Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số truyền chất đến cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí

1.3 Ứng dụng công nghệ thấm Nitơ Thấm nitơ có mục đích tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mòn, đồng thời tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt vật liệu làm tăng mạnh giới hạn mỏi c

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM NITƠ

1.1 Tình hình công nghệ thấm nitơ trên thế giới

Quy trình thấm nitơ phát triển lần đầu tiên năm 1900, liên tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng Thấm nitơ thường được sử dụng để chế tạo cơ cấu chi tiết máy và các hệ thống phát điện turbine

Trong những năm đầu thế kỷ 20 Adoloph Machlet làm việc cho một công ty

cơ khí của Mỹ ở Elizabeth,NJ Anh đã được công nhận là nhà công nghệ xử lý độ cứng bề mặt Qua một thời gian thử nghiệm Machlet đã khám phá ra Nitơ hòa tan trong sắt Nitơ khuếch tán tạo ra độ cứng bề mặt tương đối cao trong các loại thép thường hoặc thép hợp kim thấp và đặc biệt nó cải thiện được khả năng chống ăn mòn

Ở Châu Âu Adolph Fly có một chương trình nghiên cứu tương tự diễn ra tại Krupp ở Essen trong năm 1906 Giống như Machlet, Fly thừa nhận Nitơ có thể hòa tan trong sắt ở nhiệt độ cao Chương trình nghiên cứu của ông và kết quả đem lại hiệu suất cao Sáng chế đầu tiên của Fly được ứng dụng năm 1921 Ông sử dụng công nghệ tương tự Machlet, Fly sử dụng khí NH3, nhưng ông không sử dụng

H2…Như vậy đã có sự thay đổi quy trình thấm nitơ ở trạng thái khí đơn giản

Fly nghiên cứu sâu vào tác động của các yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt Phát minh của ông là quy trình thấm nitơ để đạt được độ cứng bề mặt cao ở thép chứa các thành phần như: Cr, Mo, Al, V và W Ngoài ra ông còn nhận ra rằng nhiệt

độ đóng vai trò quan trọng, quyết định phần lớn đến chiều sâu lớp thấm của thép

Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fly tại cuộc hội thảo của hội các nhà thiết kế chế tạo (SME) năm 1927, các nhà luyện kim Mỹ bắt đầu tìm hiểu về các tham số trong quá trình thấm nitơ và các hiệu ứng của hợp kim trong quá trình thấm nitơ của các loại thép

Ở Đức, công nghệ thấm Nitơ - plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học người Đức, Dr Wehnheldt năm 1932 Sau đó Wehnheldt cùng các nhà vật lý học người

Thụy sĩ và các nhà buôn người Đức cùng nhau nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ ion

và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH chế tạo thiết bị thấm Nitơ ion Đến năm 1970, công nghệ thấm Nitơ plasma được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là Châu Âu Những ưu điểm của nó dần được chứng minh trong

thực tế

1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ thấm nitơ ở Việt Nam

Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế xã hội, việc nâng cao hiệu quả chất lượng chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng Chất lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị phụ thuộc rất lớn vào chất lượng chi tiết cơ khí Việc áp dụng công nghệ thấm nitơ góp phần đáng kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của lĩnh vực cơ khí nói riêng và ngành công nghiệp nói chung Với việc đưa phương pháp thấm nitơ vào trong sản xuất sẽ góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ chi tiết, phục vụ hiệu quả cho các ngành công nghiệp

Hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ đã được các phòng thí nghiệm của các trường Đại học và các viện nghiên cứu như phòng thí nghiệm của viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – trường đại học Bách khoa Hà nội, viện nghiên cứu Cơ – Bộ công nghiệp, viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ công thương, Đặc biệt là tại các Viện nghiên cứu trong quân đội được quan tâm đặc biệt Sản phẩm quốc phòng là loại sản phẩm đặc biệt, không có sản phẩm loại 2, một số chi tiết phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nhất, chịu va đập và chịu mài mòn cao Các loại dụng cụ, khuôn cối và các chi tiết trong quốc phòng ngoài việc phải đảm bảo độ chính xác còn phải có tuổi thọ cao, nghĩa là phải có độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn vượt trội hơn hẳn các sản phẩm thông dụng, để đảm bảo gia công chính xác và tăng năng suất lao động

1.3 Ứng dụng công nghệ thấm Nitơ

Thấm nitơ có mục đích tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mòn, đồng thời tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt vật liệu làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết

Các bánh răng trong các loại máy xây dựng, máy công nghiệp đòi hỏi có độ bền mỏi cao, độ biến dạng nhỏ, cần phải mài sau nhiệt luyện đế đạt kích thước chính xác trước khi thấm nitơ

Thấm nitơ cũng được áp dụng cho các chi tiết của động cơ đốt trong: trục khuỷu, trục cam, pittông, thanh dẫn, bánh răng,… Đòi hỏi tăng tính chất chống mài mòn, độ bền mỏi cao

Ngoài ra còn được áp dụng cho các loại khuôn ép, khuôn đúc kim loại, hợp kim làm việc trong điều kiện ăn mòn, mài mòn, cho các dụng cụ cắt cần có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt

Ngoài ra rất nhiều các chi tiết trong quân sự cũng được thấm nitơ tùy theo mục đích sử dụng

1.3.1 Thấm nitơ nhằm đạt độ cứng cao, chống mài mòn tốt [4]

Các chi tiết thấm nitơ loại này thường chế tạo bằng thép có chứa Cr, Mo, Al, thường dùng nhất là thép 38CrMoAlA Chế độ thấm nitơ áp dụng ở nhiệt độ thấp từ (500 520) oC, thời gian thấm thường cần rất dài (24  90) h, chiều sâu lớp thấm (0,3

 0,6) mm

Chi tiết trước khi thấm nitơ thường đã được gia công chế tạo chính xác, đã qua nhiệt luyện hoá tốt (tôi + ram cao) Sau khi thấm nitơ xong bề mặt chi tiết có màu xám ghi với bề mặt phủ lớp mỏng pha  độ cứng không cao, đặc biệt là khi có lẫn pha

vàlàm cho tính chịu mỏi hoặc va đập của lớp thấm không tốt ảnh hưởng nhiều đến tuổi thọ chi tiết, cho nên sau khi thấm nitơ cần tiến hành mài tinh bề mặt để sửa cho lớp thấm đều đặn và đặc biệt hớt đi lớp pha  có độ cứng không cao

Hình 1.1 Ảnh tổ chức của lưới  trong pha  ở lớp thấm nitơ

Đối với chi tiết yêu cầu độ cứng bề mặt có thể thấp một chút, nếu bị biến dạng nhỏ cũng không ảnh hưởng gì thì có thể nâng cao nhiệt độ thấm nitơ lên (550 600) o

C để rút ngắn thời gian thấm Để rút ngắn thời gian thấm nitơ, trong sản xuất công nghiệp áp dụng phương pháp thấm nitơ phân cấp: thoạt đầu thấm nitơ ở (500  520) o

C sau nâng lên (600  620) oC, như vậy thời gian thấm nitơ có thể rút ngắn khoảng một nửa mà độ cứng bề mặt hầu như không bị ảnh hưởng

Để đảm bảo cơ tính tổng hợp cao, trước khi thấm thép phải được nhiệt luyện hoá tốt để có tổ chức xoocbit ram bằng cách tôi trong dầu, ram 620 650 0C Ví dụ với thép 38CrMoAlA cơ tính có thể đạt b =1000MPa; 0,2 = 850MPa;  = 50%;

aK= 90Kj/mm2 Sau đó đem thấm nitơ ở (520 550) 0\oC độ cứng bề mặt: (1000

1.3.2 Thấm nitơ nâng cao khả năng chống ăn mòn [4]

Nếu lớp bề mặt sau thấm nitơ được phủ kín một lớp pha , nó có độ cứng không cao lắm nhưng khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển, trong nước ngọt

và những môi trường ăn mòn không mạnh Để đạt mục đích nay người ta tiến hành thấm nitơ ở nhiệt độ cao (600  700) oC, độ phân li của amôniăc (30  70) % thời gian thấm tương đối ngắn từ 10 phút đến 10 h tuỳ theo yêu cầu Thấm nitơ nhiệt độ cao có lớp pha  bề mặt rất phát triển, thời gian thấm ngắn, bề mặt chi tiết màu sáng bạc rất đẹp, có thể thay các lớp mạ niken, cho nên còn được gọi là thấm nitơ trang sức Sau khi thấm trên bề mặt chi tiết tạo thành một lớp mỏng pha  (0,01 - 0,1) mm có tính chống rỉ cao

Thấm nitơ nâng cao khả năng chống ăn mòn có thể áp dụng cho mọi loại thép, song trong thực tế chủ yếu áp dụng đối với thép cacbon

Ngoài hai dạng thấm nitơ với mục đích tăng độ cứng và chống ăn mòn đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Ngày nay người ta còn nghiên cứu mở rộng phạm vi áp dụng khác của thấm nitơ, đó là:

Thấm nitơ cho các chi tiết máy để nâng cao độ bền mỏi Quy trình thấm theo chế độ thấm nitơ nhiệt độ thấp đối với thép 38CrMoAlA đã trình bày Trong trường hợp này độ cứng bề mặt lớp thấm không cao lắm nhưng do lớp thấm bão hoà nguyên tử nitơ làm tăng thể tích tạo nên nội ứng suất nén ở lớp bề mặt chi tiết, giá trị của ứng suất khoảng (0 đến 80) kG/mm2 nên nó làm tăng tính chống mỏi của chi tiết Khả năng chống mỏi cao nhất đạt được sau khi thấm ở nhiệt độ (500 đến 520) oC Lớp ứng suất nén bề mặt chi tiết làm cho nó ít nhạy cảm với hiện tượng tập trung ứng suất bề mặt gây nên do các khuyết tật bề mặt, do các rãnh hay các vết xước v.v., do

đó độ bền mỏi của chi tiết được nâng cao

Thấm nitơ còn được áp dụng với hợp kim titan với tác dụng nâng cao khả năng chống mài mòn và giảm hệ số ma sát bề mặt những chi tiết làm việc trong điều kiện có ma sát

1.3.3 Thép dùng để thấm nitơ

Nói chung thấm Nitơ làm tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mòn và tạo nên

lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết

Thép có lượng nhôm thấp và không có molipđen: 38XB, 38X2H2BA, 30X2H2BA, 30X3B2

Thép kết cấu cacbon và hợp kim thấp

Thép kết cấu 30XH3, 37XH3A, 18X2H4BA, 38XHMA, 40X2M,…với mục đích nâng cao giới hạn mỏi

Thép dụng cụ khuôn dập X12M, X121, X12, 5XM, 5XHM, 3XB8, 4X2C, 4XBC,4X8B2 với mục đích nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn

Thép không gỉ và thép bền nóng 1X18H9T, 1X13, 4X14H14B2M,… với mục đích nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn (khi đó tính chống ăn mòn giảm xuống và cả tính chống tạo màng ôxit cũng giảm)

Đặc biệt trong đề tài này nghiên cứu thấm nitơ trên hai loại thép hóa tốt là 30XH2MΦA và 38XH3MΦA đây là hai loại thép dùng nhiều trong công nghiệp quốc phòng

1.4 Một số phương pháp thấm nitơ [2]

1.4.1 Thấm nitơ thể lỏng

Một dạng công nghệ thấm nitơ phổ biến trong công nghiệp trước đây và ngày nay vẫn được dùng là thấm nitơ trong muối nóng chảy Công nghệ thấm nitơ trong muối nóng chảy ở quy mô công nghiệp do Degussa đề xướng có tên là Tenifer (CHLB Đức) Ở Pháp HEF cũng đề xướng một công nghệ tương tự có tên là Sursulf

Quá trình thấm nitơ thực hiện nhờ phân hủy muối xianat thành cacbonat nóng chảy theo phản ứng sau:

Công nghệ Tenifer KCN + ½ O2  KCNO

2KCNO + ½ O2  2 <Nht> + <Cht> + K2CO3hoặc Công nghệ Sursulf 2 NH2 – CO – NH2 + Na2CO3  2 NaCNO +2 NH3 +

CO2 + H2O

4 NaCNO  Na2CO3 + CO + 2 <Nht> + 2 NaCN Trong công nghệ Tenifer người ta dùng 40 % muối xyanua (NaCN hoặc KCN) Trong công nghệ Sursulf người ta dùng (2 đến 3) % muối xyanua, ngoài các muối xyanua, cacbonat người ta còn cho thêm một lượng nhỏ K2S nhằm ổn định và tăng hoạt tính của bể muối, chủ yếu là do tác dụng của S Do thấm nitơ trong muối nóng chảy là rất độc người ta ngày càng đi theo hướng giảm tỷ lệ xyanua (công nghệ Sursulf) Việc cho thêm các chất C, N, O, S trong công nghệ sursulf đẩy nhanh tốc độ thấm (10 đến 15) /h, làm tăng lợi thế của thấm nitơ trong muối nóng chảy, song không vì thế mà đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ này

1.4.2 Thấm nitơ ion hóa

Nguyên tắc: Dưới tác dụng của từ trường nitơ sẽ bị ion hóa theo phản ứng:

N2 = 2 N+ + 2e

Hình 1.2: Nguyên lý thấm nitơ ion hóa

Áp suất là việc từ (10-2 đến 10) mbar và hiệu điện thế giữa cực âm và cực dương là (300 đến 1000) V sẽ xuất hiện hiện tượng phóng điện Các khí xuất hiện trong từ trường sẽ bị ion hóa Khi bị ion hóa các cation sẽ chuyển về catốt, các electron, anion sẽ chuyển về anốt tiếp tục gây ra sự ion hóa do va chạm với càc

phân tử N2 Các ion này có một năng lượng xác định, khi đập vào catốt sẽ sinh ra một lượng nhiệt làm nung nóng catốt Năng lượng này phụ thuộc vào vận tốc của các cation khí và mật độ của chúng do đó phụ thuộc vào cường độ điện trường, vào

áp suất của khí Hơn nữa nếu catốt chính là các chi tiết cần thấm nitơ thì các cation nitơ sẽ đập lên bề mặt chi tiết thực hiện một quá trình thấm nitơ

Quá trình ion hóa khí nitơ chỉ xẩy ra ở vùng giáp bề mặt chi tiết (chỉ vài mm)

do đó khoảng cách giữa catốt và anốt không có vai trò quan trọng, cho nên nitơ được thấm đều lên bề mặt Trong quá trình thấm nitơ ion hóa phải thiết lập cân bằng nhiệt giữu nhiệt lượng cung cấp (năng lượng va đập của các ion với nhau và với bề mặt chi tiết) và lượng nhiệt tản ra môi trường

1.4.3 Thấm nitơ thể khí

Đây là công nghệ thấm được dùng nhiều nhất, và là công nghệ thấm được nghiên cứu trong đề tài này Để thấm nitơ phải có chất khí cung cấp nitơ nguyên tử Khí nitơ tồn tại dưới dạng phân tử (N2) rất ổn định do đó không thể dùng để thấm nitơ được Một trong các chất khí có thể cung cấp nitơ nguyên tử là NH3 Trong khoảng nhiệt độ thấm từ (450 đến 650) oC, NH3 sẽ phân hủy nhiệt theo phản ứng với chất xúc tác là bề mặt thép:

2 NH3 = 2 <Nht> + 3 H2

Hình 1.3: Sự hình thành lớp thấm nitơ

Nitơ nguyên tử <Nht> hình thành trên bề mặt thép sẽ khuếch tán vào trong thép tạo nên lớp thấm nitơ, còn những nguyên tử không khuếch tán vào trong thép

sẽ nhanh chóng liên kết lại với nhau tạo thành N2

Có hai nhóm công nghệ thấm hay dùng là:

* Thấm nitơ ở nhiệt độ thấp (480 đến 550) oC thời gian thấm dài (ở nhiệt độ thấp khuếch tán xảy ra chậm) Tùy theo thời gian thấm, chiều dày lớp thấm có thể đạt tới 0,4 mm

* Thấm nitơ ở nhiệt độ cao (560 đến 650) oC thời gian thấm phải ngắn (để hạt nitrit không bị thô to lên và không làm hỏng tổ chức của thép sau khi tôi + ram) chỉ tạo được lớp thấm mỏng, chiều dày lớp thấm thường không quá 0,2 mm

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ THỂ KHÍ

2.1 Lý thuyết chung về thấm Nitơ

Thấm nitơ là quá trình làm bão hoà nitơ vào bề mặt chi tiết thép nhằm đạt các

mục đích sau:

- Làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn

- Tăng độ bền mỏi,

- Tăng khả năng chống ăn mòn trong các môi trường không khí, hơi, nước

- Trang trí mỹ thuật cho sản phẩm

2.1.1 Những quá trình xẩy ra khi thấm nitơ thể khí [3]

Quá trình phân huỷ: là quá trình phân hủy khí NH3 (2NH3  3H2 + 2Nht) tạo ra nitơ nguyên tử hoạt tính Các nitơ nguyên tử hoạt tính có khả năng hấp thụ vào bề mặt kim loại

Quá trình hấp thụ: Các nitơ nguyên tử hoạt tính được hấp thụ vào bề mặt chi tiết Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép có một nồng độ nitơ cao, tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi

Quá trình khuếch tán: Do có sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi,

nitơ nguyên tử được khuếch tán vào trong kim loại tạo thành lớp thấm là dung dịch rắn, pha trung gian, hoặc các hợp chất hóa học

Các quá trình phân huỷ, hấp thụ, khuếch tán có liên quan mật thiết với nhau

và có ảnh hưởng đến quá trình thấm Quá trình nào chậm nhất sẽ quyết định tốc độ thấm Nếu quá trình phân hủy xẩy ra nhanh hơn, nitơ nguyên tử hình thành quá nhiều, không kịp hấp thụ và khuếch tán vào trong kim loại, sẽ kết hợp lại tạo thành nitơ phân tử mất hết hoạt tính Ngược lại nếu nitơ nguyên tử hình thành quá ít sẽ không đủ để hấp thụ vào bề mặt kim loại dẫn đến tốc độ thấm rất chậm

Tương quan giữa hấp thụ và khuếch tán có ảnh hưởng rất lớn đến việc tạo lớp khuếch tán Khi hấp thụ xẩy ra nhanh hơn khuếch tán, các nitơ nguyên tử hấp thụ vào bề mặt kim loại không kịp khuếch tán vào bên trong, nồng độ nitơ ở bề mặt

cao nhưng chiều sâu lớp khuếch tán tại nhỏ Ngược lại trong trường hợp khuếch tán nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ nitơ ở lớp bề mặt thấp nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại lớn

2.1.2 Hệ sắt - Nitơ ( Fe - N )

Nitơ cũng như cacbon, hoà tan trong Fe và Fe tạo thành dung dịch rắn: ferrit nitơ (pha  ) có hàm lượng 0,004 % N ở 20oC và 0,1 % ở 590oC, pha austenit nitơ (pha  ) có hàm lượng 2,8% N ở 650oC Sắt với nitơ tạo thành một số pha nitrit: nitrit loại Fe4N có hàm lượng nitơ từ 5,7% đến 6,1% ở 450oC gọi là pha  '

, nitơ loại

Fe3N tồn tại trong khoảng rộng từ 4,35% đến 11.0%N gọi là pha , nitrit Fe2N tồn tại trong khoảng hẹp từ 11,0% đến 11,4%N gọi là pha 

Hình 2.1 Giản đồ trạng thái Fe-N

Nếu thấm nitơ nhiệt độ thấp hơn 591oC thì sau khi làm nguội sẽ tạo thành các pha (tính lần lượt từ ngoài vào trong): ,  ', (γ’+α),  (giầu nitơ) Nếu thấm nitơ

ở nhiệt độ cao hơn 591oC thì sau khi làm nguội gồm các pha (tính lần lượt từ ngoài vào trong):  ,  ', cùng tích [ +  '] (do  phân hóa) và  (giầu nitơ) Độ cứng

γ

γ+ε

của lớp thấm nitơ chính là các pha xen kẽ ,  ' Nguyên tố nitơ còn có tác dụng làm mở rộng vùng  và làm cho pha  ổn định, điểm A3 giảm xuống, nếu hàm lượng nitơ tăng thì tác dụng đó càng mạnh Đây chính là nguyên nhân tại sao khi có mặt nitơ thì nhiệt độ thấm thấp cacbon lại có hiệu quả [1]

Bảng 2.1 Đặc tính về mạng tinh thể nguyên tử và nồng độ các pha

cơ bản trong lớp thấm nitơ

Tên pha * Tỷ lệ hóa

học

Giới hạn thay đổi nồng độ nitơ CN, %

Kiểu mạng

Đặc tính liên kết nguyên

tử

Sự thay đổi thông số mạng ở

20oC, Ao

Hệ số dãn nở

.106

Giá trị thể tích riêng các pha Vc

Pha  - dung

dịch rắn của nitơ

trong Fe

- 0,42 (ở 591oC)0,015 (ở 20oC)

Lập phương thể tâm

Dung dịch rắn xen kẽ

(ao)=(2,861

 2,62) CN

13,3

0,12715 + 0,222CN + 5,07 l.10-6

Pha  - hợp chất

hóa học có thành

phần thay đổi

Fe4N (với 5,9

%N2)

5,5  5,98 (ở 501 oC)

Lập phương diện tâm

Hợp chất hóa học

(ao)’=(3,59

 4,05) CN 7,9

0,11813 + 0,274CN + 2,79 l.10-6

Pha  - hợp chất

hóa học có thành

phần thay đổi

Fe2N (với 11,2

%N2)

8,0  11,2

và cao hơn

Lập phương dày đặc

Hợp chất hóa học

(ao)=(2,51  2,4) CN

(co)=(4,21  2,0) CN

22,2 0,11052 +

0,388CN + 7,36 l.10-6

* Ở nhiệt độ cao hơn 591oC pha  được tạo ra đó là dung dịch rắn của nitơ trong sắt ; tại nhiệt độ 591oC

và nồng độ nitơ 2,35 % pha  sẽ tạo ra cùng tích  + ’

Tổ chức tế vi của lớp thấm khác nhau, nó không những phụ thuộc vào điều kiện thấm (nhiệt độ, thời gian) mà còn phụ thuộc vào thành phần của thép, tuỳ thuộc vào nguyên tố hợp kim và hàm lượng của nó

Bảng 2.2 Tính chất của một số nitrit [12]

Nitrit

Hàm lượng nitơ trong pha bão hòa giới hạn, %

Độ cứng tế

vi, H

Tỷ trọng, g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy, oC

mịn, có tính ổn định và độ cứng rất cao được tiết ra làm tăng ứng suất mạng rất lớn làm tăng độ cứng bề mặt lớp thấm lên tới (600 đến 1250) HV [7]

Nguyên tố

khuếch tán

Môi trường khuếch tán

Nhiệt độ khuếch tán

t, oC

Hệ số khuếch tán

D, cm2/s

Hằng số khuếch tán

Do, cm2/s

Năng lượng hoạt Q, cal/mol

Tác giả

Từ bảng 2.3 ta thấy thấy ở nhiệt độ cao thì khả năng khuếch tán của N trong Fe

sẽ lớn hơn khi ở nhiệt độ thấp

2.2 Hệ số truyền nitơ  N

Đây là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ mà đề tài đi sâu vào nghiên cứu

* Hệ số truyền nitơ N là thông số đặc trưng cho khả năng tiếp nhận nitơ của

thép từ môi trường thấm Hệ số truyền nitơ N càng cao thì quá trình thấm càng hiệu quả Khi nitơ nguyên tử di chuyển đến bề mặt phân cách của thép và môi trường thấm lập tức xảy ra quá trình 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

Hệ số truyền nitơ N là tỷ số giữa hoạt độ nitơ trong dung dịch rắn của thép

<aN> và hoạt độ nitơ trong môi trường thấm (aN):

)( N

N N

2.2.1 Hoạt độ nitơ trong dung dịch rắn của thép <a N >

Hoạt độ nitơ trong dung dịch rắn của thép <aN> là đại lượng phụ thuộc vào chế độ thấm, hàm lượng nitơ và thành phần hóa học của thép Trong đó hàm lượng nitơ được xác định bằng sự chênh lệch khối lượng của mẫu trước và sau khi thấm như sau:

% N =

1

0 1

m

m

m 

(2) Trong đề tài này <aN> được xác định bằng phần mềm Thermo – calc

m1: Khối lượng mẫu sau khi thấm N (g)

m0: Khối lượng mẫu trước khi thấm N (g)

2.2.2 Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm (a N ) [8]

Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm (aN) là đại lượng đặc trưng cho khả năng cung cấp nitơ nguyên tử của môi trường (aN) được xác định theo hệ số cân bằng của phản ứng:

NH3  <Nht> + 3/2 H2 (3) Như sau:

3 2 2 / 3

)

(

NH

H N

P

P a

 3/2

2

3 ) (

H

NH N

P

P K

Trong đó: K1 là hệ số cân bằng của phản ứng (3) [atm1/2]

PH2, PNH3 lần lượt là áp suất riêng phần của H2 và NH3 trong môi trường thấm

Với khoảng nhiệt độ thấm nitơ nằm trong khoảng (700  1400) K tương đương (427  1127) oC, giá trị K được xác định theo công thức:

2.3 Những yếu tổ ảnh hưởng đến chế độ thấm và cấu trúc lớp thấm

2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Chiều dầy của lớp khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán Khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động của nguyên tử càng mạnh,tốc độ khuếch tán càng mạnh

Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ thể hiện ở biểu thức sau:

Hình 2.2: Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ thấm

Với hệ thống hợp kim nhất định, các trị số Do, Q cũng cố định nên D phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ càng cao thì D càng tăng nhanh

2.3.2 Ảnh hưởng của thời gian

Ở nhiệt độ cố định, thời gian càng dài mức độ tăng chiều sâu lớp thấm càng

dầy Quan hệ giữa chung tuân theo quy luật Parabol theo công thức sau:

Như vậy thời gian thấm càng dài, mức độ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm Biện pháp có hiệu quả nhất để tăng chiều sâu lớp thấm là nhiệt độ chứ không phải là thời gian

Ngoài những yếu tố nêu trên, khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo thành

Ví dụ: Khi thấm C, N do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xẩy ra nhanh hơn so với pha hình thành là dung dịch rắn thay thế

2.3.3 Ảnh hưởng của áp suất

Phản ứng phân hủy NH3 là phản ứng tăng thể tích do vậy khi tăng áp suất cân bằng dịch chuyển sang trái, ngăn chặn quá trình phân hủy NH3 Độ phân hủy

NH3 giảm dẫn đến thế nitơ trong môi trường thấm (KN) tăng và làm tăng hoạt độ nitơ trong môi trường thấm

Áp suất môi trường thấm càng lớn, cân bằng dịch chuyển sang trái mạnh hơn Do đó chỉ cần với lưu lượng khí thấm nhỏ ta vẫn có thể duy chì được hoạt tính của môi trường thấm Đây là biện pháp giúp tiết kiệm khí thấm nhằm làm giảm chi phí trong quá trình xử lý nhiệt cho các chi tiết cơ khí Dưới áp suất cao của môi trường thấm, tốc độ thấm tăng lên [1], thời gian thấm được rút ngắn chỉ còn vài giờ

2.3.4 Ảnh hưởng của thế nitơ

Thế nitơ KN: Là tỷ số giữa áp suất riêng phần của NH3 chưa phân hủy và áp suất riêng phần của H2 sinh ra do NH3 phân hủy

2 / 3 2 3

H

NH N P

Hình 2.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thế Nitơ đến cấu trúc lớp thấm trên thép sạch

Biểu đồ trên được thiết lập cho thép sạch không chứa nguyên tố hợp kim vì vậy trong đề tài này tiến hành nghiên cứu để xác lập mối quan hệ này cho thép hợp kim

2.3.5 Ảnh hưởng của độ phân hủy NH 3

Độ phân hủy  của NH3 được xác định theo công thức:

* = (10)

Như vậy có thể thấy ở nhiệt độ thấm xác định, độ phân hủy được khống chế bằng cách thay đổi lưu lượng khí đưa vào lò Khi tăng lượng khí NH

3 (tức là làm cho khí lưu lại trong lò ngắn hơn) sẽ dẫn tới làm giảm mức độ phân ly và ngược lại

Do đó để có được cấu trúc lớp thấm như mong muốn thì sẽ khống chế bằng cách thay đổi nhiệt độ thấm và thay đổi lưu lượng khí đưa vào

Vì βN đặc trưng cho khả năng hấp thụ nitơ của thép nên có thể thấy rõ ràng lượng nitơ được hấp thụ vào thép càng nhiều thì βN càng lớn

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của hệ số truyền nitơ N đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ thể khí trên thép hợp kim Đề tài đã chọn thép hợp kim hóa tốt là 30XH2MA và 38XH3MA (theo OCT 4543-71) đây là hai loại thép đặc biệt được dùng rất nhiều trong quân sự nơi mà học viên đang công tác

Hàm lượng, % Mác thép [14]

0,27-0,37

0,17-0,6 0,025 0,025

0,3-0,9

0,6-2,4

2,0-0,3

0,2-0,18

OCT 4543-71

(38XH3MA)

0,33 – 0,40

0,37

0,17-0,25 – 0,5 0,025 0,025

1,2 – 1,5

3,0 – 3,5

0,35 – 0,45

0,18

a k J/cm 2

Độ cứng (HV)

3.2 Địa điểm nghiên cứu

Xưởng nhiệt luyện – Bộ môn Vật liệu học và Xử lý bề mặt – Viện Khoa học

và kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Phòng thí nghiệm Kim loại học và nhiệt luyện – Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trung tâm Đo Lường – Viện Công Nghệ - Tổng Cục Công Nghiệp Quốc Phòng – Bộ Quốc Phòng

3.3 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm

Mẫu ở trạng thái cung cấp là dạng cây  100 x 6000 mm, được cắt ra và mài nhẵn theo kích thước như sau:

Mẫu mỏng Mẫu khối

Hình 3.1: Mẫu dùng để thấm

* Trước khi thấm mẫu được nhiệt luyện theo quy trình như sau:

- Đối với thép 30XH2MA

- Đối với thép 38XH3MA

3.4 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm

Hình 3.4: Sơ đồ quy trình nghiên cứu thực nghiệm

- Chụp nhiễu xạ rơngen: Xác định thành phần pha của lớp thấm

Mẫu khối Mẫu mỏng

Tthấm – 50 oC

3.5 Thí nghiệm thấm nitơ

Quá trình thấm nitơ được tiến hành ở Xưởng nhiệt luyện – Bộ môn Vật liệu học và sử lý bề mặt – Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cho mẫu vào lò, bật lò, bật hệ thống làm mát bằng nước và quạt khuấy đồng thời cấp khí N2 để đuổi hết khí oxy ra khỏi lò để không làm mẫu bị oxy hóa và tránh nguy cơ cháy nổ do hỗn hợp oxy và NH3

Khi nhiệt độ trong lò gần đạt nhiệt độ thấm ( 480oC ), cấp khí NH3 vào lò với lưu lượng phù hợp với thí nghiệm và ngừng cấp khí N2 Khi lò đạt nhiệt thấm bắt đầu tính thời gian thấm Lúc này cần theo dõi liên tục độ phân hủy NH3 để đảm bảo kết quả thấm như mong muốn

Sau khi đủ thời gian thấm, tắt lò và cấp khí N2 vào lò đồng thời ngừng cấp khí NH3 Đợi đến khi nhiệt độ của lò hạ xuống thấp khoảng  300oC (để tránh cho mẫu bị oxy hóa) ngừng cấp khí N2 và lấy mẫu ra khỏi lò

Mẫu mỏng

Mẫu khối

Độ phân

%

Nhiệt độ thấm T,

o

C

Thời gian thấm t,

h

Áp suất, bar

3.5.3 Phân tích mẫu sau thấm

1 Xác định lượng nitơ hấp thụ vào trong thép:

Khối lượng nitơ hấp thụ vào trong thép được xác định là sự chênh lệch khối lượng của mẫu trước và sau khi thấm bằng phương pháp cân như công thức (2):

% N =

1

0 1

m

m

m 

m1: Khối lượng mẫu sau khi thấm N (g)

m0: Khối lượng mẫu trước khi thấm N (g)

2 Tính toán hệ số truyền β N theo công thức (1) :

)

N N

H

NH N

P

P K

Các mẫu được đo độ cứng tế vi từ bề mặt vào sâu trong nèn thép bằng thiết

bị đo độ cứng tế vi FM – 100 để đánh giá hiệu quả quá trình thấm

5 Chụp ảnh nhiễu xạ rơnghen

Mẫu sau khi thấm được mang đi chụp ảnh nhiễu xạ rơnghen để xác định các pha hình thành sau khi thấm

- Nhiệt độ làm việc tối đa là: 700oC

- Quạt khuấy: Động cơ 1 pha, công suất 350W

3.6.2 Sensor hyđrô

Hình 3.7: Sensơ hyđrô

Sensor Hidro được Cộng hòa Liên Bang Đức chế tạo được sử dụng để theo dõi độ phân hủy của NH3 Trong quá trình thấm nitơ độ phân hủy NH3 là một thông

số rất quan trọng cần được khống chế trong khoảng cho phép của mỗi mẻ thấm Vì vậy dùng Sensor Hidro cho độ chính xác cao, kết quả đáng tin cậy

- Thời gian trễ khi đo : (6  20) s

3.6.3 Kính hiển vi kim tương

Sử dụng kính hiển vi Axio Obsever D1m của Trung Tâm Đo Lường – Viện Công Nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng để quan sát và chụp ảnh tổ chức tế

vi, đo chiều sâu lớp thấm (nếu lớp thấm nhìn rõ ràng trên kính)

- Nguồn điện 220 V

- Độ phóng đại đạt 2500 lần khi sử dụng thị kính 10x, vật kính 100x và bộ phận tăng độ phóng đại phụ 2,5 lần

- Đèn cung cấp nguồn sáng cho kính dùng với đèn Halogen công suất 100W Bóng đèn halogen 12V, 100W

Chiều sâu lớp thấm nitơ: Dựa trên kết quả phân bố độ cứng tế vi, chiều sâu lớp thấm nitơ được xác định từ bề mặt của mẫu tới vị trí có giá trị độ cứng cao hơn

độ cứng của nền 50HV (giới hạn độ cứng - HL) (DIN 50190-3)

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

4.1 Tổ chức của thép trước khi thấm nitơ

Hai mác thép 30XH2MA và 38XH3MA trước khi thấm đã được nhiệt luyện Đối với thép 30XH2MA: tôi ở 860oC giữ nhiệt 10 phút nguội trong dầu, ram ở 650oC thời gian 1 giờ, nguội ngoài không khí Đối với thép 38XH3MA: tôi

ở 850oC giữ nhiệt 10 phút nguội trong dầu, ram ở 600oC thời gian 1 giờ, nguội ngoài không khí (tôi và ram cao như quy trình ở hình 3.2, hình 3.3) Đây là hai loại thép hóa tốt đặc biệt được dùng nhiều trong quân sự, hai loại thép này sau nhiệt luyện cho cơ tính tổng hợp rất cao

Độ cứng của thép sau khi nhiệt luyện:

Bảng 4.1: Độ cứng tế vi của thép sau nhiệt luyện

4.2 Ảnh hưởng của hệ số truyền chất  N đến tổ chức lớp thấm nitơ

4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm đến hệ số truyền nitơ  N

1 Xét tại độ phân hủy NH 3 là 40%

a Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của quá trình thấm nitơ

Bảng 4.2 Kết quả tính toán các thông số của quá trình thấm nitơ

N.10-6

T (oC)

Từ kết quả tính toán trong bảng 4.2 ta nhận thấy rằng đối với cả hai loại thép 30XH2MA và 38XH3MA, ở cùng thời gian thấm 8 giờ và độ phân hủy NH3 là 40% thì nhiệt độ càng tăng lượng nitơ hấp thụ vào thép càng nhiều, hoạt độ nitơ trong dung dịch rắn của thép càng tăng, nhưng khi nhiệt độ tăng thì hoạt độ nitơ trong môi trường thấm tăng mạnh chính vì vậy dẫn đến hệ số truyền nitơ N giảm

Thép 30XH2MA có hệ số truyền cao hơn thép 38XH3MA Ở độ phân hủy NH3 là 40%, thế nitơ KN = 1,4 hệ số truyền cao nhất đối với thép 30XH2MA

là N = 0,9192x10-6, còn đối với thép 38XH3MA là N = 0,8888x10-6 ở 500 oC

b Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổ chức tế vi

Các kết quả thí nghiệm thu được sau khi thấm nitơ trong môi trường khí NH3tại áp suất 1,2 bar, thời gian thấm 8 giờ, độ phân hủy NH3 là 40%

T = 550 oC, x 100 T = 550 oC, x 100

Quan sát tổ chức tế vi ta thấy rằng ở cả hai mác thép khi thấm N ở nhiệt độ

500 oC, 520 oC, 550 oC với độ phân hủy nhiệt là 40 % đều hình thành lớp thấm

Trên mẫu thép 30XH2MA thấm ở 500 oC có xuất hiện lớp trắng  ' (Fe4N) mỏng khoản 5 m Ta biết rằng hệ số truyền N đặc trưng cho khả năng N xâm nhập vào trong thép, mà ở nhiệt độ 500 oC hệ số truyền nitơ N là rất cao đối với thép 30XH2MA, chính vì vậy lượng nitơ được hấp thụ vào bề mặt thép là rất lớn nhưng ở nhiệt độ này hệ số khuếch tán lại nhỏ (vì hệ số khuếch tán D đặc trưng cho khả năng N đi sâu vào trong thép nó phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao hệ số khuếch tán càng lớn) dẫn đến N bị tích tụ lại trên bề mặt thép nên hình thành lớp trắng Các mẫu còn lại đều không thấy xuất hiện lớp trắng Có thể dự đoán cấu trúc của lớp thấm nitơ từ bề mặt vào lõi gồm (lớp  ' đối với mẫu thép 30XH2MA thấm ở 500 oC), hỗn hợp  ' + α, dung dịch rắn α và nền thép Ngoài ra trong tổ chức lớp thấm N ở cả hai mác thép còn có một lượng nhỏ các pha nitrit hợp kim như CrN và MoN (kết quả phân tích rơnghen hình 4.20 đến hình 4.25)

Lớp thấm

Nền thép

Lớp thấm

Nền thép

c Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều sâu lớp thấm nitơ và độ cứng tế vi

* Khảo sát sự phân bố độ cứng tế vi:

Hình 4.4: Đường cong phân bố độ cứng trên các mẫu thấm nitơ với phân hủy nhiệt

Độ cứng tế vi được đo từ bề mặt mẫu (bề mặt lớp thấm) vào sâu trong nền thép (khi có giá trị ổn định như độ cứng của nền thì dừng lại) Khoảng cách các vết

đo cách nhau 30 m

Từ bảng kết quả giá trị độ cứng (bảng 4.3) và đồ thị phân bố độ cứng (hình

4.4) nhận thấy các đường phần bố độ cứng có hình dáng gần như giống nhau đều

cho giá trị giảm dần từ bề mặt vào lõi Không thấy xuất hiện những vùng có giá trị giảm đột ngột Điều đó cho thấy N khuếch tán đều vào trong thép

Các giá trị độ cứng đo được đều rất cao, vì trong thép có chứa nhiều nguyên tố hợp kim tạo cacbit, khi kết hợp với N chúng tạo thành các pha nitrit hợp kim, các pha này cho độ cứng rất cao Đối với thép 30XH2MA ở nhiệt độ 500 oC cho độ cứng cao nhất lên tới 867 HV, cũng ở nhiệt độ đó thép 38XH3MA cho độ cứng lên đến 916 HV mà trong ảnh tổ chức tế vi (hình 4.3) không thấy xuất hiện lớp trắng  ' (Fe4N) điều này rất có giá trị đối với các các sản phẩm quốc phòng như nòng súng, nòng pháo, Thép 38XH3MA có độ cứng bề mặt cao hơn so với thép 30XH2MA nhưng chiều sâu lớp thấm mỏng hơn đôi chút Đối với cả hai mác thép cho thấy nhiệt độ thấm càng cao độ cứng bề mặt càng thấp nhưng chiều sâu lớp HV

µm

thấm tăng lên Nếu coi lớp thấm N có chiều dầy tính từ bề mặt đến vị trí có giá trị

độ cứng cao hơn nền 50 HV thì ở nhiệt độ 550 oC, thép 30XH2MA cho chiều sâu lớp thấm lên đến 240 m còn với thép 38XH3MA có độ cứng lên đến gần 210

m Như vậy ta rõ ràng thấy rằng ở cùng điều kiện thấm N (độ phân hủy 40%, thời gian thấm 8 giờ, áp suất 1,2 bar), nhiệt độ càng cao chiều sâu lớp thấm càng lớn

Kết luận: Từ những kết quả thu được ta thấy rằng: Khi thấm N với thời gian

thấm 8 giờ, độ phân hủy nhiệt NH3 là 40%, áp suất 1,2 bar ở các nhiệt độ 500oC,

520oC, 550oC Khi nhiệt độ càng tăng hệ số truyền nitơ βN càng giảm thì độ cứng

bề mặt cũng giảm, chiều sâu lớp thấm tăng đối với cả hai mác thép

2 Xét tại độ phân hủy NH 3 là 50%

a Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của quá trình thấm nitơ

Bảng 4.4 Kết quả tính toán các thông số của quá trình thấm nitơ