1.1.1. Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước
Ngày nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt nhằm nâng cao cơ tính vật liệu chi tiết. Tuy nhiên đa phần các ứng dụng tập trung vào tôi cảm ứng bề mặt chi tiết dạng trục và các chi tiết yêu cầu độ mài mòn khi làm việc như bánh răng, cơ cấu cam, … Việc áp dụng tôi cảm ứng cho mặt phẳng đặc biệt các bề mặt cong phức tạp vẫn chưa phổ biến. Có thể kể ra một số cơng trình tiêu biểu như sau:
- “Continual induction hardening of steel bodies” (Tôi cảm ứng từ cho
các chi tiết vật liệu thép bằng phương pháp di chuyển liên tục) [1], bài báo khoa học của các tác giả Pavel Karban, Martina Donátová – Khoa điện tử của Đại học West Bohemia – Cộng hịa Czech, xuất bản năm 2009 bởi Elsevier.
Hình 1.1: Mơ hình tơi cảm ứng từ trong q trình thí nghiệm
Đề tài ứng dụng phương trình vi phân mơ phỏng các thông số gia nhiệt cảm ứng gồm tần số và nhiệt độ biến đổi theo thời gian để mơ phỏng q trình thí nghiệm tơi cảm ứng từ. Tác giả dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ khi di chuyển cuộn dây mang dịng điện có tần số thay đổi dọc theo bề mặt chi tiết cần tôi. Từ trường thay đổi xuất hiện trên bề mặt chi tiết sẽ sinh ra dòng điện Foucault giúp gia
nhiệt cục bộ trên bề mặt này. Khi thời gian gia nhiệt đủ lớn vượt qua ngưỡng chuyển biến Austenit thì tiến hành làm nguội nhanh bề mặt chi tiết sẽ nhận được vật liệu có cấu trúc bề mặt cứng hơn. Đề tài tập trung phân tích các thơng số ảnh hưởng đến cấu trúc và độ đồng đều thành phần thép sau khi tôi nhằm đem lại kết quả tối ưu nhất. Tuy nhiên đề tài chủ yếu tập trung q trình tơi cảm ứng cho các chi tiết dạng trục và sử dụng các cuộn dây bố trí cố định theo biên dạng cho các chi tiết cần tôi bề mặt.
- “Effect of spot continual induction hardening on the microstructure of steels: Comparison between AISI 1045 and 5140 steels” (Nghiên cứu ảnh hưởng
của phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ từng điểm đến cấu trúc vật liệu kim loại trên cở sở so sánh hai loại thép AISI 1045 và 5140) [2], bài báo khoa học của các tác giả Kai Gao, Xunpeng Qin, Zhou Wang, Shengxiao Zhu – Khoa Công nghệ cao Đại học Wuhan – Trung Quốc, xuất bản năm 2015 bởi Elsevier. Nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm tơi cảm ứng từ cục bộ trên các vật liệu thép AISI 1045 và 5140 sau đó phân tích cấu trúc tế vi bên trong các mẫu vật liệu này. Dựa vào mặt cắt cấu trúc vật liệu sau khi tôi, tác giả xác định các điểm tại các vị trí khác nhau để đo thành phần kim tương vật liệu (Mactenxit, Ferit, Peclit) làm cơ sở xác định chiều sâu lớp thấm tơi đạt được.
Hình 1.2: Mơ hình thí nghiệm và tổ chức tế vi đạt được sau khi tôi cảm ứng
Kết quả nhận được cho thấy các điểm trên bề mặt mẫu thí nghiệm có thành phần Mactenxit cao nhất và giảm dần về phía bên trong vật liệu chưa được thấm tôi. Mặc dù nhiệt độ chuyển biến Austenit của AISI 1045 thấp hơn nhưng độ
cứng đạt được của thép AISI 1045 cao hơn AISI 5140 vì thành phần cacbon của nó cao hơn.
- “Numerical and experimental analysis of 3D spot induction hardening of AISI 1045 steel” (Mô phỏng và thực nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ bề
mặt cho vật liệu thép AISI 1045) [3], bài báo khoa học của các tác giả Kai Gao, Xunpeng Qin, Zhou Wang, Hao Chen, Shengxiao Zhu, Yanxiong Liu, Yanli Song – Khoa công nghệ vật liệu – Đại học Vũ Hán – Trung Quốc, xuất bản năm 2014 bởi Tạp chí khoa học vật liệu. Q trình gia nhiệt cảm ứng bằng cuộn dây đồng khi tôi sẽ được mô phỏng trên phần mềm ANSYS để xác định thông số nhiệt độ tối ưu. Q trình tơi cảm ứng được thực hiện ở nhiệt độ 850oC sau đó tiến hành làm nguội với tốc độ 200oC/giây để thu được hoàn toàn Mactenxit như yêu cầu. Dựa trên giản đồ CCT tác giả nhận thấy nếu tốc độ làm nguội giảm dần xuống 21oC/giây thì tỷ lệ Peclit sẽ tăng dần từ 0 đến 100% và khi đó q trình tơi thép khơng đạt. Giá trị độ cứng đạt được sau khi tôi lớn nhất lên đến 690 HV (60 HRC). Việc phân tích được thực hiện bằng cách chia lưới và xác định thành phần kim tương mặt cắt ngang chi tiết, kết quả cho thấy độ thấm tôi đạt được là 1,6 mm dựa trên hình ảnh hiển thị thành phần phần trăm của Mactenxit và Peclit tại các vị trí được chia lưới.
Hình 1.3: Mơ hình và kết quả mơ phỏng q trình gia nhiệt trên Ansys
- “Development of induction surface hardening process for small diameter carbon steel specimens” (Nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ
bề mặt cho các chi tiết trụ nhỏ vật liệu thép) [4], bài báo khoa học của các tác giả Daisuke Suzuki, Koji Yatsushiro, Seiji Shimizu, Yoshio Sugita, Motoki Saito,
Katsuhiko Kubota – Trung tâm Công nghiệp Yamanashi – Nhật Bản, xuất bản năm 2009 bởi viện nghiên cứu JCPDS. Trong cơng trình nghiên cứu của mình, các tác giả sử dụng dịng điện tần số rất cao lên đến 2MHz nhằm tôi cảm ứng từ bề mặt cho chi tiết hình trụ có đường kính 6 mm. Kết quả đạt được độ thấm tơi bề mặt là 0,4 mm với độ cứng lên đến 600 HV (56 HRC). Với chi tiết đường kính 3 mm thì độ thấm tơi bề mặt đạt được là 0,09 mm và độ cứng đạt 600 HV (56 HRC). Việc sử dụng dòng điện với tần số cực cao cho phép việc tơi cảm ứng có thể thực hiện được trên các chi tiết nhỏ so với các phương pháp khác chỉ tơi được thể tích trong trường hợp kích thước nhỏ. Các thí nghiệm được thực hiện với các điều kiện tốc độ di chuyển chi tiết so với cuộn dây cảm ứng trong quá trình tơi (Khơng sử dụng các chương trình mơ phỏng nhiệt). Kết quả cho thấy tốc độ di chuyển phơi càng nhanh thì độ thấm tôi và độ cứng càng giảm. Tuy nhiên nếu tốc độ tôi quá chậm thì sẽ giống như trường hợp tơi thể tích nên các thí nghiệm đã tập trung xác định tốc độ tôi tối ưu sao cho độ thấm tôi thấp nhất nhỏ nhất với độ cứng lớn nhất.
Hình 1.4: Mơ hình và kết quả tơi cảm ứng chi tiết trụ nhỏ
- “3D modeling of induction hardening of gear wheels” (Mơ hình hóa
3D phương pháp tôi cảm ứng từ cho các chi tiết bánh răng) [5], bài báo khoa học của các tác giả Jerzy Barglik, Albert Smalcerz, Roman Przylucki, Ivo Doležel – Khoa vật liệu - Đại học Katowice - Ba Lan và Khoa điện tử - Đại học Praha – Cộng hịa Czech, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Nhóm tác giả sử dụng các phương trình năng lượng nhằm khảo sát các thông số từ trường và phân bố nhiệt độ trong quá trình tơi cảm ứng. Trên cơ sở đó việc tơi cảm ứng sẽ được tiến hành mô phỏng số 3D trên phần mềm FLUX3D. Bánh răng được sử dụng trong thí nghiệm có số răng
là 41 chế tạo từ vật liệu 50CrMo4 (hàm lượng cacbon trung bình 0,46 – 0,54%C). Dựa trên yêu cầu làm việc đặc thù của bánh răng đòi hỏi bề mặt có độ cứng cao nhằm đạt độ chống mài mòn tối ưu trong khi cấu trúc bên trong vẫn đạt độ dẻo dai cần thiết nên q trình tơi cảm ứng được tiến hành với hai thông số khác nhau. Đầu tiên dòng điện với tần số thấp khoảng 10 kHz được sử dụng nhằm nung nóng chậm tồn bộ bánh răng đến nhiệt độ Ac3. Sau đó sử dụng dịng điện với tần số rất cao 100 kHz nung nóng các biên dạng chân răng và đỉnh răng. Cuối cùng làm nguội nhanh sản phẩm bằng cách phun dung dịch polymer làm mát nhằm thu được các tổ chức Mactenxit để nâng cao độ cứng bề mặt bánh răng. Đề tài tập trung phân tích q trình tôi cảm ứng nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của đặc tính vật liệu đến thời gian tôi. Kết quả cho thấy độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của kim loại ảnh hưởng đến thời gian nung nóng và nhiệt độ đạt được. Độ cứng bề mặt đạt được sau khi tôi lên đến 700 HV.
Hình 1.5: Phân bố nhiệt độ bề mặt biên dạng răng
- “Analysis and simulations of multifrequency induction hardening”
(Phân tích và mơ phỏng q trình tơi cảm ứng điện từ đa tần số) [6], bài báo khoa học của các tác giả Dietmar Hömberg, Thomas Petzold, Elisabetta Rocca đến từ Viện khoa học ứng dụng Mohrenstr - Đức và Khoa cơ khí - Đại học Milano - Italy, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Trong bài báo, nhóm tác giả tính tốn q trình gia nhiệt cảm ứng điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Đề tài tập trung vào các phương trình nhiệt của Macxell và lý thuyết dịng điện cảm ứng Faucalt nhằm khảo sát nhiệt lượng sinh ra trong quá trình theo lý thuyết, sau đó tiến hành mô
phỏng với các thông số đã chọn ở trên. Việc mô phỏng số q trình tơi cảm ứng điện từ đa tần số được thực hiện với chi tiết bánh răng. Q trình mơ phỏng cho thấy nhiệt độ phân bố khơng đồng đều trên tồn bề mặt bánh răng, nhiệt độ lớn nhất tập trung tại khu vực đỉnh bánh răng trong khi vùng chân răng chưa đạt nhiệt độ tôi cần thiết. Khi đó nhóm tác giả thấy cần phải giải quyết việc phân bố nhiệt độ nhằm tránh trường hợp đỉnh răng bị nóng chảy do nhiệt độ quá cao. Giải pháp được thực hiện đó là sử dụng dịng điện tần số trung bình (MF) để tơi khu vực chân răng, sau đó dùng dịng tần số cao (HF) để gia nhiệt phần đỉnh răng. Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng kết hợp dòng điện đa tần số (MF và HF) đem lại hiệu quả gia nhiệt và thời gian tối ưu nhất.
Hình 1.6: Quá trình gia nhiệt bánh răng với các tần số khác nhau: Tần số trung bình
(MF) dùng gia nhiệt chân răng, tần số cao để gia nhiệt đỉnh răng và kết hợp đa tần số (MF + HF) đem lại kết quả tối ưu nhất
- “Numerical simulation and experimental investigation on the induction hardening of a ball screw” (Mô phỏng số và phân tích q trình tơi cảm
ứng điện từ cho chi tiết trục vít me bi) [7], bài báo khoa học của các tác giả Huiping Li, Lianfang He, Kang Gai, Rui Jiang, Chunzhi Zhang, Musen Li đến từ Khoa công nghệ vật liệu và ứng dụng - Đại học Sơn Đông – Trung Quốc, xuất bản bởi Tạp chí Vật liệu và Thiết kế năm 2015. Dựa trên kết quả mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho cuộn cảm ứng trong q trình tơi cảm ứng điện từ cho các chi tiết vít me bi, nhóm tác giả nhận thấy với vít me bi làm từ vật liệu 52CrMo
thì q trình tơi ở nhiệt độ cao rất dễ gây rạn nứt, độ hạt sau tôi lớn gây nứt tại biên giới hạt và xảy ra sự quá nhiệt trên đỉnh ren. Một vấn đề khác là quá trình làm nguội nhanh rất dễ gây ứng suất làm giảm tuổi thọ làm việc chi tiết. Bên cạnh đó việc sử dụng một cuộn dây cảm ứng cho q trình tơi cứng rất dễ tạo ứng suất gây ra các vết nứt tại chân ren do sự phân bố nhiệt độ khơng đồng đều trong q trình gia nhiệt điện từ. Vì vậy nhóm tác giả nghiên cứu đề xuất phương pháp tôi cảm ứng điện từ sử dụng nhiều cuộn dây cảm ứng với khe hở từ trường phù hợp mang lại hiệu quả cao nhất về nhiệt độ và độ cứng đạt được sau khi tơi. Sau đó nhóm tác giả sử dụng mẫu thí nghiệm nhỏ cắt từ vít me bi để kiểm tra độ cứng sau tôi với các giá trị nhiệt độ khác nhau đồng thời kiểm tra cấu trúc tế vi vật liệu. Việc mơ phỏng q trình gia nhiệt với phần mềm MSC MARC được thực hiện nhằm tìm ra các thơng số tối ưu về tần số dòng điện, khoảng cách và tốc độ di chuyển cuộn dây. Kết quả độ cứng đạt được trên bề mặt là 600 HV với chiều dày lớp thấm tôi 1,5 mm ứng với nhiệt độ tôi 1150 oC. Nếu giảm tốc độ di chuyển cuộn dây thì chiều dày lớp thấm tơi tăng lên 2,5 mm nhưng xảy ra một số khuyết tật như độ hạt lớn và xuất hiện vết nứt.
Hình 1.7: Mơ phỏng q trình gia nhiệt cảm ứng từ và làm nguội trục vít me bi
- “Simulation of multi – frequency – induction - hardening including phase transitions and mechanical effects” (Mơ phỏng q trình tơi cảm ứng điện từ
đa tần số bao gồm khảo sát sự chuyển biến pha và thay đổi cơ tính) [8], bài báo khoa học của các tác giả Dietmar Hömberg, Qingzhe Liu, Jonathan Montalvo- Urquizo, Dawid Nadolski, Thomas Petzold, Alfred Schmidt, Alwin Schulz đến từ Khoa công nghệ vật liệu của các trường Đại học Berlin, Bremen, Greifswald – Đức, Đại học Nuevo Leon – Mexico, Đại học Trondheim – Na Uy, xuất bản bởi Elsevier năm 2016. Trên cơ sở lý thuyết các phương trình vi phân năng lượng, động năng,
các tác giả tiến hành tính tốn các thơng số nhiệt độ cho q trình tơi cảm ứng điện từ. Sau đó tác giả thực hiện mơ phỏng q trình tơi cảm ứng điện từ cho chi tiết bánh răng vật liệu AISI 4140. Việc thực nghiệm tôi cảm ứng được thực hiện với máy tơi có cơng suất 200 kW cho tần số trung bình và lên đến 300 kW cho dòng điện tần số cao. Khi đó q trình tơi cảm ứng được thực hiện với các trường hợp dịng điện tần số trung bình, tần số cao và dịng kết hợp cho quá trình gia nhiệt bánh răng. Kết quả nhận được cho thấy bề mặt đỉnh răng đạt độ cứng và độ thấm tôi cần thiết đáp ứng q trình làm việc. Tiến hành thí nghiệm để xác định tỷ lệ thành phần cấu trúc pha kim loại cũng như ứng suất khu vực tôi cảm ứng, tác giả có thể xác định ứng suất theo phương tiếp tuyến và vng góc bề mặt răng có sự sai khác phụ thuộc vào chiều dày lớp thấm tôi
Hình 1.8: Ảnh hưởng của tần số tơi cảm ứng trong hai trường hợp mô phỏng và
thực nghiệm
Hình 1.9: Đồ thị ứng suất sau tơi theo phương tiếp tuyến và vng góc bề mặt biên
- “Simulation of quenching involved in induction hardening including mechanical effects” (Mô phỏng quá trình tơi cảm ứng điện từ nhằm khảo sát sự thay
đổi cơ tính vật liệu) [9], bài báo khoa học của các tác giả J. Montalvo-Urquizo, Q. Liu, A. Schmidt đến từ Viện nghiên cứu toán học - Đại học Bremen - Đức, xuất bản bởi Elsevier năm 2013. Trong đề tài nghiên cứu, các tác giả đưa ra mơ hình tính tốn cho phương pháp tôi cảm ứng điện từ đồng thời tiến hành mô phỏng số cho quá trình gia nhiệt và làm nguội. Ngồi ra q trình nghiên cứu cịn tiến hành khảo sát sự thay đổi cơ tính vật liệu xảy ra do sự thay đổi lỗ hỗng do sự chuyển pha trong q trình gia nhiệt. Sự thay đổi cơ tính trong q trình tơi gồm sự biến dạng và độ đàn hồi vật liệu trong quá trình tơi cao tần. Q trình thử nghiệm được tiến hành trên chi tiết bánh răng với vật liệu 42CrMo4. Kết quả cho thấy vùng biên dạng đỉnh răng xuất hiện ứng suất dư lớn nhất trong quá trình tơi cảm ứng điện từ.
Hình 1.10: Phân bố ứng suất sau quá trình gia nhiệt
- “Spatially resolved temporal stress evolution during laser surface spot hardening of steel” (Khảo sát sự thay đổi ứng suất khối theo thời gian bên
trong vật liệu trong q trình tơi cục bộ bề mặt sử dụng chùm tia lazer) [10], bài báo khoa học của các tác giả V. Kostov, J. Gibmeier, A. Wanner đến từ Viện vật liệu ứng dụng - Đại học công nghệ Karlsruhe - Đức, xuất bản bởi Elsevier năm 2016. Trong đề tài nghiên cứu, các tác giả khảo sát sự thay đổi ứng suất suất dư và cấu trúc bên trong vật liệu thép cacbon AISI 4140 trong q trình tơi lazer cục bộ bề