Thấm Carbon và Hóa Bền Bề Mặt: Kiến Thức Cơ Bản

Ý tưởng

Một số chi tiết cần hai tính chất mâu thuẫn nhau: một bề mặt chống mài mòn và mỏi tiếp xúc, và một lõi hấp thụ va đập mà không nứt. Thấm carbon mang lại cả hai từ một chi tiết thép carbon thấp duy nhất. Chi tiết được giữ ở khoảng 880–950 °C trong môi trường giàu carbon; carbon khuếch tán vào bề mặt, và quá trình tôi tiếp theo chỉ hóa bền lớp đã được làm giàu đó — lớp thấm — trong khi lõi carbon thấp vẫn tương đối mềm và dai.

Chiều sâu lớp thấm

Chiều sâu lớp thấm được chỉ định là chiều sâu tại đó độ cứng giảm xuống một mức xác định — thường là 550 HV trong thực hành châu Âu (CHD, chiều sâu hóa bền bề mặt). Hai chiều sâu quan trọng:

• Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng (đến 550 HV): thường khoảng 0.3–2.5 mm đối với bánh răng và trục, được lựa chọn phù hợp với ứng suất tiếp xúc và mô-đun của bánh răng.
• Chiều sâu lớp thấm tổng: toàn bộ vùng khuếch tán, luôn sâu hơn chiều sâu hiệu dụng.

Lớp thấm sâu hơn cần thời gian lò dài hơn một cách không tương xứng, vì chiều sâu khuếch tán tăng theo căn bậc hai của thời gian — tăng gấp đôi chiều sâu cần thời gian dài gấp khoảng bốn lần.

Thế carbon

Môi trường lò được kiểm soát theo thế carbon — mức carbon bề mặt mà môi trường sẽ tạo ra trong sắt nguyên chất ở nhiệt độ đó. Nó thường được vận hành phần nào dưới hoặc gần vùng eutectoid đến bão hòa, thường khoảng 0.8–1.0% C ở bề mặt trong giai đoạn tăng cường. Thế quá cao tạo thành muội, mạng lưới cacbit và austenit dư quá mức; quá thấp cho lớp thấm nông, mềm. Các chu trình sản xuất thường sử dụng mô hình tăng cường–khuếch tán: thế cao để đưa carbon vào nhanh, sau đó là giai đoạn thế thấp hơn để thiết lập carbon bề mặt cuối cùng và gradient.

Lõi so với lớp thấm sau khi tôi

Sau khi thấm carbon, chi tiết được tôi (trực tiếp, hoặc sau khi nung nóng lại để tinh luyện hạt) và ram ở nhiệt độ thấp, khoảng 150–200 °C. Lớp thấm carbon cao chuyển biến thành martensit cứng, thường khoảng 58–62 HRC ở bề mặt. Lõi — vẫn chỉ khoảng 0.15–0.25% carbon — chỉ hóa bền đến mức độ thấm tôi của nó cho phép, vẫn mềm hơn nhiều và cung cấp độ dai mà chi tiết được thiết kế dựa trên đó.

Các loại thép được thiết kế cho thấm carbon

Thép hóa bền bề mặt theo thiết kế có hàm lượng carbon thấp, được hợp kim hóa cho độ bền lõi và độ thấm tôi:

• 8620 (AISI): thép bánh răng đa dụng của Bắc Mỹ, lõi Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): thép bánh răng tiêu chuẩn của Trung Quốc; titan giữ cố định hạt trong các chu trình thấm carbon dài.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): thép chủ lực của châu Âu cho bánh răng nhỏ và trung bình.
• Các biến thể chịu tải cao hơn bổ sung niken (ví dụ 18CrNiMo7-6) khi độ bền lõi trong các tiết diện lớn là quan trọng.

Chỉ định một chi tiết thấm carbon có nghĩa là chỉ định chiều sâu lớp thấm, độ cứng bề mặt và độ cứng lõi cùng nhau — bất kỳ một yếu tố nào đơn lẻ đều là một yêu cầu không đầy đủ.

Các biến thể khí, bột và áp suất thấp

Thấm carbon bằng bột truyền thống trong hợp chất carbon rắn hiện nay phần lớn chỉ còn là lịch sử. Sản xuất hiện đại sử dụng thấm carbon bằng khí trong lò có môi trường kiểm soát, nơi thế carbon được đo và kiểm soát liên tục, hoặc thấm carbon áp suất thấp (chân không), nơi các xung khí hydrocarbon trong lò chân không cho lớp thấm rất đồng đều trên các hình dạng bánh răng phức tạp mà không có oxy hóa bề mặt — thường tiếp theo là tôi bằng khí áp suất cao. Luyện kim mà người thiết kế chỉ định là giống nhau trong cả ba phương pháp; điều thay đổi là độ đồng đều, độ sạch, kinh tế chu trình và hành vi biến dạng mà công đoạn hoàn thiện bánh răng phải hấp thụ.