Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trục

Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trục Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trục Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trục Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trục

ĐẶT VẤN ĐỀ

Độ bền mỏi là khả năng của chi tiết máy chống lại các hiện tượng phá hủy do mỏi, như tróc rỗ bánh răng và rạn nứt bề mặt, khi chi tiết chịu ứng suất thay đổi theo chu kỳ Quá trình phá hủy này bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ, và khi số chu trình làm việc tăng lên, các vết nứt sẽ mở rộng, dẫn đến sự yếu dần của chi tiết và cuối cùng là gãy hỏng Hiện tượng này đã được phát hiện từ giữa thế kỷ 19 và nghiên cứu sâu rộng vào đầu thế kỷ 20, với nhiều nhà khoa học đóng góp vào việc hiểu rõ cơ sở cơ học và vật lý của độ bền vật liệu kim loại dưới tải trọng thay đổi Khoảng 90% tổn thất của chi tiết máy là do các vết nứt mỏi Để tiết kiệm chi phí thay thế, các chi tiết máy thường được phục hồi bằng các phương pháp như hàn đắp và mạ phủ Phương pháp mạ phủ, đặc biệt phổ biến trong ngành ôtô, hàng không và hóa dầu, tạo ra lớp bề mặt với tính chất cơ học và chống mài mòn tốt hơn so với vật liệu ban đầu Trong số các vật liệu mạ, crôm được sử dụng nhiều nhất nhờ vào khả năng tăng cường độ bền, chống mài mòn và ăn mòn, cũng như độ cứng cao, là giải pháp hiệu quả cho việc phục hồi chi tiết máy bị mài mòn.

Công nghệ mạ phủ đang phát triển mạnh mẽ và thu hút sự quan tâm nghiên cứu từ các nhà khoa học, đặc biệt tại các nước tiên tiến Hiện nay, quy trình mạ phủ đã chuyển sang bán tự động và tự động hóa, giúp nâng cao chất lượng lớp mạ với độ ổn định, bóng và bền Ngoài mạ điện, các phương pháp mạ khác như mạ phun (Al, Zn, Cu−Pb), mạ xoa, mạ quay và mạ chuyển dịch anốt cũng đang được phát triển, cho phép mạ các chi tiết có khối lượng lớn và hình dạng phức tạp như đường ống dẫn chất lỏng, chất khí và tôn tấm dùng để làm tấm lợp, nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất và đời sống.

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

1.2.1 Các nghiên cứu của nước ngoài

Trong những năm gần đây, việc sử dụng lớp phủ từ các vật liệu như niken, crôm, vonfram cacbua, Zn-Ni, Zn-Co và Zn-Fe đã chứng minh hiệu quả trong việc tăng cường khả năng chịu mài mòn và chống ăn mòn cho các chi tiết máy trong môi trường khắc nghiệt như dầu khí, chế biến thực phẩm, in ấn, và phục hồi chi tiết dạng trục Đặc biệt, trong ngành hàng không, nơi mà không khí ăn mòn tác động lên tua-bin ở tốc độ và nhiệt độ cao, việc này rất quan trọng để ngăn ngừa sự hư hỏng nghiêm trọng Một trong những giải pháp hiệu quả là áp dụng lớp phủ mỏng các vật liệu chống ăn mòn, do đó, nghiên cứu các tính chất của lớp phủ này là cần thiết để nâng cao độ bền cho các chi tiết máy.

Tiffany D Ziebell và các cộng sự đã nghiên cứu tác động của mật độ dòng điện đến ứng suất dư và kích thước hạt của lớp mạ Niken-Wonfram, sử dụng phương pháp nhiễu x-quang để đo lường và theo dõi sự biến thiên theo thời gian Ngoài ra, độ cứng của lớp phủ compozit kim loại trên nền kim loại Đồng (Cu) cũng đã được J Lamovec và các cộng sự nghiên cứu gần đây, trong đó áp dụng phương pháp đo vi độ cứng bằng thang đo Vickers với lực tác dụng từ 0.049 N đến 1.96 N.

3 trúc của lớp mạ Ni/Cu cũng được khảo sát với kính hiển vi lực nguyên tử AFM(Atomic Force Microscope)

Mạ crôm trong kỹ thuật mạ điện được ưa chuộng nhờ khả năng tăng độ cứng, chống mài mòn, ăn mòn và giảm hệ số ma sát, phù hợp cho các lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô và hóa dầu Julieta Torres-González cùng các cộng sự đã nghiên cứu ứng suất dư và độ cứng tế vi của lớp mạ crôm trên thép AISI 1080 để nâng cao chất lượng lớp mạ Nghiên cứu sử dụng các phương pháp như nhiễu x-quang để đo ứng suất dư, thang đo Vickers để xác định độ cứng, và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát cấu trúc nguyên tử của lớp mạ.

Nghiên cứu về ảnh hưởng của lớp mạ đến độ bền mỏi của chi tiết máy đang được quan tâm, bên cạnh việc xem xét các yếu tố như ứng suất dư, độ cứng và kích thước hạt để nâng cao chất lượng mạ Lớp mạ điện crôm có đặc tính ứng suất dư kéo cao do sự phân hủy của hiđrua crôm trong quá trình mạ, nhưng khi ứng suất này tăng cao, có thể dẫn đến sự hình thành vết nứt tế vi, làm giảm độ bền mỏi của chi tiết trong điều kiện làm việc Do đó, việc áp dụng phương pháp mạ điện crôm cần phải giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực để đảm bảo an toàn trong hoạt động Nghiên cứu của Voorwald và các cộng sự chỉ ra rằng mạ crôm lên thép AISI 4340 có thể giảm độ bền mỏi đến 47% so với chi tiết không mạ Hơn nữa, nghiên cứu của A.L.M Carvalho cho thấy việc phun bi bề mặt trước khi mạ crôm cho chi tiết bằng vật liệu hợp kim Nhôm 7050-T7451 với lớp mạ 100 μm đã cải thiện đáng kể độ bền mỏi so với chi tiết không phun bi.

4340 và cho kết quả là độ bền mỏi cũng tăng lên [12]

Nghiên cứu của Y Fouad và Mostafa về công nghệ tăng bền mỏi cho thấy phun bi có ảnh hưởng tích cực đến độ bền mỏi của hợp kim nhôm Al 2024-T4, một vật liệu quan trọng trong ngành hàng không Bằng cách sử dụng phương pháp khoan lỗ và đo Vickers để xác định ứng suất dư và độ cứng sau khi phun bi, kết quả cho thấy độ bền mỏi đã tăng lên đáng kể Tương tự, K A Soady và các cộng sự cũng đã áp dụng công nghệ này cho cánh tuabin làm từ vật liệu 12CrMoV, và kết quả cho thấy độ bền mỏi của cánh tuabin cũng được cải thiện trong điều kiện mỏi chu kỳ thấp.

M Korzynski và các cộng sự đã nghiên cứu phương pháp miết bề mặt Crôm để nâng cao độ bền mỏi của chi tiết mạ, thay vì sử dụng công nghệ phun bi Họ đã áp dụng một dụng cụ kim cương để trượt lên bề mặt chi tiết mạ, giúp biến dạng dẻo, giảm chiều cao nhấp nhô và tăng độ bóng cho bề mặt Nghiên cứu được thực hiện trên hai loại thép 42CrMo4 và 41Cr4 với độ dày lớp mạ là 25 μm và 50 μm Kết quả cho thấy giới hạn bền mỏi đã tăng lên tới 40% khi áp dụng phương pháp này để làm giảm nhấp nhô bề mặt.

1-phôi, 2-chày trượt, 3-vùng biến dạng dẻo, 4- lớp mạ crôm,5-vật liệu nền thép, F-lực nén, f-tốc độ, n-tốc độ quay của phôi, r-bán kính của đầu dụng cụ

Hình 1.1 Miết bề mặt mạ crôm dùng dụng cụ kim cương

Một nhược điểm của mạ trực tiếp là độ bám dính không cao, vì vậy kỹ thuật mạ lớp lót trước khi mạ lớp ngoài đã được nghiên cứu để cải thiện tính chịu mài mòn và độ bám dính Kỹ thuật này hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp mạ, và nghiên cứu về tính chất của lớp mạ phủ đa lớp đang là hướng đi tiềm năng cho các công nghệ như mạ phủ, phun phủ PVD và CVD.

Nghiên cứu của Jia-lei ZHAO và các cộng sự đã chỉ ra rằng lớp phủ Đồng trên nền Al có tính chất cải thiện đáng kể khi được mạ lót Niken Cụ thể, độ bền kéo của toàn bộ lớp phủ tăng lên rõ rệt so với trường hợp không sử dụng lớp mạ Niken.

L Yang và các cộng sự cũng đã nghiên cứu độ bền mỏi nhiệt của cánh tuabin khi được mạ lớp lót khi chi tiết này làm việc ở nhiệt độ cao, các tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn với hai phần mềm Catia và Abaqus để khảo sát sự phân bố nhiệt độ và ứng suất biến dạng của cánh tuabin cũng như độ bền mỏi nhiệt của nó trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau [20]

Dạng phá hủy mỏi chủ yếu xảy ra ở chi tiết trục, đặc biệt là trục khuỷu Nghiên cứu của Jonathan Williams đã so sánh độ bền mỏi giữa trục khuỷu làm từ thép đúc dẻo và thép rèn (C45), cho thấy rằng thép rèn có độ bền mỏi và độ bền kéo cao hơn.

Hình 1.2 Mẫu thí nghiệm mỏi tương ứng với trục khuỷu

Wei Li và các cộng sự đã tổng hợp nghiên cứu về phá hủy mỏi của trục khuỷu, chỉ ra rằng nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này bao gồm độ lớn của cung lượn r tại phần cổ trục khuỷu và sự tập trung ứng suất tại lỗ dầu bôi trơn Bên cạnh đó, chất lượng bề mặt và sai lệch hình dạng của cổ trục cũng đóng vai trò quan trọng trong việc gây ra phá hủy mỏi ở trục khuỷu.

M Senthil kumar và các cộng sự đã mô phỏng độ bền mỏi của trục khuỷu bằng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Ansys workbench 14.0 [23] Kết quả nghiên cứu cho thấy trục khuỷu khi mạ Nikel và hợp kim nhôm Al2O3đều có tác dụng tăng độ bền mỏi của trục khuỷu

Hình 1.3 Kết quả phân tích độ bền mỏi khi mạ Niken

Tuy nhiên, Sarmed Abdalrasoul Salih cùng các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu lớp mạ niken (6 μm) trên nền thép cacbon thấp [24] Kết quả lại trái ngược với

M Senthil kumar, độ bền mỏi khi mạ lớp nikel giảm 4% so với chi tiết không mạ trong môi trường không ăn mòn Nguyên nhân là trong lớp mạ tồn tại ứng suất kéo dư và nhiều vết nứt tế vi Các vết nứt này phát triển và làm giảm độ bền mỏi của chi tiết Tuy nhiên, trong môi trường ăn mòn không khí, mạ nikel tăng độ bền mỏi 11,46% và 21,68% trong môi trường 3% NaCl

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay, công nghệ xử lý bề mặt, đặc biệt là mạ điện, đang được chú trọng và phát triển tại Việt Nam Công nghệ này mang lại nhiều lợi ích như nâng cao chất lượng bề mặt, tăng khả năng chịu mài mòn và ăn mòn, cũng như cải thiện độ cứng bề mặt Đây là một lĩnh vực hứa hẹn sẽ thu hút sự nghiên cứu và đầu tư trong thời gian tới.

Luận án tiến sĩ của Trương Đức Thiệp tập trung vào nghiên cứu công nghệ mạ composite, đặc biệt là việc mạ thử nghiệm trên các chi tiết máy Trong nghiên cứu, tác giả đã thực hiện mạ hạt composite Al2O3 trên nền Niken và trình bày một số kết quả đáng chú ý.

7 thông số hợp lý về mạ composite Al 2 O 3 trên nền Niken và chứng minh được ưu điểm của nó so với mạ Niken thông thường

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Phân tích, đánh giá ảnh hưởng chiều dày lớp mạ đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Các chi tiết dạng trục chịu tải theo chu kỳ được chế tạo từ thép C45

- Lớp mạ phủ crôm cứng, ứng suất dư của vật liệu

- Hình dáng chi tiết: chi tiết dạng trục đường kính 7.5mm

- Dạng chịu mỏi: Uốn xoay

- Vật liệu mạ phủ: crôm

- Chiều dày lớp mạ: từ 10àm đến 60àm

Đề tài này tập trung vào việc áp dụng quy trình mạ chuẩn hiện nay để khảo sát tính chất và chiều dày lớp mạ, đồng thời đánh giá độ bền mỏi của chúng Do đó, các thông số của quá trình mạ sẽ không được nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài này.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

+ Nghiên cứu lý thuyết về xử lý bề mặt và công nghệ phục hồi

+ Nghiên cứu lý thuyết về phá hủy mỏi

+ Chế tạo mẫu thử; Tiến hành thí nghiệm mạ và thí nghiệm mỏi

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

a Tìm hiểu quy trình công nghệ, kỹ thuật chế tạo và phục hồi chi tiết máy dạng trục bằng mạ phủ Các phần chính được quan tâm đến gồm:

- Các kỹ thuật, quy trình công nghệ chế tạo và phục hồi chi tiết máy dạng trục bằng mạ phủ lên thép C45

- Các phương pháp, kỹ thuật đánh giá cơ tính của lớp hóa bền bề mặt bằng mạ phủ lên chi tiết dạng trục

Các kỹ thuật đo chiều dày và đánh giá chất lượng lớp mạ phủ bằng phương pháp kiểm tra không phá hủy rất quan trọng trong ngành công nghiệp Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng chiều dày lớp mạ crôm có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi của các chi tiết máy dạng trục Việc áp dụng các phương pháp này giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của sản phẩm.

- Xỏc định khoảng chiều dày mạ khảo sỏt (10àm - 60àm)

- Đề xuất các tiêu chí đánh giá chất lượng lớp mạ crôm, các tiêu chuẩn thí nghiệm mỏi theo các tiêu chuẩn TCVN/ISO

Thực hiện chế tạo mẫu chi tiết và tiến hành thí nghiệm mỏi nhằm đo lường ứng suất dư và chu kỳ mỏi Phân tích kết quả để đánh giá ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ crôm đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục.

TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ Crom đối với độ bền mỏi của chi tiết máy Mục tiêu là xác định bề dày tối ưu nhằm giảm thời gian, nâng cao hiệu quả làm việc và giảm chi phí phát sinh do hư hỏng.

Nghiên cứu này nhằm khảo sát ảnh hưởng của lớp vật liệu mạ đến độ bền mỏi của chi tiết máy, đặc biệt là tác động của chiều dày lớp phủ Mục tiêu là xác định thông số tối ưu của lớp phủ để đạt được độ bền mỏi cao nhất cho các chi tiết phục hồi, đặc biệt trong môi trường ăn mòn, chế biến thực phẩm và công nghệ phục hồi bằng phương pháp mạ phủ.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Các nhóm nghiên cứu toàn cầu đang chú trọng đến các chương trình thí nghiệm mỏi mới, đặc biệt là nghiên cứu độ bền mỏi của lớp phủ trên chi tiết máy tại Việt Nam Việc này không chỉ phù hợp với xu hướng toàn cầu mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về sửa chữa và phục hồi các chi tiết máy thông qua phương pháp mạ phủ trong nước.

Nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc xây dựng hệ thống lý luận về ảnh hưởng của lớp phủ đối với độ bền mỏi, cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết kế và nhà quản lý.

Đề tài này nghiên cứu ảnh hưởng của lớp vật liệu mạ đến độ bền mỏi của chi tiết máy, đặc biệt là sự tác động của chiều dày lớp phủ Mục tiêu là xác định thông số tối ưu cho lớp phủ nhằm đạt được độ bền mỏi cao nhất cho các chi tiết phục hồi, đặc biệt trong môi trường ăn mòn, chế biến thực phẩm, và công nghệ phục hồi bằng phương pháp mạ phủ.

LÝ THUYẾT MỎI VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Lý thuyết mỏi là một lĩnh vực trong cơ học phá huỷ, nghiên cứu cách vật liệu và chi tiết phản ứng dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian Lý thuyết này xem xét ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau và cung cấp phương pháp tính toán cùng với các giải pháp kỹ thuật để cải thiện độ bền mỏi của vật liệu.

Các nhà nghiên cứu đã phân loại lý thuyết mỏi thành hai loại chính: mỏi ngắn hạn và mỏi dài hạn Mỏi ngắn hạn xuất hiện khi số chu trình ứng suất nhỏ hơn hoặc bằng 10^5, trong khi mỏi dài hạn xảy ra khi số chu trình ứng suất vượt quá 10^5.

Hiện tượng mỏi là quá trình tích lũy sự phá hỏng trong vật liệu do tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất này gây ra các vết nứt mỏi, và khi các vết nứt này phát triển, chúng dẫn đến sự phá hủy vật liệu Phá hủy do hiện tượng mỏi được gọi là sự phá hủy vì mỏi.

Hình 2.1 Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại

Giới hạn mỏi của vật liệu là một đặc trưng cơ học quan trọng Để xác định giới hạn mỏi của một loại vật liệu, cần thực hiện các thử nghiệm và phân tích cụ thể.

Giới hạn mỏi của vật liệu trong một điều kiện cụ thể là giá trị tối đa của ứng suất thay đổi theo thời gian, tương ứng với một số chu trình ứng suất cơ bản mà mẫu chuẩn vẫn giữ nguyên tính toàn vẹn Để xác định giới hạn này, cần tiến hành thí nghiệm theo một quy chuẩn nhất định.

Mỗi loại vật liệu có số chu trình ứng suất cơ sở riêng, ký hiệu là No Đối với vật liệu kim loại nói chung, No thường được lấy là 10^7, trong khi với các hợp kim nhẹ có độ bền cao, No là 10^8 Giới hạn mỏi của vật liệu có thể được xác định dựa trên đặc trưng của chu trình ứng suất, bao gồm chu trình ứng suất đối xứng, chu trình ứng suất mạch động và chu trình ứng suất phi đối xứng.

Bảng 2.1: Số liệu N f của một số kim loại thường dùng [1]

STT Loại vật liệu Nf

Thép cacbon thấp (σb@-60 kG/mm 2 )

Thép cacbon trung bình (σbP-100 kG/mm 2 )

Thép hợp kim (σb0-180 kG/mm 2 )

Dựa trên kết quả thí nghiệm mỏi, đường cong mỏi được xây dựng để thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất lớn nhất S và số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết máy hoặc mẫu thử nghiệm có thể chịu đựng cho đến khi hỏng.

Hỡnh 2.2 Đường cong mỏi Wửhler

Số chu kỳ N được gọi là tuổi thọ tương ứng với mức ứng suất Đồ thị đường cong mỏi có dạng như hình 2.2

Qua đồ thị đường cong mỏi ta thấy:

- Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm,

Giảm ứng suất đến một giới hạn nhất định r có thể làm tăng tuổi thọ N của vật liệu mà không gây hư hại cho chi tiết Giới hạn này được gọi là giới hạn bền mỏi (dài hạn) của vật liệu.

Phương trình đường cong mỏi có thể viết dưới dạng:

Hằng số C và m trong phương trình (2.1) xác định mối quan hệ giữa ứng suất và tuổi thọ N của vật liệu trong miền ứng suất, nằm giữa giới hạn chảy và giới hạn bền mỏi Số mũ m được gọi là bậc của đường cong mỏi, phản ánh tính chất bền vững của vật liệu trong điều kiện ứng suất cụ thể.

Từ phương trình (2.1), chúng ta có thể xác định tuổi thọ Nk của vật liệu chịu ứng suất k (r < k < ch) Ứng suất r được xem là giới hạn mỏi ngắn hạn tương ứng với tuổi thọ Nk của vật liệu Trong hệ tọa độ logarit lgσ-lgN, phương trình (2.1) được biểu diễn dưới dạng một đường thẳng.

14 Đồ thị đường cong mỏi trong hệ tọa độ bán lg  lg N có nhánh riêng là đường thẳng có phương trình:

N k 10   B (2.3) Trong đó k và B là hằng số

Phương trình (2.1) có tiệm cận là trục hoành N, nhưng điều này không áp dụng cho vật liệu gang hoặc thép, vì đường cong mỏi của chúng có tiệm cận song song với trục hoành, cách trục hoành một khoảng bằng trị số giới hạn bền mỏi dài hạn của vật liệu Dựa trên phân tích toán học thống kê các số liệu thí nghiệm, Weibull đã biểu thị đường cong mỏi bằng phương trình: m r.

Từ phương trình (2.4) ta thấy khi thì nghĩa là đường thẳng nằm ngang cách trục hoành bằng , lúc này là tiệm cận của đường cong mỏi (2.4)

2.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

2.1.4.1 Vật liệu và quá trình xử lý nhiệt

Bản chất của vật liệu được xác định bởi cấu trúc vi mô trong các điều kiện nhất định, thể hiện qua nhiều đặc trưng cơ học và hóa học Cấu trúc vi mô này được hình thành qua quá trình công nghệ nhiệt luyện và xử lý nhiệt, ảnh hưởng đến độ bền mỏi của vật liệu thông qua việc tạo ra các cấu trúc hạt khác nhau.

Vật liệu đóng vai trò quan trọng trong độ bền mỏi của chi tiết máy; chi tiết được chế tạo từ vật liệu có cơ tính cao sẽ có độ bền mỏi tốt hơn do khả năng xuất hiện vết nứt khó khăn hơn Thép có hàm lượng cacbon cao thường có giới hạn bền mỏi tốt hơn so với thép có hàm lượng cacbon thấp Ngoài ra, thép hợp kim cũng cho thấy độ bền mỏi vượt trội hơn so với thép cacbon thông thường.

Các thành phần hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc xác định bản chất của vật liệu Sự ảnh hưởng của chúng đến độ bền mỏi có thể được phân tích từ góc độ lý thuyết hệ thống.

Trong nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến đặc trưng cơ học của vật liệu, bảng 2.2 liệt kê thành phần các nguyên tố hóa học chính cùng với mã số tương ứng.

Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa thành phần hóa học và đặc trưng cơ học của vật liệu

STT Thành phần hóa học (%) Cu Mg Mn

ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN

2.2.1 Bản chất nhám bề mặt

Độ bóng bề mặt, hay còn gọi là độ nhẵn, đề cập đến tình trạng bề mặt chi tiết sau khi gia công, không hoàn toàn phẳng lý tưởng mà có những mấp mô Những mấp mô này xuất hiện do quá trình biến dạng dẻo của lớp bề mặt trong quá trình cắt gọt kim loại, ảnh hưởng từ chuyển động cắt, và các vết lưỡi cắt để lại, cùng với nhiều nguyên nhân khác.

Không phải tất cả các mấp mô trên bề mặt đều thuộc về nhám bề mặt; chúng là tập hợp những mấp mô có bước tương đối nhỏ và được xem xét trong giới hạn chiều dài chuẩn Những mấp mô có tỉ số giữa bước mấp mô (p) và chiều cao mấp mô (h) nhỏ hơn hoặc bằng 50 được xác định là thuộc nhám bề mặt.

2.2.2 Chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt

Theo TCVN 2522-95, có 2 chỉ tiêu để đánh giá độ nhám: Ra, Rz

Ra là giá trị trung bình của các sai lệch tuyệt đối trong khoảng chiều dài chuẩn, được tính từ sai lệch profin, tức là khoảng cách giữa các điểm đến đường trung bình Đây là một phương pháp phổ biến trong việc đánh giá độ chính xác của các bề mặt.

– Rz: Trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của 5 đỉnh cao nhất và sâu nhất trong khoảng chiều dài chuẩn

2.2.3 Tiêu chuẩn độ nhám bề mặt Độ nhẵn bóng bề mặt (nhám): Được đánh giá qua 2 chỉ tiêu: Sai lệch trung bình

Ra và chiều cao nhấp nhô Rz+ là các chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá độ nhám bề mặt Ra được xác định là sai lệch trung bình số học của profile, tính bằng trung bình các giá trị tuyệt đối trong khoảng chiều dài chuẩn (L), thường dùng để đánh giá độ nhám bề mặt từ cấp 5 đến cấp 11 Trong khi đó, Rz là trị số trung bình của tổng các giá trị tuyệt đối của chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 đáy thấp nhất trong cùng khoảng chiều dài chuẩn, được sử dụng để đánh giá độ nhám bề mặt từ cấp 1 đến cấp 5 và cấp 13, 14 Tiêu chuẩn Việt Nam phân chia độ nhẵn bề mặt thành 14 cấp độ, với cấp 14 là cao nhất, tương ứng với bề mặt nhẵn bóng nhất.

Bảng 2.6: Các cấp độ nhẵn bề mặt

Cấp độ nhẵn Ra (àm) Rz (àm) Chiều dài chuẩn

- Cấp 01 ÷ cấp 1 là các cấp siêu chính xác

TCVN và ISO chia ra 20 cấp chính xác đánh số theo thứ tự độ chính xác giảm dần là 01, 0, 1, 2,…15, 16, 17, 18 Trong đó:

- Cấp 1 ÷ cấp 5 là các cấp chính xác cao, cho các chi tiết chính xác, dụng cụ đo

- Cấp 6 ÷ cấp 11 là các cấp chính xác thường, áp dụng cho các mối lắp ghép

Cấp 12 đến cấp 18 là các cấp chính xác thấp, được áp dụng cho các kích thước tự do không lắp ghép Độ nhám bề mặt của mẫu chạy mỏi và mạ trong nghiên cứu này đạt tiêu chuẩn Ra = 0.32 đến 0.16μm theo TCVN.

Bảng 2.7: Cấp chính xác và cấp độ bóng bề mặt đạt được bằng các phương pháp gia công

Phương pháp gia công Cấp chính xác Cấp độ bóng

Tiện ngoài, tiện trong, bào thô

Tiện ngoài, tiện trong, bào bán tinh

Tiện ngoài, tiện trong, bào tinh

Xọc răng, phay răng thô

Xọc răng, phay răng tinh

NGUYÊN LÝ ĐO ỨNG SUẤT DƯ BẰNG NHIỄU XẠ X-QUANG

2.3.1 Ứng suất dư Ứng suất dư là trạng thái ứng suất tồn tại phần lớn bên trong vật liệu khi không có tác dụng của ngoại lực Ứng suất dư được sinh ra trong vật liệu và chi tiết máy ở hầu hết các quá trình sản xuất [40,41]:

- Quá trình biến dạng dẻo hoặc định hình gồm cán, kéo, ép, uốn, rèn, dập, kéo sợi, phun bi và bắn laser

- Quá trình gia công cơ, lắp ráp, phủ bề mặt như hàn, hàn phun sơn, mạ, mài

Gia công nhiệt, bao gồm làm nguội, xử lý nhiệt bằng laser và plasma, thấm cacbon và nitơ, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ cứng bề mặt của vật liệu đa pha Ứng suất dư là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ và khả năng chống mài mòn của chi tiết Nó có thể mang lại lợi ích hoặc tác hại tùy thuộc vào dấu và vị trí của ứng suất Cụ thể, ứng suất dư kéo trên bề mặt chi tiết thường dẫn đến nứt và giảm độ bền mỏi, trong khi ứng suất dư nén có tác dụng tích cực, tăng cường độ bền mỏi và khả năng chống nứt do ăn mòn.

Trong một số trường hợp, quá trình xử lý nhiệt hoặc sau xử lý nhiệt thường được kiểm soát thông qua phương pháp phun bi hoặc cán sâu Những kỹ thuật này giúp tạo ra ứng suất dư nén trên bề mặt chi tiết, góp phần cải thiện độ bền và tính chất cơ học của sản phẩm.

2.3.2 Phân loại ứng suất dư

Quá trình biến dạng cơ học như phun bi, mài, và gia công cơ khí tạo ra biến dạng dẻo trong các lớp bề mặt của vật liệu, dẫn đến sự hình thành ứng suất dư Ứng suất dư này được chia thành hai loại: ứng suất dư vĩ mô (macro-residual stress) và ứng suất dư vi mô (micro-residual stress) Ứng suất dư vi mô xuất hiện khi có sự không đồng nhất trong biến dạng dẻo giữa các pha, do sự phân bố không đồng nhất của giới hạn chảy trong thể tích vật liệu.

Hình 2.7 minh họa sự phân bố của ứng suất dư vĩ mô và ứng suất dư vi mô phát sinh từ các quy trình gia công và xử lý vật liệu khác nhau.

Hình 2.5 Sự phân bố ứng suất dư vĩ mô và vi mô 2.3.3 Các phương pháp đo ứng suất dư

Nhiều phương pháp đã được phát triển để xác định và đo lường ứng suất dư của vật liệu, như được minh họa trong Hình 2.8 với các độ phân giải không gian và khả năng xuyên thấu khác nhau Các phương pháp này được phân loại thành hai nhóm chính, giúp hiểu rõ hơn về cách thức đo lường ứng suất dư trong vật liệu.

- Các phương pháp phá hủy như phương pháp khoan lỗ và vòng lõi, phương pháp cắt lớp, phương pháp cắt tiết diện

- Các phương pháp không phá huỷ như phương pháp nhiễu xạ X-quang và Neutron, phương pháp siêu âm và điện từ

Hình 2.6 Các phương pháp đo lường ứng suất dư [1]

Nguyên lý của các phương pháp phá hủy dựa trên việc đo biến dạng hoặc chuyển vị do sự tái cân bằng của ứng suất dư, phát sinh khi một phần ứng suất vật liệu bị tách khỏi mẫu Đối với phương pháp khoan lỗ hoặc vòng lõi, biến dạng xảy ra khi ứng suất dư được giải phóng tại vùng xung quanh lỗ khoan Sau khi xác định biến dạng, có thể tính toán ứng suất dư bằng cách sử dụng các hệ số như môđun đàn hồi, hệ số Poisson và hệ số hiệu chỉnh của vật liệu Phương pháp cắt lớp phụ thuộc vào sự cân bằng của ứng suất nội và moment khi ứng suất dư dần được tách khỏi vật liệu, trong khi phương pháp cắt tiết diện đo biến dạng trung bình theo số lượng mặt cắt để xác định độ lớn của ứng suất dư.

Nguyên lý của các phương pháp không phá hủy dựa vào các tính chất vật lý và thông số tinh thể học của vật liệu để đo và phân tích ứng suất dư Ứng suất dư được phân tích thông qua lưới biến dạng, cho phép đánh giá tình trạng của vật liệu một cách chính xác và hiệu quả.

Có 30 cách xác định cấu trúc tinh thể, bao gồm phương pháp nhiễu xạ X-quang và nhiễu xạ neutron, phân tích sự thay đổi vận tốc siêu âm qua phương pháp siêu âm, cùng với việc nghiên cứu các tính chất điện từ trường của vật liệu thông qua phương pháp điện từ.

Các phương pháp không phá hủy có lợi thế là không làm hỏng mẫu thử, đặc biệt hữu ích trong kiểm soát chất lượng sản xuất và đo lường trên các mẫu thử có giá trị Tuy nhiên, chúng thường đòi hỏi hiệu chỉnh chi tiết để thu thập dữ liệu tính toán cần thiết Ngược lại, các phương pháp đo lường phá hủy yêu cầu ít hiệu chỉnh hơn, vì ứng suất dư được xác định thông qua việc đo các đại lượng cơ bản như chuyển vị hoặc biến dạng, từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng.

2.3.4 Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)

Có nhiều phương pháp đo lường ứng suất dư, trong đó phương pháp truyền thống đơn giản và chi phí thấp nhưng có độ chính xác không cao Tại Việt Nam, phương pháp nhiễu xạ X-quang được áp dụng rộng rãi để xác định ứng suất dư, nhờ vào khả năng không phá hủy cấu trúc vật liệu và dễ dàng tự động hóa Sử dụng thiết bị đo hiện đại, phương pháp này mang lại kết quả chính xác cao, mặc dù chi phí đầu tư cũng tương đối lớn Do đó, nhiễu xạ X-quang là lựa chọn phổ biến trong việc đo lường và xác định ứng suất dư trên các mẫu thử sau thực nghiệm cắt lớp.

Nhiễu xạ X-quang là hiện tượng mà các chùm tia X bị nhiễu xạ trên bề mặt tinh thể của chất rắn, nhờ vào cấu trúc tinh thể có tính tuần hoàn, tạo ra các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ Chùm tia nhiễu xạ được định nghĩa là một chùm tia bao gồm nhiều tia tán xạ, trong đó các tia này có thể cùng pha và tương tác với nhau, dẫn đến sự tăng cường để hình thành chùm tia nhiễu xạ.

Nhiễu xạ X-quang sử dụng phương pháp sin 2ψ để phân tích ứng suất dư trên từng mẫu Giả định rằng vật liệu là đồng nhất và ứng suất dư chỉ phụ thuộc vào độ sâu từ bề mặt mẫu Quy trình ủ mẫu ở nhiệt độ 500C được thực hiện để loại bỏ cấu trúc texture, đảm bảo độ chính xác trong kết quả phân tích.

Vật liệu thép C45 được coi là vật liệu đẳng hướng với hằng số môđun đàn hồi là 205 GPa và hệ số Poisson là 0,29, được sử dụng để tính toán ứng suất dư Khi xét đến tinh thể bị nhiễu xạ bởi chùm tia X đơn sắc, góc tới của chùm tia so với mặt tinh thể được ký hiệu là θ, nơi θ là góc giữa chùm tia tới và mặt tinh thể.

Hình 2.7 Hiện tượng nhiễu xạ tia X

Xét tia 1 và 2 bị tán xạ bởi nguyên tử K và L, hiệu quang trình cho tia 1 1' K và 2 2 ' K là: sin sin 2 sin

Công thức ML + LN = dθ + dθ = dθ (2.21) thể hiện hiệu quang trình cho tia tán xạ bởi S và P theo phương đã chỉ ra Trong phương này, không có hiệu quang trình giữa các tia tán xạ bởi S và L hay P và K Các tia tán xạ 1' và 2' sẽ hoàn toàn nằm trong một pha nếu hiệu quang trình bằng số nguyên lần n của bước sóng.

: góc Bragg d: khoảng cách tinh thể của mặt phẳng (hkl) n: số nguyên

Mối liên hệ này được đưa ra bởi W L Bragg và được gọi là Định luật Bragg

2.3.5 Phương trình cơ bản xác định biến dạng

Xét hệ tọa độ dùng để đo ứng suất (Hình 2.10), trong đó:

- S i là hệ tọa độ xác định bề mặt của mẫu thử, với S 1 và S 2 nằm trên bề mặt mẫu

MẠ ĐIỆN VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình mạ điện

Mạ điện là quá trình điện phân, trong đó anot thực hiện oxy hóa, dẫn đến hòa tan kim loại hoặc giải phóng khí oxy, trong khi catot diễn ra quá trình khử, chuyển đổi ion kim loại từ dung dịch thành lớp kim loại bám trên bề mặt vật mạ Quá trình này chỉ xảy ra khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện phân Để tạo thành lớp mạ điện, cần đảm bảo các điều kiện thích hợp.

 Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot

 Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ

Mạ điện là một phương pháp quan trọng được áp dụng trong nhiều ngành công nghệ nhằm chống ăn mòn, phục hồi kích thước, trang trí, tăng cường độ cứng, cải thiện khả năng phản quang và nhiệt, cũng như nâng cao tính dẫn điện và dẫn nhiệt.

Hình 2.9 Sơ đồ hệ mạ điện

 Định luật Faraday 1: Khi cho dòng điện một chiều qua dung dịch chất điện ly

Khối lượng các chất thoát ra tại anot hoặc catot trong quá trình điện phân tỉ lệ thuận với lượng điện tích đi qua dung dịch hoặc chất điện ly nóng chảy Mối quan hệ này có thể được biểu diễn qua công thức: m = K * I * t, trong đó m là khối lượng chất thoát ra, I là cường độ dòng điện, và t là thời gian.

Trong đó: m: Khối lượng chất thoát ra trên một điện cực (g) I: Cường độ dòng điện (A) t: Thời gian điện phân (h) K: Đương lượng điện hóa (g/A.h)

Định luật Faraday 2 cho biết rằng lượng điện phân tương đương sẽ giải phóng các chất khác nhau với khối lượng tương đương Để giải phóng một gam chất bất kỳ, cần tiêu tốn một lượng điện là F = 96500 Coulomb, được gọi là số Faraday.

Trong quá trình điện phân, lượng chất được giải phóng ở điện cực thường thấp hơn so với lượng tính toán theo định luật Faraday Sự sai lệch này chủ yếu là do các phản ứng phụ diễn ra đồng thời, như sự thoát H₂ ở catot và O₂ ở anot.

Hiệu suất dòng điện, ký hiệu η, được xác định bằng tỉ số giữa lượng kim loại thoát ra trên catot và lượng kim loại tính theo định luật Faraday, thể hiện dưới dạng phần trăm (%).

 Tính toán độ dày lớp mạ : d t K

Trong đó: δ: Độ dày lớp mạ (mm)

I K : Cường độ dòng điện catot (A/dm 2 ) t: Thời gian điện phân (h) K: Đương lượng điện hóa (g/A.h) η: Hiệu suất dòng catot (%) d: Khối lượng riêng (g/cm 3 )

Bảng 2.8: Đương lượng điện hóa K của các kim loại

Kim loại kết tủa điện Khối lượng nguyên tử Hóa trị Đương lượng điện hóa (g/A.h)

Vàng từ dung dịch Xyanua 197.20 1 7.357

Cadimi 142.41 2 2.097 Đồng từ dung dịch axit 63.54 2 1.186

Thiếc từ dung dịch axit 118.70 2 2.214

Mật độ dòng anot IA và mật độ dòng catot IK được tính theo công thức:

I: Cường độ dòng điện khi điện phân đang diễn ra (A)

S A : Diện tích bề mặt điện cực anot (dm 2 )

Diện tích bề mặt của điện cực catot (dm²) là yếu tố quan trọng trong quá trình điện phân Mật độ dòng I K đóng vai trò then chốt, vì mỗi dung dịch đều có một giới hạn I K tối ưu để tạo ra lớp mạ có cấu trúc đồng đều và chất lượng cao.

Trong thực tế không có phương pháp nào để xác định chính xác diện tích thực của

S A và S K mà chỉ xác định gần đúng, kết hợp với quan sát đánh giá lớp mạ theo kinh nghiệm để điều chỉnh IK cho phù hợp

2.4.1.3 Các thông số quan trọng được điều khiển trong quá trình mạ

 Mật độ dòng điện catot I K :

Sử dụng I K nhỏ giúp hình thành lớp mạ với cấu trúc tinh thể thô, đồng thời tăng mật độ dòng dẫn đến sự gia tăng số lượng mầm tinh thể, tạo ra lớp mạ có cấu trúc tinh thể mịn hơn Tuy nhiên, mật độ dòng IK chỉ có thể tăng đến một giới hạn nhất định; nếu vượt quá giới hạn này, quá trình kết tủa của kim loại sẽ bị rối loạn.

Sự tăng mật độ dòng IK chỉ có thể tiến hành đồng thời với tăng nồng độ muối kim loại mạ một cách tương ứng

Nhiệt độ, sự khuấy trộn:

Tăng nhiệt độ trong quá trình mạ giúp hình thành lớp mạ với cấu trúc tinh thể thô và tăng cường khuếch tán ion về phía catot Nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt của dung dịch, từ đó nâng cao độ dẫn điện, cho phép sử dụng mật độ dòng IK lớn hơn Kết quả là lớp mạ thu được có cấu trúc tinh thể mịn hạt.

Sự khuấy trộn dung dịch giúp san bằng nồng độ ion, cho phép sử dụng dòng điện lớn hơn, từ đó tăng tốc độ kết tủa của kim loại.

Sự đổi chiều dòng điện có tác động tích cực đến cấu trúc và chất lượng lớp mạ Khi dòng điện được đổi chiều, vật mạ trở thành catot, dẫn đến quá trình điện phân, trong đó anot kim loại của lớp mạ sẽ tan Tại các vị trí lồi, mật độ dòng anot cao hơn nhiều so với các vùng phẳng, do đó, sự tan kim loại anot ở các chỗ lồi diễn ra mạnh mẽ hơn, giúp lớp mạ trở nên bằng phẳng hơn.

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN

Mạ là kỹ thuật tạo lớp kim loại mỏng trên bề mặt kim loại nền nhằm chống ăn mòn, tăng kích thước và độ cứng bề mặt, cũng như phục hồi chi tiết Công nghệ mạ hiện đang được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành cơ khí chế tạo máy Có nhiều phương pháp mạ khác nhau như mạ điện phân, mạ kim loại nhúng nóng và phun kim loại lạnh, trong đó mạ điện phân là phương pháp phổ biến nhất.

- Phục hồi chi tiết bị mài mòn

- Phục hồi các mặt lắp ghép của chi tiết

-Mạ trang sức và dụng cụ khác

Hiện nay, mạ crôm cứng là một trong những phương pháp mạ phổ biến nhất, được ứng dụng rộng rãi để tăng độ cứng, độ bền mài mòn và độ bền hoá học của các chi tiết máy Ngoài ra, mạ crôm còn có chức năng trang trí và bảo vệ, cũng như phục hồi các chi tiết máy đã bị mòn Do đó, lớp mạ crôm được ưu tiên sử dụng trong ngành cơ khí để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.

Lớp mạ crôm có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm các chi tiết chịu mài mòn và ma sát như vòng bi, bánh răng, và mũi khoan Ngoài ra, nó còn được sử dụng cho các bộ phận trong động cơ đốt trong như piston, xilanh, và trục quay Lớp mạ này cũng đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như dược phẩm, hóa chất, dầu khí, dệt may, in ấn, thực phẩm, hàng không và vũ trụ.

2.5.1.1 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ Crôm

Lớp mạ Crôm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhằm tăng cường độ cứng, độ bền mài mòn và bền hóa học, cũng như phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn Độ cứng của lớp mạ Crôm nằm trong khoảng 600÷800HV, có khả năng hoạt động trong nhiệt độ từ -57°C đến 427°C và chịu được áp suất lên đến 30,000 psi (2068 bar) Lớp mạ này thường được sử dụng cho hai mục đích chính: trang trí và kỹ thuật.

Crôm (Cr) là một kim loại điện giải có màu trắng bạc ánh xanh, với số nguyên tử 24 và trọng lượng riêng từ 6.9 đến 7.1 g/cm³ Nhiệt độ nóng chảy của Cr nằm trong khoảng 1750 đến 1800 °C, và điện thế tiêu chuẩn Cr/Cr³⁺ là -0.74V Kim loại này không bị ăn mòn trong axit nitric và axit sunfuric loãng, nhưng lại bị ăn mòn nhanh chóng trong axit clohydric Khi tiếp xúc với không khí, Cr sẽ thụ động hóa dưới tác dụng của các chất oxy hóa, hình thành một lớp màng oxit trong suốt và kín, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn và tạo lớp mạ catot cho các bề mặt sắt, thép và kền.

Mạ crôm là vật liệu phổ biến nhất trong các phương pháp mạ phục hồi, nhờ vào lớp oxyt Cr2O3 bền vững trên bề mặt Lớp mạ này có khả năng chống lại sự ăn mòn trong nhiều môi trường xâm thực, bao gồm cả khí quyển và nhiều loại axit như HCl và HNO3, mang lại tính năng bảo vệ hiệu quả.

- Crôm có độ cứng chỉ xếp sau kim cương và corundum (Al2O3)

- Crôm chịu mài mòn, chịu ăn mòn

- Lớp mạ Crôm có độ ổn định hóa học cao, có thể chịu nhiệt đến 400-500 0 C Với những tính chất trên nên mạ Crôm được dùng rộng rãi

Mạ crôm cho trục cán có độ cứng cao, đạt từ 600-800 HV Tuy nhiên, trong một số trường hợp, yêu cầu kỹ thuật đặc thù cần vật liệu có độ cứng cao hơn nữa.

2.5.1.2 Phân loại lớp mạ Crôm

Lớp mạ Crôm cứng thường được áp dụng cho bề mặt ngoài của các chi tiết máy có khả năng chịu mài mòn cao Bề mặt lớp Crôm thường xuất hiện nhiều vết nứt và có độ xốp lớn, với số lượng vết nứt tăng lên khi độ dày lớp mạ tăng Lớp mạ này thường được sử dụng để tăng cường tính chịu mài mòn cho các dụng cụ cầm tay, dụng cụ kiểm tra và đo lường, cũng như phục hồi kích thước cho các chi tiết đã mòn như đầu trục động cơ và máy móc Ngoài ra, lớp mạ Crôm cứng còn được sử dụng để tăng cứng bề mặt cho các chi tiết máy mới, bao gồm vòng gang piston của động cơ đốt trong, các dụng cụ cắt gọt, khuôn cối đúc và đột dập, cũng như các bộ đôi ma sát như xylanh-piston và các bộ kéo chuốt dây.

Hình 2.11 Lớp mạ Crôm cứng

Lớp mạ Crôm mỏng đặc thường được áp dụng cho bề mặt và đường kính trong của các chi tiết Đặc điểm nổi bật của lớp mạ này là mỏng nhưng rất đặc, tạo ra bề mặt nhẵn bóng không có rỗ xốp, đồng thời chống ăn mòn hiệu quả Với tuổi bền mỏi lớn và độ cứng xấp xỉ 70HRC, lớp mạ Crôm mỏng đặc là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

Hình 2.12 Lớp mạ Crôm mỏng đặc

Với những đặc điểm của hai lớp mạ, đề tài chọn phương pháp mạ mạ crôm cứng để khảo sát trong đề tài này

2.5.1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình mạ Crôm

Nguyên lý của quá trình mạ Crôm

Mạ Crôm có nhiều đặc điểm khác với các quy trình mạ khác:

Sự kết tủa của kim loại Crôm từ dung dịch axit Crômic (H 2 CrO 4 ) chứ không phải từ dung dịch muối hòa tan của kim loại

Dung dịch phải nhất thiết phải có anion hoạt hóa (còn gọi là anion xúc tác) thường là SO4 2-

Dung dịch mạ Crôm rất nhạy với các chất bẩn

Phản ứng trên catot diễn ra theo từng bước, bắt đầu từ Crôm có số oxy hóa +6 (CrO3), chuyển thành Crôm có số oxy hóa +3 (Cr2O3), tiếp theo là Crôm có số oxy hóa +2 (CrO), và cuối cùng là Crôm kim loại.

Thuyết Muller cho rằng, trong khoảng không gian sát catot có hình thành hợp chất Cr(OH)4 và bị khử theo quá trình:

Các dung dịch mạ Crôm thông thường

Mạ Crôm có thể tiến hành trong các dung dịch sunfat (1), tự điều chỉnh (2), tetracromat (3), florua (4):

Bảng 2.9: Các dung dịch mạ Crôm Thành phần dung dịch (g/l) và chế độ mạ

Dung dịch 1 Dung dịch 2 Dung dịch 3 Dung dịch 4

Tỉ lệ các cực Sa/Sc 1/1 - 2/1 1/1 - 2/1 1/1 - 2/1

Quy trình công nghệ mạ Crôm tổng quát

CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI CHI TIẾT TRỤC

Trong lĩnh vực kỹ thuật, máy móc sau một thời gian hoạt động thường gặp phải tình trạng hao mòn và hỏng hóc Do đó, việc thực hiện sửa chữa định kỳ hoặc phục hồi máy móc là cần thiết, tùy thuộc vào yêu cầu của quy trình công nghệ.

Mạ Crôm với dung dịch CrO 3

Rửa nước nóng, sấy khô Đảo cực Catot → Anot trong 20÷30s

Rửa bằng dung môi hữu cơ

Tẩy dầu mỡ điện hóa Lắp lên giá treo

Tẩy dầu mỡ hóa học

Rửa nước nóng rồi nước lạnh

Trong quá trình vận hành, hư hỏng được chia làm 3 dạng chính:

+ Hư hỏng do mòn: do ma sát

+ Hư hỏng cơ học: nứt, biến dạng do tác động của cơ học

+ Hư hỏng do hóa nhiệt: ăn mòn, bị rổ, biến dạng do nhiệt…

Trong quá trình vận hành, nhiều thiết bị máy móc có thể gặp phải tình trạng hư hỏng và mài mòn, dẫn đến sự thay đổi về hình dạng và kích thước Điều này khiến cho máy không hoạt động bình thường, ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất của thiết bị.

Việc sửa chữa và thay thế chi tiết máy không phải lúc nào cũng dễ dàng, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật và kinh tế Do đó, công nghệ phục hồi các chi tiết máy trở nên rất quan trọng, đặc biệt là trong việc phục hồi kích thước lắp ghép và khả năng hoạt động của chúng Quá trình phục hồi chi tiết máy có thể được phân chia thành nhiều phương pháp khác nhau.

-Phục hồi kích thước ban đầu

-Thay đổi kích thước ban đầu

-Khắc phục các sai lệch

Đối với các chi tiết có chi phí chế tạo thấp, việc thay thế bằng chi tiết mới thường được ưu tiên Ngược lại, đối với những chi tiết yêu cầu kỹ thuật cao, các phương pháp sửa chữa và phục hồi sẽ được áp dụng để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Các phương pháp sửa chữa phục hồi

Mạ kim loại Đúc lại

-Hàn khắc phục khuyết tật

-Mạ phục hồi -Mạ trang trí -Mạ bảo vệ bề mặt

45 tạo và chi phí chế tạo cao như: trục khuỷu, trục cán, các loại khuôn dập….thì người ta dùng phương pháp phục hồi

Mạ không chỉ được sử dụng để trang trí và bảo vệ bề mặt kim loại, mà còn phục hồi các chi tiết máy bị mòn Mục đích chính của mạ phục hồi là cải thiện bề mặt tiếp xúc, khôi phục kích thước lắp ghép và tăng độ cứng, độ chịu mài mòn cho các chi tiết Bên cạnh đó, lớp mạ còn có khả năng bảo vệ kim loại khỏi tác động ăn mòn từ môi trường Các phương pháp mạ kim loại phổ biến bao gồm mạ điện, mạ hóa học và mạ nhúng.

2.6.2 Ứng dụng phương pháp mạ crôm phục hồi cho các chi tiết dạng trục

Các chi tiết dạng trục là thành phần quan trọng trong ngành chế tạo máy, với bề mặt cơ bản là mặt tròn xoay ngoài, thường được dùng để lắp ghép với các chi tiết máy khác Trục không chỉ mang các chi tiết máy mà còn truyền công suất hoặc thực hiện cả hai nhiệm vụ này Để phục hồi chi tiết dạng trục, có bốn phương pháp chính: phục hồi theo kích thước sửa chữa, hàn đắp, thêm chi tiết phụ và mạ Trong đó, mạ là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt là mạ Crôm cứng trong công nghệ phục hồi mòn cổ biên.

Phương pháp mạ phục hồi được thực hiện qua 3 giai đoạn:

- Chuẩn bị chi tiết trước khi mạ:

+ Khôi phục lại hình dáng vật mạ

+ Lắp chi tiết vào giá đỡ

+ Cách điện những chi tiết không cần mạ

+ Khử dầu mỡ bề mặt

+ Thực hiện quy trình xâm thực để khử các màng oxít

+ Thu hồi dung dịch bám

+ Khử hóa chất còn dính

+ Tháo chi tiết, gỡ cách điện và sấy khô

+ Ngâm chi tiết trong dầu bôi trơn

+ Gia công nguội nếu cần

+ Lớp mạ có tính cơ, lý, hóa tốt

+ Kim loại mạ không ảnh hưởng nhiều đến tính chất và cơ tính của kim loại nền, không bị ứng suất dư do nhiệt

+ Có thể mạ cho chi tiết có hình dáng phức tạp

+ Mạ chỉ phù hợp với việc phục hồi các chi tiết có độ chính xác cao và chiều dày lớp mạ không lớn

+ Mạ có thể ứng dụng để cải thiện bề mặt của chi tiết, cho bề mặt có các tính chất đặc biệt như độ cứng cao, chịu mài mòn

+ Bảo vệ kim loại và tăng tuổi thọ cho chi tiết (chống ăn mòn )

+ Có thể mạ lớp mạ rất mỏng để tăng độ chống mài mòn cho chi tiết mới Nhược điểm

+ Chiều dày mạ bị khống chế

+ Trước lúc mạ cần xử lý bề mặt chi tiết thật chính xác vì sau khi mạ ít khi gia công lại

 Công dụng và phạm vi sử dụng của phương pháp mạ crôm:

-Tăng cơ tính của bề mặt chi tiết

-Làm tăng độ chịu mài mòn cơ học

-Ứng dụng để mạ lên các chi tiết, khuôn đúc, khuôn dập, khuôn ép…

-Mạ các loại dụng cụ chính xác để làm tăng tuổi lên khoảng 5-10 lần

-Mạ chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao như: ống hơi, vòng gang động cơ

Mạ phục hồi là giải pháp hiệu quả cho các chi tiết bị mài mòn, đặc biệt phù hợp với những bộ phận cần độ cứng cao như rulô trục cán, trục khuỷu, trục cam và trục piston Lớp mạ có thể đạt độ dày lên tới trên 1000 μm, giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ của chi tiết.

Hình 2.14 Mạ crôm trục khuỷu