Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 TẠO L ỚP PH Ủ THÉP H ỢP KIM TRÊN B Ề MẶT CHI TI ẾT D ẠNG TR Ụ BẰNG CÔNG NGH Ệ HÀN N Ổ Hà Minh Hùng - Ph ạm V ăn Qu ế (Vi ện Nghiên c ứu C ơ khí) 1. Đặt v ấn đề: Sử d ụng n ăng l ượng n ổ trong gia công kim lo ại bằng áp l ực là một trong các ph ươ ng pháp bi ến d ạng t ạo hình tiên ti ến để tạo phôi, ho ặc ph ục h ồi các chi ti ết máy có hình thù từ đơ n gi ản đến ph ức t ạp mà không c ần ph ải đầu t ư thi ết b ị t ạo áp l ực l ớn nh ờ có nhi ều ưu điểm và tính ch ất đặc bi ệt của quá trình n ổ, và do v ậy đã được nghiên c ứu ứng d ụng r ộng rãi t ại các n ước công nghi ệp tiên ti ến nh ư Mỹ, Liên Xô tr ước đây, Nh ật B ản và nhi ều n ước khác, trong đó đã có một vài nghiên c ứu ứng dụng tại Vi ệt Nam. Ở M ỹ, ng ười ta đã s ử d ụng n ăng l ượng n ổ để hàn các t ấm kim lo ại kích th ước l ớn có di ện tích đến 34 m 2 với nhau b ằng m ột l ần n ổ mà không c ần thi ết b ị t ạo áp l ực nào có th ể thay th ế được. Năng l ượng n ổ c ũng được ứng d ụng trong vi ệc t ạo phôi h ợp kim nhi ều l ớp đồng th ời k ết h ợp v ới nhi ều ph ươ ng pháp công ngh ệ truyền th ống nh ư: phun n ổ t ạo l ớp ph ủ kim lo ại lên b ề m ặt kim lo ại nền, ép n ổ t ạo hình v ật li ệu b ột kim lo ại, d ập n ổ bi ến d ạng t ạo hình các h ợp kim khó bi ến d ạng d ẻo, gia công bi ến c ứng chi ti ết b ằng thép h ợp kim t ại nh ững vùng c ục b ộ ch ịu t ải tr ọng l ớn... Hàn b ằng n ăng l ượng n ổ đã được các nhà khoa h ọc trên th ế gi ới, trong đó có Liên Xô tr ước đây, đặc bi ệt quan tâm và đầu tư nghiên c ứu ứng d ụng trong l ĩnh v ực ph ục h ồi các chi ti ết máy có kích th ước và kh ối l ượng l ớn ngay t ại hi ện tr ường s ử dụng, ví dụ nh ư: hàn ph ục h ồi các ch ỗ hư hỏng trên đường ống d ẫn d ầu khí, t ạo phôi để làm các bể ch ứa ch ịu ăn mòn hoá học, ch ế tạo v ật li ệu h ợp kim nhi ều l ớp t ừ nh ững kim lo ại và hợp kim khó bi ến d ạng d ẻo ở điều ki ện thông th ường dùng trong công nghi ệp hàng không và vũ tr ụ. Một l ĩnh v ực ứng d ụng n ăng l ượng nổ khác trên th ế gi ới là ph ục h ồi các chi ti ết t ừ vật li ệu b ằng thép và hợp kim m ầu khác có dạng ống nh ư xy lanh thu ỷ lực, d ạng cánh tu ốc bin thu ỷ khí, các g ối t ựa ch ịu l ực d ạng c ầu... c ũng r ất có hi ệu qu ả kinh t ế [1]. 3. Cách ti ếp cận - Nghiên c ứu cơ sở lý thuy ết hàn nổ để bi ến dạng dẻo tóp ống chi ti ết dạng hình tr ụ để từ đó tính toán lượng thu ốc nổ sử dụng cần thi ết để thí nghi ệm ph ục hồi một số xy lanh thu ỷ lực bằng thép trong b ộ gi ảm xóc xe ô tô vận tải mỏ tại Qu ảng Ninh; - Nghiên c ứu th ực nghi ệm phát tri ển công ngh ệ hàn nổ tóp ống để tạo phôi bimetal d ạng tr ụ từ vật li ệu lõi thép bên trong là thép ch ế tạo máy thông th ường (thép 45), và lớp ph ủ bề mặt làm vi ệc của một số chi ti ết máy bằng thép hợp kim ch ịu mòn cao (thép ШХ 15); - Nghiên c ứu tính ch ất biên gi ới hai l ớp bimetal thép 45 + thép ШХ 15 sau hàn nổ theo m ột số ph ươ ng pháp ở các công trình [1÷5]. 3. Nội dung báo cáo 3.1. Bài toán bi ến d ạng tóp ống kim lo ại b ằng n ăng l ượng n ổ Chúng ta quan sát m ột ống kim loại hình tr ụ có bán kính ngoài R 1 và bán kính trong R 2, ch ịu áp l ực p phân b ố đều ở mặt ngoài (hình 1). Khi p đạt một giá tr ị p1 nào đó thì ống kim lo ại 45 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 bắt đầu bi ến d ạng d ẻo và các phân t ố của ống b ị dịch chuy ển vào phía tâm m ột cách đối x ứng. Để đơ n gi ản hóa quá trình tính toán, chúng tôi gi ới h ạn ống kim lo ại có chi ều d ầy nh ỏ so v ới bán kính c ủa ống. T ừ đó cho phép có th ể bỏ qua ảnh hưởng của chi ều dài ống trong phép tính, và ta có th ể coi nh ư bài toán ph ẳng. Khi đó, ph ươ ng trình cân b ằng ứng su ất t ại m ột ph ần t ử nh ỏ của ống khi ch ưa chuy ển động trong t ọa độ c ực có d ạng: σ σ −σ d r r ϕ + = 0 (1) dr r Theo điều ki ện d ẻo Misses: σ − σ = 2 σ r ϕ T (2) 3 trong đó: σr, σϕ - ứng su ất h ướng tâm và ứng su ất ti ếp tuy ến t ươ ng ứng; σT - ứng su ất ch ảy c ủa v ật li ệu. Đặt bi ểu th ức (2) vào (1) và l ấy tích phân ph ươ ng trình (1) ta có: − 2σ σ = T + r ln r c (3) 3 Khi ống b ắt đầu bi ến d ạng d ẻo, h ằng s ố tích phân được xác định b ởi điều ki ện sau: 2σ σ = T r (r = R 2) = 0; c ln R 2 (4) 3 − 2σ σ = T r Đặt bi ểu th ức (4) vào (3) ta có: r ln (5) 3 R Gi ới h ạn áp su ất p 1 đủ để xy lanh bi ến dạng dẻo dưới tác d ụng c ủa t ải tr ọng t ĩnh được xác định theo bi ểu th ức: − σ = +σ ()= = 2 T R1 p 1 r r R1 ln (6) 3 R 2 ở đây: d ấu “ −” bi ểu th ị áp su ất nén. Trong tr ường h ợp ống thép bi ến d ạng d ưới tác d ụng c ủa t ải tr ọng động xung cao t ốc khi n ổ thì σT không th ể là ứng su ất ch ảy t ĩnh c ủa v ật li ệu, mà khi đó ta ph ải l ấy gi ới h ạn ch ảy động σtd : − = 2 σ R 1 p td td ln (7) 3 R 2 Sau đây ta hãy xét tr ường h ợp ống b ị tóp co l ại theo h ướng kính (v ật li ệu thành ống chuy ển động h ướng vào tâm) d ưới tác d ụng c ủa áp l ực xung n ổ. Nhà khoa h ọc ng ười Nga nghiên c ứu trong l ĩnh v ực hàn n ổ Đeribas A. A. gi ả thi ết coi hình tr ụ bị bi ến dạng r ất nhanh như một ch ất l ỏng lý t ưởng. Khi đó, nếu g ọi r o là kho ảng cách c ủa m ột ph ần t ử nh ỏ của ống đối với tâm tr ước lúc bi ến d ạng: r(r o, t) là kho ảng cách c ủa chính điểm đó ở th ời điểm t (sau khi n ổ) trong quá trình d ịch chuy ển. Ph ươ ng trình liên t ục của ph ần t ử trên thành ống có dạng: ∂ r ( r0 , t ) = r0 ∂ (8) r0 r ( r0 , t ) 46 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 Ph ươ ng trình chuy ển động c ủa ph ần t ử có dạng: ∂ 2 r(r , t) r(r , t) 1 ∂P (r , t) 0 0 = − 0 (9) ∂ 2 ρ ∂ t r0 1 r0 trong đó: p - áp su ất c ủa ch ất l ỏng; ρ1 - kh ối l ượng riêng c ủa v ật li ệu được coi nh ư ch ất l ỏng. = 2 + Lấy tích phân ph ươ ng trình (8) theo r 0: r r0 C(t) (10) ở đây: C (t) - hằng s ố tích phân ph ụ thu ộc vào bi ến s ố (t). Lấy đạo hàm bi ểu th ức (10) theo (t) và đặt vào ph ươ ng trình (9) ta có: " 2 2' C R 10 + c c  1 1 1  1 ln + − − = − []p()()R − p R (11) 2 +  2 + 2 + 2 +  ρ 1 2 4 R 20 c 8 R 10 c R 10 c R 20 c 1 2 2 2 2 trong đó: p (R 2) = 0; p(R 1) = t; R 1 = R 10 + C ; R 2 = R 20 + C 2 d ( R ) d 2 ( R 2 ) Ta có: C ' = 1 ; C " = 1 (12) dc dt 2 Thay C ' và C " vào ph ươ ng trình (11) ta nh ận được: 1 d 2 R 2 t)(  d  2 R 2 − R 2 1  R 2  []R 2 (t ) ln 1 − R 2 t)( 10 20 = p t)( − K ln 1 − p t)(  2 1 2  1  2 2 ρ 1 2 2 4 dt R2 t)( dt  8R1 t)( R2 t)(  R2  = σ − σ K r ϕ (13) Vì nếu coi v ật li ệu trong tr ường h ợp bi ến d ạng ở tốc độ và áp su ất cao khi n ổ nh ư một ch ất l ỏng lý t ưởng không nén được, nên ta có th ể vi ết: 2 − 2 = 2 − 2 2 = 2 + 2 − 2 R1 R2 R10 R20 ; R2 R1 R20 R10 Áp l ực sinh ra do quá trình n ổ tác d ụng lên ống hình tr ụ được xác định nh ư sau: 16 ρ  H + R − R (t ) dR (t )  3 p (t ) = 0 10 1 + 1 (14) 27 D  t + H / D dt  trong đó: ρo, D - kh ối l ượng riêng và tốc độ nổ của thu ốc n ổ tươ ng ứng; H - chi ều dày l ớp thu ốc n ổ. Trong th ực t ế ống kim lo ại b ằng thép b ị bi ến d ạng không hoàn toàn nh ư một ch ất l ỏng lý tưởng. Do đó, trong quá trình dịch chuy ển vào phía trong, t ại các ph ần t ử của ống thép s ẽ phát sinh ph ản l ực ch ống l ại hi ện t ượng bi ến d ạng d ẻo (tr ở kháng bi ến d ạng). Vì th ế, ống thép ch ỉ duy trì sự bi ến d ạng c ủa nó sau m ột th ời gian nh ất định và đạt m ột giá tr ị nào đó. Vì ống kim lo ại b ị bi ến d ạng v ới t ốc độ rất nhanh d ưới tác d ụng c ủa áp su ất n ổ cực cao, nên trong tr ường hợp này ta ph ải l ấy K = K 0 là ứng su ất ti ếp động. Gi ải ph ươ ng trình vi phân (13) v ới hai điều dR )0( ki ện: R =0; 2 = 0 và chúng ta s ẽ xác định được quy lu ật chuy ển động c ủa ống kim lo ại 2 dt dưới tác d ụng c ủa áp l ực xung n ổ. 47 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 • Kết qu ả tính toán và th ử nghi ệm ứng d ụng ph ục h ồi xy lanh thu ỷ lực: Dưới đây chúng tôi gi ới thi ệu k ết qu ả tính toán áp d ụng cho bài toán nh ư sau: V ật li ệu ống bi ến d ạng d ẻo d ưới tác d ụng c ủa n ăng l ượng n ổ là ống xy lanh thuỷ lực b ằng thép tươ ng đươ ng mác thép 45 trong b ộ ph ận gi ảm xóc c ủa xe ô tô vạn t ải m ỏ KOMASHU –320 (Nh ật Bản).V ật 3 li ệu này có cơ tính nh ư sau: m ật độ ρ1 = 7,85g/cm ; trở kháng ch ống bi ến d ạng K d = 610,7 MPa; ống có kích th ước ban đầu R10 = 56 mm; R 20 = 50 mm (tr ước khi bi ến d ạng tóp). Thu ốc 3 nổ được dùng là lo ại Amônít 6 ЖB c ủa Nga có mật độ rải b ằng ρ0 = 0,9 g/cm và chi ều d ầy l ớp thu ốc n ổ tối thi ểu bằng H = 9 mm. Trên hình 3 th ể hi ện sơ đồ kh ối để lập ch ươ ng trình máy tính cho vi ệc tính toán bài toán n ổ tóp ống xy lanh thu ỷ lực nói trên. Kết qu ả tính toán được cho trong b ảng 1. Trong tr ường h ợp chi ều dày l ớp thu ốc n ổ không l ớn, t ốc độ nổ được tính toán theo bi ểu  2,44  th ức sau [2]: D = 5,4 1 −  (15)  H 0 ,79  trong đó: D – tốc độ nổ của thu ốc n ổ, được bi ểu th ị bằng mm/ µs; H – chi ều dày l ớp thu ốc n ổ, được tính theo mm. 1 2 3 R 1 2 R 4 P P 5 6 7 Hình 1. Sơ đồ phân b ố áp su ất tác dụng Hình 2. Sơ đồ n ổ tóp ống kim lo ại: lên m ặt tr ụ ống thép khi bi ến d ạng d ẻo 1) - Kíp n ổ; 2) - Chóp nón b ằng g ỗ; 3) – Ống kim lo ại bằng n ăng l ượng n ổ. cần tóp; 4) - Lõi thép c ố định kích th ước đường kính trong; 5) - Thu ốc n ổ; 6) - Ống b ọc thu ốc n ổ b ằng bìa gi ấy; 7) -Đế n ổ. Bảng 1. Kết qu ả tính toán n ổ tóp ống kim lo ại b ằng thép µ µ µ µ r , s R2, mm dR 2/dt, mm/ s r , s R2, mm dR 2/dt, mm/ s 0 50 0 8 49,40 0,126 1 49,99 0,019 9 49,28 0,123 2 49,96 0,037 10 49,16 0,120 3 49,91 0,056 20 48,12 0,089 .... ..... ..... 30 47,39 0,056 Kết qu ả tính toán trên đây cho th ấy: dưới tác d ụng c ủa áp l ực xung n ổ các ph ần t ử của ống d ịch chuy ển t ăng d ần đến m ột th ời điểm nào đó và tốc độ dịch chuy ển đạt giá tr ị cực đại. Ti ếp sau đó, t ốc độ dịch chuy ển gi ảm d ần và ti ến t ới b ằng không và khi đó ống thép s ẽ nh ận giá tr ị th ực sau khi b ị bi ến d ạng b ằng n ăng l ượng n ổ. V ới s ố li ệu tính toán trong b ảng 1 trên đây có 48 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 th ể ch ỉ định các giá tr ị biên c ủa mi ền kh ảo sát khi l ập quy ho ạch th ực nghi ệm n ổ tóp các lo ại ống kim lo ại từ các v ật li ệu khác nhau để th ực hi ện thí nghi ệm th ăm dò công ngh ệ. Sau khi xác định được giá tr ị th ực nghi ệm ở các ch ế độ đó, c ần th ực hi ện các thí nghi ệm hi ệu ch ỉnh để tìm các thông s ố công ngh ệ nổ tối ưu đảm b ảo kích th ước cu ối cùng c ủa ống thép sau khi n ổ tóp. Nh ập số li ệu vào máy Tính c ực tr ị K d, V H Chu k ỳ bi ến đổi R 2 Chu k ỳ bi ến đổi l ớn H 2 Thay đổi kích th ước ống khác nhau Tính toán các thông s ố c ủa ph ươ ng trình (13) Chu k ỳ bi ến đổi nh ỏ dR 2 Để gi ải PT vi phân Gi ải ph ươ ng trình vi phân (13) Xác định dR 2/dt; ∆R2 NÕu dR 2/dt NÕu dR 2/dt Không cùc ®¹i Nếu dR /dt -V 2 H Không In k ết qu ả R 2, H, V, ∆R Kết thúc chu k ỳ R 2 Kết thúc gi ải Hình 3. Sơ đồ kh ối l ập trình tính toán bài toán n ổ tóp ống kim lo ại. 49 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 3.2. Bài toán n ổ tóp ống để hàn v ới lõi thép ở gi ữa Gi ả thi ết cho r ằng ống kim lo ại phía ngoài có kh ối l ượng riêng ρ1 và có bán kính ban đầu là R 10 và R 20 . Ống được bao quanh b ằng thu ốc n ổ dạng ống có chi ều d ầy H. Th ỏi ho ặc ống thép bên trong có đường kính ngoài R 30 . Khe h ở gi ữa ống thép ngoài và th ỏi kim lo ại trong ∆R = R 20 - R30 . Dưới tác d ụng c ủa áp su ất n ổ, ống ngoài b ị tóp l ại v ới t ốc độ v, t ốc độ này s ẽ đạt được giá tr ị cực đại sau m ột th ời gian r ất ng ắn. Sau đó do tr ở l ực ch ống bi ến d ạng c ủa kim lo ại tốc độ dịch chuy ển gi ảm d ần (bảng 1). Chúng ta s ẽ xác định kho ảng cách t ối ưu ∆R c ủa ống thép bên ngoài và th ỏi kim lo ại bên trong nh ằm m ục đích đạt được giá tr ị c ực đại c ủa v tươ ng ứng v ới d ịch chuy ển ∆R. Ống thép bên ngoài va đập vào th ỏi thép bên trong v ới t ốc độ v phát sinh ra m ột áp su ất xung pv xác định theo bi ểu th ức sau: v ρ ρ C C p = 1 2 1 2 (16) v ρ + ρ 1C 1 2 C 2 trong đó: C 1; ρ1; C 2; ρ2 - tốc độ truy ền sóng và kh ối l ượng riêng c ủa ống thép ngoài và lõi thép trong t ươ ng ứng. Gi ả s ử ống thép ngoài sẽ hàn được v ới lõi thép bên trong n ếu áp l ực xung khi n ổ đủ l ớn để t ạo ra ứng su ất ti ếp va đập l ớn hơn ứng su ất ch ảy động c ủa v ật li ệu có độ bền cao cao hơn.Theo lý thuy ết đường tr ượt c ủa m ột t ấm kim lo ại b ị bi ến d ạng ch ảy d ẻo do va đập thì gi ới hạn c ủa áp su ất va đập ph ải đạt được là: = + π p v 2( ) K d (17) ở đây: K d - gi ới h ạn ứng su ất ti ếp ch ảy d ẻo ở tr ạng thái nóng c ủa v ật li ệu có độ bền cao h ơn (ống ho ặc th ỏi kim lo ại hàn). σ d σ ≅ ÷ σ Tr ị số K d được xác định theo bi ểu th ức: K = và d 3( )4 T d 3 = ÷ σ Từ đó suy ra: p v 9( 12 ) T (18) Từ bi ểu th ức (17) và (16) xác định t ốc độ va đập c ần thi ết để quá trình hàn được x Ny ra: ρ C + ρ C v = 1 1 2 2 2( + π )K (19) H ρ ρ d 1 2C1C 2 Sau khi xác định được vH ta gi ải ph ươ ng trình (13) v ới các thông s ố chi ều dày thu ốc n ổ thay đổi. Ứng v ới m ỗi chi ều dày thu ốc n ổ và kích th ước c ụ th ể của ống kim lo ại bên ngoài mà xác định giá tr ị c ực đại c ủa t ốc độ nổ và xác định tr ị số ∆R c ủa d ịch chuy ển m ặt trong c ủa ống kim lo ại hàn nổ. So sánh giá tr ị cực đại này c ủa t ốc độ d ịch chuy ển s ẽ nh ận được v ới vH. Bài toán s ẽ được hoán thánh khi đảm b ảo được điều ki ện sau: dR 2 ( t ) ≥ v H 0 (20) dt max Nếu dR 2/dt max ≤ vH thì cần ph ải t ăng thêm chi ều d ầy lớp thu ốc n ổ và lặp l ại các thí nghi ệm. Cu ối cùng, khi đã xác định được H, đồng th ời ta s ẽ xác định được ∆R t ối ưu. 50 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 3.3. K ết qu ả th ực nghi ệm hàn n ổ t ạo phôi bimetal t ại Vi ện Nghiên c ứu C ơ khí Mẫu thí nghi ệm sử dụng là lõi thép 45 và ống thép ШX15 l ồng vào nhau để hàn n ổ tr ước khi b ọc thu ốc nổ cho trên hình 4 a, nhóm nghiên c ứu và NCS chu Nn b ị mẫu thí nghi ệm tại tr ường n ổ ngoài tr ời của Công ty Hoá ch ất 13 - Tổng c ục Công nghi ệp Qu ốc phòng sau khi khi bọc l ớp thu ốc n ổ - hình 4 b. Ch ế độ nổ ch ọn s ơ bộ trong kho ảng: r = 1,4 ÷ 1,8 ; h = 0,1 ÷ 0,5 và C = 0,75 ÷ 1,0. Kết qu ả hàn n ổ theo m ột s ố ch ế độ quy ho ạch th ực nghi ệm t ạo phôi bimetal dạng thanh thép 45 + thép ШX15 cho trên hình 5a. Từ các phôi bimetal sau hàn n ổ nh ận được, cắt lấy m ẫu có dấu hi ệu bám dính c ủa ống thép ШХ 15 và lõi thép 45 t ươ ng đối tốt. Để có đánh giá tổng quát về ch ất l ượng phôi bimetal dạng tr ụ sau hàn n ổ, quy định chia m ỗi m ột phôi sau hàn n ổ thành 03 vùng cục bộ theo h ướng nổ nh ư sau: ph ần đầu được tính t ừ mặt ti ếp giáp tr ực ti ếp c ủa ph ần thu ốc n ổ ph ụ để kích n ổ với ph ần thu ốc n ổ ống hình tr ụ bọc ngoài ống thép h ợp kim (ký hi ệu là vùng 1), ti ếp đến là ph ần gi ữa (ký hi ệu là vùng 2) và ph ần cu ối ti ếp giáp tr ực ti ếp v ới đế nổ (ký hi ệu là vùng 3). M ỗi m ột phôi bimetal nh ận được sau hàn n ổ được cắt thành 03 đoạn khác nhau 1 – 2; 2 – 3 (m ỗi đoạn có chi ều dài trung bình 60 mm) và 02 đoạn trung gian có chi ều dài 10 mm t ại nơi ti ếp giáp gi ữa các đoạn nói trên để gia công thành các m ẫu th ử phá hu ỷ xác định độ bền bám dính 2 l ớp (hình 5b) và mẫu nghiên c ứu c ấu trúc tế vi theo chi ều ngang và dọc theo h ướng nổ tươ ng ứng (hình 6a,b). Kết qu ả th ử và tính toán mô ph ỏng s ố độ b ền bám dính 2 l ớp bimetal thép 45 + thép ШX15 ngay sau khi hàn n ổ cho trên hình 7. Tõ c¸c ¶nh ®å tÝnh to¸n m« pháng trªn h×nh 7 cã thÓ nhËn xÐt: ®é bÒn b¸m dÝnh 2 líp bimetal thÐp 45 + thÐp ШX15 chÞu ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè ban ®Çu khi hn næ theo quy luËt phi tuyÕn. §−êng cong thùc nghiÖm cho thÊy, trong ph¹m vi miÒn c¸c gi¸ trÞ lùa chän cña c¸c th«ng sè D, h, r khi hn næ chÊt l−îng b¸m dÝnh 2 l p bimetal nãi trªn nh×n chung ®¹t yªu cÇu sö dông và ti ếp t ục ép ch ảy để biÕn d¹ng t¹o h×nh đến kích th ước s¶n phÈm cuèi cïng. a) b) Hình 4. Chu n b ị m ẫu thí nghi ệm hàn n ổ bimetal d ạng thanh thép 45+ thép шх 15: a) – Pakét ống thép h ợp kim b ọc phía ngoài lõi thép 45; b) NCS.Ph ạm V ăn Qu ế và nhóm nghiên c ứu t ại hi ện tr ường n ổ (Công ty hoá ch ất 13- TCCN Qu ốc phòng) 51 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 a) a) b) b) Hình 5. M ẫu thí nghi ệm bimetal thép 45 + thép Hình 6. M ẫu để kh ảo sát c ấu trúc t ế vi biên gi ới шх 15 sau hàn n ổ (a) và s ơ đồ c ắt m ẫu giám định liên k ết 2 l ớp v ật li ệu bimetal thép 45 + thép ch ất l ượng v ật li ệu (b) шх 15 sau hàn n ổ c ắt ngang (a) và c ắt d ọc theo h ướng n ổ (b) Hình 7. Kết qu ả tính toán mô ph ỏng s ố độ b ền bám dính 2 l ớp bimetal thép 45 + thép ШX15 bằng ph ần m ềm STATSTICA. Phân tích k ết qu ả thí nghi ệm trên một số mẫu điển hình (hình 5) và ảnh đồ mô ph ỏng độ bền bám dính 2 l ớp vật li ệu bimetal thép 45 + thép ШХ 15 sau hàn nổ (hình 7), ta có th ể rút ra kết lu ận sau: 52 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 1) Hi ện t ượng ống thép h ợp kim ШХ 15 t ại 03 vùng khác nhau c ủa phôi bimetal sau hàn nổ bị bi ến d ạng tóp vào trong theo chu vi đường kính c ủa nó không đều d ọc theo h ướng n ổ quan sát th ấy trên toàn b ộ các m ẫu thí nghi ệm, nh ưng ở các mức độ co ngang tươ ng đối khác nhau (3,0 ÷ 4,5 % so v ới kích th ước danh ngh ĩa đường kính ngoài). Nguyên nhân có th ể được gi ải thích bởi quan điểm của chúng tôi theo nguyên lý hình h ọc trên s ơ đồ nổ (hình 2) cho r ằng: M ặt phân cách n ổ theo đường sinh t ừ ph ần chóp nón c ủa thu ốc n ổ ph ụ kích nổ ở th ời điểm bắt đầu hàn ống thép hợp kim v ới lõi thép 45 (t ừ điểm kích nổ O đến điểm gãy uốn A) sang ph ần thu ốc nổ chính có dạng ống hình tr ụ đã thay đổi khá rõ rệt (t ừ điểm gãy uốn A đến điểm bị ch ặn bởi đế nổ B), còn ở th ời điểm cu ối quá trình nổ - thay đổi rất đột ng ột (t ại điểm B ti ếp giáp tr ực ti ếp gi ữa ph ần cu ối phôi n ổ với đế nổ). Do v ậy, có th ể cho r ằng quá trình n ổ t ại th ời điểm b ắt đầu đi vào vùng 1 và th ời điểm đi ra kh ỏi vùng 3 c ủa phôi n ổ (hình 6 a) có s ự m ất ổn định nào đó, làm cho một ph ần v ật li ệu ống thép h ợp kim bên ngoài không đạt được m ức độ bi ến d ạng d ẻo h ướng kính cao nh ư tại vùng 2 ở ph ần gi ữa phôi n ổ. Tại ph ần 2 c ủa phôi n ổ: quan điểm c ủa chúng tôi cho r ằng quá trình n ổ x Ny ra t ươ ng đối ổn định vì m ặt phân cách n ổ không b ị ảnh h ưởng c ủa nh ư tại các điểm đặc tr ưng A và B nói trên. M ặt khác, t ừ lý thuy ết hàn n ổ ta có v ới các ch ế độ n ổ khác nhau, thì d ưới tác d ụng c ủa n ăng l ượng n ổ va đập truy ền vào ống thép h ợp kim hình tr ụ và làm cho l ượng bi ến dạng d ẻo c ủa nó theo h ướng kính và d ọc đường sinh hình tr ụ s ẽ ở các m ức độ khác nhau; 2) Khi các thông s ố r và C t ăng, kh ả năng bám dính của ống thép hợp kim ШХ15 v ới lõi thép n ền 45 có xu h ướng t ăng t ỷ lệ thu ận so v ới r và C. M ức độ ảnh h ưởng c ủa chúng t ới độ bền bám dính 2 l ớp kim lo ại hàn có th ể được xác định, nh ờ vi ệc xây dựng mô hình toán h ọc mô tả sự ảnh hưởng tươ ng tác đồng th ời của 3 thông s ố hàn n ổ đã ch ọn trong vùng bi ến thiên kh ảo sát trong lô thí nghi ệm theo quy ho ạch đầy đủ (N= 3 3); 3) Khi thông s ố h t ăng, kh ả n ăng bám dính c ủa ống thép h ợp kim ШХ 15 với lõi thép nền 45 có xu h ướng tăng t ỷ lệ ngh ịch so v ới h. Mức độ ảnh h ưởng c ủa nó tớí độ bền bám dính 2 l ớp kim lo ại hàn có th ể được xác định nh ờ vi ệc xác l ập mô hình toán h ọc mô tả sự ảnh h ưởng c ủa 3 thông s ố hàn n ổ đã ch ọn trong vùng bi ến thiên kh ảo sát trong lô thí nghiệm theo quy ho ạch đầy đủ tươ ng t ự nh ư đối với hai thông s ố r và C. Trên các hình 8 ÷ 11 th ể hi ện các ảnh ch ụp c ấu trúc t ế vi vùng biên gi ới liên k ết bimetal thép 45 + thép ШХ 15 nh ận được ngay sau khi hàn n ổ và ch ưa qua bi ến d ạng d ẻo ( εΣ = 0 %), mẫu không qua nhi ệt luy ện được kh ảo sát theo m ặt cắt ngang phôi n ổ, còn trên hình 12 là ảnh ch ụp cấu trúc biên gi ới 2 l ớp kh ảo sát dọc theo h ướng nổ. ↑ ThÐp 45 ↑ Biªn giíi ← → ↓ ШХ 15 ↓ H×nh 8. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp H×nh 9. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp mẫu s ố 2 (MS: 020), hàn n ổ ở ch ế độ mẫu s ố 4 (MS: 122), hàn n ổ ở ch ế độ: r = r = 1,4; h = 0,5; C = 0,75. 1,6; h = 0,5; C =1,0. 53 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 ↑ ThÐp 45 ↑ Biªn giíi ← → ↓ ШХ 15 ↓ Hình 10. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên giới hai Hình 11. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp lớp m ẫu s ố 5 (MS: 111), hàn n ổ ở ch ế độ: m ẫ u s ố 15 (MS: 121), hàn n ổ ở ch ế độ: r = 1,6; h = 0,3; C = 0,875. r = 1,6; h = 0,3; C = 0,875. Phân tích k ết qu ả nghiên c ứu và ch ụp ↑ ThÐp 45 ↑ ảnh c ấu trúc t ế vi biên gi ới liên k ết 2 l ớp một s ố m ẫu bimetal điển hình cho th ấy: Biªn giíi nhìn chung trong vùng lân c ận m ối hàn ← → gi ữa l ớp thép h ợp kim ШХ 15 và l ớp thép nền 45 có quan sát th ấy t ươ ng đối ít t ạp ch ất đúc nóng ch ảy, nh ưng ở m ức độ ít hơn r ất nhi ều so v ới các m ẫu thí nghi ệm ↓ ↓ ШХ 15 th ăm dò công ngh ệ. Biên d ạng sóng liên kết gi ữa 2 l ớp kim lo ại hàn n ổ có tính Hình 1 2. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp m ẫu s ố 15 (MS: 121), hàn n ổ ở ch ế độ: r = 1,6; h = 0,3; ch ấ t đặ c tr ưng c ủa công ngh ệ hàn n ổ nh ư C = 0,875 (d ọc theo h ướng n ổ). đối v ới bimetal d ạng t ấm ph ẳng. Điều này có th ể được gi ải thích b ởi quan điểm cho r ằng: do có t ổng bi ến d ạng co ngang theo hướng kính c ủa ống thép h ợp kim d ưới tác d ụng c ủa áp su ất va đậ p cao khi hàn n ổ, ngoài s ự va đập d ọc theo h ướng n ổ (d ọc đường sinh hình tr ụ) t ạo ra thành ph ần bi ến d ạng d ọc h ướng n ổ, còn có thành ph ần bi ến d ạng theo h ướng kính. Xét trên m ặt c ắt ngang phôi n ổ t ại m ột th ời điểm nào đó thì chính bi ến d ạng co ngang này có th ể là nguyên nhân ch ủ y ếu thúc đN y s ự gia t ăng các thông s ố sóng liên k ết do có s ự tr ượt nén t ươ ng đối gi ữa b ề m ặt ti ếp xúc ống thép h ợp kim v ới bề m ặt ti ếp xúc lõi thép các bon. Biên độ và b ước sóng liên k ết 2 l ớp kim lo ại hàn n ổ trong m ặt cắt ngang phôi n ổ có xu h ướng l ớn h ơn so v ới các thông s ố sóng liên k ết t ươ ng ứng d ọc theo hướng n ổ ( đường sinh hình tr ụ t ại b ề m ặt phân cách 2 l ớp). Cấu trúc t ế vi biên gi ới liên k ết gi ữa l ớp thép 45 v ới l ớp thép ШХ 15 kh ảo sát trên m ẫu cắt dọc theo h ướng nổ tại ph ần gi ữa phôi n ổ (hình 6 b) được th ể hi ện trên hình 12 có biên d ạng sóng âm đều đặc tr ưng c ủa công ngh ệ hàn nổ,điều này minh ch ứng cho m ức ch ất lượng mối hàn là do quy định bởi độ ổn định quá trình nổ trong phân vùng 2 nh ư đã nêu trên. Đối với các ch ế độ nổ thích hợp (m ẫu số 5 và mẫu số 15) biên gi ới liên k ết 2 l ớp vật li ệu bimetal sau hàn nổ rất ít tạp ch ất, điều đó đảm bảo ch ất lượng bám dính gi ữa chúng rất cao, v ật li ệu có th ể sử dụng ngay ở tr ạng thái sau hàn nổ mà không c ần qua gia công bi ến dạng dẻo. 54