Trang chủ / Công trình nghiên cứu / Ảnh hưởng của một số yếu tố đến hệ số truyền nitơ vào thép C20 và 20CrMo
adv.

Ảnh hưởng của một số yếu tố đến hệ số truyền nitơ vào thép C20 và 20CrMo

06/12/2017

Trong bài này, đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thấm, hệ số hoạt độ của nitơ KNtrong môi trường thấm và thành phần hai loại thép thấm là C20 và 20CrMo đến hệ số bN.

Influence of some factors to transfer coefficient of nitrogen onto C20 and 20CrMo steels

Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Văn Tư Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hoàng Anh Tuấn Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng

Ngày nhận bài: 18/8/2013, Ngày duyệt đăng: 12/11/2013

TÓM TẮT     Để đánh giá hiệu quả của quá trình thấm nitơ thể khí, hệ số truyền nitơ (βN) được sử dụng như một đại lượng đặc trưng cho mức độ truyền nitơ từ môi trường vào trong bề mặt thép. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số βN cho phép lựa chọn chế độ thấm thích hợp cho từng loại thép với hiệu quả cao. Trong bài này, đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thấm, hệ số hoạt độ của nitơ KN trong môi trường thấm và thành phần hai loại thép thấm là C20 và 20CrMo đến hệ số βN. Khi tăng nhiệt độ thấm và hệ số hoạt độ KN hệ số truyền nitơ giảm, trong khi các nguyên tố tạo nitơrít mạnh sẽ làm tăng hệ số truyền nitơ.     Từ khóa: Thấm nitơ, hệ số truyền nitơ (βN), thép C20 và 20CrMo. ABSTRACT     To evaluate the efficiency of the gas nitriding process, the transfer coefficient of nitrogen (βN) is used as a char acteristic quantity for the level of nitrogen transport from environment into steel surface. Evaluation of the transfer coefficient βN permits to choice a suitable nitriding technology for each steel. In this article, the influence of nitrid ing temperature, nitrogen activity coefficient KN and steel composition on the nitrogen transfer coefficient was stud ied for two C20 and 20CrMo steels. It’s shown, the transfer coefficient βN reduced with increasing nitriding tem perature and activity coefficient KN, while nitride-forming elements raise the transfer coefficient βN.     Keywords: gas nitriding, transfer coefficient of nitrogen (βN), C20 and 20CrMo steels. 1. MỞ ĐẦU     Thấm nitơ thể khí là công nghệ hóa-nhiệt luyện áp dụng cho các chi tiết cần độ cứng bề mặt rất cao chịu mài mòn. Trong khoảng nhiệt độ thấm (450÷650) ºC [1-4], chất thấm thường sử dụng là amoniac (NH3), khí này sẽ bị phân hủy nhiệt theo các phản ứng:

Công thức 1

    Tùy thuộc hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép mà tổ chức lớp thấm nhận được từ ngoài bề mặt vào trong sẽ lần lượt là ε → γ' → α hoặc hỗn hợp của chúng [5-8]. Với thép hợp kim, một số nguyên tố (Cr, Mo) có khả năng tạo thành các pha nitơrít hợp kim nằm rải rác trong lớp thấm sẽ làm tăng mạnh độ cứng bề mặt, cải thiện đáng kể tính chịu mài mòn. Như vậy, lượng nitơ khuếch tán vào bề mặt thép nhiều hay ít sẽ quyết định đến tổ chức và chiều dày lớp thấm nitơ. Để đánh giá hiệu quả của quá trình vận chuyển nitơ nguyên tử từ môi trường thấm vào bề mặt thép, hệ số truyền nitơ (βN) cần được xác định cụ thể cho từng loại thép. Hệ số truyền nitơ (βN) được xác định theo công thức:

 Công thức 2   (4)

    trong đó và (aN) lần lượt là hoạt độ của nitơ trong thép và trong môi trường thấm. Giá trị được xác định nhờ phần mềm tính nhiệt động Thermocalc. Hoạt độ nitơ của môi trường thấm (aN) phụ thuộc vào mức độ phân hủy NH3 trong lò và có thể tính theo phản ứng (3) như sau:

Công thức 3

    trong đó p3NH3, p1/2N2 và p3H2 lần lượt là áp suất riêng phần của NH3, N2 và H2 trong buồng thấm; KN là thế nitơ trong môi trường thấm; K3 là hằng số cân bằng của phản ứng (3). Giá trị K3 được tính theo công thức:

K3 ≈ K1.K2 ; (6)

    trong đó K1 là hằng số cân bằng của phản ứng (1) được xác định theo công thức sau [1-4]:

Công thức 4(7)

    và giá trị K2 là hằng số cân bằng của phản ứng (2), xác định theo công thức sau [1-4]:

Công thức 5 (8)

    KN là hệ số hoạt độ nitơ của môi trường thấm, phụ thuộc vào mức độ phân hủy nhiệt của NH3, phân hủy càng nhiều thì KN càng nhỏ. 2. THỰC NGHIỆM     Mẫu thép thấm có kích thước 20x10x0,1mm. Sử dụng các mẫu mỏng để đảm bảo N phân bố đồng đều hơn trong tiết diện mẫu sau khi thấm và nâng cao độ chính xác khi cân. Các mẫu sau chế tạo đều ở trạng thái thường hóa.     Quá trình thấm nitơ được thực hiện trong khoảng nhiệt độ (510÷550) ºC với thời gian thấm là 8 giờ. Lưu lượng khí thấm được thay đổi nhằm đánh giá được sự phụ thuộc của hệ số truyền (bN) vào mức độ phân hủy NH3 mà đặc trưng chính là hệ số hoạt độ nitơ (KN). Trong suốt quá trình thấm, cảm biến hydro được sử dụng để xác định chính xác độ phân hủy NH3 trong môi trường thấm. Các mẫu thấm đều được cân trước và sau khi thấm nhằm xác định khối lượng nitơ đã khuếch tán vào trong thép, qua đó có thể tính được hoạt độ nitơ trong lá thép mỏng nói trên bằng phần mềm Thermocalc. Mẫu mỏng sau thấm được phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ rơnghen trên máy SIEMENS D5005. Tổ chức tế vi được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét FESEM.   3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN     Các mâu mỏng sau thấm, được đổ nhựa epoxy, mài bóng và tẩm thực để quan sát trên tiết diện ngang dưới kính hiển vi điện tử quét (hình 1). ảnh SEM tiết diện ngang của các mẫu đều cho thấy các mẫu được mài đủ mỏng (≈ 50 mm) và nitơ đã khuếch tán trên toàn bộ tiết diện. Ngoài ra còn thấy các nitơrít tập trung thành lưới ở vùng biên giới hạt (hình 1) tương ứng với thành phần sau cùng tích trên giản đồ pha Fe-N.

Hàm lượng các nguyên tố (% khối lượng)
C Mn Si Cr Mo P S
C20 0,21 0,51 0,32 - - 0,03 0,03
20CrMo 0,22 0,62 0,31 0,97 0,23 0,03 0,03

Bảng 1. Thành phần hóa học của các mác thép

Hình 1

Hình 1. ảnh FESEM của các mẫu thép sau khi thấm: (a) thép 20CrMo, (b) thép C20

    Các kết quả phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ rơnghen trên hình 2 đã khẳng định nhận xét trên: sau thời gian thấm 8 giờ, nitơ nguyên tử đã khuếch tán vào trong thép với hàm lượng đủ lớn để tạo ra các pha nitơrít.     Trên hình 2 cũng thấy sự hình thành các pha khác nhau của cả 2 loại thép thấm. Với mẫu C20, hàm lượng nitơ khuếch tán vào thép đủ lớn để tạo thành tổ chức sau cùng tích với các pha Fe4N và Fe2N (hình 2a). Trong mẫu thép hợp kim, các nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với nitơ như Cr và Mo cũng đã tạo ra các pha CrN và Mo2N cùng với các nitơrít sắt.     Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hệ số truyền βN trên cả hai loại thép được thể hiện trên hình 3. Trên cả 2 loại thép thấm đều thấy, trong cùng môi trường thấm (cùng KN), khi nhiệt độ tăng, hệ số hệ số truyền N lên thép đều giảm. Nghĩa là, tăng nhiệt độ tuy quá trình thấm có nhanh hơn nhưng hiệu quả sử dụng chất thấm lại giảm. Hệ số truyền nitơ giảm khi tăng nhiệt độ là do sự phân hủy quá nhanh của NH3, trong khi khả năng tiếp nhận nitơ của thép thì tăng ít hơn.

Hình 2

Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ rơnghen của các mẫu sau thấm nitơ: a) mẫu mỏng thép C20 và b) mẫu mỏng thép 20CrMo

    Trên hình 3 cũng có thể đánh giá ảnh hưởng của hệ số hoạt độ nitơ (KN) đến hệ số truyền b của từng loại thép ở các nhiệt độ thấm khác nhau. Khi tăng KN thì hệ số truyền nitơ b giảm mạnh. Do hệ số hoạt độ nitơ KN chủ yếu phụ thuộc vào mức độ phân hủy của NH3, đúng hơn là phụ thuộc vào thời gian lưu. Với KN lớn (KN > 2) thì thời gian lưu rất nhỏ, do đó thời gian khí thấm nằm trong lò quá ngắn để khuếch tán vào thép. Ngược lại, với KN quá nhỏ (KN < 0,4), khi đó độ phân hủy NH3 trên 70 %, tốc độ thấm quá chậm, hàm lượng nitơ trong lớp thấm quá thấp để có độ cứng như mong muốn. Thường người ta điều chỉnh thời gian lưu để độ phân hủy NH3 từ 40 % đến 65 % tương ứng với KN từ 1,53 xuống 0,47; khi đó hệ số truyền nitơ cũng khá lớn (hình 3).

Hình 3. ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số truyền nitơ

Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số truyền nitơ

    Sự có mặt của các nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với nitơ trong thép cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến hệ số truyền nitơ trong quá trình thấm nitơ thể khí. Kết quả phân tích và đánh giá đối với cả hai loại thép C20 và 20CrMo tại cùng nhiệt độ thấm 550 oC khi thay đổi KN được thể hiện trên hình 4. Thép chứa các nguyên tố hợp kim có khả năng tạo nitơrít sẽ cho hệ số truyền nitơ cao hơn thép cacbon thông thường (có cùng hàm lượng C).     Các nguyên tố hợp kim có ái lực hóa học với nitơ mạnh hơn sắt như Cr, Mo,... sẽ thu hút nitơ để tạo nitơrít làm tăng khả năng hấp thụ nitơ nguyên tử hoạt tính trong môi trường thấm lên bề mặt thép, do đó làm tăng hệ số truyền nitơ b. 4. KẾT LUẬN     Trong quá trình thấm nitơ thể khí, hệ số truyền (bN) chịu ảnh hưởng của các yếu tố đặc trưng như nhiệt độ, hệ số hoạt độ nitơ KN và thành phần hợp kim của thép thấm như sau:     - Khi tăng nhiệt độ hệ số truyền nitơ giảm,     - Khi tăng hệ số hoạt độ nitơ KN trong môi trường thấm thì hệ số truyền nitơ giảm,     - Các nguyên tố có khả năng tạo nitơrít mạnh sẽ làm tăng hệ số truyền nitơ.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
  1. Gas nitriding of steels, ASM Handbook, Heat Treating, Volume 4
  2. Holger Selg, Nitriding of Fe-Mo alloys and maraging steel: structure, morphology and kinetics of nitride pre cipitation, 2012
  3. Masahiro Itoh, Masahiro Masuda, Ken-Ichi Machida; Hydrogen generation by amonia cracking with iron metal-rare earth oxide composite catalyst, Materials transactions, Vol 43, No 11, 2002, pp. 2763-2767
  4. Tadeusz Burakowski, Tadeusz Wierzchón; Surface engineering of metals - Principle, equipments, technolo gies, 1999
  5. Liquid nitriding applications, ASM Handbook, Heat Treating, Volume 4
  6. Santosh S. Hosmani, Nitriding of iron-based alloys - The role of excess nitrogen, 2006
  7. Tatiana Liapina, Phase transformations in interstitial Fe-N alloys, 2005 8. Mei Yang, Nitriding - Fundamentals, Modeling and process optimization, 2012