- 1 -
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Kể từ khi đất nước chuyển sang kinh tế thị trường, sản xuất công
nghiệp cũng như các công trình xây dựng khác của chúng ta đã ghi
nhận có một tốc độ phát triển nhanh. Trên quan điểm vì sự phát triển
bền vững kinh tế của đất nước, chúng ta cần phải sử dụng những
nguyên vật liệu nhập khẩu và nguyên vật liệu trong nước sản xuất cho
phù hợp và thích ứng với các yêu cầu riêng của mình. Bên cạnh đó cần
tìm các giải pháp công nghệ xử lý bề mặt để nâng cao tính năng sử
dụng của vật liệu. Có rất nhiều biện pháp công nghệ. Một trong những
biện pháp hữu hiệu đó là sử dụng công nghệ phun phủ kim loại nhằm
để các chi tiết chịu nhiệt cao và chống ăn mòn, mài mòn, phục hồi các
chi tiết máy bị mòn. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma
sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm
chậm quá trình phá hủy lưỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát
trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép
quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn.
Khởi đầu từ năm 1985, nghiên cứu về lớp phủ cứng trong phòng thí
nghiệm bắt đầu được các hãng sản xuất dụng cụ cắt chú ý. Vào đầu
những năm 90 các kết quả được triển khai sang các hãng sản xuất thiết
bị tạo lớp phủ trong chân không là môi trường lý tưởng để thực hiện
các phản ứng và liên kết của lớp phủ mà không bị lẫn tạp chất.
- 2 -
Các nước công nghiệp như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Thụy Điển, Nga, cho
rằng công nghệ tạo lớp phủ cứng là một trong những công nghệ ưu tiên
và hiệu quả kinh tế cao cho nên đầu tư lớn vào công nghệ này.
Châu á các nước như Úc, Đài loan, Trung Quốc triển khai công nghệ
phủ cứng rất mạnh mẽ.
Trong thời gian gần đây, lớp phủ cứng đã được quan tâm nghiên cứu ở
một số cơ sở nghiên cứu trong nước như: Đại học Bách khoa Hà Nội,
Viện ứng dụng công nghệ (Trung tâm Quang điện tử, Bộ KH và CN),
Đại học khoa học tự nhiên (Đại học quốc gia TPHCM)….
Các dụng cụ cắt có lớp phủ cứng có các ưu điểm sau:
Giảm hiệu ứng kết dính giữa vật liệu của dụng cụ cắt và vật liệu
gia công.
Cải thiện khả năng chống mài mòn của dụng cụ cắt nhờ độ cứng
cao của lớp phủ.
Nâng cao khả năng chống lại quá trình ô xy hóa nhiệt tại bề mặt
dụng cụ cắt.
Giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ cắt và vật liệu gia công, phoi cắt
được thoát dễ dàng hơn giúp giảm tải nhiệt lớn cho lưỡi cắt của dụng
cụ.
Ứng dụng của dụng cụ cắt có phủ cứng trong công nghiệp:
- 3 -
Tuổi thọ của mũi khoan tăng lên nhiều lần tùy thuộc và loại vật liệu
được gia công: 4 lần đối với thép tăng cứng bề mặt, thép dụng cụ. 5 lần
đối với gang đúc. 9 lần đối với thép không rỉ.
Tuổi thọ mũi ta rô tăng lên trên 2 lần đối với các vật liệu như thép
không rỉ, thép các bon, gang xám, thậm chí tăng lên đến 4 ÷ 5 lần đối
với thép kết cấu.
Do vậy việc tiến hành nghiên cứu “Nâng cao chất lượng đầu
dao cắt bánh răng côn xoắn bằng phương pháp hóa nhiệt luyện,
phun phủ bề mặt” là rất cần thiết.
2. Mục đích của đề tài:
Xây dựng công nghệ phun phủ bề mặt đầu dao (lưỡi dao) côn xoắn;
xác định các thông số ảnh hưởng của đầu dao phay khi cắt bánh răng
côn xoắn sau khi đầu dao cắt được hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt,
đến năng suất gia công và chất lượng sản phẩm đảm bảo theo yêu cầu.
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài:
- Đầu dao (6’’, 9’’); vật liệu thân dao thép 45; vật liệu lưỡi dao P9, P18.
- Vật liệu gia công: Thép CT45
- Công nghệ phun phủ PVD – TiN tại Viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội.
- Máy: máy phay 525, 528 tại Công ty thiết bị công nghiệp Tùng Linh
4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm.
- 4 -
- Phân tích và đánh giá kết quả.
5. Ý nghĩa của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học: Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế
phát triển trong nước và ngoài nước khi dụng cụ cắt dùng phương pháp
hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt.
- Ý nghĩa thực tiễn: Ngày nay các dụng cụ cắt sau khi được hóa
nhiệt luyện, phun phủ bề mặt đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước
trên thế giới. Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa trong thực tiễn trong các nhà
máy có các dụng cụ cắt như mũi khoan, dao doa, dao phay
- Nâng cao chất lượng các loại bánh răng côn xoắn sử dụng
trong ô tô, máy kéo, máy công cụ
- 5 -
Chương 1:TỔNG QUAN VỀ PHỦ PVD, ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG
DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI
1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour
Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour
Deposition)
Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt
tới vài trăm m/phút cũng không làm mất đi vị trí quan trọng của thép
gió trong cắt kim loại vì thép gió có tính ưu việt: Khả năng dễ gia công,
tạo hình được các dụng cụ có hình dáng phức tạp, độ dai va đập cao
(Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độ cứng nóng đáp ứng được các
chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp.
Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan,
khoét, doa, phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần
cuối. Điều kiện thoát phoi và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với
tiện vì thế việc nâng cao chế độ công nghệ và tuổi bền cho dao thép gió
bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng cao năng suất và chất
lượng gia công vì lớp phủ có những ưu điểm như nâng tính chống mòn,
giảm lực cắt và nhiệt cắt trên lưỡi cắt và vì thế ảnh hưởng trực tiếp đến
biến dạng và động thái rạn nứt của dao. So với vật liệu không phủ thì
nó tăng lên đáng kể tốc độ cắt lẫn tuổi thọ của dụng cụ.
Bảng1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ
Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ
PVD
Phủ VCD Không phủ
Dụng cụ thép gió 4 tỷ USD 23% 0% 77%
- 6 -
Dụng cụ hợp kim cứng 6tỷ USD 10% 60% 30%
Dụng cụ tạo hình 8 tỷ USD 3% 5% 92%
Tổng số 18 tỷ USD 10% 22% 68%
Thống kê số liệu thị trường thế giới về dụng cụ phủ cho thấy rằng chỉ
sau 15 năm, phủ PVD được ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến
23% các dụng cụ thép gió, 3% dụng cụ tao hình và 10% dụng cụ hợp
kim cứng được phủ bằng phương pháp này. Nhu cầu phủ PVD cho thép
gió cao gấp hơn 2 lần hợp kim cứng cho thấy ý nghĩa quan trọng của
phủ đối với thép gió trong công nghiệp. Người ta dự đoán tốc độ sử
dụng dụng cụ phủ hàng năm sẽ tăng đến 10% trong tương lai.
1.1.1. Khái niệm phủ PVD
Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất
thấp khoảng dưới 10
-2
bar ở nhiệt độ từ 400
0
C ÷ 500
0
C. Với nhiệt độ
của quá trình như thế phủ PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do
nhiệt độ thấp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion
hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá
trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước
khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền.
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và
CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ
thường bị hạn chế dưới 5µm để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường
độ cao trong lớp phủ.
1.1.2. Khái niệm phủ CVD
Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng
cụ các lớp mỏng ceramics như: TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cương
nhân tạo với chiều dày 5 µm ÷ 10 µm. Chi tiết phủ được đặt và nung
- 7 -
nóng trong buồng kín chứa khí H2 (dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ
hơn). Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng này để tạo ra các thành
phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học. Nhiệt độ của quá
trình từ 800
o
C ÷ 1050
o
C và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ.
1.1.3. Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD
Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD
hoặc CVD hết sức đơn giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chi phí
trên mỗi sản phẩm.
Bài toán tiết kiệm chi phí được xác định dễ dàng như sau:
Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công
= Tiết kiệm.
1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu
suất dụng cụ
Hai đặc trưng chính được chọn làm cơ sở, đó là: độ cứng và ma sát.
Vật liệu Thép dụng
cụ
HSS Hợp kim
cứng
PVD&CVD
Độ cứng
(HRC)
58 ÷ 62 62 ÷ 65
70 ÷ 76
> 80
Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu
phủ
So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn
nhiều.
Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có
nghĩa là sẽ làm giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt,
giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia
công, do đó làm chậm quá trình phá hủy lưỡi cắt. Còn trong các ứng
- 8 -
dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính của
vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn.
1.1.5. Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi
phủ PVD và CVD
Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 -3
lần so với khi không phủ. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, ứng dụng
cụ thể còn cho thấy tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần.
1.1.6. Phương pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD
Có nhiều vấn đề khác nhau cần phải tính toán khi trả lời câu hỏi này
như ứng dụng, vật liệu nền và dung sai dụng cụ. Đơn giản là khi dung
sai và vật liệu cho phép, CVD sẽ có ưu thế hơn trong nhiều ứng dụng,
đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứng suất
cao. Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa
lớp phủ và nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết được tạo ra
trong PVD. Quá trình phủ CVD được thực hiện ở nhiệt độ cao, khoảng
800
o
C đến 1050
o
C.
Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số
trường hợp.
Quá trình phủ PVD thực hiện được trên một diện rộng hơn, với nhiều
nền và ứng dụng khác nhau. Đó là vì được thực hiện ở nhiệt độ thấp
hơn (400
o
C ÷ 500
o
C) với độ dày trung bình 2 ÷ 5 µm.
Với đặc tính này thì rất lý tưởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt
thép gió (HSS), hợp kim cứng cũng như các chi tiết đòi hỏi dung sai
chặt chẽ như các chi tiết khuôn mẫu Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp
- 9 -
nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ được tiến hành trên hầu hết các vật
liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn được duy trì.
1.2. Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ
Có thể có một hoặc nhiều lớp phủ trên bề mặt mảnh hợp kim. Loại một
lớp phủ được chế tạo đơn giản và rẻ tiền tuy nhiên tuổi thọ của dao thấp
do dao chóng mòn hơn và vết nứt (nếu có) dễ lan đến vật liệu nền hơn
so với loại nhiều lớp phủ. Loại nhiều lớp phủ thì mỗi lớp phủ có những
tính chất và công dụng nhất định. Có thể có 2, 3 hoặc nhiều lớp phủ
hơn. Loại này tạo cho dao độ tin cậy cao hơn và khả năng gia công liên
tục dài hơn. Một loạt các lớp phủ mỏng bảo vệ vật liệu nền một cách
mạnh mẽ hiệu quả, kéo dài tuổi bền của dao. Khi gia công thép thì có
thể chọn mảnh hợp kim nhiều lớp phủ với lớp ngoài cùng có ma sát
thấp (chẳng hạn bằng TiN), lớp kế tiếp có tính chống mòn do tạo lỗ
trống (oxit nhôm), lớp thứ 3 có tác dụng chống mòn do tạo lỗ trống và
mòn mặt sau (TiCN), cuối cùng là vật liệu nền.
1.2.1. Vật liệu nền
1.2.2. Vật liệu phủ
Vật liệu phủ chính là carbide titanium (TiC), titanium nitride (TiN),
oxit nhôm (Al2O3), titanium cacbide nitride (TiCN). Đây là các vật
liệu rất cứng, có độ chóng ăn mòn và độ trơ hoá học cao, tạo một rào
cản rất tốt giữa dụng cụ và phoi.
1.3. Ứng dụng phủ PVD:
Phủ PVD có 4 dạng cơ bản:
- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp
- Dòng điện tử có điện thế cao
- 10 -
- Hồ quang
- Phương pháp phát xạ từ lệch
KẾT LUẬN
Sự ra đời và quá trình phát triển của công nghệ phun phủ dụng cụ cắt
kim loại.
Phương pháp phủ lý học PVD thực hiện ở nhiệt độ 400
0
C ÷ 500
0
C.
Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5µm.
Phương pháp phủ hóa học CVD thực hiện ở nhiệt độ 800
0
C ÷
1050
0
C.Với chiều dày từ 5 µm ÷ 10µm.
So sánh phủ lý hoc PVD và phủ lý học CVD.
Giới thiệu một số vật liệu phủ và tính chất của các vật liệu phủ.
- 11 -
Chương 2: MÒN, TUỔI BỀN VÀ NHU CẦU PHẢI PHUN
PHỦ BỀ MẶT CỦA DỤNG CỤ CẮT BÁNH RĂNG CÔN
XOẮN
2.1. Mòn dụng cụ cắt
2.1.1. Khái niệm chung về mòn
Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cả
hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với
nhau. Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến sự hao hụt về khối
lượng hoặc thể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về
hình dạng hoặc topography của bề mặt. Nói chung mòn xảy ra do sự
tương tác của các nhấp nhô bề mặt. Trong quá trình chuyển động tương
đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng
suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất
nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra
từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài
rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác,
thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù
một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát
của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm
theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là một
dạng mòn. Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật
- 12 -
liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh
hưởng trực tiếp đến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Sai lầm đôi khi cho
rằng ma sát lớn trên bề mặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc
độ cao.
Mòn bao gồm sáu hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung
một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính - mỏi bề
mặt - va chạm - hoá ăn mòn và điện. Theo thống kê khoảng 2/3 mòn
xảy ra trong công nghiệp là do các cơ chế dính, trừ mòn do mỏi, mòn
do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra từ từ.
Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều
trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết
hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn.
Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ
chế mòn ở giai đoạn cuối.
Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ
giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do
mòn hoặc hỏng hoàn toàn. Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng
làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ. Mòn
dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề
mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công. Sự phát triển
và tình kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũng như các biện pháp công
nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả
năng chống mòn của dụng cụ.
2.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt:
2.1.2.1. Mòn do dính
2.1.2.2. Mòn do hạt mài
2.1.2.3. Mòn do khuếch tán
- 13 -
2.1.2.4. Mòn do ôxy hoá
2.1.3. Mòn dụng cụ và cách xác định
- Mòn theo mặt sau
- Mòn theo mặt trước
- Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau
- Mòn tù lưỡi cắt
2.1.4. Ảnh hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề
mặt gia công
Khi bị mòn, dạng và thông số hình học phần cắt của dụng cụ bị thay đổi
dẫn đến các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt thay đổi (như
nhiệt cắt, lực cắt…) và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt gia công.
2.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt
2.2.1. Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt
Tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ giữa
hai lần mài sắc, hay nói cách khác tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm
việc liên tục của dụng cụ cho đến khi bị mòn đến độ mòn giới hạn. Tuổi
bền là nhân tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến năng suất và tính kinh tế
trong gia công cắt. Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc vào chính yêu cầu
kỹ thuật của chi tiết gia công.
2.3. Cải thiện dụng cụ cắt bánh răng côn xoắn bằng lớp phủ bề mặt
Bằng cách tạo lớp phủ cứng lên bề mặt dụng cụ làm cho dụng cụ cắt ít
mòn hơn, ma sát thấp hơn và kéo dài tuổi thọ. Các ưu điểm này của
dụng cụ có phủ là do nhiệt cắt và lực cắt thấp nên ma sát giảm đi đồng
thời giảm khả năng dính vào phôi cho nên vật liệu từ bề mặt dụng cụ
chuyển lên ít hơn, đồng thời độ cứng bề mặt tăng làm giảm mòn cào
xước. Khuếch tán giảm do tạo nên rào chắn và ổn định tính chất hóa
học của dụng cụ.
- 14 -
Vật liệu nền:
Như đã phân tích ở trên, để giảm mòn có hiệu quả vấn đề chọn vật liệu
phủ phù hợp với vật liệu nền là rất quan trọng. Với dụng cụ cắt kim
loại, thép gió thường được dùng làm vật liệu nền cho các lớp phủ mỏng
nitrit chế tạo bằng phương pháp vật lý.
- 15 -
KẾT LUẬN
Xuất phát từ cơ sở lý thuyết về ứng suất, biến dạng và quá trình nhiệt
trong khi cắt các tác giả đã đưa ra cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt
không có lớp phủ. Đối với các dụng cụ cắt có phủ, một cơ chế mòn
phức tạp bao gồm mòn dính, mòn cào xước, mòn bóc lớp và mòn do
không ổn định hóa học bao gồm mòn khuếch tán, mòn hòa tan và mòn
điện hóa đã được đưa ra. Ngoài những giải pháp tìm vật liệu mới, tạo
lớp phủ cứng trên chi tiết và dụng cụ để chống mòn, tăng tuổi bền và
cải thiện chất lượng bề mặt là một giải pháp hiệu quả được nghiên cứu
tại nhiều nước trên thế giới.
Để lựa chọn lớp phủ một cách hiệu quả, căn cứ vào mô hình mòn cào
xước và mòn hòa tan hóa học một mô hình hỗn hợp được đưa ra để mô
tả quá trình mòn của dụng cụ cắt có phủ.
Trong các lớp phủ chống mài mòn được dự đoán theo mô hình hỗn
hợp, Nitrit Titan là một trong các vật liệu dự đoán là có tính chất bền
hóa học và khả năng chống mòn cào xước tốt.
- 16 -
CHƯƠNG 3: THẤM NITƠ VÀ PHỦ PVD – TiN
3.1. Thấm Nitơ
3.1.1. 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 mòn trong các môi trường không 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
0
C ÷ 500
0
C, trong khi ấy độ cứng
cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 200
0
C ÷ 225
0
C .
Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xilanh của động cơ lớn, khuôn dập
và dụng cụ cắt gọt.
3.1.2. Lý thuyết về Nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm Nitơ
3.1.3. Thép dùng để thấm nitơ
3.1.4. Công nghệ thấm nitơ
Khi thấm Nitơ, thời gian thấm thường rất dài và chiều dày lớp thấm
lại rất mỏng do quá trình thấm được tiến hành ở nhiệt độ thấp (500
0
C÷
650
0
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
0
C÷
520
0
C .
- 17 -
3.1.5. Các phương pháp thấm Nitơ
3.1.5.1. Thấm Nitơ thể khí
3.1.5.2. Thấm Nitơ thể lỏng
3.1.5.3. Công dụng của thấm nitơ
Thấm nitơ được áp dụng trong những trường hợp sau đây:
3.1.5.3.1. Thấm nitơ để tăn cứng và tính chống mài mòn
3.1.5.3.2. Thấm Nitơ để tăng tính chống ăn mòn
3.1.5.4 Các dạng khuyết tật sai hỏng khi thấm Nitơ và biện pháp
ngăn ngừa
3.1.5.4.1 Biến dạng và thay đổi kích thước
3.1.5.4.2 Độ giòn cao và bong lớp thấm
3.1.5.4.3 Độ cứng thấp và không đồng đều
3.1.5.4.4 Lớp thấm mỏng
3.1.6. Thấm nitơ plasma
3.1.6.1 Thấm plasma
3.1.6.2 Nguyên tắc của glow discharge
3.1.6.3. Thấm plasma Nitơ
3.1.6.3.1. Khái niệm
3.1.6.3.2 Cấu trúc tế vi
3.1.7 Nghiên cứu thực nghiệm thấm Nitơ
3.1.7 Nghiên cứu thực nghiệm thấm Nitơ
3.1.7.1 Thiết bị thấm Nitơ
Một số hình ảnh của lò thấm Nitơ
- 18 -
Hình 3.8. Hình ảnh lò thấm Nitơ thể khí
Hình 3.9. Hình ảnh lò thấm Nitơ thể lỏng
- 19 -
Hình 3.13. Lò thấm Nitơ plasma của tại viện nghiên cứu cơ khí Hà nội
3.1.7.2 Mẫu thí nghiệm
Chọn thép chế tạo dao phay bánh răng côn xoắn để tiến hành làm thí
nghiệm đó là:
- Với thép thấm Nitơ plasma: Thép P18 thấm ở 500
0
÷ 530
0
C
- Thời gian thấm: 24h
- Chiều dày lớp thấm từ 0,06 ÷ 0,07 mm
Hình 3.16. Thấm 8 lưỡi dao phay bánh răng côn xoắn
3.1.7.3. Kết quả thực nghiệm:
- 20 -
3.1.7.3.1. Quy trình công nghệ thấm Nitơ plasma
a) Chi tiết và vật liệu
b) Chương trình điều khiển quá trình công nghệ thấm Nitơ
3.1.7.3.2. Kết quả thấm Nitơ plasma trên mẫu
3.2 Phủ PVD – TiN
- 21 -
3.2.1. Thiết bị phủ PVD – TiN
Hình 3.17. Hình ảnh lò phủ PVD - TiN
3.2.2. Qui trình công nghệ chế tạo lớp phủ TiN trên dụng cụ
- 22 -
* Làm sạch chi tiết trước khi tạo lớp phủ:
• Quá trình làm sạch trong buồng chân không
• Quá trình tạo lớp phủ
• Điều khiển dòng phún xạ
3.2.3. Một số hình ảnh dụng cụ cắt được phủ PVD – TiN
3.2.4. Mẫu thí nghiệm
Chọn lưỡi dao phay bánh răng côn xoắn sau khi được thấm nitơ
Plasma xong với chiều dày lớp thấm từ 0,06 ÷ 0,07 mm. đem đi phủ
PVD – TiN với chiều dày từ 2 ÷ 2,2 µm.
Hình 3.19. Hình ảnh 8 lưỡi dao phủ PVD - TiN
3.2.5. Kết quả thực nghiệm
- 23 -
KẾT LUẬN
- 24 -
Nêu các phương pháp thấm Nitơ.
Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp thấm Nitơ.
Các tính chất của thấm Nitơ và ứng dụng của thấm Nitơ.
Một số hình ảnh về công nghệ thấm Nitơ
Kết quả thực nghiệm về thấm Nitơ: Với chiều dày từ 0,06 ÷ 0,07 mm
và độ cứng của dụng cụ cắt được tăng lên được thể hiện ở bảng đo độ
cứng thô đại.
Phương pháp phủ PVD – TiN.
Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ TiN trên dụng cụ cắt.
Một số hình ảnh dụng cụ cắt được phủ PVD – TiN.
Kết quả thực nghiệm về phủ PVD – TiN: Lớp phủ có chiều dày (2 ÷
2,2) µm và độ cứng của dụng cụ cắt được tăng lên thể hiện ở bảng đo
độ cứng tế vi.
Chương 4: SO SÁNH TUỔI BỀN CỦA DAO CHƯA PHỦ VÀ
DAO CÓ PHỦ TiN KHI CẮT BÁNH RĂNG CÔN XOẮN
4.1 Mục đích thực nghiệm
4.2 Chọn phôi
- 25 -
CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU
1. Số răng bánh chủ động và bánh bị động: Z
1
=Z
2
= 32.
2. Mô đun pháp tuyến trung bình m
ms
= 2,75.
3. Kiểu răng: Cung tròn ( Hệ Gleason ) dạng 2
4. Bề rộng vành răng là b = 25mm
5. Góc ăn khớp α=20
0
6. Góc xoắn trung bình βs = 35
4.3. Chọn đầu dao
4.4. Chọn máy
4.5. Tiến hành thí nghiệm
Cắt bánh răng hết lượt thứ nhất
với chiều sâu cắt : t = 1,5 mm,
V = 105m/ph
Cắt lượt 2:Cắt bánh răng hết lượt
thứ hai với chiều sâu cắt: t = 1,5
mm; V = 105m/ph
