Ứng dụng Kính hiển vi điện tử vi dò EPMA trong phân tích thép chịu lực carbon cao

Thép carbon chứa trên 0.6 % carbon (C) được phân loại là thép carbon cao, điển hình là loại thép chịu lực (SUJ). Thép SUJ được xử lý bằng quá trình nung thép ngọc trai tại nhiệt độ eutectoid trong thời gian dài, quá trình này chuyển hóa sắt carbide (Fe3C) thành khối hình cầu, làm tăng khả năng cắt được bằng máy công cụ. Bằng cách bổ sung chromium, các hạt chromium carbide cứng hình cầu có kích thước ≤ 1 μm được phân bố đều trong cấu trúc martensite, loại thép này thường được sử dụng làm các vòng bi.

Thép chịu lực có đặc tính cơ học như độ ổn định và chống mài mòn cao cũng như tuổi thọ hao mòn tiếp xúc lâu dài. Quá trình hình thành hạt cầu dẫn đến sự phân bố đồng đều các hạt cầu carbide, cải thiện tính chất cơ học. Mặt khác các khiếm khuyết  trong vật liệu như  nhiều tạp chất hoặc sự kết hợp của chúng ảnh hưởng đến tuổi thọ hao mòn tiếp xúc, trong đó Đặc biệt là sự kết hợp loại B (sắp xếp theo cách không liên tục) và loại C (tạp chất oxide phi kim loại) phân tán không đều có tác động đáng kể. Việc loại bỏ và phân bố tốt những yếu tố như vậy là cần thiết.

Hình 1 cho thấy sơ đồ bên trong của thép chịu lực carbon chromium cao, dữ liệu chỉ ra rằng các hạt oxide chromium cầu khoảng 1 μm phân bố đồng nhất.

Hình 1. Sơ đồ Thép chịu lực Carbon cao

Quá trình Nitơ hóa - Nitriding

Quá trình Nitơ hóa là phương pháp xử lý bằng nhiệt hóa cho lớp sơn phủ khuếch tán, sử dụng nitrogen để tạo ra nitrides trên bề mặt thép, tại đấy chứa các nguyên tố có ái lực với nitrogen (N) mạnh hơn iron (Fe), chẳng hạn như aluminum (Al), chromium (Cr) hoặc molybdenum (Mo). Phương pháp này được sử dụng như một phương pháp làm cứng bề mặt để tạo ra lớp hợp chất nitrogen cứng chống ăn mòn trên bề mặt thép, cải thiện khả năng chịu mài mòn. Trong đó, aluminum (Al) là nguyên tố quan trọng ảnh hưởng đến độ cứng của lớp nitrided.

Hình 2 cho thấy kết quả của sơ đồ phân tích lớp bề mặt nitrided trên thép chịu lực carbon chromium cao (SUJ). Ngoài các hạt chromium oxide, sự phân bố chromium nitride (CrN) xấp xỉ 100 nm và aluminum nitride (AlN) ≤100 nm được quan sát thấy.

Phân tích pha và phân tích trạng thái

Phân tích pha tạo ra độ mạnh (nồng độ) trên sơ đồ phân tán như một tập điểm (cluster), biểu diễn chính xác từng pha hợp chất. Hình 3 cho thấy kết quả của việc tách C-Cr, N-Cr, và N-Al thành các sơ đồ phân tán nhị phân. Các hợp chất này là chromium carbide, chromium nitride, và aluminum nitride, được xác định tương ứng với vùng tím, nâu và đỏ tươi trong hình 5.

Chromium có thể được phân tích trạng thái bằng cách sử dụng tia Cr-L. Khi chromium tạo thành hợp chất, tỷ lệ Cr-Lβ/Cr-Lα thay đổi từ tỷ lệ tương ứng của chromium đơn. Chromium nitride được biết là có dạng đỉnh Cr-Lα khác với hình dạng của chromium oxide, kết quả được thể hiện trong hình 6.

Hình 2. Sơ đồ Bề mặt Carbonitrided trên Thép chịu lực hàm lượng Carbon cao

Với nội dung bài viết nêu trên, Ông S.Yoshimi – chuyên gia ứng dụng của Hãng Shimadzu (Nhật bản) đã cung cấp tới người đọc những thông tin quan trọng  khi  sử dụng Kính hiển vi điện tử vi dò (Model EPMA-8050G) để phân tích thép chịu lực carbon chromium cao (SUJ), giúp chúng ta dễ dàng quan sát được các chỉ tiêu phân bố bề mặt, phân tích pha và trạng thái của vật liệu mà mắt thường không thể thực hiện được.

Tham khảo từ chuyên mục Ứng dụng của hãng Shimadzu

https://www.shimadzu.com/an/

Nguồn: ETA