Vật liệu ma sát luyện kim bột trong chế tạo máy

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 VẬT LI ỆU MA SÁT LUY ỆN KIM B ỘT TRONG CH Ế TẠO MÁY Hà Minh Hùng (Vi ện Nghiên c ứu C ơ khí - Bộ Công Th ươ ng) Nguy ễn V ăn Giáp ( Tr ường ĐH Kỹ thu ật Công nghi ệp- ĐH Thái Nguyên.) 1. Đặt v ấn đề Ở ngoài nước, v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột được sử dụng để ch ế tạo các chi ti ết phanh và các cụm truy ền động của xe ô tô, máy nông nghi ệp, máy mỏ, máy xây d ựng, máy bay, máy công c ụ, máy dập, máy ép trong s ản xu ất cơ khí... Vi ệc sử dụng các lo ại vật li ệu ma sát để làm vi ệc có bôi tr ơn c ưỡng bức trong các cụm thi ết bị nh ư: đĩa ly h ợp, máy điều tốc, kh ớp nối có môment t ới hạn, h ệ truy ền dẫn thu ỷ lực ho ặc ở điều ki ện làm vi ệc không có bôi tr ơn (ma sát khô) nh ư: kh ớp nối, phanh hãm, kh ớp nối điện từ thay th ế cho v ật li ệu thép và gang đúc ho ặc các vật li ệu ma sát gắn kết với nền bằng gang ho ặc thép truy ền th ống tr ước đây cho phép tăng độ bền và độ tin c ậy khi làm vi ệc, cũng nh ư tăng hi ệu qu ả sử dụng của các cụm ma sát trong máy móc thi ết bị. V ật li ệu ma sát luy ện kim b ột đồng th ời tạo điều ki ện tốt để thi ết kế, ch ế tạo các cụm ma sát có kết cấu mới với hệ số ma sát cao, kh ả năng làm vi ệc ổn định, ch ịu mài mòn và bền nhi ệt cao c ủa cả hai chi ti ết cặp đôi [1÷4]. Ở Vi ệt Nam g ần đây, tại một số cơ sở nghiên c ứu chuyên ngành và Vi ện Nghiên c ứu Cơ khí đã nghiên c ứu bước đầu về vấn đề ch ế tạo vật li ệu ch ống ma sát [5÷7] và vật li ệu ma sát [7] bằng công ngh ệ luy ện kim b ột, nh ưng ch ưa đủ cơ sở khoa h ọc và th ực ti ễn để ứng dụng th ực sự vào ph ục vụ sản xu ất trong các ngành kinh t ế nước ta. Đặc bi ệt là trong ngành khai thác than và khoáng sản Vi ệt Nam hi ện nay có một số lượng lớn các thi ết bị, máy móc và xe v ận tải mỏ, đang ho ạt động được nh ập từ nhi ều ngu ồn cung c ấp nước ngoài, hàng năm c ần thay th ế nhi ều ph ụ tùng mau mòn chóng hỏng, trong đó có đĩa ly h ợp (hình 1). Nh ững ph ụ tùng này ph ải nh ập ngo ại với giá thành cao, nhi ều khi không ch ủ động được theo k ế ho ạch sản xu ất. Vì vậy, nhóm tác gi ả ch ọn hướng nghiên c ứu ch ế tạo vật li ệu tổ hợp nhi ều lớp sử dụng cho vi ệc ch ế tạo các đĩa ly hợp trong động cơ xe ô tô vận tải mỏ nh ằm mục tiêu ti ến tới thay th ế ngu ồn hàng nh ập kh Nu, ti ết ki ệm ngo ại tệ với năng l ực về công ngh ệ & thi ết bị hi ện có trong n ước là rất cần thi ết và có kh ả năng ứng dụng cao. Hình 1. B ộ đĩ a ma sát xe ô tô v ận t ải m ỏ 2. Gi ả i quy ết v ấn đề tải tr ọng 35 t ấn. Cách ti ếp cận để nghiên c ứu là bằng ph ươ ng pháp th ực nghi ệm. Đầu tiên c ần ti ến hành các nghiên c ứu kh ảo sát các sản ph Nm mẫu dạng hợp kim ba l ớp (trimetal): h ợp kim đồng – nhôm + thép + h ợp kim đồng – nhôm c ủa một vài lo ại động cơ xe ô tô vận tải mỏ hạng 37 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 nặng đang làm vi ệc tại Qu ảng Ninh, trong đó có xe ô tô vận tải mỏ của Nga s ản xu ất để lập bộ tiêu chí giám định ch ất l ượng sản ph Nm. Bước ti ếp theo là th ực nghi ệm ép + thiêu k ết vật li ệu ma sát hệ hợp kim đồng – nhôm ho ặc hợp kim đồng – thi ếc – nhôm có thành ph ần hoá học tươ ng t ự mẫu của Nga để tối ưu hoá các công ngh ệ tạo phôi v ật li ệu tổ hợp nhi ều lớp thông qua vi ệc giám định theo các ch ỉ tiêu ch ất lượng tươ ng ứng với sản ph Nm nh ập ngo ại. Trong quá trình ti ến hành nghiên c ứu, chúng tôi g ắn kết với vi ệc hướng dẫn các học viên cao h ọc và nghiên c ứu sinh tham gia th ực nghi ệm khoa h ọc. Ti ếp đến là sản xu ất th ử lo ạt nh ỏ một vài lo ại đĩa ly hợp xe ô tô vận tải mỏ bằng công ngh ệ ép nóng, thí nghi ệm mòn nhanh trong quy mô phòng thí nghi ệm và lắp ráp th ử nghi ệm trên hi ện tr ường nh ằm đánh giá kh ả năng làm vi ệc của vật li ệu [5÷7]. 3. Nội dung báo cáo Ngày nay, trong các máy móc thi ết b ị được lắp các b ộ ph ận ma sát nh ằm m ục đích khác nhau: chuy ển độ ng, d ừng và kh ởi độ ng l ại, thay đổ i ch ế độ sử dụng và điều khi ển chúng không th ể thi ếu các b ộ phanh ma sát ho ặc các b ộ ph ận chuy ển s ố mà kh ả n ăng làm vi ệc c ủa nh ững c ơ cấu đó ph ụ thu ộc vào các đặc tính k ỹ thu ật c ủa chúng. Vật li ệu ma sát có hệ s ố ma sát cao (quy ước l ớn h ơn 0,2 ÷ 0,25 khi ở điều ki ện ma sát khô của c ặp ma sát gang – thép và lớn h ơn 0,5 khi có bôi tr ơn). Công su ất ngày càng l ớn, t ốc độ và t ải tr ọng c ủa các máy móc thi ết b ị hi ện đại t ạo ra điều ki ện làm vi ệc h ết s ức n ặng c ủa v ật li ệu ma sát. Ví dụ, t ốc độ phanh có th ể đạ t 50 m/s ở áp l ực đến 2,5 MPa khi làm vi ệc không bôi tr ơn và 100 m/s ở áp l ực 2,0 MPa khi có bôi tr ơn. Liên quan t ới các điều ki ện c ứng khi làm vi ệc c ủa các b ộ phanh hãm máy móc thi ết b ị hi ện đại vật li ệu ma sát c ần có các tính ch ất sau: 1) Có độ b ền ma sát nhi ệt cao, t ức là bảo đả m giá tr ị ổn đị nh của h ệ số ma sát và độ mòn th ấp trong m ột kho ảng nhi ệt độ rộng; 2) Đủ độ b ền v ững ch ống mài mòn. M ức độ ch ống mài mòn yêu c ầu được xác định ph ụ thu ộc vào điều ki ện s ử dụng và nằm trong kho ảng 0,01 ÷ 0,02 µm đến 0,1 ÷ 0,15 µm tính cho một chu k ỳ làm vi ệc; 3) Có đủ độ bền ch ống g ỉ và kh ả n ăng không hoá gỉ v ới chi tiét cùng b ộ đôi ma sát; 4) Các ph ần t ử c ủa c ặp ma sát c ần ph ải không b ắt ch ặt (hàn dính) vào nhau c ả trong quá trình và sau khi phanh hãm. Đối v ới v ật li ệu ma sát c ủa c ặp đôi ma sát điều quan tr ọng đáng k ể là sử d ụng được toàn b ộ bề m ặt ma sát, t ức là nh ận được b ề m ặt ti ếp xúc có th ể tối đa. Khi đó, di ện tích ma sát th ấy được cần ph ải không nh ỏ h ơn 80% giá tr ị trung bình, còn các b ề mặt ma sát c ần ph ải tr ơn ph ẳng, không có các v ết r ắn l ạ ấn dính vào chúng; 5) Vật li ệu ma sát còn không hm ch ứa các c ấu t ử quý hi ếm và đắt ti ền, nó c ần ph ải được gia công d ễ dàng trên các máy công c ụ hi ện có, công ngh ệ ch ế t ạo ph ải d ễ ti ếp c ận và dễ th ực hi ện v ề m ặt k ỹ thu ật trong s ản xu ất hàng lo ạt l ớn; 6) Các tính ch ất c ơ lý c ủa v ật li ệu ma sát là: có độ b ền c ơ h ọc cao ở nhi ệt độ làm vi ệc. Trong quá trình s ử d ụng không b ị tách l ớp ho ặc bi ến hình t ạo ra các khe n ứt sâu và các h ạt b ị mài mòn tách ra t ừ nó bám dính vào b ề m ặt ma sát phát h ủy ch ế độ làm vi ệc bình th ường c ủa các c ụm phanh hãm; 7) Từ nh ững v ật li ệu ma sát đã được bi ết đế n nay thì v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột đáp ứng khá đầ y đủ nh ững yêu c ầu k ể trên, nó được ch ế t ạo t ừ nguyên li ệu đầ u vào là kim lo ại và phi kim lo ại. Các c ấu t ử kim lo ại làm cho v ật li ệu có độ b ền cao, còn các ch ất phi kim lo ại – làm tăng h ệ s ố ma sát và giàm xu h ướng b ị ăn mòn vào v ật li ệu (b ị bào mòn do ma sát khi phanh 38 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 hãm). Nh ờ có các đặc tính đó mà v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột có th ể làm vi ệc ở t ải tr ọng và t ốc độ phanh tr ượt cao và đặc tr ưng b ởi độ b ền mòn cao h ơn so v ới các v ật li ệu ma sát khác. Sự d ụng v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột trong các b ộ phanh hãm đảm b ảo s ự kh ởi độ ng tr ơn đều, h ệ s ố ma sát ổn đị nh và tu ổi th ọ nâng cao. Hi ện nay 75% các chi ti ết ma sát được s ản xu ất làm vi ệc trong môi tr ường có d ầu bôi tr ơn. S ự có m ặt c ủa d ầu bôi tr ơn cho phép s ử d ụng tốc độ và áp l ực cao, đả m b ảo h ệ s ố ma sát ổn đị nh h ơn và t ạo điều ki ện thu ận l ợi cho vi ệc làm mát b ề m ặt làm vi ệc c ủa chi ti ết, điều đó l ại góp ph ần nâng cao độ tin c ậy làm vi ệc và th ời h ạn sử d ụng c ủa b ộ ma sát phanh. Các chi ti ết ma sát chính làm vi ệc ở điều ki ện th ủy t ĩnh được ch ế tạo t ừ các h ợp kim b ột trên n ền đồ ng. Trong s ố v ật li ệu đó được dùng ph ổ bi ến h ơn c ả là v ật li ệu có mác MK-5 v ới thành ph ần hóa h ọc sau: 4% Fe; 9 % Sn; 8 % Pb; 7 % grafit; 72 % Cu. Ở các nước công nghi ệp trên th ế gi ới, trong đó có Liên Xô tr ước đây, ng ười ta đã ch ế t ạo và s ử d ụng ma sát ki ểu nh ư v ật li ệu MK-5. Độ b ền ch ống mài mòn và độ b ền ch ống g ỉ cao, không b ị bóc tách các h ạt làm b Nn d ầu bôi tr ơn – đó là nh ững ưu điểm c ơ b ản c ủa các lo ại v ật li ệu này. Tuy nhiên, bên c ạnh các ưu điểm đó, v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột trên n ền đồ ng còn có các h ạt ch ế sau: h ệ s ố ma sát t ươ ng đối th ấp (0,04 ÷ 0,6); s ử d ụng các v ật li ệu đắ t ti ền ( đồ ng, thi ếc), không phù h ợp v ới các b ộ ph ận làm vi ệc ở điều ki ện ma sát biên và ma sát khô. Hệ s ố ma sát có th ể được nâng cao b ằng các cho thêm các h ạt mài, nh ưng s ự có m ặt c ủa chúng trong v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột d ẫn đế n hi ện t ượng bong tách trong quá trình làm vi ệc và làm b Nn d ầu bôi tr ơn, d ẫn đế n làm gi ảm độ b ền ch ống mài mòn c ủa v ật li ệu ma sát. V ật li ệu ma sát được ch ế t ạo t ại nhi ều n ước trên th ế gi ới có s ự khác bi ệt về thành ph ần các ch ất ma sát ph ụ gia và ch ủng lo ại c ủa chúng (b ảng 1). Bảng 1 Thành ph ần hóa h ọc c ủa v ật li ệu ma sát làm vi ệc trong d ầu bôi tr ơn [4]. Đồng, Cu Thi ếc, Chì, Các bon, Dioxit Sắt, Ph ụ gia ma sát TT Sn Pb C silíc SiO2 Fe 1 73 9 4 4 - 8 Bêtônit -2, Asbet – 2, 2 72 9 7 5 - 4 Asbet – 3 3 73,5 9 8 4 - 4 Mullít – 1,5 4 Nền 5 ÷ 9 5 v 15 0,5 ÷ 10 0,5 ÷ 10 - Talk – 1 ÷ 16, 5 68 8 7 6 4 7 Asbet 0,5 - 8 6 Nền 4 ÷ 8 - 25 - 5 ÷ 15 Các bít, Asbet – 5 7 72 7 6 8 3 3 Ôxit môlíp đen 8 69 5,5 9 2,5 4,5 7 Ôxit môlíp đen 9 60 ÷ 70 5,8 0 ÷ 10 4 ÷ 7 3 ÷ 4 7 Asbet – 3; 4 10 62 ÷ 72 6 ÷ 10 2 ÷ 6 5 ÷ 9 - 4,5 ÷ 8 Silíc 4 ÷ 6 Từ b ảng 1 cho th ấy: để làm vi ệc trong d ầu bôi tr ơn ng ười ta s ử d ụng nhi ều lo ại v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột, trong đó đồng được coi nh ư kim lo ại k ết dính, được h ợp kim hóa b ởi thi ếc là ch ủ y ếu. Do thi ếc là kim lo ại quý hi ếm và đắt ti ền nên đã có nhi ều nghiên c ứu nh ằm gi ảm hàm l ượng thi ếc và ti ến t ới không s ử d ụng thi ếc trong lo ại v ật li ệu này. T ại Vi ện Luy ện kim b ột thu ộc Vi ệc Hàn lâm Ucraina, đã ch ế th ử và qua s ản xu ất th ử nghi ệm công nghi ệp v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột được thay th ế b ằng nhôm. Theo các tính ch ất s ử d ụng v ật li ệu này t ốt h ơn các v ật li ệu hi ện có tr ước đó và được cho trong b ảng 2. Tuy nhiên, n ếu thay th ế thi ếc b ởi các kim lo ại thành ph ần khác (nhôm) d ẫn đế n gi ảm giá thành ch ế t ạo và nâng cao tính ch ất ma sát ở m ức độ nh ất đị nh thì nh ược điểm không kh ắc ph ục được c ủa v ật li ệu m ới là tính b ền nhi ệt kém. 39 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 Bảng 2 Tính ch ất v ật li ệu ma sát có ch ứa nhôm so với v ật li ệu ma sát MK-5 [4]. Al, % Độ b ền Độ b ền Độ x ốp Hệ s ố ma sát f Lượng mòn tuy ến Ch ất l ượng gia Kh ối Độ c ứng, HB, uốn, cắt, Θ, % ở ν=20 m/s tính trung bình cho công c ắt U lượng MPa σ B, MPa τC, MPa P=3 MPa một chu k ỳ, µm gọt 8 700 ÷ 750 280 160 3 ÷ 4 0,075 12 ÷15 Tốt 9 780 v 820 300 170 3 ÷ 4 0,081 10 ÷ 12 Tốt 10 940 ÷ 980 320 190 3 ÷ 4 0,089 6 ÷ 8 Tốt 11 1040 ÷ 1120 320 195 4 ÷ 5 0,093 6 ÷ 8 Xấu 12 1120 ÷ 1210 295 180 4 ÷ 5 0,100 30 ÷ 40 Không gia 13 1330 ÷ 1410 230 160 4 ÷ 6 - - công MK-5 450 ÷ 500 100 ÷ 120 50 - 70 4 ÷ 5 0,07 ÷0,08 10 ÷ 15 Tốt Nh ược điểm l ớn c ủa v ật li ệu ma sát trên n ền đồ ng là nhi ệt độ trên b ề m ặt ma sát t ối đa cho không cao (300 OC). Khi làm vi ệc, ở b ộ ly h ợp mômen t ối đa cho quá trình tr ượt ma sát lâu dài c ủa c ặp ma sát nên x ảy ra s ự t ăng nhi ệt độ làm vi ệc m ột cách đáng k ể, khi đó d ầu bôi tr ơn một ph ần, và đôi khi t ất c ả d ầu, b ị b ốc cháy, t ức là h ầu nh ư v ật li ệu làm vi ệc không có bôi tr ơn. Các điều ki ện làm vi ệc t ươ ng t ự nh ư v ậy đố i v ới ma sát t ổ h ợp trên nền đồ ng s ẽ d ẫn đế n s ự h ư hỏng toàn b ộ c ụm ma sát, vì th ế m ột trong nh ững h ướng t ạo v ật li ệu m ới ma sát là tìm ki ếm các hợp kim có tính ch ất c ơ-lý cao h ơn, đảm b ảo kh ả n ăng làm vi ệc bình th ường c ủa b ộ ma sát ở các yêu c ầu nâng cao tính n ăng s ử d ụng trong các máy móc thi ết b ị hi ện đạ i. Để làm vi ệc được trong điều ki ện t ải tr ọng n ặng khi s ử d ụng (không có bôi tr ơn), ng ười ta s ử d ụng v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột trên n ền đồ ng. Độ b ền và nhi ệt độ nóng ch ảy c ủa s ắt cao h ơn đồng đả m b ảo kh ả n ăng làm vi ệc c ủa v ật li ệu trong điều ki ện ma sát không có bôi tr ơn, khi đó nhi ệt độ trên b ề m ặt ma sát t ăng đế n 900 ÷ 1.000 OC, đó là điều quan tr ọng khi ch ọn v ật li ệu làm vi ệc ở điều ki ện ma sát khô. Hi ện nay có s ố l ượng l ớn các mác v ật li ệu ma sát đã bi ết thu ộc lo ại này theo tiêu chu Nn của Nga, nh ưng trong đó số v ật li ệu ma sát được s ử d ụng nhi ều nh ất thu ộc 4 nhóm sau [4]: a) Vật li ệu mác ФMK-11 v ới thành ph ần hóa h ọc g ồm: 64% Fe; 15% Cu; 9% Grafit; 6% Ba 2O4; 3% SiO 2 và 3% Asbet, có độ b ền cao h ơn kho ảng 2 l ần so v ới v ật li ệu ma sát n ền brônza. Ưu điểm chính c ủa v ật li ệu ФMK-11 là nó có th ể làm vi ệc ở nhi ệt độ cao và trong kho ảng làm vi ệc r ộng c ủa t ải tr ọng và t ốc độ phanh hãm, v ới độ mài mòn t ươ ng đối nh ỏ khi ma sát v ới c ặp chi ti ết thép tôi ho ặc gang; b) Vật li ệu ФMK- 8 với thành ph ần hóa h ọc: 45 % Fe; 25 % Ni; 10 % Cr; 6 % W; 7 % Grafit và 7 % Cu 2S, nh ờ s ự có m ặt c ủa các nguyên t ố h ợp kim hóa trong thành ph ần c ủa nó mà có độ b ề ch ống mài mòn cao ở nhi ệt độ làm vi ệc ma sát đế n 500 ÷ 600 0C; c) Vật li ệu MKB - 50A v ới thành ph ần hóa h ọc: 64 Fe;10% Cu; 8% Grafit;5 % FeSO 4; 5% B4C; 5% SiC và 3% Asbet có đặc tính s ử d ụng cao trong điều ki ện phanh hãm t ải tr ọng n ặng; d) Vật li ệu CMK- 80 v ới thành ph ần hóa h ọc: 46,5% Fe; 25% Cu; 10% B 4C; 3,5% SiC; 6,5% Mn và 2,5% BN, có h ệ s ố ma sát và tr ị s ố l ượng mòn ổn đị nh trong trong ph ạm vi r ộng của áp su ất và t ốc độ làm vi ệc. V ật li ệu này được các nhà nghiên c ứu t ại Vi ện Luy ện kim b ột thu ộc Vi ện Hàn lâm Khoa h ọc Ucraina, được s ử d ụng trong các c ụm phanh hãm máy móc thi ết bị làm vi ệc trong điều ki ện t ải tr ọng n ặng. 40 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 Tổng h ợp tính ch ất các lo ại v ật li ệu ma sát nói trên trong trong b ảng 3. Trong s ản xu ất công nghi ệp, ng ười ta còn s ử d ụng các thành ph ần khác c ủa v ật li ệu b ột trên n ền s ắt có ch ứa m ột số h ạt mài t ự nhiên. Tính ch ất c ủa nh ững v ật liệu lo ại này ph ụ thu ộc vào hàm l ượng (theo t ỉ l ệ ph ần tr ăm) các thành ph ần có trong nguyên li ệu đầ u vào, ví d ụ nh ư: v ật li ệu v ới thành ph ần hoá học 73,8% Cu; 10% Fe; 9,7% SiO 2; 3% B 4C và 3,5% Grafit, có h ệ s ố ma sát f = 0,17 và độ mòn 0,025 mm (tính cho 1 chu k ỳ làm vi ệc). Trong khi đó, v ật li ệu v ới thành ph ần hoá học: 75% Cu; 10% Fe; 12% SiO 2; 3% B 4C v ới nh ững điều ki ện th ử t ươ ng t ự có h ệ s ố ma sát f = 0,16, còn độ mòn – cao h ơn kho ảng 1,5 l ần. Tóm l ại, ngay c ả khi s ự thay đổ i nh ỏ t ỷ l ệ ph ần tr ăm các nguyên t ố, và h ơn n ữa khi thay th ế một vài nguyên t ố b ởi các nguyên t ố khác trong thành ph ần hóa h ọc v ật li ệu, đề u có d ẫn đế n sự thay đổ i đáng k ể các tính ch ất c ơ b ản c ủa v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột. Công ngh ệ ch ế t ạo các chi ti ết ma sát t ừ v ật li ệu ma sát luyện kim b ột bao g ồm các công đoạn: chu Nn b ị n ền để g ắn vật li ệu ma sát, chu Nn b ị các chi ti ết t ừ v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột, g ắn k ết chúng v ới nhau và gia công c ơ khí đến kích th ước yêu c ầu. Bảng 3. Tính ch ất v ật li ệu ma sát n ền s ắt [4]. Tính ch ất theo mác v ật li ệu ФMK- 8 ФMK- 11 MKB-50A CMK-80 Mật độ , ρ, g/cm 3 6,0 6,0 5,0 5,7 Độ b ền, σb , MPa 90 ÷ 100 57 34 - Gi ới h ạn b ền kéo, τC MPa 70 ÷ 90 80 ÷ 100 67 ÷ 85 65 ÷ 80 Độ b ền nén, σCB , MPa 450 ÷ 500 300 ÷ 350 150 ÷ 210 200 ÷ 250 Độ c ứng Brinen, HB, MPa 600 ÷ 900 800 ÷ 1.000 800 ÷ 1.000 800 ÷ 1.000 Hẹ s ố d ẫn nhi ệt, W/(m.K) 37,3 46,1 ÷ 19,3 27,2 ÷ 18,8 29,3 ÷ 20,9 Hệ s ố ma sát, f 0,21 ÷ 0,22 0,23 ÷ 0,29 0,28 ÷ 0,37 0,39 ÷ 0,40 Độ ổn đị nh h ệ s ố ma sát 0,50 ÷ 0,55 0,7 ÷ 0,9 0,7 ÷ 0,9 0,85 ÷ 0,87 Độ mòn t ối đa c ủa m ẫu trong m ột 5 ÷ 8 22 10 ÷ 13 7 ÷ 10 lần phanh hãm, µm Đặc điểm đặ c tr ưng c ủa các chi ti ết ma sát luy ện kim b ột là s ự có m ặt c ủa n ền thép mà sự c ần thi ết ph ải s ử d ụng nó được gi ải thích nh ư sau: Vì v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột có độ b ền cơ h ọc không cao (gi ới h ạn ch ảy khi kéo v ật li ệu trên n ền s ắt th ường ch ỉ b ằng 80 ÷ 100 MPa, còn trên n ền đồ ng là 20 ÷ 40 MPa), nên để t ăng độ b ền chi ti ết ma sát ng ười ta ph ải hàn nó vào các đĩa ho ặc t ấm b ằng thép. H ỗn h ợp b ột được cho vào trong bu ồng tr ộn và tr ộn trong th ời gian 2 ÷ 6 gi ờ. Để c ải thi ện các điều ki ện tr ộn ng ười ta cho thêm vào h ỗn h ợp b ột nguyên li ệu x ăng ho ặc d ầu th ực v ật v ới hàm l ượng đế n 1% tính theo kh ối l ượng ph ối li ệu. Một trong nh ững nguyên công ch ủ y ếu c ủa quá trình công ngh ệ là ép t ạo hình chi ti ết, s ử dụng máy ép thu ỷ l ực và ép v ới áp l ực kho ảng 200 ÷ 400 MPa để đả m b ảo độ x ốp v ật ép là 15 ÷ 20%. Vi ệc g ắn k ết các l ớp thép n ền v ới l ớp v ật li ệu ma sát x Ny ra b ằng tích h ợp quá trình thiêu kết v ới dính k ết d ưới áp l ực. Khi làm dính k ết các l ớp b ột ph ối li ệu trên n ền thép thì độ b ền liên k ết ph ụ thu ộc vào tr ạng thái b ề m ặt t ấm đế thép. M ỗi m ột v ết ôxit nh ỏ c ũng d ẫn đế n liên k ết không đủ b ền v ững có th ể x Ny ra khi thiêu k ết do có thoát khí và ch ất Nm có ch ứa trong các l ỗ x ốp c ủa v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột. Nh ư v ậy, c ần ph ải có nh ững bi ện pháp ng ăn ng ừa bề m ặt l ớp thép n ền kh ỏi b ị 41 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 ôxy hoá không ch ỉ trong điều ki ện bình th ường, mà còn ở nhi ệt độ cao khi thiêu k ết. L ớp b ảo v ệ nh ư v ậy trên l ớp n ền thép có th ể là m ột l ớp niken ho ặc đồ ng có chi ều dày 10 ÷ 20 µm. Tr ước khi ép thiêu k ết các b ề m ặt thép n ền và v ật li ệu ma sát được t Ny s ạch d ầu m ỡ b ằng r ượu và s ấy khô trong không khí. Sau khi ép b ột v ật li ệu ma sát lên l ớp n ền thép, phôi được đưa vào thiêu kết. Để tránh các phôi ép này kh ỏi dính bám vào nhau, gi ữa chúng đặ t các vách ng ăn làm b ằng thép ch ịu nhi ệt ho ặc v ật li ệu phân cách ch ống dính k ết (l ớp gi ấy b ọc grafit ho ặc ôxit nhôm đã được rây qua l ưới sàng). Khi ch ế t ạo các đĩ a ma sát ng ười ta s ử d ụng hai ph ươ ng án sau: 1) v ật li ệu ma sát ở b ột nguyên li ệu được dàn ph ẳng trên n ền đĩ a thép sau khi thiêu k ết xong thì gia công c ơ khí b ề m ặt đến yêu c ầu c ần thi ết; 2) d ạng prophin v ới l ớp v ật li ệu ma sát đó có hình d ạng đúng nh ư chi ti ết cần ch ế t ạo k ể c ả v ề kích th ước, c ũng nh ư các rãnh ch ứa trên v ật li ệu ma sát, và nh ư v ậy sau khi thiêu k ết s ẽ không c ần ph ải gia công c ơ khí ti ếp theo. Tuy nhiên, v ới đị nh h ướng có tri ển v ọng sử d ụng công ngh ệ t ạo prophin t ừ v ật li ệu ma sát, nh ưng công ngh ệ này khá ph ức t ạp, n ặng nh ọc và c ần nhi ều đồ gá chuyên d ụng. Số l ượng các t ổ h ợp đĩ a ma sát có th ể x ếp ch ồng lên nhau khi thiêu k ết ph ụ thu ộc vào chi ều dày c ủa các vách ng ăn công ngh ệ gi ữa chúng, đĩ a n ền thép, kích th ước và hình d ạng bu ồng nung c ủa lò thiêu k ết. Khi x ếp l ớp các đĩ a ma sát c ần chú ý đế n vi ệc không để chúng b ị xô l ệch v ới nhau và so v ới các l ớp vách ng ăn công ngh ệ. Đối v ới v ật li ệu ma sát trên n ền đồ ng vi ệc thiêu k ết các đĩ a ép được th ực hi ện trong lò điện ki ểu bàn c ờ ở nhi ệt độ 700 ÷ 800 OC và d ưới áp lực 0,7 ÷ 1,0 MPa, đối v ới v ật li ệu trên n ền sắt thì thiêu k ết ở nhi ệt độ 900 ÷ 1.040 OC và d ưới áp l ực 1,2 ÷ 2,0 MPa. Th ời gian gi ữ nhi ệt khi thiêu k ết đố i v ới c ả hai lo ại v ật li ệu ma sát trên n ền đồ ng và thép đều b ằng 2,5 ÷ 5 gi ờ. Sau khi thiêu k ết v ới các vách ng ăn ph ẳng công ngh ệ, các đĩ a ma sát được gia công c ơ khí (c ắt các rãnh và mài b ề m ặt ma sát). Vi ệc c ắt rãnh trên b ề m ặt l ớp v ật li ệu ma sát là b ắt bu ộc đố i v ới điều ki ện làm vi ệc có d ầu bôi tr ơn. Các rãnh d ầu này là để ch ứa các h ạt mài tách ra kh ỏi v ật li ệu ma sát trong quá trình làm vi ệc và giữ ổn đị nh h ệ s ố ma sát t ối đa mài b ề m ặt làm vi ệc c ủa đĩ a ma sát nh ằm m ục đích t ạo độ song song các b ề m ặt ti ếp xúc khi làm vi ệc, khuyên dùng đá mài có độ hạt 46 và t ốc độ vòng 1 m/s, l ượng ăn đá mài là 0,03 ÷ 0,05 mm. Lĩnh v ực s ử d ụng ch ủ y ếu c ủa chi ti ết t ừ v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột có th ể được phân lo ại nh ư: 1) C ơ c ấu truy ền độ ng làm vi ệc không bôi tr ơn: t ải tr ọng nh ỏ (máy kéo, máy công c ụ, máy tính...), t ải tr ọng trung bình (máy chu ốt, máy d ập, máy v ận chuy ển công nghi ệp), phanh hãm không có d ầu bôi tr ơn ở t ải tr ọng n ặng (máy bay); 2) Các liên k ết làm vi ệc có bôi tr ơn: t ải tr ọng trung bình (h ệ truy ền độ ng l ực máy t ự độ ng, máy công c ụ, b ộ ph ận điều khi ển máy kéo) và t ải tr ọng n ặng (h ệ truy ền độ ng l ực và máy kéo). Có th ể nêu m ột vài ví d ụ v ề ứng d ụng v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột trong các kh ớp ly hợp và phanh hãm c ủa các máy móc thi ết b ị nh ư: trong các h ệ truy ền độ ng l ực c ủa ô tô MAZ và các nhà máy ô tô khác: đĩa ma sát được ch ế t ạo có n ền thép và l ớp ghép b ằng v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột trên n ền đồ ng, áp l ực t ối đa trong các c ụm ma sát đạ t đế n 10 MPa và t ốc độ t ối đa 60 m/s. S ự làm vi ệc đả m b ảo tuy ệt đố i t ốt c ủa h ệ truy ễn d ẫn độ ng ch ủ y ếu là nh ờ s ử d ụng các chi ti ết ma sát luy ện kim b ột. Các lo ại má phanh bánh c ủa ô tô có th ời gian s ử d ụng t ăng lên đến 10 l ần khi s ử d ụng v ật li ệu ma sát luy ện kim b ột. Các lo ại v ật li ệu ma sát m ới t ừ b ột kim lo ại đã 42 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 được áp d ụng t ại nhà máy ch ế t ạo máy kéo Minsk (Belarusia) trong các c ụm phanh trên máy kéo MTZ -100 và kh ớp ly h ợp b ảo v ệ trên máy kéo MTZ-82. Tu ổi th ọ s ử d ụng c ủa các c ụm phanh và ly h ợp này t ăng lên r ất nhi ều so v ới v ật li ệu ma sát truy ền th ống, đạ t đế n 8.000 ÷ 10.000 gi ờ. 5.K ết lu ận 1) Báo cáo trình bày v ề các tính ch ất v ật li ệu ma sát đáp ứng yêu c ầu làm vi ệc trong các máy móc thi ết b ị hi ện đạ i mà hi ện nay n ước ta còn ph ải nh ập ngo ại, khái quát v ề thành ph ần hóa học c ủa m ột s ố mác v ật li ệu ma sát làm vi ệc trong điều ki ện có d ầu bôi tr ơn trên c ơ s ở n ền đồ ng, cùng v ới c ơ tính v ật li ệu ma sát có ch ứa nhôm t ừ ngu ồn t ại li ệu do các n ước thu ộc kh ối Liên xô ch ế t ạo. Bên c ạnh đó, tác gi ả còn trình bày v ề v ật li ệu ma sát trên c ơ s ở n ền s ắt, làm vi ệc trong điều ki ện ma sát khô c ủa các b ộ phanh hãm ch ế t ạo b ằng công ngh ệ luy ện kim b ột. 2) T ừ nh ững tính ch ất c ủa m ột sô v ật li ệu ma sát hi ện được s ử d ụng trong ch ế t ạo máy, trong đó có m ẫu b ộ đĩ a ma sát trong b ộ ly h ợp độ ng c ơ ô tô v ận t ải m ỏ lo ại có t ải tr ọng 35 t ấn đang ho ạt độ t ại các m ỏ khai thác than ở t ỉnh Qu ảng Ninh, tác gi ả báo cáo đã ch ọn ph ươ ng án công ngh ệ ch ế t ạo là b ằng ph ươ ng pháp ép nóng b ột kim lo ại lên n ền thép. Công ngh ệ ép nóng đồng th ời v ới vi ệc thiêu k ết b ột kim lo ại (thiêu k ết d ưới áp l ực) hi ện nay hoàn toàn có th ể th ực hi ện được trong điều ki ện Vi ệt Nam, vì đã có nhi ều s ơ s ở nghiên c ứu chuyên ngành và s ản xu ất được đầ u t ư thi ết b ị luy ện kim b ột. Tuy nhiên, m ức đầ u t ư còn nh ỏ
Tóm t ắt Bài báo c ủa nhóm tác gi ả trình bày khái quát v ề tính ch ất v ật li ệu ma sát đang được s ử dụng ph ổ bi ến trong ngành ch ế t ạo máy được ch ế t ạo b ằng ph ươ ng pháp công ngh ệ luy ện kim b ột tại m ột s ố n ước công nghi ệp phát tri ển trên th ế gi ới. M ột trong nh ững nhóm v ật li ệu ma sát dùng cho vi ệc ch ế t ạo các đĩ a ly h ợp độ ng c ơ ô tô, điezen là v ật li ệu trên c ơ s ở h ợp kim nhôm - đồng ho ặc h ợp kim nhôm - thi ếc - đồng đã được nghiên c ứu phân tích trên các m ẫu điã ly h ợp độ ng c ơ ô tô vận t ải m ỏ t ại Qu ảng Ninh do nhóm nghiên c ứu t ại Vi ện nghiên c ứu C ơ khí th ực hi ện. Friction powder materials in mechanical engineering Ha Minh Hung (National Research Institute of Mechanical Engineering) Nguyen Van Giap(Thai Nguyen University of Technology ) 1.Summary The Paper presents overview of powder metallurgy friction material used in machine manufacturing in developed industrial countries. Aluminum – copper and aluminum – Tin – copper based alloys are friction material groups used in automobile engine’s clutche disk are analyzed based on specimens in heavy trucks used in Quang Ninh’ mining regions by authors at National Research Institute of Mechanical Engineering. 2. Introduction In developed country, Powder metallurgy friction materials are applied in brake and transmission components of transportation vehicles, agricultural, mining, construction, pressing, punching machines, machine tools and aircraft. Friction materials are more durable, reliability and effective materials than and are excellent alternatives for traditional materials (steels, cast 43 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 iron and iron or steel fastened friction materials) used in components working in wet conditions such as clutches disks, speed regulator, critical moment joints, and hydraulic power transmission system or in “dry” operation conditions such as couplers, brakes, electromagnetic couplers. Powder metallurgy friction materials enable to design and produce new structure friction assemblies with high friction coefficient, reliability, wear – resistance and heat resistance [1, 2]. In Vietnam, fabrication of anti-friction and friction materials [3-6, 7] have been researched by NARIME several professional research centers but the results are insufficient to meet requirements of market, particularly of coal and mineral mining vehicles. Every year, imported mining trucks, devices and equipments need replace many wearing parts, especially clutch disks. Most of these are costly imported parts and result in breaking of production plan. Because of mentioned reasons, fabrication technology of composite materials used in clutch disks of mining heavy trucks is chosen to research in order to produce alternative imported parts. 3. Solution: Research methods: empirical research method Step 1. Carry out survey and research copper - aluminum - steel or copper trimetal clutch disks of heavy trucks made in Russia and other countries used in Quang Ninh province’s mining regions to build set of quality evaluation criteria. Step 2. Carry out pressing and sintering experiments on copper – aluminum or copper – tin – aluminum powder metallurgy friction materials that equivalent to composition of Russian products to optimize fabrication technology of composite material through quality evaluation criteria. Step 3. Pilot production: Produce small batch clutch disks of heavy trucks applying hot – pressing. Install products, monitor quality and reliability of products. 4. Research results: The results are presented in the report Tài li ệu tham kh ảo [1]. Игнатов Л. И. , Колпаков Я. Б., Крысин Б. Т. , Лебедева Л. П., Михайловский В. А., (1968), “Производство фрикционных материалов на основе железной основе ”, Москва , Металлургия , 176 стр .; [2]. Федорченко И. М., Крячек В. М., Патайоти И. И., (1975 ),” Современнные фрикционнные материалы ”, Киев , Наумкова думка ,336 стр .; [3]. И. М. Федоренко и другие , (1978), “Свойства порошков металлов , тугоплавких соединений и спеченных материалов ”, Киев , “ Наукова Думка ”, 183 стр .; [4]. Под редакцией док . техн . наук Б. С. Митина , (1987), “Порошковая металлургия и напыленные покрытия ”, Москва , “ Металлургия ”, 792 стр .; [5]. Hà Minh Hùng, (2000), “Nghiên cứu th ử nghi ệm công ngh ệ ép nóng kim lo ại bột để ch ế tạo chi ti ết máy”, Tuy ển tập các công trình NCKH Vi ện Nghiên cứu Cơ khí, Tập I, trang 16-23; [6]. Hà Minh Hùng, (2002), “Nghiên cứu ảnh hưởng của bi ến dạng dẻo đến tính ch ất bimetal thép + hợp kim đồng thiêu kết”, Tạp chí Cơ khí Vi ệt Nam, số 68, trang 32-35; [7]. Tr ần Sỹ Kháng và các tác gi ả, (2006), “Nghiên cứu ch ế tạo má phanh máy bay L-39 bằng công ngh ệ ép nóng”, Tạp chí Kỹ thu ật và Trang bị, số 74,11/2006, trang 45- 47. 44