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

ược 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