Đề tài Nghiên cứu áp dụng công nghệ phun phủ kim loại để xử lý bề mặt ngoài của trồng sấy thay thế mạ Crôm, trên thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa quy mô công nghiệp

1 BỘ CễNG THƯƠNG Tổng cụng ty mỏy Động lực và mỏy Nụng nghiệp VIỆN NGHIấN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NễNG NGHIỆP ---------------------------------------------- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIấN CỨU KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 2008 ĐỀ TÀI: “Nghiờn cứu ỏp dụng cụng nghệ phun phủ kim loại để sử lý bề mặt ngoài của trống sấy thay thế mạ Crụm, trờn thiết bị chế biến tinh bột biến tớnh tiền hồ húa quy mụ cụng nghiệp.” Mó Số: 256-08 RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Bộ Cụng Thương Đơn vị chủ trỡ: Viện nghiờn cứu thiết kế chế tạo mỏy nụng nghiệp Chủ nhiệm đề tài: Ks. Nguyễn Quốc Vũ 7324 23/4/2009 Hà nội, thỏng 2 năm 2009 2 BỘ CễNG THƯƠNG Tổng cụng ty mỏy Động lực và mỏy Nụng nghiệp VIỆN NGHIấN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NễNG NGHIỆP ---------------------------------------------- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIấN CỨU KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 2008 ĐỀ TÀI: “Nghiờn cứu ỏp dụng cụng nghệ phun phủ kim loại để sử lý bề mặt ngoài của trống sấy thay thế mạ Crụm, trờn thiết bị chế biến tinh bột biến tớnh tiền hồ húa quy mụ cụng nghiệp.” Mó Số: 256-08 RD/HĐ-KHCN ĐƠN VỊ CHỦ TRè CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI VIỆN NC TK CT MÁY NễNG NGHIỆP Nguyễn Quốc Vũ Hà nội, thỏng 2 năm 2009 3 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH TT Họ và tên Học hàm học vị chuyên môn Chức vụ Cơ quan 1 Nguyễn Quốc Vũ Kỹ s− Tr−ởng phòng nghiên cứu 2 Viện NCTKCT máy NN 2 Nguyễn T−ờng Vân Tiến sĩ Viện tr−ởng -nt- 3 Vũ Văn D−ơng Kỹ s− -nt- 4 Mục lục báo cáo 1 Lời mở đầu...........................................................................................5 2 Nghiên cứu tổng quan ứng dụng công nghệ phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí ................................................................................6 2.1 Một số ph−ơng pháp phủ kim loại thông dụng................................... 7 2.1.1 Tráng kim loại bằng cách nhúng ........................................................ 7 2.1.2 Mạ hóa học không có dòng điện......................................................... 7 2.1.3 Mạ bằng khuếch tán............................................................................ 7 2.1.4 Mạ trong chân không.......................................................................... 7 2.1.5 Mạ điện: .............................................................................................. 8 2.2 Phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí ...................................... 9 2.2.1 Các ph−ơng pháp phun phủ............................................................... 11 2.2.2 Vật liệu phun phủ.............................................................................. 15 2.2.3 Quy trình phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí.................... 16 2.3 Tình hình ứng dụng công nghệ phủ bề mặt chi tiết ở Việt nam ....... 18 3 Nghiên cứu giải pháp sử lý bề mặt lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa bằng ph−ơng pháp phun phủ kim loại thay thế mạ crôm .......................................................................................19 3.1 Lựa chọn vật liệu, thiết bị phun phủ phù hợp ................................... 20 3.2 Nghiên cứu đồ gá, chế độ công nghệ phù hợp cho ứng dụng phun phủ bề mặt chi tiết lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa. ............................................................................................ 21 4 Thử nghiệm trên vật mẫu, đánh giá kết quả thử nghiệm ...................22 4.1 Mục tiêu thử nghiệm sử lý bề mặt bằng ph−ơng pháp phun phủ kim loại thay thế mạ crôm cứng trên vật mẫu ......................................... 22 4.2 Ph−ơng pháp tiến hành thử nghiệm .................................................. 23 4.3 Nhận xét, đánh giá kết quả thử nghiệm............................................ 25 5 Kết luận..............................................................................................26 6 Tài liệu tham khảo ..........................................................................28 7 Phụ lục ...............................................Error! Bookmark not defined. 5 Lời mở đầu Thông th−ờng các chi tiết cơ khí làm việc trong môi tr−ờng rất khắc nghiệt. Chúng dễ bị h− hỏng d−ới nhiều dạng do nhiều nguyên nhân nh−: bị rỉ sét (do làm việc trong môi tr−ờng có độ ẩm, nhiệt độ cao…), mài mòn cơ học (do cà sát các chi tiết cơ khí với nhau…), ăn mòn (d−ới ảnh h−ởng của các chất lỏng, khí cháy…)…Do vậy từ rất xa x−a, việc bảo vệ các chi tiết cơ khí nói riêng, bảo vệ máy móc nói chung… đã đ−ợc đầu t− nghiên cứu, ứng dụng nhiều ph−ơng pháp kỹ thuật để chống rỉ sét, bị mòn h− hỏng… Thế kỷ 18, 19 ng−ời ta đã sử dụng ph−ơng pháp hóa học vào xử lý bề mặt với mục đích làm tăng thời gian sử dụng của các chi tiết cơ khí thay vì phải sử dụng vật liệu chế tạo tốt hơn, đắt tiền hơn. Từ những năm đầu thế kỷ 19, mạ điện đã đ−ợc tiến hành: nh− mạ bạc, mạ vàng và mạ một số hợp kim. Khoảng năm 1880, mạ niken lên vật liệu bằng thép đã phát triển rất nhanh. Năm 1914 trong công nghiệp, đã tiến hành mạ hàng loạt các kim loại, hợp kim nh− kẽm, thiếc, đồng, thiếc, crôm, … Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, song hành cùng ph−ơng pháp mạ kim loại, những ph−ơng pháp sử lý bề mặt chi tiết cơ khí, phủ kim loại mới đ−ợc nghiên cứu và đ−ợc đ−a vào ứng dụng. Có thể kể đến nh− thấm khí (nitơ, cácbon), phủ kim loại, hợp kim bằng bốc bay trong chân không lên bề mặt chi tiết. Điển hình là ph−ơng pháp phun phủ kim loại (Thermal spray coating) đ−ợc phát triển từ những năm đầu thế kỷ XX, cho đến nayph−ơng pháp này đã có đ−ợc những ứng dụng rộng rãi nhờ sự phát triển đa dạng về vật liệu phun cũng nh− các thiết bị phun phủ. Trong lĩnh vực cơ khí, ph−ơng pháp mạ crôm cứng (hard crome plating) lên bề mặt chi tiết đã đ−ợc biết đến nhằm tăng tính chịu mài mòn, ăn mòn. Tuy vậy, ph−ơng pháp mạ crôm cứng cũng có những hạn chế nhất định nh− vấn đề ô nhiễm môi tr−ờng trong quá trình mạ, hạn chế về kích th−ớc của chi tiết cần mạ, cũng nh− bề dày lớp mạ. Những nghiên cứu cho thấy sử dụng mạ crôm chỉ có hiệu quả kinh tế khi chi tiết cần mạ nhỏ và có bề dày lớp mạ mỏng hơn 25,4 àm. Do vậy, những ph−ơng pháp sử lý bề mặt khác đ−ợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng để thay thế ph−ơng pháp mạ crôm cứng mà vẫn đảm bảo đ−ợc các tính chất cơ lý hóa và khắc phục đ−ợc những hạn chế của mạ crôm cứng, giảm chi phí sản xuất. Giải pháp thay thế đ−ợc đ−a ra là ph−ơng pháp phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí. Đi đầu trong lĩnh vực này có thể kể đến PRAXAIR-TAFA, Sulzer METCO, MOGUL Metallizing GMBH … các công ty dẫn đầu trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu phun cũng nh− các thiết bị phục vụ phun phủ kim loại. Trên thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa, chi tiết quan trọng: lô sấy (trống sấy), với bề mặt cần có tính chất chịu mài mòn và ăn mòn cao. Để đạt đ−ợc điều đó, có thể áp dụng ph−ơng mạ crôm cứng lên bề 6 mặt lô sấy. Tuy vậy, các lô sấy có kích th−ớc lớn, (đ−ờng kính lô sấy lớn hơn 1m, và dài hơn 3m), do vậy việc thực hiện mạ crôm cứng lên bề mặt các lô sấy này ở trong n−ớc khó có khả năng thực hiện do hiện tại ch−a có bể mạ phù hợp với kích th−ớc lô sấy. Tìm giải pháp sử lý bề mặt lô sấy thay thế mạ crôm cứng là một yêu cầu đ−ợc đặt ra và cũng là nội dung nghiên cứu của Đề tài. Những nội dung chính trong quá trình thực hiện đề tài bao gồm: - Nghiên cứu tổng quan ứng dụng công nghệ phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí; - Từ đó nghiên cứu giải pháp sử lý bề mặt lô sấy bằng ph−ơng pháp phun phủ kim loại phù hợp bao gồm lựa chọn vật liệu phun phủ phù hợp; nghiên cứu đồ gá, chế độ công nghệ phù hợp cho ứng dụng phun phủ bề mặt lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa; - Thử nghiệm phun trên vật mẫu t−ơng ứng để đánh giá khả năng ứng dụng. Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đề tài xin đ−ợc cảm ơn Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và sử lý bề mặt, đặc biệt TS. KHKT Hoàng Văn Châu đã t− vấn, cung cấp tài liệu cũng nh− phối hợp thực hiện thử nghiệm phun phủ trên vật mẫu. Nghiên cứu tổng quan ứng dụng công nghệ phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí Tùy theo mục đích sử dụng, kích th−ớc và điều kiện làm việc của các chi tiết mà các ph−ơng pháp phủ bề mặt chi tiết đ−ợc ứng dụng cho phù hợp. Theo mục đích sử dụng lớp phủ có thể để bảo vệ hay trang trí, hay những lớp phủ đặc biệt với tính chất chịu ăn mòn, mài mòn, chịu nhiệt độ cao… Có thể phân ra làm ba nhóm ph−ơng pháp phủ bề mặt chi tiết: - Các ph−ơng pháp hóa học và điện ly. - Các ph−ơng pháp vật lý. - Các ph−ơng pháp cơ học. Các ph−ơng pháp hóa học và điện ly bao gồm: photphat hóa, sunfit hóa (ph−ơng pháp hóa học); mạ niken, mạ crom, oxit hóa (ph−ơng pháp điện ly). Lớp phủ photphat hóa (hay còn gọi là tẩm photphat) dùng để trang trí và bảo vệ chống rỉ. Lớp phủ sunfit hóa có tác dụng nâng cao độ bền mòn. Các lớp phủ bằng mạ niken, mạ crom, oxit hóa đều có tác dụng trang trí, bảo vệ và chống mài mòn… Các ph−ơng pháp phủ vật lý bao gồm tráng nhôm, nhúng kẽm, khuếch tán (khuếch tán bột nhôm, bột crom; tẩm các bon, tẩm nitơ, tẩm hỗn hợp cacbon - nitơ); tôi bề mặt, phủ chân không,…Các lớp phủ của bằng ph−ơng pháp vật lý có độ bền mòn, bền nhiệt cao, tính chống rỉ tốt… Các ph−ơng pháp cơ học bao gồm phủ lên bề mặt chi tiết kim loại nền kim loại, hợp kim khác có tính chất cơ lý hóa tốt hơn (nh− thép không rỉ, 7 crôm, niken, đồng, ti tan…) bằng các ph−ơng pháp cơ học nh− cán, đúc, hàn nổ, phun phủ kim loại. [1] 1.1 Một số ph−ơng pháp phủ kim loại thông dụng 1.1.1 Tráng kim loại bằng cách nhúng Nhúng chùm chi tiết vào kim loại nóng chảy gọi là tráng, đây là ph−ơng pháp cũ nhất để bảo vệ kim loại chống rỉ sét. Bằng cách này sẽ thu đ−ợc các lớp bảo vệ, thông th−ờng là kẽm, chì, thiếc… Ph−ơng pháp này th−ờng sử dụng trong các nhà máy luyện kim. Hiện nay, ng−ời ta th−ờng dùng lớp tráng thiếc cho ngành đóng đồ hộp trong công nghiệp thực phẩm…. 1.1.2 Mạ hóa học không có dòng điện Đây là ph−ơng pháp mới nhất và rất có ý nghĩa với mạ niken không có dòng điện trong dung dịch muối niken. Lớp mạ này chỉ hình thành trên bề mặt kim loại. Ph−ơng pháp này cho ta một lớp mạ đủ lớn và có chiều dầy đều đặn ở trên các đỉnh cũng nh− trên các khe, lỗ…của chi tiết cần mạ 1.1.3 Mạ bằng khuếch tán Lớp phủ đ−ợc hình thành bằng sự khuếch tán của một số kim loại vào kim loại nền; sự khuếch tán rõ rệt xảy ra ở nhiệt độ cao. Khi tiến hành mạ khuếch tán, đầu tiên ng−ời ta rắc lên vật cần mạ một lớp bột kim loại cần phủ( kẽm, nhôm, crom..). Sau đó vật đ−ợc bao bọc bằng một môi tr−ờng bảo vệ ( th−ờng là chân không) và đem nung nóng. Lớp phủ đ−ợc hình thành không phải là kim loại nguyên chất mà là các hợp kim tạo thành từ kim loại bột và kim loại nền… 1.1.4 Mạ trong chân không Mạ trong chân không là làm bốc hơi kim loại trong chân không. Quá trình mạ diễn ra nh− sau: Vật liệu chúng ta muốn làm bốc hơi nh− nhôm có dạng các khúc dây nhỏ hoặc bột, nó đ−ợc nung nóng bằng nhiệt điện trở (vonfram, môlipđen). Vật cần mạ đ−ợc treo trên cán treo. Khi nhiệt độ đạt tới nhiệt độ bốc hơi của nhôm, nhôm bốc hơi và tỏa ra trong không gian chân không. Hơi kim loại thâm nhập (các nguyên tử kim loại dùng để mạ - ở đây là nguyên tử nhôm) sẽ mở rộng theo tất cả các h−ớng trong không gian và va đập lên bề mặt vật cần mạ. Sau đó sẽ ng−ng tụ trên nó, tạo ra lớp liên kết. Bằng ph−ơng pháp mạ trong chân không có khả năng mạ những lớp kim loại khác nhau cũng nh− các vật liệu phi kim loại…Vật đ−ợc mạ có thể là kim loại hay không phải là kim loại. Ph−ơng pháp này đ−ợc dùng nhiều trong trang trí, trong kỹ thuật điện, quang học… 8 1.1.5 Mạ điện: Mạ điện ( hay là mạ điện hóa) đ−ợc tạo ra theo nguyên lý của sự điện phân. Nguyên lý chung là: vật cần mạ (1) sẽ là cực âm, chúng đ−ợc treo lên những thanh hoặc ống đồng hay nhôm (5). Vật cần mạ đ−ợc nhúng vào bể điện phân (4) có chứa chất điện phân (3). Bên cạnh đó chúng ta treo vào bể những đĩa kim loại có vai trò cực d−ơng (hình 1). Hình 1: Sự bố trí cực anốt và catôt trong bể mạ [2] Chất điện phân chứa các ion kim loại cần mạ, thông th−ờng cực d−ơng là những kim loại t−ơng tự nh− kim loại cần mạ. Khi nối các điện cực vào dòng điện một chiều, dòng điện sẽ đi qua bể. Lúc đó kim loại cực d−ơng sẽ thoát ra và trên bề mặt của vật cần mạ (cực âm) sẽ thu đ−ợc một lớp mạ. Vật cần mạ phải dẫn điện. Mạ điện có thể mạ những lớp kim loại khác nhau nh−: mạ niken, crom, đồng kẽm, bạc, vàng… Khi mạ những vật có hình dạng không đồng đều thì khó có đ−ợc một lớp mạ có chiều dầy nh− nhau trên toàn bộ bề mặt… Dùng mạ điện ta có thể thu đ−ợc các lớp mạ khác nhau với các tác dung khác nhau. Cụ thể nh−: - Lớp mạ niken có độ bóng khá tốt, th−ờng dùng trong sản xuất các dụng cụ điện… - Lớp mạ kẽm th−ờng dùng cho các vật liệu điện, các tấm thép với mục đích chống rỉ, ăn mòn hóa học. - Lớp mạ bạc dùng trong ngành điện với tính dẫn điện tốt, bền hóa học ( nh− dùng trong các tiếp điểm tiếp xúc ở các dụng cụ máy điện, bóng đèn điện tử…). - Lớp mạ crôm là lớp mạ thông dụng và đ−ợc sử dụng nhiều trong lĩnh vực cơ khí. Lớp mạ crôm có màu trắng, ánh xanh, độ cứng cao, chống mài mòn cơ học tốt. Trong không khí crôm rất bền vững. Do crom dễ bị thụ 9 động, trên bề mặt của nó đ−ợc hình thành một lớp oxit rất mỏng, nh−ng rất kín, có khả năng chống ăn mòn rất tốt. Độ dày lớp mạ crôm có thể có thể thay đổi phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Có thể phân mạ crôm thành bốn loại theo mục đích mạ nh− sau: 1. Mạ crom trang trí ( mạ trang sức) có lớp mạ dày 0.25-1àm. Tr−ớc đó chi tiết th−ờng đ−ợc mạ lót Ni bóng hoặc Cu- Ni bóng. 2. Mạ crom bảo vệ chống ăn mòn bằng lớp crom kín, không rạn nứt, độ dầy lớp mạ phải ≥9 àm. 3. Mạ crom chống mài mòn cho các sản phẩm mới, làm việc ma sát. Với độ dày lớp mạ từ 6 - 60àm, thông th−ờng độ dày này lớn hơn 20àm sẽ tăng tuổi thọ sản phẩm lên 3-10 lần… 4. Mạ crom phục hồi kích th−ớc cho các chi tiết máy đã mòn. Lớp mạ crom cứng này dày từ 30-200 àm … Lớp mạ crom làm việc tốt ở nhiệt độ cao ( ≤500 0C), có khả năng phản xạ ánh sáng lớn ( ∼70% so với g−ơng bạc) và không bị mờ theo thời gian. Nó cũng có độ cứng rất cao(8000 - 10000N/mm2 ) và không hề bị suy giảm khi nhiệt độ làm việc ch−a v−ợt qua 350 0C. Lớp mạ crom có hệ số ma sát rất bé và có độ gắn bám rất tốt với thép, kền, đồng…[ 3 ] + Mạ điện có −u điểm: khá thông dụng hiện nay, giá thành t−ơng đối thấp với bề dày lớp mạ mỏng, lớp mạ khá đồng đều. + Mạ điện có nh−ợc điểm: phụ thuộc khá nhiều vào kích th−ớc bể mạ cũng nh− công suất của biến áp. Rất khó mạ các chi tiết đơn lẻ có kích th−ớc lớn. Đặc biệt không thể mạ các chi tiết có kích th−ớc lớn hơn bể mạ… 1.2 Phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí Phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí là một trong những ph−ơng pháp gia công bề mặt chi tiết cơ khí đ−ợc sử dụng trong gần một thế kỷ nay. Các phân tử kim loại cần phun đ−ợc đ−a tới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy, d−ới áp lực của không khí hoặc hỗn hợp khí cháy, các phần tử kim loại chuyển động với tốc độ rất cao tới bề mặt vật cần phun tạo thành lớp phủ bề mặt (Hình 2). . Nguồn nhiệt đ−ợc sử dụng có thể từ ngọn lửa khí đốt hoặc hồ quang điện. Mục đích của phun phủ kim loại này là bảo vệ chống rỉ các kết cấu, chi tiết cơ khí làm việc trong các môi tr−ờng khắc nghiệt, làm tăng độ cứng bề mặt, để chống mài mòn… 10 −u điểm và nh−ợc điểm của công nghệ phun phủ * Công nghệ phun phủ có những −u điểm so với các công nghệ khác ở chỗ: + Có thể phun phủ các vật liệu rất khác nhau trên bề mặt chi tiết… Nh− có thể phủ kim loại trên kính, vải, gỗ…. + Có thể phun phủ lên các bề mặt của các chi tiết lớn mà các ph−ơng pháp mạ , nhúng, khuếch tán không thể thực hiện đ−ợc (do không có các thiết bị phụ trợ thích hợp nh− bể chứa, thiết bị nung nóng…). + Phun phủ cho phép ta tạo ra lớp đắp với chiều dầy t−ơng đối lớn (ứng dụng trong phục hồi các chi tiết bị mài mòn…); + Thiết bị phun phủ khá đơn giản, gọn nhẹ, có thể dễ dàng di chuyển; + Có thể sử dụng các kim loại, hợp kim khác nhau hay hỗn hợp của chúng. Có thể phun nhiều lớp với những vật liệu khác nhau nhằm có đ−ợc một lớp phủ có các tính chất đặc biệt; + Chi tiết sau khi đ−ợc phun ít bị biến dạng; + Bằng ph−ơng pháp phun có thể sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp, ng−ời ta phun lên mặt khuôn mẫu, sau khi phun khuôn mẫu đ−ợc tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun; + Quá trình công nghệ phun phủ bảo đảm năng suất cao và đặc tr−ng bởi khối l−ợng công việc không lớn. * Công nghệ phun phủ có những nh−ợc điểm so với các công nghệ khác ở chỗ: - Khi chi tiết phun nhỏ thì hiệu quả phun thấp do tổn hao vật liệu phun lớn; - Quá trình chuẩn bị bề mặt tr−ớc khi phun gây ô nhiễm môi tr−ờng làm việc; Hình 2: Sơ đồ nguyên lý quá trình phun phủ [10] 11 - Khi phun, các hạt phun có thể bắn tung tóe, đồng thời có thể tạo các hợp chất có hại cho sức khỏe của ng−ời công nhân vận hành; - ảnh h−ởng đến sức bền của chi tiết, làm giảm giới hạn mỏi của chi tiết; - Bề mặt chi tiết tr−ớc khi phun cần phải đ−ợc làm sạch và tạo nhấp nhô; - Đòi hỏi trình độ tay nghề công nhân kỹ thuật cao. Một vài thống kê trên thế giới về sử dụng phun kim loại trong một số lĩnh vực nh− sau: - 65% cho việc bảo vệ chống rỉ các thiết bị, cấu trúc… - 35% cho việc phục hồi các chi tiết máy mòn, trong đó sử dụng nhiều tính chất tr−ợt (tính chịu mài mòn) của lớp phun… [ 2 ] 1.2.1 Các ph−ơng pháp phun phủ Ng−ời phát minh ra ph−ơng pháp phun phủ là ông Max Schoop - kỹ s− Thụy Sĩ vào năm 1910. Theo ph−ơng pháp của ông, kim loại lỏng đ−ợc rót vào luồng không khí nóng thoát ra từ vòi đốt. D−ới tác dụng của luồng khí nóng áp suất cao, kim loại lỏng bị tách thành từng hạt nhỏ bắn vào bề mặt vật cần phun. Dựa vào nguồn năng l−ợng đ−ợc cung cấp để làm nóng chẩy vật liệu phun, có thể phân thành hai nhóm phun phủ: phun ngọn lửa khí và phun điện. Trong các máy phun ngọn lửa khí, nhiệt phát sinh bởi sự đốt cháy hỗn hợp khí đốt và oxi. Ph−ơng pháp này hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi. Nó đ−ợc dùng để phun và làm nóng chảy các hợp kim tự bảo vệ trên nền niken, coban. Phun nổ - dùng năng l−ợng nổ của hỗn hợp khí axetylen và oxi cũng thuộc nhóm này. Phun nổ có thể phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chẩy cao nh− các vật liệu gốm, cacbit kim loại. Ph−ơng pháp phun kim loại bằng hồ quang điện là dạng cũ nhất trong số các dạng phun phủ điện. Để ổn định quá trình phun, hiện nay ng−ời ta dùng hồ quang dòng một chiều trong các máy phun kim loại. Và gần đây thiết bị phun plasma dùng để phun cảm ứng tần số cao có khả năng ứng dụng công nghệ rộng hơn cả. 1.2.1.1 Phun ngọn lửa khí: Khi phun ngọn lửa khí, nguồn năng l−ợng nhiệt đ−ợc tạo bởi sự đốt cháy hỗn hợp khí cháy với oxi. Nguyên lý bằng ngọn lửa khí với vật liệu phun dạng dây cơ bản nh− sau: Vật liệu phun dạng dây hay thanh đ−ợc cấp qua lỗ tâm của mỏ đốt và nóng chảy trong ngọn lửa. Luồng không khí nén làm phân tán vật liệu phun 12 nóng chẩy thành các hạt nhỏ phủ trên bề mặt vật cần phun. Dây đ−ợc cấp với tốc độ không đổi nhờ các con lăn dẫn động của động cơ điện hoặc tuốc bin không khí. Hình 3 Phun dây bằng ngọn lửa khí.[1] Nguyên lý phun bằng ngọn lửa khí với vật liệu phun dạng bột nh− sau: Bột phun chảy từ trên xuống bị kéo theo bởi dòng khí tải ( Hỗn hợp oxi- khí cháy) và rơi vào ngọn lửa. Các phần tử bột bị đốt nóng và bắn vào bề mặt vật cần phun. Hình 4: Nguyên lý phun bột bằng ngọn lửa khí [1] Nhiệt độ ngọn lửa khí đốt không quá 2850oC, vì vậy không thể dùng ph−ơng pháp phun ngọn lửa khí để phun các vật liệu khó chảy. Tuy vậy ph−ơng pháp này đ−ợc ứng dụng rộng rãi vì công nghệ rất đơn giản và chi phí vận hành thấp. 13 Nguyên lý phun nổ nh− sau: Oxi và axetylen với tỷ lệ khối l−ợng chính xác đ−ợc cấp vào buồng 3 có đ−ờng kính 25mm, đ−ợc làm mát bằng n−ớc (hình 5a). Sau đó bột phun (ví dụ: cacbit vonfram) đ−ợc cấp vào buồng cùng với khí nitơ (hình 5b). Ng−ời ta phóng tia lửa điện vào buồng hỗn hợp khí chứa bột phun (hình 5c). Hỗn hợp khí phát nổ, sinh nhiệt và sóng va đập, đốt nóng và phóng các phần tử bột trên vào mặt chi tiết cần phun (hình 5d) Hình 5: Sơ đồ nguyên lý phun nổ [1] Phun nổ đ−ợc ứng dụng để phun các lớp cứng và chịu mài mòn từ bột cacbit kim loại… Các lớp phun nổ có độ chặt cao và độ bám dính cao, các chi tiết cần phủ hầu nh− không bị biến dạng và không thay đổi các tính chất cơ lý khác. Nh−ợc điểm của phun nổ là tiếng ồn lớn (tới 140dB ) và giá thành cao… 1.2.1.2 Phun điện Phun hồ quang điện. Máy phun hồ quang điện theo nguyên lý sau (theo hình 6): dây phun đ−ợc cấp qua hai ống dẫn dây (2). Các dây phun cũng là dây dẫn điện, khi hai đầu dây gần chập nhau thì hồ quang điện xuất hiện. ống dẫn không khí nén nằm giữa hai ống dây, luồng khí nén thổi tách các giọt kim loại khỏi các điện cực tạo thành các phần tử kim loại nóng chẩy bay đến bám vào bề mặt của vật cần phun. 14 Hình 6 Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện[1] Ưu điểm của ph−ơng pháp phun hồ quang điện là năng suất cao, có khả năng rút ngắn thời gian phun, chi phí vận hành máy phun không lớn. Nh−ợc điểm của nó là sự quá nhiệt và oxi hóa vật liệu phun khi tốc độ cấp dây phun bé, cho nên nguyên tố hợp kim bị cháy khá nhiều… Phun plasma. Chất khí mà trong đó phần lớn các nguyên tử hoặc phân tử bị ion hóa và nồng độ các điện tử, ion âm bằng nồng độ các ion d−ơng, gọi là plasma. Các dạng phóng điện trong các chất khí , trong đó có cả phóng điện hồ quang, đ−ợc ứng dụng rộng rãi nhất để tạo plasma. Khi một chất khí với các phân tử tạo bởi nhiều nguyên tử đ−ợc đốt nóng tới nhiệt độ trên 1000oK, thì xảy ra quá trình phá hủy các liên kết phân tử và chất khí chuyển sang trạng thái ion. Nhiệt độ của quá trình đó - gọi là quá trình phân ly- đ−ợc xác định bởi chất khí và áp suất. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, các điện tử tách khỏi nguyên tử và xảy ra sự ion hóa nguyên tử đó. Ưu điểm của ph−ơng pháp này là cho phép phun các vật liệu khác nhau (kim loại, gốm, vật liệu hữu cơ), lớp phun plasma có độ bám tốt, độ chặt cao. Nh−ợc điểm là năng suất phun thấp, có tiếng ồn cao, tia cực tím mạnh, giá thành và chi phí vận hành thiết bị cao… 15 Hình 7 Sơ đồ hệ thống phun plasma đồng bộ [1] Phun cảm ứng tần số cao. Nguyên lý của ph−ơng pháp này nh− sau: Lõi cảm ứng(dây phun) bị đốt nóng chảy bởi dòng điện cảm ứng xuất hiện do tác dụng của từ tr−ờng khi có dòng điện tần số cao chạy qua cuộn dây. Kim loại nóng chẩy bị tách thành hạt và chuyển động với tốc độ cao tới bề mặt vật cần phun nhờ luồng không khí áp suất cao. Quá trình phun diễn ra trong buồng kín chứa khí trơ. Ưu điểm của ph−ơng pháp này là lớp phủ chứa ít tạp chất oxit, độ bám của nó với kim loại nền cao, các nguyên tố hợp kim ít bị cháy. Nh−ng nh−ợc điểm của nó là năng suất phun không cao. 1.2.2 Vật liệu phun phủ Vật liệu dùng trong phun phủ kim loại rất đa dạng có thể là kim loại, oxit kim loại, hợp kim, cacbit hay gốm ở các dạng dây phun, bột phun hay thanh phun đ−ợc sử dụng trong những ứng dụng phù hợp và trên các thiết bị phun t−ơng ứng. 1.2.2.1 Dây phun: Khi phun hồ quang, phun ngọn lửa khí và phun cảm ứng tần số cao, ng−ời ta sử dụng chủ yếu dây kim loại làm vật liệu phun. Việc sử dụng dây cho phép cung cấp liên tục và điều hòa vật liệu phun vào mỏ đốt, nâng cao tính ổn định của quá trình phun và chất l−ợng lớp phun. Có nhiều loại dây dùng để phun. Các dây phun này đ−ợc sản xuất từ các nhà máy luyện kim theo yêu cầu của đơn đặt hàng. 16 1.2.2.2 Bột phun Trong nhiều tr−ờng hợp, vật liệu phun có thể là dạng bột. Ưu điểm cơ bản của ph−ơng pháp phun bột là giá thành thấp, sự đơn giản của công nghệ sản xuất bột kim loại, hợp kim… Với một số vật liệu, bằng các ph−ơng pháp công nghệ thông th−ờng không thể sản xuất đ−ợc thành dây hay thanh do độ cứng và độ giòn cao của chúng. Nh−ợc điểm của phun bột là với cùng một nguồn nhiệt, các lớp phủ bằng dây có độ chặt lớn hơn, chứa l−ợng oxit nhỏ hơn so với lớp phủ bột cùng loại vật liệu đó. Và sự phức tạp trong việc đảm bảo cấp bột ổn định vào ngọn lửa phun... 1.2.2.3 Thanh phun Các thanh phun đ−ợc sản xuất với đ−ờng kính 3,2mm; 4,8mm; 6,4mm và chiều dài 305mmm; 457mm; 610mm. Để sản xuất chúng ng−ời ta th−ờng sử dụng các oxit dạng bột. Các thanh đ−ợc tạo hình từ các oxit bột mịn và các chất liên kết, sau đó đ−ợc thiêu kết. Chúng đ−ợc sản xuất bởi hãng “Norton” của Mỹ và có tên gọi “Rokide”. Để phun bằng ngọn lửa khí oxi- axetylen, ng−ời ta sản xuất các thanh từ vật liệu sau đây: oxit nhôm (Rokide A), silicat ziriconi(Rokide ZS); đioxit ziriconi( Rokide Z), oxit crom( Rikide C), oxit magie( Rokide MA)...[1] 1.2.3 Quy trình phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí Làm sạch bề mặt lớp nền ặ Tạo nhám bề mặt lớp nền ặ Phun phủ ặGia công tinh bề mặt chi tiết sau khi phun 1.2.3.1 Chuẩn bị bề mặt phun Cần chú ý là đại bộ phận các liên kết của lớp phun với nền là liên kết cơ học. Cho nên cần tăng diện tích tiếp xúc giữa vật cần phun và lớp phun, vì vậy cần làm sần sùi bề mặt tr−ớc khi phun. Đồng thời nên tạo tính hoạt hóa cao của bề mặt vật cần phủ để có đ−ợc những liên kết hóa học giữa lớp phun và kim loại nền, cho nên cần làm sạch vật cần phun. Quá trình chuẩn bị bề mặt th−ờng theo quy trình sau: • Làm sạch bề mặt vật cần phủ Tùy theo độ bám bẩn của vật phủ mà dùng một hay tất cả các ph−ơng pháp sau đây: - Rửa: Nếu có dầu mỡ thì th−ờng tẩy rửa bằng cách cạo, rửa n−ớc xà phòng hay các chất hòa tan nh−: tricloetylen….Sau cùng rửa bằng n−ớc; - Đốt nóng: Các chi tiết bị rỗ hoặc đúc gang…có thể chứa dầu mỡ trong các lỗ rỗ, khi phun phủ do bị đốt nóng chúng sẽ thoát ra bề mặt làm giảm độ bám của lớp phun với nền. Cho nên cần đốt nóng chi tiết tới 250- 300 oC để dầu mỡ cháy hết; 17 - Phun cát: Đặc biệt khi các chi tiết có hình dáng phức tạp hay bề mặt chi tiết có các màng oxit… có thể dùng phun cát thạch anh hay mạt thép để làm sạch chi tiết; - Ngâm: Ngâm kim loại là một ph−ơng pháp làm sạch bằng hóa chất. Qua đó các chất bẩn vô cơ (oxit, vẩy, rỉ…) sẽ đ−ợc làm sạch khỏi vật cần phun, trừ dầu mỡ. Các oxit bị khử sẽ hòa tan trực tiếp vào dung dich axit. Do vậy, sau khi ngâm vật cần phun phải đ−ợc tráng lại thật kỹ…. • Tạo nhám bề mặt Nguyên công này bảo đảm độ bền, độ dính kết của kim loại phủ với bề mặt chi tiết đ−ợc phủ. Tạo nhám th−ờng bằng phun cát, phun hạt kim loại hay phun bi, cắt ren, gia công tia lửa điện. Khi phủ lớp dầy th−ờng dùng các ph−ơng pháp nh− cắt ren tròn, cắt ren bằng cùng việc sửa lại đỉnh ren…Qua thực nghiệm, ng−ời ta thấy kết quả tốt nhất nhận đ−ợc khi kích th−ớc của các phần tử kim loại đ−ợc phủ nhỏ hơn phần rỗng của các rãnh nhấp nhô trên bề mặt do nguyên công chuẩn bị tạo ra trong một khoảng nhất định Hiện nay có các ph−ơng pháp sau đây đ−ợc dùng để gia công bề mặt tr−ớc khi phun: phun hạt (cát, bi, hạt kim loại, oxit kim loại); cơ khí; phun lớp mỏng molipđen bám chắc với nền; tia lửa điện; hóa học. 1.2.3.2 Phun phủ kim loại Sau khi làm sạch và tạo nhám chi tiết, cần tiến hành phun ngay, càng sớm càng tốt. Thời gian dãn cách không nên quá 1-2 giờ. Độ bám giữa lớp phun và chi tiết tốt nhất nếu chỉ phun một lần đã đạt đ−ợc độ dày yêu cầu. Nếu phải phun nhiều l−ợt, giữa các lớp phun sẽ bị ngăn cách bởi một lớp bụi các hạt kim loại, làm giảm thấp độ dính bám giữa các lớp. Đối với những chi tiết có dạng tròn xoay, chúng đ−ợc cặp trên máy tiện, còn đầu phun đ−ợc gắn trên xe dao. Lúc đó chi tiết quay tròn và đầu phun di động dọc theo trục chi tiết tạo ra một lớp phun tròn đều. Còn với những chi tiết không có dạng tròn xoay thì dùng đầu phun cầm tay, lúc đó đầu phun sẽ đ−ợc công nhân điều khiển để phun vào toàn bộ bề mặt chi tiết. 1.2.3.3 Gia công tinh bề mặt chi tiết sau khi phun Chi tiết cơ khí sau khi phun phủ có thể gia công tinh bằng các ph−ơng pháp phù hợp nh− mài, đánh bóng cho đạt yêu cầu kỹ thuật. 18 1.3 Tình hình ứng dụng công nghệ phủ bề mặt chi tiết ở Việt nam ở các n−ớc tiên tiến nh− Anh, Mỹ, Đức… các công ty dẫn đầu trong lĩnh vực phun phủ nh− PRAXAIR-TAFA, Sulzer METCO, MOGUL Metallizing GMBH… liên tục nghiên cứu phát triển vật liệu phun cũng nh− các thiết bị phục vụ phun phủ kim loại. Đồng thời tìm đ−ợc ứng dụng thực tiễn trong sử lý bề mặt của ph−ơng pháp này. ở n−ớc Việt nam ta, với tính chất khí hậu nhiệt đới, không khí có độ ẩm cao, vì vậy điều kiện để phát sinh và phát triển rỉ rất mạnh. Do vậy, các chi tiết, máy móc làm việc ở n−ớc ta nhanh chóng bị rỉ phá hỏng… Trong khi đó do điều kiện hạn chế, chuyên môn xử lý bề mặt kim loại ở ta ch−a phát triển mạnh và kịp thời với tình hình phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại. Hiện nay chúng ta đang ứng dụng các ph−ơng pháp công nghệ nh−: mạ crom, ni ken; sơn tĩnh điện; b−ớc đầu ứng dụng phun phủ hồ quang, phun phủ nổ; các công nghệ thấm trong một số lĩnh vực, chủ yếu trong chống ăn mòn hóa học… Kỹ thuật mạ các kim loại Niken, Crom hiện nay đ−ợc sử dụng khá rộng rãi. Hiện nay các chi tiết mạ Crom, Niken th−ờng là các trục, đầu trục, trống của lô cán giấy, cán vải… Kích th−ớc các bể mạ th−ờng chỉ để phụ vụ mạ những chi tiết có chiều dài tới 2,5m nh−ng đ−ờng kính lại không đáng kể, chỉ khoảng ∼300mm… Trong lĩnh vực phun phủ thì mới ở giai đoạn b−ớc đầu, chúng ta đã ứng dụng phun phủ một số lĩnh vực nh− phủ kẽm lên bề mặt tấm kim loại với mục đích chống oxy hóa nh−: Phun phủ hệ thống cửa phai tại cống Lân (Thái Bình) với diện tích trên 2000m2 đã đ−ợc phủ một lớp bảo vệ. Lớp bảo vệ gồm hai lớp thành phần : lớp trong là lớp phun kẽm, có chiều dày lớp phun 100-150 àm; lớp ngoài- epoxy với chiều dày khoảng 0,8-1 mm. Hệ thống cửa phải làm việc trong môi tr−ờng n−ớc lợ trong suốt thời gian trên 15 năm vẫn giữ đ−ợc trạng thái bề mặt tốt [1]. Phun phủ kim loại đã b−ớc đầu đ−ợc áp dụng để phục hồi, sửa chữa một số chi tiết máy trong ngành dầu khí, đóng tàu (Phòng TNTĐ công nghệ hàn và sử lý bề mặt)…. Trong các năm vừa qua, khi nghiên cứu thử nghiệm lô sấy tinh bột biến tính tiền hồ hóa. Viện nghiện cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp của Bộ Công th−ơng đã chế tạo các lô sấy có kích th−ớc đ−ờng kính từ φ360 mm tới φ500 mm. Các lô sấy này sau khi gia công cơ đã đ−ợc mạ Crôm cứng. Các lô sấy đó làm việc t−ơng đối tốt, đáp ứng đ−ợc các yêu cầu đề ra của đề tài [4,5]. Vậy nh−ng để chế tạo, gia công thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa quy mô công nghiệp với các lô sấy có đ−ờng kính khoảng 1000- 1500mm, dài tới trên 3000mm…. thì hiện tại ch−a cở sở mạ nào tại miền Bắc Việt nam có thể đáp ứng đ−ợc. Cho tới thời điểm hiện nay, trên các bể mạ sẵn có của các doanh nghiệp chỉ có thể mạ Crôm cứng lô sấy với đ−ờng kính lớn nhất là 500 mm với chiều dài tới 2,5m. 19 Để có thể chế tạo thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa quy mô công nghiệp, các lô sấy có kích th−ớc lớn (đ−ờng kính đến 1500mm và chiều dài lô đến 40000mm), cần thiết áp dụng công nghệ phun phủ thay thế cho ph−ơng pháp mạ Crôm cứng trong sử lý bề mặt ngoài lô sấy tinh bột. Vậy nên, đòi hỏi cần có sự nghiên cứu chuyên sâu nh− vật liệu phủ, đặc biệt đồ gá phù hợp cần thiết cho việc thực hiện phun phủ kim loại lên bề mặt ngoài lô sấy, cũng nh− các chế độ công nghệ phun phủ thích hợp. Nghiên cứu giải pháp sử lý bề mặt lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa bằng ph−ơng pháp phun phủ kim loại thay thế mạ crôm Thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa kiểu lô sấy (Hình 8), sử dụng một hoặc hai lô sấy quay ng−ợc chiều nhau. Lô sấy có kết cấu hình trụ rỗng kín. Lô sấy đ−ợc cấp nhiệt thông qua việc cấp hơi n−ớc bão hòa tới áp suất 8 kg/cm2 vào trong lòng lô sấy. Dịch tinh bột đ−ợc rải một lớp mỏng, đều lên bề mặt lô tại khe hở giữa hai lô sấy. D−ới tác dụng của nhiệt độ trên bề mặt lô sấy, dịch tinh bột đ−ợc hồ hóa và sấy khô. Sản phẩm, tinh bột biến tính tiền hồ hóa đ−ợc tách ra khỏi lô sấy nhờ dao nạo ép tỳ sát vào mặt ngoài của lô. Hình 8: Sơ đồ nguyên lý thiết bị chế biến TBBT tiền hồ hóa Nh− vậy, trong quá trình làm việc lô sấy chịu tác động của các yếu tố: áp suất trong lòng lô sấy cao, nhiệt độ cao (tới 180 0C), tác động ăn mòn do nhiệt ẩm và chịu mài mòn do dao nạo ép tỳ vào bề mặt ngoài của lô. Sản phẩm tạo ra trên lô sấy có yêu cầu về an toàn vệ sinh thực phẩm. Tóm lại, bề mặt lô sấy cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nh− chịu nhiệt, chịu ăn mòn, chịu mài mòn cơ khí, và đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Để đáp ứng những yêu cầu trên, bề mặt lô sấy có thể đ−ợc mạ crôm cứng. Vật liệu crôm có tính chất chịu ăn mòn, mài mòn cũng nh− có khả năng chịu nhiệt. Tuy vậy, khi lô sấy có kích th−ớc lớn, chi phí cho việc mạ crôm cứng lên bề mặt ngoài lô sẽ rất lớn. Hơn nữa, về mặt kỹ thuật, trong n−ớc hiện ch−a có khả năng mạ chi tiết nh− vậy. Trên thế giới, để sử lý bề mặt nh− lô sấy, giải pháp hiện nay th−ờng đ−ợc dùng là phun phủ kim loại thay thế cho mạ crôm cứng. 20 1.4 Lựa chọn vật liệu, thiết bị phun phủ phù hợp Vật liệu dùng cho phun phủ cũng nh− thiết bị phun phù hợp đ−ợc các nhà cung cấp (PRAXAIR-TAFA, Sulzer METCO, MOGUL Metallizing GMBH…) nghiên cứu chuyên sâu và có những chỉ dẫn trong từng phạm vi ứng dụng. Vật liệu sử dụng cho phun phủ bề mặt đều đ−ợc các nhà cung cấp phân loại làm 3 nhóm chính theo mục đích sử dụng: • Nhóm vật liệu gốm, oxit kim loại: sử dụng cho phủ cách ly hay bảo vệ chi tiết nền. Sau khi phủ không cần gia công; • Nhóm kim loại và hợp kim: Nhóm này t−ơng đối đa dạng, có thể chỉ là những kim loại nh− kẽm dùng để phủ bảo vệ chống ôxy hóa trong điều kiện môi tr−ờng hay có thể là hợp kim từ nhiều kim loại nh−: niken, crôm, volfram, molipden, mangan, silic, đồng, nhôm , sắt… với mục đích bảo vệ chống ôxy hóa, tăng độ cứng, độ mài mòn thông th−ờng, chịu nhiệt… tùy thuộc vào thành phần các kim loại trong hợp kim. Nhóm này đ−ợc phân theo kim loại nền, kim loại mà trong đó là thành phần chủ yếu nh−: + Trên nền kim loại sắt: với mục đích sử dụng chủ yếu làm tăng độ cứng bề mặt chi tiết nền; + Trên nền Niken, đồng: chủ yếu để tăng khả năng chống rỉ, oxy hóa bề mặt chi tiết; + Trên nền Coban: mục đích làm tăng độ cứng bề mặt, chịu nhiệt. • Nhóm cacbit: Nhóm này có chứa cacbit crôm (Cr3C2) hoặc cacbit volfram (WC), kết hợp với Ni, Cr, Co. Nhóm này đ−ợc sử dụng để làm tăng khả năng chịu mài mòn, ăn mòn cũng nh− chịu nhiệt độ cao của chi tiết. Đây cũng là nhóm vật liệu đ−ợc dùng để thay thế cho mạ crôm cứng. Dựa trên các nhóm vật liệu dùng trong phun phủ cũng nh− các nghiên cứu về thay thế mạ crôm cứng bằng ph−ơng pháp phun phủ kim loại lên bề mặt ngoài chi tiết [7], [8], [11], có thể thấy đ−ợc khả năng thay thế việc mạ crôm lên bề mặt lô sấy bằng phủ vật liệu cacbit crom hay cacbit volfram. Chi tiết đ−ợc phủ cacbit crom hay cacbit volfram đều có khả năng chịu mài mòn, ăn mòn cũng nh− chịu nhiệt độ cao. Chi tiết đ−ợc phủ cacbit volfram có khả năng chịu mài mòn cao hơn so với đ−ợc phủ cacbit crom, nh−ng khả năng chống oxy hóa kém hơn. Sau khi phun, để gia công bề mặt chi tiết đ−ợc phủ cacbit volfram cần đến đá mài kim c−ơng, trong khi có thể dùng đá mài cacbit silic cho gia công chi tiết đ−ợc phủ cacbit crom. Với những phân tích nh− vậy, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn vật liệu phun phủ Cacbit crôm cho lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa. Vật liệu phun cacbit crôm thông dụng đ−ợc chọn 75Cr3C2- 25NiCr (75% Cacbit crôm, 25% niken-Crôm). Mã vật liệu t−ơng ứng theo 21 từng nhà cung cấp có thể MST-5648 (MOGUL Metallizing GMBH), hay 1375VM (TAFA). Thiết bị dùng trong phun phủ vật liệu này chỉ có thể là đầu phun plasma hay phun nổ (HVOF). Trong điều kiện có thể tại PTN trọng điểm hàn và sử lý bề mặt, lô sấy sẽ đ−ợc phun phủ lớp cacbit crôm 75Cr3C2-25NiCr bằng thiết bị phun với đầu phun plasma. 1.5 Nghiên cứu đồ gá, chế độ công nghệ phù hợp cho ứng dụng phun phủ bề mặt chi tiết lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa. Để có đ−ợc chất l−ợng lớp phun đều lên bề mặt lô sấy cần thiết phải có đồ gá phục vụ phù hợp. Đối với chi tiết lô sấy có bề mặt hình trụ, để phun đ−ợc lớp phủ lên bề mặt ngoài lô sấy, trong quá trình phun lô phải đ−ợc quay đều với tốc độ quay phù hợp, đồng thời đầu phun đ−ợc dịch chuyển đều phù hợp với tốc độ quay của lô sấy. Theo tài liệu h−ớng dẫn về chế độ phun, tốc độ cấp bột và tốc độ dịch chuyển đầu phun của nhà cung cấp Praxair-Tafa [12], chế độ công nghệ phun phủ bề mặt ngoài của các chi tiết hình trụ đ−ợc phân theo các dải đ−ờng kính 2 ữ100 (mm), 100 ữ200 (mm), 200 ữ380 (mm) và trên 380 (mm). Đối với vật phun hình trụ có đ−ờng kính lớn hơn 380mm, tốc độ quay của lô sấy nằm trong khoảng 31-46 m/ph và tốc độ dịch chuyển đầu phun t−ơng ứng 2,5 mm/vòng quay lô sấy. Khoảng cách từ đầu phun đến bề mặt lô từ 150-250 (mm). Do vậy, để có thể tiệm cận với chế độ công nghệ phun cho lô sấy có kích th−ớc ở quy mô công nghiệp (đ−ờng kính lô lớn hơn 1000 mm), nhóm thực hiện đề tài sẽ tiến hành thiết kế, chế tạo đồ gá thử nghiệm phục vụ cho phun phủ lô thử nghiệm có kích th−ớc lớn hơn 380 mm, cụ thể φ490 x 1200 Hình 9: Đồ gá thử nghiệm phục vụ phun phủ thử nghiệm 22 (mm). Theo đó, tốc độ quay của lô thử nghiệm cần có thể điều chỉnh đ−ợc trong phạm vi 19-30 vòng/ph (t−ơng ứng 31-46 m/ph). Và tốc độ dịch chuyển của bàn gá đầu phun nằm trong dải điều chỉnh 47,5 - 75 mm/ph (t−ơng ứng với tốc độ dịch chuyển đầu phun 2,5 mm/vòng). Khoảng cách từ đầu phun đến bề mặt lô có khả năng điều chỉnh từ 150-250 (mm). Giải pháp đ−ợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ vòng quay của lô thử nghiệm và tốc độ dịch chuyển bàn gá đầu phun là sử dụng động cơ hộp số vô cấp cho lô thử nghiệm, sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ dịch chuyển của đầu phun t−ơng ứng với tốc độ vòng quay của lô. Đồ gá thử nghiệm phun phủ lô thử nghiệm đã đ−ợc thiết kế và chế tạo: Thử nghiệm trên vật mẫu, đánh giá kết quả thử nghiệm 1.6 Mục tiêu thử nghiệm sử lý bề mặt bằng ph−ơng pháp phun phủ kim loại thay thế mạ crôm cứng trên vật mẫu Với tiêu chí đánh giá khả năng ứng dụng giải pháp sử lý bề mặt lô sấy có kích th−ớc lớn ( ở quy mô công nghiệp), việc tiến hành thử nghiệm sẽ đ−ợc thực hiện trên vật mẫu có hình dạng, kích th−ớc đồng dạng: lô thử nghiệm có kích th−ớc φ490 x 1200 (mm), cùng đồ gá phục vụ phun t−ơng ứng ( đ−ợc nêu ở mục 3.2). Vật liệu dùng cho phun phủ lô sấy đ−ợc chọn MST-5648 (MOGUL Metallizing GMBH) với thành phần 75Cr3C2-25NiCr (75% Cacbit crôm, 25% niken-Crôm). Vật liệu dùng cho phun phủ với thành phần 75Cr3C2-25NiCr đã đ−ợc các nhà sản xuất cũng nh− các nhà nghiên cứu n−ớc ngoài thử nghiệm và đ−a ra đánh giá là phù hợp cho sử lý bề mặt các chi tiết cơ khí để thay thế ph−ơng pháp mạ crôm cứng [7], [8], [11]. Lớp phủ bởi vật liệu cácbit crom Hình 10: Đồ gá thử nghiệm phục vụ phun phủ 23 có tính chất chống mài mòn, ăn mòn t−ơng đ−ơng, thậm chí tốt hơn so với lớp mạ crôm cứng lên các chi tiết cơ khí ( bảng 1). Vật liệu phủ Tính chất lớp phun phủ WC-12Co CrC-25NiCr Mạ crom cứng Độ cứng tế vi bề mặt lớp phủ (VHN) 140 - 170 180 - 200 40 -50 Độ nhám bề mặt sau khi mài (Ra) 10 10 16 - 32 Mức độ mài mòn khô 0,2 0,4 1,0 Hệ số chịu mài mòn khô 5:1 2,5:1 - Khả năng chịu nhiệt (0F) 1000 1500 800 Kết quả so sánh các tính chất của lớp phủ bằng vật liệu cácbit volfram, cácbit crom với lớp mạ crom cứng trong bảng 1 cho thấy độ cứng tế vi bề mặt lớp phủ, khả năng gia công sau khi phủ, cũng nh− khả năng chịu mài mòn của lớp phủ tốt hơn nhiều so với lớp mạ crom cứng. Lớp phủ bằng vật liệu 75Cr3C2-25NiCr có khả năng chịu mài mòn gấp 2,5 lần so với lớp mạ crom cứng. Trong phạm vi nghiên cứu giải pháp sử lý bề mặt ngoài của lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa, vấn đề cần quan tâm và giải quyết đó là kiểm tra khả năng phun phủ vật liệu cacbit crom nói trên lên bề mặt lô sấy trong điều kiện trong n−ớc. Cụ thể đánh giá khả năng thực hiện phun phủ vật liệu cacbit crom lên lô thử nghiệm bằng đồ gá phù hợp, các tính chất của lớp phủ sau khi đ−ợc phun cần đ−ợc kiểm tra về độ bám dính của lớp phủ, độ cứng tế vi của lớp phủ. Ngoài ra cũng kiểm tra độ nhám bề mặt của lớp phủ để có thể đ−a ra yêu cầu về độ dày lớp phủ phù hợp cho việc gia công bề mặt lô sau khi phun. 1.7 Ph−ơng pháp tiến hành thử nghiệm Nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành phun thử nghiệm trên lô thử nghiệm và đồ gá đã đ−ợc chế tạo. Ph−ơng pháp và các b−ớc tiến hành đ−ợc thực hiện nh− sau: - Vật cần phun, lô thử nghiệm đ−ợc làm sạch và tạo nhám thông qua phun cát, tiếp đến phun hạt mài Corindon 1,8 có hàm l−ợng Al2O3 > 93%; độ cứng > 1800 kg/mm2 (sản phẩm của Công ty đá mài Hải D−ơng); Độ nhám bề mặt sau khi làm sach và tạo nhám cần đạt 6-15 àm; Vật cần lô thử nghiệm sau khi đã đ−ợc làm sạch và tạo nhám sẽ đ−ợc đ−a vào phun phủ ngay trong ngày; Bảng 1: Tính chất lớp phun phủ so với lớp mạ crôm [6] 24 - Vật liệu dùng cho phủ bề mặt lô sấy: bột Cacbit crom MTS 5648 (GMBH) có thành phần 75Cr3C2-25NiCr; - Thiết bị phun plasma Praxair 3710/ thiết bị cấp bột phun Praxair 1264; - Đồ gá phun phủ bao gồm lô thử nghiệm có kích th−ớc φ490x1200 (mm) có khả năng điều chỉnh tốc độ quay trong dải 19 - 30 vg/ph; đầu phun có thể dịch chuyển trong dải 47,5 - 75 mm/ph ( t−ơng ứng với tốc độ dịch chuyển đầu phun 2,5 mm/vòng); - Điện áp phun đ−ợc xác định với loại bột phun 690 (A); - Khảng cách đầu phun tới lô mẫu đ−ợc xác định là 170 (mm); - Để xác định chế độ công nghệ phun phù hợp, ở đây là tốc độ quay của lô thử nghiệm, trên chiều dài lô sẽ đ−ợc chia làm 06 đoạn, mỗi đoạn dài 200 (mm) sẽ đ−ợc phun với các chế độ phun khác nhau, t−ơng ứng với các tốc độ vòng quay của lô. Tốc độ vòng quay của lô thử nghiệm đ−ợc chia theo các b−ớc 20-22-24-26-28-30 vòng/ph (nằm trong dải tốc độ quay đ−ợc đề nghị 31-46 m/ph). Trong mỗi chế độ phun, tốc độ dịch chuyển đầu phun t−ơng ứng đ−ợc xác định theo tốc độ quay của lô (2,5 mm/vòng); - Hai thanh thép cùng vật liệu với lô thử nghiệm có bản rộng 50 mm đ−ợc gắn dọc theo chiều dài lô với mục đích lấy 06 mẫu, ứng với 6 chế độ công nghệ để đ−a phân tích những thông số cần thiết nh−: + Độ cứng tế vi bề mặt lớp phủ để xác định chế phun phù hợp; + Độ bám dính của lớp phủ để xác định chế phun phù hợp; + Độ nhám bề mặt sau khi phun nhằm xác định chế độ phun phù hợp cùng l−ợng d− cần thiết của lớp phun cho việc gia công lại bề mặt chi tiết sau phun; Hình 11: Thử nghiệm phu phủ bột cacbit crom lên bề mặt lô bằng thiết bị phun plasma 25 1.8 Nhận xét, đánh giá kết quả thử nghiệm Kết quả thu đ−ợc sau quá trình thử nghiệm phun phủ trên lô thử nghiệm bằng ph−ơng pháp phun plasma với bột phun Cacbit crom MTS 5648 (GMBH) trong bảng 2: Nhận xét kết quả thử nghiệm: - Bộ đồ gá đầu phun hoạt động ổn định, có khả năng điều chỉnh và dịch chuyển đều đồng bộ với tốc độ vòng quay của lô thử nghiệm, phù hợp với yêu cầu công nghệ trong quá trình phun; - Các mẫu phun với tốc độ quay của lô khác nhau đều có độ bám dính từ 65,7 - 68,3 MPa ( 9529 - 9906 psi), gần đạt nh− thông số đ−a ra của nhà cung cấp vật liệu 10.000 psi. Trong đó mẫu 3,5,6 có độ bám dính tốt nhất; - Độ cứng tế vi bề mặt lớp phun từ 604 - 617,7 Hà (t−ơng đ−ơng 56 HRc), gần đạt nh− thông số đ−a ra của nhà cung cấp vật liệu 57 HRc. Mẫu số 3 cho độ cứng tế vi bề mặt cao nhất 617,7 Hà; - Bề mặt lớp phủ có độ nhám bề mặt phủ thu đ−ợc sau khi phun nằm trong giới hạn Rz= 81,73 - 95,37 àm, biên độ dao động lớn nhất của nhấp nhô bề mặt Ry= 97,38 - 116,7àm. Bảng 2: Kết quả thử nghiệm phun phủ bột cacbit crom 75Cr3C2-25NiCr 26 Nh− vậy, có thể thấy quá trình phun lớp Cacbit crom MTS 5648 (GMBH) lên lô thử nghiệm đạt yêu cầu. Các tính chất lớp phun đạt so với thông số đ−a ra của nhà cung cấp, do vậy sẽ đạt đ−ợc các yêu cầu kỹ thuật của bề mặt lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa, đó là tính chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn, mài mòn cơ khí. Chất l−ợng lớp phun tốt nhất đạt đ−ợc trên vật thử ứng với chế độ công nghệ thực hiện ở mẫu số 3, tốc độ vòng quay lô sấy khoảng 39,93 m/phút, tốc độ dịch chuyển đầu phun 2,5 mm/ vòng quay lô sấy. L−ợng d− cần thiết tối thiểu của lớp phủ để gia công sau khi phun phải lớn hơn 106 àm. Kết luận Nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành các yêu cầu KHCN đề ra bao gồm: - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí; - Nghiên cứu giải pháp sử lý bề mặt lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa bằng ph−ơng pháp phun phủ: lựa chọn vật liệu và thiết bị phun phủ bề mặt lô sấy phù hợp để thay thế việc mạ crom, thiết kế và chế tạo đồ gá cho thử nghiệm phun phủ; - Thử nghiệm trên vật mẫu là lô thử nghiệm có kích th−ớc φ490 x 1200 (mm). Giải pháp đ−ợc đ−a ra cho việc sử lý bề mặt lô sấy trong thiết bị chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa trong điều kiện gia công trong n−ớc là phủ bột cacbit crôm 75Cr3C2 - 25NiCr bằng ph−ơng pháp phun plasma với các b−ớc công nghệ: - Sử lý bề mặt lô sấy bằng phun cát, tiếp đến phun bột mài oxit nhôm đến độ nhám bề mặt 6-15 àm; - Phun phủ bột cacbit crôm 75Cr3C2 - 25NiCr bằng ph−ơng pháp phun plasma với tốc độ quay của lô sấy khoảng 39,93 m/phút, tốc độ dịch chuyển đầu phun 2,5 mm/ vòng quay lô sấy; - Gia công tinh bề mặt ngoài lô sấy sau khi đã phun phủ bằng ph−ơng pháp mài. - L−ợng d− cần thiết tối thiểu của lớp phủ để gia công sau khi phun vật liệu cacbit crom 75Cr3C2 - 25NiCr lên bề mặt ngoài của lô sấy phải lớn hơn 106 àm. 27 Chế độ công nghệ phun trên lô thử nghiệm có đ−ờng kính φ490 mm, có thể áp dụng trong việc phun lô sấy sử dụng trong công nghiệp có đ−ờng kính lớn ( có thể trên 1000mm). Kết cấu nguyên lý của bộ đồ gá đầu phun thử nghiệm phù hợp, việc thay đổi kích th−ớc t−ơng ứng có thể xây dựng đồ gá dùng trong phun phủ bề mặt lô sấy sử dụng trong công nghiệp có đ−ờng kính và chiều dài lớn hơn. 28 Tài liệu tham khảo 1. Ts. Nguyễn Văn Thông, Công nghệ phun phủ bảo vệ và phục hồi, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2006. 2. Pgs.Ts. Hoàng Tùng, Công nghệ phun phủ và ứng dụng, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2004. 3. Pgs, Ts Trần Minh Hoàng, Mạ Điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2001. 4. K.s Nguyễn quốc Vũ, Nghiên cứu công nghệ và thiết bị chế biến tinh bột tiền hồ hóa, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Bộ, Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp, 2006. 5. K.s Nguyễn quốc Vũ, Nghiên cứu ứng dụng dây chuyền sản xuất tinh bột biến tính tiền hồ hoá trong lĩnh vực chế biến thực phẩm năng suất 100kg/ngày, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Bộ, Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp, 2007. 6. Michal Schroeder, Robert Unger, Thermal spray coatings replace hard crome, TAFA Inc. 7. Aw Poh Koon, Hard Chrome Replacement by HVOF Sprayed Coating, SIMTech Technical Report (PT/99/002/ST). 8. Crome plate alternative coatings, Praxair-Tafa. 9. Joseph Stokes, The Theory and Application of the SULZER METCO Diamond Jet HVOF Thermal Spray Process, 2003. 10. Praxair-Tafa presentation. 11. Michael Breitsameter, Thermal Spraying versus Hard Chrome Plating, Materials Australasia Vol. 32, no. 6, pp. 11-13, November/December 2000. 12. Technical data - Recommened speeds and speeds for spraying with the JP-5000, Praxair-Tafa.