a. Mục đớch thấm nitơ:
Thộp SKD11 với hàm lượng cacbon cao và hàm lượng cỏc nguyờn tố hợp kim lớn thỡ độ cứng sau khi tụi và ram thấp cú thể đạt được khoảng 58-60HRC với độ cứng này thộp SKD11 cú thể đỏp ứng được yờu cầu làm việc của khuụn, nhưng nếu sản xuất với số lượng sản phẩm trờn một triệu thỡ độ cứng này lại khụng đỏp ứng được yờu cầu tuổi thọ của khuụn. Vỡ vậy, để tăng tuổi thọ cho khuụn hay tăng độ cứng và khả năng chống mài mũn cho khuụn cú thể ỏp dụng biện phỏp xử lý bề mặt như phun phủ cacbit, mạ crụm cứng và thấm nitơ. Hiện nay, thấm nitơ thể khớ là biện phỏp được dựng phổ biến với chỉ tiờu kinh tế và kỹ thuật cao. Độ cứng của lớp thấm nitơ trờn thộp SKD11 cú thể đạt đến 1000ữ1100HV. 650 850 1050 Dầu núng 600-800 5400-5600 5400-5600
Tụi Ram lần 1 Ram lần 2 Thời gian 0 C Khụng khớ 300 - 500 τgn3 τgn2 τgn1
- 74 - b. Khỏi niệm thấm nitơ
Thấm nitơ là phương phỏp húa nhiệt luyện, mục đớch để khuếch tỏn nitơ vào bề mặt thộp khi giữ ở nhiệt độ thớch hợp, mục đớch chủ yếu là nõng cao độ cứng trờn bề mặt và tớnh chống mài mũn. Khi thấm nitơ cũn tạo nờn ứng suất nộn dư đỏng kể ở bề mặt, làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết
Quỏ trỡnh thấm nitơ thể khớ thường chọn trong khoảng nhiệt độ 4950-5650C. Để đảm bảo khụng làm thay đổi tổ chức sau khi ram nhiệt độ thấm nitơ phải thấp hơn nhiệt độ ram khoảng 300-500C. Do nhiệt độ thấm nitơ thấp, để khụng làm hỏng tổ chức sau khi ram nờn hệ số khuếch tỏn của nitơ trong thộp rất bộ, do đú tốc độ thấm nitơ rất chậm, thường chỉ đạt 5-10 μm/h.
c. Quỏ trỡnh xảy ra khi thấm nitơ
Để thực hiện quỏ trỡnh thấm trước tiờn ta phải tạo ra mụi trường thấm. Mụi trường thấm được tạo từ ba thành phần chớnh là: chất thấm, chất độn và chất xỳc tỏc.
Chất thấm là chất chứa cỏc nguyờn tố cần thấm, cú thể ở dạng nguyờn chất hoặc hỗn hợp với cỏc nguyờn tố khỏc. Dạng hợp chất thường gặp trong thực tế vỡ cú thể điều chỉnh được hoạt độ của nguyờn tố cần thấm. Tựy theo cụng nghệ thấm mà chất thấm cú thể ở thể rắn, lỏng hoặc khớ.
Chất độn (phụ gia) nhằm tạo ra mụi trường và tốc độ thấm thớch hợp, giảm tiờu hao nguyờn liệu thấm chớnh. Ngoài ra, chất độn cũn để trỏnh tạo ra cỏc phản ứng phụ khụng cần thiết trong quỏ trỡnh thấm, bảo vệ chi tiết trước khi thấm
Chất xỳc tỏc được đưa vào nhằm tạo ra cỏc nguyờn tử hoạt tớnh của nguyờn tố cần thấm. Cỏc nguyờn tử hoạt tớnh này cú thể hỡnh thành trực tiếp từ cỏc phản ứng trong một điều kiện cụ thể. Trong trường hợp chất thấm cú thể tự phõn hủy để tạo ra nguyờn tử hoạt thỡ khụng cần dựng chất xỳc tỏc. Ngoài ra, chất xỳc tỏc trong trường hợp cụ thể cú thể điều chỉnh quỏ trỡnh thấm theo hướng cú lợi.
- 75 -
Giai đoạn phõn hủy: Là quỏ trỡnh tạo ra nguyờn tử hoạt tớnh của cỏc nguyờn tố cần thấm, quỏ trỡnh này xảy ra trong mụi trường khớ động, tại nhiệt độ thấm. Cỏc nguyờn tử hoạt tớnh được tạo thành cú khả năng hấp phụ vào bề mặt kim loại.
Vớ dụ: Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 4500-6000C, NH3 sẽ phõn hủy theo phản ứng: NH3 = 2<N> + 6H
Nitơ nguyờn tử <N> hỡnh thành sẽ khuếch tỏn vào trong bề mặt thộp tạo nờn lớp thấm nitơ
Giai đoạn hấp thụ: Sau khi phõn hủy, cỏc nguyờn tử hoạt tớnh hấp thụ vào bề mặt chi tiết, sau đú khuếch tỏn sõu vào bờn trong kim loại cơ sở, tạo thành dung dịch rắn, pha trung gian hoặc cỏc hợp chất húa học. Kết quả của sự hấp thụ là tạo lờn ở bề mặt thộp cỏc nguyờn tử hoạt tớnh của nguyờn tố thấm với nồng độ cao, tạo sự chờnh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lừi.
Giai đoạn khuếch tỏn: Cỏc nguyờn tử hoạt tớnh sau khi bóo hũa vào lớp bề mặt thộp với nồng độ cao được khuếch tỏn vào sõu trong bề mặt chi tiết tạo thành lớp thấm với chiều sõu nhất định. Nhờ khuếch tỏn, lớp thấm được hỡnh thành cú bản chất khỏc biệt với toàn khối kim loại. Chiều dày lớp khuếch tỏn phụ thuộc vào nhiệt độ thấm, thời gian giữ nhiệt.
d. Tổ chức và tớnh chất lớp thấm nitơ Tổ chức lớp thấm nitơ
Tổ chức lớp thấm nitơ được xỏc định dựa trờn giản đồ Fe-N
Theo giản đồ pha Fe-N (hỡnh 4.22), khi nitơ khuếch tỏn vào trong thộp ở trờn nhiệt độ cựng tớch (5900C) và lần lượt cú thể tạo ra cỏc pha: a , g , g', e. Khi thấm ở nhiệt độ trờn nhiệt độ cựng tớch thỡ sẽ hỡnh thành lớp thấm từ nền ra bề mặt thộp theo thứ tự α→ γ+α→ γ→ γ + γ’→ γ’. Khi thấm ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cựng tớch thỡ sẽ hỡnh thành lớp thấm từ nền ra bề mặt thộp theo thứ tự: α→ α + γ’→ γ’→ γ’+ε.
- 76 -
Hỡnh 4.22: Giản đồ Fe-N
Trong đú:
α - dung dịch rắn xen kẽ của N trong Feα, được gọi là ferit Nitơ γ - dung dịch rắn xen kẽ của N trong Feγ
γ’ - pha xen kẽ Fe4N, đú là pha rất cứng. ε - pha xen kẽ Fe2N1-x. Đõy là pha xốp.
Khi thấm cú xuất hiện pha ε trờn bề mặt, mặc dự cú nhiều lỗ xốp nờn độ cứng khụng cao (khoảng 300HV) nhưng tốc độ thấm lại rất lớn. Ngoài ra, cỏc lỗ xốp cũn là nơi chứa dầu bụi trơn làm tăng tớnh chịu ma sỏt khi làm việc. Về mặt động học cấu trỳc xốp trờn bề mặt tạo điều kiện thuận lợi để khuếch tỏn nitơ.
- 77 - Tớnh chất của lớp thấm nitơ
Lớp thấm nitơ cú độ cứng và tớnh chống mài mũn rất cao do tạo thành cỏc pha nitrit sắt và cỏc nitrit hợp kim nhỏ mịn, phõn tỏn lớn trong lớp thấm. Độ cứng lớp thấm cú thể đạt tới (1000ữ1200) HV.
Trờn giản đồ Fe-N ta thấy ở nhiệt độ 5900C tổ chức lớp thấm vẫn ổn định, điều này cho phộp chi tiết thấm nitơ giữ được độ cứng núng ở nhiệt độ cao khi làm việc. Tuy nhiờn, ở nhiệt độ cao, sự khuếch tỏn nitơ vào phớa trong cũng làm nghốo nitơ và giảm độ cứng của lớp thấm.
Thấm nitơ làm tăng độ bền mỏi do tạo nờn lớp ứng suất nộn dư ở bề mặt, ứng suất này làm giảm giỏ trị ứng suất kộo của ngoại lực trong quỏ trỡnh làm việc của chi tiết.
4.4.4 Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh thấm nitơ.
a. Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến quỏ trỡnh khuếch tỏn của nguyờn tử thấm vào trong thộp. Khi nhiệt độ càng cao thỡ khả năng khuếch tỏn vào trong thộp của nguyờn tử thấm càng tăng (hỡnh 1.10) và được biểu diễn dưới hàm mũ sau:
D = D0.exp (- Q/RT) (1)
- 78 - Trong đú:
- D0: Hệ số khuếch tỏn cựng thứ nguyờn với D [cm2/S]. - Q : Hoạt năng khuếch tỏn [cal/mol].
- R: Hằng số khớ, R=1.98 [cal/mol.độ]. - T: Nhiệt độ tuyệt đối [K].
b. Thời gian.
Ở nhiệt độ cố định, thời gian khuếch tỏn càng dài, chiều sõu lớp khuếch tỏn càng dày quan hệ giữa chỳng tuõn theo quy luật parabol theo cụng thức:
δ = K.τ1/2
Trong đú:
δ – Chiều dày lớp khuyếch tỏn K - Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào D τ - Thời gian
Từ hỡnh 4.24 biểu diễn sự phụ thuộc của chiều dày lớp thấm vào thời gian của quỏ trỡnh nhận thấy thời gian thấm càng dài, mức tăng chiều sõu lớp thấm càng chậm. Biện phỏp hiệu quả nhất để tăng chiều sõu lớp thấm là tăng nhiệt độ chứ khụng phải là tăng thời gian. Tuy nhiờn, đối với thấm nitơ ở nhiệt độ cao nhất thỡ nhiệt độ thấm phải nhỏ hơn nhiệt độ ram là 300-500C để đảm bảo tổ chức sau ram khụng thay đổi.
δ = K.τ1/2
δ
0
- 79 - 4.4.5 Cỏc phương phỏp thấm nitơ
Hiện nay cú hai phương phỏp thấm nitơ là: thấm nitơ thể lỏng và thấm nitơ thể khớ. Tuy nhiờn, phương phỏp thấm nitơ thể khớ là hay được dựng hơn cả do cú cỏc ưu điểm như: Hiệu quả thấm nitơ cao, kết quả thấm ổn định, tốc độ thấm đạt được 10-15μm/h, ớt gõy ụ nhiễm mụi trường.
Trong phạm vi đồ ỏn đề cập đến thấm nitơ thể khớ sử dụng NH3 để cung cấp nitơ nguyờn tử cho quỏ trỡnh thấm xảy ra.
Khớ nitơ tồn tại dưới dạng phõn tử (N2) rất ổn định do đú khụng thể dựng để thấm nitơ được. Một trong cỏc chất khớ cú thể cung cấp nitơ nguyờn tử là NH3.
Trong khoảng nhiệt độ thấm, từ 4500-6000C, NH3 sẽ phõn hủy theo phản ứng: NH3 = 2<N> + 6H
Nitơ nguyờn tử <N> hỡnh thành sẽ khuếch tỏn vào trong bề mặt thộp tạo nờn lớp thấm nitơ
Do nitơ khuếch tỏn vào trong thộp chậm, nếu <N> hỡnh thành quỏ nhiều khụng kịp khuếch tỏn vào thộp sẽ kết hợp lại thành phõn tử mất hết hoạt tớnh làm ngăn cản quỏ trỡnh thấm tiếp theo phản ứng:
2NH3 → 2<N> + 6H → N2 + 3H2 (*)
Vỡ vậy phải luụn luụn bơm khớ NH3 vào lũ để duy trỡ tỷ lệ NH3 thớch hợp cho quỏ trỡnh thấm. Tỷ lệ này được đặc trưng bằng hệ số phõn hủy β của NH3 (β = số mol phõn hủy chia cho tổng số mol NH3 đưa vào). Bảng 4.1 cho giỏ trị độ phõn hủy thớch hợp cho từng nhiệt độ thấm.
Nhiệt độ thấm, 0C 450-500 500-600 600-700
Hệ số β thớch hợp, % 20-35 30-45 40-65
Bảng 4.1. Giỏ trị độ phõn huỷ thớch hợp cho từng nhiệt độ thấm
Hệ số phõn huỷ β được xỏc định thụng qua thể tớch khớ được lấy ra khỏi lũ gồm NH3, N2, H2 sau đú quy về điều kiện tiờu chuẩn V0, và V1 là thể tớch cũn lại sau
- 80 -
khi sục nước gồm: N2 và H2 do chỳng khụng hoà tan vào trong nước. Vỡ một thể tớch NH3 phõn huỷ cho ta hai thể tớch hỗn hợp (N2 + H2) . Từ (*) ta cú thể tớch NH3
phõn huỷ là V1/2. Khớ hoà tan vào nước là NH3 dư cú thể tớch là V0 – V1, suy ra:
1 0 1 1 1 0 1 3 3 2 2 2 ) ( 2 V V V V V V V NH NH cungcap phanhuy
Từ giản đồ hỡnh 4.23 nhận thấy độ phõn huỷ của NH3 phụ thuộc vào nhiệt độ, lưu lượng khớ thấm. Ở nhiệt độ xỏc định, độ phõn huỷ chỉ phụ thuộc vào lưu lượng tức là phụ thuộc vào thời gian lưu τ của NH3 trong lũ:
l ct r V V V Q Q . Trong đú:
- Q – Lưu lượng NH3 vào lũ, m3/phỳt.
- Vr, Vt, Vct – lần lượt là thể tớch rỗng của lũ, thể tớch của lũ thấm và thể tớch chiếm chỗ của chi tiết, m3.
Hỡnh 4.25: Giản đồ Layer thể hiện quan hệ giữa độ phõn huỷ và sự hỡnh thành tổ chức lớp thấm tương ứng với từng khoảng nhiệt độ khỏc nhau
Hiện nay, phương phỏp dựng để điều khiển chớnh xỏc hàm lượng nitơ hoạt tớnh là phương phỏp điều khiển theo thế thấm nitơ, thế nitơ là khả năng cung cấp nitơ của mụi trường
- 81 - 3/2 2 3 3 H NH NH
P
P
K
Trong đú: - KN: Thế nitơ- PNH: Áp suất riờng phần của NH3 - PH: Áp suất riờng phần của H2
Hỡnh 4.26 Biểu đồ thể hiện phương phỏp điều khiển quỏ trỡnh thấm Nito thụng qua thế Nito
Cú hai phương phỏp thấm nitơ sử dụng mụi trường khớ thấm là NH3 gồm: Thấm một giai đoạn và thấm hai giai đoạn.
a. Thấm một giai đoạn: τbóo hoà + τkt τ 5300 C 0C
- 82 -
Nhiệt độ thấm nitơ một giai đoạn trong khoảng 495 - 525°C với độ phõn huỷ từ 15-30%. Nhận thấy thấm nitơ một giai đoạn cả hai quỏ trỡnh bóo hoà và khuếch tỏn đều giữ cựng một nhiệt độ xỏc định. Quỏ trỡnh này khuụn rất giũn, dễ mẻ do lớp thấm γ’ giàu nitơ xuất hiện lớp trắng ở bề mặt điều này khụng mong muốn đối với khuụn dập nguội. Để khắc phục nhược điểm này người ta dựng phương phỏp thấm nitơ hai giai đoạn.
b. Thấm nitơ hai giai đoạn:
Giai đoạn bóo hoà của thấm nitơ hai giai đoạn ngoại trừ thời gian gấp đụi thấm nitơ một giai đoạn, nhiệt độ giai đoạn khuyếch tỏn cú thể được xử lý ở nhiệt độ thấm nitơ giai đoạn bóo hoà hoặc cú thể tăng lờn đến 550 ữ 565°C. Tuy nhiờn độ phõn hủy ở giai đoạn khuếch tỏn tăng cao từ 65 ữ 85% thậm chớ cú thể cao hơn ở mức 80ữ 85% cũn ở giai đoạn bóo hoà độ phõn huỷ thường thấp hơn 20 ữ 30%.
Mục đớch chủ yếu của thấm nitơ hai giai đoạn là giảm chiều dày lớp trắng trờn bề mặt do trong giai đoạn khuếch tỏn nguyờn tử nitơ trờn bề mặt tiếp tục được khuếch tỏn, trong khi đú độ phõn hủy ở mụi trường thấm thấp khụng đủ bóo hũa với mức nồng độ lớn để tạo ra lớp trắng. Đú cũng chớnh là ưu điểm của thấm nitơ hai giai đoạn so với thấm nitơ một giai đoạn.
Do sau khi tụi và ram rồi thấm nitơ thỡ lớp thấm nitơ rất mỏng cỡ vài chục micrụmet nờn hiện nay để tăng khả năng khuyếch tỏn nitơ vào trong thộp hay tăng
τbóo hoà τkt
530
0
C
τ
- 83 -
chiều dày lớp thấm nitơ thỡ trước khi thấm đem xử lý ụxy hoỏ hoặc phốt phỏt hoỏ rồi thấm nitơ chiều dày lớp thấm đạt được cỡ trăm micromet. Lỳc đú tớnh chịu mài mũn của khuụn sẽ cao hơn do vậy tuổi thọ của khuụn được nõng cao hơn.
c. Tiền xử lý bằng ụxy hoỏ.
Oxy hoỏ thộp để chống ăn mũn và để bề mặt cú màu đẹp hơn. Thay đổi thành phần dung dịch và chế độ gia cụng cú thể thu được lớp phủ cú độ cứng cao, chịu va đập tốt, cỏch điện. Màng ụxyt cú thể tạo ra bằng cỏc phương phỏp: gia cụng hoỏ học trong dung dịch kiềm hay axit, gia cụng điện hoỏ trờn anốt trong dung dịch kiềm hay axit cromic và phương phỏp gia cụng nhiệt ở nhiệt độ tương đối cao 4000- 8000C.
Mục đớch của quỏ trỡnh ụxy hoỏ cho thộp SKD11 trước khi đem thấm nitơ là tạo
ra lớp ụxyt sắt xốp ở bề mặt tạo điều kiện tốt cho việc khuyếch tỏn nguyờn tử nitơ
vào trong thộp.
d. Tiền xử lý bằng phốt phỏt hoỏ
Phốt phỏt hoỏ là một phương phỏp gia cụng bề mặt kim loại được ỏp dụng rộng rói trong cụng nghiệp để xử lý bề mặt kim loại, được coi là một trong những phương phỏp chuẩn bị bề mặt kim loại tốt nhất trước khi sơn phủ. Ngoài ra, màng phốt phỏt hoỏ chuyển hoỏ bề mặt kim loại thành một lớp bề mặt mới khụng cũn tớnh dẫn điện và tớnh kim loại, cú khả năng chống ăn mũn. Nhờ cỏc tớnh chất đú người ta tạo ra cụng nghệ phốt phỏt hoỏ để sử dụng trong cỏc nhà mỏy xử lý bề mặt kim loại. Quy trỡnh phốt phỏt hoỏ cổ điển là nhỳng từ 10 phỳt đến vài giờ trong dung dịch nhiệt độ cao (600-900C). Dung dịch phốt phỏt hoỏ hiện đại cú chứa cỏc chất phụ gia làm tăng tốc độ quỏ trỡnh, hạ thấp nhiệt độ xuống 350C và vận hành bằng cỏch phun hoặc phun – nhỳng liờn hợp.
Dung dịch phốt phỏt hoỏ hiện đại thường cú thành phần phức tạp, nhưng bao giờ cũng cú ba thành phần chớnh sau: axit phốtphoric tự do, muối kim loại đihyđrụphotphat và chất tăng tốc.
- 84 - Me(H2PO4) → Me2+ + 2H2PO4 - H2PO4
