1. Đặc điểm
Hệ số truyền nitơ βN là thông số đặc trưng cho khả năng tiếp nhận nitơ của thép từ môi trường thấm. Hệ số truyền nitơ βN càng cao, quá trình thấm càng hiệu quả. Khi nguyên tử nitơ di chuyển đến bề mặt phân cách thép và môi trường thấm thì lập tức xảy ra phản ứng hóa học hấp thụ nitơ vào trong thép. Hàm lượng nitơ trên bề mặt phụ thuộc vào khả năng cung cấp nitơ của môi trường và thành phần hóa học của thép.
Theo quan điểm hóa học thì hệ số βN là tỷ số giữa hoạt độ nitơ trong lớp bề mặt thép <aN> và hoạt độ nitơ trong môi trường (aN):
βN =<aN>
(aN) (1.13)
Trong đó: (aN), <aN> lần lượt là hoạt độ của nitơ trong môi trường thấm và
trong thép.
2. Hoạt độ nitơ môi trường thấm (aN)
Hoạt độnitơ môi trường thấm (aN) là đại lượng đặc trưng cho khảnăng cung
cấp nitơ nguyên tử của môi trường. (aN) được xác định theo công thức (1.12):
(aN) = 𝑃𝑃𝑁𝑁𝑁𝑁32 𝑃𝑃𝑁𝑁23 .𝑃𝑃𝑁𝑁20.5
Trong đó PNH3, PH2, PN2 lần lượt là áp suất riêng phần của các khí NH3, N2, H2 trong môi trường thấm, được xác định theo công thức:
Pi = Xi.P (1.14)
Trong đó: - Xi là phần mol của cấu tử i
- Pilần lượt là áp suất riêng phần của cấu tử i
Ví dụ: từ 100 mol khí NH3 ban đầu, sau khi phân hủy với độ phân hủy khác nhau với áp suất tổng 1.03 kPa, hoạt độ của nitơ (aN) củamôi trường thấm như sau:
Độ phân hủy NH3 N2 H2 (aN)
46.2 53.80 mol 23.10 mol 69.30 mol 3.06
0.38 kPa 0.16 kPa 0.49 kPa
39.8 60.20 19.90 59.70 6.04
0.44 0.15 0.44
30.8 69.20 15.40 46.20 17.71
0.54 0.12 0.36
Bảng 1.1 Hoạt độ của nitơ (aN) của môi trường thấm
3. Hoạt độ nitơ trong thép <aN>
Hoạt độ nitơ trong thép <aN> là đại lượng phụ thuộc vào chế độ thấm, hàm
lượng nitơ và thành phần hóa học của thép. Ở đề tài này, <aN> được xác định bằng phần mềm Thermo-Calc. Do hoạt độ nitơ trong thép nhỏ hơn rất nhiều so với hoạt độ nitơ trong môi trường thấm nên hệ số truyền nitơ βN < 1.
Trong khuôn khổ đề tài này, tác giả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng chính
đến hệ số truyền nitơ βN là thời gian lưu khí thấm, nhiệt độ thấm và ảnh hưởng của
nguyên tố hợp kim trong thép. Đây là các yếu tố công nghệ có khả năng ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp thấm mà có thể chủ động đo và điều khiển dễ dàng.
IV. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình thấm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Ảnh hưởng của thời gian lưu τ
Thời gian lưu là thông số rất quan trọng trong công nghệ thấm nitơ. Thay đổi thời gian lưu, hay nói cách khác cũng chính là thay đổi lưu lượng khí thấm cấp vào
lò, dẫn đến độ phân hủy NH3 thay đổi. Tăng thời gian lưu (giảm lưu lượng khí thấm) dẫn đến độ phân hủy NH3 tăng, kéo theo hoạt độ nitơ trong môi trường thấm
Ngược lại, nếu tăng hoạt độ của nitơ trong môi trường thấm bằng cách tăng lưu lượng khí thấm, giảm thời gian lưu, dẫn đến tiêu tốn một lượng NH3 dư khá lớn, ngoài việc lãng phí khí thấm còn làm ô nhiễm môi trường.
Như vậy, việc thay đổi thời gian lưu rất có ý nghĩa để có thể điều chỉnh thế nitơ trong môi trường thấm để nhận được tổ chức lớp thấm như mong muốn.
2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T
Trong quá trình thấm nitơ thể khí, với nhiệt độ thấm trong khoảng 495 ÷ 565
oC, khí thấm NH3 bị phân hủy thành nitơ nguyên tử (1.1). Đây là phản ứng tỏa nhiệt. Bởi vậy, khi nhiệt độ thấm tăng thì cân bằng của phản ứng sẽ dịch chuyển theo chiều nghịch. Kết quả là độ phân hủy NH3 giảm, lượng nitơ nguyên tử sinh ra giảm đi, đồng nghĩa với lượng NH3 dư tăng. Khi đó, hoạt độ (aN) của môi trường thấm sẽ tăng.
Bên cạnh đó, nhiệt độ thấm còn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình khuếch tán của nguyên tử thấm, yếu tố quyết định đến chiều dầy lớp thấm. Khi nhiệt độ thấm càng cao, sự chuyển động của nguyên tử càng mạnh, tốc độ khuếch tán càng nhanh. Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán D và nhiệt độ T được biểu diễn dưới dạng hàm mũ:
D = Do.exp(-Q/RT) (1.15)
Trong đó: - Do là hệ số khuếch tán phụ thuộc thành phần thép [cm2/s] - Q là hoạt năng khuếch tán [cal/mol]
- R là hằng số khí, R = 1.98 [cal/mol.độ]
Hình 1.4 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ thấm T
3. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim
Thép C20 và 20Cr có thành phần tương đồng, ngoại trừ hàm lượng Cr trong
thép 20Cr có giá trị khoảng 1%. Đây là một trong các nguyên tố hợp kim có ái lực hóa học với nitơ mạnh hơn nhiều so với sắt. Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như Al, Mn, … Do khả năng hấp thụ nitơ tốt hơn nên nồng độ nitơ ở bề mặt thép hợp kim cao hơn. Tuy nhiên, các nguyên tố hợp kim này lại đồng thời làm cản trở quá trình khuếch tán của nitơ vào sâu trong thép. Ngoài ra, trong hai quá trình hấp thụvà khuếch tán, vai trò của quá trình nào quyết định động học của quá trìnhthấm còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chế độ thấm, loại và hàm lượng nguyên tố hợp
kim, nồng độ nitơ trong lớp thấm …
D
Nhiệt độ T
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
I. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các yếu tố ảnh hưởng chính đến hệ số truyền nitơ βN từ môi trường thấm thể khí đến bề mặt thép C20 và thép 20Cr, bao
gồm:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu đến hệ số truyền βN - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thấm đến hệ số truyền βN - Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến hệ số truyền βN.