Bài viết trình bày cơ chế hình thành lớp thấm, quá trình thấm nitơ plasma; ảnh hưởng của các thông số công nghệ như nhiệt độ thấm, thời gian thấm, tỷ lệ khi N2/H2 trong quá trình thấm nitơ plasma đến cường độ mài mòn của thép 40CrMo.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến cường độ mài mịn lớp thấm nitơ plasma thép 40CrMo Influence of technological parameters on the abrasion strength of 40CrMo steel plasma nitride Hoàng Minh Thuận1,*, Đào Quang Kế2, Hoàng Văn Châu3, Đỗ Minh Chiến1, Hồng Việt Nam1 Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Xây dựng Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Hội KHKT Hàn Việt Nam: PTN trọng điểm Công nghệ Hàn XLBM * Email: hoangminhthuan@cic.edu.vn; dqke@vnua.edu.vn Mobile: 0904116189; 0904365844 Tóm tắt Từ khóa: Cường độ mài mòn; lớp thấm nitơ; thấm nitơ plasma; thép 40CrMo Thấm nitơ plasma cơng nghệ tiên tiến, đời để thay công nghệ thấm nitơ thể khí, tiến hành mơi trường ion hóa nhiệt độ thấm Trong báo này, nhóm tác giả trình bầy chế hình thành lớp thấm, trình thấm nitơ plasma; ảnh hưởng thông số công nghệ nhiệt độ thấm, thời gian thấm, tỷ lệ N2/H2 trình thấm nitơ plasma đến cường độ mài mòn thép 40CrMo Ứng dụng kết việc làm bền bánh lắp máy in Offset màu Daiya Abstract Keywords: Abrasive strength; nitriding layer; infiltration of plasma nitrogen; 40CrMo steel Nitriding plasma with advanced technology, it was born to replace nitrogen gas nitriding technology, which was carried out in an ionizing environment at permeability In this paper, the authors present a mechanism for the formation of permeable layers, plasma nitriding; Influence of technological parameters such as infiltration temperature, infiltration time, N2/H2 ratio during plasma nitrogen infiltration to the abrasion strength of 40CrMo steel Application of the result in gear endurance in the Daiya 4-color offset printing machine Ngày nhận bài: 26/7/2018 Ngày nhận sửa bài: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Trong năm đầu kỷ 20, Adolph Machlet (Mỹ) kỹ sư luyện kim làm việc cơng ty Elizabeth, NJ Ơng nhận rằng, bề mặt lớp thấm cácbon bị biến dạng thời gian thấm lâu nhiệt độ cao bị làm nguội cưỡng môi trường nước dầu Qua thử nghiệm, Machlet sớm phát nitơ hòa tan sắt mà khuếch tán vào sắt Nitơ khuếch tán tạo bề mặt tương đối cứng sắt nguyên chất, thép hợp kim thấp cải thiện đáng kể khả chống ăn mịn Thực điều mà khơng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 cần đến nhiệt độ cao không cần làm nguội cưỡng mà hạ nhiệt độ từ từ với lò thấm cung cấp khí nitơ vào ngăn cách xâm thực khí quyển, làm giảm nguy biến dạng tạo lớp bề mặt chống mài mòn, độ cứng cao với khả chống ăn mòn tốt [5, 6] Thấm nitơ plasma công nghệ đại, cho phép tạo lớp thấm bề mặt chi tiết có độ chống mài mịn, ăn mịn cao tăng tính chống mỏi cho chi tiết Thấm nitơ plasma ứng dụng nhiều cho chi tiết máy làm từ thép Các thông số công nghệ trình thấm nhiệt độ thấm, thời gian thấm, tỷ lệ hỗn hợp khí,… ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp thấm Thay đổi hay biến thơng số cơng nghệ, có cấu trúc khác lớp nitrit, đồng thời liên quan đến chiều dày pha nitri mặt lớp thấm Trong báo này, nhóm tác giả trình bầy chế hình thành lớp thấm, trình thấm ảnh hưởng số thông số công nghệ đến cường độ mài mòn, ứng dụng kết việc chơng mài mịn bánh chế tạo từ thép 40CrMo VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Thép 40CrMo loại thép dùng phổ biến chế tạo chi tiết chịu tải trọng tĩnh, va đập cao chịu mài mịn tốt Thành phần hóa học thép 40CrMo gồm 0,402%C; 0,971%Cr; 0,252%Mo; 0,852%Mn; 0,254%Si; 0,024%P; 0,017%S; 0,0239%Al; 0,0037%Co; 0,0115%Cu; 0,0012%Sn; 0,002%Ti; 0,0071%V; 0,0034%W; 0,0008%Pb; 0,0008%Zn; 0,0003%Zr 2.2 Thiết bị Hình Thiết bị thấm nitơ plasma Eltropuls HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong trình nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng Thiết bị thấm nitơ plasma Eltropuls H045x080 hãng ELTRO GmbH (Thiết bị đặt Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ Hàn Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí) CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LỚP THẤM Theo Koelbel, nguyên tử sắt từ phún xạ kết hợp với nitơ, phản ứng plasma khu vực lân cận với bề mặt cực âm, tạo thành nitrit sắt (FeN) ngưng tụ bề mặt mẫu (hình 2) Các FeN tạo thành nhiệt độ từ 3500C 6000C phân tách để hình thành pha ổn định (Fe2N, Fe3N, Fe4N) nitơ nguyên tử Một phần nitơ nguyên tử trở lại vào dòng plasma phần khuếch tán vào cấu trúc tinh thể chất tạo thành vùng khuếch tán Quá trình gradient khuếch tán va chạm khơng đàn hồi theo thời gian dịng plasma [1, 2, 3, 4] Hình Cơ chế hình thành lớp nitrit q trình thấm nitơ plasma Q TRÌNH THẤM Thấm nitơ plasma công nghệ thấm nitơ tiên tiến, đời phương án thay cơng nghệ thấm nitơ thể khí Thấm nitơ plasma tiến hành mơi trường ion hóa nhiệt độ thấp (khoảng 450 6000C) Phương pháp giúp giải nhược điểm mà phương pháp thấm nitơ thể khí thể lỏng gặp phải Trên hình thể trình thấm nitơ plasma khí sử dụng q trình thấm; khí thường khí trơ, an tồn cho người thiết bị Sự khác biệt thấm nitơ thể khí thấm nitơ plasma q trình thấm nitơ thể khí phụ thuộc vào phân hủy amoniac thành nitơ nguyên tử hydro, thấm nitơ plasma sử dụng trực tiếp nitơ hydro Công nghệ thấm nitơ plasma cho phép điều chỉnh thành phần nitơ hydro điều chỉnh thành phần lớp trắng (lớp hợp chất hay chiều dày pha ’) theo ý mong muốn [1, 2, 3, 4] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Quá trình thấm nitơ plasma KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm + Xây dựng toán quy hoạch thực nghiệm Xây dựng mơ hình hồi quy thực nghiệm đối tượng nghiên cứu nội dung phân tích hồi quy, mà dẫn đến nhiệm vụ tất yếu phải giải dùng phân tích hồi quy để thiết lập mối quan hệ dạng cơng thức tốn học tiêu đề thông số ảnh hưởng [5] Nhiệt độ thấm T (0C) Đối tượng Thời gian thấm t (h) nghiên Cường độ mài mòn, m (10-12 g/N.mm) cứu Tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) Hình Mơ hình hồi quy thực nghiệm - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố: Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng riêng yếu tố đến thông số mục tiêu, qua xác định mức biến thiên, khoảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 biến thiên miền nghiên cứu yếu tố làm sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố: Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố để nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời yếu tố nhằm tìm phương trình hồi qui biểu diễn mối quan hệ yếu tố ảnh hưởng với thông số hàm mục tiêu,làm sở cho việc xác định giá trị tối ưu thông số - Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát: Áp dụng phương pháp tối ưu tổng quát lập hàm mong muốn E C Harrington để xác định giá trị tối ưu chung yếu tố đầu vào cho tất thông số đầu ra, làm sở cho việc hồn thiện quy trình công nghệ nhằm triển khai ứng dụng rộng rãi thực tiễn sản xuất - Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu: Trong q trình tính tốn tối ưu xử lý số liệu thí nghiệm được, tác giả ứng dụng phần mềm Excel, Pascal Matlab Đây phần mềm có chức phân tích thí nghiệm, quản lý, phân tích thống kê bản, phân tích phương sai hồi qui số liệu kết thực nghiệm Vẽ đồ thị ta dùng phần mềm Statistica Matlab để vẽ đồ thị thể cực trị hàm, tương ứng giá trị tối ưu 5.2 Phương pháp xác định độ mài mòn Hệ số ma sát cường độ mài mòn tiến hành đo máy TE97 Friction & Wear Demonstrator hãng Phoenix Tribolog (Anh), sử dụng phần mềm Compend 2000 (hình 5) (Phịng thí nghiệm Cơng nghệ cao, Viện Cơ khí lượng mỏ, Tập đồn Than khoáng sản Việt Nam - TKV) số thiết bị nghiên cứu khác Phịng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu khí a) b) Hình Máy TE97 Friction & Wear Demonstrator (a) phương pháp thử (b) Phương pháp đo: Pin on Disc (chốt đĩa) Mẫu gồm có trụ (chốt) có kích thước 4 x 20mm chế tạo từ thép 40CrMo hóa tốt, thấm nitơ plasma khơng thấm đĩa có kích thước 50 x 12mm chế tạo từ thép C45, nhiệt luyện đạt độ cứng 45 HRC Máy có thiết bị để giữ cố định chốt theo phương vng góc với bề mặt đĩa Đĩa gắn vào phận quay với tốc độ khác nhau, phận cảm biến lực để đo lực ma sát phần mềm máy tính cho phép hiển thị thông số, lưu trữ liệu để phân tích Cường độ mài mịn xác định hao hụt khối lượng mẫu sau nhập vào chương trình thơng số q trình đo HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 5.3 Kết thảo luận Trên sở khoa học, để lựa chọn chế độ công nghệ thấm nitơ plasma cho thép, tạo lớp thấm có cấu trúc pha Fe2-3N, có độ cứng cao chống mài mịn tốt, chống ăn mịn hóa học tốt, lớp thấm có ứng suất dư có lợi cho chống mỏi chi tiết Sử dụng plasma làm nguồn nhiệt, cho phép thấm nhiệt độ thấm nhiệt độ ram thép, tạo trường ion ni tơ, khống chế mật độ ion nitơ thông qua tỷ lệ N2/H2 [5, 6] Qua nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma, nhóm tác giả chọn trước điều kiện tối ưu cho việc hình thành plasma, thay đổi thông số công nghệ thông thường nhiệt độ thấm T, thời gian thấm t tỷ lệ khí nitơ/hydro a [5,6] Bằng việc nghiên cứu khảo sát quy hoạch thực nghiệm, xác định quan hệ đơn yếu tố ảnh hưởng để tìm vùng tối ưu, sở khoanh vùng xử lý số liệu thực nghiệm theo phương pháp xét ảnh hưởng đa yếu tố Nhóm tác giả sử dụng Ma trận thí nghiệm kết thí nghiệm theo phương án quy hoạch thực nghiệm bậc Box - Willson Kết thí nghiệm thể bảng Bảng Ảnh hưởng thông số công nghệ đến cường độ mài mòn TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Nhệt độ thấm T (0C) 510 530 510 530 510 530 510 530 496 564 530 530 530 530 530 530 530 530 530 530 Thời gian thấm t (h) 8 16 16 8 16 16 12 12 5.28 18.72 12 12 12 12 12 12 12 12 Tỷ lệ khí N2/H2 a (%) 20 20 20 20 40 40 40 40 30 30 30 30 13.2 36.8 30 30 30 30 30 30 Cường độ mài mòn m (10-12g/N.m) 29,90 30,40 28,70 29,70 30,00 31,60 29,10 30,80 29,60 30,10 30,20 28,60 29,50 31,50 28,40 28,60 29,30 28,50 28,60 28,50 Sử dụng phần mềm Statistica, thơng qua mơ hình 3D, ta xác định ảnh hưởng cặp thông số công nghệ đến cường độ mài mịn (hình 6, 7, 8) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Ảnh hưởng cặp yếu tố nhiệt độ thấm thời gian thấm đến cường độ mài mịn Hình Ảnh hưởng cặp yếu tố nhiệt độ thấm tỷ lệ khí nitơ/hydro đến cường độ mài mịn Hình Ảnh hưởng cặp yếu tố thời gian thấm tỷ lệ khí nitơ/hydro đến cường độ mài mịn Sử dụng mơ hình tốn hàm hồi quy dạng tổng qt, kết giải toán tối ưu tổng quát theo phương pháp E.C.Harrington ta xác định giá trị tối ưu yếu tố vào thông số Kết tính tốn máy tính thơng qua giá trị thực nghiệm thông qua đồ thị 3D ta thấy: Khi nhiệt độ thấm nằm khoảng 525 5450C, thời gian thấm nằm khoảng 12 15h tỷ lệ khí nitơ/hydro nằm khoảng 30 40% cường độ mài mịn hàm cực tiểu Tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm ta định thơng số thích hợp [6] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Từ kết nghiên cứu thơng số ảnh hưởng, nhóm tác giải ứng dụng vào sản phẩm thực tế bánh chế tạo từ thép 40CrMo, lắp máy in Offset màu Daiya hãng Mitsubishi Hình Bánh lắp máy in Offset màu Daiya hãng Mitsubishi Hình 10 Máy in Offset màu Daiya hãng Mitsubishi Bánh máy in Offset màu Daiya hãng Mitsubishi (hình 8) có Cơng ty TNHH In & Quảng cáo Truyền thông Viễn Đông - Hà Nội làm việc điều kiện bền mòn, máy thường làm việc liên tục cần ổn định cao phụ tùng thay khan Nhóm tác giả phối hợp công ty nghiên cứu chế tạo bánh tương đương thấm nitơ plasma Với thời gian chạy thử 10 tháng, tháng làm việc trung bình 26 ngày, ngày trung bình 18 giờ, bánh chế tạo lắp, chạy thử nghiệm, so sánh kết với bánh hãng Mitsubishi; Kết quả cho thấy bánh chế tạo Việt Nam đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, chất lượng tương đương với bánh nhập hãng Mitsubishi, đáp ứng yêu cầu sản xuất công ty KẾT LUẬN Thấm nitơ plasma công nghệ đại, cho phép tạo lớp thấm bề mặt chi tiết có độ chống mài mịn, ăn mịn cao tăng tính chống mỏi cho chi tiết Trong giới hạn báo này, nhóm tác giả đã: - Nghiên cứu chế hình thành lớp thâm nitơ plasma; - Ảnh hưởng thông số Nhiệt độ thấm, thời gian thấm, tỷ lệ khí N2/H2 đến cường độ mài mịn; - Sử dụng ma trận thí nghiệm kết thí nghiệm theo phương án quy hoạch thực nghiệm bậc Box - Willson để xá định thông số ảnh hưởng; - Sử dụng Mơ hình tốn hàm hồi quy dạng tổng quát, kết giải toán tối ưu tổng quát theo phương pháp E.C.Harrington ta xác định giá trị tối ưu yếu tố vào thông số ra; - Sử dụng phần mềm Statistica, thơng qua mơ hình 3D, ta xác định ảnh hưởng cặp thông số công nghệ đến cường độ mài mòn Thấm nitơ plasma ứng dụng nhiều cho chi tiết máy làm từ thép Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma thép 40CrMo mở hướng công nghệ mới, có tính ứng dụng cao Việt Nam Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế chi tiết ta lựa chọn điều chỉnh hay nhiều cặp thông số công nghệ để đạt giá trị tốt Với kết đạt được, áp dụng cho nhiều mác thép khác thấm nitơ plasma HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Baranowska J (2008), Plasma nitriding and plasma immersion ion implantation [2] Huchel U et al (2003), Short description of pulsed plasma nitriding, ELTRO GmbH, Baesweiler, Germany [3] Huchel U et al (2005), Pulsed Plasma Nitriding of Tools, ELTRO GmbH, Baesweiler, Germany [4] Pye D (2003), Practical NITRIDING and Ferritic Nitrocarburizing, ASM International, Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing [5] Hoàng Minh Thuận, Đào Quang Kế, Hồng Văn Châu (2012), Tối ưu hóa chế độ thấm nitơ plasma thép 40CrMo Trên thiết bị Eltropuls H045x080, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 06 (tháng 6/2012) [6] Hoàng Minh Thuận (2012), Nghiên cứu lựa chọn số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật ... gian thấm đến cường độ mài mịn Hình Ảnh hưởng cặp yếu tố nhiệt độ thấm tỷ lệ khí nitơ/ hydro đến cường độ mài mịn Hình Ảnh hưởng cặp yếu tố thời gian thấm tỷ lệ khí nitơ/ hydro đến cường độ mài. .. xác định ảnh hưởng cặp thông số cơng nghệ đến cường độ mài mịn Thấm nitơ plasma ứng dụng nhiều cho chi tiết máy làm từ thép Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma thép 40CrMo mở... plasma [1, 2, 3, 4] Hình Cơ chế hình thành lớp nitrit trình thấm nitơ plasma Q TRÌNH THẤM Thấm nitơ plasma cơng nghệ thấm nitơ tiên tiến, đời phương án thay cơng nghệ thấm nitơ thể khí Thấm nitơ