Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt bánh răng

  • Số trang: 94 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 395 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27127 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT BÁNH RĂNG ĐẶNG QUANG MINH THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ®¹i häc th¸I nguyªn Tr-êng ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ thÊm nit¬ n©ng cao chÊt l-îng bÒ mÆt b¸nh r¨ng Ngµnh : c«ng nghÖ chÕ t¹o m¸y M· sè: Häc viªn: 60.52.04 ĐẶNG QUANG MINH Ng-êi h-íng dÉn khoa häc : pgs.TS. trÇn vÖ quèc Ng-êi h-íng dÉn khoa häc Pgs. TS. trÇn vÖ quèc Ban gi¸m hiÖu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên häc viªn thùc hiÖn ®Æng quang minh khoa sau ®¹i häc http://www.lrc-tnu.edu.vn Lêi cam ®oan - T«i xin cam ®oan r»ng tÊt c¶ c¸c sè liÖu vµ kÕt qu¶ thÝ nghiÖm nghiªn cøu trong luËn v¨n nµy ®Òu ®-îc thùc nghiÖm vµ kiÓm tra ®¸nh gi¸ trung thùc, kh«ng cã trong bÊt cø tµi liÖu nµo vµ ch-a hÒ ®-îc sö dông ®Ó b¶o vÖ mét häc vÞ nµo. - T«i xin cam ®oan r»ng, mäi sù gióp ®ì cho viÖc thùc hiÖn luËn v¨n nµy ®· ®-îc c¶m ¬n, mäi th«ng tin ®-îc sö dông trong luËn v¨n nÕu sö dông trong tµi liÖu nµo th× ®Ò ®-îc trÝch dÉn ®Çy ®ñ vµ chØ râ nguån gèc. T¸c gi¶ luËn v¨n §Æng Quang Minh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -0- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Vệ Quốc, Trường Cao đẳng thiết bị y tế đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong khoa Cơ khí trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn công ty Việt Hoàng đã giúp tôi thực nghiệm đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện Đặng Quang Minh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG VÀ ẢNH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- Hình 1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuyếch tán Hình 3.1 Hệ toạ độ cầu của chất điểm Hình 3.2 Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử Hình 3.3 Ô mạng lập phương thể tâm Hình 3.4 Ô mạng lập phương tâm mặt Bảng 3.1 Hệ số mật độ và và hệ số phối trí của ô mạng tinh thể Hình 3.6 Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuyếch tán vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ. Hình 3.7 Ảnh hưởng của khuyếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm Hình 3.8 Sự phân bố nguyên tố khuyếch tán trong lớp thấm khi hai nguyên tố hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn Hình 3.9 a) Giản đồ trạng thái hai nguyên A – B b) Sự thay đổi nồng độ B trong lớp khuyếch tán Hình 3.10 a) Giản đồ trạng thái b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm. Hình 3.11 Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuyếch tán Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hệ số khuyếch tán D vào nhiệt độ Hình 3.13 Sự phụ thuộc của chiều dày lớp thấm vào thời gian của quá trình Hình 4.1 Giản đồ pha Fe – N Hình 4.2 Tổ chức tế vi lớp thấm Nitơ Hình 4.3 Sơ đồ thiết bị thấm Nitơ thể khí Hình 4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm Hình 4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến độ cứng lớp thấm Nitơ Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý tạo thành Plasma Hình 4.7 Quá trình thấm Nitơ plasma Hình 4.8 Tổ chức lớp thấm và dự báo chiều sâu lớp thấm. Hình 4.9 Cơ chế thấm Cacbon plasma Hình 5.1 Bánh răng gia công. Hình 5.2 Nguyên công tiện lỗ. Hình 5.3 Nguyên công tiện mặt ngoài. Hình 5.4 Nguyên công xọc rãnh then. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- Hình 5.5 Gia công bánh răng bằng phương pháp định hình. Hình 5.5 Gia công bánh răng bằng phương pháp bao hình. Hình 5.6 Nguyên công vê đầu răng. Hình 6.1. Hình ảnh của lò thấm Nitơ thể khí. Hình 6.2 Hình ảnh lò thấm Nitơ thể lỏng. Hình 6.3 Hình ảnh lò thấm Nitơ plasma. Hình 6.4 Hình ảnh lò thấm Nitơ plasma của Đức và Mỹ. Hình 6.5 Hình ảnh lò thấm Nitơ plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Việt Nam. Hình 6.6 Hình ảnh quá trình thấm nitơ plasma điều khiển bằng máy tính. Hình 6.7 Hình ảnh máy đo độ cứng AFFRI (Italy). Hình 6.8 Mẫu bánh răng làm từ thép 20X, 20XM, 18XT. Hình 6.9. Hình ảnh của mẫu bánh răng làm từ thép 20X sau khi thấm. Hình 6.10. Hình ảnh của mẫu bánh răng làm từ thép 20XM sau khi thấm. Hình 6.11 Hình ảnh của mẫu bánh răng làm từ thép 18XT sau khi thấm. Hình 6.12 Hình ảnh bánh răng trong lò thấm plasma. Hình 6.13 Quan hệ độ cứng, chiều sâu thấm và thời gian thấm Hình 6.14 Tổ chức tế vi của mẫu thép 45X sau khi thấm (500x) Hình 6.15 Ảnh SEM mẫu 45X sau khi thấm (5000x). Hình 6.16 Sản phẩm bánh răng sau khi thấm nitơ plasma. Bảng 6.1 Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm Cacbon thể rắn Bảng 6.2 Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm Cácbon thể rắn Bảng 6.3 Độ cứng của thép bánh răng thép 18XT sau khi thấm Cácbon thể rắn Bảng 6.4 Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm Cacbon thể khí Bảng 6.5 Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm Cácbon thể khí Bảng 6.6 Độ cứng của bánh răng thép 18XT sau khi thấm Cácbon thể khí. Bảng 6.7 Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm Nitơ thể khí Bảng 6.8 Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm Nitơ thể khí Bảng 6.9 Độ cứng của bánh răng thép 18XT sau khi thấm Nitơ thể khí Bảng 6.10 Bảng chương trình điều khiển quá trình thấm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- MỤC LỤC Trang Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan đề tài 11 1.1 Tình hình và xu hướng phát triển của công nghệ xử lý bề mặt kim loại … 12 1.2 Những nét chung về hóa nhiệt luyện 14 1.2.1 Sự hình thành tổ chức lớp thấm 17 1.2.2 Động học của quá trình thấm 17 1.2.3 Môi trường thấm 17 1.3 Khái quát chung về phương pháp hóa nhiệt luyện 17 1.3.1 Thấm Cacbon ( C ) 18 1.3.2 Thấm Xyanua 19 1.3.3 Thấm Lưu huỳnh (S) 20 1.3.4 Thấm Bo (B) 20 1.3.5 Thâm Crom (Cr) 20 1.3.6 Thấm Nhôm (Al) 20 1.3.7 Thấm Silic (Si) 21 1.3.8 Thấm Kẽm (Zn) 21 1.3.9 Thấm Titan (Ti) 21 1.3.10 Thấm Nitơ (N) 21 1.4. Mục đích và yêu cầu của đề tài 22 Chƣơng 2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 23 2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 23 2.3 Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm 23 2.4 Phương pháp kiểm tra 24 2.4.1 Kiểm tra độ cứng 24 2.4.3 Kiểm tra tổ chức tế vi lớp thấm 26 Chƣơng 3: Nghiên cứu lý thuyết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- 3.1 Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại 27 3.1.1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể 28 3.1.2 Cấu tạo kim loại 31 3.1.3 Bản chất mối liên kết trong kim loại 35 3.2 Lý thuyết về ăn mòn và mài mòn kim loại 36 3.2.1 Tìm hiểu chung về mài mòn kim loại 37 3.2.2 Các quá trình ăn mòn và mài mòn kim loại 37 3.3 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ mòn của kim loại 38 3.3.1 Các chỉ tiêu định tính 38 3.3.2 Các chỉ tiêu định lượng 39 3.4 Hoá nhiệt luyện 40 3.4.1 Khái niệm chung 40 3.4.2 Các quá trình hoá nhiệt luyện 41 3.4.3 Cơ sở của hoá nhiệt luyện 43 Chƣơng 4: Thấm Nitơ 4.1 Định nghĩa và mục đích 53 4.2 Lý thuyết về Nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm Nitơ 53 4.3 Thép để thấm Nitơ 55 4.4 Công nghệ thấm Nitơ 56 4.5 Các phương pháp thấm Nitơ 58 4.5.1 Thấm Nitơ thể khí 58 4.5.1 Thấm Nitơ thể lỏng 60 4.5.3 Công dụng của thấm Nitơ 61 4.6 Thấm Nitơ - Cácbon plasma 67 Chƣơng 5: Quy trình gia công bánh răng 74 5.1 Chọn vật liệu bánh răng 74 5.2 Quy trình gia công bánh răng 77 Chƣơng 6: Nghiên cứu thực nghiệm 82 6.1 Thiết bị thấm Nitơ 82 6.2 Mẫu bánh răng thí nghiệm 85 6.2.1 Vật liệu chế tạo mẫu 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- 6.2.2. Số lượng mẫu thí nghiệm 87 6.3 Kết quả thí nghiệm 89 6.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm khi thấm Nitơ thể khí 90 6.3.2. Quy trình công nghệ thấm nitơ plasma 94 6.3.3 Kết quả thấm Nitơ plasma trên mẫu 94 6.4 Kết luận 96 6.5 Kiến nghị 96 Tài liệu tham khảo 97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- LỜI NÓI ĐẦU Chất lượng bề mặt của chi tiết máy với các đặc tính như khả năng chịu mài mòn, độ cứng chịu nhiệt, chống gỉ, tính trơ hóa học, có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và độ tin cậy của chúng vì qua nghiên cứu người ta thấy rằng hầu hết các chi tiết máy bị hư hỏng bắt đầu từ việc phá hủy bề mặt ngoài (Bị cào xước, bị mòn, biến dạng bề mặt và thay đổi kích thước, bị ăn mòn hóa học bề mặt). Hiện nay việc không ngừng nâng cao năng suất lao động và khai thác tối đa khả năng làm việc của máy móc thiết bị đã tạo ra điều kiện làm việc khắc nghiệt cho các máy, đặc biệt là lớp mặt ngoài của nó phải được làm bền bằng những công nghệ mới thích hợp như làm bền bằng laze, làm bền bằng siêu âm. Mặt khác, nhu cầu sử dụng thiết bị ngày càng nhiều trong khi giá thành chế tạo cao. Do đó, việc tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt chi tiết là cần thiết. Công nghệ xử lý bề mặt kim loại là một trong những công nghệ cơ bản được áp dụng rộng rãi trong việc chế tạo sản phẩm từ phôi kim loại. Nó làm tăng độ bền, bảo vệ chống mòn, trang trí để làm tăng vẻ đẹp và giá trị thương phẩm cho mỗi sản phẩm được hoàn thiện trước khi xuất xưởng. Tùy thuộc vào điều kiện của chi tiết bề mặt kim loại phải có các tính chất cơ - lý – hóa phù hợp như: Độ bền chống mài mòn, chống ma sát, độ bền nhiệt, độ bền chống ăn mòn trong khí quyển và trong các môi trường hóa chất. Ở các nước phát triển, tuy đầu tư cho việc chống ăn mòn ngày càng tăng, các công việc chống ăn mòn ngày càng hiện đại nhưng thiệt hại do ăn mòn không vì thế mà giảm đi. Ngược lại, nó vẫn không ngừng tăng lên do vật liệu ngày càng được sử dụng nhiều, giá trị của vật liệu trong nền kinh tế quốc dân ngày càng lớn vì môi trường ngày càng ô nhiễm. Vì vậy các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn kim loại đóng vai trò rất quan trọng. Nhất là đối với nước ta, điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm làm cho quá trình ăn mòn kim loaị nói chung mãnh liệt hơn. Những năm 90 trong sự tăng trưởng kinh tế, nhiều ngành công nghiệp ra đời và phát triển: Dầu khí, đóng tàu, sửa chữa. Nhiều công trình và thiết bị phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt: Môi trường biển, môi trường các khí hóa chất ăn mòn mạnh(Cl, HCl, SO2, SO3, NH3, NO, CO,). Trong điều kiện như vậy hàng vạn tấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- kim loại đã bị phá hủy hàng năm. Do đó việc bảo vệ chống ăn mòn và mài mòn kim loại càng có ý nghĩa quan trọng. Khi thiết kế các chi tiết của các thiết bị công nghiệp hiện đại ngoài việc lựa chọn vật liệu cơ bản đáp ứng được các chỉ tiêu về kỹ thuật – kinh tế cần thiết, công nghệ xử lý bề mặt kim loại đóng một vai trò quan trọng và trong nhiều trường hợp là một công nghệ không thể thiếu được trong việc đảm bảo độ bền và tuổi thọ cần thiết đối với các thiết bị tổng thành. Lựa chọn một cách tối ưu biện pháp công nghệ xử lý bề mặt cho từng chi tiết đã góp phần mở rộng khả năng thiết kế và chế tạo nhiều chủng loại thiết bị, chi tiết máy với tính năng công nghệ cao phục vụ đắc lực cho nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn của đất nước như công nghiệp dầu khí khai thác mỏ, công nghệ hóa chất. Những công nghệ xử lý bề mặt kim loại nhằm chống ăn mòn và nâng cao cơ - lý tính là những công nghệ đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu được trong sản xuất công nghiệp hiện nay. Tuy nhiên, trong sự phát triển chung của ngành cơ khí nước ta đòi hỏi phải đẩy mạnh cả về sản lượng và chất lượng sản phẩm. Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện có tác dụng rất mạnh trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm. Hóa nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện có kèm theo sự cải thiện thành phần hóa học lớp bề mặt do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt mà vẫn bảo tồn được các tính chất ở trong lõi của vật liệu. Thấm nitơ là phương pháp nhiệt luyện làm bão hoà (thấm, khuếch tán) nitơ vào bề mặt thép, nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng vững và tính chống mài mòn (về mặt này thấm nitơ tốt hơn là thấm cacbon). Cũng như thấm cacbon, thấm nitơ tạo lên lớp ứng suất nén dư ở bề mặt, do đó làm tăng giới hạn mỏi. Ngoài ra thấm nitơ có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt trong khí quyển và có thể dùng để trang sức. Từ những yêu cầu thực tế trên, được sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Trần Vệ Quốc Trường Cao đẳng nghề thiết bị y tế, tôi đã đi vào nghiên cứu thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm Nitơ nâng cao chất lượng bề mặt bánh răng”. Yêu cầu thực hiện của đề tài: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- Địa điểm thực hiện đề tài: + Khoa cơ khí – Trường CĐCN Phúc Yên. + Công ty Việt Hoàng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9- CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Từ khi con người bắt đầu biết sử dụng kim loại làm công cụ lao động và các phương tiện lao động khác thì vấn đề chống mòn cho kim loại cũng đồng thời được đặt ra. Như vậy, cách thời đại chúng ta khoảng 4,5 ngàn năm thì vẫn đề bảo vệ kim loại là mối quan tâm. Ngày nay, sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật như chế tạo cơ khí, luyện kim, công nghệ hóa học, xây dựng, kỹ thuật điện tử, giao thông vận tải, công nghiệp thực phẩm, kỹ thuật hàng không và đời sồng hàng ngày đều gắn với vật liệu và cần đến các vât liệu có tính năng đa dạng với chất lượng càng cao. 1.1. Tình hình và xu hƣớng phát triển công nghệ xử lý bề mặt kim loại. Từ cuối thế kỉ 18 đã bắt đầu xuất hiện những công nghệ xử lý bề mặt như: Mạ, tráng men, bọc lót cao su. Để chống ăn mòn và những phương pháp để cải thiện bề mặt kim loaị như nhiệt luyện (Tôi, ram, ủ, thường hóa, thấm C, thấm N..). Ngoài ra người ta nhuộm đen thép hoặc ôxy hóa, nhuộm mầu nhôm, phốt phát hóa trước khi sơn. Bước sang thế kỉ 20 cùng với sự phát triển theo yêu cầu của các nghành công nghiệp các công nghệ xử lý bề mặt phát triển rất nhanh, những công nghệ trên ngày càng hoàn thiện: Từ mạ thủ công, mạ hóa học đã chuyển sang cơ khí hóa quá trình mạ điện như mạ quay, mạ chuyển dịch Anốt, các khâu nâng, vận chuyển được cơ giới hóa, đã cải thiện từng bước về chất lượng mạ điện và điều kiện lao động. Một số nước tiên tiến, công nghệ mạ trang trí đẵ chuyển sang bán tự động va tự động hóa dây chuyền thiết bị mạ, nâng cao sản lượng va chất lượng lớp mạ ổn định, bền, bóng, đẹp. bên cạnh mạ điện còn xuất hiện mạ phun (Al-Zn hợp kim Al-Zn, tráng Sn, tráng Pb,), mạ xoa. Do đó đã mạ được những chi tiết hình thù phức tạp, các cấu kiện lớn như cầu, cột điện cao thế, đường ống các loại, tôn tấm phục vụ cho việc chế tạo tấm lợp và phục vụ sinh hoạt, đáp ứng kịp thời những nhu cầu sản xuất và đời sống. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị mạ đạt trình độ công nghệ cao: Hãng Canning của Anh, Sumee của Trung Quốc. Trong sản xuất cơ khí không thể thiếu được công nghệ nhiệt luyện vì đây là biện pháp hữu hiệu để nâng cao chất lượng sản phẩm kim loại nói chung và sản phẩm thép nói riêng. Do vậy tại tất cả các xí nghiệp sản xuất cơ khí lớn hay nhỏ đều có bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 10 - phận nhiệt luyện. Nhiệm vụ chính của bộ phận nhiệt luyện là tham gia chế tạo dụng cụ cắt gọt như nhiệt luyện các loại dao tiện, phay, bào, chuốt, doa..., nhiệt luyện cải thiện chất lượng sản phẩm trước, trong và sau quá trình gia công cơ khí, ví dụ như: Ủ trước khi gia công tiện, phay, bào, ram trong quá trình gia công cơ khí hoặc tôi trước khi mài. Có thể nói trình độ công nghệ nhiệt luyện ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí sản xuất ra. Ở các nước tiên tiến, khâu nhiệt luyện được đặc biệt chú trọng, nhất là việc chế tạo các thiết bị công nghệ như lò nung cho tôi, ram hoặc ủ có hiệu suất nhiệt cao, điều khiển nhiệt độ tự động chính xác. Ban đầu là các lò rèn thủ công rồi tiến tới lò buồng. Hiện nay ở các cơ sở sản xuất hàng loạt đã có các dây truyền nhiệt luyện kiểu Tunel, sản phẩm tốt, ổn định và năng suất cao. Ngoài ra các lò tôi bằng năng lượng dòng điện cảm ứng cao tần cũng được sử dụng khá phổ biến. Cùng với sự phát triển cải tiến tính năng của lớp bề mặt, vật liệu kỹ thuật thể hiện sự phát triển, tiềm năng, triển vọng của ngành công nghệ bề mặt trong việc phát triển tính năng của vật liệu tạo sự đa dạng trong ứng dụng và sự phát triển của công nghệ vật liệu. Công nghệ bề mặt giúp chúng ta tiết kiệm được nhiều vật liệu, đặc biệt là vật liệu quý hiểm nhờ lớp bề mặt được cường hóa. Theo thống kê tổn thất do ăn mòn vật liệu chiếm từ 2 - 4℅ GDP của các nước công nghiệp tiên tiến: 10℅ sản lượng thép của toàn thế giới bị tổn thất do ăn mòn. Công nghệ bề mặt có vai trò quan trọng trong việc chống ăn mòn bằng cách tạo nên những lớp phủ, thay đổi tính năng của lớp bề mặt, cải thiện tính chống ăn mòn, chống mòn của vật liệu. Hiện nay, công nghệ bề mặt thực hiện từ 70 - 80℅ những công trình có liên quan tới bảo vệ bề mặt chống ăn mòn và điều khiển được 25 - 30℅ tổng khối lượng ăn mòn. Trong tương lai công nghệ bề mặt còn phát triển theo hướng giảm mòn, nâng cao hiệu suất sử dụng vật liệu. Ngoài ra, việc sử dụng bề mặt trong sửa chữa thiết bị theo hướng sửa chữa những bề mặt quan trọng mau mòn, chống gỉ có thể tiết kiệm được rất nhiều. Để nâng cao cơ tính bề mặt, cùng với nhiệt luyện có các phương pháp hóa nhiệt luyện như sulfit hóa bề mặt, thấm cacbon, thấm nitơ, thấm crôm, thấm sillic, thấm xyanua,.... Các phương pháp công nghệ này đều đã và đang được thực hiện với quy mô khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 11 - Công nghệ nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu( chủ yếu là kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi hình dạng và kích thước của chi tiết. Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi tiết sau khi gia công có những tính chất cần thiết như độ cứng, độ dẻo dai, khả năng chống mòn, mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì vậy nhiệt luyện là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí. Nguyên công nhiệt luyện có thể nằm ở những vị trí khác nhau trong dây chuyền sản xuất cơ khí, tùy thuộc vào vị trí có thể phân thành hai loại: - Nhiệt luyện sơ bộ: Là dạng nhiệt luyện thường tiến hành trước khi gia công cơ nhằm tạo ra độ cứng và tổ chức tế vi thích hợp cho các nguyên công gia công cơ và nhiệt luyện tiếp theo. - Nhiệt luyện kết thúc: Là dạng nhiệt luyện được tiến hành sau khi gia công cơ nhằm tạo cho chi tiết có những tính chất cần thiết theo yêu cầu của kỹ thuật. Nhiệt luyện quyết định đến tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí. Máy móc càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số lượng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều. Đối với các nước công nghiệp phát triển để đánh giá trình độ của ngành chế tạo cơ khí phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, vì rằng dù gia công cơ khí có chính xác đến đâu nhưng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo thì tuổi thọ của chi tiết cũng giảm và mức độ chính xác của máy móc không còn giữ được theo yêu cầu. Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không chỉ có ý nghĩa kinh tế rất lớn (để kéo dài thời gian làm việc, nâng cao độ bền lâu của công trình, máy móc thiết bị) mà còn là thước đo đánh giá trình độ phát triển khoa học- kỹ thuật của mọi quốc gia. Ở nước ta từ lâu nhiệt luyện đã được áp dụng trong đời sống hàng ngày, ông cha ta đã biết tôi dao, kéo, đục, dũa, thép mềm trở thành thép cứng để cắt gọt hay ngược lại. Ngày nay nền công nghiệp của nước ta đang phát triển không ngừng và việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các chi tiết bằng phương pháp nhiệt luyện ngày càng trở nên cấp thiết, mà việc đầu tiên là đào tạo đội ngũ cán bộ khoa học – kỹ thuật trong lĩnh vực này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 12 - 1.2. Những nét chung về hoá nhiệt luyện. Hóa nhiệt luyện kim loại và hợp kim là quá trình nhiệt luyện bao gồm nung chi tiết và giữ ở nhiệt độ nhất định trong môi trường hoạt tính nhằm thay đổi thành phần hóa học, tổ chức và tính chất lớp bề mặt của chi tiết. Hóa nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện có kèm theo sự cải thiện thành phần hóa học lớp bề mặt do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất ở trong lõi của vật liệu. Hóa nhiệt luyện bao gồm hai quá trình: - Thay đổi thành phần lớp bề mặt bằng cách bão hòa và khuếch sâu bề mặt một hay nhiều nguyên tố khác nhau theo mục đích nhất định( còn gọi là tạo lớp thấm) - Nhiệt luyện tiếp theo( ủ, tôi, ram..) nhằm cải thiện hơn nữa tổ chức và tính chất của lớp bề mặt cũng như toàn bộ chi tiết. Trong quá trình hóa nhiệt luyện thể tích riêng của lớp bề mặt tăng gây ra ứng suất nén dư. Ứng suất này có tác dụng giảm giá trị ứng suất kéo của ngoại lực trong quá trình làm việc của chi tiết. Việc tăng tốc độ chống mòn bề mặt tạo nên khả năng tăng tốc độ quay của máy, tăng năng suất và tuổi bền của máy. Tăng độ bền bề mặt chi tiết có thể đạt được bằng các phương pháp khác nhau như tôi cao tần, tôi ngọn nửa. Xong việc tăng bền bề mặt bằng hóa nhiệt luyện có nhiều mặt ưu việt, tạo cho nó khả năng ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của ngành cơ khí. Hóa nhiệt luyện tạo nên khả năng thay thế vật liệu trong chế tạo máy một lợi ích rất hiệu quả trong điều kiện khan hiếm vật tư hiện nay. Hiện nay nhiều công nghệ hóa nhiệt luyện được nghiên cứu có ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong sản xuất gồm có: thấm cacbon, nitơ, lưu huỳnh, thấm bo, thấm crôm, thấm nhôm, thấm silic. Mỗi phương pháp hóa nhiệt luyện có đặc điểm riêng, công dụng riêng, áp dụng cho từng loại đối tượng. Các quá trình đều xảy ra trên cơ sở khuếch tán. Vì thế việc giải thích các đặc điểm công nghệ cũng xuất phát từ quy luật chung của quá trình khuếch tán. Hiện tượng khuếch tán chỉ xảy ra khi nguyên tố khuếch tán có khả năng tạo với kim loại chính dung dịch rắn. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào dung dịch rắn. Quá trình bão hòa khuếch tán chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 13 - Điều kiện 1: Phải có nguyên tử hoạt tính. Những nguyên tử này được tạo nên trong thời điểm phân ly hợp chất có chứa nguyên tố này. Điều kiện 2: Cần thiết cho quá trình bão hòa khuếch tán là sự hấp thụ, các nguyên tử được hấp thụ trên bề mặt kim loại khuếch tán sâu vào bên trong kim loại. Điều kiện 3: Cần thiết để thực hiện bão hòa bề mặt là sự khuếch tán cần có nhiệt độ tương đối cao, bảo đảm độ linh động của các nguyên tử của nguyên tố khuếch tán. Phân ly, hấp thụ và khuếch tán là ba giai đoạn liên tục của một quá trình xác định diễn ra và kết quả thu được. Vì thế, nếu tác động biến đổi của điều kiện phân ly, hấp thụ và khuếch tán có thể tác dụng tích cực lên quá trình hóa nhiệt luyện. Tốc độ khuếch tán được xác định bằng hệ số khuếch tán. Sự thay đổi hệ số khuếch tán vào nhiệt độ tuân theo hàm số mũ. Kích thước của nguyên tử của nguyên tố khuếch tán có ảnh hưởng lớn đến quá trình khuếch tán. Bán kính nguyên tử cả nguyên tố khuếch tán càng nhỏ thì hệ số khuếch tán càng lớn. D: Hệ số khuếch tán. t: Nhiệt độ. D t c H×nh 1.1. ¶nh h-ëng cña nhiÖt ®é ®Õn hÖ sè khuÕch t¸n. 1.2.1. Sự hình thành tổ chức lớp thấm. Để tạo lớp thấm, đặt chi tiết vào môi trường đặc biệt (ở trạng thái khí, lỏng hoặc rắn) có khả năng phân hóa ra nguyên tử hoạt tính của nguyên tố cần thấm vào ở nhiệt độ thích hợp. Sự hình thành các pha mới và tổ chức tế vi của lớp thấm phụ thuộc vào giản đồ pha, khả năng khuếch tán của các nguyên tố thấm, tương tác giữa chúng với nhau và với kim loại nền. Sự phân bố nồng độ của nguyên tố thấm phụ thuộc vào giản đồ pha. Ngoài ra khi thấm một nguyên tố nên bề mặt của một hợp kim, do tương tác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 14 - lẫn nhau giũa các nguyên tố có sẵn trong thép và nguyên tố thấm nên có sự phân bố lại nồng độ nguyên tố thấm trong mẫu. 1.2.2. Động học của quá trình thấm. Trong ba quá trình nối tiếp nhau khi tạo lớp thấm bề mặt: Khuếch tán thể khí để cung cấp chất thấm lên bề mặt, phản ứng trên bề mặt, phản ứng trên bề mặt và khuếch tán thể rắn để thấm sâu vào bên trong. Nếu quá trình nào chậm nhất sẽ quyết định động học của qúa trình thấm do đó, có thể giả thuyết ba khả năng: - Nếu khuếch tán thể khí là quá trình chậm nhất thì phản ứng hóa học và khuếch tán thể rắn vào sâu bề mặt chi tiết ở cân bằng. Khi đó động học quá trình thấm sẽ tuyến tính theo thời gian. - Nếu phản ứng hóa học trên bề mặt (bao gồm cả hấp thụ và phản ứng xảy ra trên bề mặt) chậm nhất và quyết định động học quá trình thấm, tương tự như trên khuếch tán thể khí và khuếch tán thể rắn phải ở trạng thái cân bằng. Khi đó động học quá trình thấm cũng tuyến tính theo thời gian và sự hình thành các hợp chất hóa học trên bề mặt chi tiết. - Nếu khuếch tán thể rắn là quá trình chậm nhất và khống chế động học tạo lớp thấm bề mặt (đây là trường hợp hay gặp nhất trong thực tế) thì khuếch tán thể khí và phản ứng hóa học đều ở trạng thái cân bằng. Khi đó động học quá trình thấm được biểu diễn bằng đường parabol theo thời gian thấm. 1.2.3. Môi trường thấm. Để thực hiện quá trình thấm trước tiên ta phải tạo ra môi trường thấm. Môi trường thấm dù ở thể rắn, thể lỏng hay thể khí cũng đều dược tạo ra từ ba thành phần chính là: chất thấm, chất độn và chất xúc tác. Chất thấm: Là chất có chứa các nguyên tố cần thấm có thể ở dạng nguyên chất hoặc hỗn độn với các nguyên tố khác. Dạng hợp chất thường gặp trong thực tế vì có thể điều chỉnh hoạt động của nguyên tố cần thấm. Tùy theo công nghệ thấm mà chất thấm ở thể rắn ,lỏng hay khí. Chất độn (phụ gia): Nhằm tạo môi trường và tốc độ thấm thích hợp, giảm tiêu hao nguyên liệu đắt tiền. Ngoài ra chất độn còn để tránh tạo ra các phản ứng phụ không cần thiết trong quá trình thấm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 15 - Chất xúc tác: Được đưa vào nhằm tạo ra các nguyên tử hoạt tính của nguyên tố cần thấm. Các nguyên tử cần hoạt tính này có thể hình thành trực tiếp từ phản ứng hóa học giữa chất xúc tác và chất thấm, cũng có thể hình thành từ sự phân hủy các sản phẩm phản ứng trong một điều kiện cụ thể. Trong trường hợp chất thấm có thể tự phân hủy để tạo nguyên tử hoạt tính thì không cần dùng chất xúc tác. Ngoài ra chất xúc tác, trong từng trường hợp cụ thể có thể điều chỉnh quá trình thấm theo hướng có lợi. Hóa nhiệt luyện được dùng phổ biến đối với các chi tiết bằng thép nhằm tạo độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn hay nâng cao tính chịu ăn mòn. 1.3. Khái quát chung về các phƣơng pháp hoá nhiệt luyện. 1.3.1. Thấm cacbon (C) Thấm cacbon là quá trình bão hòa bề mặt chi tiết nguyên tố cacbon để sau khi thấm và nhiệt luyện thu được bề mặt chi tiết có độ cứng cao, độ chống mài mòn cao, độ chống xâm thực, độ bền mòn cao. Các tính chất trên đạt trong khi vẫn giữ nguyên được phần lõi. Thấm cacbon được tiến hành theo các phương pháp: + Thấm cacbon thể rắn: Được áp dụng rộng rãi ở nước ta. Thấm cacbon thể rắn đơn giản, vạn năng có thể áp dụng cho chi tiết có hình dạng, kích thước khác nhau, không đòi hỏi thiết bị chuyên dùng. Thành phần hỗn hợp thấm cacbon bao gồm: BaCO3 (baricacbonat), Na2CO3(natri cacbonat), than củi, dầu mazut. Các chất này sẽ tạo ra các khí: O2, CO2, CO, CH4, N2. Các phản ứng xảy ra: CO2 + C ↔ 2CO Cacbon nguyên tử được hấp thụ vào bề mặt kim loại và khuếch tán đi sâu vào chi tiết. + Thấm cacbon thể khí: Thấm cacbon thể khí có tính ưu việt hơn thấm C thể rắn vì nó giảm được thời gian do không phải nung hộp thấm, giảm chi phí lao động chuẩn bị hỗn hợp thấm, giảm vật tư làm hộp thấm, có khả năng điều chỉnh quá trình thấm dễ hơn, giảm biến dạng chi tiết, cải thiện điều kiện lao động và vệ sinh công nghiệp, có thể cơ giới hóa và tự động hóa trong quá trình sản xuất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 16 - Tuy vậy thấm cacbon thể khí đòi hỏi thiết bị phức tạp, trình độ công nhân cao. Việc vận hành thiết bị làm kín nồi thấm, bảo đảm tuần hoàn khí lò, kỹ thuật an toàn đòi hỏi phức tạp hơn làm cho giá thành đắt hơn. Thấm cacbon thể khí ứng dụng có hiệu quả không chỉ ở nhà máy sản xuất loại lớn, loại vừa mà cả nhà máy sản xuất đơn chiếc, sửa chữa. + Thấm cacbon thể lỏng: Thấm cacbon thể lỏng được thực hiện trong môi trường muối nóng chảy. Thấm cacbon thể lỏng áp dụng cho các chi tiết nhỏ cần lớp thấm mỏng 0,1 – 0,5mm. Các chi tiết như trục, bạc, bulông, bánh răng nhỏ, cho chất lượng tốt. Thấm cacbon thể lỏng xảy ra nhanh hơn, thu được lớp thấm theo yêu cầu, có thể tôi trực tiếp sau khi thấm và bề mặt chi tiết sạch. Giá thành của thấm cacbon thể lỏng rẻ hơn thấm cacbon thể rắn và thể khí. Tuy nhiên, thấm cacbon thể lỏng không dùng được cho các chi tiết vừa và lớn, nồi thấm chóng bị ăn mòn, cần có biện pháp an toàn tốt, thành phần cacbon trong chất thấm chóng giảm cần bổ xung ngay. Quá trình thấm cacbon thể lỏng áp dụng cho các chi tiết như phụ tùng xe đạp, xích máy kéo cỡ nhỏ, dao, kéo, và các loại hàng tiêu dùng khác. + Thấm cacbon dạng bột nhão: Thấm cacbon dạng bột nhão ứng dụng cho sản xuất đơn chiếc, sửa chữa cơ điện. So với thấm cacbon thể rắn, thấm cacbon dạng bột nhão có những ưu điểm: Rút ngắn thời gian nung , tăng số chi tiết trong hộp thấm, giảm lao động, tiết kiệm năng lượng, giảm được phát triển hạt. Nhược điểm của thấm cacbon dạng bột nhão: Kết quả thấm và nồng độ cacbon không ổn định, lớp thấm không giữ được ở nhiệt độ cao hơn 2000 C. Thép dùng để thấm cacbon ngoài những thép cacbon thường, còn sử dụng thép hợp kim. 1.3.2. Thấm xyanua Thấm xyanua là quá trình làm bão hòa bề mặt chi tiết đồng thời hai nguyên tố cacbon (C) và ni tơ (N) trong môi trường muối nóng chảy có chứa xyanua nhằm tăng dộ cứng, độ chống mài mòn, độ chống ăn mòn và độ bền nóng của chi tiết. Viện công nghệ đã nghiên cứu áp dụng thấm xyanua nhiệt độ thấp cho dụng cụ cắt bằng thép gió. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 17 -
- Xem thêm -