Kim loại học - Phần 4: Độ thấm tôi

Phần IV ĐỘ THẤM TÔI 4.1 Hóa - nhiệt luyện 1.Định nghĩa: Hóa - nhiệt luyện là đưa chi tiết và trong môi trường thấm có thành phần, nhiệt độ thích hợp trong thời gian đủ để nguyên tố cần thấm đi sâu vào trong chi tiết sau đó đem nhiệt luyện để cải thiện hơn nữa tí nh chất của lớp bề mặt. 2. Nguyên lý chung Môi trường thấm: là môi trường có chứa nguyên tố cần thấm, có khả năng phản ứng để cố định nguyên tố thấm lên bề mặt chi tiết và khuếch tán vào sâu phía bên trong. Thấm C: môi trường khí phân huỷ từ dầu hoả, thấm N: khí NH3,.. 2 mục đích chính: - Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi của thép hơn cả tôi bề mặt: thấm C, thấm N, thấm C-N,... được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí . - Nâng cao tính chống ăn mòn: thấm Cr, thấm Al, Si, B. Các quá trình thấm này phải tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn, ít thông dụng hơn. Các giai đoạn: 1) khuếch tán thể khí : là quá trình khuếch tán chất thấm đến bề mặt chi tiết 2) Phản ứng tạo nguyên tử hoạt tính và cố định lên bề mặt: hấp phụ tạo nguyên tử hoạt trên bề mặt và phản ứng với nền để cố định chúng trên bề mặt (có thể hấp phụ phân ly hoặc phản ứng phân ly ra nguyên tử hoạt tính). 3) Khuếch tán thể rắn: nguyên tử chất thấm được cố định trên bề mặt khuếch tán sâu vào bên trong để tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định. Trong ba giai đoạn kể trên thì khuếch tán thể rắn thường chậm nhất do đó là khâu quyết định sự hình thành của lớp thấm. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian: Nhiệt độ càng cao: phản ứng tạo nguyên tử hoạt và khuếch tán vào càng nhanh, song cao quá thì có hại: Ví dụ: thấm C không quá 950oC để hạt tinh thể không bị thô to, thấm N không quá 650oC để còn bảo tồn tổ chức hoá tốt của thép ở lõi. Thời gian thấm: Càng dài thì lớp thấm càng sâu: Trong đó: X-chiều sâu lớp thấm, K- hằng số thuộc nhiệt độ va công nghệ thấm, t -thơi gian thấm. 4.2 Thấm cacbon: phổ biến nhất, dễ làm do đó hầu hết các xưởng Cơ khí đều áp dụng Ưu điểm: bề mặt sau khi thấm + tôi và ram thấp HRC 6064, chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi bền, dẻo, dai với độ cứng HRC 30 40. Nhiệt độ thấm: Đủ cao để thép ở trạng thái hoàn toàn là, pha có khả năng hòa tan nhiều cacbon (900 950oC). Tuỳ theo loại thép sử dụng: Thép C: C10-C25, T thấm = (900-930)oC, Thép hợp kim có Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi, T=(930-950)oC, Mn để %C không quá cao bong Sau khi thấm và tôi+ram thấp: bề mặt %C (1-1,2)%, sau tôi +ram thấp độ cứng cao (thường là 62 64), không bong. Lõi: có tổ chức hạt nhỏ (cấp 5 8) với tổ chức mactenxit hình kim nhỏ mịn, không có F tự do, để bảo đảm độ bền, độ dai cao, HRC 3040. 4.2.1 Thời gian thấm: (giữ nhiệt ở nhiệt độ thấm) phụ thuộc vào hai yếu tố sau. 1) Chiều dày lớp thấm yêu cầu: chiều dày lớp thấm X = (0,10 0,15)d, d đường kính hay chiều dày chi tiết. Riêng đối với bánh răng lấy X=(0,20 0,30)m (m- môduyn của răng) 2) Tốc độ thấm: Tuỳ theo công nghệ thấm và nhiệt độ thấm: Công nghệ thấm: 2 công nghệ thường dùng: Thấm C thể rắn: Hỗn hợp thấm: Than (cốc, đá, gỗ) cở 2-8mm : 25% Than dựng lại (xàng bỏ bột vụn): 60% BaCO3 : 15% Hoà BaCO3 vào nước vừa xệt để có thể trộn đều vào than. Xếp chi tiết và lốn than vừa chặt Hộp thấm C thể rắn Thời gian và chiều dày lớp thấm: X =(0,11-0,12)t, khi thấm ở (900-930)oC- lấy K=0,11, khi thấm ở (930-950)oC- lấy K=0,12 Đặc điểm của thấm cacbon thể rắn là: + Thời gian dài (do phải nung cả hộp than dẫn nhiệt chậm), bụi, khó cơ khí hóa, kém ổn định, không đòi hỏi thiết bị kín, rất đơn giản Thấm ở thể khí : là phương pháp thấm hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất Cơ khí . Chất thấm: Khí đốt và dầu hoả (dầu hoả dễ dùng hơn) Thiết bị thấm: các loại l ò chuyên dùng để thấm C Lò thấm C của Nga Loại lò P, kw dxh lò,mm Loại lò P, kw dxh lò,mm 25 25 300x450 75 75 500x900 35 35 300x600 90 90 600x900 60 60 450x600 105 105 600x1200 Xếp hoặc treo chi tiết vào lò đảm bảo bề mặt cần thấm phải luôn có khí luân chuyển. Nâng nhiệt độ và cấp dầu: Nhiệt độ Số giọt dầu, [giọt/phút] (lò Ц 25 -Ц 60) Sơ đồ lò thấm C bằng dầu hoả < 300 0 300-500 30 500-900 30-50 900-950 90-150 (bão hoà) 900-950 50-80 (khuếch tán) Nhiệt độ thấm: theo loại thép như thấm C thể rắn Thời gian thấm: (kể từ khi đạt nhiệt độ thấm) K=0,12 khi thấm (900-930)oC, K=0,14 khi thấm ở (930-950)oC, =bãohoà+k/tán=2bão hoà=2 k/tán 4.2.2 Nhiệt luyện sau khi thấm: 3 công nghệ: 1- Tôi trực tiếp+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm lấy ra cho nhiệt độ hạ xuống còn 850-860oC thì tôi trong dầu. Chỉ áp dụng cho thép hợp kim, quy trình đơn giản, kinh tế. 2- Tôi 1 lần+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm đem thường hoá rồi tôi ở (820- 850)oC khi cần ưu tiên cho lớp bề mặt, tôi ở (860-880)oC khi cần ưu tiên cho lõi, áp dụng được cho cả thép C. 3- Tôi 2 lần+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm đem thường hoá rồi tôi ở (880-900)oC cho lõi xong, nung lại và tôi cho bề mặt ở (760-780)oC (tốt nhất là tôi cao tần), áp dụng cho mọi loại thép, đảm bảo cơ tính cả lõi và bề mặt, song phiền phức và ngày càng ít dùng. 4.3 Thấm nitơ 4.3.1 Định nghĩa và mục đích: làm bão hòa và khuếch tán N vào bề mặt thép hợp kim sau khi nhiệt luyện hoá tốt nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn (HRC 65 70 hơn hẳn thấm cacbon) và giới hạn mỏi của chi tiết. 4.3.2 Tổ chức của lớp thấm: từ ngoài vào lần lượt là: (+’)-’-(’+)-thép ở lõi, trong đó - là pha xen kẽ ứng với Fe2-3N,’ - là pha xen kẽ ứng với Fe4N, - dung dịch rắn của N trong Fe. Độ cứng cao nhất của lớp thấm là vùng (’+), do có nhiều nitrit: CrN, AlN, tiết ra nhỏ mịn nằm phân bố đều, không phải qua nhiệt luyện tiếp theo như khi thấm C. 4.3.3 Thép dùng để thấm N: là thép hợp kim chuyên để thấm N điển hình là 38CrMoAlA sau khi nhiệt luyện hoá tốt 2 Chất thấm N: khí NH3 công nghiệp (amôniac), ở nhiệt độ thấm (480650)oC, NH3 bị phân huỷ nhiệt theo phản ứng: 2 NH3 3H2 + 2Nng.tử Chỉ có NH3 hấp phụ trên bề mặt phân huỷ tạo thành Nng/tử mới có tính hoạt cao khuếch tán vào tạo thành lớp thấm. Phần lớn còn lại không có tác dụng thấm, do đó để thấm N người ta phải liên tục bơm NH3 vào lò và lấy sản phẩm thừa ra ngoài. Để thấm ổn định với tốc độ đủ nhanh thì tỷ lệ phân huỷ nhiệt P của NH3: Phải thoả mãn Nhiệt độ 450-500 500-600 600-700 P, % 20-35 30-45 40-60 4.3.4 Đặc điểm của công nghệ thấm nitơ: - Do phải tiến hành ở nhiệt độ thấp để không làm hỏng tổ chức của thép sau hoá tốt. Chọn nhiệt độ thấm phải căn cứ vào tính chống ram của thép (thép 38CrMoAlA thấm ở (500-550)oC, thép gió 80W18Cr4V có thể thấm ở (600-700)oC). - Sau khi thấm không phải tôi mà phải làm nguội chậm đến nhiệt độ 200oC để tiết nitrit làm tăng độ cứng, rồi đuổi hết khí ra mới được mở lò để chống nổ. - Nếu trong khí thấm có pha thêm lượng nhỏ khí đốt (1-2%), hoặc thỉnh thoảng mở van cho 1 chút không khí vào, các nguyên tố C (trong khí đốt), oxy (trong không khí) có tác đụng ổn định pha do đó tốc độ thấm tăng. + Thời gian thấm: khi có mặt C và O trong khí thấm thì : K=0,2 đến 0,27 chú ýlớp xốp có độ cứng thấp (250-300HB), mẫu thấm to lên do đó thường phải hớt bỏ đi. Độ cứng của lớp thấm N: 900-1000 HV, giữ được ở nhiệt độ trên 500oC. Công dụng: cho chi tiết cần độ cứng và tính chống mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ cao hơn 500oC, như một số trục, bánh răng, sơmi trong máy bay, dụng cụ cắt, dụng cụ đo. 4.4 Thấm cacbon - nitơ 1. Định nghĩa và mục đích: làm bão hòa (thấm, khuếch tán) đồng thời cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn (về mặt này nó nằm trung gian giữa thấm cacbon và thấm nitơ). Như vậy nó cũng nhằm mục đích như hai phương pháp hóa - nhiệt luyện trên song tốt hơn thấm cacbon. 2. Đặc điểm của công nghệ thấm C-N: tùy thuộc vào tỷ lệ giữa C và N trong lớp thấm mà quá trình có thể gần với một trong hai dạng thấm C hoặc N trên: - Thấm ở nhiệt độ cao, trên dưới 800oC: chủ yếu là thấm C (ít N), do đó có tính chất gần với thấm C hơn song tốt hơn chỉ thấm C. - Thấm ở nhiệt độ thấp, trên dưới 600oC: lớp thấm chủ yếu là N, do đó tính chất gần với thấm N hơn song kém hơn thấm nitơ đôi chút Thấm C-N ở nhiệt độ cao: Chất thấm: chủ yếu là khí đốt hoặc dầu hoả như khi thấm C nhưng có thêm 5 10%NH3, Nhiệt độ thấm: 780 860oC, thấp hơn so với thấm C Tổ chức lớp thấm: giống lớp thấm C nhưng có thêm pha cacbo-nitrit Fe3(C,N) rất cứng (cứng hơn Fe3C) nằm phân tán nên làm tăng rất mạnh tính chống mài mòn do đó kéo dài tuổi thọ thêm 50 đến 100%. 3. Chiều dày lớp thấm: mỏng hơn lớp thấm C khoảng 20 30%. Ví dụ bánh răng khi thấm cacbon sâu 0,901,20mm, khi thấm C-N chỉ cần 0,50 0,80mm. Nhờ vậy thời gian thấm sẽ ngắn lại. Do nhiệt độ và thời gian thấm đều giảm nên kinh tế hơn Nhiệt luyện sau khi thấm: sau khi thấm phải qua tôi + ram thấp như thấm C nhưng đơn giản hơn vì tôi trực tiếp với mọi loại thép. Thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp: Giống như khi thấm N, khí thấm có pha thêm 2-5% khí đốt, sau khi thấm không phải qua tôi ram thấp như khi thấm N. Nhiệt độ thấm và thời gian thấm giống như khi thấm N, ưu việt là thấm nhanh, hiện nay chỉ có công nghệ thấm C-N không có công nghệ thấm N riêng biệt. Thép dùng để thấm C-N: thường là thép hợp kim: 25CrMnMo, sau khi thấm C-N nhiệt độ cao tôi trực tiếp phân cấp trong dầu nóng 180oC.