Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến tổ chức và độ cứng lớp thấm của thép SCM 420

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2015<br /> <br /> <br /> ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN KHÍ THẤM ĐẾN TỔ CHỨC VÀ ĐỘ CỨNG<br /> LỚP THẤM CỦA THÉP SCM 420<br /> INFLUENCE OF NITROCARBURIZING COMPOMENTS ON THE<br /> MICROSTRUCTURE AND HARDNESS OF LAYER OF SCM420<br /> ThS. NGUYỄN DƯƠNG NAM1, PGS. TS. LÊ THỊ CHIỀU2,<br /> TS. PHẠM MAI KHÁNH2, ThS. VŨ ANH TUẤN1<br /> 1) Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam 2) Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Bài báo trình bày ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến tổ chức và độ cứng lớp thấm<br /> với thép SCM 420. Các kết quả nghiên cứu cho thấy với hàm lượng NH3 nhỏ hơn 10%, tỷ<br /> lệ CO2/gas = 1,4 ÷ 1,7 (tương ứng với chế độ thấm thứ ba)các chỉ tiêu thấm đạt được: Tổ<br /> chức lớp thấm khá nhỏ mịn, không phát hiện khuyết tật. Độ cứng lớp bề mặt cao 62 ÷<br /> 65HRC, độ cứng lõi 37 ÷ 39HRC độ cứng giảm dần đều từ bề mặt vào lõi.<br /> Từ khóa: SCM 420; thấm C-N; thành phần thấm C-N<br /> Abstract<br /> This paper presents the influence of nitrocarburizing components on the microstructure<br /> and the hardness of case depth of SCM420 steel. The result showed with NH3 smaller<br /> than10%, the ratio CO2/gaz = 1.4 – 1.7 (with process 3): the grain size is very fine and<br /> nodefectin the microstructure of case.The hardness of surface layer is higher (62-<br /> 65HRC), the hardness of center sample is 37 – 39HRC; the hardness is descending from<br /> surface to center.<br /> Key words: SCM420, nitrocarburizing, nitrocarburizing components<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Thấm cacbon-nitơ là phương pháp tăng đồng thời cả hai nguyên tố cacbon và nitơ trên bề<br /> mặt chi tiết làm bằng thép cacbon thấp. Bề mặt sẽ có độ cứng cao, nền vẫn giữ được dộ dai cần<br /> thiết. Thấm cacbon và nitơ được thực hiện bằng cách đặt chi tiết trong môi trường có hàm lượng<br /> cacbon và nitơ cao hơn nhiều so với hàm lượng các nguyên tố đó trong nền thép. Cacbon và nitơ<br /> nguyên tử môi trường khuếch tán vào bề mặt chi tiết, cùng với sắt và các nguyên tố hợp kim tạo<br /> nên các hợp chất có độ cứng cao trên bề mặt, tăng tính chống mài mòn[1].<br /> Một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm là thành phần<br /> và lưu lượng của các loại khí đưa vào. Chính thành phần các loại khí đưa vào lò sẽ quyết định sự<br /> cân bằng của các phản ứng hóa học, quyết định thế C, N trong môi trườngvà quyết định sự hình<br /> thành các pha trong lớp thấm. Nếu không điều chỉnh để lượng C, N nguyên tử quá nhỏ sẽ không<br /> đủ để hình thành nên lớp thấm, ngược lại nếu để lượng C, N nguyên tử quá lớn sẽ tạo thành muội,<br /> tạo thành khuyết tật làm cho độ cứng của lớp thấm thấp. Thành phần và lưu lượng khí thấm được<br /> tính toán theo thời gian lưu khí trong lò.<br /> Theo tài liệu [2, 3 ] khi sử dụng khí endo để thấm, tỷ lệ amôniăc được tính bằng 2 ÷ 12% khí<br /> endo đưa vào lò. Về tỷ lệ thành phần khí theo các tài liệu [3] của Mỹ có thể thay đổi trong khoảng<br /> từ 1/30 tới 1/8. Trong bài báo này, thành phần khí được tính toán trên cơ sở tài liệu của Nga, Mỹ<br /> và tính toán nhiệt động học kết hợp với điều chỉnh theo kinh nghiệm để đạt được hàm lượng<br /> cacbon, nitơ trên bề mặt hợp lý, đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết.<br /> Kết quả nghiên cứu được ứng dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn<br /> lớn như hệ thống bánh răng, neo cáp dự ứng lực, trục…<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> Mẫu thép dùng để thí nghiệm là loại thép: SCM 420. Để phù hợp với kích thước lò và gá chi<br /> tiết mẫu thấm thí nghiệm có kích thước: 20mmx20mmx10mm.<br /> Trước khi thấm cacbon-nitơ mẫu được làm sạch dầu mỡ và lớp oxit trên bề mặt sau đó rửa<br /> bằng nước xà phòng nóng rồi lại rửa bằng nước sạch. Các loại khí được đưa vào lò bao gồm: Khí<br /> gas Việt Nam, khí CO2, khí N2 và NH3 với các lưu lượng theo ba chế độ lưu lượng khác nhau cùng<br /> được giữ ở 8400C trong 3 giờ.<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 42 – 04/2015 68<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2015<br /> <br /> <br /> Chất lượng của lớp thấm cacbon-nitơ được đánh giá theo các chỉ tiêu: Chiều sâu lớp thấm,<br /> tổ chức tế vi, và độ cứng. Các thí nghiệm trên được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kim loại học và<br /> nhiệt luyện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Mẫu sau thấm được cắt đôi mài đánh bóng và tẩm<br /> thực để chụp ảnh tổ chức tế vi trên kính Axiovert 25A. Ảnh tổ chức tế vi thu được được dùng phần<br /> mềm phân tích tổ chức để xác định chiều sâu lớp thấm.<br /> Độ cứng tế vi của mẫu được xác định trên thiết bị đo độ cứng tế vi. Độ cứng được tiến hành<br /> đo từ bề mặt được thấm vào đến trong lõi (vùng không được thấm). Khoảng cách giữa các vết đo<br /> là 50μm. Sai số đo của máy là ±2HV<br /> 3. Kết quả và bàn luận<br /> 3.1. Chế độ thấm 1<br /> - Lưu lượng khí đưa vào lò như sau:<br /> QNH3  18%  7(l / h) QCO2  1,5%  0,5(l / h)<br /> QN2  40%  15(l / h) Qgas  40,5%  15(l / h)<br /> - Kết quả độ cứng và tổ chức tế vi:<br /> Nhận xét: Do trong thành phần hỗn hợp khí, lượng khí gas và khí NH 3 lớn, lượng C và N nguyên<br /> tử trên bề mặt cao nên nhiều austenit dư, mẫu có độ cứng vùng sát bề mặt thấp. Điểm có độ cứng<br /> cao nhất là 64,5HRC (tương đương với hàm lượng C+N là 0,9 đến 1%) ở cách bề mặt là 400μm,<br /> chứng tỏ hàm lượng C, N ở bề mặt rất cao lớn hơn 1% rất nhiều (điểm có độ cứng trên 64HRC<br /> thường tương đương với tổng hàm lượng C+N khoảng 0,9 ÷ 1,2%).<br /> <br /> <br /> Austenit dư<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Sự thay đổi độ cứng theo chiều Hình 2. Tổ chức tế vi lớp thấm ứng<br /> sâu lớp thấm ứng với chế độ thấm 1 với chế độ thấm 1<br /> <br /> 3.2. Chế độ thấm 2<br /> - Lưu lượng khí đưa vào lò như sau:<br /> QNH3  9%  3(l / h) QCO2  8%  2,5(l / h)<br /> QN2  68%  25(l / h) Qgas  15%  25(l / h)<br /> - Kết quả đo độ cứng và tổ chức tế vi:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3: Sự thay đổi độ cứng theo chiều Hình 4. Tổ chức tế vi lớp thấm ứng<br /> sâu lớp thấm ứng với chế độ thấm 2 với chế độ thấm 2<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 42 – 04/2015 69<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2015<br /> <br /> <br /> Nhận xét: Thấm theo chế độ 2 nhận được tổ chức và phân bố độ cứng tương đối tốt, độ cứng bề<br /> mặt là lớn hơn 60HRC (giá trị độ cứng lớn nhất đạt được 65HRC) độ cứng của lõi đạt yêu cầu.<br /> Tuy nhiên đường cong độ cứng vẫn có phân bố dạng hình chuông và chiều dày hiệu quả chưa<br /> cao. Chiều dày lớp thấm làm việc hiệu quả (độ cứng trên 57HRC) là 350µm. Giá trị độ cứng của lõi<br /> là khoảng 37HRC. Ảnh tổ chức tế vi nhận thấy lượng austenit dư (vết trắng trên ảnh tổ chức) đã<br /> giảm đi đáng kể và phân bố đều hơn so với chế độ thấm 1.<br /> Khi giảm hàm lượng khí NH3 và giảm hàm lượng khí ga phân bố độ cứng đồng đều hơn từ<br /> bề mặt vào trong lõi; lượng austenit dư đã giảm đi.<br /> 3.3. Chế độ thấm 3<br /> - Lưu lượng khí cấp vào lò:<br /> QNH3  9%  3(l / h) QCO2  26%  7,5(l / h)<br /> Q N 2  46%  18(l / h) Q gas  19%  6,5(l / h)<br /> - Kết quả độ cứng và tổ chức tế vi:<br /> - Nhận xét: Với hàm lượng NH3 nhỏ hơn 10%, hàm lượng CO2 là 26% và hàm lượng ga là<br /> 19% các chỉ tiêu thấm đạt được:<br /> Tổ chức lớp thấm khá nhỏ mịn, các hạt austenit (màu trắng) phân bố đồng đều trên toàn bộ<br /> lớp thấm, không phát hiện khuyết tật. Độ cứng lớp bề mặt cao 65HRC, độ cứng lõi 37 ÷ 39HRC độ<br /> cứng giảm dần đều từ bề mặt vào lõi. Chiều sâu lớp thấm hiệu quả (trên 57HRC) là trên 400µm.<br /> Kết quả có được do thành phần các khí được điều chỉnh một cách hợp lý, tạo ra môi trường thấm<br /> phù hợp.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sự thay đổi độ cứng theo chiều Hình 6. Tổ chức tế vi lớp thấm ứng<br /> sâu lớp thấm ứng với chế độ thấm 3 với chế độ thấm 3<br /> <br /> 4. Kết luận và kiến nghị<br /> Nội dung của bài báo đã trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và lưu<br /> lượng của khí thấm đến tổ chức và cơ tính của lớp thấm đối với mác thép SCM 420 thu được kết<br /> quả khi thấm tại nhiệt độ 8400C với thời gian 3h và lưu lượng khí thấm là: Với hàm lượng NH3: 9%,<br /> hàm lượng CO2: 26%, hàm lượng ga: 19%, hàm lượng N2: 46% (tương ứng với chế độ thấm<br /> thứ ba) các chỉ tiêu thấm đạt được: Tổ chức lớp thấm khá nhỏ mịn, không phát hiện khuyết tật. Độ<br /> cứng lớp bề mặt cao 65HRC, độ cứng lõi 37 ÷ 39HRC độ cứng giảm dần đều từ bề mặt vào lõi.<br /> Kết quả có được do thành phần các khí được điều chỉnh một cách hợp lý, tạo ra môi trường thấm<br /> phù hợp.<br /> Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của thông số thời gian, nhiệt độ cũng như chế độ khuếch<br /> tán đến tổ chức và tính chất của lớp thấm C-N trên thép SCM 420 và mở rộng ra một số nhóm<br /> thép khác.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] V. M. Zintchenko, "Surface engineering of gated wheel by thermochemical treatment”, Moscow,<br /> 2001.<br /> [2] BM. зиHчEHKO, Инҗенерия Пobepxнocти Зyбчатых Кoлec Metoдами Xимико-Tермической<br /> Oбработки<br /> [3] Stickels, C.A: Gas-Carburising, Metals Handbook, vol.4,2004<br /> <br /> Người phản biện: TS. Vũ Văn Duy; ThS. Lê Văn Cương<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 42 – 04/2015 70<br />