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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nguyễn Văn Tƣ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU SINH

PGS.TS. Nguyễn Văn Tư

Hoàng Vĩnh Giang


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC ............................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .......................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 3
1.1. Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma .............................................. 3
1.1.1. Khái niệm plasma .......................................................................................... 3
1.1.2. Plasma phóng điện phát sáng ........................................................................ 4
1.1.3. Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma ...................... 7
1.1.4. Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma ....................... 10
1.2. Công nghệ thấm nitơ plasma............................................................................... 13
1.2.1. Lịch sử phát triển ......................................................................................... 13
1.2.2. Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma ..................................................... 16
1.2.3. Đặc trưng cấu trúc lớp thấm ........................................................................ 19
1.2.4. Một số tính chất sử dụng của lớp thấm ....................................................... 24
1.2.5. Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma ................................................. 28

3.1.4. Kết luận về hiện tượng khuếch đại plasma ................................................. 66
3.2. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm . 67
3.2.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến cấu trúc lớp thấm ........ 67
3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày lớp trắng ..... 78
3.2.3. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm ....................... 84
3.2.4. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên sự phân bố độ cứng trong lớp thấm .......... 95
3.2.5. Ứng dụng thấm thép SKD61 với yêu cầu lớp thấm khác nhau ................... 98
3.2.6. Kết luận ảnh hưởng các thông số công nghệ lên lớp thấm khi thấm thép
SKD61 ...................................................................................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 107
PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 113

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
1. Danh mục các chữ viết tắt
Cr
Nguyên tố Crôm
C
Nguyên tố Các-bon
Ni
Nguyên tố Niken
Mo
Nguyên tố Mô-lip-đen
V
Nguyên tố Va-na-đi
Fe

Quang phổ phát xạ quang học (Optical emission spectrometter)
2. Các ký hiệu
α
Pha ferit

Pha austenit
’
Nitơrit sắt (Fe4N)

Nitơrit sắt (Fe2-3N)
HV0,1
Độ cứng tế vi tải trọng 100g
HV0,3
Độ cứng tế vi tải trọng 300g
D
Hệ số khuếch tán
Q
Năng lượng hoạt hóa
T
Nhiệt độ
V
Thể tích
o
C
Đơn vị nhiệt độ (độ Celcius)
o
K
Đơn vị nhiệt độ (độ Kelvin)
Pa
Pascal


Bảng 1.3.

Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm ........................... 33

Bảng 1.4.

Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thành phần lớp trắng..................... 36

Bảng 1.5.

Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu thấm nitơ plasma thép SKD61 trên thế giới ...... 40

Bảng 2.1.

Điện áp ở các áp suất khác nhau .................................................................... 50

Bảng 2.2.

Thành phần của mẫu thép thí nghiệm ............................................................ 52

Bảng 2.3.

Điện áp sử dụng khi thấm ở áp suất và nhiệt độ khác nhau ........................... 54

Bảng 2.4.

Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 .............................................................. 56

Bảng 3.1.

Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 200Pa và 400Pa . 82

Bảng 3.9.

Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 600Pa. ................ 83

Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm xác định chiều sâu lớp thấm ........................................ 84
Bảng 3.11. Tỷ số SN và mức độ ảnh hưởng 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm .............. 84
Bảng 3.12. Giá trị trung bình và xếp hạng sự phụ thuộc của chiều sâu lớp thấm ............ 85
Bảng 3.13. Chiều sâu lớp thấm d với thành phần khí thấm mức 1 ................................... 87
Bảng 3.14. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 2 ...................................... 88
Bảng 3.15. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 3 ...................................... 89
Bảng 3.16. Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm ở các điều kiện thấm khác nhau .................... 89
Bảng 3.17. Kết quả bổ sung chiều sâu lớp thấm............................................................... 90
Bảng 3.18. Chiều sâu lớp thấm thực nghiệm và tính toán ở nhiệt độ 490oC .................... 90
Bảng 3.19. Hệ số nhiệt độ k và hằng số tốc độ thấm K ở các nhiệt độ khác nhau ........... 92
Bảng 3.20. Tính toán giá trị hằng số Ko ........................................................................... 93
Bảng 3.21. Kết quả bổ sung .............................................................................................. 94
Bảng 3.22. Giá trị kiểm định Fisher cho công thức xác định quan hệ ln(K)-1/T ............. 94
iv


Bảng 3.23. Kết quả đo độ cứng tế vi lớp thấm ................................................................. 95
Bảng 3.24. Kết quả thực nghiệm xác định độ cứng tối đa ................................................ 96
Bảng 3.25. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng 4 thông số lên độ cứng tối đa. .................. 96
Bảng 3.26. Kết quả xác định chiều sâu lớp cứng d900....................................................... 97
Bảng 3.27. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng lên chiều sâu lớp cứng d900 ...................... 97
Bảng 3.28. Dự đoán chiều dày lớp trắng .......................................................................... 99

v

Mô tả sự phóng điện hồ quang ..................................................................... 13

Hình 1.8.

Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ plasma ............................................................... 14

Hình 1.9.

Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN ......................................... 15

Hình 1.10.

Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ màn chủ động ASPN ........................................ 16

Hình 1.11.

Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma .......................................... 16

Hình 1.12.

Cơ chế thấm nitơ plasma theo mô hình Kolbel ........................................... 18

Hình 1.13.

Cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt thấm ........................................................... 19

Hình 1.14.

Cấu trúc lớp thấm nitơ điển hình ................................................................. 20


Độ cứng sau ram của một số vật liệu ........................................................... 26

Hình 1.23.

Độ cứng ở nhiệt độ cao của thép bền nóng được thấm và không ................ 26

Hình 1.24.

Giới hạn mỏi của thép AISI 4140 ................................................................ 27

Hình 1.25.

Đường S –N của mẫu thép En 40 B được thấm N plasma không lớp trắng ở
nhiệt độ 480oC với thời gian thấm khác nhau .............................................. 27

Hình 1.26.

Đường ăn mòn thép Ni-Cr .......................................................................... 28

Hình 1.27.

Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma ......................................... 30

Hình 1.28.

Giản đồ pha Fe-N ......................................................................................... 31

Hình 1.29.

Quy trình thấm nitơ plasma điển hình.......................................................... 32

Giao diện chương trình thấm ....................................................................... 46

Hình 2.6.

Hệ thống lưu lượng kế điều khiển cung cấp khí thấm ................................. 46

Hình 2.7.

Can nhiệt loại K đo nhiệt độ mẫu thấm ....................................................... 47

Hình 2.8.

Thiết bị đo áp suất ........................................................................................ 47

Hình 2.9.

Kính hiển vi quang học Axiovert 25A ......................................................... 47

Hình 2.10.

Máy đo độ cứng tế vi FM-700e ................................................................... 48

Hình 2.11.

Máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL3460 .............................................. 48

Hình 2.12.

Thiết bị nhiễu xạ tia X.................................................................................. 49


Giải thích sự xuất hiện khuếch đại plasma .................................................. 58

Hình 3.3.

Giải thích sự biến mất của khuếch đại plasma ............................................. 58

Hình 3.4.

Hình ảnh khuếch đại plasma trong ống có đường kính lỗ khác nhau .......... 59

Hình 3.5.

Vùng hình thành khuếch đại plasma ............................................................ 60

Hình 3.6.

Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất ............................................................ 61

Hình 3.7.

Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày plasma ở nhiệt độ khác nhau ..... 62

Hình 3.8.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày plasma với thành phần khí khác nhau .. 63

Hình 3.9.

Đồ thị dc – 1/p .............................................................................................. 64



Điểm phân tích số 5 mẫu M3 ....................................................................... 73

Hình 3.18.

Điểm phân tích số 6 mẫu M3 ....................................................................... 73

vii


Hình 3.19.

Điểm phân tích số 7 mẫu M3 ....................................................................... 74

Hình 3.20.

Điểm phân tích số 8 mẫu M3 ....................................................................... 74

Hình 3.21.

Ảnh SEM lớp khuếch tán mẫu M7 .............................................................. 74

Hình 3.22.

Điểm phân tích 2 mẫu M7............................................................................ 75

Hình 3.23.

Điểm phân tích 4 mẫu M7............................................................................ 75


Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng ............................ 83

Hình 3.32.

Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng.............................. 83

Hình 3.33.

Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm theo tỷ số SN . 85

Hình 3.34.

Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên giá trị trung bình chiều sâu lớp thấm ... 85

Hình 3.35.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 88

Hình 3.36.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 88

Hình 3.37.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 89

Hình 3.38.

Sự phụ thuộc chiều sâu lớp thấm vào thời gian ở các nhiệt độ khác nhau .. 91


Kết quả thấm không lớp trắng .................................................................... 102

Hình 3.47.

Hiển vi quang học mẫu .............................................................................. 103

viii


MỞ ĐẦU
Thấm nitơ là công nghệ hóa nhiệt luyện đưa nitơ vào bề mặt chi tiết tạo lớp thấm
trên bề mặt có độ cứng cao tăng tính chịu mài mòn. Lớp thấm còn tạo ứng suất nén trên bề
mặt và qua đó làm tăng giới hạn mỏi của chi tiết. Thấm nitơ được ứng dụng rộng rãi để
thấm các sản phẩm cơ khí đòi hỏi chất lượng cao, trong đó có các loại khuôn bền nóng chế
tạo từ thép SKD61 như: khuôn rèn, khuôn đùn nhôm, khuôn đúc áp lực nhôm. Thấm nitơ
có thể được tiến hành ở trạng thái lỏng, khí hoặc plasma từ đó ta có công nghệ thấm nitơ
thể lỏng, thể khí và thấm nitơ plasma.
Thấm nitơ thể lỏng có ưu điểm là thời gian thấm ngắn và chất lượng lớp thấm
tương đối cao, nhưng do phải sử dụng muối nóng chảy gốc xyanua, xianat thường gây ô
nhiễm môi trường nên ngày nay ít sử dụng. Thấm nitơ thể khí hiện đang được sử dụng
nhiều nhất do chi phí thiết bị ban đầu thấp và dễ vận hành. Chất thấm là NH3 được lưu
thông liên tục trên bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình thấm.
Việc sử dụng khí động (liên tục bơm khí vào và thoát khí ra) là bắt buộc để duy trì quá
trình thấm. Tuy nhiên chỉ một lượng rất nhỏ khí (vài phần trăm) tham gia vào quá trình
thấm, còn lại phải thải ra môi trường vì thế gây ô nhiễm môi trường và tốn kém, đây là
nhược điểm lớn của phương pháp này. Để giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường, thấm nitơ
plasma được coi là công nghệ tiên tiến có thể thay thế thấm nitơ thể khí. Khác với thấm thể
khí sử dụng amoniac và phát thải ra khí có hại, thấm nitơ plasma sử dụng hỗn hợp khí
chính là H2 và N2 với tiêu hao ít hơn rất nhiều từ đó giảm chi phí và phát thải rất ít nên
thân thiện môi trường.



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 xuất hiện khuếch đại plasma và tạo được
lớp thấm niơ 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 SKD61 và bằng thực
nghiệm xác định hằng số này để tính toán chiều sâu lớp thấm áp dụng trong thực tế
sản xuất.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Thu thập tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ thấm nitơ plasma từ
đó đề ra hướng nghiên cứu.
Thiết kế mẫu và quan sát, chụp ảnh plasma để xác định chiều dày plasma và điều
kiện hình thành khuếch đại plasma.
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để thiết kế và đánh giá thực
nghiệm ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành và đặc trưng lớp thấm.
Bố cục luận án
Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
Chương 2: Phương pháp và thiết bị nghiên cứu.
Chương 3: Kết quả và bàn luận.

LTE) và plasma không cân bằng nhiệt (Non-LTE). Plasma cân bằng nhiệt được tạo ra
trong điều kiện áp suất gần bằng hoặc cao hơn áp suất khí quyển, còn plasma không cân
bằng nhiệt được hình thành ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển [14, 15, 65].
Khi áp suất cao, sẽ có nhiều va chạm giữa các phần tử trong hỗn hợp khí (nguyên
tử, phân tử, ion và điện tử) dẫn đến khả năng trao đổi năng lượng giữa các phần tử này đủ
để cân bằng nhiệt độ, nghĩa là nhiệt độ của tất cả các phần tử trong hỗn hợp khí này là như
nhau (Te = Tion=Tgas), lúc này ta có plasma cân bằng nhiệt [14, 15]. Thông thường cần một
nhiệt độ cao để hình thành plasma cân bằng nhiệt. Ví dụ, ở điều kiện áp suất khí quyển, để
tạo được plasma cân bằng nhiệt cần nhiệt độ cao khoảng 4.000oK đến 20.000oK tùy từng
loại khí [14, 15, 96], như vậy plasma cân bằng nhiệt thường là plasma nhiệt độ cao.
Trong điều kiện áp suất thấp, có ít hơn va chạm xảy ra giữa các phần tử và như thế
không có đủ sự trao đổi năng lượng cần thiết dẫn đến nhiệt độ các phần tử khác nhau. Điện
tử nhẹ hơn rất nhiều so với ion hoặc phân tử trung tính, vì thế nó rất linh hoạt, phản ứng
nhanh với sự thay đổi trường điện từ và nhận được năng lượng cao E = 1 ÷ 10 eV (trung
bình 2 eV tương đương nhiệt độ 23.000oK [14, 15]). Các phần tử trung tính có năng lượng
thấp hơn E ~ 0,025 eV (tương đương nhiệt độ môi trường 293oK). Như vậy trong trường
hợp áp suất thấp, khi đó Te >> Tion >> Tgas ta có plasma không cân bằng nhiệt [14, 15, 93].
Do nhiệt độ khí Tgas thấp hơn nhiều so với nhiệt độ điện tử từ đó nhiệt độ tổng thể của
plasma là thấp và vì thế loại plasma này còn gọi là plasma nhiệt độ thấp hay plasma khí,
plasma nguội, đây là loại plasma sử dụng trong trong quá trình thấm nitơ plasma.
Nguồn sinh ra plasma nhiệt độ thấp có thể là nguồn điện 1 chiều (Direct Current DC), ta có plasma phóng điện phát sáng một chiều (DC-GD hay DC plasma), nguồn tần số
radio (rf ~13,56 Mhz) ta có plasma tần số radio (RF plasma) và nguồn microwave 2,45
GHz ta có microwave plasma (MI plasma) [65]. Sau đây thuật ngữ plasma được hiểu là
plasma nhiệt độ thấp không cân bằng nhiệt, sinh ra bằng phóng điện phát sáng nguồn điện
một chiều.

3


Plasma nhiệt độ thấp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào chính tính

điện, nghĩa là không có dòng điện, tuy nhiên vẫn tồn tại các điện tử tự do. Khi cho một
4


điện áp giữa 2 điện cực, các điện tử được tăng năng lượng và va chạm với các phân tử khí
tạo ra thêm các điện tử và như vậy bắt đầu phóng điện Townsend. Khi tiếp tục tăng điện áp
xảy ra hiện tượng ion hóa các phân tử khí, ion hóa do va chạm và hình thành vùng chuyển
tiếp (vùng Corona), lúc này dòng tăng nhưng điện trở giảm làm điện áp giảm. Cứ như thế
plasma bắt đầu được hình thành ban đầu còn rất mờ gọi là vùng dưới bình thường, ở đây
mặc dù không tăng điện áp (thậm chí giảm) mà dòng điện vẫn tăng. Tiếp theo khi tăng điện
áp thì dòng điện tăng mặc dù mật độ dòng không đổi, dòng tăng do diện tích bề mặt catôt
được plasma bao phủ tăng, đây là vùng bình thường (tuân theo định luật Ôm). Tiếp tục
tăng điện áp, dòng điện cũng tăng, lúc này plasma đã bao phủ toàn bộ catôt nên dòng tăng
là do mật độ dòng tăng và đây là vùng trên bình thường. Thấm nitơ plasma được thực hiện
trong vùng này khi mà cả điện áp và dòng điện đều lớn, công suất đủ lớn. Lúc này điện áp
sẽ tăng khi dòng tăng, dòng tăng làm mật độ dòng tăng, tuy nhiên điện áp cao dễ chuyển
sang vùng hồ quang nguy hiểm [11, 27, 36].
1.1.2.2. Cấu trúc plasma
Phóng điện phát sáng dẫn đến hình thành plasma nhiệt độ thấp không cân bằng
nhiệt được đặc trưng bởi sự tồn tại của các ion, điện tử, phần tử bị kích thích, nguyên tử và
các phần tử khí làm tăng năng lượng của hệ thống này [93]. Khi plasma được hình thành,
điện áp giảm đột ngột ở vùng sát bề mặt catôt, quá trình phóng điện xảy ra giữa 2 điện cực
không đồng đều mà tạo ra các vùng khác nhau. Số lượng, chiều rộng các vùng phụ thuộc
vào nhiều thông số như điện áp, áp suất, thành phần môi trường khí.
Cấu trúc tổng quát của plasma giữa catôt và anôt được thể hiện trên hình 1.2 [89, 93].
Vùng đầu tiên ngay sát catôt được gọi là vùng tối Aston (1), đây là một lớp mỏng có mật độ
điện tử cao và trường điện mạnh và tích điện âm. Tại đây các điện tử có tốc độ ban đầu nhỏ
cỡ 1 eV, được tăng tốc nhưng vẫn chưa đạt được mức năng lượng cao đủ để tạo ra những va
chạm không đàn hồi giữa các nguyên tử và phân tử, vì thế vùng này tối [40, 89, 93]. Tiếp
ngay sau vùng này là quầng sáng catôt (2) có mật độ ion cao, và trong nhiều trường hợp có


(4): Vùng sáng âm
(5): Vùng tối Faraday
(6): Cột dương

(7): Vùng sáng Anôt
(8): Vùng tối nôt

1.1.2.3. Vùng catôt
Vùng catôt là vùng giữa bề mặt catôt và điểm cuối của vùng tối catôt (điểm đầu của
vùng sáng âm, hình 1.2). Khoảng cách từ bề mặt catôt cho đến điểm cuối vùng catôt được
gọi là chiều dày vùng catôt hay chiều dày plasma, đây là một thông số quan trọng liên quan
đến khả năng xâm nhập của plasma vào các khe hở. Trong vùng này, điện áp tổng giảm đột
ngột, và sự giảm điện áp trong vùng catôt được gọi là giảm điện áp catôt. Do chiều rộng
vùng catôt tương đối nhỏ nên sự giảm điện áp này tạo ra một điện trường tương đối mạnh.
Với điện trường này các điện tử nhẹ hơn dễ dàng rời khỏi vùng này, các ion dương nặng
hơn ở lại do vậy vùng này tích điện dương. Như vậy, đặc trưng vùng catôt là: điện áp thay
đổi lớn, điện trường mạnh và tích điện dương.
Khi plasma chưa phủ kín toàn bộ bề mặt catôt, điện áp tăng mặc dù dòng tăng nhưng
mật độ dòng không thay đổi do lúc này diện tích plasma phủ cũng tăng, lúc này là giai đoạn
phóng điện bình thường. Chuyển sang giai đoạn phóng điện trên bình thường, cả dòng và
mật độ dòng đều thay đổi theo điện áp do plasma đã bao phủ toàn bộ bề mặt catôt (diện tích
phủ không đổi). Lúc này, dòng tăng thì mật độ dòng tăng làm nung nóng catôt đến nhiệt độ
thấm và thấm nitơ plasma được thực hiện trong điều kiện này (hình 1.1) [11, 27, 36, 93].
6


1.1.3. Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma
1.1.3.1. Plasma N2-H2 sử dụng trong thấm nitơ plasma
Plasma sử dụng để thấm nitơ là plasma được hình thành dưới điện áp cao

một điều kiện về điện áp và áp suất, khí nặng hơn như N2 sẽ cho mật độ dòng cao hơn khí
nhẹ hơn như H2. Theo [62], trong hỗn hợp khí N2 + H2, khi tăng hàm lượng %H2 đến một
giá trị nào đó sẽ dẫn đến tăng dòng, tăng mật độ dòng và làm tăng nhiệt độ catôt, tuy nhiên
nếu tăng tiếp hàm lượng % H2 thì mật độ dòng và nhiệt độ catôt sẽ giảm. Giá trị %H2 mà ở
đó mật độ dòng đạt cực đại phụ thuộc chủ yếu vào áp suất môi trường thấm. Cùng một
thành phần khí thấm, dưới một điện áp nhất định, áp suất càng cao thì mật độ dòng càng
cao và như vậy nhiệt độ catôt cũng càng cao. Theo [96], mật độ dòng có thể được điều
chỉnh bằng cách thay đổi một số yếu tố của quá trình thấm như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của một yếu tố lên mật độ dòng [96]

Hƣớng giảm mật độ dòng

←

→ Hƣớng tăng mật độ dòng

Tăng hydro

Tăng nitơ

Tăng methan

Tăng áp suất

Giảm chu kỳ làm việc

Tăng điện áp

Điện áp giữa anôt và catôt cũng như điện áp giảm catôt là hàm số được điều chỉnh
phụ thuộc vào áp suất. Áp suất khí thấm còn ảnh hưởng trực tiếp và quyết định đến chiều

mặt catôt. Hơn nữa mật độ các ion dương hình thành trong vùng catôt khoảng 109 đến 1011
ion/cm3 ở nhiệt độ 450 oC đến 555 oC, trong khi mật độ của các phần tử trung tính là 1016
đến 1017/cm3. Năng lượng trung bình của các ion nguyên tử N+ khi đến catôt là khoảng
9,6.10-18 J khi áp suất trong buồng là 800 Pa [93].
Với plasma hỗn hợp khí N2 + H2 có cho thêm Ar, tỷ lệ các ion ở vùng catốt với
thành phần khí khác nhau được thể hiện trong bảng 1.2 [93].
Bảng 1.2. Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa [93]

Loại
Ion
H+
N+
NH+
NH2+
NH3+
NH4+
N2+
N2H2+
Ar+

N2
20%

Hỗn hợp khí với thành phần % khí khác nhau
Ar
H2
N2
Ar
H2
N2

0,64
0
0
1,2
32,7

H2
0

Trong quá trình ion hóa, hàm lượng các phần tử hoạt tính tạo ra không những phụ
thuộc vào thành phần khí mà còn phụ thuộc vào điện áp và áp suất. Khi tăng điện áp từ
100 V lên 400 V với áp suất không đổi sẽ làm tăng hàm lượng nguyên tử nitơ lên 10 lần.
Hàm lượng các ion trong điều kiện áp suất 133 Pa và điện áp 800 V với thành phần khí
khác nhau như sau [93]:
- Với hỗn hợp khí 99% N2 và 1% H2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (15,1%), N2+
(40,0%), H2+ (5,1%), H+ (11,7%).
- Với hỗn hợp khí 75% N2 và 25% H2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (30,0%), H2+
(13,0%), H+ (17,0%).
- Với hỗn hợp khí 100% N2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (16,8%), N2+ (55,5%).

9


Tóm lại, các phần tử hoạt tính hình thành trong quá trình phóng điện trong môi
trường H2 - N2 rất đa dạng, thay đổi tỷ lệ (H2 : N2), thay đổi áp suất, thay đổi nhiệt độ thấm
sẽ làm thay đổi tỷ lệ các phần tử hoạt tính được tạo ra và như thế sẽ làm thay đổi hành vi
thấm nitơ. Đây là một trong những ưu điểm của công nghệ thấm nitơ plasma cho phép thay
đổi một số thông số công nghệ thích hợp để tạo ra lớp thấm có những tính chất mong
muốn, như tạo lớp thấm với lớp trắng đơn pha hay thấm không lớp trắng.
1.1.4. Một số hiện tƣợng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma




p

D
I

(1.1)

Trong đó: p là áp suất, I là cường dòng điện còn C và D là 2 hằng số thực nghiệm.
Khi điện áp không đổi thì cường độ dòng điện I không đổi và do đó, chiều dày
plasma có thể được tính theo công thức [38]:
dc  A 

B
p

(1.2)

Trong đó: p là áp suất, còn A và B là 2 hằng số được xác định bằng thực nghiệm
Các yếu tố còn lại như nhiệt độ, thành phần khí thấm, chu kỳ điện áp (xung on,
xung off ) được phản ảnh qua 2 hằng số A, B ứng với từng điều kiện thấm cụ thể. Trong
trường hợp chiều dày plasma dc = (2 ÷ 20) mm thì hằng số A xấp xỉ bằng 1 [38]. Tác giả
[62] đã nghiên cứu và đưa ra kết luận, chiều dày plasma lớn khi áp suất thấp, %H2 cao,
nhiệt độ cao, điện áp và mật độ dòng cao.

10



N2 + 75% H2), điện áp (600÷800) V, nhiệt độ thấm 500 oC trên thiết bị thấm nitơ plasma
xung [74].

11


Hình 1.6. Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở khác nhau [74]

Thông thường với vật liệu thấm và yêu cầu lớp thấm cho trước thì các thông số về
nhiệt độ, thành phần khí thấm đã được xác định, kiểm soát chiều dày plasma để tránh
khuếch đại plasma chủ yếu thông qua điều chỉnh áp suất thấm. Khi thấm, nếu không cần
thấm các lỗ hay khe hở hẹp thì che đậy các vị trí này và nên chọn áp suất để chiều dày
plasma dc khoảng 6 mm là tốt nhất [46]. Khi thấm các sản phẩm có lỗ hay khe hở, cần
tăng dần áp suất để plasma xâm nhập được vào các vị trí đó, cần lưu ý chọn áp suất hợp
lý để tránh hiện tượng khuếch đại plasma.
1.1.4.2. Hiện tượng hồ quang
Hồ quang hình thành làm nung nóng cục bộ chi tiết thấm, rất nguy hiểm và thường
xảy ra ở vùng áp suất tương đương áp suất thấm nitơ plasma vì thế cần đặc biệt lưu ý [36].
Có nhiều lý thuyết giải thích hiện tượng này, hầu như tất cả đều thống nhất rằng, hồ quang
sinh ra là do tạp chất hoặc sự không đồng nhất bề mặt catôt gây ra (hình 1.7). Quá trình
hình thành hồ quang dựa trên tương tác giữa bề mặt chứa các tạp chất với quá trình phóng
điện phát sáng. Bình thường có một vùng tối catôt ngăn cách vùng sáng âm với catôt. Khi
có tạp chất hay một màng trên bề mặt catôt nó sẽ làm thay đổi vùng sáng âm cũng như
vùng tối này. Nếu những tạp chất này có kích thước nhỏ hơn chiều dày vùng catôt, thì ảnh
hưởng của nó có thể bỏ qua. Tuy nhiên, nếu kích thước này lớn hơn thì sẽ gây ra hiện
tượng phóng điện hồ quang. Điều này đặc biệt lưu ý khi thấm gang hay vật liệu thiêu kết vì
các hạt graphit trong gang hay hạt thép trong sản phẩm thiêu kết có thể hoạt động như là
những tạp chất.
Khi một phần bề mặt catôt dẫn điện kém (ví dụ bị bẩn, tạp chất), vùng này bị tích
điện và điện áp tăng đột ngột mà dòng không tăng. Lúc này sẽ xuất hiện phóng hồ quang

đầu tiên ở Mỹ. Mặc dù vậy công nghệ thấm nitơ plasma vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi
vì công nghệ này bị coi là quá phức tạp, quá đắt và không đáng tin cậy. Mãi đến năm 1970,
công nghệ này mới được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở Châu Âu
[11, 27, 69, 89].
1.2.1.1. Công nghệ thấm nitơ plasma
Thấm nitơ plasma được thực hiện trên hệ thống thiết bị được sơ đồ hóa trên hình
1.8. Sản phẩm cần thấm đóng vai trò catốt được đặt trong buồng chân không, thành
buồng là anôt. Catôt chịu điện áp cao và được nung nóng nhờ năng lượng bắn phá trực
tiếp của các ion lên bề mặt. Plasma hình thành trên bề mặt catôt được duy trì bởi các điện
tử sinh ra trong vùng catôt do quá trình ion bắn phá catốt. Thông thường nguồn tạo
plasma trong các thiết bị thấm nitơ plasma là nguôn điện một chiều (DC) hoặc DC xung,
từ đó ta có thấm nitơ plasma dòng một chiều (DCPN) và thấm nitơ plasma xung (PPN).
Hiện nay hầu hết các thiết bị sử dụng nguồn DC xung nên khi nói thấm nitơ plasma
thường hiểu là thấm nitơ plasma xung.
Nhìn chung thấm nitơ plasma được thực hiện với điện áp trong khoảng (400 ÷
800) V, môi trường là hỗn hợp khí N2, H2 và số khí khác và áp suất thấm khoảng (50
÷1000) Pa [91, 71]. Có 2 công nghệ cơ bản: công nghệ tường nóng (Hot Wall
Technology) và công nghệ tường nguội (Cold Wall Technology). Hai công nghệ này có
bản chất quá trình thấm là như nhau, môi trường thấm là plasma sinh ra ngay trên bề mặt
vật thấm. Tuy nhiên công nghệ tường nóng có thêm bộ phận điện trở để nung nóng,
nguồn plasma chỉ dùng để thấm nên mật độ dòng nhỏ khoảng 0,2 mA/cm 2. Công nghệ
tường nguội sử dụng năng lượng plasma vừa để nung nóng vật thấm vừa để thấm nên đòi
hỏi nguồn lớn hơn, mật độ dòng khoảng 5 mA/cm 2 [36, 74].

13