Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

suất chảy động của vật liệu có độ bền cao cao 
hơn.Theo lý thuyết đường trượt của một tấm kim loại bị biến dạng chảy dẻo do va đập thì giới 
hạn của áp suất va đập phải đạt được là: 
dv Kp )2( pi+= (17) 
 ở đây: Kd - giới hạn ứng suất tiếp chảy dẻo ở trạng thái nóng của vật liệu có độ bền cao hơn 
(ống hoặc thỏi kim loại hàn). 
 Trị số Kd được xác định theo biểu thức:
3
d
dK
σ
= và Td σσ )43( ÷≅ 
 Từ đó suy ra: Tvp σ)129( ÷= (18) 
Từ biểu thức (17) và (16) xác định tốc độ va đập cần thiết để quá trình hàn được xNy ra: 
dH KCC
CC
v )2(
2121
2211 pi
ρρ
ρρ
+
+
=
 (19) 
 Sau khi xác định được vH ta giải phương trình (13) với các thông số chiều dày thuốc nổ 
thay đổi. Ứng với mỗi chiều dày thuốc nổ và kích thước cụ thể của ống kim loại bên ngoài mà 
xác định giá trị cực đại của tốc độ nổ và xác định trị số ∆R của dịch chuyển mặt trong của ống 
kim loại hàn nổ. So sánh giá trị cực đại này của tốc độ dịch chuyển sẽ nhận được với vH. Bài 
toán sẽ được hoán thánh khi đảm bảo được điều kiện sau: 
0)(
max
2 ≥Hvdt
tdR
 (20) 
Nếu dR2/dtmax ≤ vH thì cần phải tăng thêm chiều dầy lớp thuốc nổ và lặp lại các thí 
nghiệm. Cuối cùng, khi đã xác định được H, đồng thời ta sẽ xác định được ∆R tối ưu. 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008 
51 
3.3. Kết quả thực nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal tại Viện Nghiên cứu Cơ khí 
Mẫu thí nghiệm sử dụng là lõi thép 45 và ống thép ШX15 lồng vào nhau để hàn nổ trước 
khi bọc thuốc nổ cho trên hình 4 a, nhóm nghiên cứu và NCS chuNn bị mẫu thí nghiệm tại 
trường nổ ngoài trời của Công ty Hoá chất 13 - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng sau khi khi 
bọc lớp thuốc nổ - hình 4 b. Chế độ nổ chọn sơ bộ trong khoảng: r = 1,4 ÷ 1,8 ; h = 0,1 ÷ 0,5 và 
C = 0,75 ÷ 1,0. Kết quả hàn nổ theo một số chế độ quy hoạch thực nghiệm tạo phôi bimetal 
dạng thanh thép 45 + thép ШX15 cho trên hình 5a. 
Từ các phôi bimetal sau hàn nổ nhận được, cắt lấy mẫu có dấu hiệu bám dính của ống 
thép ШХ15 và lõi thép 45 tương đối tốt. Để có đánh giá tổng quát về chất lượng phôi bimetal 
dạng trụ sau hàn nổ, quy định chia mỗi một phôi sau hàn nổ thành 03 vùng cục bộ theo hướng 
nổ như sau: phần đầu được tính từ mặt tiếp giáp trực tiếp của phần thuốc nổ phụ để kích nổ với 
phần thuốc nổ ống hình trụ bọc ngoài ống thép hợp kim (ký hiệu là vùng 1), tiếp đến là phần 
giữa (ký hiệu là vùng 2) và phần cuối tiếp giáp trực tiếp với đế nổ (ký hiệu là vùng 3). Mỗi một 
phôi bimetal nhận được sau hàn nổ được cắt thành 03 đoạn khác nhau 1 – 2; 2 – 3 (mỗi đoạn có 
chiều dài trung bình 60 mm) và 02 đoạn trung gian có chiều dài 10 mm tại nơi tiếp giáp giữa các 
đoạn nói trên để gia công thành các mẫu thử phá huỷ xác định độ bền bám dính 2 lớp (hình 5b) 
và mẫu nghiên cứu cấu trúc tế vi theo chiều ngang và dọc theo hướng nổ tương ứng (hình 6a,b). 
Kết quả thử và tính toán mô phỏng số độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 45 + thép 
ШX15 ngay sau khi hàn nổ cho trên hình 7. Tõ c¸c ¶nh ®å tÝnh to¸n m« pháng trªn h×nh 7 cã thÓ 
nhËn xÐt: ®é bÒn b¸m dÝnh 2 líp bimetal thÐp 45 + thÐp ШX15 chÞu ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè 
ban ®Çu khi hµn næ theo quy luËt phi tuyÕn. §−êng cong thùc nghiÖm cho thÊy, trong ph¹m vi 
miÒn c¸c gi¸ trÞ lùa chän cña c¸c th«ng sè D, h, r khi hµn næ chÊt l−îng b¸m dÝnh 2 lớp bimetal 
nãi trªn nh×n chung ®¹t yªu cÇu sö dông và tiếp tục ép chảy để biÕn d¹ng t¹o h×nh đến kích 
thước s¶n phÈm cuèi cïng. 
a) 
b) 
Hình 4. ChuJn bị mẫu thí nghiệm hàn nổ bimetal dạng thanh thép 45+ thép шх15: 
a) – Pakét ống thép hợp kim bọc phía ngoài lõi thép 45; b) NCS.Phạm Văn Quế và 
nhóm nghiên cứu tại hiện trường nổ (Công ty hoá chất 13- TCCN Quốc phòng) 
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 
52 
 a) a) 
 b) 
 b) 
Hình 5. Mẫu thí nghiệm bimetal thép 45 + thép 
шх15 sau hàn nổ (a) và sơ đồ cắt mẫu giám định 
chất lượng vật liệu (b) 
Hình 6. Mẫu để khảo sát cấu trúc tế vi biên giới 
liên kết 2 lớp vật liệu bimetal thép 45 + thép 
шх15 sau hàn nổ cắt ngang (a) và cắt dọc 
theo hướng nổ (b) 
Hình 7. Kết quả tính toán mô phỏng số độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 45 + thép ШX15 
bằng phần mềm STATSTICA. 
Phân tích kết quả thí nghiệm trên một số mẫu điển hình (hình 5) và ảnh đồ mô phỏng độ 
bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép 45 + thép ШХ15 sau hàn nổ (hình 7), ta có thể rút ra 
kết luận sau: 
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008 
53 
1) Hiện tượng ống thép hợp kim ШХ15 tại 03 vùng khác nhau của phôi bimetal sau hàn 
nổ bị biến dạng tóp vào trong theo chu vi đường kính của nó không đều dọc theo hướng nổ quan 
sát thấy trên toàn bộ các mẫu thí nghiệm, nhưng ở các mức độ co ngang tương đối khác nhau 
(3,0 ÷ 4,5 % so với kích thước danh nghĩa đường kính ngoài). Nguyên nhân có thể được giải 
thích bởi quan điểm của chúng tôi theo nguyên lý hình học trên sơ đồ nổ (hình 2) cho rằng: Mặt 
phân cách nổ theo đường sinh từ phần chóp nón của thuốc nổ phụ kích nổ ở thời điểm bắt đầu 
hàn ống thép hợp kim với lõi thép 45 (từ điểm kích nổ O đến điểm gãy uốn A) sang phần thuốc 
nổ chính có dạng ống hình trụ đã thay đổi khá rõ rệt (từ điểm gãy uốn A đến điểm bị chặn bởi đế 
nổ B), còn ở thời điểm cuối quá trình nổ - thay đổi rất đột ngột (tại điểm B tiếp giáp trực tiếp 
giữa phần cuối phôi nổ với đế nổ). Do vậy, có thể cho rằng quá trình nổ tại thời điểm bắt đầu đi 
vào vùng 1 và thời điểm đi ra khỏi vùng 3 của phôi nổ (hình 6 a) có sự mất ổn định nào đó, làm cho 
một phần vật liệu ống thép hợp kim bên ngoài không đạt được mức độ biến dạng dẻo hướng kính 
cao như tại vùng 2 ở phần giữa phôi nổ. Tại phần 2 của phôi nổ: quan điểm của chúng tôi cho rằng 
quá trình nổ xNy ra tương đối ổn định vì mặt phân cách nổ không bị ảnh hưởng của như tại các điểm 
đặc trưng A và B nói trên. Mặt khác, từ lý thuyết hàn nổ ta có với các chế độ nổ khác nhau, thì dưới 
tác dụng của năng lượng nổ va đập truyền vào ống thép hợp kim hình trụ và làm cho lượng biến 
dạng dẻo của nó theo hướng kính và dọc đường sinh hình trụ sẽ ở các mức độ khác nhau; 
2) Khi các thông số r và C tăng, khả năng bám dính của ống thép hợp kim ШХ15 với lõi 
thép nền 45 có xu hướng tăng tỷ lệ thuận so với r và C. Mức độ ảnh hưởng của chúng tới độ bền 
bám dính 2 lớp kim loại hàn có thể được xác định, nhờ việc xây dựng mô hình toán học mô tả sự 
ảnh hưởng tương tác đồng thời của 3 thông số hàn nổ đã chọn trong vùng biến thiên khảo sát 
trong lô thí nghiệm theo quy hoạch đầy đủ (N= 33); 
3) Khi thông số h tăng, khả năng bám dính của ống thép hợp kim ШХ15 với lõi thép nền 
45 có xu hướng tăng tỷ lệ nghịch so với h. Mức độ ảnh hưởng của nó tớí độ bền bám dính 2 lớp 
kim loại hàn có thể được xác định nhờ việc xác lập mô hình toán học mô tả sự ảnh hưởng của 3 
thông số hàn nổ đã chọn trong vùng biến thiên khảo sát trong lô thí nghiệm theo quy hoạch đầy 
đủ tương tự như đối với hai thông số r và C. 
Trên các hình 8 ÷ 11 thể hiện các ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết bimetal 
thép 45 + thép ШХ15 nhận được ngay sau khi hàn nổ và chưa qua biến dạng dẻo (εΣ = 0 %), 
mẫu không qua nhiệt luyện được khảo sát theo mặt cắt ngang phôi nổ, còn trên hình 12 là ảnh 
chụp cấu trúc biên giới 2 lớp khảo sát dọc theo hướng nổ. 
↑ ThÐp 45↑ 
Biªn giíi 
← → 
↓ ШХ15 ↓ 
H×nh 8. Ảnh chụp cấu trúc biên giới hai lớp 
mẫu số 2 (MS: 020), hàn nổ ở chế độ 
r = 1,4; h = 0,5; C = 0,75. 
H×nh 9. Ảnh chụp cấu trúc biên giới hai lớp 
mẫu số 4 (MS: 122), hàn nổ ở chế độ: r = 
1,6; h = 0,5; C =1,0. 
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 
54 
↑ ThÐp 45↑ 
Biªn giíi 
← → 
↓ ШХ15 ↓ 
Hình 10. Ảnh chụp cấu trúc biên giới hai 
lớp mẫu số 5 (MS: 111), hàn nổ ở chế độ: 
r = 1,6; h = 0,3; C = 0,875. 
 Hình 11. Ảnh chụp cấu trúc biên giới hai lớp 
mẫu số 15 (MS: 121), hàn nổ ở chế độ: 
r = 1,6; h = 0,3; C = 0,875. 
↑ ThÐp 45↑ 
Biªn giíi 
← → 
↓ ШХ15 ↓ 
Phân tích kết quả nghiên cứu và chụp 
ảnh cấu trúc tế vi biên giới liên kết 2 lớp 
một số mẫu bimetal điển hình cho thấy: 
nhìn chung trong vùng lân cận mối hàn 
giữa lớp thép hợp kim ШХ15 và lớp thép 
nền 45 có quan sát thấy tương đối ít tạp 
chất đúc nóng chảy, nhưng ở mức độ ít 
hơn rất nhiều so với các mẫu thí nghiệm 
thăm dò công nghệ. Biên dạng sóng liên 
kết giữa 2 lớp kim loại hàn nổ có tính 
chất đặc trưng của công nghệ hàn nổ như 
đối với bimetal dạng tấm phẳng. 
Hình 12. Ảnh chụp cấu trúc biên giới hai lớp mẫu số 15 
(MS: 121), hàn nổ ở chế độ: r = 1,6; h = 0,3; 
C = 0,875 (dọc theo hướng nổ). 
Điều này có thể được giải thích bởi quan điểm cho rằng: do có tổng biến dạng co ngang theo 
hướng kính của ống thép hợp kim dưới tác dụng của áp suất va đập cao khi hàn nổ, ngoài sự va 
đập dọc theo hướng nổ (dọc đường sinh hình trụ) tạo ra thành phần biến dạng dọc hướng nổ, còn 
có thành phần biến dạng theo hướng kính. Xét trên mặt cắt ngang phôi nổ tại một thời điểm nào 
đó thì chính biến dạng co ngang này có thể là nguyên nhân chủ yếu thúc đNy sự gia tăng các 
thông số sóng liên kết do có sự trượt nén tương đối giữa bề mặt tiếp xúc ống thép hợp kim với 
bề mặt tiếp xúc lõi thép các bon. Biên độ và bước sóng liên kết 2 lớp kim loại hàn nổ trong mặt 
cắt ngang phôi nổ có xu hướng lớn hơn so với các thông số sóng liên kết tương ứng dọc theo 
hướng nổ (đường sinh hình trụ tại bề mặt phân cách 2 lớp). 
Cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp thép 45 với lớp thép ШХ15 khảo sát trên mẫu 
cắt dọc theo hướng nổ tại phần giữa phôi nổ (hình 6 b) được thể hiện trên hình 12 có biên dạng 
sóng âm đều đặc trưng của công nghệ hàn nổ,điều này minh chứng cho mức chất lượng mối hàn 
là do quy định bởi độ ổn định quá trình nổ trong phân vùng 2 như đã nêu trên. Đối với các chế 
độ nổ thích hợp (mẫu số 5 và mẫu số 15) biên giới liên kết 2 lớp vật liệu bimetal sau hàn nổ rất 
ít tạp chất, điều đó đảm bảo chất lượng bám dính giữa chúng rất cao, vật liệu có thể sử dụng 
ngay ở trạng thái sau hàn nổ mà không cần qua gia công biến dạng dẻo.