K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV NH HNG CA MT S THễNG S C BN N CHT LNG LP THM NIT PLASMA I VI THẫP 40CrMo INFLUENCE OF FUNDAMENTAL PARAMETERS TO THE QUALITY OF PLASMA NITRIDING LAYERS FOR 40CrMo STEEL TS Hong Minh Thun 1a, PGS TS Lờ Thu Quý 2b, PGS TS o Quang K 3c, TS Hong Vn Chõu 4d Phũng NCKH, Trng C Cụng nghip v Xõy dng, Qung Ninh PTN trng im Cụng ngh Hn v XLBM - Vin Nghiờn cu C khớ, H Ni Khoa C in, Hc vin Nụng nghip Vit Nam, H Ni Hi KHKT Hn Vit Nam - PTN trng im CN Hn v XLBM, H Ni a hoangminhthuan@cic.edu.vn; b quylt@narime.gov.vn c dqkestu@vnua.edu.vn; d hvchauweld@gmail.com TểM TT Thm nit plasma l mt cụng ngh thm nit tiờn tin, i nh mt phng ỏn thay th ca cụng ngh thm nit th khớ, c tin hnh mụi trng ion húa nhit thp Phng phỏp ny giỳp gii quyt c cỏc nhc im m phng phỏp thm nit th khớ v th lng gp phi Nhúm tỏc gi ó sa dng phng ỏn quy hoch thc nghim bc Box Willson nghiờn cu nh hng ca s thụng s cụng ngh bao gm nhit thm, thi gian thm v t l khớ nit/hydro n cht lng lp thm nit plasma i vi thộp 40CrMo ( cng b mt, cng mi mũn, chiu dy cỏc pha) T khúa: thm nit plasma; lp thm nit; thụng s cụng ngh, thộp 40CrMo ABSTRACT Nitriding plasma nitriding is an advanced technology, it has emerged as an alternative embodiment of a gas nitriding technology, the environment was conducted in lowtemperature ionized This method helps solve the drawbacks that a gas nitriding method and liquid nitriding method The authors were use experimental planning method Box - Willson level for studied the effects of three technology parameters including temperature nitriding, time and nitrogen/hydrogen to quality grade nitriding layer for 40CrMo steel (surface hardness, abrasion strength, thickness of phase) Keywords: plasma nitriding; nitriding layer; technology parameter, 40CrMo steel T VN Thm nit plasma l mt cụng ngh thm nit tiờn tin, nú i nh mt phng ỏn thay th ca cụng ngh thm nit th khớ Vic ng dng cụng ngh thm nit plasma s gúp phn lm tng cht lng v tui th chi tit, gim ụ nhim mụi trng v phc v hiu qu cho sn xut cụng nghip Cỏc thụng s cụng ngh ca quỏ trỡnh thm nh thnh phn ca hn hp khớ, thi gian thm v nhit thm nh hng n cht lng ca lp thm Thay i mt hay cỏc bin ny, cú th cú c cu trỳc khỏc ca cỏc lp nitrit, ng thi liờn quan n chiu dy ca cỏc pha nitrit cú mt lp thm 321 K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV VT LIU V THIT B NGHIấN CU 2.1 Vt liu Thộp 40CrMo l mt loi thộp c dựng ph bin ch to cỏc chi tit mỏy chu ti trng tnh, va p cao v chu mi mũn Thnh phn chớnh ca thộp 40CrMo bao gm: 0,4% C; 0,97% Cr; 0,25% Mo; 0,85% Mn; 0,25% Si; 0,02% V; 0,024% P; 0,017% [4, 5] 2.2 Thit b Thit b thm nit plasma Eltropuls H045x080 ca hóng ELTRO GmbH C CH HèNH THNH LP THM S hỡnh thnh lp nitrit quỏ trỡnh thm nit plasma da trờn xut ca Koelbel: coi b mt mu b bn phỏ bi cỏc nguyờn t ca plasma, cỏc nguyờn t st t phỳn x kt hp vi cỏc nit, phn ng plasma c cỏc khu vc lõn cn vi b mt cc õm, to thnh nitrit st (FeN) ngng t trờn b mt mu (Hỡnh 1) [1, 2, 4, 5] Cỏc FeN to thnh nhit t 350ữ6000C v phõn tỏch hỡnh thnh cỏc pha n nh hn (Fe2N, Fe3N, Fe4N) v nit nguyờn t Mt phn ca nit nguyờn t ny tr li vo dũng plasma v mt phn khuch tỏn vo cu trỳc tinh th ca cht nn to thnh mt vựng khuch tỏn Quỏ trỡnh ny v c bn l gradient khuch tỏn, va chm khụng n hi theo thi gian v dũng plasma [1, 2, 4] Hỡnh 1: C ch ca s hỡnh thnh lp nitrit quỏ trỡnh thm nit plasma QU TRèNH THM Thm nit plasma c tin hnh mụi trng ion húa nhit thp Phng phỏp ny giỳp gii quyt c cỏc nhc im m phng phỏp thm nit th khớ v th lng gp phi Cỏc khớ s dng quỏ trỡnh thm thng l cỏc khớ tr, an ton cho ngi v thit b (Hỡnh 2) [2, 5] 322 K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV Hỡnh 2: Quỏ trỡnh thm nit plasma KT QU NGHIấN CU Cho n nay, ch bn bin s (thụng s cụng ngh) nh hng n quỏ trỡnh thm nit plasma l nhit thm, thnh phn khớ thm (t l khớ), ỏp sut khớ v thi gian thm Gn õy, mt bin iu khin th nm l mt dũng in cú th c iu chnh mt cỏch c lp vi nhit quỏ trỡnh thm Trong thm nit plasma, vic kim soỏt mt dũng in thỡ chiu dy ca lp hp cht v thnh phn ca nú cú th c iu khin chớnh xỏc Tuy nhiờn vi mt thit b c th, cỏc yu t nh mt dũng, ỏp sut khớ gn nh khụng thay i quỏ trỡnh thm [1, 2, 3, 6, 7, 8] Trong bi vit ny, nhúm tỏc gi ch xột n yu t nh hng l thnh phn hn hp khớ thm (t l khớ N2/H2), nhit thm v thi gian thm 5.1 Kt qu nghiờn cu n yu t 5.1.1 nh hng ca nhit thm Nhit l thụng s quan trng nht s hỡnh thnh cỏc lp thm nit do: Bn cht húa hc ca tng loi nitrit (Fe4N; Fe2-3N) l cho phộp to thnh cỏc pha nht nh v ch n nh mt phm vi nhit nht nh; S khuch tỏn ca nit nguyờn t thụng qua cỏc lp cht nn v bn thõn cỏc hp cht, tng theo nhit v tuõn theo nh lut Fick, cho phộp s hỡnh thnh lp nitrit dy hn v gim trờn b mt Xem xột hai yu t ny iu kin ỏp sut, thi gian thm nit, cú th quỏ trỡnh thm nit plasma, xỏc nh cỏc thnh phn ca lp nitrit bng cỏch trỡ nhit thm nit [1, 2, 6, 8] 323 K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV iu kin thớ nghim: T l khớ nit/hydro a = 30%; Thi gian thm t = 12 (h) Kt qu thớ nghim c th hin Hỡnh E (HV 0.3) d1(àm) m (10 g/N.mm) -12 d (àm) 795 31 18 400 790 30.5 16 360 785 30 14 320 780 29.5 12 280 775 29 10 240 770 28.5 200 510 490 E (HV 0.3) 530 550 -12 m (10 g/N.mm) 570 o T( C) d1(àm) d (àm) Hỡnh 3: th biu din nh hng ca nhit thm T (0C) 5.1.2 nh hng ca thi gian thm Thi gian thm nit l mt yu t quan trng s hỡnh thnh lp nitrit S hỡnh thnh cỏc lp nitrit l mt hm ca thi gian Tựy thuc vo yờu cu ca chiu sõu lp thm m ta chn thi gian thm phự hp [1, 3, 6, 8] iu kin thớ nghim: Nhit thm T = 5300C, T l khớ nit/hydro a = 30% Kt qu thớ nghim c ghi Hỡnh m (10 g/N.mm) E (HV 0.3) d1(àm) -12 d (àm) 795 31 18 400 790 30.5 16 360 785 30 14 320 780 29.5 12 280 775 29 10 240 770 28.5 200 E (HV 0.3) 12 16 -12 m (10 g/N.mm) 20 d1(àm) Hỡnh 4: th nh hng ca thi gian thm t (h) 324 t( h) d (àm) K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV 5.1.3 nh hng ca t l khớ nit/hydro Hn hp khớ c s dng thm nit plasma gm N2 v H2 nng khỏc S cú mt ca H2 hn hp khớ N2 + H2 ngoi vic dn xut vic gim cỏc cht trờn b mt mu, nú cũn nh hng n s hỡnh thnh ca lp nitrit Nng cao ca H2 cỏc lp hn hp thm nit khuch tỏn vi chiu dy ca cỏc lp trờn c hỡnh thnh ch vi N2 tinh khit Mt khỏc, vic s dng N2 tinh khit, s hỡnh thnh mt lp dy hn ca cỏc hp cht ỏp sut riờng phn nit cao hn Do ú, bng s la chn thớch hp ca hn hp khớ, cú th xỏc nh c s to thnh cỏc pha lp thm Vic b sung mt lng khớ H2 dn n s gia tng nhit (tng tc phun) v nng lng ng plasma [1, 2, 7] iu kin thớ nghim: Nhit thm T = 5300C, thi gian thm t = 12 (h) Kt qu thớ nghim xỏc nh nh hng ca t l khớ nit/hydro (Hỡnh 5) E (HV 0.3) m (10 g/N.mm) d (àm) d1(àm) -12 795 31 18 400 790 30.5 16 360 785 30 14 320 780 29.5 12 280 775 29 10 240 770 28.5 200 10 20 30 40 50 N (%) E (HV 0.3) -12 m (10 g/N.mm) d1(àm) d (àm) Hỡnh 5: th nh hng ca t l khớ nit/hydro a (%) 5.2 nh hng ca a yu t Thc nghim ó xỏc nh c quan h n yu t gia cng b mt E (HV0.3), cng mi mũn m (10-12g/N.mm), chiu dy pha + , d1 (àm) v chiu dy pha , d2 (àm) thụng qua cỏc thụng s cụng ngh l nhit thm T (0C), thi gian thm t (h) v t l khớ nit/hydro a (%); cho phộp tỡm c vựng ti u ca cỏc thụng s cụng ngh cho cht lng lp thm tt nht: Nhit thm T = 510ữ550 (0C); Thi gian thm t = 12ữ18 (h); T l khớ nit/hydro a = 20ữ40 (%) Kt qu thớ nghim theo phng ỏn quy hoch thc nghim bc Box Willson i vi cỏc hm cng b mt E (HV0.3), cng mi mũn m (10-12g/N.mm), chiu dy pha + , d1 (àm) v chiu dy pha , d2 (àm) (bng 4) [4, 5] 325 K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV Bng 4: Kt qu thớ nghim theo phng ỏn quy hoch thc nghim Thụng s cụng ngh STT Kt qu thc nghim T (0C) T (h) a (%) E (HV0.3) m (10-12g/N.mm) d1 (àm) d2 (àm) 510 20 773,80 29,90 11,20 315,80 530 20 778,40 30,40 14,80 330,20 510 16 20 782,80 28,70 13,10 351,10 530 16 20 779,10 29,70 15,20 346,40 510 40 779,20 30,00 11,80 315,50 530 40 776,50 31,60 15,30 359,80 510 16 40 794,60 29,10 14,20 348,80 530 16 40 785,20 30,80 16,60 373,70 496 12 30 779,90 29,60 10,20 327,50 10 564 12 30 779,70 30,10 16,80 367,10 11 530 5.28 30 776,60 30,20 11,50 335,10 12 530 18.72 30 792,50 28,60 16,80 371,70 13 530 12 13.2 774,80 29,50 14,10 323,50 14 530 12 36.8 785,10 31,50 15,10 338,20 15 530 12 30 789,90 28,40 16,20 361,50 16 530 12 30 790,20 28,60 16,00 359,90 17 530 12 30 790,70 29,30 16,30 361,10 18 530 12 30 790,60 28,50 16,20 360,80 19 530 12 30 789,90 28,60 16,40 361,60 20 530 12 30 791,10 28,50 16,10 359,50 S dng phn mm Statistica vi cỏc giỏ tr thc nghim, ta xỏc nh nh hng ca cỏc cp yu t cụng ngh n cỏc hm mc tiờu th hin thụng qua mụ hỡnh 3D 5.2.1 cng b mt E (HV 0.3) Hỡnh 6: nh hng ca cp yu t nhit thm T (0C) v thi gian thm t (h) Hỡnh 7: nh hng ca cp yu t nhit thm T (0C) v t l khớ nit/hydro a (%) 326 Hỡnh 8: nh hng ca cp yu t thi gian thm t (h) v t l khớ nit/hydro a (%) K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV 5.2.2 Cng mi mũn m (10-12g/N.mm) Hỡnh 10: nh hng cp Hỡnh 11: nh hng cp yu Hỡnh 9: nh hng ca cp yu t nhit thm T ( C) t thi gian thm t (h) v t yu t nhit thm T (0C) v t l khớ nit/hydro a (%) l khớ nit/hydro a (%) v thi gian thm t (h) 5.2.3 Chiu dy pha + , d1 (àm) Hỡnh 12: nh hng ca cp yu t nhit thm T (0C) v thi gian thm t (h) Hỡnh 13: nh hng cp yu t nhit thm v t l khớ nit/hydro a (%) Hỡnh 14: nh hng cp yu t thi gian thm v t l khớ nit/hydro a (%) 5.2.4 Chiu dy pha , d2 (àm) Hỡnh 15: nh hng ca cp Hỡnh 16: nh hng cp yu yu t nhit thm T (0C) t nhit thm T (0C) v t l khớ nit/hydro a (%) v thi gian thm t (h) Hỡnh 17: nh hng cp yu t thi gian thm t (h) v t l khớ nit/hydro a (%) Nh vy cú th thay cỏc cp thụng s cụng ngh khỏc nhau, ta cú th thu c cỏc kt qu v cht lng lp thm tng ng; thc nghim kim chng, ó chn mt b thụng s cụng ngh chun cú giỏ tr nh mt "trung tõm", s dng phng phỏp tớnh giỏ tr hm ti u tng quỏt, xỏc nh c hm ti u D = f(T, t, a) D = - 25,552 + 0,088 T + 0, 230 t + 0,058 a 0,0004 T.t 0,0001 T2 0,0013 t2 0,0008 a2 Giỏ tr ti u D = 0,955 cú tin cy cao, cú th s dng c Ti ú tỡm c giỏ tr thụng s E = 791,950 (HV0.3); m = 29,653 (10-12g/N.mm); d1 = 16,992 (àm); d2 = 370,227 (àm) tng ng vi cỏc thụng s cụng ngh T = 537,4 (0C); t = 16,03 (h) v a = 34,62 (%) [4, 5] KT LUN Vic nghiờn cu ng dng cụng ngh thm nit plasma trờn thộp 40CrMo ó m hng cụng ngh mi, cú tớnh ng dng cao Tựy thuc vo yờu cu thc t ca chi tit ta cú th la chn hay cp thụng s cụng ngh t c cỏc giỏ tr tt nht Vi kt qu ó t c, cú th ỏp dng cho nhiu mỏc thộp khỏc thm nit plasma cho hiu qu tt nht 327 K yu hi ngh khoa hc v cụng ngh ton quc v c khớ - Ln th IV TI LIU THAM KHO [1] Balles A C (2004), Nitretaỗóo a plasma como meio alterntivo ou complementar oxidaỗóo negra na proteỗóo corrosóo aỗo de baixo teor de carbono, Pipe - programa interdisciplinar de pos graduaỗóo em engenharia [2] Baranowska J (2008), Plasma Nitriding and Plasma Immersion Ion Implantation [3] Greòmann T (2007), Fe-C and Fe-N compound layers: Growth kinetics and microstructure, Max-Planck-Institut fỹr Metallforschung [4] Hong Minh Thun, o Quang K, Hong Vn Chõu (2012), Ti u húa ch thm nit plasma thộp 40CrMo trờn thit b Eltropuls H045x080, Tp C khớ Vit Nam, s 06 (thỏng 6.2012) [5] Hong Minh Thun, o Quang K, Hong Vn Chõu, Lc Võn Thng (2013), Study on Plasma Nitriding Technology Imposed to Several Machine Parts Made of 40CrMo Steel, AETA 2013: The International Conference on Advanced Engineering Theory and Applications 2013 [6] Huchel U et al (2005), Pulsed Plasma Nitriding of Tools, ELTRO GmbH, Baesweiler, Germany [7] Huchel U et al (2005), Short Description of Pulsed Plasma Nitriding, ELTRO GmbH, Baesweiler, Germany [8] Pye D (2003), Practical NITRIDING and Ferritic Nitrocarburizing, ASM International, Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing AUTHORS INFORMATION Hong Minh Thun Phũng NCKH, Trng C Cụng nghip v Xõy dng Email: hoangminhthuan@cic.edu.vn Phone number: 0904116189 Lờ Thu Quý PTN trng im Cụng ngh Hn v XLBM - Vin Nghiờn cu C khớ Email: quylt@narime.gov.vn Phone number: 0983022166 o Quang K Khoa C in, Hc vin Nụng nghip Vit Nam Email: dqkestu@vnua.edu.vn Phone number: 0904365844 Hong Vn Chõu Hi KHKT Hn Vit Nam - PTN trng im CN Hn v XLBM Email:hvchauweld@gmail.com Phone number: 0913003681 328