CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH MƠI TRƯỜNG THẤM CACBON BẰNG KHÍ GAS RESEARCH ON THE FORMATION OF GAS CARBURIZING ENVIRONMENT NGUYỄN DƯƠNG NAM1, NGUYỄN ANH XUÂN1, VŨ VIẾT QUYỀN2, TRẦN THỊ XUÂN3, TRẦN ĐỨC HUY3, 1Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2Khoa Đóng tàu, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 3Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email liên hệ: namnd.khcs@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết nghiên cứu hình thành mơi trường thấm cacbon Kết nghiên cứu cho thấy tăng nhiệt độ thấm hàm lượng khí dư tăng lên ổn định nhiệt độ 9200C với tỷ lệ CO2/gas 3/1; thời gian lưu khí 18 phút Với kết cho hiệu thấm tối ưu lượng muội sinh Từ khóa: Thấm cacbon, mơi trường thấm, thời gian lưu khí, tỷ lệ CO2/gas Abstract This article presents the results of research on the formation of gas carburizing environment The results show that when the temperature of carburizing process increases, the excess air content increases and stabilizes at a temperature of 920oC with the ratio of CO2 /gas is 3/1; the air flow time is 18 minutes With the above results, the effective effect is minimal and the amount of bloom is the minimal Keywords: Carburizing, gas carburizing environment, air flow time, ratio of CO2/gas Giới thiệu Thấm cacbon phương pháp làm bão hòa cacbon bề mặt chi tiết thấm sâu vào bên khuếch tán Sau kết thúc trình thấm hàm lượng cacbon bề mặt thép tăng từ 0,1 ÷ 0,25%C lên 0,8 ÷ 1,2%C với chiều dày hàng milimét [1] Hiện số công ty Việt Nam mua dây chuyền thiết bị cơng ty nước ngồi thấm cacbon thể khí sử dụng khí thấm như: Endo gas, khí tự nhiên(CH 4), khí hóa lỏng (Metanol Toluen), phổ biến thấm hỗn hợp Toluen Metanol Các thiết bị cho hiệu tốt nhiều so với trước Tuy nhiên chi phí đầu tư cho thiết bị nhiên liệu, chuyển giao công nghệ tốn nên giá thành sản phẩm tương đối cao muốn chất lượng tốt phải sử dụng nhiên liệu ban đầu nhà cung cấp nên phải nhập khí thấm Do tình hình Việt Nam chưa sản xuất khí thấm giống nước ngồi nên việc chủ động q trình sản xuất làm chủ cơng nghệ khó, gây lãng phí tốn Do việc tìm loại khí thấm có sẵn phù hợp với điều kiện Việt Nam đảm bảo tiêu chuẩn để thấm điều cấp thiết thiết thực Ở nước ta khí gas loại nhiên liệu phổ biến Khí gas có hàm lượng cacbon cao nên dùng làm khí thấm tốt, bên cạnh khí gas có giá thành khơng q cao làm giảm chi phí sản xuất Nhưng với khí gas dùng làm khí thấm việc kiểm sốt thành phần, tỷ lệ pha trộn với khí khác nhằm đạt kết tốt vấn đề đặt Nếu giải vấn đề hướng cho cơng nghệ hóa nhiệt luyện - thấm Việt Nam, thấm C, C-N sử dụng khí gas Việt Nam Khi ta đưa hỗn hợp khí thấm bao gồm khí gas Việt Nam + CO + N2 với tỷ lệ định vào lò nung có nhiều phản ứng hình thành C chủ yếu có phản ứng là: C3H8 + 3CO2 6CO + 4H2 C3H8 4H2 + 3C (3) (1) C4H10 + 4CO2 8CO + 5H2 (2) C4H10 5H2 + 4C (4) 0 Khi đưa hỗn hợp khí thấm vào lò nhiệt độ cao (900 C ÷ 950 C) xảy phản ứng (1), (2), (3), (4) Phản ứng (3), (4) tạo muội cacbon gây cản trở trình thấm nên khơng mong muốn phản ứng (1), (2) tạo khí thấm nên có lợi Từ (1), (2) thấy khí gas CO2 tham gia vào phản ứng với tạo môi trường thấm Tùy thuộc vào tỷ lệ Gas/CO2, nhiệt độ, chất xúc tác mà lò có tỷ lệ CO, lượng dư khí gas hay CO2 định Trong cơng nghệ thấm cacbon thể khí chất vận chuyển cacbon CO, nhiệt độ thấm cacbon khoảng 9000C ÷ 9500C CO phản ứng phân hủy CO thành C lại xảy có mặt chất xúc tác Fe Ni Chính mà bề mặt thép xảy phản ứng sau: 2CO → [C]hoạt tính + CO2 (5) Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 11 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 CO + H2 → [C]hoạt tính + H2O (6) Hình Hình ảnh mơ tả trình thấm Do phản ứng phân hủy CO thành cacbon bề mặt thép mà lượng CO liên tục giảm ta phải thường xuyên cung cấp chất thấm vào lò Cùng với điều kiện khuấy trộn khuếch tán khí tốt coi thành phần CO bề mặt thép không thay đổi thành phần CO môi trường Tuy nhiên, nghiên cứu q trình hình thành mơi trường thấm q trình thấm cacbon quan tâm đến Chính vậy, báo chúng tơi trình bày kết nghiên cứu q trình hình thành mơi trường thấm thấm cacbon Thực nghiệm 2.1 Khí thấm thép thấm Bài báo tiến hành nghiên cứu sử dụng chất thấm dựa hỗn hợp khí gas Việt Nam, khí mang oxy CO2 khí độn Nitơ Thép sử dụng nghiên cứu thép C20 Lưu lượng khí thấm thí nghiệm thay đổi theo tỷ lệ CO2/gas từ đến 3,5 Nhiệt độ để nghiên cứu hình thành mơi trường thấm 900; 920 950oC Thời gian thấm thực cố định 2,5h 2.2 Lò thấm thiết bị điều khiển trình thấm - Kích thước nồi lò: 170x540, thể tích sử dụng hữu ích buồng lò 10,8 (dm3); - Cơng suất lò 5kW; - Nhiệt độ làm việc tối đa 10000C; - Quạt khuấy nhằm đồng khí lò Động quạt sử dụng động pha, công suất 150 W Bài báo sử dụng cảm biến hydro để điều khiển trình thấm Kết bàn luận 3.1 Hàm lượng khí gas dư sau phản ứng Khí Gas Việt Nam dùng q trình nghiên cứu có thành phần chủ yếu C 3H8 C4H10 với tỷ lệ 50:50, tính tốn coi khí gas Việt Nam tương đương với cơng thức C3,5H9 Hình Đồ thị ảnh hưởng nhiệt tỷ lệ khí CO2/gas tới thành phần khí gas dư 12 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 Sử dụng phần mềm Thermocalc, tính tốn điều kiện cân hàm lượng khí gas dư sau phản ứng chế độ thấm khác Từ Hình nhận thấy nhiệt độ thấm tăng hàm lượng khí gas bị phân hủy lớn, lượng khí gas dư Mặt khác nhiệt độ 900oC, lượng khí gas dư phụ thuộc vào tỷ lệ CO2/gas mà phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ thấm Kết phân tích thành phần khí phương pháp sắc ký, chế độ thấm là: nhiệt độ thấm 920oC, với tỷ lệ khí CO2/gas thời gian lưu thay đổi, thể Bảng 1: Bảng Lượng khí gas khí khỏi lò với điều kiện khác thời gian lưu tỷ lệ CO2/gas Mẫu-CO2/gas-τ M-1,5-18 M-2-18 M-2,5-18 M-2-12 M-2,5-12 0,11 0,06 0,09 0,14 0,12 Lượng khí Gas dư(%) Như hàm lượng khí gas dư khí thải nhỏ (≤0,14%) Như so với tính tốn lý thuyết, kết thực nghiệm nhỏ nhiều Từ kết trên, khẳng định khoảng nhiệt độ thấm 9000C khí gas bị phân hủy gần hồn tồn Sự phân hủy khí gas thể phương trình (7) phương trình (8): C3,5H9 + 3,5CO2 = 7CO + 4,5H2 (7) C3,5H9 = 3,5C + 4,5H2 (8) Phản ứng (7) sinh khí CO khí mang cacbon cần thiết cho q trình thấm Phản ứng (8) sinh muội cacbon buồng thấm phản ứng không mong muốn Do muội sinh làm cản trở trình thấm, giảm độ xác đo đạc phí vệ sinh lò theo định kỳ Để nâng cao hiệu trình thấm, phải hạn chể lượng muội sinh trình thấm Lượng muội sinh q trình thấm sinh hai nguyên nhân chính: - Lượng muội sinh phản ứng (2); - Lượng muội sinh phản ứng phân hủy CO bề mặt thép có mặt chất xúc tác Fe để tạo cacbon nguyên tử Một phần cacbon nguyên tử khuếch tán vào thép để tạo lớp thấm Phần lại tạo muội cacbon lò thấm Do việc điều chỉnh hợp lý thơng số q trình thấm như: thời gian lưu khí, nhiệt độ thấm tỷ lệ CO2/gas tuyệt đối quan trọng 3.2 Quá trình hình thành mơi trường thấm Thành phần khí thấm thay đổi tính từ lúc bắt đầu cấp khí thấm vào lò, thực chế độ thấm Tthấm = 9200C, tỷ lệ khí CO2/gas = 3, thời gian lưu T= 18 (phút) thể Hình 3: 35 30 % 25 20 15 10 5 11 13 15 17 19 21 thời gian ( phút ) %CO2 %CO %H2O %H2 Hình Đồ thị mơ tả hình thành mơi trường thấm Từ kết phân tích Hình cho thấy: hỗn hợp khí lò chủ yếu gồm khí CO, H 2, CO2, O2 H2O Trong đó, thành phần khí CO H2 chiếm tỷ lệ cao ổn định Hàm lượng Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 13 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 CO dao động từ 28% đến 33%, hàm lượng H2 dao động khoảng 16% đến 25% Hàm lượng CO2, O2 H2O chiếm tỷ lệ nhỏ (