Giải Thích Chi Tiết Các Quy Trình Xử Lý Bề Mặt Vòng Đệm Than Chì Carbon: Các Lộ Trình Kỹ Thuật Từ Ngâm Tẩm Đến Phủ Lớp

Xử lý bề mặt vòng đệm than chì là một quy trình then chốt để cải thiện hiệu suất của chúng. Xử lý bề mặt đúng cách có thể cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, độ dẫn nhiệt và tính tự bôi trơn của vòng đệm than chì. Trong nhiều năm nghiên cứu và phát triển quy trình, Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) đã thiết lập một hệ thống quy trình xử lý bề mặt hoàn chỉnh. Bài viết này giới thiệu một cách hệ thống các nguyên lý, tham số và ứng dụng của các quy trình xử lý bề mặt khác nhau.

1. Quy trình ngâm tẩm

1.1 Ngâm tẩm kim loại

Ngâm tẩm kim loại là quá trình đưa kim loại nóng chảy vào các lỗ rỗng của than chì carbon dưới chân không hoặc áp suất, nơi kim loại nguội đi tạo thành các chất độn kim loại giúp cải thiện mật độ, độ bền và độ dẫn nhiệt.

#### 1.1.1 Quy trình ngâm tẩm antimon

Antimon (Sb) là kim loại ngâm tẩm phổ biến nhất cho vòng đệm than chì carbon, có điểm nóng chảy 630°C và mật độ 6,68 g/cm³. Các thông số quy trình:

• Nhiệt độ tiền gia nhiệt: 400-450°C (tháo khí)
• Nhiệt độ ngâm tẩm: 650-700°C (nóng chảy antimon)
• Áp suất ngâm tẩm: 0,5-2,0 MPa (ngâm tẩm áp suất)
• Thời gian giữ: 2-4 giờ
• Phương pháp làm nguội: làm nguội trong lò đến 200°C rồi làm nguội bằng không khí

Hiệu suất sau ngâm tẩm:

• Mật độ tăng từ 1,70 g/cm³ lên 2,3-2,4 g/cm³
• Tỷ lệ ngâm tẩm (tỷ lệ lấp đầy lỗ rỗng) ≥85%
• Độ bền nén tăng từ 120 MPa lên 200-280 MPa
• Độ dẫn nhiệt tăng từ 70 W/(m·K) lên 110 W/(m·K)

#### 1.1.2 Quy trình ngâm tẩm đồng

Đồng (Cu) có điểm nóng chảy 1083°C, mật độ 8,96 g/cm³. Than chì ngâm tẩm đồng có độ dẫn nhiệt cao hơn nhưng chi phí cũng cao hơn. Các thông số quy trình:

• Nhiệt độ ngâm tẩm: 1100-1150°C
• Áp suất ngâm tẩm: 1,0-3,0 MPa
• Thời gian giữ: 3-5 giờ

Độ dẫn nhiệt sau ngâm tẩm đạt 140-160 W/(m·K), nhưng đồng dễ bị oxy hóa trong không khí, giới hạn nhiệt độ làm việc dưới 400°C.

#### 1.1.3 Ngâm tẩm hợp kim Babbitt

Hợp kim Babbitt là hợp kim dựa trên thiếc hoặc chì với điểm nóng chảy 240-400°C. Than chì ngâm tẩm hợp kim Babbitt có khả năng thích ứng và khả năng nhúng tốt, phù hợp với điều kiện tải trọng nặng tốc độ thấp.

1.2 Ngâm tẩm nhựa

Ngâm tẩm nhựa là quá trình đưa nhựa lỏng vào các lỗ rỗng của than chì carbon dưới chân không, sau đó gia nhiệt để đóng rắn.

#### 1.2.1 Ngâm tẩm nhựa phenolic

Nhựa phenolic là vật liệu ngâm tẩm nhựa kinh tế nhất, nhiệt độ đóng rắn 150-180°C.

• Nhiệt độ ngâm tẩm: nhiệt độ phòng
• Chân không: ≤-0,09 MPa
• Thời gian ngâm tẩm: 30-60 phút
• Nhiệt độ đóng rắn: 150-180°C × 4-6 giờ
• Khả năng chịu nhiệt sau ngâm tẩm: 200°C

#### 1.2.2 Ngâm tẩm nhựa furan

Nhựa furan có khả năng chống ăn mòn tốt hơn phenolic, nhiệt độ đóng rắn 160-200°C. Khả năng chịu nhiệt sau ngâm tẩm đạt 220°C, chịu được hầu hết các axit hữu cơ và vô cơ.

#### 1.2.3 Ngâm tẩm PTFE

Ngâm tẩm PTFE được thực hiện qua phương pháp ngâm tẩm treo + thiêu kết, với nhiệt độ thiêu kết 360-380°C. Sau ngâm tẩm có tính trơ hóa học xuất sắc, nhưng độ dẫn nhiệt giảm xuống còn 50-55 W/(m·K).

2. Quy trình Phủ Bề Mặt

2.1 Phủ PVD Carbon Giống Kim Cương (DLC)

Phủ DLC tạo thành lớp màng carbon-hydro vô định hình dày 1-5 μm trên bề mặt vòng đệm than chì carbon thông qua phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD). Thông số quy trình:

• Nhiệt độ lắng đọng: 200-300°C
• Thời gian lắng đọng: 4-8 giờ
• Độ dày lớp phủ: 1-5 μm
• Độ cứng lớp phủ: HV 3000-5000
• Hệ số ma sát: 0.05-0.08 (bôi trơn bằng dầu)
• Khả năng chống mài mòn: gấp 10 lần so với không phủ

Phủ DLC phù hợp với điều kiện giá trị PV cao yêu cầu ma sát thấp, nhưng lớp phủ mỏng không chịu được tải va đập.

2.2 Phủ Gốm Phun Plasma

Lớp phủ alumina (Al₂O₃) hoặc oxit crôm (Cr₂O₃) dày 50-200 μm được tạo trên bề mặt vòng đệm than chì carbon thông qua phun plasma. Độ cứng lớp phủ có thể đạt HV 1000-1500, cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn, nhưng độ bám dính của lớp phủ với than chì carbon yếu, có nguy cơ bong tróc.

2.3 Mạ Niken Không Điện

Mạ niken không điện tạo lớp hợp kim niken-phospho dày 10-30 μm trên bề mặt vòng đệm than chì carbon, độ cứng HV 500-700, cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn. Nhiệt độ quy trình 85-95°C, không ảnh hưởng nhiệt đến nền than chì carbon.

3. Xử Lý Sulfua Hóa

3.1 Nguyên Lý Quy Trình

Xử lý sulfua hóa tạo lớp màng chuyển molybden disulfide (MoS₂) trên bề mặt vòng đệm than chì carbon thông qua phản ứng hóa học. MoS₂ có cấu trúc lớp với liên kết giữa các lớp yếu, cung cấp khả năng tự bôi trơn xuất sắc.

3.2 Phương Pháp Quy Trình

1.Ngâm vòng đệm than chì carbon trong dung dịch molybdate có chứa lưu huỳnh

2.Đun nóng đến 150-200°C, giữ trong 2-4 giờ

3.Lớp màng MoS₂ dày 1-5 μm hình thành trên bề mặt

3.3 Ảnh Hưởng Hiệu Suất

• Hệ số ma sát khô giảm từ 0.20 xuống 0.05-0.10
• Phù hợp với điều kiện chân không, nhiệt độ thấp và các điều kiện không bôi trơn khác
• Nhiệt độ sử dụng lâu dài không vượt quá 300°C (MoS₂ bắt đầu bị oxy hóa trên 300°C)

4. Xử Lý Bề Mặt Bằng Laser

4.1 Phủ Laser

Chùm tia laser năng lượng cao làm nóng chảy bột kim loại (như hợp kim gốc niken, gốc coban) lên bề mặt than chì carbon, tạo lớp phủ dày 100-500 μm. Độ cứng lớp phủ có thể đạt HV 600-1000, với độ bám dính mạnh hơn so với phun plasma.

4.2 Tạo Kết Cấu Bề Mặt Bằng Laser

Laser xung tạo thành các mảng hố vi mô đều đặn trên mặt làm kín (đường kính 50-200 μm, độ sâu 20-50 μm) làm túi giữ dầu, cải thiện khả năng giữ màng dầu và giảm hệ số ma sát 20-30%.

5. Hướng Dẫn Lựa Chọn Quy Trình

| Quy trình | Cải thiện hiệu suất | Tình huống áp dụng | Chi phí |

|---------|----------------------|---------------------|------|

| Ngâm tẩm antimon | Độ bền + độ dẫn nhiệt | Chung, nhiệt độ cao | Trung bình |

| Ngâm tẩm đồng | Độ dẫn nhiệt | Tốc độ cao tải nặng | Cao |

| Ngâm tẩm nhựa | Khả năng chống ăn mòn | Hóa chất, axit/bazơ | Thấp |

| Ngâm tẩm PTFE | Tính trơ hóa học | Ăn mòn mạnh | Trung bình |

| Phủ DLC | Khả năng chống mài mòn + ma sát thấp | Tốc độ cao chính xác | Cao |

| Sulfua hóa | Tự bôi trơn | Chân không, nhiệt độ thấp | Thấp |

Kết Luận

Các quy trình xử lý bề mặt cho vòng đệm than chì carbon là phương tiện quan trọng để nâng cao hiệu suất tổng thể của chúng. Huahao Sealing Co., Ltd. có hệ thống quy trình xử lý bề mặt hoàn chỉnh và có thể cung cấp giải pháp quy trình tùy chỉnh dựa trên điều kiện vận hành của khách hàng. Vui lòng liên hệ đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi — chúng tôi sẽ cung cấp dịch vụ xử lý bề mặt vòng đệm tối ưu dựa trên công nghệ quy trình chuyên nghiệp.