zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ thấm nitơ thể khí 1 giai đoạn và 2 giai đoạn cho thép làm khuôn dập nóng SKD61

Chia sẻ: Cánh Cụt đen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Báo xấu

79
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của bài viết trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm công nghệ thấm nitơ thể khí theo quy trình thấm 1 giai đoạn và 2 giai đoạn cho thép làm khuôn dập nóng SKD61. So sánh các kết quả nghiên cứu theo 2 quy trình cho thấy, quy trình thấm 1 giai đoạn mặc dù đạt được lớp thấm dày hơn 1,22 lần so với quy trình thấm 2 giai đoạn nhưng thời gian thấm quá dài, chiều dày lớp trắng lớn hơn 1,55 lần và độ cứng tế vi của lớp thấm cũng nhỏ hơn đáng kể; đồng thời, chi phí cho quá trình thấm 1 giai đoạn cũng lớn hơn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ thấm nitơ thể khí 1 giai đoạn và 2 giai đoạn cho thép làm khuôn dập nóng SKD61

Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ 1 GIAI ĐOẠN VÀ 2 GIAI ĐOẠN CHO THÉP LÀM KHUÔN DẬP NÓNG SKD61 Đinh Đức Mạnh*, Phạm Quốc Hoàng, Mai Đình Sĩ, Đinh Hoàng Thụy, Đoàn Cao Thắng, Phùng Tuấn Anh Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm công nghệ thấm nitơ thể khí theo quy trình thấm 1 giai đoạn và 2 giai đoạn cho thép làm khuôn dập nóng SKD61. So sánh các kết quả nghiên cứu theo 2 quy trình cho thấy, quy trình thấm 1 giai đoạn mặc dù đạt được lớp thấm dày hơn 1,22 lần so với quy trình thấm 2 giai đoạn nhưng thời gian thấm quá dài, chiều dày lớp trắng lớn hơn 1,55 lần và độ cứng tế vi của lớp thấm cũng nhỏ hơn đáng kể; đồng thời, chi phí cho quá trình thấm 1 giai đoạn cũng lớn hơn. Nghiên cứu này góp phần xây dựng phương án phù hợp trong thiết kế, chế tạo và phục hồi các khuôn dập nóng. Từ khóa: Khuôn dập nóng; thép SKD61; thấm nitơ thể khí; chiều dày lớp thấm; độ cứng tế vi. 1. Đặt vấn đề Khuôn dập nóng khi làm việc phải chịu tải trọng, va đập, áp lực lớn và thường xuyên chịu mài mòn do tiếp xúc với phôi ở nhiệt độ cao. Để đảm bảo khả năng làm việc, khuôn đòi hỏi phải có độ bền cao, duy trì độ cứng nhất định ở nhiệt độ làm việc trong thời gian dài và bề mặt phải có khả năng chống mài mòn mạnh. Tuy nhiên, do phải chịu áp lực lớn và va đập nên các loại thép chế tạo khuôn dập nóng sau khi tôi thường được ram ở nhiệt độ khá cao 500-550oC hoặc cao hơn, vì vậy mà độ cứng của khuôn sau nguyên công này thường đạt từ 42-48 HRC. Với độ cứng này, khuôn không thể chịu được mài mòn. Do vậy, sau nhiệt luyện tôi và ram, các khuôn thường được thấm nitơ (N) thể khí để tạo ra một lớp thấm có chiều dày nhất định với độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, khuôn không bị biến dạng do nhiệt độ thấm nhỏ hơn nhiệt độ ram [1-4]. Hơn nữa, sau một thời gian làm việc, các khuôn dập nóng đều phải đem thấm lại nhằm phục hồi lớp thấm N để khuôn có thể làm việc tiếp theo. Cấu tạo lớp thấm gồm hai phần: Lớp trắng là lớp vỏ ngoài cùng và lớp tiếp theo là lớp khuếch tán. Theo giản đồ trạng thái Fe-N (Hình 1) [5], tùy thuộc vào hàm lượng N mà cấu trúc lớp thấm sẽ có các pha khác nhau. Lớp trắng chỉ gồm pha ’ (Fe4N) có độ cứng cao, giòn, không xốp (tương ứng với khoảng 6-7% N), chịu mài mòn tốt nhưng dễ bị bong tróc khi va đập. Nếu hàm lượng N tăng lên trong lớp trắng xuất hiện pha  (Fe2-3N) * Email: d2manhbk42@gmail.com 14
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University có độ xốp cao (tương ứng khoảng 7,1-11%N) [5-7]. Ngay sau lớp trắng là lớp khuếch tán. Lớp khuếch tán là hỗn hợp của (’+), trong đó ’ có độ cứng cao chịu mài mòn trên nền dung dịch rắn  dẻo dai, chịu va đập [2, 3, 8]. Như vậy, sau thấm N, tổ chức của lớp thấm theo thứ tự từ bề mặt vào trong có thể bao gồm pha  (hoặc hỗn hợp +’), tiếp theo đến pha ’, rồi đến lớp khuếch tán (’+) tiếp xúc với nền dung dịch rắn . Hình 1. Giản đồ trạng thái Fe-N [3] Trong công nghệ thấm N thể khí, khí thấm chủ yếu là NH3. Quy trình thấm N truyền thống thường là thấm 1 giai đoạn. Quá trình thấm diễn ra ở nhiệt độ không đổi. Lớp trắng giòn và khá dày, dễ bong tróc, độ cứng giảm đột ngột từ lớp trắng vào lớp khuếch tán (hỗn hợp của ’+) [5, 6]. Do vậy, thấm 1 giai đoạn không có lợi. Hơn nữa, khi có yêu cầu cải thiện chiều dày và độ cứng lớp thấm, biện pháp công nghệ phổ biến là đưa thêm khí NH3 vào và điều chỉnh lưu lượng khí cung cấp nhằm điều chỉnh thế thấm. Biện pháp này tuy có cải thiện được chiều dày lớp thấm và tính chống mài mòn, song lại gây lãng phí một lượng lớn nguồn khí thấm và tăng ô nhiễm môi trường do thời gian thấm khá dài. Trong khi đó, nếu thấm 2 giai đoạn (thấm phân đoạn) sẽ có thể giảm được chiều dày lớp trắng, độ cứng lớp thấm cao hơn do N ở lớp trắng cao khuếch tán vào sâu bên trong, trong khi thấm N từ môi trường vào ít. Tuy nhiên, các đánh giá về các đặc trưng của lớp thấm trong quy trình thấm 1 giai đoạn và 2 giai đoạn vẫn chưa được công bố đầy đủ. Bài báo này sẽ trình bày nghiên cứu thực nghiệm công nghệ thấm N thể khí cho mẫu thép làm khuôn dập nóng SKD61 với quy trình thấm 1 giai đoạn và 2 giai đoạn nhằm mục đích chế tạo lớp thấm N chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu thực tiễn. 15
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 2. Thực nghiệm và đo kiểm mẫu Mẫu thực nghiệm được chế tạo từ thép SKD61 có kích thước 22x15x12 mm (dài x rộng x cao), bao gồm 2 bộ mẫu: Bộ mẫu số 1 gồm mẫu số 11, 12, 13 và bộ mẫu số 2 gồm các mẫu số 21, 22, 23. Các bộ mẫu được sử dụng tương ứng cho quá trình thấm N thể khí 1 giai đoạn và 2 giai đoạn. Thành phần hóa học của thép SKD61 (theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS G4404 - 2015) được cho trong bảng 1 [9]. Bảng 1. Thành phần hóa học chính của thép SKD61 Thành phần hóa học, % Nguyên tố C Si Mn P S Cr Mo V Giá trị (%) 0,35-0,42 0,80-1,20 0,25-0,50 ≤ 0,03 ≤ 0,02 4,80-5,50 1,00-1,50 0,80-1,15 Thành phần hóa học của thép nghiên cứu được phân tích trên máy quang phổ phát xạ có thành phần được cho trong bảng 2. Bảng 2. Thành phần hóa học của thép nghiên cứu Thành phần hóa học, % Nguyên tố C Si Mn P S Cr Mo V Giá trị (%) 0,38 1,07 0,48 0,20 0,17 4,97 1,12 1,02 Theo bảng 2, thành phần hóa học của thép nghiên cứu hoàn toàn tương ứng với thành phần cơ bản của mác thép SKD61 theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS G4404-2015. Các mẫu thép SKD61 được tôi ở 1030-1050oC, ram ở 600-620oC, độ cứng đạt khoảng 48-50 HRC. Sau đó được mài phẳng đạt độ bóng Rz 1,6 m và làm sạch bằng dung dịch axêtôn trong máy siêu âm Elmasonic S450H trước khi tiến hành quá trình thấm. Quá trình thấm N thể khí được thực hiện trên hệ thống Nitrex NXK-412 (Canada) tại Trung tâm Công nghệ, Học viện KTQS. Các bước của quá trình thấm được lập chương trình theo mô tả như sơ đồ trong hình 2. Bộ mẫu 1 được thấm theo quy trình 1 giai đoạn ở 580oC trong 15 giờ liên tục với độ phân hủy khí NH3 đặt cố định là 40%. Kết quả thực nghiệm được chỉ ra trên hình 3a. Bộ mẫu 2 được thấm theo quy trình thấm 2 giai đoạn. Ở giai đoạn thấm thứ nhất, bộ mẫu được thấm ở nhiệt độ 530oC trong 3 giờ, sau đó điền đầy khí trơ N2 vào buồng lò, kết hợp tăng nhiệt độ lò thấm lên và giữ ở 620oC trong thời gian ngắn, khoảng 0,5 giờ nhằm mục đích ổn định lớp thấm N ở giai đoạn đầu tiên. Ở giai đoạn thấm thứ hai tiếp theo, bộ mẫu được thấm tại nhiệt độ 580oC trong 5 giờ liên tục. Độ phân hủy khí NH3 lần lượt là 30% và 40%. Kết quả thực nghiệm được chỉ ra trên hình 3b. 16
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University Hình 2. Sơ đồ các bước trong lập trình thấm N thể khí thực nghiệm cho các quy trình: a) Thấm 1 giai đoạn; b) Thấm 2 giai đoạn. a) b) Hình 3. Mẫu thấm thực nghiệm: a) Thấm 1 giai đoạn; b) Thấm 2 giai đoạn. Các mẫu thực nghiệm được đo kiểm và đánh giá sự biến động kích thước trước và sau khi thấm N thể khí. Các phép đo sử dụng thước cặp Panme IP 65 Coolant Proof của hãng Mitutoyo, độ chính xác 0,001 mm. 17
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University Từ ảnh tổ chức tế vi được quan sát trên kính hiển vi quang học Axiovert 40MAT có thể xác định được chiều dày trung bình của tổng lớp thấm và lớp trắng. Độ cứng tế vi của lớp thấm được xác định trên máy đo độ cứng Vickers Indenta Met 1106 với thang đo tế vi, tải trọng 300 gram. Các phép đo được tiến hành tại Trung tâm Đánh giá hư hỏng vật liệu (COMFA), Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 3. Kết quả và thảo luận Hình 4 thể hiện mặt cắt ngang tổ chức tế vi của các mẫu thực nghiệm trên mẫu thấm 1 giai đoạn (Hình 4a) và mẫu thấm 2 giai đoạn (Hình 4b). Chiều dày trung bình của tổng lớp thấm với quy trình thấm N thể khí 1 giai đoạn và 2 giai đoạn tương ứng lần lượt là 277,02 m và 227,33 m. a) b) Hình 4. Chiều dày các mẫu thấm: a) Thấm 1 giai đoạn; b) Thấm 2 giai đoạn. Trong khi đó, hình 5 thể hiện chiều dày của lớp xốp màu trắng trên các mẫu thấm 1 giai đoạn (Hình 5a) và mẫu thấm 2 giai đoạn (Hình 5b). Chiều dày trung bình của lớp trắng ở bộ mẫu 1 và bộ mẫu 2 tương ứng lần lượt là 17 m và 10,94 m. Như vậy, chiều dày của các loại lớp thấm bao gồm cả chiều dày tổng lớp thấm và chiều dày lớp trắng đều có xu hướng tăng lên theo thời gian thấm nói chung. Ở quá trình thấm 1 giai đoạn với độ phân hủy NH3 là 40%, nồng độ N nguyên tử trên bề mặt là rất lớn, khi thấm dẫn đến việc tạo lớp trắng nhanh và dày, sẽ cản trở việc khuếch tán N ở thời gian tiếp theo nên tốc độ thấm chậm. Nhìn chung, ở quy trình thấm 1 giai đoạn ở nhiệt độ cao 580oC, chiều dày lớp trắng lớn làm cho độ cứng tế vi của lớp thấm giảm. Trong quá trình thấm 2 giai đoạn, ở giai đoạn thấm thứ nhất tại nhiệt độ 530oC đã tạo ra lớp thấm có độ cứng vi mô cao, sau đó tăng nhiệt độ trong lò thấm lên 620oC kết hợp nạp và duy trì khí trơ N2 ở trong lò thấm trong khoảng 0,5 giờ. Mục đích quá trình này là làm cho lớp thấm N hình thành ở giai đoạn thấm đầu tiên ổn định hơn, đồng thời 18
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University giúp giảm hiện tượng bão hòa nguyên tử N so với quá trình thấm 1 giai đoạn. Vì vậy, các nguyên tử N sẽ dễ dàng khuếch tán vào sâu lớp vật liệu nền ở giai đoạn thấm thứ 2 làm cho lớp thấm có độ cứng tế vi cao hơn mặc dù thời gian thấm ngắn hơn so với quá trình thấm 1 giai đoạn. Mẫu thấm 1 giai đoạn liên tục trong 15 giờ ở 580oC tạo ra chiều dày tổng lớp thấm gấp 1,22 lần so với mẫu thấm 2 giai đoạn với tổng thời gian thấm chỉ là 8 giờ (3 giờ ở 530oC + 5 giờ ở 580oC), nhưng chiều dày lớp trắng lại lớn hơn 1,55 lần. (a) (b) Hình 5. Chiều dày lớp trắng của các mẫu: (a) Thấm 1 giai đoạn; (b) Thấm 2 giai đoạn Để xác định phân bố độ cứng của toàn bộ lớp thấm, tiến hành đo độ cứng tại nhiều điểm khác nhau dọc theo chiều dày lớp thấm từ ngoài vào lớp vật liệu nền của mẫu. Độ cứng lớp trắng của các mẫu được đo tại điểm cách bề mặt ngoài cùng của mẫu thấm vào khoảng 7 m. Sau đó tiến hành đo độ cứng tại các điểm tiếp theo cách nhau một khoảng không đổi như 50 m và 100 m tiến dần đến lớp vật liệu nền. Phép đo cuối tại chiều sâu 7000 m đại diện cho độ cứng của lớp nền kim loại của các mẫu. Kết quả đo độ cứng cụ thể được thể hiện trên hình 6. Hình 6. Đồ thị phân bố độ cứng cho các mẫu thấm 19
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University Có thể thấy, trong suốt chiều dày lớp thấm đến 280 µm, độ cứng tế vi của mẫu thấm 2 giai đoạn cao hơn so với mẫu thấm 1 giai đoạn. Khi được kiểm tra ở độ sâu lớn hơn 280 µm, kết quả độ cứng tế vi của 2 mẫu là xấp xỉ như nhau. Điều này có nghĩa rằng, mặc dù quy trình thấm 1 giai đoạn sẽ tạo ra lớp thấm dày hơn so với quy trình thấm 2 giai đoạn nhưng điều đó lại không giúp cải thiện được tính chất cơ học của lớp phủ bề mặt cần thiết. Kiểm tra sự thay đổi kích thước của mẫu trước và sau khi thấm N thể khí (Bảng 3) cho thấy, các mẫu thay đổi kích thước trước và sau của mỗi quy trình thấm 1 giai đoạn và 2 giai đoạn tương ứng là 0,019 mm và 0,014 mm. Kết quả này tỷ lệ thuận với các kết quả đo chiều dày lớp thấm đã được đề cập ở trên. Bảng 3. Biến động kích thước của khoảng cách 2 mặt song song của các mẫu Các lần đo (mm) Trung bình Mẫu 1 2 3 4 5 (mm) Mẫu thấm Trước thấm 12,792 12,796 12,791 12,788 12,796 12,793 1 giai đoạn Sau thấm 12,818 12,813 12,810 12,809 12,811 12,812 Mẫu thấm Trước thấm 12,796 12,784 12,795 12,798 12,788 12,792 2 giai đoạn Sau thấm 12,806 12,804 12,807 12,806 12,805 12,806 4. Kết luận Thông qua các kết quả thực nghiệm có thể thấy, kéo dài thời gian quá trình thấm N thể khí sẽ làm tăng chiều dày lớp thấm của cả tổng lớp thấm và lớp trắng. Sự thay đổi kích thước của các mẫu trong cùng 1 quy trình thấm cũng tăng tỉ lệ thuận với chiều dày lớp thấm. Quy trình thấm 1 giai đoạn mặc dù đạt được chiều dày lớp thấm lớn hơn 1,22 lần so với quy trình thấm 2 giai đoạn nhưng thời gian thấm quá dài, chiều dày lớp trắng lớn hơn 1,55 lần. Quy trình thấm 2 giai đoạn làm tăng độ cứng tổng lớp thấm và giảm được chiều dày lớp trắng đồng thời giảm được chi phí sản do rút ngắn được thời gian thấm. Các kết quả nghiên cứu này là cơ sở để xây dựng quy trình tối ưu hóa thông số công nghệ và số giai đoạn thấm N thể khí đối với các khuôn dập nóng được chế tạo từ thép hợp kim SKD61 ứng dụng trong sản xuất cơ khí. Tài liệu tham khảo 1. Евдокимов В.Д. (ред.) (2006). Технология упрочнения машиностроительных материалов. Учебное пособие-справочник, 2-е изд., К.: Профессионал. 2. Nguyễn Hoành Sơn (2011). Công nghệ bề mặt tiên tiến. Nxb Quân đội nhân dân. 3. Seyda Polat, S. Hakan Atapek, Fatih Gusmus (02-04 April 2012). Gas nitriding of a hot work tool steel and its characterization. International Iron & Steel Symposium, Turkey, pp. 257-263. 20
Journal of Science and Technique - N.206 (5-2020) - Le Quy Don Technical University 4. Xiaoyun Yuan, Yang Zhao, Xing Li and Liqing Chen. Effects of Gas Nitriding Temperature on the Surface Properties of a High Manganese TWIP Steel. Metals 2017, 7, 102 (9 pages). 5. Eric J. Mittemeijer and Marcel A. J. Somers (2015). Thermochemical Surface Engineering of Steels: Improving Materials Performance. 1st edition, Publisher: Woodhead Publishing. 6. F. Ashrafizadeh (2003). Influence of plasma and gas nitriding on fatigue resistance of plain carbon (Ck45) steel. Surface and Coatings Technology, 174-175, pp. 1196-1200. 7. M. Pellizzari, A. Molinari, G. Straffelini (2003). Thermal fatigue resistance of gas and plasma nitrided 41CrAlMo7 steel. Material Science and Engineering, A352, pp. 186-194. 8. Nguyễn Ngọc Minh (2005). Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. Luận án tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội. 9. JIS G 4404:2015 (Japanese Industrial Standard). Alloy tool steels. Japanese Standards Association. EXPERIMENTAL STUDY ON GAS NITRIDING TECHNOLOGY WITH SINGLE-STAGED AND TWO-STAGED PROCESSES FOR SKD61 HOT-WORK DIE STEEL Abstract: This paper presents an experimental study on gas nitriding technology with single-staged and two-staged processes for SKD61 hot-work die steel. A comparison of the experimental data of the two processes shows that, the single-staged gas nitriding process got an 1.22 times thicker nitrided layer but required too long nitriding time, caused a 1.55 times thicker iron nitride layer and considerrably lower microhardness. At the same time, the cost of single-staged gas nitriding process is higher. Obtained results contribute to improvement in designing, fabrication and recovering the hot-work dies. Keywords: Hot-work die; SKD61 steel; gas nitriding; nitrided layer thickness; microhardness. Ngày nhận bài: 16/01/2020; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 20/4/2020; Ngày duyệt đăng: 23/6/2020  21

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.