Ảnh hưởng của Cr đến hệ số truyền chất khi thấm cacbon thể khí sử dụng khí công nghiệp

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Hoạt độ cacbon của môi trường thấm

    Hoạt độ cacbon trong môi trường thấm được xác định thông qua phản ứng thấm [1, 2, 3]:

3CO + H₂ → 2CO₂ + H₂O +2 Feg(C)

    và được tính theo công thức:

    Trong đó PCO, PH₂, PCO₂, PH₂O lần lượt là áp suất riêng phần của CO, H₂, CO₂ và hơi nước trong môi trường thấm. kp là hằng số cân bằng của phản ứng.

Tỷ lệ CO2/gas	Thành phần khí (%)				Hoạt độ cacbon (ac)
	H2	CO	CO2	H2O
2,5	30,46	30,50	0,24	0,31	0,8348
3	28,12	31,92	0,37	0,33	0,6704
3,5	23.44	32,97	0,55	0,33	0,5270

Bảng 3. Thành phần khí lò và hoạt độ cacbon

    Có thể thấy rằng, hoạt độ cacbon của môi trường thấm tại nhiệt độ xác định phụ thuộc chủ yếu vào áp suất riêng phần của các khí CO, CO₂, H₂ và N₂. Kết quả xác định hoạt độ cacbon của môi trường thấm được đưa ra ở bảng 3. Có thể thấy rằng, hoạt độ cacbon trong môi trường thấm chứa 70% N₂ giảm khá đều đặn khi tăng tỷ lệ khí CO₂/gas. Nguyên nhân là do khi lượng CO₂ đưa vào lò tăng hàm lượng CO₂ trong môi trường thấm tăng khá mạnh (khoảng 50%) nên hoạt độ cacbon giảm.

3.2. Hoạt độ cacbon trong austenit

Tỷ lệ CO2/gas	1010		C20		20CrMo
	CP	ac	Cs	ac	Cs	ac
2,5	0,99	0,1215	1,02	0,1267	1,20	0,1374
3	0,82	0,0942	0,85	0,0988	1,01	0,1094
3,5	0,43	0,0424	0,45	0,0448	0,54	0,0488

Bảng 4. Thể cacbon (CP) và nồng độ cacbon (C_s) của các thép nghiên cứu

    Hoạt độ cacbon trong austenit tại một nhiệt độ xác định phụ thuộc vào hàm lượng C và các nguyên tố hợp kim [6, 7] và được tính toán bằng phần mềm Thermocalc. Có thể thấy rằng, với các tỷ lệ thấm khác nhau, thành phần cacbon trong thép C20 có sự tương đồng với thế cacbon của môi trường trong khi nồng độ cacbon trong thép hợp kim 20CrMo đạt giá trị cao hơn khi thấm với tất cả các tỷ lệ CO₂/gas khảo sát (bảng 4).

    Điều đó cho thấy, khả năng tiếp nhận cacbon của các loại thép hợp kim, đặc biệt là các loại thép chứa các nguyên tố hợp kim có ái lực mạnh hơn Fe như Cr và Mo. Thông thường, hoạt độ cacbon trong thép hợp kim bao giờ cũng thấp hơn thép cacbon cùng thành phần cacbon. Nhưng khi thấm cùng điều kiện, do khả năng tiếp nhận cacbon của các loại thép này cao hơn nhiều nên hoạt độ cacbon trong austenit cũng đạt giá trị cao hơn.

3.3. Ảnh hưởng của Cr tới hệ số truyền cacbon

    Hệ số truyền cacbon trong trường hợp này là đại lượng phản ánh hiệu quả của quá trình truyền cacbon từ môi trường vào thép [4, 5] và được xác định thông qua quan hệ giữa hoạt độ cacbon của thép (nơi tiếp nhận cacbon) và môi trường thấm (nguồn cung cấp cacbon):

    trong đó là hoạt độ cacbon hoà tan trong dung dịch rắn austenit. Hệ số truyền cacbon của thép 20CrMo luôn đạt giá trị cao hơn các loại thép cacbon (hình 1). Nguyên nhân là do khả năng cố định của cacbon trên bề mặt các loại thép hợp kim tốt hơn của thép cacbon nên lượng cacbon trên bề mặt tiếp xúc khí rắn bao giờ cũng cao hơn. Sự truyền cacbon (được đánh giá thông qua giá trị của hệ số truyền) tương đối ổn định ở khoảng tỷ lệ 2,5 đến 3 nhưng lại giảm mạnh ở tỷ lệ 3,5.

Hình 1. Hệ số truyền cacbon với các thành phần khí khác nhau

    Nguyên nhân chủ yếu là do lượng H₂ trong môi trường thấm thấp làm giảm khả năng giải phóng CO tạo C hoà tan trong austenit nên lượng cacbon được cố định trên bề mặt mẫu giảm, vì vậy làm giảm hệ số truyền cacbon từ môi trường vào thép. Để điều khiển quá trình thấm sử dụng hỗn hợp khí thấm pha loãng với 70% N₂, tỷ lệ khí CO₂/gas = 2,5, thời gian lưu 18 phút tại nhiệt độ thấm 920ºC, khi sử dụng thế cacbon thì nồng độ cacbon trên bề mặt các loại thép thương phẩm cần điều khiển phải phù hợp với nồng độ cacbon cần đạt được. Kết quả tính toán nồng độ cacbon trên bề mặt 2 loại thép thấm dựa vào kết quả nghiên cứu về hệ số truyền cacbon được trình bày ở bảng 5.

CP	0,8	0,9	1	1,1
C20	0,825	0,93	1,035	1,105
20CrMo	0,96	1,08	1,22	*

Bảng 5. Nồng độ cacbon trên bề mặt thép tương ứng với thế cacbon (%)

*vượt quá giới hạn hoà tan của cacbon trong austenit

4. Kết luận

    Do là nguyên tố có ái lực với cacbon mạnh hơn Fe, nên Cr trong thép thám cacbon hợp kim thấp có khả năng cố định cacbon trên bề mặt thép. So với thép cacbon, thép hợp kim chứa Cr luôn đạt được nồng độ cacbon trên bề mặt cao hơn và do đó hệ số truyền cacbon cũng cao hơn.

    Kết hợp với hệ số truyền cacbon, hoàn toàn có thể điều khiển nồng độ cacbon trên bề mặt thép hợp kim thấp phù hợp với yêu cầu về tổ chức và tính chất thép thấm. Chính vì vậy, việc sử dụng thế cacbon để điều khiển quá trình thấm cacbon cho thép hợp kim chứa Cr hoàn toàn có thể thực hiện được.

 

Tài liệu trích dẫn D. R. Gaskell, Introduction to the thermodynamics of materials, Taylor and Francis book Inc, 2003, p.211-214 O. Kubaschewski a.o., Materials Thermochemistry. Pergamon Press,1993 3. M. G. Frohberg, Thermodynamik fuer Metallurgen und Werkstofftechniker, Duetscher Verlag fuer Grundstoffindustrie, 1981 Olga Karabelchtchikova, Fundermentals of mass tranffer in Gas Carburizing ,2007, United States Patent 3661494 K.S. Birdi, Handbook of Surface and Colloid Chemistry Second Edition, CRC Press 2003 C.A., Stickels, Gas Carburizing, Metals Handbook, Vol. 4; 1991 Guenther K., Technologie der Waărmebehandlung von Stahl, Deutscher Verlag fuăr Industrie, Leipzig, 1977