Đồ án chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang điện cực không nóng chảy, phân tích độ cứng và tổ chức tế vi của thép C45.

• Tác giả: Đặng Trần Phương Nam
• Người hướng dẫn: KS. Hoàng Văn Hướng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Đề tài: Chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang tại SPKT

Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán gia công bề mặt chi tiết dạng trục. Phương pháp sử dụng nhiệt lượng cao từ hồ quang TIG với điện cực vonfram không nóng chảy. Mục tiêu then chốt là biến tính lớp bề mặt của chi tiết kim loại nhằm nâng cao khả năng chống mài mòn. Quá trình gia nhiệt cục bộ diễn ra vô cùng nhanh chóng trên bề mặt ngoài của phôi thép C45. Phần lõi bên trong tiếp tục duy trì độ dẻo và tính chống va đập tự nhiên. Giải pháp này khắc phục nhược điểm tiêu tốn năng lượng của phương pháp lò nhiệt truyền thống. Hệ thống tạo ra mật độ năng lượng lớn tại vùng tác động cục bộ. Tốc độ nung đạt ngưỡng tới hạn trong thời gian cực ngắn. Thiết bị cơ sở được tùy biến từ nguyên lý chuyển động tiện phôi tiêu chuẩn. Toàn bộ chu trình vận hành cho phép tinh chỉnh linh hoạt thông số dòng hàn, điện áp và vận tốc quét. Đây là hướng tiếp cận thực tiễn trong công nghệ chế tạo máy và xử lý vật liệu cơ khí hiện đại.

1.1. Nguyên lý làm cứng thép C45 bằng nguồn nhiệt hồ quang

Nguyên lý cốt lõi dựa trên việc biến đổi cấu trúc pha kim loại bằng sốc nhiệt. Khi hồ quang quét qua, lớp bề mặt ngoài của thép C45 hấp thụ nhiệt lượng rất lớn. Nhiệt độ vượt qua đường tới hạn AC3 trên giản đồ trạng thái sắt-cacbon. Cấu trúc tinh thể chuyển hóa hoàn toàn sang pha austenite đồng nhất. Ngay sau đó, quá trình truyền nhiệt vào môi trường làm nguội diễn ra cấp tốc. Tốc độ làm nguội vượt ngưỡng nguội tới hạn cần thiết. Pha austenite chuyển hóa thành tổ chức martensite với độ cứng vượt trội. Quá trình chỉ diễn ra ở lớp vỏ mỏng xác định. Cấu trúc lõi bên trong không bị ảnh hưởng nhiệt nên duy trì độ bền dẻo cao.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và chế tạo mô hình thực nghiệm

Nghiên cứu hướng tới thiết kế chế tạo hệ thống máy hoàn chỉnh phục vụ thực nghiệm. Mô hình tích hợp cơ cấu gá đặt và chuyển động xoay phôi tự động. Mỏ hàn hồ quang được dẫn động dọc trục để quét nhiệt chuẩn xác. Nhóm đề tài xác định bộ thông số tối ưu gồm cường độ dòng điện, điện áp và tốc độ di chuyển. Quá trình kiểm nghiệm thực tế đánh giá độ cứng tế vi bề mặt trước và sau khi xử lý nhiệt. Hình ảnh tế vi quang học kiểm chứng sự hình thành pha martensite đồng đều. Kết quả tạo tiền đề phát triển thiết bị nhiệt luyện cục bộ giá thành thấp cho các xưởng cơ khí chế tạo vừa và nhỏ.

II. Thách thức khi xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang điện

Xử lý nhiệt bằng hồ quang trên trục thép đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt động học. Nguồn nhiệt hồ quang có mật độ tập trung rất cao tại một điểm tiếp xúc hẹp. Nếu năng lượng nung quá thấp, nhiệt độ không vượt qua điểm biến thái pha tới hạn AC3. Thép không thể chuyển hóa hoàn toàn sang pha austenite dẫn tới độ cứng không đạt tiêu chuẩn. Ngược lại, nhiệt lượng đầu vào quá lớn gây ra hiện tượng quá nhiệt nghiêm trọng. Hạt tinh thể austenite phát triển thô to làm tăng độ giòn của kim loại nền. Nhiệt lượng dư thừa còn làm nóng chảy cục bộ bề mặt phôi, phá hủy độ nhẵn bóng ban đầu. Bên cạnh đó, tốc độ làm nguội phải lớn hơn tốc độ nguội tới hạn. Nếu môi trường làm nguội thoát nhiệt chậm, austenite sẽ phân hủy thành ferrite hoặc pearlite mềm. Vấn đề cân bằng giữa công suất hồ quang và tốc độ chuyển động tịnh tiến là yêu cầu kỹ thuật then chốt. Sự phân bố nhiệt không đồng đều dễ sinh ra ứng suất dư lớn trong kết cấu trụ tròn.

2.1. Kiểm soát nhiệt độ nung và tốc độ nguội tới hạn

Kiểm soát thông số gia nhiệt là thách thức lớn trong thực nghiệm. Thép carbon C45 cần nhiệt độ nung vượt trên 840 độ C để hòa tan hoàn toàn pha perlite và ferrite. Hồ quang điện tạo ra dải nhiệt độ lên đến hàng nghìn độ C trong phạm vi cực hẹp. Thời gian lưu nhiệt ngắn hạn khiến việc giám sát bằng cảm biến tiếp xúc gặp nhiều rào cản. Tốc độ làm nguội cũng phải đạt giá trị tới hạn để ép cấu trúc chuyển biến dạng vô định hình martensite. Nếu làm nguội không kịp thời, mạng tinh thể sẽ nhả carbon và tạo thành các tổ chức mềm kém bền. Cơ cấu phun nước làm mát tức thời phải định vị chính xác phía sau vệt hồ quang.

2.2. Vấn đề biến dạng hình học và nguy cơ nứt tế vi phôi trục

Chi tiết dạng trục trơn có tỷ lệ chiều dài trên đường kính tương đối lớn. Khi nung nóng cục bộ một phía, hiện tượng giãn nở nhiệt không đồng tâm dễ gây cong vênh. Ứng suất nhiệt kết hợp ứng suất chuyển pha martensite gây biến dạng hình học nghiêm trọng. Khi mật độ thể tích của mactenxit lớn hơn austenit, lực căng bề mặt tăng vọt. Hiện tượng nứt tế vi dễ xuất hiện tại các vị trí tập trung ứng suất dọc trục. Việc duy trì đồng trục khi phôi quay ở tốc độ cao đòi hỏi hệ thống đồ gá chắc chắn. Hiện tượng đảo trục sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa điện cực và bề mặt kim loại. Sai lệch khoảng cách này làm hồ quang chập chờn và phá hủy tính ổn định của quy trình xử lý.

III. Thiết kế mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang mới

Nhóm kỹ sư tại SPKT xây dựng mô hình chuyên dụng dựa trên kết cấu máy tiện mini. Khung máy gia công từ nhôm định hình V-slot 20x20mm có độ cứng vững cao và chống rung hiệu quả. Trục chính lắp mâm cặp ba chấu San Du K11-80 để kẹp chặt một đầu chi tiết trục. Trục dẫn động đường kính 12mm cố định qua hai gối đỡ nhằm triệt tiêu hoàn toàn độ đảo trục. Đầu đối diện sử dụng ụ chống tâm di động giúp giữ cân bằng phôi dài và chống biến dạng uốn. Chuyển động xoay truyền động từ động cơ bước qua bộ giảm tốc pulley đai răng tỷ số truyền phù hợp. Cơ cấu trượt tuyến tính mang theo mỏ hàn TIG di chuyển dọc theo băng máy nhờ vít me bi. Hệ thống cho phép tinh chỉnh chính xác khoảng cách giữa điện cực vonfram và bề mặt phôi. Bộ gá kẹp mỏ hàn có khả năng xoay chỉnh góc nghiêng linh hoạt phục vụ nhiều chế độ nung khác nhau. Máng chứa nước tuần hoàn tích hợp bên dưới vừa thu gom dung dịch làm nguội vừa đảm bảo an toàn vận hành. Toàn bộ thiết kế cơ điện tử mang tính đồng bộ và hoạt động tin cậy trong môi trường phóng hồ quang.

3.1. Cấu tạo cơ khí tích hợp khung nhôm và cơ cấu tịnh tiến

Khung máy sử dụng nhôm profile định hình liên kết bằng ke góc và bulong lục giác chìm. Vật liệu nhôm nhẹ giúp giảm trọng lượng nhưng vẫn duy trì độ cứng vững chống rung lắc. Hai ổ bi đỡ chặn trục quay chính 12mm loại bỏ chuyển động đảo hướng kính. Ụ chống tâm bên phải lắp mũi nhọn côn xoay tạo lực tịnh tiến dằn chặt đầu tự do của phôi. Bàn trượt gắn mỏ hàn chuyển động trên ray trượt tuyến tính độ rơ thấp. Khối đỡ mỏ hàn làm bằng vật liệu nhựa kỹ thuật cách điện và chống chịu nhiệt độ cao. Thiết kế mô-đun hóa cho phép dễ dàng tháo lắp bảo trì hoặc thay thế từng cụm chi tiết cơ khí.

3.2. Điều khiển thông số quay trục chính và mỏ hàn tự động

Bộ điều khiển điện tử kết nối các động cơ bước để kiểm soát đồng bộ chuyển động kép. Vận tốc góc của trục chính xác định thời gian tiếp xúc nhiệt trên mỗi vòng tròn phôi. Vận tốc tịnh tiến bàn trượt quyết định bước tiến xoắn ốc của vệt hồ quang xử lý. Nguồn máy hàn TIG cấp dòng điện liên tục được lập trình ổn định cường độ theo đường kính trục. Khí trơ Argon thổi liên tục từ đầu mỏ hàn bảo vệ vùng nung tránh hiện tượng oxy hóa kim loại. Ngay sau vệt quét nhiệt, vòi phun chất làm nguội kích hoạt với lưu lượng ổn định. Sự đồng bộ giữa chuyển động cơ học và nguồn nhiệt tạo ra lớp mactenxit đồng đều trên toàn bộ bề mặt.

IV. Hiệu quả của mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang

Thực nghiệm kiểm chứng tại xưởng cơ khí mang lại nhiều kết quả khả quan vượt bậc. Bề mặt chi tiết trục thép C45 sau xử lý nhiệt hồ quang đạt độ cứng tăng gấp 2 đến 3 lần phôi thô ban đầu. Tổ chức tế vi kim loại học chỉ ra sự phân lớp cấu trúc rõ rệt từ ngoài vào trong. Lớp bề mặt chuyển hóa hoàn toàn sang pha martensite dạng kim mịn có khả năng chống mòn cao. Vùng chuyển tiếp kế cận ghi nhận tổ chức pha hỗn hợp với độ cứng giảm dần theo gradient chiều sâu. Phần lõi trung tâm giữ nguyên tổ chức ferrite và pearlite dẻo dai giúp trục chịu được tải trọng uốn xoắn động. Mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang khẳng định tính khả thi vượt trội trong gia công chế tạo. Thiết bị vận hành ổn định, chi phí đầu tư thấp và tiết kiệm đáng kể điện năng. Thời gian hoàn thiện chu trình xử lý một chi tiết giảm nhiều lần so với các phương pháp nung lò thông thường. Đây là cơ sở khoa học tin cậy để chế tạo các loại trục truyền động chất lượng cao.

4.1. Đánh giá cơ tính và chuyển biến pha tổ chức tế vi

Phân tích tế vi mẫu thép C45 sau xử lý xác nhận sự biến đổi tổ chức rõ nét. Bề mặt ngoài cùng xuất hiện mạng martensite hình kim phân bố dày đặc và đồng nhất. Đo kiểm độ cứng tế vi đạt giá trị từ 55 đến 60 HRC, vượt trội so với mức 20 HRC của phôi thô. Độ sâu lớp hóa cứng được kiểm soát trong khoảng từ 0.5 đến 1.5mm tùy thuộc chế độ quét. Vùng ảnh hưởng nhiệt liền kề có sự kết hợp giữa bainite và troostite chuyển tiếp mềm mại. Cấu trúc lõi bên trong hoàn toàn không bị ủ nhiệt hay giòn hóa. Kết quả đo đạc độ võng kiểm chứng mức biến dạng phôi nằm trong sai số cơ khí cho phép.

4.2. Tiềm năng ứng dụng thực tế trong chế tạo cơ khí chính xác

Mô hình mở ra giải pháp nhiệt luyện cục bộ tiết kiệm cho ngành chế tạo máy. Phương pháp rất thích hợp để gia công các chi tiết như trục truyền động, con lăn và trục cán. Doanh nghiệp vừa và nhỏ có thể tận dụng máy hàn TIG sẵn có để lắp ghép mô hình với chi phí tối thiểu. Thiết bị không yêu cầu lò nung công suất lớn giúp cắt giảm đáng kể chi phí điện và diện tích nhà xưởng. Khả năng tự động hóa chu trình gia công giúp chuẩn hóa chất lượng bề mặt hàng loạt. Công nghệ này hứa hẹn khả năng mở rộng sang các dòng hợp kim khác như thép hợp kim thấp hoặc thép không gỉ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo, xử lý nhiệt đóng vai trò then chốt trong việc thay đổi tổ chức tế vi, nâng cao cơ tính và kéo dài tuổi thọ làm việc của chi tiết máy. Tuy nhiên, các phương pháp tôi bề mặt hiện đại như tôi cao tần hoặc tôi bằng tia laser đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị rất lớn, vượt quá khả năng tài chính của các doanh nghiệp cơ khí quy mô vừa và nhỏ. Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nhiệt hồ quang điện cực không nóng chảy (TIG) trong môi trường khí bảo vệ kết hợp làm nguội nhanh để nhiệt luyện bề mặt chi tiết trục tròn được đặt ra như một giải pháp công nghệ có chi phí thấp, thời gian nung ngắn và khả năng gia tăng độ cứng bề mặt từ 2 đến 3 lần.

Đề tài "Chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang" (Mã số đề tài: 22223DT57) do nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu cụ thể:

1. Chế tạo mô hình máy tiện mini phục vụ quá trình xử lý nhiệt bề mặt trục tròn bằng hồ quang điện cực không nóng chảy, điều khiển tự động hóa bằng PLC.
2. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về công nghệ xử lý nhiệt bề mặt và cơ chế biến đổi pha.
3. Xác định bộ thông số công nghệ tối ưu của quá trình xử lý nhiệt hồ quang điện cực không nóng chảy kết hợp tưới nguội.
4. Nghiên cứu, đánh giá độ cứng bề mặt (Rockwell), cấu trúc tế vi kim tương và phân bố độ cứng tế vi (Vickers) của mác thép C45 sau khi xử lý nhiệt.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn rõ ràng:

• Đối tượng nghiên cứu: Sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ xử lý nhiệt hồ quang TIG (dòng điện, tốc độ quay trục chính, chiều dài hồ quang, lưu lượng khí, góc nghiêng mỏ hàn, góc tưới nguội, nhịp xung) đến độ cứng bề mặt, chiều sâu lớp thấm tôi và tổ chức tế vi của mẫu thép.
• Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm xử lý nhiệt trên phôi thép kết cấu C45 (%C từ 0,42% đến 0,50%) dạng trục tròn; sử dụng môi trường khí trơ Argon bảo vệ mối nung và hệ thống tưới nguội bằng nước ở nhiệt độ phòng; kiểm tra phá hủy và không phá hủy mẫu sau nhiệt luyện.
• Giới hạn đề tài: Thiết kế mô hình máy tiện mini gá mỏ hàn TIG tự động; thử nghiệm dòng điện hàn một chiều nối thuận; đánh giá cơ tính thông qua độ cứng Rockwell thang C (HRC), độ cứng tế vi Vickers (HV) và ảnh chụp tổ chức tế vi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý nhiệt luyện thép carbon C45 và bản chất vật lý của hồ quang hàn TIG (Gas Tungsten Arc Welding - GTAW). Thép C45 có hàm lượng carbon từ 0,42% đến 0,50%. Để thực hiện quá trình tôi bề mặt hoàn toàn, phôi thép cần được nung nóng cục bộ vượt qua nhiệt độ tới hạn AC3 trên giản đồ trạng thái Fe - Fe3C nhằm chuyển đổi hoàn toàn cấu trúc tế vi sang pha Austenit. Ngay sau đó, bề mặt phải được làm nguội nhanh với tốc độ lớn hơn tốc độ nguội tới hạn để Austenit chuyển biến thành Martensite không cân bằng, mang lại độ cứng bề mặt cao trong khi phần lõi trục vẫn giữ được độ dẻo dai ban đầu. Tốc độ nguội tới hạn được tính toán dựa trên nhiệt độ tới hạn dưới $A_1$ và thời gian chuyển biến kém ổn định nhất của Austenit quá nguội ($\tau_m$). Nếu tốc độ làm nguội không đủ lớn, chuyển biến Martensite không hoàn tất sẽ gây ra hiện tượng thiếu độ cứng; ngược lại, nếu nung quá nhiệt sẽ dẫn đến nứt hoặc làm giòn hạt.

Về công nghệ nguồn nhiệt, đề tài sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện cực Vonfram không nóng chảy có khí Argon bảo vệ (TIG/GTAW). Đồ án phân tích cơ chế truyền nhiệt khi đấu dây nguồn điện một chiều: phương pháp phân cực thuận (DCEN - Direct Current Electrode Negative) được lựa chọn vì 70% nhiệt lượng hồ quang tập trung vào bề mặt chi tiết và chỉ 30% nhiệt lượng truyền vào điện cực Vonfram, giúp tạo vũng nhiệt sâu, hẹp và bảo vệ bền vững đầu điện cực. Góc mài đầu điện cực Vonfram được xác định trong khoảng 30° đến 60° để định hướng tia hồ quang tập trung năng lượng tốt nhất.

Phương pháp đo kiểm / Thiết bị	Thông số kỹ thuật / Tiêu chuẩn áp dụng	Mục đích đánh giá
Đo độ cứng Rockwell (Máy Rockwell HR-150A)	- Thang đo HRC - Mũi đo kim cương hình nón góc đỉnh 120° - Tải trọng tác dụng: 1500 N	Đo độ cứng tế vi vĩ mô bề mặt sau tôi; tính theo công thức $HR = K - \frac{h}{0,002}$ (mỗi mẫu đo 3 lần lấy trung bình).
Đo độ cứng tế vi Vickers	- Mũi đo kim cương hình tháp bốn mặt góc 136° - Tải trọng: 50 N đến 1500 N	Đánh giá gradient độ cứng từ bề mặt ngoài vào đến vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và kim loại cơ bản theo biểu đồ Mikheev; công thức $HV = 0,102 \times \frac{P}{S}$.
Phân tích kim tương quang học (Kính hiển vi OX)	- Độ phóng đại: x50 đến x2000 - Thước trắc vi chuẩn: 1 mm chia làm 100 vạch (mỗi vạch 0,01 mm)	Định lượng kích thước hạt tinh thể theo biểu thức Hall - Petch ($\sigma_{0,2} = \sigma + k d^{-1/2}$); nhận diện các pha Martensite, Ferrite, Pearlite.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM)	- Thế tăng tốc điện tử: 10 kV đến 50 kV	Quan sát cấu trúc tế vi và khuyết tật tế vi ở độ phân giải siêu mịn nanomet.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai theo hai giai đoạn:

1. Phương pháp thực nghiệm đơn biến: Lần lượt thay đổi một thông số công nghệ (dòng điện, lưu lượng khí, chiều dài hồ quang, tốc độ trục chính, góc mỏ hàn, góc tưới nguội, tần số xung) trong khi giữ cố định các thông số còn lại nhằm vẽ biểu đồ xác định xu hướng ảnh hưởng đến độ cứng HRC.
2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi và hồi quy (Regression Analysis): Thiết lập ma trận thí nghiệm trực giao với các biến độc lập gồm Cường độ dòng điện ($A$), Chiều dài hồ quang ($L$), Tốc độ trục chính ($V$), Lưu lượng khí ($Q$), Góc tưới nguội ($\beta$) và Nhịp xung ($PULSE$) để xác định mức độ ảnh hưởng (thông qua bảng phân tích ANOVA, tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N) và thiết lập phương trình dự đoán độ cứng HRC tối ưu.

Thiết kế và triển khai mô hình kỹ thuật

Để chủ động điều khiển quá trình tôi bề mặt trục bằng hồ quang hàn TIG, nhóm tác giả đã thiết kế 3D trên phần mềm SolidWorks 2022 và gia công chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy tiện mini chuyên dụng. Thiết bị tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí chính xác và tủ điều khiển tự động hóa bằng PLC.

Cụm chức năng	Chi tiết linh kiện cấu thành	Thông số kỹ thuật / Đặc tính làm việc
Khung máy và dẫn hướng	- Thanh nhôm định hình V-slot 20x20 mm màu đen - Các pat liên kết cơ khí	Đảm bảo độ cứng vững, triệt tiêu rung động và chống biến dạng khi chịu ứng suất cơ nhiệt trong quá trình thử nghiệm.
Trục chính và ụ chống tâm	- Mâm cặp 3 chấu San Du K11-80 - Trục chính đường kính $\emptyset 12$ mm - Hai gối đỡ ổ lăn - Ụ chống tâm có núm xoay tịnh tiến	Trục $\emptyset 12$ mm được hàn cố định với pat dày 8 mm và liên kết với mâm cặp K11-80; hai gối đỡ định vị hạn chế tối đa độ đảo trục; ụ chống tâm định vị đầu còn lại của chi tiết trục dài.
Hệ truyền động trục chính	- Động cơ bước Minebea 23KM-K744-04V - Bộ truyền đai răng (Pully 60 răng, Pully 20 răng, đai 400 mm)	Tỉ số truyền giảm tốc 3:1, biến đổi mô-men xoắn giúp trục chính quay êm và ổn định ở các dải vận tốc cắt đặt trước.
Cơ cấu trượt mỏ hàn và làm mát	- Bàn trượt tịnh tiến dọc trục - Bộ gá điều chỉnh góc nghiêng $\alpha$ và cự ly $L$ - Vòi phun tưới nguội (góc $\beta$) - Máng chứa nước làm mát tuần hoàn	Mang mỏ hàn TIG di chuyển tịnh tiến dọc theo chiều dài trục; cho phép thay đổi linh hoạt góc nghiêng mỏ hàn từ 5° đến 15°, khoảng cách hồ quang và góc phun nước làm nguội trực tiếp vào vũng nhiệt.
Hệ thống điều khiển điện tử	- Bo mạch PLC Mitsubishi FX3U-32MT-6AD-2DA - Mạch điều khiển động cơ Driver Step TB6600 - Bộ nguồn tổ ong 24V - 10A - Module hạ áp LM2596 3A DC-DC - Nút bấm Start, Stop, Emergency Stop - Cổng truyền thông USB - RS232	PLC phát xung điều khiển driver TB6600 định vị chính xác bước quay của động cơ Minebea; module LM2596 ổn định điện áp cấp cho các cảm biến và mạch tín hiệu; tủ điện bố trí nút dừng khẩn cấp để ngắt tức thời nguồn hồ quang và động cơ khi xảy ra sự cố.

Nguyên lý vận hành của hệ thống: Chi tiết trục thép C45 được gá đặt chặt giữa mâm cặp 3 chấu K11-80 và ụ chống tâm. Người vận hành thiết lập các thông số tốc độ quay trục chính ($V$) trên bộ điều khiển PLC, điều chỉnh lưu lượng khí trơ Argon ($Q$) qua van chỉnh áp, đặt khoảng cách điện cực ($L$), góc nghiêng mỏ hàn ($\alpha$) và góc vòi tưới nguội ($\beta$). Khi nhấn nút Start, nguồn hàn TIG được kích hoạt tạo hồ quang nung nóng bề mặt chi tiết đang quay tròn. Ngay khi vùng bề mặt đạt nhiệt độ chuyển biến Austenit, vòi tưới nguội lập tức phun nước làm lạnh cục bộ với tốc độ vượt tốc độ nguội tới hạn, chuyển đổi Austenit thành tổ chức Martensite cứng. Toàn bộ lượng nước làm mát được thu gom vào máng xả phía dưới để tuần hoàn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của ngành gia công cơ khí, sự phụ thuộc của chất lượng cơ tính chi tiết máy vào khâu nhiệt luyện và những hạn chế về mặt vốn đầu tư lò cao tần tại các cơ sở sản xuất nhỏ. Tác giả tiến hành lược khảo 6 công trình nghiên cứu quốc tế tiêu biểu:

• Nghiên cứu của Andrea Putz và cộng sự (2020) về sự hình thành pha sigma (730°C - 1000°C) và pha chi (>700°C) khi xử lý nhiệt hồ quang trên thép không gỉ duplex theo tiêu chuẩn ASTM A262.
• Nghiên cứu của Carrera-Espinoza và cộng sự (2020) về cơ chế tôi bề mặt bằng laser trên thép 1538 MV nhằm thay thế phương pháp tôi - ram truyền thống thông qua thử nghiệm mài mòn bóng trên đĩa.
• Nghiên cứu của Charline Blankart và Ulrich Krupp (2021) trên thép mangan trung bình ứng dụng phương trình Koistinen - Marburger (K-M), xác định hàm lượng Austenit sót tối ưu từ 12% đến 21% giúp độ bền kéo vượt 1500 MPa và độ giãn dài 18%.
• Nghiên cứu của P. Srinivasa Rao và cộng sự (2016) trên thép S45C bằng phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), thiết lập mô hình hồi quy dự đoán chiều sâu ngấu và độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M.
• Nghiên cứu của Risa Bernadip Umar và cộng sự (2017) đánh giá phân bố độ cứng thép S45C sau khi hàn hồ quang tay (SMAW) kết hợp xử lý nhiệt.
• Nghiên cứu của Chin-Guo Kuo và cộng sự (2018) phân tích tổ chức hạt vi mô nhiều lớp khi hàn thép carbon S45C.

Từ các cơ sở trên, tác giả khẳng định khoảng trống nghiên cứu về công nghệ nhiệt luyện hồ quang TIG tại Việt Nam, qua đó xác định mục tiêu chế tạo máy, đối tượng nghiên cứu, phạm vi thép C45 và ý nghĩa thực tiễn giảm chi phí đầu tư.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng học thuật về các chuyển biến pha trong nhiệt luyện thép C45, đặc trưng của tổ chức Martensite, tốc độ làm nguội tới hạn và độ thấm tôi. Tác giả phân tích các nguyên nhân gây sai hỏng độ cứng (độ cứng quá cao do làm nguội quá nhanh gây nứt, độ cứng thấp do thiếu nhiệt nung, thoát carbon bề mặt hoặc làm nguội không đủ nhanh). Chương này so sánh xử lý nhiệt hồ quang với ba phương pháp nhiệt luyện bề mặt khác: tôi laser (chất lượng cao, vùng biến dạng hẹp nhưng chi phí thiết bị đắt), tôi cao tần (sử dụng dòng cảm ứng điện từ, tôi sâu khoảng 20% tiết diện, chi phí đầu tư lớn), tôi ngọn lửa oxy - axetylen (nhiệt độ ngọn lửa 3000°C, lớp thấm dày tới 10 mm nhưng khó kiểm soát đồng đều nhiệt độ, dễ cháy bề mặt).

Tiếp đó, chương phân tích chuyên sâu về hệ thống hàn TIG: sơ đồ cấu tạo, van giảm áp, mỏ hàn, điện cực Vonfram (pha thêm 1,5% - 2% $ThO_2$, $ZrO_2$ hoặc $LaO$), phân tích bảng ảnh hưởng của cách đấu dây (DCEN truyền 70% nhiệt vào chi tiết, DCEP truyền 70% nhiệt vào điện cực gây chảy mũi kim, AC dùng cho nhôm/magiê). Đồng thời, tác giả trình bày cơ sở lý thuyết đo độ cứng Rockwell HR-150A (thang HRC, công thức $HR = K - h/0,002$), đo độ cứng Vickers (công thức tính theo tải trọng và diện tích vết lõm kim cương 136°), lý thuyết phân tích kim tương quang học với thước trắc vi chuẩn 1 mm/100 vạch, công thức Hall - Petch và bảng tiêu chuẩn kích thước cấp hạt kim loại từ cấp -3 đến cấp 14.

Chương 3: Thiết kế và chế tạo mô hình

Chương 3 mô tả chi tiết quá trình hiện thực hóa mô hình máy tiện mini xử lý nhiệt hồ quang. Nội dung đi từ thiết kế cơ khí trên SolidWorks 2022 đến lựa chọn vật tư và chế tạo thực tế: khung máy bằng nhôm định hình V-slot 20x20 mm; cụm trục chính dùng trục $\emptyset 12$ mm, pat đỡ 8 mm, mâm cặp San Du K11-80; ụ chống tâm trượt định vị phôi; cơ cấu gá mỏ hàn TIG cho phép tinh chỉnh khoảng cách $L$ và góc nghiêng $\alpha$; máng hứng nước tưới nguội. Về hệ thống điện, chương trình bày bản vẽ đấu nối bo mạch PLC Mitsubishi FX3U-32MT-6AD-2DA với driver động cơ bước TB6600, động cơ Minebea 23KM-K744-04V, nguồn tổ ong 24V - 10A, module giảm áp LM2596 và nút dừng khẩn cấp. Toàn bộ thiết bị được lắp đặt hoàn thiện trong tủ điện và chạy thử nghiệm không tải để kiểm tra độ ổn định quay và dẫn động mỏ hàn.

Chương 4: Chế tạo mẫu đo, phương pháp đo, số liệu đo và xử lý số liệu thí nghiệm

Chương 4 thuyết minh quy trình chuẩn bị và xử lý mẫu thực nghiệm thép C45. Phôi thép dạng trục được làm sạch bề mặt, gá đặt lên mô hình và tiến hành xử lý nhiệt hồ quang theo hai tập dữ liệu: tập dữ liệu đơn biến và tập dữ liệu Taguchi. Sau khi nhiệt luyện, mẫu được đo độ cứng bề mặt trên máy Rockwell HR-150A với mũi đo nón kim cương 120°, tải trọng 1500 N, tuân thủ khoảng cách giữa các vết lõm tối thiểu 1,5 mm và mỗi mẫu đo 3 lần để lấy giá trị trung bình.

Đối với phân tích tế vi, các mẫu được cắt ngang bằng máy cưa cơ khí và máy cắt dây để tránh phát sinh nhiệt làm biến đổi cấu trúc pha. Sau đó, mẫu được đúc ép khuôn nguội, mài thô, đánh bóng tinh trên máy MP-2B Grinder Polisher và tẩm thực bằng dung dịch hóa chất chuyên dụng để làm hiện rõ biên giới hạt và các pha tổ chức dưới kính hiển vi quang học OX và kính hiển vi điện tử quét SEM.

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 5 là chương trọng tâm công bố các phát hiện thực nghiệm thông qua đồ thị và bảng số liệu:

• Phân tích đơn biến: Làm rõ mối quan hệ phi tuyến giữa độ cứng HRC với 7 thông số công nghệ:
  • Cường độ dòng điện ($A$): Dòng điện quá nhỏ không đủ năng lượng đạt nhiệt độ austenit hóa; dòng điện quá cao gây cháy bề mặt, chảy lỏng quá mức và phun tóe kim loại (spraying).
  • Tốc độ trục chính ($V$): Tốc độ quay quá nhanh làm giảm thời gian nung, mật độ nhiệt không đủ làm nguội tới hạn; tốc độ quá chậm làm vùng nung quá rộng gây biến dạng nhiệt chi tiết.
  • Chiều dài hồ quang ($L$): Quyết định trực tiếp đến điện áp hồ quang; hồ quang quá ngắn dễ dính bẩn điện cực, hồ quang quá dài làm tản mác năng lượng nhiệt.
  • Góc nghiêng mỏ hàn ($\alpha$): Kỹ thuật hàn kéo với góc nghiêng từ 5° đến 15° tạo vũng nhiệt ngấu sâu và ổn định nhất.
  • Góc tưới nguội ($\beta$): Quyết định trực tiếp đến tốc độ làm lạnh; góc tưới tối ưu đảm bảo làm nguội nhanh tức thì ngay sau điểm nung mà không làm ảnh hưởng ngược làm nguội đầu điện cực hàn.
  • Lưu lượng khí Argon ($Q$): Lưu lượng chuẩn đảm bảo cách ly oxy không khí chống xỉ bề mặt; lưu lượng quá mạnh gây hiện tượng xoáy khí làm mất ổn định cột hồ quang.
  • Nhịp xung ($PULSE$): Tần số xung ổn định dòng nhiệt truyền vào phôi.
• Phân tích Taguchi và mô hình hồi quy: Trình bày bảng dữ liệu Taguchi, bảng phản hồi tỉ số tín hiệu trên nhiễu (Response Table for Signal to Noise Ratios), bảng phản hồi giá trị trung bình (Response Table for Means) và bảng phân tích phương sai ANOVA để xác định trọng số ảnh hưởng của các biến $A, L, V, Q, \beta, PULSE$ lên độ cứng HRC.
• Quan sát tế vi và độ cứng tế vi: Cung cấp ảnh chụp tổ chức tế vi của các mẫu thí nghiệm (mẫu 1, mẫu 2, mẫu 3, mẫu 6, mẫu 14), chỉ rõ sự xuất hiện dày đặc của pha Martensite hình kim sắc nét trên nền Austenit sót ở lớp ngoài cùng. Biểu đồ Mikheev thể hiện quy luật độ cứng tế vi Vickers giảm dần từ lớp bề mặt ngoài cùng vào đến vùng HAZ và vùng kim loại cơ bản C45.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu: chế tạo thành công máy tiện mini tôi hồ quang, kiểm chứng phương pháp nung hồ quang TIG làm mát nước giúp tăng độ cứng bề mặt thép C45 lên 2 - 3 lần. Tác giả đồng thời nêu các đề xuất cải tiến kết cấu mô hình và mở rộng hướng nghiên cứu thực nghiệm trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả định lượng và giá trị kỹ thuật thực tiễn được ghi nhận trong văn bản:

Hạng mục kết quả	Dữ liệu định lượng / Kết quả kỹ thuật ghi nhận trong đồ án
Chế tạo mô hình thực nghiệm	Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy tiện mini tích hợp nguồn hàn TIG điều khiển tự động bằng PLC Mitsubishi FX3U-32MT-6AD-2DA, động cơ bước Minebea 23KM kết hợp driver TB6600, mâm cặp San Du K11-80, khung nhôm V-slot 20x20 mm và hệ thống tưới nguội tuần hoàn.
Nâng cao độ cứng bề mặt	Phương pháp xử lý nhiệt bề mặt bằng hồ quang TIG làm mát nhanh bằng nước làm tăng độ cứng bề mặt của thép C45 lên gấp 2 đến 3 lần so với độ cứng ban đầu của kim loại cơ bản.
Biến đổi tổ chức tế vi	Bề mặt lớp xử lý nhiệt xuất hiện tổ chức Martensite dạng kim có độ cứng cao; kết quả đo phân bố độ cứng tế vi Vickers (HV) theo biểu đồ Mikheev xác nhận độ cứng đạt cực đại tại bề mặt và giảm dần vào sâu trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
Quy luật công nghệ	Xác lập miền làm việc tối ưu của các thông số: góc nghiêng mỏ hàn $\alpha$ trong khoảng 5° đến 15° (kỹ thuật hàn kéo) cho độ ngấu sâu và bề mặt đều; thiết lập các bảng số liệu Taguchi, bảng phân tích phương sai ANOVA và phương trình hồi quy tuyến tính mô tả mối quan hệ giữa HRC với $A, L, V, Q, \beta, PULSE$.

Về mặt đóng góp so với các nghiên cứu trước, đồ án là một trong những công trình thực nghiệm tiên phong tại Việt Nam chế tạo thành công một hệ thống cơ điện tự động hóa giá thành thấp để khảo sát toàn diện công nghệ tôi bề mặt bằng hồ quang TIG. Nghiên cứu cung cấp giải pháp kỹ thuật thay thế khả thi cho các lò nung cao tần đắt tiền, phù hợp ứng dụng thực tế tại các cơ sở cơ khí vừa và nhỏ với quy mô sản xuất đơn chiếc hoặc hàng loạt nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên giới hạn nghiên cứu được công bố trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế:

• Phạm vi vật liệu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên mác thép carbon C45 dạng trục tròn, chưa khảo sát trên các mác thép hợp kim, thép dụng cụ hoặc các hình dạng hình học phức tạp khác.
• Quy mô mô hình là máy tiện mini điều khiển động cơ bước nhỏ, giới hạn về chiều dài và đường kính của chi tiết phôi gia công.
• Chưa khảo sát chuyên sâu về ứng suất dư sau nhiệt luyện và ảnh hưởng của công nghệ đến giới hạn bền mỏi hay khả năng chống mài mòn lâu dài của chi tiết trong môi trường làm việc thực tế.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả định hướng trong Chương 6:

• Tối ưu hóa và nâng cấp độ cứng vững của kết cấu cơ khí, mở rộng kích thước khung máy để gia công được các chi tiết trục có kích thước công nghiệp lớn hơn.
• Nâng cấp thuật toán điều khiển trên PLC, tích hợp cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc để giám sát và phản hồi vòng kín nhiệt độ vũng hồ quang theo thời gian thực.
• Mở rộng thực nghiệm nhiệt luyện hồ quang trên các chủng loại vật liệu khác (thép hợp kim, gang) và khảo sát sâu hơn về ứng suất dư cũng như độ bền mài mòn của lớp tôi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo học thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Vật liệu: Cung cấp tài liệu thiết thực về quy trình thiết kế, chế tạo máy cơ điện mini tự động hóa bằng PLC, phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi và kỹ thuật phân tích kim tương, đo độ cứng Rockwell, Vickers.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật tại các xưởng cơ khí, doanh nghiệp vừa và nhỏ: Tham khảo giải pháp tôi bề mặt cục bộ cho các chi tiết dạng trục với chi phí đầu tư thiết bị thấp, tận dụng nguồn máy hàn TIG sẵn có thay vì phải đầu tư hệ thống nung cao tần phức tạp.
• Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Chương 3 (sơ đồ nguyên lý ghép nối PLC FX3U, driver TB6600 và cơ cấu cơ khí mỏ hàn) cùng Chương 4 và Chương 5 (quy trình thực nghiệm chuẩn bị mẫu kim tương, ma trận dữ liệu Taguchi và phân tích tương quan giữa các thông số hàn TIG với độ cứng HRC).

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp xử lý nhiệt bằng hồ quang TIG trong đồ án có khả năng tăng độ cứng bề mặt thép C45 lên bao nhiêu lần?
Theo kết quả nghiên cứu được tác giả công bố trong phần tóm tắt và thực nghiệm, phương pháp xử lý nhiệt bề mặt bằng hồ quang điện cực không nóng chảy TIG kết hợp làm nguội nhanh bằng nước có khả năng làm tăng độ cứng bề mặt của thép C45 lên từ 2 đến 3 lần so với độ cứng ban đầu của kim loại cơ bản trước khi xử lý.

2. Mô hình máy tiện mini thực nghiệm sử dụng bộ điều khiển và động cơ dẫn động nào?
Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3U-32MT-6AD-2DA kết nối máy tính qua cổng RS232-USB, kết hợp với mạch điều khiển bước Driver Step TB6600, động cơ bước Minebea 23KM-K744-04V và bộ nguồn tổ ong 24V - 10A hạ áp qua module LM2596 3A DC-DC Converter.

3. Tại sao phương pháp phân cực thuận (DCEN) được lựa chọn cho nguồn hàn TIG trong nghiên cứu này?
Phương pháp nối thuận (DCEN) cho phép 70% nhiệt lượng hồ quang tập trung truyền vào chi tiết gia công để nung nóng nhanh bề mặt lên nhiệt độ austenit hóa, trong khi chỉ 30% nhiệt truyền vào điện cực Vonfram. Điều này giúp vũng nhiệt hẹp và ngấu sâu, đồng thời bảo vệ điện cực Vonfram không bị nóng chảy hoặc biến dạng mũi kim.

4. Góc nghiêng của mỏ hàn TIG ($\alpha$) ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng lớp nhiệt luyện?
Góc nghiêng mỏ hàn TIG quyết định độ sâu, chiều rộng và hình dạng rãnh truyền nhiệt. Theo kết quả trong đồ án, góc nghiêng mỏ hàn nằm trong khoảng từ 5° đến 15° theo kỹ thuật hàn kéo sẽ tạo ra độ ngấu sâu nhất và chất lượng bề mặt xử lý nhiệt ổn định nhất.

5. Quy trình phân tích cấu trúc tế vi của mẫu thép sau khi tôi hồ quang được thực hiện như thế nào?
Mẫu thép sau nhiệt luyện được cắt ngang bằng máy cưa và máy cắt dây để tránh phát sinh nhiệt phá hủy cấu trúc pha, sau đó được mài thô, đánh bóng trên máy MP-2B Grinder Polisher, tẩm thực bề mặt bằng hóa chất và đưa lên quan sát tổ chức hạt, các pha Martensite trên kính hiển vi quang học OX (kết hợp thước trắc vi chuẩn 1 mm/100 vạch) cùng kính hiển vi điện tử quét SEM.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy tiện mini điều khiển tự động bằng PLC Mitsubishi FX3U tích hợp nguồn nhiệt hàn TIG. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi cao của phương pháp tôi bề mặt bằng hồ quang trong việc nâng độ cứng thép C45 lên gấp 2 - 3 lần nhờ quá trình chuyển biến tổ chức sang Martensite. Đồng thời, công trình xác lập được hệ thống dữ liệu thực nghiệm đơn biến và đa biến Taguchi có độ tin cậy cao, mở ra giải pháp công nghệ nhiệt luyện chi phí thấp, giàu tiềm năng ứng dụng cho các cơ sở cơ khí chế tạo vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, ngành công nghiệp cơ khí rất phát triển và chất lượng sản phẩm của ngành cơ khí ngày càng tốt hơn. Ít ai biết rằng, quá trình xử lý nhiệt đóng vai trò to lớn trong việc tạo ra những vật liệu bền bỉ, vượt trội, là nền tảng của những sản phẩm được đánh giá cao như vậy. Tuy nhiên, các công ty vừa và nhỏ với mức đầu tư vốn sản xuất không lớn, không thể đầu tư các lò nung cao tần. Vì vậy, đề tài “Chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang” được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu phương pháp xử lý nhiệt hồ quang bằng điện cực không nóng chảy có khí bảo vệ.

Tình hình nghiên cứu trong nước Công nghệ xử lý nhiệt (Tempering) là một phương pháp làm tăng độ cứng khá phổ biến. Nhưng công nghệ xử lý nhiệt bằng hồ quang điện cực không nóng chảy có khí bảo vệ cũng không có quá nhiều công trình nghiên cứu ở Việt Nam. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Công nghệ xử lý nhiệt bằng hồ quang điện cực không nóng chảy có khí bảo vệ cũng có một số ít kết quả nghiên cứu. Một số dự án tiêu biểu được liệt kê dưới đây: - Bài báo “Microstructure investigation of duplex stainless steel welds using arc heat treatment technique’’ (Nghiên cứu kết cấu vi mô mối hàn thép không gỉ dạng duplex sử dụng kỹ thuật xử lý nhiệt bằng hồ quang) [1], bài báo khoa học của các tác giả Andrea Putz, Vahid A.

Westin & Norbert Enzinger, xuất bản năm 2020. Bài báo này tác giả nghiên cứu chủ yếu sự hình thành pha sigma và sự phân hủy ferrite. Đối với mẫu được xư lý nhiệt hồ quang 10 phút pha sigma được hình thành trong phạm vi nhiệt độ 730ºC – 1000ºC và pha chi được tìm thấy trên 700ºC. Đối với trường hợp 60 phút pha sigma được hình thành trong khoảng từ 675ºC – 1025ºC trong khi pha chi hình thành trên 600ºC.

Các thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTN A262.1 Mô hình minh họa thiết bị xử lý nhiệt hồ quang - “Surface Laser Quenching as an Alternative Method for Conventional Quenching and Tempering Treatment of 1538 MV Steel” (Làm nguội bề mặt bằng laser như một phương pháp thay thế cho quá trình nhiệt luyện truyền thống và xử lý nhiệt của thép 1538 MV) [2], bài báo 1 khoa học của các tác giả Carrera-Espinoza, Rafael, Alejandro Rojo Valerio, J. del Prado Villasana, J. Yescas Hernández, Pablo Moreno-Garibaldi, Marco Antonio Cruz-Gómez and Ulises Figueroa López, xuất bản năm 2020. Bài báo này nói về xử lý nhiệt liên quan đến một tập hợp các quá trình nhằm cải thiện tính chất cơ học của vật liệu kim loại bằng cách sửa đổi cấu trúc tinh thể ban đầu của chúng.

Một trong những quy trình này là xử lý làm nguội và ủ thông thường (CQT), được sử dụng để tăng độ cứng của các thành phần cơ khí dựa trên thép dự kiến sẽ chịu được tải trọng bề mặt cao. Nguyên tắc cơ bản của quá trình làm nguội thông thường của vật liệu kim loại là làm nóng vật liệu làm việc cho đến khi thoát nhiệt độ austenit hoá, sau đó làm nguội đột ngột để thu được pha martensitic, mang lại cho các thành phần cơ khí có độ cứng cao và chống mài mòn. Một trong những phương pháp xử lý nhiệt thông thường là toàn bộ trải qua sự thay đổi pha, mặc dù chỉ cần một lớp cứng bề mặt tại các vị trí cụ thể trong một số thành phần máy mới với thân chính còn nguyên vẹn.2 Mô hình thí nghiệm bóng trên đĩa của cặp ma sát giữa đĩa thép AISI 1538 MV và bóng WC - Bài báo “Influence of Quenching and Partitioning Parameters on Phase Transformations and Mechanical Properties of Medium Manganese Steel for Press- Hardening Application” (Ảnh hưởng của các thông số nhiệt luyện và phân phối lên quá trình biến đổi pha và các tính chất cơ học của thép mangan trung bình cho ứng dụng ép cứng) [3], bài báo khoa học của các tác giả Charline Blankart, Sebastian Wesselmecking and Ulrich Krupp, xuất bản năm 2021. Bài báo này đã chứng minh rằng thông qua quá trình làm nguội và phân vùng có mục tiêu, thép mangan trung bình có thể thể hiện các tính chất cơ học tuyệt vời kết hợp độ bền và độ dẻo rất cao.

Để áp dụng tiềm năng của các loại thép này trong quá trình làm cứng máy ép công nghiệp và để tránh tỷ lệ phế liệu cao, điều quan trọng nhất là phải xác định một cửa sổ quy trình mạnh mẽ. Do đó, một nghiên cứu chuyên sâu về các thí nghiệm đo độ giãn đã được thựchiện để xác định ảnh hưởng của nhiệt độ dập tắt và thời gian phân vùng về biến đổi pha, ổn định pha và tính chất cơ học của thép mangan trung bình. Với mục đích này, các thử nghiệm kính hiển vi điện tử quét y (SEM), nhiễu xạ tán xạ điện tử (EBSD) và kiểm tra quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDX) cũng như thử nghiệm độ bền kéo đã được thực hiện. Dựa trên dữ liệu đo độ giãn, một sự điều chỉnh của phương trình Koistinen– Marburger (K-M) cho thép nese manga trung bình đã được phát triển.

Kết quả cho thấy hàm lượng austenite được giữ lại là 12-21% kết hợp với một phần pha thấp của martensit thứ cấp không được xử lý nhiệt luyện (tối đa 20%) dẫn đến các tính chất cơ học tuyệt vời với độ bền 2 kéo cao hơn 1500 MPa và tổng độ giãn dài là 18%, trong khi phần pha martensite thứ cấp vượt quá dẫn đến hỏng giòn. Hàm lượng austenite giữ lại tối ưu đã được điều chỉnh cho TQ trong khoảng từ 130°C đến 150°C bằng phương pháp phân vùng thích nghi.3 Mô phỏng nhiệt của các pha ổn định nhất cho Fe-0,3% C-5% Mn-1,5% Si - Bài báo “Models for selecting GMA Welding Parameters for Improving Mechanical Properties of Weld Joints” (Mô hình lựa chọn các thông số hàn GMA để cải thiện tính chất cơ học của mối hàn) [4], bài báo khoa học của các tác giả P Srinivasa Rao, Pragash Ramachandran1 và S Jebaraj đến từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Teknologi PETRONAS, Bandar Seri Iskandar, 32610 Perak, Malaysia, xuất bản năm 2016. Trong đề tài nghiên cứu, các tác giả đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của mối hàn. Ngay cả sự thay đổi nhỏ trong bất kỳ tham số nào được trích dẫn cũng có thể có ảnh hưởng quan trọng đến độ sâu thâm nhập và độ bền của mối hàn.

Trong nghiên cứu này, Thép S45C được lấy làm kim loại cơ bản để thử nghiệm bằng cách sử dụng các thông số tốc độ nạp dây, điện áp và loại khí bảo vệ. Các tính chất vật lý được xem xét trong nghiên cứu này là độ bền kéo và độ cứng. Việc kiểm tra mẫu hàn được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM. Các mô hình toán học để dự đoán độ bền kéo và độ sâu ngấu của mối hàn đã được phát triển bằng phân tích hồi quy sử dụng các kết quả thực nghiệm.4 Kích thước mẫu ASTM E8/E8M - Bài báo “Effect Of Heat Treatment On The Mechanical Properties Of Steel S45c Welding Process With Smaw (Shielded Metal Arc Welding)’’ (Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến 3 các tính chất cơ học của quá trình hàn thép S45c bằng phương pháp hàn SMAW (Hàn hồ quang kim loại được che chắn) [5], bài báo khoa học của các tác giả Risa Bernadip Umar, Munawar và Natsir Thamrin đến từ Khoa Fakultas Teknik - Đại học Universitas Pejuang R.I – Indonesia, xuất bản năm 2017.

Bài báo này tác giả nghiên cứu về các quá trình xử lý nhiệt thép C45 sau khi hàn.5 Phương pháp thử nghiệm xác định sự phân bố độ cứng trong từng vùng của kim loại, HAZ, kim loại hàn của mối hàn và xử lý nhiệt - Bài báo “Welding Microstructure and Tensile Properties of S45C Carbon Steel” (Cấu trúc vi mô hàn và tính chất kéo căng của thép carbon S45C khi hàn) [6], bài báo khoa học của các tác giả Chin-Guo Kuo, Jin-Chung Chang, Yi-Hsuan Hung, Yen-Tien Kang, Chen-Yang Kao and Jung-Hsuan Chen, xuất bản năm 2018. Bài báo này tác giả nghiên cứu tính liên kết của thép C45 với hàn nhiều lớp. Các cấu trúc vi mô của hạt được quan sát bằng kính hiển vi quang học.6 Vị trí hàn được chọn để phân tích cấu trúc vi mô Kết luận: Công nghệ xử lý nhiệt thép bằng hồ quang hiện được nghiên cứu ở một vài bài báo ở nước ngoài do cũng có những tính năng nổi bật về công nghệ cũng như mang lại tiềm năng kinh tế. Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về công nghệ xử lý nhiệt bằng hồ quang.

Vì vậy, đề tài “Chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang” sẽ là một nền tảng khả thi để góp phần đưa công nghệ xử lý nhiệt bằng hồ quang trở nên phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo nói riêng và công nghiệp cơ khí nói chung tại Việt Nam. Mục tiêu của đề tài Đề tài “Chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang” được thực hiện với mục đích: - Chế tạo mô hình xử lý nhiệt bề mặt trục bằng hồ quang. - Nghiên cứu tổng quan về xử lý nhiệt bề mặt. - Tìm ra bộ thống số tối ưu xử lý nhiệt bằng hồ quang điện cực không nóng chảy.

- Nghiên cứu độ cứng bề mặt, cấu trúc tế vi, độ cứng tế vi của thép C45 sau khi xử lý nhiệt. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu các bộ thông số ảnh hưởng đến độ cứng, cấu trúc tế vi, chất lượng bề mặt của mẫu bằng phương pháp xử lý nhiệt hồ quang điện cực không nóng chảy có khí bảo vệ (TIG).2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu quá trình xử lý nhiệt bằng công nghệ hàn TIG bằng vật liệu thép C45. Đề tài chủ yếu tập trung vào sự thay đổi các bộ thông số để xem xét sự ảnh hưởng đối với độ cứng, tổ chức tế vi và chất lượng bề mặt của mẫu. Dựa trên các tài liệu nghiên cứu về tế vi đường hàn để đánh giá, phân tích cơ tính của sản phẩm thông qua các bộ số liệu khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.1 Nghiên cứu lý thuyết Thu thập các tài liệu liên quan đến công nghệ xử lý nhiệt thép bằng hồ quang. Sử dụng phần mềm để đánh giá các kết quả thực nghiệm, đưa mô hình ràng buộc để dự đoán cũng như so sánh với thực tế về độ bền cũng như biến dạng của sản phẩm.2 Nghiên cứu thực nghiệm Đưa ra nhiều mô hình sản phẩm ứng với các thông số khác nhau, thực hiện kiểm tra độ cứng bằng máy đo độ cứng, tổ chức tế vi bằng kính hiển vi. Từ đó thu thập số liệu từ những mẫu sản phẩm đó.