Header Page 1 of 89.

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

NGUYỄN NGỌC MINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHÍNH
NHẰM ỔN ĐỊNH CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ
LÊN MỘT SỐ LOẠI THÉP THÔNG DỤNG Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2015

Footer Page 1 of 89.


Header Page 2 of 89.

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

NGUYỄN NGỌC MINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHÍNH
NHẰM ỔN ĐỊNH CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ
LÊN MỘT SỐ LOẠI THÉP THÔNG DỤNG Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành:
Mã số:

.

Footer Page 3 of 89.


Header Page 4 of 89.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác.
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. Nguyễn Văn Tư

TS. Nguyễn Văn Hiển

Footer Page 4 of 89.

TÁC GIẢ

Nguyễn Ngọc Minh


Header Page 5 of 89.

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa


4
5

1.2. Các phương pháp thấm nitơ
1.2.1. Phương pháp thấm nitơ thể khí

5

1.2.2. Phương pháp thấm nitơ thể lỏng

5

1.2.3 Phương pháp thấm nitơ plasma

7

1.3. Ưu nhược điểm của các loại hình công nghệ

13

1.4. Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu

14

1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu

14

1.4.2. Đối tượng nghiên cứu


2.2. Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí

20

2.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm

24

2.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

24

2.3.2. Ảnh hưởng của thế thấm Kn

26

Footer Page 5 of 89.

i


Header Page 6 of 89.
2.3.2.1. Ảnh hưởng của thành phần chất thấm

26

2.3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu

28

3.3. Phương pháp nghiên cứu
3.3.1. Đánh giá mức độ khuyếch tán nitơ và sự tiết pha nitơrit

39

3.3.2. Phương pháp xác định hệ số truyền 

39

3.3.3. Phương pháp xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ

40
40

3.4. Các quy trình thực nghiệm
3.4.1. Quy trình xử lý nhiệt luyện trước thấm

40

3.4.2. Quy trình thấm

42

Chương 4: Kết quả và bàn luận

44

4.1. Kết quả phân tích đánh giá mẫu trước thấm

44

4.3. Sự hình thành và phát triển lớp thấm
4.3.1. Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép C20

65

4.3.2. Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép SKD61

68

4.3.3. Sự tồn tại lỗ xốp trong lớp trắng

73

4.4. Ảnh hưởng của các thông số chính đầu vào đến thế thấm Kn

74

4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

74

4.4.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu

75

4.4.3. Ảnh hưởng của thành phần khí thấm

76

Footer Page 6 of 89.

87

4.6.2.2. Ảnh hưởng của thành phần khí thấm

89
94

4.6.3. Ảnh hưởng của thời gian thấm
Kết luận chung và kiến nghị

104

Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án đã công bố

107

Tài liệu tham khảo

108

Footer Page 7 of 89.

iii


Header Page 8 of 89.

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
1.


Bảng
Bảng

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế thấm Kn
Ảnh hưởng của thời gian lưu đến thế thấm Kn
Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thế thấm Kn

4.5:
4.6:
4.7:
4.8:

Bảng 4.9:
Bảng 4.10:
Bảng 4.11:
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

4.12:
4.13:
4.14:
4.15:
4.16:

Ảnh hưởng của thời gian thấm đến chiều sâu lớp thấm hiệu quả trên thép C20
tại nhiệt độ thấm 510oC theo thực nghiệm và theo lý thuyết tính toán.
Bảng kết quả phân bố độ cứng khi thấm tại 510oC, 530oC và 550oC
Bảng tổng kết các thông số công nghệ nhằm ổn định quy trình thấm nitơ thể khí
cho từng nhóm thép thực nghiệm.
iv


Header Page 9 of 89.
2.

Danh mục các hình và đồ thị

Hình 1.1:
Hình 1.2:
Hình 1.3:
Hình 1.4:
Hình 1.5:
Hình 1.6:
Hình 1.7:
Hình 1.8:
Hình 2.1:
Hình 2.2:
Hình 2.3:
Hình 2.4:
Hình 2.5:
Hình 2.6:
Hình 2.7:

Hình 2.8:

Mối quan hệ giữa giản đồ pha Fe-N và nồng độ/chiều sâu đối với sự phát triển
các lớp đơn pha -Fe2N1-x và ’-Fe4N trên nền -Fe [55].
Sơ đồ cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí [43].
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phân hủy NH3 tại các lưu lượng khí khác
nhau. Thực nghiệm trên lò giếng kích thước trung bình. Khí sử dụng 100% NH3
[25].
Sự biến đổi của thế thấm nitơ (Kn) với mức độ phân hủy NH3 trong môi trường
thấm (NH3 + N2 + 5%CO2) tại 5800C [25]
Ảnh hưởng của tốc độ dòng NH3 đến giá trị độ cứng lớn nhất và chiều dày lớp
thấm nitơ thể khí thực hiện trên thép cacbon cực thấp có hợp kim hóa thêm titan
[42].
Mối quan hệ giữa chiều sâu lớp thấm và thời gian thấm
Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim. (a) - ảnh hưởng của các nguyên tố hợp
kim đến độ cứng lớn nhất trên thép thấm nitơ, thực hiện tại 5240C-48h; (b) - ảnh
hưởng của các nguyên tố hợp kim đến chiều dày lớn trắng, thực hiện tại 5500C24h [47].
Sơ đồ mô tả trình tự nghiên cứu trên các mẫu thấm nitơ thể khí
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor hydro [86]
Sensor Sensor connection KF16
TCD Gas Analyzer Gasboard-7000
Kính hiển vi quang học Axiovert 25A.
Máy đo độ cứng Struers Duramin-2
Hiển vi điện tử quét bức xạ trường (FESEM)
Thiết bị nhiễu xạ tia X (D5005)
Lò nhiệt luyện mẫu trước thấm
Thiết bị lò thấm nitơ

v


Header Page 10 of 89.

Quy trình thấm nitơ thể khí.
Ảnh tổ chức tế vi của các mẫu xử lý nhiệt luyện trước thấm với độ phóng đại 500
lần: (a) thép C20, (b) thép 20CrMo, (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Ảnh hiển vi điện tử quét trên mẫu thép SKD61 sau tôi (a) và phổ EDX xác định
thành phần của các hạt cacbit (b)
Phân bố nguyên tố trên thép SKD61 sau tôi bằng phổ mapping: (a) bề mặt thực
mẫu thép, (b) phân bố hàm lượng Fe, (c) phân bố hàm lượng Cr, (d) phân bố
hàm lượng V, (e) phân bố hàm lượng Mo và (f) phân bố hàm lượng C
(a) ảnh hiển vi điện tử quét và (b) ảnh tẩm thực màu hiện cácbit phóng đại 1000
lần trên mẫu thép SKD61 sau ram.
Phân bố nguyên tố trên thép SKD61 sau ram bằng phổ mapping: (a) ảnh SEM tổ
chức tế vi của thép, (b) phân bố hàm lượng Fe, (c) phân bố hàm lượng C, (d)
phân bố hàm lượng Cr, (e) phân bố hàm lượng V và (f) phân bố hàm lượng Mo
Kết quả nhiễu xạ tia X với các mẫu thép trước thấm. (a) - thép C20; (b) - thép
20CrMo; (c) – thép 30CrNi2MoVA; (d) – thép SKD61
Ảnh hiển vi quang học quan sát tổ chức lớp thấm hình thành trên bề mặt các mẫu
thép khối với độ phóng đại 500 lần. Mẫu được thấm tại 550 oC sử dụng 100%
NH3 với Kn = 1,6 và thời gian thấm 8h: (a) mẫu thép C20; (b) mẫu thép 20CrMo;
(c) mẫu thép 30CrNi2MoVA; (d) mẫu thép SKD61 và (e) mẫu thép được đóng
rắn bằng bột nhựa
Ảnh hiển vi điển tử quét quan sát tổ chức lớp thấm hình thành trên bề mặt các
mẫu thép mỏng. Mẫu được thấm tại 550 oC sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và
thời gian thấm 8h: (a) mẫu thép C20; (b) mẫu thép 20CrMo; (c) mẫu thép
30CrNi2MoVA; (d) mẫu thép SKD61 và (e) mẫu thép được đóng rắn bằng keo
đóng rắn epoxy
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng C20 sau thấm
tại 550oC sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) diện tích
quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng nitơ và (c) phân bố hàm lượng
sắt
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng 20CrMo sau

Hình 4.23:
Hình 4.24:
Hình 4.25:
Hình 4.26:
Hình 4.27:
Hình 4.28:

Footer Page 11 of 89.

tại 920oC và thấm nitơ tại 550 oC sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian
thấm 8h: (a) diện tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng sắt; (c)
phân bố hàm lượng cácbon; (d) phân bố hàm lượng N; (e) phân bố hàm lượng
Mo và (f) phân bố hàm lượng Cr
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng 30CrNi2MoVA
sau thấm tại 550oC sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a)
diện tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng Ni; (c) phân bố hàm
lượng Fe; (d) phân bố hàm lượng nitơ
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng 30CrNi2MoVA
sau thấm tại 550oC sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a)
phân bố hàm lượng Cr; (b) phân bố hàm lượng C; (c) phân bố hàm lượng V và
(d) phân bố hàm lượng Mo
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng SKD61 sau
thấm tại 550oC sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) diện
tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng Fe; (c) phân bố hàm
lượng C
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng SKD61 sau
thấm tại 550oC sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) phân
bố hàm lượng N; (b) phân bố hàm lượng V; (c) phân bố hàm lượng Mo và (d)
phân bố hàm lượng Cr
Ảnh hiển vi điện tử quét trên mẫu thép SKD61 sau thấm (a) và phổ EDX xác định

Hình 4.30:

Phân bố độ cứng của các mẫu thép ở điều kiện thấm duy trì với thời gian lưu 10
phút, thời gian thấm 8h và trong điều kiện thay đổi nhiệt độ thấm: (a) thép C20;
(b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Phân bố độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550 oC trong 8h với thời gian lưu
thay đổi: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép
SKD61
Phân bố độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550oC trong 8h với thành phần khí
thấm thay đổi: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d)
thép SKD61
Giản đồ Lehrer: (a) cho sắt sạch và (b) cho thép C20
Giản đồ Lehrer cho thép SKD61
Phân bố độ cứng của các mẫu thép: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép
30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chiều sâu lớp thấm và thời gian thấm của thép
C20 khi thấm tại 510oC.
Phân bố độ cứng của các mẫu thép: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép
30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61 tại nhiệt độ thấm khác nhau

Hình 4.31:

Hình 4.32:

Hình 4.33:
Hình 4.34:
Hình 4.35:
Hình 4.36:
Hình 4.37:



Khí nitơ

H2:

Khí hyđrô

CO2:

Khí cácbônic

CH4:

Khí mêtan

Ar2:

Khí agông

R:

Hằng số khí lý tưởng

Fe(C,N):

Dung dịch rắn hòa tan của C và N trong sắt 

LPT:

Phương pháp LPT (Liquid Pressure Nitriding)


Phổ phân tán tia X theo năng lượng (Energy Dispersive Spectroscopy)

SEM:

Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

XRD:

Nhiễu xạ tia X

Kn:

Thế thấm nitơ của môi trường thấm

2. Các ký hiệu
BCC:

Lập phương tâm khối

FCC:

Lập phương tâm mặt

L:

Pha lỏng

:


Nitơrít sắt (Fe2-3N)

”:

Nitơrít sắt (Fe16N2)

HV0,1:

Độ cứng Vickel 0,1

D:

Hệ số khuếch tán

C:

Nồng độ

Q:

Lưu lượng

T:

Nhiệt độ

V:

Thể tích




Header Page 15 of 89.

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án:
Thấm nitơ thể khí là một công nghệ hóa nhiệt luyện đang được ứng dụng khá phổ
biến và rộng rãi trên thế giới nhờ tạo ra được lớp bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt,
tăng giới hạn mỏi nhờ tạo ứng suất nén dư bề mặt trong khi chi phí giá thành hợp lý và ý
nghĩa thực tiễn lớn. Với lịch sử hơn 100 năm phát triển, ở những thập niên cuối của thế kỷ
20, loại hình công nghệ này dường như bị đẩy vào quên lãng khi mà một số công nghệ xử
lý bề mặt tiên tiến khác xuất hiện và tưởng chừng có thể thay thế mãi mãi công nghệ thấm
nitơ thể khí thì trong khoảng gần 10 năm trở lại đây, trung bình hàng năm luôn có ít nhất từ
1 đến 2 nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ thấm nitơ thể khí được công bố tại các nước
phát triển như Cộng hòa liên bang Đức, Cộng hòa Pháp, Hợp chủng quốc Hoa kỳ, Nhật
bản….Điều này chứng tỏ công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn còn rất nhiều tiềm năng cần tiếp
tục khám phá và ứng dụng.
Ở Việt Nam, hiện tại công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn là loại hình được ứng dụng
rộng rãi hơn so với công nghệ thấm nitơ thể lỏng và plasma. Tuy nhiên, qua khảo sát tình
hình áp dụng phương pháp thấm N thể khí trong các nhà máy sản xuất quy mô công
nghiệp, đặc biệt là tại các cơ sở sản xuất tư nhân thì nhìn chung đều bộ lộ khá nhiều bất cập
trong việc làm chủ công nghệ này. Ở một vài nơi nhập khẩu thiết bị đồng bộ có đi kèm với
các quy trình công nghệ cho từng nhóm chi tiết nhất định. Nhưng trong sản xuất do số
lượng và chủng loại chi tiết thường xuyên thay đổi nên xuất hiện tình trạng thể tích rỗng
của buồng thấm bị thay đổi, qua đó làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng lớp thấm trên bề
mặt thép. Cá biệt có một vài nơi, do số lượng chi tiết cần thấm quá ít, do đó để duy trì được
thể tích rỗng của buồng thấm theo thiết kế của công nghệ đi kèm, người vận hành còn đưa
cả sắt thép vụn vào buồng thấm cùng với chi tiết; điều đó làm giảm đáng kể hiệu suất của
công nghệ và thiết bị.
Chủng loại mác thép được sử dụng trong việc áp dụng công nghệ thấm nitơ thể khí

như nhiệt độ thấm, thế thấm và thời gian thấm đến chất lượng lớp thấm nhận được đã cho
phép lựa chọn được những khoảng giá trị tối ưu áp dụng cho từng chủng loại mác thép.
Qua đó từng bước làm chủ công nghệ, góp phần cải thiện chất lượng lớp thấm và góp phần
hạ giá thành sản phẩm.
Các điểm mới của đề tài luận án:
Sử dụng các thiết bị nghiên cứu hiện đại có độ chính xác cao cho phép xác định
được ảnh hưởng của cấu trúc thép ban đầu đến sự hình thành lớp thấm nitơ thể khí. Sự hình
thành lớp thấm trên bề mặt thép đều được khẳng định là do cơ chế khuếch tán nitơ theo
biên hạt luôn chiếm ưu thế trong khoảng nhiệt độ thấm thực nghiệm. Các kết quả đạt được
trong quá trình nghiên cứu, phân tích và đánh giá đã cho phép luận án đạt được một số kết
luận mới như sau:

Xây dựng được mô hình phát triển lớp thấm nitơ trên thép C20 và SKD61
đã giúp làm sáng tỏ sự hình thành và phát triển lớp thấm trên bề mặt thép phụ thuộc nhiều
vào tổ chức thép ban đầu.

Lớp thấm phát triển trên tổ chức thép sau thường hóa chính là sự phát triển
mở rộng và xâm lấn của biên hạt. Các nguyên tố hợp kim (nếu có) tập trung nhiều ở biên
hạt và sự hình thành các nitơrit hợp kim có thể là sự thay thế của chúng trong các nitơrit sắt
và cacbit của chúng.

Với thép sau nhiệt luyện hóa tốt, các nitơrit hợp kim hình thành là nhờ sự
thay thế dần cácbon trong cácbit bởi các nguyên tử nitơ hấp thụ vào từ bề mặt thép.
Phương pháp nghiên cứu:

Tập hợp tìm hiểu và đánh giá các tài liệu về thấm nitơ thể khí trong và ngoài
nước để khai thác các khía cạnh còn chưa rõ cần phải hoàn thiện.

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo mẫu, thay đổi các
chế độ thấm, khảo sát và đánh giá kết quả, so sánh và đưa ra kết luận,…..

nổi bật khác như tăng khả năng chịu mỏi nhờ tạo ra lớp ứng suất nén trên bề mặt, nâng cao
độ bền chống ăn mòn nhờ tạo được lớp bề mặt thụ động (ngoại trừ thép không gỉ) và cuối
cùng là có khả năng hồi phục kích thước cho chi tiết sau một thời gian làm việc [52,63,65].
Trong suốt chiều dài lịch sử khoảng 100 năm phát triển của công nghệ thấm nitơ, đã
có nhiều phương pháp được áp dụng như công nghệ thấm nitơ thể khí [16,31,61,65,70],
công nghệ thấm nitơ thể lỏng [16,65] và công nghệ thấm nitơ plasma hay còn gọi là thấm
nitơ ion hóa [16,38,41,59,65,91]. Trong số đó, công nghệ thấm N thể khí ra đời sớm nhất
và nó cho phép vận hành với chi phí thấp, thiết bị không đòi hỏi quá đắt tiền. Tuy nhiên,
mức độ xít chặt của lớp trắng tạo thành ở loại hình công nghệ này bị hạn chế do có sự hình
thành các phân tử khí nitơ tập trung chủ yếu tại vùng biên hạt, kết quả là đã tạo nên nhiều
cấu trúc rỗ xốp trong lớp thấm. Do đó, chất lượng lớp thấm nitơ thể khí thường thấp hơn so
với các công nghệ ra đời muộn hơn nó như công nghệ thấm nitơ thể lỏng và đặc biệt là
công nghệ thấm nitơ plasma [80].
Với công nghệ thấm nitơ thể lỏng, tuy tốc độ thấm có được rút ngắn và chất lượng
lớp thấm cao hơn nhưng do đặc thù sử dụng môi trường thấm là muối nóng chảy gốc
xyanua và xianat [65], do đó thường gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là tại
những nơi có hệ thống xử lý khí thải kém hoặc ít chú trọng đến yêu cầu này. Vì lý do đó,
công nghệ này đang dần được loại bỏ và thay thế vào đó bằng công nghệ thấm nitơ
plasma, đây là công nghệ thân thiện với môi trường, cho phép nhận được lớp thấm có chất
lượng rất cao phù hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế. Sự phát triển mạnh mẽ của loại
hình công nghệ này đã phần nào được khẳng định thông qua hàng trăm các bài báo khoa
học được công bố rộng rãi trong hai thập kỷ cuối của thế kỷ 20 [12,80]. Tuy nhiên, cho đến
thời điểm hiện tại, công nghệ thấm nitơ plasma vẫn còn tồn tại một nhược điểm là hệ thống
thiết bị sử dụng trong quá trình tạo lớp thấm khá đắt tiền và đòi hỏi đội ngũ vận hành thiết
bị phải khá chuyên nghiệp.
Khi mới ra đời, công nghệ thấm nitơ plasma tưởng chừng như có thể thay thế hoàn
toàn cho các loại hình công nghệ thấm nitơ thể khí và thể lỏng. Mặc dù vậy, những hạn chế
Footer Page 17 of 89.

3

nếu cần áp dụng quy trình xử lý bề mặt cần độ cứng cao chịu mài mòn thì công nghệ thấm
nitơ thể khí luôn được ưu tiên hàng đầu, vì các lý do đã nêu trên. Tuy nhiên, khi đi sâu vào
khảo sát quy trình thấm thực tế hiện đang áp dụng tại các cơ sở sản xuất, đặc biệt là của tư
nhân đã thấy bộc lộ khá nhiều bất cập như sau:
+ Vì chất lượng lớp thấm thể khí phụ thuộc rất mạnh vào sự ổn định tỷ lệ giữa lưu
lượng khí cung cấp khi thấm và thể tích rỗng của lò, nên tỷ lệ này cần được duy trì nghiêm
ngặt trong mỗi mẻ thấm. Trong khi đó, số lượng và chủng loại chi tiết do khách hàng yêu
cầu thường không ổn định, đôi khi mang tính nhỏ lẻ, do đó rất khó duy trì được tỷ lệ đó khi
thấm. Việc này dẫn đến hệ quả là tỷ lệ phân hủy amoniac trong các mẻ thấm là khác nhau
dẫn đến kết quả là chất lượng lớp thấm không đồng đều và không ổn định.
+ Chủng loại vật liệu sử dụng chế tạo chi tiết cần thấm nitơ rất đa dạng. Từ những
chi tiết được chế tạo bằng thép cácbon và thép hợp kim thấp (C20, 20CrMo) đến nhóm
thép nhiệt luyện hóa tốt (30CrNi2MoVA, SKD61). Do đó, để đáp ứng được yêu cầu chất
lượng lớp thấm thỏa mãn theo đòi hỏi của khách hàng, người thực hiện thường phải tiến
hành khảo sát bằng nhiều mẻ thấm thực nghiệm và loại bỏ các chế độ không đạt yêu cầu
đối với từng mác vật liệu. Điều này chung quy sẽ làm cho giá thành sản xuất bị tăng lên.
+ Việc nâng cao độ cứng lớp thấm hiện cũng gây cho các cơ sở sản xuất nhiều bối
rối. Theo truyền thống, khí thấm thường sử dụng là 100% NH3. Để tăng độ cứng lớp thấm,

Footer Page 18 of 89.

4


Header Page 19 of 89.
biện pháp thường được áp dụng là tăng lưu lượng khí thấm (chứa hoàn toàn NH3), nhằm
làm giảm độ phân hủy, qua đó nâng cao được thế thấm và do đó tăng thêm lượng nitơ xâm
nhập vào bề mặt thép. Biện pháp này tuy có cải thiện được độ cứng lớp bề mặt đôi chút
nhưng lại dẫn đến việc lãng phí NH3 và gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường.
Nhằm giải quyết phần nào những bất cập nêu trên, trong luận án này tác giả sẽ đề

có chất lượng cao hơn hẳn và thời gian thấm ngắn hơn so với thấm thể khí [4,24]. Nguồn
cung cấp nitơ nguyên tử trong loại hình công nghệ này thường là các muối xianat hoặc
xyanua của kim loại kiềm như NaCN, KCN, NaCNO và KCNO [24,65], khi đó dưới tác
dụng của nhiệt độ, các muối xianat trên sẽ bị phân hủy để sinh ra nitơ hoạt tính hấp thụ và
khuyếch tán vào bề mặt thép theo các phản ứng (1.2) và (1.3) như sau [19,27,30,64]:
4MeCNO → 2MeCN + Me2CO3 + CO + 2N

(1.2)

5MeCNO → 3MeCN + Me2CO3 + CO2 + 2N

(1.3)

Trong đó Me được hiểu là các nguyên tử của kim loại kiềm như Na và K. Với sự
xuất hiện các sản phẩm muối xyanua trong bể muối, khi có mặt của oxy khuếch tán vào từ

Footer Page 19 of 89.

5


Header Page 20 of 89.
môi trường bên ngoài thì phản ứng tái tạo lại xianat cũng có thể xảy ra theo phương trình
(1.4) [19,30]:
2MeCN + O2 → 2MeCNO

(1.4)

Hiện tại, hỗn hợp muối được sử dụng với mục đích thương mại đối với loại hình
công nghệ này thường là hỗn hợp muối có chứa thành phần như sau [24,35,65]:

thấm thường được duy trì ở vùng 565oC-570oC [35] và áp dụng đã cho kết quả rất tốt trên
thép cacbon thường, thép hợp kim thấp khi mà lớp trắng hình thành trên bề mặt chi tiết có
độ xít chặt rất cao. Tốc độ thấm cũng khá lớn, với 2 loại thép trên, chiều dày lớp thấm có
thể đạt 0,3mm trong 1,5h [65].
Với phương pháp ABN, việc thay đổi hàm lượng muối xianat và xyanua dẫn đến
các biến thể của phương pháp này với các tên gọi như phương pháp ACCN (Aerated
Cyanide-Cyanate Nitriding) và phương pháp ALCN (Aerated Low-Cyanide Nitriding).
Chúng có nguyên lý làm việc hoàn toàn giống với phương pháp ABN và việc thay đổi hàm

Footer Page 20 of 89.

6


Header Page 21 of 89.
lượng muối để làm nâng cao chất lượng lớp thấm cho các loại thép cacbon thường và thép
hợp kim thấp [65].
1.2.3. Phương pháp thấm nitơ plasma
Phương pháp này xuất hiện tại Mỹ vào những năm 1950 nhưng cho đến tận những
năm 1970 mới được ứng dụng mạnh mẽ tại Đức nhờ có các biện pháp áp dụng để điều
khiển được hiện tượng phóng điện phát quang trong chân không [12]. Trong loại hình công
nghệ này, sự phát quang của dòng điện một chiều đã được ứng dụng để tạo ra các ion nitơ
dễ dàng hấp thụ lên bề mặt chi tiết đã được phân cực, qua đó cải thiện được mức độ khuếch
tán của nitơ vào bề mặt chi tiết kim loại [80,92]. So với hai loại hình công nghệ thấm nitơ
đã trình bày phía trên, công nghệ thấm nitơ plasma nhận được sự quan tâm rất đặc biệt của
nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng do nó có hiệu quả thấm rất cao, khả năng điều khiển tổ
chức, tính chất lớp thấm tuyệt vời, ngay cả khi thực hiện ở nhiệt độ thấp [44], đồng thời
gần như hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường. Với loại hình công nghệ này nhiệt độ
thấm thường được tiến hành ở dưới 500oC để đảm bảo duy trì tốt được tổ chức và tính chất
của vật liệu nền [74], tuy nhiên trong một số trường hợp, để rút ngắn thời gian thấm, nhiệt

Giá đỡ cách
điện

Nguồn một
chiều DC
Bơm chân
không

Cài đặt chu
kỳ thực hiện

Biến trở điều khiển
dòng hoặc điện áp

Hình 1.1: Một kiểu sơ đồ hệ thống thấm nitơ plasma [65]
Để tiến hành thấm nitơ plasma, chi tiết sau khi đặt trong buồng thấm đóng kín sẽ
được tiến hành bơm chân không xuống mức rất thấp, thường nằm trong khoảng (0,02 –
0,1) Torr nhằm loại bỏ hết các chất khí gây hại cũng như các chất bẩn còn sót lại trong

Footer Page 21 of 89.

7


Header Page 22 of 89.
buồng thấm [65]. Tuy nhiên, khi quá trình thấm xảy ra, do sự có mặt của khí thấm cung
cấp vào buồng lò nên áp suất sẽ được nâng lên và thường duy trì trong khoảng (1-11) Torr
[7,29,33,53,62,65]. Để tạo được plasma trong buồng thấm, điện áp một chiều sử dụng
thường nằm trong khoảng (500-1000)V [65], vùng điện áp này được lựa chọn dựa trên cơ
sở mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện như trên hình 1.2 [23]. Trên vùng AB, do đặc


10-1

10-4

Phóng hồ quang
10

Cường độ (A)

Hình 1.2: Đặc trưng giữa điện áp và dòng điện một chiều khi phát quang [23].
Đối với vùng DE (vùng phóng điện dị thường), vùng này cho thấy sự hiện diện của
định luật Ôm trong môi trường phóng điện phát sáng. Với việc tăng điện áp đã kéo theo
cường độ dòng điện tăng, kết quả này đã làm cho hiện tượng phát quang có thể bao trùm
toàn bộ cực âm (chi tiết thấm) do khi đó các ion dương trong môi trường plasma có vận tốc
đủ lớn để kích thích hỗn hợp khí thấm [23]. Vì lý do này, vùng DE thường được áp dụng
trong các công nghệ thấm nitơ plasma [80].
Với vùng hồ quang, khi cường độ dòng điện đủ lớn có thể xuất hiện sự phóng hồ
quang giữa chi tiết và buồng thấm. Hiện tượng này thường gây tổn hại cho bề mặt chi tiết
thấm cũng như cơ tính của chi tiết. Do đó vùng này cũng không được sử dụng trong công
nghệ thấm nitơ plasma.
Cơ chế hình thành lớp thấm nitơ plasma:
Trong công nghệ thấm nitơ plasma, sự hình thành lớp thấm nitơ có thể được quan
sát dựa trên mô hình thể hiện trên hình 1.3. Dưới tác dụng của điện trường giữa thành lò và

Footer Page 22 of 89.

8



Chi tiết cần thấm nitơ (cực âm)

Phát quang âm cực

Pha

Pha
Pha

Pha
Pha

Hình 1.3: Mô hình sự hình thành lớp bề mặt trong thấm nitơ plasma [80].
Footer Page 23 of 89.

9


Header Page 24 of 89.
(1-5)% N2 +
(95-99)% H2

(15-30)% N2 +
(70-85)% H2

(60-70)% N2 + (1-3)%
CH4 + H2

Vật liệu nền



Chi tiết

Tường nóng

Tường lạnh

Hình 1.5: Sơ đồ mô tả kỹ thuật tường nóng và tường lạnh [41].
Với phương pháp DCPN, các chi tiết cần thấm sẽ được nung nóng đến nhiệt độ cần
thiết nhờ vào sự phóng điện tạo plasma ngay trong buồng thấm theo kỹ thuật tường lạnh
(cold wall) hay kỹ thuật tường nóng (hot wall) được mô tả như trên hình 1.5. Trong kỹ
thuật tường lạnh, mẫu được nung nóng chỉ đơn thuần là nhờ sự phóng điện tạo plasma.
Trong khi với kỹ thuật tường nóng, ngoài năng lượng nhiệt có được từ việc phóng điện tạo
Footer Page 24 of 89.

10


Header Page 25 of 89.
plasma nói trên, mẫu còn được nung nóng nhờ có thêm các thanh nung, do vậy đảm bảo
được mức độ đồng đều nhiệt cao hơn [41,66]. Tuy nhiên với cả 2 loại công nghệ này, kết
quả cho thấy bề mặt chi tiết sau thấm có độ nhẵn bóng không cao do tác động của việc bắn
phá ion làm sạch bề mặt mẫu ban đầu [41]. Mặc dù phương pháp này có một số ưu điểm có
thể kể đến như: không gây ô nhiễm môi trường, tiêu hao năng lượng và khí sử dụng ít, thời
gian thấm ngắn. Tuy nhiên một số hạn chế của phương pháp này như: hiệu ứng góc cạnh
khi phóng điện, hiệu ứng hollow cathodic và sự phóng hồ quang xảy ra có thể dẫn đến sự
không đồng đều về cơ tính của lớp thấm [6,28].
Phương pháp ASPN
Phương pháp ASPN (Active Screen Plasma Nitriding): phương pháp này ra đời để
khắc phục một số nhược điểm của phương pháp DCPN bên trên. Thay vì hiện tượng phóng