BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
: 62 52 14 01
Quang Kế, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và TS. Hoàng Văn Châu,
Viện Nghiên cứu cơ khí đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nhiều năm
tháng học tập cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Công nghệ cơ khí, Ban lãnh
đạo cùng giảng viên khoa Cơ - Điện, Viện Đào tạo Sau đại học và Ban Giám
hiệu Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã luôn quan tâm giúp đỡ cũng
như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Nghiên cứu khoa
học, các đồng nghiệp đang công tác tại Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây
dựng đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ
hàn và Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu cơ khí; Bộ môn Công nghệ cơ khí,
khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội; Trung tâm Đánh giá
hư hỏng vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã
giúp đỡ tôi trong thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp, gia
đình đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá
trình học tập và hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
iii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
2.4 Cấu trúc lớp thấm lvi
2.5 Xác định chiều dày lớp thấm lx
2.5.1 Xác định chiều dày nitrit pha lxiii
2.5.2 Xác định chiều dày nitrit pha γ’ lxv
2.6 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình thấm lxviii
2.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm lxix
2.6.2 Ảnh hưởng của thời gian thấm lxx
2.6.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro lxxi
2.6.4 Ảnh hưởng của điện áp, mật độ dòng lxxiii
2.6.5 Ảnh hưởng của áp suất lxxv
2.7 Kết luận chương 2 lxxvii
Chương 3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM lxxviii
3.1 Vật liệu nghiên cứu lxxviii
3.2 Chuẩn bị mẫu và phương pháp kiểm tra lxxix
3.2.1 Chuẩn bị mẫu lxxix
3.2.2 Phương pháp kiểm tra lxxxi
3.3 Thiết bị thấm nitơ plasma lxxxv
3.3.1 Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H45x080 lxxxvi
3.3.2 Các thông số chính của lò thấm lxxxvii
3.3.3 Lập trình quy trình công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị
Eltropuls H045x80 lxxxviii
3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm lxxxix
v
3.4.1 Xây dựng bài toán quy hoạch thực nghiệm xc
3.4.2 Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát xcvii
3.4.3 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu c
3.5 Kết luận chương 3 c
Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ci
Phụ lục clvii vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ar
Argon
C
Cacbon
CH
4
Khí Metan
C-N
Cacbon – Nitơ
CVD
(Chemical Vapour Deposition) Phủ bay hơi hóa học
DC-plasma
Plasma dòng điện một chiều
EDX
(Energy Dispersive X-ray Anolysis) Phương pháp
phân tích tế vi tán xạ năng lượng Rơnghen
Fe
Nguyên tử sắt
Fe-C-N
Giản đồ sắt – cacbon – nitơ
FeN
viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
a
%
Tỷ lệ khí nitơ/hydro (theo lưu lượng)
a
N
-
Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm
b
j
-
Các hệ số của phương trình hồi quy
d
1
m
Chiều dày pha + pha ’
d
2
m
Chiều dày pha
d
j
-
Hàm “mong muốn’’ thành phần
2
G3
l/h
Lưu lượng khí CH
4
G4
l/h
Lưu lượng khí Ar
K
N
-
Thế thấm nitơ
m
g/N.m
Cường độ mài mòn
n
Vòng/phút
Số vòng quay của đĩa
N
N
Tải trọng đặt vào mẫu
N
-
Số thí nghiệm ở mức phụ (các điểm sao)
N
0
-
Pa
Áp suất riêng phần của H
2
PR
s
Thời gian lặp xung
R
mm
Bán kính vòng quay của chốt trượt trên đĩa
S
mm
Quảng đường trượt cửa mẫu
s
-
Phương sai
T
0
C
Nhiệt độ thấm
t
h
Thời gian thấm
t
on
s
Thời gian lặp xung
t
off
0
C/min
Tốc độ tăng nhiệt độ chi tiết theo thời gian
x
i
-
Giá trị mã hóa của yếu tố thứ i
x
1
-
Nhiệt độ thấm T (
0
C)
x
2
-
Thời gian thấm t (h)
x
3
-
Tỷ lệ khí nitơ/hydro (%)
Y
j
-
Hàm thành phần
Y
1
-
Độ cứng bề mặt C (HV 0.3)
Giá trị trung bình của các thí nghiệm ở mức cơ
x
sở
Y
tt
-
Giá trị tính toán từ phương trình hồi quy
Y
u
-
Giá trị của các thông số ra ở các mức
M
g
Sự giảm khối lượng của mẫu trước và sau khi thí
nghiệm
i
-
Khoảng biến thiên của của yếu tố thứ i
xi
DANH MỤC BẢNG
STT
và các hàm thành phần Y
j
cviii
4.10 Các hệ số hồi qui dạng thực cix
4.11 Kết quả tính toán giá trị hàm tối ưu tổng quát D cxix
4.12 Chương trình điều khiển quá trình thấm cxxiv
4.13 Kết quả đo độ cứng tế vi theo chiều sâu lớp thấm cxxviii
4.14 Kết quả phân tích EDX hàm lượng %N theo chiều sâu lớp thấm cxxix
xii
DANH MỤC HÌNH
STT
Tên hình
Trang
1.1 Ứng dụng công nghệ bề mặt trong ngành cơ khí ôtô xxii
1.2 Các giải pháp bề mặt trong ngành sản xuất ôtô xxii
1.3 Quá trình thấm nitơ thông thường xxiv
1.4 Giản đồ pha Fe-N xxv
1.5 Sơ đồ thấm nitơ thể khí xxvi
1.6 Cấu trúc mạng lớp thấm và vùng khuếch tán xxvii
1.7 Giản đồ pha quan hệ giữa thế thấm nitơ, nhiệt độ với tổ chức lớp
thấm nitơ xxix
1.8 Quá trình thấm nitơ plasma xxxii
1.9 Một số sản phẩm ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma xxxvi
2.1 Plasma xlv
2.2 Đường cong Paschen thể hiện quan hệ điện áp và cường độ dòng
điện với các vùng khác nhau xlvi
2.3 Biểu đồ xung trong quá trình thấm nitơ plasma xlviii
2.4 Phân bố các năng lượng trong một phóng điện phát sáng bất thường xlix
3.11 Kính hiển vi quang học Axiovert 40MAT lxxxiii
3.12 Máy TE97 Friction & Wear Demonstrator (a) và phương pháp thử (b)lxxxiii
3.13 Thiết bị Nhiễu xạ Siemens X-Ray D500 lxxxv
3.14 Thiết bị thấm nitơ plasma Eltropuls H045x080 lxxxvi
3.15 Sơ đồ cấu tạo buồng lò lxxxvii
3.16 Các thông số đầu vào và đầu ra xcii
3.17 Đồ thị hàm mong muốn thành phần d
j
khi Y
j
bị chặn một phía xcix
4.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (
0
C ) cii
4.2 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian thấm t (h) ciii
4.3 Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) civ
xiv
4.4 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và thời gian
thấm t (h) cx
4.5 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxi
4.6 Ảnh hưởng của cặp yếu tố thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxi
4.7 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
4.18 Tổ chức tế vi nền thép 40CrMo cxxv
xv
4.19 Tổ chức tế vi lớp thấm nitơ plasma trên thép 40CrMo cxxvi
4.20 Ảnh SEM (x8000) cxxvii
4.21 Các vị trí đo độ cứng tế vi và phân tích EDX theo chiều sâu lớp thấmcxxvii
4.22 Phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm cxxviii
4.23 Phân bố thành phần nitơ (%N) theo chiều sâu lớp thấm cxxix
4.24 Hình ảnh phân tích EDX tại các vị trí cxxxiii
4.25 Nhiễu xạ tia X bề mặt thép 40CrMo cxxxiv
4.26 Bánh răng bơm thủy lực sau khi thấm cxxxvi
4.27 Bơm thủy lực (ăn khớp ngoài) cxxxvi
4.28 Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh cxxxvii
4.29 Hộp giảm tốc xe trộn – vận chuyển bê tông tươi cxxxvii
4.30 Dao băm tĩnh và động cxxxviii
4.31 Trục vít xoắn cxxxviii
4.32 Liên hợp máy băm - ép nước dứa BE-500 cxxxix
4.33 Bánh răng trong hộp số máy kéo cầm tay GN91 cxl
4.34 Máy kéo cầm tay GN91 cxl
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Nước ta đang đi vào thời kỳ Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước với
nền kinh tế thị trường và đang phát triển với nhịp độ cao. Các ngành công nghiệp
như: cơ khí động lực, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng không,… đang được
chú trọng đầu tư và phát triển nhanh. Nhu cầu bức thiết được đặt ra là phải phát
huy nội lực trong nước, tạo nên các sản phẩm cơ khí mang nhãn hiệu Việt Nam.
Vấn đề cơ bản là phải tập trung nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp
công nghệ mới vào thiết kế, chế tạo cơ khí. Cùng với việc ứng dụng các công
nghệ chế tạo hiện đại với CAD/CAM/CNC, cần đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng
các công nghệ tạo phôi tiên tiến – công nghệ hàn, công nghệ đúc và công nghệ
dẫn đến phải giành 15% thời gian dừng máy để sửa chữa thì xử lý bề mặt kém
có thể phải mất đến 85% thời gian dừng máy. Trong các cặp đôi ma sát, năng
lượng tiêu hao do ma sát thường chiếm 15 25% và có thể tới 85% như trong
một số máy của ngành in, dệt. Sử dụng các biện pháp công nghệ xử lý bề mặt
có thể giảm đáng kể phần năng lượng mất mát này. Các dụng cụ được xử lý bề
mặt tốt không những giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình gia công, nâng
cao chất lượng gia công mà còn giảm được thời gian thay thế. Kỹ thuật bề mặt
còn có ý nghĩa lớn trong việc tạo ra các bề mặt có khả năng chống ăn mòn cao,
độ cứng cao, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi
trường khi sử dụng các thiết bị xử lý bề mặt tiên tiến (Nguyễn Đăng Bình,
2008) [4], (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20].
Kỹ thuật bề mặt thuộc nhóm công nghệ dựa trên những phát minh và
khám phá mới nhất nên nó thuộc lĩnh vực khoa học kỹ thuật tiên tiến. Trong
tương lai, kỹ thuật bề mặt sẽ phát triển theo một số hướng chính hoàn thiện công
nghệ và kết hợp các biện pháp công nghệ nhằm tạo ra các lớp bề mặt ưu việt
hơn; thiết kế bề mặt trên cơ sở khai thác các mô hình toán học, thử nghiệm lớp
bề mặt vật liệu trên các thang micro và nano; khai thác và sử dụng các lớp bề
mặt một cách rộng rãi hơn trong thực tiễn (Nguyễn Đăng Bình, 2008) [4].
Một công nghệ mang tính truyền thống gần thế kỷ nay, công nghệ thấm
kim loại và phi kim loại trên bề mặt chi tiết vẫn đang được thế giới nghiên cứu cải
tiến, đổi mới. Công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon-nitơ, được hiện
đại hóa và tự động hóa, mang lại hiệu quả kinh tế rất cao. Các nước đã và đang
xviii
tiếp tục nghiên cứu, cải tiến và hoàn thiện công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ,
đồng thời đưa công nghệ hiện đại thấm nitơ plasma vào sản xuất nhờ đó mở rộng
được đối tượng thấm. Không chỉ thấm nitơ plasma cho một số loại thép hợp kim,
còn có thể thấm cho thép không gỉ, cho một số loại gang, Độ cứng của lớp thấm
nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ
600
xix
Thấm nitơ plasma là một công nghệ mới của thế giới và mới được nhập
vào Việt Nam. Cho đến nay còn rất nhiều vấn đề khoa học đang được các nhà
khoa học nghiên cứu. Do tính ưu việt của lớp thấm, cho tính chống mài mòn
tốt và chống ăn mòn tốt, đồng thời cho tính chống mỏi tốt nên chúng được
nghiên cứu cả về lý thuyết và ứng dụng cụ thể cho các đối tượng mác thép và
chi tiết cơ khí trong sản xuât công – nông nghệp.
Xuất phát từ yêu cầu đó, chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài luận
án: plasma cho
thép 40CrMo.
2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-
+ Công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị Eltropuls H045x080;
+ Mẫu vật liệu nghiên cứu: Thép 40CrMo;
+ Một số chi tiết máy chế tạo từ thép 40CrMo, 40Cr.
-
+ Nghiên cứu một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị
thấm nitơ plasma nói trên;
+ Nghiên cứu cơ chế thấm nitơ nói chung, cơ chế hình thành lớp thấm nitơ
plasma nói riêng;
+ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ thấm, thời gian
thấm và tỷ lệ khí nitơ/hydro đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ plasma
bao gồm tổ chức tế vi, chiều dày lớp thấm, độ cứng bề mặt, cường độ mài
mòn trên thép 40CrMo;
+ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thấm một số
chi tiết máy sử dụng thép 40CrMo.
3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
-
+ Nghiên cứu các quy luật cơ bản của sụ hình thành lớp bề mặt trong
quá trình thấm nitơ plasma, đặc biệt là đối với thép 40CrMo;
được vùng thông số công nghệ tối ưu cho phép thu được E, m, d
1
, d
2
tốt nhất,
đáp ứng yêu cầu sản xuất.
- Đưa ra được sơ đồ công nghệ và quy trình công nghệ thấm chi tiết
thực; kiểm tra lại bằng tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, cường độ mài mòn,
nhiễu xạ tia X.
- Đã ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho một số chi tiết làm từ
các thép khác nhau, đặc iệt là thép 40Crmo. Qua đánh giá cho thấy chất lượng
làm việc của các chi tiết sau thấm cao hơn chất lượng làm việc của các chi tiết
không sử dụng công này.
5 Cấu trúc nội dung luận án
Cấu trúc nội dung luận án gồm những nội dung chính sau:
- Mở đầu
- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Cơ sở lý thuyết về thấm nitơ plasma
- Vật liệu và trang thiết bị nghiên cứu
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận chung
xxi
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA
1.1 Lựa chọn công nghệ
Công nghệ xử lý bề mặt đang được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật,
đặc biệt là trong ngành kỹ thuật cơ khí. Các vấn đề mà công nghệ xử lý bề
mặt quan tâm nghiên cứu hiện nay bao gồm sự hình thành các lớp bề mặt
- Borizing
++
+++
0
0
- PVD
+++
++
0
+
- PACVD
+++
++
0
+
- CVD
+++
++
0
+
- Phun phủ nhiệt khí
+
++
0
+
Ghi chú: 0: Không ảnh hưởng
+/++: Mức độ cải thiện tính chất nhỏ hoặc trung bình
+++: Mức độ cải thiện tính chất tốt
Qua bảng 1.1 ta thấy, một chi tiết cần chống mài mòn và ăn mòn trong
các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến, bảo vệ được môi trường thì công nghệ
Piston
Bạc biên
Trục khuỷu (1) Hình 1.2. Các giải pháp bề mặt trong ngành sản xuất ôtô [31]
Ghi chú: Các chi tiết sử dụng giải pháp bề mặt:
- Nitriting (1)
- Nitriting + Oxidition (2)
- PVD (3)
xxiii
Hình 1.2 thể hiện giải pháp sử dụng công nghệ bề mặt đối với ngành cơ khí
động lực; các chi tiết như bánh răng, lò xo supap, supap, vòng găng, trục khuỷu,…
là các chi tiết lựa chọn công nghệ thấm nitơ để xử lý bề mặt. Các chi tiết khác
như vòi phun, con đội, trục cam,… sử dụng công nghệ PVD. Các công nghệ
này sử dụng rất thân thiện với môi trường, là những công nghệ xử lý bề mặt
tiên tiên, các nhà khoa học đang khuyến cáo sử dụng (Brinke T., 2006) [31].
1.2 Các công nghệ thấm nitơ
Công nghệ thấm nitơ, lần đầu tiên được thực hiện và phát triển trong
những năm đầu của thập niên 1900, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều
ứng dụng công nghiệp. Cùng với sự phát triển của quá trình thấm nitơ, thấm
nitơ – cacbon, thấm cacbon, thấm nitơ thường được sử dụng trong sản xuất
máy bay, vòng bi, linh kiện ôtô, máy dệt, các hệ thống thế hệ tuabin,… Bề mặt
chi tiết thấm nitơ được bao phủ bởi một lớp nitrit bền vững (Nguyễn Phú Ấp,
1994) [2], (Baranowska J., 2008) [27], (Pye D., 2003) [95].
Đặc điểm nổi bật của quá trình thấm nitơ là nó chỉ thay đổi lớp bề mặt
mà không làm thay đổi thành phần của lõi, không làm thay đổi tổ chức tế vi
Các quá trình này dựa trên sự tương tác của nitơ trong sắt, tuân theo
giản đồ pha sắt-nitơ (hình 1.4) (Lê Công Dưỡng, 1996) [6], (Baranowska J.,
2008) [27], (Darbellay J., 2006) [40], (Pye D., 2003) [95], (Rolinski E., 2007)
[103], (Бучков. A. и др,1985) [122], (Greßmann T., 2007) [126].
Copyright: Tài liệu đại học ©