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 cơng 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 mơi trường thấm bằng cách tạo ra nhiều nhấp nhô bềmặt phun cát, xâm thực hóa học...
c. Cơng dụng
Thấm nitơ để tăng độcứng và tính chống mài mịn
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 q 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 mịn
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 khơng 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 khơng bị phá hủy dịn. Ưu điểm của phương pháp là ít thay đổi kích thước, chi tiết khơng 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 mịn rất cao. Tuy nhiên chịu tải khơng cao (do lớp thấm mỏng) như: một sốloại trục, sơ mi, xy lanh máy bay, dụng cụcắt, nịng súng, khn dập...Thấm nitơ làm tăng đáng kểgiới hạn mỏi.
1.6.3.4. Thấm cacbon-nitơ a.Định nghĩa
Thấm C-N là q trình bão hồ 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 mơi trường có Cacbon và Nitơ ngun tử. Ở nhiệt độ thích hợp, các nguyên tửC, N có thểkhuếch tán vào bềmặt thép tạo nên lớp thấm có thành phần hố 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 mơi 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 hoạt độ của nó phù hợp với hoạt độ của mơi trường. Khi đó cân bằng nhiệt động sẽ được thiết lập.
Trong công nghệ thấm C-N nhiệt độcao, hoạt độ cacbon đóng vai trị chủ yếu. Tuy nhiên hoạt độcủa nitơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến q trình thấm nó có tác dụng tăng tốc độthấm. Có thểnói hoạt độ C, N chính là cơ sởcủa q trình thấm C-N.
c.Phương pháp thấm C-N có nhiều ưu điểm nổi bật
Thấm C - N có thể được thực hiện trong một phạm vi nhiệt độ tương đối rộng (từ 7800C -9000C).
Nhiệt độ thấm tương đối thấp hơn so với thấm cacbon, áp dụng cho thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp nhằm tăng độcứng và tính chống mài mòn,đồng thời giảm khả năng biến dạng cho chi tiết. Nhiệt độ thấm thấp hơn do đó hạn chế được biến dạng, thoát cacbon hạn chếsựlớn hạt.
Sự bão hoà nitơ ảnh hưởng đến độ bão hoà và chiều sâu khuếch tán của cacbon. Nitơ và cacbon khi có mặt đồng thời có khả năng tăng hoạt tính lẫn nhau. Ngồi ra nitơ có tác dụng thu hẹp sựtồn tại của ferit làm cho q trình bão hồ cacbon xảy ra mạnh mẽ hơn ởkhoảng nhiệt độthấp hơn so với thấm C, tạo được lớp thấm đồng đều hơn.
Khả năng chống mài mòn của lớp thấm cao hơn, nhờ sự có mặt của nitơ trong lớp thấm cacbon tạo thành pha Fe3(C,N) phân tán rất cứng làm tăng mạnh tính chống mài mịn.Độcứng lớp thấm C-N từ59 62 HRC trong khi đó lớp thấm cacbon có thể đạt từ5963 HRC.
Có thểtơi trực tiếp từnhiệt độthấm vì nhiệt độthấm gần với nhiệt độtơi, khơng cần hạ nhiệt độ trước khi tơi do đó hạn chế thốt cacbon, ơxy hố và có thểtơi phân cấp vì nitơ làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, điều đó cũng giảm mạnh độbiến dạng.
Lớp thấm C-N khơng cần dày như lớp thấm C mà vẫn đảm bảo độ cứng và tính chống mài mịn, độbền.
Thấm C-N có khả năng chống tạo vết nứt tốt hơn so với thấm C vì thấm C-N có tổ chức lớp thấm mịn khơng có lưới xementit. Cịn lớp thấm C có tổ chức hạt thơ và lưới xementit do đó trong q trình tơi, lưới xementit tạo ra vết nứt tế vi và phát triển thành vết nứt của mẫu.
Trong lớp thấm C-N luôn tồn tại một lượng austenit dư làm cho lớp thấm vừa cứng lại vừa dai. Khi chịu tải trọng, nếu trong lớp thấm có một lượng austenitdư nhất định, tải trọng sẽ được phân bố đồng đều hơn và tránh được sựtập trungứng suất.
So với thấm C tính chất lớp thấm C- N tỏ ra tốt hơn. Tuy nhiên phương pháp thấm C-N cũng có một số nhược điểm cần lưuý.
d.Nhược điểm của thấm C- N
Thành phần khí thấm phức tạp, điều khiển thếthấm khó khăn vì mơi trư ờng thấm gồm nhiều loại khí. Cơng nghệvà xửlý lớp thấm phức tạp. Có thể xuất hiện nhiều dạng khuyết tật dạng rỗ khí tế vi, austenit dư hoặc tổ chức phi mactenxit có độ cứng thấpởtrên lớp thấm.
Thực chất nghiên cứu quy trình thấm C-N là nghiên cứu hạn chếkhuyết tật trong lớp thấm bằng cách khống chế hàm lượng C, N trên bềmặt lớp thấm. Môi trường thấm hay là hỗn hợp khí thấm là một trong những yếu tốquan trọng nhất, nó góp phần quyết
định hàm lượng C, N trên bềmặt chi tiết và quyết định q trình tạo pha khi thấm. Sử dụng mơi trường thấm hợp lý sẽ điều khiển được hàm lượng C, N theo yêu cầu.[17]
Câu hỏi ôn tập
Câu 1. Thếnào là nhiệt luyện, trình bày cácđặc điểm của quá trình nhiệt luyện. Câu 2. Hãy so sánh hai phương pháp nhiệt luyện làủ và thường hóa.
Câu 3. Thế nào là tơi thép, nêu đặc điểm củaphương pháp tôi. Câu 4. Ram thép là gì, phân loại ram và đặc điểm của các loại ram.
Câu 5. Hóa nhiệt luyện là gì, nêuđặc điểm của phương pháp hóa nhiệt luyện. Câu 6. Trình bày phương pháp hóa bền bềmặt bằng phương pháp cơ học. Câu 7.Trình bày phương pháp thấm cacbon.
CHƯƠNG 2 THÉP VÀ GANG 2.1.Thép Cacbon
2.1.1.Thành phần hóa học
Trong thực tế, thép cacbon không phải là hợp kim chỉ gồm có Fe và C (trong đó lượng C < 2,14%) mà do điều kiện nấu luyện, có nhiều nguyên tố khác cũng có mặt trong thép, đó là các tạp chất thường có như Mn, Si, P, S, các tạp chất ẩn như H, N, O và các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, W, Ti, Mo, V, …
Tạp chất thường có là những nguyên tố thường xuyên có mặt trong mọi loại thép, chúng đi vào thép từ quặng sắt, từ nhiên liệu sử dụng khi luyện gang, hoặc từ việc dùng fero để khử oxy khi tinh luyện thép. Trong đó Mn, Si là những tạp chất có lợi, chúng nâng cao cơ tính của thép. Trong các điều kiện thông thường của luyện kim chúng có mặt ởtrong thép với lượng chứa Mn≤ 0,8%; Si ≤ 0,6%. Còn P, S là các tạp chất có hại, chúng làm cho thép bị giịn và khó hàn, cho nên phải tìm cách hạn chế sự có mặt của chúng đến mức có thể được, thép chất lượng càng cao đòi hỏi phải khử càng triệt để hai tạp chất này. Với thép thơng thường, lượng chứa của mỗi ngun tố đó phải nhỏ hơn 0,06%.
Công nghiệp luyện kim sử dụng ngày một nhiều sắt thép vụn (phế liệu) của các ngành kinh tế quốc dân và quốc phịng thải ra (máy móc, xe cộ, vũ khí,…) trong đó nhiều bộ phận làm từ thép hợp kim, nên trong nhiều loại thép cacbon thơng thường vẫn có thểcó một lượng nhỏcác ngun tố như: Cr, Ni, Cu (≤ 0,2%), W, Ti, Mo, V (< 0,1%)chúng được gọi là các tạp chất ngẫu nhiên, thường là có lợi vì nâng cao cơ tính cho thép.
Ngồi ra trong thép cacbon thơng thường cịn hịa tan các khí nitơ, hyđro, oxy với lượng chứa rất nhỏ mà việc xác định chúng rất khó khăn, chúng được gọi là các tạp chấtẩn, với các phương pháp phân tích thơng thường khó phát hiện và người ta thường bỏqua. Nói chung chúng là những tạp chất có hại.
Các nguyên tố kể trên với lượng nhỏ hơn các giới hạn quy định, ảnh hưởng khơng đáng kể đến tổchức và tính chất của thép, kểcảngun tốcó lợi, đều gọi là tạp chất (mà khơng gọi là ngun tố hợp kim) bởi vì sựcó mặt của chúng với lượng chứa hạn chế, chủyếu do yêu cầu của quá trình cơng nghệ đơn giản (cơ bản) nhất mà khơng có một dụng ý nào.
Tóm lại thành phần hóa học của thép cacbon thơng thường, ngồi Fe ra, được giới hạn như sau: C < 2%; Mn≤ 0,5-0,8%; Si≤ 0,3-0,6%; P ≤ 0,05-0,06%; S≤ 0,05- 0,06%.
2.1.2.Ảnh hưởng của Cacbon đến tổchức và tính chất của thép Cacbon
chất của thép cacbon (và cả thép hợp kim). Từ giản đồ pha Fe-C thấy rằng khi lượng chứa của C trong thép tăng lên, lượng xêmentit cũng tăng lên tương ứng và làm thay đổi tổchức tếvi của thép. Ở trạng thái cân bằng (trạng thái ủ), tổchức tếvi của thép cacbon, phụthuộc vào lượng chứa của C trong nó.
C < 0,8% -thép trước cùng tích, tổchức là ferit–peclit. C = 0,8% - thép cùng tích, tổchức là peclit.
C > 0,8% - thép sau cùng tích, tổchức là peclit–xementit II.
Cơ tính của thép cacbon, phụ thuộc vào lượng chứa của C trong nó, được trình bày trên hình 2.1.