1
Nguyên lý:
Chương 3. HÓA BỀN BỀ MẶT
3.1. Tôi bề mặt
Nguyên lý chung: Nung nóng BM nhanh đếnT
0
tôi  lõi vẫn
nguộinguội nhanh tiếp theoBM được tôi, lõi vẫn mềm
3.1.1. Tôi cảm ứng
Vật dẫn có dòng điện đi qua tạo ra từ trường biến thiên
chi tiết được đặt trong từ trường đó sẽ xuất hiện dòng điện
cảm ứng trên bề mặt, có cùng tần số nung nóng nhanh bề
mặt chi tiết đến T
0
tôi
Trong đó:
ρ − đιệν trở sυấτ (Ω.cm); μ− Độ từ thẩm (gaus/ơcstεt) ;
f tần số dòng
 Dùng dòng điện có tần số hàng nghìn đến hàng chục
vạn Hz chiều sâu nung mỏng
Đặc điểm
 Đặc điểm: Mật độ dòng điện xoáy (Fuco) phân bố không
đều trên tiết diện chi tiết, chủ yếu tập trung ở bề mặt với
chiếu sâu .
 Mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không đều trên tiết
diện chi tiết
cm
f
,
.
.5030




• Chiều sâu lớp tôi = 20% tiết diện
• Chiều dày lớp tôi bánh răng : 0.2.28m ( m mô đun răng)
• Chi tiết lớn: chiều dày lớp tôi : 45mm  tần số máy phát
không cao (25008000Hz; Công suất 100kW)
• Chi tiết nhỏ : chiều sâu lớp tôi: 12mm Tần số máy phát
cao (66.000250.000Hz; Công suất vừa 50100kW))
(a) Sơ đồ nung cảm ứng (b) Tôi khi nung toàn bộ bề mặt (c) Tôi - nung liên tục
2
Vòng cảm ứng :
 Bộ phận gây ra dòng cảm ứng
Hình dạng phù hợp với BM chi tiết, khoảng
cách với chi tiết nhỏ ( giảm tổn hao): 1.55mm
 Vật liệu bằng ống đồng, rỗng
• Các phương pháp tôi
1. Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt chi tiết
2. Nung nóng và làm nguội từng phần riêng biệt
3. Nung nóng và làm nguội liên tiếp
• Đặc điểm của thép tôi cảm ứng
 Thép tôi cảm ứng: %C 0.350.55 , thép C hay HK
thấp ( độ thấm tôi thấp)
 Tốc độ nung nhanh nhiệt độ chuyển biến cao ( hơn
100200
0
C)
 Thời gian chuyển biến ngắn , hạt As nhỏ mịntôi M
nhỏ mịn
 Trước khi tôi BM : NL hóa tốt

Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng
Lõi: tổ chức X ram (2530HRC)
Bề mặt: M kim nhỏ mịn (5058HRC); chịu ưs
dư nén ( 800MPa)  nâng có giới hạn mỏi
Bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt
Lõi có độ dai va đập và độ dẻo cao
Bề mặt có khả năng chống mỏi tốt
Tổ chức:
Cơ tính:
 các chi tiết thường sử dụng tôi cảm ứng: trục, răng…
Tổ chức lõi răng bánh răng
GAZ1 ở trạng thái làm việc,
X500- Tôi cao tần
Thép 35Cr (VN) ; SCr435
(JIS) ; 5135 ( Mỹ)
Tổ chức từ bề mặt vào lõi của
TQ1 ở trạng thái làm việc,
X500 – Thấm cacbon
Thép 18CrMnTi (VN); 20
CrMnTi (TQ)
3
Tôi cảm ứng (… )
Ưu điểm:
 Năng suất cao
 Chất lượng tôt
 Dễ dạng cơ khí hoá, tự động hoá
Nhược điểm:
 Khó thực hiện với các chi tiết hình dáng phức tạp
3.1.2.Tôi ngọn lửa
Dùng ngọn lửa ôxyAxêtylen ; T

0
=3000
0
C
 Nung nhanh BM
 Làm nguội chi tiết bằng vòi phun hay nhúng vào
môit trường tôi
Nhược điểm:
Dễ bị chảy bề mặt
 Năng suất thấp
 Khó tự động hóa
 Là quá trình bão hoà một hay nhiều nguyên tố vào bề mặt
thép nhờ khuyếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường
bên ngoài ở nhiệt độ thích hợp làm biến đổi tổ chức và tính
chất theo mục đích
• Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ
bền mỏi cho chi tiết
• Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu
Mục đích:
Lớp thấm
Lớp nền
Mẫu thấm Nitơ lên thép SKD61
3.2. Hoá - nhiệt luyện
Các giai đoạn trong quá trình
• Giai đoạn phân hoá
• Giai đoạn hấp phụ
• Giai đoạn khuyếch tán
4
Các yếu tố ảnh hưởng
Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ảnh hưởng của thời gian
T=const
Thời gian
Chiều dày lớp thấm
D = D
o
.e-(Q/kT)
x = k.τ1/2
Do hằng số kt (cm2/s)
Q hoạt năng kt (cal/mol)
R hằng số khí (cal/mol.độ)
VD: D của C trong As tăng 7 lần khi
T tăng từ 9251100
0
C
k là hệ số; τ − thờι gιαn
Τăng thờι gιαn hιệυ qυả ít
* Nâng cao T thấm  hiệu
quả, nhưng phải tránh lớn
hạt
Nhiệt độ
Hệ số khuếch tán
3.2.1. Thấm C
1. Đ/n:  Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,10,25%C) +
tôi và ram thấp  bề mặt có độ cứng cao, lõi dẻo dai
Mục đích:
 làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn, chịu mỏi
tốt (HRC ~ 6064)
 lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 3040), chịu va đập
2. Yêu cầu đối với lớp thấm:

 Bề mặt: ~ 0,81,0%C, tổ chức
sau nhiệt luyện là M ram và
cacbit nhỏ mịn phân tán
 Lõi: tổ chức hạt nhỏ, M kim nhỏ
mịn (không có Ferit tự do)
Độ cứng HRC
Thấm C áp suất thấp (Movie)
5
17
Lõi (X500)
Lớp thấm C trên bánh răng
làm bằng thép 25CrMnTi,
trạng thái cân bằng (X50)
Vùng bề mặt ( X500)
3. Nhiệt độ thấm
 Trên A
C3
hoàn toàn As ( 900950
0
C
Thép C thường thấm ở T ≈ 900
0
C
 Thép HK ( có yếu tố giữ nhỏ hạt) T ≈920950
0
C
4. Thời gian thấm
 Phụ thuộc vào chiều sâu lớp thấm: thường (0.1
0.15)d d đường kính chi tiết; thường từ 0.51.8mm
 Phụ thuộc và tốc độ thấm : V lỏng > V khí > V rắn

VD: thể rắn : 0,1mm chiều sâu/1h nung giữ
thể khí: 0,2mm chiều sâu/1h nung giữ
Một số thiết bị trong quá trình thấm C
5. Chất thấm :
 Thể rắn: 8095% than gỗ + Na
2
CO
3
, hoặc Ba CO
3
(xúc
tác)
Phản ứng: 2C + O
2
 2CO ( khi thiếu ôxy)
2CO  CO
2
+ C
ngtử
C
ngtử
 khuyếch tán vào b/m thép (nồng độ tăng dần)
Tác dụng của xúc tác:
Ba CO
3
 BaO + CO
2
CO
2
+ C

than
 2CO
2CO  CO
2
+ C
nguyên tử
 b/m thép
Nhược điểm : +Bụi
+ %C : 1,21,3
6
 Thể khí:
Thành phần: CO 9597%; CH
4
 35 % ( khí đốt
thiên nhiên)
CH
4
 2H
2
+ Cnguyên tử
Ưu điểm:
+ %C : 0,8 1,0
+ dễ cơ khí hoá và điều chỉnh (dùng dầu hoả, khí
gas)
 Thể lỏng ( ít dùng)
Các hỗn hợp khí thường dùng hiện tại:
• Sản phẩm phân hủy dầu hỏa ở nhiệt độ thấm
cacbon thể khí có thành phần như sau:
(10  20)%CO + (50  75)%H
2

+ (1  10)%C
n
H
2n
+
1%CO
2
+ các khí khác
• C
n
H
2n+2
, C
n
H
2n
. Đi kèm với với khí cung cấp
cacbon là khí điều khiển và khí độn như CO
2
,
H
2
, N
2
…( khí Gas)
• Hỗn hợp Metanol + toluen
• Khí endo được tạo ra từ khí tự nhiên với thành
phần gồm 90% CH
4
+ 5%C

2
H
6
+ 5%N
2
( các nước CN phát triển)
6. Nhiệt luyện sau thấm:
 nhất thiết phải Tôi + Ram
Tôi trực tiếp :
Sau thấm  hạ nhiệt độ đến 850860
0
C  tôi
Ưu điểm : BD nhỏ
 Tôi 2 lần :
Lần 1: cho lõi  T> A
c3
: 880900
0
C
Lần 2: T> A1 : 760780
0
C
Nhược điểm : BD lớn ( do nung nhiều lần)  ít dùng
áp dụng cho thép C và HK có yêu cầu cao về cơ tính
 Tôi 1 lần :
Nhiệt độ tôi trung gian cho cả bề mặt và lõi:
yêu cầu độ cứng b/m: T= 820850
0
C
yêu cầu độ cứng lõi : T= 860880

0
C
 Ram: 180200
0
C = 11,5 h
So sánh: tôi bề mặt thấm C
b/m 5660HRC 6062 HRC
lõi 1520 HRC 3040 HRC
7
b.Thấm Ni tơ:
1. Đ/n: bão hoà Nitơ vào bề mặt thép nâng cao độ
cứng , tính chống mài mòn ( mạnh hơn C), tạo ra ứng
suất dư nén, chống rỉ tốt.
Chất thấm và các quá trình xảy ra: sử dụng khí NH
3
2NH
3
 3H
2
+ 2N
ng.tử
N
ng.tử
+ Fe

 Fe

(N)
N
ng.tử

+ Fe 
()Fe
23
N,(’)Fe
4
N
Nhiệt độ thấm:
480650
0
C.
Tổ chức lớp thấm thấm: từ ngoài vào: (ε + γ’), γ’, (γ’ +
α), α + lõi thép (xoocbit ram);
2. Đặc điểm của lớp thấm N:
Nitrit với độ cứng rất cao, nhỏ mịn (phân tán): 6570 HRC 
sau thấm N không phải nhiệt luyện
8

’
- Fe
4
N
 - Fe
2-3
N

’

Surface
%N
Core

20 30
Lớp thấm Nitơ trên thép SKD11, với lưu lượng khí thấm
60 (l/h) – 1 giai đoạn thấy xuất hiện lớp trắng (5μm).
Lớp trắng có thể là pha γ' (có thể cả pha ε). Do
γ’
(Fe
4
N)
và
ε
(Fe
23
N) là các pha cứng nên khả năng chịu mài mòn
cao nhưng giòn  không mong muốn
Q= 60l/h  hai giai đoạn (trong 8h) với độ phân
hủy khác nhau lớp trắng mỏng đi rõ rệt
2. Đặc điểm lớp thấm N:
 Nitrit với độ cứng rất cao, nhỏ mịn (phân tán): 6570
HRC
sau thấm N không phải nhiệt luyện
 Thời gian thấm lâu;
T=520
0
C,

= 24 h

= 0,25-0,3 mm
• Chỉ đạt được lớp thấm mỏng (0,050,5mm);
• Sau thấm không tôi mà nguội chậm đến 200

0
C;
• Lớp thấm giữ được độ cứng cao đến 500
0
C;
• Thép chuyên dùng thấm N (Cr,Mo, Al) 38CrMoAlA
9
Heating resistance
NH3, CO2,N2
Air
cooling
Exhaust fumes
NH
3
70%
N
2
CO
2
25%
30%
5%
50%
Heat up Nitriding Cooling down
Temperature
600
o
C
Qui trình tham khảo của công ty
Công dụng: chi tiết cần độ

cứng và tính chịu mài mòn
rất cao, làm việc ở nhiệt độ
cao: 500  600
0
C
3.2.3. Thấm C-N:
1. Định nghĩa:  bão hoà đồng thời CN vào
b/m thép  nâng cao độ cứng và tính chống
mài mòn
2. Mục đích :giống thấm C &N , tốt hơn thấm C
3. Đặc điểm: T
thấm
 850
0
C  chủ yếu thấm C
T
thấm
 560
0
C  chủ yếu thấm N
10
4 Thấm C-N thể lỏng: độc, ít dùng
Thành phần: NaCN, KCN  chất thấm
NaCl, Na
2
CO
3
pha loãng
T
0

C thấp: 50% NaCN + Na
2
CO
3
, NaCl
Hoặc NaCN+ KCN tỷ lệ 1:1
 T
0
C cao: < 30% hoặc 10% NaCN hoặc
KCN
5 Thấm C-N thể khí:
So với thấm C thể khí có ưu điểm hơn hẳn:
• dùng chung thiết bị với thấm C thể khí ( thêm vào
510% NH
3
)
• tổ chức lớp thấm Các bitNitrit
Fe3(C,N)
• ( 6065HRC ), độ bền uốn tăng 2030%, độ dai
va đập và chống mài mòn tăng 1,5 lần
•lớp thấm mỏng hơn thấm C   ngắn hơn
• không tạo muội (NH
3
)  tăng tốc độ thấm
( thấm ở 840860
0
C  930
0
C thấm )
Sau thấm : Tôi (trực tiếp )+ ram

I
II
III
•(vùng I) có hàm lượng N và C cao nhất : cacbit và nitơrit,
astenit dư và mac tenxit.
•(vùngII) : dung dịch rắn của N và các NTHK+ lượng As dư
khá lớn và M.
•(vùngIII) : M khá mịn.
Tổ chức của
lớp thấm C-N
Lớp thấm C-N trên thép 20CrMo dùng làm nêm neo sau
tôi X200
11

Sự phụ thuộc của As dư vào tổng
lượng C+N
As dư phần trắng