BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THẨM THẤU
NITƠ CHO MỘT SỐ HỢP KIM SẮT – CACBON
DÙNG TRONG CHẾ TẠO CHI TIẾT MÁY”Mã số: 04.08 RDBS
Người chủ trì thực hiện:
Th.S. Hoàng Minh Thuận

7735
01/3/2010

Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng
2 Nguyễn Văn Bản Thạc sỹ
Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng
3 Đào Quang Kế PGS.TS
Khoa Cơ – Điện,
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
4 Nguyễn Văn Nghĩa Thạc sỹ
Khoa Cơ – Điện,
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
5 Phạm Thị Hằng Kỹ sư
Khoa Cơ – Điện,
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
6 Lục Vân Thương Kỹ sư
PTN Công nghệ Hàn & XLBM,
Viện Nghiên cứu Cơ khí

Uông Bí – 2008

1
MỞ ĐẦU

Nước ta đang đi vào thời kỳ Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước
với nền kinh tế thị trường và đang phát triển với nhịp độ cao. Các ngành
công nghiệp như: Cơ khí động lực, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng
không… đang được chú trọng đầu tư và phát triển nhanh. Nhu cầu bức thiết
được đặt ra là phải phát huy nội lực trong nước, tạo nên các sản phẩ
m cơ khí
mang nhãn hiệu Việt Nam.
Vấn đề cơ bản là phải tập trung nghiên cứu và ứng dụng các phương
pháp công nghệ mới vào thiết kế chế tạo cơ khí. Cùng với việc ứng dụng

Sở dĩ công nghệ nitarid đảm bảo được vệ sinh môi trường là nhờ việc s
ử
dụng các hỗn hợp thấm nitơ không chứa muối xianua và đưa vào sử dụng
chất tái sinh có khả năng phục hồi hoạt tính của bể thấm.
Hiện nay, tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý
bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ – Bộ Công thương đã được đầu tư một thiết
bị về thấm nitơ plasma do Đức sản xuất. S
ử dụng công nghệ thấm nitơ
plasma hay còn gọi là thấm nitơ thể ion.
Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế – xã hội, việc nâng cao hiệu quả
chất lượng chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Chất
lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị thì phụ thuộc rất lớn vào chất lượng

2
chi tiết cơ khí. Việc áp dụng công nghệ thấm nitơ plasma góp phần đáng kể
vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành cơ khí nói riêng và
ngành công nghiệp nói chung. Với việc đưa phương pháp thấm nitơ plasma
vào thay thế một số phương pháp thấm tôi khác sẽ góp phần làm tăng chất
lượng và tuổi thọ chi tiết, giảm ô nhiễm môi trường phục vụ hiệu quả cho
các ngành công nghiệp.
Hiện nay, tại các xí nghi
ệp sửa chữa thiết bị xây dựng và vận tải của
Quảng Ninh cần rất nhiều phụ tùng thay thế các chi tiết chịu mài mòn như:
Vòng găng xi lanh, trục ăc, trục chưa thập, Các chi tiết này còn khả năng
chịu bền, nhưng bị mòn và phải thay. Lượng thay thế hàng năm rất lớn. Chỉ
cần tăng tuổi thọ chịu mài mòn trên 10% thì đã đem lại ích lợi kinh tế cho xí
nghi
ệp vận tải rất lớn, do kéo dài thời gian phục vụ của thiết bị, giảm thiếu
thời gian sửa chữa. Nếu công nghệ được nghiên cứu và bảo đảm, các xí
nghiệp cơ khí tại Uông bí, Quảng Ninh sẽ nhận triển khai ứng dụng.

Hoá nhiệt luyện kim loại và hợp kim loại là quá trình nhiệt luyện bao
gồm nung chi tiết và giữ nhiệt ở nhiệt độ nhất định trong môi trường hoạt
tính nhằm thay đổi thành phần hoá học, tổ chức và tính chất bề mặt của chi
tiết.
Hoá nhiệt luyện là một trong những biện pháp hoá bền có hiệu quả và được
sử dụng rộng rãi cho nhiều loạ
i chi tiết máy, dụng cụ, dao cắt, khuôn dập
nguội, khuôn dập nóng,…
Hai tác dụng của hoá nhiệt luyện là:
- Hoá bền bề mặt chi tiết: tăng độ cứng bề mặt, độ chống mài mòn,
độ bền chi tiết tăng lên đáng kể sau khi hoá nhiệt luyện.
- Tăng khả năng kim loại chống tác dụng của môi trường xâm thực ở
nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao. Tăng độ chị
u mài mòn, độ chống
xâm thực, độ chịu axit, độ bền nhiệt.
So với tôi bề mặt, hoá nhiệt luyện có những ưu điểm chính sau: có
thể áp dụng cho những chi tiết có hình dáng bề mặt phức tạp, mà tôi bề mặt
khó tiến hàng, thậm chí không thể thực hiện được.
Trong quá trình hoá nhiệt luyện thể tích riêng của bề mặt tăng gây ra
ứng suất nén dư, ứng suất này có tác dụng làm giảm giá trị
ứng suất kéo của
ngoại lực trong quá trình làm việc của chi tiết. Việc tăng độ chống mài mòn
bề mặt tạo khả năng tăng tốc độ quay của máy, tăng năng suất và tuổi bền
của máy. Hóa bền bề mặt chi tiết có thể đạt được bằng các phương pháp
khác: tôi bằng tần số cao, tôi ngọn lửa Song việc hoá bền bề mặt chi tiết
bằng hoá nhiệ
t luyện có nhiều ưu việt, tạo cho nó có khả năng ứng dụng
rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực.
Có thể áp dụng cho những chi tiết có hình dáng bề mặt phức tạp, mà
tôi bề mặt khó tiến hành, thậm chí không thể thực hiện được.

CH
4
<=> 2H
2
+ [C]
Khi thấm Nitơ sử dựng chất thấm NH
3
:
2NH
3
<=> 3H
2
+ 2[N]
Hấp thụ là các nguyên tử hoạt tính được hấp thụ vào bề mặt chi tiết
sau đó dùng khuếch tán vào bên trong kim loại cơ sở, tạo nên dung dịch rắn
hoặc các pha trung gian hoặc các hợp chất hoá học. Kết quả của sự hấp thụ
là tạo nên ở bề mặt thép có một nồng độ nguyên tố định khuếch tan vào
cao, tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi.
Khuếch tán là các nguyên tố hoạt tính hấp thụ vào lớp bề mặt với
nồng độ cao sẽ được khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm với chiều sâu
nhất định, Nhờ khuếch tan, lớp thấm được tạo thành và nó là cơ sở của hoá
nhiệt luyện. Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ và
nồng độ chất khuếch tan ở lớp bề
mặt.
Ba giai đoạn phân hủy, hấp thụ, khuếch tán có liên quan mật thiết với
nhau và có ảnh hưởng đến quá trình hoá nhiệt luyện. Nếu quá trình phân
hủy xảy ra nhanh hơn hấp thụ thì những nguyên tử hoạt tạo thành không
hấp thụ kịp sẽ trở nên không hoạt tính nữa, lúc này nó cản trở sự hấp thụ
tiếp theo vì thế ảnh hưởng tới tốc độ của quá trình. Ngược lại khi các
nguyên t

- Làm bão hoà bằng các kim loại.
- Tách các nguyên tố ra khỏi kim loại bằng khuếch tán.
Đặc điểm:
- Có thể áp dụng cho tất cả các chi tiết, kể cả những chi tiết có hình
dáng phức tạp khi không dùng được các phương pháp hoá bền bề mặ
t khác.
- Tính chất của lớp bề mặt và trong lõi chi tiết rất khác nhau, do thành
phần hoá học của chúng cũng khác nhau sau khi thấm.
- Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn và độ bền mỏi của chi
tiết nhưng hiệu quả đạt được cao hơn so với tôi bề mặt. Mục đích này đạt
được bằng các phương pháp thấm C, thấm N
2
, thấm xianua, thấm B…
- Nâng cao tính chống ăn mòn điện hoá và hoá học, chống oxy hoá ở
nhiệt độ cao, tăng khả năng chịu axít của lớp bề mặt chi tiết. Để đạt được các
mục đích này người ta dùng các phương pháp thấm nhôm, thấm silic, [1]

1.3. Công nghệ thấm cacbon
Quá trình làm bão hoà bề mặt thép bằng cacbon nhằm nâng cao độ
cứng, khả năng chống mài mòn và giới hạn bền của lớp bề m
ặt. Sau khi hấm
cacbon, sản phẩm phải tôi thành dạng cấu trúc mactenxit và ram thấp. Theo
trạng thái của môi trường thấm, phân ra thấm cacbon thể rắn, thể khí, thể
lỏng và thể bột nhão. Thấm cacbon là dạng hoá nhiệt luyện được dùng rộng
rãi cho các chi tiết làm bằng thép có hàm lượng cacbon thấp (nhỏ hơn 0,3%).
Ở Việt Nam, công nghệ này được sử dụng rộng rãi từ những năm 60 thế kỉ
20 cho các loại chi tiết như trục, bánh r
ăng, chốt, phụ tùng xe đạp, v.v
Chất thấm cácbon
Hỗn hợp của một số chất dùng để tạo nguyên tử cacbon hoạt tính cần

thể khí. Thấm C-N thể lỏng thực hiện trong muối xianat nóng chảy nên còn
gọi là thấm xianat. Theo nhiệt độ, chia ra: thấm C-N nhiệt độ thấp dùng cho

7
dụng cụ cắt gọt và khuôn dập làm bằng thép hợp kim cao; thấm C-N nhiệt
độ cao dùng cho các chi tiết máy thay cho thấm cacbon. Thấm C-N nhiệt
độ thấp tiến hành sau khi nhiệt luyện (tôi + ram cao); thấm C-N nhiệt độ
cao tiến hành trước khi nhiệt luyện (tôi + ram thấp) .

1.5. Công nghệ thấm nitơ
1.5.1. Lịch sử phát triển
Trong những năm đầu của thế kỷ 20, Adoloph Machlet làm việc cho
một công ty khí đốt ở Mỹ ở Elizabeth, NJ. Anh đã được công nh
ận là nhà
công nghệ xử lý độ cứng bề mặt. Qua thử nghiệm, không bao lâu Machlet
đã khám phá ra đó là Nitơ hòa tan trong sắt. Nitơ khuếch tán tạo ra độ cứng
bề mặt tương đối trong các loại thép thường hoặc thép hợp kim thấp và đặc
biệt nó cải thiện được khả năng chống ăn mòn.
Bằng sáng chế đầu tiên đánh dấu cho sự phát triển của quy trình
nitriding đã được ứng dụng vào tháng 3 n
ăm 1908 tại Elizabeth, NJ. Bằng
sáng chế này được cấp lại lần cuối cùng vào tháng 6 năm 1913, sau 5 năm
kể từ lần đầu được ứng dụng. Machlet đã làm việc một số năm trước khi
bằng sáng chế được đưa vào sử dụng và tiếp tục phát triển cả về quy trình
mới và sự hiểu biết của ông về kết quả quá trình luyện kim. Mặc dù vậy,
phát minh của ông về quy trình nitriding không
được ứng dụng rộng rãi và
dần mất đi
Ở Châu Âu, Adolph Fly, một chương trình nghiên cứu tương tự diễn
ra tại Krupp ở Essen. Đây là chương trình đã ghi dấu ấn bởi Dr.Adolph Fly

chế tạo (SME) năm 1927, Các nhà luyện kim Mỹ băt đầu tìm hiểu về các
tham số trong quá trình nitriding và các hiệu ứng của hợp kim trong quá
trình nitriding của các loại thép.
McQuaid and Ketcham. Các nhà luyện kim H.W. McQuaid and
W.J.Ketcham thuộc công ty Timken Detroit Axle ở Detroit. Giai đoạn
nghiên cứu được hoàn thành trong 2 năm, và kết thúc vào năm 1928. Tổng
quan, công việc chú trọng vào xử lý nhiệ
t độ. Nhiệt độ được lựa chọn trong
phạm vi từ 540 ÷ 650
0
C. Còn Machlet, phạm vi lựa chọn từ 480 ÷ 980
0
C.
McQuaid và Ketcham kết luận quá trình nitriding ở nhiệt độ cao có tác
động tới độ cứng trong lõi của thép hợp kim nhưng tác động nhỏ vào khả
năng nitride ở nhiệt độ đó.
Năm 1950, nhà vật lý Dr Claude Jones và Dr. Derek Sturges, cùng với
Stuart Martin phát triển công nghệ thấm Nitơ ion đầu tiên ở Mỹ. Từ đó ứng
dụng công nghệ thấm nitơ - plasma để thay đổi tính chất của vật liệu và chi
tiết máy.[12]
Ở Đức, công nghệ
thấm nitơ - plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học
người Đức, Dr Wehnheldt. Năm 1932, thuật ngữ “glow discharge” (sự
phóng điện phát sáng) được ông sử dụng khi nghiên cứu công nghệ thấm
nitơ. Sau đó Wehnheldt cộng tác với nhà vật lý học người Thụy Sĩ và nhà
buôn người Đức, Dr Bernhard Berghaus. Họ cùng nhau nghiên cứu công
nghệ thấm nitơ - plasma và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH,
chế tạo thiết bị thấm nitơ ion. Công nghệ
thấm nitơ ion của Wehnheldt và
Berghaus đã thành công trong các ngành công nghiệp Đức trong suốt chiến

Bề mặt chi tiết được bão hoà bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc theo
phản ứng:
2NH
3
→ 3H
2
+ 2N
Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao bị hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép.
Lượng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào độ
phân giải NH
3
. Độ phân giải NH
3
phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và lượng
NH
3
đưa vào lò.
Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2N → N
2
. Do đó,
thấm nitơ xảy ra mạnh khi quá trình phân giải NH
3
xảy ra gần bề mặt chi
tiết. Độ phân giải amôniắc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tốc độ cấp NH
3
,
diện tích bề mặt chi tiết và nồi thấm bởi vì bản thân thép cũng là vật xúc tác
làm tăng nhanh phản ứng. Độ phân giải thấp, khả năng hấp thụ nitơ lên bề
mặt chi tiết giảm vì không đủ số nitơ nguyên tử hoạt tính. Song nếu độ
phân giải NH

dạng ion
Thấm nitơ ở trạng thái lỏng tiến hành trong bể muối có thành phần
40% KCNO + 60% NaCN, qua bể muối cho luồng không khí khô đi qua.
Nhiệt độ thấm là 570
0
C, thời gian thấm 0,5 ÷ 3 giờ. Sau khi thấm trên bề
mặt tạo thành một lớp mỏng cacbit – nitrit Fe
3
(N,C) có khả năng chống mài
mòn cao và không bị phá huỷ giòn. Tiếp theo lớp cacbit – nitrit là lớp dung
dịch rắn. Chiều sâu lớp thấm khoảng 0,15 – 0,5 mm.
Ưu điểm: ít thay đổi kích thước, chi tiết không bị cong.
Nhược điểm: dùng muối độc và giá muối xianua quá đắt.

10
Trong quá trình thấm nitơ thể khí, nitơ nguyên tử được tạo ra từ
amôniăc. Dạng cổ điển của phương pháp này dựa trên việc phân hủy
amôniăc thành các khí thành phần nitơ và hyđrô. Một thiết bị đơn giản gọi
là burette được sử dụng để kiểm tra tốc độ phân hủy sau những khoảng thời
gian nhất định và điều chỉnh lượng amôniăc phù hợp.
1.5.3. Vậ
t liệu thấm
Thông thường các hợp kim hệ sắt, bao gồm thép không gỉ, gang, thậm
chí hợp kim Titan đều có thể được thấm nitơ. Tuy nhiên, các hợp kim khác
nhau có các đặc tính khác nhau chẳng hạn trạng thái bề mặt, tốc độ khuếch
tán tự nhiên và xu hướng hình thành Nitrit (ái lực với Nitơ). Cần hiểu rằng
một quy trình thấm nitơ sẽ tạo ra các kết quả khác nhau trên các vật liệu
khác nhau. Do đó, nhiều người sử dụ
ng gặp phải những khó khăn, đặc biệt
nếu họ dùng phương pháp cổ điển và không có đủ kiến thức và kinh

- Thấm cacbon - nitơ (CN) thể lỏng ở nhiệt độ thấp (550 ÷ 570
0
C)
hoặc trung bình (840 ÷ 860
0
C) cho các loại thép kết cấu cacbon, thép kết
cấu hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ, các loại gang thông dụng
Tăng độ cứng (tuỳ thuộc thành phần vật liệu), có thể đạt tới 600 ÷
1200HV, tăng khả năng chịu mài mòn, giảm hệ số ma sát, chống ăn mòn,
giảm cong vênh, tăng tuổi thọ của chi tiết máy;
- Hỗn hợp thấm không độc, chế tạo chủ yếu từ các chế
phẩm trong
nước;
Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ
thấp bằng nguyên tố Nitơ trong bể muối nóng chảy.
Nitarid không dùng muối xyanua, chất tái sinh có khả năng tại tạo
lượng CNO và phục hồi khả năng làm việc của bể thấm.
Nitarid là công nghệ không có phế thải, vệ sinh môi trường, ứng dụng
rộng rãi, kinh tế cao.
- Công suất tính theo ca: 30 KW, 50 KW, 100 KW
- Nitarid làm cho các sả
n phẩm sắt, thép có khả năng chịu mài mòn,
chịu mỏi tốt và chống ăn mòn tốt.
Nitarid có tính năng tương tự Nicer (Mỹ), Tenifer (CHLB Đức).
Sunsun (Pháp). Triniding (Anh), và Tufftride (Hàn Quốc)
Giá thành rẻ, hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao; Có thể sản xuất bằng
nguyên vật liệu sẵn có.
Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ
thấp, nhằm bão hoà bề mặt sắt thép b
ằng nguyên tố Nitơ trong môi trường

được đặt thêm giỏ thép có kết cấu thích hợp, thuận tiện cho việc đưa sản
phẩm vào và lấy ra. Thiết bị đảm bảo độ tin cậ
y cao, giá thành rẻ, dễ sử
dụng, thích hợp với qui mô sản xuất vừa và nhỏ ở nước ta hiện nay và có
khả năng nâng cấp tự động hoá cao trong quá trình sản xuất, tương đương
với các nước phát triển.
Công nghệ thấm nitơ thể lỏng Nitarid làm cho các sản phẩm từ sắt,
thép có khả năng chịu mài mòn và chịu mỏi cao, chống ăn mòn rất tốt.
Công nghệ được tiến hành ở nhi
ệt độ thấp (dưới 600
0
C), nên sản phẩm có
độ biến dạng thấp, thành phần bể thấm đảm bảo tính ổn định hoá nhiệt và
có độ chảy loãng, khả năng tạo nitơ hoạt tính cao. Mặt khác, công nghệ xử
lý bề mặt sau khi thấm rất đa dạng, cải thiện được các tính chất của lớp
thấm. Công nghệ đơn giản, đảm bảo được tính ưu việt của bề mặt sả
n phẩm
làm cho nitarid có khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Tổ hợp cơ tính tối ưu của vật liệu đã đạt được, tuy nhiên ngoài đạt
được đúng thành phần của mác thép quy định còn phải qua cơ nhiệt luyện
nữa.
Trong khi chúng ta chưa làm rõ được sự giống và khác nhau giữa thép
Fe-Mn có C cao hoặc N cao có hoặc không có Cr hoặc các nguyên tố tạo
cacbit khác, qua cơ nhiệt luyện sẽ có tác động đến các hạt cacbit hoặc gia
công lạnh chẳng hạn như hóa già đã và đang được áp dụng rất thành công trên
nhiều mác thép.
1.5.6. Dung dịch rắn Nitơ
Đây là hướng nghiên cứu đang còn bỏ nghỏ mà trong khi đó thép
mangan cao luôn có sự liên hệ mật thiết với lượng nito cao. Vai trò của nito
như sau: là một nguyên tố tạo Ostenit dễ dùng và rẻ, góp phần mở rộng


1.6. Thấm ni-tơ plasma
1.6.1. Quá trình thấm nitơ - plasma
TW
W
G
V
TL
D
R
U
P

Hình 1.4. Sơ đồ lò thấm nitơ - plasma
Trong đó:
R - Thùng chứa
W - Chi tiết
U - Nguồn điện (350 ÷ 600V)
P - Áp suất tổng (0,1 ÷ 10 mbar)
TL - Nhiệt độ tải ( 250 ÷ 1000
0
C)
TW - Nhiệt độ tường lò (100 ÷ 550
0
C)
D - Đường cung cấp vật liệu
G - Khí cung cấp cho quá trình
V - Bơm hút chân không

14

phần tử N
2
cũng có thể được biến đổi trong quá trình hoạt hoá. [10,12,13,15, …]
1.6.2. Xung plasma
Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí
được đưa vào năm 1923. Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện
do sự ion hoá của các nguyên tử khí. Để đưa đến trạng thái ion hoá của các
khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp.
Một ví dụ về plasma là mặt trời. Nhưng với nhiệt độ
cao như vậy
plasma không được sử dụng trong công nghệ xử lý bề mặt vật liệu. Khi áp
suất khối khí lớn hơn 0,1 bar thì trạng thái plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt
độ > 8000
0
K. Nếu áp suất khối khí giảm xuống còn khoảng 1 Mbar thì
plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Chính vì thế trong
môi trường chân không plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp. Trong
công nghệ thấm nitơ xung plasma thì plasma được sinh ra trong buồng
chân không giữa khoảng không gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lò).
Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vôn khí được ion hoá trở thành dòng khí
dẫn điện (plasma). Mật độ dòng t
ăng khi điện áp tăng. [10, 12, 13,…]
Bề mặt xử lý bằng plasma đầu tiên sử dụng công nghệ DC plasma
(plasma sinh ra bởi điện áp một chiều) trong lò chân không làm mát bằng
nước. Nhược điểm chủ yếu của công nghệ này là nhiệt độ tải biến động quá
lớn. Vì thế năng lượng tiêu thụ cao, mật độ tải nhỏ, hạn chế sự liên kết giữa
quá trình nhiệt và hoá học. Năm 1980 ELTRO sử dụng xung plasma nghĩa là
plasma được sinh ra bởi điện áp xoay chiều. Nó khắc phục được các nhược
điểm của công nghệ DC plasma:


không bị biến dạng.
- Làm nguội nhanh trong khí trơ với dòng đối lưu tự nhiên hoặc
cưỡng bức làm tăng năng suất thấm.
Quá trình ELTROPUL với xung plasma được thiết lập s
ẵn có những
ưu điểm đặc trưng.
- Nguồn plasma được tự động giới hạn từ trước tới giá trị cần thiết
đảm bảo đồng đều nhiệt cho chi tiết và cho phép nạp vào lò với số lượng
chi tiết lớn nhất có thể. Hơn nữa, giá trị nguồn nhỏ nhất sẽ ngăn cản được
sự quá nhiệt của những chi tiết quá mỏng (hi
ện tượng thường xảy ra với
các quá trình có thời gian tồn tại xung ngắn).

16
- Quá trình ELTROPUL đảm bảo được lớp nitrit đặc chắc. Trong cùng
một quá trình có thể thấm được những chi tiết với các kích thước hình học
khác nhau.
- Ưu điểm nữa của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL là
giảm được tiêu thụ điện năng, tiêu thụ khí, nước làm nguội, do đó giảm
được giá thành nhiệt luyện. Với quá trình ELTROPUL, số lượng chi tiết có
thể thấm nitơ - plasma là tăng hơn so với các quá trình khác. Ứ
ng dụng của
công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL ngày càng rộng rãi.[13, 15]
Các chi tiết được thấm: piston, van lò xo, dụng cụ cắt, trục khuỷu,
dùi, mũi khoan, bơm, bánh răng điều chỉnh, mũi doa, trục cam, bánh răng
bơm dầu,…
1.6.4. So sánh đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp
a. So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với các phương pháp
thấm nitơ thông thường
So với thấm nitơ trong lò muối và thấm nit

góc cạnh do đó không phải nguyên công
mài để loại bỏ.
- Thấm nitơ - plasma cải thiện được tính chất bền mỏi của vật liệu.
Mạ crôm không đạt được tính chất này
- Do quá trình thấm nitơ - plasma có luồng phóng điện phát sáng bao
phủ bề mặt chi tiết nên sản phẩm có độ cứng lớn, chiều sâu lớp thấm phù hợp.
- Là phương pháp bảo vệ môi trường. Còn mạ crôm sử dụng crôm
hoá trị
IV chất gây ung thư.[13]

17
1.6.5. Các thiết bị thấm nitơ
a) Lò hình chuông
- Có khả năng chứa tải trọng cho chi tiết lớn hay nhỏ.
- Sự trộn lẫn tốt.
- Dễ dàng mang chi tiết vào lò. [13]

Hình 1.6. Lò hình chuông Hình 1.7. Lò 2 đáy

b) Lò 2 đáy
- Về đặc trưng vẫn giống như lò chuông
- Trong khi xử lý ở đáy này thì chi tiết cho ra ở đáy kia
- Có hệ thống tự động nâng lò lên trong 24h điều khiển
- Lò 2 đáy có kích thước lớn. [13]
c) Lò có 2 vật chứa
- Có khả năng làm việc liên tục
- Ưu điểm là thùng chứa có khả năng mang tải lớn và chứa được chi
tiết dài.

Hình 1.8. Lò có 2 vật chứa Hình 1.9. Lò thấm của hãng Aldridge

Để thấm nitơ thường dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tố
như Cr, Mo, Al chúng có ái lực với nit
ơ mạnh hơn sắt và các nitrít này
không những có độ cứng cao như nitrit sắt mà còn có tính phân tán lớn, ổn
định nhiệt độ cao. Do đó lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn rất
cao, chắc, không tróc. Khi thấm nitơ cho thép hợp kim sẽ tạo thành những
nitrit hợp kim nhỏ mịn (Cr
2
N, Mo
2
N, AlN…) nên làm tăng độ cứng và tính
chống ăn mòn.
Các loại thép hợp kim thường dùng để thấm nitơ là: 38CrMoAlA,
38CrMoA, 38CrWVAl, 38Crl, 35CrAlA, 38XWVAlA.
Ngoài ra còn có các loại khác như: 30CrN, 2WVA, 30Cr2NiWVA,
30Cr3WA, 18Cr2Ni4WA.
Thấm nitơ các loại thép không gỉ như: 1Cr13, 1Cr18Ni9Ti,
4Cr14Ni2W2, 20Cr3MOWV.
Do có các nguyên tố hợp kim như crôm, nhôm, môlipđen nên độ
cứng của lớp thấm có thể đạt tới 1200 HV hoặc cao hơn.
Thấm nitơ với mục đích tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển,
trong hơi nước và trong nước; có th
ể dùng cho tất cả các loại thép kể cả thép
cácbon, gang.
c. Các loại vật liệu sử dụng trong chế tạo sản phẩm ứng dụng công
nghệ thấm nitơ plasma.
19
1.7.2. Đối tượng được thấm nitơ – plasma
Thấm nitơ plasma hay thấm ni-tơ ion là công nghệ nhiệt luyện tiên
tiến nhất. Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp
với hỗn hợp các khí H
2
, N
2
, CH
4
và Ar. Dưới điện thế cao các khí bị ion
hoá tạo dòng plasma. Ion ni-tơ được gia tốc trong quá trình plasma và va
chạm với mẫu vật. Quá trình bắn phá ion này làm nung nóng, làm sạch và
tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng giới hạn bền mỏi. [13,12,11,10, …]
- Các chi tiết, dụng cụ của tất cả các ngành đều là đối tượng được
thấm nitơ – plasma [12]:
- Các bánh răng trong các máy móc xây dựng, công nghiệp tự động
đòi hỏi độ bền m
ỏi tăng, sự biến dạng giảm, cần thiết phải mài sau nhiệt

20
luyện để đạt kích thước đúng.
- Các chi tiết của động cơ đốt trong: trục khuỷu, trục cam, pinhônh,
thanh dẫn, bánh răng… cần tăng tính chất chống mài mòn, sức bền mỏi
được cải thiện.
- Khuôn ép, máy ép khi đúc kim loại, hợp kim đòi hỏi tăng khả năng
chống ăn mòn, mài mòn.
- Dụng cụ cắt yêu cầu có khả năng chống mài mòn cao, độ cứng lớn.
Nhìn chung sự ứng d

α
là 0,42% ở nhiệt độ 591
0
C và 0,015% ở nhiệt
độ 20
0
C.
γ - dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong sắt Fe
γ
, được gọi là austenít
nitơ, tồn tại ở nhiệt độ cao hơn 591
0
C; Độ hòa tan cực đại của nitơ trong
Fe
γ
là 2,75% ở nhiệt độ 650
0
C.
γ’ – dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitrit Fe
4
N, là pha rất
cứng. Pha γ
’
tồn tại trong khoảng hẹp (ở nhiệt độ 591
0
C và hàm lượng nitơ 5,6
÷ 5,9%).
ε - dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitơ sắt Fe
2
N. Thành

thép.
Lượng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào độ
phân giải amôniăc. Độ phân giải amôniăc phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất và
lượng amôniăc đưa vào lò.
Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2[N] → N
2
.
Do thấm nitơ xảy ra mạnh khi quá trình phân giải amôniăc xảy ra gần
bề mặt chi tiết. Độ phân giải amôniăc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tốc
độ cấp amôniăc, diện tích bề mặt chi tiết và nồi thấm. Độ phân giải thấp,
khả năng hấp thụ nitơ lên bề mặt chi tiết giảm, vì không đủ số nitơ nguyên
tử hoạt tính. Song nếu độ phân gi
ải NH
3
cao sẽ có nhiều nguyên tử nitơ hấp
thụ bề mặt và ngăn cản sự hấp thụ nitơ. Do đó người ta phải khống chế tối
ưu độ phân giải amôniăc ở 500
0
C là 15 ÷ 30%, ở 550
0
C là 35 ÷ 45%, ở
600
0
C 45 ÷ 60%. Hyđrô có tác dụng làm thoát cacbon của chi tiết.

Bảng 1.2. Độ phân huỷ amôniăc (NH
3
) phụ thuộc vào nhiệt độ
Nhiệt độ (
o

C và làm nguội chậm, tổ chức
nhận được là (γ + ε) - γ’ – (α + γ’
dư) - α;
Nếu thấm ở nhiệt độ cao hơn 591
0
C thì sau khi làm nguội gồm các
pha (tính lần lượt từ ngoài vào trong): ε, γ’ cùng tích (α + γ’) do γ phân hoá
và α (tổ chức của lõi). Độ cứng cao của lớp thấm chính là do các pha xen
kẽ Fe2N và Fe4N. Tổ chức là (γ’ + ε) - γ’ – (α + γ’) - α - γ’dư. 23
Chương 2
NGHIÊN CỨU HỆ SỐ KHUẾCH TÁN VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.1. Cơ sở lý thuyết khuếch tán
Định luật Fick I biểu diễn sự khuếch tán ổn định của dòng vật chất từ
trường nồng độ cao sang nồng độ thấp, với điều kiện thể tích khuếch tán
không đổi theo thời gian, trong điều kiện không gian 1 chiều. Dòng khuếch
tán J tỷ lệ thuạn v
ới gradient nồng độ C:
x
txC
DJ
∂
∂
−=
),(
(2-1)
J là dòng khuếch tán có thứ nguyên [(lượng vật chất).(chiều dài)

2
x
C
D
t
C
∂
∂
=
∂
∂
(2-3)
Trong đó: C- nồng độ chất khuếch tán, thứ nguyên (khối lượng vật
chất. chiều dài
-3
), thí dụ (mol/m
3
); t – thời gian (s).
Kết hợp định luật Fick I, giải hệ phương trình ta được:
)( C
x
D
x
J
xt
C
∂
∂
∂
∂

∂
∂
(2-5)
Giải phương trình ta được:
().
2.
xf of
x
CC CC
D
ϕ
τ
⎛⎞
=+ −
⎜⎟
⎝⎠
(2-6)
2.
xf
of
CC
x
CC
D
ϕ
τ
−
⎛⎞
=
⎜⎟