2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu
Thành phần hóa học của thép hợp kim thấp AISI 4340 theo % khối lượng được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép AISI 4340 (% khối lượng)
C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo |
≈0,34 | ≈0,25 | ≈0,50 | ≈0,90 | ≈1,55 | ≈0,25 |
Bảng 2. Áp suất phun bi được sử dụng trên các mẫu thí nghiệm
Mẫu | Áp suất (kPa) |
S230-10 | 68,9 |
S230-20 | 137,9 |
S230-30 | 206,8 |
S230-40 | 275,8 |
S230-50 | 344,7 |
S230-60 | 413,7 |
S230-70 | 482,6 |
S230-80 | 551,6 |
Trước khi phun bi vật liệu được mài bóng bằng giấy nhám với các loại giấy từ 240, 600, 1000 và 2000 để loại bỏ lớp gỉ và các chất bụi bám trên bề mặt ngoài của vật liệu. Bảng 2 trình bày các mức áp suất phun được sử dụng trong nghiên cứu này.
2.2. Phun bi
Trong nguyên lý của một máy phun bi điển hình, các hạt bi sẽ được gia tốc bằng áp suất cao rồi được phun vào chi tiết thông qua đầu phun được điều khiển bằng hệ thống máy tính. Sau đó, các hạt bi sẽ được thu hồi lại, loại bỏ các viên bi bị hư hại và được đưa về thùng chứa để tiếp tục phun. Có hai thông số đo chính để kiểm soát quá trình phun bi là cường độ và độ bao phủ. Các thông số vận hành là loại hạt bi, kích thước hạt, độ cứng hạt bi, tốc độ hạt bi, khoảng cách giữa đầu phun và chi tiết, góc nghiêng của đầu phun, và loại đầu phun, v.v…
Chi tiết cần phun bi và đồ gá được chế tạo như trên hình 4a, sau đó cả chi tiết và đồ gá được gá đặt trên bàn xoay trong buồng phun bi của máy phun bi (hình 4b). Sau khi phun bi, chi tiết sẽ được lấy ra ngoài và kiểm tra mức độ phun bao phủ và kiểm tra tổ chức tế vi và cơ tính.
Hình 5 cho thấy về hình dạng của viên bi thép S230 được sử dụng để phun trên bề mặt thép. Các viên bi này có kích thước tương ứng là 600 µm, độ cứng khoảng 58±2 HRC và được chế tạo từ thép SAE J444. Trong loạt thí nghiệm này đã sử dụng bi thép S230, đây là loại bi và kích thước thông dụng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí phun bi.
2.3. Kiểm tra tổ chức tế vi và cơ tính vật liệu
Trong nghiên cứu này kính hiển vi điện tử quét (JEOL®, JSM-5600LV) được sử dụng để quan sát bề mặt của chi tiết trước và sau khi phun bi, đồng thời kính hiển vi quang học (Zeiss®, Axioskop 2, JVC) được sử dụng để quan sát tổ chức tế vi mặt cắt ngang của chi tiết sau khi thực hiện phun bi.
Ngoài ra, để đo hình thái và độ nhám bề mặt, máy đo hình thái bề mặt đầu tiếp xúc (Taylor Hobson Talyscan® 150) với đầu dò là mũi kim cương có đường kính 4 µm đã được sử dụng. Để đảm bảo độ chính xác và hội tụ của phép đo, trên mỗi chi tiết, đã được đo 5 lần và lấy giá trị trung bình, độ nhám bề mặt được đo là độ nhám trung bình (Sa), chiều cao lớn nhất của đỉnh (Sp), độ sâu lớn nhất (Sv) và chiều cao tối đa của bề mặt (Sz) (theo tiêu chuẩn ISO 25178-2) [16].
Để đo độ cứng bề mặt của chi tiết, máy đo độ cứng Vickers (Future-tech®, FM-300e) được sử dụng với tải trọng là 100 g. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, mỗi chi tiết được đo 20 lần và lấy giá trị trung bình. Ngoài ra, để đo sự thay đổi độ cứng của chi tiết từ bề mặt ngoài vào lớp bên trong, chi tiết được đo độ cứng dọc theo mặt cắt ngang bằng máy đo độ cứng Nanoindenter Agilent®, G2000, với khoảng cách của các điểm đo là 20 µm.
Để đo hệ số ma sát thay đổi sau quá trình phun bi, trong thí nghiệm này, máy đo hệ số ma sát Micro-Tribometer (CSM®) được sử dụng với viên bi có đường kính 6 mm làm từ vật liệu thép 100Cr6 chuyển động trượt trên bề mặt chi tiết với vận tốc 50 mm/s với áp lực tác dụng là 5 N. Hệ số ma sát đo được tính giá trị trung bình của 3 lần đo, giá trị mỗi lần đo hệ số ma sát được đo khi viên bi chuyển động trượt trên bề mặt chi tiết 40000 vòng.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 6 trình bày bề mặt của chi tiết trước và sau khi phun bi với các điều kiện phun khác nhau. Hình 6a cho thấy bề mặt ban đầu của chi tiết đã được mài tương đối phẳng. Sau khi được phun bi với áp suất 68,9 kPa, thì độ bao phủ phần diện tích được phun bi là khoảng 60 % (hình 6b), sau đó độ bao phủ này tăng lên khoảng 80 % khi phun với áp suất 137,9 kPa (hình 6c) và đạt mức 98 % ở áp suất 206,8 kPa (hình 6d). Mức bao phủ này đạt được hoàn toàn khi áp suất phun từ 275,8 kPa trở lên (hình 6d và e).
Tổ chức tế vi của mặt cắt ngang chi tiết trước và sau khi phun bi được trình bày trên hình 7. Sau khi cắt, chi tiết được mài bóng và đem tẩm thực bằng dung dịch hóa học gồm có 4 % nital và 2 % picral, khi quan sát trên kính hiển vi quang học, các hạt màu sáng là hạt ferit (α) còn hạt màu tối là peclit. Kích thước của hạt ferit ban đầu là khoảng 3 µm, và kích thước hạt ferit ở các lớp gần bề mặt của chi tiết sau khi đã phun bi là nhỏ hơn 1 µm, và khi áp suất phun tăng lên thì kích thước hạt ferit nhỏ lại.
Hình 8 trình bày các thông số độ nhám bề mặt của các chi tiết trong điều kiện phun bi dưới các áp suất khác nhau. Độ nhám trung bình Sa cho thấy độ nhám tăng lên khi phun bi với áp suất lớn hơn, với gia trị Sa lớn nhất là 10 µm khi phun bi dưới áp suất 551,6 kPa. Thông số độ nhám chiều cao lớn nhất Sp và độ sâu lớn nhất Sv cũng có cùng xu hướng tăng giống Sa. Mức độ tăng của Sp và Sv liên quan tới sự va chạm của viên bi tới bề mặt, khi áp suất phun bi tăng lên thì sự va chạm này sẽ tạo ra các vết lõm sâu hơn trên bề mặt làm tăng mạnh giá trị Sv, đồng thời nó cũng làm biến dạng bề mặt vật liệu để tạo ra các đỉnh mới cao hơn (Sp). Giá trị Sz là tổng của Sp và Sv do vậy khi cả Sp và Sv đều tăng thì giá trị Sz cũng tăng nhanh theo chiều tăng của áp suất phun bi.
Hình 9 thể hiện độ cứng bề mặt của các chi tiết trước và sau khi phun bi, do quá trình biến cứng diễn ra, độ cứng bề mặt của chi tiết tăng lên khi áp suất phun bi tăng lên. Độ cứng bề mặt của chi tiết ban đầu khoảng 3,12 ± 0,08 GPa, trong khi độ cứng bề mặt lớn nhất của loạt thí nghiệm là 4,11 ± 0,25 ứng với áp suất phun lớn nhất là 551,6 kPa. Cũng do hiện tượng biến cứng trong quá trình biến dạng dẻo mà không chỉ lớp vật liệu bên ngoài bị tăng độ cứng mà các lớp vật liệu bên trong liền kề cũng tăng lên.