Giáo trình Công nghệ kim loại - Tập 3: Hàn và cắt kim loại

Ch−¬ng I Hµn kim lo¹i

1.1 Kh¸i niÖm chung

1.1.1 Kh¸i niÖm

Hµn kim lo¹i lµ mét ph−¬ng ph¸p nèi liÒn c¸c chi tiÕt l¹i víi nhau thµnh mét

khèi kh«ng thÓ th¸o rêi ®−îc b»ng c¸ch:

• Nung kim lo¹i vïng hµn ®Õn nhiÖt ®é nãng ch¶y sau khi ®«ng dÆc ta ®−îc mèi

liªn kÕt v÷ng ch¾c gäi lµ hµn nãng ch¶y;

• HoÆc cã thÓ nung chóng ®Õn nhiÖt ®é cao nhá h¬n nhiÖt ®é nãng ch¶y cña kim

lo¹i ®ã (®èi víi kim lo¹i dÎo th× cã thÓ kh«ng nung) råi dïng lùc lín Ðp chóng

dÝnh ch¾c vµo nhau gäi lµ hµn ¸p lùc;

• Cã thÓ dïng kim lo¹i trung gian nãng ch¶y råi nhê sù hoµ tan, khuyÕt t¸n kim

lo¹i hµn vµo vËt hµn mµ t¹o nªn mèi ghÐp gäi lµ hµn v¶y. HiÖn nay cßn cã thÓ

dïng keo ®Ó d¸n c¸c chi tiÐt l¹i víi nhau ®Ó t¹o nªn c¸c mèi nèi ghÐp;

• Ngoµi ra ta cßn cã thÓ dung keo kim lo¹i ®Ó d¸n chung dÝnh ch¾c vµo nhau gäi lµ

d¸n kim lo¹i.

1.1.2 øng dông :

Hµn kim lo¹i dãng mét vai trß rÊt quuan träng trong qu¸ tr×nh gia c«ng, chÕ

t¹o vµ söa ch÷a phôc håi c¸c chi tiÕt m¸y.Hµn kh«ng chØ thÓ dïng ®Ó nèi ghÐp c¸c

kim lo¹i l¹i víi nhau mµ cßn øng dông ®Ó nèi c¸c phi kim lo¹i hoÆc hæn hîp kim

lo¹i víi phi kim lo¹i. Hµn cã mÆt trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp, trong ngµnh y tÕ hay

trong c¸c ngµnh phôc håi söa ch÷a c¸c s¶n phÈm nghÖ thuËt,...

1.1.3 §Æc ®iÓm cña hµn kim lo¹i

a. TiÕt kiÖm kim lo¹i

• So víi t¸n ri vª, hµn kim lo¹i cã thÓ tiÕt kiÖm tõ 10 - 15 % kim lo¹i (do phÇn

®inh t¸n, phÇn khoa læ) vµ ch−a kÓ ®Õn ®é bÒn kÐªt cÊu bÞ gi¶m do khoan læ.

H. 1-1 So s¸nh mèi ghÐp nèi hµn vµ t¸n rivª

• So víi ®óc : TiÕt kiÖm kho¶ng 50 % kim lo¹i do mèi hµn khi hµn kh«ng cÇn

hÖ th«ng ®Ëu h¬i, ®Ëu ngãt, bªn c¹nh ®ã chiÒu dµy vËt ®óc lín h¬n vËt hµn,...

• TiÕt kiÖm kim lo¹i quý hiÕm : VÝ dô khi chÕ t¹o dao tiÖn ta chØ cÇn mua vËt

liÖu phÇn c¾t gät lµ thÐp dông cô cßn phÇn c¸n ta sö dông thÐp th−êng CT38 SÏ

cã gÝ thµnh rÎ mµ vÉn tho¶ m·n c¸c yªu cÇu kü thuËt.

b. §é bÒn mèi hµn cao, mèi hµn kÝn, chÞu ®−îc ¸p lùc

c. ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n, gi¸ thµnh h¹

2

d. Nh−îc ®iÓm Tæ chøc kim lo¹i vïng mèi hµn kh«ng ®ång nhÊt, tån t¹i øng suÊt vµ

biÕn d¹ng sau khi hµn.

1.2 - Ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p hµn

P

III

KG/mm²

II

I

IV

Tnc

T ^oC

H ×nh 1-2 S¬ ®å ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p hµn

I - Vïng hµn nãng ch¶y; II - Vïng hµn ¸p lùc, II Vïng hµn h¹n chÕ

IV- Vïng kh«ng thÓ t¹o thµnh mèi hµn ®−îc

• Hµn hå quang ®iÖn,

• Hµn khÝ,

• hµn b»ng c¸c chïm tia,

• Hµn ®iÖn xû,

Hµn nãng

ch¶y

• Hµn nhiÖt,...

Hµn kim lo¹i

• Hµn ®iÖn tiÕp xóc,

• Hµn siªu ©m,

• Hµn cao tÇn,

• Hµn næ,

Hµn ¸p lùc

• Hµn ma s¸t,

• Hµn khuyÕch tan,

• Hµn khÝ - Ðp

• Hµn nguéi

Hµn v¶y

. . .

H×nh 1-2 S¬ ®å ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p hµn

3

Ch−¬ng 2 Qóa tr×nh luyÖn kim khi hµn nãng ch¶y

2.1 Qu¸ tr×nh luyÖn kim khi hµn nãng ch¶y

Khi hµn nãng ch¶y nhiÖt ®é vïng hµn trung b×nh lµ 1700 - 1800 ^oC. ë tr¹ng

th¸i nhiÖt ®é cao kim lo¹i láng chÞu sù t¸c ®éng m¹nh cña m«i tr−êng xung quanh

vµ c¸c nguyªn tè cã trong thµnh phÇn que hµn vµ thuèc bäc que hµn; Kim lo¹i mèi

hµn ë tr¹ng th¸i láng vµ mét phÇn bi bay h¬i. Trong vïng mèi hµn x¶y ra nhiÒu qu¸

tr×nh nh− « xy ho¸, khö « xy, hoµn nguyªn vµ hîp kim ho¸ mèi hµn, qu¸ tr×nh t¹o xû

vµ tinh luyÖn ,... C¸c qu¸ tr×nh ®ã phÇn nµo t−¬ng tù nh− nh÷ng qu¸ tr×nh luyÖn kim

nªn ng−êi ta gäi qu¸ tr×nh nµy lµ qu¸ tr×nh luyÖn kim khi hµn nh−ng x¶y ra trong

mét thÓ tÝch nhá vµ thêi gian ng¾n.

Xû, thuèc bäc que hµn: FeO, MnO,

SiO2,...

M«i tr−¬ng khÝ.

C¸c nguyªn tè cã trong vËt hµn vµ que

hµn : [Fe], [FeO], [Si], [Mn],...

H×nh 2 - 1 S¬ ®å nh÷ng yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng mèi hµn

¶nh h−ëng cña «xy

¤xy cã trong c¸c m«i tr−¬ng xung quanh nh− kh«ng khÝ, h¬i n−íc, Co2,

H2O, vµ trong c¸c çit kim lo¹i, trong líp xØ khi hµn,...

¤xy cã t¸c dông m¹nh víi c¸c nguyªn tè : Fe, Mn, Si, C, ... kÕt qu¶ sÏ lµm

thay ®æi thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt cña kim lo¹i mèi hµn.

VÝ dô :

Fe + O ----> FeO

Fe + O₂----> 2FeO

Mét phÇn c¸c «xit s¾t nh− trªn sÏ ®i vµo xØ, mét phÇn sÏ trén lÉn víi kim lo¹i

mèi hµn do kh«ng tho¸t ra ngoµi kÞp. Mèi hµn cã lÉn xØ sÏ lµm cho c¬ tÝnh gi¶m

m¹nh.

Trong m«i tr−êng xung quanh còng cßn cã nhiÒu chÊt khÝ cã ¶nh h−ëng ®Õn

chÊt l−îng mèi hµn nh− hydro., Nit¬, l−u huúnh, phèt pho,...

Hydro: cã trong h¬i n−íc, trong c¸c lo¹i khÝ b¶o vÖ hoÆc do bÞ ph©n huû

c¸c chÊt trong qu¸ tr×nh hµn sÏ hoµ tan vµo mèi hµn vµ g©y nªn rç khÝ. §èi víi thÐp

vµ hîp kim nh«m, hy dro lµ nguyªn nh©n chñ yÕu g©y nªn rç khÝ.

L−u huúnh lµ chÊt g©y nªn nøt nãng cho mèi hµn

Phèt pho g©y nªn nøt nguéi cho mèi hµn

4

Trong vïng mèi hµn x¶y ra qu¸ tr×nh khö «xy. Cã thÓ tãm t¾t theo c¸c d¹ng ph¶n

øng sau:

[FeO] + (Si) --> [Fe] + (SiO2)

[ ] - Thµnh phÇn c¸c chÊt ®i vµo kim lo¹i;

( ) - Thµnh phÇn c¸c chÊt ®i vµo trong xû ;

[FeO] + (Mn) --> [Fe} + (MnO₂)

[FeO] + (SiO2 --> (FeO.SiO₂)

FeS + Mn -- > MnS + Fe

FeS + MnO --> MnS + FeO

Fe₃P + FeO ---> (P₂O₅) + 9 Fe

CaO + P₂O₅--> Ca₃P₂O₈

C¬ tÝnh cña vËt liÖu

A_H

σ

A_H

% O₂

H×nh 2 - 2 S¬ ®å ¶nh h−ëng cña o xy ®Õn c¬ tÝnh mèi hµn [13]

¶nh h−ëng cña mét sè chÊt khÝ ®Õn c¬ tÝnh mèi hµn (nh− h×nh 2 - 3)

N₂

A_k

%δ

σ _B

O₂

N₂

O₂

% O₂

% N₂

% O₂

% N₂

% O₂

% N₂

H×nh 2 - 3 ¶nh h−ëng cña mét sè chÊt khÝ ®Õn c¬ tÝnh mèi hµn [13]

5

2.2 Vòng hµn vµ ®Æc ®iÓm cña nã.

Khi hµn, d−íi t¸c dông cña nguån nhiÖt, vïng kim lo¹i nãng ch¶y t¹o nªn

mét vòng hµn. Kim lo¹i ë ®©y lµ hæn hîp c¸c nguyªn tè cña kim lo¹i c¬ b¶n vµ kim

lo¹i vËt liÖu hµn. Vòng hµn ®−îc chia ra 2 vïng chÝnh: vïng ®Çu vµ vïng ®u«i vòng

hµn.

a/

b/

H. 2-4 S¬ ®å mèi ghÐp hµn (a) vµ t¸c dông cña nguån nhiÖt khi hµn hå quang

(b)

I

II

B

C

H

3

2

1

H. 2-5 S¬ ®å ®−êng hµn vµ vÞ trÝ vòng hµn

I - Vïng ®Çu vòng hµn; II - Vïng ®u«i vòng hµn

1 - Vïng cã nhiÖt ®é kh«ng x¸c ®Þnh 2- Vïng cã nhiÖt ®é kho¶ng 1800 ^oC;

3 - Vïng cã nhiÖt ®é gÇn nhiÖt ®é nãng ch¶y (kho¶ng 1500^oC)

B - ChiÒu réng mèi hµn; C- ChiÒu cao mèi hµn; H - ChiÒu s©u cña mèi hµn

Qu¸ tr×nh kÕt tinh cña mèi hµn

• Mèi hµn kÕt tinh trong ®iÒu kiÖn phÇn ®Çu vòng hµn lu«n bÞ nung nãng bëi nguån

nhiÖt hµn cßn vïng ®u«i th× ®−îc nguéi dÇn.

• Kim lo¹i vòng hµn lu«n chuyÓn ®éng;

• ThÓ tÝch vòng hµn nhá kho¶ng 0,2-0,4 cm³.

• Thêi gian kim lo¹i mèi hµn tån t¹i ë tr¹ng th¸i láng nhá,;

• Tèc ®é lµm nguéi lín

6

2.3. Tæ chøc kim lo¹i mèi hµn vµ vïng cËn mèi hµn

Sau khi ®«ng ®Æc, kim lo¹i mèi hµn sÏ cã thµnh phÇn kh¸c so víi kim lo¹i c¬

b¶n. D−íi t¸c dông cña nhiÖt ®é æ chøc kim lo¹i mèi hµn còng ®−îc chia thµnh

nhiÒu vïng kh¸c nhau.

Tæ chøc kim lo¹i mèi hµn phô thuéc ph−¬ng ph¸p hµn, kim lo¹i vËt hµn, vµ

chÕ ®é hµn. Tæ chøc kim lo¹i vïng mèi hµn vµ gÇn mèi hµn ®−îc chia ra 7 vïng

kh¸c nhau : Vïng mèi hµn, vïng viÒn ch¶y, vïng ¶nh h−ëng nhiÖt gåm cã c¸c vïng

: vïng qu¸ nhiÖt, vïng th−êng ho¸, vïng kÕt tinh l¹i kh«ng hoµn toµn vïng kÕt tinh

l¹i, vïng dßn xanh.

Vïng mèi hµn (1) :

Cã thµnh phÇn kim lo¹i hæn hîp gi−ua vËt hµn, thuèc hµn vµ que hµn. Tæ

kÕt tinh sau cïng.

Vïng viÒn ch¶y (2) :

Vïng nµy kim lo¹i nãng ch¶y kh«ng hoµn toµn. Thµnh phÇn kim lo¹i mèi

hµn cã lÉn c¸c nguyªn tè cña que hµn vµ thuèc hµn. Do cã sù t¸c dông qua l¹i gi÷a

pha long vµ pha ®Æc nªn trong mèi hµn cã thÓ lÉn c¸c t¹p chÊt. H¹t tinh thÓ vïng nµy

nhá, cã c¬ tÝnh tèt. Vïng nµy tån t¹i 2 pha láng cã chhiÒu réng vïng nµy nhá

Vïng ¶nh h−ëng nhiÖt :

Lµ vïng cã nhiÖt ®é thÊp h¬n nhiÖt ®é nãng ch¶y nh−ng cã tæ chøc vµ tÝnh

chÊt thay ®æi d−íi t¸c dông cña nhiÖt ®é. ChiÒu réng vïng nµy phô thuéc chiÒu dµy

vËt hµn, nguån nhiÖt, chÕ ®é hµn, ph−¬ng ph¸p hµn,... (xem b¶ng 1.1)

B¶ng 1 -1

Ph−¬ng ph¸p hµn

ChiÒu

dµy (mm)

Tæng chiÒu réng vïng

¶nh h−ëng nhiÖt (a) mm

12-13

Trong ®ã chiÒu réng

vïng qu¸ nhiÖt (mm)

Hµn khÝ

Hµn ®iÖn

3

10

4 - 7

10 - 12

1 - 2

25 - 30

3 - 5,5

Vïng qu¸ nhiÖt (3) T = 1100 ... 1200 ^oC

Vïng th−êng ho¸ (4) Cã T 〉 AC₃

Cã nhiÖt ®é kho¶ng (880...1100 ^oC),cã chiÒu réng kho¶ng 0.2 ... 5 mm cã tæ

chøc h¹t nhá, c¬ tÝnh tèt.

Vïng kÕt tinh l¹i kh«ng hoµn toµn (5) : cã nhiÖt ®é kho¶ng T = 720 ...

880

Tø lµ n»m trong kho¶ng AC1 - AC3, nªn cã thÓ x¶y ra qu¸ tr×nh chuyÓn biÕn «stenit

vÒ tæ chøc pÐclÝt vµ martenxit cho nªn cã thµnh phÇn ho¸ häc vµ c¬ tÝnh kh«ng ®ång

nhÊt, c¬ tÝnh bÞ gi¶m.

7

Vïng kÕt tinh l¹i (6) : T = 500 ... 700 ^oC

Tæ chøc kim lo¹i gièng vËt hµn nh−ng ®é cøng gi¶m, tÝnh dÎo t¨ng

Vïng dßn xanh (7) : cÜ T = 100 ... 500 ^oC

tån t¹i øng suÊt d−, kim lo¹i bÞ ho¸ giµ, khi thö kÐo mÉu hay bÞ ®øt vïng nµy.

I

II

III

H×nh 2 - 6 S¬ ®å c¸c vïng cña mèi hµn (I- Vïng cã nhiÖt ®é cao , II- Vïng cã

nhiÖt ®é cao h¬n T nãng ch¶y, III- Vïng cã nhiÖt ®é nhí h¬n nhiÖt ®é nãng ch¶y)

T^oC

% C

σ_B

8

H×nh 2 - 7 Tæ chøc kim lo¹i vïng mèi hµn vµ cËn mèi hµn.

[13

9

Giáo trình Công nghệ kim loại - Tập 3: Hàn và cắt kim loại - Chương 1+2