1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ
TẠO VÀ CƠ LÝ TÍNH CỦA CHẤT LIÊN KẾT ĐẾN ĐỘ
BỀN CỦA ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG

NGÀNH: Kỹ thuật vật liệu.
MÃ SỐ: 12

ĐỖ THỊ MAI DUNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Chất Phác.
TS Matsumaru Koji.
GS Ishizaki Kozo.

HÀ NỘI 2005


2

MỤC LỤC
Mục lục…………………………………………………………………

2

Lời mở đầu……………………………………………………………

4

Đặt vấn đề…………………………………………………………….

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN…………………………………………..

7

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐĨA CẮT………………………………

7

1.2 ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG…………………………………………… 11
1.3 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG…….

12

1.3.1 Độ bền uốn………………………………………………………
1.3.2 Khả năng chống rung……………………………………………
1.3.3 Phương pháp đo Modul Young và khả năng chống rung………..

12
13
14

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO……………………………..


16

2.1 CHẾ TẠO BỘT…………………………………………………….

16

2.2 QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH…………………………………………

25

2.2.1 Chuẩn bị bột ép…………………………………………………..
2.2.2 Ép bột…………………………………………………………….
2.2.3 Thiêu kết………………………………………………………….
2.2.4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ………………………….
2.2.4.1 Tính chất của bột kim loại ban đầu………………………………..
2.2.4.2 Áp lực ép………………………………………………………… ……
2.2.4.2 Nhiệt độ thiêu kết…………………………………………………….
2.2.4.4 Thời gian thiêu kết …………………………………………………..
2.2.4.5 Môi trường thiêu kết…………………………………………………

25
26
33
41
41
41
42
43
45


CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM……………………………………….

47

3.1 NGUYÊN LIỆU……………………………………………………. 47
3.2 QUÁ TRÌNH ÉP TẠO HÌNH………………………………………

49

3.3 QUÁ TRÌNH THIÊU KẾT………………………………………… 50


3

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ……………………………………………….

51

4.1 LỰA CHỌN CHU TRÌNH NHIỆT………………………………… 51
4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA CỠ HẠT ĐẾ ĐỘ BỀN CHI TIẾT SAU
THIÊU KẾT……………………………………………………….

54

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT ĐẾN ĐỘ BỀN CHI
TIẾT………………………………………………………….

59

4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ XỐP ĐẾN ĐỘ BỀN VẬT LIỆU THIÊU

KẾT……………………………………………………….

63

4.5 CẤU TRÚC TẾ VI CỦA VẬT LIỆU LIÊN KẾT SAU THIÊU
KẾT………………………………………………………………

64

4.6 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG TRÊN NỀN
THUỶ TINH………………………………………………….

65

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN………………………………………….

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………

69


4

LỜI NÓI ĐẦU.
Công nghệ Micro và Nano ra đời tạo ra các công cụ đi kèm với chúng. Đề tài
này giới thiệu về một trong những công cụ tạo ra các chi tiết nhỏ, đó là đĩa cắt
kim cương. Ngoài việc giới thiệu, đề tài còn đi sâu nghiên cứu về một số yếu
tố ảnh hưởng tới cơ lý tính của vật liệu nền thuỷ tinh có trong đĩa cắt kim

cương.
Đề tài gồm 5 chương nhưng có thể tóm lại thành 3 phần. Phần lý thuyết, thực
nghiệm và kết luận. Phần lý thuyết tóm tắt lại những kiến thức cơ bản về công
nghệ chế tạo chi tiết này. Phần thực nghiệm nêu quá trình chế tạo và các kết
quả đạt được. Phần kết luận có kèm theo một số hướng phát triển của đề tài.
Em của đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Minh Nghiệp, thầy Trương
Ngọc Thận, thầy Vũ Chất Phác, thầy Kozo Ishizaki, thầy Matsumaru Koji,
Tiến sĩ Jodan Kazuki và các thầy cô giáo trong bộ môn Vật liệu kim loại Màu
và Compozit và các thầy cô giáo trong khoa Khoa học và CNVL đã tạo điều
kiện cho em thực tập ở Nhật với thời gian một năm, thí nghiệm tại phòng
cũng như các hướng dẫn để hoàn thành đề tài.

Sinh viên.
Đỗ thị Mai Dung.


5

Đặt vấn đề.
Trong công nghệ gia công vật liệu ceramic (gốm), việc chế tạo một thiết bị để
gia công chúng là vô cùng khó bởi ceramic là loại vật liệu cứng và giòn. Thời
gian bắt đầu gia công vật liệu cho đến khi kết thúc tức là đến khi bề mặt
ceramic ở trạng thái mịn là rất dài. Nhìn chung, để đạt được một bề mặt mịn
thì quá trình gia công phải trải qua 4 bước liên tục: cắt, cân chỉnh, làm sạch
bụi và đánh bóng. Nếu qúa trình không hiệu quả sẽ làm cho thời gian gia công
dài và giá thành sản phẩm ceramic sẽ tăng lên.
Trong thực tế người ta luôn mong muốn tạo ra một loại đĩa cắt với hiệu quả
cắt cao và đường cắt mịn. Các thông số quan trọng làm giảm giá trị chính xác
cắt được nhận biết qua sự biến dạng của bánh xe cắt và độ chính xác của máy
cắt. Thông thường, độ chính xác của máy cắt dễ dàng đạt được khi đĩa cắt có

độ dày nhỏ hơn 1 m, và độ cứng lớn hơn 49 N/m. Mặt khác, phần lớn đĩa
cắt được sử dụng trong máy cắt có độ dày khoảng 0.5 mm[1]. Do vậy độ cứng
của đĩa cắt đóng vai trò quyết định đối với độ chính xác khi cắt. Tuy nhiên sự
biến dạng của bánh xe cắt lại được xác định bằng độ bền của nó. Độ bền cao
đồng nghĩa với việc thời gian làm việc của đĩa cắt dài dẫn tới hiệu quả giá trị
sử dụng đĩa cắt tăng. Bên cạnh đó, độ bền cao cũng làm cho độ dao động của
đĩa cắt trong quá trình làm việc lớn, hệ quả là bề mặt cắt thô và gồ ghề. Vì vậy,
hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu về độ bền của các đĩa cắt, nhằm đạt được
yêu cầu về mặt chất lượng lẫn hiệu quả làm việc của dao cắt. Nhiều loại đĩa
cắt đang được nghiên cứu và sử dụng với các thành phần khác nhau, trong đó
có loại đĩa cắt có các hạt kim cương phân bố trong nền thuỷ tinh, ở loại đĩa
cắt này độ bền của đĩa cắt phụ thuộc một phần vào độ bền của vật liệu nền


6

thuỷ tinh. Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của đề tài này là nghiên cứu độ bền
của vật liệu nền thuỷ tinh trong đĩa cắt kim cương và một số yếu tố ảnh hưởng
lên nó. Theo một số nghiên cứu, độ bền của thuỷ tinh có giá trị dao động
trong khoảng từ 50 - 120 Gpa tuỳ theo thành phần có trong vật liệu thuỷ tinh
đó. Hi vọng rằng những kết quả nghiên cứu này sẽ góp phần vào việc tính
toán và xác định độ bền đĩa cắt.


7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐĨA CẮT.
Cách đây vài trăm năm, Krebs và Riedel là 2 nhà chế tạo công cụ người Đức
đã tìm ra cách chế tạo các công cụ cắt mài cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Khoảng hơn chục năm gần đây, nhiều bài báo trong tạp chí Các phương pháp
kỹ thuật cho chế tạo Micro và Nano giới thiệu sự tạo thành các cấu trúc hay
thiết bị với kích cỡ nhỏ. Để gia công cắt gọt các thiết bị micro và nano này,
người ta cần phải có những thiết bị đặc biệt để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật,
một trong số các thiết bị đó là đĩa cắt ceramic với các thành phần khác nhau.
Tuy nhiên, điều ẩn chứa trong các bài nghiên cứu là tìm ra chất nền có trong
đĩa cắt để vừa tạo ra bề mặt phẳng vừa phải, vừa tạo nên những cấu trúc theo
ý muốn. Vì vậy, có một mối liên hệ giữa sự tạo thành bề mặt phẳng và sự phát
triển các công cụ tạo ra chúng. [2]
Nhiều thuộc tính của gia công cơ khí đã được yêu cầu cùng với sự phát triển
của những công cụ chính xác. Hình 1.1 biểu diễn kết quả thăm dò về thuộc
tính quan trọng của gia công. Trong số các thuộc tính, sự chỉnh sửa bề mặt gồ
gề là quan trọng nhất, độ phẳng và thời gian gia công là thứ hai. Tóm lại, hiệu
quả cao và bề mặt nhẵn là yêu cầu của quá trình chế tạo. [3]
Nhiều loại vật liệu mới như gốm kỹ thuật hay vật liệu điện tử có độ cứng và
độ dai cao nhưng lại có yêu cầu thiết kế phẳng. Nhưng giá thành máy móc cao
hạn chế mục đích sử dụng chúng trong việc chế tạo. Đối với các thiết bị hoạt
động như điện tử siêu dẫn và phương tiện truyền thông băng ghi, yêu cầu về
kích thước tế vi và nano, bề mặt nhẵn và độ chính xác ngày càng trở nên cao


8

hơn với hiệu suất của thiết bị được nâng cao. Để gia công cắt gọt các chi tiết
của các thiết bị trên, người ta đã chế tạo ra một thiết bị cắt với độ rộng của vết
cắt nhỏ, cỡ m bằng cách sử dụng một loại chất nền liên kết các hạt cắt lại với
nhau và gọi chung là đĩa cắt. Đĩa cắt này được chế tạo dựa trên kiến thức công
nghệ chế tạo vật liệu xốp mà chủ yếu là công nghệ luyện kim bột và do đó
nghiên cứu bột nền hay bột kết dính cũng được dựa trên các kiến thức chế tạo
vật liệu xốp [2].

%

25
20
15
10
5
0
A

A: Bề mặt phẳng
B: Dáng tròn
C: Thẳng
D: Phẳng
E: Tỉ số cắt
F: Thời gian cắt

B

C

D

E

F

G

H


I

J

K

G: Vết nứt còn sót
H: Ứng suất dư
I: Độ dày lớp oxy hoá
J: Thuộc tính từ hoá
K: Độ bền ăn mòn

Hình 1.1 Những thuộc tính quan trọng trong gia công cắt gọt.
Căn cứ vào loại chất nền và loại hạt cắt mà người ta có nhiều loại đĩa cắt khác
nhau nhưng tất cả chúng đều bao gồm ba thành phần cơ bản: hạt cắt, vật liệu
kết dính và lỗ xốp (hình 1.2). Khi đĩa cắt được thiết kế, cả ba thành phần trên


9

được xác định theo một tỉ lệ về thể tích, đặc biệt hạt cắt và vật liệu kết dính là
các thông số quan trọng. Ví dụ, để thu được bề mặt mịn thì hạt cắt phải là
những hạt nhỏ mịn và sự phân bố các hạt phải chính xác. Tuy nhiên việc giảm
kích cỡ hạt có liên quan đến khả năng cắt giảm, vì vậy, trong quá trình chế
tạo, các thông số sẽ được nghiên cứu sao cho phù hợp với yêu cầu.

Vật liệu kết
dính (2)
Lỗ xốp (3)


Hạt cắt (1)
Hình 1.2 Cấu tạo của đĩa cắt kim cương.
Có rất nhiều loại hạt cắt như oxit nhôm, silicon carbide, kim cương và CBN
(cubic boron nitrite), tuỳ theo vật liệu được cắt mà các hạt trên được sử dung
theo đúng yêu cầu. Thông thường, CBN được sử dụng cho thép còn kim
cương được sử dụng cho vật liệu kim loại màu, bởi vì CBN không phản ứng
với sắt khi ở nhiệt độ cắt hoặc mài cao tới 1350C, trong khi kim cương là
khoảng 600C. Tuy nhiên gần đây, kim cương cũng được ứng dụng đối với
thép do phương pháp làm nguội đã phát triển và nâng cao. Độ cứng của hạt
cắt phải cao hơn vật liệu được cắt. Ví dụ, kim cương được ứng dụng cho vật
liệu cứng như thủy tinh. Kích cỡ hạt cắt cũng có ảnh hưởng tới bề mặt thô,
mịn của vật liệu được cắt và lượng vật liệu bị cắt đi. Kích cỡ hạt càng bé, độ


10

mịn càng lớn thì lượng cắt đi sẽ giảm. Số lượng tổng các hạt cắt trong đĩa cắt
cũng khác nhau giữa hạt lớn và hạt nhỏ, với đĩa cắt có thành phần hạt lớn ít
hơn các hạt nhỏ, hiệu quả lực cắt trên mỗi hạt sẽ lớn hơn so với các hạt nhỏ và
như vậy đĩa cắt có thành phần hạt lớn hoạt động với lượng cắt lớn hơn.
Thực tế hiện nay, có năm loại vật liệu kết dính là nhựa tổng hợp, kim loại,
thuỷ tinh và vật liệu liên kết mạ điện và gần đây là gang xốp. Nhiệm vụ của
vật liệu kết dính là liên kết các hạt cắt với nhau, với vật liệu nhựa tổng hợp
nhân tạo, độ bền uốn và tỉ số bền thấp, trong khi đó kim loại kết dính lại cho
độ bền uốn và tỉ số bền cao. Vật liệu kết dính bằng thuỷ tinh có độ bền uốn
cao và tỉ số bền thấp. Nếu vật liệu có tỉ số bền cao thì sẽ rất khó để cắt. Nếu
độ bền uốn thấp, đĩa cắt sẽ bị biến dạng khi lực cắt tăng khi làm việc. Điều
này có nghĩa là đối với vật liệu có độ bền uốn thấp, đường cắt sẽ có độ chính
xác thấp nhưng lại có độ nhẵn cao. Do vậy, đối với một đĩa cắt kim cương, tốc

độ cắt, tỉ số cắt, độ chính xác của máy móc có sự ảnh hưởng lẫn nhau [3].
Lỗ xốp trong đĩa cắt đóng một vai trò quan trọng, nó như những kênh để làm
nguội và như những túi chứa các hạt cắt bong ra. Lỗ xốp còn làm tăng khả
năng tự cắt, điều này có nghĩa là nó sẽ tự làm bong những hạt cắt đã cùn và
làm lộ ra những hạt cắt mới trên bề mặt đĩa cắt. Thường thì đĩa mài và cắt có
chứa nhôm oxit (Al2O3) và silic carbit (SiC) có chứa nhiều lỗ xốp và được
sản xuất bằng việc sử dụng chất kết dính thuỷ tinh. Kích thước của lỗ xốp mở
lớn vào khoảng 10 đến 1000 m và chứa khoảng 30% thành phần của dao
cắt.


11

1.2 ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG.
Đĩa cắt kim cương bao gồm ba thành phần: (1) các hạt cắt là kim cương, (2)
vật liệu kết dính là vật liệu thuỷ tinh đóng vai trò là bộ xương của đĩa cắt và
có nhiệm vụ dính kết các hạt kim cương lại với nhau và do đó, tạo nên các lỗ
xốp (3) trong cấu trúc của dao cắt (Hình 1.2). Do có cấu tạo mỏng và liên kết
giữa vật liệu kết dính và kim cương là liên kết cơ học nên độ bền của đĩa cắt
được các nhà sản xuất đặc biệt chú ý. Do vậy, độ bền của đĩa cắt kim cương
phần nào được quyết định bởi độ bền của vật liệu kết dính, theo một số
nghiên cứu, vật liệu thuỷ tinh có tỉ số bền thấp và độ bền uốn cao sẽ làm tăng
độ bền và tăng khả năng cắt vật liệu. Vì lý do này, vật liệu thuỷ tinh đã được
lựa chọn làm vật liệu nền trong đĩa cắt kim cương. Hiện nay, các nhà sản xuất
đang nghiên cứu xác định độ bền của đĩa cắt và các thông số ảnh hưởng lên
độ bền nhằm nâng cao được độ bền dao cắt mà khả năng chống rung của dao
cắt vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Vì vậy đề tài nghiên cứu này mong
muốn góp một phần nhỏ trong việc đánh giá đó.



12

1.3. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐĨA CẮT KIM CƯƠNG.
1.3.1 Độ bền uốn.
Biến dạng đàn hồi được coi là mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng tổng và
tuân theo định luật Hooke tức là độ biến dạng tổng hợp tỉ lệ với ứng lực.
 = E

(1.1)

trong đó  là ứng lực được định nghĩa là độ lớn của lực trên tổng diện tích lực
đó tác dụng lên
E là giới hạn đàn hồi hay Modul Young (Độ bền Young).
 là độ biến dạng là tỉ số của độ biến dạng chiều dài trên tổng chiều
dài.
Mặt khác, ta có:
=

F
.
A

(1.2)

=

L
.
L


(1.3)

E=




(1.4)

Do vậy, E được tính là

Đối với vật liệu cứng và dòn thì E chính là độ bền uốn của vật liệu.
Tuy nhiên, trường hợp này được ứng dụng cho vật liệu rắn, ở đây, trường hợp
của chúng ta đang xét là vật liệu xốp, vì vậy, E được tính theo công thức
sau[4].
E = E0 exp (-bp).

(1.5)


13

Trong đó, E0 là độ bền khi độ xốp bằng không.
p là độ xốp.
a, b là hệ số của vật liệu
1.3.2 Khả năng chống rung (Damping Capacity).
Khả năng chống rung là một đại lượng đo khả năng của vật liệu làm biến mất
năng lượng ứng suất đàn hồi trong suốt quá trình dao động cơ học hay sự
truyền sóng. Dựa vào khả năng chống rung mà chúng ta có thể điều chỉnh độ
thô hay mịn của vật liệu, tuỳ theo sự chống rung cao hay thấp. Sự chống rung

vật liệu thấp có thể được dùng trong các nhạc cụ âm nhạc nơi mà dao động cơ
học là liên tục và sự truyền sóng âm thanh được xác định trước. Ngược lại,
vật liệu có khả năng chống rung cao được sử dụng trong việc làm giảm dao
động để kiểm soát tiếng ồn và tạo độ ổn định trong các hệ và các công cụ
nhạy cảm. Thuộc tính chống rung cao trong các cấu trúc có thể được thu được
vừa bằng các biện pháp bên ngoài như chống rung bằng không khí, bằng cọ
sát và giảm chấn (các hệ thống chống rung), vừa bằng các biện pháp bên
trong, bao gồm việc sử dụng vật liệu chống rung tốt. Ứng dụng của vật liệu
chống rung cao có thể rất cần thiết cho những thiết bị kiểm tra hoạt động đặc
biệt và cũng có thể tập trung để tiết kiệm tải trọng trong toàn bộ cấu trúc.
Khả năng chống rung được ký hiệu là Q-1 và được tính theo công thức sau:
Q-1 =

f 2 − f1
fr

(1.6)

Trong đó: f1 và f2 là tần số độ rộng ở mức nửa năng lượng,


14

fr là tần số cộng hưởng trong phổ của độ lớn bình phương trên tần số
của mẫu dưới dao động lực.
1.3.3 Phương pháp đo Modul Young và khả năng chống rung.
Để đo được Modul Young và khả năng chống rung, người ta sử dụng thiết bị
như ở hình 1.3 và 1.4. Thiết bị này sử dụng phương pháp dao động riêng với
kiểu dao động cộng hưởng tự do và được sử dụng để đo giới hạn đàn hồi và
ma sát trong. Phương pháp mẫu dao động tự do ở điểm dao động có tác dụng

làm cho các phép đo lặp lại được giảm tối thiểu và kết quả nhận được sau khi
đo khá chuẩn xác.

Hình 1.3 Thiết bị đo giới hạn đàn hồi.
Sơ đồ đo độ bền và độ chống rung được biểu diễn ở hình 1.4. Mẫu được đặt
trên 2 thanh đỡ. Nhờ vào nguồn điện xoay chiều được nối với thanh đỡ mà
mẫu và điện cực được tích điện. Khi mẫu và điện cực cùng dấu, mẫu sẽ bị đẩy
cong lên phía trên và khi cùng dấu, mẫu bị uốn cong xuống phía dưới. Dầu dò
phía trên mẫu đóng vai trò đếm số lần mẫu dao động và truyền thông tin qua
một ampe kế và về phía máy vi tính. Ở đây, dựa vào số dao động của mẫu,


15

máy tính sẽ tính toán đưa ra giá trị độ bền Young và khả năng chống rung của
vật liệu.

L
0.224L

Ampe kế

Đầu dò

0.1mm

PC

Mẫu
Thanh đỡ

0.05mm
Điện cực
Nguồn điện

Hình 1.4 Sơ đồ đo độ bền Young và khả năng chống rung.
Độ bền uốn hay Modul Young của mẫu được tính theo công thức sau:

Mfr2 L 3
t
E = 0,9465(
)( ) (1 + 6,59( ) 2 )
w
t
L
Trong đó: M - khối lượng của mẫu (kg)
W - độ rộng của mẫu (m)
fr - tần số cộng hưởng của mẫu (Hz)
L - chiều dài mẫu (m)
t - độ dày của mẫu (m)
E - Modul Young (GPa).

(1.7)


16

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO.
Việc chế tạo đĩa cắt kim cương được thực hiện theo công nghệ luyện kim bột
và bao gồm các công đoạn chính sau:
2.1 CHẾ TẠO BỘT

Công nghệ sản xuất ceramic được bắt đầu bằng quá trình chế tạo bột. Hiện
nay đang tồn tại rất nhiều phương pháp sản xuất bột kim loại, việc lựa chọn
phương pháp tạo bột phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ kỹ thuật của các chi
tiết sản phẩm. Các phương pháp chế tạo bột kim loại quyết định chất lượng,
kích thước hạt, giá thành chế tạo... và có thể chế tạo được bột kim loại có
những tính chất đặc biệt.
Các phương pháp chế tạo bột có thể phân thành 2 nhóm sau (bảng 2.1):
• Các phương pháp hoá lý.
• Các phương pháp cơ học.
Các quá trình công nghệ sản xuất bột kim loại thuộc nhóm phương pháp
hoá-lý liên quan một cách sâu xa với các quá trình chuyển biến hoá – lý của
vật liệu ban đầu. Bột kim loại nhận được có những tính chất hoá – lý khác với
vật liệu phôi ban đầu.
Các phương pháp hoá lý chính là:
- Phương pháp hoàn nguyên.
- Phương pháp điện phân.
- Phương pháp phân ly Cacbonyl.


17

Các phương pháp cơ học được xây dựng trên nguyên lý phá huỷ cơ học vật
liệu ban đầu thành bột không có sự thay đổi đáng kể về thành phần hoá học.
Phương pháp nghiền các vật liệu cứng trong các máy nghiền có cấu tạo khác
nhau và phun mù kim loại, hợp kim lỏng là những phương pháp cơ học chế
tạo chủ yếu.
Bảng 2.1 Các phương pháp chế tạo bột.
Phương pháp

Đặc tính phương pháp chế tạo.


Sản phẩm bột

chế tạo.

kim loại.
Các phương pháp hoá – lý

Hoàn nguyên.
-Hoàn

nguyên Một trong những phương pháp phỏ Sắt, Đồng, Niken,

các oxit và muối biến và kinh tế nhất. Tác nhân hoàn Coban, Vonfram,
kim loại.

nguyên là khí (hydro, khí tự Molipden, Tantan,
nhiên...), Cacbon cứng (cốc, muội Niobi, Sircon và
than...), kim loại (Na, Ca...). vật liệu kim loại, hợp kim
ban đầu là than, phế liệu, sản phẩm khác.
phụ và các hợp chất kim loại khác.

Hoàn

nguyên Một trong những phương pháp kinh Sắt, Đồng, Niken,

dung dịch các tế nhất cho phép chế tạo bột kim Coban, Vonfram,
hợp chất kim loại chất lương cao. Tác nhân hoàn Molipden...
loại khác.


nguyên là Cacbon hoặc Dioxit


18

Cacbon. vật liệu ban đầu là muối
axit sunfuric tương ứng với phế
liệu, sản phẩm phụ và hợp chất kim
loại khác.

Hoàn

nguyên Các hợp chất thể khí của kim loại và Niken,

Vonfram,

các hợp chất thể hợp kim được hoàn nguyên bằng Molipden.
khí của kim loại phương pháp hydro trong lò nung
và hợp kim.

thăng hoa hoặc trong plasma.

Điện phân dung Trên catôt, dưới tác dụng của dòng Sắt, đồng, Niken,
dịch nước và điện, dung dịch nước hoặc muối chì, bạc, kẽm-từ
muối nóng chảy

nóng chảy sẽ kết tủa thành các hạt dung dịch nước;
bột sạch. Giá thành của bột kim loại Sắt,Tantan, Niobi,
cao do chi phí điện và do năng suất Uran,
thấp của các bình điện phân.


Tori,

Sircon,

Berli,

Titan-từ

muối

nóng chảy,

Nhiệt
cacbonil.

phân Nhiệt phân hợp chất kim loại với Sắt,
CO dạng Mea(CO)c. Phương pháp Coban,

Niken,
Crom,

này được sử dụng rộng rãi trong Molipden,
công nghiệp để sản xuất bột kim Vonfram, Mangan
loại chất lượng cao.


19

Bão


hoà Tấm hoặc hỗn hợp kim loại được Latonz, hợp kim

khuyếch

tán nung nóng đến nhiệt độ hoạt động nền Crom, thép

nhiệt.

Thăng

tích cực.

hoa

ngưng tụ.

hợp kim cao.

– Phương pháp này được sử dụng để Kẽm,

Magie,

thu nhận bột kim loại thăng hoa và Cadmi và các kim
ngưng tụ trên các tấm làm nguội. loại khác có nhiệt
Bột có chứa số lượng lớn các oxit.

độ nóng chảy cao

Ăn mòn tinh thể Trong kim loại đặc, với sự trợ giúp Thép

của các hoá chất phá huỷ các lớp mòn
mạng tinh thể.

Điện ăn mòn.

ăn

chống
và

thép

Crom-Niken.

Bột thu nhận được bằng cách phân Tất cả kim loại và
huỷ đầu điện cực.

hợp kim.

Các phương pháp cơ học.
Nghiền

Nghiền xay các đoạn dây, đầu kim loại Sắt,

đồng,

trong các cối nghiền bi, nghiền xoắn và Magan

Latonz,


nghiền búa. Hiệu quả của phương pháp Bronz,

Crom,

này không cao.

nhôm và thép.

Phun kim loại Dòng kim loại nóng chảy được phun Nhôm,

Chì,


20

lỏng

mù bằng các biện pháp cơ học (cánh Kẽm,

Thiếc,

quạt quay, dưới tác động lực ly tâm... Niken,

Sắt,

hoặc dưới tác động dòng khí động học Bronz,

Latonz,

(khí hoặc chất lỏng).


Đồng, gang và
thép.

Tạo hạt

Bột được tạo thành khi rót kim loại Sắt, Đồng, Chì,
nóng chảy vào môi trường chất lỏng (ví Bạc,

Kẽm,

dụ, trong nước). Các hạt nhận được có Thiếc.
kích thước lớn.

Cắt gọt.

Trong gia công cắt gọt kim loại được Sắt,
cắt gọt theo một chế độ để có thể tạo Bronz,

Latonz,
gang

thành các phần tử mà không phải là các Silic thấp
dây.
Trong khuôn khổ của đề tài, chúng tôi chỉ xin giới thiệu chi tiết về phương
pháp tạo bột bằng phương pháp nghiền cơ học. Phương pháp này có thể sản
xuất hầu hết các loại bột kim loại. Ưu điểm cơ bản của phương pháp là đơn
giản giá thành sản phẩm hạ, có thể chuyển một số kim loại cứng, giòn như Sb,
Bi hay hợp kim Ag-Mg, phêro các loại ra dạng bột. Tuy nhiên, sử dụng
phương pháp này còn tồn tại những nhược điểm cơ bản là rất khó nghiền các

kim loại hay hợp kim quá cứng hoặc quá mềm. Điều này dẫn tới năng suất
thấp, giá thành sản phẩm cao. Ngoài ra, bột nhận được bằng phương pháp
nghiền bị biến cứng bề mặt, hình dáng hạt phức tạp khó đáp ứng với yêu cầu


21

kỹ thuật.
Thiết bị nghiền thường sử dụng là : máy nghiền bi tang trống, máy nghiền lắc,
máy nghiền rung, nghiền xoắn, nghiền búa, đập, hành tinh và ly tâm...Thông
dụng hơn cả trong sản xuất ceramic là máy nghiền bi tang trống, ngoài chức
năng tạo bột, loại máy này còn có chức năng chuẩn bị bột để ép.
Máy nghiền bi là tang trụ làm bằng hợp kim trong có bi nghiền. Khi quay bi
cùng tang được nâng lên một góc không lớn hơn góc rới tự do (90) do có lực
ma sát giữa bi và tang quay. Sau dó bi rơi xuống va đập với bi và tang tạo
thành quá trình nghiền. Quá trình nghiền hay xiết xảy ra trong tang phụ thuộc
vào kích thước hình học của tang nghiền. Khi tỉ lệ D:L (đường kính và chiều
dài tang) = 3 – 5 quá trình được tiến hành ở cơ chế nghiền. Trường hợp D : L
 3 quá trình được tiến hành ở cơ chế xiết. Chính vì vậy, để nghiền vật liệu
cứng và dòn cần sử dụng máy nghiền bi có D: L > 3, còn khi nghiền các vật
liệu mềm thì sử dụng tang có D : L < 3.
Ngoài kết cấu của tang, máy nghiền còn chụi ảnh hưởng của tốc độ quay, hình
dáng, kích thước bi nghiền, thời gian, đều đóng vai trò quyết định đến quá
trình này.
Khi tăng tốc độ quay của máy dẫn tới làm tăng lực ly tâm và làm tăng góc rơi
của bi nghĩa là bi rơi ở độ cao lớn hơn, làm tăng lực đập giữa bi và bi, giữa bi
và tang tạo thành cơ chế đập. Tốc độ quay càng tăng, lực hướng tâm cũng
tăng theo đến mức vật nghiền, bi và tang cùng quay với nhau. Tốc độ quay
như vậy gọi là tốc độ quay lý thuyết. Hình 2.1 trình bày sơ đồ về tính tốc độ
quay lý tưởng của máy nghiền bi.



22

PV 2
gR
M
Psin

Pcos
P

Hình 2.1 Sơ đồ để tính tốc độ quay lý tưởng của máy nghiền bi
Khảo sát một viên bi hình cầu có trọng lượng là P nằm trên bề mặt trụ của
tang nghiền, quay với vận tốc v (m/giây). Tại điểm trên mặt tang dưới sự tác
PV 2
dụng của lực ma sát ly tâm
trong đó:
gR

g: Gia tốc trọng trường
R: Bán kính tang nghiền.
Viên bi có trọng lượng P ở điểm có góc nâng  có thể phân thành hai lực, lực
theo bán kính Psin và lực tiếp tuyến Pcos. Bỏ qua lực ma sát giữa viên bi
và thành tang, bi sẽ được giữ trên thành tang đến khi :

PV 2
 P sin 
gR


V2
 sin 
gR

(2.1)

(2.2)

hay


23

Nếu tốc độ quay của tang sao cho bi có thể đạt đến đỉnh của tang, khi đó góc
nâng  = 90, lúc này bi cũng đạt được ở trạng thái cân bằng động, như vậy:

sin = sin90 = 1

V2
=1
hay là
gR

hay

V 2 = gR

(2.3)

Tốc độ quay V có thể biểu diễn qua số vòng quay N vòng/phút.

DN
V=
60

2 D2 N 2
D
=
g
−
thì V =
2
602
2

(2.4)

Trong đó: D - Đường kính của máy nghiền (m).
Suy ra: N =

Nlt =

g 60
2 2 D

42,4
D

(2.5)

(2.6)


Đó là công thức để tính vòng quay cho mỗi loại đường kính tang của máy
nghiền.
Để nâng cao hiệu quả nghiền, trong thực tế tốc độ quay sử dụng 0,75 -0,8 tốc
độ quay lý thuyết. Ngoài tốc độ vòng quay còn có trọng lượng bi, tỉ lệ kích
thước giữa bi và vật nghiền đều có ảnh hưởng tới hiệu quả nghiền. Thực tế đã
chứng minh rằng nếu tốc độ quay của tang N = 0,75 Nlt thì trọng lượng tối ưu
là 1,7 – 1,9 kg/l thể tích của máy nghiền.
Hệ số điền đày  của máy nghiền không quá 0,4 – 0, 5 bởi vì rằng nếu  lớn
hơn thì các hạt bi đẩy lẫn nhau làm mất lực sống và quá trình nghiền kém hiệu
quả.


24

Kích thước viên bi cũng có hảnh hưởng tới quá trình nghiền. Để cường hoá
quá trình nghiền, kích thước bi phải ở trong giới hạn d 

D D

Trong đó
18 24

D - Đường kính máy nghiền, d - đường kính của bi.
Công suất của máy nghiền bi phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và đặc tính
nghiền của vật liệu. Đối với vật liệu ròn, quá trình nghiền được tiến hành
trong môi trường dung dịch để hạn chế bốc bụi của vật liệu và tránh sự dính
kết của các hạt quá mịn do tính nhiễm từ của bột. Ngoài ra, chất lỏng tạo được
lực mao dẫn lớn trong vùng nứt tế vi của hạt tạo điều kiện thuận lợi cho quá
trình.

Đối với vật liệu cứng và dòn rất thuận tiện sử dụng máy nghiền bi trong quá
trình tạo bột.
Hình dáng của hạt bột nhận được khi nghiền trong máy nghiền bi rất đa dạng.
Bột nhận được có tỉ trọng đong lớn, độ xốp của tỉ trọng đong tự do khoảng
60%. Chính vì vậy, quá trình nghiền trong máy nghiền bi như là quá trình phụ
thêm để tăng tỉ trọng đong của bột.
Để nhận bột có kích thước rất nhỏ, cỡ 1m, quá trình nghiền theo cơ chế đập
các hạt bị rơi thì không có hiệu quả. Trong trường hợp này (nghiền graphit để
làm ruột bút chì, nghiền hợp kim cứng) sử dụng chế độ nghiền khác, đó là bi
không rơi mà do ma sát giữa các hạt sắt mịn lực rơi lớn là không cần thiết và
không có ý nghĩa. Trong trường hợp này N  0,6 Nlt.


25

2.2 QÚA TRÌNH TẠO HÌNH
2.2.1 Chuẩn bị bột ép.
Các quá trình 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 được sản xuất ở
các phân xưởng hay nhà máy riêng biệt nên không thể đáp ứng tất cả những
yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm gốm kim loại. Ngoài ra, tuỳ từng cơ sở sản
xuất khác nhau đòi hỏi những yêu cầu kỹ thuật của bột khác nhau. Vì vậy,
trong mọi trường hợp cần phải có khâu chuẩn bị bột sao cho đảm bảo yêu cầu
về thành phần hoá học và yêu cầu vật lý, công nghệ để đáp ứng yêu cầu của
sản phẩm cuối cùng [5].
Những khâu cơ bản của quá trình chuẩn bị bột bao gồm: Ủ, rây và trộn.
Ủ bột nhằm nâng cao tính dẻo và tính ép bằng cách hoàn nguyên các màng
oxit và biến mềm hạt bột. Quá trình ủ trước khi ép được tiến hành trong môi
trường khí bảo vệ hay hoàn nguyên ở nhiệt độ khoảng 0,4 – 0,6 nhiệt độ nóng
chảy của kim loại đó. Trong một vài trường hợp quá trình ủ được tiến hành

trong chân không.
Trong thực tế sản xuất, để nhận bột có kích thước xác định cần phải phân cấp
hạt (hay là rây bột để phân cấp). Phân chia kích thước hạt thành từng phần
riêng biệt sau đó pha trộn phối liệu theo phần trăm kích thước hạt yêu cầu. Do
đó mà tỉ trọng đong, lắc của bột được ổn định. Đối với một số kích thước hạt
không thích hợp (quá to, quá nhỏ) cần phải gia công thêm (nghiền lại đối với
hạt to, ủ cho tăng kích thước đối với hạt nhỏ).
Trong công nghiệp luyện kim bột, các chi tiết cần sản xuất ít ở dạng một loại