Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng chính đến hệ số truyền nitơ từ môi trường thấm thể khí đến bề mặt thép thấm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.02 MB, 73 trang )
LÊ THANH BÌNH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ THANH BÌNH
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU(KIM LOẠI)
NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CHÍNH
ĐẾN HỆ SỐ TRUYỀN NITƠ TỪ MƠI TRƯỜNG THẤM THỂ KHÍ
ĐẾN BỀ MẶT THÉP THẤM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu (Kim loại)
Mã số: 10BVLKL-KT07
KHOÁ 2010B
Hà Nội – Năm 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ THANH BÌNH
NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CHÍNH
ĐẾN HỆ SỐ TRUYỀN NITƠ TỪ MƠI TRƯỜNG THẤM THỂ KHÍ
ĐẾN BỀ MẶT THÉP THẤM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu (Kim loại)
Mã số: 10BVLKL-KT07
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN HIỂN
Hà Nội – Năm 2012
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được hình
thành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo TS. Nguyễn Văn Hiển và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có
nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hồn tồn chính xác và
trung thực.
Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này.
Tác giả luận văn
LÊ THANH BÌNH
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Văn Hiển, Bộ môn Vật liệu
học, xử lý nhiệt và bề mặt – Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường đại học
Bách Khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn tơi thực hiện và hồn thành đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật
liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, các thầy cô giáo ở Phịng thí nghiệm kim loại học và
Xưởng nhiệt luyện, các bạn sinh viên lớp Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt K51 và
K52 đã tạo điều kiện giúp tơi hồn thành đề tài này.
Tác giả luận văn
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................. viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................3
I.
Tổng quan về hóa nhiệt luyện ........................................................................3
1.
Định nghĩa và đặc điểm .................................................................................3
2.
Sự hình thành tổ chức lớp thấm .....................................................................3
3.
Động học của q trình hóa nhiệt luyện .......................................................4
4.
Mơi trường thấm ............................................................................................5
5.
Các cơng nghệ hóa nhiệt luyện thơng dụng ..................................................6
II. Cơng nghệ thấm nitơ thể khí........................................................................12
1.
Đặc điểm ......................................................................................................12
2.
Cơ sở nhiệt động học ...................................................................................13
3.
Tổ chức lớp thấm .........................................................................................14
4.
Các quá trình xảy ra khi thấm nitơ thể khí ..................................................17
III. Hệ số truyền nitơ β N ......................................................................................18
1.
Đặc điểm ......................................................................................................18
2.
Hoạt độ nitơ môi trường thấm (a N ) .............................................................18
3.
Hoạt độ nitơ trong thép <a N > .....................................................................19
IV. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình thấm ..........................................19
1.
Ảnh hưởng của thời gian lưu τ ....................................................................19
2.
Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T ..................................................................20
3.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim ..............................................................21
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................22
I.
Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................22
iii
II. Địa điểm nghiên cứu .....................................................................................22
III. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm.....................................................................23
IV. Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................23
1.
Lị thấm Nitơ thể khí ....................................................................................23
2.
Thiết bị phân tích thành phần hóa học ........................................................24
3.
Thiết bị đo độ phân hủy NH 3 .......................................................................25
4.
Thiết bị đo độ cứng tế vi ..............................................................................26
5.
Kính hiển vi quang học ................................................................................26
6.
Cân phân tích...............................................................................................27
V. Nghiên cứu thực nghiệm...............................................................................27
1.
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm.............................................................................27
2.
Thí nghiệm thấm nitơ ...................................................................................30
3.
Phân tích mẫu sau khi thấm ........................................................................32
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................34
I.
Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hệ số truyền nitơ β N .............................34
1.
Ảnh hưởng của thời gian lưu tại nhiệt độ thấm 500 oC...............................34
2.
Ảnh hưởng của thời gian lưu tại nhiệt độ thấm 520 oC...............................35
3.
Ảnh hưởng của thời gian lưu tại nhiệt độ thấm 550 oC...............................36
4.
Nhận xét .......................................................................................................37
II. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm đến hệ số truyền nitơ β N ...........................37
1.
Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm tại thời gian lưu 5 phút ...............................37
2.
Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm tại thời gian lưu 6 phút ...............................39
3.
Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm tại thời gian lưu 9 phút ...............................40
4.
Nhận xét .......................................................................................................41
III. Ảnh hưởng của nguyên tố Cr đến hệ số truyền nitơ β N ............................41
IV. Tổ chức tế vi của các mẫu sau khi thấm nitơ .............................................42
1.
Ảnh tổ chức tế vi ..........................................................................................42
2.
Dự đoán tỷ phần tổ chức lớp thấm ..............................................................43
3.
Nhận xét .......................................................................................................50
iv
V. Độ cứng của các mẫu sau khi thấm nitơ .....................................................50
1.
Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở các nhiệt độ khác nhau ...................50
2.
Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở thời gian lưu khác nhau ..................53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................56
I.
Kết luận ..........................................................................................................56
II. Kiến nghị ........................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................59
PHỤ LỤC .................................................................................................................60
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Hoạt độ của nitơ (a N ) của môi trường thấm ..............................................19
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của mẫu thép C20 .....................................................28
Bảng 2.2 Thành phần hóa học của mẫu thép 20Cr ...................................................28
Bảng 2.3 Các chế độ thấm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu .......................31
Bảng 2.4 Các chế độ thấm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thấm ......................32
Bảng 3.1 Các kết quả thu được sau khi ở nhiệt độ thấm 500 oC...............................34
Bảng 3.2 Các kết quả thu được sau khi ở nhiệt độ thấm 520 oC...............................35
Bảng 3.3 Các kết quả thu được sau khi ở nhiệt độ thấm 550 oC...............................36
Bảng 3.4 Các kết quả thu được sau khi ở thời gian lưu τ = 5 phút ...........................38
Bảng 3.5 Các kết quả thu được sau khi ở thời gian lưu τ = 6 phút ...........................39
Bảng 3.6 Các kết quả thu được sau khi ở thời gian lưu τ = 9 phút ...........................40
Bảng 3.7 Tỷ phần tổ chức thép C20 trước và sau khi thấm ở 500 oC .......................43
Bảng 3.8 Tỷ phần tổ chức thép C20 trước và sau khi thấm ở 520 oC .......................44
Bảng 3.9 Tỷ phần tổ chức thép C20 trước và sau khi thấm ở 550 oC .......................44
Bảng 3.10 Tỷ phần tổ chức thép C20 trước và sau khi thấm ở τ = 5 phút ................45
Bảng 3.11 Tỷ phần tổ chức thép C20 trước và sau khi thấm ở τ = 6 phút ................45
Bảng 3.12 Tỷ phần tổ chức thép C20 trước và sau khi thấm ở τ = 9 phút ................46
Bảng 3.13 Tỷ phần tổ chức thép 20Cr sau khi thấm ở 500 oC ..................................46
Bảng 3.14 Tỷ phần tổ chức thép 20Cr sau khi thấm ở 520 oC ..................................47
Bảng 3.15 Tỷ phần tổ chức thép 20Cr sau khi thấm ở 550 oC ..................................47
Bảng 3.16 Tỷ phần tổ chức thép 20Cr trước và sau khi thấm ở τ = 5 phút ..............48
Bảng 3.17 Tỷ phần tổ chức thép 20Cr trước và sau khi thấm ở τ = 6 phút ..............49
vi
Bảng 3.18 Tỷ phần tổ chức thép 20Cr trước và sau khi thấm ở τ = 9 phút ..............49
Bảng 3.19 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở 500 oC ..........................................50
Bảng 3.20 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở 520 oC ..........................................51
Bảng 3.21 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở 550 oC ..........................................52
Bảng 3.22 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở thời gian lưu 5 phút .....................53
Bảng 3.23 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở thời gian lưu 6 phút .....................54
Bảng 3.24 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở thời gian lưu 9 phút .....................54
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Q trình hình thành lớp thấm ...................................................................12
Hình 1.2 Giản đồ Fe-N ..............................................................................................15
Hình 1.3 Tổ chức lớp thấm nitơ ................................................................................16
Hình 1.4 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ thấm T .......................21
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu thực nghiệm ...................................................23
Hình 2.2 Lị thấm nitơ thể khí ...................................................................................23
Hình 2.3 Hệ thống van điều khiển lưu lượng khí thấm.............................................24
Hình 2.4 Thiết bị phân tích thành phần hóa học Metalab 75/80J MVU ...................24
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống đo độ phân hủy NH 3 .........................................................25
Hình 2.6 Sensor Hydro ..............................................................................................26
Hình 2.7 Thiết bị đo độ cứng tế vi Duramin 2 ..........................................................26
Hình 2.8 Kính hiển vi quang họcAxiovert 25A ........................................................27
Hình 2.9 Cân phân tích..............................................................................................27
Hình 2.10 Mẫu mỏng dùng trong thí nghiệm............................................................29
Hình 2.11 Sơ đồ chuẩn bị mẫu thí nghiệm................................................................29
Hình 2.12 Quy trình thấm nitơ ..................................................................................30
Hình 3.1 Hệ số truyền nitơ β N ở nhiệt độ thấm 500°C .............................................34
Hình 3.2 Hệ số truyền nitơ β N ở nhiệt độ thấm 520°C .............................................35
Hình 3.3 Hệ số truyền nitơ β N ở nhiệt độ thấm 550°C .............................................37
Hình 3.4 Hệ số truyền nitơ β N ở thời gian lưu 5 phút ...............................................38
Hình 3.5 Hệ số truyền nitơ β N ở thời gian lưu 6 phút ...............................................39
Hình 3.6 Hệ số truyền nitơ β N ở thời gian lưu 9 phút ...............................................40
viii
Hình 3.7 Tổ chức tế vi (x500) của thép C20 trước và sau khi thấm .........................42
Hình 3.8 Tổ chức tế vi (x500) của thép 20Cr trước và sau khi thấm........................42
Hình 3.9 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở 500 oC ............................................51
Hình 3.10 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở 520 oC ..........................................51
Hình 3.11 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở 550 oC ..........................................52
Hình 3.12 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở thời gian lưu 5 phút ......................53
Hình 3.13 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở thời gian lưu 6 phút ......................54
Hình 3.14 Độ cứng của các mẫu sau khi thấm ở thời gian lưu 9 phút ......................55
ix
MỞ ĐẦU
Hiện nay, với sự phát triển của nền kinh tế thị trường cạnh tranh khốc liệt,
đòi hỏi chất lượng của tất cả các sản phẩm công nghiệp ngày càng nâng cao, giá
thành hợp lý. Một trong những công nghệ được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới
nhằm nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí, máy móc, thiết bị, chi tiết máy là
công nghệ thấm nitơ, với những ưu điểm nổi trội như làm cho chi tiết có độ cứng
lớp bề mặt cao, chịu mài mịn tốt, cải thiện giới hạn bền mỏi, tăng tính cứng
nóng,… trong khi vẫn bảo tồn được độ dẻo dai ở trong lõi.
Ở Việt Nam, bước đầu ở một số các viện nghiên cứu, các nhà máy đã được
trang bị thiết bị, dây chuyền thấm nitơ. Tuy nhiên, việc áp dụng các quy trình thấm
cịn rất bị động, phụ thuộc chuyển giao cơng nghệ từ phía nước ngồi, dẫn đến chất
lượng lớp thấm không ổn định, chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế sản xuất, tiêu
dùng. Trong khi đó, cơng nghệ thấm nitơ chỉ có thể được coi là đạt yêu cầu khi nó
tạo ra được lớp thấm với tổ chức và tính chất ổn định.
Tổ chức lớp thấm nitơ phụ thuộc chủ yếu vào sự tương quan của ba quá trình
cơ bản xảy ra khi thấm là khả năng truyền nitơ từ môi trường lên bề mặt thép (đặc
trưng bằng hệ số truyền chất β N ), khả năng hấp thụ các nguyên tử nitơ hoạt tính của
bề mặt và khả năng khuếch tán (đặc trưng bằng hệ số khuếch tán D N ) của nitơ trong
thép. Do đó, việc xác định các yếu tố cơng nghệ chính có liên quan đến các q
trình này rất quan trọng.
Để góp phần vào việc chủ động nắm bắt kỹ thuật, làm chủ công nghệ, đề tài
đã tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng chính đến hệ số truyền nitơ β N từ mơi
trường thấm thể khí đến bề mặt thép thấm, từ đó làm cơ sở cho việc điều khiển quá
trình thấm theo mong muốn, bao gồm yếu tố thời gian lưu, nhiệt độ thấm và nguyên
tố hợp kim Cr trên hai loại vật liệu là thép C20 và 20Cr, là các yếu tố cơng nghệ có
ảnh hưởng lớn mà có thể chủ động đo và điều khiển dễ dàng. Các yếu tố khác, hoặc
ít có ảnh hưởng, hoặc ít có ý nghĩa thực tiễn nên khơng được đề cập tới trong
nghiên cứu này.
1
Đề tài đã trình bầy khái quát cơ sở lý thuyết về sự hình thành mơi trường
thấm nitơ thể khí, các yếu tố đặc trưng cho môi trường thấm như hoạt độ, thế nitơ,
hệ số truyền nitơ, là những vấn đề còn chưa phổ biến ở Việt Nam. Trên cơ sở tính
tốn lý thuyết, kết hợp với các kết quả thực nghiệm đã xác định được vai trò của
một số yếu tố cơng nghệ chính như nhiệt độ thấm, thời gian lưu, nguyên tố hợp kim
đến hoạt độ, thế nitơ, hệ số truyền nitơ từ mơi trường thấm thể khí đến bề mặt thép
(20 và 20Cr) cũng như mối quan hệ giữa các thông số này.
Nội dung của Luận văn gồm 05 phần:
-
Mở đầu
-
Chương 1: Tổng quan
-
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
-
Chương 3: Kết quả và bàn luận
-
Kết luận và kiến nghị
Trong quá trình thực hiện Luận văn, tác giả khơng thể tránh khỏi những thiếu
sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của q vị, thầy cơ và các bạn sinh
viên.
Xin chân thành cảm ơn!
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
I. Tổng quan về hóa nhiệt luyện
1. Định nghĩa và đặc điểm
Hóa nhiệt luyện, cịn gọi là thấm, là phương pháp nhiệt luyện kèm theo sự
cải thiện thành phần hóa học lớp bề mặt, do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp
bề mặt mà vẫn bảo tồn được các tính chất ở trong lõi của vật liệu.
Hóa nhiệt luyện gồm hai q trình:
-
Thay đổi thành phần lớp bề mặt bằng cách bão hòa và khuếch tán vào sâu lớp
bề mặt một hay nhiều nguyên tố khác nhau theo một mục đích nhất định cịn gọi là
tạo lớp thấm.
-
Nhiệt luyện tiếp theo (có thể là ủ, tôi, ram, ...) nhằm cải thiện hơn nữa tổ chức
và tính chất của lớp bề mặt cũng như tồn bộ chi tiết. Đơi khi q trình nhiệt luyện
cịn đảm bảo tăng cường mối liên kết giữa lớp bề mặt với vật liệu bên trong.
Hóa nhiệt luyện được dùng phổ biến đối với các chi tiết bằng thép nhằm tăng
độ bền, độ cứng và tính chống mài mịn (thấm cacbon, nitơ, bo, crơm, …) hoặc
nâng cao tính chịu ăn mịn (thấm nhôm, crôm, silic, …). Đây là một trong những
phương pháp tăng bền có hiệu quả và ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại chi tiết máy
quan trọng, dẫn đến tăng năng suất và tuổi thọ của thiết bị, chi tiết. Tăng bền bề mặt
chi tiết tuy có thể đạt được bằng nhiều phương pháp khác nhau như tôi cao tần, tôi
ngọn lửa, mạ ..., song việc tăng bền bề mặt bằng hố nhiệt luyện có nhiều mặt ưu
việt mà các phương pháp khác khơng có được, tạo cho nó khả năng ứng dụng rộng
rãi trong tất cả các lĩnh vực của ngành cơ khí. Đồng thời hố nhiệt luyện tạo nên
khả năng thay thế vật liệu trong chế tạo máy, một lợi ích rất hiệu quả trong điều
kiện khan hiếm vật tư hiện nay.
2. Sự hình thành tổ chức lớp thấm
Để tạo lớp thấm, chi tiết được đặt trong mơi trường đặc biệt với chất thấm
(trạng thái khí, lỏng hoặc hỗn hợp bột rắn) ở nhiệt độ thích hợp, có khả năng phân
3
hố ra ngun tử hoạt tính của ngun tố cần thấm. Sự phân bố nồng độ của nguyên
tố thấm A lên kim loại B và hình thành các pha mới phụ thuộc vào giản đồ pha, khả
năng khuếch tán của nguyên tố thấm và tương tác giữa chúng với nhau, với kim loại
nền. Khi thấm một nguyên tố lên bề mặt của một hợp kim, chẳng hạn cacbon lên
thép, do tương tác giữa khuếch tán của cacbon có sẵn trong thép và nguyên tố thấm
nên có sự phân bố lại nồng độ cacbon trong mẫu. Tùy thuộc vào đặc điểm tương
tác, nồng độ cacbon có thể tăng lên hoặc giảm đi ở lớp bề mặt, do đó hình thành
vùng cực đại hoặc cực tiểu.
3. Động học của q trình hóa nhiệt luyện
Q trình hóa nhiệt luyện gồm ba q trình nối tiếp nhau khi tạo lớp thấm lên
bề mặt: khuếch tán thể khí để cung cấp chất thấm lên bề mặt, phản ứng hóa học trên
bề mặt và khuếch tán thể rắn để thấm sâu vào trong. Quá trình nào chậm nhất sẽ
quyết định động học của q trình. Có thể giả thuyết ba khả năng:
-
Nếu khuếch tán thể khí là quá trình chậm nhất thì quá trình phản ứng hoá học
và khuếch tán thể rắn vào sâu bề mặt chi tiết ở trạng thái cân bằng. Khi đó động học
q trình thấm sẽ tuyến tính theo thời gian. Vì khuếch tán thể rắn ở trạng thái cân
bằng nên nồng độ nguyên tố thấm sẽ như nhau trong toàn bộ lớp thấm. Điều này chỉ
xuất hiện khi nguyên tố thấm và nền tạo hợp chất hóa học ổn định với nhau.
-
Nếu phản ứng hoá học trên bề mặt (bao gồm cả hấp thụ và phản ứng xảy ra trên
bề mặt) chậm nhất và quyết định động học quá trình thấm, khuếch tán thể khí và
khuếch tán thể rắn ở trạng thái cân bằng. Khi đó, động học q trình thấm tuyến
tính theo thời gian và hình thành các hợp chất hoá học trên bề mặt chi tiết.
-
Nếu khuếch tán thể rắn là quá trình chậm nhất và khống chế động học tạo lớp
thấm bề mặt thì khuếch tán thể khí và phản ứng hoá học đều ở trạng thái cân bằng.
Trên thực tế đây là trường hợp thường gặp nhất. Khi đó động học của q trình
được biểu diễn bằng đường parabol theo thời gian thấm. Sự phân bố nồng độ của
nguyên tố thấm do khuếch tán thể rắn thay đổi theo công thức:
4
Trong đó:
-
𝐶𝐶𝑆𝑆 − 𝐶𝐶𝑋𝑋 = (𝐶𝐶𝑆𝑆 − 𝐶𝐶𝑂𝑂 ). 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
𝑋𝑋
2√𝐷𝐷𝐷𝐷
C S , C X , C O lần lượt là nồng độ của nguyên tố thấm trên bề mặt, ở độ
sâu X kể từ bề mặt và nồng độ của nguyên tố thấm có sẵn trong mẫu
-
t, D lần lượt là thời gian và hệ số khuếc tán của nguyên tố thấm vào
trong mẫu
-
erf(Z) là giá trị của hàm sai, tra sổ tay.
Sự phát triển của lớp thấm có thể do khuếch tán của nguyên tố thấm sâu vào
bề mặt chi tiết, cũng có thể do nguyên tố trong vật liệu nền khuếch tán ra ngoài.
Trường hợp nguyên tố thấm khuếch tán vào sâu trong bề mặt vật liệu nền chiếm ưu
thế thì sau khi thấm, bề mặt chi tiết phẳng, nhẵn và kích thước chi tiết hầu như
khơng thay đồi.
Ngược lại, khi phát triển lớp thấm chủ yếu do nguyên tố cơ sở trong vật liệu
nền khuếch tán ra ngồi thì sau khi thấm, bề mặt của chi tiết khơng cịn phẳng, kích
thước của chi tiết sẽ lớn hơn trước khi thấm. Đặc biệt, cấu trúc của lớp thấm khơng
xít chặt như trường hợp trên, vì sự phát triển của lớp thấm ra ngoài đã sáp nhập
thêm các tạp chất và cả pha khí, đồng thời hình thành các lỗ hổng do vật liệu nền
khuếch tán ra ngồi.
4. Mơi trường thấm
Để thực hiện quá trình thấm, trước tiên phải tạo ra môi trường thấm. Môi
trường thấm dù ở thể rắn, thể lỏng hay thể khí cũng đều được tạo ra từ ba thành
phần chính là: chất thấm, chất độn và chất xúc tác.
Chất thấm là chất có chứa các nguyên tố cần thấm có thể ở dạng nguyên
chất hoặc hỗn hợp với các nguyên tố khác. Dạng hợp chất thường gặp trong thực tế
vì có thể điều chỉnh hoạt độ của nguyên tố cần thấm. Tùy theo công nghệ thấm, chất
thấm có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí.
5
Chất độn nhằm tạo ra môi trường và tốc độ thấm thích hợp, giảm tiêu hao
ngun liệu đắt tiền. Ngồi ra chất độn có thể tránh tạo ra các phản ứng phụ khơng
cần thiết trong q trình thấm.
Chất xúc tác được đưa vào nhằm tạo ra các nguyên tử hoạt tính của nguyên
tố cần thấm. Các nguyên tử hoạt tính này có thể hình thành trực tiếp từ phản ứng
hóa học giữa chất xúc tác và chất thấm, cũng có thể tạo thành từ sự phân hủy các
sản phẩm phản ứng trong một điều kiện cụ thể. Trong trường hợp chất thấm có thể
tự phân hủy để tạo thành nguyên tử hoạt tính thì khơng cần chất xúc tác. Ngồi ra,
trong từng trường hợp cụ thể, chất xúc tác có thể điều chỉnh q trình thấm theo
hướng có lợi.
Như vậy, chất xúc tác không chứa nguyên tố cần thấm. Khi có mặt của nó thì
q trình thấm mới xẩy ra hoặc có tác dụng thúc đẩy nhanh tốc độ quá trình thấm,
bản thân nó khơng có mặt trong lớp thấm.
5. Các cơng nghệ hóa nhiệt luyện thơng dụng
Hiện nay, rất nhiều cơng nghệ hố nhiệt luyện được nghiên cứu, ứng dụng
rộng rãi và hiệu quả trong sản xuất gồm có: thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbonnitơ, thấm nhôm, thấm crôm, thấm bo, thấm lưu huỳnh, thấm silic, ... Mỗi phương
pháp hố nhiệt luyện có đặc điểm riêng, cơng dụng riêng, áp dụng cho từng loại đối
tượng.
a. Thấm cacbon (C)
Thấm cacbon là cơng nghệ hóa nhiệt luyện được dùng sớm hơn cả, có tác
dụng làm tăng hàm lượng cacbon trên lớp bề mặt của chi tiết thép có hàm lượng
cacbon thấp 0,1 ÷ 0,25 % lên 0,8 ÷ 1,2 % với chiều dầy một vài milimet. Sau khi
thấm cacbon, chi tiết cần được tơi và ram thích hợp để lớp bề mặt có độ cứng cao,
trong khi lõi (với hàm lượng cacbon thấp) có tăng độ bền, độ cứng nhưng vẫn giữ
được độ dẻo, độ dai.
6
Thép dùng để thấm cacbon, ngoài thép cacbon thường, người ta còn sử dụng
thép hợp kim Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, Bo, … để tăng cơ tính sau khi thấm.
Cơng nghệ thấm cacbon có ưu điểm:
-
Tốc độ thấm nhanh, chiều sâu lớp thấm có thể dầy tới vài milimet
-
Độ cứng và tính chống mài mịn của chi tiết thấm tăng cao.
Nhược điểm: Thấm ở nhiệt độ cao nên chi tiết dễ bị cong vênh, biến dạng.
Các phương pháp thấm cacbon thơng dụng gồm có thấm cacbon thể rắn,
thấm cacbon thể lỏng và thấm cacbon thể khí, trong đó thấm cacbon thể khí được
dùng phổ biến hơn cả.
b. Thấm nitơ (N)
Thấm nitơ là phương pháp khuếch tán nitơ vào bề mặt chi tiết (phần lớn bằng
thép hợp kim) với mục đích tăng độ cứng bề mặt và tính chịu mài mịn. Bên cạnh
đó, sau q trình thấm, thể tích riêng của lớp bề mặt tăng gây ra ứng suất nén dư
đáng kể. Ứng suất này có tác dụng làm giảm giá trị ứng suất kéo của ngoại lực trong
quá trình làm việc của chi tiết, cải thiện giới hạn bền mỏi của chi tiết.
Thép dùng để thấm nitơ gồm có:
-
Thép hợp kim thấp có chứa nhơm
-
Thép hợp kim thấp với hàm lượng cacbon thấp có chứa crơm: nhóm thép 3300,
8600 và 9300
-
Thép cacbon trung bình hợp kim thấp có chứa crơm: nhóm thép 4100, 4300,
5100, 6100, 8600, 8700 và 9800
-
Thép làm khn dập nóng có chứa 5% crơm: H11, H12 và H13
-
Thép dụng cụ: A-2, A-6, D-2, D-3 và S-7
-
Thép dụng cụ cắt nhanh: M-2 và M-4
-
Thép khơng gỉ Nitronic: nhóm thép 30, 40, 50, và 60
7
-
Thép khơng gỉ ferrit và mactenxit: nhóm thép 400 và 500
-
Thép khơng gỉ austenit: nhóm thép 200 và 300
-
Thép khơng gỉ tiết pha: 13-8 PH, 15-5 PH, 17-4 PH, 17-7 PH, A-286, AM350
và AM355.
Ưu điểm của thấm nitơ:
-
So với các phương pháp hóa cứng bề mặt khác, thấm nitơ thực hiện ở nhiệt độ
thấp hơn, chi tiết ít bị biến dạng sau q trình thấm, nâng cao tuổi thọ lị
-
Dễ dàng điều khiển các thơng số cơng nghệ
-
Chống ăn mịn tốt trong khí quyển
-
Độ cứng lõi khơng bị ảnh hưởng đáng kể, do vậy vẫn giữ được tính chất của
quá trình nhiệt luyện trước đó
-
Nâng cao độ bền mỏi do tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt, có tác
dụng làm giảm giá trị ứng suất kéo của ngoại lực trong quá trình làm việc của chi
tiết
-
Tổ chức của lớp thấm ổn định đến 590oC, điều này cho phép chi tiết thấm nitơ
giữ được độ cứng nóng cao hơn
-
Tạo ra bề mặt bóng mờ, ứng dụng làm đồ trang trí
-
Ngồi ra sử dụng biện pháp thấm nitơ thích hơp có thể hồi phục kích thước làm
việc cho một số chi tiết (như khn dập...), qua đó làm tăng tuổi thọ cho chi tiết lên
đáng kể (8÷10 lần).
Hạn chế của thấm nitơ: Do nhiệt độ thấm nitơ thường thấp 495~565oC nên
hệ số khuếch tán của nitơ trong thép rất bé, tốc tốc độ thấm nitơ rất chậm (thường
chỉ đạt từ 5÷10 μm/h).
Các phương pháp thấm nitơ thơng dụng gồm có thấm nitơ thể khí, thấm nitơ
thể lỏng và thấm nitơ ion hóa, trong đó thấm nitơ thể khí được dùng phổ biến hơn
cả.
8
c. Thấm cacbon – nitơ (C-N)
Thấm cacbon – nitơ là cơng nghệ hóa nhiệt luyện sử dụng chất thấm đồng
thời có mặt cả cacbon và nitơ để nâng cao độ cứng và tính chịu mài mịn của thép.
Do hiệu quả tốt, công nghệ thấm cacbon – nitơ được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp.
Thép dùng để thấm cacbon – nitơ thường là các thép hợp kim chứa ít cacbon
(0,15 - 0,3%), rất ít Si để khơng làm cản trở q trình thấm cacbon. Nitơ có tác
dụng làm mất lớp muội bám trên bề mặt khi thấm cabon, do đó mà tốc độ thấm
tăng. Mặt khác, khi thấm nitơ, sự có mặt của cacbon sẽ làm ổn định pha ε và tăng
tốc độ thấm. Khi có mặt đồng thời cả cacbon và nitơ sẽ tạo thành pha Fe 3 (CN) phân
tán rất cứng làm tăng chất lượng lớp thấm. Do tác dụng tương hỗ có lợi của cacbon
và nitơ, chất lượng lớp thấm rất tốt. Tùy theo bản chất thép, tùy theo yêu cầu của
chi tiết mà thành phần chất thấm và nhiệt độ khác nhau.
-
Ưu tiên cho thấm cacbon thì nhiệt độ thấm cao (800 – 920oC), chất thấm chủ
yếu là các chất cung cấp cacbon như C n H 2n+2 , CO,... Sau khi thấm phải nhiệt
luyện như thấm cacbon
-
Ưu tiên thấm nitơ, nhiệt độ thấm thấp (500–650oC), chất thấm chứa nhiều
chất cho nitơ như: NH 3 , CN-,… Chi tiết trước khi thấm cần nhiệt luyện hóa
tốt, sau khi thấm không phải nhiệt luyện nữa.
d. Thấm nhôm (Al)
Thấm nhôm, phổ biến với công nghệ thấm ở thể rắn, là q trình bão hịa bề
mặt chi tiết bằng ngun tố nhơm, nhằm tăng khả năng chống ăn mịn và độ bền
nhiệt của chi tiết: lớp thấm nhơm có khả năng chống ăn mịn trong các mơi trường
muối ăn 5%, axit nitric 50%; độ bền nhiệt của lớp thấm nhôm trên thép cacbon đạt
tới nhiệt độ 800 ÷ 900oC.
Thấm nhơm thường được áp dụng cho các chi tiết trong các trường hợp: các
dụng cụ gá lắp, khay đựng chi tiết trong q trình nhiệt luyện, cánh tuốc bin khí,
9
thiết bị nhiệt, buồng phản ứng, thiết bị chưng cất, động cơ máy bay phản lực, các bộ
phận nhiệt hạt nhân, thanh dẫn bằng Cu làm việc ở nhiệt độ cao …
e. Thấm crôm (Cr)
Thấm crôm, phổ biến với công nghệ thấm ở thể rắn, là q trình bão hịa bề
mặt chi tiết bằng nguyên tố crôm, nhằm tăng độ cứng, khả năng chống mài mòn bề
mặt, chống ăn mòn trong môi trường nước biển, axit nitric, chống xâm thực và
chống gây ơxy hố ở nhiệt độ cao.
Lớp thấm Cr lên thép cacbon thấp có tính dẻo dai và chịu ăn mịn như một
loại thép khơng gỉ ferrit. Lớp thấm Cr lên thép cacbon cao có độ cứng rất cao (1600
÷ 2100 HV) do cacbit Cr tiết ra nhiều. Lớp thấm Cr lên thép mềm (%C = 0,1 ÷ 0,2)
có khả năng chịu ăn mòn và chịu mỏi cao, nhưng độ cứng và tính chịu mài mịn
thấp.
Thấm crơm có tác dụng tăng tuổi thọ các loại khuôn dập, các chi tiết búa
máy, mắt cưa, ống dẫn nồi hơi, dũa, các loại chi tiết máy…
f.
Thấm bo (B)
Thấm bo lên thép được nhiều người quan tâm. Đây là quá trình làm bão hòa
bề mặt chi tiết bằng nguyên tố bo, làm tăng tính chịu mài mịn, độ bền ăn mịn trong
một số axit và trong các kim loại nóng chẩy Al, Zn, đặc biệt là giữ được độ cứng ở
nhiệt độ cao. Sau khi thấm, độ cứng bề mặt chi tiết đạt 1800 ÷ 2000 HV.
Các phương pháp thấm bo: thấm thể rắn, thấm trong muối nóng chẩy (điện
phân hoặc khơng) và thấm dạng thể khí, trong đó phổ biến hơn cả là thấm bo thể rắn
và thấm trong muối nóng chẩy.
g. Thấm lưu huỳnh (S)
Thấm lưu huỳnh là quá trình bão hòa bề mặt các chi tiết bằng nguyên tố lưu
huỳnh, nhằm nâng cao tính chống mài mịn và tránh tạo vết xước bề mặt làm việc
của các chi tiết.
10
Thấm lưu huỳnh có thể tiến hành trong chân khơng, trong mơi trường lưu
huỳnh nóng chẩy sử dụng cho các đĩa ma sát của ôtô, cho dụng cụ cắt gọt …
h. Thấm silic (Si)
Thấm silic là q trình bão hịa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố silic nhằm
tăng khả năng chống ăn mịn của chi tiết trong mơi trường axit và trong nước biển,
đồng thời tăng độ bền nóng của chi tiết ở nhiệt độ 700 ÷ 750oC.
Các phương pháp thấm silic gồm có thấm silic thể rắn, thấm silic thể lỏng và
thấm silic thể khí.
Thấm silic được áp dụng trong chế tạo máy, hố chất, cơng nghiệp giấy và
dầu khí.
i.
Thấm kẽm (Zn)
Thấm kẽm là q trình bão hịa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố kẽm nhằm
tăng khả năng chống ăn mịn của chi tiết trong mơi trường khơng khí hoặc khí nóng
(300 ÷ 550oC) có chứa HCl.
Các phương pháp cơng nghệ thấm kẽm: thấm kẽm nóng chảy, thấm kẽm thể
rắn, thấm kẽm thể khí, phủ kẽm và thấm kẽm điện phân.
j.
Thấm titan (Ti)
Thấm titan là quá trình làm bão hòa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố titan
nhằm nâng cao khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, xâm thực, làm tăng độ
cứng bề mặt và độ bền nóng của chi tiết. Thấm titan áp dụng cho các loại thép
cacbon, gang, các hợp kim mầu trên cơ sở đồng (Cu) và nhôm (Al).
Các phương pháp thấm titan gồm có: thấm titan thể rắn, thấm titan thể khí,
thấm titan thể lỏng.
Trong khuôn khổ đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu sâu về công nghệ
thấm nitơ thể khí để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng chính đến hệ số truyền nitơ từ
môi trường thấm nitơ thể khí đến bề mặt thép thấm.
11
II. Cơng nghệ thấm nitơ thể khí
1. Đặc điểm
Thấm nitơ thể khí là cơng nghệ thấm nitơ được dùng phổ biến hơn cả. Để
thấm nitơ thể khí cần có chất khí cung cấp nitơ nguyên tử. Khí nitơ tồn tại dưới
dạng phân tử (N 2 ) rất ổn định, do đó khơng thể dùng để thấm nitơ được. Một trong
các chất khí có thể cung cấp khí nitơ ngun tử là NH 3 . Trong khoảng nhiệt độ
thấm (450-650 oC), NH 3 sẽ phân hủy theo phản ứng:
NH 3 → <N ht > + 3/2H 2
(1.1)
Nitơ nguyên tử <N ht > hình thành sẽ khuếch tán vào trong bề mặt của thép
tạo nên lớp thấm nitơ.
Hình 1.1 Quá trình hình thành lớp thấm
Do nitơ khuếch tán trong thép chậm, với một lượng rất nhỏ, nếu <N ht > hình
thành quá nhiều, không kịp khuếch tán vào thép, sẽ kết hợp lại thành phân tử mất
hết hoạt tính, làm ngăn cản quá trình thấm tiếp theo:
(1.2)
12
Vì thế phải ln bơm khí NH 3 vào lị để duy trì tỷ lệ NH 3 thích hợp cho quá
trình thấm. Tỷ lệ này được đặc trưng bằng hệ số phân hủy nhiệt P của NH 3 . P = số
mol NH 3 phân hủy chia cho tổng số mol NH 3 đưa vào:
P=
NH3 phân hủ𝑦𝑦
NH3 đưa vào
(1.3)
Độ phân hủy NH 3 phụ thuộc và nhiệt độ và lưu lượng khí thấm. Ở nhiệt độ
xác định, độ phân hủy NH 3 chỉ phụ thuộc lưu lượng khí thấm, tức là phụ thuộc vào
thời gian lưu τ của NH 3 ở trong lị:
τ=
𝑉𝑉𝑟𝑟
𝑄𝑄
=
𝑉𝑉−𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐
𝑄𝑄
(1.4)
Trong đó: - τ là thời gian lưu khí thấm, phút
- Q là lưu lượng NH 3 vào lò, m3/phút
- V, V r , V ct lần lượt là thể tích của lị thấm, thể tích rỗng của lị
và thể tích chiếm chỗ của chi tiết, m3.
Từ giá trị của τ sẽ tính được lưu lượng cần thiết Q. Ngược lại, biết được giá
trị lưu lượng Q, ta có thể tính được thời gian lưu τ xem đã phù hợp chưa, từ đó kiểm
tra lại giá trị độ phân hủy P của NH 3 .
2. Cơ sở nhiệt động học
Các tính tốn nhiệt động học cho phép xác định điều kiện cần cho sự hình
thành lớp thấm nitơ. Cơ sở của phương pháp là dựa vào xác định cân bằng của hệ
đa cấu tử có tính đến cân bằng vật chất của quá trình động. Phản ứng tạo thành lớp
thấm có thể biểu diễn:
NH 3 + x<Fe> → <Fe x N> + 3/2H 2
(1.5)
Áp suất riêng phần của các khí phụ thuộc vào sự phân hủy nhiệt của NH3:
NH 3 → 1/2N2 + 3/2H2
(Dấu <Fe>, <Fe x N>,.. để chỉ trạng thái rắn)
13
(1.6)
Xét về mặt nhiệt động học, sự hình thành lớp thấm sẽ chịu ảnh hưởng đồng
thời của 2 phản ứng, do đó:
2NH 3 + x<Fe> → <Fe x N> + 1/2N2 + 3H2
(1.7)
Ở cân bằng, năng lượng tự do của phản ứng bằng 0. Coi Fe và Fe x N có hoạt
độ bằng 1, ta có thể biểu thị:
ΔG = ΔG + RTln
o
→ ln
𝑃𝑃2𝑁𝑁𝑁𝑁
3
3
𝑃𝑃𝐻𝐻 .𝑃𝑃0.5
2 𝑁𝑁2
=
ΔGo
𝑅𝑅𝑅𝑅
𝑃𝑃3𝐻𝐻 .𝑃𝑃0.5
𝑁𝑁
2
2
2
𝑃𝑃𝑁𝑁𝑁𝑁
3
Với ΔGo = ΔGo <FexN> - 2ΔGo NH3 - xΔGo <Fe>
Đặt
(a N ) =
2
𝑃𝑃𝑁𝑁𝑁𝑁
3
3 .𝑃𝑃 0.5
𝑃𝑃𝐻𝐻
2 𝑁𝑁2
=0
(1.8)
(1.9)
(1.10)
(1.11)
là hoạt độ của nitơ trong môi trường thấm. Để quá trình thấm xẩy ra thì:
ln (a N ) >
3. Tổ chức lớp thấm
ΔGo
(1.12)
𝑅𝑅𝑅𝑅
Khi thấm nitơ cho thép, theo giản đồ Fe-N, nitơ khuếch tán vào trong Fe ở
trên nhiệt độ cùng tích (591 oC) lần lượt có thể tạo ra các pha: ε (Fe 2-3 N) - γ’ (Fe 4 N)
– γ - α. Sau khi thấm, làm nguội chậm có thể nhận được tổ chức của lớp thấm từ
ngoài vào trong gồm: (ε + γ’) - γ’ – cùng tích [γ’ + α] – α. Nếu thấm ở dưới nhiệt độ
cùng tích thì chỉ nhận được (ε + γ’) - γ’ – α. Hiếm trường hợp nhận được pha ξ
(Fe 2 N).
14
