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
- Tổ chức tế vi:
Hỡnh 3.13. Tổ chức tế vi của lớp thấm ứng với chế độ 1
Do trong thành phần hỗn hợp khớ, lƣợng khớ gas và khớ NH3 lớn, lƣợng C và N nguyờn tử trờn bề mặt cao nờn nhiều austenit dƣ, mẫu cú độ cứng vựng sỏt bề mặt thấp. Điểm cú độ cứng cao nhất là 64,5HRC (tƣơng đƣơng với hàm lƣợng C+N là 0,9 đến 1%) ở cỏch bề mặt là 400μm, chứng tỏ hàm lƣợng C, N ở bề mặt rất cao lớn hơn 1% rất nhiều (điểm cú độ cứng trờn 64HRC thƣờng tƣơng đƣơng với tổng hàm lƣợng C+N khoảng 0,9 ữ 1,2%).
47 Chế độ thấm 2 ) / ( 3 % 9 3 l h QNH 8% 2,5( / ) 2 l h QCO ) / ( 25 % 68 2 l h QN Qgas 15%25(l/h) - Kết quả đo độ cứng:
Hỡnh 3.14 Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm
- Tổ chức tế vi:
Hỡnh 3.15. Tổ chức tế vi của lớp thấm ứng với chế độ 2
Nhận xột: Thấm theo chế độ 2 nhận đƣợc tổ chức và phõn bố độ cứng tƣơng đối tốt, độ cứng bề mặt là lớn hơn 60HRC độ cứng của lừi đạt yờu cầu.
48
Khi giảm hàm lƣợng khớ NH3 và giảm hàm lƣợng khớ gas cơ tớnh của lớp thấm tăng lờn rừ rệt. Chế độ thấm 3 ) / ( 3 % 9 3 l h QNH 25% 7,5( / ) 2 l h QCO ) / ( 18 % 46 2 l h QN Qgas 19%6,5(l/h) - Kết quả độ cứng:
Hỡnh 3.16 Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm
49
Hỡnh 3.17 Tổ chức tế vi của lớp thấm mẫu thộp 20XM thấm ở 8400C theo chế độ 3 a) Độ phúng đại 200 lần. b) Độ phúng đại 500 lần
Nhận xột:
Với hàm lƣợng NH3 nhỏ hơn 10%, tỷ lệ CO2/gas = 1,5 ữ 1,7 cỏc chỉ tiờu thấm đạt đƣợc:
Tổ chức lớp thấm khỏ nhỏ mịn, khụng phỏt hiện khuyết tật. Độ cứng lớp bề mặt cao 62 ữ 65HRC, độ cứng lừi 37 ữ 39HRC độ cứng giảm dần đều từ bề mặt vào lừi. Kết quả cú đƣợc do thành phần cỏc khớ đƣợc điều chỉnh một cỏch hợp lý, tạo ra mụi trƣờng thấm phự hợp.
3.2.4. Khảo sỏt ảnh hƣởng của chế độ khuếch tỏn đến tổ chức, cơ tớnh của lớp thấm C-N thấm C-N
Để khảo sỏt ảnh hƣởng của chế độ khuếch tỏn đến tổ chức và cơ tớnh của lớp thấm, luận văn đó tiến hành nghiờn cứu chế độ khuếch tỏn đối với 2 mỏc thộp là C20 và 20XM và nghiờn cứu ảnh hƣởng của thời gian khuếch tỏn tới tổ chức, độ cứng của thộp: 20XM.
Tiến hành cỏc mẻ thấm nhƣ sau: * Chế độ thấm 1:
Nhiệt độ thấm là 8400C, sử dụng thời gian thấm là 3 giờ, nhƣng khụng ỏp dụng thời gian khuếch tỏn (T = T1 = 3h).
50 0 10 20 30 40 50 60 70 60 560 1060 1560 2060 2560 Kc từ bề mặt HRC C20 20XM
Khi khụng ỏp dụng chế độ khuếch tỏn đối với 2 loại thộp là C20 và 20XM ta cú thể nhận xột nhƣ sau:
- Độ cứng bề mặt của cả hai loại thộp đều khụng cao (dƣới 60HRC)
- Thộp C20 (khụng cú nguyờn tố hợp kim) cú chiều sõu lớp thấm khỏ nhỏ, nhất là chiều sõu hiệu quả.
-Thộp 20XM cú chiều sõu lớp thấm lớn hơn nhƣng đƣờng phõn bố độ cứng thất thƣờng, khụng điều hoà.
* Chế độ thấm 2:
Thộp 20XM: Tổng thời gian thấm T = 3 giờ; với quy trỡnh nhƣ sau:
Hỡnh 3.18. Đường phõn bố độ cứng tế vi từ bề mặt vào lừi của thộp C20 và thộp 20XM khi khụng ỏp dụng chế độ khuếch tỏn
Đường 1: Thộp hợp kim 20XM; Đường 2: Thộp C20
1
51
Hỡnh 3.19. Sơ đồ quy trỡnh thấm C-N ở chế độ 2
- Tổ chức tế vi của hai mẫu thộp 20XM sau thấm:
Hỡnh 3.20. Tổ chức tế vi của lớp thấm thộp 20XM, x200 Hỡnh 3.21. Tổ chức tế vi của lớp thấm thộp 20XM, x500 Hỡnh 3.22. Tổ chức tế vi của lừi mẫu thộp 20XM, x500
52
Hỡnh 3.23. Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm theo chế độ 2
Nhận xột: Khi thấm theo chế độ 2 gồm cú giai đoạn cấp khớ thấm và giai đoạn ngừng cấp khớ hoàn toàn thỡ giỏ trị độ cứng lớp bề mặt tuy thấp hơn so với khi cấp khớ liờn tục, tuy nhiờn thỡ giỏ trị độ cứng ở cỏc vị trớ bờn trong lại cú giỏ trị cao hơn và đồng đều hơn, điều đú cho thấy rằng khi ỏp dụng chế độ thấm này thỡ giỏ trị độ cứng đƣợc đẩy dần dần vào bờn trong lừi và chiều sõu lớp thấm hiệu quả lớn hơn (lớp thấm hiệu quả là lớp thấm đƣợc tớnh từ bề mặt mẫu đến điểm cú độ cứng 50HRC) .
* Chế độ thấm 3:
Mẫu thộp dựng để thực nghiệm vẫn là mẫu thộp 20XM với quy trỡnh thực nghiệm nhƣ sau:
53
Hỡnh 3.24. Sơ đồ quy trỡnh thấm C-N ở chế độ 2
- Tổ chức tế vi của mẫu thộp khi thấm ở chế độ này:
Hỡnh 3.27. Tổ chức tế vi của lừi mẫu thộp 20XM, x500
Hỡnh 3.25. Tổ chức tế vi của lớp thấm mẫu thộp 20XM, x200
Hỡnh 3.26. Tổ chức tế vi của
lớp thấm mẫu thộp 20XM, x500
54
Hỡnh 3.28. Sự thay đổi độ cứng theo chiều dày lớp thấm theo chế độ 2
Nhận xột:
Khi thấm theo chế độ 2 với thời gian cấp khớ và ngừng cấp khớ với biờn độ ngắn hơn so với chế độ 1, ta thấy rằng giỏ trị độ cứng bề mặt tƣơng đƣơng với chế độ 1 tuy nhiờn thỡ giỏ trị độ cứng lại cao khi chiều sõu lớp thấm tăng lờn và đạt giỏ trị cao nhất là 61,8HRC tại vị trớ 700àm điều này 1 lần nữa khẳng định rằng khi tổng thời gian thấm là 3h, dựng chế độ cấp khớ và ngừng cấp khớ cú hiệu ứng tăng độ cứng khi chiều sõu lớp thấm càng tăng, trong khi tổ chức tế vi của lớp thấm vẫn đạt đƣợc theo 3 vựng và khụng thấy xuất hiện khuyết tật khi thấm.
3.3. Tổ chức và sự phõn bố của cacbon và nitơ trong lớp thấm
* Tổ chức lớp thấm C-N
Thực nghiệm thấm C-N tại nhiệt độ 8400C, thời gian thấm là 2,5h, thời gian khuếch tỏn là 0,5h, thộp thấm là thộp 20X, với lƣu lƣợng khớ thấm là: 10%gas, 18%CO2, 10%NH3, 62%N2.
55
Ảnh chụp lớp thấm bằng kớnh hiển vi quang học (hỡnh 3.29) cho thấy sự khỏc biệt rừ ràng giữa cỏc vựng tổ chức tế vi, Phúng đại 200 lần cho thấy lớp thấm cú màu thẫm màu hơn nền, Vào sõu phớa trong lừi là tổ chức của nền thộp đƣợc tụi. Với độ phúng đại 500 lần cú thể thấy cỏc pha cacbit và nitơrit màu sỏng ở phần ngoài cựng của bề mặt. Tổ chức lớp thấm sẽ dễ phõn tớch hơn khi dựng kớnh hiển vi điện tử quột:
Hỡnh 3.29. Tổ chức lớp thấm phúng đại 500 lần (phần trờn) và 200 lần (phần dưới)
Trờn kớnh hiển vi điện tử quột với độ phúng đại 500 lần thấy rằng vựng ngoài cựng cú tổ chức nhỏ mịn cỡ khoảng 1-2m, đi sõu vào trong nền, tổ chức thụ hơn. Ở độ phúng đại 2000 lần, cú thể quan sỏt thấy lớp ngoài cựng bao gồm cỏc hạt cacbớt (hỡnh trũn) và nitơrớt (hỡnh que, đầu mũi tờn). Chớnh cỏc tổ chức đú làm cho độ cứng cao hơn hẳn độ cứng nền.
56 * Sự phõn bố của cacbon và nitơ
Sự phõn bố hàm lƣợng C, N theo chiều sõu lớp thấm đƣợc xỏc định trờn mỏy hiển vi điện tử quột theo phƣơng phỏp linescan trờn bảng 3.6, hỡnh 3.32:
Thành phần cỏc nguyờn tố đƣợc xỏc định đến khoảng cỏch 0,242mm kể từ bề mặt. Bảng 3.6 Phõn bố hàm lượng cỏc nguyờn tố trờn lớp thấm Thấm C-N C N O Si Cr Mn Fe Mo Total (Mass %) LG10000 ; 0,000 mm 0,67 0,68 0,32 0,32 1,32 0,00 96,68 0,00 100,00 LG10001 ; 0,017 mm 0,11 0,90 0,00 0,38 0,99 0,00 96,82 0,79 100,00 LG10002 ; 0,035 mm 0,00 0,00 0,06 0,00 1,16 0,00 98,63 0,14 100,00 LG10003 ; 0,052 mm 0,83 0,00 0,00 0,22 1,21 0,00 97,74 0,00 100,00 LG10004 ; 0,069 mm 1,12 0,23 0,00 0,02 1,53 0,00 97,10 0,00 100,00 LG10005 ; 0,086 mm 1,78 0,58 0,00 0,17 1,21 0,00 96,13 0,13 100,00 LG10006 ; 0,104 mm 0,91 0,31 0,00 0,42 1,37 0,00 96,89 0,09 100,00 LG10007 ; 0,121 mm 1,20 0,35 0,00 0,37 1,24 0,00 96,16 0,68 100,00 LG10008 ; 0,138 mm 1,28 1,37 0,00 0,20 1,55 0,00 95,23 0,38 100,00 LG10009 ; 0,156 mm 0,42 1,14 0,00 0,32 0,97 0,00 97,05 0,10 100,00 LG10010 ; 0,173 mm 0,28 0,41 0,00 0,24 1,25 0,00 97,80 0,02 100,00 Hỡnh 3.30. Tổ chức lớp thấm, x500 Hỡnh 3.31. Tổ chức lớp thấm, x2000
57 LG10011 ; 0,190 mm 0,00 0,00 0,00 0,28 1,24 0,00 98,07 0,41 100,00 LG10012 ; 0,207 mm 1,05 0,80 0,00 0,32 1,40 0,00 95,86 0,57 100,00 LG10013 ; 0,225 mm 0,32 0,20 0,00 0,42 1,08 0,00 97,85 0,13 100,00 LG10014 ; 0,242 mm 0,25 0,00 0,00 0,45 1,47 0,00 96,24 1,60 100,00 Cỏc số liệu trờn đƣợc mụ tả trờn đồ thị (hỡnh 3.31)
Từ bảng 3.6 và đồ thị hỡnh 3.31 cho thấy xu hƣớng chung của sự phõn bố là sỏt vựng cỏch bề mặt trờn dƣới 0,1 mm cú hàm lƣợng trung bỡnh của cacbon-nitơ tƣơng đối cao (cacbon trong khoảng từ 0,68-1,2%; nitơ: 0,68-0,9%), hàm lƣợng hai nguyờn tố đú giảm dần vào phớa trong, Trong khoảng cỏch rất hẹp, (dƣới 0,02mm) sự phõn bố đú cú sự ba động (điều đú cũng thể hiện ngay cả với nguyờn tố hợp hoỏ nhƣ crom).
Sự phõn bố của hai nguyờn tố cacbon và nitơ dọc theo bề mặt lớp thấm khoảng