Carbonitriding: Tăng cường độ cứng bề mặt cho hiệu suất thép vượt trội
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Định nghĩa và khái niệm cơ bản
Carbonitriding là một quá trình làm cứng bề mặt nhiệt hóa học khuếch tán đồng thời carbon và nitơ vào lớp bề mặt của vật liệu sắt ở nhiệt độ cao. Kỹ thuật làm cứng bề mặt này tạo ra một lớp bề mặt cứng có khả năng chống mài mòn, độ bền mỏi và độ cứng bề mặt được cải thiện trong khi vẫn duy trì lõi dẻo dai. Quá trình này được thực hiện trong môi trường giàu carbon và nitơ, thường ở nhiệt độ từ 700-900°C (1300-1650°F).
Carbonitriding là một biến thể quan trọng của quá trình thấm cacbon thông thường, mang lại một số lợi thế bao gồm nhiệt độ xử lý thấp hơn, thời gian chu kỳ ngắn hơn và cải thiện các đặc tính bề mặt. Việc bổ sung nitơ vào quá trình thấm cacbon truyền thống tạo ra vùng khuếch tán phức tạp hơn với các đặc tính luyện kim độc đáo.
Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, cacbonit hóa thuộc họ xử lý khuếch tán nhiệt hóa học cùng với thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ cacbon và thấm boron. Nó chiếm vị trí chiến lược giữa thấm cacbon và thấm nitơ, kết hợp các khía cạnh có lợi của cả hai quy trình trong khi giải quyết một số hạn chế vốn có của từng phương pháp xử lý riêng lẻ.
Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết
Cơ chế vật lý
Ở cấp độ nguyên tử, carbonitriding liên quan đến sự khuếch tán đồng thời của các nguyên tử carbon và nitơ vào mạng lưới sắt của chất nền thép. Các nguyên tử xen kẽ này chiếm các vị trí bát diện trong cấu trúc austenite lập phương tâm mặt (FCC) trong quá trình xử lý nhiệt độ cao. Sự hiện diện của cả carbon và nitơ tạo ra một vùng khuếch tán phức tạp hơn so với một trong hai nguyên tố riêng lẻ tạo ra.
Cơ chế khuếch tán chủ yếu được kiểm soát bởi các gradient nồng độ và độ linh động nguyên tử phụ thuộc vào nhiệt độ. Các nguyên tử nitơ khuếch tán nhanh hơn các nguyên tử cacbon trong austenit do bán kính nguyên tử nhỏ hơn của chúng. Tốc độ khuếch tán khác biệt này tạo ra một hồ sơ nồng độ đặc trưng trong đó nitơ thâm nhập sâu hơn ban đầu nhưng cacbon cuối cùng đạt được độ sâu trường hợp lớn hơn trong hầu hết các ứng dụng.
Sự đồng hiện diện của nitơ và cacbon làm ổn định pha austenit ở nhiệt độ thấp hơn so với chỉ có cacbon, cho phép nhiệt độ xử lý thấp hơn so với thấm cacbon thông thường. Khi làm nguội, austenit giàu cacbon và nitơ chuyển thành nhiều pha khác nhau bao gồm martensite, austenit giữ lại và carbonitride phức hợp.
Mô hình lý thuyết
Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình cacbonit hóa dựa trên định luật khuếch tán của Fick, đặc biệt là định luật thứ hai mô tả sự thay đổi nồng độ theo thời gian. Mô hình này giải thích cho sự khuếch tán đồng thời của nhiều thành phần xen kẽ có hệ số khuếch tán khác nhau.
Theo truyền thống, hiểu biết về cacbonitriding đã phát triển từ những quan sát thực nghiệm ban đầu vào những năm 1920 thành các mô hình khuếch tán tinh vi hơn vào những năm 1950 và 1960. Các phương pháp tính toán hiện đại kết hợp động học chuyển đổi pha cùng với các phương trình khuếch tán.
Có nhiều cách tiếp cận lý thuyết khác nhau để mô hình hóa quá trình cacbonit hóa, bao gồm các giải pháp phân tích cho các phương trình khuếch tán đơn giản hóa, các phương pháp số cho hình học phức tạp và các mô hình kết hợp nhiệt động lực học-động học. Cách tiếp cận CALPHAD (TÍNH TOÁN Biểu đồ PHAse) ngày càng trở nên quan trọng để dự đoán sự hình thành pha trong quá trình cacbonit hóa.
Cơ sở khoa học vật liệu
Carbonitriding ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể của thép bằng cách đưa vào các nguyên tử cacbon và nitơ xen kẽ làm biến dạng mạng lưới sắt. Sự biến dạng này tạo ra sự gia cường dung dịch rắn và thúc đẩy sự hình thành carbonitride—hợp chất phức tạp chứa cả cacbon và nitơ liên kết với sắt hoặc các nguyên tố hợp kim.
Quá trình này làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô tại và gần bề mặt, tạo ra một gradient pha từ vỏ đến lõi. Các cấu trúc vi mô điển hình bao gồm martensite mịn, austenite giữ lại và các chất kết tủa carbonitride phân tán gần bề mặt, chuyển sang cấu trúc vi mô lõi ban đầu ở độ sâu.
Các nguyên tắc khoa học vật liệu cơ bản chi phối quá trình cacbonit hóa bao gồm khuếch tán trạng thái rắn, động học chuyển pha, làm cứng kết tủa và tăng cường dung dịch rắn. Sự tương tác hiệp đồng giữa cacbon và nitơ tạo ra các đặc tính độc đáo không thể đạt được chỉ với một trong hai nguyên tố.
Biểu thức toán học và phương pháp tính toán
Công thức định nghĩa cơ bản
Độ sâu khuếch tán trong quá trình cacbonit hóa có thể được ước tính bằng cách sử dụng phương trình khuếch tán đã sửa đổi:
$$x = k \sqrt{D t}$$
Ở đâu:
- $x$ là độ sâu hiệu dụng của vỏ (mm)
- $k$ là hằng số phụ thuộc vào quá trình
- $D$ là hệ số khuếch tán hiệu dụng (mm²/h)
- $t$ là thời gian xử lý (h)
Công thức tính toán liên quan
Hệ số khuếch tán hiệu quả của cacbon trong austenit trong quá trình cacbonit hóa có thể được tính toán bằng phương trình Arrhenius:
$$D_C = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$
Ở đâu:
- $D_C$ là hệ số khuếch tán của cacbon (mm²/h)
- $D_0$ là hệ số tiền mũ (mm²/h)
- $Q$ là năng lượng hoạt hóa (J/mol)
- $R$ là hằng số khí (8,314 J/mol·K)
- $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (K)
Hồ sơ nồng độ carbon có thể được ước tính bằng cách sử dụng giải pháp hàm lỗi cho định luật thứ hai của Fick:
$$C(x,t) = C_s - (C_s - C_0) \cdot \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}} \right)$$
Ở đâu:
- $C(x,t)$ là nồng độ carbon ở độ sâu $x$ và thời gian $t$
- $C_s$ là nồng độ cacbon bề mặt
- $C_0$ là nồng độ cacbon ban đầu
- $\text{erf}$ là hàm lỗi
Điều kiện và giới hạn áp dụng
Các mô hình toán học này chủ yếu có giá trị đối với hình học bán vô hạn với thành phần ban đầu đồng nhất và nồng độ bề mặt không đổi. Chúng giả định các điều kiện đẳng nhiệt trong suốt quá trình.
Các mô hình có những hạn chế khi áp dụng cho hình học phức tạp, đặc biệt là các góc nhọn hoặc các phần mỏng nơi mà hiệu ứng cạnh trở nên đáng kể. Chúng cũng không tính đến đầy đủ sự tương tác giữa sự khuếch tán của cacbon và nitơ hoặc các hiệu ứng của các nguyên tố hợp kim.
Các công thức này giả định rằng khuếch tán là bước giới hạn tốc độ và không tính đến động học phản ứng bề mặt, có thể trở nên đáng kể ở nhiệt độ thấp hơn hoặc trong một số khí quyển nhất định. Ngoài ra, các chuyển đổi pha trong quá trình làm mát không được đưa vào các mô hình khuếch tán cơ bản này.
Phương pháp đo lường và đặc tính
Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn
- ASTM E1077: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để ước tính độ sâu của lớp cứng trong thép
- ISO 2639: Thép - Xác định và kiểm tra độ sâu hiệu quả của quá trình tôi cứng sau khi tôi cứng bề mặt
- SAE J423: Phương pháp đo độ sâu của vỏ
- DIN 50190: Độ sâu độ cứng của các bộ phận được xử lý nhiệt; xác định độ sâu hiệu quả của quá trình tôi sau khi tôi bằng ngọn lửa hoặc cảm ứng
Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm
Máy kiểm tra độ cứng vi mô với tải trọng thường từ 100-500 gf là thiết bị chính được sử dụng để đo độ sâu của vỏ. Các thiết bị này tác dụng lực được kiểm soát chính xác vào đầu kim cương và đo kích thước ấn tượng thu được để xác định độ cứng ở độ sâu cụ thể.
Kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để kiểm tra cấu trúc vi mô của các lớp cacbonitrided. Các kỹ thuật này cho thấy sự phân bố pha, chuyển đổi lõi-trường hợp và sự hiện diện của cacbonitride hoặc các hợp chất khác.
Đặc tính nâng cao có thể sử dụng phương pháp phân tích vi mô thăm dò điện tử (EPMA), phương pháp quang phổ phát xạ quang học phóng điện sáng (GDOES) hoặc phương pháp phổ khối ion thứ cấp (SIMS) để xác định cấu hình nồng độ chính xác của cacbon và nitơ thông qua độ sâu của vỏ mẫu.
Yêu cầu mẫu
Mặt cắt kim loại tiêu chuẩn được chuẩn bị bằng cách cắt, lắp, mài và đánh bóng. Các mẫu vật phải được cắt vuông góc với bề mặt đã xử lý để đo chính xác độ sâu của vỏ.
Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải mài cẩn thận qua các kích thước hạt liên tiếp (thường là 120 đến 1200), sau đó đánh bóng bằng hỗn hợp kim cương đến độ hoàn thiện 1μm. Khắc hóa học bằng dung dịch nital 2-5% thường được sử dụng để lộ cấu trúc vi mô.
Mẫu vật phải không bị mất cacbon, oxy hóa hoặc hư hỏng cơ học có thể ảnh hưởng đến độ cứng. Đối với hình học phức tạp, có thể cần nhiều phần để mô tả phân bố độ sâu của vỏ.
Thông số thử nghiệm
Thử nghiệm tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trong môi trường phòng thí nghiệm có độ ẩm được kiểm soát. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, có thể thực hiện thử nghiệm độ cứng ở nhiệt độ cao.
Đối với thử nghiệm độ cứng vi mô, thời gian dừng chuẩn là 10-15 giây được sử dụng với tốc độ tải được kiểm soát. Khoảng cách giữa các vết lõm phải ít nhất gấp 2,5 lần chiều dài đường chéo của các vết lõm để tránh nhiễu.
Các thông số quan trọng bao gồm định nghĩa về độ sâu vỏ hiệu quả (thường là độ sâu mà độ cứng bằng độ cứng lõi cộng với 50 HV hoặc độ sâu tới 550 HV) và hướng di chuyển ngang so với bề mặt được xử lý.
Xử lý dữ liệu
Các phép đo độ cứng được thu thập theo các mức tăng độ sâu được xác định trước, thường bắt đầu từ 0,05mm từ bề mặt và tiếp tục cho đến khi đạt được độ cứng lõi. Nhiều lần di chuyển có thể được tính trung bình để cải thiện độ tin cậy thống kê.
Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn ở mỗi độ sâu. Các kỹ thuật khớp đường cong có thể được áp dụng để tạo hồ sơ độ cứng liên tục từ các điểm đo rời rạc.
Độ sâu vỏ hiệu quả được tính toán từ hồ sơ độ cứng theo định nghĩa tiêu chuẩn có liên quan. Độ sâu vỏ tổng thể, độ cứng bề mặt và đặc điểm chuyển tiếp lõi vỏ cũng được lấy từ dữ liệu đo thô.
Phạm vi giá trị điển hình
Phân loại thép | Phạm vi giá trị điển hình | Điều kiện thử nghiệm | Tiêu chuẩn tham khảo |
---|---|---|---|
Thép cacbon thấp (1018, 1020) | Độ sâu vỏ 0,2-0,8 mm, độ cứng bề mặt 58-62 HRC | 845°C, 2-4 giờ | SAE J423 |
Thép Cacbon Trung Bình (1045, 1050) | Độ sâu vỏ 0,3-1,0 mm, độ cứng bề mặt 60-64 HRC | 815°C, 2-5 giờ | Tiêu chuẩn ASTM E1077 |
Thép hợp kim thấp (4140, 8620) | Độ sâu vỏ 0,5-1,2 mm, độ cứng bề mặt 58-63 HRC | 790°C, 3-6 giờ | Tiêu chuẩn ISO2639 |
Thép công cụ (A2, D2) | Độ sâu vỏ 0,2-0,6 mm, độ cứng bề mặt 62-66 HRC | 760°C, 1-3 giờ | Tiêu chuẩn DIN50190 |
Các biến thể độ sâu của lớp vỏ trong mỗi phân loại thép chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng carbon, thành phần hợp kim và cấu trúc vi mô trước đó. Thép hợp kim cao hơn thường tạo ra lớp vỏ nông hơn nhưng có tiềm năng độ cứng lớn hơn.
Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn chung cho quá trình phát triển nhưng phải được xác nhận cho các ứng dụng cụ thể. Độ sâu tối ưu của vỏ phụ thuộc vào điều kiện tải, hình dạng thành phần và tuổi thọ sử dụng cần thiết.
Một xu hướng đáng chú ý trên các loại thép là mối quan hệ nghịch đảo giữa độ sâu vỏ có thể đạt được và độ cứng bề mặt tối đa. Thép hợp kim thấp hơn thường cho phép độ sâu vỏ sâu hơn nhưng có thể không đạt được giá trị độ cứng bề mặt cao nhất có thể với các cấp hợp kim cao hơn.
Phân tích ứng dụng kỹ thuật
Những cân nhắc về thiết kế
Các kỹ sư thường chỉ định độ sâu của lớp phủ cacbonit ở mức 1/10 đến 1/7 độ dày của phần quan trọng để đảm bảo phân bổ ứng suất tối ưu giữa lớp phủ và lõi. Điều này ngăn ngừa hỏng hóc do mỏi dưới bề mặt trong khi vẫn duy trì độ cứng bề mặt thích hợp.
Hệ số an toàn 1,2-1,5 thường được áp dụng cho các yêu cầu về độ sâu của vỏ được tính toán để tính đến các biến thể quy trình và sự không chắc chắn trong điều kiện tải. Hệ số an toàn cao hơn có thể được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng có hậu quả nghiêm trọng về hỏng hóc.
Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng giữa khả năng tôi luyện, khả năng gia công và chi phí. Thép có hàm lượng carbon từ 0,15-0,25% được ưa chuộng để gia công carbonit vì chúng có độ cứng vỏ tốt trong khi vẫn duy trì được lõi cứng.
Các lĩnh vực ứng dụng chính
Các thành phần truyền động ô tô, đặc biệt là bánh răng, trục và ổ trục, là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng đối với carbonitriding. Các thành phần này đòi hỏi khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi tuyệt vời khi hoạt động dưới tải trọng tuần hoàn cao và điều kiện va chạm vừa phải.
Các ứng dụng gia công, bao gồm đột, khuôn và dụng cụ tạo hình, được hưởng lợi từ cacbonit khi cần khả năng chống mài mòn vừa phải với khả năng chống va đập tốt hơn so với các dụng cụ được tôi cứng hoàn toàn. Vỏ được tăng cường nitơ cung cấp khả năng chống mài mòn và trầy xước do dính thêm.
Các thành phần thiết bị nông nghiệp, chẳng hạn như dụng cụ làm đất, lưỡi cắt và bộ phận truyền động, sử dụng carbonitriding để kéo dài tuổi thọ trong điều kiện đất mài mòn. Quy trình này cung cấp giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí cho các vật liệu hoặc quy trình phủ đắt tiền hơn.
Đánh đổi hiệu suất
Tăng độ sâu của vỏ thường làm giảm độ cứng bề mặt do pha loãng carbon và thời gian xử lý lâu hơn ở nhiệt độ cao. Các kỹ sư phải cân bằng khả năng chống mài mòn (được ưa chuộng bởi độ cứng bề mặt cao) với khả năng chống mỏi (được tăng cường bởi độ sâu vỏ sâu hơn).
Carbonitriding cải thiện khả năng chống mài mòn nhưng có thể làm giảm độ dẻo và độ bền ở bề mặt. Sự đánh đổi này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng có tải trọng va đập hoặc chu kỳ nhiệt, trong đó phải ngăn ngừa gãy giòn của vỏ máy.
Các kỹ sư thiết kế cân bằng chi phí xử lý với yêu cầu hiệu suất bằng cách tối ưu hóa thông số kỹ thuật về độ sâu của vỏ. Vỏ sâu hơn đòi hỏi thời gian xử lý lâu hơn và mức tiêu thụ năng lượng cao hơn, làm tăng chi phí sản xuất mà không nhất thiết phải cải thiện hiệu suất linh kiện trong mọi ứng dụng.
Phân tích lỗi
Sự nghiền nát vỏ là một chế độ hỏng hóc phổ biến trong các thành phần cacbonit chịu ứng suất tiếp xúc quá mức. Biến dạng dẻo dưới bề mặt xảy ra khi ứng suất tiếp xúc vượt quá giới hạn chảy của vật liệu lõi, khiến vỏ cứng bị sụp đổ vào bên trong.
Cơ chế hỏng hóc thường tiến triển từ biến dạng dẻo ban đầu của lõi, tiếp theo là nứt vỏ và cuối cùng là bong tróc hoặc bong tróc bề mặt đã cứng. Kiểm tra bằng kính hiển vi cho thấy dòng chảy dẻo dưới bề mặt và các mẫu nứt đặc trưng song song với bề mặt.
Các chiến lược giảm thiểu bao gồm tăng độ cứng lõi thông qua quá trình lựa chọn hợp kim hoặc quá trình tôi cứng toàn bộ, tối ưu hóa độ sâu vỏ cho các điều kiện tải cụ thể và cải thiện thiết kế cấu trúc hỗ trợ để phân bổ tải trọng tốt hơn trên toàn bộ thành phần.
Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát
Ảnh hưởng của thành phần hóa học
Hàm lượng carbon trong vật liệu cơ bản ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng cacbonit hóa, với thép carbon trung bình (0,3-0,5% C) có độ cứng lõi cao hơn nhưng độ sâu lớp vỏ có khả năng thấp hơn so với thép carbon thấp (0,1-0,2% C).
Niken và mangan thúc đẩy sự hình thành austenit giữ lại trong quá trình cacbonit hóa, tăng cường độ dẻo dai nhưng có khả năng làm giảm độ cứng biểu kiến. Crom, molypden và vanadi tạo thành cacbonitrit ổn định làm tăng độ cứng nhưng có thể cản trở độ sâu khuếch tán.
Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc lựa chọn vật liệu cơ bản có hàm lượng carbon được kiểm soát (0,15-0,25%) và mangan (0,6-1,0%), với hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh hạn chế để ngăn ngừa giòn và đảm bảo hình thành lớp vỏ đồng nhất.
Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô
Kích thước hạt mịn tăng cường tốc độ khuếch tán trong quá trình cacbonit hóa bằng cách cung cấp nhiều diện tích ranh giới hạt hơn cho chuyển động nguyên tử. Các số kích thước hạt ASTM 5-8 thường được ưu tiên cho phản ứng cacbonit hóa tối ưu.
Phân bố pha trước khi xử lý ảnh hưởng đến tỷ lệ hấp thụ cacbon và nitơ. Các điều kiện bắt đầu được chuẩn hóa hoặc làm nguội và tôi luyện thường mang lại kết quả nhất quán hơn so với các cấu trúc ủ với mạng lưới cacbua lớn.
Các tạp chất phi kim loại, đặc biệt là sunfua và oxit, có thể tạo ra các biến thể cục bộ về độ sâu và độ cứng của vỏ. Thép sạch với hàm lượng tạp chất tối thiểu cung cấp các đặc tính vỏ đồng đều hơn và giảm nguy cơ hỏng sớm.
Xử lý ảnh hưởng
Các thông số xử lý nhiệt, đặc biệt là nhiệt độ và thời gian, kiểm soát trực tiếp độ sâu của vỏ và thành phần cấu tạo. Nhiệt độ cao hơn sẽ đẩy nhanh quá trình khuếch tán nhưng có thể gây ra sự phát triển quá mức của hạt hoặc quá trình oxy hóa bề mặt.
Các quy trình gia công cơ học trước khi cacbonit hóa ảnh hưởng đến kích thước hạt, trạng thái ứng suất dư và tình trạng bề mặt. Gia công nguội thường tinh chỉnh cấu trúc hạt nhưng có thể tạo ra ứng suất dư làm biến dạng các bộ phận trong quá trình xử lý nhiệt tiếp theo.
Tốc độ làm mát sau khi cacbonit hóa quyết định cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng. Làm nguội bằng dầu cung cấp tốc độ làm mát vừa phải phù hợp với hầu hết các ứng dụng, trong khi làm nguội bằng khí cung cấp độ méo tiếng thấp hơn cho các thành phần chính xác với cái giá phải trả là độ cứng thấp hơn một chút.
Các yếu tố môi trường
Nhiệt độ vận hành ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các thành phần cacbonit. Độ cứng và khả năng chống mài mòn thường giảm ở nhiệt độ cao do hiệu ứng tôi luyện và độ ổn định của các pha chứa nitơ giảm.
Môi trường ăn mòn có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy bề mặt cacbonit, đặc biệt là khi lớp thụ động bị hư hỏng. Hàm lượng nitơ trong vỏ máy cải thiện vừa phải khả năng chống ăn mòn so với phương pháp thấm cacbon thông thường.
Các hiệu ứng phụ thuộc thời gian bao gồm các phản ứng tôi luyện có thể làm giảm độ cứng trong quá trình tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ vừa phải (150-300°C). Sự bất ổn nhiệt này ít rõ rệt hơn so với các trường hợp thấm cacbon thông thường do tác dụng ổn định của nitơ.
Phương pháp cải tiến
Kiểm soát thành phần khí quyển, đặc biệt là tỷ lệ amoniac-hydrocacbon, cho phép các nhà luyện kim tối ưu hóa tỷ lệ nitơ-cacbon trong trường hợp này. Hàm lượng nitơ cao hơn cải thiện khả năng chống mài mòn và giảm biến dạng nhưng có thể làm tăng độ giòn.
Xử lý đông lạnh sau khi cacbonit hóa có thể làm giảm hàm lượng austenit giữ lại và tăng độ cứng biểu kiến. Quá trình này bao gồm làm nguội các thành phần xuống -60°C đến -80°C sau khi tôi và trước khi ram.
Những cân nhắc về thiết kế như độ dày tiết diện đồng đều, bán kính lớn khi thay đổi tiết diện và hỗ trợ thích hợp trong quá trình xử lý nhiệt có thể cải thiện đáng kể độ ổn định về kích thước và giảm biến dạng trong quá trình cacbon hóa.
Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan
Các thuật ngữ liên quan
Nitrocarburizing là một quá trình liên quan được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (500-580°C) tạo ra một lớp hợp chất chủ yếu là epsilon carbonitride thay vì vùng khuếch tán. Nó cung cấp khả năng chống mài mòn và trầy xước tuyệt vời với sự thay đổi kích thước tối thiểu.
Quá trình tôi cứng bề mặt bao gồm một nhóm rộng hơn các kỹ thuật làm cứng bề mặt bao gồm cacbonit hóa, thấm cacbon, thấm nitơ và làm cứng cảm ứng. Các quy trình này có chung mục tiêu là tạo ra một lớp bề mặt cứng trên lõi cứng.
Độ sâu vỏ hiệu quả đề cập đến khoảng cách vuông góc từ bề mặt đến điểm mà độ cứng bằng một giá trị xác định (thường là 550 HV hoặc 50 HRC). Điều này khác với độ sâu vỏ tổng thể, kéo dài đến điểm mà không thể phát hiện ra sự khác biệt về luyện kim từ lõi.
Carbonitriding không nên bị nhầm lẫn với nitrocarburizing hoặc xyanua, mặc dù có tên gọi tương tự. Các quy trình này hoạt động ở nhiệt độ khác nhau, tạo ra các cấu trúc vi mô khác nhau và dẫn đến các hồ sơ tính chất khác nhau.
Tiêu chuẩn chính
SAE AMS 2759/7 cung cấp các thông số kỹ thuật toàn diện về quá trình cacbon hóa các bộ phận thép, bao gồm các thông số quy trình, yêu cầu kiểm soát chất lượng và tiêu chí chấp nhận cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và hiệu suất cao.
ISO 15787 thiết lập các tiêu chuẩn quốc tế cho tài liệu sản phẩm kỹ thuật liên quan đến các bộ phận được xử lý nhiệt, bao gồm các thành phần cacbonit. Tiêu chuẩn này chuẩn hóa các ký hiệu và yêu cầu về tài liệu trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Tiêu chuẩn khu vực có cách tiếp cận khác nhau đối với thông số kỹ thuật cacbonit hóa. Tiêu chuẩn châu Âu (EN) thường tập trung vào các thông số quy trình và hệ thống chất lượng, trong khi tiêu chuẩn Nhật Bản (JIS) nhấn mạnh các yêu cầu về tính chất cụ thể cho các ứng dụng khác nhau.
Xu hướng phát triển
Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình tính toán của carbonitriding để dự đoán các đặc tính của vỏ dựa trên các thông số quy trình và thành phần vật liệu cơ bản. Các mô hình này nhằm mục đích giảm thời gian phát triển và tối ưu hóa quy trình cho các ứng dụng cụ thể.
Carbonitriding hỗ trợ plasma là một công nghệ mới nổi sử dụng khí ion hóa để tăng tốc độ khuếch tán ở nhiệt độ thấp hơn. Phương pháp này có lợi thế tiềm năng về giảm độ méo, mức tiêu thụ năng lượng và thời gian xử lý.
Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm các hệ thống điều khiển thời gian thực dựa trên cảm biến điều chỉnh các thông số quy trình dựa trên các phép đo tại chỗ về quá trình hình thành vỏ. Phương pháp vòng kín này hứa hẹn sẽ cải thiện tính nhất quán và giảm sự thay đổi trong các thành phần quan trọng.