Ảnh hưởng của lớp trung gian phốt phát hóa oxi hóa đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ trên thép SKD11 làm khuôn dập nguội

Ảnh hưởng của lớp trung gian phốt phát hóa oxi hóa đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ trên thép SKD11 làm khuôn dập nguội Ảnh hưởng của lớp trung gian phốt phát hóa oxi hóa đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ trên thép SKD11 làm khuôn dập nguội luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

LƯU VĂN BAN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lưu Văn Ban KỸ THUẬT VẬT LIỆU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP TRUNG GIAN PHỐT PHÁT HĨA, ƠXI HĨA ĐẾN TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA LỚP THẤM NITƠ TRÊN THÉP SKD11 LÀM KHUÔN DẬP NGUỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VẬT LIỆU KHÓA 2010 Hà Nội – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lưu Văn Ban ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP TRUNG GIAN PHỐT PHÁT HĨA, ƠXI HĨA ĐẾN TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA LỚP THẤM NITƠ TRÊN THÉP SKD11 LÀM KHUÔN DẬP NGUỘI Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật vật liệu kim loại LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG Hà Nội – Năm 2013 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS-TS Phùng Thị Tố Hằng đạo hướng dẫn tận tình, cụ thể mặt khoa học suốt thời gian thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt Bề mặt người trang bị cho kiến thức phương pháp học tập, nghiên cứu Cuối xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, ủng hộ động viên tôi, tạo điều kiện tốt thời gian để hồn thành tốt khóa học Hà Nội, ngày 19 tháng 03 năm 2013 Tác giả Lưu Văn Ban i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác HỌC VIÊN CAO HỌC LƯU VĂN BAN ii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG -TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu khuôn dập nguội điều kiện làm việc khuôn dập nguội 1.1.1 Giới thiệu chung khuôn dập nguội 1.1.2 Các dạng sai hỏng cách khắc phục 1.2 Vật liệu chế tạo khuôn dập nguội – thép SKD11 1.2.1 Yêu cầu tính vật liệu chế tạo khn dập nguội 1.2.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn dập nguội 1.2.3 Đặc điểm thép SKD11 1.3 Nhiệt luyện thép SKD11 làm khuôn dập nguội 1.3.1 Tôi 1.3.2 Ram 1.4 Thấm nitơ thép SKD11 1.4.1 Mục đích thấm nitơ cho thép làm khuôn dập nguội 1.4.2 Khái niệm thấm nitơ 1.4.3 Quá trình xảy thấm nitơ 1.4.4 Tổ chức tính chất lớp thấm nitơ 1.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình thấm nitơ 1.4.6 Các phương pháp thấm nitơ 1.5 Phốt phát hóa bề mặt thép 1.5.1 Khái niệm 1.5.2 Quá trình xảy phốt phát hóa 1.5.3 Các đặc tính lớp phốt phát 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng 1.6 Phương pháp ơxi hóa CHƯƠNG -PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình thực nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 2.2.2 Nhiệt luyện thép SKD11 2.2.3 Xử lý bề mặt trước thấm nitơ 2.2.4 Thấm Nitơ i ii iii iv v 4 7 13 14 16 18 18 19 19 21 22 24 29 29 30 30 34 37 38 38 39 39 39 41 41 2.2.5 Các phương pháp kiểm tra, phân tích 2.3 Các thiết bị sử dụng CHƯƠNG – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Tổ chức tế vi độ cứng sau nhiệt luyện 3.1.1 Tổ chức tế vi độ cứng sau 3.1.2 Tổ chức tế vi độ cứng sau ram 3.2 Thấm Nitơ 3.2.1 Tổ chức tế vi tính chất lớp thấm nitơ giai đoạn hai giai đoạn 3.2.2 Ảnh hưởng lớp trung gian phốt phát hóa, ơxy hóa đến tổ chức tính chất lớp thấm nitơ thép SKD11 3.3 Phân tích thành phần hóa học lớp thấm từ bề mặt vào phổ EDS 3.3.1 Mẫu ơxy hóa sau thấm nitơ 3.3.2 Mẫu phốt phát hóa sau thấm nitơ 3.4 Phân tích nhiễu xạ X-ray 3.5 Thử mài mòn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 44 48 48 48 49 50 50 54 66 66 69 71 75 76 78 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ NỘI DUNG TT Hình 1.1 Khn dập nguội (dập vuốt) Hình 1.2 Các dạng sai hỏng thường gặp khn dập nguội Hình 1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ ram tới độ cứng độ dai va đập thép SKD11 Hình 1.4 Các loại cácbit hợp kim Fe-C-Cr tùy thuộc vào hàm lượng Cr C Hình 1.5 Quy trình chế tạo xử lý nhiệt tổng quát thép SKD11 Hình 1.6 Biểu đồ thời gian-nhiệt độ-chuyển biến (giản đồ CCT) Hình 1.7 Ảnh hưởng nhiệt độ ram tới độ cứng thép SKD11 Hình 1.8 Sơ đồ tổng quát quy trình nhiệt luyện thép SKD11 làm khn dập nguội Hình 1.9 Giản đồ Fe-N 10 Hình 1.10 Đồ thị biểu diễn quan hệ hệ số khuếch tán nhiệt độ 11 Hình 1.11 Sự phụ thuộc chiều dày lớp thấm vào thời gian trình 12 Hình 1.12 Giản đồ thể quan hệ độ phân huỷ hình thành tổ chức lớp thấm tương ứng với khoảng nhiệt độ khác 13 Hình 1.13 Biểu đồ thể phương pháp điều khiển trình thấm nitơ thơng qua nitơ 14 Hình 1.14 Quy trình thấm Nitơ giai đoạn 15 Hình 1.15 Quy trình thấm Nitơ hai giai đoạn 16 Hình 2.1 Sơ đồ tiến hành tơi mẫu 17 Hình 2.2 Sơ đồ tiến hành ram mẫu 18 Hình 3.1 Ảnh tổ chức sau tơi X500 19 Hình 3.2 Ảnh tổ chức sau ram X500 20 Hình 3.3 Lớp thấm nitơ theo chế độ thấm giai đoạn X500 21 Hình 3.4 Lớp thấm nitơ theo chế độ thấm giai đoạn X500 22 Hình 3.5 Sự phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm từ bề mặt v 23 Hình 3.6 Tổ chức tế vi lớp thấm mẫu sau oxy hóa thấm nitơ, X500 a OXH + thấm N 4800C b OXH + thấm N 5400C 24 Hình 3.7 Sự phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm nitơ mẫu thấm qua q trình oxy hóa 25 Hình 3.8 Tổ chức tế vi lớp thấm mẫu thấm giờ, độ phân hủy 40-45 % X500 a không phốt phát hố b phốt phát hóa 30 phút c Phốt phát hóa 60 phút 26 Hình 3.9 Sự phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm tính từ bề mặt thấm với thời gian phốt phát hóa khác 27 Hình 3.10 Lớp thấm nitơ giai đoạn (5h-3h), X500 a Khơng phốt phát hóa trước thấm b Phốt phát hóa trước thấm 28 Hình 3.11 Sự phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm lớp phốt phát hố tính từ bề mặt thấm giai đoạn (5h-3h) 29 Hình 3.12 Tổ chức tế vi lớp thấm nitơ giai đoạn (6h-2h), X500 a Thấm nitơ không phốt phát b Phôtphát 30phút+thấm nitơ c.Phốtphát 60 phút+thấm nitơ 30 Hình 3.13 Sự phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm lớp phốt phát hố tính từ bề mặt thấm giai đoạn (6h-2h) Hình 3.14 Ảnh tổ chức tế vi vị trí điểm quét linescan từ bề mặt vào lõi thành phần nguyên tố điểm quét trí sát bề mặt Hình 3.15 Ảnh tổ chức tế vi vị trí điểm quét linescan từ bề mặt vào lõi thành phần nguyên tố điểm quét trí sát bề mặt Hình 3.16 Phổ phân tích thành phần pha với mẫu thấm xuất lớp trắng γ’ bề mặt mẫu vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT α dung dịch rắn xen kẽ N Feα, gọi ferit Nitơ β Hệ số phân hủy NH3 δ Chiều dày lớp khuếch tán γ dung dịch rắn xen kẽ N Feγ γ' pha xen kẽ Fe4N ε pha xen kẽ Fe2N1-x τ Thời gian C0 Nồng độ chất khuếch tán Cs Nồng độ chất khuếch tán bề mặt Cx Nồng độ chất khuếch tán khoảng cách x tính từ bề mặt D Hệ số khuếch tán DC Đường kính nguyên tử cácbon DME đường kính nguyên tử nguyên tố hợp kim KN Thế thấm Nitơ Q Hoạt khuếch tán R Hằng số khí, R=1.98 [cal/mol.độ] T Thời gian T Nhiệt độ tuyệt đối P Áp suất PNH3 Áp suất riêng phần NH3 PH2 Áp suất riêng phần H2 EDX (hay EDS) Phổ tán sắc lượng tia X iii DANH MỤC CÁC BẢNG NỘI DUNG TT Bảng 1.1 Vật liệu làm khn dập định hình Bảng 1.2 Thành phần thép SKD11(theo tiêu chuẩn JIS) Bảng 1.3 Mác thép tương đương với thép SKD11 Bảng 1.4 Tính chất vật lý thép SKD11 Bảng 1.5 Hệ số β thích hợp theo nhiệt độ thấm Bảng 1.6 Các pha thành phần màng phốt phát kim loại Fe, Zn Al Bảng 2.1 Quy trình thực nghiệm Bảng 2.2 Thành phần hóa học thép SKD11 nghiên cứu Bảng 2.3 Thiết bị thí nghiệm 10 Bảng 3.1 Độ cứng tế vi mẫu sau 11 Bảng 3.2 Độ cứng sau ram T0ram = 5600C, thời gian 1h Bảng 3.3 Giá trị độ cứng theo chiều sâu lớp thấm thấm chế độ 8h-độ phân hủy 40-45% Bảng 3.4 Giá trị độ cứng theo chiều sâu lớp thấm thấm hai giai đoạn chế độ 12 13 14 5h-3h Bảng 3.5 Phân bố độ cứng tế vi mẫu thấm qua xử lý oxy hóa trước thấm nitơ 15 Bảng 3.6 Thông số thấm với T0, τ độ phân hủy β không đổi 16 Bảng 3.7 Giá trị độ cứng tế vi (HV) phân bố theo chiều sâu lớp thấm 17 Bảng 3.8 Thông số thấm hai giai đoạn với T0,τ độ phân hủy β Bảng 3.9 Độ cứng tế vi (HV) mẫu thí nghiệm phốt phát thấm nitơ hai giai đoạn (5h-3h) Bảng 3.10 Độ cứng tế vi (HV) mẫu thí nghiệm phốt phát hoá thấm nitơ hai giai đoạn (6h-2h) 20 Bảng 3.11 Thành phần hóa học điểm quét theo khoảng cách tính từ bề mặt 21 Bảng 3.12 Thành phần hóa học điểm quét theo khoảng cách tính từ bề mặt 22 Bảng 3.13 Lượng kim loại bị mài mòn 18 19 iv Độ cứng tế vi từ bề mặt lớp thấm vào đưa bảng 3.10 Bảng 3.10 Độ cứng tế vi (HV) mẫu thí nghiệm phốt phát hoá thấm nitơ hai giai đoạn (6h-2h) Khoảng 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Nền cách từ bề mặt Độ cứng (HV) (μm) M7 1075 1073 1034 902 825 791 773 721 689 640 642 628 546 M8 1062 1148 1072 942 858 772 707 735 731 702 664 649 549 M9 1112 1226 1251 1101 908 825 786 769 739 719 680 651 574 Từ bảng giá trị độ cứng ta có đồ thị thể phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm thấm với thời gian phốt phát hóa khác hình 3.13 Hình 3.13 Sự phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm lớp phốt phát hoá thấm giai đoạn (6h-2h) Nhận xét: - Các mẫu có độ cứng bề mặt lớn 1100HV, mẫu có phốt phát hóa có độ cứng cao chút - Mẫu khơng qua phốt phát hố (M7) có chiều sâu lớp thấm nhỏ (110 μm) Vùng có độ cứng cao giảm nhanh 40 μm từ bề mặt 65 - Trong mẫu qua phốt phát hóa có lớp thấm có chiều sâu dày (mẫu M8 có lớp thấm dày khoảng 130 -140 μm, lớp thấm mẫu M9 dày khoảng 140 -150 μm) Như giống trường hợp thấm nitơ giai đoạn (5h-3h) nhận thấy vai trị lớp phốt phát hóa việc tăng tốc q trình thấm, đồng thời khơng làm giảm độ cứng - Quan sát hình ảnh tổ chức tế vi lớp thấm nhận mẫu M7, M8 M9 có xuất lớp trắng bề mặt Do thấy rằng, để khơng xuất lớp trắng cứng giịn, thấm nitơ hai giai đoạn theo chế độ (5h-3h) tốt chế độ thấm nitơ giai đoạn (6h – 2h) Tuy nhiên thấm theo chế độ (6h – 2h) lại cho chiều dày lớn Do vậy, để áp dụng chế độ vào thực tế, cần có thí nghiệm lặp lại nhiều lần 3.3 Phân tích thành phần hóa học lớp thấm từ bề mặt vào phổ EDS Để biết rõ pha xuất hiên lớp thấm khí có mặt lớp trung gian ơxy hóa hay phốt phát hóa, phổ EDS với chế độ quét theo đường (linescan) cho biết thành phần hóa học điểm quét Phổ ghi máy EDS, quan sát điểm quét hiển vi điện tử quét (SEM) trung tâm đánh giá hư hỏng COMFA Viện Vật liệu, viện Khoa học Công nghệ Việt nam Các mẫu ghi phổ EDS mẫu qua xy hóa thấm nitơ 4800C mẫu qua phốt phát hóa thấm nitơ hai giai đoạn 3.3.1 Mẫu ơxy hóa sau thấm nitơ Mẫu đem quét phổ EDS mẫu ôxy hóa sau thấm nitơ 4800C Kết nhận hình 3.14 66 32 C N Mass% O V Cr Mo LG1 0.00 Distance 0.17 mm N V 100 µm Mass% Mo 100 µm LG1 0.00 Distance 0.17 mm Hình 3.14 Ảnh tổ chức tế vi vị trí điểm quét linescan từ bề mặt vào lõi thành phần nguyên tố điểm qt trí sát bề mặt 67 Kết thành phần hóa học điểm quét (10 điểm) đưa bảng 3.11 Bảng 3.11 Thành phần hóa học điểm quét theo khoảng cách tính từ bề mặt %Nguyên tố Khoảng cách từ bề mặt LG10000;0.000mm C N 8.29 O Na Al Si K Ca V Cr Fe Mo Tổng cộng (%) 39.86 0.56 9.25 1.26 0.46 1.71 38.16 0.45 100.00 4.89 0.44 0.59 0.11 5.99 87.61 4.26 0.21 9,29 86.04 0.02 100.00 LG10003;0.058mm 0.24 15.24 0.28 22.28 61.96 100.00 LG10004;0.077mm 1.47 24.06 2.46 0.26 0.37 0.23 29.09 42.06 100.00 LG10005;0.096mm 2.48 14.00 0.31 18.84 64.34 0.02 100.00 1.01 2.82 0.47 11.06 83.95 0.70 100.00 LG10007;0.134mm 0.50 0.91 2.4 0.55 12.46 82.06 1.13 100.00 0.38 0.27 19.70 73.54 1.31 100.00 LG10001;0.019mm 0.36 LG10002;0.038mm LG10006;0.115mm 0.17 LG10008;0.153mm 4.80 LG10009;0.173mm 1.93 0.81 0.41 9.78 86.46 0.61 100.00 Nhận xét: - Căn vào kết vi phân tích phổ EDS nhận thấy hàm lượng ôxy điểm sát bề mặt cao K có lớp ơxyt xốp mỏng bề mặt (cỡ 4-5μm) với hàm lượng oxy cao (39,86 %) đến vị trí cách bề mặt cỡ 135μm cịn ơxy (đến 2,4%) Điều chứng tỏ khả khuếch tán ôxy vào thép cao, kết hợp với kết đo độ cứng tế vi từ bề mặt đến 70μm độ cứng có giá trị thấp (34-48HRC), kết hợp với lượng nguyên tố khác xuất điểm này, khẳng định lớp chủ yếu ôxyt Fe, Cr, có xyt Al Si Do kết luận rằng, phương pháp ơxy hóa trước thấm nitơ khơng thích hợp với khn dập nguội, với độ cứng thấp lớp bề mặt, khơng đáp ứng u cầu chống mài mịn tương đối khắc nghiệt khuôn dập vuốt hay dập sâu Phương pháp thích hợp với chi tiết chịu mài mòn mức độ thấp 68 100.00 3.3.2 Mẫu phốt phát hóa sau thấm nitơ Mẫu phốt phát hóa 60 phút thấm nitơ 5300C, sau đem qt phổ EDS Vị trí điểm qt tính từ bề mặt hình 3.15 (các điểm cách 16 µm) Thành phần hóa học 15 điểm quét đưa bảng 3.12 Bảng 3.12 Thành phần hóa học điểm quét theo khoảng cách tính từ bề mặt phốt phát hố 60phút +thấm N Tổng %Nguyên tố Khoảng cách từ bề mặt C N O Al Si P Ca V Cr Mn Fe Mo cộng (%) LG10000;0.000mm 3.98 29.63 0.88 1.05 18.04 0.31 0.08 LG10001;0.016mm 2.18 3.13 0.25 0.72 0.15 LG10002;0.032mm 1.24 4.71 0.26 0.77 LG10003;0.048mm 0.10 4.13 LG10004;0.064mm 1.85 LG10005;0.079mm 15.41 76.32 1.06 100.00 0.14 15,97 0.27 74.54 0.97 100.00 0.26 0.71 0.27 13,70 78,74 1,15 100.00 3.59 0.38 0.58 0.20 15,14 76,35 1,18 100.00 0.74 2.70 0.32 0.46 0.24 15,50 77,59 1,28 100.00 LG10006;0.095mm 1.21 2.28 0.31 0.57 0.15 13,84 77,75 0,95 100.00 LG10007;0.111mm 0.65 2.89 0.44 0.35 0.18 14,02 79,59 1,20 100.00 LG10008;0.127mm 0.06 1.73 0.41 0.20 0.31 0,14 11,45 84,25 0,92 100.00 LG10009;0.143mm 2.25 23.13 0.23 0.40 0.14 6,97 66,09 0,80 100.00 LG10010;0.159mm 0.78 0.36 0.32 0.04 9,86 87,60 1,04 100.00 LG10011;0.175mm 0.73 0.29 0.47 0,21 11,75 85,59 0,97 100.00 LG10012;0.191mm 4.42 0.29 0.18 1,37 48,81 41,68 1,79 100.00 LG10013;0.207mm 1.25 0.42 0.34 9,49 88,03 0,47 100.00 LG10014;0.223mm 0.61 0.33 0.74 0.42 0.02 0.14 69 0.22 33.74 11.02 0.55 100.00 0.17 0,19 10,99 1,43 85,75 0,82 100.00 N P LG1 0.00 Distance 0.21 mm C 90 0.1 mm Mass% V Mo N O P V Cr Mn Fe 0.1 mm LG1 Mass% Mo 0.00 Distance 0.21 mm Hình 3.15 Ảnh tổ chức tế vi vị trí điểm quét linescan từ bề mặt vào lõi thành phần nguyên tố điểm qt trí sát bề mặt 70 Nhận xét: Từ kết vi phân tích thành phần hóa học phổ EDS mẫu thấm nitơ sau phốt phát hóa nhận thấy rằng: - Tại vị trí đầu tiên, quan sát thấy lớp mỏng vài μm (5-6μm) có độ xốp cao, có hàm lượng phốt cao (18,04%), hàm lượng mangan cao (33,74%), đồng thời hàm lượng xy cao Đây chiều dày lớp phốt phát hóa, theo lý thuyết phốt phát hóa (chương 1), lớp bao gồm nguyên tố có mặt dung dịch phốt phát hóa, có xýt Lớp phốt phát có độ cứng thấp, mỏng xốp nơi chứa nitơ nguyên tử, giảm bớt khả tái kết hợp chúng chúng bên ngồi bề mặt thép thơng thường Do vậy, lượng nitơ nguyên tử bề mặt thép tăng lên, thấm nitơ tăng tăng khả khuếch tán nitơ vào bề mặt thép Ngoài ta, có mặt nguyên tố khác lớp phốt phát tham gia vào lớp thấm mà độ cứng lớp thấm cao, chứng tỏ có tạo thành pha có độ cứng cao - Các kết linescane cho thấy, hàm lượng phốt nitơ giảm dần từ bề mặt vào vào sâu đến 130-150 μm nitơ khơng cịn chiều dày lớp thấm đạt Như vậy, q trình phốt phát hố có tác dụng làm cho chiều dày lớp thấm nitơ cao rõ rệt, so với mẫu thấm chế độ khơng phốt phát hóa, chiều dày lớp thấm cao khoảng 20 μm Điều cần kiểm nghiệm thêm đồng thời sở cho phép thí nghiêm tiếp theo, giảm bớt thời gian thấm mà chiều dày độ cứng đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đề 3.4 Phân tích nhiễu xạ X-ray Phân tích EDS cho biết thành phần hóa học điểm, sở dự báo pha xuất Để chắn dự báo đó, nghiên cứu thêm phương pháp nhiễu xạ Rơn ghen để xem pha xuất bề mặt pha Nhiễu xạ tia X tiến hành với mẫu phốt phát hóa 60 phút, thấm Nitơ 71 giai đoạn (6h-2h) 530oC, theo ảnh tổ chức hình 3.12c lớp thấm gồm lớp trắng cùng, vùng nitơrit, vùng khuếch tán Lớp thấm có chiều dày khoảng 130μm, chụp nhiễu xạ tia X kĩ thuật thông thường không nhận thông tin vùng thấm, tia X có khả đâm xuyên qua lớp thấm phản ảnh vùng lớp bề mặt mà ta quan sát Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ góc nhỏ, cho phép xác định thành phần pha lớp thấm dày khoảng 50μm bề mặt Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu thể hình 3.16 72 Luận văn thạc sĩ Hình 3.16 Phổ phân tích thành phần pha với mẫu thấm phơt phát hóa+ thấm nitơ 8h (chế độ 6-2) HVTH: Lưu Văn Ban 73 GVHD: PGS.TS Phùng Thị Tố Hằng Luận văn thạc sĩ Căn vào pick xuất giản đồ pha, pha có xuất ba góc 2θ (tương ứng với pick) có bề mặt mẫu thấm thống kể bảng 3.13 Bảng 3.13 Kết phân tích thành phần pha mẫu thấm nitơ Mẫu thấm (6-2) Góc 2θ (o) Pha Fe0,8Mo1,2N2 32.4 36 49.2 C3N4 30 35.4 62.4 Fe2N 41 43.2 57.3 Fe3N 41 43.2 72 Fe4N 41 47.8 72 CrN 43.2 Cr2N 41 43.2 57.3 Fe3C 41 43.2 57.3 V2 C 35.4 53.9 62.4 Fe-δ 43.2 62.4 Từ hình 3.16, đồng thời từ bảng 3.13 ta nhận thấy: - Trong mẫu khơng thấy xuất pha có chứa P Điều giải thích chiều dày lớp phốt phát tạo thép SKD11 mỏng nhiễu xạ X-ray không phát - Trong lớp thấm xuất pha nitrit sắt Fe3N, Fe2N Fe4N - Trong lớp thấm có xuất pha nitơrit crơm Cr2N: thép SKD11 có hàm lượng crơm lớn lên tới 12%, nhiệt luyện nung nóng giữ nhiệt nhiệt độ cao để hòa tan hết cacbit crom, thấm tạo thành nitơirit crơm - Trong mẫu có cacbit Vanadi khơng có nitrít Vanadi Vanadi có khả tạo nitrit với nitơ, chứng tỏ tơi mẫu chưa hịa tan cacbit Vanadi HVTH: Lưu Văn Ban 74 GVHD: PGS.TS Phùng Thị Tố Hằng Luận văn thạc sĩ - Ngoài kết cịn cho thấy có xuất cácbit hợp kim nitơrit hợp kim phức sắt-molipden 3.5 Kết thử mài mòn Để xác định ảnh hưởng lớp trung gian phốt phát hóa tới khả chịu mài mòn lớp thấm Nitơ thép SKD11, ta thực phép thử mài mòn với mẫu: - Mẫu 1: mẫu thép SKD11 sau nhiệt luyện, không thấm Nitơ - Mẫu 2: mẫu thép SKD11 thấm Nitơ sau nhiệt luyện, khơng có xử lý phốt phát hóa - Mẫu 3: mẫu thép SKD11 có xử lý phốt phát hóa 60 phút trước thấm Nitơ Mẫu thấm Nitơ hai giai đoạn (6h-2h) nhiệt độ 530oC với độ phân hủy 40-45% 70-80% Thử mài mòn theo chế độ nêu chương Kết thử mài mòn thể bảng 3.14 Bảng 3.14 Lượng kim loại bị mài mòn Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 12N 260 mg 230 mg 174 mg 20N 345 mg 320 mg 220 mg Tải trọng Nhận xét: So sánh mẫu, ta nhận thấy mẫu không thấm N bị mài mòn mạnh nhất, mẫu thấm N có xử lý phốt phát hóa bị mài mịn Như khả chịu mài mịn mẫu thấm N có xử lý phốt phát hóa tăng lên nhiều so với mẫu nhiệt luyện thông thường mẫu thấm Nitơ Điều hứa hẹn khả làm việc điều kiện chống mài mòn mẫu qua phốt phát HVTH: Lưu Văn Ban 75 GVHD: PGS.TS Phùng Thị Tố Hằng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết đạt được, đưa số kết luận ảnh hưởng lớp trung gian ơxy hóa, phốt phát hóa tới tổ chức tính chất lớp thấm nitơ thép SKD11 làm khuôn dập nguội sau: - Với mẫu thấm nitơ có qua oxy hóa: o Khi so sánh với mẫu thấm nitơ chế độ chiều sâu lớp thấm tương đương, thời gian thấm mẫu xử lý ơxy hóa ngắn đáng kể Như lớp ôxit trung gian có vai trị hoạt hóa q trình thấm o Lớp ôxýt dày khoảng 100µm bề mặt với độ cứng thấp với thành phần ơxít crơm sắt Tiếp lớp thấm nitơ có độ cứng tối đa xấp xỉ 1000HV Tổ chức tế vi phân bố độ cứng mẫu không thỏa mãn điều kiện làm việc khắc nghiệt khuôn dập nguội - Với mẫu thấm nitơ có xử lý phốt phát hóa, o Lớp phốt phát độc lập khơng làm tăng độ cứng thép SKD11 sau ram o Kết phân tích tổ chức sau thấm cho thấy có lớp phốt phát mỏng ngồi bề mặt khơng làm ảnh hưởng tới độ cứng Có xuất hợp chất phốt phát, xong lớp mỏng (không thể phát nhiễu xạ X-ray), lớp thấm, có mặt hợp chất nitrit, cacbit hợp kim thường gặp Đặc biệt, thấm theo chế độ hai giai đoạn 5h bão hòa-3h khuếch tán với độ phân hủy tương ứng 40-45% 70-80%, tổ chức thu khơng có lớp trắng o Lớp thấm nitơ mẫu phốt phát hóa có phân bố độ cứng tốt so với mẫu khơng phốt phát hóa, chiều sâu lớp thấm dày hơn, khả chịu mài mòn mẫu tăng lên đáng kể Với mẫu có thời gian tiền xử lý phốt phát hóa dài ảnh hưởng tới chiều dày có xu 76 hướng tăng lên Như lớp phốt phát hóa trung gian có tác dụng hoạt hóa q trình thấm nitơ, tổ chức tính chất thép SKD11 sau thấm phù hợp để làm khuôn dập nguội Kiến nghị: Đề tài thực nội dung đề ra, nhiên để áp dụng vào thực tế, cần phải tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện thêm thử nghiệm thông số công nghệ chế độ tiền xử lý, thời gian độ phân hủy thấm nitơ, hệ số ma sát khô, ma sát ướt,… 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ASM Metal handbooks; Volume Heat treating; [2] Arabczk W., Zamlynny J., Moszynski D and Baranowska J., “Kinetics of Nitriding Nanocrystalline Iron”, Technical University of Szczecin, Institute of Chemical and Environmental Engineering, ul Pulaskiego 10, 70-322 Szczecin, Poland [3] Balboni P (1987), Tratt.Finit 27(9) 37 [4] Cavanagh W.R and Ruble J.H (1966), Materials Report, Penton Publ Co., Ohio [5] Cheever G.D (1970), SAE Technical paper No.700460 [6] Grabke H J (1968), “Reaktionen von NH3, N2, H2 an der Oberfläche von Fe, I Zur Kinetik der Nitrierung von Eisen mit NH3/H2-Gemischen und der Denitrierung II Zur Kinetik der Nitrierung von Fe mit N2 und der Desorption von N2”, Berichte Bunsenges Phys Chemie 72 Nr 4, pp 533-548 [7] Kargol J.A and Jordan D.L (1982), Corros 201 [8] Laukonis J.V (1968), Interface Conversion for Polymer Coatings, ed by Weiss P and Cheever G.D (American Elsevier Publishing Company Inc., New York, 1968) p.182 [9] Machu W (1950), “Die Phosphatierung”, Verlag-Chemie, Weinnharin, [10] Neuhaus A., Jumpertz E and Gebhardt M (1693), Korros [11] Takao K., Yasuda A., Kobayashi S., Ichida T and Irie T (1985), Trans Iron Steel Inst Japan 72(10) 258 [12] Takao K., Yasuda A., Kobayashi S., Ichida T and Irie T (1986), J Iron Steel Inst Japan 72, 1582 [13] Tuttle J.N Jr and Jaboin O.P (1987) , U.S Patent 4,673,445 [14] Ursini O (1988), Metallurgia Italiana 80(10) 765 [15] Ursini O (1988), Proceedings of the XXII international Metallurgy Congress (Associazione Italiana di Metallurgia, Bologna, Italy) p 1227 78 [16] Usuki N., Sakota A., Wakano S and Nishihara M (1991), J Iron Steel Inst Japan 77(3) 398 [17] Zinchenko V.M., Siropjatov V Ya., Prusakov B A., Perekatov Yu A (2003), “Nitrogen Potential”, International Federation for heat treatment and surface engineering Russian Metallurgical Association, 3rd Lakhtin Memorial Lecture, Warsaw, Poland 79 ... hóa, phốt phát hóa việc làm giảm thời gian thấm nitơ thép SKD11 dùng làm khuôn dập nguội Để nghiên cứu cấu trúc lớp thấm nitơ ảnh hưởng lớp trung gian phốt phát hóa oxy hóa đến tổ chức tính chất. .. ơxi hóa, phốt phát hóa đến chất lượng lớp thấm ni tơ chưa nghiên cứu cụ thể cần phải làm rõ Đề tài nghiên cứu ? ?Ảnh hưởng lớp trung gian phốt phát hóa, ơxi hóa đến tổ chức tính chất lớp thấm Nitơ. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lưu Văn Ban ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP TRUNG GIAN PHỐT PHÁT HĨA, ƠXI HĨA ĐẾN TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA LỚP THẤM NITƠ TRÊN THÉP SKD11 LÀM KHUÔN DẬP