- 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM NITƠ 1.1. - Tình hình công nghệ thấm nitơ trên thế giới Quy trình thấm nitơ phát triển lần đầu tiên năm 1900, liên tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng. - Thấm nitơ thường được sử dụng để chế tạo cơ cấu chi tiết máy và các hệ thống phát điện turbine. - Anh đã được công nhận là nhà công nghệ xử lý độ cứng bề mặt. - Nitơ khuếch tán tạo ra độ cứng bề mặt tương đối cao trong các loại thép thường hoặc thép hợp kim thấp và đặc biệt nó cải thiện được khả năng chống ăn mòn. - Giống như Machlet, Fly thừa nhận Nitơ có thể hòa tan trong sắt ở nhiệt độ cao. - Ông sử dụng công nghệ tương tự Machlet, Fly sử dụng khí NH3, nhưng ông không sử dụng H2…Như vậy đã có sự thay đổi quy trình thấm nitơ ở trạng thái khí đơn giản. - Fly nghiên cứu sâu vào tác động của các yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt. - Phát minh của ông là quy trình thấm nitơ để đạt được độ cứng bề mặt cao ở thép chứa các thành phần như: Cr, Mo, Al, V và W. - Ngoài ra ông còn nhận ra rằng nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, quyết định phần lớn đến chiều sâu lớp thấm của thép. - Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fly tại cuộc hội thảo của hội các nhà thiết kế chế tạo (SME) năm 1927, các nhà luyện kim Mỹ bắt đầu tìm hiểu về các tham số trong quá trình thấm nitơ và các hiệu ứng của hợp kim trong quá trình thấm nitơ của các loại thép. - Ở Đức, công nghệ thấm Nitơ - plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học người Đức, Dr Wehnheldt năm 1932. - Sau đó Wehnheldt cùng các nhà vật lý học người 2 Thụy sĩ và các nhà buôn người Đức cùng nhau nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ ion và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH chế tạo thiết bị thấm Nitơ ion. - Đến năm 1970, công nghệ thấm Nitơ plasma được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là Châu Âu. - Tình hình nghiên cứu công nghệ thấm nitơ ở Việt Nam Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế xã hội, việc nâng cao hiệu quả chất lượng chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng. - Chất lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị phụ thuộc rất lớn vào chất lượng chi tiết cơ khí. - Việc áp dụng công nghệ thấm nitơ góp phần đáng kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của lĩnh vực cơ khí nói riêng và ngành công nghiệp nói chung. - Với việc đưa phương pháp thấm nitơ vào trong sản xuất sẽ góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ chi tiết, phục vụ hiệu quả cho các ngành công nghiệp. - Hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ đã được các phòng thí nghiệm của các trường Đại học và các viện nghiên cứu như phòng thí nghiệm của viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – trường đại học Bách khoa Hà nội, viện nghiên cứu Cơ – Bộ công nghiệp, viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ công thương,...Đặc biệt là tại các Viện nghiên cứu trong quân đội được quan tâm đặc biệt. - Sản phẩm quốc phòng là loại sản phẩm đặc biệt, không có sản phẩm loại 2, một số chi tiết phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nhất, chịu va đập và chịu mài mòn cao. - Các loại dụng cụ, khuôn cối và các chi tiết trong quốc phòng ngoài việc phải đảm bảo độ chính xác còn phải có tuổi thọ cao, nghĩa là phải có độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn vượt trội hơn hẳn các sản phẩm thông dụng, để đảm bảo gia công chính xác và tăng năng suất lao động. - 1.3 Ứng dụng công nghệ thấm Nitơ Thấm nitơ có mục đích tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mòn, đồng thời tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt vật liệu làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết. - 3 Các bánh răng trong các loại máy xây dựng, máy công nghiệp đòi hỏi có độ bền mỏi cao, độ biến dạng nhỏ, cần phải mài sau nhiệt luyện đế đạt kích thước chính xác trước khi thấm nitơ. - Thấm nitơ cũng được áp dụng cho các chi tiết của động cơ đốt trong: trục khuỷu, trục cam, pittông, thanh dẫn, bánh răng. - Ngoài ra rất nhiều các chi tiết trong quân sự cũng được thấm nitơ tùy theo mục đích sử dụng. - 1.3.1 Thấm nitơ nhằm đạt độ cứng cao, chống mài mòn tốt [4] Các chi tiết thấm nitơ loại này thường chế tạo bằng thép có chứa Cr, Mo, Al, thường dùng nhất là thép 38CrMoAlA. - Chế độ thấm nitơ áp dụng ở nhiệt độ thấp từ oC, thời gian thấm thường cần rất dài (24 90) h, chiều sâu lớp thấm mm. - Chi tiết trước khi thấm nitơ thường đã được gia công chế tạo chính xác, đã qua nhiệt luyện hoá tốt (tôi + ram cao). - Sau khi thấm nitơ xong bề mặt chi tiết có màu xám ghi với bề mặt phủ lớp mỏng pha độ cứng không cao, đặc biệt là khi có lẫn pha vàlàm cho tính chịu mỏi hoặc va đập của lớp thấm không tốt ảnh hưởng nhiều đến tuổi thọ chi tiết, cho nên sau khi thấm nitơ cần tiến hành mài tinh bề mặt để sửa cho lớp thấm đều đặn và đặc biệt hớt đi lớp pha có độ cứng không cao. - Ảnh tổ chức của lưới trong pha ở lớp thấm nitơ Đối với chi tiết yêu cầu độ cứng bề mặt có thể thấp một chút, nếu bị biến dạng nhỏ cũng không ảnh hưởng gì thì có thể nâng cao nhiệt độ thấm nitơ lên oC để rút ngắn thời gian thấm. - Để rút ngắn thời gian thấm nitơ, trong sản xuất công nghiệp áp dụng phương pháp thấm nitơ phân cấp: thoạt đầu thấm nitơ ở oC sau nâng lên oC, như vậy thời gian thấm nitơ có thể rút ngắn khoảng một nửa mà độ cứng bề mặt hầu như không bị ảnh hưởng. - Sau đó đem thấm nitơ ở oC độ cứng bề mặt HV. - Trường hợp cần lớp thấm có lớp trắng ít nhất thường áp dụng thấm nitơ hai cấp giai đoạn đầu thấm ở nhiết độ (495-525) oC (ứng với độ phân hủy NH3 là 15 30. - sau đó đưa nhiệt độ lên C (ứng với độ phân hủy NH3 là 65 80. - Không cần tôi và ram sau khi thấm nitơ vì lớp thấm mỏng, nếu nung đến nhiệt độ cao sẽ gây phá huỷ lớp thấm. - 5 1.3.2 Thấm nitơ nâng cao khả năng chống ăn mòn [4] Nếu lớp bề mặt sau thấm nitơ được phủ kín một lớp pha. - Để đạt mục đích nay người ta tiến hành thấm nitơ ở nhiệt độ cao oC, độ phân li của amôniăc (30 70. - Thấm nitơ nhiệt độ cao có lớp pha bề mặt rất phát triển, thời gian thấm ngắn, bề mặt chi tiết màu sáng bạc rất đẹp, có thể thay các lớp mạ niken, cho nên còn được gọi là thấm nitơ trang sức. - Sau khi thấm trên bề mặt chi tiết tạo thành một lớp mỏng pha mm có tính chống rỉ cao. - Thấm nitơ nâng cao khả năng chống ăn mòn có thể áp dụng cho mọi loại thép, song trong thực tế chủ yếu áp dụng đối với thép cacbon. - Ngoài hai dạng thấm nitơ với mục đích tăng độ cứng và chống ăn mòn đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. - Ngày nay người ta còn nghiên cứu mở rộng phạm vi áp dụng khác của thấm nitơ, đó là: Thấm nitơ cho các chi tiết máy để nâng cao độ bền mỏi. - Quy trình thấm theo chế độ thấm nitơ nhiệt độ thấp đối với thép 38CrMoAlA đã trình bày. - Trong trường hợp này độ cứng bề mặt lớp thấm không cao lắm nhưng do lớp thấm bão hoà nguyên tử nitơ làm tăng thể tích tạo nên nội ứng suất nén ở lớp bề mặt chi tiết, giá trị của ứng suất khoảng (0 đến 80) kG/mm2 nên nó làm tăng tính chống mỏi của chi tiết. - Khả năng chống mỏi cao nhất đạt được sau khi thấm ở nhiệt độ (500 đến 520) oC . - Lớp ứng suất nén bề mặt chi tiết làm cho nó ít nhạy cảm với hiện tượng tập trung ứng suất bề mặt gây nên do các khuyết tật bề mặt, do các rãnh hay các vết xước v.v., do đó độ bền mỏi của chi tiết được nâng cao. - Thấm nitơ còn được áp dụng với hợp kim titan với tác dụng nâng cao khả năng chống mài mòn và giảm hệ số ma sát bề mặt những chi tiết làm việc trong điều kiện có ma sát. - 6 1.3.3 Thép dùng để thấm nitơ Nói chung thấm Nitơ làm tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mòn và tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết. - Đặc biệt trong đề tài này nghiên cứu thấm nitơ trên hai loại thép hóa tốt là 30XH2MΦA và 38XH3MΦA đây là hai loại thép dùng nhiều trong công nghiệp quốc phòng. - Một số phương pháp thấm nitơ [2] 1.4.1 Thấm nitơ thể lỏng Một dạng công nghệ thấm nitơ phổ biến trong công nghiệp trước đây và ngày nay vẫn được dùng là thấm nitơ trong muối nóng chảy. - Công nghệ thấm nitơ trong muối nóng chảy ở quy mô công nghiệp do Degussa đề xướng có tên là Tenifer (CHLB Đức). - Quá trình thấm nitơ thực hiện nhờ phân hủy muối xianat thành cacbonat nóng chảy theo phản ứng sau: Công nghệ Tenifer KCN + ½ O2 KCNO 2KCNO + ½ O2 2. - Trong công nghệ Sursulf người ta dùng (2 đến 3. - Do thấm nitơ trong muối nóng chảy là rất độc người ta ngày càng đi theo hướng giảm tỷ lệ xyanua (công nghệ Sursulf). - Việc cho thêm các chất C, N, O, S trong công nghệ sursulf đẩy nhanh tốc độ thấm (10 đến 15) /h, làm tăng lợi thế của thấm nitơ trong muối nóng chảy, song không vì thế mà đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ này. - 1.4.2 Thấm nitơ ion hóa Nguyên tắc: Dưới tác dụng của từ trường nitơ sẽ bị ion hóa theo phản ứng: N2 = 2 N. - 2e Hình 1.2: Nguyên lý thấm nitơ ion hóa Áp suất là việc từ (10-2 đến 10) mbar và hiệu điện thế giữa cực âm và cực dương là (300 đến 1000) V sẽ xuất hiện hiện tượng phóng điện. - Hơn nữa nếu catốt chính là các chi tiết cần thấm nitơ thì các cation nitơ sẽ đập lên bề mặt chi tiết thực hiện một quá trình thấm nitơ. - Quá trình ion hóa khí nitơ chỉ xẩy ra ở vùng giáp bề mặt chi tiết (chỉ vài mm) do đó khoảng cách giữa catốt và anốt không có vai trò quan trọng, cho nên nitơ được thấm đều lên bề mặt. - Trong quá trình thấm nitơ ion hóa phải thiết lập cân bằng nhiệt giữu nhiệt lượng cung cấp (năng lượng va đập của các ion với nhau và với bề mặt chi tiết) và lượng nhiệt tản ra môi trường. - 1.4.3 Thấm nitơ thể khí Đây là công nghệ thấm được dùng nhiều nhất, và là công nghệ thấm được nghiên cứu trong đề tài này. - Để thấm nitơ phải có chất khí cung cấp nitơ nguyên tử. - Khí nitơ tồn tại dưới dạng phân tử (N2) rất ổn định do đó không thể dùng để thấm nitơ được. - Trong khoảng nhiệt độ thấm từ (450 đến 650) oC, NH3 sẽ phân hủy nhiệt theo phản ứng với chất xúc tác là bề mặt thép: 2 NH3 = 2 + 3 H2 Hình 1.3: Sự hình thành lớp thấm nitơ 9 Nitơ nguyên tử hình thành trên bề mặt thép sẽ khuếch tán vào trong thép tạo nên lớp thấm nitơ, còn những nguyên tử không khuếch tán vào trong thép sẽ nhanh chóng liên kết lại với nhau tạo thành N2. - Thấm nitơ ở nhiệt độ thấp (480 đến 550) oC thời gian thấm dài (ở nhiệt độ thấp khuếch tán xảy ra chậm). - Thấm nitơ ở nhiệt độ cao (560 đến 650) oC thời gian thấm phải ngắn (để hạt nitrit không bị thô to lên và không làm hỏng tổ chức của thép sau khi tôi + ram) chỉ tạo được lớp thấm mỏng, chiều dày lớp thấm thường không quá 0,2 mm. - 10 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ THỂ KHÍ 2.1. - Lý thuyết chung về thấm Nitơ Thấm nitơ là quá trình làm bão hoà nitơ vào bề mặt chi tiết thép nhằm đạt các mục đích sau. - 2.1.1 Những quá trình xẩy ra khi thấm nitơ thể khí [3] Quá trình phân huỷ: là quá trình phân hủy khí NH3 (2NH3 3H2 + 2Nht) tạo ra nitơ nguyên tử hoạt tính. - Các nitơ nguyên tử hoạt tính có khả năng hấp thụ vào bề mặt kim loại. - Quá trình hấp thụ: Các nitơ nguyên tử hoạt tính được hấp thụ vào bề mặt chi tiết. - Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép có một nồng độ nitơ cao, tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi. - Quá trình khuếch tán: Do có sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi, nitơ nguyên tử được khuếch tán vào trong kim loại tạo thành lớp thấm là dung dịch rắn, pha trung gian, hoặc các hợp chất hóa học. - Các quá trình phân huỷ, hấp thụ, khuếch tán có liên quan mật thiết với nhau và có ảnh hưởng đến quá trình thấm. - Nếu quá trình phân hủy xẩy ra nhanh hơn, nitơ nguyên tử hình thành quá nhiều, không kịp hấp thụ và khuếch tán vào trong kim loại, sẽ kết hợp lại tạo thành nitơ phân tử mất hết hoạt tính. - Ngược lại nếu nitơ nguyên tử hình thành quá ít sẽ không đủ để hấp thụ vào bề mặt kim loại dẫn đến tốc độ thấm rất chậm. - Tương quan giữa hấp thụ và khuếch tán có ảnh hưởng rất lớn đến việc tạo lớp khuếch tán. - Khi hấp thụ xẩy ra nhanh hơn khuếch tán, các nitơ nguyên tử hấp thụ vào bề mặt kim loại không kịp khuếch tán vào bên trong, nồng độ nitơ ở bề mặt 11 cao nhưng chiều sâu lớp khuếch tán tại nhỏ. - Ngược lại trong trường hợp khuếch tán nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ nitơ ở lớp bề mặt thấp nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại lớn. - Giản đồ trạng thái Fe-N Nếu thấm nitơ nhiệt độ thấp hơn 591oC thì sau khi làm nguội sẽ tạo thành các pha (tính lần lượt từ ngoài vào trong. - Nếu thấm nitơ ở nhiệt độ cao hơn 591oC thì sau khi làm nguội gồm các pha (tính lần lượt từ ngoài vào trong. - Độ cứng γ γ+ε 12 của lớp thấm nitơ chính là các pha xen kẽ. - Đây chính là nguyên nhân tại sao khi có mặt nitơ thì nhiệt độ thấm thấp cacbon lại có hiệu quả. - Đặc tính về mạng tinh thể nguyên tử và nồng độ các pha cơ bản trong lớp thấm nitơ Tên pha * Tỷ lệ hóa học Giới hạn thay đổi nồng độ nitơ CN. - hợp chất hóa học có thành phần thay đổi Fe2N (với 11,2 %N và cao hơn Lập phương dày đặc Hợp chất hóa học (ao CN (co CN CN + 7,36 l.10-6 * Ở nhiệt độ cao hơn 591oC pha được tạo ra đó là dung dịch rắn của nitơ trong sắt. - tại nhiệt độ 591oC và nồng độ nitơ 2,35 % pha sẽ tạo ra cùng tích. - Độ cứng tế vi, H Tỷ trọng, g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy, oC AlN Ti3N TiN V3N VN Cr2N CrN phân hủy) Mo3N 5,4. - thì khi thấm nitơ sẽ tạo ra các nitrit đặc biệt như đã nêu ở trên, có hình dạng nhỏ 14 mịn, có tính ổn định và độ cứng rất cao được tiết ra làm tăng ứng suất mạng rất lớn làm tăng độ cứng bề mặt lớp thấm lên tới (600 đến 1250) HV [7]. - Các thông số hệ số khuếch tán của N trong Fe và Fe của các tác giả Nguyên tố khuếch tán Môi trường khuếch tán Nhiệt độ khuếch tán t, oC Hệ số khuếch tán D, cm2/s Hằng số khuếch tán Do, cm2/s Năng lượng hoạt Q, cal/mol Tác giả . - [5] Đa số các nguyên tố hợp kim làm giảm hệ số khuếch tán của nitơ trong sắt. - Tác dụng hoá bền của các nguyên tố hợp kim trong lớp thấm nitơ rất lớn. - Làm tăng độ cứng bề mặt từ 600HV lên đến 2000 HV. - 15 Từ bảng 2.3 ta thấy thấy ở nhiệt độ cao thì khả năng khuếch tán của N trong Fe sẽ lớn hơn khi ở nhiệt độ thấp. - Hệ số truyền nitơ N Đây là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ mà đề tài đi sâu vào nghiên cứu. - Khi nitơ nguyên tử di chuyển đến bề mặt phân cách của thép và môi trường thấm lập tức xảy ra quá trình hấp thụ nitơ vào trong thép. - Hàm lượng nitơ trên bề mặt phụ thuộc vào khả năng cung cấp nitơ của môi trường và thành phần hóa học của thép. - Với khoảng nhiệt độ thấm nitơ nằm trong khoảng K tương đương oC, giá trị K được xác định theo công thức: lnK T (6) 2.3. - Những yếu tổ ảnh hưởng đến chế độ thấm và cấu trúc lớp thấm 2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ Chiều dầy của lớp khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. - Khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động của nguyên tử càng mạnh,tốc độ khuếch tán càng mạnh. - Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ thể hiện ở biểu thức sau: D = Do exp (-Q/RT) (7) D: hệ số khuếch tán Do: Hằng số phụ thuộc mạng tinh thể Q: Năng lượng hoạt khuếch tán T: Nhiệt độ thấm (K) R: Hằng số khí
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt