vật liệu composite

Công nghệ ép ống lót vật liệu composite dạng lớp từ bột kim loại trong môi trường đ
CÔNG NGHỆ ÉP ỐNG LÓT VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG LỚP TỪ BỘT KIM LOẠI TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI
TECHNOLOGY PRESSURE OF LAYER-TUBE COMPOSITE FROM METAL POWDER IN ELASTIC SURROUNDINGS

ĐINH MINH DIỆM
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
PAVEL ALEKSEEVICH KUZNECOV
Viện ĐHBK Quốc gia Saint-Peterburg, Liên Bang Nga
NGUYỄN TOÀN THẮNG
NCS Viện ĐHBK QG Saint-Peterburg, Liên Bang Nga

TÓM TẮT
Nghiên cứu công nghệ chế tạo ống lót dạng lớp từ bột vật liệu composite trong môi
trường đàn hồi là một phương pháp ưu việt và đem lại kết quả tốt như: tăng khả năng
chịu mài mòn, chống nứt cao, chống rung, cách âm… Phương pháp này có thể ứng
dụng để chế tạo các sản phẩm dạng lớp lưỡng kim như: ổ trượt, phễu lọc và các sản
phẩm ống trục có tỷ lệ chiều cao trên chiều dày (H/) lớn.
ABSTRACT
Research on processing technology of layer-tube that made from composite powder in
elastic surroundings is a preeminent method and a good result, such as improving on
abilities of abrasion resistant, cracked resistant and soundproofing,... This method can
be used for making of layer- bimetal products, e.g. the frition-bearing, the filter funnel
and the tube products having a higher ratio of heigh to length (H/).
1. Đặt vấn đề
Các ống lót kim loại đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo
máy. Khi vận hành, yêu cầu đặt ra đối với ống lót là phải có chất lượng cao, cụ thể như:
độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt, thời gian sử dụng lâu,… Một trong những
phương pháp tốt nhất để nâng cao chất lượng của ống lót là sử dụng vật liệu composite
dạng lớp được chế tạo từ bột kim loại [1].
Lớp composite kim loại là hệ thống được tạo ra từ 2 hoặc nhiều hơn 2 thành
phần vật liệu xen kẽ khác nhau, nhưng vẫn đảm bảo giữ được tính chất riêng của mỗi
thành phần tham gia vào sản phẩm. Lớp composite kim loại có đặc trưng chống nứt cao,
cách âm và chống rung tốt, bề mặt lớp phủ có khả năng chống ăn mòn cao (ví dụ như
lớp thép chống rỉ, lớp titan…). Ngày nay, lớp kim loại được sản xuất và phân loại thành
các dạng sau: chống ăn mòn, chống ma sát, vật liệu kỹ thuật điện, lưỡng kim nhiệt và sản phẩm vật liệu composite phục vụ đời sống thường ngày. Lớp kim loại có các dạng:
tấm, dải, thanh, ống, thỏi.
Để nhận được sản phẩm lớp từ vật liệu composite, người ta ứng dụng các
phương pháp chế tạo khác nhau như: đúc, cán, ép, hàn, … [2]. Phần lớn các phương
pháp được sử dụng trước đây là để chế tạo các sản phẩm lớp có dạng tấm, ống trụ hay
có hình dạng đơn giản. Để chế tạo các sản phẩm ống trụ lớp, ví dụ như ống lót, người ta
thường sử dụng phương pháp ép thủy tĩnh. Nhưng thiết bị thủy lực lại là các thiết bị cấu
trúc phức tạp và đắt tiền. Để giảm chi phí và ứng dụng công nghệ đơn giản hơn, chúng
ta có thể sử dụng một phương pháp khác, về cơ bản, theo phương pháp này là ứng dụng
môi trường đàn hồi động. Khi ép trong môi trường đàn hồi, có thể nhận được các ống
lót mỏng. Ngoài ra, tổn thất áp lực khi ép đàn hồi theo chiều cao của ống lót thấp hơn
khi ép trong khuôn cứng [3].
2. Giới thiệu về công nghệ ép lớp vật liệu composite trong môi trường đàn hồi
Trong khuôn khổ của bài báo này, chúng tôi đề cập đến việc nghiên cứu ép lớp
composite trong ống lót lưỡng kim loại (bimetal) từ các bột với việc ứng dụng môi
trường đàn hồi (polyuretan-hình.1).

Hình 1. Sơ đồ ống lót lưỡng kim loại. 1- lớp trong; 2- lớp ngoài
Bản chất của quá trình ép đàn hồi là biến lực dọc trục trong quá trình ép đàn hồi
thành áp lực theo mọi hướng bao quanh vật liệu. Áp lực hướng tâm được sinh ra trong
quá trình ép đàn hồi ống lót. Tóp và giãn là hai sơ đồ cơ bản của ép đàn hồi ống lót.
Chúng ta xem xét phương pháp giãn, phương pháp này được mô tả trên sơ đồ hình 2.
Thiết bị ép đối với ép đàn hồi ống lót gồm có: chày trên 1, nắp trên 2, ống đàn hồi thay
thế 3, ống trục đàn hồi 4, trục tâm 6, khuôn 8, nắp dưới 9.
Quá trình ép đàn hồi được tiến hành theo 2 giai đoạn: ép lớp thứ nhất (a) và ép
lớp thứ 2 (b). Khi ép lớp thứ nhất, chúng ta sử dụng ống đàn hồi thay thế 3, ép đàn hồi
được tiến hành theo các bước sau: rắc bột vật liệu của lớp thứ nhất 5 vào khuôn 8, việc
nén chặt hướng tâm bột vật liệu được tiến hành khi nén trục ống đàn hồi 4 bằng chày
trên 1. Nắp trên 2 và nắp dưới 9 sẽ ngăn cản không cho bột bị đẩy ra ngoài theo hướng trục. Trục tâm 6 sẽ đảm bảo định tâm ống đàn hồi 4 trong quá trình giãn.
Khi ép lớp thứ hai (7) thì ống lót đàn hồi 3 sẽ được tháo ra. Bột vật liệu của lớp
thứ hai (7), sẽ được rắc vào khe hở, sau khi tháo ống lót đàn hồi 3 ra. Quá trình ép lớp
thứ 2 được tiến hành như trong giai đoạn 1.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý ép đàn hồi ống lót nhiều lớp vật liệu tổ hợp.
а) Ép lớp thứ nhất. б) Ép lớp thứ hai.
Việc lựa chọn các sơ đồ, phương pháp công nghệ ép là một trong những vấn đề
quan trọng nhất, những vấn đề này phụ thuộc vào kích cỡ hình học của sản phẩm ép,
đặc trưng vật lý- cơ học của các bột vật liệu trong quá trình liên kết lớp là yêu cầu của
quá trình khai thác đối với các sản phẩm. Quá trình lựa chọn phương pháp ép được mô
tả cụ thể trong thuật toán chung (hình 3).
Ở đây:
 D: đường kính ngoài của sản phẩm;
 d: đường kính trong của sản phẩm;
 H: chiều cao của sản phẩm;
 t: độ dày lớp bên trong của sản phẩm;
 R: độ rỗng của sản phẩm;
 σ: độ bền của sản phẩm;
 τ A : độ bền liên kết;
 [τ] : độ bền liên kết cho phép của các lớp;
 Т1, Т2: nhiệt độ thiêu kết của lớp bên trong và lớp bên ngoài;
 ρ1 = f (P1),
 ρ2 = f (P2): hàm mật độ nén chặt của áp lực đối với lớp bên trong và lớp bên
ngoài.

Hình 3. Sơ đồ thuật toán chung của việc lựa chọn và tính toán các phương án
công nghệ ép đàn hồi ống lót lưỡng kim loại.
3. Giới thiệu các phương án và lựa chọn phương án công nghệ
Các phương án sản xuất ống lót lưỡng kim loại từ các bột vật liệu có thể là:
- Phương án I: Ép đồng thời và thiêu kết đồng thời 2 vật liệu cùng một lúc.
Bắt đầu
Các thông số ban đầu:
- Kích thước sản phẩm: (D, d, H, t), R, σ, [τ].
- Tính chất của các bột: Т1, Т2, ρ1 = f (P1), ρ1 = f
(P1).
- Tính chất polyuretan: môđun trượt, môđun thể
tích nén, môđun đàn hồi, hệ số Puason.được khôngđược không được không
không
được
- Phương án II: Ép lần lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp.
- Phương án III: Ép và thiêu kết lớp bột vật liệu có nhiệt độ thiêu kết cao hơn,
sau đó ép vật liệu thứ hai và thiêu kết đồng thời với lớp vật liệu thứ nhất, nhưng theo
nhiệt độ thiêu kết của lớp vật liệu thứ hai.
- Phương án IV: Ép các lớp riêng biệt, thiêu kết riêng biệt và liên kết các lớp
bằng biến dạng dẻo.
Trong các phương án vừa nêu thì Phương án II (ép lần lần lượt các lớp, sau đó
thiêu kết đồng thời cả 2 lớp) là phương án có giải pháp công nghệ tốt nhất, bởi vì
phương án này cho phép ép các lớp khác nhau với các áp lực khác nhau, còn việc thiêu
kết đồng thời đảm bảo các lớp bám dính với nhau tốt nhất [4].
Theo phương án hai (ép lần lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp)
quá trình ép bao gồm các công đoạn sau (hình 4): a - rắc lớp bột vật liệu thứ nhất (đặt vỏ
ống đàn hồi 2 vào khuôn 3, rắc vật liệu bột thứ nhất theo khối lượng tính toán); b - ép
lớp vật liệu thứ nhất (trong công đoạn này, chúng ta bịt khuôn 3 bằng nắp 5, sau đó ép
bằng chày trên 4, polyuretan 6 biến dạng và ép lớp vật liệu thứ nhất); c - rắc lớp bột vật
liệu thứ hai (trong công đoạn này chúng ta mở nắp 5, kéo vỏ ống đàn hồi 2 ra, rắc bột
vật liệu thứ hai 11 theo khối lượng tính toán); d - ép lớp vật liệu thứ hai (đóng khuôn
bằng nắp 5, ép bằng chày trên 4, polyuretan lại biến dạng và ép lớp vật liệu thứ hai); e -
đẩy sản phẩm ra (trong công đoạn này chúng ta mở nắp 5, đẩy sản phẩm 14 bằng chày
dưới 8); f - thiêu kết sản phẩm (trong công đoạn này chúng ta lựa chọn nhiệt độ lớn nhất
để thiêu kết đối với sản phẩm dễ nóng chảy nhất). Nhiệt độ này cần phải đảm bảo đạt
được thiêu kết tốt nhất đối với lớp vật liệu còn lại, đồng thời tạo độ kết dính tốt nhất
giữa hai lớp vật liệu.
Trong khuôn khổ của bài này chúng tôi đề xuất ví dụ tính toán đối với phương
án hai (ép lần lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng thời cả 2 lớp). Theo số liệu ban đầu
chúng ta có khuôn trước với các kích cỡ như: Chiều cao - 110mm; đường kính trong -
70mm; đường kính ngoài – 110mm. Chúng ta muốn nhận ống lót với chiều cao là 50
mm, đường kính ngoài là 70 mm. Nhiệm vụ đặt ra là: Chúng ta cần tìm và lựa chọn độ
dày ống lót và độ dày của mỗi lớp, kích thước của polyuretan. Theo kết quả tính toán,
chúng ta sẽ nhận ống lót trước khi thiêu kết với các kích thước như sau: chiều cao -
50mm; đường kính bên ngoài - 70mm; đường kính trong - 58mm; độ dày thành ống lót-
6mm; độ dày lớp bên trong (bronz) – 3mm; độ dày lớp bên ngoài (sắt) - 3mm; ngoài ra
chúng ta cũng biết được khối lượng của mỗi loại vật liệu ( khối lượng của bronz –
179,4g; khối lượng của sắt - 210,8g). Đối với polyuretan ta có các kích thước như sau:
khi ép lớp vật liệu bằng bronz, chúng ta có kích thước của polyuretan: chiều cao -
112mm, đường kính ngoài - 39,5mm, đường kính trong - 10mm; khi ép lớp vật liệu
bằng sắt chúng ta có kích thước của polyuretan là: chiều cao - 89,1mm, đường kính
ngoài - 48,4mm, đường kính trong - 10mm (để tiết kiệm polyuretan, chúng ta chỉ có thể
sử dụng 1 ống polyuretan 6 và vỏ ống đàn hồi 2). Các công đoạn cơ bản ép đàn hồi ống
lót composite được tiến hành như sau:

Hình 4. Sơ đồ các công đoạn cơ bản ép đàn hồi ống lót từ vật liệu tổ hợp.
а- rắc lớp vật liệu thứ nhất; b- ép lớp vật liệu thứ nhất; c- rắc lớp vật liệu thứ hai; d-ép lớp vật liệu thứ
hai; e- đẩy sản phẩm ra; f- thiêu kết sản phẩm. 1- lớp vật liệu thứ nhất; 2- vỏ ống đàn hồi; 3- khuôn; 4-
chày trên; 5- nắp đậy; 6- ống đàn hồi polyuretan; 7- trục tâm; 8- chày dưới; 9- gối tựa; 10- đế; 11- lớp
vật liệu thứ hai; 12- ống dẫn để rắc vật liệu thứ nhất; 13- ống dẫn để rắc vật liệu thứ hai; 14 – sản phẩm;
15 – lò để thiêu kết.

Việc ứng dụng lớp vật liệu composite kim loại cho phép nâng cao hiệu quả sản
suất các loại chi tiết và thiết bị đối với các doanh nghiệp, công ty, nhà máy về chế tạo
máy, về hoá học, về hoá dầu, về nông-lâm nghiệp, về vận tải và về năng lượng. Sản
phẩm bằng lớp kim loại composite còn đáp ứng được nhu cầu cao trong các lĩnh vực
chế tạo khí cụ điện, điện tử, dụng cụ công nghiệp và sản suất các hàng hoá thông dụng
trong đời sống xã hội.
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu, phân tích và thực nghiệm phương pháp chế tạo ống lót dạng
lớp từ vật liệu composite, chúng tôi thấy rằng:
1. Việc ép bằng môi trường đàn hồi động đem lại hiệu quả cao hơn đối với các
sản phẩm dạng ống từ vật liệu composite; việc sử dụng polyuretan (môi trường đàn hồi)
là giải pháp công nghệ vượt trội trong quá trình ép đàn hồi động.
2. Việc ép ống lót dạng lớp từ bột kim loại bằng môi trường đàn hồi (polyuretan)
cho phép ứng dụng các phương án chế tạo khác nhau đối với các ống lót dạng lớp. Việc
ứng dụng này phụ thuộc vào nhiệt độ thiêu kết của các lớp cũng như đặc trưng độ nén
chặt của vật liệu. Trong thực tế, phương án ép lần lượt các lớp, sau đó thiêu kết đồng
thời cả 2 lớp đem lại hiệu quả cao đối với yêu cầu thực tiễn hiện nay.
3. Phương pháp ép đàn hồi ống lót dạng lớp bằng vật liệu composite từ bột kim
loại có thể ứng dụng để chế tạo các sản phẩm lớp lưỡng kim loại như: ổ trượt, phễu lọc
và các sản phẩm ống trục có tỷ lệ chiều cao trên chiều dày (H/) lớn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] I. М. Fedorchenko, I.N. Francevich, I.D. Radomyselskii, và những người khác.
Luyện kim bột. Vật liệu, công nghệ, tính chất, lĩnh vực ứng dụng: Sổ tay hướng
dẫn..- Кiеv: Nauk.. Dumka, năm 1985.- 624 trang.
[2] А.G. Коbelev, I.N. Potanpov, Е.V. Kuznecov. Công nghệ lớp kim loại. –М.:
Luyện kim, năm 1991 , 248 trang.
[3] К.N. Bogoyavlenskii, А.V. Gociridze, P.А. Кuznecov, К.К. Меrtens, А.G.
Ryabinin. Gia công bằng áp lực bột kim loại. –L.: LPI, năm 1988, 116 trang.
[4] P.A. Kuznecov, Nguyen Toan Thang. Ép đàn hồi ống lót dạng lớp từ vật liệu
compozit // Tuần lễ khoa học lần thứ 36 của Viện Đại học Bách khoa Quốc gia
Saint-Peterburg. Tuyển tập của hội nghị khoa học giành cho sinh viên và nghiên
cứu sinh giữa các trường Kỹ thuật trên toàn Liên Bang Nga. Ch. III. SPB.: Izd-Vo
Politehn. Un-та, năm 2008. Trang 45-46.