III Thấm Ni tơ I Mục đích yêu cầu: Định nghĩa: - Thấm ni tơ phương pháp xử lý hoá nhiệt => làm khuyếc tán nguyên tố ni tơ vào bề mặt sản phẩm từ sắt, thép Mục đích: - Nâng cao khả chống mài mòn - Nâng cao độ bền mỏi - Độ bền ăn mòn cao Tính ưu việt - Nhiệt độ thấm thấp 450-5900C - Không cong vênh, nứt nẻ (US nhiệt nhỏ, không chuyển biến pha) - Không cần xử lý nhiệt sau thấm(bản chất lớp thấm có độ cưng cao) - Tiết kiệm lượng - Hiệu kinh tế cao II Đặc trưng cấu trúc tính chất lớp thấm nitơ: Tổ chức lớp thấm: Cơ sở để xác định tổ chức lớp thấm giản đồ Fe N (hình 1) Lớp thấm Ni tơ gồm lớp (thế thấm ni tơ đủ lớn): (hình 2) - Lớp hợp chất hoá học - Lớp khuyếch tán a, Lớp hợp chất hoá học (3 -20 àm): - -nitrid Fe2 N: Pha xen kẽ (nằm phía ngoài), mạng lục giác xếp chặt - - nitrid Fe4N: Pha xen kẽ (nằm phía trong), mạng lập phương diện tâm - Các bít hợp kim, Nitrid hợp kim (phụ thuộc thành phần hoá học thép) - Vùng giàu -nitrid thường có nhiều lổ rỗ mức độ khác Lớp hợp chất hoá hoc ( + ) + + Lớp khuyếch tán Hình Giản đồ trạng thái Fe -N 700 + 600 5910C + 500 + 400 N Fe 4% 8% 12% Một số sản phẩm thấm ni tơ b, Lớp khuyếc tán: - Thép bon: Khi làm nguôi chậm, tổ chức lớp khuyếch tán thép bon dung dich rắn - Fe (N) pha hình kim - Fe4N Khi làm nguôi nhanh pha biến (hình 3) - Trong thép hợp kim: Không xuất pha hình kim - Fe4N mà xuất hạt nitrid hợp kim nhỏ mịn (trong thép Cr: CrN, Cr 2N ) Lớp khuyếch tán + - Fe4N hình kim Hình c, Phân bố độ cứng lớp khuyếch tán chiều sâu lớp thấm - Phân bố độ cứng lớp khuyếch tán phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố tạo nitrid hợp kim (Cr, V, Ti, Al ); Hàm lương nguyên tố tạo nitrid tăng => HV tăng - Chiều sâu lớp thấm ni tơ chiều sâu lớp có độ cứng lơn HVn +50 HV Độ cưng bề mặt HVbm HV:100 HV HVn + 50 HV Độ cưng HVn Bề mặt Nền KL Chiều sâu lớp thấm Tính chất lớp thấm ni tơ: - Chống mài mòn (độ cứng cao: > 1000 HV) - Độ bền mỏi tốt (ứng suất dư nén: -300MPa) - Chống ăn mòn tốt (lớp hợp chất bề mặt:pha , ) => Sử dụng rộng rãi công nghiệp III Thép thấm ni tơ: Hầu hết loại thép thâm ni tơ VậT LIệU MáC THéP mAI mòn + Bền mỏi + Bền ăn mòn + Cứng nóng + Thép thấm Nitơ 35CrAl Thép thấm C 20CrMnTi + + + + Thép hoá tốt C45; 40CrNiMo + + + + Thép khuôn nguôi 100Cr12M + + + Thép khuôn nóng 30Cr2W8 + + + + Thép không rỉ 08Cr18Ni9 + + + (-) Thép gió P18 + 0 + Thép xây dựng CT38 + + + - IV Các phương pháp thấm ni tơ Rắn, Lỏng, Khí, Plasma Công nghệ thấm Ni tơ thể rắn: sử dụng Công nghệ thấm Ni tơ thể Lỏng a Công nghệ thấm ni tơ cũ: - Hỗn hợp thấm: Me2CO3 + MeCN (25 40%) - Nhiệt độ thấm: 560 5800C - Cung cấp Ô xy - Bảo dưỡng bể thấm; + Loại bỏ phần muối sử dụng chứa MeCN (phế thải) + Bổ sung MeCN - Phản ứng tạo Nitơ ng/tử: 2MeCN + 02 = MeCNO (1) 2MeCNO + 1/202 = Me2CO3 + C + 2N (2) MeCN: - Tính độc cao - ảnh hưởng vệ sinh môi trường Nguyên lý làm việc bể thấm theo công nghệ cũ Lấy bớt muối cũ dùng Bổ sung MeCN MeCN MeCN MeCNO MeCNO Me2CO3 Bể thấm MeCN MeCN MeCNO MeCNO Me2CO3 Sau sử dụng Me2CO3 Phế thảI chứa MeCN Sau lấy Phế thải MeCN MeCNO Me2CO3 sau bổ sung MeCN b, Công nghệ thấm ni tơ - Nitarid - Hỗn hợp thấm sở: CS II (Me2CO3 + 30-40% MeCNO) - Nhiệt độ thấm: 560 5800C - Cung cấp Ô xy - Chất tái sinh: TS III (muối không độc chứa H,C,N) - Hỗn hợp thấm bổ sung: CS III (Me2CO3 + 35-40% MeCNO) - Phản ứng tạo Ni tơ ng/tử: 2MeCNO + 1/202 = Me2CO3 + C + 2N (2) - Phản ứng hoàn nguyên Me2CO3 + TSIII = 2MeCNO (3) Ưu việt: + Không sử dung muối độc MeCN (CSII, CSIII) + Không có muối phế thải sử dung chất táI sinh (TSIII ) Nguyên lý làm việc Nitarid Công nghệ không phế thải Xử lý tái sinh TSIII MeCNO Me2CO3 Bể thấm Bổ sung chất thấm CSIII MeCNO MeCNO Me2CO3 Sau sử dụng Me2CO3 Sau xử lý TSIII MeCNO Me2CO3 Sau bổ sung CSIII c Chế độ thấm Ni tơ theo công nghệ NITARID nhiệt độ (0C) 580 0C; 60 -180ph Bể OX-1 200-3000C;10-30ph dầu, nước, KK 300 -4000C; 15-60ph 140 0C; 30-60ph thời gian (ph) d Nhận xét: - Nhờ sử dụng hỗn hợp thấm chuyên dùng CSII, CSIII, chất tái sinh TSIII, Nitarid trở thành công nghệ không phế thải, đảm bảo vệ sinh môi trường - Thiết bị thấm đơn giản, độ tin cậy cao, giá thành rẻ, thích hợp quy mô sản xuất có khả nâng cấp tự động hoá cho năm tới - Công nghệ xử lý bề mặt sau thấm đa dạng, có khả ứng dụng rộng công nghiệp 3 Thấm nitơ thể khí a, Công nghệ thấm Ni tơ thể khí truyền thống: - Nhiệt độ thời gian thấm: T = 490 590 0C; t = 10 100 h - Hỗn hợp thấm: (100 50%) NH3 + ( 50%) N2 - Quá trình xẩy thấm: NH3 => [N]Fe + 3/2H2 Theo Bohmer tính hàm lượng Nitơ bề mặt Fe [N]Fe = (PNH3/PH2).8,93.104exp[ - 82240/RT] (% Khối lượng) - - Fe4N tạo thành khi: PNH3/PH2 > 1,266.10-3exp(34850/RT) - -nitrid Fe2 N tao thành PNH3/PH2 > 2,33.10-4exp(58400/RT) b, Thấm Nitơ -Ôxy:(1- 40h) - Hỗn hơp thấm: (95 65%)NH3 + N2 + (1-5%)O2 (10- 35%)hơi H2O c Thấm bon nitơ nhiệt độ thấp:(1 - 40h) - Hỗn hợp thấm: (80 -99%) NH3 + (1 - 20%)CO2 CH4 Môi trường thấm Sản phẩm Sơ đồ mô tả trình thấm ni tơ thể khí Thấm ni tơ ion hoá: - Nhiệt độ thời gian thấm: T = 350 590 0C; t = 0,25 48 h - Nguyên tắc: + áp suất thấp P = 10 -2 10 -3 bar + Điên cao U = 300 1200 V - Hỗn hợp thấm: NH3 + N2 CH4 - Ưu nhược điểm: + Hiệu thấm cao, dùng Ni tơ Hydro dảm bảo vệ sinh môi trư ờng +Tiêu thụ lượng thấp, chất lượng ổn định + Thiết bị đắt tiền, Hiêu ứng điện => Lớp thấm không Tường lò Sản phẩm Sơ đồ mô tả trình thấm ni tơ Plasma Sơ đồ cung cấp hỗn hợp thấm NH3 + N2 + KK V Thiết bị thấm Ni tơ