Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài và trong nước 1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước Ngày nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt nhằm nâng cao cơ tính vật liệu chi tiết. Tuy nhiên đa phần các ứng dụng tập trung vào tôi cảm ứng bề mặt chi tiết dạng trục và các chi tiết yêu cầu độ mài mòn khi làm việc như bánh răng, cơ cấu cam, … Việc áp dụng tôi cảm ứng cho mặt phẳng đặc biệt các bề mặt cong phức tạp vẫn chưa phổ biến. Có thể kể ra một số công trình tiêu biểu như sau: - “Continual induction hardening of steel bodies” (Tôi cảm ứng từ cho các chi tiết vật liệu thép bằng phương pháp di chuyển liên tục) [1], bài báo khoa học của các tác giả Pavel Karban, Martina Donátová – Khoa điện tử của Đại học West Bohemia – Cộng hòa Czech, xuất bản năm 2009 bởi Elsevier.1: Mô hình tôi cảm ứng từ trong quá trình thí nghiệm Đề tài ứng dụng phương trình vi phân mô phỏng các thông số gia nhiệt cảm ứng gồm tần số và nhiệt độ biến đổi theo thời gian để mô phỏng quá trình thí nghiệm tôi cảm ứng từ.
Tác giả dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ khi di chuyển cuộn dây mang dòng điện có tần số thay đổi dọc theo bề mặt chi tiết cần tôi. Từ trường thay đổi xuất hiện trên bề mặt chi tiết sẽ sinh ra dòng điện Foucault giúp gia nhiệt cục bộ trên bề mặt này. Khi thời gian gia nhiệt đủ lớn vượt qua ngưỡng chuyển biến Austenit thì tiến hành làm nguội nhanh bề mặt chi tiết sẽ nhận được vật liệu có cấu trúc bề mặt cứng hơn. Đề tài tập trung phân tích các thông số ảnh hưởng đến cấu trúc và độ đồng đều thành phần thép sau khi tôi nhằm đem lại kết quả tối ưu nhất.
Tuy nhiên đề tài chủ yếu tập trung quá trình tôi cảm ứng cho các chi tiết dạng trục và sử dụng các cuộn dây bố trí cố định theo biên dạng cho các chi tiết cần tôi bề mặt. - “Effect of spot continual induction hardening on the microstructure of steels: Comparison between AISI 1045 and 5140 steels” (Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ từng điểm đến cấu trúc vật liệu kim loại trên cở sở so sánh hai loại thép AISI 1045 và 5140) [2], bài báo khoa học của các tác giả Kai Gao, 5 Luan van Xunpeng Qin, Zhou Wang, Shengxiao Zhu – Khoa Công nghệ cao Đại học Wuhan – Trung Quốc, xuất bản năm 2015 bởi Elsevier. Nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ trên các vật liệu thép AISI 1045 và 5140 sau đó phân tích cấu trúc tế vi bên trong các mẫu vật liệu này. Dựa vào mặt cắt cấu trúc vật liệu sau khi tôi, tác giả xác định các điểm tại các vị trí khác nhau để đo thành phần kim tương vật liệu (Mactenxit, Ferit, Peclit) làm cơ sở xác định chiều sâu lớp thấm tôi đạt được.2: Mô hình thí nghiệm và tổ chức tế vi đạt được sau khi tôi cảm ứng Kết quả nhận được cho thấy các điểm trên bề mặt mẫu thí nghiệm có thành phần Mactenxit cao nhất và giảm dần về phía bên trong vật liệu chưa được thấm tôi.
Mặc dù nhiệt độ chuyển biến Austenit của AISI 1045 thấp hơn nhưng độ cứng đạt được của thép AISI 1045 cao hơn AISI 5140 vì thành phần cacbon của nó cao hơn. - “Numerical and experimental analysis of 3D spot induction hardening of AISI 1045 steel” (Mô phỏng và thực nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ bề mặt cho vật liệu thép AISI 1045) [3], bài báo khoa học của các tác giả Kai Gao, Xunpeng Qin, Zhou Wang, Hao Chen, Shengxiao Zhu, Yanxiong Liu, Yanli Song – Khoa công nghệ vật liệu – Đại học Vũ Hán – Trung Quốc, xuất bản năm 2014 bởi Tạp chí khoa học vật liệu. Quá trình gia nhiệt cảm ứng bằng cuộn dây đồng khi tôi sẽ được mô phỏng trên phần mềm ANSYS để xác định thông số nhiệt độ tối ưu. Quá trình tôi cảm ứng được thực hiện ở nhiệt độ 850oC sau đó tiến hành làm nguội với tốc độ 200oC/giây để thu được hoàn toàn Mactenxit như yêu cầu.
Dựa trên giản đồ CCT tác giả nhận thấy nếu tốc độ làm nguội giảm dần xuống 21oC/giây thì tỷ lệ Peclit sẽ tăng dần từ 0 đến 100% và khi đó quá trình tôi thép không đạt. Giá trị độ cứng đạt được sau khi tôi lớn nhất lên đến 690 HV (60 HRC). Việc phân tích được thực hiện bằng cách chia lưới và xác định thành phần kim tương mặt cắt ngang chi tiết, kết quả cho thấy độ thấm tôi đạt được là 1,6 mm dựa trên hình ảnh hiển thị thành phần phần trăm của Mactenxit và Peclit tại các vị trí được chia lưới. 6 Luan van Hình 1.3: Mô hình và kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trên Ansys - “Development of induction surface hardening process for small diameter carbon steel specimens” (Nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ bề mặt cho các chi tiết trụ nhỏ vật liệu thép) [4], bài báo khoa học của các tác giả Daisuke Suzuki, Koji Yatsushiro, Seiji Shimizu, Yoshio Sugita, Motoki Saito, Katsuhiko Kubota – Trung tâm Công nghiệp Yamanashi – Nhật Bản, xuất bản năm 2009 bởi viện nghiên cứu JCPDS.
Trong công trình nghiên cứu của mình, các tác giả sử dụng dòng điện tần số rất cao lên đến 2MHz nhằm tôi cảm ứng từ bề mặt cho chi tiết hình trụ có đường kính 6 mm. Kết quả đạt được độ thấm tôi bề mặt là 0,4 mm với độ cứng lên đến 600 HV (56 HRC). Với chi tiết đường kính 3 mm thì độ thấm tôi bề mặt đạt được là 0,09 mm và độ cứng đạt 600 HV (56 HRC). Việc sử dụng dòng điện với tần số cực cao cho phép việc tôi cảm ứng có thể thực hiện được trên các chi tiết nhỏ so với các phương pháp khác chỉ tôi được thể tích trong trường hợp kích thước nhỏ.
Các thí nghiệm được thực hiện với các điều kiện tốc độ di chuyển chi tiết so với cuộn dây cảm ứng trong quá trình tôi (Không sử dụng các chương trình mô phỏng nhiệt). Kết quả cho thấy tốc độ di chuyển phôi càng nhanh thì độ thấm tôi và độ cứng càng giảm. Tuy nhiên nếu tốc độ tôi quá chậm thì sẽ giống như trường hợp tôi thể tích nên các thí nghiệm đã tập trung xác định tốc độ tôi tối ưu sao cho độ thấm tôi thấp nhất nhỏ nhất với độ cứng lớn nhất.4: Mô hình và kết quả tôi cảm ứng chi tiết trụ nhỏ 7 Luan van - “3D modeling of induction hardening of gear wheels” (Mô hình hóa 3D phương pháp tôi cảm ứng từ cho các chi tiết bánh răng) [5], bài báo khoa học của các tác giả Jerzy Barglik, Albert Smalcerz, Roman Przylucki, Ivo Doležel – Khoa vật liệu - Đại học Katowice - Ba Lan và Khoa điện tử - Đại học Praha – Cộng hòa Czech, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Nhóm tác giả sử dụng các phương trình năng lượng nhằm khảo sát các thông số từ trường và phân bố nhiệt độ trong quá trình tôi cảm ứng.
Trên cơ sở đó việc tôi cảm ứng sẽ được tiến hành mô phỏng số 3D trên phần mềm FLUX3D. Bánh răng được sử dụng trong thí nghiệm có số răng là 41 chế tạo từ vật liệu 50CrMo4 (hàm lượng cacbon trung bình 0,46 – 0,54%C). Dựa trên yêu cầu làm việc đặc thù của bánh răng đòi hỏi bề mặt có độ cứng cao nhằm đạt độ chống mài mòn tối ưu trong khi cấu trúc bên trong vẫn đạt độ dẻo dai cần thiết nên quá trình tôi cảm ứng được tiến hành với hai thông số khác nhau. Đầu tiên dòng điện với tần số thấp khoảng 10 kHz được sử dụng nhằm nung nóng chậm toàn bộ bánh răng đến nhiệt độ Ac3.
Sau đó sử dụng dòng điện với tần số rất cao 100 kHz nung nóng các biên dạng chân răng và đỉnh răng. Cuối cùng làm nguội nhanh sản phẩm bằng cách phun dung dịch polymer làm mát nhằm thu được các tổ chức Mactenxit để nâng cao độ cứng bề mặt bánh răng. Đề tài tập trung phân tích quá trình tôi cảm ứng nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của đặc tính vật liệu đến thời gian tôi. Kết quả cho thấy độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của kim loại ảnh hưởng đến thời gian nung nóng và nhiệt độ đạt được.
Độ cứng bề mặt đạt được sau khi tôi lên đến 700 HV.5: Phân bố nhiệt độ bề mặt biên dạng răng - “Analysis and simulations of multifrequency induction hardening” (Phân tích và mô phỏng quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số) [6], bài báo khoa học của các tác giả Dietmar Hömberg, Thomas Petzold, Elisabetta Rocca đến từ Viện khoa học ứng dụng Mohrenstr - Đức và Khoa cơ khí - Đại học Milano - Italy, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Trong bài báo, nhóm tác giả tính toán quá trình gia nhiệt cảm ứng điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Đề tài tập trung vào các phương trình nhiệt của Macxell và lý thuyết dòng điện cảm ứng Faucalt nhằm khảo sát nhiệt lượng sinh ra trong quá trình theo lý thuyết, sau đó tiến hành mô phỏng với các thông số đã chọn ở trên. Việc mô phỏng số quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số được thực hiện với chi tiết bánh răng.
Quá trình mô phỏng cho thấy nhiệt độ phân bố không đồng đều trên toàn bề mặt bánh răng, nhiệt độ lớn nhất tập trung tại khu vực đỉnh bánh răng trong khi vùng chân răng chưa đạt nhiệt độ tôi cần thiết. Khi đó nhóm tác giả thấy cần phải giải quyết 8 Luan van việc phân bố nhiệt độ nhằm tránh trường hợp đỉnh răng bị nóng chảy do nhiệt độ quá cao. Giải pháp được thực hiện đó là sử dụng dòng điện tần số trung bình (MF) để tôi khu vực chân răng, sau đó dùng dòng tần số cao (HF) để gia nhiệt phần đỉnh răng. Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng kết hợp dòng điện đa tần số (MF và HF) đem lại hiệu quả gia nhiệt và thời gian tối ưu nhất.