Tài liệu Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật quy trình gia công bánh răng

C 6C Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chương 3: Nghiên cứu lý thuyết Chương 4: Thấm Nitơ Chương 5: Quy trình gia công bánh răng Chương 6: Thực nghiệm 1 C 1. TỔ Q A 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 hướng 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 2 phẩm thép nói riêng. Do vậy tại tất cả các xí nghiệp sản xuất cơ khí lớn hay nhỏ đều có bộ 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. 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. 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. 3 1.3. Khái quát chung về các phương 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. 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. Để tiến hành thấm xyanua cho dụng cụ cắt tại nhà máy dụng cụ số I đã xây lắp dây chuyền thấm xyanua. Thấm xyanua nhiệt độ cao được viện công nghệ nghiên cứu áp dụng cho chi tiết máy kéo Bông sen 12. Các chi tiết như trục, xích, bạc trong, bạc ngoài, chế tạo bằng thép 20X. Nhược điểm của quá trình thấm xyanua: Phải dùng muối gốc xyanua là loại hóa chất độc do đó phải có biện pháp giải quyết triệt để vấn đề khí độc, xử lý các chất thải và duy trì việc bảo đảm vệ sinh công nghiệp. 1.3.3. Thấm lưu huỳnh (S). Thấm lưu huỳnh là quá trình bão hòa bề mặt các chi tiết bằng nguyên tố lưu huỳnh nhằm nâng cao tính chống mài mòn và tránh tạo vết xước của các bề mặt làm việc của các chi tiết. Thấm lưu huỳnh có thể tiến hành trong chân không, trong môi trường lưu huỳnh nóng chảy sử dụng các đĩa ma sát của ô tô, cho dụng cụ cắt gọt. 1.3.4. Thấm Bo (B) Thấm Bo là quá trình làm bão hòa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố Bo nhằm tăng độ cứng bề mặt, độ chống mài mòn và độ chống ăn mòn của chi tiết. Các phương pháp thấm Bo: Thấm Bo thể rắn, thấm Bo thể lỏng điện phân, thấm Bo thể khí, thấm Bo dạng bột nhão. 4 1.3.5. Thấm Crôm (Cr) Thấm Crôm là qúa trình bão hòa bề mặt của chi tiết bằng nguyên tố Crôm nhằm tăng độ cứng, độ chống mài mòn bề mặt, độ chống ăn mòn, chống xâm thực và chống gây ôxy hóa ở nhiệt độ cao. Chi tiết chế tạo bằng thép cacbon sau khi thấm Crôm có thể thay thế chi tiết thép hợp kim hoặc kim loại màu tạo nên hiệu quả kinh tế. Thấm Crôm có tác dụng tăng tuổi bền các loại khuôn dập, các chi tiết búa máy, ống dẫn nồi hơi, chi tiết trong máy gặt.. Các phương pháp thấm Crôm: Thấm Crôm thể rắn, thể lỏng, thể khí, dạng bột nhão, thấm trong chân không. 1.3.6. Thấm nhôm (Al) Thấm nhôm là qúa trình bão hòa bề mặt bằng nguyên tố nhôm nhằm tăng độ chống ăn mòn và độ bền nhiệt của chi tiết. Lớp thấm nhôm có khả năng chống ăn mòn trong các môi trường muối ăn 5%, axitnitric 50%. Độ bền nhiệt của lớp nhôm thép cacbon đạt tới nhiệt độ 800 – 9000 C Thấm nhôm được áp dụng cho các chi tiết máy hóa chất, thiết bị nung nóng, chi tiết động cơ máy bay phản lực làm việc trong môi trường khí ở nhiệt độ cao. 1.3.7. Thấm Silic (Si) Thấm silic là quá trình bão hòa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố silic nhằm tăng tính chống ăn mòn của chi tiết trong môi trường axit và trong nước biển, đồng thời tăng độ bền nóng của chi tiết ở nhiệt độ 700 -750 0 C thấm silic được áp dụng trong chế tạo máy, hóa chất, giấy và dầu hỏa, các phương pháp thấm silic thể rắn, thấm silic thể lỏng, thấm silic thể khí. 1.3.8 Thấm kẽm (Zn) Thấm kẽm là quá trình bão hòa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố kẽm nhằm tăng độ chống ăn mòn của chi tiết trong môi trường không khí hoặc khí nóng (3005500C ) có chứa HCl . Các phương pháp công nghệ thấm kẽm: Thấm kẽm nóng chảy, thấm kẽm thể rắn, thấm kẽm thể khí, phủ kẽm và thấm kẽm điện phân. 1.3.9. Thấm titan (Ti) 5 Thấm titan lá quá trình làm bão hòa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố titan nhằm nâng cao độ chống ăn mòn, độ chống xâm thực, độ cứng của bề mặt và độ chống mài mòn, độ bền nóng của chi tiết. Thấm titan áp dụng cho các loại thép các bon và hợp kim gang , các hợp kim mầu trên cơ sở đồng (Cu) và nhôm (Al). các phương pháp thấm titan: thấm titan thể rắn, thấm titan thể khí , thấm titan thể lỏng. 1.3.10. Thấm nitơ (N) Thấm nitơ là một quá trình hóa nhiệt luyện nhằm bão hòa bề mặt chi tiết bằng nguyên tố nitơ nhằm mục đích nâng cao độ cứng, chống mài mòn, độ bền nóng, độ chống ăn mòn của chi tiết. Thấm nitơ tạo nên lớp ứng suất nén dư ở bề mặt, do đó làm tăng mạnh giới hạn mỏi. Ngoài ra thấm nitơ có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt trông khí quyển có thể dùng để trang trí, lớp thấm có cơ tính ổn định tới nhiệt độ 500 - 6000 C. 1.4. ục đích và yêu cầu của đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm Nitơ vào việc nâng cao chất lượng bề mặt một số vật liệu dụng trong chế tạo máy, mở rộng khả năng công nghệ thấm Nitơ trong nước . Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như: Vật liệu, nhiệt độ thấm và thời gian thấm đến chất lượng thấm Nitơ. Thực hiện thấm nitơ thể khí trên nền của thép 20XM, 20X, 18 đã được nhiệt luyện sơ bộ ram, thấm cỏc bon, thực hiện thấm Nitơ plasma trên thép 45X, xây dựng quy trình công nghệ thấm Nitơ và Nitơ plasma với các vật liệu đã chọn. ` 6 C 2: P P ÁP IÊ CỨ 2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Với mục đích nghiên cứu của đề tài là: “ Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt bánh răng”, chúng tôi đã ứng dụng một số phương pháp nghiên cứu sau: Nghiên cứu cơ sở quá trình thấm Nitơ, sơ lược nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm. Nghiên cứu, phân tích lý thuyết công nghệ thấm nitơ của các tài liệu trong và ngoài nước để vận dụng xác định ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng bề mặt bánh răng. 2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Từ những cơ sở lý thuyết của công nghệ thấm Nitơ, chúng tôi đã tiến hành tìm hiểu thiết bị thấm nitơ, các yếu tố công nghệ: Nhiệt độ, thời gian, độ phân giải khí NH3 để thấy được ảnh hưởng của chúng đến chất lượng lớp thấm từ đó xây dựng công nghệ thấm Nitơ trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm. Tiến hành làm phôi và chế tạo bánh răng phục vụ cho công tác thực nghiệm. Tiến hành thí nghiệm thực hiện tại Khoa Cơ khí trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên, Trường đại học công nghiệp Hà Nội, công ty Việt Hoàng- Phổ Yên, Thái Nguyên. Thiết lập quy trình công nghệ thấm trong đó có nói về các bước cụ thể cho quá trình thấm trên các mẫu thực nghiệm. Thông qua các mẫu thí nghiệm, tiến hành kiểm tra các thông số của bề mặt thấm như độ cứng, độ chạy mòn từ đó phân tích đánh giávà rút ra quy trình công nghệ hợp lý về công nghệ thấm Nitơ với loại thép đã thực nghiệm. 2.3 Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm Các số liệu kiểm tra chất lượng của lớp thấm bề mặt mẫu thấm như độ cứng, độ chạy mòn được kiểm tra theo tiêu chuẩn chung của Tổng cục đo lường chất lượng 7 Việt Nam và tại phòng thí nghiệm của trường Đại học công nghiệp Hà Nội và trường Cao đẳng công nghiệp PhúcYên. C 3: IÊ CỨ ÝT YẾT 3.1 Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại 3.1.1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể Trong tự nhiên vật chất tồn tại ở ba trạng thái rắn lỏng khí và chúng được hình thành từ những phần tử nhỏ - Đó là các nguyên tử. Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất mang đầy đủ tính chất của một nguyên tố hoá học. Tính chất của một nguyên tố hoá học hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử và cách sắp xếp của điện tử trong nguyên tố đó. Bởi vậy, nghiên cứu về vật liệu kim loại, phải nghiên cứu từ cấu trúc nguyên tử và sự liên quan giữa các yếu tố trong một nguyên tử, cấu trúc nguyên tử bao gồm: Hạt nhân: Nếu ta quan niệm nguyên tử có dạng hình cầu thì hạt nhân là phần tử phần vật chất nằm ở tâm và mang điện tích dương. 3.1.2 Cấu tạo kim loại Quá trình ăn mòn kim loại là quá trình tương tác giữa kim loại với môi trường. Cấu tạo kim loại có ảnh hưởng nhất định đến quá trình ăn mòn kim loại. Tại điều kiện thường các kim loại và hợp kim đều ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có tính công nghệ.. Có được các tính chất đó là do cấu tạo kim loại. Khi kim loại chuyển trạng thái rắn thì các nguyên tử ion hay kim loại được sắp xếp theo một thứ tự nhất định tạo nên mạng không gian. Cấu tạo nguyên tử (ion) được tạo thành do một hay nhiều điện tử hoá trị của nguyên tử ion kim loại chuyển rời từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Các nguyên tử bị mất điện tử hoá trị trở thành điện tử mang điện tích dương gọi là ion dương hay cation kim loại. Kết quả là trong kim loại tồn tại nguyên tử cùng các điện tích tự do. 8 Các nguyên tử trong kim loại không chuyển động hỗn loạn mà nó chỉ dao động quanh một vị trí nhất định, giữa các nguyên tử có khoảng cách. Nếu nối tâm của các vị trí các nguyên tử lại ta sẽ được mạng không gian gọi là mạng tinh thể. Tuỳ thuộc sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử mà tạo nên các dạng mạng tinh thể khác nhau. Phần thể tích nhỏ nhất của mạng không gian đại diện cho một nguyên tố hoá học gọi là ô mạng cơ bản (ô mạng cơ sở). 3.1.3. Bản chất mối liên kết trong kim loại Mối liên kết trong kim loại về bản chất thì giống mối liên kết cộng hóa trị nhưng có điểm khác là các điện tử hóa trị trong kim loại không chỉ dùng riêng cho một cặp liên kết đứng gần nhau nào, mà dùng chung cho toàn bộ khối kim loại. Các điện tử hóa trị sau khi tách khỏi hóa trị kim loại thì chuyển động từ quỹ đạo thuộc nguyên tử này sang quỹ đạo thuộc nguyên tử khác. Nó không phụ thuộc vào bất kỳ một nguyên tử nhất định nào trong mạng lưới tinh thể. Các điện tử tự do chuyển động hỗn loạn tạo thành mây điện tử trong kim loại. Tương tác giữa lớp khí điện tử với các nguyên tử kim loại tạo nên mối liên kết đặc biệt, gọi là mối liên kết kim loại. Từ cấu tạo và bản chất mối liên kết kim loại mà kim loại có tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính công nghệ,... Khi ta thiết lập một hiệu điện thế giữa hai đầu một thanh kim loại thì các điện tử tự do sẽ chuyển từ chuyển động hỗn loạn sang chuyển động có hưởng trong điện trường tạo thành dòng kim loại. Khi ta nung nóng ở một điểm nào đó của thanh kim loại; nhiệt năng sẽ làm các nguyên tử ở đó dao động. Dao động nhiệt của các nguyên tử sẽ lan truyền từ nguyên tử này sang nguyên tử lân cận...Kết quả là tạo nên tính dẫn nhiệt của kim loại. Khi gia công bằng áp lực, các lớp kim loại trượt lên nhau. Các điện tử tự do vẫn giữ nguyên mối liên kết giữa các nguyên tử - điều đó giải thích khả năng định hình của chi tiết kim loại. 3.2. Lý thuyết về ăn mòn và mài mòn kim loại Các thiết bị máy móc, các kết cấu công trình các vật liệu kim loại...sau một thời gian làm việc hay bảo quản không được tốt thì thường xuyên bị han gỉ rồi dẫn đến hỏng. Sự hư hỏng đó do nhiều nguyên nhân gây nên chẳng hạn: Các thiết bị lò 9 đốt hay nồi hơi sau một thời gian làm việc bị hư hỏng. Sự hư hỏng các chi tiết này là do sự tạo các oxit kim loại làm cho chúng giảm dần về kích thước và kết cấu; các thùng chứa axit, các ống dẫn chất lỏng bằng kim loại, các chi tiết, vật liệu kim loại khác để trong không khí sau một thời gian sử dụng và bảo quản bị hư hỏng do ăn mòn... Vậy hiện tượng mòn kim loại là hiện tượng phá hủy kim loại hay hợp kim gây nên tác dụng hóa học, điện hóa hay cơ học xảy ra giữa chúng với môi trường bên ngoài hoặc giữa chúng với nhau. 3.4. oá nhiệt luyện 3.4.1. Khái niệm chung Hóa nhiệt luyện là một trong các phương pháp hóa bề mặt được sử dụng khá phổ biến, nó khác với nhiệt luyện là ngoài việc làm thay đổi cấu trúc bên trong còn làm thay đổi thành phần hóa học của lớp bề mặt. Hóa nhiệt luyện được thực hiện bằng cách làm bão hòa lên bề mặt thép một hay nhiều nguyên tố (C, N, CN, Al, Si, Cr) để làm thay đổi thành phần hóa học, do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt theo mục đích nhất định. Hóa nhiệt luyện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì nó cho phép thay đổi trong một khoảng rộng thành phần, tổ chức và tính chất lớp bề mặt của chi tiết. 3.4.2. Các quá trình hóa nhiệt luyện Dưới tác dụng của môi trường bên ngoài và nhiệt độ, khi hóa nhiệt luyện thành phần hóa học của lớp bề mặt kim loại bị thay đổi (cùng với sự thay đổi tổ chức tế vi) Hóa nhiệt luyện nhằm mục đích nâng cao giới hạn mỏi của thép kết cấu khi chịu tải có chu kì, nâng cao độ chống mài mòn của bề mặt làm việc của chi tiết có khả năng chịu tác dụng của môi trường bên ngoài ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao (ổn định chống ăn mòn và ổn định nóng). Bất kỳ một quá trình nhiệt luyện nào cũng đều được thực hiện do sự tác dụng tương hỗ của môi trường lỏng và khí bên ngoài với bề mặt kim loại nhờ sự hấp thụ và khuếch tán các nguyên tố hoạt tính ở trạng thái nguyên tử trong kim loại việc nghiên cứu một cách tổng hợp các hiện tượng xảy ra trong môi trường bên ngoài, trên bề mặt 10 và bên kim loại, là phương pháp khoa học chủ yếu để nghiên cứu quá trình và phân loại chúng khi các hiện tượng xảy ra với tốc độ nhỏ nhất và ngừng hoàn toàn . 3.4.3. Cơ sở của nhiệt luyện Thông thường, khi hóa nhiệt luyện người ta đặt chi tiết vào trông môi trường (rắn, lỏng, hoặc khí) có khả năng phân hóa ra nguyên tử hoạt của nguyên tố định khuếch tán rồi đun nóng chúng đến nhiệt độ thích hợp, giữ lâu ở nhiệt độ này để khuếch tán các nguyên tố cần thấm vào chi tiết. các quá trình tấm xảy ra theo ba giai đoạn tiếp nhau như sau, phân hủy, hấp thụ, khuếch tán. a) Phân hủy Phân hủy là quá trình phân tích phân tử tạo nên nguyên tử hoạt tính của nguyên tố khuếch tán. Quá trình này xảy ra trong môi trường hóa nhiệt luyện và các nguyên tử hoạt tính được tạo thành có khả năng khuếch tán vào bề mặt kim loại . Khi thấm cacbon, quá trinh phân hủy xảy ra như sau: 2CO  CO2+ Cht CH4  2H2 + Cht 2NH3  3H2 +Nht Những nguyên tử cacbon hoặc nitơ hoạt tính sẽ hấp thụ vào bề mặt thép, sau đó chúng khuếch vào trong để tạo thành lớp khuếch tán. b) Hấp thụ Sau khi phân hủy, các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép, sau đó chúng khuếch vào kim loại cơ sở tạo nên dung dịch rắn hoặc các pha phức tạp, pha trung gian hoặc các hợp chất hóa học. Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép lớp có noàng ủoọ nguyên tố định khuếch tán vào cao, tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi. c) Khuếch tán Các nguyên tử hoạt hấp thụ vào lớp bề mặt thép với nồng ủoọ cao sẽ được khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm với chiều sâu nhất định. Nhờ khuếch tán lớp thấm được hình thành và nó là cơ sở của hóa - nhiệt luyện. Chiều dày lớp khuếch tán 11 phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và nhiệt độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt như trình bày ở hình 3.6 12 C 4. T Ấ IT 4.1. Định nghĩa và mục đích Thấm nitơ là phương pháp nhiệt luyện làm bão hoà ( thấm và khuếch tán) nitơ vào bề mặt thép, nhằm mục đích chủ yếu là: - Làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn. - Tăng độ bền mỏi. - Tăng khả năng chống ăn mòn trong các môi trường không khí, hơi, nước ... - Trang trí nghệ thuật cho sản phẩm. Độ cứng của lớp thấm nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ 400  500 C, trong khi ấy độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 200  225 C. Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xilanh của động cơ lớn, khuôn dập cũng như dụng cụ cắt gọt. 4.2. ý thuyết về nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ Giản đồ pha của Fe-N được nêu trên hình 4.1. Từ giản đồ của hệ Fe-N ta thấy gồm có các pha:  - Dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong  -Fe, được gọi là ferít nitơ.  - Dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong  -Fe, được gọi là austenít nitơ, chỉ tồn tại ở cao hơn 591 C; tại nhiệt độ này khi làm nguội  phân hoá thành hỗn hợp cùng tích (    ’).  ’- Dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ Fe4N, là pha rất cứng.  - Dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ Fe2N, Fe2N ứng với 11,2%N, song pha này tồn tại ngay cả khi lượng nitơ bằng 8%. Nitơ cũng tạo nên pha xen kẽ với nhiều kim loại chuyển tiếp: CrN, Cr 2N, MnN, TiN, MoN, Mo2N, VN, V2N, WN… 4.3. Thép dùng để thấm nitơ Độ cứng của lớp thấm nitơ trong thép cacbon không lớn, vì thế nitơ để đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao người ta không dùng thép cacbon thông thường, vì 13 các nitrit sắt có khuynh hướng kết tụ ở nhiệt độ cao, do vậy có kích thước lớn, lớp thấm không có độ cứng và tính chống mài mòn cao và trở nên dòn, dễ tróc. Để thấm nitơ thường dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tố như Cr, Mo, Al, chúng có ái lực với nitơ mạnh hơn sắt và các nitrit này không những có độ cứng cao như nitrit sắt mà còn có tính phân tán lớn, ổn định nhiệt cao, do đó lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn rất cao, chắc, không tróc. Khi thấm nitơ cho phép hợp kim sẽ tạo thành những nitrit hợp kim nhỏ mịn ( Cr 2N, Mo2N, AlN…) nên làm tăng độ cứng và tính chống ăn mòn . Để đạt yêu cầu tăng độ cứng và tính chống mài mòn, thấm nitơ thường dùng những thép chuyên dùng như 38CrMoAlA, 38CrCrWVAl, 38CrAl. Do sự có mặt đồng thời của các nguyên tố hợp kim như Crôm, nhôm, môlipđen nên độ cứng của lớp thấm có thể đạt tới 1200Hv hoặc cao hơn. Thấm nitơ để tăng tính chống ăn mòn có thể dùng cho tất cả các loại thép, kể cả thép cacbon. 4.4. Công nghệ thấm nitơ Khi thấm nitơ, thời gian thấm thường rất dài và mà chiều dày lớp thấm lại rất mỏng do quá trình thấm được tiến hành ở nhiệt độ thấp ( 500  650 C ), hệ số khuếch tán nhỏ. Tốc độ thấm nitơ chậm hơn thấm cacbon tới 10 lần. Ví dụ muốn được lớp thấm dày 0,25 – 0,3 mm cần 24 giờ; lớp thấm dày 0,4 mm cần 48 giờ khi thấm ở nhiệt độ 500  520 C. Nếu thấm ở nhiệt độ cao hơn, sự phân hoá của amôniac quá mạnh, lượng nitơ nguyên tử tạo thành quá nhiều cũng không tốt, lớp thấm kém cứng mặc dầu tốc độ thấm có thể tăng lên. Thấm nitơ tiến hành trong môi trường amôniac. ở nhiệt độ cao, amôniac ( NH3 ) sẽ phân huỷ, mức độ phân huỷ sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ. + Ở nhiệt độ 480  500 C, mức độ phân huỷ là 15 – 20%. + - 500  520 C, - 20 – 25%. + - 540  560 C, - 30 – 50%. + - 550  570 C, - 35 – 55%. + - 600  620 C, - 50 -70%. 14 4.5. Các phương pháp thấm nitơ Thấm nitơ được chia ra làm các loại sau đây : 4.5.1. Thấm nitơ thể khí + Chuẩn bị chi tiết: Chi tiết trước khi thấm được tẩy sạch dầu mỡ. Thông thường rửa chi tiết bằng dầu mazút. Những phần bề mặt không cần thấm có thể chống thấm bằng cách mạ thiếc. Đơn giản là dùng cách bôi lớp thuỷ tinh lỏng lên lớp bề mặt chi tiết đã được tẩy rửa sạch. Sau đó tiến hành xấy chi tiết ở 100 C thời gian 1giờ, ở nhiệt độ 120 C thêm 1 giờ nữa. + Chế độ thấm nitơ: Kết quả thấm nitơ phụ thuộc vào 3 yếu tố: Nhiệt độ thấm, độ phân giải amôniac và thời gian thấm. Người ta chia ra thành 3 loại công nghệ thấm nitơ. 4.5.2. Thấm nitơ thể lỏng 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 570 C. Sau khi thấm trên bề mặt tạo thành một lớp cacbit – nitrit Fe3(N,C) có khả năng chống mài mòn cao và không bị phá huỷ dòn. Tiếp theo lớp cabit – nitrit là lớp dung dịch rắn  , toàn bộ chiều dày lớp thấm vào khoảng 0,15 – 0,5 mm. 4.5.3. Công dụng của thấm nitơ Thấm nitơ được áp dụng trong những trường hợp sau đây: 4.5.3.1. Thấm nitơ để tăng cứng và tính chống mài mòn 4.5.3.2. Thấm nitơ để tăng tính chống ăn mòn 4.5.4 Các dạng khuyết tật sai hỏng khi thấm nitơ và biện pháp ngăn ngừa 4.5.4.1 Biến dạng và thay đổi kích thước 4.5.4.2 Độ giòn cao và bong lớp thấm Nguyên nhân chính của hiện tượng giòn là do hiện tượng quá bão hoà nitơ, pha  ở bề mặt dày. Để khắc phục hiện tượng này thường phải mài bề mặt đi một lớp mỏng 0,01 – 0,05 mm. Như vậy sẽ khử được lớp giòn và không làm giảm độ cứng của chi tiết. 15 Đối với các loại thép có hạt lớn còn có khả năng tạo lưới nitrit cà gây hiện tượng bong lớp thấm. Để khắc phục hiện tượng này bằng cách giảm lương amôniac NH3 trước khi kết thúc thấm 1 – 2 giờ. 4.5.4.3 Độ cứng thấp và không đồng đều Độ cứng thấp là do nhiệt độ thấm cao, hạt thép lớn và thoát cacbon trong quá trình thấm. Để khắc phục hiện tượng này cần đảm bảo nhiệt độ thấm chính xác, duy trì đúng chế độ cấp amôniac và đảm bảo liên tục. Hiện tượng độ cứng không đồng đều do chi tiết tẩy rửa không sạch và tổ chức tế vi của chi tiết không đều. Để khắc phục hiện tượng này cần tẩy rửa sạch chi tiết, kiểm tra tổ chức tế vi phôi thép làm chi tiết trước khi chế tạo. 4.5.4. 4 Lớp thấm mỏng Hiện tượng này do giảm nhiệt độ thấm, tăng độ phân giải NH 3 và giảm thời gian thấm. Để khắc phục hiện tượng này cần đảm bảo đúng quy trình công nghệ thấm. 4.6. Thấm nitơ - cácbon plasma 4.6.1 Thấm plasma 4.6.2 Nguyên tắc của glow discharge 16 Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý tạo thành plasma 4.6.3. Thấm plasma itơ 4.6.3.1. Khái niệm Hình 4.7. Quá trình thấm Nitơ plasma 4.6.3.2 Cấu trúc tế vi 17 Hình 4.8 Tổ chức lớp thấm và dự báo chiều sâu lớp thấm 4.6.3.3. u điểm chính của thấm plasma itơ CH 5: QUY TRÌNH GIA CÔNG BÁ R 5.1 Chọn vật liệu bánh răng 5.2 Quy trình công nghệ gia công bánh răng thẳng * Thông số bánh răng: - Môdun: m =2,5 (mm) - Bước răng; t = 7,85 (mm) - Số răng Z = 27 - Đường kinh vòng chia: d = 67,5 (mm) - Đường kính đỉnh răng: De= 72,5. - Chiều cao răng: h = 5,625 (mm). - Chiều cao đầu răng: ha = 2,5 (mm) - Chiều cao chân răng: hf = 3,125 (mm) - Chiều dày răng theo cung của đường chia: S = 3,927. - Chiều dày răng: B = 25 Quy trình công nghệ: Bánh răng gia công Nguyên công 1: Gia công lỗ Nguyên công 2: Gia công mặt ngoài Nguyên công 3: Xọc rãnh then: Nguyên công 4: Cắt răng Nguyên công 5: Vê đầu răng Nguyên công 6: Nhiệt luyện 18 C 6: IÊ CỨ T ỰC 6.1 Thiết bị thấm itơ 6.1.1 Một số hình ảnh của lò thấm Nitơ Hình 6.1. Hình ảnh lò thấm Nitơ thể khí Hình 6.2 Hình ảnh lò thấm Nitơ thể lỏng 19 IỆ Hình 6.3 Hình ảnh lò thấm nitơ plasma Hình 6.5 Hình ảnh lò thấm nitơ plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Việt nam 20