Nghiên cứu chế độ thấm Cacbon để nâng cao khả năng chống mòn một số chi tiết máy làm bằng thép hợp kim Crôm

là trung thực và ch−a hề sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đ−ợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Trần Văn Hải i Lời cảm ơn Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khoá 12 chuyên ngành Kỹ thuật máy và Thiết bị cơ giới hoá Nông - Lâm nghiệp Tr−ờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, tôi đã nhận đ−ợc sự giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo trong tr−ờng. Nhân dịp này tôi xin đ−ợc bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong tr−ờng. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình và Tiến sĩ Đào Quang Kế, ng−ời đã tận tình h−ớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình và Th.s Nguyễn Văn Nghĩa, ng−ời đã tận tình h−ớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn Tr−ờng Trung học Công nghiệp Việt Đức, Nhà máy cơ khí Hà Nội đã gúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân đã có nhiều cố gắng, song không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong tiếp tục nhận đ−ợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài đ−ợc hoàn thiện hơn. Tác giả Trần Văn Hải ii Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các bảng vi Danh mục các hình vii Mở đầu 1 Ch−ơng 1. Tổng quan về đề tài 4 1.1. Xu h−ớng và khả năng phát triển công nghệ xử lý bề mặt 4 1.2. Lý thuyết chung về hoá nhiệt luyện 7 1.2.1. Quá trình hình thành tổ chức lớp thấm 10 1.2.2. Động học của quá trình thấm 10 1.2.3. Môi tr−ờng thấm 11 1.3. Khái quát chung về các ph−ơng pháp hoá nhiệt luyện 12 1.3.1. Thấm cacbn (C) 12 1.3.2. Thấm nitơ (N) 13 1.3.3. Thấm xyanua 14 1.3.4. Thấm l−u huỳnh (S) 15 1.4. Mục đích và yêu cầu của đề tài 15 Ch−ơng 2. Ph−ơng pháp nghiên cứu 16 2.1. Ph−ơng pháp nghiên cứu lý thuyết 16 2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 16 2.2.1. Đối t−ợng nghiên cứu 16 2.2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 17 2.3. Các b−ớc tiến hành thực nghiệm 17 2.3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 17 iii 2.3.2. Hoá nhiệt luyện mẫu 18 2.4. Xác định và sử lý số liệu thực nghiệm 21 2.5. Ph−ơng pháp kiểm tra 22 2.5.1. Kiểm tra độ cứng 22 2.5.2. Kiểm tra chiều sâu lớp thấm 25 2.5.3. Đo độ cứng tế vi của lớp thấm 26 2.5.4. Xác định l−ợng mài mòn 27 Ch−ơng 3. Nghiên cứu lý thuyết 28 3.1. Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại 28 3.1.1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể 28 3.1.2. Cấu tạo kim loại 33 3.1.3. Bản chất mối liên kết trong kim loại 39 3.2. Hoá nhiệt luyện 40 3.2.1. Khái niệm chung 40 3.2.2. Cơ sở của hoá nhiệt luyện 41 3.3. Thấm cacbon 49 3.3.1. Định nghĩa, mục đích 49 3.3.2. Tổ chức và tính chất của lớp thấm cacbon 50 3.3.3. Thép dùng để thấm cacbon 53 3.3.4. Thấm cacbon thể khí 54 3.5.4. Các khuyết tật và biện pháp ngăn ngừa 59 Ch−ơng 4. Nghiên cứu thực nghiệm 61 4.1. Thiết bị thấm cacbon thể khí 61 4.1.1. Hệ thống lò thấm cacbon thể khí 61 4.1.2. Mẫu thấm 63 4.1.3. Kiểm tra mẫu thấm 64 4.2. Mẫu thí nghiệm 66 4.2.1.Vật liệu chế tạo mẫu 66 iv 4.2.2. Kế hoạch thực nghiệm 66 4.3. Kết quả thực nghiệm 67 4.3.1. Kết quả mẫu thấm thép 20CrMo thời gian 3h, 6h, 9h, 12h. Nhiệt độ thấm 9300C 67 4.3.2. Kết quả mẫu thấm ở thời gian 6h nhiệt độ 8700C, 9000C,9300C, 9600C, 9900C. 69 4.3.3. Kết quả đo l−ợng mài mòn mẫu thấm thép 20CrMo ở nhiệt độ thấm 9300C, thời gian thấm 3 giờ; 6 giờ; 9 giờ; 12 giờ 70 4.3.4. Kết quả đo l−ợng mài mòn mẫu thấm thép 20CrMo ở thời gian thấm 6, nhiệt độ thấm : 8700C; 9000C; 9300C; 9600C; 9900C 71 4.3.5. Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm 73 4.4. Kết quả tổ chức, tính chất của lớp thấm 74 4.5. ứng dụng công nghệ thấm cacbon thể khí 78 Kết luận và đề nghị 82 1. Kết luận 82 2. Đề nghị 82 Tài liệu tham khảo 84 v Danh mục các bảng Bảng 2.1. Trình tự các b−ớc chuẩn bị mẫu thí nghiệm 18 Bảng 3.1. Hệ số mật độ và hệ thống phối trí của ô mạng tinh thể 38 Bảng 4.1. Thành phần hoá học của thép 20Cr và 20CrMo 66 Bảng 4.2. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở nhiệt độ thấm 9300C của thép 20CrMo 67 Bảng 4.3. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở thời gian thấm 06 giờ của thép 20CrMo 69 Bảng 4.4. Độ cứng và l−ợng mòn thép 20CrMo ở nhiệt độ thấm 930 C0 71 Bảng 4.5. Độ cứng và l−ợng mòn thép 20CrMo ở thời gian thấm 6 giờ 72 Bảng 4.6. Tổng hợp kết quả đo, thử nhiệm 73 vi Danh mục các hình Hình 1.1. ảnh h−ởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán 9 Hình 2.1. Kích th−ớc và hình dạng mẫu thi nghiệm 17 Hình 2.2. Sơ đồ th−ờng hoá mẫu 19 Hình 2.3. Sơ đồ thấm và tôi mẫu 20 Hình 2.4. Sơ đồ ram mẫu 20 Hình 2.5. Sơ đồ ấn mũi đâm hình tháp 4 mặt theo ph−ơng pháp Vickers 22 Hình 2.6. Nguyên lý đo độ cứng Rocwel 24 Hình 2.7. Đo độ cứng tế vi 26 Hình 3.1. Hệ toạ độ cầu của chất điểm 29 Hình 3.2. Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử 30 Hình 3.3. Ô mạng lập ph−ơng thể tâm 34 Hình 3.4. Ô mạng lập ph−ơng diện tâm 36 Hình 3.5. Ô mạng lập ph−ơng xếp chặt 38 Hình 3.6. Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuếch tán vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ 42 Hình 3.7. ảnh h−ởng của khuếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm 43 Hình 3.8. Sự phân bố nguyên tố khuếch tán trong lớp thấm khi hai nguyên tố hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn 44 Hình 3.9. a)Giản đồ trạng thái hai nguyên A- B; 45 45b)Sự thay đổi nồng độ nguyên tố B trong lớp khuếch tán Hình 3.10. a)Giản đồ trạng thái. b)Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm 46 Hình 3.11. Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuếch tán 47 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ 48 Hình 3.13. Sự phụ thuộc chiều dầy lớp thấm vào thời gian của quá trình 49 vii Hình 3.14. Sơ đồ biểu diễn sự thay đổi của thành phần cacbon ở lớp bề mặt trong quá trình thấm 51 Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ cacbon trong lớp thấm 52 Hình 3.16. Trạng thái cân bằng giữa hỗn hợp CO- CO2 với nồng độ cacbon từ 0,1 đến 1,0% của thép ở nhiệt độ khác nhau 57 Hình 3.17. Trạng thái cân bằng giữa hỗn hợp CH4 – H2 với nồng độ cacbon của thép ở các nhiệt độ khác nhau 59 Hình 4.1. Cấu tạo lò thấm SY 8292 62 Hình 4.2. ảnh h−ởng của thời gian đến độ cứng của thép 20CrMo 67 Hình 4.3. ảnh h−ởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm ở nhiệt độ 9300C 68 Hình 4.4. ảnh h−ởng của nhiệt độ đến độ cứng của thép 20CrMo 69 Hình 4.5. ảnh h−ởng nhiệt độ đến chiều sâu lớp thấm của thép 20CrMo 70 Hình 4.6. ảnh h−ởng của độ cứng đến l−ợng mài mòn thép 20CrMo ở nhiệt độ 9300C 71 Hình 4.7. ảnh h−ởng của độ cứng đến l−ợng mòn thép 20CrM thấm ở thời gian 06 giờ 72 viii Danh mục các ảnh ảnh 4.1. Lò thấm SY 8292 61 ảnh 4.2. Bình chứa chất thấm hoá lỏng 61 ảnh 4.3. Tủ điện điều khiển lò SY8292 61 ảnh 4.4. Mẫu thép thí nghiệm 20Cr 63 ảnh 4.5. Mẫu thép thí nghiệm 20CrMo 63 ảnh 4.6. Chụp ảnh kim t−ơng mẫu thấm 64 ảnh 4.7. Máy kiểm tra độ cứng Rocwel 64 ảnh 4.8. Đo độ cứng Vickers, độ cứng tế vi 65 ảnh 4.9. Đo chiều sâu lớp thấm 65 ảnh 4.10. Tổ chức thép 20CrMo ở chế độ 9300C, 3giờ (100X) 74 ảnh 4.11. Tổ chức thép 20CrMo ở chế độ 9600C, 6 giờ (100X) 74 ảnh 4.12. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9000C, 6 giờ (100X) 75 ảnh 4.13. Tổ chức thép 20CrM ở nhiệt độ 9900C, 6 giờ (100X) 75 ảnh 4.14. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9300C,9 giờ (100X) 76 ảnh 4.15. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9300C, 6 giờ (100X) 76 ảnh 4.16. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 8700C, 6 giờ (100X) 77 ảnh 4.17. Tổ chức thép 20CrMo ở nhiệt độ 9300C, 12 giờ (100X) 77 ảnh 4.18. Tổ chức thép 20CrMo không hoá nhiệt luyện (100X) 78 ảnh 4.19. Trục trung gian 78 ảnh 4.20. Bánh răng m 2 - 3 79 ảnh 4.21. Bạc ắc 79 ảnh 4.22. Đĩa ly hợp ma sát 79 ix ảnh 4.23. Bánh răng m 5 - 6 80 ảnh 4.24. Bánh răng m 3 - 4 80 ảnh 4.25. Chốt thập cacđăng 80 ảnh 4.26. Chốt pit tông 81 ảnh 4.27. Bánh răng xích 81 ảnh 4.28. Bánh răng xích 81 x Mở đầu Trong ngành chế tạo máy, chất l−ợng bề mặt của chi tiết máy đóng một vai trò quan trọng với các đặc tính nh−: khả năng chịu mài mòn, độ cứng, tính chịu nhiệt, chống ăn mòn hoá học, biến dạng dẻo,... Có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và độ tin cậy của chúng. Qua quá trình nghiên cứu và thực tế chứng minh rằng các chi tiết máy bị hỏng đều bắt nguồn từ việc phá huỷ lớp bề mặt ngoài (bị cào x−ớc dẫn đến mòn cơ học, bị ăn mòn hoá học, biến dạng dẻo, phá huỷ do dạn nứt bề mặt,...). Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, máy và thiết bị cơ khí không ngừng đ−ợc cải tiến để đáp ứng đ−ợc các điều kiện đòi hỏi có độ chính xác, năng suất lao động cao, đi đôi với tuổi bền và tính ổn định cao trong quá trình làm việc. Từ những yêu cầu trên, chất l−ợng chi tiết máy cần phải đ−ợc cải thiện đặc biệt là lớp bề mặt ngoài của nó phải đ−ợc làm bền bằng những công nghệ thích hợp nh−: làm bền bằng nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện, bằng cơ và điện, bằng lade,... Mặt khác, do nhu cầu làm việc của chi tiết máy, do nhu cầu sử dụng máy và thiết bị ngày càng nhiều, cùng với việc sử dụng các loại vật liệu kim loại hiếm vào chế tạo chi tiết máy đòi hỏi giá thành cao. Từ đó mà việc tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt chi tiết làm bằng vật liệu thông th−ờng là rất cần thiết. Công nghệ làm bền bề mặt kim loại là một trong những công nghệ chủ yếu đ−ợc áp dụng rộng rãi trong quá trình chế tạo chi tiết máy từ phôi kim loại. Nó đáp ứng đ−ợc các yêu cầu về độ bền bề mặt, bảo vệ và chồng ăn mòn, tăng độ bóng bề mặt và làm tăng tính công nghệ của vật liệu. 1 ở các n−ớc có nền kinh tế phát triển, đầu t− cho việc chống ăn mòn ngày càng tăng, các công việc chống ăn mòn ngày càng hiện đại, nh−ng thiệt hại do ăn mòng không vì thế mà giảm đi. Ng−ợc lại, nó vẫn không ngừng tăng lên, hao tổn này ở Đức 100tỷ mác, ở Nga 40tỷ rúp, ở Mỹ46,8 tỷ $. Do vật liệu ngày càng đ−ợc sử dụng nhiều, giá trị của vật liệu trong nền kinh tế quốc dân ngày càng lớn và môi tr−ờng ngày càng bị ô nhiễm. Vì vậy các biện pháp chông ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn kim loại đóng một vai trò quan trọng. ở n−ớc ta trong điều kiện nhiệt đới nóng và ẩm làm cho quá trình ăn mòn kim loại diễn ra một cách mãnh liệt hơn. Những năm 90 trở lại đây cùng với sự phát triển kinh tế, nhiều ngành công nghiệp ra đời nh−: dầu khí, đóng tầu, ôtô,... nhiều công trình, máy và thiết bị công nghiệp phải làm việc trong môi tr−ờng khắc nghiệt; môi tr−ờng có các khí hoá chất ăn mòn mạnh (Cl, HCl, SO2, SO3, NH3, NO, CO,...), môi tr−ờng biển, môi tr−ờng ma sát. Trong điều kiện làm việc nh− vậy hàng triệu tấn kim loại đã bị phá huỷ hàng năm. Do đó việc bảo vệ kim loại chống ăn mòn và mài mòn kim loại càng có ý nghĩa quan trọng. Khi thiết kế các chi tiết máy, ngoài việc lựa chọn vật liệu cơ bản đáp ứng đ−ợc các chỉ tiêu về kỹ thuật – kinh tế cần thiết, công nghệ sử lý bề mặt kim loại đóng một vai trò quan trọng và trong nhiều tr−ờng hợp là công nghệ không thể thiếu đ−ợc trong việc đảm bảo độ bền và tuổi thọ cần thiết đối với máy và thiết bị. Việc lựa chọn một cách tối −u biện pháp công nghệ sử lý bề mặt cho từng chi tiết máy đã góp phần mở rộng khả năng thiết kế và chế tạo nhiều chủng loại máy và thiết bị. Chi tiết máy với tính công nghệ cao phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn của đất n−ớc nh−: công nghiệp hoá chất, dầu khí, khai thác mỏ,... 2 Công nghệ làm bền bề mặt chi tiết máy, nhằm chống lại ăn mòn và nâng cao cơ - lý tính là công nghệ đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp hiện nay. Tuy nhiện, trong sự phát triển chung của ngành cơ khí n−ớc ta đòi hỏi phải đẩy mạnh cả về số l−ợng và chất l−ợng sản phẩm. Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện là một trong những ph−ơng pháp hoá bền bề mặt tốt đ−ợc sử dụng khá phổ biến có tác dụng rất mạnh trong việc năng cao chất l−ợng sản phẩm. Hoá nhiệt luyện là một ph−ơng pháp nhiệt luyện, ngoài việc làm thay đổi cấu trúc bên trong của kim loại, còn làm thay đổi thành phần hoá học lớp bề mặt. Do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt mà vẫn bảo tồn đ−ợc các tính chất ở trong lõi của vật liệu. Thấm cac bon là một ph−ơng pháp hoá nhiệt luyện làm khuếch tán cacbon vào bề mặt chi tiết, làm tăng độ cứng và tính chịu mài mòn của chi tiết máy. Thấm cacbon còn tạo nên lớp ứng suất nén d− ở lớp bề mặt làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết. Từ những yêu cầu thực tế trên, Tôi đã đi nghiên cứu và thực hiện đề tài : "Nghiên cứu chế độ thấm cac bon để năng cao khả năng chống mòn một số chi tiết máy làm bằng thép hợp kim crôm". 3 Ch−ơng 1 Tổng quan về đề tài 1.1. Xu h−ớng và khả năng phát triển công nghệ xử lý bề mặt [1], [2], [8], [9], [17] Từ những năm nửa cuối của thế kỷ 18 đã xuất hiện những công nghệ xử lý bề mặt kim loại nh−: trán men, mạ, bọc nhựa, bọc cao su,.... Để chống ăn mòn do khí môi tr−ờng, để chống mòn cơ học, biến dạng dẻo lớp bề mặt và dạn nứt bề mặt. Nhằm cải thiện bề mặt kim loại con ng−ời đã sử dụng ph−ơng pháp nhiệt luyện (tôi, ram, ủ, th−ờng hoá, thấm cacbon, thấm nitơ,...). Ngoài ra ng−ời ta còn nhuộm đen thép hoặc ôxy hoá, nhuộm mầu nhôm, phốt phát hoá tr−ớc khi sơn. Từ thế kỷ 20 cùng với sự phát triển theo yêu cầu của các ngành công nghiệp. Các công nghệ sử lý bề mặt phát triển nhanh, nnhững công nghệ trên ngày càng đ−ợc hoàn thiện. Từ mạ thủ công, mạ hoá học chuyển cơ khí hoá quá trình mạ điện nh−: mạ quay, mạ chuyển dịch a-nốt. Các khâu nâng, vận chuyển đ−ợc cơ giới hoá, đã cải thiện chất l−ợng mạ theo điều kiện lao động. ở một số n−ớc tiên tiến công nghệ mạ trang chí đã chuyển sang bán tự động và tự động hoá dây chuyền thiết bị mạ. Nâng cao chất l−ợng lớp mạ ổn định bền, bóng và đẹp. Đồng thời với mạ điện còn có mạ phun (Al, Zn, Cu-Pb,...), mạ xoa. Do đó mà mạ đ−ợc những chi tiết có khối l−ợng lớn và có hình dạng phức tạp nh−: đ−ờng ống dẫn chất lỏng, chất khí, cột điện cao thế, tôn tấm dùng đẻ làm tấm lợp,... Đáp ứng đ−ợc nhu cầu sản xuất và đời sống. Trên thế giới có 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 đ−ợc công nghệ nhiệt luyện, vì đây là biện pháp hữu hiệu, để nâng cao chất l−ợng sản phẩm kim loại nói 4 chung và sản phẩm là thép nói riêng. ở tất cả các nhà máy, xí nghiệp và các x−ởng sản xuất cơ khí đều có bộ phận nhiệt luyện. Nhiệm vụ chính của bộ phận này có khác nhau trong từng cơ sở sản xuất nh−ng nó đều tham gia vào việc gia công chế tạo dụng cụ cắt gọt. Nhiệt luyện các loại dụng cụ cầm tay, dao cắt máy tiện, máy phay bào, doa, chuốt,... Nhiệt luyện cải thiện chất l−ợng sản phẩm tr−ớc, trong và sau quá trình gia công cơ khí, Ví dụ: ủ tr−ớc khi gia công cắt gọt tiện, phay, bào,... Ram trong quá trình gia công hoặc tôi tr−ớc khi mài. Có thể khẳng định rằng trình độ công nghệ nhiệt luyện ảnh h−ởng nhiều đến chất l−ợng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí sản xuất ra. ở các n−ớc có nền công nghiệp chế tạo phát triển khâu nhiệt luyện đ−ợc đặc biệt chú trọng, đặc biệt là việc chế tạo các thiết bị công nghệ nh− lò nung dùng cho tôi, ram, ủ có hiệu suất cao, điều khiển nhiệt luyện tự động, chính xác. Từ các lò thủ công rồi tiến tới các lò buồng. Hiện nay những cơ sở sản xuất hàng loạtđã có dây chuyền nhiệt luyện kiểu tuynel, sản phẩm vào và ra liên tục, chất l−ợng sản phẩm tốt, ổn định và năng xuất lao động cao. Ngoài ra còn có các thiết bị dùng năng l−ợng dòng điện cảm ứng cao tần cũng đ−ợc sử dụng khá phổ biến. Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật, sự phát triển cải tiến tính năng của lớp bề mặt vật liệu kỹ thuật, thể hiện tiềm năng và phát triển, triển vọng của công nghệ bề mặt trong việc phát triển tính năng của vật liệu, tạo ra sự đa dạng trong ứng dụng và phát triển của công nghệ vật liệu. Công nghệ bề mặt rúp chúng ta tiết kiệm đ−ợc nhiều vật liệu, đặc biệt là vật liệu quý hiếm, nhờ lớp bề mặt đ−ợc c−ờng hoá. Thống kê hàng năm cho thây tổn thất do ăn mòn vật liệu chiếm từ 2ữ4% GDP của các n−ớc công nghệp tiên tiến; 10% sản l−ợng thép của toàn thế giới bị tổn thất do ăn mòn. Công nghệ bề mặt có một vai trò quan trọng trong việc chống ăn mòn bằng cách tạo lên những lớp phủ, thay đổi tính năng của bề mặt cải thiện đ−ợc tính chống mòn, chống ăn mòn của vật liệu. Hiện nay, công nghệ bề mặt thực hiện từ 70ữ80% những công 5 nghệ có liên quan tới bảo vệ bề mặt chống ăn mòn và điều khiển đ−ợc 25ữ30% tổng khối l−ợng ăn mòn. Trong t−ơng lai công nghệ bề mặt phát triển theo h−ớng giảm mòn, năng cao hiệu suất sử dụng vật liệu. Ngoài ra việc sử dụng công nghệ bề mặt trong sửa chữa máy, sửa chữa những bề mặt quan trọng mau mòn, chóng gỉ tiết kiệm đ−ợc rất nhiều. Để năng cao cơ- lý tính bề mặt cùng với nhiệt luyện còn có các ph−ơng pháp hoá nhiệt luyện nh−: sufit hoá bề mặt, thấm cacbon, thấm cacbon- nitơ, thấm nitơ, thấm crôm, thấm xyanua, thấm bo,...Các ph−ơng pháp công nghệ này đều đã và đang thực hiện với các quy mô khác nhau. Công nghệ nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi hình dáng và kích th−ớc của chi tiết. Nguyên công nhiệt luyện có thể nằm ở những vị trí khác nhau trong dây chuyền sản xuất cơ khí, tuỳ thuộc vào vị trí có thể phân thành hai loại sau: - Nhiệt luyện sơ bộ: là dạng nhiệt luyện th−ờng đựơc tiến hành tr−ớc khi gia công cơ nhằm tạo ra độ cứng, khử ứng suất và tổ chức tế vi thích hợp cho các nguyên công gia công cơ và nhiệt luyện tiếp theo. - Nhiệt luyện kết thúc: là dạng nhiệt luyện đ−ợc tiến thành sau khi gia công cơ nhằm tạo cho chi tiết những tính chất cần thiết theo yêu cầu kỹ thuật. Nhiệt luyện quyết định đến tuổi bền của chi tiết và tuổi thọ của sản phẩm cơ khí. Máy và thiết bị cơ khí càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số l−ợng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều. Đối với các n−ớc công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ chế tạo của ngành cơ khí phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, vì gia công cơ khí có độ chính xác đều đạt. Nh−ng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất l−ợng nhiệt 6 luyện không đảm bảo thì tuổi bền của chi tiết máy cũng giảm và mức độ chính xác của máy và thiết bị không còn giữa đ−ợc theo yêu cầu. ở n−ớc ta từ lâu nhiệt luyện đã đ−ợc áp dụng trong đời sống hàng ngày, Ông cha ta đã biết tôi dao, kéo, đục, c−a,... Làm cho thép mềm trở thành cứng để cắt gọt và g−ợc lại làm cho thép cứng trở thành mềm đẻ gia công chế tạo chi tiết vật dụng. Ngày nay nền công nghiệp n−ớc ta đang phát triển không ngừng và việc nghiên cứu năng cao chất l−ợng cho các chi tiết bằng ph−ơng pháp nhiệt luyện ngày càng trở nên cấp thiết, việc đầu tiên là đầu t− cho đội ngũ cán bộ khoa học - kỹ thuật trong lĩnh vực này. 1.2. Lý thuyết chung về hoá nhiệt luyện [3], [6], [11], [15] Hoá nhiệt luyện kim loại và hợp kim là quá trình nhiệt luyện mà ở đây chi tiết đ−ợc đặt trong môi tr−ờng (rắn, lỏng, khí) có khả năng phân tích ra các nguyên tử hoạt tính của nguyên tố định khuếch tán, sau đó nung chi tiết và giữ nhiệt ở nhiệt độ nhất định nhằm thay đổi thành phần hoá học, tổ chức và tính chất lớp bề mặt chi tiết. Hoá nhiệt luyện là một trong những ph−ơng pháp tăng bền có hiệu quả, nâng cao độ cứng, khả năng chống mòn, độ bền nâu tiếp xúc, để bảo vệ chống lại sự ăn mòn của môi tr−ờng. Ph−ơng pháp này đ−ợc ứng dụng rông rãi cho nhiều loại chi tiết máy quan trọng . Hoá nhiệt luyện là ph−ơng pháp nhiệt luyện có kèm theo sự cải thiện thành phần hoá học của lớp bề mặt do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt, mà vẫn bảo tồn đ−ợc các tính chất ở trong lõi của vật liệu. Hoá nhiệt luyện bao gồm hai quá trình: - Thay đổi thành phần lớp bề mặt bằng cách khuếch tán các nguyên tố hoạt tính cần bão hoà vào sâu bề mặt một hay nhiều nguyên tố khác nhau, theo mục đích nhất định (đ−ợc gọi là tạo lớp thấm). 7 - Nhiệt luyện tiếp theo (tôi, ram) nhằm cải thiện hơn nữa tổ chức và tính chất của lớp bề mặt cũng nh− toàn bộ chi tiết. Trong quá trình hoá nhiệt luyện thể tích riêng của lớp bề mặt tăng gây ứng suất d−. ứng suất này có tác dụng giảm giá trị ứng suất kéo của ngoại lực trong quá trình làm việc của chi tiết. Việc tăng khả năng chống mòn bề mặt của chi tiết máy, tạo nên khả năng tăng tốc độ quay, tốc độ di chuyển của các chi tiết có chuyển động tr−ợt t−ơng đối với nhau, nhờ đó năng suất lao động tăng và tuổi bền của máy tăng. Hoá nhiệt luyện có thể áp dụng cho tất cả các loại chi tiết, kể cả những chi tiết có hình dáng phức tạp mà các ph−ơng pháp nhiệt luyện khác không thực hiện đ−ợc. Đồng thời nó có những −u việt tạo cho nó có khả năng ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của ngành cơ khí. Hoá nhiệt luyện tạo nên khả năng thay thế vật liệu trong chế tạo máy, làm tính chất của lớp bề mặt và trong lõi chi tiết khác nhau. Một lợi ích rất hiệu quả trong điều khiện khan hiếm vật t− nh− hiện nay. Hoá nhiệt luyện không sợ quá nhiệt vì thông th−ờng sau khi hoá nhiệt luyện còn phải qua nhiệt luyện. Hoá nhiệt luyện đựơc sử dụng rông rãi trong công nghiệp, tuỳ thuộc theo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết mà ng−ời ta áp dụng thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon-nitơ, thấm xianua, thấm crôm, thấm bo, thấm silic,... Mỗi ph−ơng pháp hoá nhiệt luyện trên đều có những đặc điểm chung và riêng cho từng loại, từ đó áp dụng cho hợp lý. Quá trình xảy ra khi hoá nhiệt luyện dựa trên cơ sở khuếch tán. Vì thế việc giải quyết các đặc điểm công nghệ cũng suất phát từ quy luật chung của quá trình khuếch tán. Hiện t−ợng khuếch tán chỉ sẩy ra khi nguyên tố khuếch tán có khả năng tạo với kim loại chính dung dịch rắn. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào dung dịch rắn. 8 Điều kiện bão hoà chất thấm bằng khuếch tán. Điều kiện 1. Phải có nguyên tử hoạt tính. Những nguyên tử này đ−ợc tạo nên trong thời điểm phân huỷ chất chứa nguyên tố khuếch tán. Điều kiện 2. Sau khi phân huỷ cần thiết cho quá trình bão hoà- khuếch tán là sự hấp thụ các nguyên tử hoạt tính trên bề mặt kim loại khuếch tán sâu vào bên trong kim loại. Điều kiện 3. Để thực hiện bão hoà bề mặt là sự khuếch tán. Để thực hiện đ−ợc khuếch tán cần có nhiệt độ t−ơng đối cao, bảo đảm độ linh động của các nguyên tử nguyên tố khuếch tán. Phân huỷ, hấp thụ và khuếch tán là 3 giai đoạn liên tục của một quá trình xác định diễn ra và kết quả thu đ−ợc. Vì thế, nếu tác động biến đổi các điều kiện phân ly, hấp thụ và khuếch tán có thể tác động tích cực lên quá trình hoá nhiệt luyện. Tốc độ khuếch tán bằng hệ số khuếch tán. Sự thay đổi hệ số khuếch tán vào nhiệt tuân theo một hàm số mũ. Kích th−ớc nguyên tử của nguyên tố khuếch tán có ảnh h−ởng lớn tới quá trình khuếch tán. Bán kính nguyên tử nguyên tố khuấch tán càng nhỏ thì hệ số khuếch tán càng lớn: D: Hệ số khuếch tán t: Nhiệtđộ Hình 1.1. ảnh h−ởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán D t 9 1.2.1. Quá trình hình thành tổ chức lớp thấm Để tạo lớp thấm, chi tiết đ−ợc đặt trong môi tr−ờng thấm (ở trạng thái rắn, lỏng, khí) môi tr−ờng này có khả năng phân hoá thành các nguyên tử hoạt tính của nguyên tố cần thấm ở nhiệt độ thích hợp. Sự hình thành các pha mới và tổ chức tế vi của lớp thấm phụ thuộc vào giản đồ pha, khả năng khuếch tán của nguyên tố thấm , t−ơng tác gữa chúng với nhau và kim loại nền. Sự phân bố nồng độ của nguyên tố thấm phụ thuộc vào giản đồ pha. Ngoài ra khi thấm một nguyên tố lên bề mặt của một hợp kim, do t−ơng tác lẫn nhau giữa các nguyên tố có sẵn trong thép và nguyên tố thấm nên có sự phân bố lại nồng độ nguyên tố thấm trong mẫu. 1.2.2. Động học của quá trình thấm Các quá trình thấm xẩy ra theo ba giai đoạn nối tiếp nhau: khuếch tán thể khí để cung cấp chất thấm nên bề mặt, phản ứng trên bề mặt là khuếch tán thể rắn để thấm sâu vào bên trong. Nếu quá trình nào chậm thì xẽ quyết định động học của quá trình thấm, do đó có ba giả thiết. - Nếu khuếch tán thể khí là quá trình chậm nhất thì phản ứng hoá học và khuếch tán thể rắn vào sâu bề mặt chi tiết ở cân bằng. Khi đó động quá trình thấm sẽ tuyến tính theo thời gian. - Nếu phản ứng hoá học trên bề mặt (bao gồm cả hấp thụ và phản ứng xẩy ra trên bề mặt) chậm nhất và quyết định động học quá trình thấm, t−ơng tự nh− trên khuếch tán thể khí và khuếch tán thể rắn phải ở trạng thái cân bằng. Khi đó, động học quá trình thấm cũng tuyến tính theo thời gian và sự hình thành hợp chất hoá học trên bề mặt chi tiết. - Nếu khuếch tán thể rắn là một quá trình chậm nhất và khống chế động học tạo lớp khuếch tán bề mặt (đây là tr−ờng hợp hay gặp nhất trong thực tế) thì khuêch tán thể khí và phản ứng hoá học đều ở trạng thái cân bằng. Khi đó, 10 động học quá trình thấm đ−ợc biểu diễn bằng đ−ờng Parabôn theo thời gian. 1.2.3. Môi tr−ờng thấm Để thực hiện quá trình thấm tr−ớc tiên ta phải tạo ra môi tr−ờng thấm. Môi tr−ờng thấm dù ở thể rắn, thể lỏng hay thể khí cũng đều đ−ợc tạo ra từ ba thành phần chính là: chất thấm, chất xúc tác, chất độn (phụ gia). Chất thấm là chất có chứa các nguyên tố cần thấm có thể ở dạng nguyên chất hoặc hỗn hợp với các nguyên tố khác. Dạng hợp chất th−ờng gặp trong thực tế vì có thể điều chỉnh hoạt độ của nguyên tố cần thấm. Tuỳ theo công nghệ thấm mà chất thấm ở thể rắn, lỏng hay khí. Chất xúc tác đ−ợc đ−a vào nhằm tạo ra nguyên tử hoạt tính của nguyên tố cần thấm. Các nguyên tử cần hoạt này có thể hình thành trực tiếp từ phản ứng hoá học giữa chất xúc tác và chất thấm, cũng có thể hình thành từ sự phân huỷ các sản phấm, phản ứng trong một điều khiện cụ thể. Trong tr−ờng hợp chất thấm có thể tự phân huỷ để taọ ra nguyên tử hoạt tính thì không cần dùng chất xúc tác. Ngoài ra chất xúc tác trong từng tr−ờng hợp cụ thể có thể điều chỉnh quá trình thấm theo h−ớng có lợi. Chất độn (Phụ gia) nhằm tạo ra môi tr−ờng và tốc độ thấm thích hợp, giảm thiểu tiêu hao nguyên liệu đắt tiền. Ngoài ra chất độn còn tránh tạo ra các phản ứng phụ không cần thiết trong quá trình thấm. Hoá nhiệt luyện đ−ợc dùng phổ biến đối với cácchi tiết bằng thép có thành phần cacbon từ 0,15 ữ 0,3% nhằm tạo độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn hay nâng cao tính chịu ăn mòn. 11 1.3. Khái quát chung về các ph−ơng pháp hoá nhiệt luyện [4], [5], [11] 1.3.1. Thấm cacbon (C) Thấm cacbon là quá trình bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố cacbon để sau khi thấm và nhiệt luyện thu đ−ợc bề mặt chi tiết có độ cứng cao, độ chống mài mòn cao, độ chống sâm thực. Các tính chất trên đạt đ−ợc trong khi vẫn giữa nguyên đ−ợc phần lõi. Thấm cacbon đ−ợc tiến hành theo 4 ph−ơng pháp sau: - Thấm cacbon thể rắn Đ−ợc áp dụng rộng rãi ở các cơ sở sản xuất cơ khí trong n−ớc ta. Ph−ơng pháp thấm đơn giản, vạn năng, có thể áp dụng để thấm cho các chi tiết có hình dạng kích th−ớc khác nhau, không đòi hỏi thiết bị chuyên dùng Thành phần hỗn hợp để thấm cacbon bao gồm: BaCO3 (bari cacbonat), Na2CO3 (Natri Cacbonat), than củi, dầu mazut. Các chất này xẽ tạo ra các chất khí: O2 ; CO2 ; CO; CH4;... Các phản ứng sẩy ra: CO2 + C = 2CO Cacbon nguyên tử đ−ợc hấp thụ vào bề mặt kim loại và khuếch tán đi sâu vào lõi. - Thấm cacbon thể khí Thấm cacbon thể khí có −u điểm hơn thấm cacbon thể rắn, thể lỏng và bột nhão vì nó giảm đ−ợc thời gia thấm do không phải nung hộp thấm, giảm chi phí lao động chuẩn bị hỗn hợp thấm, giảm vật t−, có khả năng điều chỉnh quá trình thấm rễ hơn, giảm biến dạng chi tiết, cải thiện đ−ợc điều kiện làm việc và vệ sinh công nghiệp có thể cơ giới hoá, tự động hoá quá trình sản xuất. tuy nhiên thấm cabon thể khí đòi hỏi thiết bị phức tạp, công nhân có trình độ 12 tay nghề cao. Việc vận hành thiết bị: làm kín nồi thấm, đảm bảo tuần hoàn khí, kỹ thuật an toàn đòi hỏi phức tạp hơn và giá thành cao hơn. Thấm cacbon thể khí có thể áp dụng cho các cơ sở sản xuất loạt lớn, vừa nhỏ và cả trong quá trình sửa chữa. - Thấm cacbon thể lỏng Thấm cacbon thể lỏng đ−ợc tiến hành trong môi tr−ờng muối nóng chẩy. Thấm cacbon thể lỏng đ−ợc áp dụng cho các chi tiết nhỏ cần chiều sâu lớp thấm mỏng từ 0,1ữ0,5mm nh−: trục, bulông, bánh răng và các chi tiết dạng đĩa cho chất l−ợng tốt. Thấm cacbon thể lỏng xẩy ra nhanh hơn, thu đ−ợc lớp thấm theo yêu cầu. Có thể tôi trực tiếp sau khi thấm và bề mặt chi tiết sạch giá thành thấp hơn thấm thể rắn và thể khí. Tuy nhiên thấm cacbon thể lỏng không dùng để thấm các chi tiết vừa và lớn, nồi thấm chóng bị ăn mòn, cần có biện pháp an toàn tốt, thành phần cacbon trong chất thấm chóng giảm cần đ−ợc bổ sung. Thấm cacbon thể lỏng th−ờng đ−ợc áp dụng để thấm chi tiết trong chế tạo xe đạp, xe gắn máy, dụng cụ dao kéo và hàng tiêu dùng khác. - Thấm cacbon thể bột nhão Đ−ợc áp dụng cho sản xuất đơn chiếc, sửa chữa cơ điện. So với thấm cacbon thể rắn thấm cacbon thể bột nhão có −u điểm: rút gắn thời gian nung, tăng số chi tiết trong hộp, giảm lao động, tiết kiệm năng l−ợng và giảm đ−ợc phát triển hạt. Nh−ợc điểm kết quả thấm và nồng độ thấm không ổn định lớp thấm không giữ đ−ợc ở nhiệt độ cao hơn 200 oC. 1.3.2. Thấm nitơ (N) Thấm nitơ là một quá trình hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố nitơ. Nhằm mục đích nâng cao độ cứng, độ chống mài mòn, 13 độ bền nóng, độ chống ăn mòn của chi tiết thấm nitơ tạo nên lớp ứng suất d− nén ở bề mặt do đó làm tăng giới hạn mỏi. Ngoài ra nitơ có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt trong môi tr−ờng khí quyển. Lớp thấm có tính ổn định tới nhiệt độ 500 – 600oC. Thấm nitơ áp dụng cho những chi tiết nh−: xéc măng, sơ mi, khuôn dập nóng, khuôn đúc áp lực,... Đặc điểm của ph−ơng pháp này là bề mặt chi tiết đ−ợc bão hoà bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amoniăc. 2NH3 – 3._.H + 2N Ưu điểm: L−ợng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại kế hợp với các nguyên tố Cr, Mo, Al,... có trong kim loại tạo lớp nirit kim loại nhỏ mịn nên làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn, tạo ra lớp ứng suất d− trên bề mặt làm nâng cao độ bền mỏi cho chi tiết . Nh−ợc điểm: chiều sâu lớp thấm mỏng, thời gian thấm lâu, giá thành chi tiết thấm nitơ cao. 1.3.3. Thấm xyanua Thấm xyanua là quá trình làm bão hoà bề mặt chi tiết đông thời hai nguyên tố cacbon và nitơ trong môi tr−ờng muối nóng chẩy có chứa xyanua nhằm tạo độ cứng, độ chống mái mòn, độ chống ăn mòn và độ bền nóng của chi tiết. Viện công nghệ đã nghiên cứu 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 cắt số I đã lắp dây chuyền thấm xyanua. Thấm xyanua ở nhiệt độ cao đ−ợc viện công nghệ nghiên cứu áp dụng cho chi tiết máy kéo bông sen 12. Các chi tiết nh− trục xích, bạc trong, bạc ngoài chế tạo bằng thép 20Cr. Nh−ợc điểm: phải dùng muối gốc xyanua là một loại hoá chất độc. Do 14 vậy phải có biện pháp giải quyết triệt để vấn đề khí độc, sử lý các chất thải và duy trì việc vệ sinh công nghiệp. 1.3.4. Thấm l−u huỳnh (S) Thấm l−u huỳnh là quá trình làm bão hoà bề mặt các chi tiết bằng nguyên tố l−u huỳnh nhằm nâng cao tính chống mài mòn và tránh tạo vết x−ớc các bề mặ làm việc của chi tiết. Thấm l−u huỳnh có thể tiến hành trong chân không, trong môi tr−ờng l−u huỳnh nóng chẩy sử dụng cho các đĩa ma sát, dụng cụ cắt, … 1.4. Mục đích và yêu cầu của đề tài Nghiên cứu công nghệ thấm cacbon vào việc năng cao chất l−ợng bề mặt một số vật liệu dung trong công nghệ chế tạo máy, mở rộng khả năng công nghệ thấm cacbon trong n−ớc. Nghiên cứu ảnh h−ởng của một số thông số nh−: vật liệu, nhiệt độ, thời gian đến chất l−ợng lớp thấm cacbon đối với thếp crôm. Thực hiện công nghệ thấm cacbon cho thép 20Cr, 20CrMo theo quy trình th−ờng hoá, thấm, tôi và ram. Xây dựng quy trình công nghệ thấm cacbon cho vật liệu đã chọn ở trên. 15 Ch−ơng 2 Ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1. Ph−ơng pháp nghiên cứu lý thuyết Với mục đích đề tài là "Nghiên cứu chế độ thấm cac bon để năng cao khả năng chống mòn một số chi tiết máy làm bằng thép hợp kim crôm", tôi nghiên cứu các nội dung sau: Nghiên cứu về cấu tạo kim loại, bản chất mối liên kết trong kim loại, cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể để làm cơ sở cho việc nghiên cứu quá trình hoá nhiệt luyện. Nghiên cứu về hoá nhiệt luyện, quá trình hoá nhiệt luyện và cơ sở của hoá nhiệt luyện. Nghiên cứu cơ chế quá trình thấm cacbon thể khí, trong đó nghiên cứu tổ chức và tính chất của lớp thấm, những yếu tố ảnh h−ởng chất l−ợng của lớp thấm, các khuyết tật và biện pháp phòng ngừa. 2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm [7], [10], [16] 2.2.1. Đối t−ợng nghiên cứu Đối t−ợng nghiên cứu là thép hợp kim Cr, cụ thể là thép: 20Cr, 20CrMo trong đó nghiên cứu ảnh h−ởng của nguyên tố hợp kim đến khả năng thay đổi tính chất của kim loại và hợp kim nhờ công nghệ nhiệt luyện nói chung và hóa nhiệt luyện nói giêng. Việc nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên đ−ợc tiến hành trên mẫu các thực nghiệm xác định. Sau đó lựa chọn một vài chế độ thấm hợp lý để tiến hành thấm cụ thể trên chi tiét máy (nhông tr−ớc, sau của xe gắn máy, chốt pistông, bánh răng hộp số…), Ngoài các yếu tố yêu cầu kỹ thuật về hình dáng và kích 16 th−ớc ta cần quan tâm hơn cả đến các yêu cầu về cơ, lý tính của chi tiết nh−: độ cứng bề mặt, độ chống mài mòn, chiều sâu lớp thấm. 2.2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm Do hạn chế về thời gian và kinh phí nên đề tài tập trung nghiên cứu sự ảnh h−ởng của nhiệt độ thấm, thời gian thấm, nồng độ chất thấm đến các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết thấm nh−: độ cứng bề mặt, độ chống mài mòn, chiều sâu lớp thấm, độ cứng tế vi và tổ chức tế vi của lớp thấm. 2.3. Các b−ớc tiến hành thực nghiệm 2.3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm - Chọn mẫu: mẫu thí nghiệm chế tạo theo kích th−ớc và hình dạng đ−ợc giới thiệu ở hình 2.1 12 22 Φ Φ3 Hình 2.1. Kích th−ớc và hình dạng mẫu thi nghiệm Yêu cầu của mẫu thấm: - Kích th−ớc 12 ± 0,01 - Hai mặt đầu A và B phẳng và song song với nhau, sai số cho phép ≤ ±0,01. Độ nhám bề mặt A và B cho phép Rz 0,4 - Rz 0,2 (∇ 11; ∇ 12). - Các mặt còn lại độ nhám bề mặt Rz 10 (∇ 8). Trình tự các b−ớc chuẩn bị mẫu 17 Các b−ớc tiến hành chuẩn bị mẫu làm thí nghiệm đ−ợc trình bày trong bảng 2.1 Bảng 2.1. Trình tự các b−ớc chuẩn bị mẫu thí nghiệm B−ớc công việc Chỉ dẫn kỹ thuật C−a thép - Thép 20Cr - Thép 20CrM - Φ32 L200 số l−ợng thép mỗi loại thép 02 đoạn. - Th−ờng hóa khử ứng suất Tiện - Thép 20Cr tiện Φ29 -Thép 20CrMo tiện Φ27 Phay -Hai bề mặt phẳng và song song với nhau sai số cho phép < ± 0,1 Mài mặt cạnh Độ bóng Rz 0,08 (∇ 10) Cắt mẫu Chiều dài mỗi mẫu l=12 Khoan lỗ móc phôi Lỗ Φ3 khoan xuất Mài mặt đầu phôi Độ bóng Rz 0,08 (∇ 10) 2.3.2. Hoá nhiệt luyện mẫu 2.3.2.1. Làm sạch mẫu Sau khi mài tinh mặt đầu của mẫu, để không bị ôxy hoá ta tiến hành bảo quản bằng mỡ công nghiệp. Tr−ớc khi đem thấm phải tiến hành làm sạch mẫu bằng dầu mazut và đ−ợc lau khô. 2.3.2.2.Th−ờng hoá khử ứng suất Do quá trình chế tạo phôi bằng các ph−ơng pháp nh−: cán, đúc, rèn và dập dẫn đến tổ chức kim loại trong thép có các khuyết tật, biến dạng, biến cứng làm cho tổ chức về cơ, lý tính của thép không đồng đều. Chính vì thế tr−ớc khi gia công ta tiến hành ủ và th−ờng hoá để ổn định lại cơ, lý tính cho 18 thép. Quá trình ủ và th−ờng hoá đ−ợc biểu diễn trên (hình 2.2). 3 2 1 T0,0C A3 A1 t’, h Hình 2.2. Sơ đồ th−ờng hoá mẫu 1- Vận tốc nung ≤ 250 độ/h 2- Nhiệt độ th−ờng hoá 8700C- 8900C 3- Làm nguội ngoài không khí 2.3.2.3. Tiến hành thấm và tôi mẫu Thí nghiệm đ−ợc tiến hành trên lò thấm SY 8292 - Công suất lò 65KW - Đ−ờng kính vỏ lò Φ1530 - Đ−ờng kính lồi lò Φ 600 - Chiều cao của lò l1750 - Chiều cao lồi lò l1500 - Đ−ờng kính sử dụng Φ400 - Chiều cao sử dụng Φ900 Quá trình thấm mẫu đ−ợc thực hiện nh− sau: cho chi tiết vào khi lò, tiến hành tăng nhiệt độ của lò cho tới khi đạt nhiệt độ thấm và giữa nhiệt trong thời gian theo (mục 2.3.2.2. Kế hoạch thực nghiệm), làm nguội mẫu tới nhiệt độ 19 9000C và đ−ợc tôi trong môi tr−ờng dầu ở nhiệt độ 700C. Sơ đồ nhiệt cho quá trình thấm và tôi đ−ợc biểu diễn trong (hình 2.2). o – t1 thời gian thấm t1 – t2 thời gian làm nguội theo lò t2 – t3 thời gian tôi Thấm cacbon Tôi trong dầu 700C T0,0C 1000 900 800 0 t 1 t2 t3 t ’, h Hình 2.3. Sơ đồ thấm và tôi mẫu 2.3.2.4. Ram mẫu Sau khi thấm và tôi ta phải tiến hành ram mẫu để khử ứng suất, quá trình ram đ−ợc thực hiện trên lò ram SY 829-2 và theo giản đồ hình 2.3 t1 thời gian nung mẫu t1- t2 thời gian giữa nhiệt Không khí 1800C T0,0C 200 100 t1 t2 t/gian Hình 2.4. Sơ đồ ram mẫu 20 2.3.2.5. Kế hoạch thí nghiệm Nhiệt độ thấm: 8700C; 9000C; 9300C; 9600C; 9900C; Thời gian thấm: 3 giờ; 6 giờ; 9 giờ; 12giờ; Từ những cơ sở lý thuyết về công nghệ thấm cacbon, tôi đã tiến hành tìm hiểu thiết bị thấm, các yếu tố công nghệ: nhiệt độ, thời gian, độ phân giải khí CH4 để thấy đ−ợc ảnh h−ởng của chúng đến chất l−ợng lớp thấm, từ đó xây dựng quá trình công nghệ thấm cacbon thể khí. Tiến hành thí nghiệm thấm mẫu trên các trang thiết bị của hai công ty. Công ty Phụ tùng máy số I, Công ty diezen Sông Công. Các số liệu thực nghiệm đ−ợc xác định trên thiết bị của phòng thí nghiệm kim loại học (Tr−ờng ĐHNN I Hà Nội), trung tâm kỹ thuật cơ khí chính xác (Tr−ờng ĐH Bách khoa Hà Nội). 2.4. Xác định và sử lý số liệu thực nghiệm [12], [15], [16] Các số liệu thực nghiệm về chất l−ợng lớp thấm nh− độ cứng, chiều sâu lớp thấm, ảnh kim t−ơng đ−ợc xác định theo Tiêu chuẩn Việt Nam Số liệu thu đ−ợc đo tại ít nhất ba vị trí khác nhau trên mẫu để đảm bảo xác suất tin cậy. Nếu trong quá trình đo có số liệu nghi ngờ không đáng tin cậy thì tôi tiến hành đo lại. Các giá trị đo đ−ợc: Xi (i=1-n) Giá trị trung bình: X = ∑ = n i iXn 1 1 Sai số: δ = 1 )( 2 1 − −∑ = n XXi n i Sai số trung bình: δtb = n σ 21 Giá trị tin cậy đ−ợc tính theo chuẩn Student với mức ý nghĩa α = 0,05 bậc tự do f = α -1, độ tin cậy tbtX σα.± . Với các số liệu nghi ngờ kiểm tra bằng quy luật phân bố chuẩn (quy luật 3σ). Với X >3σ thì loại bỏ. 2.5. Ph−ơng pháp kiểm tra [11], [13], [19] 2.5.1. Kiểm tra độ cứng 2.5.1.1. Xác định độ cứng Vicken (HV) Đo độ cứng Vicke (HV) bằng cách ấn mũi đâm kim c−ơng hình tháp 4 mặt có kích th−ớc tiêu chuẩn, xuống mẫu thử d−ới tác dụng của tải trọng P trong khoảng thời gian xác định (hình 2.5). d h Hình 2.5. Sơ đồ ấn mũi đâm hình tháp 4 mặt theo ph−ơng pháp Vickers Đo độ cứng (HV) trên máy: MICRO - VICKERS 402MVD (EU). Độ cứng (HV) đ−ợc xác định theo công thức. HV = 0,189 2d F Trong đó, d: giá trị số học đ−ờng chéo vết lõm sau khi bỏ tải trọng; α: góc ở đỉnh giữa mặt đối diện của hình tháp bằng 1360. F: diện tích bề mặt vết lõm Ph−ơng pháp này dùng để xác định độ cứng của các chi tiết bằng kim 22 loại, hợp kim đen và mầu có lớp mạ mỏng, lớp thép thấm cacbon, xianua, nitơ và các chi tiết có chiều sâu lớp thấm tôi nhỏ, có độ cứng HV từ 8- 1224, nhiệt độ 20o±100C. Thời gian duy trì tải trọng đối với kim loại đen bằng 10 –15s, đối với kim loại mầu 30±2s. Khi vật liệu chế tạo có độ dẻo cao làm sai lêch hình dạng của vết lõm vì vậy só đo HV có thể tăng lên hoặc giảm xuống. Công thức tính toán thực tế khi đó sẽ là: HV = 2 2 2 8544,1. ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ± Zd P Trong đó; Z sai lệch trung bình hình dáng vết lõm Khi xác định độ cứng vichke phải tuân theo các điều kiện sau đây: lớp càng mỏmg, tải trọng càng nhỏ, khoảng cách giữa các vế lõm bên cạnh không nhỏ hơn 2,5 lần chiều dài đ−ờng cheo vết lõm, sai số thang đo quang học nhỏ hơn ±0,002mm khi chiều dài lớn hơn 0,2mm, sai số đ−ờng chéo không quá 2% của đ−ờng kéo nhỏ trong chúng. bề mặt của chi tiết thử không nhỏ hơn cấp 10 và phải sáng, bán kính cong không nhỏ hơn 5mm (đối với bề mặt cong). 2.5.1.2. Xác định độ cứng Rocwel Đo độ cứng Rocwel bằng cách ân mũi đâm tiêu chuẩn (bi thép tôi hoặc mũi kim c−ơng dạng chóp nón), xuống mẫu thử d−ới tải trọng sơ bộ P0= 10KG và tải trọng chung P = P0+ P1, nguyên lý đo độ cứng Rocwen nh− (hình 2.6) Đo độ cứng trên máy AKaShi AR – 10 (Nhật Bản) 23 h h0 P0P0 P1 P0 Hình 2.6. Nguyên lý đo độ cứng Rocwel Đo độ cứng trên máy Akashi AR – 10 (Nhật Bản), độ cứng (HR) đ−ợc tính theo công thức sau: HR = K - 002,0 0hh − Trong đó, K = 130 khi thử bằng bi thép đã nhiệt luyện (HV850, độ bóng không nhỏ hơn cấp 12) có đ−ờng kính 1,588mm (thang B); K =100 khi thử bằng mũi kim c−ơng hình nón có góc ở đỉnh bằng 120o ±30’(thang C và A). 0,002 là giá trị của vạch đồng hồ so – sự dịch chuyển theo chục của mũi đâm tính ra mm đ−ợc lấy là một đơn vị đọ cứng h0: chiều sâu vết ấn của mũi đâm trên kim lọai thử d−ới tác dụng của tải trọng sơ bộ: P0 =10 kG; h: chiều sâu vết ấn khi lấy đi tải trọng chínhP1. Ph−ơng pháp n dùng để xác định độ cứng của kim loại đen hay mầu ở nhiệt độ 20o ±10’ có mặt gia công (mài) h ày độ cứng cao (các thang C và A) và cả các chi tiết có bề ay chi tiết hoá nhiệt luyện (thấm xianua và thấm cacbon). 24 2.5.2. Kiểm tra chiều sâu lớp thấm Để kiểm tra chiều sâu lớp thấm ta tiến hành thực hiện các b−ớc công việc sau: B−ớc 1: Mẫu sau khi thấm đ−ợc cắt bỏ đi một lớp có chiều dầy 3-4 mm. Mặt phẳng cắt vuông góc với bề mặt thấm. Yêu cầu khi cắt mẫu không đ−ợc làm phát sinh nhiệt mà phải thực hiện trong môi tr−ờng làm nguội tốt nh− dung dịch êmoxi+ n−ớc. B−ớc 2: Mài phẳng bề mặt mẫu ở phần cắt bằng máy mài chuyên dùng yêu cầu sau khi mài bề mặt mẫu độ nhám ≤ Rz 0,8 (∇10). Mài nghiền bằng giấy giáp có cấp độ hạt nh−: 100; 150; 240; 400; 800; 1000, yêu cầu sau khi nghiền độ nhẵn bóng bề mặt đạt RZ 0.4- Rz 0,2 (∇11; ∇12). Đánh bóng mẫu thấm bằng bột Al2O3, CrO3 mịn, yêu cầu sau khi đánh bóng bề mặt mẫu đạt RZ 0,08- Rz0.05 (∇13; ∇14) B−ớc 3: Tẩm thực bề mặt mẫu đã đ−ợc đánh bóng bằng dung dịch 5% HNO3 trong cồn 90 0 thời gian 10-15 giây sau đó đ−ợc rửa, làm sạch trong n−ớc cất và lau khô tr−ớc khi kiểm tra. B−ớc 4: Để kiểm tra chiều sâu lớp thấm ta có thể thực hiện theo hai cách sau: - Cách một; quan sát tổ chức tế vi của lớp thấm trên máy NIKON – ECLIPSE L150 (Nhật Bản). Nhờ khả năng phóng to tổ chức tế vi của máy ta tiến hành đo giới hạn lớp thấm. - Cách hai; ta đo độ cứng tế vi trên máy MICRO - VICKERS 402MVD (EU), từ đó tìm ra sự thay đổi độ cứng của lớp thấm và nền kim loại gốc nhờ đó mà ta xác định đ−ợc chiều sâu lớp thấm. 25 2.5.3. Đo độ cứng tế vi của lớp thấm Ph−ơng pháp đo tế vi cho phép xác định phần thể tích rất nhỏ (vi mô) của vật liệu. Vì vậy nó đ−ợc sử dụng rộng rãi để xác định độ cứng của các thành phần cấu tử hợp kim, các lớp mỏng kim loại, lớp mạ tấm mỏng … Đo độ cứng tế vi thực hiện bằng cách ấn từ từ mũi đâm kim c−ơng hình tháp 4 mặt xuống mẫu thử với các tải trọng thay đổi từ 5 đến 500g. Góc ở đỉnh α= 1360. Cách đo độ cứng tế vi đ−ợc trình bầy ở (hình 2.7) Bề mặt thấm Hình 2.7. Đo độ cứng tế vi Đo độ cứng (Hà) trên máy: MICRO - VICKERS 402MVD (EU). Độ cứng (Hà) đ−ợc xác định theo công thức. Hà = 1854 2d P Trong đó; P: tải trọng tính bằng gam d: đ−ờng kính vết lõm, tính bằng àK Tải trọng sử dụng theo tiêu chuẩn là: 5-10-20-50-100-200 và 500g. Tải trọng đ−ợc chọn theo tính đồng nhất của vật liệu, chiều dầy lớp thử … Yêu cầu khi thử đ−ờng chéo vết lõm d không lớn hơn 1,5 lần chiều dầy mẫu thử. Khoảng cách giữa vết lõm đến mép ngoài mẫu không nhỏ hơn 2 lần đ−ờng 26 chéo vết lõm. Khoảng cách giữa hai tâm vết lõm không nhỏ hơn 2,5 dmã. Sau khi thấm cacbon và tôi, tổ chức tế vị của lớp thấm phần nào phản ánh qua độ cứng bề mặt. Lõi có tổ chức tôi không hoàn toàn. Dựa trên hình ảnh của tổ chức tế vị ta có thể đánh giá chất l−ợng. 2.5.4. Xác định l−ợng mài mòn Trong điều kiện làm thí nghiệm thời gian không đủ để chờ kết quả thử nghiệm cho chi tiết làm việc ở vị trí lắp ráp. Để xác định l−ợng mòn, ta tiến hành thử nghiệm bằng ph−ơng pháp thử mòn nhanh. Thử mòn nhanh đ−ợc thực hiện trên máy Appect II (Anh Quốc). Điều kiện thử: tải trọng 1kg, tốc độ quay của máy 100v/phút, nhiệt độ 270C, độ ẩm80%, ma sát khô. 27 Ch−ơng 3 Nghiên cứu lý thuyết 3.1. Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại [5] [6] [12] 3.1.1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể 3.1.1.1. Cấu trúc nguyên tử Trong tự nhiên vật chất tồn tại ở ba trạng thái rắn – lỏng – khí và chúng đ−ợc 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 điện tử trong nguyên tử 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 qua niệm nguyên tử có dạng hình cầu, thì hạt nhân là phần vật chất nằm ở tâm và mang điện tích d−ơng. Ta biết nguyên tử luân luân trung hoà về điện. Bởi vậy điện tử chuyển động trên quỹ đạo mang điện tích trái dấu đúng bằng độ lớn của điện tích hạt nhân. Các nguyên tử khi chuyển động trên các mặt cầu quanh hạt nhân đều tuân theo các lý thuyết về cơ học sóng. Ng−ời ta có thể xác định đ−ợc mật độ của các lớp mây điện tử quanh hạt nhân bằng ph−ơng trình Schrodinger. Đó là ph−ơng trình biểu diễn hệ toạ độ cầu trong không gian Ψ = R(r ). Φ(ϕ).θ(θ) (3-1) Giả ph−ơng trình (3-1) ta thu đ−ợc trạng thái năng l−ợng ở từng vị trí của các điện tử. 28 ứng với mỗi trạng thái năng l−ợng của nguyên tử ta thu đựơc trạng thái năng l−ợng của điện tử nhờ bốn số l−ợng tử: n, Z, ml, ms. các trạng thái l−ợng tử th−ờng có giá trị Z = 0,1,2,3…và dùng các kí hiệu s, p, d, f để mô tả trạng thái l−ợng tử. s: sharp- mạnh d: diffuse- khuếch tán p: spincipal- chính f: fulldamental- cơ bản ở mức năng l−ợng nhỏ thì: Z= 0 (khi s nhỏ). Z= 1 (khi p nhỏ). Z= 2 ( khi d nhỏ). Z= 3 (khi f nhỏ). Nh− vậy trạng thái l−ợng tử của các nguyên tử hoàn toàn phụ thuộc vào n và Z. Z θ M O Y X ϕ M’ Hình 3.1. Hệ toạ độ cầu của chất điểm Các đi ện tử của một số nguyên tử sẽ chiếm các vị trí có trạng thái l−ợng tử tuân theo mọt quy luật nhất định, theo nguyên lý năng l−ợng tối thiểu và nguyên lý paoly. Mức năng l−ợng của điện tử hoàn toàn phụ thuộc vào số n và Z và đ−ợc biểu diễn các cấu trúc đó bằng l−ợng tử Z và số điện tử là số mũ. 29 Tổng số mũ của trạng thái l−ợng tử khác nhau chỉ số điện tử của nguyên tử ấy bằng số thứ tự trong bảng tuần hoàn nguyên tố hoá học của Mendelêep. Khi nguyên tử hấp thụ hay thải năng l−ợng thì trạng thái năng l−ợng của các điện tử sẽ thay đổi sang mức khác. 3.1.1.2. Cấu trúc tinh thể Lực liên kết giữa các nguyên tử: ở trạng thái rắn các nguyên tử đ−ợc giữa cân bằng bởi các lực t−ơng tác, lực t−ơng tác thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi. Trên hình (3.2) cho ta thấy thế năng thực tế của một cặp nguyên tử bằn không khi hai nguyên tử ở cách xa nhau vài trăm ăngstron (A0) và trở nên âm khi chúng gần nhau hơn do lực hút giữa hai nguyên tử gây lên. (+) Ea Mn Et (-) T hế n ăn g Hình 3.2. Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử En: thế năng giữa hai nguyên tử. Ea: thế năng hút giữa hai nguyên tử. Et: thế nănghút và đẩy giữa hai nguyên tử. 30 Hình (3.2) cũng cho ta thấy sự biến đổi của các loại lực phụ thuộc vào khoảng cách của hai nguyên tử. Khi tăng nhiệt độ có nghĩa là cấp thêm cho nguyên tử một năng l−ợng mới. Làm khả năng chuyển động của nguyên tử tăng, hay nói cách khác là năng l−ợng tự do của nguyên tử sau khi đ−ợc cấp thêm một năng l−ợng đã v−ợt giá trị năng l−ợng tự do cân bằng vốn có của nó. Bởi vậy, nguyên tử trong mạng tinh thể kim loại luôn đạt giá trị năng l−ợng cân bằng (lực hút, lực đẩy đạt giá trị xác định ở điều kiện cân bằng). Đó là mức năng l−ợng tối thiểu có thể có của mạng kim loại ở mỗi nhiệt độ khác nhau (với điều kiện áp suất bằng 1 at) do đó khi xét đến khả năng tồn tại của vật liệu kim loại ta phải xét đến khả năng liên kết và các lực liên kết trong mạng tinh thể. Đó là các loại liên kết ion, liên kết đồng hoá trị, liên kết kim loại. *Các loại liên kết th−ờng dùng trong vật liệu. - Liên kết ion: Liên kết này th−ờng gặp ở các nguyên tử kim loại và á kim, đó là các nguyên tử kim loại nhóm kiềm và kiềm thổ còn các á kim đ−ợc đặc tr−ng bởi các nhóm Halozen. Theo tính toán của điện tử hoá trị thì ở nhóm kim loại kiềm và kiềm thổ lớp điện tử ngoài cùng có năng l−ợng lớn nhất, chỉ cần có điều kiện là các điện tử đó ôxy hoá biến thành ion mang điện tích d−ơng. Mc – ne → Mc+n + ne Còn các á kim nhóm halozen chỉ cần có điều kiện kử thì các nguyên tố này thể hiện mạnh tính ôxy hoá để trở thành ion âm. A + ne → A-n 31 Do đó hai loại ion này thể hiện lực hút tĩnh điện mạnh. Liên kết của ion càng mạnh khi điện tích ion càng lớn và bán kính ion nhỏ. Liên kết ion là liên kết có tính giòn cao, nên trong vất liệu dùng chế tạo máy ít đ−ợc sử dụng. - Liên kết đồng hoá trị: Loại liên kết này đ−ợc hình thành từ hai nguyên tử cùng một nguyên tố hoá học. Sở dĩ hình thành liên kết này là do hai nguyên tử dùng chung cặp điên tử để trung hoà về điện, bởi vậy chúng tồn tại d−ới dạng phân tử hai nguyên tử. Với tổ chức liên kết đồng hoá trị thì ít biến dạng dẻo tính giòn cao. - Liên kết kim loại: Đây là loại liên kết trong mạng tinh thể cùng tên. liên kết này gần với liên kết đồng hoá trị, nh−ng khác với liên kết đồng hoá trị là các điện tử tự do không chiếm vị trí xác định trên quỹ đạo của nguyên tử, chúng chuyển động với tốc độ lớn từ nguyên tử này sang nguyên tử khác tạo ra đám mây liên kết, mật độ điện tử hoàn toàn phụ thuộc vào số l−ợng điện tử hoá trị và phải sác định mật độ bằng ph−ơng trình sóng (3.1). Sự chuyển động của các e (electon) luân tuân theo quy luật “nguyên tử trung hoà về điện”. Nhờ có kiểu liên kết này mà kim loại có tính dẻo cao, độ dẫn điện và dẫn nhiệt lớn. Từ việc nghiên cứu vĩ mô về nguyên tử, đến các vấn đề liên kết của chúng trong vật liệu, các nhà vật liệu học càng đi sâu nghiên cứu về cấu trúc dạng khối của kim loại để tìm ra các thông số −u việt nhất phục vụ cho việc tạo ra các vật liệu đa dạng, phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là vật liệu dùng để phục vụ ngành chế tạo máy. 32 3.1.2. Cấu tạo kim loại Quá trình ăn mòn kim loại là quá trình t−ơng tác giữa kim loại với môi tr−ờng. Cấu tạo kim loại có ảnh h−ởng nhất định đến quá trình ăn mòn kim loại. ở điều kiện th−ờng các kim loại và hợp kim đều ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt và có tính công nghệ … Có đ−ợc các tính chất đó là do cấu tạo kim loại. Khi kim loại chuyển trạng thái rắn thì các nguyên tử (ion) kim loại đ−ợc sắp xếp theo một trật tự nhất định tạo nên mạng không gian. Cấu tạo nguyên tử (ion) đ−ợc 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 d−ơng gọi là ion d−ơng hay cation kim loại. Kết quả là trong kim loại tồn tại nguyên tử cùng các điện tử tự do. Các nguyên tử (ion) trong kim loại không chuyển động hỗn loạn mà nó chỉ dao động xung 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 đ−ợc một mạng không gian gọi là mạng tinh thể. Tuỳ thuộc vào sự sắp xếp trong không gian các nguyên tử mà tạo lên 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). 3.1.2.1. Kiểu mạng lập ph−ơng thể tâm A2 Hình 3.3 giới thiệu kiểu mạng lập ph−ơng thể tâm A2. Ô cơ sở là hình lập ph−ơng với các cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh, các khối trung tâm. Các thông số cơ bản của kiểu mạng lập ph−ơng thể tâm. Ô cơ bản: là phần nhỏ nhất của mạng tinh thể nếu đi theo X, Y, Z thì 33 các tính chất lập lại đúng ô ban đầu (độ dài OX, OY, OZ phải đều chia hết cho a). Trong ô cơ bản của mạng A2 có 8 nguyên tử ở 8 đỉnh và ở tâm O có một nguyên tử. Tuy vậy phần thể tích chứa trong một ô cơ bản chỉ có 2 ( n=2). Bởi vì mỗi nguyên tử ở đỉnh O thuộc về 8 ô cơ bản chỉ có nguyên tử ở tâm khối là chọn vẹn thuộc về ô đó. Do đó ta có: n = 1/8.8 + 1 = 2 (nguyên tử) Hình 3.3. Ô mạng lập ph−ơng thể tâm ở kiểu mạng A2 các nguyên tử ở 8 đỉnh không tiếp xúc với nhau, mà chúng chỉ tiếp xúc với nguyên tử ở tâm khối bởi vậy kiểu mạmg A2 tạo ra các lỗ trống 8 mặt, đây là cơ sở để các nhà nhiên cứu đặt vấn đề tạo hợp kim. Để đánh giá sơ bộ độ bền của các kiểu mạng, ng−ời ta th−ờng thông qua đại l−ợng. Mv = V vn. 100% (mật độ thể tích) Trong đó, v: thể tích nguyên tử 34 V: thể tích ô cơ bản n: số nguyên tử trong ô cơ bản s: tiết diện nguyên tử trong mặt thể tích S: tiết diện mặt tinh thể của ô cơ bản Đại l−ợng này nói lên năng l−ợng liên kết giữa các nguyên tử với nhau trong mạng, Mv càng lớn có nghĩa là năng l−ợng liên kết càng lớn và mạng tinh thể có độ bền lớn. Đại l−ợng thứ hai: Ms = S sn. 100% ( mật độ diện tích) Nếu trong các họ mặt tinh thể có Ms lớn thì sự tr−ợt của kim loại theo ph−ơng vuông góc càng khó xẩy ra. 3.1.2.2. Kiểu mạng lập ph−ơng diện tâm A1 Hình 3.4 giới thiệu kiểu mạng lập ph−ơng diện tâm A1. ở kiếu mạng A1 có cấu trúc ô cơ bản khác với A2. Ngoài các nguyên tử đỉnh, còn các nguyên tử nằm ở trung tâm của 6 mặt các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc nhau mà chỉ tiếp xúc với các nguyê tử nằm ở tâm. Bởi vậy kiểu mạng A1 tạo ra các lỗ trống 8 mặt ở khối tâm và lỗ trống 4 mặt nh− trên hình (3.4). ở mạng A1 việc tính toán mật độ thể tích và mật độ diên tích nh− sau: T−ơng tự nh− trong mạng A2 các nguyên tử nằm ở các đỉnh khối đều thuộc 8 ô cơ bản trong mạng. Ngoài ra mỗi nguyên tử nằm tâm thuộc về 2 ô cơ bản. Do đó ô nguyên tử trong ô cơ bản của kiểu mạng A2 đ−ợc tính n = 1/8. 8 + 1/2 .6 = 4 35 Hình 3.4. Ô mạng lập ph−ơng diện tâm Còn việc tính mật độ thể tích và mật độ diện tích ta dùng công thức ở kiểu mạng A2. Nếu đem mật độ nguyên tử Mv để so sánh A1 và A2 ta thấy đ−ợc các dạng lỗ trống ở mạng A2 lớn hơn và số l−ợng lỗ trống cũng ít hơn ở mạng A1. Đó chính là tiền đề các nhà nghiên cứu của vật liệu đề ra để tạo điều kiện hình thành loại dung dịch rắn sen kẽ. 3.1.2.3. Kiểu mạng lục giác xếp chật3 Kiểu mạng A3 đ−ợc cấu trúc nh− một lăng trụ lục giác và đ−ợc giới thiệu trong hình 3.5. Hai đáy là hai tiết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh còn có một nguyên tử nằm ở tâm đáy. ở kiểu mạng A3 tâm đáy có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều hai đáy. Các nguyên tử trên một đáy không tiếp xúc với nhau mà chỉ tiếp xúc với 3 nguyên tử ở tâm khối. Ng−ợc lại 3 nguyên tử ở tâm khối cũng không tiếp xúc với nhau. Kiểu mạng A3 cũng có các lỗ trống 8 mặt và lỗ trống 4 mặt, trong thực tế các kiểu mạng đ−ợc coi là lục giác xếp chặt khi tỷ số chiều cao khối với 36 cạnh đáy c/a = 1,633. Nh−ng trong thực tế khó tìm đ−ợc kim loại nào đạt đ−ợc tỷ số đó. Bởi vậy, khi mạng lục giác của kim loại có tỷ số nằm trong khoảng: 1,57 ≤ a c ≤1,64 đều đ−ợc coi là lục giác xếp chặt. Một trong những yếu tố ảnh h−ởng tới tính chất của kim loại là mật độ nguyên tử ở trong mạng tinh thể. Đ−ợc đặc tr−ng bởi hằng số mật độ ( hệ số gối). Hệ số mật độ là tỷ số giữa thể tích chiếm chỗ của nguyên tử so với thể tích của ô cơ bản. Kv = V v Trong đó, v: thể tích chiếm chỗ của nguyên tứ v = 3 4 π. r3.nv V:thể tích ô cơ bản V = a3 r: bán kính của nguyên tử nv: số nguyên tử có trong ô cơ bản a: cạnh của ô cơ bản (a tính theo r) Hay mật độ nguyên tử: Mv = Kv.100% 37 Hình 3.5. Ô mạng lập ph−ơng xếp chặt a) Vị trí A,B,C trên mặt dày đặc nhất của mạng A1 và A3 b) Thứ tự xếp chồng ABABA của mạng A3 c) ABCABCA của mạng A1 Để đặc tr−ng cho cấu tạo mạng tinh thể ta còn dùng hệ thông phối trí. Hệ số phối trí của mạng tinh thể là số l−ợng các nguyên tử gần nhất bao quanh một nguyên tử. Bảng 3.1. Hệ số mật độ và hệ thống phối trí của ô mạng tinh thể Cấu tạo mạng tinh thể Số nguyên tử có trong ô cơ bản (nv) Hệ số mật độ ( Kv) Hệ số phối trí - Ô mạng lập ph−ơng đơn giản - Ô mạng lập ph−ơng thể tâm - Ô mạng lục giác đơn giản - Ô mạng lập ph−ơng diện tâm - Ô mạng lục giác xếp chặt 1 2 3 4 6 0,52 0,68 0.52 0.74 0.47 6 8 12 12 12 38 Hệ số mật độ và hệ số phối trí càng lớn tức khoảng cách không gian tự do còn lại càng nhỏ thì cấu tạo mạng l−ới tinh thể càng bền. 3.1.3. Bản chất mối liên kết trong kim loại Mối liên kết trong kim loại bản chất thì giống mối liên kết cộng hoá trị, Nh−ng có điểm khác là các điện tử hoá 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 hoá trị sau khi tách khỏi hoá trị kim loại thì chuyể động thuộc quỹ đạo nguyên tử này sang quỹ đạo của một nguyên tử khác. Nó không phụ thuộc vào bất kỳ một nguyên tử nhất định nào trong mạng tinh thể. Các điện tử tự do chuyển động hỗn loạn tạo thành khí điện tử (mây điện tử ) trong kim loại. T−ơng tác giữa lớp khí điện tử với các điện 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, tinh công nghệ,… Khi ta thiết lập một hiệu điện thế giữa hai đầu của một thanh kim loại thì các điện tử tự do xẽ chuyển từ chuyển động hỗn loạn sang chuyển động có h−ớng trong điện tr−ờng, tạo thành dòng điện kim loại. Dòng điện chạy qua không làm thay đổi tinh chất của kim loại. Khi ta nung nóng một điểm nào đó của thanh kim loại, nhiệt năng sẽ làm các nguyên tử ở đó dao động. Dao động của các nguyên tử sẽ lan chuyền từ nguyên tử này sang nguyên tử lân cận… Kết quả là tạo nên tính dẫn nhiệt của kimloại. Khi gia công kim loại bằng áp lực, các lớp nguyên tử chỉ tr−ợt lên nhau. Các điên tử tự do vẫn giữ nguyên mối liên giữa các nguyên tử - điều đó giải thích khả năng định hình của chi tiết kim loại. 39 3.2. Hoá nhiệt luyện [3], [11], [19] 3.2.1. Khái niệm chung Hoá nhiệt luyện là một ph−ơng pháp hoá bền bề mặt đ−ợc áp dụng phổ biến, nó khác với nhiệt luyện là ngoài việc làm thay đổi cấu trúc bên trong còn làm thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt. Hoá nhiệt luyện đ−ợc thực hiện bằng cách làm bão hoà lên bề mặt thép một hay nhiều nguyên tố (C, N, CN, AL, Si, Cr,…) để làm thay đổi thành phần hoá học, do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt theo mục đích nhất định. Hoá nhiệt luyện đ−ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì nó cho phép thay đổi một khoảng rộng thành phần, tổ chức và tính chất của lớp bề mặt của chi tiết. + So sánh với dạng hoá bền bề mặt khác, hoá nhiệt luyện có một số đặc điểm sau: - Có thể áp dụng cho tất cả các loại chi tiết, kể cả những chi tiết có hình dáng phức tạp khi không dùng đ−ợc các ph−ơng pháp hoá bền bề mặt khác. - Tính chất của lớp bề mặt và ở trong lõi chi tiết rất khác nhau, do thành phần hoá học của chúng cũng khác nhau sau khi thấm. - Không sợ quá nhiệt vì thông th−ờng sau khi hoá nhiệt luyện còn phải qua nhiệt luyện. + Mục đích của hoá nhiệt luyện: - Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn và độ bền mỏi của chi tiết nh−ng hiệu quả cao đạt đ−ợc hơn so với tôi bề mặt. Mục đích này đạt đ−ợc bằng ._.