Chuẩn bị thí nghiệm:
+ Các mẫu sau khi đã đ−ợc chế tạo và đánh dấu, cần tiến hành hoá tốt, cụ thể: mẫu đ−ợc tôi ở 9500C làm nguội trong dầu và ram ở 6400C với thời gian là 5 giờ.
+ Kiểm tra điện áp vào – ra của thiết bị đảm bảo sự an toàn khi thao tác và sử dụng.
+ Kiểm tra áp suất khí, đ−ờng đẫn khí vào – ra của hộm thấm. + Kiểm tra hộp thấm bảo đảm sự kín khít.
+ Kiểm tra sự hoạt động của quạt khuấy.
Tr−ớc khi thấm, mẫu đ−ợc làm sạch bằng dầu mazut.
Quá trình thấm nitơ: Đóng điện vào lò. Khi nhiệt độ đạt tới 300oC bắt đầu cấp amôniăc (NH3). Việc cấp NH3 lúc này có tác dụng đẩy không khí ra khỏi lò. L−ợng NH3 cho khoảng 200 l/giờ. Sao cho khi đạt nhiệt độ thấm thì không gian buồng lò trở thành môi tr−ờng thấm. Khi đạt nhiệt độ thấm 500 ữ 600oC thì tăng khí NH3 lên 400 l/giờ. Giữ l−ợng khí ở mức này trong suốt quá trình thấm.
Khi đạt thời gian thấm, tắt điện của lò. Lúc này, hộp thấm vẫn để trong lò và đ−ợc làm nguội cùng lò. Ta vẫn tiếp tục cấp khí NH3 vào với l−ơng khoảng 200 l/giờ đến khi nhiệt độ giảm xuống còn 3000C thì việc cấp khí NH3 đ−ợc dừng lai.
D−ới đây là kết quả thực nghiệm của một số loại thép.
Độ cứng lớp thấm đ−ợc đo trên máy STRUERS DURAMIN của Đan Mạch.
ảnh kim t−ơng và chiều sâu lớp thấm đ−ợc đo trên máy AXIOVER-
100A của Đức.
Chế độ thấm đ−ợc thể hiện nh− sau: Thời gian thay đổi từ: 1,3, 5, 8, 10 giờ.
Nhiệt độ thay đổi theo mức: 5000C, 5500C, 6000C.
4.3.1. Kết quả thực nghiệm với thép C45
Kết quả thực nghiệm đ−ợc ghi lại ở bảng 4.1; 4.2; 4.3.
ảnh h−ởng của thời gian đến độ cứng và chiếu sâu lớp thấm ở các nhiệt độ khác nhau đ−ợc thể hiện trên hình 4.1; 4.2.
Bảng 4.1. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 500oC (T1) của thép C45
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian
(h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp thấm (àm) 1 101 1 254 8 2 102 3 287 12 3 103 5 295 35 4 104 8 302 62 5 105 10 292 78
Bảng 4.2. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550oC (T2) của thép C45
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian
(h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp thấm (àm) 1 106 1 262 11 2 101 3 273 23 3 108 5 291 45 4 109 8 279 69 5 110 10 301 86
Bảng 4.3. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600oC (T3) của thép C45
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian
(h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp thấm (àm) 1 111 1 251 14 2 112 3 271 34 3 113 5 279 53 4 114 8 254 80 5 115 10 235 106
Biểu đồ độ cứng Thép C45 0 100 200 300 400 1 3 5 8 10 Thời gian (h) Độ cứng (HV) Độ cứng (HV) ở T1 Độ cứng (HV) ở T2 Độ cứng (HV) ở T3
Hình 4.1. ảnh h−ởng của thời gian đến độ cứng ở các nhiệt độ khác nhau của thép C45
Biểu đồ chiều sâu lớp thấm Thép C45
0 20 40 60 80 100 120 0 1 3 5 8 10 Thời gian (h) Chiều sâu (mm) Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T1 Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T2 Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T3
Hình 4.2. ảnh h−ởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm ở các nhiệt độ khác nhau của thép C45
Qua hình 4.1 ta thấy:
- Khi nhiệt độ tăng thì độ cứng giảm.
- Khi thời gian thấm tăng thì độ cứng không tăng là mấy, sự sai khác không nhiều.
ở 5000C, độ cứng lớn nhất là 302 HV với thời gian thấm là 8 giờ.
ở 5500C, độ cứng lớn nhất là 301 HV với thời gian thấm là 10 giờ.
ở 6000C, độ cứng lớn nhất là 279 HV với thời gian thấm là 5 giờ.
Tóm lại, độ cứng lớn nhất là 302 HV sau thời gian thấm là 8 giờ ở nhiệt độ thấm 5000C.
Qua hình 4.2 ta thấy:
- Khi tăng thời gian thấm thì chiều sâu lớp thấm tăng. - Nhiệt độ tăng thì chiều sâu lớp thấm tăng.
ở 500oC chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 giờ đạt đ−ợc 78 àm.
ở 550oC chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 giờ đạt đ−ợc 86 àm.
ở 600oC chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 giờ đạt đ−ợc 106 àm. Qua đây ta thấy: sau 10 giờ, từ nhiệt độ 500oC tăng lên 600oC mà chiều sâu lớp thấm tăng từ 78 àm lên 106 àm.
4.3.2. Kết quả thực nghiệm với thép 20MoCr
Kết quả thực nghiệm đ−ợc ghi lại ở bảng 4.4; 4.5; 4.6.
ảnh h−ởng của thời gian đến độ cứng và chiếu sâu lớp thấm ở các nhiệt độ khác nhau đ−ợc thể hiện trên hình 4.3; 4.4.
Bảng 4.4. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 500oC (T1) của thép 20MoCr
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp
thấm (àm) 1 01 1 470 9 2 02 3 569 25 3 03 5 574 42 4 04 8 570 57 5 05 10 582 74
Bảng 4.5. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550oC (T2) của thép 20MoCr
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp
thấm (àm) 1 06 1 453 11 2 07 3 457 28 3 08 5 447 47 4 09 8 453 63 5 10 10 461 88
Bảng 4.6. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600oC (T3) của thép 20MoCr
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp thấm (mm)
1 11 1 424 12 2 12 3 433 34 3 13 5 437 53 4 14 8 439 75 5 15 10 430 104 Độ cứng (HV) Biểu đồ độ cứng Thép 20MoCr 700 600 500 400 300 0 100 200 1 3 5 8 10 Thời gian (h) Độ c ng (HV) ở Tứ 1 Độ c ng (HV) ở Tứ 2 Độ c ng (HV) ở Tứ 3
Hình 4.3. ảnh h−ởng của thời gian đến độ cứng ở các nhiệt độ khác nhau của thép 20MoCr
Chiều dày lớp thấm của thép 20Mocr 0 20 40 60 80 100 120 0 1 3 5 8 10 Thời gian (h) Chiều dày (mm) Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T1 Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T2 Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T3
Hình 4.4. ảnh h−ởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm ở các nhiệt độ khác nhau của thép 20MoCr
Từ kết quả đạt đ−ợc ta thấy: với thép 20MoCr Qua hình 4.3 ta thấy:
- Khi nhiệt độ tăng thì độ cứng giảm.
- Khi thời gian thấm tăng thì độ cứng gần nh− không tăng, sự sai khác của độ cứng giữa các thời gian với nhau không nhiều.
ở 5000C, độ cứng lớn nhất là 582 HV với thời gian thấm là 10 giờ, chiều dầy lớp thấm là 74 àm.
ở 5500C, độ cứng lớn nhất là 461 HV với thời gian thấm là 10 giờ, chiều dầy lớp thấm là 88 àm.
ở 6000C, độ cứng lớn nhất là 439 HV với thời gian thấm là 8 giờ, chiều dầy lớp thấm là 75 àm.
Tóm lại, độ cứng lớn nhất của thép 20MoCr là 582 HV sau thời gian thấm là 10 giờ ở nhiệt độ thấm 5000C.
Qua hình 4.3 ta thấy:
- Khi tăng thời gian thấm thì chiều sâu lớp thấm tăng. - Nhiệt độ tăng thì chiều sâu lớp thấm tăng.
ở 550oC chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 giờ đạt đ−ợc 88 àm.
ở 600oC chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 giờ đạt đ−ợc 104 àm. Qua đây ta thấy: sau 10 giờ, từ nhiệt độ 500oC tăng lên 600oC mà chiều sâu lớp thấm tăng từ 74 àm lên 106 àm.
4.3.3. Kết quả thực nghiệm với thép 38CrMoA
Kết quả thực nghiệm đ−ợc ghi lại ở bảng 4.7; 4.8.
ảnh h−ởng của thời gian đến độ cứng và chiếu sâu lớp thấm ở các nhiệt độ khác nhau đ−ợc thể hiện trên hình 4.5; 4.6.
Bảng 4.7. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 500oC (T1) của thép 38CrMoA
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian
(h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp thấm (àm) 1 90 1 716 7 2 91 3 736 18 3 92 5 731 32 4 93 8 754 56 5 94 10 742 81
Bảng 4.8. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550oC (T2) của thép 38CrMoA
Stt Ký hiệu mẫu Thời gian
(h) Độ cứng (HV) Chiều dầy lớp thấm (àm) 1 95 1 715 11 2 96 3 733 28 3 97 5 739 43 4 98 8 747 65 5 99 10 745 89
Biểu đồ độ cứng của Thép 38CrMoA 690 700 710 720 730 740 750 760 1 3 5 8 10 Thời gian Độ cứng Độ cứng (HV) ở T1 Độ cứng (HV) ở T2
Hình 4.5. ảnh h−ởng của thời gian đến độ cứng ở các nhiệt độ khác nhau của thép 38CrMoA
Biểu đồ chiều sâu lớp thấm của Thép 38CrMoA
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 3 5 8 1 Thời gian (h) Chiều sâu (mm) 0 Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T1 Chiều dầy lớp thấm (mm) ở T2
Hình 4.6. ảnh h−ởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm
Từ kết quả đạt đ−ợc ta thấy: với thép 38CrMoA Khi nhiệt độ tăng thì chiều sâu lớp thấm tăng.
Khi tăng thời gian thấm thì độ cứng không tăng, chỉ gần một giá trị nào đó, chiều sâu lớp thấm tăng theo thời gian.
ở 500oC, độ cứng lớn nhất là 754 HV với thời gian thấm là 8 giờ; chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 giờ đạt đ−ợc 81 àm.
ở 550oC, độ cứng lớn nhất là 745 HV với thời gian thấm là 8 giờ; chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 giờ đạt đ−ợc 89 àm.
ảnh 4.15. Tổ chức mẫu thép 20MoCr (200x) (mẫu 001)
ảnh 4.16. Tổ chức nền thép 20MoCr (200x) (mẫu 00)
Mẫu 00: Tổ chức nền thép 20MoCr khi chua thấm nitơ nh−ng đã đ−ợc tôi ở 9500c trong dầu và ram cao ở 6400C với thời gian là 6 giờ.
Độ cứng bề mặt là 386 HV. Pha γ Pha α (tổ chức nền) Pha ε
ảnh 4.17. Tổ chức thép 20MoCr ở chế độ 500oC, 10 giờ (200x) (mẫu 05)
Sau thời gian thấm là 10 giờ, nhiệt độ 5000C chiều sâu lớp thấm ta nhận đ−ợc là 74 àm; độ cứng 582 HV (tăng1,5 lần).
Qua ảnh ta thấy, mặc dù bề mặt không bằng phẳng (do quá trình gia công và xử lý mẫu tr−ớc khi thấm) nh−ng vẫn nhận đ−ợc một lớp thấm bao phủ kín bề mặt mẫu và đồng đều.
Pha ε
Pha α
(tổ chức nền) Pha γ
ảnh 4.18. Tổ chức thép 20MoCr ở chế độ 550oC, 8 giờ (200x) (mẫu 09)
Pha α
(tổ chức nền)
Pha γ
Pha ε
Pha α
(tổ chức nền)
Pha γ
Pha ε
ảnh 4.20. Tổ chức thép C45 ở chế độ 500oC, 3 giờ (200x) (mẫu 102)
Mẫu 102 với thời gian thấm ngắn, chiều dầy lớp thấm mỏng nh−ng lớp thấm vẫn bao phủ đ−ợc toàn bộ bề mặt mẫu.
Sau thời gian thấm là 3 giờ, chiều dầy lớp thấm là 12 àm, độ cứng tăng từ 237 HV lên 287 HV.
Mặc dù chiều dầy lớp thấm mỏng nh−ng ta vẫn thấy đ−ợc do các pha trên ảnh kim t−ơng.
Pha ε Pha α (tổ chức nền) Pha γ ảnh 4.22. Tổ chức thép C45 ở chế độ 600oC, 5 giờ (200x) (mẫu 113) Pha ε Pha α (tổ chức nền) Pha γ
ảnh 4.23. Tổ chức thép 38CrMoA ở chế độ 500oC, 10 giờ (200x) (mẫu 94)
Pha ε Pha α (tổ chức nền) Pha γ Pha ε (tổ chức lớp thấm)
Pha ε
Pha α
(tổ chức nền)
Pha γ
ảnh 4.25.Tổ chức mẫu 003 (mẫu tham khảo)
Mẫu 003: thép 20MoCr ch−a qua hoá tốt, thời gian thấm 8 giờ, nhiệt độ thấm 6000C. Các pha đ−ợc thể hiên ra trên ảnh kim t−ơng.
Mẫu 004: tổ chức nền thép 38CrMoA khi ch−a đ−ợc tôi và ram.
Mẫu 009: tổ chức thép 38CrMoA đ−ợc thấm nitơ ở nhiệt độ 6000C, thời gian 5 giờ khi mẫu ch−a đ−ợc hoá tốt (tôi và ram).
Độ cứng của thép 38CrMoA đã đ−ợc hoá tốt nh−ng ch−a đ−ợc thấm là 561 HV.
Pha α
(tổ chức nền)
Pha γ
Pha ε
ảnh 4.27.Tổ chức mẫu 009(mẫu tham khảo)
Tóm lại:
- ở 5000C với áp suất khí nh− nhau, mẫu đã đ−ợc hoá tốt cùng chế độ thì: Thép C45 có độ cứng lớn nhất là 302 HV (mẫu 104), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 78 àm (mẫu 105).
Thép 20MoCr có độ cứng lớn nhất là 582 HV (mẫu 05), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 74 àm (mẫu 05).
Thép 38CrMo có độ cứng lớn nhất là 754 HV (mẫu 93), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 81 àm (mẫu 94).
- ở 5500C với áp suất khí nh− nhau, mẫu đã đ−ợc hoá tốt cùng chế độ thì: Thép C45 có độ cứng lớn nhất là 301 HV (mẫu 110), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 86 àm (mẫu 110).
Thép 20MoCr có độ cứng lớn nhất là 461 HV (mẫu 10), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 88 àm (mẫu 10).
Thép 38CrMo có độ cứng lớn nhất là 745 HV (mẫu 98), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 89 àm (mẫu 99).
Thép C45 có độ cứng lớn nhất là 279 HV (mẫu 113), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 106 àm (mẫu 115).
Thép 20MoCr có độ cứng lớn nhất là 439 HV (mẫu 14), chiều sâu lớp thấm lớn nhất là 88 àm (mẫu 15).
Qua đây ta thấy, với mỗi loại vật liệu khi cần thấm nitơ thì cần phải có nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra đ−ợc chế độ thấm hợp lý.
Muốn tìm ra đ−ợc chế độ thấm tối −u nhất thiết phải thí nghiệm theo quy hoạch hoá thực nghiệm và sau đó giải bài toán t−ơng quan hồi quy để tìm đ−ợc chế độ thấm tối −u.
kết luận và đề nghị
1. Kết luận
1). Lò thấm nitơ thể khí đ−ợc thiết kế và chế tạo làm việc đạt yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo nhiệt độ theo yêu cầu, làm việc an toàn, ổn định, phù hợp cho việc nghiên cứu khoa học và thí nghiệm.
2). Chiều sâu lớp thấm tăng khi tăng nhiệt độ thấm hoặc thời gian thấm; Độ cứng có xu h−ớng giảm khi nhiệt độ tăng.
3). Tại cùng một nhiệt độ, khi thay đổi thời gian thấm thì độ cứng thay đổi không nhiều.
4). Qua ảnh kim t−ơng ta thấy, do thấm ở nhiệt độ thấp nên tổ chức tế vi của vật liệu không bị biến đổi lớn, vẫn giữ nguyên đ−ợc trang thái ban đầu nh−ng bề mặt nhận đ−ợc lớp nitrit bền vững.
5). Ngoài thấm nitơ với thép hợp kim, có thể thấm đ−ợc nitơ đối với thép cacbon với mục đích tăng bền để chống ăn mòn và mài mòn (thể hiện ở sự tăng độ cứng của lớp bề mặt).
2. Đề nghị
1). Cần tiếp tục nghiên cứu công nghệ thấm nitơ cho nhiều loại vật liệu khác nhau để xây dụng một quy trình cụ thể cho từng loại vật liệu và với thiết bị hiện đại hơn.
2). Do thời gian và không gian làm việc của lò hẹp nên không thể thấm chi tiết cụ thể đ−ợc đặc biệt với các chi tiết có kích th−ớc lớn hơn lò.
3). Tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công nghiệp) hiện nay đang lắp đặt hệ thống thiết bị thấm nitơ quy mô công nghiệp. Vì vậy, cần có sự phối hợp giữa Tr−ờng và Viện để tiếp tục đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ thấm nitơ.
Tài liệu tham khảo
1. Lê Đăng ánh – Nguyễn Đình (2001), Khí hậu nhiệt đới và công tác bảo quản máy móc, trang bị và khí tài, Nxb Quân đội nhân dân, Hà nội.
2. Nguyễn Phú ấp (1995), Triển khai công nghệ thấm phủ đa nguyên tố để tăng tuổi thọ chi tiết, Viện Công nghệ – Bộ Công nghiệp, Hà nội.
3. Nguyễn Phú ấp (1994), Công nghệ hoá nhiệt luyện trong chế tạo máy, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
4. Long Hằng (1998), Giới thiệu về những vật liệu và những ph−ơng pháp chống ăn mòn kim loại, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
5. Nghiêm Hùng (1979), Vật liệu học cơ sở, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà nội. 6. Nghiêm Hùng (1979), Kim loại học và nhiệt luyện, Nxb Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà nội.
7. Nghiêm Hùng, Sách tra cứu thép – gang, Tr−ờng Đại học Bách khoa Hà nội. 8. Hoàng Đình Luỹ (1995), ăn mòn và bảo vệ kim loại, Nxb Công nhân kỹ thuật, Hà nội.
9. Đình Đức Nhuận (2000), Dự báo ăn mòn vật liệu kỹ thuật do vi sinh vật, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà nội.