THÉP BỘT, TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG

Sự phát triển nhanh chóng của luyện kim bột đã tạo ra các điều kiện tiên quyết để phát triển một họ thép hợp kim, được sử dụng làm vật liệu thay thế cho các hợp kim và thép đúc và thép truyền thống, và làm vật liệu có tính chất không thể có được bằng các quy trình công nghệ khác.

Tùy thuộc vào mật độ và mục đích của các hợp kim bột được chia thành hai nhóm: hợp kim mật độ cao – có độ xốp tối thiểu, được sản xuất trên cơ sở bột sắt, đồng, niken, đồng, đồng thau, titan, carbon, thép hợp kim, hợp kim đặc biệt và vật liệu xốp, trong đó sau khi quá trình gia công cuối cùng giữ tỷ lệ xốp trên 10- 15% theo thể tích, đảm bảo thu được các tính chất đặc biệt và cho phép chúng sử dụng để sản xuất các sản phẩm chống ma sát, bộ lọc, bộ phận làm mát, v.v. Trong sản xuất các chi tiết của nhóm này được sử dụng vật liệu sắt-cacbon, đồng và thép không gỉ.

Trong phạm vi của vật liệu bột được sử dụng rộng rãi nhất của hợp kim bột dựa trên cơ sở sắt – thép. Sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột của các chi tiết thép cho các mục đích khác nhau không chỉ cung cấp các tính chất cần thiết của các sản phẩm này mà còn giúp tăng đáng kể hiệu quả sản xuất, giảm chi phí sản xuất và tăng mạnh tỷ lệ sử dụng kim loại.

 

PHÂN LOẠI CÁC THÉP BỘT

Thép là một hợp kim của sắt với cacbon. Tùy thuộc vào thành phần hóa học của thép được chia thành thép carbon đơn giản và thép hợp kim.

Trong thép carbon đơn giản ngoài carbon, hàm lượng dao động từ 0,08 đến 1,7%, có thể có các nguyên tố mà sự hiện diện của chúng là do đặc thù của quy trình công nghệ (mangan đến 0,7%, silicon đến 0,5%) hoặc không có khả năng loại bỏ hoàn toàn khỏi kim loại (lưu huỳnh đến 0,04%, phốt pho đến 0,05%, oxy, nitơ, hydro). Ngoài ra, các tạp chất ngẫu nhiên (crom, niken, đồng, v.v.) có thể xảy ra trong thép carbon.

Tùy thuộc vào mục đích, thép bột được chia thành các mục đích chế tạo máy và thiết bị đo, xây dựng, cường độ cao, không gỉ, dụng cụ, và loại đặc biệt.

Theo cấu trúc cân bằng, thép bột được phân loại thành trước cùng tích, mà trong cấu trúc có sự quá bão hòa ferrite; thép cùng tích với cấu trúc pearlitic; sau cùng tích, chứa trong các cấu trúc carbide quá bão hòa (thứ cấp) dư thừa, và ledeburite có các carbide chính trong cấu trúc, ví dụ như kết tinh từ pha lỏng, ví dụ trong quá trình phân tách.

Tùy thuộc vào cấu trúc, được rót sau khi nung trên các điểm Ac3 và làm nguội trong không khí tĩnh, thép có thể được chia thành peclitic, martensitic và austenitic.

Thép pearlite được đặc trưng bởi hàm lượng các nguyên tố hợp kim tương đối thấp, martensitic – chứa nhiều hơn và họ thép austenitic – chứa một hàm lượng cao các nguyên tố hợp kim.

Ngoài cách phân loại trên, thép bột phải được phân loại bằng độ xốp và công nghệ sản xuất của chúng. Tùy thuộc vào hàm lượng thể tích của lỗ trống, thép bột được chia thành không thấm nước (lỗ trống nhỏ hơn 5-8%), bán thấm (lỗ trống 8-14%) và thấm (lỗ trống hơn 12-14%).

Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất, chúng có thể được chia thành được ép một lần và liên tục dưới tải trọng tĩnh trong các khuôn kín ở nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao; thép thu được bằng cách kết hợp ép nguội và thiêu kết các phôi có độ xốp cao với ép động lực nóng hoặc dập nóng; thép thu được bằng cách đùn, cán, ép nổ.

 

 

 

 

 

QUÁ TRÌNH THIÊU KẾT PHA RẮN

Quá trình thiêu kết pha rắn được thực hiện bằng cách dịch chuyển vật chất trong pha rắn dưới tác dụng của nhiệt độ. Chuỗi các quá trình xảy ra trong quá trình thiêu kết pha rắn có thể được chia, theo đặc điểm hình học thuần túy, thành ba giai đoạn.

Giai đoạn thiêu kết ban đầu.

Ở giai đoạn này, độ xốp của phôi ép rất cao, và độ nén của thân hạt trước tiên xảy ra do sự trượt của các hạt dọc theo ranh giới hạt. Do đó, giai đoạn đầu tiên của quá trình nén có liên quan đến sự chuyển động của các hạt nói chung. Chuyển động này kết thúc khi đạt được một vật thể xít chặt. Ở giai đoạn này, sự thiêu kết lẫn nhau của các hạt cũng xảy ra. Nó đi kèm với sự gia tăng trong khu vực tiếp xúc giữa chúng.

Giai đoạn trung gian

Giai đoạn này được đặc trưng bởi các điểm tiếp xúc giữa các hạt đang nhanh chóng mở rộng. Các hạt dần dần hợp nhất với nhau, mất đi tính cá nhân. Trong giai đoạn này, vật thể thiêu kết có thể được biểu diễn dưới dạng kết hợp của hai pha xen kẽ ngẫu nhiên – pha rắn và pha rỗng (chân không). Các lỗ trống (là phần không gian trống trong vật thể) ban đầu có được ở dạng của các kênh kết nối (lỗ trống hở – mở). Quá trình điền đầy ở giai đoạn thiêu kết này không liên quan đến sự chuyển động của từng hạt, nhưng được thực hiện bằng cách dịch chuyển khốilượng trong thể tích vật chất và theo bề mặt của các hạt.

Ranh giới tiếp xúc giữa các hạt bị nung tạo thành một cầu nối có bề mặt lõm và bán kính cong nhỏ. Nồng độ của lỗ trống (một dạng khuyết tật của mạng tinh thể) ở gần bề mặt (mặt lõm) này lớn hơn gần bề mặt lồi của hạt. Do đó, các lỗ trống khuếch tán từ cầu nối đến bề mặt của các hạt và bị kết thúc ở đó. Bằng cách nhảy tương tự khuếch tán dòng chảy của các hạt vật chất, mở rộng nó, dần dần lấp đầy lỗ rỗng. Do một phần dòng chảy của một chất hướng vào bề mặt của cây cầu được đưa đến các khu vực tiếp xúc giữa các hạt, các hạt tiếp cận nhau, nghĩa là vật liệu co lại.

Giai đoạn cuối cùng của thiêu kết.

Ở giai đoạn này, trong một vật thể thiêu kết, hầu hết chỉ có lỗ rỗng khép kín, bị cô lập. Trong quá trình thiêu kết, số lượng và kích thước của chúng (lỗ rỗng khép kín) giảm dần do sự phát triển quá mức (quá trình điền đầy vật chất). Cơ chế phát triển quá mức như vậy về cơ bản giống như ở giai đoạn thiêu kết trung gian. Ví dụ, xem xét một lỗ rỗng bị cô lập trong hạt. Bán kính của lỗ rỗng này nhỏ hơn nhiều so với bán kính của hạt, vì nồng độ của chỗ trống gần bề mặt cong của lỗ rỗng có độ cong lớn sẽ cao hơn bề mặt của hạt có độ cong thấp hơn. Do đó, lỗ trống sẽ di chuyển từ lỗ rỗng đến bề mặt của hạt. Các nguyên tử hoặc ion di chuyển theo hướng ngược lại, tức là, đến bề mặt lỗ rỗng, và lấp đầy nó.

Theo một số dữ liệu, cơ chế hòa tan chỗ trống của lỗ rỗng được quan sát thấy nếu kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn đáng kể so với kích thước hạt. Cơ chế của dòng chảy nhớt có thể hoạt động ở tỷ lệ nghịch, tức là khi một lỗ rỗng lớn được bao quanh bởi các hạt nhỏ.

 

 

SỰ THIÊU KẾT CỦA VẬT LIỆU BỘT VÀ CÁC SẢN PHẨM

 

Ép nguội không cung cấp độ bền cơ học cho phôi ép, và chúng có thể bị phá vỡ ngay cả với một tác động nhỏ. Để cải thiện các tính chất cơ học và tạo cho các sản phẩm tính chất lý hóa cần thiết của phôi, chúng phải được thiêu kết.

Thiêu kết vật liệu bột – là gia công nhiệt của bột, ở trạng thái rắc tự do hoặc phôi ép ở nhiệt độ từ 0,7 đến 0,9 nhiệt độ nóng chảy tuyệt đối của bột kim loại trong hệ một thành phần hoặc thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của bột kim loại chính trong hệ đa thành phần. Thiêu kết của bất kỳ hệ thống nào đều bao gồm sự nung nóng các sản phẩm đến một nhiệt độ định trước, nhiệt hóa đẳng nhiệt ở nhiệt độ này và làm mát đến nhiệt độ phòng.

Trong quá trình thiêu kết vật liệu bột, các loại khí và sự hấp thụ trên bề mặt các hạt được loại bỏ, sự bay hơi của các tạp chất khác nhau, loại bỏ các ứng suất còn lại trong các vùng tiếp xúc giữa các hạt và của bản thân các hạt, giảm màng oxit, hòa tan hoặc đông tụ, sắp xếp lại lớp bề mặt, kết quả của sự khuếch tán và dịch chuyển kim loại ở dạng hơi từ nơi này đến nơi khác, kết tinh lại, v.v.

Các quá trình quan trọng trong thiêu kết là những thay đổi định tính và định lượng của sự tiếp xúc giữa các hạt. Sự tiếp xúc giữa các hạt từ oxit trong nền được chuyển biến thành dạng kim loại, và nó phát triển, tỷ lệ giữa các lỗ trống và thể tích của kim loại làm giảm thể tích của các lỗ trống.

Trong luyện kim, thuật ngữ “thiêu kết” được hiểu là một trong những hoạt động công nghệ quan trọng nhất của luyện kim bột, trong đó, kết quả của sự khuếch tán, tái kết tinh và các quá trình khác trong quá trình xử lý nhiệt một chi tiết được tạo ra với một cấu trúc và đặc tính nhất định từ phôi rắc bột tự do hoặc phôi ép.

Từ quan điểm của hóa lý chất rắn, thiêu kết đã được trình bày. Một quá trình động học tự phát nhiều giai đoạn phức tạp mang một tập hợp các hạt gần với trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.

Sự không cân bằng nhiệt động lực học của bột là do sự phát triển mạnh mẽ của bề mặt tự do của các hạt, sự hiện diện của biến dạng siêu nhỏ của cấu trúc tinh thể của các hạt kim loại (micropores, dislocations, vacancies, defections, vv) và sự không hoàn hảo của sự tiếp xúc giữa chúng, và trong trường hợp hỗn hợp bột của nhiều thành phần khác nhau, còn do sự phân bố không đồng đều của các thành phần hạt.

Do đó, bất kỳ phôi ép nào đều có một năng lượng dư lớn, đó là động lực chính của quá trình thiêu kết. Về mặt này, từ quan điểm nhiệt động lực học, quá trình thiêu kết có thể được xem như một quá trình khôi phục cấu trúc nguyên tử tinh thể của một hạt kim loại, cũng như quá trình di chuyển các nguyên tử từ những nơi “không thuận lợi” đến những nơi năng lượng tự do của hệ thống ở mức nhỏ nhất. Nói cách khác, quá trình thiêu kết là quá trình động học giải phóng hệ thống bột khỏi các khuyết tật không cân bằng.

Một trong những biểu hiện đặc trưng nhất của quá trình thiêu kết là giảm kích thước – “co ngót” của sản phẩm, kèm theo việc “chữa lành” các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể kim loại của các hạt.

Sự đa dạng của các khuyết tật vi mô và vĩ mô trong phôi ép chưa thiêu kết sẽ xác định sự đa dạng của các cơ chế “chữa bệnh” của chúng. Kết quả là, trong quá trình thiêu kết, các quá trình động học phân tử quan trọng nhất là các phản ứng hóa học ở bề mặt và ở các biên giới hạt, sự khuếch tán bề mặt và thể tích, và các quá trình phân tán kích hoạt nhiệt.

Việc thiết lập các quy luật lý thuyết của quá trình thiêu kết là chủ đề của một số lượng lớn các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học, cho phép xây dựng lý thuyết hiện đại và giải thích các quá trình xảy ra trong quá trình thiêu kết kim loại bột và hợp kim.

NGHIỀN KIM LOẠI TRONG MÁY NGHIỀN RUNG QUÁN TÍNH HÌNH NÓN

Trong những năm gần đây, máy nghiền rung quán tính được phát triển bởi Viện Thiết bị cơ khí / LB Nga đã được sử dụng rộng rãi để sản xuất bột từ các phoi, vảy thép và các hợp kim màu, hạt, mảnh vụn, các hợp kim cứng và ferroalloys.

Khi máy rung không cân bằng được xoay, lực ly tâm được tạo ra, làm cho nón nghiền bên trong thực hiện chuyển động rung trên cầu hỗ trợ hình cầu và cuộn trong khi quay chậm quanh trục dọc theo bề mặt bên trong của nón ngoài

 

Tóm lại, tùy vào loại nguyên liệu để nghiền cũng như kích thước hạt của bột thu được sau khi nghiền mà sử dụng phương pháp, chế độ công nghệ nghiền phù hợp.

NGHIỀN KIM LOẠI TRONG MÁY NGHIỀN RUNG

Trong sản xuất các loại bột như ferit, gốm kim loại, hợp kim cứng, cũng như sản xuất bột kim loại mịn có kích thước hạt nhỏ hơn 60 μm, người ta thường sử dụng các máy nghiền rung.

Cơ chế nghiền trong các máy nghiền này bao gồm việc kích thích năng lượng hỗn hợp nghiền với bi nghiền, được nạp cùng với vật liệu nghiền vào trong tang trống của máy nghiền, hỗn hợp được dịch chuyển theo các hướng khác nhau với tốc độ thay đổi.

Các bi nghiền trong các máy nghiền rung được biến cứng từ thép công cụ với đường kính từ 10 đến 20 mm. Các vật liệu nghiền và bi nghiền được nạp vào tang trống của máy nghiền với khoảng 80% thể tích. Các bi nghiền được đưa vào gấp 8 đến 10 lần so với vật liệu bị nghiền.

PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN KIM LOẠI TRONG MÁY NGHIỀN BI

Trong luyện kim bột, các máy ngiền bi được sử dụng rộng rãi nhất. Hầu hết các thiết kế của máy nghiền bi là bi nghiền bằng thép hoặc hợp kim cứng, dạng thẳng hoặc dạng trống, ở trong đó chứa vật liệu được nghiền.

Công nghệ nghiền trong máy nghiền bi là việc chuẩn bị sơ bộ của kim loại hoặc ở dạng mảnh thô thu được bằng cách gia công cắt gọt, hoặc ở dạng của ngành công nghiệp chất thải kim loại (chip, mùn cưa) và sau đó nghiền nó ở dạng hạt với hình dạng đa diện đều, hình lá, hoặc tròn với kích thước từ 40 đến 300 µm. Trong các máy nghiền bi có thể nghiền các kim loại cứng, không đàn hồi (silicon, mangan); các hợp kim chịu nhiệt và dẻo trong quá trình nghiền có thể trở nên giòn.

Trong quá trình nghiền, các hạt kim loại được nung nóng và bị oxy hóa, do đó, để bảo vệ khỏi quá trình oxy hóa và đốt cháy tự nhiên của bột, vỏ máy được trang bị áo nước để làm nguội và khí trơ hoặc khí bảo vệ để chống oxy hóa. Trên thực tế, các loại bột sau khi nghiền bị biến cứng, giảm tính ép của bộ nên thường phải ủ kết tinh.

CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ – KỸ THUẬT CỦA SẢN XUẤT CÁC CHI TIẾT BỘT

Các chỉ số chính về kỹ thuật và kinh tế đã cung cấp lợi thế của phương pháp bột để sản xuất các chi tiết kết cấu đối với phương pháp truyền thống (đúc, gia công và các loại khác) là: năng suất lao động tăng mạnh do giảm các nguyên công và sự ra đời của tự động hóa; giảm tiêu thụ nguyên liệu do giảm chất thải dạng vảy, phoi, hệ thống đậu rót, ngót, vv, cũng như do sự hiện diện của độ xốp trong các sản phẩm bột; giảm chi phí sản phẩm liên quan đến việc thay thế kim loại đắt tiền và khan hiếm đến những loại rẻ hơn mà không làm giảm tính chất và chất lượng sản phẩm, cũng như sử dụng lao động ít công nhân lành nghề hơn; giảm số lượng công nhân làm việc trong sản xuất sản phẩm và số lượng máy gia công kim loại.

Trong việc chỉ định phương pháp sản xuất các sản phẩm bột, mỗi quy trình cần được xem xét cả từ quan điểm về chi phí năng lượng và vật liệu, và từ vị trí hoàn thiện của công nghệ được lựa chọn. Giảm chi phí thành phẩm và cung cấp các tính chất và chất lượng cần thiết.

Luyện kim bột là một quá trình công nghệ cho phép sản xuất vật liệu mới với các đặc tính không thể thu được bằng các quy trình công nghệ khác. Trong trường hợp này, hiệu quả của các sản phẩm sản xuất dựa trên các vật liệu đó phải được xác định bởi mục đích và tính chất hiệu suất của sản phẩm.

Trong sản xuất các chi tiết, các tính chất không phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, các yếu tố quyết định trong việc lựa chọn phương pháp sản xuất là chi phí sản phẩm, độ phức tạp và khả năng sản xuất, cũng như quy mô sản xuất và hiệu quả của ứng dụng của chúng. Do đó, chi phí thành phẩm trong trường hợp này nên được xem xét ngang bằng với các yếu tố khác xác định khả năng cạnh tranh của các chi tiết bột.

Chi phí sản xuất sản phẩm bột bao gồm chi phí vật liệu cơ bản và phụ trợ, khấu hao trên thiết bị và dụng cụ, tiền lương của công nhân sản xuất và chi phí cơ bản.

Nguyên liệu chính đầu vào bao gồm bột kim loại và hợp kim của chúng, bột của các hợp chất hóa học, bột phi kim loại. Vật liệu phụ trợ là vật liệu ngâm tẩm, phương tiện bảo vệ, nước, cũng như các vật liệu được sử dụng cho các gia công bổ sung, v.v.

Chi phí bột kim loại cao hơn nhiều so với chi phí đúc kim loại và cán kim loại. Hơn nữa, kim loại rẻ hơn, chi phí tương đối của bột kim loại này cao hơn. Tuy nhiên, mặc dù thực tế chi phí bột cao hơn 1,5 – 3,5 lần so với chi phí của kim loại cán và thanh, chi phí nguyên liệu cơ bản trên một đơn vị sản xuất trong luyện kim bột trong hầu hết các trường hợp thấp hơn trong sản xuất sản phẩm theo truyền thống phương pháp.

Điều này là do tăng tỷ lệ sử dụng kim loại lên 0,95-0,97 so với 0,4-0,6 trong quá trình gia công, sự có mặt của độ xốp trong các sản phẩm bột, cũng như khả năng thay thế kim loại đắt tiền và khan hiếm hơn .

Dựa trên dữ liệu thống kê của Liên Xô, trung bình, sản xuất 1000 tấn linh kiện sử dụng luyện kim bột tiết kiệm được 1500-2000 tấn kim loại, giải phóng hơn 50 máy cắt kim loại, giảm cường độ lao động xuống 120.000 giờ thông thường và năng suất lao động tăng hơn 1,5 lần. Giá thành của các chi tiết kết cấu bột có độ phức tạp trung bình thấp hơn 2-2,5 lần so với giá thành của sản phẩm làm từ các sản phẩm cán.

QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ CƠ BẢN CỦA LUYỆN KIM BỘT

Các loại sản phẩm kích thước trung bình, các bộ phận kết cấu được sử dụng rộng rãi nhất của máy móc và thiết bị, được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột. Công nghệ sản xuất của chúng bằng phương pháp luyện kim bột khác nhau đáng kể so với các quy trình công nghệ phổ biến (đúc, tạo hình, cắt, vv).

Bất kể phương pháp sản xuất nào, các hoạt động công nghệ chính của luyện kim bột là: Nhận bột kim loại và kim loại tinh khiết, hợp kim và trộn hỗn hợp bột theo thành phần hóa học và kích thước hạt được xác định trước; Ép hỗn hợp bột để có được các phôi (compacts) với hình dạng và kích thước nhất định; Thiêu kết (xử lý nhiệt) của phôi ép để tạo cho chúng các tính chất cơ lý và vật lý cần thiết.

Sau khi thiêu kết (tùy thuộc vào mục đích của sản phẩm và các yêu cầu đặt ra), sản phẩm đi vào hoạt động hoặc trải qua quá trình xử lý bổ sung (thấm, cũng như gia công nhiệt, hóa và gia công cắt gọt, vv .).

Một số lượng lớn các sản phẩm kết cấu được làm từ hỗn hợp bột dựa trên bột sắt với các chi tiết được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột, là bánh răng, trục cam, trục răng và nhiều loại chi tiết khác. Lợi thế của việc thu được các chi tiết như vậy bằng phương pháp luyện kim bột là dung sai chặt chẽ và dễ tái sản xuất mà không cần ứng dụng hoặc sử dụng gia công không đáng kể, làm giảm chất thải và kim loại trong sản xuất các sản phẩm từ 10 đến 15 lần.

Trong số các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm kết cấu, phương pháp ép nguội trong khuôn kín với quá trình thiêu kết tiếp theo có ứng dụng lớn nhất. Trong trường hợp này, tùy thuộc vào yêu cầu đối với các đặc tính của các chi tiết máy, quá trình ép có thể là đơn lẻ, tiếp theo là quá trình thiêu kết hoặc nhiều lần với các kỳ nghỉ trung gian và quá trình thiêu kết cuối cùng.

Để có được các chi tiết có mật độ cao với các đặc tính cơ học nâng cao, việc ép trước và thiêu kết phôi gia công với độ xốp cao được sử dụng, sau đó được ép nóng, dập nóng, rèn, v.v.

Sự đơn giản và năng suất cao của việc ép trong khuôn kín so với các phương pháp công nghệ ép khác cung cấp khả năng ứng dụng rộng rãi của cơ giới hóa và tự động hóa tổ hợp trong sản xuất hàng loạt các bộ phận, chi tiết.

Sự tổn thất kim loại nhiều hơn xảy ra trong nền kinh tế quốc gia do ăn mòn và hao mòn trên các thiết kế và bộ phận của máy. Trong công nghệ này, hướng mới của luyện kim bột là để tăng khả năng chống mòn và chống ăn mòn bằng cách phun vật liệu bột lên bề mặt sản phẩm thu được tầm quan trọng lớn. Ví dụ, khi làm cứng bề mặt của trục khuỷu động cơ bằng phun plasma với bột có chứa crôm, khả năng chống mài mòn tăng 3-4 lần, và khi bề mặt của trục mòn được phục hồi bằng cách phun, tổng thời gian làm việc được tăng thêm nhiều lần so với trục khuỷu không được xử lý. Do đó, việc giới thiệu rộng rãi các chi tiết máy mới bằng cách phun các vật liệu bột trên bề mặt của chúng là một hướng đầy hứa hẹn trong việc tăng tuổi thọ của các cấu kiện kim loại khác nhau.