Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật cơ khí và chế tạo máy, nhiệt luyện là khâu công nghệ đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao cơ tính, đặc biệt là độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền chịu tải của chi tiết máy. Các phương pháp làm cứng bề mặt truyền thống như tôi thể tích thường làm tăng độ cứng toàn bộ tiết diện, dễ dẫn đến hiện tượng giòn và nứt vỡ khi làm việc dưới tải trọng va đập. Ngược lại, tôi bề mặt tạo ra một lớp vỏ ngoài có độ cứng cao cùng khả năng chống mài mòn tốt, trong khi phần lõi bên trong vẫn duy trì được độ mềm dẻo và tính dẻo dai va đập cần thiết.

Hiện nay, nhiều công nghệ làm cứng bề mặt đang được áp dụng như tôi cao tần (sử dụng dòng điện cảm ứng tần số cao), tôi bằng ngọn lửa khí oxy-axetylen hoặc tôi bằng chùm tia laser công suất lớn. Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại những hạn chế nhất định về chi phí đầu tư ban đầu, khả năng thích ứng linh hoạt với biên dạng hình học phức tạp hoặc tính đồng đều của lớp nhiệt luyện. Phương pháp xử lý nhiệt bằng hồ quang điện (sử dụng nguồn nhiệt hồ quang từ thiết bị hàn hồ quang khí bảo vệ) là giải pháp công nghệ có chi phí đầu tư thấp, nhiệt độ tập trung cao (có thể đạt tới 2000°C), cho phép nung nhanh cục bộ bề mặt kim loại. Khi kết hợp thiết bị hàn hồ quang với máy công cụ điều khiển số (CNC) tích hợp cơ cấu xoay, hệ thống có khả năng định vị chính xác khoảng cách và góc nghiêng của điện cực, giúp xử lý nhiệt các chi tiết có biên dạng cong hoặc hình dạng không gian phức tạp.

Đồ án tốt nghiệp "Thực nghiệm quá trình xử lý nhiệt bề mặt lồi" (Mã số đề tài: 22223DT74) được thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhằm giải quyết bài toán ứng dụng nguồn nhiệt hồ quang kết hợp hệ thống CNC để tôi làm cứng bề mặt chi tiết có biên dạng cong lồi.

Mục tiêu cụ thể và các nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tìm hiểu, phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị xử lý nhiệt bề mặt có biên dạng lồi.
  2. Lập các phương án di chuyển nguồn nhiệt và xác định bộ thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung, bao gồm: cường độ dòng điện ($I$), chiều dài hồ quang ($Z$), vận tốc chạy bàn máy CNC ($F$), lưu lượng khí bảo vệ ($Q$), góc nung súng hàn và chu kỳ phát xung nhiệt ($T_{on}$, $T_{off}$).
  3. Tiến hành thực nghiệm tôi bề mặt chi tiết lồi bằng thép C50 trên hệ thống tích hợp máy hàn TIG và máy CNC 4 trục; đo đạc độ cứng, kiểm tra tổ chức tế vi và đánh giá chất lượng bề mặt sau nhiệt luyện để xác định tổ hợp thông số tối ưu.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các phương án di chuyển nguồn nhiệt hồ quang và ảnh hưởng của các thông số công nghệ nhiệt luyện đến sự biến đổi độ cứng, tổ chức tế vi của chi tiết thép C50 có biên dạng cong lồi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phôi thép C50 dạng tấm dày 6 mm được dập nguội tạo biên dạng lồi (gồm cung R17 và R60). Về mặt thiết bị, phạm vi giới hạn ở việc tích hợp module xoay (tạo trục thứ 4 - trục A) lên máy phay CNC 3 trục sẵn có, sử dụng máy hàn TIG Jasic 250S dùng khí bảo vệ Argon và kiểm tra cơ tính bằng máy đo độ cứng Rockwell HR-150A cùng kính hiển vi kim loại quang học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Xử lý nhiệt làm cứng bề mặt dựa trên nguyên lý chuyển biến pha của thép: khi nung nóng lớp bề mặt kim loại vượt quá nhiệt độ tới hạn (nhiệt độ xuất hiện tổ chức Austenite) và giữ nhiệt trong khoảng thời gian nhất định, sau đó làm nguội với tốc độ đủ lớn (nhờ sự truyền nhiệt nhanh vào phần lõi nguội và môi trường xung quanh), tổ chức Austenite sẽ chuyển biến thành Martensite hoặc các tổ chức không ổn định có độ cứng rất cao. Phần lõi do không bị nung nóng quá nhiệt độ tới hạn nên vẫn duy trì tổ chức ban đầu dẻo dai.

Vật liệu được lựa chọn nghiên cứu là thép kết cấu carbon C50 (tương đương mác S50C theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS G4051), được sản xuất bằng phương pháp cán nóng. Đây là mác thép có hàm lượng carbon trung bình cao, chịu lực tốt, thường được ứng dụng trong chế tạo khuôn mẫu, trục, con lăn và các chi tiết chịu tải trọng lớn trong ngành cơ khí và ô tô.

Thành phần hóa học Hàm lượng (%)
Carbon (C) 0,47 ~ 0,53
Silic (Si) 0,15 ~ 0,35
Mangan (Mn) 0,60 ~ 0,90
Photpho (P) $\le$ 0,030
Lưu huỳnh (S) $\le$ 0,035

Độ cứng ban đầu của thép C50 đạt khoảng 18 HRC. Do phôi thực nghiệm được tạo hình bằng phương pháp dập nguội (kích thước sau dập: dài 180 mm, rộng 50 mm, cao 35 mm, dày 6 mm với các góc uốn R17 và R60), bên trong phôi tồn tại ứng suất dư lớn tại các vùng biến dạng cục bộ. Để khử triệt để ứng suất dư nhằm tránh nứt vỡ hoặc sai lệch kết quả đo cơ tính khi tôi, nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp ủ thấp (ủ non). Căn cứ theo lý thuyết nhiệt luyện, thời gian nung khử ứng suất cho phôi dạng tấm ở nhiệt độ 600°C là 4 phút cho mỗi 1 mm chiều dày. Với chiều dày phôi 6 mm, chế độ ủ được xác định là: nhiệt độ ủ 600°C, thời gian giữ nhiệt 24 phút. Sau khi ủ, ứng suất dư được khử hoàn toàn, độ cứng của phôi thép ổn định ở mức 84 ~ 92 HRB (tương đương 162 ~ 190 HV).

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là sự kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý luận và thực nghiệm công nghệ:

  • Phương pháp thực nghiệm đơn biến (One-factor-at-a-time): Thay đổi từng thông số độc lập ($I, Z, Q, F, T_{on}$) trong khi cố định các thông số còn lại nhằm khảo sát quy luật biến thiên của độ cứng bề mặt theo từng yếu tố.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi: Bố trí các ma trận thực nghiệm trực giao nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng tương quan, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (tỷ lệ S/N) và tìm kiếm tổ hợp thông số công nghệ tối ưu.
  • Phương pháp kiểm tra cơ tính và tổ chức tế vi:
    • Đo độ cứng tế vi và vĩ mô theo thang đo Rockwell (HRB sử dụng mũi đâm bi thép tải 1000 N; HRC sử dụng mũi đâm kim cương hình nón góc 120° tải 1500 N trên máy HR-150A) và thang đo Vickers (HV).
    • Chuẩn bị mẫu kim tương học: Cắt mẫu, mài thô, mài tinh và đánh bóng cơ học trên máy MP-2B Grinder Polisher, sau đó tẩm thực bề mặt bằng dung dịch axit nital thích hợp để làm nổi rõ biên giới hạt và các pha tổ chức.
    • Quan sát tổ chức tế vi dưới kính hiển vi quang học độ phóng đại từ 80 đến 2000 lần, phân tích sự phân bố pha Martensite, độ sâu lớp tôi và các khuyết tật cấu trúc (rỗ khí, vết nứt tế vi).

Thiết kế và triển khai hệ thống thực nghiệm

Nhằm thực hiện quá trình nhiệt luyện trên bề mặt cong lồi, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và tích hợp một hệ thống thực nghiệm đồng bộ gồm 4 khối chức năng chính:

  1. Hệ thống truyền động và máy công cụ CNC: Sử dụng máy phay CNC 3 trục cơ bản ($X, Y, Z$) kết hợp lắp đặt thêm một cụm trục xoay (module xoay - trục A) đóng vai trò là trục chuyển động thứ 4. Module xoay được cấu tạo từ một động cơ điều khiển, hệ thống hộp giảm tốc bánh răng hành tinh và cơ cấu đồ gá kẹp giữ mỏ hàn. Chuyển động xoay của trục A cho phép súng hàn tự động thay đổi góc nghiêng liên tục khi di chuyển dọc theo biên dạng cong của phôi, đảm bảo khoảng cách hồ quang và góc đốt nhiệt không đổi trên toàn bộ hành trình.

  2. Nguồn năng lượng hàn hồ quang và hệ thống cấp khí: Sử dụng máy hàn TIG Jasic 250S sử dụng điện cực không nóng chảy Vonfram (Tungsten). Dòng hồ quang một chiều sinh nhiệt lượng cực lớn để nung nóng nhanh lớp kim loại mặt ngoài. Môi trường hồ quang được cách ly và bảo vệ khỏi sự oxy hóa của không khí bằng dòng khí trơ Argon, cung cấp từ bình khí áp suất cao thông qua van giảm áp, van tiết lưu và hệ thống van điện từ điều khiển đóng ngắt.

  3. Cơ cấu điều khiển xung nhiệt bằng PLC: Để khắc phục nhược điểm bề mặt bị chảy xệ hoặc cháy rỗ khi đốt nhiệt liên tục, hệ thống tích hợp thêm bộ phát xung điều khiển thời gian bật ($T_{on}$) và thời gian tắt ($T_{off}$) của hồ quang. Tín hiệu đóng cắt được lập trình trên phần mềm GX Developer và nạp vào bộ điều khiển lập trình logic PLC Mitsubishi. Ngõ ra của PLC được nối trực tiếp với công tắc kích hoạt của súng hàn TIG, giúp điều tiết chu kỳ gia nhiệt chính xác đến từng phần mười giây.

  4. Lập trình đường chạy dao CNC (G-code): Chương trình điều khiển máy CNC được thiết lập tự động dựa trên tọa độ biên dạng phôi. Gốc tọa độ được xác lập tại điểm bắt đầu nung. Mã lệnh G-code phối hợp đồng thời chuyển động của các trục tịnh tiến $X, Z$ và trục xoay $A$ với vận tốc chạy bàn $F$ được cài đặt theo từng kịch bản thử nghiệm, đảm bảo nguồn nhiệt di chuyển đều đặn dọc theo chiều dài bề mặt phôi cong.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu công nghệ làm cứng bề mặt ngoài, tổng quan các hướng tiếp cận xử lý nhiệt tại Việt Nam và trên thế giới. Tác giả phân tích các nghiên cứu tiêu biểu về nhiệt luyện thép C50 bằng hồ quang công bố trên tạp chí Materials Science and Engineering (2018), qua đó khẳng định xử lý nhiệt hồ quang có khả năng nâng độ cứng thép C50 từ 200 HB lên 400 HB, tăng độ bền kéo từ 500 MPa lên 800 MPa. Từ cơ sở đó, chương xác định rõ mục tiêu, đối tượng nghiên cứu (chi tiết bề mặt lồi thép C50), phạm vi thực hiện (máy CNC gắn module xoay, máy hàn TIG), ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc tối ưu hóa chi phí sản xuất cơ khí.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa cơ sở khoa học của các phương pháp tôi bề mặt (tôi cao tần, ngọn lửa khí, laser, hồ quang TIG). Chương trình bày cấu tạo chi tiết các thành phần thiết bị: máy phay CNC 3 trục, module xoay gắn súng hàn TIG, súng hàn TIG, bình khí và van điều áp. Tác giả phân tích tính chất vật liệu thép C50 (thành phần hóa học, độ cứng ban đầu ~18 HRC), quy trình dập phôi nguội và chế độ ủ khử ứng suất dư ở 600°C trong 24 phút. Phần cuối chương trình bày nguyên lý đo độ cứng (Brinell, Rockwell, Vickers), bảng tra cứu tương quan độ cứng và quy trình chuẩn bị mẫu kim tương học để quan sát tổ chức tế vi dưới kính hiển vi kim loại phản xạ.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẪU THỬ

Chương 3 phân tích cơ chế tác động của 5 thông số công nghệ chính: cường độ dòng điện $I$, lưu lượng khí $Q$, chiều dài hồ quang $Z$, tốc độ chạy bàn $F$ và thời gian bật xung $T_{on}$. Trên cơ sở kích thước chiều rộng phôi 50 mm, tác giả quy ước phân bố tối đa 3 đường nung độc lập để tránh ảnh hưởng nhiệt lẫn nhau. Chương mô tả 3 đợt thực nghiệm khảo sát ban đầu:

  • Thực nghiệm 1 (Góc nung 90°, nung thẳng đứng): $I = 125\text{ A}, Q = 12,5\text{ l/phút}, Z = 1,5\text{ mm}, F = 500\text{ mm/phút}$. Kết quả độ cứng trung bình đạt 39 ~ 46 HRC (tăng 2,4 lần so với ban đầu), nhưng biên dạng bề mặt sau nung bị gồ ghề, thẩm mỹ kém.
  • Thực nghiệm 2 (Góc nung 60°): $I = 125\text{ A}, Q = 12,5\text{ l/phút}, Z = 1,5\text{ mm}, F = 400\text{ mm/phút}$. Độ cứng đạt 34 ~ 45 HRC (tăng 2,2 lần), chất lượng bề mặt có cải thiện nhưng chưa tối ưu.
  • Thực nghiệm 3 (Góc nung 60°, bổ sung điều khiển xung nhiệt): $I = 100\text{ A}, Q = 12,5\text{ l/phút}, Z = 1,5\text{ mm}, F = 200\text{ mm/phút}, T_{on} = 0,5\text{ s}, T_{off} = 0,1\text{ s}$. Độ cứng trung bình đạt 34 ~ 47 HRC (điểm cao nhất đạt 55 HRC), biên dạng đường nung phẳng đều và không bị cháy biên.

Chương cũng chỉ ra các dạng khuyết tật bề mặt điển hình khi chọn sai thông số: rỗ khí lớn do tốc độ bàn quá nhanh ($F = 400\text{ mm/phút}$), cháy mép/nóng chảy cục bộ do dòng điện quá cao ($I = 160\text{ A}$), và cháy đen bề mặt khi thiếu khí bảo vệ hoặc thiếu xung nhiệt. Từ kết quả này, tác giả thiết lập ma trận bảng thông số thử nghiệm đơn biến và bảng thông số Taguchi.

Thông số công nghệ Đợt thực nghiệm 1 Đợt thực nghiệm 2 Đợt thực nghiệm 3
Góc nung ban đầu 90° (thẳng đứng) 60° 60°
Cường độ dòng điện $I$ (A) 125 125 100
Lưu lượng khí $Q$ (l/phút) 12,5 12,5 12,5
Chiều dài hồ quang $Z$ (mm) 1,5 1,5 1,5
Tốc độ chạy bàn $F$ (mm/phút) 500 400 200
Thông số xung ($T_{on} / T_{off}$) Không sử dụng Không sử dụng 0,5 s / 0,1 s
Độ cứng trung bình đạt được 39 ~ 46 HRC 34 ~ 45 HRC 34 ~ 47 HRC (cực đại 55 HRC)
Đánh giá thẩm mỹ bề mặt Kém, xỉn màu, gồ ghề Có cải thiện Rất tốt, đồng đều, biên phẳng

CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ MẪU

Chương 4 thuyết minh chi tiết quy trình thực nghiệm kiểm tra cơ tính và tổ chức kim tương:

  • Đo độ cứng bằng máy đo Rockwell HR-150A: sử dụng mũi bi thép đối với phôi ban đầu (thang HRB, tải trọng 1000 N) và mũi kim cương hình nón đối với mẫu sau tôi (thang HRC, tải trọng 1500 N). Quy trình đo chuẩn hóa gồm 8 bước thao tác cơ học trên thiết bị.
  • Gia công chuẩn bị mẫu soi tế vi: cắt ngang tiết diện đường nung, mài phẳng trên các cấp giấy nhám, đánh bóng gương bằng nỉ và dung dịch mài trên máy MP-2B Grinder Polisher, tẩm thực hóa học làm lộ pha tổ chức và đặt lên bàn kính hiển vi kim loại quang học để ghi nhận hình thái cấu trúc tế vi.

CHƯƠNG 5: THỐNG KÊ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ KIỂM TRA MẪU

Chương 5 tổng hợp toàn bộ số liệu đo độ cứng từ các mẫu thử theo bảng thông số đơn biến và bảng thông số Taguchi. Đồ thị hóa mối quan hệ giữa các biến đầu vào ($I, Z, Q, F, T_{on}$) tới độ cứng bề mặt và phân tích tỷ lệ S/N. Đồ án trình bày các ảnh chụp cấu trúc tế vi của các mẫu (từ mẫu 1 đến mẫu 5), chứng minh sự xuất hiện rõ nét của pha Martensite hình kim có độ cứng cao ở lớp mặt ngoài, chuyển tiếp dần sang tổ chức Ferrite - Perlite ở vùng ảnh hưởng nhiệt và lõi thép. Biểu đồ phân bố độ cứng theo chiều sâu khẳng định độ cứng giảm dần từ bề mặt vào sâu trong lõi chi tiết.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

Chương cuối tóm tắt toàn bộ các kết quả đạt được của đồ án, khẳng định việc làm chủ công nghệ tôi bề mặt lồi bằng hồ quang CNC và đề xuất các định hướng phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thu thập và kiểm chứng hệ thống số liệu thực nghiệm đầy đủ về quá trình nhiệt luyện thép C50 biên dạng lồi:

  • Độ cứng phôi ban đầu: Trước khi ủ, độ cứng tại 5 điểm đo dao động từ 78 đến 99 HRB (trung bình 80 ~ 95 HRB, tương đương 162 ~ 190 HV). Sau khi ủ khử ứng suất ở 600°C trong 24 phút, độ cứng trung bình tại 5 vị trí ổn định ở mức: điểm 1 đạt 86 HRB (171 HV), điểm 2 đạt 92 HRB (190 HV), điểm 3 đạt 84 HRB (162 HV), điểm 4 đạt 91 HRB (186 HV), điểm 5 đạt 86 HRB (171 HV).
  • Độ cứng sau khi xử lý nhiệt hồ quang: Độ cứng bề mặt tăng vọt lên gấp 2,2 đến 2,4 lần so với phôi ban đầu. Tại thực nghiệm 1 (không xung, góc 90°), độ cứng đạt từ 39 đến 46 HRC (HV 380 ~ 474). Tại thực nghiệm 3 (bổ sung xung $T_{on} = 0,5\text{ s}$, $T_{off} = 0,1\text{ s}$, $I = 100\text{ A}$, $F = 200\text{ mm/phút}$), độ cứng đạt trung bình 34 ~ 47 HRC, trong đó có vị trí đạt cực đại 55 HRC (tương đương 474 HV).
  • Đặc điểm tổ chức tế vi: Hình ảnh quang học xác nhận sự hình thành cấu trúc Martensite phân bố đều ở lớp bề mặt ngoài, tạo nên độ cứng vượt trội và khả năng chống mài mòn cao, trong khi phần lõi bên trong giữ nguyên cấu trúc dẻo dai ban đầu.
  • Giải pháp công nghệ đề xuất:
    • Áp dụng góc nghiêng nguồn nhiệt 60° (thay vì 90°) kết hợp với module xoay để hướng luồng nhiệt ổn định bám theo tiếp tuyến của biên dạng lồi.
    • Tích hợp bộ điều khiển phát xung nhiệt qua PLC Mitsubishi ($T_{on} = 0,5\text{ s}$, $T_{off} = 0,1\text{ s}$) nhằm ổn định vũng nhiệt, chống chảy xệ kim loại lỏng do trọng lực trên bề mặt cong.
    • Khống chế dòng điện $I$ dưới 160 A và tốc độ chạy bàn $F$ quanh ngưỡng 200 mm/phút để triệt tiêu hoàn toàn lỗi rỗ khí và biến dạng quá mức.
  • Đóng góp của đồ án: Thiết kế thành công giải pháp ghép nối phần cứng giá thành thấp giữa máy hàn TIG thông dụng và máy phay CNC 3 trục thông qua trục xoay thứ 4 tự chế tạo; xây dựng bộ thông số công nghệ thực nghiệm khả thi cho việc tôi bề mặt cong mà không cần đầu tư các hệ thống tôi laser đắt đỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung và giới hạn đề tài được nêu trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế:

  • Phạm vi vật liệu và hình học: Thực nghiệm chỉ mới thực hiện trên duy nhất một mác thép carbon C50 và một loại hình học bề mặt lồi xác định (cung R17 và R60). Chưa khảo sát trên các mác thép hợp kim khác hoặc các biên dạng không gian phức tạp hơn như bề mặt lõm, bề mặt xoắn ốc hay bề mặt 3D đa hướng.
  • Ràng buộc mật độ đường nung: Với kích thước bề rộng phôi 50 mm, nghiên cứu giới hạn số lượng đường nung tối đa là 3 đường cách rời nhằm tránh hiện tượng vùng ảnh hưởng nhiệt của đường nung sau ủ ram làm giảm độ cứng của đường nung trước.
  • Hệ thống điều khiển: Cơ chế phát xung nhiệt qua PLC hoạt động độc lập với bộ điều khiển CNC (chưa tích hợp đồng bộ thành một hệ thống điều khiển kín duy nhất).

Các hướng mở được đề xuất trong văn bản bao gồm:

  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy trình công nghệ trên các mác thép khác nhau và các dạng biên dạng bề mặt khác.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa khoảng cách dịch bước giữa các đường nung liền kề để tôi phủ kín toàn bộ diện tích bề mặt lớn mà không làm suy giảm độ cứng cục bộ.
  • Tích hợp sâu hơn phần mềm điều khiển xung nhiệt trực tiếp vào bộ điều khiển trung tâm của máy CNC để nâng cao mức độ tự động hóa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp thiết kế, lắp ráp và lập trình tích hợp thêm trục xoay (trục A) cho máy CNC 3 trục; quy trình lập trình mã G-code cho chuyển động 4 trục đồng thời.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên vật liệu/nhiệt luyện: Tham khảo quy trình công nghệ tôi hồ quang TIG thực tế, chế độ ủ khử ứng suất cho thép carbon tấm dập nguội, bộ thông số công nghệ nung ($I, Z, Q, F, T_{on}$) và quy trình chuẩn bị mẫu, soi tổ chức tế vi kim tương học.
  • Các xưởng sản xuất cơ khí vừa và nhỏ: Đồ án cung cấp một phương án kỹ thuật mang tính kinh tế cao, giúp tận dụng máy hàn TIG và máy phay CNC sẵn có để tôi cứng bề mặt các chi tiết cam, con lăn, bề mặt cong chịu mài mòn mà không cần đầu tư các dây chuyền tôi cao tần hay máy tôi laser đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Phôi thép C50 trong đồ án có đặc tính kích thước và thành phần hóa học như thế nào?
Phôi thử nghiệm là thép carbon C50 (theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS G4051) dạng tấm có kích thước ban đầu 180x50x6 mm, được dập nguội thành hình có chiều cao 35 mm với hai cung uốn R17 và R60. Thép có hàm lượng carbon từ 0,47% đến 0,53%, Silic từ 0,15% đến 0,35%, Mangan từ 0,6% đến 0,9%, độ cứng ban đầu trước khi xử lý nhiệt đạt khoảng 18 HRC.

2. Tại sao phải tiến hành ủ phôi thép ở 600°C trong 24 phút trước khi tiến hành xử lý nhiệt mặt ngoài?
Do phôi được tạo hình bằng nguyên công dập nguội nên tại các góc bo R17 và cung lồi R60 xuất hiện ứng suất dư cục bộ rất lớn. Nếu không khử ứng suất dư, phôi dễ bị cong vênh, nứt vỡ hoặc sai lệch giá trị cơ tính khi tôi nhiệt độ cao. Tác giả đã áp dụng phương pháp ủ non ở 600°C; căn cứ theo định mức thời gian ủ phôi dạng tấm (4 phút cho mỗi 1 mm chiều dày), phôi dày 6 mm cần thời gian giữ nhiệt chính xác là 24 phút để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư mà không làm sụt giảm độ cứng nền của thép.

3. Việc bổ sung module xoay (trục A) và thông số xung nhiệt ($T_{on}, T_{off}$) đem lại lợi ích gì so với phương pháp hàn thông thường?
Module xoay đóng vai trò là trục thứ 4 giúp súng hàn TIG tự động bám sát và duy trì góc nghiêng tối ưu (60°) tiếp tuyến với cung lồi của phôi trong suốt quá trình chạy bàn, đảm bảo chiều dài hồ quang $Z$ không đổi. Việc bổ sung thông số xung thời gian bật $T_{on} = 0,5\text{ s}$ và tắt $T_{off} = 0,1\text{ s}$ thông qua PLC Mitsubishi giúp kiểm soát chính xác lượng nhiệt cấp vào vũng chảy, ngăn ngừa hiện tượng chảy xệ kim loại do trọng lực trên mặt cong, loại bỏ các vết cháy mép và làm cho biên dạng đường nung phẳng đều, mịn đẹp.

4. Những khuyết tật công nghệ nào đã xuất hiện trong quá trình thử nghiệm khi cài đặt sai thông số?
Đồ án đã ghi nhận ba dạng khuyết tật rõ rệt: bề mặt bị cháy đen và xỉn màu khi không có thông số xung $T_{on}$, lưu lượng khí Argon quá ít kết hợp tốc độ chạy bàn quá thấp; xuất hiện nhiều rỗ khí lớn trên bề mặt khi tốc độ chạy bàn quá nhanh ($F = 400\text{ mm/phút}$); và phôi bị nung chảy quá mức, biến dạng hình học khi cường độ dòng điện đặt quá cao ($I = 160\text{ A}$).

5. Mức độ gia tăng độ cứng của lớp bề mặt sau khi xử lý nhiệt hồ quang đạt được là bao nhiêu?
Độ cứng của phôi sau khi ủ khử ứng suất dao động trong khoảng 84 ~ 92 HRB (tương đương 162 ~ 190 HV). Sau khi thực hiện tôi bề mặt bằng hồ quang điện với bộ thông số hợp lý (như ở thực nghiệm 3), độ cứng trung bình tăng vọt lên gấp 2,2 đến 2,4 lần, đạt mức từ 34 đến 47 HRC (trong đó có những vị trí đo cục bộ đạt tới 55 HRC, tương đương 474 HV), nhờ sự chuyển biến pha triệt để sang tổ chức Martensite ở lớp vỏ ngoài.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thực nghiệm quá trình xử lý nhiệt bề mặt lồi" đã nghiên cứu và ứng dụng thành công phương pháp tôi cứng bề mặt bằng nguồn nhiệt hồ quang TIG kết hợp máy phay CNC 4 trục tích hợp module xoay cho phôi thép C50. Bằng việc tối ưu hóa tổ hợp thông số công nghệ gồm góc nung 60°, cường độ dòng điện 100 A, chiều dài hồ quang 1,5 mm, tốc độ chạy bàn 200 mm/phút và chu kỳ xung nhiệt $T_{on} = 0,5\text{ s}$, nghiên cứu đã nâng cao độ cứng bề mặt chi tiết lên gấp hơn 2 lần (đạt từ 34 đến 55 HRC) với tổ chức Martensite đồng đều và chất lượng biên dạng tốt. Công trình mang lại giải pháp công nghệ có tính thực tiễn cao, chi phí thấp, mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả trong việc gia công nhiệt luyện các bề mặt chi tiết máy có hình học phức tạp.