về xử lí bề mặt (vật liệu)

A .GIỚI THIỆU
1. Tổng quan về vấn đề xử lí bề mặt
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ xử lý bề mặt
Từ thời cổ đại con người đã biết đến xử lý bề mặt như:
- Chống thấm cho gỗ bằng nhựa thông, hắc ín
- Đồ trang sức như sắt thì được phủ kẽm
Đầu thế kỷ 12 con người còn biết thấm carbon, nitơ cho các vật dụng như mũi
tên, kiếm…
Đến cuối thế kỷ 20 công nghệ bề mặt đã phát triên vượt bậc, công nghệ xử lí
bề mặt hiện đại phát triển mạnh mẽ, công nghệ truyền thống thì được cải thiện
và sử dụng các loại máy móc hiện đại.
1.2.Vai trò của bề mặt
Hầu hết các chi tiết máy: trục, bánh răng, vòng bi… đều gồm 2 phần chính và
chịu tác dụng tác dụng của môi trường rất khác nhau:
- Phần bề mặt: chịu mài mòn,ăn mòn, nứt mỏi và ứng suất lớn nhất
- Phần nền cũng phải chịu một phần ứng suất nhưng điều kiện làm việc
không khắc nghiệt như phần bề mặt
=>Vai trò của bề mặt là vô cùng quan trọng , nó quyết định khả năng làm
việc của chi tiết máy vì vậy việc hóa bền bề mặt chi tiết là yêu cầu không thể
thiếu đối với sản phẩm
1. 3.Mục đích việc xử lí bề mặt
Xử lí bề mặt nhằm 3 mục đích chính:
- Tạo ra chi tiết chịu ma sát, mài mòn cơ học. sau khi gia công cắt gọt tạo ra
chi tiết, nếu môi trường yêu cầu làm việc trong chế độ chịu ma sát và mài
mòn cơ học cao ta cần phải tiến hành nhiệt luyện hoặc hóa nhiệt luyện để
tạo ra sự thay đổi về cấu trúc bề mặt đáp ứng được yêu cầu làm việc
- Tạo ra chi tiết chịu ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa tốt. đây là yêu cầu
thường thấy đối với các chi tiết làm việc ngòai trời hoặc thường xuyên tiếp
xúc với chất khác ví dụ như vỏ tàu thủy,thân các loại máy móc…
- Ngoài những mục đích trên , xử lí bề mặt còn nhằm một mục đích rất quan
trọng đó là tạo độ bóng cho bề mặt, độ thẩm mỹ cho chi tiết

Hình 1. các chi tiết đã được xử lí bề mặt
2. Cấu trúc và tính chất bề mặt
2.1. Cấu trúc các phần của 1 chi tiết
 Phần nền:
Mối liên kết với các nguyên tử xung quanh đồng đều các phân tử nằm ở
vị trí cân bằng-nút mạng (có cấu trúc tinh thể)
 Phần bề mặt:
Mối liên kết đồng đều xung quanh bị phá vỡ các nguyên tử nằm lệch khỏi
vị trí cân bằng, đây là một dạng sai lệch bề mặt
2.2.Đặc điểm bề mặt
 Có hoạt tính cao (năng lượng bề mặt lớn)
 Không bằng phẳng (độ nhấp nhô)
2.3. Sự hấp phụ
Bề mặt luôn luôn là nơi mà chi tiết tương tác với môi trường dẫn đến sự bám
dính của một số phân tử khác như oxy, bụi, dầu mỡ dẫn đến làm giảm hoạt tính
của bề mặt.
Quá trình hấp phụ là quá trình là quá trình hình thành và phát triển một lớp
phân tử khác trên bề mặt chi tiết.

3. Công nghệ xử lý bề mặt truyền thống và tiên tiến
3.1.Công nghệ xử lý bề mặt truyền thống
Một số công nghệ xử lý bề mặt truyền thống được con người sử dụng nhiều đó
là:
- Phương pháp nhiệt luyện: tôi, ram bề mặt…
-Phương pháp hóa nhiệt luyện như: thấm các bon, nito…
- Phương pháp phủ bề mặt tạo lớp chống ăn mòn
3.1.1. Nhiệt luyện
Trong cuộc sống thường ngày chúng ta vẫn thường gặp các trường hợp phải

rèn lại để tạo độ cứng cho các dụng cụ như dao, cuốc, xẻng…Các dụng cụ này
trước khi được đem làm việc phải được nhiệt luyện để tạo ra phần lưỡi có cấu
trúc hạt nhỏ, độ cứng cao mới đáp ứng được yêu cầu làm việc nhưng sau một
thời gian làm việc chung sẽ bị mòn tới lớp bên trong với các hạt tinh thể lớn
hơn, độ cứng giảm và không đạt được yêu cầu làm việc, khi đó ta phải tiến hành
rèn lại. Quá trình đó là quá trình “cơ + nhiệt luyện”: tôi ,ram thép cộng biến
dạng dẻo tạo ra bề mặt có độ cứng cao. Quá trình này kết hợp cơ và nhiệt luyện
đến nhiệt độ tôi,làm nguội nhanh tạo ra bề mặt có cơ tính tốt.
Như ta đã biết, kim loại và hợp kim được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử.
Các phân tử nguyên tử này được xắp xếp theo một trật tự tạo thành mạng tinh
thể. Bằng cách nhiệt luyện bề mặt chúng ta sẽ tạo ra những chi tiết, dụng cụ có
bề mặt có mạng tinh thể xắp xếp khác đi hoặc bị xô lệch đi so với vị trí ban đầu
nhưng theo chiều hướng đã định, tạo nên cơ tính tốt hơn cho lớp bề mặt chi tiết
3.1.2. Phương pháp hóa nhiệt luyện
Các phương pháp hóa nhiệt luyện phổ biến nhất đó là thấm carbon và nitơ.
3.1.2.1. Khái niệm:
Hóa nhiệt luyện là phương pháp làm bão hòa các nguyên tố (C,N,B,Cr,Al…)
vào lớp bề mặt thép để làm thay đổi thành phần hóa học , do đó làm thay đổi tổ
chức và đạt được tính chất theo quy định
3.1.2.2. Mục đích:
- Nâng cao độ cứng tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho thép.
- Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa, hóa học (chống oxy hóa ở nhiệt độ
cao). Tuy nhiên mục đích này ít thực hiện vì nhiệt độ để hóa nhiệt luyện quá
cao, thời gian quá dài, chi phí lớn nên giá thành cao
3.1.2.3. Các quá trình sảy ra
Để tiến hành hóa nhiệt luyện người ta thường cho chi tiết thép vào môi
trường giàu các nguyên tố cần khuếh tán và nung đến nhiệt độ cần thiết(tùy
thuộc từng loại chất để thấm ). Khi giữ tại nhiệt độ này sẽ xảy ra các quá trình
sau đây:
a, Phân hóa:

Là quá trình phân tách các phân tử của chất khuếch tán tạo nên các
nguyên tử có hoạt tính mạnh(gọi là nguyên tử hoạt)
b, Hấp thụ:
Sau khi các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép có nồng độ cao
tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi(Gradien nồng độ hướng
vào lõi)
C, khuếch tán:
Nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuếch
tán và tạo ra lớp thấm có chiều sâu thấm nhất định
Trong 3 quá trình trên thì quá trình khuếch tán là quan trọng nhất vì nó
quyết định kết quả của quá trình hóa nhiệt luyện.
3.1.2.4 .Các yếu tố ảnh hưởng:
Nhiệt độvà thời gian ảnh hưởng rất lớn đến khuếch tán và chiều dày lớp
thấm khi tiến hành hóa nhiệt luyện
- Nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao chuyển động nhiệt của nguyên tử càng lớn,
tốc độ khuếch tán càng mạnh nên lớp thấm càng chóng đạt chiều sâu quy
định
- Thời gian: cố định nhiệt độ, keo dài thời gian sẽ, sẽ làm tăng chiều sâu lớp
thấm tuy nhiên hiệu quả không mạnh bằng tăng nhiệt độ.
3.1.2.5. Thấm cacbon
Là phương pháp làm bão hòa carbon vào bề mặt thép carbon thấp(%C<
0,25%) để sau khi nhiệt luyên thép có bề mặt có độ cứng cao tính chống mài
mòn lớn còn lõi vẫn dẻo và dai.
Hàm lượng cacbon trong thép rất quan trọng vì nó quyết định cơ tính của
thép đó. Tùy vào hàm lượng cacbon ta có các loại thép có công dụng riêng, độ
dẻo, dai va đập, mài mòn khác nhau
3.1.3 phủ bề mặt:
Người ta thường phủ lên bề mặt các chi tiết làm việc ngoài trời hoặc thường
xuyên tiếp xúc với các chất có tính ăn mòn một lớp chất khác có công dụng
chống han rỉ, ăn mòn điện hóa… ví dụ phủ kẽm cho vỏ tàu thủy tránh được hiện

tượng xâm thực do ăn mòn điện hóa
3.2. Công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến
Hiện nay trình độ con người phát triển kéo theo nhiều công nghệ xử lý bề
mặt mới như phun phun phủ, công nghệ CVD, PVD… và các công nghệ xử lý
truyền thống cũng được cải tiến với các loại máy móc xử hiện đại hơn.
=>> Trong phần tiểu luận này chúng tôi chỉ tiến hành nghiên cứu sâu vào công
nghệ xử lý bề mặt truyền thống.
B. XỬ LÝ BỀ MẶT THÉP BẰNG CÔNG NGHỆ THẤM CACBON
1. Làm sạch bề mặt(công nghệ tiền xử lý)
Khi muốn xử lý bề mặt vật liệu hoặc chi tiết máy ta cần phải làm sạch bề mặt
nhằm phục hồi hoạt tính của bề mặt để chuẩn bị cho công nghệ xử lý bề mặt
tiếp theo.
Các chất cần làm sạch:
- Các chất vô cơ : các lớp oxit(nhôm), han rỉ(sắt thép)
- Các chất hữu cơ: dầu, mỡ , bụi bám…
=>Làm sạch là quá trình rất quan trọng và tốn kém, nó là yêu tố ảnh hưởng
đến chất lượng của toàn bộ quá trình xử lý bề mặt
1.1. Làm sạch bằng phương pháp hóa học
- Sử dụng các dung môi hữu cơ , xăng…
- Sử dụng các dung dịch kiềm
12. Làm sạch bằng phương pháp cơ học
Chủ yếu làm sạch các lớp phủ, các hợp chất vô cơ như han ri, lớp oxit
- Phun cát (hoặc bi kim loại):
Khi phun dưới áp suất cao các hạt mài sẽ bắn vào bề mặt kim lọai với tốc
độ cao làm sạch bề mặt
Có 2 phương pháp :
+ Phun cát khô: Không cần sấy (gây ô nhiễm môi trường)
+ Phun cát ướt cần sây khô(không ô nhiễm môi trường)
- Xử lý siêu âm:
Trong môi trường lỏng các hạt mài dao động do sóng siêu âm sẽ làm sạch

bề mặt(siêu sạch)
- Xử lý bằng tia nước áp suất cao:
Súng phun 6-7m, áp suất P= 75at
Thường được dùng để vệ sinh môi trường và sử lý tàu thủy
- Sử dụng búa, bàn chải: rất thường gặp và hay được dùng nhưng năng suất
và chất lượng rất thấp.
2. Thép thấm cacbon
2.1. Định Nghĩa:
Thép thấm cacbon là loại thép dùng để chế tạo các chi tiết với yêu cầu
trong lõi dẻo, dai, còn bề mặt có độ cứng cao, chịu mài mòn ( bánh răng, chốt,
xích, trục quay, đĩa ma sát…)



Hình 2: xích và bánh răng được làm từ thép thấm cacbon
2.2. Đặc điểm về thành phần hóa học:
- Thành phần cacbon: để bảo đảm lõi chi tiết có độ dai va đập cao, thép có
hàm lượng cacbon nằm trong giới hạn 0.1-0.25% (đôi khi đến 0.30%)
- Các nguyên tố hợp kim: đối với thép thấm cacbon, các nguyên tố hợp kim,
ngoài khả năng tăng độ thấm tôi, còn có tác dụng thúc đẩy quá trình thấm
cacbon vào thép và không làm hạt lớn, thường là các nguyên tố tạo cacbit: Cr,
Ni, Mn, Mo,…
2.3. Tổ chức tế vi
- Sau khi thấm cacbon, hàm lượng cacbon ở bề mặt khoảng 0.80 – 1.0% là
phù hợp nhất.

Hình 3. sơ đồ biểu diễn sự thay đổi
Thành phần cacbon trên bề mặt.
- Tổ chức tế vi nhận được sau khi thấm tính từ bề mặt vào khi làm nguội chậm
là: P + Xe

II
; P ; P+F (như hình 4)

Hình 4. Tổ chức tế vi lớp thấm cacbon


2.4. Đặc điểm về cơ tính
- So với thép cacbon để thấm cacbon, thép hợp kim để thấm cacbon có độ
thấm tôi lớn hơn nên độ bền lõi cao hơn, ít biến dạng khi tôi, chế tạo được chi
tiết lớn hơn, có thể thấm ở nhiệt độ cao hơn( để giảm thời gian thấm). Sau nhiệt
luyện, tính chống mài mòn của thép hợp kim cao hơn do tạo cacbit ổn định với
độ phân tán cao.
- Cơ tính của thép thấm cacbon sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp như sau:

Độ cứng bề mặt : 59-63 HRC
Lõi : 30-42 HRC
Độ bền kéo : 600-1200 MPa
Độ dai va đập : 700-1200kJ/m
2


2.5. Một số phương pháp thấm cacbon
2.5.1. Định nghĩa
- Thấm carbon là một quá trình nhiệt luyện trong đó sắt hoặc thép được gia
nhiệt với sự có mặt của vật liệu khác (dưới điểm nóng chảy của sắt) có thể giải
phóng ra carbon khi nó phân hủy. Bề mặt bên ngoài sẽ có hàm lượng carbon
cao hơn so với ban đầu.
- Khi sắt hoặc thép được làm nguội nhanh bằng cách tôi, vùng bề mặt bên
ngoài với hàm lượng carbon cao sẽ trở nên cứng, trong khi phần lõi vẫn giữ
được tính mềm và dai.

- Sự thấm carbon cho thép bao gồm việc nhiệt luyện bề mặt kim loại sử dụng
nguồn carbon ở thể rắn, lỏng, khí hay plasma.
- Một số phương pháp thấm cacbon sau:
2.5.2. Thấm cacbon thể rắn
a) Chất thấm:
- Than gỗ xay nhỏ (3-5mm) chiếm khoảng 85-90%.
- Chất xúc tác: BaCO
3
, Na
2
CO
3
, K
2
CO
3
….chiếm khoảng 10-15%.
- Đặt chi tiết trong hộp kín với hỗn hợp chất thấm trên và năng lên nhiệt độ
cần thiết.

b) Nhiệt độ và thời gian thấm
- Nguyên tắc chon nhiệt độ thấm cacbon là đạt tới tổ chức hoàn toàn ôstenit
để có khả năng bão hòa lượng cacbon lớn nhất có thể được. với thép bản chất
hạt lớn, nhiệt độ thấm từ
0
900 920 C

, thép bản chất hạt nhỏ nhiệt độ thấm tới
0
950 C

. Nhiệt độ thấm càng cao, chiều sâu lớp thấm càng lớn.
- Thời gian thấm cacbon quyết định bởi chiều sâu lớp thấm, giá trị này được
quy định khi thiết kế chi tiết. Với nhiệt độ cố định, thời gian thấm càng lâu,
chiều sâu lớp thấm càng lớn, có 3 cách chọn nhiêt độ thấm:
+) Theo công thức:



k

với k là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ thấm


là chiều thời gian thấm (h)


là chiều sâu lớp thấm (mm)
+) Tra bảng cho trước trong sổ tay nhiệt luyện.
+) Theo kinh nghiệm: thấm ở 900
o
C, cứ 0,20mm thời gian giữ nhiệt là 1h
c) Các quá trình xảy ca trong khi thấm:
 than cháy trong điều kiên thiếu oxy:
2C + O
2
 2CO (1)
 Dưới tác dụng của xúc tác, CO bị phân hủy:
2CO  CO
2
+ C

ng
(2)
 Vai trò của chất xúc tác là phân hủy ra CO
2
:
BaCO
3
 BaO + CO
2
(3)
 Và CO lại tạo C nguyên tử theo phản ứng (2). Kết thúc quá trình thấm lại
xảy ra quá trình tái tạo chất xúc tác:
BaO + CO
2
 BaCO
3

- Cacbon nguyên tử có hoạt tính cao sẽ khuyếch tán vào bề mặt thép theo cơ
chế sau:
C
nguyên tử
+ Fe

 Fe

(C)
C
nguyên tử
+ Fe  Fe
3

C
25.3. Thấm cacbon thể khí.
- Thấm cacbon thể khí là phương pháp hiên đại và ưu việt, ngày nay được áp
dụng rộng rã trong sản xuất cơ khí.
- Dùng 1 lò kín chứa đầy khí thấm (CO, CH
4
, C
2
H
6
…) lấy từ thiên nhiên, cho
chi tiết vào và năng lên nhiệt độ thấm. Trong thực tế thường dùng khí CH
4
vời
tỉ lệ từ 3-5% (do mêtan có tác dụng thấm rất mạnh) tại nhiệt đô nung xảy ra
quá trình sau:
CH
4
 2H
2
+ C
nguyên tử

-Cacbon nguyên tử sẽ khuyếch tán vào bề mặt. Nhiệt độ thấm và thời gian
thấm tương tự như thấm cacbon thể rắn.
- Thấm cacbon thể khí có đặc điểm là: thời gian thấm ngắn ( do không phải
nung nóng hộp chứa hỗn hợp thấm), chất lượng lớp thấm đồng đều, dễ cơ khí
hóa và tự động hóa ( xử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt lớn), điều kiện
lao động tôt. Tuy nhiên, thiết bị và giá thành cao.
2.5.4. Thấm cacbon bằng phương pháp Plasma

Thấm carbon bằng plasma đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong
công nghiệp để cải thiện tính chất bề mặt của một số kim loại, nhất là thép
không rỉ, do nó thân thiện với môi trường (so với việc dùng chất khí hay chất
lỏng) và có thể tác dụng một cách đồng đều lên bề mặt có hình dạng phức tạp
(plasma có thể xuyên vào các lỗ và khe hẹp).
2.5.5. nhiệt luyện sau khi thấm.
a) Tôi 2 lần và ram thấp: phương pháp này khá tốn kém nên chỉ dùng cho
những chi tiết quan trọng
 Tôi lần 1: 860-880
o
C, làm nhỏ hạt thép và phá lưới xemantit trên bề mặt.
 Tôi lần 2: 760-780
o
C, tạo bề mặt có độ cứng cao nhất.
 Ram thấp với nhiệt độ 150-180
o
C, khử ứng xuất dư và vẫn giữ được độ
cứng bề mặt.
Phương án này cho cơ tính tốt, nhưng do nung nhiều lần nên dễ bị oxy hóa
thoát cacbon, nứt và biến dạng, chi phí năng lượng cao. Lưu ý là thép sau khi
được thường hóa rồi mới nung lại để tôi.
b) Tôi 1 lần và ram thấp: dung cho các chi tiết không quan trọng hoặc chịu
nhiều tải nhỏ.
 Khi thấm cacbon thường xử dụng thép bản chất hạt nhỏ, không lớn lắm
nên khi thấm xong hạ nhiệt độ xuống 760-780
o
C và tôi ngay.
 Sau đó tiến hành ram thấp 150-180
o
C.

Ưu điểm:
 Tiết kiệm thời gian và nhiệt lượng
 Đơn giản dễ thực hiện.
2.6. Các nhóm thép, mác thép cacbon và công dụng.
2.6.1. nhóm thép cacbon:
- Bao gồm các mác: C10, C15, C20, C25 và đôi khi có cả CT38.
- Chúng dùng để chế tạo các chi tiết mỏng hình dạng đơn giản có yêu cầu
chống mài mòn bề mặt cao mà không yêu cầu cao về độ bền.
- Nhóm thép này không nên thấm ở nhiệt độ quá 900
o
C vì dễ bị hạt lớn, sau
khi thấm phải tôi 2 lần và môi trường tôi là nước nên độ biết dạng lớn.
- Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram của nhóm thép này:
• 

= 500-600MPa
• Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC.
2.6.2. nhóm thép Crom:
- Bao gồm các mác: 15Cr, 20Cr, 15CrV…
- Chúng được dùng làm chi tiết nhỏ có đường kính dưới 30mm, yêu cầu chống
mài mòn bề mặt cao, chịu tải trung bịnh như: chốt piston, trục cam ô tô trục
giữa xe đạp, trục pêdan, bánh răng có modum nhỏ… có thể thấm ở nhiệt độ
900-920
o
C, tôi trong dầu nên ít biết dạng.
- Cơ tính khi thấm cacbon, tôi và ram thấp:
• 

= 700-800MPa
• Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC.

- Nhược điểm: khuynh hướng làm tăng nồng độ cacbon lớp bề mặt ( do
Crom là nguyên tố Cacbit) tạo nên lớp lưới Cacbit làm lớp thấm giòn và
nhạy cảm với vết khía.

Hình 5. một số chi tiết được làm từ thép Crom thấm cacbon.

2.6.3. nhóm thép Crom-Niken :
- Bao gồm các mác: 20CrNi, 12CrNi3A, 12CrNi4A, 18CrNi4WA,
18Cr2Ni4MoA… trừ mác đầu, các mac sau đều có lượng Ni cao nên các mác
sau có độ thấm tôi rất tốt, độ bền và độ dai va đập cao, được dùng để chế tạo
các chi tiết thấm cacbon có tiết diện lớn, chịu tải cao.
- Các mác 18CrNi4WA, 18Cr2Ni4MoA được dùng làm các chi tiết đặc biệt
quan trọng (bánh răng, trục động cơ máy bay, tàu biển ) và có thể dùng ở trạng
thái không thấm cacbon ( chỉ tôi và ram) để làm các chi tiết chịu tải trọng cao
nhưng không yêu cầu chống mài mòn hoặc có thể dùng ở trạng thái hóa tốt để
làm các chi tiết chịu tải và va đập cao.
- Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp:
• 

= 1000-1200MPa
• Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC.


Hình 6. trục động cơ được làm từ thép Crom- Niken thấm cacbon.
2.6.4. nhóm thép Crom-Mangan-Titan:
- Bao gồm các mác: 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi, 18Cr2Ni4MoA…
trong đó Mn là nguyên tố thay thế cho Ni để làm tăng khả năng thấm tôi giảm
tập trung cacbon quá cao ở bề mặt, còn Ti và Mo làm nhỏ hạt (nên có thể thấm
cacbon ở 920-950oC và nhờ thế rút ngắn thời gian thấm)
- Các mác này được dùng để chế tạo các chi tiết của ô tô, máy kéo ( bánh răng

hộp số, bánh răng cầu sau, các trục quan trọng…)
- Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp:
• 

= 1150-1500MPa
• Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC.



Hình 7. một số chi tiết được làm từ thép Crom-Mangan-Titan:

















Tài liệu tham khảo:
1- Giáo trình: sử lý bề mặt (nguyễn đình tân)
2- Giáo trình :vật liệu kỹ thuật(trường đhkt công nghiệp)