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.
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ thấm nitơ plasma là một công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường, có
nhiều tiềm năng phát triển. Trên thế giới, công nghệ thấm nitơ plasma được nghiên cứu khá
nhiều, chủ yếu sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma xung. Ở Việt Nam, hiện tại có 2 thiết bị
thấm nitơ plasma xung, một thiết bị tường lạnh và một tường nóng. Công nghệ thấm nitơ
plasma được nghiên cứu chưa nhiều, không có nhiều công trình nghiên cứu được công bố.
Ngày nay, vấn đề bảo vệ môi trường đang là chủ đề được cả xã hội quan tâm giải
quyết. Hơn nữa nhờ ưu điểm kiểm soát được tổ chức lớp thấm, công nghệ thấm nitơ plasma
đang là lựa chọn của nhiều nhà sản xuất khuôn, đặc biệt khuôn bền nóng chế tạo từ thép
SKD61. Hiện tại các đơn vị có thiết bị thấm nitơ plasma hầu như đang thực hiện thấm theo

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.
Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp.
Danh mục các công trình đã công bố.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
Giới thiệu

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
không cân bằng nhiệt của nó. Do không cân bằng nhiệt nên có nhiều phương án và khả
năng để tạo ra plasma có những tính chất khác nhau bằng cách thay đổi các thông số đầu
vào, ví dụ [40, 93]:
- Thay đổi thành phần đầu vào (thành phần các loại khí thấm).
- Thay đổi áp suất (từ 0,1 Pa đến áp suất khí quyển).
- Thay đổi cấu trúc trường điện từ.
- Thay đổi xung điện.
Plasma sinh ra trong điều kiện phóng điện phát sáng chứa các điện tử với năng
lượng trung bình khoảng (1÷10).10-17 J, cao hơn năng lượng cần thiết để phân hủy các
phần tử chứa nitơ (1,52.10-18 J) hay năng lượng để ion hóa khí nitơ (2,5.10-18 J) [40, 93].

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
cả nguyên tử được phún xạ từ catôt [93]. Tiếp đến là vùng tối catôt (3), ở vùng này trường
điện mạnh vừa phải và tích điện dương do hàm lượng ion cao [89]. Điện tử khi đi từ catôt
qua vùng này sẽ tích được một năng lượng lớn đủ để kích thích và ion hóa các phân tử khí và
như thế tạo ra vùng sáng gọi là vùng sáng âm (4). Vùng sáng âm là vùng sáng nhất trong
toàn bộ các vùng, sáng mạnh hơn ở phía catôt, nhạt hơn phía anôt nơi các điện tử bị chậm lại
do va chạm nhiều hơn và mất bớt năng lượng. Vùng này mật độ ion cao do vậy tích điện
dương tuy nhiên điện trường tương đối yếu [89, 93]. Do năng lượng của các điện tử qua
vùng này bị giảm từ đó làm giảm quá trình ion hóa và kích thích khí từ đó sinh ra một vùng
khác gọi là vùng tối Faraday (5). Điiên trường trong vùng này yếu và tích điện gần như âm.
Tiếp đến là một vùng sáng đồng đều được gọi là cột dương (6). Tiến gần đến anôt là vùng

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
(400 ÷ 800V), áp suất thấp (50 ÷ 1000 Pa), trong môi trường khí (khí N2 + H2 và một lượng
nhỏ khí khác). Trong điều kiện này, khí bị ion hóa tạo ra các phần tử hoạt tính bao gồm các
điện tử, các ion, các phần tử bị khích thích và các phân tử trung tính được gọi là plasma. Các
ion dương dưới tác dụng của điện trường chuyển động đến catôt, bắn phá catôt chuyển năng
lượng đến catôt làm catôt được nung nóng dẫn đến môi trường khí quanh catôt cũng nóng lên
từ đó làm giảm mật độ khí, gây ra sự thay đổi đặc tính điện thế - dòng và thay đổi chiều rộng
vùng catôt.
Hình thái plasma hình thành bằng quá trình phóng điện có thể được chia thành 4
vùng A, B, C, D như trên hình 1.3 [107]. Có thể thấy hình thái plasma phụ thuộc rất lớn
vào điện áp và áp suất, thấm nitơ plasma thông thường được thực hiện trong vùng D. Có

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
dày plasma, một thông số liên quan trực tiếp đến hiện tượng khuếch đại plasma. Áp suất
cao, chiều dày plasma giảm, vùng sáng âm ôm sát bề mặt vật thấm, nếu giảm áp suất chiều
dày plasma tăng và vùng sáng âm mờ đi. Tuy nhiên khi áp suất cao thì khả năng xuất hiện
hồ quang là cao nên rất nguy hiểm [36, 38, 54, 62]. Theo [107], điện áp thay đổi không
nhiều khi áp suất lớn hơn 800 Pa, còn điện áp giảm catốt thì giảm đáng kể khi áp suất tăng.
Ngược lại, trong vùng mà áp suất nhỏ hơn 800 Pa, cả 2 đại lượng này đều tăng nhanh khi
áp suất giảm. Hạ điện áp giảm catôt sẽ tăng năng lượng ion bắn phá (phún xạ) bề mặt giúp
hoạt hóa bề mặt thấm. Đây có thể là lý do thấm nitơ plasma thường được thực hiện với áp
suất < 800 Pa.
8

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
Ar
0
80%
20%
66%
14%
20%
80%
86,6
78,6

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
Đặc thù riêng của công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị tường nguội là nguồn
nhiệt cung cấp được sinh ra ngay chính trên bề mặt chi tiết. Trong điều kiện thấm nitơ
plasma áp suất thấp quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lò chủ yếu theo cơ chế bức xạ.
Đồng đều nhiệt độ là một vấn đề có ý nghĩa sống còn trong quá trình thấm nitơ plasma, đặc
biệt thấm những chi tiết phức tạp. Hình dạng, kích thước, vị trí cần được lưu ý khi sắp xếp
vật thấm trong buồng lò để đảm bảo sự không đồng đều nhiệt thấp nhất. Do plasma được
hình thành ngay trên bề mặt vật thấm nên các hiện tượng liên quan tới plasma ảnh hưởng
rất lớn đến vật thấm. Khuếch đại plasma và hồ quang điện là hai hiện tượng có thể xuất
hiện gây nung nóng cục bộ phá hỏng chi tiết thấm trong quá trình thấm nitơ plasma.
1.1.4.1. Hiện tượng khuếch đại plasma

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


Trong quá trình thấm, khuếch đại plasma có thể xuất hiện khi tồn tại những cặp
catôt có bề mặt đối diện nhau với một khoảng cách nhất định nào đó. Nếu chiều dày
plasma là dc và khoảng cách giữa các bề mặt catôt (khe hở hay đường kính lỗ) là , khi
thấm sẽ có các khả năng sau xảy ra (hình 1.5) [36]:
- Trường hợp D1, lúc này  < 2 dc: plasma không thâm nhập vào trong lỗ, mặt
trong lỗ không được tiếp xúc với môi trường thấm (plasma) nên không được thấm.
- Trường hợp D2, lúc này 2 dc <  < 4 dc: plasma hình thành trên các bề mặt đối
diện có vùng sáng âm chồng lên nhau, khả năng xuất hiện khuếch đại plasma.
- Trường hợp D3, lúc này  > 4 dc: plasma thâm nhập vào bên trong và vùng sáng
âm tách nhau ra, không còn khả năng xuất hiện khuếch đại plasma và bề mặt trong lỗ lúc

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
và nhiệt độ tăng đột ngột gây nóng chảy cục bộ. Tuy nhiên, nếu kiểm soát chặt chẽ thì
phóng điện hồ quang một vài điểm có thể giúp làm sạch bề mặt, nhưng cần đặc biệt lưu ý
kiểm soát quá trình này và trong mọi trường hợp, không được dùng cách này để thay thế
quá trình làm sạch bề mặt sản phẩm trước khi thấm.
Hồ quang là hiện tượng rất nguy hiểm, áp suất càng cao, càng dễ xảy ra hiện tượng
hồ quang và cường độ hồ quang tỷ lệ thuận với áp suất môi trường. Với áp suất thấm nitơ
plasma thông thường, phóng điện hồ quang có thể xảy ra với bất cứ khi nào các yếu tố
khác thuận lợi, tuy nhiên áp suất càng cao khả năng xuất hiện hồ quang càng cao và mức
độ nguy hiểm càng lớn. Xét về áp suất có thể giải thích như sau: plasma trong điều kiện
thấm nitơ plasma là plasma không cân bằng nhiệt, ở áp suất thấp nhiệt độ của các điện tử

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


Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ plasma (DCPN, PPN) [73]
Công nghệ tường nóng có ưu điểm sử dụng nguồn plasma công suất nhỏ chỉ để cho
quá trình thấm nitơ. Tuy nhiên vấn đề đặt ra trong quá trình thấm là đồng thời phải điều
khiển cả 2 quá trình, nung nóng và thấm nên phức tạp hơn. Công nghệ tường nguội, tường
buồng chân không gồm 2 lớp được làm nguội bằng nước vì thế gọi là tường nguội. Để
nung nóng sản phẩm bằng plasma cần nguồn năng lượng plasma lớn gấp nhiều lần năng
lượng cần thiết để thấm nitơ. Vì thế công nghệ tường nguội thường đòi hỏi công suất
plasma lớn do đó dòng điện lớn. Hiện nay với công nghệ bán dẫn phát triển cùng với việc
sử dụng nguồn xung với dòng lên tới 2000 A, việc sử dụng công nghệ tường nguội trở nên
dễ dàng hơn [74].
Trong công nghệ thấm nitơ plasma, sản phẩm thấm đóng vai trò catôt vì thế sản
phẩm tham gia trực tiếp vào việc hình thành plasma. Với điện áp khoảng (400÷800) V,
áp suất thấm (200÷800) Pa rất nhạy với phóng điện hồ quang và khuếch đại plasma. Để

1.2.1.3. Thấm nitơ màn chủ động ASPN
Những hạn chế của công nghệ thấm nitơ plasma nguồn một chiều chủ yếu do điện
áp cao trực tiếp lên chi tiết. Để hạn chế nhược điểm này, năm 2000 người ta đã phát minh
ra công nghệ ASPN, sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1.10.
Công nghệ ASPN thực chất là kết hợp 2 phương pháp DCPN và PDN. Khác với
DCPN hay PPN, trong công nghệ ASPN chi tiết thấm được đặt cách điện trong hộp làm từ
lưới thép, hộp này gọi là màn chủ động và đóng vai trò là catôt. Chi tiết thấm có thể được
nối với nguồn điện âm (100÷200) V, hoặc được nối đất.
Như vậy trong công nghệ ASPN, plasma được tạo ra trên bề mặt lưới chứ không
phải trực tiếp trên bề mặt chi tiết. Plasma nung nóng lưới và từ đây bằng bức xạ nhiệt nung
nóng sản phẩm thấm. Plasma được tạo ra trên bề mặt lưới được điều khiển làm sao để đi
qua bề mặt vật thấm như vậy sẽ vận chuyển nitơ từ plasma lên trên bề mặt thấm. Do
plasma không trực tiếp hình thành trên bề mặt sản phẩm, nên trong quá trình thấm không
xuất hiện các hiện tượng khuếch đại plasma, hồ quang.
Công nghệ ASPN không phải không có những nhược điểm, nhược điểm lớn nhất
là ảnh hưởng của khoảng cách từ bề mặt lưới đến bề mặt cần thấm. Với khoảng cách
khác nhau thì khả năng thấm rất khác nhau. Hiện nay công nghệ này chưa được ứng
dụng rộng rãi tuy nhiên rất hứa hẹn. Đây cũng là một phương pháp cần được quan tâm
nghiên cứu.

15


Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ màn chủ động ASPN [73]

1.2.2. Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma
1.2.2.1. Các tương tác trong quá trình thấm
Khi các phần tử hoạt tính chứa nitơ được hình thành trong plasma tiếp xúc bề mặt
thấm, với các điều kiện hóa lý nhiệt nhất định, quá trình thấm nitơ sẽ xảy ra. Các tương tác
xảy ra đồng thời trong plasma, trên bề mặt vật thấm tiếp xúc với plasma (hình 1.11). Trong

trình phún xạ bề mặt thấm). Quá trình phún xạ ngoài tác dụng làm làm sạch và hoạt hóa bề
mặt còn lấy bớt nitơ ra khỏi bề mặt, đây là một điểm khác biệt nữa của thấm nitơ plasma.
Quá trình phún xạ tạo ra một lượng lớn các ô trống hay lệch mạng, vì thế quá trình khuếch
tán ở trên bề mặt tiếp xúc với plasma xảy ra nhanh hơn so quá trình khuếch tán thông
thường [93].
Cơ chế thấm nitơ plasma còn nhiều ý kiến, thậm chí còn trái ngược nhau, tuy nhiên
có sự đồng thuận chung là các ion chứa nitơ như N+, N2+, NH+, NH2+ cũng như các nguyên
tử N, H và phân tử nitơ trung tính được kích thích N2 (x, v), đóng vai trò quyết định trong
quá trình hình thành lớp thấm [35, 36, 93]. Quá trình vận chuyển nitơ có thể thực hiện theo
2 cách hoặc là do tích tụ các nguyên tử nitơ hoạt tính ngay trên bề mặt thấm, hoặc là liên
kết với nguyên tử sắt được phún xạ ra khỏi bề mặt để tạo thành nitơrit và sau đó quay trở
lại bề mặt [11, 27, 93]. Nhiều nghiên cứu và nhiều giả thiết, mô hình được đưa ra để mô tả cơ
chế thấm nitơ plasma. Đầu tiên và được chấp thuận nhiều nhất là cơ chế phún xạ được mô tả
theo mô hình Kolbel (hình 1.12) [11, 27, 93].
Cơ chế này có thể được mô tả như sau: hỗn hợp khí có chứa nitơ sau khi bị ion hoá
tạo ra những ion mang điện tích dương và những phần tử bị kích thích. Các ion dương
được tăng tốc trong vùng catôt, bắn phá catôt làm Fe phún xạ ra khỏi bề mặt, gây ra phát
xạ điện tử và làm nóng catôt. Các nguyên tử kết hợp với nitơ nguyên tử tạo ra các nitơrit
quay trở lại bề mặt catôt. Trong trường hợp catôt là thép các phản ứng xảy ra trên bề mặt
tiếp xúc plasma lần lượt như sau:
Phản ứng 1. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử tự do được tăng tốc và đạt
năng lượng đủ để kích thích các phân tử khí N2 tạo ra ion và nguyên tử nitơ:
e–→N2 → N+ + N + 2e–
Phản ứng 2. Các ion bắn phá catôt làm sắt (Fe) và các tạp chất khác bị phún xạ ra
khỏi bề mặt catôt. Các tạp chất được thoát khỏi bề mặt làm cho bề mặt sạch hơn tạo điều
kiện để nitơ khuếch tán qua bề mặt. Quá trình này gọi là phún xạ.
N+→Bề mặt catôt → Fe và tạp chất được phún xạ.
Phản ứng 3. Fe được phún xạ kết hợp với nguyên tử nitơ và tạo thành nitơrit:
Fe + N → FeN
Phản ứng 4. Trên bề mặt catôt thép, FeN tiếp tục các phản ứng với Fe:


Hình 1.13: Cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt thấm [36]

Vai trò của các phần tử trung tính được kích thích trong công nghệ thấm nitơ
plasma cũng được Ricard [17, 18] khẳng định. Tuy nhiên, cơ chế này vẫn còn nhiều thắc
mắc, bởi vì khi thấm nitơ plasma với 100% N2, plasma chỉ chứa các ion N+, N2+ và các
phân tử N2, thì hiệu quả thấm nitơ cũng thấp. Vai trò của hydro trong quá trình thấm nitơ
plasma cũng rất quan trọng vì hiệu quả thấm nitơ khi có mặt của hydro cao hơn khi không
có hydro [103]. Cơ chế khuếch tán nitơ - ô trống cho rằng, đầu tiên cần hình thành cặp
hydro - ô trống, và các cặp này sẽ khuếch tán vào bên trong bằng cơ chế khuếch tán thay
thế ô trống, khuếch tán này nhanh hơn khuếch tán hydro xen kẽ. Điều này có thể giải thích
vì sao thấm nitơ plasma ở giai đoạn đầu nhanh hơn thấm thể khí.
Tóm lại, thấm nitơ plasma là một quá trình rất phức tạp, nhiều phản ứng xảy ra
cùng một lúc trong plasma, trên bề mặt và cả trong vật thấm. Cơ chế trao đổi vật chất trong
quá trình DCPN, PPN còn nhiều ý kiến thậm chí còn trái ngược nhau. Tuy nhiên có thể nói
là các ion nitơ như N+, N2+, NH+, NH2+ cũng như các nguyên tử N, H và phân tử nitơ trung
tính được kích thích N2 (x,v), đóng vai trò quyết định trong quá trình hình thành lớp thấm.
Các ion bắn phá catôt một mặt vận chuyển nitơ từ plasma lên bề mặt làm tăng hàm lượng
nitơ trên bề mặt, mặt khác có hiệu ứng phún xạ ngược lại làm giảm hàm lượng nitơ trên bề
mặt. Như vậy cơ chế hình thành lớp thấm nitơ plasma có là kết quả của nhiều cơ chế khác
nhau, kết hợp đồng thời của các cơ chế vừa nêu.
1.2.3. Đặc trưng cấu trúc lớp thấm
1.2.3.1. Cấu trúc lớp thấm
Cấu trúc lớp thấm điển hình bao gồm 2 vùng, lớp trắng ngoài cùng và lớp
khuếch tán ngay dưới lớp trắng (hình 1.14), tuy nhiên cũng có thể tạo được lớp thấm
chỉ có lớp khuếch tán.

19



như SKD61 đã có tổ chức nhỏ mịn, phân bố cacbit đều. Việc phân bố của cacbit này là cơ
sở để tạo các cacbonitơrit, các nitơrit phân bố đều trong nền thép tạo lớp khuếch tán. Các
pha cứng cacbonitơrit, nitơrit này sẽ xuất hiện đầu tiên ở biên giới hạt, sau đó mới choán
vào trong hạt. Quá trình khuếch tán nitơ như trên sẽ tạo ra tổ chức lớp khuếch tán có cấu
trúc nhỏ mịn, với phân bố các pha rất cứng trên nền mactenxit ram. Nhờ có cấu trúc này
lớp khuếch tán có độ cứng cao, tính chống mỏi và mài mòn cao.
20


1.2.3.2. Chiều sâu lớp thấm, chiều dày lớp trắng
Chiều sâu lớp thấm có thể được hiểu là chiều sâu toàn bộ hoặc chiều sâu hiệu dụng,
trong sản xuất chiều sâu lớp thấm hiệu dụng được coi trọng hơn và vì thế thông thường
chiều sâu lớp thấm được hiểu là chiều sâu hiệu dụng. Quan sát trên kính hiển vi quang học
mẫu được tẩm thực, chiều sâu lớp thấm là khoảng cách từ bề mặt thấm đến vị trí mà ở
đó màu sắc mặt cắt không còn thay đổi nữa (giống màu của vật liệu nền), đây là chiều
sâu toàn bộ.
Với phương pháp đo độ cứng, chiều sâu lớp thấm cũng được xác định bằng cách đo
độ cứng tế vi mặt cắt vuông góc từ bề mặt vào trong lõi tải trọng 100 g, 300 g. Chiều sâu
toàn bộ là khoảng cách từ bề mặt vào đến vị trí có độ cứng bằng độ cứng nền (lõi). Chiều
sâu hiệu dụng theo DIN 50190 [29] là khoảng cách từ bề mặt đến vị trí mà độ cứng bằng
độ cứng nền +50 HV.
Chiều sâu lớp thấm phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian thấm, thông
thường được xác định bằng phương trình F.E. Harris [27].
(1.3)
d = k× t
Trong đó: d là chiều sâu lớp thấm, k là hệ số nhiệt độ thấm và t là thời gian thấm.
Chiều dày lớp trắng là chiều rộng dải màu trắng quan sát được trên kính hiển vi
quang học sau khi mẫu được tẩm thực, tên gọi lớp trắng cũng được xuất phát từ đây. Chiều
dày lớp trắng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, thời gian và đặc biệt là thành phần môi
trường thấm.

Ngược lại với độ cứng, chiều sâu lớp thấm có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng
các nguyên tố hợp kim (hình 1.17). Nguyên nhân làm chậm quá trình khuếch tán nitơ có
thể giải thích một cách đơn giản là do các nguyên tố này đã tạo thành nitơrit làm cản trở
khuếch tán nitơ.
Từ hình 1.16 và 1.17, có thể dễ dàng nhận thấy Al và Ti là 2 nguyên tố có ảnh
hưởng lớn đến khả năng tăng độ cứng và giảm tốc độ khuếch tán của nitơ (kết quả là giảm
chiều sâu lớp thấm). Theo [53], để cân bằng hiện tượng này thì hàm lượng Al vào khoảng
1% là vừa phải, điều này giải thích vì sao các loại thép thấm nitơ thường có khoảng 1% Al.
Ngoài thành phần hóa học, tổ chức tế vi của vật liệu trước khi thấm cũng là yếu tố
quan trọng ảnh hưởng đến độ cứng và phân bố độ cứng. Thông thường, thép trước khi
thấm đã được nhiệt luyện, nghĩa là đã được tôi và ram ở nhiệt độ (500 ÷ 650) oC. Tổ chức
tế vi sau nhiệt luyện có ảnh hưởng đến tính thấm. Ảnh hưởng này được thể hiện theo 2
cách [53]: (1) khả năng khuếch tán nitơ tăng khi hàm lượng ferit tự do tăng, (2) khả năng
khuếch tán nitơ và độ cứng tăng khi hàm lượng cacbit giảm.

22


Hình 1.17: Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm [53].

Khi cacbit đã được tiết ra trên biên giới hạt, nitơ khuếch tán vào sẽ kết hợp để tạo
thành cacbon-nitơrit và lớn dần lên [53]. Trong khoảng nhiệt độ ram vừa nêu, quá trình
tiết pha và kết tinh lại đã xảy ra. Vì quá trình tiết pha cacbit thứ cấp thường xảy ra trên
biên giới hạt và hình hành một rào cản gồm những cacbit và nitơrit hình thành khi thấm.
Theo đó, quá trình khuếch tán bị cản trở và chậm lại. Bên cạnh đó, một kết luận đã được
công nhận là quá trình khuếch tán xảy ra nhanh hơn dọc bề mặt hoặc biên giới hạt so với
trong hạt. Như vậy tổ chức hạt mịn tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình khuếch tán
do lúc này diện tích bề mặt cũng như biên giới hạt đều tăng. Thép được tôi và ram thấp ở
nhiệt độ khoảng 180oC cũng như thép được thoát C bề mặt có khả năng thấm tốt hơn
thép được tôi và ram cao (hình 1.18) [53].


- Chịu ăn mòn trong nhiều môi trường như môi trường khí quyển, nước dưới áp suất
cũng như nước biển và trong hơi nước. Trong những môi trường này khả năng chịu
ăn mòn của lớp thấm nitơ tương đương phủ niken.
- Tăng giới hạn mỏi của chi tiết được thấm.
Tùy vào từng ứng dụng cụ thể của sản phẩm thấm để thiết kế (lựa chọn) lớp thấm phù
hợp. Có thể nói một cách chung nhất rằng nếu cần lớp thấm chống ăn mòn thì lớp trắng
càng dày, càng chặt càng giàu nitơ càng tốt. Ngược lại nếu để tăng giới hạn mỏi thì chiều
sâu lớp khuếch tán và độ cứng mới là các đặc trưng quyết định. Một số tính chất sử dụng
của lớp thấm như độ cứng, tính chịu mài mòn, giới hạn mỏi và tính chịu ăn mòn sẽ được đề
cập một cách sơ lược dưới đây.
1.2.4.1. Mài mòn
Mài mòn là tính chất sử dụng quan trọng có ảnh hưởng rất lớn đến độ tuổi thọ của
khuôn. Khái niệm tính chịu mài mòn rất khó để định nghĩa chính xác, thường thì khả năng
chịu mài mòn của thép tăng khi độ cứng tăng. Hình 1.21 cho ta thấy khả năng chịu mài
mòn của thép với các độ cứng khác nhau, có thể thấy thép thấm nitơ có khả năng chống
mài mòn tốt nhất.

Hình 1.21. Mất mát khối lượng của các vật liệu khác nhau trong quá trình phun bi [53]

Cần lưu ý hiệu ứng góc cạnh trong quá trình thấm, ở những vị trí góc cạnh nếu độ
cứng vượt qua giá trị nào đấy, các góc cạnh này có thể bị vỡ ra trong quá trình làm việc.
Tuy nhiên do khái niệm tính chịu mài rất khó định nghĩa cho nên không nên khái
quát hóa. Tính chịu mòn có tính tương đối, phụ thuộc rất nhiều vào hệ mài. Với mài mòn
gouging abrasion hay grinding abrasion thì thấm nitơ là không nên [53].
Với mòn dính thì thấm nitơ là một lợi thế do hệ số ma sát lớp thấm được giảm, tuy
nhiên nguy cơ bị chà xát. Trong trường hợp này công nghệ thấm carbon- nitơ và đặc biệt
công nghệ Sulfinuz được cho là rất ưu việt [53]. Trong nghiên cứu [10], công nghệ thấm
nitơ nhiệt độ thấp V-N-S cho khuôn ép chảy chế tạo từ thép H13 làm tăng tính chịu mài
mòn và nâng cao tuổi thọ khuôn khoảng 2 lần.