lý thuyết về thấm CN kết hợp với thực hiện mô phỏng quá trình thấm CN và tôi bằng phần mềm Sysweld cho mẫu thép hình trụ và mẫu bánh răng ở các chế độ khác nhau rồi phân tích kết quả chiều sâu lớp thấm, thành phần pha ở bề mặt và trong lõi. Sau đó thực nghiệm thấm CN và tôi cho mẫu trụ thực tế với các chế độ tương ứng. Các mẫu trụ sau thấm và tôi được đem đi đánh bóng để soi tổ chức tế vi bằng hiển vi quang học (OM) và đánh giá thành phần hóa học của lớp thấm bằng phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS). Các mẫu thực nghiệm cũng được đo độ cứng tế vi bề mặt nhằm đánh giá chiều sâu lớp thấm theo tiêu chuẩn ISO 18203:2016
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ thấm C-N thể khí
Thấm C-N là một phương pháp hóa nhiệt luyện giúp bão hòa đồng thời carbon (C) và nitơ (N) vào bề mặt thép, từ đó nâng cao độ cứng và khả năng chống mài mòn Lớp thấm C-N mang lại độ cứng và tính chống mài mòn cao hơn so với thấm C, nhưng lại thấp hơn so với thấm N.
Hình 1.1: Quan hệ giữa thành phần Cacbon và Nitơ của lớp bề mặt với nhiệt độ thấm
Tùy thuộc vào tỷ lệ C và N, lớp thấm có thể tương tự như lớp thấm trong thấm C hoặc thấm N Trong nghiên cứu này, nhóm sinh viên áp dụng phương pháp thấm C-N thể khí ở nhiệt độ cao (khoảng 850 độ C), với sự bổ sung NH3 ở tỷ lệ thấp cùng với khí thấm C Lớp thấm không chỉ chứa C mà còn bão hòa N, tạo ra các pha Fe3(CN) cứng, làm tăng khả năng chống mài mòn Thấm C-N có thể áp dụng cho cả thép C và thép hợp kim thấp, với các mác thép phổ biến như 10xx, 11xx, 12xx, 13xx, 15xx, 40xx, 41xx, 46xx, 51xx, 61xx, 86xx, 87xx, trong đó %C cao nhất là 0,25% Các mác thép cùng dòng nhưng có %C cao hơn (0,3 - 0,5%) sẽ có lớp thấm C-N mỏng hơn.
Hình 1.2: Giản đồ pha Fe-C
Hình 1.3: Giản đồ pha Fe-N
Tại nhiệt độ thấm khoảng 850 độ C, bề mặt đạt trạng thái bão hòa với carbon (C) và nitơ (N), tạo ra tổ chức lớp thấm bao gồm austenite (pha γ), dung dịch rắn xen kẽ của N trong Feα, cùng với các pha xen kẽ của N với các kim loại chuyển tiếp như CrN, Cr2N, MnN, TiN và AlN.
1.1.3 Ưu nhược điểm của thấm C-N so với thấm C
- Độ cứng không khác thấm C (HRC ), nhưng nhờ tính chống mài mòn mạnh nên thời hạn làm việc (tuổi bền) kéo dài thêm
Do có tính chất cơ học cao hơn, lớp thấm C-N có thể mỏng hơn lớp thấm C Ví dụ, khi bánh răng được thấm C sâu, thì với thấm C-N chỉ cần lớp thấm mỏng hơn Nhờ đó, thời gian thấm sẽ được rút ngắn đáng kể.
Nhờ tác dụng của NH3, quá trình tạo muội trên chi tiết thấm bị loại bỏ, giúp tăng nhanh tốc độ thấm Khi thực hiện thấm C-N ở nhiệt độ từ 840 đến 860 độ C, tốc độ thấm tương đương với thấm C ở 930 độ C Điều này cho phép giảm nhiệt độ lò từ 50-80 độ C, kéo dài thời gian sử dụng lò một cách đáng kể.
- Chi phí sản xuất cao hơn thấm C.
- Amoniac là chất gây ức chế thần kinh tạo nên cảm giác khó chịu và cáu gắt.
- Chỉ áp dụng cho thép C hoặc thép hợp kim thấp.
1.1.4 Đặc điểm của môi trường thấm C-N thể khí
Trong đồ án này nhóm sinh viên sử dụng môi trường thấm gồm: Khí amoniac (NH3), khí gas Việt Nam (hỗn hợp 50% C3H8 và 50% C4H10), khí cấp
Đặc điểm của khí gas Việt Nam
Bảng 1.1: Một số đặc điểm của khí gas Việt Nam [ CITATION Hoa \l 1033 ] Đặc điểm Propan Butan
Khối lượng riêng của chất lỏng ở 15
(g/cm 3 ) Điểm sôi Điểm đông đặc
Nhiệt độ tới hạn Áp suất tới hạn (at)
Nhiệt hóa hơi (cal/kg)
Thể tích khí cho 1 kg chất lỏng (ở ĐKTC)
Khí gas Việt Nam có hàm lượng cacbon cao, cho phép sử dụng làm chất thấm khi được pha trộn hợp lý với khí CO2 (để tạo CO) và khí N2 (để điều chỉnh nồng độ khí thấm và bảo vệ khỏi oxy hóa).
Đặc điểm của khí amoniac
Khí amoniac (NH3) là hợp chất hóa học được tạo thành từ nitơ và hydro Dưới những điều kiện thích hợp, amoniac có khả năng phân ly thành khí hydro (H2) và nitơ nguyên tử (N) Nhờ vào đặc tính này, amoniac được sử dụng phổ biến để cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình thấm C-N.
Bảng 1.2: Một số tính chất của khí NH 3 [ CITATION Ibr \l 1033 ]
Khối lượng riêng (kg/m 3 ) ở nhiệt độ sôi và áp suất 1.013 bar 0,86 Điểm sôi - 33,34 o C Điểm đông đặc - 77,73 o C
Nhiệt độ tới hạn 132,4 o C Áp suất hơi (kPa) 857,3
1.1.5 Sự hình thành lớp thấm C-N
Hỗn hợp khí thấm bao gồm khí gas Việt Nam, CO2, N2 và NH3 với tỷ lệ nhất định Khí gas này có thành phần gồm 50% C3H8 và 50% C4H10, do đó có thể được xem là một loại khí thấm đặc trưng.
C3.5H9 Trong môi trường thấm xảy ra các phản ứng:
Trong công nghệ thấm C-N, CO đóng vai trò là chất vận chuyển cacbon Khi nhiệt độ thấm đạt yêu cầu, CO sẽ phân hủy thành C nhờ sự hiện diện của các chất xúc tác như Fe hoặc Ni Điều này dẫn đến việc xảy ra phản ứng trên bề mặt thép.
Do phản ứng phân hủy CO thành cacbon xảy ra trên bề mặt thép mà lượng
CO sẽ giảm dần, vì vậy cần thường xuyên cung cấp chất thấm mới vào lò Với điều kiện khuấy trộn và khuếch tán khí tốt, thành phần CO trên bề mặt thép có thể coi là không thay đổi và tương đương với thành phần CO trong môi trường Phản ứng (1) tạo ra khí CO, cần thiết cho quá trình thấm, trong khi phản ứng (2) tạo ra muội cacbon trong buồng thấm, là phản ứng không mong muốn Cơ chế hình thành lớp thấm C-N được mô tả trong Hình 1.4.
Hình 1.4: Cơ chế hình thành lớp thấm C-N
Khí mang C và N chủ yếu là CO và NH3, trong đó CO bị phân tách thành CO2 và C nguyên tử, còn NH3 bị phân hủy thành H2 và N nguyên tử tại bề mặt thép Các nguyên tử C và N có hoạt tính cao sẽ được hấp thụ và khuếch tán vào trong thép dưới dạng dung dịch rắn xen kẽ Để tăng tốc độ thấm và hàm lượng cacbon trong lớp thấm, cần phải tăng hoạt độ cacbon, nhưng chỉ có thể đạt đến một giá trị giới hạn; vượt quá giá trị này sẽ làm chậm quá trình thấm do sự hình thành muội cản trở Hoạt độ cacbon của môi trường thấm được xác định theo công thức liên quan đến áp suất riêng phần của các khí CO, H2, CO2 và hơi nước.
Nếu biết các giá trị này ta có thể xác định được hoạt độ cacbon trong thép Với thép hợp kim, hoạt độ cacbon được tính như sau:
Hệ số hoạt độ cacbon trong thép được phân chia thành hai loại: thép không có nguyên tố hợp kim và thép có nguyên tố hợp kim Nồng độ cacbon trong thép không có nguyên tố hợp kim khác với nồng độ cacbon trong thép có nguyên tố hợp kim.
Hoạt độ cacbon trong thép có thể tính bằng công thức thực nghiệm:
Trong đó: là nhiệt độ thấm (K), là phần trăm trọng lượng cacbon trong austenite.
Thế cacbon của môi trường thấm là thông số công nghệ được phản ánh bởi hoạt độ của môi trường thấm và được tính như sau:
Cp = act 1/ fc Fe-C = CA fc A/ac Trong đó hệ số hợp kim của thép được tính theo công thức: lg KA = -0,55(%Si) + 0,11(%Ni) + 0,012(%Mn) + 0,009(%Mo) + 0,043(%Cr)
Bằng cách sử dụng các thiết bị phân tích như máy phân tích khí CO, CO2, cảm biến oxy và cảm biến hydro, chúng ta có thể xác định phần trăm các loại khí trong môi trường Đồng thời, với áp suất trong lò được giữ cố định, chúng ta cũng có thể tính toán áp suất riêng phần của từng loại khí, từ đó xác định thế thấm cacbon trong môi trường thấm.
Hoạt độ N và thế Nitơ () của môi trường thấm
N nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép, và để đạt được sự cân bằng giữa nồng độ N trong pha khí và trên bề mặt thép, hoạt độ N được tính theo một công thức cụ thể.
Hằng số cân bằng của phản ứng được xác định bởi áp suất tổng và các áp suất riêng phần của các chất tham gia phản ứng Giá trị N được tính theo công thức cụ thể, với đơn vị tính là hoặc
Mô phỏng quá trình xử lý nhiệt
Quá trình xử lý nhiệt thấm C, N, C-N, N-C, tôi và ram liên quan đến nhiều hiện tượng vật lý như truyền nhiệt, chuyển biến pha và phát triển ứng suất, tạo thành một vấn đề phức tạp khó phân tích Để hiểu rõ quy trình này, cần có nền tảng lý thuyết chuyên sâu về kim loại Nhiều lý thuyết, như lý thuyết dẫn nhiệt – đàn hồi của Ziegler, đã được phát triển để phân tích các hiện tượng này Hiện nay, việc kết hợp nhiệt động học với các lý thuyết liên quan đã trở nên phổ biến trong nghiên cứu Đối với mô phỏng quá trình xử lý nhiệt, các phương pháp như sai phân hữu hạn (FDM), thể tích hữu hạn (FVM) và phần tử hữu hạn (FEM) đã được đề xuất, trong đó FEM là phương pháp phổ biến nhất nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi Một số phần mềm mô phỏng thường được sử dụng bao gồm ESI Sysweld, Hearts, Dante và Deform-HT.
1.2.1 Giới thiệu về ESI Group và phần mềm Sysweld
ESI (Engineering System International) là tập đoàn đa quốc gia, được thành lập với tên gọi Engineering Systems International tại Pháp vào năm 1973 bởi
Alain de Rouvray cùng với ba tiến sĩ khác từ Đại học California Berkeley:
Jacques Dubois, Iraj Farhoomand và Eberhard Haug đã thành lập Tập đoàn ESI vào năm 1973, ban đầu hoạt động như một công ty tư vấn cho các ngành công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ và hạt nhân tại Châu Âu ESI nhanh chóng trở thành nhà sáng tạo hàng đầu trong lĩnh vực Tạo mẫu mô phỏng số ảo (Virtual Prototyping), đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy chuyển đổi công nghiệp toàn cầu Với bí quyết độc đáo trong lĩnh vực vật lý vật liệu, công ty đã liên tục phát triển và cải tiến khả năng mô phỏng tiên tiến của mình từ khi thành lập.
ESI SYSWELD là phần mềm mô phỏng hàn và xử lý nhiệt kim loại của ESI Group, được phát triển qua hơn 30 năm hợp tác với các đối tác công nghiệp toàn cầu Phần mềm cung cấp khả năng mô phỏng toàn diện về đặc tính vật liệu, cấu trúc vi mô, ứng suất dư và biến dạng trong các kết cấu hàn SYSWELD hỗ trợ nhiều quy trình hàn như hồ quang, chùm điện tử, laser và hàn điểm, cùng với các quy trình xử lý nhiệt như thường hóa, tôi thể tích, tôi bề mặt, ram, hóa già, và các quá trình ủ, thấm C, thấm N, thấm C-N, và khuếch tán hydro, đồng thời xem xét các hiện tượng hóa học, nhiệt và cơ học liên quan.
SYSWELD giúp các kỹ sư làm việc hiệu quả, cải thiện chất lượng và hiệu suất sản phẩm Bằng cách kết hợp các quy trình sản xuất khác nhau, khách hàng có thể mô phỏng chuỗi quy trình để thiết kế và đánh giá tính khả thi trước khi thực hiện, từ đó tối ưu hóa quá trình sản xuất, tiết kiệm chi phí và tăng lợi nhuận.
Hình 1.5: Tương tác của các quá trình phân tích bằng Sysweld
Hình 1.6: Mô phỏng quá trình thấm C-N
Quy trình thực hiện mô phỏng
7 Hiển thị các kết quả
0 Xây dựng cơ sở dữ liệu về vật liệu
Hình 1.7: Quy trình thực hiện mô phỏng
Khi mô phỏng thường thực hiện các bước như sau:
- Bước 0: Xây dựng cơ sở dữ liệu về vật liệu, hàm tải, …
- Bước 1: Xây dựng mô hình (2D, 3D) bằng phần mềm Sysweld, …
- Bước 2: Chia lưới mịn ở bề mặt và thưa ở trong lõi do ta đang nghiên cứu về lớp thấm C-N.
- Bước 3: Gán vật liệu cụ thể (thép, đồng, nhôm, …) cho mô hình sau khi chia lưới.
- Bước 4: Đặt các điều kiện biên về gá kẹp, tính đối xứng của mô hình, bề mặt thấm + tôi.
- Bước 5: Đặt hàm tải lên mô hình bao gồm: nhiệt độ thấm + tôi, hoạt độ Cacbon, hoạt độ Nito, môi trường tôi, thời gian thấm + tôi.
- Bước 6: Ra lệnh giải bài toán sau khi đã thực hiện đầy đủ 6 bước trên.
- Bước 7: Hiển thị các kết quả tính toán.
1.2.2 Một số cơ sở tính toán sử dụng trong phần mềm Sysweld
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một kỹ thuật tính toán mô phỏng số, cho phép giải các hệ phương trình toán học mô tả quy luật vật lý và kim loại học trong không gian đã rời rạc hóa Độ chính xác của phép tính phụ thuộc vào kích thước phần tử và tính đúng đắn của các phương trình Mô đun Visual-Heat Treatment 13.0.2 của phần mềm Sysweld 2017.0 áp dụng các phương trình này để tính toán quá trình thấm và tôi thép.
6 Ra lệnh giải bài toán
1 Xây dựng mô hình mô phỏng
5 Đặt hàm tải trên mô hình
4 Đặt các điều kiện biên
Định luật truyền nhiệt Fourier [ CITATION Đào \l 1033 ]
Ta có nhiệt độ là hàm của không gian và thời gian: Định luật này được biểu diễn bằng phương trình sau:
Trong đó: là vi phân nhiệt lượng (J), là hệ số dẫn nhiệt (J.m/K), là vi phân bề mặt truyền nhiệt, là vi phân thời gian,
Và được biểu diễn tổng quát dưới dạng tường minh trong tọa độ Decartes:
Trong đó: là nhiệt dung riêng (w/kg.K), là khối lượng riêng (kg/m 3 ), là nguồn nhiệt (w/m 2 ),
Với là hệ số khuếch tán nhiệt độ (m 2 /s).
Phương trình dẫn nhiệt phi tuyến được xét tới với điều kiện các thông số nhiệt lý biến thiên khi nhiệt độ thay đổi, có nghĩa:
Lúc đó phương trình tổng quát có dạng rút gọn sau:
Khuếch tán – định luật Fick II
Khuếch tán là quá trình chuyển động ngẫu nhiên của các nguyên tử, ion hoặc phân tử do dao động nhiệt Khi nguyên tử A di chuyển trong nền của chính nó, hiện tượng này được gọi là tự khuếch tán, trong đó các nguyên tử trong mạng tinh thể trao đổi vị trí với nhau Ngược lại, khuếch tán khác loại xảy ra khi nguyên tử B, với nồng độ nhỏ, khuếch tán trong nền A, và điều kiện cần thiết là nguyên tử B phải hòa tan trong A.
Khuếch tán tương hỗ giữa hai thành phần A và B diễn ra trong nền A hoặc B, với dòng nguyên tử di chuyển từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp Trong các chất rắn đa thành phần như hợp kim, hiện tượng này càng rõ nét Định luật Fick II mô tả sự thay đổi nồng độ C của chất theo thời gian và chiều sâu trong lớp khuếch tán.
Nghiệm của phương trình trong trường hợp khuếch tán cho thấy sự chuyển động của một chất từ bề mặt vào bên trong mẫu, với nồng độ ban đầu được xác định.
Trong đó: là hàm sai của đại lượng được tính sẵn trong sổ tay toán học.
Từ biểu thức trên, ta nhận thấy rằng tỷ lệ với nồng độ Nếu và là các hằng số, điều này có nghĩa là chiều sâu của lớp khuếch tán sẽ tỷ lệ thuận với nồng độ đó.
Tiết pha và chuyển pha – định luật Johnson – Mehl – Avrami (JMA)
Lý thuyết chuyển biến pha có thể biểu diễn bằng công thức Johnson – Mehl – Avrami Công thức được viết như sau:
Trong đó: là mức độ biến đổi là thời gian tính từ lúc chuyển biến bắt đầu là hằng số tốc độ là chỉ số Avarmi
Khả năng áp dụng của phương trình này cho sự tiết pha trong vật liệu được chứng minh bằng cách sử dụng tham số :
Trong quá trình tiết pha, giá trị độ cứng lớn nhất được xác định là giá trị độ cứng ban đầu, và giá trị độ cứng sau một khoảng thời gian cũng được ghi nhận.
Sự phát triển của pha tiết được thể hiện khá chính xác theo phương trình JMA
Trong quá trình chuyển pha, động học của việc nung nóng và làm nguội được mô tả qua động học chuyển biến đẳng nhiệt của vật liệu Nguyên tắc là chia nhỏ quá trình này thành các bước đẳng nhiệt, trong đó thể tích của pha mới hình thành được tính toán Động học chuyển biến đẳng nhiệt được mô hình hóa theo định luật Johnson-Mehl-Avrami (JMA), với Px là lượng pha mới hình thành, t là thời gian, nx là số mũ thời gian phụ thuộc vào nhiệt độ, và kx là hằng số tốc độ đẳng nhiệt Các hệ số kx và nx được xác định thông qua giản đồ austenite hóa (Time – Temperature).
Austenitization (TTA) khi nung nóng và giản đồ Time – Temperature –
Transformation (TTT) khi làm nguội) từ hai điểm (thời gian và tỷ lệ pha được chuyển biến) của giản đồ động học biến đổi đẳng nhiệt.
Động học chuyển biến martensite
Chuyển biến martensite diễn ra nhanh chóng đến mức có thể bỏ qua yếu tố thời gian, và động học của quá trình này không thể áp dụng các phương trình Avrami Thay vào đó, phương trình Koistinen-Marburger thường được sử dụng để tính toán tỷ lệ mactenxit sơ cấp hình thành dựa trên nhiệt độ.
Tỷ lệ martensite P(T) được chuyển biến ở nhiệt độ xác định, với Ms là nhiệt độ bắt đầu chuyển biến martensite Hằng số tốc độ chuyển biến Ω thường được coi là xấp xỉ 0,011, trong khi Tf đại diện cho nhiệt độ mong muốn theo tỷ lệ martensite đã được tính toán.
Hệ số giãn nở nhiệt, biến dạng do nhiệt và biến dạng do chuyển pha là những yếu tố quan trọng trong mô hình vật liệu cho các tương tác cơ học Ngoài ra, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, entanpi và tỷ trọng của vật liệu cũng cần được xem xét để tính toán độ cứng, độ bền và sự chuyển dịch kích thước của các pha.
1.2.3 Cơ sở dữ liệu đầu vào
Để thực hiện tính toán mô phỏng trên Sysweld, cần xây dựng mô hình 3D phản ánh chính xác hình dạng thực tế của chi tiết Mô hình này phải được thiết kế với hình dáng và cấu trúc tương đồng với thực tế, đồng thời được chia lưới một cách hợp lý.
Hình 1.8: Một số mô hình mô phỏng 3D trong Sysweld
Dữ liệu về nhiệt (xác định bằng thực nghiệm)
- Hệ số dẫn nhiệt (Thermal conductivity)
- Nhiệt dung riêng (Specific heat)
Dữ liệu về kim loại học (xác định bằng thực nghiệm)
Dữ liệu về cơ tính (xác định bằng thực nghiệm)
- Mô đun đàn hồi (Young’s modulus)
- Hệ số Poison (Poison coefficient)
- Giới hạn chảy (Yield stress)
- Hệ số biến dạng nhiệt (Thermal strains)
- Hệ số biến cứng do biến dạng (Strain hardening)
1.2.4 Các kết quả có thể xác định bằng phần mềm Sysweld
Sau khi xuất kết quả, ta có thể xác định và phân tích các yếu sau:
Trường nhiệt độ (khi tôi, ủ, …)
Phân bố nồng độ nguyên tố (khi thấm)
Phân bố của các tổ chức (pha) khi nhiệt luyện (austenite dư, martensite, bainite, ferrite, pearlite)
Biến dạng sau khi xử lý nhiệt (tôi, ram, …)
Ứng suất dư sau khi xử lý nhiệt (tôi, ram, …)
Độ cứng sau khi xử lý nhiệt (tôi, ram, …)
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu mô phỏng
2.1.1 Xây dựng mô hình nghiên cứu
- Mẫu trụ: đường kính 30 mm, dày 10 mm.
- Mẫu bánh răng: Các thông số chính được hiện thị ở bảng 2.1.
Bảng 2.3: Thông số chính của bánh răng và công thức tính toán
Tên thông số bánh răng Công thức Giá trị Đường kính vòng đỉnh răng () - 100 [mm] Đường kính vòng chân răng () - 85 [mm]
Bề dày bánh răng () - 30 [mm]
Số lượng răng () - 22 [răng] Đường kính lỗ trục - 18 [mm]
Bề rộng rãnh răng () [mm]
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tìm hiểu tài liệu về việc thực hiện mô phỏng và làm thực nghiệm so sánh hai mô hình nghiên cứu Mô hình đầu tiên là một hình trụ đơn giản, được xây dựng trực tiếp bằng module Mesh của phần mềm Sysweld (hình 2.2a) Mô hình thứ hai là một bánh răng với hình dạng phức tạp hơn, được thiết kế bằng Solidworks và lưu dưới dạng file IGS (hình 2.2b).
Hình 2.10: Các mô hình được sử dụng trong mô phỏng
Sau khi xây dựng mô hình, ta tiến hành chia lưới Có 3 cách chia lưới trong mô hình FEM là: Quad, Tria và Quad – Tria.
Hình 2.11: Từ trái sang phải lần lượt là mô hình Quad-Tria, Quad và Tria
Trong đồ án này, nhóm đã chọn kiểu chia lưới Tria (hình chóp tam giác) để mô phỏng các chi tiết có hình dạng trụ tròn hoặc phức tạp như bánh răng, nhằm dễ dàng biến đổi theo hình dạng của các chi tiết này.
(element) là hình chóp tam giác đều có cạnh dài 2 (mm), được chia kín toàn bộ thể tích của mẫu mô phỏng.
Hình 2.12: Lớp lưới mỏng bề mặt mô hình trụ
Vùng bề mặt trong mô phỏng cần được tính toán chi tiết hơn so với lõi, do đó nhóm nghiên cứu đã chia lưới mịn cho bề mặt và lưới thưa hơn cho lõi Cụ thể, lưới bề mặt được chia thành 10 lớp, mỗi lớp cách nhau 0,1 mm, với tổng số phần tử sau khi chia lưới là 11.874 phần tử.
Hình 2.13: Lớp lưới mỏng trên bề mặt mô hình bánh răng
Vùng bề mặt của mẫu mô phỏng bánh răng cần được tính toán chi tiết và chia thành nhiều phần tử hơn so với lõi Nhóm thực hiện chia lưới dày cho vùng bề mặt với 10 lớp, mỗi lớp cách nhau 0,1 mm, trong khi lõi được chia thưa hơn Tổng số phần tử sau khi chia lưới là 148.799 phần tử.
Vật liệu: Thép DIN 20MoCr4
Bảng 2.4: Thành phần hóa học của thép DIN 20MoCr4
Nguyên tố C Mn Si Cr Mo
Các thông số đầu vào của các mẫu mô phỏng
Bảng 2.5: Chế độ thấm và ký hiệu
Lưu lượng khí cấp cho lò:
- Lưu lượng khí N2: 12 (lít/giờ)
- Lưu lượng khí gas Việt Nam: 6 (lít/giờ)
- Lưu lượng khí CO2: 12 (lít/giờ)
- Lưu lượng khí NH3: 5 hoặc 10% tổng lượng khí gas Việt Nam + CO2
Nhóm sinh sinh đã tiến hành đo đạc và tính toán các thông số Cp, Kn theo công thức ở mục 1.1.5 Kết quả này được trình bày trong Bảng 2.6 và sẽ được sử dụng làm thông số đầu vào cho mô phỏng quá trình thấm C-N.
Bảng 2.6: Các thông số đầu vào
Bảng 2.7: Hệ số khuếch tán của C và N trong thép 20MoCr4 [ CITATION EJM \l
( o C) Hệ số khuếch tán C () Hệ số khuếch tán N ()
Nghiên cứu thực nghiệm
Bảng 2.8: Thành phần hóa học của thép 20Cr được sử dụng
Nguyên tố %C %Mn %Si %Cr %S,
Do không tìm được thép DIN 20MoCr4 nên nhóm sử dụng thép 20Cr để thay thế.
- Kích thước nồi lò: 8 lít
- Nhiệt độ làm việc tối đa 3000.
- Hệ thống làm mát được gắn dưới bích nồi lò.
- Quạt khuấy làm đồng đều khí trong lò sử dụng động cơ 3 pha, công suất 150W.
Hệ thống kiểm soát lưu lượng khí vào lò sử dụng van từ của hãng Sierra Intrusments, giúp xác định chính xác lưu lượng khí cung cấp cho hệ thống Hệ thống cho phép điều chỉnh lưu lượng trong khoảng từ 0 đến 100 lít/giờ, với độ sai số chỉ 0,2% (tương đương 0,2 lít/giờ).
Hình 2.14:Van từ điều chỉnh lưu lượng khí vào lò
Hình 2.15: Bảng điều khiển lưu lượng khí thấm
Cảm biến hydro: hãng STANGE (CHLB Đức)
Cơ sở đo của cảm biến hydro dựa trên tính dẫn điện khác nhau của các chất khí, xem trong bảng dưới đây:
Bảng 2.9: Độ dẫn nhiệt của các khí
Loại khí H2 NH3 O2 N2 CO H2O CO2 Độ dẫn nhiệt () 572 6 1 -2 -3 -22 -29
Hình 2.16: Độ dẫn nhiệt của các khí (theo Hartmann và Braun)
Trong môi trường thấm, các khí như H2, CO, CO2, N2 và H2O hiện diện, trong đó khí H2 có độ dẫn nhiệt vượt trội hơn hẳn so với các khí khác Chính vì lý do này, cảm biến hydro được sử dụng để xác định hàm lượng khí H2 trong môi trường thấm.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến hydro:
Cảm biến H2 sử dụng cầu Wheatstone với bốn điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ Hai điện trở được đặt trong khí cần phân tích, trong khi hai điện trở còn lại nằm trong môi trường khí ổn định với độ dẫn nhiệt đã biết Trong quá trình đo, cả bốn điện trở đều được nung nóng trên 500 °C Độ dẫn nhiệt của khí chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng H2, dẫn đến sự thay đổi tuyến tính của điện trở trong buồng đo theo nhiệt độ Môi trường đo càng giàu hydro thì điện trở kim loại càng nhỏ, do đó dòng điện cần thiết để duy trì nhiệt độ cũng sẽ giảm.
Dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ hydro, với khoảng đo từ 0% H2 tương ứng với 4mA đến 75% H2 tương ứng với 20mA Sự thay đổi tín hiệu dòng điện ra cho phép xác định nồng độ H2 trong môi trường.
Cảm biến Hydro được sử dụng để đo khí ngoài lò với các thông số kỹ thuật như sau:
- Điện áp nguồn: 24 V, dùng nguồn một chiều.
- Thời gian lưu: Mức trễ đầu ra 6 20s.
Cảm biến này hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện nhiệt độ, đảm bảo độ tin cậy cao Với thiết kế nhỏ gọn và kết nối đơn giản, nó tích hợp các thiết bị điện tử và hệ thống dòng điện Đặc biệt, cảm biến tự động bù trừ hiệu ứng giao thoa của các khí như O2, N2, CO, H2O và CO2, cho phép sử dụng một loại cảm biến cho tất cả các hỗn hợp khí Ngoài ra, cảm biến hydro còn có khả năng đo trong môi trường thấm nitơ.
Đồng hồ vạn năng VOM được sử dụng để đo dòng ra của cảm biến hydro bằng cách chuyển sang chế độ đo dòng với thang đo 25mA Sau khi thực hiện phép đo, chúng ta có thể dễ dàng tính toán thành phần H2 có trong hỗn hợp khí trong lò.
Cảm biến Oxy GoldProbe của hãng SSI (Mỹ)
Hình 2.20: Bộ thu tín hiệu AC20
Bộ thu tín hiệu AC20 hiển thị các giá trị:
- Các giá trị đo: , DP, mV
- Giá trị điện trở đầu đo.
- Giá trị COF: nồng độ CO chuẩn (đối với khí endo của Mỹ, COF 0 tương ứng với 20%CO).
Cảm biến oxy được lắp đặt trực tiếp trong lò thấm, nơi dễ hình thành muội cacbon, gây sai lệch trong kết quả đo Điều này dẫn đến nồng độ oxy đo được thấp hơn thực tế trong lò Do đó, để đảm bảo độ chính xác, cần thực hiện chu trình đốt muội định kỳ theo các bước cụ thể.
- Khi nhiệt độ lò đạt 800 o C, cấp không khí vào để đốt muội cho cảm biến.
- Trong quá trình đốt muội, lưu ý giữ cho nhiệt độ của cảm biến không vượt quá 850 o C.
Khi điện áp E giảm xuống 200mV, hãy ngừng cấp không khí để đốt muội và chờ cho điện thế tăng lên 250mV trong thời gian dưới 15 phút Lặp lại quy trình này cho đến khi thời gian vượt quá 15 phút Để đạt hiệu quả tối ưu, nên thực hiện chu trình đốt muội sau khoảng 6 đến 12 giờ thấm.
Hình 2.21: Sơ đồ đốt muội cho cảm biến oxy
Thiết bị phân tích CO2 và CO bằng hồng ngoại GASBOARD
Máy phân tích khí sử dụng tia hồng ngoại là thiết bị quan trọng trong việc phân tích các khí như CO, CO2, CH4, H2O và NH3 Tuy nhiên, các khí cơ bản như N2, H2, O2 không hấp thụ tia hồng ngoại, do đó không thể xác định bằng phương pháp này Trong công nghệ thấm cacbon, thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ CO2 và CO trong môi trường thấm.
Thiết bị phân tích khí gồm một nguồn hồng ngoại, buồng mẫu, buồng khí chuẩn, bộ lọc bước sóng và máy dò hồng ngoại Khi khí được đưa vào buồng mẫu, tia sáng hồng ngoại sẽ xuyên qua và đến đầu dò, nơi có bộ lọc ánh sáng loại bỏ các bước sóng không cần thiết, chỉ giữ lại bước sóng mà khí cần phân tích hấp thụ Cường độ ánh sáng hồng ngoại tỷ lệ nghịch với nồng độ khí cần phân tích; buồng mẫu chuẩn không hấp thụ tia hồng ngoại, do đó đầu dò nhận toàn bộ cường độ sáng, trong khi buồng khí cần phân tích hấp thụ tia hồng ngoại, làm giảm cường độ Để xác định nồng độ khí cần phân tích, người ta so sánh cường độ sáng của tia hồng ngoại giữa buồng mẫu khí cần phân tích và buồng mẫu khí chuẩn.
Hình 2.23: Thiết bị phân tích khí CO và CO 2
Hình 2.24: Sơ đồ hệ thống thực nghiệm thấm C-N
Sơ đồ thực nghiệm thấm C-N gồm có:
Hình 2.22: Sơ đồ cấu tạo thiết bị xác định CO 2 và CO
- Van điều chỉnh lưu lượng khí
- Các cảm biến O2, H2, CO, CO2
2.2.3 Quy trình thực nghiệm Để kết quả mô phỏng và thực nghiệm có tính thống nhất và giảm thiểu sai số thì giữa mô phỏng và thực nghiệm phải tương tự nhau về các thông số đầu vào Do đó nhóm sinh viên đã thực nghiệm nghiên cứu trên 5 mẫu thép 20Cr tương ứng với 5 chế độ thấm C-N và tôi như Bảng 2 5
Sau khi thấm + tôi các mẫu, nhóm đã tiến hành phân tích và đánh giá kết quả theo trình tự các bước như sau:
- Bước 1: Cắt dây dọc mẫu và mài + đánh bóng + chụp ảnh phần mặt cắt để đánh giá được tổ chức tế vi của lớp thấm.
- Bước 2: Phân tích phổ tán sắc năng lượng (EDS) để xác định sự tồn tại của C và N trong lớp thấm.
- Bước 3: Đo độ cứng tế vi (HV 0.1) từ bề mặt vào trong lõi để xác định chiều sâu lớp thấm.
- Bước 4: Dùng phần mềm Image Proplus để phân tích hàm lượng pha martensite và austenite trong lớp thấm.
- Bước 5: Đánh giá và so sánh với kết quả mô phỏng.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Ảnh hưởng của các chế độ thấm C-N đến chiều sâu lớp thấm
3.1.1 Kết quả mô phỏng thấm C-N mẫu trụ
Sau khi nhập các thông số đầu vào theo Bảng 2 5 ta thu được kết quả mô phỏng phân bố hàm lượng C và hàm lượng N như Hình 3 25 và Hình 3 26
Hình 3.25: Kết quả mô phỏng hàm lượng C tính từ bề mặt mẫu ứng với các chế độ thấm khác nhau
Hình 3.26: Kết quả mô phỏng hàm lượng N tính từ bề mặt mẫu ứng với các chế độ thấm khác nhau
Hàm lượng carbon (C) và nitơ (N) giảm dần từ bề mặt vào sâu trong lõi, thể hiện qua đường cong, do sự khuếch tán của C và N giảm theo lý thuyết khuếch tán.
Theo tiêu chuẩn ISO 18203:2016, chiều sâu lớp thấm được xác định từ bề mặt đến vị trí có độ cứng khoảng 550 25 (HV), tương ứng với thép có hàm lượng C 0,4% sau khi tôi Kết quả mô phỏng chiều sâu lớp thấm của các mẫu được trình bày trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10: Chiều sâu lớp thấm theo mô phỏng
0 0 5 0 0 Chiều sâu lớp thấm (mm) 0,31 0,45 0,49 0,59 0,55
Chiều sâu lớp thấm (mm)
Hình 3.27: Biểu đồ chiều sâu lớp thấm mẫu mô phỏng theo các chế độ khác nhau
Từ biểu đồ Hình 3 27 ta thầy rằng:
Chiều sâu lớp thấm tăng dần theo nhiệt độ và thời gian, với mẫu T-900.4.10 thấm ở 900 o C trong 4 giờ đạt chiều sâu lớn nhất là 0.59 mm, trong khi mẫu T-860.2.10 thấm ở 860 o C trong 2 giờ có chiều sâu nhỏ nhất là 0.31 mm.
- Mẫu T860.2.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn T860.4.10 (0.31mm so với 0.45mm) do thời gian thấm của T860.2.10 ngắn hơn T860.4.10 (2h so với 4h)
- Mẫu T860.4.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn T900.4.10 (0.45mm so với 0.59mm) do nhiệt độ thấm của T860.4.10 nhỏ hơn T900.4.10 (860 o C so với 900 o C)
Mẫu T860.4.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn mẫu T860.4.5, với giá trị lần lượt là 0.45mm và 0.49mm Sự khác biệt này là do quá trình thấm C-N được thực hiện ở nhiệt độ cao, khiến thấm N trở thành yếu tố phụ Do đó, việc xác định chiều sâu lớp thấm chủ yếu phụ thuộc vào thấm C.
T860.4.10 lại bé hơn T860.4.5 (0,8 so với 0,9)
Sau khi hoàn thành mô phỏng quá trình thấm C-N theo chế độ trong Bảng 2.5, nhóm sinh viên đã tiến hành chế tạo mẫu với kích thước chính xác và thực nghiệm theo đúng quy trình mô phỏng Kết quả của quá trình này được trình bày trong phần 3.2.
3.1.2 Kết quả thực nghiệm thấm C-N mẫu trụ Ảnh tổ chức các mẫu thực nghiệm: a b c d e
Hình 3.28: Ảnh tổ chức tế vi lớp bề mặt các mẫu thực nghiệm độ phóng đại x200: T860.2.10 (a), T860.4.10 (b), T860.4.5 (c), T900.4.10 (d) và T860.6.10 (e)
Lớp thấm trong Hình 3.28 có màu sẫm hơn so với nền thép, cho thấy sự khác biệt rõ rệt Tổ chức của lớp thấm bao gồm pha martensite (màu tối) và austenite dư (màu sáng).
Hình 3.29: Đường Linescan (a) và kết quả phân tích EDS của mẫu T860.4.10 và
Kết quả phân tích EDS cho thấy sự hiện diện của Nitơ (N) và Carbon (C) trong lớp thấm Để xác định các pha trong lớp thấm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp nhiễu xạ X-Ray Hình ảnh kết quả phân tích được trình bày dưới đây.
Hình 3.30: Kết quả phân tích X-Ray mẫu T860.4.10
Kết quả phân tích cho thấy trong lớp thấm có sự xuất hiện của các pha martensite, austenite và cacbit crom, trong đó martensite có cường độ cao nhất, còn lại có cường độ thấp hơn và không thấy peak của pha nitrit Điều này chỉ ra rằng hàm lượng martensite là lớn nhất, trong khi các pha khác có hàm lượng nhỏ hơn và nitrit có hàm lượng rất ít, dẫn đến không có peak nhiễu xạ, mặc dù phân tích EDS cho thấy sự hiện diện của N trong lớp thấm Việc xác định hàm lượng các pha trong lớp thấm sẽ được trình bày ở phần 3.2 Để xác định chính xác chiều sâu lớp thấm C-N, chúng tôi đã đo độ cứng Vicker HV 0.1 từ bề mặt vào trong lõi, với kết quả được thể hiện trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11: Kết quả đo độ cứng các mẫu thực nghiệm
T860.6.1 0 Khoảng cách từ bề mặt (μm) Độ cứng HV 0,1
Hình 3.31: Biểu đồ độ cứng các mẫu thực nghiệm
Như vậy từ biểu đồ trên ta nhận được bảng chiều sâu lớp thấm các mẫu thực nghiệm như sau (ISO 18203:2016):
Bảng 3.12: Chiều sâu lớp thấm mẫu thực nghiệm
Mẫu T860.2.10 T860.4.10 T860.4.5 T900.4.10 T860.6.10 Chiều sâu lớp thấm (mm) 0,31 0,39 0,41 0,52 0,46
Chiều sâu lớp thấm (mm)
Hình 3.32: Biểu đồ chiều sâu lớp thấm mẫu thực nghiệm theo các chế độ khác nhau
Biểu đồ cho thấy rằng chiều sâu lớp thấm của các mẫu thực nghiệm tăng dần khi nhiệt độ và thời gian tăng, tương tự như các mẫu theo mô phỏng.
- Mẫu có chiều sâu lớn nhất là T-900.4.10 với 0,52 mm và mẫu có chiều sâu nhỏ nhất là T-820.4.10 với 0,31 mm.
- Mẫu T860.2.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn T860.4.10 (0,31 mm so với 0,39 mm) do thời gian thấm của T860.2.10 ngắn hơn T860.4.10 (2h so với 4h).
- Mẫu T860.4.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn T900.4.10 (0,39 mm so với 0,52 mm) do nhiệt độ thấm của T860.4.10 nhỏ hơn T900.4.10 (860 o C so với 900 o C).
Mẫu T860.4.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn mẫu T860.4.5, với độ sâu lần lượt là 0,39 mm và 0,41 mm Điều này xảy ra do quá trình thấm C-N ở nhiệt độ cao, trong đó thấm N chỉ đóng vai trò phụ Việc xác định chiều sâu lớp thấm chủ yếu phụ thuộc vào thấm C.
T860.4.10 lại bé hơn T860.4.5 (0,8 so với 0,9).
Biểu đồ Hình 3 33 dưới đây so sánh tương quan giữa kết quả mô phỏng với thực nghiệm:
Chiều sâu lớp thấm theo thực nghiệm (mm)
Chiều sâu lớp thấm theo mô phỏng(mm)
Hình 3.33: Biểu đồ so sánh chiều sâu lớp thấm của mẫu mô phỏng và thực nghiệm
Kết quả từ Hình 3.33 cho thấy chiều sâu lớp thấm trong các mẫu thực nghiệm và mô phỏng đều tăng theo thời gian thấm và nhiệt độ thấm Sai số lớn nhất về chiều sâu lớp thấm C-N giữa mô phỏng và thực nghiệm là 16%, nguyên nhân chủ yếu do sự khác biệt về thành phần hóa học của mẫu thép trong mô phỏng so với mẫu thực nghiệm, cùng với sai số trong quá trình thực nghiệm và đo đạc Để giảm thiểu sai số này, cần áp dụng các biện pháp phù hợp.
Khi thực hiện mô phỏng, việc chia lưới cho mô hình là rất quan trọng, đặc biệt trong quá trình thấm Để tăng độ chính xác, cần chia lưới mịn ở bề mặt và thưa dần vào bên trong lõi Quá trình này nên tiếp tục cho đến khi kết quả không thay đổi nhiều, và có thể áp dụng tương tự cho các mô hình khác.
Việc sử dụng thiết bị hiện đại và tiến hành đo đạc nhiều lần các thông số để tính toán thế thấm Cp và Kn sẽ nâng cao độ chính xác của phép đo.
- Thao tác cẩn thận khi đo đạc thực nghiệm.
Ảnh hưởng của các chế độ thấm đến tổ chức của lớp thấm C-N
3.2.1 Kết quả mô phỏng tôi mẫu trụ sau thấm
Kết quả phân bố nhiệt độ bề mặt cắt ngang trụ được thể hiện qua các đường đồng mức tại các thời điểm 0,01 giây, 10 giây và 600 giây, như minh họa trong các hình dưới đây.
Hình 3.34: Kết quả sự phân bố nhiệt độ trên mẫu trụ tại các thời điểm 0,01s (a); 10s (b) và 600s (c) của mẫu T900.4.10
Kết quả mô phỏng cho thấy, sau 0,01 giây ngâm mẫu trong môi trường tôi, nhiệt độ trên bề mặt vẫn duy trì trong khoảng 884-890 độ Sau khi làm nguội mẫu trong dầu trong 10 giây, nhiệt độ bề mặt giảm mạnh xuống còn khoảng 377 độ, trong khi nhiệt độ lõi còn khoảng 620 độ Sau 600 giây, nhiệt độ toàn bộ mẫu giảm xuống còn khoảng 20 độ Sự thay đổi nhiệt độ của mẫu T900.4.10 trong quá trình tôi trong dầu được thể hiện qua đường cong nguội tại ba vị trí: bề mặt, trung gian và lõi.
Hình 3.35: Đường nguội tại vị trí bề mặt, trung gian và trong lõi của mẫu T900.4.10
Trong 10 giây đầu tiên, nhiệt độ mẫu giảm mạnh với tốc độ nguội nhanh nhất ở bề mặt (50 oC/s), tiếp theo là vị trí trung gian (40 oC/s) và chậm nhất là lõi (30 oC/s) Sau giây thứ 10, tốc độ nguội của mẫu giảm dần theo thời gian cho đến khi quá trình tôi kết thúc.
Hình 3.36: Giản đồ đường cong chữ C của thép DIN 20MoCr4 trước và sau khi thấm
Theo giản đồ, hàm lượng carbon (C) càng cao thì đường cong chữ C càng xa trục tung Đường nguội của bề mặt mẫu (màu cam) không cắt đường cong chữ C, dẫn đến chỉ có chuyển biến austenite thành martensite Ngược lại, đường nguội của lõi (màu xanh) cắt đường cong chữ C tại vùng pearlite và bainite, khiến austenite không chỉ chuyển biến thành martensite mà còn biến đổi thành ferrite/pearlite và bainite Để làm rõ vấn đề này, chúng ta sẽ xem xét diễn biến quá trình chuyển biến pha khi tôi mẫu trụ như được trình bày trong Hình 3.37.
Hình 3.37: Diễn biến quá trình chuyển biến pha tại bề mặt và trong lõi của mẫu
Trong 10 giây đầu tiên của quá trình tôi, cả bề mặt và lõi mẫu vẫn ở nhiệt độ chưa đủ để chuyển biến thành martensite, do đó toàn bộ cấu trúc là austenite Sau 10 giây, lõi austenite bắt đầu chuyển biến thành bainite và ferrite/pearlite Khoảng 30 giây sau, bề mặt mẫu bắt đầu chuyển biến từ austenite sang martensite Kết quả mô phỏng về hàm lượng và phân bố các pha trên mẫu sau quá trình tôi được thể hiện trong Hình 3.38.
Hình 3.38: Phân bố hàm lượng pha theo khoảng cách từ bề mặt vào trong lõi trên mẫu
Từ kết quả mô phỏng Hình 3 38, hàm lượng các pha sau tôi có sự phân bố như sau:
Hàm lượng martensite sát bề mặt đạt khoảng 90%, tăng lên 94% ở độ sâu 0,1 mm, sau đó giảm xuống còn khoảng 43% khi vào trong lõi.
- Hàm lượng austenite dư nhiều nhất (xấp xỉ 10%) ở sát bề mặt.
- Hàm lượng bainite nhiều nhất (xấp xỉ 47%) ở trong lõi.
- Hàm lượng F/P nhiều nhất (xấp xỉ 8%) ở trong lõi.
Kết quả mô phỏng quá trình thấm và tôi trên các mẫu khác cho thấy hàm lượng pha martensite và austenite dư lớn nhất trong lớp thấm được thống kê trong Bảng 3.13.
Bảng 3.13: Kết quả mô phỏng hàm lượng các pha lớn nhất sau tôi trên 5 mô hình mẫu trụ
Bảng 3.4 chỉ ra rằng hàm lượng martensite và austenite dư lớn nhất của các mẫu gần như tương đương nhau Để làm rõ sự thay đổi phân bố pha khi điều chỉnh các yếu tố công nghệ trong quá trình thấm C-N, chúng ta xem xét sự biến đổi hàm lượng austenite dư theo khoảng cách như thể hiện trong Hình 3.39.
Hình 3.39: Phân bố pha austenite dư theo khoảng cách tính từ bề mặt của 5 mẫu
Hà m lư ợn g au ste ni te (% )
Hình 3.40: Biểu đồ hàm lượng pha austenite dư tại vị trí cách bề mặt 0,1 mm
Từ kết quả trên Hình 3 40, ta thấy rằng:
- Hàm lượng austenite dư tại vùng cách bề mặt 0.1 mm của mẫu
Mẫu T860.4.5 có khả năng thấm cao hơn T860.4.10, với tỷ lệ thấm là 0,9 so với 0,8, dẫn đến hàm lượng carbon (C) tại cùng độ sâu của T860.4.5 cao hơn 10% so với T860.4.10 (7,8%).
- Hàm lượng austenite dư tại vùng cách bề mặt 0.1 mm của mẫu
Mẫu T860.6.10 có hàm lượng C cao hơn T860.4.10 (8,2% so với 7,8%) do thời gian thấm lâu hơn (6 giờ so với 4 giờ) ở cùng nhiệt độ và thế thấm Điều này dẫn đến việc tại cùng một độ sâu, hàm lượng C của T860.6.10 sẽ lớn hơn so với T860.4.10.
- Hàm lượng austenite dư tại vùng cách bề mặt 0.1 mm của mẫu
T900.4.10 lớn hơn T860.4.10 (8,6% so với 7,8%) vì với cùng thời gian và thế thấm C, nhiệt độ thấm của mẫu T860.6.10 cao hơn T860.4.10
(900 o C so với 860 o C) do đó tại cùng một độ sâu, hàm lượng C của T900.4.10 sẽ cao hơn T860.4.10.
3.2.2 Kết quả thực nghiệm tôi mẫu trụ sau thấm Ảnh tổ chức tế vi của mẫu T900.4.10 được thể hiện trong hình dưới:
Hình 3.41: Ảnh tổ chức bề mặt mẫu T900.4.10, độ phóng đại x500
Mẫu T900.4.10 có cấu trúc bề mặt đặc trưng với các tấm martensite dày và nhiều, kết hợp với austenite màu trắng Kết quả ảnh tổ chức tế vi của bốn mẫu còn lại được tổng hợp dưới đây.
Hình 3.42: Ảnh tổ chức tế vi bề mặt mẫu T860.2.10 (a), T860.4.10 (b), T860.4.5 (c) và
Sau quá trình thấm C-N và tôi, các thí nghiệm cho thấy bề mặt tổ chức xuất hiện các tấm martensite dày đặc, xen kẽ với các pha austenite trắng.
Mẫu T860.4.5, T860.4.10, T860.6.10 sau nhiệt luyện đã được phân tích hàm lượng pha bằng phần mềm Image Proplus và cho kết quả như sau:
Hình 3.43: Vị trí vùng phân tích thành phần pha lớp thấm của mẫu T860.4.10, độ phóng đại x200
Vùng phân tích trong Hình 3.43 nằm cách bề mặt mẫu khoảng 100 μm, thuộc lớp thấm C-N, với cấu trúc bao gồm martensite (màu tối) và austenite dư (màu sáng) Kết quả phân tích bằng phần mềm Image Proplus được thể hiện trong Hình 3.44.
Hình 3.44: Kết quả phân tích hàm lượng pha tại vùng cách bề mặt 0,1mm
Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng austenite và martensite ở vùng cách bề mặt khoảng 0,1 mm lần lượt là 8,49% và 91,51% Để nâng cao độ chính xác của kết quả, nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích thành phần pha tại ba vị trí khác nhau, với kết quả được trình bày trong bảng.
Bảng 3.14: Kết quả phân tích thành phần pha tại các vị trí khác nhau
Kết quả ở Bảng 3 14 cho thấy hàm lượng austenite và martensite trung bình tại vùng cách bề mặt khoảng 0,1 mm lần lượt là 8,48% và 91,52%.
Phân tích hàm lượng pha martensite và austenite dư trên bề mặt mẫu ở độ sâu 0,1 mm của các mẫu T860.4.10 và T860.6.10 cho thấy kết quả rõ ràng, được thể hiện trong Hình 3.45 và Hình 3.46.
Hình 3.45: Kết quả phân tích vùng cách bề mặt 0,1 mm của mẫu T860.6.10
Mô phỏng thấm C-N trên mẫu bánh răng
Kết quả mô phỏng với mẫu trụ đơn giản tương đối phù hợp với kết quả thực nghiệm Do đó, đồ án sẽ tiếp tục áp dụng mô phỏng với mẫu bánh răng phức tạp hơn để đánh giá sự thay đổi khi mô phỏng thấm C-N của bánh răng so với mẫu trụ.
3.3.1 Kết quả mô phỏng thấm C-N bánh răng
Hình 3.48: Kết quả mô phỏng hàm lượng C trên mẫu bánh răng tính từ bề mặt mẫu ứng với các chế độ khác nhau
Hình 3.49: Kết quả mô phỏng hàm lượng N trên mẫu bánh răng tính từ bề mặt mẫu ứng với các chế độ khác nhau
Hàm lượng carbon (C) và nitơ (N) giảm dần từ bề mặt vào sâu trong lõi, thể hiện qua dạng đường cong, cho thấy sự khuếch tán của C và N giảm khi đi sâu vào bên trong.
Theo tiêu chuẩn ISO 18203:2016, chiều sâu lớp thấm được xác định từ bề mặt đến vị trí có độ cứng khoảng 550 25 (HV), tương ứng với thép có hàm lượng C là 0,4% sau khi tôi Kết quả mô phỏng chiều sâu lớp thấm của các mẫu được trình bày trong Bảng 3.16.
Bảng 3.16: Chiều sâu lớp thấm C theo mô phỏng
Chiều sâu lớp thấm (mm) 0,31 0,44 0,49 0,57 0,53
Ch iề u sâ u lớ p th ấm (m m )
Hình 3.50: Biểu đồ chiều sâu lớp thấm mẫu mô phỏng theo các chế độ khác nhau
Tương tự kết quả mô phỏng quá trình thấm mẫu trụ, từ biểu đồ Hình 3 50, ta thấy rằng:
Chiều sâu lớp thấm tăng dần theo nhiệt độ và thời gian, với mẫu T900.4.10 thấm ở 900 độ C trong 4 giờ đạt chiều sâu lớn nhất là 0,57 mm Ngược lại, mẫu T860.2.10 thấm ở 860 độ C trong 2 giờ có chiều sâu lớp thấm nhỏ nhất là 0,31 mm.
- Mẫu T860.2.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn T860.4.10 (0,31 mm so với 0,44 mm) do thời gian thấm của T860.2.10 ngắn hơn T860.4.10 (2h so với 4h)
- Mẫu T860.4.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn T900.4.10 (0,44 mm so với 0,57 mm) do nhiệt độ thấm của T860.4.10 nhỏ hơn T900.4.10 (860 o C so với 900 o C)
Mẫu T860.4.10 có chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn mẫu T860.4.5, với kích thước lần lượt là 0,45 mm và 0,49 mm Điều này xảy ra do quá trình thấm C-N được thực hiện ở nhiệt độ cao, khiến thấm N chỉ đóng vai trò phụ Do đó, việc xác định chiều sâu lớp thấm chủ yếu phụ thuộc vào thấm C.
T860.4.10 lại bé hơn T860.4.5 (0,8 so với 0,9).
Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương đồng với kết quả thấm cacbon – nitơ của mẫu trụ, với sự khác biệt về hàm lượng cacbon và chiều sâu lớp thấm giữa mẫu bánh răng và mẫu trụ chỉ khoảng 3,5%.
3.3.2 Kết quả mô phỏng tôi bánh răng sau thấm
Kết quả phân bố nhiệt độ bề mặt cắt ngang bánh răng được thể hiện qua các đường đồng mức tại các thời điểm 0,01 giây, 10 giây và 600 giây, như minh họa trong các hình dưới đây.
Hình 3.51: Kết quả sự phân bố nhiệt độ trên mẫu bánh răng T900.4.10 tại các thời điểm 0,01s (a), 10s (b) và 600s (c)
Kết quả mô phỏng cho thấy, sau 0,01 giây nhúng vào môi trường, nhiệt độ trên mẫu vẫn duy trì trong khoảng 882-890 độ Sau khi làm nguội trong dầu trong 10 giây, nhiệt độ bề mặt giảm mạnh xuống khoảng 338 độ (với mẫu trụ là 377 độ), trong khi nhiệt độ ở lõi còn khoảng 778 độ (mẫu trụ là ).
Sau 600 giây, nhiệt độ của mẫu giảm xuống còn 20 độ C, tương đương với nhiệt độ phòng Kết quả này tương tự như mô phỏng quá trình tôi mẫu trụ, trong đó bề mặt mẫu có tốc độ nguội nhanh nhất, trong khi lõi nguội chậm nhất, điều này phù hợp với thực tế Để xác định các pha tồn tại trên bề mặt và lõi của mẫu, cần xem xét đường nguội tại ba vị trí: bề mặt, trung gian và lõi của mẫu T900.4.10 khi tôi trong dầu.
Hình 3.52Đường nguội tại vị trí bề mặt, trung gian và trong lõi khi tôi mẫu bánh răng
Kết hợp với giản đồ đường cong chữ C của thép DIN 20MoCr4 trong hình:
Hình 3.53: Đường nguội tại vị trí bề mặt (cam) và lõi (xanh) mẫu bánh răng được mô tả trên giản đồ đường cong chữ C của thép
Hình 3.53 cho thấy hai đường nguội tại bề mặt (màu cam) và lõi (màu xanh) của bánh răng Dựa vào đó, có thể dự đoán rằng bề mặt mẫu bánh răng sau thấm sẽ không cắt đường cong chữ C, chỉ có sự chuyển biến từ austenite thành martensite Ngược lại, lõi mẫu có đường nguội cắt đường cong chữ C, cho thấy austenite không chỉ chuyển biến thành martensite mà còn biến đổi thành tổ chức ferrite/pearlite và bainite Kết quả này tương đồng với mô phỏng quá trình tôi mẫu trụ ở phần 3.1 Để rõ hơn về sự thay đổi thành phần pha theo thời gian và sự khác biệt giữa hai vị trí bề mặt và lõi, ta xem xét kết quả diễn biến quá trình chuyển pha trong Hình 3.54.
Hình 3.54: Diễn biến quá trình chuyển biến pha tại hai vị trí bề mặt và trong lõi khi mô phỏng thấm cacbon – nitơ + tôi mẫu bánh răng T900.4.10
Trong 10 giây đầu của quá trình tôi, cả vùng bề mặt và trong lõi đều chưa xảy ra chuyển biến, nên tổ chức trên mẫu đều là austenite Sau 10 giây, tại vùng lõi đường cong nguội bắt đầu cắt đường cong chữ C nên xảy ra chuyển biến austenite thành bainite và ferrit/pearlite Kết thúc quá trình chuyển biến, khi mẫu làm nguội về nhiệt độ thường, trong lõi có khoảng 40% bainite, khoảng 8% ferrite/pearlite, khoảng 52% martensite và hàm lượng austenite dư rất nhỏ xấp xỉ 0% Sau 40 giây, đường cong nguội vùng bề mặt cắt đường Ms nên austenite bắt đầu chuyển biến thành martensite Kết thúc quá trình chuyển biến, khi mẫu làm nguội về nhiệt độ thường, vùng bề mặt có khoảng 90% martensite, còn lại là austenite dư Kết quả mô phỏng hàm lượng các pha và phân bố các pha trên mẫu bánh răng sau tôi được biểu diễn dưới hình 3.31:
Hình 3.55: Hàm lượng các pha phân bố từ bề mặt vào trong lõi trên mẫu bánh răng
Từ kết quả mô phỏng Hình 3 55 hàm lượng các pha sau tôi có sự phân bố như sau:
- Hàm lượng martensite nhiều nhất (xấp xỉ 94%) ở vùng lớp thấm bề mặt và giảm khi vào trong lõi (xấp xỉ 43%).
- Hàm lượng bainite nhiều nhất (xấp xỉ 47%) ở trong lõi.
- Hàm lượng austenite dư nhiều nhất (xấp xỉ 10%) ở bề mặt.
- Hàm lượng F/P nhiều nhất (xấp xỉ 8%) ở trong lõi
Tương tự mô phỏng quá trình thấm + tôi trên các mẫu khác, ta được kết quả về hàm lượng pha trên các mẫu được thống kê ở Bảng 3 17:
Bảng 3.17: Kết quả mô phỏng hàm lượng các pha lớn nhất sau tôi của các mẫu
Sau quá trình thấm carbon – nitơ và tôi trong dầu, cả 5 mẫu đều xuất hiện các pha: martensite, austenite dư, bainite và ferrite/pearlite Martensite chiếm ưu thế ở vùng bề mặt mẫu được thấm, trong khi austenite dư cũng được tìm thấy nhiều nhất ở bề mặt Ngược lại, bainite và ferrite/pearlite chủ yếu tập trung ở lõi mẫu, tương tự như kết quả của quá trình tôi mẫu trụ.
Kết quả mô phỏng sự thay đổi hàm lượng austenite theo khoảng cách tính từ bề mặt của 5 mẫu được thể hiện trong hình dưới đây:
Hình 3.56: Phân bố pha austenite dư theo khoảng cách từ bề mặt của 5 mẫu
Hà m lư ợn g au ste ni te (% )
Hình 3.57: Biểu đồ hàm lượng pha austenite dư tại vị trí cách bề mặt 0,1 mm
Từ kết quả trên Hình 3 57, ta thấy các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng austenite dư ở bề mặt các mẫu thấm cacbon – nitơ như sau:
Khi so sánh hai mẫu T860.4.10 và T900.4.10 với cùng thời gian và hàm lượng khí thấm, kết quả mô phỏng cho thấy hàm lượng austenite dư tại vị trí 0,1 mm của mẫu T900.4.10 cao hơn so với mẫu T860.4.10, điều này cũng tương tự như kết quả từ mẫu trụ.
Khi so sánh hai mẫu T860.2.10 và T860.4.10 có cùng nhiệt độ và hàm lượng khí thấm, kết quả mô phỏng cho thấy hàm lượng austenite dư tại vị trí 0,1 mm của mẫu T860.4.10 lớn hơn so với mẫu T860.2.10, điều này tương đồng với kết quả của mẫu trụ.
Khi so sánh hai mẫu T860.4.10 (môi trường thấm với 10% NH3) và T860.4.5 (môi trường thấm với 5% NH3) ở cùng thời gian và nhiệt độ thấm, kết quả mô phỏng cho thấy hàm lượng austenite dư tại vị trí 0,1 mm của mẫu T860.4.5 lớn hơn mẫu T860.4.10, tương tự như kết quả từ mẫu trụ.