Luận án nghiên cứu lựa chọn thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo - Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả luận án Hoàng Minh Thuận ii LỜI CẢM ƠN Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.

Đào Quang Kế, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và TS. Hoàng Văn Châu, Viện Nghiên cứu cơ khí đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nhiều năm tháng học tập cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Công nghệ cơ khí, Ban lãnh đạo cùng giảng viên khoa Cơ - Điện, Viện Đào tạo Sau đại học và Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã luôn quan tâm giúp đỡ cũng như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Nghiên cứu khoa học, các đồng nghiệp đang công tác tại Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu cơ khí; Bộ môn Công nghệ cơ khí, khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội; Trung tâm Đánh giá hư hỏng vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả luận án Hoàng Minh Thuận iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt vii Danh mục các ký hiệu toán học viii Danh mục bảng xi Danh mục hình xii MỞ ĐẦU i 1 Tính cấp thiết của đề tài xvi 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xix 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án xix 4 Những đóng góp mới xx 5 Cấu trúc nội dung luận án xx Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA xxi 1.1 Lựa chọn công nghệ xxi 1.2 Các công nghệ thấm nitơ xxiii 1.1 Thấm nitơ thể khí xxv 1.2 Thấm nitơ thể lỏng xxx 1.3 Thấm nitơ plasma xxxii 1.4 Các ứng dụng của thấm nitơ xxxiv 1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước xxxvii 1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước xlii 1.5 Kết luận chương 1 xliv Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ PLASMA xlv 2.1 Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma xlv iv 2.2 Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma xlvi 2.2 Tác động của ion hóa đến bề mặt chi tiết li 2.3 Cơ chế hình thành lớp thấm liii 2.4 Cấu trúc lớp thấm lvi 2.5 Xác định chiều dày lớp thấm lx 2.1 Xác định chiều dày nitrit pha  lxiii 2.2 Xác định chiều dày nitrit pha γ’ lxv 2.6 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình thấm lxviii 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm lxix 2.2 Ảnh hưởng của thời gian thấm lxx 2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro lxxi 2.4 Ảnh hưởng của điện áp, mật độ dòng lxxiii 2.5 Ảnh hưởng của áp suất lxxv 2.7 Kết luận chương 2 lxxvii Chương 3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM lxxviii 3.1 Vật liệu nghiên cứu lxxviii 3.2 Chuẩn bị mẫu và phương pháp kiểm tra lxxix 3.1 Chuẩn bị mẫu lxxix 3.2 Phương pháp kiểm tra lxxxi 3.3 Thiết bị thấm nitơ plasma lxxxv 3.1 Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H45x080 lxxxvi 3.2 Các thông số chính của lò thấm lxxxvii 3.3 Lập trình quy trình công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị Eltropuls H045x80 lxxxviii 3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm lxxxix v 3.1 Xây dựng bài toán quy hoạch thực nghiệm xc 3.2 Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát xcvii 3.3 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu c 3.5 Kết luận chương 3 c Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ci 4.1 Kết quả nghiên cứu đơn yếu tố ci 4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (0C) ci 4.2 Ảnh hưởng của thời gian thấm t (h) cii 4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) ciii 4.2 Kết quả thực nghiệm đa yếu tố civ 4.3 Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát cxviii 4.4 Phân tích, lựa chọn sơ đồ và quy trình thực nghiệm cxxi 4.1 Sơ đồ công nghệ thấm nitơ plasma cxxi 4.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ cxxi 4.3 Chương trình điều khiển và quy trình công nghệ quá trình thấm nitơ plasma cxxiii 4.5 Kết quả thực nghiệm theo thông số tối ưu cxxv 4.1 Tổ chức tế vi lớp thấm cxxv 4.2 Độ cứng tế vi cxxviii 4.3 Sự phân bố nitơ trong lớp thấm cxxviii 4.6 Sản phẩm ứng dụng cxxxiv 4.1 Căp bánh răng bơm thủy lực cxxxv 4.2 Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh của hộp giảm tốc xe trộn – vận chuyển bê tổng tươi cxxxvi 4.3 Dao băm tĩnh, động và trục xoắn vít cxxxviii 4.4 Bánh răng hộp số máy kéo cầm tay cxxxix 4.5 Bánh răng trong máy in Offset 4 màu Daiya cxli vi 4.7 Kết luận chương 4 cxlii KẾT LUẬN cxliv Danh mục các công trình đã công bố cxlv Tài liệu tham khảo cxlvi Phụ lục clvii vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải Ar Argon C Cacbon CH4 Khí Metan C-N Cacbon – Nitơ CVD (Chemical Vapour Deposition) Phủ bay hơi hóa học DC-plasma Plasma dòng điện một chiều EDX (Energy Dispersive X-ray Anolysis) Phương pháp phân tích tế vi tán xạ năng lượng Rơnghen Fe Nguyên tử sắt Fe-C-N Giản đồ sắt – cacbon – nitơ FeN Nitrit sắt Fe-N Giản đồ sắt – nitơ H2 Khí Hydro NH3 Khí amoniac N Nguyên tử nitơ N2 Khí Nitơ MATLAB Phần mềm mô phỏng vẽ đồ thị toán học PVD (Physical Vapour Deposition) Phủ bay hơi vật lý S Lưu huỳnh STATISTICA Phần mềm mô phỏng vẽ đồ thị wt% % về khối lượng XRD Nhiễu xạ Rơngen viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Đơn vị Giải thích a % Tỷ lệ khí nitơ/hydro (theo lưu lượng) aN - Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm bj - Các hệ số của phương trình hồi quy d1 m Chiều dày pha  + pha ’ d2 m Chiều dày pha  dj - Hàm “mong muốn’’ thành phần D - Hàm tối ưu tổng quát D - Hệ số khuếch tán trong pha  D’ - Hệ số khuếch tán trong pha ’ D - Hệ số khuếch tán trong pha  E HV0.3 Độ cứng bề mặt Fb - Tiêu chuẩn Fisher (tra bảng) G1 l/h Lưu lượng khí N2 G2 l/h Lưu lượng khí H2 G3 l/h Lưu lượng khí CH4 G4 l/h Lưu lượng khí Ar KN - Thế thấm nitơ m g/N.m Cường độ mài mòn n Vòng/phút Số vòng quay của đĩa N N Tải trọng đặt vào mẫu N - Số thí nghiệm ở mức phụ (các điểm sao) N0 - Số thí nghiệm ở mức cơ sở P Mpa Áp suất PD s Thời gian tồn tạixung PNH3 Pa Áp suất riêng phần của NH3 PN2 Pa Áp suất riêng phần của N2 ix Ký hiệu Đơn vị Giải thích PH2 Pa Áp suất riêng phần của H2 PR s Thời gian lặp xung R mm Bán kính vòng quay của chốt trượt trên đĩa S mm Quảng đường trượt cửa mẫu s - Phương sai 0 T C Nhiệt độ thấm t h Thời gian thấm ton s Thời gian lặp xung toff s Thời gian ngừng xung tv - Số chu kỳ ứng suất 0 TC C Nhiệt độ vùng gia nhiệt 0 TL C Nhiệt độ của chi tiết thấm 0 TW C Nhiệt độ thành buồng làm việc (tường lò) Uz V Điện áp cần thiết để hình thành plasma V V Điện áp Vp V Năng lượng plasma 0 WG C/min Tốc độ tăng nhiệt độ chi tiết theo thời gian xi - Giá trị mã hóa của yếu tố thứ i x1 - Nhiệt độ thấm T (0C) x2 - Thời gian thấm t (h) x3 - Tỷ lệ khí nitơ/hydro (%) Yj - Hàm thành phần Y1 - Độ cứng bề mặt C (HV 0.mm) Y3 - Chiều dày pha +’ d1 (µm) Y4 - Chiều dày pha α d2 (µm) Yu - Giá trị trung bình các thí nghiệm ở mức Y0 - Giá trị trung bình của các thí nghiệm ở mức cơ x Ký hiệu Đơn vị Giải thích sở Ytt - Giá trị tính toán từ phương trình hồi quy Yu - Giá trị của các thông số ra ở các mức M g Sự giảm khối lượng của mẫu trước và sau khi thí nghiệm i - Khoảng biến thiên của của yếu tố thứ i xi DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Đặc trưng cải thiện tích năng bề mặt [31] xxi 1.2 Một số loại vật liệu sử dụng trong chế tạo chi tiết máy ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma xxxiv 2.1 Các pha và cấu trúc mạng tinh thể các nitrit của lớp thấm nitơ lvii 2.2 Hệ số khuếch tán của nitơ trong pha , γ 'và  lxvii 2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí H2 và N2 đến sự hình thành các pha lxxii 3.1 Thành phần hóa học thép 40CrMo lxxviii 3.2 Ký hiệu tương đương theo tiêu chuẩn một số nước trên thế giới lxxix 3.3 Các thông số quá trình thấm lxxxix 4.1 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ thấm ci 4.2 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian thấm cii 4.3 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ khí N2 ciii 4.4 Mức biến thiên và giá trị mã hoá của các yếu tố xi cv 4.5 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm dạng thực cv 4.6 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm dạng mã hóa cvi 4.7 Các hệ số hồi qui có nghĩa của các hàm Yj cvii 4.8 Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán cviii 4.9 Giá trị tối ưu của các yếu tố vào xi và các hàm thành phần Yj cviii 4.10 Các hệ số hồi qui dạng thực cix 4.11 Kết quả tính toán giá trị hàm tối ưu tổng quát D cxix 4.12 Chương trình điều khiển quá trình thấm cxxiv 4.13 Kết quả đo độ cứng tế vi theo chiều sâu lớp thấm cxxviii 4.