Bài báo đề cập đến ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ lên thép SKD11, trong đó độ phân hủy khí NH3 (β) đóng vai trò quan trọng.
Nitriding of SKD11 Steel used for the deep drawing an press forming dies
Phùng Thị Tố Hằng, Nguyễn Văn Đức
Đại học Bách khoa Hà Nội
TÓM TẮT
Bài báo đề cập đến ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ lên thép SKD11, trong đó độ phân hủy khí NH3 (β) đóng vai trò quan trọng. Tổ chức của lớp thấm nitơ thông thường có lớp trắng γ’ cứng và giòn, dễ bong tróc trong quá trình làm việc. Để nâng cao chất lượng lớp thấm, đã điều chỉnh các thông số công nghệ thấm nitơ để loại bỏ lớp trắng. Thấm 2 giai đoạn với tỷ lệ thời gian các giai đọan bão hòa và khuếch tán khác nhau đã làm thay đổi độ dày lớp trắng và dẫn đến loại bỏ hòan tòan.
ABSTRACT
This paper deals with the influence of technological parameters on microstructure and properties of nitriding layer, among them the dissociation of NH3 (β) plays an important role. Generally, nitriding layer comprises of a nitrogen rich layer (γ’-nitride), it is known as the “white nitride layer γ’” on the surface of the case nitriding. It is brittle, hard and peeling off easily in working process. To improve quality of the surface of tool and product, it is necessary to chose proper technological parameters for releasing this white layer. Double-stage nitriding is the method which helps to achieve desirable criteria.
1. MỞ ĐẦU
Khuôn dập nguội làm bằng thép SKD11 nếu nhiệt luyện đúng có thể dập đến hàng trăm ngàn sản phẩm. Song với lô sản phẩm lên đến hàng triệu thì khó có thể đáp ứng được. Để tăng tuổi thọ cho khuôn dập nguội, có thể thực hiện thấm niơ, tuy nhiên, đặc điểm của lớp thấm nitơ là có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao nhưng không chịu va đập, do vậy chỉ nên áp dụng công nghệ này cho khuôn dập sâu và dập vuốt.
Trong quá trình làm việc, các khuôn này chủ yếu bị mài mòn do tiếp xúc giữa mặt khuôn với vật liệu dập do tác dụng của tải trọng tĩnh. SKD11 với thành phần hóa học theo tiêu chuẩn JIS (Nhật Bản) gồm: (1,4÷1,6) %C, (11–13) %Cr, (0,8÷1,2) %Mo, (0,2÷0,5) %V là thép hợp kim cao, khó tạo được lớp thấm dày. Khi thấm, nitơ kết hợp với các nguyên tố hợp kim tạo thành nhiều nitrit trên bề mặt, cản trở sự khuếch tán tiếp theo của nitơ vào sâu bên trong. Lớp thấm có độ cứng cao (đến 1200 (HV) nhưng giòn và dễ bong tróc.
Vì vậy, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu công nghệ thấm nitơ trên thép SKD11 để tạo được lớp thấm có độ cứng cao nhưng không giòn với chiều dày thích hợp, để nâng cao khả năng chống mài mòn cho khuôn. Ngoài ra, lớp thấm nitơ còn làm giảm sự bám dính giữa khuôn với vật liệu dập, làm tăng độ bóng bề mặt của sản phẩm. Khi thấm nitơ chi tiết được nung nóng trong môi trường có chứa nitơ nguyên tử đến nhiệt độ thích hợp, giữ nhiệt trong khoảng thời gian cần thiết để nitơ nguyên tử hấp phụ trên bề mặt thép khuếch tán vào bên trong, tạo ra lớp thấm có chiều sâu theo yêu cầu. Trước khi thấm nitơ, chi tiết đã được nhiệt luyện (tôi và ram) để tạo cơ tính cần thiết cho khuôn. Sau khi thấm nitơ chi tiết không cần xử lý nhiệt, do đó phải đảm bảo được tính chất của lớp bề mặt và của lõi trong quá trình thấm. Thường sử dụng thấm nitơ thể khí với chất thấm là NH3, nhiệt độ thấm trong khoảng từ (480-650) °C.
Tuy nhiên, để bảo toàn tổ chức và tính chất của khuôn, nhiệt độ thấm phải thấp hơn nhiệt độ ram trước đó ít nhất khoảng 30°C[1]. ở nhiệt độ thấm, NH3 được phân hủy theo phản ứng:
NH3 → 3H2 +2 [N] (1)
Do nitơ nguyên tử ([N]) khuếch tán trong thép rất chậm, lượng [N] hình thành không kịp khuếch tán vào bề mặt thép sẽ kết hợp lại thành phân tử nitơ N2. Các phân tử N2 không có tác dụng thấm. Hơn nữa, các phân tử N2 tạo thành ngay trên bề mặt thép sẽ ngăn cản quá trình hấp phụ nitơ nguyên tử lên bề mặt thép, vì vậy để duy trì nồng độ [N], cần liên tục bơm NH3 vào lò. Tỷ lệ giữa lượng NH3 phân hủy và NH3 cung cấp vào lò thấm được đặc trưng bởi hệ số phân hủy β:
β = NH3phân hủy/ NH3cung cấp(2)
Tổ chức lớp thấm nitơ phụ thuộc vào nhiệt độ thấm và hệ số phân huỷ β.
Hình 1 là giản đồ Lehrer, cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ và hệ số phân huỷ β tới tổ chức của lớp thấm [2]. Chẳng hạn khi thấm ở nhiệt độ 530 °C, nếu thấm với độ phân huỷ 70 %, lớp thấm nhận được từ bề mặt vào gồm γ’ và α; nếu thấm với độ phân hủy 30 %, lớp thấm gồm ε, γ’, α. Trong đó ε là pha nitrit Fe2-3N, γ’ – Fe4N và α là dung dịch rắn của nitơ trong α-Fe. Đặc trưng của ε và γ’ là những pha giàu nitơ cứng và rất giòn. Có 2 phương pháp thấm nitơ thể khí, thấm một giai đoạn và hai giai đoạn. Thấm một giai đoạn là phương pháp thấm với độ phân hủy β thấp và giữ không đổi trong tòan bộ quá trình thấm.
Phương pháp này có nhược điểm là tạo ra lớp trắng với nồng độ nitơ cao là pha ε và γ’, dễ bong tróc trong quá trình làm việc, đặc biệt với SKD11 do nồng độ nguyên tố hợp kim cao, lớp này được tạo thành mỏng, rất cứng và giòn, là các nitrit của sắt và crôm. Thấm hai giai đoạn với độ phân hủy β ở giai đầu thấp, khoảng (60-65) % với khả năng thấm cao, tạo ra lớp nitrit giàu nitơ (gọi là giai đoạn bão hòa); giai đoạn 2, phân hủy β cao ((80-85) %), khả năng thấm thấp, giai đoạn này chủ yếu tạo điều kiện cho lớp thấm tạo thành trong giai đoạn 1 khuếch tán nitơ vào trong, lớp trắng mất đi, tạo ra lớp hỗn hợp γ’ và dung dịch rắn α có độ cứng thấp hơn, nhưng không giòn (gọi là giai đoạn khuếch tán) [1]. Lớp thấm nitơ được tạo thành có độ cứng cao nhất có thể đạt đến 1200 HV [3]. Do tốc độ thấm nhỏ, thời gian thấm dài, thường từ (6-8)h mới có chiều dày vài chục micrônmet.
Tạo lớp thấm với tổ chức tế vi có độ cứng cao, không giòn, có chiều dày hợp lý là mục tiêu của nghiên cứu này.
2. THỰC NGHIỆM
Các mẫu SKD11 sử dụng để nghiên cứu có thành phần như trong bảng 1, có kích thước 10x10x20 mm, đã được tôi ở 1050 °C và ram ở nhiệt độ 560 °C. Độ cứng sau ram đạt được trung bình (60-61HRC). Các chế độ nhiệt luyện này cho cơ tính tối ưu cho khuôn dập [4]. Nhiệt độ thấm nitơ được chọn là 530°C. Sơ đồ thấm nitơ tổng quát được đưa ra trên hình 2. Thiết bị thấm là lò thấm nitơ thí nghiệm công suất 5 kW với khí thấm sử dụng là NH3.
Bảng 1. Thành phần hóa học thép SKD11 nghiên cứu.
|
Nguyên tố |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
V |
Ni |
|
Hàm lượng (%) |
1,77 |
0,26 |
0,42 |
0,018 |
0,003 |
11,3 |
0,74 |
0,2 |
0,28 |
Hình 1. Giản đồ Lehrer: quan hệ giữa độ phân hủy – tổ chức lớp thấm tương ứng và nhiệt độ
Hình 2. Qui trình thấm nitơ
Thấm một giai đoạn đã thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của độ phân hủy ( đến việc tạo thành lớp thấm, với β là (60-65) % và (80-85) %, trong thời gian 6 h. Thấm hai giai đoạn được thực hiện với thời gian bão hòa (β=60-65%) và khuếch tán (β=80-85%) thay đổi lần lượt là: 6h-2h; 5h-3h; 4h -4h và nghiên cứu sự thay đổi tổ chức, độ dày lớp trắng (lớp γ’) trên các mẫu này. Tổ chức tế vi của các mẫu nghiên cứu được chụp trên kính hiển vi quang học Axiovert 100A, khảo sát sự phân bố độ cứng tế vi của lớp thấm từ bề mặt vào trong nền trên máy Struer Duramin-2.
