Nghiên cứu công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

1. MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

1.4. Những đóng góp mới

1.5. Cấu trúc nội dung luận án

2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA

2.1. Lựa chọn công nghệ

2.2. Các công nghệ thấm nitơ

2.3. Thấm nitơ thể khí

2.4. Thấm nitơ thể lỏng

2.5. Thấm nitơ plasma

2.6. Các ứng dụng của thấm nitơ

2.7. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

2.8. Tình hình nghiên cứu trong nước

2.9. Kết luận chương 1

3. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ PLASMA

3.1. Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma

3.2. Tác động của ion hóa đến bề mặt chi tiết

3.3. Cơ chế hình thành lớp thấm

3.4. Cấu trúc lớp thấm

3.5. Xác định chiều dày lớp thấm

3.6. Xác định chiều dày nitrit pha ε

3.7. Xác định chiều dày nitrit pha γ’

3.8. Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình thấm

3.8.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm

3.8.2. Ảnh hưởng của thời gian thấm

3.8.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro

3.8.4. Ảnh hưởng của điện áp, mật độ dòng

3.8.5. Ảnh hưởng của áp suất

3.9. Kết luận chương 2

4. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. Vật liệu nghiên cứu

4.2. Chuẩn bị mẫu và phương pháp kiểm tra

4.2.1. Chuẩn bị mẫu

4.2.2. Phương pháp kiểm tra

4.3. Thiết bị thấm nitơ plasma

4.3.1. Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H45x080

4.3.2. Các thông số chính của lò thấm

4.3.3. Lập trình quy trình công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị Eltropuls H045x80

4.3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

4.4. Xây dựng bài toán quy hoạch thực nghiệm

4.5. Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát

4.6. Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu

4.7. Kết luận chương 3

5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

5.1. Kết quả nghiên cứu đơn yếu tố

5.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (0C)

5.1.2. Ảnh hưởng của thời gian thấm t (h)

5.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%)

5.2. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố

5.3. Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát

5.4. Phân tích, lựa chọn sơ đồ và quy trình thực nghiệm

5.4.1. Sơ đồ công nghệ thấm nitơ plasma

5.4.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ

5.4.3. Chương trình điều khiển và quy trình công nghệ quá trình thấm nitơ plasma

5.5. Kết quả thực nghiệm theo thông số tối ưu

5.5.1. Tổ chức tế vi lớp thấm

5.5.2. Độ cứng tế vi

5.5.3. Sự phân bố nitơ trong lớp thấm

5.6. Sản phẩm ứng dụng

5.6.1. Cặp bánh răng bơm thủy lực

5.6.2. Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh của hộp giảm tốc xe trộn – vận chuyển bê tông tươi

5.6.3. Dao băm tĩnh, động và trục xoắn vít

5.6.4. Bánh răng hộp số máy kéo cầm tay

5.6.5. Bánh răng trong máy in Offset 4 màu Daiya

5.7. Kết luận chương 4

KẾT LUẬN

Danh mục các công trình đã công bố

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

I. Tổng quan về công nghệ thấm nitơ plasma

Công nghệ thấm nitơ plasma là một trong những phương pháp tiên tiến trong xử lý bề mặt kim loại, đặc biệt là cho thép 40CrMo. Phương pháp này sử dụng plasma để tạo ra môi trường thấm nitơ, giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học của vật liệu. Thấm nitơ không chỉ tăng độ cứng mà còn nâng cao khả năng chống mài mòn và ăn mòn. Theo nghiên cứu, lớp thấm nitơ có thể giữ được độ cứng cao đến 600°C, vượt trội hơn so với thấm cacbon. Việc áp dụng công nghệ này trong sản xuất giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1 Lựa chọn công nghệ

Việc lựa chọn công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo dựa trên nhiều yếu tố như tính chất vật liệu, yêu cầu kỹ thuật và chi phí. Công nghệ này cho phép điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ khí nitơ/hydro, từ đó tối ưu hóa quá trình thấm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể ảnh hưởng lớn đến độ dày và cấu trúc của lớp thấm, từ đó cải thiện tính năng của sản phẩm cuối cùng.

1.2 Các ứng dụng của thấm nitơ

Công nghệ thấm nitơ plasma được ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí, đặc biệt là trong sản xuất các chi tiết máy chịu mài mòn như bánh răng, trục xoắn vít và dao phay. Việc thấm nitơ giúp tăng tuổi thọ và độ tin cậy của các chi tiết này, từ đó giảm thiểu chi phí bảo trì và thay thế. Các sản phẩm được thấm nitơ plasma không chỉ đáp ứng được yêu cầu về độ bền mà còn có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt.

II. Cơ sở lý thuyết về thấm nitơ plasma

Quá trình thấm nitơ plasma diễn ra thông qua sự ion hóa của khí nitơ trong môi trường plasma, tạo ra các ion nitơ có năng lượng cao. Những ion này sẽ thấm vào bề mặt của thép 40CrMo, hình thành lớp thấm với cấu trúc tinh thể đặc biệt. Cơ chế này không chỉ giúp tăng cường độ cứng mà còn cải thiện khả năng chống mài mòn. Nghiên cứu cho thấy rằng các thông số như điện áp, mật độ dòng và áp suất có ảnh hưởng lớn đến quá trình thấm và chất lượng lớp thấm.

2.1 Quá trình hình thành lớp thấm

Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma bao gồm nhiều giai đoạn, từ ion hóa đến khuếch tán. Các ion nitơ sẽ thấm vào bề mặt thép, tạo thành các pha nitrit như FeN. Sự hình thành lớp thấm này không chỉ phụ thuộc vào các thông số công nghệ mà còn vào cấu trúc ban đầu của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể về độ cứng và tính chất cơ học của lớp thấm.

2.2 Tác động của ion hóa đến bề mặt chi tiết

Ion hóa trong quá trình thấm nitơ plasma đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các ion nitơ có năng lượng cao. Những ion này không chỉ thấm vào bề mặt mà còn có khả năng làm thay đổi cấu trúc bề mặt của thép 40CrMo. Sự tương tác giữa các ion và bề mặt chi tiết có thể dẫn đến sự hình thành các pha mới, từ đó cải thiện đáng kể tính chất cơ học của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh điện áp và mật độ dòng có thể tối ưu hóa quá trình này.

III. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo mang lại nhiều lợi ích. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng độ cứng của lớp thấm có thể đạt được mức cao hơn so với các phương pháp thấm truyền thống. Ngoài ra, sự phân bố nitơ trong lớp thấm cũng được cải thiện, giúp tăng cường khả năng chống mài mòn. Các sản phẩm ứng dụng công nghệ này đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong thực tế, từ đó khẳng định giá trị và tính ứng dụng của công nghệ thấm nitơ plasma.

3.1 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ thấm

Thí nghiệm cho thấy rằng nhiệt độ thấm có ảnh hưởng lớn đến độ dày và tính chất của lớp thấm. Khi nhiệt độ tăng, độ cứng của lớp thấm cũng tăng theo, tuy nhiên cần phải cân nhắc để tránh làm giảm độ bền của vật liệu. Kết quả này cho thấy rằng việc tối ưu hóa nhiệt độ thấm là rất quan trọng trong quá trình thấm nitơ plasma.

3.2 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian thấm

Thời gian thấm cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng thời gian thấm dài hơn có thể dẫn đến sự gia tăng độ dày của lớp thấm, tuy nhiên cũng cần phải chú ý đến sự giảm sút của các tính chất cơ học. Việc xác định thời gian thấm tối ưu sẽ giúp đạt được lớp thấm có chất lượng tốt nhất.

Luận án nghiên cứu công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo