Chất lượng lớp thấm không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố thấm mà còn phụ thuộc vào sự phân bố các nguyên tố đó trong lớp thấm.
The effect of diffusion time on quality of carbonitriding depth in case using industrial gas
Lê Thị Chiều
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
TÓM TẮT
Chất lượng lớp thấm cacbon-nitơ phụ thuộc vào chế độ khuếch tán khi thực hiện thấm. Bài báo này minh hoạ nhận định trên khi thực hiện chế độ thấm khuếch tán và không khuếch tán cho thép 18CrMnTi và 20CrMo. Ngoài ra, quá trình khuếch tán và chất lượng lớp thấm còn chịu ảnh hưởng của hình dáng bề mặt của chi tiết.
ABSTRACT
The diffusion during carbonitriding is one of most important factors affecting quality of treated parts. To prevent the high concentration of carbon on the parts surface, the diffusion time should be controlled. It is demonstrated for C20 and 20XM steels samples. The parts shape also influences quality of carbonitriding depth.
1. Mở đầu
Thấm C-N là quá trình bào hõa bề mặt thép đồng thời hai nguyên tố C và N ở dạng nguyên tử (Cnt và Nnt) làm tăng độ cứng, khả năng chống mài mòn cho bề mặt chi tiết, trong khi lõi vén giữ được độ dai, có khả năng chịu uốn, xoắn, chịu mỏi. Thép sử dụng để thấm thường có hàm lượng cacbon thấp (nhỏ hơn 0,3 %) và một số nguyên tố hợp kim có khả năng tạo cacbit và nitơrit như crôm, mangan, môlipđen,… Quá trình thấm được thực hiện bằng cách đặt chi tiết trong môi trường có hàm lượng cacbon và nitơ nguyên tử cao hơn nhiều so với hàm lượng các nguyên tố đó trong thép. Cacbon và nitơ khuếch tán vào bề mặt thép rồi tiếp tục khuếch tán sâu vào bên trong, kết hợp với sắt và các nguyên tố hợp kim, tạo nên các hợp chất có độ cứng cao. Độ cứng giảm dần từ ngoài vào lõi. Chất lượng lớp thấm không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố thấm mà còn phụ thuộc vào sự phân bố các nguyên tố đó trong lớp thấm.
Chất lượng lớp thấm sẽ cao hơn nếu hàm lượng các nguyên tố C, N giảm từ ngoài vào trong một cách điều hoà, không thay đổi đột ngột. Nếu nồng độ chất thấm giảm đột ngột, cơ tính lớp thấm giảm đột ngột, có thể dẫn đến bóc, vỡ lớp thấm [1].
Xác định giá trị độ cứng theo chiều sâu lớp thấm là xác định gián tiếp sự sự phân bố và cũng là sự khuếch tán của cacbon và nitơ để tạo nên lớp thấm. Để đạt được điều đó cần phải khống chế môi trường thấm và đặc biệt là phải điều chỉnh được quá trình khuếch tán của C và N.
Quá trình khuếch tán tuân theo định luật Fick II:
trong đó: Cx là hàm lượng cacbon tại khoảng cách x trong lớp thấm, Co là hàm lượng cacbon ban đầu trong thép, Cs là hàm lượng cacbon trên bề mặt thép, x là chiều dày lớp thấm, D là hệ số khuếch tán phụ thuộc vào bản chất của nguyên tố thấm, nhiệt độ và vào môi trường khuếch tán. Tại nhiệt độ thấm thép có tổ chức austenit (γ). Biểu thức của định luật Fick II cũng cho thấy sự phụ thuộc của quá trình thấm vào môi trường thấm.
Trong biểu thức của định luật Fick II, thấy rõ là ở nhiệt độ thấm xác định, với một loại thép xác định (Co = constant), chiều dày lớp thấm (x) và thời gian thấm (t) phụ thuộc cào Cs. Trong điều kiện cân bằng, Cs có giá trị bằng hàm lượng các nguyên tố thấm của môi trường tiếp xúc với chi tiết (Cp). Do có sự chênh lệch giữa Cs và Co, cácbon và nitơ khuếch tán dần vào phía trong, sự chênh lệch đó chính là động lực của quá trình khuếch tán. Chất lượng lớp thấm phụ thuộc vào hàm lượng cácbon trên bề mặt và vào sự khuếch tán của chúng trên lớp thấm. Cơ tính của lớp thấm tốt nhất khi tổng hàm lượng cacbon và nitơ trên bề mặt đạt 1 đến 1,3 % [1]. Nếu tổng hàm lượng các nguyên tố thấm quá nhỏ, lớp thấm không đủ độ cứng, còn nếu quá lớn sẽ tạo muội hoặc khuyết tật [2]. Nếu môi trường tạo ra lượng các nguyên tử của nguyên tố thấm nhỏ, độ cứng bề mặt sẽ thấp vì hàm lưọng các pha cứng thấp. Ngược lại nếu nồng độ cacbon và nitơ tạo ra quá lớn, các nguyên tử được hấp phụ trên bề mặt thép lớn, bề mặt thép có hàm lượng cac nguyên tố thấm quá cao, tạo nên nhiều cacbit và nitơrit dẫn đến austenit trở nên nghèo nguyên tố hợp kim, tốc độ tôi tới hạn giảm, hoặc tạo ra austenit dư lớn. Cả hai trường hợp đều làm giảm chất lượng bề mặt [3].
