Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Ảnh hưởng của Cr đến hệ số truyền chất khi thấm cacbon thể khí sử dụng khí công nghiệp
Tin Mới Nhất
Ảnh hưởng của Cr đến hệ số truyền chất khi thấm cacbon thể khí sử dụng khí công nghiệp
06/12/2017
Nghiên cứu hệ số truyền cacbon sẽ giúp cho quá trình điều khiển nồng độ cacbon trên bề mặt thép hợp kim thấp thường được sử dụng trong sản xuất như 20CrMo...
Influence of chromium content on the carbon transfer coefficient during carburizing process using LPG
Nguyễn Văn Tư, Nguyễn Anh Sơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
(Nhận bài ngày 15/11/2011, duyệt đăng ngày 15/01/1012)
Tóm tắt Hệ số truyền cacbon là thông số phản ánh khả năng tiếp nhận cacbon của các loại thép thấm thông dụng trong môi trường thấm có thành phần xác đinh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy Cr là nguyên tố thường có mặt trong thép hợp kim thấp có vai trò cố định cacbon trên bề mặt thép. Do vậy hàm lượng cacbon trong thép hợp kim chứa Cr thường cao hơn thép cacbon khoảng 1,2 lần. Hệ số truyền cacbon đối với loại thép này do vậy cũng cao hơn so với thép cacbon thường được sử dụng trong công nghệ thấm cacbon thể khí. Từ khóa: Thấm cacbon thể khí, hoạt độ cacbon, thế cacbon, hệ số truyền cacbon, thép crôm Abstract The carbon absorption ability at the steel surface during carburizing process can be characterized by the car bon transfer coefficient. Experiment results show that the chromium improves the fixed carbon at the alloyed steel surface and therefore increases carbon content up to 1,2 times compared to the carbon steel. The carbon transfer coefficient of low alloyed chromium steel always reaches higher values than that of carbon steel. Keyword: gas carburizing,carbon activity, carbon potential, carbon transfer coefficent, chromium steel 1. Đặt vấn đề Thế cacbon (CP) là thông số công nghệ thường được sử dụng trong sản xuất để điều khiển hàm lượng cacbon trong lớp thấm. Thế cacbon được xác định thông qua hàm lượng cacbon cân bằng trong lá thép mỏng 1010 theo tiêu chuẩn Mỹ. Trong thực tế sản xuất thép hợp kim thấp, hầu hết các chi tiết được chế tạo từ thép 20CrMo. Do vậy, khi áp dụng công nghệ thấm cacbon có điều khiển sử dụng thế cacbon, cần phải có sự điều chỉnh để có thể đạt được nồng độ cacbon cũng như phân bố nồng độ cacbon hợp lý trong lớp thấm. Hệ số truyền cacbon b là thông số phản ánh khả năng tiếp nhận cacbon của thép từ môi trường thấm có hoạt độ và thế cacbon xác định. Do vậy, nghiên cứu hệ số truyền cacbon sẽ giúp cho quá trình điều khiển nồng độ cacbon trên bề mặt thép hợp kim thấp thường được sử dụng trong sản xuất như 20CrMo. 2. Thực nghiệm Khí thấm là hỗn hợp của 3 loại gas, CO2 và N2, trong đó thành phần N2 được giữ cố định là 70 % thể tích trong hỗn hợp khí thấm. Lượng gas được sử dụng lần lượt là 8,57 %; 7,5 % và 6,67 % còn lại là CO2 để tỷ lệ CO2/gas lần lượt là 2,5; 3 và 3,5 (bảng 1).| STT | N2 | Gas | CO2 | Tỷ lệ CO2/Gas |
| 1 | 70,00 | 8,57 | 21,43 | 2.50 |
| 2 | 70,00 | 7,50 | 22,50 | 3.00 |
| 3 | 70,00 | 6,67 | 23,33 | 3.50 |
Bảng 1. Thành phần khí ban đầu đưa vào (% thể tích)
Gas sử dụng là khí hoá lỏng của Petrolimex, khí CO2 và N2 loại thương phẩm. Thành phần khí trong lò được xác định bằng các loại đầu dò hyđro của hãng Stange (CHLB Đức), đầu dò oxy của hãng SSI (Mỹ) và thiết bị phân tích CO, CO2 của hãng Wuhan Optoelectronics (Trung Quốc). Sử dụng phương pháp cân khối lượng để xác định hàm lượng cacbon trong mẫu mỏng. Thép dùng trong nghiên cứu là các loại 1010 theo tiêu chuẩn AISI (Mỹ), C20 và 20CrMo theo TCVN có thành phần các nguyên tố chủ yếu đưa ra ở bảng 2.| Mác thép | C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni |
| 1010 | 0,114 | 0,115 | 0,433 | 0,019 | - | 0,014 |
| C20 | 0,2 | 0,23 | 0,79 | 0,006 | 0,005 | - |
| 20CrMo | 0,184 | 0,167 | 0,777 | 1,030 | 0,158 | 0,029 |
Bảng 2. Thành phần thép nghiên cứu (%)
3. Kết quả và thảo luận 3.1. Hoạt độ cacbon của môi trường thấm Hoạt độ cacbon trong môi trường thấm được xác định thông qua phản ứng thấm [1, 2, 3]:3CO + H2 → 2CO2 + H2O +2 Feg(C)
và được tính theo công thức:
| Tỷ lệ CO2/gas | Thành phần khí (%) | Hoạt độ cacbon (ac) | |||
| H2 | CO | CO2 | H2O | ||
|
2,5 |
30,46 |
30,50 |
0,24 |
0,31 |
0,8348 |
|
3 |
28,12 |
31,92 |
0,37 |
0,33 |
0,6704 |
|
3,5 |
23.44 |
32,97 |
0,55 |
0,33 |
0,5270 |
Bảng 3. Thành phần khí lò và hoạt độ cacbon
Có thể thấy rằng, hoạt độ cacbon của môi trường thấm tại nhiệt độ xác định phụ thuộc chủ yếu vào áp suất riêng phần của các khí CO, CO2, H2 và N2. Kết quả xác định hoạt độ cacbon của môi trường thấm được đưa ra ở bảng 3. Có thể thấy rằng, hoạt độ cacbon trong môi trường thấm chứa 70% N2 giảm khá đều đặn khi tăng tỷ lệ khí CO2/gas. Nguyên nhân là do khi lượng CO2 đưa vào lò tăng hàm lượng CO2 trong môi trường thấm tăng khá mạnh (khoảng 50%) nên hoạt độ cacbon giảm. 3.2. Hoạt độ cacbon trong austenit| Tỷ lệ CO2/gas | 1010 | C20 | 20CrMo | |||
| CP | ac | Cs | ac | Cs | ac | |
| 2,5 | 0,99 | 0,1215 | 1,02 | 0,1267 | 1,20 | 0,1374 |
| 3 | 0,82 | 0,0942 | 0,85 | 0,0988 | 1,01 | 0,1094 |
| 3,5 | 0,43 | 0,0424 | 0,45 | 0,0448 | 0,54 | 0,0488 |
Bảng 4. Thể cacbon (CP) và nồng độ cacbon (Cs) của các thép nghiên cứu
Hoạt độ cacbon trong austenit tại một nhiệt độ xác định phụ thuộc vào hàm lượng C và các nguyên tố hợp kim [6, 7] và được tính toán bằng phần mềm Thermocalc. Có thể thấy rằng, với các tỷ lệ thấm khác nhau, thành phần cacbon trong thép C20 có sự tương đồng với thế cacbon của môi trường trong khi nồng độ cacbon trong thép hợp kim 20CrMo đạt giá trị cao hơn khi thấm với tất cả các tỷ lệ CO2/gas khảo sát (bảng 4). Điều đó cho thấy, khả năng tiếp nhận cacbon của các loại thép hợp kim, đặc biệt là các loại thép chứa các nguyên tố hợp kim có ái lực mạnh hơn Fe như Cr và Mo. Thông thường, hoạt độ cacbon trong thép hợp kim bao giờ cũng thấp hơn thép cacbon cùng thành phần cacbon. Nhưng khi thấm cùng điều kiện, do khả năng tiếp nhận cacbon của các loại thép này cao hơn nhiều nên hoạt độ cacbon trong austenit cũng đạt giá trị cao hơn. 3.3. Ảnh hưởng của Cr tới hệ số truyền cacbon Hệ số truyền cacbon trong trường hợp này là đại lượng phản ánh hiệu quả của quá trình truyền cacbon từ môi trường vào thép [4, 5] và được xác định thông qua quan hệ giữa hoạt độ cacbon của thép (nơi tiếp nhận cacbon) và môi trường thấm (nguồn cung cấp cacbon):
Hình 1. Hệ số truyền cacbon với các thành phần khí khác nhau
Nguyên nhân chủ yếu là do lượng H2 trong môi trường thấm thấp làm giảm khả năng giải phóng CO tạo C hoà tan trong austenit nên lượng cacbon được cố định trên bề mặt mẫu giảm, vì vậy làm giảm hệ số truyền cacbon từ môi trường vào thép. Để điều khiển quá trình thấm sử dụng hỗn hợp khí thấm pha loãng với 70% N2, tỷ lệ khí CO2/gas = 2,5, thời gian lưu 18 phút tại nhiệt độ thấm 920ºC, khi sử dụng thế cacbon thì nồng độ cacbon trên bề mặt các loại thép thương phẩm cần điều khiển phải phù hợp với nồng độ cacbon cần đạt được. Kết quả tính toán nồng độ cacbon trên bề mặt 2 loại thép thấm dựa vào kết quả nghiên cứu về hệ số truyền cacbon được trình bày ở bảng 5.| CP | 0,8 | 0,9 | 1 | 1,1 |
| C20 | 0,825 | 0,93 | 1,035 | 1,105 |
| 20CrMo | 0,96 | 1,08 | 1,22 | * |
Bảng 5. Nồng độ cacbon trên bề mặt thép tương ứng với thế cacbon (%)
*vượt quá giới hạn hoà tan của cacbon trong austenit 4. Kết luận Do là nguyên tố có ái lực với cacbon mạnh hơn Fe, nên Cr trong thép thám cacbon hợp kim thấp có khả năng cố định cacbon trên bề mặt thép. So với thép cacbon, thép hợp kim chứa Cr luôn đạt được nồng độ cacbon trên bề mặt cao hơn và do đó hệ số truyền cacbon cũng cao hơn. Kết hợp với hệ số truyền cacbon, hoàn toàn có thể điều khiển nồng độ cacbon trên bề mặt thép hợp kim thấp phù hợp với yêu cầu về tổ chức và tính chất thép thấm. Chính vì vậy, việc sử dụng thế cacbon để điều khiển quá trình thấm cacbon cho thép hợp kim chứa Cr hoàn toàn có thể thực hiện được.Tài liệu trích dẫn
|