BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Ngọc Minh NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHÍNH NHẰM ỔN ĐỊNH CƠNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ LÊN MỘT SỐ LOẠI THÉP THƠNG DỤNG Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 62440129 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2015 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Tư TS Nguyễn Văn Hiển Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi…….giờ, ngày.… tháng… năm… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án: Thấm nitơ thể khí cơng nghệ hóa nhiệt luyện ứng dụng phổ biến rộng rãi giới nhờ tạo lớp bề mặt có độ cứng cao chịu mài mịn chi phí giá thành thấp dễ áp dụng loại hình cơng nghệ khác Với lịch sử 100 năm phát triển, thập niên cuối kỷ 20, loại hình cơng nghệ dường bị đẩy vào quên lãng mà số công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến khác xuất tưởng chừng thay mãi cơng nghệ thấm nitơ thể khí khoảng gần 10 năm trở lại đây, trung bình hàng năm ln có từ đến nghiên cứu chuyên sâu công nghệ thấm nitơ thể khí cơng bố nước phát triển Cộng hòa liên bang Đức, Cộng hòa pháp, Hợp chủng quốc Hoa kỳ, Nhật bản….Điều chứng tỏ cơng nghệ thấm nitơ thể khí cịn nhiều tiềm cần tiếp tục khám phá ứng dụng Ở Việt Nam, công nghệ thấm nitơ thể khí loại hình ứng dụng rộng rãi so với công nghệ thấm nitơ thể lỏng plasma Tuy nhiên, qua sâu vào khảo sát tính hình áp dụng cơng nghệ nhà máy sản xuất quy mô công nghiệp, đặc biệt sở sản xuất tư nhân nhìn chung lộ cịn nhiều bất cập việc làm chủ hồn tồn cơng nghệ Ở vài nơi nhập thiết bị đồng có kèm với cơng nghệ cố định cho nhóm chi tiết định Trong q trình làm việc số lượng chủng loại chi tiết không ổn định nên thường làm thay đổi thể tích rỗng buồng thấm, qua làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp thấm bề mặt thép Cá biệt có vài nơi, số lượng chi tiết cần thấm q ít, để trì thể tích rỗng buồng thấm theo thiết kế cơng nghệ kèm, người vận hành để sắt thép vụn vào buồng thấm với chi tiết Chủng loại mác thép sử dụng việc áp dụng cơng nghệ thấm nitơ thể khí Việt nam đa dạng Những mác thép cacbon thấp C20, 20CrMo thường sử dụng chế tạo chi tiết xe đạp may ơ, chốt xích đến mác thép nhiệt luyện hóa tốt SKD61 chế tạo loại khn dập nóng, khn đùn ép… Để tìm chế độ thấm thích hợp cho mác thép, người thực thường phải tiến hành khảo sát cụ thể nhiều chế độ để tìm thơng số tối ưu Việc làm gây lãng phí nhiều thời gian, cơng sức làm tăng chi phí đầu sản phẩm Ở thời điểm tại, khí thấm sử dụng thường hồn tồn NH3 nên có yêu cầu nâng cao độ cứng lớp thấm biện pháp phổ biến đưa thêm lưu lượng khí cung cấp để làm tăng thấm môi trường Biện pháp có cải thiện độ cứng lớp bề mặt nhiên lại lại gây lãng phí lượng lớn nguồn khí thấm lớn nhiễm mơi trường Vì lý đó, luận án thực nghiên cứu để khắc phục nhược điểm Việc xác định chọn thông số công nghệ thấm hợp lý cho chủng loại mác thép công việc mà từ trước đến chưa có nghiên cứu hoàn chỉnh thực Việt nam Các kết nghiên cứu dự định áp dụng Công ty FC Hịa Lạc Mục đích đề tài luận án: Làm rõ mức độ ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ nhiệt độ, thời gian lưu khí thành phần khí thấm đến chất lượng lớp thấm Qua lựa chọn thơng số cơng nghệ ổn định áp dụng cho số chủng loại mác thép thông dụng Việt nam C20, 20CrMo, 30CrNi2MoVA SKD61 Ý nghĩa khoa học đề tài luận án: - Xác định ảnh hưởng cấu trúc thép ban đầu đến hình thành lớp thấm nitơ thể khí: + Sự hình thành lớp thấm bề mặt thép khẳng định chế khuếch tán nitơ theo biên hạt chiếm ưu khoảng nhiệt độ thấm thực nghiệm + Lớp thấm phát triển tổ chức thép sau thường hóa phát triển mở rộng xâm lấn biên hạt Các nguyên tố hợp kim (nếu có) khuếch tán vào biên hạt hình thành nitơrit hợp kim thay chúng nitơrit sắt + Với thép sau nhiệt luyện hóa tốt, nitơrit hợp kim hình thành nhờ thay dần cácbon cácbit nguyên tử nitơ hấp thụ vào từ bề mặt thép - Đánh giá mối quan hệ phụ thuộc hệ số truyền chất với nhiệt độ thấm, từ xác định vùng nhiệt độ mức độ phân hủy nhiệt NH3 hợp lý cho chủng loại thép thấm - Luận án làm rõ mức độ ảnh hưởng nhiệt độ thấm, thời gian lưu thành phần khí thấm đến chất lượng lớp thấm nhận - Xác định thông số công nghệ tối ưu áp dụng cho số chủng loại thép Ngoài việc góp phần cải thiện chất lượng lớp thấm, kết cịn có ý nghĩa việc góp phần hạ giá thành sản phẩm Phƣơng pháp nghiên cứu: - Tập hợp tài liệu thấm nitơ nước - Sử dụng thiết bị cơng nghệ: lị nhiệt luyện lò thấm nitơ thiết bị sensơ hydro để kiểm soát mức độ phân hủy NH3 - Sử dụng phương pháp xác định hệ số truyền chất để xác lập mức độ ảnh hưởng nhiệt độ thấm đến hệ số truyền - Sử dụng phương pháp nghiên cứu đại: Quang học, EDX, SEM, Mapping, Rơnghen phân bố độ cứng để phân tích tổ chức Những điểm luận án: - Xây dựng mơ hình phát triển lớp thấm nitơ thép sau thường hóa (C20) sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61) Qua làm rõ thêm ảnh hưởng nguyên tố hợp kim tổ chức thép ban đầu đến hình thành phát triển lớp thấm - Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc nitơ với tổ chức, tính chất lớp thấm nhận loại thép nghiên cứu chế độ nhiệt luyện thường áp dụng thực tế - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ: nhiệt độ thấm, thời gian lưu, thời gian thấm, thành phần thép đến thấm nitơ Qua xác định vùng thơng số cơng nghệ thích hợp cho chủng loại thép thấm CHƢƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ THẤM NITƠ 1.1 Công nghệ thấm nitơ giới Việt Nam Dựa vào công bố khoa học giới khảo sát số khu vực miền Bắc VN 1.1.1 Công nghệ thấm nitơ giới Trên giới có loại hình cơng nghệ thấm nitơ: cơng nghệ thấm thể khí, cơng nghệ thấm thể lỏng công nghệ thấm plasma 1.1.2 Công nghệ thấm nitơ Việt nam Tại Việt nam, công nghệ thấm nitơ áp dụng phổ biến nhất, áp dụng từ nhà máy quy mô công nghiệp đến sở sản xuất tư nhân 1.2 Các phƣơng pháp thấm nitơ 1.2.1 Phƣơng pháp thấm nitơ thể khí Sử dụng NH3 nguồn cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính để hình thành lớp thấm 1.2.2 Phƣơng pháp thấm nitơ thể lỏng Sử dụng hỗn hợp muối nóng chảy gồm: muối xianat xyanua kim loại kiềm NaCN, KCN, NaCNO KCNO 1.2.3 Phƣơng pháp thấm nitơ plasma Nhờ áp dụng biện pháp điều khiển tượng phóng điện phát quang chân khơng để làm nguồn tạo nitơ ngun tử tính 1.3 Ƣu nhƣợc điểm loại hình cơng nghệ Cơng nghệ thấm nitơ thể khí khó áp dụng với thép cácbon thép khơng gỉ chi phí giá thành thấp dễ áp dụng sản xuất khơng u cầu khắt khe trình độ người vận hành Cơng nghệ thấm thể lỏng, thấm cho thép cácbon thép không gỉ thường phải thực nhiệt độ khác cao nên dễ gây ảnh hưởng tổ chức thép Công nghệ thấm plasma khắc phục nhược điểm hai loại hình cơng nghệ phía thiết bị đắt tiền đòi hỏi người vận hành thiết bị phải có mức hiểu biết cao 1.4 Mục tiêu, đối tƣợng nội dung nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu Một số mục tiêu cần thực luận án sau: - Đánh giá mức độ ảnh hưởng cấu trúc ban đầu đến khuyếch tán nitơ vào bề mặt thép - Xây dựng mơ hình phát triển lớp thấm nhóm thép sau thường hóa (C20) sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61) - Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc hệ số truyền chất với thấm nhiệt độ để chọn vùng phân hủy NH3 nhiệt độ thích hợp áp dụng cho nhóm thép thấm - Làm rõ mức độ ảnh hưởng nhiệt độ, thấm (thơng qua thời gian lưu, thành phần khí thấm) thời gian thấm đến cấu trúc tính chất lớp thấm - Dựa vào số liệu thực nghiệm đạt để đề xuất quy trình thấm N thể khí ổn định áp dụng cho số mác thép sử dụng phổ biến Việt Nam 1.4.2 Đối tƣợng nghiên cứu Với mục tiêu nghiên cứu quy luật hình thành lớp thấm N thép C thép HK, ảnh hưởng cácbon đến trình thấm, đề tài chọn mác thép điển hình C20, 20CrMo, SKD61 30CrNi2MoVA Các mác thép ứng dụng nhiều chế tạo loại chốt xích, may (C20, 20CrMo), loại khuôn đùn ép, khuôn đúc áp lực cao (SKD61) chế tạo chi tiết khí phục vụ cho khí tài qn (nịng pháo) (30CrNi2MoVA) 1.4.3 Nội dung nghiên cứu * Tổng quan tài liệu * Xác lập lý thuyết mối quan hệ hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào thép với thơng số cơng nghệ Từ hiểu hình thành cấu trúc lớp thấm nitơ * Xây dựng cách tính hoạt độ nitơ mơi trường thấm thép để xác lập giá trị hệ số truyền chất * Chế tạo loại mẫu thử nghiệm cho loại thép sử dụng phù hợp với yêu cầu đặt ban đầu mục tiêu nghiên cứu tiến hành thấm nitơ mẫu thép chế tạo với điều kiện thay đổi thông số công nghệ phạm vi yêu cầu đặt ban đầu * Đánh giá kết đạt thơng qua việc phân tích: ảnh hiển vi quang học, ảnh hiển vi điện tử quét + EDX, nhiễu xạ rơnghen, phân bố độ cứng lớp thấm…để xây dựng mơ hình phát triển lớp thấm xác lập ảnh hưởng thông số công nghệ * Đánh giá ảnh hưởng thông số đầu vào (nhiệt độ thấm, thời gian lưu thành phần khí thấm) đến thấm (Kn) môi trường * Đánh giá ảnh hưởng thơng số cơng nghệ (nhiệt độ, thấm thời gian thấm) đến tổ chức tính chất lớp thấm * Tổng hợp kết nghiên cứu đề xuất chế độ thấm cho chủng loại thép áp dụng nước ta CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THẤM NITƠ THỂ KHÍ 2.1 Cơ sở q trình thấm nitơ thể khí Cơ sở nhiệt động học cho phép xác định mối quan hệ thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm 2.1.1 Thế nitơ trình thấm Kết xây dựng theo lý thuyết rằng: lượng nitơ nguyên tử hấp thụ vào bề mặt thép tỷ lệ với thấm nitơ môi trường thấm 2.1.2 Hoạt độ nitơ môi trƣờng thấm Kết lý thuyết chứng minh rằng: nhiệt độ thấm xác định, hoạt độ nitơ môi trường thấm lệ thuộc vào thấm nitơ môi trường áp suất riêng phần nitơ phân tử sinh trình phân hủy nhiệt NH3 2.1.3 Hoạt độ nitơ thép Trên sở lý thuyết xây dựng hoạt độ nitơ thép tỷ lệ với thấm nitơ môi trường nhiệt độ thấm không đổi 2.1.4 Hệ số truyền nitơ Hệ số truyền nitơ ( ) coi thơng số đặc trưng cho tồn q trình động học xảy môi trường thép Mặc dù, chưa sử dụng cơng nghệ để điều khiển q trình thấm, qua đánh giá xu hướng hình thành lớp thấm hiệu quả, chất lượng trình thấm 2.2 Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí Nhìn chung, lớp thấm thường chia thành vùng Vùng thường biết đến với tên gọi lớp trắng, vùng có nồng độ nitơ cao cấu trúc pha nhận nitơrit sắt Lớp thấm nitơ thể khí - Fe2-3N ’ - Fe4N - Fe (N) + nitơrít hợp kim (CrN, Mo2N…) Lớp trắng có tính chất chống ăn mịn ma sát Lớp khuyếch tán có độ cứng cao chịu mài mòn ứng suất nén dư, tăng khả chịu mỏi Nền thép Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí Vùng khuyếch tán phần cịn lại lớp thấm, vùng nằm lớp trắng thép, có nồng độ nitơ thấp so với lớp trắng nói Tuy nhiên lại vùng có phân bố nitơrit nguyên tố hợp kim làm tăng mạnh độ cứng 2.3 Ảnh hƣởng yếu tố cơng nghệ đến hình thành lớp thấm Theo cơng nghệ thấm nitơ tiên tiến giới, yếu tố cơng nghệ có tác động lớn đến hình thành chất lượng lớp thấm là: nhiệt độ, nitơ thời gian thấm 2.3.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ Một ưu điểm bật thấm nitơ so với công nghệ khác sử dụng nhiệt độ thấm thấp, qua bảo tồn tính chất vật liệu nền, ngồi cịn giảm thiểu đáng kể tác động bất lợi đến độ bền mỏi chi tiết Ngoài việc ảnh hưởng đến hệ số khuyếch tán, nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phân hủy NH3 buồng thấm, làm thay đổi thấm (Kn) 2.3.2 Ảnh hƣởng thấm Kn 2.3.2.1 Ảnh hƣởng thành phần chất thấm Để thay đổi thấm nitơ, biện pháp áp dụng rộng rãi giới pha lỗng thành phần khí thấm Do đó, luận án đưa phương án pha lỗng khí thấm khí N2 2.3.2.2 Ảnh hƣởng thời gian lƣu Thời gian lưu biết đến thông số có ảnh hưởng tới thời gian tồn nitơ ngun tử hoạt tính mơi trường thấm Khi lưu lượng khí thấm cung cấp lớn (thời gian lưu nhỏ), mức độ phân hủy NH3 giảm mạnh làm tăng mạnh giá trị thấm (Kn) hoạt độ nitơ mơi trường thấm, qua cải thiện rõ rệt giá trị độ cứng lớp bề mặt 2.3.3 Ảnh hƣởng thời gian thấm yếu tố khác - Ảnh hưởng thời gian thấm: để tạo chiều sâu lớp thấm đáng kể, thiết cần phải có thời gian đủ lớn để nitơ khuyếch tán vào sâu phía bề mặt thép Do đó, lựa chọn khoảng thời gian thấm hợp lý, phù hợp với loại thép điều cần thiết - Ảnh hưởng thành phần hợp kim: bên cạnh ưu điểm làm tăng mạnh độ cứng lớp bề mặt trình thấm nitơ, nguyên tố hợp kim cịn có nhược điểm làm giảm chiều dày lớp thấm CHƢƠNG 3: THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nguyên vật liệu sử dụng - Thép nghiên cứu: mác thép sử dụng nghiên cứu có thành phần hóa học nằm phạm vi tiêu chuẩn Việt nam, Nhật Nga - Khí thấm: khí sử dụng q trình thực nghiệm cung cấp có độ ln lớn 99,5% 3.2 Thiết bị sử dụng 3.2.1 Thiết bị đo độ phân hủy NH3 Có loại sen sơ sử dụng để kiểm soát mức độ phân hủy nhiệt NH3 buồng thấm là: Sensor connection KF16 TCD Gas Analyzer Gasboard-7000 3.2.2 Thiết bị đánh giá tổ chức tính chất lớp thấm - Kính hiển vi quang học Axiovert 25A - Máy đo độ cứng Struers Duramin-2 - Hiển vi điện tử quét trường xạ (FESEM) Model JSM 7600F - Thiết bị phân tích nhiễu xạ X-ray Model D5005 3.2.3 Thiết bị thực nghiệm - Lò nhiệt luyện mẫu trước thấm: mẫu trước thấm tiến hành nhiệt luyện lò Nabertherm N11/H - Lò thấm nitơ: loại lò chế tạo dành cho thực nghiệm thấm nitơ 3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 3.3.1 Đánh giá mức độ khuyếch tán nitơ tiết pha nitơrit Để đánh giá ảnh hưởng tổ chức ban đầu đến trình khuyếch tán, đề tài thí nghiệm với loạt mẫu có chế độ nhiệt luyện khác Tổ chức mẫu sau thấm đánh giá thiết bị hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét (SEM) phổ EDX 3.3.2 Phƣơng pháp xác định hệ số truyền Hệ số truyền chất ( ) xác định thông qua giá trị hoạt độ nitơ môi trường thấm thép Giá trị hoạt độ nitơ môi trường thấm xác định thông qua cơng thức tính giá trị hoạt độ nitơ thép mỏng tính tốn dựa vào phần mềm thermo-calc 3.3.3 Phƣơng pháp xác định ảnh hƣởng thông số công nghệ Để xác định ảnh hưởng thơng số cơng nghệ Các quy trình thấm tiến hành điều kiện sau: - Nhiệt độ thấm khoảng 5100C đến 5500C - Thời gian lưu thay đổi phạm vi từ phút đến 15 phút - Thành phần khí N2 pha loãng chiếm tỷ lệ 25%,50% 75% - Thời gian thấm thay đổi khoảng từ đến 3.4 Các quy trình thực nghiệm 3.4.1 Quy trình xử lý nhiệt luyện trƣớc thấm - Thép C20 20CrMo xử lý nhiệt luyện thường hóa 8800C - Thép 30CrNi2MoVA nhiệt luyện hóa tốt (tơi 8600C, ram 6500C) - Thép SKD61 nhiệt luyện hóa tốt (tơi 10300C, ram 5600C) 3.4.2 Quy trình thấm Quy trình thấm nitơ thể khí thực điều khác nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số cơng nghệ nhiệt độ, thời gian lưu thành phần khí thấm Trong q trình thực hiện, áp suất buồng thấm ln trì 1,2 at thời gian Các mẫu sau thấm làm nguội lò xuống nhiệt độ phịng trước lấy phân tích kết Khí N2 ln sử dụng để bảo vệ q trình nung nóng làm nguội để tránh tượng oxy hóa bề mặt mẫu CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết phân tích đánh giá mẫu trƣớc thấm 4.1.1 Kết ảnh hiển vi quang học 10 Hình 4.5: Phân bố nguyên tố mẫu thép SKD61 sau ram: (a) bề mặt thực mẫu, (b) phân bố Fe, (c) phân bố C, (d) phân bố Cr, (e) phân bố V (f) phân bố Mo 4.1.3 Kết phân tích nhiễu xạ Rơn ghen Với mẫu thép cacbon thấp (C20 20CrMo), nhiễu xạ Rơnghen cho thấy thành phần pha tồn chủ yếu dạng ferrit (F) tương ứng với mặt nhiễu xạ (110) (200) Kết sau ram mẫu thép 30CrNi2MoVA SKD61 cho thấy có xuất loại cacbit hợp kim có thành phần Hình 4.6: Kết nhiễu xạ tia X mẫu thép trước thấm (a) - thép C20; (b) - thép 20CrMo; (c) – thép 30CrNi2MoVA; (d) – thép SKD61 13 Hình 4.7: Ảnh chụp hiển vi quang học lớp thấm bề mặt mẫu khối: (a) thép C20; (b) mẫu 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA; (d) thép SKD61 (e) mẫu thép đóng rắn bột nhựa Hình 4.8: Ảnh hiển vi điển tử quét mẫu thép mỏng: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA; (d) thép SKD61 14 4.2 Kết phân tích đánh giá mẫu sau thấm 4.2.1 Kết quan sát hiển vi quang học Quan sát kính hiển vi quang học (hình 4.7) cho thấy, có hình thành tổ chức lớp thấm nitơ bề mặt mẫu thép 4.2.2 Kết phân tích hiển vi điện tử quét Các kết quan sát ảnh SEM (hình 4.8) cho thấy nitơ nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép chủ yếu theo biên hạt Hàm lượng nguyên tố hợp kim dễ tạo nitơrit có tác động lớn đến khả hấp thụ nitơ vào bề mặt thép Kết phổ phân bố nguyên tố (mapping) Hình 4.9: Phổ phân bố nguyên tố tiết diện ngang mẫu mỏng C20: (a) diện tích quét bề mặt thực; (b) phân bố nitơ (c) phân bố sắt Hình 4.10: Phổ phân bố nguyên tố tiết diện ngang mẫu mỏng 20CrMo: (e) diện tích quét bề mặt thực; (a) phân bố nitơ; (b) phân bố sắt; (c) phân bố Mo (d) phân bố Cr Kết phân bố hàm lượng nitơ hình 4.9b cho thép C20 khẳng định tập trung chủ yếu nitơ nguyên tử biên hạt Tại khu vực tiếp xúc bề mặt mẫu môi trường thấm nơi tập trung nitơ hấp thụ với hàm lượng lớn vào bề mặt Sự phân bố hàm lượng nguyên tố hợp kim (Cr, Mo) thép 20CrMo thể hình 4.10c 4.10d Kết cho thấy, có tập trung đáng kể nguyên tố hợp kim vùng thuộc biên hạt Với thép 30CrNi2MoVA, nguyên tố Fe N kết phân tích 15 cho thấy chúng phân bố hoàn toàn giống với phân bố mác thép C20 20CrMo trình bày phía trước Ni biết đến nguyên tố khơng có khả tạo cacbit nitơrit Kết phân bố hàm lượng Ni hình 4.11b cho thấy nguyên tố Ni phân bố đồng toàn tiết diện mẫu thấm Kết phân bố hàm lượng Cr Mo theo thứ tự hình 4.11e 4.11h mức độ tập trung chủ yếu chúng biên hạt phân bố hàm lượng C hình 4.11f cho thấy mức độ “nghèo” vùng biên Kết trình thấm, nitơ khuếch tán vào theo đường biên hạt thay dần phần toàn cacbon cacbit để hình thành nên pha nitơrit carbonitơrit Với thép SKD61, có mặt nguyên tố hợp kim làm giảm q trình khuếch tán nitơ nguyên tử vào sâu bề mặt thép Tuy nhiên, với mức nồng độ nitơ cao bề mặt nhờ có lực mạnh với nguyên tố hợp kim, nitơ thu hút vào sâu bên mẫu mỏng Hơn nữa, loại thép có hạt tinh thể nhỏ phát triển lớp nitơrit biên giới lấn át hết hạt tinh thể Hình 4.11: Phổ phân bố nguyên tố tiết diện ngang mẫu mỏng 30CrNi2MoVA: (a) diện tích quét bề mặt thực; (b) phân bố Ni; (c) phân bố Fe; (d) phân bố nitơ; (e) phân bố Cr; (f) phân bố C; (g) phân bố V (h) phân bố Mo 16 Hình 4.12: Phổ phân bố nguyên tố tiết diện ngang mẫu mỏng SKD61: (a) diện tích quét bề mặt thực; (b) phân bố Fe; (c) phân bố C; (d) phân bố nitơ; (e) phân bố V; (f) phân bố Mo; (g) phân bố Cr 4.2.3 Kết phân tích nhiễu xạ Rơn ghen Hình 4.13: Kết nhiễu xạ tia X mẫu thép sau thấm: (a) - thép C20; (b) - thép 20CrMo; (c) - thép 30CrNi2MoVA; (d) - thép SKD61 17 Kết nhiễu xạ Rơnghen mẫu thấm cho thấy, nitơ nguyên tử sinh trình phân hủy nhiệt NH3 hấp thụ, khuếch tán vào bề mặt thép để hình thành lớp thấm Sự có mặt nitơ chứng minh qua nhiễu xạ Rơnghen kết hình 4.13 cho thấy có xuất hợp chất nitơrit 4.3 Sự hình thành phát triển lớp thấm 4.3.1 Sự hình thành phát triển lớp thấm thép C20 Hình 4.14: Sự hình thành phát triển lớp thấm thép sau thường hóa (C20) Sự phát triển lớp thấm nitơ sau thời gian mẫu thép trì mơi trường thấm Nitơ ngun tử khuếch tán theo biên hạt với nồng độ đủ lớn hình thành nên nitơrit sắt ( ’-Fe4N) phát triển biên hạt nitơrit thực nhờ việc phát triển mở rộng lan vào hạt Quá trình xảy liên tục bề mặt, hàm lượng nitơ hấp thụ đủ cao để xuất thêm hạt nitơrit ( -Fe2-3N) Sự hình thành phát triển lớp thấm bề mặt mẫu thép coi hoàn thành việc mở rộng biên hạt nitơrit xâm lấn hồn tồn vào hạt (hình 4.14e) Q trình thấm kết thúc từ thời điểm bề mặt thép bao bọc 18 lớp nitơrit sắt, hệ số khuếch tán nitơ xuyên qua lớp nitơrit nhỏ nên việc kéo dài thời gian thấm mang lại hiệu thấp chiều sâu lớp thấm gần khơng cịn cải thiện 4.3.2 Sự hình thành phát triển lớp thấm thép SKD61 Hình 4.15: Sự hình thành phát triển lớp thấm thép sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61 30CrNi2MoVA) Khi mơi trường thấm hình thành, nitơ nguyên tử xuất hấp thụ lên bề mặt thép khuếch tán theo biên hạt chiếm ưu mô tả hình 4.15b Sự xuất nitơ nguyên tử biên hạt kéo theo việc hình thành nitơrit hợp kim nhờ việc thay dần nguyên tử cacbon nguyên tử nitơ cacbit hợp kim định vị biên hạt Nguyên tử cacbon giải thoát khỏi cacbit biên hạt, phần di chuyển theo biên hạt phía ngồi theo hướng bề mặt để hình thành xementit (Fe3C) phần cịn lại di chuyển vào hạt Khi mật độ nitơ nguyên tử biên hạt tăng cao, bên cạnh việc hình thành nitơrit biên hạt, khuếch tán nguyên tử nitơ từ biên hạt vào phía hạt xuất (hình 4.15b) Trong đó, ngồi bề mặt thép, sau hình thành hết nitơrit nguyên tố hợp kim (Cr, Mo, V) nên nồng độ nitơ 19 nguyên tử hấp thụ bề mặt thép nhanh chóng đạt giới hạn để hình thành nên nitơrit sắt ( ’, ) phát triển lan rộng bề mặt mẫu thép Khi nitơ nguyên tử thay dần nguyên tử cacbon cacbit để hình thành nitơrit hợp kim, nguyên tử cacbon bị đẩy dần vào hạt kết làm tăng nồng độ cacbon pha hạt đạt tới giá trị thép sau tích Điều giải thích vùng khuếch tán thép SKD61 lại có màu tối sẫm so với màu thép 4.3.3 Sự tồn lỗ xốp lớp trắng Hình 4.16: Mơ hình hình thành phát triển lỗ xốp vết nứt lớp trắng thấm nitơ thể khí Các hạt nitơrit bề mặt phát triển lớn lên lan rộng toàn bề mặt thép thấm, vùng biên giới hạt nơi tập trung nhiều lỗ xốp hình 4.16a Tại đây, mật độ nitơ nguyên tử cao vùng nên dễ xảy kết hợp nguyên tử nitơ để hình thành phân tử khí (N2) khơng bị hịa tan vị trí khuyết tật nói 4.4 Ảnh hƣởng thơng số đầu vào đến thấm Kn Các thơng số đầu vào gồm: nhiệt độ, thời gian lưu thành phần khí thấm 4.4.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ Ở lưu lượng không đổi, nhiệt độ tăng làm tăng mức độ phân hủy nhiệt NH3, làm giảm thấm Kn 4.4.2 Ảnh hƣởng thời gian lƣu Ở nhiệt độ không đổi, thời gian lưu tăng làm tăng mức độ phân hủy nhiệt NH3, làm thấm Kn giảm 4.4.3 Ảnh hƣởng thành phần khí thấm Khi nhiệt độ buồng thấm ổn định thời gian lưu không đổi, mức độ pha lỗng khí tăng làm tăng thấm Kn môi trường 20 4.5 Hệ số truyền chất Hệ số truyền chất ( ) xác định thông qua mối quan hệ tỷ lệ hoạt độ nitơ thép môi trường thấm Giá trị cho phép lựa chọn vùng thấm hiệu loại thép 4.5.1 Ảnh hƣởng thấm Kết thực nghiệm mẫu thép khác cho thấy giá trị hệ số truyền giảm thấm tăng Kết thực nghiệm hình 4.17 cho thấy khoảng thấm thích hợp với loại nhóm thép Với thép C thép hợp kim thấp (C20 20CrMo), vùng thấm thích hợp (0,5< Kn