Giáo trình Công nghệ sửa chữa đầu máy diezel - Chương IV: Các phương pháp phục hồi và sửa chữa chi tiết

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ sửa chữa đầu máy diezel - Chương IV: Các phương pháp phục hồi và sửa chữa chi tiết

1. CHƯƠNG IV CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỤC HỒI VÀ SỬA CHỮA CHI TIẾT 4.1. Ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của việc sửa chữa chi tiết Trong quá trình sử dụng các chi tiết đầu máy bị hao mòn làm cho hình dạng hình học, kích thước nguyên thủy và đặc tính lắp ghép của chúng thay đổi dẫn đến các bộ phận của đầu máy mất khả năng làm việc hoặc không đảm bảo an toàn khi sử dụng. Mục đích của việc sửa chữa là để phục hồi lại hình dáng, kích thước, đặc tính lắp ghép của các chi tiết và các cụm máy hay nói cách khác là phục hồi khả năng làm việc của chúng. Khi sửa chữa, thời hạn làm việc (tuổi thọ) của chi tiết được tăng lên và như vậy có thể tận dụng hết khả năng làm việc ban đầu của nó. Giá thành sử dụng cuả chi tiết sửa chữa được xác định bởi tuổi thọ của nó vì vậy giá trị sử dụng càng cao nếu tuổi thọ của chi tiết sửa chữa càng lớn. Giá thành sử dụng Esd của chi tiết sửa chữa có thể tính như sau: T T E E E sc 0 E , đồng (4.1) sd T 0 trong đó: T - tuổi thọ trung bình của chi tiết khi sử dụng mà không sửa chữa, giờ (km); Tsc - tuổi thọ trung bình của chi tiết với điều kiện có sửa chữa, giờ (km); E - giá thành của chi tiết mới, đồng ; E0 - giá thành thanh lý của chi tiết (giá thành khi bán sắt vụn), đồng. Như ta đã biết trong quá trình lắp ráp đầu máy ở xưởng (hoặc đoạn) thường phải dùng ba loại chi tiết sau đây: - Các chi tiết sau khi kiểm tra thấy vẫn còn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, đó là những chi tiết cũ còn sử dụng được. - Các chi tiết có hư hỏng hoặc khuyết tật đã được phục hồi và sửa chữa. - Các chi tiết mới, đó là những chi tiết mua hoặc tự chế tạo. Giá thành và số lượng của mỗi chi tiết trên đây đều khác nhau. Theo kinh nghiệm ở các xưởng sửa chữa của Liên Xô (cũ) thì số lượng chi tiết còn dùng được chiếm khoảng 30 - 40%, số lượng các chi tiết phục hồi chiếm khoảng 20 - 40% và số lượng các chi tiết mới chiếm khoảng 20 - 50%. Không kể các chi tiết còn dùng được, giá thành chi tiết phục hồi giảm rất nhiều so với chi tiết mua mới và nó chiếm khoảng 20 - 30% giá thành chi tiết mới. Việc phục hồi khả năng làm việc của chi tiết dẫn đến tiết kiệm nguyên vật liệu. Trong nhiều trường hợp khi phục hồi bằng những phương pháp hiện đại tuổi thọ và tính năng làm việc của chi tiết đảm bảo không những như chi tiết mới mà còn có thể cao hơn 1,5 - 2 lần. Cnsc.111
2. Muốn phục hồi chi tiết có hiệu quả kinh tế cao phải đảm bảo yêu cầu sao cho chi phí sửa chữa nhỏ hơn trị số tăng giá thành sử dụng của chi tiết đạt được do sửa chữa. Điều kiện để sửa chữa chi tiết có lợi về mặt kinh tế được xác định bằng bất đẳng thức sau: T T E E R sc 0 , (4.2) sc E trong đó: Rs.c - giá thành sửa chữa chi tiết, đồng. Hoặc còn có thể xác định như sau: C C sc m , (4.3) Lsc Lm trong đó: Cs.c - toàn bộ chi phí để phục hồi chi tiết, đồng; Ls.c - thời gian sử dụng (tuổi thọ) của chi tiết sau khi sửa chữa; Cm - giá tiền mua phụ tùng mới; Ls.c - thời gian sử dụng của chi tiết. Ngoài ra khi sửa chữa phải chú ý tới giá thành ban đầu của chi tiết. Những chi tiết đắt tiền thì sửa chữa sẽ có lợi hơn. Do mòn không đều nên một số bề mặt làm việc của những chi tiết phức tạp có thể bị mòn không đáng kể và để phục hồi những bề mặt đó không cần phải chi phí nhiều vật liệu và lao động. Chẳng hạn giá thành của những con đội của bơm cao áp HK-10 có tất cả hai bề mặt làm việc chỉ chiếm 23-25% giá thành mua mới của nó, giá thành sửa chữa của một số chi tiết đắt tiền phức tạp và thậm chí khó sửa chữa như trục cam bơm cao áp cũng chỉ chiếm 6,5- 7,5% giá thành của trục mới. Muốn nâng cao tính kinh tế của các chi phí cho sửa chữa chi tiết thì phải giảm giá thành sửa chữa và tăng tuổi thọ của những chi tiết sửa chữa. Giá thành sửa chữa chi tiết có thể xác định như sau: Rs.c = Rt.l + Rpx + Ev.l + Rt.x, đồng (4.4) trong đó: Rt.l - tiền lương cơ bản của công nhân sản xuất; Rv.l - giá thành vật liệu chi phí cho sửa chữa chi tiết; Rp.x - các chi phí của phân xưởng; Rt.x - các chi phí chung của toàn xí nghiệp hoặc nhà máy. Nếu một chi tiết được phục hồi bằng những phương pháp khác nhau mà đảm bảo chất lượng như nhau, thì phương pháp có lợi về kinh tế nhất là phương pháp mà ở đó tỷ số giữa chi phí sửa chữa với trị số nâng cao tuổi thọ trung bình của chi tiết đạt được do sửa chữa là nhỏ nhất, có nghĩa là: R sc min , (4.5) Tsc T Việc phục hồi chi tiết có lợi hay không còn thể hiện ở những mặt như chất lượng phục hồi, quy trình công nghệ, phương pháp phục hồi và các trang thiết bị sẵn có của xí nghiệp hay nhà máy sửa chữa. 4.2. Phục hồi chi tiết bằng các phương pháp nguội Cnsc. 112
3. 4.2.1. Phương pháp cạo Cạo là công việc gia công bằng tay cho các bề mặt chi tiết bằng dụng cụ nguội gọi là dao cạo. Phương pháp này được sử dụng tương đối rộng rãi để gia công các bề mặt cong, chủ yếu khắc phục độ ô van không đáng kể của lỗ các ổ trượt không tháo rời được hoặc để rà khít các bạc lót với cổ trục hoặc gối đỡ của các ổ. Nhiều khi còn dùng cạo để rà khít các mặt phẳng của các bề mặt tiếp xúc, đặc biệt của các mặt phẳng của các chi tiết lớn. Quá trình cạo được tiến hành như sau: Bề mặt cổ trục hoặc một chi tiết công nghệ nào đó được bôi một lớp bột màu mỏng, sau đó chi tiết cần cạo được đặt lên bề mặt của chi tiết công nghệ, hay ngược lại chi tiết công nghệ được đặt vào lỗ của chi tiết cần gia công, sau đó quay đi vài vòng. Như vậy trên bề mặt của chi tiết gia công sẽ xuất hiện những vết tiếp xúc bột màu và khi cạo sẽ cạo vào chỗ những vết tiếp xúc đó. Cứ như thế tiến hành lặp đi lặp lại nhiều lần cho tới khi các vết tiếp xúc lấm chấm hoa dâu phân bố đều trên bề mặt chi tiết cần gia công thì thôi. Đối với các bề mặt có độ chính xác trung bình thì trên diện tích 25x25 mm cần phải có khoảng 10-15 vết tiếp xúc và đối với các bề mặt có độ chính xác cao phải có 20 – 25 vết tiếp xúc. Nhược điểm của phương pháp này là năng suất lao động thấp, giá thành cao. Trong sửa chữa đầu máy khi rà khít các bạc lót của cổ trục treo động cơ điện kéo với các cổ trục và các gối đỡ trong thân máy người ta dùng phương pháp cạo, hoặc để khắc phục những hư hỏng nhỏ của lớp hợp kim ba-bít của các bạc lót cổ trục khuỷu và trục cam, v.v cũng dùng phương pháp này. 4.2.2. Phương pháp doa Gia công bằng dao doa (hay dao khoét) được sử dụng cơ bản để gia công lần cuối cho các lỗ của các ổ trượt không tháo rời được sau khi ép chúng vào thân máy hoặc để khắc phục độ ô van của các lỗ của một số chi tiết bị mòn. Khi doa hai lỗ trở lên cùng một lúc, muốn đạt được độ đồng tâm của chúng phải dùng các mũi dao có thể điều chỉnh được, có nghĩa là các mũi dao có phần dẫn hướng lắp trong trục dao hoặc lắp trên vành điều chỉnh ngắn với trục dao. Phương pháp này chỉ được sử dụng trong những trường hợp khi các ổ trượt đã lắp vào thân máy mà việc gia công các lỗ của chúng trên máy gặp khó khăn. 4.2.3. Phương pháp dũa Phương pháp gia công bằng đũa dùng để khắc phục độ ô van không lớn hoặc các khuyết tật cục bộ như vết xước, vết dập hoặc vết nứt nhỏ của các trục. 4.2.4. Phương pháp cấy chốt Phương pháp cấy chốt được sử dụng để khắc phục các vết nứt ở các bộ phận không quan trọng (không chịu tải) của chi tiết như trong các vách ngăn làm mát của blốc xylanh, trong thân các hộp giảm tốc hoặc máy tăng áp v.v , có nghĩa là ở những chỗ mà ở đó vết nứt không thể khắc phục được bằng phương pháp hàn, hàn gắn hoặc bằng chất ê-pốc- xi vì nguyên nhân công nghệ nào đó. Để tránh cho vết nứt khỏi phát triển thêm phải tiến hành khoan chặn hai đầu bằng hai lỗ khoan 1 và 2 (hình 4.1a). Sau đó tiến hành cắt ren trong các lỗ đó rồi cấy các chốt vào đấy; các đầu nhô lên của chốt được xén cho bằng mặt với bề mặt chi tiết. Dọc theo vết nứt giữa hai chốt dùng dao phay hoặc dũa một rãnh A sâu 1,5 - 2,0mm và có chiều rộng lớn hơn đường kính của chốt cấy một chút (hình 4.1b). Sau Cnsc.113
4. đó khoan các lỗ 3 và 5 (hình 4.1c), ta rô ren và lắp các chốt, phần chốt nhô lên được xén đi và chừa lại khoảng 5mm (hình 4.1đ, d) tiếp theo xảm các đầu đỏ (đập toè ra) cho tới khi đầy kín rãnh (hình 4.1đ). Tiếp đó khoan các lỗ 4 và 6 (hình 4.1e) và lặp lại quá trình như trên cho tới khi toàn bộ vết nứt được lấp đầy bởi các chốt găm chồng lên nhau. Mối xảm được đánh sạch cho bằng mặt với bề mặt chi tiết rồi hàn thiếc lên chốc. Chất lượng sửa chữa được đánh giá bằng cách ép nước. a/ A 1 2 b/ c/ d/ ®/ 2 e/ 1 4 5 3 6 Hình 4.1. Sơ đồ phục hồi chi tiết có vết nứt bằng phương pháp cấy chốt Khi sửa chữa bằng phương pháp cấy chốt phải lưu ý mấy điểm sau đây: - Không được nong vết nứt và không được làm lỏng các chốt đã cấy lên tr- ước. Mỗi lỗ khoan tiếp theo kể từ lỗ thứ 3 cần phải chờm lên lỗ trước đã được cấy chốt một khoảng bằng 1/3 đường kính. - Chốt phải được chế tạo từ thanh đồng đỏ chiều dài khoảng 100-200mm. Ren của chốt phải dày hơn một chút so với ren của lỗ để khi lắp vào sẽ tạo ra lực căng nhất định. - Đường kính chốt không được lớn hơn chiều dày của chi tiết ở vùng có vết nứt. Thường dùng các loại chốt có đường kính 5-10mm. - Trước khi lắp chốt nên bôi một lớp keo lên phần ren của lỗ và của chốt. Phương pháp này tương đối đơn giản và tin cậy nhưng đắt tiền và lâu công, đòi hỏi thợ tay nghề cao vì vậy việc sử dụng bị hạn chế. Cnsc. 114
5. 4.3. Phục hồi chi tiết bằng các phương pháp gia công cơ khí 4.3.1. Phục hồi chi tiết bằng phương pháp lắp thêm chi tiết phụ Phục hồi các bề mặt bị mòn của chi tiết bằng phương pháp lắp thêm chi tiết phụ được sử dụng rộng rãi để phục hồi chi tiết theo kích thước sửa chữa và đặc biệt là để phục hồi kích thước danh nghĩa. Bằng phương pháp này còn có thể phục hồi các mặt làm việc của chi tiết phẳng bằng cách sử dụng các tấm có kích thước khác nhau táp lên chi tiết đó. Việc gia công các lỗ bị mòn của chi tiết để lắp ống lót được tiến hành bằng nhiều phương pháp khác nhau, thường là tiện trong sau đó mài hoặc không mài, khoan rộng lỗ và doa hoặc chỉ khoan rộng ra, chẳng hạn như khi phục hồi lỗ có ren. Các cổ trục có độ cứng không cao thường được tiện láng và sau đó mài, trong một số trường hợp chỉ tiện láng mà thôi. Việc chọn vật liệu để làm chi tiết phụ phải dựa vào vật liệu của chi tiết cần phục hồi. Ngoài ra đối với các chi tiết bằng gang thì có thể chế tạo chi tiết phụ không những bằng gang mà còn cho phép bằng thép (thường là thép 20). Bề mặt làm việc của chi tiết phụ cần phải thỏa mãn tất cả các yêu cầu về độ cứng như bề mặt làm việc của chi tiết được phục hồi. Vì vậy nếu cần thiết thì chi tiết phụ phải được gia công nhiệt luyện để đạt được các yêu cầu tương ứng. Phương pháp lắp ghép chi tiết phụ thường là lắp ghép có độ dôi. Trong một số trường hợp nếu dùng lắp trung gian thì có thể hàn chấm ở một vài điểm hoặc hàm theo toàn bộ chu vi hoặc dùng vít, gugiông để kẹp chặt. Việc kẹp chặt các tấm chi tiết phụ tiến hành nhờ các vít, đinh tán hoặc hàn theo chu vi. Khi sửa chữa khung giá thường dùng phương pháp hàn để ghép các tấm chi tiết phụ. Phục hồi các chi tiết chính như blốc xylanh, các te, thân các loại bơm bằng phương pháp lắp chi tiết phụ có thể đạt chất lượng cao nếu đảm bảo các yêu cầu công nghệ và chọn vật liệu của chi tiết phụ (nếu cần thì gia công nhiệt luyện), đảm bảo độ bóng của các bề mặt lắp ghép và bề mặt làm việc của chi tiết phụ sau khi gia công cơ hoàn chỉnh và đảm bảo trị số độ dôi của mối ghép. Trong thực tế sửa chữa có rất nhiều những trường hợp do chọn độ dôi không đúng nên ống lót (chi tiết phụ) chóng bị xoay và bị lỏng hoặc cả hai chi tiết đều bị phá hoại, thậm chí ngay trong quá trình ép do độ dôi quá lớn. Vật liệu ống lót kém chất lượng cũng như khi không gia công nhiệt luyện đều dẫn đến hư hỏng nhanh chóng. Chúng ta đều biết rằng độ dôi thực tế bao giờ cũng nhỏ hơn độ dôi quy chuẩn (cho loại mối ghép đã định), còn bề mặt tiếp xúc thực tế của các chi tiết lắp ghép thì nhỏ hơn bề mặt hình học do trên bề mặt chi tiết sau khi gia công cơ khí để lại các vết lõm, nhấp nhô. Từ đó thấy rằng để đảm bảo lắp ghép chắc chắn ống lót vào lỗ hoặc lên cổ trục cần phải gia công thật bóng bề mặt chi tiết và ống lót, còn trị số nhấp nhô thì phải được chú ý tới khi tính toán độ dôi thực tế. Thực nghiệm chứng minh rằng khi độ bóng bề mặt chi tiết tăng lên thì hệ số ma sát tăng lên và do đó làm cho mối ghép càng chắc chắn hơn. Tuy nhiên, không cần cố gắng để đạt được độ bóng lớn hơn 810 bởi vì các bề mặt quá bóng sẽ không đem lại kết quả mong muốn đối với độ bền của mối ghép. Có lợi nhất nên gia công chi tiết và ống lót theo dung sai lắp chặt có độ chính xác cấp 2 hoặc cấp 3. Cnsc.115
6. Trị số độ dôi tính toán (thực tế)  có thể xác định theo công thức cho trước hoặc lấy độ dôi trong bảng (quy chuẩn), t trừ đi một trị số quy ước u, trị số này xét tới sự san bằng các độ nhấp nhô khi ép:  t u , (4.6) Với u 1,2 h1 h2 , (4.7) trong đó: h1 và h2 - trị số nhấp nhô lớn nhất của bề mặt lắp ghép của các chi tiết, lấy trong bảng 4.1. Khi ép ống lót không đốt nóng hoặc không làm lạnh chi tiết thì nên bôi lên bề mặt ống lót một lớp dầu máy nhằm làm cho bề mặt khỏi bị kẹt và làm cho quá trình ép dễ dàng. Bảng 4.1. Độ sâu lớn nhất của các độ nhấp nhô ở các dạng gia công khác nhau Trị số h Trị số h Kiểu gia công ( m ) Kiểu gia công ( m ) Tiện Mài Thô 16 - 40 Thô 16 - 40 Trung bình 6 - 16 Trung bình 6 - 16 Tinh 2,5 - 6 Tinh 2,5 -6 Khoan Rất tinh 1,0-2,5 Trung bình + một lần doa 10 - 25 Chuốt 2 - 4 Tinh + một lần doa 6 - 10 Tinh + doa hai lần 2,5 - 6 Chừng nào việc kiểm tra độ bền lắp ghép ống lót vào lỗ hoặc lắp lên cổ trục của chi tiết này hoặc chi tiết khác không thể tiến hành bằng các phương tiện thông thường được, cho nên đối với các chi tiết cơ bản nên kiểm tra độ bền theo lực ép, và lực ép đó là tiêu chuẩn duy nhất để đánh giá độ bền. Lực ép xác định như sau: Pn fn.p. .d.l , (4.8) trong đó: Pn - lực ép, daN; fn - hệ số ma sát khi ép; p - ứng suất nén trên bề mặt tiếp xúc, daN/cm2; d- đường kính bề mặt lắp ghép của chi tiết, mm; l - chiều dài mối ghép, mm. Hệ số ma sát khi ép lấy theo bảng 4.2. Ứng suất nén p trên bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào độ dôi và liên hệ với nó bằng biểu thức sau đây: Cnsc. 116
7. .10 3 p , daN/cm2; (4.9) C1 C2 .d E1 E2 trong đó: E1 và E2 - mô đuyn đàn hồi của chi tiết bị bao và chi tiết bao daN/mm2; C1 và C2 - hệ số phụ thuộc vào vật liệu của các chi tiết lắp ghép và d phụ thuộc vào tỷ số 1 ; d  - độ dôi tính toán, m ; d- đường kính của các chi tiết lắp ghép, mm. Trị số mô đuyn đàn hồi lấy theo bảng 4.3. Các trị số C1 và C2 tuỳ thuộc vào tỷ số các đường kính (hình 4.2) lấy theo bảng 4.4. Việc kiểm tra lực ép có thể tiến hành theo áp lực của dầu của đồng hồ. Khi ép ống lót sẽ bị biến dạng. Khi ép lên trục đường kính ngoài của ống lót sẽ tăng lên, còn khi ép ống lót vào lỗ đường kính trong của nó giảm xuống. Điều đó cần phải được lưu ý khi cho lượng gia công cơ của các bề mặt làm việc của ống lót sau khi ép chúng lên trục. Bảng 4.2. Hệ số ma sát khi ép Vật liệu chi tiết Kiểu lắp ghép Hệ số ma sát Bị bao Bao f fn Thép 30, 50 Thép 30, 50 Ép 0,06 - 0,13 0,06 - 0,22 Thép 30, 50 Gang Cì 28-48 Ép 0,07 - 0,12 0,06 - 0,14 Thép 30, 50 Đồng thau Ép - 0,05 - 0,10 Thép 30, 50 Thép 30, 50 Có đốt nóng 0,08 -0,19 - Thép 30, 50 Thép 30, 50 Có làm lạnh 0,07 - 0,16 - Thép 30, 50 Gang Cì 28-48 Có đốt nóng 0,07 - 0,09 - hoặc làm lạnh Ghi chú: f- hệ số ma sát ép ra khi máy ép ổn định còn chi tiết dịch chuyển. Bảng 4.3. Mô đuyn đàn hồi và hệ số dãn nở Vật liệu Mô đuyn đàn hồi E Hệ số dãn nở = 10-6 kG/cm2 CM/m2 Đốt nóng Làm lạnh Thép và thép đúc 20000- 21000 200 - 210 11 - 8,5 Gang đúc 7500 - 10500 75 - 105 10 - 8 Gang rèn 9000 - 15000 90 - 150 10 - 8 Đồng đỏ 8500 85 17 - 15 Đồng thau 8000 80 18 - 16 Cnsc.117
8. Bảng 4.4. Các trị số hệ số C1 và C2 d Hệ số d Hệ số 1 1 d d d C C d C C hoặc 1 2 hoặc 1 2 d2 d2 0,0 0,70 - 0,5 1,37 1,97 0,1 0,72 1,32 0,6 1,83 2,43 0,2 0,78 1,38 0,7 2,62 3,22 0,3 0,89 1,49 0,8 4,25 4,85 0,4 1,08 1,68 0,9 0,25 9,83 P P d1 d d2 Hình 4.2. Sơ đồ mối ghép có độ dôi Khi ép bạc lót lên trục đường kính ngoài nó sẽ tăng lên một lượng: 2 3 2.p.d .d2.10  2 2 2 , m (4.10) E2 d2 d trong đó: d2 - đường kính ngoài của ống lót, mm; d- đường kính trong của ống lót, mm. Khi ép ống lót vào lỗ đường kính trong sẽ giảm đi một lượng: 2 3 2.p.d .d1.10 1 2 2 , m (4.11) E1 d d1 trong đó: d - đường kính ngoài của ống lót, mm; d1 - đường kính trong của ống lót, mm. Trong những trường hợp khi các chi tiết lắp ghép làm việc với các tải trọng lớn hoặc chế tạo từ những vật liệu có các hệ số dãn nở dài khác nhau và mối ghép Cnsc. 118
9. phải chịu tác dụng của nhiệt độ cao hoặc khi phải lắp ghép với độ dôi lớn, thì khi ép nên đốt nóng chi tiết bao hoặc làm lạnh chi tiết bị bao. Việc đốt nóng ống lót khi ép còn tiến hành cả trong khi ép có độ dôi nhỏ nhằm làm cho quá trình ép được nhẹ nhàng và nâng cao độ bền của nó. Độ bền các mối ghép có đốt nóng, trong các điều kiện như nhau, lớn hơn 3 lần so với các mối ghép ép nguội, còn trị số độ dôi trung bình lớn gấp 2 lần do các độ nhấp nhô của bề mặt chi tiết không bị là phẳng như khi ép nguội. Khi lắp ép có đốt nóng cần phải biết nhiệt độ cần đốt nóng chi tiết bao hoặc cần làm lạnh chi tiết bị bao. Nhiệt độ đốt nóng chi tiết bao hoặc làm lạnh chi tiết bị bao xác định theo điều kiện: .10 3 .t.d , (4.12) Từ đó .10 3 t , (4.13) .d trong đó:  -trị số độ dôi lắp ghép lớn nhất, m ; - hệ số dãn nở (co hẹp) khi đốt nóng (làm lạnh) lấy theo bảng 4.3; d- đường kính mối ghép, mm; t - nhiệt độ đốt nóng hoặc làm lạnh, 0C. Trị số t nhận được cần phải tăng thêm khi đốt nóng và giảm đi khi làm lạnh độ 20 - 30% nhằm bù trừ sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình đưa ống lót tới và lắp lên chi tiết. Hình dạng các gờ có ảnh hưởng tới lực ép và sự xuất hiện vết xước, còn ống lót, tùy thuộc vào ép ống lót lên trục hay ép vào lỗ cần phải có góc vát 30-450. Phương pháp phục hồi các lỗ hình trụ và lỗ ren bằng cách lắp thêm chi tiết phụ là phương pháp tin cậy và phổ biến. Tuy nhiên, phương pháp đó còn có những nhược điểm sau đây: 1. Ép bạc lót lên trục làm giảm độ bền mỏi của trục, điều đó rất quan trọng đối với các chi tiết làm việc với tải trọng đổi dấu. 2. Phương pháp này đắt tiền, bởi vì không những phải gia công sơ bộ bề mặt bị mòn của chi tiết mà còn phải chế tạo chi tiết phụ mà sau khi ép đòi hỏi phải gia công tinh lần nữa. 4.3.2. Phục hồi chi tiết theo kích thước sửa chữa Đây là phương pháp sửa chữa nhằm phục hồi hình dạng hình học đúng đắn và độ bóng bề mặt chi tiết mà không cần phải đảm bảo kích thước ban đầu, hay nói khác kích thước danh nghĩa của nó. Nhờ gia công cơ khí, lớp bề mặt bị mòn của chi tiết được phá bỏ và chi tiết nhận được một kích thước mới, lớn hơn, hoặc nhỏ hơn kích thước danh nghĩa. Khi gia công cơ khí, kích thước danh nghĩa bị thay đổi (về phía thịt của chi tiết) do đó không thể lắp ghép chúng với những chi tiết mới có kích th- ước danh nghĩa. Vì vậy, khi lắp ráp phải dùng những chi tiết phụ tùng có kích thước sửa chữa tương ứng đã được chế tạo sẵn hoặc phải phục hồi chi tiết lắp ghép sao cho chúng có kích thước tương ứng với những chi tiết cơ bản. Trong sửa chữa thường dùng hai loại kích thước sửa chữa: kích thước sửa chữa quy chuẩn (định trước) và kích thước sửa chữa tự do (không định trước). Cnsc.119
10. Kích thước sửa chữa quy chuẩn sử dụng rộng rãi đối với các chi tiết như píttông, xécmăng, chốt pittông, con đội, các bạc lót. Những chi tiết có kích thước sửa chữa như trên được chế tạo hàng loạt ở các nhà máy chế tạo phụ tùng và được sử dụng rộng rãi trong các xí nghiệp sửa chữa. Ngoài ra, các nhà máy còn tiến hành phục hồi theo kích thước sửa chữa các chi tiết khác như blốc xylanh (sơ mi xylanh), trục khuỷu, lỗ dẫn hướng trục cam và bạc lót, xupáp và ống dẫn hướng của chúng, v.v Ưu điểm của phương pháp phục hồi theo kích thước sửa chữa quy chuẩn so với kích thước sửa chữa tự do là nó cho phép chế tạo sẵn các chi tiết và tiến hành sửa chữa bằng phương pháp lắp lẫn, do đó giảm thời gian sửa chữa một cách đáng kể. Khi gia công chi tiết theo kích thước sửa chữa quy chuẩn, không những chỉ phải phá bỏ lớp bề mặt bị hao mòn của chi tiết để phục hồi hình dạng hình học đúng đắn, mà còn phải tiếp tục gia công cho tới khi nào đạt được kích thước sửa chữa mới thôi. Đối với loại kích thước sửa chữa không quy chuẩn (tự do) việc gia công được tiến hành cho tới khi đạt được hình dạng hình học đúng đắn và độ bóng cần thiết của bề mặt làm việc của chi tiết; tùy thuộc vào đặc tính và trị số hao mòn của chúng mà chi tiết có thể nhận những kích thước khác nhau. Chi tiết lắp ráp với chi tiết được phục hồi cũng phải có kích thước tương ứng. Như vậy, lắp ráp các mối ghép có kích thước sửa chữa tự do có liên quan tới phương pháp sửa lắp và sử dụng trong sản xuất sửa chữa nhỏ và đơn chiếc. Trong phương pháp này không thể chế tạo trước những chi tiết có kích thước nhất định, tuy nhiên, có thể chế tạo chúng ở dạng bán thành phẩm với độ dư gia công nhất định để sửa lắp. Trị số kích thước sửa chữa mới của chi tiết phụ thuộc vào độ hao mòn của nó và lượng dư gia công. Trị số hao mòn có thể đo trực tiếp. Lượng dư gia công lắp dựa theo đặc tính gia công, kiểu loại trang thiết bị, kích thước và vật liệu chi tiết. Khi lấy lượng dư gia công phải chú ý tới trị số biến dạng của hình dạng hình học, tới độ ô van và độ côn. Lượng dư gia công cần phải đảm bảo để nhận được hình dạng hình học đúng đắn của chi tiết bị mòn sau khi gia công cơ và không để lại dấu vết mòn nào trên bề mặt làm việc của nó. Nếu ký hiệu: dn - đường kính danh nghĩa (nguyên thủy) của cổ trục; dsc1, dsc2 , dscn - kích thước sửa chữa cổ trục; imax - trị số độ mòn lớn nhất về một phía của cổ trục; a - lượng dư gia công về một phía của cổ trục. Khi đó kích thước sửa chữa sẽ là: dsc1 = dn - 2 (imax + a) dsc2 = dsc1 - 2 (imax + a) = dn - 4(imax + a) (4.14) dscn = dscn-1 - 2(imax + a) = dn - 2.n(imax + a) Kích thước sửa chữa cuối cùng xác định bởi kích thước cho phép nhỏ nhất của cổ trục, nếu nhỏ hơn kích thước đó điều kiện độ bền sẽ không đảm bảo. Các kích thước giới hạn cho phép của các chi tiết khác nhau xác định bởi độ bền của chi tiết, chiều dày của lớp thấm các bon hoặc lớp tôi và kích thước của chi tiết lắp ghép. Cnsc. 120
11. Số kích thước sửa chữa của trục (hay số lần sửa chữa): d d n n scn , (4.15)  Ở đây, hiệu của đường kính danh nghĩa và đường kính giới hạn dn - dscn chỉ độ giảm kích thước cổ trục mà không phá hoại độ bền của nó trong các lần sửa chữa. Độ giảm đường kính cổ trục sau 1 lần sửa chữa do mài mòn và do lượng dư gia công được ký hiệu là  và gọi là khoảng sửa chữa:  = 2 (imax + a), (4.16) Hoàn toàn tương tự như trên có thể xác định các kích thước sửa chữa đối với lỗ, chỉ có điều trong các công thức cần thay dấu trừ thành dấu cộng, còn số lượng các kích thước sửa chữa sẽ là: D D n max n , (4.17)  trong đó: Dmax - đường kính lớn nhất cho phép của lỗ Việc chọn phương pháp gia công chi tiết theo kích thước sửa chữa phụ thuộc vào vật liệu và gia công nhiệt luyện của chi tiết, vào trị số hao mòn, lượng dư gia công và thiết bị cắt gọt. Phục hồi chi tiết theo kích thước sửa chữa là phương pháp thông dụng và phổ biến và tương đối rẻ tiền so với các phương pháp khác. Tuy nhiên nó còn có một số nhược điểm chẳng hạn như nó phá vỡ tính lắp lẫn của các chi tiết và tính lắp lẫn đó chỉ còn tồn tại đối với một kích thước sửa chữa nhất định mà thôi. dsc dsc a a a a i min i max i max i max dn dn Hình 4.3. Sơ đồ tính toán kích thước sửa chữa của trục và lỗ a. Trục; b. Lỗ. 4.4. Hàn và hàn đắp các chi tiết bằng gang và hợp kim nhôm Cnsc.121
12. Hàn và hàn đắp chiếm một vị trí quan trọng không thể thiếu ở các xí nghiệp sửa chữa như hàn đắp bề mặt bị mòn của các chi tiết, hàn các đường nứt, các chi tiết bị hư hỏng, v.v Hàn là quá trình liên kết các phần kim loại với nhau thông qua sự chảy lỏng của kim loại bằng nhiệt độ. Còn hàn đắp là lớp kim loại hàn phủ lên bề mặt chi tiết nhằm làm tăng kích thước, tăng chất lượng bề mặt (độ cứng, khả năng chống mòn ). Hàn đắp thường dùng để phục hồi các bề mặt chi tiết bị mòn của máy. Hiện nay công nghệ hàn đã phát triển đến mức độ cao, hoàn thiện về thể loại cũng như chất lượng. Nhiều công việc cũng như toàn bộ quá trình công nghệ đã tiến tới bán tự động và tự động. Tuy vậy, hàn tay vẫn còn được sử dụng rộng rãi, trong những điều kiện cụ thể nhất định nó vẫn tỏ ra vạn năng, linh hoạt. Bên cạnh đó hàn còn một số nhược điểm như: vi phạm nhiệt luyện và cấu trúc kim loại, giảm độ bền mỏi, khó hàn cho thép chứa nhiều các bon, thép hợp kim và kim loại màu, gây ra ứng suất tập trung, gây ra nứt và cong vênh chi tiết, cháy cục bộ các thành phần vật liệu kim loại. Dựa vào nguồn nhiệt cung cấp người ta chia ra hàn hơi và hàn điện hồ quang. Ngoài ra tuỳ theo tính chất đặc trưng của quá trình hàn còn chia ra các loại như: hàn tiếp xúc, hàn điểm, hàn với tần số cao, hàn ma sát, hàn dùng siêu âm, v.v Trong thực tế sửa chữa, người ta thường dùng hàn điện và hàn hơi để phục hồi các chi tiết chế tạo bằng gang và thép. Về nguyên lý của các phương pháp hàn và các trang thiết bị hàn có thể tham khảo trong các tài liệu về "hàn và máy hàn"; trong phần này chỉ đề cập tới một số trường hợp đặc biệt đó là hàn gang, hàn nhôm và hàn rung mà thôi. 4.4.1. Hàn các chi tiết bằng gang 1. Tính chất của gang xám và ảnh hưởng của các thành phần hóa học Gang xám là một trong những sản phẩm đúc, dùng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy. Từ gang xám người ta chế tạo ra nhiều chi tiết ô tô, máy kéo, đầu máy và các máy móc khác. Gang là hợp kim của sắt với hàm lượng các bon cao hơn 1,7%. Theo kết cấu, gang xám bao gồm phần lớn là sắt, trong đó một số ít các bon (không quá 0,8%) có liên kết hóa học với sắt (xêmentít) và graphit ở trạng thái tự do. Cơ tính của gang không những phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn bởi sự tương quan giữa số lượng liên kết hóa học và các bon tự do.Thành phần liên kết hóa học của các bon càng lớn thì độ cứng và độ bền càng cao. Độ bền của gang còn phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của mạng tinh thể graphit. Mức độ chứa các thành phần hóa học của gang và tốc độ làm nguội khi gang chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn. Thành phần của gang xám thông thường ngoài sắt, các bon chiếm tỷ lệ từ 0,3 - 3,6% và các nguyên tố khác như silic, măngan, phốt pho và lưu huỳnh. Silíc có tác dụng thúc đẩy việc tạo thành các bon tự do, trong quá trình nguội của gang nó phân tích xêmentít thành pherit graphit. Trong các loại gang xám thông thường hàm lượng silích dao động trong khoảng 2 - 3%. Măngan có tác dụng cản trở việc tạo thành graphit và thúc đẩy quá trình tạo gang trắng. Măngan chiếm khoảng 0,5 - 0,8%. Măngan còn có tác dụng làm trung hòa tác dụng của lưu huỳnh và kết hợp với lưu huỳnh thành liên kết hóa học. Cnsc. 122
13. Lưu huỳnh cũng có tác dụng ngăn cản việc tạo thành graphít, làm giảm độ bền cơ học và tăng độ giòn của gang khi bị đốt nóng. Ngoài ra nó còn giảm đặc tính chảy lỏng của gang, tăng độ co và thúc đẩy việc tạo thành các vết nứt. Trong gang lưu huỳnh chiếm khoảng 0,08 - 0,12%. Phốt pho có hàm lượng trung bình 0,3% tạo nên thể trung hòa phức tạp và được sinh ra trong thể tạp riêng. Phôtphit cùng tinh làm tăng độ cứng và độ chống mòn của gang đồng thời cũng làm tăng độ giòn. Ngược với lưu huỳnh, phốt pho làm tăng khả năng chảy lỏng của gang; trong các phôi đúc quan trọng bằng gang phốt pho chiếm tỷ lệ 0,2 - 0,3%. Gang dùng chế tạo các chi tiết cần độ chống mòn cao, lượng phốt pho chiếm 0,7 - 0,8%. Phốt pho hầu như không ảnh hưởng đến việc tạo thành graphít. 2. Ảnh hưởng của tốc độ làm nguội và ứng suất trong chi tiết gang đúc Tốc độ làm nguội của gang ảnh hưởng rất lớn tới quá trình graphit hóa gang nóng chảy và tạo nên kết cấu của gang sau khi nguội. Nếu tốc độ làm nguội nhanh thì quá trình graphit hóa bị ngăn trở và kết quả gang bị biến trắng. Ngược lại nếu tốc độ làm nguội của gang nóng chảy không nhanh quá thì graphit kịp thời xuất hiện với số lượng đáng kể. Trong khi làm nguội gang nóng chảy thì silic ảnh hưởng tới quá trình graphit hóa.Nếu tăng lượng silic thì thậm chí với tốc độ làm nguội nhanh vẫn có khả năng loại trừ hiện tượng biến trắng của gang. Kết cấu gang trắng hoặc gang hóa trắng (biến trắng) có thể thay đổi được bằng cách gia công nhiệt. Nếu đốt nóng gang đến 5000C thì trong thực tế không xảy ra graphit hóa và trong khoảng nhiệt độ 650-7500 thì quá trình đó lại xảy ra một cách nhanh chóng. Gang bị graphit rất nhanh khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (cao hơn 7500C). Trong quá trình đông đặc của các chi tiết bằng gang đúc có bề dày khác nhau, khi làm nguội các bộ phận đó không được làm nguội đồng đều và như vậy sẽ xuất hiện ứng suất bên trong khá lớn. Các ứng suất này có khả năng làm chi tiết bị cong vênh và sinh ra vệt nứt. Để giảm ứng suất trong các chi tiết bằng gang người ta thường đốt nóng tới nhiệt độ 400-5000C. Ở nhiệt độ này không làm thay đổi kết cấu kim loại trong gang, nhưng ứng suất bên trong được giảm đi nhiều. Kinh nghiệm cho thấy rằng ứng suất xảy ra trong quá trình đúc có thể giảm tới 80% và hơn nữa nếu để phôi gang đó "già hóa" ở nhiệt độ bình thường trong khoảng thời gian nửa năm hay một năm. Đối với các chi tiết của đầu máy phần lớn không phải ủ ở nhiệt độ thấp hoặc cho thêm thời gian già tự nhiên. Các chi tiết này ngay trong quá trình sử dụng ứng suất được giảm đi rất lớn. Tuy vậy khi phục hồi chúng bằng phương pháp hàn và hàn đắp, do bị đốt nóng ở nhiệt độ cao, làm nguội nhanh, không đều, sẽ làm xuất hiện ứng suất cục bộ lớn. Vì vậy, việc khử ứng suất trong và sau khi hàn là việc rất quan trọng. Biện pháp chủ yếu khử ứng suất đối với các chi tiết gang là đốt nóng chi tiết trước khi hàn. Thông thường chi tiết đốt nóng trước đến 3500C thì hiệu quả khử ứng suất tương đối rõ. Đốt nóng trước tới 5500C và giữ chi tiết ở nhiệt độ này từ 3 - 4 giờ và hàn ngay ở nhiệt độ đó thì có thể khử được hoàn toàn ứng suất bên trong. Cnsc.123
14. Khi phục hồi bằng hàn và hàn đắp, tùy theo tầm quan trọng, đặc điểm và kết cấu của chi tiết ta có thể dùng phương pháp hàn nóng hoặc hàn nửa nóng. Khi hàn nóng, có thể đốt nóng toàn bộ chi tiết hay từng phần (còn gọi là đốt nóng cục bộ) chi tiết. Đối với các chi tiết phức tạp và quan trọng khó đốt nóng cục bộ thì để giảm ứng suất bên trong trước khi hàn phải đốt nóng toàn bộ với tốc độ đốt nóng chậm và tốc độ làm nguội chậm. 3. Hàn các chi tiết bằng gang Như các đặc điểm đã trình bày ở trên ta thấy gang là một loại vật liệu khó hàn vì trong gang xuất hiện các nội ứng suất lớn, gang bị biến trắng, trong trạng thái nóng gang không có tính dẻo và có đặc tính chảy lỏng. Tính chảy loãng của gang làm cho nước kim loại của gang chảy tràn trên bề mặt chi tiết nhanh cho nên khó tạo thành những mối hàn đặc biệt khi hàn những chi tiết nằm ở vị trí thẳng đứng. Hàn gang có thể chia ra hai loại: hàn nóng và hàn nguội. a. Hàn nóng Gọi là hàn nóng vì chi tiết trước khi hàn đã được đốt nóng tới nhiệt độ nào đó và được giữ ở nhiệt độ này trong suốt quá trình hàn. Nhờ đốt nóng ở nhiệt độ cao toàn bộ (hay một vùng tương đối lớn) mà vùng được hàn sau đó được làm nguội từ từ cùng với toàn bộ chi tiết, tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình graphit hóa của gang. Việc đốt nóng cao và làm nguội từ từ còn có tác dụng khử ứng suất bên trong do quá trình hàn gây ra. Nếu hàn nóng bằng hơi thì vật liệu hàn nên dùng các que gang, còn nếu hàn điện hồ quang thì có thể dùng que gang hoặc thép có thuốc bọc đặc biệt. Quá trình công nghệ hàn gồm các nguyên công sau đây: đốt nóng sơ bộ, hàn, làm nguội. Đốt nóng chi tiết trước khi hàn là một nguyên công chính ảnh hưởng đến chất lượng hàn, đốt nóng là để đảm bảo cho các chi tiết giãn nở đều về mọi phía. Các chi tiết không lớn thì có thể đốt nóng bằng khí đốt, lò điện hoặc lò đốt bằng than gỗ. Đốt nóng chi tiết cho phép tiến hành theo hai biện pháp sau đây: đầu tiên đốt nóng chi tiết đến 200-2500C trong vòng 20 phút (tốc độ khoảng 6000C/giờ,) sau đó tiến hành đốt nóng lần cuối tới nhiệt độ 7000C trong thời gian 20 - 25 phút. Quá trình hàn có thể tiến hành trong một chu kỳ khi mà nhiệt độ chi tiết chưa giảm xuống dưới 350-4000C. Để bảo vệ cho chi tiết khỏi nguội nhanh và nguội không đều thì sau khi đốt nóng chi tiết người ta ủ trong cát, tro hoặc bọc bằng bộ điều nhiệt chế tạo bằng thép tấm có bọc amiăng chỉ để hở chỗ cán hàn. Ngoài ra sau khi hàn cũng có thể lại phải đốt chi tiết đến 650-7000C sau đó làm nguội từ từ để loại trừ ứng suất bên trong. Hàn hơi cho gang thì dùng ngọn lửa trung hòa với lượng dư axêtylen không lớn. Muốn đạt được phẩm chất tốt nên dùng các que gang có thành phần hóa học sau đây (bảng 4.5). Bảng 4.5. Thành phần hóa học các que hàn gang Mã Thành phần hóa học, % Ứng Cnsc. 124
15. hiệu Lưu dụng Phôt Crôm Niken que huỳnh Cácbon Silic Măngan pho P Cr Ni hàn C S Mn S Không quá Hàn A 3-3,6 3-3,5 0,5-0,8 0,08 0,2-0,5 0,05 0,03 nóng Hàn nóng và B 3-3,6 3,6-4,8 0,5-0,8 0,08 0,3-0,5 0,05 0,03 hàn nguội Chất trợ dung thường là burax hay hỗn hợp gồm 50% burax, 47% bicácbênát và 3% silic oxyt. Sau khi hàn xong cần ủ chi tiết trong thời gian 10 - 12 phút ở nhiệt độ 600- 6500C và sau đó làm nguội chậm đều bằng cách phủ cát, tro hay ủ trong lò. Dùng que hàn gang với lớp thiếc đã kê ở bảng trên nhằm tạo xỉ trên bề mặt mối hàn và ngăn chặn cho măngan khỏi bị cháy hoàn toàn, mối hàn nhận được sẽ là mối hàn mềm. Để hàn nóng các chi tiết bằng gang đòi hỏi phải có đầy đủ thiết bị như: lò xo, nhiệt luyện, nhiệt kế, v.v Do đó, phương pháp này chỉ nên dùng ở những trường hợp cần thiết khi yêu cầu lớp kim loại hàn giống như kim loại chính về mọi tính chất. Bằng phương pháp này có thể hàn các ổ đặt xupáp bị mòn trên nắp động cơ bằng gang (chú ý là hàn hơi) hoặc hàn các vết nứt trong thành vỏ giữa hai xylanh hoặc ở các vị trí cách các ổ đỡ xupáp một khoảng nhỏ nào đó. b. Hàn nguội Sở dĩ gọi là hàn nguội vì trước khi hàn chi tiết không được đốt nóng sơ bộ. Khi đó kim loại ở vùng hàn được làm nguội rất nhanh hạn chế quá trình graphít hóa của gang cho nên sinh ra hiện tượng hóa trắng và tôi trong mối hàn, làm tăng ứng suất bên trong và có khả năng sinh ra vết nứt. Vì vậy, phải có phương pháp hạn chế nào đó có thể loại trừ hoặc hạn chế các hiện tượng trên. Đó là điều rất quan trọng vì rằng hàn nguội là phương pháp có nhiều ưu điểm so với phương pháp hàn nóng, năng suất cao. Dùng phương pháp này có thể phục hồi những chi tiết cỡ lớn bằng gang xám mà việc đốt nóng chúng tương đối khó khăn như thân máy, giá xe, v.v Hàn nguội cho gang thường được thực hiện bằng phương pháp điện hồ quang với các que hàn bằng thép, gang, kim loại màu (ni ken, đồng thau, đồng đỏ), bột kim loại hoặc bằng chùm que. Để tránh cho cấu trúc mối hàn khỏi bị giòn và biến trắng, nên tiến hành hàn với mối hàn rộng và ngắn, có chiều dài khoảng 40-50mm. Để khử cấu trúc giòn tạo ra trong mối hàn cần phải tiến hành ủ sau đó làm nguội từ từ. Còn để giảm ứng suất dư trong mối hàn, tăng độ đậm đặc của kim loại mối hàn, giảm độ biến trắng của gang cần tiến hành như sau: lớp kim loại hàn thứ nhất được hàn đắp với tốc độ lớn bằng que hàn có đường kính 3mm ở cường độ dòng Cnsc.125
16. điện cao. Để tránh tập trung nhiệt ở một chỗ khi hàn phải lắc que hàn hoặc phải nghỉ ngắt quãng. Trước khi mối hàn thứ nhất đông đặc thì phủ lên nó một lớp thứ hai bằng những mối hàn ngang. Nếu lớp hàn thứ nhất bị xếp rõ thì các lớp sau cũng sẽ tương đối đậm đặc. 4.4.2. Hàn các chi tiết bằng nhôm và hợp kim nhôm Hàn nhôm và các hợp kim của nó là một quá trình rất phức tạp vì trên bề mặt của nhôm và hợp kim nhôm luôn luôn tồn tại một lớp oxyt Al2O3 rất khó nóng chảy (nóng chảy ở nhiệt độ 20500C), có tỷ trọng lớn hơn so với tỷ trọng của nhôm nguyên chất. Lớp ôxyt này chỉ có chiều dày khoảng 0,002mm nhưng rất vững chắc, nhiệt độ nóng chảy của nó còn cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nhôm và nó làm cản trở công việc hàn rất lớn. Khi hàn nó khó nóng chảy nên khả năng bám của kim loại hàn và kim loại chính sẽ rất kém nếu như không làm sạch cẩn thận. Màng ôxyt có thể bị phá hủy nhờ một chất trợ dung đặc biệt cho vào vùng hàn. Khi tác dụng lên oxyt nhôm chất trợ dung phân tích nó, nhôm được hoàn nguyên tạo điều kiện đảm bảo công việc hàn được tốt. Các chất trợ dung đặc biệt và thuốc hàn dùng khi hàn nhôm và các hợp kim nhôm gồm các muối ftorit hoặc clorua liti, kali, natri và canxi. Các muối ftorit và clorit nói trên có khả năng hòa tan rất tốt với ôxyt nhôm và làm cho nó dễ nóng chảy. Các chất trợ dung này không làm ảnh hưởng xấu đến mối hàn vì chúng không tạo với nhôm thành liên kết và không làm giảm cơ tính của nó. Khi kết hợp với các chất trợ dung màng ôxyt trở thành chất nhẹ nổi lên trên không làm bẩn mối hàn. Muối liti là loại có tác dụng hòa tan tích cực đối với màng ôxyt nhôm, song, vì là loại muối tương đối độc nên không được dùng rộng rãi lắm. Khi hàn các chi tiết nhôm hoặc hợp kim nhôm, để ngăn ngừa hiện tượng biến dạng (vênh) nứt và ổn định cho quá trình kết tinh của kim loại chảy trong vùng hàn, ta phải đốt nóng sơ bộ, cục bộ hoặc đôi khi phải đốt nóng toàn bộ chi tiết, đồng thời phải làm nguội chậm sau khi đã hàn xong. Trước khi hàn phải làm sạch chi tiết một cách kỹ càng bằng bàn chải kim loại sau đó rửa bằng xăng hoặc axêtôn. 1. Hàn hồ quang đối với nhôm và hợp kim nhôm Có thể tiến hành hàn nhôm bằng cực than hoặc bằng que kim loại. Khi hàn điện hồ quang bằng cực than, thường dùng thân cực graphit hoặc thỏi than dài từ 200-700mm có đường kính từ 6-25 mm tùy thuộc vào chiều dày của vật hàn. Đầu cực than được mài côn một góc 60-700. Chế độ hàn bằng cực than hoặc cực graphít xem bảng 4.6. Hàn bằng cực than hoặc graphít tiến hành ở dòng 1 chiều, ngược cực. Phương pháp này dùng để hàn hợp kim nhôm- magiê. Bảng 4.6. Chế độ hàn bằng cực than hoặc cực graphít Bề dày kim loại Cường độ dòng Đường kính của Đường kính cực được hàn, mm điện hàn, A cực than, mm graphít, mm 2 - 5 120 - 250 12,5 10,0 Cnsc. 126
17. 5 - 10 250 - 400 15,0 12,5 10 - 15 400 - 500 18,0 15,0 Khi hàn cực than cũng như khi hàn hơi có thể tiến hành bằng phương pháp hàn trái hoặc hàn phải. Hàn phải (kim loại đắp theo sau cung hàn) thường để phục vụ các chi tiết dày. Trường hợp này nhiệt của cung hồ quang đốt nóng trước cho kim loại chính như vậy tốc độ hàn được tăng lên. Mặt khác, khi hàn phải, thì việc làm nguội chậm như vậy đảm bảo điều kiện tốt cho kim loại kết tinh, đảm bảo cơ tính tốt. Đường kính que hàn được chọn phụ thuộc vào bề dày chi tiết hàn, số liệu cụ thể xem bảng 4.7. Bảng 4.7. Lựa chọn đường kính que hàn Bề dày vật hàn, Đường kính cực hàn, Bề dày vật hàn, Đường kính cực mm mm mm hàn, mm 3 - 5 4 - 6 12 - 15 8 - 10 5 - 8 5 - 6 15 - 20 10 - 12 8 - 10 6 - 7 20 và hơn nữa 12 - 15 10 - 12 7 - 8 - - Chất trợ dung được đưa vào vùng hàn nhờ que hàn, bột xỉ và các phần không hòa tan của ôxyt cũng được đưa ra khỏi vùng han nhờ que hàn. Các chi tiết trước khi hàn phải nung tới nhiệt độ 250-3000C, nhằm mục đích giảm biến dạng. Hàn điện hồ quang bằng các điện cực nhôm (que hàn nhôm) trần là không nên, vì như vậy hiện tượng ôxy hóa xảy ra rất mạnh. Các giọt nhôm hay hợp kim nhôm nóng chảy ra sẽ bị bọc bởi màng ôxyt, do vậy các giọt đó sẽ không dính lại với nhau và với kim loại cơ bản. Do đó để hàn được tốt, các que nhôm được bọc thuốc hàn đặc biệt thành phần như đã trình bày ở trên. Trong trường hợp này lớp thuốc hàn đóng vai trò của một chất trợ dung, thành phần của nó xem bảng 4.8. Bảng 4.8. Thành phần của thuốc hàn Các loại hóa chất Thành phần thuốc hàn, % 1 2 3 4 Kali clorua (KCl) - 50 50 50 Natri clorua (NaCl) 27,2 15 30 35,5 Liti Clorua (LiCl) 18,2 - - 10,0 Natri Florua (NaF) - - - 1,5 Kali florua (KF) - - - 3,0 Cnsc.127
18. Kroiôlit 45,5 35 20 - Sunfua natri 9,1 - - - Để bọc thuốc cho que hàn, các chất được nghiền nhỏ và khuấy trong dung dịch muối ăn bão hoà cho đến khi thấy đặc lại như hồ dán là được. Sau đó nhúng que hàn vào dung dịch, lấy ra ngoài để khô trong 2 - 3 giờ ở nhiệt độ bình thường rồi cho vào lò sấy ở nhiệt độ 150-2500C trong thời gian từ 0,5 - 1,5 giờ. Bề dày lớp thuốc bọc phụ thuộc vào đường kính quen hàn như sau: Đường kính que hàn, mm: 3 4 5 6 Bề dày thuốc bọc, mm: 0,25-0,30 0,3-0,5 0,5-0,75 0,75-1,6 Kim loại dùng làm que hàn thường là các hợp kim nhôm có 5-6% silic và tốt nhất là chọn thế nào để hợp kim đó có thành phần phù hợp với thành phần kim loại chính. Khi hàn điện hồ quang đối với các chi tiết nhôm hay hợp kim nhôm phải tuân theo những quy tắc chung sau đây: chỉ hàn bằng dòng điện một chiều ngược cực, trong thời gian hàn que hàn chỉ dịch chuyển dọc theo mối hàn mà không phải cho dao động qua lại theo phương vuông góc với mối hàn. Cố gắng cho cung hàn thật ngắn càng ngắn càng tốt. Trên bảng 4.9 ghi chế độ hàn các chi tiết nhôm và hợp kim nhôm tùy thuộc vào chiều dày chi tiết và đường kính que hàn với điện áp nhỏ hơn 60 V. Bảng 4.9. Chế độ hàn đối với các chi tiết nhôm và hợp kim nhôm Bề dày kim Đường kính Cường độ Số lượt hàn, loại hàn, que hàn, dòng điện que Chi chú lần mm mm hàn, A 1,5 - 4,0 2,5 - 4,0 90 - 180 1 Hàn có lót đệm 4 - 6 5 - 6,3 220 - 240 1 Nếu bề dày chi tiết là 6mm thì phải đốt nóng tới 2000C 6 - 10 4 - 5 180 - 250 1 Đốt nóng đến 2000C hơn 10 4 - 6 200 - 250 2 và có thể Đốt nóng tới 5000C hơn Khi hàn các chi tiết có kích thước lớn cường độ dòng điện hàn có thể tăng lên tới mật độ 40A cho 1mm đường kính que hàn với chiều dài cung hàn là 4mm và điện áp làm việc là 22-27V. Quá trình hàn được tiến hành có nung nóng sơ bộ và không cần dao động ngang cho que hàn. Khi hàn những chi tiết có chiều dày dưới 5mm có thể đốt nóng cục bộ ở một vùng nhỏ bằng điện cực trong vòng vài giây là đủ. Hàn nhôm cũng có thể tiến hành trên các máy hàn tự động thông thường có chất trợ dung với giới hạn không lớn lắm. Trường hợp này gặp khó khăn lớn là chuẩn bị cho cơ cấu cung cấp chất trợ dung một cách đều đặn trong suốt quá trình hàn. Trong hàn tự động người ta dùng chất trợ dung có mã hiệu AH-A1 có thành phần Cnsc. 128
19. như sau: 50% kaliclorua, 20% natri clorua, 30% kriclit. Chất trợ dung A -4 có thành phần 28% NaCl, 50% Kol, 14% LiCl, 8% NaF. 2. Hàn nhôm và hợp kim nhôm bằng hàn hơi Hàn nhôm và các hợp kim của nó bằng phương pháp hàn hơi nói chung không có gì đặc biệt khác so với hàn hơi các chi tiết bằng thép hay gang. Nhược điểm lớn của hàn hơi là không tập trung nhiệt. Cho nên trong hàn hơi, ngọn lửa sẽ đốt nóng bề mặt chi tiết trên một vùng rộng và trong một vài trường hợp có thể làm thay đổi cấu trúc của kim loại chi tiết. Tuy vậy, hàn hơi có ưu điểm là có thể điều chỉnh được nhiệt lượng và môi trường hơi đốt (từ ngọn lửa oxy đến ngọn ửa l axêtylen) ngoài ra còn cho phép giữ kim loại trong vùng hàn ở trạng thái nóng chảy, điều đó cho phép tăng thời gian thoát khí của mối hàn tránh được hiện tượng rỗ khí. Trong hàn hơi phải dùng ngọn lửa có công suất bé hơn so với hàn hơi đối với các chi tiết bằng thép và phải dùng ngọn lửa trung hòa. Tùy thuộc vào chiều dày của chi tiết hàn mà tiến hành chọn công suất ngọn lửa và số hiệu đầu mỏ hàn như trong bảng 4.10. Sở dĩ phải dùng ngọn lửa trung hòa để hàn là vì nếu trong khi thừa ôxy thì nhôm bị ôxy hóa mạnh và tạo ra màng ôxyt khó chảy. Nếu là ngọn lửa axêtylen mà thừa hyđrô thì làm cho mối hàn dễ bị rỗ. Bảng 4.10. Lựa chọn công suất ngọn lửa và số hiệu đầu mỏ hàn Chiều dày Công suất Số hiệu, Chiều dày Công suất Số hiệu chi tiết, ngọn lửa đầu mỏ chi tiết, mm ngọn lửa đầu mỏ mm axetylen, l/h hàn axetylen, l/h hàn 0,8 50 0 4,0 750 4 1,0 75 0 6,0 1200 5 1,5 150 1 10,0 1750 6 2,0 300 2 Lớn hơn 10,0 2500 7 3,0 500 3 - - - Chất trợ dung dùng để hòa tan lớp ôxyt nhôm khó chảy là các chất đã nêu ở trên như các hợp chất muối clorua và florua ở dạng kali clorua (KCl), natri clorua (NaCl), liti clorua (KliCl), kali ftorit (KF), natri ftorit (NaF) với các hợp chất khác như kriôlit và kim loại kiềm thô. Trước khi hàn các chi tiết đúc từ hợp kim nhôm phải đốt nóng sơ bộ chi tiết đến nhiệt độ 150-2000C để tránh hiện tượng nứt. Sau khi hàn cũng phải đốt nóng bên trong. Trong trường hợp này cũng sử dụng chất trợ dung kiểu có thành phần như sau: kali clorit (KCl) - 50%, natri clorit (NaCl) - 28%, liti clorit (LiCl) - 14% và natri ftorit (NaF) - 8%. Ngoài ra, người ta còn đề ra thêm một công nghệ mới để hàn một vài hợp kim nhôm mà không cần chất trợ dung. Công nghệ đó đảm bảo chất lượng cao: mối hàn hoàn toàn đồng nhất với kim loại chính của chi tiết. Sở dĩ đề ra như vậy là vì các chất trợ dung và bọt xỉ do chúng tạo ra có thể tác dụng với kim loại và phá hủy nó ngoài ra lại là chất đắt tiền không thường xuyên sẵn có ở các cơ sở sản xuất. Khi hàn không Cnsc.129
20. có chất trợ dung thì lớp ôxyt nhôm được tẩy sạch bằng phương pháp cơ khí bằng mỏ thép đặc biệt hoặc bằng que hàn. Việc tẩy sạch màng kim loại bằng móc thép có thể dùng khi sửa chữa các chi tiết không quan trọng, đồng thời móc thép không được để ở trong vùng hàn bởi vì ngược lại thì lượng tạp chất có hại của sắt sẽ tăng lên. Phương pháp hàn này thường dùng cho các chi tiết làm từ hợp kim nhôm loại xilimin (píttông động cơ đầu máy). Loại công nghệ này gồm những bước sau đây: Bất kỳ chi tiết nào cũng đốt nóng tới 250-3000C. Cạnh chỗ cần hàn đặt mẫu kim loại hàn, kim loại đó có thành phần tương ứng với thành phần của kim loại chính. Như vậy tay trái của người thợ hàn được tự do. Người thợ hàn chỉ hướng ngọn lửa trung hòa vào vùng hàn sao cho ngọn lửa cũng phủ kín toàn bộ mẫu hợp kim hàn. Khi đó, tay trái người thợ cầm mỏ sắt, đưa mỏ nhọn vào vùng cháy sáng của ngọn lửa hàn và đốt nó đến khi nóng đỏ. Từ đó mỏ sắt luôn tỳ vào chỗ cần hàn, để nhằm xác định điểm nóng chảy của kim loại chính ở từng chỗ một. Khi kim loại chính bắt đầu chảy, người thợ dùng mỏ sắt đẩy mẫu kim loại đến vị trí cần hàn và sao cho mẫu kim loại đó được trùm lên toàn bộ vị trí cần hàn. Sau đó điều chỉnh ngọn lửa thành ngọn lửa thừa axetylen (còn gọi là ngọn lửa hoàn nguyên). Khi tiếp tục đốt nóng chỗ hàn và mẫu kim loại hàn thợ hàn phải chú ý làm nóng chảy thật kỹ. Song, sự nóng chảy kim loại chính với kim loại hàn khi chưa hoàn toàn, hoặc có trường hợp khó chảy, đó là nguyên nhân do màng ôxýt nhôm bao phủ. Nên chú ý rằng, nếu kim loại chính chỗ vùng hàn đã được chảy thì phải chuyển nhanh mỏ hàn sang chỗ khác để tiếp màng ôxýt đồng thời làm cho kim loại hàn nóng chảy. Ở thời điểm kim loại chính và kim loại hàn vừa chảy, phải chuyển toàn bộ sang vị trí kế tiếp. Thợ hàn phải luôn luôn giữ mỏ sắt sao cho ngọn lửa hoàn nguyên bao trùm vùng hàn, nhằm bảo vệ vùng hàn được nóng chảy cùng một chỗ người thợ hàn mới chuyển vị trí hàn và tiếp tục mối hàn. Nhờ đó, người thợ hàn đã làm cho các mảnh tạp chất vụn trở thành bọt xỉ nổi lên và vùng hàn đã được nóng chảy hoàn toàn. Sau khi vừa hoàn thành xong công việc hàn cần phải đốt nóng lại một lần nữa, hướng ngọn lửa mỏ hàn lên mối hàn, kiểm tra lại các vị trí hàn. Sau khi kết thúc mọi công việc hàn, chi tiết phải được làm nguội từ từ, hoặc tốt hơn nên đốt nóng tới nhiệt độ 3000C và sau đó cho nguội chậm. Làm như vậy sẽ khử được ứng suất bên trong sinh ra trong quá trình hàn. Khi hàn đắp các píttông động cơ đầu máy làm bằng hợp kim xilumin người ta dùng que hàn xiluumin đường kính 10-12 mm có chiều dài 300-350mm. Khi hàn đắp, que hàn được dao động theo hình lưỡi liềm dọc theo vùng hàn có chiều rộng khoảng 30-40 mm. Sau khi hàn tiến hành làm nguội chậm. 4.5. Phục hồi chi tiết bằng phương pháp hàn đắp rung 4.5.1. Nguyên lý hoạt động Hàn đắp rung là một dạng hàn cơ khí tự động, nguyên tắc hoạt động cơ bản của nó cũng giống như nguyên tắc của hàn tự động duy chỉ có khác là trong quá trình làm việc mỏ hàn luôn luôn rung với tần số và biên độ nhất định. Sơ đồ nguyên lý thiết bị hàn đắp rung được thể hiện trên hình (hình 4.4). 6 7 5 8 Cnsc.130 9 4 10 3
21. Hình 4.4. Sơ đồ thiết bị hàn đắp rung 1. Chi tiết cần hàn đắp 7. Các con lăn 2. Dây hàn 8. Rãnh dẫn nước cần làm mát 3. Mỏ hàn rung 9. Nguồn điện 4. Lò xo 10. Bơm bánh răng 5. Bộ gây rung 11. Cảm kháng 6. Hộp cuốn dây 12. Bể chứa nước làm mát Dây hàn 2 (que hàn) từ hộp cuốn dây 6 nhờ các con lăn 7 được đưa qua mỏ hàn rung 3 tới bề mặt cần hàn đắp của chi tiết 1 quay với tốc độ nhất định nào đó. Độ rung dọc của dây hàn cùng với mỏ hàn được thực hiện nhờ bộ gây rung 5 và các lò xo 4. Khi chạm vào bề mặt của chi tiết, dây hàn bị nóng chảy dưới tác dụng phóng điện xung từ nguồn điện 9 và kim loại nóng chảy được phủ lên bề mặt của chi tiết. Để nâng cao độ ổn định và tăng hiệu suất của quá trình hàn đắp người ta mắc nối tiếp cảm kháng 11 vào mạch điện. Từ bể chứa 12, nhờ bơm bánh răng 10 chất lỏng làm mát được đưa theo rãnh 8 qua mỏ hàn 3 tới vị trí kim loại nóng chảy. Chất lỏng làm mát có tác dụng thúc đẩy việc tạo thành mối hàn một cách nhanh chóng, còn hơi nước bốc lên sẽ bảo vệ cho kim loại nóng chảy khỏi bị tác dụng của ôxy và nitơ trong không khí. Chất lỏng làm mát thường là dung dịch 5% nước xô đa nung hoặc dung dịch 20-30% nước glixêrin kỹ thuật [C3H5(CH)3] và những dung dịch khác. Tiêu chuẩn hao nước làm mát là khoảng 0,2-0,7 lít/phút. Trong mỗi chu trình rung của điện cực, việc hàn đắp được thực hiện thông qua các giai đoạn chính sau đây (hình 4.5): 1. Thời kỳ ngắn mạch của điện cực với bề mặt chi tiết; 2. Thời kỳ ngắt mạch; 3. Thời kỳ phóng hồ quang; 4. Thời kỳ chạy không. Cnsc.131
22. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, trong cả một chu trình rung của dây hàn khoảng 0,01 giây thì hành trình chạy không chiếm tới 60-70% tổng số thời gian. Còn lại thời kỳ ngắn mạch chiếm khoảng 2,5-3,0.10-3 giây, thời kỳ ngắt mạch và phóng hồ quang là 1.10-3 giây. Ở thời điểm ngắn mạch điện áp không tải của nguồn điện giảm xuống đột ngột còn dòng điện thì tăng lên nhanh chóng tới khoảng 1100-1200 A (trong khi đó trị số trung bình là 180 A). Mật độ dòng điện lúc này đạt tới 3.10-3 A/mm2. Dưới tác dụng của lượng nhiệt sinh ra các điện cực bị đốt nóng và đầu dây hàn bị nóng chảy. a) b) c) d) Hình 4.5. Sơ đồ các quá trình trong khi hàn rung a. Thời kì ngắn mạch b. Thời kì ngắt mạch c. Thời kì phóng hồ quang d. Thời kì chạy không Ở thời điểm ngắt mạch cường độ dòng điện giảm xuống, còn điện áp giữa các điện cực tăng lên do có suất điện động tự cảm cùng chiều với điện áp của nguồn điện. Khi đó xuất hiện hiện tượng phóng hồ quang và tỏa ra một khối lượng nhiệt lớn (tới 70%). Kim loại ở đầu điện cực bị nóng chảy và bị bức xạ, một phần được bám chặt vào bề mặt chi tiết còn một phần bị văng ra. Trong quá trình phóng hồ quang thì hầu như hiệu điện thế không thay đổi. Cuối thời kỳ này, tức là thời kỳ đi ra của điện cực quá xa (d) điện áp hàn lại giảm, nhưng không đột ngột vì nó vẫn dự trữ một độ cảm ứng nhất định. Khi hành trình chạy không càng lớn thì tổn hao kim loại càng lớn và năng suất hàn càng giảm. Độ bền bám của lớp hàn đắp với kim loại cơ bản không cao lắm vì bề mặt kim loại bị oxy hóa. Để khắc phục hiện tượng đó cần phải giảm thời kỳ chạy không và giảm trị số xung của dòng ngắn mạch. Việc tăng điện cảm nhờ cảm kháng (11) sẽ làm giảm trị số xung của dòng điện ở thời kỳ ngắn mạch, khi đó độ tăng giảm của xung sẽ đều hơn, thời gian tồn tại và độ ổn định của hồ quang khi ngắt mạch tăng lên và như vậy hiện tượng không tải được khắc phục. Ngoài ra để khắc phục giai đoạn chạy không cần phải chọn chế độ hàn (V và I) cho phù hợp, chọn tần số và biên độ rung cho đúng và cuối cùng là tính toán, chọn mạch cho phù hợp. 2 2  1 3 Cnsc. 132
23. Hình 4.6. Sơ đồ bố trí dây hàn với chi tiết 1. Chi tiết; 2. Điện cực; 3. Lớp hàn đắp. 4.5.2. Quá trình công nghệ hàn Hàn rung có thể tiến hành nhờ nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều và cũng có thể dùng hỗn hợp cả một chiều và xoay chiều. Khi dùng dòng điện một chiều và hàn ngược cực thì chất lượng lớp hàn đắp sẽ cao hơn. Trong trường hợp này độ bền bám của lớp hàn đắp với kim loại cơ bản cao hơn đáng kể so với trường hợp hàn đắp ở dòng điện xoay chiều hoặc hỗn hợp. Khi hàn bằng dòng xoay chiều hoặc hỗn hợp, cực dòng điện luôn thay đổi do đó trên điện cực lượng nhiệt sản sinh ra không đồng đều và quá trình hàn không ổn định. Từ những nguyên nhân đó chất lượng hàn giảm xuống. Hàn đắp ở dòng điện hỗn hợp gây phức tạp vì phải có hai nguồn điện: Máy phát một chiều và biến áp bàn. Bên cạnh những nhược điểm trên nguồn xoay chiều có ưu điểm nổi bật là dễ tạo hơn, mạng điện sẵn hơn giá thành hạ so với ngồn một chiều. Khi hàn đắp bằng dòng một chiều, nguồn điện có thể là máy phát một chiều, hoặc chỉnh lưu, hoặc máy phát điện áp thấp có mắc nối tiếp một cuộn cảm vào mạch hàn thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số vòng. Trên các sơ đồ dưới đây giới thiệu phương pháp hàn rung với nguồn điện một chiều và với nguồn điện xoay chiều có lắp cảm ứng bổ sung: 2 1 3 9 8 5 6 7 11 15 16 10 12 13 14 Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị hàn rung với nguồn điện một chiều 1. Động cơ đưa dây; 9. Vòi nước làm mát; 2. Hộp giảm tốc; 10. Thùng chứa nước làm mát; 3. Hộp cuốn dây hàn; 11. Bơm nước; 4. Con lăn đưa dây; 12. Cuộn cảm ứng bổ sung; 5. Bộ rung động; 13. Ampe kế; 6. Lò xo bộ rung động; 14. Vôn kế; 7. Biến áp của bộ rung; 15. Máy phát một chiều; 8. Chi tiết phục hồi; 16. Động cơ (xoay chiều 3 pha). Cnsc.133
24. Để tiến hành hàn đắp người ta gá chi tiết lên mâm cặp của máy tiện, còn mỏ hàn có hộp cuốn dây hàn được gá lên bàn dao của máy tiện. Trục chính máy tiện có thể phải có hộp giảm tốc để giảm số vòng quay theo yêu cầu công nghệ (tới 1 vòng/phút). Số vòng quay của chi tiết có thể xác định theo công thức sau đây: d 2.v n 15. n . , vòng/phút (4.18) h.s.D trong đó: d- đường kính dây kim loại hàn, mm; vn - vận tốc đưa dây hàn, mm/giây;  - hệ số chuyển kim loại dây hàn vào lớp hàn đắp, ( = 0,85 - 0,90); h - chiều dày lớp hàn đắp, mm; s - bước hàn đắp, mm/vòng; D - đường kính của chi tiết, mm. Chi tiết cần hàn đắp phải được làm sạch bẩn và gỉ bằng giấy giáp hoặc bàn chải sắt. Các chi tiết lắp lỏng có độ mòn không lớn (0,1 - 0,2 mm) hoặc bị cong hoặc có độ ô van lớn nên mài sơ bộ để sau khi gia công cơ lớp kim loại phủ có chất lượng tốt hơn về thành phần hóa học, cấu trúc và cơ tính. 3 2 5 1 6 A 4 V 8 7 Hình 4.8. Sơ đồ thiết bị hàn rung nguồn xoay chiều có cảm ứng bổ sung 1. Biến áp hàn; 5. Cuộn từ gây rung; 2. Cuộn dây; 6. Mỏ hàn rung; 3. Động cơ điện đưa dây; 7. Chi tiết; 4. Con lăn đưa dây; 8. Cuộn cảm ứng bổ sung. Độ ổn định và chất lượng hàn đắp phụ thuộc vào điện áp, điện cảm và cực của dòng điện; vào thành phần và khối lượng chất lỏng làm mát và trị số khoảng cách giữa các điện cực. Hàn đắp rung có thể tiến hành ở điện áp 4-30 V. Việc phục hồi các chi tiết bằng hàn đắp thường tiến hành ở điện áp 18-22V và dòng điện 80-300 Cnsc. 134
25. A. Khi tăng điện áp thì năng suất và tác dụng nhiệt của dòng điện đối với kim loại tăng lên. Một số thành phần như cácbon, măngan bị đốt cháy nhiều hơn và độ cứng của chi tiết hàn đắp giảm xuống, còn kim loại bị tổn hao do bị bắn toé tăng lên. Vì vậy, để nhận được lớp phủ có độ chống mòn tốt thì nên hàn đắp ở điện áp thấp. Sau hàn đắp chi tiết được đem gia công cơ bằng cách mài, đầu tiên mài thô, sau đó mài tinh để đạt được kích thước cần thiết. Trên đây ta vừa xét về hàn đắp điện-hồ quang rung. Trong thực tế còn có những phương pháp hàn rung như tia lửa tiếp điểm rung và hồ quang tiếp điểm rung. Các phương pháp này khác nhau về quá trình sơ đồ điện và nguồn điện. Về đầu hàn rung thì ngoài loại đầu hàn được gây rung bằng điện (hình 4.4), người ta còn dùng các loại đầu hàn có bộ phận gây rung điện tử và cơ học. 4.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng hàn đắp Ngoài các thông số về điện, quá trình và chất lượng hàn rung còn chịu ảnh hưởng của độ rung của mỏ hàn và chất lỏng làm mát. Tần số rung của mỏ hàn (tức là của dây hàn) vào khoảng 50-100 lần/s gây ra bằng ấy lần phóng hồ quang và như vậy nó làm tăng độ ổn định của quá trình hàn và tăng lượng phun kim loại lên bề mặt bằng những suất phun không lớn lắm. Trị số biên độ rung của dây hàn và góc hợp bởi nó với chi tiết đều ảnh hưởng tới trị số khoảng cách giữa các điện cực. Khi khoảng cách đó tăng lên thì điện áp tăng lên và cường độ nóng chảy của kim loại tăng lên. Việc bố trí điện cực so với chi tiết được trình bày trên hình 4.6.71. Góc phải nằm trong khoảng 35 - 450 (0,612 - 0,787 rad), còn góc  trong khoảng 70-900 (1,22 - 1,57 rad). Chất lỏng làm mát làm giảm ảnh hưởng nhiệt của tia hồ quang đối với chi tiết và làm tăng vận tốc làm mát của lớp hàn, như vậy lớp hàn đắp sẽ có cấu trúc tôi và có độ cứng và độ chống mòn cao. Ngoài ra chất lỏng còn bảo vệ cho lớp hàn đắp khỏi bị tác động của ôxy và nitơ ngoài không khí. 4.5.4. Ưu nhược điểm của phương pháp hàn đắp rung 1. Ưu điểm - Ưu điểm của hàn đắp rung so với các phương pháp hàn đắp khác là chi tiết phục hồi bị đốt nóng không đáng kể, vùng ảnh hưởng nhiệt không lớn, do đó thành phần hóa học và tính chất cơ lý của chi tiết hầu như không bị thay đổi. Ngoài ra, nếu dùng dây hàn có hàm lượng các bon tương ứng thì có thể nhận được tất cả các dạng cấu trúc tôi của kim loại hàn đắp có độ cứng và chống mòn cao; - Cơ khí hóa được quá trình hàn, không phụ thuộc vào tay nghề công nhân; - Cho phép sửa chữa những chi tiết tròn có đường kính nhỏ cỡ 10-15mm mà không thể sửa chữa bằng hàn đắp tự động có bột hàn; - Năng suất cao khi phủ những lớp mỏng; - Khi hàn nhờ phương pháp sinh hồ quang bắt buộc nên có thể dùng nước làm nguội, và như vậy chi tiết không bị đốt nóng quá và không bị biến dạng (và đó cũng là điều rất quan trọng); - Sau khi hàn coi như chi tiết được tôi ngay do đó không phải gia công nhiệt luyện. 2. Nhược điểm Cnsc.135
26. Nhược điểm của hàn đắp rung là cấu trúc của lớp hàn đắp là không đồng nhất còn độ cứng là không đồng đều, trên bề mặt xuất hiện những vết nứt tế vi. Điều đó có thể giải thích là khi hàn đắp được một vòng lên chi tiết thì mối hàn đó được tôi với độ cứng cao, còn sau đó khi hàn đắp mối tiếp theo thì mối hàn đó lại được ram một phần. Do vậy độ bền mỏi của chi tiết bị giảm đi đáng kể. Vì vậy, khi sử dụng phương pháp hàn rung phải thận trọng xem xét điều kiện làm việc và đặc điểm kết cấu của chi tiết. Các chi tiết chịu tải trọng đổi dấu như trục khuỷu thì không nên sửa chữa bằng phương pháp này. Cho đến nay toàn bộ quá trình hàn vẫn chưa được nghiên cứu một cách triệt để. Các số liệu có tính chất tiêu chuẩn về tần số dao động chưa được quy định, về mối quan hệ giữa biên độ dao động với chế độ kỹ thuật, về hướng dao động tương đối của các đầu dây đối với chi tiết hiện nay mới chỉ được chọn qua thực tế sản xuất mà thôi. 4.6. Phục hồi chi tiết bằng phương pháp phun kim loại 4.6.1. Nguyên lý phun kim loại điện hồ quang Phun kim loại là quá trình tạo ra lớp phủ bằng cách phun các hạt kim loại nóng chảy nhờ luồng khí nén hoặc khí trơ lên bề mặt chi tiết đã được chuẩn bị trước. Việc làm nóng chảy và phun kim loại được tiến hành nhờ các máy phun kim loại. Tùy thuộc vào phương pháp làm nóng chảy kim loại, việc phun kim loại được chia ra: phun kim loại điện hồ quang, phun kim loại hơi, phun kim loại cao tần, phun kim loại hồ quang plazma, v.v Phun kim loại điện hồ quang dựa trên cơ sở sử dụng nguồn nhiệt của tia hồ quang làm nóng chảy kim loại cần phun. Trên sơ đồ (hình 4.9) ta thấy các dây kim loại 1 cách ly với nhau và được đẩy đi trong rãnh của vỏ máy phun nhờ các con lăn 5. Trong đầu phun của máy phun, giữa các dây kim loại có chênh lệch điện áp vì vậy xuất hiện tia hồ quang và dưới tác dụng của nó chúng bị nóng chảy. Các phần tử kim loại nóng chảy nhờ luồng khí nén 2 được thổi lên bề mặt đã chuẩn bị sẵn của chi tiết 3. 3 4 1 4 Cnsc. 136
27. Hình 4.9. Sơ đồ làm việc của máy phun kim loại điện hồ quang 1. Dây phun; 2. Luồng khí nén; 3. Chi tiết được phun; 4. Dây dẫn từ nguồn điện; 5. Các con lăn. Khi phun kim loại có thể phủ một lớp kim loại bất kỳ có chiều dày từ 0,03 mm tới vài milimét lên bất kỳ vật liệu nào như kim loại, gỗ, thủy tinh, thạch cao, giấy, v.v mà không làm những vật liệu đó bị nóng chảy. V [ m/s ] 75 125 200 50 PHVN Theùp,ñoàng,ñoàng ñoû, nhoâm thieác , keõm, ñoàng thau, nhoâm,thieác ñoàng ñoû,ñoàng thau keõm LEÂN CAÙC VAÄT LIEÄU Theùp vaø caùc Goã giaáy söù kim loaïi khaùc 1 khoâng khí 2 250 200 3 150 100 4 50 0 25 75 100 200 300 400 khoaûng caùch phun kim loaïi(mm) Hình 4.10. Sơ đồ quá trình phun kim loại 1. Bề mặt được phun; 2. Dây kim loại phun; 3. Đường cong thay đổi vận tốc khí nén; 4. Đường cong thay đổi tốc độ hạt kim loại Quá trình phun kim loại có thể chia ra làm 3 giai đoạn: Giai đoạn làm nóng chảy kim loại dây phun, giai đoạn phun kim loại nóng chảy đó nhờ luồng khí và giai đoạn hình thành lớp phủ. Hình 4.10 miêu tả sơ đồ quá trình phun kim loại. Theo nghiên cứu A.Ph.Trô-it-xki, khi đốt chảy dây kim loại trong máy phun xảy ra những chu trình như sau đây: Cnsc.137
28. 1. Xuất hiện hồ quang giữa các điện cực và đốt chảy chúng; 2. Ngắt mạch đầu tiên của mạch điện các điện cực; 3. Ngắn mạch và làm nóng chảy điện cực; 4. Phóng tia lửa điện và tiếp tục tia hồ quang mới. Sự nóng chảy kim loại xảy ra ở thời điểm chảy và ngắn mạch của tia hồ quang, ở những thời điểm ngắt mạch điện của các điện cực kim loại không bị nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy của kim loại ở những giai đoạn khác nhau đều khác nhau. Khi hồ quang cháy thì nhiệt độ của kim loại phun tương đối lớn, lúc đó sẽ tạo ra số lượng các hạt kim loại có kích thước nhỏ, còn khi đoản mạch nhiệt độ giảm xuống và lúc này tạo ra các hạt kim loại có kích thước lớn hơn. Khi các phần tử va vào bề mặt phun thì chúng bị làm lạnh bởi dòng không khí nén hoặc khi trơ và do truyền nhiệt từ các phần tử đã bám tới kim loại của chi tiết. Từ đó thấy được rằng, nhiệt độ đốt nóng của chi tiết khi phun kim loại không cao lắm, vào khoảng trên dưới 2000C. Người ta cho rằng liên kết bên trong của lớp kim loại phun với kim loại chi tiết có được là do lực bám tương hỗ cơ giới và tác động của các lực phân từ. Độ bám của lớp kim loại phủ với kim loại cơ bản phụ thuộc vào trạng thái bề mặt sửa chữa của các chi tiết, vào nhiệt độ và vận tốc của các hạt phun vào, kim loại phun và chế độ phun kim loại. Khi phun kim loại có thể tạo ra những hạt kim loại có kích thước khác nhau từ 2 đến 100 m . Tốc độ bay của các hạt kim loại có thể đạt tới khoảng 85-190 m/s còn thời gian chuyển động tới chi tiết thì không tới 0,003 giây. Ở vận tốc lớn và thời gian chuyển động nhỏ như vậy các phần tử không kịp làm lạnh một cách nhanh chóng được và khi chạm vào bề mặt chi tiết chúng vẫn nằm ở trạng thái dẻo. Vì bị va đập mạnh cho nên những phần tử này bị đàn hồi (biến dạng đi) và dính vào nhau, kết quả là nhờ tác dụng của các lực bám giữa các phân tử và nguyên tử tại chỗ tiếp xúc, các phân tử kim loại được liên kết với kim loại của chi tiết và với những phần tử kim loại phun lên trước nó. Vận tốc đưa dây và áp suất luồng khí cũng làm ảnh hưởng tới các quá trình trên. Khi vận tốc đưa dây lớn thì cường độ cực đại của dòng điện tăng lên và kéo dài thời gian ngắn mạch của điện cực và như vậy sẽ làm tăng khối lượng các hạt kim loại có kích thước lớn. Khi tăng áp suất luồng khí sẽ làm tăng chu kỳ cháy của tia hồ quang và như vậy chất lượng phun tốt hơn vì sẽ làm tăng khối lượng của các hạt có kích thước nhỏ. Tuy nhiên, cần chú ý rằng áp suất cao của luồng khí và sự tăng đột ngột vận tốc đưa dây tới một trị số lớn hơn trị số cực đại nào có thể dẫn đến là ở chu kỳ ngắn mạch kim loại không kịp nóng chảy hết. Những hạt kim loại lớn thậm chí những cục kim loại có thể bị bứt ra, va vào chi tiết làm ảnh hưởng không tốt tới chất lượng phun. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ chịu ảnh hưởng lớn của các yếu tố như vận tốc của các hạt, khối lượng và kích thước của chúng, nhiệt độ của các hạt trong thời gian chúng di chuyển, các hiện tượng xảy ra trong quá trình phun cũng như trạng Cnsc. 138
29. thái bề mặt chi tiết và vật liệu dây kim loại. Đại bộ phận các yếu tố đó phụ thuộc vào chế độ phun. Cấu trúc của lớp kim loại phun rất khác biệt so với cấu trúc của kim loại đúc hoặc cán. Lớp phủ thường là xốp, trị số độ xốp phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố, trong đó quan trọng nhất là phương pháp làm nóng chảy kim loại và chế độ làm việc của máy phun kim loại. Thành phần hóa học của lớp phủ cũng khác so với thành phần hóa học của dây phun bởi vì trong khi phun một số thành phần của nó như các bon, silic, mangan, v.v đã bị đốt cháy. Sự tồn tại các màng ôxy hóa trên bề mặt các phần tử kim loại phun cản trở sự tạo thành cấu trúc đồng nhất bình thường cuả lớp phủ và là nguyên nhân làm giảm độ dẻo của nó, đồng thời so với kim loại của chi tiết thì sức cản va đập, sức cản đứt, sức cản xoắn, sức cản uốn của nó nhỏ hơn rất nhiều. Lớp phủ chịu nén tốt nhưng chịu kéo tồi. Độ cứng của lớp phủ lớn hơn độ cứng của dây phun là do khi bị làm lạnh thì các phần tử đã được tôi (đối với dây các bon cao). Cấu trúc xốp và độ cứng cao của lớp phủ đảm bảo cho nó có độ chống mòn cao khi làm việc có bôi trơn. Tại điểm tiếp xúc giữa hai điện cực nhiệt độ sinh ra lớn, lớn hơn khá nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại, do đó tại đây xuất hiện hai trạng thái của kim loại: kim loại lỏng và hơi kim loại. Kim loại nóng chảy được luồng khí cuốn đi và được phun ra thành những hạt nhỏ với vận tốc lớn của luồng khí. Kim loại cũng như nhiệt độ của các hạt thay đổi từ điểm nóng chảy tới bề mặt của chi tiết và theo tiết diện của luồng khi từ đường tâm luồng khi ra tới lớp biên. Vận tốc của các hạt tăng dần từ vận tốc ban đầu khoảng 18 m/s cho tới trị số cực đại và sau đó càng xa vùng chảy thì càng giảm xuống. Trị số cực đại khi phun thép có thể đạt tới 190 m/s. Vận tốc cuối cùng của các hạt ở khoảng cách 250 mm cách đầu máy phun vào khoảng 85 m/s, thời gian bay của hạt vào khoảng 0,003 giây. Do đó hạt không bị làm lạnh đột ngột khi chạm tới bề mặt chi tiết và nó vẫn còn ở trạng thái dẻo. Sau đây là một số số liệu. - Khoảng cách từ đầu máy phun, mm: 50 100 200 - Nhiệt độ của các hạt kim loại trên đường tâm của luồng khi thổi 0C 1030 980 900 Như trên đã nói, vận tốc nhiệt độ của các hạt kim loại giảm xuống theo tiết diện của luồng khí thổi từ đường tâm ra tới chu vi. Nếu cho rằng trong quá trình bay, các hạt kim loại được làm mát không đồng đều và bị ôxy hóa một phần ở những mức độ khác nhau, thì thấy rõ ràng rằng, khi đạt tới bề mặt chi tiết, các hạt kim loại sẽ có kích thước, khối lượng, vận tốc và nhiệt độ khác nhau. Khi va đập vào bề mặt chi tiết, do những nguyên nhân trên, các hạt kim loại sẽ bị biến dạng, biến cứng và bị làm lạnh do bề mặt nguội của chi tiết ở những mức độ khác nhau và do vậy cấu trúc lớp phủ sẽ không đồng nhất và sẽ khác biệt rất nhiều so với cấu trúc của kim loại phun. Độ bền bám giữa các hạt kim loại với nhau có thể xem như độ bền tiếp xúc tạo bởi sự tác dụng của các lực bám giữa các nguyên tử, phân tử của các phần tiếp xúc. Cnsc.139
30. Thành phần hóa học của lớp phủ rất khác so với thành phần hóa học của dây phun vì khi bị nóng chảy, dây phun bị cháy mất một số các thành phần: C25-35%, Si 25-45%, Mn 35-38%, S 25-26%. Lớp phủ nhận được bằng cách phun dây kim loại có thành phần 0,7-0,8%C có cấu trúc gồm xoocbit, troxit, mactenxit. 4.6.2. Độ bền bám của lớp kim loại phủ với kim loại cơ bản Tính chất cơ bản xác định khả năng làm việc của các chi tiết phục hồi bằng phun kim loại đó là độ bền bám của lớp phủ với kim loại cơ bản. Độ bám của lớp phủ với kim loại cơ bản được xác định bởi trạng thái bề mặt chi tiết cần phục hồi nhiệt độ, vận tốc của các hạt kim loại, vật liệu dây phun và chế độ phun kim loại. Muốn nâng cao độ bền bám của lớp kim loại phủ với kim loại cơ bản thì bề mặt chi tiết phải được làm nhám bằng cách cắt ren hỏng, gia công cơ-dương cực, v.v Nhiều thí nghiệm đã chứng minh rằng, độ nhám bề mặt càng lớn thì độ bền bám giữa lớp phủ với kim loại chi tiết càng cao. Vì vậy nhiều nhà nghiên cứu cho rằng độ bền bám là sự liên kết cơ học đơn thuần của các hạt kim loại với độ nhấp nhô bề mặt chi tiết. Nhưng theo quan điểm đó thì không thể giải thích được rất nhiều những hiện tượng khác, chẳng hạn như nâng cao độ bền bám bằng cách nung nóng sơ bộ chi tiết, phủ lót một lớp kim loại hoặc hợp kim nhẹ (dễ nóng chảy). Do vậy, liên kết cơ học có lẽ chỉ có một vai trò nào đó trong độ bền bám mà thôi. Tuy nhiên, ý nghĩa cơ bản của độ nhám để tăng độ bền bám là ở chỗ làm giảm góc biên, có nghĩa là cải thiện điều kiện thấm ướt bề mặt chi tiết bằng các hạt kim loại. Độ dẻo của các hạt kim loại cho phép có thể coi quá trình phun kim loại lên bề mặt chi tiết như một hiện tượng gần giống với hiện tượng thấm ướt. Theo R. Gurvink thì sự thấm ướt đối với một hệ gồm hai vật thể sẽ xảy ra trong những trường hợp khi ít nhất có một vật được mang tới bề mặt của vật kia trong trạng thái lỏng hoặc dẻo. Nhưng cũng có thể xuất hiện câu hỏi là trong trường hợp này liệu có thể xảy ra hiện tượng thấm ướt không, chừng nào các hạt kim loại phun có thể bị bao học một màng ôxyt. Có thể trả lời câu hỏi này một cách khẳng định theo những nguyên nhân sau. Một là độ cứng của màng ôxyt lớn hơn rất nhiều so với độ cứng của hạt kim loại phun (trong các lớp kim loại phun các ôxyt thường gặp nhất là ôxyt sắt Fe2O3 và sắt từ Fe2O4, độ cứng Mooxơ của chúng là 6,5, trong khi đó của bản thân kim loại là (4-5). Hai là độ dày của các màng ôxyt không lớn lắm và có trị số vào khoảng vài chục ăngxtrem. Vì vậy, khi các hạt kim loại đập phải bề mặt chi tiết thì các màng ôxyt vừa cứng vừa ròn bao quanh các hạt đó sẽ bị nứt ra và làm cho các bề mặt của hạt kim loại và của kim loại trở nên tinh sạch. Khi các điểm khác nhau của các phần bề mặt kim loại tinh sạch xích lại với nhau ở cự ly khoảng vài chục ăngxtrem thì lúc đó sẽ xuất hiện những lực tác dụng tương hỗ của liên kết phân tử. Các mảnh vỡ của màng ôxyt lẫn vào lớp phủ làm cho nó có thành phần ôxyt càng lớn. Độ bám của lớp kim loại phun với kim loại cơ bản có được, là do liên kết phân tử xuất hiện khi bề mặt chi tiết bị các hạt kim loại nửa ướt. Trên hình 4.11. biểu thị hạt kim loại trên phun bề mặt chi tiết. Cnsc. 140
31. Sức căng bề mặt  2,3 xuất hiện trên biên chi tiết - không khí, 1,3 - trên biên hạt kim loại - chi tiết và 1,2 - trên biên hạt kim loại - không khí. Lực căng bề mặt  2,3 có xu hướng kéo dẫn giọt kim loại theo đường tiếp xúc còn lực căng bề mặt 1,3 có xu hướng kéo có giọt kim loại ngược trở lại. Góc tạo bởi lực căng bề mặt 1,3 với bề mặt chi tiết gọi là góc biên hay góc thấm ướt. Giọt kim loại sẽ nằm ở vị trí cân bằng nếu: 1,2 + 1,3 cos =  2,3 , (4.19) H¹t kim lo¹i  1,3 ThÊm ­ít  1,2 2,3 Chi tiÕt 1,3  1,2 2,3 Hình 4.11. Sơ đồ hạt kim loại phun trên bề mặt chi tiết Góc biên có hướng về phía chất lỏng, có nghĩa là về phía giọt kim loại phun. Từ phương trình (4.11) có thể suy ra điều kiện thấm ướt. Đơn vị đo độ thấm   ướt được dùng bằng trị số B cos 2,3 1,2 hoặc góc biên  . Góc biên càng 1,3 nhỏ thì độ thấm ướt càng tốt. Khi 0 1,3 + 1,2 , (4.20) Chi tiết sẽ không bị thấm ướt bởi các hạt kim loại, nếu  > 900. Công cần thiết để đưa hạt kim loại lên chi tiết, hay nói khác năng lượng hút bám bằng: A = 1,3 +  2,3 - 1,2 , (4.21) Từ các phương trình trên ta có: A = 1,3 (1 + cos  ), (4.22) Trong đó A - năng lượng hút bám (hay công thấm ướt) cần bỏ ra để tách một hạt (một giọt) kim loại phun khỏi bề mặt chi tiết theo hướng vuông góc với bề mặt tiếp xúc. Cnsc.141
32. Khi  = 0, A = 2 1,3 , đây là trường hợp thấm ướt hoàn toàn bề mặt, nhưng hiện tượng này không thể có trong phun kim loại. Như đã biết khi phun kim loại cần tạo độ nhám lớn để tăng bề mặt tiếp xúc. Độ nhám bề mặt chi tiết trong phun kim loại có thể đánh giá bởi hệ số k, hệ số này là tỷ số giữa bề mặt thấm ướt thực tế với bề mặt nhẵn. Nếu bề mặt nhám của chi tiết lớn gấp k lần hình chiếu của bề mặt nhẵn thì: k.  2,3 = k. 1,2 + 1,3 . cos , (4.23) Khi k >1 góc biên  của bề mặt nhám sẽ có trị số khác, chẳng hạn là 1 . Sự cân bằng sẽ xảy ra khi: k. 1,2 = 1,3 cos 1 = k.  2,3 , (4.24) k. ( 2,3 - 1,2 ) = 1,3 cos 1 , (4.25) Nhưng  2,3 - 1,2 = 1,3 cos  .cos Cho nên: cos = 1,3 1 hoặc cos  = k.cos , (4.26) 1,3 k 1 Khi k  và độ thấm ướt bề mặt chi tiết bởi các giọt kim loại kém hơn so với khi k > 1 tức là khi 1 <  . Trong trường hợp thứ hai này, tức là khi bề mặt chi tiết nhám thì sự thấm ướt tốt hơn sẽ làm cho độ bền bám tăng lên. Cùng lúc đó độ bền bám cơ học cũng được tăng lên cùng với liên kết phân tử và độ bền bám cơ học đó có thể đóng một vai trò nào đó trong độ bền của lớp kim loại phủ với kim loại cơ bản. Theo nghiên cứu của A.Ph.Trô-it-xki, góc biên trong phun kim loại có trị số khoảng 23-450 (0,4-0,78 rad) và lớn hơn nữa. Độ bền liên kết phần tử là loại độ bền yếu nhất trong 4 loại liên kết của chất rắn (độ bền liên kết đo bằng năng lượng cần để phá vỡ toàn bộ liên kết đó, năng lượng này tính cho 1 môl và tính bằng kilôcalo hoặc electrônoat). Theo A.I. Brôt-xki, liên kết hóa học có năng lượng 1-10 eV, liên kết phân tử 0,001-0,1 eV. Độ bền phân tử trong phun kim loại lại càng yếu hơn vì các điều kiện thấm ướt không thuận lợi. Từ những dẫn dắt trên đây có thể kết luận rằng, độ bền bám của lớp kim loại phủ với kim loại cơ bản phụ thuộc vào rất nhiều nguyên nhân, một trong những nguyên nhân đó và là cơ bản nhất, là trạng thái bề mặt chi tiết cần phun và của các hạt kim loại phun. Ngoài ra độ bền bám còn phụ thuộc vào nội ứng suất dư, tùy thuộc vào nó mang dấu nào và tuỳ thuộc vào hình dạng hình học của chi tiết mà có thể làm tăng hoặc giảm độ bền. 4.6.3. Các phương pháp nâng cao độ bền bám của lớp kim loại phủ Như đã biết, trị số độ bền lớn nhất của lớp phủ với kim loại cơ bản đạt được là do dùng các phương pháp cơ khí thô sơ để chuẩn bị bề mặt chi tiết như cắt bằng ren hỏng, gia công tia lửa điện, v.v Tất cả những phương pháp đó đều làm giảm độ bền mỏi của chi tiết. Vì vậy, cần phải nâng cao độ bền bám bằng cách thay thế những phương pháp thô sơ bằng những phương pháp có khả năng không những không làm giảm độ bền của lớp phủ với kim loại cơ bản, mà còn làm tăng thêm độ bền đó. Cnsc. 142
33. Độ bền bám của lớp phủ với kim loại cơ bản chịu ảnh hưởng rất lớn của lớp kim loại phủ đầu tiên, như một cái nền cho những lớp sau. Độ bám của các hạt kim loại của lớp đầu tiên này xảy ra trong các điều kiện không thuận lợi hơn so với những lớp sau. Các hạt kim loại bay tới bề mặt nguội của chi tiết và bị làm lạnh, do đó mức độ dẻo của nó giảm xuống. Do đó hiện tượng thấm ướt bề mặt cứng của chi tiết cũng xảy ra ở những điều kiện không thuận lợi hơn so với sự thấm ướt của các lớp sau. Do bề mặt của chi tiết cũng như của chính bản thân các hạt kim loại bị ôxy hóa, đồng thời do không đủ biến dạng để bám cho nên đã làm thiếu mất điều kiện cần thiết để tạo ra sự tác động của các lực phân tử đối với rất nhiều hạt kim loại. Ngoài ra, do nhiệt độ chênh lệch ở bề mặt chi tiết và của các hạt kim loại, trong lớp phủ trên biên giữa các lớp xuất hiện nội ứng suất và làm cho bề mặt tiếp xúc có đặc tính ứng suất: Nhiệt độ của lớp biên, là nền tảng cho những lớp sau, cao hơn nhiệt độ của bề mặt chi tiết, do đó độ dẻo của tất cả các hạt ở những lớp sau sẽ lớn hơn so với độ dẻo của lớp đầu tiên đã bị bề mặt chi tiết làm nguội. Bề mặt lớp đầu tiên thường là nhám hơn so với bề mặt chi tiết, do đó điều kiện thấm ướt ở những lớp sau đều thuận lợi hơn. Những quan điểm trên đây về bản chất của các lực bám của lớp phủ kim loại cho phép xác định phương pháp nâng cao độ bền bám của nó với kim loại cơ bản cũng như cơ tính của lớp phủ. Những phương pháp đó có thể là: phun kim loại bằng cách thổi khí trơ, tăng độ thấm ướt bề mặt cứng của chi tiết bằng các hạt của lớp biên đầu tiên, sử dụng các lớp lót. Ngoài ra nung nóng sơ bộ cho chi tiết cũng làm tăng độ bền bám, chẳng hạn khi nung sơ bộ tới 2000C, độ bền bám có thể tăng lên 30% (V.M. Kria-giơ-kốp). Tuy nhiên, cũng phải chú ý rằng khi nung nóng sơ bộ chi tiết có thể làm cho cơ tính của nó thay đổi, nhất là đối với những chi tiết đã qua gia công nhiệt luyện. Tuy nhiên có thể đốt nóng chi tiết bằng điện cao tần, làm như vậy tính chất của chi tiết không bị thay đổi. Độ bền bám còn tăng lên nếu phủ các lớp lót bằng kim loại và hợp kim dễ dàng chảy (nhẹ) kết hợp với đốt nóng bằng điện cao tần. Lớp lót bằng các kim loại và hợp kim trên bề mặt chi tiết làm tăng độ thấm ướt ở bề mặt phân cách chi tiết lớp phủ. Tuy nhiên trong trường hợp này vẫn dùng lớp biên và như vậy ta thấy rằng nên dùng lớp mà không đốt nóng thì hiệu quả không đáng kể. Ngoài ra, còn dùng luồng khí nitơ để thổi cũng làm tăng độ bền bám hoặc dùng môlíp đen làm lớp lót dày độ 0,3mm cũng tăng độ bám của nó với kim loại cơ bản. Tóm lại, có thể đưa ra những kết luận sau đây: - Độ bám của lớp kim loại phủ với kim loại cơ bản phát sinh nhờ liên kết phân tử tạo ra dưới tác dụng thấm ướt bề mặt chi tiết bởi các phần tử kim loại nửa - ướt. Liên kết phân tử trong phun kim loại càng trở nên yếu ớt vì những điều kiện đặc biệt của quá trình phun. - Độ bền bám của lớp phủ kim loại có thể được nâng cao bằng cách dùng các lớp phủ lót bằng kim loại hoặc hợp kim dễ nóng chảy đó đốt nóng bằng dòng điện cao tần, đồng thời có thể dùng lớp lót bằng môlíp đen. Độ bền bám tăng lên trong những trường hợp trên là do điều kiện thấm ướt tốt hơn và bề mặt tiếp xúc tăng lên. Cnsc.143
34. - Phun kim loại có thổi khí nitơ cũng làm tăng độ bền bám nhưng mức độ thấp hơn so với trường hợp sử dụng các lớp lót và có đốt nóng cao tần. 4.6.4. Trang bị phun kim loại, quá trình công nghệ phun Để tiến hành các công việc về phun kim loại cần phải có những trang thiết bị cơ bản sau đây: Máy phun kim loại, biến áp, máy nén khí và bình chứa, bộ phận lọc khí (ngưng tụ hơi ấm và đầu), máy tiện (khi phun kim loại cho trục) máy phun cát và buồng phun cát, buồng kín (để phun các chi tiết phẳng). Các máy phun kim loại điện - hồ quang có thể dùng nguồn xoay chiều hoặc một chiều. Trên hình vẽ dưới đây trình bày thiết bị phun kim loại điện (hình 4.12). 3 5 1 2 4 10 11 13 12 9 8 7 6 Hình 4.12. Sơ đồ thiết bị phun kim loại. 1. Chi tiết phun kim loại; 8. Thùng chứa; 2. Máy phun kim loại; 9. Bình lọc khí; 3. Thiết bị cuốn dây; 10. Đồng hồ đo áp suất; 4. Lưới điện ; 11. Máy biến áp; 5. Bảng điện ; 12. Ống dẫn khí nén; 6. Động cơ điện; 13. Dây dẫn từ biến áp. 7. Máy nén khí; Quá trình công nghệ sửa chữa chi tiết bằng phương pháp phun kim loại gồm 3 giai đoạn chính sau đây: 1. Chuẩn bị bề mặt chi tiết trước khi phun kim loại; 2. Phun kim loại lên bề mặt chi tiết; 3. Gia công chi tiết sau khi phun. 1. Chuẩn bị bề mặt chi tiết trước khi phun kim loại Đây là giai đoạn rất quan trọng, bởi vì nó liên quan trực tiếp tới chất lượng bám của lớp kim loại phun với kim loại cơ bản. Về các phương pháp chuẩn bị thì như đã biết, người ta dùng ren hỏng để tạo nhám bề mặt, dùng các phương pháp điện như gia công cơ dương cực, v.v Các phương pháp này một mặt nâng cao được độ bền bám nhưng mặt khác lại làm giảm độ bền mỏi của chi tiết, đặc biệt đối với các chi tiết làm việc ở chế độ tải trọng đổi dấu như trục khuỷu, các gối quay, v.v Cnsc. 144
35. Gia công tia lửa điện và gia công cơ dương cực cho phép chuẩn bị những chi tiết có độ cứng bề mặt cao (tới HRC 60-61). Đối với những chi tiết có độ cứng cao người ta còn sử dụng các phương pháp điện-hồ quang và điện xung. Nhưng thí nghiệm cho thấy rằng những phương pháp này đều ảnh hưởng xấu tới giới hạn mỏi của chi tiết. Độ nhám bề mặt chi tiết trong những phương pháp chuẩn bị bằng điện được tạo ra bởi sự phá hủy các lớp bề mặt kim loại cơ bản và tạo ra các vết lõm (rãnh) lớn hoặc nhỏ hoặc các độ lồi có kích thước khác nhau, tuỳ thuộc vào chế độ gia công. Chuẩn bị bề mặt chi tiết bằng phương pháp gia công cơ-dương cực tiến hành ở chế độ tương đối thô ở điện áp 22-24V và dòng điện 100-150A, do đó ảnh hưởng nhiệt và chiều sâu ảnh hưởng của nó tương đối lớn. Do đó dù chỉ sai lệch một chút so với chế độ trên thì trên bề mặt chi tiết cũng đã có thể xuất hiện các vết nứt tế vi và chúng là nguyên nhân làm giảm giới hạn mỏi của chi tiết. Còn đối với các phương pháp gia công cơ, nếu gia công càng thô thì giới hạn mỏi càng thấp. Khi có các độ nhấp nhô bề mặt ở dang cắt (rạch) thì hệ số tập trung ứng suất  sẽ là: t 1 2  , (4.27)  trong đó: t - chiều cao các độ nhấp nhô tế vi; - bán kính làm tròn ở đáy của rãnh;  -hệ số phụ thuộc vào tỷ số của bước của các độ nhấp nhô với chiều cao của chúng. Đối với các bề mặt sau khi gia công cơ bằng cắt gọt 1 và t 0,05  0,3. Trong những trường hợp đó hệ số tập trung ứng suất là  1,5  2,5 . Từ đây thấy rõ rằng chiều cao của các độ nhấp nhô (độ nhám) tăng lên thì làm giảm đáng kể độ bền mỏi của chi tiết làm việc ở chế độ tải trọng đổi đầu. Khi chuẩn bị chi tiết phun kim loại bằng phương pháp cắt bằng ren lỏng hệ số tập trung ứng suất còn lớn hơn những trị số trên, vì còn xuất hiện các độ nhấp nhô phụ do dao cắt rung vì tầm với quả nó dài. Tóm lại, những phương pháp chuẩn bị chi tiết trên đây đều làm giảm giới hạn mỏi của chi tiết. Do vậy, các phương pháp chuẩn bị bằng gia công cơ, nếu độ cứng chi tiết cho phép, cần phải được thay thế bằng các kiểu lăn ép khác nhau. Chi tiết đo độ cứng bề mặt lớn nên thổi bằng bột thép. Hai phương pháp này không làm giảm giới hạn mỏi và độ bền bám của nó so với gia công bằng ren hỏng cũng không nhỏ hơn bao nhiêu. Việc chuẩn bị bề mặt chi tiết gồm những thao tác sau đây: Làm sạch cặn bẩn, sạch gỉ và khử mỡ, tạo độ nhám bề mặt và cách ly các bề mặt không phun. Việc tạo nhám, như trên đã nói, phải thực hiện bằng những phương pháp sau: cắt bằng ren hỏng, gia công bằng bột thép, gia công bằng điện, v.v Gia công bằng bột thép là phương pháp chuẩn bị tương đối có hiệu quả. Người ta dùng luồng khí Cnsc.145
36. nén có áp suất 5-6 kG/m2 thổi bột thép (0,8 -1,5 mm) lên bề mặt chi tiết. Bề mặt của các chi tiết hình trụ có độ mòn không lớn trước khi tạo nhám cần phải tiện láng để đạt được hình dạng hình học đúng đắn và đảm bảo độ dầy cho phép nhỏ nhất của lớp phun. Các bề mặt chi tiết không phun kim loại được bảo vệ bằng giây mịn, bằng các tông hoặc bằng hộp kim loại. Thời gian từ lúc chuẩn bị bề mặt chi tiết đến khi phun không được quá 2 giờ. Đối với các phương pháp chuẩn bị bằng gia công cơ, để tăng độ bền bám của lớp phủ với kim cơ bản, trên đầu mút của cổ của các trục hở nên xọc các rãnh sâu 1,5 mm, rộng 1,5-2,0 mm cách mặt đầu 1,5-2,0 mm. Đồng thời, cổ trục trước khi gia công bằng ren hỏng hoặc lăn ép nên tiện láng và để lại một gờ rộng 1,5 mm ở phía đầu (hình 4.13). A - A 1 2 1 A 3 2 A Hình 4.13. Sơ đồ lớp kim loại phun trên chi tiết 1. Kim loại cơ bản; 2. Lớp phủ; 3. Gờ giới hạn (gờ hạn chế). 2. Quá trình phun kim loại Các chi tiết có bề mặt trụ thì việc phun kim loại tiến hành trên máy tiện, còn các chi tiết có bề mặt phẳng thì tiến hành phun trong buồng kín. Khi phun kim loại trên máy tiện, chi tiết được kẹp chặt trên mâm cặp (kích thước của máy tiện phải phù hợp với chiều dài chi tiết) hoặc trên tấm máy và sẽ được quay tròn. Còn máy phun thì được dịch chuyển dọc theo chi tiết, bằng tay hoặc được cặp lên bàn dao của máy tiện nhờ đồ gá chuyên dùng. Khi phun kim loại cho các chi tiết có đường kính 100-150mm bằng máy phun, chuyển động tịnh tiện của máy khoảng 10-15mm/vòng, còn chi tiết quay với vận tốc 15-20m/phút. Khi phun kim loại cho các chi tiết có kích thước bất kỳ bằng máy phun tay, vận tốc của máy phun là 1-5mm/vòng, còn chi tiết quay với tốc độ 12-15 m/phút. Phun kim loại cho các bề mặt bị mòn của chi tiết được tiến hành cho tới khi đạt được kích thước danh nghĩa cộng thêm với lượng dư gia công. Lượng dư gia công khi tiện láng là 0,5-1,0 mm về một phía và cho mài tiếp theo là 0,15-0,20 mm. Còn nếu lớp phủ chỉ phải mài thì lượng dư gia công lấy 0,3-0,7 mm về một phía tuỳ thuộc kích thước đường kính của chi tiết. Thời gian cơ bản cần thiết để phun kim loại cho các chi tiết hình trụ: Cnsc. 146
37. .d.l.h..60 .d.l.h. T 0,006 , phút (4.28) 10.1000.q.k q.k trong đó: d - đường kính chi tiết cần phun kim loại, cm; l - chiều dài chi tiết cần phun, cộng với hành trình chạy quá của máy phun, cm; h - chiều dày lớp phủ, mm;  - trọng lượng riêng của lớp phủ, g/cm3; q - năng suất máy phun, kg/giờ; k - hệ số sử dụng hữu ích dây kim loại có tính tới tổn thất kim loại khi phun. Bảng 4.11. Chỉ dẫn về một số chế độ phun kim loại Kiểu phun kim loại Các chỉ tiêu Hồ Điện hồ Điện cao tần Hơi quang quang plazma Khoảng cách từ buồng phun tới bề mặt, mm 80 -100 100 - 125 100 - 150 80 - 120 Điện áp, V 25 - 35 - - 60 - 100 Cường độ dòng điện, A 80 - 120 - - 400 Áp suất khí nén, kG/cm2 5 - 6 4 3 - 5 - Áp suất axêtilen, kG/cm2 - - 0,04 - 0,6 - Áp lực ôxy, kG/cm2 - - 2 - 4 - . Nếu d và l tính bằng m,  tính bằng kg/m3 và q bằng kg/s thì: .d.l.h. T .10 3 , giây (4.29) q.k Trị số k phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: kiểu máy phun, chế độ phun, khoảng cách từ đầu máy phun tới chi tiết, đường kính chi tiết, v.v Hệ số k có thể lấy trong khoảng 0,70 - 0,80. Chỉ dẫn về một số chế độ phun kim loại được cho trong bảng 4.11. 3. Gia công chi tiết sau khi phun kim loại Sau khi phun kim loại phải tiến hành gia công cơ cho chi tiết. Các lớp phủ được phun từ dây thép có hàm lượng các bon dưới 0,30% cũng như phun từ kim loại màu được đem tiện láng và sau đó đem mài. Khi tiện dùng dao có lưỡi cắt bằng hợp kim cứng như T15K6, BK6, BK8. Các lớp phủ được phun từ dây thép có hàm lượng các bon lớn hơn 0,30% thì không tiện mà chỉ mài. Mài với vận tốc cắt là 25-30 m/s, vận tốc quay của chi tiết là 10-12 m/phút (0,17 - 0,20 m/s), chiều sâu cắt 0,015 - 0,03mm, lượng ăn đá 5-10 mm/vòng. Các bề mặt trụ gia công trên máy tiện, máy mài, các mặt phẳng gia công trên máy tiện hoặc bằng tay. Cnsc.147
38. Trên đây ta đã xét về phun kim loại điện-hồ quang. Như đã nói, ngoài phương pháp này còn có các phương pháp phun kim loại khác như: phun kim loại hơi (bằng ôxy hoặc axetylen), phun kim loại điện cao tần và phun kim loại plazma-hồ quang. Về nguyên lý chúng chỉ khác nhau ở chỗ nguồn điện cung cấp để làm nóng chảy kim loại, còn các bước công nghệ khác đều tương tự. Vì khuôn khổ giáo trình có hạn chúng ta không xét cụ thể những phương pháp đó ở đây. 4.6.5. Ưu nhược điểm của phương pháp phun kim loại 1. Ưu điểm Có thể phun bất kỳ loại kim loại hoặc hợp kim nào lên những vật liệu rất khác nhau như kim loại, gỗ, thuỷ tinh, thạch cao, giấy, sứ v.v với chiều dày lớp phủ có thể đạt tới 0,03mm tới vài milimét thậm chí tới 10-15 mm mà không làm những vật liệu đó bị nóng chảy, điều đó cho phép có thể sửa chữa những chi tiết có độ mòn lớn. Nhiệt độ đốt nóng của chi tiết khi phun kim loại không cao lắm, vào khoảng trên dưới 2000C. Độ cứng của lớp phủ lớn hơn độ cứng của dây phun là do khi bị làm lạnh thì các phần tử đã được tôi (đối với dây các bon cao). Cấu trúc xốp và độ cứng cao của lớp phủ đảm bảo cho nó có độ chống mòn cao khi làm việc có bôi trơn ở chế độ ma sát ướt và nửa ướt. 2. Nhược điểm Thành phần hóa học và cấu trúc của lớp phủ khác biệt so với thành phần hóa học của dây phun bởi vì trong khi phun một số thành phần của nó như các bon, silic, mangan, v.v đã bị đốt cháy, do đó lớp phủ thường là xốp và ròn. Sự tồn tại các màng ôxy hóa trên bề mặt các phần tử kim loại phun cản trở sự tạo thành cấu trúc đồng nhất bình thường cuả lớp phủ và là nguyên nhân làm giảm độ dẻo của nó. So với kim loại của chi tiết thì sức cản va đập, sức cản đứt, sức cản xoắn, sức cản uốn của nó nhỏ hơn rất nhiều. Lớp phủ chịu nén tốt nhưng chịu kéo tồi, nhạy cảm với tải trọng va đập cho nên không thể tiện ren trên phần đó được. Việc chuẩn bị chi tiết để phun khá phức tạp và khó khăn nhất là đối với những chi tiết có độ cứng bề mặt cao, tổn hao kim loại tương đối lớn khi phun cho những chi tiết có kích thước nhỏ. Do những nhược điểm trên, cho nên hiện nay phun kim loại vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong các xí nghiệp sửa chữa đầu máy diezel nói riêng cũng như trong công nghiệp nói chung. 4.7. Phục hồi chi tiết bằng phương pháp mạ điện phân 4.7.1. Khái niệm chung về mạ điện phân Phục hồi chi tiết bằng các phương pháp mạ điện phân có nghĩa là phủ một lớp kim loại lên bề mặt chi tiết bằng cách điện phân. Cnsc. 148
39. Ta đã biết, các kim loại thường được gọi là các chất dẫn điện bậc nhất, còn các dung dịch nước của kiềm, axit và muối là các chất dẫn điện bậc hai hay còn gọi là chất điện phân. Khi hòa tan các kiềm, axit và muối trong nước, các phân tử của chúng được phân ly thành các nguyên tử hoặc các nhóm nguyên tử (ion) mang điện tích dương (kation) và mang điện tích âm (anion). Quá trình phân tích các hợp chất hóa học thành các ion dưới tác dụng của chất hòa tan (của nước) được gọi là quá trình phân ly. Khi phân ly, các ion của kim loại và nước nhận điện tích dương, còn các ion của các chất kết tủa của axit và hyđroxit thì nhận điện tích âm. Để mạ điện phân kim loại, người ta đưa vào chất điện phân các thành kim loại và nối chúng với nguồn điện. Thanh kim loại nối với cực dương gọi là anốt và thanh nối với cực âm gọi là katôt. Khi đóng mạch dòng điện, các ion mang điện tích dương bắt đầu chuyển động về phía katốt, còn các ion mang điện tích âm chuyển động về phía anốt. Các ion dương (kation) sau khi về tới mặt katốt sẽ nhận thêm điện tử còn thiếu và trở thành các nguyên tử trung tính. Khi đó hyđrô biến thành khí, còn kim loại trong những điều kiện thuận lợi có thể kết tủa xuống katốt và tạo thành lớp mạ điện phân. Các ion âm (anion) sau khi về tới bề mặt của anốt sẽ phóng điện và cho đi những điện tử thừa, tức là bị oxy hóa và trở thành các nguyên tử trung tính tham gia vào các phản ứng hóa học hoặc được thoát ra ở trạng thái tự do. Quá trình ôxy hóa khử đó gọi là quá trình điện phân. Trong khi điện phân để tạo ra lớp mạ kim loại, chi tiết cần mạ được dùng làm katốt, con anốt thường là các tấm hoặc thanh kim loại. Anốt có thể hòa tan trong dung dịch hoặc không hòa tan, tuỳ từng trường hợp cụ thể. Chất hòa tan được làm từ chính kim loại cần phủ lên chi tiết. Hiện tượng điện phân hoàn toàn tuân theo định luật của Pha-ra-đây. Định luật Pha-ra-đây phát biểu như sau: 1. Khối lượng chất kết tủa khi điện phân tỷ lệ với khối lượng điện tích thông qua chất điện phân, có nghĩa là tỷ lệ với cường độ dòng điện nhân với thời gian. 2. Khối lượng chất kết tủa khi dòng điện chạy qua chất điện phân tỷ lệ thuận với đương lượng điện hóa của nó. Đương lượng điện hóa là khối lượng kim loại tính bằng gam được kết tủa trong thời gian 1 giờ khi dòng điện chạy qua là 1 ampe. Định luật Pha-ra-đây được biểu thị bằng công thức: m C.I.t , (4.30) trong đó: C- đương lượng điện hóa, g/A.h; I- cường độ dòng điện, A; t- thời gian điện phân, h. Thực tế trong phần lớn các trường hợp, khối lượng kim loại kết tủa ở katốt ít hơn so với khối lượng tính toán theo định luật Pha-ra-đây. Để làm sáng tỏ vấn đề đó người ta đưa ra các khái niệm: 1. Hiệu suất dòng điện Cnsc.149
40. Hiệu suất dòng điện là tỷ số giữa khối lượng kim loại kết tủa thực tế trong khi mạ với khối lượng tính toán theo lý thuyết (theo định luật Pha-ra-đây), tính bằng phần trăm. m th.t .100% , (4.31) ml.th trong đó: -hiệu suất dòng điện, %; mth.t - khối lượng kết tủa thực tế, gam; ml.th - khối lượng kết tủa tính theo lý thuyết, gam. 2. Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện là tỷ số giữa cường độ dòng điện chạy qua chất điện phân với diện tích bề mặt của điện cực, tính bằng ampe/dm2. I D , (4.32) F trong đó: D -mật độ dòng điện, A/dm2; I - cường độ dòng điện chạy qua chất điện phân, A; F - diện tích bề mặt điện cực, dm2. Mật độ dòng điện của katốt được ký hiệu là Dk còn của anốt ký hiệu là Da. Cường độ dòng điện đi qua chất điện phân được tính bằng định luật Ôm (hình 4.14). U I , A (4.33) r trong đó: L r - điện trở của chất điện phân, ôm; .s L- khoảng cách giữa các điện cực, cm; s- diện tích mặt cắt ngang của chất điện phân nằm giữa 2 điện cực, cm2; 1  - độ dẫn điện đơn vị của chất điện phân (điện trở suất), . om.cm Một trong những yêu cầu cơ bản đối với chất lượng mạ điện phân là độ phân bố đồng đều lớp kết tủa kim loại, có nghĩa là chiều dày lớp mạ phải như nhau trên toàn bộ bề mặt chi tiết. Thực tế thì chiều dày của lớp mạ ở các rìa và các góc của chi tiết lớn hơn rất nhiều so với phần giữa của bề mặt chi tiết. Độ không đồng đều đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có thành phần của chất điện phân, mật độ dòng điện, khoảng cách giữa các điện cực, sự bố trí tương hỗ giữa các điện cực. U L Cnsc.150 Chaát ñieän phaân
41. Hình 4.14. Định luật ôm đối với chất điện phân Độ không đồng đều bề dày của lớp kim loại tăng lên khi mạ các chi tiết có hình dạng phức tạp. Trong trường hợp này, ở những phần chi tiết nằm gần anốt hơn có mật độ dòng điện lớn, còn ở những phần xa hơn thì ngược lại mật độ dòng điện sẽ nhỏ hơn. Qua đó rút ra định nghĩa: 3. Năng lực mạ đều Năng lực mạ đều (hay năng lực khuếch tán) của bể là khả năng của chất điện phân có thể làm cho lớp mạ đồng đều theo chiều dày trên các katốt có hình dạng phức tạp. Điện áp của bể mạ có thể tính: U = Ed + Ir - Ea, (4.34) trong đó: U - điện áp mạ, V; Ed -điện thế của dương cực, V; Ea -điện thế của âm cực, V; I và r -dòng điện và điện trở của dung dịch, (A và  ). 4.7.2. Phục hồi chi tiết bằng phương pháp mạ crôm Mạ crôm dùng để phục hồi các chi tiết bị hao mòn như các thân dẫn hướng của xupáp con đội, các cổ trục của trục phối khí, các loại chốt, ắc, các loại xécmăng, xylanh, v.v và dùng để mạ bảo vệ trang trí cho các chi tiết như các tay vịn, các nút điện và một số chi tiết khác. Crôm có các tính chất cơ bản là độ cứng cao (HB 700-800), chịu được nhiệt độ tới 5000C, tính chống ăn mòn và chống mài mòn cao. Không bị axit tác dụng cùng với tính chịu nhiệt và tính chống mòn cao đó là tính chất cơ bản của crôm cho phép mạ các chi tiết làm việc ở môi trường khí như xécmăng, xylanh. Ngoài ra lớp mạ crôm có độ ròn cao và bôi trơn kém. 1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị mạ crôm Thiết bị mạ crôm được thể hiện trên hình 4.15. Thân bể là một thùng hình chữ nhật được hàn từ thép tấm dầy 4-6mm. Thân bể được đặt trong một thùng hàn khác dùng làm vỏ. Khoảng không gian giữa thân bể và vỏ có chứa nước dùng để hâm nóng đều đặn chất điện phân và duy trì nhiệt độ của nó ở những giới hạn nhất định. Nước trong vỏ bể được hâm nóng bằng hơi nước hoặc bằng điện. Để bảo vệ bề mặt bên trong của thành bể khỏi bị tác dụng phá hoại của chất điện phân người ta lót bể bằng một loại vật liệu có độ bền hóa học cao so với chất điện phân và có độ bền cơ khí cao như chì, viniplát, hoặc các tấm matít. Trên thành bể có đặt miệng quạt hút để thải các chất bay hơi độc hại ra ngoài. Kích thước của các bể được chọn tùy thuộc vào kích thước giới hạn và số lượng các chi tiết mạ trong bể. Cnsc.151
42. Trong quá trình mạ crôm người ta thường dùng các anốt không tan bằng chì hoặc hợp kim của chì với 6% ăng-timoan (Sb). Sở dĩ không sử dụng các anốt tan bởi vì khi tan trong chất điện phân, do hiệu suất dòng điện thấp nên sẽ sinh ra một lượng dư crôm và như vậy bể sẽ không làm việc bình thường được. Như vậy, việc kết tủa crôm trên katốt gây ra sự giảm nồng độ crôm trong chất điện phân, vì vậy chất điện phân phải được bổ sung ôxyt crôm một cách liên tục. Katốt trong bể mạ chính là các chi tiết cần mạ. Để cấp dòng điện một chiều cho bể mạ người ta sử dụng các cầu nắn dòng hoặc các máy phát một chiều. 1 3 3 2 4 5 6 9 10 7 8 11 12 13 Hình 4.15. Sơ đồ bể mạ crôm 1.Thanh treo katốt; 8. Thân bể; 2. Thiết bị treo; 9. Katốt (chi tiết); 3. Thanh treo anốt; 10. Anốt (thanh chì); 4. Miệng quạt hút; 11. Chất điện phân; 5. Vỏ bể; 12. Dây hâm nóng; 6. Nước hâm nóng; 13. Giá đỡ. 7. Lớp lót bể; Ngoài những tính chất và ưu điểm đã trình bày ở trên, quá trình mạ crôm còn có những đặc điểm sau đây: - Qúa trình mạ lâu, các nguyên công chuẩn bị phức tạp; - Chỉ phục hồi được những chi tiết có độ mòn tương đối nhỏ, bởi vì lớp mạ crôm có chiều dày lớn ( 0,3-0,4mm) có tính chống mòn thấp và đắt tiền; Cnsc. 152
43. - Hiệu suất bể mạ thấp (12-18%), giá thành cao; - Có thể dùng các anốt không tan: chì hoặc hợp kim + ăngtimoan, (cho ăngtimoan vào để chì khỏi bị ăn mòn); - Mật độ dòng điện cao. Khi sử dụng mật độ dòng điện thấp thì crôm sẽ không kết tủa lên chi tiết và khi đó do hiệu suất dòng điện thấp nên quá trình mạ phải kéo dài rất nhiều. (Tùy thuộc vào thành phần và nhiệt độ của bể mà người ta sử dụng các mật độ từ 25 – 65A/dm2); - Năng lực mạ đều kém. Vì độ dẫn điện của bể mạ crôm kém nên phải sử dụng điện áp lớn 6-10V, trong khi đó các loại mạ khác chỉ cần 3-4 V. Trong khi mạ crôm một phần năng lượng của dòng điện dùng vào việc di chuyển kim loại giữa 2 cực, một phần dùng vào việc làm thoát các chất khí sinh ra trong khi mạ ra khỏi dung dịch. Vì vậy, năng lượng dòng điện không được dùng hoàn toàn vào việc di chuyển kim loại giữa hai cực. Do đó hiệu suất dòng điện là tỷ số lượng kim loại được di chuyển từ dương cực sang âm cực và lượng kim loại tính toán. 2. Bản chất của quá trình mạ crôm Đặc điểm của mạ crôm là dung dịch mạ không phải là dung dịch muối crôm mà là dung dịch oxyt crôm, cực dương không phải là thanh crôm nguyên chất mà là một tấm chì (Pb), trong quá trình điện phân chì không tham gia phản ứng hóa học. Trong quá trình mạ, ngoài lượng kim loại crôm bám lên cực âm ra còn một lượng khí rất lớn cũng được thoát ra ở âm cực âm do đó sẽ giảm thấp hiệu suất dòng điện. Do khí hyđrô bám ở âm cực nhiều nên điện trở lớn lại cần Da lớn cho nên hiệu điện áp cũng càng lớn, vì vậy quá trình mạ crôm là một quá trình tương đối phức tạp. Cho đến nay chưa có một kết luận nào hoàn hảo về vấn đề này cho nên ta tạm xét quá trình mạ crôm như sau: a. Ở âm cực (katốt) N2SO4 + CrO3 = H2CrO4 axitcrômic, (4.35) - Crôm được trung hòa ở âm cực và bám lên cực âm H2CrO4 + 6H + 6e Cr + 4H2O, (4.36) - Ion hyđrô được trung hòa và bay ra: 2H + 2e H2  , (4.37) - Crôm hóa trị 6 hoàn nguyên thành hóa trị 3 +++ H2CrO4 + 6H + 3e Cr + 4H2O, (4.38) Trong quá trình diễn biến ở cực âm, năng lượng dùng vào việc kết tủa kim loại crôm chỉ là một phần nhỏ, còn đại bộ phận năng lượng dùng vào việc làm thoát hyđrô. Chính vì vậy thấp. b. Ở cực dương (anốt) - Giải phóng oxy ra khỏi cực dương: - 4OH - 4e O2  + 2H2O, (4.39) - Crôm hóa trị 3 oxy hóa thành crôm hóa trị 6. +++ C2 + 4H2O - 3e H2CrO4 + 6H2, (4.40) Cnsc.153
44. Trong hai hiện tượng trên, hiện tượng giải phóng oxy ra khỏi cực dương chiếm ưu thế, do đó bọt oxy sủi lên ở cực dương rất mãnh liệt. Trong chất điện phân có thành phần của H2SO4 tham gia. Sở dĩ làm như vậy là vì khi dung dịch mà không có H2SO4 thì ở cực âm không có crôm nguyên chất xuất hiện, mà sẽ xuất hiện muối crôm hóa trị 2 hoặc hóa trị 3 màu nâu. +++ Khi có H2SO4 và Cr sẽ hóa hợp với nhau và tạo thành muối Cr2 (SO4)3 có thể hòa tan trong nước. Do đó trên cực âm xuất hiện crôm nguyên chất. Đối với loại dung dịch có nồng độ loãng thì năng lực mạ đều lớn, độ cứng của lớp mạ cao, lượng điện tích ở dạng khí bay ra ít nên hiệu suất dòng điện lớn và lượng CrO3 hao tổn cũng ít. Song vì dung dịch loãng nên lượng ion ít, điện trở của dung dịch lớn nên đòi hỏi điện áp mạ phải cao, mặt khác do dung dịch loãng nên tỷ lệ giữa oxyt crôm CrO3 và axit sunfuric H2SO4 luôn luôn thay đổi do đó phải thường xuyên điều chỉnh chất điện phân. Ngược lại, đối với loại dung dịch nồng độ đậm đặc thì khả năng mạ sâu lớn lượng ion trong dung dịch nhiều, do đó điện trở nhỏ và như vậy điện áp mạ yêu cầu cũng nhỏ. Tỷ lệ giữa oxyt crôm CrO3 và axit sunfurc H2SO4 thay đổi tương đối chậm, do đó thời gian cần thiết để điều chỉnh dung dịch cũng kéo dài hơn. Song, lượng điện tích ở dạng khi thoát ra cũng lớn do vậy hiệu suất dòng điện sẽ nhỏ và tóm lại lượng CrO3 hao tổn do hơi mang theo khi bốc ra cũng nhiều hơn. 3. Một số biện pháp nâng cao năng lực mạ đều Để nâng cao khả năng mạ đều cho chất điện phân có thể dùng các biện pháp thay đổi kích thước và hình dáng của các anốt và sự bố trí tương hỗ giữa chúng trong bể với chi tiết mạ cũng như khoảng cách giữa katốt và anốt. Khi mạ crôm cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, để đạt được lớp mạ tương đối đồng đều người ta thường sử dụng các anốt mà hình dạng của chúng tương tự với hình dạng của các bề mặt mạ. Trên hình 4.16 chỉ rõ ảnh hưởng của cách bố trí tương hỗ các anốt và chi tiết mạ crôm tới độ đồng đều của lớp mạ. Do kết quả tập trung các đường sức trên bề mặt chi tiết từ phía các anốt phẳng (a) nên chiều dày của lớp crôm ở những chỗ đó lớn hơn, còn bề mặt chi tiết sau khi mạ sẽ có hình ô van. Khi bố trí kín anốt so với bề mặt của chi tiết (b) các đường sức phân bố đồng đều và chiều dày của lớp mạ crôm cũng đồng đều, còn bề mặt chi tiết sau khi mạ sẽ là hình trụ đều. Cnsc. 154