Vật liệu #05: Thấm Nitơ (窒化処理) là gì? Các loại xử lý thường gặp trong chi tiết máy
Trong thiết kế chi tiết máy, có những vị trí không cần tôi cứng toàn bộ chi tiết, nhưng lại cần bề mặt cứng hơn, chống mài mòn tốt hơn hoặc giảm hiện tượng kẹt dính khi trượt.
Những lúc như vậy, một trong các phương án hay được nhắc tới là Thấm Nitơ (窒化処理・ちっかしょり).
Trong tài liệu tiếng Anh, phương pháp này thường được gọi là nitriding. Nhưng trong bài này tôi sẽ dùng thống nhất cách gọi Thấm Nitơ để dễ đọc hơn.
Nói đơn giản, Thấm Nitơ là phương pháp đưa Nitơ vào lớp bề mặt của thép để tạo lớp cứng bên ngoài. Chi tiết bên trong vẫn giữ cơ tính ban đầu, còn bề mặt thì được cải thiện về độ cứng, khả năng chống mài mòn, chống kẹt dính và trong một số trường hợp có cả khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
Bài này tôi ghi lại theo hướng thực tế khi chọn xử lý cho chi tiết máy, không đi quá sâu vào lý thuyết nhiệt luyện.
Thấm Nitơ là gì?
Thấm Nitơ là quá trình làm cho Nitơ thấm vào bề mặt kim loại, chủ yếu là thép, để tạo ra một lớp bề mặt cứng.
Điểm hay của Thấm Nitơ là nhiệt độ xử lý thường thấp hơn nhiều phương pháp nhiệt luyện khác như thấm carbon rồi tôi, hoặc tôi cao tần. Vì nhiệt độ thấp hơn nên biến dạng sau xử lý thường ít hơn.
Đây là lý do trong chi tiết máy chính xác, nếu cần tăng độ cứng bề mặt nhưng vẫn muốn hạn chế cong vênh, Thấm Nitơ là một phương án đáng cân nhắc.
Tuy nhiên, không nên hiểu là Thấm Nitơ lúc nào cũng tốt hơn tôi hoặc thấm carbon. Lớp cứng của Thấm Nitơ thường rất cứng nhưng khá mỏng. Vì vậy nếu vị trí đó chịu tải mặt quá lớn, va đập mạnh hoặc cần lớp cứng sâu, thì phải kiểm tra kỹ.
Nói ngắn gọn:
Thấm Nitơ hợp với bề mặt cần chống mài mòn, chống trượt dính, giảm ma sát và hạn chế biến dạng. Nhưng không phải lựa chọn đẹp cho mọi vị trí chịu tải nặng.
Vì sao chi tiết máy hay dùng Thấm Nitơ?
Trong máy móc, nhiều lỗi không đến từ việc chi tiết bị gãy ngay, mà đến từ việc bề mặt bị mòn dần.
Ví dụ:
- Chốt trượt bị mòn
- Bạc dẫn hướng bị cạ xước
- Trục bị kẹt dính với chi tiết đối tiếp
- Jig bị mài ở vùng tiếp xúc
- Khuôn hoặc chi tiết gá bị xước sau nhiều chu kỳ
- Cơ cấu trượt bị tăng ma sát sau thời gian dài
Ở những vị trí này, chỉ tăng độ cứng vật liệu gốc chưa chắc là cách hay nhất. Vì nếu toàn bộ chi tiết quá cứng, gia công khó hơn, giá cao hơn, hoặc chi tiết trở nên giòn hơn.
Thấm Nitơ giải quyết theo hướng khác: chỉ cải thiện lớp bề mặt cần làm việc.
Bên trong chi tiết vẫn giữ được độ dai hoặc cơ tính ban đầu, còn bề mặt thì cứng hơn và chịu mài mòn tốt hơn.
Đặc điểm chung của Thấm Nitơ
Các phương pháp Thấm Nitơ có nhiều loại, nhưng nhìn chung có một số điểm chung như sau:
- Tạo lớp cứng trên bề mặt thép
- Biến dạng sau xử lý thường nhỏ
- Cải thiện khả năng chống mài mòn
- Giảm hiện tượng kẹt dính, cháy dính khi trượt
- Có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn tùy loại xử lý
- Hợp với các vị trí có ma sát trượt
- Lớp cứng thường mỏng hơn so với một số phương pháp nhiệt luyện khác
Điểm cuối cùng rất quan trọng.
Nhiều người nghe “bề mặt rất cứng” thì nghĩ là chịu tải rất tốt. Nhưng thực tế phải nhìn thêm chiều sâu lớp cứng và điều kiện tiếp xúc.
Nếu chi tiết chịu áp lực mặt lớn, tải va đập hoặc tiếp xúc đường quá nặng, lớp cứng mỏng có thể không đủ. Khi đó phải hỏi kỹ bên xử lý nhiệt hoặc xem lại phương án vật liệu.
Ưu điểm của Thấm Nitơ
Ưu điểm lớn nhất là ít biến dạng.
Với các chi tiết đã gia công chính xác, đặc biệt là chi tiết có mặt chuẩn, lỗ chính xác, mặt trượt hoặc chi tiết dài mảnh, biến dạng sau xử lý là vấn đề rất khó chịu.
Nếu sau nhiệt luyện chi tiết bị cong, bị vênh, lỗ bị sai, mặt chuẩn bị lệch thì phải mài lại hoặc thậm chí làm lại chi tiết.
Thấm Nitơ thường có lợi ở điểm này vì nhiệt độ xử lý thấp hơn.
Một số ưu điểm khác:
- Tăng độ cứng bề mặt
- Tăng khả năng chống mài mòn
- Giảm ma sát
- Giảm kẹt dính giữa hai bề mặt kim loại
- Biến dạng ít hơn so với nhiều phương pháp nhiệt luyện khác
- Có thể xử lý được các vị trí nhỏ, lỗ trong hoặc khe hẹp tùy phương pháp
- Hợp với chi tiết trượt hoặc chi tiết có tiếp xúc lặp lại
Trong thiết kế jig, đồ gá, chi tiết dẫn hướng, chốt, trục, bạc, stopper, khuôn hoặc cơ cấu trượt, đây là những điểm khá thực tế.
Nhược điểm cần biết
Thấm Nitơ cũng có nhược điểm.
Nhược điểm đầu tiên là lớp cứng không sâu.
Nếu chi tiết cần chịu tải mặt lớn hoặc có nguy cơ lún bề mặt, chỉ có lớp cứng mỏng bên ngoài chưa chắc đủ. Bề mặt có thể cứng, nhưng nền bên dưới nếu không đủ khỏe thì vẫn có vấn đề.
Nhược điểm thứ hai là kết quả xử lý phụ thuộc khá nhiều vào vật liệu và nhà xử lý.
Cùng gọi là “Thấm Nitơ”, nhưng mỗi nhà xử lý có thể có điều kiện, thiết bị, kinh nghiệm, lớp xử lý và tiêu chuẩn khác nhau. Có chỗ mạnh về gas nitriding, có chỗ mạnh về plasma nitriding, có chỗ có tên thương mại riêng.
Vì vậy, khi bản vẽ chỉ ghi chung chung “窒化処理” mà không nói rõ yêu cầu, đôi khi kết quả nhận được sẽ không đúng mong muốn.
Nên kiểm tra trước:
- Vật liệu có phù hợp không?
- Cần độ cứng khoảng bao nhiêu?
- Cần chiều sâu lớp cứng bao nhiêu?
- Có cần chống ăn mòn không?
- Có cần chống kẹt dính không?
- Sau xử lý có cần mài lại không?
- Có vùng nào không được xử lý không?
- Có ảnh hưởng đến kích thước lắp ghép không?
Đặc biệt với chi tiết chính xác, phải nói chuyện với nhà xử lý trước khi chốt bản vẽ.
Các loại Thấm Nitơ thường gặp
Tên gọi trong thực tế khá nhiều. Có loại là tên phương pháp, có loại là tên thương mại, có loại mỗi công ty lại gọi hơi khác nhau.
Dưới đây là các loại thường gặp khi đọc tài liệu hoặc trao đổi với nhà xử lý.
Gas nitriding – ガス窒化
Gas nitriding là phương pháp Thấm Nitơ bằng môi trường khí.
Đây là phương pháp khá truyền thống, có thể tạo lớp thấm tương đối sâu so với một số phương pháp Thấm Nitơ khác. Với các vật liệu như SACM645, hiệu quả xử lý thường rất tốt.
Ưu điểm:
- Lớp thấm tương đối sâu
- Độ cứng bề mặt tốt
- Phù hợp với một số thép chuyên dùng cho Thấm Nitơ
- Biến dạng ít hơn nhiều phương pháp tôi khác
Điểm cần chú ý:
- Thời gian xử lý dài
- Chi phí có thể cao
- Không phải vật liệu nào cũng cho kết quả giống nhau
- Inox/SUS thường cần kiểm tra kỹ, không nên tự mặc định là xử lý được
Gas nitriding phù hợp khi cần lớp thấm tương đối tốt và chi tiết có yêu cầu chống mài mòn cao, nhưng không quá gấp về thời gian.
Gas soft nitriding – ガス軟窒化
Gas soft nitriding là phương pháp xử lý nhanh hơn và thường có chi phí thấp hơn so với gas nitriding thông thường.
Trong tiếng Nhật có thể gặp các tên như ガス軟窒化, SN処理, エスナイト処理 hoặc SNプロセス tùy nhà xử lý.
Đặc điểm chung:
- Xử lý nhanh hơn gas nitriding
- Chi phí thường thấp hơn
- Lớp thấm thường nông hơn
- Độ cứng có thể thấp hơn gas nitriding
- Bề mặt có thể có màu trắng sữa hoặc màu đặc trưng tùy xử lý
Phương pháp này hay được dùng cho các chi tiết cần cải thiện bề mặt nhưng không yêu cầu lớp cứng quá sâu.
Với các chi tiết máy thông thường, nếu cần chống mài mòn, giảm kẹt dính và thời gian giao hàng không muốn quá dài, gas soft nitriding là một lựa chọn khá thực tế.
Salt bath soft nitriding – 塩浴軟窒化 / Tufftride
Salt bath soft nitriding là phương pháp xử lý trong bể muối nóng chảy. Tên thương mại thường gặp là Tufftride.
Đặc điểm:
- Thời gian xử lý tương đối ngắn
- Chi phí thường dễ chịu hơn
- Có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu
- Bề mặt thường có màu xám hoặc màu tối tùy điều kiện xử lý
- Có khả năng cải thiện chống mài mòn và chống kẹt dính
Trong một số trường hợp, gas soft nitriding được dùng thay cho salt bath soft nitriding, tùy yêu cầu môi trường, chi phí và nhà xử lý.
Điểm cần chú ý là phương pháp này liên quan đến dung dịch muối, nên mỗi nhà xử lý sẽ có tiêu chuẩn và điều kiện quản lý riêng. Khi cần kiểm soát ngoại quan hoặc yêu cầu môi trường, nên xác nhận trước.
Plasma nitriding / Ion nitriding – プラズマ窒化 / イオン窒化
Plasma nitriding, hay ion nitriding, là phương pháp dùng plasma để đưa Nitơ vào bề mặt.
Phương pháp này thường được đánh giá là sạch, kiểm soát tốt và phù hợp với nhiều loại thép. Bề mặt sau xử lý có thể có màu bạc mờ hoặc màu xám sáng tùy điều kiện.
Ưu điểm:
- Có thể kiểm soát vùng xử lý tương đối tốt
- Bề mặt đẹp hơn trong nhiều trường hợp
- Biến dạng ít
- Phù hợp với nhiều loại thép
- Ít tạo bẩn so với một số phương pháp khác
Điểm cần chú ý:
- Chi phí thường cao hơn
- Với lỗ sâu, khe hẹp hoặc mặt trong phức tạp, xử lý có thể khó hơn
- Cần xác nhận kỹ với nhà xử lý nếu chi tiết có hình dạng phức tạp
Plasma nitriding hợp với chi tiết cần ngoại quan đẹp, kiểm soát xử lý tốt, hoặc cần giảm biến dạng trên chi tiết chính xác.
Radical nitriding – ラジカル窒化
Radical nitriding là một phương pháp Thấm Nitơ có đặc điểm là hạn chế tạo lớp hợp chất giòn trên bề mặt.
Trong thực tế, phương pháp này được nhắc tới khi muốn tránh các vấn đề như nứt, mẻ cạnh hoặc cần bề mặt sau xử lý có tính ổn định hơn.
Đặc điểm thường được nhắc tới:
- Ít tạo lớp hợp chất giòn
- Hạn chế nứt hoặc mẻ ở cạnh sắc
- Có thể không cần đánh bóng lại tùy yêu cầu
- Lớp xử lý dạng khuếch tán nên ít lo bong lớp phủ
- Có trường hợp sau xử lý vẫn có thể hàn hoặc mạ, tùy điều kiện và nhà xử lý
Phần này không nên tự quyết bằng cảm giác. Nếu chi tiết có cạnh sắc, rãnh nhỏ, lỗ nhỏ hoặc yêu cầu sau xử lý còn công đoạn khác như mạ, nên trao đổi trước với nhà xử lý.
Sulfur nitriding / Gas sulfonitriding – ガス浸硫窒化
Đây là phương pháp có thêm yếu tố lưu huỳnh để cải thiện tính trượt và giảm ma sát.
Trong các cơ cấu trượt, chống kẹt dính là vấn đề rất quan trọng. Nếu hai bề mặt kim loại tiếp xúc và trượt với nhau, có thể xảy ra hiện tượng かじり, tức là kẹt dính hoặc cắn dính bề mặt.
Gas sulfonitriding có thể được dùng khi muốn cải thiện khả năng chống kẹt dính và tính trượt.
Đặc điểm:
- Cải thiện tính trượt
- Giảm ma sát
- Hỗ trợ chống kẹt dính
- Có thể áp dụng cho một số thép hợp kim Cr cao tùy điều kiện
- Chi phí thường cao hơn gas soft nitriding
Phương pháp này nên xem như một lựa chọn chuyên hơn, dùng khi yêu cầu trượt và chống kẹt dính quan trọng.
Một số xử lý tên thương mại
Ngoài các tên phương pháp chung, trong thực tế còn gặp nhiều tên thương mại hoặc xử lý riêng của từng nhà xử lý.
Ví dụ như:
- MIC処理
- カナック処理
- エスナイト処理
- SN処理
- Tufftride
Những tên này không nên hiểu đơn giản là “giống nhau hết”. Mỗi loại có điều kiện xử lý, màu sắc bề mặt, lớp xử lý, độ cứng, khả năng chống mài mòn và chi phí khác nhau.
Khi gặp tên xử lý lạ, cách tốt nhất là hỏi nhà xử lý:
- Vật liệu nào xử lý được?
- Độ cứng sau xử lý khoảng bao nhiêu?
- Chiều sâu lớp xử lý bao nhiêu?
- Có lớp hợp chất trên bề mặt không?
- Có cần mài hoặc đánh bóng sau xử lý không?
- Bề mặt sau xử lý có màu gì?
- Có xử lý được lỗ trong hoặc khe nhỏ không?
- Có vùng nào cần masking không?
- Có ảnh hưởng tới kích thước không?
Đừng chỉ nhìn tên xử lý rồi ghi vào bản vẽ nếu chưa hiểu rõ.
Chỗ nào trong máy nên cân nhắc Thấm Nitơ?
Trong máy tự động, Thấm Nitơ có thể cân nhắc ở các vị trí như:
- Chốt dẫn hướng
- Trục trượt
- Bạc hoặc chi tiết trượt
- Stopper chịu tiếp xúc lặp lại
- Chi tiết jig bị cọ xát nhiều
- Chi tiết khuôn hoặc chi tiết gá
- Cơ cấu có nguy cơ kẹt dính
- Mặt tiếp xúc cần chống mài mòn nhưng không muốn biến dạng nhiều
Tuy nhiên, nếu là vị trí chịu va đập mạnh, tải mặt quá lớn hoặc cần lớp cứng sâu, nên kiểm tra lại. Có thể phải dùng vật liệu khác, xử lý khác, hoặc thay đổi kết cấu để giảm tải bề mặt.
Ví dụ, nếu một chốt nhỏ chịu lực ngang lớn và bị va đập liên tục, chỉ Thấm Nitơ chưa chắc giải quyết được gốc vấn đề. Có khi phải tăng đường kính chốt, đổi cách đỡ, thêm bạc, đổi vật liệu hoặc thay đổi cơ cấu để giảm lực.
Xử lý bề mặt không nên dùng để “chữa cháy” cho thiết kế cơ khí yếu.
Có thể che vùng không muốn xử lý không?
Có thể, nhưng phải hỏi nhà xử lý.
Trong nhiều trường hợp, nếu có vùng không muốn Nitơ thấm vào, nhà xử lý có thể dùng phương pháp chống thấm, che chắn, masking hoặc xử lý riêng tùy công nghệ.
Ví dụ:
- Vùng lắp ghép chính xác
- Lỗ cần giữ kích thước
- Bề mặt sau này cần hàn
- Vùng cần gia công thêm
- Vị trí không muốn thay đổi độ cứng
Nhưng không nên tự ghi tùy tiện trên bản vẽ nếu chưa xác nhận cách làm. Mỗi phương pháp xử lý có cách masking và giới hạn riêng.
Có xử lý được chi tiết hàn không?
Về nguyên tắc, có trường hợp xử lý được cả chi tiết có vùng hàn. Nhưng kết quả phụ thuộc vào vật liệu, kim loại hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt và phương pháp xử lý.
Nếu chi tiết có hàn, nên báo rõ với nhà xử lý ngay từ đầu.
Với các chi tiết yêu cầu chính xác, sau hàn thường đã có ứng suất dư. Nếu đem đi xử lý nhiệt hoặc xử lý bề mặt mà chưa kiểm soát ứng suất, vẫn có thể phát sinh biến dạng.
Vì vậy, với chi tiết hàn lớn hoặc chi tiết cần chính xác, nên cân nhắc:
- Có cần khử ứng suất trước không?
- Vùng hàn có ảnh hưởng đến lớp xử lý không?
- Sau xử lý có cần kiểm tra lại kích thước không?
- Có vị trí nào dễ biến dạng không?
Khi ghi trên bản vẽ nên ghi thế nào?
Điểm này khá quan trọng.
Nếu bản vẽ chỉ ghi chung chung:
窒化処理
hoặc
Thấm Nitơ
thì chưa chắc đủ.
Tùy yêu cầu, nên làm rõ thêm:
Loại xử lý Thấm Nitơ
Vật liệu nền
Độ cứng yêu cầu
Chiều sâu lớp cứng
Vùng cần xử lý
Vùng không xử lý
Yêu cầu ngoại quan
Có cần mài sau xử lý không
Tiêu chuẩn kiểm tra
Ví dụ thực tế, với chi tiết không quá nghiêm ngặt, có thể ghi theo cách đơn giản hơn, nhưng với chi tiết chính xác hoặc chi tiết quan trọng thì nên trao đổi với nhà xử lý trước khi phát hành bản vẽ.
Trong sản xuất, một dòng ghi chú xử lý bề mặt không rõ có thể làm phát sinh rất nhiều việc: báo giá sai, xử lý sai, màu bề mặt khác mong muốn, kích thước lắp ghép bị ảnh hưởng hoặc tuổi thọ không đạt.
Kết luận
Thấm Nitơ (窒化処理) là một phương pháp rất hữu ích khi muốn tăng độ cứng bề mặt, chống mài mòn, giảm ma sát và hạn chế biến dạng sau xử lý.
Nó đặc biệt hợp với các chi tiết có ma sát trượt, chi tiết dẫn hướng, chốt, trục, jig, stopper hoặc các bề mặt tiếp xúc lặp lại.
Nhưng không nên xem Thấm Nitơ là phương án xử lý “cứ làm là tốt”.
Cần kiểm tra vật liệu, chiều sâu lớp cứng, độ cứng yêu cầu, điều kiện tải, áp lực mặt, hình dạng chi tiết và khả năng xử lý của nhà cung cấp.
Trong thiết kế máy, xử lý bề mặt chỉ là một phần của thiết kế. Nếu kết cấu ban đầu sai, tải quá lớn, tiếp xúc quá nhỏ hoặc cơ cấu bị lệch tâm, thì Thấm Nitơ cũng không thể cứu hết được.
Cách làm an toàn nhất là chọn vật liệu, thiết kế kết cấu và xử lý bề mặt cùng lúc, rồi trao đổi sớm với nhà xử lý trước khi chốt bản vẽ.
Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA