Đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm ni-Tơ xung plasma ở nhiệt độ thấp (570-600 0 c) trong chế tạo dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NI-TƠ XUNG PLASMA Ở NHIỆT ĐỘ THẤP (570-6000C) TRONG CHẾ TẠO DỤNG CỤ CẮT GỌT VÀ CHI TIẾT MÁY Ký hiệu: 94-07.RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài: Lục Vân Thương 6821 25/4/2008 Hà Nội - 2007 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NI-TƠ XUNG PLASMA Ở NHIỆT ĐỘ THẤP (570-6000C) TRONG CHẾ TẠO DỤNG CỤ CẮT GỌT VÀ CHI TIẾT MÁY Ký hiệu: 94-07.RD/HĐ-KHCN Thủ trưởng đơn vị Chủ nhiệm đề tài (Ký tên, đóng dấu) (Ký, ghi rõ họ tên) Hà Nội - 2007 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5 1.1. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài 5 1.1.1. Mục tiêu của Đề tài 5 1.1.2. Nhiệm vụ nghiên cứu 5 1.2. Tầm quan trọng của công nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện 5 1.3. Công nghệ nhiệt luyện 5 1.3.1. Các thông số liên quan trong quá trình nhiệt luyện 5 1.3.2. Phân loại các dạng nhiệt luyện 6 1.4. Công nghệ hoá nhiệt luyện 7 1.4.1. Cơ sở của hoá nhiệt luyện 7 1.4.2. Đặc điểm và mục đích của hoá nhiệt luyện 9 1.5. Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ xung plasma trên thế giới 10 1.5.1. Sự hình thành công nghệ ở các nước công nghiệp phát triển 10 1.5.2. Các chủng loại thiết bị cơ bản trên thế giới 11 1.5.3. Vật liệu chi tiết máy và các tính chất sau khi thấm ni-tơ 13 1.5. Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ plasma ở việt nam 19 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 20 2.1. Giới thiệu chung 20 2.2. Thấm ni-tơ thể khí thông thường 20 2.3. Thấm nitơ thể lỏng 21 2.3.1. Thấm nitơ thể lỏng thông thường 21 2.3.2. Thấm nitơ thể lỏng nitarid 21 2.4. Thấm ni-tơ ion plasma 22 2.4.1. Quá trình thấm ni-tơ plasma 23 2.4.2. Định nghĩa xung plasma 24 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 2.4.3. Sự phân lớp 25 2.4.4. Quá trình ELTROPUL 25 2.5. So sánh đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp 27 2.5.1. So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với các phương pháp thấm nitơ thông thường 27 2.5.2. So sánh thấm Nitơ - plasma với mạ Crôm 27 2.6. Các thông số trong quá trình thấm 28 2.6.1. Điện áp, mật độ dòng ion 28 2.6.2.Thời gian 28 2.6.3. Nhiệt độ 29 2.6.4. Thành phần hỗn hợp khí 29 2.7. Kết luận chương 2 31 CHƯƠNG 3. CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THẤM NI-TƠ PLASMA 33 3.1. Thiết bị thấm ni-tơ plasma 33 3.1.1. Giới thiệu chung về thiết bị thấm ni-tơ tại PTN Trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí. 33 3.1.2. Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H4580 Eltrolab 34 3.2. Khảo sát vật liệu chế tạo chi tiết thấm 37 3.3. Thiết kế đồ gá 39 3.4. Quy trình công nghệ thấm ni-tơ plasma 40 3.4.1. Vật liệu 40 3.4.2. Làm sạch 41 3.4.3. Tiến hành gá lắp vào thùng lò 41 3.4.4. Lập chương trình thấm 41 3.4.5. Kiểm tra hệ thống trước khi thực hiện quá trình thấm 43 3.4.6. Quy trình vận hành thiết bị 43 3.5. Kết luận chương 3 45 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 46 4.1. Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma một số mẫu thí nghiệm 4.1.1. Mẫu thép C45, gang xám, 40X 46 4.1.2. Thấm thép dụng cụ AISI – H13 (Chromium hot work steel) 50 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 4.1.3. Thấm thép hợp kim AISI 4140 (Chromium-molybdenum steel) 52 4.2. Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma sản phẩm là trục răng bơm dầu 53 4.2.1. Đặt vấn đề 53 4.2.2. Tiến hành thí nghiệm 53 4.2.3. Kết quả kiểm tra thử nghiệm 55 4.3. Kết quả khảo nghiệm 56 Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 1 Phụ lục 2 Phụ lục 3 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 3 MỞ ĐẦU Ở nước ta trong sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước với nền kinh tế thị trường đang phát triển với nhịp độ cao. Các ngành công nghiệp như: Cơ khí, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng không … được đánh giá là có tốc độ phát triển nhanh. Nhưng song song với sự phát triển đó có những yêu cầu bức thiết được đặt ra nhằm phát huy nội lực trong nước đó là việc nội địa hoá các sản phẩm, trang thiết bị nhập ngoại. Lực lượng kỹ thuật, công nghệ trong nước ngày càng được bổ sung đông đảo với tính hội nhập cao. Cùng với sự có mặt các trang thiết bị công nghiệp được nhập khẩu từ các nước tiên tiến trên thế giới, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các trang thiết bị để thay thế hàng nhập ngoại, phát huy nội lực trong nước đang trở lên cần thiết. Công nghệ nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật liệu kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi hình dáng và kích thước của chi tiết. Trên thực tế, hiếm có vật phẩm kim loại nào được chế tạo mà lại không trải qua quá trình xử lý nhiệt, quá trình mà ở đó kim loại được nung nóng và làm nguội dưới một chế độ được kiểm soát nghiêm ngặt nhằm cải thiện các tính chất cũng như tuổi thọ của vật liệu. Nhiệt luyện có thể làm mềm kim loại để tăng cường khả năng tạo hình. Nó cũng có thể làm các chi tiết trở nên cứng hơn, để cải thiện độ bền. Công nghệ này còn có khả năng phủ những bề mặt rất cứng lên trên nền mềm, để tăng khả năng chống mài mòn. Nó còn có thể tạo ra lớp chống ăn mòn trên bề mặt chi tiết, để bảo vệ chi tiết khỏi các tác nhân có hại từ môi trường. Và, nhiệt luyện còn có thể làm cho các vật liệu giòn trở nên dẻo dai hơn. Các chi tiết qua nhiệt luyện thường đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của các loại ô - tô, máy bay, tàu vũ trụ, máy vi tính và các loại máy móc khác trong công nghiệp. Tính chất và khả năng làm việc của các loại dụng cụ cắt, bánh răng, trục cam, trục khuỷu,... phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt luyện. Những sản phẩm này hầu hết được chế tạo từ thép bao gồm các loại đã qua cán dạng thanh hay ống cũng như các chi tiết qua đúc, rèn, hàn, gia công cơ khí, ép, dập hay kéo. Với các phương pháp nhiệt luyện thông thường như: ủ, thường hoá, tôi ram…các chi tiết sau nhiệt luyện vẫn bị các khuyết tật: biến dạng và nứt, oxy hoá, độ cứng không đạt (cao quá hoặc thấp quá), tính giòn B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 4 cao. Hay với các phương pháp thấm nitơ, cácbon thông thường có sử dụng các khí độc, muối độc gây hại cho con người và làm ô nhiễm môi trường. Từ những thực tế trên, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, thí nghiêm và áp dụng vào thực tiễn thành công một công nghệ nhiệt luyện mới: Công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma. Trong nhiều năm qua công nghệ thấm này được ứng dụng rộng rãi trên thế giới đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các chi tiết máy: giới hạn bền mỏi tăng, biến dạng giảm, sức bền, sức cản được cải thiện, độ cứng bề mặt cao mà lõi dẻo dai, bề mặt ít gồ ghề…Việc áp dụng công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn nhờ tăng tuổi thọ của các chi tiết, máy móc. Hơn nữa đây là công nghệ nhiệt luyện mới không làm ô nhiễm môi trường. Nhưng hiện nay công nghệ thấm Ni-tơ xung plasma còn là hoàn toàn mới mẻ với Việt Nam, nó chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma ở nhiệt độ thấp (570-6000C) trong chế tạo dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy”. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài 1.1.1. Mục tiêu của Đề tài - Thiết lập được QTCN điển hình cho các loại thép Cr-Mo, Cr-Mn-Si, thép dụng cụ. - Ứng dụng cho một số chủng loại dụng cụ cắt gọt kim loại. - Ứng dụng cho một số loại chi tiết máy như nhông xích, cổ trục, … 1.1.2. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu bản chất công nghệ thấm ni-tơ xung plasma. - Làm chủ thiết bị và thiết lập các QTCN mẫu cho một số loại thép hợp kim. 1.2. Tầm quan trọng của công nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện Nhiệt luyện kim loại và hợp kim là quá trình xử lý nhiệt làm thay đổi tổ chức và do đó làm thay đổi tính chất của chúng. Quá trình nhiệt luyện kim loại được nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ (thời gian) quy định để làm thay đổi tổ chức, do đó làm biến đổi tính chất theo hướng đã chọn trước. Nhiệt luyện có thể làm mềm kim loại để tăng cường khả năng tạo hình. Nó cũng có thể làm các chi tiết trở nên cứng hơn, để cải thiện độ bền. Công nghệ này còn có khả năng phủ những bề mặt rất cứng lên trên nền mềm, để tăng khả năng chống mài mòn. Nó còn có thể tạo ra lớp chống ăn mòn trên bề mặt chi tiết, để bảo vệ chi tiết khỏi các tác nhân có hại từ môi trường. Và, nhiệt luyện còn có thể làm cho các vật liệu giòn trở nên dẻo dai hơn. Hoá nhiệt luyện là một trong các phương pháp hoá bền bề mặt được sử dụng khá phổ biến, ngoài việc làm thay đổi cấu trúc bên trong còn làm thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt. Đó là quá trình làm bão hoà lên bề mặt thép một hay nhiều nguyên tố (N2, C, xianua, Al, Si…) để làm thay đổi thành phần hoá học. Do đó, làm thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt theo mục đích nhất định mà vẫn bảo tồn đước các tính chất ở lõi của vật liệu. Vì vậy, hoá nhiệt luyện là một trong những phương pháp tăng bền có hiệu quả và ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại chi tiết máy quan trọng. 1.3. Công nghệ nhiệt luyện 1.3.1. Các thông số liên quan trong quá trình nhiệt luyện B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 6 Tất cả các thông số như: nhiệt độ nung (oC), thời gian giữ nhiệt (ủ), tốc độ làm nguội phụ thuộc hoàn toàn vào vật liệu chi tiết được nhiệt luyện với các mục đích đặt ra khác nhau, không thể áp dụng cùng một công nghệ nhiệt luyện. - Nhiệt độ nung nóng: là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung. - Thời gian giữ nhiệt: là thời gian cần thiết duy trì kim loại ở nhiệt độ nung. - Tốc độ làm nguội: là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thời gian giữ nhiệt (oC/s). Ngoài ra người ta cũng còn quy định tốc độ nung nóng đối với một số trường hợp không lớn hơn giá trị cho phép để tránh nứt khi nung. Hình 1.1. Sơ đồ quá trình nhiệt luyện đơn giản 1.3.2. Phân loại các dạng nhiệt luyện - Nhiệt luyện thông dụng: + Ủ: ủ hoàn toàn, ủ không hoàn toàn, ủ cầu hoá xementit, ủ đẳng nhiệt, ủ thấp, ủ khuếch tán, ủ kết tinh lại … + Thường hoá + Tôi: tôi trong 1 môi trường, tôi trong 2 môi trường, tôi phân cấp, tôi đẳng nhiệt, tôi bộ phận, tôi tự ram, tôi bề mặt… + Ram: ram thấp, ram trung bình, ram cao - Cơ nhiệt luyện - Hoá nhiệt luyện: thấm cacbon, thấm nitơ, thấm bo, thấm S, thấm Si... Nhiệt luyện cải thiện rất nhiều cơ tính của thép, song nếu thực hiện không đúng sẽ gây ra các dạng hư hỏng khác nhau. Các dạng hư hỏng khi Nhiệt độ (oC) Thời gian Tn Tgn B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 7 nhiệt luyện sẽ gây ra lãng phí rất lớn. Vì vậy, cần hiểu rõ các nguyên nhân gây ra các hư hỏng đó, cũng như các biện pháp phòng ngừa. [3] 1.4. Công nghệ hoá nhiệt luyện 1.4.1. Cơ sở của hoá nhiệt luyện 1.4.1.1. Những quá trình xảy ra khi hoá nhiệt luyện Khi thực hiện quá trình hoá nhiệt luyện người ta đặt chi tiết vào trong môi trường rắn, lỏng hoặc khí có khả năng phân hoá ra nguyên tử hoạt của nguyên tố định khuếch tán rồi nung nóng chúng đến nhiệt độ thích hợp sau đó giữ nhiệt độ này trong thời gian đủ để khuếch tán các nguyên tố cần thấm vào chi tiết. Các quá trình thấm xảy ra theo ba giai đoạn nối tiếp nhau như sau: phân huỷ, hấp thụ và khuếch tán. - Phân huỷ (PH): Là quá trình tạo ra nguyên tử có hoạt tính cao của nguyên tố khuếch tán. Quá trình này xảy ra trong môi trường hoá nhiệt luyện và các nguyên tử hoạt tính được tạo thành có khả năng khuếch tán vào bề mặt kim loại. Khi thấm các bon, quá trình phân huỷ xảy ra như sau: C + CO2 → 2CO → CO2 + Cht Khi thấm nitơ: 2NH3 → 3H2 + 2Nht Những nguyên tử các bon hoặc nitơ hoạt tính sẽ hấp thụ vào bề mặt chi tiết. - Hấp thụ (HT): Sau khi phân huỷ, các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép. Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép lớp có nồng độ nguyên tố định khuếch tán vào cao và tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi. - Khuếch tán (KT): Các nguyên tử hoạt hấp thụ vào lớp bề mặt thép với nồng độ cao sẽ được khuếch tán vào kim loại tạo nên dung dịch rắn hoặc các pha phức tạp, pha trung gian hoặc các hợp chất hoá học tạo thành lớp thấm với chiều sâu nhất định. Nhờ khuếch tán lớp thấm được hình thành và nó là cơ sở của hoá nhiệt luyện. Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt. Ngoài những yếu tố nêu trên, khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo thành. Khi thấm cácbon, nitơ do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xảy ra nhanh hơn khi thấm kim loại do tạo thành dung dịch rắn thay thế. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 8 Nồng độ % 1 (KT) < (HT) 2 (KT) > (HT) Khoảng cách từ bề mặt Ba giai đoạn PH, HT, KT có liên quan rất mật thiết với nhau và có ảnh hưởng đến quá trình hoá nhiệt luyện. Nếu quá trình PH xảy ra nhanh hơn HT thì những nguyên tử hoạt tạo thành không hấp thụ kịp sẽ trở nên không hoạt tính nữa, lúc này nó cản trở sự hấp thụ tiếp theo vì thế ảnh hưởng tới tốc độ của quá trình. Ngược lại khi các nguyên tử hoạt tạo thành không đủ để hấp thụ thì thời gian hoá nhiệt luyện phải kéo dài. Trường hợp tốt nhất là tốc độ phân huỷ bằng tốc độ hấp thụ. Trong thực tế thường gặp hiện tượng trên bề mặt chi tiết sau khi thấm cacbon có muội bồ hóng. Điều đó chứng tỏ các nguyên tử cacbon hoạt tạo thành trong giai đoạn phân huỷ không hấp thụ kịp. Tương quan giữa HT và KT có ảnh hưởng rất lớn đến việc tạo thành lớp khuếch tán. Khi hấp thụ xảy ra nhanh hơn khuếch tán, các nguyên tử hấp thụ vào bề mặt không kịp khuếch tán vào trong nên nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt rất cao nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại nhỏ (hình 1.2 “1”). Ngược lại, trong trường hợp khuếch tán nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt thấp nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại lớn (hình 1.2 “2”). [1] Hình 1.2. Ảnh hưởng của khuếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm 1.4.1.2. Các cơ chế khuếch tán Trong cơ chế nút trống, các nguyên tử khuếch tán ở bên cạnh nhảy sang chiếm chỗ những nút trống. Năng lượng hoạt của quá trình đổi chỗ như vậy rất nhỏ nên rất dễ xảy ra. - Trong cơ chế giữa các nút mạng, nguyên tử ở vị trí xen giữa các nút mạng này chuyển sang vị trí xen giữa các nút mạng khác. Cơ chế này thường B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 9 thấy trong dung dịch rắn xen kẽ khi thấm cacbon, nitơ (là nguyên tử có đường kính nhỏ) vào thép. - Cơ chế giữa các nút mạng bằng cách đẩy, xảy ra khi nguyên tử khuếch tán có đường kính xấp xỉ đường kính nguyên tử kim loại cơ sở. Nguyên tử khuếch tán đẩy nguyên tử cạnh nó ra và chiếm lấy nút mạng, làm nguyên tử này dịch chuyển giữa các nút mạng. - Trong cơ chế thay thế, nguyên tử khuếch tán và nguyên tử kim loại cơ sở đổi vị trí cho nhau khi chúng đứng cạnh nhau. - Trong cơ chế chuyển vòng, nguyên tử khuếch tán và các nguyên tử kim loại cơ sở đổi chỗ nối đuôi nhau theo vòng tròn. Hình 1.3. Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuếch tán Trong đó: 1 - Nút trống 2 - Giữa các nút mạng 3 - Giữa các nút mạng bằng cách đẩy 4 - Đổi chỗ 5 - Vòng (vòng đen biểu thị nguyên tử khuếch tán, vòng trắng biểu thị nguyên tử kim loại cơ sở) 1.4.2. Đặc điểm và mục đích của hoá nhiệt luyện Có nhiều phương pháp hoá nhiệt luyện. Dựa vào đặc tính thay đổi thành phần hoá học, các dạng hoá nhiệt luyện có thể chia thành ba nhóm: - Làm bão hoà bằng các á kim. - Làm bão hoà bằng các kim loại. - Tách các nguyên tố ra khỏi kim loại bằng khuếch tán. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 10 1.4.2.1. Đặc điểm - Có thể áp dụng cho tất cả các chi tiết, kể cả những chi tiết có hình dáng phức tạp khi không dùng được các phương pháp hoá bền bề mặt khác. - Tính chất của lớp bề mặt và trong lõi chi tiết rất khác nhau, do thành phần hoá học của chúng cũng khác nhau sau khi thấm. 1.4.2.2. Mục đích của hoá nhiệt luyện - Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn và độ bền mỏi của chi tiết nhưng hiệu quả đạt được cao hơn so với tôi bề mặt. Mục đích này đạt được bằng các phương pháp thấm C, thấm N2, thấm xianua, thấm B… - Nâng cao tính chống ăn mòn điện hoá và hoá học, chống oxy hoá ở nhiệt độ cao, tăng khả năng chịu axít của lớp bề mặt chi tiết. Để đạt được các mục đích này người ta dùng các phương pháp thấm nhôm, thấm silic, .. [1] 1.5. Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ xung plasma trên thế giới 1.5.1. Sự hình thành công nghệ ở các nước công nghiệp phát triển Quy trình Nitriding, phát triển lần đầu tiên vào năm 1900, liên tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng. Cùng với chất dẫn xuất nitrocarburizing trong quy trình, nitriding thường được sử dụng trong sản xuất chế tạo cơ cấu chi tiết máy và các hệ thống phát điện turbine. Trong những năm đầu của thế kỷ 20, Adoloph Machlet làm việc cho một công ty khí đốt ở Mỹ ở Elizabeth, NJ. Anh đã được công nhận là nhà công nghệ xử lý độ cứng bề mặt. Qua một thời gian thử nghiệm, Machlet đã khám phá ra là Ni-tơ hòa tan trong sắt. Ni-tơ khuếch tán tạo ra độ cứng bề mặt tương đối trong các loại thép thường hoặc thép hợp kim thấp và đặc biệt nó cải thiện được khả năng chống ăn mòn. Ở Châu Âu, Adolph Fly, có một chương trình nghiên cứu tương tự diễn ra tại Krupp ở Essen trong năm 1906. Giống như Machlet, Fly thừa nhận ni-tơ có thể hòa tan trong sắt ở nhiệt độ cao. Chương trình nghiên cứu ông đó là nghiên cứu ảnh hưởng luyện kim tới nguyên tố phi kim mạnh và kết quả là hiệu suất. Sáng chế đầu tiên của Fly được ứng dụng vào năm 1921. Ông sử dụng công nghệ tương tự của Machlet, nguồn gốc ni-tơ có thể phá vỡ bằng nhiệt từ đó giải phóng ni-tơ cho phản ứng và khuếch tán. Cũng giống như Machlet, Fly sử dụng NH3 là nguồn khí, nhưng ông không sử dụng H2 … Như vậy có sự phát triển quy trình nitriding khí ở trạng thái đơn giản. Fly nghiên cứu sâu vào tác động của các yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt. Phát minh của ông đó là trong quy trình nitriding để đạt được độ cứng bề B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 11 mặt cao chỉ có thép chứa các thành phần như: Cr, Mo, Al, V, và vonfram. Ngoài ra ông còn nhận ra rằng nhiệt độ trong quy trình quyết định đến độ sâu (ngấu) và sự nhiệt luyện của bề mặt thép. Quá trình gia công bề mặt thép ở nhiệt độ cao gây ảnh hưởng tới hình dạng của thép đó là “mạng nitride” được biết ngày nay. Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fry tại cuộc hội thảo Hội các nhà thiết kế chế tạo (SME) năm 1927, Các nhà luyện kim Mỹ băt đầu tìm hiểu về các tham số trong quá trình nitriding và các hiệu ứng của hợp kim trong quá trình nitriding của các loại thép. Ở Đức, công nghệ thấm nitơ - plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học người Đức, Dr Wehnheldt năm 1932. Sau đó Wehnheldt cùng nhà vật lý học người Thụy Sĩ và nhà buôn người Đức, họ cùng nhau nghiên cứu công nghệ thấm nitơ ion và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH, chế tạo thiết bị thấm nitơ ion. Đến năm 1970, công nghệ thấm nitơ - plasma được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở Châu Âu. Những ưu điểm của nó dần được chứng minh trong thực tế. 1.5.2. Các chủng loại thiết bị cơ bản trên thế giới 1.5.2.1. Lò hình chuông - Có khả năng chứa tải trọng cho chi tiết lớn hay nhỏ. - Sự trộn lẫn tốt. - Dễ dàng mang chi tiết vào lò. [13] Hình 1.4. Lò hình chuông 1.5.2.2. Lò 2 đáy - Về đặc trưng vẫn giống như lò chuông - Trong khi xử lý ở đáy này thì chi tiết cho ra ở đáy kia - Có hệ thống tự động nâng lò lên trong 24h điều khiển - Lò 2 đáy có kích thước lớn. [13] B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 12 Hình 1.5. Lò 2 đáy 1.5.2.3. Lò có 2 vật chứa - Có khả năng làm việc liên tục - Ưu điểm là thùng chứa có khả năng mang tải lớn và chứa được chi tiết dài. [13] Hình 1.6. Lò có 2 vật chứa 1.5.2.4. Lò thấm của hãng Aldridge - Kích thước làm việc của lò là: đường kính 1000 mm, chiều cao 1600 mm. Không làm ô nhiễm môi trường. - Có 2 buồng làm việc làm tăng năng suất, bù được thời gian thấm dài. [13] Hình 1.7. Lò thấm của hãng Aldridge B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 13 1.5.3. Vật liệu chi tiết máy và các tính chất sau khi thấm ni-tơ 1.5.3.1. Một số loại thép dùng để thấm nitơ a. Các chi tiết thép cacbon Thép cacbon được thấm nitơ để tăng khả năng chống ăn mòn trong môi trường không khí như ốc, vít, bánh răng cỡ nhỏ. Quá trình này có thể thay thế mạ kẽm, mạ niken hoặc mạ đồng. Để giảm độ giòn của chi tiết trước khi thấm cần thường hoá hoặc tôi cải thiện. Với lớp thấm 0,015 – 0,030 mm lớp nitrít có khả năng chống được ăn mòn không khí ẩm, trong nước chảy, dầu bẩn, xăng, hơi nóng, dung dịch kiềm loãng và các môi trường khác. Thấm nitơ thép cacbon làm tăng độ cứng, giới hạn bền và giới hạn chảy, tăng khả năng bền mỏi lên 1,5 – 2 lần. Độ cứng của thép cacbon thấm nitơ không lớn, vì thế khi thấm nitơ để đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao người ta không dùng thép cabon thông thường vì các nitrít sắt có khuynh hướng kết tụ ở nhiệt độ cao, do vậy có kích thước lớn, lớp thấm không có độ cứng và tính chống mài mòn cao và trở nên giòn, dễ tróc. b. Các chi tiết thép hợp kim Để thấm nitơ thường dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tố như Cr, Mo, Al chúng có ái lực với nitơ mạnh hơn sắt và các nitrít này không những có độ cứng cao như nitrit sắt mà còn có tính phân tán lớn, ổn định nhiệt độ cao. Do đó lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn rất cao, chắc, không tróc. Khi thấm nitơ cho thép hợp kim sẽ tạo thành những nitrit hợp kim nhỏ mịn (Cr2N, Mo2N, AlN…) nên làm tăng độ cứng và tính chống ăn mòn. Các loại thép hợp kim thường dùng để thấm nitơ là: 38CrMoAlA, 38CrMoA, 38CrWVAl, 38Crl, 35CrAlA, 38XWVAlA. Ngoài ra còn có các loại khác như: 30CrN, 2WVA, 30Cr2NiWVA, 30Cr3WA, 18Cr2Ni4WA. Thấm nitơ các loại thép không gỉ như 1Cr13, 1Cr18Ni9Ti, 4Cr14Ni2W2, 20Cr3MOWV. Do sự có mặt đồng thời của các nguyên tố hợp kim như crôm, nhôm, môlipđen nên độ cứng của lớp thấm có thể đạt tới 1200 HV hoặc cao hơn.[1, 3, 4,..] Thấm nitơ với mục đích tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển, trong hơi nước và trong nước; có thể dùng cho tất cả các loại thép kể cả thép cácbon, gang. c. Các loại vật liệu sử dụng trong chế tạo sản phẩm ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 14 Bảng 1.1. Một số loại vật liệu sử dụng trong chế tạo chi tiết máy ứng dụng công nghệ thấm ni-tơ plasma Các bộ phận cơ khí Vật liệu Các loại bánh răng 16MnCr5 · 42CrMo4 Các trục truyền động 16MnCr5 · 50CrV4 · 42CrMo4 Trục răng dẫn hướng 31CrAlNi7 · X10CrNiS18-9 · X90CrCoMoV17 Các bệ máy bằng gang xám GG 25 · GGG 40 · GGG 60 Các bộ phận chuyển động 31CrMoV9 · 16MnCr5 · 42CrMo4 Trục vít – bánh vít ETG100 · 42CrMo4 · 31CrMo4-9 · 25CrMo4 Các loại vít máy đúc ép 31CrMoV9 · 34CrAlNi7 · X35CrMo17 Các trục quay 31CrMoV9 · 30CrMoV9 · 42CrMo4 Địa cam GGG 70 · 31CrMoV9 · 34CrAlNi7 Xi lanh thủy lực 16MnCr5 · 42CrMo4 · ETG100 Chế tạo dụng cụ - khuôn đúc Vật liệu Khuôn tạo hình GG 25 CrMo · GGG 60 · GGG 70L · GGGJ Khuôn ép X45NiCrMo4 Mũi khoan X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1 Bàn ren X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1 Khuôn đúc 14CrMnMo7 Trục răng dẫn hướng 16MnCr5 · 30CrMoV9 Khuôn đúc nhôm X38CrMoV5-1, X38CrMoV5-3, 40CrMnMo7, 40CrMnMoS8-6 Công nghiệp tự động hóa Vật liệu Tay quay GG 25, 42CrMo4, C45 Trục cam C15 · C53G · 42CrMo4 Bộ phận hệ thống giảm xóc C45 · 16MnCr5 Khớp nối bản lề 31CrMo12 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 15 1.5.3.2. Đối tượng được thấm nitơ – plasma Các chi tiết, dụng cụ của tất cả các ngành đều là đối tượng được thấm nitơ – plasma [12]: - Các bánh răng trong các máy móc xây dựng, công nghiệp tự động đòi hỏi độ bền mỏi tăng, sự biến dạng giảm, cần thiết phải mài sau nhiệt luyện để đạt kích thước đúng. - Các chi tiết của động cơ đốt trong: trục khuỷu, trục cam, pinhônh, thanh dẫn, bánh răng… cần tăng tính chất chống mài mòn, sức bền mỏi được cải thiện. - Khuôn ép, máy ép khi đúc kim loại, hợp kim đòi hỏi tăng khả năng chống ăn mòn, mài mòn. - Dụng cụ cắt yêu cầu có khả năng chống mài mòn cao, độ cứng lớn. Nhìn chung sự ứng dụng công nghệ thấm nitơ - plasma là rất rộng rãi. Từ gang, thép cácbon, đến các loại thép hợp kim. Công nghệ này đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Đức, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ… Một số hình về đối tượng được thấm ni-tơ plasma: Hình 1.8. Trục khuỷu Hình 1.9. Trục vít Hình 1.10. Bánh răng B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 16 Hình 1.11. Lưỡi cưa Hình 1.12. Mũi khoa Hình 1.13. Khuôn dập Hình 1.14. Bánh răng điều chỉnh Hình 1.15. Khuôn đúc nhôm Hình 1.163. Ống truyền động Hình 1.17. Khuôn đúc nắp moay ơ nhựa Hình 1.18. Bánh răng B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 17 1.5.3.3. Kết quả sau khi thấm Chi tiết sau khi thấm nitơ - plasma có lớp phủ ngoài cứng, Độ cứng trên bề mặt chi tiết giảm dần theo chiều sâu đến lõi. Hình 1.19. Sự thay đổi độ cứng của các thép hợp kim theo chiều sâu lớp thấm. Gang Thép dụng cụ làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp Thép không gỉ 17% Cr Thép đã xử lý nhiệt Gang xám Thép dụng cụ làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao Thép cacbon Từ đồ thị cho thấy với những thép khác nhau thì độ cứng thay đổi theo chiều sâu lớp thấm là khác nhau. Thép hợp kim thấp đồ thị thoải hơn, thép hợp kim cao đồ thị dốc hơn. Các nguyên tố tạo nitrit (các nguyên tố hợp kim) là các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm của các thép hợp kim. Thép hợp kim thấp có chiều sâu lớp thấm lớn hơn nhưng độ cứng tổng cộng thấp hơn thép hợp kim cao. Có sự chuyển tiếp từ từ giữa lớp được nitrit và lõi vật liệu. Đây là tính chất tốt cho những chi tiết chịu tải trọng lớn, va chạm mạnh. Thép hợp kim không gỉ với thành phần hợp kim cao, miền chuyển tiếp từ lớp thấm đến lõi vật liệu là đột ngột. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 18 Hình 1.20. Tổ chức tế vi của thép không gỉ sau khi thấm nitơ - plasma Bảng 1.2. Kết quả thấm Nitơ - plasma cho một số mác thép [12, 15] Mác thép Độ cứng (HV2) Chiều sâu lớp thấm (mm) St37 150 – 350 0,3 – 0,8 C45 350 – 550 0,3 – 0,8 GG25 350 – 500 0,1 – 0,2 GGG60 450 – 650 0,1 – 0,3 16MnCr5 550 – 750 0,3 – 0,7 42CrMo4 550 – 750 0,2 – 0,6 34CrAlNi7 900 – 1000 0,2 – 0,6 X40CrMoV5.1 900 – 1200 0,1 – 0,3 X155CrVMo12.2 900 – 1250 0,1 – 0,2 S 6-5-2 1000 – 1250 0,003 – 0,1 X2NiCoMoTi18.12.4 850 – 1150 0,05 – 0,1 X20Cr13 900 – 1100 0,1 – 0,25 X10CrNiMoTi18.10 950 – 1250 0,05 – 0,1 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 19 1.6. Quá trình phát triển công nghệ thấm ni-tơ plasma ở việt nam Hiện nay, ở Việt Nam tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ – Bộ công nghiệp đã được đầu tư một thiết bị về thấm ni-tơ xung plasma do Đức sản xuất. Sử dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma hay còn gọi là thấm ni-tơ thể ion. Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quy trình công nghệ thấm phù hợp đảm bảo chất lượng lớp thấm và khả năng làm việc là hết sức cần thiết. Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế – xã hội, việc nâng cao hiệu quả chất lượng chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Chất lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị thì phụ thuộc rất lớn vào chất lượng chi tiết cơ khí. Việc áp dụng công nghệ thấm ni-tơ xung plasma góp phần đáng kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành cơ khí nói riêng và ngành công nghiệp nói chung. Với việc đưa phương pháp thấm ni-tơ xung plasma vào thay thế một số phương pháp thấm tôi khác sẽ góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ chi tiết, giảm ô nhiễm môi trường phục vụ hiệu quả cho các ngành công nghiệp. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 20 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1. Giới thiệu chung Thấm nitơ là một quá trình hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà bề mặt chi tiết bằng nitơ ở một chiều sâu nhất định. Thấm nitơ là nguyên công cuối cùng và được ứng dụng vào việc nâng cao độ chống mài mòn và giới hạn mỏi của chi tiết. Độ cứng của lớp thấm nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ 600 ÷ 650oC, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 200 ÷ 225oC. Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xylanh của động cơ lớn, khuôn dập cũng như các dụng cụ cắt gọt… Phân loại - Theo điều kiện nung nóng và giữ nhiệt có: + Thấm nitơ đẳng nhiệt: quá trình thấm chỉ giữ ở một nhiệt độ thích hợp nhất nhằm đạt được kết quả tốt (độ cứng cao và không có pha ε giòn) + Thấm nitơ nhiều cấp: quá trình thấm tiến hành ở nhiều nhiệt độ. Thấm nitơ nhiều cấp có tác dụng nâng cao hiệu quả của quá trình thấm (tăng chiều sâu lớp thấm, giảm thời gian thấm) - Theo điều kiện tác dụng của môi trường bên ngoài: + Thấm nitơ thể khí + Thấm nitơ thể lỏng + Thấm nitơ ion 2.2. Thấm ni-tơ thể khí thông thường Quá trình thấm ni-tơ ở thể khí được tiến hành bằng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniắc (NH3) ở nhiệt độ 480 ÷ 650oC là nhiệt độ tại đó nó bị phân huỷ mạnh nhất. Bề mặt chi tiết được bão hoà bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc theo phản ứng: 2NH3 → 3H2 + 2N Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao bị hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 21 Lượng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào độ phân giải NH3. Độ phân giải NH3 phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và lượng NH3 đưa vào lò. Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2N → N2. Do đó, thấm nitơ xảy ra mạnh khi quá trình phân giải NH3 xảy ra gần bề mặt chi tiết. Độ phân giải amôniắc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tốc độ cấp NH3, diện tích bề mặt chi tiết và nồi thấm bởi vì bản thân thép cũng là vật xúc tác làm tăng nhanh phản ứng. Độ phân giải thấp, khả năng hấp thụ nitơ lên bề mặt chi tiết giảm vì không đủ số nitơ nguyên tử hoạt tính. Song nếu độ phân giải NH3 cao sẽ có nhiều nguyên tử nitơ hấp thụ bề mặt và ngăn cản sự hấp thụ nitơ. Vì vậy, người ta phải khống chế tối ưu độ phân giải NH3 ở 500oC là 15 ÷ 30%; ở 550oC là 35 ÷ 45%; ở 600oC là 45 ÷ 60%. Hyđrô có tác dụng làm thoát cacbon của chi tiết.[1], [3], .. 2.3. Thấm nitơ thể lỏng 2.3.1. Thấm nitơ thể lỏng thông thường Thấm nitơ ở trạng thái lỏng tiến hành trong bể muối có thành phần 40% KCNO + 60% NaCN, qua bể muối cho luồng không khí khô đi qua. Nhiệt độ thấm là 570oC, thời gian thấm 0,5 – 3 giờ. Sau khi thấm trên bề mặt tạo thành một lớp mỏng cacbit – nitrit Fe3(N,C) có khả năng chống mài mòn cao và không bị phá huỷ giòn. Tiếp theo lớp cacbit – nitrit là lớp dung dịch rắn α. Chiều sâu lớp thấm khoảng 0,15 – 0,5 mm. Ưu điểm của phương pháp này là ít thay đổi kích thước, chi tiết không bị cong vênh. Nhược điểm là dùng muối độc và giá muối xianua quá đắt.[1] 2.3.2. Thấm nitơ thể lỏng nitarid Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp, nhằm bão hoà bề mặt sắt thép bằng nguyên tố nitơ trong môi trường nóng chảy. Phát triển công nghệ này là một bước ngoặt mới trong ngành công nghiệp cơ khí, cụ thể là: chế tạo các trục khuỷu, bánh răng hộp số, cần gạt, trục cam, xi lanh, nắp van, con trượt, thanh dẫn khớp nối, khuôn dập nóng, dụng cụ cắt. Trước đây, người ta thường xử lý bề mặt trên cơ sở hoá luyện kim bằng công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ cũ. Công nghệ thấm nitơ cũ tiến hành trong bể muối nóng chảy có chứa 40% muối xianua. Muối xianua có tính độc tố cao làm ảnh hưởng đến vệ sinh môi trường, do nước thải và phế thải của bể B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 22 thấm có chứa xianua. Vì vậy những năm gần đây, theo xu hướng mới của thế giới, đặc biệt là những nước có nền công nghiệp phát triển, trung tâm Khoa học công nghệ Cơ học máy thuỷ lợi - Trường Đại học Thuỷ lợi đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ thấm nitơ mới, một công nghệ hoàn toàn không phế thải, không ảnh hưởng xấu đến môi trường. Sở dĩ công nghệ nitarid đảm bảo được vệ sinh môi trường là nhờ việc sử dụng các hỗn hợp thấm nitơ không chứa muối xianua và đưa vào sử dụng chất tái sinh có khả năng phục hồi hoạt tính của bể thấm. Công nghệ này được tiến hành trong bể muối nóng chảy, gồm các muối chuyên dùng như: kali cacbonat, natri cacbonat, có 30 - 40% muối xianat và bổ sung chất tái sinh để phục hồi lượng MeCNO ban đầu, phục hồi khả năng làm việc của bể thấm. Để phục hồi 1% lượng (CNO+) đã giảm, chỉ cần thêm lượng chất tái sinh bằng 0,6% khối lượng muối nóng chảy trong bể thấm. Trong đó, việc oxy hoá trong bể muối nóng chảy ở nhiệt độ 300 – 400oC làm tăng khả năng chống mài mòn, và ăn mòn của lớp thấm nitơ. Đặc biệt, thiết bị sử dụng khi thấm rất đơn giản, quá trình thấm được tiến hành trong nồi titan đúc chứa hỗn hợp muối nóng chảy. Trong nồi được đặt thêm giỏ thép có kết cấu thích hợp, thuận tiện cho việc đưa sản phẩm vào và lấy ra. Thiết bị đảm bảo độ tin cậy cao, giá thành rẻ, dễ sử dụng, thích hợp với qui mô sản xuất vừa và nhỏ ở nước ta hiện nay và có khả năng nâng cấp tự động hoá cao trong quá trình sản xuất, tương đương với các nước phát triển. Công nghệ thấm nitơ thể lỏng nitarid làm cho các sản phẩm từ sắt, thép có khả năng chịu mài mòn và chịu mỏi cao, chống ăn mòn rất tốt. Công nghệ được tiến hành ở nhiệt độ thấp (dưới 600oC), nên sản phẩm có độ biến dạng thấp, thành phần bể thấm đảm bảo tính ổn định hoá nhiệt và có độ chảy loãng, khả năng tạo nitơ hoạt tính cao. Mặt khác, công nghệ xử lý bề mặt sau khi thấm rất đa dạng, cải thiện được các tính chất của lớp thấm. Công nghệ đơn giản, đảm bảo được tính ưu việt của bề mặt sản phẩm làm cho nitarid có khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.[14] 2.4. Thấm ni-tơ ion plasma Thấm ni-tơ plasma hay thấm ni-tơ ion là công nghệ nhiệt luyện tiên tiến nhất. Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp với hỗn hợp các khí H2, N2, CH4 và Ar. Dưới điện thế cao các khí bị ion hoá tạo dòng plasma. Ion ni-tơ được gia tốc trong quá trình plasma và va chạm với mẫu vật. Quá trình bắn phá ion này làm nung nóng, làm sạch và tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng giới hạn bền mỏi.[13, 12, 11, 10, …] B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 23 2.4.1. Quá trình thấm ni-tơ plasma Quá trình thấm nitơ - plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng nitơ. Chi tiết được đặt trong lò chân không, trong đó chi tiết được nối với catốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện.[15] TW W G V TL D R U P Hình 2.1. Sơ đồ lò thấm nitơ - plasma Trong đó: R - Thùng chứa W - Chi tiết U - Nguồn điện (350 – 600V) P - Áp suất tổng (0,1 – 10 mbar) TL - Nhiệt độ tải ( 250 – 1000oC) TW - Nhiệt độ tường lò (100 – 550oC) D - Đường cung cấp vật liệu G - Khí cung cấp cho quá trình V - Bơm hút chân không Thùng được tháo ra làm sạch oxy và các chất bẩn khác, sau đó lắp lại. Quá trình thấm được mô tả như sau: khi nguồn điện được đóng vào, dưới điện áp cao (600-1000V) và áp suất thấp khí được biến đổi thành những ion (dòng điện dẫn plasma). Ion dương sẽ bắn phá bề mặt chi tiết và các electron phát ra tới anốt tạo ra một luồng sáng xung quanh chi tiết. Với thép quá trình này tạo nên một chất rắn hoà tan của nitơ (FeN) trên bề mặt thép. Sau đó là quá trình khuếch tán. Trong suốt quá trình khuếch tán nitơ phần nào thay thế B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 24 cácbon trong mactenxit và tạo các nitrit Fe4N, Fe2-3N ở lớp bề mặt. Cácbon được phân phối lại trong miền phân chia. Sự phân chia nitơ và phân phối lại cacbon là một hàm của thời gian và nhiệt độ thấm. Quá trình phân ly dựa trên năng lượng tự nhiên mạnh mẽ của luồng điện phát sáng tác động xung quanh bề mặt chi tiết. Đó còn gọi là năng lượng plasma. Nguồn plasma nitơ gồm có các ion, các electron gốc và hoạt hoá. Sự tương tác giữa plasma và bề mặt rắn là sự kích thích, ion hoá, phân ly và gia tốc. Trong quá trình thấm nitơ - plasma có hyđrô và nitơ nhưng không có xúc tác cho việc tạo thành NH3 như trong thấm N2 thể khí thông thường. Các phần tử N2 cũng có thể được biến đổi trong quá trình hoạt hoá. [10, 12, 13, 15, …] 2.4.2. Định nghĩa xung plasma Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được đưa vào năm 1923. Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí. Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp. Một ví dụ về plasma là mặt trời. Nhưng với nhiệt độ cao như vậy plasma không được sử dụng trong công nghệ xử lý bề mặt vật liệu. Khi áp suất khối khí lớn hơn 0,1 bar thì trạng thái plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt độ > 8000oK. Nếu áp suất khối khí giảm xuống còn khoảng 1 Mbar thì plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Chính vì thế trong môi trường chân không plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp. Trong công nghệ thấm nitơ xung plasma thì plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng không gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lò). Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vôn khí được ion hoá trở thành dòng khí dẫn điện (plasma). Mật độ dòng tăng khi điện áp tăng. [10, 12, 13,…] Bề mặt xử lý bằng plasma đầu tiên sử dụng công nghệ DC plasma (plasma sinh ra bởi điện áp một chiều) trong lò chân không làm mát bằng nước. Nhược điểm chủ yếu của công nghệ này là nhiệt độ tải biến động quá lớn. Vì thế năng lượng tiêu thụ cao, mật độ tải nhỏ, hạn chế sự liên kết giữa quá trình nhiệt và hoá học. Năm 1980 ELTRO sử dụng xung plasma nghĩa là plasma được sinh ra bởi điện áp xoay chiều. Nó khắc phục được các nhược điểm của công nghệ DC plasma: - Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình. - Nhiệt độ phân bố trên tải đồng đều hơn. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 25 - Giảm năng lượng tiêu thụ. - Giảm tiêu thụ khí. - Giảm thời gian Hình 2.2. Mô tả xung plasma Thời gian tồn tại xung khoảng 50-100µs. Chu kì xung khoảng 100- 300µs. Tất cả các lò thấm công nghiệp hiện nay đều sử dụng xung plasma. Nhưng chỉ có hãng ELTROPUL sử dụng nguồn xung plasma được tạo từ trước. Nó có nhiều ưu điểm như: - Tạo plasma ổn định trong mọi trường hợp. - Thấm được những chi tiết có hình dạng hình học phức tạp. - Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình thấm xuống thấp nhất. - Bề mặt được xử lý nhiều nhất. 2.4.3. Sự phân lớp Lớp bề mặt được nitrit hoá sau khi thấm nitơ ion là sự kết hợp của các miền. Một lớp trắng mỏng, chắc chắn bên ngoài và miền khuếch tán bên trong. Phạm vi cấu trúc và độ đồng nhất của lớp trắng và miền khuếch tán được điều chỉnh độc lập với nhau. Lớp trắng mỏng là lớp liên kết của sắt và nitơ tạo các nitrit: Fe4N, Fe2-3N. Độ dày lớp này lớn nhất là 20 µm. [10, 12,13,..] Miền khuếch tán độ dày tới 0,8 mm. Trong đó nitơ xâm nhập vào mạng tinh thể của sắt và kết hợp với các nguyên tố hợp kim Cr, Mo, Ti, Al, V…để tạo thành các nitrit đặc biệt. Những nitrit đặc biệt này là những phần tử quan trọng để làm tăng độ cứng và chống mài mòn của thép hợp kim. 2.4.4. Quá trình ELTROPUL Quá trình ELTROPUL có các thông số được vi điều chỉnh và đánh giá trong suốt quá trình nhiệt luyện để cho sản phẩm có tính chất tốt nhất. Chi tiết u t B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 26 được nung nóng trong thời gian ngắn nhất, bởi sự bức xạ hay khí trơ trong chân không, với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức. Hầu hết các chương trình phức tạp đều được sử dụng lặp lại trong các lần thấm khác nhau. Sau khi được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết và thấm nitơ, chi tiết được làm nguội một cách tự động. Phương pháp làm nguội có thể lựa chọn tuỳ theo yêu cầu của chi tiết. - Làm nguội chậm trong môi trường chân không đảm bảo chi tiết không bị biến dạng. - Làm nguội nhanh trong khí trơ với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức làm tăng năng suất thấm. Lớp thấm gồm có lớp hỗn hợp (lớp trắng) và miền phân chia. Lớp trắng có thể có tổ chức γ hoặc ε. Lớp γ chiều dày từ 2-8 µm, có tính mềm dễ uốn, chống mài mòn tốt, chịu được ứng suất lớn do đó áp dụng cho những chi tiết chịu tải trọng động lớn. Lớp ε dày tới 20 µm có khả năng chống mài mòn, ăn mòn tốt. Quá trình ELTROPUL với xung plasma được thiết lập sẵn có những ưu điểm đặc trưng. - Nguồn plasma được tự động giới hạn từ trước tới giá trị cần thiết đảm bảo đồng đều nhiệt cho chi tiết và cho phép nạp vào lò với số lượng chi tiết lớn nhất có thể. Hơn nữa, giá trị nguồn nhỏ nhất sẽ ngăn cản được sự quá nhiệt của những chi tiết quá mỏng (hiện tượng thường xảy ra với các quá trình có thời gian tồn tại xung ngắn). - Quá trình ELTROPUL đảm bảo được lớp nitrit đặc chắc. Trong cùng một quá trình có thể thấm được những chi tiết với các kích thước hình học khác nhau. - Ưu điểm nữa của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL là giảm được tiêu thụ điện năng, tiêu thụ khí, nước làm nguội, do đó giảm được giá thành nhiệt luyện. Với quá trình ELTROPUL, số lượng chi tiết có thể thấm nitơ - plasma là tăng hơn so với các quá trình khác. Ứng dụng của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL ngày càng rộng rãi.[13, 15] Các chi tiết được thấm: piston, van lò xo, dụng cụ cắt, trục khuỷu, dùi, mũi khoan, bơm, bánh răng điều chỉnh, mũi doa, trục cam, bánh răng bơm dầu… B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 27 2.5. So sánh đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp 2.5.1. So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với các phương pháp thấm nitơ thông thường So với thấm nitơ trong lò muối và thấm nitơ thể khí thông thường thì thấm nitơ - plasma có ưu điểm: - Chất lượng bề mặt tốt hơn, khả năng chống mài mòn tốt hơn, không bị giòn, xấu, nứt gãy do đó không phải mài bỏ hay làm sạch lớp trắng giòn như trong các phương pháp thấm nitơ thông thường - Thấm được những chi tiết có hình dáng phức tạp mà các phương pháp thấm nitơ cũ không thể thấm được một cách đồng đều. - Khí sử dụng trong quá trình là N2, H2 do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của bề mặt cuối cùng. Thấm nitơ trong lò muối và thể khí thông thường sử dụng NH3 và phốt phát làm bề mặt bị gồ ghề, nhám. - Thấm nitơ - plasma ở nhiệt độ thấp hơn cho độ cứng bề mặt cao mà không ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu. Trong các công nghệ thấm nitơ trước đây nhiệt độ cao hơn do đó có ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu. - Vật liệu được thấm nitơ - plasma đa dạng hơn. - Quá trình không sử dụng các khí độc như các công nghệ trước đây do đó an toàn với môi trường hơn.[13] 2.5.2. So sánh thấm Nitơ - plasma với mạ Crôm - Thấm nitơ - plasma nổi bật là tính chống mài mòn tốt của lớp phân chia đến bề mặt. Do thấm nitơ - plasma là quá trình phân lớp nên nó hạn chế được các vấn đề gặp phải trong mạ crôm như gỉ còn sót, nứt gãy, tích tụ, sắc cạnh, sứt mẻ, … - Chi tiết không bị tích tụ ở góc cạnh do đó không phải nguyên công mài để loại bỏ. - Thấm nitơ - plasma cải thiện được tính chất bền mỏi của vật liệu. Mạ crôm không đạt được tính chất này - Do quá trình thấm nitơ - plasma có luồng phóng điện phát sáng bao phủ bề mặt chi tiết nên sản phẩm có độ cứng lớn, chiều sâu lớp thấm phù hợp. - Là phương pháp bảo vệ môi trường. Còn mạ crôm sử dụng crôm hoá trị IV chất gây ung thư.[13] B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 28 2.6. Các thông số trong quá trình thấm Các tính chất của lớp bề mặt (độ cứng, độ nhám, độ sạch), chiều sâu lớp thấm, tính chất lớp thấm, độ cứng tế vi của vật liệu… chịu ảnh hưởng của các thông số đầu vào như điện áp - mật độ dòng, thời gian thấm, nhiệt độ thấm, thành phần hỗn hợp khí và áp suất khí. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số và từ đó chọn được chế độ thấm thích hợp. 2.6.1. Điện áp, mật độ dòng ion Điện áp cao (khoảng vài trăm vôn) là điều kiện để plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng anốt và catốt. Hình 2.3. Mối quan hệ giữa điện áp và mật độ dòng ion khí 1- Vùng phóng điện phát sáng bình thường 2- Vùng phóng điện phát sáng không bình thường 3- Vùng chuyển đổi 4- Hồ quang Vùng làm việc là vùng xảy ra quá trình thấm nitơ - plasma chính là vùng 2 trên đồ thị. Đó là vùng làm việc không bình thường. Khi điện áp tăng thì mật độ dòng ion khí cũng tăng. Đồng thời điện áp và mật độ dòng cũng phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ của quá trình, áp suất môi trường thấm và thành phần khí nitơ trong hỗn hợp khí. 2.6.2.Thời gian Thời gian là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định tới chất lượng sản phẩm sau khi thấm. Điện áp Mật độ dòng B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 29 Ở nhiệt độ nhất định, thời gian khuếch tán càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng. Quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabol (hình 2.4) theo công thức: δ = K τ Trong đó: δ − chiều dày lớp khuếch tán. K − hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D τ − thời gian Từ hình vẽ ta thấy thời gian thấm càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng nhưng tỷ lệ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm. Nếu với mục đích nhiệt luyện để có chi tiết có chiều sâu lớp thấm lớn thì biện pháp có hiệu quả là tăng nhiệt độ chứ không phải thời gian. 2.6.3. Nhiệt độ Chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. Khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh tốc độ khuếch tán càng nhanh. Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ theo biểu thức: D = A.e-Q/RT Trong đó: D - Hệ số khuếch tán, A - Hệ số phụ thuộc mạng tinh thể, Q - Năng lượng hoạt hoá (năng lượng cần thiết để bứt nguyên tử ra khỏi vị trí của nó trong bảng, Hình 2.4. Mối quan hệ giữa δ và τ B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 30 e - Cơ số logarit tự nhiên, R - Hằng số khí, T - Nhiệt độ thấm (Kenvin). Với hệ thống kim loại nhất định, các trị số A; Q cũng cố định nên D phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì D tăng càng nhanh. 2.6.4. Thành phần hỗn hợp khí Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất luyện kim của lớp trắng và lớp nitrit có thể được điều chỉnh trong quá trình thấm nitơ - plasma. Chú thích: Hình 2.5. Mối quan hệ giữa D và T Hình 2.6. Sự phân lớp từ lõi đến bề mặt vật liệu phụ thuộc vào thành phần khí. Lõi Lớp trắng Phần còn lại B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 31 Trường hợp 1: Thành phần nitơ trong hỗn hợp khí của quá trình từ 1-5%, không có lớp trắng. Trường hợp 2: Thành phần nitơ trong hỗn hợp khí nạp vào từ 15-30%, có lớp trắng với tổ chức hoàn toàn là γ. Trường hợp 3: Thành phần nitơ từ 60-70%, mêtan từ 1-3%, có lớp trắng với tổ chức hoàn toàn là ε. Lớp trắng mỏng có thể có tổ chức γ hoặc tổ chức ε. Lớp trắng có tổ chức γ mềm hơn và mỏng hơn lớp trắng với tổ chức ε. Độ dày từ 0,1-0,4 µm. Do rất mỏng nên khi chi tiết chịu lực lớn và va chạm mạnh lớp trắng đó sẽ không bị gãy vụn. Hơn nữa nó sẽ dễ dàng mất đi để mạ, phủ sau khi thấm. Lớp ε không mềm như lớp γ nhưng có khả năng chống mài mòn tốt hơn, có hệ số ma sát nhỏ hơn. Độ dày lớp ε lớn hơn khoảng 0,2-0,4 µm và tăng khi thời gian thấm tăng. Do đó khả năng chống ăn mòn tăng và có bị “xốp hơn” lớp có tổ chức γ. Độ dày lớp trắng có tổ chức γ và ε đều tăng khi tăng nhiệt độ thấm.Tuỳ theo mục đích sử dụng vật liệu mà điều chỉnh thành phần của hỗn hợp khí cho thích hợp để lớp trắng của bề mặt chi tiết sau khi thấm có tổ chức γ hay ε. Nếu chi tiết làm việc trong điều kiện chịu lực lớn, va chạm mạnh hoặc được mạ, phủ sau khi thấm thì thành phần khí khi thấm có khoảng 15-30% N2 để lớp trắng có tổ chức γ. Còn sử dụng hỗn hợp khí với tỷ lệ 60-70 % N2, 1-3 % CH4 để lớp trắng có tổ chức ε cho những chi tiết làm việc trong điều kiện bị ăn mòn lớn 2.7. Kết luận chương 2 - Tìm hiểu được một số phương pháp thấm ni-tơ: ni-tơ thể khí, thể lỏng Nitarid, thể ion plasma. + Quá trình thấm ni-tơ ở thể khí được tiến hành bằng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniắc (NH3) ở nhiệt độ 480 ÷ 650oC là nhiệt độ tại đó nó bị phân huỷ mạnh nhất. + Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp, nhằm bão hoà bề mặt sắt thép bằng nguyên tố nitơ trong môi trường nóng chảy. - Trong thấm ni-tơ thể ion plasma đã tìm hiểu được quá trình thấm ni-tơ plasma; định nghĩa về xung plasma; tìm hiểu về quá trình Eltropuls. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 32 + Quá trình thấm nitơ - plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng nitơ. Chi tiết được đặt trong lò chân không, trong đó chi tiết được nối với catốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện. + Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được đưa vào năm 1923. Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí. Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp. + Quá trình ELTROPUL có các thông số được vi điều chỉnh và đánh giá trong suốt quá trình nhiệt luyện để cho sản phẩm có tính chất tốt nhất. - Tiến hành so sánh giữa phương pháp thấm ni-tơ plasma với phương pháp thấm ni-tơ thông thường. - Tiến hành so sánh giữa phương pháp thấm ni-tơ plasma với phương pháp mạ Cr. - Tiến hành tìm hiểu các thông số trong quá trình thấm ni-tơ plasma: điện áp, mật độ dòng ion; nhiệt độ; thành phần hỗn hợp khí. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 33 CHƯƠNG 3. CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THẤM NI-TƠ PLASMA 3.1. Thiết bị thấm ni-tơ plasma 3.1.1. Giới thiệu chung về thiết bị thấm nitơ tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí. Thiết bị thấm nitơ plasma dùng cho phòng thí nghiệm dạng xung được thiết kế cho phép thấm nitơ ở nhiệt độ thấp. Thiết bị thấm nitơ sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm do hãng ETRO GmbH của CHLB Đức chế tạo năm 2004, và đã được cấp bằng sáng chế cho phép đảm bảo tốt nhất khi gia cường chi tiết và phụ tùng. Thiết bị cũng đã đạt tiêu chuẩn ISO 9002: 1994 (có chứng chỉ chất lượng kèm theo). Thời gian gia nhiệt chi tiết ngắn trong chân không bằng bức xạ hoặc khí trơ với sự đối lưu tự nhiên hoặc sự đối lưu cưỡng bức. Không làm thay đổi tính chất ban đầu của vật liệu. Thời gian và nhiệt độ được chương trình hoá đáp ứng mọi quá trình thấm. Khi chi tiết đạt nhiệt độ cuối cùng và qua các bước thấm, chi tiết được làm mát tự động để hạ nhiệt sản phẩm từ từ đúng theo quy trình đảm bảo chi tiết không bị méo mó biến dạng. ELTROPUL B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 34 Hình 3.1. Lò thấm Eltropul H4580 3.1.2. Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H4580 Eltrolab Hình 3.2. Cấu tạo buồng lò Thành lò dạng hình chuông. Thành lò được chế tạo bằng thép không gỉ Buồng được làm mát bằng quạt, có quạt bên ngoài dùng làm mát thành buồng làm việc. Bích gá lắp buồng được làm mát bằng nước và được đặt cách thành buồng làm việc để nhận được đường đẳng nhiệt. Bích gá kẹp làm bằng hợp kim Nicket – chrome 1.4301 Có cửa quan sát gắn kính chắn quan sát quá trình làm việc bên trong của buồng. Vòng đệm kép O-Rings Cách nhiệt bằng các sợi kháng, đảm bảo độ chân không kín khít. Vỏ lò Mẫu vật (chi tiết) Tạo hồ quang Vật cách điện Cặp nhiệt độ Van điều chỉnh áp suất Lập chương trình điều khiển N2 H2 Cấp khí Nguồn Đo nhiệt độ Đo chân không Trung tâm điều khiển B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 35 3.1.2.1. Các thông số chính của máy - Ký hiệu: H4580, Hãng Eltro GmbH - Nước sản suất: Đức - Khả năng gia công đối với mẫu nặng: Max 500 kg - Kích thước làm việc hữu ích: Φ 450 × 800 mm - Nhiệt độ thành buồng làm việc: 5500C - Nhiệt độ vùng làm việc: 6000C - Bộ gia nhiệt có thể làm việc đến nhiệt độ: 12000C - Số vùng gia nhiệt: 3vùng (W1,W2,W3) 9 Nguồn Plasma - Điện áp: 0 – 600 V - Dòng xung: 0 – 48 A - Tần số tối đa: 10 kHz - Công suất: 25 kVA - Công suất gia nhiệt: 10 kVA - Công suất nguồn plasma: 10 kVA - Công suất dòng xung: 28,8 kVA 9 Hệ thống chân không - Bơm chân không 2 cổng + Tốc độ: 33 m3/ h + Thời gian đạt độ chân không 5 Mbar: 15 phút + Áp suất đo: 0,01 – 10Mbar (phụ thuộc khí) - Đồng hồ đo áp suất - Van điều khiển áp suất. 9 Các loại khí sử dụng (Gas) Sử dụng 4 loại khí: H2 (tinh khiết 99,999%), N2 (tinh khiết 99,999%), CH4 (tinh khiết 99,999%), Ar (tinh khiết 99,5 %). B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 36 9 Hệ thống cung cấp nước làm mát - Bể nước dung tích: 1500 l - Bơm nước lưu lượng: 3 m3/ h. Hình 3.3. Hệ thống bình khí cung cấp 3.1.2.2. Hệ thống điều khiển bằng máy tính công nghiệp - Máy tính công nghiệp: Dùng điều khiển các quá trình hoạt động của thiết bị hoàn toàn tự động - Màn hình hiển thị liên tục các thông số của quá trình: + Thời gian + Các bước chương trình + Áp suất làm việc + Dòng khối của dòng khí + Điện áp Hydrogen Nitrogen Argon Metal B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 37 + Dòng xung (peak current) + Nhiệt độ chi tiết thấm + Thời gian xung + Lặp lại xung. 3.1.2.3. Phần mềm điều khiển chế độ công nghệ - Điều khiển tự động + Áp suất làm việc + Tốc độ dòng của 4 khí + Điện áp và dòng xung + Thời gian xung và biên độ lặp lại xung + Nhiệt độ chi tiết + Nhiệt độ thành buồng làm việc - Đặt chương trình theo các tham số + Thời gian + Áp suất làm việc + Dòng khối của 4 loại khí + Nhiệt độ tải (vật) + Gradient nhiệt độ tải (vật) + Nhiệt độ thành buồng làm việc chân không + Gradient nhiệt độ thành buồng làm việc chân không + Thời gian xung + Biên độ lặp lại xung + Chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ và có thể thay đổi ở mọi thời điểm. 3.2. Khảo sát vật liệu chế tạo chi tiết thấm Trong quá trình khảo sát, nhóm đề tài tiến hành khảo sát tại các cơ sở sau: - Tại Công ty CP Cơ khí chính xác số 1: sản phẩm chính là các cặp bánh răng bơm dầu dùng cho hệ thống bơm dầu của xe ô-tô Ben và Kamaz. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 38 Vật liệu chế tạo bánh răng bơm dầu là thép 20XГT, với thành phần hóa học như sau: (hình ảnh đính kèm ở phụ lục 3) Bảng 3.1. Bảng thành phần hóa học thép 20XГT C Cr Ti Mn Si S P Ni Fe 0,18 - 2,0 1- 1,3 0,03- 0,09 0,8- 1,0 0,17- 0,37 <0,035 <0,035 <0,3 Còn lại - Tại Công ty CP Cơ khí mạo khê: sản phẩm chính là các loại trục dao cắt ba via dùng trong máy hàn xích và trục răng hộp giảm tốc MC.SKAT-80. Vật liệu chế tạo là thép 45 và thép 40X, với yêu cầu kỹ thuật: + Độ cứng đối với thép 45 chế tạo trục dao cắt ba via đạt 40 – 42 HRC. + Độ cứng đối với thép 40X chế tạo trục dao cắt ba via đạt 52 + 2HRC. + Độ cứng đối với thép 40X chế tạo trục răng hộp giảm tốc đạt 45 – 48 HRC. - Ngoài ra, còn một số sản phẩm như: + Trục xe KOMASU, vật liệu chế tạo là thép 40X và thành phần hóa học của vật liệu: (hình ảnh đính kèm ở phụ lục 3) Bảng 3.2. Bảng thành phần hóa học thép 40X + Trục xe IFA, vật liệu chế tạo thép có thành phần hóa học như sau: (hình ảnh đính kèm ở phụ lục 3) Bảng 3.3. Bảng thành phần hóa học thép C Cr Ti Mn Si S P Ni Mo 0,1771 1,0654 0,0019 0,7027 0,2510 0,0125 0,0177 0,1229 0,1610 C Cr Ti Mn Si S P Ni Mo 0,2069 0,3279 0,0008 0,6070 0,3370 0,0086 0,0113 0,1142 0,3950 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 39 + Ngoài ra, một số cặp bánh răng bơm ben của xe Ủi cát D6, SamSung 24T, Xúc lật KOMASU; bơm cánh văng; cặp bánh răng Benfa (loại nhỏ). Dùng vật liệu là thép 20X. + Thép dụng cụ Thyroplast PH X SUPRA có thành phần hóa học như bảng sau: Bảng 3.4. Bảng thành phần hóa học thép dụng cụ C Cr Ni Cu Nb 0,05 15,0 4,5 3,5 + 3.3. Thiết kế đồ gá Dựa vào hình dạng các chi tiết đã khảo sát được tại các Nhà máy và các Công ty, nhóm đề tài tiến hành thiết kế đồ gá sử dụng cho quá trình thấm các chi tiết như sau: - Với kích thước lò thấm là W450xH800 và đồ gá với tác dụng kẹp giữ chi tiết không bị rơi ra trong quá trình thấm. - Với các chi tiết đã khảo sát, nhóm đề tài tiến hành thiết kế đồ gá với các thông số về kích thước và vật liệu được thể hiện trong bản vẽ dưới đây (Xem chi tiết tại phụ lục 3): Hình 3.4. Bản vẽ chung đồ gá chi tiết thấm ni-tơ B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 40 3.4. Quy trình công nghệ thấm ni-tơ plasma 3.4.1. Vật liệu - Xác định được thành phần hóa học của chi tiết đem thấm để xác định được thành phần %C, %Cr, %Mo, %Si... Để từ đó tính toán lựa chọn được các thông số trong quá trình thấm như: + Thời gian thấm + Nhiệt độ thấm + Lưu lượng khí …… - Xác định được môi trường làm việc của chi tiết Hình 3.5. Bản vẽ chi tiết đồ gá thấm ni-tơ B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 41 3.4.2. Làm sạch - Chi tiết đem thấm phải được làm sạch gỉ, sơn, dầu và các chất bẩn khác trên bề mặt. Dùng giấy mềm, sạch lót tay không để tay tiếp xúc trực tiếp với bề mặt mẫu. - Độ bóng chi tiết khi mài đạt ∆7-∆8 3.4.3. Tiến hành gá lắp vào thùng lò - Tiến hành gá lắp chi tiết vào đồ gá và cho vào thùng lò. Phải bảo đảm chi tiết đã được gá lắp chặt chẽ, không được di chuyển trong quá trình thấm. 3.4.4. Lập chương trình thấm Đối với các vật liệu khác nhau thì các thông số trong từng giai đoạn thấm là khác nhau, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của chi tiết. Dưới đây là bảng giới hạn các thông số cần cho quá trình lập một chương trình thấm: Bảng 3.5. Bảng giới hạn các thông số thấm Program menu Min Max Program step no 0 99 Step duration in hour 0 23 Minutes 0 59 Options 0 9999 Presure in Pascal 0 1300 Load Temperature in F 0 1200 Load Temperature grad in F/min. 0 50 Wall temperature in F 0 1200 Wall Temperature grad in F/min. 0 50 Voltage 0 800 Puls duration µs 0 1950 Puls repetition µs 0 2000 Massflow gas 1 l/h 0 50 Massflow gas 2 l/h 0 30 Massflow gas 3 ml/h 0 3000 Massflow gas 4 l/h 0 50 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 42 Dựa vào bảng 3.1 ta tiến hành lập chương trình điều khiển lò thấm và chương trình sau khi lập có dạng như bảng sau: Bảng 3.6. Chương trình điều khiển quá trình thấm Ps h m Opt P TL TG TW WG V PD PR G1 G2 G3 G4 0 0 2 144 0 170 50 350 80 0 50 100 0 0 0 0 1 0 2 144 1000 200 50 400 80 0 50 100 5 5 0 0 2 0 2 144 10 230 50 400 50 0 50 100 2 0 0 0 3 0 2 144 50 250 50 400 0 500 50 150 10 0 0 0 4 0 2 144 60 300 50 400 0 550 50 100 10 0 0 0 5 2 30 144 75 400 10 450 10 600 50 120 10 0 0 2 6 0 2 144 100 420 50 500 20 600 50 120 15 5 0 0 7 0 2 144 120 480 40 500 20 550 50 100 10 10 0 0 8 0 2 144 150 510 30 530 10 520 50 100 8 16 0 0 9 8 2 144 250 530 10 530 10 470 50 100 6 18 0 0 10 0 2 144 120 420 0 200 0 420 50 250 10 10 0 0 … .. .. … … … … … … … … … … … … … 99 Chú thích: Các thông số trong bảng 3.6 là ví dụ, còn tùy thuộc vào vật liệu mà ta lập các thông số như thời gian (h,m); nhiệt độ (TL, TW); lưu lượng khí (G1,.., G4);… cho phù hợp. Trong đó: Ps : Số bước thực hiện trong chương trình h : Số giờ thực hiện trong mỗi bước của chương trình m : Số phút thực hiện trong mỗi bước của chương trình Opt : Lựa chọn phương pháp điều khiển nhiệt độ P : Áp suất (pascal) TL : Nhiệt độ tải (chi tiết) (oC) TG : Tốc độ tăng nhiệt độ chi tiết theo thời gian (oC/min) TW : Nhiệt độ tường lò (oC) WG : Tốc độ tăng nhiệt độ tường lò theo thời gian (oC/min) B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 43 V : Điện áp (V) PD : Thời gian tồn tại xung (µs) PR : Số lần lặp lại của xung (µs) G1 : Lưu lượng khí 1 (l/h) G2 : Lưu lượng khí 2 (l/h) G3 : Lưu lượng khí 3 (ml/h) G4 : Lưu lượng khí 4 (l/h) 3.4.5. Kiểm tra hệ thống trước khi thực hiện quá trình thấm - Kiểm tra hệ thống điện, hệ thống dẫn khí (đường dẫn khí vào – ra, đồng hồ áp suất khí) - Kiểm tra hệ thống làm mát. Phải đảm bảo chắc chắn sự hoạt động liên tục của hệ thống làm mát, bơm nước không có sự cố gì xảy ra trong quá trình hoạt động của lò. 3.4.6. Quy trình vận hành thiết bị ™ Các bước thực hiện Để vận hành đước thiết bị thấm ni-tơ xung plasma phải tuân thủ đầy đủ các bước sau đây: Bước1 : Bật nguồn, máy nén khí, hệ thống nước làm mát, hệ thống khí Ar, N2, H2, CH4. Bước2 : Mở lò. Bước3 : Xếp chi tiết cần thấm vào lò Bước4 : Đóng lò. Bước5 : Gọi chương trình cần chạy. Bước6 : Theo dõi hoạt động của lò đến khi kết thúc quá trình thấm. Bước7 : Mở lò. Bước8 : Lấy chi tiết ra và vệ sinh lò. Bước9 : Đóng lò. Bước10 : Tắt nguồn, máy nén khí, hệ thống nước làm mát, hệ thống khí Ar, N2, H2, CH4. ™ Mô tả chi tiết các bước Bước 1: - Bật công tắc nguồn (màu đỏ phía trước máy). B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 44 - Bật bơm nước cung cấp cho hệ thống làm mát. - Bật máy nén khí. - Mở các van khí (H2, N2, CH4, Ar) 9 Chú ý 1: Trong bất kỳ trường hợp nào hệ thống làm mát bằng nước phải luôn luôn hoạt động. Bước 2: - Mở khóa điện. - Nhập mã máy : 1455. - Nhấn Y – để mở máy. - Nhấn Y – để xả khí. - Nhấn và giữ Bell up để nâng vỏ lò lên. Bước 3: - Xử lý các chi tiết cần thấm. - Sắp xếp chi tiết một cách hợp lý trong không gian lò. - Cắm cảm biến nhiệt độ vào chi tiết hoặc mẫu. 9 Chú ý 2: + Các chi tiết không được chạm vào thành lò, nên dặt cách thành lò ít nhất 50mm và bố trí chi tiết khoảng cách đều nhau để qúa trình thấm ổn định. + Các chi tiết phải được tẩy sạch đặc biệt là dầu, mỡ. + Không thấm các chi tiết có chứa: Nhôm, thiếc, kẽm và đồng vàng. Bước 4: - Nhấn và giữ Bell down để đóng lò. - Nhấn P và lựa chọn chế độ làm lạnh. Bước 5: - Gọi chương trình cần chạy bằng cách nhấn S. - PRINTOUT – Nhấn Y. - CUSTOMER NO – Nhấn N. - OPERATOR NO – Nhấn N. - CODE – 1455. - PROGRAMME STEP NO – Gọi chương trình số ( 0 ÷ 99). Bước 6: B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 45 - Theo dõi hoạt động của lò trên máy tính. - Theo dõi sự hoạt động của hệ thống làm mát bằng nước. - Đảm bảo hệ thống cung cấp khí hoạt động tốt. - Xử lý các sự cố nếu có. - Kết thúc quá trình thấm khi nhiệt độ lò 1600C. Bước 7: - Nhấn N để thoát ra ngoài. - Thực hiện lại bước 2. Bước 8: - Dỡ chi tiết ra khỏi lò. - Vệ sinh lò. Bước 9: - Thực hiện như bước 4. - Chạy chương trình số 99 nếu 2 – 3 ngày không sử dụng máy. Bước 10: - Tắt công tắc màu đỏ phía trước máy. - Tắt máy nén khí, hệ thống làm mát bằng nước, đóng van khí. 3.5. Kết luận chương 3 - Tìm hiểu được hệ thống thiết bị thấm ni-tơ plasma ở Việt Nam; cụ thể tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn & XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí. - Tiến hành nghiên cứu và làm chủ thiết bị - Tìm hiểu thị trường Việt Nam và đưa ra dự báo về nhu cầu sản phẩm trong giai đoạn tới. - Thiết kế đồ gá chi tiết thấm. - Thiết lập được quy trình công nghệ thấm nitơ plasma chung khi sử dụng lò thấm của hãng Eltropuls. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 46 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM MẪU VÀ SẢN PHẨM 4.1. Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma một số mẫu thí nghiệm 4.1.1. Mẫu thép C45, gang xám, 40X 4.1.1.1. Chế tạo mẫu Chọn thép với các mác thép thông dụng trong các chi tiết máy: thép cacbon thường, gang xám, 40X. Mỗi loại vật liệu khác nhau có 5 mẫu thí nghiệm. Mẫu có dạng hình trụ, đường kính 10 -15 mm, chiều cao 12 – 15 mm. Hình 4.1. Mẫu làm từ thép 38CrMo Hình 4.2. Mẫu làm từ gang xám B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 47 Hình 4.3. Mẫu làm từ thép cácbon thường 4.1.1.2. Chuẩn bị thí nghiệm - Mẫu thí nghiệm được làm sạch gỉ, sơn, dầu và các chất bẩn khác trên bề mặt. Dùng giấy mềm, sạch lót tay không để tay tiếp xúc trực tiếp với bề mặt mẫu. - Kiểm tra hệ thống điện, hệ thống dẫn khí (đường dẫn khí vào – ra, đồng hồ áp suất khí) - Kiểm tra hệ thống làm mát. Phải đảm bảo chắc chắn sự hoạt động liên tục của hệ thống làm mát, bơm nước không có sự cố gì xảy ra trong quá trình hoạt động của lò. 4.1.1.3. Tiến hành thí nghiệm - Nhấn nút Bell up nâng tường lò lên - Đặt chi tiết vào lò - Nhấn nút Bell down hạ tường lò xuống - Nhập các thông số của quá trình Bảng 4.1. Các thông số của quá trình thấm Ps h m Opt P TL TG TW WG V PD PR G1 G2 G3 G4 0 0 2 144 0 170 50 350 80 0 50 100 0 0 0 0 1 0 2 144 1000 200 50 400 80 0 50 100 5 5 0 0 2 0 2 144 10 230 50 400 50 0 50 100 2 0 0 0 3 0 2 144 50 250 50 400 0 500 50 150 10 0 0 0 4 0 2 144 60 300 50 400 0 550 50 100 10 0 0 0 5 2 30 144 75 400 10 450 10 600 50 120 10 0 0 2 6 0 2 144 100 420 50 500 20 600 50 120 15 5 0 0 7 0 2 144 120 480 40 500 20 550 50 100 10 10 0 0 8 0 2 144 150 510 30 530 10 520 50 100 8 16 0 0 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 48 9 8 2 144 250 530 10 530 10 470 50 100 6 18 0 0 10 0 2 144 120 420 0 200 0 420 50 250 10 10 0 0 - Theo dõi quá trình thấm trên màn hình máy tính, có sự cố phải khắc phục kịp thời. - Sau khi thấm mẫu thí nghiệm được làm nguội cùng lò. 4.1.1.4. Hoàn thiện mẫu sau thí nghiệm a) Mài mẫu - Mài thô: + Mài phẳng trên máy mài cho hết lớp nitrít có thể có trên mặt mẫu không được thấm và cho mặt mẫu phẳng. + Mài thô trên mặt giấy ráp từ thô đến mịn. Dùng giấy ráp từ 120 – 400 của Trung Quốc, sau đó đến loại 600 – 1500 của Nhật. Giấy ráp được đặt lên kính dày để được mài phẳng và nhẵn. Khi mài lực tay ấn đều, vừa phải, các vết xước phải song song với nhau theo một hướng nhất định, sau đó quay mẫu 90o và mài tiếp cho đến khi hết vết xước của lần mài trước và trên mặt mẫu chỉ còn các vết song song với nhau. Cứ như thế từ giấy mài thô đến giấy mài tinh. - Đánh bóng: + Đánh bóng bằng máy đánh bóng. Đĩa mài được bọc một lớp dạ mềm được tẩm ướt bằng dung dịch mài với các bột cứng, mịn Al2O3. + Mẫu được đánh bóng cho đến khi mặt mẫu không còn vết xước. b) Tẩm thực Dung dịch tẩm thực là dung dịch axít HNO3 trong cồn. Sau khi đánh bóng rửa sạch mẫu bằng cồn, sau đó tẩm thực khoảng 10 giây, rửa lại bằng cồn rồi sấy khô. c) Chụp ảnh kim tương Soi tổ chức tế vi và chụp ảnh kim tương trên kính hiển vi kim tương ECLIPSE L150/L150A. d) Đo độ cứng bề mặt, độ cứng tế vi - Đo độ cứng bề mặt trên máy đo độ cứng Roocwel AR – 20. - Đo độ cứng tế vi trên máy đo độ cứng tế vi Vicke 401/402MVD. 4.1.1.5. Kết quả thí nghiệm a) Độ cứng bề mặt B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 49 Bảng 4.3. Độ cứng của gang xám sau khi thấm Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HV) 1 101 4 550 249 2 102 5 550 320 3 103 6 550 352 4 104 8 550 377 Bảng 4.4. Độ cứng của thép C45 sau khi thấm Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HV) 1 201 4 550 380 2 202 5 550 460 3 203 6 550 500 4 204 8 550 520 Bảng 4.5. Độ cứng của thép hợp kim sau khi thấm Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HV) 1 301 4 550 520 2 302 5 550 563 3 303 6 550 597 4 304 8 550 645 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 50 4.1.2. Thấm thép dụng cụ AISI – H13 (Chromium hot work steel) Nhìn chung khi làm việc trong điều kiện tải trọng lớn, nhiệt độ và môi trường bề mặt của chi tiết chịu ứng suất lớn hơn miền bên trong. Bề mặt tiếp xúc của chi tiết có xu hướng bị mài mòn lớn hơn những miền khác. Trong các phương pháp nhiệt luyện thì thấm Nitơ-Plasma là phương pháp tốt nhất vì đó là quá trình dễ điều khiển cấu trúc bề mặt để bề mặt chi tiết có những tính chất tốt nhất phù hợp với điều kiện làm việc, tăng tuổi thọ, tăng độ bền, độ mỏi của chi tiết. Thí nghiệm với mác thép AISI – H13 có thành phần hoá học như trong bảng sau: Bảng 4.6. Thành phần hóa học thép AISI – H13 C Mn Si Cr Ni Mo V Cu P S 0.32- 0.45 0.20- 0.50 0.80- 1.20 4.75- 5.50 0.3 1.10- 1.75 0.80- 1.20 0.25 0.03 0.03 Trước khi thấm Nitơ-Plasma chi tiết được tôi trong môi trường khí trơ hoặc nung nóng đến 5600C ba lần, mỗi lần 2 giờ. Sau nhiệt luyện mẫu vật được sửa chữa lại đến gần kích thước chuẩn nhất, sau đó đem đánh bóng, tẩy nhờn. Thiết bị thấm của hãng ELTROPUL GmbH với nguồn xung plasma - Điều kiện thí nghiệm: + Áp suất: 12-15 mbar + Nhiệt độ thấm: 520oC + Thành phần khí: 20% N2 – 80% H2 + Điện áp: U = 500V + Thời gian thấm 8 – 10 giờ - Kết quả thí nghiệm: Trong tất cả các điều kiện thí nghiệm độ cứng của lõi vật liệu đều lớn hơn 1000 HV0.005. Cấu trúc lớp bề mặt được thấm phụ thuộc vào tỷ lệ N2 trong hỗn hợp khí của quá trình, vào thời gian thấm và hằng số nhiệt của quá trình. [18] B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 51 Hình 4.4. Tổ chức tế vi của thép AISI – H13 sau khi thấm Nitơ-Plasma B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 52 4.1.3. Thấm thép hợp kim AISI 4140 (Chromium-molybdenum steel) Mẫu vật có mác thép AISI 4140 có đường kính 2,45 cm, dày 1 mm. Quá trình sử dụng nguồn xung plasma. Thành phần hóa học: Bảng 4.7. Thành phần hóa học thép AISI 4140 C Si Mn P Cr Mo S 0.38-0.43 0.15-0.30 0.75-1.00 0.035 (max) 0.80-1.10 0.15-0.25 0.04 (max) - Các thông số của quá trình thấm: + Tỷ lệ H2 : N2 = 1:4 + Nhiệt độ khoảng 650oK + Thời gian thấm 6 giờ + Điện áp 450V, tần số 100 Hz Hình 4.5. Tổ chức tế vi của thép AISI 4140 với điều kiện thấm trên Từ hình vẽ ta quan sát thấy có một lớp hỗn hợp thường gọi là lớp trắng với độ dày thay đổi từ 6-8 µm. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 53 4.2. Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma sản phẩm là trục răng bơm dầu 4.2.1. Đặt vấn đề Cặp bánh răng bơm dầu của xe ben (do Cty CP Cơ khí chính xác chế tạo) làm việc trong môi trường luôn có dầu không sạch có chứa các tạp chất. Do đó lớp bề mặt cần có tính chống ăn mòn, mài mòn cao. Hơn nữa tuổi thọ cao và tránh các hư hỏng đột suất để đảm bảo điều kiện làm việc liên tục, nâng cao hiệu quả sử dụng. Bằng các phương pháp nhiệt luyện thông thường mà thực tế nhà máy vẫn áp dụng như tôi, ram, thấm nitơ thể khí,…các cặp bánh răng sau nhiệt luyện thường bị những khuyết tật sau: + Bề mặt chi tiết có độ nhám lớn + Trục răng bị biến dạng lớn nên phải gia công lại. Từ thực tế đó chúng tôi tiến hành các thí nghiệm thấm nitơ - plasma cho cặp bánh răng đó để so sánh chất lượng sản phẩm cũng như giá thành để lựa chọn phương pháp nhiệt luyện cho phù hợp 4.2.2. Tiến hành thí nghiệm Mẫu thí nghiệm là 5 cặp bánh răng mác thép 20XΓT có thành phần hóa học cho trong bảng sau: Bảng 4.8. Thành phần hóa học thép 20XΓT C Cr Ti Mn Si S P Ni Fe 0,18 - 2,0 1- 1,3 0,03- 0,09 0,8- 1,0 0,17- 0,37 <0,035 <0,035 <0,3 Còn lại (Hình ảnh quá trình thấm trục răng bơm dầu được đính kèm ở phụ lục 2) B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 54 Hình 4.6. Cặp bánh răng bơm dầu của xe ben trước khi thấm Trước thí nghiệm bề mặt chi tiết được làm sạch gỉ, sơn và dầu. Nếu không chúng sẽ ngăn cản quá trình thấm nitơ vào bề mặt chi tiết. Gá lắp chi tiết. Hình 4.7. Đồ gá chi tiết thấm Bảng 4.9. Các thông số của quá trình. Ps h m Opt P TL TG TW WG V PD PR G1 G2 G3 G4 0 0 2 144 0 170 50 350 80 0 50 100 0 0 0 0 1 0 2 144 1000 200 50 400 80 0 50 100 5 5 0 0 2 0 2 144 10 230 50 400 50 0 50 100 2 0 0 0 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 55 3 0 2 144 50 250 50 400 0 500 50 150 10 0 0 0 4 0 2 144 60 300 50 400 0 550 50 100 10 0 0 0 5 2 30 144 75 400 10 450 10 600 50 120 10 0 0 2 6 0 2 144 100 420 50 500 20 600 50 120 15 5 0 0 7 0 2 144 120 480 40 500 20 550 50 100 10 10 0 0 8 0 2 144 150 510 30 530 10 520 50 100 8 16 0 0 9 8 2 144 250 530 10 530 10 470 50 100 6 18 0 0 10 0 2 144 120 420 0 200 0 420 50 250 10 10 0 0 4.2.3. Kết quả kiểm tra thử nghiệm - Quan sát bề mặt chi tiết: chi tiết sau khi thấm sạch, không bị muội bám vào, do đó không cần bước làm sạch. Hình 4.0. Chi tiết sau khi thấm Nitơ – plasma - Kết quả đo độ cứng bề mặt STRUERS DURAMIN của Đan Mạch. Chọn 2 trục răng bất kỳ trước và sau khi thấm đem đo. Mỗi trục đo 3 lần tại 3 vị trí khác nhau. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 56 Bảng 4.10. Kết quả thử độ cứng trục răng 20XΓT (đơn vị HV) Trục 11 Trục 21 Trục 31 Trục 12 Trục 22 Trục 32 Lần 1 280 278 289 590 687 709 Lần 2 278 256 280 591 690 711 Lần 3 281 283 282 587 700 690 Độ cứng trung bình 278,22 661,67 Trục 11, trục 21, trục 31: 3 trục răng bất kỳ trước khi thấm. Trục 12, trục 22, trục 32: 3 trục răng bất kỳ sau khi thấm. - Kiểm tra độ biến dạng chi tiết sau khi thấm Gá lắp cặp bánh răng lên giá thử. Thấy rằng các cặp bánh răng ăn khớp tốt, không có cặp bánh răng nào bị biến dạng đến mức không còn ăn khớp với nhau được nữa, do đó không phải loại bỏ chi tiết nào sau khi thấm. Đây là ưu điểm vượt trội của phương pháp thấm nitơ – plasma so với các phương pháp nhiệt luyện cũ vẫn thường áp dụng. 4.3. Kết quả khảo nghiệm Đề tài đã tiến hành khảo nghiệm bao gồm: - Thông số hình học để xác định độ mòn kích thước trục răng. - Chạy thử trục răng theo quy trình thử bơm BRA với giá trị thực tế ở áp suất 140 KG (sau 10 phút). - Kiểm tra lớp thấm ni tơ plasma. Kết quả khảo nghiệm được đính kèm theo phụ lục 1: B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A. Kết luận - Nhóm đề tài đã tìm hiểu được tổng quan về : + Công nghệ hóa nhiệt luyện + Xác định mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài + Tìm hiểu được công nghệ thấm ni-tơ bao gồm: thấm ni-tơ thể khí thông thường, thấm ni-tơ thể lỏng, thấm ni-tơ thể ino plasma,.. + Tiến hành so sánh các phương pháp thấm - Tiến hành tìm hiểu sự phát triển công nghệ thấm ni tơ trên Thế giới và ở Việt Nam. - Tìm hiểu được một số thiết bị dùng để thấm ni tơ plasma trên thế giới như: lò hình chuông, lò hai đáy, .. - Tìm hiểu được một số loại vật liệu và một số đối tượng thấm được ni-tơ plasma và kết quả sau khi thấm. - Thiết kế được đồ gá phù hợp với đối tượng thấm ni-tơ. - Tìm hiểu được mối quan hệ giữa điện áp và mật độ dòng ion khí, quan hệ giữa thời gian và chiều sâu thấm, quan hệ giữa hệ số khuếch tán và nhiệt độ thấm. - Xây dựng quy trình công nghệ thấm ni-tơ plasma trên thiết bị của PTN Trọng điểm CN Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí. - Tiến hành thấm thực nghiệm sản phẩm cho kết quả tốt: + Độ cứng bề mặt tăng rõ rệt nhất là đối với sản phẩm thép hợp kim. Ở cùng nhiệt độ thấm, độ cứng tăng khi ta tăng thời gian thấm. + Bề mặt chi tiết sạch sau khi thấm, không có muội bám vào; không biến dạng cong vênh; không cần gia công. B. Kiến nghị - Do hạn chế về thời gian do vậy chưa thực nghiệm được trên nhiều loại vật liệu khác nhau do vậy cần tiếp tục được nghiên cứu công nghệ thấm ni tơ plasma cho nhiều loại vật liệu và sản phẩm khác nhau, từ đó xây dựng được bộ quy trình thấm cho từng loại vật liệu cụ thể. - Đây là công nghệ hoàn toàn mới ở Việt Nam, do vậy cần được tạo điều kiện để có thể ứng dụng rộng rãi trên thị trường. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất (2000), Công nghệ nhiệt luyện, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [2] Nguyễn Phú Ấp (1994), Công nghệ hóa nhiệt luyện trong chế tạo máy, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Nghiêm Hùng (1979), Vật liệu học cơ sở, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4] Nghiêm Hùng (1979), Kim loại học và nhiệt luyện, Nxb Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà nội. [5] A. A. Smưcôv (1973), Sách tra cứu về nhiệt luyện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [6] Arzamaxoc B.N (2001), Vật liệu học, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [7] X. A. Filinôp, I. V. Firger (1978), Sổ tay nhiệt luyện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật. [8] Nguyễn Hoàng Sơn (2002), Cơ tính vật liệu, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [9] [10] [11] [12] [13] [14] Tiếng anh [15] Eltro GmbH (2004), Plasma equipment H045/085, Germany. [16] Rua Miguel Tostes, Av. Prof. Lineu Pretes, Campus do Vale (2003), Suface Modification of Titanium by plasma nitring, Brazil. [17] J. H. Yoon, I. S. Kim, C. G. Hur, K. S. Son (2003), Evaluation of suface properties and plasma nitring behavior of B50A125E alloy for steam turbine valve, Korea. [18] M. H. Staiaa, A. Fragiel, E. Carrasquero (2002), Tribological performance of plasma nitrid AISI 4140 steel, Venezuela. [19] J. Y. Eom, V. Khankar Rao, H. S. Kwon (2002), Experiment and modeling study on growth behavior of Cr-Nitrides formed on electroplated hard Cr during ion-nitring, Korea. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM [20] Лахmн Ю. М., В. П. Леонmъева (1990), МАТЕРИАЛОВЕДЕИЕ, МОСКВА {МАШИНОСТРОЕНИЕ}. PHU LUC 1. . KET QuAKHAo NGHI¥M TY MDL & MNN i CHiNHxAc s6 1 .KT CQNGHOAxA HQI CHUNGHiAVI~TNAM D9CI~p-T\f do-H~nhphuc BIEN BAN KIEM TRA SAN PHAM SanphAm: S6IUQ1lgm~u: Yeu cAuki~mtra: BarnBRA 50 05 Tf\lc rangbarndAuth~mNitO'plasma(thaycho congngh~th~mC) 1- N9idungki~mtra: 1. Ki~mtrahinhhQc(DQmon): BaematdAu Be dau GhiTr\lerang ehu Lando . . Kthtrue Kthtrue Miu Kthtrue Kthtrue Kthtrue Kthtrue Tk do $. Tk do Tk do so Do chuaHip 026 0,02 25,975 12-0,02 11,984 026+0.02 26,02 -0,04 +0,04 34,S 0,01 34,494 1 Do saukhi 026 O,D2 25,974 12-0.02 11,983 026+0,02 26,02 -O,D4 +0,04chy thu 34,5-0,01 34,493 Do chuaHip 026 O,D2 25.976 12-0.02 11,984 026+0,02 26,019 -0,D4 +0,04 34,5 0,01 34.495 2 Do saukhi 026 o.oz 25,973 12-0.02 11,982 026+0.02 26,019 -0,()4 +0,04chythu 34,5 0,01 34,494 Do chuaHip 026 0,02 25,975 12-0,02 11,985 026+0,02 26,02 -0,D4 +0,04 34,5 0,01 34,494 3 Do saukhi 026 0,02 25,973 12-0,02 11,984 026+0,02 26,02 -0,D4 +0,04chythu 34,S-O,Ol 34,493 Do chuaHip 026 0,02 25.976 12-0.02 11,986 026+0,02 26,02 -O,D4 +0,04 34,5-0,01 34.495 4 Do saukhi 026 0,D2 25,974 12-0.02 11,985 026+0,02 26,02 -0,()4 +0,04chy fuu 34,5 0,01 34,494 Do chuaHip 026 o.oz 25,978 12-0,02 11,986 026+°,02 26,02 -0,D4 +0,04 34,5 0,01 34,494 5 Do saukhi 026 0,02 25,977 12-0,02 11,985 026+0,02 26,02 -0,D4 +0,04chy thu 34,5-0,01 34,493 .2. Ch€ de>lamvi~c:TheoquytrinhthirbarnBRA II - Y ki~ndanbgia: Tf\lcdingBRA khi sird\lngcongngh~th~mnitO'plasmada:dap(mg t6tcacyeucfiukythu~tkhi ch~ykhilOnghi~mnhu:dQc(mg,dQchiu maimon,dQd6ngtamtIVcrang. Tf\lcrangBRA khi sird\lngcongngh~th~mnitO'plasmakhonggay biSnd~gdov~ykhich~ythirdQ6ngiamror~t. III - K~tlu~n: D~tyeucfiukythu~t,cothSduavaosimxu~thanglo~t. DSnghiphongkinhdoanhduavao(mgd\lngth\lctSval~yy kiSn phanh6icuakhachang. Ha n(Ji,ngay24thlmg9 nam2007 PHONGKY THU~T PHANXUONG NGUm KIEM TRA /l,t:w- /" 1/ 11 I~ ,z/7ft,/( Mftus6 Giattithgcte6 apsuat140KG (saulOmin) Ghichu Lan1 Lan2 Lan3 Lan4 1 137 139 140 140 Dt 2 138 139 140 140 Dt 3 139 139,5 140 140 Dt 4 138,5 139,5 140 140 Dt 5 137 139 140 140 Dt TONGCTY MDL & MNN CTY CP CO KHi CHiNH xAc s6 1 sf>: /CKCX CQNGHOAxA HQI CHUNGHiAVI$T NAM DQcl~p-T'1do-H,nh phuc Ha n6i,ngay5 thimg11niim2007 " ? ? - BIEN BAN KHAO NGHI~M 1. ThOigian: 2. Djadi~m: Diachi: Di~n thoC;li: 3. Thanhph§n: -DC;lidi~nCong ty CP CO'khi Chinh xac s6 1:Ong NguySnAnh Tu~n ChucV\l: Truangphongkythu~t -D~idi~nVi~nNghien ClmCO'khi: Ong L\lc Van Thuang ChucV\l: Chil nhi~md~tai 4. NQidung: DanhgiakStquachC;lythirc~pbanhrangbamd~uBRA 50d:lduQ'cVi~n NghienClmCO'khith\fchi~ncongngh~th~mnitO'plasmachobSm~tf\lCding. 5. K~tqua: SauthaigianchC;lYthirtirngay30/9/2007dSnngay30/10/2007,tiSnhanh kiSmtrath\fctS,thaoravadoIC;likichthuac.Chungtoidanhgianhusau: -Truackhi thao,kiSmtraapsu~th\fctSdC;lt140KG -Saukhi thaora:bSm~tf\lCdingnhAn,bong,khOngcovStxuac. - CackichthuachinhhQc: +TruackhiduavaochC;lYthir: Ngay5thang11nam2007 CongtyCP CO'khiChinhxacs61 SO275- Nguy~nTr:li- ThanhXuan- HaNQi 04.5581657 Fax: 04.8584387 <P25,977mm 34,493mm <P2597To,01mm, 34,493-0,02mm CackichthuacdSudambaocacthongs6theoyeuc~ukythu~t. K~tlu~n:Tf\lc rangsird\lngcongngh~thb nitO'plasmad:ldambao duQ'ch~tlugngvaduQ'cphepsanxu~thangIOC;lt. BienbannayduQ'cl~pthanh02banm6ibengift01ban. +Saukhi chC;lythir: VI$N NGHIENciru COKHi C£"~ ~l!Uvt Gte"'1.ft( / I. ~~ CTY CP COKHi CHiNHxAc s6 1 rONGcry MDL&MNN CTY CPco KHi CHiNHxAc 86 1 S6: '/CKCX CQNGHOAxA HQI CHUNGHiAVI~TNAM DQcI~p-Tv do-H~nh phuc Ha nQi,ngay5"thang11niim2007 BANxAcNH~NCHATLUQNGLaPTHAM BE M~TTRVC RANGBOMDAu BRA50 D~apd\mgc6ngngh~m6'iph\lcV\lcacc6ngvi~cbaoduang,ch~t~om6'i chi ti~ttf\lCrangbamdAu.C6ngty CP CO'khi chinhxac s6 1 dak~thqpv6'i Vi~nNghienClmCO'khi apd\lngc6ngngh~thftmni to'plasmavaod~thftmbS m~tchiti~ttf\lCrangbamdAuBRA 50.Cacth6ngs6ky thu~tcuatf\lCrangsau khi thftmd~tduQ'cnhusau: 1. DQcUngd~t:700- 750HV , 2. DQkh6ngd6ngtam:0,02mm 3. ChiSusaulOpthftm:0,3- 0,4mm 4. DQ6n:theotieuchufut(giamsov6'ithftmC) 5. Ap suftt:140KG LOpthb cuabSm~tchi ti~tdambaoduQ'cacyeucAuky thu~tdSra,tf\lC rangdaduQ'cl~prapvaduavaoch~ythgct~. Sauthaigiankhoang01thangk~tirkhi l~pd~tvaduavaosud\lngtrenmQt s6xeBEN, xeKAMAZ ph\lcV\lchoc6ngvi~ckhaithackhoangsanthuQcmQt s6viIngmoLao Cai,QuangNinh,..chod~nnaytl1,lcrangv~nv~nlamvi~cbinh thuang,6ndinh,dapUngduQ'cactinhnanglamvi~ccuathi~tbi. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM PHỤ LỤC 2 HÌNH ẢNH VỀ QUÁ TRÌNH THẤM NI TƠ PLASMA VÀ SẢN PHẨM TRỤC RĂNG BƠM DẦU SAU KHI THẤM B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 1. Hình ảnh quá trình thấm trục răng Bộ phận lập trình, điều khiển, in ấn đồ thị quá trình thấm Màn hình hiển thị quá trình thấm Quá trình thấm plasma trong buồng chân không B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 2. Hình ảnh sản phẩm trục răng bơm dầu sau khi thấm Trục răng xe Ben BRA 50 sau khi thấm Trục răng xe Ben BRA 50 trên đồ gá sau khi thấm Trục răng xe KOMASU sau khi thấm B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM PHỤ LỤC 3 HÌNH ẢNH VỀ CHI TIẾT KHẢO SÁT ĐƯỢC TẠI CÁC NHÀ MÁY VÀ BẢN VẼ ĐỒ GÁ CHI TIẾT B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM Các cặp bánh răng bơm dầu Ben BRA 50 Bơm cánh văng Trục răng xe KOMASU B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM Trục răng xe IFA Trục răng xúc lật Một số bánh răng bơm ben của xe Ủi cát D6, SamSung 24T Mét sè h×nh ¶nh minh ho¹