Phương pháp luyện kim bột (Luyện kim bột)
Luyện kim bột là một quá trình sản xuất các bộ phận chính xác và độ tin cậy cao bằng cách nén bột kim loại và hợp kim vào khuôn cứng dưới áp lực cao. Phương pháp này đã trở thành một quá trình thiết yếu cho sản xuất các chi tiết như ống lót, vòng bi, bánh răng và nhiều bộ phận cấu trúc khác trong các ngành công nghiệp khác nhau.Chìa khoá cho sự chính xác và thành công của luyện kim bột nằm ở quá trình thiêu kết, nơi các bộ phận được nung nóng để liên kết các hạt bột với nhau. Nhiệt độ trong quá trình thiêu kết được duy trì ở mức thấp hơn một chút so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại chính, giúp tạo ra các liên kết bền vững giữa các hạt bột.
Luyện kim bột không chỉ mang lại độ chính xác và độ tin cậy cao mà còn tiết kiệm nguyên liệu, giảm thiểu gia công cơ khí, và thậm chí cho phép tạo ra các vật liệu mới với đặc tính ưu việt (hợp kim đồng – graphit, đồng – graphit – teflon, hợp kim cứng,…). Quá trình này thường bao gồm các giai đoạn chính như sản xuất bột, phối trộn bột, dập ép, thiêu kết, và các hoạt động gia công hoàn thiện (nếu cần).
Ứng dụng của luyện kim bột
Luyện kim bột được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp:- Lĩnh vực ô tô: Động cơ, bánh răng, má phanh
- Lĩnh vực mài mòn: Đĩa mài, đá mài
- Lĩnh vực sản xuất: Dụng cụ cắt và khoan
- Lĩnh vực điện và từ: Nam châm, lõi từ mềm
- Lĩnh vực y tế và nha khoa: Cấy ghép, phục hình,…
- Lĩnh vực hàng không: Động cơ, tấm chắn nhiệt, các bộ phận cấu trúc,…
- Lĩnh vực hàn: Chất hàn, điện cực
- Lĩnh vực năng lượng: Điện cực, pin nhiên liệu
- Lĩnh vực khác: Lọc rỗng, dụng cụ thể thao
Hợp kim cứng : để sản xuất vật liệu cắt gọt có tính chịu nóng cao tới 1000oC, tốc độ cắt đến hàng trăm mét/phút. Loại này sử dụng bột WC, TiC, TaC và một lượng nhỏ côban làm chất kết dính. Có thể dùng một, hai hoặc ba cácbit và tương ứng sẽ có hợp kim cứng một, hai hoặc ba cacbit. Ví dụ, loại một cacbit WCCo15; loại hai cacbit WCTiC14Co8, loại ba cacbit WCTiC4TaC3Co12.
Vật liệu làm đĩa cắt : dùng các vật liệu siêu cứng như kim cương nhân tạo hoặc nitrit bo BN. Chất kết dính là bột B, Be hoặc Si. Ép nóng dưới áp lực và nhiệt độ cao hoặc rất cao tùy thuộc yêu cầu công nghệ.
Hình 1.1. Đĩa cắt từ phương pháp luyện kim bột
Vật liệu mài : dùng bột SiC, chất kết dính là nhựa hữu cơ hay gốm thủy tinh.
Vật liệu kết cấu trên cơ sở nhôm và hợp kim nhôm ( SAP; SAAP ) hoặc trên cơ sở sắt và thép, hoặc trên cơ sở đồng và hợp kim đồng.
Chế tạo thép gió theo phương pháp kim loại bột có thể tạo ra mác thép gió hợp kim hóa cao và dụng cụ có hình dạng phức tạp. Độ bền cao hơn so với phương pháp cổ điển 1,5 - 3 lần.
Hình 1.2. Thép gió từ luyện kim bột
Bạc xốp tự bôi trơn: dùng bột đồng hoặc sắt và một lượng nhỏ grafit. Người ta chế tạo bạc có độ xốp 10-25% và cho thấm dầu nhớt trong chân không ở nhiệt động khoảng 70oC.
Chế tạo vật liệu ghép từ những vật liệu có tính chất khác biệt, một số loại vật liệu mới.
Quy trình phương pháp luyện kim bột
1. Sản xuất bột
Bột là tập hợp các hạt rắn phân tán mịn có kích thước nhỏ hơn 100 μm. Đặc trưng phần lớn của các hạt bột là hình cầu hoặc là hình lập phương. Nhưng trong thực tế chúng có nhiều hình dạng khác nhau, các hình dáng của hạt thường có sự biến đổi so với hình dạng lý tưởng (hình cầu hay hình lập phương).Kích thước hạt của bột được sử dụng trong luyện kim bột nằm trong khoảng từ 0.1 đến 100 μm.
2. Chuẩn bị bột
Chuẩn bị bột để ép đóng một vai trò quan trọng trong lưu trình công nghệ luyện kim bột. Trong thực tế sản xuất, bột kim loại thường được sản xuất ở các phân xưởng hoặc nhà máy riêng biệt, do đó không thể đáp ứng tất cả các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm cuối cùng. Vì vậy, khâu chuẩn bị bột đóng vai trò quan trọng để đảm bảo rằng thành phần hóa học và tính chất vật lý của bột đáp ứng đúng yêu cầu của sản phẩm.3. Trộn bột
Trong luyện kim bột, việc sản xuất các chi tiết phức tạp thường yêu cầu sử dụng hỗn hợp bột của nhiều cấu tử khác nhau. Sự đồng nhất của hỗn hợp bột đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến cơ tính của sản phẩm.Có hai phương pháp trộn bột chính: trộn cơ học và trộn hóa học.
4. Dập ép
Dưới ảnh hưởng của áp lực nén cao như vậy, các hạt bột đang được ép chặt với nhau đến nỗi các bề mặt không đều của chúng lồng vào nhau và một lượng hàn lạnh nhất định diễn ra giữa các bề mặt của các hạt. Để tạo điều kiện cho hoạt động ép và giảm hao mòn dụng cụ đến mức tối thiểu, chất bôi trơn được trộn vào bột trước khi épChu trình nén có thể được chia thành ba giai đoạn:
- Điền đầy khuôn
- Đạt mật độ bột (nén bột)
- Lấy chi tiết từ khuôn
Ba giai đoạn trong một chu trình nén: 1) Điền đầy khuôn, 2) Nén bột, 3) Lấy chi tiết ra khỏi khuôn
Khi ép vật liệu dạng bột với lực ép thấp, bột chỉ bị nén lại và không có biến dạng đàn hồi. Khi lực ép tăng cao hơn, bột bắt đầu sắp xếp lại theo trật tự chặt chẽ hơn, dẫn đến độ bền của vật ép tăng lên. Lực ép này cũng truyền ra thành khuôn, tạo ra phản lực ép lên vật ép theo hướng xuyên tâm.
Khi lực ép tiếp tục tăng cao, vật ép sẽ bắt đầu bị biến dạng đàn hồi, tức là biến dạng có thể hồi phục sau khi ngắt lực ép. Lúc này, khuôn ép cũng sẽ bị biến dạng đàn hồi theo mức độ phù hợp với độ cứng của khuôn.
Vật liệu bột mịn có tỷ trọng cao hơn vật liệu bột thông thường ở cùng một lực ép. Nguyên nhân là do các hạt bột mịn có khe trống giữa các hạt nhỏ, bột dễ dàng sắp xếp lại để điền vào khoảng trống đó.
5. Thiêu kết
Thiêu kết là nguyên công kế tiếp việc tạo hình bột kim loại. Thiêu kết bao gồm việc nung nóng bột kim loại ép ở gần nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính, giữ nhiệt một thời gian để tạo ra mối liên kết bền vững giữa các hạt nhằm tạo ra cơ, lý, hoá tính cần thiết cho vật liệuCác quá trình xảy ra khi thiêu kết:
Quá trình thiêu kết là quá trình nung nóng vật liệu dạng bột ở gần nhiệt độ nóng chảy của cấu tử chính trong một thời gian nhất định. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn chính:Kết tinh lại
Các hạt tinh thể nhỏ trong vật liệu bột sẽ kết hợp lại với nhau để tạo thành các hạt tinh thể lớn hơn. Quá trình này tương tự như quá trình biến dạng dẻo của kim loại.
Kết tinh lại là quá trình quan trọng trong quá trình thiêu kết, vì nó quyết định hình dạng và kích thước của các hạt tinh thể trong sản phẩm thiêu kết.
Kích thước hạt tinh thể có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của sản phẩm thiêu kết. Kích thước hạt tinh thể càng nhỏ thì sản phẩm càng cứng và bền. Tuy nhiên, nếu kích thước hạt tinh thể quá nhỏ, sản phẩm sẽ trở nên giòn và dễ vỡ.
Khuếch tán
Các nguyên tử trong các hạt tinh thể sẽ di chuyển và hòa lẫn vào nhau để tạo thành các pha mới. Quá trình này có thể tạo ra các dung dịch rắn, các pha liên kim loại hoặc các pha dị thể.
Khuếch tán cũng là một quá trình quan trọng trong quá trình thiêu kết, vì nó quyết định thành phần hóa học và cấu trúc của sản phẩm thiêu kết.
Kết quả của quá trình khuếch tán có thể rất khác nhau, tùy thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu bột và điều kiện thiêu kết.
Trong các hỗn hợp bột có nhiều cấu tử, các hạt kim loại có thể xen kẽ nhau, không hòa tan vào nhau. Điều này thường xảy ra trong các hỗn hợp bột có các cấu tử có nhiệt độ nóng chảy khác nhau.
- Các kim loại có thể hòa tan vào nhau tạo thành các dung dịch rắn. Dung dịch rắn có tính chất cơ học tốt hơn so với các hạt kim loại xen kẽ nhau.
- Các hạt kim loại khó chảy có thể nằm phân tán trên một nền gồm tổ chức các hạt của cấu tử có nhiệt độ chảy thấp hơn. Điều này thường xảy ra trong các hỗn hợp bột có các cấu tử có độ nhớt khác nhau.
Các thông số công nghệ khi thiêu kết
Quá trình thiêu kết được điều chỉnh bởi các tham số sau:• Nhiệt độ và thời gian
• Cấu trúc hình học của các hạt bột
• Thành phần của hỗn hợp bột
• Mật độ bột của chi tiết
• Thành phần của khí bảo vệ trong lò thiêu kết.
Tôi nghĩ đến đây đầu óc đã lơ mơ, choáng váng, lượng kiến thức vào chưa biết đúng được bao nhiêu nhưng quá nhiều. Vậy nên sẽ dừng lại ở đây, hẹn gặp ở chủ đề khác.
