Tin học ứng dụng Công nghệ chế tạo Chi tiết máy Dụng cụ gia công

Trang 1

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài: Lục Vân Thương

Hà Nội - 2007

Trang 2

Thủ trưởng đơn vị Chủ nhiệm đề tài

Hà Nội - 2007

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

1.2 Tầm quan trọng của công nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện 5

1.3.1 Các thông số liên quan trong quá trình nhiệt luyện 5

1.4 Công nghệ hoá nhiệt luyện 7

1.4.2 Đặc điểm và mục đích của hoá nhiệt luyện 91.5 Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ xung plasma trên thế

1.5.2 Các chủng loại thiết bị cơ bản trên thế giới 11

1.5.3 Vật liệu chi tiết máy và các tính chất sau khi thấm ni-tơ 131.5 Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ plasma ở việt nam 19

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 20

2.2 Thấm ni-tơ thể khí thông thường 202.3 Thấm nitơ thể lỏng 21

2.3.1 Thấm nitơ thể lỏng thông thường 21

Trang 4

B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007

2.5 So sánh đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp 27

2.5.1 So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với các phương pháp thấm nitơ thông thường

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THẤM NI-TƠ PLASMA 33

3.1.1 Giới thiệu chung về thiết bị thấm ni-tơ tại PTN Trọng

điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí 333.1.2 Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H4580 Eltrolab 343.2 Khảo sát vật liệu chế tạo chi tiết thấm 37

4.1 Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma một số mẫu thí nghiệm

4.1.2 Thấm thép dụng cụ AISI – H13 (Chromium hot work steel) 50

Trang 5

4.1.3 Thấm thép hợp kim AISI 4140 (Chromium-molybdenum steel)

524.2 Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma sản phẩm là trục

răng bơm dầu

Kết luận và kiến nghịTài liệu tham khảoPhụ lục 1

Phụ lục 2Phụ lục 3

Trang 6

MỞ ĐẦU

Ở nước ta trong sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước với nền kinh tế thị trường đang phát triển với nhịp độ cao Các ngành công nghiệp như: Cơ khí, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng không … được đánh giá là có tốc độ phát triển nhanh Nhưng song song với sự phát triển đó có những yêu cầu bức thiết được đặt ra nhằm phát huy nội lực trong nước đó là việc nội địa hoá các sản phẩm, trang thiết bị nhập ngoại

Lực lượng kỹ thuật, công nghệ trong nước ngày càng được bổ sung đông đảo với tính hội nhập cao

Cùng với sự có mặt các trang thiết bị công nghiệp được nhập khẩu từ các nước tiên tiến trên thế giới, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các trang thiết bị để thay thế hàng nhập ngoại, phát huy nội lực trong nước đang trở lên cần thiết

Công nghệ nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật liệu kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi hình dáng và kích thước của chi tiết

Trên thực tế, hiếm có vật phẩm kim loại nào được chế tạo mà lại không trải qua quá trình xử lý nhiệt, quá trình mà ở đó kim loại được nung nóng và làm nguội dưới một chế độ được kiểm soát nghiêm ngặt nhằm cải thiện các tính chất cũng như tuổi thọ của vật liệu Nhiệt luyện có thể làm mềm kim loại để tăng cường khả năng tạo hình Nó cũng có thể làm các chi tiết trở nên cứng hơn, để cải thiện độ bền Công nghệ này còn có khả năng phủ những bề mặt rất cứng lên trên nền mềm, để tăng khả năng chống mài mòn Nó còn có thể tạo ra lớp chống ăn mòn trên bề mặt chi tiết, để bảo vệ chi tiết khỏi các tác nhân có hại từ môi trường Và, nhiệt luyện còn có thể làm cho các vật liệu giòn trở nên dẻo dai hơn

Các chi tiết qua nhiệt luyện thường đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của các loại ô - tô, máy bay, tàu vũ trụ, máy vi tính và các loại máy móc khác trong công nghiệp Tính chất và khả năng làm việc của các loại dụng cụ cắt, bánh răng, trục cam, trục khuỷu, phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt luyện Những sản phẩm này hầu hết được chế tạo từ thép bao gồm các loại đã qua cán dạng thanh hay ống cũng như các chi tiết qua đúc, rèn, hàn, gia công cơ khí, ép, dập hay kéo Với các phương pháp nhiệt luyện thông thường như: ủ, thường hoá, tôi ram…các chi tiết sau nhiệt luyện vẫn bị các khuyết tật: biến dạng và nứt, oxy hoá, độ cứng không đạt (cao quá hoặc thấp quá), tính giòn

Trang 7

cao Hay với các phương pháp thấm nitơ, cácbon thông thường có sử dụng các khí độc, muối độc gây hại cho con người và làm ô nhiễm môi trường

Từ những thực tế trên, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, thí nghiêm và áp dụng vào thực tiễn thành công một công nghệ nhiệt luyện mới: Công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma Trong nhiều năm qua công nghệ thấm này được ứng dụng rộng rãi trên thế giới đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các chi tiết máy: giới hạn bền mỏi tăng, biến dạng giảm, sức bền, sức cản được cải thiện, độ cứng bề mặt cao mà lõi dẻo dai, bề mặt ít gồ ghề…Việc áp dụng công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn nhờ tăng tuổi thọ của các chi tiết, máy móc Hơn nữa đây là công nghệ nhiệt luyện mới không làm ô nhiễm môi trường

Nhưng hiện nay công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma còn là hoàn toàn mới mẻ với Việt Nam, nó chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Vì

vậy, nhiệm vụ của đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma ở nhiệt độ thấp (570-6000C) trong chế tạo dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy”

Trang 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài

1.1.1 Mục tiêu của Đề tài

- Thiết lập được QTCN điển hình cho các loại thép Cr-Mo, Cr-Mn-Si, thép dụng cụ

- Ứng dụng cho một số chủng loại dụng cụ cắt gọt kim loại

- Ứng dụng cho một số loại chi tiết máy như nhông xích, cổ trục, …

1.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu bản chất công nghệ thấm ni-tơ xung plasma

- Làm chủ thiết bị và thiết lập các QTCN mẫu cho một số loại thép hợp kim

1.2 Tầm quan trọng của công nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

Nhiệt luyện kim loại và hợp kim là quá trình xử lý nhiệt làm thay đổi tổ chức và do đó làm thay đổi tính chất của chúng Quá trình nhiệt luyện kim loại được nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ (thời gian) quy định để làm thay đổi tổ chức, do đó làm biến đổi tính chất theo hướng đã chọn trước Nhiệt luyện có thể làm mềm kim loại để tăng cường khả năng tạo hình Nó cũng có thể làm các chi tiết trở nên cứng hơn, để cải thiện độ bền Công nghệ này còn có khả năng phủ những bề mặt rất cứng lên trên nền mềm, để tăng khả năng chống mài mòn Nó còn có thể tạo ra lớp chống ăn mòn trên bề mặt chi tiết, để bảo vệ chi tiết khỏi các tác nhân có hại từ môi trường Và, nhiệt luyện còn có thể làm cho các vật liệu giòn trở nên dẻo dai hơn

Hoá nhiệt luyện là một trong các phương pháp hoá bền bề mặt được sử dụng khá phổ biến, ngoài việc làm thay đổi cấu trúc bên trong còn làm thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt Đó là quá trình làm bão hoà lên bề mặt thép một hay nhiều nguyên tố (N2, C, xianua, Al, Si…) để làm thay đổi thành phần hoá học Do đó, làm thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt theo mục đích nhất định mà vẫn bảo tồn đước các tính chất ở lõi của vật liệu Vì vậy, hoá nhiệt luyện là một trong những phương pháp tăng bền có hiệu quả và ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại chi tiết máy quan trọng

1.3 Công nghệ nhiệt luyện

1.3.1 Các thông số liên quan trong quá trình nhiệt luyện

Trang 9

Tất cả các thông số như: nhiệt độ nung (oC), thời gian giữ nhiệt (ủ), tốc độ làm nguội phụ thuộc hoàn toàn vào vật liệu chi tiết được nhiệt luyện với các mục đích đặt ra khác nhau, không thể áp dụng cùng một công nghệ nhiệt luyện

- Nhiệt độ nung nóng: là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung

- Thời gian giữ nhiệt: là thời gian cần thiết duy trì kim loại ở nhiệt độ nung

- Tốc độ làm nguội: là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thời gian giữ nhiệt (oC/s)

Ngoài ra người ta cũng còn quy định tốc độ nung nóng đối với một số trường hợp không lớn hơn giá trị cho phép để tránh nứt khi nung

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình nhiệt luyện đơn giản

1.3.2 Phân loại các dạng nhiệt luyện

- Nhiệt luyện thông dụng:

+ Ủ: ủ hoàn toàn, ủ không hoàn toàn, ủ cầu hoá xementit, ủ đẳng nhiệt, ủ thấp, ủ khuếch tán, ủ kết tinh lại …

Nhiệt độ (oC)

Thời gian Tn

Tgn

Trang 10

nhiệt luyện sẽ gây ra lãng phí rất lớn Vì vậy, cần hiểu rõ các nguyên nhân gây ra các hư hỏng đó, cũng như các biện pháp phòng ngừa [3]

1.4 Công nghệ hoá nhiệt luyện

1.4.1 Cơ sở của hoá nhiệt luyện

1.4.1.1 Những quá trình xảy ra khi hoá nhiệt luyện

Khi thực hiện quá trình hoá nhiệt luyện người ta đặt chi tiết vào trong môi trường rắn, lỏng hoặc khí có khả năng phân hoá ra nguyên tử hoạt của nguyên tố định khuếch tán rồi nung nóng chúng đến nhiệt độ thích hợp sau đó giữ nhiệt độ này trong thời gian đủ để khuếch tán các nguyên tố cần thấm vào chi tiết Các quá trình thấm xảy ra theo ba giai đoạn nối tiếp nhau như sau: phân huỷ, hấp thụ và khuếch tán

- Phân huỷ (PH): Là quá trình tạo ra nguyên tử có hoạt tính cao của nguyên tố khuếch tán Quá trình này xảy ra trong môi trường hoá nhiệt luyện và các nguyên tử hoạt tính được tạo thành có khả năng khuếch tán vào bề mặt kim loại

Khi thấm các bon, quá trình phân huỷ xảy ra như sau: C + CO2 → 2CO → CO2 + Cht Khi thấm nitơ: 2NH3 → 3H2 + 2Nht

Những nguyên tử các bon hoặc nitơ hoạt tính sẽ hấp thụ vào bề mặt chi tiết

- Hấp thụ (HT): Sau khi phân huỷ, các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép lớp có nồng độ nguyên tố định khuếch tán vào cao và tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi

- Khuếch tán (KT): Các nguyên tử hoạt hấp thụ vào lớp bề mặt thép với nồng độ cao sẽ được khuếch tán vào kim loại tạo nên dung dịch rắn hoặc các pha phức tạp, pha trung gian hoặc các hợp chất hoá học tạo thành lớp thấm với chiều sâu nhất định Nhờ khuếch tán lớp thấm được hình thành và nó là cơ sở của hoá nhiệt luyện Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, thời

gian và nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt

Ngoài những yếu tố nêu trên, khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo thành Khi thấm cácbon, nitơ do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xảy ra nhanh hơn khi thấm kim loại do tạo thành dung dịch rắn thay thế

Trang 11

Trường hợp tốt nhất là tốc độ phân huỷ bằng tốc độ hấp thụ

Trong thực tế thường gặp hiện tượng trên bề mặt chi tiết sau khi thấm cacbon có muội bồ hóng Điều đó chứng tỏ các nguyên tử cacbon hoạt tạo thành trong giai đoạn phân huỷ không hấp thụ kịp

Tương quan giữa HT và KT có ảnh hưởng rất lớn đến việc tạo thành lớp khuếch tán Khi hấp thụ xảy ra nhanh hơn khuếch tán, các nguyên tử hấp thụ vào bề mặt không kịp khuếch tán vào trong nên nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt rất cao nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại nhỏ (hình 1.2 “1”) Ngược lại, trong trường hợp khuếch tán nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt thấp nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại lớn (hình 1.2 “2”) [1]

rất nhỏ nên rất dễ xảy ra

- Trong cơ chế giữa các nút mạng, nguyên tử ở vị trí xen giữa các nút mạng này chuyển sang vị trí xen giữa các nút mạng khác Cơ chế này thường

Trang 12

thấy trong dung dịch rắn xen kẽ khi thấm cacbon, nitơ (là nguyên tử có đường kính nhỏ) vào thép

- Cơ chế giữa các nút mạng bằng cách đẩy, xảy ra khi nguyên tử khuếch tán có đường kính xấp xỉ đường kính nguyên tử kim loại cơ sở Nguyên tử khuếch tán đẩy nguyên tử cạnh nó ra và chiếm lấy nút mạng, làm nguyên tử này dịch chuyển giữa các nút mạng

- Trong cơ chế thay thế, nguyên tử khuếch tán và nguyên tử kim loại cơ sở đổi vị trí cho nhau khi chúng đứng cạnh nhau

- Trong cơ chế chuyển vòng, nguyên tử khuếch tán và các nguyên tử kim loại cơ sở đổi chỗ nối đuôi nhau theo vòng tròn

Hình 1.3 Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuếch tán

Trong đó:

1 - Nút trống

2 - Giữa các nút mạng

3 - Giữa các nút mạng bằng cách đẩy

4 - Đổi chỗ

5 - Vòng (vòng đen biểu thị nguyên tử khuếch tán, vòng trắng biểu thị nguyên tử kim loại cơ sở)

1.4.2 Đặc điểm và mục đích của hoá nhiệt luyện

Có nhiều phương pháp hoá nhiệt luyện Dựa vào đặc tính thay đổi thành phần hoá học, các dạng hoá nhiệt luyện có thể chia thành ba nhóm:

- Làm bão hoà bằng các á kim - Làm bão hoà bằng các kim loại

- Tách các nguyên tố ra khỏi kim loại bằng khuếch tán

Trang 13

1.4.2.2 Mục đích của hoá nhiệt luyện

- Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn và độ bền mỏi của chi tiết nhưng hiệu quả đạt được cao hơn so với tôi bề mặt Mục đích này đạt được bằng các phương pháp thấm C, thấm N2, thấm xianua, thấm B…

- Nâng cao tính chống ăn mòn điện hoá và hoá học, chống oxy hoá ở nhiệt độ cao, tăng khả năng chịu axít của lớp bề mặt chi tiết Để đạt được các mục đích này người ta dùng các phương pháp thấm nhôm, thấm silic, [1]

1.5 Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ xung plasma trên thế giới

1.5.1 Sự hình thành công nghệ ở các nước công nghiệp phát triển

Quy trình Nitriding, phát triển lần đầu tiên vào năm 1900, liên tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng Cùng với chất dẫn xuất nitrocarburizing trong quy trình, nitriding thường được sử dụng trong sản xuất chế tạo cơ cấu chi tiết máy và các hệ thống phát điện turbine

Trong những năm đầu của thế kỷ 20, Adoloph Machlet làm việc cho một công ty khí đốt ở Mỹ ở Elizabeth, NJ Anh đã được công nhận là nhà công nghệ xử lý độ cứng bề mặt Qua một thời gian thử nghiệm, Machlet đã khám phá ra là Ni-tơ hòa tan trong sắt Ni-tơ khuếch tán tạo ra độ cứng bề mặt tương đối trong các loại thép thường hoặc thép hợp kim thấp và đặc biệt nó cải thiện được khả năng chống ăn mòn

Ở Châu Âu, Adolph Fly, có một chương trình nghiên cứu tương tự diễn

ra tại Krupp ở Essen trong năm 1906 Giống như Machlet, Fly thừa nhận ni-tơ có thể hòa tan trong sắt ở nhiệt độ cao Chương trình nghiên cứu ông đó là nghiên cứu ảnh hưởng luyện kim tới nguyên tố phi kim mạnh và kết quả là hiệu suất Sáng chế đầu tiên của Fly được ứng dụng vào năm 1921

Ông sử dụng công nghệ tương tự của Machlet, nguồn gốc ni-tơ có thể phá vỡ bằng nhiệt từ đó giải phóng ni-tơ cho phản ứng và khuếch tán Cũng giống như Machlet, Fly sử dụng NH3 là nguồn khí, nhưng ông không sử dụng H2 … Như vậy có sự phát triển quy trình nitriding khí ở trạng thái đơn giản

Fly nghiên cứu sâu vào tác động của các yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt Phát minh của ông đó là trong quy trình nitriding để đạt được độ cứng bề

Trang 14

mặt cao chỉ có thép chứa các thành phần như: Cr, Mo, Al, V, và vonfram Ngoài ra ông còn nhận ra rằng nhiệt độ trong quy trình quyết định đến độ sâu (ngấu) và sự nhiệt luyện của bề mặt thép Quá trình gia công bề mặt thép ở nhiệt độ cao gây ảnh hưởng tới hình dạng của thép đó là “mạng nitride” được biết ngày nay

Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fry tại cuộc hội thảo Hội các nhà thiết kế

chế tạo (SME) năm 1927, Các nhà luyện kim Mỹ băt đầu tìm hiểu về các tham số trong quá trình nitriding và các hiệu ứng của hợp kim trong quá trình nitriding của các loại thép

Ở Đức, công nghệ thấm nitơ - plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học

người Đức, Dr Wehnheldt năm 1932 Sau đó Wehnheldt cùng nhà vật lý học người Thụy Sĩ và nhà buôn người Đức, họ cùng nhau nghiên cứu công nghệ thấm nitơ ion và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH, chế tạo thiết bị thấm nitơ ion Đến năm 1970, công nghệ thấm nitơ - plasma được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở Châu Âu Những ưu điểm của nó dần được chứng minh trong thực tế

1.5.2 Các chủng loại thiết bị cơ bản trên thế giới

- Về đặc trưng vẫn giống như lò chuông

- Trong khi xử lý ở đáy này thì chi tiết cho ra ở đáy kia - Có hệ thống tự động nâng lò lên trong 24h điều khiển - Lò 2 đáy có kích thước lớn [13]

Trang 15

Hình 1.5 Lò 2 đáy 1.5.2.3 Lò có 2 vật chứa

- Có khả năng làm việc liên tục

- Ưu điểm là thùng chứa có khả năng mang tải lớn và chứa được chi tiết dài [13]

Hình 1.6 Lò có 2 vật chứa 1.5.2.4 Lò thấm của hãng Aldridge

- Kích thước làm việc của lò là: đường kính 1000 mm, chiều cao 1600 mm Không làm ô nhiễm môi trường

- Có 2 buồng làm việc làm tăng năng suất, bù được thời gian thấm dài [13]

Hình 1.7 Lò thấm của hãng Aldridge

Trang 16

1.5.3 Vật liệu chi tiết máy và các tính chất sau khi thấm ni-tơ

1.5.3.1 Một số loại thép dùng để thấm nitơ a Các chi tiết thép cacbon

Thép cacbon được thấm nitơ để tăng khả năng chống ăn mòn trong môi trường không khí như ốc, vít, bánh răng cỡ nhỏ Quá trình này có thể thay thế mạ kẽm, mạ niken hoặc mạ đồng Để giảm độ giòn của chi tiết trước khi thấm cần thường hoá hoặc tôi cải thiện Với lớp thấm 0,015 – 0,030 mm lớp nitrít có khả năng chống được ăn mòn không khí ẩm, trong nước chảy, dầu bẩn,

xăng, hơi nóng, dung dịch kiềm loãng và các môi trường khác

Thấm nitơ thép cacbon làm tăng độ cứng, giới hạn bền và giới hạn chảy, tăng khả năng bền mỏi lên 1,5 – 2 lần

Độ cứng của thép cacbon thấm nitơ không lớn, vì thế khi thấm nitơ để đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao người ta không dùng thép cabon thông thường vì các nitrít sắt có khuynh hướng kết tụ ở nhiệt độ cao, do vậy có kích thước lớn, lớp thấm không có độ cứng và tính chống mài mòn cao và trở nên giòn, dễ tróc

b Các chi tiết thép hợp kim

Để thấm nitơ thường dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tố như Cr, Mo, Al chúng có ái lực với nitơ mạnh hơn sắt và các nitrít này không những có độ cứng cao như nitrit sắt mà còn có tính phân tán lớn, ổn định nhiệt độ cao Do đó lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn rất cao, chắc, không tróc Khi thấm nitơ cho thép hợp kim sẽ tạo thành những nitrit hợp kim nhỏ mịn (Cr2N, Mo2N, AlN…) nên làm tăng độ cứng và tính chống ăn mòn Các loại thép hợp kim thường dùng để thấm nitơ là: 38CrMoAlA, 38CrMoA, 38CrWVAl, 38Crl, 35CrAlA, 38XWVAlA

Ngoài ra còn có các loại khác như: 30CrN, 2WVA, 30Cr2NiWVA, 30Cr3WA, 18Cr2Ni4WA Thấm nitơ các loại thép không gỉ như 1Cr13, 1Cr18Ni9Ti, 4Cr14Ni2W2, 20Cr3MOWV Do sự có mặt đồng thời của các nguyên tố hợp kim như crôm, nhôm, môlipđen nên độ cứng của lớp thấm có thể đạt tới 1200 HV hoặc cao hơn.[1, 3, 4, ]

Thấm nitơ với mục đích tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển, trong hơi nước và trong nước; có thể dùng cho tất cả các loại thép kể cả thép cácbon, gang

c Các loại vật liệu sử dụng trong chế tạo sản phẩm ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma

Trang 17

Bảng 1.1 Một số loại vật liệu sử dụng trong chế tạo chi tiết máy ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ plasma

Xi lanh thủy lực 16MnCr5 · 42CrMo4 · ETG100

Chế tạo dụng cụ - khuôn đúc

Vật liệu

Khuôn tạo hình GG 25 CrMo · GGG 60 · GGG 70L · GGGJ

Khuôn đúc 14CrMnMo7

Khuôn đúc nhôm X38CrMoV5-1, X38CrMoV5-3, 40CrMnMo7, 40CrMnMoS8-6

Bộ phận hệ thống giảm xóc C45 · 16MnCr5

Khớp nối bản lề 31CrMo12

Trang 18

1.5.3.2 Đối tượng được thấm nitơ – plasma

Các chi tiết, dụng cụ của tất cả các ngành đều là đối tượng được thấm nitơ – plasma [12]:

- Các bánh răng trong các máy móc xây dựng, công nghiệp tự động đòi hỏi độ bền mỏi tăng, sự biến dạng giảm, cần thiết phải mài sau nhiệt luyện để đạt kích thước đúng

- Các chi tiết của động cơ đốt trong: trục khuỷu, trục cam, pinhônh, thanh dẫn, bánh răng… cần tăng tính chất chống mài mòn, sức bền mỏi được cải thiện

- Khuôn ép, máy ép khi đúc kim loại, hợp kim đòi hỏi tăng khả năng chống ăn mòn, mài mòn

- Dụng cụ cắt yêu cầu có khả năng chống mài mòn cao, độ cứng lớn Nhìn chung sự ứng dụng công nghệ thấm nitơ - plasma là rất rộng rãi Từ gang, thép cácbon, đến các loại thép hợp kim Công nghệ này đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Đức, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ…

Một số hình về đối tượng được thấm ni-tơ plasma:

Hình 1.8 Trục khuỷu

Hình 1.9 Trục vít Hình 1.10 Bánh răng

Trang 19

Trang 20

1.5.3.3 Kết quả sau khi thấm

Chi tiết sau khi thấm nitơ - plasma có lớp phủ ngoài cứng, Độ cứng trên bề mặt chi tiết giảm dần theo chiều sâu đến lõi

Hình 1.19 Sự thay đổi độ cứng của các thép hợp kim theo chiều sâu lớp thấm

Gang

Thép dụng cụ làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp Thép không gỉ 17% Cr

Thép đã xử lý nhiệt Gang xám

Thép dụng cụ làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao Thép cacbon

Từ đồ thị cho thấy với những thép khác nhau thì độ cứng thay đổi theo chiều sâu lớp thấm là khác nhau Thép hợp kim thấp đồ thị thoải hơn, thép hợp kim cao đồ thị dốc hơn Các nguyên tố tạo nitrit (các nguyên tố hợp kim) là các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm của các thép hợp kim

Thép hợp kim thấp có chiều sâu lớp thấm lớn hơn nhưng độ cứng tổng cộng thấp hơn thép hợp kim cao Có sự chuyển tiếp từ từ giữa lớp được nitrit và lõi vật liệu Đây là tính chất tốt cho những chi tiết chịu tải trọng lớn, va chạm mạnh

Thép hợp kim không gỉ với thành phần hợp kim cao, miền chuyển tiếp từ lớp thấm đến lõi vật liệu là đột ngột

Trang 21

Hình 1.20 Tổ chức tế vi của thép không gỉ

sau khi thấm nitơ - plasma

Bảng 1.2 Kết quả thấm Nitơ - plasma cho một số mác thép [12, 15]

(HV2)

Chiều sâu lớp thấm (mm)

Trang 22

1.6 Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ plasma ở việt nam

Hiện nay, ở Việt Nam tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ – Bộ công nghiệp đã được đầu tư một thiết bị về thấm ni-tơ xung plasma do Đức sản xuất Sử dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma hay còn gọi là thấm ni-tơ thể ion

Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quy trình công nghệ thấm phù hợp đảm bảo chất lượng lớp thấm và khả năng làm việc là hết sức cần thiết

Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế – xã hội, việc nâng cao hiệu quả chất lượng chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng Chất lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị thì phụ thuộc rất lớn vào chất lượng chi tiết cơ khí Việc áp dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma góp phần đáng kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành cơ khí nói riêng và ngành công nghiệp nói chung

Với việc đưa phương pháp thấm ni-tơ xung plasma vào thay thế một số phương pháp thấm tôi khác sẽ góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ chi tiết, giảm ô nhiễm môi trường phục vụ hiệu quả cho các ngành công nghiệp

Trang 23

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung

Thấm nitơ là một quá trình hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà bề mặt chi tiết bằng nitơ ở một chiều sâu nhất định Thấm nitơ là nguyên công cuối cùng và được ứng dụng vào việc nâng cao độ chống mài mòn và giới hạn mỏi của chi tiết

Độ cứng của lớp thấm nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ 600 ÷ 650oC, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 200 ÷ 225oC

Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xylanh của động cơ lớn, khuôn dập cũng như các dụng cụ cắt gọt…

Phân loại

- Theo điều kiện nung nóng và giữ nhiệt có:

+ Thấm nitơ đẳng nhiệt: quá trình thấm chỉ giữ ở một nhiệt độ thích hợp nhất nhằm đạt được kết quả tốt (độ cứng cao và không có pha ε giòn)

+ Thấm nitơ nhiều cấp: quá trình thấm tiến hành ở nhiều nhiệt độ Thấm nitơ nhiều cấp có tác dụng nâng cao hiệu quả của quá trình thấm (tăng chiều sâu lớp thấm, giảm thời gian thấm)

- Theo điều kiện tác dụng của môi trường bên ngoài: + Thấm nitơ thể khí

+ Thấm nitơ thể lỏng + Thấm nitơ ion

2.2 Thấm ni-tơ thể khí thông thường

Quá trình thấm ni-tơ ở thể khí được tiến hành bằng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniắc (NH3) ở nhiệt độ 480 ÷ 650oC là nhiệt độ tại đó nó bị phân huỷ mạnh nhất Bề mặt chi tiết được bão hoà bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc theo phản ứng:

2NH3 → 3H2 + 2N

Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao bị hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép

Trang 24

Lượng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào độ phân giải NH3 Độ phân giải NH3 phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và lượng NH3đưa vào lò

Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2N → N2 Do đó, thấm nitơ xảy ra mạnh khi quá trình phân giải NH3 xảy ra gần bề mặt chi tiết Độ phân giải amôniắc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tốc độ cấp NH3, diện tích bề mặt chi tiết và nồi thấm bởi vì bản thân thép cũng là vật xúc tác làm tăng nhanh phản ứng Độ phân giải thấp, khả năng hấp thụ nitơ lên bề mặt chi tiết giảm vì không đủ số nitơ nguyên tử hoạt tính Song nếu độ phân giải NH3cao sẽ có nhiều nguyên tử nitơ hấp thụ bề mặt và ngăn cản sự hấp thụ nitơ Vì vậy, người ta phải khống chế tối ưu độ phân giải NH3 ở 500oC là 15 ÷ 30%; ở 550oC là 35 ÷ 45%; ở 600oC là 45 ÷ 60% Hyđrô có tác dụng làm thoát cacbon của chi tiết.[1], [3],

2.3 Thấm nitơ thể lỏng

2.3.1 Thấm nitơ thể lỏng thông thường

Thấm nitơ ở trạng thái lỏng tiến hành trong bể muối có thành phần 40% KCNO + 60% NaCN, qua bể muối cho luồng không khí khô đi qua Nhiệt độ thấm là 570oC, thời gian thấm 0,5 – 3 giờ Sau khi thấm trên bề mặt tạo thành một lớp mỏng cacbit – nitrit Fe3(N,C) có khả năng chống mài mòn cao và không bị phá huỷ giòn Tiếp theo lớp cacbit – nitrit là lớp dung dịch rắn α Chiều sâu lớp thấm khoảng 0,15 – 0,5 mm

Ưu điểm của phương pháp này là ít thay đổi kích thước, chi tiết không bị cong vênh

Nhược điểm là dùng muối độc và giá muối xianua quá đắt.[1]

2.3.2 Thấm nitơ thể lỏng nitarid

Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp, nhằm bão hoà bề mặt sắt thép bằng nguyên tố nitơ trong môi trường nóng chảy Phát triển công nghệ này là một bước ngoặt mới trong ngành công nghiệp cơ khí, cụ thể là: chế tạo các trục khuỷu, bánh răng hộp số, cần gạt, trục cam, xi lanh, nắp van, con trượt, thanh dẫn khớp nối, khuôn dập nóng, dụng cụ cắt

Trước đây, người ta thường xử lý bề mặt trên cơ sở hoá luyện kim bằng công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ cũ Công nghệ thấm nitơ cũ tiến hành trong bể muối nóng chảy có chứa 40% muối xianua Muối xianua có tính độc tố cao làm ảnh hưởng đến vệ sinh môi trường, do nước thải và phế thải của bể

Trang 25

thấm có chứa xianua Vì vậy những năm gần đây, theo xu hướng mới của thế giới, đặc biệt là những nước có nền công nghiệp phát triển, trung tâm Khoa học công nghệ Cơ học máy thuỷ lợi - Trường Đại học Thuỷ lợi đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ thấm nitơ mới, một công nghệ hoàn toàn không phế thải, không ảnh hưởng xấu đến môi trường Sở dĩ công nghệ nitarid đảm bảo được vệ sinh môi trường là nhờ việc sử dụng các hỗn hợp thấm nitơ không chứa muối xianua và đưa vào sử dụng chất tái sinh có khả năng phục hồi hoạt tính của bể thấm

Công nghệ này được tiến hành trong bể muối nóng chảy, gồm các muối chuyên dùng như: kali cacbonat, natri cacbonat, có 30 - 40% muối xianat và bổ sung chất tái sinh để phục hồi lượng MeCNO ban đầu, phục hồi khả năng làm việc của bể thấm Để phục hồi 1% lượng (CNO+) đã giảm, chỉ cần thêm lượng chất tái sinh bằng 0,6% khối lượng muối nóng chảy trong bể thấm Trong đó, việc oxy hoá trong bể muối nóng chảy ở nhiệt độ 300 – 400oC làm tăng khả năng chống mài mòn, và ăn mòn của lớp thấm nitơ

Đặc biệt, thiết bị sử dụng khi thấm rất đơn giản, quá trình thấm được tiến hành trong nồi titan đúc chứa hỗn hợp muối nóng chảy Trong nồi được đặt thêm giỏ thép có kết cấu thích hợp, thuận tiện cho việc đưa sản phẩm vào và lấy ra Thiết bị đảm bảo độ tin cậy cao, giá thành rẻ, dễ sử dụng, thích hợp với qui mô sản xuất vừa và nhỏ ở nước ta hiện nay và có khả năng nâng cấp tự động hoá cao trong quá trình sản xuất, tương đương với các nước phát triển

Công nghệ thấm nitơ thể lỏng nitarid làm cho các sản phẩm từ sắt, thép có khả năng chịu mài mòn và chịu mỏi cao, chống ăn mòn rất tốt Công nghệ được tiến hành ở nhiệt độ thấp (dưới 600oC), nên sản phẩm có độ biến dạng thấp, thành phần bể thấm đảm bảo tính ổn định hoá nhiệt và có độ chảy loãng, khả năng tạo nitơ hoạt tính cao Mặt khác, công nghệ xử lý bề mặt sau khi thấm rất đa dạng, cải thiện được các tính chất của lớp thấm Công nghệ đơn giản, đảm bảo được tính ưu việt của bề mặt sản phẩm làm cho nitarid có khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.[14]

2.4 Thấm ni-tơ ion plasma

Thấm ni-tơ plasma hay thấm ni-tơ ion là công nghệ nhiệt luyện tiên tiến nhất Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp với hỗn hợp các khí H2, N2, CH4 và Ar Dưới điện thế cao các khí bị ion hoá tạo dòng plasma Ion ni-tơ được gia tốc trong quá trình plasma và va chạm với mẫu vật Quá trình bắn phá ion này làm nung nóng, làm sạch và tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng giới hạn bền mỏi.[13, 12, 11, 10, …]

Trang 26

2.4.1 Quá trình thấm ni-tơ plasma

Quá trình thấm nitơ - plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng nitơ Chi tiết được đặt trong lò chân không, trong đó chi tiết được nối với catốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện.[15]

U - Nguồn điện (350 – 600V) P - Áp suất tổng (0,1 – 10 mbar) TL - Nhiệt độ tải ( 250 – 1000oC) TW - Nhiệt độ tường lò (100 – 550oC) D - Đường cung cấp vật liệu

G - Khí cung cấp cho quá trình V - Bơm hút chân không

Thùng được tháo ra làm sạch oxy và các chất bẩn khác, sau đó lắp lại Quá trình thấm được mô tả như sau: khi nguồn điện được đóng vào, dưới điện áp cao (600-1000V) và áp suất thấp khí được biến đổi thành những ion (dòng điện dẫn plasma) Ion dương sẽ bắn phá bề mặt chi tiết và các electron phát ra tới anốt tạo ra một luồng sáng xung quanh chi tiết Với thép quá trình này tạo nên một chất rắn hoà tan của nitơ (FeN) trên bề mặt thép Sau đó là quá trình khuếch tán Trong suốt quá trình khuếch tán nitơ phần nào thay thế

Trang 27

cácbon trong mactenxit và tạo các nitrit Fe4N, Fe2-3N ở lớp bề mặt Cácbon được phân phối lại trong miền phân chia Sự phân chia nitơ và phân phối lại cacbon là một hàm của thời gian và nhiệt độ thấm

Quá trình phân ly dựa trên năng lượng tự nhiên mạnh mẽ của luồng điện phát sáng tác động xung quanh bề mặt chi tiết Đó còn gọi là năng lượng plasma Nguồn plasma nitơ gồm có các ion, các electron gốc và hoạt hoá Sự tương tác giữa plasma và bề mặt rắn là sự kích thích, ion hoá, phân ly và gia tốc

Trong quá trình thấm nitơ - plasma có hyđrô và nitơ nhưng không có xúc tác cho việc tạo thành NH3 như trong thấm N2 thể khí thông thường Các phần tử N2 cũng có thể được biến đổi trong quá trình hoạt hoá [10, 12, 13, 15, …]

2.4.2 Định nghĩa xung plasma

Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được đưa vào năm 1923 Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp

Một ví dụ về plasma là mặt trời Nhưng với nhiệt độ cao như vậy plasma không được sử dụng trong công nghệ xử lý bề mặt vật liệu Khi áp suất khối khí lớn hơn 0,1 bar thì trạng thái plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt độ > 8000oK Nếu áp suất khối khí giảm xuống còn khoảng 1 Mbar thì plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều Chính vì thế trong môi trường chân không plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp Trong công nghệ thấm nitơ xung plasma thì plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng không gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lò) Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vôn khí được ion hoá trở thành dòng khí dẫn điện (plasma) Mật độ dòng tăng khi điện áp tăng [10, 12, 13,…]

Bề mặt xử lý bằng plasma đầu tiên sử dụng công nghệ DC plasma (plasma sinh ra bởi điện áp một chiều) trong lò chân không làm mát bằng nước Nhược điểm chủ yếu của công nghệ này là nhiệt độ tải biến động quá lớn Vì thế năng lượng tiêu thụ cao, mật độ tải nhỏ, hạn chế sự liên kết giữa quá trình nhiệt và hoá học Năm 1980 ELTRO sử dụng xung plasma nghĩa là plasma được sinh ra bởi điện áp xoay chiều Nó khắc phục được các nhược điểm của công nghệ DC plasma:

- Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình - Nhiệt độ phân bố trên tải đồng đều hơn

Trang 28

- Giảm năng lượng tiêu thụ - Giảm tiêu thụ khí

- Giảm thời gian

Hình 2.2 Mô tả xung plasma

Thời gian tồn tại xung khoảng 50-100µs Chu kì xung khoảng 300µs

100-Tất cả các lò thấm công nghiệp hiện nay đều sử dụng xung plasma Nhưng chỉ có hãng ELTROPUL sử dụng nguồn xung plasma được tạo từ trước Nó có nhiều ưu điểm như:

- Tạo plasma ổn định trong mọi trường hợp

- Thấm được những chi tiết có hình dạng hình học phức tạp - Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình thấm xuống thấp nhất - Bề mặt được xử lý nhiều nhất

2.4.3 Sự phân lớp

Lớp bề mặt được nitrit hoá sau khi thấm nitơ ion là sự kết hợp của các miền Một lớp trắng mỏng, chắc chắn bên ngoài và miền khuếch tán bên trong Phạm vi cấu trúc và độ đồng nhất của lớp trắng và miền khuếch tán được điều chỉnh độc lập với nhau

Lớp trắng mỏng là lớp liên kết của sắt và nitơ tạo các nitrit: Fe4N, Fe2-3N Độ dày lớp này lớn nhất là 20 µm [10, 12,13, ]

Miền khuếch tán độ dày tới 0,8 mm Trong đó nitơ xâm nhập vào mạng tinh thể của sắt và kết hợp với các nguyên tố hợp kim Cr, Mo, Ti, Al, V…để tạo thành các nitrit đặc biệt Những nitrit đặc biệt này là những phần tử quan trọng để làm tăng độ cứng và chống mài mòn của thép hợp kim

Trang 29

được nung nóng trong thời gian ngắn nhất, bởi sự bức xạ hay khí trơ trong chân không, với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức Hầu hết các chương trình phức tạp đều được sử dụng lặp lại trong các lần thấm khác nhau Sau khi được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết và thấm nitơ, chi tiết được làm nguội một cách tự động Phương pháp làm nguội có thể lựa chọn tuỳ theo yêu cầu của chi tiết

- Làm nguội chậm trong môi trường chân không đảm bảo chi tiết không bị biến dạng

- Làm nguội nhanh trong khí trơ với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức làm tăng năng suất thấm

Lớp thấm gồm có lớp hỗn hợp (lớp trắng) và miền phân chia Lớp trắng có thể có tổ chức γ hoặc ε Lớp γ chiều dày từ 2-8 µm, có tính mềm dễ uốn, chống mài mòn tốt, chịu được ứng suất lớn do đó áp dụng cho những chi tiết chịu tải trọng động lớn Lớp ε dày tới 20 µm có khả năng chống mài mòn, ăn mòn tốt

Quá trình ELTROPUL với xung plasma được thiết lập sẵn có những ưu điểm đặc trưng

- Nguồn plasma được tự động giới hạn từ trước tới giá trị cần thiết đảm bảo đồng đều nhiệt cho chi tiết và cho phép nạp vào lò với số lượng chi tiết lớn nhất có thể Hơn nữa, giá trị nguồn nhỏ nhất sẽ ngăn cản được sự quá nhiệt của những chi tiết quá mỏng (hiện tượng thường xảy ra với các quá trình có thời gian tồn tại xung ngắn)

- Quá trình ELTROPUL đảm bảo được lớp nitrit đặc chắc Trong cùng một quá trình có thể thấm được những chi tiết với các kích thước hình học khác nhau

- Ưu điểm nữa của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL là giảm được tiêu thụ điện năng, tiêu thụ khí, nước làm nguội, do đó giảm được giá thành nhiệt luyện Với quá trình ELTROPUL, số lượng chi tiết có thể thấm nitơ - plasma là tăng hơn so với các quá trình khác Ứng dụng của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL ngày càng rộng rãi.[13, 15]

Các chi tiết được thấm: piston, van lò xo, dụng cụ cắt, trục khuỷu, dùi, mũi khoan, bơm, bánh răng điều chỉnh, mũi doa, trục cam, bánh răng bơm dầu…

Trang 30

2.5 So sánh đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp

2.5.1 So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với các phương pháp thấm nitơ thông thường

So với thấm nitơ trong lò muối và thấm nitơ thể khí thông thường thì thấm nitơ - plasma có ưu điểm:

- Chất lượng bề mặt tốt hơn, khả năng chống mài mòn tốt hơn, không bị giòn, xấu, nứt gãy do đó không phải mài bỏ hay làm sạch lớp trắng giòn như trong các phương pháp thấm nitơ thông thường

- Thấm được những chi tiết có hình dáng phức tạp mà các phương pháp thấm nitơ cũ không thể thấm được một cách đồng đều

- Khí sử dụng trong quá trình là N2, H2 do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của bề mặt cuối cùng Thấm nitơ trong lò muối và thể khí thông thường sử dụng NH3 và phốt phát làm bề mặt bị gồ ghề, nhám

- Thấm nitơ - plasma ở nhiệt độ thấp hơn cho độ cứng bề mặt cao mà không ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu Trong các công nghệ thấm nitơ trước đây nhiệt độ cao hơn do đó có ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu

- Vật liệu được thấm nitơ - plasma đa dạng hơn

- Quá trình không sử dụng các khí độc như các công nghệ trước đây do đó an toàn với môi trường hơn.[13]

2.5.2 So sánh thấm Nitơ - plasma với mạ Crôm

- Thấm nitơ - plasma nổi bật là tính chống mài mòn tốt của lớp phân chia đến bề mặt Do thấm nitơ - plasma là quá trình phân lớp nên nó hạn chế được các vấn đề gặp phải trong mạ crôm như gỉ còn sót, nứt gãy, tích tụ, sắc cạnh, sứt mẻ, …

- Chi tiết không bị tích tụ ở góc cạnh do đó không phải nguyên công mài để loại bỏ

- Thấm nitơ - plasma cải thiện được tính chất bền mỏi của vật liệu Mạ crôm không đạt được tính chất này

- Do quá trình thấm nitơ - plasma có luồng phóng điện phát sáng bao phủ bề mặt chi tiết nên sản phẩm có độ cứng lớn, chiều sâu lớp thấm phù hợp

- Là phương pháp bảo vệ môi trường Còn mạ crôm sử dụng crôm hoá trị IV chất gây ung thư.[13]

Trang 31

2.6 Các thông số trong quá trình thấm

Các tính chất của lớp bề mặt (độ cứng, độ nhám, độ sạch), chiều sâu lớp thấm, tính chất lớp thấm, độ cứng tế vi của vật liệu… chịu ảnh hưởng của các thông số đầu vào như điện áp - mật độ dòng, thời gian thấm, nhiệt độ thấm, thành phần hỗn hợp khí và áp suất khí Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số và từ đó chọn được chế độ thấm thích hợp

Trang 32

Ở nhiệt độ nhất định, thời gian khuếch tán càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng Quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabol (hình 2.4) theo công thức:

δ = K τ

Trong đó:

δ − chiều dày lớp khuếch tán

K − hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D τ − thời gian

Từ hình vẽ ta thấy thời gian thấm càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng nhưng tỷ lệ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm Nếu với mục đích nhiệt luyện để có chi tiết có chiều sâu lớp thấm lớn thì biện pháp có hiệu quả là tăng nhiệt độ chứ không phải thời gian

2.6.3 Nhiệt độ

Chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán Khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh tốc độ khuếch tán càng nhanh

Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ theo biểu thức: D = A.e-Q/RT

Trang 33

e - Cơ số logarit tự nhiên, R - Hằng số khí,

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa D và T

Hình 2.6 Sự phân lớp từ lõi đến bề mặt vật liệu phụ thuộc vào thành phần khí.

Lõi Lớp trắng Phần còn lại

Trang 34

Trường hợp 1: Thành phần nitơ trong hỗn hợp khí của quá trình từ 1-5%, không có lớp trắng

Trường hợp 2: Thành phần nitơ trong hỗn hợp khí nạp vào từ 15-30%, có lớp trắng với tổ chức hoàn toàn là γ

Trường hợp 3: Thành phần nitơ từ 60-70%, mêtan từ 1-3%, có lớp trắng với tổ chức hoàn toàn là ε

Lớp trắng mỏng có thể có tổ chức γ hoặc tổ chức ε

Lớp trắng có tổ chức γ mềm hơn và mỏng hơn lớp trắng với tổ chức ε Độ dày từ 0,1-0,4 µm Do rất mỏng nên khi chi tiết chịu lực lớn và va chạm mạnh lớp trắng đó sẽ không bị gãy vụn Hơn nữa nó sẽ dễ dàng mất đi để mạ, phủ sau khi thấm

Lớp ε không mềm như lớp γ nhưng có khả năng chống mài mòn tốt hơn, có hệ số ma sát nhỏ hơn Độ dày lớp ε lớn hơn khoảng 0,2-0,4 µm và tăng khi thời gian thấm tăng Do đó khả năng chống ăn mòn tăng và có bị “xốp hơn” lớp có tổ chức γ

Độ dày lớp trắng có tổ chức γ và ε đều tăng khi tăng nhiệt độ thấm.Tuỳ theo mục đích sử dụng vật liệu mà điều chỉnh thành phần của hỗn hợp khí cho thích hợp để lớp trắng của bề mặt chi tiết sau khi thấm có tổ chức γ hay ε Nếu chi tiết làm việc trong điều kiện chịu lực lớn, va chạm mạnh hoặc được mạ, phủ sau khi thấm thì thành phần khí khi thấm có khoảng 15-30% N2 để lớp trắng có tổ chức γ Còn sử dụng hỗn hợp khí với tỷ lệ 60-70 % N2, 1-3 % CH4để lớp trắng có tổ chức ε cho những chi tiết làm việc trong điều kiện bị ăn mòn lớn

+ Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp, nhằm bão hoà bề mặt sắt thép bằng nguyên tố nitơ trong môi trường nóng chảy

- Trong thấm ni-tơ thể ion plasma đã tìm hiểu được quá trình thấm ni-tơ plasma; định nghĩa về xung plasma; tìm hiểu về quá trình Eltropuls

Trang 35

+ Quá trình thấm nitơ - plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng nitơ Chi tiết được đặt trong lò chân không, trong đó chi tiết được nối với catốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện

+ Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được đưa vào năm 1923 Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp

+ Quá trình ELTROPUL có các thông số được vi điều chỉnh và đánh giá trong suốt quá trình nhiệt luyện để cho sản phẩm có tính chất tốt nhất

- Tiến hành so sánh giữa phương pháp thấm ni-tơ plasma với phương pháp thấm ni-tơ thông thường

- Tiến hành so sánh giữa phương pháp thấm ni-tơ plasma với phương pháp mạ Cr

- Tiến hành tìm hiểu các thông số trong quá trình thấm ni-tơ plasma: điện áp, mật độ dòng ion; nhiệt độ; thành phần hỗn hợp khí

Trang 36

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THẤM NI-TƠ PLASMA

3.1 Thiết bị thấm ni-tơ plasma

3.1.1 Giới thiệu chungvề thiết bị thấm nitơ tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí

Thiết bị thấm nitơ plasma dùng cho phòng thí nghiệm dạng xung được thiết kế cho phép thấm nitơ ở nhiệt độ thấp

Thiết bị thấm nitơ sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm do hãng ETRO GmbH của CHLB Đức chế tạo năm 2004, và đã được cấp bằng sáng chế cho phép đảm bảo tốt nhất khi gia cường chi tiết và phụ tùng Thiết bị cũng đã đạt tiêu chuẩn ISO 9002: 1994 (có chứng chỉ chất lượng kèm theo)

Thời gian gia nhiệt chi tiết ngắn trong chân không bằng bức xạ hoặc khí

trơ với sự đối lưu tự nhiên hoặc sự đối lưu cưỡng bức Không làm thay đổi tính chất ban đầu của vật liệu

Thời gian và nhiệt độ được chương trình hoá đáp ứng mọi quá trình thấm

Khi chi tiết đạt nhiệt độ cuối cùng và qua các bước thấm, chi tiết được làm mát tự động để hạ nhiệt sản phẩm từ từ đúng theo quy trình đảm bảo chi tiết không bị méo mó biến dạng

ELTROPUL

Trang 37

Hình 3.1 Lò thấm Eltropul H4580

3.1.2 Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H4580 Eltrolab

Hình 3.2 Cấu tạo buồng lò

Thành lò dạng hình chuông Thành lò được chế tạo bằng thép không gỉ Buồng được làm mát bằng quạt, có quạt bên ngoài dùng làm mát thành buồng làm việc

Bích gá lắp buồng được làm mát bằng nước và được đặt cách thành buồng làm việc để nhận được đường đẳng nhiệt

Bích gá kẹp làm bằng hợp kim Nicket – chrome 1.4301

Có cửa quan sát gắn kính chắn quan sát quá trình làm việc bên trong của buồng

Cặp nhiệt độ

Van điều chỉnh áp suất

Lập chương trình điều khiển

Trang 38

3.1.2.1 Các thông số chính của máy

- Khả năng gia công đối với mẫu nặng: Max 500 kg

- Kích thước làm việc hữu ích: Φ 450 × 800 mm

- Nhiệt độ thành buồng làm việc: 5500C - Nhiệt độ vùng làm việc: 6000C - Bộ gia nhiệt có thể làm việc đến nhiệt độ: 12000C

- Số vùng gia nhiệt: 3vùng (W1,W2,W3) 9 Nguồn Plasma

- Công suất nguồn plasma: 10 kVA

9 Hệ thống chân không

- Bơm chân không 2 cổng

+ Thời gian đạt độ chân không 5 Mbar: 15 phút

+ Áp suất đo: 0,01 – 10Mbar (phụ thuộc khí) - Đồng hồ đo áp suất

- Van điều khiển áp suất

9 Các loại khí sử dụng (Gas)

Sử dụng 4 loại khí: H2 (tinh khiết 99,999%), N2 (tinh khiết 99,999%), CH4 (tinh khiết 99,999%), Ar (tinh khiết 99,5 %)

Trang 39

9 Hệ thống cung cấp nước làm mát

- Bơm nước lưu lượng: 3 m3/ h

Hình 3.3 Hệ thống bình khí cung cấp

3.1.2.2 Hệ thống điều khiển bằng máy tính công nghiệp

- Máy tính công nghiệp: Dùng điều khiển các quá trình hoạt động của thiết bị hoàn toàn tự động

- Màn hình hiển thị liên tục các thông số của quá trình: + Thời gian

+ Các bước chương trình + Áp suất làm việc

+ Dòng khối của dòng khí + Điện áp

Argon

Metal

Trang 40

+ Dòng xung (peak current) + Nhiệt độ chi tiết thấm + Thời gian xung + Lặp lại xung

3.1.2.3 Phần mềm điều khiển chế độ công nghệ

- Điều khiển tự động + Áp suất làm việc + Tốc độ dòng của 4 khí + Điện áp và dòng xung

+ Thời gian xung và biên độ lặp lại xung + Nhiệt độ chi tiết

+ Nhiệt độ thành buồng làm việc - Đặt chương trình theo các tham số

+ Thời gian

+ Áp suất làm việc

+ Dòng khối của 4 loại khí + Nhiệt độ tải (vật)

+ Gradient nhiệt độ tải (vật)

+ Nhiệt độ thành buồng làm việc chân không

+ Gradient nhiệt độ thành buồng làm việc chân không + Thời gian xung

+ Biên độ lặp lại xung

+ Chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ và có thể thay đổi ở mọi thời điểm

3.2 Khảo sát vật liệu chế tạo chi tiết thấm

Trong quá trình khảo sát, nhóm đề tài tiến hành khảo sát tại các cơ sở sau:

- Tại Công ty CP Cơ khí chính xác số 1: sản phẩm chính là các cặp bánh răng bơm dầu dùng cho hệ thống bơm dầu của xe ô-tô Ben và Kamaz

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	7,66 MB