Giải thích về thấm cacbon – Cách thức hoạt động, lợi ích và các loại thấm cacbon

Thấm cacbon là một quy trình nhiệt hóa học truyền thống và đáng tin cậy được sử dụng bởi cả các xưởng nhỏ lẫn các ngành công nghiệp lớn để tôi cứng các chi tiết thép cacbon thấp. Phương pháp này đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm qua nhờ tự động hóa và hiểu biết sâu sắc hơn về nhiệt động lực học và động học của phản ứng hóa học.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu quy trình này để hiểu cách thức hoạt động, những lợi ích mà nó mang lại và các phương pháp phổ biến nhất. Hãy bắt đầu bằng cách định nghĩa thấm cacbon là gì.

Thấm cacbon là gì?

Thấm cacbon là quá trình xử lý nhiệt giúp cải thiện các tính chất cơ học như độ cứng bằng cách thêm cacbon vào bề mặt kim loại.

Vì việc bổ sung cacbon chỉ giới hạn ở bề mặt, quá trình này tạo thành một lớp vỏ cứng bao quanh chi tiết dọc theo diện tích bề mặt của nó. Do đó, quá trình thấm cacbon là một loại quá trình tôi vỏ. Các ví dụ khác về quá trình tôi vỏ là thấm nitơ, thấm cacbon, thấm nitơ ferritic, v.v.

Thấm cacbon được sử dụng khi nào?

Thấm cacbon thường được sử dụng để làm cứng bề mặt ngoài của các bộ phận bằng thép sau khi chúng được gia công thành hình dạng cuối cùng .

Lượng carbon trong thành phần của một chi tiết quyết định trực tiếp đến độ cứng cuối cùng. Nếu hàm lượng carbon ban đầu thấp, chỉ nung nóng và làm nguội chi tiết là không đủ để tăng độ cứng.

Đối với những chi tiết như vậy, trước tiên chúng ta phải tăng thành phần carbon của vật liệu. Điều này được thực hiện bằng cách thấm cacbon. Bằng cách điều chỉnh các yếu tố trong quá trình thấm cacbon, chúng ta có thể tăng hàm lượng carbon đến nồng độ và độ sâu mong muốn từ bề mặt, sau đó tôi cứng chi tiết khi cần thiết.

Điều này làm cho quy trình này trở nên lý tưởng đối với thép có hàm lượng carbon thấp , tức là thép carbon thông thường hoặc thép có chứa các nguyên tố hợp kim.

Lợi ích của quá trình thấm cacbon

Quy trình thấm cacbon có nhiều ưu điểm. Do đó, nó đã được chấp nhận rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau để tạo ra các chi tiết tôi cứng vỏ đáng tin cậy . Hãy cùng xem xét một số ưu điểm này:

Quy trình đơn giản và linh hoạt

Quy trình này đơn giản và trong nhiều trường hợp có thể được thực hiện trong lò nung thô sơ bởi lao động phổ thông. Phương pháp này áp dụng được với nhiều loại thép cacbon, thép hợp kim và gang , trong đó hàm lượng cacbon tối đa là 0,4%.

Phương pháp này cũng có thể áp dụng cho các thiết kế rất phức tạp, miễn là tính đến tốc độ nguội không đồng đều của các phần khác nhau. Nếu không tính đến điều này, vật liệu sẽ chịu ứng suất quá mức và gãy.

Giá rẻ

Thấm cacbon có thể tạo ra các chi tiết có độ cứng tương đương với thép công cụ mà không tốn kém. Tất nhiên, vẫn có những hạn chế, chẳng hạn như nhiệt độ làm việc cho phép và độ bền, nhưng thép thấm cacbon có thể thay thế thép đắt tiền trong nhiều ứng dụng mà không gặp vấn đề về an toàn hoặc chức năng.

Sản xuất hàng loạt

Thấm cacbon phù hợp với sản xuất số lượng lớn vì quy trình này có thể được tự động hóa để liên tục sản xuất ra các lô sản phẩm có bề mặt cứng lớn.

Kiểm soát kích thước tốt

Các bộ phận hầu như luôn trải qua những biến dạng nhỏ, nhưng so với các hoạt động xử lý nhiệt khác, những thay đổi này nhỏ hơn và dễ quản lý hơn.

Khả năng chống mài mòn và độ dẻo cao

Khả năng chống mài mòn và độ dẻo thường loại trừ lẫn nhau trong vật liệu. Bề mặt chống mài mòn được tạo ra bằng cách tôi cứng phôi. Tuy nhiên, quá trình tôi cứng cũng làm vật liệu giòn, nghĩa là vật liệu mất đi độ dẻo và cùng với đó là độ bền va đập.

Quá trình tôi bề mặt cho phép chúng ta chế tạo các chi tiết có bề mặt cứng nhưng lõi lại mềm và bền. Điều này cho phép các chi tiết có khả năng chống mài mòn và độ dẻo cao cùng một lúc.

Do đó, một bộ phận có thể chịu được tải trọng va đập cũng như chống mài mòn hiệu quả.

Độ bền mỏi cao

Các chi tiết được thấm cacbon có độ bền mỏi cao nhờ cấu trúc độc đáo. Lớp lõi bên trong cứng cáp cùng với lớp vỏ ngoài cứng cáp cho phép chúng chịu được tải trọng mỏi cao hơn. Như đã thấy trong trường hợp thép 18CrNiMo7-6 tôi bề mặt, giới hạn mỏi sau khi thấm cacbon cao hơn khoảng 60% so với trước.

Hơn nữa, độ cứng bề mặt cao hơn sẽ ngăn chặn sự khởi đầu của vết nứt mỏi và thay đổi chế độ hỏng hóc mỏi từ hỏng bề mặt sang hỏng hóc bên trong.

Quá trình thấm cacbon

Quá trình thấm cacbon bổ sung cacbon vào bề mặt kim loại. Quá trình này được thực hiện bằng cách nung nóng kim loại trong môi trường giàu cacbon. Ở nhiệt độ cao hơn, cacbon sẽ khuếch tán vào dung dịch rắn của vật liệu hoặc tạo thành cacbua. Cả hai quá trình này đều cần nhiệt độ cao.

Nếu cacbon chỉ đi vào dung dịch rắn, chúng ta cần tiến hành xử lý nhiệt thêm để tăng độ cứng của kim loại lên mức tối đa. Bề mặt phải không có bất kỳ tạp chất nào, chẳng hạn như dầu hoặc lớp oxit, để dễ dàng khuếch tán vào bề mặt. Mặt khác, cacbua là vật liệu cứng tự nhiên với điểm nóng chảy cao .

Để bổ sung cacbon vào bề mặt kim loại, có thể sử dụng bốn cơ chế khác nhau. Sự khác biệt nằm ở cách vật liệu nền tiếp xúc với chất giàu cacbon.

Thấm cacbon rắn hoặc thấm cacbon đóng gói

Một trong những phương pháp thấm cacbon lâu đời và tiết kiệm chi phí nhất là thấm cacbon dạng gói. Trong phương pháp này, phôi kim loại được đặt trong môi trường vật liệu cacbon rắn, chẳng hạn như than củi nghiền. Đây là lý do tại sao nó còn được gọi là thấm cacbon rắn.

Chúng ta hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về quá trình thấm cacbon và thảo luận về quy trình sản xuất thép cacbon 1018. Quy trình này bao gồm ba bước chính:

• Bổ sung cacbon
• Xử lý nhiệt
• Giảm căng thẳng hoặc làm dịu

Bổ sung cacbon

Thép được đặt tiếp xúc với vật liệu cacbon ở tất cả các mặt trong một hộp thép được bịt kín. Có thể sử dụng đất sét chịu lửa, chẳng hạn như đất sét chịu lửa , để bịt kín hộp.

Sau khi đóng gói, hộp được đặt vào lò nung và nung ở nhiệt độ khoảng 925 °C (~1700 °F) trong khoảng 8–10 giờ. Trong lò nung, carbon dioxide từ vật liệu cacbon phân ly thành carbon monoxide và carbon nguyên tố. Carbon khuếch tán vào kim loại.

Theo thời gian, điều này làm tăng thành phần carbon của các lớp bề mặt. Tốc độ hấp thụ và độ sâu mà carbon đạt được phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ lò nung và khí quyển.

Khi chi tiết đã hấp thụ đủ lượng cacbon, hộp được lấy ra khỏi lò và chi tiết được lấy ra khỏi hộp thép. Lúc này, kim loại vẫn còn mềm nhưng có thế cacbon cao hơn.

Xử lý nhiệt

Bây giờ, đã đến lúc xử lý nhiệt để tăng độ cứng. Thép được đưa trực tiếp vào lò nung ở nhiệt độ khoảng 790 °C (~1450 °F) và giữ ở đó trong khoảng 15 phút. Điều này cho phép vi cấu trúc perlit chuyển đổi hoàn toàn thành austenit . 

Các chi tiết được lấy ra khỏi lò và làm nguội nhanh trong nước . Quá trình làm nguội nhanh không cho phép chuyển hóa ngược trở lại thành austenit, thay vào đó, cấu trúc vi mô martensite phát triển, cực kỳ cứng.

Giảm căng thẳng hoặc làm dịu

Làm nguội nhanh có thể dẫn đến hình thành ứng suất bên trong chi tiết. Nên giảm ứng suất này bằng cách ram – nung ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 205 °C (~400 °F) trong khoảng một giờ và lần này, chi tiết không được tôi mà được làm nguội trong không khí.

Sau tất cả các bước này, chúng ta có được một bộ phận bằng thép 1018 đã được tôi cứng, cứng hơn gấp sáu lần so với bộ phận chưa được xử lý.

Mặc dù có những ưu điểm rõ ràng, phương pháp thấm cacbon gói hiện nay không còn phổ biến trong ứng dụng thương mại vì nó quá chậm so với một số phương pháp hiện đại hơn. Tuy nhiên, nó vẫn được ứng dụng trong các xưởng nhỏ, nơi quy trình này được sử dụng để tôi vỏ bánh răng lớn , dao, trục, v.v.

Thấm cacbon chân không

Trong phương pháp thấm cacbon chân không, cacbon được khuếch tán trong lò chân không hoặc lò áp suất thấp. Phần kim loại được tiếp xúc với propan, chất này nhanh chóng phân hủy thành các thành phần cacbon và hydro. Cacbon được hấp thụ dễ dàng và ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác, giúp tiết kiệm cả thời gian và chi phí.

Quá trình này cũng không thải ra bất kỳ khí độc hại nào. Do đó, với phương pháp thấm cacbon chân không, chúng tôi có một quy trình nhanh chóng, bền vững và giá cả phải chăng, có thể kiểm soát chính xác. Do đó, thấm cacbon chân không được sử dụng trong sản xuất dụng cụ chính xác, bánh răng và các chi tiết phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao.

Thấm cacbon lỏng (xyanua)

Đúng như tên gọi, quá trình thấm cacbon lỏng được thực hiện trong bể muối nóng chảy. Muối là muối gốc cacbon. Vì muối được sử dụng phổ biến nhất là natri xyanua, nên quá trình này còn được gọi là thấm cacbon .

Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ 850–950 °C và là quá trình thấm cacbon nhanh nhất. Tuy nhiên, cần hết sức thận trọng trong quá trình này vì xyanua rất độc đối với con người.

Bánh răng, đai ốc và bu lông thường được làm cứng bằng quy trình thấm cacbon lỏng.

Thấm cacbon bằng khí

Khi khí quyển là nguồn cacbon cho quá trình thấm cacbon, quá trình này được gọi là thấm cacbon khí. Các loại khí thường được sử dụng cho quá trình thấm cacbon là propan và metan. Khi tiếp xúc với thép nóng với sự hiện diện của một lượng không khí và chất xúc tác được tính toán, chúng sẽ phân ly trên bề mặt kim loại thành cacbon nguyên tố, sau đó được hấp thụ vào bề mặt.

Nhiệt độ thấm cacbon điển hình cho quá trình này là khoảng 925 °C (1700 °F). Bằng cách kiểm soát nhiệt độ và môi trường, chúng ta có thể kiểm soát quá trình này rất tốt. Điều này làm cho nó phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Trục khuỷu động cơ thường được thấm cacbon bằng phương pháp thấm cacbon trong khí.

Carbonitriding

Carbonitriding là một loại quy trình tôi bề mặt đặc biệt, bao gồm việc tiếp xúc với các vật liệu không chỉ bổ sung carbon mà còn cả nitơ vào kim loại. Tương tự như cách carbon tạo thành cacbua, nitơ có thể tạo thành nitrua trong mạng tinh thể kim loại. Nitrua thể hiện các tính chất tương tự như cacbua với độ cứng và điểm nóng chảy cao.

Vì vậy, sự hình thành nitride cũng có thể giúp chúng ta cải thiện độ cứng bề mặt của các bộ phận thép cacbon thấp.

Trong phương pháp cacbonit hóa, cùng với propan/metan, amoniac được thêm vào hỗn hợp khí như là nguồn nitơ.

Quá trình cacbonit hóa đòi hỏi nhiệt độ lò nung thấp hơn so với quá trình thấm cacbon. Nhiệt độ điển hình của quá trình cacbonit hóa là 840 °C (1550 °F).

Không giống như quá trình thấm cacbon, các bộ phận thấm cacbonit có thể giữ được độ cứng ở nhiệt độ sử dụng cao hơn.

Tìm thiết bị, vật tư đánh bóng ở đâu uy tín, chất lượng

Hiện nay thiết bị, vật tư đánh bóng được phân phối với nhiều nhà sản xuất và giá cả khác nhau. Nếu bạn cần tìm mua cho mình thiết bị, vật tư đánh bóng hãy liên hệ với chúng tôi theo thông tin bên dưới để nhận được ưu đãi tốt nhất cũng như được tư vấn bởi những kỹ sư đánh bóng của chúng tôi:

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống

Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam

Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797

Di động: 0906 988 447

Email: sales@lidinco.com

Xem thêm: Tất tần tật về tấm kim loại – Vật liệu, kích thước tiêu chuẩn và quy trình tạo hình