Chương 3: Hóa bền bề mặt

Bàigiảng Công nghệ xửlý nhiệt và bề mặt (Heat and Surface Treatment Technology) Đại học Bách Khoa Hà Nội Chương 3: Hóa bền bề mặt Tôi bề mặt Nguyên lý chung: Nung nóng BM nhanh đếnT0 tôi lõi vẫn nguội nguội nhanh tiếp theo BM được tôi, lõi vẫn mềm Hóa nhiệt luyện

Nguyên lý:

Chương 3 HÓA BỀN BỀ MẶT

3.1 Tôi bề mặt

Nguyên lý chung: Nung nóng BM nhanh đếnT0tôi  lõi vẫn

nguộinguội nhanh tiếp theoBM được tôi, lõi vẫn mềm

3.1.1 Tôi cảm ứng

Vật dẫn có dòng điện đi qua tạo ra từ trường biến thiên

chi tiết được đặt trong từ trường đó sẽ xuất hiện dòng điện

cảm ứng trên bề mặt, có cùng tần số nung nóng nhanh bề

mặt chi tiết đến T0tôi

Trong đó:

ρ − đιệν trở sυấτ (Ω.cm); μ− Độ từ thẩm (gaus/ơcstεt) ;

f­ tần số dòng

­ Dùng dòng điện có tần số hàng nghìn đến hàng chục

vạn Hz chiều sâu nung mỏng

Đặc điểm

­Đặc điểm: Mật độ dòng điện xoáy (Fuco) phân bố không

đều trên tiết diện chi tiết, chủ yếu tập trung ở bề mặt với

chiếu sâu 

­ Mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không đều trên tiết

diện chi tiết

cm

f ,

5030









• Chiều sâu lớp tôi = 20% tiết diện

• Chiều dày lớp tôi bánh răng : 0.2­.28m ( m­ mô đun răng)

• Chi tiết lớn: chiều dày lớp tôi : 4­5mm  tần số máy phát không cao (2500­8000Hz; Công suất 100kW)

• Chi tiết nhỏ : chiều sâu lớp tôi: 1­2mm Tần số máy phát cao (66.000­250.000Hz; Công suất vừa 50­100kW))

(a) Sơ đồ nung cảm ứng (b) Tôi khi nung toàn bộ bề mặt (c) Tôi - nung liên tục

Vòng cảm ứng :

­ Bộ phận gây ra dòng cảm ứng

Hình dạng phù hợp với BM chi tiết, khoảng

cách với chi tiết nhỏ ( giảm tổn hao): 1.5­5mm

­ Vật liệu bằng ống đồng, rỗng

• Các phương pháp tôi

1 Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt chi tiết

2 Nung nóng và làm nguội từng phần riêng biệt

3 Nung nóng và làm nguội liên tiếp

• Đặc điểm của thép tôi cảm ứng

­ Thép tôi cảm ứng: %C 0.35­0.55 , thép C hay HK thấp ( độ thấm tôi thấp)

­ Tốc độ nung nhanh nhiệt độ chuyển biến cao ( hơn 100­200 0C)

­ Thời gian chuyển biến ngắn , hạt As nhỏ mịntôi M nhỏ mịn

­ Trước khi tôi BM : NL hóa tốt

Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng

Lõi: tổ chức X ram (25­30HRC)

Bề mặt: M kim nhỏ mịn (50­58HRC); chịu ưs

dư nén ( 800MPa)  nâng có giới hạn mỏi

Bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt Lõi có độ dai va đập và độ dẻo cao

Bề mặt có khả năng chống mỏi tốt

Tổ chức:

Cơ tính:

 các chi tiết thường sử dụng tôi cảm ứng: trục, răng… Tổ chức lõi răng bánh răng

GAZ1 ở trạng thái làm việc, X500- Tôi cao tần

Thép 35Cr (VN) ; SCr435 (JIS) ; 5135 ( Mỹ)

Tổ chức từ bề mặt vào lõi của TQ1 ở trạng thái làm việc, X500 – Thấm cacbon

Thép 18CrMnTi (VN); 20 CrMnTi (TQ)

Tôi cảm ứng (… )

Ưu điểm:

­ Năng suất cao

­ Chất lượng tôt

­ Dễ dạng cơ khí hoá, tự động hoá

Nhược điểm:

­ Khó thực hiện với các chi tiết hình dáng phức tạp

3.1.2.Tôi ngọn lửa

­Dùng ngọn lửa ôxy­Axêtylen ; T0=30000C

­ Nung nhanh BM

­ Làm nguội chi tiết bằng vòi phun hay nhúng vào môit trường tôi

Nhược điểm:

­Dễ bị chảy bề mặt

­ Năng suất thấp

­ Khó tự động hóa

 Là quá trình bão hoà một hay nhiều nguyên tố vào bề mặt

thép nhờ khuyếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường

bên ngoài ở nhiệt độ thích hợp làm biến đổi tổ chức và tính

chất theo mục đích

• Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ

bền mỏi cho chi tiết

• Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu

Mục đích:

Lớp thấm

Lớp nền

Mẫu thấm Nitơ lên thép SKD61

3.2 Hoá - nhiệt luyện

Các giai đoạn trong quá trình

• Giai đoạn phân hoá

• Giai đoạn hấp phụ

• Giai đoạn khuyếch tán

Các yếu tố ảnh hưởng

Ảnh hưởng của nhiệt độ Ảnh hưởng của thời gian

T=const

Thời gian

D = D o .e-(Q/kT)

x = k.τ1/2

Do­ hằng số kt (cm2/s)

Q­ hoạt năng kt (cal/mol)

R­ hằng số khí (cal/mol.độ)

VD: D của C trong As tăng 7 lần khi

T tăng từ 925­11000C

k là hệ số; τ − thờι gιαn Τăng thờι gιαn hιệυ qυả ít

* Nâng cao T thấm  hiệu quả, nhưng phải tránh lớn hạt

Nhiệt độ

3.2.1 Thấm C

1 Đ/n: Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,1­0,25%C) + tôi và ram thấp  bề mặt có độ cứng cao, lõi dẻo dai

Mục đích:

­ làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn, chịu mỏi tốt (HRC ~ 60­64)

­ lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 30­40), chịu va đập

2 Yêu cầu đối với lớp thấm:

­ Bề mặt: ~ 0,8­1,0%C, tổ chức sau nhiệt luyện là M ram và cacbit nhỏ mịn phân tán

­ Lõi: tổ chức hạt nhỏ, M kim nhỏ mịn (không có Ferit tự do)

Độ cứng HRC

Thấm C áp suất thấp (Movie)

Lõi (X500)

Lớp thấm C trên bánh răng làm bằng thép 25CrMnTi, trạng thái cân bằng (X50)

Vùng bề mặt ( X500)

3 Nhiệt độ thấm

­ Trên AC3 hoàn toàn As ( 900­9500C

­Thép C thường thấm ở T ≈ 9000C

­ Thép HK ( có yếu tố giữ nhỏ hạt) T ≈920­9500C

4 Thời gian thấm

­ Phụ thuộc vào chiều sâu lớp thấm: thường (0.1­

0.15)d d­ đường kính chi tiết; thường từ 0.5­1.8mm

­ Phụ thuộc và tốc độ thấm : V lỏng > V khí > V rắn

VD: thể rắn : 0,1mm chiều sâu/1h nung giữ

thể khí: 0,2mm chiều sâu/1h nung giữ

 Thể rắn: 80­95% than gỗ + Na2CO3, hoặc Ba CO3 (xúc tác)

Phản ứng: 2C + O2 2CO ( khi thiếu ôxy)

2CO  CO2+ Cngtử

Cngtử khuyếch tán vào b/m thép (nồng độ tăng dần) Tác dụng của xúc tác:

Ba CO3 BaO + CO2

CO2+ Cthan 2CO 2CO  CO2 + Cnguyên tử b/m thép Nhược điểm : +Bụi

+ %C : 1,2­1,3

 Thể khí:

Thành phần: CO 95­97%; CH4­ 3­5 % ( khí đốt

thiên nhiên)

CH4 2H2+ Cnguyên tử

Ưu điểm:

+ %C : 0,8­ 1,0

+ dễ cơ khí hoá và điều chỉnh (dùng dầu hoả, khí

gas)

 Thể lỏng ( ít dùng)

Các hỗn hợp khí thường dùng hiện tại:

• Sản phẩm phân hủy dầu hỏa ở nhiệt độ thấm cacbon thể khí có thành phần như sau:

(10 ­ 20)%CO + (50 ­ 75)%H2+ (1 ­ 10)%CnH2n+ 1%CO2+ các khí khác

• CnH2n+2, CnH2n Đi kèm với với khí cung cấp cacbon là khí điều khiển và khí độn như CO2,

H2, N2…( khí Gas)

• Hỗn hợp Metanol + toluen

• Khí endo được tạo ra từ khí tự nhiên với thành phần gồm 90% CH4+ 5%C2H6+ 5%N2

( các nước CN phát triển)

6 Nhiệt luyện sau thấm:

 nhất thiết phải Tôi + Ram

Tôi trực tiếp :

Sau thấm  hạ nhiệt độ đến 850­860 0C  tôi

Ưu điểm : BD nhỏ

 Tôi 2 lần :

Lần 1: cho lõi  T> Ac3: 880­9000C

Lần 2: T> A1 : 760­7800C

Nhược điểm : BD lớn ( do nung nhiều lần)  ít dùng

áp dụng cho thép C và HK có yêu cầu cao về cơ tính

 Tôi 1 lần :

Nhiệt độ tôi trung gian cho cả bề mặt và lõi:

yêu cầu độ cứng b/m: T= 820­8500C yêu cầu độ cứng lõi : T= 860­8800C

 Ram: 180­2000C = 1­1,5 h

So sánh: tôi bề mặt thấm C

b/m 56­60HRC 60­62 HRC lõi 15­20 HRC 30­40 HRC

b.Thấm Ni tơ:

1 Đ/n:bão hoà Nitơ vào bề mặt thép nâng cao độ cứng , tính chống mài mòn ( mạnh hơn C), tạo ra ứng suất dư nén, chống rỉ tốt

Chất thấm và các quá trình xảy ra: sử dụng khí NH3

2NH3 3H2+ 2Nng.tử

Nng.tử+ Fe Fe(N)

Nng.tử+ Fe  ()Fe2­3N,(’)Fe4N

Nhiệt độ thấm:

480­6500C

Tổ chức lớp thấm thấm:từ ngoài vào: (ε + γ’), γ’, (γ’ +

α), α + lõi thép (xoocbit ram);

2 Đặc điểm của lớp thấm N:

Nitrit với độ cứng rất cao, nhỏ mịn (phân tán): 65­70 HRC 

sau thấm N không phải nhiệt luyện

 ’ - Fe 4 N

 - Fe 2-3 N



’



Core

Lớp thấm Nitơ trên thép SKD11, với lưu lượng khí thấm

60 (l/h) – 1 giai đoạn thấy xuất hiện lớp trắng(5μm)

Lớp trắng có thể là pha γ' (có thể cả pha ε) Do γ’(Fe4N)

và ε(Fe2­3N) là các pha cứng nên khả năng chịu mài mòn cao nhưng giòn  không mong muốn

Q= 60l/h ­ hai giai đoạn (trong 8h) với độ phân

hủy khác nhau lớp trắng mỏng đi rõ rệt

2 Đặc điểm lớp thấm N:

 Nitrit với độ cứng rất cao, nhỏ mịn (phân tán): 65­70 HRC

sau thấm N không phải nhiệt luyện

 Thời gian thấm lâu;

T=5200C,  = 24 h  = 0,25-0,3 mm

• Chỉ đạt được lớp thấm mỏng (0,05­0,5mm);

• Sau thấm không tôi mà nguội chậm đến 2000C;

• Lớp thấm giữ được độ cứng cao đến 500 0C;

• Thép chuyên dùng thấm N (Cr,Mo, Al)­ 38CrMoAlA

Heating resistance NH3, CO2,N2

Air

cooling

Exhaust fumes

N2

CO2

25%

30%

5%

50%

Heat up Nitriding Cooling down

Qui trình tham khảo của công ty

Công dụng: chi tiết cần độ

cứng và tính chịu mài mòn

rất cao, làm việc ở nhiệt độ

cao: 500 ­ 6000C

3.2.3 Thấm C-N:

b/m thép  nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn

Tthấm  5600C  chủ yếu thấm N

4 Thấm C-N thể lỏng: độc, ít dùng

Thành phần: NaCN, KCN  chất thấm

NaCl, Na2CO3pha loãng

T0C thấp: 50% NaCN + Na2CO3, NaCl

Hoặc NaCN+ KCN tỷ lệ 1:1

 T0C cao: < 30% hoặc 10% NaCN hoặc

KCN

5 Thấm C-N thể khí:

So với thấm C thể khí có ưu điểm hơn hẳn:

• dùng chung thiết bị với thấm C thể khí ( thêm vào 5­10% NH3)

• tổ chức lớp thấm Các bit­Nitrit Fe3(C,N)

• ( 60­65HRC ), độ bền uốn tăng 20­30%, độ dai

va đập và chống mài mòn tăng 1,5 lần

•lớp thấm mỏng hơn thấm C   ngắn hơn

• không tạo muội (NH3)  tăng tốc độ thấm ( thấm ở 840­860 0C  9300C thấm ) Sau thấm : Tôi (trực tiếp )+ ram

I

II

III

•(vùng I) có hàm lượng N và C cao nhất : cacbit và nitơrit,

astenit dư và mac tenxit

•(vùngII) : dung dịch rắn của N và các NTHK+ lượng As dư

khá lớn và M

Tổ chức của lớp thấm C-N

Lớp thấm C-N trên thép 20CrMo dùng làm nêm neo sau

tôi X200

Sự phụ thuộc của As dư vào tổng

lượng C+N

As dư­ phần trắng