3.2. Ảnh hưởng của chế độ khuếch tán đến độ cứng tế vi của thép
Hình 2 biểu thị kết quả đo độ cứng tế vi khi thấm cacbon-nitơ cùng chế độ của hai loại thép khác nhau khi không áp dụng chế độ khuếch tán. Trên hình 2, đường 1 biểu diễn sự phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm của thép 18CrMnTi; đường 2 là của thép 20CrMo, thời gian thấm là 3 giờ, khí được cấp không đổi trong 3 suốt thời gian thấm (không áp dụng chế độ khuếch tán). Từ hình 1 có thể nhận thấy lớp thấm có cơ tính không cao (biểu hiện qua giá trị độ cứng tế vi): độ cứng sát bề mặt của cả hai loại thép đều dưới 55HRC, đường phân bố độ cứng thất thường, không điều hoà và có chiều sâu lớp thấm nhỏ. Có thể giải thích kết quả trên là do khi lượng khí nguồn được giữ nguyên trong suốt thời gian thấm, cacbon và nitơ nguyên tử trên bề mặt được sinh ra liên tục với hàm lưọng cao, cùng với sắt tạo nên cacbit và nitơrit, ngăn cản sự di chuyển tiếp tục các nguyên tố thấm nên chiều dày lớp thấm nhỏ. Mặt khác, hàm lượng các nguyên tố thấm trên bề mặt cao, lớp thấm chứa nhiều khuyết tật nên độ cứng bề mặt giảm.
Hình 2. Đường phân bố độ cứng tế vi từ bề mặt vào lõi của thép 18CrMnTi (đường1)
và thép 20CrMo (đường 2) khi không áp dụng chế độ khuếch tán
So sánh việc áp dụng và không áp dụng chế độ thấm khuếch tán cho thép 18CrMnTi, tổng thời gian thấm 3 giờ, cho kết quả độ cứng tế vi rất khác nhau (hình 3). Các trị số và đường phân bố độ cứng cho thấy khi không áp dụng chế độ khuếch tán, lớp thấm có độ cứng sát bề mặt là 58 HRC, chiều sâu là 600 μm (hình 3, đường 1). Khi áp dụng chế độ khuếch tán 1 giờ: chiều sâu lớp thấm 1030 μm, độ cứng phần sát bề mặt là 66 HRC (hình 3, đường 2).
Hình 3, 4
Với thép 20CrMo sự chênh lệch giữa hai chế độ còn rõ rệt hơn. Hình 4 biểu diễn sự thay đổi độ cứng theo lớp thấm của thép 20CrMo không áp dụng chế độ khuếch tán (đường 1) và áp dụng chế độ khuếch tán (đường 2).
Khi không áp dụng chế độ khuếch tán, các nguyên tố hợp kim như Cr, Mo lúc đầu hấp dẫn cacbon và nitơ tạo ra các hợp chất có độ cứng cao, tuy nhiên do nitơ và cacbon được cấp nhiều và liên lục, tốc độ chuyển dịch trong thép nhỏ hơn nhiều so với tốc độ tạo khí nên các nguyên tố thấm không có điều kiện khuếch tán điều hoà nên đường phân bố độ cứng thay đổi thất thường. Ngoài ra, do hàm lưọng nitơ cao austenit trở nên ổn định, lượng austenit dư sau thấm và tôi lớn, độ cứng thấp.
Khi có thời gian khuếch tán, nguồn cấp cacbon và nitơ giảm, cacbon và nitơ có điều kiện chuyển dần vào trong, lượng hai nguyên tố đó trên bề mặt giảm, tránh được khuyết tật, độ cứng lớp bề mặt cao, đường phân bố độ cứng điều hoà, chứng tỏ các nguyên tố C và N phân bố điều hoà trong lớp thấm.
3.3. Ảnh hưởng của hình dạng bề mặt đến phân bố độ cứng của thép
Quá trình khuếch tán còn chịu ảnh hưởng của hình dáng chi tiết (hình 5). Với cùng một loại thép, cùng một chế độ thấm, chiều dày của lớp thấm của mẫu phẳng (15x15x20 mm) (đường 1) lớn hơn so với mẫu trụ (R = 10 mm) (đường 2).
Hình 5. Đường phân bố độ cứng từ bề mặt vào lõi của thép 20XM mẫu phẳng (đường 1) và mẫu trụ
(đường 2) với chế độ thấm 10 % NH3, (Cp = 1.157),
T = T1 + T2 = 2 h + 1 h = 3 h
4. Kết luận
– Khi sử dụng khí công nghiệp để tiến hành thấm C-N cho loại thép khác nhau, chiều dày lớp thấm, độ cứng và sự phân bố độ cứng đều tốt hơn khi áp dụng chế độ thấm khuếch tán.
– Chiều dày và độ cứng còn chịu ảnh hưởng của hình dáng bề mặt chi tiết, với chi tiết có bề mặt phẳng, các chỉ tiêu nói trên đều cao hơn so với chi tiết bề mặt cong, kết luận này có thể sử dụng để xác định thời gian thấm phù hợp cho các chi tiết có hình dáng khác nhau.
[symple_box color=”gray” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]
Tài liệu trích dẫn
1. Wiliam D. Callisters, Fundamentals of Materials Science and Engineering, 7th edition , Chapter 6: Diffusion, 2003, p.4-21
3. Lê Thị Chiều, Khuyết tật trong lớp thấm cacbon-nitơ: cách nhận biết, nguyên nhân và các biện pháp hạn chế và khắc phục, tạp chí Công nghiệp, Bộ Công nghiệp, 8-2007
4. M. F. Yan, Z. R. Liu, Study on microstructure and microhardness in surface layer of 20CrMnTi steel car- burised at 880 oC with and without RE, Materials Chemistry and Physics, 72, 2001, p. 97- 100
5. D. Farkas and K. Ohla, Modeling of diffusion processes during carburization of alloys, Oxidation of Metals, Vol. 19, 1983
[/symple_box][symple_clear_floats]
