Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ X–quang

Nội dung text: Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ X–quang

1. STUDY TO DETERMINE THE FATIGUE STATUS OF THE ELECTROPLATING THIN FILM STRENGTH BY X – RAY DIFFRACTION METHOD NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI CỦA LỚP TĂNG BỀN BỀ MẶT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC BẰNG PHƢƠNG PHÁP NHIỄU XẠ X – QUANG Lê Chí Cƣơng *1, Đặng Thanh Linh *2 *1 PGS Tiến Sĩ, Khoa Cơ Khí Máy – Trƣờng ĐH Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM *2 Khoa Cơ Khí Máy – Trƣờng ĐH Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM ABSTRACT: Chromium thin film is deposited by electroplating on the medium carbon steel substrate. The thickness of chromium thin film has only a few microns. The deformation of chromium plating was completed by rolling–type fatigue equipment. In this study, the full width at half maximum (FWHM) of chromium diffraction profile was examinated by X–ray method. The X–ray diffraction patterns were performed using CuKα – radiation (penetration depth approximately 5 microns) and the {211} lattice planes of chromium diffraction pattern. Finally, the relationship B–N diagram between FWHM and cycles is determined. The life prediction of engineering components in service can be successfully performed. Key words: Hard chromium; Electroplating; X-ray diffraction; Rolling-type fatigue; Deformation. TÓM TẮT: Lớp màng mỏng Crôm trên nền thép các bon trung bình được tạo thành từ phương pháp mạ điện. Chiều dày lớp màng mỏng Crôm vào khoảng vài micromet. Mẫu thí nghiệm được tạo mỏi trên máy mỏi uốn quay. Trong luận văn này, kỹ thuật nhiễu xạ tia X (với bức xạ CuKα có chiều sâu thấm tương đương 5 micromet) được sử dụng để xác định bề rộng một nửa (FWHM) đỉnh phổ nhiễu xạ của màng mỏng Crôm tại mặt nhiễu xạ {211}. Từ biểu đồ quan hệ B – N giữa FWHM và số chu kỳ mỏi ta có thể dự đoán được tuổi thọ của các chi tiết máy có lớp Crôm tăng bền bề mặt. Từ khóa: Crôm cứng ; Mạ điện phân; Nhiễu xạ tia X; Mỏi uốn quay; Biến dạng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ tạo ra các lớp phủ lên bề mặt Giới hạn mỏi của một chi tiết phụ thuộc vào thực chất là tạo ra màng mỏng (thin film) nhiều nhân tố. Trong kỹ thuật ngoài việc chọn lớp vật liệu rắn có độ dày cỡ từ vài nm đến vật liệu có độ bền cao và kết cấu nhỏ, giới hạn cỡ 10μm [2] phủ lên vật liệu nền. Trong mỏi đƣợc cải thiện bằng biện pháp chế tạo và ngành cơ khí, lớp mạ Crôm làm tăng độ công nghệ nhằm nâng cao chất lƣợng bề mặt cứng bề mặt, giảm ma sát, chống mài mòn của chi tiết. Các chi tiết chịu uốn, xoắn, sự phát cho các chi tiết dạng trục do nó là kim loại sinh và phát triển những vết nứt mỏi thƣờng cứng, giòn, có độ nóng chảy cao. Bề mặt bắt đầu từ mặt ngoài, cho nên công nghệ xử lý Crôm đƣợc bao phủ bởi một lớp màng mỏng bề mặt càng đƣợc quan tâm do nó có ý nghĩa Cr2O3, nên có ánh bạc và khả năng chống quan trọng và quyết định đến tính chất của vật trầy xƣớc cao. liệu [1]. 1
2. 2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ nứt mở. Ứng suất thực xác định đƣợc là tổng NGOÀI NƢỚC của ứng suất dƣ và ứng suất tải. Khảo sát số học lớp Crôm cứng chống ăn mòn với chiều dày từ vài μm đến vài trăm μm [3]. Mục đích của nghiên cứu này là thành lập mối quan hệ giữa mật độ dòng điện phân, mật độ vết nứt và ứng suất dƣ kéo; làm rõ vai trò của vết nứt tế vi khi ứng suất dƣ phát triển; tìm ra phƣơng pháp để cải thiện tính toàn vẹn kết cấu của lớp mạ Crôm cứng. Hình 3. Biểu đồ quan hệ số chu kỳ mỏi N và ứng suất thực Đồ thị d – Sin2ψ của màng mỏng Crôm [6]. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về sự thay đổi ứng xử của Crôm khi chuyển đổi từ pha nửa ổn định β–W, là nguyên nhân tạo ra ứng suất giữa vật liệu nền và màng mỏng đơn pha α–W. Hình 1. Biểu đồ quan hệ mật độ dòng điện và ứng suất Ảnh hƣởng của xử lý nhiệt lên biên dạng xung của dòng điện phân, ứng suất dƣ của lớp mạ Crôm [4]. Nghiên cứu này quan tâm đến sự thay đổi của chế độ xung, lƣợng thay đổi ứng suất dƣ khi xử lý nhiệt liên quan đến giá trị nửa bề rộng của đƣờng nhiễu xạ tia X. 2 Hình 4. Biểu đồ quan hệ d – Sin ψ 3. ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ CHI TIẾT MẪU VÀ TẠO MÀNG MỎNG CRÔM TRÊN NỀN THÉP C45 BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN 3.1. Cơ sở tạo mẫu thí nghiệm Hình 2. Biểu đồ quan hệ bề rộng một nửa đỉnh Mô hình máy thí nghiệm mỏi uốn tại phổ và ứng suất dư Remelab – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh [7]: Đo ứng suất thực trong quá trình mỏi [5]. Khảo sát ứng xử của ứng suất dƣ ngay trong quá trình mỏi bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X để làm rõ cơ học phá hủy mỏi và dự đoán sự phá hủy ban đầu. Nếu kiểm tra ứng suất bằng tia X với lực tác dụng max ngay trong quá trình mỏi tại một vị trí thì sẽ tìm đƣợc vết nứt ban đầu Hình 5. Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi uốn quay bởi vì ứng suất sẽ dần đƣợc giải phóng bởi vết Thí nghiệm mỏi đƣợc tiến hành theo quy chuẩn TCVN 257 – 85. 2
3. 3.2. Mẫu thí nghiệm chế tạo từ thép C45 Đo chiều dày lớp mạ bằng phƣơng pháp Từ mô hình máy tạo mỏi đa năng và nguyên lý dòng điện xoáy ET (Eddy current testing): mỏi uốn, mẫu thí nghiệm đề xuất thiết kế, chế Bảng 3. Kết quả đo chiều dày Thời gian tạo nhƣ sau: Mẫu I (A) Chiều dày t(μm) mạ (phút) 0 1 12.195 9.6 ± 0.096 2 12.195 9.5 ± 0.095 3 12.195 9.4 ± 0.094 4 12.195 23.286 9.2 ± 0.092 5 12.195 9.0 ± 0.090 6 12.195 8.9 ± 0.089 Hình 5. Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm 7 12.195 8.7 ± 0.087 Độ nhám bề mặt của mẫu đƣợc chế tạo theo TCVN 2511 – 2007: Ra = 0.32 ÷ 0.16μm. Bảng 1. Thành phần nguyên tố của mẫu thí nghiệm thép C45 C Si Mn P S 0.46% 0.26% 0.61% 0.025% 0.038% 3.3. Tạo màng mỏng Crôm bằng phƣơng pháp mạ điện Hình 7. Đo chiều dày lớp mạ bằng phương Bảng 2. Dung dịch mạ và chế độ mạ [8] pháp ET Thành phần dung Hàm lƣợng 4. THÍ NGHIỆM MỎI UỐN VÀ NHIỄU dịch và chế độ mạ (g/l) CrO3 250 XẠ TIA X H2SO4 2.0 4.1. Thí nghiệm mỏi uốn Nồng độ Cr3+ 3 ÷ 6 Nhiệt độ, 0C 55 2 ia (A/dm ) 30 H (%) 12 Tỉ lệ CrO3/H2SO4 100/1 Tỉ lệ diện tích Sa/Sc 1/1 ÷ 2/1 Tốc độ mạ, μm/ph 0.15 ÷ 0.60 Hình 8. Máy thí nghiệm mỏi uốn Bảng 4. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy Dạng thí nghiệm Uốn quay Tốc độ động cơ 3000 vòng/phút Tần số 500Hz Công suất động cơ 2.8 KW Lực tác dụng max 2000N Đƣờng kính chi tiết mẫu 10 ÷ 12mm Hình 6. Mẫu thí nghiệm sau khi mạ Crôm Khoảng cách l 90mm 3
4. Khi thay đổi lực uốn Px, Py thì ứng suất sinh ra tại tiết diện nguy hiểm sẽ khác nhau:   150 P u 120(N) (5) ymin 1.25 1.25   260 P u 208(N) (6) ymax 1.25 1.25 Hình 9. Sơ đồ chất tải Bảng 5. Kết quả thí nghiệm mỏi uốn Chi tiết Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Mẫu 7 h x b 12x6 12x6 12x6 12x6 12x6 12x6 12x6 (mm) l (mm) 90 90 90 90 90 90 90 σu (MPa) 150 170 200 230 260 280 300 2P (N) 120 136 160 184 208 224 240 nđc (v/p) 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 Chu kỳ N 1,171,535 220,397 206,866 65,512 22,951 15,883 14,486 Mặt cắt nguy hiểm tại phần làm việc của mẫu: Hình 11. Đường cong mỏi của mẫu thí Hình 10. Mặt cắt nguy hiểm nghiệm theo dạng phương trình Stussi [1] Momen chống uốn tại phần làm việc của mẫu với b = 6mm, h = 12mm [1]: bh3 bh2 W (1) x h 12 6 2 hb3 hb 2 W (2) y b 12 6 2 Hình 12. Mẫu thí nghiệm sau khi mỏi uốn Lực tác dụng vào mẫu thí nghiệm tại tiết diện Xử lý mẫu sau khi mỏi uốn: Mẫu thí nghiệm nguy hiểm nhƣ sau : sau khi tạo mỏi sẽ cắt phần làm việc bằng 6Pl 6 90 P phƣơng pháp cắt dây với chiều dài trung    0.625P (3) u x bh2 6 122 bình l = 25mm (tính từ mặt đứt gãy của mẫu thí nghiệm mỏi). 6Pl 6 90 P    1.25P (4) u y hb2 12 62 4
5. Hình 13. Phần làm việc của mẫu sau khi cắt dây (WEDM) Hình 16. Ảnh chập phổ nhiễu xạ của 7 mẫu Mẫu 1 Mẫu 2 thí nghiệm Kết quả nhiễu xạ: Bảng 6. Kết quả nhiễu xạ của màng mỏng Crôm tại {211} Mẫu 3 Mẫu 4 Vị trí đỉnh Mẫu Bề rộng B p tại {211} 1 81.7630 0.9060 ± 0.0920 0 0 0 Mẫu 5 Mẫu 6 2 81.953 1.096 ± 0.058 3 81.7910 1.2440 ± 0.0290 4 82.0100 1.4020 ± 0.0750 5 81.9100 1.4310 ± 0.0320 Mẫu 7 6 81.7730 1.4870 ± 0.0760 7 81.7820 1.5370 ± 0.0420 Hình 14. Mặt đứt gãy của mẫu thí nghiệm 4.2. Nhiễu xạ tia X Hình 17. Biểu đồ quan hệ B – σ của màng mỏng Crôm Hình 15. Ảnh phổ nhiễu xạ của màng mỏng Crôm và nền C45 5
6. NXB Giáo dục,2000. [2] Mario Birkholz. Thin film analysis by x-ray scattering. Wiley – VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2006. [3] Y.Kobayashi, J.Nagasawa. Affect of heat treatment on residual stress profile of pulse-plated crack-free Cr layer. International Centre for Diffraction Data, 2002. [4] Wulf Pfeiffer, Christof Koplin, E.Reisacher, J.Wenzel. Residual stress and Strength of Hard Chromium Coating. Material Science Forum Vol.681 pp 133-138, Trans Tech Publication Switzerland, 2011. [5] Horonori Nishihata, Shin–ichi Ohya Hình 18. Biểu đồ mối quan hệ B – N của màng and Yasuo Yoshioka. Measurement of mỏng Crôm và nền C45 (pha Feα) actual stresses during fatigue process. 5. KẾT LUẬN Musashi Institute of Technology, Thực nghiệm cho thấy bề rộng một nửa đỉnh Setagaya Tokyo 158, Japan. phổ nhiễu xạ (bề rộng B) của màng mỏng [6] I.C.Noyan and C.C.Goldsmith. Origins Crôm tăng (0.9060 ÷ 1.5370) ứng với các mức of oscillation in d vs. Sin2ψ plots ứng suất uốn tăng dần khác nhau (150N/mm2, measured from tungsten thin films. 170N/mm2, 200N/mm2, 230N/mm2, IBM T.J Watson Research Center, 260N/mm2, 280N/mm2, 300N/mm2). Tƣơng tự, Yorktown Hieghts, NY 10598. bề rộng B của màng mỏng Crôm giảm khi số [7] Đặng Hữu Trọng. Nghiên cứu, phát chu kỳ mỏi N tăng. Qua đó, ta dự đoán đƣợc triển máy thí nghiệm mỏi cho các chi tuổi thọ của chi tiết máy có lớp màng mỏng tiết máy. Luận văn Thạc sỹ ĐHSPKT Crôm tăng bền bề mặt. Tp. Hồ Chí Minh, 2011. Các điểm dữ liệu thí nghiệm không trùng với [8] L.S.Suominen. X–ray study of residual đƣờng cong mỏi của mẫu thí nghiệm theo dạng stress in thin Chromium Metallization phƣơng trình Stussi là do: Bên cạnh 2 yếu tố on glass substrates. American Stress tác động chính còn có các yếu tố tác động khác Technologies, Inc – International nhƣ nhiệt độ môi trƣờng, độ ổn định của hệ Centre for Diffraction Data, 1997. thống công nghệ, độ chính xác gia công [9] Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy – Tập Ảnh phổ nhiễu xạ có 2 giá trị (đỉnh p, cƣờng độ 1. NXB Giáo Dục, 2006. và B) tách biệt nhau tại mỗi đỉnh vì: Màng mỏng Crôm và nền thép C45 có cùng cấu trúc [10] Le Chi Cuong. Computation on tinh thể lập phƣơng tâm khối (BCC) nên vị trí standard deviation and variation in các đỉnh nhiễu xạ trùng nhau và che khuất lẫn phrasal quantitative determination nhau (hiện tƣợng "Stacking"). using X-ray diffraction. The university of technical and education of TÀI LIỆU THAM KHẢO Hochiminh City, Vietnam. [1] Ngô Văn Quyết. Cơ sở lý thuyết mỏi. 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.