Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số truyền chất đến cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí trên thép hợp kim

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THẤM NITƠ 1.1 Tình hình cơng nghệ thấm nitơ giới Quy trình thấm nitơ phát triển lần năm 1900, liên tục đóng vai trị quan trọng nhiều ngành cơng nghiệp ứng dụng Thấm nitơ thường sử dụng để chế tạo cấu chi tiết máy hệ thống phát điện turbine Trong năm đầu kỷ 20 Adoloph Machlet làm việc cho công ty khí Mỹ Elizabeth,NJ Anh cơng nhận nhà công nghệ xử lý độ cứng bề mặt Qua thời gian thử nghiệm Machlet khám phá Nitơ hòa tan sắt Nitơ khuếch tán tạo độ cứng bề mặt tương đối cao loại thép thường thép hợp kim thấp đặc biệt cải thiện khả chống ăn mịn Ở Châu Âu Adolph Fly có chương trình nghiên cứu tương tự diễn Krupp Essen năm 1906 Giống Machlet, Fly thừa nhận Nitơ hòa tan sắt nhiệt độ cao Chương trình nghiên cứu ơng kết đem lại hiệu suất cao Sáng chế Fly ứng dụng năm 1921 Ơng sử dụng cơng nghệ tương tự Machlet, Fly sử dụng khí NH3, ơng khơng sử dụng H2…Như có thay đổi quy trình thấm nitơ trạng thái khí đơn giản Fly nghiên cứu sâu vào tác động yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt Phát minh ông quy trình thấm nitơ để đạt độ cứng bề mặt cao thép chứa thành phần như: Cr, Mo, Al, V W Ngồi ơng cịn nhận nhiệt độ đóng vai trị quan trọng, định phần lớn đến chiều sâu lớp thấm thép Ở Mỹ, sau tham luận Fly hội thảo hội nhà thiết kế chế tạo (SME) năm 1927, nhà luyện kim Mỹ bắt đầu tìm hiểu tham số trình thấm nitơ hiệu ứng hợp kim trình thấm nitơ loại thép Ở Đức, công nghệ thấm Nitơ - plasma bắt đầu nhà vật lý học người Đức, Dr Wehnheldt năm 1932 Sau Wehnheldt nhà vật lý học người Thụy sĩ nhà buôn người Đức nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ ion sau thành lập cơng ty Klocker Ionen GmbH chế tạo thiết bị thấm Nitơ ion Đến năm 1970, công nghệ thấm Nitơ plasma ứng dụng rộng rãi công nghiệp, đặc biệt Châu Âu Những ưu điểm dần chứng minh thực tế 1.2 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ thấm nitơ Việt Nam Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế xã hội, việc nâng cao hiệu chất lượng chi tiết khí nhiệm vụ quan trọng Chất lượng tuổi thọ máy móc, thiết bị phụ thuộc lớn vào chất lượng chi tiết khí Việc áp dụng cơng nghệ thấm nitơ góp phần đáng kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm lĩnh vực khí nói riêng ngành cơng nghiệp nói chung Với việc đưa phương pháp thấm nitơ vào sản xuất góp phần làm tăng chất lượng tuổi thọ chi tiết, phục vụ hiệu cho ngành công nghiệp Hiện Việt Nam việc nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ phịng thí nghiệm trường Đại học viện nghiên cứu phịng thí nghiệm viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu – trường đại học Bách khoa Hà nội, viện nghiên cứu Cơ – Bộ cơng nghiệp, viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ cơng thương, Đặc biệt Viện nghiên cứu quân đội quan tâm đặc biệt Sản phẩm quốc phịng loại sản phẩm đặc biệt, khơng có sản phẩm loại 2, số chi tiết phải làm việc điều kiện khắc nghiệt nhất, chịu va đập chịu mài mịn cao Các loại dụng cụ, khn cối chi tiết quốc phịng ngồi việc phải đảm bảo độ xác cịn phải có tuổi thọ cao, nghĩa phải có độ bền, độ cứng tính chống mài mịn vượt trội hẳn sản phẩm thơng dụng, để đảm bảo gia cơng xác tăng suất lao động 1.3 Ứng dụng công nghệ thấm Nitơ Thấm nitơ có mục đích tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mịn, đồng thời tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể bề mặt vật liệu làm tăng mạnh giới hạn mỏi chi tiết Các bánh loại máy xây dựng, máy cơng nghiệp địi hỏi có độ bền mỏi cao, độ biến dạng nhỏ, cần phải mài sau nhiệt luyện đế đạt kích thước xác trước thấm nitơ Thấm nitơ áp dụng cho chi tiết động đốt trong: trục khuỷu, trục cam, pittơng, dẫn, bánh răng,… Địi hỏi tăng tính chất chống mài mịn, độ bền mỏi cao Ngồi cịn áp dụng cho loại khuôn ép, khuôn đúc kim loại, hợp kim làm việc điều kiện ăn mịn, mài mịn, cho dụng cụ cắt cần có độ cứng cao, khả chống mài mịn tốt Ngồi nhiều chi tiết quân thấm nitơ tùy theo mục đích sử dụng 1.3.1 Thấm nitơ nhằm đạt độ cứng cao, chống mài mòn tốt [4] Các chi tiết thấm nitơ loại thường chế tạo thép có chứa Cr, Mo, Al, thường dùng thép 38CrMoAlA Chế độ thấm nitơ áp dụng nhiệt độ thấp từ (500 520) oC, thời gian thấm thường cần dài (24  90) h, chiều sâu lớp thấm (0,3  0,6) mm Chi tiết trước thấm nitơ thường gia công chế tạo xác, qua nhiệt luyện hố tốt (tơi + ram cao) Sau thấm nitơ xong bề mặt chi tiết có màu xám ghi với bề mặt phủ lớp mỏng pha  độ cứng không cao, đặc biệt có lẫn pha vàlàm cho tính chịu mỏi va đập lớp thấm không tốt ảnh hưởng nhiều đến tuổi thọ chi tiết, sau thấm nitơ cần tiến hành mài tinh bề mặt để sửa cho lớp thấm đặn đặc biệt hớt lớp pha  có độ cứng khơng cao Hình 1.1 Ảnh tổ chức lưới trong pha  lớp thấm nitơ Đối với chi tiết yêu cầu độ cứng bề mặt thấp chút, bị biến dạng nhỏ khơng ảnh hưởng nâng cao nhiệt độ thấm nitơ lên (550 600) o C để rút ngắn thời gian thấm Để rút ngắn thời gian thấm nitơ, sản xuất công nghiệp áp dụng phương pháp thấm nitơ phân cấp: đầu thấm nitơ (500  520) o C sau nâng lên (600  620) oC, thời gian thấm nitơ rút ngắn khoảng nửa mà độ cứng bề mặt không bị ảnh hưởng Để đảm bảo tính tổng hợp cao, trước thấm thép phải nhiệt luyện hố tốt để có tổ chức xoocbit ram cách dầu, ram 620 650 0C Ví dụ với thép 38CrMoAlA tính đạt b =1000MPa; 0,2 = 850MPa;  = 50%; aK= 90Kj/mm2 Sau đem thấm nitơ (520 550) 0\o C độ cứng bề mặt: (1000 1100) HV Trường hợp cần lớp thấm có lớp trắng thường áp dụng thấm nitơ hai cấp giai đoạn đầu thấm nhiết độ (495-525) oC (ứng với độ phân hủy NH3 15 30%); sau đưa nhiệt độ lên (550  565) °C (ứng với độ phân hủy NH3 65 80%) Không cần ram sau thấm nitơ lớp thấm mỏng, nung đến nhiệt độ cao gây phá huỷ lớp thấm 1.3.2 Thấm nitơ nâng cao khả chống ăn mòn [4] Nếu lớp bề mặt sau thấm nitơ phủ kín lớp pha , có độ cứng khơng cao khả chống ăn mòn tốt khí quyển, nước mơi trường ăn mịn khơng mạnh Để đạt mục đích người ta tiến hành thấm nitơ nhiệt độ cao (600  700) oC, độ phân li amôniăc (30  70) % thời gian thấm tương đối ngắn từ 10 phút đến 10 h tuỳ theo yêu cầu Thấm nitơ nhiệt độ cao có lớp pha  bề mặt phát triển, thời gian thấm ngắn, bề mặt chi tiết màu sáng bạc đẹp, thay lớp mạ niken, gọi thấm nitơ trang sức Sau thấm bề mặt chi tiết tạo thành lớp mỏng pha  (0,01 - 0,1) mm có tính chống rỉ cao Thấm nitơ nâng cao khả chống ăn mịn áp dụng cho loại thép, song thực tế chủ yếu áp dụng thép cacbon Ngoài hai dạng thấm nitơ với mục đích tăng độ cứng chống ăn mịn ứng dụng rộng rãi công nghiệp Ngày người ta nghiên cứu mở rộng phạm vi áp dụng khác thấm nitơ, là: Thấm nitơ cho chi tiết máy để nâng cao độ bền mỏi Quy trình thấm theo chế độ thấm nitơ nhiệt độ thấp thép 38CrMoAlA trình bày Trong trường hợp độ cứng bề mặt lớp thấm không cao lớp thấm bão hoà nguyên tử nitơ làm tăng thể tích tạo nên nội ứng suất nén lớp bề mặt chi tiết, giá trị ứng suất khoảng (0 đến 80) kG/mm2 nên làm tăng tính chống mỏi chi tiết Khả chống mỏi cao đạt sau thấm nhiệt độ (500 đến 520) oC Lớp ứng suất nén bề mặt chi tiết làm cho nhạy cảm với tượng tập trung ứng suất bề mặt gây nên khuyết tật bề mặt, rãnh hay vết xước v.v., độ bền mỏi chi tiết nâng cao Thấm nitơ áp dụng với hợp kim titan với tác dụng nâng cao khả chống mài mòn giảm hệ số ma sát bề mặt chi tiết làm việc điều kiện có ma sát 1.3.3 Thép dùng để thấm nitơ Nói chung thấm Nitơ làm tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mịn tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể bề mặt làm tăng mạnh giới hạn mỏi chi tiết Thép có lượng nhơm thấp khơng có molipđen: 38XB, 38X2H2BA, 30X2H2BA, 30X3B2 Thép kết cấu cacbon hợp kim thấp Thép kết cấu 30XH3, 37XH3A, 18X2H4BA, 38XHMA, 40X2M,…với mục đích nâng cao giới hạn mỏi Thép dụng cụ khuôn dập X12M, X121, X12, 5XM, 5XHM, 3XB8, 4X2C, 4XBC,4X8B2 với mục đích nâng cao độ cứng tính chống mài mịn Thép khơng gỉ thép bền nóng 1X18H9T, 1X13, 4X14H14B2M,… với mục đích nâng cao độ cứng tính chống mài mịn (khi tính chống ăn mịn giảm xuống tính chống tạo màng ôxit giảm) Đặc biệt đề tài nghiên cứu thấm nitơ hai loại thép hóa tốt 30XH2MΦA 38XH3MΦA hai loại thép dùng nhiều cơng nghiệp quốc phịng 1.4 Một số phương pháp thấm nitơ [2] 1.4.1 Thấm nitơ thể lỏng Một dạng công nghệ thấm nitơ phổ biến công nghiệp trước ngày dùng thấm nitơ muối nóng chảy Cơng nghệ thấm nitơ muối nóng chảy quy mơ cơng nghiệp Degussa đề xướng có tên Tenifer (CHLB Đức) Ở Pháp HEF đề xướng công nghệ tương tự có tên Sursulf Q trình thấm nitơ thực nhờ phân hủy muối xianat thành cacbonat nóng chảy theo phản ứng sau: Cơng nghệ Tenifer KCN + ½ O2  KCNO 2KCNO + ½ O2  + + K2CO3 Công nghệ Sursulf NH2 – CO – NH2 + Na2CO3  NaCNO +2 NH3 + CO2 + H2O NaCNO  Na2CO3 + CO + + NaCN Trong công nghệ Tenifer người ta dùng 40 % muối xyanua (NaCN KCN) Trong công nghệ Sursulf người ta dùng (2 đến 3) % muối xyanua, muối xyanua, cacbonat người ta cho thêm lượng nhỏ K2S nhằm ổn định tăng hoạt tính bể muối, chủ yếu tác dụng S Do thấm nitơ muối nóng chảy độc người ta ngày theo hướng giảm tỷ lệ xyanua (công nghệ Sursulf) Việc cho thêm chất C, N, O, S công nghệ sursulf đẩy nhanh tốc độ thấm (10 đến 15) /h, làm tăng lợi thấm nitơ muối nóng chảy, song khơng mà đẩy mạnh phát triển công nghệ 1.4.2 Thấm nitơ ion hóa Nguyên tắc: Dưới tác dụng từ trường nitơ bị ion hóa theo phản ứng: N2 = N + + 2e Catốt Anốt Hình 1.2: Nguyên lý thấm nitơ ion hóa Áp suất việc từ (10-2 đến 10) mbar hiệu điện cực âm cực dương (300 đến 1000) V xuất hiện tượng phóng điện Các khí xuất từ trường bị ion hóa Khi bị ion hóa cation chuyển catốt, electron, anion chuyển anốt tiếp tục gây ion hóa va chạm với càc phân tử N2 Các ion có lượng xác định, đập vào catốt sinh lượng nhiệt làm nung nóng catốt Năng lượng phụ thuộc vào vận tốc cation khí mật độ chúng phụ thuộc vào cường độ điện trường, vào áp suất khí Hơn catốt chi tiết cần thấm nitơ cation nitơ đập lên bề mặt chi tiết thực q trình thấm nitơ Q trình ion hóa khí nitơ xẩy vùng giáp bề mặt chi tiết (chỉ vài mm) khoảng cách catốt anốt khơng có vai trị quan trọng, nitơ thấm lên bề mặt Trong trình thấm nitơ ion hóa phải thiết lập cân nhiệt giữu nhiệt lượng cung cấp (năng lượng va đập ion với với bề mặt chi tiết) lượng nhiệt tản môi trường 1.4.3 Thấm nitơ thể khí Đây cơng nghệ thấm dùng nhiều nhất, công nghệ thấm nghiên cứu đề tài Để thấm nitơ phải có chất khí cung cấp nitơ nguyên tử Khí nitơ tồn dạng phân tử (N2) ổn định khơng thể dùng để thấm nitơ Một chất khí cung cấp nitơ ngun tử NH3 Trong khoảng nhiệt độ thấm từ (450 đến 650) oC, NH3 phân hủy nhiệt theo phản ứng với chất xúc tác bề mặt thép: NH3 = + H2 Hình 1.3: Sự hình thành lớp thấm nitơ Nitơ nguyên tử hình thành bề mặt thép khuếch tán vào thép tạo nên lớp thấm nitơ, cịn ngun tử khơng khuếch tán vào thép nhanh chóng liên kết lại với tạo thành N2 Có hai nhóm cơng nghệ thấm hay dùng là: * Thấm nitơ nhiệt độ thấp (480 đến 550) oC thời gian thấm dài (ở nhiệt độ thấp khuếch tán xảy chậm) Tùy theo thời gian thấm, chiều dày lớp thấm đạt tới 0,4 mm * Thấm nitơ nhiệt độ cao (560 đến 650) oC thời gian thấm phải ngắn (để hạt nitrit không bị thô to lên không làm hỏng tổ chức thép sau + ram) tạo lớp thấm mỏng, chiều dày lớp thấm thường không 0,2 mm CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ THỂ KHÍ 2.1 Lý thuyết chung thấm Nitơ Thấm nitơ trình làm bão hoà nitơ vào bề mặt chi tiết thép nhằm đạt mục đích sau: - Làm tăng độ cứng, tính chống mài mịn - Tăng độ bền mỏi, - Tăng khả chống ăn mịn mơi trường khơng khí, hơi, nước - Trang trí mỹ thuật cho sản phẩm 2.1.1 Những trình xẩy thấm nitơ thể khí [3] Q trình phân huỷ: q trình phân hủy khí NH3 (2NH3  3H2 + 2Nht) tạo nitơ nguyên tử hoạt tính Các nitơ ngun tử hoạt tính có khả hấp thụ vào bề mặt kim loại Quá trình hấp thụ: Các nitơ nguyên tử hoạt tính hấp thụ vào bề mặt chi tiết Kết hấp thụ tạo nên bề mặt thép có nồng độ nitơ cao, tạo nên chênh lệch nồng độ bề mặt lõi Q trình khuếch tán: Do có chênh lệch nồng độ bề mặt lõi, nitơ nguyên tử khuếch tán vào kim loại tạo thành lớp thấm dung dịch rắn, pha trung gian, hợp chất hóa học Các trình phân huỷ, hấp thụ, khuếch tán có liên quan mật thiết với có ảnh hưởng đến trình thấm Quá trình chậm định tốc độ thấm Nếu trình phân hủy xẩy nhanh hơn, nitơ ngun tử hình thành q nhiều, khơng kịp hấp thụ khuếch tán vào kim loại, kết hợp lại tạo thành nitơ phân tử hết hoạt tính Ngược lại nitơ ngun tử hình thành q khơng đủ để hấp thụ vào bề mặt kim loại dẫn đến tốc độ thấm chậm Tương quan hấp thụ khuếch tán có ảnh hưởng lớn đến việc tạo lớp khuếch tán Khi hấp thụ xẩy nhanh khuếch tán, nitơ nguyên tử hấp thụ vào bề mặt kim loại không kịp khuếch tán vào bên trong, nồng độ nitơ bề mặt 10 HV 1000 900 30XH2MOA_40% 800 30XH2MOA_50% 700 30XH2MOA_60% 38XH3MOA_40% 600 38XH3MOA_50% 500 38XH3MOA_60% 400 300 µm 200 50 100 150 200 250 300 350 400 Hình 4.19: Đường cong phân bố độ cứng mẫu thấm nitơ nhiệt độ 550 o C với độ phân hủy NH3 40%, 50%, 60% Kết luận: Từ kết thu ta thấy rằng: Khi thấm N với thời gian thấm giờ, áp suất 1,2 bar nhiệt độ thấm 550oC độ phân hủy tăng hệ số truyền nitơ βN tăng độ cứng bề mặt giảm, chiều sâu lớp thấm tăng hai mác thép Thép 30XH2MA có hệ số truyền nitơ βN cao chiều sâu lớp thấm lớn so với thép 38XH3MA, độ cứng bề mặt thấp 4.2.3 Kết phân tích thành phần pha phương pháp nhiễu xạ rơnghen Phương pháp phân tích nhiễu xạ rơnghen để xác định thành phần pha lớp thấn N tiến hành phịng thí nghiệm X-ray trường Đại học Khoa học Tự nhiên máy SIEMENS D5005 Các thông số phân tích: nhiệt độ phịng 25 oC Bước thời gian: 0,6 s Bước góc: 0,03 o Góc quét: 10 o đến 70 o Kết phân tích cho thấy hai mác thép 30XH2MA và38XH3MA tồn pha tổ chức lớp thấm N: Fe4N, FeN, CrN, Mo2N (như hình 4.20 đến 4.25) 61 Qua kết phân tích nhiễu xạ rơnghen ta khẳng định rằng: Khi thấm N dùng chất thấm NH3 thép 30XH2MA và38XH3MA nhiệt độ 550 oC với độ phân hủy khác 40%, 50%, 60% tạo thành lớp N Trong lớp thấm N có pha nitri sắt nitrit hợp kim CrN Mo2N Trong lớp thấm ln có FeN nên khơng có lớp trắng (liên tục) bề mặt thép 62 240 230 220 210 d=2.0338 200 190 180 170 d=2.2013 160 140 130 120 110 d=1.9038 100 90 80 70 60 d=1.3480 Lin (Cps) 150 50 40 30 20 10 11 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Tuan-Vien cong nghe BQP-Thep tam Nito-M34.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/31/13 11:35:01 06-0627 (I) - Roaldite, syn - Fe4N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1197 (D) - Iron Nitride - FeN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1157 (D) - Chromium Nitride - CrN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-0907 (D) - Molybdenum Nitride - Mo2N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 4.20: Ảnh phân tích nhiễu xạ rơnghen nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy NH3 40% thép 30XH2MA 63 70 250 240 230 220 210 200 190 180 170 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 d=1.3470 d=2.0285 Lin (Cps) 150 d=1.9049 d=2.1996 160 40 30 20 10 11 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Tuan-Vien cong nghe BQP-Thep tam Nito-M45.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/30/13 16:51:23 06-0627 (I) - Roaldite, syn - Fe4N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1197 (D) - Iron Nitride - FeN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1157 (D) - Chromium Nitride - CrN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-0907 (D) - Molybdenum Nitride - Mo2N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 4.21: Ảnh phân tích nhiễu xạ rơnghen nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy NH3 50% thép 30XH2MA 64 70 250 240 230 220 210 200 190 180 170 d=2.0370 160 140 130 120 d=2.2026 110 100 90 80 d=1.9070 70 60 50 d=1.3470 Lin (Cps) 150 40 30 20 10 11 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Tuan-Vien cong nghe BQP-Thep tam Nito-M46.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/30/13 15:32:20 06-0627 (I) - Roaldite, syn - Fe4N - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 03-1197 (D) - Iron Nitride - FeN - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 03-1157 (D) - Chromium Nitride - CrN - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 03-0907 (D) - Molybdenum Nitride - Mo2N - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 Hình 4.22: Ảnh phân tích nhiễu xạ rơnghen nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy NH3 60% thép 30XH2MA 65 70 240 230 220 210 200 190 d=2.1999 170 160 140 130 120 110 d=1.9035 100 90 80 70 60 d=1.3474 Lin (Cps) 150 d=2.0401 180 50 40 30 20 10 11 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Tuan-Vien cong nghe BQP-Thep tam Nito-M35.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/31/13 12:09:24 06-0627 (I) - Roaldite, syn - Fe4N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1197 (D) - Iron Nitride - FeN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1157 (D) - Chromium Nitride - CrN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-0907 (D) - Molybdenum Nitride - Mo2N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 4.23: Ảnh phân tích nhiễu xạ rơnghen nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy NH3 40% thép 38XH3MA 66 70 250 240 230 220 210 200 d=2.2000 190 180 170 160 140 130 110 100 90 80 70 d=1.9043 120 d=2.0376 60 d=1.3467 Lin (Cps) 150 50 40 30 20 10 11 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Tuan-Vien cong nghe BQP-Thep tam Nito-M44.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/30/13 14:49:28 06-0627 (I) - Roaldite, syn - Fe4N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1197 (D) - Iron Nitride - FeN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1157 (D) - Chromium Nitride - CrN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-0907 (D) - Molybdenum Nitride - Mo2N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 4.24: Ảnh phân tích nhiễu xạ rơnghen nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy NH3 50% thép 38XH3MA 67 70 250 240 230 220 210 200 190 180 d=2.0441 170 160 140 130 120 110 d=2.2052 100 90 80 d=1.9053 Lin (Cps) 150 70 60 50 40 30 20 10 11 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Tuan-Vien cong nghe BQP-Thep tam Nito-M47.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/30/13 16:17:38 06-0627 (I) - Roaldite, syn - Fe4N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1197 (D) - Iron Nitride - FeN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1157 (D) - Chromium Nitride - CrN - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-0907 (D) - Molybdenum Nitride - Mo2N - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 4.25: Ảnh phân tích nhiễu xạ rơnghen nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy NH3 60% thép 38XH3MA 68 70 4.2.4 Kết phân tích EDS hai mẫu thép thấm nitơ Kết phân tích EDS mẫu thép 30XH2MA Hình 4.26: Ảnh phân tích EDS nồng độ Hình 4.27: Ảnh phân tích EDS phân bố nguyên tố Mo, V, N, Cr, Fe mẫu mỏng N mẫu mỏng nhiệt độ thấm 550 oC nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy 60% độ phân hủy 60% thép 30XH2MA thép 30XH2MA Hình 4.28: Ảnh phân tích phổ EDS hàm lượng nguyên tố mẫu mỏng nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy 60% thép 30XH2MA 69 Qua kết phân tích EDS (phổ tán sắc lượng tia X) hình 4.26 hình 4.27 cho ta biết phân bố hàm lượng nguyên tố sau thấm N Đối với thép 30XH2MA thấy hồn tồn thấm thấu mẫu mỏng 100 m Trên ảnh phân tích EDS hình 4.26, hình 4.27 hình 4.28 ta thấy hàm lượng N hấp thụ vào thép lớn chiếm 3,5% tập trung phần lớn biên giới hạt thép Biên giới hạt thép nơi ngun tử xếp hỗn độn nitơ tập trung lớn Vì lớp thấm nitơ tạo ứng suất nén dư tăng độ bền mỏi chi tiết Ngoài nitơ kết hợp với nguyên tố hợp kim làm tăng độ cứng, tính chống mài mịn điều cần thiết cho nòng súng, nòng pháo quân Kết phân tích EDS mẫu thép 38XH3MA Từ ảnh phân tích EDS hình 4.29 hình 4.30 ta thấy phân bố nguyên tố tổ chức lớp thấm đặc biệt N Hàm lượng nitơ tập trung phần lớn biên giới hạt Cũng thép 30XH2MA lượng N hấp thụ vào thép lớn 3,4 % Kết phân tích thép 38XH3MA thấy N hồn tồn thấm thấu mẫu mỏng 100 m Hình 4.29: Ảnh phân tích EDS phân bố Hình 4.30: Ảnh phân tích EDS phân bố N nguyên tố Mo, V, N, Cr, Fe mẫu mỏng mẫu mỏng nhiệt độ thấm 550 oC độ phân nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy 60% hủy 60% thép 38XH3MA thép 38XH3MA 70 Hình 4.31: Ảnh phân tích phổ EDS hàm lượng nguyên tố mẫu mỏng nhiệt độ thấm 550 oC độ phân hủy 60% thép 38XH3MA 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu thấm N cho hai mác thép hóa tốt 30XH2MA 38XH3MA đề tài đưa số kết luận sau: Có thể tạo lớp thấm N với chiều sâu đáng kể ( 200 µm) thép hợp kim mác 30XH2MA 38XH3MA chế độ thấm: Nhiệt độ T = (500 o C, 520 oC, 550 oC, thời gian thấm t = giờ, áp suất p = 1,2 bar, độ phân hủy NH3 = (40%, 50%, 60%) Hệ số truyền nitơ  N có quan hệ mật thiết với thơng số q trình thấm:  N giảm nhiệt độ T tăng (với thông số khác giữ cố định)  N tăng độ phân hủy NH3 tăng (với thông số khác giữ cố định) Hệ số truyền nitơ  N có ảnh hưởng lớn đến tổ chức tính chất lớp thấm:  N tăng thơng số khác cố định khả tạo tạo lớp trắng (liên tục) tăng lên ngược lại Do điều kiện thấm, khả tạo lớp trắng bề mặt thép 30XH2MA có hệ số truyền  N lớn cao so với thép 38XH3MA Khi khơng hình thành lớp trắng bề mặt,  N cao chiều sâu lớp thấm lớn (các thông số khác giữ cố định) Các nghiên cứu cấu trúc (Nhiễu xạ tia X, EDS) cho thấy nồng độ nitơ đạt lớp thấm cao (2,0 % đến 3,4 %) số nitrít hợp kim có độ cứng cao hình thành như: Fe4N, CrN, Mo2N 72 KIẾN NGHỊ Các kết nghiên cứu thực cho thấy ảnh hưởng rõ hệ số truyền nitơ  N đến tổ chức lớp thấm N thể khí dùng chất thấm NH3 hai thép hợp kim 30XH2MA 38XH3MA Tuy nhiên số lượng nghiên cứu chưa nhiều, dải thông số thay đổi trình thấm chưa rộng, đặc biệt nghiên cứu thực chưa đề cập đến ảnh hưởng áp suất buồng lò đén hệ số truyền chất tổ chức, tính chất lớp thấm Vì nghiên cứu (nếu có điều kiện) tập chung làm rõ mối quan hệ: Các thông số công nghệ - hệ số truyền chất  N – tổ chức, tính chất lớp thấm mác thép này, tiến tới ứng dụng hiệu cho chi tiết dạng ống dài nòng súng, nòng pháo, 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Văn Lân (1996), Nghiên cứu ảnh hưởng số nguyên tố hợp kim đến trình khuếch tán đồng thời cacbon–nitơ–lưu huỳnh vào hớpkim Fe – C Nguyễn Văn Tư (1999), Xử lý bề mặt, đại học Bách khoa Hà Nội Phạm Thị Minh Phương – Tạ Văn Thất (2000), Công nghệ nhiệt luyện, Nhà xuất giáo dục Xử lý bề mặt – Học viện Kỹ thuật Quân - 2005 Michel H, Gantoi M, La nitruration des alliages ferreux Evolution des procedes, de traitement Traitement thermique – 276 – 1994 Fast.J,D, Verring MB – Juorm, Iron and Steel Inst, 1954 v176,p24 – 27 Schumann H “Metallurgie Giessereitechnik” 1954 Bd4, N0 – 9, S.385 – 390 S S Akhtar A F M Arit Bekir Sami Yilbas (2010), “Evaluation of gas nitriding process with in-process variation of nitriding potential for AISI H13 tool steel, 47:687-698 Wert C.A Journ of App, Physics 1950, 079, N0 – P601 10 Wert C Zener C – Phys, Rev 1949, v76 p, 11996 11 DIN 50190-3 12 M A.H X - Tep     “M” M 1965  11-31, 42-222 259-269 297-302 13       , 1948 248c C  14  4543 – 71 74 PHỤ LỤC Sử dụng phần mềm Thermo – Calc tính hoạt độ nitơ dung dịch rắn thép SYS: gotodatabase (Khởi động sở liệu) TDB_PKP: switch – database use (Mở sở liệu USE) (Chọn sở liệu TCFE) TDB_USE: Define – system C Fe Cr N Mo V Ni (định nghĩa nguyên tố) TDB_USE: Get (Kích hoạt sở liệu TCFE) TDB_USE: Goto Poly-3 (Chuyển tới modul tính tốn Poly-3) POLY_3: Set-condition t=*** p = 1.2e5 w(c)=*** w(cr)=*** w(n)=*** w(mo)=*** w(v)=*** w(ni)=*** n=1 (Nhập điều kiện nhiệt độ thấm K, áp suất tổng mơi trường lị, thành phần ngun tố thép) POLY_3: List-Condition (Kiểm tra lại điều kiện cân bậc tự do, bậc tự tính tiếp) POLY_3: Compute-Equilibrium (Tính tốn cân bằng) POLY_3: Show-value ac(n) (Tính hoạtđộ nitơ thép nhiệt độ thấm) POLY_3: List- Equilibrium (Xem thành phần pha) 75 ... PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài ảnh hưởng hệ số truyền nitơ N đến tổ chức tính chất lớp thấm nitơ thể khí thép hợp kim Đề tài chọn thép hợp kim hóa tốt... trọng ảnh hưởng đến tổ chức tính chất lớp thấm nitơ mà đề tài sâu vào nghiên cứu * Hệ số truyền nitơ  N thông số đặc trưng cho khả tiếp nhận nitơ thép từ môi trường thấm Hệ số truyền nitơ N... T0C Cấp khí NH3 TThấm Tthấm – 50 oC Cấp khí N2 t=8h Làm nguội Khí N2 t (h) Hình 3.5: Quy trình thấm nitơ thể khí 3.5.1 Chế độ nghiên cứu Để nghiên cứu ảnh hưởng hệ số truyền chất  N đến tổ chức