LỜI MỞ ĐẦU Khuôn mẫu là dụng cụ được sử dụng phổ biến nhiều trong công nghiệp để tạo hình các sản phẩm như các chi tiết máy hay đồ gia dụng… vì vậy, vấn đề các nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của khuôn mẫu đã, đang và sẽ được chú trọng quan tâm của nền công nghiệp Việt Nam. Các đặc trưng cơ tính quan trọng quyết định tuổi thọ và khả năng làm việc của khuôn là độ bền, độ cứng hay độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn, độ dai và chiều sâu lớp thấm (nếu được xử lý hóa nhiệt luyện). Độ cứng của khuôn không được phép quá cao dễ làm khuôn bị nứt vỡ, nhưng cũng không được quá thấp vì như vậy khả năng chống mài mòn của khuôn sẽ không đạt yêu cầu. Sau khi áp dụng công nghệ hóa nhiệt luyện để nâng cao độ cứng bề mặt và do vậy là khả năng chống mài mòn thì nếu tạo chiều sâu lớp thấm càng dày thì có thể kéo dài thời gian làm việc hay tuổi thọ của khuôn.
Các yếu tố này (độ cứng và chiều sâu lớp thấm) rất phụ thuộc vào loại vật liệu và chế độ xử lý nhiệt và bề mặt cho khuôn. Do vậy, việc lựa chọn vật liệu làm khuôn và chế độ nhiệt luyện hay hóa nhiệt luyện thích hợp để tạo ra cơ tính phù hợp là hết sức quan trọng nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của khuôn. Thép không gỉ mactenxit SUS420 với hàm lượng cacbon cao, crôm tối thiểu 12% được biết đến là một trong những loại thép không gỉ mactenxit có cơ tính tốt, đồng thời có thể được nâng cao cơ tính bằng công nghệ xử lý nhiệt và thường được ứng dụng làm khuôn nhựa, dao kéo, các dụng cụ sử dụng trong y tế… Các dụng cụ khuôn mẫu làm từ thép này có thể cải thiện độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn và do vậy nâng cao được hiệu quả làm việc và tuổi thọ bằng cách áp dụng công nghệ thấm nitơ. Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã sử dụng một số phương pháp thấm nitơ cho thép không gỉ nói chung và thép không gỉ mactenxit SUS420 nói riêng đó chính là: thấm nitơ thể khí, thể lỏng và thấm bằng phương pháp plasma.
Trong các phương pháp thấm kể trên thì phương pháp thấm nitơ thể khí yêu cầu thiết bị và công nghệ không quá phức tạp nhưng đem lại hiệu quả kinh tế cao rất phù hợp với điều kiện thực tế nước ta hiện nay. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi thấm nitơ thể khí cho thép không gỉ đó là việc xử lý lớp ôxit tự nhiên trên bề mặt của thép. Mặt khác, trong công nghệ thấm nitơ, các quá trình chính 1 diễn ra bao gồm: phân hủy khí thấm để tạo ra các nitơ nguyên tử, hấp thụ trên bề mặt thép và khuếch tán vào nền thép. Ngoài ra, trước khi thấm nitơ thì khuôn mẫu thường được gia công cơ và đạt độ bóng (độ nhám) và nhiệt luyện khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.
Chính vì vậy, trạng thái bề mặt cũng như trạng thái tổ chức của mẫu trước thấm có thể ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp thụ và khuếch tán nitơ nguyên tử và do đó sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình và kết quả thấm. Chính bởi vậy tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt trước thấm đến khả năng thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420”. Mục tiêu đề tài là nghiên cứu là: - Nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái bề mặt (không xử lý và có xử lý lớp ôxit tự nhiên hay mài tạo độ nhám khác nhau) và trạng thái công nghệ (ủ, tôi, ram) hay tổ chức trước thấm của mẫu có ảnh hưởng như thế nào tới khả năng thấm nitơ cho thép không gỉ mactenxit SUS420. - Nghiên cứu và xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiệt và về mặt phù hợp đối với thép không gỉ SUS420 để nâng cao chiều sâu lớp thấm và độ cứng bề mặt.
Giới thiệu chung về thép không gỉ Thép chống gỉ (không gỉ) đã ra đời từ khoảng hơn một thế kỷ trở lại đây. Việc sử dụng thép không gỉ trong công nghiệp bắt đầu vào năm 1912 khi đơn xin cấp bằng sáng chế cho một loại thép có khả năng chống ăn mòn cao được đề xuất. Đặc biệt từ những năm 1950, một nhóm vật liệu bao gồm hơn 120 loại thép không gỉ đã được phát triển, chế tạo và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới nhờ khả năng chống ăn mòn tốt đồng thời có tính thẩm mỹ cao và cho đến nay thì nhu cầu sử dụng thép không gỉ ngày càng tăng trong hầu hết các lĩnh vực như: y tế, xây dựng, trong các ngành kỹ thuật, dân dụng, giao thông, và hàng không… 1. Khái niệm về thép không gỉ Thép không gỉ nói chung hay còn gọi là inox (inert oxidized steel - không bị oxy hóa) là loại thép có chứa tối thiểu khoảng 10,5% Crôm và các nguyên tố hợp kim khác như: Ni, Mo, Mn,… Thép không gỉ có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường axit đặc, nước biển, khó bị oxy hóa ở nhiệt độ cao và có tính thẩm mỹ cao nhờ bề mặt sáng bóng.
Vậy nên thép không gỉ có ý nghĩa rất lớn trong các ngành công nghiệp và dân dụng. Các lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của loại thép này là trong: • Thiết bị và dụng cụ y tế • Kiến trúc và xây dựng • Công nghệ ô tô và vận tải • Hàng gia dụng và hàng tiêu dùng • Dụng cụ chế biến thức ăn • Công nghệ biển và đóng tàu • Ứng dụng xây dựng nhà máy hóa chất, dụng cụ đựng hóa chất 1. Phân loại thép không gỉ Thép không gỉ thường được chia thành năm nhóm căn cứ vào tổ chức của thép: thép không gỉ mactenxit, thép không gỉ ferit, thép không gỉ austenit, thép duplex và thép không gỉ hóa bền tiết pha. 3 Tổ chức của thép sau thường hóa phụ thuộc vào hàm lượng Cr và Ni đương lượng và được xác định thông qua giản đồ Schaeffler (hình 1.
Niken đương lượng (Ni +30C+0,5Mn) Austenit (A) Mactenxit (M) Ferit (F) Crôm đương lượng (Cr+Mo +1,5 Si +0,5Cb) Hình 1. Giản đồ Schaeffler các họ thép không gỉ [9] Thép không gỉ một pha austenit: là loại thép chỉ tồn tại một pha austenit trong tổ chức. Tổ chức này đạt được bằng cách sử dụng các nguyên tố hợp kim mở rộng vùng austenit như Ni, Mn hay N. Thép không gỉ austenit chứa Cr cao (>16 ÷18%) và Ni từ ( 6 ÷ 8%).
Ngoài ra, thép có thể hợp kim hóa Mn với hàm lượng có thể lên tới 15%. Thép có kiểu mạng lập phương tâm mặt nên thép có tính dẻo cao, có khả năng hóa bền biến dạng mạnh. Thép này có tổ chức một pha nên không thể hóa bền bằng nhiệt luyện. Để nâng cao tính chống ăn mòn phải làm cho thép có một pha austenit đồng nhất.
Khi nung lên đến một nhiệt độ nhất định thép này có thể tiết cacbit crôm ở biên giới hạt làm tăng nguy cơ ăn mòn biên giới hạt. Để khắc phục hiện tượng này có thể cho thêm một số nguyên tố tạo cacbit mạnh như Ti hay N. Ví dụ một số mác thông dụng thép không gỉ một pha austenit như: SUS304, SUS310, SUS316… 4 Thép không gỉ một pha ferit: đây là loại thép chứa hàm lượng Cr trong khoảng 10,5% đến 30%. Để đảm bảo tổ chức thuần ferit và tránh tạo cacbit, hàm lượng C trong thép được giữ ở mức rất thấp sao cho tỷ lệ Cr/C khoảng 150, ví dụ như các mác 08Cr13 hay 12Cr17.
Ngoài ra, để nâng cao một số tính chất riêng biệt, thép có thể được hợp kim hóa với một số nguyên tố khác như Mo, Si, Al, Ti hay Nb. Để tăng khả năng gia công ta có thể đưa thêm một số nguyên tố như S hay Se vào thép. Thép không gỉ ferit có tính chất sắt từ, có độ dẻo cao và khả năng gia công biến dạng tốt. Do chỉ có một pha ferit trong tổ chức nên độ bền, độ cứng của thép thấp cả ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao.
Đây là loại thép không thể tăng bền bằng nhiệt luyện cũng như khả năng hóa bền biến dạng thấp. Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ ferit nhìn chung là khá tốt. Ví dụ một số mác thép không gỉ một pha ferrit thông thường như: SUS405, SUS429, SUS430… Thép không gỉ mactenxit là nhóm thép có thể tăng bền và có độ cứng cao bằng tôi và ram. Các thép trong họ thép không gỉ mactenxit thường đặc trưng bởi độ bền cao nhưng khả năng chống ăn mòn thấp so với họ thép không gỉ austenit hoặc ferit.
Thép không gỉ mactenxit với hàm lượng cacbon cao làm độ bền tăng nhưng độ dẻo dai giảm đi đáng kể cùng với đó tính hàn cũng kém đi vì thế một số thép không gỉ mactenxit 13% Cr với hàm lượng cacbon cao không được sử dụng trong các kết cấu hàn. Ngoài ra, để tăng độ bền nhiệt và khả năng chống mài mòn có thể bổ sung các nguyên tố tạo cacbit mạnh như Mo, V, W hoặc bổ sung Ni để tăng độ dai cho thép. Lưu huỳnh được thêm vào để cải thiện khả năng gia công cắt gọt. Thép không gỉ mactenxit có khả năng chống ăn mòn trong môi trường ẩm, trong môi trường khí quyển, môi trường kiềm, dung dịch loãng của axit vô cơ, hữu cơ.
Nói chung, với hàm lượng crôm thấp và cacbon cao thì họ thép không gỉ mactenxit khả năng chống ăn mòn thấp hơn các loại thép không gỉ khác. Ví dụ một số mác thép không mactenxit thông thường như: SUS420J1, SUS420J2, SUS410S, SUS403, SUS440A… Thép không gỉ hóa bền tiết pha: có thành phần và tổ chức gần với họ austenit, song có hàm lượng Cr, Ni thấp hơn một chút (13÷17% Cr và 4÷7% Ni), có thêm Al, Cu, Mo, và tổ chức austenit chưa ổn định. Dòng thép này vừa có tính công nghệ vừa có cơ tính cao: rất dễ biến dạng và gia công cắt thép ở 5 trạng thái mềm, sau đó hóa bền bằng hóa già ở nhiệt độ thấp nhờ đó tránh được biến dạng và oxy hóa. Nhiệt luyện loại thép này thường là ủ ở 1050 oC, nguội ngoài không khí thu được tổ chức austenit mềm, dễ biến dạng dẻo và khả năng gia công cắt gọt tốt.
Gia công lạnh ở 0 ÷ (-75)oC để austenit chuyển biến mactenxit, cuối cùng hóa già ở 525o C trong khoảng 1 giờ để các pha hóa bền NiAl, Ni3Al tiết ra làm tăng mạnh độ bền. Thép không gỉ song pha (duplex): có tổ chức gồm hỗn hợp hai pha là ferit và austenit.