Trong bài này, đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thấm, hệ số hoạt độ của nitơ KNtrong môi trường thấm và thành phần hai loại thép thấm là C20 và 20CrMo đến hệ số bN.
Influence of some factors to transfer coefficient of nitrogen onto C20 and 20CrMo steels
Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Văn Tư
Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Hoàng Anh Tuấn
Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng
Ngày nhận bài: 18/8/2013, Ngày duyệt đăng: 12/11/2013
TÓM TẮT
Để đánh giá hiệu quả của quá trình thấm nitơ thể khí, hệ số truyền nitơ (βN) được sử dụng như một đại lượng đặc trưng cho mức độ truyền nitơ từ môi trường vào trong bề mặt thép. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số βN cho phép lựa chọn chế độ thấm thích hợp cho từng loại thép với hiệu quả cao. Trong bài này, đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thấm, hệ số hoạt độ của nitơ KN trong môi trường thấm và thành phần hai loại thép thấm là C20 và 20CrMo đến hệ số βN. Khi tăng nhiệt độ thấm và hệ số hoạt độ KN hệ số truyền nitơ giảm, trong khi các nguyên tố tạo nitơrít mạnh sẽ làm tăng hệ số truyền nitơ.
Từ khóa: Thấm nitơ, hệ số truyền nitơ (βN), thép C20 và 20CrMo.
ABSTRACT
To evaluate the efficiency of the gas nitriding process, the transfer coefficient of nitrogen (βN) is used as a char acteristic quantity for the level of nitrogen transport from environment into steel surface. Evaluation of the transfer coefficient βN permits to choice a suitable nitriding technology for each steel. In this article, the influence of nitrid ing temperature, nitrogen activity coefficient KN and steel composition on the nitrogen transfer coefficient was stud ied for two C20 and 20CrMo steels. It’s shown, the transfer coefficient βN reduced with increasing nitriding tem perature and activity coefficient KN, while nitride-forming elements raise the transfer coefficient βN.
Keywords: gas nitriding, transfer coefficient of nitrogen (βN), C20 and 20CrMo steels.
1. MỞ ĐẦU
Thấm nitơ thể khí là công nghệ hóa-nhiệt luyện áp dụng cho các chi tiết cần độ cứng bề mặt rất cao chịu mài mòn. Trong khoảng nhiệt độ thấm (450÷650) ºC [1-4], chất thấm thường sử dụng là amoniac (NH3), khí này sẽ bị phân hủy nhiệt theo các phản ứng:
Tùy thuộc hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép mà tổ chức lớp thấm nhận được từ ngoài bề mặt vào trong sẽ lần lượt là ε → γ’ → α hoặc hỗn hợp của chúng [5-8]. Với thép hợp kim, một số nguyên tố (Cr, Mo) có khả năng tạo thành các pha nitơrít hợp kim nằm rải rác trong lớp thấm sẽ làm tăng mạnh độ cứng bề mặt, cải thiện đáng kể tính chịu mài mòn. Như vậy, lượng nitơ khuếch tán vào bề mặt thép nhiều hay ít sẽ quyết định đến tổ chức và chiều dày lớp thấm nitơ. Để đánh giá hiệu quả của quá trình vận chuyển nitơ nguyên tử từ môi trường thấm vào bề mặt thép, hệ số truyền nitơ (βN) cần được xác định cụ thể cho từng loại thép. Hệ số truyền nitơ (βN) được xác định theo công thức:
(4)
trong đó và (aN) lần lượt là hoạt độ của nitơ trong thép và trong môi trường thấm. Giá trị được xác định nhờ phần mềm tính nhiệt động Thermocalc. Hoạt độ nitơ của môi trường thấm (aN) phụ thuộc vào mức độ phân hủy NH3 trong lò và có thể tính theo phản ứng (3) như sau:
trong đó p3NH3, p1/2N2 và p3H2 lần lượt là áp suất riêng phần của NH3, N2 và H2 trong buồng thấm; KN là thế nitơ trong môi trường thấm; K3 là hằng số cân bằng của phản ứng (3). Giá trị K3 được tính theo công thức:
K3 ≈ K1.K2 ; (6)
trong đó K1 là hằng số cân bằng của phản ứng (1) được xác định theo công thức sau [1-4]:
(7)
và giá trị K2 là hằng số cân bằng của phản ứng (2), xác định theo công thức sau [1-4]:
(8)
KN là hệ số hoạt độ nitơ của môi trường thấm, phụ thuộc vào mức độ phân hủy nhiệt của NH3, phân hủy càng nhiều thì KN càng nhỏ.
