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

HOÀNG VĨNH GIANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ
BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG

Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 62440129

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội -2016


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

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Nguyễn Văn Tƣ

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

này từ đó kiểm soát nó.
- Hoàn thiện cơ chế hình thành lớp thấm, ảnh hưởng của một số
thông số công nghệ chính đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma cho thép
dụng cụ hợp kim bền nóng SKD61.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Kiểm soát được hiện tượng khuếch đại plasma, sẽ đưa công nghệ
thấm nitơ plasma vào ứng dụng trong sản xuất dễ dàng hơn, đáp ứng
nhu cầu thực tiễn sản xuất với công nghệ tiên tiến thân thiện môi trường.
- Kiểm soát được tổ chức lớp thấm, đặc biệt lớp trắng mở ra khả
năng ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho khuôn bền nóng chế
tạo từ thép SKD61.
Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của nghiên cứu này là làm chủ, kiểm soát được quá trình
thấm niơ plasma trên thiết bị thấm tường nguội NITRION để không


2
xuất hiện khuếch đại plasma và tạo được lớp thấm thép SKD61 có
tính chất như mong muốn.
Những đóng góp mới của luận án (dự kiến)
1. Xây dựng phương pháp xác định chiều dày plasma từ hình ảnh cấu trúc
plasma ghi được khi sử dụng camera ghi hình qua cửa sổ quan sát.
2. Xác định được bằng thực nghiệm chiều dày plasma dc [mm] phụ
thuộc áp suất p [Pa] ở điều kiện thấm cụ thể.
3. Đề xuất sắp xếp các sản phẩm trong buồng lò đảm bảo tận dụng
tối đa không gian lò và không hình thành khuếch đại plasma.
4. Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi thiết kế thực nghiệm để
nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự
hình thành lớp thấm trong quá trình thấm nitơ plasma thép SKD61.
5. Đề xuất khái niệm hằng số tốc độ thấm nitơ plasma K cho thép

Với plasma hỗn hợp khí (N2 + H2), các phần tử hoạt tính sinh ra
giữa anôt và catôt bao gồm ion, nguyên tử, các nguyên tử phần tử
được kích thích như N, N+, N2, N2+, NH, NH+, NH2+, NH3+, N2H2, H.
1.1.4. Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma
1.1.4.1. Hiện tượng khuếch đại plasma
Khi 2 catôt đối diện nhau với khoảng cách đủ nhỏ, electron thoát
khỏi catôt này thì gặp phải catôt kia và bị bật trở lại catôt ban đầu.
Chuyển động qua lại giữa 2 catôt làm cho các electron có động
năng lớn, va chạm với các phần tử trung tính làm ion hóa bổ sung.
Khi đó, mật độ điện tử tăng lên đột ngột làm cho mật độ dòng điện
và nhiệt độ tăng lên rất lớn.
1.1.4.2. Hiện tượng hồ quang
Hồ quang sinh ra là do sự không đồng nhất bề mặt catôt gây ra.
1.2. Công nghệ thấm nitơ plasma
1.2.1. Lịch sử phát triển
Công nghệ thấm nitơ plasma đã phát triển qua từng giai đoạn, có
nhiều phương pháp, thấm nitơ plasma dòng 1 chiều xung (PPN) hiện
đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp (hình 1.8).

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ plasma (DCPN, PPN).


4
1.2.2. Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma

Hình 1. 12. Cơ chế thấm nitơ plasma theo mô hình Kolbe]
Phản ứng 1. Tạo ra ion và nguyên tử nitơ:
e–→N2 → N+ + N + 2e–
Phản ứng 2. Quá trình phún xạ.
N+→Bề mặt catôt → Fe và tạp

1.3.1. Cơ chế hỏng hóc của khuôn bền nóng
Rạn, nứt do mỏi nhiệt, mòn cơ học, mòn hoá học, dính, vỡ khuôn.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Rất nhiều nghiên cứu thấm nitơ plasma do công nghệ này cho
phép dễ dàng điều chỉnh tổ chức lớp thấm.
1.3.3. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Ở Việt Nam chưa có một công trình nghiên cứu công nghệ thấm
nitơ plasma khảo sát đầy đủ các thông số công nghệ lên sự hình thành
và đặc tính của lớp thấm. Các quy trình công nghệ thấm nitơ plasma
chủ yếu thực hiện theo hướng dẫn của nhà cung cấp thiết bị.
1.3.4. Yêu cầu lớp thấm nitơ với khuôn bền nóng


6
- Khả năng chống rạn nứt nóng
- Độ bền mỏi cao ở nhiệt độ cao
- Khả năng chịu mòn ở nhiệt độ cao
1.4. Kết luận và hƣớng nghiên cứu
Ưu điểm của công nghệ thấm nitơ plasma là cho phép dễ dàng điều
chỉnh các thông số công nghệ để nhận được lớp thấm mong muốn.
Nhược điểm hay gặp nhất là hiện hiện tượng khuếch đại plasma có thể
phá hủy bề mặt sản phẩm thấm.
Trên thế giới, thấm nitơ plasma đã được ứng dụng rộng rãi từ lâu
trong công nghiệp và mang lại hiệu quả cao, nhất là cho các sản
phẩm nhỏ, kết cấu đơn giản, sản lượng lớn. Gần đây công nghệ này
cũng đã được nghiên cứu ứng dụng cho những sản phẩm phức tạp
đặc biệt là thấm khuôn bền nóng.
Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu 1: Kiểm soát, loại trừ khuếch đại plasma thông qua việc
xác định được điều kiện hình thành và không hình thành khuếch đại

Taguchi sử dụng phần mềm Minitab 16.
2. Tiến hành xác định các đặc tính lớp thấm (tổ chức tế vi, thành
phần pha, độ cứng, chiều dày lớp trắng, chiều sâu lớp thấm).
3. Đánh giá ảnh hưởng 4 thông số công nghệ chính (nhiệt độ, thời
gian, thành phần và áp suất khí thấm) đến sự hình thành lớp thấm
thông qua tổ chức tế vi lớp thấm và chiều dày lớp trắng.
4. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều
sâu lớp thấm, phân bố độ cứng.
5. Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu lớp thấm, hằng số tốc độ
thấm và năng lượng hoạt hóa.
6. Ứng dụng kết quả thực nghiệm để thấm thép SKD61 với các yêu
cầu khác nhau về đặc tính lớp thấm.
2.1.2.2. Sơ đồ thực nghiệm tổnq quát


8

Hình 2.16. Sơ đồ thực nghiệm
2.2. Thiết bị nghiên cứu
2.2.1. Thiết bị thực nghiệm
Thiết bị chính để nghiên cứu trong luận án là lò NITRION PN60
2.2.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thấm
Hiển vi quang học Axiovert 25A, máy đo đô cứng FUTURETECH (mode FM-700), máy phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử
(ARL 3460), máy nhiễu xạ tia X (D5005), hiển vi điện tử quét.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1.Nghiên cứu ảnh hưởng đến hiện tượng khuếch đại plasma
2.3.1.1. Mẫu và bố trí mẫu thí nghiệm
- 01 mẫu trụ đường kính ngoài Φ50 mm, dùng để đo chiều dày
plasma.
- 03 mẫu kích thước 50x50x20 mm làm thành 1 catot đơn và 1

2.3.2.1. Mẫu và bố trí mẫu thí nghiệm
Mẫu thép SKD61 được nhiệt luyện đạt độ cứng (45÷50) HRC.
2.3.2.2. Các thông số chính
Điện áp V= (550÷650) V, chu kỳ xung p = 600 µs, thành phần khí
thấm: (10÷30)% N2, còn lại (90÷70)% H2, nhiệt độ thấm: (490÷550)
o
C, áp suất thấm: (200 ÷ 600) Pa, thời gian: (3 ÷ 9) h.
2.3.2.3. Quy hoạch thực nghiệm phương pháp Taguchi
Sử dụng phần mềm Minitab 16 và quy hoach Taguchi L9


10
- Nếu giá trị đặc tính yi cần đạt “Lớn hơn tốt hơn” thì:
1
S N L   1 0 lo g 
 n

n


i 1

2 
yi 


- Nếu giá trị đặc tính yi cần đạt “Nhỏ hơn tốt hơn” thì:
1
S N S   1 0 lo g 
 n

c) khuếch đại plasma mạnh nhất
d) khuếch đại plasma mất dần


11
Khi tăng áp suất, cường độ sáng giữa 2 catốt tăng dần và đạt cực
đại (hình 3.1.b, 3.1.c), lúc này khuếch đại plasma mạnh nhất. Tiếp
tục tăng, cường độ sáng giảm dần và đạt ổn định, hết hiện tượng
khuếch đại plasma (3.1.d).
3.1.1.2. Khuếch đại trong điều kiện khoảng cách và áp suất thay đổi
Ở nhiệt độ 520 oC, khí (25% N2 + 75% H2), thay đổi áp suất từ 100
đến 800 Pa quan sát khuếch đại plasma (hình 3.4).

Hình 3.4. Khuếch đại plasma trong ống đường kính khác nhau
Áp suất bắt đầu xuất hiện (Pbđ) và áp suất kết thúc (Pkt) khuếch đại
plama khi thay đổi áp suất được thể hiện trên hình 3.5.

Hình 3.5. Vùng hình thành khuếch đại plasma
3.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày plasma
3.1.2.1. Ảnh hưởng áp suất đến chiều dày plasma
Chiều dày plasma với các áp suất khác nhau thể hiện trên hình 3.6.
Khi tăng áp suất, chiều dày plasma giảm mạnh theo đường hypecbol.


12

Hình 3.6. Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất
3.1.2.2. Ảnh hưởng thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma

Hình 3.7. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày plasma

3.2.1.1.Tổ chức tế vi lớp thấm
Các mẫu từ M1 đến M6 quan sát thấy một vệt sáng trắng liên tục
ngoài cùng, đây là lớp trắng. Các mẫu M7, M8, M9 không quan sát
thấy vệt sáng liên tục mà chỉ thấy xuất hiện vài điểm trắng, có thể
nói không có lớp trắng. Như vậy, tổ chức lớp thấm mà đặc biệt lớp
trắng khác nhau tùy thuộc vào điều kiện thấm. Một lớp thấm điển
hình được thể hiện trên hình 3.12.

Hình 3.12: Tổ chức lớp thấm mẫu M3 (lớp trắng dày 5 µm)
Nhiễu xạ tia X: Mẫu M3 (lớp trắng và lớp khuếch tán) và mẫu M7
(không lớp trắng) được thể hiện trên hình 3.13 và hình 3.14

Hình 3.13. Nhiễu xạ tia X mẫu M3 (lớp trắng khoảng 5µm)


15

Hình 3.14. Nhiễu xạ tia X mẫu M7 (không lớp trắng)
Kết quả cho thấy, mẫu M3 thành phần pha chủ yếu là pha và pha
’, còn với mẫu M7 tổ chức pha bao gồm nền α và các pha (  + ’).
3.2.1.2. Sự hình thành lớp thấm
Để khẳng định xem liệu sự có phải sự có mặt của các nitơrit Fe
này là thành phần chính của lớp trắng rất mỏng trên bề mặt hay
không, nghiên cứu tiếp tục tiến hành phân tích EDX ở gần bề mặt
(spectrum 5, hình 3.16) kết quả được thể hiện trên hình từ 3.17.

Hình 3.16. Ảnh SEM mẫu M3


16

Chiều
Thí
Tỷ số
Thành
Áp
Thời
Nhiệt
dày
nghiệm phần khí
SN
suất
gian
độ
[µm]
N2 [%]
p [Pa]
[h]
[oC]
TN1
30
200
3
490
1
0.0000
TN2
30
400
6
520

TN7
10
200
9
520
0
20,0000
TN8
10
400
3
550
0
20,0000
TN9
10
600
6
490
0
20,0000
3.2.2.1. Ảnh hưởng của 4 thông số theo phương pháp Taguchi

Hình 3.29. Ảnh hưởng lên chiều dày lớp trắng theo tỷ số SN
Kết quả cho thấy, thành phần khí thấm có ảnh hưởng lớn nhất đến
chiều dày lớp trắng (xếp thứ nhất), tiếp đến là nhiệt độ. Áp suất thấm
và thời gian thấm có ảnh hưởng ít đến chiều dày lớp trắng.


19

dụng
TN1
30
200
3
490
65
50
33,9794
TN2
30
400
6
520
110
90
39,0849
TN3
30
600
9
550
170
130
42,2789
TN4
20
200
6
550

3
550
95
75
37,5012
TN9
10
600
6
490
90
65
36,2583


20
Main Effects Plot for SN ratios
Data Means
Thành phần khí thấm

Áp suất thấm

40

Mean of SN ratios

39
38
37
36

36

Signal-to-noise: Larger is better

Hình 3.33. Ảnh hưởng lên chiều sâu lớp thấm theo tỷ số SN
Có thể thấy thời gian và nhiệt độ ảnh hưởng lớn nhất (xếp thứ 1
và 2), thành phần và áp suất khí thấm ảnh hưởng không đáng kể.
3.2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm
Từ kết quả chiều sâu lớp thấm hiệu dụng (bảng 3.10), dựa theo
theo phương trình F.E. Harris có thể tính được hệ số nhiệt đô thấm k.
Bảng 3.16. Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm ở các điều kiện thấm khác nhau
Hệ số nhiệt độ thấm k [µm / h1/2]
Thành phần khí %N2
490oC
520 oC
550 oC
30%N2
28,079
36,72
43,374
20%N2
25,419
34,063
40,71
10%N2
24,75
36,006
43,178
Giá trị trung bình
26,08267

R

)

1
T

 ln ( K 0 )

Hình 3.39. Đồ thị ln(K)-1/T xây dựng cho chiều sâu lớp thấm
Xây dựng đồ thị Ln(K) – 1/T (hình 3.39), có thể xác định phương
trình hằng số tốc độ thấm K và nhiệt độ T với thép SKD61:
K  1, 2 7 4  1 0

7

 exp(

85000

) [m

2

/s]

RT

3.2.4. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên sự phân bố độ cứng
Phân bố độ cứng tế vi được biểu diễn trên hình 3.40.


400Pa
Nhiệt độ thấm

600Pa

3h

6h

9h

490oC

520oC

550oC

60.50
60.25
60.00
59.75
59.50

Signal-to-noise: Larger is better

Hình 3.41. Ảnh hưởng các thông số đến độ cứng tối đa theo tỷ số SN
3.2.4.2. Ảnh hưởng lên chiều sâu lớp cứng d900
Thời gian thấm ảnh hưởng nhiều nhất, thành phần khí thấm xếp
thứ 2, hàm lượng %N2 càng cao, lớp cứng càng lớn.


9h

490oC

520oC

550oC

36
34
32
30

Signal-to-noise: Larger is better

Hình 3.42. Ảnh hưởng đến chiều sâu lớp cứng d900 theo tỷ số SN
3.2.5. Ứng dụng thấm thép SKD61 với yêu cầu lớp thấm khác nhau
Thấm nitơ plasma thép SKD61 tôi ram, độ cứng (45÷50) HRC.
3.2.5.1. Thấm với lớp trắng mỏng khoảng dưới 2 µm


23
- Chọn nhiệt độ thấm: 490 oC
- Chọn thành phần khí thấm: 25% N2 +75% H2
- Thời gian t = (16÷18) h
- Áp suất lựa chọn áp suất thấp 250 Pa
3.2.5.2.Thấm thép SKD61 không lớp trắng (Bright nitriding)
- Nhiệt độ thấm: 490 oC
- Thành phần khí thấm: 15% N2 +85% H2


(nhiệt độ 520 C, khí thấm 25% N2+75% H2).
4. Khi thấm các lỗ hay khe hẹp kích thước , cần lựa chọn các thông
số thấm hợp lý đảm bảo 3dc ≤  để plasma tiếp xúc bề mặt thấm
mà không xuất hiện khuếch đại plasma.
o