Tiểu luận 4:Dựa trên định luật khuếch tán xác định quan hệ giữa thời gian thấm C, nhiệt độ thấm ,chiều dày lớp thấm C cho chi tiết?

Tiểu luận 4:Dựa trên định luật khuếch tán xác
định quan hệ giữa thời gian thấm C, nhiệt độ
thấm ,chiều dày lớp thấm C cho chi tiết?
1. Mở đầu :
Thấm C-N là quá trình bào hõa bề mặt thép đồng thời hai nguyên tố C
và N ở dạng nguyên tử (C
nt
và N
nt
) làm tăng độ cứng, khả năng chống
mài mòn cho bề mặt chi tiết, trong khi lõi vén giữ được độ dai, có khả
năng chịu uốn, xoắn, chịu mỏi.
Thép sử dụng để thấm thường có hàm lượng cacbon thấp (nhỏ hơn 0,3
%) và một số nguyên tố hợp kim có khả năng tạo cacbit và nitơrit như
crôm, mangan, môlipđen,…
Quá trình thấm được thực hiện bằng cách đặt chi tiết trong môi trường
có hàm lượng cacbon và nitơ nguyên tử cao hơn nhiều so với hàm lượng
các nguyên tố đó trong thép. Cacbon và nitơ khuếch tán vào bề mặt thép
rồi tiếp tục khuếch tán sâu vào bên trong, kết hợp với sắt và các nguyên
tố hợp kim, tạo nên các hợp chất có độ cứng cao. Độ cứng giảm dần từ
ngoài vào lõi.
Chất lượng lớp thấm không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố
thấm mà còn phụ thuộc vào sự phân bố các nguyên tố đó trong lớp
thấm:
- Chất lượng lớp thấm sẽ cao hơn nếu hàm lượng các nguyên tố C, N
giảm từ ngoài vào trong một cách điều hoà, không thay đổi đột ngột.
Nếu nồng độ chất thấm giảm đột ngột, cơ tính lớp thấm giảm đột ngột,
có thể dẫn đến bóc, vỡ lớp thấm.
-Xác định giá trị độ cứng theo chiều sâu lớp thấm là xác định gián
tiếp sự sự phân bố và cũng là sự khuếch tán của cacbon và nitơ để tạo
nên lớp thấm. Để đạt được điều đó cần phải khống chế môi trường thấm

và đặc biệt là phải điều chỉnh được quá trình khuếch tán của C và N.
Quá trình khuếch tán tuân theo định luật Fick II:
Trong đó:
Cx là hàm lượng cacbon tại khoảng cách x trong lớp thấm,
Co là hàm lượng cacbon ban đầu trong thép,
Cs là hàm lượng cacbon trên bề mặt thép,
x là chiều dày lớp thấm,
D là hệ số khuếch tán phụ thuộc vào bản chất của nguyên tố thấm, nhiệt
độ và vào môi trường khuếch tán.
Tại nhiệt độ thấm thép có tổ chức austenit (γ). Biểu thức của định luật
Fick II cũng cho thấy sự phụ thuộc của quá trình thấm vào môi trường
thấm.
-Trong biểu thức của định luật Fick II
Thấy rõ là ở nhiệt độ thấm xác định, với một loại thép xác định (Co =
constant), chiều dày lớp thấm (x) và thời gian thấm (t) phụ thuộc cào Cs.
Trong điều kiện cân bằng, Cs có giá trị bằng hàm lượng các nguyên tố
thấm của môi trường tiếp xúc với chi tiết (Cp).
Do có sự chênh lệch giữa Cs và Co, cácbon và nitơ khuếch tán dần vào
phía trong, sự chênh lệch đó chính là động lực của quá trình khuếch tán.
Chất lượng lớp thấm phụ thuộc vào hàm lượng cácbon trên bề mặt và
vào sự khuếch tán của chúng trên lớp thấm.
Cơ tính của lớp thấm tốt nhất khi tổng hàm lượng cacbon và nitơ trên bề
mặt đạt 1 đến 1,3 % [1]. Nếu tổng hàm lượng các nguyên tố thấm quá
nhỏ, lớp thấm không đủ độ cứng, còn nếu quá lớn sẽ tạo muội hoặc
khuyết tật.
Nếu môi trường tạo ra lượng các nguyên tử của nguyên tố thấm nhỏ, độ
cứng bề mặt sẽ thấp vì hàm lưọng các pha cứng thấp. Ngược lại nếu
nồng độ cacbon và nitơ tạo ra quá lớn, các nguyên tử được hấp phụ trên
bề mặt thép lớn, bề mặt thép có hàm lượng cac nguyên tố thấm quá cao,
tạo nên nhiều cacbit và nitơrit dẫn đến austenit trở nên nghèo nguyên tố

hợp kim, tốc độ tôi tới hạn giảm, hoặc tạo ra austenit dư lớn. Cả hai
trường hợp đều làm giảm chất lượng bề mặt [3].
Trong thí nghiệm này, nguồn tạo ra nitơ nguyên tử là NH3. Phản ứng
tạo N
nt
như sau:
2NH
3
↔ 2(N
nt
) + 6H (1)
-Nguồn cacbon (Cnt) được tạo ra từ hỗn hợp của khí ga công nghiệp và
CO2, khí ga công nghiệp của Việt Nam bao gồm hai thành phần chủ yếu
là 50 % C3H8 và 50 % C4H10 . Cácbon nguyên tử (Cnt) sẽ được tạo ra
theo các phản ứng liên hoàn:
C
3
H
8
+ 3 CO
2
= 6CO + 4H
2
(2)
C
4
H
10
+ C
4

H
10
= 8CO + 5H
2
(3)
CO + H
2
↔ H
2
O + (C
nt
) (4)
Phản ứng (4) tạo ra Cnt đi vào lớp thấm.
-Tốc độ các phản ứng trên khá lớn, nhất là thời gian bắt đầu, lượng
Cnt sinh ra rất nhiều trên bề mặt thép, còn tốc độ khuếch tán từ bề mặt
vào sâu trong thép lại nhỏ vì cacbon và nitơ khuếch tán theo cơ chế
khuếch tán xen kẽ. Điều đó có khả năng tạo muội hoặc làm cho hàm
lượng cácbon trên bề mặt thép quá lớn, cơ tính của lớp thấm giảm.
-Nếu thời gian thấm ngắn, không đủ để cácbon khuếch tán và phân
bố giảm dần trên bề mặt lớp thấm, hàm lưọng cacbon trên bề mặt cao,
sự chênh lệch hàm lượng cacbon giữa các vùng tế vi lớn, tạo ra sự chênh
lệch về cơ tính, gây nguy cơ tạo vết nứt khi chịu lực.
-Nếu thời gian thấm dài, do sự có mặt của nitơ, dễ xuất hiện các bọt
khí nitơ trên lớp thấm. Vì vậy, sau một thời gian cấp khí, giai đoạn tiếp
theo cần ngừng, hoặc giảm lượng khí nguồn cung cấp các nguyên tố
thấm để các nguyên tử cacbon và nitơ khuếch tán dần vào trong. Thời
gian đó gọi là thời gian khuếch tán.
- Gọi T là tổng thời gian thấm: T = T
1
+ T

2
T
1
là thời gian bão hoà. Trong thời gian bão hoà lưu lượng khí được giữ
theo tính toán, lượng Cnt và Nnt được tạo ra khá lớn. Các nguyên tử đó
khuếch tán từ môi trường đến bề mặt thép làm cho bề mặt thép có hàm
lượng Cnt và Nnt khá lớn.
T
2
là thời gian khuếch tán: thời gian này giảm # hoặc ngừng hẳn việc
cấp khí nguồn, giảm lượng Cnt và Nnt trong môi trường.
Thành phần thép cũng ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán. Các loại
thép dùng để thấm cacbon- nitơ có hàm lượng cacbon thấp (nhỏ hơn
0,3%) như thép C15, C20… và các loại thép hợp kim hoá bởi các
nguyên tố như crôm, mangan, môlipđen, titan được thấm C-N để chế tạo
các chi tiết quan trọng hơn (ví dụ: thép Mỹ ASTM 8620, thép Nga
20XM, thép Nhật SCR420).
Các nguyên tố hợp kim kết hợp với cacbon và nitơ tạo ra các loại nitơrit
(Me
4
N), và cacbit (Me
3
C) là những pha có độ cứng cao phân bố trong
lớp thấm, làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn cho lớp thấm. Có thể
dự đoán sự có mặt của các hợp chất tạo nên trong thép khi thấm C-N
bằng tính toán nhiệt động học.
Các nguyên tố hợp kim lúc đầu giúp quá trình khuếch tán của C
nt
và
N

nt
thuận lợi vì chúng thu hút các nguyên tố này để tạo hợp chất, tuy
nhiên khi đã hình thành, các cacbit hoặc nitơrit lại gây khó khăn cho sự
khuếch tán của cacbon và nitơ, làm giảm tốc độ khuếch tán . Các
nguyên tố như môlipđen, niken tăng lượng austenit dư sau tôi của các
lớp thấm.
2. Thực nghiệm
Việc xây dựng giản đồ trạng thái, tính toán sự tồn tại của các pha tại
nhiệt độ thấm dựa trên chương trình nhiệt động Thermocal. Quá trình thí
nghiệm được thực hiện tại xưởng Nhiệt luyện, trường Đại học Bách
khoa Hà Nội. Tiến hành thấm cho các loại thép 18CrMnTi, 20CrCMo.
Nhiệt độ thấm 840 °C, thành phần khí thấm bao gồm khí công nghiệp,
CO
2
, NH
3
và N
2
. Trong thời gian khuếch tán (T
2
), các loại khí tạo C
nt
và
N
nt
được giảm theo tỷ lệ. Sau khi thấm mẫu được tôi trực tiếp trong dầu
nóng. Các mẫu thép thấm có kích thước 15x15x20mm, có thành phần cụ
thể tại bảng 1. Độ cứng tế vi trong lớp thấm được đo trên máy Duramin
Struerm, Denmark, tải trọng 100 g. Khoảng cách từ bề mặt tới chiều sâu
có độ cứng 50 HRC được gọi là chiều sâu lớp thấm hiệu quả.

Hình 1, Bảng 1
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Xây dựng giản đồ trạng thái, xác định các pha ở nhiệt độ thấm
cho thép 20CrMo
Các mặt cắt của thép 20CrMo ở nhiệt độ thấm khi thay đổi hàm lưọng
cacbon và nitơ (hình 1) cho phép hình dung về mặt nhiệt động học sự
tồn tại của các pha trong quá trình thấm.
Trên mặt cắt nhận thấy sự có mặt của austenit, cacbit và nitơrit. Các
pha nitơrit và cacbit là những pha có độ cứng cao. Sự phân bố độ cứng
của lớp thấm phản ánh sự phân bố của các hợp chất đó cũng là phản ánh
sự phân bố của cacbon và nitơ trong lớp thấm.
3.2. Ảnh hưởng của chế độ khuếch tán đến độ cứng tế vi của thép
-Hình 2 biểu thị kết quả đo độ cứng tế vi khi thấm cacbon-nitơ cùng
chế độ của hai loại thép khác nhau khi không áp dụng chế độ khuếch
tán. Trên hình 2, đường 1 biểu diễn sự phân bố độ cứng theo chiều sâu
lớp thấm của thép 18CrMnTi; đường 2 là của thép 20CrMo, thời gian
thấm là 3 giờ, khí được cấp không đổi trong 3 suốt thời gian thấm
(không áp dụng chế độ khuếch tán). Từ hình 1 có thể nhận thấy lớp
thấm có cơ tính không cao (biểu hiện qua giá trị độ cứng tế vi): độ cứng
sát bề mặt của cả hai loại thép đều dưới 55HRC, đường phân bố độ cứng
thất thường, không điều hoà và có chiều sâu lớp thấm nhỏ. Có thể giải
thích kết quả trên là do khi lượng khí nguồn được giữ nguyên trong suốt
thời gian thấm, cacbon và nitơ nguyên tử trên bề mặt được sinh ra liên
tục với hàm lưọng cao, cùng với sắt tạo nên cacbit và nitơrit, ngăn cản
sự di chuyển tiếp tục các nguyên tố thấm nên chiều dày lớp thấm nhỏ.
Mặt khác, hàm lượng các nguyên tố thấm trên bề mặt cao, lớp thấm
chứa nhiều khuyết tật nên độ cứng bề mặt giảm.
Hình 2. Đường phân bố độ cứng tế vi từ bề mặt vào lõi của thép
18CrMnTi (đường1)
và thép 20CrMo (đường 2) khi không áp dụng chế độ khuếch tán

So sánh việc áp dụng và không áp dụng chế độ thấm khuếch tán cho
thép 18CrMnTi, tổng thời gian thấm 3 giờ, cho kết quả độ cứng tế vi rất
khác nhau (hình 3). Các trị số và đường phân bố độ cứng cho thấy khi
không áp dụng chế độ khuếch tán, lớp thấm có độ cứng sát bề mặt là 58
HRC, chiều sâu là 600 μm (hình 3, đường 1). Khi áp dụng chế độ
khuếch tán 1 giờ: chiều sâu lớp thấm 1030 μm, độ cứng phần sát bề mặt
là 66 HRC (hình 3, đường 2).
Hình 3, 4
- Với thép 20CrMo sự chênh lệch giữa hai chế độ còn rõ rệt hơn. Hình
4 biểu diễn sự thay đổi độ cứng theo lớp thấm của thép 20CrMo không
áp dụng chế độ khuếch tán(đường1) và áp dụng chế độ khuếch tán
(đường2).
-Khi không áp dụng chế độ khuếch tán, các nguyên tố hợp kim như
Cr, Mo lúc đầu hấp dẫn cacbon và nitơ tạo ra các hợp chất có độ cứng
cao, tuy nhiên do nitơ và cacbon được cấp nhiều và liên lục, tốc độ
chuyển dịch trong thép nhỏ hơn nhiều so với tốc độ tạo khí nên các
nguyên tố thấm không có điều kiện khuếch tán điều hoà nên đường phân
bố độ cứng thay đổi thất thường. Ngoài ra, do hàm lưọng nitơ cao
austenit trở nên ổn định, lượng austenit dư sau thấm và tôi lớn, độ cứng
thấp.
- Khi có thời gian khuếch tán, nguồn cấp cacbon và nitơ giảm, cacbon
và nitơ có điều kiện chuyển dần vào trong, lượng hai nguyên tố đó trên
bề mặt giảm, tránh được khuyết tật, độ cứng lớp bề mặt cao, đường phân
bố độ cứng điều hoà, chứng tỏ các nguyên tố C và N phân bố điều hoà
trong lớp thấm.
3.3. Ảnh hưởng của hình dạng bề mặt đến phân bố độ cứng của thép
Quá trình khuếch tán còn chịu ảnh hưởng của hình dáng chi tiết (hình
5). Với cùng một loại thép, cùng một chế độ thấm, chiều dày của lớp
thấm của mẫu phẳng (15x15x20 mm) (đường 1) lớn hơn so với mẫu trụ
(R = 10 mm) (đường 2).

Hình 5. Đường phân bố độ cứng từ bề mặt vào lõi của thép 20XM mẫu
phẳng (đường 1) và mẫu trụ
(đường 2) với chế độ thấm 10 % NH3, (Cp = 1.157),
T = T1 + T2 = 2 h + 1 h = 3 h
4. Kết luận
– Khi sử dụng khí công nghiệp để tiến hành thấm C-N cho loại thép
khác nhau, chiều dày lớp thấm, độ cứng và sự phân bố độ cứng đều tốt
hơn khi áp dụng chế độ thấm khuếch tán.
– Chiều dày và độ cứng còn chịu ảnh hưởng của hình dáng bề mặt chi
tiết, với chi tiết có bề mặt phẳng, các chỉ tiêu nói trên đều cao hơn so với
chi tiết bề mặt cong, kết luận này có thể sử dụng để xác định thời gian
thấm phù hợp cho các chi tiết có hình dáng khác nhau.