XÂY DỰNG MÔI TRƯỜNG THẤM CN THỂ KHÍ CHO THÉP CACBON THẤP

XÂY DỰNG MƠI TRƯỜNG THẤM C-N THỂ KHÍ CHO THÉP CACBON THẤP THE CONSTITUENTS OF ATMOSPHERE COMPOSITION FOR GAS CARBONITRIDING FOR LOW CARBON STEEL LÊ THỊ CHIỀU1 , NGUYỄN DƯƠNG NAM2, NGUYỄN ANH XUÂN2 1Viện Nghiên cứu, phát triển Ứng dụng cơng nghệ 2Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Q trình thấm C-N q trình thấm cacbon thể khí nhiều trình thấm nitơ Quá trình thấm thay đổi cách đưa thêm khí NH3 vào mơi trường thấm cacbon với mục đích tạo ni tơ nguyên tử trình thấm Nồng độ ni tơ hình thành bề mặt làm việc cách phân ly NH3 môi trường thấm; ni tơ nguyên tử khuếch tán vào thép với cacbon Thép thường dùng để thấm C-N thép với hàm lượng cacbon khoảng 0,25% Với trình trên, nên kết hợp với q trình tơi ram, bề mặt thép hình thành tổ chức mactenxit với tổ chức nhỏ mịn Tuy nhiên, công nghệ thấm C-N nước ta chưa thực phổ biến Bài báo trình bày kết nghiên cứu xây dựng mơi trường thấm C-N từ hỗn hợp khí: khí gas; CO2; NH3 N2 Bước đầu xác định tỷ lệ loại khí Ngồi ra, báo đánh giá tổ chức tính với thành phần khí khác Từ khóa: Thấm C-N; mơi trường thấm, tổ chức, thép SCM420, thành phần khí thấm Abstract Carbonitriding is a modified form of gas carburizing, rather than a form of nitriding The modification consists of introducing ammonia into the gas carburizing atmosphere to add nitrogen to the carburized case as it is being produced Nascent nitrogen forms at the work surface by the dissociation of ammonia in the furnace atmosphere; the nitrogen diffuses into the steel simultaneously with carbon The steels which has the carbon contents up to about 0.25%, commonly carbonitrided This process combined with quenching and tempering process, the surface of this steel will formed martensite structure with the fine grain However, at our country carbonitriding process is not really popular Initially, the percentage of gases was determined In addition, the article was evaluated the microstructure and hardness with the different percentage of gases Keywords: Carbonitriding, permeably environment, microstructure, SCM420 steel, gas composition Giới thiệu Quá trình thấm C-N định nghĩa q trình hóa nhiệt luyện mà chi tiết chế tạo từ thép cacbon có hàm lượng cacbon nhỏ 0,25% đặt môi trường bão hòa hai nguyên tố C N dạng nguyên tử Quá trình làm tăng đồng thời thành phần C N lớp bề mặt thép [1] Quá trình tăng hàm lượng C N bề mặt thép giải thích trình phân hủy thấm nhiệt độ thấm, nguyên tử hấp phụ lên bề mặt chi tiết từ khuếch tán vào bên với chiều sâu định Cacbon nitơ nguyên tử kết hợp với sắt nguyên tố hợp kim tạo nên mactenxit cacbit có độ cứng cao mà lõi đảm bảo độ dẻo dai Bề mặt chi tiết có chất lượng cao tổng hàm lượng cacbon nitơ khoảng 0,9-1,3% [2,3] Tổng hàm lượng hai nguyên tố nhỏ hơn, độ cứng bề mặt thấp, lớn dẫn đến tạo muội tạo khuyết tật làm xấu tính [4] So với thấm cacbon, thấm cacbon-nitơ tiến hành nhiệt độ thấp hơn, tạo tổ chức nhỏ mịn hơn, áp dụng cho nhiều chi tiết bánh răng, trục cam, dao cắt giấy… Trên giới nay, thiết bị truyền thống, môi trường thấm cacbon-nitơ bao gồm loại khí tạo nguồn cacbon nguyên tử, thường khí ga tự nhiên (CH4), nguồn tạo nitơ ngun tử (NH3) loại khí độn có tác dụng pha lỗng mơi trường thấm với mục đích trì hàm lượng cácbon nitơ bề mặt cách hợp lý Ngồi ra, khí độn có tác dụng thúc đẩy q trình thấm Ở Mỹ, Nga khí độn khí endo, lọại khí chế tạo thiết bị đặc biệt Tỷ lệ khí gas khí độn dao động khoảng từ 1/30 đến 1/8 tùy loại khí tùy nước, Bảng Bảng Thành phần khí độn Nga Mỹ Tên khí Endogas (Nga) Exothermic (Mỹ) Endothermic (Mỹ) 76 CO 23 10,5 20,7 CnH2n+2 3,8 0,5 0,8 Thành phần (% thể tích ĐKTC) CO2 N2 H2 0,4 45,7 30 5,0 71,5 12,5 39,8 38,7 Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải Khí khác 0,9 H2O Số 55 - 8/2018 Ở nước ta, chưa sản xuất khí độn, nhiều cơng ty phải nhập khí thấm tốn gặp nhiều khó khăn Có cơng ty mơi trường thấm bao gồm loại khí nguồn (gas NH3), chất lượng lớp thấm thấp, không phát huy ưu điểm phương pháp thấm C-N Chính vậy, cơng trình nghiên cứu này, bước đầu nghiên cứu xây dựng mơi trường thấm C-N hồn tồn sở nguồn ngun liệu khí nước cho thép có hàm lượng cacbon thấp làm việc điều kiện bề mặt chịu mài mòn cao (bề mặt cần độ cứng từ 60 đến 63HRC) Tuy nhiên, lõi thép lại cần độ dai cao Thực nghiệm Hỗn hợp thấm bao gồm khí ga cơng nghiệp (50% C3H8, 50% C4H10 ); Khí CO2; N2; NH3 với lưu lượng bảng Quá trình thấm thực nhiệt độ 8400C với thời gian thấm 03h [3] Mẫu nghiên cứu sử dụng mẫu SCM420 (có thành phần Bảng 3) Bảng Thành phần khí thấm Lưu lượng Gas CO2 NH3 N2 To(C) C1 C2 10 15 18 18 10 10 62 57 840 840 C3 20 17 10 53 840 C4 30 15 10 45 840 Mẫu sử dụng lõi neo chế tạo từ thép SCM420 (thành phần bảng 3); thành phần thép phân tích máy quang phổ phát xạ ARL-3460 Sau mẻ thấm, chi tiết làm dầu, cắt mài để kiểm tra tổ chức tế vi kính hiển vi Axiorvert 25 Axiorvert 100, thực phóng đại 50, 100, 200, 500 1.000 lần Độ cứng tế vi đo máy Duramin, khoảng cách mũi đâm 50µm tính từ bề mặt lớp thấm vào lõi với tải trọng 200g Giá trị đo Vickers chuyển sang HRC Bảng Thành phần thép SCM 420 (theo % khối lượng) C Si Mn P S Cr Ni Mo 0,18 0,2 0,65 0,01 0,01 1,2 0,08 0,15 Kết thảo luận 3.1 Thành phần C1 a) Tổ chức lớp thấm b) Tổ chức Hình Tổ chức lớp thấm thép cacbon thấp 70 Độ cứng HRC 60 50 40 30 20 10 0 200 400 600 800 Chiều sâu lớp thấm (μm ) Hình Phân bố độ cứng tế vi mẫu thấm với thành phần C1 Ảnh tổ chức tế vi Hình 1a cho thấy: tổ chức tế vi nhỏ mịn Phần phóng đại 200 lần cho thấy khác biệt vùng khác lớp thấm Với độ phóng đại 500 lần thấy Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 77 pha cacbit nitrit (độ cứng 64,8 HRC Hình 2), vùng có tổ chức mactenxit Nền thép sau tơi có tổ chức mactenxit cacbon thấp, có độ cứng 45HRC (Hình 1b) 3.2 Thành phần C2 C2 Hình Tổ chức tế vi lớp thấm theo thành phần C2 Hình Đường phân bố độ cứng tế vi lõi neo theo chế độ Ảnh tổ chức tế vi Hình cho thấy: tổ chức nhỏ mịn, Với độ phóng đại 200 lần (phần hình 3) thấy vùng khác lớp thấm Khi phóng đại 500 lần (phần dưới) nhìn rõ tổ chức mactenxit (kim màu đen) austenit màu sáng Chính có mặt austenit dư làm cho độ cứng bề mặt thấp (58,8HRC) thể đường phân bố độ cứng Hình rõ Nhận thấy độ cứng bề mặt tương đối thấp so với độ cứng thành phần C1 (58,8HRC) Có thể có mặt austenit dư Độ cứng từ bề mặt vào thay đổi cách điều hoà 3.3 Thành phần C3 Thành phần C3 có tỷ lệ CO2/gas tương đối nhỏ, lượng bon tạo nhiều, độ cứng bề mặt cao Với độ phóng đại 100 lần thấy tổ chức tổng thể lớp thấm Vùng ngồi có chấm sáng cacbit nitrit (thấy rõ phóng đại 500 lần (phóng đại vùng đánh dấu), vùng kim mactenxit (màu đen) nhỏ mịn ứng với giá trị cao đường phân bố độ cứng, sau vùng chuyển tiếp Đường phân bố độ cứng phản ánh thay đổi tổ chức tế vi: Giá trị độ cứng bề mặt 65HRC, chiều sâu tổng thể lớp thấm khơng lớn Có thể lượng khí ga tương đối lớn, pha cacbit tạo ngăn cản khuếch tán cacbon nitơ Tuy nhiên chiều dày hiệu lớp thấm (khoảng cách từ điểm có độ cứng 50HRC tới bề mặt) lớn, đảm bảo tính chống mài mòn cho lõi neo (Hình 6) Giá trị độ cứng(HRC) 65 60 55 Độ cứng 50 45 40 200 400 600 800 1000 Chiều sâu lớp thấm Hình Tổ chức Tế vi lõi neo thấm theo thành phần C3 78 Hình Đường phân bố độ cứng tế vi theo thành phần C3 Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 3.4 Thành phần C4 Hình Tổ chức lõi neo theo chế độ C4 Hình Đường phân bố độ cứng tế vi theo thành phần C4 Thấy rõ tổ chức nhỏ mịn, phần phóng đại 500 lần thấy rõ lượng pha cacbit nitrit nhiều (các hạt màu sáng) Đường phân bố độ cứng tế vi (Hình 8) cho thấy độ cứng bề mặt thấp, lượng khí ga q lớn, hàm lượng cacbon bề mặt lớn làm tăng tổ chức phi mactenxit sau Kết luận Từ kết nghiên cứu nhận thấy: Từ nguồn khí Việt Nam, hồn tồn thiết lập mơi trường thấm C-N với tỷ lệ khí phù hợp cho trình thấm; đảm bảo yêu cầu chất lượng tổ chức độ cứng Các mẫu thấm chế độ C1; C2 C3 có tổ chức nhỏ mịn, độ cứng bề mặt cao, độ cứng thích hợp Với chế độ hồn tồn sử dụng để thực q trình hóa nhiệt luyện cho chi tiết bề mặt cần khả chống mài mòn cao lõi cần đảm bảo độ dẻo dai cần thiết Khi thay đổi tỷ lệ khí thấm, tính chất lớp thấm thay đổi Với tỷ lệ CO2/gas khoảng 0,8 đến 1,8 tính chất lớp thấm không thay đổi nhiều Khi giảm mạnh tỷ lệ CO2/gas 0,5 độ cứng bề mặt giảm đáng kể TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John Dossett, Carbonitriding of Steels, ASM Vol - Heat treating, pp 855 – 867, 1991 [2] V.M Zintchenko, Surface engineering of gated weel by thermochemical treatment, Moscow, 2001 [3] Lê Thị Chiều, Nguyễn Anh Sơn, Nâng cao chất lượng lớp thấm C-N cho thép 20CrMo phương pháp xử lý nhiệt, Tạp chí Cơng nghiệp, Số 10 - 02/2007 [4] S Gredelja, A.R Gsona, S Kumara, Applied Surface Science, trang 183 2002 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/7/2018 03/8/2018 11/8/2018 Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 79 ... vậy, cơng trình nghiên cứu này, bước đầu nghiên cứu xây dựng môi trường thấm C-N hồn tồn sở nguồn ngun liệu khí nước cho thép có hàm lượng cacbon thấp làm việc điều kiện bề mặt chịu mài mòn cao (bề... xuất khí độn, nhiều cơng ty phải nhập khí thấm tốn gặp nhiều khó khăn Có cơng ty mơi trường thấm bao gồm loại khí nguồn (gas NH3), chất lượng lớp thấm thấp, không phát huy ưu điểm phương pháp thấm. .. a) Tổ chức lớp thấm b) Tổ chức Hình Tổ chức lớp thấm thép cacbon thấp 70 Độ cứng HRC 60 50 40 30 20 10 0 200 400 600 800 Chiều sâu lớp thấm (μm ) Hình Phân bố độ cứng tế vi mẫu thấm với thành