Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy

luận văn, tiến sĩ, thạc sĩ, báo cáo, khóa luận, đề tài

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường Đại học Nông nghiệp I

Hoàng Minh Thuận

Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2004

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường Đại học Nông nghiệp I

Hoàng Minh Thuận

Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy

lời cam đoan

- Tôi xin cam đoan rằng tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này đều đ−ợc thực nghiệm và kiểm tra đánh giá trung thực, không có trong bất cứ tài liệu nào và và ch−a hề đ−ợc

sử dụng để bảo vệ một học vị nào

- Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho viêc thực hiện luận văn này đã đ−ợc cảm ơn; mọi thông tin đ−ợc sử dụng trong luận văn nếu sử dụng tài liệu nào thì đều đ−ợc trích dẫn đầy đủ và chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Hoàng Minh Thuận

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên tôi xin chân thành

cảm ơn ts Đào Quang Kế, Bộ môn Công nghệ Cơ khí , Khoa

Cơ - Điện , Trường Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo trong

Bộ môn Công nghệ Cơ khí; các thầy cô trong Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn các cán bộ ở Viện Nghiên Cứu Cơ Khí -

Bộ Công Nghiệp đã hướng dẫn hoàn chỉnh và giúp đỡ các tài liệu nghiên cứu đề tài

Danh mục các hình vẽ, bảng và ảnh

Hình 1.1 ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán

Hình 3.1 Hệ toạ độ cầu của chất điểm

Hình 3.2 Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử

Hình 3.3 Ô mạng lập phương thể tâm

Hình 3.4 Ô mạng lập phương tâm mặt

Hình 3.5 Ô mạng lập phương xếp chặt

Bảng 3.1 Hệ số mật độ và hệ số phối trí của ô mạng tinh thể

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuếch tán vào nhiệt độ, thời gian và

nồng độ

Hình 3.7 ảnh hưởng của khuếch tán đến nồng độ

và chiều sâu lớp thấm

Hình 3.8 Sự phân bố nguyên tố khuếch tán trong lớp thấm

khi hai nguyên tố hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn

Hình 3.9 a) Giản đồ trạng thái hai nguyên A – B;

b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp khuếch tán

Hình 3.10 a) Giản đồ trạng thái;

b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm

Hình 3.11 Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuếch tán

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của chiều dày lớp thấm vào thời gian của quá trình

Hình 3.14 Giản đồ pha Fe – N

Bảng 3.2 Hệ số khuếch tán của nitơ trong các pha khi thấm nitơ

Bảng 3.3 Độ phân huỷ amôniăc (NH3) phụ thuộc vào nhiệt độ

Hình 3.15 Sơ đồ thiết bị thấm nitơ thể khí

Bảng 3.4 Phương pháp bảo vệ cục bộ chi tiết trước khi thấm nitơ

ảnh 4.1 Lò thấm OH – 15

ảnh 4.2 Lò thấm OH –50

ảnh 4.3 Lò thấm OH –50

ảnh 4.4 Lò thấm OH –100

ảnh 4.5 Lò thấm OH –200

ảnh 4.6 Hệ thống thấm nitơ

ảnh 4.7 Hệ thống thấm nitơ thể khí được lắp tại Bộ môn CNCK

ảnh 4.8 Hệ thống điều khiển nhiệt độ

ảnh 4.9 Bình chứa khí NH3 và van giảm áp

Bảng 4.1 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 500oC (T1) của thép C45

Bảng 4.2 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550oC (T2) của thép C45

Bảng 4.3 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600oC (T3) của thép C45

Hình 4.1 ảnh hưởng của thời gian đến độ cứng

ở các nhiệt độ khác nhau của thép C45

Hình 4.2 ảnh hưởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm

ở các nhiệt độ khác nhau của thép C45ảnh 4.15 Tổ chức mẫu 450 Bảng 4.4 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 500oC (T1) của thép 20MoCr Bảng 4.5 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550oC (T2) của thép 20MoCr Bảng 4.6 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600oC (T3) của thép 20MoCr Hình 4.3 ảnh hưởng của thời gian đến độ cứng

ở các nhiệt độ khác nhau của thép 20MoCr

Hình 4.4 ảnh hưởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm

ở các nhiệt độ khác nhau của thép 20MoCr

Bảng 4.7 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550oC (T2) của thép 38CrMoA Bảng 4.8 Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600oC (T3) của thép 38CrMoA

Hình 4.5 ảnh hưởng của thời gian đến độ cứng

ở các nhiệt độ khác nhau của thép 38CrMoA

Hình 4.6 ảnh hưởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm

ở các nhiệt độ khác nhau của thép 38CrMoA

ảnh 4.15 Tổ chức mẫu thép 20MoCr (200x) (mẫu 001)

ảnh 4.16 Tổ chức nền thép 20MoCr (200x) (mẫu 00)

ảnh 4.17 Tổ chức thép 20MoCr ở chế độ 500oC, 10 giờ (200x) (mẫu 05)

ảnh 4.18 Tổ chức thép 20MoCr ở chế độ 550oC, 8 giờ (200x) (mẫu 09)

ảnh 4.19 Tổ chức thép 20MoCr ở chế độ 600oC, 8 giờ (200x) (mẫu 14)

ảnh 4.20 Tổ chức thép C45 ở chế độ 500oC, 3 giờ (200x) (mẫu 102)

ảnh 4.21 Tổ chức thép C45 ở chế độ 550oC, 5 giờ (200x) (mẫu 108)

ảnh 4.22 Tổ chức thép C45 ở chế độ 600oC, 5 giờ (200x) (mẫu 113)

ảnh 4.23 Tổ chức thép 38CrMoA ở chế độ 500oC, 10 giờ (200x) (mẫu 94)

ảnh 4.24 Tổ chức thép 38CrMoA ở chế độ 550oC, 8 giờ (200x) (mẫu 98)

ảnh 4.25.Tổ chức mẫu 003 (mẫu tham khảo)

ảnh 4.26.Tổ chức mẫu 004 (mẫu tham khảo)

ảnh 4.27.Tổ chức mẫu 009 (mẫu tham khảo)

Mục lục

Trang

Mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan đề tài 13

1.1 Tình hình và xu hướng phát triển công nghệ xử lý bề mặt kim loại 13

1.2 Những nét chung về hoá nhiệt luyện 16

1.2.1 Sự hình thành tổ chức lớp thấm 18

1.2.2 Động học của quá trình thấm 19

1.2.3 Môi trường thấm 19

1.3 Khái quát chung vế các phương pháp hoá nhiệt luyện 20

1.3.1 Thấm cacbon (C) 20

1.3.2 Thấm xyanua 21

1.3.3 Thấm lưu huỳnh (S) 22

1.3.4 Thấm bo (B) 22

1.3.5 Thấm crôm (Cr) 22

1.3.6 Thấm nhôm (AI) 23

1.3.7 Thấm silic (Si) 23

1.3.8 Thấm kẽm (Zn) 23

1.3.9 Thấm titan (Ti) 23

1.3.10 Thấm nitơ (N) 24

1.4 Mục đích và yêu cầu của đề tài 24

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu 25

2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 25

2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 25

2.3 Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm 25

2.4 Phương pháp kiểm tra 26

2.4.1 Kiểm tra độ cứng 26

2.4.2 Kiểm tra chiều sâu lớp thấm 29

2.4.3 Kiểm tra tổ chức tế vi của lớp thấm 29

Chương 3: Nghiên cứu lý thuyết 30

3.1 Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại 30

3.1.1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể 30

3.1.2 Cấu tạo kim loại 34

3.1.3 Bản chất mối liên kết trong kim loại 39

3.2 Lý thuyết về ăn mòn và mài mòn kim loại 39

3.2.1 Tìm hiểu chung về ăn mòn và mài mòn kim loại 39

3.2.2 Các quá trình ăn mòn và mài mòn kim loại 40

3.3 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ mòn của kim loại 41

3.3.1 Các chỉ tiêu định tính 41

3.3.2 Các chỉ tiêu định lượng 41

3.4 Hoá nhiệt luyện 43

3.4.1 Khái niệm chung 43

3.4.2 Các quá trình hóa nhiệt luyện 44

3.4.3 Cơ sở của hoá nhiệt luyện 46

3.5 Thấm nitơ 54

3.5.1 Nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ 54

3.5.2 Thép dùng để thấm nitơ 57

3.5.3 Các phương pháp thấm nitơ 59

3.5.4 Công dụng của thấm nitơ 65

3.5.5 Các dạng khuyết tật sai hỏng khi thấm nitơ và biện pháp ngăn ngừa 67

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm 68

4.1.Thiết bị thấm nitơ 68

4.1.1 Một số hình ảnh của lò thấm nitơ 68

4.1.2 Cấu tạo lò thấm nitơ thể khí được sử dụng 71

4.2 Mẫu thí nghiệm 75

4.2.1 Vật liệu chế tạo mẫu 75

4.2.2 Số lượng mẫu thí nghiệm 76

4.3 Kết quả thực nghiệm 76

4.3.1 Thép C45 Error! Bookmark not defined 4.3.2 Thép hợp kim Error! Bookmark not defined 4.3.3 Thép 20MoCr 83

kết luận và đề nghị 88

1 Kết luận 93

2 Đề nghị 93 Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined

Hiện nay việc không ngừng nâng cao năng suất lao động và khai thác tối đa khả năng làm việc của máy móc thiết bị đã tạo ra điều kiện làm việc khắc nghiệt cho các máy, đặc biệt là lớp mặt ngoài của nó phải được làm bền bằng những công nghệ mới thích hợp như làm bền bằng laze, làm bền bằng siêu âm Mặt khác, nhu cầu sử dụng thiết bị ngày càng nhiều trong khi giá thành chế tạo cao Do đó, việc tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt chi tiết là cần thiết

Công nghệ xử lý bề mặt kim loại là một trong những công nghệ cơ bản

được áp dụng rộng rãi trong việc chế tạo các sản phẩm từ phôi kim loại.Nó làm tăng độ bền, bảo vệ chống ăn mòn, trang trí để làm tăng vẻ đẹp và giá trị thương phẩm cho mỗi sản phẩm được hoàn thiện trước khi xuất xưởng

Tuỳ thuộc vào điều kiện của chi tiết, bề mặt kim loại phải có các tính chất cơ- lý- hoá phù hợp như: độ bền chống mài mòn, chống ma sát, độ bền nhiệt, độ bền chống ăn mòn trong khí quyển và trong các môi trường hoá chất

ở các nước phát triển, tuy đầu tư cho việc chống ăn mòn ngày càng tăng, các công việc chống ăn mòn ngày càng hiện đại nhưng thiệt hại do ăn mòn không vì thế mà giảm đi Ngựơc lại, nó vẫn không ngừng tăng lên do vật liệu ngày càng được sử dụng nhiều, giá trị của vật liệu trong nền kinh tế quốc dân ngày càng lớn và môi trường ngày càng ô nhiễm Vì vậy các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn kim loại đóng vai trò rất quan trọng Nhất là đối với nước ta, điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm làm cho quá trình ăn mòn kim loại nói chung mãnh liệt hơn Những năm 90 trong sự tăng trưởng kinh tế, nhiều ngành công nghiệp ra đời và phát triển: dầu

khí, đóng tàu, sửa chữa v.v Nhiều công trình và thiết bị phải làm việc trong những môi trường khắc nghiệt: môi trường biển, môi trường các khí hoá chất

ăn mòn mạnh( Cl, HCl, SO2, SO3, NH3, NO2, NO, CO,…) Trong điều kiện như vậy hàng vạn tấn kim loại đã bị phá huỷ hàng năm Do đó việc bảo vệ kim loaị chống ăn mòn và mài mòn kim loại càng có ý nghĩa quan trọng

Khi thiết kế các chi tiết của các thiết bị công nghiêp hiện đại ngoài việc lựa chọn vật liệu cơ bản đáp ứng được các chỉ tiêu về kỹ thuật- kinh tế cần thiết, công nghệ xử lý bề mặt kim loại đóng một vai trò rất quan trọng và trong nhiều trường hợp là một công nghệ không thể thiếu được trong việc đảm bảo độ bền và tuổi thọ cần thiết đối với các thiết bị tổng thành Lựa chọn một cách tối ưu biện pháp công nghệ xử lý bề mặt cho từng chi tiết đã góp phần

mở rộng khả năng thiết kế và chế tạo nhiều chủng loại thiết bị, chi tiết máy với tính năng công nghệ cao phục vụ đắc lực cho nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn của đất nước như công nghiệp dầu khí, khai thác mỏ, công nghiệp hoá chất, thiết bị áp lực…

Những công nghệ xử lý bề mặt kim loại nhằm chống ăn mòn và nâng cao cơ-lý tính là những công nghệ đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu

được trong sản xuất công nghiệp hiện nay

Tuy nhiên, trong sự phát triển chung của ngành cơ khí nước ta đòi hỏi phải đẩy mạnh cả về sản lượng và chất lượng sản phẩm Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện có tác dụng rất mạnh trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm

Hoá nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện có kèm theo sự cải thiện thành phần hoá học lớp bề mặt do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt mà vẫn bảo tồn được các tính chất ở trong lõi của vật liệu

Thấm nitơ là phương pháp khuếch tán nitơ vào bề mặt chi tiết làm tăng

độ cứng và tăng tính chịu mài mòn Thấm nitơ còn tạo nên lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết Ngoài ra, thấm nitơ có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt trong khí quyển và có thể dùng để trang sức

Từ những yêu cầu thực tế trên, được sự hướng dẫn của TS Đào Quang Kế

Bộ môn Công nghệ cơ khí, Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp I -

Hà Nội, tôi đã đi vào nghiên cứu , thực hiện đề tài:

″Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt một

số vật liệu chế tạo máy”

Yêu cầu thực hiện của đề tài:

+ Nghiên cứu thiết kế chế tạo lò thấm nitơ thể khí phục vụ cho việc nghiên cứu, thí nghiệm

+ Nghiên cứu ứng dụng thấm Nitơ vào việc nâng cao chất lượng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy

Địa điểm thực hiện đề tài:

- Phòng công nghệ phục hồi và xử lý bề mặt, Bộ môn Công nghệ cơ khí Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội

- Viện nghiên cứu cơ khí (Bộ công nghiệp)

- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Chương 1 Tổng quan đề tài

Từ khi con người bắt đầu biết sử dụng kim loại làm công cụ lao động và các phương tiện lao động khác thì vấn đề chống mòn cho kim loại cũng đồng thời được đặt ra Như vậy, cách thời đại chúng ta khoảng 4,5 ngàn năm thì vấn

đề bảo vệ kim loại đã là mối quan tâm

Ngày nay, sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật như chế tạo cơ khí, luyện kim, công nghệ hoá học, xây dựng, kỹ thuật điện tử, giao thông vận tải, công nghiệp thực phẩm, kỹ thuật hàng không, và đời sống thường ngày

đều gắn với vật liệu và cần đến các vật liệu có tính năng đa dạng với chất lượng ngày càng cao

1.1 Tình hình và xu hướng phát triển công nghệ xử lý bề mặt kim loại

Từ cuối thế kỷ 18 đã bắt đầu xuất hiện những công nghệ xử lý bề mặt kim loại như: mạ, tráng men, bọc lót cao su… Để chống ăn mòn và những phương pháp để cải thiện bề mặt kim loại như nhiệt luyện (tôi, ram, ủ, thường hoá, thấm C, thấm N…) Ngoài ra người ta nhuộm đen thép hoặc ôxy hoá, nhuộm màu nhôm, phốt phát hoá trước khi sơn Bước sang thế kỷ 20 cùng với

sự phát triển theo yêu cầu của các ngành công nghiệp, các công nghệ xử lý bề mặt phát triển rất nhanh, những công nghệ trên ngày càng hoàn thiện: từ mạ thủ công, mạ hoá học đã chuyển sang cơ khí hoá quá trình mạ điện như mạ quay, mạ chuyển dịch a-nôt, các khâu nâng, vận chuyển được cơ giới hoá, đã cải thiện từng bước về chất lượng mạ điện và điều kiện lao động Một số nước tiên tiến, công nghệ mạ trang trí đã chuyển sang bán tự động và tự động hoá dây chuyền thiết bị mạ, nâng cao sản lượng và chất lượng lớp mạ ổn định, bền, bóng, đẹp Bên cạnh mạ điện còn xuất hiện mạ phun (Al, Zn, hợp kim Al-Zn, các hợp kim Fe-Ni-Cr, Cu-Pb,…), mạ nhúng nóng ( Zn, hợp kim Ai-Zn, tráng

Sn, tráng Pb,…), mạ xoa Do đó đã mạ được những chi tiết hình thù phức tạp, các cấu kiện lớn như cầu, cột điện cao thế, đường ống các loại, tôn tấm phục

vụ cho việc chế tạo tấm lợp và phục vụ sinh hoạt…, đáp ứng kịp thời những

nhu cầu sản xuất và đời sống Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị mạ đạt trình độ công nghệ cao : Hãng Canning của Anh, Sumee của Trung Quốc, Vanderhors của Singaqore, DevLa Rue Giori của Thuỵ Sĩ…

Trong sản xuất cơ khí không thể thiếu được công nghệ nhiệt luyện vì

đây là biện pháp hữu hiệu để nâng cao chất lượng sản phẩm kim loại nói chung và sản phẩm thép nói riêng Do vậy tại tất cả các xí nghiệp sản xuất cơ khí lớn hay nhỏ đều có một bộ phận nhiệt luyện Nhiệm vụ chính của bộ phận nhiệt luyện là tham gia chế tạo dụng cụ cắt gọt như nhiệt luyện các loại dao tiện, phay, bào, chuốt, doa…, nhiệt luyện cải thiện chất lượng sản phẩm trước, trong và sau quá trình gia công cơ khí ,ví dụ như: ủ trước khi gia công tiện, phay, bào…, ram trong quá trình gia công cơ khí hoặc tôi trước khi mài Có thể nói trình độ công nghệ nhiệt luyện ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng, tuổi thọ của sản phảm cơ khí sản xuất ra ở các nước tiên tiến, khâu nhiệt luyện được đặc biệt chú trọng, nhất là việc chế tạo các thiết bị công nghệ như

lò nung cho tôi, ram hoặc ủ có hiệu suất nhiệt cao, điều khiển nhiệt độ tự

động, chính xác Ban đầu là các lò rèn thủ công rồi tiến tới lò buồng Hiện nay

ở những cơ sở sản xuất hàng loạt đã có các dây chuyền nhiệt luyện kiểu Tunel, sản phẩm vào và ra liên tục theo kiểu dòng nước chảy do đó chất lượng sản phẩm tốt, ổn định và năng suất cao Ngoài ra các lò tôi bằng năng lượng dòng điện cảm ứng cao tần, cũng được sử dụng khá phổ biến

Cựng v i s phỏt tri n c i ti n tớnh n ng c a l p b m t, v t li u k thu t th hi n s phỏt tri n, ti m n ng, tri n v ng c a ngành cụng ngh b

m t trong vi c phỏt tri n tớnh n ng c a v t li u, t o s đa d ng trong ng d ng

và s phỏt tri n c a cụng ngh v t li u Cụng ngh b m t giỳp chỳng ta ti t

ki m đ c nhi u v t li u, đ c bi t là v t li u quý hi m nh l p b m t đ c

c ng húa Theo th ng kờ, t n th t do n mũn v t li u chi m t 2 ữ 4% GDP

c a cỏc n c cụng nghi p tiờn ti n; 10% s n l ng thộp c a toàn th gi i b

t n th t do n mũn Cụng ngh b m t cú vai trũ quan tr ng trong vi c ch ng

n mũn b ng cỏch t o nờn nh ng l p ph , thay đ i tớnh n ng c a l p b m t,

c i thi n tớnh ch ng n mũn, ch ng mũn c a v t li u Hi n nay, cụng ngh b

m t th c hi n t 70 ữ 80% nh ng cụng trỡnh cú liờn quan t i b o v b m t

ch ng n mũn và đi u khi n đ c 25 ữ 30% t ng kh i l ng n mũn Trong

t ng lai, cụng ngh b m t cũn phỏt tri n theo h ng gi m mũn, nõng cao

hi u su t s d ng v t li u Ngoài ra, vi c s d ng b m t trong s a ch a thi t

b theo h ng s a ch a nh ng b m t quan tr ng mau mũn, chúng g cú th

ti t ki m đ c r t nhi u

Để nâng cao cơ- lý tính bề mặt, cùng với nhiệt luyện có các phương pháp hoá nhiệt luyện như sulfit hoá bề mặt, thấm cácbon, thấm nitơ, thấm crôm, thấm silic, thấm xyanua, thấm bo, … Các phương pháp công nghệ này

đều đã và đang thực hiện với quy mô khác nhau

Công nghệ nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi hình dạng và kích thước của chi tiết

Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi tiết sau khi gia công có những tính chất cần thiết như độ cứng, độ dẻo dai, khả năng chống mòn, mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu Vì vậy nhiệt luyện là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí

Nguyên công nhiệt luyện có thể nằm ở những vị trí khác nhau trong dây chuyền sản xuất cơ khí, tuỳ thuộc vào vị trí có thể phân thành hai loại:

- Nhiệt luyện sơ bộ: là dạng nhiệt luyện thường tiến hành trước khi gia công cơ nhằm tạo ra độ cứng và tổ chức tế vi thích hợp cho các nguyên công gia công cơ và nhiệt luyện tiếp theo

- Nhiệt luyện kết thúc: là dạng nhiệt luyện được tiến hành sau khi gia công cơ nhằm tạo cho chi tiết những tính chất cần thiết theo yêu cầu của kỹ thuật

Nhiệt luyện quyết định tới tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí Máy móc càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số lượng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều Đối với các nước công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ của

ngành chế tạo cơ khí phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, vì rằng dù gia công cơ khí có chính xác đến đâu nhưng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo thì tuổi thọ của chi tiết cũng giảm và mức độ chính xác của máy móc không còn giữ được theo yêu cầu

Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không những có ý nghĩa kinh tế rất lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu của công trình, máy móc thiết bị ) mà còn là thước đo đánh giá trình độ phát triển khoa học – kỹ thuật của mọi quốc gia

ở nước ta từ lâu nhiệt luyện đã được áp dụng trong đời sống hàng ngày,

ông cha ta đã biết tôi dao, kéo, đục, dũa, làm cho thép mềm trở thành cứng

để cắt gọt hay ngược lại làm cho thép cứng trở thành mềm dẻo dễ dàng cho qua trình chế tạo các chi tiết Ngày nay, nền công nghiệp của nước ta đang phát triển không ngừng và vịêc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các chi tiết bằng phương pháp nhiệt luyện ngày càng trở nên cấp thiết, mà việc đầu tiên là đào tạo đội ngũ cán bộ khoa học – kỹ thuật trong lĩnh vực này

1.2 Những nét chung về hoá nhiệt luyện

Hoá nhiệt luyện kim loại và hợp kim là quá trình nhiệt luyện bao gồm nung chi tiết và giữ nhiệt ở nhiệt độ nhất định trong môi trường hoạt tính nhằm thay đổi thành phần hoá học, tổ chức và tính chất lớp bề mặt của chi tiết

Hoá nhiệt luyện là một trong những phương pháp tăng bền có hiệu quả

và ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại chi tiết máy quan trọng

Hoá nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện có kèm theo sự cải thiện thành phần hoá học lớp bề mặt do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt mà vẫn bảo tồn được các tính chất ở trong lõi của vật liệu Hoá nhiệt luyện bao gồm hai quá trình:

- Thay đổi thành phần lớp bề mặt bằng cách bão hoà và khuếch tán vào sâu bề mặt một hay nhiều nguyên tố khác nhau theo mục đích nhất định (còn gọi là tạo lớp thấm)

- Nhiệt luyện tiếp theo (ủ, tôi, ram,…) nhằm cải thiện hơn nữa tổ chức

và tính chất của lớp bệ mặt cũng như toàn bộ chi tiết

Trong quá trình hoá nhiệt luyện thể tích riêng của lớp bề mặt tăng gây

ra ứng suất nén dư ứng suất này có tác dụng giảm giá trị ứng suất kéo của ngoại lực trong quá trình làm việc của chi tiết

Việc tăng tốc độ chống mòn bề mặt tạo nên khả năng tăng tốc độ quay của máy, tăng năng suất và tuổi bền của máy

Tăng bền bề mặt chi tiết có thể đạt được bằng các phương pháp khác nhau như tôi cao tần, tôi ngọn lửa Song việc tăng bền bề mặt bằng hoá nhiệt luyện có nhiều mặt ưu việt, tạo cho nó khả năng ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của ngành cơ khí

Hoá nhiệt luyện tạo nên khả năng thay thế vật liệu trong chế tạo máy, một lợi ích rất hiệu quả trong điều kiện khan hiếm vật tư hiện nay

Hiện nay rất nhiều công nghệ hoá nhiệt luyện được nghiên cứu có ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong sản xuất gồm có: thấm cacbon, thấm nitơ, thấm xianua, thấm cacbon – nitơ - lưu huỳnh, thấm bo, thấm crôm, thấm nhôm, thấm silic, Mỗi phương pháp hoá nhiệt luyện có đặc điểm riêng, công dụng riêng, áp dụng cho từng loại đối tượng

Các quá trình đều xẩy ra trên cơ sở khuếch tán Vì thế việc giải thích các đặc điểm công nghệ cũng xuất phát từ quy luật chung của quá trình khuếch tán Hiện tương khuếch tán chỉ xẩy ra khi nguyên tố khuếch tán có khả năng tạo với kim loại chính dung dịch rắn Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào dung dịch rắn

Quá trình bão hoà khuếch tán chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định:

Điều kiện 1: Phải có nguyên tử hoạt tính Những nguyên tử này được tạo nên trong thời điểm phân ly hợp chất có chứa nguyên tố này

Điều kiện 2: Cần thiết cho quá trình bão hoà khuếch tán là sự hấp thụ, các nguyên tử được hấp thụ trên bề mặt kim loại khuếch tán sâu vào bên trong kim loại

Điều kiện 3: Cần thiết để thực hiện bão hoà bề mặt là sự khuếch tán Để thực hiện khuếch tán cần có nhiệt độ tương đối cao, bảo đảm độ linh động của các nguyên tử của nguyên tố khuếch tán

Phân ly, hấp thụ và khuếch tán là ba giai đoạn liên tục của một quá trình xác định diễn ra và kết quả thu được Vì thế, nếu tác động biến đổi các

điều kiện phân ly, hấp thụ và khuếch tán có thể tác dụng tích cực lên quá trình hoá nhiệt luyện

Tốc độ khuếch tán được xác định bằng hệ số khuếch tán Sự thay đổi hệ

số khuếch tán vào nhiệt độ tuân theo hàm số mũ

Kích thước của nguyên tử của nguyên tố khuếch tán có ảnh hưởng lớn

đến quá trình khuếch tán Bán kính nguyên tử nguyên tố khuếch tán càng nhỏ thì hệ số khuếch tán càng lớn

độ nguyên tố thấm trong mẫu

1.2.2 Động học của quá trình thấm

Trong ba quá trình nối tiếp nhau khi tạo lớp thấm bề mặt: khuếch tán thể khí để cung cấp chất thấm lên bề mặt, phản ứng trên bề mặt và khuếch tán thể rắn để thấm sâu vào bên trong Nếu quá trình nào chậm nhất sẽ quyết định

động học của quá trình thấm do đó, có thể giả thuyết ba khả năng:

- Nếu khuếch tán thể khí là quá trình chậm nhất thì phản ứng hoá học và khuếch tán thể rắn vào sâu bề mặt chi tiết ở cân bằng Khi đó động học quá trình thấm sẽ tuyến tính theo thời gian

- Nếu phản ứng hoá học trên bề mặt (bao gồm cả hấp thụ và phản ứng xảy ra trên bề mặt) chậm nhất và quyết định động học quá trình thấm, tương

tự như trên, khuếch tán thể khí và khuếch tán thể rắn phải ở trạng thái cân bằng Khi đó, động học quá trình thấm cũng tuyến tính theo thời gian và sự hình thành các hợp chất hoá học trên bề mặt chi tiết

- Nếu khuếch tán thể rắn là quá trình chậm nhất và khống chế động học tạo lớp thấm bề mặt (đây là trường hợp hay gặp nhất trong thực tế) thì khuếch tán thể khí và phản ứng hoá học đều ở trạng thái cân bằng Khi đó động học quá trình thấm được biểu diễn bằng đường parabol theo thời gian thấm

1.2.3 Môi trường thấm

Để thực hiện quá trình thấm trước tiên ta phải tạo ra môi trường thấm Môi trường thấm dù ở thể rắn, thể lỏng hay thể khí cũng đều được tạo ra từ ba thành phần chính là: chất thấm, chất độn, chất xúc tác

Chất thấm là chất có chứa các nguyên tố cần thấm có thể ở dạng nguyên chất hoặc hỗn hợp với các nguyên tố khác Dạng hợp chất thường gặp trong thực tế vì có thể điều chỉnh hoạt độ của nguyên tố cần thấm Tuỳ theo công nghệ thấm mà chất thấm ở thể rắn, lỏng hay khí

Chất độn (phụ gia) nhằm tạo ra môi trường và tốc độ thấm thích hợp, giảm tiêu hao nguyên liệu đắt tiền Ngoài ra chất độn còn để tránh tạo ra các phản ứng phụ không cần thiết trong quá trình thấm

Chất xúc tác được đưa vào nhằm tạo ra các nguyên tử hoạt tính của nguyên tố cần thấm Các nguyên tử cần hoạt này có thể hình thành trực tiếp từ

phản ứng hoá học giữa chất xúc tác và chất thấm, cũng có thể hình thành từ sự phân huỷ các sản phẩm phản ứng trong một điều kiện cụ thể Trong trường hợp chất thấm có thể tự phân huỷ để tạo nguyên tử hoạt thì không cần dùng chất xúc tác Ngoài ra chất xúc tác, trong từng trường hợp cụ thể có thể điều chỉnh quá trình thấm theo hướng có lợi

Hoá nhiệt luyện được dùng phổ biến đối với các chi tiết bằng thép nhằm tạo độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn hay nâng cao tính chịu ăn mòn

1.3 Khái quát chung vế các phương pháp hoá nhiệt luyện

1.3.1 Thấm cacbon (C)

Thấm cacbon là quá trình bão hoà bề mặt chi tiết nguyên tố cacbon để sau khi thấm và nhiệt luyện thu được bề mặt chi tiết có độ cứng cao, độ chống mài mòn cao, độ chống xâm thực, độ bền mòn cao Các tính chất trên đạt được trong khi vẫn giữ nguyên được phần lõi

Thấm cacbon được tiến hành theo các phương pháp:

+ Thấm cacbon thể rắn

Được áp dụng rộng rãi ở nước ta Thấm cacbon thể rắn đơn giản, vạn năng, có thể áp dụng cho chi tiết có hình dạng kích thước khác nhau, không

đòi hỏi thiết bị chuyên dùng

Thành phần hỗn hợp thấm cacbon bao gồm: BaCO3 (bari cacbonat),

Na2CO3 (natri cacbonat), than củi, dầu mazut Các chất này sẽ tạo ra các khí:

O2, CO2, CO, CH4, N2 Các phản ứng xảy ra:

CO2 + C ↔ 2CO Cacbon nguyên tử được hấp thụ vào bề mặt kim loại và khuếch tán đi sâu vào chi tiết

+ Thấm cacbon thể khí

Thấm cacbon (C) thể khí có tính ưu việt hơn thấm C thể rắn vì nó giảm

được thời gian do không phải nung hộp thấm, giảm chi phí lao động chuẩn bị hỗn hợp thấm, giảm vật tư làm hộp thấm, có khả năng điều chỉnh quá trình thấm dễ hơn, giảm biến dạng chi tiết, cải thiện điều kiện lao động và vệ sinh công nghiệp, có thể cơ giới hoá và tự động hoá quá trình sản xuất

Tuy vậy, thấm C thể khí đòi hỏi thiết bị phức tạp, trình độ công nhân cao Việc vận hành thiết bị làm kín nồi thấm, bảo đảm tuần hoàn khí lò, kỹ thuật an toàn đòi hỏi phức tạp hơn làm cho giá thành đắt hơn

Thấm cacbon thể khí ứng dụng có hiệu quả không chỉ ở nhà máy sản xuất loại lớn, loại vừa mà cả nhà máy sản xuất đơn chiếc, sửa chữa

+ Thấm cacbon thể lỏng

Thấm cacbon thể lỏng được tiến hành trong môi trường muối nóng chảy Thấm cacbon thể lỏng áp dụng cho những chi tiết nhỏ cần lớp thấm mỏng 0,1 ữ 0,5 mm Các chi tiết như trục, bạc, bulông, bắnh răng nhỏ, cho chất lượng tốt Thấm cacbon thể lỏng xảy ra nhanh hơn, thu được lớp thấm theo yêu cầu, có thể tôi trực tiếp sau khi thấm và bề mặt chi tiết sạch Giá thành của thấm cacbon thể lỏng rẻ hơn thấm cacbon thể rắn và thể khí

Tuy nhiên, thấm cacbon thể lỏng không dùng được cho chi tiết vừa và lớn, nồi thấm chóng bị ăn mòn, cần có biện pháp an toàn tốt, thành phần cacbon trong chất thấm chóng giảm cần bổ sung ngay

Quá trình thấm cacbon thể lỏng áp dụng cho các chi tiết như phụ tùng

xe đạp, xích máy kéo cơ nhỏ, dao, kéo và các loại hàng tiêu dùng khác

+ Thấm cacbon dạng bột nhão

Thấm cacbon dạng bột nhão ứng dụng cho sản xuất đơn chiếc, sửa chữa cơ điện So với thấm cacbon thể rắn, thấm cacbon dạng bột nhão có những ưu

điểm: rút ngắn thời gian nung, tăng số chi tiết trong hộp thấm, giảm lao động, tiết kiệm năng lượng, giảm được phát triển hạt

Nhược điểm của thấm cacbon dạng bột nhão: kết quả thấm và nồng độ cacbon không ổn định; lớp thấm không giữ được ở nhiệt độ cao hơn 2000C

Thép dùng để thấm cacbon ngoài những thép cacbon thường, còn sử dụng thép hợp kim

1.3.2 Thấm xyanua

Thấm xyanua là quá trình làm bão hoà bề mặt chi tiết đồng thời hai nguyên

tố cacbon (C) và nitơ (N) trong môi trường muối nóng chảy có chứa xyanua nhằm tăng độ cứng, độ chống mài mòn, độ chống ăn mòn và độ bền nóng của chi tiết

Viện Công nghệ đã nghiên cứu áp dụng thấm xyanua nhiệt độ thấp cho dụng cụ cắt bằng thép gió Để tiến hành thấm xyanua cho dụng cụ cắt tại Nhà máy Dụng cụ số I đã xây lắp dây chuyền thấm xyanua

Thấm xyanua nhiệt độ cao được Viện Công nghệ nghiên cứu áp dụng cho chi tiết máy kéo Bông sen 12 Các chi tiết như trục xích, bạc trong, bạc ngoài, chế tạo bằng thép 20Cr

Nhược điểm của quá trình thấm xyanua: Phải dùng muối gốc xyanua là loại hoá chất độc Do đó phải có biện pháp giải quyết triệt để vấn đề khí độc,

xử lý các chất thải và duy trì việc bảo đảm vệ sinh công nghiệp

1.3.3 Thấm lưu huỳnh (S)

Thấm lưu huỳnh là quá trình bão hoà bề mặt các chi tiết bằng nguyên tố lưu huỳnh nhằm nâng cao tính chống mài mòn và tránh tạo vết xước của các

bề mặt làm việc của các chi tiết

Thấm lưu huỳnh có thể tiến hành trong chân không, trong môi trường lưu huỳnh nóng chẩy sử dụng cho các đĩa ma sát của ôtô, cho dụng cụ cắt gọt,

Chi tiết chế tạo bằng thép cacbon sau khi thấm crôm có thể thay thế chi tiết thép hợp kim cao hoặc kim loại màu, tạo nên hiệu quả kinh tế

Thấm crôm có tác dụng tăng tuổi bền các loại khuân dập, các chi tiết búa máy, các mắt cưa, ống dẫn nồi hơi, dũa, chi tiết khuân dập nguội, chi tiết trong máy gặt,

Các phương pháp thấm crôm: thấm crôm thể rắn, thấm crôm thể lỏng, thấm crôm thể khí, thấm crôm dạng bột nhão, thấm crôm trong chân không

1.3.6 Thấm nhôm (AI)

Thấm nhôm là quá trình bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố nhôm nhằm tăng độ chống ăn mòn và độ bền nhiệt của chi tiết

Lớp thấm nhôm có khả năng chống ăn mòn trong các môi trường muối

ăn 5%, axit nitric 50% Độ bền nhiệt của lớp nhôm thép cacbon đạt tới nhiệt

độ 800 ữ 900oC

Thấm nhôm được áp dụng cho các chi tiết máy hoá chất, thiết bị nung nóng, chi tiết động cơ máy bay phản lực làm việc trong môi trường khí ở nhiệt độ cao

1.3.7 Thấm silic (Si)

Thấm silic là quá trình bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố silic nhằm tăng độ chống ăn mòn của chi tiết trong môi trường axit và trong nước biển, đồng thời tăng độ bền nóng của chi tiết ở nhiệt độ 700 ữ 750oC

Thấm silic được áp dụng trong chế tạo máy, hoá chất, giấy và dầu hoả Các phương pháp thấm silic: thấm silic thể rắn, thấm silic thể lỏng, thấm silic thể khí

1.3.8 Thấm kẽm (Zn)

Thấm kẽm là quá trình bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố kẽm nhằm tăng độ chống ăn mòn của chi tiết trong môi trường không khí hoặc khi nóng (300 ữ 550oC) có chứa HCI

Các phương pháp công nghệ thấm kẽm: thấm kẽm nóng chảy, thấm kẽm thể rắn, thấm kẽm thể khí, phủ kẽm và thấm kẽm điện phân

1.3.9 Thấm titan (Ti)

Thấm titan là quá trình làm bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố titan nhằm nâng cao độ chống ăn mòn, độ chống xâm thực, độ cứng bề mặt và độ chống mài mòn, độ bền nóng của chi tiết Thấm titan áp dụng cho các loại thép cacbon và hợp kim gang, các hợp kim mầu trên cơ sở đồng (Cu) và nhôm (AI)

Các phương pháp thấm titan: thấm titan thể rắn, thấm titan thể khí, thấm titan thể lỏng

1.3.10 Thấm nitơ (N)

Thấm nitơ là một quá trình hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố nitơ nhằm mục đích nâng cao độ cứng, độ chống mài mòn, độ bền nóng, độ chống ăn mòn của chi tiết Thấm nitơ tạo nên lớp ứng suất nén dư ở bề mặt, do đó làm tăng mạnh giới hạn mỏi Ngoài ra thấm nitơ

có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt trong khí quyển có thể dùng để trang trí Lớp thấm có cơ tính ổn địng tới nhiệt độ 500 ữ 600oC

Thấm nitơ áp dụng cho các chi tiết máy quan trọng như xecmăng, sơmi, trục chính, lò xo xupat, trục khuỷu, trục vít, dụng cụ cắt gọt, khuân dập nóng, khuân đúc áp lực,…

Đặc điểm của phương pháp này là: bề mặt chi tiết được bão hoà bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc

2NH3 → 3H2 + 2N

Ưu điểm của phương pháp này là: Lượng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim kết hợp với các nguyên tố Cr, Mo, AI,… có trong kim loại tạo lớp nitrit kim loại nhỏ mịn nên làm tăng độ cứng, tính chống mòn, tạo ứng suất dư ở bề mặt làm nâng cao độ bền mỏi của chi tiết

Nhược điểm: Chiều sâu lớp thấm mỏng, thời gian thấm lâu, giá thành chi tiết thấm nitơ đắt

1.4 Mục đích và yêu cầu của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ vào việc nâng cao chất lượng

bề mặt một số vật liệu dụng trong chế tạo máy, mở rộng khả năng công nghệ thấm nitơ trong nước

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như: vật liệu, nhiệt độ thấm và thời gian thấm đến chất lượng lớp thấm nitơ

Thực hiện thấm nitơ trên nền của thép C45, 20MoCr, 38XMA (38CrMoA) đã được nhiệt luyện sơ bộ và ram, xây dựng quy trình công nghệ thấm nitơ với các vật liệu đã chọn

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu

2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Với mục đích của đề tài là: “Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy”, chúng tôi đã ứng dụng

phương pháp nghiên cứu sau:

Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết của quá trình thấm nitơ; sơ lược nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm Nghiên cứu, phân tích lý thuyết công nghệ thấm nitơ của các tài liệu trong và ngoài nước để vận dụng xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt

2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Từ những cơ sở lý thuyết của công nghệ thấm nitơ, chúng tôi đã tiến hành tìm hiểu thiết bị thấm nitơ; các yếu tố công nghệ: nhiệt độ, thời gian, độ phân giải khí NH3 để thấy được ảnh hưởng của chúng đến chất lượng lớp thấm

từ đó xây dựng công nghệ thấm nitơ trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm

Chế tạo lò thấm nitơ thể khi phục vụ cho viêc nghiên cứu các mẫu thực nghiệm để chúng đại diện cho các chi tiết máy nói chung, tiến hành thí nghiệm trên thiết bị chế tạo tại Bộ môn Công nghệ Cơ khí, Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp I – Hà Nội và kiểm tra trên thiết bị có tại Viên Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công nghiệp và trường Đại học Bách khoa Hà nội

Thiết lập quy trình công nghệ trong đó có nói về các bước cụ thể cho quá trình thấm trên các mẫu thực nghiệm

Thông qua các mẫu thực nghiệm, tiến hành kiểm tra các thông số của lớp thấm như: độ cứng, độ dày lớp thấm, tổ chức tế vi (chụp ảnh kim tương) từ

đó phân tích, đánh giá và rút ra quy trình công nghệ hợp lý về công nghệ thấm nitơ với loại thép đã thực nghiệm

2.3 Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm

Các số liệu kiểm tra chất lượng của lớp bề mặt mẫu thấm như độ cứng, chiều sâu lớp thấm, ảnh kim tương được kiểm tra theo tiêu chuẩn chung của

Tổng cục Đo lường chất lượng Việt Nam và Phòng thi nghiệm trọng điểm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công nghiệp

Số liệu thu được đo tại ít nhất 3 vi trí khác nhau trên mẫu để đảm bảo xác suất tin cậy Nếu trong quá trình đo có số liệu nghi ngờ không đáng tin cậy (nhiễu) thi chung tôi tiến hành đo lai

Các giá tri đo được: Xi (i = 1 ữ n)

=

i i X n

X

11

)(

.

2

2 2

d D D

D

P HB

ư

ư

=

πTrong đó, P: tải trọng tính ra kG (1kG= 10 N);

D: đường kính viên bi tính ra mm;

d: đường kính vết lõm tính ra mm

Các vật rèn và đúc có độ cứng từ 8 đến 450 đơn vị (kG/mm2) làm bằng kim loại đen và màu chủ yếu được thử bằng phương pháp này; trong đó 0,2D < d < 0,6D

Khi xác đinh độ cứng cần tuân theo các điều kiện sau: khoảng cách từ trung tâm vết lõm đến mép không nhỏ hơn 2,5d; còn khoảng cách giữa các trung tâm của hai vết gần nhau không nhỏ hơn 4,0d đối với kim loại có độ cứng < 35 HB, các quy định trên lần lượt là 3,0d và 6,0d

Chiều dài và chiều rộng của mặt phẳng được chế tạo khi thử các bề mặt cong khi D = 10 mm lớn hơn 20 mm, khi D = 5,0 mm lớn hơn 10 mm, khi D = 2,5 mm lớn hơn 5 mm

Đường kímh vết lõm là giá trị trung bình về số học được đo bằng kinh hiển vi có khắc độ theo hai phương pháp vuông góc với nhau, sai số của kính không quá ± 0,01 mm cho một vạch nhỏ nhất của thang và ± 0,02 mm trên toàn bộ chiều dài thang; sai số của phép đo đường kinh vết lõm không vượt quá 2% của đường kính nhỏ nhất trong đó

Tỉ số giới hạn bền kéo, độ cứng HB của thép rèn và cán có thể tìm được

từ tỉ lệ σbk = 0,36 HB; đối với gang xám và đối với thép đúc

d

P d

Phương pháp này dùng để xác định độ cứng của các chi tiết làm bằng kim loại, hợp kim đen và màu có lớp mạ mỏng, lớp thép nitơ, xianua, cacbon

và các chi tiết có chiều sâu được tôi nhỏ, có độ cứng HV từ 8 ữ 1000, nhiệt độ

2.4.1.3 Xác đinh độ cứng Rocoen

Trên máy đo độ cứng kiểu nón

002,00

h h K

ư

=

Trong đó, K = 130 khi thử bằng bi thép đã nhiệt luyện (HV 850, độ

bóng không nhỏ hơn cấp 12) có đường kính 1,588 mm (thang B);

K = 100 khi thử bằng mũi kim cương hình nón có góc ở đỉnh

bằng 1200 ± 30’ (thang C và A);

0,002 là giá trị của vạch đồng hồ so – sự dịch chuyển theo chiều trục của mũi đâm tính ra mm được lấy là một đơn vị độ cứng

h0: chiều sâu vết ấn của mũi đâm trên kim loại thử dưới tác

dụng của tải trọng sơ bộ : P0 = 10 kG;

h: chiều sâu vết ấn sau khi lấy đi tải trọng chính P1

Phương pháp này dùng để xác định độ cứng của chi tiết làm bằng kim loại đen hay màu ở nhiệt độ 200C ± 10o có độ cứng cao ( các thang C và A) và cả các chi tiết có bề mặt gia công (mài) hay chi tiết hoá nhiệt luyện (xianua và thấm cacbon)

2.4.2 Kiểm tra chiều sâu lớp thấm

Mẫu sau khi thâm nitơ muốn kiểm tra chiều sâu lớp thấm ta cắt mẫu theo mặt phẳng vuông góc với đường sinh mẫu trụ Phần bỏ đi có chiều dày khoảng 3 4 5 mm phần mẫu còn lại đem mài phẳng tại mặt cắt và đem đánh bóng tẩm thực bằng dung dịch 3% HNO3 trong cồn, hay dung dịch gồm 1g axitpiciric + 5 mg axít HCl đậm đặc trong 100 mg cồn (1g C6H2(NO)2OH + 5

mg HCl đậm đặc trong 100 mg cồn) là loại dung dịch dịch để tẩm thực cho thép tôi mactenxit Chiều sâu lớp thấm xác định bằng quan sát tổ chức trên kính hiển vi Tuỳ thuộc vào các chế độ cụ thể ta có các chiều sâu lớp thấm khác nhau

2.4.3 Kiểm tra tổ chức tế vi của lớp thấm

Sau khi thân nitơ và tôi, với chiều sâu lớp thấm đảm bảo, tổ chức tế vi của lớp thấm phần nào phản ánh qua độ cứng của bề mặt Lõi có tổ chức tôi không hoàn toàn Dựa trên hình ảnh của tổ chức tế vi ta có thể đánh giá chất lương

Chương 3 Nghiên cứu lý thuyết

3.1 Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại

3.1.1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể

3.1.1.1 Cấu trúc nguyên tử

Trong tự nhiên vật chất tồn tại ở ba trạng thái rắn – lỏng - khí và chúng

được hình thành từ những phần tử nhỏ - đó là các nguyên tử

Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất mang đầy đủ tính chất của một nguyên

tố hóa học Tính chất của một nguyên tố hóa học hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc của nguyên tử và cách sắp xếp của điện tử trong nguyên tử đó Bởi vậy, nghiên cứu về vật liệu kim loại, phải nghiên cứu từ cấu trúc nguyên tử và sự liên quan giữa các yếu tố trong một nguyên tử, cấu trúc nguyên tử bao gồm:

Hạt nhân: nếu ta quan niệm nguyên tử có dạng hình cầu, thì hạt nhân là phần vật chất nằm ở tâm và mang điện tích dương

Ta đã biết nguyên tử luôn luôn trung hòa về điện Bởi vậy điện tử chuyển động trên quỹ đạo mang điện tích trái dấu đúng bằng độ lớn của điện tích hạt nhân Các nguyên tử khi chuyển động trên các mặt cầu quanh hạt nhân đều tuân theo các lý thuyết về cơ học sóng Người ta có thể xác định

được mật độ của các lớp mây điện tử quanh hạt nhân bằng phương trình Schrodinger Đó là phương trình biểu diễn hệ tọa độ cầu trong không gian

Hình 3.1 Hệ toạ độ cầu của chất điểm

Các điện tử của một số nguyên tử sẽ chiếm các vị trí có trạng thái lượng

tử tuân theo một quy luật nhất định, theo nguyên lý năng lượng tối thiểu và nguyên lý Paoly Mức năng lượng của điện tử hoàn toàn phụ thuộc vào n và Z

và được biểu diễn các cấu trúc đó bằng lượng tử Z và số điện tử là số mũ

Tổng số mũ của trạng thái lượng tử khác nhau chỉ số điện tử của nguyên

tử ấy bằng số thứ tự trong bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học của Mendelêep Khi nguyên tử hấp thụ hay thải năng lượng thì trạng thái năng lượng của các

điện tử sẽ thay đổi sang mức năng lượng khác

3.1.1.2 Cấu trúc tinh thể

Lực liên kết giữa các nguyên tử:

ở trạng thái rắn các nguyên tử được giữ cân bằng bởi các lực tương tác, lực tương tác thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi

Trên hình 3.2 cho ta thấy thế năng thực tế của một cặp nguyên tử bằng không khi hai nguyên tử ở cách xa nhau vai trăm ăngstron (A0) và trở nên âm khi chúng ở gần nhau hơn do lực hút giữa hai nguyên tử gây nên

Mn

Ea Et

(-)

Emin r

Hình 3.2 Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử

En: Thế năng giữa hai nguyên tử

Ea: Thế năng hút giữa hai nguyên tử

Et: Tổng thế năng hút và đẩy giữa hai nguyên tử

Hình 3.2 cũng cho ta thấy được sự biến đổi của các loại lực phụ thuộc vào khoảng cách của hai nguyên tử Khi tăng nhiệt độ, có nghĩa là cấp thêm cho nguyên tử một năng lượng mới Làm khả năng chuyển động của nguyên

tử tăng, hay nói cách khác là năng lượng tự do của nguyên tử sau khi được cấp thêm năng lượng đã vượt giá trị năng lượng tự do cân bằng vốn có của nó

Bởi vây nguyên tử trong mạng tinh thể kim loại luôn đạt giá trị năng lượng cân bằng (lực hút, lực đẩy đạt giá trị xác định ở điều kiện cân bằng) Đó là mức năng lượng tối thiểu có thể có của mạng kim loại ở mỗi nhiệt độ khác nhau (với

điều kiện áp suất bằng 1 at) do đó khi xét đến khả năng tồn tại của vật liệu kim loại ta phải xét đến khả năng liên kết và các lực liên kết có trong mạng tinh thể

Đó là các loại liên kết ion, liên kết đồng hóa trị, liên kết kim loại

* Các loại liên kết thường gặp trong vật liệu

- Liên kết ion:

Liên kết này thường gặp ở các nguyên tử kim loại và á kim, đó là các nguyên tử kim loại nhóm kiềm và kiềm thổ còn các á kim được đặc trưng bởi các nhóm Halozen

Theo tính toán về năng lượng của điện tử hóa trị thì ở nhóm kim loại kiềm và kiềm thổ lớp điện tử ngoài cùng có năng lượng lớn nhất, chỉ cần có

điều kiện là các điện tử đó oxy hóa biến thành ion mang điện tích dương

Me - ne → Me+n + ne Còn các á kim nhóm Halozen chỉ cần có điều kiện khử thì các nguyên

tố này thể hiện mạnh tính oxy hóa để trở thành ion âm

A + ne → A-n

Do đó hai loại ion này thể hiện lực hút tĩnh điện mạnh

Liên kết của ion càng mạnh khi điện tích, ion càng lớn và bán kính ion nhỏ Liên kết ion là liên kết có tính giòn cao, nên trong vật liệu dùng chế tạo máy ít được sử dụng

- Liên kết đồng hóa trị

Loại liên kết này được hình thành từ hai nguyên tử cùng một nguyên tố hóa học Sở dĩ hình thành liên kết này là do hai nguyên tử dùng chung cặp điện tử để trung hòa về điện, bởi vậy chúng tồn tại dưới dạng phân tử hai nguyên tử

Với tổ chức liên kết đồng hóa trị thì ít biến dạng dẻo độ dòn cao

- Liên kết kim loại.

Đây là loại liên kết trong mạng tinh thể cùng tên Liên kết này gần với

đồng hóa trị, nhưng khác với liên kết đồng hóa trị là các điện tử tự do không chiếm vị trí xác định trên quỹ đạo của nguyên tử, chúng chuyển động với tốc

độ lớn từ nguyên tử này sang nguyên tử khác tạo ra các đám mây liên kết, mật

độ điện tử hoàn toàn phụ thuộc số lượng điện tử hóa trị và phải xác định mật

độ bằng phương trình sóng (3-1) Sự chuyển động của các e (electron) luôn tuân theo quy luật “nguyên tử trung hòa về điện” Nhờ có kiểu liên kết này mà kim loại có tính dẻo cao, độ dẫn nhiệt và dẫn điện lớn

Từ việc nghiên cứu vi mô về nguyên tử, đến các vấn đề liên kết của chúng trong vật liệu, các nhà vật liệu học càng đi sâu vào nghiên cứu về cấu trúc dạng khối của kim loại để tìm ra được các thông số ưu việt nhất phục vụ cho việc tạo ra các vật liệu đa dạng phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, đặc biệt

là vật liệu phục vụ ngành chế tạo máy còn non trẻ của đất nước hiện nay

3.1.2 Cấu tạo kim loại

Quá trình ăn mòn kim loại là quá trình tương tác giữa kim loại với môi trường Cấu tạo kim loại có ảnh hưởng nhất định đến quá trình ăn mòn kim loại

ở điều kiện thường các kim loại và hợp kim đều ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt có tính công nghệ Có được các tính chất đó là do cấu tạo kim loại

Khi kim loại chuyển trạng thái rắn thì các nguyên tử (ion) kim loại được sắp xếp theo một trật tự nhất định tạo nên mạng không gian

Cấu tạo nguyên tử (ion) được tạo thành do một hay nhiều điện tử hoá trị của nguyên tử (ion) kim loại chuyển rời từ nguyên tử này sang nguyên tử khác Các nguyên tử bị mất điện tử hoá trị trở thành điện tử mang điện tích dương gọi là ion dương hay cation kim loại Kết quả là trong kim loại tồn tại nguyên tử cùng các điện tử tự do

Các nguyên tử (ion) trong kim loại không chuyển động hỗn loạn mà nó chỉ giao động xung quanh một vị chí nhất định Giữa các nguyên tử có khoảng cách

Nếu nối tâm của các vị chí các nguyên tử lại ta sẽ được mạng không gian gọi là mạng tinh thể

Tuỳ thuộc vào sự sắp xếp trong không gian các nguyên tử mà tạo nên các dạng mạng tinh thể khác nhau Phần thể tích nhỏ nhất của mạng không gian đại diện cho một nguyên tố hoá học gọi là ô mạng cơ bản (ô mạng cơ sở)

3.1.2.1 Kiểu mạng lập phương thể tâm A 2

Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các

đỉnh, các trung tâm khối Các thông số cơ bản của kiểu mạng lập phương thể tâm

Ô cơ bản: là phần thể tích nhỏ nhất của mạng tinh thể nếu đi theo X,Y,Z thì các tính chất lặp lại đúng như ô ban đầu (độ dài OX,OY,OZ phải chia hết cho a) Trong ô cơ bản của mạng A2 có 8 nguyên tử ở 8 đỉnh và ở tâm

O có một nguyên tử Tuy vậy phần thể tích chứa trong một ô cơ bản chỉ có 2 (n = 2) Bởi vì mỗi nguyên tử ở đỉnh O thuộc về 8 ô cơ bản chỉ có nguyên tử ở tâm khối là trọn vẹn thuộc về ô đó Do đó ta có:

n = 1/8.8 + 1 = 2 (nguyên tử)

Hình 3.3 Ô mạng lập phương thể tâm

ở kiểu mạng A2 các nguyên tử ở 8 đỉnh không tiếp xúc với nhau, mà chúng chỉ tiếp xúc với nguyên tử ở tâm khối bởi vậy kiểu mạng A2 tạo ra các lỗ trống 8 mặt, đây là cơ sở để các nhà nghiên cứu đặt vấn đề tạo hợp kim Để đánh giá sơ bộ độ bền của các kiểu mạng, người ta thường thông qua đại lượng

%100

V

v n

M v = (mật độ thể tích) Trong đó, v: thể tích nguyên tử

V: thể tích ô cơ bản n: số nguyên tử trong ô cơ bản s: tiết diện nguyên tử trong mặt tinh thể S: tiết diện mặt tinh thể của ô cơ bản

Đại lượng này nói lên năng lượng liên kết giữa các nguyên tử với nhau trong mạng, Mv càng lớn có nghĩa là năng lượng liên kết càng lớn và mạng tinh thể có độ bền lớn

Đại lượng thứ hai:

% 100

.

S

s n

Ms = ( mật độ diện tích) Nếu trong các họ mặt tinh thể có Ms lớn thì sự trượt của kim loại theo phương vuông góc càng khó xảy ra

3.1.2.2 Kiểu mạng lập phương tâm mặt A 1

ở kiểu mạng A1 có cấu trúc của ô cơ bản khác với A2 ngoài các nguyên

tử ở đỉnh, còn các nguyên tử nằm ở trung tâm của 6 mặt các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc nhau mà chỉ tiếp với các nguyên tử nằm ở tâm Bởi vậy kiểu mạng A1 tạo ra các lỗ trống 8 mặt ở tâm khối và lỗ trống 4 mặt như trên hình 3.4 ở mạng A1 việc tính toán mật độ thể tích và mật độ diện tích như sau:

tương tự như mạng A2, các nguyên tử nằm ở các đỉnh khối đều thuộc 8

ô cơ bản trong mạng Ngoài ra mỗi nguyên tử nằm tâm mặt thuộc về 2 ô cơ bản Do đó nguyên tử trong ô cơ bản của kiểu mạng A2 được tính

n = 1/8.8 + 1/2.6 = 4

Hình 3.4 Ô mạng lập phương tâm mặt

còn việc tính mật độ thể tích và mật độ diện tích ta dùng công thức ở kiểu mạng A2 Nếu đem mật độ nguyên tử Mv để so sánh A1và A2 ta thấy được các dạng lỗ trống ở mạng A2 lớnhơn và số lượng lỗ trống cũng ít hơn ở kiểu mạng A1 Đó chính là tiền đề các nhà nghiên cứu của vật liệu đặt ra để tạo

điều kiện hình thành loại dung dịch rắn xen kẽ

3.1.2.3 Kiểu mạng lục giác xếp chặt A 3

Kiểu mạng A3 được cấu trúc như một lăng trụ lục giác Hai đáy là hai tiết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh còn có một nguyên tử nằm ở tâm đáy ở kiểu mạng A3 này tâm đáy còn có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều 2 đáy Các nguyên tử trên một đáy không tiếp xúc với nhau mà chỉ tiếp xúc với 3 nguyên tử ở tâm khối Ngược lại, 3 nguyên

tử ở tâm khối cũng không tiếp xúc với nhau

,

a c

đều được coi là mạng lục giác xếp chặt

Một trong những yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của kim loại là mật độ của nguyên tử trong mạng tinh thể Được đặc trưng bởi hằng số mật độ (hệ số gối)

Hệ số mật độ là tỷ số giữa thể tích chiếm chỗ của nguyên tử so với thể tích của ô cơ bản

Để đặc tr−ng cho cấu tạo mạng tinh thể ta còn dùng hệ số phối trí

Hệ số phối trí của mạng tinh thể là số l−ợng các nguyên tử gần nhất bao quanh một nguyên tử

Bảng 3.1 Hệ số mật độ và hệ số phối trí của ô mạng tinh thể

Cấu tạo mạng tinh thể Số nguyên tử có

trong ô cơ bản (nv)

Hệ số mật

độ (Kv)

Hệ số phối trí

Hệ số mật độ và hệ số phối trí càng lớn tức khoảng không gian tự do còn lại càng nhỏ thì cấu tạo mạng lưới tinh thể càng bền

3.1.3 Bản chất mối liên kết trong kim loại

Mối liên kết trong kim loại về bản chất thì giống mối liên kết cộng hoá trị, Nhưng có điểm khác là các điện tử hoá trị trong kim loại không chỉ dùng riêng cho một cặp liên kết đứng gần nhau nào, mà dùng chung cho toàn bộ khối kim loại Các điện tử hoá trị sau khi tách khỏi hoá trị kim loại thì chuyển

động từ quỹ đạo thuộc nguyên tử này sang quỹ đạo thuộc nguyên tử khác Nó không phụ thuộc vào bất kỳ một nguyên nhất định nào trong mạng lưới tinh thể Các điện tử tự do chuyển động hỗn loạn tạo thành khí điện tử (mây điện tử) trong kim loại Tương tác giữa lớp khí điện tử với các nguyên tử kim loại tạo nên mối liên kết đặc biệt, gọi là mối liên kết kim loại

Từ cấu tạo và bản chất mối liên kết kim loại mà kim loại có tính dẫn

điện, dẫn nhiệt, tính công nghệ,

Khi ta thiết lập một hiệu điện thế giữa hai đầu của một thanh kim loại thì các điện tử tự do sẽ chuyển từ chuyển động hỗn loạn sang chuyển động có hướng trong điện trường, tạo thành dòng điện trong kim loại Dòng điện chạy qua không làm thay đổi tính chất của thanh kim loại

Khi ta nung nóng ở một điểm nào đó của thanh kim loại; nhiệt năng sẽ làm các nguyên tử ở đó dao động Dao động nhiệt của các nguyên tử sẽ lan truyền từ nguyên tử này sang nguyên tử lân cận Kết quả là tạo nên tính dẫn nhiệt của kim loại

Khi gia công kim loại bằng áp lực, các lớp nguyên tử chỉ trượt lên nhau Các điện tử tự do vẫn giữ nguyên mối liên kết giữa các nguyên tử - điều đó giải thích khả năng định hình của chi tiết kim loại

3.2 Lý thuyết về ăn mòn và mài mòn kim loại

3.2.1 Tìm hiểu chung về ăn mòn và mài mòn kim loại

Các thiết bị, máy móc, các kết cấu công trình các vật liệu kim loại sau một thời gian làm việc hay bảo quản không được tốt thì thường xuyên bị han

gỉ rồi hư hỏng Sự hư hỏng đó do nhiều nguyên nhân gây ra chẳng hạn: Các

thiết bị lò đốt, nồi hơi sau một thời gian làm việc dẫn đến hư hỏng Sự hư hỏng các chi tiết này do sự tạo các ôxit kim loại làm cho chúng giảm dần về kích thước và kết cấu; các thùng chứa axit, các ống dẫn chất lỏng bằng kim loại, các chi tiết, vật liệu kim loại khác để trong không khí sau một thời gian

sử dụng và bảo quản bị hư hỏng do ăn mòn…

Vậy hiện tượng mòn kim loại là hiện tượng phá huỷ kim loại hay hợp kim gây nên bởi tác dụng hoá học, điện hoá hay cơ học xảy ra giữa chúng với môi trường bên ngoài hoặc giữa chúng với nhau

3.2.2 Các quá trình ăn mòn và mài mòn kim loại

Là sự ăn mòn do phản ứng điện hoá xảy ra ở vùng kim loại có cấu trúc

pha khác nhau khi có mặt của dung dịch điện ly Quá trình ăn mòn điện hoá

có phát sinh dòng điện tử chuyển động trong kim loại và dòng ion chuyển

động trong dung dịch điện ly theo một hướng nhất định từ vùng điện cực này

đến vùng điện cực khác của kim loại

Ăn mòn điện hoá xảy ra trong môi trường điện ly (trong axit, bazơ, dung dịch muối, nước sông, nước biển, không khí ẩm ) Quá trình ăn mòn

điện hoá rất quan trọng và được quan tâm hơn cả

3.2.2.3 Mài mòn do tác dụng cơ học

Các chi tiết máy, các tổng thành, khi làm sau một thời gian làm việc

sẽ bị mài mòn Các chi tiết máy bị mòn do tác dung của lực cơ học và môi trường làm việc của chúng;

Nhìn chung, các chi tiết, các kết cấu bị ăn mòn hay bị mài mòn thường xuất phát từ lớp bề mặt