y
o

c u -tr a c k

.c

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

.d o

m

o

w

w

w


!

h a n g e Vi
e

N

PD

!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w



: 62440129

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

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

Hà Nội – 2016

.d o

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k



!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

LỜI CAM ĐOAN


lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

w

N

O
W

!

h a n g e Vi

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

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

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

w

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

2.2.1. Thiết bị thực nghiệm ................................................................................... 45
2.2.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thấm .......................................... 47
2.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 49
2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiện tượng khuếch đại
plasma ......................................................................................................... 49


w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

w


e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

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

EDX
Phổ phân tán tia X theo năng lượng (Energy dispersive spectroscopy)
SEM
Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microsope)
XRD
Nhiễu xạ tia X
OES
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

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

DANH MỤC CÁC BẢNG

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.

Ảnh hưởng của đường kính lỗ và áp suất bắt đầu (Pbđ) và áp suất kết thúc
(Pkt) khuếch đại plasma .................................................................................. 59

Bảng 3.2.

Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma ................................................. 61

Bảng 3.3.

Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma ................ 62

Bảng 3.4.

Kết quả chiều dày plasma và 1/p .................................................................... 63

Bảng 3.5.

Kết quả chiều dày lớp trắng và tỷ số SN cho từng loại thí nghiệm ................ 78

Bảng 3.6.

Giá trị tỷ số SN và mức ảnh hưởng 4 thông số đến chiều dày lớp trắng ........ 79

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

Bảng 3.23. Kết quả đo độ cứng tế vi lớp thấm ................................................................. 95

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

w

N

O
W

!

h a n g e Vi
e

N

PD

!



y
o

c u -tr a c k

.c

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.

Quan hệ điện áp và dòng ................................................................................ 4

Hình 1.2.

Cấu trúc plasma điển hình .............................................................................. 6

Hình 1.3.

Quan hệ giữa áp suất và điện áp sử dụng trong thấm nitơ plasma ................. 7

Hình 1.4.

Quan hệ điện áp – dòng với áp suất khác nhau .............................................. 8

Hình 1.5.

Hình ảnh plasma với các kích thước lỗ khác nhau ...................................... 11


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

Hình 1.14.

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

Hình 1.15.

Phân bố độ cứng sau thấm nitơ plasma với các vật liệu khác nhau ............ 21

Hình 1.16.

Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm..................... 22

Hình 1.17.

Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm ........................ 23

Hình 1.18.

Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm .. 23

Hình1.19.

Mô hình ứng suất nén sinh ra trong lớp thấm .............................................. 24

Hình 1.20.

Phân bố ứng suất dư theo chiều sâu lớp thấm với mẫu Fe-4%Cr ................ 24

Hình 1.28.

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

Hình 1.29.

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

Hình 1.30.

Chiều dày lớp trắng, 530oC, thép 3%Cr-Mo-V............................................ 35

Hình 1.31.

Ảnh hưởng %H2 đến nhiệt độ catôt Tc (oC) ................................................. 36

Hình 2.1.

Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma ........................................................... 43

vi

.d o

m

o

w



O
W

!

h a n g e Vi
e

N

PD

!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e


Hình 2.4.

Lò thấm nitơ plasma..................................................................................... 45

Hình 2.5.

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.


Hình 3.1.

Ảnh chụp hiện tượng khuếch đại plasma ..................................................... 57

Hình 3.2.

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.

Nhiễu xạ tia X góc hẹp 5º mẫu M3 .............................................................. 72

Hình 3.16.

Ảnh SEM mẫu M3 ....................................................................................... 72

Hình 3.17.

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

Hình 3.18.

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

vii

.d o

m

o

w

w

w

.d o


h a n g e Vi
e

N

PD

!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC


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

Hình 3.23.

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

Hình 3.24.

Điểm phân tích 5 mẫu M7............................................................................ 75

Hình 3.25.

Điểm phân tích 3 mẫu M7............................................................................ 76

Hình 3.26.

Mapping vùng lớp thấm gần nền mẫu M3 ................................................... 76

Hình 3.27.

Phân tích line scan mẫu M3 ......................................................................... 77

Hình 3.28.

Phân bố %N và %C trong mẫu M3 .............................................................. 78

Hình 3.29.

Ảnh hưởng các thông số lên chiều dày lớp trắng theo tỷ số SN .................. 79


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

Hình 3.39.

Đồ thị ln(K)-1/T xây dựng cho chiều sâu lớp thấm ..................................... 93

Hình 3.40.

Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm ..................................................... 95

Hình 3.41.

Ảnh hưởng các thông số đến độ cứng tối đa theo tỷ số SN ......................... 96

Hình 3.42.

Ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu lớp cứng d900 theo tỷ số SN .... 98

Hình 3.43.

Vị trí lấy mẫu chụp kim tương lớp thấm ...................................................... 99

Hình 3.44.

Tổ chức lớp thấm ....................................................................................... 101


lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

w

N

O
W

!

h a n g e Vi

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

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

- Kiểm soát được hiện tượng khuếch đại plasma, sẽ đưa công nghệ thấm nitơ plasma
vào ứng dụng trong sản xuất đễ 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.

1

.d o

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to



XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c

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

.d o

m

o

w

w

w

.d o

C



N

PD

!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

Plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất (rắn, lỏng, khí và plasma), thực chất là hỗn
hợp khí được ion hóa. Plasma bao gồm các ion dương, điện tử tích điện âm và các phần tử
(nguyên tử, phân tử) trung tính. Các phần tử tích điện âm và dương cân bằng nhau nên hỗn
hợp này là trung tính. Do có chứa các phần tử tích điện nên plasma có có tính dẫn điện cao
[21, 23, 27, 89]. Thông thường plasma được chia thành 2 loại: plasma nhiệt độ cao và
plasma nhiệt độ thấp, tuy nhiên sự phân chia này chưa thực sự rõ ràng. Để phân biệt rõ
ràng hơn, plasma chia thành 2 nhóm: plasma cân bằng nhiệt (Local Thermal Equiblium
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

bu
to
k
lic
C

w

w

w

N

O
W

!

h a n g e Vi
e

N

PD

!

XC


o

c u -tr a c k

.c

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].
Nhiệt độ của các điện tử này vào khoảng 104 đến 105 oK và mật độ khoảng 1015 đến 1018
điện tử/m3 [93]. Nhiệt độ của điện tử cao gấp khoảng 10 đến 100 lần nhiệt độ khí. Với
những điều kiện như vậy có thể thực hiện các phản ứng hóa học ở nhiệt độ gần nhiệt độ
môi trường trong khi các điện tử tự do và một vài ion vẫn có đủ năng lượng để phá vỡ liên
kết cộng hóa trị và châm ngòi cho quá trình tổng hợp [93].
1.1.2. Plasma phóng điện phát sáng
1.1.2.1. Sự hình thành plasma
Plasma nhiệt độ thấp được hình thành cần có ba yếu tố chính: (1) điện trường có
cường độ cao (trên vài trăm vôn), (2) môi trường khí, và (3) áp suất thấp (vài trăm Pa) [11,
36, 93]. Trong điều kiện này, tuỳ theo độ dẫn điện của khí sử dụng, giữa catôt và anôt sẽ
hình thành mật độ dòng nhất định đủ năng lượng để kích thích khí tạo ra plasma. Khác với
các phản ứng thông thường, quá trình hình thành plasma xảy ra theo cơ chế phản ứng dây
chuyền. Sự hình thành plasma được giải thích dựa vào đường cong Paschen biểu diễn quan

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w

w

N

O
W

!

h a n g e Vi
e

N

PD


.c


y
o

c u -tr a c k

.c

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

5

.d o

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k

W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

thấm và thấm nitơ plasma được thực hiện trong điều kiện này (hình 1.1) [11, 27, 36, 93].
6

.d o

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o



7

.d o

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o



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

.d o

m

o

w

w

w


!

h a n g e Vi
e

N

PD

!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

plasma có các cá thể hoạt tính có chứa nitơ. 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 [11, 17, 18, 21, 36, 54, 70,
73, 89]. Theo [54], tỷ lệ nguyên tử N và phân tử N2 cũng như tỷ lệ giữa N+ và N2+ tăng khi
càng gần catôt. Tỷ lệ các ion đến catôt phụ thuộc rất lớn vào thành phần và áp suất khí
thấm. Theo [93], trong điều kiện thấm nitơ với khí N2 áp suất 800 Pa, các ion N+ và N2+
xuất hiện đầu tiên trong tất cả các ion, trong đó ion N+ chiếm 50% trong tất cả ion ở sát bề
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%


2,8
2,9
0
0,02
0,1
18,3
1,04
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

.d o

w

w

w

N

O
W

!

h a n g e Vi
e

N

PD

!

XC

er

O
W

F-

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
Plasma hình thành trong quá trình thấm được duy trì bởi các điện tử sinh ra trong
vùng catôt do quá trình ion bắn phá catôt giải phóng ra. Bình thường, các điện tử chuyển
động ra khỏi bề mặt catôt qua các vùng khác nhau để đến anôt, khả năng va chạm với các
phần tử trung tính là thấp. Trong trường hợp, khi 2 catôt đối diện nhau với khoảng cách đủ
nhỏ, electron chuyển động thoát khỏi catôt này thì gặp phải catôt kia và bị bật trở lại catôt
ban đầu. Chuyển động qua lại giữa 2 catôt, các electron có được động năng lớn, va chạm
với các phần tử trung tính làm ion hóa bổ sung làm tăng mật độ điện tử (có thể lên tới 1015
so với bình thường 1012 ÷ 1013 [36]) và làm tăng đột ngột mật độ dòng j từ đó xuất hiện
khuếch đại plasma. Hậu quả của nó là nhiệt độ tăng rất cao dẫn đến nóng cục bộ catôt
trong thời gian ngắn có thể gây cháy xém, thậm chí chảy bề mặt.
Sự xuất hiện khuếch đại plasma phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bề mặt catốt
và chiều dày vùng tối catốt hay còn gọi là chiều dày plasma. Chiều dày này được định
nghĩa là khoảng cách từ bề mặt catốt đến điểm bắt đầu của vùng sáng âm. Chiều dày


w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic
C

w

w



h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k

.c

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]:


.d o

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

to

bu

y
bu
to
k
lic


F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-

c u -tr a c k

.c


y
o

c u -tr a c k


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
Te cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ khí Tg. Khi áp suất tăng các điện tử va chạm nhiều
hơn với các nguyên tử và vì thế mất nhiều năng lượng cho nguyên tử. Kết quả là nhiệt độ

12

.d o

m

o

w

w

w

.d o

C

lic

k

PD

!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e

w

PD

XC

er

F-


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

.d o

m

o

w



O
W

!

h a n g e Vi
e

N

PD

!

XC

er

O
W

F-

w

m

h a n g e Vi
e