MẪU SỐ 6 VỊ TRÍ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A 28,9 40,8 41,3 43,7 26,5 40,5 43,5 28,4 36,4 42,8 43,8 42,5 B 37,4 31,8 31,3 31,2 36,7 36,7 39,4 32,1 29,9 32,4 29,4 30,7 C 32,3 36,6 40,7 29,2 30,6 41,4 40,6 30,5 31,6 32,8 42,3 41,3 D 38,5 38,1 43,5 40,2 31,3 31,5 42,7 41,4 28,2 45,7 29,4 33,8 E 41,2 46,0 42,1 41,2 39,2 30,4 47,2 45,2 33,5 44,1 31,5 29,4 F 39,1 38,3 43,1 42,3 43,6 51,2 27,4 39,4 28,9 42,7 41,8 38,3 G 32,2 39,5 48,1 42,4 39,5 31,5 43,5 34,2 22,5 44,7 43,2 41,1 H 39,8 41,5 39,3 41,2 45,8 35,7 29,7 35,7 41,4 39,3 42,7 38,5 Kết quả đo độ cứng được biểu diễn ở dạng biểu đồ như sau:
Hình 5.49: Biểu đồ phân bố độ cứng mẫu số 6
AB CD EF GH 00 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 H R C
Biểu đồ phân bố độ cứng mẫu số 6
50-60 40-50 30-40 20-30 10-20 00-10
Nhận xét:
- Kết quả đo độ cứng mẫu số 6 cho kết quả gần tương tự như mẫu số 5 về giá trị và phân bố độ cứng trên toàn bề mặt.
- Giá trị độ cứng sau khi tôi được cải thiện so với mẫu thép ban đầu, điểm cao nhất đạt 51,2 HRC (tương ứng ô F6 trên bảng giá trị) là do thành phần hàm lượng cacbon tại vị trí này tập trung với hàm lượng lớn. Các điểm còn lại độ thấp hơn 50 HRC.
- Độ cứng trên toàn bề mặt tương đối đồng đều do quá trình gia nhiệt được thực hiện theo 03 đường với 9 vị trí nên nhiệt độ phân bố đồng đều và hạn chế được các vùng ranh giới giữa các cuộn dây không được gia nhiệt.
- Độ cứng trung bình đạt được trên mẫu thép sau khi tơi là: 37,6 HRC. - Độ lệch chuẩn của các giá trị 5,9 HRC. Nhận xét giá trị độ lệch chuẩn thấp cho ta kết quả độ cứng sai lệch nhỏ và độ tin cậy cao. Kết quả đạt được là do trong quá trình tơi thì tồn bộ bề mặt được gia nhiệt tương đối đồng nhất.
- Các vị trí biên của cuộn dây khi gia nhiệt thì khơng đạt được nhiệt độ tôi cần thiết nên giá trị độ cứng đo được thấp hơn và không đạt so với yêu cầu (Các vị trí độ cứng thấp điển hình là G9, A5 với giá trị đo tương ứng là 22,5 HRC và 26,5 HRC).
5.6. Nhận xét q trình thí nghiệm
- Kết quả thí nghiệm cho thấy độ cứng trung bình đạt được trên tồn bề mặt các mẫu thép SS400 sau khi tôi thấp hơn nhiều so với thép C45.
- Kết quả này phù hợp với lý thuyết công nghệ nhiệt luyện. Theo đó C45 là thép cacbon hàm lượng trung bình nên độ cứng sau khi tôi đạt được trung bình 50 - 60 HRC, đáp ứng được tính chống mài mịn đáng kể khi làm việc [4].
- Thép hàm lượng cacbon thấp SS400 thì độ cứng trung bình đạt được sau khi tơi không vượt quá 50 HRC [4].
- Giá trị độ cứng sau khi tôi thép C45 đáp ứng các yêu cầu cơ tính cao cho các chi tiết cơ khí cần độ bền và mài mịn lớn.
- Độ cứng đạt được do sự hình thành của các tổ chức Mactenxit sau khi tôi và đã được kiểm tra bằng phương pháp phân tích thành phần kim tương.
Chương 6
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận
Luận văn đã hoàn tất và đạt được các yêu cầu đề ra, trong đó bao gồm: - Cải tiến thiết kế và chế tạo máy tôi cảm ứng từ cục bộ CNC 3 trục. - Mô phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng từ trên bề mặt mẫu thép bằng
phần mềm Comsol Multiphysics.
- Tìm hiểu cơ tính và các thơng số nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt, tốc độ làm nguội cho q trình tơi thép C45 và SS400.
- Chế tạo các mẫu thép C45 và SS400 cho q trình tơi cảm ứng từ cục bộ CNC trên mặt phẳng.
- Thí nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ CNC với các mẫu thép bằng vật liệu C45 và SS400.
- Xác định độ cứng đạt được sau khi tôi cảm ứng từ cục bộ bằng thang đo HRC.
- Xác định thành phần kim tương mẫu thép C45 sau tơi bằng kính hiển vi quang học.
- Trên cơ sở đánh giá các giá trị độ cứng đạt được trên bề mặt mẫu thép tại các vị trí khác nhau cho thấy phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC cho kết quả độ cứng tương đối đồng đều.
- Kết quả đạt được:
Với thép C45 sau khi tôi cảm ứng từ sẽ đạt độ cứng bề mặt trung bình lên đến 50 - 60 HRC.
Với thép SS400 sau khi tôi cảm ứng từ thì độ cứng bề mặt trung bình đạt được nhỏ hơn 50 HRC.
Phương pháp tôi cảm ứng từ bằng cách di chuyển cuộn dây cảm ứng điều khiển theo CNC cho kết quả đồng đều trên toàn
bề mặt và đạt sai số nhỏ nếu bước di chuyển ngang của cuộn dây đảm bảo nhiệt độ phân bố đều trên toàn bề mặt mẫu thép. Độ thấm tôi đạt được 3,5 mm.
6.2. Kiến nghị
Để tiếp tục hoàn thiện phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ CNC 3 trục hồn chỉnh có thể áp dụng cho bề mặt lịng khn phức tạp thì đề tài cần được phát triển theo các hướng sau:
- Thiết kế cuộn dây cảm ứng với kích thước nhỏ hơn để linh hoạt trong q trình tơi cho các bề mặt cong phức tạp mà vẫn đảm bảo nhiệt độ tôi cần thiết.
- Sử dụng các phương pháp gia nhiệt khác với độ tập trung nguồn nhiệt lớn như năng lượng lazer để có thể áp dụng cho quá trình tơi các bề mặt lịng khn phức tạp.
- Sử dụng các phương pháp làm nguội khác hoặc kết hợp làm nguội trong nhiều môi trường nhằm giảm độ cong vênh nhưng vẫn đảm bảo đạt độ cứng tốt nhất.
- Khảo sát ảnh hưởng độ cong vênh khi tôi với các nhiệt độ khác nhau nhằm giảm tối thiểu biến dạng bề mặt lịng khn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Pavel Karban, Martina Donátová. Continual induction hardening of steel bodies. Mathematics and Computers in Simulation 80, 2010, pp. 1771–1782, 21
December 2009.
[2] Kai Gao, Xunpeng Qin, Zhou Wang, Shengxiao Zhu. Effect of spot continual induction hardening on the microstructure of steels: Comparison between AISI 1045 and 5140 steels. Materials Science & Engineering A 651, 2016, pp. 535– 547, 10 November 2015.
[3] Kai Gao Xunpeng Qin Zhou Wang Hao Chen Shengxiao Zhu Yanxiong Liu Yanli Song. Numerical and experimental analysis of 3D spot induction hardening of AISI 1045 steel. Journal of Materials Processing Technology, 2014,
pp. 349–377, 8 May 2014.
[4] Daisuke Suzuki, Koji Yatsushiro, Seiji Shimizu, Yoshio Sugita, Motoki Saito, Katsuhiko Kubota. Development of induction surface hardening process for small diameter carbon steel specimens. International Centre for Diffraction Data 2009 ISSN 1097-0002, 2009, pp. 569–576, 20 October 2009.
[5] Jerzy Barglik, Albert Smalcerz, Roman Przylucki, Ivo Doležel. 3D modeling of induction hardening of gear wheels. Journal of Computational and Applied Mathematics 270, 2014, pp. 231–240, 2014.
[6] Dietmar Hömberg, Thomas Petzold, Elisabetta Rocca. Analysis and simulations of multifrequency induction hardening. Nonlinear Analysis: Real World
Applications 22 (2015), pp. 84–97, 2015.
[7] Huiping Li, Lianfang He, Kang Gai, Rui Jiang, Chunzhi Zhang, Musen Li. Numerical simulation and experimental investigation on the induction hardening of a ball screw. Materials and design (2015), pp. 63–91, 2015.
[8] Dietmar Hömberg, Qingzhe Liu, Jonathan Montalvo-Urquizo, Dawid Nadolski, Thomas Petzold, Alfred Schmidt, Alwin Schulz. Simulation of multi –
frequency – induction - hardening including phase transitions and mechanical effects. Finite Elements in Analysis and Design 121 (2016), pp. 86–100, 2016.
[9] J. Montalvo-Urquizo, Q. Liu, A. Schmidt. Simulation of quenching involved in induction hardening including mechanical effects. Computational Materials Science 79 (2013), pp. 639–649, 2013.
[10] V. Kostov,J. Gibmeier, A. Wanner. Spatially resolved temporal stress evolution during laser surface spot hardening of steel. Journal of Materials Processing Technology 239 (2017), pp. 326–335, 2017.
[11] Jaroslav Chovan, Marian Slodicka. Induction hardening of steel with restrained Joule heating and nonlinear law for magnetic induction field: Solvability.
Journal of Computational and Applied Mathematics 00 (2016), pp. 1–17, 2016.
[12] S. Martínez, A. Lamikiz, E. Ukar, A. Calleja, J.A. Arrizubieta, L.N. Lopez de Lacalle. Analysis of the regimes in the scanner-based laser hardening process. Optics and Lasers in Engineering 90 (2017), pp. 72–80, 2017.
[13] Shengxiao Zhu Zhou Wang Xunpeng Qin Huajie, Mao Kai Gao. Theoretical and experimental analysis of two - pass spot continual induction hardening of AISI 1045 steel. Journal of Materials Processing Technology (2015), pp. 1–37, 2015.
[14] Chen Chen, Bo Lv, Fei Wang, Fucheng Zhang. Low–cycle fatigue behavior of pre-hardening Hadfield steel. Materials Science & Engineering A (2017), pp. 1–18, 2017.
[15] Markus Bambach, Laura Conrads, Markus Daamen, Onur Guvenc, Gerhard Hirt. Enhancing the crashworthiness of high - manganese steel by strain – hardening engineering, and tailored folding by local heat - treatment. Materials &
Design (2016), pp. 1–23, 2016.
[16] Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép công cụ hợp kim SKD12 để chế tạo khn ép tạo hình. Internet:
http://www.vista.gov.vn/UserPages/News/detail/tabid/73/newsid/14670/seo/ Nghien-cuu-cong-nghe-san-xuat-thep-cong-cu-hop-kim-SKD12-de-che-tao-khuon- ep-tao-hinh/language/vi-VN/Default.aspx. 20/4/2017.
[17] Nghiên cứu công nghệ chế tạo thép 9Cr18Mo để làm gối trục truyền máy cán thép. Internet:
http://www.vista.gov.vn/UserPages/News/detail/tabid/73/newsid/14641/seo/ Nghien-cuu-cong-nghe-che-tao-thep-9Cr18Mo-de-lam-goi-truc-truyen-may-can- thep/language/vi-VN/Default.aspx. 20/4/2017.
[18] Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chân vịt tàu thủy cho tàu 6000DWT - 7000DWT bằng thép khơng rỉ chịu ăn mịn nước biển. Internet:
http://www.vista.gov.vn/UserPages/News/detail/tabid/73/newsid/14439/seo/ Nghien-cuu-thiet-ke-che-tao-chan-vit-tau-thuy-cho-tau-6000DWT--7000DWT- bang-thep-khong-ri-chiu-an-mon-nuoc-bien/language/vi-VN/Default.aspx. 20/4/2017.
[19] Đánh giá hiệu quả sản xuất phôi thép trong cơng nghệ luyện thép bằng lị cảm ứng. Internet:
http://www.vista.gov.vn/UserPages/News/detail/tabid/73/newsid/14251/seo/ Danh-gia-hieu-qua-san-xuat-phoi-thep-trong-cong-nghe-luyen-thep-bang-lo-cam- ung/language/vi-VN/Default.aspx. 20/4/2017.
[20] Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác SAE4161 dùng để sản xuất dụng cụ y tế. Internet:
http://www.vista.gov.vn/UserPages/News/detail/tabid/73/newsid/13443/seo/ Nghien-cuu-cong-nghe-san-xuat-thep-mac-SAE4161-dung-de-san-xuat-dung-cu-y- te/language/vi-VN/Default.aspx. 20/4/2017.
[21] Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép và vật liệu xây dựng không nung từ nguồn thải bùn đỏ trong quá trình sản xuất alumin tại Tây Nguyên. Internet:
http://www.vast.ac.vn/cac-de-tai-nghien-cuu-khoa-hoc-va-phat-trien-cong- nghe?start=120?option=com_detai&view=detai&id=892. 20/4/2017.
[22] Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tôi phân cấp trong lị chân khơng để nhiệt luyện khn kích thước lớn. Internet:
http://www.vista.gov.vn/UserPages/News/detail/tabid/73/newsid/14455/seo/ Nghien-cuu-ung-dung-phuong-phap-toi-phan-cap-trong-lo-chan-khong-de-nhiet- luyen-khuon-kich-thuoc-lon/language/vi-VN/Default.aspx. 20/4/2017.
[23] Nghiên cứu ứng dụng, chuyển giao công nghệ và thiết bị nhiệt luyện. Internet:
http://viencongnghe.com/nghien-cuu-ung-dung-chuyen-giao-cong-nghe-va- thiet-bi-nhiet-luyen/. 20/4/2017.
[24] Nguyên lý tôi phân cấp, tơi phân cấp trong lị chân không đơn buồng. Internet:
http://viencongnghe.com/306-2/. 20/4/2017.
[25] Nhiệt luyện thép làm khn bền nóng. Internet:
http://viencongnghe.com/nhiet-luyen-thep-lam-khuon-ben-nong/. 20/4/2017. [26] Nghiên cứu cơng nghệ nhiệt luyện bằng Laser CO2. Internet:
http://hiendaihoa.com/co-khi-may-moc/giai-phap-ung-dung-co-khi-may- moc/nghien-cuu-cong-nghe-nhiet-luyen-bang-laser-co2.html. 20/4/2017.
[27] Nghiêm Hùng. Vật liệu học cơ sở. NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, 2014.
[28] Nguyễn Văn Đán, Nguyễn Ngọc Hà, Đặng Vũ Ngoạn, Trương Văn Trường. Vật liệu kỹ thuật. NXB Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2006.
[29] DIN EN 10083-2:2006, Steels for quenching and tempering – Part 2:
Technical delivery conditions for non alloy steels. Deutsches Institut für Normung,
[30] Material specification sheet C45. Internet:
http://www.saarstahl.com/sag/downloads/download/12970, 16/5/2016. [31] A. Kulawik, A. Bokota. Modelling of quenching process of mediumcarbon steel. Archives of Foundry Engineering Volume 10, 2010, pp. 83 –
88, January 2010.
[32] J. Winczek, A. Kulawik. Dilatometric and hardness analysis of c45 steel tempering with different heating-up rates. Metalurgija 51 (2012) 1, pp. 9-12, 2012.
[33] Michael Kröning, Material Degradation of Nuclear Structures - Mitigation by Nondestructive Evaluation, TPU Lecture Course 2014.
[34] Hu Zhizhong. The Handbook of Steel and Its Heat Treatment Curve.
Defence Industry Press, Beijing, 2007.
[35] JIS G 3101:2010, Rolled steels for general structure. Japanese Industrial Standard, Japan, May 2010.
[36] S. K. Patel. Heat treatment of low carbon steel. National Institute of
Technology Rourkela, Septemper 2008.
[37] ASTM E18 – 98, Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials. AMERICAN SOCIETY FOR
TESTING AND MATERIALS, USA, 1998.
[38] ASTM E112 – 96, Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, USA,
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÔI CẢM ỨNG TỪ CỤC BỘ CNC CHO MẶT PHẲNG
DEVELOPMENT OF CNC INDUCTION HARDENING PROCESS FOR FLAT SURFACE CARBON STEEL SPECIMENS
Phạm Sơn Minh(1), Hồ Công Minh(2)
(1)
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, Số 1, đường Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam. (2)
Học viên cao học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, Số 1, đường Võ Văn Ngân, Quận
Thủ Đức, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam.
TĨM TẮT
Đề tài nghiên cứu q trình tơi cảm ứng từ cục bộ CNC trên các mẫu thép C45 và SS400. Các thông số và kết quả gia nhiệt được mô phỏng bằng mơ hình cảm ứng từ trường 3D trên phần mềm COMSOL Multiphysics 5.0 nhằm tối ưu quá trình gia nhiệt. Cuộn dây cảm ứng được thiết kế với ba vòng xoắn ốc phẳng nhằm tạo dòng điện Foucault để gia nhiệt bề mặt chi tiết. Các mẫu thí nghiệm được đánh giá qua phương pháp đo độ cứng đạt được sau khi tơi và hình ảnh thành phần kim tương vật liệu. Thực nghiệm cho thấy tổ chức Mactenxit đạt được sau khi tôi quyết định đến độ cứng bề mặt chi tiết. Hình ảnh kim tương cho thấy tổ chức Mactenxit xuất hiện hầu hết tại khu vực hình vành khăn nên độ cứng tại khu vực này được cải thiện rõ rệt; trong khi tại tâm cuộn dây tổ chức đạt được là Peclit nên độ cứng không đạt yêu cầu. Để đạt được độ cứng chi tiết đồng đều thì cần phải tiến hành gia nhiệt trên tồn bề mặt trong q trình tơi bằng phương pháp di chuyển cuộn dây theo từng điểm rồi gia nhiệt cục bộ tại từng vị trí này. Kết quả phương án di chuyển cuộn dây theo từng điểm kết hợp tôi cảm ứng từ cục bộ tại từng vị trí này giúp cải thiện và phân bố độ cứng đồng đều trên toàn bộ bề mặt chi tiết.
Từ khóa: tơi cảm ứng từ, tơi cao tần, tơi bề mặt.
ABSTRACT
The aim of this paper is investigate the result of CNC induction hardening process for C45 and SS400 flat surface carbon steel specimens. Experience data and results were simulated and set up by 3D electro-magnetic model coupled temperature fields of COMSOL Multiphysics 5.0 software. The heating source of induction process will be created by Foucault current on the the surface of specimens with flat spiral induction coil. The effect of process will be evaluated by measuring the hardness and metallographic techniques of material. Results showed that the martensite affect the hardness off material. The distribution of the hardness area will be depended on the result of achieved temperature located on the surface which is accordance to the shape of induction coil. In the annular zone, martensite appears almost surface areas of the annular zone, while pearlite causes the lowest hardness of the central zone. To upgrade hardness all surface, induction coil must effect over all areas of specimens. For this purpose, we can move the coil to increase temperature point by point opposite on the surface of specimens. An CNC machine is modified to do this moving task. Results show that the method of moving coil point by point bring the best solution for induction hardening for flat surface.
Keywords: induction hardening, high frequency hardening, surface hardening.
mặt chi tiết trong các điều kiện làm việc chịu mài mòn cao. Đề tài 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