Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng của dung dịch polyme đến tổ chức và tính chất thép ổ lăn 100Cr1,5

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến tính chất biến dạng của thép ổ lăn 100Cr1 5, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Trần Thị Xuân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Tư
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Dung Dịch Polyme Đến Tính Chất Thép Ổ Lăn 100Cr1,5
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch polyme

Nghiên cứu về ảnh hưởng của dung dịch polyme đến tính chất thép ổ lăn 100Cr1,5 đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành công nghiệp chế tạo. Thép 100Cr1,5 là loại thép có tính chất cơ học tốt, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao. Việc sử dụng dung dịch polyme trong quá trình tôi thép không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ học mà còn ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của thép. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế và hiệu quả của dung dịch polyme trong quá trình tôi thép.

1.1. Tình hình nghiên cứu về dung dịch polyme trong công nghiệp

Nghiên cứu về dung dịch polyme đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Các nghiên cứu chỉ ra rằng dung dịch polyme có khả năng làm nguội hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học của thép, đặc biệt là thép ổ lăn 100Cr1,5.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng dung dịch polyme trong tôi thép

Việc sử dụng dung dịch polyme trong quá trình tôi thép mang lại nhiều lợi ích. Nó không chỉ giúp tăng cường độ bền và độ cứng của thép mà còn giảm thiểu ứng suất dư trong quá trình làm nguội. Điều này rất quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ của sản phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu dung dịch polyme

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng việc áp dụng dung dịch polyme trong quá trình tôi thép cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc xác định nồng độ tối ưu của dung dịch polyme để đạt được hiệu quả tốt nhất. Ngoài ra, sự biến đổi tính chất của dung dịch polyme theo thời gian cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của dung dịch polyme

Nồng độ, nhiệt độ và tốc độ khuấy là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của dung dịch polyme. Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ polyme cao có thể dẫn đến độ nhớt lớn, ảnh hưởng đến khả năng làm nguội.

2.2. Thách thức trong việc kiểm soát chất lượng dung dịch polyme

Kiểm soát chất lượng của dung dịch polyme là một thách thức lớn. Sự thay đổi trong thành phần hóa học có thể ảnh hưởng đến tính chất của thép sau khi tôi. Do đó, cần có các phương pháp phân tích chính xác để đánh giá chất lượng dung dịch.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch polyme

Để nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch polyme đến tính chất thép 100Cr1,5, các phương pháp thí nghiệm và mô phỏng số đã được áp dụng. Các thí nghiệm này giúp xác định các thông số quan trọng như tốc độ nguội, độ cứng và cấu trúc vi mô của thép sau khi tôi.

3.1. Thiết kế thí nghiệm để đánh giá tính chất thép

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc chuẩn bị mẫu thép 100Cr1,5 và áp dụng các dung dịch polyme khác nhau. Các mẫu sẽ được tôi trong các điều kiện khác nhau để đánh giá ảnh hưởng đến tính chất cơ học.

3.2. Mô phỏng số trong nghiên cứu tính chất thép

Mô phỏng số được sử dụng để dự đoán các tính chất của thép sau khi tôi trong dung dịch polyme. Phần mềm mô phỏng giúp phân tích các yếu tố như nhiệt độ và ứng suất trong quá trình làm nguội.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng dung dịch polyme có ảnh hưởng tích cực đến tính chất thép 100Cr1,5. Các mẫu thép được tôi trong dung dịch polyme cho thấy độ cứng và độ bền cao hơn so với các mẫu được tôi trong dầu truyền thống. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng dung dịch polyme trong công nghiệp chế tạo.

4.1. Đánh giá tính chất cơ học của thép sau khi tôi

Các thí nghiệm cho thấy rằng độ cứng của thép 100Cr1,5 tăng lên đáng kể khi sử dụng dung dịch polyme. Điều này chứng tỏ rằng dung dịch polyme có khả năng cải thiện tính chất cơ học của thép.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của dung dịch polyme trong công nghiệp

Việc áp dụng dung dịch polyme trong công nghiệp chế tạo có thể giúp nâng cao hiệu quả sản xuất. Các sản phẩm thép có tính chất tốt hơn sẽ đáp ứng được yêu cầu khắt khe của thị trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về ảnh hưởng của dung dịch polyme đến tính chất thép 100Cr1,5 đã chỉ ra nhiều kết quả khả quan. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả sử dụng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong ngành công nghiệp chế tạo.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng dung dịch polyme có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của thép 100Cr1,5. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng trong thực tiễn.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa nồng độ và thành phần của dung dịch polyme để đạt được hiệu quả tốt nhất trong quá trình tôi thép.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong thực tế, các công nghệ xử lý nhiệt nói chung, công nghệ tôi nói riêng luôn chiếm một vị trí quan trọng trong quá trình sản xuất, chế tạo các chi tiết máy và có vai trò quyết định đến tuổi thọ cũng như độ tin cậy trong quá trình làm việc đối với một số loại chi tiết máy đặc thù như bánh răng, ổ lăn, chi tiết trục,. Phần lớn các chi tiết máy sau khi được tạo hình bằng các quá trình như đúc, gia công áp lực hay cắt gọt thường phải được chuyển tiếp đến quá trình nhiệt luyện để nâng cao độ cứng, độ bền và khả năng chịu tải. Các chi tiết máy quan trọng làm việc trong những điều kiện nặng nề như chịu ma sát lớn, bị mài mòn, chịu tải nặng và đa số các dụng cụ (cắt, biến dạng nguội) đều phải qua nhiệt luyện tôi và ram [1]. Công dụng chính của tôi (kết hợp với ram thấp) là nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho thép, do đó kéo dài được thời hạn làm việc của các chi tiết máy chịu mài mòn, đồng thời tôi cũng nâng cao được độ bền và khả năng chịu tải của chi tiết máy, cho nên nguyên công tôi thép chiếm vị trí đặc biệt quan trọng trong nhiệt luyện thép [2].

Tôi cùng với ram sẽ quyết định đến cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc, do đó quyết định đến tuổi thọ của chi tiết máy. Do nguyên công tôi là một trong những nguyên công cuối cùng khi chi tiết máy đã ở dạng thành phẩm, cho nên nếu hư hỏng ở khâu này sẽ gây ra lãng phí công sức và chi phí ở những quá trình gia công trước đó, vì thế cần phải hết sức chú ý và tuân thủ các chế độ và quy trình công nghệ tôi. Trong quá trình tôi, nếu môi trường tôi và/ hoặc chế độ và kỹ thuật tôi không phù hợp thì chi tiết máy có thể bị nứt, cong vênh hoặc độ cứng không đạt yêu cầu. Chất lượng của sản phẩm tôi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt, tốc độ làm nguội, cách kẹp và hướng nhúng chi tiết vào môi trường tôi, … trong đó tốc độ làm nguội giữ vai trò quan trọng nhất.

Đối với vật liệu và kết cấu cụ thể của chi tiết máy, việc lựa chọn môi trường tôi phù hợp có ý nghĩa hết sức quan trọng, nó là yếu tố chính quyết định đến chất lượng của sản phẩm tôi. Môi trường tôi phải có tốc độ nguội đủ lớn (lớn hơn giá trị tốc độ nguội tới hạn) để khi làm nguội thép không chuyển sang tổ chức có độ cứng thấp, mặt khác môi trường tôi phải có tốc độ nguội đủ nhỏ để ứng suất sinh ra trong chi tiết tôi không quá lớn nhằm ngăn ngừa khả năng gây ra nứt hoặc biến dạng cong vênh chi tiết tôi, nhất là ở vùng chuyển biến mactenxit. Do mỗi loại thép có một nhiệt độ chuyển biến mactenxit và tốc độ nguội tới hạn khác nhau, nên môi trường tôi phù hợp với chúng cũng sẽ khác nhau. Hiện nay, môi trường tôi chủ yếu vẫn là nước và dầu, trong đó môi trường tôi nước thường được dùng để tôi thép cácbon và các chi tiết có hình dạng đơn giản vì môi trường tôi này có tốc độ nguội rất lớn nên dễ gây ra nứt và làm biến dạng chi tiết tôi [3].

Môi trường tôi dầu có độ nhớt cao, nhiệt dung thấp và có tốc độ nguội nhỏ nên chỉ phù hợp cho một số loại thép hợp kim. Mặt khác, dầu dễ bắt cháy, rất không an toàn khi tôi và gây ô nhiễm môi trường. Dầu cũng không phù hợp để tôi cho các chi tiết có kích thước lớn, tôi tần số hoặc tôi trong lò liên tục. Hơn nữa trong thực tế, có rất nhiều chi tiết trong ngành thực phẩm, dược phẩm hoặc những dụng cụ y tế làm bằng thép hợp kim, … được khuyến cáo không dùng dầu để tôi do không bảo đảm được an toàn sức khỏe.

Do đó, nhu cầu nghiên cứu tìm ra môi trường tôi an toàn, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, có tốc độ nguội không quá lớn để tránh nứt, không gây ra biến dạng cho chi tiết tôi và có thể thay thế cho dầu để tôi cho thép hợp kim là rất cần thiết và cấp bách trong thời điểm hiện nay. Xuất phát từ những lý do trên mà ý tưởng nghiên cứu tìm ra môi trường tôi phù hợp đối với một dạng chi tiết và vật liệu cụ thể được hình thành và triển khai trong đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến tổ chức, tính chất, biến dạng của 1 thép ổ lăn OL100Cr1,5”. Đề tài nghiên cứu thành công sẽ đem lại rất nhiều lợi ích về mặt khoa học và thực tiễn.  Mục đích của luận án: - 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.

- 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. - 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 và phạm vi nghiên cứu: a) Đối tượng nghiên cứu: Nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng môi trường tôi an toàn, thân thiện với môi trường, tốc độ nguội có thể điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với nhiều loại thép,…, luận án này tập trung nghiên cứu sử dụng 2 hệ dung dịch polyme hòa tan trong nước là poly alkylene glycol (PAG) và poly vinyl pyrrolidone (PVP) để làm môi trường tôi. Mặt khác, do nhu cầu sử dụng rất rộng rãi của các chi tiết ổ lăn trong công nghiệp và đời sống nên tác giả lựa chọn nghiên cứu quá trình tôi cho vật liệu thép ổ lăn (cụ thể là mác OL100Cr1,5) với mẫu có dạng chữ C được khoét lệch tâm có hình dáng và kích thước như mô tả trên hình 0.

Dạng mẫu này đã được coi như “mẫu chuẩn” dùng để nghiên cứu quá trình tôi vật liệu [4, 5, 6, 7] bởi vì trên mẫu chữ C có các vùng dày, mỏng khác nhau, có vị trí góc nhọn, góc tù, có khe mở nên với cùng một mẫu có thể nghiên cứu được nhiều yếu tố trong quá trình tôi như: truyền nhiệt, chuyển biến pha, độ cứng, ứng suất và biến dạng.1 Đối tượng nghiên cứu của luận án b) Phạm vi nghiên cứu: Luận án này chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ polyme hòa tan trong nước đến tốc độ nguội của dung dịch tôi. Không xem xét ảnh hưởng của các yếu tố khác (như tốc độ khuấy và nhiệt độ dung dịch tôi) đến tốc độ nguội của dung dịch tôi. Quy mô nghiên cứu của luận án được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm.  Nhiệm vụ nghiên cứu: - Phân tích và lựa chọn các hệ polyme thích hợp để pha chế thành dung dịch tôi cho thép OL100Cr1,5 ở các nồng độ khác nhau.

- Phân tích các đặc điểm và xác định các tính chất của các dung dịch tôi polyme tự chế để thu thập dữ liệu đầu vào phục vụ cho bài toán mô phỏng số quá trình tôi thép OL100Cr1,5. 2 - Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng số quá trình tôi mẫu chữ C bằng thép OL100Cr1,5 trong các môi trường tôi khác nhau, qua đó dự đoán được môi trường tôi thích hợp nhất đối với dạng chi tiết và vật liệu cho trước. - Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường tôi đến tổ chức, độ cứng, ứng suất và biến dạng của mẫu chữ C bằng thép OL100Cr1,5 khi tôi trong các môi trường khác nhau. - Nghiên cứu ảnh hưởng của số lần tôi đến tuổi thọ hay khả năng tái sử dụng của dung dịch tôi polyme hòa tan trong nước.

 Phương pháp nghiên cứu: Do đây là vấn đề mới nên nếu chỉ nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đơn thuần thì sẽ mất nhiều thời gian và đặc biệt là rất tốn kém về mặt chi phí thực nghiệm. Trong khi đó, hiện tại lại có sẵn các công cụ tính toán hiện đại (máy tính điện tử và phần mềm Sysweld 2017.0 (bản quyền) chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình nhiệt luyện), cho nên để đạt hiệu quả cao và nhanh đến đích do tránh được việc thực nghiệm ở các vùng thông số công nghệ không phù hợp và tiết kiệm các chi phí thực nghiệm, tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng số + thực nghiệm kiểm chứng. Cụ thể như sau: - Nghiên cứu tổng quan để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài ở trong và ngoài nước, qua đó biết được những gì đã được công bố và tìm ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết. - Nghiên cứu kỹ các lý thuyết về quá trình tôi thép; về các đặc điểm, tính chất và yêu cầu của môi trường tôi để qua đó đề ra các giải pháp kỹ thuật và công nghệ thích hợp nhằm thực hiện thành công mẫu tôi đã chỉ định.

- Sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng số để xác định môi trường tôi phù hợp nhất đối với đối tượng và vật liệu nghiên cứu, nhằm mục đích tiết kiệm thời gian và chi phí thực nghiệm. - Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm kiểm chứng các kết quả mô phỏng và xác minh chất lượng của sản phẩm tôi trong môi trường mới. - Sử dụng các thiết bị đo, phân tích và phần mềm hiện đại để đo đạc và đánh giá kết quả nghiên cứu bảo đảm độ tin cậy.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: a) Ý nghĩa khoa học của luận án: - Hệ thống hóa và bổ sung các chứng cứ khoa học, các số liệu về công nghệ tôi vật liệu kim loại bằng dung dịch polyme hòa tan trong nước.

- Làm rõ về cơ chế làm nguội khi tôi trong dung dịch polyme và xác định được ảnh hưởng của nồng độ cũng như số lần tôi đến tuổi thọ hay khả năng tái sử dụng của dung dịch tôi polyme. - Hoàn thiện một phương pháp nghiên cứu bài bản, hiện đại và có hiệu quả cao đối với các dạng bài toán yêu cầu tìm ra một môi trường tôi phù hợp nhất đối với một dạng chi tiết và vật liệu cụ thể.