Luận văn nghiên cứu chế độ thấm cacbon để nâng cao khả năng chống mòn một số chi tiết máy làm bằng thép hợp kim crôm

bộ giáo dục và đào tạo

trờng đại học nông nghiệp I
----------------------------------

trần văn hải

nghiên cứu chế độ thấm cacbon để nâng cao
khả năng chống mòn một số chi tiết máy
làm bằng thép hợp kim crôm

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành: kỹ thuật máy và thiết bị
cơ giới hoá nông lâm nghiệp
M số: 60.52.14

Ngời hớng dẫn khoa học: TS. đào quang kÕ

Hµ Néi - 2005


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận
văn này là trung thực và cha hề sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này
đà đợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đà đợc chỉ
rõ nguồn gốc.

Tác giả

Trần Văn Hải

i


Lời cảm ơn

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khoá 12 chuyên
ngành Kỹ thuật máy và Thiết bị cơ giới hoá Nông - Lâm nghiệp Trờng Đại
học Nông nghiệp I Hà Nội, tôi đà nhận đợc sự giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình
của các thầy giáo, cô giáo trong trờng. Nhân dịp này tôi xin đợc bày tỏ lời
cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong trờng.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình và Tiến sĩ Đào Quang
Kế, ngời đà tận tình hớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu
này.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình và Th.s Nguyễn Văn
Nghĩa, ngời đà tận tình hớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trờng Trung học Công nghiệp Việt Đức,
Nhà máy cơ khí Hà Nội đà gúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề
tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân đà có nhiều cố gắng, song
không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong tiếp tục nhận đợc sự đóng góp ý
kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu
của tôi để đề tài đợc hoàn thiện hơn.
Tác giả

Trần Văn H¶i

ii


Mục lục

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các bảng

vi

Danh mục các hình

vii

Mở đầu

1

Chơng 1. Tổng quan về đề tài

4

1.1. Xu hớng và khả năng phát triển công nghệ xử lý bề mặt

4

1.2. Lý thuyết chung về hoá nhiệt luyện

7

1.2.1. Quá trình hình thành tổ chức lớp thấm

10

1.2.2. Động học của quá trình thấm

10

1.2.3. Môi trờng thấm

11

1.3. Khái quát chung về các phơng pháp hoá nhiệt luyện

12

1.3.1. Thấm cacbn (C)

12

1.3.2. ThÊm nit¬ (N)

13

1.3.3. ThÊm xyanua

14

1.3.4. ThÊm l−u hnh (S)

15

1.4. Mơc đích và yêu cầu của đề tài

15

Chơng 2. Phơng pháp nghiên cứu

16

2.1. Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết

16

2.2. Phơng pháp nghiên cứu thực nghiệm

16

2.2.1. Đối tợng nghiên cứu

16

2.2.2. Phơng pháp nghiên cứu thực nghiệm

17

2.3. Các bớc tiến hành thực nghiệm

17

2.3.1. Chn bÞ mÉu thÝ nghiƯm

17

iii


2.3.2. Hoá nhiệt luyện mẫu

18

2.4. Xác định và sử lý số liệu thực nghiệm

21

2.5. Phơng pháp kiểm tra

22

2.5.1. Kiểm tra độ cứng

22

2.5.2. Kiểm tra chiều sâu lớp thấm

25

2.5.3. Đo độ cứng tế vi của lớp thấm

26

2.5.4. Xác định lợng mài mòn

27

Chơng 3. Nghiên cứu lý thuyết

28

3.1. Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại

28

3.1.1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể

28

3.1.2. Cấu tạo kim loại

33

3.1.3. Bản chất mối liên kết trong kim loại

39

3.2. Hoá nhiệt luyện

40

3.2.1. Khái niệm chung

40

3.2.2. Cơ sở của hoá nhiệt luyện

41

3.3. Thấm cacbon

49

3.3.1. Định nghĩa, mục đích

49

3.3.2. Tỉ chøc vµ tÝnh chÊt cđa líp thÊm cacbon

50

3.3.3. ThÐp dùng để thấm cacbon

53

3.3.4. Thấm cacbon thể khí

54

3.5.4. Các khuyết tật và biện pháp ngăn ngừa

59

Chơng 4. Nghiên cứu thực nghiệm

61

4.1. Thiết bị thấm cacbon thể khí

61

4.1.1. Hệ thống lò thÊm cacbon thÓ khÝ

61

4.1.2. MÉu thÊm

63

4.1.3. KiÓm tra mÉu thÊm

64

4.2. MÉu thÝ nghiƯm

66

4.2.1.VËt liƯu chÕ t¹o mÉu

66

iv


4.2.2. Kế hoạch thực nghiệm

66

4.3. Kết quả thực nghiệm

67

4.3.1. Kết qu¶ mÉu thÊm thÐp 20CrMo thêi gian 3h, 6h, 9h, 12h. Nhiệt
độ thấm 9300C

67

4.3.2. Kết quả mẫu thấm ở thời gian 6h nhiệt độ 8700C, 9000C,9300C,
9600C, 9900C.

69

4.3.3. Kết quả đo lợng mài mòn mẫu thấm thép 20CrMo ở nhiệt độ
thấm 9300C, thêi gian thÊm 3 giê; 6 giê; 9 giê; 12 giờ

70

4.3.4. Kết quả đo lợng mài mòn mẫu thấm thÐp 20CrMo ë thêi gian
thÊm 6, nhiƯt ®é thÊm : 8700C; 9000C; 9300C; 9600C; 9900C

71

4.3.5. Bảng tổng hợp kết quả thư nghiƯm

73

4.4. KÕt qu¶ tỉ chøc, tÝnh chÊt cđa líp thÊm

74

4.5. øng dơng c«ng nghƯ thÊm cacbon thĨ khÝ

78

KÕt ln và đề nghị

82

1. Kết luận

82

2. Đề nghị

82

Tài liệu tham khảo

84

v


Danh mục các bảng

Bảng 2.1. Trình tự các bớc chuẩn bị mẫu thí nghiệm

18

Bảng 3.1. Hệ số mật độ và hệ thống phối trí của ô mạng tinh thể

38

Bảng 4.1. Thành phần hoá học của thép 20Cr và 20CrMo

66

Bảng 4.2. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở nhiệt độ thấm 9300C của thép
20CrMo

67

Bảng 4.3. Độ cứng và chiều sâu líp thÊm ë thêi gian thÊm 06 giê cđa
thÐp 20CrMo

69

B¶ng 4.4. Độ cứng và lợng mòn thép 20CrMo ở nhiệt độ thấm 9300C

71

Bảng 4.5. Độ cứng và lợng mòn thép 20CrMo ở thời gian thấm 6 giờ

72

Bảng 4.6. Tổng hợp kết quả đo, thử nhiệm

73

vi


Danh mục các hình
Hình 1.1. ảnh hởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán

9

Hình 2.1. Kích thớc và hình dạng mẫu thi nghiệm

17

Hình 2.2. Sơ đồ thờng hoá mẫu

19

Hình 2.3. Sơ đồ thấm và tôi mẫu

20

Hình 2.4. Sơ đồ ram mẫu

20

Hình 2.5. Sơ đồ ấn mũi đâm hình tháp 4 mặt theo phơng pháp Vickers

22

Hình 2.6. Nguyên lý đo độ cứng Rocwel

24

Hình 2.7. Đo độ cứng tế vi

26

Hình 3.1. Hệ toạ độ cầu của chất điểm

29

Hình 3.2. Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử

30

Hình 3.3. Ô mạng lập phơng thể tâm

34

Hình 3.4. Ô mạng lập phơng diện tâm

36

Hình 3.5. Ô mạng lập phơng xếp chặt

38

Hình 3.6. Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuếch tán vào nhiệt độ, thời
gian và nồng độ

42

Hình 3.7. ảnh hởng của khuếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm

43

Hình 3.8. Sự phân bố nguyên tố khuếch tán trong lớp thấm khi hai
nguyên tố hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn
Hình 3.9.
Hình 3.10.

44

a)Giản đồ trạng thái hai nguyên A- B;

45

b)Sự thay đổi nồng độ nguyên tố B trong lớp khuếch tán

45

a)Giản đồ trạng thái.
b)Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm

46

Hình 3.11. Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuếch tán

47

Hình 3.12. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ

48

Hình 3.13. Sự phụ thuộc chiều dầy lớp thấm vào thời gian của quá trình

49

vii


Hình 3.14. Sơ đồ biểu diễn sự thay đổi của thành phần cacbon ở lớp bề
mặt trong quá trình thấm

51

Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ cacbon trong lớp thấm

52

Hình 3.16. Trạng thái cân bằng giữa hỗn hợp CO- CO2 víi nång ®é
cacbon tõ 0,1 ®Õn 1,0% cđa thÐp ë nhiệt độ khác nhau

57

Hình 3.17. Trạng thái cân bằng giữa hỗn hợp CH4 H2 với nồng độ
cacbon của thép ở các nhiệt độ khác nhau

59

Hình 4.1. Cấu tạo lò thấm SY 8292

62

Hình 4.2. ảnh hởng của thời gian đến độ cứng của thép 20CrMo

67

Hình 4.3. ảnh hởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm ở nhiệt độ
9300C

68

Hình 4.4. ¶nh h−ëng cđa nhiƯt ®é ®Õn ®é cøng cđa thÐp 20CrMo

69

Hình 4.5. ảnh hởng nhiệt độ đến chiều sâu lớp thấm của thép 20CrMo

70

Hình 4.6. ảnh hởng của độ cứng đến lợng mài mòn thép 20CrMo ở
nhiệt độ 9300C

71

Hình 4.7. ảnh hởng của độ cứng đến lợng mòn thép 20CrM thÊm ë
72

thêi gian 06 giê

viii


Danh mục các ảnh
ảnh 4.1. Lò thấm SY 8292

61

ảnh 4.2. Bình chứa chất thấm hoá lỏng

61

ảnh 4.3. Tủ điện điều khiển lò SY8292

61

ảnh 4.4. Mẫu thép thí nghiệm 20Cr

63

ảnh 4.5. Mẫu thép thí nghiệm 20CrMo

63

ảnh 4.6. Chụp ảnh kim tơng mẫu thấm

64

ảnh 4.7. Máy kiểm tra độ cứng Rocwel

64

ảnh 4.8. Đo độ cứng Vickers, độ cứng tế vi

65

ảnh 4.9. Đo chiều sâu lớp thấm

65

ảnh 4.10. Tổ chức thép 20CrMo ở chế độ 9300C, 3giờ (100X)

74

ảnh 4.11. Tổ chức thép 20CrMo ở chế độ 9600C, 6 giờ (100X)

74

ảnh 4.12. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9000C, 6 giờ (100X)

75

ảnh 4.13. Tỉ chøc thÐp 20CrM ë nhiƯt ®é 9900C, 6 giê (100X)

75

ảnh 4.14. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9300C,9 giờ (100X)

76

ảnh 4.15. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9300C, 6 giê (100X)

76

¶nh 4.16. Tỉ chøc thÐp 20CrMo ë nhiệt độ 8700C, 6 giờ (100X)

77

ảnh 4.17. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9300C, 12 giờ (100X)

77

ảnh 4.18. Tổ chức thép 20CrMo không hoá nhiệt luyện (100X)

78

ảnh 4.19. Trục trung gian

78

ảnh 4.20. Bánh răng m 2 - 3

79

ảnh 4.21. Bạc ắc

79

ảnh 4.22. Đĩa ly hợp ma sát

79

ix


ảnh 4.23. Bánh răng m 5 - 6

80

ảnh 4.24. Bánh răng m 3 - 4

80

ảnh 4.25. Chốt thập cacđăng

80

ảnh 4.26. Chốt pit tông

81

ảnh 4.27. Bánh răng xích

81

ảnh 4.28. Bánh răng xÝch

81

x


Mở đầu

Trong ngành chế tạo máy, chất lợng bề mặt của chi tiết máy đóng một
vai trò quan trọng với các đặc tính nh: khả năng chịu mài mòn, độ cứng, tính
chịu nhiệt, chống ăn mòn hoá học, biến dạng dẻo,... Có ý nghĩa quyết định
đến tuổi thọ và độ tin cậy của chúng. Qua quá trình nghiên cứu và thực tế
chứng minh rằng các chi tiết máy bị hỏng đều bắt nguồn từ việc phá huỷ lớp
bề mặt ngoài (bị cào xớc dẫn đến mòn cơ học, bị ăn mòn hoá học, biến dạng
dẻo, phá huỷ do dạn nứt bề mặt,...).
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, máy

và thiết bị cơ khí không ngừng đợc cải tiến để đáp ứng đợc các điều kiện
đòi hỏi có độ chính xác, năng suất lao động cao, đi đôi với tuổi bền và tính ổn
định cao trong quá trình làm việc. Từ những yêu cầu trên, chất lợng chi tiết
máy cần phải đợc cải thiện đặc biệt là lớp bề mặt ngoài của nó phải đợc
làm bền bằng những công nghệ thích hợp nh: làm bền bằng nhiệt luyện, hoá
nhiệt luyện, bằng cơ và điện, bằng lade,...
Mặt khác, do nhu cầu làm việc của chi tiết máy, do nhu cầu sử dụng
máy và thiết bị ngày càng nhiều, cùng với việc sử dụng các loại vật liệu kim
loại hiếm vào chế tạo chi tiết máy đòi hỏi giá thành cao. Từ đó mà việc tạo
nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt chi tiết làm bằng vật liệu
thông thờng là rất cần thiết.
Công nghệ làm bền bề mặt kim loại là một trong những công nghệ chủ
yếu đợc áp dụng rộng rÃi trong quá trình chế tạo chi tiết máy từ phôi kim
loại. Nó đáp ứng đợc các yêu cầu về độ bền bề mặt, bảo vệ và chồng ăn mòn,
tăng độ bóng bề mặt và làm tăng tính công nghệ cđa vËt liƯu.

1


ở các nớc có nền kinh tế phát triển, đầu t cho việc chống ăn mòn
ngày càng tăng, các công việc chống ăn mòn ngày càng hiện đại, nhng thiệt
hại do ăn mòng không vì thế mà giảm đi. Ngợc lại, nó vẫn không ngừng tăng
lên, hao tổn này ở §øc 100tû m¸c, ë Nga 40tû róp, ë Mü46,8 tû $. Do vật liệu
ngày càng đợc sử dụng nhiều, giá trị của vật liệu trong nền kinh tế quốc dân
ngày càng lớn và môi trờng ngày càng bị ô nhiễm. Vì vậy các biện pháp
chông ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn kim loại đóng một vai trò quan
trọng.
ở nớc ta trong điều kiện nhiệt đới nóng và ẩm làm cho quá trình ăn
mòn kim loại diễn ra một cách mÃnh liệt hơn. Những năm 90 trở lại đây cùng
với sự phát triển kinh tế, nhiều ngành công nghiệp ra đời nh: dầu khí, đóng

tầu, ôtô,... nhiều công trình, máy và thiết bị công nghiệp phải làm việc trong
môi trờng khắc nghiệt; môi trờng có các khí hoá chất ăn mòn mạnh (Cl,
HCl, SO2, SO3, NH3, NO, CO,...), môi trờng biển, môi trờng ma sát. Trong
điều kiện làm việc nh vậy hàng triệu tấn kim loại đà bị phá huỷ hàng năm.
Do đó việc bảo vệ kim loại chống ăn mòn và mài mòn kim loại càng có ý
nghĩa quan trọng.
Khi thiết kế các chi tiết máy, ngoài việc lựa chọn vật liệu cơ bản đáp
ứng đợc các chỉ tiêu về kỹ thuật kinh tế cần thiết, công nghệ sử lý bề mặt
kim loại đóng một vai trò quan trọng và trong nhiều trờng hợp là công nghệ
không thể thiếu đợc trong việc đảm bảo độ bền và tuổi thọ cần thiết đối với
máy và thiết bị. Việc lựa chọn một cách tối u biện pháp công nghệ sử lý bề
mặt cho từng chi tiết máy đà góp phần mở rộng khả năng thiết kế và chế tạo
nhiều chủng loại máy và thiết bị. Chi tiết máy với tính công nghệ cao phục vụ
cho nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn của đất nớc nh: công nghiệp hoá
chất, dầu khí, khai thác mỏ,...

2


Công nghệ làm bền bề mặt chi tiết máy, nhằm chống lại ăn mòn và nâng
cao cơ - lý tính là công nghệ đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếu
trong sản xuất công nghiệp hiện nay. Tuy nhiện, trong sự phát triển chung của
ngành cơ khí nớc ta đòi hỏi phải đẩy mạnh cả về số lợng và chất lợng sản
phẩm. Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện là một trong những phơng pháp hoá
bền bề mặt tốt đợc sử dụng khá phổ biến có tác dụng rất mạnh trong việc
năng cao chất lợng sản phẩm.
Hoá nhiệt luyện là một phơng pháp nhiệt luyện, ngoài việc làm thay
đổi cấu trúc bên trong của kim loại, còn làm thay đổi thành phần hoá học lớp
bề mặt. Do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt mà vẫn bảo tồn
đợc các tính chất ở trong lõi của vật liệu.

Thấm cac bon là một phơng pháp hoá nhiệt luyện làm khuếch tán
cacbon vào bề mặt chi tiết, làm tăng độ cứng và tính chịu mài mòn của chi tiết
máy. Thấm cacbon còn tạo nên lớp ứng suất nén d ở lớp bề mặt làm tăng
mạnh giới hạn mỏi của chi tiết.
Từ những yêu cầu thực tế trên, Tôi đà đi nghiên cứu và thực hiện đề tài :
"Nghiên cứu chế độ thấm cac bon để năng cao khả năng chống mòn một
số chi tiết máy làm bằng thép hợp kim crôm".

3


Chơng 1
Tổng quan về đề tài

1.1. Xu hớng và khả năng phát triển công nghệ xử lý bề
mặt [1], [2], [8], [9], [17]

Từ những năm nửa cuối của thế kỷ 18 đà xuất hiện những công nghệ xử
lý bề mặt kim loại nh: trán men, mạ, bọc nhựa, bọc cao su,.... Để chống ăn
mòn do khí môi trờng, để chống mòn cơ học, biến dạng dẻo lớp bề mặt và
dạn nứt bề mặt. Nhằm cải thiện bề mặt kim loại con ngời đà sử dụng phơng
pháp nhiệt luyện (tôi, ram, ủ, thờng hoá, thấm cacbon, thấm nitơ,...). Ngoài
ra ngời ta còn nhuộm đen thép hoặc ôxy hoá, nhuộm mầu nhôm, phốt phát
hoá trớc khi sơn. Từ thế kỷ 20 cùng với sự phát triển theo yêu cầu của các
ngành công nghiệp. Các công nghệ sử lý bề mặt phát triển nhanh, nnhững
công nghệ trên ngày càng đợc hoàn thiện. Từ mạ thủ công, mạ hoá học
chuyển cơ khí hoá quá trình mạ điện nh: mạ quay, mạ chuyển dịch a-nốt.
Các khâu nâng, vận chuyển đợc cơ giới hoá, đà cải thiện chất lợng mạ theo
điều kiện lao động. ở một số nớc tiên tiến công nghệ mạ trang chí đà chuyển
sang bán tự động và tự động hoá dây chuyền thiết bị mạ. Nâng cao chất lợng

lớp mạ ổn định bền, bóng và đẹp. Đồng thời với mạ điện còn có mạ phun (Al,
Zn, Cu-Pb,...), mạ xoa. Do đó mà mạ đợc những chi tiết có khối lợng lớn và
có hình dạng phức tạp nh: đờng ống dẫn chất lỏng, chất khí, cột điện cao
thế, tôn tấm dùng đẻ làm tấm lợp,... Đáp ứng đợc nhu cầu sản xuất và đời
sống. Trên thế giới có nhiều hÃng sản xuất thiết bị mạ đạt trình độ công nghệ
cao: hÃng canning của Anh, Sumee của Trung Quốc,...
Trong sản xuất cơ khí không thể thiếu đợc công nghệ nhiệt luyện, vì
đây là biện pháp hữu hiệu, để nâng cao chất lợng sản phẩm kim lo¹i nãi

4


chung và sản phẩm là thép nói riêng. ở tất cả các nhà máy, xí nghiệp và các
xởng sản xuất cơ khí đều có bộ phận nhiệt luyện. Nhiệm vụ chính của bộ
phận này có khác nhau trong từng cơ sở sản xuất nhng nó đều tham gia vào
việc gia công chế tạo dụng cụ cắt gọt. Nhiệt luyện các loại dụng cụ cầm tay,
dao cắt máy tiện, máy phay bào, doa, chuốt,... Nhiệt luyện cải thiện chất lợng
sản phẩm trớc, trong và sau quá trình gia công cơ khí, Ví dụ: ủ trớc khi gia
công cắt gọt tiện, phay, bào,... Ram trong quá trình gia công hoặc tôi trớc khi
mài. Có thể khẳng định rằng trình độ công nghệ nhiệt luyện ảnh hởng nhiều
đến chất lợng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí sản xuất ra. ở các nớc có nền
công nghiệp chế tạo phát triển khâu nhiệt luyện đợc đặc biệt chú trọng, đặc
biệt là việc chế tạo các thiết bị công nghệ nh lò nung dùng cho tôi, ram, ủ có
hiệu suất cao, điều khiển nhiệt luyện tự động, chính xác. Từ các lò thủ công
rồi tiến tới các lò buồng. Hiện nay những cơ sở sản xuất hàng loạtđà có dây
chuyền nhiệt luyện kiểu tuynel, sản phẩm vào và ra liên tục, chất lợng sản
phẩm tốt, ổn định và năng xuất lao động cao. Ngoài ra còn có các thiết bị
dùng năng lợng dòng điện cảm ứng cao tần cũng đợc sử dụng khá phổ biến.
Cùng víi sù ph¸t triĨn khoa häc kü tht, sù ph¸t triển cải tiến tính năng
của lớp bề mặt vật liệu kỹ thuật, thể hiện tiềm năng và phát triển, triển vọng

của công nghệ bề mặt trong việc phát triển tính năng của vật liệu, tạo ra sự đa
dạng trong ứng dụng và phát triển của công nghệ vật liệu. Công nghệ bề mặt
rúp chúng ta tiết kiệm đợc nhiều vật liệu, đặc biệt là vật liệu quý hiếm, nhờ
lớp bề mặt đợc cờng hoá. Thống kê hàng năm cho thây tổn thất do ăn mòn
vật liệu chiếm từ 2ữ4% GDP của các nớc công nghệp tiên tiến; 10% sản
lợng thép của toàn thế giới bị tổn thất do ăn mòn. Công nghệ bề mặt có một
vai trò quan trọng trong việc chống ăn mòn bằng cách tạo lên những lớp phủ,
thay đổi tính năng của bề mặt cải thiện đợc tính chống mòn, chống ăn mòn
của vật liệu. Hiện nay, công nghệ bề mặt thực hiện từ 70ữ80% những công

5


nghệ có liên quan tới bảo vệ bề mặt chống ăn mòn và điều khiển đợc
25ữ30% tổng khối lợng ăn mòn. Trong tơng lai công nghệ bề mặt phát triển
theo hớng giảm mòn, năng cao hiệu suất sử dụng vật liệu. Ngoài ra việc sử
dụng công nghệ bề mặt trong sửa chữa máy, sửa chữa những bề mặt quan
trọng mau mòn, chóng gỉ tiết kiệm đợc rất nhiều.
Để năng cao cơ- lý tính bề mặt cùng với nhiệt luyện còn có các phơng
pháp hoá nhiệt luyện nh: sufit hoá bề mặt, thấm cacbon, thấm cacbon- nitơ,
thấm nitơ, thấm crôm, thấm xyanua, thấm bo,...Các phơng pháp công nghệ
này đều đà và đang thực hiện với các quy mô khác nhau.
Công nghệ nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu
(chủ yếu là kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm
thay đổi hình dáng và kích thớc của chi tiết.
Nguyên công nhiệt luyện có thể nằm ở những vị trí khác nhau trong dây
chuyền sản xuất cơ khí, tuỳ thuộc vào vị trí có thể phân thành hai loại sau:
- Nhiệt luyện sơ bộ: là dạng nhiệt luyện thờng đựơc tiến hành trớc
khi gia công cơ nhằm tạo ra độ cứng, khử ứng suất và tổ chức tế vi thích hợp
cho các nguyên công gia công cơ và nhiệt luyện tiếp theo.

- Nhiệt luyện kết thúc: là dạng nhiệt luyện đợc tiến thành sau khi gia
công cơ nhằm tạo cho chi tiết những tính chất cần thiết theo yêu cầu kỹ thuật.
Nhiệt luyện quyết định đến tuổi bền của chi tiết và tuổi thọ của sản
phẩm cơ khí. Máy và thiết bị cơ khí càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao
thì số lợng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều.
Đối với các nớc công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ chế tạo
của ngành cơ khí phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, vì gia công cơ khí có
độ chính xác đều đạt. Nhng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất lợng nhiệt

6


luyện không đảm bảo thì tuổi bền của chi tiết máy cũng giảm và mức độ chính
xác của máy và thiết bị không còn giữa đợc theo yêu cầu.
ở nớc ta từ lâu nhiệt luyện đà đợc áp dụng trong đời sống hàng ngày,
Ông cha ta đà biết tôi dao, kéo, đục, ca,... Làm cho thép mềm trở thành cứng
để cắt gọt và gợc lại làm cho thép cứng trở thành mềm đẻ gia công chế tạo
chi tiết vật dụng. Ngày nay nền công nghiệp nớc ta đang phát triển không
ngừng và việc nghiên cứu năng cao chất lợng cho các chi tiết bằng phơng
pháp nhiệt luyện ngày càng trở nên cấp thiết, việc đầu tiên là đầu t cho ®éi
ngị c¸n bé khoa häc - kü tht trong lÜnh vực này.
1.2. Lý thuyết chung về hoá nhiệt luyện [3], [6], [11], [15]

Hoá nhiệt luyện kim loại và hợp kim là quá trình nhiệt luyện mà ở đây
chi tiết đợc đặt trong môi trờng (rắn, lỏng, khí) có khả năng phân tích ra các
nguyên tử hoạt tính của nguyên tố định khuếch tán, sau đó nung chi tiết và giữ
nhiệt ở nhiệt độ nhất định nhằm thay đổi thành phần hoá học, tổ chức và tính
chất lớp bề mặt chi tiết.
Hoá nhiệt luyện là một trong những phơng pháp tăng bền có hiệu quả,
nâng cao độ cứng, khả năng chống mòn, độ bền nâu tiếp xúc, để bảo vệ chống

lại sự ăn mòn của môi trờng. Phơng pháp này đợc ứng dụng rông rÃi cho
nhiều loại chi tiết máy quan trọng .
Hoá nhiệt luyện là phơng pháp nhiệt luyện có kèm theo sự cải thiện
thành phần hoá học của lớp bề mặt do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp
bề mặt, mà vẫn bảo tồn đợc các tÝnh chÊt ë trong lâi cđa vËt liƯu. Ho¸ nhiƯt
lun bao gồm hai quá trình:
- Thay đổi thành phần lớp bề mặt bằng cách khuếch tán các nguyên tố
hoạt tính cần bÃo hoà vào sâu bề mặt một hay nhiều nguyên tố khác nhau,
theo mục đích nhất định (đợc gọi là tạo lớp thấm).

7


- Nhiệt luyện tiếp theo (tôi, ram) nhằm cải thiện hơn nữa tổ chức và tính
chất của lớp bề mặt cũng nh toàn bộ chi tiết.
Trong quá trình hoá nhiệt luyện thể tích riêng của lớp bề mặt tăng gây
ứng suất d. ứng suất này có tác dụng giảm giá trị ứng suất kéo của ngoại lực
trong quá trình làm việc của chi tiết.
Việc tăng khả năng chống mòn bề mặt của chi tiết máy, tạo nên khả
năng tăng tốc ®é quay, tèc ®é di chun cđa c¸c chi tiÕt có chuyển động trợt
tơng đối với nhau, nhờ đó năng suất lao động tăng và tuổi bền của máy tăng.
Hoá nhiệt luyện có thể áp dụng cho tất cả các loại chi tiết, kể cả những
chi tiết có hình dáng phức tạp mà các phơng pháp nhiệt luyện khác không
thực hiện đợc. Đồng thời nó có những u việt tạo cho nó có khả năng ứng
dụng rộng rÃi trong tất cả các lĩnh vực của ngành cơ khí.
Hoá nhiệt luyện tạo nên khả năng thay thế vật liệu trong chế tạo máy,
làm tính chất của lớp bề mặt và trong lõi chi tiết khác nhau. Một lợi ích rất
hiệu quả trong điều khiện khan hiếm vật t nh hiện nay.
Hoá nhiệt luyện không sợ quá nhiệt vì thông thờng sau khi hoá nhiệt
luyện còn phải qua nhiệt luyện. Hoá nhiệt luyện đựơc sử dụng rông rÃi trong

công nghiệp, tuỳ thuộc theo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết mà ngời ta áp dụng
thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon-nitơ, thấm xianua, thấm crôm, thấm bo,
thấm silic,... Mỗi phơng pháp hoá nhiệt luyện trên đều có những đặc điểm
chung và riêng cho từng loại, từ đó áp dụng cho hợp lý.
Quá trình xảy ra khi hoá nhiệt luyện dựa trên cơ sở khuếch tán. Vì thế
việc giải quyết các đặc điểm công nghệ cũng suất phát từ quy luật chung của
quá trình khuếch tán. Hiện tợng khuếch tán chỉ sẩy ra khi nguyên tố khuếch
tán có khả năng tạo với kim loại chính dung dịch rắn. Tốc độ khuếch tán phụ
thuộc vào dung dịch rắn.

8


Điều kiện bÃo hoà chất thấm bằng khuếch tán.
Điều kiện 1. Phải có nguyên tử hoạt tính. Những nguyên tử này đợc tạo
nên trong thời điểm phân huỷ chất chứa nguyên tố khuếch tán.
Điều kiện 2. Sau khi phân huỷ cần thiết cho quá trình bÃo hoà- khuếch
tán là sự hấp thụ các nguyên tử hoạt tính trên bề mặt kim loại khuếch tán sâu
vào bên trong kim loại.
Điều kiện 3. Để thực hiện bÃo hoà bề mặt là sự khuếch tán. Để thực hiện
đợc khuếch tán cần có nhiệt độ tơng đối cao, bảo đảm độ linh động của các
nguyên tử nguyên tố khuếch tán.
Phân huỷ, hấp thụ và khuếch tán là 3 giai đoạn liên tục của một quá
trình xác định diễn ra và kết quả thu đợc. Vì thế, nếu tác động biến đổi các
điều kiện phân ly, hấp thụ và khuếch tán có thể tác động tích cực lên quá
trình hoá nhiệt luyện. Tốc độ khuếch tán bằng hệ số khuếch tán. Sự thay đổi
hệ số khuếch tán vào nhiệt tuân theo một hàm số mũ.
Kích thớc nguyên tử của nguyên tố khuếch tán có ảnh hởng lớn tới
quá trình khuếch tán. Bán kính nguyên tử nguyên tố khuấch tán càng nhỏ thì
hệ số khuếch tán càng lớn:

D: Hệ số khuếch tán
t: Nhiệtđộ
D

t
Hình 1.1. ảnh hởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán

9