CÔNG NGHỆ THẤM CACBON THỂ KHÍ

Thấm cacbon là một phương pháp hóa nhiệt luyện có tác dụng hóa bền bề mặt thép. Thấm cácbon chủ yếu được áp dụng cho các chi tiết có yêu cầu độ cứng bề mặt cao trong khi lõi vẫn đảm bảo độ bền và độ dai như các loại bánh răng, trục, chốt…Hiện nay phương pháp thấm cacbon phổ biến nhất là thấm cacbon thể khí. Trong những năm gần đây, các phương pháp thấm hiện đại như thấm cacbon áp suất thấp và thấm cacbon ion hoá đang được nghiên cứu và ứng dụng để nâng cao chất lượng các chi tiết thấm. Tuy nhiên, do nhược điểm chính của các phương pháp thấm này là thiết bị đắt tiền, độ sạch của khí thấm và khí phụ trợ đòi hỏi rất cao nên phạm vi ứng dụng của nó bị thu hẹp.

Môi trường thấm cacbon thể khí thường được sử dụng tương đối đa dạng. Tuy nhiên, thành phần khí của môi trường bao gồm các khí chứa C, O₂ và khí độn thường là N₂. Các khí chứa C được gọi là khí thấm, thường là các khí cácbua hyđrô (dầu hoả, khí mêthan, propan,..) được trộn với khí mang ôxy (CO₂ hoặc không khí). Ở nhiệt độ cao (900^oC đến 950^oC) các khí này phản ứng với nhau tạo thành khí CO. Trên bề mặt thép, khí CO sẽ bị phân huỷ để giải phóng cacbon vào bề mặt thép. Trong công nghệ thấm cacbon thể khí, việc ổn định thành phần môi trường thấm là yếu tố quyết định đến khả năng kiểm soát và điều khiển môi trường do đó điều khiển được phân bố nồng độ cacbon trong các loại thép khác nhau. Do vậy, việc sử dụng khí endo (Endothermic Gas) với thành phần các khí CO, H₂ và N₂ ổn định đã mở ra hướng sử dụng công nghệ thấm có điều khiển và được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.

Trong môi trường thấm các khí thường có mối liên quan mật thiết với nhau. Ví dụ lượng oxy ảnh hưởng trực tiếp đến CO, CO₂, hơi nước và lượng H₂ trong lò. Để điều chỉnh môi trường thấm sử dụng khí endo, người ta có thể xác định hàm lượng hơi nước trong môi trường thấm thông qua điểm sương, xác định hàm lượng CO₂ trong môi trường thấm sử dụng tia hồng ngoại, xác định hàm lượng O₂ trong môi trường thấm sử dụng cảm biến oxy..., để điều chỉnh lượng khí chứa cacbon vào lò. Việc sử dụng khí endo hiện nay đã đạt được tính ổn định cao trong công nghiệp. Công nghệ thấm cacbon thể khí sử dụng khí endo hiện nay đã mang tính phổ biến ở nhiều nước trên thế giới.

Trong công nghệ thấm cacbon thể khí, 3 yếu tố cần quan tâm là:

- Môi trường thấm: khả năng cung cấp cacbon của môi trường thấm được đặc trưng bởi hoạt độ cacbon của môi trường thấm. Hoạt độ cacbon của môi trường thấm phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thành phần các khí trong môi trường thấm. Khả năng cung cấp cacbon của môi trường cũng như khả năng tiếp nhận cacbon của thép được phản ánh qua một đại lượng tổng hợp đó là thế cacbon của môi trường thấm. Hoạt độ cacbon trong môi trường thấm có thể rất cao nhưng mẫu thép lại không tiếp nhận được thì sinh muội làm cản trở quá trình thấm. Do đó điều khiển quá trình thấm phải điều khiển thế cacbon của môi trường. Tuy nhiên, thế cacbon của môi trường có quan hệ trực tiếp đến hoạt độ cacbon của môi trường do vậy điều khiển thế cacbon đồng nghĩa với việc điều khiển hoạt độ cacbon của môi trường thấm trong vùng có hiệu quả. Hiện nay, điều khiển thế cacbon sử dụng cảm biến ôxy là thông dụng nhất đối với các môi trường thấm sử dụng khí mang cacbon có chứa ôxy. Tuy nhiên, cảm biến oxy không thể ứng dụng trong các môi trường thấm mà nguồn cung cấp cacbon là do sự phân huỷ trực tiếp từ các các loại khí cácbua hyđrô. Đây là vấn đề mà các phương pháp thấm cacbon như thấm áp suất thấp và thấm cacbon ion hoá gặp phải.

- Quá trình truyền chất: Quá trình truyền chất xảy ra trên mặt phân cách giữa môi trường thấm và thép là kết quả tương tác giữa môi trường thấm và bề mặt thép. Quá trình này phụ thuộc vào hoạt độ của cacbon trong môi trường thấm và bản chất cũng như chất lượng bề mặt chi tiết thấm. Với mỗi chi tiết, chế tạo từ một loại thép xác định, quá trình truyền chất chỉ còn phụ thuộc vào môi trường thấm. Khi đó điều khiển quá trình thấm là điều khiển quá trình truyền chất từ môi trường vào thép để đạt được kết quả mong muốn.

- Sự khuếch tán của cacbon trong thép và hình thành tổ chức lớp thấm: tổ chức lớp thấm nhận được phụ thuộc vào phân bố nồng độ cacbon trong lớp thấm. Sự phân bố nồng độ cacbon là kết quả của quá trình khuếch tán cacbon trong thép, được đặc trưng bởi hệ số khuếch tán D. D phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất (thành phần hoá học) của thép. Do vậy, nếu coi D không phụ thuộc vào nồng độ thì với một loại thép nhất định tại nhiệt độ thấm xác định, D không thay đổi.

Từ các phân tích trên ta nhận thấy rằng, điều khiển quá trình thấm được thực hiện thông qua việc điều khiển thành phần chất thấm đưa vào lò để có môi trường thấm với hoạt độ và do đó thế cacbon cần thiết cho nhận được lớp thấm theo yêu cầu.

(Sẽ còn tiếp tục............)

Posted in: