Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm Ni-Tơ xung plasma ở nhiệt độ thấp (570 - 600 độ C) trong chế tạo dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy

ỏ ở nước ta hiện nay và có khả năng nâng cấp tự động hoá cao trong quá trình sản xuất, tương đương với các nước phát triển. Công nghệ thấm nitơ thể lỏng nitarid làm cho các sản phẩm từ sắt, thép có khả năng chịu mài mòn và chịu mỏi cao, chống ăn mòn rất tốt. Công nghệ được tiến hành ở nhiệt độ thấp (dưới 600oC), nên sản phẩm có độ biến dạng thấp, thành phần bể thấm đảm bảo tính ổn định hoá nhiệt và có độ chảy loãng, khả năng tạo nitơ hoạt tính cao. Mặt khác, công nghệ xử lý bề mặt sau khi thấm rất đa dạng, cải thiện được các tính chất của lớp thấm. Công nghệ đơn giản, đảm bảo được tính ưu việt của bề mặt sản phẩm làm cho nitarid có khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.[14] 2.4. Thấm ni-tơ ion plasma Thấm ni-tơ plasma hay thấm ni-tơ ion là công nghệ nhiệt luyện tiên tiến nhất. Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp với hỗn hợp các khí H2, N2, CH4 và Ar. Dưới điện thế cao các khí bị ion hoá tạo dòng plasma. Ion ni-tơ được gia tốc trong quá trình plasma và va chạm với mẫu vật. Quá trình bắn phá ion này làm nung nóng, làm sạch và tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng giới hạn bền mỏi.[13, 12, 11, 10, …] B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 23 2.4.1. Quá trình thấm ni-tơ plasma Quá trình thấm nitơ - plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng nitơ. Chi tiết được đặt trong lò chân không, trong đó chi tiết được nối với catốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện.[15] TW W G V TL D R U P Hình 2.1. Sơ đồ lò thấm nitơ - plasma Trong đó: R - Thùng chứa W - Chi tiết U - Nguồn điện (350 – 600V) P - Áp suất tổng (0,1 – 10 mbar) TL - Nhiệt độ tải ( 250 – 1000oC) TW - Nhiệt độ tường lò (100 – 550oC) D - Đường cung cấp vật liệu G - Khí cung cấp cho quá trình V - Bơm hút chân không Thùng được tháo ra làm sạch oxy và các chất bẩn khác, sau đó lắp lại. Quá trình thấm được mô tả như sau: khi nguồn điện được đóng vào, dưới điện áp cao (600-1000V) và áp suất thấp khí được biến đổi thành những ion (dòng điện dẫn plasma). Ion dương sẽ bắn phá bề mặt chi tiết và các electron phát ra tới anốt tạo ra một luồng sáng xung quanh chi tiết. Với thép quá trình này tạo nên một chất rắn hoà tan của nitơ (FeN) trên bề mặt thép. Sau đó là quá trình khuếch tán. Trong suốt quá trình khuếch tán nitơ phần nào thay thế B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 24 cácbon trong mactenxit và tạo các nitrit Fe4N, Fe2-3N ở lớp bề mặt. Cácbon được phân phối lại trong miền phân chia. Sự phân chia nitơ và phân phối lại cacbon là một hàm của thời gian và nhiệt độ thấm. Quá trình phân ly dựa trên năng lượng tự nhiên mạnh mẽ của luồng điện phát sáng tác động xung quanh bề mặt chi tiết. Đó còn gọi là năng lượng plasma. Nguồn plasma nitơ gồm có các ion, các electron gốc và hoạt hoá. Sự tương tác giữa plasma và bề mặt rắn là sự kích thích, ion hoá, phân ly và gia tốc. Trong quá trình thấm nitơ - plasma có hyđrô và nitơ nhưng không có xúc tác cho việc tạo thành NH3 như trong thấm N2 thể khí thông thường. Các phần tử N2 cũng có thể được biến đổi trong quá trình hoạt hoá. [10, 12, 13, 15, …] 2.4.2. Định nghĩa xung plasma Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được đưa vào năm 1923. Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí. Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp. Một ví dụ về plasma là mặt trời. Nhưng với nhiệt độ cao như vậy plasma không được sử dụng trong công nghệ xử lý bề mặt vật liệu. Khi áp suất khối khí lớn hơn 0,1 bar thì trạng thái plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt độ > 8000oK. Nếu áp suất khối khí giảm xuống còn khoảng 1 Mbar thì plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Chính vì thế trong môi trường chân không plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp. Trong công nghệ thấm nitơ xung plasma thì plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng không gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lò). Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vôn khí được ion hoá trở thành dòng khí dẫn điện (plasma). Mật độ dòng tăng khi điện áp tăng. [10, 12, 13,…] Bề mặt xử lý bằng plasma đầu tiên sử dụng công nghệ DC plasma (plasma sinh ra bởi điện áp một chiều) trong lò chân không làm mát bằng nước. Nhược điểm chủ yếu của công nghệ này là nhiệt độ tải biến động quá lớn. Vì thế năng lượng tiêu thụ cao, mật độ tải nhỏ, hạn chế sự liên kết giữa quá trình nhiệt và hoá học. Năm 1980 ELTRO sử dụng xung plasma nghĩa là plasma được sinh ra bởi điện áp xoay chiều. Nó khắc phục được các nhược điểm của công nghệ DC plasma: - Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình. - Nhiệt độ phân bố trên tải đồng đều hơn. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 25 - Giảm năng lượng tiêu thụ. - Giảm tiêu thụ khí. - Giảm thời gian Hình 2.2. Mô tả xung plasma Thời gian tồn tại xung khoảng 50-100µs. Chu kì xung khoảng 100- 300µs. Tất cả các lò thấm công nghiệp hiện nay đều sử dụng xung plasma. Nhưng chỉ có hãng ELTROPUL sử dụng nguồn xung plasma được tạo từ trước. Nó có nhiều ưu điểm như: - Tạo plasma ổn định trong mọi trường hợp. - Thấm được những chi tiết có hình dạng hình học phức tạp. - Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình thấm xuống thấp nhất. - Bề mặt được xử lý nhiều nhất. 2.4.3. Sự phân lớp Lớp bề mặt được nitrit hoá sau khi thấm nitơ ion là sự kết hợp của các miền. Một lớp trắng mỏng, chắc chắn bên ngoài và miền khuếch tán bên trong. Phạm vi cấu trúc và độ đồng nhất của lớp trắng và miền khuếch tán được điều chỉnh độc lập với nhau. Lớp trắng mỏng là lớp liên kết của sắt và nitơ tạo các nitrit: Fe4N, Fe2-3N. Độ dày lớp này lớn nhất là 20 µm. [10, 12,13,..] Miền khuếch tán độ dày tới 0,8 mm. Trong đó nitơ xâm nhập vào mạng tinh thể của sắt và kết hợp với các nguyên tố hợp kim Cr, Mo, Ti, Al, V…để tạo thành các nitrit đặc biệt. Những nitrit đặc biệt này là những phần tử quan trọng để làm tăng độ cứng và chống mài mòn của thép hợp kim. 2.4.4. Quá trình ELTROPUL Quá trình ELTROPUL có các thông số được vi điều chỉnh và đánh giá trong suốt quá trình nhiệt luyện để cho sản phẩm có tính chất tốt nhất. Chi tiết u t B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 26 được nung nóng trong thời gian ngắn nhất, bởi sự bức xạ hay khí trơ trong chân không, với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức. Hầu hết các chương trình phức tạp đều được sử dụng lặp lại trong các lần thấm khác nhau. Sau khi được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết và thấm nitơ, chi tiết được làm nguội một cách tự động. Phương pháp làm nguội có thể lựa chọn tuỳ theo yêu cầu của chi tiết. - Làm nguội chậm trong môi trường chân không đảm bảo chi tiết không bị biến dạng. - Làm nguội nhanh trong khí trơ với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức làm tăng năng suất thấm. Lớp thấm gồm có lớp hỗn hợp (lớp trắng) và miền phân chia. Lớp trắng có thể có tổ chức γ hoặc ε. Lớp γ chiều dày từ 2-8 µm, có tính mềm dễ uốn, chống mài mòn tốt, chịu được ứng suất lớn do đó áp dụng cho những chi tiết chịu tải trọng động lớn. Lớp ε dày tới 20 µm có khả năng chống mài mòn, ăn mòn tốt. Quá trình ELTROPUL với xung plasma được thiết lập sẵn có những ưu điểm đặc trưng. - Nguồn plasma được tự động giới hạn từ trước tới giá trị cần thiết đảm bảo đồng đều nhiệt cho chi tiết và cho phép nạp vào lò với số lượng chi tiết lớn nhất có thể. Hơn nữa, giá trị nguồn nhỏ nhất sẽ ngăn cản được sự quá nhiệt của những chi tiết quá mỏng (hiện tượng thường xảy ra với các quá trình có thời gian tồn tại xung ngắn). - Quá trình ELTROPUL đảm bảo được lớp nitrit đặc chắc. Trong cùng một quá trình có thể thấm được những chi tiết với các kích thước hình học khác nhau. - Ưu điểm nữa của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL là giảm được tiêu thụ điện năng, tiêu thụ khí, nước làm nguội, do đó giảm được giá thành nhiệt luyện. Với quá trình ELTROPUL, số lượng chi tiết có thể thấm nitơ - plasma là tăng hơn so với các quá trình khác. Ứng dụng của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL ngày càng rộng rãi.[13, 15] Các chi tiết được thấm: piston, van lò xo, dụng cụ cắt, trục khuỷu, dùi, mũi khoan, bơm, bánh răng điều chỉnh, mũi doa, trục cam, bánh răng bơm dầu… B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 27 2.5. So sánh đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp 2.5.1. So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với các phương pháp thấm nitơ thông thường So với thấm nitơ trong lò muối và thấm nitơ thể khí thông thường thì thấm nitơ - plasma có ưu điểm: - Chất lượng bề mặt tốt hơn, khả năng chống mài mòn tốt hơn, không bị giòn, xấu, nứt gãy do đó không phải mài bỏ hay làm sạch lớp trắng giòn như trong các phương pháp thấm nitơ thông thường - Thấm được những chi tiết có hình dáng phức tạp mà các phương pháp thấm nitơ cũ không thể thấm được một cách đồng đều. - Khí sử dụng trong quá trình là N2, H2 do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của bề mặt cuối cùng. Thấm nitơ trong lò muối và thể khí thông thường sử dụng NH3 và phốt phát làm bề mặt bị gồ ghề, nhám. - Thấm nitơ - plasma ở nhiệt độ thấp hơn cho độ cứng bề mặt cao mà không ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu. Trong các công nghệ thấm nitơ trước đây nhiệt độ cao hơn do đó có ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu. - Vật liệu được thấm nitơ - plasma đa dạng hơn. - Quá trình không sử dụng các khí độc như các công nghệ trước đây do đó an toàn với môi trường hơn.[13] 2.5.2. So sánh thấm Nitơ - plasma với mạ Crôm - Thấm nitơ - plasma nổi bật là tính chống mài mòn tốt của lớp phân chia đến bề mặt. Do thấm nitơ - plasma là quá trình phân lớp nên nó hạn chế được các vấn đề gặp phải trong mạ crôm như gỉ còn sót, nứt gãy, tích tụ, sắc cạnh, sứt mẻ, … - Chi tiết không bị tích tụ ở góc cạnh do đó không phải nguyên công mài để loại bỏ. - Thấm nitơ - plasma cải thiện được tính chất bền mỏi của vật liệu. Mạ crôm không đạt được tính chất này - Do quá trình thấm nitơ - plasma có luồng phóng điện phát sáng bao phủ bề mặt chi tiết nên sản phẩm có độ cứng lớn, chiều sâu lớp thấm phù hợp. - Là phương pháp bảo vệ môi trường. Còn mạ crôm sử dụng crôm hoá trị IV chất gây ung thư.[13] B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 28 2.6. Các thông số trong quá trình thấm Các tính chất của lớp bề mặt (độ cứng, độ nhám, độ sạch), chiều sâu lớp thấm, tính chất lớp thấm, độ cứng tế vi của vật liệu… chịu ảnh hưởng của các thông số đầu vào như điện áp - mật độ dòng, thời gian thấm, nhiệt độ thấm, thành phần hỗn hợp khí và áp suất khí. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số và từ đó chọn được chế độ thấm thích hợp. 2.6.1. Điện áp, mật độ dòng ion Điện áp cao (khoảng vài trăm vôn) là điều kiện để plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng anốt và catốt. Hình 2.3. Mối quan hệ giữa điện áp và mật độ dòng ion khí 1- Vùng phóng điện phát sáng bình thường 2- Vùng phóng điện phát sáng không bình thường 3- Vùng chuyển đổi 4- Hồ quang Vùng làm việc là vùng xảy ra quá trình thấm nitơ - plasma chính là vùng 2 trên đồ thị. Đó là vùng làm việc không bình thường. Khi điện áp tăng thì mật độ dòng ion khí cũng tăng. Đồng thời điện áp và mật độ dòng cũng phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ của quá trình, áp suất môi trường thấm và thành phần khí nitơ trong hỗn hợp khí. 2.6.2.Thời gian Thời gian là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định tới chất lượng sản phẩm sau khi thấm. Điện áp Mật độ dòng B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 29 Ở nhiệt độ nhất định, thời gian khuếch tán càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng. Quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabol (hình 2.4) theo công thức: δ = K τ Trong đó: δ − chiều dày lớp khuếch tán. K − hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D τ − thời gian Từ hình vẽ ta thấy thời gian thấm càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng nhưng tỷ lệ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm. Nếu với mục đích nhiệt luyện để có chi tiết có chiều sâu lớp thấm lớn thì biện pháp có hiệu quả là tăng nhiệt độ chứ không phải thời gian. 2.6.3. Nhiệt độ Chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. Khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh tốc độ khuếch tán càng nhanh. Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ theo biểu thức: D = A.e-Q/RT Trong đó: D - Hệ số khuếch tán, A - Hệ số phụ thuộc mạng tinh thể, Q - Năng lượng hoạt hoá (năng lượng cần thiết để bứt nguyên tử ra khỏi vị trí của nó trong bảng, Hình 2.4. Mối quan hệ giữa δ và τ B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 30 e - Cơ số logarit tự nhiên, R - Hằng số khí, T - Nhiệt độ thấm (Kenvin). Với hệ thống kim loại nhất định, các trị số A; Q cũng cố định nên D phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì D tăng càng nhanh. 2.6.4. Thành phần hỗn hợp khí Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất luyện kim của lớp trắng và lớp nitrit có thể được điều chỉnh trong quá trình thấm nitơ - plasma. Chú thích: Hình 2.5. Mối quan hệ giữa D và T Hình 2.6. Sự phân lớp từ lõi đến bề mặt vật liệu phụ thuộc vào thành phần khí. Lõi Lớp trắng Phần còn lại B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 31 Trường hợp 1: Thành phần nitơ trong hỗn hợp khí của quá trình từ 1-5%, không có lớp trắng. Trường hợp 2: Thành phần nitơ trong hỗn hợp khí nạp vào từ 15-30%, có lớp trắng với tổ chức hoàn toàn là γ. Trường hợp 3: Thành phần nitơ từ 60-70%, mêtan từ 1-3%, có lớp trắng với tổ chức hoàn toàn là ε. Lớp trắng mỏng có thể có tổ chức γ hoặc tổ chức ε. Lớp trắng có tổ chức γ mềm hơn và mỏng hơn lớp trắng với tổ chức ε. Độ dày từ 0,1-0,4 µm. Do rất mỏng nên khi chi tiết chịu lực lớn và va chạm mạnh lớp trắng đó sẽ không bị gãy vụn. Hơn nữa nó sẽ dễ dàng mất đi để mạ, phủ sau khi thấm. Lớp ε không mềm như lớp γ nhưng có khả năng chống mài mòn tốt hơn, có hệ số ma sát nhỏ hơn. Độ dày lớp ε lớn hơn khoảng 0,2-0,4 µm và tăng khi thời gian thấm tăng. Do đó khả năng chống ăn mòn tăng và có bị “xốp hơn” lớp có tổ chức γ. Độ dày lớp trắng có tổ chức γ và ε đều tăng khi tăng nhiệt độ thấm.Tuỳ theo mục đích sử dụng vật liệu mà điều chỉnh thành phần của hỗn hợp khí cho thích hợp để lớp trắng của bề mặt chi tiết sau khi thấm có tổ chức γ hay ε. Nếu chi tiết làm việc trong điều kiện chịu lực lớn, va chạm mạnh hoặc được mạ, phủ sau khi thấm thì thành phần khí khi thấm có khoảng 15-30% N2 để lớp trắng có tổ chức γ. Còn sử dụng hỗn hợp khí với tỷ lệ 60-70 % N2, 1-3 % CH4 để lớp trắng có tổ chức ε cho những chi tiết làm việc trong điều kiện bị ăn mòn lớn 2.7. Kết luận chương 2 - Tìm hiểu được một số phương pháp thấm ni-tơ: ni-tơ thể khí, thể lỏng Nitarid, thể ion plasma. + Quá trình thấm ni-tơ ở thể khí được tiến hành bằng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniắc (NH3) ở nhiệt độ 480 ÷ 650oC là nhiệt độ tại đó nó bị phân huỷ mạnh nhất. + Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp, nhằm bão hoà bề mặt sắt thép bằng nguyên tố nitơ trong môi trường nóng chảy. - Trong thấm ni-tơ thể ion plasma đã tìm hiểu được quá trình thấm ni-tơ plasma; định nghĩa về xung plasma; tìm hiểu về quá trình Eltropuls. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 32 + Quá trình thấm nitơ - plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng nitơ. Chi tiết được đặt trong lò chân không, trong đó chi tiết được nối với catốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện. + Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được đưa vào năm 1923. Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hoá của các nguyên tử khí. Để đưa đến trạng thái ion hoá của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp. + Quá trình ELTROPUL có các thông số được vi điều chỉnh và đánh giá trong suốt quá trình nhiệt luyện để cho sản phẩm có tính chất tốt nhất. - Tiến hành so sánh giữa phương pháp thấm ni-tơ plasma với phương pháp thấm ni-tơ thông thường. - Tiến hành so sánh giữa phương pháp thấm ni-tơ plasma với phương pháp mạ Cr. - Tiến hành tìm hiểu các thông số trong quá trình thấm ni-tơ plasma: điện áp, mật độ dòng ion; nhiệt độ; thành phần hỗn hợp khí. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 33 CHƯƠNG 3. CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ THẤM NI-TƠ PLASMA 3.1. Thiết bị thấm ni-tơ plasma 3.1.1. Giới thiệu chung về thiết bị thấm nitơ tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí. Thiết bị thấm nitơ plasma dùng cho phòng thí nghiệm dạng xung được thiết kế cho phép thấm nitơ ở nhiệt độ thấp. Thiết bị thấm nitơ sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm do hãng ETRO GmbH của CHLB Đức chế tạo năm 2004, và đã được cấp bằng sáng chế cho phép đảm bảo tốt nhất khi gia cường chi tiết và phụ tùng. Thiết bị cũng đã đạt tiêu chuẩn ISO 9002: 1994 (có chứng chỉ chất lượng kèm theo). Thời gian gia nhiệt chi tiết ngắn trong chân không bằng bức xạ hoặc khí trơ với sự đối lưu tự nhiên hoặc sự đối lưu cưỡng bức. Không làm thay đổi tính chất ban đầu của vật liệu. Thời gian và nhiệt độ được chương trình hoá đáp ứng mọi quá trình thấm. Khi chi tiết đạt nhiệt độ cuối cùng và qua các bước thấm, chi tiết được làm mát tự động để hạ nhiệt sản phẩm từ từ đúng theo quy trình đảm bảo chi tiết không bị méo mó biến dạng. ELTROPUL B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 34 Hình 3.1. Lò thấm Eltropul H4580 3.1.2. Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H4580 Eltrolab Hình 3.2. Cấu tạo buồng lò Thành lò dạng hình chuông. Thành lò được chế tạo bằng thép không gỉ Buồng được làm mát bằng quạt, có quạt bên ngoài dùng làm mát thành buồng làm việc. Bích gá lắp buồng được làm mát bằng nước và được đặt cách thành buồng làm việc để nhận được đường đẳng nhiệt. Bích gá kẹp làm bằng hợp kim Nicket – chrome 1.4301 Có cửa quan sát gắn kính chắn quan sát quá trình làm việc bên trong của buồng. Vòng đệm kép O-Rings Cách nhiệt bằng các sợi kháng, đảm bảo độ chân không kín khít. Vỏ lò Mẫu vật (chi tiết) Tạo hồ quang Vật cách điện Cặp nhiệt độ Van điều chỉnh áp suất Lập chương trình điều khiển N2 H2 Cấp khí Nguồn Đo nhiệt độ Đo chân không Trung tâm điều khiển B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 35 3.1.2.1. Các thông số chính của máy - Ký hiệu: H4580, Hãng Eltro GmbH - Nước sản suất: Đức - Khả năng gia công đối với mẫu nặng: Max 500 kg - Kích thước làm việc hữu ích: Φ 450 × 800 mm - Nhiệt độ thành buồng làm việc: 5500C - Nhiệt độ vùng làm việc: 6000C - Bộ gia nhiệt có thể làm việc đến nhiệt độ: 12000C - Số vùng gia nhiệt: 3vùng (W1,W2,W3) 9 Nguồn Plasma - Điện áp: 0 – 600 V - Dòng xung: 0 – 48 A - Tần số tối đa: 10 kHz - Công suất: 25 kVA - Công suất gia nhiệt: 10 kVA - Công suất nguồn plasma: 10 kVA - Công suất dòng xung: 28,8 kVA 9 Hệ thống chân không - Bơm chân không 2 cổng + Tốc độ: 33 m3/ h + Thời gian đạt độ chân không 5 Mbar: 15 phút + Áp suất đo: 0,01 – 10Mbar (phụ thuộc khí) - Đồng hồ đo áp suất - Van điều khiển áp suất. 9 Các loại khí sử dụng (Gas) Sử dụng 4 loại khí: H2 (tinh khiết 99,999%), N2 (tinh khiết 99,999%), CH4 (tinh khiết 99,999%), Ar (tinh khiết 99,5 %). B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 36 9 Hệ thống cung cấp nước làm mát - Bể nước dung tích: 1500 l - Bơm nước lưu lượng: 3 m3/ h. Hình 3.3. Hệ thống bình khí cung cấp 3.1.2.2. Hệ thống điều khiển bằng máy tính công nghiệp - Máy tính công nghiệp: Dùng điều khiển các quá trình hoạt động của thiết bị hoàn toàn tự động - Màn hình hiển thị liên tục các thông số của quá trình: + Thời gian + Các bước chương trình + Áp suất làm việc + Dòng khối của dòng khí + Điện áp Hydrogen Nitrogen Argon Metal B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 37 + Dòng xung (peak current) + Nhiệt độ chi tiết thấm + Thời gian xung + Lặp lại xung. 3.1.2.3. Phần mềm điều khiển chế độ công nghệ - Điều khiển tự động + Áp suất làm việc + Tốc độ dòng của 4 khí + Điện áp và dòng xung + Thời gian xung và biên độ lặp lại xung + Nhiệt độ chi tiết + Nhiệt độ thành buồng làm việc - Đặt chương trình theo các tham số + Thời gian + Áp suất làm việc + Dòng khối của 4 loại khí + Nhiệt độ tải (vật) + Gradient nhiệt độ tải (vật) + Nhiệt độ thành buồng làm việc chân không + Gradient nhiệt độ thành buồng làm việc chân không + Thời gian xung + Biên độ lặp lại xung + Chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ và có thể thay đổi ở mọi thời điểm. 3.2. Khảo sát vật liệu chế tạo chi tiết thấm Trong quá trình khảo sát, nhóm đề tài tiến hành khảo sát tại các cơ sở sau: - Tại Công ty CP Cơ khí chính xác số 1: sản phẩm chính là các cặp bánh răng bơm dầu dùng cho hệ thống bơm dầu của xe ô-tô Ben và Kamaz. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 38 Vật liệu chế tạo bánh răng bơm dầu là thép 20XГT, với thành phần hóa học như sau: (hình ảnh đính kèm ở phụ lục 3) Bảng 3.1. Bảng thành phần hóa học thép 20XГT C Cr Ti Mn Si S P Ni Fe 0,18 - 2,0 1- 1,3 0,03- 0,09 0,8- 1,0 0,17- 0,37 <0,035 <0,035 <0,3 Còn lại - Tại Công ty CP Cơ khí mạo khê: sản phẩm chính là các loại trục dao cắt ba via dùng trong máy hàn xích và trục răng hộp giảm tốc MC.SKAT-80. Vật liệu chế tạo là thép 45 và thép 40X, với yêu cầu kỹ thuật: + Độ cứng đối với thép 45 chế tạo trục dao cắt ba via đạt 40 – 42 HRC. + Độ cứng đối với thép 40X chế tạo trục dao cắt ba via đạt 52 + 2HRC. + Độ cứng đối với thép 40X chế tạo trục răng hộp giảm tốc đạt 45 – 48 HRC. - Ngoài ra, còn một số sản phẩm như: + Trục xe KOMASU, vật liệu chế tạo là thép 40X và thành phần hóa học của vật liệu: (hình ảnh đính kèm ở phụ lục 3) Bảng 3.2. Bảng thành phần hóa học thép 40X + Trục xe IFA, vật liệu chế tạo thép có thành phần hóa học như sau: (hình ảnh đính kèm ở phụ lục 3) Bảng 3.3. Bảng thành phần hóa học thép C Cr Ti Mn Si S P Ni Mo 0,1771 1,0654 0,0019 0,7027 0,2510 0,0125 0,0177 0,1229 0,1610 C Cr Ti Mn Si S P Ni Mo 0,2069 0,3279 0,0008 0,6070 0,3370 0,0086 0,0113 0,1142 0,3950 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 39 + Ngoài ra, một số cặp bánh răng bơm ben của xe Ủi cát D6, SamSung 24T, Xúc lật KOMASU; bơm cánh văng; cặp bánh răng Benfa (loại nhỏ). Dùng vật liệu là thép 20X. + Thép dụng cụ Thyroplast PH X SUPRA có thành phần hóa học như bảng sau: Bảng 3.4. Bảng thành phần hóa học thép dụng cụ C Cr Ni Cu Nb 0,05 15,0 4,5 3,5 + 3.3. Thiết kế đồ gá Dựa vào hình dạng các chi tiết đã khảo sát được tại các Nhà máy và các Công ty, nhóm đề tài tiến hành thiết kế đồ gá sử dụng cho quá trình thấm các chi tiết như sau: - Với kích thước lò thấm là W450xH800 và đồ gá với tác dụng kẹp giữ chi tiết không bị rơi ra trong quá trình thấm. - Với các chi tiết đã khảo sát, nhóm đề tài tiến hành thiết kế đồ gá với các thông số về kích thước và vật liệu được thể hiện trong bản vẽ dưới đây (Xem chi tiết tại phụ lục 3): Hình 3.4. Bản vẽ chung đồ gá chi tiết thấm ni-tơ B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 40 3.4. Quy trình công nghệ thấm ni-tơ plasma 3.4.1. Vật liệu - Xác định được thành phần hóa học của chi tiết đem thấm để xác định được thành phần %C, %Cr, %Mo, %Si... Để từ đó tính toán lựa chọn được các thông số trong quá trình thấm như: + Thời gian thấm + Nhiệt độ thấm + Lưu lượng khí …… - Xác định được môi trường làm việc của chi tiết Hình 3.5. Bản vẽ chi tiết đồ gá thấm ni-tơ B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 41 3.4.2. Làm sạch - Chi tiết đem thấm phải được làm sạch gỉ, sơn, dầu và các chất bẩn khác trên bề mặt. Dùng giấy mềm, sạch lót tay không để tay tiếp xúc trực tiếp với bề mặt mẫu. - Độ bóng chi tiết khi mài đạt ∆7-∆8 3.4.3. Tiến hành gá lắp vào thùng lò - Tiến hành gá lắp chi tiết vào đồ gá và cho vào thùng lò. Phải bảo đảm chi tiết đã được gá lắp chặt chẽ, không được di chuyển trong quá trình thấm. 3.4.4. Lập chương trình thấm Đối với các vật liệu khác nhau thì các thông số trong từng giai đoạn thấm là khác nhau, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của chi tiết. Dưới đây là bảng giới hạn các thông số cần cho quá trình lập một chương trình thấm: Bảng 3.5. Bảng giới hạn các thông số thấm Program menu Min Max Program step no 0 99 Step duration in hour 0 23 Minutes 0 59 Options 0 9999 Presure in Pascal 0 1300 Load Temperature in F 0 1200 Load Temperature grad in F/min. 0 50 Wall temperature in F 0 1200 Wall Temperature grad in F/min. 0 50 Voltage 0 800 Puls duration µs 0 1950 Puls repetition µs 0 2000 Massflow gas 1 l/h 0 50 Massflow gas 2 l/h 0 30 Massflow gas 3 ml/h 0 3000 Massflow gas 4 l/h 0 50 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 42 Dựa vào bảng 3.1 ta tiến hành lập chương trình điều khiển lò thấm và chương trình sau khi lập có dạng như bảng sau: Bảng 3.6. Chương trình điều khiển quá trình thấm Ps h m Opt P TL TG TW WG V PD PR G1 G2 G3 G4 0 0 2 144 0 170 50 350 80 0 50 100 0 0 0 0 1 0 2 144 1000 200 50 400 80 0 50 100 5 5 0 0 2 0 2 144 10 230 50 400 50 0 50 100 2 0 0 0 3 0 2 144 50 250 50 400 0 500 50 150 10 0 0 0 4 0 2 144 60 300 50 400 0 550 50 100 10 0 0 0 5 2 30 144 75 400 10 450 10 600 50 120 10 0 0 2 6 0 2 144 100 420 50 500 20 600 50 120 15 5 0 0 7 0 2 144 120 480 40 500 20 550 50 100 10 10 0 0 8 0 2 144 150 510 30 530 10 520 50 100 8 16 0 0 9 8 2 144 250 530 10 530 10 470 50 100 6 18 0 0 10 0 2 144 120 420 0 200 0 420 50 250 10 10 0 0 … .. .. … … … … … … … … … … … … … 99 Chú thích: Các thông số trong bảng 3.6 là ví dụ, còn tùy thuộc vào vật liệu mà ta lập các thông số như thời gian (h,m); nhiệt độ (TL, TW); lưu lượng khí (G1,.., G4);… cho phù hợp. Trong đó: Ps : Số bước thực hiện trong chương trình h : Số giờ thực hiện trong mỗi bước của chương trình m : Số phút thực hiện trong mỗi bước của chương trình Opt : Lựa chọn phương pháp điều khiển nhiệt độ P : Áp suất (pascal) TL : Nhiệt độ tải (chi tiết) (oC) TG : Tốc độ tăng nhiệt độ chi tiết theo thời gian (oC/min) TW : Nhiệt độ tường lò (oC) WG : Tốc độ tăng nhiệt độ tường lò theo thời gian (oC/min) B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 43 V : Điện áp (V) PD : Thời gian tồn tại xung (µs) PR : Số lần lặp lại của xung (µs) G1 : Lưu lượng khí 1 (l/h) G2 : Lưu lượng khí 2 (l/h) G3 : Lưu lượng khí 3 (ml/h) G4 : Lưu lượng khí 4 (l/h) 3.4.5. Kiểm tra hệ thống trước khi thực hiện quá trình thấm - Kiểm tra hệ thống điện, hệ thống dẫn khí (đường dẫn khí vào – ra, đồng hồ áp suất khí) - Kiểm tra hệ thống làm mát. Phải đảm bảo chắc chắn sự hoạt động liên tục của hệ thống làm mát, bơm nước không có sự cố gì xảy ra trong quá trình hoạt động của lò. 3.4.6. Quy trình vận hành thiết bị ™ Các bước thực hiện Để vận hành đước thiết bị thấm ni-tơ xung plasma phải tuân thủ đầy đủ các bước sau đây: Bước1 : Bật nguồn, máy nén khí, hệ thống nước làm mát, hệ thống khí Ar, N2, H2, CH4. Bước2 : Mở lò. Bước3 : Xếp chi tiết cần thấm vào lò Bước4 : Đóng lò. Bước5 : Gọi chương trình cần chạy. Bước6 : Theo dõi hoạt động của lò đến khi kết thúc quá trình thấm. Bước7 : Mở lò. Bước8 : Lấy chi tiết ra và vệ sinh lò. Bước9 : Đóng lò. Bước10 : Tắt nguồn, máy nén khí, hệ thống nước làm mát, hệ thống khí Ar, N2, H2, CH4. ™ Mô tả chi tiết các bước Bước 1: - Bật công tắc nguồn (màu đỏ phía trước máy). B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 44 - Bật bơm nước cung cấp cho hệ thống làm mát. - Bật máy nén khí. - Mở các van khí (H2, N2, CH4, Ar) 9 Chú ý 1: Trong bất kỳ trường hợp nào hệ thống làm mát bằng nước phải luôn luôn hoạt động. Bước 2: - Mở khóa điện. - Nhập mã máy : 1455. - Nhấn Y – để mở máy. - Nhấn Y – để xả khí. - Nhấn và giữ Bell up để nâng vỏ lò lên. Bước 3: - Xử lý các chi tiết cần thấm. - Sắp xếp chi tiết một cách hợp lý trong không gian lò. - Cắm cảm biến nhiệt độ vào chi tiết hoặc mẫu. 9 Chú ý 2: + Các chi tiết không được chạm vào thành lò, nên dặt cách thành lò ít nhất 50mm và bố trí chi tiết khoảng cách đều nhau để qúa trình thấm ổn định. + Các chi tiết phải được tẩy sạch đặc biệt là dầu, mỡ. + Không thấm các chi tiết có chứa: Nhôm, thiếc, kẽm và đồng vàng. Bước 4: - Nhấn và giữ Bell down để đóng lò. - Nhấn P và lựa chọn chế độ làm lạnh. Bước 5: - Gọi chương trình cần chạy bằng cách nhấn S. - PRINTOUT – Nhấn Y. - CUSTOMER NO – Nhấn N. - OPERATOR NO – Nhấn N. - CODE – 1455. - PROGRAMME STEP NO – Gọi chương trình số ( 0 ÷ 99). Bước 6: B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 45 - Theo dõi hoạt động của lò trên máy tính. - Theo dõi sự hoạt động của hệ thống làm mát bằng nước. - Đảm bảo hệ thống cung cấp khí hoạt động tốt. - Xử lý các sự cố nếu có. - Kết thúc quá trình thấm khi nhiệt độ lò 1600C. Bước 7: - Nhấn N để thoát ra ngoài. - Thực hiện lại bước 2. Bước 8: - Dỡ chi tiết ra khỏi lò. - Vệ sinh lò. Bước 9: - Thực hiện như bước 4. - Chạy chương trình số 99 nếu 2 – 3 ngày không sử dụng máy. Bước 10: - Tắt công tắc màu đỏ phía trước máy. - Tắt máy nén khí, hệ thống làm mát bằng nước, đóng van khí. 3.5. Kết luận chương 3 - Tìm hiểu được hệ thống thiết bị thấm ni-tơ plasma ở Việt Nam; cụ thể tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn & XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí. - Tiến hành nghiên cứu và làm chủ thiết bị - Tìm hiểu thị trường Việt Nam và đưa ra dự báo về nhu cầu sản phẩm trong giai đoạn tới. - Thiết kế đồ gá chi tiết thấm. - Thiết lập được quy trình công nghệ thấm nitơ plasma chung khi sử dụng lò thấm của hãng Eltropuls. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 46 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM MẪU VÀ SẢN PHẨM 4.1. Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma một số mẫu thí nghiệm 4.1.1. Mẫu thép C45, gang xám, 40X 4.1.1.1. Chế tạo mẫu Chọn thép với các mác thép thông dụng trong các chi tiết máy: thép cacbon thường, gang xám, 40X. Mỗi loại vật liệu khác nhau có 5 mẫu thí nghiệm. Mẫu có dạng hình trụ, đường kính 10 -15 mm, chiều cao 12 – 15 mm. Hình 4.1. Mẫu làm từ thép 38CrMo Hình 4.2. Mẫu làm từ gang xám B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 47 Hình 4.3. Mẫu làm từ thép cácbon thường 4.1.1.2. Chuẩn bị thí nghiệm - Mẫu thí nghiệm được làm sạch gỉ, sơn, dầu và các chất bẩn khác trên bề mặt. Dùng giấy mềm, sạch lót tay không để tay tiếp xúc trực tiếp với bề mặt mẫu. - Kiểm tra hệ thống điện, hệ thống dẫn khí (đường dẫn khí vào – ra, đồng hồ áp suất khí) - Kiểm tra hệ thống làm mát. Phải đảm bảo chắc chắn sự hoạt động liên tục của hệ thống làm mát, bơm nước không có sự cố gì xảy ra trong quá trình hoạt động của lò. 4.1.1.3. Tiến hành thí nghiệm - Nhấn nút Bell up nâng tường lò lên - Đặt chi tiết vào lò - Nhấn nút Bell down hạ tường lò xuống - Nhập các thông số của quá trình Bảng 4.1. Các thông số của quá trình thấm Ps h m Opt P TL TG TW WG V PD PR G1 G2 G3 G4 0 0 2 144 0 170 50 350 80 0 50 100 0 0 0 0 1 0 2 144 1000 200 50 400 80 0 50 100 5 5 0 0 2 0 2 144 10 230 50 400 50 0 50 100 2 0 0 0 3 0 2 144 50 250 50 400 0 500 50 150 10 0 0 0 4 0 2 144 60 300 50 400 0 550 50 100 10 0 0 0 5 2 30 144 75 400 10 450 10 600 50 120 10 0 0 2 6 0 2 144 100 420 50 500 20 600 50 120 15 5 0 0 7 0 2 144 120 480 40 500 20 550 50 100 10 10 0 0 8 0 2 144 150 510 30 530 10 520 50 100 8 16 0 0 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 48 9 8 2 144 250 530 10 530 10 470 50 100 6 18 0 0 10 0 2 144 120 420 0 200 0 420 50 250 10 10 0 0 - Theo dõi quá trình thấm trên màn hình máy tính, có sự cố phải khắc phục kịp thời. - Sau khi thấm mẫu thí nghiệm được làm nguội cùng lò. 4.1.1.4. Hoàn thiện mẫu sau thí nghiệm a) Mài mẫu - Mài thô: + Mài phẳng trên máy mài cho hết lớp nitrít có thể có trên mặt mẫu không được thấm và cho mặt mẫu phẳng. + Mài thô trên mặt giấy ráp từ thô đến mịn. Dùng giấy ráp từ 120 – 400 của Trung Quốc, sau đó đến loại 600 – 1500 của Nhật. Giấy ráp được đặt lên kính dày để được mài phẳng và nhẵn. Khi mài lực tay ấn đều, vừa phải, các vết xước phải song song với nhau theo một hướng nhất định, sau đó quay mẫu 90o và mài tiếp cho đến khi hết vết xước của lần mài trước và trên mặt mẫu chỉ còn các vết song song với nhau. Cứ như thế từ giấy mài thô đến giấy mài tinh. - Đánh bóng: + Đánh bóng bằng máy đánh bóng. Đĩa mài được bọc một lớp dạ mềm được tẩm ướt bằng dung dịch mài với các bột cứng, mịn Al2O3. + Mẫu được đánh bóng cho đến khi mặt mẫu không còn vết xước. b) Tẩm thực Dung dịch tẩm thực là dung dịch axít HNO3 trong cồn. Sau khi đánh bóng rửa sạch mẫu bằng cồn, sau đó tẩm thực khoảng 10 giây, rửa lại bằng cồn rồi sấy khô. c) Chụp ảnh kim tương Soi tổ chức tế vi và chụp ảnh kim tương trên kính hiển vi kim tương ECLIPSE L150/L150A. d) Đo độ cứng bề mặt, độ cứng tế vi - Đo độ cứng bề mặt trên máy đo độ cứng Roocwel AR – 20. - Đo độ cứng tế vi trên máy đo độ cứng tế vi Vicke 401/402MVD. 4.1.1.5. Kết quả thí nghiệm a) Độ cứng bề mặt B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 49 Bảng 4.3. Độ cứng của gang xám sau khi thấm Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HV) 1 101 4 550 249 2 102 5 550 320 3 103 6 550 352 4 104 8 550 377 Bảng 4.4. Độ cứng của thép C45 sau khi thấm Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HV) 1 201 4 550 380 2 202 5 550 460 3 203 6 550 500 4 204 8 550 520 Bảng 4.5. Độ cứng của thép hợp kim sau khi thấm Stt Ký hiệu mẫu Thời gian (h) Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HV) 1 301 4 550 520 2 302 5 550 563 3 303 6 550 597 4 304 8 550 645 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 50 4.1.2. Thấm thép dụng cụ AISI – H13 (Chromium hot work steel) Nhìn chung khi làm việc trong điều kiện tải trọng lớn, nhiệt độ và môi trường bề mặt của chi tiết chịu ứng suất lớn hơn miền bên trong. Bề mặt tiếp xúc của chi tiết có xu hướng bị mài mòn lớn hơn những miền khác. Trong các phương pháp nhiệt luyện thì thấm Nitơ-Plasma là phương pháp tốt nhất vì đó là quá trình dễ điều khiển cấu trúc bề mặt để bề mặt chi tiết có những tính chất tốt nhất phù hợp với điều kiện làm việc, tăng tuổi thọ, tăng độ bền, độ mỏi của chi tiết. Thí nghiệm với mác thép AISI – H13 có thành phần hoá học như trong bảng sau: Bảng 4.6. Thành phần hóa học thép AISI – H13 C Mn Si Cr Ni Mo V Cu P S 0.32- 0.45 0.20- 0.50 0.80- 1.20 4.75- 5.50 0.3 1.10- 1.75 0.80- 1.20 0.25 0.03 0.03 Trước khi thấm Nitơ-Plasma chi tiết được tôi trong môi trường khí trơ hoặc nung nóng đến 5600C ba lần, mỗi lần 2 giờ. Sau nhiệt luyện mẫu vật được sửa chữa lại đến gần kích thước chuẩn nhất, sau đó đem đánh bóng, tẩy nhờn. Thiết bị thấm của hãng ELTROPUL GmbH với nguồn xung plasma - Điều kiện thí nghiệm: + Áp suất: 12-15 mbar + Nhiệt độ thấm: 520oC + Thành phần khí: 20% N2 – 80% H2 + Điện áp: U = 500V + Thời gian thấm 8 – 10 giờ - Kết quả thí nghiệm: Trong tất cả các điều kiện thí nghiệm độ cứng của lõi vật liệu đều lớn hơn 1000 HV0.005. Cấu trúc lớp bề mặt được thấm phụ thuộc vào tỷ lệ N2 trong hỗn hợp khí của quá trình, vào thời gian thấm và hằng số nhiệt của quá trình. [18] B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 51 Hình 4.4. Tổ chức tế vi của thép AISI – H13 sau khi thấm Nitơ-Plasma B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 52 4.1.3. Thấm thép hợp kim AISI 4140 (Chromium-molybdenum steel) Mẫu vật có mác thép AISI 4140 có đường kính 2,45 cm, dày 1 mm. Quá trình sử dụng nguồn xung plasma. Thành phần hóa học: Bảng 4.7. Thành phần hóa học thép AISI 4140 C Si Mn P Cr Mo S 0.38-0.43 0.15-0.30 0.75-1.00 0.035 (max) 0.80-1.10 0.15-0.25 0.04 (max) - Các thông số của quá trình thấm: + Tỷ lệ H2 : N2 = 1:4 + Nhiệt độ khoảng 650oK + Thời gian thấm 6 giờ + Điện áp 450V, tần số 100 Hz Hình 4.5. Tổ chức tế vi của thép AISI 4140 với điều kiện thấm trên Từ hình vẽ ta quan sát thấy có một lớp hỗn hợp thường gọi là lớp trắng với độ dày thay đổi từ 6-8 µm. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 53 4.2. Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma sản phẩm là trục răng bơm dầu 4.2.1. Đặt vấn đề Cặp bánh răng bơm dầu của xe ben (do Cty CP Cơ khí chính xác chế tạo) làm việc trong môi trường luôn có dầu không sạch có chứa các tạp chất. Do đó lớp bề mặt cần có tính chống ăn mòn, mài mòn cao. Hơn nữa tuổi thọ cao và tránh các hư hỏng đột suất để đảm bảo điều kiện làm việc liên tục, nâng cao hiệu quả sử dụng. Bằng các phương pháp nhiệt luyện thông thường mà thực tế nhà máy vẫn áp dụng như tôi, ram, thấm nitơ thể khí,…các cặp bánh răng sau nhiệt luyện thường bị những khuyết tật sau: + Bề mặt chi tiết có độ nhám lớn + Trục răng bị biến dạng lớn nên phải gia công lại. Từ thực tế đó chúng tôi tiến hành các thí nghiệm thấm nitơ - plasma cho cặp bánh răng đó để so sánh chất lượng sản phẩm cũng như giá thành để lựa chọn phương pháp nhiệt luyện cho phù hợp 4.2.2. Tiến hành thí nghiệm Mẫu thí nghiệm là 5 cặp bánh răng mác thép 20XΓT có thành phần hóa học cho trong bảng sau: Bảng 4.8. Thành phần hóa học thép 20XΓT C Cr Ti Mn Si S P Ni Fe 0,18 - 2,0 1- 1,3 0,03- 0,09 0,8- 1,0 0,17- 0,37 <0,035 <0,035 <0,3 Còn lại (Hình ảnh quá trình thấm trục răng bơm dầu được đính kèm ở phụ lục 2) B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 54 Hình 4.6. Cặp bánh răng bơm dầu của xe ben trước khi thấm Trước thí nghiệm bề mặt chi tiết được làm sạch gỉ, sơn và dầu. Nếu không chúng sẽ ngăn cản quá trình thấm nitơ vào bề mặt chi tiết. Gá lắp chi tiết. Hình 4.7. Đồ gá chi tiết thấm Bảng 4.9. Các thông số của quá trình. Ps h m Opt P TL TG TW WG V PD PR G1 G2 G3 G4 0 0 2 144 0 170 50 350 80 0 50 100 0 0 0 0 1 0 2 144 1000 200 50 400 80 0 50 100 5 5 0 0 2 0 2 144 10 230 50 400 50 0 50 100 2 0 0 0 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 55 3 0 2 144 50 250 50 400 0 500 50 150 10 0 0 0 4 0 2 144 60 300 50 400 0 550 50 100 10 0 0 0 5 2 30 144 75 400 10 450 10 600 50 120 10 0 0 2 6 0 2 144 100 420 50 500 20 600 50 120 15 5 0 0 7 0 2 144 120 480 40 500 20 550 50 100 10 10 0 0 8 0 2 144 150 510 30 530 10 520 50 100 8 16 0 0 9 8 2 144 250 530 10 530 10 470 50 100 6 18 0 0 10 0 2 144 120 420 0 200 0 420 50 250 10 10 0 0 4.2.3. Kết quả kiểm tra thử nghiệm - Quan sát bề mặt chi tiết: chi tiết sau khi thấm sạch, không bị muội bám vào, do đó không cần bước làm sạch. Hình 4.0. Chi tiết sau khi thấm Nitơ – plasma - Kết quả đo độ cứng bề mặt STRUERS DURAMIN của Đan Mạch. Chọn 2 trục răng bất kỳ trước và sau khi thấm đem đo. Mỗi trục đo 3 lần tại 3 vị trí khác nhau. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 56 Bảng 4.10. Kết quả thử độ cứng trục răng 20XΓT (đơn vị HV) Trục 11 Trục 21 Trục 31 Trục 12 Trục 22 Trục 32 Lần 1 280 278 289 590 687 709 Lần 2 278 256 280 591 690 711 Lần 3 281 283 282 587 700 690 Độ cứng trung bình 278,22 661,67 Trục 11, trục 21, trục 31: 3 trục răng bất kỳ trước khi thấm. Trục 12, trục 22, trục 32: 3 trục răng bất kỳ sau khi thấm. - Kiểm tra độ biến dạng chi tiết sau khi thấm Gá lắp cặp bánh răng lên giá thử. Thấy rằng các cặp bánh răng ăn khớp tốt, không có cặp bánh răng nào bị biến dạng đến mức không còn ăn khớp với nhau được nữa, do đó không phải loại bỏ chi tiết nào sau khi thấm. Đây là ưu điểm vượt trội của phương pháp thấm nitơ – plasma so với các phương pháp nhiệt luyện cũ vẫn thường áp dụng. 4.3. Kết quả khảo nghiệm Đề tài đã tiến hành khảo nghiệm bao gồm: - Thông số hình học để xác định độ mòn kích thước trục răng. - Chạy thử trục răng theo quy trình thử bơm BRA với giá trị thực tế ở áp suất 140 KG (sau 10 phút). - Kiểm tra lớp thấm ni tơ plasma. Kết quả khảo nghiệm được đính kèm theo phụ lục 1: B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A. Kết luận - Nhóm đề tài đã tìm hiểu được tổng quan về : + Công nghệ hóa nhiệt luyện + Xác định mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài + Tìm hiểu được công nghệ thấm ni-tơ bao gồm: thấm ni-tơ thể khí thông thường, thấm ni-tơ thể lỏng, thấm ni-tơ thể ino plasma,.. + Tiến hành so sánh các phương pháp thấm - Tiến hành tìm hiểu sự phát triển công nghệ thấm ni tơ trên Thế giới và ở Việt Nam. - Tìm hiểu được một số thiết bị dùng để thấm ni tơ plasma trên thế giới như: lò hình chuông, lò hai đáy, .. - Tìm hiểu được một số loại vật liệu và một số đối tượng thấm được ni-tơ plasma và kết quả sau khi thấm. - Thiết kế được đồ gá phù hợp với đối tượng thấm ni-tơ. - Tìm hiểu được mối quan hệ giữa điện áp và mật độ dòng ion khí, quan hệ giữa thời gian và chiều sâu thấm, quan hệ giữa hệ số khuếch tán và nhiệt độ thấm. - Xây dựng quy trình công nghệ thấm ni-tơ plasma trên thiết bị của PTN Trọng điểm CN Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí. - Tiến hành thấm thực nghiệm sản phẩm cho kết quả tốt: + Độ cứng bề mặt tăng rõ rệt nhất là đối với sản phẩm thép hợp kim. Ở cùng nhiệt độ thấm, độ cứng tăng khi ta tăng thời gian thấm. + Bề mặt chi tiết sạch sau khi thấm, không có muội bám vào; không biến dạng cong vênh; không cần gia công. B. Kiến nghị - Do hạn chế về thời gian do vậy chưa thực nghiệm được trên nhiều loại vật liệu khác nhau do vậy cần tiếp tục được nghiên cứu công nghệ thấm ni tơ plasma cho nhiều loại vật liệu và sản phẩm khác nhau, từ đó xây dựng được bộ quy trình thấm cho từng loại vật liệu cụ thể. - Đây là công nghệ hoàn toàn mới ở Việt Nam, do vậy cần được tạo điều kiện để có thể ứng dụng rộng rãi trên thị trường. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất (2000), Công nghệ nhiệt luyện, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [2] Nguyễn Phú Ấp (1994), Công nghệ hóa nhiệt luyện trong chế tạo máy, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Nghiêm Hùng (1979), Vật liệu học cơ sở, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4] Nghiêm Hùng (1979), Kim loại học và nhiệt luyện, Nxb Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà nội. [5] A. A. Smưcôv (1973), Sách tra cứu về nhiệt luyện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [6] Arzamaxoc B.N (2001), Vật liệu học, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [7] X. A. Filinôp, I. V. Firger (1978), Sổ tay nhiệt luyện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật. [8] Nguyễn Hoàng Sơn (2002), Cơ tính vật liệu, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [9] [10] [11] [12] [13] [14] Tiếng anh [15] Eltro GmbH (2004), Plasma equipment H045/085, Germany. [16] Rua Miguel Tostes, Av. Prof. Lineu Pretes, Campus do Vale (2003), Suface Modification of Titanium by plasma nitring, Brazil. [17] J. H. Yoon, I. S. Kim, C. G. Hur, K. S. Son (2003), Evaluation of suface properties and plasma nitring behavior of B50A125E alloy for steam turbine valve, Korea. [18] M. H. Staiaa, A. Fragiel, E. Carrasquero (2002), Tribological performance of plasma nitrid AISI 4140 steel, Venezuela. [19] J. Y. Eom, V. Khankar Rao, H. S. Kwon (2002), Experiment and modeling study on growth behavior of Cr-Nitrides formed on electroplated hard Cr during ion-nitring, Korea. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM [20] Лахmн Ю. М., В. П. Леонmъева (1990), МАТЕРИАЛОВЕДЕИЕ, МОСКВА {МАШИНОСТРОЕНИЕ}. PHU LUC 1. . KET QuAKHAo NGHI¥M TY MDL & MNN i CHiNHxAc s6 1 .KT CQNGHOAxA HQI CHUNGHiAVI~TNAM D9CI~p-T\f do-H~nhphuc BIEN BAN KIEM TRA SAN PHAM SanphAm: S6IUQ1lgm~u: Yeu cAuki~mtra: BarnBRA 50 05 Tf\lc rangbarndAuth~mNitO'plasma(thaycho congngh~th~mC) 1- N9idungki~mtra: 1. Ki~mtrahinhhQc(DQmon): BaematdAu Be dau GhiTr\lerang ehu Lando . . Kthtrue Kthtrue Miu Kthtrue Kthtrue Kthtrue Kthtrue Tk do $. Tk do Tk do so Do chuaHip 026 0,02 25,975 12-0,02 11,984 026+0.02 26,02 -0,04 +0,04 34,S 0,01 34,494 1 Do saukhi 026 O,D2 25,974 12-0.02 11,983 026+0,02 26,02 -O,D4 +0,04chy thu 34,5-0,01 34,493 Do chuaHip 026 O,D2 25.976 12-0.02 11,984 026+0,02 26,019 -0,D4 +0,04 34,5 0,01 34.495 2 Do saukhi 026 o.oz 25,973 12-0.02 11,982 026+0.02 26,019 -0,()4 +0,04chythu 34,5 0,01 34,494 Do chuaHip 026 0,02 25,975 12-0,02 11,985 026+0,02 26,02 -0,D4 +0,04 34,5 0,01 34,494 3 Do saukhi 026 0,02 25,973 12-0,02 11,984 026+0,02 26,02 -0,D4 +0,04chythu 34,S-O,Ol 34,493 Do chuaHip 026 0,02 25.976 12-0.02 11,986 026+0,02 26,02 -O,D4 +0,04 34,5-0,01 34.495 4 Do saukhi 026 0,D2 25,974 12-0.02 11,985 026+0,02 26,02 -0,()4 +0,04chy fuu 34,5 0,01 34,494 Do chuaHip 026 o.oz 25,978 12-0,02 11,986 026+°,02 26,02 -0,D4 +0,04 34,5 0,01 34,494 5 Do saukhi 026 0,02 25,977 12-0,02 11,985 026+0,02 26,02 -0,D4 +0,04chy thu 34,5-0,01 34,493 .2. Ch€ de>lamvi~c:TheoquytrinhthirbarnBRA II - Y ki~ndanbgia: Tf\lcdingBRA khi sird\lngcongngh~th~mnitO'plasmada:dap(mg t6tcacyeucfiukythu~tkhi ch~ykhilOnghi~mnhu:dQc(mg,dQchiu maimon,dQd6ngtamtIVcrang. Tf\lcrangBRA khi sird\lngcongngh~th~mnitO'plasmakhonggay biSnd~gdov~ykhich~ythirdQ6ngiamror~t. III - K~tlu~n: D~tyeucfiukythu~t,cothSduavaosimxu~thanglo~t. DSnghiphongkinhdoanhduavao(mgd\lngth\lctSval~yy kiSn phanh6icuakhachang. Ha n(Ji,ngay24thlmg9 nam2007 PHONGKY THU~T PHANXUONG NGUm KIEM TRA /l,t:w- /" 1/ 11 I~ ,z/7ft,/( Mftus6 Giattithgcte6 apsuat140KG (saulOmin) Ghichu Lan1 Lan2 Lan3 Lan4 1 137 139 140 140 Dt 2 138 139 140 140 Dt 3 139 139,5 140 140 Dt 4 138,5 139,5 140 140 Dt 5 137 139 140 140 Dt TONGCTY MDL & MNN CTY CP CO KHi CHiNH xAc s6 1 sf>: /CKCX CQNGHOAxA HQI CHUNGHiAVI$T NAM DQcl~p-T'1do-H,nh phuc Ha n6i,ngay5 thimg11niim2007 " ? ? - BIEN BAN KHAO NGHI~M 1. ThOigian: 2. Djadi~m: Diachi: Di~n thoC;li: 3. Thanhph§n: -DC;lidi~nCong ty CP CO'khi Chinh xac s6 1:Ong NguySnAnh Tu~n ChucV\l: Truangphongkythu~t -D~idi~nVi~nNghien ClmCO'khi: Ong L\lc Van Thuang ChucV\l: Chil nhi~md~tai 4. NQidung: DanhgiakStquachC;lythirc~pbanhrangbamd~uBRA 50d:lduQ'cVi~n NghienClmCO'khith\fchi~ncongngh~th~mnitO'plasmachobSm~tf\lCding. 5. K~tqua: SauthaigianchC;lYthirtirngay30/9/2007dSnngay30/10/2007,tiSnhanh kiSmtrath\fctS,thaoravadoIC;likichthuac.Chungtoidanhgianhusau: -Truackhi thao,kiSmtraapsu~th\fctSdC;lt140KG -Saukhi thaora:bSm~tf\lCdingnhAn,bong,khOngcovStxuac. - CackichthuachinhhQc: +TruackhiduavaochC;lYthir: Ngay5thang11nam2007 CongtyCP CO'khiChinhxacs61 SO275- Nguy~nTr:li- ThanhXuan- HaNQi 04.5581657 Fax: 04.8584387 <P25,977mm 34,493mm <P2597To,01mm, 34,493-0,02mm CackichthuacdSudambaocacthongs6theoyeuc~ukythu~t. K~tlu~n:Tf\lc rangsird\lngcongngh~thb nitO'plasmad:ldambao duQ'ch~tlugngvaduQ'cphepsanxu~thangIOC;lt. BienbannayduQ'cl~pthanh02banm6ibengift01ban. +Saukhi chC;lythir: VI$N NGHIENciru COKHi C£"~ ~l!Uvt Gte"'1.ft( / I. ~~ CTY CP COKHi CHiNHxAc s6 1 rONGcry MDL&MNN CTY CPco KHi CHiNHxAc 86 1 S6: '/CKCX CQNGHOAxA HQI CHUNGHiAVI~TNAM DQcI~p-Tv do-H~nh phuc Ha nQi,ngay5"thang11niim2007 BANxAcNH~NCHATLUQNGLaPTHAM BE M~TTRVC RANGBOMDAu BRA50 D~apd\mgc6ngngh~m6'iph\lcV\lcacc6ngvi~cbaoduang,ch~t~om6'i chi ti~ttf\lCrangbamdAu.C6ngty CP CO'khi chinhxac s6 1 dak~thqpv6'i Vi~nNghienClmCO'khi apd\lngc6ngngh~thftmni to'plasmavaod~thftmbS m~tchiti~ttf\lCrangbamdAuBRA 50.Cacth6ngs6ky thu~tcuatf\lCrangsau khi thftmd~tduQ'cnhusau: 1. DQcUngd~t:700- 750HV , 2. DQkh6ngd6ngtam:0,02mm 3. ChiSusaulOpthftm:0,3- 0,4mm 4. DQ6n:theotieuchufut(giamsov6'ithftmC) 5. Ap suftt:140KG LOpthb cuabSm~tchi ti~tdambaoduQ'cacyeucAuky thu~tdSra,tf\lC rangdaduQ'cl~prapvaduavaoch~ythgct~. Sauthaigiankhoang01thangk~tirkhi l~pd~tvaduavaosud\lngtrenmQt s6xeBEN, xeKAMAZ ph\lcV\lchoc6ngvi~ckhaithackhoangsanthuQcmQt s6viIngmoLao Cai,QuangNinh,..chod~nnaytl1,lcrangv~nv~nlamvi~cbinh thuang,6ndinh,dapUngduQ'cactinhnanglamvi~ccuathi~tbi. B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM PHỤ LỤC 2 HÌNH ẢNH VỀ QUÁ TRÌNH THẤM NI TƠ PLASMA VÀ SẢN PHẨM TRỤC RĂNG BƠM DẦU SAU KHI THẤM B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 1. Hình ảnh quá trình thấm trục răng Bộ phận lập trình, điều khiển, in ấn đồ thị quá trình thấm Màn hình hiển thị quá trình thấm Quá trình thấm plasma trong buồng chân không B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM 2. Hình ảnh sản phẩm trục răng bơm dầu sau khi thấm Trục răng xe Ben BRA 50 sau khi thấm Trục răng xe Ben BRA 50 trên đồ gá sau khi thấm Trục răng xe KOMASU sau khi thấm B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM PHỤ LỤC 3 HÌNH ẢNH VỀ CHI TIẾT KHẢO SÁT ĐƯỢC TẠI CÁC NHÀ MÁY VÀ BẢN VẼ ĐỒ GÁ CHI TIẾT B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM Các cặp bánh răng bơm dầu Ben BRA 50 Bơm cánh văng Trục răng xe KOMASU B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi cÊp Bé - 2007 Lôc V©n Th−¬ng – PTN Hµn & XLBM Trục răng xe IFA Trục răng xúc lật Một số bánh răng bơm ben của xe Ủi cát D6, SamSung 24T Mét sè h×nh ¶nh minh ho¹