Nghiên cứu công nghệ thấm chân không, ứng dụng để thấm một số chi tiết máy chất lượng cao

VIỆN CÔNG NGHỆ







BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THẤM C CHÂN KHÔNG,
ỨNG DỤNG ĐỂ THẤM MỘT SỐ CHI TIẾT MÁY
CHẤT LƯỢNG CAO


CNĐT: HOÀNG VĨNH GIANG












8321

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM C 3
1.1. Sơ lược về công nghệ thấm C 3
1.2. Thấm C chân không - LPC 9
1.2.1. Giới thiệu về công nghệ thấm C chân không 9
1.2.2. Các thông số cơ bản của quá trình thấm C chân không Error!
Bookmark not defined.
1.2.3. Quy trình công nghệ thấm C chân không Error! Bookmark not
defined.
1.2.4. Thấm C chân không sử dụng khí thấm Acetylen Error! Bookmark
not defined.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGH
Ệ THẤM C CHÂN KHÔNG
TRÊN THIẾT BỊ Turbo
2
-Treater M Error! Bookmark not defined.
2.1. Giới thiệu chương trình AvaC Simulation Error! Bookmark not
defined.
2.2. Mô phỏng quá trình thấm trên phần mềm AvaC Simulation Error!
Bookmark not defined.
2.2.1. Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 910
o
C
Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 950

o
C
Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 990
o
C
Error! Bookmark not defined.
2.2.4. Kết luận phần mô phỏng quá trình thấm C chân không Error!
Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM THẤM C CHÂN KHÔNG 29
3.1. Chuẩn bị mẫu và phương pháp kiểm tra 29
3.1.1. Kiểm tra thành phần hóa học Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Xác định sự phân bố %C theo chiều sâu lớp thấm Error!
Bookmark not defined.
3.1.3. Đo độ cứng HV bề mặt và theo chiều sâu lớp thấm Error!
Bookmark not defined.
3.1.4. Xác định chiều sâu lớ
p thấm Error! Bookmark not defined.
3.2. Thiết bị và công nghệ thấm C chân không Error! Bookmark not
defined.
3.2.1. Thiết bị thấm C chân không Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Lập trình chương trình thấm C chân không Error! Bookmark not
defined.
3.2.3. Tiến hành thấm Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết quả khảo sát kết quả phân bố %C . Error! Bookmark not defined.

3.3.1. Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm : 910
o
C và %C bề mặt = 0,9%
Error! Bookmark not defined.

3.3.2. Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm 910
o
C và %C bề mặt = 1% .Error!
Bookmark not defined.
3.3.3. Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm : 950
o
C và %C bề mặt = 0,9%
Error! Bookmark not defined.
3.3.4. Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm : 950
o
C và %C bề mặt = 1%.Error!
Bookmark not defined.
3.3.5. Kết luận về kết quả phân bố %C Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG THẤM VÀ TÔI SẢN PHẨM Error!
Bookmark not defined.
4.1. Chế tạo đồ gá Error! Bookmark not defined.
4.2. Quy trình công nghệ 39
4.3. Kết quả thấm và tôi sản phẩm Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.



DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các loại khí thông dụng khi thấm C Error! Bookmark not
defined.
Bảng 1.2: Khả năng thô hạt phụ thuộc nhiệt độ và thời gian thấm Error!
Bookmark not defined.
Bảng 1.3: Sự phân hủy khí thấm ở 900

o
C < T < 1000 và p < 30mbar 11
Bảng 2.1: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ 910
o
C với Cp khác nhau Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.2: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ 950
o
Cvới Cp khác nhau Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.3: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ 990
o
C với Cp khác nhau Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.4: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ khác nhau, Cp = 0,8% Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.5: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ khác nhau, Cp = 0,9% Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.6: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ khác nhau, Cp = 1,0% Error!
Bookmark not defined.

Bảng 3.1: Thành phần mẫu thép thấm [%] Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.2: Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error!
Bookmark not defined.
Bảng 3.3. Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error!
Bookmark not defined.
Bảng 3.4: Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error!
Bookmark not defined.
Bảng 3.5: Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error!
Bookmark not defined.

B
ảng 4.1: Kiểm tra sản phẩm sau tôi Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.2: Kết quả sản phẩm sau tôi Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.3: Kết quả sản phẩm sau tôi Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.4: Kết quả sản phẩm sau
tôi Error! Bookmark not defined.














DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình quá trình thấm C Error! Bookmark not defined.

Hình 1.2: Quy trình thấm C thể khí Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3: Chu trình thấm C chân không điển hình Error! Bookmark not
defined.

Hình 2.1: Các thông số để mô phỏng quá trình thấm Error! Bookmark not
defined.

Hình 2.2: Các bước của quá trình thấm Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1: Mẫu thử thấm và tôi cùng sản phẩmError! Bookmark not defined.
Hình 3.2: Lò chân không đơn buồng Turbo
2
-Treater MError! Bookmark not
defined.

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng thấm 910
o
C, %Cp = 0,9%, chiều sâu 1,0mm.
Error! Bookmark not defined.

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng thấm 910
o
C, %Cp = 0,9%, chiều sâu 1,01mm.
Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng thấm 950
o
C, %Cp = 0,9%, chiều sâu 0,73mm.
Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng thấm 950
o
C, %Cp = 1,0%, chiều sâu 0,8mm.
Error! Bookmark not defined.

Hình 3.7: Một chu trình thấm điển hình Error! Bookmark not defined.
Hình 3.8: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error!
Bookmark not defined.

Hình 3.9: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error!
Bookmark not defined.

Hình 3.10: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error!
Bookmark not defined.

Hình 3.11: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error!
Bookmark not defined.

Hình 4.1 Đồ gá nhiệt luyện Error! Bookmark not defined.
Hình 4.2 Sơ đồ công nghệ thấm và tôi bánh răng, bạc Error! Bookmark not
defined.

Hình 4.3 Quá trình thấm mẻ 1: thấm 950
o
C /68phút Error! Bookmark not
defined.

Hình 4.4: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not
defined.

Hình 4.5 Quá trình thấm mẻ 2: thấm 950
o
C /68phút Error! Bookmark not
defined.

Hình 4.6: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not
defined.

Hình 4.7 Quá trình thấm mẻ 3: Thấm 950
o
C /68phút, tôi 810
o
C /10barError!
Bookmark not defined.


Hình 4.8: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not
defined.

Hình 4.9 Quá trình thấm mẻ 4: Thấm 950
o
C /89phút Error! Bookmark not
defined.

Hình 4.10: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp
thấm Error! Bookmark not defined.

1
TÓM TẮT NHIỆM VỤ

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu sử dụng phần mềm thấm C chân
không AvaC để thấm C cho một số sản phẩm cơ khí (bánh răng, trục răng)
trên lò chân không đơn buồng Turbo
2
– Treater M tại Viện Công nghệ.

Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ thấm C nói chung và một
số đặc thù của công nghệ thấm C chân không nói riêng. Đề tài đã nghiên cứu
mô phỏng quá trình thấm C chân không bằng phần mềm AvaC và xây dựng
được quy trình công nghệ thấm C chân không trên thiết bị Turbo
2
– Treater
M, xây dựng được mối liên quan giữa chiều sâu lớp thấm và nồng độ %C bề
mặt với nhiệt độ và thời gian thấm.
Đã tiến hành thấm mẫu và một số sản phẩm là bánh răng, trục răng, bạc
xích tải. Kết quả kiểm tra sau thấm cho thấy sự tương thích giữa kết quả mô
phỏng và kết quả thực tế. Tuy nhiên, để kết quả thực t
ế sát với kết quả mô
phỏng, người nhiệt luyện cần xác định chính xác khối lượng sản phẩm thấm
để tính toán thời gian nâng nhiệt hợp lý. Các sản phẩm này sau khi tôi đã đạt
độ cứng và chiều sâu lớp thấm như mong muốn.

2
Thấm C là đưa C vào bề mặt chi tiết (chủ yếu chế tạo từ thép có hàm
lượng C thấp) để khi tôi bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt trong khi
vẫn giữ được độ dẻo dai của lõi. Nếu đồng thời đưa cả C và N vào thì ta có
công nghệ thấm C-N. Đây là công nghệ được sử dụng phổ biến để thấm các
chi tiết chế tạo từ thép C thấp. Có nhiều ph
ương pháp thấm, hiện nay công
nghệ thấm C, C-N thể khí đang được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả hơn cả.
Thấm C trong môi trường áp suất thấp (thấm C áp suất thấp – LPC) hay còn
gọi là thấm C chân không là một công nghệ tiên tiến trong các công nghệ
thấm C. Công nghệ này với ưu điểm sản xuất sạch và tiết kiệm năng lượng,
đang được một số nước tiên tiến sử dụ
ng.
Với yêu cầu khắt khe về môi trường và tiết kiệm năng lượng, thấm C
chân không đang ngày càng được quan tâm phát triển. Theo số liệu ở một vài
nguồn khác nhau [1, 2], tại thời điểm năm 2000, thị phần của thấm C chân
không chiếm khoảng 1-3% và hiện nay con số đó khoảng 10-15%. Thị phần
thấm C chân không tăng chủ yếu do đầu tư mới hoặc thay thế các công nghệ
thấm C lạc h
ậu khác (thấm C thể rắn, thể lỏng). Nói như vậy để hiểu rằng,
muốn thay thế công nghệ thấm C thể khí, công nghệ thấm C chân không cần
được nghiên cứu phát triển hơn nữa. Tuy nhiên, theo nhận định của một số
chuyên gia [3], trong 10 năm tới vì những nguyên nhân như giá năng lượng,
vật tư, bảo vệ môi trường, thấm chân không có thể đạt thị phần 30-40%.
Mặc dù có những dự báo khả

quan cho công nghệ thâm C chân không,
nhưng có thể nhận thấy, thấm C thể khí và thấm C chân không là hai công
nghệ cạnh tranh nhau và đáng tiếc là nó không hỗ trợ cho nhau. Đây là điều
không thuận lợi cho sự thâm nhập của công nghệ thấm C chân không.
Ở Việt Nam, công nghệ thấm C chân không có thể nói là hoàn toàn mới
mẻ. Các cơ sở nhiệt luyện hiện nay sử dụng chủ yếu là công nghệ thấm C thể
khí, thấm C-N thể khí. Đây là 2 công nghệ thông dụ
ng bởi tính hiệu quả và
chi phí đầu tư ban đầu thấp. Ở thời điểm hiện tại, chưa thấy một cơ sở sản
xuất hay nghiên cứu nào công bố về việc sử dụng công nghệ thấm C chân
không. Tuy nhiên với yêu cầu về bảo vệ môi trường, tiết kiệm năng lượng,
yêu cầu về sản xuất sạch, trong thời gian tới công nghệ nhiệt luyện chân
không (trong đó có thấm C chân không) sẽ có cơ hội phát triển.
Hiện nay, Viện Công nghệ được trang bị 01 thiết bị nhiệt luyện chân
không hiện đại cho phép thấm C chân không. Viện là đơn vị đầu ngành trong
lĩnh vực nhiệt luyện, vì thế giới thiệu và đưa vào ứng dụng các công nghệ
nhiệt luyện tiên tiến là một trong những nhiệm vụ của Viện.

3
Mục đích của đề tài này là bước đầu giới thiệu về công nghệ thấm C
chân không được thực hiện trên thiết bị hiện có của Viện, ứng dụng công
nghệ này để thấm một số chi tiết máy.
Nội dung bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ thấm C, giới thiệu sơ lược về công nghệ
thấm C, thấm C chân không
Chương 2: Nghiên cứu công nghệ thấm C chân không b
ằng phần mềm mô
phỏng quá trình thấm AvaC do hãng IPSEN cung cấp cùng thiết bị.
Chương 3: Thực nghiệm thấm C chân không trên thiết bị hiện có để nghiên
cứu sự phân bố %C trong lớp thấm

Chương 4: Ứng dụng thấm C chân không và tôi một số sản phẩm để kiểm tra
một số tính chất (độ cứng bề mặt, chiều sâu lớp thấm).

4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM C
1.1. Sơ lược về công nghệ thấm C
Thấm C được tiến hành theo nhiều phương pháp: thấm thể rắn, thể
lỏng, thể khí và gần đây là thấm C áp suất thấp (LPC). Trong đó công nghệ
thấm thể khí và thấm áp suất thấp là các công nghệ hiện được sử dụng rộng
rãi. Thực chất công nghệ thấm C chân không là thấm C thể khí với áp suấ
t
thấp vài mbar. Đây là công nghệ có chất lượng thấm tốt, dễ cơ khí hoá và tự
động hoá, ít gây ô nhiễm môi trường và dễ dàng thay đổi các thông số công
nghệ.
1.1.1. Nguyên lý của quá trình thấm
Quá trình thấm C (hay nói cách khác là quá trình C thâm nhập vào
thép) là một quá trình phức tạp. Tuy nhiên, dù được thực hiện trong các điều
kiện khác nhau (thể rắn, thể lỏng, thể khí hay dưới áp suất thấp), thì quá trình
này vẫn có thể tách thành 3 giai đoạn đó là:
1- giai đoạ
n C ngoài môi trường thấm thâm nhập lên bề mặt vật thấm
2- giai đoạn các phản ứng sinh ra trên bề mặt và
3- giai đoạn C khuếch tán vào bên trong
Mô hình quá trình thấm C (thâm nhập C) vào thép có thể được mô tả như
trên hình [4].

Hình 1.1: Mô hình quá trình thấm C
Như vậy để kiểm soát và khống chế quá trình thấm chúng ta phải kiểm
soát cả 3 giai đoạn trên. Kết quả của bất kỳ một giai đoạn nào cũng ảnh
hưởng đến quá trình thấm. Tuy nhiên, trong quá trình thấm giai đoạn 1 là

quan trọng nhất, nó là khởi nguồn cho các giai đoạn sau.
Nguồn C nguyên tử được sinh ra từ hỗn hợp thấm C gồm:
Chất thấm: CO hoặc C
n
H
2n+2

Chất độn: CO
2
, N
2
, H
2


5
Có tất nhiều phản ứng xảy ra lên tục trong môi trường khí thấm (theo
[4] có khoảng 180 phản ứng). Tuy nhiên 3 phản ứng quan trọng nhất sinh ra
các bon nguyên tử C
nt
quyết định đến tốc độ vận chuyển C trong môi trường
thấm lên bề mặt thép là:
2CO = CO
2
+ <C
nt
> (1)
C
n
H

2n+2
= (n+1)H
2
+ n<C
nt
> (2)
và khi có mặt hydro:
CO + H
2
= H
2
O + <C
nt
> (3)
Trường hợp <C
nt
> tạo thành từ phản ứng (1) và coi nó có hoạt độ bằng
với hoạt độ của cacbon trên lớp bề mặt ta có:
<a
C
> = (a
C
).e
-∆Go/RT
.
Trong đó: <a
C
>, (a
C
) lần lượt là hoạt độ của cacbon trên lớp thấm và trong

môi trường thấm.
∆G
0
là năng lượng tự do của phản ứng ở nhiệt độ T dưới áp suất tiêu
chuẩn.
Với
(a
C
) = P
2
CO
/P
CO2
trong đó P
2
CO
, P
CO2
lần lượt là áp suất riêng phần của CO và của CO
2
trong
môi trường thấm. Vì phụ thuộc vào P
CO
và P
CO2
nên hoạt độ của cacbon trong
môi trường thấm (a
C
) tuân theo cân bằng BOUDOUARD. Các bon được hình
thành trên bề mặt thép khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm

Sự chênh lệch nồng độ cùng với nhiệt độ thúc đẩy quá trình khuếch tán
C từ bề mặt vào trong tạo thành lớp thấm theo định luật Fick:
dm/dt = - D × dc/dx
Trong đó m là khối lượng các bon khuếch tán vào trong thép [kg, mol],
c là nồng độ các bon [%khối lượng],
t là thời gian [s],
x chiều sâu khuếch tán [cm, m],
D là hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ T
Ở điều ki
ện cân bằng ta có:
dm/dt = K’ × (c
g
–c
s
) = - D× dc/dx
K’là hệ số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần
khí thấm
c
g
,

là nồng độ các bon ở môi trường khí thấm
c
s

là nồng độ các bon ở bề mặt tiếp xúc với môi trường khí thấm.


6
1.1.2. Các thông số công nghệ thấm

Từ các phương trình trên có thể thấy quá trình thấm phải được kiểm
soát bởi các thông số sau:
1. Nhiệt độ thấm
2. Thời gian thấm
3. Thành phần môi trường thấm
Kiểm soát và điều chỉnh 3 thông số này là yếu tố quyết định đến chất
lượng và hiệu quả kinh tế của quá trình thấm. Thành phần môi trường thấm
đóng vai trò quyế
t định, hai thông số còn lại chủ yếu quyết định đến chiều sâu
lớp thấm.
Nhiệt độ thấm
Nhiệt độ càng cao tốc độ thấm càng nhanh, tính chất vật liệu ảnh hưởng
đến sự lựa chọn nhiệt độ thấm.
Tốc độ thấm C bị giới hạn bởi khả năng hoà tan của C vào austenit.
Thông thường với thép các bon và thép hợp kim thấp, thấm C được th
ực hiện
trong khoảng nhiệt độ 900 – 950
o
C. Nhiệt độ càng cao, tốc độ thấm C càng
tăng, ví dụ tốc độ khuyếch tán của C vào austenit ở nhiệt độ 925
o
C cao gấp
40 lần so với ở nhiệt độ 825
o
C [5].
Thời gian thấm
Thời gian và nhiệt độ thấm có ảnh hưởng rất lớn đến chiều sâu lớp
thấm, về nguyên tắc, chiều sâu lớp thấm tỷ lệ thuận với thời gian và nhiệt độ.
Khi thấm với nhiệt độ cao, người ta thường chọn thời gian thấm ngắn. Khi
chọn công nghệ thấm C nên lưu ý một nguyên tắc rằng khi yêu cầu lớp thấm

dày nên chọn th
ấm C nhiệt độ cao, để thời gian không phải kéo dài nhiều. Tuy
nhiên trong mọi trường hợp không nên yêu cầu lớp thấm > 2mm, bởi vì sẽ
mất rất nhiều thời gian và ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật liệu nền.
Thành phần môi trường thấm
Thành phần môi trường thấm đóng vai trò quyết định đến hiệu quả của
quá trình thấm. Chúng ta cần kiểm soát thành phần môi trường thấm để làm
sao bề mặt hoà tan được nhiều C nhất đồng thời không được sinh muội.
Về cơ bản, có 4 phương pháp chính để tạo ra môi trường thấm:
(1)Nhỏ giọt chất thấm lỏng vào lò thấm, chất lỏng này sau khi vào lò sẽ
hoá hơi vào tạo thành môi trường thấm thể khí. Trong trường hợp này, thế C
(nồng độ %C) trong môi trường thấm được điều chỉnh bằng tốc độ nhỏ giọt.
(2) Cấ
p chất thấm từ một thiết bị chế tạo chất thấm. Chất thấm này
được chế tạo bằng cách đốt khí thấm (thường thì propan) với một tỷ lệ không
khí nhất định để tạo nên chất thấm có hàm lượng %C khoảng 0,35 - 0,45% C.

7
Trước khi vào lò chất thấm này được làm giàu thêm C bằng cách cho thêm
khí propan để nhận được loại khí có nồng độ %C khoảng 0,8 - 0,9% C.
(3) Cấp trực tiếp khí thấm và không khí vào lò, lúc này phản ứng cháy
sẽ sảy ra trong lò và tạo thành khí thấm, tỷ lệ giữa khí đốt và không khí phải
xác định để làm sao tạo ra khí thấm tốt nhất.
(4) Chỉ cấp khí thấm vào lò đã được hút hết khí, trong trường hợp này
do không có không khí nên không có quá trình oxy hoá xảy ra, quá trình thấm
có thể tiến hành
ở nhiệt độ cao hơn và vì thế sẽ xảy ra nhanh hơn.
Nhiều loại khí khác nhau có thể được sử dụng cho quá trình thấm C
như khí nhiệt phân dầu hỏa, benzen hoặc benzen nhiệt phân, đưa trực tiếp
cacbua hyđrô lỏng, khí lò ga, khí thiên nhiên, khí thắp sáng. Hỗn hợp khí

được tạo thành từ phân huỷ nhiệt dầu hoả có thành phần: (10-20)% CO + (50-
75)% H
2
+ (1-10)% C
n
H
2n+2
+ 1% CO
2
. Khí đốt có thành phần 100% C
n
H
2n+2
.
Thông thường người ta sử dụng chủ yếu là khí mêtan (CH
4
), Propane
(C
3
H
8
) hoặc Butan (C
4
H
10
) để chế tạo khí thấm. Khí thấm có thể được chế tạo
bằng phản ứng của các loại khí đốt trên với không khí trên một thiết bị riêng
trước khi đưa vào lò thấm (quá trình Endothermic để tạo ra khí thấm Endo).
Trong các loại khí vừa nêu, methane CH
4

, propane C
3
H
8
, butane C
4
H
10

và gần đây là khí acetylene C
2
H
2
(cho công nghệ thấm C chân không) được sử
dụng nhiều nhất.
Hỗn hợp khí thấm C nhờ pha trộn các loại khí công nghiệp sửe dụng
thấm C thể khí có thành phần như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các loại khí thông dụng khi thấm C thể khí [6]
Thành phần (% thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn) Tên khí
CO C
n
H
2n+2
CO
2
N
2
H
2
Khí khác

Khí đốt - 100 - - - -
CGA 17,6 3,8 11,8 - 46,9 18,9 Ar
Endogas 23 - 0,4 45,7 30 0,9 H
2
O
Exogas 20,5 - 4,5 45 30 -
1.1.3. Quy trình công nghệ thấm C
Dù được thực hiện trên thiết bị nào, chất thấm sử dụng có thể khác
nhau, vật liệu thấm khác nhau và yêu cầu về lớp thấm cũng khác nhau, nhưng
quy trình công nghệ thấm của tất cả các sản phẩm đều dựa trên cơ sở quy
trình công nghệ thấm tổng quát như trên hình 1.2.
Quy trình công nghệ tổng quát thể hiện 3 quá trình (1) nung nóng đến
nhiệt độ thấm, (2) giữ nhiệt để th
ấm, (3) hạ nhiệt.

8
t4
t
t«i
t7
t5t3
Thêi gian (giê)
Q2
Q3 Q4
Q6
Q8
t
th
T
t2

Q1
thÊm
T
1
T
T
2
3
Q= 0
Q5
Q7
M«i tr−êng nguéi
T
Thấm
: Nhiệt độ thấm (
o
C) t
th
: thời gian thấm (h)

T
1
: Nhiệt độ giữ khi nâng nhiệt (
o
C) t
3
: thời gian thấm giai đoạn bảo vệ
T
2
: Nhiệt độ giữ khi hạ nhiệt (

o
C) t
4
: thời gian thấm giai đoạn bão hoà
T
3
: Nhiệt độ tôi (
o
C) t
5
: thời gian thấm giai đoạn khuếch tán
Q: lượng chất thấm cung cấp t
7
: thời gian giữ ở nhiệt độ T
2

t
2
: thời gian giữ nhiệt ở T
1
t
tôi
: thời gian giữ ở nhiệt độ tôi T
3


Hình 1.2: Quy trình thấm C thể khí
Nung nóng là quá trình nung lò và chi tiết đến nhiệt độ thấm, tùy theo
đặc điểm của từng loại chi tiết mà ta có thể nung trực tiếp đến nhiệt độ làm
việc hoặc phải qua giai đoạn giữ nhiệt trước khi đạt nhiệt độ làm việc. Đối với

chi tiết phức tạp hoặc chi tiết có chiều dày lớn cần phải đồng đều nhiệt, cần
phải giữ tại nhiệ
t độ T
1
thời gian giữ nhiệt là t2. Nhiệt độ này chọn khoảng
800
o
C, ở nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp chất thấm để bảo vệ tránh quá
trình oxy hoá. Cần cung cấp một lượng chất thấm đủ để bảo vệ bề mặt mà
không tạo ra muội bám dày trên bề mặt chi tiết lượng chất thấm để bảo vệ là
Q2.
Tuỳ thuộc vào dung tích lò vào thể tích chiếm chỗ của chi tiết mà ta
chọn Q2 và t1 cho hợp lý. Tiếp đến chi tiết đượ
c nung tự do đến nhiệt độ
thấm T
Thấm
. Trong suốt quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ thấm, luôn duy trì
lượng chất thấm là Q2.

9
Tổng thời gian nung chi tiết lên đến nhiệt độ thấm tuỳ thuộc vào công
suất lò, chiều dầy chi tiết và mức độ phức tạp của chi tiết tùy theo yêu cầu
công nghệ.
Quá trình giữ nhiệt bắt đầu khi chi tiết đạt nhiệt độ thấm T
Thấm
đây
chính là quá trình thấm. Quá trình thấm này được chia thành 3 giai đoạn là
bảo vệ, bão hòa và khuếch tán. Tương ứng với mỗi giai đoạn ta có thời gian là
t3, t4, t5 và lượng chất thấm Q3, Q4, Q5.
Giai đoạn bảo vệ, ở nhiệt độ thấm T

Thấm
khá cao, quá trình oxy hoá xảy
ra mạnh, tốc độ cung cấp chất thấm phải đủ để bảo vệ bề mặt mà không tạo ra
muội bám lên trên bề mặt chi tiết ngăn cản quá trình tiếp xúc chất thấm với bề
mặt chi tiết.
Giai đoạn bão hoà là giai đoạn cung cấp chủ yếu lượng cácbon vào trong
lớp thấm. Trong thời gian này quá trình khuếch tán đồng thời xẩy ra và như
thế giai đoạn này quy
ết định hiệu quả của quá trình thấm (chiều sâu lớp thấm,
nồng độ %C bề mặt). Trong thời gian này cần phải cung cấp chất thấm Q4 đủ
để tạo thành lớp thấm C trên bề mặt chi tiết, thuận lợi cho quá trình khuếch
tán vào sâu (Gradient hàm lượng càng lớn, thì tốc độ khuếch tán càng nhanh),
tuy nhiên cũng không được quá nhiều dễ tạo muội ngăn cản quá trình hình
thành lớp thấm bão hoà.
Giai đoạn khuếch tán nh
ằm khuếch tán C bề mặt vào sâu phía trong tạo
chiều sâu lớp thấm và giảm sự quá tập trung C trên bề mặt. Trong thời gian
này, để giữ cân bằng hàm lượng C, người ta vẫn đưa chất thấm Q5 vào lò
nhưng với tốc độ nhỏ hơn Q4 để giảm sự bão hoà ở bề mặt đồng thời không
xảy ra hiện tượng thoát C. Thời gian khuếch tán không được quá dài (so với
thời gian thấm) để không làm nghèo cacbon trên bề m
ặt.
Kết thúc quá trình giữ nhiệt là quá trình hạ nhiệt, chi tiết thấm có thể
được thường hóa (nguội tự do ngoài không khí), hoặc tôi trong dầu, nước
hoặc hạ nhiệt cùng lò đến một nhiệt độ T
2
nhất định rồi làm nguội nhanh (khí
nén, dầu, nước).
Trong quá trình hạ nhiệt và giữ nhiệt để tôi, nhằm mục đích bảo vệ bề
mặt, tránh thoát C và làm sạch bề mặt, một lượng khí thấm Q8 sẽ được cấp.

Qua nhiều giai đoạn với nhiệt độ, thời gian khác nhau, thành phần và
lượng chất thấm cung cấp cũng khác nhau. Trong từng giai đoạn, lượng chất
thấm cấp vào lò ph
ải đảm bảo đủ để tạo môi trường thấm hợp lý (giai đoạn
bão hoà cần nhiều C, giai đoạn bảo vệ và khuếch tán vừa đủ để không thoát
C), không được tạo muội như thế vừa tiết kiệm vừa đảm bảo quá trình thấm
hiệu quả.

10
1.2. Thấm C chân không - LPC
1.2.1. Giới thiệu về công nghệ thấm C chân không
Nguyên lý thấm C áp suất thấp hoàn toàn giống thấm C thể khí, sự
khác biệt duy nhất là quá trình thấm được thực hiện trong môi trường áp suất
thấp chỉ vài mbar. Vì được thực hiện trong môi trường chân không, không có
oxy, các phản ứng phụ xảy ra ít hơn, bề mặt lại sạch nên giai đoạn 1 và 2 (mô
tả ở phần 1.1.1.) xảy ra dễ dàng hơn, thúc đẩy quá trình thấm nhanh h
ơn.
Theo [7], lý do để thấm C chân không hấp dẫn các nhà sản suất bởi quá
trình này có những đặc điểm chính sau đây:
1) Có thể thấm ở nhiệt độ cao do đó giảm được thời gian thấm
2) Tránh được sự oxy hóa trên biên giới hạt
3) Kiểm soát chiều sâu lớp thấm dễ dàng
4) Dễ dàng thấm những chi tiết có hình dáng phức tạp như lỗ kín
5) Thân thiện môi trường
Khi lần đầu tiên thấm C chân không được đưa vào sử dụng ở Mỹ trong
những năm 70, ý tưởng cơ bản là bảo vệ môi trường khi chỉ sử dụng propan
như là khí thấm thay cho khí cabondioxit. Với công nghệ này, áp suất thường
là vài trăm mbar với mục đích là lưu thông khí thấm bằng quạt. Hạn chế của
quá trình này là khả năng kiểm soát C đồng đều về chiều sâu lớp thấm và hiện
tượ

ng tạo muội [8,9]. Vào những năm 80, những nhà chế tạo ôtô Pháp với ý
tưởng sử dụng áp suất thấp hơn để hạn chế muội. Trong những năm 90, người
ta bắt đầu sử dụng acetylen để thay thể propan.
Trong quá trình thấm chân không chỉ có khí thấm hydrocacbon như
methan CH
4
, propan C
3
H
8
, ethylen C
2
H
4
hay acetylene C
2
H
2
. được đưa trực
tiếp vào lò mà không có bất kỳ một loại khí oxy hóa nào có mặt. Nguồn cung
cấp C cho quá trình thấm là trực tiếp từ C nguyên tử sinh ra khi các khí thấm
này ở nhiệt độ thấm phân hủy thành C nguyên tử và H
2
. Ngoài ra, H
2
có tác
dụng hoàn nguyên các oxid trên bề mặt thấm giúp cho C thâm nhập vào bề
mặt dễ dàng hơn.
Trong công nghệ thấm C thể khí thông thường, quá trình thấm C được
thực hiện dưới điều kiện cân bằng động học và hoạt tính C được đo bằng các

sensor như sensor thế các bon (carbon potential). Ngược lại, khi thấm C chân
không, quá trình thấm C được thực hiện trong điều kiện không cân bằng và
không có O
2
nên không kiểm soát quá trình thấm bằng thế các bon [8].
Thông số quan trọng trong trường hợp này là mật độ dòng khối lượng
C (carbon mass flow density - m
c
). Mật độ này được định nghĩa là lượng C
thâm nhập vào vật liệu thấm trên một đơn vị diện tích và thời gian (g/m
2
.h).

11
So với thấm C thể khí, công nghệ thấm C chân không có mật độ dòng
khối lượng C cao ngay khi bắt đầu quá trình thấm. Thông thường ở mật độ
dòng khối lượng C m
c
trung bình ở nhiệt độ thấm 950
o
C là khoảng 95 g/m
2
.h
[10]. Để rút ngắn thời gian thấm, người ta có thể tăng mật độ dòng truyền chất
này lên 100-200 g/m
2
.h, thậm chí ở những giai đoạn đầu của quá trình thấm
có thể tăng m
c
lên đến 250 g/m

2
.h [11]. Khi mật độ dòng khối lượng lớn sẽ
tạo ra được gradient nồng độ cao, do đố tốc độ khuếch tán sẽ nhanh hơn. Tuy
nhiên, lợi thế này chỉ phát huy tác dụng ban đầu ngay trên bề mặt thấm và
như thế nó chỉ có tác dụng khi mà chiều sâu lớp thấm nhỏ. Khi chiều sâu lớp
thấm lớn, sự hình thành lớp thấm phụ thuộc nhiều vào quá trình khuếch tán
thì lợi thế này không đáng kể. Trong trườ
ng hợp này, tăng nhiệt độ thấm là lợi
thế của công nghệ thấm C chân không (sẽ trình bày ở phần tiếp theo).
1.2.2. Các thông số cơ bản của quá trình thấm C chân không
Các thông số của quá trình thấm bao gồm tốc độ dòng khí thấm (lưu
lượng khí thấm), nhiệt độ thấm, áp suất khí, và thời gian thấm (thời gian giai
đoạn thấm và thời gian giai đoạn khuếch tán)
Nhiệt độ thấm
Đây là quá trình khuế
ch tán vì thế nhiệt độ càng cao thì quá trình
khuếch tán càng nhanh. Chọn nhiệt độ thấm phụ thuộc nhiều vào thiết bị thấm
và vật liệu thấm. Với thấm C chân không, vì không có oxy trong môi trường
thấm nên người ta chọn nhiệt độ thấm cao hơn thấm C thể khí. Nhiệt độ thấm
C thường trong khoảng 900
o
C -1050
o
C và phụ thuộc vào vật liệu thấm, hàm
lượng C bề mặt và chiều sâu lớp thấm. Bỏ qua ảnh hưởng của quá trình oxy
hóa, theo [6], khả năng thô hạt của một số vật liệu thông dụng ở một số nhiệt
độ và thời gian thấm như trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Khả năng thô hạt phụ thuộc nhiệt độ và thời gian thấm
10% hạt thô 18CrNi 16MnCr5 17CrNiMo6 20MnCr5
900

o
C > 8 giờ > 8 giờ > 8 giờ > 8 giờ
940
o
C 4 giờ > 8 giờ > 8 giờ > 8 giờ
980
o
C 1 giờ 4 giờ 4-8 giờ > 8 giờ
1020
o
C 5 phút 5 phút 15 phút 15 phút
Như vậy có thể thấy mặc dù công nghệ thấm C chân không cho phép
thấm C ở nhiệt độ cao (thiết bị nhiệt luyện chân không thường cho phép làm
việc đến 1350
o
C), nhưng nhiệt độ này bị hạn chế bởi khả năng thô hạt làm
giảm cơ tính vật liệu. Để có thể phát huy tối đa lợi thế của công nghệ thấm C
chân không, nhiều hãng đã nghiên cứu để đưa ra vật liệu phù hợp với công
nghệ này.

12
Áp suất thấm
Khi mới phát minh ở Mỹ vào những năm 60 của thế kỷ trước [6], khí
thấm được sử dụng là methan (CH
4
) với áp suất thấm khoảng 200- 500mbar.
Methan ở nhiệt độ thấm với áp suất thấp vài mbar chỉ phân hủy 3% [10] Để
methan phân hủy đủ cho quá trình thấm cần áp suất lớn hơn 300mbar. Với áp
suất này, quá trình thấm sinh ra muội làm cản trở quá trình hấp thụ C lên bề
mặt.

Để tránh hiện tượng này, công nghệ thấm C dưới áp suất thấp
(<20mbar) ra đời. Dưới áp suất thấp ở nhiệt độ thấm sự
phân hủy
hydrocacbon xảy ra nhanh chỉ vài giây, C đủ thời gian để phản ứng với bề
mặt nhưng không đủ thời gian để tạo muội. Nhờ thế, quá trình thấm xảy ra dễ
dàng và đồng đều hơn, tính lặp lại sẽ cao hơn. Hiện nay, thấm C chân không
được thực hiện trong khoảng áp suất khoảng 10-1000Pa (0,1-10mbar) [6].
Thời gian thấm
Quá trình thấm có thể là liên tục hoặc ngắt quãng (thấm và khuếch tán
thay nhau). Ở giai
đoạn đầu (giai đoạn thấm), các bon nguyên tử hấp thụ trên
bề mặt nhanh chóng làm bão hòa austenit chỉ trong vòng vài phút. Giai đoạn
tiếp theo (khuếch tán), khí thấm ngừng cấp và các bon khuếch tán vào bên
trong. Quá trình khuếch tán làm giảm nồng độ %C trên bề mặt và quá trình
thấm lại tiếp tục. Lưu lượng lượng khí thấm càng cao và nhiệt độ thấm càng
cao thì thời gian giai đoạn thấm càng ngắn. Tùy theo yêu cầu về chiều sâu lớp
thấm mà thờ
i gian thấm và thời gian khuếch tán được điều chỉnh cho phù hợp.
Khí thấm
Có nhiều loại khí thấm được sử dụng cho công nghệ này, đó là
hydrocacbon như methan CH
4
, propan C
3
H
8
, ethylen C
2
H
4

hay acetylene
C
2
H
2
. Một số khí thấm và các phản ứng điển hình trong quá trình thấm được
liệt kê trong bảng 1.3[12].
Bảng 1.3: Sự phân hủy khí thấm ở (900
o
C < T < 1000
o
C và p < 30mbar).
Thấm C áp suất thấp LPC CH
4
= CH
4
Mêtan
CH
4

Có plasma hỗ trợ CH
4
= C +2H
2

Thấm C áp suất thấp LPC C
3
H
8
= C + 2 CH

4
Propan
C
3
H
8

Có plasma hỗ trợ C
3
H
8
= 3C + 4H
2

Thấm C áp suất thấp LPC C
2
H
4
= C + CH
4
Ethylene
C
2
H
4

Có plasma hỗ trợ C
2
H
4

= 2C + 2H
2

Thấm C áp suất thấp LPC C
2
H
2
= 2C + H
2
Acetylene
C
2
H
2

Có plasma hỗ trợ C
2
H
2
= 2C + H
2



13
Đầu tiên phải kể đến là khí methan (CH
4
). Từ bảng 1.3, có thể thấy
rằng, khí methan không phân hủy với điều kiện đã nêu trừ khi có sự trợ giúp
của plasma. Như vậy, trong điều kiện đã nêu, metan có thể coi như là khí trơ

cho quá trình thấm. Tiếp đến là propan cũng được sử dụng khá phổ biến trong
những năm 80, 90 của thế kỷ trước. Quá trình thấm này mặc dù cho kết quả
rất khả quan nhưng vẫn bộ
c lộ một số nhược điểm như hiện tượng tạo muội,
kết quả là khả năng thấm không đồng đều nhất là thấm các lỗ hoặc khi mật độ
xếp cao vì thế tính lặp lại thấp. Ethylen C
2
H
4
, acetylene C
2
H
2
là những khí
thấm được sử dụng tiếp theo thay thế cho methan và propan. Kết quả sử dụng
2 loại khí này là khả quan nhất, tuy nhiên khi sử dụng ethylen C
2
H
4
vẫn còn
hiện tượng muội.
Năm 1979, các nhà khoa học Nga là Krilov, Yumatov, và Kubatov phát
triển công nghệ thấm C chân không sử dụng acetylene với áp suất 9-931
mbar. Acetylen đã chứng minh khả năng thấm tuyệt vời khi thấm những lỗ
sâu, lỗ kín. Nhược điểm chính của chất thấm này là điều kiện vận chuyển và
khả năng bị oxy hóa trong quá trình vận chuyển.
1.2.3. Quy trình công nghệ thấm C chân không
Quá trình thấm C chân không được tiến hành như sau: s
ản phẩm được
cho vào lò và hút chân không (khoảng 10pa) sau đó được hồi khí N

2
và nung
đối lưu đến khoảng 850
o
C, nung trong chân không đến nhiệt độ thấm, đưa khí
thấm vào lò và tiến hành thấm với thời gian xác định. Sau khi thấm, sản phẩm
được làm nguội. Quá trình làm nguội có thể là tôi bằng khí nén với áp suất
cao, thường hóa bằng khí nén áp suất thấp, một số lò 2 buồng cho phép tôi
trong dầu.
Kiểm soát quá trình thấm cacbon chân không khó hơn so với thấm thể
khí. Quá trình thấm thể khí được thực hiện trong điều kiện cân bằng nhiệt
động học và hoạ
t tính cabon được đo bằng các sensor. Hoạt tính cần thiết của
cacbon trên bề mặt thép được điều chỉnh bằng cách cho thêm những khí thấm
mới vào. Trong khi đó, thấm cacbon chân không được thực hiện ở trạng thái
không cân bằng cho nên hoạt tính cacbon không đo được bằng sensor mà
được kiểm soát bằng thành phần khí thấm. Khí thấm được sinh ra bởi rất
nhiều các phản ứng vì thế rất khó để thực hiện.
Một quá trình thấ
m C chân không với nhiệt độ và áp suất đặc trưng
được thể hiện trên hình 1.3 [2, 9].


14

Hình 1.3: Chu trình thấm C chân không điển hình

Có thể thấy, quá trình thấm C là những chu kỳ lặp lại của giai đoạn bão
hòa và khuếch tán. Ở giai đoạn bão hòa, khí thấm được cấp vào lò với một áp
suất nhất định ở vài mbar, ở điều kiện này các bon nguyên tử được phân hủy

nhanh chóng làm bão hòa austenit và quá trình cấp khí thấm dừng lại, quá
trình hút chân không bắt đầu. Đây chính là giai đoạn khuếch tán C vào trong
và như thế %C bề mặt giảm. Thấm kiể
u xung như trên không làm cho austenit
quá bão hòa nên tránh được hiện tượng sinh ra carbide cản trở quá trình
khuếch tán. Quá trình thấm xung còn làm thay đổi áp suất liên tục làm cho
quá trình thấm động hơn vì thế thấm đồng đều hơn, đặc biệt rất hiệu quả khi
hệ số chất lớn hoặc thấm nhưng lỗ chết. Đây cũng là ưu điểm của thấm C
chân không
Chiều sâu lớp thấm được kiểm soát bởi thời gian các giai
đoạn bão hòa
và khuếch tán. Sau khi đạt được chiều sâu lớp thấm mong muốn, sản phẩm
được làm nguội cùng lò xuống nhiệt độ thích hợp để làm nguội tiếp theo. Tùy
theo vật liệu và yêu cầu người ta có thể làm nguội bằng khí nén (thường hóa),
tôi bằng khí nén (N
2
, He) áp suất cao 12-20bar hoặc làm nguội bằng dầu.

15
1.2.4. Thấm C chân không sử dụng khí thấm Acetylen
Hiện nay, 95% khí thấm được sử dụng trong công nghệ thấm C chân
không là propan và acetylene. Vấn đề chính khi thấm bằng propane là hiện
tượng tạo muội ngăn cản quá trình thấm C, vì thế nên propane ngày càng sử
dụng ít.
Trong 5 năm trở lại đây, acetylene C
2
H
2
được sử dụng làm chất thấm
phổ biến nhất [10]. Lý do của thực tế này là do acetylene tạo ra được nhiều C

hơn (m
c
của acetylene nhiều hơn 10% so với propan), cũng như khả năng
thấm đồng đều và đặc biệt khi thấm với áp suất <10mbar thì hoàn toàn không
tạo ra muội [2, 15]. Sử dụng khí acelyten ngày một tăng còn vì ưu điểm của
loại khí này là có khả năng vận chuyển C đến các bề mặt lớn ngay cả khi bề
mặt có hình dạng phức tạp như những lỗ dài kín [9]
Khi thấm C chân không với khí thấm C
2
H
2
, khí acetylene này phân hủy
thành C và H
2
theo phản ứng sau [8, 15]:
2Fe + C
2
H
2
= 2 Fe(C) + H
2

Có thể thấy, khi sử dụng acetylen trong quá trình thấm không tạo ra
metan mà tạo ra ngay cacbon và hydro tham gia vào quá trình thấm. Các bon
được phân hủy sẽ hấp thụ ngay vào bề mặt thép, kết quả là bề mặt thép được
bão hòa C với hàm lượng %C max hòa tan được trong austenit ở nhiệt độ
thấm. Quá trình này xảy ra rất nhanh và nhanh hơn nhiều so với C khuếch tán
vào bên trong. Vì thế có thể nói quá trình thấm C chân không là quá trình
được kiểm soát bởi quá trình khuếch tán, nghĩa là phụ thuộc vào nhiệt độ và
thời gian

Mộ
t trong những công nghệ thấm C chân không sử dụng acetylene làm
chất thấm là công nghệ AvaC của công ty IPSEN (CHLB Đức). Quy trình
công nghệ thấm tương tự như quy trình thấm C chân không tổng quát (hình
1.3.).
Quá trình thấm được lập trình bằng chương trình mô phỏng AvaC
Simulation. AvaC là một quá trình đã được kiểm chứng để thấm cacbon chân
không với khí acetylen. Một trong những ưu điểm của quá trình này là sự có
mặt của cacbon cao đảm bảo thấm một cách đồng nhất ngay cả
những chi tiết
có hình dáng phức tạp và hệ số chất lớn ngay cả với những lỗ chết.
Quá trình thấm AvaC bao gồm phun acetylen vào trong giai đoạn thấm
(bảo hòa) và khí khác như là hydro nito cho quá trình khuếch tán. Trong quá
trình thấm, acetylen được cung cấp vào trong lò và sẽ chỉ phân hủy khi tiếp
xúc với bề mặt kim loại, như thế sẽ cho phép thấm đồng đều. Đồng thời, với
áp suất thấp đã hạn chế hoàn toàn quá trình tạo mu
ội.

16
Quá trình thấm C chân không sử dụng acetylene làm chất thấm hoàn
toàn giống các quá trình thấm C chân không sử dụng các loại khí khác. Quy
trình thấm được thực hiện như trên quy trình thấm C chân không tổng quát
(hình 1.3)
Theo hình 1.3, khi chi tiết đạt được nhiệt độ thấm, quá trình thấm được
bắt đầu bằng việc cung cấp acetylen vào lò với áp suất vài mbar (khoảng
4mbar cho quy trình AvaC). Sự vận chuyển cacbon rất hiệu quả đến mức giới
hạn cacbon hòa tan trong austenit đạt được chỉ
sau vài phút (khoảng 4-6 phút)
[9]. Lúc này, quá trình bảo hòa C phải dừng lại bằng việc ngừng cấp khí và
quá trình hút chân không lò được bắt đầu. Đây bắt đầu cho bước thứ 2, hay

còn gọi là bước khuếch tán. Trong thời gian này, cacbon khuếch tán vào phía
trong thép, và như thế, cacbon bề mặt giảm cho đến lượng % yêu cầu. Quá
trình cứ lặp đi lặp lại như vậy cho đến khi đạt chiều sâu lớp thấm. Như vậy
quá trình thấm C – AvaC là quá trình thấm xung bao gồm các b
ước bảo hòa C
và khuếch tán C thay nhau. Điều này không làm cho austenit quá bảo hòa mà
vẫn duy trì một gradient nồng độ cho quá trình khuếch tán.





17
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THẤM C CHÂN KHÔNG
TRÊN THIẾT BỊ Turbo
2
-Treater M
2.1. Giới thiệu chương trình AvaC Simulation
Chương trình AvaC Simulation trong phần mềm Vacu-Prof 4.0 cho
phép thiết kế một quá trình thấm hoàn hoàn toàn tự động. Quá trình thấm
được hình thành bằng chương trình AvaC là một quá trình thấm được chứng
minh là quá trình thấm C chân không sử dụng acetylene làm chất thấm
Quá trình thấm AvaC được điều khiển bằng các thông số đó là nhiệt độ,
lưu lượng khí, áp suất khí và thời gian các bước bảo hòa và khuếch tán. Số
lượng và thời gian của các b
ước này phụ thuộc vào yêu cầu đặt ra về chiều
sâu lớp thấm.
Sau khi vào phần mền AvaC Simulation, bảng các thông số sau đây
được hiển thị (hình 2.1)

Hình 2.1: Các thông số để mô phỏng quá trình thấm
Đây là các thông số cơ bản cần phải biết khi lập trình, cụ thể
- Temperature: Nhiệt độ thấm
- C-level surface: %C bề mặt
- Core carb. ct: %C của vật liệu thấm
- Carburising depth (CD): Chiều sâu lớp cần thấm mm
- Carbon content (CD): %C được tính cho chiều sâu lớp thấm
- Charge surface: m
2
diện tích bề mặt thấm.
Trong các thông số trên, hai thông số công nghệ chính là nhiệt độ thấm
và nồng độ %C bề mặt. Diện tích bề mặt phụ thuộc vào số lượng, kích thước

18
chi tiết thấm. Thông số này không chỉ là thông số quá trình thấm mà còn quan
trọng để người lập trình điều chỉnh thời gian nung đến nhiệt độ thấm cho phù
hợp với thực tế.
Sau khi các thông số trên được nhập, khởi động chương trình, phần
mềm tự động lập trình các bước của quá trinh thấm như sau (hình 2.2 ):
Hình 2.2: Các bước của quá trình thấm

Cần lưu ý thời gian các bước đầu (1-4) phụ thuộc vào thời gian nâng
nhiệt, tổng thời gian này mặc định trong chương trình là 75 phút. Thời gian
các bước cuối cùng (thời gian làm nguội từ nhiệt độ thấm), tương tự như các
bước đầu, phụ thuộc vào phương pháp làm nguội sau thấm và được mặc định
là 37 phút. Như vậy thời gian thấm thực tế là thời gian tổng trừ đi thời gian
nung nóng và làm ngu
ội (112 phút). Tổng thời gian thực tế thường khác với
tổng thời gian lập trình (vì phụ thuộc vào khối lượng sản phẩm), tuy nhiên
thời gian thấm thì không thay đổi.

2.2. Mô phỏng quá trình thấm trên phần mềm AvaC Simulation
Đối với một vật liệu xác định, sự hình thành lớp thấm phụ thuộc vào
nhiệt độ, thời gian và nồng độ C trong môi trường thấm. Đây là quá trình
khuếch tán, thời gian thấm càng dài chiều sâu càng lớn. Tương t
ự, nhiệt độ
càng cao khuếch tán càng nhanh. Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình thấm phụ
thuộc vào nồng độ C trong môi trường thấm. Ở điều kiện biên, nồng độ này
chính là %C trên bề mặt.
Để biết được hiệu quả của nhiệt độ và %C bề mặt, chúng ta sử dụng
phần mềm để mô phỏng quá trình thấm.
Quá trình mô phỏng dựa vào các thông số sau:
Vật liệu thấm có hàm lượng C = 0,2%
Chiều sâu l
ớp thấm được tính đến vị trí %C =0,4%
Nhiệt độ thấm chọn 910
o
C, 950
o
C và 990
o
C
Nồng độ C bề mặt: 0,8%; 0,9%; và 1%
Chiều sâu lớp thấm chọn trong 3 khoảng đó là thấp (0,8mm), trung bình
(1,2mm) và cao (1,8mm).

19
2.2.1. Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 910
o
C
a) Các bon bề mặt %Cp = 0,8%.

- Chiều sâu lớp thấm 0,8mm:thời gian thấm là 292-112 = 180 phút (3h)

- Chiều sâu lớp thấm 1,2 mm: thời gian thấm là 555 – 112 = 443 (7h 13 phút)

- Chiều sâu 1,8 mm: thời gian thấm là 2280 -112 = 2168 phút (13h 6 phút).