Tớnh toỏn cỏc giỏ trị trung bỡnh của yếu tố lựa chọn X, độ lệch quõn phương (Dispersi) S2X, ủộ lệch tiờu chuẩn SX và sai số tớch luỹ ∆XΣ như sau:
1). Nếu Xi là giỏ trịủo ủộ xốp hoặc mật ủộ tương ứng, thỡ:
Xi = (aiổθi) (3.7)
Ởủõy: ai - sốủo của Xi; θi - sai số của dụng cụủo; i - chỉ số ký hiệu thụng sốủược ủo.
Sai số tương ủối trong trường hợp này là: δi/ai (3.8) 2). Khi ủú giỏ trị sai số tuyệt ủối là: ∆Xi = δi.ai (3.9.)
Ớ Vớ dụ: Gọi γ - là giỏ trịủộ xốp:
Với sai sốủo ủạc ủộ xốp tuyệt ủối: θγ = ổ (2 - 5) g/cm3 Khi ủú sai số tương ủối là: δ = θ/γ ;
Sai số tuyệt ủối là: ∆γP = δγ .γ Sai số tổng cộng là: ∆γΣ = δγ.γ + θγ 3). Xỏc ủịnh giỏ trị trung bỡnh yếu tố lựa chọn: --- n_ X = ∑ Xi / n ; n=1, 2, 3,... (3.10.) i=1 n 4). độ lệch quõn phương: S2X = ∑ (Xi -X)2/ (n-1) ; n=1,2,3,... (3.11) i=1
5). Sai số tiờu chuẩn: SX = √S2X (3.12) 6). Sai số tớnh luỹ của yếu tố: ∆XΣ = √(t∝(K).S2X)2/ n + ∆X2 (3.13)
ởủõy: n - số thớ nghiệm song song trong mỗi một thực nghiệm;
t∝(K) - Hệ số Student với mức ủộ cú nghĩa ∝ = 0,95 và số bậc tự do K = n - 1 (tra theo bảng [22]).
3.4.3. Phương phỏp tớnh mật ủộ và ủộ xốp:
Mật ủộ vật liệu bột sau ộp, thiờu kết và dập tinh ủược xỏc ủịnh theo hai cỏch là phương phỏp hỡnh học và phương phỏp Ácximột.
Ớ Phương phỏp hỡnh học: đo cỏc kớch thước hỡnh học mẫu ộp bằng thước cặp
ủồng hồ (hiện số) chớnh xỏc ủể xỏc ủịnh thể tớch V (cm3), cõn khối lượng mẫu m (gam) bằng cõn ủiện tử là tốt nhất. Khi ủú mật ủộ xỏc ủịnh ủược theo biểu thức:
ρ = m / V (3.14)
Ớ Phương phỏp Ácximột: Cần xỏc ủịnh: m1 − khối lượng vật mẫu cõn trong khụng khớ; m2 − khối lượng vật mẫu ngõm trong nước một thời gian ủể nước ủiền
ủầy cỏc lỗ xốp; m3− khối lượng vật mẫu cõn trong nước. Khi ủú mật ủộ xỏc ủịnh ủược theo biểu thức:
ρ = m1 / (m2− m3) (3.15)
Ớ độ xốp cú thể xỏc ủịnh bằng cỏch so sỏnh với mật ủộ vật liệu cú thành phần hoỏ học tương ủương ủược chế tạo theo cụng nghệ ủỳc cỏn ( vật liệu ủặc xớt hoàn toàn): γ = (ρ* −ρ)/ ρ* (3.16)
ởủõy: ρ* - mật ủộ vật liệu ủặc xớt cú thành phần hoỏ học tương ủương vật liệu bột kim loại.
3.4.4. Tớnh toỏn xõy dựng hàm mục tiờu ủộ xốp dựa trờn cơ sở phương phỏp
bỡnh phương nhỏ nhất:
Chế ủộ nghiờn cứu ủể tối ưu hoỏ cỏc tụng số cụng nghệ chớnh là: X1 = p (MPa) − Lực nộn ộp hỗn hợp kim loại bột; X2 = T (OC) − nhiệt ủộ thiờu kết (giữ ủẳng nhiệt); X3 = t (giờ) − thời gian thiờu kết (nõng nhiệt, giữủẳng nhiệt trước khi sang buồng làm nguội). độ hạt kim loại bột trung bỡnh chọn: θd =125 ữ 160 àm.
Hàm mục tiờu mụ hỡnh hoỏ là ủộ xốp vật liệu sau thiờu kết γ (%) cú dạng: Y(P, T, t) ≅ aO+ a1X1 +a2X2 +a3X3 + a4X1X2 + a5X1X3 +a6X2X3 + a7X1X2X3;
k k
aO = (1/ k).Σ yi ; aj = (1/ k).Σ yj; k = 1, 2, 3,... (3.17) i =1 i =1
ởủõy: k là số thớ nghiệm song song trong từng ủiểm quy hoạch thực nghiệm.
Ớ Chọn quy hoạch thực nghiệm (QHTN) theo phương ỏn N = 2k = 23 với k −
số thụng số cụng nghệ chủ yếu ủược lựa chọn ủể khảo sỏt . điều kiện thớ nghiệm theo QHTN trỡnh bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. điều kiện thớ nghiệm thăm dũ và hiệu chỉnh cụng nghệ Thụng số CN chủ yếu Ký hiệu Mức (-) Mức 0 Mức (+) Bước Thời gian nghiền trộn, t, phỳt X1 60 180 300 120 Áp lực ộp, p, MPa X2 300 390 480 90 Nhiệt ủộ thiờu kết, T, OC X3 1100 1210 1320 110 Thời gian thiờu kết, t, phỳt X4 25 55 85 30 Hàm lượng Volphram, W, % khối lượng X5 1,0 1,5 2,0
Hàm lượng cấc bớt titan, TiC,
% khối lượng X6 Lấy giỏ trị const = 0,5 % TiC
k k k
Y(p, T, t) ≅ bO + Σ bi Xi + Σ bijXiXj + Σ aiX2i + .... (3.14) i=1 i,j=1 i=1
đểủơn giản hoỏ tớnh toỏn cần chấp nhận cỏc giả thiết sau:
+ Cỏc biến X1, X2, ..., Xk là ủộc lập và ủược ủo với sai số khụng ủỏng kể so với ủộ lệch quõn phương S2X;
+ đưa ra cỏc giỏ trị mó số hoỏ của cỏc thụng số Xj xỏc ủịnh bởi cụng thức: Xj = ( Xi - XjO) / λ (3.15) Trong ủú: XjO− giỏ trị tự nhiờn của mức biến thiờn chớnh (ký hiệu là 0); λ − khoảng biến thiờn, j − số thứ tự của thụng số.
Cỏc thụng số cụng nghệ nhưủó nờu trong Bảng 3.1 ủược biến thiờn ở hai mức: + Mức trờn bằng tổng của mức chớnh và bước biến thiờn (ký hiệu là +);
+ Mức dưới bằng hiệu của mức chớnh và bước biến thiờn (ký hiệu là −).
Ớ Trong cỏc quy hoạch thực nghiệm ủầy ủủ phải thực hiện tất cả cỏc tổ hợp cú thể cú của cỏc mức biến thiờn thụng số cụng nghệ. Nếu mỗi mức ủú ứng với cận trờn và cận dưới, thỡ ta cú QHTN kiểu N = 2k. Nếu mỗi mức ủú ứng với cận trờn mức trung bỡnh và cận dưới, thỡ ta cú QHTN kiểu N = 3k;
Ớ Sau khi nhận ủược hàm mục tiờu (3.14) ủó thay cỏc hệ số thực nghiệm, cần phải kiểm tra tớnh thớch hợp của Mụ hỡnh mụ phỏng toỏn học ủú với kết quả thớ nghiệm nhận ủược bằng cỏch so sỏnh hệ số Fisher (FTT) tớnh toỏn với Hệ số Fisher tra theo bảng (FB). Nếu FTT≤ FB thỡ Mụ hỡnh hoàn toàn thớch hợp và cú ý nghĩa mụ phỏng quỏ trỡnh cụng nghệ. Trong trường hợp ngược lại FTT> FB - Mụ hỡnh khụng thớch hợp, cần phải tớnh toỏn mụ hỡnh bậc cao hơn;
Ớ Theo Mụ hỡnh toỏn học mụ phỏng thớch hợp ủó nhận ủược, cần tiến hành
ủỏnh giỏ ảnh hưởng của cỏc thụng số cụng nghệ lựa chọn ủến giỏ trị của hàm mục tiờu. Sau khi loại bỏ cỏc ảnh hưởng khụng ủỏng kể của một số thụng số cụng nghệ
hoặc ảnh hưởng kộp của chỳng (số hạng tương ủối nhỏ trong mụ hỡnh) sẽ nhận ủược phương trỡnh tớnh toỏn ủộ xốp (hàm mục tiờu trong trường hợp ủang xột). Nú cú thể
Ớ để tỡm giỏ trị tối ưu của cỏc thụng số cụng nghệ lựa chọn phải biến ủổi như
sau: Do bài toỏn ủặt ra là cần tỡm giỏ trị nhỏ nhất của ủộ xốp (γMin), nờn cỏc thụng số
biến thiờn trước cỏc hệ số thực nghiệm õm (mang dấu -) cần cho tăng lờn. Cú thể lặp lại cỏc phộp biến ủổi chỳng như lập luận này ủể tiến tới vựng tối ưu của cỏc thụng số
cụng nghệ chủ yếu ủó lựa chọn;
Ớ Bằng phần mềm tớnh toỏn chuyờn dụng dựa trờn cơ sở dữ liệu là cỏc mụ ủun tớnh thoỏn theo cỏc bước xõy dựng mụ hỡnh toỏn học kể trờn, cú thể nhận ủược cỏc phương trỡnh mụ phỏng chất lượng vật liệu sau ộp Ờ thiờu kết phụ thuộc vào cỏc thụng số cụng nghệ chủ yếu ủó chọn ủể khảo sỏt. Trong khuụn khổ cụng trỡnh Luận văn này, tỏc giả khụng ủi sõu nghiờn cứu lập trỡnh chương trỡnh tớnh toỏn xử lý số
liệu thống kờ thực nghiệm, mà khai thỏc sử dụng cỏc phần mềm tin học ủó cú như
Matlab, Statisstica.
3.5. Kết luận chương 3:
Trong phần này tỏc giảủó trỡnh bày những nội dung sau:
- Chọn ủược vật liệu, cỏc bước tiến hành thớ nghiệm nghiờn cứu tớnh chất của bột sắt cú cú hạt cứng cỏc bớt Titan sau thiờu kết.
- Chỉ ra ủược phương phỏp, cỏc trang thiết bị cần thiết ủể tiến hành thớ nghiệm.
- Tạo sở lý thuyết xõy dựng mụ hỡnh toỏn học mụ phỏng cụng nghệ ủể từ ủú xỏc ủịnh ủược ảnh hưởng của xỏc thụng số cụng nghệủến ủộ xốp và mật ủộ
Chương 4
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
Quỏ trỡnh thực nghiệm chế tạo vật liệu bột kim loại cú pha trộn hạt cứng W, TiC nhằm nõng cao khả năng chịu tải làm việc trong ủiều kiện chịu mũn và cú va
ủập với tần suất cao, vớ dụ như biờn ủộng cơ xe mỏy C70, C100 ủó ủược nhúm nghiờn cứu chỳng tụi thực hiện 2 bước:
1) Thớ nghiệm tạo mẫu vật liệu bột ộp và thiờu kết theo cỏc chế ủộ cụng nghệ xỏc ủịnh trong quy hoạch thực nghiệm (xem Chương 3) với cỏc thụng số cụng nghệ chủ yếu là ỏp lực ộp bột nguyờn liệu tạo hỡnh (p), nhiệt ủộ thiờu kết (T) và thời gian thiờu kết (t). Mỗi một thớ nghiệm song song tại cỏc ủiểm nỳt quy hoạch thực nghiệm ủược tiến hành khảo sỏt 3 lần ủể khử cỏc sai số ngẫu nhiờn. Với một giỏ trị
trung bỡnh của hàm mục tiờu khảo sỏt là ủộ xốp (γO) và mật ủộ tương ứng (ρO) sau khi thiờu kết;
2) Từ kết quả thực nghiệm thu nhận ủược trong loạt thớ nghiệm tạo mẫu núi trờn xỏc ủịnh lại phạm vi ủiều chỉnh của cỏc thụng số cụng nghệủó chọn ủể khảo sỏt và lặp lại một số thớ nghiệm tại những ủiểm nỳt quy hoạch tiờu biểu. Thớ nghiệm lặp trong trường hợp này ủược thực hiện ủối với mẫu ộp cú kớch thước lớn hơn, ủủủể
chế tạo thử chi tiết mỏy lựa chọn. Việc ủỏnh giỏ tớnh chất vật liệu sau thiờu kết và biến dạng sau ủú cũng ủược thực hiện tương tự như bước 1;
3) Tổng hợp và phõn tớch cỏc kết quả thực nghiệm ủể xỏc ủịnh miền cỏc giỏ trị thớch hợp trong vựng khảo sỏt của những thụng số lựa chọn khi ộp thiờu kết mẫu vật liệu từ bột sắt thương phẩm HOGANAS cú pha trộn hạt cứng W, TiC.
Dưới ủõy là một phần kết quả thực nghiệm của nhúm nghiờn cứu, trong ủú cú sự tham gia của tỏc giả Luận văn, ủó ủược sự cho phộp cụng bố của PGS.TS. Hà Minh Hựng (Chủ trỡ nhúm nghiờn cứu) tại Trung tõm đào tạo và Ứng dụng cụng
nghệ Cơ khớ Ờ Tự ủộng húa, Viện Nghiờn cứu Cơ khớ Ờ Bộ Cụng Thương (CTA- NARIME):
4.1. điều kiện thớ nghiệm tạo mẫu vật liệu
Vật liệu: Bột sắt (Fe) thương phẩm của hóng Hoganas (Thụy điển), ủược nung sơ bộ trong mụi trường hyủrụ. Wonphram (W) và cỏc bớt titan (TiC) ủược chế
tạo tại Viện Cụng nghệ (Bộ Quốc Phũng). Bột ủồng (Cu) ủược chế tạo bằng phương phỏp phun trong nước tại Viện Cụng nghệ. Hỗn hợp bột ủược nghiền, trộn trờn mỏy li tõm hành tinh sau ủú ủem tẩm keo, tạo hạt ủể ộp thành mẫu nghiờn cứu. Bột sắt
ủược trộn thờm 1 ữ2 % bột ủồng.
Thiết bị: Sử dụng mỏy nghiền ly tõm hành tinh do Viện Cụng nghệ chế tạo theo mẫu của đức ủể nghiền trộn hỗn hợp bột nguyờn liệu. Cỏc mẫu nghiờn cứu cú kớch thước 12 x 14 x 25 mm ủược ộp tạo hỡnh trờn mỏy ộp 10 Tấn, sau ủú ủược sấy trong tủ sấy chõn khụng với thời gian khụng dưới 16 giờủểủem ủi thiờu kết trong lũ thiờu kết ủiện trởủạt nhiệt ủộ tối ủa tới 1800 0C và trong mụi trường thiờu kết là khớ hydrụ. Sử dụng bộủiều khiển nhiệt ủộ tựủộng của hóng Omron (Nhật Bản) ủể thực hiện quỏ trỡnh nõng, hạ nhiệt ủộ khi thiờu kết. Mỏy ủiện phõn hydrụ sử dụng tạo mụi trường thiờu kết ủược chế tạo tại đức [4].
Mục ủớch thớ nghiệm: Nhằm nghiờn cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền trộn hỗn hợp bột ủầu vào cú hạt cứng W, TiC; ỏp lực ộp bột tạo hỡnh mẫu vật liệu; nhiệt
ủộ và thời gian thiờu kết ủến cỏc ủặc tớnh như: tổ chức tế vi bằng cỏch soi chụp ảnh cấu trỳc trờn kớnh hiển vi quang học, ủồng thời xỏc ủịnh ủộ xốp bằng phương phỏp cõn thủy tĩnh và mật ủộ tương ứng của vật liệu sau thiờu kết. Cỏc mẫu ủược chế tạo theo cỏc chếủộ ộp và thiờu kết khỏc nhau (bảng 4.1):
- Thành phần W, % khối lượng: 1; 1,5; 2 (với mức 0,5 % TiC khụng ủổi); - Thời gian nghiền trộn, X1, t, phỳt: 60; 120; 180; 240; 300;
- Áp lực ộp bột tạo hỡnh, X2, MPa: 300; 345; 390; 435; 480;
- Thời gian thiờu kết, X4, τ, phỳt: 25; 40; 55; 70; 85.
độ hạt trung bỡnh bột sắt thương phẩm: θFe ≤ 160 àm, cũn ủộ hạt W và TiC:
θW,TiC ≤ 1 mm. Cường ủộ khớ bảo vệ H2 trong mụi trường thiờu kết giữ ở mức khụng ủổi phự hợp nhất;
Hàm mục tiờu Yγ = γO (ủộ xốp trung bỡnh vật liệu sau thiờu kết, %) và Yρ =
ρ0 (mật ủộ tương ứng). điều kiện thớ nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm mở rộng so với kiểu N = 33ủược ỏp dụng cho vật liệu ủó chọn cho trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. điều kiện QHTN tạo mẫu vật liệu bột sắt cú pha trộn hạt cứng W: Thụng số cụng nghệ chớnh Ký hiệu Mức - Mứ/0 c - M0 ức M0/+ ức M+ ức Bước Thời gian nghiền trộn, t,phỳt X1 60 120 180 240 300 60 Áp lực ộp, p, MPa X2 300 345 390 435 480 45 Nhiệt ủộ thiờu kết, T, OC X3 1100 1155 1210 1265 1320 55 Thời gian thiờu kết, τ, phỳt X4 25 40 55 70 85 15 4.2. Kết quả thực nghiệm khảo sỏt ủộ xốp và mật ủộ
4.2.1. Ảnh hưởng của thời gian nghiền trộn ủến ủộ xốp:
Nhưủó ủề cập ở phần nghiờn cứu lý thuyết (Chương 2), qua cỏc tài liệu tham khảo và nghiờn cứu ban ủầu cho thấy thời gian nghiền trộn bột ảnh hưởng ủến ủộ
xốp và mật ủộ tương ứng của sản phẩm. Vỡ vậy, trong thớ nghiệm nghiờn cứu vềảnh hưởng của nú tới tớnh chất vật liệu ủó chọn ủể thớ nghiệm là hỗn hợp bột Fe Ờ W Ờ TiC ủược nghiền trộn trong mỏy ly tõm hành tinh trong cỏc mốc thời gian lấy mẫu từ
1 h (60 phỳt) ủến 5 h (300 phỳt). Cỏc thụng số cụng nghệ khỏc như p, T, τ ủược chọn ở một mức cố ủịnh trong phạm vi ủiều chỉnh của chỳng theo bảng quy hoạch thực nghiệm. Trong khuụn khổ cụng trỡnh này, nhúm nghiờn cứu chỉủề cập ủến kết quả thực nghiệm ủối với một vài mẫu ủiển hỡnh nhận ủược sau khi ộp tạo hỡnh ở ỏp lực p = 435 MPa, thiờu kết ở nhiệt ủộ T = 1210 0C, thời gian thiờu kết τ = 40 phỳt và ủem xỏc ủịnh ủộ xốp và mật ủộ tương ứng của mẫu sản phẩm.
Kết quả thực nghiệm ủối với yếu tố thời gian nghiền trộn cho trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Sự phụ thuộc của ủộ xốp, mật ủộ tương ứng trờn mẫu vật liệu vào thời gian nghiền trộn hỗn hợp bột nguyờn liệu ủầu vào.
Thời gian nghiền, t, phỳt 60 120 180 240 300
độ xốp, γ0 , % 7,4 7,1 6,1 5,6 5,5
Mật ủộ, ρO, g/cm3 7,2691 7,2926 7,37115 7,4104 7,4182
p = 435 MPa, thiờu kết ở nhiệt ủộ T = 1210 0C, thời gian thiờu kết τ = 40 phỳt
Phõn tớch kết quả thớ nghiệm cho trong bảng 4.2 ta nhận thấy: ủộ xốp mẫu vật liệu sau ộp thiờu kết cú xu hướng giảm tỷ lệ thuận theo chiều tăng của thời gian nghiền trộn hỗn hợp bột ủầu vào từγ0 = 7,4 % tới γ0 = 5,5 %. Mật ủộ tương ứng trờn cỏc mẫu thớ nghiệm ủú theo tớnh toỏn nhận ủược cú xu hướng ngược lại: tăng tỷ lệ
thuận từ ρO = 7,2691g/cm3 tới ρO = 7,4182 g/cm3. Từ kết quả ủú dễ dàng vẽ ủược ủồ thịảnh hưởng của thời gian nghiền trộn tới ủộ xốp và mật ủộ tương ứng ủối với lụ mẫu thớ nghiệm này (hỡnh 4.1).
Hỡnh 4.1. Sự ảnh hưởng của thời gian nghiền trộn tới ủộ xốp và mật ủộ tương ứng trờn mẫu thớ nghiệm sau ộp Ờ thiờu kết từ bột Fe Ờ W Ờ TiC.
4.2.2. Ảnh hưởng của ủộ xốp và mật ủộ vào ỏp lực ộp bột tạo hỡnh:
Trong phạm vi giới hạn của cụng trỡnh nghiờn cứu này, tỏc giảủược phộp cụng