Thấm nitơ đ−ợc chia ra làm các loại:
+ Theo điều kiện nung nóng và giữ nhiệt có:
- Thấm nitơ đẳng nhiệt: quá trình thấm chỉ giữ ở một nhiệt độ thích hợp nhất nhằm đạt đ−ợc kết quả tốt (độ cứng cao và không có pha ε dòn).
- Thấm nitơ nhiều cấp: quá trình thấm tiến hành ở nhiều nhiệt độ. Thấm nitơ nhiều cấp có tác dụng nâng cao hiệu quả của quá trình thấm (nâng cao chiều sâu lớp thấm, giảm bớt thời gian thấm).
+ Theo điều kiện tác dụng của môi tr−ờng bên ngoài:
- Thấm nitơ thể khí: thực hiện trong lò múp kín hoặc những lò có NH3 mà sự phân ly đạt tới khoảng 65% (αNH3 = 15 ữ 65%, bình th−ờng 15 ữ
30%). áp lực của amôniăc trong lò múp là 80 ữ 120 mm cột n−ớc. - Thấm nitơ thể lỏng: tiến hành trong bể muối có cho amoniăc đi qua. - Thấm nitơ thể ion.
+ Theo công dụng:
- Thấm nitơ tăng bền: nhằm mục đích nâng cao độ chống mài mòn và giới hạn mỏi của chi tiết. Khi thấm theo cách này thì độ cứng cũng tăng nên rất mạnh do tạo ra các nitrit và pha xen kẽ nitrit.
- Thấm nitơ chống ăn mòn: nhằm thay thế và trong nhiều tr−ờng hợp có
−u điểm hơn hẳn ph−ơng pháp mạ điện bảo vệ thép và gang khỏi ăn mòn. Trong điều kiện hiện tại, tôi thực hiện thấm nitơ thể khí.
1) Để giảm bớt sự biến dạng của chi tiết và loại bỏ hiện t−ợng dòn ram thuận nghịch, dùng quá trình thấm nitơ ở nhiệt độ thấp.
Bề mặt chi tiết đ−ợc bôi một lớp dung dịch anhidrit crôm CrO3 bão hoà n−ớc và đem nung nóng chi tiết trong lò. Trong khoảng không làm việc của lò, feroosilic dạng bột (75% Si) chứa trong các phễu l−ới sẽ thúc đẩy sự phân ly amôniăc ở nhiệt độ thấp.
2) Để nâng cao tính chống ăn mòn của thép cacbon và thép hợp kim thấp, có thể áp dụng quá trình thấm nitơ trong thời gian ngắn kết hợp với tôi.
3) Có thể dùng quá trình thấm nitơ nung nóng bằng dòng điện tần số cao để rút ngắn thời gian.
3.5.3.1. Thấm nitơ thể khí
1). Chuẩn bị chi tiết: Chi tiết tr−ớc khi thấm đ−ợc tẩy sạch dầu mỡ. Thông th−ờng rửa chi tiết bằng dầu mazut.
Những phần bề mặt không cần thấm có thể chống thấm bằng cách mạ thiếc. Đơn giản hơn là dùng cách bôi lớp thủy tinh lỏng lên bề mặt chi tiết đã đ−ợc tẩy rửa sạch. Sau đó tiến hành xấy chi tiết ở 1000C thời gian 1h, ở nhiệt độ 1200C thêm 1h nữa.
2). Chế độ thấm nitơ: Kết quả thấm nitơ phụ thuộc vào 3 yếu tố: nhiệt độ thấm, độ phân giải amôniăc và thời gian thấm. Ng−ời ta chia ra thành 3 loại công nghệ thấm nitơ.
+ Thấm nitơ nhằm đạt độ cứng cao. Nhiệt độ thấm khống chế khoảng 500
ữ 5700C. Thời gian thấm phụ thuộc vào yêu cầu lớp thấm của nhiệt độ thấm, có thể tới 90h. Đối với chi tiết thép 38CrMoAlA muốn đạt lớp thấm 0,35 ữ 0,65mm cần thời gian thấm 35 ữ 65h. Sau khi thấm nitơ chi tiết làm nguội cùng với lò tới 300 ữ 3500C. Trong thời gian này vẫn tiếp tục cấp amôniăc.
+ Thấm nitơ tăng độ chống ăn mòn. Đối với các chi tiết chế tạo bằng thép cacbon tiến hành thấm nitơ với mục đích tăng khả năng chống ăn mòn. Nhiệt độ thấm chọn cao hơn từ 600 ữ 7000C. Độ phân giải amôniăc từ 30 ữ 70%. Thời gian thấm 10 ữ 120ph.
+ Thấm nitơ nhiệt độ cao áp dụng cho các loại thép không gỉ.
Nhiều loại thép bền nhiệt đ−ợc tôi và ram cao 680 ữ 8000C. Quá trình thấm nitơ có thể tiến hành cùng với ram ở 6800C khoảng 6 ữ 10h. Sau khi thấm nh− vậy sẽ đạt đ−ợc lớp thấm 0,25 ữ 0,4 mm với độ cứng HV 800 ữ 850 cho thép 15Cr12WniMo. Nếu thấm nitơ tiến hành cùng với nung tôi sẽ đạt đ−ợc lớp thấm 0,35 ữ 0,4 mm với độ cứng HV 550.
Để giảm độ giòn của chi tiết sau khi thấm nitơ ng−ời ta tiến hành thoát nitơ bằng cánh nung lên ở nhiệt độ 520 ữ 5600C, thời gian 3 ữ 10h. Sau đó cho nguội lò xuống 2000C và lấy chi tiết ra.
Trong quá trình thấm nitơ có thể gây các hiện t−ợng sai hỏng nh− sau: cong vênh biến dạng, độ giòn cao, độ cứng lớp thấm thấp, chiều sâu lớp thấm mỏng. Tùy từng tr−ờng hợp sẽ tìm biện pháp xử lý thích hợp.
3). Thiết bị thấm nitơ thể khí: Thiết bị thấm nitơ bao gồm lò nung, nồi thấm có quạt, ống thoát khí và ống cấp khí, bình amôniăc, bình sấy amôniăc, l−u l−ợng kế, ống đo độ phân giải amôniăc.
6 5 4 3 2 1 Khí thoát ra đ−ợc sục vào n−ớc và cho chảy thoát đi.
Hình 3.15. Sơ đồ thiết bị thấm nitơ thể khí
1: Bình NH3; 2: Bộ giảm áp NH3; 3: Bình sấy NH3 4: L−u l−ợng bể; 5: Lò thấm; 6: Đ−ờng dẫn khí thải
Lò thấm nitơ đ−ợc sử dụng là lò giếng và lò liên tục.
- Lò giếng: Các loại lò giếng đ−ợc dùng thấm nitơ có cấu tạo t−ơng đ−ơng lò ram nh− H31, H32, H34. Nồi thấm đ−ợc chế tạo bằng thép bằng cách đúc hoặc hàn. Nắp và nồi đúc đ−ợc hàn kín bằng gioăng amiăng và kẹp chặt bằng bulông đai ốc M6 ữ M20.
ở n−ớc ta th−ờng sử dụng loại lò thấm cacbon thể khí nh− 25, 35,
60, 75, 90, 105, PEC25, PEC35, PEC60, PEC75, PEC90,
PEC105... để thấm nitơ.
Lần đầu tiên hệ thống thấm nitơ đ−ợc lắp đặt tại viện công nghệ Bộ
công nghiệp nặng từ năm 1975. Hệ thống trên bao gồm lò thấm PEC35A,
bình amôniăc, bình xấy amôniăc chứa silicagen, l−u l−ợng kế, van cấp
amôniăc, van xả amôniăc. L−u l−ơng kế do x−ởng thực nghiệm của Viện khoa học Việt Nam chế tạo. Khí thải amôniăc đ−ợc đ−a vào hệ thống bể tràn thải ra đ−ờng cống thải.
Thấm nitơ thể khí đ−ợc áp dụng hiệu quả cho dụng cụ cắt gọt do nhà máy dụng cụ số I sản xuất, khuôn đúc áp lực cao, moayơ xe đạp của Nhà máy cơ khí nông nghiệp.
- Lò liên tục: Lò liên tục có cơ cấu đẩy đảm bảo năng xuất thấm cao. Lò có nồi thấm chế tạo bằng thép chịu nhiệt. Sau khi đ−a chi tiết vào, thổi amôniăc đuổi không khí ra khỏi nồi thấm. Sau đó đóng điện đ−a nhiệt độ lò lên đạt nhiệt độ thấm. Độ phân giải amôniăc đ−ợc xác định 15ph một lần bằng ống đo độ phân giải. Sau khi đạt thời gian thấm, tắt lò tiếp tục cung cấp amôniăc cho đến khi lò nguội xuống 200 ữ 3000C. Sau đó ngừng cấp amôniăc, mở nồi thấm, đ−a chi tiết ra.
Ng−ời ta kết hợp thấm nitơ với nung bằng tần số cao tạo điều kiện rút
ngắn thời gian thấm. Với nhiệt độ thấm 500 ữ 5500C, độ phân giải amôniăc 18
ữ 20% bằng cách nung tần số sẽ đạt đ−ợc lớp thấm 0,25 mm sau 3h. Trong khi
nung ở lò thấm tần số công nghiệp ở nhiệt độ 5000C phải mất 20h. Tốc độ
ngoài của chi tiết đ−ợc nung tới nhiệt độ thấm.
Ng−ời ta còn dùng tác dụng siêu âm và plasma để tăng tốc độ thấm nitơ
mang lại hiệu quả cao.
3.5.3.2. Thấm nitơ thể lỏng
Thấm nitơ ở trạng thái lỏng tiến hành trong bể muối có thành phần 40% KCNO + 60% NaCN, qua bể muối cho luồng không khí khô đi qua. Nhiệt độ thấm là 5700C. Sau khi thấm trên bề mặt tạo thành một lớp cacbit - nitrit Fe3(N,C) có khả năng chống mài mòn cao và không bị phá huỷ dòn. Tiếp theo lớp cacbit - nitrit là lớp dung dịch rắn α, toàn bộ chiều dày lớp thấm vào khoảng 0,15 ữ 0,50 mm.
Thấm nitơ thể lỏng đ−ợc áp dụng cho các chi tiết máy nh− bánh răng, xylanh, trục khuỷu, trục cam, các chi tiết máy hóa chất, chi tiết bơm, máy nén khí, các loại dụng cụ cắt gọt.
Thời gian thấm đối với chi tiết mỏng khoảng 10 ữ 30ph, với chi tiết trung bình 60 ữ 180ph và với chi tiết lớn 300ph.
Ưu điểm của thấm nitơ thể lỏng là thời gian thấm ngắn, ít thay đổi kích th−ớc, chi tiết không bị cong vênh. Giá trị tuyệt đối về độ biến dạng khi thấm nitơ thể lỏng ít hơn so với thấm cacbon từ 3 ữ 4 lần. Sau khi thấm làm sạch bề mặt chi tiết bằng n−ớc nóng 80≥ 0C.
Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là độc và giá muối xianua khá đắt. Chi tiết sau khi thấm nitơ thể lỏng chỉ cần đánh bóng, bao gói. Lớp thấm nitơ thể lỏng bao gồm vùng cacbua nitrit bề mặt, vùng dung dịch rắn quá bão hòa của nitơ trong thép. Độ chống x−ớc, độ chống mài mòn, độ chống ăn mòn phụ thuộc chính vào lớp cacbua nitrit. Tính chất của lớp này lại phụ thuộc vào độ dẻo và độ giòn. Sau khi thấm nitơ ở 5700C thời gian 1 ữ 3h có thể đạt đ−ợc chiều sâu lớp thấm 0,45 ữ 0,6 mm đối với thép C20; 0,3 ữ 0,45 mm đối với thép C40, 45Cr, 40CrNi, 0,2 ữ 0,3 mm đối với thép 38Cr2MoAlA.
Có thể đạt đ−ợc độ cứng HV 200 ữ 300 đối với các thép cacbon, HV 350 ữ
Độ cứng lớp bề mặt thấm nitơ thép 38Cr2MoAlA đạt HV 960 ữ 1000. Độ cứng lớp thấm tăng khi tăng thời gian thấm, ng−ợc lai độ cứng giảm khi tăng nhiệt độ độ thấm quá 6000C. Thấm nitơ giảm đáng kể thời gian chạy rôđa. Mômen ma sát chi tiết thấm nitơ giảm 9 ữ 10 kG/cm xuống còn 1 ữ 2 kG/cm sau 1h trong khi đó với chi tiết thấm cacbon chỉ giảm 9 ữ 10 kG/cm xuống 5 ữ 7 kG/cm.
3.5.3.3. Thấm nitơ thể ion
Nguyên tắc: D−ới tác dụng của từ tr−ờng nitơ bị ion hoá theo phản ứng: N2 = 2N+ + 2e
áp suất làm việc từ 10-2 ữ 10 mbar và hiệu điện thế từ 300 ữ 1000 V sẽ xuất hiện hiện t−ợng phóng điện. Các khí có mặt trong từ tr−ờng sẽ bị ion hoá. Khi bị ion hoá, các cation sẽ chuyển về catôt, các electron, anion sẽ chuyển về anôt tiếp tục gây nên sự ion hoá do va chạm với các phân tử N2. Các ion này có một năng l−ợng xác định, khi đập vào bề mặt catôt sẽ sinh ra một l−ợng
nhiệt làm nung nóng catôt. Năng l−ợng này phụ thuộc vào vận tốc của các
cation khí và mật độ của chúng do đó phụ thuộc vào c−ờng độ điện tr−ờng, vào áp suất của khí. Hơn nữa, nếu catôt chính là các chi tiết cần thấm nitơ thì các cation sẽ đập lên bề mặt chi tiết thực hiện một quá trình thấm nitơ.
Quá trình ion hoá khí nitơ chỉ xẩy ra ở vùng giáp bề mặt chi tiết (chỉ vài mm) do đó khoảng cách giữa catôt và anôt không có vai trò quan trọng, cho nên nitơ đ−ợc thấm đều lên bề mặt. Trong quá trình thấm nitơ ion hoá, phải thiết lập cân bằng nhiệt giữa nhiệt l−ợng cung cấp (năng l−ợng va đập của các ion với nhau và với bề mặt chi tiết) và l−ợng nhiệt tản ra môi tr−ờng.
Ưu điểm của ph−ơng pháp này:
- Hiệu quả thấm nitơ cao, có thể thấm bằng N2 không nhất thiết phải dùng NH3 nh− công nghệ thấm nitơ thể khí.
- Nhiệt độ thấm thấp 350 ữ 4000C.
- Có thể thay đổi nồng độ của nitơ trong lớp thấm nhờ thay đổi hoạt độ của nitơ trong pha khí.
- ít gây ô nhiễm môi tr−ờng. Nh−ợc điểm:
- Đòi hỏi phải có thiết bị đắt tiền.
- Hay bị quá tải ở một số giá trị áp suất tới hạn, hiệu ứng điện gây nên lớp thấm không đều, nhất là nhữnh chi tiết phức tạp.