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 Hỡnh 5.4: Quan hệ độ cứng và độ thấm tụi-cụng suất laser
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
89
nhiệt luyện khụng đều, cú xu hướng tăng từ vựng vào đến vựng ra của hướng đi tia, độ chờnh đến 10% so với giỏ trị trung bỡnh của chỳng. Việc tăng giỏ trị độ cứng này cú thể do, theo lập trỡnh CNC, cuối một đường thẳng tốc độ dịch chuyển dụng cụ (ở đõy là tia laser) được tự động điều chỉnh giảm tốc, khiến cho thời gian tương tỏc giữa laser và chi tiết dài hơn. Hơn nữa tại vựng vào, nhiệt độ nhiệt luyện đơn thuần là nhiệt năng chuyển hoỏ từ năng lượng laser. Nhiệt năng này, tớch luỷ một phần trong vật liệu trờn đường lan truyền và khuyếch tỏn ra mụi trường xung quanh. Lượng nhiệt năng tớch tụ này khiến cho nhiệt độ cục bộ của cỏc điểm tương tỏc với laser tiếp sau đú sau cao hơn trước và đạt đỉnh là ở vựng ra tia.
Ảnh hưởng cụng suất đến độ cứng theo chiều sõu thấm tụi và độ sõu thấm tụi được thể hiện trờn đồ thị 5.4. Trong phạm vi cụng suất thớ nghiệm (P800-P860) cú thể nhận thấy, độ cứng và độ đồng nhất độ cứng theo chiều sõu thấm tụi là tỉ lệ thuận với cụng suất laser cũn ảnh hưởng của cụng suất đến chiều sõu thấm tụi khụng thật rừ rệt,
Từ những kết quả thớ nghiệm sơ bộ ở giai đoạn 1, cú thể nhận thấy với những thụng số cụng nghệ lựa chọn cố định, đến một giỏ trị ngưỡng cụng suất bề mặt vật liệu sẽ núng chảy và những thớ nghiệm với cụng suất dưới 800W đo với thiết bị đo độ cứng HRC của Viện IMI cho thấy khụng cú kết quả, tức độ cứng khụng tăng. Với kết quả, năng lượng sử
dụng khoảng 8085 % cụng suất (1000W) mà độ cứng thộp 45 nhiệt luyện đạt tới 48HRC54,6HRC thỡ cú thể cho rằng đõy là vựng cụng suất thớch hợp để thực hiện nhiệt luyện trong phạm vi tốc độ đó lựa chọn.
Hỡnh 5.5: quan hệ tốc độ- độ cứng theochiều sõu thấm tụi- ảnh hưởng của tốc độ
àm 0 100 200 300 400 500 600 700 HV v100 487 487 373 320 295 v70 583 583 583 583 535 488 375 295 v50 621 621 621 621 621 593 565 469 334 295 50 150 250 350 400 450 550 650 750 850
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
90
Ảnh hƣởng của tốc độ
Từ kết quả đo cú thể nhận thấy độ cứng bề mặt chi tiết tăng khi tốc độ giảm. Nhưng do đó cú sự can thiệp của việc tăng tốc độ tại cuối vết nhiệt luyện nờn trong điều kiện thớ nghiệm này khụng thể đỏnh giỏ được diễn biến thực, dự rằng sự can thiệp này là hợp lớ vỡ sự chờnh lệch nhiệt độ theo vết nhiệt luyện khụng quỏ 5% giỏ trị độ cứng trung bỡnh. Ảnh hưởng của tốc độ đến độ cứng theo chiều sõu được thể hiện ở hỡnh 5.5. Cú thể nhận thấy , độ cứng tăng tỉ lệ nghịch với tốc độ, dự sự chờnh lệch trong phạm vi nghiờn cứu này thể hiện khụng lớn. Sự khỏc nhau cơ bản được thể hiện là ở độ sõu thấm tụi. Cú thể nhận thấy chiều dày thấm tụi tỉ lệ nghịch với tốc độ dịch chuyển nguồn tia, tức chiều dày thấm tụi đạt cao hơn đối với một tốc độ dịch chuyển tia chậm hơn. Độ cứng đồng nhất theo chiều sõu ở tốc độ chậm đạt khỏ cao và tỉ phần về sự đồng nhất này rất khỏc biệt giữa vận tốc thấp và vận tốc cao hơn. Như vậy, trong khi ở mẫu v50 (tốc độ 50mm/phỳt, độ cứng đồng đều trờn 2/3 chiều sõu thấm tụi thỡ ở mẫu v100 (tốc độ 100mm/phỳt chỉ là 1/3). Sự khỏc biệt này cú thể từ nguyờn nhõn, khi tốc độ di chuyển nguồn chậm hơn, thời gian tương tỏc laser- vật liệu là cao hơn, đủ thời gian cho nhiệt thấm sõu hơn, tạo miền nhiệt độ lớn hơn A1 trờn vựng đồng đều theo chiều sõu tương ứng.
Trong thớ nghiệm sơ bộ giai đoạn 1, cú thể nhận thấy tốc độ cũng cú những giỏ trị ngưỡng, tại đú hoặc xuất hiện sự núng chảy vật liệu hoặc khụng cú sự chuyển biến pha thành austenit. Trong phạm vi nghiờn cứu này cú thể nhận thấy là vựng tốc độ thớch hợp để nhiệt luyện với laser CO2 cho P 800W -860 W là khoảng 50- 70mm/phỳt.
Ảnh hƣởng của khoảng cỏch phõn kỡ tia
Từ kết quả thớ nghiệm cú thể nhận thấy độ cứng trung bỡnh trờn bề mặt nhiệt luyện tỉ lệ nghịch với khoảng cỏch phõn kỡ của tia. Khoảng cỏch phõn kỡ tia ảnh hưởng quyết định chớnh đến kớch thước (diện tớch) vựng nhiệt luyện, theo nguyờn tắc lệ thuận, cũn độ cứng nhiệt luyện thỡ ngược lại giảm khi khoảng cỏch phõn kỡ tăng. Tuy nhiờn, cú thể nhận thấy: đối với một cụng suất laser và một tốc độ dịch chuyển nguồn cho trước, luụn tồn tại 2 khoảng cỏch ngưỡng một nếu xuống dưới
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
91
nú bề mặt chi tiết sẽ bị núng chảy do mật độ năng lượng vượt quỏ giỏ trị tới hạn, cũn ngưỡng kia, nếu vượt quỏ thỡ năng lượng khụng đủ để chuyển pha nhiệt luyện. Vấn đề của sự lựa chọn khoảng cỏch phõn kỡ bị ảnh hưởng bởi yờu cầu về độ cứng cũng như chiếu rộng vết nhiệt luyện đối với một nguồn cụng suất laser nhất định. Thường kớch thước vết nhiệt luyện là đầu vào của một quy trỡnh nhiệt luyện, từ đú quyết định đến lựa chọn thiết bị (trong điều kiện đặt hàng)
Ảnh hƣởng của chế độ làm mỏt
Kết quả về độ cứng nhiệt luyện của thộp C45 trong mụi trường làm mỏt khụng khớ, nước và dầu là như nhau ( mẫu thộp C45 trong mụi trường khớ tự nhiờn được thực hiện đo HRC doc theo vết nhiệt luyện ở tại Viện Mỏy và Dụng cụ cụng nghiệp). Điều này cú thể giải thớch là do việc làm nguội được thực hiện tức thời ngay khi sự tương tỏc laser- vật liệu kết thỳc và mặc dự cú ảnh hưởng nhiệt lan