4.2.2.1 Nhiệt luyện chi tiết phằng
Để nhiệt luyện bề mặt 2D, chi tiết cú thể đặt cố định trờn bệ bàn chụng của mỏy cơ sở. Bàn mỏy hoặc đầu tia laser thực hiện chuyển động đơn hướng X hoặc Y hoặc phối hợp X,Y để tạo nờn bề mặt nhiệt luyện
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
78
4.2.2.2 Phần mềm nhiệt luyện
Để tăng cường và mở rộng miền nhiệt luyện, một phần mềm quột bề mặt đó được xõy dựng. Phần mềm được viết trờn cơ sở nhận dạng đường biờn chu vi tiết diện quột. xỏc định cỏc đường dẫn (đường đi của laser theo chiều X) theo tuần tự khoảng cỏch Y bằng nhau (tương đương với đường kớnh chựm tia hoặc nhỏ hơn chựm tia khi thực hiện giao thoa giữa cỏc “vết”) , lưu đồ thuật toỏn quột bề mặt
được thể hiện ở hỡnh 4.4. Thuật toỏn quột bề mặt xuất phỏt từ mụ hỡnh cấu trỳc của bề mặt hoặc của mụ hỡnh khối bằng cỏch nhận dạng chỳng trong tệp STL khi tệp
File STL
Tái hiện mô hình cấu trúc
Xác định đ-ờng biên khép kín của bề mặt hoặc mặt cắt mô hình
Quét 2D các đ-ờng biên bằng các đ-ờng thẳng song song
Xác định các điểm giao trên các đ-ờng biên với các đ-ờng quét
Xác định đ-ờng dẫn cho các miền của bề mặt
Xác định tính chất điểm giao cắt (nằm trong hay ngoài bề mặt) .
Tập hợp đ-ờng dẫn
Kết thúc
Hỡnh 4.4: lưu đồ thuật toỏn
Quột bề mặt
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
79
này được thể hiện từ một mụ bề mặt phẳng hoặc mụ hỡnh 3 chiều đặc cú cấu trỳc khụng đồng nhất. Đối với bề mặt phẳng ta thu được luụn biờn dạng phẳng khộp kớn của bề mặt, cũn đối với mụ hỡnh khối đặc, ta sử dụng mặt phẳng tưởng tượng để cắt mụ hỡnh cấu trỳc 3D tại vị trớ bất kỳ ta thu được tập hợp cỏc đường giao tuyến phẳng là cỏc đường khộp kớn. Sử dụng cỏc đường thẳng song song quột trờn cỏc đường biờn khộp kớn đú, ta xỏc định được cỏc đường dẫn. Cỏc đường dẫn là cơ sở để tạo hỡnh ảnh hai chiều của mụ hỡnh tại một mặt cắt. Quỏ trỡnh quột bề mặt hoàn thành khi tất cả cỏc đường dẫn trờn tiết diện cắt 2D được xỏc định.
Phần mềm này giỳp quột bề mặt nhiệt luyện cú hỡnh dạng 2D bất kỡ theo thiết kế.
4.2.2.3 Thiết bị đo nhiệt độ
Chuyển đổi pha trong nhiệt luyện đuợc thực hiện khi đạt được cỏc nhiệt độ tới hạn như nờu trong sơ đồ pha. Để giỏm sỏt nhiệt độ xảy ra trong khi nhiệt luyện bằng laser nhúm nghiờn cứu sử dụng 02 pyrometer, thiết bị đo nhiệt độ từ xa. trong đú Pyrometer MILOTA TR630 của Nhật cú thể đo được nhiệt độ từ 6000C đến 30000C và Pyrometer Horiba của Nhật đo được vựng nhiệt từ 005000C.
Nguyờn lớ cơ bản của pyrometer quang là đo bức xạ hồng ngoại, cú quan hệ với nhiệt độ, theo luật bức xạ Planck. Tuy nhiờn, vỡ cỏc bề mặt kim loại khụng giống vật thể “hoàn toàn đen”, cú thể hấp thụ 100% cụng suất laser nờn mật độ năng lượng vỡ thế phụ thuộc vào độ phỏt xạ. Mặc
khỏc, độ phỏt xạ phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ do vậy cú thể tạo nờn sai số đo do hệ số phỏt xạ sử dụng tớnh toỏn được tuyển chọn chỉ tại một thời điểm nhất định.
Việc đo nhiệt đựơc thực hiện ở 2 thời điểm: Nhiệt độ nhiệt luyện doc theo quỏ trỡnh nhiệt luyện và nhiệt độ chi tiết ở tương đương với 300C, theo dừi quóng thời gian
giảm nhiệt độ này để tớnh toỏn tốc độ làm nguội.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
80
4.2.2.4 Hệ thống đo kiểm mẫu
Mẫu sau khi thực hiện thớ nghiệm đuợc đỏnh giỏ thụng qua cỏc chỉ tiờu:
Độ cứng và tế vi của mẫu. Cỏc mẫu được thực hiện đo tế vi và độ cứng trờn kớnh hiển vi Axiovert (CHLB trong phũng thớ nghiệm Bộ mụn Vật liệu và Cụng nghệ Kim loại Khoa cơ khớ học viện Kỹ thuật Quõn sự. Kớnh hiển vi Axiovert 25 (hỡnh 4.5)bao gồm cỏc mụdun sau:
Kớnh hiển vi với cỏc độ phúng đại 50,100, 200, 5000 lần trong trường sỏng và tối,
Thiết bị đo độ cứng tế vi MHT-10
Thiết bị chụp ảnh cú camera kỹ thuật số JVC với độ phúng đại x10
Phần mềm xử lớ ảnh KS300 dựng để phõn tớch thành phần, tỉ lệ cỏc pha tổ chức của hợp kim, đỏnh giỏ cấp độ hạt.
4.2.2.5 Hỡnh dạng hỡnh học mẫu
Vỡ đặc điểm của phụi mua trờn thị trường nờn mẫu thớ nghiệm tuỳ theo vật liệu mà cú những hỡnh dạng khỏc nhau. Mẫu thớ nghiệm sẽ được thực hiện theo cỏc cụng đoạn:
1. Pha phụi thành thỏi trũn kớch thước 60x5 đối với thộp C45 và SKD11. Mài phẳng mặt, I –mặt nhiệt luyện
2. Phủ sơn mầu đen, lớp cực mỏng (0,01mm, đủ làm cho bề mặt khụng cũn vết búng ỏnh kim).
4.2.2.6 Vật liệu gia cụng
Thiết kế thớ nghiệm cho 2 vật liệu thường được sử dụng chế tạo chi tiết, dụng cụ trong chế tạo mỏy, đú là: thộp 45, thộp dụng cụ SKD11 ; cú đặc tớnh t hể hiện trờn bảng 4.2.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
81
Bảng 4.2 :Đặc tớnh vật liệu thớ nghiệm nhiệt luyện Vật liệu Đặc tớnh Thộp C45/18/ SKD11/18/ C (%) 0,420,5% 0.850,9% Hợp kim (%) Si: 0,10,4; Mn:0,50,8; P:0,045; S:0,045 Si:1,21,6 Mn:0,30,6 Ni<0,35; S,P<0,03 Cr:0,951,2; Mo,W<0,2 V<0,15;Ti,Cu<0,3
A1 tương ứng với nung núng
730 770
A3 tương ứng với nung núng
755 870
Mn 350 160
Bền kộo, B [MPA] 470 790
Giới hạn chảy, T [MPA] 245 445
Độ gión dài, [%] 19 26
Độ giảm tiết điện, [%] 42 54
Bền va đập, KCU [kJ/m2
] 390 390
Độ cứng Brinell, HB [MPA]
207 241
Ứng dụng Chi tiết mỏy. trục, dụng
cụ đo Khuụn mẫu, cối trộn
4.3 Thiết kế thớ nghiệm 4.3.1 Nội dung thớ nghiệm 4.3.1 Nội dung thớ nghiệm
4.3.1.1 Tuyển chọn tham số thớ nghiệm
Cụng suất laser: là tham số quan trọng quyết định trực tiếp đến cường độ năng lượng nhiệt luyện, dỏng tiếp đến kớch thước vết nhiệt luyện.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
82
Tốc độ dịch chuyển nguồn nhiệt nhiệt luyện: quyết định trực tiếp đến thời gian tương tỏc laser- bề mặt chi tiết, giỏn tiếp đến tốc độ nung và làm nguội bề mặt chi tiết.
Chiều cao phõn kỡ H tớnh từ điểm hội tụ laser đến bề mặt vật liệu: Đại lượng ảnh hưởng trưc tiếp mật độ năng lượng phõn bố trờn về mặt nhiệt luyện, giỏn tiếp đến kớch thước vết nhiệt luyện, được lấy trờn cơ sở tớnh toỏn mật độ laser (w/cm2
) tương ứng với nhiệt độ nung.
Mụi trƣờng làm mỏt: sẽ được xem xột ảnh hưởng thụng qua cỏc thớ nghiệm thực hiện làm mỏt trong khụng khớ tự nhiờn, dầu, nước.
4.3.1.2 Kế hoạch thực nghiệm:
Thớ nghiệm được thực hiện 2 giai đoạn :
Giai đoạn 1: thớ nghiệm sơ tuyển để xỏc định vựng tham số cụng nghệ hợp lớ đối với điều kiện cụng nghệ, Trong giai đoạn này sử dụng:
Cỏc thụng số cụng nghệ :
Tốc độ gia cụng: 10 600mm/min (bậc 10, 50, 70,100, 150,600) Chiều cao phõn kỡ H :20 80mm (theo bậc tăng 10)
Cụng suất laser được thực hiện trong khoảng: 760900w
Cỏc tham số quỏ trỡnh:
Vật liệu phụi : C45, SKD11
Chiều dày phụi: 5mm,10mm, 15mm, 25mm làm nguội với mụi trường tự nhiờn, nước, dầu.
Thớ nghiệm được thực hiện nhằm xỏc định vựng cỏc tham số cụng nghệ và tham số quỏ trỡnh cho giai đoạn 2. Điều kiện tuyển chọn cỏc tham số cụng nghệ thực hiện cho giai đoạn 2 là bề mặt nhiệt luyện khụng bị chảy và đạt được độ cứng cao nhất trong loạt thớ nghiệm sơ tuyển. Đú là những kết quả được giữ cố định trong cỏc thớ nghiệm ở giai đoạn 2.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
83
Giai đoạn 2: Thớ nghiệm được thực hiện theo cỏch, khi nhiệt luyện chỉ thay đổi 1 tham số, cỏc tham số cũn lại giữ khụng đổi. Cỏc tham số được giữ khụng đổi trong thớ nghiệm được lựa chọn trờn cơ sở kết quả thớ nghiệm giai đoạn 1:
o Trong trường hợp thớ nghiệm với cụng suất khụng đổi, sử dụng 800W (80% cụng suất max của nguồn),.
o v=100mm/giõy được lựa chọn cho tất cả cỏc thớ nghiệm nghiờn cứu ảnh thưởng cỏc tham số cụng nghệ khác.
o Trường hợp chọn Z như tham số cố định , Z đuợc lấy bằng 50mm. Đõy là sự lựa chọn từ kết quả tớnh toỏn mụ hỡnh nhiệt 1 chiều.
o Trong trường hợp chọn vật liệu là tham số cố định, cỏc thớ nghiệm được thực hiện với C45, loại thộp carbon trung bỡnh, ứng dụng phổ thụng cho chi tiết mỏy và dụng cụ.
o Tất cả cỏc thớ nghiệm xem xột ảnh hưởng của cỏc tham số khỏc được thực hiện trong mụi trường khụng khớ tự nhiờn
Như vậy thớ nghiệm giai đoạn 2 được chia thành 4 nhúm:
- Nhúm 1: Thớ nghiệm theo cỏc hàm tham số để xem xột ảnh hưởng cỏc tham số đơn lờn chất lượng nhiệt luyện (độ cứng, cấu trỳc tế vi).
- Nhúm 2 Xem xột khả năng ngăn chặn thất thoỏt carbon.
- Nhúm 3:. Tiến hành thớ nghiệm tụi bề mặt 2D: xem xột ảnh hưởng của ram ngược (backtemper) đối với cỏc vựng giao thoa vết nhiệt luyện.
4.3.1.3 Điều kiện tiến hành thớ nghiệm
Nhiệt độ phũng : 250C Nhiệt độ buồng làm mỏt : 19,60C
Độ ẩm tương đối : 85%
ỏp suất mụi trường làm việc : 1 bar
4.4.1 Thớ nghiệm giai đoạn 1:
Thớ nghiệm ở giai đoạn 1 nhằm xem xột cỏc giới hạn về tham số (cụng suất, tốc độ, chiều cao phõn kỡ) để quy hoạch thớ nghiệm giai đoạn 2. Một trong những kết
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
84
quả rỳt ra được là do cú tớch luỹ nhiệt nờn tại đầu ra thường cú hiện tượng núng chảy phụi (hỡnh 5.2a). Hiện tượng này được khắc phục nếu cú sự điều chỉnh tốc độ hoặc cụng suất laser. Hỡnh 5.2b thể hiện nhiệt luyện với chế độ cụng nghệ tương tự nhưng cú sự điều chỉnh tốc độ tại đầu ra, nhằm tạo ổn định nhiệt bề mặt trong quỏ trỡnh nhiệt luyện, chuẩn bị chế độ cụng nghệ cho cỏc thớ nghiệm ở giai đoạn 2.
4.4.2 Thớ nghiệm giai đoạn 2
Nhúm 1: Thớ nghiệm theo cỏc tham số ảnh hưởng: Cụng suất, Vận tốc, Phương phỏp làm mỏt.
a. Tham số cụng suất
TT Vật liệu
Thụng số đầu vào Kết quả sơ bộ (0С)
Cụng suất ( W ) Chiều cao ( mm ) Vận tốc (mm/min) Mụi trường làm mỏt Nhiệt độ Vết bề mặt Núng nguội 1 C45 800 50 100 khụng khớ tự nhiờn 956 230 khụng chảy 2 820 khụng chảy 3 840 khụng chảy b. Tham sốvận tốc TT Vật liệu
Thụng số đầu vào Kết quả sơ bộ (0С)
Cụng suất ( W ) Chiều cao ( mm ) Vận tốc (mm/min) Mụi trường làm mỏt Nhiệt độ Vết bề mặt Núng nguội 1 C45 800 50 100 khụng khớ tự nhiờn 956 230 khụng chảy 2 70 khụng chảy 3 50 khụng chảy
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
85
c. Tham số chiều cao phõn kỳ
TT Vật liệu
Thụng số đầu vào Kết quả sơ bộ (0С)
Cụng suất ( W ) Chiều cao ( mm ) Vận tốc (mm/min) Mụi trường làm mỏt Nhiệt độ Vết bề mặt Núng nguội 1 C45 800 40 100 khụng khớ tự nhiờn 956 230 khụng chảy 2 50 khụng chảy 3 60 khụng chảy
d. Tham sốmụi trường làm mỏt.
TT
Vật liệu Thụng số đầu vào Kết quả sơ bộ (0С)
Cụng suất ( W ) Chiều cao ( mm ) Vận tốc (mm/min) Mụi trường làm mỏt Nhiệt độ Vết bề mặt Núng nguội 1 SKD11 800 50 100 Khụng khớ tự nhiờn 956 230 khụng chảy 2 Nước khụng chảy 3 Dầu khụng chảy
Nhúm 2:Khả năng ngăn chặn thất thoỏt carbon.
Vật liệu thực hiện, trừ thộp C45 cú hàm lượng carbon trung bỡnh, cũn lại là thộp cú hàm lượng carbon khỏ cao, đặc biệt là thộp SKD11 (C0,9%). Trong quỏ trỡnh gia nhiệt, carbon trờn bề mặt thộp cú thể kết hợp với oxy tạo nờn carbon oxy. Để ngăn ngừa sự thất thoỏt oxy, nghiờn cứu sử dụng Ni tinh khiết làm mụi trường trung tớnh để nhiệt luyện với laser theo chế độ cụng nghệ được thực hiện như sau :
Mụi trường nhiệt luyện: Ni 2 bar
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
86
Nhúm 3: Quột bề mặt
Nghiờn cứu quyột bề mặt nhằm mở rộng diện tớch nhiệt luyện. Thớ nghiệm được thực hiện với 2 giải phỏp: a) khụng cú sự giao thoa vết nhiệt luyện và b) giao thoa vựng nhiệt luyện 1mm,
e. Nhiệt luyện quột bề mặt
TT Vựng giao nhau
Thụng số đầu vào Kết quả sơ bộ (0С)
Cụng suất ( W ) Chiều cao ( mm ) Vận tốc (mm/min) Mụi trường làm mỏt Nhiệt độ Vết bề mặt bắt đầu kết thỳc
1 0 800 50 100 tự nhiờn Khụng đo nhiệt độ
khụng chảy
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
87
CHƢƠNG 5
PHÂN TÍCH , ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM 5.1 Phõn tớch và đỏnh giỏ chung
1. Từ kết quả đo độ cứng theo chiều sõu thấm tụi, cú thể nhận thấy, độ cứng giảm dần theo chiều sõu thấm tụi. Do năng lượng laser giảm rất nhanh theo chiều sõu tương tỏc nờn nhiệt độ cũng giảm tương đương, Như vậy đến một độ sõu nhất định, nhiệt độ khụng cũn đủ cho việc chuyển đổi pha thành austenit (nhiệt độ thấp hơn A1). Đú là nơi hỡnh thành biờn của lớp thấm tụi. Như vậy giữa lớp tụi và phần khụng tụi hỡnh thành một vựng biờn mỏng – vựng ảnh hưởng nhiệt, cú thể phõn biệt được bằng mắt thường trờn ảnh vi cấu trỳc. Lớp thấm tụi phụ thuộc vào lượng carbon và thành phần hợp kim trong kim loại.
2. Nhỡn chung, tiết diện ngang của vựng nhiệt luyện cú dạng như hỡnh
5.1.Việc chiều sõu thấm tụi khụng đều, cú dạng cung là nhược điểm của nhiệt luyện với laser CO2. Nguồn năng lượng phõn bố theo biểu đồ Gaus đó gõy nờn sự phõn bố nhiệt tương ứng theo chiều sõu thấm tụi. Kết quả của nghiờn cứu này là
phự hợp với những kết quả đó được cụng bố.
a)Tiết diện ngang vết nhiệt luyện với v=3,5mm/giõy, chiều rộng vết 6mm /5/
b: SKD11 chiều rộng 5mm v=100mm/s P800W (kết quả thực nghiệm IMI)
Hỡnh 5.1 : Tiết diện ngang vết nhiệt luyện với CO2
Hỡnh 5.2 Vết nhiệt luyện
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
88
3. Do thời gian nung núng nhanh, thời gian giữ nhiệt gần bằng khụng nờn cỏc hạt austenit khụng cú thời gian phỏt triển lớn. Đú là lớ do mà hầu như vi cấu trỳc của cỏc mẫu nhiệt luyện thể hiện độ hạt mịn, nhỏ.
4. Thớ nghiệm ở giai đoạn 1 cho thấy: nếu khụng điều chỉnh nhiệt độ vựng ra, nhiệt lượng vựng ra tia thậm chớ đạt đến giỏ trị núng chảy (hỡnh 5.2a.). Điều này khiến cho ý tưởng cần điều chỉnh tăng tốc tại vựng ra để giảm thời gian trương tỏc của laser- vật liệu. Kết quả, tất cả thớ nghiệm ở giai đoạn 2 được thực hiện với sự điều chỉnh, tăng tốc dần đều đến 3 lần giỏ trị cho trước, đó thể hiện tớnh khả quan: khụng cũn cú diễn biến núng chảy, đụng đặc lại tại vựng ra mà độ cứng đạt được vẫn rất cao. 5.2 Cụng nghệ của nhiệt luyện bằng laser 5.2.1 Ảnh hƣởng cỏc tham số cụng nghệ lờn chất lƣợng nhiệt luyện Ảnh hƣởng của cụng suất
Ảnh hưởng của cụng suất đến độ cứng nhiệt luyện trờn bề mặt theo dọc vết tụi đo theo độ cứng HRC thể hiện ở cỏc đồ thị hỡnh 5.3 đối với vật liệu thộp 45.Trong giới hạn của thớ nghiệm (P=820W 840W), với một tốc độ cho trước (100mm/phỳt) độ cứng mẫu nhiệt luyện tỉ lệ thuận với chiều tăng cụng suất. Tuy nhiờn do chỉ chờnh 20 W nờn kết quả
thể hiện sự khỏc nhau khụng rừ rệt. Từ những kết quả này, cú thể nhận xột độ cứng
Hỡnh 5.3: diễn biến độ cứng dọc vết tụi theo ảnh hưởng của cụng suất
mm 0 10 20 30 40 50 HRC P820 33 35 37.5 37 43 P840 34 38.5 41.5 38 45 10 20 30 40 50 0 200 400 600 800 HV P800 487 487 373 320 295 P820 566 566 566 487 373 P840 617 617 617 621 373 50 150 250 350 450