3.4.1.1. Những quá trình xảy ra khi hoá nhiệt luyện
Thông th−ờng, khi hoá nhiệt luyện ng−ời ta đặt chi tiết vào trong môi tr−ờng (rắn, lỏng hoặc khí) có khả năng phân hoá 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 nh− sau: phân huỷ, hấp thụ và khuếch tán.
1) Phân huỷ :
nguyên tố khuếch tán. Quá trình này xảy ra trong môi tr−ờng hoá nhiệt luyện và các nguyên tử hoạt tính đ−ợc tạo thành có khả năng khuếch tán vào bề mặt kim loại.
Khi thấm cacbon, quá trình phân huỷ xảy ra nh− sau: 2CO → CO2 + Cht
Hoặc: CH4 → 2H2 + Cht Khi thấm nitơ: 2NH3 → 3H2 + 2Nht
Những nguyên tử cacbon hoặc nitơ hoạt tính sẽ hấp thụ vào bề mặt chi tiết để khuếch tán vào trong để tạo thành lớp khuếch tán.
2) Hấp thụ:
Sau khi phân huỷ, các nguyên tử hoạt đ−ợc hấp thụ vào bề mặt thép, sau đó chúng khuếch vào kim loại cơ sở tạo nên dung dịch rắn hoặc các pha phức tạp, pha trung gian hoặc các hợp chất hoá 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 về nồng độ giữa bề mặt và lõi.
3) Khuếch tán:
Các nguyên tử hoạt hấp thụ vào lớp bề mặt thép với nồng độ cao sẽ đ−ợc khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm với chiều sâu nhất định. Nhờ khuếch tán lớp thấm đ−ợc hình thành và nó là cơ sở của hoá - nhiệt luyện. Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt nh− trình bày ở hình 3.6.
δ δ Nồng độ y=k1.e-Q/R.T y=k.τ1/2 C0’
C0
T τ δ
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuếch tán vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ
Ngoài những yếu tố nêu trên, khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo thành, ví dụ khi thấm cacbon, nitơ do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xảy ra nhanh hơn khi thấm kim loại (do tạo thành dung dịch rắn thay thế).
Ba giai đoạn phân huỷ (PH), hấp thụ (HT) và khuếch tán (KT) có liên quan rất mật thiết với nhau và có ảnh h−ởng đến quá trình hoá nhiệt luyện. Nếu quá trình phân huỷ xảy ra nhanh hơn hấp thụ 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 h−ởng tốc độ của quá trình. Ng−ợc lại khi các nguyên tử hoạt tạo thành không đủ để hấp thụ thì thời gian hoá nhiệt luyện phải kéo dài. Tr−ờng hợp tốt nhất là tốc độ phân huỷ bằng tốc độ hấp thụ.
Trong thực tế th−ờng gặp hiện t−ợng trên bề mặt chi tiết sau khi thấm cacbon có muội mồ hóng, điều này chứng tỏ các nguyên tử cacbon hoạt tạo thành trong giai đoạn phân huỷ không hấp thụ kịp.
T−ơng quan giữa hấp thụ và khuếch tán có ảnh h−ởng rất lớn đến việc tạo thành 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 trong nên nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt rất cao nh−ng chiều sâu lớp khuếch tán lại nhỏ (đ−ờng 1 trên hình 3.7). Ng−ợc lại trong tr−ờng hợp khuếch tán nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt thấp nh−ng chiều sâu lớp khuếch tán lại lớn (đ−ờng 2 hình 3.7). Nồng độ nguyên B, % 1 (KT) < (HT) 2 (KT) > (HT) Khoảng cách từ bề mặt Hình 3.7. ảnh h−ởng của khuếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm
3.4.3.2. Cấu tạo của lớp thấm
Thành phần nguyên tố khuếch tán ở trong lớp thấm không đồng đều, ở bề mặt lớn nhất và giảm dần khi càng sâu vào bên trong.
Cấu tạo của lớp thấm phụ thuộc vào t−ơng tác giữa nguyên tố khuếch tán và nền kim loại cơ sở (Fe), tức là phụ thuộc vào dạng của giản đồ trạng thái giữa chúng. Nếu nguyên tố khuếch tán B có thể tạo nên với nền cơ sở A dung dịch rắn hoà tan vô hạn ( hình 3.7a) thì lớp thấm có thành phần thay đổi liên tục (hình 3.7b).
100 (Thành phần nguyên B.%) 80 60 δ t1 α 40 20
100%A %B 100%B Khoảng cách tới bề mặt
(a) (b)
Hình 3.8. Sự phân bố nguyên tố khuếch tán trong lớp thấm khi hai nguyên tố hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn
(t1-nhiệt độ tiến hành hoá nhiệt luyện)
Trong tr−ờng hợp giữa hai nguyên tố chỉ tạo nên dung dịch rắn hoà tan có hạn và hợp chất hoá học thì cấu tạo lớp thấm đ−ợc xác định bởi đ−ờng cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha của của hệ thống này ở nhiệt độ nung nóng để thấm. Khi này có hai tr−ờng hợp điển hình:
Tr−ờng hợp 1: ở trạng thái rắn hai nguyên A và B hoà tan có giới hạn, tạo thành dung dịch rắn α và hợp chất hoá học AnBm (hình 3.8a). Giả sử quá trình bão hoà xảy ra ở nhiệt độ t1, ở đây có thể xảy ra những tr−ờng hợp sau:
- Quá trình hấp thụ xảy ra đủ mạnh thì ở lớp bề mặt tạo thành dung dịch rắn có nồng độ tới hạn là Cm đi sâu vào trong nồng độ nguyên B giảm đều nh−
- Tr−ờng hợp hấp thụ xảy ra yếu thì nồng độ nguyên B ở lớp bề mặt đạt đ−ợc giá trị Cm mà nhỏ hơn, thí dụ C1, nh−ng chiều dày lớp khuếch tán lại lớn hơn đ−ờng 2 hình 3.9 b.
- Tr−ờng hợp hấp thụ rất mạnh nh−ng khuếch tán các nguyên tử vào trong lại yếu thì nồng độ nguyên B ở lớp bề mặt sẽ rất lớn và tạo thành hợp chất hoá học AnBm đ−ờng 3 hình 3.9 b. ở bề mặt và dung dịch rắn α. AnBm Nồng độ nguyên B,% α t1 C1 Cm 1 2 3 A → %B Khoảng cách từ bề mặt (a) (b)
Hình 3.9. a) Giản đồ trạng thái hai nguyên A – B;
b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp khuếch tán.
Khi làm nguội chậm, từ các vùng một pha có thể tiết ra những tinh thể β
d− kí hiệu là β11, (hay hợp chất hoá học d− ký hiệu AnBm11).
Tr−ờng hợp 2:
ở nhiệt độ làm bão hoà tạo thành hợp chất hoá học hoặc pha trung gian có nồng độ thay đổi nh− ở hình 3.10.
Tr−ờng hợp hấp thụ xảy ra mạnh ở lớp bề mặt có thể đạt nồng độ
nguyên B t−ơng đ−ơng với dung dịch rắn β, lớp tiếp theo là hợp chất hoá học AnBm có nồng độ thay đổi trong khoảng b – c, cuối cùng là lớp dung dịch rắn
α. Nh− vậy lớp khuếch tán gồm nhiều vùng: β + AnBm11 + α có nồng độ rất khác nhau; chiều dày lớp khuếch tán là x1 + x2 + x3 (hình 3.10 b).
Nếu một hệ “kim loại – nguyên tố làm bão hoà” không có chuyển pha ở trạng thái rắn, thì làm nguội thành phần pha và tổ chức của lớp khuếch tán không thay đổi. Tr−ờng hợp hệ thống có chuyển biến pha ở trạng thái rắn, thì
sau khi làm nguội trong mỗi vùng của lớp khuếch tán đều có những biến đổi phụ thuộc vào thành phần và t−ơng tác giữa các nguyên.
T AnB Nồng độ B, % d β c a b c d b α γ a x1 x2 x3 A → % B Khoảng cách từ bề mặt (a) (b) Hình 3.10. a) Giản đồ trạng thái.
b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm.
Những tr−ờng hợp nêu trên ứng với khi làm bão hoà kim loại nguyên chất bằng một nguyên tố, thực tế th−ờng gặp những tr−ờng hợp phức tạp hơn, ví dụ làm bão hoà thép bằng một nguyên tố hoặc làm bão hoà kim loại nguyên chất đồng thời bằng hai (hay nhiều) nguyên tố. Trong những tr−ờng hợp nêu trên, muốn xác định thành phần pha của lớp khuếch tán phải dùng trạng thái ba nguyên.
3.4.3.3. Các cơ chế khuếch tán
1) Trong cơ chế nút trống, các nguyên tử khuếch tán ở bên cạnh nhảy sang chiếm chỗ những nút trống. Năng l−ợng hoạt của quá trình đổi chỗ nh−
vậy rất nhỏ nên rất dễ xảy ra.
2) Trong cơ chế giữa các nút mạng, nguyên tử ở vị trí xen giữa các nút mạng này chuyển sang vị trí xen giữa các nút mạng khác. Cơ chế này th−ờng thấy trong dung dịch rắn xen kẽ khi thấm cacbon, nitơ ( là nguyên tử có đ−ờng kính nhỏ ) vào thép.
3) Cơ chế giữa các nút mạng bằng cách đuổi, xảy ra khi nguyên tử khuếch tán có nguyên tử cạnh nó và chiếm lấy nút mạng, làm nguyên tử này dịch chuyển giữa các nút mạng.
4) Trong cơ chế đổi chỗ, nguyên tử khuếch tán và nguyên tử kim loại cơ sở đổi vị trí cho nhau khi chúng đứng cạnh nhau.
5) Trong cơ chế chuyển vòng, nguyên tử khuếch tán và các nguyên tử kim loại cơ sở đổi chỗ nối đuôi nhau theo vòng tròn.
Hình 3.11. Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuếch tán
1- nút trống; 2-giữa các nút mạng; 3- giữa các nút mạng bằng cách đuổi; 4- đổi chỗ; 5- vòng (vòng đen biểu thị nguyên tử khuếch tán, vòng trắng biểu thị nguyên tử kim loại cơ sở)
3.4.3.4. Các yếu tố ảnh h−ởng đến khuếch tán 1) Nhiệt độ:
ảnh h−ởng của nhiệt độ đến quá trình khuếch tán của nguyên tử thấm đ−ợc chú ý đặc biệt.
Chiều dày của 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 nhanh. Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ theo biểu thức;
D = A.e-Q/RT
Trong đó, D: hệ số khuếch tán .
A: hệ số phụ thuộc mạng tinh thể.
Q: năng l−ợng hoạt, là năng l−ợng cần thiết để bứt nguyên tử ra khỏi vị trí của nó trong mạng.
e: cơ số lôgarit tự nhiên. R: hằng số khí .
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, D tăng càng nhanh ( hình 3.11). Ví dụ theo Fe hệ số khuếch tán D của cacbon tăng lên hơn 7 lần khi nhiệt độ tăng từ 9250C lên 11000C, của Crôm tăng lên hơn 50 lần khi nhiệt tăng từ 11500C lên 13000C.
D D = A.e-Q/RT
(τ=const)
Nhiệt độ T
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ
2) Thời gian:
ở nhiệt độ cố định, thời gian khuếch tán càng dài, chiều sâu lớp khuếch tán càng dày; quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabôn (hình 3.12) theo công thức:
τ
δ =K
Trong đó, δ - chiều sâu lớp khuếch tán.
K - hệ số tỷ lệ phụ thuộc hệ số khuếch tán D. τ - thời gian. δ δ = K τ (T=const) τ
Nh− vậy, trong thời gian thấm càng dài, mức tăng chiều sâu thấm càng chậm. Biện pháp hiệu quả nhất để tăng chiều sâu lớp thấm là nhiệt độ chứ không phải tăng thời gian.
Có nhiều ph−ơng pháp hoá nhiệt luyện. Dựa vào đặc tính thay đổi thành phần hoá học, các dạng hóa nhiệt luyện có thể chia thành ba nhóm:
- Làm bão hoà bằng các á kim. - Làm bão hoà bằng các kim loại.
- Tách các nguyên tố ra khỏi kim loại bằng khuếch tán.