dụng ≈ 1,5 lần

Kéo dài thời

gian sử dụng ≈

1,2 lần

Chưa có 1,3

2. Lớp phủ NiCr/Al

1 Độ xốp % ≤ 5 Chưa có 1,5 - 15 0,9 - 1,1

2 Độ bám dính MPa ≥ 30 Chưa có 20 - 500 50 - 60

3 Độ cứng HV ≥ 500 Chưa có 200 - 1000 600 - 800

4

Độ bền ăn mòn mài mòn

trong môi trường axit chứa

các hạt gây xói mòn.

Kéo dài thời gian sử

dụng ≈ 1,5 lần Chưa có Chưa có 1,7

69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết quả thu được của dự án sản xuất thử nghiệm “Hoàn thiện công nghệ

chế tạo lớp phủ hợp kim niken crôm bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện để

nâng cao độ bền mài mòn ăn mòn cho các chi tiết máy công nghiệp làm việc

trong môi trường khắc nghiệt” cho phép nhóm thực hiện đưa ra các kết luận dưới

đây:

1. Đã nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo lớp phủ NiCr trên bề mặt

vật liệu nền thường dùng trong các tiết máy công nghiệp làm việc trong môi

trường khắc nghiệt bằng phương pháp xử lý nhiệt.

2. Đã nghiên cứu hoàn thiện và đưa ra phương pháp và chế độ xử lý nhiệt

đối với lớp phủ NiCr và NiCr/Al trên nền thép C45. Có hai phương pháp xử lý

nhiệt là xử lý nhiệt bằng lò cao tần; xử lý nhiệt bằng khí cháy. Đưa ra quy trình

công nghệ chế tạo hai loại lớp phủ: lớp phủ hợp kim NiCr và lớp phủ NiCr kết hợp

lớp phủ nhôm (NiCr/Al) để nâng cao độ bền ăn mòn mài mòn cho các chi tiết máy

công nghiệp làm việc trong môi trường khắc nghiệt.

3. Đã xây dựng được hệ thử nghiệm để đánh giá độ bền ăn mòn mài mòn

trong môi trường axít; đã xây dựng các quy trình đánh giá tính chất của lớp phủ;

xây dựng tiêu chuẩn cơ sở đối với lớp phủ.

4. Đã triển khai chế tạo được tổng số 54,5 m2 lớp phủ, trong đó lớp phủ

NiCr là 27 m2; lớp phủ NiCr/Al là 27,5 m

2 đạt yêu cầu.

5. Dự án cũng đã hoàn thành các chỉ tiêu khác như công bố, sở hữu trí tuệ.

70

Kiến nghị

Trong các nội dung thực hiện của dự án, vấn đề đưa lớp phủ nhôm lên trên

lớp phủ NiCr sau đó xử lý nhiệt bằng các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau

(cao tần và khí cháy) đã được thực hiện và có được một số kết quả khả quan. Tuy

nhiên, đây chỉ là kết quả ban đầu. Để có thể đưa vào sản xuất ở quy mô công

nghiệp, chúng tôi thấy cần phải tiếp tục giải quyết các vấn đề sau:

Do hệ lớp phủ kép NiCr/Al sau khi xử lý nhiệt là một hệ phức tạp, nên

cần nghiên cứu sâu về chế độ công nghệ xử lý nhiệt và các tính chất của hệ lớp

phủ này.

Trong dự án mới chỉ thực hiện nghiên cứu một số tính chất của lớp phủ

Al trên lớp phủ NiCr sau xử lý nhiệt bằng khí cháy và cao tần.

Một tính chất rất quan trọng của lớp phủ kép NiCr/Al đó là khả năng

chống ô xi hóa nhiệt độ cao tiếp tục cần được nghiên cứu.

Trong dự án mới chỉ thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm nên cần

thiết phải tiến hành ở quy mô lớn hơn để có thể hoàn thiện quy trình.

Chính vì vậy, chúng tôi mong muốn tiếp tục được thực thực hiện một dự

án khác theo hướng này và rất mong nhận được sự ủng hộ của Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng như Viện Kỹ thuật nhiệt đới.

71

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1- P. Hanneforth. “The global thermal spray industry – 100 years of success:

So what’s next ?”. International thermal spray and surface engineering, Vol.

1, Issue 1, 2006.

2- DEF STAN 02-828 Issue 2. Requirements for Thermal Spray Deposition of

Metals and Ceramics for Engineering Purposes.

3- EN 14616:2004 (E) Thermal spraying - Recommendations for thermal

spraying

4- M. Tacikowski, J. Sloma, M. Wozniak, T.Wierzchon, Structure of the Al-Ni

intermetallic layers producced on nickel alloy by duplex treatment.

Intermetallics, p 123-129, 2006.

5- Manpreet Kaur, Harpreet Singh, and Satya Prakash. High – Temperature

Corrosion Studies of HVOF – Sprayed Cr3C2 –NiCr Coating on SAE –

347H Boiler Steel. Journal of Thermal Spray Technology, Volume 18(4),

p619 – 632, 2009.

6- Dominique poirier, Jean – Gabriel Legoux, and Rogerio S. Lima.

Engineering HVOF – Sprayed Cr3C2 – NiCr Coatings: The Effect of

Particle Morphology and Spraying Parameters on the Microstructure,

Properties, and High Temperature Wear Performance. Journal of Thermal

Spray Technology, Volume 22(2 – 3), p 280 – 289, 2013.

7- Guan – Jun Yang, Chang – Jiu Li, Shi – Jun Zhang, and Cheng – Xin Li.

High – Temperature Erosion of HVOF Sprayed Cr3C2 – NiCr Coating and

Mild Steel for Boiler Tubes. Journal of Thermal Spray Technology, Volume

17 (5 – 6), p 782 – 787, 2008.

8- Lutz – Michael Berger, Sabine Saaro, Tobias Naumann, Michaela

Kasparova, and Frantisek Zahalka. Microstructure and Properties of

HVOF – Spayed WC – (W,Cr)2C – Ni Coatings. Journal of Thermal pray

Technology, Volume 17 (3), p 395 – 403, 2008.

72

9- Sukhpal Singh Chatha, Hazoor S.Sidhu, and Buta S.Sidhu. High –

Temperature Behavior of a NiCr – Coated T91 Boiler Steel in the Platen

Superheater of Coal – Fired Boiler. Journal of Thermal Spray Technology,

Volume 22(5) p 838 – 847, 2013.

10- Harminder Singh, T.S. Sidhu, S.B.S. Kalsi, and J.Karthikeyan. Hot

Corrosion Behavior of Cold – Sprayed Ni – 20Cr Coating in an

Incinerator Environment at 900oC. Journal of Thermal Spray

Technology, Volume 24(3), p 570 – 578, 2015.

11- Niraj Bala, Harpreet Singh, and Satya Prakash. High Temperature

Corrosion Behavior of Cold Spray Ni –20Cr Coating on Boiler Steel in

Molten Salt Environment at 900oC. Journal of Thermal Spray

Technology, Volume 19 (1 – 2), p 110 – 118, 2010.

12- G.Kaushal, H. Singh, and S.Prakash. Performance of Detonation Gun –

Sprayed Ni – 20Cr Coating on ASTM A213 TP347H Steel in a Boiler

Environment. Journal of Thermal Spray Technology, Volume 21(5), p 975

– 986, 2012.

13- Sukhpal Singh Chatha, Hazoor S.Sidhu, and Buta S.Sidhu. High –

Temperature Behavior of a NiCr – Coated T91 Boiler Steel in the Platen

Superheater of Coal – Fired Boiler. Journal of Thermal Spray Technology,

Volume 22(5) p 838 – 847, 2013.

14- Maria Prudenziati and Magdalena Lassinantti Gualtieri. Electrical

Properties of Thermally Sprayed Ni – and Ni20Cr – Based Resistors.

Journal of Thermal Spray Technology, Volume 17(3), p 385 – 394, 2008.

15- J.Saaedi, T.W. Coyle, H. Arabi, S. Mirdamadi, and J.Mostaghimi. Effects of

HVOF Process Parameters on the Properties of Ni – Cr Coatings. Journal

of Thermal Spray Technology, Volume 19(3), p 521 – 530, 2010.

73

16- Alfredo Valarezo and Sanjay Sampath. An Integrated Assessment of

Sprocess – Microstructure – Property Relationships for Thermal – Sprayed

NiCr Coatings, Journal of Thermal Spray Technology, Volume 20 (6), p

1244 – 1258, 2011.

17- Lutz – Michael Berger, Sabine Saaro, Tobias Naumann, Michaela

Kasparova, and Frantisek Zahalka. Microstructure and Properties of HVOF

– Spayed WC – (W,Cr)2C – Ni Coatings. Journal of Thermal Spray

Technology, Volume 17 (3), p 395 – 403, 2008.

18- Israel López Báez, Carlos Agustín Poblano Salas, Juan Mũnoz Saldãna, and

Luís Gerardo Trápaga Martínez. Effects of the Modification of Processing

Parameters on Mechanical Properties of HVOF Cr2C3 – 25NiCr Coatings.

Journal of Thermal Spray Technology, Volume 24 (6), p 938 – 946, 2015.

19- W.Tillmann, E.Vogli, I.Baumann, G.Kopp, and C.Weihs. Desirability –

Based Multi – Criteria Optimization of HVOF Spray Experiments to

Manufacture Fine Structured Wear – Resistant 75Cr3C2 –25(NiCr20)

Coatings. Journal of Thermal Spray Technology, Volume 19(1 – 2), p 392 –

408, 2010.

20- Maria Prudenziati, Gian Carlo Gazzadi, Marcello Medici, Gregorio

Dalbagni, and Marco Caliari, Volume 19(3). Cr3C2 – NiCr HVOF –

Sprayed Coating: Microstructure and Properties Versus Powder

Characteristics and Processs Parameters. Journal of Thermal Spray

Technology, p 541 – 550, 2010.

21- S.Matthews. Compositional Development as a Function of Spray Distanse

in Unshrouded/Shrouded Plasma – Sprayed Cr3C2 Coatings. Journal of

Thermal Spray Technology, Volume 24(3), p 515 – 533, 2015.

22- M. Magnani, P.H. Suegama, N. Espallargas, C.S. Fugivara, S.Dosta, J.M.

Guilemany, and A.V.Benedetti. Corrosion and Wear Studies of Cr3C2NiCr

74

– HVOF coatings Spayed on AA7050 T7 Under cooling. Journal of Thermal

Spray Technology, Volume 18(3), p 353 – 363, 2009.

23- .Matthews. Carbide Dissolution/Carbon Loss as a Function os Spray

Distance in Unshrouded/Shrouded Plasma Sprayed Cr3C2 – NiCr coatings,

Journal of Thermal Spray Technology, , Volume 24(3), p 552 – 569, 2015.

24- Jie Chen, Yulong An, Xiaoqin Zhao, Fengyuan Yan, Huidi Zhou, and

Jianmin Chen. Effect of Nd2O3 Additive on Microstructure and Tribological

Properties of plasma – Spayed NiCr – Cr2O3 Composite Coatings. Journal

of Thermal Spray Technology, Volume 23(3), p 363 – 372, 2014.

25- S.Shrestha, T.Hodgkiess, and A.Neville. The Effect of Post – Treatment of a

High Velocity Oxy – Fuel Ni-Cr-Mo-Si-B Coating. JTTEE5 10, ASM

International, p 656 – 665, 2000.

26- M.R.Ramesh, S.Prakash, S.K.Nath, Pawan Kumar Sapra, and N.

Krishnamurthy. Evaluation of Thermocyclic Oxidation Behavior of HVOF –

Sprayed NiCrFeSiB Coatings on Boiler Tube Steels. Journal of Thermal

Spray Technology, Volume 20 (5), p 992 – 1000, 2011.

27- W.M. Zhao, Y. Wang, T. Han, K.Y. Wu and J. Xue. Electrochemical

evaluation of corrosion resistance of NiCrBSi coatings deposited by HVOF.

Surface and Coatings Technology, Vol. 183, Issue 1, p 118 – 125, 2004.

28- T.S. Sidhu, A.Malik, S.Prakash, and R.D.Agrawal. Oxidation and Hot

Corrosion Resistance of HVOF WC – NiCrFeSiB Coating on Ni – and Fe –

based Superalloys at 800oC. Journal of Thermal Spray Technology,

Volume 16 (5 – 6), p 844 – 849, 2007.

29- Kaozuo Ishikawa, Tsuguo Suzuki, Shogo Tobe and Yoshiharu Kitamura.

Resistance of thermal – sprayed duplex coating composed of aluminum and

80Ni – 20Cr alloy against aqueous corrosion. Journal of Thermal Spray

Technology. Vol.10(3), p 521 – 525, 2001.

75

30- Hiroyuki Waki, Takeshi Kitamura, and Akira Kobayashi. Effect of Thermal

Treatment on High – Temperature Mechanical Properties Enhancement in

LPPS, HVOF, and APS CoNiCrAlY Coatings. Journal of Thermal Spray

Technology, Volume 18(4), p 500 – 509, 2009.

31- Hui Zhang, Ye Pan, and Yizhu He. Effects of Annealing on the

Microtructure and Properties of 6FeNiCoCrAlTiSi High – Entropy Alloy

Coating Prepared by Laser Cladding. Journal of Thermal Spray

Technology, Volume 20 (5), p 1049 –1055, 2011.

32- Heli Koivuluoto and Petri Vuoristo. Effect of Ceramic particles on

properties of cold – sprayed Ni – 20Cr + Al2O3 coatings, Journal of

Thermal Spray Technology, Volume 18(4), p 555 – 562, 2009.

33- Jingjing Zhang, Zehua Wang, Pinghua Lin, Wenhuan Lu, Zehua Zhou, and

Shaoqun Jiang. Effect of Sealing treatment on Corrosion Resistance of

Plasma – Sprayed NiCrAl/Cr2O3 – 8wt.%TiO2 Coating. Journal of Thermal

Spray Technology, Volume 20(3), p 508 – 513, 2011.

34- S. Brossard, P.R. Munroe, and M.M.Hyland. Microstructural Study of Splat

Formation for HVOF Sprayed NiCr on Pre – Treated Aluminnum

Substrates. Journal of Thermal Spray Technology, Volume 19(5), p 1001–

1012, 2010.

35- Wei – Jen Cheng*, Chaur – Jeng Wang. Characterization of intermetallic

layer formation in aluminide/nickel duplex coating on mild steel. Materials

Characterization 69, p 63 – 70, 2012.

36- J.M. Brossard, J.Balmain, F. Sanchette and G. Bonnet, High-Temperature

of an Aluminnized NiCr Alloy formed by a Magnetron-Sputtered Al

Diffusion Coating. Oxidation of Metals, Vol 64, 2005.

37- Hsing-Lu Huang, Dershin Gan, Microstructure of aluminnized coating on a

Ni-Cr alloy after annealing treatment. Materials Science and Enginneering,

p 550 – 557, 2008.

76

38- M. Giacomantonio, S. Gulizia, M. Jahedi, Y. Wongb, R. Moore, M.

Valimberti. Heat Treatment Of Thermally Sprayed Ni-Based Wear And

Corrosion Coatings. Materials forum, 35, p48-55, 2011.

39- Hoàng Tùng. Phục hồi và bảo vệ bề mặt bằng phun phủ, Đại học Bách khoa

Hà Nội,1993.

40- Nguyễn Văn Thông. Công nghệ phun phủ bảo vệ và phục hồi, NXB Khoa

học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006

41- Hoàng Tùng. Công nghệ phun phủ và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội, 2002.

42- Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam, Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hợp kim niken crôm

bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện để bảo vệ chống ăn mòn cho các

chi tiết máy bơm công nghiệp làm việc trong môi trường axít. Hà Nội,

2013.

43- Lê Trọng Hậu, Trần Thị Thanh Vân và các cộng sự. Nghiên cứu công nghệ

phun phủ các lớp hợp kim trên cơ sở Cr – Ni cho các chi tiết máy làm việc

trong điều kiện khắc nghiệt, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Khoa học và

Công nghệ Việt Nam, 1999.

44- Nguyễn Văn Tuấn, Lê Thu Quý, Nguyễn Thu Hoài, Nghiên cứu chế tạo

chất bịt phốt phát nhôm. Tạp chí Hóa học, T. 49, số 2(ABC), 796-800

(2011).

45- Lý Quốc Cường, Lê Thu Quý, Đỗ Thị Thục, Đào Bích Thủy, Nguyễn Văn

Tuấn, Ngô Thế Diện, Đào Thị Ánh Tuyết, Nguyễn Văn Tuyển. Ảnh hưởng

của xử lí nhiệt đến các tính chất của lớp phủ kép nhôm và hợp kim crom

chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện. Tạp chí Khoa học và

Công nghệ, T.48, Số 3A, 68 – 74 (2010).

46- Cuong Quoc Ly, Quy Thu Le, Tuan Van Nguyen, Hang Thi To Phung, Dien

The Ngo. Heat treatment of thermal spray duplex coating system of

aluminum – nickel chromium alloy on carbon steel. Journal of Thermal Spray

Technology, Vol.22, Issue 8, 1383 – 1387, 2013.

77

47- Brian Nesbitt, Handbook of Pumps and Pumping, Pumping Manual

International, Elsevier Science & Technology Books (2006).

48- Pump user’s handbook life extension / by Heinz P. Bloch & Allan R.

Budris. -3rd ed, The Fairmont Press, Inc. 2010.

49- Nguyễn Văn Tư, Ăn mòn và bảo vệ vật liệu, NXB Khoa học và Kỹ thuật,

Hà Nội, 2002.

50- ASM Handbook, Vol. 13: Corrosion, ASM International, Metals Park, OH,

1997.

51- ASM HandBook, OH. Vol. 03: Alloy Phase Diagrams, ASM International,

Metals Park, 1997.

52- Lê Công Dưỡng. Vật liệu học, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1997.

53- V.A.Pavlovskii. Heat Resistant coatings on High – Temperature Metals.

Protection of Metals, Vol. 40, No.4, p 358 – 361, 2004.

54- B.Brevaglieri, M.Mongelli and S. Natali. Aluminium based protective

coatings produced on AISI 304 stainless steel. Journal de Physique IV,

Volume 3, 1993.

55- Ng. Post metallization stress relief annlealing heat treatment for arc tin

over aluminum layers. Patent Number 5,994,217, 1999.

56- Weichao Gu, Dejiu Shen, Yulin Wang, Guangliang Chen, Wenran Feng,

Songhua Fan, Chizi Liu, Size Yang. Deposition of duplex Al2O3/aluminum

coatings on steel using a combined technique of arc spraying and plasma

electrolytic oxidation, Applied Surface Science 252, p 2927 – 2932, 2006.

57- F. Bernardi, M. Behar, J.H.R. Dossantos, F. Dyment. Diffusion of Al

implanted into – Hf studied by means of the nuclear resonance technique.

Appl. Phys. A 80, p 69 – 72, 2005.

58- I. N. Kidin. Structure and phase composition of aluminum coatings" Metal I

Term Obrabotka, 1971.

78

59- D.D.N. Singh, R.S.Chaudhary and C.V. Agarwal. Corrosion characteristics

of some aluminum alloys in nitric acid. J. Electrochem. Soc., Vol. 129,

Issue 9, p 1869 – 1874, 1982.

60- Matsusaka Kikuo. Corrosion behavior of ultra – high purity aluminum in

strong acid solutions with respect to the development of ultra – high purity

metals and applications. Science Link Japan, p 496 – 498, 2003.

61- G.Y. Elewady, I.A.El – Said, A.S.Fouda. Anion surfactants as corrosion

inhibitors for aluminum dissolution in HCl solutions. Int. J. Electrochem.

Sci., 3, p 177 – 190, 2008.

62- G.Y. Elewady, I.A.El – Said, A.S.Fouda. Effect of anions on the corrosion

inhibition of aluminum in HCl using ethyl trimethyl ammonium bromide as

cationic inhibitor. Int. J. Electrochem. Sci., No. 3, p 644 – 655, 2008.

63- L. Malki Alaoui, S. Kertit, A. Bellaouchou, A. Guenbour, A. Benbachir, B.

Hammouti. Phosphate of aluminum as corrosion inhibit.

64- R. Grunke, L. Piechl. Method for applying an aluminum diffusion coating to

a component of titanium alloy. US Patent 4,936,927, 1990.

65- ASM HandBook, OH. Vol. 04: Heat treating, ASM International, Metals

Park, 1997.

66- E.Bemporad, M.Sebastiani, D. De Felicis, F. Carassiti, R. Valle, F. Casadei.

Production and characterization of duplex coatings (HVOF and PVD) on

Ti – 6Al – 4V substrate. Thin Solid Films 515, p 186 –194, 2006.

67- Geoffroy Berard, Patrice Brun, Jacques Lacombe, Ghislain Montavon,

Alain Denoirjean, and Guy Antou. Influence of a Sealing Treatment on the

Behavior of plasma – Sprayed Alumina Coatings Operating in Extreme

Environments. Journal of Thermal Spray Technology, Volume 17(3), p 410

– 419, 2008.

79

68- Lý Quốc Cường “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu

trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20Cr trên nền

thép”. Luận án tiến sĩ. 2016.

69- V.A.Pavlovskii. Heat Resistant coatings on High – Temperature Metals.

Protection of Metals, Vol. 40, No.4, p 358 – 361, 2004.

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ HỢP KIM ...

Documents