1.5.1. Nhiệt độ thấm
Nhiệt độ thấm đƣợc chọn dựa trờn cơ sở: Tại nhiệt độ đú chất thấm cú khả năng phõn hủy tạo ra cacbon và nitơ nguyờn tử. Mặt khỏc tổ chức của thộp tại nhiệt độ đú cú khả năng hũa tan nhiều cacbon và khả năng hũa tan nitơ. Tổ chức đƣợc chọn để thấm thƣờng là austenit, trong austenit cacbon khuyếch tỏn dễ dàng, nitơ cũng cú thể khuếch tỏn đƣợc nhƣng khụng bằng cacbon. Ngoài ra nhiệt độ thấm cũn đƣợc chọn theo yờu cầu về bề dày lớp thấm và chỳ ý đến nhiệt độ bắt chỏy của khớ thấm.
Nhiệt độ càng cao quỏ trỡnh khuếch tỏn xảy ra càng mạnh thời gian đạt đƣợc chiều sõu lớp thấm đƣợc rỳt ngắn. Tuy nhiờn nhiệt độ càng cao làm cho hạt austenit phỏt triển làm giảm độ bền của thộp.
Thấm ở nhiệt độ cao, cacbon khuếch tỏn thuận lợi hơn. Trong lớp thấm hàm lƣợng.
22
1.5.2. Thời gian thấm
Thời gian thấm là thời gian cần thiết để cỏc phản ứng xảy ra đạt đến cõn bằng và cỏc nguyờn tử cacbon và nitơ khuếch tỏn vào bề mặt thộp.
Trong mụi trƣờng thấm sẽ cú phản ứng đồng thể giữa cỏc loại khớ tạo ra mụi trƣờng thấm biểu thị qua thế cacbon và phản ứng dị thể tạo ra cacbon đi vào bề mặt thộp. Cỏc phản ứng dị thể xảy ra với tốc độ tƣơng đối lớn [4, 9]. Trong cỏc phản ứng dị thể thỡ phản ứng:
CO + H2 H2O + [C] Xảy ra với tốc độ lớn hơn tạo nờn lớp thấm.
Cỏc phản ứng phõn hủy CO và CH4 cho ra cacbon nguyờn tử xảy ra chậm hơn và chỉ cú cỏc phản ứng tạo cacbon trờn bề mặt chi tiết mới tạo lớp thấm, cỏc phản ứng tạo cacbon trong khụng gian lũ chỉ tạo ra muội.
1.5.3. Quỏ trỡnh khuếch tỏn
Sự khuếch tỏn của cacbon và nitơ trong thộp tuõn theo cỏc định luật Fick I và Fick II dt dM A J 1 dx dC D J
Trong đú C là nồng độ chất khuếch tỏn, t là thời gian và x là khoảng cỏch. Khi hệ số khuếch tỏn độc lập với nồng độ, phƣơng trỡnh khuếch tỏn cú thể giải đƣợc và cú thể dự đoỏn đƣợc gradient nồng độ cỏc nguyờn tố thấm và chiều dày lớp thấm.
Trong khoảng nhiệt độ từ 800 ữ 10000C, hệ số khuếch tỏn của cacbon trong austenit: h mm RT Fe C D( , ) 16.2exp 137800 2/
Trong đú: R = 8,314 J/Kmol; T: Nhiệt độ Kelvin.
Hệ số khuếch tỏn của cacbon trong ferit trong khoảng nhiệt độ từ 5000C đến 8000C:
23 h mm RT Fe C D( , ) 33.25exp 103060 2/
Sự khuếch tỏn của nitơ trong austenit và ferit cũng tƣơng tự nhƣ cacbon: Trong austenit: h mm RT Fe N D( , ) 0.5exp 77000 2/ Trong ferit: h mm RT Fe N D( , ) 91exp 168460 2/
Trong quỏ trỡnh thấm C+N, phƣơng trỡnh khuếch tỏn đƣợc giải với giả thiết rằng dũng cacbon khuếch tỏn từ bề mặt J tuõn theo định luật fick I:
) ( ) ( s k Ca Cs x C D J Trong đú: s x C ) (
là gradient nồng độ cacbon tại bề mặt. Ca là thế cacbon trong lũ, k là hệ số tốc độ phản ứng trờn bề mặt.
Lời giải cú thể xem là phự hợp với thực tế là phản ứng tạo cacbon trờn bề mặt thƣờng xảy ra trong thời gian ngắn cũn quỏ trỡnh khuếch tỏn lại cần thời gian dài hơn. Kết quả là hàm lƣợng cacbon bề mặt thay đổi theo thời gian, tăng rất mạnh trong khoảng đầu của thời gian thấm và giảm dần vào thời gian sau. Để cú thể dự đoỏn gradient nồng độ cỏc nguyờn tố thấm, cần phải xỏc định đƣợc giỏ trị của hệ số tốc độ phản ứng k; hệ số khuếch tỏn D.
Tuy nhiờn mặc dự đó cú nhiều cố gắng để tiến hành đo giỏ trị của k cho cỏc phản ứng nhƣng kết quả vẫn khụng phự hợp với thực tế.
Để giải phƣơng trỡnh khuếch tỏn, giả thiết rằng hàm lƣợng cacbon tức thời trờn bề mặt thộp là Cx (thƣờng là hàm lƣợng cacbon lớn nhất hũa tan trong austenit tại nhiệt độ thấm) và hàm lƣợng đú đƣợc duy trỡ trong suốt thời gian thấm. Theo định luật Fick II:
24 ) 2 ( 1 0 0 Dt x erf C C C C s x Đặt giỏ trị C’: ' C 0 0 C C C C s x
Trong đú: C0 là hàm lƣợng cacbon trong thộp thấm Cs là hàm lƣợng cacbon trờn bề mặt thộp
Nhƣ vậy cú thể ƣớc định thời gian thấm theo chiều dày định trƣớc.
Tớnh toỏn quỏ trỡnh khuếch tỏn của cacbon và nitơ trong austenit của thộp hợp kim cú thành phần khú hơn vỡ nitơ tạo ra cỏc pha cacbit và nitơrit với cỏc nguyờn tố hợp kim trong thộp. Một số nguyờn tố nhƣ mangan và molipden làm tăng ớt nhiều độ hũa tan của cacbon và nitơ trong austenit. Cỏc nguyờn tố nhƣ niken làm tăng vựng tồn tại của austenit, crom cú xu hƣớng tạo cacbit. Khi thộp chứa nhiều nguyờn tố hợp kim, ảnh hƣởng của chỳng tới độ hũa tan của cacbon trong austenit rất khú xỏc định.
Nguyờn tố hợp kim cũng ảnh hƣởng tới sự khuếch tỏn của cacbon và nitơ và chiều dày của lớp thấm cũng khụng giống nhƣ đối với thộp cacbon thƣờng. Theo [1]cú thể dự tớnh chiều dày lớp thấm theo cụng thức:
k DtCx mm
x( ) 2 /
Trong đú: D là hệ số khuếch tỏn, Cs là hàm lƣợng N hũa tan cõn bằng với Fe4N và k là phần trăm trọng lƣợng nitơ cần thiết để tạo ra nitơrit tƣơng đƣơng với hàm lƣợng nguyờn tố hợp kim. Cs và k đƣợc tớnh toỏn theo biểu thức sau:
Cs = 12,3 exp( 34700) RT , wt% k = ) 51 % ( ) 96 % ( ) 52 % ( ) 27 % ( 14 wt Al wt Cr wt Mo wt V
Từ biểu thức đú nhận thấy rằng khi hàm lƣợng cỏc nguyờn tố tạo cacbit càng tăng chiều dày lớp thấm cũng giảm.
25
Hỡnh 1.8 Ảnh hưởng của thời gian thấm đến chiều dày lớp thấm
Thời gian thấm đƣợc xỏc định dựa trờn yờu cầu về chiều dày lớp thấm của chi tiết. Ở nhiệt độ cố định, thời gian thấm càng dài, chiều sõu lớp khuếch tỏn càng dày nhƣng mức tăng chiều sõu lớp thấm càng chậm (hỡnh 1.8). Quan hệ chiều sõu lớp thấm theo quy luật parabol. Ngoài ra thời gian thấm C-N cũn phụ thuộc vào nhiệt độ thấm, mụi trƣờng thấm và thành phần mỏc thộp. Nhiệt độ càng cao thời gian thấm càng ngắn. Mụi trƣờng thấm khỏc nhau cần thời gian thấm khỏc nhau.
Điều cần chỳ ý trong trƣờng hợp thấm C-N nếu thời gian thấm kộo dài sẽ tạo điều kiện cho cỏc phản ứng cacbon đuổi nitơ ra khỏi nitơrit xảy ra nhiều hơn, trong lớp thấm sẽ xuất hiện nhiều khuyết tật. Nếu thời gian quỏ ngắn sẽ khụng đủ để cho cỏc nguyờn tố C, N khuếch tỏn đồng đều dẫn đến phõn bố độ cứng khụng đƣợc đồng đều.
Một vài đặc điểm khụng thể bỏ qua khi sử dụng khớ gas Việt Nam làm khớ thấm là: Hoạt tớnh của khớ gas Việt Nam khỏ lớn, hoạt tớnh đú càng tăng hơn khi mụi trƣờng thấm cú mặt nitơ nguyờn tử, vỡ vậy thời gian thấm thực sự khụng nờn kộo quỏ dài để trỏnh sự tớch tụ nguyờn tử cỏc nguyờn tố thấm trờn bề mặt chi tiết. Sau thời gian bóo hũa cần cú thời gian khuếch tỏn, nghĩa là thời gian giữ nguyờn nhiệt độ thấm nhƣng giảm lƣu lƣợng khớ thấm trong mụi trƣờng để cacbon và nitơ cú điều kiện khuếch tỏn, phõn bố hài hũa trong lớp thấm.
26
1.5.4. Ảnh hƣởng của thành phần và lƣu lƣợng khớ
Một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến chất lƣợng lớp thấm là thành phần và lƣu lƣợng của cỏc loại khớ đƣa vào. Chớnh thành phần cỏc loại khớ đƣa vào lũ sẽ quyết định sự cõn bằng của cỏc phản ứng húa học, quyết định hàm lƣợng nguyờn tử C, N và quyết định sự hỡnh thành cỏc pha trong lớp thấm. Nếu khụng điều chỉnh để lƣợng C, N nguyờn tử quỏ nhỏ sẽ khụng đủ để hỡnh thành nờn lớp thấm, ngƣợc lại nếu để lƣợng C, N nguyờn tử quỏ lớn sẽ tạo thành muội, tạo thành khuyết tật làm cho độ cứng của lớp thấm thấp. Thành phần và lƣu lƣợng khớ thấm đƣợc tớnh toỏn theo thời gian lƣu khớ trong lũ.
Theo tài liệu [2, 4, 6, 10 ] khi sử dụng khớ endo để thấm, tỷ lệ ammoniac đƣợc tớnh bằng 2 ữ 12% khớ endo đƣa vào lũ. Về tỷ lệ thành phần khớ khi dựng khớ gas cụng nghiệp (hay khớ gas tự nhiờn) và khớ độn (gas/khớ độn), theo cỏc tài liệu [4, 6, 10] của
Mỹ cú thể thay đổi trong khoảng từ 1/30 tới 1/8. Trong luận văn này, thành phần khớ đƣợc tớnh toỏn trờn cơ sở tham tài liệu của Nga, Mỹ và tớnh toỏn nhiệt động học kết hợp với điều chỉnh theo kinh nghiệm để đạt đƣợc hàm lƣợng cacbon, nitơ trờn bề mặt hợp lý, đỏp ứng yờu cầu làm việc của chi tiết.
1.6. Cỏc dạng khuyết tật khi thấm cacbon-nitơ 1.6.1. Lƣợng austenit dƣ quỏ lớn 1.6.1. Lƣợng austenit dƣ quỏ lớn
Trong lớp thấm C-N luụn tồn tại một lƣợng austenit, nhiều trƣờng hợp lƣợng austenit dƣ rất lớn làm ảnh hƣởng tới cơ tớnh của thộp. Austenit dƣ vừa là nhƣợc điểm nhƣng cũng là ƣu điểm của lớp thấm C-N. Nếu khống chế đƣợc lƣợng austenit dƣ trong lớp thấm sẽ đạt đƣợc yờu cầu về độ dai của thộp. Nếu lƣợng austenit quỏ lớn sẽ làm giảm độ cứng bề mặt dƣới 60HRC, giảm khả năng chống mài mũn của chi tiết.
Nhiều trƣờng hợp austenit dƣ tồn tại cỏch bề mặt từ 100 ữ 300àm. Sự cú mặt của austenit dƣ lỳc đú đƣợc giải thớch là: Do hàm lƣợng nitơ giảm dần từ ngoài vào trong. Ở bề mặt, nitơ chủ yếu ở dạng nitơrit. Đến một giỏ trị nhất định, lớp thấm tạo
27
nờn dung dịch rắn giàu nguyờn tố hợp kim từ đú dẫn đến hạ thấp điểm Mđ làm tăng sự ổn định của austenit dƣ.
Lƣợng austenit dƣ cú trong lớp thấm phụ thuộc rất nhiều vào tổng hàm lƣợng C+N và cỏc yếu tố hợp kim đặc biệt là nguyờn tố họp kim Mo. Trong khi cỏc nguyờn tố hợp kim Cr, Ti tồn tại chủ yếu trong cacbit cũn Mo khỏc với cỏc nguyờn tố trờn, nú tồn tại dƣới dạng dung dịch rắn vỡ mặc dự Mo là nguyờn tố tạo cacbit mạnh nhƣng do tốc độ khuếch tỏn của Mo trong austenit nhỏ hơn nhiều so với tốc độ khuếch tỏn của cacbon do đú Mo tồn tại trong γ làm ổn định γ làm tăng lƣợng austenit dƣ khú chuyển thành mactenxit. Điều khỏc biệt này đƣợc thể hiện rừ khi so sỏnh 2 mỏc thộp 20X và 20XM. Khi tổng hàm lƣợng C+N tăng lỳc đầu austenit dƣ tăng sẽ tăng và đạt cực đại (48 ữ 51% trong khoảng 0,95 ữ 1% cho cỏc mỏc thộp 25XTT và 25XTM). Tiếp tục tăng lƣợng C+N sẽ làm tăng khuyết tật.
1.6.2. Khuyết tật dạng lỗ đen
Một dạng khuyết tật nguy hiểm rất hay gặp trong lớp thấm C-N là khuyết tật lỗ đen: Khi soi trờn kinh hiển vi phúng đại lớn, trờn lớp thấm nhỡn thấy cỏc lỗ đen phõn bố rải rỏc hoặc trờn biờn giới hạt. Khuyết tật đú đƣợc hỡnh thành trong quỏ trỡnh thấm khi một số thụng số khụng đƣợc khống chế hợp lý. Khuyết tật này làm mất tớnh liờn tục, giảm mạnh cơ tớnh của lớp thấm.
Bản chất của khuyết tật lỗ đen là cỏc bọt khớ nitơ đƣợc hỡnh thành do một chuỗi cỏc phản ứng liờn hoàn: Khi tăng dần nhiệt độ nung, cỏc pha nitơrit đƣợc hỡnh thành trƣớc, sau đú là cacbitnitơrit, cuối cựng là cỏc loại cacbit. Ở nhiệt độ thấm cao cỏc hợp chất chứa cacbon bền vững hơn cỏc hợp chất chứa nitơ, cacbon đuổi nitơ ra khỏi dung dịch rắn và cỏc hợp chất chứa nitơ và dần thay thế chỳng. Cỏc nguyờn tử nitơ bị đuổi ra kết hợp lại với nhau tạo nờn phõn tử nitơ tập chung thành cỏc bọt khớ. Khi trong thộp thấm chứa lƣợng tạp chất Si > 0,37%, tại đõy cũng quan sỏt thấy một lƣợng đỏng kể cacbon tự do dƣới dạng graphit. Cỏc lỗ trống tạo ra trong tổ chức làm giảm độ bền của thộp.
28
Nguyờn nhõn cú mặt của graphit trong vựng tối đƣợc giải thớch nhƣ sau: Trong quỏ trỡnh thấm C-N cũng xảy ra sự khuếch tỏn silic từ trong lừi ra bề mặt. Dƣới ảnh hƣởng của oxy và nitơ, silic biến đổi pha cacbitnitơrit và cacbit. Trờn bề mặt silic phỏ hủy sự liờn kết Fe-C tạo liờn kết Fe-Si đồng thời tạo graphit. Khuyết tật lỗ đen xuất hiện nhiều hơn khi tổng hàm lƣợng C và N lớn hơn 1,2 ữ 1,5%, đặc biệt là khi hàm lƣợng N lớn hơn 0,5%. Nếu hàm lƣợng N trờn bề mặt vào khoảng 0,6% lƣợng lỗ đen sẽ nhiều gấp 10 lần so với hàm lƣợng 0,3%. Số lƣợng và phõn bố khuyết tật lỗ đen cũn phụ thuộc vào thành phần thộp. Hàm lƣợng cỏc nguyờn tố cú khả năng tạo ra nitơritcacbit nhƣ: Cr, Mn, Ti càng nhiều, khả năng hỡnh thành cỏc lỗ đen càng lớn. Ngoài ra, thời gian thấm càng dài cũng tạo điều kiện xuất hiện khuyết tật dạng này.
Khuyết tật lỗ đen khi đó xuất hiện khụng cú cỏch khắc phục, tuy nhiờn cú thể hạn chế và phũng trỏnh khi tiến hành cụng nghệ thấm nhƣ sau:
+ Khụng chế hàm lƣợng nitơ bằng cỏch giảm lƣợng NH3. Chỉ nờn sử dụng hàm lƣợng NH3 dƣới 10%.
+ Khống chế thời gian thấm vỡ thời gian càng dài càng dễ xảy ra khuyết tật.
+ Nờn dựng cỏc loại thộp chứa ớt nguyờn tố tạo cacbit mạnh nhƣ Cr, Ti, Mn, nờn dựng thộp cú chứa Mo.
1.6.3. Khuyết tật phi mactenxit
Cỏc loại thộp thấm cú chứa cỏc nguyờn tố tạo cacbit đều cú nguy cơ tạo khuyết tật là tổ chức phi mactenxit nhƣ tổ chức trụxtit là giảm cơ tớnh đặc biệt là tớnh chống mài mũn của chi tiết.
Nguyờn nhõn của loại khuyết tật này là: Khi nồng độ cacbon quỏ lớn, cỏc nguyờn tố hợp kim tạo cacbit mạnh chủ yếu tồn tại trong cỏc loại cacbit hợp kim làm cho austenit nghốo cacbon và nguyờn tố núi trờn, giảm tớnh ổn định. Điều đú cũng cú nghĩa là vận tốc tụi tới hạn tăng lờn, nờn khi tụi trong dầu khụng đạt đƣợc tổ chức mactenxit nhƣ cỏc thộp hợp kim bỡnh thƣờng khỏc mà tạo nờn những tổ chức cú độ cứng thấp hơn, thƣờng là trụxtit.
29
Để khắc phục khuyết tật này cú thể điều chỉnh khớ thấm, làm giảm lƣợng cacbon
trờn bề mặt (chủ yếu điều chỉnh khớ cacbon) nhƣng cũng cú thể sử dụng thành phần thộp hợp lý. Ngoài cỏc nguyờn tố nhƣ Cr, Mn, Ti…là những nguyờn tố tạo cacbit mạnh, trong thộp nờn cú cỏc nguyờn tố khỏc nhƣ Cu, Ni, Mo trong đú Mo là tốt nhất, Mo là tăng độ ổn định của austenit do đú làm tăng độ thấm tụi.
Cỏc tớnh toỏn cho thấy rằng ở 6500C hệ số khuếch tỏn của Mo trong austenit nhỏ hơn hệ số khuếch tỏn của cacbon 5.105 lần vỡ vậy tạo ra cacbit khú khăn và đú cũng chớnh là một trong cỏc nguyờn nhõn làm tăng tớnh ổn định của austenit trong khoảng nhiệt độ chuyển biến.
1.7. Nhiệt luyện sau thấm 1.7.1. Tụi 1.7.1. Tụi
* Tụi trực tiếp: Sau khi thấm C-N chi tiết đƣợc tụi trực tiếp
Nhiệt độ tụi: Đƣợc xỏc định theo giản đồ pha Fe-C, hoặc dựa vào chƣơng trỡnh Thermocalt để tớnh toỏn. Nhiệt độ tụi đƣợc chọn theo yờu cầu cụ thể của độ cứng bề mặt và lừi của chi tiết.
Mỏc thộp dựng để thấm cú hàm lƣợng cacbon thấp do đú khi thấm trong lừi là thành phần của thộp ban đầu cũn bề mặt là thộp cú hàm lƣợng cacbon cao, là thộp sau cựng tớch. Nếu chọn nhiệt độ tụi trong khoảng 800 ữ 8300C, tổ chức bề mặt sau tụi là mactenxit, austenit dƣ và cỏc loại cacbit và nitơrit cú độ cứng và tớnh chống mài mũn cao, trong khi lừi cú độ cứng thấp. Điều đú cú thể giải thớch là nung đến 800 ữ 8300C,