Công nghệ cốt lõi của dây hàn chống mài mòn: Bột sắt crom cacbon cao giúp tăng cường khả năng chống mài mòn như thế nào

I. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chính đến khả năng chống mài mòn của dây hàn chống mài mòn

1.1 Thành phần và cấu trúc vi mô của vật liệu nền dây hàn

Vật liệu nền của dây hàn là nền tảng của dây hàn chống mài mòn, và thành phần hóa học cũng như cấu trúc vi mô của nó có tác động cơ bản đến khả năng chống mài mòn của kim loại được hàn. Về thành phần hóa học, các nguyên tố như cacbon, mangan và silic trong vật liệu nền không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình hàn của dây hàn mà còn tương tác với các nguyên tố trong vật liệu gia cường để điều chỉnh sự hình thành và phân bố các pha tăng cường trong kim loại được hàn. Ví dụ, cacbon có thể tạo thành cacbua với các nguyên tố như crom và vonfram, trong khi mangan có thể cải thiện độ chảy của vũng nóng chảy và tăng cường độ đặc chắc của mối hàn. Về cấu trúc vi mô, kích thước hạt và thành phần pha của vật liệu nền quyết định trực tiếp các tính chất cơ học ban đầu của kim loại được hàn. Vật liệu nền có cấu trúc hạt mịn thường có độ bền và độ dẻo dai cao hơn, cung cấp chất mang tuyệt vời cho sự phân bố đồng đều các pha tăng cường. Hơn nữa, tỷ lệ các pha như pealit và ferit trong vật liệu nền cũng ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chống mài mòn của kim loại được hàn. Việc điều chỉnh hợp lý cấu trúc vi mô của vật liệu nền là cơ sở quan trọng để cải thiện khả năng chống mài mòn.

1.2 Các loại và quy luật phân bố của các pha tăng cường độ bền hợp kim

Các pha tăng cường hợp kim là yếu tố cốt lõi để cải thiện khả năng chống mài mòn của dây hàn chống mài mòn, và loại, số lượng, kích thước và trạng thái phân bố của chúng quyết định trực tiếp đến hiệu quả cải thiện khả năng chống mài mòn. Trong kim loại lắng đọng của dây hàn chống mài mòn, các pha tăng cường hợp kim phổ biến chủ yếu bao gồm cacbua, nitrua, borua, v.v. Trong đó, các pha cacbua được sử dụng rộng rãi do độ cứng và độ ổn định cao. Các loại pha cacbua khác nhau có độ cứng và độ ổn định khác nhau. Ví dụ, độ cứng của Cr₇C₃ đạt tới 1800–2200 HV, cao hơn nhiều so với vật liệu nền, có tác dụng đáng kể trong việc cải thiện khả năng chống mài mòn. Ngoài ra, quy luật phân bố của các pha tăng cường hợp kim cũng rất quan trọng. Các pha tăng cường phân tán đồng đều có thể ngăn chặn hiệu quả hơn sự chuyển động của các hạt mài mòn và tránh mài mòn cục bộ quá mức. Ngược lại, sự tập trung và phân tách của các pha tăng cường sẽ dẫn đến hiệu suất không đồng đều của kim loại lắng đọng, làm giảm khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai của nó. Do đó, việc lựa chọn hợp lý loại pha tăng cường hợp kim và điều chỉnh sự phân bố đồng đều của chúng thông qua các biện pháp kỹ thuật là những khâu then chốt để nâng cao khả năng chống mài mòn của dây hàn chống mài mòn.

1.3 Cơ chế điều chỉnh của quá trình hàn đối với khả năng chống mài mòn của kim loại được hàn

Quá trình hàn là một công đoạn quan trọng, kết nối dây hàn với vật liệu nền và tạo thành kim loại lắng đọng. Các thông số của quá trình hàn (như dòng điện hàn, điện áp, tốc độ hàn, loại khí bảo vệ, v.v.) đóng vai trò điều chỉnh quan trọng đối với thành phần hóa học, cấu trúc vi mô và khả năng chống mài mòn của kim loại lắng đọng. Cường độ dòng điện và điện áp hàn ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nhiệt hàn, từ đó ảnh hưởng đến nhiệt độ và tốc độ làm nguội của vũng nóng chảy. Lượng nhiệt càng cao sẽ làm tăng nhiệt độ của vũng nóng chảy, gây ra hiện tượng thô hạt của kim loại lắng đọng và hòa tan quá mức các pha tăng cường, do đó làm giảm độ cứng và khả năng chống mài mòn. Mặt khác, lượng nhiệt thấp có thể dẫn đến hàn không đủ, gây ra các khuyết tật như thâm nhập không hoàn toàn và lẫn xỉ, điều này cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của kim loại lắng đọng. Tốc độ hàn ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình và tốc độ làm nguội của kim loại lắng đọng; tốc độ hàn hợp lý có thể đảm bảo kim loại lắng đọng có độ dày đồng đều và cấu trúc đặc chắc. Loại và lưu lượng khí bảo vệ chủ yếu được sử dụng để ngăn ngừa quá trình oxy hóa vũng nóng chảy, đảm bảo sự ổn định của quá trình hàn và tránh các tác động bất lợi của sản phẩm oxy hóa đến hiệu suất của kim loại được hàn. Do đó, tối ưu hóa các thông số quá trình hàn để đạt được sự điều chỉnh chính xác cấu trúc vi mô của kim loại được hàn là một sự đảm bảo quan trọng để nâng cao khả năng chống mài mòn của dây hàn chống mài mòn.

1.4 Các chỉ số đánh giá cốt lõi và phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về khả năng chống mài mòn

Đánh giá chính xác khả năng chống mài mòn của dây hàn chống mài mòn là cơ sở để thúc đẩy nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ. Hiện nay, một loạt các chỉ số đánh giá cốt lõi và phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn đã được hình thành trong ngành. Các chỉ số đánh giá cốt lõi chủ yếu bao gồm độ cứng, độ hao mòn, khả năng chống mài mòn tương đối, v.v. Độ cứng là một chỉ số quan trọng để đo khả năng chống biến dạng cục bộ và mài mòn của vật liệu, thường được kiểm tra bằng phương pháp độ cứng Brinell (HB), độ cứng Rockwell (HRC) hoặc độ cứng Vickers (HV). Kim loại được lắng đọng có độ cứng cao thường có khả năng chống mài mòn tốt hơn. Độ hao mòn đề cập đến sự mất khối lượng hoặc mất thể tích của vật liệu trong điều kiện mài mòn nhất định; độ hao mòn càng nhỏ thì khả năng chống mài mòn của vật liệu càng tốt. Khả năng chống mài mòn tương đối được xác định bằng cách so sánh độ hao mòn của vật liệu được thử nghiệm với vật liệu tiêu chuẩn, điều này có thể phản ánh trực quan hơn ưu điểm chống mài mòn của vật liệu được thử nghiệm. Các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn chủ yếu bao gồm thử nghiệm mài mòn do ma sát, thử nghiệm mài mòn do va đập, thử nghiệm mài mòn do trượt, v.v. Các phương pháp thử nghiệm khác nhau mô phỏng các điều kiện mài mòn khác nhau, cho phép đánh giá toàn diện khả năng chống mài mòn của dây hàn chống mài mòn trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Ví dụ, thử nghiệm mài mòn chủ yếu mô phỏng điều kiện làm việc của máy móc khai thác mỏ chịu cắt mài mòn, trong khi thử nghiệm mài mòn do va đập mô phỏng điều kiện làm việc của máy móc kỹ thuật chịu tác động kết hợp của va đập và mài mòn. Thông qua các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn hóa và các chỉ số đánh giá, có thể cung cấp dữ liệu khách quan và chính xác để hỗ trợ việc so sánh hiệu suất và nghiên cứu phát triển công nghệ dây hàn chống mài mòn.

II. Quy trình chuẩn bị và công nghệ ứng dụng bột sắt crom cacbon cao trong dây hàn chống mài mòn

2.1 Tối ưu hóa quy trình chuẩn bị dây hàn chống mài mòn và phương pháp bổ sung bột sắt crom cacbon cao

2.1.1 Thiết kế tỷ lệ và quy trình trộn đồng đều bột sắt crom cacbon cao trong dây hàn lõi thuốc

Dây hàn lõi thuốc là một trong những chất mang được sử dụng rộng rãi nhất cho bột sắt crom cacbon cao. Trong quá trình chế tạo, thiết kế tỷ lệ và quy trình trộn đều bột sắt crom cacbon cao là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất của dây hàn. Về thiết kế tỷ lệ, cần phải xác định hợp lý tỷ lệ bột sắt crom cacbon cao và các thành phần khác (như bột sắt, ferromangan, ferrosilicon, than chì, chất tạo xỉ, v.v.) theo yêu cầu về khả năng chống mài mòn, hiệu suất quá trình hàn và các yêu cầu về tính chất cơ học tổng thể của dây hàn. Nếu tỷ lệ bột sắt crom cacbon cao quá thấp, sẽ hình thành không đủ pha cacbua, và hiệu quả tăng cường sẽ không đáng kể. Nếu tỷ lệ quá cao, độ dẻo dai của kim loại lắng đọng sẽ giảm, khả năng nứt hàn sẽ tăng và chi phí cũng sẽ tăng. Nói chung, nên kiểm soát tỷ lệ bột sắt crom cacbon cao trong dây hàn lõi thuốc ở mức từ 20% đến 40%. Về quy trình trộn đồng đều, để đảm bảo sự phân bố đồng đều bột sắt crom cacbon cao bên trong lõi thuốc hàn, cần phải sử dụng thiết bị trộn hiệu quả và quy trình trộn hợp lý. Hiện nay, các thiết bị trộn thường được sử dụng bao gồm máy trộn hình nón và máy trộn xoắn kép. Trong quá trình trộn, các thông số như thời gian trộn và tốc độ quay cần được kiểm soát để tránh trộn không đều hoặc vón cục các hạt. Ngoài ra, trước khi trộn, bột sắt crom cacbon cao và các thành phần khác cần được sấy khô để loại bỏ độ ẩm và tạp chất, đảm bảo chất lượng trộn và hiệu suất của quá trình hàn dây hàn.

2.1.2 Công nghệ chuẩn bị lớp phủ bột sắt crom cacbon cao trên bề mặt dây hàn đặc

Ngoài dây hàn lõi thuốc, việc phủ bề mặt dây hàn đặc bằng lớp phủ chứa bột sắt crom cacbon cao cũng là một hình thức ứng dụng quan trọng của bột sắt crom cacbon cao. Cốt lõi của công nghệ chế tạo này là trộn bột sắt crom cacbon cao với chất kết dính và các nguyên tố hợp kim khác để chế tạo vật liệu phủ thông qua các phương pháp công nghệ nhất định, phủ đều chúng lên bề mặt dây hàn đặc, và tạo thành lớp phủ có độ dày và độ bền nhất định sau khi sấy khô và đóng rắn. Chìa khóa của công nghệ này nằm ở thiết kế công thức vật liệu phủ và tối ưu hóa quy trình phủ. Trong công thức vật liệu phủ, hàm lượng bột sắt crom cacbon cao cần được điều chỉnh hợp lý theo hiệu suất mục tiêu. Chất kết dính phải có độ bền liên kết tốt và ổn định ở nhiệt độ cao để đảm bảo lớp phủ không bị bong tróc hoặc phân hủy trong quá trình hàn. Về quy trình phủ, các phương pháp phổ biến bao gồm nhúng phủ, phun phủ, cán phủ, v.v. Phương pháp nhúng phủ có ưu điểm là quy trình đơn giản và chi phí thấp nhưng độ đồng đều về độ dày lớp phủ kém. Phương pháp phun phủ có thể đạt được độ dày lớp phủ đồng đều nhưng chi phí thiết bị cao. Phương pháp phủ bằng con lăn kết hợp những ưu điểm của quy trình đơn giản và độ dày lớp phủ đồng đều, do đó được sử dụng rộng rãi. Ngoài ra, quá trình sấy và đóng rắn lớp phủ cũng rất quan trọng; cần kiểm soát nhiệt độ và thời gian để đảm bảo lớp phủ có độ bền và độ ổn định tốt, đồng thời tránh các khuyết tật trong quá trình hàn.

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm về tối ưu hóa lượng bột sắt crom cacbon cao cần thêm vào

2.2.1 Ảnh hưởng của lượng chất phụ gia đến hiệu suất lắng đọng dây hàn

Lượng bột sắt crom cacbon cao được thêm vào không chỉ ảnh hưởng đến khả năng chống mài mòn của kim loại lắng đọng mà còn tác động đáng kể đến hiệu suất lắng đọng của dây hàn. Hiệu suất lắng đọng là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất hàn của dây hàn, được tính bằng tỷ lệ giữa khối lượng kim loại lắng đọng và khối lượng dây hàn tiêu thụ trên mỗi đơn vị thời gian. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng có mối quan hệ phi tuyến tính giữa lượng bột sắt crom cacbon cao được thêm vào và hiệu suất lắng đọng. Khi lượng thêm vào nhỏ, bột sắt crom cacbon cao ít ảnh hưởng đến hiệu suất lắng đọng. Khi lượng thêm vào tăng lên, hiệu suất lắng đọng sẽ dần được cải thiện vì một số nguyên tố trong bột sắt crom cacbon cao có thể cải thiện tính lưu động của vũng nóng chảy và thúc đẩy quá trình nóng chảy và lắng đọng của dây hàn. Tuy nhiên, khi lượng thêm vào vượt quá một ngưỡng nhất định, hiệu suất lắng đọng sẽ bắt đầu giảm. Điều này là do bột sắt crom cacbon cao có mật độ cao; việc thêm vào quá mức sẽ làm chậm tốc độ nóng chảy của dây hàn. Trong khi đó, sự hình thành quá nhiều pha cacbua sẽ làm tăng độ nhớt của vũng nóng chảy, cản trở dòng chảy và quá trình tạo hình kim loại lắng đọng. Do đó, cần phải xác định phạm vi bổ sung tối ưu của bột sắt crom cacbon cao thông qua các thí nghiệm tối ưu hóa để đảm bảo khả năng chống mài mòn của kim loại lắng đọng đồng thời tính đến hiệu suất lắng đọng cao.

2.2.2 Quy luật tiến hóa về khả năng chống mài mòn của kim loại lắng đọng với các lượng chất phụ gia khác nhau

Khả năng chống mài mòn của kim loại lắng đọng thể hiện quy luật tiến hóa rõ rệt với các lượng bột sắt crom cacbon cao được thêm vào khác nhau. Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi lượng bột sắt crom cacbon cao được thêm vào tăng lên, số lượng pha cacbua trong kim loại lắng đọng tăng dần, và độ cứng cũng như khả năng chống mài mòn cũng tăng theo. Khi lượng thêm vào đạt đến một giá trị nhất định, độ cứng và khả năng chống mài mòn của kim loại lắng đọng đạt đỉnh. Nếu lượng thêm vào tiếp tục tăng, độ cứng và khả năng chống mài mòn của kim loại lắng đọng sẽ không cải thiện mà thay vào đó sẽ giảm, và độ dẻo dai cũng sẽ giảm đáng kể. Điều này là do khi lượng thêm vào quá cao, số lượng pha cacbua quá nhiều, dẫn đến sự kết tụ và phân tách, gây ra cấu trúc vi mô không đồng đều của kim loại lắng đọng và sự tập trung ứng suất cục bộ. Trong quá trình mài mòn, các vết nứt dễ xảy ra, làm tăng tốc độ hư hỏng do mài mòn. Ngoài ra, lượng pha cacbua quá mức cũng sẽ làm giảm hiệu suất quá trình hàn của kim loại lắng đọng và tăng nguy cơ nứt mối hàn. Do đó, việc xác định lượng bột sắt crom cacbon cao tối ưu thông qua thực nghiệm là chìa khóa để đạt được sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và các tính chất cơ học tổng thể của kim loại được lắng đọng.

2.3 Công nghệ điều chỉnh khả năng tương thích giữa bột sắt crom cacbon cao và các thành phần khác của dây hàn

Khả năng tương thích giữa bột sắt crom cacbon cao và các thành phần khác của dây hàn (như kim loại nền, các nguyên tố hợp kim khác, chất tạo xỉ, chất khử oxy, v.v.) ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quá trình hàn của dây hàn và hiệu suất của kim loại được lắng đọng. Do đó, cần phải áp dụng các công nghệ điều chỉnh hiệu quả để đảm bảo khả năng tương thích tốt. Thứ nhất, về lựa chọn thành phần, cần phải lựa chọn hợp lý các thành phần khác dựa trên thành phần hóa học và tính chất vật lý của bột sắt crom cacbon cao. Ví dụ, việc lựa chọn ferromangan, ferrosilicon, v.v., có khả năng khử oxy tốt làm chất khử oxy có thể loại bỏ oxy trong vũng nóng chảy một cách hiệu quả, tránh sự hình thành oxit giữa oxy và crom, và ngăn ngừa ảnh hưởng đến sự hình thành các pha cacbua. Việc lựa chọn chất tạo xỉ thích hợp có thể đảm bảo sự hình thành xỉ tốt trong quá trình hàn, bảo vệ vũng nóng chảy và đường hàn, và giảm sự phát sinh khuyết tật. Thứ hai, về điều chỉnh tỷ lệ, cần phải tối ưu hóa tỷ lệ của từng thành phần thông qua các thí nghiệm để tránh các vấn đề về khả năng tương thích do lượng quá nhiều hoặc quá ít của một thành phần nhất định. Ví dụ, tỷ lệ chất tạo xỉ quá cao có thể dẫn đến lượng xỉ dư thừa, ảnh hưởng đến quá trình hình thành kim loại lắng đọng; tỷ lệ chất khử oxy không đủ sẽ không thể loại bỏ hiệu quả các nguyên tố có hại. Ngoài ra, sự tương tác giữa các thành phần khác nhau có thể được cải thiện và khả năng tương thích có thể được tăng cường bằng cách thêm một lượng hợp kim chủ hoặc các nguyên tố đất hiếm thích hợp. Các nguyên tố đất hiếm có tác dụng thanh lọc và cải tiến tốt, có thể tinh luyện hạt, cải thiện sự phân bố các pha cacbua, tăng cường lực liên kết giữa các thành phần khác nhau và cải thiện hiệu suất tổng thể của dây hàn.