3.3.1. Tổng quan phương pháp tôi cảm ứng từ bề mặt
Tôi bề mặt là phương pháp tôi bộ phận chi tiết, khi đó chỉ có lớp bề mặt chi tiết được tơi, cịn lõi bên trong khơng được tơi. Sau khi tơi chỉ có lớp bề mặt có tổ chức mactenxit, cịn những lớp bên trong có tổ chức xoocbit - peclit.
Có nhiều phương pháp tơi bề mặt, nhưng nói chung đều dựa trên ngun lý nung nóng bề mặt thật nhanh với chiều sâu nhất định đến nhiệt độ tôi rồi làm nguội nhanh. Khi đó phần bề mặt được nung nóng và tơi, phần lõi khơng được nung nóng và khơng được tơi. Kết quả nhận được là bề mặt cứng, trong lõi dẻo.
Tôi bề mặt thông dụng nhất bằng phương pháp nung cảm ứng ở các lị cao tần. Một cách khác để nung có thể được dùng là nhiệt từ ngọn lửa axêtylen.
3.3.2. Tơi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện từ 3.3.2.1. Nguyên lý nung nóng bề mặt 3.3.2.1. Nguyên lý nung nóng bề mặt
Khi một vật dẫn có dịng điện xoay chiều chạy qua thì xung quanh nó sẽ xuất hiện từ trường biến thiên. Nếu đặt trong từ trường này một chi tiết kim loại hay hợp kim thì do sự biến thiên của từ trường sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng và trong kim loại sẽ xuất hiện một dòng điện có cùng tần số cảm ứng.
Khi dùng dịng điện có tần số rất cao (tới hàng ngàn đến chục ngàn héc (Hz)) thì dịng điện trong chi tiết kim loại cũng sẽ có tần số cao tương ứng, do đó phát sinh nhiệt và kim loại được nung nóng.
Dịng điện cảm ứng xuất hiện và phân bố lớn nhất ở bề mặt lớp kim loại nên sự phát sinh nhiệt sẽ xuất hiện ở phần bên ngoài của chi tiết kim loại. Như vậy nhiệt độ vật kim loại sẽ nóng mạnh nhất từ ngồi và giảm dần vào phía trong, do đó nung cảm ứng ở các lị cao tần thường được sử dụng cho việc tôi bề mặt [27].
Chiều sâu lớp thấm tôi δ được xác định theo công thức sau: δ=5030
× (cm) Trong đó:
- là điện trở suất vật liệu (Ω.cm) - là độ từ thẩm tương đối vật liệu - f là tần số tơi cao tần
Hình 3.6: Một số mơ hình tơi cảm ứng
a) Ngun lý nung nóng cảm ứng; b) Tơi nung nóng tồn bộ bề mặt; c) Tơi nung nóng và làm nguội liên tục
3.3.2.2. Chọn tần số và thiết bị
Khi cần lớp tôi dày (4 - 5 mm): thiết bị tần số 2500Hz hay 8000Hz, P = 100kW trở lên.
Lớp tôi mỏng (1 - 2 mm), thiết bị tần số cao (66000Hz hay 250000Hz), P = 30 - 100kW.
3.3.2.3. Các phương pháp tôi
Vịng cảm ứng được uốn sao cho có dạng bao và ơm lấy phần bề mặt cần nung để tôi nhưng không được tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 - 5,0 mm, càng nhỏ càng đỡ tổn tổn hao năng lượng. Có 3 kiểu tơi sau:
- Nung nóng rồi làm nguội tồn bề mặt.
- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt. Ví dụ như tơi từng răng cho các bánh răng lớn (modun lớn hơn 6) hay các cổ trục khuỷu (có máy tơi chun dùng điều khiển theo chương trình). Đây chính là phương pháp được sử dụng thí nghiệm trong đề tài.
- Nung nóng và làm nguội liên tục. Ứng dụng cho các trục dài hoặc băng máy có thể tự ram.
3.3.2.4. Tổ chức và cơ tính của thép sau q trình tơi cảm ứng
Thép C45 có hàm lượng phần trăm cacbon C = 0,35 - 0,55% (thường chỉ 0,40 - 0,50%) là loại thép có hàm lượng cacbon trung bình.
Tổ chức pha khi gia nhiệt
- Nhiệt độ chuyển biến pha A1, A3 nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tôi cao hơn từ 100 - 200oC.
- Tốc độ chuyển biến pha rất nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, nhận được siêu Mactenxit rất dẻo dai.
Tôi cảm ứng thường được áp dụng cho các chi tiết sau:
- Chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chịu mài mòn ở bề mặt như bánh răng, chốt, ....
3.3.2.5. Ưu điểm
Năng suất cao, do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt được tạo ra ngay trong lớp kim loại.
Chỉ có lớp bề mặt được tôi nên đạt độ cứng cần thiết trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai bên trong vật liệu nên đảm bảo tuổi thọ làm việc thiết bị và tránh được các phá hủy do độ giòn vật liệu gây ra.
Chất lượng tốt, tránh được các khuyết tật: ơxy hóa, thốt cacbon, chất lượng đồng đều, kết quả ổn định. Độ cứng cao hơn so với tôi thông thường khoảng 1 ÷ 3 đơn vị HRC, gọi là siêu độ cứng.
Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, thích hợp cho sản xuất hàng loạt.
Nhược điểm: khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột, ... do khó chế tạo vịng cảm ứng thích hợp.
3.3.3. Thông số nhiệt luyện
Thông số tôi cảm ứng từ cục bộ CNC - Tốc độ gia nhiệt: 50 - 100oC/giây.
- Nhiệt độ yêu cầu: 850 - 950oC với thép C45 và 900 - 950oC với thép SS400.
- Thời gian giữ nhiệt: 0 - 3 giây (Chỉ nung nóng lớp bề mặt). - Tốc độ làm nguội: 200 - 250oC/giây.
- Quá trình tơi cảm ứng từ cục bộ CNC được thực hiện bằng cách di chuyển cuộn dây trên máy CNC theo biên dạng cho trước. Kết hợp làm nguội từng vị trí riêng biệt ngay sau khi gia nhiệt sẽ đem lại kết quả độ cứng đạt được đồng đều trên toàn bề mặt.
Chương 4
MƠ PHỎNG Q TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS