Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thấm Nitơ Plasma cho thép 40CrMo

1<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. Tính cấp thiết của đề tài<br /> Kỹ thuật bề mặt là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật tổng hợp bao gồm những<br /> nghiên cứu và hoạt động kỹ thuật nhằm thiết kế, sản xuất, khảo sát và sử dụng các lớp bề<br /> mặt trên cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế với các tính chất của vùng bề mặt tốt hơn vùng<br /> bên trong, thỏa mãn các yêu cầu về độ cứng, chống ăn mòn, chống mỏi, chống mòn,…<br /> Các chi tiết mòn, hỏng thường xuất phát từ bề mặt;<br /> Nhu cầu thay thế phụ tùng hàng năm tương đối lớn, hơn nữa các chi tiết máy<br /> quan trọng phải nhập khẩu, không chủ động được trong việc sản xuất, thay thế;<br /> Cùng với sự hội nhập và phát triển, các thiết bị máy móc đươc đa dạng hóa về<br /> chủng loại và không ngừng phát triển cả về số và chất, do vậy đòi hỏi các thiết bị cơ<br /> khí Việt Nam phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về chất lượng và tạo nên các<br /> sản phẩm cơ khí mang nhãn hiệu Việt Nam.<br /> Thấm nitơ plasma là một công nghệ hiện đại, cho phép tạo lớp thấm trên bề mặt chi<br /> tiết có độ chống mài mòn, ăn mòn cao và tăng tính chống mỏi cho chi tiết. Thấm nitơ<br /> plasma được ứng dụng nhiều cho các chi tiết máy làm từ thép.<br /> 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu<br /> - Đối tượng nghiên cứu<br /> + Công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị Eltropuls H045x080;<br /> + Mẫu vật liệu nghiên cứu: thép 40CrMo;<br /> + Một số chi tiết máy chế tạo từ vật liệu 40CrMo.<br /> - Phạm vi nghiên cứu<br /> + Nghiên cứu một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị thấm<br /> nitơ plasma nói trên;<br /> + Nghiên cứu cơ chế thấm nitơ nói chung, cơ chế hình thành lớp thấm nitơ<br /> plasma nói riêng.<br /> + Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ thấm, thời gian thấm và tỷ lệ<br /> khí nitơ (N2) đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ plasma bao gồm tổ chức tế vi,<br /> chiều dày lớp thấm, độ cứng bề mặt, cường độ mài mòn trên vật liệu 40CrMo.<br /> + Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thấm một số chi tiết<br /> máy sử dụng vật liệu 40CrMo.<br /> 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án<br /> - Ý nghĩa khoa học<br /> + Nghiên cứu quy luật cơ bản của việc hình thành lớp bề mặt trong quá trình<br /> thấm nitơ plasma, đặc biệt là đối với thép 40CrMo;<br /> + Biểu diễn được các quy luật đó thông qua các mối quan hệ toán học (hàm số<br /> và đồ thị);<br /> <br /> 2<br /> <br /> - Ý nghĩa thực tiễn<br /> + Nghiên cứu ứng dụng cho họ vật liệu phục vụ chế tạo máy;<br /> + Ứng dụng vào thực tiễn sản xuất sản phẩm cơ khí.<br /> 4. Những đóng góp mới<br /> - Thông qua các công trình nghiên cứu (đặc biệt là nước ngoài), luận án đã tìm ra<br /> được cơ chế hình thành lớp thấm và bản chất của lớp thấm nitơ plasma trên bề bặt thép.<br /> - Nghiên cứu xác lập quan hệ giữa độ cứng bề mặt E (HV 0.3), cường độ mài<br /> mòn m (10-12g/n.mm), chiều dày pha  + ’ d1 (m) và chiều dày pha  d2 (m) với các<br /> thông số nhiệt độ thấm T (0C), thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%).<br /> - Bằng quy hoạch thực nghiệm, xác định quan hệ đơn yếu tố giữa E, m, d1, d2 với<br /> T, t, a để tìm vùng tối ưu, trên cơ sở khoanh vùng xử lý số liệu thực nghiệm theo phương<br /> pháp xét ảnh hưởng của đa yếu tố. Kết quả nghiên cứu tìm được vùng thông số công nghệ<br /> tối ưu cho phép thu được E, m, d1, d2 tốt nhất, đáp ứng yêu cầu sản xuất.<br /> - Đưa ra được sơ đồ công nghệ và quy trình công nghệ thấm chi tiết thực; kiểm<br /> tra lại bằng tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, cường độ mài mòn, nhiễu xạ tia X.<br /> - Đã ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho một số chi tiết máy làm từ các<br /> thép khác nhau, đặc biệt là thép 40CrMo. Qua đánh giá cho thấy chất lượng làm việc<br /> của các chi tiết sau thấm cao hơn chất lượng làm việc của các chi tiết không sử dụng<br /> công nghệ này.<br /> Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA<br /> 1.1. Lựa chọn công nghệ<br /> Các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến trong tương lai phải đảm bảo được sự thân<br /> thiện với môi trường sống.<br /> Bảng 1.1. Tổng quan quá trình cải tiến bề mặt sắt thép bởi các thuộc tính<br /> Các yếu tố ảnh hưởng<br /> Độ bám dính Sự mài mòn Độ giảm mòn<br /> - Thấm cacbon<br /> +<br /> +<br /> ++<br /> - Thấm nitơ<br /> ++<br /> +<br /> +++<br /> - Thấm Nitơ + Ôxi hóa<br /> ++<br /> +<br /> ++<br /> - Borizing<br /> ++<br /> +++<br /> 0<br /> - PVD<br /> +++<br /> ++<br /> 0<br /> - PACVD<br /> +++<br /> ++<br /> 0<br /> - CVD<br /> +++<br /> ++<br /> 0<br /> - Bền nhiệt<br /> +<br /> ++<br /> 0<br /> Ghi chú:<br /> 0:<br /> Không ảnh hưởng<br /> +/++: Mức độ cải tiến tính chất nhỏ hoặc trung bình<br /> +++: Mức độ cải tiến tính chất tốt<br /> Công nghệ xử lý bề mặt<br /> <br /> Sự ăn mòn<br /> 0<br /> +<br /> +++<br /> 0<br /> +<br /> +<br /> +<br /> +<br /> <br /> Một chi tiết cần giảm mòn thì trong các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến và bảo vệ<br /> được môi trường thì công nghệ thấm nitơ được ưu tiên hơn cả (bảng 1.1).<br /> <br /> 3<br /> <br /> 1.2. Các công nghệ thấm nitơ<br /> Công nghệ thấm nitơ, lần đầu tiên được thực hiện và phát triển trong những đầu<br /> của thập niên 1900, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.<br /> Bề mặt chi tiết thấm nitơ được bao bọc bởi một lớp nitrit bền vững.<br /> Đặc điểm nổi bật của quá trình thấm nitơ là nó ít làm thay đổi kích thước,<br /> không làm thay đổi hình, không làm thay đổi thành phần của thép, không làm thay đổi<br /> tổ chức tế vi của thép có được từ các nguyên công nhiệt luyện trước đó nếu chọn được<br /> chế độ thích hợp.<br /> <br /> Hình 1.1. Quá trình thấm nitơ<br /> <br /> Hình 1.2. Giản đồ trạng thái Fe-N<br /> <br /> Thấm nitơ là một phương pháp nhiệt hóa nhiệt luyện, nitơ phân tử được tạo<br /> thành trong môi trường thấm được hấp thụ vào bề mặt thép và khuếch tán vào bề mặt<br /> của thép (hình 1.1). Các quá trình dựa trên sự tương tác của nitơ trong sắt, tuân theo<br /> giản đồ trạng thái sắt-nitơ (hình 1.2)<br /> Từ giản đồ pha Fe-N, khi nitơ khuếch tán vào trong thép ở nhiệt độ trên nhiệt<br /> độ cùng tích (5900C), các pha lần lượt tạo ra là , , ’, . Do vậy, khi thấm nitơ ở<br /> nhiệt độ này sẽ hình thành lớp thấm từ nền thép ra bề mặt là    + ’  ’  ’ +<br /> , pha  không hiển thị trên giản đồ vì chúng có thành phần nitơ từ 11,011,35% ở<br /> nhiệt độ khoảng 5000C.<br /> 1.2.1. Thấm nitơ thể khí<br /> Thấm nitơ thể khí là phương pháp thấm thông dụng nhất. Chất thấm thường là<br /> amoniac (NH3) được lưu thông liên tục trên bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ<br /> nguyên tử cho quá trình thấm tạo môi trường thấm.<br /> Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 450  6000C, NH3 sẽ phân hủy theo phản ứng:<br /> 2NH3  3H2 + 2[N]<br /> (1.1)<br /> Trong đó [N] là Nitơ nguyên tử hoạt tính.<br /> Nitơ nguyên tử hoạt tính sinh ra sẽ khuếch tán vào trong bề mặt của thép tạo<br /> nên lớp thấm. Quá trình được sơ đồ hóa trên hình 1.3.<br /> Tại lớp hấp phụ sẽ xẩy ra các phản ứng tái kết hợp:<br /> 2NH3  3H2 + [N]<br /> (1.2)<br /> 2NH3  N2 + 2[H]<br /> <br /> (1.3)<br /> <br /> 4<br /> <br /> Hình 1.3. Sơ đồ thấm nitơ thể khí<br /> <br /> Hình 1.4. Cấu trúc mạng lớp thấm<br /> và vùng khuếch tán<br /> <br /> Nitơ nguyên tử hình thành trên bề mặt chi tiết thấm sẽ khuếch tán vào bên trong<br /> tạo thành lớp thấm (hình 1.4). Nếu nitơ nguyên tử không khuếch tán hết sẽ kết hợp lại<br /> thành nitơ phân tử và do đó ngăn cản quá trình thấm. Trong quá trình thấm phải luôn bổ<br /> sung khí NH3 để duy trì tỷ lệ N2: H2 thích hợp cho quá trình thấm<br /> 1.2.2. Thấm nitơ lỏng<br /> Quá trình thấm nitơ thực hiện nhờ phân hủy muối xianat thành cacbonat nóng chảy:<br /> - Công nghệ Tufften:<br /> KCN + 1/2O2  KCNO<br /> 2KCNO + 1/2O2  2N + C + K2CO3<br /> - Công nghệ Surfult:<br /> 2NH2-CO-NH2 + NaCO3  2NaCNO + 2NH3 + CO + H2O<br /> 4NaCNO  Na2CO3 + CO + 2N + 2 NaCN<br /> 1.2.3. Thấm nitơ plasma<br /> Thấm nitơ plasma là một công nghệ thấm nitơ tiên tiến, nó ra đời như một phương<br /> án thay thế của công nghệ thấm nitơ thể khí. Thấm nitơ plasma được tiến hành trong môi<br /> trường ion hóa ở nhiệt độ thấp (khoảng 450  6000C) và các khí sử dụng trong quá trình<br /> thấm; các khí thường là các khí trơ, an toàn cho người và thiết bị (hình 1.5).<br /> Công nghệ thấm nitơ plasma cho phép điều chỉnh được thành phần nitơ và hydro<br /> vì thế có thể điều chỉnh được thành phần lớp trắng (lớp hợp chất hay chiều dày các pha <br /> và ’) theo ý mong muôn.<br /> Ưu điểm:<br /> - Hệ thống thiết bị công nghệ hiện đại cho phép nhận được chất lượng sản phẩm<br /> đồng đều.<br /> - Sử dụng môi trường hỗn hợp khí N2 +H2 (khi cần bổ sung argon, metan hay<br /> propan-butan), cho phép thấm niơ cho tất cả các mác thép, một số loại gang và rất an<br /> toàn, thân thiện với môi trường.<br /> - Sử dụng dòng xung điện để tạo plasma cho phép rút ngắn thời gian nung nóng chi<br /> tiết thấm, phân bố nhiệt đồng đều và tạo nên lớp thấm nitơ với thành phần, chiều dày và độ<br /> <br /> 5<br /> <br /> cứng theo yêu cầu.<br /> - Công nghệ cho phép giảm<br /> thời gian thấm từ 2 ÷ 5 lần, giảm<br /> lượng khí thấm từ 20 ÷ 100 lần,<br /> giảm tiêu thụ điện 1,5 ÷ 3 lần.<br /> - Không làm thay đổi kích<br /> thước và hình dáng sản phẩm sau<br /> khí thấm.<br /> Nhược điểm:<br /> - Thiết bị phức tạp, đắt tiền<br /> - Vận hành thiết bị cần<br /> những người có hiểu biết về thấm<br /> nitơ plasma;<br /> - Cần chọn các thông số<br /> công nghệ phù hợp cho từng loại<br /> vật liệu với các yêu cầu cụ thể của<br /> lớp thấm.<br /> Hình 1.5. Quá trình thấm nitơ plasma<br /> <br /> 1.2.4. Các ứng dụng của thấm nitơ<br /> - Các bánh răng trong các máy xây dựng, công nghiệp tự động đòi hỏi độ bền<br /> mỏi tăng, sự biến dạng giảm;<br /> - Các chi tiết của động cơ đốt trong: trục khuỷu, trục cam, thanh dẫn, bánh răng...<br /> - Khuôn ép, máy ép khi đúc kim loại, hợp kim đòi hỏi tăng khả năng chống ăn<br /> mòn, mài mòn.<br /> - Dụng cụ cắt yêu cầu có khả năng chống mài mòn cao, độ cứng lớn.<br /> 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước<br /> Tác giả đã nghiên cứu một cách khá hệ thống về cơ sở lý thuyết và khả năng ứng<br /> dụng công nghệ thấm nitơ plasma của các nhà khoa học ở nhiều nước với các mức độ<br /> khác nhau.<br /> 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước<br /> Qua nghiên cứu thấy rõ ở trong nước có rất ít các công trình được công bố cũng<br /> như sản phẩm ứng dụng còn rất hạn chế, điều đó kết hợp với nghên cứu ngoài nước đặt<br /> ra cho tác giả mục tiêu và nội dung nghiên cứu phù hợp với điều kiện hiện có của cơ<br /> sở đào tạo và điều kiện trong nước.<br /> 1.5<br /> <br /> Kết luận chương 1<br /> - Thấm nitơ plasma là một công nghệ hiện đại, cho phép tạo lớp thấm trên bề mặt<br /> chi tiết có độ chống mài mòn, ăn mòn cao và tăng tính chống mỏi cho chi tiết. Thấm nitơ<br /> plasma được ứng dụng nhiều cho các chi tiết máy làm từ thép.<br /> <br />