Nội dung

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2015 ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN KHÍ THẤM ĐẾN TỔ CHỨC VÀ ĐỘ CỨNG LỚP THẤM CỦA THÉP SCM 420 INFLUENCE OF NITROCARBURIZING COMPOMENTS ON THE MICROSTRUCTURE AND HARDNESS OF LAYER OF SCM420 ThS. NGUYỄN DƯƠNG NAM1, PGS. TS. LÊ THỊ CHIỀU2, TS. PHẠM MAI KHÁNH2, ThS. VŨ ANH TUẤN1 1) Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam 2) Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt Bài báo trình bày ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến tổ chức và độ cứng lớp thấm với thép SCM 420. Các kết quả nghiên cứu cho thấy với hàm lượng NH3 nhỏ hơn 10%, tỷ lệ CO2/gas = 1,4 ÷ 1,7 (tương ứng với chế độ thấm thứ ba)các chỉ tiêu thấm đạt được: Tổ chức lớp thấm khá nhỏ mịn, không phát hiện khuyết tật. Độ cứng lớp bề mặt cao 62 ÷ 65HRC, độ cứng lõi 37 ÷ 39HRC độ cứng giảm dần đều từ bề mặt vào lõi. Từ khóa: SCM 420; thấm C-N; thành phần thấm C-N Abstract This paper presents the influence of nitrocarburizing components on the microstructure and the hardness of case depth of SCM420 steel. The result showed with NH3 smaller than10%, the ratio CO2/gaz = 1.4 – 1.7 (with process 3): the grain size is very fine and nodefectin the microstructure of case.The hardness of surface layer is higher (6265HRC), the hardness of center sample is 37 – 39HRC; the hardness is descending from surface to center. Key words: SCM420, nitrocarburizing, nitrocarburizing components 1. Đặt vấn đề Thấm cacbon-nitơ là phương pháp tăng đồng thời cả hai nguyên tố cacbon và nitơ trên bề mặt chi tiết làm bằng thép cacbon thấp. Bề mặt sẽ có độ cứng cao, nền vẫn giữ được dộ dai cần thiết. Thấm cacbon và nitơ được thực hiện bằng cách đặt chi tiết trong môi trường có hàm lượng cacbon và nitơ cao hơn nhiều so với hàm lượng các nguyên tố đó trong nền thép. Cacbon và nitơ nguyên tử môi trường khuếch tán vào bề mặt chi tiết, cùng với sắt và các nguyên tố hợp kim tạo nên các hợp chất có độ cứng cao trên bề mặt, tăng tính chống mài mòn[1]. Một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm là thành phần và lưu lượng của các loại khí đưa vào. Chính thành phần các loại khí đưa vào lò sẽ quyết định sự cân bằng của các phản ứng hóa học, quyết định thế C, N trong môi trườngvà quyết định sự hình thành các pha trong lớp thấm. Nếu không điều chỉnh để lượng C, N nguyên tử quá nhỏ sẽ không đủ để hình thành nên lớp thấm, ngược lại nếu để lượng C, N nguyên tử quá lớn sẽ tạo thành muội, tạo thành khuyết tật làm cho độ cứng của lớp thấm thấp. Thành phần và lưu lượng khí thấm được tính toán theo thời gian lưu khí trong lò. Theo tài liệu [2, 3 ] khi sử dụng khí endo để thấm, tỷ lệ amôniăc được tính bằng 2 ÷ 12% khí endo đưa vào lò. Về tỷ lệ thành phần khí theo các tài liệu [3] của Mỹ có thể thay đổi trong khoảng từ 1/30 tới 1/8. Trong bài báo này, thành phần khí được tính toán trên cơ sở tài liệu của Nga, Mỹ và tính toán nhiệt động học kết hợp với điều chỉnh theo kinh nghiệm để đạt được hàm lượng cacbon, nitơ trên bề mặt hợp lý, đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn lớn như hệ thống bánh răng, neo cáp dự ứng lực, trục… 2. Phương pháp nghiên cứu Mẫu thép dùng để thí nghiệm là loại thép: SCM 420. Để phù hợp với kích thước lò và gá chi tiết mẫu thấm thí nghiệm có kích thước: 20mmx20mmx10mm. Trước khi thấm cacbon-nitơ mẫu được làm sạch dầu mỡ và lớp oxit trên bề mặt sau đó rửa bằng nước xà phòng nóng rồi lại rửa bằng nước sạch. Các loại khí được đưa vào lò bao gồm: Khí gas Việt Nam, khí CO2, khí N2 và NH3 với các lưu lượng theo ba chế độ lưu lượng khác nhau cùng được giữ ở 8400C trong 3 giờ. Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 42 – 04/2015 68 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2015 Chất lượng của lớp thấm cacbon-nitơ được đánh giá theo các chỉ tiêu: Chiều sâu lớp thấm, tổ chức tế vi, và độ cứng. Các thí nghiệm trên được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kim loại học và nhiệt luyện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Mẫu sau thấm được cắt đôi mài đánh bóng và tẩm thực để chụp ảnh tổ chức tế vi trên kính Axiovert 25A. Ảnh tổ chức tế vi thu được được dùng phần mềm phân tích tổ chức để xác định chiều sâu lớp thấm. Độ cứng tế vi của mẫu được xác định trên thiết bị đo độ cứng tế vi. Độ cứng được tiến hành đo từ bề mặt được thấm vào đến trong lõi (vùng không được thấm). Khoảng cách giữa các vết đo là 50μm. Sai số đo của máy là ±2HV 3. Kết quả và bàn luận 3.1. Chế độ thấm 1 - Lưu lượng khí đưa vào lò như sau: QNH3  18%  7(l / h) QCO2  1,5%  0,5(l / h) QN2  40%  15(l / h) Qgas  40,5%  15(l / h) - Kết quả độ cứng và tổ chức tế vi: Nhận xét: Do trong thành phần hỗn hợp khí, lượng khí gas và khí NH 3 lớn, lượng C và N nguyên tử trên bề mặt cao nên nhiều austenit dư, mẫu có độ cứng vùng sát bề mặt thấp. Điểm có độ cứng cao nhất là 64,5HRC (tương đương với hàm lượng C+N là 0,9 đến 1%) ở cách bề mặt là 400μm, chứng tỏ hàm lượng C, N ở bề mặt rất cao lớn hơn 1% rất nhiều (điểm có độ cứng trên 64HRC thường tương đương với tổng hàm lượng C+N khoảng 0,9 ÷ 1,2%). Austenit dư Hình 1: Sự thay đổi độ cứng theo chiều sâu lớp thấm ứng với chế độ thấm 1 Hình 2. Tổ chức tế vi lớp thấm ứng với chế độ thấm 1 3.2. Chế độ thấm 2 - Lưu lượng khí đưa vào lò như sau: QNH3  9%  3(l / h) QCO2  8%  2,5(l / h) QN2  68%  25(l / h) Qgas  15%  25(l / h) - Kết quả đo độ cứng và tổ chức tế vi: Hình 3: Sự thay đổi độ cứng theo chiều sâu lớp thấm ứng với chế độ thấm 2 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Hình 4. Tổ chức tế vi lớp thấm ứng với chế độ thấm 2 Số 42 – 04/2015 69 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2015 Nhận xét: Thấm theo chế độ 2 nhận được tổ chức và phân bố độ cứng tương đối tốt, độ cứng bề mặt là lớn hơn 60HRC (giá trị độ cứng lớn nhất đạt được 65HRC) độ cứng của lõi đạt yêu cầu. Tuy nhiên đường cong độ cứng vẫn có phân bố dạng hình chuông và chiều dày hiệu quả chưa cao. Chiều dày lớp thấm làm việc hiệu quả (độ cứng trên 57HRC) là 350µm. Giá trị độ cứng của lõi là khoảng 37HRC. Ảnh tổ chức tế vi nhận thấy lượng austenit dư (vết trắng trên ảnh tổ chức) đã giảm đi đáng kể và phân bố đều hơn so với chế độ thấm 1. Khi giảm hàm lượng khí NH3 và giảm hàm lượng khí ga phân bố độ cứng đồng đều hơn từ bề mặt vào trong lõi; lượng austenit dư đã giảm đi. 3.3. Chế độ thấm 3 - Lưu lượng khí cấp vào lò: QNH3  9%  3(l / h) QCO2  26%  7,5(l / h) Q N 2  46%  18(l / h) Q gas  19%  6,5(l / h) - Kết quả độ cứng và tổ chức tế vi: - Nhận xét: Với hàm lượng NH3 nhỏ hơn 10%, hàm lượng CO2 là 26% và hàm lượng ga là 19% các chỉ tiêu thấm đạt được: Tổ chức lớp thấm khá nhỏ mịn, các hạt austenit (màu trắng) phân bố đồng đều trên toàn bộ lớp thấm, không phát hiện khuyết tật. Độ cứng lớp bề mặt cao 65HRC, độ cứng lõi 37 ÷ 39HRC độ cứng giảm dần đều từ bề mặt vào lõi. Chiều sâu lớp thấm hiệu quả (trên 57HRC) là trên 400µm. Kết quả có được do thành phần các khí được điều chỉnh một cách hợp lý, tạo ra môi trường thấm phù hợp. Hình 5. Sự thay đổi độ cứng theo chiều sâu lớp thấm ứng với chế độ thấm 3 Hình 6. Tổ chức tế vi lớp thấm ứng với chế độ thấm 3 4. Kết luận và kiến nghị Nội dung của bài báo đã trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và lưu lượng của khí thấm đến tổ chức và cơ tính của lớp thấm đối với mác thép SCM 420 thu được kết quả khi thấm tại nhiệt độ 8400C với thời gian 3h và lưu lượng khí thấm là: Với hàm lượng NH3: 9%, hàm lượng CO2: 26%, hàm lượng ga: 19%, hàm lượng N2: 46% (tương ứng với chế độ thấm thứ ba) các chỉ tiêu thấm đạt được: Tổ chức lớp thấm khá nhỏ mịn, không phát hiện khuyết tật. Độ cứng lớp bề mặt cao 65HRC, độ cứng lõi 37 ÷ 39HRC độ cứng giảm dần đều từ bề mặt vào lõi. Kết quả có được do thành phần các khí được điều chỉnh một cách hợp lý, tạo ra môi trường thấm phù hợp. Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của thông số thời gian, nhiệt độ cũng như chế độ khuếch tán đến tổ chức và tính chất của lớp thấm C-N trên thép SCM 420 và mở rộng ra một số nhóm thép khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V. M. Zintchenko, "Surface engineering of gated wheel by thermochemical treatment”, Moscow, 2001. [2] BM. зиHчEHKO, Инҗенерия Пobepxнocти Зyбчатых Кoлec Metoдами Xимико-Tермической Oбработки [3] Stickels, C.A: Gas-Carburising, Metals Handbook, vol.4,2004 Người phản biện: TS. Vũ Văn Duy; ThS. Lê Văn Cương Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 42 – 04/2015 70