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,
giữ nhiệt rồi làm nguội thỡ tổ chức của lừi bao gồm mactenxit, austenit dƣ và ferit nờn
đạt đƣợc độ cứng thấp. Ngƣợc lại nếu tụi trong khoảng nhiệt độ 860 ữ 8800C, độ cứng của lừi cao (cú thể lờn đến 45HRC) cũn độ cứng bề mặt lại thấp vỡ thực chất bề mặt là
thộp sau cựng tớch. Vỡ vậy, nếu bề mặt cần độ cứng cao và lừi cần độ cứng thấp thỡ
chọn nhiệt độ tụi thấp và ngƣợc lại.
Chọn tốc độ nguội: Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra khi làm nguội với tốc độ bằng hoặc lớn hơn tốc độ tới hạn, khi đú austenit khụng kịp phõn hủy ra cỏc tổ chức
30
cõn bằng. Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra khi đạt đƣợc nhiệt độ Md; kết thỳc ở nhiệt độ Mk, vị trớ cỏc nhiệt độ này phụ thuộc vào thành phần húa học của cỏc mỏc thộp.
* Mụi trƣờng tụi: Sau khi thấm chi tiết cú thể đƣợc tụi trong cỏc mụi trƣờng nhƣ: Dầu, nƣớc…Với thộp hợp kim, để hạn chế biến dạng và ứng suất nờn tụi trong mụi trƣờng dầu. Tốt nhất là tụi trong mụi trƣờng dầu núng từ 60 ữ 800C. Mụi trƣờng dầu núng làm giảm độ biến dạng.
1.7.2. Ram
Sau khi thấm cacbon-nitơ và tụi cú thể ram thấp hoặc khụng ram. Nhiệt độ ram đƣợc chọn từ 1400C đến 1800C.
1.8. Xử lý sau thấm
Sau thấm và tụi lớp thấm cacbon - nitơ tồn tại một lƣợng austenit dƣ khỏ lớn làm giảm khả năng ứng dụng của phƣơng phỏp thấm. Việc tồn tại austenit dƣ trong đa số cỏc trƣờng hợp là khụng mong muốn vỡ nú ảnh hƣởng xấu đến cơ tớnh cũng nhƣ tớnh ổn định kớch thƣớc của chi tiết. Tuy nhiờn, nếu giữ lại đƣợc một lƣợng austenit dƣ nhất định sẽ làm tăng khả năng chống mỏi, chống uốn và thậm chớ làm tăng khả năng chống mũi mũn. Vỡ vậy, sau khi thấm cần cú xử lý thớch hợp để điều chỉnh lƣợng austenit dƣ. * Gia cụng lạnh
Một trong những biện phỏp để khử austenit dƣ khỏ hiệu quả là phƣơng phỏp gia cụng lạnh. Gia cụng lạnh là phƣơng phỏp làm lạnh chi tiết sau tụi xuống dƣới nhiệt độ 00C để làm cho austenit dƣ chuyển biến thành mactenxit, chỉ ỏp dụng đối với thộp cú Md rất thấp (nhƣ một số trƣờng hợp lớp thấm C-N sau tụi).
Hiệu quả của gia cụng lạnh phụ thuộc vào thành phần húa học của thộp và những yếu tố khỏc nhƣ mức độ hợp kim húa austenit và độ nhạy cảm đối với ổn định húa. Để tạo nhiệt độ õm khi gia cụng lạnh cú thể dựng một trong cỏc phƣơng phỏp sau:
+ Phƣơng phỏp đơn giản nhất là dựng tuyết CO2 hoặc CO2 rắn, phƣơng phỏp này cú thể đạt nhiệt độ từ (- 650C đến - 750C).
31
+ Dựng tuyết CO2 và dung dịch cồn, benzene, axeton. Cho CO2 vào dung mụi cho đến khi nú khụng nổi lờn bề mặt dung dịch nữa, lỳc này đạt nhiệt độ (-780
C). + Dựng cỏc khớ lỏng nhƣ khụng khớ, oxy, nitơ cú thể đạt nhiệt độ từ (-1800
C) đến (-1900C).
+ Cỏc mỏy làm lạnh
+ Trƣờng hợp khụng cần làm lạnh sõu cú thể dựng phƣơng phỏp húa học nhƣ hỗn hợp của nƣớc đỏ với cỏc loại muối NaCl, NaNO3 và NaNO2 (3 phần muối, 1 phần nƣớc đỏ cú thể đạt nhiệt độ -190
C). * Thƣờng húa + Tụi:
Thƣờng húa nhận đƣợc tổ chức F + cabit sau đú nung lờn F → austenit nghốo nguyờn tố hợp kim làm giảm lƣợng austenit dƣ.
32
PHẦN 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIấN CỨU
Mục đớch của thực nghiệm là: Thiết lập được mụi trường thấm C-N trờn cơ sở khớ gas Việt Nam và khớ nitơ cụ thể là nhiệt độ thấm, thời gian thấm, thời gian khuếch tỏn, và lưu lượng khớ thấm cung cấp phự hợp để nhận được lớp thấm cú chiều dày, độ cứng đảm bảo.
2.1. Sơ đồ thực nghiệm
Hỡnh 2.1 Sơ đồ quy trỡnh thớ nghiệm
2.2. Thiết bị thấm
- Lũ thấm thớ nghiệm: Lũ thớ nghiệm tại CTY Cổ phần Mỏy Cụng nghiệp và Dụng cụ Xử lý lớp thấm Tụi Dầu T=800C, τ= 5ữ8ph Thấm C-N T=8400C, 860, Q=var, τ= var Độ cứng; Tổ chức; Chiều dày lớp thấm Kết quả Phõn tớch và đỏnh giỏ Kết luận Vật liệu C20, 20XM, 20X, SCr420, SCM, 18CrMnTi
33
Hỡnh 2.2 Lũ thấm C-N thớ nghiệm
Thụng số kỹ thuật của lũ:
- Kớch thƣớc nồi lũ: 220x540, thể tớch sử dụng hữu ớch buồng lũ là 11,8 (dm3) - Cụng suất lũ 5KW
- Nhiệt độ làm việc tối đa là 1.0000C
- Hệ thống quạt làm mỏt đƣợc lắp trờn nắp lũ.
- Quạt khuấy nhằm đồng đều khớ trong lũ. Động cơ quạt sử dụng là động cơ 3 pha, cụng suất 150W.
- Hệ thống cấp khớ thấm: Để hạn chế việc thỏo lắp đƣờng ống hạn chế khớ rũ rỉ khớ thấm thỡ hệ thống cấp khớ đƣợc thiết kế với hai đƣờng cấp khớ cho quỏ trỡnh thấm C và thấm C-N.
34
2.3. Cỏc thụng số nghiờn cứu
- Nhiệt độ thấm: Trong khuụn khổ luận văn ta khảo sỏt với nhiệt độ thấm là: 8400C, 8600C.
- Thời gian thấm: Giữ tổng thời gian là 3 (h), bao gồm thời gian bóo hũa và thời gian khuếch tỏn (thời gian khuếch tỏn: 1/3 thời gian thấm, trong thời gian đú lƣu lƣợng cỏc nguồn khớ thấm giảm 1/3).
- Lƣu lƣợng khớ thấm
Lƣu lƣợng ỏp dụng cỏc chế độ thành phần và lƣu lƣợng khỏc nhau. - Nhiệt độ tụi: 8100C ữ 8500C.
- Mụi trƣờng tụi: Dầu núng 600C, 800C, dầu nguội.
2.4. Chuẩn bị mẫu
Mẫu thộp dựng để thớ nghiệm là cỏc loại thộp: C20, 20XM, 20X, 18CrMnTi. Để phự hợp với kớch thƣớc lũ và gỏ chi tiết mẫu thấm thớ nghiệm cú kớch thƣớc: 20x20x10
Trƣớc khi thấm cacbon-nitơ mẫu đƣợc làm sạch dầu mỡ và lớp oxit trờn bề mặt sau đú rửa bằng nƣớc xà phũng núng rồi lại rửa bằng nƣớc sạch.
2.5. Cỏc phƣơng phỏp và thiết bị kiểm tra đỏnh giỏ lớp thấm 2.5.1. Cỏc phƣơng phỏp kiểm tra lớp thấm 2.5.1. Cỏc phƣơng phỏp kiểm tra lớp thấm
Chất lƣợng của lớp thấm cacbon-nitơ đƣợc đỏnh giỏ theo cỏc chỉ tiờu: Chiều sõu lớp thấm, tổ chức tế vi, và độ cứng.
Ngoài ra để đỏnh giỏ lớp thấm luận văn cũn dựng cỏc phƣơng phỏp nhƣ nhiễu xạ tia X để xỏc định cỏc pha trong lớp thấm, phƣơng phỏp hiển vi điện tử quột phƣơng phỏp EDX để xỏc định sự phõn bố cacbon và nitơ trong lớp thấm.
2.5.2. Thiết bị nghiờn cứu
- Kớnh hiển vi kim loại học Axiovert 25CA của hóng Carl Zeiss (Đức): Quan sỏt và chụp ảnh tổ chức tế vi của cỏc mẫu thộp sau khi thấm. Với độ phúng đại 50, 100, 200, 500 lần, tại phũng thớ nghiệm kim loại học và nhiệt luyện, trƣờng ĐHBK Hà Nội.
35
- Mỏy đo độ cứng Rockwell ARK500 của hóng Mitutoyo (Nhật Bản): Đo độ cứng thụ đại của cỏc mẫu thộp sau thấm. Tại xƣởng nhiệt luyện, trƣờng ĐHBK Hà Nội. - Mỏy đo độ cứng STRUERS DURAMIN-2 (Đan Mạch): Đo độ cứng tế vi lớp thấm, để xỏc định sự phõn bố độ cứng của mẫu thộp sau thấm từ bề mặt vào trong lừi. Từ đú cú thể xỏc định đƣợc chiều dày lớp thấm. Qua đú đỏnh giỏ đƣợc chất lƣợng lớp thấm, tại phũng thớ nghiệm kim loại học và nhiệt luyện, trƣờng ĐHBK Hà Nội.
- Mỏy hiển vi điện tử quột JED – 2300 scanning microscope JEOL: Xỏc định tổ chức và thành phần của lớp thấm từ bề mặt vào lừi theo phƣơng phỏp linescan. Tại trung tõm comfa-Viện Khoa học Vật liệu.
- Mỏy nhiễu xạ huỳnh quang tia X (X-Ray): Xỏc định cỏc pha tồn tại trong lớp thấm. Tại Phũng thớ nghiệm vật liệu quõn sự/Viện Húa học-Vật liệu.
36
PHẦN 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xõy dựng giản đồ pha vựng nhiệt độ thấm
Để xỏc định thành phần pha cõn bằng tại vựng nhiệt độ thấm C-N, đề tài đó sử dụng chƣơng trỡnh themo-calc để xõy dựng giản đồ mặt cắt ba nguyờn cho cỏc nguyờn tố chớnh Fe-C-N tại cỏc nhiệt độ 8200
C, 8400C, 8600C kết quả nhƣ sau:
37
Hỡnh 3.2. Giản đồ pha 3 nguyờn Fe-C-N ở nhiệt độ 8400 C
38
Theo giản đồ xõy dựng đƣợc trờn cỏc hỡnh 3.1, 3.2, 3.3 ta thấy rừ đƣợc cỏc pha sẽ cú mặt tại nhiệt độ thấm C-N gồm: γ + CrN, Fe3C nhiệt độ càng cao vựng (α+γ) bị thu hẹp, vựng γ đƣợc mở rộng.
3.2. Khảo sỏt ảnh hƣởng của cỏc thụng số khi thấm cacbon-nitơ 3.2.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thấm 3.2.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thấm
Để khảo sỏt ảnh hƣởng của nhiệt độ thấm đến độ cứng và chiều sõu lớp thấm. Thực hiện thấm ở nhiệt độ 8400C và 8600C, thời gian 3 giờ và khụng thay đổi thành phần khớ thấm (Cp = 1,03).
3.2.1.1 Thấm ở nhiệt độ 8600C
Kết quả đo độ cứng theo chiều dày lớp thấm đƣợc đƣa ra ở bảng 3.1