Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Công Nghệ Xử Lý Nhiệt Và Bề Mặt Đến Khả Năng Thấm Nitơ Cho Thép Không Gỉ SUS420

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Linh
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Văn Trung
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Công Nghệ Xử Lý Nhiệt Đến Khả Năng Thấm Nitơ Của Thép Không Gỉ SUS420
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÉP KHÔNG GỈ
• 1.1. Khái niệm về thép không gỉ
• 1.2. Phân loại thép không gỉ
• 1.3. Tính chất của thép không gỉ
• 1.4. Thép không gỉ mactenxit SUS420
• 1.5. Thành phần hóa học và vai trò các nguyên tố trong thép
• 1.6. Tính chất của thép không gỉ mactenxit 420
• 1.7. Nhiệt luyện thép không gỉ mactenxit 420
• 1.8. Công nghệ thấm nitơ thể khí cho thép không gỉ mactenxit
• 1.9. Công nghệ thấm nitơ thể khí
• 1.10. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến sự hình thành lớp thấm
• 1.11. Công nghệ thấm nitơ cho thép không gỉ mactenxit
• 1.12. Ảnh hưởng của trạng thái xử lý nhiệt và bề mặt đến quá trình thấm nitơ thép không gỉ
• 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Quy trình nghiên cứu
• 2.2. Quy trình thực nghiệm
• 2.3. Nhiệt luyện sơ bộ - ủ cho thép không gỉ mactenxit 420
• 2.4. Tôi thép không gỉ mactenxit 420
• 2.5. Ram thép không gỉ mactenxit 420
• 2.6. Xử lý bề mặt và thấm thấm nitơ thể khí cho thép 420
• 2.7. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.7.1. Phương pháp hiển vi quang học
• 2.7.2. Phương pháp phân tích SEM & EDS
• 2.7.3. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)
• 2.7.4. Phương pháp xác định chiều dày lớp thấm
• 2.7.5. Phương pháp xác định độ cứng
• 2.8. Thiết bị thực nghiệm
• 2.8.1. Thiết bị công nghệ
• 2.8.2. Thiết bị phụ trợ
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái chưa thấm nitơ
• 3.2. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái cung cấp
• 3.3. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái sau ủ
• 3.4. Tổ chức và độ cứng của thép SUS420 ở trạng thái sau tôi và ram
• 3.5. Tổ chức và tính chất của thép SUS420 ở các trạng thái sau khi thấm
• 3.6. Ảnh hưởng của xử lý bề mặt bằng hóa chất trước thấm
• 3.7. Ảnh hưởng của trạng thái xử lý nhiệt (ủ, tôi, ram)
• 3.8. Ảnh hưởng của độ nhám
• 3.9. Tổng hợp chiều dày lớp thấm và độ cứng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thép Không Gỉ SUS420 Tổng Quan và Ứng Dụng Quan Trọng

Thép không gỉ SUS420 là một loại thép mactenxit phổ biến, nổi tiếng với độ cứng và khả năng chống mài mòn tốt sau khi xử lý nhiệt. Với hàm lượng crôm tối thiểu 12%, SUS420 có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường. Ứng dụng của thép SUS420 rất đa dạng, bao gồm chế tạo khuôn nhựa, dao kéo, dụng cụ y tế và các chi tiết máy móc yêu cầu độ bền cao. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn của SUS420 không cao bằng các loại thép không gỉ austenit. Việc xử lý nhiệt thép không gỉ là yếu tố then chốt để tối ưu hóa các đặc tính cơ học của nó. Theo nghiên cứu, việc lựa chọn phương pháp xử lý nhiệt phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn của thép. Việc tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc tế vi thép SUS420 sau xử lý nhiệt là rất quan trọng. Các phương pháp xử lý bề mặt, đặc biệt là thấm nitơ thép, có thể cải thiện đáng kể độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của SUS420, mở rộng phạm vi ứng dụng của nó.

1.1. Thành Phần Hóa Học và Vai Trò Các Nguyên Tố Trong Thép SUS420

Thép không gỉ SUS420 chứa chủ yếu Crôm (Cr), Carbon (C), Mangan (Mn), Silic (Si) và Sắt (Fe). Crôm là yếu tố quan trọng tạo nên khả năng chống ăn mòn của thép. Cacbon giúp tăng độ cứng và độ bền sau khi xử lý nhiệt. Mangan và silic được thêm vào để cải thiện tính gia công và độ bền. Tỷ lệ các nguyên tố này ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính thép sau thấm nitơ và quá trình nhiệt luyện. Theo tài liệu, hàm lượng carbon cao hơn sẽ làm tăng độ cứng nhưng giảm độ dẻo dai của thép, cần có sự cân bằng để đạt được hiệu quả tối ưu.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Thép Không Gỉ SUS420 Trong Công Nghiệp

Thép không gỉ SUS420 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong ngành y tế, nó được dùng để chế tạo dụng cụ phẫu thuật nhờ khả năng chống ăn mòn và dễ dàng khử trùng. Trong ngành sản xuất khuôn mẫu, SUS420 được sử dụng làm khuôn nhựa nhờ độ cứng cao và khả năng chống mài mòn tốt. Ngoài ra, SUS420 còn được dùng để sản xuất dao, kéo và các chi tiết máy móc đòi hỏi độ bền cao. Ứng dụng thép SUS420 thấm nitơ giúp kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu quả sử dụng của các sản phẩm.

II. Thách Thức Thấm Nitơ SUS420 Lớp Oxit và Giải Pháp Xử Lý

Quá trình thấm nitơ thép cho thép không gỉ SUS420 đối mặt với một thách thức lớn: lớp oxit thụ động tự nhiên trên bề mặt thép. Lớp oxit này ngăn cản sự khuếch tán của nitơ vào bên trong, làm giảm hiệu quả của quá trình thấm. Việc xử lý lớp oxit này là bước quan trọng để đảm bảo quá trình thấm diễn ra thành công. Các phương pháp xử lý bao gồm xử lý hóa học bằng axit, mài cơ học, hoặc sử dụng các kỹ thuật đặc biệt trong quá trình thấm. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và điều kiện sản xuất. Nghiên cứu cho thấy, loại bỏ hoàn toàn lớp oxit là yếu tố then chốt để khả năng thấm nitơ đạt hiệu quả cao nhất.

2.1. Tác Động Của Lớp Oxit Tự Nhiên Đến Quá Trình Thấm Nitơ Thép

Lớp oxit tự nhiên trên bề mặt thép không gỉ SUS420 hoạt động như một rào cản, ngăn chặn quá trình khuếch tán của nitơ vào bên trong vật liệu. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả của quá trình thấm nitơ, dẫn đến lớp thấm mỏng hoặc thậm chí không thấm được. Lớp oxit này cần được loại bỏ hoặc phá vỡ để tạo điều kiện cho nitơ nguyên tử hấp thụ và khuếch tán vào thép. Nghiên cứu cho thấy, nếu không xử lý lớp oxit, quá trình thấm nitơ thép sẽ không đạt được hiệu quả mong muốn.

2.2. Các Phương Pháp Xử Lý Bề Mặt Để Loại Bỏ Lớp Oxit Trước Thấm Nitơ

Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý bề mặt thép không gỉ SUS420 nhằm loại bỏ lớp oxit trước khi thấm nitơ. Xử lý hóa học bằng axit là một phương pháp phổ biến, sử dụng các dung dịch axit để hòa tan lớp oxit. Mài cơ học, chẳng hạn như mài bằng giấy nhám, cũng có thể được sử dụng để loại bỏ lớp oxit. Ngoài ra, một số kỹ thuật đặc biệt trong quá trình thấm nitơ, như sử dụng khí hoạt hóa, cũng có thể giúp phá vỡ lớp oxit. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào môi trường thấm nitơ và điều kiện sản xuất.

2.3. So Sánh Các Phương Pháp Xử Lý Bề Mặt Cho Thép SUS420

Mỗi phương pháp xử lý bề mặt đều có ưu và nhược điểm riêng. Xử lý hóa học có thể loại bỏ lớp oxit một cách hiệu quả, nhưng cần kiểm soát chặt chẽ nồng độ axit và thời gian xử lý để tránh ăn mòn quá mức. Mài cơ học đơn giản và dễ thực hiện, nhưng có thể tạo ra các vết xước trên bề mặt. Các kỹ thuật đặc biệt trong quá trình thấm nitơ có thể phức tạp hơn, nhưng có thể đạt hiệu quả cao hơn trong một số trường hợp. So sánh các phương pháp xử lý nhiệt thép SUS420 cho thấy mỗi phương pháp có ảnh hưởng khác nhau đến kết quả cuối cùng.

III. Ảnh Hưởng Xử Lý Nhiệt Đến Khả Năng Thấm Nitơ Thép SUS420

Trạng thái xử lý nhiệt trước thấm nitơ có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp thụ và khuếch tán nitơ vào thép không gỉ SUS420. Các trạng thái xử lý nhiệt khác nhau như ủ, tôi và ram tạo ra các cấu trúc tế vi khác nhau, ảnh hưởng đến độ cứng, độ dẻo và khả năng khuếch tán của nitơ. Mẫu ở trạng thái ủ thường có độ cứng thấp hơn nhưng khả năng khuếch tán nitơ tốt hơn. Mẫu ở trạng thái tôi và ram có độ cứng cao hơn nhưng khả năng khuếch tán nitơ có thể bị hạn chế. Việc lựa chọn trạng thái xử lý nhiệt phù hợp trước thấm nitơ là rất quan trọng để đạt được độ cứng bề mặt thép SUS420 mong muốn.

3.1. Ảnh Hưởng Của Trạng Thái Ủ Đến Khả Năng Thấm Nitơ Của Thép SUS420

Trạng thái ủ thường tạo ra cấu trúc tế vi mềm hơn, dễ dàng cho nitơ khuếch tán vào bên trong thép. Mẫu ở trạng thái ủ có xu hướng có chiều sâu lớp thấm dày hơn so với các trạng thái khác. Tuy nhiên, độ cứng bề mặt của mẫu sau khi thấm nitơ ở trạng thái ủ có thể thấp hơn. Theo nghiên cứu, biến đổi pha trong thép SUS420 sau khi ủ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thấm nitơ.

3.2. Ảnh Hưởng Của Trạng Thái Tôi Và Ram Đến Khả Năng Thấm Nitơ

Trạng thái tôi và ram tạo ra cấu trúc tế vi cứng hơn, có thể hạn chế quá trình khuếch tán của nitơ. Mẫu ở trạng thái tôi và ram có xu hướng có chiều sâu lớp thấm mỏng hơn nhưng độ cứng bề mặt cao hơn. Việc ram sau khi tôi có thể cải thiện độ dẻo dai và giảm ứng suất dư. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram lên độ cứng bề mặt thép SUS420 cần được xem xét kỹ lưỡng.

3.3. Tối Ưu Hóa Quy Trình Xử Lý Nhiệt Trước Thấm Nitơ Cho SUS420

Để tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt trước thấm nitơ, cần cân nhắc giữa độ cứng và khả năng khuếch tán của nitơ. Đối với các ứng dụng yêu cầu độ cứng cao, trạng thái tôi và ram có thể phù hợp hơn. Đối với các ứng dụng yêu cầu chiều sâu lớp thấm dày, trạng thái ủ có thể là lựa chọn tốt hơn. Việc điều chỉnh nhiệt độ thấm nitơ và thời gian thấm cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

IV. Nghiên Cứu Độ Nhám Bề Mặt và Ảnh Hưởng Đến Thấm Nitơ SUS420

Độ nhám bề mặt là một yếu tố quan trọng khác có thể ảnh hưởng đến quá trình thấm nitơ. Bề mặt nhám có thể làm tăng diện tích tiếp xúc giữa thép và môi trường thấm, tạo điều kiện cho nitơ hấp thụ dễ dàng hơn. Tuy nhiên, bề mặt quá nhám cũng có thể gây cản trở quá trình khuếch tán của nitơ vào bên trong vật liệu. Nghiên cứu cho thấy, có một độ nhám tối ưu cho quá trình thấm nitơ, phụ thuộc vào loại thép và điều kiện thấm. Việc kiểm soát độ nhám bề mặt là rất quan trọng để đạt được hiệu quả thấm nitơ tốt nhất và cải thiện khả năng chống ăn mòn thép SUS420.

4.1. Tác Động Của Độ Nhám Đến Khả Năng Hấp Thụ Nitơ Trên Bề Mặt Thép

Bề mặt nhám làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, tạo điều kiện cho nhiều nitơ nguyên tử hấp thụ hơn. Tuy nhiên, bề mặt quá nhám có thể tạo ra các vùng khuất, gây cản trở quá trình khuếch tán của nitơ vào bên trong vật liệu. Việc tìm ra độ nhám tối ưu là rất quan trọng để cân bằng giữa khả năng hấp thụ và khuếch tán của nitơ. Các kết quả cho thấy độ cứng bề mặt thép SUS420 thay đổi theo độ nhám bề mặt.

4.2. Phương Pháp Tạo Độ Nhám Bề Mặt Khác Nhau Cho Thép SUS420

Có nhiều phương pháp khác nhau để tạo độ nhám bề mặt cho thép không gỉ SUS420. Mài bằng giấy nhám với các độ hạt khác nhau là một phương pháp phổ biến. Phun cát cũng có thể được sử dụng để tạo ra bề mặt nhám. Ngoài ra, một số kỹ thuật đặc biệt, như khắc axit, cũng có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc bề mặt đặc biệt. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và điều kiện sản xuất.

4.3. Nghiên Cứu Về Độ Nhám Tối Ưu Cho Quá Trình Thấm Nitơ Thép SUS420

Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định độ nhám tối ưu cho quá trình thấm nitơ thép không gỉ SUS420. Các mẫu với độ nhám khác nhau cần được chuẩn bị và thấm nitơ trong các điều kiện tương tự. Sau đó, chiều sâu lớp thấm và độ cứng bề mặt cần được đo và so sánh để xác định độ nhám tối ưu. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa quy trình thấm nitơ và cải thiện hiệu quả của quá trình. Điều này ảnh hưởng trực tiếp tới cơ tính thép sau thấm nitơ.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Thấm Nitơ SUS420 Khuôn Mẫu và Dụng Cụ

Công nghệ thấm nitơ thép không gỉ SUS420 có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các ngành công nghiệp khác nhau. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là trong sản xuất khuôn mẫu, đặc biệt là khuôn nhựa. Thấm nitơ giúp tăng độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của khuôn, kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu quả sản xuất. Ngoài ra, thấm nitơ còn được sử dụng để cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn của dao, kéo và các dụng cụ y tế. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các sản phẩm, đồng thời giảm chi phí bảo trì và thay thế. Quan trọng là phải kiểm soát chặt chẽ thời gian thấm nitơ để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

5.1. Cải Thiện Tuổi Thọ Khuôn Nhựa Bằng Công Nghệ Thấm Nitơ Thép SUS420

Thấm nitơ làm tăng độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của khuôn nhựa, giúp chúng chịu được áp lực và nhiệt độ cao trong quá trình ép nhựa. Điều này kéo dài tuổi thọ của khuôn, giảm số lần phải bảo trì và thay thế. Thấm nitơ cũng giúp cải thiện độ chính xác của sản phẩm nhựa, giảm tỷ lệ phế phẩm. Kết quả là, ứng dụng thép SUS420 thấm nitơ giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

5.2. Nâng Cao Độ Bền Dao Kéo và Dụng Cụ Y Tế Nhờ Thấm Nitơ

Thấm nitơ làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn của dao kéo, giúp chúng duy trì độ sắc bén lâu hơn. Đối với dụng cụ y tế, thấm nitơ giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn và dễ dàng khử trùng, đảm bảo an toàn cho bệnh nhân. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các sản phẩm, đáp ứng yêu cầu khắt khe của các ngành công nghiệp này. Ảnh hưởng của môi trường thấm nitơ đến chất lượng sản phẩm cần được xem xét.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Thấm Nitơ SUS420

Nghiên cứu về ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt đến khả năng thấm nitơ cho thép không gỉ SUS420 đã cung cấp những thông tin quan trọng để tối ưu hóa quy trình thấm. Việc xử lý lớp oxit, lựa chọn trạng thái xử lý nhiệt phù hợp và kiểm soát độ nhám bề mặt là những yếu tố then chốt để đạt được hiệu quả thấm tốt nhất. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp xử lý bề mặt mới, khám phá các thông số thấm nitơ tối ưu và đánh giá cơ tính thép sau thấm nitơ trong các điều kiện ứng dụng khác nhau. Điều này hứa hẹn sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng của thép SUS420 trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Về Ảnh Hưởng Của Xử Lý Nhiệt

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, trạng thái ủ tạo ra chiều sâu lớp thấm dày hơn, trong khi trạng thái tôi và ram tạo ra độ cứng bề mặt cao hơn. Việc lựa chọn trạng thái xử lý nhiệt phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Cần có sự cân bằng giữa độ cứng và khả năng khuếch tán của nitơ để đạt được hiệu quả tối ưu. Phương pháp thấm nitơ có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu Mới Về Quy Trình Thấm Nitơ Thép SUS420

Các hướng nghiên cứu mới có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp xử lý bề mặt thân thiện với môi trường, khám phá các kỹ thuật thấm nitơ tiên tiến như thấm nitơ plasma, và đánh giá ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim khác đến khả năng thấm nitơ. Ngoài ra, việc mô phỏng quá trình thấm nitơ bằng phần mềm cũng có thể giúp tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí thử nghiệm. Việc phân tích cấu trúc tế vi thép SUS420 sau xử lý là rất quan trọng.

Tổng quan nghiên cứu

Thép không gỉ SUS420 là một trong những loại thép mactenxit có hàm lượng cacbon cao và crôm tối thiểu 12%, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất khuôn mẫu, dụng cụ y tế và các chi tiết chịu mài mòn cao. Theo ước tính, việc nâng cao khả năng thấm nitơ vào bề mặt thép không gỉ SUS420 có thể cải thiện đáng kể độ cứng bề mặt và tuổi thọ sản phẩm. Tuy nhiên, quá trình thấm nitơ thể khí gặp nhiều khó khăn do lớp ôxit crôm tự nhiên trên bề mặt thép cản trở sự khuếch tán nitơ nguyên tử. Nghiên cứu này tập trung phân tích ảnh hưởng của công nghệ xử lý nhiệt (ủ, tôi, ram) và trạng thái bề mặt trước khi thấm nitơ đến khả năng thấm nitơ của thép SUS420.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là: (1) đánh giá ảnh hưởng của trạng thái bề mặt (không xử lý, xử lý lớp ôxit, mài tạo độ nhám khác nhau) và trạng thái xử lý nhiệt đến khả năng thấm nitơ; (2) xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt tối ưu nhằm nâng cao chiều sâu lớp thấm và độ cứng bề mặt. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu thép SUS420 trong điều kiện thấm nitơ thể khí với khí NH3 ở nhiệt độ 520°C trong 5 giờ, tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý bề mặt và nhiệt luyện cho thép không gỉ, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và tuổi thọ sản phẩm trong ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu và dụng cụ kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu thép không gỉ mactenxit, công nghệ xử lý nhiệt và công nghệ thấm nitơ thể khí. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết về tổ chức pha và ảnh hưởng của nhiệt luyện đối với thép mactenxit SUS420: Thép SUS420 có tổ chức pha gồm ferit và cacbit ở trạng thái ủ, chuyển sang mactenxit sau quá trình tôi và ram. Nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt ảnh hưởng đến kích thước hạt, hàm lượng pha austenit dư và độ cứng của thép. Việc lựa chọn nhiệt độ ủ 880°C, tôi 1040°C và ram 530°C dựa trên các nghiên cứu về ảnh hưởng nhiệt độ đến cơ tính và tổ chức pha.

2. Mô hình công nghệ thấm nitơ thể khí: Quá trình thấm nitơ bao gồm phân hủy khí NH3 thành nitơ nguyên tử và hydro, hấp thụ nitơ nguyên tử trên bề mặt thép và khuếch tán nitơ vào trong nền thép. Các thông số công nghệ như nhiệt độ thấm, thời gian thấm, thế thấm nitơ (K_N), độ phân hủy NH3, và trạng thái bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến chiều sâu lớp thấm và độ cứng bề mặt. Giản đồ Lehrer được sử dụng để xác định tổ chức lớp thấm dựa trên nhiệt độ và thế thấm nitơ.

Các khái niệm chính bao gồm: tổ chức pha mactenxit, thế thấm nitơ (K_N), lớp thấm nitơ (bao gồm lớp trắng γ’-Fe4N và ε-Fe3N), độ nhám bề mặt, và ảnh hưởng của lớp ôxit crôm tự nhiên.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu thép SUS420 được xử lý nhiệt và bề mặt theo quy trình chuẩn: ủ ở 880°C trong 1 giờ, tôi ở 1040°C trong 30 phút, ram ở 530°C trong 1 giờ. Bề mặt mẫu được xử lý bằng phương pháp mài cơ học với các độ nhám khác nhau (#100, 600, 1200, 2000) hoặc xử lý hóa học bằng dung dịch axit HCl 10% ở 70°C trong 15 phút để loại bỏ lớp ôxit tự nhiên.

Quá trình thấm nitơ thể khí được thực hiện ở nhiệt độ 520°C trong 5 giờ với khí NH3 làm chất thấm. Các mẫu sau thấm được phân tích bằng các phương pháp:

• Hiển vi quang học (OM) để quan sát tổ chức pha và chiều dày lớp thấm.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phân tích thành phần EDS để khảo sát cấu trúc bề mặt và phân bố nitơ.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định các pha tồn tại trong thép và lớp thấm.
• Đo độ cứng thô đại và tế vi để xác định độ cứng bề mặt và phân bố độ cứng từ bề mặt vào trong lõi, từ đó xác định chiều dày lớp thấm theo tiêu chuẩn DIN 50190-3.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm khoảng 20 mẫu với các trạng thái xử lý nhiệt và bề mặt khác nhau. Phương pháp chọn mẫu theo phương pháp ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm chuyên dụng để đo chiều dày lớp thấm và phân tích phổ XRD, kết hợp biểu đồ phân bố độ cứng và ảnh SEM để đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của xử lý lớp ôxit tự nhiên: Mẫu thép không được loại bỏ lớp ôxit crôm tự nhiên trước khi thấm nitơ hầu như không thấm được nitơ hoặc thấm rất kém. Sau khi xử lý hóa học hoặc mài loại bỏ lớp ôxit, nitơ nguyên tử dễ dàng khuếch tán vào bề mặt thép, tạo lớp thấm có chiều sâu đáng kể. Kết quả cho thấy chiều dày lớp thấm tăng trung bình khoảng 30-40% khi loại bỏ lớp ôxit.

2. Ảnh hưởng của trạng thái xử lý nhiệt: Mẫu ở trạng thái ủ có chiều sâu lớp thấm lớn nhất, đạt khoảng 80 μm sau 5 giờ thấm nitơ, nhưng độ cứng bề mặt thấp (khoảng 450 HV). Mẫu sau tôi và ram có chiều dày lớp thấm mỏng hơn (khoảng 40-50 μm), nhưng độ cứng bề mặt cao hơn đáng kể, đạt trên 600 HV. Điều này phản ánh sự ảnh hưởng của tổ chức pha và ứng suất nội tại đến khả năng khuếch tán nitơ và cơ tính bề mặt.

3. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt: Các mẫu được mài với độ nhám khác nhau (#100, 600, 1200, 2000) cho thấy độ nhám bề mặt không ảnh hưởng đáng kể đến chiều dày lớp thấm và độ cứng bề mặt sau thấm nitơ. Sự khác biệt về chiều dày lớp thấm giữa các mẫu chỉ khoảng 5-7%, không có xu hướng rõ ràng theo độ nhám.

4. Tổ chức pha và thành phần lớp thấm: Phân tích XRD và SEM cho thấy lớp thấm nitơ chủ yếu bao gồm các pha nitrit γ’-Fe4N và ε-Fe3N, tạo thành lớp trắng cứng và giòn trên bề mặt. Lớp này có độ cứng cao nhưng cần kiểm soát để tránh làm giảm độ dai của chi tiết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến lớp ôxit crôm tự nhiên cản trở quá trình thấm nitơ là do tính thụ động và độ bền hóa học cao của lớp này, làm giảm hấp thụ nitơ nguyên tử trên bề mặt. Việc loại bỏ lớp ôxit bằng phương pháp hóa học hoặc mài cơ học giúp tăng khả năng hấp thụ nitơ, từ đó tăng chiều sâu lớp thấm.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả chiều dày lớp thấm và độ cứng bề mặt của mẫu ở trạng thái ủ phù hợp với các báo cáo trong ngành, cho thấy tổ chức ferit mềm và nhiều biên giới hạt tạo điều kiện thuận lợi cho nitơ khuếch tán. Trạng thái tôi và ram làm tăng độ cứng do hình thành mactenxit và cacbit, nhưng cũng làm giảm chiều sâu lớp thấm do cản trở khuếch tán nitơ.

Việc độ nhám bề mặt không ảnh hưởng nhiều đến kết quả thấm nitơ phù hợp với một số nghiên cứu thực tế, cho thấy quá trình thấm nitơ chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái bề mặt hóa học và tổ chức pha hơn là độ nhám cơ học. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chiều dày lớp thấm và biểu đồ độ cứng phân bố theo trạng thái xử lý nhiệt và độ nhám, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt và bề mặt cho thép SUS420, nhằm cân bằng giữa chiều sâu lớp thấm và độ cứng bề mặt, từ đó nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc của chi tiết.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Loại bỏ lớp ôxit trước khi thấm nitơ: Áp dụng phương pháp xử lý hóa học bằng dung dịch axit HCl 10% ở 70°C trong 15 phút hoặc mài cơ học để loại bỏ lớp ôxit crôm tự nhiên, nhằm tăng khả năng hấp thụ nitơ nguyên tử. Thời gian thực hiện trước khi thấm nên dưới 1 giờ để tránh tái tạo lớp ôxit.

2. Chọn chế độ xử lý nhiệt tối ưu: Sử dụng chế độ ủ ở 880°C trong 1 giờ để tạo tổ chức ferit mịn, giúp tăng chiều sâu lớp thấm nitơ. Sau đó, tiến hành tôi ở 1040°C trong 30 phút và ram ở 530°C trong 1 giờ để tăng độ cứng bề mặt mà vẫn duy trì chiều sâu lớp thấm hợp lý. Quy trình này nên được áp dụng trong vòng 1-2 ngày sản xuất.

3. Kiểm soát nhiệt độ và thời gian thấm nitơ: Thấm nitơ thể khí ở nhiệt độ 520°C trong 5 giờ với khí NH3, đảm bảo nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ram khoảng 10°C để tránh thay đổi tổ chức nền thép. Cần kiểm soát lưu lượng khí và độ phân hủy NH3 để duy trì thế thấm nitơ ổn định, tránh tạo lớp trắng quá dày gây giòn bề mặt.

4. Không cần ưu tiên xử lý độ nhám bề mặt quá mức: Do độ nhám bề mặt không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thấm nitơ, nên có thể linh hoạt trong việc gia công bề mặt tùy theo yêu cầu ứng dụng mà không cần tập trung vào việc tạo độ nhám đặc biệt.

5. Chủ thể thực hiện: Các nhà sản xuất khuôn mẫu, công ty xử lý nhiệt và các viện nghiên cứu vật liệu nên phối hợp triển khai quy trình xử lý nhiệt và bề mặt theo đề xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian áp dụng quy trình có thể bắt đầu ngay sau khi hoàn thiện nghiên cứu và thử nghiệm thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên gia xử lý nhiệt: Luận văn cung cấp kiến thức chi tiết về ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện và xử lý bề mặt đến khả năng thấm nitơ, giúp họ tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt cho thép SUS420.

2. Nhà sản xuất khuôn mẫu và chi tiết cơ khí: Thông tin về cải thiện độ cứng bề mặt và chiều sâu lớp thấm nitơ giúp nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc của khuôn mẫu, giảm chi phí bảo trì và thay thế.

3. Các nhà nghiên cứu vật liệu và công nghệ bề mặt: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích sâu về cơ chế thấm nitơ, ảnh hưởng của lớp ôxit và tổ chức pha, hỗ trợ phát triển các công nghệ xử lý bề mặt mới.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành Khoa học vật liệu và Kỹ thuật vật liệu: Đây là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích vật liệu và ứng dụng công nghệ thấm nitơ thể khí trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải loại bỏ lớp ôxit crôm trước khi thấm nitơ?
   Lớp ôxit crôm tự nhiên có tính thụ động cao, ngăn cản nitơ nguyên tử hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép. Loại bỏ lớp này bằng mài hoặc xử lý hóa học giúp tăng khả năng thấm nitơ, tạo lớp thấm sâu và đồng đều hơn.

2. Ảnh hưởng của trạng thái xử lý nhiệt đến khả năng thấm nitơ như thế nào?
   Trạng thái ủ tạo tổ chức ferit mềm, nhiều biên giới hạt thuận lợi cho nitơ khuếch tán, dẫn đến chiều sâu lớp thấm lớn. Trạng thái tôi và ram làm tăng độ cứng và hình thành pha mactenxit, cản trở khuếch tán nitơ, làm giảm chiều sâu lớp thấm nhưng tăng độ cứng bề mặt.

3. Độ nhám bề mặt có quan trọng trong quá trình thấm nitơ không?
   Nghiên cứu cho thấy độ nhám bề mặt không ảnh hưởng đáng kể đến chiều sâu lớp thấm và độ cứng bề mặt sau thấm nitơ, do đó không cần ưu tiên xử lý độ nhám quá mức trước khi thấm.

4. Nhiệt độ thấm nitơ được chọn dựa trên tiêu chí nào?
   Nhiệt độ thấm nitơ thường thấp hơn nhiệt độ ram khoảng 10-15°C để tránh thay đổi tổ chức nền thép. Nhiệt độ 520°C được chọn trong nghiên cứu nhằm cân bằng giữa tốc độ khuếch tán nitơ và duy trì tính chất cơ học của thép.

5. Lớp thấm nitơ có ảnh hưởng thế nào đến tuổi thọ sản phẩm?
   Lớp thấm nitơ làm tăng độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn, kéo dài tuổi thọ chi tiết. Tuy nhiên, lớp nitrit quá dày có thể làm bề mặt giòn, dễ nứt, do đó cần kiểm soát chiều dày lớp thấm phù hợp.

Kết luận

• Đã xác định được ảnh hưởng rõ ràng của lớp ôxit crôm tự nhiên, trạng thái xử lý nhiệt và độ nhám bề mặt đến khả năng thấm nitơ của thép không gỉ SUS420.
• Mẫu ở trạng thái ủ cho chiều sâu lớp thấm nitơ lớn nhất, trong khi mẫu sau tôi và ram có độ cứng bề mặt cao hơn nhưng chiều sâu lớp thấm nhỏ hơn.
• Độ nhám bề mặt không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thấm nitơ, cho phép linh hoạt trong gia công bề mặt.
• Quy trình xử lý nhiệt và bề mặt tối ưu gồm ủ 880°C/1h, tôi 1040°C/30 phút, ram 530°C/1h, loại bỏ lớp ôxit trước khi thấm nitơ ở 520°C trong 5 giờ được đề xuất để nâng cao hiệu quả thấm nitơ.
• Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm quy mô lớn, ứng dụng thực tế trong sản xuất khuôn mẫu và phát triển công nghệ xử lý bề mặt cho thép không gỉ SUS420. Đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu phối hợp triển khai để nâng cao chất lượng sản phẩm.