Đặt vấn đề Các chi tiết máy sau một thời gian làm việc nhất định sẽ bị mài mòn dẫn đến không đảm bảo được yêu cầu hoạt động hoặc bị phá hủy. Để tiết kiệm chi phí chế tạo gia công chi tiết mới, các chi tiết bị mài mòn trước khi bị phá huỷ sẽ được phục hồi bằng các phương pháp như mạ phủ, hàn đắp và phun phủ. Trong đó, phương pháp hàn đắp ít được áp dụng vì chi tiết phải gia công lại sau hàn và bị biến dạng nhiệt nên cơ tính (độ bền, độ cứng,…) không còn bảo đảm như ban đầu. Phương pháp mạ phủ được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi, đặc biệt là trong các ngành ô tô, hàng không, thực phẩm, hóa dầu, tàu biển.
vì giúp tạo thành một lớp bề mặt phủ ngoài với các tính chất cơ h c t t hơn h n v t liệu nền ban đầu. Trong s các v t liệu mạ phủ, crôm được sử dụng nhiều nhất để tăng bền cho bề mặt chi tiết với các tính chất như ch ng mài mòn, kháng ăn mòn t t, độ cứng cao,. trong mạ phục hồi các chi tiết máy, khuôn đúc. Bên cạnh những ưu điểm trên, mạ crôm có một nhược điểm lớn là gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của người v n hành thiết bị mạ.
Vì v y, ở các nước tiên tiến trên thế giới đã triển khai nghiên cứu tìm kiếm những phương pháp phủ mới để dần thay thế cho phương pháp mạ crôm. Một trong những phương pháp tiên tiến hiện nay có khả năng thay thế cho mạ crôm là phương pháp phủ nhiệt khí t c độ cao (High Velocity Oxygen Fuel - HVOF). Phương pháp HVOF có ưu điểm là độ x p thấp, độ bền bám dính và độ cứng cao hơn so với phương pháp phun phủ nhiệt khác như phun hồ quang điện, phun plasma, phun khí cháy,… Tuy nhiên, một trở ngại lớn của phương pháp HVOF là giá thành khá cao so với mạ crôm. Với lý do trên, hiện nay ở nước ta vẫn dùng phương pháp mạ crôm là chủ yếu và một s cơ sở đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng phương pháp HVOF để đáp ứng các tiêu chí về môi trường.
V t liệu sử dụng để phủ lên bề mặt chi tiết khi ứng dụng phương pháp HVOF khá đa dạng, trong đó v t liệu carbide vonfram (WC-10Co-4Cr) đã cho thấy là một trong các v t liệu phủ có tính chất cơ h c t t nhất để thay thế cho mạ crôm. 1 luan an Độ bền mỏi của chi tiết là một trong các thông s quan tr ng để đánh giá tuổi th của chi tiết, đặc biệt là các chi tiết dạng trục [1]. Do v y, sau khi mạ phủ phục hồi, độ bền mỏi của chi tiết (sau mạ phủ) cũng là một trong các tính chất cơ h c được quan tâm. Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi theo chu kỳ, bắt đầu từ những vết nứt tế vi sinh ra từ vùng chi tiết máy chịu ứng suất đủ lớn và thường xuất hiện từ bề mặt ngoài phát triển vào bên trong chi tiết [1].
Khi s chu kỳ làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần và cu i cùng xảy ra gãy hỏng [1]. Điều này cho thấy chất lượng bề mặt của chi tiết máy đóng một vai trò quan tr ng, trong đó sự tồn tại của vết nứt tế vi trên bề mặt là một trong các yếu t chính ảnh hưởng đến độ bền mỏi, quyết định đến tuổi th và độ tin c y trong quá trình làm việc của chúng [1]. Và thực tiễn đã cho thấy, khoảng 90% các tổn thất của chi tiết (gãy, phá huỷ) là do các vết nứt mỏi gây ra [2]. Vì thế, việc phân tích - đánh giá khả năng làm việc của lớp phủ bề mặt qua thông s độ bền mỏi có ý nghĩa quan tr ng giúp dự đoán tuổi th chi tiết để có cơ sở xây dựng kế hoạch sản xuất, kế hoạch bảo trì.
Với định hướng trên, việc đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ bằng phương pháp mạ crôm cứng và phủ HVOF với v t liệu WC-10Co-4Cr trên nền thép C45 chi tiết dạng trục là một trong các nội dung nghiên cứu chính của đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp phủ bề mặt đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục”. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học - Xây dựng được phương trình đường cong mỏi theo mô hình Basquin dựa vào chiều dày của lớp mạ crôm và lớp phủ carbide vonfram WC-10Co-4Cr giúp dự đoán được độ bền mỏi tương ứng với chiều dày lớp mạ phủ xác định. - Đề xuất được cách thức tính toán sự thay đổi của ứng suất dư và m t độ vết nứt tế vi, giúp xác định quan hệ giữa ứng suất dư với độ bền mỏi cũng như m t độ của vết nứt tế vi xuất hiện trong lớp mạ phủ ứng với một chiều dày xác định của lớp phủ. 2 luan an - Xác định được qua thực nghiệm, khi tăng chiều dày lớp mạ crôm trên nền thép C45 thì m t độ vết nứt tăng làm cho ứng suất dư kéo giảm dẫn đến độ bền mỏi giảm; và khi tăng chiều dày của lớp phủ carbide vonfram WC-10Co-4Cr ứng suất dư nén sẽ tăng nên độ bền mỏi có xu hướng tăng tương ứng.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu này góp phần phát triển công nghệ phun phủ HVOF, góp phần ứng dụng công nghệ phun phủ tiên tiến, có năng suất và chất lượng cao này trong phủ bề mặt cũng như phục hồi chi tiết máy ở Việt Nam.
Các kết quả nghiên cứu của lu n án chỉ ra khả năng và phạm vi áp dụng mạ crôm cứng, phun phủ HVOF với v t liệu carbide vonfram (WC-10Co-4Cr) lên nền thép C45 trong công nghệ sản xuất chi tiết mới, ứng dụng phục hồi chi tiết máy với các chiều dày lớp phủ 10, 30, 60 và 90 m. Mục tiêu nghiên cứu 3.1 Mục tiêu chung Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ bề mặt đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục khi được mạ crôm cứng và phủ carbide vonfram (bằng phương pháp phủ HVOF) trên nền thép C45 ứng với các chiều dày mạ phủ khác nhau.2 Mục tiêu cụ thể - Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông s của lớp mạ (chiều dày, ứng suất dư, m t độ vết nứt tế vi) của lớp mạ crôm đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục. - Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông s của lớp phủ (chiều dày, ứng suất dư) của lớp phủ carbide vonfram đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục. - So sánh đánh giá độ bền mỏi của 2 phương pháp trên các chiều dày lớp mạ phủ khác nhau.
- Xác định được chiều dày hợp lý của lớp phủ để nâng cao độ bền mỏi của chi tiết máy. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu - Quá trình mỏi đ i với chi tiết máy dạng trục chịu tải theo chu kỳ; - Lớp mạ phủ crôm và carbide vonfram lên nền thép C45 chi tiết dạng trục.2 Phạm vi nghiên cứu - V t liệu nền: thép C45. - V t liệu mạ phủ: + Crôm (mạ điện); + Carbide vonfram (WC-10Co-4Cr) (phun phủ HVOF). - Chiều dày lớp phủ: 10 μm đến 90 μm.
- Qui trình mạ crôm sử dụng qui trình chuẩn trong công nghiệp hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở, xí nghiệp mạ phủ ở Việt Nam; qui trình phun phủ HVOF sử dụng các thông s của quá trình phủ đã được t i ưu về độ cứng, độ x p và độ bám dính và sẽ không được nghiên cứu trong đề tài. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 5.1 Nội dung nghiên cứu Các nội dung sau đây sẽ được t p trung nghiên cứu: Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ, kỹ thuật chế tạo chi tiết máy dạng trục có mạ phủ. Nội dung 2: Nghiên cứu đề xuất kết cấu, kích thước và quy trình chế tạo chi tiết mẫu, mô hình toán đường cong mỏi. Thiết lập hàm hấp thu tia X và cách tính sai số đo ứng suất dư.
Các nội dung chính được khảo sát đến gồm: - Nghiên cứu quy trình xử lý thớ và làm đồng đều hạt, quy trình nhiệt luyện cho chi tiết dạng trục chế tạo từ thép C45; - Đề xuất chi tiết mẫu thí nghiệm mỏi theo tiêu chuẩn ISO; - Đánh giá các thông s thành phần v t liệu, cơ tính, chất lượng bề mặt của chi tiết mẫu. 4 luan an - Thiết l p mô hình toán đường cong mỏi và thiết kế thí nghiệm dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm. - Xây dựng hàm hấp thu tia X để hiệu chỉnh đường nhiễu xạ và cách tính sai s khi đo ứng suất dư bằng nhiễu xạ tia X. Nội dung 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ crôm đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục Các nội dung chính được khảo sát đến gồm: - Tìm hiểu các tính chất của lớp mạ crôm và đề xuất chiều dày mạ phủ; - Nghiên cứu quy trình mạ crôm cứng cho chi tiết dạng trục; - Thực hiện chế tạo chi tiết mẫu mạ crôm cứng với các chiều dày khác nhau; - Đánh giá chất lượng bề mặt và khảo sát m t độ vết nứt tế vi lớp mạ crôm; - Tiến hành đo nhiễu xạ tia X và tính toán ứng suất dư cho lớp mạ crôm và chi tiết nền C45; - Tiến hành thí nghiệm mỏi lấy s liệu tải tr ng, s chu kỳ mỏi để phân tích và đánh giá ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ crôm đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục.
- Đánh giá bề mặt gãy mỏi của lớp mạ crôm bằng kính hiển vi điện tử quét. Nội dung 4: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ carbide vonfram (WC-10Co-4Cr) đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục Các nội dung chính được khảo sát đến gồm: - Tìm hiểu các tính chất của carbide vonfram; - Nghiên cứu quy trình phủ carbide vonfram cho chi tiết dạng trục; - Thực hiện chế tạo chi tiết mẫu phủ carbide vonfram với các chiều dày khác nhau; - Đánh giá chất lượng bề mặt lớp phủ; - Tiến hành đo nhiễu xạ tia X và tính toán ứng suất dư cho lớp phủ carbide vonfram và chi tiết nền sau khi phủ; - Tiến hành thí nghiệm mỏi lấy s liệu tải tr ng, s chu kỳ mỏi để phân tích và đánh giá ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ carbide vonfram đến độ bền mỏi của 5 luan an chi tiết máy dạng trục.