Xem xột khả năng ngăn thất thoỏt Carbon được thực hiện khi nhiệt luyện trong khớ Ni. Cỏc vật liệu thộp C45, SKD11 là những loại thộp cú hàm lượng carbon tương đối cao. Kết quả chụp kim tương của cỏc mẫu này cho thấy cú một lớp phủ oxýt sắt trờn bề mặt (hỡnh 5.6). Việc hỡnh thành lớp phủ này cú thể là kết quả của sự thất thoỏt carbon (theo lớ thuyết oxy hoỏ thường đi với thất thoỏt carbon), dự rằng
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
92
tốc độ nung núng vật liệu rất cao, nờn thời gian để tạo thành phản ứng hoỏ học tạo thành
oxýt sắt cực ngắn, chỉ cú thể tạo nờn một lớp cực mỏng vớ dụ đối với SKD11, loại cú tới 0,9%C thỡ lớp phủ này khoảng 33,38m. Đõy là lớ do để hỡnh thành quyết định nghiờn cứu nhiệt luyện trong mụi trường Ni.
Ảnh vi cấu trỳc vật liệu nhiệt luyện của mẫu SKD11 trong luồng nitơ 2bar thể hiện ở hỡnh 5.7. Nhận xột, ở hỡnh phúng đại 200x này cú thể thấy lớp oxuýt sắt giảm đỏng kể, tuy nhiờn khụng phõn biệt được ranh giới miền nhiệt luyện . Nhận dạng biờn được thực hiện đo kiểm độ cứng theo chiều sõu (ở mũi đo thứ 6 quỏ khoảng 450 m) . Hiện tượng này chưa từng được cụng bố và cần làm thực nghiệm
Hỡnh 5.7 tế vi SKD11 luồng Ni 2 bar (200X) Hỡnh 5.6 Tế vi SKD11 (200X)nhiệt luyện 0 100 200 300 400 500 600 Hv 0x0 565 565 425 373 355 1x0 373 373 355 355 330 1x1 373 295 239 50 150 250 350 450
H ỡnh 5.8 Độ cứng -chiều sõu thấm tụi của miền nhiệt luyện quột tia l aser
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
93
nhiều hơn để khẳng định được tớnh chớnh xỏc cho một kết luận. Hỡnh 4.11 thể hiện đồ thị cho thấy độ cứng nhiệt luyện trong dũng Ni giảm xuống đỏng kể. Lớ do cú thể là dũng khi Ni 2bar cú tớnh đối lưu phần nào đó làm hạ nhiệt miền nhiệt luyện (dũng khớ đến cựng lỳc với dũng tia,) mang đến kết quả khụng mong muốn. Trường hợp laser tương tỏc với vật liệu trong mụi trường Nitơ (Ni tĩnh) cú thể kết quả sẽ khỏc. Đõy là một dự đoỏn mà nghiờn cứu này chưa t hực hiện được.
5.2.3 Ảnh hƣởng sự quột bề mặt nhiệt luyện
Quột bề mặt tạo khả năng 100% bề mặt chi tiết cú thể được nhiệt luyện. Tuy nhiờn sự ảnh hưởng tương tỏc nhiệt cú thể ảnh hưởng đến kết quả nhiệt luyện. Điều dự đoỏn này là cú cơ sở. Kết quả độ cứng theo chiều sõu thấm tụi của vựng nhiệt luyện quyột theo cỏc chế độ được thể hiện trong đồ thị hỡnh 5.8. Vi cấu trỳc của cỏc miền này được thể hiện ở hỡnh 5.9, với A là vi cấu trỳc miền đó nhiệt luyện, B- miền nhiệt luyện chốn và C- vật liệu nền. Ở mẫu h5.9a, cỏc miền nhiệt luyện nằm cạnh nhau khụng cú miền chốn, độ cứng
nhiệt luyện (đường 0x0) đạt tương đương như nhiệt luyện “vết đơn”. Tại biờn cỏc miền này là vựng chưa được nhiệt luyện. Đường (1x0) thể hiện độ cứng - chiều sõu thấm tụi tại chớnh tõm vết chớnh và đường (1x1) là độ cứng- theo chiều sõu thấm tụi tại chớnh giữa của miền chốn. So với kết quả nhiệt luyện đường đơn, kết quả độ cứng của cỏc miền này thấp hơn. Hiện tượng này cú thể cú nguyờn nhõn là: khi quột tia kề bờn “vết” vừa được qua nhiệt, thay vỡ hạ nhiệt nhờ đối lưu với mụi trường tự nhiờn vết này lại được gia nhiệt lần nữa. Hiện tượng này gọi là hiện
a) giao vựng 0mm
b) giao vựng 1mm
Hỡnh 5.9 : biờn của vựng chốn nhiệt
A
C
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
94
tượng “tụi ngược”. Sự làm giảm tốc độ làm nguội gõy cho cỏc vựng này cú độ cứng thấp hơn vựng khụng cú sự “dố” vết. Tuy nhiờn cú thể nhận xột, độ cứng của vựng này đó được cải thiện so với kim loại nền.
5.3 Kết luận phần thực nghiệm
Cỏc tham số cụng nghệ cú ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt luyện, trong đú, mối quan hệ của độ cứng nhiệt luyện với cụng suất laser là tỉ lệ thuận với tốc độ di tia, chiều cao phõn kỡ tia là tỉ lệ nghịch
Hàm lượng carbon trong vật liệu quyết định độ cứng và chiều sõu thấm tụi Tụi laser cú thể thực hiện trong mụi trường khụng khớ tự nhiờn do tớnh tụi tự
ram. Điều này làm cho của cụng nghệ trở nờn đơn giản hơn một bước
Quột laser bề mặt cú thể mở rộng vựng nhiệt luyện, tuy nhiờn việc chốn vựng nhiệt luyện làm cho vựng này và cỏc vựng lõn cận lại được gia nhiệt khi chưa nguội hoàn toàn, tạo trạng thỏi như thường hoỏ (nhiệt độ nung núng kộo dài), làm cho độ cứng của vựng bề mặt giảm đi. Kết quả nhiệt luyện bề mặt quột chắc chắn sẽ cải thiện hơn nếu sử dụng thiết bị cú tốc độ quột cao hoặc thiết bị cú cụng suất đủ lớn, cú thể tạo ra vết nhiệt luyện rộng, sao cho ảnh hưỏng nhiệt do tớnh cục bộ khụng đủ để ảnh hưởng vựng nhiệt luyện.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
95
5.4 Quy trỡnh nhiệt luyện bằng laser CO2
Quy trỡnh này mang tớnh định giỳp thực hiện nhiệt luyện bằng tia laser trờn mỏy cắt LC1000C02-CNC hoặc trờn thiết bị cắt và nhiệt luyện bằng laser khỏc.
Bước 1: khảo sỏt chi tiết (hỡnh dỏng hỡnh học, vật liệu, vựng nhiệt luyện) để định hướng cụng nghệ, tớnh toỏn sự cần thiết đi tia đơn hay quột tia.
Bước 2: thực hiện phun phủ màu (sơn) tối lờn bề mặt cần nhiệt luyện nếu thực hiện nhiệt luyện với nguồn laser khớ hoặc laser rắn
Bước 3: Chọn chế độ cụng nghệ bao gồm cụng suất laser, tốc độ di tia, chiều cao phõn kỡ tia- điều khiển nguồn laser và tốc độ trờn cơ sở hỡnh học vết nhiệt luyờn , sao cho mật độ năng lượng trong khoảng 103
W/cm2-104 W/mm2
Bước 4: Sử dụng dữ liệu ở bước 2 và đặc tớnh vật liệu để tớnh sơ bộ nhiệt độ của vựng nhiệt luyện với chương trỡnh tớnh nhiệt (hoặc cỏc mụ hỡnh toỏn tớnh nhiệt độ tương ứng), so sỏnh với nhiệt độ tương đương của phương phỏp truyền thống (tuỳ theo loại thộp). Trường hợp chờnh lệch nhiều cần chọn lại chế độ cụng nghệ ở bước 3, sao cho nhiệt độ nằm trong khoảng trờn dưới AC3 (phụ thuộc vào lượng carbon của thộp).
Bước 5: Sử dụng chương trỡnh quột bề mặt, kết quả nghiờn cứu của đề tài (hoặc chương trỡnh CAD/CAM tương ứng) để mụ phỏng 2D :
Dịch chuyện theo contur vết cần nhiệt luyện
Quột theo contur vết cần nhiệt luyện (nếu cần thiết). và sinh ra chương trỡnh NC như kết quả của một phần mềm CAM .
Bước 6: gỏ phụi và chạy mỏy
Gia cụng với tia laser khụng cú lực cắt nờn trường hợp nhiệt luyện bề mặt 2D, cú thể đặt phụi trực tiếp lờn bàn mỏy thiết bị. Nếu chi tiết cú biờn dạng khụng thể dặt trực tiếp trờn bàn mỏy thỡ cú thể để lờn một đế phẳng nằm trờn bàn mỏy.
Tại bước này phải thực hiện tuần tự: Chuẩn hoỏ điểm 0 phụi
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
96
Gọi chương trỡnh NC tương ứng đó được lập sẵn hoặc nhập từ chương trỡnh quột bề mặt (hoặc phần mềm CAM tương ứng)
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
97
KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIấN CỨU TIẾP Kết luận
Trong khuụn khổ luận văn tốt nghiệp, nghiờn cứu đó thực hiện cỏc hạng mục: Nghiờn cứu tổng quan về nhiệt luyện núi chung, nhiệt luyện bằng tia laser núi riờng và tuyển chọn phương phỏp tụi bề mặt để thực hiện nghiờn cứu sõu thụng qua cỏc thớ nghiệm trong khuụn khổ phũng thớ nghiệm cỏc cụng nghệ đặc biệt -Viện IMI
Nghiờn cứu hệ thống thiết bị nhiệt luyện bằng laser chuyờn dụng nhằm bổ sung phần cứng và phần mềm cho thiết bị LC1000 CO2–CNC phự hợp với cụng nghệ tuyển chọn. Trong khuụn khổ phần này: một đầu phun đó được thiết kế chế tạo; mộ t phần mềm quột bề mặt nhiệt luyện 2D và một phần mềm tớnh nhiệt theo mụ hỡnh dũng nhiệt di chuyển 1 chiều được xõy dựng . Cỏc thiết bị bổ sung và cỏc phần mềm này đó được sử dụng trong suốt quỏ trỡnh thớ nghiệm.
Nghiờn cứu thực hiện xỏc định cỏc tham số thớch hợp cho nhiệt luyện tụi bề mặt thụng qua nghiờn cứu ảnh hưởng chất lượng nhiệt luyện bởi cỏc tham số cụng nghệ như: cụng suất laser, tốc độ dịch chuyển tia, khoảng cỏch tia phõn kỳ và cỏc mụi trường làm mỏt.
Việc nung núng và làm nguội cục bộ , trong thời gian nung nhanh, khụng đủ thời gian để austenit phỏt triển lớn, và thời gian làm mỏt nhanh khụng đủ thời gian để diễn ra phản ứng carbon với oxy, gõy thất thoỏt carbon làm cho chất lượng nhiệt luỵện bằng tia laser dường như cao hơn so với phuơng phỏp nhiệt luyện truyền thống. So với cụng nghệ nhiệt luyện bề mặt truyền thống, nhiệt độ nung bằng tia laser cần cao hơn đối với một vật liệu thộp tương đương.
Mặc dự nguồn laser CO2 cú phõn bố năng lượng theo quy luật Gaus, cho độ sõu thấm tụi khụng thật đều trờn tiết diện nhiệt luyện. Nhưng kết quả đạt được trong luận văn này là tương đồng với cỏc kết quả nghiờn cứu đó được cụng bố và ứng dụng trong thực tế.
Từ cỏc kết quả thực nghiệm cú thể kết luận, mỏy LC1000- CO2 CNC cú thể sử dụng để nhiệt luyện được bề mặt cỏc chi tiết 2D và hỡnh trụ. Với đặc tớnh kỹ thuật của thiết bị cú thể kết luận vựng tham số cụng nghệ P(800ữ900W), v(50ữ100mm/phỳt), H
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
98
(40ữ60mm) là thớch hợp cho nguyờn cụng tụi bề mặt. Việc nhanh chúng nung núng bề mặt kim loại đến nhiệt độ của vựng austenit, tiếp theo nhiệt độ hạ rất nhanh khi nguồn nhiệt qua khỏi điểm vật chất làm cho bề mặt hỡnh thành matenxit, cú độ cứng rất cao (HRC 35-65), chịu mài mũn rất tốt. Việc ảnh hưởng nhiệt của cỏc điểm tới cú tỏc dụng ram phần vừa được làm nguội nờn phương phỏp nhiệt luyện này cũn được gọi là tụi tự ram. Phương phỏp thể hiện ưu thế nhiệt luyện vựng nhỏ, “cục bộ“ và tốc độ nhiệt luyện nhanh. Và cho dự cũn nhược điểm là độ sõu thấm tụi khụng đều, nhưng nhiệt luyện bằng tia laser vẫn đỏp ứng được yờu cầu kỹ thuật của nhiệt luyện bề mặt, đặc biệt rất phự hợp cho sản xuất loạt nhỏ.
Phƣơng hƣớng nghiờn cứu tiếp:
Thời gian tiếp theo tụi sẽ tập trung vào ứng dụng cụng nghệ cho một số sản phẩm (tụi bề mặt phõn khuụn, cỏc trục...) và nghiờn cứu tiếp theo hướng cỏc chế độ nhiệt luyện theo phương phỏp quột bề mặt nhằm thay thế phương phỏp tụi bề mặt truyền thống cho sản xuất nhỏ.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
99
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[ 1 ]. E. Kennedy 1 , G. Byrne 1 , D. N. Collins 2
A REVIEW OF THE USE OF HIGH POWER DIODE LASERS IN SURFACE HARDENING,
Journal of Materials Processing Technology Volumes 155-156 , 30 November 2004, Pages 1855-1860
[ 2 ]. J. Rana, GL. Goswami, S.K Jha, P.K Mishra, B.V.S.S.S.Parasad,
EXPERIMENTAL STUDIES ON THE MICROSTURUTE AND HARDNESS OF LASER-TREATED STEEL SPECIMENTS,
Optics & Laser Technoloy, ELSEVIER 2005 [ 3 ]. Dieter schuocker
HIGH POWER LASERS IN PRODUCTION ENGINEERING [ 4 ]. Mohammed Naeem,
HEAT TREATING WITH LASERS, heat treating progress, Mai/june 2005 [ 5 ]. Leonard Migliore,
HEAT TREATING WITH LASERS
Advanced Materials & Processes, August 1998\ [ 6 ]. J. Mazunder. W.M. Steen,
HEAT TRANSFER MODEL FOR CW LASER MATERIAL PROCESSING, Journal application Physics, page 941-947, 1980
[ 7 ]. J. Hannweber, S. Bonss, B. Brenner, E. Beyer,
INTEGRATED LASER SYSTEM FOR HEAT TREATMENT WITH HIGH POWER DIODE LASER,
Proceedings of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004
[ 8 ]. Michael Bass,
LASER MATERIALS PROCESSING,
North-holand publishing company Amsterdam-New York. Oxford, 1983 [ 9 ]. Wlliam M. Steen,
LASER MATERIALS PROCESSING, Springer –Verlage London Limited, 1998,
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
100
[ 10 ]. M. Heitkemper, A. Ficher, Ch. Bohne and orther ,
LASER SURFACE TREATMENT OF THE HIGH NITROGEN STEEL X30CRMON151,
6th International Tooling Conference,2005 [ 11 ]. Marc Miralles,
LASER HARDENING OF CUTTING TOOLS,
master thesis report , Lubra University of Technology, 2002
[ 12 ]. Maria Aparecida Pinto; Maria Clara Filippini Ierardi*; Amauri Garcia, MATHEMATICAL MODELING AND EXPERIAMENTAL ANALYSIS OF THE HARDNED ZONE IN LASER TREATMETN OF A 1045 AISI STEEL,. Materials Research Volume 7 nr 2, 2004
[ 13 ]. United States Patent No. 4195913; 4475027,
OPTICAL BEAM HOMOGENIGER ,
www.freepatentsonline.com/4475027.html; [ 14 ]. Dietman Hửmberg, Wolf Weiss,
PID-CONTROL OF LASER SURFACE HARDENING OF STEEL Edited by Weierstraò-Institut fỹr Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS),2000.
[ 15 ]. Rusian Steels and Alloys (Marochnik), www.spalav.kharkov.com/e_mat_start.ph [ 16 ]. Geary, Joseph M.,
STRIP MIRROR INTEGRATOR FOR LASER BEAM UNIFORMITY ON A TARGET,
Optical Engineering (ISSN 0091-3286), vol. 28, Aug. 1989, p. 859-864. [ 17 ]. Cizek Lubomir, Greger Miroslav, Hernas Adam,
STRUCTURE AND PROPERTIES OD THE SURFACE LAYER OF A ENGINEERING AFTER LASER HARDENING TREATMENT
,proceedings of 8th Seminar of theInternational Ferdation for Heat Treatment and Surface engineering IFHTSE 2001
[ 18 ]. Nghiờm Hựng VẬT LIỆU HỌC,
giỏo trỡnh dựng cho cỏc ngành cơ khớ , trường ĐH bỏch khoa Hanội , 1999 [ 19 ]. United States Patent 4172629, KAEIDOSCOPE,