NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN BẰNG LASER

Công nghệ nhiệt luyện bằng laser CO2 hiện đã và đang được các nước khoa học phát triển trên thế giới quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây. Phương pháp này giải quyết một số vấn đề như sau: Chi tiết biến dạng tối thiểu, tăng độ cứng và giảm tính mòn của chi tiết, khả năng nhiệt luyện một số chi tiết siêu mỏng, không yêu cầu công đoạn làm nguội riêng biệt,  không cần xử lý sau nhiệt luyện. Đó là vấn đề mà tất cả các ngành công nghiệp đều mong muốn.

Trong nghiên cứu này sẽ trình bày giải pháp nhiệt luyện bề mặt bằng tia Laser trong điều kiện vật chất nhất định. Việc xây dựng phần mềm quét bề mặt cho máy cắt CNC mang lại  ý nghĩa vô cùng quan trọng trong công nghệ nhiệt luyện bề mặt.

Hình 1. Một số chi tiết  nhiệt luyện bằng laser

 

1- Mở đầu

 

Ngày nay trên thế giới các phương pháp gia công không truyền thống đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhất là các phương pháp gia công bằng tia. Trong số đó, tia Laser được tập trung nghiên cứu phát triển và phát huy được hiệu quả ứng dụng quan trọng trong công nghiệp. Lợi dụng khả năng sinh nhiệt của tia Laser khi tương tác với vật liệu, người ta đã dùng Laser để nhiệt luyện bề mặt. Việc tích hợp nguồn Laser trên máy cắt plasma CNC bổ sung cho phương pháp công nghệ ưu thế gia công tự động. Nhiệt luyện bằng Laser được nghiên cứu trên thế giới bắt đầu từ những năm 70 nhưng thực sự được đưa vào sản xuất những năm 73 trở lại đây. Nghiên cứu nhiệt luyện bằng tia Laser thường được tập trung vào những vấn đề:

 

  • Khả năng nhiệt luyện của từng loại Laser
  • Hệ thống thiết bị và hệ quang học sử dụng trong nhiệt luyện bằng Laser
  • Ảnh hưởng của những tham số công nghệ tới chất lượng
  • Nghiên cứu, phân tích nhiệt.
  • So với những phương pháp truyền thống, nhiệt luyện bằng Laser có những ưu điểm:
  1. Có khả năng nhiệt luyện chi tiết to với bất kỳ hình dạng hình học, tạo linh hoạt trong thiết kế
  2. Đạt độ chính xác cao, yêu cầu năng lượng thấp vì vậy giảm được gia công sau nhiệt luyện
  3. Tăng độ cứng, độ bền, tính chất bền mỏi và bền mài mòn.
  4. Rất linh hoạt nhờ sử dụng phần mềm để điều khiển nhiệt luyện
  5. Thân thiện với môi trường

 

2- Công nghệ nhiệt luyện bằng Laser

 

Tôi bề mặt dùng tia Laser là phương pháp nhiệt luyện không thay đổi thành phần cấu tạo bề mặt chi tiết. Việc dùng năng lượng Laser nung nóng nhanh bề mặt tuyển chọn đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn A3 với thép carbon < 0,7% và A1 với thép có lượng C>0,7%, kim loại không nung nóng chảy nhưng có chuyển biến pha, hình thành nên Austenit. Khi Laser đi qua, sự tiếp xúc bề mặt với không khí tạo nên việc tự làm mát với tốc độ nhanh, để chuyển Austenit thành Actenxit, cấu trúc độ cứng cao, độ bền mài mòn tốt trong khi những tính chất khác của vật liệu như dẻo dai vẫn giữ nguyên và không bị ảnh hưởng. Đây là phương pháp có tổ chức tương tự như phương pháp tôi tự ram truyền thống, điểm khác biệt là quá trình chuyển biến pha chỉ diễn ra tại lớp bề mặt, dày khoảng 0,5–1,5 mm tùy vào công suất Laser và thời gian tương tác giữa Laser với vật liệu.

 

Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng tôi bằng Laser:

 

  • Công suất Laser: đây là tham số ảnh hưởng chính tới nhiệt độ nhiệt luyện và ảnh hưởng lớn đến khả năng mở rộng “vết” và độ sâu của nhiệt luyện.
  • Tốc độ dịch chuyển nguồn Laser: 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 độ sâu thấm tôi.
  • Khoảng cách phân kỳ.
  • Điều kiện làm mát: làm ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội của chi tiết.

 

Mô tả thí nghiệm:

 

Mẫu thí nghiệm thực hiện theo những công đoạn:

 

  • Pha phôi thành thỏi tròn kích thước Φ60×5 đối với thép C45 và SKD11.
  • Mài phẳng mặt, I –mặt nhiệt luyện
  • Phủ sơn  mầu đen, lớp cực mỏng (0,01mm, đủ làm cho bề mặt không còn vết bóng ánh kim).

 

Để tăng cường đồng thời mở rộng miền nhiệt luyện, một phần mềm quét bề mặt được xây dựng. Phần mềm được viết nhận dạng đường biên chu vi tiết diện quét, xác định những đường dẫn (đường đi của Laser một chiều, ví dụ chiều X) theo tuần tự khoảng cách bằng nhau (tương đương với đường kính chùm tia hoặc có thể nhỏ hơn chùm tia khi thực hiện giao thoa giữa các “vết”).  Thuật toán quét bề mặt được xuất phát từ mô hình cấu trúc của bề mặt hoặc của mô hình khối thông qua 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 với nhau. Đối với bề mặt phẳng ta thu được luôn biến dạng phẳng khép kín bề mặt, còn với mô hình khối đặc, tiết diện là tập hợp của một số đường thẳng khép kín khi dùng mặt phẳng tưởng tượng để cắt mô hình cấu trúc 3D ở bất kỳ vị trí nào. Sử dụng một số đường thẳng song song quét trên những đường biên khép kín đó, ta xác định được những đường dẫn. Các đường dẫn chính là cơ sở để tạo hình ảnh hai chiều của mô hình ở một mặt cắt. Quá trình quét bề mặt được hoàn thành khi tất cả những đường dẫn trên tiết diện cắt 2D đã được xác định.

 

3- Phân tích và đánh giá thí nghiệm

 

Các mẫu thí nghiệm sau nhiệt luyện đều được đo độ cứng và chụp ảnh vi cấu trúc rồi đánh giá kết quả thí nghiệm. Nhiệt luyện bằng Laser được đánh giá dựa trên các tiêu chí:

 

  • Ảnh hưởng công suất Laser

 

  • Ảnh hưởng công suất tới độ cứng theo chiều sâu tôi được và độ sâu tôi được: Trong phạm vi công suất (P=800W¸840W), với tốc độ cho trước (100mm/phút) có thể nhận thấy, độ cứng và mức độ đồng nhất độ cứng theo chiều sâu tôi được tỉ lệ thuận với công suất Laser, còn  ảnh hưởng của công suất đến chiều sâu tôi được chưa thực sự rõ rệt. Với kết quả năng lượng dùng khoảng 8085 %, công suất (1000W) mà độ cứng thép C45 nhiệt luyện đạt đến 48HRC¸54,6HRC thì có thể đây là vùng công suất thích hợp để thực hiện  nhiệt luyện phạm vi tốc độ đã lựa chọn. (Việc chọn công suất tối ưu đối với tốc độ di nguồn vẫn chưa 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 rằng, chiều dày tôi được tỉ lệ nghịch với tốc độ dịch chuyển nguồn tia, nghĩa là chiều dày tôi được đạt cao hơn đối với một tốc độ dịch chuyển tia chậm hơn. Hơn nữa, tốc độ cũng có những giá trị ngưỡng, tại đó hoặc xuất hiện sự nóng chảy vật liệu hoặc là không có sự chuyển biến pha thành Austenit. Trong phạm vi nghiên cứu này, ta có thể nhận thấy là vùng tốc độ thích hợp để nhiệt luyện với Laser CO2 cho công suất 800W -860 W là khoảng 50-70mm/phút.

 

  • Ảnh hưởng khoảng cách phân kỳ: Từ thí nghiệm nhận thấy rằng, độ cứng trung bình trên bề mặt nhiệt luyện tỉ lệ nghịch với khoảng cách phân kì tia Laser. Khoảng cách phân kì tia có tính quyết định chính đến kích thước (diện tích) vùng nhiệt luyện, theo tỷ lệ thuận, còn độ cứng nhiệt luyện thì tỷ lệ nghịch, sẽ giảm khi khoảng cách phân kì tăng. Tuy nhiên, có thể nhận thấy: với một công suất Laser và tốc độ dịch chuyển nguồn cho trước, luôn luôn tồn tại 2  khoảng cách ngưỡng. Một là nếu xuống dưới, bề mặt chi tiết sẽ bị nóng chảy do mật độ năng lượng nằm ngoài giá trị tới hạn. Còn ngưỡng kia, nếu vượt quá thì năng lượng sẽ không đủ để chuyển pha nhiệt luyện. Vấn đề lựa chọn khoảng cách phân kì bị ảnh hưởng bởi yêu cầu về độ cứng cũng như là chiều rộng vết nhiệt luyện với một nguồn công suất Laser xác định. Thường kích thước vết nhiệt luyện là đầu vào của quy trình nhiệt luyện, từ đó quyết định tới lựa chọn thiết bị.

 

  • Ảnh hưởng của chế độ làm mát: Độ cứng nhiệt luyện thép C45 trong môi trường làm mát không khí, nước và dầu gần như nhau. Điều này có thể được giải thích là do việc làm nguội được thực hiện tức thời khi sự tương tác Laser- vật liệu kết thúc. Mặc dù có ảnh hưởng nhiệt lan truyền năng lượng tương tác Laser – vật liệu kế cận thì  tốc độ làm mát là vẫn cao, 700OC/s (kết quả đo trong thí nghiệm). Việc làm nguội đối với điểm Laser đã đi qua diễn biến nhanh, có tác động trước khi dừng quá trình quét Laser. Do vậy, việc nhúng nước hoặc nhúng dầu chi tiết sau đó là không có ý nghĩa. Làm mát trong nước và trong dầu có thể có hiệu ứng khi chúng được thực hiện song song cùng với việc chiếu chùm tia laser. Tuy nhiên việc đó có thể đem đến sự phức tạp cho cấu hình thiết bị và xét cho cùng là không cần thiết khi mà thí nghiệm kết luận là trong môi trường không khí, chi tiết nhiệt luyện bằng Laser tự làm mát đã đạt được độ cứng khả quan, trên yêu cầu kĩ thuật như kết quả của thí nghiệm đạt được.

 

  • Ảnh hưởng của quét bề mặt: Quét bề mặt làm khả năng 100% bề mặt chi tiết có thể được nhiệt luyện. Tuy nhiên, sự tương tác nhiệt có thể ảnh hưởng đến kết quả nhiệt luyện. Vi cấu trúc của những 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. Những miền nhiệt luyện nằm cạnh nhau không có miền chèn, độ cứng nhiệt luyện (đường 0x0) đạt tương đương với nhiệt luyện “vết đơn”. Tại biên những miền này là vùng chưa được  nhiệt luyện. Đường  (1×0) thể  hiện cho  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 miền chèn.  So với các kết quả nhiệt luyện đường đơn, kết quả độ cứng của những miền này thấp hơn. Hiện tượng này có nguyên nhân là: khi quét tia kề bên “vết” vừa được qua nhiệt, thay vì việc hạ nhiệt nhờ đối lưu với môi trường tự nhiên vết này lại được gia nhiệt tiếp. Hiện tượng đó còn gọi là  hiện tượng “tôi ngược”. Sự làm giảm tốc độ làm nguội gây cho những vùng đó 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 hơn so với kim loại nền.

 

4 – Kết luận

 

Nghiên cứu thực hiện xác định  được những tham số thích hợp cho nhiệt luyện tôi bề mặt  thông qua nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng nhiệt luyện bởi những tham số công nghệ như: công suất Laser, tốc độ dịch chuyển tia, khoảng cách phân kỳ và những 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 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 tia Laser 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 với các vật liệu thép tương đương. Để có đủ cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nung đến điểm chuyển biến A1,3 của thép, cần có nhiều nghiên cứu tiếp theo.

 

Mặc dù nguồn laser CO2 có phân bố năng lượng tùy theo quy luật Gauss, cho độ sâu tôi thật đều trên tiết diện nhiệt luyện.

 

Việc ảnh hưởng nhiệt của những điểm tới có tác dụng ram phần vừa được làm nguội nên phương pháp nhiệt luyện này được gọi là tôi tự ram.  Phương pháp thể hiện được ưu thế nhiệt luyện vùng nhỏ, “cục bộ“ và tốc độ nhiệt luyện nhanh. Và cho dù còn nhược điểm là độ sâu tôi  không đều, nhưng nhiệt luyện bằng tia Laser CO2 vẫn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của nhiệt luyện bề mặt, đặc biệt là phù hợp cho sản xuất loạt nhỏ.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *