Thực nghiệm quá trình nhiệt luyện rãnh của trục bằng hồ quang

Nghiên cứu quá trình nhiệt luyện rãnh trục bằng hồ quang là một lĩnh vực quan trọng… 72 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Trương Vương Tiến Kim
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thức
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Thực Nghiệm Quá Trình Nhiệt Lu luyện Rãnh Của Trục Bằng Hồ Quang
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.6. Giới hạn đề tài
• 1.7. Kết cấu của ĐATN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Giới thiệu về phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 2.2.1. Nghiên cứu trong nước
• 2.2.2. Nghiên cứu nước ngoài
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Thông số của thép C45
• 3.2. Tổng quan về hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ
• 3.2.1. Khái niệm về hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ
• 3.2.2. Đặc điểm của Hàn TIG
• 3.2.3. Cấu tạo máy Hàn TIG
• 3.3. Tổng quan về tôi thép
• 3.3.1. Khái niệm về tôi thép
• 3.3.3. Nhiệt độ tôi thép C45 (%C : 0,42-0,5%)
• 3.3.4. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi
• 3.3.5. Độ cứng không đạt
• 3.3.6. Ý nghĩa của việc tôi thép C45
• 3.4. Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng tôi bằng Hàn TIG
• 3.4.1. Cường độ dòng điện hàn
• 3.4.3. Góc nghiêng của que hàn
• 3.4.4. Chiều dài hồ quang
• 3.5. Cơ sở lý thuyết kiểm tra đánh giá mẫu
• 3.5.1. Kiểm tra độ cứng
• 3.5.2. Quan sát tổ chức tế vi
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP CHO ĐỀ TÀI
• 4.1. Yêu cầu đề tài
• 4.2. Phương hướng thực hiện đề tài
• 4.3. Giải pháp thực hiện đề tài
• 4.4. Trình tự công việc tiến hành
• 5. CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MẪU THỬ NGHIỆM, MẪU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 5.1. Mẫu thử nghiệm
• 5.1.1. Kích thước mẫu
• 5.1.3. Mạng tinh thể
• 5.1.4. Nhiệt luyện mẫu
• 5.2. Mẫu thực nghiệm
• 5.3. Nghiên cứu độ cứng của mẫu
• 5.3.1. Phương pháp đo độ cứng mẫu
• 5.3.2. Kết quả thu được của mẫu thử
• 5.3.3. Kết quả thu được của mẫu thực nghiệm
• 5.4. Nghiên cứu tổ chức tế vi của mẫu
• 5.4.1. Phương pháp kiểm tra tổ chức tế vi
• 5.4.2. Kết quả quan sát thu được
• 5.5. Nghiên cứu độ cứng tế vi của mẫu
• 5.5.1. Phương pháp đo độ cứng tế vi
• 5.5.2. Kết quả thu được
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu quá trình nhiệt luyện rãnh trục bằng hồ quang

Nghiên cứu quá trình nhiệt luyện rãnh trục bằng hồ quang là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ cứng mà còn nâng cao chất lượng bề mặt của sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ này vào thực tiễn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho các công ty sản xuất, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu quá trình nhiệt luyện

Nhu cầu về nhiệt luyện trong ngành cơ khí ngày càng tăng cao. Việc sở hữu công nghệ này giúp các công ty giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài không chỉ góp phần vào việc phát triển lý thuyết về nhiệt luyện mà còn mang lại giá trị thực tiễn cho ngành công nghiệp chế tạo, giúp các doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong quá trình nhiệt luyện rãnh trục

Mặc dù nhiệt luyện bằng hồ quang mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như chi phí đầu tư, kỹ thuật thực hiện và chất lượng sản phẩm sau khi nhiệt luyện là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.1. Chi phí đầu tư cho công nghệ nhiệt luyện

Chi phí đầu tư cho thiết bị và công nghệ nhiệt luyện có thể là một rào cản lớn đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Việc tìm kiếm giải pháp tiết kiệm chi phí là rất cần thiết.

2.2. Kỹ thuật thực hiện và chất lượng sản phẩm

Kỹ thuật thực hiện nhiệt luyện cần được cải tiến để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và áp suất đều ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

III. Phương pháp nghiên cứu quá trình nhiệt luyện rãnh trục bằng hồ quang

Để thực hiện nghiên cứu, nhóm đã áp dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với lý thuyết. Việc thu thập và phân tích dữ liệu là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

3.1. Phương pháp thu thập dữ liệu

Dữ liệu được thu thập từ các thí nghiệm thực tế và tài liệu nghiên cứu trước đó. Việc này giúp đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy của kết quả.

3.2. Phương pháp phân tích dữ liệu

Sử dụng các phần mềm phân tích để xử lý dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra các kết luận chính xác về quá trình nhiệt luyện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của quá trình nhiệt luyện rãnh trục

Kết quả nghiên cứu về nhiệt luyện rãnh trục bằng hồ quang có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Công nghệ nhiệt luyện có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, từ chế tạo máy móc đến sản xuất linh kiện ô tô.

4.2. Kết quả nghiên cứu và đánh giá

Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ cứng và chất lượng bề mặt của sản phẩm sau khi nhiệt luyện.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về nhiệt luyện rãnh trục bằng hồ quang đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Kết luận về nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của phương pháp nhiệt luyện bằng hồ quang trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm.

5.2. Đề xuất hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ và mở rộng ứng dụng của nhiệt luyện trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, nhiệt luyện là nguyên công công nghệ quan trọng nhằm cải thiện tổ chức kim loại, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền chịu tải của chi tiết sau gia công cơ. Đối với các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ tại Việt Nam, việc đầu tư xây dựng phân xưởng nhiệt luyện chuyên dụng đòi hỏi nguồn vốn lớn và cơ sở hạ tầng phức tạp. Việc thuê gia công nhiệt luyện ngoài thường làm phát sinh chi phí vận chuyển, kéo dài thời gian sản xuất và khó kiểm soát đồng đều chất lượng sản phẩm, đặc biệt là với các chi tiết cần tăng cứng bề mặt cục bộ như rãnh trục.

Công nghệ tôi bề mặt bằng nguồn nhiệt hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (hàn TIG - GTAW) là giải pháp công nghệ mới, cho phép tập trung nguồn nhiệt cao vào vùng làm việc cục bộ, giảm thiểu biến dạng tổng thể và tận dụng được các trang thiết bị hàn sẵn có kết hợp với máy tiện thông thường. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về phương pháp này trên chi tiết dạng rãnh trục còn hạn chế trong nước. Khóa luận "Thực nghiệm quá trình nhiệt luyện rãnh của trục bằng hồ quang" (Mã số đề tài: 22223DT60) do sinh viên Trương Vương Tiến Kim và Phạm Quý Bảo thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Thức tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 07/2023) được triển khai nhằm giải quyết vấn đề thực tiễn trên.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

1. Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết và công nghệ nhiệt luyện bề mặt rãnh trên chi tiết dạng trục.
2. Thiết lập mô hình và thực nghiệm quá trình nhiệt luyện rãnh của trục thép C45 bằng nguồn nhiệt hồ quang TIG dựa trên các bộ thông số công nghệ khác nhau.
3. Khảo sát, đo đạc sự biến thiên độ cứng và tổ chức tế vi của bề mặt đáy rãnh sau nhiệt luyện; thu thập, thống kê và đánh giá dữ liệu thực nghiệm để xác định tính khả thi của phương pháp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các thông số công nghệ hàn TIG (cường độ dòng điện, tốc độ quay trục chính, lưu lượng khí bảo vệ Argon, chiều dài hồ quang, thời gian xung, góc hàn, góc vòi tưới nguội) ảnh hưởng đến độ cứng (HRC, HB, HV) và cấu trúc tế vi của bề mặt rãnh trục.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Vật liệu: Thép cacbon kết cấu mác C45 dạng phôi ống kích thước $D79 \times 5\text{ mm}$.
  • Không gian thực hiện: Xưởng Thực hành Cơ khí, Phòng Thí nghiệm Vật liệu (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) và kiểm định độ cứng tế vi tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3).
  • Thời gian thực hiện: Học kỳ 2, năm học 2022 - 2023 (hoàn thành tháng 07/2023).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt luyện kim loại và công nghệ hàn hồ quang trong môi trường khí trơ:

• Vật liệu thép C45: Thép cacbon kết cấu theo tiêu chuẩn JIS S45C / DIN C45, hàm lượng cacbon $0{,}42 - 0{,}50%$, mạng tinh thể lập phương thể tâm (BCC) Ferrite $\text{Fe}_\alpha$, độ cứng cung cấp ban đầu khoảng $23\text{ HRC}$ ($\approx 240\text{ HB}$ hoặc $154\text{ HV}$).
• Nguyên lý tôi thép C45: Nung nóng thép vượt qua nhiệt độ tới hạn $AC_3$ ($t_{\text{Tôi}} = AC_3 + 30 \div 50^\circ\text{C}$) để chuyển biến hoàn toàn sang pha Austenite, sau đó làm nguội nhanh bằng nước với tốc độ lớn hơn tốc độ nguội tới hạn $V_{th} = (A_1 - T_m^0) / \tau_m$ nhằm chuyển biến Austenite quá nguội thành pha Martensite có độ cứng cao.
• Phương pháp đo độ cứng: Sử dụng thang đo Rockwell HRC (mũi kim cương hình nón đỉnh $120^\circ$, tải trọng chính $1500\text{ N}$) và HRB (mũi bi thép $d = 1{,}588\text{ mm}$, tải trọng $1000\text{ N}$) theo công thức $HR = K - h / 0{,}002$.
• Phân tích kim tương định lượng: Đánh giá cấu trúc tế vi theo quan hệ Hall - Petch ($\sigma_{0{,}2} = \sigma + k \cdot d^{-1/2}$) và công thức xác định kích thước hạt trung bình $I_{tb} = \frac{1}{2}(I_{ng} + I_d)$, diện tích hạt trung bình $S_{tb} = \pi I_{tb}^2 / 4$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, chế tạo đồ gá thực nghiệm và kiểm tra cơ tính qua 3 giai đoạn:

1. Giai đoạn thử nghiệm: Thử nghiệm trên mẫu sơ bộ gồm 12 rãnh (chiều sâu thay đổi $1 - 4\text{ mm}$, rộng $3\text{ mm}$) với 5 biến thay đổi ngẫu nhiên để xác định miền thông số ổn định.
2. Giai đoạn thực nghiệm đơn biến: Gia công mẫu chuẩn gồm các rãnh kích thước $3 \times 2\text{ mm}$, thực hiện 29 bộ thông số khảo sát đơn biến 7 yếu tố công nghệ.
3. Giai đoạn kiểm tra, phân tích: Đo độ cứng vĩ mô 5 điểm tại 3 vị trí trên mỗi đáy rãnh bằng máy Rockwell HR-150A; mài, đánh bóng trên máy MP-2B và tẩm thực quan sát tổ chức tế vi trên kính hiển vi kim loại ở độ phóng đại $50\times$ và $500\times$; kiểm tra độ cứng tế vi (HV) theo chiều sâu lớp nung tại QUATEST 3.

Nguồn dữ liệu bao gồm dữ liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp tại xưởng thực hành, phòng thí nghiệm cơ tính của trường và phiếu kết quả thử nghiệm của QUATEST 3.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu tôi cứng cục bộ các chi tiết cơ khí dạng trục có rãnh tại các cơ sở chế tạo vừa và nhỏ. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học trong việc xác lập mối liên hệ giữa các thông số nguồn nhiệt hồ quang TIG với cơ tính bề mặt rãnh, đồng thời nêu rõ ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm chi phí đầu tư thiết bị nhiệt luyện. Chương này cũng phân định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, đối tượng, phạm vi nghiên cứu thép C45, giới hạn trang thiết bị và bố cục 5 chương của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến tôi bề mặt bằng hồ quang và nhiệt luyện thép cacbon. Trong nước, công nghệ tôi rãnh trục bằng TIG chưa có nhiều tài liệu chuyên sâu. Trên thế giới, tác giả điểm qua các công trình tiêu biểu:

• Nghiên cứu của nhóm tác giả quốc tế (2013) về ảnh hưởng của nhiệt luyện sau hàn đối với tính chất cơ học của thép S45C hàn hồ quang tay (SMAW).
• Báo cáo tổng quan (2019) về thông số hàn SMAW ảnh hưởng đến độ bền kéo và độ cứng của liên kết hàn thép cacbon và thép không gỉ.
• Nghiên cứu (2018) về cấu trúc tế vi và độ bền kéo của thép cacbon S45C khi hàn nhiều lớp. Từ tổng quan tài liệu, tác giả khẳng định việc nghiên cứu nhiệt luyện rãnh trục bằng hồ quang TIG trên thép C45 là hướng đi mới, có khả năng ứng dụng thực tế cao.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 trình bày các lý thuyết cốt lõi về:

• Thành phần hóa học thép C45: Hàm lượng C ($0{,}42 - 0{,}50%$), Si ($0{,}16 - 0{,}36%$), Mn ($0{,}50 - 0{,}80%$), P ($\le 0{,}040%$), S ($\le 0{,}040%$), Cr ($\le 0{,}25%$), Ni ($\le 0{,}25%$).

Thành phần hóa học	C (%)	Si (%)	Mn (%)	P (%)	S (%)	Cr (%)	Ni (%)
Giới hạn tiêu chuẩn C45	0,42 - 0,50	0,16 - 0,36	0,50 - 0,80	$\le 0{,}040$	$\le 0{,}040$	$\le 0{,}25$	$\le 0{,}25$

• Hệ thống hàn TIG: Cấu tạo nguồn hàn, mỏ hàn, van chỉnh áp, khí bảo vệ Argon tinh khiết và nguyên lý tập trung năng lượng hồ quang từ điện cực Tungsten không nóng chảy.
• Lý thuyết nhiệt luyện: Biến đổi pha từ Ferrite - Pearlite sang Austenite khi nung trên $AC_3$ và hình thành Martensite sau khi làm nguội nhanh bằng nước; cơ chế thấm tôi và hiện tượng sai hỏng độ cứng (thiếu nhiệt, làm nguội chậm, thoát cacbon).
• Các thông số công nghệ ảnh hưởng: Cường độ dòng điện hàn ($I$), tốc độ hàn, chiều dài cột hồ quang ($l_{hq}$), góc nghiêng mỏ hàn ($\alpha$), góc tưới nguội dung dịch làm mát ($\beta$).
• Phương pháp kiểm tra: Nguyên lý máy đo Rockwell HR-150A; quy trình chuẩn bị mẫu kim tương (cắt, mài, đánh bóng, tẩm thực bằng hóa chất) và phương pháp xác định cấp hạt kim tương định lượng qua thước trắc vi ở độ phóng đại $50\times$, $500\times$.

Chương 4: Phương hướng và giải pháp cho đề tài

Chương 4 vạch ra giải pháp công nghệ và quy trình triển khai gồm 3 giai đoạn:

1. Tận dụng máy tiện sẵn có kết hợp bộ gá mỏ hàn TIG tự động và hệ thống vòi phun tưới nước trực tiếp vào điểm nung.
2. Chế tạo mẫu thử sơ bộ với 12 rãnh kích thước khác nhau để thăm dò ảnh hưởng của 5 thông số ngẫu nhiên: chiều sâu rãnh ($1 - 4\text{ mm}$), vận tốc trục chính ($V = 350, 420, 480\text{ mm/min}$), thời gian xung ($T_{on} = 0{,}6 - 1{,}0\text{ s}$), góc tưới nguội ($\beta = 45^\circ, 90^\circ$), góc hàn ($\alpha = 45^\circ, 90^\circ$) trong điều kiện cố định $I = 130\text{ A}$, $l_{hq} = 1{,}5\text{ mm}$, lưu lượng khí Argon $= 12\text{ l/min}$, $T_{off} = 0{,}2\text{ s}$.
3. Thiết lập ma trận 29 chế độ thực nghiệm đơn biến trên mẫu chuẩn rãnh $3 \times 2\text{ mm}$ để đánh giá chi tiết 7 yếu tố công nghệ.

Chương 5: Chế tạo mẫu thử nghiệm, mẫu thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 5 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm, tính toán và phân tích chuyên sâu:

1. Kết quả trên mẫu thử nghiệm (12 rãnh): Bề mặt đáy rãnh sau khi tôi đều tăng độ cứng rõ rệt so với nền chưa nhiệt luyện ($62 - 90\text{ HRB}$). Mẫu thử số 12 (thông số: sâu $1\text{ mm}$, $V = 480\text{ mm/min}$, $I = 130\text{ A}$, $l_{hq} = 1{,}5\text{ mm}$, khí $12\text{ l/min}$, $T_{on} = 1\text{ s}$, $\beta = 90^\circ$, $\alpha = 90^\circ$) đạt độ cứng trung bình cao nhất $43{,}5\text{ HRC}$ (đo các điểm đạt từ $37{,}5$ đến $45\text{ HRC}$). Bộ thông số này được chọn làm mốc trung tâm cho giai đoạn thực nghiệm tiếp theo.

2. Kết quả trên mẫu thực nghiệm đơn biến (29 bộ thông số): Đo độ cứng tại 3 vị trí trên chiều rộng rãnh (mỗi vị trí đo 5 điểm liên tiếp):

• Độ cứng phôi C45 ban đầu ở trạng thái thường là $240\text{ HB}$ ($23\text{ HRC}$) hoặc $154\text{ HV}$. Sau tôi hồ quang TIG, độ cứng đo được cao nhất đạt $746\text{ HB}$ (tăng gấp hơn 3 lần) và $746\text{ HV}$ (tăng gần 5 lần).
• Ảnh hưởng của dòng điện hàn ($I$ từ $120\text{ A}$ đến $140\text{ A}$): Độ cứng đạt đỉnh tại $I = 135\text{ A}$ (giá trị trung bình tại vị trí đo số 2 đạt $589{,}00\text{ HB}$; điểm cao nhất đạt $746\text{ HB}$). Dòng quá thấp ($120\text{ A}$) không đủ năng lượng nung ($447{,}8\text{ HB}$), dòng quá cao ($140\text{ A}$) gây quá nhiệt và nguy cơ hư hỏng nguồn điện.

Dòng điện hàn $I$ (A)	Điểm đo 1 (HB)	Điểm đo 2 (HB)	Điểm đo 3 (HB)	Điểm đo 4 (HB)	Điểm đo 5 (HB)
140	370,67	430,67	417,67	310,67	446,33
135	463,33	589,00	538,67	459,00	466,33
130	299,33	396,33	553,33	491,00	314,67
125	434,33	490,67	492,33	451,33	370,67
120	368,00	459,67	495,33	551,33	309,00

• Ảnh hưởng của lưu lượng khí Argon (từ $8$ đến $16\text{ l/min}$): Đạt độ cứng cao nhất tại mức $12\text{ l/min}$ ($553{,}33\text{ HB}$ tại tâm rãnh). Lưu lượng khí thấp ($8\text{ l/min}$) không bảo vệ tốt vũng nung làm mối hàn bị oxy hóa; lưu lượng khí quá cao ($16\text{ l/min}$) làm độ cứng sụt giảm sâu (xuống mức $186 - 223\text{ HB}$) do hình thành rỗ khí bề mặt và làm tản nhiệt quá nhanh.

Lưu lượng khí Argon (l/min)	Điểm đo 1 (HB)	Điểm đo 2 (HB)	Điểm đo 3 (HB)	Điểm đo 4 (HB)	Điểm đo 5 (HB)
16	223,67	186,00	218,67	212,33	210,00
14	237,67	226,00	239,67	232,33	230,00
12	299,33	396,33	553,33	491,00	314,67
10	302,00	250,33	294,67	299,00	294,33
8	186,00	271,00	331,00	322,00	186,00

• Phân tích tổ chức tế vi và độ cứng tế vi: 5 mẫu có độ cứng cao nhất (mẫu số 4, 3, 12, 13, 29) sau khi cắt dây, mài bóng và tẩm thực quan sát thấy tổ chức Martensite dạng kim mịn phân bố đồng đều tại vùng nung. Mẫu có độ sâu lớp nung lớn nhất được kiểm định tại QUATEST 3 khẳng định độ cứng tế vi đạt đỉnh tại bề mặt ngoài và giảm dần theo chiều sâu lớp tôi về phía nền kim loại mềm.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính:

• Chứng minh tính khả thi của việc tôi cứng cục bộ đáy rãnh trục thép C45 bằng nguồn nhiệt hồ quang hàn TIG kết hợp làm nguội bằng nước.
• Độ cứng bề mặt đáy rãnh tăng từ $23\text{ HRC}$ ($240\text{ HB}$ / $154\text{ HV}$) ban đầu lên giá trị cao nhất $746\text{ HB}$ và $746\text{ HV}$ sau khi tôi, tăng gấp $3 - 5$ lần so với nền kim loại ban đầu.
• Xác định được miền thông số công nghệ tối ưu trên mẫu thực nghiệm: cường độ dòng điện $I = 135\text{ A}$, lưu lượng khí bảo vệ Argon $= 12\text{ l/min}$, vận tốc quay trục chính $V = 480\text{ mm/min}$, khoảng cách hồ quang $l_{hq} = 1{,}5\text{ mm}$, góc hàn $\alpha = 90^\circ$ và góc tưới nguội $\beta = 90^\circ$.
• Xác nhận sự chuyển biến pha tổ chức tế vi từ Ferrite - Pearlite sang Martensite dạng kim có tính chống mài mòn và độ cứng cao tại đáy rãnh.

Giải pháp và kiến nghị:

• Tác giả đề xuất tích hợp mô hình gá đầu hàn TIG tự động và vòi tưới nguội nước trực tiếp trên máy tiện vạn năng để thực hiện nhiệt luyện bề mặt chi tiết tròn xoay.
• Kiểm soát chặt chẽ lưu lượng khí Argon ở mức $12\text{ l/min}$ và duy trì cường độ dòng điện ở mức $130 - 135\text{ A}$ để tránh khuyết tật cháy bề mặt hoặc tạo bọt khí.

Đóng góp của đồ án:

• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chi tiết gồm 7 thông số công nghệ tác động đến chất lượng tôi rãnh trục bằng hồ quang TIG trên thép C45 tại Việt Nam.
• Đưa ra giải pháp công nghệ thay thế khả thi cho các cơ sở sản xuất cơ khí vừa và nhỏ, giúp tối ưu chi phí và chủ động trong quy trình sản xuất chi tiết máy.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế:

• Đề tài chỉ thực hiện khảo sát thực nghiệm đơn biến trên một loại vật liệu duy nhất là thép cacbon kết cấu C45 dạng phôi ống ($D79 \times 5\text{ mm}$) với kích thước rãnh cố định ($3 \times 2\text{ mm}$).
• Quá trình thực nghiệm chưa áp dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố toàn phần để đánh giá tương tác đồng thời giữa các biến công nghệ.
• Chưa khảo sát ứng suất dư và độ biến dạng nhiệt của toàn bộ thân trục sau khi tôi.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng thực nghiệm trên các mác thép hợp kim và thép chế tạo khuôn mẫu khác.
• Thử nghiệm trên các bề mặt hình học đa dạng hơn như rãnh then lớn, mặt trụ ngoài, mặt côn, mặt lồi và mặt lõm.
• Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm và phần mềm mô phỏng trường nhiệt để tối ưu hóa đồng thời các thông số công nghệ.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

• Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật Vật liệu: Tham khảo quy trình thiết lập bài toán thực nghiệm công nghệ, phương pháp chuẩn bị mẫu kim tương và kỹ thuật đo độ cứng Rockwell, độ cứng tế vi Vickers.
• Kỹ sư công nghệ chế tạo máy tại các xưởng sản xuất: Tham khảo trực tiếp bộ thông số công nghệ hàn TIG (dòng điện, lưu lượng khí, tốc độ quay, góc tưới nguội) để áp dụng tôi cục bộ các chi tiết dạng trục có rãnh mà không cần đầu tư hệ thống lò nhiệt luyện chuyên dụng.
• Các nhóm nghiên cứu về công nghệ gia công bề mặt: Kế thừa phương pháp luận và số liệu đo đạc để phát triển các mô hình tối ưu hóa thông số nhiệt luyện bằng nguồn nhiệt tập trung.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Phôi thép và kích thước rãnh được sử dụng trong các giai đoạn nghiên cứu là gì?
Phôi sử dụng là thép ống C45 kích thước $D79 \times 5\text{ mm}$. Mẫu thử nghiệm sơ bộ gồm 12 rãnh có chiều rộng $3\text{ mm}$, chiều sâu biến thiên từ $1\text{ mm}$ đến $4\text{ mm}$. Mẫu thực nghiệm chính thức gồm các rãnh có kích thước mặt cắt cố định là rộng $3\text{ mm} \times$ sâu $2\text{ mm}$.

2. Bộ thông số công nghệ trên mẫu thử số 12 đạt kết quả ra sao để được chọn làm mốc thực nghiệm?
Mẫu thử số 12 sử dụng các thông số: vận tốc trục chính $V = 480\text{ mm/min}$, chiều sâu rãnh $1\text{ mm}$, cường độ dòng điện $I = 130\text{ A}$, chiều dài hồ quang $l_{hq} = 1{,}5\text{ mm}$, lưu lượng khí Argon $12\text{ l/min}$, thời gian xung $T_{on} = 1\text{ s}$, thời gian nghỉ $T_{off} = 0{,}2\text{ s}$, góc tưới nguội $90^\circ$, góc hàn $90^\circ$. Mẫu này đạt độ cứng trung bình cao nhất trong 12 mẫu thử là $43{,}5\text{ HRC}$ (so với nền chưa tôi là $62\text{ HRB}$).

3. Cường độ dòng điện hàn và lưu lượng khí Argon tối ưu trong thực nghiệm đơn biến là bao nhiêu?
Cường độ dòng điện tối ưu là $I = 135\text{ A}$, cho độ cứng trung bình tại vị trí đo số 2 đạt $589{,}00\text{ HB}$ (điểm đo lớn nhất đạt $746\text{ HB}$). Lưu lượng khí Argon tối ưu là $12\text{ l/min}$, cho độ cứng tại tâm rãnh đạt $553{,}33\text{ HB}$. Khi lưu lượng khí tăng lên $16\text{ l/min}$ hoặc giảm xuống $8\text{ l/min}$, độ cứng đều suy giảm mạnh.

4. Mức độ tăng độ cứng của thép C45 sau khi tôi hồ quang TIG đạt bao nhiêu so với ban đầu?
Độ cứng ban đầu của thép C45 là khoảng $23\text{ HRC}$ ($240\text{ HB}$ hoặc $154\text{ HV}$). Sau khi tôi hồ quang TIG và làm nguội bằng nước, độ cứng cao nhất đo được trên mẫu thực nghiệm đạt $746\text{ HB}$ (tăng hơn 3 lần) và $746\text{ HV}$ (tăng gần 5 lần).

5. Các thiết bị và đơn vị nào đã tham gia vào quá trình đo kiểm cơ tính của mẫu?
Các phép đo độ cứng vĩ mô Rockwell (HRC, HRB) được thực hiện trên máy Rockwell HR-150A tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu của trường. Quan sát tổ chức tế vi được thực hiện trên kính hiển vi kim loại quang học kết hợp thước trắc vi ở độ phóng đại $50\times$ và $500\times$. Phép đo độ cứng tế vi (HV) theo chiều sâu lớp nung được kiểm định độc lập tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3).

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thực nghiệm quá trình nhiệt luyện rãnh của trục bằng hồ quang" đã nghiên cứu và thực nghiệm thành công phương pháp tôi bề mặt rãnh trục thép C45 bằng nguồn nhiệt hồ quang TIG kết hợp làm mát bằng nước trên máy tiện. Kết quả thực nghiệm với 29 bộ thông số đơn biến chứng minh bề mặt đáy rãnh đạt được tổ chức Martensite với độ cứng tối đa lên tới $746\text{ HB}$ ($746\text{ HV}$), tăng gấp 3 đến 5 lần so với nền kim loại ban đầu. Công trình đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu ($I = 135\text{ A}$, khí Argon $12\text{ l/min}$, $V = 480\text{ mm/min}$, góc hàn và tưới nguội $90^\circ$), mang lại giải pháp công nghệ khả thi và tiết kiệm chi phí cho các cơ sở cơ khí chế tạo vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Nêu tính cấp thiết và lý do hình thành đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi và giới hạn của đề tài, phương pháp nghiên cứu, kết cấu của ĐATN và phân định nội dung của vấn đề nghiên cứu .Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Nêu ngắn gọn các khái niệm, định nghĩa, các kiến thức cần thiết khác liên quan đến chủ đề nghiên cứu. Tóm tắt những lý thuyết, nghiên cứu trong và ngoài nước trước đây có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu hẹp của đề tài; đề cập đến các phương pháp nghiên cứu các vấn đề (phương pháp thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu), đánh giá tổng quan tình hình và ảnh hưởng của các nhân tố đến vấn đề nghiên cứu, kết quả phân tích các dữ liệu thu thập. Chương 3: Cơ sở lý thuyết Trình bày các lý thuyết cần sử dụng để giải quyết vấn đế. Chương 4: Phương hướng và các giải pháp cho đề tài Trình bày các yêu cầu của đề tài, các phương hướng vá các giải pháp cụ thể để giải quyết vấn đề (tính toán, thiết kế, chế tạo, công nghệ,…).

Chọn giải pháp (phương án) thực hiện, nêu rõ các bước công việc cần thực hiện để triển khai giải pháp (phương án) đã chọn. Chương 5: Chế tạo thử nghiệm, thực nghiệm và đánh giá Trình bày các thông số kết quả cũng như đưa ra các biểu đồ độ cứng và đánh giá kết quả. Kết luận, đề nghị Nêu những kết luận chung, khẳng định những kết quả đạt được, những đóng góp, đề xuất mới và kiến nghị. Tài liệu tham khảo 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu Đề tài “Thực nghiệm quá trình nhiệt luyện rãnh của trục bằng hồ quang” hướng đến đối tượng nghiên cứu là vật liệu thép C45.

Trong những báo cáo và nghiên cứu nước ngoài trước đây, đa số các nhà nghiên cứu đều tiến hành thực nghiệm trên loại vật liệu này bởi vì tính chất vật lý linh hoạt, ổn định hơn của thép C45 so với những vật liệu kim loại hay hợp kim khác. Ngoài ra, đã và đang có những nghiên cứu về nhiệt luyện bằng hồ quang cùng trên vật liệu là thép C45 nhưng với các bề mặt khác nhau như mặt phẳng, mặt lồi, mặt lõm,. Kết quả và dữ liệu của đề tài “Thực nghiệm quá trình nhiệt luyện rãnh của trục bằng hồ quang” sẽ là một mảnh ghép quan trọng đóng góp vào sự nghiên cứu và phát triển một phương pháp nhiệt luyện mới cho xã hội nói chung và ngành công nghiệp chế tạo nói riêng.2 Giới thiệu về phương pháp nghiên cứu Là một đề tài thực nghiệm nên việc thu thập và xử lý dữ liệu là không thể thiếu. Vì thế hai phương pháp được vận dụng hầu hết trong thời gian thực hiện đề tài là phương pháp thu thập dữ liệu và phương pháp phân tích dữ liệu.

Hiện tại, việc thí nghiệm đo đạc cẩn thận nhiều lần cùng việc tiến hành nhiều phương pháp thực nghiệm khác nhau, khắt khe trong khâu xử lý số liệu đã cải thiện độ tin cậy lên đáng kể. Bằng chứng là trước khi thí nghiệm trên mẫu vật thực nghiệm, nhóm đã tiến hành thí nghiệm trên mẫu thử trước và nhóm đã sử dụng những cách nêu trên khi thực nghiệm nhiều lần. Tính khách quan, trung thực của từng số liệu rất được chú trọng, mặc dù vẫn còn cần nhiều công trình nghiên cứu phát triển từ đề tài để tăng tính khách quan các số liệu cao hơn nữa. Vì thế việc rút ra những kinh nghiệm từ quá trình thực hiện đề tài và đưa ra định hướng phát triển đề tài về sau cũng rất quan trọng.3 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.1 Nghiên cứu trong nước Công nghệ tôi bằng Hàn TIG tại Việt Nam vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu đáng chú ý nhưng trong tương lai hứa hẹn sẽ có nhiều nghiên cứu đột phá về công nghệ này.2 Nghiên cứu nước ngoài Công nghệ tôi bằng Hàn TIG cũng có một số ít kết quả nghiên cứu được công bố dưới đây: 4 Bài báo “EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL S45C WELDING PROCESS WITH SMAW (SHIELDED METAL ARC WELDING’’ xuất bản năm 2013.

Bài báo này tác giả nghiên cứu về các quá trình tôi thép C45 sau khi hàn. [3] Bài báo “EFFECT OF SHIELDED METAL ARC WELDING (SMAW) PARAMETERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF LOW- CACBON, MILD AND STANLESS-STEEL WELDED JOINTS: A REVIEW” xuất bản năm 2019. Bài báo này tác giả nghiên cứu tác động của các thông số hàn SMAW đối với tính chất cơ học của thép cacbon thấp, thép non, thép không gỉ. Nghiên cứu nhằm mục đích xem xét tác động của các thông số hàn đối với các thử nghiệm độ cứng và độ bền kéo.

[4] Bài báo “WELDING MICROSTRUCTURE AND TENSILE PROPERTIES OF S45C CACBON STEEL” 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. [5] Kết luận: Công nghệ tôi bằng Hàn TIG đã thể hiện được một số tính năng công nghệ nổi bật so với các công nghệ tôi khác theo các kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu khắp thế giới.

Việc học hỏi, nghiên cứu các công trình của thế giới để đưa công nghệ này đến với Việt Nam sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp cơ khí của chúng ta. Với một đề tài hết sức mới mẻ và đầy tiềm năng như vậy, chắc chắn sẽ mang lại những thành tựu đột phá trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài. Đồng thời tạo ra cơ sở giúp cho các công trình nghiên cứu liên quan sau đó được thực hiện một cách chuyên sâu hơn, khoa học hơn. 5 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Thông số của thép C45 Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu Thép C45 một loại thép được sử dụng phổ biến trong các ngành kỹ thuật.

Thép C45 (hay thép JIS S45C, thép DIN C45) là thép Cacbon có hàm lượng Cacbon là 0,45% (0,45% C), ngoài ra loại thép này còn chứa các tạp chất khác như silic, mangan, lưu huỳnh, phốt pho, lưu huỳnh, crom, niken… Hình 3.1: Thép C45 Thành phần của thép C45: Bảng 3.1: Thành phần của thép C45 Mác Hàm lượng các nguyên tố (%) thép Cacbon Silic Mangan Phot- Lưu Crom Niken pho huỳnh Không lớn hơn C45 0,42 - 0,16 - 0,50 - 0,040 0,040 0,25 0,25 0,50 0,36 0,80 Ở các điều kiện bình thường, độ cứng của thép C45 khoảng 23 HRC. Do đó độ cứng của thép tương đối cao. Khi yêu cầu thép C45 có độ cứng cao hơn, người ta 6 thường sử dụng các phương pháp tôi, ram để tăng độ cứng của thép. Sau khi nhiệt luyện, thép C45 có thể đạt độ cứng lên đến 50 HRC.

Thép C45 cũng có khả năng chống mài mòn, chống oxy hóa tốt, chịu tải trọng cao. Tính đàn hồi tốt, khả năng chịu va đập mạnh của thép C45 cũng được thể hiện qua độ bền kéo và giới hạn chảy cao.2 Tổng quan về hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ 3.1 Khái niệm về hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường có khí trơ bảo vệ (GTAW) hay Hàn TIG (Tungsten inert gas) là phương pháp hàn hồ quang sử dụng hồ quang giữa một điện cực Tungsten (không nóng chảy) và bể hàn. Phương pháp này được sử dụng cùng với khí bảo vệ và không dùng áp lực. Kim loại điền đầy có thể dùng hoặc không dùng.

Các khí bảo vệ thường được dùng để hàn là các khí khử Oxy (Hydro, Cacbon, Metan,…), các khí trơ (Argon - Ar, Heli - He) và khí hoạt tính cacbonic (CO2) hoặc hỗn hợp khí CO2 - Ar.2: Cơ cấu hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ (Hàn TIG) 3.2 Đặc điểm của Hàn TIG 7 Hàn TIG là quá trình hàn hồ quang bằng điện cực Vonfram trong môi trường bảo vệ là khí trơ, mối hàn được khí trơ bảo vệ tránh khỏi sự xâm nhập của không khí bên ngoài. Kim loại nóng chảy được là nhờ nhiệt lượng do hồ quang tạo ra giữa điện cực Vonfram và vật hàn. Cũng như các quá trình hàn MIG và hàn trong khí bảo vệ khác, Hàn TIG có thể sử dụng khí trơ hoặc hỗn hợp khí trơ. Sơ đồ hệ thống Hàn TIG: Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống Hàn TIG • Ưu điểm: - Tạo mối hàn chất lượng cao đối với hầu hết các kim loại và hợp kim.

- Nhiệt tập trung cho phép tăng tốc độ hàn, giảm biến dạng sau khi hàn. - Mối hàn không phải làm sạch sau khi hàn. - Hồ quang và vũng hàn có thể quan sát được trong khi hàn. • Nhược điểm: - Năng suất hàn thấp hơn so với các quá trình hàn hồ quang khác, yêu cầu khả năng thao tác khéo léo cũng như phối hợp nhịp nhàng hai tay của người thợ hàn cao hơn so với MIG/MAG và hàn hồ quang tay.

- Không kinh tế so với hàn hồ quang tay hay hàn MIG/MAG khi chỉ thích hợp hàn tấm mỏng. - Vũng hàn khó được bảo vệ tốt khi hàn ở những nơi có gió. - Khí thâm nhập vào mối hàn khi đầu điện cực chạm vào vũng hàn trong quá trình hàn.3 Cấu tạo máy Hàn TIG 1. Thiết bị cấp khí bảo vệ: - Van chỉnh áp và bình khí.4: Van chỉnh áp Hình 3.5: Bình khí - Các loại khí bảo vệ được sử dụng khi hàn: + Argon tinh khiết.

+ Heli tinh khiết. + CO2 tinh khiết. + Hỗn hợp Argon + Heli. + Hỗn hợp Argon + CO2.

Mỏ hàn và kẹp mass: Hình 3.6: Mỏ hàn 9 Hình 3. Một số bộ phận khác: - Bộ phận làm mát. - Các nút điều khiển hàn. Một số máy còn có bộ điều khiển dòng bằng chân.3 Tổng quan về tôi thép 3.1 Khái niệm về tôi thép Tôi là quá trình nhiệt luyện thực hiện nung nóng hợp kim lên với một mức nhiệt độ nhất định để làm xuất hiện tổ chức Austeniteee.

Giữ nhiệt trong thời gian nhất định rồi làm nguội đủ nhanh để Austeniteee chuyển thành Martensite hoặc một tổ chức không ổn định khác cho độ cứng cao hơn. Tôi là một phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng chi tiết hoặc thép đến trạng thái , giữ nhiệt thời gian  và làm nguội nhanh với tốc độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn.8: Sơ đồ quá trình nhiệt luyện 10 Tốc độ nguội tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất mà chi tiết chuyển biến hoàn toàn thành Martensite, tổ chức tế vi của Martensite được trình bày như sau.