Bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2

học nghiên cứu về tổ chức, tính chất của vật liệu, và phạm vi ứng dụng các loại của chúng. Trong mọi công việc của cử nhân, kỹ sư cơ khí, từ việc quyết định phương án thiết kế, tính toán kết cấu cho đến gia công, chế tạo, lắp ráp, vận hành máy, thiết bị, tất thảy đều có liên quan mật thiết đến lựa chọn và sử dụng vật liệu. Điều quan trọng nhất đối với người học là phải nắm được cơ tính và tính công nghệ của các vật liệu kể trên để có thể lựa chọn và sử dụng chúng tốt nhất và hợp lý, đạt các yêu cầu cơ tính đề ra với chi phí gia công ít nhất, giá thành rẻ và có thể chấp nhận được. Nhằm đáp ứng mục tiêu đào tạo theo học chế tín chỉ, ngành cơ khí tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định theo xu hướng phát triển của khu vực, nhóm tác giả biên soạn tập bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2. Tập bài giảng được dùng để giảng dạy và làm tài liệu chính cho sinh viên hệ Đại học và Cao đẳng kỹ thuật học tập, ngoài ra có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các chuyên ngành kỹ thuật khác. Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng sử dụng những hiểu biết và kinh nghiệm cũng như thực tế Việt Nam tích lũy được trong quá trình công tác giảng dạy và thực tiễn, đồng thời tham khảo chương trình giảng dạy cũng như các sách giáo khoa về vật liệu học ở các trường đại học xuất bản trong những năm gần đây. NHÓM TÁC GIẢ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................................vii CHƯƠNG. NHIỆT LUYỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP........ 1 1.1. Nhiệt luyện.............................................................................................................1 1.1.1.Định nghĩa và đặc điểm chung của nhiệt luyện ................................................1 1.1.2. Các chuyển biến khi nung nóng thép- Sự tạo thành austenit ...........................1 1.1.3. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt...............................................................3 1.1.4. Các chuyển biến của austennit khi làm nguội..................................................4 1.2. Ủ và thường hóa thép.............................................................................................9 1.2.1. Ủ thép ...............................................................................................................9 1.2.2. Thường hoá thép ............................................................................................11 1.3. Tôi thép ................................................................................................................12 1.3.1. Định nghĩa và mục đích .................................................................................12 1.3.2. Chọn nhiệt độ tôi............................................................................................12 1.3.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi ...................................................................13 1.3.4. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trường tôi ..................15 1.3.5. Cơ – nhiệt luyện .............................................................................................18 1.4. Ram thép ..............................................................................................................20 1.4.1. Định nghĩa và mục đích .................................................................................20 1.4.2. Các phương pháp ram ....................................................................................20 1.5. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện ..................................................................21 1.5.1. Biến dạng và nứt ............................................................................................21 1.5.2. Ôxy hoá và thoát Cacbon ...............................................................................22 1.5.3. Độ cứng không đạt ........................................................................................23 1.5.4. Tính giòn cao..................................................................................................23 1.6. Các phương pháp hóa bền bề mặt thép................................................................23 1.6.1. Phương pháp cơ học.......................................................................................23 1.6.2. Phương pháp nhiệt luyện bề mặt....................................................................24 1.6.3. Phương pháp hóa nhiệt luyện.........................................................................27 Câu hỏi ôn tập ...............................................................................................................................36 CHƯƠNG 2. THÉP VÀ GANG.................................................................................................37 2.1.Thép Cacbon .........................................................................................................37 2.1.1.Thành phần hóa học ........................................................................................37 2.1.2. Ảnh hưởng của Cacbon đến tổ chức và tính chất của thép Cacbon...............37 2.1.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố khác ...............................................................39 2.1.4. Phân loại thép Cacbon....................................................................................40 i 2.1.5. Ký hiệu và công dụng của các nhóm thép Cacbon ........................................42 2.1.6. Ưu nhược điểm của thép cacbon....................................................................44 2.2. Thép hợp kim.......................................................................................................45 2.2.1. Tác dụng của nguyên tố hợp kim...................................................................46 2.2.2. Phân loại thép hợp kim...................................................................................59 2.2.3. Ký hiệu thép hợp kim.....................................................................................60 2.3. Thép cán nóng thông dụng...................................................................................60 2.3.1. Thành phần và tính chất .................................................................................60 2.3.2. Nhóm thép Cacbon.........................................................................................62 2.3.3. Nhóm thép hợp kim vi lượng .........................................................................62 2.3.4. Nhóm thép hai pha đối nghịch (ferit-Mactenxit) ...........................................63 2.3.5. Nhóm thép hợp kim thấp................................................................................63 2.4. Thép kết cấu.........................................................................................................64 2.4.1. Khái niệm, đặc điểm và phân loại thép kết cấu..............................................64 2.4.2. Thép thấm Cacbon .........................................................................................65 2.4.3. Thép hóa tốt....................................................................................................67 2.4.4. Thép đàn hồi...................................................................................................68 2.5. Thép dụng cụ........................................................................................................69 2.5.1. Khái niệm và phân loại...................................................................................69 2.5.2. Thép dao cắt ...................................................................................................69 2.5.3. Thép khuôn dập nguội....................................................................................74 2.5.4. Thép khuôn dập nóng.....................................................................................75 2.5.5. Thép làm dụng cụ đo lường ...........................................................................76 2.6. Thép và hợp kim đặc biệt.....................................................................................77 2.6.1. Thép và hợp kim có tính chống mài mòn cao................................................77 2.6.2. Thép không gỉ.................................................................................................80 2.6.3. Thép và hợp kim chịu nhiệt (làm việc ở nhiệt độ cao). .................................85 2.7. Các loại gang........................................................................................................88 2.7.1. Đặc điểm chung của gang ..............................................................................88 2.7.2. Tổ chức tế vi và cơ tính của các loại gang .....................................................91 Câu hỏi ôn tập ...............................................................................................................................99 CHƯƠNG 3. HỢP KIM MÀU VÀ BỘT................................................................................100 3.1. Nhôm và hợp kim nhôm ....................................................................................100 3.1.1. Những đặc tính chủ yếu của nhôm...............................................................100 3.1.2. Phân loại và ký hiệu .....................................................................................100 3.1.3. Nhôm sạch kỹ thuật......................................................................................102 3.1.4. Hợp kim nhôm biến dạng.............................................................................102 ii 3.1.5. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện ........................102 3.1.6. Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện....................................104 3.1.7. Hợp kim nhôm đúc.......................................................................................106 3.2. Đồng và hợp kim đồng ......................................................................................108 3.2.1. Đồng đỏ ........................................................................................................108 3.2.2. Latông...........................................................................................................110 3.2.3. Brông............................................................................................................112 3.3. Hợp kim ổ trượt .................................................................................................114 3.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt ...........................................................114 3.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp. .......................................................115 3.3.3. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy cao..........................................................115 3.4. Hợp kim bột .......................................................................................................116 3.4.1. Khái niệm chung ..........................................................................................116 3.4.2. Vật liệu cắt và mài........................................................................................117 3.4.3. Vật liệu kết cấu.............................................................................................120 3.4.4. Hợp kim xốp và thấm...................................................................................122 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................125 CHƯƠNG 4. VẬT LIỆU VÔ CƠ (CERAMIC).....................................................................126 4.1. Cấu trúc của vật liệu vô cơ ................................................................................127 4.1.1. Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ .......................................................127 4.1.2. Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình..............................................127 4.1.3. Vật liệu đa pha và đa tinh thể.......................................................................130 4.2. Tính chất cơ học.................................................................................................131 4.3. Các loại vật liệu vô cơ và ứng dụng ..................................................................132 4.3.1. Gốm và vật liệu chịu lửa ..............................................................................132 4.3.2. Thủy tinh và gốm thủy tinh..........................................................................133 4.3.3. Xi măng và bê tông ......................................................................................134 4.4. Sản xuất và xử lý các loại vật liệu vô cơ ...........................................................136 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................138 CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU POLYME........................................................................................139 5.1. Sản xuất vật liệu polyme....................................................................................140 5.1.1. Nguyên vật liệu ............................................................................................140 5.1.2. Các phương pháp tổng hợp polyme .............................................................140 5.2. Gia công vật liệu polyme ...................................................................................143 5.2.1. Tính chất gia công của vật liệu polyme .......................................................143 5.2.2. Tạo hình không phoi vật liệu polyme ..........................................................145 5.2.3. Cắt ................................................................................................................146 iii 5.2.4. Ghép .............................................................................................................147 5.2.5. Phủ bề mặt....................................................................................................149 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................150 CHƯƠNG 6. VẬT LIỆU COMPOZIT....................................................................................151 6.1. Khái niệm về compozit ......................................................................................151 6.1.1. Khái niệm .....................................................................................................151 6.1.2. Phân loại.......................................................................................................151 6.2. Compozit hạt......................................................................................................152 6.3. Compozit cốt sợi ................................................................................................153 6.4. Compozit cấu trúc..............................................................................................154 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................156 CHƯƠNG 7. ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU................................................................157 7.1. Khái niệm chung về ăn mòn kim loại................................................................157 7.2. Cơ chế ăn mòn điện hoá.....................................................................................157 7.2.1. Các phản ứng điện hóa .................................................................................157 7.2.2. Xu thế ăn mòn ..............................................................................................158 7.2.3. Các dạng ăn mòn điện hóa ...........................................................................159 7.3. Bảo vệ chống ăn mòn.........................................................................................165 7.3.1. Sơn phủ.........................................................................................................165 7.3.2. Bảo vệ điện hóa ............................................................................................166 7.3.3. Ăn mòn hóa học ..........................................................................................167 7.4. Ăn mòn khô và cách chống ăn mòn khô............................................................168 Câu hỏi ôn tập ...........................................................................................................169 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................170 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các thông số đặc trưng của quá trình nhiệt luyện.........................................1 Hình 1.2. Giản đồ pha Fe-C (phần thép).......................................................................2 Hình 1.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P→γ của thép cùng tích ............................2 Hình 1.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit tấm........................3 Hình 1.5. Sơ đồ phát triển austenit, I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn................3 Hình 1.6. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích ................................................................4 Hình 1.7. Tổ chức tế vi của xoobit tôi ..........................................................................5 Hình 1.8. Tổ chức tế vi của trôxit tôi............................................................................5 Hình 1.10. Giản đồ chuyển biến austenit làm nguội liên tục........................................6 Hình 1.11. Tốc độ tới hạn để tạo thành tổ chức Mactenxit .........................................8 Hình 1.12. Kiểu mạng mactenxit và tổ chức maxtenxit ..............................................8 Hình 1.13. Đường cong động học chuyển biến mactenxit ...........................................8 Hình 1.14. Độ cứng tôi phụ thuộc %C .........................................................................9 Hình 1.15. Khoảng nhiệt độ của ủ, thường hoá và tôi của thép cacbon .....................13 Hình 1.16. Sơ đồ giải thích độ thấm tôi......................................................................14 Hình 1.17. Chiều sâu lớp tôi cứng của một số loại thép.............................................14 Hình 1.18. Thí nghiệm tôi đầu mút (xác định độ thấm tôi) ........................................15 Hình 1.19. Phương pháp tôi.......................................................................................15 Hình 1.20. Đường nguội lý tưởng khi tôi ...................................................................16 Hình 1.21. Tổ chức tế vi của maxtenxit và austenit dư ..............................................20 Hình 1.22. Tổ chức tế vi của trôxit ram......................................................................21 Hình 1.23. Tổ chức tế vi của xoocbit ram...................................................................21 Hình 1.24. Nung nóng và tôi cảm ứng.......................................................................25 Hình 1.25. Nguyên lý làm việc của vòng cảm ứng.....................................................25 Hình 1.26. Một số loại vòng cảm ứng ........................................................................25 Hình 1.27. Cấu tạo của ngọn lửa.................................................................................27 Hình 1.28. Hộp thấm C thể rắn...................................................................................29 Hình 1.29. Sơ đồ lò thấm cacbon bằng dầu hỏa .........................................................30 Hình 1.30. Giản đồ Fe-N.............................................................................................32 Hình 2.1. Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép cacbon ở trạng thái ủ ...........38 Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo của thỏi đúc thép sôi (a) và thép lặng (b).............................41 Hình 2.3. Giản đồ pha sắt – nguyên tố hợp kim .........................................................47 Hình 2.4. Giản đồ pha sắt – nguyên tố hợp kim .........................................................47 Hình 2.5. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến cơ tính của ferit ...........................48 Hình 2.6. Sự chuyển dịch của đường cong chữ ‘C’ của nguyên tố hợp kim..............52 Hình 2.7. Sơ đồ biểu diễn sự giảm tốc độ tôi tới hạn (a) và sự tăng độ thấm tôi (b)của v thép hợp kim so với thép cacbon (Vth1 và Vth2) là tốc độ tôi tới hạn, còn δ1 và δ2 là độ thấm tôi lần lượt của thép cacbon và thép hợp kim....................................................53 Hình 2.8. Quan hệ giữa độ dai va đập và nhiệt độ ram ..............................................58 Hình 2.8. Đường cong chữ ‘C’ của các loại thép .......................................................59 Hình 2.12. Quy trình nhiệt luyện kết thúc thép gió 80W18Cr4VMo.........................73 Hình 2.13. Tổ chức tế vi của gang xám ......................................................................91 Hình 2.14. Tổ chức tế vi của gang cầu .......................................................................94 Hình 2.15. Tổ chức tế vi gang dẻo..............................................................................96 Hình 3.1. Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha.....................................................101 Hình 3.2. Tổ chức hợp kim ổ trượt ...........................................................................114 Hình 4.1. Khả năng liên kết tạo vật liệu vô cơ .........................................................126 Hình 4.2. Các dạng cấu trúc silicat ...........................................................................128 Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc ...........................................................................................130 Hình 6.1. Sơ đồ minh họa cấu tạo compozit.............................................................151 Hình 6.2. Sơ đồ phân bố cốt sợi................................................................................153 Hình 6.3. Sơ đồ sắp xếp các lớp cơ sở khi tạo ra compozit cấu trúc dạng lớp........155 Hình 6.4. Sơ đồ cấu tạo compozit cấu trúc dạng tấm ba lớp ....................................156 Hình 7.1. Ăn mòn tiếp xúc (galvanic) ......................................................................160 Hình 7.2. Ăn mòn khe...............................................................................................160 Hình 7.3. Cơ chế ăn mòn khe ...................................................................................160 Hình 7.4. Một dạng ăn mòn mím nước(1-Vùng ăn mòn, 2-Lớp gỉ sắt) ...................161 Hình 7.5. Ăn mòn ở vùng lắng đọng ........................................................................161 Hình 7.6. Các dạng ăn mòn lỗ ..................................................................................162 Hình 7.7. Ăn mòn lỗ của thép thụ động trong ion Cl- .............................................162 Hình 7.8. Ăn mòn tinh giới của thép không rỉ..........................................................163 Hình 7.9. Ăn mòn nứt ở biên giới hạt thép không rỉ.................................................163 Hình 7.10. Ăn mòn do ứng lực .................................................................................164 Hình 7.11. Ăn mòn lựa chọn (sự phân rã của hợp kim) ...........................................164 Hình 7.12. Ăn mòn mài mòn ....................................................................................165 Hình 7.13. Bảo vệ catốt bằng protector ....................................................................166 Hình 7.14. Sơ đồ bảo vệ ống dẫn dưới đất bằng dòng điện ngoài............................167 Hình 7.15. Nguyên lý dùng anôt trơ .........................................................................167 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tốc độ làm nguội trong các môi trường khác nhau.................................17 Bảng 1.2. Khí thấm của Nga ....................................................................................31 Bảng 1.3. Khí thấm của Hoa Kỳ ..............................................................................31 Bảng 2.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường...............42 Bảng 2.2. Đặc tính tác dụng của một số nguyên tố hợp kim ở trong thép...............56 Bảng 7.1. Thế điện cực của các kim loại ...............................................................158 Bảng 7.2. Ái lực của một số kim loại đối với oxy và lưu huỳnh ..........................168 vii CHƯƠNG 1 NHIỆT LUYỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP 1.1. Nhiệt luyện 1.1.1.Định nghĩa và đặc điểm chung của nhiệt luyện a. Định nghĩa Nhiệt luyện là quá trình nung nóng kim loại hay hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ tại đó một thời gian thích hợp (giữ nhiệt) rồi làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức do đó nhận được cơ tính và các tính chất theo yêu cầu. Đặc điểm của nhiệt luyện đó là không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm, kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất. b. Các thông số đặc trưng cho nhiệt luyện Hình 1.1. Các thông số đặc trưng của quá trình nhiệt luyện + Nhiệt độ nung nóng (tn) là nhiệt độ cao nhất mà quá trình nhiệt luyện phải đạt tới. + Thời gian giữ nhiệt (τgn) là thời gian duy trì chi tiết tại nhiệt độ nung nóng. + Tốc độ nguội (Vnguội) là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời sau khi giữ nhiệt. c. Kết quả của một quá trình nhiệt luyện + Độ cứng là yêu cầu quan trọng nhất và dễ dàng xác định được, nó liên quan đến các chỉ tiêu độ bền, độ dẻo, độ dai... + Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền... + Độ biến dạng, cong vênh, thông thường độ biến dạng, cong vênh khi nhiệt luyện thường nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên trong một số trường hợp yêu cầu rất khắt khe, cần phải kiểm tra chúng.[7] 1.1.2. Các chuyển biến khi nung nóng thép- Sự tạo thành austenit a) Cơ sở xác định chuyển biến khi nung Dựa vào giản đồ (hình 1.2) nhận thấy ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản là ferit (F) và xêmentit (Xê) (trong đó P= [F+Xê]). - Thép cùng tích có tổ chức là P, thép trước cùng tính và sau cùng tích có tổ chức là P+F và P+XêII. 1 Hình 1.2. Giản đồ pha Fe-C (phần thép) Trên giản đồ nhận thấy trong quá trình khi nung nóng thép có một số đặc điểm sau. - Khi T < A1 hợp kim chưa có chuyển biến gì. - Khi T = Ac1 tại đây hợp kim xảy ra phản ứng cùng tích peclit (P) chuyển biến thành austenit (γ), [F+Xê]0,8%C→γ0,8%C. - Khi T > Ac1 xảy ra quá trình F và XêII hoà tan vào trong γ nhưng không hoàn toàn. - Khi T > Ac3 và Acm xảy ra quá trình F và XêII tan hoàn toàn vào trong γ. b) Đặc điểm của chuyển biến Peclit (P) thành austenit + Nhiệt độ và thời gian chuyển biến Hình 1.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P→γ của thép cùng tích Từ giản đồ nhận thấy một số đặc điểm sau. + Vnung càng lớn thì T chuyển biến càng cao. + Tnung càng cao thì khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn. Tốc độ nung V2>V1 thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn. Cơ chế chuyển biến P → γ cũng giống như quá trình kết tinh là tạo mầm và phát 2 triển mầm. Ban đầu do bề mặt phân chia giữa F- Xê rất nhiều nên số mầm rất lớn dẫn tới hạt γ ban đầu rất nhỏ mịn. Hạt γ càng nhỏ thì tạo thành các tổ chức khác có độ bền, độ dẻo, dai cao hơn. Hình 1.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit tấm Về kích thước hạt của austenit phụ thuộc vào một số đặc điểm sau. - Peclit ban đầu càng mịn thì austenit càng nhỏ - Vnung càng lớn thì hạt austenit càng nhỏ - Nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt lớn thì hạt lớn - Theo bản chất thép có hai loại là thép có bản chất hạt lớn và thép có bản chất hạt nhỏ. Hình 1.5. Sơ đồ phát triển austenit, I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn Thép bản chất hạt nhỏ là loại thép được khử oxy triệt để bằng nhôm, thép hợp kim Ti, Mo, V, Zr, Nb...dễ tạo cacbit ngăn cản phát triển hạt. Với hai nguyên tố mangan và phôtpho làm hạt phát triển nhanh.[7] 1.1.3. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt Khi giữ nhiệt tuy không xảy ra các chuyển biến mới, song lại là cần thiết để. + Làm đều nhiệt độ trên tiết diện, để cho lõi cũng có chuyển biến như ở bề mặt bên ngoài. + Có đủ thời gian để hoàn thành khi nung nóng. + Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit (khi trước F nghèo C; Xe giàu C). Chú ý, thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ, không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ làm cho hạt lớn và được chọn phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể. 3 1.1.4. Các chuyển biến của austennit khi làm nguội 1.1.4.1. Chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội của thép cùng tích Những chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt được thể hiện qua giản đồ T-T-T hay còn gọi là giản đồ chữ “C” của thép cùng tích. Hình 1.6. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích Khi austenit bị nguội tức thời dưới 7270C nó chưa chuyển biến ngay được gọi là austenit quá nguội, không ổn định. Trên giản đồ có 5 vùng. - Trên 7270C là khu vực tồn tại của austenit ổn định - Bên trái chữ “C” đầu tiên là vùng austenit quá nguội - Giữa hai chữ “C” austenit đang chuyển biến ở đây tồn tại cả ba pha γ, F, Xê. - Bên phải chữ “C” thứ hai các sản phẩm phân hoá đẳng nhiệt austenit quá nguội là hỗn hợp F-Xê với mức độ nhỏ mịn khác nhau. - Giữa vùng Ms và Mf là vùng tổ chức mactenxit và austenit dư. Các sản phẩm khi làm nguội đẳng nhiệt. Khi giữ austenit quá nguội ở sát A1 (trên dưới 7000C) sau thời gia...1.5.1.2. Ngăn ngừa Nung nóng và đặc biệt là làm nguội với tốc độ hợp lý để đạt độ cứng yêu cầu. Các trục dài nên nung treo để tránh cong. Khi làm nguội phải theo đúng các quy tắc nhúng thẳng đứng, phần dầy xuống trước. Nên tận dụng phương pháp tôi phân cấp, hạ nhiệt độ trước khi tôi. Với các vật mỏng phải tôi trong khuôn ép. 1.5.1.3. Khắc phục. Khi biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết như trục dài, tấm có thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội còn khi bị nứt thì không sử dụng.[7] 1.5.2. Ôxy hoá và thoát Cacbon 1.5.2.1. Nguyên nhân và tác hại Nguyên nhân là do trong môi trường nung có chứa các thành phần có tác dụng ôxy hoá Fe và C; đó là O2, CO2; H2O ...chúng có trong không khí và đi vào khí quyển của lò nung. Thoát C dễ xảy ra hơn là ôxy hoá khi ôxy hoá thường đi kèm với thoát C. Tác hại của ôxy hoá là tạo nên vảy ôxít sắt FeO2, tạo thành vảy bong vỡ, làm hụt kích thước xấu bề mặt sản phẩm. Còn thoát C khó nhận thấy bằng mắt xong sẽ làm giảm độ cứng sau khi tôi. 1.5.2.2. Ngăn ngừa Ngăn ngừa tốt nhất là nung nóng trong khí quyển không có tác dụng ôxy hoá và thoát C. Để thay thế các lò thông thường với khí quyển lò là không khí hay sản phẩm cháy (lò đốt than, dầu ...) người ta sử dụng các lò nung bằng điện có các khí quyển đặc biệt như sau: Khí quyển bảo vệ (hay khí quyển kiểm soát), trong đó các thành phần khí đối lập nhau: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 với tỷ lệ hợp lý để đi đến trung hoà tác dụng của nhau, kết quả là bề mặt được bảo vệ. Khí quyển trung tính như nitơ tinh khiết, tốt nhất là dùng ácgông(Ar) nhưng đắt tiền thường dùng trong phòng thí nghiệm. Nung trong lò chân không có khả năng chống ôxy hoá và thoát C một cách tuyệt đối cho mọi thép. Hiện đang được áp dụng rộng rãi trong các nước tiên tiến. Chú ý trong hoàn cảnh không có các loại khí và lò trên có thể áp dụng các phương pháp sau. Dải than hoa trên đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than. Phương pháp này có nhược điểm vừa làm giảm tuổi thọ của lò vừa kéo dài thời gian nung. Lò muối được khử ôxy triệt để bằng than, ferôsilic cách này chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ, thường dùng để tôi dao cắt. 1.5.2.3. Khắc phục 22 Khi đã xảy ra rất khó khắc phục. Khi thoát C có thể dùng cách thấm C lại, xong sẽ làm tăng biến dạng. 1.5.3. Độ cứng không đạt Là loại khuyết tật mà độ cứng có giá trị cao hoặc thấp hơn so với giá trị quy định. 1.5.3.1. Độ cứng quá cao Xảy ra khi ủ và thường hoá thép hợp kim. Nguyên nhân có thể do thiếu nhiệt, nhiệt độ chưa đủ, thời gian giữ nhiệt ngắn. 1.5.3.2. Độ cứng quá thấp Xảy ra khi tôi, nguyên nhân có thể do thiếu nhiệt như nhiệt độ chưa đủ, thời gian giữ nhiệt ngắn. + Làm nguội không dủ nhanh theo yêu cầu để tạo ra mactenxit. + Thoát C bề mặt. 1.5.4. Tính giòn cao Sau khi tôi thép có thể bị giòn quá mức, trong khi độ cứng vẫn ở mức cao bình thường. Nguyên nhân là do nhiệt độ nung tôi quá cao (gọi là quá nhiệt), hạt thép bị lớn. Khắc phục bằng cách thường hoá để làm hạt nhỏ đi rồi tôi lại, nhưng như vậy sẽ tăng biến dạng. 1.6. Các phương pháp hóa bền bề mặt thép 1.6.1. Phương pháp cơ học 1.6.1.1. Nguyên lý Kim loại gia công ở thể rắn, sau khi gia công không những thay đổi về hình dáng, kích thước mà còn thay đổi cả cơ, lý, hóa tính của kim loại như kim loại mịn chặt hơn, hạt đồng đều, khử các khuyết tật (rỗ khí, rỗ co ) do đúc gây nên, nâng cao cơ tính và tuổi bền chi tiết Nếu bằng phương pháp cơ khí làm biến dạng được bề mặt của thép đến chiều sâu nhất định, thì lớp này do mạng tinh thể bị xô lệch sẽ bị biến cứng (độ cứng và độ bền tăng lên). Như vậy, chi tiết có độ cứng bề mặt cao, còn trong lõi vẫn giữ được độ dẻo dai tốt. Biến cứng bề mặt có đặc điểm sau. - Lớp bề mặt có độ cứng cao do đó chống mài mòn tốt hơn. - Tạo nên lớp ứng suất nén dư ở lớp bề mặt do vậy làm tăng giới hạn mỏi. - Khi biến dạng như vậy làm mất đi khá nhiều tật hỏng ở bề mặt như vết khía, rỗ, do vậy làm giảm nguồn gốc sinh ra các vết nứt mỏi. - Dưới tác dụng của ứng suất khi biến dạng, trong thép tôi có chuyển biến γ dư thành M, do vậy làm tăng tính chống mài mòn của bề mặt thép tôi. Biến cứng bề mặt được áp dụng không những cho thép ủ mà cả cho thép tôi. 1.6.1.2. Các phương pháp cơ học 23 a. Phun bi Phun bắn những viên bi cứng làm bằng thép lò xo hay gang trắng với kích thước (0,5 – 1,5 mm) lên bề mặt chi tiết. Tốc độ của bi đạt đến 50 – 100m/s bằng máy ly tâm quay nhanh sự va đập do phun bắn các viên bi lên bề mặt có tác dụng tạo ra trên bề mặt chi tiết vô cố các vết lõm nhỏ. Chiều sâu lớp biến cứng bề mặt đạt đến 0,7mm. Đặc điểm của phun bi là đạt độ biến dạng dẻo đồng đều, chất lượng cao, thiết bị đơn giản dễ điều chỉnh, không tạo được lớp hóa bền chiều dài lớn. b. Lăn ép Lăn bằng con lăn hay bằng bi với áp lực lớn nhờ lò xo hay máy nén thủy lực. Chiều sâu lớp biến cứng có thể đạt tới 15mm. Thường áp dụng cho các chi tiết lớn như cổ trục toa xe lửa, cổ trục khuỷu. c. Đập Đập là hình thức biến dạng bề mặt bằng va đập tạo nên bởi các dụng cụ va đập, gá lắp va đập bằng lò xo và được thực hiện trên máy công cụ. Lớp biến cứng có thể sâu tới 35mm, vì vậy thường dùng dập trong chế tạo để hóa bền các chi tiết lớp của thiết bị rèn ép và máy nén thủy lực.[18] 1.6.2. Phương pháp nhiệt luyện bề mặt Tôi bề mặt là phương pháp nung nhanh bề mặt tới nhiệt độ sau đó làm nguội để thu được bền mặt có tổ chức mactenxit, phần lõi giữ nguyên cơ tính tổng hợp cao. Có nhiều phương pháp tôi bề mặt song chúng đều dựa trên nguyên lý chung là nung nóng thật nhanh bề mặt với chiều sâu nhất định lên đến nhiệt độ tôi, trong khi đó phần lớn tiết diện không được nung nóng, khi làm nguội nhanh tiếp theo chỉ có bề mặt được tôi cứng còn lõi không được tôi vẫn đảm bảo mềm, dẻo. Có thể nung nóng nhanh bề mặt để tôi bằng các phương pháp sau: - Nung nóng bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao - Nung nóng bằng ngọn lửa của hỗn hợp khí C2H2 + O2 - Nung nóng bằng tiếp xúc giữa 2 phần tiếp giáp nhau khi có dòng điện chạy qua - Nung nóng trong chất điện phân 1.6.2.1. Tôi cao tần a. Nguyên lý nung nóng bề mặt Khi một chi tiết kim loại đặt trong từ trường biến thiên sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng nên trong chi tiết sẽ có dòng điện cảm ứng cùng tần số. Nhờ tính chất này người ta dùng dòng điện có tần số cao hàng nghìn đến hàng chục vạn Hz nên dòng cảm ứng cũng có tần số cao như vậy. Đặc tính nổi bật của dòng điện cảm ứng có tần số cao là nó có mật độ lớn nhất ở bề mặt và giảm nhanh về phía lõi vật dẫn, nhờ đó có khả năng nung nóng nhanh bề mặt lên đến nhiệt độ tôi. Chiều sâu nung được xác định theo công thức sau: ∆= 5030(ρ/µf)1/2 24 Trong đó ρ là điện trở suất (Ω.cm); µ là độ từ thẩm; f là tần số Hình 1.24. Nung nóng và tôi cảm ứng a) Sơ đồ nung nóng cảm ứng b) Tôi khi nung nóng toàn bộ bề mặt tôi c) Tôi khi nung nóng và làm nguội liên tục 1. Chi tiết tôi, 2. Vòng cảm ứng, 3. Vòng phun nước, 4. Đường sức từ trường Hình 1.25. Nguyên lý làm việc của vòng cảm ứng Hình 1.26. Một số loại vòng cảm ứng a. Nung mặt ngoài chi tiết hình trụ 25 b, g. Nung mặt trong c. Nung mặt ngoài chi tiết hình chóp d. Nung mặt phẳng e. Nung mặt và cuối chi tiết hình trụ h. Vòng cảm ứng tháo được để nung cổ trục khuỷu i. Nung tấm và hình dạng phức tạp k. Nung từng răng bánh răng môđun lớn b. Chọn tần số thiết bị Tần số của dòng điện quyết định chiều dày lớp nung nóng do đó quyết định chiều sâu lớp tôi cứng. Chiều sâu lớp tôi cứng đối với các chi tiết khác nhau cũng khác nhau, các chi tiết với tiết diện lớn cần chiều sâu lớp tôi cứng dày hơn so với các chi tiết với tiết diện bé hơn. Thông thường chiều sâu lớp tôi cứng được chọn theo 2 mức (4 – 6) mm đối với các chi tiết lớn và (1-2)mm đối với chi tiết bé. Bánh răng chiều dày lớp tôi bằng (0,2-0,28)M (M là mô đun răng). Khi cần lớp tôi dày (4-5mm) thiết bị 2500 hay 8000Hz, P=100kW trở lên. Với lớp tôi mỏng (1- 2mm) thiết bị cần tần số cao (60000 hay 250000Hz), P= 50-100kW. c. Các phương pháp tôi Vòng cảm ứng được uốn sao cho có dạng bao, ôm lấy phần bề mặt cần nung để tôi song không được tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5-5,0mm càng nhỏ càng đỡ tổn hao. Có ba kiểu tôi sau. - Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt. - Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt tôi từng răng cho các bánh răng lớn (m>6) hay các cổ trục khuỷu. - Nung nóng và làm nguội liên tục trục dài, băng máy. d. Ưu, nhược điểm Ưu điểm Năng suất cao do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt được tạo ra ngay trong lớp kim loại. Chất lượng tốt, tránh được các khuyết tật oxy hóa, thoát cacbon, chất lượng đồng đều, kết quả ổn định. Độ cứng cao hơn so với tôi thường. Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, thích hợp cho sản xuất hàng loạt. Nhược điểm Khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột...khó chế tạo vòng cảm ứng thích hợp.[4] 1.6.2.2. Tôi bề mặt bằng nung nóng bởi ngọn lửa C2H2 + O2 Tôi bề mặt theo phương pháp này được thực hiện bằng cách dùng mỏ đót hỗn hợp khí C2H2 + O2 của thiết bị hàn hơi. 26 Ngọn lửa của mỏ đốt hỗn hợp khí trên rất nóng, có chỗ tới 30000C do vậy có khả năng nung nóng nhanh bề mặt đến nhiệt độ cao, trong khi đó lõi vẫn nguội. Sau khi làm nguội nhanh chỉ có lớp bề mặt được tôi cứng. Hình 1.27. Cấu tạo của ngọn lửa Cấu tạo của ngọn lửa gồm ba vùng đó là vùng nhân, vùng làm việc (nhiệt độ cao nhất) và vùng nung sơ bộ. Vùng có nhiệt độ cao nhất chính là vùng được sử dụng để nung chi tiết đến nhiệt độ tôi. Đặc điểm của phương pháp: - Thiết bị đơn giản, dễ thực hiện, tính cơ động cao (dễ lắp đặt, di chuyển và có thể đặt ngay ở trong xưởng cơ khí, có thể tôi được những chi tiết lớn hoặc bé. - Chất lượng khó bảo đảm tốt ngọn lửa có nhiệt độ quá cao do vậy bề mặt thép dễ bị quá nhiệt, hạt lớn do vậy có thể gây ra oxy hóa và dễ bị chảy bề mặt. Chiều dày lớp tôi khoảng 5-10mm và khó điều chỉnh lớp nung nóng. - Năng suất thấp, chỉ thích hợp với sản xuất đơn chiếc.[18] 1.6.3. Phương pháp hóa nhiệt luyện 1.6.3.1. Định nghĩa và mục đích a. Định nghĩa Hóa nhiệt luyện là phương pháp làm bão hòa các nguyên tố đã cho (C, N, B, Cr, Al...) vào bề mặt thép để làm thay đổi thành phần hóa học, do đó làm thay đổi tổ chức và đạt được tính chất theo quy định. b. Mục đích Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho thép. Với mục đích này đạt được cao hơn so với tôi bề mặt. Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa, hóa học (chống oxy hóa ở nhiệt độ cao). Tuy nhiên mục đích này ít thực hiện do nhiệt độ quá cao, thời gian quá dài, chi phí lớn giá thành cao. c. Các quá trình xảy ra Phân hóa là quá trình phân tích các phân tử của chất khuếch tán tạo nên các nguyên tử có tính hoạt động mạnh (gọi là nguyên tử hoạt). 27 Hấp thụ các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào về mặt thép có nồng độ cao tạo ra sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi. Khuếch tán nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuếch tán và tạo ra lớp thấm có chiều sâu nhất định. 1.6.3.2. Thấm cacbon a. Định nghĩa và mục đích Định nghĩa là phương pháp hóa nhiệt luyện có tác dụng làm tăng hàm lượng cácbon trên bề mặt của chi tiết thép có hàm lượng cacbon thấp (0,1 – 0,25%) lên 0,8- 1,2% với chiều dày vài milimet. Sau khi thấm cacbon, chi tiết cần được tôi và ram để bề mặt có độ cứng cao còn lõi (với hàm lượng cacbon thấp) sau khi tôi có tăng độ bền, độ cứng nhưng vẫn giữ được độ dẻo dai. Nhiệt độ thấm C thường sử dụng là từ 900-950 0C. Thời gian thấm, tùy thuộc vào mục đích và cách thấm cũng như chiều dày của lớp thấm. Mục đích làm cho bề mặt thép có độ cứng cao 60-64HRC tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, trong lõi bền, dẻo dai với độ cứng 30-40HRC chịu uốn xoắn và va đập tốt. Sau khi thấm hàm lượng cacbon ở lớp bề mặt khoảng 0,8-1,0% là phù hợp nhất, còn trong lõi có hạt nhỏ mịn không có pherit tự do. Tùy theo chất thấm chia ra thấm cacbon thể rắn, thể khí và thể lỏng. Các mác thép dùng để thấm Cacbon theo TCVN Thép cacbon như C10, C15, C20, C25 đôi khi cả CT38. Chúng được dùng để chế tạo các chi tiết nhỏ, không quan trọng, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn nhưng tại trọng không cao. Thép hợp kim Cr như 15Cr, 20Cr, 15CrV sử dụng cho các chi tiết chịu mài mòn trong điều kiện tải trọng trung bình như chốt pittong, trục cam ôtô, trục giữa xe đạp, bánh răng mođun nhỏ... Thép hợp kim Cr-Ni điển hình là các mác sau 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4W, 18Cr2Ni4Mo có độ bền cao, chịu va đập tốt, sử dụng cho các chi tiết quan trọng như bánh răng, trục của động cơ máy bay, của tàu biển... Thép hơp kim Cr-Mn-Ti điển hình là các mác sau 18CrMnTi, 25CrMnTi, 25CrMnMo, rẻ tiền hơn thép Cr-Ni. Các mác thép hợp kim hóa bằng Ti hoặc Mo giữ được hạt nhỏ nên có thể thấm ở nhiệt độ cao (9300- 9500). Các mác thép cacbon chỉ nên thấm ở nhiệt độ <9000. Các chi tiết được thấm cacbon làm việc tốt trong điều kiện chịu tải trọng va đập 0 và chịu ma sát. Nhiệt độ thấm cacbon chọn cao hơn đường A3( thường từ 900- 950 ), tức là thấm trong vùng đơn pha austenit là pha có khả năng hòa tan cacbon lớn nhất. b. Các phương pháp thấm Cacbon 28 Phương pháp thấm cacbon thể rắn Chất thấm trong phương pháp thấm C thể rắn thường là than củi, than cốc chưa cháy hết (chất mang C) được trộn lẫn với các chất xúc tác là muối cacbonat của kim loại kiềm và kiềm thổ như Na2CO3, BaCO3. Nhiệt độ thấm sao cho tổ chức hoàn toàn austenit để có khả năng bão hòa lượng cacbon cao nhật có thể đạt được. Với thép bản chất hạt lớn nhiệt độ thấm từ 900-9200C thép bản chất hạt nhỏ nhiệt độ thấm lên đến 9500C. Nhiệt độ thấm càng cao, chiều sâu thấm càng lớn. Tại nhiệt độ thấm (870oC đến 930oC) xảy ra các phản ứng : 2C + 2O2= 2CO2 CO2 + C = 2CO 2CO = [C] + CO2 (Phản ứng Boudouard) Hình 1.28. Hộp thấm C thể rắn Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị thấm đơn giản, chất thấm dễ tìm và rẻ tiền, tuy nhiên thời gian thấm tương đối dài (8-12h), chất lượng lớp thấm không đồng đều, thao tác nặng nhọc, khó cơ khí hoá và tự động hoá. Phương pháp thấm cácbon thể lỏng Trong phương pháp thấm C thể lỏng, chất thấm thường dùng là hỗn hợp muối nóng chảy của NaCN, KCN (chất mang C) và chất hoạt hóa là BaCl, SrCl2. Tại nhiệt độ thấm (900-930oC) xảy ra các phản ứng: 4NaCN + 3O2 = 2NaCNO + Na2CO3 + CO + 2N 2CO = [C] + CO2 (Phản ứng Boudouard ) Ưu điểm của phương pháp này là có tốc độ thấm nhanh 0,1mm/h, chiều dày lớp thấm đạt được 0,1 – 1,5mm, chất lượng lớp thấm đồng đều, không cần làm sạch chi tiết trước khi thấm. Tuy nhiên hiện nay phương pháp này rất ít được sử dụng vì nó rất độc hại, ô nhiễm môi trường, khó áp dụng với chi tiết lớn, khó thay đổi được thành phần muối thấm, chất lượng bể muối giảm nhanh và khó bảo quản. Phương pháp thấm cacbon thể khí Thấm cacbon thể khí là phương pháp hiện đại và có nhiều ưu việt, được áp dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí. Chất thấm là khí đốt và dầu hỏa. 29 Thấm cacbon thể khí có đặc điểm thời gian thấm ngắn, chất lượng lớp thấm đồng đều, dễ cơ khí hóa và tự động hóa, điều kiện lao động tốt tuy nhiệt thiết bị giá thành cao. Môi trường thấm thường sử dụng khí như dầu hỏa, khí tự nhiên + nitơ, khí endo + cacbuahydro, metanol + toluen + nitơ Hình 1.29. Sơ đồ lò thấm cacbon bằng dầu hỏa Hiện nay, môi trường thấm thông dụng trên thế giới là khí Endo, cacbuahydro (CH4, C2H2) và metanol. So với hai phương pháp thấm trên thì phương pháp thấm C thể khí là ưu việt hơn cả vì những lý do sau: + Chất lượng lớp thấm tốt, ổn định, dễ dàng điều chỉnh hàm lượng C trong lớp thấm. + Dễ cơ khí hoá và tự động hoá. + Thời gian thấm tương đối ngắn. + Tránh ô nhiễm môi trường. Các khí chứa C là các khí mang như khí Endo, Metanol được trộn với chất phụ gia là cácbua hydro. Các phản ứng chủ yếu khi thấm C thể khí: 2CO = [C] + CO2 (Phản ứng Boudouard ) CO + H2 = [C] + H2O (Phản ứng dị thể tạo nước) CO = [C] + ½ O2 (Phản ứng phân ly CO) CH4 = [C] + 2H2 (Phản ứng phân ly Mêtan) c. Các môi trường thấm thể khí thông dụng Như đã phân tích ở trên, phương pháp thấm C thể khí có nhiều ưu điểm, đặc biệt là có thể điều khiển được hàm lượng C trong lớp thấm một cách dễ dàng. Do vậy thấm C thể khí là phương pháp được sử dụng chủ yếu hiện nay. Thấm cacbon thể khí chất mang thường là cacbon ở dạng hợp chất (thường là CO) và chất độn là khí trơ trong môi trường để tránh những phản ứng không cần thiết và điều chỉnh tốc độ thấm thích hợp. 30 Dưới đây là bảng thành phần khí thấm của Nga và Hoa Kỳ: Bảng 1.2. Khí thấm của Nga Tên khí Thành phần (% thể tích ở ĐKTC ) (Ký hiệu) CO CnH2n+2 CO2 N2 H2 Khí khác Endogas 23 3,8 0,4 45,7 30 0,9H2O Bảng 1.3. Khí thấm của Hoa Kỳ Tên khí Thành phần (% thể tích ở ĐKTC) Ký hiệu CO CH4 CO2 N2 H2 Exothermic 10,5 0,5 5,0 71,5 12,5 Endothermic 20,7 0,8 - 39,8 38,7 d. Nhiệt luyện sau khi thấm Tôi trực tiếp sau khi hạ nhiệt độ đến 850-8600C tiến hành tôi, công nghệ này áp dụng cho thép di truyền hạt nhỏ, thích hợp cho công nghệ thấm cacbon thể lỏng về mặt nhiệt độ đồng thời kết hợp để rửa sạch bề mặt chi tiết. Nhiệt độ tôi ở đây là trung gian giữa nhiệt độ tôi lớp bề mặt và lõi. Tôi một lần thực hiện sau khi thấm cacbon và thường hóa thép. - Tôi ở 820-8500C khi cần độ cứng bề mặt cao, nhiệt độ tôi ở đây vẫn là nhiệt độ tôi trung gian của lõi và bề mặt nhưng ưu tiên lớp bề mặt hơn. - Tôi ở 860-8800C khi cần độ bền ở lõi cao, nhiệt độ ưu tiên cho lõi hơn. Tôi hai lần thực hiện sau khi thấm cacbon và thường hóa rồi. - Tôi lõi ở 880-8900C - Tôi bề mặt760- 7800C Cả lõi và bề mặt đều đảm bảo cơ tính nhưng phức tạp cho nên càng ngày ít được dùng. Sau khi tôi các chi thấm cacbon được ram thấp ở 150 đến 2000C để giữ được độ cứng và tính chịu mài mòn cao. Đối với các phần của chi tiết không cần thấm cacbon (chống thấm) người ta có thể áp dụng một số biện pháp sau để lượng dư gấp 1,5 đến hai lần chiều dày lớp thấm để sau này cắt đi, đắp một lớp dày khoảng 5-10mm bằng hỗn hợp chứa 20% đất sét+5%nước thủy tinh+ còn lại là cát mịn. Pha nước đủ dẻo (khoảng 10-15%) rồi đắp lên phần chống thấm có thể dùng vải băng bịt kín, buộc chặt để không bị bong lớp chống thấm khi xếp chi tiết vào lò. Ngoài ra, các chi tiết quan trọng phần chống thấm có thể mạ Cu hoặc phủ Al. Ở các nước công nghiệp phát triển thấm cacbon được tiến hành trong lò ngang, sau khi thấm, xe chở chi tiết được kéo sang buồng tôi do đó tận dụng được công suất của lò thấm. 31 Cùng mục đích hóa bền bề mặt so với tôi bề mặt, công nghệ thấm cacbon có nhiều ưu việt hơn lớp bề mặt có hàm lượng cacbon cao hơn nên sau khi tôi sẽ có độ cứng và tính chịu mài mòn cao hơn do đó mà công nghệ thấm cacbon được ưu tiên áp dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn có tính số pv lớn hơn (p là áp lực, v là vận tốc). Hóa bền bề mặt bằng thấm cacbon và tôi ram có thể áp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp hơn mà vẫn giữ được đồng đều, tuy nhiên chi phí cho sản xuất lớn hơn và năng xuất thấp hơn. 1.6.3.3. Thấm nitơ a. Định nghĩa và mục đích Làm bão hòa và khuếch tán nitơ vào bề mặt thép hợp kim sau khi nhiệt luyện hóa tốt nhằm mục đích chủ yếu là nân cao độ cứng và tính chống mài mòn (HRC 65-70) hơn hẳn thấm cacbon và giới hạn mỏi của chi tiết. Hình 1.30. Giản đồ Fe-N Từ giản đồ pha Fe-N ta thấy có các pha sau: α là dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong Feα, được gọi là ferit nitơ γ là dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong Feγ được gọi là austenit nitơ, chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao hơn 5910C, tại nhiệt độ này khi làm nguội γ phân hóa thành hỗn hợp cùng tích (α+γ’) γ’ là dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽ Fe4N, là pha rất cứng. ε là dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽ Fe2N, Fe2N ứng với 11,2%. Nitơ tạo nên pha xen kẽ với nhiều kim loại chuyển tiếp: CrN, Cr2N, MnN, TiN, AlN, MoN, Mo2N, VN b. Đặc điểm của phương pháp thấm N 0 0 Chất thấm là khí NH3 công nghiệp ở nhiệt độ thấm (480 -650 C), NH3 bị phân 32 hủy nhiệt theo phản ứng: 2NH3 = 3H2 + 2Nng. tử Tiến hành ở nhiệt độ thấp nên sự khuếch tán khó khăn và chậm nên lớp thấm mỏng, thời gian thấm dài. Sau khi thấm không tôi và mài Phải dùng thép chuyên dụng để thấm (38CrMoAlA), trước khi thấm phải nhiệt luyện hóa tốt thành xoocbit ram. Lớp thấm cứng hơn và giữ được ở nhiệt độ đến 5000C và cao hơn. Hai nhóm công nghệ thấm hay dùng là: Thấm nitơ nhiệt độ thấp (4800-5500C) thời gian thấm dài (ở nhiệt thấp khuếch tán xảy ra chậm). Tùy theo thời gian thấm chiều dài lớp thấp có thể đạt 0,4mm. Thấm nitơ ở nhiệt độ cao (5500-6500C) thời gian thấm ngắn (để hạt nitơrit không bị thô to lên và không làm hỏng tổ chức của thép sau khi tôi) chỉ tạo được lớp thấm mỏng chiều dày thường không quá 0,2mm. Để tăng tốc độ thấm người ta tìm cách tăng diện tích tiếp xúc giữa các chi tiết và môi trường thấm bằng cách tạo ra nhiều nhấp nhô bề mặt phun cát, xâm thực hóa học... c. Công dụng Thấm nitơ để tăng độ cứng và tính chống mài mòn Trước khi thấm nitơ, chi tiết phải qua nhiệt luyện (tôi+ram cao) để tăng độ bền và độ dẻo dai của lõi. Đối với chi tiết mỏng và có hình dáng phức tạp thường thấm ni tơ ở nhiệt độ 500-5200C thời giam thấm phụ thuộc vào chiều sâu lớp thấm. Khi thấm ở nhiệt độ500-5200C, để có chiều sâu lớp thấm 0,3-0,6mm phải mất 24-90 giờ. Thời gian thấm quá dài là nhược điểm của thấm nitơ, để làm nhanh quá trình có thể dùng phương pháp thấm hai cấp đầu tiên thấm ở nhiệt độ 500- 5200C, sau đó tăng lên 540- 5600C. Độ cứng của lớp thấm phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép và nhiệt độ thấm. Đối với tất cả các loại thép nhiệt độ thấm càng cao thì độ cứng đạt được càng thấp. Thấm nitơ để tăng tính chống ăn mòn Với mục đích này thì có thể thấm ở nhiệt độ 600- 7000C, đối với chi tiết nhỏ thời gian thấm là 15 phút, chi tiết lớn thời gian thấm khoảng 6-10 giờ. Sau khi thấm trên bề mặt chi tiết tạo thành một lớp mỏng pha ε (0,01-0,03mm) có tính chống gỉ cao. Trong lớp thấm nitơ có ứng suất nén dư, giá trị ứng suất khoảng 60-80kG/mm2 nên nó làm tăng tính chống mỏi của chi tiết. Khả năng chống mỏi cao nhất đạt được sau khi thấm ở nhiệt độ 500- 5200C . Thấm nitơ ở trạng thái 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 đi qua. Nhiệt độ thấm là 5700C, với thời gian 0,5-3,0 giờ. Sau khi thấm trên bề mặt tạo thành một lớp mỏng cacbit-nitrit 33 Fe3(N,C) có khả năng chống mài mòn cao và không bị phá hủy dòn. Ưu điểm của phương pháp là ít thay đổi kích thước, chi tiết không bị cong vênh. Nhược điểm của phương pháp này là độc và giá muối xianua đắt. Thấm nitơ dùng cho các chi tiết cần độ cứng và tính chống mài mòn rất cao. Tuy nhiên chịu tải không cao (do lớp thấm mỏng) như: một số loại trục, sơ mi, xy lanh máy bay, dụng cụ cắt, nòng súng, khuôn dập...Thấm nitơ làm tăng đáng kể giới hạn mỏi. 1.6.3.4. Thấm cacbon- nitơ a. Định nghĩa Thấm C-N là quá trình bão hoà và khuếch tán đồng thời hai nguyên tố C và N lên bề mặt chi tiết nhằm mục đích làm tăng độ cứng, khả năng chống mài mòn đồng thời phát huy khả năng chịu uốn, xoắn, chịu mỏi cho chi tiết. b. Nguyên lý thấm cácbon-nitơ Dùng hỗn hợp thấm để tạo ra môi trường có Cacbon và Nitơ nguyên tử. Ở nhiệt độ thích hợp, các nguyên tử C, N có thể khuếch tán vào bề mặt thép tạo nên lớp thấm có thành phần hoá học khác với lõi. Môi trường thấm có thể ở trạng thái lỏng, bột nhão hoặc thể khí. Tuy nhiên trong thời gian hiện nay môi trường thể khí được sử dụng nhiều nhất vì môi trường lỏng và bột nhão gây độc hại cho con người. Có 2 phương pháp thấm C-N cơ bản là thấm C-N ở nhiệt độ thấp (thường được tiến hành ở thể lỏng) và thấm C-N ở nhiệt độ cao (thường được tiến hành thấm ở thể khí). Thấm C-N ở nhiệt độ cao (trên dưới 8500C), sự khuếch tán của cacbon mạnh, lớp thấm chủ yếu là cacbon (ít nitơ), do đó có tính chất gần với thấm cacbon tuy nhiên có nhiều ưu điểm hơn thấm cacbon. Thấm C-N ở nhiệt độ thấp (trên dưới 560oC), sự khuếch tán của cacbon yếu, lớp thấm chủ yếu là nitơ, tính chất gần với thấm nitơ nhưng lại kém hơn thấm nitơ. Khác với thấm C-N nhiệt độ thấp không cần nhiệt luyện sau thấm, thấm C-N ở nhiệt độ cao phải nhiệt luyện sau thấm để đảm bảo độ cứng và khả năng chống mài mòn cao cho chi tiết. Quá trình thấm C-N là quá trình khuếch tán đồng thời cả cacbon và nitơ vào bề mặt chi tiết. Cơ sở của quá trình này là sự chênh lệch giữa hoạt độ cacbon, nitơ của môi trường (ký hiệu lần lượt là (aC) và (aN)) với hoạt độ cacbon, nitơ trên bề mặt chi tiết (ký hiệu là [aC] và [aN]). Trong quá trình thấm, hàm lượng C, N trên bề mặt chi tiết sẽ tăng dần cho tới khi hoạt độ của nó phù hợp với hoạt độ của môi trường. Khi đó cân bằng nhiệt động sẽ được thiết lập. Trong công nghệ thấm C-N nhiệt độ cao, hoạt độ cacbon đóng vai trò chủ yếu. Tuy nhiên hoạt độ của nitơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến quá trình thấm nó có tác dụng tăng tốc độ thấm. Có thể nói hoạt độ C, N chính là cơ sở của quá trình thấm C-N. 34 c. Phương pháp thấm C-N có nhiều ưu điểm nổi bật Thấm C - N có thể được thực hiện trong một phạm vi nhiệt độ tương đối rộng (từ 7800C -9000C). Nhiệt độ thấm tương đối thấp hơn so với thấm cacbon, áp dụng cho thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp nhằm tăng độ cứng và tính chống mài mòn, đồng thời giảm khả năng biến dạng cho chi tiết. Nhiệt độ thấm thấp hơn do đó hạn chế được biến dạng, thoát cacbon hạn chế sự lớn hạt. Sự bão hoà nitơ ảnh hưởng đến độ bão hoà và chiều sâu khuếch tán của cacbon. Nitơ và cacbon khi có mặt đồng thời có khả năng tăng hoạt tính lẫn nhau. Ngoài ra nitơ có tác dụng thu hẹp sự tồn tại của ferit làm cho quá trình bão hoà cacbon xảy ra mạnh mẽ hơn ở khoảng nhiệt độ thấp hơn so với thấm C, tạo được lớp thấm đồng đều hơn. Khả năng chống mài mòn của lớp thấm cao hơn, nhờ sự có mặt của nitơ trong lớp thấm cacbon tạo thành pha Fe3(C,N) phân tán rất cứng làm tăng mạnh tính chống mài mòn. Độ cứng lớp thấm C-N từ 59  62 HRC trong khi đó lớp thấm cacbon có thể đạt từ 59  63 HRC. Có thể tôi trực tiếp từ nhiệt độ thấm vì nhiệt độ thấm gần với nhiệt độ tôi, không cần hạ nhiệt độ trước khi tôi do đó hạn chế thoát cacbon, ôxy hoá và có thể tôi phân cấp vì nitơ làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, điều đó cũng giảm mạnh độ biến dạng. Lớp thấm C-N không cần dày như lớp thấm C mà vẫn đảm bảo độ cứng và tính chống mài mòn, độ bền. Thấm C-N có khả năng chống tạo vết nứt tốt hơn so với thấm C vì thấm C-N có tổ chức lớp thấm mịn không có lưới xementit. Còn lớp thấm C có tổ chức hạt thô và lưới xementit do đó trong quá trình tôi, lưới xementit tạo ra vết nứt tế vi và phát triển thành vết nứt của mẫu. Trong lớp thấm C-N luôn tồn tại một lượng austenit dư làm cho lớp thấm vừa cứng lại vừa dai. Khi chịu tải trọng, nếu trong lớp thấm có một lượng austenit dư nhất định, tải trọng sẽ được phân bố đồng đều hơn và tránh được sự tập trung ứng suất. So với thấm C tính chất lớp thấm C- N tỏ ra tốt hơn. Tuy nhiên phương pháp thấm C-N cũng có một số nhược điểm cần lưu ý. d. Nhược điểm của thấm C- N Thành phần khí thấm phức tạp, điều khiển thế thấm khó khăn vì môi trường thấm gồm nhiều loại khí. Công nghệ và xử lý lớp thấm phức tạp. Có thể xuất hiện nhiều dạng khuyết tật dạng rỗ khí tế vi, austenit dư hoặc tổ chức phi mactenxit có độ cứng thấp ở trên lớp thấm. Thực chất nghiên cứu quy trình thấm C-N là nghiên cứu hạn chế khuyết tật trong lớp thấm bằng cách khống chế hàm lượng C, N trên bề mặt lớp thấm. Môi trường thấm hay là hỗn hợp khí thấm là một trong những yếu tố quan trọng nhất, nó góp phần quyết 35 định hàm lượng C, N trên bề mặt chi tiết và quyết định quá trình tạo pha khi thấm. Sử dụng môi trường thấm hợp lý sẽ điều khiển được hàm lượng C, N theo yêu cầu.[17] Câu hỏi ôn tập Câu 1. Thế nào là nhiệt luyện, trình bày các đặc điểm của quá trình nhiệt luyện. Câu 2. Hãy so sánh hai phương pháp nhiệt luyện là ủ và thường hóa. Câu 3. Thế nào là tôi thép, nêu đặc điểm của phương pháp tôi. Câu 4. Ram thép là gì, phân loại ram và đặc điểm của các loại ram. Câu 5. Hóa nhiệt luyện là gì, nêu đặc điểm của phương pháp hóa nhiệt luyện. Câu 6. Trình bày phương pháp hóa bền bề mặt bằng phương pháp cơ học. Câu 7. Trình bày phương pháp thấm cacbon. Câu 8. Trình bày phương pháp thấm nitơ. 36 CHƯƠNG 2 THÉP VÀ GANG 2.1.Thép Cacbon 2.1.1.Thành phần hóa học Trong thực tế, thép cacbon không phải là hợp kim chỉ gồm có Fe và C (trong đó lượng C < 2,14%) mà do điều kiện nấu luyện, có nhiều nguyên tố khác cũng có mặt trong thép, đó là các tạp chất thường có như Mn, Si, P, S, các tạp chất ẩn như H, N, O và các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, W, Ti, Mo, V, Tạp chất thường có là những nguyên tố thường xuyên có mặt trong mọi loại thép, chúng đi vào thép từ quặng sắt, từ nhiên liệu sử dụng khi luyện gang, hoặc từ việc dùng fero để khử oxy khi tinh luyện thép. Trong đó Mn, Si là những tạp chất có lợi, chúng nâng cao cơ tính của thép. Trong các điều kiện thông thường của luyện kim chúng có mặt ở trong thép với lượng chứa Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,6%. Còn P, S là các tạp chất có hại, chúng làm cho thép bị giòn và khó hàn, cho nên phải tìm cách hạn chế sự có mặt của chúng đến mức có thể được, thép chất lượng càng cao đòi hỏi phải khử càng triệt để hai tạp chất này. Với thép thông thường, lượng chứa của mỗi nguyên tố đó phải nhỏ hơn 0,06%. Công nghiệp luyện kim sử dụng ngày một nhiều sắt thép vụn (phế liệu) của các ngành kinh tế quốc dân và quốc phòng thải ra (máy móc, xe cộ, vũ khí,) trong đó nhiều bộ phận làm từ thép hợp kim, nên trong nhiều loại thép cacbon thông thường vẫn có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố như: Cr, Ni, Cu (≤ 0,2%), W, Ti, Mo, V (< 0,1%) chúng được gọi là các tạp chất ngẫu nhiên, thường là có lợi vì nâng cao cơ tính cho thép. Ngoài ra trong thép cacbon thông thường còn hòa tan các khí nitơ, hyđro, oxy với lượng chứa rất nhỏ mà việc xác định chúng rất khó khăn, chúng được gọi là các tạp chất ẩn, với các phương pháp phân tích thông thường khó phát hiện và người ta thường b...i với các điện cực sao cho bề mặt nó được nhiễm điện. Buồng kín sau đó được hút chân không và được tạo điện trường trong đó bằng cách đưa vào các điện cực có dấu ngược với điện tích của sản phẩm. Sau đó, khi phun các hạt sơn bột vào buồng chũng sẽ nhiệm điện và được hướng vào bề mặt sản phẩm tạo nên lớp phủ. Nếu như bề mặt chất dẻo khó nhiễm điện, người ta có thể phủ một lớp kim loại rất mỏng lên để tăng tính dẫn điện. Phương pháp sơn tĩnh điện đặc biệt hiệu quả khi cần tạo lớp phủ rất mỏng. Đối với các hệ thống sơn tĩnh điện vận hành tốt, lượng sơn thừa là rất ít, chỉ khoảng dưới 5%. c. Phủ kim loại Trong phương pháp phủ chân không, kim loại hoặc hợp kim được cho bay hơi ở nhiệt độ cao trong buồng kín và chân không, sau đó được ngưng tụ lại trên bề mặt sản phẩm polyme ở nhiệt độ thường. Phương pháp này có thể áp dụng ở chế độ tuần hoàn (sản phẩm được phủ từng mẻ một) hoặc chế độ liên tục (ví dụ phủ màng dài).[3] Câu hỏi ôn tập Câu 1. Nêu khái niệm về vật liệu polyme, cách phân loại vật liệu polyme. Câu 2. Trình bày các nguyên liệu sản xuất vật liệu polyme. Câu 3. Trình bày tính chất cơ học của vật liệu polyme. Câu 4. Trình bày phương pháp tạo hình không phoi vật liệu polyme. 150 CHƯƠNG 6 VẬT LIỆU COMPOZIT 6.1. Khái niệm về compozit 6.1.1. Khái niệm Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu compozit bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là compozit hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục. Pha liên tục gọi là nền. Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu tăng cường. Hình 6.1. Sơ đồ minh họa cấu tạo compozit Cần phân biệt rõ ràng hai khái niệm: vùng trung gian và bề mặt tiếp xúc Bề mặt tiếp xúc là một kết cấu hai chiều, tức là diện tích chỉ có đường biên giới chung giữa các cấu tử, trong khi đó, vùng trung gian là một pha có cấu trúc không gian ba chiều và có thuộc tính riêng của nó. Rõ ràng là, thuộc tính của vùng trung gian có một vai trò rất quan trọng trong việc xác định các tính chất cơ bản của compozit. Thí dụ, vùng trung gian chính là nơi mà ứng suất cơ học lan truyền giữa nền và cốt. Vùng trung gian cũng chính là ngưỡng có tác dụng đối với tính ổn định về thời gian của compozit. Phải thừa nhận là, luôn tồn tại vùng trung gian trong compozit mặc dù nó chỉ có chiều dày cỡ kích thước nguyên tử. Cơ tính của vật liệu compozit phụ thuộc vào những đặc tính sau đây: + Cơ tính của vật liệu thành phần. Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu compozit cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần. + Luật phân bố hình học của vật liệu cốt. Khi vật liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu compozit bị phá hủy trước hết ở những nơi có ít vật liệu cốt. Với compozit cốt sợi, phương của sợ quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu. + Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau. Thí dụ liên kết giữa cốt thép và ximăng trong bêtông. 6.1.2. Phân loại 151 a. Phân loại theo hình dạng Compozit sợi, sợi là những phần tử có chiều dài trên 100μm có tỷ lệ chiều dài/ đường kính lớn hơn 10. Sợi có thể ở dạng liên tục, sợi dài hoặc sợi gián đoạn như sợi ngắn, sợi vụn,... Có thể điều chỉnh sự phân bố và phương của sợi để vật liệu có tính dị hướng theo ý muốn. Compozit vảy bao gồm những vảy nhỏ có hoặc không có nền. Compozit hạt hạt khác sợi ở chỗ là nó không có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu này thường có tính chất chịu nhiệt, chịu mài mòn tốt. Compozit điền đầy vật liệu tăng cường có cấu trúc xốp hoặc cấu trúc sợi không gian ba chiều là vật liệu dạng liên tục và được coi là vật liệu cơ bản, vật liệu thứ hai cho thêm vào qua một cách thức gọi là thấm hơi bằng hóa học. Compozit phiến bao gồm những lớp riêng biệt. Những lớp này có thể là những vật liệu khác nhau hoặc cùng một loại vật liệu có tính định hướng khác nhau. Hình 6.2. Các loại compozit a. Compozit hạt; b. Compozit sợi; c. Compozit phiến; d. Compozit vảy; e. Compozit đổ đầy. b. Phân loại theo bản chất vật liệu thành phần Compozit nền hữu cơ, nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng, sợi kim loại. Compozit nền kim loại, nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng; cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như: Bo, C, SiC... Compozit nền gốm, nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm. 6.2. Compozit hạt Cấu tạo gồm các phân tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phân tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền: oxyt, nitrit, cacbit... Cũng có thể hạt cốt là các pha mềm có độ bền cắt nhỏ như graphit, mica,... Đó là các compozit chống ma sát. Dựa vào đặc điểm của cơ chế hóa bền trong compozit hạt, người ta phân biệt hai 152 loại: compozit hạt thô và compozit hạt mịn. Compozit hạt thô rất đa dạng và được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp. Compozit hạt mịn thường là các vật liệu bền nóng và ổn định nóng. Do vậy nó được dùng để thay thế các vật liệu truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất hoặc kéo dài tuổi thọ thiết bị, công trình trong các điều kiện sử dụng tương đương. Compozit hạt thô nền polyme: hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, oxyt nhôm... Được sử dụng phổ biến trong đời sống như cửa, tường ngăn, trần nhà... Composit hạt thô nền kim loại, hạt cốt là các phần tử cứng như WC, TiC, TaC nền là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo, khuôn dập... Ngoài ra còn có các hợp kim giả: W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag... sử dụng trong kỹ thuật điện. Compozit hạt thô nền gốm điển hình là bê tông. Cốt là tập hợp các hạt rắn như đá, sỏi... liên kết bởi nền là xi măng. Bê tông atphan (nền là xi măng atphan) dùng rải đường, làm cầu, cống... Bê tông với nền là xi măng pooc lăng sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa, các công trình... Compozit hạt mịn, các phân tử cốt có kích thước rất nhỏ, cứng và ổn định nhiệt cao, phân bố trên nền kim loại hay hợp kim, được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt độ cao. 6.3. Compozit cốt sợi Đây là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang nghiên cứu và sử dụng phổ biến. Cấu tạo của nó gồm cốt dạng sợi phân bố trong nền theo quy luật đã thiết kế. a) b) c) Hình 6.2. Sơ đồ phân bố cốt sợi a. một chiều song song 153 b. ngẫu nhiên, rối trong một mặt c. dệt hai chiều vuông góc trong một mặt d. đan, quấn ba chiều vuông góc Mục tiêu chủ yếu nhất khi thiết kế chế tạo compozit cốt sợi là độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng cao. Do vậy, cả nền và sợi đều cần có khối lượng riêng nhỏ, nền phải tương đối dẻo, còn sợi cốt phải có độ cứng vững và bền cao. Tính chất của compozit cốt sợi phụ thộc vào nhiều yếu tố như bản chất vật liệu cốt và nền, độ bền liên kết nền và cốt trên ranh giới, sự phân bố và định hướng sợi, kích thước, hình dạng của nó... Đối với một compozit cốt sợi xác định mà ta khảo sát, nếu coi liên kết cốt-nền là hoàn hảo, thì cơ tính của vật liệu đó chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố như sự phân bố, kích thước, hình dạng và hàm lượng của cốt sợi. Compozit sợi thủy tinh, hiện tại là vật liệu thông dụng nhất, cốt là sợi thủy tinh nền là polyeste đôi khi dùng bakelit. Công dụng làm mui xe hơi, thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ buồng lái tàu vũ trụ. Compozit sợi cacbon, cốt là sợi cacbon, hay sợi thủy tinh. Nền là epoxi- phenon, polyeste hay cacbon. Công dụng dùng làm thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt của động cơ, đĩa ma sát... Composit sợi hữu cơ, cốt là các sợi polyme. Công dụng làm vật liệu cách nhiệt, cách điện, các kết cấu ô tô, máy bay... 6.4. Compozit cấu trúc Compozit cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng lớp, dạng tấm ba lớp được tạo thành bằng cách kết hợp với vật liệu đồng nhất với vật liệu compozit theo những phương án cấu trúc khác nhau. Vì vậy, tính chất của nó phụ thuộc không chỉ vào tính chất các vật liệu thành phần mà còn vào sự sắp xếp và kiến trúc hình học của chúng trong kết cấu nữa. Các compozit cấu trúc dạng lớp và dạng tấm ba lớp được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: vận tải, hàng không, các công trình xây dựng kiến trúc... Nhiều loại compozit cấu trúc khác loại vật liệu chức năng (siêu dẫn, vật liệu từ) chỉ được ứng dụng trong nhữ lĩnh vực nhất định. a. Compozit cấu trúc dạng lớp Compozit loại này được tạo thành từ các lớp cơ sở. Các lớp cơ sở này thường gồm hai loại, loại thứ nhất là các lớp đóng vai trò liên kết, thường là vật liệu đồng nhất và loại thứ hai là các lớp chịu lực, thường là các băng compozit cốt sợi. Sắp xếp lần lượt các lớp này và đổi hướng các băng compozit sao cho thỏa mãn yêu cầu thiết kế đề ra rồi ép dính lại. Kết quả nhận được ở dạng bán thành phẩm, tấm, thanh, ống... Đó chính là compozit cấu trúc dạng lớp. 154 Hình 6.3. Sơ đồ sắp xếp các lớp cơ sở khi tạo ra compozit cấu trúc dạng lớp Compozit cấu trúc dạng lớp cũng có thể tạo thành từ các lớp cơ sở có định hướng nhiều phương. Chẳng hạn, các tấm vải bông, vải sợi thủy tinh hoặc cacbon được ép lại nhờ chất kết dính là polyme, sẽ cho ta các compozit cấu trúc dạng lớp có độ bền cao theo phương bất kỳ song song với mặt tấm. Nhược điểm chung của loại compozit này là độ bền theo phương vuông góc với lớp cơ sở thấp. Compozit này được sử dụng trong hàng không, xây dựng các công trình, chế tạo dụng cụ máy móc và các loại dụng cụ văn hóa thể thao. b. Compozit cấu trúc dạng tấm ba lớp Loại này còn có tên gọi là panel sandwich. Khác loại trên, panel sandwich chỉ gồm ba lớp. Hai lớp mặt được chế tạo từ vật liệu có độ bền và cứng vững cao như hợp kim nhôm, hợp kim titan, thép và các tấm compozit cấu trúc dạng lớp... Chức năng chủ yếu của chúng là chịu toàn bộ tải trọng (kéo, nén và uốn) tác dụng theo các chiều song song với mặt tấm. Lớp lõi nằm giữa hai lớp mặt là vật liệu nhẹ, độ bền và cứng vững tương đối nhỏ. Lớp này có tác dụng duy trì khoảng cách giữa hai lớp mặt và giảm biến dang theo chiều vuông góc với mặt tấm, tạo độ cứng vững nhất định, tránh các hiện tượng cong vênh tấm. 155 Hình 6.4. Sơ đồ cấu tạo compozit cấu trúc dạng tấm ba lớp Trong kỹ thuật thường gặp hai loại lõi: Loại thứ nhất có tổ chức xốp bọt như cao su nhân tạo, polyme bọt, chất dính kết vô cơ hoặc gỗ nhẹ... Loại thứ hai cấu tạo theo dạng tổ ong, trong đó các vách ngăn liên kết định hướng vuông góc với mặt tấm. Vách ngăn thường rất mỏng và được chế tạo từ cùng vật liệu như hai lớp mặt. Compozit cấu trúc dạng tấm ba lớp được ứng dụng rất rộng rãi. Ví dụ làm trần, sàn, tường trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ, thân, cánh và đuôi các loại máy bay.[2] Câu hỏi ôn tập Câu 1. Thế nào là vật liệu compozit, đặc điểm của loại vật liệu này. Câu 2. Trình bày cách phân loại vật liệu compozit. Câu 3. Trình bày vật liệu compozit cốt sợi. Câu 4. Trình bày vật liệu compozit cốt hạt. Câu 5. Trình bày vật liệu compozit cấu trúc. 156 CHƯƠNG 7 ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU 7.1. Khái niệm chung về ăn mòn kim loại Ăn mòn là sự phá hoại các tính chất lý học, hóa học, cơ học và hình dáng của chi tiết, chủ yếu là thay đổi trạng thái oxy hóa của kim loại, oxyt, bán dẫn. Ăn mòn được chia ra làm hai loại: ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học. Ăn mòn hóa học là sự phá hủy kim loại do kim loại phản ứng hóa học với các chất khí hoặc hơi nước. Bản chất của ăn mòn hóa học là quá trình oxy hóa- khử trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp sang môi trường tác dụng. Ăn mòn điện hóa là sự phá hủy kim loại do kim loại tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chất điện ly và tạo nên dòng điện ăn mòn 7.2. Cơ chế ăn mòn điện hoá Khi có một kim loại M tiếp xúc với dung dịch điện ly, sẽ có hai quá trình xảy ra: Phản ứng anôt (oxy hóa): M → Mn+ +ne Phản ứng catôt (hoàn nguyên hoặc khử): Xn- +ne → X 7.2.1. Các phản ứng điện hóa a. Không có oxy Trong môi trường axit (pH<7). Ví dụ sắt trong môi trường axit không có oxy hòa tan. → + 2 2 + 2 → + 2 → + b. Có oxy + Trong môi trường axit (pH<7). Ví dụ: sắt trong nước chứa axit có oxy hòa tan. (phản ứng anôt) (phản ứng anôt) → + 2 + Môi trường kiềm ((pH>7). Ví dụ sắt trong môi trường trung tính, thoáng khi + 4 + 4 → 2 như nước biển. (phản ứng anôt) (phản ứng anôt) + 2 → + 2 Sản phẩm cuối cùng là : + 4 + 4 → 4 Hydroxyt sắt hai dễ dàng lắng động, không bền, dễ bi oxy hóa mạnh thành 2 + 4 → ( ) hydroxyt sắt ba. Hydroxyt sắt ba dễ dàng mất một ít nước để tạo thành lớp oxyt xốp không ổn 2 ( ) + + 1/2 → 2 ( ) định có công thức: xFeO. yFe2O3. H2O. 157 Sắt rất dễ bị ăn mòn vì Fe là điện cực kép, tại đó có cả hai phản ứng caôt và anôt. 7.2.2. Xu thế ăn mòn a. Điện thế điện cực Khi nhúng kim loại M trong dung dịch điện ly chứa ion Mn+, luôn luôn có phản ứng cân bằng giữa kim loại và dung dịch, không xảy ra hiện tượng ăn mòn. Oxy hóa M Mn+ +ne Hoàn nguyên Như vậy kim loại là điện cực thuận nghịch. Trong dung dịch, trên bề mặt kim loại có lớp ion kép, tại vùng này nồng độ ion dày đặc và cao hơn chỗ khác trong dung dịch điện ly. Ở điện cực thuận nghị có điện thế cân bằng diễn ta theo biểu thức Nernst Trong đó E0 là điện thế chuẩn;= R hằ+ng số chất khí, F là hằng số Faraday Cần xét và so sánh điện thế cân bằng của các kim loại mới biết được tính ổn định nhiệt động của các kim loại và đánh giá được xu thế ăn mòn của chúng. Bảng 7.1. Thế điện cực của các kim loại Phản ứng Điện thế tiêu chuẩn cân bằng so với điện cực hyđrô E0, V Au3+ + 3e ↔ Au 1.50 + O2 + 4H + 4e ↔ 2H2O 1.23 Ag+ + e ↔ Ag 0.80 - O2 + 2H2O + 4e ↔ 4OH 0.40 + 2H + 2e ↔ H2 0.00 Pb2+ + 2e ↔ Pb - 0.13 Sn2+ + 2e ↔ Sn - 0.40 Fe2+ + 2e ↔ Fe -0.44 Cr3+ + 3e ↔ Cr -0.74 Zn2+ + 2e ↔ Zn -0.76 Al3+ + 3e ↔ Al -1.67 Mg2+ + 2e ↔ Mg -2.37 Na+ + e ↔ Na -2.71 Thông thường để đo thế điện cực của kim loại phải dùng cách đo so sánh, quy + - ước điện thế của phản ứng 2H +2e H2 bằng 0 để làm chuẩn. Cho nên nếu nói rằng 158 điện thế so sánh giữa Fe và Cu là 0,78V thì có nghĩa là: 0 Bảng số liệu điện thế chuẩn của cân bằng/ oxy hóa/ - khử ở 25 C nêu trên chỉ cho = 0,78 = − biết xu thế ăn mòn còn trong thực tế để xảy ra ăn mòn còn phải có dòng điện chạy từ phía ngoài và dòng ion chạy trong chất điện ly giữa hai cực. Tất cả các kim loại có điện thế thấp hơn điện thế của hydro sẽ bị ăn mòn trong axit (không có oxy) để giải phóng khí H2 bay ra. Đặc biệt, Cu có thế điện cực cao hơn thế điện cực của H nên không bị ăn mòn, nhưng nếu trong môi trường axit có oxy thì Cu cũng sẽ bị ăn mòn. b. Đánh giá ăn mòn Đánh giá theo trọng lượng: số gam kim loại bị ăn mòn trên 1 đơn v ị diện tích trong 1 ngày. G (mg/dm2. ngày)= Chiều dày bị ăn mòn xâm nhập: chiều dày kim loại bị ăn mòn tính theo năm. S<0,125mm/năm : kim loại rất bền S<1,125 – 1,25mm/năm : kim loại đạt yêu cầu chống ăn mòn S> 1,25mm/năm: không đạt yêu cầu 7.2.3. Các dạng ăn mòn đi ện hóa Ăn mòn điện hóa là dạng ăn mòn phổ biến hơn cả và phá hủy kim loại nhiều nhất. Các dạng ăn mòn điện hóa được chia ra làm các loại sau: ăn mòn đều, ăn mòn tiếp xúc, ăn mòn do chênh lệch khí, ăn mòn lỗ, ăn mòn tinh giới, ăn mòn nứt do ứng lực, ăn mòn mỏi, ăn mòn lựa chọn hay sự phân rã hợp kim, ăn mòn mài mòn. a. Ăn mòn đều, xảy ra trong điều kiện kim loại đồng nhất, môi trường, nhiệt độ và sự phân bố ứng lực là đồng đều, tốc độ ăn mòn là như nhau trên toàn bộ bề mặt kim loại. b. Ăn mòn tiếp xúc (galvanic), là dạng ăn mòn xảy ra khi có sự chênh lệch điện thế tạo nên một pin ăn mòn. Ăn mòn xuất hiện khi có hai hoặc nhiều kim loại có điện thế điện cực khác nhau được lắp ghép trên cùng một kết cấu, do chúng có thể tiếp xúc dẫn điện lẫn nhau và cùng nằm trong môi trường ăn mòn vì thế tạo nên một pin ăn mòn. Ví dụ, khi chế tạo tàu thủy, phần lớn các chi tiết được làm bằng thép, vỏ tàu, bánh lái...nhưng chân vịt lại được làm bằng hợp kim đồng. Ngoài ra còn có protector bằng hợp kim kẽm hoặc nhôm, tất cả đều được lắp ghép trên một con tàu. Dạng ăn mòn này thường xuất hiện trong các hợp kim đa pha. Các pha trong hợp kim này có điện thế điện cực khác nhau, sự chênh lệch điện thế điện cực cũng gây nên ăn mòn galvanic giống như khi lắp ghép các vật liệu khác nhau trên cùng một kết cấu. Ví dụ, các chi tiết bằng đồng thau đúc, hợp kim này cấu tạo gồm hai pha là α giàu Cu và β giàu Zn, chúng có điện thế điện cực rất khác nhau. 159 Giữa các vùng trong hợp kim, sự chênh lệch nồng độ do thiên tích do ba động thành phần...cũng có thể là nguyên nhân tạo nên ăn mòn galvanic. Hình 7.1. Ăn mòn tiếp xúc (galvanic) c. Ăn mòn do sự chênh lệch nồng độ oxy Ăn mòn khe là dạng ăn mòn này xảy ra có thể do môi trường không đồng nhất, chẳng hạn sự khác nhau cục bộ về thông khí hòa tan (oxy). Lúc này hình thành một pin chênh lệch khí và gây ra ăn mòn. Trong thực tế có những khe hở giữa các mặt bích, các joăng, đệm, các mối ghép bằng đinh tán, trong quá trình làm việc do chênh lệch nồng độ oxy, ở nơi nằm sâu trong khe hẹp oxy không khuếch tán tới được nên bị ăn mòn. Hình 7.2. Ăn mòn khe Hình 7.3. Cơ chế ăn mòn khe Ăn mòn ở đường mím nước, lớp nước trên bề mặt giàu oxy, lớp nước sát phía dưới nghèo oxy, do đó vật liệu bị ăn mòn tại vùng nghèo oxy theo cơ chế chênh lệch oxy. 160 Hình 7.4. Một dạng ăn mòn mím nước(1-Vùng ăn mòn, 2-Lớp gỉ sắt) Ăn mòn chân chim dưới lớp sơn, ăn mòn chân chim ít gây tác hại, song lâu ngày có thể phát triển phá hủy từng mảng sơn và khởi đầu cho các dạng ăn mòn nguy hiểm khác. Ăn mòn chân chim thường khởi đầu ở các phần lõm trên bề mặt không được tẩy sạch trước khi sơn, do đó còn đọng lại một lớp gỉ xốp hấp phụ các tạp chất, các muối hoạt tính còn đọng lại từ dung dịch làm sạch. Kim loại phía dưới bị oxy hóa tạo thành oxit trương phồng lên làm phá hủy màng sơn phía trên. Nước và oxy chui qua vùng sơn bị phá hủy nứt nẻ tạo nên cơ chế ăn mòn do chênh lệch nồng độ oxy, vùng tâm lớp gỉ nghèo oxy hơn ngoài biên bị ăn mòn. Ăn mòn ở vùng lắng đọng, lớp cát bùn, tạp chất lắng đọng trên bề mặt cản trở oxy khuếch tán tới tạo lớp thụ động bề mặt gây nên ăn mòn do lắng đọng. Dạng ăn mòn này thường gặp ở các kết cấu cố định, song cũng có thể gặp khi các tàu neo đậu lâu ngày ở vùng nước bẩn tù đọng không được thường xuyên vệ sinh. Hình 7.5. Ăn mòn ở vùng lắng đọng d. Ăn mòn lỗ Dạng ăn mòn này thường xảy ra đối với các kim loại và hợp kim có tính thụ động ăn mòn như: Fe, Cr, Al, Ni...các loại thép không gỉ trong môi trường có các anion Cl-, Br-, I- (halogen) bị ăn mòn cục bộ dẫn đến tạo ra các lỗ. Đây là dạng xâm thực cục bộ tạo nên các lỗ, độ sâu các lỗ có thể lớn hơn đường 161 kính lỗ. Hiện tượng này xảy ta do các lỗ nhỏ trong lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn đ ều (các lớp men, lớp phủ hữu cơ, màng oxyt...). Các lỗ phát triển từ trên bề mặt vào bên trong theo các hướng gần như thẳng góc. Hình 7.6. Các dạng ăn mòn lỗ Cơ chế ăn mòn lỗ cũng tương tự như cơ chế ăn mòn do sự chênh lệch nồng độ oxy rong môi trường gây ra. Hình 7.7. Ăn mòn lỗ của thép thụ động trong ion Cl- Ở vùng đấy lỗ nghèo oxy do đó bị ăn mòn và là anot, các vùng khác là catot. Do hiện tượng điện di, các anion Cl- di chuyển đến anot gây nên hiện tượng tập trung anion Cl- ở vùng đáy lỗ, làm mất khả năng tái thụ động, do đó ăn mòn tăng lên. Lỗ càng sâu, vùng đáy lỗ càng nghèo oxy càng gây nên ăn mòn. e. Ăn mòn tinh giới 162 Dạng ăn mòn này liên quan đế sự có mặt của các pha dị thể ở biên giới hạt trong hợp kim. Loại ăn mòn này thường gặp nhất ở thép không rỉ vì thép không gỉ được hợp kim với lượng Cr trên 12%, với lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình ăn mòn của thép. Với hàm lượng Cr trên 12% thì màng oxit Cr2O3 xít chặt, tăng lượng Cr thì tốc độ ăn mòn giảm. Tuy nhiên do hiện tượng tiết cacbit Cr làm xuất hiện vùng nghèo Cr ở lân cận biên giới hạt, do đó thép bị ăn mòn. Hình 7.8. Ăn mòn tinh giới của thép không rỉ. Hình 7.9. Ăn mòn nứt ở biên giới hạt thép không rỉ f. Ăn mòn nứt do ứng lực Các kết cấu kim loại làm việc trong môi trường ăn mòn , dưới tác dụng của lực kéo sẽ gây ra nứt, rạn và gãy. Dạng ăn mòn này gây tổn thất kim loại rất nhỏ, nhưng khó có thể nhìn thấy nên rất nguy hiểm. 163 Hình 7.10. Ăn mòn do ứng lực g. Ăn mòn mỏi Là hiện tượng ăn mòn xảy ra trong các kết cấu kim loại làm việc dưới tải trọng thay đổi có chu kỳ. Do tác dụng ăn mòn tạo điều kiện cho các vết nứt mỏi đầu tiên dễ xuất hiện hơn. h. Ăn mòn lựa chọn (sự phân rã hợp kim) Dạng ăn mòn này xảy ra trong các điều kiện nhất định đối với các hợp kim là dung dịch rắn, trong đó kim loại hòa tan có điện thế ăn mòn âm hơn nhiều so với kim loại nền. Hình 7.11. Ăn mòn lựa chọn (sự phân rã của hợp kim) k. Ăn mòn mài mòn Sự mài mòn của kim loại thụ động trong môi trường ăn mòn có thể làm mất lớp bảo vệ và hiện tượng này gọi là ăn mòn mài mòn. 164 a) b) Hình 7.12. Ăn mòn mài mòn a. Ăn mòn cục bộ do chảy rối của chất lỏng trong ống ngưng b. Ăn mòn mài mòn do sự sủi bọt ở nước làm lạnh trong xylanh 7.3. Bảo vệ chống ăn mòn Để bảo vệ kim loại chống ăn mòn, có ba phương pháp cơ bản: Sơn phủ bề mặt để cách ly chi tiết với môi trường ăn mòn phương pháp này rẻ nhưng chỉ bảo vệ được lớp mặt. Hợp kim hóa giảm ăn mòn (ví dụ bằng Cr) các nguyên tố hợp kim sẽ làm tăng điện thế ăn mòn của các pha, làm giảm khả năng bị ăn mòn. Phương pháp này không kinh tế vì phải hợp kim hóa toàn khối. Bảo vệ điện hóa để cho quá trình ăn mòn xảy ra nhưng điều khiển quá trình ăn mòn theo hướng có lợi, hoặc tác động vào môi trường để ngăn cản quá trình ăn mòn. 7.3.1. Sơn phủ Cách ly môi trường với kim loại bằng một lớp màng. Màng phải liên tục, bán chắc lên bề mặt chi tiết và trơ với môi trường. Cần chuẩn bị bề mặt thật sạch, không còn có các vết oxyt, dầu mỡ... a. Phủ phi kim - Sơn phủ dùng bitum là phương pháp cổ điển, dùng cho ống chôn sâu. - Sơn polyme là phương pháp phổ biến thường dùng hai lớp sơn, lớp trong là lớp lót có tác dụng ngăn cách chi tiết với môi trường, đồng thời cũng đảm bảo cho sơn bám chắc vào chi tiết, ngoài là lớp sơn đảm bảo thẩm mỹ. Sơn gồm có bột oxyt, bột Zn, Al, kim loại anôt hoặc chất đóng vai trò ức chế như cromat kẽm và chất đóng vai trò dính kết như polyme, dầu khô nhanh như dầu sơn, dầu trấu... - Chất liệu sơn cũng có nhiều phong phú trước đây dùng sơn dầu có chứa PbO, ngày nay có cả sơn acrylic cơ sở nước thuận tiện sử dụng. 165 - Phương pháp sơn có nhiều tiến bộ từ nhúng, quét, lăn, phun cao áp, ngày nay có sơn tĩnh điện, phun hạt tích điện. - Tráng men dùng hạt thủy tinh borosilicat-frit cho bao ngoài kim loại rồi nung để thiêu kết và bám dính, sau khi nung lớp men có độ cứng cao nhưng dòn. b. Phủ mạ kim loại Tạo một lớp kim loại ở bề mặt chi tiết bằng các cách nhúng trong kim loại nóng chảy (mạ nóng), mạ bằng điện, mạ hóa, phun kim loại (kim loại hóa), hàn, cán. Mạ điện kim loại dùng để mạ là Zn, Ni, Cr, Cu. Chi tiết đóng vai trò catôt và anôt là kim loại cần mạ. Mạ nóng nung chảy kim loại mạ đến nhiệt độ cần thiết rồi nhúng chi tiết cần mạ vào bể kim loại lỏng. c. Phủ bằng phương pháp hóa học Nhuộm đen, nung thép đến nhiệt độ 350-4500 rồi nhúng vào dầu khoáng vật, bề mặt chi tiết được phủ một lớp oxyt mảng có màu đen ở bề mặt thép. Phương pháp thông dụng là nhuộm đen thép trong hỗn hợp muối nóng chảy có tỉ lệ 1:1 của KNO2+ 0 KNO3 hoặc NaNO2+NaNO3 + NaOH2 ở nhiệt độ 310-350 C sau đó rửa sạch bằng nước lạnh, tiếp theo là nước nóng có 2% xà phòng cuối cùng là rửa bằng nước lạnh. Nhúng chi tiết thép vào bể chứa dung dịch Mn(H2PO4)2 và Fe(H2PO4)2 với nước nóng để tạo ra lớp photphat sắt màu xám đen khá xít chặt ở bề mặt. 7.3.2. Bảo vệ điện hóa a. Bảo vệ catôt Chi tiết cần bảo vệ đóng vai trò là một catôt. Nguyên lý dùng một kim loại M’ có điện thế ăn mòn âm hơn chi tiết M để làm anôt. Trong quá trình ăn mòn, anôt M’ s ẽ bị ăn mòn và vật thật sẽ được bảo vệ. Ví dụ: để bảo vệ thép dùng kim loại có điện thế âm hơn như Zn, Al, Mg để làm anôt hy sinh gọi là protector. Hình 7.13. Bảo vệ catốt bằng protector 1. Thiết bị cần bảo vệ 2. Chất bọc protector 3. Proctector Zn 166 4. Dụng cụ kiểm tra Hình 7.14. Sơ đồ bảo vệ ống dẫn dưới đất bằng dòng điện ngoài Với những công trình nhỏ nên dùng bảo vệ bằng protectơ vì giá thành thấp hơn. - Bảo vệ bằng dòng điện ngoài thường dùng cho các diện tích rất lớn. - Thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng đúng định kỳ. - Các phương pháp bảo vệ catôt thường dùng kết hợp các lớp bảo vệ cách điện: sơn, bọc nhựa đường, chất dẻo... b. Dùng anôt trơ graphit Nguyên lý là dùng anôt trơ để tạo ra dòng điện ngược chiều trong mạch điện ăn mòn do đó sẽ giảm được dòng ăn mòn tuy nhiên khó đi ều chỉnh dòng. Hình 7.15. Nguyên lý dùng anôt trơ c. Bảo vệ anôt Phương pháp này chỉ dùng cho kim loại có khả năng thụ động hóa. Cần trang thiết bị phức tạp, chỉ dùng trong ăn mòn cực cao, trong công nghiệp hóa học. 7.3.3. Ăn mòn hóa học 7.3.3.1. Khái niệm và phân loại Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn xảy ta khi kim loại tác dụng với dung dịch 167 không điện ly và khí khô. Ăn mòn trong dung dịch không điện ly, đa số các chất hữu cơ không là chất điện ly, do vậy chúng không dẫn điện nên không xảy ra ăn mòn điện hóa. Ăn mòn khí, là quá trình ăn mòn hóa học xảy ra trong khí khô ở nhiệt độ cao. Ví dụ, sự oxy hóa các chi tiết trong lò nung, động cơ đốt trong, động cơ phản lực... Ăn mòn khô chủ yếu do phản ứng oxy hóa: + Tạo thành oxyt do tác dụng với oxy trong không khí + Tọa sulfua do SO2 + Tác động của Cl, Be, CO, CO2, H2O. 0 Đánh giá sự oxy hóa bằng ái lực (∆H kJ/mol O2) của kim loại đối với oxy hoặc đối với lưu huỳnh. Bảng 7.2. Ái lực của một số kim loại đối với oxy và lưu huỳnh Nguyên tố Oxyt ∆H0 Hợp chất ∆H0 Ag Ag2O -60 Ag2S -185 Cu Cu2O -335 Cu2S -270 Ni NiO -490 Ni2S -330 Fe FeO -520 FeS -310 Cr Cr2O3 -750 CrS -200 Al Al2O3 -1080 Quá trình ăn mòn khí xảy ra do tác động đồng thời của nhiệt độ cao và các khí ăn mòn xâm thực vào kim loại. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào tính chất kim loại và hợp kim, tính chất của môi trường khi ở nhiệt độ cao và tính chất của các sản phẩm ăn mòn. 7.3.3.2. Bảo vệ chống ăn mòn hóa học Dùng hợp kim chịu nóng thường dùng các loại hợp kim của Fe có Cr là nguyên tố hợp kim. Trong hợp kim tạo lớp oxyt đặc chắc, bám dính và có khả năng bảo vệ tốt, hợp kim giữ được độ bền ở nhiệt độ cao. Muốn vật liệu chịu nhiệt độ cao hơn nữa thì dùng gốm ceramic Phủ mạ phủ lớp Cr, Ni lên thép rồi ủ khuếch tán, phun phủ gốm lên bề mặt chi tiết bằng năng lượng plasma. Các phương pháp phủ mạ bốc hơi là phủ mạ bốc hơi vật lý (PVD) và phủ mạ bốc hơi hóa học (CVD). Các quá trình phủ mạ đều gồm ba bước: tạo chất phủ mạ, vận chuyển chất phủ từ nguồn tới vật liệu phủ, phát triển màng chất phủ. 7.4. Ăn mòn khô và cách chống ăn mòn khô Ăn mòn khô của các kim loại là phản ứng giữa kim loại và khí bao quanh chúng. Phản ứng này là sự oxy hóa xảy ra trên bề mặt kim loại và tạo thành với nó một số hợp chất nào đó. Do đó kim loại lại bị phá hủy. Loại ăn mòn này chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ cao. Trong đa số trường hợp, oxy của khí quyển tác dụng với kim loại tạo thành các oxyt. 168 Giống như quá trình ăn mòn trong dung dịch, sự tạo thành oxyt cũng xảy r a theo cơ chế điện hóa. Trong quá trình ăn mòn khô, một màng (lớp) rắn của sản phẩm ăn mòn tạo thành trên bề mặt kim loại. Điều kiện để kim loại bị oxy hóa là áp suất riêng phần của oxy trong môi trường phải lớn hơn áp suất phân hủy của oxyt.[9] Câu hỏi ôn tập Câu 1. Thế nào là ăn mòn, phân loại ăn mòn. Câu 2. Nêu cơ chế ăn mòn điện hóa Câu 3. Các dạng ăn mòn do chênh lệch nồng độ oxy thường gặp và biện pháp khắc phục. Câu 4. Nêu hiện tượng ăn mòn tinh giới, nguyên nhân gây ăn mòn tinh giới thép không gỉ austenit. Câu 6. Giải thích tại sao thép không gỉ chỉ nhạy cảm với ăn mòn tinh giới khi nung hoặc làm nguội chậm trong khoảng nhiệt độ từ 400 đến 8000C. Câu 7. Nêu khái quát các phương pháp bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn. Câu 8. Nêu các nguyên tắc khi thiết kế kết cấu nhằm hạn chế quá trình ăn mòn vật liệu. 169 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Công Dưỡng (chủ biên)/1984/Kim loại học/NXB Khoa học và kỹ thuật/Hà Nội [2] Lê Công Dưỡng (chủ biên)/1997/Vật liệu học/NXB Khoa học và kỹ thuật/Hà Nội [3] Hoàng Tùng, Phạm Minh Phương, Nguyễn Ngọc Thành/2011/Vật liệu học trong Cơ khí/NXB Giáo dục Việt Nam/Hà Nội [4] Nghiêm Hùng/1999/Vật liệu học/NXB ĐHBK Hà Nội/ Hà Nội [5] Nguyễn Văn Tư/1999/Xử lý bề mặt/ NXB ĐHBK Hà Nội/ Hà Nội [6] Nghiêm Hùng/2008/ Vật liệu học cơ sở/ NXB Khoa học và kỹ thuật/ Hà Nội [7] Phạm Minh Phương, Tạ Văn Thất/2000/Công nghệ nhiệt luyện/NXB Giáo dục/ Hà Nội. [8] B.N.ARZAMAXOV/ 2000/Vật liệu học/ NXB Giáo dục/ Hà Nội. [9] Alain Galerie, Nguyễn Văn Tư/2008/ Ăn mòn và bảo vệ vật liệu/ NXB Khoa học và kỹ thuật/ Hà Nội. [10] Đỗ Minh Nghiệp/1973/Lý thuyết độ bền/ ĐHBK Hà Nội/ Hà Nội. [11] Nghiêm Hùng, Hoàng Trọng Bá/1997/Công nghệ thấm cacbon/ Nhà Xuất Bản Khoa học kỹ thuật/ Hà Nội [12] Trần Quốc Thắng, Nguyễn Khắc Cường, Đỗ Minh Nghiệp, Nguyễn Văn Sứ/1990/ Các phương pháp nghiên cứu kim loại và hợp kim/ ĐHBK Hà Nội/ Hà Nội [13] Nghiêm Hùng/1997/Sách tra cứu thép, gang thông dụng/ ĐHBK Hà Nội/ Hà Nội. [14] Nguyễn Khắc Xương/2003/Vật liệu kim loại màu/ NXB Khoa học và kỹ thuật/ Hà Nội. [15] Nguyễn Chung Cảng/2006/ Sổ tay nhiệt luyện/ NXB Khoa học và kỹ thuật/ Hà Nội. [16] Bộ môn hoá lý/1963/Sổ tay tóm tắt các đại lượng hóa lý/ Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội xuất bản/ Hà Nội [17] Trần Quý Minh - Trần Văn Nam/2007/Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần và lưu lượng khí thấm tới tổ chức lớp thấm cacbon sử dụng khí gas Việt Nam/ Hà Nội [18] Th.s Lê Văn Cương/2006/Tập bài giảng Vật liệu kỹ thuật/ Hải Phòng. 170