Nghiên cứu công nghệ thấm chân không, ứng dụng để thấm một số chi tiết máy chất lượng cao

Đề tài đã nghiên cứu mô phỏng quá trình thấm C chân không bằng phần mềm AvaC và xây dựng được quy trình công nghệ thấm C chân không trên thiết bị Turbo2 – Treater M, xây dựng được mối li

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THẤM C CHÂN KHÔNG,

ỨNG DỤNG ĐỂ THẤM MỘT SỐ CHI TIẾT MÁY

CHẤT LƯỢNG CAO

CNĐT: HOÀNG VĨNH GIANG

8321

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM C 3

1.1 Sơ lược về công nghệ thấm C 3

1.2 Thấm C chân không - LPC 9

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ thấm C chân không 9

1.2.2 Các thông số cơ bản của quá trình thấm C chân không Error! Bookmark not defined 1.2.3 Quy trình công nghệ thấm C chân không Error! Bookmark not defined 1.2.4 Thấm C chân không sử dụng khí thấm Acetylen Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THẤM C CHÂN KHÔNG TRÊN THIẾT BỊ Turbo 2 -Treater M Error! Bookmark not defined 2.1 Giới thiệu chương trình AvaC Simulation Error! Bookmark not defined 2.2 Mô phỏng quá trình thấm trên phần mềm AvaC Simulation Error! Bookmark not defined 2.2.1 Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 910 o C Error! Bookmark not defined 2.2.2 Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 950 o C Error! Bookmark not defined 2.2.3 Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 990 o C Error! Bookmark not defined 2.2.4 Kết luận phần mô phỏng quá trình thấm C chân không Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM THẤM C CHÂN KHÔNG 29

3.1 Chuẩn bị mẫu và phương pháp kiểm tra 29

3.1.1 Kiểm tra thành phần hóa học Error! Bookmark not defined 3.1.2 Xác định sự phân bố %C theo chiều sâu lớp thấm Error!

Bookmark not defined

3.1.3 Đo độ cứng HV bề mặt và theo chiều sâu lớp thấm Error!

Bookmark not defined

3.1.4 Xác định chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined

3.2 Thiết bị và công nghệ thấm C chân không Error! Bookmark not defined

3.2.1 Thiết bị thấm C chân không Error! Bookmark not defined 3.2.2 Lập trình chương trình thấm C chân không Error! Bookmark not

defined

3.2.3 Tiến hành thấm Error! Bookmark not defined

3.3 Kết quả khảo sát kết quả phân bố %C Error! Bookmark not defined

3.3.1 Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm : 910 o C và %C bề mặt = 0,9%

Error! Bookmark not defined

3.3.2 Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm 910 o C và %C bề mặt = 1% Error!

Bookmark not defined

3.3.3 Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm : 950 o C và %C bề mặt = 0,9%

Error! Bookmark not defined

3.3.4 Kết quả thấm ở nhiệt độ thấm : 950 o C và %C bề mặt = 1%.Error!

Bookmark not defined

3.3.5 Kết luận về kết quả phân bố %C Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG THẤM VÀ TÔI SẢN PHẨM Error! Bookmark not defined

4.1 Chế tạo đồ gá Error! Bookmark not defined

4.2 Quy trình công nghệ 39

4.3 Kết quả thấm và tôi sản phẩm Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các loại khí thông dụng khi thấm C Error! Bookmark not defined

Bảng 1.2: Khả năng thô hạt phụ thuộc nhiệt độ và thời gian thấm Error! Bookmark not defined

Bảng 1.3: Sự phân hủy khí thấm ở 900oC < T < 1000 và p < 30mbar 11 Bảng 2.1: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ 910oC với Cp khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 2.2: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ 950oCvới Cp khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 2.3: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ 990oC với Cp khác nhau Error! Bookmark not defined

Bảng 2.4: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ khác nhau, Cp = 0,8% Error! Bookmark not defined

Bảng 2.5: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ khác nhau, Cp = 0,9% Error! Bookmark not defined

Bảng 2.6: Kết quả thời gian thấm ở nhiệt độ khác nhau, Cp = 1,0% Error! Bookmark not defined

Bảng 3.1: Thành phần mẫu thép thấm [%] Error! Bookmark not defined Bảng 3.2: Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined

Bảng 3.3 Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined

Bảng 3.4: Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined

Bảng 3.5: Kết quả phân bố %C thực tế theo chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined

Bảng 4.1: Kiểm tra sản phẩm sau tôi Error! Bookmark not defined Bảng 4.2: Kết quả sản phẩm sau tôi Error! Bookmark not defined Bảng 4.3: Kết quả sản phẩm sau tôi Error! Bookmark not defined

Bảng 4.4: Kết quả sản phẩm sau

tôi Error! Bookmark not defined

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình quá trình thấm C Error! Bookmark not defined Hình 1.2: Quy trình thấm C thể khí Error! Bookmark not defined Hình 1.3: Chu trình thấm C chân không điển hình Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1: Các thông số để mô phỏng quá trình thấm Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2: Các bước của quá trình thấm Error! Bookmark not defined Hình 3.1: Mẫu thử thấm và tôi cùng sản phẩmError! Bookmark not defined.

Hình 3.2: Lò chân không đơn buồng Turbo2-Treater M Error! Bookmark not defined.

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng thấm 910oC, %Cp = 0,9%, chiều sâu 1,0mm

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng thấm 910oC, %Cp = 0,9%, chiều sâu 1,01mm

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng thấm 950oC, %Cp = 0,9%, chiều sâu 0,73mm

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng thấm 950oC, %Cp = 1,0%, chiều sâu 0,8mm

Error! Bookmark not defined Hình 3.7: Một chu trình thấm điển hình Error! Bookmark not defined Hình 3.8: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error! Bookmark not defined.

Hình 3.9: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error! Bookmark not defined.

Hình 3.10: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error! Bookmark not defined.

Hình 3.11: So sánh sự phân bố %C theo mô phỏng và thực tế Error! Bookmark not defined.

Hình 4.1 Đồ gá nhiệt luyện Error! Bookmark not defined Hình 4.2 Sơ đồ công nghệ thấm và tôi bánh răng, bạc Error! Bookmark not defined.

Hình 4.3 Quá trình thấm mẻ 1: thấm 950oC /68phút Error! Bookmark not defined.

Hình 4.4: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined.

Hình 4.5 Quá trình thấm mẻ 2: thấm 950oC /68phút Error! Bookmark not defined.

Hình 4.6: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined.

Hình 4.7 Quá trình thấm mẻ 3: Thấm 950oC /68phút, tôi 810 oC /10barError! Bookmark not defined.

Hình 4.8: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm Error! Bookmark not defined.

Hình 4.9 Quá trình thấm mẻ 4: Thấm 950oC /89phút Error! Bookmark not defined.

Hình 4.10: Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp

thấm Error! Bookmark not defined

TÓM TẮT NHIỆM VỤ

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu sử dụng phần mềm thấm C chân không AvaC để thấm C cho một số sản phẩm cơ khí (bánh răng, trục răng) trên lò chân không đơn buồng Turbo2 – Treater M tại Viện Công nghệ

Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ thấm C nói chung và một

số đặc thù của công nghệ thấm C chân không nói riêng Đề tài đã nghiên cứu

mô phỏng quá trình thấm C chân không bằng phần mềm AvaC và xây dựng được quy trình công nghệ thấm C chân không trên thiết bị Turbo2 – Treater

M, xây dựng được mối liên quan giữa chiều sâu lớp thấm và nồng độ %C bề mặt với nhiệt độ và thời gian thấm

Đã tiến hành thấm mẫu và một số sản phẩm là bánh răng, trục răng, bạc xích tải Kết quả kiểm tra sau thấm cho thấy sự tương thích giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực tế Tuy nhiên, để kết quả thực tế sát với kết quả mô phỏng, người nhiệt luyện cần xác định chính xác khối lượng sản phẩm thấm

để tính toán thời gian nâng nhiệt hợp lý Các sản phẩm này sau khi tôi đã đạt

độ cứng và chiều sâu lớp thấm như mong muốn

Thấm C là đưa C vào bề mặt chi tiết (chủ yếu chế tạo từ thép có hàm lượng C thấp) để khi tôi bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai của lõi Nếu đồng thời đưa cả C và N vào thì ta có công nghệ thấm C-N Đây là công nghệ được sử dụng phổ biến để thấm các chi tiết chế tạo từ thép C thấp Có nhiều phương pháp thấm, hiện nay công nghệ thấm C, C-N thể khí đang được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả hơn cả Thấm C trong môi trường áp suất thấp (thấm C áp suất thấp – LPC) hay còn gọi là thấm C chân không là một công nghệ tiên tiến trong các công nghệ thấm C Công nghệ này với ưu điểm sản xuất sạch và tiết kiệm năng lượng, đang được một số nước tiên tiến sử dụng

Với yêu cầu khắt khe về môi trường và tiết kiệm năng lượng, thấm C chân không đang ngày càng được quan tâm phát triển Theo số liệu ở một vài nguồn khác nhau [1, 2], tại thời điểm năm 2000, thị phần của thấm C chân không chiếm khoảng 1-3% và hiện nay con số đó khoảng 10-15% Thị phần thấm C chân không tăng chủ yếu do đầu tư mới hoặc thay thế các công nghệ thấm C lạc hậu khác (thấm C thể rắn, thể lỏng) Nói như vậy để hiểu rằng, muốn thay thế công nghệ thấm C thể khí, công nghệ thấm C chân không cần được nghiên cứu phát triển hơn nữa Tuy nhiên, theo nhận định của một số chuyên gia [3], trong 10 năm tới vì những nguyên nhân như giá năng lượng, vật tư, bảo vệ môi trường, thấm chân không có thể đạt thị phần 30-40%

Mặc dù có những dự báo khả quan cho công nghệ thâm C chân không, nhưng có thể nhận thấy, thấm C thể khí và thấm C chân không là hai công nghệ cạnh tranh nhau và đáng tiếc là nó không hỗ trợ cho nhau Đây là điều không thuận lợi cho sự thâm nhập của công nghệ thấm C chân không

Ở Việt Nam, công nghệ thấm C chân không có thể nói là hoàn toàn mới

mẻ Các cơ sở nhiệt luyện hiện nay sử dụng chủ yếu là công nghệ thấm C thể khí, thấm C-N thể khí Đây là 2 công nghệ thông dụng bởi tính hiệu quả và chi phí đầu tư ban đầu thấp Ở thời điểm hiện tại, chưa thấy một cơ sở sản xuất hay nghiên cứu nào công bố về việc sử dụng công nghệ thấm C chân không Tuy nhiên với yêu cầu về bảo vệ môi trường, tiết kiệm năng lượng, yêu cầu về sản xuất sạch, trong thời gian tới công nghệ nhiệt luyện chân không (trong đó có thấm C chân không) sẽ có cơ hội phát triển

Hiện nay, Viện Công nghệ được trang bị 01 thiết bị nhiệt luyện chân không hiện đại cho phép thấm C chân không Viện là đơn vị đầu ngành trong lĩnh vực nhiệt luyện, vì thế giới thiệu và đưa vào ứng dụng các công nghệ nhiệt luyện tiên tiến là một trong những nhiệm vụ của Viện

Mục đích của đề tài này là bước đầu giới thiệu về công nghệ thấm C chân không được thực hiện trên thiết bị hiện có của Viện, ứng dụng công nghệ này để thấm một số chi tiết máy

Nội dung bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ thấm C, giới thiệu sơ lược về công nghệ thấm C, thấm C chân không

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ thấm C chân không bằng phần mềm mô phỏng quá trình thấm AvaC do hãng IPSEN cung cấp cùng thiết bị

Chương 3: Thực nghiệm thấm C chân không trên thiết bị hiện có để nghiên cứu sự phân bố %C trong lớp thấm

Chương 4: Ứng dụng thấm C chân không và tôi một số sản phẩm để kiểm tra một số tính chất (độ cứng bề mặt, chiều sâu lớp thấm)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM C

1.1 Sơ lược về công nghệ thấm C

Thấm C được tiến hành theo nhiều phương pháp: thấm thể rắn, thể lỏng, thể khí và gần đây là thấm C áp suất thấp (LPC) Trong đó công nghệ thấm thể khí và thấm áp suất thấp là các công nghệ hiện được sử dụng rộng rãi Thực chất công nghệ thấm C chân không là thấm C thể khí với áp suất thấp vài mbar Đây là công nghệ có chất lượng thấm tốt, dễ cơ khí hoá và tự động hoá, ít gây ô nhiễm môi trường và dễ dàng thay đổi các thông số công nghệ

1.1.1 Nguyên lý của quá trình thấm

Quá trình thấm C (hay nói cách khác là quá trình C thâm nhập vào thép) là một quá trình phức tạp Tuy nhiên, dù được thực hiện trong các điều kiện khác nhau (thể rắn, thể lỏng, thể khí hay dưới áp suất thấp), thì quá trình này vẫn có thể tách thành 3 giai đoạn đó là:

1- giai đoạn C ngoài môi trường thấm thâm nhập lên bề mặt vật thấm 2- giai đoạn các phản ứng sinh ra trên bề mặt và

3- giai đoạn C khuếch tán vào bên trong

Mô hình quá trình thấm C (thâm nhập C) vào thép có thể được mô tả như trên hình [4]

Hình 1.1: Mô hình quá trình thấm C

Như vậy để kiểm soát và khống chế quá trình thấm chúng ta phải kiểm soát cả 3 giai đoạn trên Kết quả của bất kỳ một giai đoạn nào cũng ảnh hưởng đến quá trình thấm Tuy nhiên, trong quá trình thấm giai đoạn 1 là quan trọng nhất, nó là khởi nguồn cho các giai đoạn sau

Nguồn C nguyên tử được sinh ra từ hỗn hợp thấm C gồm:

Chất thấm: CO hoặc CnH2n+2

Chất độn: CO , N , H

Có tất nhiều phản ứng xảy ra lên tục trong môi trường khí thấm (theo [4] có khoảng 180 phản ứng) Tuy nhiên 3 phản ứng quan trọng nhất sinh ra các bon nguyên tử Cnt quyết định đến tốc độ vận chuyển C trong môi trường thấm lên bề mặt thép là:

2CO = CO2 + <Cnt> (1)

CnH2n+2 = (n+1)H2 + n<Cnt> (2)

và khi có mặt hydro:

CO + H2 = H2O + <Cnt> (3) Trường hợp <Cnt> tạo thành từ phản ứng (1) và coi nó có hoạt độ bằng với hoạt độ của cacbon trên lớp bề mặt ta có:

<aC> = (aC).e-∆Go/RT

Trong đó: <aC>, (aC) lần lượt là hoạt độ của cacbon trên lớp thấm và trong môi trường thấm

∆G0 là năng lượng tự do của phản ứng ở nhiệt độ T dưới áp suất tiêu chuẩn

Với

(aC) = P2CO/PCO2

trong đó P2CO, PCO2 lần lượt là áp suất riêng phần của CO và của CO2 trong môi trường thấm Vì phụ thuộc vào PCO và PCO2 nên hoạt độ của cacbon trong môi trường thấm (aC) tuân theo cân bằng BOUDOUARD Các bon được hình thành trên bề mặt thép khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm

Sự chênh lệch nồng độ cùng với nhiệt độ thúc đẩy quá trình khuếch tán

C từ bề mặt vào trong tạo thành lớp thấm theo định luật Fick:

dm/dt = - D × dc/dx

Trong đó m là khối lượng các bon khuếch tán vào trong thép [kg, mol],

c là nồng độ các bon [%khối lượng],

t là thời gian [s],

x chiều sâu khuếch tán [cm, m],

D là hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ T

Ở điều kiện cân bằng ta có:

dm/dt = K’ × (cg –cs) = - D× dc/dx K’là hệ số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần khí thấm

cg,là nồng độ các bon ở môi trường khí thấm

cslà nồng độ các bon ở bề mặt tiếp xúc với môi trường khí thấm

40 lần so với ở nhiệt độ 825 oC [5]

Thời gian thấm

Thời gian và nhiệt độ thấm có ảnh hưởng rất lớn đến chiều sâu lớp thấm, về nguyên tắc, chiều sâu lớp thấm tỷ lệ thuận với thời gian và nhiệt độ Khi thấm với nhiệt độ cao, người ta thường chọn thời gian thấm ngắn Khi chọn công nghệ thấm C nên lưu ý một nguyên tắc rằng khi yêu cầu lớp thấm dày nên chọn thấm C nhiệt độ cao, để thời gian không phải kéo dài nhiều Tuy nhiên trong mọi trường hợp không nên yêu cầu lớp thấm > 2mm, bởi vì sẽ mất rất nhiều thời gian và ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật liệu nền

Thành phần môi trường thấm

Thành phần môi trường thấm đóng vai trò quyết định đến hiệu quả của quá trình thấm Chúng ta cần kiểm soát thành phần môi trường thấm để làm sao bề mặt hoà tan được nhiều C nhất đồng thời không được sinh muội

Về cơ bản, có 4 phương pháp chính để tạo ra môi trường thấm:

(1)Nhỏ giọt chất thấm lỏng vào lò thấm, chất lỏng này sau khi vào lò sẽ hoá hơi vào tạo thành môi trường thấm thể khí Trong trường hợp này, thế C (nồng độ %C) trong môi trường thấm được điều chỉnh bằng tốc độ nhỏ giọt

(2) Cấp chất thấm từ một thiết bị chế tạo chất thấm Chất thấm này được chế tạo bằng cách đốt khí thấm (thường thì propan) với một tỷ lệ không khí nhất định để tạo nên chất thấm có hàm lượng %C khoảng 0,35 - 0,45% C

Trước khi vào lò chất thấm này được làm giàu thêm C bằng cách cho thêm

khí propan để nhận được loại khí có nồng độ %C khoảng 0,8 - 0,9% C

(3) Cấp trực tiếp khí thấm và không khí vào lò, lúc này phản ứng cháy

sẽ sảy ra trong lò và tạo thành khí thấm, tỷ lệ giữa khí đốt và không khí phải

xác định để làm sao tạo ra khí thấm tốt nhất

(4) Chỉ cấp khí thấm vào lò đã được hút hết khí, trong trường hợp này

do không có không khí nên không có quá trình oxy hoá xảy ra, quá trình thấm

có thể tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và vì thế sẽ xảy ra nhanh hơn

Nhiều loại khí khác nhau có thể được sử dụng cho quá trình thấm C

như khí nhiệt phân dầu hỏa, benzen hoặc benzen nhiệt phân, đưa trực tiếp

cacbua hyđrô lỏng, khí lò ga, khí thiên nhiên, khí thắp sáng Hỗn hợp khí

được tạo thành từ phân huỷ nhiệt dầu hoả có thành phần: (10-20)% CO +

(50-75)% H2 + (1-10)% CnH2n+2 + 1% CO2 Khí đốt có thành phần 100% CnH2n+2

Thông thường người ta sử dụng chủ yếu là khí mêtan (CH4), Propane

(C3H8) hoặc Butan (C4H10) để chế tạo khí thấm Khí thấm có thể được chế tạo

bằng phản ứng của các loại khí đốt trên với không khí trên một thiết bị riêng

trước khi đưa vào lò thấm (quá trình Endothermic để tạo ra khí thấm Endo)

Trong các loại khí vừa nêu, methane CH4, propane C3H8, butane C4H10

và gần đây là khí acetylene C2H2 (cho công nghệ thấm C chân không) được sử

dụng nhiều nhất

Hỗn hợp khí thấm C nhờ pha trộn các loại khí công nghiệp sửe dụng

thấm C thể khí có thành phần như trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Các loại khí thông dụng khi thấm C thể khí [6]

Thành phần (% thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn)

Dù được thực hiện trên thiết bị nào, chất thấm sử dụng có thể khác

nhau, vật liệu thấm khác nhau và yêu cầu về lớp thấm cũng khác nhau, nhưng

quy trình công nghệ thấm của tất cả các sản phẩm đều dựa trên cơ sở quy

trình công nghệ thấm tổng quát như trên hình 1.2

Quy trình công nghệ tổng quát thể hiện 3 quá trình (1) nung nóng đến

nhiệt độ thấm, (2) giữ nhiệt để thấm, (3) hạ nhiệt

t4 t5 t7 t t«i t3

Thêi gian (giê)

M«i tr−êng nguéi

Hình 1.2: Quy trình thấm C thể khí

Nung nóng là quá trình nung lò và chi tiết đến nhiệt độ thấm, tùy theo đặc điểm của từng loại chi tiết mà ta có thể nung trực tiếp đến nhiệt độ làm việc hoặc phải qua giai đoạn giữ nhiệt trước khi đạt nhiệt độ làm việc Đối với chi tiết phức tạp hoặc chi tiết có chiều dày lớn cần phải đồng đều nhiệt, cần phải giữ tại nhiệt độ T1 thời gian giữ nhiệt là t2 Nhiệt độ này chọn khoảng

800oC, ở nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp chất thấm để bảo vệ tránh quá trình oxy hoá Cần cung cấp một lượng chất thấm đủ để bảo vệ bề mặt mà không tạo ra muội bám dày trên bề mặt chi tiết lượng chất thấm để bảo vệ là Q2

Tuỳ thuộc vào dung tích lò vào thể tích chiếm chỗ của chi tiết mà ta chọn Q2 và t1 cho hợp lý Tiếp đến chi tiết được nung tự do đến nhiệt độ thấm TThấm Trong suốt quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ thấm, luôn duy trì lượng chất thấm là Q2

Tổng thời gian nung chi tiết lên đến nhiệt độ thấm tuỳ thuộc vào công suất lò, chiều dầy chi tiết và mức độ phức tạp của chi tiết tùy theo yêu cầu công nghệ

Quá trình giữ nhiệt bắt đầu khi chi tiết đạt nhiệt độ thấm TThấm đây chính là quá trình thấm Quá trình thấm này được chia thành 3 giai đoạn là bảo vệ, bão hòa và khuếch tán Tương ứng với mỗi giai đoạn ta có thời gian là t3, t4, t5 và lượng chất thấm Q3, Q4, Q5

Giai đoạn bảo vệ, ở nhiệt độ thấm TThấm khá cao, quá trình oxy hoá xảy

ra mạnh, tốc độ cung cấp chất thấm phải đủ để bảo vệ bề mặt mà không tạo ra muội bám lên trên bề mặt chi tiết ngăn cản quá trình tiếp xúc chất thấm với bề mặt chi tiết

Giai đoạn bão hoà là giai đoạn cung cấp chủ yếu lượng cácbon vào trong lớp thấm Trong thời gian này quá trình khuếch tán đồng thời xẩy ra và như thế giai đoạn này quyết định hiệu quả của quá trình thấm (chiều sâu lớp thấm, nồng độ %C bề mặt) Trong thời gian này cần phải cung cấp chất thấm Q4 đủ

để tạo thành lớp thấm C trên bề mặt chi tiết, thuận lợi cho quá trình khuếch tán vào sâu (Gradient hàm lượng càng lớn, thì tốc độ khuếch tán càng nhanh), tuy nhiên cũng không được quá nhiều dễ tạo muội ngăn cản quá trình hình thành lớp thấm bão hoà

Giai đoạn khuếch tán nhằm khuếch tán C bề mặt vào sâu phía trong tạo chiều sâu lớp thấm và giảm sự quá tập trung C trên bề mặt Trong thời gian này, để giữ cân bằng hàm lượng C, người ta vẫn đưa chất thấm Q5 vào lò nhưng với tốc độ nhỏ hơn Q4 để giảm sự bão hoà ở bề mặt đồng thời không xảy ra hiện tượng thoát C Thời gian khuếch tán không được quá dài (so với thời gian thấm) để không làm nghèo cacbon trên bề mặt

Kết thúc quá trình giữ nhiệt là quá trình hạ nhiệt, chi tiết thấm có thể được thường hóa (nguội tự do ngoài không khí), hoặc tôi trong dầu, nước hoặc hạ nhiệt cùng lò đến một nhiệt độ T2 nhất định rồi làm nguội nhanh (khí nén, dầu, nước)

Trong quá trình hạ nhiệt và giữ nhiệt để tôi, nhằm mục đích bảo vệ bề mặt, tránh thoát C và làm sạch bề mặt, một lượng khí thấm Q8 sẽ được cấp Qua nhiều giai đoạn với nhiệt độ, thời gian khác nhau, thành phần và lượng chất thấm cung cấp cũng khác nhau Trong từng giai đoạn, lượng chất thấm cấp vào lò phải đảm bảo đủ để tạo môi trường thấm hợp lý (giai đoạn bão hoà cần nhiều C, giai đoạn bảo vệ và khuếch tán vừa đủ để không thoát C), không được tạo muội như thế vừa tiết kiệm vừa đảm bảo quá trình thấm hiệu quả

1.2 Thấm C chân không - LPC

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ thấm C chân không

Nguyên lý thấm C áp suất thấp hoàn toàn giống thấm C thể khí, sự khác biệt duy nhất là quá trình thấm được thực hiện trong môi trường áp suất thấp chỉ vài mbar Vì được thực hiện trong môi trường chân không, không có oxy, các phản ứng phụ xảy ra ít hơn, bề mặt lại sạch nên giai đoạn 1 và 2 (mô

tả ở phần 1.1.1.) xảy ra dễ dàng hơn, thúc đẩy quá trình thấm nhanh hơn

Theo [7], lý do để thấm C chân không hấp dẫn các nhà sản suất bởi quá trình này có những đặc điểm chính sau đây:

1) Có thể thấm ở nhiệt độ cao do đó giảm được thời gian thấm

2) Tránh được sự oxy hóa trên biên giới hạt

3) Kiểm soát chiều sâu lớp thấm dễ dàng

4) Dễ dàng thấm những chi tiết có hình dáng phức tạp như lỗ kín

5) Thân thiện môi trường

Khi lần đầu tiên thấm C chân không được đưa vào sử dụng ở Mỹ trong những năm 70, ý tưởng cơ bản là bảo vệ môi trường khi chỉ sử dụng propan như là khí thấm thay cho khí cabondioxit Với công nghệ này, áp suất thường

là vài trăm mbar với mục đích là lưu thông khí thấm bằng quạt Hạn chế của quá trình này là khả năng kiểm soát C đồng đều về chiều sâu lớp thấm và hiện tượng tạo muội [8,9] Vào những năm 80, những nhà chế tạo ôtô Pháp với ý tưởng sử dụng áp suất thấp hơn để hạn chế muội Trong những năm 90, người

ta bắt đầu sử dụng acetylen để thay thể propan

Trong quá trình thấm chân không chỉ có khí thấm hydrocacbon như methan CH4, propan C3H8, ethylen C2H4 hay acetylene C2H2 được đưa trực tiếp vào lò mà không có bất kỳ một loại khí oxy hóa nào có mặt Nguồn cung cấp C cho quá trình thấm là trực tiếp từ C nguyên tử sinh ra khi các khí thấm này ở nhiệt độ thấm phân hủy thành C nguyên tử và H2 Ngoài ra, H2 có tác dụng hoàn nguyên các oxid trên bề mặt thấm giúp cho C thâm nhập vào bề mặt dễ dàng hơn

Trong công nghệ thấm C thể khí thông thường, quá trình thấm C được thực hiện dưới điều kiện cân bằng động học và hoạt tính C được đo bằng các sensor như sensor thế các bon (carbon potential) Ngược lại, khi thấm C chân không, quá trình thấm C được thực hiện trong điều kiện không cân bằng và không có O2 nên không kiểm soát quá trình thấm bằng thế các bon [8]

Thông số quan trọng trong trường hợp này là mật độ dòng khối lượng

C (carbon mass flow density - mc) Mật độ này được định nghĩa là lượng C thâm nhập vào vật liệu thấm trên một đơn vị diện tích và thời gian (g/m2.h)

So với thấm C thể khí, công nghệ thấm C chân không có mật độ dòng khối lượng C cao ngay khi bắt đầu quá trình thấm Thông thường ở mật độ dòng khối lượng C mc trung bình ở nhiệt độ thấm 950oC là khoảng 95 g/m2.h [10] Để rút ngắn thời gian thấm, người ta có thể tăng mật độ dòng truyền chất này lên 100-200 g/m2.h, thậm chí ở những giai đoạn đầu của quá trình thấm

có thể tăng mc lên đến 250 g/m2.h [11] Khi mật độ dòng khối lượng lớn sẽ tạo ra được gradient nồng độ cao, do đố tốc độ khuếch tán sẽ nhanh hơn Tuy nhiên, lợi thế này chỉ phát huy tác dụng ban đầu ngay trên bề mặt thấm và như thế nó chỉ có tác dụng khi mà chiều sâu lớp thấm nhỏ Khi chiều sâu lớp thấm lớn, sự hình thành lớp thấm phụ thuộc nhiều vào quá trình khuếch tán thì lợi thế này không đáng kể Trong trường hợp này, tăng nhiệt độ thấm là lợi thế của công nghệ thấm C chân không (sẽ trình bày ở phần tiếp theo)

1.2.2 Các thông số cơ bản của quá trình thấm C chân không

Các thông số của quá trình thấm bao gồm tốc độ dòng khí thấm (lưu lượng khí thấm), nhiệt độ thấm, áp suất khí, và thời gian thấm (thời gian giai đoạn thấm và thời gian giai đoạn khuếch tán)

độ và thời gian thấm như trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Khả năng thô hạt phụ thuộc nhiệt độ và thời gian thấm

900 oC > 8 giờ > 8 giờ > 8 giờ > 8 giờ

940 oC 4 giờ > 8 giờ > 8 giờ > 8 giờ

Như vậy có thể thấy mặc dù công nghệ thấm C chân không cho phép thấm C ở nhiệt độ cao (thiết bị nhiệt luyện chân không thường cho phép làm việc đến 1350 oC), nhưng nhiệt độ này bị hạn chế bởi khả năng thô hạt làm giảm cơ tính vật liệu Để có thể phát huy tối đa lợi thế của công nghệ thấm C chân không, nhiều hãng đã nghiên cứu để đưa ra vật liệu phù hợp với công nghệ này

Áp suất thấm

Khi mới phát minh ở Mỹ vào những năm 60 của thế kỷ trước [6], khí thấm được sử dụng là methan (CH4) với áp suất thấm khoảng 200- 500mbar Methan ở nhiệt độ thấm với áp suất thấp vài mbar chỉ phân hủy 3% [10] Để methan phân hủy đủ cho quá trình thấm cần áp suất lớn hơn 300mbar Với áp suất này, quá trình thấm sinh ra muội làm cản trở quá trình hấp thụ C lên bề mặt

Để tránh hiện tượng này, công nghệ thấm C dưới áp suất thấp (<20mbar) ra đời Dưới áp suất thấp ở nhiệt độ thấm sự phân hủy hydrocacbon xảy ra nhanh chỉ vài giây, C đủ thời gian để phản ứng với bề mặt nhưng không đủ thời gian để tạo muội Nhờ thế, quá trình thấm xảy ra dễ dàng và đồng đều hơn, tính lặp lại sẽ cao hơn Hiện nay, thấm C chân không được thực hiện trong khoảng áp suất khoảng 10-1000Pa (0,1-10mbar) [6]

Đầu tiên phải kể đến là khí methan (CH4) Từ bảng 1.3, có thể thấy rằng, khí methan không phân hủy với điều kiện đã nêu trừ khi có sự trợ giúp của plasma Như vậy, trong điều kiện đã nêu, metan có thể coi như là khí trơ cho quá trình thấm Tiếp đến là propan cũng được sử dụng khá phổ biến trong những năm 80, 90 của thế kỷ trước Quá trình thấm này mặc dù cho kết quả rất khả quan nhưng vẫn bộc lộ một số nhược điểm như hiện tượng tạo muội, kết quả là khả năng thấm không đồng đều nhất là thấm các lỗ hoặc khi mật độ xếp cao vì thế tính lặp lại thấp Ethylen C2H4, acetylene C2H2 là những khí thấm được sử dụng tiếp theo thay thế cho methan và propan Kết quả sử dụng

2 loại khí này là khả quan nhất, tuy nhiên khi sử dụng ethylen C2H4 vẫn còn hiện tượng muội

Năm 1979, các nhà khoa học Nga là Krilov, Yumatov, và Kubatov phát triển công nghệ thấm C chân không sử dụng acetylene với áp suất 9-931 mbar Acetylen đã chứng minh khả năng thấm tuyệt vời khi thấm những lỗ sâu, lỗ kín Nhược điểm chính của chất thấm này là điều kiện vận chuyển và khả năng bị oxy hóa trong quá trình vận chuyển

1.2.3 Quy trình công nghệ thấm C chân không

Quá trình thấm C chân không được tiến hành như sau: sản phẩm được cho vào lò và hút chân không (khoảng 10pa) sau đó được hồi khí N2 và nung đối lưu đến khoảng 850oC, nung trong chân không đến nhiệt độ thấm, đưa khí thấm vào lò và tiến hành thấm với thời gian xác định Sau khi thấm, sản phẩm được làm nguội Quá trình làm nguội có thể là tôi bằng khí nén với áp suất cao, thường hóa bằng khí nén áp suất thấp, một số lò 2 buồng cho phép tôi trong dầu

Kiểm soát quá trình thấm cacbon chân không khó hơn so với thấm thể khí Quá trình thấm thể khí được thực hiện trong điều kiện cân bằng nhiệt động học và hoạt tính cabon được đo bằng các sensor Hoạt tính cần thiết của cacbon trên bề mặt thép được điều chỉnh bằng cách cho thêm những khí thấm mới vào Trong khi đó, thấm cacbon chân không được thực hiện ở trạng thái không cân bằng cho nên hoạt tính cacbon không đo được bằng sensor mà được kiểm soát bằng thành phần khí thấm Khí thấm được sinh ra bởi rất nhiều các phản ứng vì thế rất khó để thực hiện

Một quá trình thấm C chân không với nhiệt độ và áp suất đặc trưng được thể hiện trên hình 1.3 [2, 9]

Hình 1.3: Chu trình thấm C chân không điển hình

Có thể thấy, quá trình thấm C là những chu kỳ lặp lại của giai đoạn bão hòa và khuếch tán Ở giai đoạn bão hòa, khí thấm được cấp vào lò với một áp suất nhất định ở vài mbar, ở điều kiện này các bon nguyên tử được phân hủy nhanh chóng làm bão hòa austenit và quá trình cấp khí thấm dừng lại, quá trình hút chân không bắt đầu Đây chính là giai đoạn khuếch tán C vào trong

và như thế %C bề mặt giảm Thấm kiểu xung như trên không làm cho austenit quá bão hòa nên tránh được hiện tượng sinh ra carbide cản trở quá trình khuếch tán Quá trình thấm xung còn làm thay đổi áp suất liên tục làm cho quá trình thấm động hơn vì thế thấm đồng đều hơn, đặc biệt rất hiệu quả khi

hệ số chất lớn hoặc thấm nhưng lỗ chết Đây cũng là ưu điểm của thấm C chân không

Chiều sâu lớp thấm được kiểm soát bởi thời gian các giai đoạn bão hòa

và khuếch tán Sau khi đạt được chiều sâu lớp thấm mong muốn, sản phẩm được làm nguội cùng lò xuống nhiệt độ thích hợp để làm nguội tiếp theo Tùy theo vật liệu và yêu cầu người ta có thể làm nguội bằng khí nén (thường hóa), tôi bằng khí nén (N2, He) áp suất cao 12-20bar hoặc làm nguội bằng dầu

1.2.4 Thấm C chân không sử dụng khí thấm Acetylen

Hiện nay, 95% khí thấm được sử dụng trong công nghệ thấm C chân không là propan và acetylene Vấn đề chính khi thấm bằng propane là hiện tượng tạo muội ngăn cản quá trình thấm C, vì thế nên propane ngày càng sử dụng ít

Trong 5 năm trở lại đây, acetylene C2H2 được sử dụng làm chất thấm phổ biến nhất [10] Lý do của thực tế này là do acetylene tạo ra được nhiều C hơn (mc của acetylene nhiều hơn 10% so với propan), cũng như khả năng thấm đồng đều và đặc biệt khi thấm với áp suất <10mbar thì hoàn toàn không tạo ra muội [2, 15] Sử dụng khí acelyten ngày một tăng còn vì ưu điểm của loại khí này là có khả năng vận chuyển C đến các bề mặt lớn ngay cả khi bề mặt có hình dạng phức tạp như những lỗ dài kín [9]

Khi thấm C chân không với khí thấm C2H2, khí acetylene này phân hủy thành C và H2 theo phản ứng sau [8, 15]:

2Fe + C2H2 = 2 Fe(C) + H2

Có thể thấy, khi sử dụng acetylen trong quá trình thấm không tạo ra metan mà tạo ra ngay cacbon và hydro tham gia vào quá trình thấm Các bon được phân hủy sẽ hấp thụ ngay vào bề mặt thép, kết quả là bề mặt thép được bão hòa C với hàm lượng %C max hòa tan được trong austenit ở nhiệt độ thấm Quá trình này xảy ra rất nhanh và nhanh hơn nhiều so với C khuếch tán vào bên trong Vì thế có thể nói quá trình thấm C chân không là quá trình được kiểm soát bởi quá trình khuếch tán, nghĩa là phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian

Một trong những công nghệ thấm C chân không sử dụng acetylene làm chất thấm là công nghệ AvaC của công ty IPSEN (CHLB Đức) Quy trình công nghệ thấm tương tự như quy trình thấm C chân không tổng quát (hình 1.3.)

Quá trình thấm được lập trình bằng chương trình mô phỏng AvaC Simulation AvaC là một quá trình đã được kiểm chứng để thấm cacbon chân không với khí acetylen Một trong những ưu điểm của quá trình này là sự có mặt của cacbon cao đảm bảo thấm một cách đồng nhất ngay cả những chi tiết

có hình dáng phức tạp và hệ số chất lớn ngay cả với những lỗ chết

Quá trình thấm AvaC bao gồm phun acetylen vào trong giai đoạn thấm (bảo hòa) và khí khác như là hydro nito cho quá trình khuếch tán Trong quá trình thấm, acetylen được cung cấp vào trong lò và sẽ chỉ phân hủy khi tiếp xúc với bề mặt kim loại, như thế sẽ cho phép thấm đồng đều Đồng thời, với

áp suất thấp đã hạn chế hoàn toàn quá trình tạo muội

Quá trình thấm C chân không sử dụng acetylene làm chất thấm hoàn toàn giống các quá trình thấm C chân không sử dụng các loại khí khác Quy trình thấm được thực hiện như trên quy trình thấm C chân không tổng quát (hình 1.3)

Theo hình 1.3, khi chi tiết đạt được nhiệt độ thấm, quá trình thấm được bắt đầu bằng việc cung cấp acetylen vào lò với áp suất vài mbar (khoảng 4mbar cho quy trình AvaC) Sự vận chuyển cacbon rất hiệu quả đến mức giới hạn cacbon hòa tan trong austenit đạt được chỉ sau vài phút (khoảng 4-6 phút) [9] Lúc này, quá trình bảo hòa C phải dừng lại bằng việc ngừng cấp khí và quá trình hút chân không lò được bắt đầu Đây bắt đầu cho bước thứ 2, hay còn gọi là bước khuếch tán Trong thời gian này, cacbon khuếch tán vào phía trong thép, và như thế, cacbon bề mặt giảm cho đến lượng % yêu cầu Quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy cho đến khi đạt chiều sâu lớp thấm Như vậy quá trình thấm C – AvaC là quá trình thấm xung bao gồm các bước bảo hòa C

và khuếch tán C thay nhau Điều này không làm cho austenit quá bảo hòa mà vẫn duy trì một gradient nồng độ cho quá trình khuếch tán

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THẤM C CHÂN KHÔNG

TRÊN THIẾT BỊ Turbo 2-Treater M

2.1 Giới thiệu chương trình AvaC Simulation

Chương trình AvaC Simulation trong phần mềm Vacu-Prof 4.0 cho phép thiết kế một quá trình thấm hoàn hoàn toàn tự động Quá trình thấm được hình thành bằng chương trình AvaC là một quá trình thấm được chứng minh là quá trình thấm C chân không sử dụng acetylene làm chất thấm

Quá trình thấm AvaC được điều khiển bằng các thông số đó là nhiệt độ, lưu lượng khí, áp suất khí và thời gian các bước bảo hòa và khuếch tán Số lượng và thời gian của các bước này phụ thuộc vào yêu cầu đặt ra về chiều sâu lớp thấm

Sau khi vào phần mền AvaC Simulation, bảng các thông số sau đây được hiển thị (hình 2.1)

Hình 2.1: Các thông số để mô phỏng quá trình thấm

Đây là các thông số cơ bản cần phải biết khi lập trình, cụ thể

- Temperature: Nhiệt độ thấm

- C-level surface: %C bề mặt

- Core carb ct: %C của vật liệu thấm

- Carburising depth (CD): Chiều sâu lớp cần thấm mm

- Carbon content (CD): %C được tính cho chiều sâu lớp thấm

- Charge surface: m2 diện tích bề mặt thấm

Trong các thông số trên, hai thông số công nghệ chính là nhiệt độ thấm

và nồng độ %C bề mặt Diện tích bề mặt phụ thuộc vào số lượng, kích thước

chi tiết thấm Thông số này không chỉ là thông số quá trình thấm mà còn quan trọng để người lập trình điều chỉnh thời gian nung đến nhiệt độ thấm cho phù hợp với thực tế

Sau khi các thông số trên được nhập, khởi động chương trình, phần mềm tự động lập trình các bước của quá trinh thấm như sau (hình 2.2 ):

Hình 2.2: Các bước của quá trình thấm

Cần lưu ý thời gian các bước đầu (1-4) phụ thuộc vào thời gian nâng nhiệt, tổng thời gian này mặc định trong chương trình là 75 phút Thời gian các bước cuối cùng (thời gian làm nguội từ nhiệt độ thấm), tương tự như các bước đầu, phụ thuộc vào phương pháp làm nguội sau thấm và được mặc định

là 37 phút Như vậy thời gian thấm thực tế là thời gian tổng trừ đi thời gian nung nóng và làm nguội (112 phút) Tổng thời gian thực tế thường khác với tổng thời gian lập trình (vì phụ thuộc vào khối lượng sản phẩm), tuy nhiên thời gian thấm thì không thay đổi

2.2 Mô phỏng quá trình thấm trên phần mềm AvaC Simulation

Đối với một vật liệu xác định, sự hình thành lớp thấm phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ C trong môi trường thấm Đây là quá trình khuếch tán, thời gian thấm càng dài chiều sâu càng lớn Tương tự, nhiệt độ càng cao khuếch tán càng nhanh Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình thấm phụ thuộc vào nồng độ C trong môi trường thấm Ở điều kiện biên, nồng độ này chính là %C trên bề mặt

Để biết được hiệu quả của nhiệt độ và %C bề mặt, chúng ta sử dụng phần mềm để mô phỏng quá trình thấm

Quá trình mô phỏng dựa vào các thông số sau:

2.2.1 Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 910 o C

a) Các bon bề mặt %Cp = 0,8%

- Chiều sâu lớp thấm 0,8mm:thời gian thấm là 292-112 = 180 phút (3h)

- Chiều sâu lớp thấm 1,2 mm: thời gian thấm là 555 – 112 = 443 (7h 13 phút)

- Chiều sâu 1,8 mm: thời gian thấm là 2280 -112 = 2168 phút (13h 6 phút)

b) Các bon bề mặt %Cp = 0,9%

- Chiều sâu 0,8mm: thời gian thấm là 250 -112 = 138 phút (2h 18) phút

- Chiều sâu 1,2 mm: thời gian thấm là 580 – 112 = 468 phút (8h 8 phút)

- Chiều sâu 1,8 mm: thời gian thấm là 1767 - 112 = 1645 phút (27h 25 phút)

c) Các bon bề mặt %C = 1,0%

- Chiều sâu 0,8mm: thời gian thấm là 231 – 112 = 119 phút (1h59’)

- Chiều sâu 1,2 mm: thời gian thấm là 574 – 112 = 462 phút (7h42’)

- Chiều sâu 1,8 mm: thời gian thấm là 1661 – 112 = 1549 phút (25h49’)

2.2.2 Ảnh hưởng của Cp đến thời gian thấm với nhiệt độ thấm 950 o C

a) Các bon bề mặt %C = 0,8

- Chiều sâu 0,8mm: thời gian thấm là 215-112 = 103 phút (1h43’)

- Chiều sâu 1,2mm: thời gian thấm là 374 – 112 = 262 phút (4h22’)

- Chiều sâu 1 ,8mm:thời gian thấm là 892 – 112 = 780 phút (13h)

b) Các bon bề mặt %Cp = 0,9%

- Chiều sâu 0,8mm: thời gian thấm là 201- 112 = 89 phút (1h29’)

- Chiều sâu 1,2mm: thời gian thấm là 342 -112 = 230 phút (3h50’)

- Chiều sâu 1,8mm: thời gian thấm là 788 -112 = 676 phút (11h16’)