NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ

2.1 Các pha và cấu trúc mạng tinh thể các nitrit của lớp thấm nitơ lvii 2.2 Hệ số khuếch tán của nitơ trong pha , γ 'và  lxvii 2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí H2 và N2 đến sự hình thành cá

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

HOÀNG MINH THUẬN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA CHO THÉP 40CrMo

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành đào tạo: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông nghiệp và nông thôn

Trang 2

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo” là công trình nghiên cứu của riêng

tôi Những số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Tác giả luận án

Hoàng Minh Thuận

Header Page 2 of 128.

Trang 3

ii

LỜI CẢM ƠN

Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đào Quang Kế, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và TS Hoàng Văn Châu, Viện Nghiên cứu cơ khí đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nhiều năm tháng học tập cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Công nghệ cơ khí, Ban lãnh đạo cùng giảng viên khoa Cơ - Điện, Viện Đào tạo Sau đại học và Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã luôn quan tâm giúp đỡ cũng như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Nghiên cứu khoa học, các đồng nghiệp đang công tác tại Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu cơ khí; Bộ môn Công nghệ cơ khí, khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội; Trung tâm Đánh giá

hư hỏng vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã

giúp đỡ tôi trong thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Tác giả luận án

Hoàng Minh Thuận

Trang 4

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án xix

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA xxi

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ PLASMA xlv 2.1 Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma xlv

Trang 5

2.6 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình thấm lxviii

2.6.4 Ảnh hưởng của điện áp, mật độ dòng lxxiii

Chương 3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP

3.2 Chuẩn bị mẫu và phương pháp kiểm tra lxxix

3.3.1 Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H45x080 lxxxvi

3.3.3 Lập trình quy trình công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị

Trang 6

4.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (0

4.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) ciii

4.4 Phân tích, lựa chọn sơ đồ và quy trình thực nghiệm cxxi

4.4.3 Chương trình điều khiển và quy trình công nghệ quá trình

4.5 Kết quả thực nghiệm theo thông số tối ưu cxxv

4.6.2 Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh của hộp giảm

tốc xe trộn – vận chuyển bê tổng tươi cxxxvi 4.6.3 Dao băm tĩnh, động và trục xoắn vít cxxxviii 4.6.4 Bánh răng hộp số máy kéo cầm tay cxxxix 4.6.5 Bánh răng trong máy in Offset 4 màu Daiya cxli

Trang 7

vi

Trang 8

EDX (Energy Dispersive X-ray Anolysis) Phương pháp

phân tích tế vi tán xạ năng lượng Rơnghen

Fe Nguyên tử sắt Fe-C-N Giản đồ sắt – cacbon – nitơ FeN Nitrit sắt

Fe-N Giản đồ sắt – nitơ

XRD Nhiễu xạ Rơngen

Trang 9

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu Đơn vị Giải thích

a % Tỷ lệ khí nitơ/hydro (theo lưu lượng)

aN - Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm

bj - Các hệ số của phương trình hồi quy

d1 m Chiều dày pha  + pha ’

dj - Hàm “mong muốn’’ thành phần

D - Hệ số khuếch tán trong pha  D’ - Hệ số khuếch tán trong pha ’

D - Hệ số khuếch tán trong pha 

E HV0.3 Độ cứng bề mặt

Fb - Tiêu chuẩn Fisher (tra bảng) G1 l/h Lưu lượng khí N2

G2 l/h Lưu lượng khí H2 G3 l/h Lưu lượng khí CH4

m g/N.m Cường độ mài mòn

n Vòng/phút Số vòng quay của đĩa

N - Số thí nghiệm ở mức phụ (các điểm sao)

P Pa Áp suất riêng phần của N2

Trang 10

ix

2 H

P Pa Áp suất riêng phần của H2

R mm Bán kính vòng quay của chốt trượt trên đĩa

S mm Quảng đường trượt cửa mẫu

ton s Thời gian lặp xung

toff s Thời gian ngừng xung

tv - Số chu kỳ ứng suất

TC 0C Nhiệt độ vùng gia nhiệt

TL 0C Nhiệt độ của chi tiết thấm

TW 0C Nhiệt độ thành buồng làm việc (tường lò)

Uz V Điện áp cần thiết để hình thành plasma

WG 0C/min Tốc độ tăng nhiệt độ chi tiết theo thời gian

xi - Giá trị mã hóa của yếu tố thứ i

Y3 - Chiều dày pha +’ d1 (µm)

Y4 - Chiều dày pha α d2 (µm) u

Y - Giá trị trung bình các thí nghiệm ở mức

Y - Giá trị trung bình của các thí nghiệm ở mức cơ

Trang 11

x

sở

Ytt - Giá trị tính toán từ phương trình hồi quy

Yu - Giá trị của các thông số ra ở các mức

M g Sự giảm khối lượng của mẫu trước và sau khi thí

nghiệm

i - Khoảng biến thiên của của yếu tố thứ i

Trang 12

2.1 Các pha và cấu trúc mạng tinh thể các nitrit của lớp thấm nitơ lvii 2.2 Hệ số khuếch tán của nitơ trong pha , γ 'và  lxvii 2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí H2 và N2 đến sự hình thành các pha lxxii

3.2 Ký hiệu tương đương theo tiêu chuẩn một số nước trên thế giới lxxix

4.1 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ thấm ci 4.2 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian thấm cii 4.3 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ khí N2 ciii 4.4 Mức biến thiên và giá trị mã hoá của các yếu tố xi cv 4.5 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm dạng thực cv 4.6 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm dạng mã hóa cvi 4.7 Các hệ số hồi qui có nghĩa của các hàm Yj cvii 4.8 Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán cviii 4.9 Giá trị tối ưu của các yếu tố vào xi và các hàm thành phần Yj cviii

4.11 Kết quả tính toán giá trị hàm tối ưu tổng quát D cxix 4.12 Chương trình điều khiển quá trình thấm cxxiv 4.13 Kết quả đo độ cứng tế vi theo chiều sâu lớp thấm cxxviii 4.14 Kết quả phân tích EDX hàm lượng %N theo chiều sâu lớp thấm cxxix

Trang 13

1.6 Cấu trúc mạng lớp thấm và vùng khuếch tán xxvii 1.7 Giản đồ pha quan hệ giữa thế thấm nitơ, nhiệt độ với tổ chức lớp

1.9 Một số sản phẩm ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma xxxvi

2.2 Đường cong Paschen thể hiện quan hệ điện áp và cường độ dòng

2.3 Biểu đồ xung trong quá trình thấm nitơ plasma xlviii 2.4 Phân bố các năng lượng trong một phóng điện phát sáng bất thường xlix

2.6 Tác động của vụ va chạm của các ion trong các bề mặt chi tiết lii 2.7 FeN hình thành trên bề mặt thép trong thấm nitơ plasma theo giả

2.8 Cơ chế thấm nitơ plasma (mô hình Koelbel) lv

2.10 Cấu trúc mạng tinh thể của các pha hình thành lớp thấm nitơ plasma lviii 2.11 Giản đồ hóa cấu trúc bề mặt lớp thấm nitơ plasma lviii

Trang 14

xiii

2.14 Điện áp cần thiết để hình thành plasma lxxiv

2.16 Ảnh hưởng của các biến số đến mật độ dòng lxxv 2.17 Sự ảnh hưởng của áp suất đến chiều dày plasma lxxvi 3.1 Máy quang phổ phát xạ PMI Master Plus (Đức) lxxviii

3.10 Thiết bị nghiên cứu tổ chức tế vi Nikon Eclipse Model L150 lxxxiii 3.11 Kính hiển vi quang học Axiovert 40MAT lxxxiii 3.12 Máy TE97 Friction & Wear Demonstrator (a) và phương pháp thử (b)lxxxiii

3.14 Thiết bị thấm nitơ plasma Eltropuls H045x080 lxxxvi

3.17 Đồ thị hàm mong muốn thành phần dj khi Yj bị chặn một phía xcix 4.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (0

4.2 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian thấm t (h) ciii 4.3 Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) civ

Trang 15

4.17 Quy trình công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo cxxv

Trang 16

4.28 Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh cxxxvii 4.29 Hộp giảm tốc xe trộn – vận chuyển bê tông tươi cxxxvii

Trang 17

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta đang đi vào thời kỳ Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước với nền kinh tế thị trường và đang phát triển với nhịp độ cao Các ngành công nghiệp như: cơ khí động lực, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng không,… đang được chú trọng đầu tư và phát triển nhanh Nhu cầu bức thiết được đặt ra là phải phát huy nội lực trong nước, tạo nên các sản phẩm cơ khí mang nhãn hiệu Việt Nam

Vấn đề cơ bản là phải tập trung nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp công nghệ mới vào thiết kế, chế tạo cơ khí Cùng với việc ứng dụng các công nghệ chế tạo hiện đại với CAD/CAM/CNC, cần đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tạo phôi tiên tiến – công nghệ hàn, công nghệ đúc và công nghệ gia công áp lực Nhưng để bảo đảm chất lượng sản phẩm cơ khí với các yêu cầu cao về độ bền mỏi, độ chống mài mòn và ăn mòn, phải sử dụng các công nghệ

xử lý bề mặt Có nhiều biện pháp công nghệ bề mặt được sử dụng trong kỹ thuật như mạ, lớp phủ composit (composite coatings), phủ bay hơi hóa học (CVD – Chemical Vapour Deposition), phủ bay hơi lý học (PVD – Physical Vapour Deposition), Nhưng các công nghệ này cũng chỉ có thể giải quyết được một phần yêu cầu (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20], (Nguyễn Văn Tư, 2002) [21]

Tại Hội thảo khoa học toàn quốc về Công nghệ vật liệu và bề mặt tại Thái Nguyên ngày 29/11/2008 nhấn mạnh: Kỹ thuật bề mặt là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật tổng hợp bao gồm những nghiên cứu và hoạt động kỹ thuật nhằm thiết kế, sản xuất, khảo sát và sử dụng các lớp bề mặt trên cả khía cạnh

kỹ thuật và kinh tế với các tính chất của vùng bề mặt tốt hơn vùng bên trong, thỏa mãn các yêu cầu về độ cứng, chống ăn mòn, chống mỏi, chống mòn,…

Kỹ thuật bề mặt là sự tổng hợp của các ngành khoa học như toán, vật lý, hóa học, khoa học vật liệu, đặc biệt là xử lý nhiệt để tăng tính chịu mỏi, chống ma sát, chống mài mòn và ăn mòn Kỹ thuật bề mặt đang được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật cơ khí Các vấn đề mà kỹ thuật

bề mặt quan tâm nghiên cứu hiện nay bao gồm sự hình thành các lớp bề mặt bằng các phương pháp công nghệ và hình thành trong quá trình sử dụng, thiết

Trang 18

có tính chất cơ lý thấp, giá thành hạ do đó làm tăng độ tin cậy của dụng cụ và chi tiết máy Nếu như thiết kế kém và khai thác không đúng hướng dẫn có thể dẫn đến phải giành 15% thời gian dừng máy để sửa chữa thì xử lý bề mặt kém

có thể phải mất đến 85% thời gian dừng máy Trong các cặp đôi ma sát, năng lượng tiêu hao do ma sát thường chiếm 15  25% và có thể tới 85% như trong một số máy của ngành in, dệt Sử dụng các biện pháp công nghệ xử lý bề mặt

có thể giảm đáng kể phần năng lượng mất mát này Các dụng cụ được xử lý bề mặt tốt không những giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình gia công, nâng cao chất lượng gia công mà còn giảm được thời gian thay thế Kỹ thuật bề mặt còn có ý nghĩa lớn trong việc tạo ra các bề mặt có khả năng chống ăn mòn cao,

độ cứng cao, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường khi sử dụng các thiết bị xử lý bề mặt tiên tiến (Nguyễn Đăng Bình, 2008) [4], (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20]

Kỹ thuật bề mặt thuộc nhóm công nghệ dựa trên những phát minh và khám phá mới nhất nên nó thuộc lĩnh vực khoa học kỹ thuật tiên tiến Trong tương lai, kỹ thuật bề mặt sẽ phát triển theo một số hướng chính hoàn thiện công nghệ và kết hợp các biện pháp công nghệ nhằm tạo ra các lớp bề mặt ưu việt hơn; thiết kế bề mặt trên cơ sở khai thác các mô hình toán học, thử nghiệm lớp

bề mặt vật liệu trên các thang micro và nano; khai thác và sử dụng các lớp bề mặt một cách rộng rãi hơn trong thực tiễn (Nguyễn Đăng Bình, 2008) [4]

Một công nghệ mang tính truyền thống gần thế kỷ nay, công nghệ thấm kim loại và phi kim loại trên bề mặt chi tiết vẫn đang được thế giới nghiên cứu cải tiến, đổi mới Công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon-nitơ, được hiện

Trang 19

xviii

tiếp tục nghiên cứu, cải tiến và hoàn thiện công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ, đồng thời đưa công nghệ hiện đại thấm nitơ plasma vào sản xuất nhờ đó mở rộng được đối tượng thấm Không chỉ thấm nitơ plasma cho một số loại thép hợp kim, còn có thể thấm cho thép không gỉ, cho một số loại gang, Độ cứng của lớp thấm nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ

6000C, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 200 

2500C (Nguyễn Phú Áp, 1994) [2], (Nguyễn Phú Áp, 1995) [3], (Lê Thị Chiểu, 2007) [5], (Hoàng Minh Thuận, 2008) [15], (Lục Vân Thương, 2007) [16]

Chất lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị phụ thuộc rất lớn vào chất lượng chi tiết máy Việc áp dụng công nghệ thấm nitơ plasma góp phần đáng

kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành cơ khí nói riêng và ngành công nông nghiệp nói chung Với việc đưa phương pháp thấm nitơ plasma vào thay thế một số phương pháp thấm khác sẽ góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ chi tiết máy, đồng thời làm giảm ô nhiễm môi trường, phục vụ hiệu quả sản xuất công nông nghiệp (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7], (Lục Vân Thương, 2007) [16]

Tại các xí nghiệp sửa chữa thiết bị xây dựng và vận tải cần rất nhiều phụ tùng thay thế các chi tiết chịu mài mòn như: vòng găng xi lanh, chốt piston, trục chữ thập, các loại bánh răng, trục xoắn vít, dao phay tinh, dao phay động, Lượng thay thế hàng năm rất lớn do vậy, khả năng chịu mài mòn trên 10% thì

đã đem lại ích lợi kinh tế cho xí nghiệp vận tải rất lớn, do kéo dài thời gian phục vụ của thiết bị, giảm thiểu thời gian sửa chữa,… (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7], (Lục Vân Thương, 2007) [16]

Cùng với sự hội nhập và phát triển, các thiết bị máy móc đươc đa dạng hóa

về chủng loại và không ngừng phát triển cả về số lượng và chất lượng, do vậy đòi hỏi các thiết bị cơ khí Việt Nam phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về chất lượng Công nghệ thấm nitơ plasma đáp ứng được phần nào những yêu cầu về bề mặt của chi tiết, tuy nhiên nước ta mới chỉ có một số thiết bị được nhập khẩu có giá thành cao và chỉ mang tính ứng dụng, chưa có nghiên cứu sâu về công nghệ và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7], (Hoàng Minh Thuận, 2008) [15], (Lục Vân Thương, 2007) [16]

Trang 20

xix

Thấm nitơ plasma là một công nghệ mới của thế giới và mới được nhập vào Việt Nam Cho đến nay còn rất nhiều vấn đề khoa học đang được các nhà khoa học nghiên cứu Do tính ưu việt của lớp thấm, cho tính chống mài mòn tốt và chống ăn mòn tốt, đồng thời cho tính chống mỏi tốt nên chúng được nghiên cứu cả về lý thuyết và ứng dụng cụ thể cho các đối tượng mác thép và chi tiết cơ khí trong sản xuât công – nông nghệp

Xuất phát từ yêu cầu đó, chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài luận

án: Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu

+ Công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị Eltropuls H045x080;

+ Mẫu vật liệu nghiên cứu: Thép 40CrMo;

+ Một số chi tiết máy chế tạo từ thép 40CrMo, 40Cr

+ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thấm một số chi tiết máy sử dụng thép 40CrMo

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Trang 21

xx

- Ý nghĩa thực tiễn

+ Nghiên cứu ứng dụng cho họ mác thép phục vụ chế tạo máy;

+ Ứng dụng vào thực tiễn sản xuất sản phẩm cơ khí

4 Những đóng góp mới

- Từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả luận án đã xác định được cơ chế hình thành lớp thấm và bản chất của lớp thấm nitơ plasma trên

bề mặt thép

- Nghiên cứu xác lập quan hệ giữa độ cứng bề mặt E (HV 0.3), cường

độ mài mòn m (10-12g/n.mm), chiều dày pha  + ’ d1 (m) và chiều dày pha 

d2 (m) với các thông số nhiệt độ thấm T (0C), thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%)

- Bằng quy hoạch thực nghiệm, đã xác định quan hệ đơn yếu tố giữa E, m,

d1, d2 với T, t, a để tìm vùng tối ưu, trên cơ sở khoanh vùng xử lý số liệu thực nghiệm theo phương pháp xét ảnh hưởng của đa yếu tố Kết quả nghiên cứu tìm được vùng thông số công nghệ tối ưu cho phép thu được E, m, d1, d2 tốt nhất, đáp ứng yêu cầu sản xuất

- Đưa ra được sơ đồ công nghệ và quy trình công nghệ thấm chi tiết thực; kiểm tra lại bằng tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, cường độ mài mòn, nhiễu xạ tia X

- Đã ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho một số chi tiết làm từ các thép khác nhau, đặc iệt là thép 40Crmo Qua đánh giá cho thấy chất lượng làm việc của các chi tiết sau thấm cao hơn chất lượng làm việc của các chi tiết không sử dụng công này

5 Cấu trúc nội dung luận án

Cấu trúc nội dung luận án gồm những nội dung chính sau:

- Mở đầu

- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết về thấm nitơ plasma

- Vật liệu và trang thiết bị nghiên cứu

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

- Kết luận chung

Trang 22

xxi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA

1.1 Lựa chọn công nghệ

Công nghệ xử lý bề mặt đang được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật cơ khí Các vấn đề mà công nghệ xử lý bề mặt quan tâm nghiên cứu hiện nay bao gồm sự hình thành các lớp bề mặt bằng các phương pháp công nghệ khác nhau như hóa nhiệt luyện, mạ, phun phủ,… nghiên cứu các lớp bề mặt để từ đó khai thác sử dụng các lớp bề mặt

có hiệu quả nhất (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20], (Brinke T., 2006) [31]

Các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến trong tương lai phải đảm bảo được

sự thân thiện với môi trường sống Brinke T đã nghiên cứu, tìm hiểu và đưa ra các công nghệ và phân tích, đánh giá chúng qua các yếu tố ảnh hưởng (Brinke T., 2006) [31]

Bảng 1.1 Đặc trưng cải thiện tích năng bề mặt [31]

Ghi chú: 0: Không ảnh hưởng

+/++: Mức độ cải thiện tính chất nhỏ hoặc trung bình +++: Mức độ cải thiện tính chất tốt

Qua bảng 1.1 ta thấy, một chi tiết cần chống mài mòn và ăn mòn trong các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến, bảo vệ được môi trường thì công nghệ

Trang 23

xxii

Hình 1.1 Ứng dụng công nghệ bề mặt trong ngành cơ khí ôtô [31]

Trên hình 1.1 thể hiện ứng dụng công nghệ bề mặt tiên tiến được áp dụng trong ngành sản xuất ôtô Tùy theo mục đích sử dụng để lựa chọn các công nghệ phù hợp (Brinke T., 2006) [31]

Trục khuỷu (1)

Hình 1.2 Các giải pháp bề mặt trong ngành sản xuất ôtô [31]

Ghi chú:Các chi tiết sử dụng giải pháp bề mặt:

- Nitriting (1)

Trang 24

1.2 Các công nghệ thấm nitơ

Công nghệ thấm nitơ, lần đầu tiên được thực hiện và phát triển trong những năm đầu của thập niên 1900, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp Cùng với sự phát triển của quá trình thấm nitơ, thấm nitơ – cacbon, thấm cacbon, thấm nitơ thường được sử dụng trong sản xuất máy bay, vòng bi, linh kiện ôtô, máy dệt, các hệ thống thế hệ tuabin,… Bề mặt chi tiết thấm nitơ được bao phủ bởi một lớp nitrit bền vững (Nguyễn Phú Ấp, 1994) [2], (Baranowska J., 2008) [27], (Pye D., 2003) [95]

Đặc điểm nổi bật của quá trình thấm nitơ là nó chỉ thay đổi lớp bề mặt

mà không làm thay đổi thành phần của lõi, không làm thay đổi tổ chức tế vi của lõi có được từ các nguyên công nhiệt luyện trước đó nếu chọn được chế

độ thích hợp Hay nói cách khác, nếu nhiệt luyện trước đó đã tạo ra cơ tính thích hợp cho điều kiện làm việc của chi tiết thì lớp thấm nitơ tiếp theo có tác dụng tăng thêm độ cứng, tăng thêm khả năng chống mài mòn và tăng tuổi thọ cho chi tiết Hơn nữa, lớp thấm nitơ còn có tác dụng tạo ra ứng suất nén dư ở

bề mặt giúp tăng khả năng bền mỏi Một đặc điểm nổi bật nữa của thấm nitơ

là ít làm thay đổi kích thước chi tiết thấm, không làm thay đổi hình dạng chi tiết (Baranowska J., 2008) [27], (Pye D., 2003) [95]

Thấm nitơ là một phương pháp hóa nhiệt luyện Trong quá trình thấm, nitơ nguyên tử được tạo thành trong môi trường thấm, được hấp phụ vào bề mặt thép

và khuếch tán vào trong thép (Lê Công Dưỡng, 1996) [6], (Hoàng Vĩnh Giang,

Trang 25

xxiv

Hình 1.3 Quá trình thấm nitơ thông thường [27]

Các quá trình xẩy ra khi thấm nitơ thông thường (hình 1.3) (Baranowska J., 2008) [27]:

- Phân hủy: là quá trình tạo ra nitơ nguyên tử, quá trình này xẩy ra trong môi trường khí động Các nitơ nguyên tử tạo thành có hoạt tính cao, có khả năng hấp thụ vào bề mặt kim loại

- Hấp thụ: sau khi tạo thành, nitơ nguyên tử hấp thụ vào bề mặt chi tiết, sau đó được khuếch tán vào trong kim loại cơ sở, tạo nên dung dịch rắn hoặc pha trung gian hoặc các hợp chất hóa học Các pha giầu nitơ chỉ hình thành với nồng độ nitơ nguyên tử cao

- Khuếch tán: các nitơ nguyên tử khuếch tán vào sau bên trong tạo thành lớp thấm với chiều sau nhất định Nhờ khuếch tán, lớp thấm được hình thành với sự chuyển tiếp hài hòa giữa bề mặt cứng với lõi bền chắc bên trong Chiều dày lớp thấm phụ thuốc vào nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt và hệ số khuếch tán của nitơ

Các quá trình này dựa trên sự tương tác của nitơ trong sắt, tuân theo giản đồ pha sắt-nitơ (hình 1.4) (Lê Công Dưỡng, 1996) [6], (Baranowska J., 2008) [27], (Darbellay J., 2006) [40], (Pye D., 2003) [95], (Rolinski E., 2007)[103], (Бучков A и др,1985) [122], (Greßmann T., 2007) [126]

Trang 26

xxv

Từ giản đồ pha Fe-N, khi nitơ khuếch tán vào trong thép ở nhiệt độ trên nhiệt độ cùng tích (5900C), các pha lần lượt tạo ra là , , ’,  Do vậy, khi thấm nitơ ở nhiệt độ này sẽ hình thành lớp thấm từ nền thép ra bề mặt là  

 + ’  ’  ’ + , pha  không hiển thị trên giản đồ vì chúng có thành phần nitơ từ 11,011,35% ở nhiệt độ khoảng 5000

C

Hình 1.4 Giản đồ pha Fe-N

Từ giản đồ pha Fe-N cho thấy quá trình kiểm soát của sự khuếch tán nitơ là rất quan trọng trong quá trình thấm nitơ cho thép (Arzamaxov B N ,2001) [1], (Baranowska J., 2008) [27], (Darbellay J., 2006) [40], (Rolinski E., 2007) [103], (Wriedt H A., 1997) [117], (Yan M., 2000) [120]

1.2.1 Thấm nitơ thể khí

Thấm nitơ thể khí là phương pháp thấm thông dụng nhất do giá thành

và chi phí thấp hơn các công nghệ thấm nitơ khác Trong điều kiện tự nhiên, khí nitơ luôn tồn tại dưới dạng phân tử (N2) rất ổn định, loại khí này chỉ có thể

Trang 27

xxvi

phân ly ra nitơ nguyên tử dưới áp suất rất cao (khoảng vài GPa) do đó không thể dùng N2 để tạo lớp thấm Trong điều kiện như vậy, khí thường dùng để tạo ra nitơ nguyên tử cung cấp cho quá trình thấm là amoniac (NH3) (Đào Quang Kế, 2006) [10], (Đào Quang Kế, 2006) [11], (Darbellay J., 2006) [40], (Freiburg E., 2006) [51]

Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 450  6000

C, NH3 sẽ phân hủy theo phản ứng:

Tại lớp hấp phụ sẽ xẩy ra các phản ứng tái kết hợp:

Trang 28

Hình 1.6 Cấu trúc mạng lớp thấm và vùng khuếch tán [52]

Nếu nitơ nguyên tử hình thành quá nhiều không kịp khuếch tán vào trong thép sẽ kết hợp lại thành phân tử mất hết hoạt tính làm ngăn cản quá trình thấm tiếp theo theo phản ứng:

Trang 29

Hoạt độ nitơ (aN) trong môi trường thấm đươc xác định theo (1.4) như sau:

3

2 2 2

P ,

2 H

P lần lượt là áp suất riêng phần của NH3, N2 và

H2 trong môi trường thấm;

P K

P

 là tỷ số giữa áp suất riêng phần của NH

3 chưa phân hủy

với áp suất riêng phần của H2 sinh ra do NH3 đã phân hủy – được gọi là thế nitơ trong môi trường thấm

Trong môi trường thấm sử dụng NH3, nitơ nguyên tử sinh ra và khuếch tán vào thép chỉ xảy ra trong một phạm vi rất nhỏ ngay trên bề mặt thép, với các khoảng không gian thấm còn lại trong buồng thấm, nitơ nguyên tử sinh ra

do phân hủy hầu hết kết hợp lại với nhau để giải phóng N2

Trang 30

Trên hình 1.7 ta thấy, trong khoảng nhiệt độ thấm nitơ với các vùng pha xuất hiện trong lớp thấm (, ’, ) sẽ xác định được thế nitơ thích hợp với từng vùng Tại vùng chứa pha  thì %N nằm trong khoảng 0,01 ÷ 0,07 tương ứng với

KN = 0,03 ÷ 1,3 Tương tự, với pha ’ thì %N nằm trong khoảng 5,73 ÷ 5,897 tương ứng với KN = 1,3 ÷ 13; với pha  thì %N nằm trong khoảng 8,5 ÷ 10 tương ứng với KN = 13 ÷ 1,6

Như vậy có thể thấy, thế thấm nitơ phụ thuộc vào độ phân hủy của NH3trong môi trường thấm, với việc điều khiển sự thay đổi độ phân hủy, ta có thể thay đổi được thế thấm nitơ để nhận được các cấu trúc mong muốn (Darbellay J., 2006) [40]

Ưu điểm:

Trang 31

xxx

nhiệt luyện khác (thấm C, thấm C-N);

- Kết thúc quá trình thấm không làm nguội đột ngột do vậy giảm được hiện tượng cong vênh và biến dạng chi tiết (thường chi tiết sau khi thấm làm nguội cùng lò);

- Độ cứng lớp thấm cao 750 ÷ 950 HV (tương đương 60  67 HRC);

- Có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao;

- Lớp thấm nitơ chịu được nhiệt độ cao mà không làm thay đổi cấu trúc lớp thấm (có thể chịu được đến nhiệt độ thấm  4950

C)

- Không làm thay đổi đặc tính của lõi vật liệu;

- Khí thấm dễ dàng mua trên thị trường

Nhược điểm:

- Lớp thấm mỏng;

- Thường chỉ thấm cho các họ thép điển hình;

- Thời gian thấm lâu;

ra, có bổ sung thêm một ít Na2CO3 và NaCNO Nhiệt độ thấm trong khoảng

550  5700C, thời gian thấm khoảng 1  3h Phương pháp này có nhược điểm

Trang 32

xxxi

là độc vì sử dụng muối gốc xianua (Pye D., 2003) [95]

Công nghệ thấm nitơ thể muối nóng chảy có quy mô công nghiệp vì tiên tiến hơn do Degussa (Đức) đề xướng có tên là Tenifer Ở Pháp, một công nghệ tương tự cũng được sử dụng có tên Surfult Công nghệ Surfult, ngoài các muối như công nghệ Tenifer, người ta còn cho thêm một lượng nhỏ Na2S hoặc K2S để ổn định và tăng hoạt tính của bể muối

Quá trình thấm nitơ thực hiện nhờ phân hủy muối xianat thành cacbonat nóng chảy theo phản ứng sau (Rolinski E., 2007) [103]:

Trang 33

xxxii

1.2.3 Thấm nitơ plasma

Hình 1.8 Quá trình thấm nitơ plasma

Thấm nitơ plasma là một công nghệ thấm nitơ tiên tiến, nó ra đời như một phương án thay thế của công nghệ thấm nitơ thể khí Thấm nitơ plasma được tiến hành trong môi trường ion hóa ở nhiệt độ thấp (khoảng 450 

6000C) Phương pháp này giúp giải quyết được các nhược điểm mà phương pháp thấm nitơ thể khí và thể lỏng gặp phải Trên hình 1.8 thể hiện quá trình thấm nitơ plasma và các khí sử dụng trong quá trình thấm; các khí thường là các khí trơ, an toàn cho con người và thiết bị (Huchel U., 2003) [63], (Huchel U., 2003) [64], (Balles A C., 2004) [125]

Thấm nitơ plasma còn có các tên gọi là:

Trang 34

xxxiii

Thấm nitơ phóng điện phát sáng (Glow discharge nitriting);

Thấm nitơ thể ion (Ion nitriting);

Thấm nitơ plasma (Plasma nitriting)

Trong nghiên cứu này, tác giả lấy tên gọi thông dụng hiện nay là thấm nitơ plasma

Sự khác biệt cơ bản giữa thấm nitơ thể khí và thấm nitơ plasma là quá trình thấm nitơ thể khí phụ thuộc vào sự phân hủy amoniac thành nitơ nguyên

tử và hydro, trong khi thấm nitơ plasma sử dụng trực tiếp nitơ và hydro Công nghệ thấm nitơ plasma cho phép điều chỉnh được thành phần nitơ và hydro vì thế

có thể điều chỉnh được thành phần lớp trắng (lớp hợp chất hay chiều dày các pha

 và ’) theo ý mong muốn (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7], (Hoàng Minh Thuận, 2008) [15], (Lục Vân Thương, 2007) [16], (Baranowska J., 2008) [27], (Pye D., 2003) [95], (Бучков A и др, 1985) [122], (Balles A C., 2004) [125]

- Sử dụng dòng xung điện để tạo plasma cho phép rút ngắn thời gian nung nóng chi tiết thấm, phân bố nhiệt đồng đều và tạo nên lớp thấm nitơ với thành phần, chiều dày và độ cứng theo yêu cầu

- Công nghệ cho phép giảm thời gian thấm từ 2 ÷ 5 lần, giảm lượng khí thấm từ 20 ÷ 100 lần, giảm tiêu thụ điện 1,5 ÷ 3 lần

- Không làm thay đổi kích thước và hình dáng sản phẩm sau khí thấm Nhược điểm:

- Thiết bị phức tạp, đắt tiền

Trang 35

xxxiv

- Vận hành thiết bị cần những người có hiểu biết về thấm nitơ plasma;

- Cần chọn các thông số công nghệ phù hợp cho từng loại vật liệu với các yêu cầu cụ thể của lớp thấm

1.2.4 Các ứng dụng của thấm nitơ

Công nghệ thấm nitơ plasma được ứng dụng rộng rãi cho các loại vật liệu, từ gang, thép cacbon đến các loại thép hợp kim (bảng 1.2) (Hoàng Minh Thuận, 2008) [15], (Lục Vân Thương, 2007) [16]

Bảng 1.2 Một số loại vật liệu sử dụng trong chế tạo chi tiết máy

ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma

Các loại bánh răng 16MnCr5, 40CrMo, 20Cr, 40Cr

Trục răng dẫn hướng 31CrAlNi7, X10CrNiS18-9 ·

X90CrCoMoV17 Các bệ máy bằng gang xám GG 25, GGG 40, GGG 60 Các bộ phận truyển động 31CrMoV9, 16MnCr5, 42CrMo4, 30CrMoV9 Trục vít – thân bánh vít ETG100, 42CrMo4, 31CrMo4-9, 25CrMo4 Các loại vít máy đúc ép 31CrMoV9, 34CrAlNi7, X35CrMo17

Xi lanh thủy lực 16MnCr5, 40CrMo, ETG100 Khuôn tạo hình GG 25 CrMo, GGG 60, GGG 70L, GGGJ

Trang 36

xxxv

Các chi tiết, dụng cụ của nhiều ngành công nghiệp, y tế, dân dụng,… đều

có thể là đối tượng được thấm nitơ plasma (hình 1.9):

e

Trang 37

xxxvi

Hình 1.9 Một số sản phẩm ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma

a- Trục khuỷu; e- Các loại bánh răng; i- Khuôn đúc nhựa;

b- Trục vít; f- Khuôn dập; k- Mũi doa;

c- Mũi khoan; g- Ống truyền; m- Mũi phay

d- Lưỡi cưa; h- Khuôn đúc nhôm;

- Các bánh răng, trục truyền, các chi tiết của động cơ đốt trong, trong các máy xây dựng, công nghiệp tự động, đòi hỏi khả năng chống mài mòn ở

bề mặt, độ bền mỏi tăng, giảm biến dạng

- Khuôn ép, máy ép khi đúc kim loại, hợp kim đòi hỏi tăng khả năng

Trang 38

xxxvii

chống mài mòn, ăn mòn

- Dụng cụ cắt yêu cầu có khả năng chống mài mòn cao, độ cứng lớn Công nghệ thấm nitơ plasma đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước như Đức, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ,… ngay từ sau chiến tranh thế giới thứ II Nhất là trong vòng 20  25 năm trở lại đây công nghệ này được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm vì nó có nhiều ưu điểm nổi bật hơn hẳn, là công nghệ sạch, không làm ô nhiễm môi trường và cố gắng ngày càng hoàn thiện hơn nữa quy trình công nghệ thấm nitơ plasma (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7], (Lục Vân Thương, 2007) [16]

1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trong những năm đầu của thế kỷ 20, Adolph Machlet (Mỹ) là một kỹ

sư luyện kim làm việc tại công ty Elizabeth, NJ Ông nhận ra rằng, bề mặt của lớp thấm cácbon bị biến dạng do thời gian thấm lâu ở nhiệt độ cao và bị làm nguội cưỡng bức trong môi trường nước hoặc dầu Qua thử nghiệm, Machlet sớm phát hiện ra rằng nitơ không thể hòa tan trong sắt mà chỉ khuếch tán vào trong sắt Nitơ khuếch tán tạo ra một bề mặt tương đối cứng trong sắt nguyên chất, thép hợp kim thấp và cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn Thực hiện được điều này mà không cần đến nhiệt độ cao và không cần làm nguội cưỡng bức mà hạ nhiệt độ từ từ cùng với lò thấm trong khi vẫn cung cấp khí nitơ vào ngăn cách được sự xâm thực của khí quyển, do đó làm giảm nguy cơ biến dạng nhưng vẫn tạo được lớp bề mặt chống mài mòn, độ cứng cao với khả năng chống ăn mòn tốt

Ban đầu Machlet sử dụng khí amoniac để thấm nitơ, điều này cần phải kiểm soát sự phân hủy của amoniac để giải phóng nitơ nguyên tử Ít lâu sau ông đã sử dụng hydro để giảm lượng nguyên tử nitơ được sinh ra và kiểm soát mức độ hình thành lớp thấm

Mặc dù Machlet đã phát triển công nghệ thấm nitơ và đã được cấp bằng sáng chế (năm 1913) về các quá trình công nghệ nhưng hầu như không được

Trang 39

độ cao Ông cũng nhận ra rằng, các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của công nghệ thấm nitơ Sáng chế đầu tiên của Fly được ứng dụng vào năm 1921, ba năm sau khi chiến tranh thế giới lần thứ nhất kết thúc Bằng sáng chế của ông đã tiếp tục được công nhận vào năm 1924 Ông sử dụng công nghệ tương tự của Machlet, nguồn gốc nitơ có thể phá vỡ bằng nhiệt từ

đó giải phóng nitơ nguyên tử cho phản ứng và khuếch tán Cũng giống như Machlet, Fly sử dụng NH3 là nguồn khí thấm chứ ông không sử dụng H2 Như vậy, có sự phát triển quy trình thấm nitơ thể khí ở trạng thái đơn giản (Dimitrov V I., 1998) [43], (Hubbard P., 2007) [67], (Jordan D., 2010) [68], (Joshi V., 2003) [69], (Lifang, 1989) [80], (Maldzinski L., 1999) [83]

Fly chuyên sâu vào nghiên cứu tác động của các yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt Phát minh của ông là trong quy trình thấm nitơ để đạt được độ cứng bề mặt cao chỉ có thép chứa các thành phần hợp kim như Cr, Mo, Al, V

và W Ngoài ra ông còn nhận ra rằng nhiệt độ trong quy trình quyết định đến chiều sâu và độ cứng của bề mặt thép Quá trình xử lý bề mặt thép ở nhiệt độ cao gây ảnh hưởng tới hình dạng của thép đó là “nitrit” được biết ngày nay (Lục Vân Thương, 2007) [16], (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20], (Rolinski E., 1987) [100], (Shetty K., 2008) [104]

Do thép hợp kim cao không sẵn có để thấm nitơ, Fly đã tìm ra nhóm thép phù hợp để thấm nitơ

Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fly tại cuộc hội thảo “Hội các nhà thiết kế chế tạo (SME)” năm 1927, các nhà luyện kim Hoa Kỳ bắt đầu tìm hiểu về các tham số và các hiệu ứng của hợp kim trong quá trình thấm nitơ của các loại thép

Các nhà luyện kim H W Mc Quaid và W J Ketcham thuộc công ty

Trang 40

Năm 1950, nhà vật lý Dr Claude Jones và Dr Derek Sturges, cùng với Stuart Martin phát triển công nghệ thấm nitơ thể ion đầu tiên ở Mỹ Từ đó ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thay đổi tính chất của vật liệu và chi tiết máy (Shetty K., 2008) [104], (Spalvins T., 1989) [107], (Visuttipitukul P., 2006) [116]

Ở Đức, công nghệ thấm nitơ plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học người Đức, Dr Wehnheldt Năm 1932, thuật ngữ “glow discharge” (sự phóng điện phát sáng) được ông sử dụng khi nghiên cứu công nghệ thấm nitơ Sau

đó Wehnheldt cộng tác với nhà vật lý học người Thụy Sĩ và danh nhân người Đức, Dr Bernhard Berghaus, họ cùng nhau nghiên cứu công nghệ thấm nitơ plasma và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH, chế tạo thiết bị thấm nitơ ion Công nghệ thấm nitơ ion của Wehnheldt và Berghaus đã thành công trong các ngành công nghiệp Đức trong suốt chiến tranh thế giới thứ II Mặc dù vậy nó vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi vì công nghệ mới này bị coi

là quá phức tạp, quá đắt và không đáng tin cậy để đảm bảo chắc chắn lợi ích của nó mang lại Mãi đến năm 1970, công nghệ thấm nitơ plasma được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở Châu Âu Những ưu điểm của

nó dần được chứng minh trong thực tế (Rolinski E., 2007) [103], (Shetty K., 2008) [104], (Spalvins T., 1989) [107], (Visuttipitukul P., 2006) [116]

Theo Hosseini và các cộng sự thì chiều sâu lớp thấm nitơ trong quá trình thấm nitơ plasma là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá quá trình hóa nhiệt luyện và hiệu suất của thành phần khí thấm với thành phần nitơ

Định dạng
Số trang	158
Dung lượng	6,09 MB