Xây dựng môi trường thấm C-N thể khí cho thép cacbon thấp

Bài viết này trình bày các kết quả nghiên cứu về xây dựng môi trường thấm C-N từ hỗn hợp khí: khí gas, CO2; NH3 và N2. Bước đầu đã xác định được tỷ lệ của các loại khí. Ngoài ra, bài viếto đã đánh giá được tổ chức và cơ tính với các thành phần khí khác nhau.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng môi trường thấm C-N thể khí cho thép cacbon thấpXÂY DỰNG MÔI TRƯỜNG THẤM C-N THỂ KHÍ CHO THÉP CACBON THẤPTHE CONSTITUENTS OF ATMOSPHERE COMPOSITION FOR GASCARBONITRIDING FOR LOW CARBON STEELLÊ THỊ CHIỀU1 , NGUYỄN DƯƠNG NAM2, NGUYỄN ANH XUÂN21Viện Nghiên cứu, phát triển và Ứng dụng công nghệ mới2Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt NamTóm tắtQuá trình thấm C-N là quá trình thấm cacbon ở thể khí nhiều hơn quá trình thấm nitơ. Quátrình thấm này thay đổi bằng cách đưa thêm khí NH3 vào trong môi trường thấm cacbonvới mục đích tạo ra các ni tơ nguyên tử trong quá trình thấm. Nồng độ ni tơ hình thành trênbề mặt làm việc bằng cách phân ly NH3 trong môi trường thấm; các ni tơ nguyên tử này sẽkhuếch tán đi vào thép cùng với cacbon. Thép thường dùng để thấm C-N là thép với hàmlượng cacbon khoảng 0,25%. Với quá trình trên, nên kết hợp với quá trình tôi và ram, bềmặt thép sẽ hình thành tổ chức mactenxit với tổ chức nhỏ mịn. Tuy nhiên, công nghệ thấmC-N ở nước ta chưa thực sự phổ biến. Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu vềxây dựng môi trường thấm C-N từ hỗn hợp khí: khí gas; CO2; NH3 và N2. Bước đầu đã xácđịnh được tỷ lệ của các loại khí. Ngoài ra, bài báo đã đánh giá được tổ chức và cơ tính vớicác thành phần khí khác nhau.Từ khóa: Thấm C-N; môi trường thấm, tổ chức, thép SCM420, thành phần khí thấm.AbstractCarbonitriding is a modified form of gas carburizing, rather than a form of nitriding. Themodification consists of introducing ammonia into the gas carburizing atmosphere to addnitrogen to the carburized case as it is being produced. Nascent nitrogen forms at the worksurface by the dissociation of ammonia in the furnace atmosphere; the nitrogen diffusesinto the steel simultaneously with carbon. The steels which has the carbon contents up toabout 0.25%, commonly carbonitrided. This process combined with quenching andtempering process, the surface of this steel will formed martensite structure with the finegrain. However, at our country carbonitriding process is not really popular. Initially, thepercentage of gases was determined. In addition, the article was evaluated themicrostructure and hardness with the different percentage of gases.Keywords: Carbonitriding, permeably environment, microstructure, SCM420 steel, gas composition.1. Giới thiệuQuá trình thấm C-N được định nghĩa là quá trình hóa nhiệt luyện mà ở đó chi tiết được chếtạo từ thép cacbon có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,25% được đặt trong môi trường bão hòa hainguyên tố C và N ở dạng nguyên tử. Quá trình này sẽ làm tăng đồng thời thành phần cả C và N ởtrên lớp bề mặt thép [1]. Quá trình tăng hàm lượng C và N ở trên bề mặt thép được giải thích là doquá trình phân hủy khi thấm tại nhiệt độ thấm, các nguyên tử hấp phụ lên bề mặt chi tiết và từ đókhuếch tán vào bên trong với một chiều sâu nhất định. Cacbon và nitơ nguyên tử sẽ kết hợp vớisắt và nguyên tố hợp kim tạo nên mactenxit và cacbit có độ cứng cao mà trong lõi vẫn đảm bảo độdẻo dai. Bề mặt chi tiết có chất lượng cao nhất khi tổng hàm lượng cacbon và nitơ trong khoảng0,9-1,3% [2,3]. Tổng hàm lượng hai nguyên tố đó nhỏ hơn, độ cứng bề mặt sẽ thấp, còn nếu lớnhơn sẽ dẫn đến tạo muội hoặc tạo khuyết tật làm xấu cơ tính [4]. So với thấm cacbon, thấmcacbon-nitơ tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn, tạo tổ chức nhỏ mịn hơn, có thể áp dụng cho nhiều chitiết như bánh răng, trục cam, dao cắt giấy…Trên thế giới hiện nay, trong các thiết bị truyền thống, môi trường thấm cacbon-nitơ baogồm các loại khí tạo nguồn cacbon nguyên tử, thường là khí ga tự nhiên (CH4), nguồn tạo nitơnguyên tử (NH3) và các loại khí độn có tác dụng pha loãng môi trường thấm với mục đích duy trìhàm lượng cácbon và nitơ trên bề mặt một cách hợp lý. Ngoài ra, khí độn còn có tác dụng thúcđẩy quá trình thấm. Ở Mỹ, Nga khí độn là khí endo, một lọại khí được chế tạo bằng thiết bị đặcbiệt. Tỷ lệ giữa khí gas và khí độn dao động trong khoảng từ 1/30 đến 1/8 tùy từng loại khí và tùytừng nước, như trong Bảng 1.Bảng 1. Thành phần khí độn của Nga và MỹTên khíEndogas (Nga)Exothermic (Mỹ)Endothermic (Mỹ)76CO2310,520,7CnH2n+23,80,50,8Thành phần (% thể tích ở ĐKTC)CO2N2H20,445,7305,071,512,539,838,7Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hảiKhí khác0,9 H2OSố 55 - 8/2018Ở nước ta, vì chưa sản xuất được khí độn, nhiều công ty phải nhập khẩu khí thấm rất tốn kém vàgặp nhiều khó khăn. Có công ty môi trường thấm chỉ bao gồm các loại khí nguồn (gas và NH3),chất lượng lớp thấm rất thấp, không phát huy được ưu điểm của phương pháp thấm C-N. Chính vìvậy, trong công trình nghiên cứu này, bước đầu chúng tôi nghiên cứu xây dựng một môi trườngthấm C-N hoàn toàn trên cơ sở nguồn nguyên liệu khí trong nước cho thép có hàm lượng cacbonthấp làm việc trong điều kiện bề mặt chịu mài mòn cao (bề mặt cần độ cứng từ 60 đến 63HRC).Tuy nhiên, trong lõi của thép lại cần độ dai cao.2. Thực nghiệmHỗn hợp thấm bao gồm khí ga công nghiệp (50% C3H8, 50% C4H10 ); Khí CO2; N2; NH3 với lưulượng như được chỉ ra trong bảng 2. Quá trình thấm được thực hiện ở nhiệt độ 8400C với thời gianthấm là 03h [3]. Mẫu nghiên cứu được sử dụng là mẫu SCM420 (có thành phần như ở Bảng 3).Bảng 2. Thành phần khí thấmLưu lượngGasCO2NH3N2To(C)C1C21015181810106257840840C320171053840C430151045840Mẫu sử dụng là lõi neo được chế tạo từ thép SCM420 (thành phần trên bảng 3); thành phầnthép được phân tích trên máy quang phổ phát xạ ARL-3460. Sau mỗi mẻ thấm, chi tiết được làmsạch dầu, cắt và mài để kiểm tra tổ chức tế vi bằng kính hiển vi Axiorvert 25 và Axiorvert 100, thựchiện phóng đại 50, 100, 200, 500 và 1.000 lần. Độ cứng tế vi được đo trên máy Duramin, về khoảngcách mũi đâm là 50µm tính từ bề mặt lớp thấm vào trong lõi với tải trọng 200g. Giá trị đo là Vickersđược chuyển sang HRC.Bảng 3. Thành phần thép SCM 420 (theo % khối lượng)CSiMnPSCrNiMo0,180,20,650,010,011,20,080, ...