Nội dung

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008 THẤM C, C-N THỂ KHÍ SỬ DỤNG KHÍ HOÁ LỎNG VÀ NH3 - MỘT SỐ KẾT QUẢ THẤM TẠI VIỆN CÔNG NGHỆ Hoàng Vĩnh Giang - Nguyễn Văn Chương - Phạm Văn Lành (Viện Công nghệ - Bộ Công Thương) 1. Giới thiệu về công nghệ thấm C, C-N thể khí Để nâng cao khả năng chịu mài, bề mặt các sản phNm cơ khí chế tạo từ thép C thấp thường được thấm C, C-N. Có thể thấm trong môi trường rắn, lỏng, khí. Tuy nhiên, trong bất kỳ trường hợp nào, quá trình thấm đều được thực hiện ở pha khí. Thấm thể khí được sử dụng rộng rãi hơn cả, trong trường hợp này, khí thấm được tạo ra nhờ các phản ứng của chất thấm như dầu hoả, cồn, benzen, gas, NH3, trietanolamin khi tiếp xúc với nhiệt tạo ra nguyên tử C và N. Các nguyên tử này tiếp xúc với bề mặt thấm và khuếch tán vào bên trong tạo thành lớp thấm. Lớp thấm có hàm lượng C cao có khả năng nhiệt luyện đạt độ cứng cao nên chịu mài tốt. Lõi không được thấm vẫn giử được tính chất dẻo dai của vật liệu cơ bản ban đầu. Công nghệ này được ứng dụng phổ biến trong chế tạo bánh răng. Trên thế giới công nghệ này đã được ứng dụng từ lâu, gas và NH3 là các chất thấm được sử dụng khá phổ biến nhất là các thiết bị thấm liên tục có mức độ tự động hoá cao. Ở Việt Nam, công nghệ thấm thể khí cũng được sử dụng từ lâu, tuy nhiên chủ yếu vẫn thấm bằng dầu hoả hoặc trietanolanim. Mấy năm gần đây khi mà gas đã trở nên phổ biến, một số cơ sở cũng đã sử dụng gas và NH3 làm chất thấm. Mặc dù vậy, chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra kết quả thấm khi sử dụng gas và NH3 làm chất thấm vì thế vẫn còn nghi ngờ về khả năng này ngay trong các cán bộ kĩ thuật chuyên ngành nhiệt luyện. 2. Công nghệ thấm C, C-N thể khí tại Viện Công nghệ 2.1. Hệ thống thiết bị thấm - Lò giếng điện trở 55 KW do Viện chế tạo, kích thước buồng thấm Ø 650x1200mm - Hệ thống cấp chất thấm bán tự động do Viện chế tạo. Gas và NH3 cấp vào lò thông qua hệ thống dẫn khí từ bình chứa khí qua hệ van giảm áp. Van này vừa có chức năng an toàn vừa có chức năng giảm áp để ổn định áp suất khí trước khi đi qua hệ thống các lưu lượng kế đo lượng khí. Gas và NH3 được dẫn trong hai ống riêng biệt và được trộn với nhau ở trong lò. Để đảm bảo Gas và NH3 không bị cháy trước khi vào lò, 2 ống dẫn Gas và NH3 được đặt trong một ống thép chịu nhiệt kín và được bơm và thoát nước làm mát. Đoạn ống dẫn khí được làm mát lắp này xuyên qua nắp lò đưa khí thấm vào vùng thấm. Tại đây, hai loại khí được tiếp xúc với nhiệt và được trộn lẫn với nhau, các phản ứng xNy ra tạo nên hỗn hợp khí thấm. Hỗn hợp khí thấm được quạt cưỡng bức lưu thông tuần hoàn liên tục trong vùng thấm (hình 1). Thành phần môi trường thấm được điều chỉnh bằng lưu lượng kế đo lượng NH3 và Gas. Hệ thống lưu lượng kế được thiết kế lắp đặt song song với nhau, mỗi lưu lượng kế được điều khiển bằng một van điện từ (trong trường hợp hoạt động tự động), hoặc thủ công. 73 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 èng cøng Ø20 V2 V1 van tay CO+H 2 LLK tay NH3 C + H 2O N + H2 èng cøng Ø10 èng mÒm Ø10 Van gi¶m ¸p NH 2 KhÝ vµo LLK1 NH3 CO + H 2 N + H2 C nH 2n+2+O 2 LLK2 NH3 C nH 2n+2+O 2 NH 2 CO+H 2 Khí vào lò C nH 2n+2 NH 2 LLK4 GAS LLK3 GAS LLK tay GAS V6 V5 V4 V3 van tay C + H 2O LLK5 GAS CO + H2 N + H2 LLK6 GAS NH 2 Van gi¶m ¸p C + H2 N + H2 KhÝ vµo Lò thấm Hệ thống cấp khí thấm Hình 1. Hệ thống thấm C, C-N thể khí sử dụng gas và NH3 2.2. Chất thấm Gas của Petrolimex và NH3 của nhà máy phân đạm Hà Bắc làm chất thấm. Gas được đóng trong bình 50 kg, thành phần 50% Propan C3H8 và 50% Butan C4H10. Amoniắc được chứa trong bình thép 50 kg với hàm lượng NH3>99,9% 2.3. Các quy trình công nghệ Các sản phNm được thấm tại Viện bao gồm các loại bánh răng dùng cho máy động lực, máy nông nghiệp, máy khai thác mỏ, bánh răng, trục răng tàu hoả, cùng các loại sản phNm khác như ắc, xích vòng, bạc, trục, khuôn. Các sản phNm chủ yếu có các tính chất sau: - Vật liệu: thép thấm 20CrMo, 20Cr, C20, C15… - Yêu cầu chiều sâu lớp thấm: 0,8 ÷ 1,6 mm. - Độ cứng yêu cầu: 55 ÷ 61 HRC Viện đã nghiên cứu và đề ra 3 quy trình công nghệ thấm sau (hình 2): - QT-1: Thấm 8900C/7h, hạ nhiệt 8100C/1h, tôi trực tiếp trong dầu. Công nghệ sử dụng nhiều, do nhiệt độ thấm thấp hơn thấm C bình thường nên có thể tôi trực tiếp. - QT-2: Thấm 8900C/7h, thường hoá, nâng nhiệt 8100C/2h, tôi dầu. Cho sản phNm yêu cầu độ bền lõi cao, như bánh răng răng tàu hoả, xe bella - QT-3: Thấm 8900C/5h, hạ nhiệt 8400C/2h, hạ nhiệt 8100C/1h, tôi dầu. Thấm các sản phNm yêu cầu lớp thấm <1,2mm. 74 830 NH3 =30l/h Gas=30l/h NH3 =100l/h Gas=60l/h NH3 =100l/h Gas=100l/h NH3 =100l/h Gas=180l/h NH3 =100l/h Gas=100l/h 890 Gas=30l/h T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008 T¾t Gas, NH3 810 1 4 1 1 DÇu t thÊm 830 810 1 4 t Gas=30l/h T¾t Gas, NH3 NH3 =30l/h Gas=100l/h NH3 =100l/h Gas=180l/h NH3 =100l/h Gas=100l/h 890 NH3 =100l/h Gas=30l/h Thêi gian (giê) 2 2 Kh«ng khÝ thÊm T¾t Gas, NH3 DÇu Gas=30l/h Gas=60l/h NH3=100l/h Gas=100l/h NH3=100l/h Gas=180l/h NH3=100l/h Gas=100l/h NH3=30l/h 840 NH3=100l/h 890 Gas=30l/h Thêi gian (giê) 830 T¾t Gas, NH3 810 0,5 3,5 t thÊm 1 2 1 DÇu Thêi gian (giê) Hình 2. Quy trình công nghệ thấm (từ trên xuống: QT-1, QT-2, QT-3) 2.4. Kết quả Hiệu quả của quá trình thấm được đánh giá bằng %C và chiều dày lớp thấm, đây là 2 thông số quan trọng nhất của quá trình thấm. Để xác định sự phân bố %C theo chiều sâu lớp chúng tôi đã sử dụng máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL-3460 để phân tích thành phần C. Phân tích được tiến hành trên mẫu thép 20x20mm được thấm cùng sản phNm. Mẫu được mài dần từ ngoài vào trong, kết quả %C là giá trị trung bình của 3 lần phân tích trên 3 mẫu của 3 mẻ thấm cùng quy trình công nghệ thấm. Kết quả phân tích được thể hiện ở bảng 1. Đồ thị biểu diễn sự phân bố %C của 3 quy trình hoàn chỉnh được thể hiện trên hình 3. 75 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 Độ cứng được đo trực tiếp trên sản phNm bằng máy đo độ cứng cầm tay, chiều sâu lớp thấm được xác định trên mẫu dây thép Ø 8mm thấm cùng sản phNm, kết quả trong bảng 2. Bảng 1. Thành phần %C theo chiều sâu lớp thấm Quy trình công nghệ QT-1, thấm 6h +1h, tôi QT-2, thấm 7h, thường hoá QT-3, thấm 5h +2h, t ôi Quy trình 1, thấm 3h Quy trình 1,thấm 4h, Quy trình 1,thấm 5h Quy trình 1, thấm 6h 1.20 % C theo chiều sâu lớp thấm 0,3 0,5 0,7 0,9 0,84 0,73 0,66 0,49 0,85 0.72 0.66 0.49 0,80 0,75 0,65 0,48 0,89 0,72 0,55 0,38 0,85 0,72 0,60 0,42 0,89 0,73 0,62 0,45 0,91 0,73 0,62 0,47 0,1 0,81 0,80 0,78 0,85 0,85 0,91 0,85 QT-1, thấm 6h +1h QT-2, thấm 7h 1,1 0,46 0.45 0,40 0,37 0,39 0,42 1,5 0,41 0,41 0,38 0,38 QT-3, thấm 5h +2h 1.00 %C 0.80 0.60 0.40 0.20 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Khoảng cách từ bề mặt vào trong [mm] Hình 3. Sự phân bố %C theo chiều sâu lớp thấm Bảng 2. Chiều sâu lớp thấm, độ cứng sản ph=m sau tôi, ram/180oC/2h Tên sản ph)m Xích vòng Φ30mm Bộ bánh răng m8, z28, z49 Bánh răng m8, z18 Bạc Φ60mm, ắc Φ60mm Bộ bánh răng tàu hoả m14z24 Bộ bánh răng Bella m12z24 Bánh răng côn M8, Z19 Bộ bánh răng máng cào C14 Bộ bánh răng m3.5, m5, m3 Vật liệu 20Mn 20CrMo 20Cr 20CrMo 20CrMo 20CrMo 20Cr 20CrMo 20Cr Quy trình thấm QT-1 QT-1 QT-1 QT-1 QT-2 QT-2 QT-2 QT-3 QT-3 Số lượng 90 tấn 300 bộ Chiều sâu thấm (mm) 1,4 ÷ 1,6 1,4 ÷ 1,6 1,4 ÷ 1,6 1,4 ÷ 1,6 1,4 ÷ 1,6 1,4 ÷ 1,6 1,4 ÷ 1,6 0,9 ÷ 1,2 0,9 ÷ 1,2 Độ cứng (HRC) 50 ÷ 55 58 ÷ 60 58 ÷ 60 58 ÷ 60 59 ÷ 61 59 ÷ 61 58 ÷ 60 55 ÷ 58 55 ÷ 58 3. Kết luận Hệ thống thiết bị (lò thấm, hệ thống cấp chất thấm) do Viện Công nghệ chế tạo đáp ứng tốt quá trình thấm C, C-N sử dụng gas và NH3 làm chất thấm Tính chất (độ cứng, chiều sâu) lớp thấm theo 3 quy trình QT-1, QT-2, QT-3 (thấm ở o 890 C) tương đương với các thông số khi thấm dùng dầu hoả trước đây ở 920oC. Tuổi thọ của nồi lò, can nhiệt được tăng lên khoảng 1,5 lần. Ngoài ra, sử dụng Gas và NH3 làm chất thấm, còn có những thuận lợi sau: 76 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008 - Dễ dàng và chính xác điều chỉnh thành phần khí vào theo mong muốn do đó chất lượng sản phNm thấm ổn định, dẽ tự động hoá . - Giá thành rẻ hơn (khoảng 15%-25%) so với công nghệ thấm trước đây. - Có thể sử dụng các thiết hiện có mà không gặp phải bất kỳ khó khăn nào (chỉ cần lắp thêm bộ phận cấp khí thấm rất đơn giản). Chúng tôi khuyến cáo nên áp dụng rộng rãi công nghệ này trong sản xuất
Tóm tắt Thấm C, C-N thể khí được sử dụng rộng rãi để thấm bánh răng và các sản phNm cơ khí khác. Hiện nay Viện Công nghệ đang sử dụng gas Petrolimex với 50% Propan, 50% Butan và NH3 của Công ty hoá chất Hà Bắc làm chất thấm. Bài báo này giới thiệu hệ thống thiết bị thấm bao gồm lò thấm và hệ thống cấp chất thấm bán tự động do Viện chế tạo, 03 quy trình công nghệ thấm với các thông số như nhiệt độ, lưu lượng khí, thời gian. Sự phân bố hàm lượng %C theo chiều sâu lớp thấm được nghiên cứu bằng cách phân tích %C theo từng lớp trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử. Thành công của công nghệ này được chứng minh bằng các kết quả về độ cứng bề mặt (50-61HRC), chiều sâu lớp thấm (0,8-1,6mm) của các sản phNm được thấm tại Viện trong thời gian qua. Summary Gas carburizing and carbonitriding are used to give gears and other machine parts made of low-carbon steels a hard and wear-resisting surface. Today, as a carburizing gas, direct addition of gas Petrolimex contained 50% propane, 50% butane and NH3 made by Ha Bac Chemical Company is used. This paper describes the carburizing system made by the Research Institute of Technology for Machinery (RITM), three treating processes considering the parameters such as temperature, gas flow and time used for carburizing machine parts. To chracterize the treated surface, the carbon concentration measurements through the diffussion depth are taken place by the spectrometer ARL-3460. The success of the 3 treating processes has been verified by the measurements of surface hardness (50-61HRC) and diffussion depth (0,8-1,6mm) of gears and machine parts carburized at RITM. Tài liệu tham khảo [1]. Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc - Tiêu chuNn xí nghiệp TC 2:2000.. [2]. Nguyễn Phú Ấp (2000), “Ứng dụng công nghệ thấm C-N thể khí để nâng cao tuổi bền chi tiết nghành giao thông vận tải”. Tạp chí Cơ khí ngày nay, số 37. [3]. Nguyễn Văn Tư (1999), Xử lí bề mặt. Trường ĐH Bách khoa Hà Nội. [4]. Gas Carburizing - http://www.key-to-steel.com/Articles/Art125.htm [5]. K. Palaniradja, N. Alagumurthi, V. Soundararajan, Optimization of Process Ariables in Gas Carburizing Process: A Taguchi Study with Experimental Investigation on SAE 8620 and AISI 3310 Steels. [6]. Jelle H. Kaspersma, Robert H. Shay (1982) Carburization and gas Reaction of Hydrocarbon-Nitrogen Mixtures at 8500C and 9250C. Metallurgical Transactions B, Volume 13b. [7]. Dale C. Miller (1982), Accelerated Carburizing through Special Control of Furnace Atmosphere and Reactions. Industrial Heating. 77