Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40crmo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HOÀNG MINH THUẬN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA CHO THÉP 40CrMo LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành ñào tạo: Kỹ thuật máy thiết bị giới hố nơng nghiệp nơng thơn Mã số : 62 52 14 01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ðào Quang Kế TS Hoàng Văn Châu HÀ NỘI – 2012 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu lựa chọn số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo” cơng trình nghiên cứu riêng Những số liệu, kết nêu luận án trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ q trình thực luận án cảm ơn thơng tin trích dẫn luận án ñều ñược rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả luận án Hồng Minh Thuận Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i LỜI CẢM ƠN Với kính trọng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS ðào Quang Kế, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội TS Hồng Văn Châu, Viện Nghiên cứu khí tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi nhiều năm tháng học tập suốt trình nghiên cứu, hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn tập thể mơn Cơng nghệ khí, Ban lãnh ñạo giảng viên khoa Cơ - ðiện, Viện ðào tạo Sau ñại học Ban Giám hiệu Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội ln quan tâm giúp đỡ đóng góp ý kiến để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Nghiên cứu khoa học, ñồng nghiệp ñang công tác Trường Cao ñẳng Công nghiệp Xây dựng ñã quan tâm tạo ñiều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn phịng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ hàn Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu khí; Bộ mơn Cơng nghệ khí, khoa Cơ - ðiện, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội; Trung tâm ðánh giá hư hỏng vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Trường ðại học Bách khoa Hà Nội ñã giúp ñỡ thực nghiệm ñánh giá kết nghiên cứu luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn nhà khoa học, bạn bè, ñồng nghiệp, gia đình ln quan tâm, động viên giúp tơi vượt qua khó khăn q trình học tập hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả luận án Hoàng Minh Thuận Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii MỤC LỤC Lời cam ñoan Trang i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt vi Danh mục ký hiệu toán học vii Danh mục bảng x Danh mục hình xi MỞ ðẦU 1 Tính cấp thiết ñề tài ðối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 4 Những đóng góp 5 Cấu trúc nội dung luận án Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ 1.1 Lựa chọn công nghệ 1.2 Các công nghệ thấm nitơ 1.2.1 Thấm nitơ thể khí 10 1.2.2 Thấm nitơ thể lỏng 15 1.2.3 Thấm nitơ plasma 17 1.2.4 Các ứng dụng thấm nitơ 19 1.2.5 So sánh thấm nitơ plsmas với thấm nitơ thông thường 22 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 23 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 27 1.5 Kết luận chương 29 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ PLASMA 2.1 2.1.1 Quá trình hình thành phát triển thấm nitơ plasma Plasma Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 30 30 30 iii 2.1.2 Quá trình hình thành phát triển thấm nitơ plasma 31 2.2 Tác động ion hóa đến bề mặt chi tiết 35 2.3 Cơ chế hình thành lớp thấm 37 2.4 Cấu trúc lớp thấm 40 2.5 Xác ñịnh chiều dày lớp thấm 44 2.5.1 Xác ñịnh chiều dày nitrit pha ε 47 2.5.2 Xác ñịnh chiều dày nitrit pha γ’ 48 2.6 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến q trình thấm 51 2.6.1 Ảnh hưởng nhiệt ñộ thấm 52 2.6.2 Ảnh hưởng thời gian thấm 53 2.6.3 Ảnh hưởng tỷ lệ khí nitơ/hydro 54 2.6.4 Ảnh hưởng điện áp, mật độ dịng 55 2.6.5 Ảnh hưởng áp suất 58 2.7 Kết luận chương 59 Chương VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 60 3.1 Vật liệu nghiên cứu 60 3.2 Chuẩn bị mẫu phương pháp kiểm tra 61 3.2.1 Chuẩn bị mẫu 61 3.2.2 Phương pháp kiểm tra 63 Thiết bị thấm nitơ plasma 67 3.3 3.3.1 Cấu tạo buồng làm việc lị thấm H45x080 68 3.3.2 Các thơng số lị thấm 69 3.3.3 Lập trình quy trình cơng nghệ thấm nitơ plasma thiết bị Eltropuls H045x80 3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 70 71 3.4.1 Xây dựng toán quy hoạch thực nghiệm 72 3.4.2 Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát 79 3.4.3 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu 81 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv 3.5 Kết luận chương Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Kết nghiên cứu ñơn yếu tố 81 83 83 4.1.1 Ảnh hưởng nhiệt ñộ thấm T (0C) 83 4.1.2 Ảnh hưởng thời gian thấm t (h) 84 4.1.3 Ảnh hưởng tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) 85 4.2 Kết thực nghiệm ña yếu tố 86 4.3 Kết nghiên cứu tối ưu tổng quát 99 4.4 Phân tích, lựa chọn sơ đồ quy trình thực nghiệm 102 4.4.1 Sơ đồ cơng nghệ thấm nitơ plasma 102 4.4.2 Thuyết minh sơ đồ cơng nghệ 102 4.4.3 Chương trình điều khiển quy trình cơng nghệ q trình thấm nitơ plasma 4.5 Kết thực nghiệm theo thông số tối ưu 104 106 4.5.1 Tổ chức tế vi lớp thấm 106 4.5.2 ðộ cứng tế vi 109 4.5.3 Sự phân bố nitơ lớp thấm 109 4.6 Sản phẩm ứng dụng 4.6.1 Căp bánh bơm thủy lực 4.6.2 Bánh trung tâm bánh hành tinh hộp giảm 115 116 tốc xe trộn – vận chuyển bê tổng tươi 117 4.6.3 Dao băm tĩnh, ñộng trục xoắn vít 119 4.6.4 Bánh hộp số máy kéo cầm tay 120 4.6.5 Bánh máy in Offset màu Daiya 122 4.7 Kết luận chương 123 KẾT LUẬN 125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ðà CƠNG BỐ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải Ar Argon C Cacbon CH4 Khí Metan C-N Cacbon – Nitơ CVD (Chemical Vapour Deposition) Phủ bay hóa học DC-plasma EDX Plasma dịng điện chiều (Energy Dispersive X-ray Anolysis) Phương pháp phân tích tế vi tán xạ lượng Rơnghen Fe Fe-C-N Nguyên tử sắt Giản ñồ sắt – cacbon – nitơ FeN Nitrit sắt Fe-N Giản ñồ sắt – nitơ H2 NH3 Khí Hydro Khí amoniac N Nguyên tử nitơ N2 Khí Nitơ MATLAB PVD S STATISTICA Phần mềm mơ vẽ đồ thị tốn học (Physical Vapour Deposition) Phủ bay vật lý Lưu huỳnh Phần mềm mơ vẽ đồ thị wt% % khối lượng XRD Nhiễu xạ Rơngen Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu ðơn vị Giải thích a % Tỷ lệ khí nitơ/hydro (theo lưu lượng) aN - Hoạt ñộ nitơ môi trường thấm bj - Các hệ số phương trình hồi quy d1 µm Chiều dày pha ε + pha γ’ d2 µm Chiều dày pha α dj - Hàm “mong muốn’’ thành phần D - Hàm tối ưu tổng quát Dε - Hệ số khuếch tán pha ε Dγ’ - Hệ số khuếch tán pha γ’ Dα - Hệ số khuếch tán pha α E HV0.3 Fb - G1 l/h Lưu lượng khí N2 G2 l/h Lưu lượng khí H2 G3 l/h Lưu lượng khí CH4 G4 l/h Lưu lượng khí Ar KN - m g/N.m n Vịng/phút Số vịng quay đĩa N N Tải trọng đặt vào mẫu Nα - Số thí nghiệm mức phụ (các điểm sao) N0 - Số thí nghiệm mức sở P Mpa PD µs ðộ cứng bề mặt Tiêu chuẩn Fisher (tra bảng) Thế thấm nitơ Cường độ mài mịn Áp suất Thời gian tồn tạixung Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii Ký hiệu ðơn vị Giải thích PNH3 Pa Áp suất riêng phần NH3 PN Pa Áp suất riêng phần N2 PH Pa Áp suất riêng phần H2 PR µs Thời gian lặp xung R Mm Bán kính vịng quay chốt trượt đĩa S Mm Quảng ñường trượt cửa mẫu s - Phương sai T C Nhiệt ñộ thấm t H Thời gian thấm ton µs Thời gian lặp xung toff µs Thời gian ngừng xung tv - Số chu kỳ ứng suất TC C Nhiệt ñộ vùng gia nhiệt TL C Nhiệt ñộ chi tiết thấm TW C Nhiệt ñộ thành buồng làm việc (tường lò) Uz V ðiện áp cần thiết để hình thành plasma V V ðiện áp Vp V Năng lượng plasma WG C/min Tốc ñộ tăng nhiệt ñộ chi tiết theo thời gian xi - Giá trị mã hóa yếu tố thứ i x1 - Nhiệt ñộ thấm T (0C) x2 - Thời gian thấm t (h) x3 - Tỷ lệ khí nitơ/hydro (%) Yj - Hàm thành phần Y1 - ðộ cứng bề mặt C (HV 0.3) Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… viii Ký hiệu ðơn vị Giải thích Y2 - Cường độ mài mịn m (10-12g/N.mm) Y3 - Chiều dày pha ε+γ’ d1 (µm) Y4 - Chiều dày pha α d2 (µm) Yu - Giá trị trung bình thí nghiệm mức Y0 - Giá trị trung bình thí nghiệm mức sở Ytt - Giá trị tính tốn từ phương trình hồi quy Yu - Giá trị thông số mức ∆M G Sự giảm khối lượng mẫu trước sau thí nghiệm εi - Khoảng biến thiên của yếu tố thứ i Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ix Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 172 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 173 PHỤ LỤC 17 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM VÀ SẢN PHẨM THỰC NGHIỆM Thiết bị Eltropuls H045x080 Bảng thông số thiết bị Bánh bơm thủy lực ăn khớp ngồi trước thấm Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 174 Bánh trung tâm bánh hành tinh hộp giảm tốc xe trộn – vận chuyển bê tông tươi (trước thấm) ðầu kẹp cáp Các chày máy đột, dập Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 175 Các chi tiết mẫu kiểm tra xếp vào lị chuẩn bị thấm Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 176 Vận hành đóng lị chuẩn bị thấm chi tiết Hình ảnh bên lị thấm hoạt động (nhìn từ xuống) Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 177 TS Hoàng Văn Châu kiểm tra thông số công nghệ trình thấm PGS.TS ðào Quang Kế kiểm tra sản phẩm sau thấm Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 178 Sản phẩm sau thấm Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 179 Các loại bánh sau thấm Khn đúc sau thấm Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 180 Các chi tiết hệ thống thủy lực sau thấm Bơm thủy lực cánh văng sau thấm Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 181 Chốt chữ thập máy đầm cóc Chày + dụng cụ cắt Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 182 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 183 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 184 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 185 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 186 ... tượng nghiên cứu + Công nghệ thấm nitơ plasma thiết bị Eltropuls H045x080; + Mẫu vật liệu nghiên cứu: Thép 40CrMo; + Một số chi tiết máy chế tạo từ thép 40CrMo - Phạm vi nghiên cứu + Nghiên cứu số. .. Nghiên cứu số thông số công nghệ thấm nitơ plasma thiết bị thấm nitơ plasma nói trên; + Nghiên cứu chế thấm nitơ nói chung, chế hình thành lớp thấm nitơ plasma nói riêng; + Nghiên cứu ảnh hưởng...LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan: Luận án ? ?Nghiên cứu lựa chọn số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo? ?? cơng trình nghiên cứu riêng Những số liệu, kết nêu luận án trung thực, khách