Mòn khuôn ép gạch lát nền ceramics và vấn đề thiết kế chế tạo khuôn

Kết nối Lò Khí Hoá Than TẠi MIKADO

Thay trụ chính Máy ép SACMI PH2590

Công nghiệp sản xuất gạch ceramic hiện đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta do nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Khuôn ép gạch lát nền ceramics làm việc trong môi trường ăn mòn, áp lực cao, ma sát và mòn mạnh nên thường xuyên phải thay thế. Tuy nhiên cho đến nay, chất lượng khuôn ép sản xuất trong nước, đặc biệt là vanh khuôn vẫn chưa đạt được tiêu chuẩn của các nước phát triển nên các doanh nghiệp vẫn phải nhập ngoại. Bài này trình bày các vấn đề liên quan đến quá trình mòn và cơ chế mòn của vanh khuôn ép gạch ceramics, từ đó đề ra giải pháp mới cho việc thiết kế và chế tạo vanh khuôn trong nước đạt chất lượng cao.Hiện nay đẫ có một vài công ty trong nước làm được vanh khuôn như cơ khí tân định,Công ty Kim thịnh,Khuôn Liên doanh FOSHAN-Vĩnh phúc I - Một vài cơ chế mòn liên quan đến mòn khuôn ép Gạch lát nền ceramic hiện đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công nghiệp và dân dụng nước ta. Hiện tại trong nước đã có vài chục nhà máy sản xuất loại gạch này. Các dây chuyền sản xuất gạch chủ yếu nhập từ Italya, trong các dây chuyền này khuôn ép là một trong những cụm chi tiết có giá thành cao và thường xuyên phải thay thế. Mòn khuôn ép nguội nói chung có thể liên quan đến các cơ chế mòn do dính, mòn do cào xước và mòn hoá học gây ra bởi tương tác hoá học của vật liệu ép với các bề mặt của khuôn. Các cơ chế mòn này được trình bày tóm tắt dưới đây: 1.1 Mòn do dính Mòn do dính (adhesion, galling, scuffing, wlding hay smearing) xảy ra khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau. Dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến, khi sự trượt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời. Mảnh mòn do dính có thể còn do quá trình mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Một số giả thuyết dùng giải thích cơ chế tách vật liệu tạo thành hạt mòn do dính là do trượt, và cắt có thể xảy ra về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc. Theo giả thuyết khác, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất nén và tiếp và sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt phẳng trượt của các tinh thể trong vùng biến dạng dẻo. Những dải trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng hình nêm và dính sang bề mặt đối tiếp. Quá trình trượt giữa hai bề mặt tạo ra nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt đối tiếp, tích tụ và tạo nên các mảnh mòn rời do tác dụng oxy hoá của oxy trong môi trường hoặc do năng lượng đàn hồi lớn hơn năng lượng dính. Phương trình định lượng xác định thể tích mòn do dính trên một đơn vị chiều dài trượt theo Archard: Q = k W (1.1) 3p0 hay theo Rowe khi trên bề mặt tiếp xúc chung tồn tại một lớp màng bôi trơn: Q = km (1 + αμ2 )1/2 W (1.2) p0 1.2 Mòn do cào xước Mòn do cào xước do các hạt cứng gắn vào một bề mặt hoặc do các hạt cứng tự do giữa hai bề mặt gây ra khi giữa hai bề mặt tồn tại chuyển động tương đối. Mòn do cào xước xảy ra theo hai cơ chế biến dạng dẻo (vật liệu dẻo), nứt tách Hec (vật liệu dòn). 1.2.1 Mòn do biến dạng dẻo Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép vật liệu (wedge formation). và cắt. Trong quá trình cày, vật liệu bị biến dạng bị dồn sang hai bên của rãnh mà không bị tách ra. Sự hình thành lượng vật liệu dồn ép ở phía trước của nó. Điều này thường xảy ra khi tỷ số giữa sức bền cắt của bề nặt tiếp xúc chung đối với sức bền cắt trong lòng vật liệu cao. Dạng cắt của mòn do cào xước xảy ra khi hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di chuyển tạo nên rãnh và tách vật liệu ra khỏi rãnh dưới dạng mảnh mòn có dạng giống như phoi dây hoặc vụn. Thể tích mòn v do một hạt cứng gây nên trên quãng đường x có thể tính: v= 2Wx (tgθ)tb (1.3) Hay theo Archrd v = k abr Wx (1.4)πH H Giá trị của k abr thay đổi trong dài từ 10-6 đến 10-1. Tốc độ mòn do cào xước thường rất lớn gấp khoảng 2-3 lần so với mòn do dính. Phương trình mòn do cào xước hai vật thể cũng đúng trong trường hợp mòn do cào xước ba vật thể nhưng hệ số k abr thấp hơn bởi vì các hạt cứng có xu hướng lăn nhiều hơn trượt. 1.2.2 Mòn do nứt tách Hec Khảo sát một hạt cứng trượt trên mặt phẳng của vật liệu dòn. Khi tải trọng pháp tuyến còn nhỏ, hạt cứng sắc sẽ chỉ gây ra biến dạng dẻo trên mặt vật rắn và mofn xảy ra do biến dạng dẻo. Khi tải trọng pháp tuyến vượt qua một giá trị nào đó mòn do nứt ngang làm tăng đột ngột tốc độ mòn. Tải trọng giới hạn tỷ lệ với (Kc)3Kc trong đó H/Kc gọi là chỉ số độ dòn, H là độ Hcứng và Kc là độ dai va đập. Thể tích mòn đơn vị trên một đơn vị chiều dài trượt có thể xác định: v = α3N (E/H)W9/8 ( 1.5) Kc1/2 H5/8 trong đó α3 là hệ số không phụ thuộc vào vật liệu. Vì E/H không thay đổi nhiều với các vật rắn dòn khác nhau, nên tốc độ mòn tỷ lệ nghịch với Kc1/2, H5/8. Tốc độ mòn tỷ lệ thuận với W9/8 nghĩa là tốc độ mòn do nứt ngang tăng nhanh hơn tuyến tính theo tải trọng pháp tuyến như trong biến dạng dẻo. 1.3 Mòn hoá học Mòn hoá học xảy ra khi các bề mặt đối tiếp hoạt động trong môi trường có hoạt tính hoá học. Trong không khí mòn hoá học đôi khi gọi là mòn do ôxy hóa. Mòn hoá học liên quan đến sự hình thành và phá huỷ của lớp màng sản phẩm hoá học trong vùng tiếp xúc. Mòn hoá học là hiện tượng cần quan tâm, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như mỏ, tuyển khoáng, dây chuyền hoá học, xử lý bùn, nước thải. Mòn hoá học xảy ra so sự tương tác hoá học hoặc điện hoá của bề mặt chi tiết với môi trường. Môn hoá học xảy ra trong môi trường ăn mòn, nhiệt độ và độ ẩm cao. Mòn điện hoá xảy ra khi phản ứng hoá học đi kèm với tác dụng của dòng điện chảy ra trong quá trình điện phân. Khi ăn mòn hóa học là nguyên nhân chính của mòn, một tương tác phức tạp giữa các cơ chế mòn khác nhau luôn tồn tại. Đầu tiên mòn có thể là do dính hoặc do cào xước sau đó là sự kết hợp của mòn hoá học và mòn do cào xước. Ứng suất tiếp xúc cao có thể làm tăng ăn mòn cục bộ dẫn đến sự tạo thành các lò châm kim trên bề mặt. Ứng suất dư trong lòng kim loại có thể gây ra nứt do kết hợp với sự ăn mòn trong môi trường hoạt tính cao. Hiện tượng này kết hợp với sự trượt bề mặt có thể gây ra mòn mạnh giống như sự ăn mòn của một pha trong hợp kim ổ hai pha. II - Khảo sát cơ chế mòn vanh khuôn ép gạch ceramic Một ô khuôn ép gạch ceramic bao gồm chày trên, chày dưới và 4 vanh khuôn. Do vanh khuôn là chi tiết thường phải thay thế nên vanh khuôn ép gạch ceramic cỡ 20 x 25cm2 và 30 x 30 cm2 chế tạo ở Italy là đối tượng của nghiên cứu này. Kết quả phân tích quang phổ cho thấy vật liệu chế tạo vanh khuôn là thép hợp kim với hàm lượng Cr khoảng 12% được tôi cứng từ 56 HRC ÷ 62 HRC. Mòn vanh khuôn xảy ra với cường độ mạnh nhất ở vùng cung lượn tạo góc lượn cho viên gạch. Chi tiết phải thay thế khi chiều sâu vùng mòn đạt 0,20mm. Dựa trên các quan sát trên kính hiển vi điện tử, mòn vanh khuôn là mòn do cào xước kết hợp với hoá học do vật liệu ép là đất đá và phụ gia với độ ẩm khoảng 7%. Cơ chế mòn do dính không tồn tại trong nghiên cứu này. Sự tạo thành các rãnh mòn theo cơ chế biến dạng dẻo. Vật liệu bị biến dạng dẻo mạnh chủ yếu theo cơ chế này. Các rãnh hằn sâu trên bề mặt của vùng mòn chứng tỏ trong vật liệu ép tồn tại các hạt cứng có kích thước lớn đáng kể và có độ cứng lớn hơn 60HRC. Sự tách ra của các hạt mòn và các hạt các bít trong thép còn có thể liên quan đến quá trình mỏi do độ cứng của phần lớn các hạt cứng gây mòn do cào xước có độ cứng thấp hơn 60HRC. Các thí nghiệm chỉ ra sự ăn mòn bề mặt của cắt ngang qua các hạt chứ không phải là sự tách rời của các hạt theo biên giới. Sự phá huỷ lớp bề mặt còn do biến dạng dẻo. Chiều dày của lớp vật liệu bị biến dạng dẻo là không đáng kể và chắc chắn chỉ tồn tại ở những nơi tồn tại các vết xước cào sâu. Ảnh SEM thể hiện hiện tượng mòn hoá học trên bề mặt vùng mòn. Lớp màng sản phẩm tương tác hóa học giữa vật liệu ép và vanh khuôn bị bong ra bộ phận để lộ vật liệu vanh khuôn bên trong tạo điều kiện cho các tương tác hoá học tiếp theo.Hơn nữa bằng chứng của mòn hoá học là sự tồn tại của các lỗ kim trên bề mặt vanh khuôn. Sản phẩm tương tác hoá học của bề mặt vanh khuôn với vật liệu ép có thể đóng vai trò quan trọng trong việc làm yếu liên kết của các hạt các bít với nền thép, tạo điều kiện cho òn do cào xước phát triển mạnh hơn. III - Một số giải pháp thiết kế và chế tạo vanh khuôn Từ các phân tích về cơ chế mòn vanh khuôn có thể thấy để tăng tuổi thọ của vanh khuôn ép trên khía cạnh vật liệu, cần áp dụng các biện pháp công nghệ để nâng cao độ cứng vùng bề mặt khuôn và hạn chế tác dụng ôxy hoá cũng như các tương tác hoá học trên vùng bề mặt. Sử dụng vật liệu dùng làm khuôn ép nguội hoặc sử dụng công nghệ hợp kim hoá bề mặt nhằm tăng độ cứng và khả năng chống mòn hoá học ở vùng bề mặt vanh khuôn là những giải pháp công nghệ khả thi nhằm nâng cao tuổi thọ của vanh. IV - Kết luận Từ kết quả quan sát có thể thấy rằng mòn vanh khuôn ép gạch ceramic cỡ 20 x 25 cm2 và 30 x 30 cm 2 là do mòn cào xước kết hợp với mòn hoá học, cơ chế mòn do dính không tồn tại trong quá trình ép. Tác động hoá học của vật liệu ép ở độ ẩm 7% tạo điều kiện cho sự hình thành của lớp màng sản phẩm hoá học làm giảm sức bền vật liệu vùng bề mặt thúc đẩy mòn do cào xước. Cần lựa chọn biện pháp công nghệ tiên tiến để tăng độ cứng trên vùng bề mặt nhằm giảm mòn do cào xước theo cơ chế biến dạng dẻo. Hơn nữa vùng bề mặt cần có khả năng chống ôxy và tương tác hoá học cao hơn. Phan Quang Thế, Nguyễn Đăng Bình(Trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên