Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ để nâng cao chất lượng bề mặt vật liệu chế tạo máy

Ph−ơng pháp nghiên cứu

Tổng cục Đo l−ờng chất l−ợng Việt Nam và Phòng thi nghiệm trọng điểm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công nghiệp. Nếu trong quá trình đo có số liệu nghi ngờ không đáng tin cậy (nhiễu) thi chung tôi tiến hành đo lai.

DHB P

Đ−ờng kímh vết lõm là giá trị trung bình về số học đ−ợc đo bằng kinh hiển vi có khắc độ theo hai phương pháp vuông góc với nhau, sai số của kính không quá ± 0,01 mm cho một vạch nhỏ nhất của thang và ± 0,02 mm trên toàn bộ chiều dài thang; sai số của phép đo đ−ờng kinh vết lõm không v−ợt quá 2% của đường kính nhỏ nhất trong đó. Khi xác định độ cứng Vichke phải tuân theo các điều kiện sau đây: lớp càng mỏng, tải trọng càng nhỏ, khoảng cách giữa trung tâm vết lõm và mép mẫu hay mép vết lõm bên cạnh không bé hơn 2,5 lần chiều dài đ−ờng chéo vết lõm, sai số thang đo quang học nhỏ hơn ± 0,001 mm khi chiều dài nhỏ hơn 0,2 mm và nhỏ hơn ± 0,002 mm khi chiều dài lớn hơn 0,2 mm, sai số đ−ờng chéo không quá 2% của đ−ờng chéo nhỏ trong chúng.

Nghiên cứu lý thuyết

Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể

Từ việc nghiên cứu vi mô về nguyên tử, đến các vấn đề liên kết của chúng trong vật liệu, các nhà vật liệu học càng đi sâu vào nghiên cứu về cấu trúc dạng khối của kim loại để tìm ra đ−ợc các thông số −u việt nhất phục vụ cho việc tạo ra các vật liệu đa dạng phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là vật liệu phục vụ ngành chế tạo máy còn non trẻ của đất nước hiện nay. Ô cơ bản: là phần thể tích nhỏ nhất của mạng tinh thể nếu đi theo X,Y,Z thì các tính chất lặp lại đúng nh− ô ban đầu (độ dài OX,OY,OZ phải chia hết cho a). Ô mạng lập ph−ơng thể tâm. ở kiểu mạng A2 các nguyên tử ở 8 đỉnh không tiếp xúc với nhau, mà chúng chỉ tiếp xúc với nguyên tử ở tâm khối bởi vậy kiểu mạng A2 tạo ra các lỗ trống 8 mặt, đây là cơ sở để các nhà nghiên cứu đặt vấn đề tạo hợp kim. Để đánh giá sơ bộ độ bền của các kiểu mạng, người ta thường thông qua đại lượng. V: thể tích ô cơ bản. n: số nguyên tử trong ô cơ bản. s: tiết diện nguyên tử trong mặt tinh thể S: tiết diện mặt tinh thể của ô cơ bản. Đại l−ợng này nói lên năng l−ợng liên kết giữa các nguyên tử với nhau trong mạng, Mv càng lớn có nghĩa là năng l−ợng liên kết càng lớn và mạng tinh thể có độ bền lớn. Đại l−ợng thứ hai:. Nếu trong các họ mặt tinh thể có Ms lớn thì sự tr−ợt của kim loại theo ph−ơng vuông góc càng khó xảy ra. Kiểu mạng lập ph−ơng tâm mặt A1. ở kiểu mạng A1 có cấu trúc của ô cơ bản khác với A2. ngoài các nguyên tử ở đỉnh, còn các nguyên tử nằm ở trung tâm của 6 mặt các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc nhau mà chỉ tiếp với các nguyên tử nằm ở tâm. ở mạng A1 việc tính toán mật độ thể tích và mật độ diện tích nh− sau:. tương tự như mạng A2, các nguyên tử nằm ở các đỉnh khối đều thuộc 8. ô cơ bản trong mạng. Ngoài ra mỗi nguyên tử nằm tâm mặt thuộc về 2 ô cơ. Ô mạng lập ph−ơng tâm mặt. còn việc tính mật độ thể tích và mật độ diện tích ta dùng công thức ở kiểu mạng A2. Nếu đem mật độ nguyên tử Mv để so sánh A1và A2 ta thấy đ−ợc các dạng lỗ trống ở mạng A2 lớnhơn và số l−ợng lỗ trống cũng ít hơn ở kiểu mạng A1. Đó chính là tiền đề các nhà nghiên cứu của vật liệu đặt ra để tạo. điều kiện hình thành loại dung dịch rắn xen kẽ. Kiểu mạng lục giác xếp chặt A3. Kiểu mạng A3 đ−ợc cấu trúc nh− một lăng trụ lục giác. Hai đáy là hai tiết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh còn có một nguyên tử nằm ở tâm đáy. ở kiểu mạng A3 này tâm đáy còn có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều 2 đáy. Các nguyên tử trên một đáy không tiếp xúc với nhau mà chỉ tiếp xúc với 3 nguyên tử ở tâm khối. Ng−ợc lại, 3 nguyên tử ở tâm khối cũng không tiếp xúc với nhau. Nh−ng trong thực tế khó tìm đ−ợc kim loại nào đạt đ−ợc tỷ số đó. Bởi vậy, khi mạng lục giác của kim loại có tỷ số nằm trong khoảng:. đều đ−ợc coi là mạng lục giác xếp chặt. Một trong những yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của kim loại là mật độ của nguyên tử trong mạng tinh thể. Hệ số mật độ là tỷ số giữa thể tích chiếm chỗ của nguyên tử so với thể tích của ô cơ bản. Trong đó, v: thể tích chiếm chỗ của nguyên tử v =. V: thể tích ô cơ bản. Hay mật độ nguyên tử:. Ô mạng lập ph−ơng xếp chặt. c) ABCABCA của mạng A1.

Các chỉ tiêu đánh giá mức độ mòn của kim loại

Tr−ờng hợp 1: ở trạng thái rắn hai nguyên A và B hoà tan có giới hạn, tạo thành dung dịch rắn α và hợp chất hoá học AnBm (hình 3.8a). Giả sử quá. trình bão hoà xảy ra ở nhiệt độ t1, ở đây có thể xảy ra những trường hợp sau:. - Quá trình hấp thụ xảy ra đủ mạnh thì ở lớp bề mặt tạo thành dung dịch rắn có nồng độ tới hạn là Cm đi sâu vào trong nồng độ nguyên B giảm đều nh−. - Trường hợp hấp thụ xảy ra yếu thì nồng độ nguyên B ở lớp bề mặt đạt. - Tr−ờng hợp hấp thụ rất mạnh nh−ng khuếch tán các nguyên tử vào trong lại yếu thì nồng độ nguyên B ở lớp bề mặt sẽ rất lớn và tạo thành hợp chất hoá học AnBm đ−ờng 3 hình 3.9 b. AnBm Nồng độ nguyên B,%. b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp khuếch tán. ở nhiệt độ làm bão hoà tạo thành hợp chất hoá học hoặc pha trung gian có nồng độ thay đổi nh− ở hình 3.10. Trường hợp hấp thụ xảy ra mạnh ở lớp bề mặt có thể đạt nồng độ nguyên B t−ơng đ−ơng với dung dịch rắn β, lớp tiếp theo là hợp chất hoá học AnBm có nồng độ thay đổi trong khoảng b – c, cuối cùng là lớp dung dịch rắn α. Nếu một hệ “kim loại – nguyên tố làm bão hoà” không có chuyển pha ở trạng thái rắn, thì làm nguội thành phần pha và tổ chức của lớp khuếch tán không thay đổi. Trường hợp hệ thống có chuyển biến pha ở trạng thái rắn, thì. sau khi làm nguội trong mỗi vùng của lớp khuếch tán đều có những biến đổi phụ thuộc vào thành phần và t−ơng tác giữa các nguyên. a) Giản đồ trạng thái. b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm. Những tr−ờng hợp nêu trên ứng với khi làm bão hoà kim loại nguyên chất bằng một nguyên tố, thực tế th−ờng gặp những tr−ờng hợp phức tạp hơn, ví dụ làm bão hoà thép bằng một nguyên tố hoặc làm bão hoà kim loại nguyên chất đồng thời bằng hai (hay nhiều) nguyên tố. Trong những tr−ờng hợp nêu trên, muốn xác. định thành phần pha của lớp khuếch tán phải dùng trạng thái ba nguyên. Các cơ chế khuếch tán. 1) Trong cơ chế nút trống, các nguyên tử khuếch tán ở bên cạnh nhảy sang chiếm chỗ những nút trống. Năng l−ợng hoạt của quá trình đổi chỗ nh−. vậy rất nhỏ nên rất dễ xảy ra. 2) 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.

Thấm nitơ

Thấm nitơ nhiều cấp có tác dụng nâng cao hiệu quả của quá trình thấm (nâng cao chiều sâu lớp thấm, giảm bớt thời gian thấm). + Theo điều kiện tác dụng của môi tr−ờng bên ngoài:. - Thấm nitơ thể lỏng: tiến hành trong bể muối có cho amoniăc đi qua. - Thấm nitơ thể ion. - Thấm nitơ tăng bền: nhằm mục đích nâng cao độ chống mài mòn và giới hạn mỏi của chi tiết. Khi thấm theo cách này thì độ cứng cũng tăng nên rất mạnh do tạo ra các nitrit và pha xen kẽ nitrit. - Thấm nitơ chống ăn mòn: nhằm thay thế và trong nhiều tr−ờng hợp có. −u điểm hơn hẳn ph−ơng pháp mạ điện bảo vệ thép và gang khỏi ăn mòn. Trong điều kiện hiện tại, tôi thực hiện thấm nitơ thể khí. Những chế độ thấm nitơ mới:. 1) Để giảm bớt sự biến dạng của chi tiết và loại bỏ hiện t−ợng dòn ram thuận nghịch, dùng quá trình thấm nitơ ở nhiệt độ thấp. Trong khoảng không làm việc của lò, feroosilic dạng bột (75% Si) chứa trong các phễu l−ới sẽ thúc đẩy sự phân ly amôniăc ở nhiệt độ thấp. 2) Để nâng cao tính chống ăn mòn của thép cacbon và thép hợp kim thấp, có thể áp dụng quá trình thấm nitơ trong thời gian ngắn kết hợp với tôi. 3) Có thể dùng quá trình thấm nitơ nung nóng bằng dòng điện tần số cao để rút ngắn thời gian.

NghiêN cứu thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm Chuẩn bị thí nghiệm

+ Kiểm tra điện áp vào – ra của thiết bị đảm bảo sự an toàn khi thao tác và sử dụng. Sao cho khi đạt nhiệt độ thấm thì không gian buồng lò trở thành môi trường thấm.

Biểu đồ chiều sâu lớp thấm Thép C45

- Khi thời gian thấm tăng thì độ cứng không tăng là mấy, sự sai khác không nhiều. - Khi thời gian thấm tăng thì độ cứng gần nh− không tăng, sự sai khác của độ cứng giữa các thời gian với nhau không nhiều.

Biểu đồ chiều sâu lớp thấm của Thép 38CrMoA

Qua ảnh ta thấy, mặc dù bề mặt không bằng phẳng (do quá trình gia công và xử lý mẫu tr−ớc khi thấm) nh−ng vẫn nhận đ−ợc một lớp thấm bao phủ kín bề mặt mẫu và đồng đều. Muốn tìm ra đ−ợc chế độ thấm tối −u nhất thiết phải thí nghiệm theo quy hoạch hoá thực nghiệm và sau đó giải bài toán tương quan hồi quy để tìm.