2.1. Khái niệm về hoá nhiệt luyện kim loại
Hoá nhiệt luyện là phơng pháp gia công nhiệt có thể làm thay đổi không những chỉ cấu tạo của kim loại mà còn cả thành phần hóa học của lớp bề mặt kim loại. Điều khác nhau cơ bản giữa phơng pháp hoá nhiệt luyện và các ph- ơng pháp nhiệt luyện thông thờng là: với các phơng pháp nhiệt luyện thông thờng thì sự thay đổi tính chất của kim loại chỉ dựa vào sự thay đổi về cấu tạo, còn thành phần hoá học thì vẫn không thay đổi.
Nhờ phơng pháp hoá nhiệt luyện mà ở các lớp kim loại khác nhau có các thành phần hoá học khác nhau, do đó tính chất của chúng cũng khác nhau.
Rất nhiều sản phẩm có yêu cầu tính năng bề mặt khác với tính năng của các phần bên trong. Ví dụ, răng của bánh răng trong quá trình làm việc bị ma sát nhiều nên yêu cầu phải cứng, nhng ngợc lại phần thân của răng lại không yêu cầu độ cứng cao mà phải có độ dẻo dai cao để không bị gãy vỡ khi va
axit hoặc kiềm thì bề mặt của nó phải có tính chống ăn mòn cao. Muốn nâng cao tính chống ăn mòn, lớp bề mặt đó cần phải có một thành phần hoá học nhất định, trong khi đó phần bên trong của sản phẩm không tiếp xúc với môi trờng ăn mòn nên chỉ cần có thành phần hoá học thông thờng.
Muốn thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt cần phải tăng cờng cho nó những nguyên tố cần thiết bằng cách cho bề mặt đó tiếp xúc với môi trờng có nhiều lợng nguyên tố cần bổ sung. Sau một thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ cao, các nguyên tố cần bổ sung sẽ khuyếch tán vào bề mặt của sản phẩm với một chiều sâu nhất định.
2.2. Các phơng pháp hoá nhiệt luyện kim loại
Hiện nay những phơng pháp hoá nhiệt luyện thép thờng áp dụng trong ngành cơ khí là: thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ và cacbon, thấm kim loại thể rắn, khí hoặc thể lỏng. Mục đích của các phơng pháp này là để có đợc những bề mặt cứng hơn, có tính chống mài mòn cao hoặc tính chống ăn mòn cao.
2.2.1. Thấm cacbon
Là quá trình tăng cờng thêm cacbon vào lớp bề mặt của sản phẩm bằng thép. Thấm cacbon đợc dùng cho những vật phẩm hay bị va đập và ma sát nhiều trong quá trình làm việc. Những sản phẩm đó cần có bề mặt làm việc cứng nhng phần lõi cần độ dẻo dai. Thép dùng để thấm cacbon là loại thép ít cacbon (0,12ữ 0,25%C), do đó mà sau khi thấm cacbon xong lớp bề mặt sẽ trở thành thép nhiều cacbon (hàm lợng cacbon tăng tới 0,9ữ1,0%C), có đủ độ cứng cần thiết trong khi đó bên trong sản phẩm vẫn là thép ít cacbon nên mềm và dai.
Khi thấm cacbon, sản phẩm đợc nung nóng tới nhiệt độ 850ữ9500C và giữ một thời gian lâu trong môi trờng có chứa nhiều cacbon (ở thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí) để cacbon khuyếch tán vào kim loại với chiều sâu từ 0,5ữ 2mm.
2.2.2. Thấm nitơ
Là quá trình tăng cờng thêm nitơ vào lớp bề mặt của sản phẩm bằng thép để lớp bề mặt đó có độ cứng cao và tính chống ăn mòn với một chiều sâu thấm không lớn lắm (0,1ữ 0,5mm). Thấm nitơ đợc dùng cho các chi tiết bằng thép hợp kim (chứa nhôm, crôm, môlipđen...) hay bị va đập và ma sát nhiều trong quá trình làm việc và dùng cho các chi tiết bằng thép cacbon không cần độ cứng bề mặt cao nhng lại cần tính chống ăn mòn bề mặt cao.
Khi thấm nitơ, sản phẩm đợc nung nóng tới nhiệt độ 500ữ6000C trong lò kín có khí amôniăc (NH3) đi qua. ở nhiệt độ đó, NH3 phân huỷ thành nitơ và hyđrô. Nitơ khuyếch tán vào mặt kim loại còn hyđrô thì theo với khí amôniăc cha phân huỷ đi ra ngoài.
2.2.3. Thấm cacbon và nitơ (xyanua)
Là quá trình tăng cờng cả cacbon và nitơ vào lớp bề mặt của sản phẩm bằng thép để nâng cao độ cứng, tính chống mòn và giới hạn mỏi của lớp bề
mặt. Chiều sâu lớp thấm cacbon và nitơ thờng không lớn (0,1ữ 0,2mm). Thấm cacbon và nitơ có hiệu quả nhất đối với những chi tiết cỡ nhỏ và trung bình.
Thấm cacbon và nitơ, có thể tiến hành trong môi trờng rắn dới nhiệt độ 540ữ5600C; hoặc trong môi trờng lỏng với nhiệt độ khác nhau (thấp: 550ữ 6000C, trung bình: 800ữ8500C, cao: 900ữ 9500C); hoặc trong môi trờng khí với nhiệt độ khoảng 850ữ 9300C.
2.2.4. Thấm kim loại
Là quá trình tăng cờng các nguyên tố nhôm, crôm, silic, bo, berili... vào lớp bề mặt của sản phẩm bằng thép để làm cho thép có thêm những tính năng tốt nh chịu nhiệt, chống gỉ, chống mài mòn... Trong một số trờng hợp có thể dùng thép chống kim loại để thay cho những thép hợp kim cao cấp, hiếm. Thấm kim loại đợc tiến hành bằng cách nung nóng sản phẩm thép đến nhiệt độ nhất định và giữ sản phẩm ở vị trí tiếp xúc với một trong các nguyên tố nêu trên, các nguyên tố này có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí. Nhờ vậy các nguyên tố kim loại sẽ khuyếch tán vào bề mặt sản phẩm.