CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.3. Nâng cao chất lượng bề mặt bằng phương pháp EDM
Hiện tƣợng thay đổi lớp bề mặt trong gia công bằng EDM đã đƣợc quan sát từ thập niên 60 của thế kỷ 20. Năm 1965 các tác giả đã chỉ ra rằng thép cacbon thấp bị bào mòn trong dung dich điện môi là paraffin và điện cực bằng đồng, phôi bị phủ với một lớp rất cứng và rất khó để loại bỏ bằng phương pháp rũa. Đó là do hiện tƣợng cacbit hóa của lớp sử dụng dung dịch điện môi hydrocacbon và nhiệt luyện.
Việc dịch chuyển vật liệu phụ thuộc vào các thông số điện. Lớp bề mặt ngoài có độ cứng cao, độ bền nhiệt tốt, độ bền mòn tốt hơn và sự biến đổi pha của nó cũng đƣợc đƣa ra trong [16]. Lớp bề mặt là các bít hợp kim có cấu tạo rất phức tạp có thể duy trì độ cứng vững ở nhiệt độ cao. Phân tích cấu trúc của lớp kết tinh trên bề mặt và sự khuyếch tán của thép dụng cụ cacbon thấp, thép cacbon cao, thép tốc độ cao với vật liệu điện cực là đồng và đồng thau, dung dịch điện môi là nước cất và dầu hoả.
Quan sát thấy, năng lương gia công cao cho kết quả lớp kết tủa trên bề mặt thấp nhƣng chiều sâu khuyếch tán lớn hơn. Thép cao tốc có lớp kết tủa tốt nhất sau đó đến thép các bon cao, thép cacbon thấp có lớp kết tủa là ít nhất. Gia công sử dụng
31
dung dịch điện môi là nước cất với xung có năng lượng cao được kết quả lớp kết tủa thấp và chiều sâu khuyếch tán nhỏ hơn so với gia công trong dầu hỏa. Năng lƣợng xung (dòng cực đại) đƣợc chỉ ra rằng là yếu tố quan trọng nhất để tạo ra lớp kết tủa trên bề mặt so sánh với vật liệu dụng cụ, vật liệu phôi hoặc dung dịch điện môi.
Tương tự như kết quả được công bố bởi [6]. Các tác giả kết luận rằng các điều kiện làm việc trong phạm vi khe hở giữa phôi và dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra cấu trúc hóa học và đặc trƣng của kim loại nóng chảy và lớp kết tinh sau đó. Đặc trƣng lớp bề mặt của bề mặt gia công đƣợc khảo sát rộng rãi bởi và thí nghiệm đã cố gắng xác định chiều sâu lớp bề mặt (lớp bị thay đổi) liên quan với các thông số công nghệ và độ nhấp nhô bề mặt sau khi gia công bằng EDM. Nó chỉ ra rằng, với một chất điện môi và điều kiện dòng chảy không đổi lớp bề mặt bị thay đổi quan hệ mật thiết với năng lƣợng của xung điện kể cả thép dụng cụ. Một nghiên cứu về gia công tia lửa điện khô của với điện cực bằng đồng và phôi là thép chỉ ra rằng trong trường hợp gia công EDM trong không khí tỷ lệ mòn điện cực thấp hơn và lượng bóc tách vật liệu cao hơn khi điện cực là âm bản. Ngược lại trong trường hợp gia công bằng EDM trong chất điện môi lƣợng mòn điện cực nhiều hơn và lƣợng bóc tách vật liệu thấp hơn khi điện cực là cực âm. Do đó, việc phân cực phải đảm bảo mong muốn vật liệu chuyển từ dụng cụ đến phôi. Sử dụng điện cực quay để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến dụng cụ hợp kim và bề mặt phôi. Các khảo sát về thay đổi độ cứng tế vi, chiều sâu của lớp kết tinh lại và vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt trên thép làm khuôn Crom Cacbon cao được nghiên cứu. Họ cũng quan sát thấy có sự thay đổi đáng kể về thành phần hóa học lớp bề mặt gia công do sự xâm nhập của vật liệu từ điện cực [9]. Với thời gian phát xung tương đối nhỏ, dòng điện cực đại nhỏ và phân cực thuận đã tạo ra một lớp TiC có nhiều vết nứt tế vi trên lớp bề mặt vật liệu Titan sau gia công EDM. Một số hiệu quả mang lại trong việc nâng cao chất lƣợng bề mặt sau gia công bằng EDM nhƣ:
độ cứng, đặc tính ma sát, chịu mài mòn. Hình 1.10 thể hiện ảnh SEM tế vi của thép làm khuôn OHNS trước khi gia công [21]. Hình 1.11 và hình 1.12 cho biết ảnh SEM tế vi của thép làm khuôn OHNS sau khi gia công tương ứng với điện cực bằng
32
đồng và điện cực bằng Cu-Vonfram. Các thông số quan trọng của quá trình gia công nhƣ dòng điện cực đại (Ip), thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung cũng đã đƣợc kể đến. Khi quan sát ảnh tế vi cho thấy chất lƣợng bề mặt đã đƣợc nâng cao. Sử dụng điện cực truyền thống nâng cao chất lƣợng bề mặt cho kết quả hạn chế và ứng suất tập trung nhiều hơn khi sử dụng dụng cụ điện cực là hợp kim bột.
Hình 1.10. Ảnh SEM bề mặt thép OHNS ban đầu [21]
Hình 1.11. Ảnh SEM bề mặt thép OHNS sau EDM với điện cực Cu-W (Ip=6A, Pon=5às, P0ff=85 às)[ 21]
33
Hình 1.12. Ảnh SEM bề mặt thép OHNS sau EDM với điện cực Cu-W (Ip=6A, Pon=5às, P0ff=57 às).[21]
1.3.2. Vật liệu hợp kim bột làm điện cực
So sánh chất lƣợng của việc sử dụng cụ điện cực làm bằng hợp kim bột và các điện cực thông thường trong gia công EDM (phân cực thuận và không nhằm mục đích nâng cao chất lƣợng bề mặt) đã đƣợc thực hiện bởi. Các điện cực bằng hợp kim bột được tìm thấy có khả năng nhảy cảm với sự thay đổi của cường độ dòng điện xung, khoảng thời gian phát xung và tác động của chúng lên các thông số đầu ra nhƣ lƣợng bóc tách vật liệu, mòn điện cực là khác nhau so với điện cực truyền thống. Phương pháp phủ bằng EDM (EDC) để tăng bền và sửa chữa bề mặt các dụng cụ cắt, các khuôn dập [19]. Các thí nghiệm đƣợc thực hiện với thép các bon và bánh điện cực bột Titan và dụng cụ là điện cực âm, thời gian gia công 18 phút. Kết quả thí nghiệm cho thấy với cường độ dòng phóng tia lửa điện thấp (2- 10)A và thời gian phỏt xung (2-10)às khi nồng độ TiC ≥ 51% cho độ cứng bề mặt tăng 3 lần. Trị số độ cứng tế vi nhận được lớn nhất khi cường độ dòng phóng tia lửa điện 2,2A và thời gian phỏt xung 2às. Nghiờn cứu với bỏnh điện cực Titan đó giỳp nâng cao tuổi bền làm việc của khuôn từ 3-7 lần. Độ bền bám dính và đặc trƣng ma sát của bề mặt cũng đƣợc tìm thấy tốt hơn. Sử dụng bánh điện cực đồng thau có 90%Cu-10%Sn phân cực ngƣợc với thép C thấp và cho thấy có sự thay đổi bề mặt.
Pha chính trên bề mặt là Cu3Sn ngoài ra còn có các pha Cu6Sn5 và CuSn. Các tác
34
giả kết luận có thể đã có những thay đổi về thành phần hóa học và hóa lý của lớp bề mặt bởi các thay đổi phù hợp của thành phần và cầu trúc của bánh hợp kim. Bánh điện cực cacbit Vonfram 40%WC và 60%Fe đƣợc sử dụng để nâng cao độ bền mòn của thép các bon thấp. Phân tích EDS của bề mặt đã chỉ ra sự di chuyển của WC tới bề mặt ra công. Không chỉ các pha WC và W2C, cacbit của Fe cũng có mặt trong lớp phủ ở bề mặt ở dạng các pha của FeC, (Fe3C)H và Fe3C. Nâng cao (25-60)% độ bền mài mòn cũng đƣợc đƣa ra. Phân tích kính hiển vi điện tử bề mặt của thép các bon thấp (S15C) đƣợc gia công điện cực bằng hợp kim W-Cu (50-50%) thiêu kết.
thực hiện cải thiện bề mặt thép carbon và nhôm bằng cách sử dụng các điện cực tổng hợp Cu, Al, WC và Ti trong dầu hyđrocacbon [26]. Sự tồn tại của vật liệu điện cực đƣợc tìm thấy trên lớp bề mặt của phôi và các đặc trƣng của lớp bề mặt bị thay đổi đáng kể. Một nghiên cứu khác về cải thiện bề mặt của Al đã đƣợc tiến hành bởi [12] bằng sử dụng điện cực hợp kim bột với 64%Ti và 36%Al và thu đƣợc các kết tủa của TiC trên bề mặt gia công. Điện cực phân cực âm và dầu hoả đƣợc dùng làm như dung môi. Đường kính trung bình và chiều sâu lớp hợp kim của các vết lõm tia lửa điện tăng lên với việc tăng chiều rộng của xung, các hệ số quan trọng khác tồn tại trong dòng điện phóng. Có thể thấy rằng áp lực hình thành các điện cực hợp kim bột không ảnh hưởng đến việc di chuyển vật liệu. [18] còn thành công trong việc đắp nhôm lên bề mặt thép và TiC lên bề mặt nhôm bằng cách sử dụng các bánh điện cực Al và Ti-Al tương ứng với EDM truyền thống. Điều này thu được bằng cách sử dụng các điện cực xốp với điện cực âm thuận tiện cho dụng cụ hao mòn. Trong một phân tích so sánh 2 phân cực, [9] đƣợc gia công thép 0,4%C với điện cực có vật liệu gồm 70%Fe và 30%WC sử dụng cả phân cực thuận và phân cực ngƣợc. Các yếu tố được kiểm tra trên bề mặt: Phân tích kim tương quang học, SEM, EDS, phân tích EDX, đo nhấp nhô bề mặt và độ cứng tế vi. Lớp chống ma sát đƣợc mô tả dọc theo bề mặt của các mẫu gia công cho tất cả các năng lƣợng xung đƣợc thử nghiệm, không phụ thuộc sự phân cực. Vùng giàu W đƣợc tìm thấy trong lớp hợp kim chống ma sát với phân cực âm, nhƣng năng lƣợng xung cao trong suốt quá trình gia công cho kết quả các vết nứt và khuyết tật bề mặt bề mặt trở lên sâu rộng. Thống kế các
35
phân tích đƣợc cố gắng bởi [27] bằng cách sử dụng hàm thiết kế Taguchi. Họ tiến hành nâng cao bề mặt của thép H13 bằng các điện cực WC/Co và nhận dạng yếu tố ảnh hưởng chính. Lớp hợp kim và lớp cải thiện có tương đối ít các vết nứt tế vi, chiều dày trung bình 30m và độ cứng bề mặt 1319HK, lớp dưới 634HK. Từ các nghiên cứu trên có thể thấy rằng EDM là một phương pháp công nghệ có tiềm năng trở thành một phương pháp công nghệ hữu ích và giá rẻ trong cải thiện bề mặt. Các điện cực hợp kim bột cung cấp một cách thuận tiện để đạt đƣợc bề mặt hợp kim theo ý muốn. Tuy nhiên nhiều vấn đề liên quan đến công nghệ đắp chƣa đƣợc hiểu đúng [24] và các lỗ lực nghiên cứu chính đã được yêu cầu theo chiều hướng này.
1.3.3. Trộn bột vào dung dịch điện môi
Các hạt lơ lửng tạo thuận lợi cho quá trình đánh lửa bằng cách tạo ra một xác xuất phóng điện cao hơn và làm giảm độ bền đánh thủng của chất điện môi, Hình 1.12. Kết quả là, lƣợng bóc tách vật liệu tăng, lƣợng mòn dụng cụ giảm và hiệu quả phát tia lửa điện đƣợc cải thiện. Các bột dẫn điện làm tăng khe hở phóng điện và cải thiện bề mặt gia công bằng cách giảm năng lƣợng tia lửa điện và phân tán phóng điện một cách ngẫu nhiên hơn nữa trên bề mặt [15]. Độ dày của các lớp đúc lại nhỏ hơn và các vết nứt tế vi giảm do đó khả năng chống ăn mòn của bề mặt đƣợc cải thiện đáng kể. [16] tìm thấy sự hiện diện của bột Si trong dung dịch điện môi đã gần nhƣ loại bỏ hầu hết các điều kiện gia công không phát hiện đƣợc. Độ bóng và độ phản chiếu của các miệng lỗ đƣợc hình thành và cải thiện nhấp nhô bề mặt phụ thuộc vào diện tích bề mặt điện cực (hình 1.13). Những bột này Ở nhiệt độ cao bay hơi kết hợp với C (từ cracking dung dịch điện môi hydro cacbon) để hình thành các cacbit cứng trên bề mặt gia công.
36
Hình 1.13. Nguyên lý của PMEDM
a)
37
Hình 1.14. Ảnh SEM bề mặt thép H13 sau EDM với điện cực Cu [21]
a. Không có bột b. Bột Si với điện cực 32cm2 c. Bột Si với điện cực 64cm2 Bề mặt đƣợc cải thiện có độ cứng cao hơn với sự gia tăng thời gian phát xung và nồng độ bột Một ảnh hưởng khác của việc bổ xung các hydrocacbon thơm của dung dịch điện môi tới sự đánh lửa và phân tích các pha của sự phóng điện duy nhất đã đƣợc báo cáo bởi. Việc cho thêm các chất pha tạp vào chất điện môi có thể đƣợc sử dụng để đƣa các hợp chất muốn có tới lớp bề mặt phôi [2], [10]. Các bon trong hydrocacbon điện ly kết hợp với các phần tử pha tạp hình thành nên các cacbit tương ứng. Phôi là dương cực và điện cực là âm cực dùng cho các ứng dụng. Trong trường hợp cùng nồng độ hạt bột hợp kim thì hai thông số chính ảnh hưởng đến lớp phủ là cường độ dòng điện xung và khoảng thời gian phát xung. Sử dụng bột Ti
c) b)
38
trong dung dịch điện môi dầu hỏa và tạo thành lớp TiC có độ cứng 1600HV trên thép C với điện cực âm bằng Cu, cường độ dòng điện 3A, khoảng thời gian phát xung 3 m [19]. Điện cực quay duy trì nồng độ cao các bột hợp kim trong vùng gia công. Cả bột Ti và TiC đều đƣợc tìm thấy khi phân tích EDX bề mặt và kết luận Cacbon đến từ chất điện môi. Bằng cách thêm Urê (CO(NH2)2) vào trong nước cất coi nhƣ là dung dịch điện môi cho gia công Ti, tạo thành TiN trên bề mặt phôi làm cải thiện ma sát và đặc trƣng mài mòn. Tốc độ bóc tách vật liệu và lƣợng hao mòn dụng cụ giảm tương ứng việc tăng thời gian khoảng xung. Một phương pháp tạo lớp bôi trơn rắn bằng chất MoS2 bằng các hạt lơ lửng trong dung dịch điện môi để tạo ra các chi tiết ứng dụng trong chân không siêu cao đã đƣợc giới thiệu bởi [20]. Điện áp mở cao, dòng tia lửa điện thấp, thời gian phát xung ngắn và khoảng cách xung trung bình đƣợc sử dụng để đắp lớp bôi trơn lên thép C và thép không gỉ. Các kết quả đã chứng minh rằng: bên cạnh việc thiết lập phân cực điện cực thích hợp và các thông số của xung còn có một ảnh hưởng lớn của vật liệu làm việc và đặc trưng của bột đến các thông số đặc trƣng cho quá trình gia công nhƣ: MRR, TWR và nhấp nhô bề mặt.