3.3.1. Khái niệm
Hóa nhiệt luyện là phƣơng pháp hóa bền bề mặt nhằm bảo hòa bề mặt chi tiết thép bằng một hay nhiều nguyên tố, làm thay đổi thành phần hóa học trên lớp bề mặt so với lõi của chi tiết, do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt theo mục đích đã định.
Hóa nhiệt luyện gồm hai mục đích chính: tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn cho bề mặt chi tiết , trong khi vẫn giữ đƣợc độ dẻo dai trong lõi. Mục đích này cũng giống nhƣ tôi bề mặt nhƣng mức độ hóa bền cao hơn , công nghệ và thiết bị cũng khác, các phƣơng pháp thấm carbon, thấm nito, thấm Bor….nhằm mục đích này
3.3.2. Các quá trình xảy ra khi hóa nhiệt luyện
Thông thƣờng, khi hóa nhiệt luyện ngƣời ta đặt chi tiết vào trong môi trƣờng ( rắn, lỏng hoặc khí ) có khả năng phân hóa ra nguyên tử hoạt của nguyên tố định khuếch tán rồi nung nóng chúng đến nhiệt độ thích hợp, giữ lâu ở nhiệt độ này để khuếch tán các nguyên tố
cần thấm vào chi tiết. Các quá trình thấm xảy ra theo ba giai đoạn nối tiếp nhau nhƣ sau: phân hủy, hấp thụ và khuếch tán.
Ph n hủy:
Phân hủy là quá trình phân tích phân tử tạo nên nguyên tử hoạt tính của nguyên tố khuếch tán. Quá trình này xảy ra trong môi trƣờng hóa nhiệt luyện và các nguyên tử hoạt tính tạo thành có khả năng khuếch tán vào bề mặt kim loại.
Hấp phụ:
Sau khi phân hủy, các nguyên tử hoạt đƣợc hấp phụ vào bề mặt thép, sau đó chúng khuếch tán vào kim loại cơ sở tạo nên dung dịch rắn hoặc các pha phức tạp, pha trung gian hoặc các hợp chất hóa học.
Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép lớp có nồng độ nguyên tố định khuếch tán vào cao, tạo nên sự chênh lệch giữa bề mặt và lõi.
huếch tán:
Các nguyên tử hoạt hấp thụ vào lớp bề mặt thép với nồng độ cao sẽ đƣợc khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm với chiều sâu nhất định. Nhờ khuếch tán mà lớp thấm đƣợc hình thành và nó là cơ sở của hóa nhiệt luyện, là giai đoạn cơ bản của quá trình hóa nhiệt luyện và quyết định tốc độ của quá trình. Chiều dày của lớp khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt.
Ngoài những yếu tố nêu trên, khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo thành, ví dụ khi thấm carbon, nitơ do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xảy ra nhanh hơn khi thấm kim loại ( do tạo thành dung rắn thay thế ).
Ba giai đoạn PH, HT, KT có liên quan rất mật thiết với nhau và có ảnh hƣởng đến quá trình nhiệt luyện. Nếu quá trình PH xảy ra nhanh hơn HT thì những nguyên tử hoạt tạo thành không hấp thụ kịp sẽ trở nên không hoạt tính nữa lúc này nó cản trở sự hấp thụ tiếp theo vì thế ảnh hƣởng đến tốc độ của quá trình. Ngƣợc lại khi các nguyên tử hoạt tạo thành không đủ để hấp thụ thì thời gian hóa nhiệt luyện phải kéo dài.
Các cơ chế khuếch tán
+ Cơ chế nút trống: Các nguyên tử của nguyên tố cần thấm đi vào các nút trống trong ô mạng của nguyên tố cấu tạo nên chi tiết do vậy lớp bề mặt tạo thành dung dịch rắn thay thế
+ Cơ chế nút xen kẽ: Đi vào lỗ hổng của mạng tinh thể của nguyên tố nền tạo dung dịch rắn xen kẽ hoặc pha xen kẽ.
Dung dịch rắn xen kẽ nếu
+ Cơ chế đổi chỗ theo vòng: Các nguyên tử sẽ đổi chỗ cho nhau tạo dòng vật chất chuyển động hoặc đổi chỗ từng cặp.
3.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng
Nhiệt độ
Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. Khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động của nguyên tử càng mạnh,tốc độ khuếch tán càng mạnh. Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ thể hiện ở biểu thức sau:
Hình 3. 28: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chiều sâu lớp thấm
D = A. (3.1) Trong đó:
D - Hệ số khuếch tán
A – Hệ số phụ thuộc mạng tinh thể
Q – Năng lƣợng hoạt, là năng lƣợng cần thiết để bức nguyên tử ra khỏi vị trí của nó trong mạng.
e – Cơ số logarit tự nhiên R – Hằng số khí
T – Nhiệt độ thấm, tính theo độ kenvin. Với hệ thống hợp kim nhất định, các hệ số A, Q cũng cố định nên D phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao, D tăng càng nhanh Với hệ thống hợp kim nhất định, các trị số A, Q cũng cố định nên D phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nhiệt độ càng cao thì D càng tăng nhanh.
Thời gian
Ở nhiệt độ cố định thời gian càng dài mức độ tăng chiều sâu lớp thấm càng dày. Quan hệ giữa chung tuân theo quy luật ParaBol theo công thức sau:
Hình 3. 29: Mối quan hệ giữa và √ (3.2) Trong đó:
– Chiều dày lớp khuếch tán – Thời gian
K – Hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán
- Nhƣ vậy thời gian thấm càng dài, mức độ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm. Biện pháp có hiệu quả nhất để tăng chiều sâu lớp thấm là nhiệt độ chứ không phải là thời gian. Ngoài những yếu tố nêu trên, khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo thành. Ví dụ, khi thấm C, N do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xảy ra nhanh hơn. - Tƣơng quan giữa hấp thụ và khuếch tán có ảnh hƣởng rất lớn đến việc tạo lớp khuếch tán. Khi hấp thụ xảy ra nhanh hơn khuếch tán, các nguyên tử hấp thụ vào bề mặt không kịp khuếch tán vào bên trong, nồng độ chất khuếch tán ở bề mặt cao nhƣng chiều sâu lớp khuếch tán tại nhỏ.Ngƣợc lại trong trƣờng hợp khuếch tán nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt thấp nhƣng chiều sâu lớp khuếch tán tại lớn.Có nhiều phƣơng pháp hóa nhiệt luyện. Dựa vào đặc tính thay đổi thành phần hóa học, các dạng hóa nhiệt luyện có thể chia làm ba nhóm:
Làm bão hòa bằng các á kim. Làm bão hòa bằng các kim loại.
Tách các nguyên tố ra khỏi kim loại bằng khuếch tán.
3.4. Các phƣơng pháp hóa nhiệt luyện
Hiện nay rất nhiều công nghệ hóa nhiệt luyện đƣợc nghiên cứu . Song những công nghệ có ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong sản xuất gồm có: thấm Carbon, thấm Nito, thấm xyanua, thấm Bo, thấm Crôm, thấm Silic…. Mỗi phƣơng pháp hóa nhiệt luyện có đặc điểm , công dụng riêng, áp dụng cho từng loại đối tƣợng.
Sau đây ta tìm hiểu vào chi tiết một số phƣơng pháp hóa nhiệt luyện:
3.4.1. Thấm Carbon:
Định nghĩa, mục đích và yêu cầu lớp thấm:
Thấm carbon là phƣơng pháp nhiệt luyện làm bão hoà (thấm, khuếch tán) carbon vào bề mặt của thép carbon thấp (thƣờng là 0,1 - 0,25% carbon) để tạo ra lớp bề mặt có tổ chức thép sau cùng tích (P + XeII) để nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn nhƣng vẫn giữ nguyên tính dẻo của lõi.
Mục đích: Mục đích của thấm carbon là làm cho bề mặt của thép cứng tới trên 60HRC, có tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi vẫn giữ đƣợc tính dẻo, dai của thép ban đầu đem thấm. Do đó, chi tiết đem thấm carbon là chi tiế chịu tải trọng va đập mà bề mặt chịu ma sát. Mục đích trên chỉ đạt đƣợc nếu chi tiết đƣợc tôi và ram thấp sau thấm.
Yêu cầu đối với lớp thấm: Để đạt đƣợc các mục đích trên, lớp thấm carbon và lõi phải đạt đƣợc các yêu cầu sau:
Lớp thấm có nồng độ carbon trong khoảng 0,8 - 1% thấm dƣới giới hạn này sau khi tôi lớp thấm không đủ độ cứng và tính chống mài mòn, cao hơn giới hạn này lớp thấm có thể bị dòn, tróc. Thực nghiệm cho thấy, với nồng độ carbon của lớp thấm nhƣ vậy chi tiết vừa có độ cứng, tính chống mài mòn tốt lại đạt đƣợc độ bền lớn nhất.
- Tổ chức tế vi của bề mặt và lõi sau khi thấm, tôi và ram thấp phải đạt: bề mặt - mactenxit và các phần tử cacbit nhỏ mịn phân bố đều, lõi - mactenxit và không có ferit.
Thép dùng để thấm carbon
Thƣờng dùng các loại thép carbon và hợp kim có thành phần carbon thấp (<0,3%C, phần lớn dùng thép chứa < 0,25%C ) dùng để chế tạo các chi tiết truyền lực ( bánh răng, cam, xích, đĩa ma sát…).
Đặc điểm về thành phần hóa học:
+ Thành phần carbon: Đảm bảo lõi có độ dai va đập cao thành phần carbon nằm trong giới hạn 0,1-0,25%
+ Về nguyên tố hợp kim: Tăng khả năng thấm tôi và thúc đẩy sự khuếch tán carbon vào thép và không làm nhỏ hạt thƣờng là các nguyên tố tạo cacbit:Cr,Mn,Mo,Ti…
Cơ tính của thép carbon sau khi thấm carbon, tôi và ram thấp: + Độ cứng bề mặt 59-63HRC;
+ Độ dai va đập = 700-1200kJ/ ; + Độ bền kéo = 600-1200Mpa.
+Thép khuôn dập nóng :có 0,3-0,5% nhƣ: 50CrNiW, 50CrNiMo, 40WVSi, 40Cr, 3Cr2W8.
+Thép dụng cụ:9CrSi,Cr12V,Cr12Mo
+Thép không gỉ cao crôm:0Cr12, 10Cr13, 20Cr13, 10Cr17 +Gang rèn và gang độ bền cao
+Thép gió
Chọn nhiệt độ và thời gian thấm
Nhiệt độ thấm:
Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm carbon là sao cho tại đó thép có tổ chức hoàn toàn austenit (vì chỉ có tổ chức này mới có khả năng hoà tan nhiều carbon).
Nhiệt độ càng cao, quá trình khuếch tán càng mạnh, càng nhanh đạt chiều sâu lớp thấm. Do vậy, ngƣời ta sử dụng nhiệt độ thấm carbon cao song khi nhiệt độ cao thì làm hạt lớn nên làm tăng tính dòn.
Thời gian thấm:
Thời gian thấm carbon phụ thuộc chủ yếu vào chiều dày lớp thấm yêu cầu, nhiệt độ thấm và môi trƣờng thấm.
Chiều dày lớp thấm yêu cầu càng lớn, thời gian thấm càng dài, mức tăng thời gian thấm lớn hơn nhiều so với mức tăng chiều dày lớp thấm.
Nhiệt độ tăng càng cao, thời gian thấm càng ngắn. Nhiệt độ thấm phụ thuộc vào loại thép đang dùng.
Môi trƣờng thấm khác nhau thời gian thấm cũng khác nhau. Thấm trong môi trƣờng lỏng thời gian ngắn nhất, sau đó đến khi, dài nhất là thấm trong môi trƣờng rắn.
a) Thấm carbon thể rắn
Phƣơng pháp thấm: Hỗn hợp than hoa và chất trợ dung (dùng các muối carbonat). + Than hoa đƣợc đập vụn (cỡ hạt từ 0,5 - 1µm) trộn đều với chất trợ dung (BaCO3) và cùng với chi tiết cần thấm đƣợc đóng vào hộp kín, trong đó các chi tiết cách nhau và cách thành hỗn hợp khoảng 25 ÷ 40µm. Sau đó đƣa hộp vào nung đến nhiệt độ thấm.
Ở nhiệt độ thấm, thép có tổ chức hoàn toàn là ɣ và trong điều kiện rất thiếu oxi nên xảy ra phản ứng hoá học 2C + O2 → 2CO
Khi gặp bề mặt thép và dƣới tác dụng xúc tác của nó, khí CO bị phân hoá và tạo thành carbon nguyên tử.
2CO → CO2 + C nguyên tử
BaCO3 BaO + CO2 CO2+Cthan →2CO
2CO CO2+ Cnguyên tử
Carbon nguyên tử đƣợc tạo thành ở bề mặt thép có tính hoạt cao, bị hấp thụ và khuếch tán vào lớp bề mặt đến chiều dày nhất định. Nguyên tử carbon xen kẽ vào trong mạng của austenit và làm thành phần của pha này tăng lên.
Đặc điểm:
+ Đơn giản, dễ thực hiện, rẻ tiền
+ Không thể điều chỉnh đƣợc nồng độ carbon thấm vào lớp bề mặt theo yêu cầu, thƣờng nồng độ carbon đạt trên 1,2% tức là ứng với giới hạn hoà tan carbon ở trong ɣ .
+ Thời gian thấm rất dài do mất nhiều thời gian nung nóng hộp chứa than. + Khó cơ khí hoá, tự động hoá, điều kiện đóng hộp bụi, bẩn, năng suất thấp. + Do những đặc điểm trên, mà thấm carbon thể rắn không áp dụng cho các chi tiết quan trọng.
b) Thấm carbon thể khí
Phƣơng pháp thấm: Dùng khí CH4 để tạo ra carbon nguyên tử theo phƣơng trình phản ứng.
CH4 → Cnguyên tử + 2H2
Carbon nguyên tử có khả năng hấp thụ tốt vào bề mặt thép. Trong thực tế, ngƣời ta không thể dùng chỉ hỗn hợp CO, CH4 và các hiđrocarbon khác để thấm vì nhƣ vậy tạo ra quá nhiều carbon nguyên tử và lớp thấm có nồng độ carbon quá cao. Hỗn hợp khí thấm carbon thƣờng dùng, ngoài các thành phần khí có tác dụng thấm nhƣ CH4, CO và các hiđrocarbon khác còn phải có một lƣợng nhất định các thành phần khí khác nhƣ CO2, N2, H2, O2 là những khí lẫn vào hoặc cố ý đƣa vào điều chỉnh nồng độ khí thấm nhằm khống chế lƣợng carbon ở bề mặt thép.
- Đặc điểm:
+ Chất lƣợng tốt do đảm bảo điều chỉnh đƣợc nồng độ carbon ở lớp bề mặt thép theo yêu cầu.
+ Thời gian ngắn do không phải nung nóng hộp chứa than + Dễ cơ khí hoá, tự động hoá
+ Điều kiện lao động tốt, không độc hại
+ Thiết bị đắt tiền nên thƣờng áp dụng cho các chi tiết quan trọng.
c) Thấm carbon thể lỏng
Phƣơng pháp thấm: Dùng hỗn hợp muối nóng chảy gồm: (75 - 85%) Na2CO3 + (10 - 15%) NaCl + (6 - 10%) SiC ở nhiệt độ 840 - 8600C. Trong đó SiC là thành phần chính để thấm carbon nên thành phần của nó giảm đi trong quá trình làm việc.
Đặc điểm:
+ Thời gian ngắn, nung nóng và thấm đồng đều
+ Không điều chỉnh đƣợc nồng độ carbon ở lớp bề mặt + Khó thao tác lò, điều kiện lao động không tốt
+ Khó cơ khí hoá, tự động hoá, năng suất rất thấp
+ Không thấm đƣợc cho các chi tiết lớn do phải dùng lò muối điện cực có kích thƣớc bé. Nhiệt luyện sau khi thấm Carbon:
Do thấm carbon ở nhiệt độ cao (920 - 950)0C nên thép có trạng thái hạt lớn do vậy khi làm nguội thu đƣợc tổ chức M thô, xuất hiện nhiều vết nứt tế vi và ứng ứng suất dƣ lớn chính vì thế buộc phải nhiệt luyện sau thấm carbon
Chế độ nhiệt luyện nhóm có hạt lớn:
+ Tại nhiệt độ thấm, tạo hạt lớn nên làm xấu cơ tính. Nhiệt luyện sau khi thấm không những phải đảm bảo bề mặt cứng mà còn phải khắc phục đƣợc khuyết tật đó. Do vậy phải tiến hành hai lần tôi: lần thứ nhất - cho lõi để làm nhỏ hạt, lần thứ hai - cho bề mặt để đạt độ cứng cao. Nhƣ vậy, nhiệt độ của 2 lần tôi phải khác nhau vì lõi là thép trƣớc cùng tích có nhiệt độ tôi cao hơn bề mặt là thép sau cùng tích và cùng tích. Nên chế độ nhiệt luyện của loại thép này: Tôi 2 lần + ram thấp.
+ Đặc điểm: Rút ngắn thời gian thực hiện, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao nên thƣờng đƣợc áp dụng cho các chi tiết đơn giản.
3.4.2. Thấm Nitơ
Định nghĩa và mục đích
Thấm nitơ là phƣơng pháp hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà lớp bề mặt thép bởi nitơ tạo ra các pha xen kẽ có độ cứng và độ phân tán cao. Do vậy làm tăng độ cứng, độ bền và tính chống mài mòn của chi tiết.
Đặc điểm
Là phƣơng pháp nhiệt luyện bão hòa (thấm, khuếch tán ) nitơ vào bề mặt thép, nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn ( tốt hơn thấm carbon ). Cũng nhƣ thấm carbon, thấm nitơ tạo nên ứng suất nén dƣ ở bề mặt, do đó làm tăng giới hạn mỏi. Ngoài ra thấm nitơ có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt trong khí quyển và có thể dùng để
Thép dùng để thấm Nitơ
Độ cứng của lớp thấm Nitơ trong thép Carbon không lớn vì thế thấm Nitơ thƣờng chỉ dùng cho thép hợp kim.Khi thấm Nitơ cho thép hợp kim tạo thành những Nitrit hợp kim nhỏ mịn nên làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn
Những nguyên tố hợp kim làm tăng mạnh độ cứng của lớp thấm Nitơ là Al, Cr,Mo và Vanađi
Để đạt yêu cầu tăng độ cứng và tính chống mài mòn, thấm nitơ thƣờng dùng cho những thép chuyên dùng nhƣ 38CrMoAlA, 38CrWVAl, 38CrAl. Độ cứng lớp thấm có thể đạt tới 1200Hv.
Công nghệ thấm nitơ
Khi thấm nitơ, để đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao, ngƣời ta không dùng thép