Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu chế tạo hạt vật liệu micro hợp kim crôm-niken ứng dụng phun phủ phục hồi các chi tiết chịu mài mòn (20/01/2025)

Hiện nay, trên địa bàn Hải Phòng cũng như cả nước có rất nhiều tàu thủy, đặc biệt là các tàu hàng nội địa, tàu dịch vụ và các tàu container… có tuổi thọ cao đang trong quá trình sửa chữa, các chi tiết trong động cơ tàu thủy trong quá trình làm việc lâu ngày và với điều kiện khắc nghiệt đã bị mài mòn. Việc thay thế các chi tiết này trong điều hiện nay còn gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy, các công ty, nhà máy sửa chữa đang sửa dụng các biện pháp để phục hồi. Một trong các biện háp hiệu quả và được áp dụng nhiều nhất là phun phủ.

Bên cạnh đó, ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến, việc gia công chế tạo và ứng dụng vật liệu nano - micro đã được nghiên cứu rất nhiều. Đặc biệt là ứng dụng phương pháp gia công tia lửa điện để chế tạo các hạt nano - micro của các vật liệu kim loại có độ cứng cao (trên 35 HRC). Phương pháp gia công tia lửa điện để chế tạo hạt nano-micro là phương pháp mới được tìm ra và chưa nghiên cứu nhiều.

Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp mới được đưa vào ứng dụng gần đây, nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Tuy nhiên, tại Việt Nam thì việc chế tạo các hạt nano - micro của các vật liệu kim loại có độ cứng cao còn hạn chế. Việc chế tạo bằng phương pháp gia công tia lửa chưa đáp ứng được việc giảm kính thước hạt. Trước thực tế đó, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam chủ trì thực hiện đề tài Nghiên cứu chế tạo hạt vật liệu micro hợp kim crôm-niken ứng dụng phun phủ phục hồi các chi tiết chịu mài mòn, TS. Nguyễn Tiến Dũng làm chủ nhiệm đề tài.

Mài mòn bạc.

Bên cạnh những nghiên cứu tổng quan về các phương pháp gia công hạt kim loại đặc và hạt kim loại rỗng, phương pháp phục hồi chi tiết mài mòn, đặc biệt là phương pháp phun phủ, phân tích lựa chọn vật liệu phun phủ với các lớp phủ bằng bột hợp kim Ni-20Cr, bằng bột các bít Cr3C2-NiCr, bằng bột phun 55588C (WC-12Co), từ đó lựa chọn  phương án gia công bột hợp kim Ni-20Cr, sử dụng bột kim loại này để phục hồi phun phủ. Đề tài cũng đánh giá thực trạng và xác định các nguyên nhân gây mài mòn trong động cơ tàu thủy chủ yếu do ma sát, biến dạng phá hủy, ăn mòn, xói mòn và xâm thực. Qua nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất 02 phương pháp chế tạo hạt vật liệu hợpkim Crôm-Niken bằng máy gia công tia lửa điện và máy gia công tia lửa điện kết hợp âm. Nghiên cứu cũng phân tích quá trình hình thành hạt vật liệu micro hợp kim Crôm-Niken và xây dựng quy trình chế tạo hạt vật liệu micro Crôm-Niken bằng 02 phương pháp trên. Trong đó, quy trình chế tạo hạt micro Crôm - Niken bằng phương pháp tia lửa điện gồm các bước: chuẩn bị phôi, lắp thùng chứa dung dịch lên bàn máy gia công tia lửa điện, lắp chi tiết gia công lên đồ gá và trục chính của máy, đổ dung dịch gia công và bể chứa, đặt thông số gia công cho máy gia công tia lửa điện, bật chế độ gia công cho máy gia công tia lửa điện, thu hạt Crôm - Niken và làm sạch. Quy trình chế tạo hạt micro Crôm - Niken bằng phương pháp tia lửa điện kết hợp với siêu âm gồm: chuẩn bị phôi, lắp hệ thống siêu âm lên bàn máy gia công tia lửa điện, lắp hệ thống siêu âm vào nguồn phát siêu âm, lắp chi tiết gia công lên hệ thống siêu âm và trục chính của máy, đổ dung dịch gia công và bể chứa, đặt thông số gia công cho hệ thống siêu âm, đặt thông số gia công cho máy gia công tia lửa điện, bật thông số gia công cho máy gia công tia lửa điện, thu hạt Crôm-Niken và làm sạch.

Trong quá trình chế tạo hạt vật liệu micro Crôm-Niken, đề tài cũng nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ gia công tới kích thước hạt vật liệu bằng máy gia công tia lửa điện và máy gia công tia lửa điện kết hợp âm. Theo đó, khi điện áp cao, đường kính hạt nhỏ hơn 5mm rất ít, gần như không có, ngược lại khi điện áp thấp thì chiếm hàm lượng cao rõ rệt hơn. Trong khoảng phân bố 25÷50mm, điện áp cao với điện áp thấp cũng đối lập nhau. Trong khoảng này, điện áp cao có kính thước hạt tập trung hơn, số lượng rất lớn. Ngược lại, với điện áp thấp thì số lượng hạt tập trung nhiều trong khoảng 5÷20mm. Khi dòng điện thấp (9A và 15A), lượng hạt có đường kính nano nhiều hơn rất nhiều so với khi dòng điện cao (30A và 60A). Khi độ rộng xung là 120μs và 300μs, tỷ lệ kích thước hạt trong khoảng 10-25μm đạt 70,54% và 82,17%, kích thước hạt tương đối tập trung và không phân tán. Ngược lại, khi độ rộng xung 700μs thì kích thước hạt phân tán nhiều hơn, có những hạt có kích thước lớn hơn 35μm chiếm hơn 20%. Khi dung môi là nước tinh khiết, thì đường kính hạt Crôm-Niken là rất nhỏ, đường kính hạt từ 0÷5mm chiếm tới 73,4%, đường kính chủ yếu là phân bố trong khoảng 0÷10mm. Ngược lại, khi dung môi là dầu hỏa, thì đường kính hạt crôm niken trong khoảng từ 0÷5mm là rất nhỏ, chỉ chiếm 0,54%, thậm chí khi dung môi là dầu gia công tia lửa điện, hạt crôm niken trong khoảng từ 0÷5mm là không có. Khi dung môi là dầu gia công tia lửa điện và dầu hỏa, đường kính hạt chủ yếu phân bố trong khoảng 10÷25mm, cụ thể là khi dung môi là dầu gia công tia lửa điện và dầu hỏa thì đường kinh phân bố lớn nhất nằm trong khoảng từ 10÷25mm, lần lượt là 27,52% và 30,26%, và đường kính hạt phân bố không tập trung. Qua các thí nghiệm và nghiên cứu, nhóm tác giả nhận thấy, để đảm bảo độ hạt vật liệu nhỏ hơn 100µm và năng suất gia công cao; với máy gia công tia lửa điện, nghiên cứu sử dụng cường độ dòng điện 45A, độ kéo dài xung máy phát 300µs, điện áp phóng điện 9V và dung dịch gia công là dầu hỏa; với máy gia công tia lửa điện kết hợp âm, nghiên cứu sử dụng cường độ dòng điện 9A, độ kéo dài xung máy phát 120µs, điện áp phóng điện 90V, tần số sóng siêu âm 28KHz, công suất sóng siêu âm 600W và dung dịch gia công là dầu gia công tia lửa điện.

Nghiên cứu cũng xây dựng được quy trình phun phủ hạt vật liệu micro hợp kim Crôm-Niken gồm các công đoạn: chuẩn bị trước khi phun (làm sạch, tạo độ nhấp nhô bề mặt); phun phủ chi tiết; xử lý nhiệt lớp phun phủ; gia công cơ khí sau khi phun (tiện lớp phun, mài lớp phun phủ). Đồng thời thực nghiệm phun phủ phục hồi 02 chi tiết gồm trục khuỷu và xupap của động cơ tàu thủy cho kết quả đạt yêu cầu về độ bám dính, độ cứng và độ mài mòn. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Thông tin, Thống kê khoa học và công nghệ Hải Phòng./.