chƣơng i làm sạch bề mặt

- Giảm của sự gắn kết trong tinh thể của lớp bề mặt (giảm độ sít chặt) mà đi kèm với giảm độ cứng và độ bền bề mặt, do biến dạng vượt quá giới cho phép, do tác dụng hóa học (ăn mòn) và t[r]

CHƢƠNG I LÀM SẠCH BỀ MẶT

1 Cấu trúc vi mô bề mặt mặt phân chia pha

Bề mặt vật rắn giới hạn cấu trúc ngăn cách chi tiết với môi trường, đồng thời tạo tiếp xúc với môi trường xung quanh

Đối tượng nghiên cứu công nghệ bề mặt Khi nghiên cứu, phát triển, thiết kế:

Khả chịu mài mòn Bề mặt vật rắn

Bề mặt vật rắn đặc trưng cấu trúc tính chất khác với vật liệu tâm, bắt nguồn chủ yếu từ nguyên nhân sau:

* Điều kiện lượng khác nhau, trạng thái lượng cao hoạt tính hấp phụ tăng lên

* Sự kết hợp tác động học, nhiệt, điện, vật lý hố học q trình chế tạo đối tượng

1.1 Bề mặt theo quan niệm hình học.

Bề mặt mơ tả tập hợp điểm đường thẳng với các tính chất đó.

1.2 Bề mặt theo quan niệm học

Bề mặt vật liệu định nghĩa hệ thống vật chất liên tục dạng bề mặt, bao gồm điểm vật liệu.

a) Lớp phủ Cr-Al lên thép austenit mác 300, x 300; b) Hợp kim cứng P/M x 1000; c) lớp

Bề mặt danh nghĩa - là bề mặt mô tả thiết kế tài liệu kỹ thuật, chưa tính tới độ nhám, gợn sóng sai số  bề mặt lý thuyết (bề mặt hình học)

Bề mặt thực tế - là bề mặt giới hạn vật thể (hình dạng vật rắn), phân cách với môi trường

Bề mặt xem xét (đo đƣợc) - là hình ảnh gần bề mặt lý tưởng vật thể, nhận quan sát

1.3 Bề mặt theo quan điểm lý hố

Pha: phần đồng hệ có tính chất vật lý tồn khối lượng

và có thành phần hố học, chia tách mặt phân chia pha Trên bề mặt chi tiết xảy ra:

- Một hợp kim khơng đồng đa pha

Lớp phủ hợp kim Nb-16%Si

Cấu trúc lớp phủ bề mặt hợp kim bền nhiệt

Cấu trúc lớp thoát C bề mặt

Mặt phân chia pha - bề mặt vật lý

VD hệ cấu tử pha: phân biệt vùng : vùng đồng pha A, vùng đồng pha B vùng dị thể C

Vùng C không chứa pha thứ 3: xem xét tưởng tượng phần riêng hệ nằm cân với tương tác bên pha A B, nghĩa là, nhiệt độ áp suất, hoá, nồng độ, khối lượng riêng,

Vùng C đặc trưng tính khơng đẳng hướng áp suất, liên quan đến không đồng vùng mặt phân giới cắt ngang chiều dày

2 Cấu trúc vật lý lớp bề mặt

Lớp bề mặt hình thành lõi kim loại  mang nhiều tính chất Các

tính chất đặc trưng kim loại không đồng nhất - hoá học, vật lý cấu trúc,

giữa vùng vi mô khác hợp kim Sự khác biệt:

* Sự phân bố không gian nguyên tố khác cấu trúc tế vi  không đồng

nhất cấu trúc,

* Hàm lượng cấu tử vùng vi mô khác  không đồng thành

phần hóa học (điều xuất phát từ phân bố không đồng thành phần hợp kim chiếm chỗ khơng đầy thể tích)

Ngun nhân gây khơng đồng nhất:

* Do q trình luyện kim thêm các nguyên tố hợp kim, chất thêm vào hợp kim lỏng

* Là kết luyện kim bột kết thúc với trình tạo hình (đúc, rèn) tạo cho bề

mặt tính chất đặc biệt (ví dụ: thơng qua xử lý nhiệt) (trong trình hình thành và ổn định

Lưu ý:

Các cấu trúc hạt kim loại (hợp kim) gây không đồng xác quy định sau:

* Không đồng vĩ mơ vùng tích lớn hạt; không đồng vĩ mô tổng không đồng vi mô

* Không đồng vi mơ thành phần chất hố học khơng đồng phạm vi hạt

* Không đồng nhỏ vi mô không đồng thành phần hoá học mạng tinh thể lệch mạng tinh thể kim loại hợp kim, thay đổi mật độ xếp thể tích tinh thể (ví dụ, lệch mạng, lỗ trống, lỗ hổng), thành phần tinh thể (ví dụ, có mặt nguyên tử ngoại lạ) Do ảnh hưởng lệch ngắn, tác động lệch đến tính chất bên vật liệu đơn tinh thể không đáng kể, nồng độ lệch gia tăng từ lệch điểm thành lệch đường lệch khối

L ớp dướ i b ề m ặt L ớp phủ L ớp bề mặ t

Sơ đồ lớp bề mặt

Một số mơ hình đơn giản lớp bề mặt

Bề mặt vật rắn phản ánh phương pháp hình thành: kết tinh (trong q trình nóng chảy đúc), biến dạng (trong q trình rèn), biến dạng hiệu ứng nhiệt (trong trình gia cơng), khuếch tán (trong q trình hốnhiệt luyện), v.v Mơ hình vùng mơ hình đơn giản - R Kolman

Đặc điểm mơ hình theo R Kolman:

Vùng ngồi cùng bên (lớp bề mặt) tạo thành lớp hạt vật

(các hạt vật liệu gia công cụ vật liệu ma sát, nước làm mát dầu nhớt,

hơi ẩm, đất, bụi bẩn, v.v) hoà trộn với phần vật liệu Từ phía mặt tiếp xúc với mơi trường, bao phủ lớp khí bám vào: oxy, nitơ nước Chiều

dày vùng khoảng 0,001-0,02 m, lớp khí dày khoảng (2-3)xl0-4 m.

Vùng giữa (lớp giáp với bề mặt) có cấu trúc mà hạt bị biến dạng mạnh

nhiều trường hợp dạng textua Chiều dày lớp khoảng 0,5-500 m

Tính chất ứng dụng bề mặt vật lý phụ thuộc vào cấu trúc

Vùng bên trong (lớp sau đó) có cấu trúc mà hạt bị biến dạng, khác

với cấu trúc lõi, ví dụ như, kết biến đổi gây nhiệt độ Ứng suất dư xuất vùng Sự chuyển tiếp vùng bên tới vùng lõi khó để quan

Mơ hình vùng - L Szulc (a) - Okoniewski (b)

Kết dính bề mặt hấp phụ khí, hơi…

Các oxit, nitơrít, phốt phít…giịn, cứng, gãy vụn…

Cấu trúc hư tổn nhiệt từ việc chuyển tiếp cấu trúc, giảm độ cứng giòn

Cácbit nguyên tố hợp kim đẩy cấu trúc nội Hình thành cấu trúc, giảm chiều sâu lớp chuyển tiếp

Các lớp chuyển tiếp yếu hơn, giảm tập trung nhiệt độ gradient chúng Lớp hấp phụ

Các hạt phân cực hữu Hơi nước

Các khí Oxit kim loại

Bề mặt kim loại nguyên chất

Vùng biến dạng định vị ứng suất dư

Kim loại với cấu trúc

Đặc điểm mơ hình vùng:

Lớp I: cấu thành phân tử oxy, nitơ nước, bám chặt vào bề mặt kim loại đặt môi trường khơng khí Độ dày lớp khơng q nhiều vài A0;

Lớp II (lớp bề mặt) cấu thành hỗn hợp vật liệu nền, phần vật liệu dụng cụ gia công dầu bôi trơn hình thành gia cơng Độ dày lớp phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp xử lý thường từ vài nghìn đến vài trăm m;

Lớp III (lớp ngầm lớp giữa) cấu tạo hạt bị biến vật liệu hành vi dụng cụ gia công Độ dày vùng phụ thuộc loại phương pháp xử lý Ví dụ, sau đánh bóng, độ dày khoảng m, sau gia cơng thơ, 40-100 m;

Mơ hình vùng

Lớp bề mặt phần lớp bề mặt liên kết trực tiếp với bề mặt thực Bao gồm

các ion, lớp hấp phụ liên kết hố học với lõi, có nguồn gốc từ mơi trường khơng khí

hoặc từ yếu tố tiếp xúc với bề mặt vật liệu

Đặc điểm mơ hình vùng:

Vùng chịu ảnh hƣởng nhiệt – phần vùng biến dạng, có

sự thay đổi đáng kể tác dụng nhiệt, ví dụ, thay đổi kích thước hạt, chuyển pha thay đổi vật lý

Vùng định hƣớng ƣu tiên phần cấu thành vùng biến dạng với cấu trúc tinh thể định hướng hạt thích hợp theo quan điểm mạng tinh thể thường

Vùng biến dạng chiếm tỷ lệ lớn lớp bề mặt, có biến dạng vĩnh

Đặc điểm mơ hình vùng:

Vùng I tạo thành kết hấp thụ hạt phân cực có nguồn gốc hữu (dầu mỡ, dầu nhờn, ẩm, v.v) bề mặt kim loại

Vùng II tạo thành hấp thụ phân tử nước (thường từ thể hơi)

Vùng III tạo hấp thụ khí (nitơ, lưu huỳnh phốt pho)

Vùng I đến vùng III hợp thành vùng tạo hấp phụ phân tử có cấu trúc lưỡng cực

Vùng IV tạo thành lớp ơxít kim loại nền, kết phản ứng hóa học oxy vật liệu

Vùng V hình thành hư hại gây hạt (tinh thể) kim loại dụng cụ gia công

Vùng VI bao gồm vùng bị biến dạng vĩnh cửu, đặc trưng cấu trúc dạng thớ đơi có định hướng ưu tiên

Sự hoá bền suy yếu lớp bề mặt

Lớp bề mặt hình thành qua nhiều phương pháp xử lý (tiện thô - tiện tinh - thấm cacbon - - mài - cấy ion…)  lớp bề mặt hình thành có tính chất khác với tính chất lớp lớp bề mặt ban đầu

Trong trình làm việc  lớp bề mặt thay đổi kích thước tính chất điều kiện làm việc

Sự hoá bền - nâng cao độ bền bề mặt, bao gồm thay đổi tính chất học ảnh hưởng biến dạng nguội (đánh bóng ma sát trình làm việc)

Hệ quả:

- Thay đổi tính chất vật lý - Tính chất hóa học

- Thay đổi tính: tăng độ cứng, độ bền mỏi, giới hạn chảy độ dai độ dãn dài Bề mặt biến dạng dẻo, phần lớp bề mặt có định hướng ưu tiên Độ sâu định hướng ưu tiên phụ thuộc vào giá trị lực gây biến dạng, thời gian biến dạng tính chất đàn hồi-dẻo vật liệu  kết định hướng ưu tiên, lớp bề mặt có tính chất đẳng hướng tăng khả chống mài mòn

Sự suy yếu lớp bề mặt

Suy yếu làm giảm độ bền bề mặt, đồng thời làm giảm độ bền mỏi Do nguyên nhân sau:

- Giảm độ cứng lớp bề mặt (thải bền) làm giảm độ cứng so với độ cứng ban đầu bề mặt nhỏ độ cứng lõi, ví dụ, sau xử lý nhiệt (tơi ram) trình làm việc (ram nhiệt độ ma sát)

- Giảm gắn kết tinh thể lớp bề mặt (giảm độ sít chặt) mà kèm với giảm độ cứng độ bền bề mặt, biến dạng vượt giới cho phép, tác dụng hóa học (ăn mịn) tác dụng vật lý (hiệu ứng Rebinder), xuất ma sát khô với nhiệt độ bề mặt cao hay tạo nên hạt siêu mịn lớp bề mặt có cấu trúc vơ định hình

XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP BỀ MẶT SAU XỬ LÝ

1 Xác định bám dính Xác định chiều dày

3 Xác định cấu trúc phân bố cấu trúc từ vào Xác định phân bố độ cứng từ vào

XÁC ĐỊNH SỰ BÁM DÍNH CỦA LỚP BỀ MẶT VÀO NỀN

1 Lớp khuếch tán thường bám dính tốt phân bố ngun tố hài hồ Lớp phủ thường bám dính thay đổi đột ngột %

1 Cổ điển: kéo, kim, múi dao nhọn Dùng thiết bị đo độ cứng Vike

Nền

XÁC ĐỊNH CHIỀU DẦY LỚP XỬ LÝ

1 Xác định mắt thường, kính lúp Xác định thước cặp: lớp phủ

3 Xác định kính hiển vi kim loại học: đo nhiều điểm lấy trung bình

Nền

XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ SỰ PHÂN BỐ CẤU TRÚC

1 Phương pháp hiển vi quang học Phương pháp hiển vi điện tử

XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG VÀ SỰ PHÂN BỐ ĐỘ CỨNG

1 Xác định độ cứng phân bố độ cứng từ vào

2 Độ cứng bề mặt: khơng xác lớp bề mặt mỏng đo xuyên qua Độ cứng theo tiết diện ngang

XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ NGUYÊN TỐ TỪ NGOÀI VÀO

1 Xác định phân bố nguyên tố chủ yếu cho lớp khuếch tán

2 Phân bố nguyên tố thường giảm dần từ vào theo ĐL khuếch tán Một số điểm để biết mức độ đồng

LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ BỀ MẶT

1 Mục đích sử dụng lớp phủ Mức độ quan trọng chi tiết Khả đầu tư

4 Vật liệu chi tiết

1 Lớp bề nmặt chịu mài mịn, ăn mịn cho chi tiết máy cần xác: HNL, CVD Phun phủ: nhằm phục hồi, dùng cho ngành Xây dựng

3 Lớp chịu ăn mòn: nhúng kim loại nóng chảy (Zn, Al, )