Giáo trình Cơ khí đại cương - Chương 7: Xử lý và bảo vệ bề mặt kim loại

GIÁO TRÌNH: CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG 71
CHƯƠNG 7 
XỬ LÝ VÀ BẢO VỆ BỀ MẶT KIM LOẠI 
7.1. KHÁI NIỆM CHUNG 
 Sự phá huỷ kim loại, các máy móc thiết bị bằng kim loại có thể do nhiều nguyên nhân 
khác nhau nhưng chủ yếu là do tác dụng hoá học, tác dụng điện hoá và tác dụng cơ học. 
Sự phá huỷ kim loại do hoá học hay điện hoá gọi là sự ăn mòn kim loại hay sự gỉ. Sự phá 
huỷ kim loại do cơ học gọi là sự mài mòn kim loại. 
7.1.1. CÁC DẠNG ĂN MÒN KIM LOẠI (GỈ) 
 Gỉ có nhiều dạng khác nhau: 
- Theo cơ cấu bên trong có 2 loại: gỉ hoá học và gỉ điện hoá. 
- Theo dạng bên ngoài: gỉ hoàn toàn bề mặt, gỉ bộ phận, gỉ điểm. 
- Theo môi trường gây gỉ gồm: gỉ trong môi trường khí quyển, gỉ trong dung dịch, gỉ trong 
không khí, gỉ trong đất v.v... 
7.1.2. CÁC DẠNG MÀI MÒN 
 Sự mài mòn là sự thay đổi không mong muốn về hình dáng và kích thước của bề mặt chi 
tiết vì mất đi một lượng kim loại do tác dụng cơ học của các phần tử rắn từ bề mặt chi tiết hoặc từ 
môi trường ngoài. 
Sự mài mòn cơ học có thể xuất hiện ở 2 dạng sau: 
- Khi có chuyển động tương đối của kim loại trên kim loại. 
- Khi có chuyển động của môi trường phi kim trên bề mặt kim loại. 
7.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ BẢO VỆ BỀ MẶT KIM LOẠI 
 Thực chất của xử lý bề mặt kim loại là tạo cho các chi tiết máy có khả năng chống gỉ, 
chống mài mòn, tính chịu nhiệt v.v...bằng các phương pháp xử lý thích hợp. Có các phương pháp 
xử lý bề mặt kim loại sau: 
7.2.1. XỬ LÝ NHIỆT KIM LOẠI 
A. NHIỆT LUYỆN 
a/ Khái niệm chung: Nhiệt luyện là một quá trình xử lý nhiệt kim loại để làm thay đổi 
tính chất của chúng bằng cách nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian sau đó 
làm nguội với tốc độ khác nhau theo một chế độ xác định nhằm cải thiện tổ chức, cho cơ tính, tính 
công nghệ mới, khử ứng suất dư, tạo cho kim loại những tính chất theo yêu cầu. Quá trình nhiệt 
luyện được đặc trưng bởi: 
- Nhiệt độ nung (Tn) cần chọn nhiệt độ nung và 
chế độ nung phù hợp để tránh cong, vênh, biến dạng, nứt. 
t1 t2 t3
H.2.1. Quá trình nhiệt luyện 
t(s)
IIIII I
0
T0C 
Tn- Thời gian giữ nhiệt (t1÷t2) để nhiệt độ đồng đều 
trên toàn bộ tiết diện của sản phẩm. 
- Tốc độ làm nguội khác nhau nhờ các môi trường 
khác nhau và cho các kết quả khác nhau với các phương 
pháp nhiệt luyện khác nhau. 
b/ Các phương pháp nhiệt luyện 
GIÁO TRÌNH: CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG 72
 - Ủ: là phương pháp nung chi tiết đến nhiệt độ xác định (200÷3000C nếu ủ thấp; 
600÷7000C nếu ủ kết tinh lại...), giữ nhiệt, rồi làm nguội chậm (thường làm nguội trong lò) với 
mục đích khử ứng suất dư do quá trình làm nguội không đều trước đó gây ra, làm tổ chức đồng 
đều, giảm độ cứng, tăng độ dẻo, độ dai, ổn định chất lượng, làm đồng đều thành phần hoá học, 
phục hồi lại tính chất hoá lý ban đầu. 
 - Thường hoá: là quá trình nung nóng như ủ nhưng làm nguội trong không khí tĩnh, nhằm 
tạo hạt nhỏ, đồng nhất về cấu trúc với độ bền và độ dai cao hơn ủ. 
 - Tôi: là phương pháp nung nóng đến nhiệt độ chuyển biến, giữ nhiệt cho đồng đều hoá về 
tổ chức của vật liệu rồi làm nguội với tốc độ lớn trong môi trường (nước, đầu, nước muối...) để 
nhận được tổ chức không cân bằng có độ cứng cao, tăng thêm độ bền. 
Tôi có 2 phương pháp: tôi thể tích là nung nóng toàn bộ vật tôi rồi làm nguội; tôi cục bộ, 
tôi bề mặt là nung nóng nhanh bề mặt đến nhiệt độ tôi, sau đó làm nguội nhanh hoặc nung nóng 
toàn bộ rồi làm nguội cục bộ phần cần tôi. 
 - Ram: Sau khi tôi vật liệu dòn, dễ nứt vỡ nên thường phải ram để khử ứng suất giảm độ 
cứng, tăng độ dẻo, độ đàn hồi, độ dai va chạm. Ram là phương pháp nung vật liệu đến nhiệt độ 
ram (ram thấp 150÷2500C; ram vừa 300÷4500C; ram cao 500÷6800C) 
B. HOÁ NHIỆT LUYỆN 
 Hoá nhiệt luyện là phương pháp làm bảo hoà một số nguyên tố hoá học trên lớp bề mặt 
kim loại để làm thay đổi thành phần hoá học, do đó làm thay đổi tính chất của lớp bề mặt đó 
a/ Thấm các bon: Mục đích của thấm cácbon là làm bảo hoà cácbon lên lớp bề mặt kim 
loại nhằm làm tăng độ cứng cho lớp bề mặt chi tiết. Thường dùng cho các loại thép cácbon và hợp 
kim có hàm lượng cácbon thấp. Thấm cácbon có thể tiến hành ở thể rắn, lỏng, khí. Thấm cácbon 
ở thể rắn được dùng nhiều với nguyên liệu chủ yếu là than C = (80÷90)% + chất xúc tác (BaCO3, 
CaCO3). Nung đến nhiệt độ thấm 900÷9500C, giữ nhiệt một thời gian để cácbon nguyên tử thấm 
vào làm bảo hoà cácbon lên bề mặt chi tiết thấm. Lớp bề mặt thấm được (0,5÷2)mm. 
b/ Thấm nitơ: Thấm nitơ là phương pháp làm bảo hoà nitơ vào lớp bề mặt chi tiết kim loại 
nhằm nâng cao độ cứng, độ dai va chạm, tính chống mài mòn, chống mỏi...Vật liệu thấm nitơ 
thường dùng amôniac (NH3) nhiệt độ thấm 480÷6500
 NH3 → 3H + Nng.tử
 Nitơ nguyên tử có hoạt tính mạnh, thấm vào bề mặt chi tiết. Lớp thấm mỏng (0,2÷0,3)mm; 
độ cứng đạt được 67÷72 HRC. 
c/ Thấm xianua: Thấm xianua là quá trình làm bảo hoà đồng thời cả cácbon và nitơ lên bề 
mặt chi tiết kim loại, nhằm nâng cao độ cứng, tính chịu mài mòn và giới hạn mỏi của lớp bề mặt 
chi tiết. Quá trình thấm nitơ có thể ở nhiệt độ thấp 540÷5600C hoặc ở nhiệt độ trung bình 
840÷8600C và nhiệt độ cao 900÷9500C. Vật liệu thấm dùng muối có gốc CN như NaCN, 
KCN...Chiều sâu lớp thấm < 0,1÷0,2 mm. 
7.2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT KHÁC 
GIÁO TRÌNH: CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG 73
- Theo yêu cầu đạt được hình dáng tế vi của bề mặt, người ta thường dùng các phương 
pháp gia công như mài, đánh bóng. 
- Theo yêu cầu đạt về tính chất cơ học của lớp bề mặt, thường dùng các phương pháp như 
lăn ép, phun bi v.v... 
- Theo yêu cầu đạt được về thành phần hoá học, cấu trúc lớp bề mặt, thường dùng các 
phương pháp xử lý như xementit hoá, nitơ hoá, khếch tán crôm v.v... 
- Theo yêu cầu đạt được lớp phủ bề mặt có các tính chất vật lý khác mà thành phần hoá 
học giống hoặc khác với vật liệu nền, thường dùng các phương pháp như mạ, phun kim loại ... 
7.2.3. BẢO VỆ CHỐNG GỈ 
a/ Khái niệm: Bảo vệ chống gỉ nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi làm 
việc lâu dài, nâng cao hiệu quả kinh tế... đặc biệt các kết cấu làm việc trong môi trường có các 
hoạt động hoá học mạnh (không khí, nước biển, ánh sáng mặt trời...) 
b/ Phương pháp bảo vệ 
 - Bảo vệ lâu dài: gồm chọn vật liệu có khả năng chống gỉ tốt và chọn phương pháp tạo lớp 
chống gỉ như phun bi, lăn ép, tạo độ bóng cao v.v... 
+ Xử lý kết cấu là chọn kết cấu đơn giản có độ bóng bề mặt cao, có phần chuyển tiếp, 
thuận lợi cho việc bảo quản, chống gỉ, xử lý v.v.. 
+ Xử lý môi trường gỉ cần khử hoặc hạn chế khả năng xâm thực của môi trường như độ 
ẩm, ôxy, ôxýt... 
+ Bảo vệ bằng lớp phủ kim loại, phi kim, ôxýt bằng hoá học, điện hoá (tráng phủ men, mạ 
crôm, tráng kẽm, phủ ôxýt nhôm, phun kim loại, mạ điện, ngâm dung dịch, quét sơn...) 
+ Bảo vệ chống gỉ trong môi trường nhiệt đới: cần khử thành phần xâm thực của môi 
trường, các sản phẩm gỉ, nước và độ ẩm môi trường, cần mạ niken, crôm, sơn tổng hợp, sơn chống 
gỉ có tính kiềm, dùng bao bì đóng gói... 
 - Bảo vệ tạm thời: là quá trình bảo quản trong quá trình sản xuất, trong kho, khi vận 
chuyển như làm sạch bôi trơn dầu mỡ, chất chống gỉ, paraphin, bao gói, đóng hộp v.v...