(TIỂU LUẬN) báo cáo THỰC HÀNH môn học công nghệ xử lí bề mặt

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ – ĐIỆN



====

====

BÁO CÁO THỰC HÀNH
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Hữu Hưởng
Môn học

: Cơng nghệ xử lí bề mặt

Họ và tên – MSV

: Bùi Thành Long - 638554

Lớp

: K63CKCTM

Hà Nội – 2022


Buổi học

Chủ đề học

Cơng

nghệ
thấm nitơ
xung

1 Plasma

làm tăng
tính chịu
mài mịn
cho các
chi tiết
máy
+Các thơng số quan trọng của q trình phản ứng:
Điện áp, mật độ dòng ion: Điện áp cao (khoảng vài trăm vôn) là điều kiện
đểplasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng anốt và catốt.
Thời gian: Thời gian là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định tới
chất lượng sản phẩm sau khi thấm. Ở nhiệt độ nhất định, thời gian khuếch tán càng dài thì
chiều sâu lớp thấm càng tăng. Quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabol theo công thức:
δ=K

√

1


Trong đó: δ: chiều dày lớp khuếch tán.
τ : thời gian
K: hệ số
tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D
Nhiệt độ: Chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. Khi nhiệt độ càng cao,

sự chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh tốc độ khuếch tán càng nhanh.
Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ theo biểu thức (Hình 4): D = A.e-Q/RT
Trong đó:
D - Hệ số khuếch tán,
A - Hệ số phụ thuộc mạng tinh thể,
e - Cơ số logarit tự nhiên,
R - Hằng số khí,
Q - Năng lượng hoạt hố (năng lượng cần thiết để bứt nguyên tử ra khỏi vị trí của nó
trong bảng, T - Nhiệt độ thấm (Kenvin).

Thành phần hỗn hợp khí: Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính
chất của lớp trắng và lớp nitrit có thểđược điều chỉnh trong q trình thấm nitơ
- plasma.
-Thực tế:
+ Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ plasma một số mẫu thí nghiệm. Chọn thép
với các mác thép thơng dụng trong các chi
tiết máy: thép cacbon thường, gang xám,
40X. Mỗi loại vật liệu khác nhau có 5 mẫu
thí nghiệm. Mẫu có dạng hình trụ, đường
kính 10 -15 mm, chiều cao 12 – 15 mm.

+ Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma chi tiết máy. Tiến hành thí nghiệm

là các cặp bánh răng mác thép 20XΓT:
Thông số công nghệ:
STT

Điện á

1

Kết quả: độ cứng trung bình sau khi thấm đạt 661,67HV.

600

3. Kết quả và ứng dụng
-Kết quả: Sau khi khi nghiên cứu và thực hiện thành công trên một số mẫu thép và
trục răng bơm dầu, nhóm đề tài đã tiến nghiên cứu trên một số chi tiết máy khác
2


như: nắp van trong hệ thống bơm dầu thủy lực, khuôn đúc trong các máy công
nghiệp,... đều đạt kết quả tốt và ứng dụng trực tiếp tại các ngành công nghiệp
khai thác mỏ, khai khống và máy cơng trình (đào, xúc lật, ủi,...).
- Một số chi tiết được thực hiện tại phịng thí nghiệm CN hàn và xử lý bề mặt – Viện

Nghiên cứu Cơ khí.
+Chi tiết khn đúc

+Một số loại chi tiết trong hệ thống bơm thủy lực

3


2

Cơng
nghệ
thấm nitơ
thể khí

1. Đặt vấn đề
-Khn dập nóng khi làm việc phải chịu tải trọng, va đập, áp lực lớn và thường
xun chịu mài mịn do tiếp xúc với phơi ở nhiệt độ cao. Để đảm bảo khả năng
làm việc, khn địi hỏi phải có độ bền cao, duy trì độ cứng nhất định ở nhiệt độ
làm việc trong thời gian dài và bề mặt phải có khả năng chống mài mòn mạnh.
Tuy nhiên, do phải chịuáp lực lớn và va đập nên các loại thép chế tạo khn dập
nóng sau khi tôi thường được ram ở nhiệt độ khá cao 500-550oC hoặc cao hơn, vì
vậy mà độ cứng của khuôn saunguyên công này thường đạt từ 42-48 HRC. Với độ
cứng này, khn khơng thể chịu được mài mịn.
Do vậy, sau nhiệt luyện tôi và ram, các khuôn thường được thấm nitơ (N) thể khí để
tạo ra một lớp thấm có chiều dày nhất định với độ cứng cao, chịu mài mịn tốt,
khn khơng bị biến dạng do nhiệt độ thấm nhỏ hơn nhiệt độ ram. Hơn nữa, sau
một thờigian làm việc, các khn dập nóng đều phải đem thấm lại nhằm phục hồi
lớp thấm N để khn có thể làm việc tiếp theo.
-Trong cơng nghệ thấm nitơ thể khí, NH3 được sử dụng như một nguồn cung cấp nitơ
nguyên tử hoạt tính rất hiệu quả. Tuy nhiên, sự hình thành lớp thấm chỉ đạt được khi
những điều kiện nhiệt động học nhất định được thỏa mãn, đảm bảo mức độ tiếp nhận,
khuếch tán của nitơ vào bề mặt thép là đủ lớn, và khả năng cung cấp nitơ nguyên tử
hoạt tính từ mơi trường phải được duy trì ổn định ở mức độ nào đó. Do đó, để cải
thiện và nâng cao hiệu quả của q trình cơng nghệ, cần phải tiến hành các tính tốn
về nhiệt động học, làm cơ sở để xác lập chính xác và điều khiển mối quan hệ giữa thế
thấm nitơ với nồng độ nitơ được khuếch tán vào bề mặt thép, nói cách khác là cố
gắng đạt tới hệ số truyền chất cao nhất trong quá trình thấm.

2. Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí
- Thấm nitơ thể khí là phương pháp thấm thông dụng nhất. Chất thấm thường là
amoniac (NH3) được lưu thông liên tục trên bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ
ngun tử cho q trình thấm tạo mơi trường thấm.
4

- Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 450 6000C, NH3 sẽ phân hủy theo phản ứng:

2NH3 3H2 + 2[N]
+Trong đó [N] là Nitơ nguyên tử hoạt tính.
+Nitơ nguyên tử hoạt tính sinh ra sẽ khuếch tán vào trong bề mặt của thép
tạo nên lớp thấm. Quá trình được sơ đồ hóa.
+Tại lớp hấp phụ sẽ xẩy ra các phản ứng tái kết hợp: 2NH3 3H2 + [N]
(1.2) 2NH3 N2 + 2[H]
- Khi thấm nitơ, tùy thuộc vào hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán được vào bề

mặt thép mà lớp thấm có thể tồn tại các pha khác nhau dựa trên giản đồ pha Fe-N
sau đây. Trên giản đồ pha Fe-N, có thể thấy giới hạn hịa tan của nitơ nguyên tử
trong sắt phụ thuộc vào nhiệt độ. Tại vùng nhiệt độ thấm thường áp dụng, để điều
khiển được lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép, thế thấm nitơ (K n)
được sử dụng như một công cụ để điều khiển lượng nitơ khuếch tán vào mạng tinh
thể của sắt dựa trên giản đồ Lehrer.
- Giản đồ Lehrer cho thấy, ứng với mỗi nhiệt độ thấm nhất định, thế thấm nitơ thay
đổi sẽ quyết định tổ chức pha có thể nhận được trên sắt. Tính chất của lớp bề mặt
nhận được do đó cũng khác nhau và phụ thuộc vào sự xuất hiện các pha này trong
lớp thấm như mơ tả trên hình. Qua đó có thể thấy rằng, tùy thuộc vào mục đích ứng
dụng lớp bề mặt chi tiết trong từng điều kiện làm việc cụ thể (chịu mài mòn, chịu ma
sát, chịu ăn mòn…) mà sẽ có sự điều chỉnh thế thấm nitơ (K n) một cách thích hợp để
nhận được lớp thấm có cấu trúc và tính chất mong muốn.
- Việc sử dụng thế nitơ để điều khiển tổ chức lớp bề mặt tại nhiệt độ thấm xác
định đã được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới. Các kết quả
đều đã cho thấy việc tăng thế thấm (Kn) sẽ làm tăng nồng độ nitơ nguyên tử hấp
thụ và khuếch tán vào lớp bề mặt, do đó dẫn đến sự hình thành các tổ chức pha
khác nhau khi hàm lượng nitơ nguyên tử hòa tan đạt tới các giới hạn.

5


- Hiện nay vẫn tồn tại một bất cập khi dự đoán thành phần lớp thấm trên thép là dựa

vào mơ hình thấm nitơ cho sắt sạch như mơ tả trên hình. Với mơ hình này, các vùng
đơn pha chỉ tồn tại ở nơi lớp trắng liên tục được hình thành. Động học q trình
phát triển các lớp có thể được mô tả dưới dạng dịch chuyển bề mặt phân giới trên
hình sau:

- Trên thực tế, hình trên cho thấy cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí thường gặp bao

gồm cả những vùng đơn pha và đa pha. Căn cứ vào mục đích sử dụng, ta có thể cố
ý tạo ra lớp thấm đơn lớp hay đa lớp, đơn pha hay đa pha và ưu tiên phát triển pha
6


nào,.v.v… Nhìn chung, lớp thấm thường được chia thành 2 vùng. Vùng ngoài cùng
thường được biết đến với tên gọi là lớp trắng, vùng này có nồng độ nitơ rất cao và
cấu trúc pha nhận được là các nitơrit sắt. Trong thấm nitơ thể khí, khi lớp trắng
hình thành, thép sẽ có khả năng thụ động hóa, chống ăn mịn rất tốt, ngồi ra lớp
trắng cịn có cấu trúc rỗ xốp, với mật độ khá lớn, thích hợp cho các ứng dụng bôi
trơn chống ma sát.

3. Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm
-Ảnh hưởng của nhiệt độ: Một trong những ưu điểm nổi bật của thấm nitơ so với các
công nghệ khác là sử dụng nhiệt độ thấm thấp, qua đó bảo tồn được tính chất của
vật liệu nền, ngồi ra cịn giảm thiểu đáng kể các tác động bất lợi đến độ bền mỏi
của chi tiết.
Tuy nhiên, do cường độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo quy luật Arrhenius nên

khi thấm ở nhiệt độ thấp yêu cầu thời gian thấm phải kéo dài, đồng thời chiều sâu
lớp thấm đạt được hạn chế hơn so với các công nghệ khác.
4. Kết luận
- Với phương pháp xử lý này, vật liệu xử lý không cần thiết phải là thép chứa nhiều
ni tơ, đây là phương pháp có thể đối ứng với nhiều chủng loại thép từ thép các bon
thấp, thép hợp kim, thép đúc, thép nung (tuy nhiên, không đối ứng được với vật
liệu thép khơng gỉ).
- Ngồi ra, do được xử lý bằng nhiệt độ dưới mức nhiệt độ làm thay đổi hình dạng
sản phẩm, nên ít phát sinh lỗi biến dạng, cong vênh sản phẩm sau xử lý. Khi so
sánh với phương pháp xử lý Isonite (một dạng xử lý giống thấm Nitơ thể khí) thì
lớp chiều sâu thấm hình thành mật thiết hơn, ngoại quan sạch đẹp hơn.

7


1. Khái niệm phun phủ nhiệt và đặc điểm của lớp phủ nhiệt khi thực hiện
-Phun phủ nhiệt là một phương pháp công nghệ sử dụng để phục hồi và tái tạo các
lớp vật liệu kim loại/ phi kim loại bề mặt khác nhau của các chi tiết. Cơ chế của
phương pháp này là nung nóng một phần hay tồn bộ các vật liệu rắn ở dạng bột,
dây, thanh hay lõi thuốc bằng dòng vật chất năng lượng cao (dòng khí chất hoặc
dịng plasma). Vật liệu được phân tán thành các hạt dưới dạng sương mù nhỏ và
được tăng tốc để đẩy hạt đến bề mặt cần phủ đã được chuẩn bị sẵn.
-Tất cả các phương pháp phun nhiệt đều liên quan đến việc phóng thích các hạt vật
liệu đã được xử lí lên bề mặt chi tiết cần phủ đã được làm sạch và chuẩn bị để chúng
bám vào, tạo thành một lớp phủ liên tục. Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ
sẽ có cấu trúc dạng lớp. Trong đó, các phần tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên
nhau. Tại bề mặt tiếp xúc giữa các phần tử với chi tiết và bề mặt tiếp xúc của các
phần tử xảy ra các quá trình liên kết bền vững tạo nên cấu trúc lớp phủ.

3

Công
nghệ
phun phủ

-Phun phủ nhiệt cung cấp các lớp phủ có độ dày xấp xỉ từ 20 micromet đến vài
milimet tùy thuộc vào quy trình và ngun liệu. Và có thể được thi công ở nhiều độ
dày khác nhau, thường là 100 – 750 micron. Các bề mặt vật liệu phun phủ nhiệt có
thể kể đến như kim loại thép, hợp kim, gốm sứ, nhựa và vật liệu tổng hợp. Chất
lượng lớp phủ thường được đánh giá bằng cách đo độ xốp, hàm lượng oxit, độ cứng
vĩ mô và vi mô, độ bền liên kết và độ nhám bề mặt.
Quy trình này có thể được sử dụng để áp dụng các lớp phủ cho nhiều loại vật liệu và
thành phần khác nhau, nhằm cung cấp khả năng chống mài mòn, ăn mòn, xâm
thực…. Phun phủ nhiệt cũng được sử dụng để cung cấp độ dẫn điện hoặc cách điện,
bôi trơn, ma sát cao hoặc thấp, mài mịn hy sinh, kháng hóa chất và nhiều đặc tính
bề mặt mong muốn khác.
2. Phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt được áp dụng rộng rãi hiện nay

- Phương pháp phun ngọn lửa khí cháy (Flame Spray)
Phun phủ ngọn lửa khí cháy được xem là một phương pháp chính của phun phủ
nhiệt và được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau trong 100
năm qua. Trong phun lửa cũng được chia thành 2 loại phổ biến là phun dây và phun
bột. Quá trình phun ngọn lửa khí cháy sử dụng ngọn lửa oxy- acetylene. Nhiệt từ
ngọn lửa làm nóng chảy vật liệu phủ và khí nén đẩy chúng lên trên bề mặt vật liệu
cần phủ. Quy trình này cũng là một dạng khác của “quá trình lạnh – cold process”
do nhiệt độ hoạt động tương đối thấp suốt quá trình.
- Phương pháp phun hồ điện hồ quang (Arc Spray)
Phương pháp phun hồ quang điện được ứng dụng phổ biến do hiệu quả về chi phí và
tiết kiệm thời gian thi cơng. Với phương pháp này, hồ quang được hình thành do sự tiếp
xúc của hai dây kim loại trái dấu, thường có cùng thành phần. Điều này dẫn đến hiện

tượng nóng chảy ở đầu vật liệu làm dây. Khơng khí ngun tử hóa vật liệu phun nóng
chảy và tăng tốc lên bề mặt. Tốc độ phun được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh nguồn
cấp dây khi nó bị nóng chảy. Lớp phủ do phương pháp phun hồ quang cung cấp độ bền
liên kết cao, nhiệt độ bề mặt thấp và tỷ lệ bao phủ cao nên thích hợp cho các vùng vật
liệu phủ có kích thước lớn. Các ứng dụng phổ biến cho phương
8


pháp này có thể kể đến như chống mài mịn, chống ăn mòn, sửa chữa các thành phần
và chống sờn rách. Hệ thống này có tính cơ động cao nên rất thích hợp để ứng dụng
xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn hoặc chi tiết phức tạp.
- Phương pháp HVOF (Phun Oxy- nhiên liệu vận tốc cao)
HVOF (High velocity oxy fuel) là một quá trình phun phủ được áp dụng cho những
bề mặt vật liệu cần lớp phủ dày và độ bám dính cao với cơ chế đẩy bột vật liệu dưới
dạng bán nóng chảy ở vận tốc siêu âm lên bề mặt vật liệu cần phủ. Nhiên liệu
(hydro/ dầu hỏa) được trộn với oxy và đốt cháy trong buồng đốt, khí cháy được tăng
tốc trong buồng phun thơng qua vịi phun. Điều này tạo ra gia tốc lớn giúp tăng tốc
độ của các hạt trong hỗn hợp. Kết quả tạo nên một lớp phủ đặc biệt mỏng được phân
phối đồng đều trên bề mặt có độ liên kết cơ học cao với các thành phần trên bề mặt,
khả năng bám dính tốt.
- Phương pháp phun Plasma (Plasma Spray)
Quá trình phun phủ plasma bao gồm việc phun bột dưới dạng nóng chảy hoặc bán
nóng chảy lên trên bề mặt vật liệu để tạo một lớp phủ. Vật liệu phủ được bơm ở
dạng bột vào ngọn lửa plasma nhiệt độ cao, tại đây dưới tác nhân nhiệt và khí mang,
vật liệu này nhanh chóng được đẩy lên trên bề mặt thiết bị cần phủ. Các lớp phủ do
phun plasma có thể dày vài micromet đến vài milimet. Các lớp phủ được phun
plasma thường sử dụng nhiệt độ cao hơn và vận tốc thấp hơn (so với HVOF) cho
phép áp dụng cho nhiều bề mặt phủ khác nhau, kể cả gốm sứ.
3. Các ứng dụng phổ biến và đánh giá ưu – nhược điểm
- Ứng dụng của phun phủ nhiệt

+ Các lớp phủ phun nhiệt được sử dụng rộng rãi trong việc ngăn chặn sự ăn mòn của

nhiều loại vật liệu, đặc biệt là khả năng chống mài mòn cao. Các lớp phủ phun nhiệt
được sử dụng cho các bề mặt chi tiết hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như
trên biển, môi trường nhiều sương muối và độ ẩm cao… với tác dụng tăng cường
khả năng kháng mài mịn, ăn mịn do hóa chất hoặc mơi trường.
+ Phun nhiệt là một phương pháp công nghiệp được ứng dụng để phục hồi, cải tạo
và tái thiết kế bề mặt của các bộ phận kim loại. Đặc biệt là các bộ phận quay và
chuyển động của nhiều loại máy móc, bao gồm các phương tiện giao thơng đường
bộ và đường sắt, tàu thủy, máy bay, máy bơm, van, máy in, động cơ điện, máy làm
giấy, nhà máy hóa chất, máy thực phẩm, máy móc khai thác tài nguyên, máy xúc
đất, máy phát điện và sửa chữa tuabin hàng khơng vũ trụ.
+ Ngồi ra phun phủ nhiệt cịn được ứng dụng để gia tăng độ cứng, khả năng chịu
nhiệt của các thiết bị thường xuyên bị mài mòn như ống lò hơi, vách lò hơi của nhà
máy than điện, lị nung trong các nhà máy giấy, hóa chất. Sử dụng để phủ chống mài
mịn cho các trục vít, trục quay, và có thể phun lên vịi phun, cánh và vỏ tuabin hơi
để phục hồi chi tiết bị mài mòn.
- Ưu điểm của phương pháp phun phủ nhiệt

+Tạo lớp phủ phun nhiệt được sử dụng trong nhiều cơng trình với quy mô lớn
nhỏ khác nhau
+ Tuổi thọ lâu dài: Một số ứng dụng đã được đánh giá là có thời gian sử dụng hơn
9


50 năm.
+ Chi phí vịng đời cao hơn: phương pháp giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm
bảo trì tạm thời hiệu quả.
+ Tính cơ động cao và dễ dàng điều khiển tự động nên rất phù hợp cho việc xử lý
tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn hoặc các chi tiết phức tạp.

+ Dễ dàng thi công trong điều kiện thời tiết lạnh: Không giống như hầu hết các hệ
thống sơn phủ, phun phủ nhiệt bề mặt kim loại có thể được áp dụng ở bất kỳ nhiệt
độ nào.
+ Độ dày lớp phủ được kiểm soát dễ dàng: Kết hợp lựa chọn lớp phủ tối ưu với ứng
dụng kỹ thuật hiện đại, độ dày lớp phủ có thể được kiểm sốt chính xác để đảm bảo
đạt được độ lắng tối ưu.
+ Áp dụng với cả bề mặt có hình dạng phức tạp: Ngay cả các thành phần có bề mặt
hình dạng phức tạp cũng có thể được phủ một cách hiệu quả bằng cách sử dụng ứng
dụng thao tác rô bốt của lớp phủ phun nhiệt.
-Nhược điểm của phương pháp phun phủ nhiệt
Bên cạnh những ưu điểm trên, phương pháp phun phủ nhiệt vẫn còn một số
nhược điểm cần khắc phục:
+ Chi phí ban đầu cao hơn do yêu cầu về kỹ thuật và công nghệ
+ Yêu cầu mức độ chuẩn bị bề mặt cao hơn và yêu cầu loại bỏ các khuyết tật bề
mặt khác để đạt được hiệu quả tốt.
+ Địi hỏi trình độ tay nghề cơng nhân kỹ thuật cao và có kinh nghiệm, điều
kiện làm việc nặng nhọc, độc hại.
+ Tổn thất vật liệu phun nhiều

10