1.6.3.1. Định nghĩa và mục đích a. Định nghĩa
Hóa nhiệt luyện là phương pháp làm bão hòa các nguyên tố đã cho (C, N, B, Cr, Al...) vào bềmặt thép để làm thay đổi thành phần hóa học, do đó làm thay đổi tổchức và đạt được tính chất theo quy định.
b. Mục đích
Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho thép. Với mục đích này đạt được cao hơn so với tôi bềmặt.
Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa, hóa học (chống oxy hóa ở nhiệt độ cao). Tuy nhiên mục đích này ít thực hiện do nhiệt độquá cao, thời gian quá dài, chi phí lớn giá thành cao.
c. Các quá trình xảy ra
Phân hóa là quá trình phân tích các phân tử của chất khuếch tán tạo nên các nguyên tửcó tính hoạt động mạnh (gọi là nguyên tửhoạt).
Hấp thụ các nguyên tửhoạt được hấp thụ vào về mặt thép có nồng độ cao tạo ra sựchênh lệch vềnồng độgiữa bềmặt và lõi.
Khuếch tán nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuếch tán và tạo ra lớp thấm có chiều sâu nhất định.
1.6.3.2. Thấm cacbon a. Định nghĩa và mục đích
Định nghĩa là phương pháp hóa nhiệt luyện có tác dụng làm tăng hàm lượng cácbon trên bề mặt của chi tiết thép có hàm lượng cacbon thấp (0,1 – 0,25%) lên 0,8- 1,2% với chiều dày vài milimet.
Sau khi thấm cacbon, chi tiết cần được tôi và ram đểbề mặt có độ cứng cao còn lõi (với hàm lượng cacbon thấp) sau khi tôi có tăng độ bền, độ cứng nhưng vẫn giữ được độdẻo dai. Nhiệt độthấm C thường sửdụng là từ900-9500C.
Thời gian thấm, tùy thuộc vào mục đích và cách thấm cũng như chiều dày của lớp thấm.
Mục đíchlàm cho bềmặt thép có độcứng cao 60-64HRC tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, trong lõi bền, dẻo dai với độcứng 30-40HRC chịu uốn xoắn và va đập tốt.
Sau khi thấm hàm lượng cacbon ở lớp bề mặt khoảng 0,8-1,0% là phù hợp nhất, còn trong lõi có hạt nhỏ mịn không có pherit tự do. Tùy theo chất thấm chia ra thấm cacbon thểrắn, thểkhí và thểlỏng.
Các mác thép dùng đểthấm Cacbon theo TCVN
Thép cacbon như C10, C15, C20, C25 đôi khi cả CT38. Chúng được dùng để chế tạo các chi tiết nhỏ, không quan trọng, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn nhưng tại trọng không cao.
Thép hợp kim Cr như 15Cr, 20Cr, 15CrV sửdụng cho các chi tiết chịu mài mòn trong điều kiện tải trọng trung bình như chốt pittong, trục cam ôtô, trục giữa xe đạp, bánh răng mođun nhỏ...
Thép hợp kim Cr-Ni điển hình là các mác sau 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4W, 18Cr2Ni4Mo có độ bền cao, chịu va đập tốt, sử dụng cho các chi tiết quan trọng như bánh răng, trục của động cơ máy bay, của tàu biển...
Thép hơp kim Cr-Mn-Ti điển hình là các mác sau 18CrMnTi, 25CrMnTi, 25CrMnMo, rẻ tiền hơn thép Cr-Ni. Các mác thép hợp kim hóa bằng Ti hoặc Mo giữ được hạt nhỏ nên có thể thấm ở nhiệt độ cao (9300- 9500). Các mác thép cacbon chỉ nên thấmở nhiệt độ<9000.
Các chi tiết được thấm cacbon làm việc tốt trong điều kiện chịu tải trọng va đập và chịu ma sát. Nhiệt độthấm cacbon chọn cao hơn đường A3( thường từ900- 9500), tức là thấm trong vùng đơn phaaustenit là pha có khả năng hòa tan cacbon lớn nhất.
Phương pháp thấm cacbon thểrắn
Chất thấm trong phương pháp thấm C thể rắn thường là than củi, than cốc chưa cháy hết (chất mang C) được trộn lẫn với các chất xúc tác là muối cacbonat của kim loại kiềm và kiềm thổ như Na2CO3, BaCO3.
Nhiệt độ thấm sao cho tổ chức hoàn toàn austenit để có khả năng bão hòa lượng cacbon cao nhật có thể đạt được. Với thép bản chất hạt lớn nhiệt độthấm từ900-9200C thép bản chất hạt nhỏnhiệt độthấm lên đến 9500C. Nhiệt độ thấm càng cao, chiều sâu thấm càng lớn.
Tại nhiệt độthấm (870oC đến 930oC) xảy ra các phảnứng : 2C + 2O2= 2CO2
CO2+ C = 2CO
2CO = [C] + CO2 (Phảnứng Boudouard)
Hình 1.28. Hộp thấm C thểrắn
Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị thấm đơn giản, chất thấm dễ tìm và rẻ tiền, tuy nhiên thời gian thấm tương đối dài (8-12h), chất lượng lớp thấm không đồng đều, thao tác nặng nhọc, khó cơ khí hoá và tự động hoá.
Phương pháp thấm cácbon thểlỏng
Trong phương pháp thấm C thể lỏng, chất thấm thường dùng là hỗn hợp muối nóng chảy của NaCN, KCN (chất mang C) và chất hoạt hóa là BaCl, SrCl2. Tại nhiệt độthấm (900-930oC) xảy ra các phảnứng:
4NaCN + 3O2= 2NaCNO + Na2CO3 + CO + 2N 2CO = [C] + CO2 (Phảnứng Boudouard )
Ưu điểm của phương pháp này là có tốc độ thấm nhanh 0,1mm/h, chiều dày lớp thấm đạt được 0,1 – 1,5mm, chất lượng lớp thấm đồng đều, không cần làm sạch chi tiết trước khi thấm. Tuy nhiên hiện nay phương pháp này rất ít được sửdụng vì nó rất độc hại, ô nhiễm môi trường, khó áp dụng với chi tiết lớn, khó thay đổi được thành phần muối thấm, chất lượng bểmuối giảm nhanh và khó bảo quản.
Phương pháp thấm cacbon thểkhí
Thấm cacbon thể khí là phương pháp hiện đại và có nhiều ưu việt, được áp dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí. Chất thấm là khí đốt và dầu hỏa.
Thấm cacbon thể khí có đặc điểm thời gian thấm ngắn, chất lượng lớp thấm đồng đều, dễ cơ khí hóa và tự động hóa, điều kiện lao động tốt tuy nhiệt thiết bịgiá thành cao.
Môi trường thấm thường sửdụng khí như dầu hỏa, khí tựnhiên + nitơ, khí endo + cacbuahydro, metanol + toluen + nitơ
Hình 1.29. Sơ đồlò thấm cacbon bằng dầu hỏa
Hiện nay, môi trường thấm thông dụng trên thế giới là khí Endo, cacbuahydro (CH4, C2H2) và metanol.
So với hai phương pháp thấm trên thì phương pháp thấm C thể khí là ưu việt hơn cảvì những lý do sau:
+ Chất lượng lớp thấm tốt,ổn định, dễ dàng điều chỉnh hàm lượng C trong lớp thấm. + Dễ cơ khí hoá và tự động hoá.
+ Thời gian thấm tương đối ngắn. + Tránh ô nhiễm môi trường.
Các khí chứa C là các khí mang như khí Endo, Metanol được trộn với chất phụ gia là cácbua hydro. Các phảnứng chủyếu khi thấm C thểkhí:
2CO = [C] + CO2 (Phảnứng Boudouard ) CO + H2= [C] + H2O (Phảnứng dịthểtạo nước) CO = [C] + ½ O2 (Phảnứng phân ly CO) CH4= [C] + 2H2 (Phảnứng phân ly Mêtan)
c. Các môi trường thấm thểkhí thông dụng
Như đã phân tích ở trên, phương pháp thấm C thểkhí có nhiều ưu điểm, đặc biệt là có thể điều khiển được hàm lượng C trong lớp thấm một cách dễdàng. Do vậy thấm C thể khí là phương pháp được sửdụng chủyếu hiện nay.
Thấm cacbon thể khí chất mang thường là cacbon ở dạng hợp chất (thường là CO) và chất độn là khí trơ trong môi trường đểtránh những phản ứng không cần thiết
Dưới đây là bảng thành phần khí thấm của Nga và Hoa Kỳ: Bảng 1.2. Khí thấm của Nga Tên khí Thành phần (% thểtích ở ĐKTC ) (Ký hiệu) CO CnH2n+2 CO2 N2 H2 Khí khác Endogas 23 3,8 0,4 45,7 30 0,9H2O Bảng 1.3. Khí thấm của Hoa Kỳ Tên khí Thành phần (% thểtích ở ĐKTC) Ký hiệu CO CH4 CO2 N2 H2 Exothermic 10,5 0,5 5,0 71,5 12,5 Endothermic 20,7 0,8 - 39,8 38,7
d. Nhiệt luyện sau khi thấm
Tôi trực tiếp sau khi hạ nhiệt độ đến 850-8600C tiến hành tôi, công nghệnày áp dụng cho thép di truyền hạt nhỏ, thích hợp cho công nghệthấm cacbon thểlỏng vềmặt nhiệt độ đồng thời kết hợp để rửa sạch bề mặt chi tiết. Nhiệt độtôiở đây là trung gian giữa nhiệt độtôi lớp bềmặt và lõi.
Tôi một lần thực hiện sau khi thấm cacbon và thường hóa thép.
- Tôiở 820-8500C khi cần độ cứng bề mặt cao, nhiệt độ tôi ở đây vẫn là nhiệt độ tôi trung gian của lõi và bềmặt nhưng ưu tiên lớp bềmặt hơn.
- Tôiở860-8800C khi cần độbềnởlõi cao, nhiệt độ ưu tiêncho lõi hơn. Tôi hai lần thực hiện sau khi thấm cacbon và thường hóa rồi. - Tôi lõiở880-8900C
- Tôi bềmặt760- 7800C
Cảlõi và bề mặt đều đảm bảo cơ tính nhưng phức tạp cho nên càng ngày ít được dùng. Sau khi tôi các chi thấm cacbon được ram thấpở 150đến 2000C để giữ được độ cứng và tính chịu mài mòn cao. Đối với các phần của chi tiết không cần thấm cacbon (chống thấm) người ta có thể áp dụng một số biện pháp sau để lượng dư gấp 1,5 đến hai lần chiều dày lớp thấm để sau này cắt đi, đắp một lớp dày khoảng 5-10mm bằng hỗn hợp chứa 20% đất sét+5%nước thủy tinh+ còn lại là cát mịn. Pha nước đủ dẻo (khoảng 10-15%) rồi đắp lên phần chống thấm có thểdùng vải băng bịt kín, buộc chặt để không bị bong lớp chống thấm khi xếp chi tiết vào lò. Ngoài ra, các chi tiết quan trọng phần chống thấm có thểmạCu hoặc phủAl.
Ở các nước công nghiệp phát triển thấm cacbon được tiến hành trong lò ngang, sau khi thấm, xe chở chi tiết được kéo sang buồng tôi do đó tận dụng được công suất của lò thấm.
Cùng mục đích hóa bền bề mặt so với tôi bề mặt, công nghệ thấm cacbon có nhiều ưu việt hơn lớp bề mặt có hàm lượng cacbon cao hơn nên sau khi tôi sẽ có độ cứng và tính chịu mài mòn cao hơn do đó mà công nghệthấm cacbon được ưu tiên áp dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn có tính sốpv lớn hơn (p là áp lực, v là vận tốc). Hóa bền bềmặt bằng thấm cacbon và tôi ram có thểáp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp hơn mà vẫn giữ được đồng đều, tuy nhiên chi phí cho sản xuất lớn hơn và năng xuất thấp hơn.
1.6.3.3. Thấm nitơ
a. Định nghĩa và mục đích
Làm bão hòa và khuếch tán nitơ vào bềmặt thép hợp kim sau khi nhiệt luyện hóa tốt nhằm mục đích chủ yếu là nân cao độ cứng và tính chống mài mòn (HRC 65-70) hơn hẳn thấm cacbon và giới hạn mỏi của chi tiết.
Hình 1.30. Giản đồFe-N
Từgiản đồpha Fe-N ta thấy có các pha sau:
αlà dung dịch rắn xen kẽcủa nitơ trong Feα, được gọi là ferit nitơ
γ là dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong Feγ đư ợc gọi là austenit nitơ, chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao hơn 5910C, tại nhiệt độnày khi làm nguội γ phân hóa thành hỗn hợp cùng tích (α+γÊ)
γÊ là dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽFe4N, là pha rất cứng. εlà dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽFe2N, Fe2Nứng với 11,2%.
Nitơ tạo nên pha xen kẽvới nhiều kim loại chuyển tiếp: CrN, Cr2N, MnN, TiN, AlN, MoN, Mo2N, VN…
b.Đặc điểm của phương pháp thấm N
hủynhiệt theo phảnứng: 2NH3= 3H2+ 2Nng. tử
Tiến hành ở nhiệt độ thấp nên sự khuếch tán khó khăn và chậm nên lớp thấm mỏng, thời gian thấm dài.
Sau khi thấm không tôi và mài
Phải dùng thép chuyên dụng để thấm (38CrMoAlA), trước khi thấm phải nhiệt luyện hóa tốt thành xoocbit ram.
Lớp thấm cứng hơn và giữ đượcởnhiệt độ đến 5000C vàcao hơn.
Hai nhóm công nghệthấm hay dùng là:
Thấm nitơ nhiệt độthấp (4800-5500C) thời gian thấm dài (ởnhiệt thấp khuếch tán xảy ra chậm). Tùy theo thời gian thấm chiều dài lớp thấp có thể đạt 0,4mm.
Thấm nitơ ởnhiệt độcao (5500-6500C) thời gian thấm ngắn (đểhạt nitơrit không bị thô to lên và không làm hỏng tổ chức của thép sau khi tôi) chỉ tạo được lớp thấm mỏng chiều dày thường không quá 0,2mm.
Để tăng tốc độ thấm người ta tìm cách tăng diện tích tiếp xúc giữa các chi tiết và môi trường thấm bằng cách tạo ra nhiều nhấp nhô bềmặt phun cát, xâm thực hóa học...
c. Công dụng
Thấm nitơ để tăng độcứng và tính chống mài mòn
Trước khi thấm nitơ, chi tiết phải qua nhiệt luyện (tôi+ram cao) để tăng độ bền và độdẻo dai của lõi.Đối với chi tiết mỏng và có hình dáng phức tạp thường thấm ni tơ ởnhiệt độ500-5200C thời giam thấm phụthuộc vào chiều sâu lớp thấm.
Khi thấm ở nhiệt độ500-5200C, để có chiều sâu lớp thấm 0,3-0,6mm phải mất 24-90 giờ. Thời gian thấm quá dài là nhược điểm của thấm nitơ, để làm nhanh quá trình có thể dùng phương pháp thấm hai cấpđầu tiên thấm ở nhiệt độ 500- 5200C, sau đó tăng lên 540- 5600C.
Độcứng của lớp thấm phụthuộc vào thành phần hóa học của thép và nhiệt độthấm. Đối với tất cảcác loại thép nhiệt độthấm càng cao thìđộcứng đạt được càng thấp.
Thấm nitơ để tăng tính chống ăn mòn
Với mục đích này thì có thểthấmở nhiệt độ600- 7000C, đối với chi tiết nhỏthời gian thấm là 15 phút, chi tiết lớn thời gian thấm khoảng 6-10 giờ. Sau khi thấm trên bề mặt chi tiết tạo thành một lớp mỏng phaε (0,01-0,03mm) có tính chống gỉ cao. Trong lớp thấm nitơ có ứng suất nén dư, giá trị ứng suất khoảng 60-80kG/mm2 nên nó làm tăng tính chống mỏi của chi tiết. Khả năng chống mỏi cao nhất đạt được sau khi thấm ởnhiệt độ500- 5200C .
Thấmnitơ ởtrạng thái lỏng
Thấm nitơ ởtrạng thái lỏng tiến hành trong bểmuối có thành phần 40%KCNO + 60%NaCN, qua bểmuối cho luồng không khí đi qua. Nhiệt độthấm là 5700C, với thời gian 0,5-3,0 giờ. Sau khi thấm trên bề mặt tạo thành một lớp mỏng cacbit-nitrit
Fe3(N,C) có khả năng chống mài mòn cao và không bị phá hủy dòn. Ưu điểm của phương pháp là ít thay đổi kích thước, chi tiết không bị cong vênh. Nhược điểm của phương pháp này là độc và giá muối xianua đắt.
Thấm nitơ dùng cho các chi tiết cần độ cứng và tính chống mài mòn rất cao. Tuy nhiên chịu tải không cao (do lớp thấm mỏng) như: một sốloại trục, sơ mi, xy lanh máy bay, dụng cụcắt, nòng súng, khuôn dập...Thấm nitơ làm tăng đáng kểgiới hạn mỏi.
1.6.3.4. Thấm cacbon-nitơ a.Định nghĩa
Thấm C-N là quá trình bão hoà và khuếch tán đồng thời hai nguyên tốC và N lên bề mặt chi tiết nhằm mục đích làm tăng độ cứng, khả năng chống mài mòn đồng thời phát huy khả năng chịu uốn, xoắn, chịu mỏi cho chi tiết.
b. Nguyên lý thấm cácbon-nitơ
Dùng hỗn hợp thấm để tạo ra môi trường có Cacbon và Nitơ nguyên tử. Ở nhiệt độ thích hợp, các nguyên tửC, N có thểkhuếch tán vào bềmặt thép tạo nên lớp thấm có thành phần hoá học khác với lõi. Môi trường thấm có thể ở trạng thái lỏng, bột nhão hoặc thể khí. Tuy nhiên trong thời gian hiện nay môi trường thể khí được sử dụng nhiều nhất vì môi trường lỏng và bột nhão gâyđộc hại cho con người.
Có 2 phương pháp thấm C-N cơ bản là thấm C-N ở nhiệt độ thấp (thường được tiến hành ở thể lỏng) và thấm C-N ở nhiệt độ cao (thường được tiến hành thấm ở thể khí). Thấm C-Nở nhiệt độ cao (trên dưới 8500C), sựkhuếch tán của cacbon mạnh, lớp thấm chủ yếu là cacbon (ít nitơ), do đó có tính chất gần với thấm cacbon tuy nhiên có nhiều ưu điểm hơn thấm cacbon. Thấm C-N ở nhiệt độ thấp (trên dưới 560oC), sự khuếch tán của cacbon yếu, lớp thấm chủ yếu là nitơ, tính chất gần với thấm nitơ nhưng lại kém hơn thấm nitơ.
Khác với thấm C-N nhiệt độ thấp không cần nhiệt luyện sau thấm, thấm C-N ở nhiệt độ cao phải nhiệt luyện sau thấm để đảm bảo độ cứng và khả năng chống mài mòn cao cho chi tiết.
Quá trình thấm C-N là quá trình khuếch tán đồng thời cả cacbon và nitơ vào bề mặt chi tiết. Cơ sở của quá trình này là sự chênh lệch giữa hoạt độ cacbon, nitơ của môi trường (ký hiệu lần lượt là (aC) và (aN)) với hoạt độ cacbon, nitơ trên bề mặt chi tiết (ký hiệu là [aC] và [aN]).
Trong quá trình thấm, hàm lượng C, N trên bềmặt chi tiết sẽ tăng dần cho tới khi