1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Theo số liệu của Cục xúc tiến thương mại thì nguồn nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất mà cụ thể là thép cho ngành cơ khí phụ thuộc rất nhiều vào thép nhập khẩu từ nước ngoài. Trong năm 2016, Việt Nam đã chi hơn 10,4 tỷ USD nhập khẩu sắt, thép các loại. Kết quả, sắt thép đứng thứ 5 trong danh mục 10 mặt hàng nhập khẩu nhiều nhất của nền kinh tế. Lý do là ngành công nghệ vật liệu và luyện thép chưa phát triển ở nước ta vì vậy chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong nước. Điều này dẫn đến một lượng lớn ngoại tệ bị chảy ra nước ngoài đồng thời giá thành sản phẩm tăng lên làm cho năng suất lao động giảm đi.
Trong thời gian ngắn thì vấn đề này sẽ chưa thể giải quyết được vì cịn phụ thuộc rất nhiều yếu tố cũng như trình độ phát triển khoa học kỹ thuật. Do đó yêu cầu đầu tiên là giảm đến mức tối thiểu hàm lượng thép cơ khí nhập khẩu nước ngoài. Thép cho ngành cơ khí đang được nhập khẩu rất nhiều loại đặc biệt là các thép cơ tính cao được sử dụng cho lĩnh vực gia cơng khn (Ví dụ như SKD11 có độ cứng lên đến 60 - 70 HRC) chiếm tỷ trọng khá lớn về cả số lượng và giá thành.
Hiện nay có một số giải pháp được đưa ra nhằm làm giảm chi phí cho q trình gia cơng khn bằng cách thay thế vật liệu có cơ tính gần tương đương, hoặc sử dụng thép thông thường gia công khuôn rồi tiến hành tôi để tăng độ cứng. Tuy nhiên do mục đích sử dụng đặc thù thì chỉ có thép SKD11 đáp ứng các u cầu kỹ thuật trong khi các vật liệu tương đương chưa thể thay thế được. Phương pháp tôi khn sau gia cơng có thể làm tăng độ cứng nhưng dẫn đến bề mặt khn thiếu chính xác và khơng đạt độ nhám do ảnh hưởng biến dạng trong quá trình gia nhiệt.
Phương pháp tơi cảm ứng từ điều khiển CNC có thể khắc phục được các hạn chế xảy ra do biến dạng lịng khn đồng thời vẫn tạo ra độ cứng đáp ứng yêu cầu làm việc của khn. Ngồi ra, việc tôi và làm cứng lớp bề mặt sẽ giúp khuôn tránh được các hư hỏng nứt gãy do bị giịn vì chỉ có lớp ngồi cứng trong khi bên trong vẫn đạt độ dẻo dai làm việc cần thiết.
Tóm lại phương pháp tơi cảm ứng thành cơng có thể giúp giảm chi phí mua vật liệu cơ khí, thời gian đáp ứng nhanh đồng thời làm tăng năng suất lao động cho quá trình sản xuất.
1.3. Mục đích của đề tài
Thiết kế, chế tạo máy tôi cảm ứng CNC trên cơ sở cải tiến máy phay CNC 3 trục.
Thực nghiệm tôi cảm ứng các mẫu thép vật liệu C45 và SS400, xác định kết quả độ cứng đạt được và cấu trúc tế vi.
Làm cơ sở để nghiên cứu, chế tạo hồn chỉnh máy tơi cảm ứng CNC sử dụng cho các bề mặt lịng khn phức tạp.
1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.4.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu các thông số nhiệt độ, tần số, thời gian tối ưu cho q trình tơi cảm ứng bề mặt.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Cải thiện độ cứng bề mặt chi tiết trong khi vẫn giữ được cấu trúc bên trong vật liệu.
Thiết kế máy tôi cảm ứng CNC có thể ứng dụng cho các chi tiết lịng khn phức tạp hơn.
1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.5.1. Nhiệm vụ của đề tài
Tìm hiểu lý thuyết cơng nghệ vật liệu thép cacbon. Tìm hiểu lý thuyết cơng nghệ nhiệt luyện.
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép C45 và SS400 gồm tơi thể tích thơng thường và tơi cảm ứng.
Tìm hiểu lý thuyết đo độ cứng và xác định cấu trúc tế vi thép sau khi tơi. Mơ phỏng q trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol Multiphysics. Chế tạo các mẫu thí nghiệm tơi cảm ứng bằng các vật liệu C45 và SS400. Lập quy trình và tiến hành thực nghiệm tơi cảm ứng từ cục bộ CNC cho mặt phẳng với các mẫu thép được chuẩn bị ở trên.
Tiến hành đo độ cứng, xác định thành phần kim tương, chiều sâu thấm tôi và đánh giá kết quả đạt được sau khi tôi.
1.5.2. Giới hạn đề tài
Đề tài nằm trong phạm vi làm luận văn thạc sĩ nên điều kiện vật chất và thời gian yêu cầu chỉ dừng lại ở mức độ thực nghiệm tôi cảm ứng các mẫu thép phẳng. Việc thực nghiệm trên các bề mặt lịng khn phức tạp cũng như thông số nhiệt luyện tối ưu sẽ được nghiên cứu chuyên sâu sau này. Do đó đề tài tập trung thực nghiệm tôi cảm ứng bề mặt và xác định độ cứng cũng như cấu trúc tế vi vật liệu sau q trình tơi.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết vật liệu thép cacbon, lý thuyết tôi thể tích và tơi cảm ứng từ, phương pháp đo độ cứng, phân tích
kim tương và chiều sâu thấm tơi. Mơ phỏng q trình gia nhiệt bằng phần mềm COMSOL MULTIPHYSICS.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Cải tiến máy phay CNC 3 trục thành máy tôi cảm ứng từ CNC. Thực nghiệm tôi cảm ứng từ CNC cho các mẫu vật liệu thép C45 và SS400. Xác định độ cứng, cấu trúc tế vi vật liệu và chiều sâu thấm tôi đạt được.
Phương pháp phân tích, so sánh: Dựa trên cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm để phân tích đánh giá kết quả đạt được. Từ đó kết luận sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cũng như khả năng ứng dụng trong thực tế.
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở lý thuyết công nghệ vật liệu kim loại
2.1.1. Sơ lược về sắt và tinh thể sắt
Sắt là nguyên tố kim loại, trong thiên nhiên sắt có trong các loại quặng, đất đá và tồn tại khá nhiều ở lớp vỏ trái đất. Sắt và hợp kim của sắt đóng vai trị to lớn trong sự tiến hóa và phát triển của lịch sử lồi người.
Cơ tính của sắt [27]:
- Giới hạn chảy δc = 120 N/mm2 - Độ bền kéo δb = 250 N/mm2 - Độ giãn dài δ = 50 %
- Độ dai va đập αk = 2500 KJ/m2
Sắt tuy có độ bền, độ cứng khá cao song chưa đáp ứng được các yêu cầu của sản xuất. Vì thế trong kỹ thuật thường sử dụng các hợp kim của sắt, có cơ tính cao hơn và hầu như khơng dùng sắt nguyên chất.
Sắt có hai kiểu mạng tinh thể phổ biến: Lập phương tâm mặt A1 và lập phương tâm khối A2 [27].
- Lập phương tâm khối A2, tồn tại ở hai dạng thù hình là: Feα trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ thường đến 911oC và Feδ trong khoảng nhiệt độ từ 1392oC đến 1539oC. Kiểu lập phương tâm khối có nhiều lỗ hổng, mỗi lỗ hổng có kích thước nhỏ (lỗ bốn mặt có bán kính r = 0,291 kích thước nguyên tử sắt rFe, lỗ tám mặt có bán kính r = 0,154 kích thước nguyên tử sắt rFe, chứa khối cầu kích thước tối đa r = 0,0364 nm) và nhìn chung có mật độ sắp xếp thấp [27].
- Lập phương tâm mặt A1, tồn tại ở dạng thù hình Feγ, trong khoảng nhiệt độ từ 911 đến 1392oC. Kiểu lập phương tâm mặt có ít lỗ hổng nhưng lỗ hổng có kích thước lớn hơn (lỗ bốn mặt r = 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe, chứa khối cầu kích thước tối đa r = 0,052 nm) và mật độ sắp xếp cao hơn [27].
a) b)