Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma ở nhiệt độ thấp (570-600 độ c) trong chế tạo dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy

BỘ CƠNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NI-TƠ XUNG PLASMA Ở NHIỆT ĐỘ THẤP (570-6000C) TRONG CHẾ TẠO DỤNG CỤ CẮT GỌT VÀ CHI TIẾT MÁY Ký hiệu: 94-07.RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Cơ quan chủ trì đề tài: Chủ nhiệm đề tài: Bộ Cơng Thương Viện Nghiên cứu Cơ khí Lục Vân Thương 6821 25/4/2008 Hà Nội - 2007 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NI-TƠ XUNG PLASMA Ở NHIỆT ĐỘ THẤP (570-6000C) TRONG CHẾ TẠO DỤNG CỤ CẮT GỌT VÀ CHI TIẾT MÁY Ký hiệu: 94-07.RD/HĐ-KHCN Thủ trưởng đơn vị (Ký tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (Ký, ghi rõ họ tên) H Ni - 2007 Báo cáo tổng kết Đề tài cÊp Bé - 2007 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài 1.1.1 Mục tiêu Đề tài 1.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.2 Tầm quan trọng cơng nghệ nhiệt luyện hóa nhiệt luyện 1.3 Công nghệ nhiệt luyện 1.3.1 Các thơng số liên quan q trình nhiệt luyện 1.3.2 Phân loại dạng nhiệt luyện 1.4 Công nghệ hoá nhiệt luyện 1.4.1 Cơ sở hoá nhiệt luyện 1.4.2 Đặc điểm mục đích hố nhiệt luyện 1.5 Q trình phát triển cơng nghệ thấm ni-tơ xung plasma giới 10 1.5.1 Sự hình thành cơng nghệ nước cơng nghiệp phát 10 1.5.2 Các chủng loại thiết bị giới 11 1.5.3 Vật liệu chi tiết máy tính chất sau thấm ni-tơ 13 triển 1.5 Q trình phát triển cơng nghệ thấm ni-tơ plasma việt nam CHƯƠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 19 20 2.1 Giới thiệu chung 20 2.2 Thấm ni-tơ thể khí thơng thường 20 2.3 Thấm nitơ thể lỏng 21 2.3.1 Thấm nitơ thể lỏng thông thường 21 2.3.2 Thấm nitơ thể lỏng nitarid 21 2.4 Thấm ni-tơ ion plasma 22 2.4.1 Quá trình thấm ni-tơ plasma 23 2.4.2 Định ngha xung plasma 24 Lục Vân Thơng PTN Hàn & XLBM Báo cáo tổng kết Đề tài cấp Bộ - 2007 2.4.3 Sự phân lớp 25 2.4.4 Quá trình ELTROPUL 25 2.5 So sánh đánh giá ưu nhược điểm phương pháp 27 2.5.1 So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với phương pháp thấm nitơ thông thường 27 2.5.2 So sánh thấm Nitơ - plasma với mạ Crôm 27 2.6 Các thông số trình thấm 28 2.6.1 Điện áp, mật độ dòng ion 28 2.6.2.Thời gian 28 2.6.3 Nhiệt độ 29 2.6.4 Thành phần hỗn hợp khí 29 2.7 Kết luận chương CHƯƠNG CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THẤM NI-TƠ PLASMA 31 33 3.1 Thiết bị thấm ni-tơ plasma 33 3.1.1 Giới thiệu chung thiết bị thấm ni-tơ PTN Trọng điểm Công nghệ Hàn Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí 33 3.1.2 Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H4580 Eltrolab 34 3.2 Khảo sát vật liệu chế tạo chi tiết thấm 37 3.3 Thiết kế đồ gá 39 3.4 Quy trình công nghệ thấm ni-tơ plasma 40 3.4.1 Vật liệu 40 3.4.2 Làm 41 3.4.3 Tiến hành gá lắp vào thùng lị 41 3.4.4 Lập chương trình thấm 41 3.4.5 Kiểm tra hệ thống trước thực trình thấm 43 3.4.6 Quy trình vận hành thiết bị 43 3.5 Kết luận chương CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 45 46 4.1 Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma số mẫu thí nghiệm 4.1.1 Mẫu thép C45, gang xám, 40X 46 4.1.2 Thấm thép dụng cụ AISI – H13 (Chromium hot work steel) 50 Lục Vân Thơng PTN Hàn & XLBM Báo cáo tổng kết Đề tài cấp Bộ - 2007 4.1.3 Thm thép hợp kim AISI 4140 (Chromium-molybdenum steel) 52 4.2 Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma sản phẩm trục bơm dầu 53 4.2.1 Đặt vấn đề 53 4.2.2 Tiến hành thí nghiệm 53 4.2.3 Kết kiểm tra thử nghiệm 55 4.3 Kết khảo nghiệm Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Phụ lục Phụ lục Lơc V©n Thơng PTN Hàn & XLBM 56 Báo cáo tổng kết Đề tài cấp Bộ - 2007 M U nước ta nghiệp Cơng nghiệp hố - Hiện đại hoá đất nước với kinh tế thị trường phát triển với nhịp độ cao Các ngành công nghiệp như: Cơ khí, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng khơng … đánh giá có tốc độ phát triển nhanh Nhưng song song với phát triển có yêu cầu thiết đặt nhằm phát huy nội lực nước việc nội địa hoá sản phẩm, trang thiết bị nhập ngoại Lực lượng kỹ thuật, công nghệ nước ngày bổ sung đơng đảo với tính hội nhập cao Cùng với có mặt trang thiết bị công nghiệp nhập từ nước tiên tiến giới, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo trang thiết bị để thay hàng nhập ngoại, phát huy nội lực nước trở lên cần thiết Cơng nghệ nhiệt luyện q trình làm thay đổi tính chất vật liệu (chủ yếu vật liệu kim loại) cách thay đổi cấu trúc bên mà khơng làm thay đổi hình dáng kích thước chi tiết Trên thực tế, có vật phẩm kim loại chế tạo mà lại không trải qua trình xử lý nhiệt, trình mà kim loại nung nóng làm nguội chế độ kiểm soát nghiêm ngặt nhằm cải thiện tính chất tuổi thọ vật liệu Nhiệt luyện làm mềm kim loại để tăng cường khả tạo hình Nó làm chi tiết trở nên cứng hơn, để cải thiện độ bền Cơng nghệ cịn có khả phủ bề mặt cứng lên mềm, để tăng khả chống mài mịn Nó cịn tạo lớp chống ăn mịn bề mặt chi tiết, để bảo vệ chi tiết khỏi tác nhân có hại từ mơi trường Và, nhiệt luyện cịn làm cho vật liệu giịn trở nên dẻo dai Các chi tiết qua nhiệt luyện thường đóng vai trị quan trọng hoạt động loại ô - tô, máy bay, tàu vũ trụ, máy vi tính loại máy móc khác cơng nghiệp Tính chất khả làm việc loại dụng cụ cắt, bánh răng, trục cam, trục khuỷu, phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt luyện Những sản phẩm hầu hết chế tạo từ thép bao gồm loại qua cán dạng hay ống chi tiết qua đúc, rèn, hàn, gia cơng khí, ép, dập hay kéo Với phương pháp nhiệt luyện thông thường như: ủ, thường hố, tơi ram…các chi tiết sau nhiệt luyện bị khuyết tật: biến dạng nứt, oxy hoá, độ cứng khơng đạt (cao q thấp q), tính giũn Lục Vân Thơng PTN Hàn & XLBM Báo cáo tổng kết Đề tài cấp Bộ - 2007 cao Hay với phương pháp thấm nitơ, cácbon thông thường có sử dụng khí độc, muối độc gây hại cho người làm ô nhiễm môi trường Từ thực tế trên, nhà khoa học giới nghiên cứu, thí nghiêm áp dụng vào thực tiễn thành công công nghệ nhiệt luyện mới: Công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma Trong nhiều năm qua công nghệ thấm ứng dụng rộng rãi giới đáp ứng đòi hỏi ngày cao chi tiết máy: giới hạn bền mỏi tăng, biến dạng giảm, sức bền, sức cản cải thiện, độ cứng bề mặt cao mà lõi dẻo dai, bề mặt gồ ghề…Việc áp dụng cơng nghệ thấm Ni-tơ xung plasma mang lại hiệu kinh tế lớn nhờ tăng tuổi thọ chi tiết, máy móc Hơn cơng nghệ nhiệt luyện không làm ô nhiễm môi trường Nhưng công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma cịn hồn tồn mẻ với Việt Nam, chưa nghiên cứu ứng dụng rộng rãi Vì vậy, nhiệm vụ đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma nhiệt độ thấp (570-6000C) chế tạo dụng c ct gt v chi tit mỏy Lục Vân Thơng PTN Hàn & XLBM Báo cáo tổng kết §Ị tµi cÊp Bé - 2007 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài 1.1.1 Mục tiêu Đề tài - Thiết lập QTCN điển hình cho loại thép Cr-Mo, Cr-Mn-Si, thép dụng cụ - Ứng dụng cho số chủng loại dụng cụ cắt gọt kim loại - Ứng dụng cho số loại chi tiết máy nhơng xích, cổ trục, … 1.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chất công nghệ thấm ni-tơ xung plasma - Làm chủ thiết bị thiết lập QTCN mẫu cho số loại thép hợp kim 1.2 Tầm quan trọng cơng nghệ nhiệt luyện hóa nhiệt luyện Nhiệt luyện kim loại hợp kim trình xử lý nhiệt làm thay đổi tổ chức làm thay đổi tính chất chúng Q trình nhiệt luyện kim loại nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt thời gian thích hợp sau làm nguội với tốc độ (thời gian) quy định để làm thay đổi tổ chức, làm biến đổi tính chất theo hướng chọn trước Nhiệt luyện làm mềm kim loại để tăng cường khả tạo hình Nó làm chi tiết trở nên cứng hơn, để cải thiện độ bền Cơng nghệ cịn có khả phủ bề mặt cứng lên mềm, để tăng khả chống mài mịn Nó cịn tạo lớp chống ăn mòn bề mặt chi tiết, để bảo vệ chi tiết khỏi tác nhân có hại từ mơi trường Và, nhiệt luyện cịn làm cho vật liệu giòn trở nên dẻo dai Hoá nhiệt luyện phương pháp hoá bền bề mặt sử dụng phổ biến, việc làm thay đổi cấu trúc bên làm thay đổi thành phần hoá học lớp bề mặt Đó q trình làm bão hồ lên bề mặt thép hay nhiều nguyên tố (N2, C, xianua, Al, Si…) để làm thay đổi thành phần hoá học Do đó, làm thay đổi tổ chức tính chất lớp bề mặt theo mục đích định mà bảo tồn đước tính chất lõi vật liệu Vì vậy, hố nhiệt luyện phương pháp tăng bền có hiệu ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại chi tiết máy quan trọng 1.3 Công nghệ nhiệt luyện 1.3.1 Các thông số liên quan quỏ trỡnh nhit luyn Lục Vân Thơng PTN Hàn & XLBM Báo cáo tổng kết Đề tµi cÊp Bé - 2007 Tất thơng số như: nhiệt độ nung (oC), thời gian giữ nhiệt (ủ), tốc độ làm nguội phụ thuộc hoàn toàn vào vật liệu chi tiết nhiệt luyện với mục đích đặt khác nhau, áp dụng cơng nghệ nhiệt luyện - Nhiệt độ nung nóng: nhiệt độ cao phải đạt đến nung - Thời gian giữ nhiệt: thời gian cần thiết trì kim loại nhiệt độ nung - Tốc độ làm nguội: độ giảm nhiệt độ theo thời gian sau thời gian giữ nhiệt (oC/s) Ngoài người ta cịn quy định tốc độ nung nóng số trường hợp không lớn giá trị cho phép để tránh nứt nung Nhiệt độ (oC) Tn Tgn Thời gian Hình 1.1 Sơ đồ trình nhiệt luyện đơn giản 1.3.2 Phân loại dạng nhiệt luyện - Nhiệt luyện thơng dụng: + Ủ: ủ hồn tồn, ủ khơng hồn tồn, ủ cầu hố xementit, ủ đẳng nhiệt, ủ thấp, ủ khuếch tán, ủ kết tinh lại … + Thường hố + Tơi: tơi môi trường, môi trường, phân cấp, đẳng nhiệt, phận, tự ram, bề mặt… + Ram: ram thấp, ram trung bình, ram cao - Cơ nhiệt luyện - Hoá nhiệt luyện: thấm cacbon, thấm nitơ, thấm bo, thấm S, thấm Si Nhiệt luyện cải thiện nhiều tính thép, song thực không gây dạng hư hỏng khác Các dạng hư hỏng Lục Vân Thơng PTN Hàn & XLBM Báo cáo tổng kết Đề tài cấp Bộ - 2007 nhit luyện gây lãng phí lớn Vì vậy, cần hiểu rõ nguyên nhân gây hư hỏng đó, biện pháp phịng ngừa [3] 1.4 Cơng nghệ hố nhiệt luyện 1.4.1 Cơ sở hố nhiệt luyện 1.4.1.1 Những q trình xảy hố nhiệt luyện Khi thực q trình hố nhiệt luyện người ta đặt chi tiết vào môi trường rắn, lỏng khí có khả phân hố nguyên tử hoạt nguyên tố định khuếch tán nung nóng chúng đến nhiệt độ thích hợp sau giữ nhiệt độ thời gian đủ để khuếch tán nguyên tố cần thấm vào chi tiết Các trình thấm xảy theo ba giai đoạn nối tiếp sau: phân huỷ, hấp thụ khuếch tán - Phân huỷ (PH): Là trình tạo ngun tử có hoạt tính cao ngun tố khuếch tán Q trình xảy mơi trường hố nhiệt luyện nguyên tử hoạt tính tạo thành có khả khuếch tán vào bề mặt kim loại Khi thấm bon, trình phân huỷ xảy sau: C + CO2 → 2CO → CO2 + Cht Khi thấm nitơ: 2NH3 → 3H2 + 2Nht Những nguyên tử bon nitơ hoạt tính hấp thụ vào bề mặt chi tiết - Hấp thụ (HT): Sau phân huỷ, nguyên tử hoạt hấp thụ vào bề mặt thép Kết hấp thụ tạo nên bề mặt thép lớp có nồng độ nguyên tố định khuếch tán vào cao tạo nên chênh lệch nồng độ bề mặt lõi - Khuếch tán (KT): Các nguyên tử hoạt hấp thụ vào lớp bề mặt thép với nồng độ cao khuếch tán vào kim loại tạo nên dung dịch rắn pha phức tạp, pha trung gian hợp chất hoá học tạo thành lớp thấm với chiều sâu định Nhờ khuếch tán lớp thấm hình thành sở hoá nhiệt luyện Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian nồng độ chất khuếch tán lớp bề mặt Ngoài yếu tố nêu trên, khuếch tán phụ thuộc vào pha tạo thành Khi thấm cácbon, nitơ tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xảy nhanh thấm kim loại tạo thành dung dịch rn thay th Lục Vân Thơng PTN Hàn & XLBM Một số hình ảnh minh hoạ ... VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NI-TƠ XUNG PLASMA Ở NHIỆT ĐỘ THẤP (570-6000 C) TRONG CHẾ... cơng nghệ thấm Ni-tơ xung plasma cịn hồn tồn mẻ với Việt Nam, chưa nghiên cứu ứng dụng rộng rãi Vì vậy, nhiệm vụ đề tài: ? ?Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma nhiệt độ thấp (570-6000 C). .. thép dụng cụ - Ứng dụng cho số chủng loại dụng cụ cắt gọt kim loại - Ứng dụng cho số loại chi tiết máy nhông xích, cổ trục, … 1.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chất công nghệ thấm ni-tơ xung