Nội dung

XÂY DỰNG MÔI TRƯỜNG THẤM C-N THỂ KHÍ CHO THÉP CACBON THẤP THE CONSTITUENTS OF ATMOSPHERE COMPOSITION FOR GAS CARBONITRIDING FOR LOW CARBON STEEL LÊ THỊ CHIỀU1 , NGUYỄN DƯƠNG NAM2, NGUYỄN ANH XUÂN2 1Viện Nghiên cứu, phát triển và Ứng dụng công nghệ mới 2Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Quá trình thấm C-N là quá trình thấm cacbon ở thể khí nhiều hơn quá trình thấm nitơ. Quá trình thấm này thay đổi bằng cách đưa thêm khí NH3 vào trong môi trường thấm cacbon với mục đích tạo ra các ni tơ nguyên tử trong quá trình thấm. Nồng độ ni tơ hình thành trên bề mặt làm việc bằng cách phân ly NH3 trong môi trường thấm; các ni tơ nguyên tử này sẽ khuếch tán đi vào thép cùng với cacbon. Thép thường dùng để thấm C-N là thép với hàm lượng cacbon khoảng 0,25%. Với quá trình trên, nên kết hợp với quá trình tôi và ram, bề mặt thép sẽ hình thành tổ chức mactenxit với tổ chức nhỏ mịn. Tuy nhiên, công nghệ thấm C-N ở nước ta chưa thực sự phổ biến. Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về xây dựng môi trường thấm C-N từ hỗn hợp khí: khí gas; CO2; NH3 và N2. Bước đầu đã xác định được tỷ lệ của các loại khí. Ngoài ra, bài báo đã đánh giá được tổ chức và cơ tính với các thành phần khí khác nhau. Từ khóa: Thấm C-N; môi trường thấm, tổ chức, thép SCM420, thành phần khí thấm. Abstract Carbonitriding is a modified form of gas carburizing, rather than a form of nitriding. The modification consists of introducing ammonia into the gas carburizing atmosphere to add nitrogen to the carburized case as it is being produced. Nascent nitrogen forms at the work surface by the dissociation of ammonia in the furnace atmosphere; the nitrogen diffuses into the steel simultaneously with carbon. The steels which has the carbon contents up to about 0.25%, commonly carbonitrided. This process combined with quenching and tempering process, the surface of this steel will formed martensite structure with the fine grain. However, at our country carbonitriding process is not really popular. Initially, the percentage of gases was determined. In addition, the article was evaluated the microstructure and hardness with the different percentage of gases. Keywords: Carbonitriding, permeably environment, microstructure, SCM420 steel, gas composition. 1. Giới thiệu Quá trình thấm C-N được định nghĩa là quá trình hóa nhiệt luyện mà ở đó chi tiết được chế tạo từ thép cacbon có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,25% được đặt trong môi trường bão hòa hai nguyên tố C và N ở dạng nguyên tử. Quá trình này sẽ làm tăng đồng thời thành phần cả C và N ở trên lớp bề mặt thép [1]. Quá trình tăng hàm lượng C và N ở trên bề mặt thép được giải thích là do quá trình phân hủy khi thấm tại nhiệt độ thấm, các nguyên tử hấp phụ lên bề mặt chi tiết và từ đó khuếch tán vào bên trong với một chiều sâu nhất định. Cacbon và nitơ nguyên tử sẽ kết hợp với sắt và nguyên tố hợp kim tạo nên mactenxit và cacbit có độ cứng cao mà trong lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai. Bề mặt chi tiết có chất lượng cao nhất khi tổng hàm lượng cacbon và nitơ trong khoảng 0,9-1,3% [2,3]. Tổng hàm lượng hai nguyên tố đó nhỏ hơn, độ cứng bề mặt sẽ thấp, còn nếu lớn hơn sẽ dẫn đến tạo muội hoặc tạo khuyết tật làm xấu cơ tính [4]. So với thấm cacbon, thấm cacbon-nitơ tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn, tạo tổ chức nhỏ mịn hơn, có thể áp dụng cho nhiều chi tiết như bánh răng, trục cam, dao cắt giấy… Trên thế giới hiện nay, trong các thiết bị truyền thống, môi trường thấm cacbon-nitơ bao gồm các loại khí tạo nguồn cacbon nguyên tử, thường là khí ga tự nhiên (CH4), nguồn tạo nitơ nguyên tử (NH3) và các loại khí độn có tác dụng pha loãng môi trường thấm với mục đích duy trì hàm lượng cácbon và nitơ trên bề mặt một cách hợp lý. Ngoài ra, khí độn còn có tác dụng thúc đẩy quá trình thấm. Ở Mỹ, Nga khí độn là khí endo, một lọại khí được chế tạo bằng thiết bị đặc biệt. Tỷ lệ giữa khí gas và khí độn dao động trong khoảng từ 1/30 đến 1/8 tùy từng loại khí và tùy từng nước, như trong Bảng 1. Bảng 1. Thành phần khí độn của Nga và Mỹ Tên khí Endogas (Nga) Exothermic (Mỹ) Endothermic (Mỹ) 76 CO 23 10,5 20,7 CnH2n+2 3,8 0,5 0,8 Thành phần (% thể tích ở ĐKTC) CO2 N2 H2 0,4 45,7 30 5,0 71,5 12,5 39,8 38,7 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Khí khác 0,9 H2O Số 55 - 8/2018 Ở nước ta, vì chưa sản xuất được khí độn, nhiều công ty phải nhập khẩu khí thấm rất tốn kém và gặp nhiều khó khăn. Có công ty môi trường thấm chỉ bao gồm các loại khí nguồn (gas và NH3), chất lượng lớp thấm rất thấp, không phát huy được ưu điểm của phương pháp thấm C-N. Chính vì vậy, trong công trình nghiên cứu này, bước đầu chúng tôi nghiên cứu xây dựng một môi trường thấm C-N hoàn toàn trên cơ sở nguồn nguyên liệu khí trong nước cho thép có hàm lượng cacbon thấp làm việc trong điều kiện bề mặt chịu mài mòn cao (bề mặt cần độ cứng từ 60 đến 63HRC). Tuy nhiên, trong lõi của thép lại cần độ dai cao. 2. Thực nghiệm Hỗn hợp thấm bao gồm khí ga công nghiệp (50% C3H8, 50% C4H10 ); Khí CO2; N2; NH3 với lưu lượng như được chỉ ra trong bảng 2. Quá trình thấm được thực hiện ở nhiệt độ 8400C với thời gian thấm là 03h [3]. Mẫu nghiên cứu được sử dụng là mẫu SCM420 (có thành phần như ở Bảng 3). Bảng 2. Thành phần khí thấm Lưu lượng Gas CO2 NH3 N2 To(C) C1 C2 10 15 18 18 10 10 62 57 840 840 C3 20 17 10 53 840 C4 30 15 10 45 840 Mẫu sử dụng là lõi neo được chế tạo từ thép SCM420 (thành phần trên bảng 3); thành phần thép được phân tích trên máy quang phổ phát xạ ARL-3460. Sau mỗi mẻ thấm, chi tiết được làm sạch dầu, cắt và mài để kiểm tra tổ chức tế vi bằng kính hiển vi Axiorvert 25 và Axiorvert 100, thực hiện phóng đại 50, 100, 200, 500 và 1.000 lần. Độ cứng tế vi được đo trên máy Duramin, về khoảng cách mũi đâm là 50µm tính từ bề mặt lớp thấm vào trong lõi với tải trọng 200g. Giá trị đo là Vickers được chuyển sang HRC. Bảng 3. Thành phần thép SCM 420 (theo % khối lượng) C Si Mn P S Cr Ni Mo 0,18 0,2 0,65 0,01 0,01 1,2 0,08 0,15 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Thành phần C1 a) Tổ chức lớp thấm b) Tổ chức nền Hình 1. Tổ chức lớp thấm và nền thép cacbon thấp 70 Độ cứng HRC 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 Chiều sâu lớp thấm (μm ) Hình 2. Phân bố độ cứng tế vi của mẫu khi thấm với thành phần C1 Ảnh tổ chức tế vi trên Hình 1a cho thấy: tổ chức tế vi nhỏ mịn. Phần phóng đại 200 lần cho thấy sự khác biệt của các vùng khác nhau của lớp thấm. Với độ phóng đại 500 lần có thể thấy các Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 77 pha cacbit và nitrit (độ cứng 64,8 HRC trên Hình 2), vùng tiếp theo có tổ chức mactenxit. Nền thép sau khi tôi có tổ chức mactenxit cacbon thấp, có độ cứng 45HRC (Hình 1b). 3.2. Thành phần C2 C2 Hình 3. Tổ chức tế vi lớp thấm theo thành phần C2 Hình 4. Đường phân bố độ cứng tế vi của lõi neo theo chế độ Ảnh tổ chức tế vi trên Hình 3 cho thấy: tổ chức nhỏ mịn, Với độ phóng đại 200 lần (phần trên của hình 3) có thể thấy được các vùng khác nhau của lớp thấm. Khi phóng đại 500 lần (phần dưới) nhìn rõ tổ chức mactenxit (kim màu đen) và austenit màu sáng. Chính sự có mặt của austenit dư làm cho độ cứng bề mặt hơi thấp (58,8HRC) như thể hiện trên đường phân bố độ cứng như Hình 4 đã chỉ rõ. Nhận thấy độ cứng bề mặt tương đối thấp so với độ cứng của thành phần C1 (58,8HRC). Có thể do sự có mặt của austenit dư. Độ cứng từ bề mặt vào nền thay đổi một cách điều hoà. 3.3. Thành phần C3 Thành phần C3 có tỷ lệ CO2/gas tương đối nhỏ, lượng các bon tạo ra nhiều, độ cứng bề mặt cao. Với độ phóng đại 100 lần có thể thấy tổ chức tổng thể của lớp thấm. Vùng ngoài cùng có các chấm sáng của cacbit và nitrit (thấy rõ hơn trong khi phóng đại 500 lần (phóng đại vùng đánh dấu), tiếp theo là vùng kim mactenxit (màu đen) nhỏ mịn ứng với giá trị cao trên đường phân bố độ cứng, sau đó là vùng chuyển tiếp. Đường phân bố độ cứng cũng phản ánh sự thay đổi của tổ chức tế vi: Giá trị độ cứng bề mặt là 65HRC, chiều sâu tổng thể của lớp thấm không lớn. Có thể do lượng khí ga tương đối lớn, các pha cacbit tạo ra đã ngăn cản sự khuếch tán của cacbon và nitơ. Tuy nhiên chiều dày hiệu quả của lớp thấm (khoảng cách từ điểm có độ cứng 50HRC tới bề mặt) khá lớn, đảm bảo tính chống mài mòn cho lõi neo (Hình 6). Giá trị độ cứng(HRC) 65 60 55 Độ cứng 50 45 40 0 200 400 600 800 1000 Chiều sâu lớp thấm Hình 5. Tổ chức Tế vi của lõi neo thấm theo thành phần C3 78 Hình 6. Đường phân bố độ cứng tế vi theo thành phần C3 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 3.4. Thành phần C4 Hình 7. Tổ chức lõi neo theo chế độ C4 Hình 8. Đường phân bố độ cứng tế vi theo thành phần C4 Thấy rõ tổ chức nhỏ mịn, phần phóng đại 500 lần thấy rõ lượng pha cacbit và nitrit rất nhiều (các hạt màu sáng). Đường phân bố độ cứng tế vi (Hình 8) cho thấy độ cứng bề mặt khá thấp, có thể do lượng khí ga quá lớn, hàm lượng cacbon trên bề mặt lớn làm tăng tổ chức phi mactenxit sau tôi. 4. Kết luận 1. Từ các kết quả nghiên cứu nhận thấy: Từ nguồn khí Việt Nam, chúng ta hoàn toàn có thể thiết lập được môi trường thấm C-N với tỷ lệ khí phù hợp cho quá trình thấm; đảm bảo được yêu cầu về chất lượng tổ chức và độ cứng. Các mẫu thấm ở chế độ C1; C2 và C3 đều có tổ chức nhỏ mịn, độ cứng bề mặt cao, độ cứng nền thích hợp. Với chế độ này hoàn toàn có thể sử dụng để thực hiện quá trình hóa nhiệt luyện cho các chi tiết bề mặt cần khả năng chống mài mòn cao nhưng trong lõi cần đảm bảo độ dẻo dai cần thiết. 2. Khi thay đổi tỷ lệ khí thấm, tính chất lớp thấm thay đổi. Với tỷ lệ CO2/gas trong khoảng 0,8 đến 1,8 tính chất lớp thấm không thay đổi nhiều. Khi giảm mạnh tỷ lệ CO2/gas là 0,5 thì độ cứng bề mặt giảm đáng kể. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John Dossett, Carbonitriding of Steels, ASM Vol 4 - Heat treating, pp 855 – 867, 1991. [2] V.M Zintchenko, Surface engineering of gated weel by thermochemical treatment, Moscow, 2001. [3] Lê Thị Chiều, Nguyễn Anh Sơn, Nâng cao chất lượng lớp thấm C-N cho thép 20CrMo bằng phương pháp xử lý nhiệt, Tạp chí Công nghiệp, Số 10 - 02/2007. [4] S. Gredelja, A.R. Gsona, S. Kumara, Applied Surface Science, trang 183. 2002. Ngày nhận bài: Ngày nhận bản sửa: Ngày duyệt đăng: 30/7/2018 03/8/2018 11/8/2018 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 79