Công nghệ nhiệt luyện bằng laser CO2 đã và đang được các nước khoa học phát triển trên thế giới quan tâm và nghiên cứu trong những năm gần đây. Phương pháp này giải quyết một số vấn đề sau:
chi tiết bị biến dạng tối thiểu, tăng độ cứng giảm tính mòn của chi tiết, khả năng nhiệt luyện các chi tiết siêu mỏng, không yêu cầu công đoạn làm nguội riêng biệt và không cần xử lý sau khi nhiệt luyện. Đây là vấn đề mà bất cứ ngành công nghiệp nào cũng mong muốn.
Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày giải pháp nhiệt luyện bề mặt bằng tia laser trong điều kiện vật chất nhất định của Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp. Việc xây dựng phần mềm quét bề mặt cho máy cắt CNC có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong công nghệ nhiệt luyện bề mặt.
Một số chi tiết được nhiệt luyện bằng laser
1- Mở đầu.
Hiện nay trên thế giới các phương pháp gia công không truyền thống ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là các phương pháp gia công bằng tia. Trong đó, tia laser được tập trung nghiên cứu phát triển và đã phát huy được hiệu quả ứng dụng to lớn trong ngành công nghiệp. Lợi dụng khả năng sinh nhiệt của laser khi tương tác với vật liệu, người ta đã sử dụng laser để nhiệt luyện bề mặt. Khả năng tích hợp nguồn laser trên máy CNC bổ sung cho phương pháp công nghệ lợi thế gia công tự động. Nhiệt luyện bằng laser được nghiên cứu trên thế giới từ những năm 70 nhưng thực sự được đưa vào sản xuất khoảng những năm 73 trở lại đây. Nghiên cứu về nhiệt luyện bằng tia laser thường được tập trung vào các vấn đề sau:
* Khả năng nhiệt luyện của các loại laser
* Hệ thống thiết bị và hệ quang học dùng trong nhiệt luyện bằng laser
* Ảnh hưởng của các tham số công nghệ tối chất lượng
* Nghiên cứu phân tích nhiệt.
So với các phương pháp nhiệt luyện truyền thống, nhiệt luyện bằng laser có những ưu điểm:
* Tăng cường độ cứng, độ bền, các tính chất bền mỏi và bền mài mòn
* Đạt độ chính xác cao hơn, yêu cầu năng lượng thấp hơn vì vậy giảm được các gia công sau nhiệt luyện
* Rất linh hoạt do sử dụng phần mềm để điều khiển nhiệt luyện,
* Có khả năng nhiệt luyện chi tiết to và hình dạng hình học bất kì, tạo mức linh hoạt trong thiết kế
* Thân thiện với môi trường
2- Công nghệ nhiệt luyện bằng laser
Tôi bề mặt bằng tia laser là phương pháp nhiệt luyện không làm thay đổi thành phần cấu tạo của bề mặt chi tiết. Việc sử dụng năng lượng laser nung nóng nhanh bề mặt tuyển chọn tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn A3 đối với thép carbon < 0,7% và A1 đối với thép có lượng C>0,7%, kim loại không nung nóng chảy nhưng có sự chuyển biến pha, hình thành Austenit. Khi laser đi qua, sự tiếp xúc bề mặt với không khí môi trường tạo nên việc tự làm mát với tốc độ nhanh, đủ để chuyển austenit thành mactenxit, cấu trúc có độ cứng cao, độ bền mài mòn tốt trong khi những tính chất khác của vật liệu như dẻo dai vẫn giữ nguyên không bị ảnh hưởng. Đây là phương pháp có tổ chức tế vi tương tự như phương pháp tôi tự ram truyền thống, đặc điểm khác biệt là quá trình chuyển biến pha chỉ diễn ra ở lớp bề mặt, dầy khoảng 0,5–1,5 mm tùy theo công suất laser và thời gian tương tác laser với vật liệu.
Các tham số ảnh hưởng chính đến đến chất lượng tôi bằng laser.
* Công suất laser: đây là tham số ảnh hưởng chính đến nhiệt độ nhiệt luyện và ảnh hưởng chính đến đến khả năng mở rộng “vết” và độ sâu nhiệt luyện.
* Tốc độ dịch chuyển nguồn laser: được coi là đại diện cho tham số thời gian lưu trú tia laser trên vật liệu, quyết định đến tốc độ nung nóng vật liệu. Ảnh hưởng tới chất lượng tôi như là độ sâu thấm tôi.
* Khoảng cách phân kỳ.
* Điều kiện làm mát: ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội của chi tiết.
Trên cở sở nghiên cứu sẵn có của Viện IMI tác giả trình bầy những nghiên cứu về nhiệt luyện bằng tia laser CO2 trên vật liệu C45, SKD11: tất cả các thí nghiệm được xây dựng như sau:
Mô tả thí nghiệm:
Mẫu thí nghiệm sẽ được thực hiện theo các công đoạn:
1. Pha phôi thành thỏi tròn kích thước Φ60×5 đối với thép C45 và SKD11 (hình 3.6).
2. Mài phẳng mặt, I –mặt nhiệt luyện
3. Phủ sơn mầu đen, lớp cực mỏng (0,01mm, đủ làm cho bề mặt không còn vết bóng ánh kim).
Để tăng cường và mở rộng miền nhiệt luyện, một phần mềm quét bề mặt đã được xây dựng. Phần mềm được viết trên cơ sở nhận dạng đường biên chu vi tiết diện quét. xác định các đường dẫn (đường đi của laser theo một chiều, ví dụ chiều X) theo tuần tự khoảng cách bằng nhau (tương đương với đường kính chùm tia hoặc nhỏ hơn chùm tia khi thực hiện giao thoa giữa các “vết”) , lưu đồ thuật toán quét bề mặt được thể hiện ở hình 4. Thuật toán quét bề mặt xuất phát từ mô hình cấu trúc của bề mặt hoặc của mô hình khối bằng cách nhận dạng chúng trong tệp STL, khi tệp này tái hiện mô bề mặt phẳng hoặc mô hình 3 chiều đặc có cấu trúc không đồng nhất. Đối với bề mặt phẳng ta thu được luôn biên dạng phẳng khép kín của bề mặt, còn đối với mô hình khối đặc, tiết diện là tập hợp của các đường thẳng khép kín khi sử dụng mặt phẳng tưởng tượng để cắt mô hình cấu trúc 3D tại vị trí bất kỳ . Sử dụng các đường thẳng song song quét trên các đường biên khép kín đó, ta xác định được các đường dẫn. Các đường dẫn là cơ sở để tạo hình ảnh hai chiều của mô hình tại một mặt cắt. Quá trình quét bề mặt hoàn thành khi tất cả các đường dẫn trên tiết diện cắt 2D được xác định.
3- Phân tích và đánh giá thí nghiệm:
Mẫu đã qua nhiệt luyện:
Các mẫu thí nghiệm sau khi nhiệt luyện đều được đo độ cứng và chụp ảnh vi cấu trúc để đánh giá kết quả thí nghiệm. Nhiệt luyện bằng laser được đánh giá trên các tiêu chí sau:
Ảnh hưởng của công suất laser.
Ảnh hưởng công suất đến độ order Proscar cứng theo chiều sâu tôi được và độ sâu tôi được được thể hiện trên đồ thị hình 6 đối với vật liệu thép C45. Trong phạm vi công suất (P=800W¸840W), với một tốc độ cho trước (100mm/phút) có thể nhận thấy, độ cứng và độ đồng nhất độ cứng theo chiều sâu tôi được là tỉ lệ thuận với công suất laser còn ảnh hưởng của công suất đến chiều sâu tôi được không thật rõ rệt.
Với kết quả năng lượng sử dụng khoảng 8085 % công suất (1000W) mà độ cứng thép C45 nhiệt luyện đạt tới 48HRC¸54,6HRC thì có thể cho rằng đây là vùng công suất thích hợp để thực hiện nhiệt luyện trong phạm vi tốc độ đã lựa chọn. (Việc tìm công suất tối ưu đối với tốc độ di nguồn chưa được thực hiện ở nghiên cứu này)
Ảnh hưởng của tốc độ
Có thể nhận thấy , độ cứng tăng tỉ lệ nghịch với tốc độ, dù sự chênh lệch trong phạm vi nghiên cứu này thể hiện không lớn. Sự khác nhau cơ bản được thể hiện là ở độ sâu tôi được. Có thể nhận thấy chiều dày tôi được tỉ lệ nghịch với tốc độ dịch chuyển nguồn tia, tức chiều dày tôi được đạt cao hơn đối với một tốc độ dịch chuyển tia chậm hơn. Có thể nhận thấy tốc độ cũng có những giá trị ngưỡng, tại đó hoặc xuất hiện sự nóng chảy vật liệu hoặc không có sự chuyển biến pha thành austenit. Trong phạm vi nghiên cứu này có thể nhận thấy là vùng tốc độ thích hợp để nhiệt luyện với laser CO2 cho P 800W -860 W là khoảng 50-70mm/phút
Ảnh hưởng của khoảng cách phân kỳ
Từ thí nghiệm nhận thấy độ cứng trung bình trên bề mặt nhiệt luyện tỉ lệ nghịch với khoảng cách phân kì của tia. Khoảng cách phân kì tia ảnh hưởng quyết định chính đến kích thước (diện tích) vùng nhiệt luyện, theo nguyên tắc tỷ lệ thuận, còn độ cứng nhiệt luyện thì ngược lại giảm khi khoảng cách phân kì tăng. Tuy nhiên, có thể nhận thấy: đối với một công suất laser và một tốc độ dịch chuyển nguồn cho trước, luôn tồn tại 2 khoảng cách ngưỡng. Một là nếu xuống dưới nó bề mặt chi tiết sẽ bị nóng chảy do mật độ năng lượng vượt quá giá trị tới hạn. Còn ngưỡng kia, nếu vượt quá thì năng lượng không đủ để chuyển pha nhiệt luyện. Vấn đề của sự lựa chọn khoảng cách phân kì bị ảnh hưởng bởi yêu cầu về độ cứng cũng như chiếu rộng vết nhiệt luyện đối với một nguồn công suất laser nhất định. Thường kích thước vết nhiệt luyện là đầu vào của một quy trình nhiệt luyện, từ đó quyết định đến lựa chọn thiết bị.
Ảnh hưởng của chế độ làm mát
Độ cứng nhiệt luyện của thép C45 trong môi trường làm mát không khí, nước và dầu là như nhau. Điều này có thể giải thích là do việc làm nguội được thực hiện tức thời ngay khi sự tương tác laser- vật liệu kết thúc và mặc dù có ảnh hưởng nhiệt lan truyền của năng lượng tương tác laser-vật liệu kế cận thì tốc độ làm mát là vẫn rất cao, 700OC/s (kết quả đo trong thí nghiệm). Sự làm nguội đối với các điểm laser đã đi qua điễn biến nhanh, có tác động trước khi kết thúc quá trình quét laser. Do vậy, việc nhúng nước hoặc nhúng dầu chi tiết sau đó không còn ý nghĩa. Làm mát trong nước và trong dầu có thể có hiệu ứng khi chúng được thực hiện song hành cùng với việc chiếu chùm tia laser. Tuy nhiên việc này có thể đem đến sự phức tạp cho cấu hình thiết bị và xét cho cùng thì không cần thiết khi mà thí nghiệm kết luận rằng trong môi trường không khí, chi tiết nhiệt luyện bằng laser tự làm mát và đã đạt được độ cứng khả quan, theo yêu cầu kĩ thuật như kết quả của thí nghiệm đạt được.
Ảnh hưởng của quét bề mặt
Quét bề mặt tạo khả năng 100% bề mặt chi tiết có thể được nhiệt luyện. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng tương tác nhiệt có thể ảnh hưởng đến kết quả nhiệt luyện. Vi cấu trúc của các miền này được thể hiện ở hình 8, với A là vi cấu trúc miền đã nhiệt luyện, B- miền nhiệt luyện chèn và C- vật liệu nền. Các miền nhiệt luyện nằm cạnh nhau không có miền chèn, độ cứng nhiệt luyện (đường 0x0) đạt tương đương như nhiệt luyện “vết đơn”. Tại biên các miền này là vùng chưa được nhiệt luyện. Đường (1×0) thể hiện độ cứng – chiều sâu tôi được tại chính tâm vết chính và đường (1×1) là độ cứng- theo chiều sâu tôi được tại chính giữa của miền chèn. So với kết quả nhiệt luyện đường đơn, kết quả độ cứng của các miền này thấp hơn. Hiện tượng này có thể có nguyên nhân là: khi quét tia kề bên “vết” vừa được qua nhiệt, thay vì hạ nhiệt nhờ đối lưu với môi trường tự nhiên vết này lại được gia nhiệt lần nữa. Hiện tượng này gọi là hiện tượng “tôi ngược”. Sự làm giảm tốc độ làm nguội gây cho các vùng này có độ cứng thấp hơn vùng không có sự “dè” vết. Tuy nhiên có thể nhận xét, độ cứng của vùng này đã được cải thiện so với kim loại nền.
4 – Kết luận
Nghiên cứu thực hiện xác định các tham số thích hợp cho nhiệt luyện tôi bề mặt thông qua nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng nhiệt luyện bởi các tham số công nghệ như: công suất laser, tốc độ dịch chuyển tia, khoảng cách tia phân kỳ và các môi trường làm mát.
Việc nung nóng và làm nguội cục bộ, trong thời gian nung nhanh, không đủ thời gian để austenit phát triển lớn, và thời Cheap Aciclovir gian làm mát nhanh không đủ thời gian để diễn ra phản ứng carbon với oxy, gây thất thoát carbon làm cho chất lượng nhiệt luỵện bằng tia laser dường như cao hơn so với phương pháp nhiệt luyện truyền thống. So với công nghệ nhiệt luyện bề mặt truyền thống, nhiệt độ nung bằng tia laser cần cao hơn đối với một vật liệu thép tương đương. Để có đủ cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nung tới điểm chuyển biến A1,3 của thép, cần có những nghiên cứu tiếp theo.
Mặc dù nguồn laser CO2 có phân bố năng lượng theo quy luật Gauss, cho độ sâu tôi được không thật đều trên tiết diện nhiệt luyện.
Từ các kết quả thí nghiệm đạt được có thể sử dụng để nhiệt luyện được bề mặt các chi tiết 2D và Buy Levitra hình trụ. Với đặc tính kỹ thuật của thiết bị có thể kết luận vùng tham số công nghệ P(800÷900W), v(50÷100mm/phút), H (40÷60mm) là thích hợp cho nguyên công tôi bề mặt. Việc nhanh chóng nung nóng bề mặt kim loại đến nhiệt độ của vùng austenit, tiếp theo nhiệt độ hạ rất nhanh khi nguồn nhiệt qua khỏi điểm vật chất làm cho bề mặt hình thành matenxit, có độ cứng rất cao (HRC 35-65), chịu mài mòn rất tốt. Việc ảnh hưởng nhiệt của các điểm tới có tác dụng ram phần vừa được làm nguội nên phương pháp nhiệt luyện này còn được gọi là tôi tự ram. Phương pháp thể hiện ưu thế nhiệt luyện vùng nhỏ, “cục bộ“ và tốc độ nhiệt luyện nhanh. Và cho dù còn nhược điểm là độ sâu tôi được không đều, nhưng nhiệt luyện bằng tia laser CO2 vẫn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của nhiệt luyện bề mặt, đặc biệt rất phù hợp cho sản xuất loạt nhỏ.
Theo automation.net.vn
Comment