tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật quy trình gia công bánh răng

LUẬN VĂN GỒM CÓ 6 CHƯƠNG
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Nghiên cứu lý thuyết
Chương 4: Thấm Nitơ
Chương 5: Quy trình gia cơng bánh răng
Chương 6: Thực nghiệm

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Từ khi con người bắt đầu biết sử dụng kim loại làm công cụ lao động và các
phương tiện lao động khác thì vấn đề chống mòn cho kim loại cũng đồng thời được
đặt ra. Như vậy, cách thời đại chúng ta khoảng 4,5 ngàn năm thì vẫn đề bảo vệ kim
loại là mối quan tâm.
Ngày nay, sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật như chế tạo cơ khí, luyện
kim, cơng nghệ hóa học, xây dựng, kỹ thuật điện tử, giao thơng vận tải, công nghiệp
thực phẩm, kỹ thuật hàng không và đời sồng hàng ngày đều gắn với vật liệu và cần
đến các vât liệu có tính năng đa dạng với chất lượng càng cao.
1.1. Tình hình và xu hướng phát triển công nghệ xử lý bề mặt kim loại.
Từ cuối thế kỉ 18 đã bắt đầu xuất hiện những công nghệ xử lý bề mặt như: Mạ,
tráng men, bọc lót cao su. Để chống ăn mòn và những phương pháp để cải thiện bề
mặt kim loaị như nhiệt luyện (Tôi, ram, ủ, thường hóa, thấm C, thấm N..). Ngồi ra
người ta nhuộm đen thép hoặc ơxy hóa, nhuộm mầu nhơm, phốt phát hóa trước khi
sơn. Bước sang thế kỉ 20 cùng với sự phát triển theo yêu cầu của các nghành công
nghiệp các công nghệ xử lý bề mặt phát triển rất nhanh, những cơng nghệ trên ngày
càng hồn thiện: Từ mạ thủ cơng, mạ hóa học đã chuyển sang cơ khí hóa q trình
mạ điện như mạ quay, mạ chuyển dịch Anốt, các khâu nâng, vận chuyển được cơ
giới hóa, đã cải thiện từng bước về chất lượng mạ điện và điều kiện lao động. Một số
nước tiên tiến, cơng nghệ mạ trang trí đẵ chuyển sang bán tự động va tự động hóa

dây chuyền thiết bị mạ, nâng cao sản lượng va chất lượng lớp mạ ổn định, bền, bóng,
đẹp. bên cạnh mạ điện cịn xuất hiện mạ phun (Al-Zn hợp kim Al-Zn, tráng Sn, tráng
Pb,), mạ xoa. Do đó đã mạ được những chi tiết hình thù phức tạp, các cấu kiện lớn
như cầu, cột điện cao thế, đường ống các loại, tôn tấm phục vụ cho việc chế tạo tấm
lợp và phục vụ sinh hoạt, đáp ứng kịp thời những nhu cầu sản xuất và đời sống. Hiện
nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị mạ đạt trình độ cơng nghệ cao:
Hãng Canning của Anh, Sumee của Trung Quốc.
Trong sản xuất cơ khí khơng thể thiếu được cơng nghệ nhiệt luyện vì đây là
biện pháp hữu hiệu để nâng cao chất lượng sản phẩm kim loại nói chung và sản
2


phẩm thép nói riêng. Do vậy tại tất cả các xí nghiệp sản xuất cơ khí lớn hay nhỏ đều
có bộ phận nhiệt luyện. Nhiệm vụ chính của bộ phận nhiệt luyện là tham gia chế tạo
dụng cụ cắt gọt như nhiệt luyện các loại dao tiện, phay, bào, chuốt, doa..., nhiệt luyện
cải thiện chất lượng sản phẩm trước, trong và sau q trình gia cơng cơ khí, ví dụ
như: Ủ trước khi gia công tiện, phay, bào, ram trong q trình gia cơng cơ khí hoặc
tơi trước khi mài. Có thể nói trình độ cơng nghệ nhiệt luyện ảnh hưởng rất nhiều đến
chất lượng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí sản xuất ra. Ở các nước tiên tiến, khâu nhiệt
luyện được đặc biệt chú trọng, nhất là việc chế tạo các thiết bị cơng nghệ như lị
nung cho tơi, ram hoặc ủ có hiệu suất nhiệt cao, điều khiển nhiệt độ tự động chính
xác. Ban đầu là các lị rèn thủ cơng rồi tiến tới lị buồng. Hiện nay ở các cơ sở sản
xuất hàng loạt đã có các dây truyền nhiệt luyện kiểu Tunel, sản phẩm tốt, ổn định và
năng suất cao. Ngồi ra các lị tơi bằng năng lượng dòng điện cảm ứng cao tần cũng
được sử dụng khá phổ biến.
Ở nước ta từ lâu nhiệt luyện đã được áp dụng trong đời sống hàng ngày, ông cha
ta đã biết tôi dao, kéo, đục, dũa, thép mềm trở thành thép cứng để cắt gọt hay ngược
lại. Ngày nay nền công nghiệp của nước ta đang phát triển không ngừng và việc
nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các chi tiết bằng phương pháp nhiệt luyện ngày
càng trở nên cấp thiết, mà việc đầu tiên là đào tạo đội ngũ cán bộ khoa học – kỹ thuật

trong lĩnh vực này.
1.2. Những nét chung về hố nhiệt luyện.
Hóa nhiệt luyện kim loại và hợp kim là quá trình nhiệt luyện bao gồm nung chi
tiết và giữ ở nhiệt độ nhất định trong mơi trường hoạt tính nhằm thay đổi thành phần
hóa học, tổ chức và tính chất lớp bề mặt của chi tiết.
Hóa nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện có kèm theo sự cải thiện thành phần
hóa học lớp bề mặt do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất ở trong lõi của vật liệu.
Hóa nhiệt luyện bao gồm hai quá trình:
- Thay đổi thành phần lớp bề mặt bằng cách bão hòa và khuếch sâu bề mặt một
hay nhiều nguyên tố khác nhau theo mục đích nhất định( cịn gọi là tạo lớp thấm)
- Nhiệt luyện tiếp theo( ủ, tôi, ram..) nhằm cải thiện hơn nữa tổ chức và tính chất
của lớp bề mặt cũng như toàn bộ chi tiết.
3


1.3. Khái quát chung về các phương pháp hoá nhiệt luyện.
1.3.1. Thấm cacbon (C)
Thấm cacbon là q trình bão hịa bề mặt chi tiết nguyên tố cacbon để sau khi
thấm và nhiệt luyện thu được bề mặt chi tiết có độ cứng cao, độ chống mài mòn cao,
độ chống xâm thực, độ bền mịn cao. Các tính chất trên đạt trong khi vẫn giữ nguyên
được phần lõi.
1.3.2. Thấm xyanua
Thấm xyanua là q trình làm bão hịa bề mặt chi tiết đồng thời hai nguyên tố
cacbon (C) và ni tơ (N) trong mơi trường muối nóng chảy có chứa xyanua nhằm tăng
dộ cứng, độ chống mài mòn, độ chống ăn mòn và độ bền nóng của chi tiết. Viện cơng
nghệ đã nghiên cứu áp dụng thấm xyanua nhiệt độ thấp cho dụng cụ cắt bằng thép
gió. Để tiến hành thấm xyanua cho dụng cụ cắt tại nhà máy dụng cụ số I đã xây lắp
dây chuyền thấm xyanua.
Thấm xyanua nhiệt độ cao được viện công nghệ nghiên cứu áp dụng cho chi tiết
máy kéo Bông sen 12. Các chi tiết như trục, xích, bạc trong, bạc ngồi, chế tạo bằng

thép 20X.
Nhược điểm của quá trình thấm xyanua: Phải dùng muối gốc xyanua là loại hóa
chất độc do đó phải có biện pháp giải quyết triệt để vấn đề khí độc, xử lý các chất thải
và duy trì việc bảo đảm vệ sinh công nghiệp.
1.3.3. Thấm lưu huỳnh (S).
Thấm lưu huỳnh là q trình bão hịa bề mặt các chi tiết bằng ngun tố lưu
huỳnh nhằm nâng cao tính chống mài mịn và tránh tạo vết xước của các bề mặt làm
việc của các chi tiết.
Thấm lưu huỳnh có thể tiến hành trong chân khơng, trong mơi trường lưu huỳnh
nóng chảy sử dụng các đĩa ma sát của ô tô, cho dụng cụ cắt gọt.
1.3.4. Thấm Bo (B)
Thấm Bo là quá trình làm bão hòa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố Bo nhằm tăng
độ cứng bề mặt, độ chống mài mòn và độ chống ăn mòn của chi tiết.
Các phương pháp thấm Bo: Thấm Bo thể rắn, thấm Bo thể lỏng điện phân, thấm
Bo thể khí, thấm Bo dạng bột nhão.
4


1.3.5. Thấm Crơm (Cr)
Thấm Crơm là qúa trình bão hịa bề mặt của chi tiết bằng nguyên tố Crôm nhằm
tăng độ cứng, độ chống mài mòn bề mặt, độ chống ăn mịn, chống xâm thực và chống
gây ơxy hóa ở nhiệt độ cao.
Chi tiết chế tạo bằng thép cacbon sau khi thấm Crơm có thể thay thế chi tiết thép
hợp kim hoặc kim loại màu tạo nên hiệu quả kinh tế.
Thấm Crơm có tác dụng tăng tuổi bền các loại khuôn dập, các chi tiết búa máy,
ống dẫn nồi hơi, chi tiết trong máy gặt..
Các phương pháp thấm Crôm: Thấm Crơm thể rắn, thể lỏng, thể khí, dạng bột
nhão, thấm trong chân khơng.
1.3.6. Thấm nhơm (Al)
Thấm nhơm là qúa trình bão hịa bề mặt bằng ngun tố nhơm nhằm tăng độ

chống ăn mòn và độ bền nhiệt của chi tiết.
Lớp thấm nhơm có khả năng chống ăn mịn trong các môi trường muối ăn 5%,
axitnitric 50%. Độ bền nhiệt của lớp nhôm thép cacbon đạt tới nhiệt độ 800 – 9000 C
Thấm nhôm được áp dụng cho các chi tiết máy hóa chất, thiết bị nung nóng, chi
tiết động cơ máy bay phản lực làm việc trong mơi trường khí ở nhiệt độ cao.
1.3.7. Thấm Silic (Si)
Thấm silic là quá trình bão hịa bề mặt chi tiết bằng ngun tố silic nhằm tăng
tính chống ăn mịn của chi tiết trong môi trường axit và trong nước biển, đồng thời
tăng độ bền nóng của chi tiết ở nhiệt độ 700 -750 0 C thấm silic được áp dụng trong
chế tạo máy, hóa chất, giấy và dầu hỏa, các phương pháp thấm silic thể rắn, thấm silic
thể lỏng, thấm silic thể khí.
1.3.8 Thấm kẽm (Zn)
Thấm kẽm là q trình bão hịa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố kẽm nhằm
tăng độ chống ăn mịn của chi tiết trong mơi trường khơng khí hoặc khí nóng (3005500C ) có chứa HCl .
Các phương pháp cơng nghệ thấm kẽm: Thấm kẽm nóng chảy, thấm kẽm thể
rắn, thấm kẽm thể khí, phủ kẽm và thấm kẽm điện phân.
1.3.9. Thấm titan (Ti)
5


Thấm titan lá q trình làm bão hịa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố titan nhằm
nâng cao độ chống ăn mòn, độ chống xâm thực, độ cứng của bề mặt và độ chống mài
mịn, độ bền nóng của chi tiết. Thấm titan áp dụng cho các loại thép các bon và hợp
kim gang , các hợp kim mầu trên cơ sở đồng (Cu) và nhôm (Al). các phương pháp
thấm titan: thấm titan thể rắn, thấm titan thể khí , thấm titan thể lỏng.
1.3.10. Thấm nitơ (N)
Thấm nitơ là một q trình hóa nhiệt luyện nhằm bão hịa bề mặt chi tiết bằng
nguyên tố nitơ nhằm mục đích nâng cao độ cứng, chống mài mịn, độ bền nóng, độ
chống ăn mòn của chi tiết. Thấm nitơ tạo nên lớp ứng suất nén dư ở bề mặt, do đó
làm tăng mạnh giới hạn mỏi. Ngồi ra thấm nitơ có bề mặt bóng mờ, chống ăn mịn

tốt trơng khí quyển có thể dùng để trang trí, lớp thấm có cơ tính ổn định tới nhiệt độ
500 - 6000 C.
1.4. Mục đích và yêu cầu của đề tài
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm Nitơ vào việc nâng cao chất lượng bề
mặt một số vật liệu dụng trong chế tạo máy, mở rộng khả năng công nghệ thấm Nitơ
trong nước .
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như: Vật liệu, nhiệt độ
thấm và thời gian thấm đến chất lượng thấm Nitơ.
Thực hiện thấm nitơ thể khí trên nền của thép 20XM, 20X, 18ΧΓΤ đã được
nhiệt luyện sơ bộ ram, thấm cỏc bon, thực hiện thấm Nitơ plasma trên thép 45X, xây
dựng quy trình cơng nghệ thấm Nitơ và Nitơ plasma với các vật liệu đã chọn.

`

6


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Với mục đích nghiên cứu của đề tài là: “ Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng
cao chất lượng bề mặt bánh răng”, chúng tôi đã ứng dụng một số phương pháp
nghiên cứu sau:
Nghiên cứu cơ sở quá trình thấm Nitơ, sơ lược nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến chất lượng lớp thấm. Nghiên cứu, phân tích lý thuyết công nghệ thấm nitơ
của các tài liệu trong và ngoài nước để vận dụng xác định ảnh hưởng của các thông
số đến chất lượng bề mặt bánh răng.
2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Từ những cơ sở lý thuyết của công nghệ thấm Nitơ, chúng tôi đã tiến hành tìm
hiểu thiết bị thấm nitơ, các yếu tố cơng nghệ: Nhiệt độ, thời gian, độ phân giải khí
NH3 để thấy được ảnh hưởng của chúng đến chất lượng lớp thấm từ đó xây dựng

cơng nghệ thấm Nitơ trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm.
Tiến hành làm phôi và chế tạo bánh răng phục vụ cho công tác thực nghiệm.
Tiến hành thí nghiệm thực hiện tại Khoa Cơ khí trường Cao đẳng công nghiệp Phúc
Yên, Trường đại học công nghiệp Hà Nội, cơng ty Việt Hồng- Phổ n, Thái
Ngun.
Thiết lập quy trình cơng nghệ thấm trong đó có nói về các bước cụ thể cho quá
trình thấm trên các mẫu thực nghiệm.
Thơng qua các mẫu thí nghiệm, tiến hành kiểm tra các thông số của bề mặt
thấm như độ cứng, độ chạy mịn từ đó phân tích đánh giávà rút ra quy trình cơng
nghệ hợp lý về cơng nghệ thấm Nitơ với loại thép đã thực nghiệm.
2.3 Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm
Các số liệu kiểm tra chất lượng của lớp thấm bề mặt mẫu thấm như độ cứng,
độ chạy mòn được kiểm tra theo tiêu chuẩn chung của Tổng cục đo lường chất lượng
7


Việt Nam và tại phịng thí nghiệm của trường Đại học công nghiệp Hà Nội và trường
Cao đẳng công nghiệp PhúcYên.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
3.1 Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại
3.1.1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể
Trong tự nhiên vật chất tồn tại ở ba trạng thái rắn lỏng khí và chúng được hình
thành từ những phần tử nhỏ - Đó là các nguyên tử.
Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất mang đầy đủ tính chất của một ngun tố
hố học. Tính chất của một ngun tố hố học hồn tồn phụ thuộc vào cấu trúc
ngun tử và cách sắp xếp của điện tử trong nguyên tố đó. Bởi vậy, nghiên cứu về vật
liệu kim loại, phải nghiên cứu từ cấu trúc nguyên tử và sự liên quan giữa các yếu tố
trong một nguyên tử, cấu trúc nguyên tử bao gồm:
Hạt nhân: Nếu ta quan niệm nguyên tử có dạng hình cầu thì hạt nhân là phần tử

phần vật chất nằm ở tâm và mang điện tích dương.
3.1.2 Cấu tạo kim loại
Q trình ăn mịn kim loại là q trình tương tác giữa kim loại với mơi trường.
Cấu tạo kim loại có ảnh hưởng nhất định đến q trình ăn mịn kim loại.
Tại điều kiện thường các kim loại và hợp kim đều ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn
điện, dẫn nhiệt tốt, có tính cơng nghệ.. Có được các tính chất đó là do cấu tạo kim
loại.
Khi kim loại chuyển trạng thái rắn thì các nguyên tử ion hay kim loại được sắp
xếp theo một thứ tự nhất định tạo nên mạng không gian.
Cấu tạo nguyên tử (ion) được tạo thành do một hay nhiều điện tử hoá trị của
nguyên tử ion kim loại chuyển rời từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Các nguyên
tử bị mất điện tử hoá trị trở thành điện tử mang điện tích dương gọi là ion dương hay
cation kim loại. Kết quả là trong kim loại tồn tại nguyên tử cùng các điện tích tự do.

8


Các nguyên tử trong kim loại không chuyển động hỗn loạn mà nó chỉ dao động
quanh một vị trí nhất định, giữa các nguyên tử có khoảng cách.
Nếu nối tâm của các vị trí các nguyên tử lại ta sẽ được mạng không gian gọi là
mạng tinh thể. Tuỳ thuộc sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử mà tạo nên
các dạng mạng tinh thể khác nhau. Phần thể tích nhỏ nhất của mạng khơng gian đại
diện cho một ngun tố hố học gọi là ơ mạng cơ bản (ô mạng cơ sở).
3.1.3. Bản chất mối liên kết trong kim loại
Mối liên kết trong kim loại về bản chất thì giống mối liên kết cộng hóa trị
nhưng có điểm khác là các điện tử hóa trị trong kim loại không chỉ dùng riêng cho
một cặp liên kết đứng gần nhau nào, mà dùng chung cho toàn bộ khối kim loại. Các
điện tử hóa trị sau khi tách khỏi hóa trị kim loại thì chuyển động từ quỹ đạo thuộc
nguyên tử này sang quỹ đạo thuộc nguyên tử khác. Nó khơng phụ thuộc vào bất kỳ
một ngun tử nhất định nào trong mạng lưới tinh thể. Các điện tử tự do chuyển động

hỗn loạn tạo thành mây điện tử trong kim loại. Tương tác giữa lớp khí điện tử với các
nguyên tử kim loại tạo nên mối liên kết đặc biệt, gọi là mối liên kết kim loại.
Từ cấu tạo và bản chất mối liên kết kim loại mà kim loại có tính dẫn điện, dẫn
nhiệt, tính cơng nghệ,...
Khi ta thiết lập một hiệu điện thế giữa hai đầu một thanh kim loại thì các điện
tử tự do sẽ chuyển từ chuyển động hỗn loạn sang chuyển động có hưởng trong điện
trường tạo thành dòng kim loại.
Khi ta nung nóng ở một điểm nào đó của thanh kim loại; nhiệt năng sẽ làm các
nguyên tử ở đó dao động. Dao động nhiệt của các nguyên tử sẽ lan truyền từ nguyên
tử này sang nguyên tử lân cận...Kết quả là tạo nên tính dẫn nhiệt của kim loại.
Khi gia cơng bằng áp lực, các lớp kim loại trượt lên nhau. Các điện tử tự do
vẫn giữ nguyên mối liên kết giữa các ngun tử - điều đó giải thích khả năng định
hình của chi tiết kim loại.
3.2. Lý thuyết về ăn mòn và mài mòn kim loại
Các thiết bị máy móc, các kết cấu cơng trình các vật liệu kim loại...sau một
thời gian làm việc hay bảo quản không được tốt thì thường xuyên bị han gỉ rồi dẫn
đến hỏng. Sự hư hỏng đó do nhiều nguyên nhân gây nên chẳng hạn: Các thiết bị lò
9


đốt hay nồi hơi sau một thời gian làm việc bị hư hỏng. Sự hư hỏng các chi tiết này là
do sự tạo các oxit kim loại làm cho chúng giảm dần về kích thước và kết cấu; các
thùng chứa axit, các ống dẫn chất lỏng bằng kim loại, các chi tiết, vật liệu kim loại
khác để trong khơng khí sau một thời gian sử dụng và bảo quản bị hư hỏng do ăn
mòn...
Vậy hiện tượng mòn kim loại là hiện tượng phá hủy kim loại hay hợp kim gây
nên tác dụng hóa học, điện hóa hay cơ học xảy ra giữa chúng với mơi trường bên
ngồi hoặc giữa chúng với nhau.
3.4. Hố nhiệt luyện
3.4.1. Khái niệm chung

Hóa nhiệt luyện là một trong các phương pháp hóa bề mặt được sử dụng khá phổ
biến, nó khác với nhiệt luyện là ngồi việc làm thay đổi cấu trúc bên trong cịn làm
thay đổi thành phần hóa học của lớp bề mặt. Hóa nhiệt luyện được thực hiện bằng
cách làm bão hịa lên bề mặt thép một hay nhiều nguyên tố (C, N, CN, Al, Si, Cr) để
làm thay đổi thành phần hóa học, do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề
mặt theo mục đích nhất định. Hóa nhiệt luyện được sử dụng rộng rãi trong cơng
nghiệp vì nó cho phép thay đổi trong một khoảng rộng thành phần, tổ chức và tính
chất lớp bề mặt của chi tiết.
3.4.2. Các q trình hóa nhiệt luyện
Dưới tác dụng của mơi trường bên ngồi và nhiệt độ, khi hóa nhiệt luyện thành
phần hóa học của lớp bề mặt kim loại bị thay đổi (cùng với sự thay đổi tổ chức tế vi)
Hóa nhiệt luyện nhằm mục đích nâng cao giới hạn mỏi của thép kết cấu khi chịu
tải có chu kì, nâng cao độ chống mài mịn của bề mặt làm việc của chi tiết có khả
năng chịu tác dụng của mơi trường bên ngồi ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao (ổn
định chống ăn mòn và ổn định nóng).
Bất kỳ một q trình nhiệt luyện nào cũng đều được thực hiện do sự tác dụng
tương hỗ của mơi trường lỏng và khí bên ngồi với bề mặt kim loại nhờ sự hấp thụ và
khuếch tán các nguyên tố hoạt tính ở trạng thái nguyên tử trong kim loại việc nghiên
cứu một cách tổng hợp các hiện tượng xảy ra trong mơi trường bên ngồi, trên bề mặt
10


và bên kim loại, là phương pháp khoa học chủ yếu để nghiên cứu quá trình và phân
loại chúng khi các hiện tượng xảy ra với tốc độ nhỏ nhất và ngừng hồn tồn .
3.4.3. Cơ sở của nhiệt luyện
Thơng thường, khi hóa nhiệt luyện người ta đặt chi tiết vào trơng mơi trường
(rắn, lỏng, hoặc khí) có khả năng phân hóa ra nguyên tử hoạt của nguyên tố định
khuếch tán rồi đun nóng chúng đến nhiệt độ thích hợp, giữ lâu ở nhiệt độ này để
khuếch tán các nguyên tố cần thấm vào chi tiết. các quá trình tấm xảy ra theo ba giai
đoạn tiếp nhau như sau, phân hủy, hấp thụ, khuếch tán.

a) Phân hủy
Phân hủy là quá trình phân tích phân tử tạo nên ngun tử hoạt tính của ngun
tố khuếch tán. Q trình này xảy ra trong mơi trường hóa nhiệt luyện và các ngun
tử hoạt tính được tạo thành có khả năng khuếch tán vào bề mặt kim loại .
Khi thấm cacbon, quá trinh phân hủy xảy ra như sau:
2CO → CO2+ Cht
CH4 → 2H2 + Cht
2NH3 → 3H2 +Nht
Những nguyên tử cacbon hoặc nitơ hoạt tính sẽ hấp thụ vào bề mặt thép, sau đó
chúng khuếch vào trong để tạo thành lớp khuếch tán.
b) Hấp thụ
Sau khi phân hủy, các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép, sau đó
chúng khuếch vào kim loại cơ sở tạo nên dung dịch rắn hoặc các pha phức tạp, pha
trung gian hoặc các hợp chất hóa học.
Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép lớp có nồng ủoọ ngun tố định
khuếch tán vào cao, tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi.
c) Khuếch tán
Các nguyên tử hoạt hấp thụ vào lớp bề mặt thép với nồng ủoọ cao sẽ được
khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm với chiều sâu nhất định. Nhờ khuếch tán lớp
thấm được hình thành và nó là cơ sở của hóa - nhiệt luyện. Chiều dày lớp khuếch tán
11


phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và nhiệt độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt như trình
bày ở hình 3.6

12


CHƯƠNG 4. THẤM NITƠ

4.1. Định nghĩa và mục đích
Thấm nitơ là phương pháp nhiệt luyện làm bão hoà ( thấm và khuếch tán) nitơ
vào bề mặt thép, nhằm mục đích chủ yếu là:
- Làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn.
- Tăng độ bền mỏi.
- Tăng khả năng chống ăn mịn trong các mơi trường khơng khí, hơi, nước ...
- Trang trí nghệ thuật cho sản phẩm.
Độ cứng của lớp thấm nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể
giữ đến nhiệt độ 400 − 500° C, trong khi ấy độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ
được đến 200 − 225° C.
Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xilanh của động cơ lớn, khuôn dập cũng như
dụng cụ cắt gọt.
4.2. Lý thuyết về nitơ hố, tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ
Giản đồ pha của Fe-N được nêu trên hình 4.1. Từ giản đồ của hệ Fe-N ta thấy
gồm có các pha:
α - Dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong α -Fe, được gọi là ferít nitơ.
γ - Dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong γ -Fe, được gọi là austenít nitơ, chỉ

tồn tại ở cao hơn 591° C; tại nhiệt độ này khi làm nguội γ phân hoá thành hỗn hợp
cùng tích ( α + γ ’).
γ ’- Dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ Fe4N, là pha rất cứng.
ε - Dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ Fe 2N, Fe2N ứng với 11,2%N,

song pha này tồn tại ngay cả khi lượng nitơ bằng 8%.
Nitơ cũng tạo nên pha xen kẽ với nhiều kim loại chuyển tiếp: CrN, Cr2N, MnN,
TiN, MoN, Mo2N, VN, V2N, WN…
4.3. Thép dùng để thấm nitơ
Độ cứng của lớp thấm nitơ trong thép cacbon khơng lớn, vì thế nitơ để đạt độ
cứng và tính chống mài mịn cao người ta khơng dùng thép cacbon thơng thường, vì

13


các nitrit sắt có khuynh hướng kết tụ ở nhiệt độ cao, do vậy có kích thước lớn, lớp
thấm khơng có độ cứng và tính chống mài mịn cao và trở nên dịn, dễ tróc.
Để thấm nitơ thường dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tố như Cr,
Mo, Al, chúng có ái lực với nitơ mạnh hơn sắt và các nitrit này khơng những có độ
cứng cao như nitrit sắt mà cịn có tính phân tán lớn, ổn định nhiệt cao, do đó lớp thấm
có độ cứng và tính chống mài mịn rất cao, chắc, khơng tróc. Khi thấm nitơ cho phép
hợp kim sẽ tạo thành những nitrit hợp kim nhỏ mịn ( Cr 2N, Mo2N, AlN…) nên làm
tăng độ cứng và tính chống ăn mịn .
Để đạt u cầu tăng độ cứng và tính chống mài mịn, thấm nitơ thường dùng
những thép chuyên dùng như 38CrMoAlA, 38CrCrWVAl, 38CrAl. Do sự có mặt
đồng thời của các nguyên tố hợp kim như Crôm, nhôm, môlipđen nên độ cứng của
lớp thấm có thể đạt tới 1200Hv hoặc cao hơn. Thấm nitơ để tăng tính chống ăn mịn
có thể dùng cho tất cả các loại thép, kể cả thép cacbon.
4.4. Công nghệ thấm nitơ
Khi thấm nitơ, thời gian thấm thường rất dài và mà chiều dày lớp thấm lại rất
mỏng do quá trình thấm được tiến hành ở nhiệt độ thấp ( 500 − 650° C ), hệ số khuếch
tán nhỏ. Tốc độ thấm nitơ chậm hơn thấm cacbon tới 10 lần. Ví dụ muốn được lớp
thấm dày 0,25 – 0,3 mm cần 24 giờ; lớp thấm dày 0,4 mm cần 48 giờ khi thấm ở
nhiệt độ 500 − 520° C.
Nếu thấm ở nhiệt độ cao hơn, sự phân hoá của amôniac quá mạnh, lượng nitơ
nguyên tử tạo thành quá nhiều cũng không tốt, lớp thấm kém cứng mặc dầu tốc độ
thấm có thể tăng lên.
Thấm nitơ tiến hành trong mơi trường amôniac. ở nhiệt độ cao, amôniac
( NH3 ) sẽ phân huỷ, mức độ phân huỷ sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Ở nhiệt độ 480 − 500° C, mức độ phân huỷ là 15 – 20%.
+

-

500 − 520° C,

-

20 – 25%.

+

-

540 − 560° C,

-

30 – 50%.

+

-

550 − 570° C,

-

35 – 55%.

+

-

600 − 620° C,

-

50 -70%.

14


4.5. Các phương pháp thấm nitơ
Thấm nitơ được chia ra làm các loại sau đây :
4.5.1. Thấm nitơ thể khí
+ Chuẩn bị chi tiết: Chi tiết trước khi thấm được tẩy sạch dầu mỡ. Thông
thường rửa chi tiết bằng dầu mazút.
Những phần bề mặt khơng cần thấm có thể chống thấm bằng cách mạ thiếc. Đơn giản
là dùng cách bôi lớp thuỷ tinh lỏng lên lớp bề mặt chi tiết đã được tẩy rửa sạch. Sau
đó tiến hành xấy chi tiết ở 100° C thời gian 1giờ, ở nhiệt độ 120° C thêm 1 giờ nữa.
+ Chế độ thấm nitơ: Kết quả thấm nitơ phụ thuộc vào 3 yếu tố: Nhiệt độ thấm,
độ phân giải amôniac và thời gian thấm. Người ta chia ra thành 3 loại công nghệ
thấm nitơ.
4.5.2. Thấm nitơ thể lỏng
Thấm nitơ ở trạng thái lỏng tiến hành trong bể muối có thành phần 40%KCNO
+ 60% NaCN, qua bể muối cho luồng khơng khí khơ đi qua. Nhiệt độ thấm là 570° C.
Sau khi thấm trên bề mặt tạo thành một lớp cacbit – nitrit Fe 3(N,C) có khả năng
chống mài mịn cao và khơng bị phá huỷ dòn. Tiếp theo lớp cabit – nitrit là lớp dung
dịch rắn α , toàn bộ chiều dày lớp thấm vào khoảng 0,15 – 0,5 mm.
4.5.3. Công dụng của thấm nitơ
Thấm nitơ được áp dụng trong những trường hợp sau đây:

4.5.3.1. Thấm nitơ để tăng cứng và tính chống mài mịn
4.5.3.2. Thấm nitơ để tăng tính chống ăn mịn
4.5.4 Các dạng khuyết tật sai hỏng khi thấm nitơ và biện pháp ngăn ngừa
4.5.4.1 Biến dạng và thay đổi kích thước
4.5.4.2 Độ giịn cao và bong lớp thấm
Ngun nhân chính của hiện tượng giịn là do hiện tượng q bão hồ nitơ, pha
ε ở bề mặt dày. Để khắc phục hiện tượng này thường phải mài bề mặt đi một lớp

mỏng 0,01 – 0,05 mm. Như vậy sẽ khử được lớp giịn và khơng làm giảm độ cứng
của chi tiết.
15


Đối với các loại thép có hạt lớn cịn có khả năng tạo lưới nitrit cà gây hiện tượng
bong lớp thấm. Để khắc phục hiện tượng này bằng cách giảm lương amôniac NH 3
trước khi kết thúc thấm 1 – 2 giờ.

4.5.4.3 Độ cứng thấp và không đồng đều
Độ cứng thấp là do nhiệt độ thấm cao, hạt thép lớn và thốt cacbon trong q
trình thấm. Để khắc phục hiện tượng này cần đảm bảo nhiệt độ thấm chính xác, duy
trì đúng chế độ cấp amơniac và đảm bảo liên tục.
Hiện tượng độ cứng không đồng đều do chi tiết tẩy rửa không sạch và tổ chức
tế vi của chi tiết không đều. Để khắc phục hiện tượng này cần tẩy rửa sạch chi tiết,
kiểm tra tổ chức tế vi phôi thép làm chi tiết trước khi chế tạo.
4.5.4. 4 Lớp thấm mỏng
Hiện tượng này do giảm nhiệt độ thấm, tăng độ phân giải NH 3 và giảm thời
gian thấm. Để khắc phục hiện tượng này cần đảm bảo đúng quy trình cơng nghệ
thấm.
4.6. Thấm nitơ - cácbon plasma
4.6.1 Thấm plasma

4.6.2 Nguyên tắc của glow discharge

16


Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý tạo thành plasma
4.6.3. Thấm plasma Nitơ
4.6.3.1. Khái niệm

Hình 4.7. Quá trình thấm Nitơ plasma
4.6.3.2 Cấu trúc tế vi

17


Hình 4.8 Tổ chức lớp thấm và dự báo chiều sâu lớp thấm
4.6.3.3. Ưu điểm chính của thấm plasma Nitơ

CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH GIA CƠNG BÁNH RĂNG
5.1 Chọn vật liệu bánh răng
5.2 Quy trình cơng nghệ gia cơng bánh răng thẳng
* Thông số bánh răng:
- Môdun: m =2,5 (mm)
- Bước răng; t = 7,85 (mm)
- Số răng Z = 27
- Đường kinh vịng chia: d = 67,5 (mm)
- Đường kính đỉnh răng: De= 72,5.
- Chiều cao răng: h = 5,625 (mm).
- Chiều cao đầu răng: ha = 2,5 (mm)
- Chiều cao chân răng: hf = 3,125 (mm)

- Chiều dày răng theo cung của đường chia: S = 3,927.
- Chiều dày răng: B = 25
Quy trình cơng nghệ:

Bánh răng gia cơng

Ngun công 1: Gia công lỗ
Nguyên công 2: Gia công mặt ngồi
Ngun cơng 3: Xọc rãnh then:
Ngun cơng 4: Cắt răng
Ngun công 5: Vê đầu răng
Nguyên công 6: Nhiệt luyện

18


CHƯƠNG 6: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
6.1 Thiết bị thấm Nitơ
6.1.1 Một số hình ảnh của lị thấm Nitơ

Hình 6.1. Hình ảnh lị thấm Nitơ thể khí

Hình 6.2 Hình ảnh lị thấm Nitơ thể lỏng

19


Hình 6.3 Hình ảnh lị thấm nitơ plasma

Hình 6.5 Hình ảnh lò thấm nitơ plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Việt nam

20


Hình 6.6 Hình ảnh quá trình thấm nitơ plasma điều khiển bằng máy tính

Hình 6.7 Hình ảnh máy đo độ cứng AFFRI (Italy)
6.2 Mẫu thí nghiệm
6.2.1 Vật liệu chế tạo mẫu
Tôi đã chọn thép chế tạo bánh răng để tiến hành làm thí nghiệm đó là:
- Với thép thấm Nitơ thể khí: Thép 20X, 20XM, 20XΓT
- Với thép thấm Nitơ plasma: Thép 45X

21


Hình 6.8 Mẫu bánh răng làm từ thép 20X, 20XM, 18XΓ T
6.2.2 Số lượng mẫu thí nghiệm
- Thép 20X: 6 mẫu
- Thép 20XM: 6 mẫu
- Thép 18XΓT: 6 mẫu
- Thép 45X: 6 mẫu

6.12 Hình ảnh bánh răng trong lị thấmplasma
6.3 Kết quả thực nghiệm:
6.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm khi thấm Nitơ thể khí
+ Các mẫu bánh răng được chế tạo và đánh dấu sau đó được mang đi thấm C
22

+ Kiểm tra điện áp vào ra của thiết bị đảm bảo sự an toàn khi thao tác và sử dụng.
+ Kiểm tra áp suất khí, đường dẫn khí vào, ra cảu hộp thấm.
+ Kiểm tra hộp thấm đảm bảo kín khít.
+ Trước khi thấm mẫu được làm sạch bằng dầu Mazut.
Bảng 6.1. Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm C thể rắn (Z= 27)
STT
Ký hiệu mẫu
Độ cứng (HRC)
1
001
54
2
002
57
3
003
55
Bảng 6.2. Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm C thể khí (Z= 27)
STT
Ký hiệu mẫu
Độ cứng (HRC)
1
004
59
2
005
57
3
006
58

Bảng 6.3. Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm C thể rắn (Z= 25)
STT
Ký hiệu mẫu
Độ cứng (HRC)
1
007
59
2
008
60
3
009
60
Bảng 6.4. Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm C thể khí (Z= 25)
STT
Ký hiệu mẫu
Độ cứng (HRC)
1
010
60
2
011
57
3
012
58
Bảng 6.5. Độ cứng của bánh răng thép 18XΓ T sau khi thấm C thể rắn (Z= 45)
STT
1
2

3

Ký hiệu mẫu
013
014
015

Độ cứng (HRC)
59
57
57

Bảng 6.6. Độ cứng của bánh răng thép 18XΓ T sau khi thấm C thể khí (Z= 45)
STT
Ký hiệu mẫu
Độ cứng (HRC)
1
016
56
2
017
58
3
018
58
Bảng 6.7. Độ cứng của bánh răng thép 20X thấm C sau đó thấm N thể khí (Z= 27)
23


STT

Ký hiệu mẫu
Độ cứng (HRC)
1
001
45
2
004
47
Bảng 6.8. Độ cứng của bánh răng thép 20XM thấm C sau thấm N thể khí (Z= 25)
STT
Ký hiệu mẫu
Độ cứng (HRC)
1
007
43
2
010
46
Bảng 6.9. Độ cứng của bánh răng thép 18XΓ T thấm C sau thấm N thể khí (Z= 45)
STT
1
2

Ký hiệu mẫu
013
016

Độ cứng (HRC)
45
48

Như vậy sau khi thấm Nitơ bằng mẫu đã thấm C thì độ cứng có xu hướng giảm
tuy nhiên việc giảm này khơng ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bánh răng mà
đồng thời được tạo ra một lớp bề mặt có khả năng chịu mài mòn và ăn mòn rất tốt.
6.3.2. Quy trình cơng nghệ thấm nitơ plasma
a) Chi tiết và vật liệu
- Kiểm tra thành phần hoá học của vật liệu thấm
- Tiến trình cơng nghệ:
+ Làm sạch: Chi tiết đem thấm phải được làm sạch gỉ, sơn, dầu và các chất bẩn khác
trên bề mặt. Dùng giắy mềm sạch lót tay khơng để tay tiếp xúc với bề mặt mẫu.
+ Kiểm tra hệ thống trước khi thực hiện quá trình thấm.
+ Kiểm tra hệ thống điện, hệ thống dẫn khí (Đường dẫn khí vào – ra, đồng hồ áp suất
khí).
+ Kiểm tra hệ thống làm mát, phải đảm bảo chắc chắn sự hoạt động liên tục của hệ
thống làm mát, bơm nước khơng có sự cố gì xảy ra trong q trình hoạt động của lị
+ Gá lắp vào thùng lò
Tiến hành gá lắp chi tiết vào đồ gá và cho vào thùng lò, phải đảm bảo chi tiết
được gá lắp chặt chẽ, không được di chuyển trong quá trình thấm.
+ Thấm chi tiết
+ Ra lị
+ Xử lý sau thấm (Nếu có)
24


b) Chương trình điều khiển q trình cơng nghệ thấm Nitơ
- Xác định giới hạn thơng số của lị thấm
- Xác định các tham số
+ Xác định thời gian thực hiện mỗi bước của công nghệ h, m (giờ, phút)
+ Xác định áp suất P (pascal).
+ Xác định nhiệt độ thấm của chi tiết TL (0 C);

+ Xác định tốc độ tăng nhiệt độ chi tiết theo thời gian WG (0 C/min);
+ Xác định nhiệt độ tường lò TW (0 C)
+ Xác định điện áp V (V)
+ Xác định thời gian tồn tại xung PD (µs).
+ Xác định số lần lặp lại của xung PR (µs).
+ Xác định lưu lượng khí 1 G1 (l/h)
+ Xác định lưu lượng khí 2 G2 (l/h)
+ Xác định lưu lượng khí 3 G3 (l/h)
+ Xác định lưu lượng khí 4 G4 (l/h)
* Quy trình vận hành thiết bị
Để vận hành được thiết bị thấm Nitơ xung plasma phải tuân thủ đầy đủ các
bước như sau:
Bước 1: Bật nguồn, máy nén khí, hệ thống nước làm mát, hệ thống khí Ar, N 2,
H2, CH4.
Bước 2: Mở lò
Bước 3: Xếp chi tiết thấm vào lò
Bước 4: Đóng lị
Bước 5: Gọi chương trình cần chạy.
Bước 6: Theo dõi hoạt động của lò đến khi kết thúc quá trình thấm.
Bước 7: Mở lị
Bước 8: Lấy chi tiết ra và vệ sinh lị.
Bước 9: Đóng lị
Bước 10: Tắt nguồn, máy nén khí, hệ thống nước làm mát, hệ thống khí Ar, N 2,
H2, CH4.
25