Nghiên ứu ảnh hưởng ủa ông nghệ xử lý nhiệt và bề mặt trướ thấm đến khả năng thấm nittơ ho thép không gỉ sus420

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ xử lý nhiệt bề mặt trước thấm đến khả thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420 NGUYỄN THỊ NGỌC LINH Ngành: Khoa học vật liệu Giảng viên hướng dẫn: TS Trịnh Văn Trung Viện: Khoa học kỹ thuật vật liệu HÀ NỘI, 2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132070311000000 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ xử lý nhiệt bề mặt trước thấm đến khả thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420 NGUYỄN THỊ NGỌC LINH Ngành: Khoa học vật liệu Giảng viên hướng dẫn: TS Trịnh Văn Trung Viện: Khoa học kỹ thuật vật liệu HÀ NỘI, 2020 Chữ ký GVHD LỜI CẢM ƠN Để có kết nghiên cứu hoàn thành luận văn em nhận giúp đỡ hỗ trợ nhiều từ phía trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt bề mặt suốt trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Với tình cảm chân thành em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới toàn thể cá nhân, đơn vị nhà trường, Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt bề mặt đặc biệt em cám ơn TS TRỊNH VĂN TRUNG người trực tiếp hướng dẫn, bảo em suốt trình làm nghiên cứu thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn trương trình học bổng SAKURA phủ Nhật Bản, Trường đại học Shimane PGS.TS PHẠM HOÀNG ANH tạo điều kiện giúp đỡ em nhiều trình học tập nghiên cứu Nhật để em có số kết quả, số liệu đưa vào luận văn Xin chân thành cảm ơn LƯU VĂN ĐẠI - Giám đốc Công ty TNHH Heat Treatment Việt Nam, tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình thấm nitơ thể khí cơng ty Bên cạnh giúp đỡ trực tiếp nhà trường, Thầy/Cô bạn bè em khơng thể qn cơng ơn sinh thành giáo dục cha mẹ với tình cảm thành viên gia đình giành cho em Đó nguồn động viên lớn để em vượt qua lúc gặp khó khăn sống Cám ơn bạn bè, đồng nghiệp quan động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em trình làm luận văn Vì điều kiện cơng việc thời gian hạn hẹp, kinh nghiệm chưa có nhiều nên em cịn gặp nhiều khó khăn trình thực luận văn Mặc dù thân em cố gắng, nỗ lực nhiên em nghĩ khó tránh thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu từ phía Thầy/Cơ để luận văn em hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên thực Nguyễn Thị Ngọc Linh TÓM TẮT LUẬN VĂN Thép không gỉ SUS420 trạng thái cung cấp ủ nhiệt độ 880 oC h nhiệt độ 1040 oC 30 phút, tiếp đến ram 530 oC h Bề mặt mẫu sau ram tạo độ nhám khác phương pháp mài học Toàn mẫu trạng thái ủ, tôi, ram mẫu có độ nhám khác tiến hành thấm nitơ thể khí với chất thấm NH nhiệt độ thấm 520 oC thời gian h Các kết cho thấy bước đầu thành công việc sử dụng công nghệ thấm nitơ thể khí, đưa nitơ nguyên tử vào bề mặt thép không gỉ SUS420 Mẫu trước thấm không xử lý lớp ơxit tự nhiên bề mặt khó thấm chí khơng thấm Mẫu trạng thái ủ cho chiều sâu lớp thấm dày độ cứng bề mặt thấp Trạng thái mẫu sau tơi, ram đem thấm có chiều sâu lớp thấm mỏng độ cứng cao Trạng thái độ nhám bề mặt khác không ảnh hưởng nhiều đến kết trình thấm MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung thép không gỉ 1.1.1 Khái niệm thép không gỉ 1.1.2 Phân loại thép không gỉ 1.1.3 Tính chất thép khơng gỉ 1.2 Thép không gỉ mactenxit SUS420 1.2.1 Thành phần hóa học vai trò nguyên tố thép 1.2.2 Tính chất thép khơng gỉ mactenxit 420 10 1.2.3 Nhiệt luyện thép không gỉ mactenxit 420 11 1.3 Cơng nghệ thấm nitơ thể khí cho thép không gỉ mactenxit 14 1.3.1 Cơng nghệ thấm nitơ thể khí 14 1.3.2 Ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ đến hình thành lớp thấm 17 1.3.3 Công nghệ thấm nitơ cho thép không gỉ mactenxit 23 1.3.4 Ảnh hưởng trạng thái xử lý nhiệt bề mặt đến q trình thấm nitơ thép khơng gỉ 24 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Quy trình nghiên cứu 28 2.2 Quy trình thực nghiệm 28 2.2.1 Nhiệt luyện sơ - ủ cho thép không gỉ mactenxit 420 29 2.2.2 Tôi thép không gỉ mactenxit 420 29 2.2.3 Ram thép không gỉ mactenxit 420 40 2.2.4 Xử lý bề mặt thấm thấm nitơ thể khí cho thép 420 30 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 31 2.3.1 Phương pháp hiển vi quang học 31 2.3.2 Phương pháp phân tích SEM & EDS 32 2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 36 2.3.4 Phương pháp xác định chiều dày lớp thấm 38 2.3.5 Phương pháp xác định độ cứng 38 2.4 Thiết bị thực nghiệm 50 i 2.4.1 Thiết bị công nghệ 50 2.4.2 Thiết bị phụ trợ 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Tổ chức độ cứng thép SUS420 trạng thái chưa thấm nitơ 44 3.1.1 Tổ chức độ cứng thép SUS420 trạng thái cung cấp 45 3.1.2 Tổ chức độ cứng thép SUS420 trạng thái sau ủ 47 3.1.3 Tổ chức độ cứng thép SUS420 trạng thái sau ram 48 3.2 Tổ chức tính chất thép SUS420 trạng thái sau thấm 52 3.2.1 Ảnh hưởng xử lý bề mặt hóa chất trước thấm 52 3.2.2 Ảnh hưởng trạng thái xử lý nhiệt (ủ, tôi, ram) 52 3.2.3 Ảnh hưởng độ nhám 60 3.3 Tổng hợp chiều dày lớp thấm độ cứng 67 KẾT LUẬN 69 KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH EDS 73 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Giản đồ Schaeffler họ thép khơng gỉ Hình 1.2 Giản đồ thử kéo dịng thép khơng gỉ Hình 1.3 Độ dai loại thép không gỉ phụ thuộc vào nhiệt độ thử Hình 1.4 Khả chống ăn mịn phụ thuộc vào hàm lượng Cr Ni đương lượng Hình 1.5 Ảnh hưởng nhiệt độ austenit hóa tới kích thước hạt, hàm lượng austenit dư độ cứng thép AISI 420 Hình 1.6 Ảnh hưởng nhiệt độ ram tới độ cứng thép không gỉ mactenxit AISI 420 Hình 1.7 Giản đồ Lehrer – mối quan hệ nhiệt độ thấm thấm đến tổ chức lớp thấm Hình 1.8 Quan hệ thấm nitơ K N độ phân hủy NH3 Hình 1.9 Ảnh hưởng nhiệt độ tới mức phân hủy NH3 Hình 1.10 (a) Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim tới độ cứng lớp thấm, (b) Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim tới chiều dày lớp thấm Hình 1.11 So sánh chiều dày lớp thấm số loại thép không gỉ Hình 1.12 Mơ tả vị trí khơng thấm tồn lớp thụ động bề mặt thép Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu Hình 2.2 Quy trình ủ Hình 2.3 Quy trình tơi Hình 2.4 Quy trình ram Hình 2.5 Quy trình thấm nitơ thể khí Hình 2.6 Kính hiển vi quang học Axioplan Hình 2.7 Kính hiển vi điện tử quét Jeol 6490 JED 2300 (CHLB ĐỨC) Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử qt TM4000Plus-Hitachi (Nhật Bản) Hình 2.9 Buồng gá mẫu kính hiển vi điện tử quét TM4000Plus-Hitachi (Nhật Bản) Hình 2.10 Thiết bị nhiễu xạ Rơnghen D8 Advance Hình 2.11 Thiết bị nhiễu xạ Rơnghen SmartLab (Rigaku) Hình 2.12 Thiết bị đo độ cứng tế vi 401MVD-WISON WOLPERT Hình 2.13 Thiết bị đo độ cứng thô đại 751- WISON WOLPERT iii Hình 2.14 Lị nung HTC 08/1 Hình 2.15 Lị thấm nitơ thể khí Hình 2.16 Thiết bị mài mẫu DS300/2 Hình 2.17 Thiết bị đúc mẫu nóng Labo Press – (Đan Mạch) Hình 2.18 Thiết bị đúc mẫu nóng Pressidon Hình 2.19 Máy mài đánh bóng tự động Plato Hình 3.1 Giản đồ pha Fe-12.84%Cr-C xây dựng phần mềm Thermo-Calc Hình 3.2 Tổ chức thép khơng gỉ mactenxit 420 trạng thái cung cấp mặt cắt dọc (a), mặt cắt ngang (b),×200 lần Hình 3.3 Tổ chức thép không gỉ mactenxit 420 trạng thái ủ mặt cắt dọc (a), mặt cắt ngang (b), mẫu ×200 lần Hình 3.4 Ảnh SEM bề mặt mẫu sau ủ (ở độ phóng đại x 2000 & 3000 lần) Hình 3.5 Tổ chức thép khơng gỉ mactenxit 420 sau tơi (a) sau ram (b), x500 lần Hình 3.6 Ảnh SEM bề mặt mẫu sau (với độ phóng đại x 2000 & 3000 lần) Hình 3.7 Ảnh SEM bề mặt mẫu sau ram (với độ phóng đại x 2000 & 3000 lần) Hình 3.8 Hình 3.8 Biểu đồ độ cứng mẫu trạng thái nhiệt luyện Hình 3.9 Kết phân tích XRD mẫu ủ, tơi ram trước thấm Hình 3.10 Ảnh tổ chức mặt cắt ngang mẫu (a) không xử lý hóa chất (b) có xử lý hóa chất Hình 3.11 Tổ chức thép 420 sau ủ + thấm N, + thấm N, ram +thấm N Hình 3.12 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau ủ + thấm N (độ phóng đại, x200 & x300 lần) Hình 3.13 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau tơi thấm N (độ phóng đại, x300 & x500 lần) Hình 3.14 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau ram thấm N (độ phóng đại, x300 & x500 lần) Hình 3.15 Chiều dày lớp thấm mẫu trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm nitơ Hình 3.16 Kết chụp XRD mẫu mẫu trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm nitơ Hình 3.17 Độ cứng bề mặt mẫu trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm N iv Hình 3.18 Biểu đồ phân bố độ cứng mẫu trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm N Hình 3.19 Tổ chức tế vi thép 420 sau ram mài với độ nhám khác đem thấm N (của vùng gần bề mặt vùng lõi) Hình 3.20 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau ram mài 100 thấm N (độ phóng đại, x300 & x500 lần) Hình 3.21 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau ram, mài 600 thấm N (độ phóng đại, x500 x1000 lần) Hình 3.22 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau ram mài 1200 thấm N(độ phóng đại, x500 & x1000 lần) Hình 3.23 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu sau ram, mài 2000 thấm N (độ phóng đại, x300 & x500 lần) Hình 3.24 Chiều dày lớp thấm mẫu trạng thái độ nhám khác sau thấm nitơ Hình 3.25 Kết chụp XRD mẫu độ nhám sau thấm Hình 3.26 Biểu đồ độ cứng bề mặt mẫu trạng thái sau ram với độ nhám khác thấm N Hình 3.27 Biểu đồ phân bố độ cứng mẫu trạng sau ram, mài thấm N Hình 3.28 Biểu đồ tổng hợp chiều dày lớp thấm mẫu trạng thái Hình 3.29 Biểu đồ tổng hợp độ cứng bề mặt mẫu trạng v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh tính chất loại thép khơng gỉ Bảng 1.2 So sánh tính số loại thép khơng gỉ Bảng 1.3 Thành phần hóa học trạng thái cung cấp thép không gỉ 420 Bảng 1.4 Bảng so sánh tính chất vật lí số thép khơng gỉ mactenxit thép AISI 1045 Bảng 1.5 Tính chất học số thép không gỉ nhiệt độ phịng Bảng 1.6 Các chế độ tơi đề xuất cho thép không gỉ 420 Bảng 1.7 Hệ số khuếch tán Nitơ qua lớp thấm Bảng 3.1 Thành phần hóa học (% khối lượng) thép không gỉ mactenxit 420 Bảng 3.2 Độ cứng thép trạng thái cung cấp Bảng 3.3 Độ cứng thép sau ủ Bảng 3.4 Thành phần hóa học (% khối lượng) thép không gỉ mactenxit 420 Bảng 3.5 Độ cứng thép trạng thái cung cấp Bảng 3.6 Độ cứng thép sau ủ Bảng 3.4 Độ cứng thép mactenxit 420 sau ram Bảng 3.5 Chiều dày lớp thấm trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm N Bảng 3.6 Độ cứng bề mặt thép trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm Bảng 3.7 Độ cứng (HV) thép từ bề mặt vào lõi sau thấm trạng thái ủ, tôi, ram Bảng 3.8 Chiều dày lớp thấm trạng thái có độ nhám khác Bảng 3.9 Độ cứng bề mặt thép sau thấm trạng thái độ nhám khác Bảng 3.10 Độ cứng (HV) thép từ bề mặt vào lõi sau thấm trạng thái vi