Mở đầu Chất lợng bề mặt chi tiết máy với đặc tính nh khả chịu mài mòn, độ cứng, chịu nhiệt, chống gỉ, tính trơ hoá học, có ý nghĩa định đến tuổi thọ độ tin cậy chúng qua nghiên cứu ngời ta thấy hầu hết chi tiết máy bị h hỏng việc phá huỷ bề mặt (bị cào xớc, bị mòn, biến dạng bề mặt thay đổi kích thớc, bị ăn mòn hoá học bề mặt ) Hiện việc không ngừng nâng cao suất lao động khai thác tối đa khả làm việc máy móc thiết bị tạo điều kiện làm việc khắc nghiệt cho máy, đặc biệt lớp mặt phải đợc làm bền công nghệ thích hợp nh làm bền laze, làm bền siêu âm Mặt khác, nhu cầu sử dụng thiết bị ngày nhiều giá thành chế tạo cao Do đó, việc tạo nên lớp kim loại có độ bền cao bề mặt chi tiết cần thiết Công nghệ xử lý bề mặt kim loại công nghệ đợc áp dụng rộng rãi việc chế tạo sản phẩm từ phôi kim loại.Nó làm tăng độ bền, bảo vệ chống ăn mòn, trang trí để làm tăng vẻ đẹp giá trị thơng phẩm cho sản phẩm đợc hoàn thiện trớc xuất xởng Tuỳ thuộc vào điều kiện chi tiết, bề mặt kim loại phải có tính chất cơ- lý- hoá phù hợp nh: độ bền chống mài mòn, chống ma sát, độ bền nhiệt, độ bền chống ăn mòn khí môi trờng hoá chất nớc phát triển, đầu t cho việc chống ăn mòn ngày tăng, công việc chống ăn mòn ngày đại nhng thiệt hại ăn mòn không mà giảm Ngựơc lại, không ngừng tăng lên vật liệu ngày đợc sử dụng nhiều, giá trị vật liệu kinh tế quốc dân ngày lớn môi trờng ngày ô nhiễm Vì biện pháp bảo vệ chống ăn mòn hạn chế trình ăn mòn kim loại đóng vai trò quan trọng Nhất nớc ta, điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm làm cho trình ăn mòn kim loại nói chung mãnh liệt Những năm 90 tăng trởng kinh tế, nhiều ngành công nghiệp đời phát triển: dầu -1- khí, đóng tàu, sửa chữa v.v Nhiều công trình thiết bị phải làm việc môi trờng khắc nghiệt: môi trờng biển, môi trờng khí hoá chất ăn mòn mạnh( Cl, HCl, SO2, SO3, NH3, NO2, NO, CO,) Trong điều kiện nh hàng vạn kim loại bị phá huỷ hàng năm Do việc bảo vệ kim loaị chống ăn mòn mài mòn kim loại có ý nghĩa quan trọng Khi thiết kế chi tiết thiết bị công nghiêp đại việc lựa chọn vật liệu đáp ứng đợc tiêu kỹ thuật- kinh tế cần thiết, công nghệ xử lý bề mặt kim loại đóng vai trò quan trọng nhiều trờng hợp công nghệ thiếu đợc việc đảm bảo độ bền tuổi thọ cần thiết thiết bị tổng thành Lựa chọn cách tối u biện pháp công nghệ xử lý bề mặt cho chi tiết góp phần mở rộng khả thiết kế chế tạo nhiều chủng loại thiết bị, chi tiết máy với tính công nghệ cao phục vụ đắc lực cho nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn đất nớc nh 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 nâng cao cơ-lý tính công nghệ đóng vai trò quan trọng thiếu đợc sản xuất công nghiệp Tuy nhiên, phát triển chung ngành khí nớc ta đòi hỏi phải đẩy mạnh sản lợng chất lợng sản phẩm Nhiệt luyện hoá nhiệt luyện có tác dụng mạnh việc nâng cao chất lợng sản phẩm Hoá nhiệt luyện phơng pháp nhiệt luyện có kèm theo cải thiện thành phần hoá học lớp bề mặt làm thay đổi tổ chức tính chất lớp bề mặt mà bảo tồn đợc tính chất lõi vật liệu Thấm nitơ phơng pháp khuếch tán nitơ vào bề mặt chi tiết làm tăng độ cứng tăng tính chịu mài mòn Thấm nitơ tạo nên lớp ứng suất nén d đáng kể bề mặt làm tăng mạnh giới hạn mỏi chi tiết Ngoài ra, thấm nitơ có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt khí dùng để trang sức -2- Từ yêu cầu thực tế trên, đợc hớng dẫn TS Đào Quang Kế Bộ môn Công nghệ khí, Khoa Cơ - Điện, Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, vào nghiên cứu , thực đề tài: Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt số vật liệu chế tạo máy Yêu cầu thực 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 lợng bề mặt số vật liệu chế tạo máy Địa điểm thực đề tài: - Phòng công nghệ phục hồi xử lý bề mặt, Bộ môn Công nghệ khí Khoa Cơ - Điện, Trờng Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội - Viện nghiên cứu khí (Bộ công nghiệp) - Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội -3- Chơng Tổng quan đề tài Từ ngời bắt đầu biết sử dụng kim loại làm công cụ lao động phơng tiện lao động khác vấn đề chống mòn cho kim loại đồng thời đợc đặt Nh vậy, cách thời đại khoảng 4,5 ngàn năm vấn đề bảo vệ kim loại mối quan tâm Ngày nay, phát triển tất ngành kỹ thuật nh chế tạo 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, đời sống thờng ngày gắn với vật liệu cần đến vật liệu có tính đa dạng với chất lợng ngày cao 1.1 Tình hình xu hớng phát triển công nghệ xử lý bề mặt kim loại Từ cuối kỷ 18 bắt đầu xuất công nghệ xử lý bề mặt kim loại nh: mạ, tráng men, bọc lót cao su Để chống ăn mòn phơng pháp để cải thiện bề mặt kim loại nh nhiệt luyện (tôi, ram, ủ, thờng hoá, thấm C, thấm N) Ngoài ngời ta nhuộm đen thép ôxy hoá, nhuộm màu nhôm, phốt phát hoá trớc sơn Bớc sang kỷ 20 với phát triển theo yêu cầu ngành công nghiệp, công nghệ xử lý bề mặt phát triển nhanh, công nghệ ngày hoàn thiện: từ mạ thủ công, mạ hoá học chuyển sang khí hoá trình mạ điện nh mạ quay, mạ chuyển dịch a-nôt, khâu nâng, vận chuyển đợc giới hoá, cải thiện bớc chất lợng mạ điện điều kiện lao động Một số nớc tiên tiến, công nghệ mạ trang trí chuyển sang bán tự động tự động hoá dây chuyền thiết bị mạ, nâng cao sản lợng chất lợng lớp mạ ổn định, bền, bóng, đẹp Bên cạnh mạ điện xuất mạ phun (Al, Zn, hợp kim Al-Zn, hợp kim Fe-Ni-Cr, Cu-Pb,), mạ nhúng nóng ( Zn, hợp kim Ai-Zn, tráng Sn, tráng Pb,), mạ xoa Do mạ đợc chi tiết hình thù phức tạp, cấu kiện lớn nh cầu, cột điện cao thế, đờng ống loại, tôn phục vụ cho việc chế tạo lợp phục vụ sinh hoạt, đáp ứng kịp thời -4- nhu cầu sản xuất đời sống Hiện giới có nhiều hãng sản xuất thiết bị mạ đạt trình độ công nghệ cao : Hãng Canning Anh, Sumee Trung Quốc, Vanderhors Singaqore, DevLa Rue Giori Thuỵ Sĩ Trong sản xuất khí thiếu đợc công nghệ nhiệt luyện biện pháp hữu hiệu để nâng cao chất lợng sản phẩm kim loại nói chung sản phẩm thép nói riêng Do tất xí nghiệp sản xuất khí lớn hay nhỏ có phận nhiệt luyện Nhiệm vụ phận nhiệt luyện tham gia chế tạo dụng cụ cắt gọt nh nhiệt luyện loại dao tiện, phay, bào, chuốt, doa, nhiệt luyện cải thiện chất lợng sản phẩm trớc, sau trình gia công khí ,ví dụ nh: ủ trớc gia công tiện, phay, bào, ram trình gia công khí trớc mài Có thể nói trình độ công nghệ nhiệt luyện ảnh hởng nhiều đến chất lợng, tuổi thọ sản phảm khí sản xuất nớc tiên tiến, khâu nhiệt luyện đợc đặc biệt trọng, việc chế tạo thiết bị công nghệ nh lò nung cho tôi, ram ủ có hiệu suất nhiệt cao, điều khiển nhiệt độ tự động, xác Ban đầu lò rèn thủ công tiến tới lò buồng Hiện sở sản xuất hàng loạt có dây chuyền nhiệt luyện kiểu Tunel, sản phẩm vào liên tục theo kiểu dòng nớc chảy chất lợng sản phẩm tốt, ổn định suất cao Ngoài lò lợng dòng điện cảm ứng cao tần, đợc sử dụng phổ biến Cựng vi s phỏt trin ci tin tớnh nng ca lp b mt, vt liu k thut th hin s phỏt trin, tim nng, trin vng ca ngnh cụng ngh b mt vic phỏt trin tớnh nng ca vt liu, to s a dng ng dng v s phỏt trin ca cụng ngh vt liu Cụng ngh b mt giỳp chỳng ta tit kim c nhiu vt liu, c bit l vt liu quý him nh lp b mt c cng húa Theo thng kờ, tn tht n mũn vt liu chim t ữ 4% GDP ca cỏc nc cụng nghip tiờn tin; 10% sn lng thộp ca ton th gii b tn tht n mũn Cụng ngh b mt cú vai trũ quan trng vic chng n mũn bng cỏch to nờn nhng lp ph, thay i tớnh nng ca lp b mt, -5- ci thin tớnh chng n mũn, chng mũn ca vt liu Hin nay, cụng ngh b mt thc hin t 70 ữ 80% nhng cụng trỡnh cú liờn quan ti bo v b mt chng n mũn v iu khin c 25 ữ 30% tng lng n mũn Trong tng lai, cụng ngh b mt cũn phỏt trin theo hng gim mũn, nõng cao hiu sut s dng vt liu Ngoi ra, vic s dng b mt sa cha thit b theo hng sa cha nhng b mt quan trng mau mũn, chúng g cú th tit kim c rt nhiu Để nâng cao cơ- lý tính bề mặt, với nhiệt luyện có phơng pháp hoá nhiệt luyện nh sulfit hoá bề mặt, thấm cácbon, thấm nitơ, thấm crôm, thấm silic, thấm xyanua, thấm bo, Các phơng pháp công nghệ thực với quy mô khác Công nghệ nhiệt luyện trình làm thay đổi tính chất vật liệu (chủ yếu kim loại) cách thay đổi cấu trúc bên mà không làm thay đổi hình dạng kích thớc chi tiết Trong chế tạo khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng tạo cho chi tiết sau gia công có tính chất cần thiết nh độ cứng, độ dẻo dai, khả chống mòn, mà làm tăng tính công nghệ vật liệu Vì nhiệt luyện yếu tố công nghệ quan trọng định chất lợng sản phẩm khí Nguyên công nhiệt luyện nằm vị trí khác dây chuyền sản xuất khí, tuỳ thuộc vào vị trí phân thành hai loại: - Nhiệt luyện sơ bộ: dạng nhiệt luyện thờng tiến hành trớc gia công nhằm tạo độ cứng tổ chức tế vi thích hợp cho nguyên công gia công nhiệt luyện - Nhiệt luyện kết thúc: dạng nhiệt luyện đợc tiến hành sau gia công nhằm tạo cho chi tiết tính chất cần thiết theo yêu cầu kỹ thuật Nhiệt luyện định tới tuổi thọ sản phẩm khí Máy móc xác, yêu cầu tính cao số lợng chi tiết cần nhiệt luyện nhiều Đối với nớc công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ -6- ngành chế tạo khí phải vào trình độ nhiệt luyện, dù gia công khí có xác đến đâu nhng không qua nhiệt luyện chất lợng nhiệt luyện không đảm bảo tuổi thọ chi tiết giảm mức độ xác máy móc không giữ đợc theo yêu cầu Nhiệt luyện nâng cao chất lợng sản phẩm có ý nghĩa kinh tế lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu công trình, máy móc thiết bị ) mà thớc đo đánh giá trình độ phát triển khoa học kỹ thuật quốc gia nớc ta từ lâu nhiệt luyện đợc áp dụng đời sống hàng ngày, ông cha ta biết dao, kéo, đục, dũa, làm cho thép mềm trở thành cứng để cắt gọt hay ngợc lại làm cho thép cứng trở thành mềm dẻo dễ dàng cho qua trình chế tạo chi tiết Ngày nay, công nghiệp nớc ta phát triển không ngừng vịêc nghiên cứu nâng cao chất lợng cho chi tiết phơng pháp nhiệt luyện ngày trở nên cấp thiết, mà việc đào tạo đội ngũ cán khoa học kỹ thuật lĩnh vực 1.2 Những nét chung hoá nhiệt luyện Hoá nhiệt luyện kim loại hợp kim trình nhiệt luyện bao gồm nung chi tiết giữ nhiệt nhiệt độ định môi trờng hoạt tính nhằm thay đổi thành phần hoá học, tổ chức tính chất lớp bề mặt chi tiết Hoá nhiệt luyện phơng pháp tăng bền có hiệu ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại chi tiết máy quan trọng Hoá nhiệt luyện phơng pháp nhiệt luyện có kèm theo cải thiện thành phần hoá học lớp bề mặt làm thay đổi tổ chức tính chất lớp bề mặt mà bảo tồn đợc tính chất lõi vật liệu Hoá nhiệt luyện bao gồm hai trình: - Thay đổi thành phần lớp bề mặt cách bão hoà khuếch tán vào sâu bề mặt hay nhiều nguyên tố khác theo mục đích định (còn gọi tạo lớp thấm) - Nhiệt luyện (ủ, tôi, ram,) nhằm cải thiện tổ chức tính chất lớp bệ mặt nh toàn chi tiết -7- Trong trình hoá nhiệt luyện thể tích riêng lớp bề mặt tăng gây ứng suất nén d ứng suất có tác dụng giảm giá trị ứng suất kéo ngoại lực trình làm việc chi tiết Việc tăng tốc độ chống mòn bề mặt tạo nên khả tăng tốc độ quay máy, tăng suất tuổi bền máy Tăng bền bề mặt chi tiết đạt đợc phơng pháp khác nh cao tần, lửa Song việc tăng bền bề mặt hoá nhiệt luyện có nhiều mặt u việt, tạo cho khả ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực ngành khí Hoá nhiệt luyện tạo nên khả thay vật liệu chế tạo máy, lợi ích hiệu điều kiện khan vật t Hiện nhiều công nghệ hoá nhiệt luyện đợc nghiên cứu có ứng dụng rộng rãi hiệu sản xuất gồm có: thấm cacbon, thấm nitơ, thấm xianua, thấm cacbon nitơ - lu huỳnh, thấm bo, thấm crôm, thấm nhôm, thấm silic, Mỗi phơng pháp hoá nhiệt luyện có đặc điểm riêng, công dụng riêng, áp dụng cho loại đối tợng Các trình xẩy sở khuếch tán Vì việc giải thích đặc điểm công nghệ xuất phát từ quy luật chung trình khuếch tán Hiện tơng khuếch tán xẩy nguyên tố khuếch tán có khả tạo với kim loại dung dịch rắn Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào dung dịch rắn Quá trình bão hoà khuếch tán xảy điều kiện định: Điều kiện 1: Phải có nguyên tử hoạt tính Những nguyên tử đợc tạo nên thời điểm phân ly hợp chất có chứa nguyên tố Điều kiện 2: Cần thiết cho trình bão hoà khuếch tán hấp thụ, nguyên tử đợc hấp thụ bề mặt kim loại khuếch tán sâu vào bên kim loại Điều kiện 3: Cần thiết để thực bão hoà bề mặt khuếch tán Để thực khuếch tán cần có nhiệt độ tơng đối cao, bảo đảm độ linh động nguyên tử nguyên tố khuếch tán -8- Phân ly, hấp thụ khuếch tán ba giai đoạn liên tục trình xác định diễn kết thu đợc Vì thế, tác động biến đổi điều kiện phân ly, hấp thụ khuếch tán tác dụng tích cực lên trình hoá nhiệt luyện Tốc độ khuếch tán đợc xác định hệ số khuếch tán Sự thay đổi hệ số khuếch tán vào nhiệt độ tuân theo hàm số mũ Kích thớc nguyên tử nguyên tố khuếch tán có ảnh hởng lớn đến trình khuếch tán Bán kính nguyên tử nguyên tố khuếch tán nhỏ hệ số khuếch tán lớn D: hệ số khuếch tán t: nhiệt độ D t Hình 1.1 ảnh hởng nhiệt độ đến hệ số khuếch tán 1.2.1 Sự hình thành tổ chức lớp thấm Để tạo lớp thấm, đặt chi tiết vào môi trờng đặc biệt (ở trạng thái khí, lỏng hỗn hợp bột rắn) có khả phân hoá nguyên tử hoạt nguyên tố cần thấm vào nhiệt độ thích hợp Sự hình thành pha tổ chức tế vi lớp thấm phụ thuộc vào giản đồ pha, khả khuếch tán nguyên tố thấm, tơng tác chúng với với kim loại Sự phân bố nồng độ nguyên tố thấm phụ thuộc vào giản đồ pha Ngoài thấm nguyên tố nên bề mặt hợp kim, tơng tác lẫn nguyên tố có sẵn thép nguyên tố thấm nên có phân bố lại nồng độ nguyên tố thấm mẫu -9- 1.2.2 Động học trình thấm Trong ba trình nối tiếp tạo lớp thấm bề mặt: khuếch tán thể khí để cung cấp chất thấm lên bề mặt, phản ứng bề mặt khuếch tán thể rắn để thấm sâu vào bên Nếu trình chậm định động học trình thấm đó, giả thuyết ba khả năng: - Nếu khuếch tán thể khí trình chậm phản ứng hoá học khuếch tán thể rắn vào sâu bề mặt chi tiết cân Khi động học trình thấm tuyến tính theo thời gian - Nếu phản ứng hoá học bề mặt (bao gồm hấp thụ phản ứng xảy bề mặt) chậm định động học trình thấm, tơng tự nh trên, khuếch tán thể khí khuếch tán thể rắn phải trạng thái cân Khi đó, động học trình thấm tuyến tính theo thời gian hình thành hợp chất hoá học bề mặt chi tiết - Nếu khuếch tán thể rắn trình chậm khống chế động học tạo lớp thấm bề mặt (đây trờng hợp hay gặp thực tế) khuếch tán thể khí phản ứng hoá học trạng thái cân Khi động học trình thấm đợc biểu diễn đờng parabol theo thời gian thấm 1.2.3 Môi trờng thấm Để thực trình thấm trớc tiên ta phải tạo môi trờng thấm Môi trờng thấm dù thể rắn, thể lỏng hay thể khí đợc tạo từ ba thành phần là: chất thấm, chất độn, chất xúc tác Chất thấm chất có chứa nguyên tố cần thấm dạng nguyên chất hỗn hợp với nguyên tố khác Dạng hợp chất thờng gặp thực tế điều chỉnh hoạt độ nguyên tố cần thấm Tuỳ theo công nghệ thấm mà chất thấm thể rắn, lỏng hay khí Chất độn (phụ gia) nhằm tạo môi trờng tốc độ thấm thích hợp, giảm tiêu hao nguyên liệu đắt tiền Ngoài chất độn để tránh tạo phản ứng phụ không cần thiết trình thấm Chất xúc tác đợc đa vào nhằm tạo nguyên tử hoạt tính nguyên tố cần thấm Các nguyên tử cần hoạt hình thành trực tiếp từ - 10 - 550oC chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 đạt đợc 88 àm 600oC chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 đạt đợc 104 àm Qua ta thấy: sau 10 giờ, từ nhiệt độ 500oC tăng lên 600oC mà chiều sâu lớp thấm tăng từ 74 àm lên 106 àm 4.3.3 Kết thực nghiệm với thép 38CrMoA Kết thực nghiệm đợc ghi lại bảng 4.7; 4.8 ảnh hởng thời gian đến độ cứng chiếu sâu lớp thấm nhiệt độ khác đợc thể hình 4.5; 4.6 Bảng 4.7 Độ cứng chiều sâu lớp thấm 500oC (T1) thép 38CrMoA Stt Ký hiệu mẫu Thời gian Độ cứng Chiều dầy lớp (h) (HV) thấm (àm) 90 716 91 736 18 92 731 32 93 754 56 94 10 742 81 Bảng 4.8 Độ cứng chiều sâu lớp thấm 550oC (T2) thép 38CrMoA Stt Ký hiệu mẫu Thời gian Độ cứng Chiều dầy lớp (h) (HV) thấm (àm) 95 715 11 96 733 28 97 739 43 98 747 65 99 10 745 89 - 74 - Biểu đồ độ cứng Thép 38CrMoA Độ cứng 760 750 740 730 720 Độ cứng (HV) T1 710 Độ cứng (HV) T2 700 Thời gian 690 10 Hình 4.5 ảnh hởng thời gian đến độ cứng nhiệt độ khác thép 38CrMoA Biểu đồ chiều sâu lớp thấm Thép 38CrMoA Ch iều sâu (mm) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Chiều dầy lớp thấm (mm) T1 Chiều dầy lớp thấm (mm) T2 Thời gian (h) Hình 4.6 ảnh hởng thời gian đến chiều sâu lớp thấm nhiệt độ khác thép 38CrMoA - 75 - 10 Từ kết đạt đợc ta thấy: với thép 38CrMoA Khi nhiệt độ tăng chiều sâu lớp thấm tăng Khi tăng thời gian thấm độ cứng không tăng, gần giá trị đó, chiều sâu lớp thấm tăng theo thời gian 500oC, độ cứng lớn 754 HV với thời gian thấm giờ; chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 đạt đợc 81 àm 550oC, độ cứng lớn 745 HV với thời gian thấm giờ; chiều sâu lớp thấm sau thời gian 10 đạt đợc 89 àm ảnh 4.15 Tổ chức mẫu thép 20MoCr (200x) (mẫu 001) Mẫu 001: ảnh tổ chức thép 20MoCr cha đợc ram - 76 - ảnh 4.16 Tổ chức thép 20MoCr (200x) (mẫu 00) Mẫu 00: Tổ chức thép 20MoCr chua thấm nitơ nhng đợc 9500c dầu ram cao 6400C với thời gian Độ cứng bề mặt 386 HV Pha Pha Pha (tổ chức nền) ảnh 4.17 Tổ chức thép 20MoCr chế độ 500oC, 10 (200x) (mẫu 05) Sau thời gian thấm 10 giờ, nhiệt độ 5000C chiều sâu lớp thấm ta nhận đợc 74 àm; độ cứng 582 HV (tăng1,5 lần) Các pha đợc thể rõ ảnh kim tơng - 77 - Qua ảnh ta thấy, bề mặt không phẳng (do trình gia công xử lý mẫu trớc thấm) nhng nhận đợc lớp thấm bao phủ kín bề mặt mẫu đồng Pha Pha Pha (tổ chức nền) ảnh 4.18 Tổ chức thép 20MoCr chế độ 550oC, (200x) (mẫu 09) Pha Pha (tổ chức nền) Pha ảnh 4.19 Tổ chức thép 20MoCr chế độ 600oC, (200x) (mẫu 14) - 78 - Pha Pha (tổ chức nền) Pha ảnh 4.20 Tổ chức thép C45 chế độ 500oC, (200x) (mẫu 102) Mẫu 102 với thời gian thấm ngắn, chiều dầy lớp thấm mỏng nhng lớp thấm bao phủ đợc toàn bề mặt mẫu Sau thời gian thấm giờ, chiều dầy lớp thấm 12 àm, độ cứng tăng từ 237 HV lên 287 HV Mặc dù chiều dầy lớp thấm mỏng nhng ta thấy đợc pha ảnh kim tơng ảnh 4.21 Tổ chức thép C45 chế độ 550oC, (200x) (mẫu 108) - 79 - Pha Pha (tổ chức nền) Pha ảnh 4.22 Tổ chức thép C45 chế độ 600oC, (200x) (mẫu 113) Pha Pha (tổ chức nền) Pha ảnh 4.23 Tổ chức thép 38CrMoA chế độ 500oC, 10 (200x) (mẫu 94) Pha Pha (tổ chức nền) Pha Pha (tổ chức lớp thấm) ảnh 4.24 Tổ chức thép 38CrMoA chế độ 550oC, (200x) (mẫu 98) - 80 - Pha Pha (tổ chức nền) Pha ảnh 4.25.Tổ chức mẫu 003 (mẫu tham khảo) Mẫu 003: thép 20MoCr cha qua hoá tốt, thời gian thấm giờ, nhiệt độ thấm 6000C Các pha đợc thể hiên ảnh kim tơng Mẫu 004: tổ chức thép 38CrMoA cha đợc ram Mẫu 009: tổ chức thép 38CrMoA đợc thấm nitơ nhiệt độ 6000C, thời gian mẫu cha đợc hoá tốt (tôi ram) Độ cứng thép 38CrMoA đợc hoá tốt nhng cha đợc thấm 561 HV ảnh 4.26.Tổ chức mẫu 004 (mẫu tham khảo) - 81 - Pha Pha (tổ chức nền) Pha ảnh 4.27.Tổ chức mẫu 009 (mẫu tham khảo) Tóm lại: - 5000C với áp suất khí nh nhau, mẫu đợc hoá tốt chế độ thì: Thép C45 có độ cứng lớn 302 HV (mẫu 104), chiều sâu lớp thấm lớn 78 àm (mẫu 105) Thép 20MoCr có độ cứng lớn 582 HV (mẫu 05), chiều sâu lớp thấm lớn 74 àm (mẫu 05) Thép 38CrMo có độ cứng lớn 754 HV (mẫu 93), chiều sâu lớp thấm lớn 81 àm (mẫu 94) - 5500C với áp suất khí nh nhau, mẫu đợc hoá tốt chế độ thì: Thép C45 có độ cứng lớn 301 HV (mẫu 110), chiều sâu lớp thấm lớn 86 àm (mẫu 110) Thép 20MoCr có độ cứng lớn 461 HV (mẫu 10), chiều sâu lớp thấm lớn 88 àm (mẫu 10) Thép 38CrMo có độ cứng lớn 745 HV (mẫu 98), chiều sâu lớp thấm lớn 89 àm (mẫu 99) - 6000C với áp suất khí nh nhau, mẫu đợc hoá tốt chế độ thì: - 82 - Thép C45 có độ cứng lớn 279 HV (mẫu 113), chiều sâu lớp thấm lớn 106 àm (mẫu 115) Thép 20MoCr có độ cứng lớn 439 HV (mẫu 14), chiều sâu lớp thấm lớn 88 àm (mẫu 15) Qua ta thấy, với loại vật liệu cần thấm nitơ cần phải có nghiên cứu thực nghiệm để tìm đợc chế độ thấm hợp lý Muốn tìm đợc chế độ thấm tối u thiết phải thí nghiệm theo quy hoạch hoá thực nghiệm sau giải toán tơng quan hồi quy để tìm đợc chế độ thấm tối u - 83 - kết luận đề nghị Kết luận 1) Lò thấm nitơ thể khí đợc thiết kế chế tạo làm việc đạt yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo nhiệt độ theo yêu cầu, làm việc an toàn, ổn định, phù hợp cho việc nghiên cứu khoa học thí nghiệm 2) Chiều sâu lớp thấm tăng tăng nhiệt độ thấm thời gian thấm; Độ cứng có xu hớng giảm nhiệt độ tăng 3) Tại nhiệt độ, thay đổi thời gian thấm độ cứng thay đổi không nhiều 4) Qua ảnh kim tơng ta thấy, thấm nhiệt độ thấp nên tổ chức tế vi vật liệu không bị biến đổi lớn, giữ nguyên đợc trang thái ban đầu nhng bề mặt nhận đợc lớp nitrit bền vững 5) Ngoài thấm nitơ với thép hợp kim, thấm đợc nitơ thép cacbon với mục đích tăng bền để chống ăn mòn mài mòn (thể tăng độ cứng lớp bề mặt) Đề nghị 1) Cần tiếp tục nghiên cứu công nghệ thấm nitơ cho nhiều loại vật liệu khác để xây dụng quy trình cụ thể cho loại vật liệu với thiết bị đại 2) Do thời gian không gian làm việc lò hẹp nên thấm chi tiết cụ thể đợc đặc biệt với chi tiết có kích thớc lớn lò 3) Tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công nghiệp) lắp đặt hệ thống thiết bị thấm nitơ quy mô công nghiệp Vì vậy, cần có phối hợp Trờng Viện để tiếp tục sâu nghiên cứu hoàn thiện công nghệ thấm nitơ - 84 - Tài liệu tham khảo Lê Đăng ánh Nguyễn Đình (2001), Khí hậu nhiệt đới công tác bảo quản máy móc, trang bị khí tài, Nxb Quân đội nhân dân, Hà nội Nguyễn Phú ấp (1995), Triển khai công nghệ thấm phủ đa nguyên tố để tăng tuổi thọ chi tiết, Viện Công nghệ Bộ Công nghiệp, Hà nội Nguyễn Phú ấp (1994), Công nghệ hoá nhiệt luyện chế tạo máy, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội Long Hằng (1998), Giới thiệu vật liệu phơng pháp chống ăn mòn kim loại, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nghiêm Hùng (1979), Vật liệu học sở, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nghiêm Hùng (1979), Kim loại học nhiệt luyện, Nxb Đại học trung học chuyên nghiệp, Hà nội Nghiêm Hùng, Sách tra cứu thép gang, Trờng Đại học Bách khoa Hà nội Hoàng Đình Luỹ (1995), ăn mòn bảo vệ kim loại, Nxb Công nhân kỹ thuật, Hà nội Đình Đức Nhuận (2000), Dự báo ăn mòn vật liệu kỹ thuật vi sinh vật, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội 10 Nguyễn Nông Nguyễn Đại Thành Hoàng Ngọc Vinh (1999), Sửa chữa ôtô máy kéo, Nxb Giáo dục, Hà nội 11 Nguyễn Thị Minh Phơng Tạ Văn Thất (2000), Công nghệ nhiệt luyện, Nxb Giáo dục, Hà nội 12 Nguyễn Văn Sắt (1978), Vật liệu khí công nghệ kim loại, Nxb Công nhân kỹ thuật, Hà nội 13 Hoàng Nghĩa Thanh (1982), Hỏi đáp thiết bị nhiệt luyện, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội 14 Tạ Văn Thất Nguyễn Huy Sáu (1990), Công nghệ thiết bị nhiệt luyện, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội - 85 - 15 Tạ Văn Thất (1974), Tài liệu hớng dẫn thí nghiệm, Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội 16 Nguyễn Văn T (1999), Xử lý bề mặt, Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội 17 A A smcôv (1973), Sách tra cứu nhiệt luyện, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội 18 Arzamaxov B.N (2001), Vật liệu học, Nxb Giáo dục, Hà nội 19 axmu .M., B..eoma (1990), MATEPABEEE, MOCKBA ôMACTPOEHEằ 20 K A., . (1985), APAHE, ôEằ 21 A.B., .. (1973) , ôằ - 86 - Mục lục Trang Mở đầu .1 Chơng Tổng quan đề tài 1.1 Tình hình xu hớng phát triển công nghệ xử lý bề mặt kim loại 1.2 Những nét chung hoá nhiệt luyện 1.2.1 Sự hình thành tổ chức lớp thấm .9 1.2.2 Động học trình thấm .10 1.2.3 Môi trờng thấm .10 1.3 Khái quát chung vế phơng pháp hoá nhiệt luyện 11 1.3.1 Thấm cacbon (C) .11 1.3.2 Thấm xyanua 12 1.3.3 Thấm lu huỳnh (S) .13 1.3.4 Thấm bo (B) .13 1.3.5 Thấm crôm (Cr) .13 1.3.6 Thấm nhôm (AI) .14 1.3.7 Thấm silic (Si) 14 1.3.8 Thấm kẽm (Zn) 14 1.3.9 Thấm titan (Ti) 14 1.3.10 Thấm nitơ (N) 15 1.4 Mục đích yêu cầu đề tài 15 Chơng Phơng pháp nghiên cứu 16 2.1 Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết 16 2.2 Phơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 16 2.3 Xác định xử lý số liệu thực nghiệm 16 2.4 Phơng pháp kiểm tra 17 2.4.1 Kiểm tra độ cứng .17 2.4.2 Kiểm tra chiều sâu lớp thấm 20 2.4.3 Kiểm tra tổ chức tế vi lớp thấm 20 Chơng Nghiên cứu lý thuyết 21 3.1 Cấu tạo kim loại chất mối liên kết kim loại 21 3.1.1 Cấu trúc tinh thể hình thành mạng tinh thể .21 3.1.2 Cấu tạo kim loại .25 - 87 - 3.1.3 Bản chất mối liên kết kim loại 30 3.2 Lý thuyết ăn mòn mài mòn kim loại 30 3.2.1 Tìm hiểu chung ăn mòn mài mòn kim loại .30 3.2.2 Các trình ăn mòn mài mòn kim loại 31 3.3 Các tiêu đánh giá mức độ mòn kim loại 32 3.3.1 Các tiêu định tính 32 3.3.2 Các tiêu định lợng 32 3.4 Hoá nhiệt luyện 34 3.4.1 Khái niệm chung .34 3.4.2 Các trình hóa nhiệt luyện 35 3.4.3 Cơ sở hoá nhiệt luyện 37 3.5 Thấm nitơ 45 3.5.1 Nitơ hoá, tổ chức tính chất lớp thấm nitơ .45 3.5.2 Thép dùng để thấm nitơ 48 3.5.3 Các phơng pháp thấm nitơ 50 3.5.4 Công dụng thấm nitơ 56 3.5.5 Các dạng khuyết tật sai hỏng thấm nitơ biện pháp ngăn ngừa 58 Chơng NghiêN cứu thực nghiệm 59 4.1.Thiết bị thấm nitơ 59 4.1.1 Một số hình ảnh lò thấm nitơ 59 4.1.2 Cấu tạo lò thấm nitơ thể khí đợc sử dụng 62 4.2 Mẫu thí nghiệm 66 4.2.1 Vật liệu chế tạo mẫu 66 4.2.2 Số lợng mẫu thí nghiệm 67 4.3 Kết thực nghiệm 67 4.3.1 Kết thực nghiệm với thép C45 .68 4.3.2 Kết thực nghiệm với thép 20MoCr .71 4.3.3 Kết thực nghiệm với thép 38CrMoA 74 kết luận đề nghị 84 Kết luận 84 Đề nghị 84 Tài liệu tham khảo .85 Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined - 88 - [...]... Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy, chúng tôi đã ứng dụng phơng pháp nghiên cứu sau: Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết của quá trình thấm nitơ; sơ lợc nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng lớp thấm Nghiên cứu, phân tích lý thuyết công nghệ thấm nitơ của các tài liệu trong và ngoài nớc để vận dụng xác định ảnh hởng của các thông số công nghệ đến chất. .. loại tạo lớp nitrit kim loại nhỏ mịn nên làm tăng độ cứng, tính chống mòn, tạo ứng suất d ở bề mặt làm nâng cao độ bền mỏi của chi tiết Nhợc 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 lợng bề mặt một số vật liệu dụng trong chế tạo máy, mở rộng khả năng công nghệ thấm. .. titan thể rắn, thấm titan thể khí, thấm titan thể lỏng - 14 - 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 d 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... năng công nghệ thấm nitơ trong nớc Nghiên cứu ảnh hởng của một số thông số công nghệ nh: vật liệu, nhiệt độ thấm và thời gian thấm đến chất lợng lớp thấm nitơ Thực hiện thấm nitơ trên nền của thép C45, 20MoCr, 38XMA (38CrMoA) đã đợc nhiệt luyện sơ bộ và ram, xây dựng quy trình công nghệ thấm nitơ với các vật liệu đã chọn - 15 - Chơng 2 Phơng pháp nghiên cứu 2.1 Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết Với mục... 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 phơng 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 đợc 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 đợc trong khi... đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì nó cho phép thay đổi trong một khoảng rộng thành phần, tổ chức và tính chất của lớp bề mặt của chi tiết + So với những dạng hoá bền bề mặt khác, hoá nhiệt luyện có một số đặc điểm sau: - Có thể áp dụng cho tất cả các loại chi tiết, kể cả những chi tiết có hình dáng phức tạp khi không dùng đợc các phơng pháp hoá bền bề mặt khác - Tính chất của lớp bề mặt và... 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 phơng pháp thấm titan: thấm titan thể rắn, thấm titan... và nitơ (N) trong môi trờng 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 - 12 - 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 đợc Viện Công nghệ nghiên cứu áp dụng. .. chất lợng bề mặt 2.2 Phơng 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 đợc ảnh hởng của chúng đến chất lợng 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... dụng trong chế tạo máy, hoá chất, giấy và dầu hoả Các phơng 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 trờng không khí hoặc khi nóng (300 ữ 550oC) có chứa HCI Các phơng pháp công nghệ thấm kẽm: thấm kẽm nóng chảy, thấm kẽm thể rắn, thấm ... Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ vào việc nâng cao chất lợng bề mặt số vật liệu dụng chế tạo máy, mở rộng khả công nghệ thấm nitơ nớc Nghiên cứu ảnh hởng số thông số công nghệ nh: vật liệu, ... Nội, vào nghiên cứu , thực đề tài: Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt số vật liệu chế tạo máy Yêu cầu thực đề tài: + Nghiên cứu thiết kế chế tạo lò thấm nitơ thể khí phục... nghiên cứu 2.1 Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết Với mục đích đề tài là: Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt số vật liệu chế tạo máy, ứng dụng phơng pháp nghiên cứu sau: Nghiên cứu