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 nguyên 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
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 dịng 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 tơi bề mặt [27].
Chiều sâu lớp thấm tôi δ được xác định theo cơng 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 tôi 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 tơi
Vịng cảm ứng được uốn sao cho có dạng bao và ơm lấy phần bề mặt cần nung để tơi nhưng khơng 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 tơi thơng 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. Thơng số nhiệt luyện
Thơng 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.
- Q 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
4.1. Mơ hình thí nghiệm
4.1.1. Giới thiệu
Ngày nay việc mô phỏng số được sử dụng để tối ưu hóa q trình thí nghiệm, sản xuất nhằm mang lại những lợi ích như tiết kiệm thời gian, chi phí, nguyên vật liệu, các rủi ro trong quá trình thực tế, giảm tác động đến mơi trường và con người. Trong đó, phần mềm Comsol Multiphysics được sử dụng rộng rãi trong các bài tốn mơ phỏng số để xây dựng các mơ hình vật lý trong các lĩnh vực khoa học cơ bản và kỹ thuật công nghệ như: truyền nhiệt, điện tử, động học chất lưu, phản ứng hóa học, sự lan truyền sóng, ….
Phạm vi luận văn sử dụng phần mềm mô phỏng số Comsol Multiphysics trong việc mơ phỏng q trình gia nhiệt bề mặt thép cho quá trình tơi cảm ứng từ cục bộ. Điều này giúp cho q trình thí nghiệm đạt kết quả nhiệt độ tối ưu cũng như đảm bảo nhiệt độ nung nóng u cầu cho q trình tơi cao tần.
4.1.2. Thiết kế cuộn dây cảm ứng
Theo lý thuyết về hiện tượng cảm ứng điện từ thì để gia nhiệt được bề mặt phẳng trên tấm thép thì cuộn dây phải được thiết kế dạng mặt phẳng đảm bảo các đường cảm ứng từ hướng vng góc với bề mặt tấm thép. Để thực hiện được điều này thì cuộn dây sẽ được thiết kế hình trịn và đặt song song với bề mặt tấm thép. Việc thiết kế cuộn dây được thực hiện và mô phỏng sao cho nhiệt độ trên bề mặt tấm thép đạt u cầu cho q trình tơi với thời gian gia nhiệt nhanh nhất.
Dựa trên các thông số kỹ thuật máy phát cao tần và đặc tính vật liệu thì để đạt được nhiệt độ cần thiết cần phải sử dụng ống đồng tiết diện 8 mm và số vòng yêu cầu là 3 vịng. Khi đó cuộn dây sẽ được thiết kế hình xoắn ốc 3 vịng.
Thơng số hình học cuộn dây hình xoắn ốc như sau: - Vật liệu: Đồng
- Tiết diện đường ống: Đường kính ngồi 8 mm, chiều dày ống 0.7 mm. - Số vòng: 03 vịng
- Đường kính vịng trong: 40 mm - Đường kính vịng ngồi: 110 mm
- u cầu các góc uốn khơng được gấp khúc. - Bán kính cung lượn: 15 – 20 mm
Hình 4.1: Mơ hình cuộn dây cảm ứng
4.1.3. Mơ hình mơ phỏng
Bố trí vị trí tương quan giữa phơi thép và cuộn dây như sau: - Mặt phẳng cuộn dây song song bề mặt tấm thép.
- Khoảng cách giữa cuộn dây và tấm thép: 3 mm.
Việc thiết lập mơ hình mơ phỏng Comsol được thực hiện qua các u cầu sau:
- Tạo khối khơng khí có kích thước 500 x 500 x 200 mm bao quanh mơ hình tấm thép và cuộn dây, đảm bảo phơi thép nằm hồn tồn bên trong khối khơng khí.
Hình 4.3: Thiết lập mơ hình cho q trình mơ phỏng nhiệt trên Comsol
- Lựa chọn và thiết lập đúng các thông số kỹ thuật vật liệu trong mơ hình mơ phỏng.
4.2. Kết quả mô phỏng
4.2.1. Trường hợp 1: Gia nhiệt tại một vị trí
Thơng số q trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Tần số: 20.000 Hz.
- Dòng điện: 350 A.
- Khoảng cách cuộn dây và bề mặt phôi: 3 mm. - Tốc độ: 0 mm/s.
Hình 4.4: Phân bố nhiệt độ bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số
20.000Hz, thời gian gia nhiệt 30 giây, cuộn dây đứng yên.
Hình 4.5: Phân bố mật độ từ thông bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số
Hình 4.6: Đồ thị gia nhiệt tại các điểm trên bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với
tần số 20.000Hz, thời gian gia nhiệt 30 giây, cuộn dây đứng yên. Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol:
- Nhiệt độ bề mặt lớn nhất: 905oC đạt được tại khu vực hình vành khăn được bao phủ bởi cuộn dây.
- Nhiệt độ tại vị trí tâm cuộn dây chỉ đạt khoảng 600oC.
- Nguyên nhân: Mật độ từ thơng tập trung tại khu vực hình vành khăn trên tấm thép tương ứng với hình dạng trên cuộn dây.
4.2.2. Trường hợp 2: Di chuyển cuộn dây dọc trục X
Thơng số q trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Tần số: 20.000 Hz.
- Dòng điện: 350 A.
- Khoảng cách cuộn dây và bề mặt phôi: 3 mm. - Tốc độ: 3 mm/s.
- Hướng di chuyển cuộn dây dọc trục X. - Thời gian: 60 giây.
Hình 4.7: Phân bố nhiệt độ bề mặt phơi thép C45, bề dày 8 mm với tần số
20.000Hz, thời gian gia nhiệt 60 giây, di chuyển dọc trục X. Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol:
- Nhiệt độ bề mặt lớn nhất: 902oC - Phạm vi gia nhiệt: 50 ± 5 mm
- Khảo sát nhiệt độ tại 10 điểm dọc theo phương di chuyển của cuộn dây (phương X). Kết quả cho thấy nhiệt độ tại khu vực giữa hành trình là lớn nhất và giảm dần theo phương X như đồ thị mơ phỏng.
Hình 4.8: Đồ thị gia nhiệt trên bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số
20.000Hz, thời gian gia nhiệt 60 giây, di chuyển dọc trục X.
4.2.3. Trường hợp 3: Di chuyển cuộn dây dọc trục Y
Thơng số q trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Tần số: 20.000 Hz.
- Dòng điện: 350 A.
- Khoảng cách cuộn dây và bề mặt phôi: 3 mm. - Tốc độ: 3 mm/s.
- Hướng di chuyển cuộn dây dọc trục Y. - Thời gian: 60 giây.
Kết quả mô phỏng gia nhiệt bằng phần mềm Comsol: - Nhiệt độ bề mặt lớn nhất: 902oC.
Hình 4.9: Phân bố nhiệt độ bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số
20.000Hz, thời gian gia nhiệt 60 giây, di chuyển dọc trục Y.
Hình 4.10: Đồ thị gia nhiệt trên bề mặt phôi thép C45, bề dày 8 mm với tần số
4.3. Lựa chọn phương án gia nhiệt dựa trên kết quả mô phỏng
Nhận xét cho 03 trường hợp mô phỏng:
- Nhiệt độ lớn nhất đạt được trong cả ba trường hợp đáp ứng cho q trình tơi cảm ứng từ.
- Hướng di chuyển cuộn dây dọc trục X và Y đều đạt nhiệt độ tôi cần thiết. Tuy nhiên nhiệt độ phân bố không đồng đều trên suốt hành trình vì để gia nhiệt một đoạn dài đòi hỏi thời gian lên đến 60 giây.
- Nhiệt độ tại khu vực cuối hành trình thấp hơn các vị trí ban đầu do thời gian gia nhiệt chưa đủ.
- Nếu gia nhiệt chỉ 01 vị trí thì nhiệt độ khơng đạt u cầu tại tâm cuộn dây nhưng bên trong khu vực hình vành khăn thì đạt nhiệt độ tơi. Do đó nếu gia nhiệt theo từng vị trí với khoảng dịch chuyển bằng đúng bán kính cuộn dây thì nhiệt độ đạt được sẽ đồng đều. Ngồi ra việc tơi theo từng điểm giúp kiểm soát được q trình làm nguội linh hoạt tại mỗi vị trí.
Phương án được chọn là gia nhiệt theo từng vị trí kết hợp tiến hành di chuyển cuộn dây dọc theo hai phương của chi tiết để đạt được nhiệt độ cho quá trình tơi trên tồn bộ bề mặt.
Chương 5
THÍ NGHIỆM TƠI CẢM ỨNG TỪ CỤC BỘ CNC CHO MẶT PHẲNG
5.1. Chuẩn bị mẫu thép
5.1.1. Vật liệu
Vật liệu sử dụng cho q trình thí nghiệm gồm hai loại là thép cacbon hàm lượng trung bình C45 và hàm lượng thấp SS400.
Để kết quả thí nghiệm chính xác thì mẫu thép phải được kiểm tra đảm bảo thành phần hóa học nằm trong phạm vi cho phép theo tiêu chuẩn được cho ở bảng 3.1 và 3.4. Ngồi ra việc thử nghiệm cịn làm cơ sở lý thuyết để so sánh cơ tính của thép trước khi tôi và độ cứng đạt được sau quá trình tơi cảm ứng.
Việc xác định thành phần hóa học bằng phương pháp phân tích quang phổ được thực hiện tại Phịng thí nghiệm kim loại và hợp kim, Khoa công nghệ Vật liệu Đại Học Bách Khoa Tp.HCM.
Hình 5.1: Xác định thành phần hóa học bằng phương pháp phân tích quang phổ
Bảng 5.1: Thành phần hóa học mẫu thép C45 sau khi phân tích quang phổ Thành phần hóa Thành phần hóa học (Theo tỷ lệ %) C Si Mn P S Cr Mo Ni Al 0,460 0,216 0,420 0,012 0,014 0,390 0,013 0,016 0,041 Co Cu Nb Ti V W Pb Sn Mg 0,002 0,030 <0,003 0,002 0,201 <0,001 <0,004 0,004 <0,000 As Zr Ca Ce Ta B Zn La Fe <0,003 0,004 0,001 <0,003 <0,008 0,005 0,005 0,002 <98,14 Nhận xét: Thành phần hóa học mẫu thép sau khi phân tích quang phổ nằm trong giới hạn cho phép của thép C45.
Bảng 5.2: Thành phần hóa học mẫu thép SS400 sau khi phân tích quang phổ
Thành phần hóa học (Theo tỷ lệ %) C Si Mn P S Cr Mo Ni Al 0,270 0,310 0,560 0,025 0,030 0,160 0,010 0,014 0,023 Co Cu Nb Ti V W Pb Sn Mg 0,003 0,040 0,002 <0,003 0,100 0,002 0,005 0,003 0,000 As Zr Ca Ce Ta B Zn La Fe 0,003 0,002 <0,004 0,002 0,005 0,006 <0,008 0,004 <98,40 Nhận xét: Thành phần hóa học mẫu thép sau khi phân tích quang phổ nằm trong giới hạn cho phép của thép SS400.
5.1.2. Kích thước mẫu thép
Kích thước các mẫu thép sử dụng trong thí nghiệm được cho ở bảng sau:
Bảng 5.3: Bảng kích thước các mẫu thép thí nghiệm
5.1.3. Chuẩn bị mẫu thép
Mẫu thép thí nghiệm được cắt mẫu từ các tấm thép ban đầu có kích thước: dài x rộng x dày = 12000 x 1800 x 8 mm và 12000 x 1800 x 10 mm và đã được đảm bảo đúng chủng loại từ nhà cung cấp.
Hình 5.2: Mẫu thép thí nghiệm STT VẬT LIỆU STT VẬT LIỆU CHIỀU DÀI (mm) CHIỀU RỘNG (mm) BỀ DÀY (mm) GHI CHÚ 1 C45 150 150 10 Tơi 01 vị trí 2 C45 200 170 8 Tôi 01 đường liên tục 3 C45 200 200 10 Tôi 01 đường 03 vị trí 4 SS400 200 170 8 Tơi 01 đường 03 vị trí 5 SS400 280 170 8 Tôi 03 đường 09 vị trí 6 SS400 280 170 8 Tôi 03 đường 09 vị trí
Phương pháp gia cơng mẫu thép như sau:
- Tấm thép được cắt bằng ngọn lửa Acetylen + Oxy với kích lượng dư