Tài liệu Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu tạo lớp đắp chịu mài mòn trên nền thép các bon bằng công nghệ hàn plasma bột

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ HỮU MẠNH NGHIÊN CỨU TẠO LỚP ĐẮP CHỊU MÀI MÒN TRÊN NỀN THÉP CÁC BON BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA BỘT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ HỮU MẠNH NGHIÊN CỨU TẠO LỚP ĐẮP CHỊU MÀI MÒN TRÊN NỀN THÉP CÁC BON BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA BỘT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã ngành: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Bùi Văn Hạnh 2. PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Hà Nội – 2015 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 LỜI CAM ĐOAN Đề tài “Nghiên cứu tạo lớp đắp chịu mài mòn trên nền thép Các bon bằng công nghệ hàn Plasma bột” ƣ t gi nghi n ứu và thự nghi m với sự hƣớng ẫn trự tiếp ủa PGS.TS. Bùi Văn Hạnh và PGS.TS. Nguyễn Thú Hà tại Bộ môn Hàn và Công ngh kim loại, Vi n Cơ khí, Trƣờng Đại họ B h khoa Hà Nội. Tôi xin am oan y là ông tr nh nghi n ứu ủa tôi. C qu nghi n ứu trong luận n là hoàn toàn trung thự và hƣa ƣ ông tr nh nào kh . nội ung, s li u, kết ông trong t k Hà Nội, ngày 17 th ng 09 năm 2015 Ngƣời am oan Ngô Hữu Mạnh TẬP THỂ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Bùi Văn Hạnh 2. PGS. TS. Nguyễn Thú Hà Ngô Hữu Mạnh i LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 LỜI CẢM N Trong qu tr nh nghi n ứu và thự hi n luận n, t gi tập trung toàn thời gian, t m lự , trí lự ể hoàn thành luận n m o nội ung và thời gian quy ịnh. T gi xin tr n trọng m ơn PGS.TS. Bùi Văn Hạnh và PGS.TS. Nguyễn Thú Hà tận t nh hƣớng ẫn, giúp và tạo mọi iều ki n thuận l i ể t gi hoàn thành luận n này. T gi xin tr n trọng m ơn Ban gi m hi u, Ban l nh ạo Khoa Cơ khí, th y ô gi o Khoa Cơ khí, trƣờng Đại họ Sao Đ giúp , tạo iều ki n thuận l i ể t gi tập trung toàn thời gian nghi n ứu và hoàn thành luận n. T gi xin tr n trọng m ơn tập thể th y, ô gi o Bộ môn Hàn và Công ngh kim loại, Vi n Cơ khí; Ph ng thí nghi m Kim loại họ , Bộ môn Vật li u họ - X l nhi t và Bề m t, Vi n Khoa họ và Kỹ thuật Vật li u, trƣờng Đại họ B h khoa Hà Nội giúp t gi về ơ sở vật h t, trang thiết ị thí nghi m, kiểm tra ộ ứng, hụp nh tế vi (OM), hụp nh si u tế vi ằng hiển vi i n t quét (SEM), ph n tí h thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t ằng phổ t n sắ năng lƣ ng (EDS). T gi xin tr n trọng m ơn Khoa Vật l , trƣờng Đại họ Khoa họ Tự nhi n, Đại họ Qu gia Hà Nội giúp t gi hụp nh si u tế vi ằng hiển vi i n t quét (SEM), ph n tí h thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t ằng phổ t n sắ năng lƣ ng (EDS), ph n tí h pha ằng nhiễu xạ tia X (XRD). T gi xin tr n trọng m ơn Ph ng thí nghi m A. Ri har -VR Lab.30, Trung t m Đo lƣờng, Kiểm ịnh và Tƣ v n kỹ thuật, thiết ị - ĐKT, Vi n Nghi n ứu Cơ khí (NARIME) giúp t gi kiểm tra m i hàn ằng phƣơng ph p si u m (UT); Vi n Cơ khí Năng lƣ ng và M giúp t gi kiểm tra kh năng hịu mài m n ủa mẫu hàn. T gi xin tr n trọng m ơn ạn ng nghi p, th y ô gi o trƣờng Đại họ Sao Đ , Đại họ Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định, Vi n Nghi n ứu Cơ khí; anh m ở Doanh nghi p tạo iều ki n và giúp t gi trong qu tr nh nghi n ứu, thự nghi m ể hoàn thi n luận n. nh Đ i t, t gi xin ày t l ng iết ơn , m và toàn thể thành vi n trong gia luôn ở n ộng vi n tinh th n, giúp vật h t ể t gi hoàn thành luận n này. Hà Nội, ngày 17 th ng 09 năm 2015 T gi Ngô Hữu Mạnh Ngô Hữu Mạnh ii LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI C M ƠN ii DANH M C CÁC K HI U V CH VIẾT TẮT vii DANH M C CÁC B NG xi DANH M C CÁC H NH NH V Đ TH xii M 1 1. N Q N 1.1 Lị h s ph t triển ủa ông ngh hàn PTA 5 1.2 Đ iểm ủa qu tr nh hàn PTA 5 1.3 T nh h nh nghi n ứu ngoài nƣớ 6 1.4 T nh h nh nghi n ứu trong nƣớ 7 Kết luận Chƣơng 1 9 2. N HIÊN CỨ CÁC YẾ Ố ẢNH HƯ N ẾN Q Á RÌNH HÀN 2.1 Sự h nh thành m i hàn 10 2.1.1 Sự h nh thành h quang plasma 10 2.1.2 Hi u su t h quang plasma 12 2.1.3 Sự ph n 12 2.1.4 Sự huyển ộng ủa 2.1.5 Sự nóng h y và kết tinh kim loại 16 2.5.1.1 Sự nóng h y và ay hơi 16 2.5.1.2 Sự kết tinh và h nh thành m i hàn 16 2.2 C 18 yếu t nhi t trong ột h quang plasma nh hƣởng ến qu tr nh hàn nh hƣởng ủa 2.2.1 ng kim loại l ng trong vũng hàn thông s hế ộ hàn 13 18 2.2.1.1 Đi n ự hàn 19 2.2.1.2 Cƣờng ộ 20 2.2.1.3 T Ngô Hữu Mạnh ộ hàn ng hàn 22 iii LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 2.2.1.4 Lƣu lƣ ng ột 23 2.2.1.5 Dao ộng m hàn 24 2.2.1.6 Chiều ài ột h quang 25 2.2.1.7 Gó nghi ng m hàn và hƣớng ị h huyển m hàn 26 2.2.1.8 Khí 27 2.2.2 Năng lƣ ng ƣờng 31 2.2.3 Sự tham gia ủa kim loại vào m i hàn 33 2.2.3.1 Sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn 33 2.2.3.2 Sự tham gia ủa kim loại ột vào m i hàn 35 2.2.4 Sự khuế h t n và h a tan ủa 36 o v , khí tạo plasma và khí mang ột nguy n t h p kim Kết luận Chƣơng 2 37 3. PHÂN ÍCH HÀNH PH N VÀ PH RỘN BỘ HỢP KIM 3.1 nh hƣởng ủa kí h hạt và thành ph n ột 39 3.1.1 nh hƣởng ủa kí h hạt 39 3.1.2 nh hƣởng ủa thành ph n ột h p kim 40 3.1.2.1 nh hƣởng ủa C 40 3.1.2.2 nh hƣởng ủa Crôm 41 3.1.2.3 nh hƣởng ủa Vônfram 42 3.1.2.4 nh hƣởng ủa Moly 3.1.2.5 nh hƣởng ủa Vana i on n 43 43 3.2 X ịnh thành ph n và pha trộn hỗn h p ột h p kim M 3.2.1 Cơ sở khoa họ và thự tiễn 44 3.2.2 X 46 ịnh thành ph n và pha trộn hỗn h p ột h p kim Kết luận Chƣơng 3 4. XÂY DỰN 51 MÔ HÌNH VÀ HÀN HỰC N HIỆM 4.1 X 4.1.1 Chọn iến s Ngô Hữu Mạnh 44 ịnh thông s u vào hế ộ hàn ơ n 52 52 iv LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 4.1.2 X y ựng mô h nh thự nghi m 52 4.1.3 Đ nh gi sự nh hƣởng ủa Ih, Vh, Vb, Bm, Le ến D 57 4.2 Thự nghi m hàn PTA 60 4.2.1 Thiết ị hàn PTA 61 4.2.2 Vật li u 61 4.2.2.1 Vật li u nền 61 4.2.2.2 H p kim ột Eutroloy 16606 62 4.2.2.3 H p kim ột M 62 4.2.2.4 Khí 63 4.2.3 Đi n ự hàn 63 4.2.4 Đ g hàn 64 4.2.5 C 4.3 X l nhi t hàn 65 4.3.1 Nung nóng trƣớ khi hàn 65 4.3.2 X l nhi t sau khi hàn 67 Kết luận Chƣơng 4 68 o v , khí mang ột, khí tạo plasma thông s hế ộ hàn 64 5. KẾ Q Ả N HIÊN CỨ VÀ BÀN L ẬN 5.1 C u trú kim loại m i hàn và vùng nh hƣởng nhi t 69 5.1.1 C u trú thô ại 69 5.1.2 C u trú tế vi ủa kim loại m i hàn và vùng nh hƣởng nhi t 70 5.1.2.1 C u trú tế vi kim loại m i hàn 71 5.1.2.2 C u trú tế vi kim loại vùng nh hƣởng nhi t 79 5.1.2.3 C u trú kim loại vùng ranh giới 80 5.2 Sự khuế h t n và h a tan 82 5.3 Độ ứng ủa kim loại m i hàn và vùng nh hƣởng nhi t 86 5.3.1 Độ ứng kim loại m i hàn 87 5.3.2 Độ ứng kim loại vùng anh giới giữa m i hàn với nền C45 89 Ngô Hữu Mạnh nguy n t h p kim v LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 5.3.3 Độ ứng kim loại vùng nh hƣởng nhi t 90 5.4 Kh năng hịu mài m n ủa kim loại m i hàn 92 5.4.1 M i quan h giữa ộ m n và ộ ứng 92 5.4.2 Kiểm tra mài m n trong iều ki n khô 93 Kết luận Chƣơng 5 97 KẾ L ẬN CH N C L ẬN ÁN KIẾN N HỊ VÀ Ề X Ấ HƯỚN ÀI LIỆ 100 N HIÊN CỨ IẾP HEO H M KHẢO D NH M C CÁC CÔN 102 103 RÌNH CÔN BỐ C L ẬN ÁN 110 PH L C Ngô Hữu Mạnh vi LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. C từ và ụm từ viết tắt TT Chữ viết tắt T n y ủ tiếng Anh 1 PTA Plasma Transferred Arc 2 SMAW Shielded Metal Arc Welding 3 GTAW Gas Tungsten Arc Welding 4 GMAW Gas Metal Arc Welding 5 6 7 8 9 10 11 FCAW PTAW PAW OAW SAW MMA MAG Flux Cored Arc Welding Plasma Transferred Arc Welding Plasma Arc Welding Oxy-Acetylen Welding Submerged Arc Welding Manual Metal Arc Metal Active Gas 12 MIG Metal Inert Gas 13 TIG Tungsten Inert Gas 14 15 16 OFW UTP ASME 17 ASTM 18 19 USA ISO 20 ANSI 21 22 23 24 25 26 27 28 29 AISI HRC HV HAZ/AHN PH RT Rw Pw Ww Ngô Hữu Mạnh Oxygen Fuel Welding American Society of Mechanical Engineers American Society for Testing and Materials United States of America International Standards Organization American National Standards Institute American Iron and Steel Institute Hardness Rockwell Hardness Vicker Heat Affected Zone Preheat Room Temperature Reinforcement Penetration Width Nghĩa tiếng Vi t Hàn h quang plasma ột Hàn h quang qu hàn ó thu ọ Hàn h quang i n ự Vônfram trong môi trƣờng khí o v Hàn h quang i n ự nóng h y trong môi trƣờng khí o v Hàn h quang y lõi thu Hàn h quang plasma ột Hàn h quang plasma Hàn khí O2 – C2H2 Hàn h quang ƣới lớp thu Hàn h quang tay Hàn h quang i n ự nóng h y trong môi trƣờng khí hoạt tính Hàn h quang i n ự nóng h y trong môi trƣờng khí trơ Hàn i n ự không nóng h y trong môi trƣờng khí trơ Hàn khí oxy H ng UTP ủa CHLB. Đứ Hi p hội Kỹ sƣ Cơ khí Mỹ Hi p hội kiểm ịnh và vật li u Mỹ H p hủng qu Hoa K Ti u huẩn qu tế Vi n nghi n ứu ti u huẩn qu gia Mỹ Vi n nghi n ứu sắt và thép Mỹ Độ ứng Rockwell Độ ứng Vicker Vùng nh hƣởng nhi t Gia nhi t/Nung nóng sơ ộ Nhi t ộ ph ng Chiều ao m i hàn Chiều s u ng u m i hàn Chiều rộng m i hàn vii LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 30 D 31 Dmin 32 33 34 35 36 SEM XRD EDS OM NWPD Scanning Electron Microscope X-Ray Diffraction Energy Dispersive Spectroscope Optical Microscopy Nozzel Workpice Distance 37 38 SOD DCEN 39 DCEP Stand-off Distance Drirect Current Electrode Negative Drirect Current Electrode Positive 40 41 42 43 44 DC RSM HI MMC MHI Drirect Current Response Surface Modeling Heat Input Metal Matrix Composites Mitshubishi Heavy Industries 45 FEM 46 UT 2. C k hi u TT K hi u 1 (Fe, Cr)7C3 2 lm 3 p 4 pl 5 s 6 µ 7 Ar 8 Ar-He 9 B 10 B2O7 11 Bm 12 Bmf 13 C 14 C45 15 CE 16 Co 17 CO2 18 Cp Ngô Hữu Mạnh Dilution Min-Dilution Finite Element Method Ultrasonic Test Sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn Mứ ộ tham gia ủa kim loại ơ n vào m i hàn nh nh t Hiển vi i n t quét Nhiễu xạ tia X Phổ t n sắ năng lƣ ng Hiển vi quang họ Kho ng từ h m hàn ến vật hàn Kho ng làm vi D ng i n một hiều ự thuận D ng i n một hiều ự nghị h D ng i n một hiều Mô h nh về ứng s ề m t Năng lƣ ng ƣờng Hỗn h p kim loại Tập oàn ông nghi p n ng Mitshubishi Phƣơng ph p ph n t hữu hạn Kiểm tra si u m nghĩa Hỗn h p F -Cr-C Tỉ trọng ủa kim loại l ng Tỉ trọng ủa ột h p kim Tỉ trọng ủa ột h p kim ở trạng th i l ng Sứ ăng ề m t ủa kim loại l ng Độ từ thẩm ủa ng plasma Khí Argon Hỗn h p khí Argon-Heli Nguy n t Bo Borit Bi n ộ ao ộng m hàn Vector từ thông Nguy n t C on Thép C on C45 Hàm lƣ ng on tƣơng ƣơng Nguy n t Cô an Khí C oní Nhi t ung ri ng ủa h p kim ột Đơn vị g/cm3 g/cm3 g/cm3 H/m ar, lít ar, lít mm ar, lít J/g0C viii LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Cpl Cr Cr2O3 Cr3C2 Cr4C3 Cr7C3 CrC Cu De Dm Ebm Epc f Farc Fb Fe Fem Fγ g Gm Gt H2 He Hh Ih Jcd Kb Kbv Kl Kp Le Lm M7C3 Ma Mn Mo MPa N2 Nb Ni O2 Pp Ngô Hữu Mạnh Nhi t rung ri ng ủa kim loại l ng Nguy n t Crôm Oxyt Crôm C ít Crôm II C ít Crôm III C ít Crôm III C ít Crôm Nguy n t Đ ng Đƣờng kính i n ự Dao ộng m hàn Giới hạn h y ủa vật li u nền Giới hạn h y ủa h p kim ột T n s ao ộng u hàn Áp lự h quang plasma Lự ẩy A sim t Nguy n t Sắt Lự i n từ hay lự Lor ntz Lự ăng ề m t hay lự Marangoni Gia t trọng trƣờng Gó nghi ng m hàn Gia nhi t trƣớ khi hàn Khí Hy ro Khí H li Hƣớng hàn Cƣờng ộ ng i n hàn Vector mật ộ ng i n Khí mang ột Khí o v Tính ẫn nhi t ủa kim loại l ng Khí tạo plasma Chiều ài h quang T ộ h y ủa ột Hỗn h p it Lự Marangoni Nguy n t Mangan Nguy n t Molip n Mega Pascal Nguy n t Nitơ Nguy n t Nio i Nguy n t Nik n Khí Ôxy Tỉ trọng ủa kim loại l ng 2015 mm N/mm2 N/mm2 l n/phút Độ 0 C ar, lít ar, lít A l/phút l/phút l/phút mm ar, lít ix LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 P q q R r* Re rp Rt S S Si Sm Sp T0, mp T0,p Tamb Ti TLH Tm Tmp Tp Tr 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 Ts TSH Uh V V∞(r) Vb VC Vh Vpc W WC y α βe ΔP(r) ΔT ηα ρ∞ φ Ngô Hữu Mạnh Nguy n t Ph t pho Công su t nhi t hi u ụng Năng lƣ ng ƣờng B n kính ủa ột h quang plasma Kho ng h từ iểm tính to n ến t m ngu n nhi t Hằng s Raynol ủa plasma B n kính ủa hạt Ram sau khi hàn Nguy n t Lƣu hu nh Nhi t ủa ng plasma tạo ởi khí Ar Nguy n t Sili Nhi t h quang plasma ể nung ột ến iểm l ng Nhi t ủa ng plasma ể nung nóng ột Nhi t ộ nóng h y ủa ột Nhi t ộ an u ủa ột Nhi t ộ môi trƣờng Nguy n t Titan Thời gian ở trạng th i l ng Thời gian h y Nhi t ủa kim loại l ng trong vũng hàn Nhi t ộ nung nóng sơ ộ Nhi t ộ tại iểm t k h t m ngu n nhi t một kho ng n kính r Nhi t ộ tr n ề m t ủa vũng hàn khi kết tinh Thời gian kết tinh Đi n p hàn Nguy n t Vanadi Vận t ng plasma Lƣu lƣ ng ột C ít Vanadi Vận t hàn Mứ ộ ti u hao h p kim ột Nguy n t Vônfram C ít Vônfram Hƣớng truyền nhi t Độ khuế h t n nhi t H s gi n nở nhi t ủa kim loại Lự từ tính ủa ng i n Sự h nh l h nhi t ộ tr n ề m t vũng hàn Hi u su t h quang Tỉ trọng ủa ng plasma l ng H s ẫn nhi t 2015 J, Calo J/mm mm mm mm 0 C 0 C 0 C C 0 C 0 C 0 C 0 gi y gi y 0 C 0 C 0 C 0 C mm V m/gi y g/phút m/phút kg/giờ mm2/s N C % kg/cm3 J/mms0C 0 x LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 DANH MỤC CÁC BẢNG B B B B B B B B B B ng 2.1 ng 2.2 ng 2.3 ng 3.1 ng 3.2 ng 3.3 ng 3.4 ng 3.5 ng 3.6 ng 4.1 B ng 4.2 B ng 4.3 B ng 4.4. B B B B B B B ng 4.5 ng 4.6 ng 4.7 ng 4.8 ng 4.9 ng 4.10 ng 5.1 B ng 5.2 B ng 5.3 B ng 5.4 B ng 5.5 B ng 5.6 B ng 5.7 B ng 5.8 B ng 5.9 B ng 5.10 B ng 5.11 B ng so s nh iểm một s phƣơng ph p hàn C thông s ủa i n ự hàn EWTh-2 Đ iểm ủa khí Ar và H Kí h hạt ủa một s phƣơng ph p hàn và phun kim loại Thành ph n hóa họ ủa h p kim ột WC-104 Một s ột h p kim ủa h ng s n xu t C thành ph n h p kim ƣ s ụng ể tạo hỗn h p ột. Mứ ộ iến thi n gi trị ủa iến. B ng gi trị thí nghi m th o kế hoạ h toàn ph n 2k B ng gi trị ủa thông s hế ộ hàn nh hƣởng ến m i hàn và sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn Ma trận thí nghi m và ng gi trị thông s nh hƣởng ến m i hàn B ng gi trị thông s hế ộ hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn. B ng gi trị Ih, Vh, Vb, Bm, Le và D Thành ph n hóa họ ủa thép C45 Cơ tính ủa thép C45 Thành ph n hóa họ ủa h p kim ột Eutroloy 16606 Đ tính ủa ột h p kim Eutroloy 16606 C thông s ủa i n ự hàn không nóng h y W-Th C thông s hế ộ hàn PTA Kết qu ph n tí h hàm lƣ ng Crom ít trong kim loại m i hàn khi hàn PTA ằng ột h p kim Eutroloy 16606 Kết qu ph n tí h hàm lƣ ng Crom ít trong kim loại m i hàn khi hàn PTA ằng ột h p kim M10 Kết qu ph n tí h hàm lƣ ng Vonfram ít trong kim loại m i hàn khi hàn PTA ằng ột h p kim M10 Kết qu o ộ ứng ủa kim loại m i hàn khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 Kết qu o ộ ứng ủa kim loại m i hàn khi hàn h p kim ột M2 Kết qu o ộ ứng vùng ranh giới giữa kim loại m i hàn với kim loại ơ n khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 Kết qu o ộ ứng vùng ranh giới giữa kim loại m i hàn với kim loại ơ n khi hàn h p kim ột M2 Kết qu o ộ ứng kim loại vùng AHN ủa m i hàn khi hàn ột h p kim Eutroloy 16606 Kết qu o ộ ứng kim loại vùng AHN ủa m i hàn khi hàn ột h p kim M2 Kết qu kiểm tra mài m n ủa mẫu hàn PTA ằng ột h p kim Eutroloy 16606 Kết qu kiểm tra mài m n ủa mẫu hàn hàn PTA ằng ột h p kim M10 Ngô Hữu Mạnh Trang 17 20 28 39 44 45 48 48 49 52 53 56 60 61 61 62 62 63 64 73 77 78 87 88 90 90 91 91 94 96 xi LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ H nh 0.1 H nh 0.2 H nh 1.1 H nh 1.2 H nh 1.3 H nh 1.4 H nh 1.5 H nh 1.6 H nh 2.1 H nh 2.2 H nh 2.3 H nh 2.4 H nh 2.5 H nh 2.6 H nh 2.7 H nh 2.8 H nh 2.9 H nh 2.10 H nh 2.11 H nh 2.12 H nh 2.13 H nh 2.14 H nh 2.15 H nh 2.16 H nh 2.17 H nh 2.18 H nh 2.19 H nh 2.20 H nh 2.21 H nh 2.22 H nh 2.23 H nh 2.24 H nh 2.25 H nh 2.26 H nh 2.27 H nh 2.28 Một s hi tiết ƣ hàn ắp ằng PTA Sơ qu tr nh hàn PTA So s nh hai phƣơng ph p PTA và PA Hàn ắp ề m t ằng qu tr nh hàn PTA Sự ph n nhi t ở vùng ủa h quang hàn plasma Hàn phụ h i nh tur in ằng PTA với h p kim St llit Hàn phụ h i ao h t m nh ùng trong ngành s n xu t ột gi y Hàn ao xupap ằng PTA với ột h p kim WC-104 C ion mang i n tí h ƣơng (màu xanh) và i n t mang i n tí h m (màu vàng) trong ột h quang plasma Sơ hóa sự h nh thành h quang plasma M i quan h giữa t ộ ng plasma với kí h thƣớ mi ng phun So s nh h nh ạng ột h quang khi hàn PTA và GTA H nh ạng ột h quang khi hàn GTA và PTA Sự ph n nhi t trong ột h quang plasma khi thay ổi ng hàn So s nh sự ph n nhi t khi hàn GTA và PTA ƣ o v ởi khí Ar Sự ph n nhi t ở vùng ủa h quang khi hàn PTA D ng plasma và ột h p kim khi hàn PTA Sự i lƣu ủa ng kim loại l ng trong vũng hàn khi hàn PTA Sự huyển ộng i lƣu ph n k và hội tụ ủa ng kim loại l ng Sự huyển ộng ủa ng kim loại l ng trong vũng hàn Sự ị h huyển ủa hạt trong hỗn h p ột h p kim khi hàn PTA Qu tr nh kết tinh khi hàn PTA Mô ph ng qu tr nh truyền nhi t khi hàn PTA ằng ph n mềm ANSYS Hàn ắp ằng qu tr nh hàn PTA với m hàn m tay, i n ộ ao ộng 16mm Sự h nh thành lớp ắp khi hàn PTA ằng m hàn m tay Đi n ự EWTh-2 th o ti u huẩn AWS/SFA A5.12 Đi n ự và gó mài u i n ực nh hƣởng ủa tính ng hàn ến ộ ứng ủa lớp ắp khi hàn PTA nh hƣởng ủa ƣờng ộ ng hàn ến h nh ạng m i hàn nh hƣởng ủa ƣờng ộ ng hàn ến h nh ạng m i hàn nh hƣởng ủa t ộ hàn ến h nh ạng m i hàn nh hƣởng ủa t ộ hàn ến h nh ạng m i hàn Sơ hóa qu tr nh p ột khi hàn PTA nh hƣởng ủa Vb ến h nh ạng m i hàn nh hƣởng ủa Vb ến h nh ạng m i hàn nh hƣởng ủa sự ao ộng m hàn ến h nh ạng m i hàn Ngô Hữu Mạnh Trang 1 2 5 6 6 7 8 8 10 10 11 11 11 12 13 13 14 14 14 14 16 17 17 17 18 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24 24 xii LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ H nh 2.29 H nh 2.30 H nh 2.31 H nh 2.32 H nh 2.33 H nh 2.34 H nh 2.35 H nh 2.36 H nh 2.37 H nh 2.38 H nh 2.39 H nh 2.40 H nh 2.41 H nh 2.42 H nh 2.43 H nh 2.44 H nh 2.45 H nh 2.46 H nh 2.47 H nh 3.1 H nh 3.2 H nh 3.3 H nh 3.4 H nh 3.5 H nh 3.6 H nh 3.7 H nh 3.8 H nh 3.9 H nh 3.10 H nh 3.11 H nh 3.12 H nh 3.13 H nh 3.14 H nh 4.1 H nh 4.2 H nh 4.3 H nh 4.4 H nh 4.5 Một s kiểu ao ộng m hàn khi hàn PTA H nh ạng vũng hàn và m i hàn khi hàn PTA ằng u hàn tự ộng ao ộng h nh răng ƣa với i n ộ 15mm và 18mm M i quan h giữa hiều ài ột h quang và i n p khi hàn PTA nh hƣởng ủa hiều ài h quang khi hàn PTA Kho ng h từ u hàn ến ề m t vật hàn khi hàn PTA Gó nghi ng và hƣớng i huyển m hàn từ ph i sang tr i Gó nghi ng và hƣớng i huyển m hàn từ tr i sang ph i Gó nghi ng, hƣớng i huyển m hàn khi hàn PTA tự ộng nh hƣởng ủa khí Ar ến ông su t nhi t ủa h quang plasma nh hƣởng ủa khí H ến ông su t nhi t ủa h quang plasma H nh ạng m i hàn khi lƣu lƣ ng khí o v là 5l/phút nh hƣởng ủa lƣu lƣ ng ột ến m i hàn M i quan h giữa lƣu lƣ ng khí mang ột và lƣu lƣ ng ột So s nh năng lƣ ng ƣờng ủa một s qu tr nh hàn H nh ạng ủa m i hàn khi hàn ằng một s qu tr nh hàn kh nhau M t ắt ngang ủa kim loại m i hàn H nh ạng m i hàn khi hàn ở hế ộ kh nhau Một s ạng khuế h t n kim loại ở trạng th i rắn C giai oạn ủa qu tr nh tiết pha mới H nh ạng và u trú ủa h p kim ột Surfit 1560 Kí h hạt ủa ột h p kim nền F , Co, Ni nh hƣởng ủa kí h hạt ến qu tr nh hàn PTA nh hƣởng ủa kí h hạt F -Cr ến m i hàn khi hàn PTA Độ ứng ủa lớp ắp ó thành ph n (F , Cr)7C3 Gi n trạng th i khi hàn h p kim MC với M=Fe+4%Cr+6%W+5%Mo+2%V Độ ứng ủa lớp ắp ó thành ph n Cr3C2 khi hàn PTA So s nh ộ ứng ủa WC và W2C C u trú kim loại m i hàn khi hàn h p kim ột F -V-C Ph n tí h XRD kih hàn ột h p kim Ama or tr n nền thép Ca on H s tƣơng quan ủa mô h nh thự nghi m Mứ ộ nh hƣởng ủa WC, Cr3C2 và F ến H nh hƣởng ủa WC, Cr3C2 và F ến H Tam gi n ng ộ ủa h p kim ột M nh hƣởng ến H nh hƣởng ủa thông s hế ộ hàn ến D X ịnh kí h thƣớ và i n tí h m i hàn tr n ph n mềm ZWCAD 2012 nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=20g/phút, Bm=12mm, Le=12mm nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=40g/phút, Bm=12mm, Le=12mm nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=30g/phút, Bm=8mm, Le=12mm Ngô Hữu Mạnh 2015 25 25 25 26 26 27 27 27 28 28 29 30 31 33 34 34 35 37 37 39 39 39 40 41 41 42 43 44 45 50 50 50 51 54 55 57 57 58 xiii LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ H nh 4.6 H nh 4.7 H nh 4.8 H nh 4.9 H nh 4.10 H nh 4.11 H nh 4.12 H nh 4.13 H nh 4.14 H nh 4.15 H nh 4.16 H nh 4.17 H nh 4.18 H nh 4.19 H nh 4.20 H nh 4.21 H nh 4.22 H nh 5.1 H nh 5.2 H nh 5.3 H nh 5.4 H nh 5.5 H nh 5.6 H nh 5.7 H nh 5.8 H nh 5.9 H nh 5.10 H nh 5.11 H nh 5.12 H nh 5.13 nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=30g/phút, Bm=16mm, Le=12mm nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=30g/phút, Bm=12mm, Le=8mm nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=30g/phút, Bm=12mm, Le=16mm nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=20g/phút, Bm=8mm, Le=8mm nh hƣởng ủa Ih và Vh ến D khi Vb=40g/phút, Bm=16mm, Le=16mm M i hàn ƣ thự hi n với hế ộ hàn Ih=110A, Vh=300mm/phút, Vb=30g/phút, Bm=12mm, Le=12mm Kí h thƣớ t m thép C45 ƣ ùng ể hàn mẫu Thép t m C45 sau khi ƣ ắt ằng plasma H p kim ột Eutroloy 16606 ủa h ng Castolin H p kim ột M2 sau khi pha trộn thành ph n Đ g hàn Hàn một ƣờng và hàn nhiều ƣờng ằng h p kim ột Eutroloy 16606 Hàn một ƣờng và nhiều ƣờng ằng h p kim ột M3 Hàn PTA ằng h p kim ột M10 và h p kim ột Eutroloy 16606 M i hàn sau khi hàn PTA với ột h p kim M2 Kiểm tra kí h thƣớ m i hàn sau khi hàn PTA Thiết ị gia nhi t ằng i n trở tại trƣờng ĐH B h khoa Hà Nội Mẫu hàn sau khi ắt ằng m y ắt y Troop Kiểm tra kí h thƣớ mẫu sau khi ắt y nh hụp u trú thô ại ủa m i hàn Tính to n kí h thƣớ vùng AHN ủa m i hàn tr n ph n mềm ZWCAD 2012 Tính to n i n tí h vùng AHN ủa m i hàn tr n ph n mềm ZWCAD 2012 C u trú kim loại m i hàn khi hàn ột h p kim Eutroloy 16606 (OM, x500) Ph n tí h thành ph n và tổ hứ pha trong vùng kim loại m i hàn ằng XRD Hàm lƣ ng Crom it trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 1 Hàm lƣ ng Crom it trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 2 Vị trí kiểm tra tr n m i hàn khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 (SEM, x2500) Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tại iểm kiểm tra s 1 nằm tr n pha ứng khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 ƣ ph n tí h ằng EDS Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tại iểm kiểm tra s 2 nằm giữa pha ứng khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 ƣ ph n tí h ằng EDS C u trú kim loại m i hàn khi hàn h p kim ột M10 (OM, x1000) Ngô Hữu Mạnh 2015 58 58 59 59 59 60 61 62 62 63 64 65 65 65 67 67 67 69 69 69 70 70 71 72 72 73 73 73 74 75 xiv LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ H nh 5.14 H nh 5.15 H nh 5.16 H nh 5.17 H nh 5.18 H nh 5.19 H nh 5.20 H nh 5.21 H nh 5.22 H nh 5.23 H nh 5.24 H nh 5.25 H nh 5.26 H nh 5.27 H nh 5.28 H nh 5.29 H nh 5.30 H nh 5.31 H nh 5.32 H nh 5.33 H nh 5.34 H nh 5.35 H nh 5.36 H nh 5.37 H nh 5.38 H nh 5.39 H nh 5.40 H nh 5.41 C u trú si u tế vi kim loại m i hàn khi hàn h p kim ột M10 (SEM, x5000) Ph n tí h thành ph n và tổ hứ pha trong vùng kim loại m i hàn ằng XRD Hàm lƣ ng Crom it trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 1 Hàm lƣ ng Crom it trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 2 Hàm lƣ ng Vonfram it trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 1 Hàm lƣ ng Vonfram it trong kim loại m i hàn tại vị trí quét s 2 C vị trí kiểm tra tr n m i hàn khi hàn h p kim ột M10 (SEM, x5000) Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tại vùng kiểm tra s 1 nằm tr n pha ứng khi hàn h p kim ột M10 ƣ ph n tí h ằng EDS Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tại vùng kiểm tra s 2 nằm giữa pha ứng khi hàn h p kim ột M10 ƣ ph n tí h ằng EDS C u trú kim loại vùng AHN C u trú kim loại tiếp gi p vùng AHN tr n nền C45 C u trú kim loại vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 C u trú si u tế vi kim loại vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 (x2500) C u trú si u tế vi kim loại vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 (x2000) Vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 Biểu ph n nguy n t h p kim trong vùng ranh giới Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim trong vùng ranh giới C u trú kim loại vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 C u trú si u tế vi kim loại vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 (SEM, x5000) Thành ph n, mật ộ và sự ph n ủa nguy n t h p kim Mật ộ và sự ph n ủa nguy n t h p kim Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tr n vùng ph n giới Biểu ph n nguy n t h p kim tr n ƣờng thẳng ọ vùng ph n giới Hàm lƣ ng nguy n t h p kim tr n ƣờng ọ vùng ph n giới Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim tại vùng Biểu ph n nguy n t h p kim tr n ƣờng vuông gó với m i hàn Hàm lƣ ng nguy n t h p kim tr n ƣờng vuông gó với m i hàn C vị trí kiểm tra ộ ứng tr n m i hàn khi hàn h p kim ột Eutroloy 16606 Ngô Hữu Mạnh 2015 75 76 76 77 77 78 78 79 79 79 80 80 80 81 81 81 81 82 82 83 83 85 85 85 86 86 86 87 xv LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ H nh 5.42 H nh 5.43 H nh 5.44 H nh 5.45 H nh 5.46 H nh 5.47 H nh 5.48 H nh 5.49 H nh 5.50 H nh 5.51 H nh 5.52 H nh 5.53 H nh 5.54 Biểu ộ ứng ở vị trí o tr n vùng kim loại m i hàn C vị trí kiểm tra ộ ứng tr n m i hàn khi hàn h p kim ột M2 Biểu ộ ứng ở vị trí o tr n vùng kim loại m i hàn khi hàn ột M2 C vị trí kiểm tra ộ ứng ở vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 Độ ứng vùng ranh giới giữa m i hàn với nền C45 khi hàn h p kim M2 Kiểm tra ộ ứng ở vùng AHN khi hàn ột h p kim Eutroloy 16606 Độ ứng vùng AHN tr n nền thép C45 khi hàn h p kim ột M2 Mẫu kiểm tra mài m n th o ti u huẩn ASTM G99-04 Sơ th mài m n th o ti u huẩn ASTM G99-04 Mẫu th mài m n th o ti u huẩn ASTM G99-04 Biểu iểu iễn qu tr nh m n ủa mẫu hàn Eutroloy 16606 Mẫu th mài m n th o ti u huẩn ASTM G99-04 Biểu iểu iễn qu tr nh kiểm tra mài m n ủa mẫu hàn M10 Ngô Hữu Mạnh 2015 87 88 89 89 90 91 91 93 93 94 95 95 96 xvi LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Trong qu tr nh s n xu t ông nghi p, ở nhiều lĩnh vự kh nhau, ụng ụ, hi tiết ph i làm vi li n tụ trong iều ki n hịu mài m n. Do ó, ề m t ủa ụng ụ, hi tiết ị m t n kh năng làm vi và không p ứng ƣ y u u ủa qu tr nh s n xu t. Điều này nh hƣởng r t lớn ến qu tr nh s n xu t, làm gi m năng su t và h t lƣ ng s n phẩm. Nếu ph i thay thế ằng ụng ụ, hi tiết mới sẽ làm tăng hi phí s n xu t và g y l ng phí vật li u. V vậy, nhi m vụ quan trọng t ra ó là t m gi i ph p phụ h i ề m t làm vi ho ụng ụ, hi tiết m o ƣ hai hỉ ti u kinh tế và kỹ thuật. C hi tiết nhƣ ao ắt, hàm nghiền, trụ vít, lƣ i gạt, mũi khoan,...trong ngành ông nghi p gi y, xi măng, khai kho ng, mía ƣờng, ơ khí, nông nghi p, u khí,...thƣờng ƣ hế tạo g m hai ph n ơ n. Thứ nh t là ph n làm vi , thƣờng ƣ hế tạo từ thép h p kim ứng và hịu mài m n. Thứ hai là ph n th n, thƣờng ƣ hế tạo từ thép on th p ho trung nh ể m o y u u kỹ thuật nhƣ tính hàn, ộ ẻo và nhằm gi m hi phí s n xu t. Hai ph n này ƣ li n kết với nhau ằng phƣơng ph p hàn v y, hàn nổ, ghép n i ơ khí ho hàn ắp ằng ông ngh hàn h quang tay (SMAWShi l M tal Ar W l ing), hàn h quang i n ự nóng h y trong môi trƣờng khí hoạt tính o v (GMAW-Gas M tal Ar W l ing), hàn h quang i n ự không nóng h y trong môi trƣờng khí trơ o v (GTAW-Gas Tungst n Ar W l ing), hàn h quang ằng y lõi thu (FCAW-Flux Cor Ar W l ing), hàn h quang tự ộng ƣới lớp thu (SAW-Submerged Arc Welding). H nh 0.1. Một s hi tiết ƣ hàn ắp ằng PTA [94] Tuy nhi n, iểm n hú ở y ó là vật li u hàn và vật li u nền là hai loại vật li u hoàn toàn kh nhau về iểm và tính h t. Do ó, nếu thự hi n ằng phƣơng ph p hàn truyền th ng nhƣ tr n, nếu không s ụng i n ph p ông ngh th r t ễ x y ra hi n tƣ ng nứt, tró ho t h lớp sau khi hàn. M t kh , m i hàn ƣ thự hi n ằng phƣơng ph p hàn này thƣờng ó ứng su t và iến ạng lớn, hiều s u ng u lớn, mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn ao, một s qu tr nh hàn ó năng su t và h t lƣ ng không ao. V vậy ể khắ phụ những m t hạn hế này, một xu hƣớng ứng ụng mới hi n nay ó là s ụng ông ngh hàn plasma ột (PTA-Plasma transferred ar ) nhằm hế tạo mới ho phụ h i ph n làm vi ho hi tiết, ụng ụ ằng h hàn ắp l n ề m t làm vi ủa hi tiết, ụng ụ lớp vật li u ó ộ ứng ao, kh năng hịu mài m n t t ể p ứng y u u làm vi trong iều ki n hịu mài m n. Ngô Hữu Mạnh 1 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2015 H nh 0.2. Sơ qu tr nh hàn PTA [99] So với ông ngh hàn truyền th ng, PTA ó nhiều ƣu iểm hơn nhƣ [1], [50]: Ngu n nhi t h quang plasma lớn và tập trung. Năng su t hàn ao, h t lƣ ng m i hàn t t, ứng su t và iến ạng hàn nh . Độ ền li n kết giữa lớp kim loại ắp và kim loại ơ n ao. Hàn ƣ nhiều loại vật li u kh nhau, tiết ki m vật li u qu . Hạn hế sự tham gia ủa kim loại ơ n vào m i hàn, gi m sự ắn tó kim loại. Thành ph n và hàm lƣ ng nguy n t h p kim ở ạng ột n n ó thể iều hỉnh phù h p với y u u. Hi n nay, ông ngh hàn PTA ƣ nghi n ứu và ứng ụng ở nhiều nƣớ tr n thế giới, nhƣng tập trung hủ yếu ở nƣớ ó nền ông nghi p ph t triển nhƣ Mỹ, Đứ , Nhật,... Một vài năm trở lại y, ông ngh hàn PTA ƣ nghi n ứu và ứng ụng ở một s nƣớ ang ph t triển nhƣ Ấn Độ, Trung Qu , Braxin,...Ở Vi t Nam, ông ngh hàn PTA hƣa ƣ nghi n ứu và ứng ụng nhiều v thiết ị và vật li u hàn PTA ó gi tƣơng i ao. M t kh , sự ịnh hƣớng nghi n ứu ể ứng ụng ông ngh hàn PTA vào thự tế s n xu t hƣa rõ ràng. V vậy, t gi lựa họn ề tài “Nghiên cứu tạo lớp đắp chịu mài mòn trên nền thép Các bon bằng công nghệ hàn plasma bột“ nhằm tạo hế tạo mới và phụ h i ạng hi tiết làm vi trong môi trƣờng hịu mài m n ở iều ki n khô (không ó h t ôi trơn). Vật li u hàn ƣ s ụng là ột h p kim ể hàn ắp l n tr n ề thép on trung nh C45 ạng t m. Kim loại m i hàn y u u ó ộ ứng kho ng 55-60HRC, ó kh năng hịu mài m n o ma s t trong iều ki n khô. Mục đích nghiên cứu Nghi n ứu, ph n tí h yếu t nh hƣởng ến qu tr nh hàn PTA. Ph n tí h thành ph n, hàm lƣ ng và pha trộn hỗn h p ột h p kim ứng ụng ho qu tr nh hàn PTA. Thự nghi m hàn ắp ột h p kim l n t m thép on C45 ằng ông ngh hàn PTA, kim loại m i hàn ạt ộ ứng 55-60HRC và hịu mài m n o ma s t. Ph n tí h và x ịnh hế ộ ông ngh nhằm hạn hế mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn nh hơn 10%. Ph n tí h và x ịnh u trú , tổ hứ , thành ph n, ộ ứng và kh năng hịu mài m n ủa kim loại m i hàn. Đối tượng nghiên cứu H p kim ột ứng ụng ho qu tr nh hàn PTA ể tạo ra lớp ắp ó ộ ứng 5560HRC, ó kh năng hịu mài m n trong iều ki n khô. Vật li u nền là thép C45 không nung nóng sơ ộ trƣớ khi hàn. Ngô Hữu Mạnh 2