a) Khái niệm chung về thấm nitơ thể khắ
Là công nghệ thấm hay ựược dùng hơn cả. để thấm nitơ phải có chất khắ cung cấp nitơ nguyên tử. Khắ nitơ tồn tại dưới dạng phân tử N2 rất ổn ựịnh do
ựó không thể dùng ựể thấm nitơ ựược. Khi ựó ta dùng NH3. Trong khoảng
nhiệt ựộ từ 450-600oC, NH3 sẽ phân huỷ theo phản ứng (1) 2NH3 → 3H2 + 2 [N] (1)
Nitơ nguyên tử hình thành sẽ hấp phụ sau ựó sẽ khuếch tán vào trong bề mặt thép tạo nên lớp thấm nitơ. [8]
Bản chất của quá trình thấm nitơ thể khắ là sự nung nóng chi tiết trong môi trường có chứa nitơ nguyên tử ựến nhiệt ựộ thắch hợp, giữ nhiệt trong khoảng thời gian cần thiết ựể nhận ựược lớp khuếch tán có chiều sâu theo yêu cầu và khi làm nguội ựảm bảo ựược tắnh chất của lớp bề mặt và của lõi.
Do nitơ khuếch tán trong thép chậm, nếu [N] hình thành quá nhiều không kịp khuếch tán vào thép sẽ kết hợp lại tạo thành phân tử mất hết hoạt tắnh làm ngăn cản quá trình thấm tiếp theo phản ứng:
2NH3 → 2[N] + 3H2 → N2 + 3H2 (2)
Vì thế phải luôn cung cấp NH3 vào lò ựể duy trì tỷ lệ NH3 thắch hợp cho quá trình thấm. Tỷ lệ này ựược ựặc trưng bằng hệ số phân huỷ nhiệt β của NH3.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...46 cungcap phanhuy NH NH 3 3 = β (1Ỗ) Hệ số phân hủy β có thể xác ựịnh thông qua thể tắch khắ ựược lấy ra khỏi
lò (gồm NH3, N2, H2) sau ựó ựược ựưa về ựiều kiện tiêu chuẩn là Vo, V1 là thể
tắch khắ còn lại sau khi xục nước (gồm N2 và H2 do chúng không hòa tan trong nước). Theo phản ứng (2) thể tắch NH3 ựã phân huỷ là V1/2 vì một thể tắch NH3 phân huỷ cho ta hai thể tắch hỗn hợp (N2+H2). Khắ hoà tan vào nước là NH3 dư, có thể tắch là Vo-V1 , vậy từ công thức (1Ỗ) ta có:
1 0 1 1 1 1 3 3 2 2 / ) ( 2 / V V V V V V V NH NH O cungcap phanhuy − = + − = = β (2Ỗ)
Tổ chức lớp thấm phụ thuộc vào nhiệt ựộ thấm và hệ số phân huỷ β. Trên hình 1.19 là giản ựồ Lehrer cho biết ảnh hưởng của nhiệt ựộ và hệ số phân
huỷ β tới tổ chức của lớp thấm. Từ giản ựồ cho thấy, nếu thấm ở nhiệt ựộ
530oC, với chế ựộ có ựộ phân huỷ 95%, sẽ nhận ựược lớp thấm có tổ chức α; nếu thấm ở ựộ phân huỷ 70% sẽ nhận ựược lớp thấm gồm α và γỖ và nếu thấm ở ựộ phân hủy 30%, lớp thấm gồm α, γỖ và ε.
Thấm nitơ tiến hành trong môi trường amôniac, ở nhiệt ựộ cao amôniac sẽ phân huỷ và mức ựộ phân huỷ phụ thuộc vào nhiệt ựộ. độ phân hủy β ở nhiệt ựộ xác ựịnh ựược ựưa ra trong bảng 1.7.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...47
Hình 1.19. độ phân hủy NH3 phụ thuộc vào nhiệt ựộ Bảng 1.7. Hệ số phân hủy β theo nhiệt ựộ [8]
Nhiệt ựộ thấm (oC) 450-500 500-600 600-700 độ phân huỷβ (%) 20-35 30-45 40-65
Như vậy, ựộ phân hủy của NH3 phụ thuộc vào nhiệt ựộ, lưu lượng khắ thấm. Khi ở nhiệt ựộ xác ựịnh, ựộ phân hủy chỉ còn phụ thuộc vào lưu lượng, tức là phụ thuộc vào thời gian lưu của NH3 trong lò.
Q V V Q Vr − ct = = τ (6)
Trong ựó: + Q là lưu lượng NH3 vào lò (m3/h) + V là thể tắch của lò thấm (m3) + Vr là thể tắch rỗng của lò thấm (m3) + Vct là thể tắch chiểm chỗ của chi tiết (m3)
Thời gian lưu thể hiện khoảng thời gian khắ tồn tại trong lò, thời gian lưu
dài hay ngắn tùy thuộc vào tốc ựộ phân hủy nhiệt của NH3. Khi thấm ở nhiệt
ựộ cao, tốc ựộ phân hủy nhanh cần ựưa nhiều khắ vào lò do ựó thời gian lưu
ngắn. Các loại lò nhỏ mức ựộ ổn ựịnh thấp cần thời gian lưu ngắn hơn các loại lò công nghiệp kắch thước lớn ựộ kắn khắt cao.
Từ giá trị τ, ta có thể tắnh ựược lưu lượng khắ thấm cần thiết ựưa vào lò Q=Vr/τ. Ngược lại biết giá trị lưu lượng Q, ta có thể tắnh ựược thời gian lưu xem ựã phù hợp chưa, từ ựó kiểm tra lại giá trị ựộ phân huỷ của NH3.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...48
điều khiển thế thấm nitơ ựược cho là công nghệ mới có nhiều ưu ựiểm vượt trội so với thấm nitơ thể khắ thông thường, thấm nitơ ion và thấm nitơ trong bể muối nóng chảy.
Trước ựây, trong quá trình thấm nitơ không có sự ựiều khiển bất cứ thành phần khắ nào của lò. Quá trình thấm ựược ựiều chỉnh thông qua lưu lượng khắ cấp vào lò dựa vào ựộ phân hủy nhiệt của khắ NH3. Tuy nhiên trong một số trường hợp, tổ chức lớp thấm không tuân theo quy luật thấm mà không rõ nguyên nhân. Chiều sâu lớp thấm của chi tiết có thể mỏng, lớp thấm bị ngắt quãng hoặc có phân lớp với ựộ cứng thay ựổi ựột ngột. Vì vậy, khoảng 10 trở lại ựây, quá trình ựiểu khiển thấm nitơ bằng cách sử dụng các thiết bị theo dõi liên tục sự thay ựổi khắ trong lò ựược áp dụng với ựộ tin cậy cao. Lượng nitơ nguyên tử trong quá trình thấm ựược ựiều khiển thông qua một thiết bị thấm gọi là sensor (sensor hydro). Với loại thép thấm nitơ khác nhau sẽ hình thành lớp thấm phụ thuộc lượng nguyên tử nitơ có thể ựến ựược với chi tiết như thế (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nào. Thắ dụ: tại nhiệt ựộ thấm nitơ (525oC) với nồng ựộ nitơ khoảng từ (5,7-
6,1)% pha nitơrit sắt Fe4N sẽ hình thành, trong khi ựó pha ε xắt chặt sẽ hình thành với nồng ựộ nitơ cao hơn (7,8-11,3)%. Sự phân bố nitơ và cacbon ở lớp bề mặt có thể lớn dẫn ựến xuất hiện lớp trắng. Lớp trắng này xốp và giòn vì mật ựộ nitơ tập trung lớn. Vì thế trong một số trường hợp phải mài hoặc loại bỏ lớp trắng ựi, ựiều này dẫn ựến giá thành chế tạo chi tiết tăng. điều khiển thế thấm là công nghệ kiểm soát ựược ựộ xốp và chất lượng của lớp trắng. Hơn nữa, so với công nghệ thấm nitơ thể khắ thường thì ở những lần thấm khác nhau với cùng một chế ựộ thấm nhưng kết quả không ổn ựịnh, còn thấm nitơ có ựiều khiển thế thì rõ ràng là kết quả hoàn toàn có thể kiểm soát ựược.
Hình 1.20. minh họa sự khác nhau giữa một quá trình ựược khống chế và không ựược khống chế. Mẫu bên trái ựược xử lý bằng phương pháp thông
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...49
thường và trên bề mặt có các vết nứt do lớp bề mặt giòn. Mẫu bên phải ựược xử lý bằng quy trình thấm có ựiều khiển thế nitơ cho ựộ cứng tương ựương và không bị nứt, do ựó, cho ựộ dai của lớp khuếch tán cao hơn. [15]
Hình 1.20. Vết ựo ựộ cứng Vicke
Nguyên lý của phương pháp như sau: khi nồng ựộ nguyên tử nitơ có thể
ựược dùng ựể xác ựịnh thành phần của lớp thấm, thì có thể xác ựịnh hoạt ựộ
nitơ hay là thế nitơ (Kn) của khắ thấm trong lò. Thế nitơ là khả năng cung cấp nitơ của môi trường, thế nitơ Kn ựược xác ựịnh qua công thức:
3/2 2 3 pH pNH KN = (4Ỗ)
Trong ựó: + pNH3 là áp suất riêng phần của khắ NH3 + pH2 là áp suất riêng phần của khắ H2
Thế nitơ càng cao, càng ảnh hưởng tới hiệu quả của quá trình thấm nitơ. Nếu ta ựặt Kn với giá trị xác ựịnh, ta sẽ biết ựược khả năng ựể hình thành lớp thấm nitơ thông qua biểu ựồ hình 1.21. Tuỳ thuộc vào loại thép, thông số này có giá trị từ 0,5-15 với nhiệt ựộ thấm từ 500-600oC. để tăng chất lượng chi tiết và giảm thời gian thấm thì KN có thể thay ựổi trong những giai ựoạn khác nhau. điều khiển tốc ựộ nguội sau khi thấm sẽ hạn chế sự kết hợp tạo thành cacbit hay nitrit không mong muốn ở ranh giới vùng khuếch tán, do ựó làm tăng tắnh dẻo dai. [12]
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...50
Chẳng hạn, tại nhiệt ựộ thấm 530oC với các pha xuất hiện trong lớp thấm (α, γỖ, ε) sẽ xác ựịnh ựược thế nitơ thắch hợp với từng vùng. Tại vùng chứa α thì %N nằm trong khoảng (0,01 Ờ 0,07%) tương ứng với KN vào khoảng (0,3 Ờ 1). Tương tự với các pha khác KN cũng ựược xác ựịnh như trên. Với pha γỖ KN vào khoảng (1 Ờ 1,8) tương ứng với (6,7 Ờ 6,87%N), pha ε có KN=5,6 Ờ 31,6 tương ứng với %N > 8,2%
Khoảng nhiệt ựộ thường thấm nitơ
Hình 1.21. Biểu ựồ thể hiện phương pháp ựiều khiển
quá trình thấm nitơ thông qua thế nitơ
c) Các dạng thấm nitơ thể khắ
Như ựã phân tắch ở trên, tổ chức lớp thấm phụ thuộc vào ựộ phân huỷ β. Nếu thấm ở chế ựộ có ựộ phân huỷ cao (90%) sẽ nhận ựược lớp thấm mỏng do khả năng cung cấp [N] của môi trường thấp, tuy nhiên nếu thấm ở chế ựộ có ựộ phân huỷ thấp mặc dù nhận ựược lớp thấm dầy do khả năng cung cấp [N] của môi trường thấm cao, nhưng lại có thể tạo ra lớp trắng ngoài cùng là lớp có tắnh giòn và xốp. Vì vậy trong một số trường hợp quá trình thấm phải
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...51
thay ựổi ựộ phân huỷ β ựể tạo ra tổ chức mong muốn. Có thể phân thành hai dạng thấm nitơ:
- Thấm một giai ựoạn (hình 1.22)
đặc ựiểm của thấm nitơ một giai ựoạn là cả hai giai quá trình bão hòa và khuếch tán ựều giữ ở nhiệt ựộ và ựộ phân hủy xác ựịnh. độ phân hủy β của phương pháp thấm một giai ựoạn thường trong khoảng 30 Ờ 40 % hoặc cao hơn. Nhiệt ựộ thấm từ (500-525)oC, tuy nhiên thấm một giai ựoạn có thể tạo ra lớp nitơrit trắng giòn quá dày, dễ vỡ khi làm việc chịu va ựập.
Hình 1.22. Thấm nitơ một giai ựoạn
- Thấm hai giai ựoạn: giảm ựược chiều dày lớp trắng. Giai ựoạn ựầu chọn nhiệt ựộ và thời gian thấm như thấm một giai ựoạn. Giai ựoạn hai tăng ựộ phân huỷ NH3 lên khoảng (70-80)%. Mục ựắch của thấm hai giai ựoạn là giảm chiều dày lớp trắng trên bề mặt và tăng chiều dày lớp khuếch tán. Giai ựoạn này nguyên tử nitơ trên bề mặt (lớp trắng) tiếp tục ựược khuếch tán trong khi ựó ựộ phân hủy ở môi trường thấm thấp không ựủ bão hòa với mức nồng ựộ lớn ựể tạo ra lớp trắng. [12] τ ToC 530oC τbão hòa + τkt τ ToC 530 τ τkt
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...52
Hình 1.23. Thấm nitơ hai giai ựoạn
d) Một số vấn ựề thường gặp khi thấm nitơ thể khắ
- độ cứng thấp (cả nền và bề mặt)
+ Thép không phù hợp ựể thấm nitơ. + Tổ chức lớp thấm không ựúng yêu cầu. + Lỗi do quá trình tôi và ram trước khi thấm. - Lớp thấm mỏng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Do nhiệt ựộ thấm quá cao hoặc quá thấp.
+ Do bề mặt bị thụ ựộng hóa, do làm sạch không kỹ. + NH3 cung cấp không ựủ.
+ Nhiệt ựộ lò và sự lưu thông khắ trong lò không ựều. + Nhiệt ựộ thấm và thời gian thấm không hợp lý. - Mất màu chi tiết
+ Do không làm sạch hoặc làm sạch bề mặt chi tiết không ựúng yêu cầu, quá trình chuẩn bị không làm sạch gỉ, dầu mỡ, hoặc rửa chi tiết không tốt.
+ Dầu, khắ hoặc hỗn hợp này còn trong lò. - Nứt vỡ hoặc bong lớp thấm nitơ
+ độ phân hủy quá cao, trên 85%. + Thiết kế có hình góc cạnh. + Lớp trắng quá dày.
+ Nhiệt luyện không ựúng. - độ phân hủy NH3 không ổn ựịnh + Lưu lượng khắ vào lò quá nhỏ. + Nhiệt ựộ lò không ổn ựịnh. - Lớp trắng quá dày
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...53
+ Nhiệt ựộ thấm quá thấp.
+ độ phân hủy nhỏ dưới mức yêu cầu (< 15%). + Giai ựoạn ựầu giữ quá dài.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...55
CHƯƠNG II:
đỐI TƯỢNG, đỊA đIỂM, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. đối tượng, ựịa ựiểm nghiên cứu
2.1.1. đối tượng nghiên cứu
Các mẫu thép SKD11, khuôn dập nguội (dập vuốt và dập sâu)
2.1.2. địa ựiểm nghiên cứu
- Phòng thắ nghiệm Kim loại học, khoa Cơ điện, trường đại học Nông nghiệp Hà Nội
- Phòng Kỹ thuật ựo lường, khoa Cơ điện, trường đại học Nông nghiệp Hà Nội
- Xưởng nhiệt luyện, Trung tâm thực hành và ứng dụng kỹ thuật, trường đại học Bách khoa Hà Nội
- Phòng thắ nghiệm Kim loại học và nhiệt luyện, khoa Khoa học và công nghệ Vật liệu, trường đại học Bách khoa Hà Nội
2.2. Quy trình thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Sơựồ thực nghiệm
a) Chuẩn bị mẫu và kiểm tra tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp
Mẫu thép SKD11 ở trạng thái cán nóng, ựường kắnh Φ35, do công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên cơ khắ Thăng Long cung cấp. Mẫu ựã ựược phân tắch thành phần hóa học trên thiết bị phân tắch quang phổ của Viện cơ
khắ và máy mỏ cho kết quả gần giống với thành phần hóa học của thép
SKD11 (JIS). Mẫu thép cung cấp ựược kiểm tra tổ chức tế vi nhằm xác ựịnh hình dạng cacbit và sự phân bố trên nền thép, trên cơ sở ựó có thể ựưa ra ựược
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...56
quy trình nung tôi phù hợp ựể nhận ựược cơ tắnh tốt nhất. Mẫu ựược ựem ựi rèn xuống kắch thước Lx20x10 mm.
Hình 2.1. Sơựồ nghiên cứu
- Rèn phôi: nếu cacbit trong mẫu ban ựầu có dạng ựa cạnh, nhỏ, phân bố ựều thì không cần rèn. Lúc này rèn phôi chỉ ựể tạo mẫu nghiên cứu theo kắch thước nhất ựịnh. Nếu thép có tổ chức cacbit xương cá thô thì phải rèn ựể phá tổ chức này, nhằm nhận ựược cacbit sơ cấp nhỏ mịn và phân tán. điều này ựảm bảo cho quá trình nung khi nhiệt luyện có thể hòa tan cacbit với thời gian giữ nhiệt nhỏ, tránh ựược lớn hạt do phải nâng nhiệt ựộ tôi (hoặc kéo dài thời gian giữ nhiệt) mà vẫn không thể hòa tan ựược hết lượng cacbit sơ cấp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kiểm tra tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp và sau rèn.
Thử mài mòn Tôi Thấm Nitơ Ram Chụp ảnh tổ chức đo ựộ cứng
Quy trình công nghệ thấm nitơ cho thép SKD11 Mẫu thép (công ty TNHHNN MTV Thăng long cung cấp) Xử lý mẫu trước thắ nghiệm đo ựộ cứng Chụp ảnh tổ chức Nhiễu xạ Rơnghen
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...57
- Ủ: sau rèn nếu chế ựộ giữ nhiệt tốt, phôi rèn có thể tiến hành gia công cơ. Nếu phôi bị biến cứng do tốc ựộ nguội lớn thì tiến hành ủ ựể làm mềm phôi ựồng thời khử triệt ựể ứng suất sau rèn. Phương pháp thực hiện thường là
ủ ựẳng nhiệt: nung trên Ac1 + (20-40oC), giữ ựẳng nhiệt dưới Ac1 ựể nhận
ựược tổ chức peclit hoàn toàn thuận lợi cho gia công cơ.
Hình 2.2. Kắch thước mẫu thắ nghiệm
- Cắt mẫu: từ phôi ban ựầu cắt các mẫu kắch thước 20x10x8 (mm)
- Mài mẫu: mẫu ựược mài thô ựể hết bavia vết cắt và hết vảy oxit bên ngoài. Bề mặt mẫu mài ựến giấy giáp số 400 ựể thuận lợi cho việc nghiên cứu sau ựó.
- đánh số các mẫu với số hiệu quy ựịnh b) Quy trình nhiệt luyện
- Quy trình tôi: ` Hình 2.3. Quy trình tôi thép SKD11 20mm Thời gian