Thấm cacbon và phủ graphite phủ bằng hồ quang plasma

Tóm tắt Nghiên cứu này trình bày phương pháp thấm cacbon bề mặt chi tiết từ thép cacbon thấp CT3 sử dụng hồ quang plasma và lớp phủ graphite. Lớp phủ graphite gồm thành phần chính là bột graphite và thủy tinh lỏng. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự thay đổi cấu trúc tế vi và độ cứng theo chiều sâu lớp thấm cacbon. Độ cứng bề mặt chi tiết sau khi thấm cacbon đạt 810 HV0.2, chiều sâu lớp thấm đạt 200 μm (chế độ micro-melting), và có thể đạt tới 3 mm (macro-melting). Ưu điểm của phương pháp thấm cacbon này là bề mặt chi tiết không bị nóng chảy hoàn toàn, độ nhám bề mặt Ra = 2-5 μm ở chế độ micro-melting và thời gian thấm cacbon chỉ diễn ra trong vài giây

pdf8 trang | Chia sẻ: thanhle95 | Lượt xem: 448 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Thấm cacbon và phủ graphite phủ bằng hồ quang plasma, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 39Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 Người phản biện: 1. PGS.TS. Lê Thu Quý 2. TS. Ngô Hữu Mạnh Thấm cacbon và phủ graphite phủ bằng hồ quang plasma Carburizing and graphite coating by plasma spraying Vũ Vĕn Huy1, Trịnh Vĕn Cường2, Nguyễn Thị Liễu2, Mạc Thị Nguyên2, Mạc Vĕn Giang2 Email: huy241989@gmail.com 1 Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga 2 Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 14/4/2020 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 25/6/2020 Ngày chấp nhận đĕng: 30/6/2020 Tóm tắt Nghiên cứu này trình bày phương pháp thấm cacbon bề mặt chi tiết từ thép cacbon thấp CT3 sử dụng hồ quang plasma và lớp phủ graphite. Lớp phủ graphite gồm thành phần chính là bột graphite và thủy tinh lỏng. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự thay đổi cấu trúc tế vi và độ cứng theo chiều sâu lớp thấm cacbon. Độ cứng bề mặt chi tiết sau khi thấm cacbon đạt 810 HV0.2, chiều sâu lớp thấm đạt 200 μm (chế độ micro-melting), và có thể đạt tới 3 mm (macro-melting). Ưu điểm của phương pháp thấm cacbon này là bề mặt chi tiết không bị nóng chảy hoàn toàn, độ nhám bề mặt Ra = 2-5 μm ở chế độ micro-melting và thời gian thấm cacbon chỉ diễn ra trong vài giây. Từ khóa: Thấm cacbon bằng plasma; thép cacbon thấp; vùng nóng; độ cứng tế vi; thủy tinh lỏng. Abstract This paper is presented for carburizing the surface of CT3 low-cacbon steel using plasma arc and graphite coating. Graphite coating consists mainly of graphite powder and water glass. Experimental results indicate the change in the microstructure and the microhardness in the carburizing layer after the plasma treatment. The surface microhardness increased up to 810 HV0.2. The cemented layer depth was about 200 μm (micro-melting mode) and 3 mm (macro-melting mode).There are some advantages of this carburizing method: there is not a full melting on the surface; low surface roughness Ra = 2-5 μm in micro- melting mode and a short carburizing duration of only about a few seconds. Keywords: Plasma carburizing; low cacbon steel; heat spot; microhardness; sodium silicate. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong các phương pháp tĕng độ cứng cho bề mặt chi tiết, thấm cacbon là phương pháp được sử dụng rộng rãi, hiệu quả và có tính ứng dụng cao [1-2]. Thấm cacbon được biết đến và sử dụng từ thế kỉ XVII, đến nay công nghệ thấm cacbon ngày càng hoàn thiện [2-3]. Trong các phương pháp thấm cacbon thì phương pháp dùng các nguồn nhiệt có mật độ nĕng lượng cao (laser, plasma, chùm electron) và lớp phủ graphite là phương pháp đơn giản và hiệu quả, cho phép rút ngắn thời gian thấm cacbon đến vài giây [3-6]. Quá trình khuếch tán nguyên tử cacbon vào bề mặt chi tiết vật liệu thép xảy ra theo hai phương thức: 1 - trong trạng thái rắn của vật liệu (trạng thái austenite), 2 - trong trạng thái lỏng của vật liệu [7]. Hầu hết các quá trình thấm cacbon đến thời điểm hiện tại được thực hiện theo phương thức 1, tức là trong trạng thái austenite của vật liệu. Nhưng quá trình khuếch tán cacbon theo phương pháp này bị giới hạn bởi hằng số khuếch tán của cacbon trong mạng lưới tinh thể austenite (K c = 1,10-6 cm2/s [2], vì thế quá trình thấm cacbon diễn ra trong thời gian dài, dẫn đến những hạn chế nhất định (hiệu suất thấp, biến dạng chi tiết do nhiệt). Thấm cacbon dùng nguồn nhiệt có mật độ nĕng lượng cao và lớp phủ graphite được thực hiện theo nguyên lý 2, tức là trong trạng thái lỏng của bề mặt vật liệu. Hằng số khuếch tán cacbon trong trạng thái lỏng lớn hơn rất nhiều (K c = 7,9.10-5 cm2/s [8]) so với trạng thái rắn, điều đó cho phép rút ngắn thời gian quá trình thấm cacbon. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là bề mặt chi tiết sau khi thấm cacbon biến dạng, độ nhám bề mặt tĕng cao, đòi hỏi quá trình gia công cơ khí sau khi thấm cacbon. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 Sử dụng nguồn nhiệt mật độ nĕng lượng cao (laser, plasma, chùm electron) và lớp phủ graphite để thấm cacbon được thực hiện trong các nghiên cứu [3,7, 9-11]. Đặc điểm của các nghiên cứu này là lớp phủ graphite chỉ cần đảm bảo độ bám dính nhất định, độ dẫn điện của lớp phủ graphite không ảnh hưởng đến hoạt động của nguồn nhiệt (laser, plasma, chùm electron) và quá trình thấm cacbon. Tuy nhiên, việc sử dụng hồ quang plasma (hồ quang plasma tạo ra bằng dòng điện một chiều hay xoay chiều, trong đó dòng điện chạy giữa điện cực hay plasmatron, dòng plasma và bề mặt chi tiết) trong vai trò nguồn nhiệt trong trường hợp này là không khả thi, vì lớp phủ graphite dùng trong những nghiên cứu này không cho phép hồ quang plasma hoạt động ổn định. Về cơ bản lớp phủ graphite được cấu tạo từ những thành phần: vật liệu chứa cacbon (các loại than), chất hoạt hoá (NH4Cl, HCl, BaCO3), và chất kết dính (các loại keo hữu cơ và vô cơ). Trong các nghiên cứu kể trên, sử dụng hydrolysed ethylsilicate, lacquer, carboxymethyl cellulose và cả rượu etanol trong vai trò chất kết dính hay tạo môi trường dung dịch. Về cơ bản các loại vật liệu chứa cacbon dẫn điện tốt, nhưng khi kết hợp với các chất kết dính hay các chất hoạt hóa, tạo thành dung dịch dẫn điện kém hơn, ngoài ra dưới tác dụng nhiệt độ các chất kết dính này cháy tạo thành các sản phẩm khác nhau ngĕn cản hoạt động của hồ quang plasma. Vì vậy, hiện nay việc sử dụng plasma hồ quang và lớp phủ để thấm cacbon bề mặt chi tiết ít được nghiên cứu. Việc giảm đáng kể thời gian thấm cacbon cho phép tĕng nĕng suất quá trình thấm cacbon. Ngoài ra việc thấm cacbon bằng hồ quang plasma cho phép thấm cacbon từng vùng riêng biệt, không phụ thuộc vào kích thước chi tiết cần thấm và không gây ra biến dạng nhiệt như các phương pháp thấm cacbon truyền thống [1]. Trong nghiên cứu này sẽ trình bày về khả nĕng sử dụng nguồn nhiệt có mật độ nĕng lượng cao (hồ quang plasma) và lớp phủ graphite để thấm cacbon bề mặt chi tiết từ thép cacbon thấp. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Mục đích Nghiên cứu quá trình dùng hồ quang plasma và lớp phủ graphite để thấm cacbon, tĕng độ cứng cho bề mặt chi tiết. 2.2. Vật liệu mẫu thí nghiệm và thiết bị đo Vật liệu mẫu thí nghiệm: Vật mẫu để thấm cacbon có kích thước 80×40×10 mm từ thép CT3 (Cт3сп - theo tiêu chuẩn Nga ГОСТ 380-2005). Thiết bị đo: Độ nhám bề mặt được xác định trên máy đo độ nhám FormTalySurfi200; Để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại cần tiến hành phân tích kim tương, rồi sử dụng kính hiển vi MICROMED MET 2, cho phép quan sát trực tiếp và chụp ảnh tổ chức tế vi của kim loại (mức phóng to từ 100 đến 1000 lần); Để xác định độ cứng tế vi sử dụng máy đo độ cứng tế vi PMT-3. Bảng 1. Thành phần hóa học thép CT3 Mác thép Khối lượng các nguyên tố, % С Si Mn S P CT3 0,14- 0,22 0,15- 0,3 0,4- 0,65 <0,05 <0,04 Trên hình 1 thể hiện cấu trúc tế vi thép CT3 sau khi ủ. Cấu trúc: Ferrit (màu sáng) và perlit (màu tối do sự có mặt của các tấm cementit ngĕn cản sự phản xạ ánh sáng, vì vậy dưới kính hiển vi quang học cho màu tối). Độ cứng dao động 150-200 HV 0.2. Hình 1. Cấu trúc tế vi thép CT3 a. Graphite Hình 2. Bột graphite qua phân tích ảnh SEM а - bột graphite ; b - cấu trúc lớp của bột graphite а) b) LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 41Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 Dùng bột graphite từ điện cực graphite. Điện cực graphite gk-1 (ГК-1 - hàm lượng cacbon 99%) theo tiêu chuẩn Nga ГОСТ 4404-78 được mài thành dạng bột, sau đó lọc qua màng (kích thước lỗ màng 0,04 mm). Sau đó bột graphite được trộn với rượu etanol 95o, dung dịch nhận được cho vào bồn sóng siêu âm để loại bỏ tạp chất. Dung dịch sau khi xử lý bằng sóng siêu âm được sấy khô để làm bay hơi rượu, nhận được bột graphite với độ mịn cao (kích thước hạt < 0,04 mm). Hình 2 trình bày cấu trúc bột graphite. Sơ đồ tiến hành thấm cacbon được trình bày trên hình 3. Hình 3. Sơ đồ thấm cacbon bằng hồ quang plasma 1 - nguồn điện; 2 - bình argon; 3 - bộ phận đo dao động, U và I; 4 - bộ điều khiển; 5 - động cơ điện 1 chiều; 6 - chi tiết với lớp phủ graphite; 7 - mỏ hàn; 8 - máy ảnh; 9 - nhiệt kế hồng ngoại b. Lựa chọn thành phần lớp phủ graphite Như chúng ta đã biết, trong quá trình gia công bề mặt sử dụng hồ quang plasma, dòng điện chạy giữa điện cực và bề mặt chi tiết, vì vậy cần đảm bảo tốt độ dẫn điện của bề mặt chi tiết sau khi phủ bột graphite và độ bám dính của lớp graphite với bề mặt chi tiết. Lớp phủ graphite được cấu tạo từ bột graphite, thủy tinh lỏng, dung dịch làm mát và nước cho phép tạo được lớp phủ graphite dẫn điện tốt, có độ bám dính cao. Hình 4 trình bày sự thay đổi của điện thế và cường độ dòng diện giữa 2 đầu hồ quang plasma khi sử dụng các lớp phủ graphite khác nhau. Thông số quá trình kiểm tra độ ổn định của dòng plasma: I = 23-25 A, U = 120 V, V = 5 m/s. - Kênh 1: Diễn tả sự thay đổi của hiệu điện thế trong quá trình thấm cacbon bằng hồ quang plasma. - Kênh 2: Diễn tả sự thay đổi của cường độ dòng điện. Hình 4. Đồ thị U, V của quá trìnhtrình phủ а - không có lớp phủ graphite; b - lớp phủ graphite từ bột graphite, thủy tinh lỏng và dung dịch emulxi; c - lớp phủ graphite từ bột graphite và sơn cách nhiệt; d - lớp phủ graphite từ bột graphite trên nền keo dẫn điện (9703 ЗМ USA 25,4мм) Trên hình 4a, b, trừ giai đoạn mở đầu (kích thích quá trình tạo hồ quang plasma) và kết thúc, cường độ dòng điện và hiệu điện thế ổn định. Trên hình 4c, d, cường độ dòng điện và hiệu điện thế thay đổi với biên độ lớn, quá trình tạo hồ quang plasma và tắt hồ quang plasma xảy ra liên tục. Hồ quang plasma hoạt động không ổn định. 1 2 3 4 5 7 8 6 9 a) b) c) d) NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 42 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 Thủy tinh lỏng ngậm nước có công thức tổng quát là Na2O.m SiO2.n H2O. Dưới tác dụng của dòng plasma thủy tinh lỏng phân rã, tạo các oxit và hơi nước (1), sau đó các oxit này một phần nóng chảy, bay hơi, phân rã tạo thành Na, Si, H, O (2-4). Một phần phản ứng với cacbon tạo thành kim loại (5-6). Ngoài ra, xảy ra phản ứng tạo CO và cementite (7-8). (Trong trường hợp này có khả nĕng xảy ra các phản ứng khác nhưng không ảnh hưởng đến quá trình thấm cacbon và khuếch tán cacbon). Như vậy, việc tạo Na2O, Na ở nhiệt độ cao trên nền bột graghite là nguyên nhân dẫn đến việc bảo toàn tính dẫn điện của lớp phủ cacbon và hoạt động bình thường của hồ quang plasma. Na2O.mSiO2.nH2O = Na2O + mSiO2 + nH2O (1) H2O = 2H + O (2) SiO2 = Si + 2O (3) Na2O = 2Na + O (4) SiO2 + С = Si + CO2 (5) Na2O + 2С = 2Na + 2CO (6) H2O + С = H2 + CO (7) 3Fe + С = Fe3С (8) Như vậy, việc sử dụng thủy tinh lỏng trong vai trò chất kết dính trong trường hợp này đảm bảo được sự hoạt động ổn định của dòng plasma. Độ bám dính của lớp phủ được kiểm tra theo ГОСТ 9.302-88. Độ bám dính của lớp phủ có thể được kiểm soát bằng phương pháp rơi tự do. Lớp phủ không bị phá hủy khi mẫu rơi tự do trên một tấm thép đặc từ chiều cao 20 mm. Lượng lớp phủ bị tách ra không vượt quá 5%. Thực nghiệm cho thấy với lớp phủ chứa 33% graphite và 65% thủy tinh lỏng, lượng lớp phủ bị tách ra không vượt quá 2%. Như vậy, sử dụng lớp phủ được cấu tạo từ graphite, thủy tinh lỏng,.. đảm bảo được độ dẫn điện và độ bám dính cần thiết cho quá trình gia công. c. Quy trình chuẩn bị lớp phủ cacbon - Chuẩn bị bột graphite (kích thước hạt < 0,04 mm). - Tạo dung dịch graphite (bột graphite, thủy tinh lỏng, nước, dung dịch emulxi). Thủy tinh lỏng được dùng với vai trò chất kết dính, nước dùng để tạo trạng thái dung dịch, emulxi hỗ trợ quá tạo dung dịch (giảm sức cĕng bề mặt, bột graphite dễ hòa tan vào dung dịch hơn). - Phủ lên bề mặt chi tiết. - Sấy khô để đảm bảo cho lớp phủ graphite đều, dùng các tấm nhựa có độ dày nhất định. Quy trình phủ lớp graphite trình bày ở hình 5. Khối lượng bột graphite trên 1 một đơn vị diện tích β (g/m2) được tính theo công thức (9):𝛽𝛽 = 𝑚𝑚𝑠𝑠 (9) Trong đó: m: khối lượng bột graphite (g); s: diện tích phủ (m2). Thí nghiệm này dùng lớp phủ cấu tạo từ 33% graphite, phần còn lại là thủy tinh lỏng (emulxi khối lượng không đáng kể). Khối lượng phủ β = 100-200 g/m2. Hình 5. Sơ đồ phủ lớp graphite a - mẫu; b - mẫu với mặt nạ; c - sau khi phủ graphite; d - sau khi làm bằng; e - sau khi gỡ bỏ mặt nạ d. Thông số kỹ thuật Các thông số công nghệ cơ bản khi thấm cacbon: Cường độ dòng điện (I), hiệu điện thế (U), lượng tiêu hao argon trong một đơn vị thời gian (P), tốc độ di chuyển mẫu (V), kích cỡ điện cực, khoảng cách giữa điện cực và bề mặt chi tiết. Như chúng ta đã biết, trong quá trình gia công chi tiết máy bằng hồ quang plasma (tôi bề mặt) những giá trị kể trên ảnh hưởng đến lượng nhiệt chuyển đến bề mặt chi tiết trong một đơn vị thời gian và diện tích vùng nóng. Khái niệm vùng nóng (heat spot) được sử dụng đầu tiên trong hàn hồ quang từ những nĕm 30 của thế kỉ trước [12]. Trong gia công bề mặt chi tiết bằng nguồn nhiệt có mật độ nĕng lượng cao, vùng nóng là khu vực bề mặt của chi tiết mà nĕng lượng nguồn nhiệt đưa vào chi tiết qua đó [13]. Như vậy, khi gia công bằng nguồn nhiệt có mật độ nĕng lượng cao, diện tích vùng nóng càng nhỏ, mật độ nĕng lượng càng cao, vận tốc nung nóng và làm lạnh càng cao và ngược lại. Điều đó ảnh hưởng đến cấu trúc tế vi cũng như trạng thái của lớp bề mặt sau khi gia công, vì vậy xác định diện tích vùng nóng đóng vai trò hết sức quan trọng trong gia công bề mặt chi tiết bằng các nguồn nhiệt có mật độ nĕng lượng cao. Trong nghiên cứu [14], chúng tôi có trình bày phương pháp xác định vùng nóng trong quá trình gia công bề mặt chi tiết bằng dòng plasma. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khoảng cách giữa điện cực LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 43Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 và bề mặt chi tiết ảnh hưởng lớn đến vùng nóng: khi tĕng khoảng cách từ 3 lên 5 mm, đường kính vùng nóng tĕng đến 1,5 lần. Ngoài ra, tĕng công suất của hồ quang plasma (tĕng cường độ dòng điện) cũng dẫn đến việc tĕng bán kính vùng nóng. Vì vậy, để đánh giá một cách tổng quát nhất ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật (cường độ dòng điện, hiệu điện thế, vận tốc, khoảng cách giữa điện cực và bề mặt chi tiết) đến kết quả của quá trình gia công, sử dụng khái niệm: mật độ nĕng lượng F (J/mm2), F được tính theo công thức (10).𝐹𝐹 = 𝑈𝑈 ∙ 𝐼𝐼 ∙ 𝜂𝜂 ∙ 𝑡𝑡𝑆𝑆 ∙ 2𝑟𝑟 = 𝑈𝑈 ∙ 𝐼𝐼 ∙ 𝜂𝜂𝑣𝑣 ∙ 2𝑟𝑟 (10) Trong đó: U: hiệu điện thế, V; I: cường độ dòng điện, A; h: hiệu suất; t: thời gian, s; V: vận tốc, mm/s; r = f(h, U, I, h): bán kính vùng nóng, mm; h: khoảng cách từ điện cực đến mẫu, mm; S: chiều dài đường gia công, mm. Mật độ nĕng lượng tĕng khi tĕng công suất dòng plasma, hay giảm vận tốc chuyển động của chi tiết hay kích thước vùng nóng và ngược lại. Mật độ nĕng lượng càng cao, lượng nhiệt mà 1 đơn vị diện tích bề mặt trong 1 đơn 1 thời gian nhận được càng nhiều. Thông số kỹ thuật sử dụng: Cường độ dòng điện I = 90-120 A, hiệu điện thế U = 20-26 V, khoảng cách từ điện cực đến mẫu h = 5 mm, lớp phủ 33% graphite, 65% thủy tinh lỏng, còn lại emulxi, lượng bột graphite trên 1 một đơn vị diện tích b = 110 g/m2, lượng tiêu thụ argon 7 lít/phút. Với thông số kỹ thuật trên, mật độ nĕng lượng thay đổi từ 30 - 80 J/mm2. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bề mặt mẫu sau khi tác dụng bằng dòng plasma (plasma arc) trình bày trên hình 6. Hình 6. Bề mặt chi tiết sau khi phủ bằng plasma а - không có lớp phủ graphite; b - lớp phủ graphite từ bột graphite, thủy tinh lỏng và dung dịch emulxi; c - lớp phủ graphite từ bột graphite và sơn cách nhiệt; d - lớp phủ graphite từ bột graphite trên nền keo dẫn điện (9703 ЗМ USA 25,4мм) Sau khi thấm cacbon, tùy theo mật độ nĕng lượng dòng plasma và lượng lớp phủ trên bề mặt xuất hiện hai trạng thái của bề mặt mẫu thử từ thép. Chảy vi mô (hình 7): Bề mặt mẫu không bị nóng chảy hoàn toàn, vùng thấm cacbon chuyển sang màu trắng bạc. Xuất hiện các vùng lõm kích thước nhỏ. Độ nhám bề mặt (Ra) tĕng từ 0,7 - 0,8 µm (sau khi tiện để loại bỏ lớp oxyt trên bề mặt kim loại) đến 2-5 µm. Hình 7. Bề mặt vùng gia công a - bề mặt mẫu, b - cấu trúc 3D Lớp thấm cacbon sau khi tẩm thực có màu sáng, với độ cứng đạt đến 1100 HV0.2 (hình 8). Chiều sâu lớp thấm cacbon đạt tối đa ở vùng trung tâm, а) b) c) d) а) b) NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 44 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 giảm dần về 2 cạnh. Điều đó tương ứng với việc phân bố nĕng lượng trong vùng nóng của dòng plasma (theo định luật Gauss) [3,12-14]. Ở trạng thái micro-melting, chiều sâu tối đa lớp thấm cacbon đạt 180 - 200 µm. Có thể phân biệt 2 vùng khác nhau của lớp thấm các bon: Lớp 1 - ở ngoài, khuếch tán cacbon thực hiện trong trạng thái lỏng của bề mặt vật liệu, hàm lượng cacbon vùng này cao. Lớp 2 - ở trong, khuếch tán cacbon thực hiện trong trạng thái rắn của vật liệu, hàm lượng cacbon vùng này thấp hơn. Dưới lớp thấm cacbon là vùng ảnh hưởng nhiệt (sẫm màu hơn). Độ cứng vùng này dao động từ 400-500 HV0.2 do hàm lượng cacbon trong vùng này thấp 0,2%, dẫn đến việc tạo thành cấu trúc martensite với hàm lượng cacbon thấp, độ liên kết của mạng tinh thể martensite không cao. Hình 8. Cấu trúc lớp thấm cacbon a - hình tổng quát, b - theo chiều sâu lớp thấm cacbon Chảy rộng (hình 9): Bề mặt mẫu thép bị nóng chảy hoàn toàn, do tác động của của hồ quang plasma và áp suất của khí lên vùng kim loại nóng chảy, kim loại lỏng dạt về 2 rìa ngoài. Tùy thuộc vào chế độ gia công và lượng lớp phủ, độ nhám bề mặt (Ra) tĕng cao Ra >10 µm. Hình 9. Bề mặt vùng gia công a - bề mặt mẫu, b - cấu trúc 3D Trạng thái chảy vi mô hay chảy rộng của bề mặt chi tiết phụ thuộc vào mật độ nĕng lượng dòng plasma và lượng hỗn hợp vật liệu phủ trên bề mặt chi tiết. Dựa trên các thí nghiệm đã thực hiện ta thấy rằng với mỗi lượng lớp phủ nhất định, có tương ứng một giá trị mật độ nĕng lượng mà bề mặt chi tiết không bị nóng chảy hoàn toàn (trạng thái chảy rộng) và chiều sâu lớp thấm cacbon đạt lớn nhất. Hình 10 biểu diễn sự phụ thuộc mật độ nĕng lượng vào lượng lớp phủ trên bề mặt khi sử dụng lớp phủ graphite chứa 33% bột graphite. Hình 10. Phụ thuộc mật độ năng lượng vào lượng lớp phủ trên bề mặt (33% graphite) Khi sử dụng lớp phủ chứa 33% graphite, khối lượng phủ β =110 g/m2 (độ dày lớp phủ 0.25 mm). Khi F < 47-48 (J/mm2), lượng nhiệt cung cấp để nung nóng lớp phủ không đủ, không xảy ra quá trình thấm cacbon. b) a) b) a) LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 45Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 2 (69) 2020 Khi F > 60 (J/mm2), lượng nhiệt cung cấp lớn dẫn đến nóng chảy bề mặt, quá trình thấm cacbon vẫn diễn ra. Khi 47 < F < 60 (J/mm2), quá trình thấm cacbon xảy ra ở trạng thái chảy vi mô, khi tĕng F độ sâu lớp thấm tĕng theo. Trong nghiên cứu này việc tĕng, giảm F được thực hiện bằng việc tĕng, giảm cường độ dòng điện, các thông số khác không thay đổi). Để nghiên cứu cấu trúc vùng thấm cacbon, tạo các mẫu thử, qua thực nghiệm cho thấy, việc giảm nồng độ axit (1-3%) và tĕng thời gian tẩm thực (3-7phút) cho phép nhận được cấu trúc lớp thấm cacbon rõ hơn dưới kính hiển vi quang học. Dựa trên kết quả các thí nghiệm đã thực hiện nhận thấy rằng việc giảm nồng độ axit và tĕng thời gian tẩm thực cho phép quan sát cấu trúc vùng thấm cacbon tốt hơn. Trong các nghiên cứu [2,7,9-11], chiều sâu lớp thấm cacbon có thể đạt 3 mm. Độ cứng lớp thấm cacbon phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng các bon. Độ cứng lớn nhất khi hàm lượng cacbon từ 0,7-0,9% [3]. Khi hàm lượng cacbon tĕng dần, dẫn đến việc hạ nhiệt độ điểm bắt đầu tạo martensite, xuất hiện austen