Thấm nitơ là một quá trình hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà bề mặt chi tiết bằng nitơ ở một chiều sâu nhất định.
Thấm nitơ đ−ợc tiến hành ở nhiệt độ khoảng 480 ữ 700oC, trong môi tr−ờng amoniăc (NH3). Quá trình thấm có thể giữ ở một hay nhiều chế độ nhiệt độ khác nhau tuỳ theo yêu cầu của chiều sâu lớp thấm. Sau khi thấm, làm nguội tiếp theo với tốc độ bất kỳ.
Thấm nitơ là nguyên công cuối cùng và đ−ợc ứng dụng vào việc nâng cao độ chống mài mòn và giới hạn mỏi của chi tiết.
Giản đồ pha của Fe – N đ−ợc nêu trên hình 3.13. Từ giản đồ của Fe – N ta thấy gồm có các pha:
α - dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong sắt Feα, đ−ợc gọi là ferít nitơ.Độ hòa tan cực đại của nitơ trong Feα là 0,42% ở nhiệt độ 5910C và 0,015% ở nhiệt độ 200C.
γ - dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong sắt Feγ, đ−ợc gọi là austenít nitơ, tồn tại ở nhiệt độ cao hơn 591oC; Độ hòa tan cực đại của nitơ trong Feγ là 2,75% ở nhiệt độ 6500C.
γ’ – dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitrit Fe4N, là pha rất cứng. Pha γ’ tồn tại trong khoảng hẹp (ở nhiệt độ 5910C và hàm l−ợng nitơ 5,6 ữ 5,9%)
ε - dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitơ sắt Fe2N. Thành phần nitơ 8,0 ữ 11,2% ở nhiệt độ ở nhiệt độ 200C.
Nitơ cũng tạo nên pha xen kẽ với nhiều kim loại chuyển tiếp: CrN, Cr2N, MnN, TiN, AlN,MoN, Mo2N, VN, V2N, WN... oC 800 γ γ + ε 700 γ’+ ε 600 α + γ γ + γ’ α 591 ε 500 α + γ’ γ’ 400 300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 %N Fe4N Fe2N Hình 3.14. Giản đồ pha Fe – N
Nhiệt độ cùng tích của của hệ sắt-nitơ là 5910C.
Thấm nitơ th−ờng tiến hành ở thể khí. Tiến hành thấm nitơ bắng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniăc (NH3) ở nhiệt độ 480 ữ 6500C là nhiệt độ tại đó nó bị phân huỷ mạnh nhất. Bề mặt chi tiết đ−ợc bão hòa bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc theo phản ứng:
2NH3 → 3H2 + 2N
Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao, bị hấp phụ và khuếch tán vào bề mặt thép. L−ợng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào độ phân giải amôniăc. Độ phân giải amôniăc phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất và l−ợng amôniăc đ−a vào lò.
Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2N → N2.
Do đó thấm nitơ xảy ra mạnh khi quá trình phân giải amôniăc xảy ra gần bề mặt chi tiết. Độ phân giải amôniăc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tốc độ cấp amôniăc, diện tích bề mặt chi tiết và nồi thấm bởi vì bản thân thép cũng là vật xúc tác làm tăng nhanh phản ứng. Độ phân giải thấp, khả năng hấp thụ nitơ lên bề mặt chi tiết giảm vì không đủ số nitơ nguyên tử hoạt tính. Song nếu độ phân giải NH3 cao sẽ có nhiều nguyên tử nitơ hấp thụ bề mặt và ngăn cản sự hấp thụ nitơ. Do đó ng−ời ta phải khống chế tối −u độ phân giải amôniăc ở 5000C là 15 ữ 30%, ở 5500C là 35 ữ 45%, ở 6000C 45 ữ 60%. Hyđrô có tác dụng làm thoát cacbon của chi tiết.
Nếu thấm nitơ nguyên tử ở nhiệt thấp hơn 5910C (nhiệt độ cùng tích) thì ở thời điểm ban đầu trên bề mặt chi tiết có dung dịch rắn α. Khi đạt đ−ợc giới hạn bão hoà, pha α bắt đầu tạo thành pha γ’, tiếp tục tăng hàm l−ợng nitơ sẽ tạo thành pha ε. Sau khi thấm nitơ, từ bề mặt vào trong lõi chi tiết có các pha ε
giàu nitơ, γ’ và α.
Khi nhiệt độ thấm nitơ thấp hơn 5910C và làm nguội chậm, tổ chức
nhận đ−ợc là (γ + ε) - γ’ – (α + γ’d−) - α;
Nếu thấm ở nhiệt độ cao hơn 5910C thì sau khi làm nguội gồm các pha (tính lần l−ợt từ ngoài vào trong): ε, γ’ cùng tích (α + γ’) do γ phân hoá và α
(tổ chức của lõi). Độ cứng cao của lớp thấm chính là do các pha xen kẽ Fe2N và Fe4N. Tổ chức là (γ’ + ε) - γ’ – (α + γ’) - α - γ’d−.
Độ cứng của lớp thấm nitơ th−ờng cao hơn độ cứng của lớp thấm
cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ 600 ữ 6500C, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ đ−ợc đến 200 ữ 2250C.
Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xilanh của động cơ lớn, khuôn dập cũng nh− dụng cụ cắt gọt...
Khi thấm nitơ cho thép cacbon pha ε và pha γ’ có đặc điểm của pha cacbit nitrit.
τ δ 2. . . . p e A D RT Q n = = − 3.5.2. Thép dùng để thấm nitơ
3.5.2.1. Các chi tiết thép cacbon
Thép cacbon đ−ợc thấm nitơ để tăng khả năng chống ăn mòn trong môi
tr−ờng không khí nh− ốc, vít, bánh răng cỡ nhỏ. Quá trình này có thể thay thế mạ kẽm, mạ niken hoặc mạ đồng. Để giảm độ giòn của chi tiết tr−ớc khi thấm cần th−ờng hóa hoặc tôi cải thiện. Với lớp thấm 0,015 ữ 0,030 mm, lớp nitrit có khả năng chống đ−ợc ăn mòn không khí ẩm (một số năm) trong n−ớc chảy (một số tháng), trong dầu bẩn, xăng, hơi nóng, dung dịch kiềm loãng và các môi tr−ờng khác.
Thấm nitơ thép cacbon làm tăng độ cứng, giới hạn bền và giới hạn chảy, tăng khả năng bền mỏi lên 1,5 ữ 2 lần.
Độ cứng của thấm nitơ trong thép cacbon không lớn, vì thế khi thấm
nitơ để đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao ng−ời ta không dùng thép
cacbon thông th−ờng, vì các nitrit sắt có khuynh h−ớng kết tụ ở nhiệt độ cao, do vậy có kích th−ớc lớn, lớp thấm không có độ cứng và tính chống mài mòn cao và trở lên dòn, dễ tróc.
3.5.2.2. Các chi tiết thép hợp kim
Để thấm nitơ th−ờng dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tố nh−
Cr, Mo, Al, chúng có ái lực với nitơ mạnh hơn sắt và các nitrit này không những có độ cứng cao nh− nitrit sắt mà còn có tính phân tán lớn, ổn định nhiệt độ cao, do đó lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn rất cao, chắc, không tróc. Khi thấm nitơ cho thép hợp kim sẽ tạo thành những nitrit hợp kim nhỏ mịn (Cr2N, Mo2N, AlN... ) nên làm tăng độ cứng và tính chống ăn mòn.
Để đạt yêu cầu tăng độ cứng và tính chống mài mòn, thấm nitơ th−ờng
dùng cho những thép chuyên dùng nh− 38CrMoAlA, 38CrMoA, 38CrWVAl,
38Crl, 35CrAlA, 38XWVAlA. Ngoài ra còn có các loại khác nh− 30CrN,
các loại thép không gỉ nh− 1Cr13, 1Cr18Ni9Ti, 4Cr14Ni2W2, 20Cr3MOWV.
Do sự có mặt đồng thời của các nguyên tố hợp kim nh− crôm, nhôm,
môlipđen nên độ cứng của lớp thấm có thể đạt tới 1200 Hv hoặc cao hơn. Thấm nitơ với mục đích tăng tính chống ăn mòn trong khi quyển, trong hơi n−ớc và trong n−ớc; có thể dùng cho tất cả các loại thép, kể cả thép cacbon, gang cũng có thể chịu thấm nitơ.
Bảng 3.2. Hệ số khuếch tán của nitơ trong các pha khi thấm nitơ
Pha Hệ số khuếch tán D = f(T), (cm2/s) Hệ số A Nhiệt khuếch tán (cal/g.nguyên tử) ε D Ae R.T 35250 . − = ε 0,277 35250 γ D Ae R.T 34660 . − = γ 0,335.10-2 34660 α D Ae R.T 17950 . − = α 4,67.10-4 17950 3.5.2.3. Công nghệ thấm nitơ
Khi thấm nitơ, thời gian thấm th−ờng rất dài mà chiều dày lớp thấm lại rất mỏng do quá trình thấm đ−ợc tiến hành ở nhiệt độ thấp (500 ữ 6500C), hệ số khuếch tán nhỏ.
Bảng 3.3. Độ phân huỷ amôniăc (NH3) phụ thuộc vào nhiệt độ
Nhiệt độ (oC) Mức phân huỷ NH3 (%)
480 ữ 500 500 ữ 520 540 ữ 560 550 ữ 575 600 ữ 620 15 ữ 20 20 ữ 25 30 ữ 50 35 ữ 55 50 ữ 70
Nếu thấm ở nhịêt độ cao hơn, sự phân hóa của amoniăc quá mạnh, l−ợng nitơ nguyên tử tạo thành quá nhiều cũng không tốt, lớp thấm kém cứng mặc dù tốc độ thấm có thể tăng lên.
Thấm nitơ tiến hành trong môi tr−ờng amôniac. ở nhiệt độ cao, amôniăc (NH3) sẽ phân huỷ, mức độ phân huỷ sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Kinh nghiệm cho thấy rằng mức độ phân huỷ amôniăc khoảng 25 ữ 50% là thích hợp, vì vậy th−ờng chọn nhiệt độ thấm nitơ trong khoảng 500 ữ 6000C.
Không thể tôi và ram sau khi thấm nitơ vì lớp thấm mỏng, nếu nung nóng ở nhiệt độ cao sẽ gây tróc h− hỏng. Do nhiệt độ thấm nitơ thấp hơn nhiệt độ ram nên quá trình thấm không làm giảm cơ tính cao của lõi (chi tiết) khi nhiệt luyện hoá tốt (tôi và ram cao) tr−ớc đó.
3.5.3. Các ph−ơng pháp thấm nitơ
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