BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Ngọc Minh

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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: Kim loại học
Mã số: 62440129

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2015


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Nguyễn Văn Tư
TS. Nguyễn Văn Hiển

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ
cấp Trường họp ..tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi…….giờ, ngày.…..tháng…...năm…..


buồng thấm, qua đó làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng lớp thấm
trên bề mặt thép. Cá biệt có một vài nơi, do số lượng chi tiết cần thấm
quá ít, do đó để duy trì được thể tích rỗng của buồng thấm theo thiết kế
của công nghệ đi kèm, người vận hành còn để cả sắt thép vụn vào
buồng thấm cùng với chi tiết.
Chủng loại mác thép được sử dụng trong việc áp dụng công nghệ
thấm nitơ thể khí tại Việt nam cũng rất đa dạng. Những mác thép
cacbon thấp như C20, 20CrMo thường được sử dụng trong chế tạo các
chi tiết của xe đạp như may ơ, chốt xích đến các mác thép nhiệt luyện
hóa tốt như SKD61 trong chế tạo các loại khuôn dập nóng, khuôn đùn
ép…. Để tìm được chế độ thấm thích hợp nhất cho từng mác thép,
người thực hiện thường phải tiến hành khảo sát cụ thể ở rất nhiều chế
độ để tìm ra thông số tối ưu. Việc làm này gây lãng phí rất nhiều thời
gian, công sức và làm tăng chi phí trên mỗi đầu sản phẩm. Ở thời điểm
hiện tại, khí thấm sử dụng thường hoàn toàn là NH3 nên khi có yêu cầu
nâng cao độ cứng lớp thấm thì biện pháp phổ biến vẫn là đưa thêm lưu
3


lượng khí cung cấp để làm tăng thế thấm của môi trường. Biện pháp
này tuy có cải thiện được độ cứng lớp bề mặt tuy nhiên lại lại gây ra
lãng phí một lượng lớn nguồn khí thấm khá lớn và ô nhiễm môi trường.
Vì lý do đó, luận án thực hiện nghiên cứu để khắc phục các nhược
điểm trên. Việc xác định và chọn ra các thông số công nghệ thấm hợp
lý cho từng chủng loại mác thép là công việc mà từ trước đến này chưa
có một nghiên cứu hoàn chỉnh nào thực hiện tại Việt nam. Các kết quả
nghiên cứu dự định áp dụng tại Công ty FC Hòa Lạc.
Mục đích của đề tài luận án:
Làm rõ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính như nhiệt
độ, thời gian lưu khí và thành phần khí thấm đến chất lượng lớp thấm.


- Sử dụng phương pháp xác định hệ số truyền chất để xác lập mức độ
ảnh hưởng của nhiệt độ và thế thấm đến hệ số truyền.
- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại: Quang học, EDX,
SEM, Mapping, Rơnghen và phân bố độ cứng để phân tích tổ chức.
Những điểm mới của luận án:
- Xây dựng được mô hình phát triển lớp thấm nitơ đối với thép sau
thường hóa (C20) và sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61). Qua đó làm rõ
thêm về ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim và của tổ chức thép ban đầu
đến sự hình thành và phát triển lớp thấm
- Xây dựng được mối quan hệ phụ thuộc giữa thế nitơ với tổ chức, tính
chất của lớp thấm nhận được đối với các loại thép nghiên cứu ở chế độ
nhiệt luyện thường áp dụng trong thực tế
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ: nhiệt độ thấm,
thời gian lưu, thời gian thấm, thành phần thép đến thế thấm nitơ. Qua
đó xác định được các vùng thông số công nghệ thích hợp cho từng
chủng loại thép thấm.
CHƢƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ
1.1. Công nghệ thấm nitơ trên thế giới và tại Việt Nam
Dựa vào công bố khoa học trên thế giới và khảo sát tại một số khu
vực miền Bắc VN.
1.1.1. Công nghệ thấm nitơ trên thế giới
Trên thế giới có 3 loại hình công nghệ thấm nitơ: công nghệ thấm thể
khí, công nghệ thấm thể lỏng và công nghệ thấm plasma.
1.1.2. Công nghệ thấm nitơ tại Việt nam
Tại Việt nam, công nghệ thấm nitơ được áp dụng phổ biến nhất, được
áp dụng từ những nhà máy quy mô công nghiệp đến cả các cơ sở sản
xuất tư nhân.
1.2. Các phƣơng pháp thấm nitơ

thích hợp áp dụng cho từng nhóm thép thấm.
- Làm rõ mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, thế thấm (thông qua thời
gian lưu, thành phần khí thấm) và thời gian thấm đến cấu trúc và tính
chất lớp thấm.
- Dựa vào các số liệu thực nghiệm đạt được để đề xuất quy trình thấm
N thể khí ổn định áp dụng cho một số mác thép hiện đang được sử
dụng phổ biến ở Việt Nam
1.4.2. Đối tƣợng nghiên cứu
Với mục tiêu nghiên cứu quy luật hình thành lớp thấm N trên thép C
và thép HK, cũng như ảnh hưởng của cácbon đến quá trình thấm, đề tài
đã chọn các mác thép điển hình là C20, 20CrMo, SKD61 và
30CrNi2MoVA. Các mác thép này hiện đang được ứng dụng nhiều
trong chế tạo các loại chốt xích, may ơ (C20, 20CrMo), các loại khuôn
đùn ép, khuôn đúc áp lực cao (SKD61) và trong chế tạo các chi tiết cơ
khí phục vụ cho các khí tài quân sự (nòng pháo) (30CrNi2MoVA).
1.4.3. Nội dung nghiên cứu
* Tổng quan tài liệu.
* Xác lập lý thuyết mối quan hệ giữa hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch
tán vào trong thép với các thông số công nghệ. Từ đó hiểu được sự
hình thành cấu trúc lớp thấm nitơ.
* Xây dựng cách tính hoạt độ nitơ trong môi trường thấm và trong thép
để xác lập được giá trị hệ số truyền chất
6


* Chế tạo các loại mẫu thử nghiệm cho từng loại thép sử dụng phù hợp
với yêu cầu đặt ra ban đầu của mục tiêu nghiên cứu và tiến hành thấm
nitơ trên các mẫu thép chế tạo với trong điều kiện thay đổi các thông số
công nghệ trong phạm vi yêu cầu đặt ra ban đầu.
* Đánh giá các kết quả đạt được thông qua việc phân tích: ảnh hiển vi

quá trình thấm, nhưng có thể qua đó đánh giá được xu hướng hình
thành lớp thấm và hiệu quả, cũng như chất lượng của quá trình thấm
2.2 Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí
7


Nhìn chung, lớp thấm thường được chia thành 2 vùng. Vùng ngoài
cùng thường được biết đến với tên gọi là lớp trắng, vùng này có nồng
độ nitơ rất cao và cấu trúc pha nhận được là các nitơrit sắt.

Lớp thấm nitơ thể khí

- Fe2-3N
’ - Fe4N

- Fe (N) + các nitơrít hợp
kim (CrN, Mo2N…)

Lớp trắng có tính
chất chống ăn mòn
và ma sát

Lớp khuyếch tán có độ
cứng cao chịu mài
mòn và ứng suất nén
dư, tăng khả năng chịu
mỏi

Nền thép


nitơ trong môi trường thấm, qua đó cải thiện rõ rệt giá trị độ cứng của
lớp bề mặt.
2.3.3 Ảnh hƣởng của thời gian thấm và yếu tố khác
- Ảnh hưởng của thời gian thấm: để tạo được chiều sâu lớp thấm đáng
kể, nhất thiết cần phải có thời gian đủ lớn để nitơ có thể khuyếch tán
được vào sâu phía trong bề mặt thép. Do đó, lựa chọn khoảng thời gian
thấm hợp lý, phù hợp với từng loại thép cũng là điều cần thiết
- Ảnh hưởng của thành phần hợp kim: bên cạnh ưu điểm làm tăng rất
mạnh độ cứng trên lớp bề mặt trong quá trình thấm nitơ, các nguyên tố
hợp kim còn có một nhược điểm là làm giảm chiều dày của lớp thấm.
CHƢƠNG 3: THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Nguyên vật liệu sử dụng
- Thép nghiên cứu: các mác thép sử dụng trong nghiên cứu đều có
thành phần hóa học nằm trong phạm vi tiêu chuẩn của Việt nam, Nhật
và Nga
- Khí thấm: khí sử dụng trong quá trình thực nghiệm được cung cấp có
độ sạch đều luôn lớn hơn 99,5%.
3.2 Thiết bị sử dụng
3.2.1. Thiết bị đo độ phân hủy NH3
Có 2 loại sen sơ sử dụng để kiểm soát mức độ phân hủy nhiệt NH3
trong buồng thấm là: Sensor connection KF16 và TCD Gas Analyzer
Gasboard-7000
3.2.2 Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thấm
- Kính hiển vi quang học Axiovert 25A
- Máy đo độ cứng Struers Duramin-2
- Hiển vi điện tử quét trường bức xạ (FESEM) Model JSM 7600F
- Thiết bị phân tích nhiễu xạ X-ray Model D5005
3.2.3 Thiết bị thực nghiệm
- Lò nhiệt luyện mẫu trước thấm: mẫu trước khi thấm sẽ được tiến hành
nhiệt luyện trong lò Nabertherm N11/H

Quy trình thấm nitơ thể khí được thực hiện ở các điều khác nhau
nhằm đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ
chính như nhiệt độ, thời gian lưu và thành phần khí thấm. Trong quá
trình thực hiện, áp suất buồng thấm luôn duy trì ở 1,2 at và thời gian 8
giờ. Các mẫu sau thấm đều được làm nguội cùng lò xuống nhiệt độ
phòng trước khi được lấy ra phân tích kết quả. Khí N2 luôn được sử
dụng để bảo vệ trong quá trình nung nóng và làm nguội để tránh hiện
tượng oxy hóa bề mặt mẫu.
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Kết quả phân tích đánh giá mẫu trƣớc thấm
4.1.1. Kết quả ảnh hiển vi quang học

10


Ảnh tổ chức tế vi quan sát trên kính hiển vi quang học của các mẫu sau
xử lý nhiệt đều thấy có sự hiện lên biên hạt khá rõ, đặc biệt với các mẫu
sau thường hóa.

Hình 4.1: 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
4.1.2. Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét
Để đánh giá mức độ phân bố các nguyên tố hợp kim, thép SKD61 đã
được chọn để phân tích EDX. Kết quả xác định ở nhiệt độ tôi đã chọn,
cácbit vanadi tồn tại dưới dạng V4C3 rất ổn định và không bị hòa tan.
Sự phân bố đồng đều của Cr và Mo (hình 4.3c và 4.3e) trên toàn tiết
diện mẫu quét đã chứng tỏ: kết quả sau quá trình tôi, các nguyên tố hợp
kim như Cr và Mo đều tồn tại dưới dạng hòa tan trong dung dịch rắn
của Fe .

các nguyên tố này tập trung nhiều tại biên hạt như trên hình 4.5a.

12


Hình 4.5: Phân bố nguyên tố trên mẫu thép SKD61 sau ram: (a) bề mặt
thực của mẫu, (b) phân bố Fe, (c) phân bố C, (d) phân bố Cr, (e) phân
bố V và (f) phân bố Mo.
4.1.3 Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen
Với cả 2 mẫu thép cacbon thấp (C20 và 20CrMo), nhiễu xạ Rơnghen
cho thấy thành phần pha chính tồn tại chủ yếu dưới dạng ferrit (F)
tương ứng với các mặt nhiễu xạ (110) và (200). Kết quả sau ram của
mẫu thép 30CrNi2MoVA và SKD61 cho thấy đã có sự xuất hiện của
các loại cacbit hợp kim có trong thành phần.

Hình 4.6: Kết quả nhiễu xạ tia X các mẫu thép trước thấm. (a) - thép
C20; (b) - thép 20CrMo; (c) – thép 30CrNi2MoVA; (d) – thép SKD61
13


Hình 4.7: Ảnh chụp hiển vi quang học lớp thấm trên bề mặt mẫu khối:
(a) thép C20; (b) mẫu 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA; (d) thép
SKD61 và (e) mẫu thép được đóng rắn bằng bột nhựa.

Hình 4.8: Ảnh hiển vi điển tử quét trên các mẫu thép mỏng: (a) thép
C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA; (d) thép SKD61.
14


4.2. Kết quả phân tích đánh giá mẫu sau thấm

hàm lượng Ni trên hình 4.11b cho thấy nguyên tố Ni phân bố đồng đều
trên toàn tiết diện mẫu thấm. Kết quả phân bố hàm lượng Cr và Mo lần
lượt theo thứ tự trên các hình 4.11e và 4.11h cũng chỉ ra được mức độ
tập trung chủ yếu của chúng tại biên hạt trong khi sự phân bố của hàm
lượng C trên hình 4.11f cho thấy mức độ “nghèo” tại các vùng biên.
Kết quả này là do trong quá trình thấm, khi nitơ khuếch tán vào theo
đường biên hạt sẽ thay thế dần một phần hoặc toàn bộ cacbon trong
cacbit để hình thành nên các pha mới nitơrit hoặc carbonitơrit. Với thép
SKD61, mặc dù sự có mặt của các nguyên tố hợp kim có thể làm giảm
quá trình khuếch tán nitơ nguyên tử vào sâu bề mặt thép. Tuy nhiên,
với mức nồng độ nitơ rất cao trên bề mặt và nhờ có ái lực mạnh với các
nguyên tố hợp kim, nitơ luôn được thu hút vào sâu bên trong mẫu
mỏng. Hơn nữa, loại thép này có hạt tinh thể rất nhỏ vì vậy sự phát
triển của lớp nitơrit ở biên giới đã lấn át hết cả hạt tinh thể

Hình 4.11: Phổ phân bố nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng
30CrNi2MoVA: (a) diện tích quét bề mặt thực; (b) phân bố Ni; (c)
phân bố Fe; (d) phân bố nitơ; (e) phân bố Cr; (f) phân bố C; (g) phân
bố V và (h) phân bố Mo

16


Hình 4.12: Phổ phân bố nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng
SKD61: (a) diện tích quét bề mặt thực; (b) phân bố Fe; (c) phân bố C;
(d) phân bố nitơ; (e) phân bố V; (f) phân bố Mo; (g) phân bố Cr.
4.2.3 Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen

Hình 4.13: Kết quả nhiễu xạ tia X mẫu thép sau khi thấm: (a) - thép
C20; (b) - thép 20CrMo; (c) - thép 30CrNi2MoVA; (d) - thép SKD61


Hình 4.15: Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép sau nhiệt
luyện hóa tốt (SKD61 và 30CrNi2MoVA)
Khi môi trường thấm hình thành, nitơ nguyên tử xuất hiện sẽ được hấp
thụ lên bề mặt thép và sự khuếch tán theo biên hạt vẫn chiếm ưu thế
như mô tả trên hình 4.15b. Sự xuất hiện của nitơ nguyên tử trong biên
hạt khi đó sẽ kéo theo việc hình thành các nitơrit hợp kim nhờ việc thay
thế dần các nguyên tử cacbon bằng các nguyên tử nitơ trong cacbit hợp
kim khi đó đang định vị tại biên hạt. Nguyên tử cacbon được giải thoát
ra khỏi cacbit ở biên hạt, một phần sẽ di chuyển theo biên hạt ra phía
ngoài theo hướng bề mặt để hình thành xementit (Fe3C) và phần còn lại
sẽ được di chuyển vào nền hạt. Khi mật độ nitơ nguyên tử tại biên hạt
tăng cao, bên cạnh việc hình thành các nitơrit tại biên hạt, sự khuếch
tán của nguyên tử nitơ từ biên hạt vào phía trong hạt cũng xuất hiện
(hình 4.15b). Trong khi đó, ngoài bề mặt thép, sau khi đã hình thành
hết nitơrit của các nguyên tố hợp kim (Cr, Mo, V) nên nồng độ nitơ
19


nguyên tử hấp thụ trên bề mặt thép nhanh chóng đạt giới hạn để hình
thành nên các nitơrit sắt ( ’, ) phát triển lan rộng trên bề mặt mẫu thép.
Khi nitơ nguyên tử thay thế dần các nguyên tử cacbon trong cacbit để
hình thành nitơrit hợp kim, các nguyên tử cacbon này sẽ bị đẩy dần vào
trong nền hạt và kết quả là làm tăng nồng độ cacbon trong pha nền hạt
đạt tới giá trị của thép sau cùng tích. Điều này giải thích vì sao tại vùng
khuếch tán của thép SKD61 lại có màu tối sẫm hơn so với màu của nền
thép.
4.3.3. Sự tồn tại lỗ xốp trong lớp trắng

Hình 4.16: Mô hình sự hình thành phát triển lỗ xốp và vết nứt của lớp

hợp là (0,5< Kn
(m3/h)
(m3/h)
(m3/h)
0.060
0.000
0.060
0.045
0.015
0.060
0.030
0.030
0.060
0.015
0.045
0.060

% khí sau phân hủy NH3

%N2 pha
loãng

% NH3
phân hủy

N2

H2

NH3



Kết quả phân bố độ cứng của các mẫu thấm có sử dụng khí pha loãng
cho thấy: để duy trì được thế thấm Kn hiệu quả với thép C20 và
23


20CrMo trong vùng (0,5 1,4), mức độ pha loãng NH3 bằng N2 nên hạn
chế ở mức nhỏ hơn 55%.

Hình 4.21: Phân bố độ cứng khi thay đổi chế độ pha loãng khí: (a) thép
C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Với thép 30CrNi2MoVA và SKD61, để duy trì thế thấm hiệu quả
nằm trong khoảng lựa chọn là (0,4 2,1) thì mức độ pha loãng bằng N2
không nên vượt quá 75%.
4.6.3. Ảnh hƣởng của thời gian thấm
Với các thông số lựa chọn tối ưu phía trên. Quá trình thấm đã được
tiến hành với thời gian thấm thay đổi nhằm tìm ra giới hạn thời gian
phát triển lớp thấm thích hợp cho từng loại thép

Hình 4.22: Phân bố độ cứng khi thời gian thấm thay đổi: (a) thép C20;
(b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
24


Với 2 mẫu thép thấm tại 5100C là C20 và 20CrMo, ở thời gian thấm
sau 6 giờ thì chiều sâu lớp thấm hiệu quả đạt được là 180 m và 160 m.
Với 2 mẫu thép nhiệt luyện hóa tốt (hình 4.22c cho thép
30CrNi2MoVA và 4.22d cho thép SKD61), với thời gian thấm 5 giờ thì
chiều sâu lớp thấm hiệu quả đạt được lần lượt là 150 m và 120 m.
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN

25