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
Bảng 3.1 Kết quả độ cứng theo chiều dày lớp thấm
Chiều sõu(μm) 40 90 150 200 250 300 400
Độ cứng(HRC) 62.5 63 62.8 63.8 61.5 60.2 51.5 Chiều sõu(μm) 500 600 700 800 900 1000 lừi Độ cứng(HRC) 53.8 51.7 50 47.6 46.2 46.2 46.1
Kết quả đo độ cứng tế vi đƣợc vẽ trờn hỡnh 3.4, cho thấy sự phõn bố độ cứng của lớp thấm
39
Tổ chức tế vi: Tổ chức nhỏ mịn và khụng cú lƣới xementit
Hỡnh 3.5 Tổ chức tế vi của lớp thấm mẫu thộp 20XM thấm ở 8600C a) Độ phúng đại 200 lần. b) Độ phúng đại 500 lần
Ảnh tổ chức tế vi cho thấy tổ chức của lớp thấm C-N bao gồm cú ba phần giống tổ chức điển hỡnh của lớp thấm: Lớp ngoài cựng mactenxit, austenit dƣ và tổ chức cacbitnitơrit; vựng 2 sẫm hơn cú mactenxit hỡnh kim, một lƣợng nhỏ austenit dƣ và cacbit hợp kim; vựng 3 là vựng mactenxit nhỏ mịn (mactenxit nghốo cacbon). Với ảnh phúng đại 200 lần ta cú thể thấy đƣợc tổng thể lớp thấm, ở độ phúng đại 500 lần cú thể thấy khỏ rừ kim mactenxit cũng nhƣ austenit dƣ xem kẽ giữa cỏc kim mactenxit từ đõy cũng cú thể giải thớch đƣợc tại sao khi đo độ cứng tế vi, độ cứng bờn ngoài nhỏ hơn bờn trong (hay cú hỡnh quả chuụng) nhƣ hỡnh 3.4.
3.2.1.2. Thấm ở nhiệt độ 8400C
Kết quả đo độ cứng theo chiều dày lớp thấm đƣợc đƣa ra ở bảng 3.2
Bảng 3.2 Kết quả độ cứng theo chiều dày lớp thấm
Chiều sõu(μm) 40 90 150 200 250 300 400
Độ cứng(HRC) 61.2 64.1 65.4 64.9 63.8 62.7 60.9 Chiều sõu(μm) 500 600 700 800 900 1000 lừi Độ cứng(HRC) 58.4 56.3 52.6 48.2 45.8 46.1 45
40
Kết quả đo độ cứng tế vi đƣợc vẽ trờn hỡnh 3.6, cho thấy sự phõn bố độ cứng của lớp thấm
Hỡnh 3.6 Sự phõn bố độ cứng của lớp thấm ở nhiệt độ 8400C và 8600C
Tổ chức tế vi: Tổ chức nhỏ mịn và khụng cú lƣới xementit
Hỡnh 3.7 Tổ chức tế vi của lớp thấm mẫu thộp 20XM thấm ở 8400C a) Độ phúng đại 200 lần. b) Độ phúng đại 500 lần
41
Nhận xột: Dựa vào đồ thị sự phõn bố độ cứng của từng mẫu ta thấy với mỏc thộp 20XM thấm ở hai nhiệt độ khỏc nhau (với Cp và thời gian thấm là nhƣ nhau) thỡ cú mức độ chờnh lệch độ cứng khụng nhiều. Tuy nhiờn, trờn đồ thị sự phõn bố độ cứng hỡnh 3.6 cho thấy độ cứng cũng nhƣ chiều sõu lớp thấm tại nhiệt độ 8400C cao hơn tại một số vựng trong lớp thấm, điều này cú thể đƣợc giải thớch là do trong quỏ trỡnh thực nghiệm với mẫu thấm 8600C đó giảm lƣu lƣợng khớ sau 2h bóo hũa để thực hiện chế độ khuếch tỏn, nồng độ cỏc nguyờn tố thấm phõn bố điều hũa hơn nờn độ cứng giảm dần về phớa lừi.
3.2.2. Ảnh hƣởng của thời gian thấm đến độ cứng và chiều sõu lớp thấm với thộp 20XM 20XM
Để khảo sỏt ảnh hƣởng của thời gian đến độ cứng và chiều sõu lớp thấm, thực hiện 4 mẻ thấm với thời gian hay đổi là: 1,5h; 3h; 4h.
Ở cựng nhiệt độ 8400C, với cựng lƣu lƣợng khớ thấm tiến hành thấm với thộp 20XM
3.2.2.1 Thời gian giữ nhiệt 1,5h
Bảng 3.3 Kết quả độ cứng theo chiều dày lớp thấm
Chiều sõu(μm) 40 90 150 200 250 300 400
Độ cứng(HRC) 62.5 63.8 58.6 56.7 57.1 51.8 50.6 Chiều sõu(μm) 500 600 700 800 900 1000 lừi Độ cứng(HRC) 46.8 45.3 42.9 41.0 40.6 40.2
42
Hỡnh 3.8 Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm khi giữ nhiệt 1,5h
Qua đồ thị sự phõn bố độ cứng ta cú thể xỏc định đƣợc chiều dày lớp thấm là 310μm, tại giỏ trị độ cứng là 52HRC.
3.2.2.2. Thời gian giữ nhiệt 3h
Bảng 3.4 Kết quả độ cứng theo chiều dày lớp thấm
Chiều sõu(μm) 40 90 150 200 250 300 400
Độ cứng(HRC) 62.5 63.8 61.6 60.7 62.1 59.8 57.2 Chiều sõu(μm) 500 600 700 800 900 1000 lừi Độ cứng(HRC) 54.8 50.3 45.9 43.0 42.8 41.2
43
Hỡnh 3.9 Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm khi giữ nhiệt 3h
Chiều sõu lớp thấm đạt đƣợc trong trƣờng hợp này là 550 μm, tại giỏ trị độ cứng là 52HRC.
3.2.2.3. Thời gian giữ nhiệt 4h
Bảng 3.5 Kết quả độ cứng theo chiều dày lớp thấm
Chiều sõu(μm) 40 90 150 200 250 300 400
Độ cứng(HRC) 64.4 63.8 61.6 60.7 62.1 59.8 58.2 Chiều sõu(μm) 500 600 700 800 900 1000 lừi Độ cứng(HRC) 56.4 54.3 57.9 55.7 52.1 50.3
44
Hỡnh 3.10 Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm khi giữ nhiệt 4h
Chiều sõu lớp thấm đạt đƣợc trong trƣờng hợp này là 900 μm, tại giỏ trị độ cứng là 52HRC.
Tiến hành khảo sỏt ở 3 thời gian thấm khỏc nhau ở cựng một nhiệt độ và cựng giỏ trị Cp ta thu đƣợc quan hệ giữa thời gian thấm và chiều sõu lớp thấm nhƣ sau:
45
Hỡnh 3.11 Đồ thị quan hệ giữa chiều sõu lớp thấm và thời gian thấm
Nhận xột: Từ đồ thị ta thấy rằng khi tăng thời gian thấm thỡ chiều sõu lớp thấm tăng lờn, điều này cũng phự hợp với định luật khuếch tỏn.
3.2.3. Ảnh hƣởng của thành phần khớ thấm
Thành phần khớ thấm là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng tới tổ chức và cơ tớnh của lớp thấm. Để nghiờn cứu ảnh hƣởng của lƣu lƣợng đến độ cứng và tổ chức lớp thấm, luận văn đó thực hiện cỏc mẻ thấm với lƣu lƣợng thay đổi. Cỏc mẫu đều đƣợc thấm ở 8500C trong 3 giờ.
Chế độ thấm 1 ) / ( 7 % 18 3 l h QNH 1,5% 0,5( / ) 2 l h QCO ) / ( 15 % 40 2 l h QN Qgas 40,5%15(l/h) - Kết quả độ cứng
46
Hỡnh 3.12 Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm