Kim loại học - Phần 4 doc

Phần IV ĐỘ THẤM TÔI
4.1

Hóa

-
nhiệt
luyện
1.Định nghĩa:

Hóa - nhiệt luyện là đưa chi tiết và trong môi trường thấm có thành phần,
nhiệt độ thích hợp trong thời gian đủ để nguyên tố cần thấm đi sâu vào trong chi
tiết sau đó đem nhiệt luyện để cải thiện hơn nữa tí nh chất của lớp bề mặt.
2. Nguyên

lý

chung
Môi

tr
ư
ờng

thấm: là môi trường có chứa nguyên tố cần thấm, có khả năng phản ứng
để cố định nguyên tố thấm lên bề mặt chi tiết và khuếch tán vào sâu phía bên trong.
Thấm C: môi trường khí phân huỷ từ dầu hoả, thấm N: khí NH3,
2

mục

đích

chính:
-

Nâng

cao

độ

cứng,

tính

chống

mài

mòn

và

độ

bền

mỏi

của

thép

hơn

cả

tôi

bề

mặt:

thấm

C,

thấm

N,

thấm

C-N,

đ
ư
ợc

ứng

dụng

rộng

rãi

trong

sản

xuất

cơ

khí

.
-

Nâng

cao

tính

chống

ăn

mòn:

thấm

Cr,

thấm

Al,

Si,

B.

Các

quá

trình

thấm

này phải
tiến

hành

ở

nhiệt

độ

cao

hơn

và

thời

gian

dài

hơn,

ít

thông

dụng

hơn.
Các

giai

đoạn:
1)

khuếch

tán

thể

khí

:

là

quá

trình

khuếch

tán

chất

thấm

đến

bề

mặt

chi

tiết
2)

Phản

ứng

tạo

nguyên

tử

hoạt

tính

và

cố

định

lên

bề

mặt:

hấp

phụ

tạo

nguyên

tử

hoạt

trên

bề

mặt

và

phản

ứng

với

nền

để

cố

định

chúng

trên

bề

mặt

(có

thể

hấp phụ

phân

ly

hoặc

phản

ứng

phân

ly

ra

nguyên

tử

hoạt

tính).
3)

Khuếch

tán

thể

rắn:

nguyên

tử

chất

thấm

đ
ư
ợc

cố

định

trên

bề

mặt

khuếch

tán sâu

vào

bên

trong

để

tạo

nên

lớp

thấm

với

chiều

sâu

nhất

định.
Trong

ba

giai

đoạn

kể

trên

thì

khuếch

tán

thể

rắn

th
ư
ờng

chậm

nhất

do

đó

là

khâu
quyết

định

sự

hình

thành

của

lớp

thấm.
Ảnh

h
ư
ởng

của

nhiệt

độ

và

thời

gian:
Nhiệt

độ

càng

cao:

phản

ứng

tạo

nguyên

tử

hoạt

và

khuếch

tán

vào

càng

nhanh, song

cao

quá

thì

có

hại:

Ví

dụ:

thấm

C

không

quá

950
o
C

để

hạt

tinh

thể

không

bị thô

to,

thấm

N

không

quá

650
o
C

để

còn

bảo

tồn

tổ

chức

hoá

tốt

của

thép

ở

lõi.
Thời gian thấm: Càng dài thì lớp thấm càng sâu:
τ
KX =
Trong đó: X-chiều sâu lớp thấm, K- hằng số thuộc nhiệt độ va công nghệ thấm, τ
-thơi gian thấm.
4.2

Thấm
cacbon
:

phổ

biến

nhất,

dễ

làm

do

đó

hầu

hết

các

xưởng

Cơ

khí

đều

áp

dụng
Ưu điểm:

bề

mặt

sau

khi

thấm

+

tôi

và

ram

thấp

HRC

60
÷
64,

chống

mài

mòn

cao,
chịu

mỏi

tốt,

còn

lõi

bền,

dẻo,

dai

với

độ

cứng

HRC

30

÷

40.
Nhiệt độ thấm:

Đủ

cao

để

thép

ở

trạng

thái

hoàn

toàn

là
γ
,

pha

có

khả

năng

hòa tan

nhiều

cacbon

(900

÷

950
o
C).

Tuỳ

theo

loại

thép

sử

dụng:
Thép

C:

C10-C25,

T

thấm

=

(900-930)
o
C,
Thép

hợp

kim

có

Ti:

18CrMnTi,

25CrMnTi,

T=(930-950)
o
C,

Mn

để

%C

không

quá

cao

→

bong
Sau

khi

thấm

và

tôi+ram

thấp:

bề

mặt

%C

(1-1,2)%,

sau

tôi

+ram

thấp

độ

cứng cao
(thường

là

62

÷

64),

không

bong.
Lõi:

có

tổ

chức

hạt

nhỏ

(cấp

5

÷

8)

với

tổ

chức

mactenxit

hình

kim

nhỏ

mịn,

không

có

F

tự

do,

để

bảo

đảm

độ

bền,

độ

dai

cao,

HRC

30

÷
40.
4.2.1 Thời gian thấm:

(giữ

nhiệt

ở

nhiệt

độ

thấm)

phụ

thuộc

vào

hai

yếu

tố

sau.
1)

Chiều

dày

lớp

thấm

yêu

cầu:

chiều

dày

lớp

thấm

X

=

(0,10

÷

0,15)d,

d

đường

kính

hay

chiều

dày

chi

tiết.

Riêng

đối

với

bánh

răng

lấy

X=(0,20

÷

0,30)m

(m-
môduyn

của

răng)
2)

Tốc

độ

thấm:

Tuỳ

theo

công

nghệ

thấm

và

nhiệt

độ

thấm:
Công

nghệ

thấm:

2

công

nghệ

thường

dùng:
Thấm

C
thể
rắn:
Hỗn

hợp

thấm:
Than

(cốc,

đá,

gỗ)

cở

2-8mm

:

25%
Than

dựng

lại

(xàng

bỏ

bột

vụn):

60%
BaCO3 : 15% Hoà BaCO3 vào nước
vừa xệt để có thể trộn đều vào than.
Xếp chi tiết và lốn than vừa chặt

Hộp

thấm

C

thể

rắn
Thời

gian

và

chiều

dày

lớp

thấm:

X

=(0,11-0,12)t,

khi

thấm

ở

(900-930)
o
C-

lấy

K=0,11,

khi

thấm

ở

(930-950)
o
C-

lấy

K=0,12
Đặc

điểm

của

thấm

cacbon

thể

rắn

là:
+

Thời

gian

dài

(do

phải

nung

cả

hộp than

dẫn

nhiệt

chậm),

bụi,

khó

cơ

khí

hóa,

kém

ổn

định,

không

đòi

hỏi

thiết

bị

kín,

rất

đơn

giản
Thấm

ở

thể

khí

:

là

phương

pháp

thấm

hiện

đại,

đ
ư
ợc

sử

dụng

rộng

rãi

trong

sản
xuất

Cơ

khí

.

Chất

thấm:

Khí

đốt

và

dầu

hoả

(dầu

hoả

dễ

dùng

hơn)
Thiết

bị

thấm:

các

loại

l ò

chuyên

dùng

để

thấm

C



Lò

thấm

C

của

Nga
Loại lò P, kw dxh lò,mm Loại lò P, kw dxh
lò,mm
• 25
25 300x450
• 75
75 500x900
• 35
35 300x600

• 90
90 600x900
• 60
60 450x600
• 105
105 600x1200
Xếp hoặc treo chi tiết vào lò đảm bảo bề mặt cần thấm phải luôn có khí luân chuyển.
Nâng nhiệt độ và

cấp

dầu:
Nhiệt

độ

Số

giọt

dầu,

[giọt/phút]

(lò Ц

25

-Ц

60)
<

300 0
300-500 30
500-900 30-50
900-950 90-150

(bão

hoà)
900-950

50-80 (khuếch

tán)
Nhiệt

độ

thấm:

theo

loại

thép

như

thấm

C

thể

rắn

Thời gian thấm: (kể từ khi đạt nhiệt độ thấm)

K
X
2
=
τ
K=0,12 khi thấm (900-930)oC, K=0,14 khi
thấm ở (930-950)
o
C,
τ
=
τ
bãohoà
+
τ
k/tán
=2
τ
bão hoà
=2

τ
k/tán

4.2.2 Nhiệt

luyện
sau
khi

thấm:

3

công

nghệ:

1- Tôi trực tiếp+ram thấp ở 200
o
C-1h: sau thấm lấy ra cho nhiệt độ hạ xuống còn
850-860oC thì tôi trong dầu. Chỉ áp dụng cho thép hợp kim, quy trình đơn giản, kinh tế.
2- Tôi 1 lần+ram thấp ở 200
o
C-1h: sau thấm đem thường hoá rồi tôi ở (820- 850)
o
C
khi cần ưu tiên cho lớp bề mặt, tôi ở (860-880)
o
C khi cần ưu tiên cho lõi, áp dụng
được

cho cả thép C.
3- Tôi 2 lần+ram thấp ở 200
o
C-1h: sau thấm đem thường hoá rồi tôi ở (880-900)
o
C cho
lõi xong, nung lại và tôi cho bề mặt ở (760-780)
o
C (tốt nhất là tôi cao tần), áp dụng cho mọi
Sơ

đồ

lò

thấm

C

bằng

dầu

hoả
2
loại thép, đảm bảo cơ tính cả lõi và bề mặt, song phiền phức và ngày càng ít dùng.
4.3 Thấm
nitơ
4.3.1 Định

nghĩa

và

mục

đích:

làm bão hòa và khuếch tán N vào bề mặt thép hợp kim
sau khi nhiệt luyện hoá tốt nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng, tính chống mài
mòn (HRC 65
÷
70 hơn hẳn thấm cacbon) và giới hạn mỏi của chi tiết.
4.3.2 Tổ

chức

của

lớp

thấm:

từ ngoài vào lần lượt là: (
ε
+
γ
’)-
γ
’-(

γ
’+
α
)-thép ở lõi,
trong đó
ε
- là pha xen kẽ ứng với Fe2-3N,
γ
’ - là pha xen kẽ ứng với Fe4N,
α
- dung
dịch rắn của N trong Fe
α
.
Độ

cứng

cao

nhất

của

lớp

thấm

là

vùng (
γ
’+
α
),

do

có

nhiều

nitrit:

CrN,

AlN,

tiết

ra nhỏ

mịn

nằm

phân

bố

đều,

không

phải

qua

nhiệt

luyện

tiếp

theo

như

khi

thấm

C.
4.3.3 Thép

dùng

để

thấm

N:

là

thép

hợp

kim

chuyên

để

thấm

N

điển

hình

là

38CrMoAlA

sau

khi

nhiệt

luyện

hoá

tốt
Chất

thấm

N:

khí

NH
3
công

nghiệp

(amôniac),

ở

nhiệt

độ

thấm

(480
÷
650)
o
C,
NH
3
bị

phân

huỷ

nhiệt

theo

phản

ứng:
2 NH
3

→
3H
2
+ 2N
ng.tử

Chỉ

có

NH
3
hấp

phụ

trên

bề

mặt

phân

huỷ

tạo

thành

N
ng/tử
mới

có

tính

hoạt

cao

khuếch

tán

vào

tạo

thành

lớp

thấm.

Phần

lớn

còn

lại

không

có

tác

dụng

thấm,

do

đó

để

thấm

N

ng
ư
ời

ta

phải

liên

tục

bơm

NH
3
vào

lò

và

lấy

sản

phẩm

thừa

ra ngoài.

Để

thấm

ổn

định

với

tốc

độ

đủ

nhanh

thì

tỷ

lệ

phân

huỷ

nhiệt

P

của

NH
3
:
duavaomoltongso
phanhuySomolNH
P

−−
=
,
3
Phải thoả mãn
Nhiệt

độ 450-500 500-600 600-700
P,

% 20-35 30-45 40-60
4.3.4 Đặc

điểm

của

công

nghệ

thấm

nitơ:
-

Do

phải

tiến

hành

ở

nhiệt

độ

thấp

để

không

làm

hỏng

tổ

chức

của

thép

sau

hoá

tốt.

Chọn

nhiệt

độ

thấm

phải

căn

cứ

vào

tính

chống

ram

của

thép

(thép

38CrMoAlA

thấm

ở

(500-550)
o
C,

thép

gió

80W18Cr4V

có

thể

thấm

ở

(600-700)
o
C).
-

Sau

khi

thấm

không

phải

tôi

mà

phải

làm

nguội

chậm

đến

nhiệt

độ

200

o
C

để

tiết
nitrit

làm

tăng

độ

cứng,

rồi

đuổi

hết

khí

ra

mới

được

mở

lò

để

chống

nổ.
-

Nếu

trong

khí

thấm

có

pha

thêm

lượng

nhỏ

khí

đốt

(1-2%),

hoặc

thỉnh

thoảng

mở

van

cho 1 chút

không

khí

vào,

các

nguyên

tố

C

(trong

khí

đốt),

oxy

(trong
không

khí)

có

tác

đụng

ổn

định

pha

ε
do

đó

tốc

độ

thấm

tăng.
+ Thời

gian

thấm:

khi

có

mặt

C

và

O

trong

khí

thấm

thì

:
K
X
2
=
τ
K=0,2 đến 0,27
chú

ý
ε
lớp

xốp

có

độ

cứng

thấp

(250-300HB),

mẫu

thấm

to

lên

do

đó

thường

phải hớt

bỏ

đi.
Độ

cứng

của

lớp

thấm

N:

900-1000

HV,

giữ

được

ở

nhiệt

độ

trên

500
o
C.
Công

dụng:

cho

chi

tiết

cần

độ

cứng

và

tính

chống

mài

mòn

rất

cao,

làm

việc

ở
nhiệt

độ

cao

hơn

500
o
C,

như

một

số

trục,

bánh

răng,

sơmi

trong

máy

bay,

dụng

cụ

cắt,

dụng

cụ

đo.
4.4

Thấm
cacbon
-

nitơ
1. Định

nghĩa

và

mục

đích:

làm

bão

hòa

(thấm,

khuếch

tán)

đồng

thời

cacbon

và

nitơ

vào

bề

mặt

thép

để

nâng

cao

độ

cứng

và

tính

chống

mài

mòn

(về

mặt

này

nó

nằm

trung
gian

giữa

thấm

cacbon

và

thấm

nitơ).

Nh
ư

vậy

nó

cũng

nhằm

mục

đích

như

hai

phương

pháp

hóa

-

nhiệt

luyện

trên

song

tốt

hơn

thấm

cacbon.
2. Đặc

điểm

của

công

nghệ

thấm

C-N:

tùy

thuộc

vào

tỷ

lệ

giữa

C

và

N

trong

lớp
thấm

mà

quá

trình

có

thể

gần

với

một

trong

hai

dạng

thấm

C

hoặc

N

trên:
-

Thấm

ở

nhiệt

độ

cao,

trên

d
ư
ới

800
o
C:

chủ

yếu

là

thấm

C

(ít

N),

do

đó

có

tính

chất

gần

với

thấm

C

hơn

song

tốt

hơn

chỉ

thấm

C.
-

Thấm

ở

nhiệt

độ

thấp,

trên

d
ư
ới

600
o
C:

lớp

thấm

chủ

yếu

là

N,

do

đó

tính chất
gần

với

thấm

N

hơn

song

kém

hơn

thấm

nitơ

đôi

chút
Thấm

C-N

ở

nhiệt

độ

cao:
Chất thấm:

chủ yếu là khí đốt hoặc dầu hoả như khi thấm C nhưng có thêm

5

÷

10%NH
3
,

Nhiệt độ thấm:

780

÷

860
o
C,

thấp

hơn

so

với

thấm

C
Tổ chức lớp thấm:

giống lớp thấm C nhưng có thêm pha cacbo-nitrit Fe3(C,N) rất
cứng (cứng hơn Fe3C) nằm phân tán nên làm tăng rất mạnh tính chống mài mòn do đó
kéo dài tuổi thọ thêm 50 đến 100%.
3. Chiều dày lớp thấm:

mỏng hơn lớp thấm C khoảng 20
÷

30%. Ví dụ bánh răng
khi thấm cacbon sâu 0,90
÷
1,20mm, khi thấm C-N chỉ cần 0,50
÷
0,80mm. Nhờ vậy thời
gian thấm sẽ ngắn lại.
Do

nhiệt

độ

và

thời

gian

thấm

đều

giảm

nên

kinh

tế

hơn
Nhiệt luyện sau khi thấm: sau

khi

thấm

phải

qua

tôi

+

ram

thấp

như

thấm

C

nhưng

đơn

giản

hơn

vì

tôi

trực

tiếp

với

mọi

loại

thép.
Thấm

cacbon

-

nitơ

ở

nhiệt

độ

thấp:
Giống như khi thấm N, khí thấm có pha thêm 2-5% khí đốt, sau khi thấm không
phải qua tôi ram thấp như khi thấm N.
Nhiệt độ thấm và thời gian thấm giống như khi thấm N, ưu việt là thấm nhanh, hiện
nay chỉ có công nghệ thấm C-N không có công nghệ thấm N riêng biệt.
Thép

dùng

để

thấm

C-N:

thường là thép hợp kim: 25CrMnMo, sau khi thấm C-N
nhiệt độ cao tôi trực tiếp phân cấp trong dầu nóng 180
o
C.