BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN NGỌC MINH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHÍNH
NHẰM ỔN ĐỊNH CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ
LÊN MỘT SỐ LOẠI THÉP THÔNG DỤNG Ở VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN NGỌC MINH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHÍNH
NHẰM ỔN ĐỊNH CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ
LÊN MỘT SỐ LOẠI THÉP THÔNG DỤNG Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành:
Mã số:
Kim loại học
62440129
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
PGS.TS. Nguyễn Văn Tư
TS. Nguyễn Văn Hiển
TÁC GIẢ
Nguyễn Ngọc Minh
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
i
Mục lục
Danh mục các bảng biểu và hình vẽ
iv
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
ix
Mở đầu
1
Chương 1: Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thấm nitơ
13
1.4. Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu
14
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
14
1.4.2. Đối tượng nghiên cứu
15
1.4.3. Nội dung nghiên cứu
15
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thấm nitơ thể khí
16
2.1. Cơ sở quá trình thấm nitơ thể khí
16
2.1.1. Thế nitơ của quá trình thấm
16
2.3.2.1. Ảnh hưởng của thành phần chất thấm
26
2.3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu
28
2.3.3. Ảnh hưởng của thời gian thấm và yếu tố khác
29
Chương 3: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu
32
3.1. Nguyên vật liệu sử dụng
33
3.2. Thiết bị sử dụng
34
3.2.1. Thiết bị đo độ phân hủy NH3
34
42
Chương 4: Kết quả và bàn luận
44
4.1. Kết quả phân tích đánh giá mẫu trước thấm
44
4.1.1. Kết quả ảnh hiển vi quang học
44
4.1.2. Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét
45
4.1.3 Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen
49
4.2. Kết quả phân tích đánh giá mẫu sau thấm
50
4.2.1. Kết quả quan sát hiển vi quang học
50
4.4.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu
75
4.4.3. Ảnh hưởng của thành phần khí thấm
76
ii
77
4.5. Hệ số truyền chất ()
4.5.1. Ảnh hưởng của thế thấm
80
4.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
82
4.6. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến tổ chức và tính chất lớp thấm
83
4.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
83
1.
Danh mục các bảng
Bảng 1.1 :
Bảng 2.1:
Bảng 2.2:
Bảng 2.3:
Bảng 3.1:
Bảng 4.1:
Bảng 4.2:
So sánh ưu nhược điểm của các công nghệ thấm nitơ hiện nay [25]
Các pha thường gặp trong hệ Fe-N [16,20,89]
Hệ số khuyếch tán nitơ trong , ’ và tại các nhiệt độ khác nhau [68]
Thừa số nhiệt độ theo công thức Harries [55]
Thành phần hóa học của các mác thép nghiên cứu
Năng lượng nhiệt hình thành một số hợp chất tại 298.15K, Hf, kJ mol-1[25,54]
Bảng giá trị phân bố nồng độ các nguyên tố tại một số vị trí trên vùng khuếch
tán của lớp thấm nitơ trên thép SKD61(số liệu chỉ mang tính tham khảo vì kết
quả phân tích chịu ảnh hưởng của vùng lân cận)
Bảng 4.3:
Tính toán thành phần Xêmentit (Fe3C)/Ferrit (Fe) cho vùng nền
Bảng 4.4:
Cấu trúc tinh thể của Fe(C), một số cacbit và nitơrit [25,26,75,77,79]
4.15:
4.16:
4.17:
4.18:
4.19:
4.20:
Bảng 4.21:
Bảng 4.22:
Bảng 4.23:
Bảng 4.24:
Bảng 4.25:
Các chế độ thấm thực nghiệm để xác định hệ số truyền chất ()
Khối lượng nitơ khuếch tán trong các lá thép mỏng thực nghiệm
Bảng giá trị tính toán thế thấm, hoạt độ của nitơ trong môi trường thấm và trong
lá thép mỏng tính toán bằng chương trình Thermo-calc
Hệ số truyền chất () trên các mác thép nghiên cứu
Bảng giá trị độ cứng của các mẫu thép phụ thuộc vào ảnh hưởng của nhiệt độ
Các thông số đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu
Bảng giá trị độ cứng của các mẫu thép phụ thuộc thời gian lưu.
Các chế độ pha loãng khí thấm sử dụng N2 và độ phân hủy đo được
Bảng kết quả phân bố độ cứng phụ thuộc thành phần khí thấm
Các giá trị thế thấm khi sử dụng khí pha loãng N2 với p=1.2at.
Các thông số thấm nitơ thể khí cho từng nhóm thép thực nghiệm
Bảng kết quả phân bố độ cứng phụ thuộc thời gian thấm
Ảnh hưởng của thời gian thấm đến chiều sâu lớp thấm hiệu quả trên các loại
thép thực nghiệm
Số liệu thống kê khi tính giá trị K cho thép C20
Các giá trị tính toán hệ số Herries-K của từng loại thép theo thực nghiệm
Hình 2.10:
Hình 2.11:
Hình 3.1:
Hình 3.2:
Hình 3.3:
Hình 3.4:
Hình 3.5:
Hình 3.6:
Hình 3.7:
Hình 3.8:
Hình 3.9:
Hình 3.10:
Một kiểu sơ đồ hệ thống thấm nitơ plasma [65]
Đặc trưng giữa điện áp và dòng điện một chiều khi phát quang [23].
Mô hình sự hình thành lớp bề mặt trong thấm nitơ plasma [80].
Ảnh hưởng của thành phần khí đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma [65].
Sơ đồ mô tả kỹ thuật tường nóng và tường lạnh [41].
Sơ đồ hệ thống phương pháp ASPN [28].
Sơ đồ hệ thống phương pháp PDN [5].
Sơ đồ hệ thống phương pháp PPN [37].
Sự hình thành lớp thấm nitơ thể khí [1,88].
Sơ đồ mô tả sự thay đổi hoạt độ N từ môi trường thấm vào thép
Giản đồ pha Fe-N [89].
Giản đồ Lehrer thể hiện sự ổn định của các pha giữa Fe-N [49].
Mối quan hệ giữa giản đồ pha Fe-N và nồng độ/chiều sâu đối với sự phát triển
các lớp đơn pha -Fe2N1-x và ’-Fe4N trên nền -Fe [55].
Sơ đồ cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí [43].
Hình 3.15:
Hình 4.1:
Hình 4.2:
Hình 4.3:
Hình 4.4:
Hình 4.5:
Hình 4.6:
Hình 4.7:
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10:
Hình 4.11:
Hình 4.12:
Sơ đồ bố trí thiết bị cung cấp khí và kiểm soát mức độ phân hủy nhiệt NH3
Quy trình thường hóa mẫu 20CrMo và C20 trước thấm.
Quy trình nhiệt luyện hóa tốt cho thép SKD61 [79]
Quy trình nhiệt luyện hóa tốt thép 30CrNi2MoVA [80]
Quy trình thấm nitơ thể khí.
Ảnh tổ chức tế vi của các mẫu xử lý nhiệt luyện trước thấm với độ phóng đại 500
lần: (a) thép C20, (b) thép 20CrMo, (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Ảnh hiển vi điện tử quét trên mẫu thép SKD61 sau tôi (a) và phổ EDX xác định
thành phần của các hạt cacbit (b)
(c) phân bố hàm lượng cácbon; (d) phân bố hàm lượng M và (e) phân bố hàm
lượng Cr
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu khối 20CrMo sau tôi
vi
Hình 4.13:
Hình 4.14:
Hình 4.15:
Hình 4.16:
Hình 4.17:
Hình 4.18:
Hình 4.19:
Hình 4.20:
Hình 4.21:
Hình 4.22:
Hình 4.23:
Hình 4.24:
Hình 4.25:
Hình 4.26:
Hình 4.27:
Hình 4.28:
nước; (b) nhiễu xạ Rơnghen với bề mặt mẫu sau ôxy hóa; (c) phân bố độ cứng
sau thấm nitơ
Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61 và
30CrNi2MoVA)
Ảnh SEM thể hiện vị trí các điểm kiểm tra phân bố nồng độ nguyên tố bằng phổ
EDX tại vùng khuếch tán của lớp thấm trên thép SKD61
Mô hình phát triển lỗ xốp và vết nứt của lớp trắng trong thấm nitơ thể khí [86]
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế thấm Kn
Ảnh hưởng của thời gian lưu đến thế thấm Kn tại 550oC
Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thế thấm Kn tại 550oC
Ảnh hưởng của thế thấm nitơ đến hệ số truyền: (a) thấm tại 550oC; (b) thấm tại
530oC và (c) thấm tại 510oC
vii
Hình 4.29:
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số truyền: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c)
thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Hình 4.30:
Phân bố độ cứng của các mẫu thép ở điều kiện thấm duy trì với thời gian lưu 10
phút, thời gian thấm 8h và trong điều kiện thay đổi nhiệt độ thấm: (a) thép C20;
(b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Phân bố độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550 oC trong 8h với thời gian lưu
thay đổi: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép
SKD61
Phân bố độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550oC trong 8h với thành phần khí
thấm thay đổi: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d)
Fe:
N:
Nguyên tố crôm
Nguyên tố các-bon
Nguyên tố nikel
Nguyên tố molípđen
Nguyên tố vanađi
Nguyên tố sắt
Nguyên tố nitơ
NH3:
Khí amôniắc
N2:
Khí nitơ
H2:
Khí hyđrô
CO2:
Khí cácbônic
CH4:
Khí mêtan
Phương pháp DCPN (Direct Current Plasma Nitriding)
ASPN:
Phương pháp ASPN (Active Screen Plasma Nitriding)
PDN:
Phương pháp PDN (Post Discharged Nitriding)
PPN:
Phương pháp PPN (Pulsed Plasma Nitriding)
EDX:
Phổ phân tán tia X theo năng lượng (Energy Dispersive Spectroscopy)
SEM:
Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
XRD:
Nhiễu xạ tia X
Kn:
Thế thấm nitơ của môi trường thấm
Pha ferit
:
Pha austenit
’:
Nitơrít sắt (Fe4N)
:
Nitơrít sắt (Fe2-3N)
”:
Nitơrít sắt (Fe16N2)
HV0,1:
Độ cứng Vickel 0,1
D:
Hệ số khuếch tán
C:
Nồng độ
Đơn vị nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)
m:
Khối lượng
C:
K:
x
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án:
Thấm nitơ thể khí là một công nghệ hóa nhiệt luyện đang được ứng dụng khá phổ
biến và rộng rãi trên thế giới nhờ tạo ra được lớp bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt,
tăng giới hạn mỏi nhờ tạo ứng suất nén dư bề mặt trong khi chi phí giá thành hợp lý và ý
nghĩa thực tiễn lớn. Với lịch sử hơn 100 năm phát triển, ở những thập niên cuối của thế kỷ
20, loại hình công nghệ này dường như bị đẩy vào quên lãng khi mà một số công nghệ xử
lý bề mặt tiên tiến khác xuất hiện và tưởng chừng có thể thay thế mãi mãi công nghệ thấm
nitơ thể khí thì trong khoảng gần 10 năm trở lại đây, trung bình hàng năm luôn có ít nhất từ
1 đến 2 nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ thấm nitơ thể khí được công bố tại các nước
phát triển như Cộng hòa liên bang Đức, Cộng hòa Pháp, Hợp chủng quốc Hoa kỳ, Nhật
bản….Điều này chứng tỏ công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn còn rất nhiều tiềm năng cần tiếp
tục khám phá và ứng dụng.
Ở Việt Nam, hiện tại công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn là loại hình được ứng dụng
rộng rãi hơn so với công nghệ thấm nitơ thể lỏng và plasma. Tuy nhiên, qua khảo sát tình
hình áp dụng phương pháp thấm N thể khí trong các nhà máy sản xuất quy mô công
nghiệp, đặc biệt là tại các cơ sở sản xuất tư nhân thì nhìn chung đều bộ lộ khá nhiều bất cập
trong việc làm chủ công nghệ này. Ở một vài nơi nhập khẩu thiết bị đồng bộ có đi kèm với
Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án:
Luận án đã đánh giá được mối quan hệ phụ thuộc giữa hệ số truyền chất với nhiệt
độ và thế thấm, từ đó xác định được vùng nhiệt độ và mức độ phân hủy nhiệt NH3 hợp lý
cho từng chủng loại thép thấm.Việc xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ
như nhiệt độ thấm, thế thấm và thời gian thấm đến chất lượng lớp thấm nhận được đã cho
phép lựa chọn được những khoảng giá trị tối ưu áp dụng cho từng chủng loại mác thép.
Qua đó từng bước làm chủ công nghệ, góp phần cải thiện chất lượng lớp thấm và góp phần
hạ giá thành sản phẩm.
Các điểm mới của đề tài luận án:
Sử dụng các thiết bị nghiên cứu hiện đại có độ chính xác cao cho phép xác định
được ảnh hưởng của cấu trúc thép ban đầu đến sự hình thành lớp thấm nitơ thể khí. Sự hình
thành lớp thấm trên bề mặt thép đều được khẳng định là do cơ chế khuếch tán nitơ theo
biên hạt luôn chiếm ưu thế trong khoảng nhiệt độ thấm thực nghiệm. Các kết quả đạt được
trong quá trình nghiên cứu, phân tích và đánh giá đã cho phép luận án đạt được một số kết
luận mới như sau:
Xây dựng được mô hình phát triển lớp thấm nitơ trên thép C20 và SKD61
đã giúp làm sáng tỏ sự hình thành và phát triển lớp thấm trên bề mặt thép phụ thuộc nhiều
vào tổ chức thép ban đầu.
Lớp thấm phát triển trên tổ chức thép sau thường hóa chính là sự phát triển
mở rộng và xâm lấn của biên hạt. Các nguyên tố hợp kim (nếu có) tập trung nhiều ở biên
hạt và sự hình thành các nitơrit hợp kim có thể là sự thay thế của chúng trong các nitơrit sắt
và cacbit của chúng.
Với thép sau nhiệt luyện hóa tốt, các nitơrit hợp kim hình thành là nhờ sự
thay thế dần cácbon trong cácbit bởi các nguyên tử nitơ hấp thụ vào từ bề mặt thép.
Phương pháp nghiên cứu:
Tập hợp tìm hiểu và đánh giá các tài liệu về thấm nitơ thể khí trong và ngoài
nổi bật khác như tăng khả năng chịu mỏi nhờ tạo ra lớp ứng suất nén trên bề mặt, nâng cao
độ bền chống ăn mòn nhờ tạo được lớp bề mặt thụ động (ngoại trừ thép không gỉ) và cuối
cùng là có khả năng hồi phục kích thước cho chi tiết sau một thời gian làm việc [52,63,65].
Trong suốt chiều dài lịch sử khoảng 100 năm phát triển của công nghệ thấm nitơ, đã
có nhiều phương pháp được áp dụng như công nghệ thấm nitơ thể khí [16,31,61,65,70],
công nghệ thấm nitơ thể lỏng [16,65] và công nghệ thấm nitơ plasma hay còn gọi là thấm
nitơ ion hóa [16,38,41,59,65,91]. Trong số đó, công nghệ thấm N thể khí ra đời sớm nhất
và nó cho phép vận hành với chi phí thấp, thiết bị không đòi hỏi quá đắt tiền. Tuy nhiên,
mức độ xít chặt của lớp trắng tạo thành ở loại hình công nghệ này bị hạn chế do có sự hình
thành các phân tử khí nitơ tập trung chủ yếu tại vùng biên hạt, kết quả là đã tạo nên nhiều
cấu trúc rỗ xốp trong lớp thấm. Do đó, chất lượng lớp thấm nitơ thể khí thường thấp hơn so
với các công nghệ ra đời muộn hơn nó như công nghệ thấm nitơ thể lỏng và đặc biệt là
công nghệ thấm nitơ plasma [80].
Với công nghệ thấm nitơ thể lỏng, tuy tốc độ thấm có được rút ngắn và chất lượng
lớp thấm cao hơn nhưng do đặc thù sử dụng môi trường thấm là muối nóng chảy gốc
xyanua và xianat [65], do đó thường gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là tại
những nơi có hệ thống xử lý khí thải kém hoặc ít chú trọng đến yêu cầu này. Vì lý do đó,
công nghệ này đang dần được loại bỏ và thay thế vào đó bằng công nghệ thấm nitơ
plasma, đây là công nghệ thân thiện với môi trường, cho phép nhận được lớp thấm có chất
lượng rất cao phù hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế. Sự phát triển mạnh mẽ của loại
hình công nghệ này đã phần nào được khẳng định thông qua hàng trăm các bài báo khoa
học được công bố rộng rãi trong hai thập kỷ cuối của thế kỷ 20 [12,80]. Tuy nhiên, cho đến
thời điểm hiện tại, công nghệ thấm nitơ plasma vẫn còn tồn tại một nhược điểm là hệ thống
thiết bị sử dụng trong quá trình tạo lớp thấm khá đắt tiền và đòi hỏi đội ngũ vận hành thiết
bị phải khá chuyên nghiệp.
Khi mới ra đời, công nghệ thấm nitơ plasma tưởng chừng như có thể thay thế hoàn
toàn cho các loại hình công nghệ thấm nitơ thể khí và thể lỏng. Mặc dù vậy, những hạn chế
3
nhân đã thấy bộc lộ khá nhiều bất cập như sau:
+ Vì chất lượng lớp thấm thể khí phụ thuộc rất mạnh vào sự ổn định tỷ lệ giữa lưu
lượng khí cung cấp khi thấm và thể tích rỗng của lò, nên tỷ lệ này cần được duy trì nghiêm
ngặt trong mỗi mẻ thấm. Trong khi đó, số lượng và chủng loại chi tiết do khách hàng yêu
cầu thường không ổn định, đôi khi mang tính nhỏ lẻ, do đó rất khó duy trì được tỷ lệ đó khi
thấm. Việc này dẫn đến hệ quả là tỷ lệ phân hủy amoniac trong các mẻ thấm là khác nhau
dẫn đến kết quả là chất lượng lớp thấm không đồng đều và không ổn định.
+ Chủng loại vật liệu sử dụng chế tạo chi tiết cần thấm nitơ rất đa dạng. Từ những
chi tiết được chế tạo bằng thép cácbon và thép hợp kim thấp (C20, 20CrMo) đến nhóm
thép nhiệt luyện hóa tốt (30CrNi2MoVA, SKD61). Do đó, để đáp ứng được yêu cầu chất
lượng lớp thấm thỏa mãn theo đòi hỏi của khách hàng, người thực hiện thường phải tiến
hành khảo sát bằng nhiều mẻ thấm thực nghiệm và loại bỏ các chế độ không đạt yêu cầu
đối với từng mác vật liệu. Điều này chung quy sẽ làm cho giá thành sản xuất bị tăng lên.
+ Việc nâng cao độ cứng lớp thấm hiện cũng gây cho các cơ sở sản xuất nhiều bối
rối. Theo truyền thống, khí thấm thường sử dụng là 100% NH3. Để tăng độ cứng lớp thấm,
4
biện pháp thường được áp dụng là tăng lưu lượng khí thấm (chứa hoàn toàn NH3), nhằm
làm giảm độ phân hủy, qua đó nâng cao được thế thấm và do đó tăng thêm lượng nitơ xâm
nhập vào bề mặt thép. Biện pháp này tuy có cải thiện được độ cứng lớp bề mặt đôi chút
nhưng lại dẫn đến việc lãng phí NH3 và gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường.
Nhằm giải quyết phần nào những bất cập nêu trên, trong luận án này tác giả sẽ đề
xuất và tiến hành nghiên cứu một số nội dung có liên quan, như ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ
lệ phân hủy amoniac, tỷ lệ pha loãng chất thấm, thời gian lưu… đến sự hình thành và tính
chất lớp thấm trong phương pháp thấm N thể khí nhằm ổn định công nghệ này ở nước ta.
1.2. Các phương pháp thấm nitơ
Như đã trình bày trên đây, công nghệ thấm nitơ được phân chia dưới ba loại hình
công nghệ chính: thấm nitơ thể khí, thấm nitơ thể lỏng và thấm nitơ plasma [65]. Trong đó
(1.2)
5MeCNO → 3MeCN + Me2CO3 + CO2 + 2N
(1.3)
Trong đó Me được hiểu là các nguyên tử của kim loại kiềm như Na và K. Với sự
xuất hiện các sản phẩm muối xyanua trong bể muối, khi có mặt của oxy khuếch tán vào từ
5
môi trường bên ngoài thì phản ứng tái tạo lại xianat cũng có thể xảy ra theo phương trình
(1.4) [19,30]:
2MeCN + O2 → 2MeCNO
(1.4)
Hiện tại, hỗn hợp muối được sử dụng với mục đích thương mại đối với loại hình
công nghệ này thường là hỗn hợp muối có chứa thành phần như sau [24,35,65]:
- (60-70)% khối lượng muối gốc natri bao gồm: 96.5% NaCN, 2.5% Na2CO3 và
0.5% NaCNO.
- (30-40)% khối lượng muối gốc kali bao gồm: 96%KCN, 0.6%K2CO3, 0.75%
KCNO và 0.5% KCl.
Thành phần hỗn hợp muối bên trên có thể áp dụng cho khá nhiều chủng loại vật
liệu như nhóm thép làm dụng cụ cắt năng suất cao, các loại thép hợp kim thấp và nhóm
thép chuyên dùng để thấm nitơ có chứa nhôm [65]. Ngoài ra, tùy thuộc vào đặc tính yêu
cầu của từng loại chi tiết thấm, thành phần hỗn hợp muối thấm có thể thay đổi cho phù
hợp. Với thép dụng cụ, ngoài hỗn hợp thấm thường sử dụng bên trên, một loại hỗn hợp
muối khác cũng có thể sử dụng bao gồm: 30%NaCN + 25%Na2CO3 (hoặc K2CO3) + 4%
Các chất hoạt tính khác + 2% Hơi ẩm và phần còn lại là KCl [65]. Dựa vào các tài liệu đã
lượng muối để làm nâng cao chất lượng lớp thấm cho các loại thép cacbon thường và thép
hợp kim thấp [65].
1.2.3. Phương pháp thấm nitơ plasma
Phương pháp này xuất hiện tại Mỹ vào những năm 1950 nhưng cho đến tận những
năm 1970 mới được ứng dụng mạnh mẽ tại Đức nhờ có các biện pháp áp dụng để điều
khiển được hiện tượng phóng điện phát quang trong chân không [12]. Trong loại hình công
nghệ này, sự phát quang của dòng điện một chiều đã được ứng dụng để tạo ra các ion nitơ
dễ dàng hấp thụ lên bề mặt chi tiết đã được phân cực, qua đó cải thiện được mức độ khuếch
tán của nitơ vào bề mặt chi tiết kim loại [80,92]. So với hai loại hình công nghệ thấm nitơ
đã trình bày phía trên, công nghệ thấm nitơ plasma nhận được sự quan tâm rất đặc biệt của
nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng do nó có hiệu quả thấm rất cao, khả năng điều khiển tổ
chức, tính chất lớp thấm tuyệt vời, ngay cả khi thực hiện ở nhiệt độ thấp [44], đồng thời
gần như hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường. Với loại hình công nghệ này nhiệt độ
thấm thường được tiến hành ở dưới 500oC để đảm bảo duy trì tốt được tổ chức và tính chất
của vật liệu nền [74], tuy nhiên trong một số trường hợp, để rút ngắn thời gian thấm, nhiệt
độ thấm cũng có thể được nâng lên trong khoảng 550oC-580oC [22]. Quy trình thấm nitơ
plasma có thể được mô quả qua sơ đồ đơn giản như trên hình 1.1 sau đây:
Buồng thấm
Van điều chỉnh
chỉnh hỗn hợp khí
Van điều chỉnh
hỗn hợp khí
Các loại khí thấm
H2
Chi tiết
Hình 1.1: Một kiểu sơ đồ hệ thống thấm nitơ plasma [65]
Để tiến hành thấm nitơ plasma, chi tiết sau khi đặt trong buồng thấm đóng kín sẽ
được tiến hành bơm chân không xuống mức rất thấp, thường nằm trong khoảng (0,02 –
0,1) Torr nhằm loại bỏ hết các chất khí gây hại cũng như các chất bẩn còn sót lại trong
7
buồng thấm [65]. Tuy nhiên, khi quá trình thấm xảy ra, do sự có mặt của khí thấm cung
cấp vào buồng lò nên áp suất sẽ được nâng lên và thường duy trì trong khoảng (1-11) Torr
[7,29,33,53,62,65]. Để tạo được plasma trong buồng thấm, điện áp một chiều sử dụng
thường nằm trong khoảng (500-1000)V [65], vùng điện áp này được lựa chọn dựa trên cơ
sở mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện như trên hình 1.2 [23]. Trên vùng AB, do đặc
trưng vùng này có dòng rất nhỏ và bản thân nó cũng không thể tự duy trì hiện tượng phóng
điện nếu không có sự hỗ trợ của nguồn điện tử từ bên ngoài, vì thế mật độ các nguyên tử
được hoạt tính trong vùng này khá nhỏ và không phù hợp sử dụng trong công nghệ plasma
[23]. Với vùng phóng điện phát quang thông thường (vùng CD), sự phóng điện trong vùng
này rất ổn định, tại đây cũng đồng thời chỉ ra được mức độ độc lập của điện áp so với
cường độ dòng điện. Tuy nhiên, việc cường độ dòng điện trong vùng này như một hằng số
so với điện áp đã dẫn đến hệ quả sự phát quang chỉ bao phủ được một phần cực âm (chi tiết
thấm) ngay cả khi điện áp tăng [23,65,80]. Vì lý do này, vùng CD cũng không phải lựa
chọn thích hợp cho công nghệ plasma.
Điện áp (V)
Phóng điện phát
quang dị thường
1000
E
Phóng điện ion hóa
500
Với vùng hồ quang, khi cường độ dòng điện đủ lớn có thể xuất hiện sự phóng hồ
quang giữa chi tiết và buồng thấm. Hiện tượng này thường gây tổn hại cho bề mặt chi tiết
thấm cũng như cơ tính của chi tiết. Do đó vùng này cũng không được sử dụng trong công
nghệ thấm nitơ plasma.
Cơ chế hình thành lớp thấm nitơ plasma:
Trong công nghệ thấm nitơ plasma, sự hình thành lớp thấm nitơ có thể được quan
sát dựa trên mô hình thể hiện trên hình 1.3. Dưới tác dụng của điện trường giữa thành lò và
8
chi tiết, các điện tử tự do chuyển động với vận tốc đủ lớn va chạm và ion hóa các phân tử
khí hình thành nên hỗn hợp plasma trong buồng thấm. Nhờ sự phân cực cathode, bề mặt
chi tiết sẽ bị bắn phá liên tục bởi các ion khí mang điện tích dương làm các nguyên tử sắt bị
bật ra và kết hợp với nitơ nguyên tử để hình thành nitơrit. Các nitơrit kim loại (nitơrít sắt)
hình thành sẽ được hấp thụ lại ngay trên bề mặt, nguyên tử nitơ nhờ đó sẽ được khuếch tán
vào sâu để hình thành lớp thấm.
Điều khiển tổ chức lớp thấm nitơ plasma
Mức giảm
điện thế âm
cực
Điện áp (V)
Khác với công nghệ thấm nitơ thể khí, trong công nghệ thấm nitơ plasma, để điều
khiển được tổ chức của lớp thấm thì biện pháp sử dụng ở đây là thông qua thay đổi thành
phần và tỷ lệ hỗn hợp khí thấm. Các hỗn hợp khí sử dụng có thể kể đến như: hỗn hợp khí
thấm gồm H2 + N2 + CH4 [41,65], H2 + N2 [23,28,29,53,58,67], N2 + Ar2 [45,62,91], H2 +
N2 + Ar2 [33], thậm chí ngay cả NH3 cũng có thể được sử dụng trong công nghệ này như là
một nguồn cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính theo hỗn hợp buồng thấm gồm NH3 + H2
(60-70)% N2 + (1-3)%
CH4 + H2
Vật liệu nền
Vật liệu nền
Lớp thấm bao gồm
lớp trắng (’) và lớp
khuyếch tán
Lớp thấm bao gồm
lớp trắng () và lớp
khuyếch tán
Vật liệu nền
Lớp thấm chỉ có
lớp khuyếch tán
Hình 1.4: Ảnh hưởng của thành phần khí đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma [65].
Ngoài việc thay đổi thành phần và tỷ lệ khí thấm, hai thống số khác cũng có ảnh
hưởng lớn đến chất lượng lớp thấm là nhiệt độ thấm và thời gian thấm [10]. Ngày nay, nhờ
sự phát triển của các loại hình công nghệ nên nhiều kỹ thuật mới đã được áp dụng nhằm
làm tăng hiệu quả của quá trình thấm nitơ plasma. Một vài phương pháp có thể đề cập đến
như phần trình bày tiếp sau đây:
Phương pháp DCPN
Phương pháp DCPN (Direct Current Plasma Nitriding) được mô tả khái quát theo
sơ đồ trên hình 1.1. Một điện thế được đặt giữa chi tiết (cực âm) và tường lò (cực dương).
Phương pháp ASPN
Phương pháp ASPN (Active Screen Plasma Nitriding): phương pháp này ra đời để
khắc phục một số nhược điểm của phương pháp DCPN bên trên. Thay vì hiện tượng phóng
điện tạo plasma trực tiếp giữa tường lò và chi tiết thấm, một tấm chắn phân cực âm sẽ được
sử dụng bao bọc quanh chi tiết như trên hình 1.6.
Sự phóng điện tạo plasma giữa cực dương (thành lò) với tấm chắn sẽ tạo plasma và
sinh nhiệt để nung nóng chi tiết thấm. Với cách làm này, nhiệt độ thấm trong buồng lò sẽ
được đồng đều hóa, bề mặt chi tiết sẽ được bảo vệ tốt hơn rất nhiều so với phương pháp
DCPN.
Cực dương
Màn chắn âm
cực Bệ đỡ cách điện
Chi tiết
Bức xạ kế
Đế
Nguồn 1
chiều DC
Ống thạch anh
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống phương pháp ASPN [28].
11
Copyright: Tài liệu đại học ©