Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phun bi đến tổ chức tế vi và cơ tính của thép AISI 4340

Trong bài báo này, thép hợp kim thấp AISI 4340 được lựa chọn là vật liệu để nghiên cứu và sẽ trình bày các nghiên cứu thực nghiệm thăm dò để tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số vận hành của phương pháp phun bi với loại bi là S230 được thực hiện dưới nhiều mức áp suất khác nhau, đến tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, phân bố độ cứng theo chiều sâu, hệ số ma sát, và độ nhám bề mặt của vật liệu…

The effects of shot peening process on the microstructure and the mechanical properties of AISI 4340 steel

PHẠM QUANG TRUNG
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, TP. Hồ Chí Minh
*Email: quangtrung@hcmut.edu.vn

Ngày nhận bài: 25/10/2018, Ngày duyệt đăng: 4/12/2018

TÓM TẮT

Phun bi là một phương pháp biến dạng nguội được sử dụng rộng rãi để thay đổi tổ chức tế vi trên lớp bề mặt vật liệu và nâng cao cơ tính của các chi tiết cơ khí quan trọng trong ngành ô tô, tàu thủy và hang không. Bài báo này trình bày ảnh hưởng của quá trình phun bi bằng hạt bi S230 đến tổ chức tế vi, cơ tính của chi tiết làm bằng thép AISI 4340. Kết quả thí nghiệm cho thấy tổ chức tế vi, độ nhám, độ cứng và hệ số ma sát của thép bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi quá trình phun bi. Áp suất phun càng lớn thì mức độ ảnh hưởng đó càng rõ ràng.

Từ khóa:  Phun bi, tổ chức tế vi, thép AISI 4340, cơ tính.

ABSTRACT

Shot peening is well known as a cold deformation process which is widely employed to change microstructure on the surface and to improve mechanical properties of important mechanical parts used in automotive industry, ship building, and aerospace. This paper presents the effect of shot peening process with media S230 on the microstrure and mechanical properties of the AISI 4340 steel. The results show that the shot peening process has a significant effect on the microstrure, hardness, areal surface roughness and friction coefficient of material. The higher pressure causes the higher influence.

Keywords: Shot peening, microstructure, AISI 4340 steel, mechanical properties.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Phun bi là một phương pháp biến dạng nguội, được sử dụng để nâng cao cơ tính của vật liệu, đặc biệt là nâng cao độ bền mỏi cho chi tiết [1, 2]. Phương pháp này gây ra một lượng ứng suất nén dư ngay dưới bề mặt của vật liệu. Ngày nay, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cơ khí chính xác, từ hàng không, ô tô đến các chi tiết máy quan trọng [3-5]. Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý phương pháp phun bi, trong đó một lượng lớn các hạt bi chuyển động với vận tốc rất lớn từ đầu phun va đập vào bề mặt vật liệu gây ra biến dạng dẻo và từ đó tạo nên ứng suất dư bên trong vật liệu [6]. Bề mặt vật liệu sau khi được phun sẽ bị biến cứng, nén và độ nhám bề mặt tăng lên.

Phun bi là một phương pháp phức tạp và đòi hỏi độ chính xác rất lớn, trong đó chất lượng cơ tính của chi tiết được gia công phải được kiểm soát một cách chặt chẽ vì đây là phương pháp gia công tinh, thậm chí nó chỉ được dùng sau khi chi tiết đã được đánh bóng. Để kiểm soát quá trình phun bi, phải kiểm soát các thông số công nghệ như: vận tốc phun, kích thước và hình dạng hạt phun, áp suất đầu phun, độ cứng hạt phun, tính chất vật liệu của chi tiết. Hiệu quả của phương pháp phun bi được kiểm soát cơ bản qua hai thông số chính là cường độ và mức độ bao phủ. Cường độ phun bi là một thông số xác định năng lượng của dòng hạt phun tác động lên bề mặt vật liệu, và được đo bằng dụng cụ tên gọi là thanh đo Almen. Mức độ bao phủ là tỉ lệ phần trăm giữa diện tích bề mặt đã được phun bi và diện tích ban đầu của chi tiết. Hình 2 trình bày một trong những ứng dụng của phương pháp phun bi là làm tăng độ bền mỏi cho các chi tiết bánh răng (nằm ở các vị trí quan trọng trong cơ cấu máy). Sau khi phun bi, tuổi thọ của chi tiết bánh răng có thể tăng lên từ 2 đến 3 lần.

Hình 3 trình bày một hệ thống phun bi hoàn chỉnh được sử dụng trong ngành cơ khí chính xác: thiết bị phun bi thép 5 trục của công ty Progressive® Surface (Hoa Kỳ). Nó khác hoàn toàn với thiết bị máy phun cát dùng để làm sạch chi tiết đúc sau khi gia công, tuy về mặt nguyên lý hoạt động của hai thiết bị đó có phần giống nhau. Thiết bị này chuyên dùng để phun bi tăng độ bền mỏi cho các chi tiết trong ngành hàng không, và các chi tiết máy quan trọng.

Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng hầu hết các hư hỏng của chi tiết máy do mỏi đều bắt đầu từ trên bề mặt hoặc tại lớp vật liệu ngay dưới bề mặt của chi tiết, sau đó vết nứt sẽ phát triển và phá hủy toàn bộ sản phẩm. Do vậy, phương pháp phun bi sẽ tạo ra một lượng ứng suất nén dư ngay trên bề mặt của vật liệu nhằm hạn chế không cho vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt và ngăn chặn sự phát triển của vết nứt dẫn đến phá hủy vật liệu [8, 9]. Nghiên cứu của Bagherifard [10, 11] và Miková [12] chỉ ra rằng, do phương pháp phun bi đã tạo ra một lớp ứng suất dư nén lớn ở ngay bên dưới của bề mặt vật liệu nên đã làm giảm đi sự hình thành các vết nứt tế vi và làm tăng độ bền mỏi của chi tiết.

Ở nước ta hiện nay, gia công cơ khí là một lĩnh vực có thị phần rất lớn. Tuy nhiên, đa số gia công cơ khí hiện nay là gia công truyền thống, giá trị thặng dư tạo ra không lớn. Phương pháp phun bi là một phương pháp được sử dụng cho ngành cơ khí chính xác để nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết cơ khí cực kỳ quan trọng trong ngành hàng không và sản xuất ô tô. Do vậy, việc nghiên cứu công nghệ này sẽ đặt nền tảng cần thiết cho việc áp dụng công nghệ vào sản xuất cơ khí chính xác ở nước ta trong thời gian tới.

Thép là hợp kim có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng rất nặng và phức tạp, là vật liệu được sử dụng rộng rãi và quan trọng nhất trong lĩnh vực cơ khí. Trong các loại thép, thép hợp kim thấp AISI 4340, là loại thép có độ bền rất cao và khả năng biến dạng tốt [13]. Thép AISI 4340 được sử dụng rộng rãi trong chế tạo các bánh răng và trục truyền động của động cơ điện, càng hạ cánh máy bay, các thiết bị dụng cụ trong máy móc, ô tô, và các thành phần cấu trúc khác [7, 14, 15].

Trong bài báo này, thép hợp kim thấp AISI 4340 được lựa chọn là vật liệu để nghiên cứu. Trong bài này sẽ trình bày các nghiên cứu thực nghiệm thăm dò để tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số vận hành của phương pháp phun bi với loại bi là S230 được thực hiện dưới nhiều mức áp suất khác nhau, đến tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, phân bố độ cứng theo chiều sâu, hệ số ma sát, và độ nhám bề mặt của vật liệu. Kết quả ban đầu của thí nghiệm thăm dò này sẽ cung cấp các dữ liệu cần thiết để xây dựng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa các thông số thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo.