Xử lý thấm nitơ đề cập đến một quá trình xử lý nhiệt hóa học trong đó các nguyên tử nitơ xâm nhập vào bề mặt phôi trong một môi trường nhất định ở nhiệt độ nhất định. Các sản phẩm nitrided có khả năng chống mài mòn tuyệt vời, chống mỏi, chống ăn mòn và chịu nhiệt độ cao.
Giới thiệu về xử lý thấm nitơ
Các nguyên tố nhôm, crom, vanadi và molypden trong thép hợp kim truyền thống rất hữu ích cho quá trình thấm nitơ. Các nguyên tố này tạo thành nitrua ổn định khi chúng tiếp xúc với các nguyên tử nitơ nguyên thủy ở nhiệt độ thấm nitơ. Đặc biệt, Molypden không chỉ hoạt động như một nguyên tố tạo thành nitrit mà còn làm giảm độ giòn xảy ra ở nhiệt độ thấm nitơ. Các nguyên tố trong các loại thép hợp kim khác như niken, đồng, silicon, mangan, v.v. không đóng góp nhiều vào đặc tính thấm nitơ. Nhìn chung, nếu thép có chứa một hoặc nhiều nguyên tố tạo nitrit thì hiệu quả sau khi thấm nitơ sẽ tốt hơn. Trong số đó, nhôm là nguyên tố nitrit mạnh nhất và kết quả thấm nitơ chứa 0,85 ~ 1,5% nhôm là tốt nhất. Trong trường hợp thép crom có chứa crom, nếu có đủ hàm lượng cũng có thể thu được kết quả tốt. Tuy nhiên, thép cacbon không có hợp kim không phù hợp để thấm nitơ vì lớp thấm nitơ do nó tạo ra rất giòn và dễ bong tróc.
Có sáu loại thép thấm nitơ thường được sử dụng như sau:
(1) Thép hợp kim thấp chứa nhôm (thép thấm nitơ tiêu chuẩn)
(2) Thép hợp kim thấp carbon trung bình có chứa nguyên tố crom SAE 4100,4300,5100,6100,8600,8700,9800 series.
(3) Thép khuôn gia công nóng (chứa khoảng 5% crom) SAE H11 (SKD-61)H12, H13
(4) Thép không gỉ Ferritic và Martensitic dòng SAE 400
(5) Thép không gỉ Austenitic dòng SAE 300
(6) Thép không gỉ làm cứng kết tủa 17-4PH, 17-7pH, A-286, v.v.
Thép thấm nitơ tiêu chuẩn có chứa nhôm có thể đạt được độ cứng cao và bề mặt chịu mài mòn cao sau khi thấm nitơ, nhưng lớp cứng của nó cũng rất giòn. Ngược lại, thép hợp kim thấp chứa crom có độ cứng thấp hơn, nhưng lớp cứng tương đối dẻo, bề mặt của nó cũng có khả năng chống mài mòn và chống tia đáng kể. Vì vậy, khi lựa chọn vật liệu cần chú ý đến đặc tính của vật liệu và tận dụng tối đa ưu điểm của chúng để đáp ứng chức năng của các bộ phận. Các loại thép công cụ như H11(SKD61) và D2(SKD-11) có độ cứng bề mặt cao và hiệu ứng độ bền lõi cao.
Tăng khả năng chống mài mòn, độ cứng bề mặt, giới hạn mỏi và khả năng chống ăn mòn của các bộ phận thép.
Quy trình kỹ thuật
• Làm sạch bề mặt chi tiết trước khi thấm nitơ
Hầu hết các bộ phận có thể được thấm nitơ ngay sau khi tẩy dầu mỡ bằng khí. Một số bộ phận cũng cần được làm sạch bằng xăng, nhưng nếu sử dụng phương pháp xử lý cuối cùng trước khi thấm nitơ là đánh bóng, mài, đánh bóng, v.v., có thể tạo ra các lớp bề mặt cản trở quá trình thấm nitơ, dẫn đến các lớp thấm nitơ không đồng đều hoặc khuyết tật uốn cong sau khi thấm nitơ. Tại thời điểm này, nên sử dụng một trong hai phương pháp sau để loại bỏ lớp bề mặt. Phương pháp đầu tiên là loại bỏ dầu bằng khí trước khi thấm nitơ. Bề mặt sau đó được làm sạch bằng chất mài mòn bằng bột oxit mài mòn. Phương pháp thứ hai là xử lý bề mặt bằng lớp phủ phốt phát.
• Loại bỏ không khí từ lò thấm nitơ
Các bộ phận đã qua xử lý được đặt trong lò thấm nitơ và vỏ lò có thể được gia nhiệt sau khi bịt kín, nhưng phải loại bỏ không khí ra khỏi lò trước khi nung đến 150 độ C.
Chức năng chính của lò xả là ngăn chặn khí nổ do sự phân hủy của khí amoniac và tiếp xúc với không khí, đồng thời ngăn chặn quá trình oxy hóa bề mặt của vật liệu được xử lý và chất hỗ trợ. Khí được sử dụng là amoniac và nitơ.
Các quy tắc loại bỏ không khí ra khỏi lò như sau:
① Sau khi lắp đặt xong các bộ phận đã qua xử lý, đậy kín nắp lò, khởi động khí amoniac khan và tốc độ dòng chảy càng nhiều càng tốt.
② Đặt điều khiển nhiệt độ tự động của lò nung ở 150 độ và bắt đầu làm nóng (lưu ý nhiệt độ lò không được cao hơn 150 độ).
③ Khi loại bỏ không khí trong lò xuống dưới 10% hoặc khí thải chứa hơn 90% NH3, nhiệt độ lò được tăng lên đến nhiệt độ thấm nitơ.
Tốc độ phân hủy amoniac
Quá trình thấm nitơ được thực hiện khi tiếp xúc với các nguyên tố hợp kim khác và nitơ sơ cấp, nhưng việc sản xuất nitơ sơ cấp, nghĩa là bản thân thép trở thành chất xúc tác khi amoniac tiếp xúc với thép gia nhiệt và thúc đẩy quá trình phân hủy amoniac.
Mặc dù quá trình thấm nitơ có thể được thực hiện với nhiều tốc độ phân hủy amoniac khác nhau, nhưng tốc độ phân hủy thường được sử dụng từ 15 đến 30%, độ dày thấm nitơ cần thiết được duy trì trong ít nhất 4 đến 10 giờ và nhiệt độ xử lý được duy trì ở khoảng 520 độ C. .
làm mát
Hầu hết các lò thấm nitơ công nghiệp đều có công tắc nhiệt để làm nguội nhanh lò và xử lý các bộ phận sau khi quá trình thấm nitơ hoàn tất. Nghĩa là, sau khi quá trình thấm nitơ hoàn tất, nguồn điện sưởi ấm bị tắt, nhiệt độ lò giảm khoảng 50 độ C, sau đó tốc độ dòng amoniac tăng gấp đôi và công tắc nhiệt được mở. Lúc này, cần quan sát xem có bong bóng tràn trong chai thủy tinh nối với ống xả để xác nhận áp suất dương trong lò hay không. Sau khi khí amoniac lắng trong lò, dòng amoniac có thể giảm cho đến khi duy trì áp suất dương trong lò. Khi nhiệt độ lò giảm xuống dưới 150 độ C, phương pháp loại bỏ khí lò được mô tả ở trên được sử dụng và nắp lò có thể được mở sau khi đưa không khí hoặc nitơ vào.
NH3 → [N] Fe + 3/2 H2
N bị phân hủy sẽ khuếch tán vào bề mặt thép để tạo thành. Thấm nitơ khí pha Fe2-3N, nhược điểm chung là lớp đông cứng mỏng và thời gian xử lý thấm nitơ dài.
Quá trình thấm nitơ khí do sự phân hủy NH3 cho hiệu quả thấm nitơ thấp, do đó, nhìn chung, việc lựa chọn thép cố định phù hợp cho quá trình thấm nitơ, chẳng hạn như Al, Cr, Mo và các nguyên tố thấm nitơ khác, nếu không thì không thể thực hiện quá trình thấm nitơ, sử dụng JIS, SACM1 JIS, SACM645 và SKD61 mới để tăng cường và làm cứng việc xử lý, còn được gọi là ủ Al, Cr, SKD61. Mo và các nguyên tố khác làm tăng nhiệt độ của điểm biến đổi, do đó nhiệt độ tôi cao và nhiệt độ tôi luyện cao hơn thép hợp kim kết cấu thông thường, do đó, độ giòn được tôi luyện giữa nhiệt độ thấm nitơ trong một thời gian dài, do đó quá trình tôi luyện và điều trị tăng cường được áp dụng trước. Thấm nitơ khí NH3, do bề mặt nhám lâu ngày, cứng và giòn, không dễ mài, lâu không kinh tế nên được sử dụng để thấm nitơ ống cấp liệu và trục vít của máy ép phun nhựa.
thấm nitơ lỏng
Sự khác biệt chính của quá trình thấm nitơ mềm lỏng là có pha Fe3Nε trong lớp thấm nitơ, pha Fe4Nr tồn tại và không chứa nitrit pha Fe2Nξ, và các hợp chất pha ξ là các nitrit cứng và giòn, có độ bền kém trong xử lý thấm nitơ. Phương pháp thấm nitơ mềm bằng chất lỏng là xử lý phôi, đầu tiên loại bỏ rỉ sét, tẩy dầu mỡ, làm nóng trước, sau đó đặt nó vào nồi nấu thấm nitơ, là tác nhân muối chính TF-1. Nó được làm nóng đến 560 ~ 600 độ trong vài phút đến vài giờ, tùy theo tải trọng bên ngoài của phôi và xác định độ sâu của lớp thấm nitơ, trong quá trình xử lý, một ống khí phải được đưa vào đáy của nồi nấu kim loại để phân hủy thành CN hoặc CNO với một lượng tác nhân muối thấm nitơ không khí nhất định, thấm và khuếch tán lên bề mặt làm việc. Hợp chất ngoài cùng trên bề mặt phôi là 8~9%wtN và một lượng nhỏ C và lớp khuếch tán, các nguyên tử nitơ khuếch tán vào nền -Fe làm cho thép có khả năng chống mỏi tốt hơn, trong giai đoạn thấm nitơ do bị phân hủy. về mức tiêu thụ CNO nên nó được kiểm tra liên tục trong 6 đến 8 giờ về thành phần muối, để điều chỉnh lượng không khí hoặc thêm muối mới.
Vật liệu được sử dụng để xử lý thấm nitơ mềm bằng chất lỏng là kim loại sắt, độ cứng bề mặt sau khi thấm nitơ cao hơn với các nguyên tố Al, Cr, Mo và Ti, và hàm lượng vàng càng nhiều thì độ sâu thấm nitơ càng nông, chẳng hạn như thép carbon Hv 350 ~ 650, thép không gỉ Hv 1000 ~ 1200, thép thấm nitơ Hv 800 ~ 1100.
Thấm nitơ mềm dạng lỏng thích hợp cho các bộ phận ô tô, máy may, máy ảnh, v.v., như xử lý ống lót xi lanh, xử lý van, xử lý xi lanh piston và khuôn không dễ biến dạng, thích hợp cho các bộ phận ô tô chống mài mòn và chống mỏi.
Thấm nitơ ion
Phương pháp này là đặt phôi vào lò nitrid hóa, bơm chân không vào lò trước tới {{0}} ~ 10-3 Torr(㎜Hg), sau đó đưa khí N2 hoặc N{ {3}} Hỗn hợp H2, điều chỉnh lò về 1-10 Torr, nối thân lò với cực dương, phôi với cực âm và truyền điện áp DC hàng trăm volt giữa hai cực. Lúc này, khí N2 trong lò sẽ phóng điện rực rỡ thành các ion dương di chuyển đến bề mặt làm việc, điện áp catốt sẽ giảm mạnh trong giây lát khiến các ion dương lao về bề mặt catốt ở nhiệt độ cao. tốc độ, chuyển hóa động năng thành năng lượng khí, làm cho nhiệt độ bề mặt phôi tăng lên, bề mặt phôi sẽ phát ra Fe.CO sau tác động của ion nitơ. Các nguyên tố như vậy bắn ra và kết hợp với các ion nitơ thành FeN, do đó sắt nitrit dần dần được hấp phụ trên phôi và tạo ra hiện tượng thấm nitơ, quá trình thấm nitơ về cơ bản là sử dụng nitơ, nhưng nếu bổ sung khí cacbua hydro có thể được sử dụng để xử lý thấm nitơ mềm , nhưng thường được gọi là xử lý thấm nitơ bằng ion, Nồng độ nitơ trên bề mặt phôi có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tỷ lệ áp suất riêng phần của khí hỗn hợp (N2 + H2) chứa đầy trong lò. Trong quá trình thấm nitơ ion tinh khiết, mô r '(Fe4N) một pha chứa hàm lượng N là 5,7 ~ 6,1%wt trên bề mặt làm việc và lớp dày nhỏ hơn 1{28}}μm. Lớp hợp chất chắc chắn nhưng không xốp và không dễ rơi ra. Do sắt nitrit liên tục được phôi hấp phụ và khuếch tán vào bên trong nên cấu trúc từ bề mặt vào bên trong là FeN → Fe2N → Fe3N→ Fe4N thay đổi trình tự, hàm lượng ε(Fe3N) N một pha trong 5,7 ~ 11,0%wt, Hàm lượng N một pha ξ(Fe2N) trong 11,0 ~ 11,35%wt. Khi quá trình nitrat hóa ion lần đầu tiên tạo ra pha r và sau đó thêm chuỗi cacbua hydro, nó sẽ trở thành lớp hợp chất pha ε và lớp khuếch tán, bởi vì sự gia tăng của lớp khuếch tán giúp tăng cường độ mỏi rất nhiều. Giai đoạn ε là tốt nhất.
