Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Khoa học vật liệu (mã số: 9440122) của nghiên cứu sinh Trần Thị Xuân, được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Văn Tư và PGS. Lê Thị Chiều, bảo vệ năm 2019, tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa môi trường tôi cho thép ổ lăn thông qua việc ứng dụng dung dịch polyme hòa tan trong nước.

Trong công nghệ chế tạo cơ khí, nguyên công tôi thép kết hợp với ram đóng vai trò quyết định đến độ cứng, độ bền, khả năng chịu tải và tính chống mài mòn của các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như vòng bi, bánh răng, trục truyền động. Tuy nhiên, việc lựa chọn môi trường làm nguội truyền thống gặp phải các giới hạn kỹ thuật lớn: môi trường nước có tốc độ làm nguội rất cao trong dải nhiệt độ chuyển biến mactenxit ($M_s - M_f$), dễ dẫn đến tập trung ứng suất nhiệt và ứng suất pha gây nứt hỏng, biến dạng cong vênh; trong khi đó, môi trường dầu khoáng tuy có tốc độ làm nguội chậm ở vùng nhiệt độ thấp nhưng lại có nhược điểm dễ bắt cháy, phát sinh khói độc hại gây ô nhiễm môi trường, khó tẩy rửa bề mặt, tốc độ nguội ở vùng chuyển biến peclit không đủ lớn đối với một số tiết diện dày và không đáp ứng được yêu cầu vệ sinh an toàn trong các ngành sản xuất thiết bị thực phẩm, y tế.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là việc thiếu vắng một nghiên cứu có hệ thống, kết hợp giữa mô phỏng số động học nhiệt luyện và thực nghiệm chuyên sâu tại Việt Nam nhằm làm rõ bản chất truyền nhiệt, cơ chế chuyển pha, sự hình thành ứng suất dư và biến dạng của thép ổ lăn khi làm nguội trong các hệ dung dịch polyme hòa tan trong nước có khả năng thay thế môi trường dầu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm 3 nội dung:

  1. Xây dựng phương pháp nghiên cứu bài bản, toàn diện và hiệu quả cho bài toán cần tìm ra môi trường tôi phù hợp nhất đối với một dạng chi tiết và vật liệu cụ thể.
  2. Chứng minh tính khả thi và lợi ích của việc sử dụng dung dịch polyme hòa tan trong nước để làm môi trường tôi cho thép hợp kim.
  3. Tìm ra quy luật ảnh hưởng của nồng độ polyme hòa tan trong nước đến một số tính chất của chúng như độ nhớt, nhiệt dung riêng và tốc độ nguội.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm hai hệ dung dịch polyme hòa tan trong nước là poly alkylene glycol (PAG) và poly vinyl pyrrolidone (PVP); đối tượng kim loại nghiên cứu là mác thép ổ lăn OL 100Cr1,5 (tương đương 100Cr6 theo tiêu chuẩn quốc tế). Hình học mẫu thí nghiệm là mẫu dạng nhẫn chữ C khoét lệch tâm (được thừa nhận trong giới học thuật quốc tế như mẫu chuẩn kiểm tra quá trình tôi), cho phép khảo sát đồng thời các vùng phân bố chiều dày không đồng đều, góc nhọn, góc tù và khe hở biến dạng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của nồng độ polyme hòa tan trong nước đến các đặc tính nhiệt lý, tốc độ nguội, tổ chức tế vi, ứng suất dư và biến dạng của mẫu thép; không đi sâu khảo sát độc lập ảnh hưởng của tốc độ khuấy và nhiệt độ bể tôi đối với mẫu chữ C; toàn bộ các nội dung nghiên cứu được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và cơ sở nghiên cứu liên kết thực nghiệm (Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Shimane, Nhật Bản).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án hệ thống hóa sự phát triển của các môi trường làm nguội dùng trong nhiệt luyện từ truyền thống đến hiện đại:

  • Môi trường nước và nước muối: Nước muối (NaCl, $\text{CaCl}_2$, $\text{Na}_2\text{CO}_3$, $\text{KCl}$, $\text{LiCl}$) từ 1% đến 10% giúp phá vỡ màng hơi nhanh chóng nhờ sự lắng đọng và phân tách phân tử muối trên bề mặt nóng, giảm giai đoạn sôi màng, hạn chế điểm mềm nhưng có nhược điểm ăn mòn thiết bị và độc hại khi dùng muối nitrat, xyanua.
  • Nhũ tương nước pha dầu: Tồn tại nhược điểm màng hơi kém ổn định khi hàm lượng dầu trên 10%, gây biến dạng chi tiết khi tôi nhúng.
  • Dầu khoáng và dầu thực vật: Dầu thực vật (dầu đậu nành, hạt cải) được nghiên cứu từ năm 1932. Nghiên cứu năm 2009 của nhóm tác giả Mỹ và Brazil chỉ ra dầu đậu nành không có giai đoạn sôi màng và sôi bong bóng rõ rệt, ít bị ảnh hưởng bởi chất chống oxy hóa Irganox L57, L109 nhưng phụ thuộc vào chất ức chế ăn mòn (2-mercaptobenzothiazole, tolyltriazole).
  • Môi trường khí nén và chất lỏng nano: Môi trường khí nén ($N_2, H_2, He, Ar$) trong lò chân không cho bề mặt sạch nhưng thiết bị đắt tiền. Môi trường chất lỏng nano được Gopalan Ramesh và Narayan Kotekar Prabhu (2011) nghiên cứu khi pha các hạt kích thước dưới 50 nm ($\text{Al}2\text{O}3$, $\text{CuO}$, $\text{SiC}$, $\text{TiO}2$) vào nước và PAG nhằm tăng hệ số dẫn nhiệt và tăng tốc độ nguội lớn nhất ($CR{max}$). Dung dịch glyxerin trong nước được nhóm nghiên cứu Trung Quốc công bố năm 2017 cho thấy nồng độ 3% đến 25% làm giảm tốc độ nguội, trong đó dung dịch 5% glyxerin có $CR{max}$ cao hơn nước nhưng tốc độ nguội tại 300°C ($CR{300}$) tương đương nước và PAG 5%.
  • Môi trường dung dịch polyme: Được ứng dụng tại Pháp và Mỹ từ thập niên 1950. Kopietz (1978) tổng kết 5 loại polyme chính được sử dụng gồm: Polyvinyl alcohol (PVA), PVA kết hợp PAG, PAG, Polyvinyl pyrrolidone (PVP), Alkali polyacrylate (ACR/PSA). Ngoài ra còn có Poly ethyl oxazoline (PEOX).

Dung dịch polyme được phân loại thành hai nhóm cơ chế nhiệt lý:

  1. Nhóm có hiện tượng hòa tan ngược (như PAG, PEOX): Hòa tan hoàn toàn ở nhiệt độ phòng nhưng khi nhiệt độ đạt khoảng 60°C đến 85°C (tùy tỷ lệ monome etylen oxide/propylene oxide), chuỗi polyme tách pha tạo màng bọc cách nhiệt quanh chi tiết, giúp làm chậm tốc độ nguội ở vùng nhiệt độ cao; khi nguội xuống dưới nhiệt độ tách pha, polyme hòa tan trở lại dung dịch.
  2. Nhóm không có hiện tượng hòa tan ngược (như PVP, PVA): Dung dịch có độ nhớt cao, tạo ra màng chất lỏng giàu polyme có tính ổn định cao quanh bề mặt chi tiết nóng, cho đặc tính nguội êm dịu tương tự như môi trường dầu trong toàn bộ dải nhiệt độ. Tuy nhiên, PVA bị thoái hóa tạo axit axetic gây ăn mòn nên dần bị loại bỏ; PEOX và PSA có tính nhạy cảm cao với ion kim loại nặng và điều kiện khuấy.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là: Xác lập các thông số công nghệ nhiệt luyện chính xác khi tôi thép ổ lăn OL 100Cr1,5 trong hai hệ dung dịch polyme đại diện là PAG (hòa tan ngược) và PVP (không hòa tan ngược). Luận án xây dựng cơ sở dữ liệu về tính chất nhiệt lý, thiết lập mô hình tính toán số hoàn chỉnh trên phần mềm Sysweld, và đánh giá thực nghiệm đa chiều về tổ chức pha tế vi (bằng EBSD), ứng suất dư (bằng XRD), biến dạng hình học thực tế, cùng cơ chế suy giảm tuổi thọ của dung dịch polyme qua chu kỳ làm việc bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Thép ổ lăn OL 100Cr1,5: Có thành phần khoảng 0,95 - 1,05% C và 1,30 - 1,65% Cr; nhiệt độ ủ đạt độ cứng thấp để gia công cắt gọt, nhiệt độ tôi trong khoảng 820 - 850°C. Sau tôi yêu cầu tổ chức mactenxit nhỏ mịn, cacbit dư phân bố đều và lượng austenit dư ở mức tối thiểu cho phép để đạt độ cứng từ 61 đến 65 HRC, hạn chế biến dạng để giảm công mài sửa sau nhiệt luyện.
  • Cơ chế truyền nhiệt khi làm nguội trong chất lỏng: Quá trình tôi gồm 3 giai đoạn kế tiếp nhau:
    1. Giai đoạn sôi màng (chăn hơi): Bề mặt chi tiết bị bao bọc bởi màng hơi liên tục, truyền nhiệt chủ yếu qua bức xạ và dẫn nhiệt qua màng hơi kém dẫn nhiệt, đặc trưng bởi nhiệt độ Leidenfrost.
    2. Giai đoạn sôi bong bóng: Màng hơi sụp đổ, chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kim loại, bong bóng hơi sinh ra và tách liên tục, hệ số trao đổi nhiệt (HTC) và tốc độ làm nguội đạt cực đại ($CR_{max}$).
    3. Giai đoạn đối lưu: Nhiệt độ bề mặt chi tiết xuống thấp hơn nhiệt độ sôi của môi trường, truyền nhiệt thuần túy bằng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức, tốc độ làm nguội giảm mạnh.
  • Lý thuyết chuyển biến pha mactenxit: Chuyển biến không khuếch tán từ mạng lập phương tâm mặt (FCC) của austenit sang mạng chính phương tâm khối (BCT) của mactenxit theo cơ chế biến dạng Bain. Tỷ số độ chính phương $c/a$ tỷ lệ thuận với hàm lượng cacbon trong dung dịch rắn. Sự chuyển biến đi kèm sự gia tăng thể tích riêng ($\Delta V/V > 0$), gây ra ứng suất nén cục bộ kìm hãm sự chuyển biến tiếp theo, tạo ra austenit dư.
  • Động học chuyển biến pha và ứng suất: Sự tương tác giữa trường nhiệt độ, trường chuyển biến pha (mactenxit, peclit, bainit theo nguyên lý Scheil và phương trình Johnson-Mehl-Avrami - JMA) và trường ứng suất biến dạng. Ứng suất sinh ra gồm ứng suất nhiệt (do co ngót thể tích không đồng đều giữa bề mặt và lõi) và ứng suất chuyển pha (do giãn nở thể tích khi austenit chuyển thành mactenxit xảy ra không đồng thời), kết hợp với hiện tượng biến dạng dẻo chuyển biến pha ($K^{tp}$).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp tích hợp ba cấu phần: Nghiên cứu lý thuyết, Mô phỏng số và Thực nghiệm kiểm chứng.

  • Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Sysweld 2017.0 chạy trên mô hình phần tử hữu hạn 3D của mẫu nhẫn chữ C. Các thông số đầu vào gồm hệ số truyền nhiệt phụ thuộc nhiệt độ HTC, các đặc tính nhiệt lý của thép 100Cr6 (hệ số dẫn nhiệt $K$, tỷ trọng $\rho$, entanpi, nhiệt dung riêng $C_p$, mô đun Young $E$, giới hạn chảy $Y$, hệ số giãn nở nhiệt $\alpha$), điều kiện biên trao đổi nhiệt và điều kiện gá kẹp (kẹp ngang, kẹp dọc).
  • Kỹ thuật thực nghiệm và nguồn dữ liệu:
    • Đo đường nguội: Sử dụng đầu đo tiêu chuẩn hợp kim Inconel 600 (đường kính 12,5 mm, dài 60 mm) gắn can nhiệt tâm theo chuẩn ISO 9950:1995, thu thập tín hiệu qua module chuyển đổi tốc độ cao USB-4718 kết nối máy tính.
    • Thiết bị nhiệt luyện: Lò buồng Nabertherm (CHLB Đức), nhiệt độ nung tôi $830^\circ\text{C}$, môi trường đối chứng gồm nước, dầu nhiệt luyện công nghiệp, dung dịch PVP (2%, 4%) và PAG (10%, 15%).
    • Kiểm tra biến dạng: Đo độ mở rộng khe hở trước và sau tôi ($\Delta l = n' - n$) bằng máy đo chiều dài quang học YИM21.
    • Đo ứng suất dư: Phương pháp nhiễu xạ tia X ($\sin^2\psi$) trên máy Rigaku D/MAX RAPID II, sử dụng bức xạ $\text{Cr}-K_\alpha$, xử lý số liệu bằng phần mềm chuyên dụng 2DP.
    • Phân tích pha và tổ chức tế vi: Kính hiển vi quang học (OM); phân tích cấu trúc tinh thể, định lượng tỷ lệ pha mactenxit và austenit dư bằng kỹ thuật EBSD (Electron Backscatter Diffraction) trên hệ thống kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường tại Đại học Shimane (Nhật Bản).
    • Đánh giá tuổi thọ dung dịch: Phân tích nhiệt quét vi sai và nhiệt trọng trường TG/DSC để xác định nhiệt độ phân hủy oxy hóa; quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR-6300 JASCO để xác định biến đổi nhóm chức hóa học; phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton $^1\text{H}$-NMR trên máy Jeol ECA 400 MHz để định lượng sự đứt gãy mạch và suy giảm khối lượng phân tử polyme sau 50, 100, 150, 200 chu kỳ tôi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về môi trường tôi

Chương 1 tổng thuật bức tranh toàn diện về các loại môi trường tôi kim loại, phân tích ưu nhược điểm của môi trường chất lỏng (nước, nước muối, nhũ tương, dầu khoáng, dầu thực vật, chất lỏng nano, glyxerin, polyme), môi trường khí và môi trường thể rắn. Tác giả chỉ ra xu hướng dịch chuyển từ dầu tôi sang dung dịch polyme hòa tan trong nước nhằm loại bỏ nguy cơ hỏa hoạn và ô nhiễm độc hại trong công nghiệp chế tạo cơ khí.

Chương này phân tích sâu lịch sử và cơ chế làm việc của các dung dịch polyme phổ biến (PVA, PEOX, PSA, PAG, PVP), nhấn mạnh đến sự khác biệt giữa polyme có tính chất hòa tan ngược (tách pha khi gặp nhiệt độ cao) và polyme không có tính chất hòa tan ngược (duy trì màng nhớt ổn định). Trên cơ sở tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế, tác giả khẳng định tính cấp thiết của việc nghiên cứu bài bản về ứng dụng dung dịch polyme cho thép ổ lăn tại Việt Nam bằng công cụ mô phỏng số kết hợp thực nghiệm hiện đại.

Chương 2. Cơ sở khoa học quá trình tôi thép trong dung dịch polyme

Chương 2 trình bày lý thuyết nền tảng về chuyển pha và cơ chế truyền nhiệt trong dung dịch polyme:

  • Tính chất thép OL 100Cr1,5: Trình bày thành phần hóa học, cơ tính, giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt TTT và chuyển biến khi làm nguội liên tục CCT. Để đảm bảo austenit chuyển hoàn toàn thành mactenxit và không cắt mũi chuyển biến peclit, tốc độ làm nguội của môi trường tại khoảng 550 - 650°C phải vượt qua tốc độ làm nguội tới hạn $V_{th}$.
  • Cơ chế làm nguội trong dung dịch polyme: Phân tích chi tiết ba giai đoạn làm nguội (sôi màng, sôi bong bóng, đối lưu). Trong dung dịch PAG, hiện tượng hòa tan ngược tại dải 60 - 85°C làm kết tủa một lớp polyme bao quanh màng hơi, kéo dài giai đoạn sôi màng một cách có kiểm soát, từ đó điều hòa tốc độ nguội. Đối với PVP, polyme không tách pha mà tạo lớp màng dung dịch nồng độ cao có độ nhớt lớn bọc ngoài chi tiết, ngăn cản tốc độ truyền nhiệt cục bộ, tạo đường cong làm nguội tiệm cận với môi trường dầu khoáng.
  • Các yếu tố ảnh hưởng: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ polyme, nhiệt độ bể tôi, tốc độ khuấy đến nhiệt độ Leidenfrost và các thông số $CR_{max}$, $CR_{300}$.
  • Lý thuyết chuyển biến mactenxit: Cấu trúc ô mạng BCT, cơ chế biến dạng Bain, nhiệt động học và động học chuyển pha không khuếch tán, các giả thuyết giải thích hiện tượng ổn định hóa austenit dư.
  • Lý thuyết ứng suất và biến dạng: Cơ chế hình thành ứng suất nhiệt và ứng suất chuyển pha thể tích; cách phân loại ứng suất dư loại 1 (vĩ mô), loại 2 (vi mô) và loại 3 (nội mạng tinh thể); nguồn gốc gây cong vênh nứt vỡ trong các chi tiết có hình học phức tạp.

Chương 3. Nghiên cứu quá trình tôi thép trong dung dịch polyme bằng mô phỏng số

Chương 3 triển khai bài toán mô phỏng số quá trình tôi mẫu nhẫn chữ C bằng thép OL 100Cr1,5 trên phần mềm chuyên dụng Sysweld 2017.0:

  • Thiết lập mô hình: Rời rạc hóa hình học mẫu nhẫn chữ C thành lưới phần tử hữu hạn 3D với mật độ phần tử mịn ở các vùng góc nhọn, bề mặt trao đổi nhiệt và khe hở. Khai báo thuộc tính nhiệt lý phi tuyến theo nhiệt độ của thép 100Cr6 ($K, C_p, \rho, Eth, E, Y, \alpha$).
  • Khai báo điều kiện biên: Áp dụng đường cong hệ số trao đổi nhiệt HTC xác định từ thực nghiệm đo đường nguội của các môi trường: nước, dầu tôi, PVP 2%, PVP 4%, PAG 10%, PAG 15%. Thiết lập hai phương án gá đặt mẫu khi nhúng tôi: kẹp đứng (kẹp dọc) và kẹp ngang.
  • Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ: Xác định phân bố nhiệt độ theo thời gian tại các thời điểm 0 s; 3,025 s; 7,025 s và 500 s. Tại các nút khảo sát trên mặt đáy và tiết diện ngang, tốc độ nguội trong dung dịch PVP 4% diễn ra đồng đều, không xuất hiện gradient nhiệt cục bộ quá lớn như môi trường nước.
  • Kết quả mô phỏng chuyển pha và độ cứng: Phản ánh sự chuyển hóa từ austenit sang mactenxit, xác định tỷ lệ mactenxit, bainit và austenit dư.
Môi trường tôi (Mô phỏng) Hàm lượng Mactenxit (%) Hàm lượng Bainit (%) Hàm lượng Austenit dư (%) Độ cứng nhỏ nhất - lớn nhất (HV)
Nước 91,2 0,0 8,8 798 - 835
Dầu 87,4 4,2 8,4 752 - 812
PVP 2% 90,8 0,3 8,9 794 - 830
PVP 4% 88,6 2,7 8,7 768 - 818
PAG 15% 88,1 3,1 8,8 762 - 815
  • Kết quả mô phỏng ứng suất và biến dạng: Trường ứng suất tương đương Von Mises ($S_{eqv}$) và các thành phần ứng suất pháp ($S_{xx}, S_{yy}, S_{zz}$), ứng suất tiếp ($S_{xy}, S_{yz}, S_{zx}$) cho thấy trường hợp kẹp ngang cho mức độ đối xứng ứng suất tốt hơn kẹp dọc. Biến dạng tổng hợp ($D_{norm}$) và chuyển vị theo trục X tại nút 584 (vị trí đầu mút khe hở chữ C) chứng minh dung dịch PVP 4% và dầu có độ dịch chuyển khe hở nhỏ hơn rất nhiều so với môi trường nước.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 mô tả quy trình thực nghiệm nhằm thu thập dữ liệu đầu vào và kiểm chứng mô hình mô phỏng:

  • Pha chế môi trường: Sử dụng hạt polyme PVP nguyên chất và dung dịch PAG đậm đặc hòa tan trong nước lọc thẩm thấu ngược RO để tạo các nồng độ dung dịch thử nghiệm (PVP 2%, 4%; PAG 10%, 15%). Thể tích dung dịch tôi được tính toán theo công thức cân bằng nhiệt lượng tỏa ra từ vật tôi ($Q_{ct}$) và nhiệt dung của bể tôi ($Q_{dd}$), đảm bảo nhiệt độ bể tôi không tăng quá mức cho phép trong quá trình tôi.
  • Đo tính chất môi trường tôi: Xác định độ nhớt động lực học bằng máy đo chuyên dụng. Đo đường nguội bằng mẫu chuẩn Inconel 600 theo chuẩn ISO 9950:1995 kết nối bộ ghi dữ liệu USB-4718 ở nhiệt độ mẫu 830°C.
  • Quy trình chế tạo và nhiệt luyện mẫu: Gia công mẫu nhẫn chữ C bằng cắt dây CNC từ phôi thép OL 100Cr1,5, mài và đánh bóng bề mặt. Nung mẫu trong lò buồng Nabertherm đến 830°C, giữ nhiệt và nhúng tôi vào các môi trường tương ứng trong điều kiện kẹp ngang.
  • Kỹ thuật kiểm tra sau tôi:
    • Đo kích thước khe hở nhẫn chữ C trên máy quang học YИM21 để tính độ mở biến dạng $\Delta l$.
    • Đo ứng suất dư bề mặt bằng thiết bị nhiễu xạ tia X Rigaku D/MAX RAPID II tại hai vị trí chuẩn: N310 (vùng mỏng, gần khe hở) và N480 (vùng dày, lưng chữ C).
    • Cắt mẫu kiểm tra tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học (tẩm thực dung dịch Nital 4%).
    • Phân tích pha EBSD tại Đại học Shimane nhằm định lượng tỷ lệ diện tích pha mactenxit và austenit dư tại hai vị trí vùng mỏng (Vùng A) và vùng dày (Vùng B).
    • Đo độ cứng tế vi Vickers trên máy đo độ cứng vi mô.
    • Phân tích thoái hóa dung dịch: Thực hiện tôi lặp lại mẫu thép qua các chu kỳ 50, 100, 150 và 200 lần, sau đó lấy mẫu dung dịch kiểm tra sự biến thiên độ nhớt, đường cong làm nguội, đo phổ nhiệt TG/DSC, phổ hồng ngoại FTIR và phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H}$-NMR.

Chương 5. Kết quả nghiên cứu và bàn luận

Chương 5 phân tích và bàn luận toàn bộ các kết quả đo đạc thực nghiệm và đối sánh với mô phỏng:

  • Đặc tính làm nguội của dung dịch: Khi tăng nồng độ polyme, nhiệt dung riêng của dung dịch giảm nhẹ nhưng độ nhớt động lực học tăng mạnh (dung dịch PVP tăng từ 1,12 mPa.s ở 2% lên 1,65 mPa.s ở 4%; PAG tăng từ 1,85 mPa.s ở 10% lên 3,21 mPa.s ở 15%). Việc tăng nồng độ làm kéo dài giai đoạn sôi màng, làm giảm tốc độ nguội lớn nhất ($CR_{max}$) và tốc độ nguội ở 300°C ($CR_{300}$). Dung dịch PVP 4% có đường cong nguội sát nhất với môi trường dầu tôi công nghiệp ($CR_{max}$ đạt khoảng 112°C/s so với dầu là 98°C/s, trong khi nước lên tới trên 200°C/s).
  • Biến dạng mẫu chữ C: Biến dạng đo qua độ mở khe hở chữ C theo phương X ($\Delta l$) thể hiện mức độ sai lệch hình học do ứng suất nhiệt và ứng suất pha gây ra:
Môi trường tôi Độ mở khe hở thực nghiệm $G_{TN}$ (mm) Độ mở khe hở mô phỏng $G_{MP}$ (mm) Chênh lệch sai số (%)
Nước 0,985 1,042 5,7
Dầu 0,312 0,335 7,3
PVP 2% 0,542 0,578 6,6
PVP 4% 0,338 0,356 5,3
PAG 15% 0,365 0,391 7,1

Kết quả cho thấy mẫu tôi trong PVP 4% có độ biến dạng mở khe hở rất thấp (0,338 mm), xấp xỉ mức biến dạng khi tôi trong dầu (0,312 mm), trong khi tôi trong nước biến dạng lên tới 0,985 mm. Sự tương đồng giữa kết quả đo thực nghiệm và tính toán mô phỏng xác nhận độ tin cậy của mô hình phần tử hữu hạn.

  • Ứng suất dư sau tôi: Kết quả đo bằng nhiễu xạ tia X tại vị trí N310 và N480 cho thấy mẫu tôi trong nước chịu ứng suất dư kéo bề mặt rất lớn (dễ gây nứt mỏi), trong khi mẫu tôi trong dầu và PVP 4% có giá trị ứng suất dư bề mặt ở mức thấp hoặc chuyển sang ứng suất nén nhẹ, giúp tăng độ bền mỏi cho chi tiết ổ lăn.
  • Tổ chức tế vi và thành phần pha (EBSD): Ảnh tổ chức quang học và bản đồ nhiễu xạ EBSD tại vùng A (thành mỏng) và vùng B (thành dày) phản ánh tổ chức sau tôi gồm mactenxit dạng tấm/kim mịn và các hạt cacbit hình cầu chưa tan phân bố trên nền mactenxit:
Môi trường tôi Pha Mactenxit vùng B (%) Pha Austenit dư vùng B (%) Độ cứng thực nghiệm (HV)
Nước 92,4 7,6 825
Dầu 86,5 13,5 795
PVP 2% 90,1 9,9 818
PVP 4% 87,8 12,2 802
PAG 15% 87,2 12,8 798

Tỷ lệ austenit dư trong mẫu tôi PVP 4% tại vùng thành dày (12,2%) nằm trong giới hạn cho phép của thép ổ lăn chịu tải, tương thích với độ cứng đạt 802 HV (tương đương ~63,5 HRC), đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật đối với thép ổ lăn.

  • Đánh giá khả năng tái sử dụng và thoái hóa dung dịch:
    • Qua 200 chu kỳ tôi mẫu, độ nhớt của dung dịch PVP 4% giảm nhẹ từ 1,65 mPa.s xuống 1,48 mPa.s; tốc độ nguội $CR_{max}$ tăng nhẹ nhưng vẫn duy trì đặc tính dập tắt dao động nhiệt êm dịu.
    • Phổ TG/DSC cho thấy polyme PVP bắt đầu phân hủy nhiệt ở ngưỡng nhiệt độ trên 380°C, chứng minh độ ổn định nhiệt cao trong điều kiện tôi gián đoạn.
    • Phổ hồng ngoại FTIR ghi nhận các đỉnh hấp thụ đặc trưng của nhóm carbonyl ($C=O$) ở số sóng khoảng $1660\text{ cm}^{-1}$ và liên kết $C-N$ không có sự biến đổi cấu trúc hóa học hay xuất hiện nhóm chức lạ do oxy hóa.
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H}$-NMR xác định các dịch chuyển hóa học của proton trên mạch phân tử PVP; khối lượng phân tử trung bình của PVP sau 200 lần tôi giảm dưới 8% so với ban đầu. Kết quả này khẳng định dung dịch PVP 4% có tuổi thọ cao và hoàn toàn có thể tái sử dụng ổn định trong thực tế xử lý nhiệt.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Xây dựng được mối quan hệ định lượng giữa nồng độ của các hệ polyme PAG và PVP hòa tan trong nước đến các thông số nhiệt lý then chốt gồm độ nhớt động lực học, nhiệt dung riêng và tốc độ làm nguội ($CR_{max}, CR_{300}$).
  2. Xác định được ảnh hưởng của số chu kỳ tôi (lên đến 200 lần) đến tốc độ nguội, sự suy giảm khối lượng phân tử polyme và tuổi thọ/khả năng tái sử dụng của dung dịch PVP và PAG thông qua phân tích chuyên sâu bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR) kết hợp FTIR và TG/DSC.
  3. Xác định được ảnh hưởng của môi trường dung dịch tôi polyme đến tổ chức pha tế vi định lượng (bằng EBSD), độ cứng vi mô, phân bố ứng suất dư (bằng XRD) và biến dạng hình học của mẫu chuẩn chữ C bằng thép ổ lăn OL 100Cr1,5; qua đó chứng minh dung dịch PVP nồng độ 4% trong nước là môi trường tôi tối ưu thay thế dầu tôi công nghiệp.
  4. Xây dựng hoàn chỉnh chương trình và quy trình tính toán mô phỏng số 3D quá trình tôi thép trên phần mềm Sysweld 2017.0, tích hợp đầy đủ tương tác nhiệt - pha - cơ học, cho kết quả dự đoán trường nhiệt, pha và biến dạng có độ chính xác cao so với thực nghiệm.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất ứng dụng dung dịch polyme PVP nồng độ 4% trong nước để thay thế hoàn toàn môi trường dầu tôi trong công nghệ nhiệt luyện các chi tiết từ thép ổ lăn OL 100Cr1,5 nhằm triệt tiêu nguy cơ hỏa hoạn, bảo vệ sức khỏe người vận hành và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
  • Đề xuất sử dụng quy trình mô phỏng số bằng phần mềm Sysweld làm công cụ thiết kế, dự báo biến dạng và tối ưu hóa chế độ gá đặt chi tiết (ưu tiên phương án kẹp ngang đối với các chi tiết dạng vòng khuyên hở) trước khi tiến hành sản xuất thực nghiệm, giúp tiết kiệm chi phí phôi liệu và thời gian chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Toàn bộ các nghiên cứu thực nghiệm nhiệt luyện và kiểm tra tính chất môi trường mới được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với thể tích bể tôi hữu hạn.
    • Luận án chưa khảo sát sâu ảnh hưởng tương tác đồng thời của các thông số động học dòng chảy (vận tốc khuấy cưỡng bức) và sự biến động nhiệt độ của bể tôi trong điều kiện sản xuất liên tục đối với mẫu thử chữ C.
  • Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:
    • Mở rộng quy trình công nghệ tôi trong dung dịch PVP 4% ra quy mô bán công nghiệp và công nghiệp đối với các chi tiết vòng bi, trục cơ khí thực tế có kích thước hình học đa dạng.
    • Nghiên cứu bổ sung các hệ phụ gia chống tạo bọt, chất kháng khuẩn sinh học và chất ức chế ăn mòn nhằm kéo dài hơn nữa chu kỳ sử dụng của bể dung dịch tôi polyme trong điều kiện xưởng sản xuất nhiệt luyện liên tục.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Khoa học vật liệu, Cơ khí chế tạo, Vật lý kỹ thuật: Cung cấp khung phương pháp luận kết hợp đồng bộ giữa mô phỏng phần tử hữu hạn chuyên sâu (Sysweld) với các kỹ thuật phân tích cấu trúc tiên tiến (EBSD, XRD, $^1\text{H}$-NMR). Chương 2 và Chương 3 là tài liệu chuẩn mực về lý thuyết chuyển pha và mô hình hóa ứng suất nhiệt luyện.
  • Đối với các kỹ sư công nghệ nhiệt luyện, nhà quản lý sản xuất tại các nhà máy cơ khí, sản xuất phụ tùng vòng bi, ô tô, xe máy: Cung cấp trực tiếp các bộ thông số kỹ thuật (độ nhớt, đường nguội, nồng độ pha chế dung dịch PVP và PAG) cùng giải pháp thay thế dầu tôi, giúp các doanh nghiệp nâng cao mức độ an toàn phòng chống cháy nổ và đáp ứng các tiêu chuẩn sản xuất xanh, thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mẫu thí nghiệm hình nhẫn chữ C khoét lệch tâm lại được lựa chọn để nghiên cứu quá trình tôi thép OL 100Cr1,5?

Mẫu chữ C khoét lệch tâm được công nhận là dạng mẫu chuẩn trong nghiên cứu nhiệt luyện quốc tế vì trên cùng một mẫu tích hợp đầy đủ các đặc trưng hình học phức tạp: thành dày, thành mỏng, góc nhọn, góc tù và khe hở tự do. Cấu trúc này làm phát sinh tốc độ nguội không đồng đều, tạo ra sự phân bố ứng suất nhiệt và ứng suất chuyển pha phức tạp, cho phép đánh giá trực quan và định lượng biến dạng hình học thông qua độ mở/khép khe hở ($\Delta l$) trên cùng một chu trình thí nghiệm.

2. Sự khác biệt căn bản về cơ chế làm nguội giữa hệ dung dịch PAG và hệ dung dịch PVP là gì?

Dung dịch PAG là hệ polyme có hiện tượng hòa tan ngược: khi tiếp xúc với bề mặt chi tiết nóng vượt quá nhiệt độ hòa tan ngược (60 - 85°C), các chuỗi PAG tách khỏi dung dịch nước và kết tụ thành màng polyme bọc lấy màng hơi, kéo dài giai đoạn sôi màng một cách có kiểm soát; khi nhiệt độ giảm xuống, màng polyme hòa tan trở lại. Ngược lại, dung dịch PVP không có hiện tượng hòa tan ngược; cơ chế làm nguội của PVP dựa trên độ nhớt cao của dung dịch tạo ra một lớp màng chất lỏng giàu polyme ổn định bao quanh chi tiết, giúp dập tắt dao động nhiệt và làm nguội êm dịu tương tự như cơ chế của dầu khoáng.

3. Vì sao dung dịch PVP 4% được kết luận là môi trường tôi tối ưu nhất cho thép OL 100Cr1,5?

Thực nghiệm và mô phỏng chứng minh dung dịch PVP nồng độ 4% đáp ứng hài hòa các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của thép ổ lăn: tốc độ làm nguội ở nhiệt độ cao đủ lớn ($CR_{max} \approx 112^\circ\text{C/s}$) để vượt qua mũi biến đổi peclit của giản đồ CCT; tốc độ nguội tại vùng 300°C đủ thấp để giảm thiểu ứng suất chuyển pha; độ mở khe hở biến dạng thực nghiệm đạt mức rất thấp (0,338 mm, gần tương đương dầu là 0,312 mm); độ cứng sau tôi đạt 802 HV (~63,5 HRC); tổ chức thu được chứa 87,8% mactenxit và 12,2% austenit dư phân bố đều; triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ bắt cháy và độc hại so với dầu tôi.

4. Phương pháp nào đã được luận án sử dụng để định lượng sự thoái hóa của chuỗi phân tử polyme sau nhiều lần tôi?

Luận án đã ứng dụng kỹ thuật quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H}$-NMR) trên thiết bị Jeol ECA 400 MHz kết hợp với phổ hồng ngoại FTIR và phân tích nhiệt TG/DSC. Phổ $^1\text{H}$-NMR cho phép theo dõi trực tiếp độ chuyển dịch hóa học của các nguyên tử hydro và định lượng mức độ đứt gãy mạch phân tử thông qua sự suy giảm khối lượng phân tử trung bình của PVP sau các mốc 50, 100, 150 và 200 chu kỳ tôi.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Thị Xuân đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và công nghệ về việc ứng dụng dung dịch polyme hòa tan trong nước làm môi trường tôi thay thế dầu khoáng cho thép ổ lăn OL 100Cr1,5. Bằng cách kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số 3D trên phần mềm Sysweld với hệ thống thực nghiệm đa quy mô, công trình đã xác lập bản chất truyền nhiệt, động học chuyển pha và quy luật hình thành ứng suất - biến dạng của vật liệu. Kết quả khẳng định dung dịch PVP 4% là giải pháp tối ưu về mặt cơ tính, độ chính xác hình học và độ bền mỏi cho chi tiết, đồng thời mở ra hướng tiếp cận bền vững, an toàn và thân thiện với môi trường trong công nghệ xử lý nhiệt tại Việt Nam.