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

Thép không gỉ mactenxit SUS420 với hàm lư ng cacbon cao, crôm tối ợthiểu 12% đư c biết đến là một trong nh ng loợ ữ ại thép không gỉ mactenxit có cơ tính tốt, đ ng thời có thểồ đư c nâng

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420

NGUYỄN THỊ NG C LINH Ọ Ngành: Khoa học vật liệu

Giả ng viên hư ớ ng dẫn: TS Trịnh Văn Trung Viện: Khoa học và kỹ thuật vật liệu

HÀ NỘI, 2020

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420

NGUYỄN THỊ NG C LINH Ọ Ngành: Khoa học vật liệu

Giả ng viên hư ớ ng dẫn: TS Trịnh Văn Trung

Viện: Khoa học và kỹ thuật vật liệ u

Ch ữ ký GVHD

L Ờ I CẢM ƠN

luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Gi i thiớ ệu chung về thép không gỉ 3

1.1.1 Khái niệm về thép không gỉ 3

1.1.2 Phân loại thép không gỉ 3

1.1.3 Tính chấ ủt c a thép không gỉ 6

1.2 Thép không gỉ mactenxit SUS420 9

1.2.1 Thành phần hóa học và vai trò các nguyên t trong thépố 9

1.2.2 Tính chấ ủt c a thép không gỉ mactenxit 420 10

1.2.3 Nhiệt luy n thép không gỉ mactenxit 420ệ 11

1.3 Công nghệ ấ th m nitơ th ểkhí cho thép không gỉ mactenxit 14

1.3.1 Công nghệ ấ th m nitơ th khíể 14

1.3.2 Ảnh hưởng c a các y u t công ngh n s hình thành l p th mủ ế ố ệ đế ự ớ ấ 17

1.3.3 Công nghệ ấ th m nitơ cho thép không g mactenxitỉ 23

1.3.4 Ảnh hưởng c a tr ng thái x lý nhi t và b m t đ n quá trình th m nitơ thép ủ ạ ử ệ ề ặ ế ấ không gỉ 24

CHƯƠNG 2 THỰC NGHI M VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUỆ 28

2.1 Quy trình nghiên cứu 28

2.2 Quy trình thực nghiệm 28

2.2.1 Nhiệt luy n sơ b - cho thép không g mactenxit 420ệ ộ ủ ỉ 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 b m t và th m th m nitơ th ề ặ ấ ấ ểkhí 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 x Rơnghen (XRD)ạ 36

2.3.4 Phương pháp xác định chiều dày lớp th mấ 38

2.3.5 Phương pháp xác đ nh đị ộ ứ c ng 38

2.4 Thiế ị ựt b th c nghiệm 50

2.4.1 Thiế ịt b công nghệ 50

2.4.2 Thiế ịt b ụ ợph tr 41

CHƯƠNG 3 KẾT QU VÀ TH O LU NẢ Ả Ậ 44

3.1 Tổ ch c và đ c ng của thép SUS420 ở trạng thái chưa th m nitơứ ộ ứ ấ 44

3.1.1 Tổ ch c và đ c ng củứ ộ ứ a thép SUS420 ở ạ tr ng thái cung cấp 45

3.1.2 Tổ ch c và đ c ng củứ ộ ứ a thép SUS420 ở ạ tr ng thái sau ủ 47

3.1.3 Tổ ch c và đ c ng củứ ộ ứ a thép SUS420 ở ạ tr ng thái sau tôi và ram 48

3.2 Tổ ch c và tính ch t cứ ấ ủa thép SUS420 ở các tr ng thái sau khi thạ ấm 52

3.2.1 Ảnh hưởng c a x lý b m t b ng hóa ch t trư c th mủ ử ề ặ ằ ấ ớ ấ 52

3.2.2 Ảnh hưởng c a tr ng thái x lý nhi t ( , tôi, ram)ủ ạ ử ệ ủ 52

3.2.3 Ảnh hưởng c a đ nhámủ ộ 60

3.3 Tổng hợp chi u dày lề ớp thấm và đ c ngộ ứ 67

KẾT LUẬN 69

KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ Ụ L C KẾT QUẢ PHÂN TÍCH EDS 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Giản đ Schaeffler các h thép không g ồ ọ ỉ

Hình 1.2 Giản đ th ồ ửkéo của các dòng thép không g ỉ

Hình 1.3 Độ dai c a các loủ ại thép không gỉ ph thuụ ộc vào nhiệt độ ử th

Hình 1.4 Khả năng ch ng ăn mòn ph thu c vào hàm lư ng Cr và Ni đương ố ụ ộ ợlượng

Hình 1.5 Ảnh hư ng của nhiệở t đ austenit hóa tớộ i kích thước hạt, hàm lư ng ợaustenit dư và độ ứ c ng c a thép AISI 420 ủ

Hình 1.6 Ảnh hưởng c a nhi t đ ram t i đ c ng c a thép không gỉ ủ ệ ộ ớ ộ ứ ủ mactenxitAISI 420

Hình 1.7 Giản đồLehrer – mối quan hệ ữa nhigi ệ ột đ th m và thế thấấ m đến tổ chức l p thớ ấm

Hình 1.8 Quan hệ giữa thế ấ th m nitơ KNvà độ phân hủy NH3

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhi t đ t i m c phân h y NHệ ộ ớ ứ ủ 3

Hình 1.10 (a) Ảnh hư ng cở ủa nguyên tố ợ h p kim tớ ộ ứi đ c ng lớp thấm, (b) Ảnh hưởng c a nguyên tố ợủ h p kim tới chi u dày lớề p th m ấ

Hình 1.11 So sánh chi u dày lề ớp thấm của m t s lo i thép không gỉ ộ ố ạ

Hình 1.12 Mô tả ị trí không thấm được do tồn tạ ớ v i l p thụ độ ng trên b m t thép ề ặHình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu

Hình 2.7 Kính hiển vi đi n t quét Jeol 6490 JED 2300 (CHLB ĐỨC) ệ ử

Hình 2.8 Kính hiển vi đi n t ệ ửquét TM4000Plus Hitachi (Nh t B n) - ậ ả

Hình 2.9 Buồng gá m u cẫ ủa kính hiển vi điện tửquét TM4000Plus Hitachi (Nh t - ậ

Bản)

Hình 2.10 Thiế ịt b nhiễu x Rơnghen D8 Advance ạ

Hình 2.11 Thiế ịt b nhiễu x Rơnghen ạ SmartLab Rigaku) (

Hình 2.12 Thiế ịt b đo độ ứ c ng t ếvi 401MVD WISON WOLPERT

-Hình 2.13 Thiế ịt b đo độ ứ c ng thô đ i 751- ạ WISON WOLPERT

Hình 2.14 Lò nung HTC 08/1

Hình 2.15 Lò thấm nitơ th khí ể

Hình 2.16 Thiết b ịmài mẫu DS300/2

Hình 2.17 Thiế ịt b đúc m u nóng Labo Press – 1 (Đan Mạch) ẫ

Hình 2.18 Thiế ịt b đúc m u nóng Pressidon ẫ

Hình 2.19 Máy mài và đánh bóng tự độ ng Plato

Hình 3.1 Giản đ ồpha Fe-12.84%Cr-C xây dựng b ng phằ ần mềm Thermo-Calc Hình 3.2 T ổ ch c ứ thép không gỉ mactenxit 420 trạng thái cung cấp ở ặ m t c t dắ ọc (a), m t cặ ắt ngang (b),×200 lần

Hình 3.3 T ổ chức thép không gỉ mactenxit 420 trạng thái ủ ở ặ m t cắ ọt d c (a), mặt

cắt ngang (b), của mẫu ×200 lần

Hình 3.4 Ảnh SEM của b m t m u sau ề ặ ẫ ủ ở độ ( phóng đại x 2000 & 3000 lần) Hình 3.5 T ổ chức thép không gỉ mactenxit 420 sau tôi (a) và sau ram (b), x500

l n ầ

Hình 3.6 Ảnh SEM của b m t m u sau tôi (v i đ phóng đề ặ ẫ ớ ộ ại x 2000 & 3000 lần) Hình 3.7 Ảnh SEM của bề m t mẫặ u sau ram (vớ ội đ phóng đại x 2000 & 3000

lần)

Hình 3.8 Hình 3.8 Biểu đ c ng củồ độ ứ a m u ởẫ các tr ng thái nhiệạ t luy n ệ

Hình 3.9 Kết quả phân tích XRD của mẫu ủ, tôi và ram trư c th m ớ ấ

Hình 3.10.Ảnh tổ chức mặt cắt ngang của mẫu (a) không được x lý hóa ch t và ử ấ(b) có được x lý b ng hóa chất ử ằ

Hình 3.11 T ổ chức thép 420 sau ủ + thấm N, tôi + thấm N, và ram +thấm NHình 3.12 Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu sau ủ + th m N (độấ phóng đại, x200

Hình 3.17 Độ ứ c ng bề ặ m t c a mủ ẫu ở các trạng thái ủ, tôi, ram sau th m N ấ

Hình 3.18 Biểu đ phân b cồ ố độ ứng của mẫu ở các tr ng thái , tôi, ram sau thạ ủ ấm

Hình 3.25 Kết quả chụp XRD của mẫu ở các đ ộnhám sau thấm

Hình 3.26 Biểu đ c ng bề ặồ độ ứ m t c a mủ ẫu ở các tr ng thái sau ram vớạ i các đ ộnhám khác nhau và thấm N

Hình 3.27 Biểu đồ phân bố độ ứ c ng của m u các tr ng sau ram, mài và th m N ẫ ở ạ ấHình 3.28 Biểu đồ ổ t ng hợp chi u dày l p th m củề ớ ấ a m u các tr ng thái ẫ ở ạ

Hình 3.29 Biểu đ t ng hợồ ổ p đ c ng bề ặ ủộ ứ m t c a m u ở các trạng ẫ

DANH M C BỤ ẢNG BIỂU

Bảng 1 So sánh tính chất của các loại thép không gỉ1

Bảng 1 So sánh cơ tính của một số loại thép không gỉ2

Bảng 1 Thành phần hóa h3 ọc trở ạng thái cung c p cấ ủa thép không gỉ 420

Bảng 1.4 Bảng so sánh tính chất v t lí c a m t sậ ủ ộ ố thép không gỉ mactenxit và thép AISI 1045

Bảng 1.5 Tính chất cơ h c cơ b n của số thép không gỉ ở nhiệ ộọ ả t đ phòng

Bảng 1.6 Các chế độ tôi đề xuất cho thép không gỉ 420

Bảng 1.7 H s ệ ố khuếch tán của Nitơ qua các l p thấm ớ

Bảng 3.1 Thành phần hóa học (% kh i lư ng) củố ợ a thép không gỉ mactenxit 420

Bảng 3.2 Độ cứng của thép ở trạng thái cung cấp

Bảng 3.3 Độ ứng của thép sau khi ủ c

Bảng 3 Thành phần hóa h4 ọc (% khối lư ng) củợ a thép không gỉ mactenxit

420

Bảng 3 Độ ứng của thép ở trạng thái cung cấ5 c p

Bảng 3 Độ ứng của thép sau khi ủ6 c

Bảng 3.4 Độ ứng của thép mactenxit 420 sau khi tôi và ram c

Bảng 3.5 Chiều dày lớp thấm ở các trạng thái ủ, tôi, ram sau thấm N

Bảng 3.6 Độ ứng bề ặt của thép ở các trạng thái ủ, tôi, ram sau khi thấ c m m

Bảng 3.7 Độ ứng (HV) của thép từ ề ặt vào trong lõi sau khi thấm tại các c b mtrạng thái , tôi, ramủ

Bảng 3.8 Chiều dày lớp thấm ở các trạ ng thái có đ nhám khác nhauộ

Bảng 3.9 Độ ứng của bề c mặt thép sau khi thấm tại các trạng thái đ nhám ộkhác nhau

Bảng 3.10 Độ ứng (HV) của thép từ ề ặt vào trong lõi sau khi thấm tại các c b mtrạng thái

R100 Mẫu ram mài giấy nhám 100

R600 Mẫu ram mài giấy nhám 600

R1200 Mẫu ram mài giấy nhám 1200

R2000 Mẫu ram mài giấy nhám 2000

Ủ-N Mẫ ở ạu tr ng thái sau và th m nitơ ủ ấ

Tôi-N Mẫ ở ạu tr ng thái sau tôi và thấm nitơ

Ram-N Mẫu ở ạng thái sau tr ram và thấm nitơ

R100 N - Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 100 và thấm nitơ

R600 N - Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 600 và thấm nitơR1200-N Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 1 00 và thấm nitơ2R2000-N Mẫu ở trạng thái sau ram mài giấy nhám 2000 và thấm nitơ

LỜI MỞ ĐẦU Khuôn mẫu là d ng cụụ đư c s d ng phổ biến nhi u trong công nghiợ ử ụ ề ệp đ ể

tạo hình các sản phẩm như các chi ti t máy hay đ gia dụng… vì vậy, vấế ồ n đ các ềnghiên c u nhứ ằm nâng cao chất lư ng và tuổi thọ ủợ c a khuôn mẫu đã, đang và s ẽđược chú tr ng quan tâm của nền công nghiệp Vi t Nam.ọ ệ Các đặc trưng cơ tính quan trọng quyết định tuổi thọ và khả năng làm vi c củệ a khuôn là đ b n, đ ộ ề ộ

cứng hay độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn, độ dai và chiều sâu lớp

thấm ế(n u đư c xợ ử lý hóa nhiệt luyện) Độ ứ c ng của khuôn không đư c phép ợquá cao dễ làm khuôn bị ứ n t vỡ, nhưng cũng không đư c quá thấp vì như vậy ợkhả năng chống mài mòn c a khuôn sủ ẽ không đ t yêu cầu ạ Sau khi áp d ng công ụnghệ hóa nhi t luyệệ n đ nâng cao đ c ng bề ặể ộ ứ m t và do v y là khậ ả năng chống mài mòn thì nếu tạo chiều sâu lớp thấm càng dày thì có th kéo dài th i gian làm ể ờviệc hay tu i thọ ủổ c a khuôn Các yếu tốnày (đ cộ ứng và chiều sâu lớp thấm) rất phụ thu c vào lo i v t liộ ạ ậ ệu và chế độ ử x lý nhiệt và bề ặ m t cho khuôn Do vậy, việc l a chự ọn vật liệu làm khuôn và chế độ nhi t luyện hay hóa nhiệt luyệệ n thích

hợp để ạ t o ra cơ tính phù h p là hết sức quan trọng nhằm nâng cao chất lượng và ợtuổi thọ ủ c a khuôn

Thép không gỉ mactenxit SUS420 với hàm lư ng cacbon cao, crôm tối ợthiểu 12% đư c biết đến là một trong nh ng loợ ữ ại thép không gỉ mactenxit có cơ tính tốt, đ ng thời có thểồ đư c nâng cao cơ tính b ng công nghợ ằ ệ ử x lý nhiệt và thường đư c ứợ ng d ng làm khuôn nh a, dao kéo, các dụụ ự ng c s dụng trong y ụ ử

tế… Các dụng cụ khuôn mẫu làm từ thép này có thể ải thiệ c n độ cứng bề ặt và mkhả năng chống mài mòn và do vậy nâng cao được hiệu quả làm vi c và tuổi thọ ệ

bằng cách áp dụng công nghệ thấm nitơ

Hiện nay, trên thế ớ gi i cũng như ệởVi t Nam đã s d ng một số phương ử ụpháp thấm nitơ cho thép không g ỉnói chung và thép không gỉ mactenxit SUS420 nói riêng đó chính là: thấm nitơ thể khí, th l ng và th m b ng phương pháp ể ỏ ấ ằplasma Trong các phương pháp thấm k trên thì phương pháp th m nitơ th khí ể ấ ểyêu c u thiầ ết bị và công ngh không quá phệ ức tạp nhưng đem l i hiệu quả kinh ạ

t ế cao rất phù hợp với đi u kiện thực tế nước ta hiện nay Tuy nhiên, vấề n đ l n ề ớnhất khi thấm nitơ th khí cho thép không gỉể đó là vi c x lý lệ ử ớp ôxit tự nhiên trên bề ặ m t c a thép M t khác, trong công nghủ ặ ệ thấm nitơ, các quá trình chính

diễn ra bao gồm: phân hủy khí thấm đ t o ra các nitơ nguyên tử, h p th trên bể ạ ấ ụ ề mặt thép và khuếch tán vào nền thép Ngoài ra, trước khi thấm nitơ thì khuôn

mẫu thư ng đư c gia công cơ và đ t đ bóng (độ nhám) và nhiệt luyệ khác ờ ợ ạ ộ n nhau tùy thu c vào yêu c u cộ ầ ủa từng ứng dụng cụ ể th Chính vì vậy, tr ng thái ạ

b mề ặt cũng như tr ng thái tổ chức của mẫ trước thấ có thể ảạ u m nh hư ng rất lớn ở

đến kh năng h p th và khuếả ấ ụ ch tán nitơ nguyên t và do đó s ảử ẽ nh hư ng rất ởnhiều đến quá trình và kết quả thấm Chính bởi vậy tôi đã l a chọn đề tài: ự

“Nghiên cứ ả u nh hư ng c a công ngh x lý nhi t và b m t trư c th m ở ủ ệ ử ệ ề ặ ớ ấ

đế n kh năng th m nitơ cho thép không g SUS420” ả ấ ỉ

Mụ c tiêu đ tài là nghiên cứu là: ề

- Nghiên cứu ảnh hư ng của trạng thái bề ặt (không xử lý và có xử lý ở m

lớp ôxit tự nhiên hay mài tạo đ nhám khác nhau) và tr ng thái ộ ạ công nghệ ủ ( , tôi, ram) hay tổ chức trước thấm của mẫu có ảnh hư ng như thở ế nào t i kh ớ ảnăng thấm nitơ cho thép không gỉ mactenxit SUS420

- Nghiên cứu và xây dựng quy trình công nghệ ử lý nhiệt và về ặt phù x m

hợp đ i với thép không gỉ SUS420 để nâng cao chiều sâu lớp thấm và độ ứố c ng

b m ề ặt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về thép không g ỉ

Thép chống gỉ (không gỉ) đã ra đời từ khoảng hơn một thế kỷ trở lại đây Việc sử dụng thép không gỉ trong công nghiệp bắt đầu vào năm 1912 khi đơn xin cấp bằng sáng chế cho một loại thép có khả năng chống ăn mòn cao được đề xuất Đặc biệt từ những năm 1950, một nhóm vật liệu bao gồm hơn 120 loại thép không gỉ đã được phát triển, chế tạo và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới nhờ khả năng chống ăn mòn tốt đồng thời có tính thẩm mỹ cao và cho đến nay thì nhu cầu sử dụng thép không gỉ ngày càng tăng trong hầu hết các lĩnh vực như: y tế, xây dựng, trong các ngành kỹ thuật, dân dụng, giao thông, và hàng không…

1.1.1 Khái niệm về thép không gỉ

Thép không g nói chung haỉ y còn gọi là inox (inert oxidized steel - không

b ịoxy hóa) là loại thép có chứa tối thiểu khoảng 10,5% Crôm và các nguyên tố

hợp kim khác như: Ni, Mo, Mn,… Thép không g có tính chống ăn mòn cao ỉtrong các môi trư ng axit đờ ặc,nước biển, khó b oxy hóa nhi t đ cao và có ị ở ệ ộtính thẩm mỹ cao nhờ ề ặ b m t sáng bóng Vậy nên thép không gỉ có ý nghĩa rất lớn trong các ngành công nghi p và dân dệ ụng Các lĩnh v c ng d ng ch y u ự ứ ụ ủ ế

của loại thép này là trong:

• Công nghệ biển và đóng tàu

• Ứng dụng xây dựng nhà máy hóa chất, dụng cụ đựng hóa chất

1.1.2 Phân lo i thép không gạ ỉ

Thép không gỉ thường được chia thành năm nhóm căn cứ vào tổ chức của thép: thép không gỉ mactenxit, thép không gỉ ferit, thép không gỉ austenit, thép duplex và thép không gỉ hóa bền tiết pha

Tổ chức của thép sau thường hóa phụ thuộc vào hàm lượng Cr và Ni đương lượng và được xác định thông qua giản đồ Schaeffler (hình 1.1)

Hình 1.1 Giả n đ Schaeffler các h thép không g ồ ọ ỉ[9]

Thép không gỉ ộ m t pha austenit: là loại thép chỉ ồn tại một pha austenit ttrong tổ chức Tổ ch c này đ t đư c bằứ ạ ợ ng cách sử ụ d ng các nguyên tố ợ h p kim

m rở ộng vùng austenit như Ni, Mn hay N Thép không gỉ austenit ch a Cr cao ứ(>16 ÷18%) và Ni từ ( 6 ÷ 8%) Ngoài ra, thép có thể ợp kim hóa Mn với hàm hlượng có th lên t i 15% ể ớ

Thép có ki u mể ạng l p phương tâm m t nên thép có tính dẻo cao, có khả ậ ặnăng hóa bền biến dạng m nh Thép này có t ch c m t pha nên không thể hóa ạ ổ ứ ộ

bền bằng nhiệt luyện

Để nâng cao tính ch ng ăn mòn ph i làm cho thép có m t pha austenit ố ả ộ

đồng nh t Khi nung lên đấ ến m t nhiộ ệt độ nhất định thép này có thể ế ti t cacbit crôm ở biên gi i hạớ t làm tăng nguy cơ ăn mòn biên gi i hạt Đểớ kh c ph c hiắ ụ ện tượng này có th cho thêm m t sốể ộ nguyên t t o cacbit mạnh như Ti hay N Ví ố ạ

d mụ ột số mác thông dụng thép không gỉ một pha austenit như: SUS304, SUS310, SUS316…

Austenit (A)

Mactenxit (M)

Ferit (F)Crôm đương lượng (Cr+Mo +1,5 Si +0,5Cb)

Thép không gỉ ộ m t pha ferit: đây là loại thép chứa hàm lượng Cr trong khoảng 10,5% đ n 30% Đ m bảo tổế ể đả ch c thu n ferit và tránh t o cacbit, hàm ứ ầ ạlượng C trong thép được gi m c r t th p sao cho t l Cr/C kho ng 150, ví dụ ữ ở ứ ấ ấ ỷ ệ ảnhư các mác 08Cr13 hay 12Cr17 Ngoài ra, để nâng cao m t sốộ tính ch t riêng ấbiệt, thép có thể đư c hợ ợp kim hóa với một số nguyên tố khác như Mo, Si, Al, Ti hay Nb Để tăng kh năng gia công ta có th ả ểđưa thêm mộ ốt s nguyên t ốnhư S hay Se vào thép

Thép không gỉ ferit có tính ch t sắt tấ ừ, có đ dộ ẻo cao và khả năng gia công biến dạng tốt Do chỉ có một pha ferit trong tổ ch c nên đ b n, đ c ng ứ ộ ề ộ ứ

của thép thấp cả ở nhiệ ộ t đ thấp và nhiệ ột đ cao Đây là loại thép không thể tăng

bền bằng nhiệt luyện cũng như kh năng hóa bền biến dạng thấp Khả năng ả

chống ăn mòn c a thép không gỉ ferit nhìn chung là khá ủ tốt Ví dụ ộ m t số mác thép không gỉ ộ m t pha ferrit thông thư ng như: SUS405, SUS429, SUS430… ờ

Thép không gỉ mactenxit là nhóm thép có thể tăng b n và có đ c ng cao ề ộ ứ

bằng tôi và ram Các thép trong họ thép không gỉ mactenxit thường đ c trưng ặ

bởi độ bền cao nhưng khả năng chống ăn mòn th p so với họ thép không gỉấaustenit hoặ ferit Thép không gỉ c mactenxit với hàm lư ng cacbon cao làm độ ợ

bền tăng nhưng độ dẻo dai giảm đi đáng k cùng với đó tính hàn cũng kém đi vì ể

thế m t sốộ thép không g ỉmactenxit13% Cr vớ hàm lượng cacbon cao không i được s d ng trong các k t c u hàn Ngoài ra, đ tăng đ b n nhiệử ụ ế ấ ể ộ ề t và kh năng ảchống mài mòn có thể ổ b sung các nguyên t tố ạo cacbit mạnh như Mo, V, W hoặc bổ sung Ni đ tăng đ dai cho thép Lưu huỳể ộ nh đư c thêm vào đ c i thiện ợ ể ảkhả năng gia công cắt gọt Thép không gỉ mactenxitcó khả năng ch ng ăn mòn ốtrong môi trường ẩm, trong môi trường khí quyển, môi trường ki m, dung d ch ề ịloãng của axit vô cơ, h u cơ Nói chung, v i hàm lư ng crôm thấp và cacbon ữ ớ ợcao thì họ thép không g mactenxit ỉ khả năng chống ăn mòn th p hơn các loại ấthép không gỉ khác Ví d m t số ụ ộ mác thép không mactenxit thông thường như: SUS420J1, SUS420J2, SUS410S, SUS403, SUS440A…

Thép không g hóa bỉ ền tiết pha: có thành phần và tổ ch c gần với họ ứaustenit, song có hàm lượng Cr, Ni thấp hơn m t chút (13÷17% Cr và 4÷7% ộNi), có thêm Al, Cu, Mo, và tổ ch c austenit chưa n đ nh Dòng thép này vừa ứ ổ ị

có tính công nghệ ừ v a có cơ tính cao: r t dễ biếấ n d ng và gia công cạ ắt thép ở

trạng thái mềm, sau đó hóa bền b ng hóa già iằ ởnh t đ th p nh đó tránh đư c ệ ộ ấ ờ ợbiến dạng và oxy hóa

Nhiệt luy n loệ ại thép này thư ng là ủ ởờ 1050oC, nguội ngoài không khí thu đượ ổc t ch c austenit m m, d biến dạứ ề ễ ng d o và khả ẻ năng gia công cắ ọt g t

tốt Gia công lạnh ở 0 ÷ ( 75)- oC để austenit chuyển biến mactenxit, cuối cùng hóa già ở 525oC trong khoảng 1 giờ để các pha hóa b n NiAl, Niề 3Al ti t ra làm ếtăng mạnh đ b n ộ ề

Thép không gỉ song pha (duplex): có tổ chức gồm hỗn hợp hai pha là ferit và austenit Hàm lượng ferit trong thép có thể dao đ ng trong kho ng (30-ộ ả70)% tuy nhiên tốt nhất khi tỷ ệ l giữa hai pha austenit và ferit khoảng 50-50

Các nguyên tố hợp kim chính là crôm và niken Ngoài ra, các nguyên tố như nitơ, molypden, đồng, silic và vonfram có thể được thêm vào để điều khiển thành phần pha và nâng cao tính chống ăn mòn cho thép Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ duplex giống như thép không gỉ austenit có thành phần hợp kim tương tự Tuy nhiên, thép không gỉ song pha có giới hạn bền kéo, giới hạn chảy và nâng cao khả năng chống ứng suất tốt hơn các dòng thép austenit

Độ bền của thép không gỉ song pha là ở khoảng giữa thép không gỉ austenit và ferrit Nhược điểm chính của dòng thép không gỉ duplex là sự tiết ra các pha liên kim khi là việc ở nhiệt độ cao làm tăng tính giòn của thép

1.1.3 Tính chấ ủa thép không gỉ t c

Hình 1.2 Giản đ th kéo c a các dòng thép không g ồ ử ủ ỉ

Giản đ th kéo c a một sồ ử ủ ố ạ lo i thép không gỉ được thể ệ hi n ở hình 1.2

Có thể ấ th y rằng, thép không gỉmactenxit sau tôi và ram có gi i hạn b n rớ ề ất cao

(trên 1150 MPa) Các dòng thép austenit và ferit có độ ề b n thấp hơn nhi u ềnhưng bù lại có đ dộ ẻo cao hơn Tuy vậy, kh ảnăng tạo hình bằng biến dạng của thép mactenxit vẫn có thể ực hiệth n đư c do ở ạng thái thép này có tợ tr ủ ổ ức chferit và cacbit với hàm lượng pha ferit khoảng 90%

Do có hàm lượng Ni cao kết hợp v i tổ chức austenit ổớ n đ nh nên h thép ị ọkhông gỉ austenit có đ dai cao Đ c bi t là hộ ặ ệ ọ thép này vẫn đ m bảả o đư c đ ợ ộdai khi làm việc ở vùng nhi t độ ệ âm t i gớ ần 200 - oC Thép mactenxit có độ dai thấp Đặc biệt là khi nhiệt độ ử ụ s d ng thấp hơn 0 oC, thép trở nên r t giòn do ấ

vậy không nên sử ụng thép này ở vùng nhiệ ộ d t đ thấp Các dòng thép ferit cũng không nên sử ụ d ng nhiở ệ ột đ âm do đ dai không đ m bảo yêu cầu ộ ả

Hình 1.3 Đ ộ dai c a các lo i thép không g ph thu c vào nhiủ ạ ỉ ụ ộ ệ t đ ộ ử

Khả năng chống ăn mòn c a thép không g nói chung ph thu c vào t ủ ỉ ụ ộ ổchức và hàm lượng Cr trong thép Do phải sử ụ d ng hàm lượng Cr cao và có t ổchức một pha nên khả năng chống ăn mòn c a thép không gỉ autenit là tốt nhất ủsau đó đến thép không g ỉ song pha Thép không gỉ ferit và không gỉ mactenxit có khả năng ch ng ăn mòn không cao do số ử ụ d ng hàm lư ng Cr thấp Tuy vậy, do ợ

có tổ ch c mactenxit quá bão hòa C vớứ i thế đi n cực thấp nên thép không gỉ ệmactenxit có tính chống ăn mòn kém nhất (hình 1.4 )

Hình 1.4 Khả năng chố ng ăn mòn ph thuộ ụ c vào hàm lư ng crôm và ợ

niken đương lượng

Các tính ch t cấ ủa các nhóm thép không gỉ đư c tổng hợp trong các bảng ợ1.1 và 1.2

Bảng 1 So sánh tính chất của các loại thép không gỉ 3]7 [ Nhóm thép

Austenit Không Rất cao Cao Rèn nguội Ferit Có Trung bình Trung bình Không Mactenxit Có Trung bình Trung bình Tôi và ram

Bảng 1 So sánh cơ tính của một số loạ thép không gỉ [3] 8 i

Nhóm thép

không gỉ Tính dẻo

Làm việc ở nhiệ t đ ộcao

Làm việc ở nhiệ t đ ộ

thấp

Tính hàn

Austenit Rất cao Rất cao Rất tốt Rất cao

1.2 Thép không gỉ mactenxit SUS420

1.2.1 Thành phần hóa học và vai trò các nguyên tố trong thép

b Vai trò của cacbon và Crôm trong thép mactenxit [4]

Cacbon (C): Hàm lượng cacbon cũng làm tăng đáng k độ ứể c ng, độ bền

cơ học cho thép Tuy nhiên, khi hàm lư ng cacbon trong thép không gỉ ớợ l n sẽ làm tăng nguy cơ tạo cacbit dẫn đ n kh ế ảnăng chống ăn mòn c a thép giảm ủTrong thép mactenxit và mactenxit-austenit cacbon làm tăng độ ứ c ng và đ b n ộ ềsau nhiệt luyện nên các thép này cần s d ng tr ng thái tôi và ram Tuy có đ ử ụ ở ạ ộ

bền cao nhưng thép mactenxit ớ v i hàm lư ng cacbon cao sẽ làm giảợ m độ dẻo và

độ dai c a các lo i thép này làm tăng tính giòn c a thép ủ ạ ủ

Crôm (Cr): Đây là nguyên tố ợp kim quan trọ h ng nh t đ i v i thép ấ ố ớkhông gỉ Nó là yế ốu t quy t đ nh tính chế ị ống ăn mòn của thép Khả năng ch ng ố

ăn mòn tăng lên khi hàm lư ng crôm tăng lên, do nâng cao thợ ế ệ đi n c c c a ferit ự ủ

và mactenxit và tạo lớp chống ăn mòn điện hóa thụ động trên bề mặt thép Ngoài ra nó cũng tăng khả năng ch ng oxy hóa nhiố ở ệt độ cao hay còn g i là ọtính bền nhiệt cao

1.2.2 Tính ch t cấ ủa thép không gỉ mactenxit 420

Tính chất vật lý của thép không gỉ mactenxit 420 được đưa ra ở ả b ng 1.4 Nếu so sánh với thép C (C45 hay AISI 1045), thép không gỉ 420 có nhiệt dung riêng và độ ẫ d n nhi t thấp hơn Do chệ ứa nhiều nguyên tố ợ h p kim, nên độ ẫ d n nhiệt kém hơn làm ng su t nhiứ ấ ệt khi nung nóng và làm nguội sẽ cao hơn so v i ớthép C Do vậy cần chú ý đến tốc đ nung và môi trư ng nguộộ ờ i khi tôi thép đ ểtránh biến dạng, đ c biệ ốặ t đ i v i các chi tiớ ết có hình dạng phứ ạp c t

Độ giãn n ởnhiệt (x10-6/oC) 200-600 oC

Độ ẫ d n nhiệt (W/moC)

20 oC

Nhiệ

t dung riêng (J/KgoC)

20

oC

T ừtính

Cơ tính thép không gỉ mactenxit 420 so với một số thép không gỉ khác ởtrạng thái cung cấp đư c trình bày b ng 1.5 Có th th y r ng so v i hai lo i ợ ở ả ể ấ ằ ớ ạthép không gỉ ph bi n là 304 (austenit) và 430 (ferit), thép không g ổ ế ỉmactenxit

420 có giới hạn b n và giề ới h n chạ ảy vượt tr i hộ ẳn Tuy nhiên, đ dộ ẻo của thép không gỉ mactenxit 420 thấp hơn rất nhiều so v i 2 lo i thép austenit và ferit ớ ạ

Bảng 1.5 Tính chấ t cơ h c cơ b n c a s thép không gỉ ở ọ ả ủ ố nhi t đ phòng [1] ệ ộ

Mác thép

(AISI)

Giớ ại h n bền (MPa)

Giớ ại h n ch y ả(MPa)

Độ giãn dài tương đối (%)

Là công nghệ nhi t luy n sơ bộệ ệ thư ng áp d ng trư c gia công cơ khí ờ ụ ớ

Đố ới v i thép không g mactenxit 420 thường áp dụng hai phương pháp ủ ỉ là:

- Ủ ề m m: là nguyên công thường áp dụng cho phôi trước khi gia công cơ khí Do thép 420 có thể tôi đư c trong không khí nén nên sau đúc phôi thép ợthường có đ cộ ứng khá cao, độ ẻ d o thấp nên gia công tạo hình sẽ khó khăn Chính vì thế ầ c n đư c ủ ềợ m m ở nhiệ ột đ 880 oC trong thời gian 1 giờ và ngu i ộcùng lò với tốc đ ngu i r t chộ ộ ấ ậm Nhiệ ột đ và thời gian ủ này ta l a chự ọn dựa trên m t s tài li u tham khộ ố ệ ảo hoặc ta cũng có th d a vào giảể ự n đ ồpha Có tài liệu sử ụ d ng nhiệt độ ủ cho thép 420 là (840~900) oC trong th i gian 1ờ h [13]

- Ủ kh ng su t: ử ứ ấ áp dụng cho chi tiết sau gia công cơ khí Nhiệ ột đ ủ khử ứ ng suất khoảng 650oC trong 2 giờ sau đó ngu i cùng lò ộ

- Theo mộ ốt s tài li u tham kh o s ệ ả ố [15 16] nhi t đ - ệ ộ ủ đối v i thép ớSUS420 thông thư ng đườ ợc ch n (816~899) ọ ở oC ho c (840~900) ặ oC

b L a chự ọn nhiệ ộ t đ tôi thép 420

Hình 1.5 Ảnh hưởng củ a nhi t đ austenit hóa t i kích thư c h t, hàm ệ ộ ớ ớ ạ

lư ng austenit dư và đ ợ ộ ứ c ng của thép 420 [5]

Thép không gỉmactenxit là lo i thép có hai pha ferit và cacbit ở trạạ ng thái cân bằng đ ng thờồ i hàm lượng cacbon n m trong d i c a thép cacbon trằ ả ủ ung bình thấp, có th áp dụng công nghệ tôi đểể nâng cao đ c ng cũng như kh năng ộ ứ ả

chống mài mòn Ở ạng thái thép có ttr ủ ổ ức hai pha là ferit và cacbit nhưng chkhi nung nóng ở nhiệt độ trên 900 oC sẽ đạ t đư c tợ ổ chức austenit và khi làm nguội trong khôngkhí có thể ạ t o pha mactenxit Do có độ ẫ d n nhi t th p hơn ệ ấthép C nhưng cần có nhi t đ tôi cao đ hòa tan cacbit nên đ i v i các chi ti t có ệ ộ ể ố ớ ếhình d ng phạ ức tạp cần được nung phân cấp Đối với chi tiết lớn có hình dáng phức tạp, thép không gỉ mactenxit được nung phân cấp đ n khoảng 540 °C sau ế

đó tiếp tục nung đ n nhiệế t đ austenit hóa kho ng (925÷1065) °C Sau thời ộ ở ảgian giữ nhi t nhấ ịệ t đ nh t i nhiạ ệ ột đ austenit hóa, thép không gỉ mactenxit được làm nguội bằng d u hoầ ặc không khí Thép có độ ấ th m tôi cao vì hàm lư ng Cr ợtrong austenit r t lấ ớn

Dựa vào giản đ trên hình 1.5, có thể thấồ y ban đ u khi nhiệ ộầ t đ tôi tăng thì độ ứ c ng tăng do hòa tan đư c nhi u cacbit vào austenit ợ ề nên hàm lượng C trong austenit cao và sẽ ạ t o ra mactenxit có độ quá bão hòa cacbon cao Tuy nhiên, khi nhiệ ột đ nung lớn (trên 1050 oC) độ ứ c ng có xu hư ng giảớ m do lư ng ợaustenit dư trong thép tăng mạnh M t khác, khi nhiệ ộặ t đ nung th p hơn 1050 ấ

oC, kích thước hạt austenit chưa ho c ít thay đặ ổi do quá trình sáp nh p h t x y ra ậ ạ ảchậm Nếu nung quá nhiệt độ này, tốc đ lộ ớn hạt tăng lên nhanh chóng, nên kích thước hạt tăng lên Chính vì lý do này, nhi t đệ ộ nung cho thép 420 thư ng đư c ờ ợchọn thấp hơn 1050 oC Chính vì vậy, đề tài s tiếẽ n hành ch n nhiọ ệt độ tôi cho thép 420 là 1040 oC

Theo một nghiên cứu cho thấy đ c ng mà thép 420 có thể đạộ ứ t đư c với ợcác chế độ nhi t đ tôi tương ng như trong bảng 1.6: ệ ộ ứ

Bảng 1.6 Các chế độ tôi và đ c ng tương ng của thép không g 420 [5] ộ ứ ứ ỉ

Trên cơ sở lý thuy t và các tài liệu tham khảế o đ tài s thực hiệề ẽ n vi c ệchọn nhiệt độ tôi là 1040 oC với mong muốn đ t đư c giá trị ề độ ứể đạ ợ v c ng cao nhấ ểt đ làm tăng kh năng ch u mài mòn cho chi tiếả ị t cũng như s n phẩm ả

c L a chự ọn nhiệ đột ram thép 420

Thép không gỉmactenxit sau tôi thư ng có đ c ng cao nhưng khá giòn ờ ộ ứ

Vì vậy, sau tôi thép thư ng đư c ram đ kh b ng suấờ ợ ể ử ỏ ứ t sau tôi nhằm phục hồi

độ dai cho thép Cơ tính c a thép ph thu c khá nhi u vào nhi t đ ủ ụ ộ ề ệ ộram

- Khi ram ở nhiệt đ kho ng (200÷450) ộ ả oC: Ram ở nhi t đ này nhằm ệ ộ

mục đích khử b ỏ ứng suất dư Độ cứng của thép giảm không nhiều

- Khi ram ở nhiệ ột đ > 450 oC: lượng austenit giảm m nh cùng quá trình ạtiết cacbit làm tăng độ ứ c ng cho thép (đ c ng thộ ứ ứ 2) Đ c ng lớộ ứ n nhất đạt được khi ram kho ng nhi t đ 470ở ả ệ ộ oC

- Khi ram ở nhiệ ột đ trên 500 oC: cacbit tiết nhiều làm giảm hàm lư ng ợ

C và Cr trong nền, đ c ng và giớ ạn bền giảm khá nhanh ộ ứ i h

Hình 1.6 Ảnh hưởng của nhiệ ộ t đ ram t i đ c ng của thép mactenxit ớ ộ ứ

420 [5]

Việc tiết cacbit crôm khi tôi là quá trình không mong mu n vì nó làm ốnghèo Cr trong nền gây giảm không những đ c ng và đ bộ ứ ộ ền của thép mà còn làm giảm mạnh khả năng ch ng ăn mòn do hình thành cacbit có thếố đi n c c ệ ựdương

Như vậy, thường sau quá trình nhi t luy n (tôi, ram), thép 420 sẽ được ệ ệtăng độ ề b n, độ ứ c ng và tính ch ng mài mòn tuy nhiên khảố năng ch ng ăn mòn ốgiảm Thông thường, các chế độ tôi và ram được l a chự ọn hợp lý để tăng cơ tính cho thép trong khi hạn chế ự s suy giảm khả năng ch ng ăn mòn c a thép ố ủ

Vì vậy, căn c vào m c đích c a quy trình nhiệứ ụ ủ t luyện tiếp theo và tham khảo một s tài liố ệu cũng như các bài báo quốc tế, đ ềtài sẽ tiến hành ram ở nhiệ ột đ 530 oC trong thời gian là 1 h, b i tở ại nhiệ ột đ này đ c ng củộ ứ a chi tiết

vẫn đ m bảo và chi tiết vẫn c ịả hu mài mòn ngoài ra nó còn có độ dẻo dai phù

hợp với ứng dụng làm dụng cụ khuôn mẫu trong lĩnh v c đúc ép nh a.ự ự

1.3 Công nghệ ấ th m nitơ th khí cho thép không gỉ ể mactenxit

1.3.1 Công nghệ ấ th m nitơ th khí ể

Phương pháp thấm nitơ đã có t r t s m, t nh nừ ấ ớ ừ ữ g năm đầu của thế ỷ k

20 Ngay sau đó, phương pháp thấm nitơ đã đư c nghiên c u mạợ ứ nh m nhi u ẽ ở ềnước trên th giớế i và đã xu t hi n nhiềấ ệ u công ngh th m nitơ khác nhau, áp ệ ấdụng cho rất nhiều loại vật liệu và sản phẩm khác nhau Đây là m t trong những ộcông ngh ệ hóa nhiệt luyện quan trọng nhất ứng dụng cho các chi tiết cần đ ộ

cứng bề ặt cao, làm việ m c trong đi u kiện chịu mài mòn.ề

Ngoài đ c điặ ểm chịu mài mòn, lớp b m t nhậề ặ n đư c sau thấm nitơ còn ợcho thấy những ưu đi m nổi bậể t khác như tăng kh năng chả ịu mỏi nh tờ ạo ra lớp

ứng su t nén dư trên b m t và trong m t s trư ng h p kh ng ch quá trình ấ ề ặ ộ ố ờ ợ ố ếthấm thích hợp sẽ có th ểnâng cao khả năng chống ăn mòn nh t o đư c l p thờ ạ ợ ớ ụ

động ch ng ăn mòn và ôxi hóa trên b m t m u ố ề ặ ẫ

Tóm lại, thấm nitơ là quá trình làm bão hoà nitơ vào bề mặt chi tiết thép

và làm thay đổi tổ chức cũng như cơ tính của thép như:

- Làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn bề mặt cho vật liệu;

- Tăng khả năng chống ăn mòn trong các môi trường không khí, hơi, nước;

- Tăng tính bền mỏi cho thép;

- Kéo dài tuổi thọ của chi tiết trong quá trình làm việc;

- Làm tăng tính thẩm mỹ sau khi nhiệt luyện

Công nghệ th m nitơ th khí thường s dấ ể ử ụng khí amoniac (NH3) làm nguồn cung cấp nitơ nguyên tử ạho t tính đ hình thành và t o lớp thấm Nhiệ ộể ạ t đ thấm thông thường áp d ng vào khoụ ảng (450÷650) oC, dưới tác d ng c a nhi t ụ ủ ệ

độ, khí amoniac trong bu ng khí th m s b phân h y nhiệồ ấ ẽ ị ủ t theo ph n ng sau: ả ứ

NH3 ↔ <N> + H2 (1)

NH3 ↔ N2+ H2 (2) Sau quá trình phân hủy thì nitơ nguyên tử ho t tính sinh ra từạ ph n ứng ảtrên sẽ ấ h p thụ và khuếch tán vào bề ặ m t thép đ hình thành lên lớp thấm nitơ ểtrên bề ặ m t của chi ti t Theo giế ản đ ồpha Fe-N, gi i h n hòa tan cớ ạ ủa nitơ trong ferit lên khoảng 0,1 % Khi quá hàm lư ng này thì pha γ’(Feợ 4N) bắt đ u hình ầthành và hàm lượng nitơ l n hơn 6% thì t o pha ε (Feớ ạ 2-3N) Hàm lượng nitơ khoảng 11% và ở nhiệt đ dưới 500 ộ oC thì hình thành pha ζ (Fe2N) Khi quan sát trên ảnh tổ chức t vi thì ế γ’ và ε tạo thành lớp sáng màu gọi là l p trớ ắng (white layer) ho c l p liên kim (compound layer) [19]ặ ớ

Muốn đi u khiển quá trình thấ (tổ chức và tính chất) phải dựa vào một ề m

s ố thông số ỹ thuật củ k a quá trình như: thành ph n khí thấm, nhiệ ộầ t đ thấm, thời

gian thấm, thời gian lưu, kh năng phân h y NHả ủ 3,… Các yếu tố trên đ u có ềquan hệ ậ m t thi t v i nhau ế ớ

Hoạt đ c a nitơ là m t thông sộ ủ ộ ố ầ c n điều khiển trong quá trình thấm nitơ Trong quá trình th m nitơ thấ ể khí hoạt độ ủ c a nitơ có thể ể ki m soát bở ộ i đphân hủy và lưu lư ng của khí theo mối quan hệ ợ sau: aN~ β × q, trong đó aN là

hoạ ộ ủt đ c a nitơ nguyên tử, β là độ phân hủy và là lưu lượng khí Ởq nhi t đ ệ ộ

và áp suất không đ i thì đ phân h y giảổ ộ ủ m khi lưu lư ng tăng nhưng tích s ợ ốβ ×

q tăng N u lưu lưế ợng khí quá nhỏ thì bu ng thấm cần trang b thêm cánh khuồ ị ấy

để nâng cao đ ng đ u trong bu ng th m [19] ộ đồ ề ồ ấ

• Thấm nitơ m t giai đo n ộ ạ

Thấm ở một nhiệt độ (495 to 525°C) và cố định thế thấm (cố định độ phân hủy 15 to 30%)

Ưu điểm: Dễ điều khiển thông số công nghệ trong quá trình thấm nitơ

Nhược điểm: Dễ tạo lớp trắng

• Thấm nitơ hai giai đo n ạ

Thấm nitơ hai giai đoạn là thế thấm khác nhau ở hai giai đoạn cụ thể là: Giai đoạn 1 thế thấm nitơ thông thường cao hơn để tạo ra lớp trắng, :

Giai đoạn 2 thế thấm nitơ thấp hơn (: nhưng lại có độ phân hủy cao hơn)

để làm giảm nồng độ nitơ lên bề mặt thép, giai đoạn 2 chủ yếu là để khuếch tán nitơ vào sâu bên trong Giảm chiều dày lớp trắng

Ưu điểm: Giảm lượng khí NH3tiêu thụ

Nhược điểm: Làm giảm độ cứng lõi

• S ự hình thành lớp nitrid (lớp trắng) và bản chấ ủ ớt c a l p trắng

- Lớp trắng đư c hình thành trong quá trình thấợ m nitơ khi mà thếnitơ cao hàm lượng nitơ vào b m t thép nhiềề ặ u chưa k p khu ch tán vào sâu ị ếbên trong và hình thành nên một l p nitritớ trên ảnh tổ ch c sau tứ ẩm thực bằng dung dịch nital thư ng có d ng màu trờ ạ ắng (lớp trắng)

- L p ớ trắng bản chất của nó là các nitrit γ Fe’- 4N và ε-Fe3N lớp này

rất mỏng đ c đi m rất cứng, chị mài mòn và ăn mòn ố nhưng giòn (được ặ ể u t t

ứng d ng cho chi ti t ch u t i nh và ch u ma sát t t) ụ ế ị ả ẹ ị ố

của vật liệu sau thấm.

Hình 1.7 Giả n đ ồLehrer – mố i quan hệ ữ gi a nhiệ ộ ấ t đ th m và thế ấ th m

Trong đó: là áp suất riêng phần của amoniac còn dư sau ph n ảứng

là áp suất riêng phần của hyđrô sau ph n ứngả

KN là thế ấ th m nitơ

Ả nh hư ng c a đ phân h y ở ủ ộ ủ

Thế ấ th m và độ phân h y NHủ 3, β = (100-NH3dư)*100%/(100+NH3dư), có

mối quan hệ tương quan với nhau, đ phân hủy NHộ 3 càng thấp thì thế thấm càng cao, có nghĩa là khả năng khu ch tán N nguyên tử vào trong bề ặế m t thép càng cao Vì th c tự ế, lư ng N nguyên tửợ khuếch tán vào trong bề ặ m t thép là r t ít và ấnguồn N nguyên tử này đến từ NH3dư không bị phân hủy thành N2 và H2 trong

ph n ả ứng (2), do đó nếu NH3phân hủy theo phản ứng (2) ít có nghĩa là kh năng ả

N nguyên t gử ặp nhau và kết hợp thành N2giảm đi, tăng lư ng N nguyên tử xâm ợnhập vào b mề ặt thép Quan hệ ữ gi a thế N và đ ộphân hủy NH3được thể hiện ởhình 1.8

Hình 1.8 Quan hệ giữ a th th m nitơ K ế ấ Nvà độ phân hủy NH3 [6]

thời thế ấm Kth ngiảm thì sẽ làm giảm khả năng hình thành các pha nitrit Do đó

ta cần phải điều ỉnh nhiệt độ ấch th m thích hợp đ t o đưể ạ ợc Kn mong muốn trong vùng tạo ra các pha c n thiết ầ

Ả nh hư ng c a thành ph n khí thấm ở ủ ầ

Để thay đ i th th m Kổ ế ấ nthì người ta dùng cách pha thêm khí độ“ n” vào thành phần khí thấm Khí độn có th là hể ỗn hợp CO2 + N2, H2 hoặc là hỗn hợp khí H2 + N2 Khi sử ụ d ng khí H2 phả ặi đ c bi t c n thệ ẩ ận vì khí H2có thể gây cháy

nổ Việc thêm khí đ n vào sẽ làm thay đổi hệ ốộ s cân b ng c a ph n ng t o N ằ ủ ả ứ ạnguyên tử ự t do, làm thay đ i áp suất riêng phầổ n của các khí có trong buồng thấm mà từ đó thay đổi Kn

- Thấm N chỉ ử ụng NH s d 3: trong điều kiện cân bằng, gần như NH3 b ịphân h y hoàn toàn t o thành Nủ ạ 2 và H2 Lượng NH3dư sau phản ứng là rất nhỏ(<1%) do đó hoạt đ nitơ trong môi trư ng thấộ ờ m r t th p không tạấ ấ o đượ ớc l p

thấm có giá trị Để ực hi n quá trình thth ệ ấm, phải liên tục đưa NH3vào lò sẽ

điều chỉnh được m c đ phân hu c a NHứ ộ ỷ ủ 3nhất đ nh Do đó, m i có thể ạo ị ớ tđược môi trư ng thấờ m v i ho t đ c a nitơ c n thiếớ ạ ộ ủ ầ t cho quá trình th m ấ

Hình 1.9 Ả nh hư ng của nhiệt độ ớ ở t i độ phân h y NHủ 3 [6]

- Hỗn hợp NH3 và N2: trên thực tế, ngư i ta thư ng sử ụng chất thấm là ờ ờ dhỗn hợp của các khí NH3 và N2 để giảm tiêu thụ NH3và để việc đo và đi u chỉnh ềkhí thấm dễ dàng hơn Khi đi u chỉề nh hàm lư ng Nợ 2 mở ức tăng d n, cân bằng ầ

của phản ứng (2) dịch theo chiều nghịch làm giảm đ phân hủy và do vậy thế ộnitơ c a môi trưủ ờng th m s ấ ẽtăng

- Hỗn hợp NH3 và O2: Với sự có mặt của ôxy làm ổn đ nh pha ε và đẩy ịnhanh quá trình thấm Mặt khác, do phản ứng giữa H2 với O2 s tẽ ạo thành hơi nước làm gi m hàm lư ng Hả ợ 2trong môi trường thấm do đó làm tăng ho t đạ ộ

của nitơ trong môi trư ng thấờ m Tuy nhiên, lư ng ôxy trong hỗn hợp khí thấm ợ

cần đư c giới hạn sao cho tỷ ệợ l H2O/H2trong môi trường thấm không đư c vư t ợ ợquá giá trị 0,6 t i 500 ạ oC để ệ hi n tư ng oxy hoá không x y ra Khi th m ởợ ả ấ nhi t ệ

độ cao hơn, đ an toàn, giá tr Hể ị 2O/H2 cần khống chế thấp hơn n a, ví dụ ở 575 ữ

oC, giá trị này không đư c vư t quá 0,3 ợ ợ

Ả nh hư ng c a th i gian lưu [6] ở ủ ờ

Thời gian lưu ( ) là th i gian NHờ 3lưu lại trong lò đ thực hiện các phản ể

ứng hóa h c và ph n ng th m Th i gian lưu khí đư c xác đ nh thông qua công ọ ả ứ ấ ờ ợ ị

th c:ứ

= = (phút)đó: Vr - thể tích rỗng ủa buồng lòc

Vl - thể tích lò

Vct - thể tích chi tiết

- lưu lương khí (l/ph)

T ừ công thức trên, có thể thấy thời gian lưu hoàn toàn ph thuộc vào lưu ụ

lượng khí thấm Lưu lượng khí th m thấp, tức thờấ i gian lưu dài thì m c đứ ộ phân hủy NH3tăng lên làm giảm thế thấm, giảm hàm lư ng N nguyên tử khuếch tán ợvào bề ặ m t thép làm cho đ c ng lớp thấm thấộ ứ p và chiều sâu lớp thấm nhỏ Lưu

lượng khí th m cao thì thờấ i gian lưu ngắn, mức độ phân h y NHủ 3nhỏ làm tăng

th thế ấm Kngiúp cho nồng đ N nguyên tử đi vào thép tăng cộ ải thiện độ ứ c ng và chiều sâu lớp thấm Tuy nhiên, nếu lưu lư ng khí thấợ m quá l n sớ ẽ làm tăng

mạnh thế thấm Kn làm cho lớp trắng dày lên cản tr quá trình kh ch tán c a N ở ế ủnguyên tử Lưu lượng khí thấm lớn quá cũng s ẽgây lãng phí vì còn nhiều NH3

chưa kịp phân hủy đã th i qua ngoài môi trưả ờng

b Các yếu tố ả nh hư ng đ n chiều dày lớ ở ế p th m ấ

Thấm nitơ thể khí được th c hiự ệ ở n nhiệt đ th p (ít nh t là thộ ấ ấ ấp hơn nhiệt đ ram kho ng 10 ÷ 15 ộ ả oC) nên sẽ ít ảnh hư ng tớở i tính ch t và tấ ổ chức

của thép nền có đư c từ quá trình nhiệt luyệợ n trư c đó Vì nhi t đ thấm thấp ớ ệ ộnên th i gian th m kéo dài và chiờ ấ ều sâu lớp thấm cũng m ng hơn so vớỏ i th m ấplasma và th m thấ ể ỏ l ng Việc hình thành lớp thấm do quá trình khuếch tán quyết đ nh cho nên các yếu tố ảị nh hư ng đến chiều dày lớp th m chở ấ ủ ế y u là nhiệt đ th m, th i gian thộ ấ ờ ấm và thành ph n hóa hầ ọc c a thép Ngoài ra, còn ủ

một số ếu tố đặ y c thù khác như tr ng thái mẫạ u cũng như bề mặt của thép sẽđược đ c p cụ ểề ậ th sau

Ả nh hư ng c a nhi t đ th m ở ủ ệ ộ ấ

Nhiệ ột đ là y u t ế ố ảnh hưởng m nh nhạ ấ ết đ n quá trình khuếch tán của N

do đó nh hưả ởng đ n chiều dày lớế p th m K t qu khảấ ế ả o sát ảnh hưởng c a nhi t ủ ệ

độ th m đ n h s khu ch tán c a N trong các t ch c pha đư c trình bày ấ ế ệ ố ế ủ ổ ứ ợ ở

bảng 1.7

Bảng 1.7 Hệ ố khuếch tán củ s a Nitơ qua các l p th m [6] ớ ấ

Có thể ấ th y rằng trong quá trình th m khi các l p thấ ớ ấm đư c hình thành ợthì hệ ố s khuếch tán trong các l p th m thớ ấ ấp hơn so với nền thép và đ c biệặ t là

h s ệ ố khuếch tán ở ớp trắng thấ l p hơn so v i lớp khuếớ ch tán do đó khi th m N ấ

có l p trớ ắng sẽ làm giảm đi đáng k t c đ thấm ể ố ộ

T ừ khảo sát mức đ phân hủy của NHộ 3 theo nhiệ ột đ cho th y ởấ nhi t đ ệ ộcàng cao mức đ phân h y NHộ ủ 3 càng lớn, tức là Kngiảm Nhiệ ột đ tăng, hệ ố s khuếch tán tăng, đ ng thời thế thấm Kồ n giảm thì sẽ làm giảm khả năng hình thành các pha nitơrit - thành phần tạo nên lớp thấm Do đó ta cần ph i đi u ả ểchỉnh nhiệt độ ấ th m thích hợp

Ả nh hư ng c a thành ph n nguyên tố ợ ở ủ ầ h p kim trong thép

Hình 1.10 (a) - Ả nh hư ởng của nguyên tố ợ h p kim t i đ c ớ ộ ứng lớp thấm

(b) - Ả nh hư ng của nguyên tố ợ ở h p kim t i chiớ ều dày lớp thấm [6]

Các nguyên tố ợ h p kim trong thép cũng s nh hư ng t i t ch c và ẽ ả ở ớ ổ ứchiều dày lớp thấm nitơ (hình 1.10) Các nguyên tố như Cr, Al, Mo, V,… có ái

lực hóa học với N ất mạnh ễ ạr d t o pha nitrit làm tăng m nh đạ ộ cứng của lớp

thấm nitơ, tăng kh năng chả ịu mài mòn Tuy nhiên, do ái l c hóa h c vự ọ ớ nitơ i

mạnh mà các nguyên tố này níu giữ các nguyên t N lử ại vùng bề m t, cản trở ặnitơ khuếch tán vào sâu bên trong dẫn đ n có th làm gi m chiế ể ả ều dày lớp thấm

1.3.3 Công nghệ ấ th m nitơ cho thép không g ỉmactenxit

Nhiệt đ th m nitơ cho h u hết các loại thép nằm giữa 420 và 550 °C, ộ ấ ầ

thấp hơn nhi t đ ram thép khoảng (15 ÷ 20) °C đểệ ộ không làm thay đ i t ch c ổ ổ ứ

và tính ch t c a nấ ủ ền thép (vùng lõi) Đối với thép không g nói chung, nhiỉ ệt độ

thấm nitơ có thể ấth p hơn, n m trong khoảng (410 ÷ 500) °C vì trong thép ằkhông gỉ có hàm lư ng crôm cao, có ái l c hóa h c vợ ự ọ ới nitơ m nh hơn sạ ắt nên

s ẽ thúc đẩy quá trình khuếch tán của nitơ vào trong thép d dàng hơn các lo i ễ ạthép khác

Các nguyên tố ợ h p kim như crôm và molypden có l i trong quá trình ợthấm nitơ, vì chúng có ái lực hóa học mạnh với nitơ giúp quá trình khuếch tán nitơ vào thép thuậ ợn l i hơn Tuy nhiên, hàm lư ng crôm c a một số thép không ợ ủ

g ỉ cao cũng là nguyên nhân làm nó khó thấm hơn Đi u này là do crôm tạo ềthành m t l p thộ ớ ụ động (ôxit crôm – Cr2O3) trên bề ặ m t thép không gỉ hoặc níu giữ làm c n tr quá trình khu ch tán cả ở ế ủa nitơ do đó gây cản tr quá trình thở ấm

Do vậy, khi thấm nitơ cho thép không g thì l p ôxit này cần phảỉ ớ i đư c lo i bợ ạ ỏ trước khi thấm nitơ Khi màng thụ độ ng b phá v (b ng m t số ị ỡ ằ ộ cách như: mài khô, mài ướt, tẩy, kh hóa chử ất trong môi trường kh , trong muốử i nóng ch y ảhay môi trường plasma ho c một trong một sốặ quy trình khác) thì m i có thể ớthấm nitơ cho thép không g Các nguyên tố ợỉ h p kim khác, chẳng hạn như niken, đồng và mangan, ít có tác d ng hay ụ ảnh hưởng đ i v i quá trình th m ố ớ ấnitơ

Hình 1.11 So sánh chi u dày lề ớp thấm của mộ ố ạ t s lo i thép không gỉ [7]

Mặt khác, nhờ có tổ chức mactenxit có mậ ột đ ệch cao thuận lợi cho quá ltrình khuếch tán c a N nên chiủ ều sâu lớp thấm của thép không gỉ mactenxit cũng dày hơn các loại thép không gỉ khác

Đố ới v i thép không g ỉmactenxit khi th m kho ng 10 gi , chi u dày l p ấ ả ờ ề ớ

thấm có thể đạ t kho ng 80 (ả μm) Tuy nhiên, quá trình thấm còn phụ thuộc nhiều

yếu tố khác ầc n lưu ý r ng việc kéo dài thời gian thấằ m cũng tương ng với việc ứtăng nhiệ ộ ất đ th m có th gây l n hạể ớ t, vì th c n lựế ầ a ch n nhiệ ộọ t đ và th i gian ờthấm thích hợp Đồng thời cần đ m bảo nhiệt độ không bịả vư t quá nhiệt độ ram ợ

dẫn đ n thay đ i tổ chức và và giảế ổ m độ cứng lõi

1.3.4 Ảnh hưởng c a tr ng thái x lý nhi t và bủ ạ ử ệ ề ặ m t đ ến quá trình

thấm nitơ thép không gỉ

a Ảnh hưởng củ a vi c lo i bỏ ớ ệ ạ l p ôxit tự nhiên

Thép không gỉ mactenxit AISI 420, do bề ặ m t thép luôn tồ ại m t ln t ộ ớp ôxit crôm mỏng Chính bởi lớp ôxit đó s làm ngăn cẽ ản quá trình thấm nitơ, làm chậm quá trình khuếch tán nitơ nguyên t lên bề ặt thép ho c thử m ặ ậm chí không thấm đư c (hình 1.12) ợ

Hình 1.12 Mô tả ị trí không thấ v m đư c do tồ ạ ớ ợ n t i l p thụ độ ng trên bề

Zn3(PO4)2 ở 70 oC sau đó không cần rửa nư c [19ớ ] Sau đó thép phải đư c đem ợ

đi thấm ngay ho c b o v trong c n ặ ả ệ ồ

b Ảnh hưởng c ủa trạng thái xử lý nhi t (t chệ ổ ức pha) đến quá

trình thấm nitơ

Trạng thái ủ: có độ ứng th c ấp, tổ ch c trứ ở ạng thái cân bằng có pha ferit

kiểu mạng lập phương tâm kh i (A2) có tínhố chất mềm, dẻo dễ ến d ng nhibi ạ ều biên giới hạt s ẽthuận lợi đ các nitơ nguyên tể ử xâm vào làm cho quá trình khuếch tán qua ferit cũng như theo biên gi i hớ ạt xảy ra dễ dàng hơn như vậy chiều dày lớp thấm có thể dày

Trạng thái tôi: Sau khi tôi độ ứ c ng tăng lên, quá trình làm ngu i dẫn tớộ i hình thành pha mactenxit, austenit dư, các pha cacbit, xuất hiện ứng suất nhiệt,

ứng su t t ch c… t t c nh ng y u t k trên đ u làm c n tr quá trình khu ch ấ ổ ứ ấ ả ữ ế ố ể ề ả ở ếtán nitơ nguyên tử nói riêng và thấm thấm nói chung Vì vậy kh ả năng thấm nitơ

ở ạ tr ng thái tôi chi u dày l p th m s không cao như trạng thái ủ ề ớ ấ ẽ ở

Vùng bề ặ m t không thấm đư c ợ

Trạng thái ram: Mẫu từ trạng thái ủ chuy n sang tôi, r i đ n ram như v y ể ồ ế ậ

ta có thể thấy rằng các pha cacbit có thể tiết ra rất nhiều đóng vai trò cản trở ự s khuếch tán c a nitơ và nh hư ng đ n chi u dày lủ ả ở ế ề ớp thấm [19]

Ngoài ra, Hodgson and Baron [20] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệ ột đ ram và hàm lư ng cacbon đế độ ứợ n c ng lớp thấm của thép chứa 3% Cr

và 0,5%Mo Kết quả cho th y sấ ự phụ ủ c a chiều sâu lớp thấm vào nhiệ ột đ ram

và hàm lư ng cacbon đượ ợc th hi n như trong hình sau ể ệ

Hình 1.13 Ả nh hư ng của nhiệt độ ở ram và hàm lư ng cacbon ợ

đế n đ c ng b m t sau th m c a thép không g ộ ứ ề ặ ấ ủ ỉ[20]

Khảo sát quá trình khu ch tán cế ủa nitơ qua các pha ferit và austenit cho

thấy hệ ố s khu ch tán củ nitơ ế a ở pha austenit nh ỏhơn so vớ ở i pha ferit [26]

c Ả nh hư ng của tr ở ạ ng đ nhám b m ộ ề ặt mẫ đế u n khả năng th m ấ nitơ

Mẫu sau khi xử lý nhiệ ết đ n công đo n sau ram bề ặt mẫu sẽ được tạo ạ m

ra các độ nhám khác nhau sau đó đưa đi thấm nitơ thể khí và kh o sát v s nh ả ề ự ảhưởng c a đ nhám đ n kh năng th m nitơ C th m u s có các đ nhám như ủ ộ ế ả ấ ụ ể ẫ ẽ ộsau: sử ụ d ng phương pháp mài cơ học v i các lo i giớ ạ ấy ráp có các đ ộ nhám là

100, 600, 1200, 2000 Trong thực tế, khi gia công các chi tiết hoặc khuôn mẫu

có thể ạ t o các đ ộnhám khác nhau và tr ng thái bạ ề ặ m t mẫu đó có th nh hư ng ể ả ởđến quá trình thấm

Độ ứ c ng

Ảnh hư ng c a ở ủ độ nhám trư c th m đ n kh năng ch ng ăn mòn c a ớ ấ ế ả ố ủthép AISI 1020 sau khi thấm nitơ cho th y khảấ năng ch ng ăn mòn phụố thu c ộvào độ nhám không theo quy lu t [21] ậ

Thực hiện thấm nitơ cho thép AISI 4140 và AISI St 41 ở 550 oC bằng hỗn hợp khí 20%N2 + 80% NH3 với lưu lư ng 0,7 mợ 3/h cho thấy tăng đ nhám ộ

b mề ặt (bề ặ m t càng nhám) thì độ cứng bề ặt sau thấm càng giảm vì càng dễ m

tạo lỗ ốp trên bề ặt sau quá trình thấm [22] x m

Thấm nitơ th khí cho thép 42CrMo4 cho thấy đặể c tính (đ c ng, ng ộ ứ ứsuất dư, ) c a lớp thấm gần như không phụủ thu c vào trạộ ng thái đ nhám bề ộ

mặt trư c khi thấm [23].ớ

Một số ết quả khảo sát thấm nitơ cho thép H13 cho thấy bề k m t càng ặnhám thì chiều sâu lớp thấm càng dày [24]

CHƯƠNG 2 THỰ C NGHI M VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP Ệ

NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình nghiên cứu