Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành lớp thấm nitơ bằng phương pháp thấm nitơ plasma xung (TT)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG VĨNH GIANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG Chuyên ngành: Kim l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG VĨNH GIANG

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

Chuyên ngành: Kim loại học

Mã số: 62440129

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội -2016

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

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

Tính cấp thiết của đề tài

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 hướng dẫn của nhà cung cấp thiết bị nên ứng dụng còn rất hạn chế và chất lượng không ổn định, thậm chí nhiều khi chi tiết bị phá hỏng do khuếch đại plasma

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Xác định được điều kiện hình thành khuếch đại plasma thông qua việc xác định chiều dày plasma giúp có hiểu biết chắc chắn hiện tượng này từ đó kiểm soát nó

- Hoàn thiện cơ chế hình thành lớp thấm, ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma cho thép dụng cụ hợp kim bền nóng SKD61

Ý nghĩa thực tiễn:

- Kiểm soát được hiện tượng khuếch đại plasma, sẽ đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng trong sản xuất dễ dàng hơn, đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất với công nghệ tiên tiến thân thiện môi trường

- Kiểm soát được tổ chức lớp thấm, đặc biệt lớp trắng mở ra khả năng ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61

Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu này là làm chủ, kiểm soát được quá trình thấm niơ plasma trên thiết bị thấm tường nguội NITRION để không

xuất hiện khuếch đại plasma và tạo được lớp thấm thép SKD61 có tính chất như mong muốn

Những đóng góp mới của luận án (dự kiến)

1 Xây dựng phương pháp xác định chiều dày plasma từ hình ảnh cấu trúc plasma ghi được khi sử dụng camera ghi hình qua cửa sổ quan sát

2 Xác định được bằng thực nghiệm chiều dày plasma dc [mm] phụ thuộc áp suất p [Pa] ở điều kiện thấm cụ thể

3 Đề xuất sắp xếp các sản phẩm trong buồng lò đảm bảo tận dụng tối đa không gian lò và không hình thành khuếch đại plasma

4 Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi thiết kế thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm trong quá trình thấm nitơ plasma thép SKD61

5 Đề xuất khái niệm hằng số tốc độ thấm nitơ plasma K cho thép SKD61và bằng thực nghiệm xác định hằng số này để tính toán chiều sâu lớp thấm áp dụng trong thực tế sản xuất

Phương 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

B NỘI DUNG CHÍNH Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma

1.1.1 Khái niệm plasma

Plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất (rắn, lỏng, khí và plasma), thực chất là hỗn hợp khí được ion hóa Có 2 loại: plasma cân bằng nhiệt 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 Plasma sử dụng trong thấm nitơ plasma là plasma không cân bằng nhiệt hay plasma nguội, plasma phóng điện phát sáng

, N2, N2 +

, NH, NH+, NH2

+

, NH3 +

, N2H2, H

1.1.4 Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma

1.1.4.1 Hiện tượng khuếch đại plasma

Khi 2 catôt đối diện nhau với khoảng cách đủ nhỏ, electron thoát khỏi catôt này thì gặp phải catôt kia và bị bật trở lại catôt ban đầu Chuyển động qua lại giữa 2 catôt làm cho các electron có động năng lớn, va chạm với các phần tử trung tính làm ion hóa bổ sung Khi đó, mật độ điện tử tăng lên đột ngột làm cho mật độ dòng điện

và nhiệt độ tăng lên rất lớn

1.1.4.2 Hiện tượng hồ quang

Hồ quang sinh ra là do sự không đồng nhất bề mặt catôt gây ra

1.2 Công nghệ thấm nitơ plasma

1.2.1 Lịch sử phát triển

Công nghệ thấm nitơ plasma đã phát triển qua từng giai đoạn, có nhiều phương pháp, thấm nitơ plasma dòng 1 chiều xung (PPN) hiện đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp (hình 1.8)

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

1.2.2 Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma

Hình 1 12 Cơ chế thấm nitơ plasma theo mô hình Kolbe]

Phản ứng 1 Tạo ra ion và nguyên tử nitơ:

e–→N2 → N+ + N + 2e–

Phản ứng 2 Quá trình phún xạ

N+→Bề mặt catôt → Fe và tạp chất được phún xạ

Phản ứng 3 Fe kết hợp với nitơ và tạo thành nitơrit:

Hình 1.14 Cấu trúc lớp thấm nitơ điển hình

1.2.4 Một số tính chất sử dụng của lớp thấm

- Chịu mài mòn nhờ có độ cứng cao

- Độ cứng lớp thấm không bị giảm ngay cả ở nhiệt độ đến 600 oC

- Chịu ăn mòn trong nhiều môi trường

- Tăng giới hạn mỏi của chi tiết được thấm

1.2.5 Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma

- Hình thành các phần tử hoạt tính mang nitơ trong môi trường thấm

- Vận chuyển nitơ từ môi trường thấm vào bề mặt vật thấm

- Vận chuyển nitơ từ bề mặt vào bên trong vật thấm

1.2.6 Các thông số chính của công nghệ thấm nitơ plasma

Bốn thông số công nghệ chính của quá trình thấm nitơ plasma là

nhiệt độ, thời gian, thành phần và áp suất khí thấm

1.3 Tình hình nghiên cứu thấm nitơ plasma cho thép SKD61

1.3.1 Cơ chế hỏng hóc của khuôn bền nóng

Rạn, nứt do mỏi nhiệt, mòn cơ học, mòn hoá học, dính, vỡ khuôn

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Rất nhiều nghiên cứu thấm nitơ plasma do công nghệ này cho

phép dễ dàng điều chỉnh tổ chức lớp thấm

1.3.3 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam chưa có một công trình nghiên cứu công nghệ thấm nitơ plasma khảo sát đầy đủ các thông số công nghệ lên sự hình thành

và đặc tính của lớp thấm Các quy trình công nghệ thấm nitơ plasma chủ yếu thực hiện theo hướng dẫn của nhà cung cấp thiết bị

1.3.4 Yêu cầu lớp thấm nitơ với khuôn bền nóng

- Khả năng chống rạn nứt nóng

- Độ bền mỏi cao ở nhiệt độ cao

- Khả năng chịu mòn ở nhiệt độ cao

1.4 Kết luận và hướng nghiên cứu

Ưu điểm của công nghệ thấm nitơ plasma là cho phép dễ dàng điều chỉnh các thông số công nghệ để nhận được lớp thấm mong muốn Nhược điểm hay gặp nhất là hiện hiện tượng khuếch đại plasma có thể phá hủy bề mặt sản phẩm thấm

Trên thế giới, thấm nitơ plasma đã được ứng dụng rộng rãi từ lâu trong công nghiệp và mang lại hiệu quả cao, nhất là cho các sản phẩm nhỏ, kết cấu đơn giản, sản lượng lớn Gần đây công nghệ này cũng đã được nghiên cứu ứng dụng cho những sản phẩm phức tạp đặc biệt là thấm khuôn bền nóng

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu 1: Kiểm soát, loại trừ khuếch đại plasma thông qua việc

xác định được điều kiện hình thành và không hình thành khuếch đại plasma trong quá trình thấm trên cơ sở chiều dày plasma

Đối tượng nghiên cứu 1: Cơ chế hình thành khuếch đại plasma, các thông

số liên quan đến chiều dày plasma và sự hình thành khuếch đại plasma

Mục tiêu 2: Xác định ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính

đến sự hình thành và đặc tính lớp thấm, từ đó xác định các thông số công nghệ thấm hợp lý để nhận được lớp thấm mong muốn khi thấm thép SKD61

Đối tượng nghiên cứu 2: Đặc tính của lớp thấm thép dụng cụ bền nóng

SKD61 được thấm nitơ plasma với các thông số công nghệ khác nhau về thành phần khí thấm, nhiệt độ thấm, thời gian thấm và áp suất thấm

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.1 Các nội dung nghiên cứu

2.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng đến hiện tượng khuếch đại plasma

2.1.1.1 Nội dung chính

1 Xác định điều kiện hình thành khuếch đại plasma

2 Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ chính (thành phần

khí thấm, nhiệt độ, áp suất thấm) đến chiều dày plasma

3 Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định chiều dày plasma ở

điều kiện thấm cụ thể

4 Xây dựng vùng hình thành khuếch đại plasma

2.1.1.2 Sơ đồ thực nghiệm tổng quát

Hình 2.12 Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma

2.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng đến sự hình thành lớp thấm

2.1.2.1 Các nội dung chính

Nghiên cứu này chọn thấm thép chế tạo khuôn bền nóng SKD61

1 Thiết kế thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi sử dụng phần mềm Minitab 16

2 Tiến hành xác định các đặc tính lớp thấm (tổ chức tế vi, thành phần pha, độ cứng, chiều dày lớp trắng, chiều sâu lớp thấm)

3 Đánh giá ảnh hưởng 4 thông số công nghệ chính (nhiệt độ, thời gian, thành phần và áp suất khí thấm) đến sự hình thành lớp thấm

thông qua tổ chức tế vi lớp thấm và chiều dày lớp trắng

4 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều

sâu lớp thấm, phân bố độ cứng

5 Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu lớp thấm, hằng số tốc độ

thấm và năng lượng hoạt hóa

6 Ứng dụng kết quả thực nghiệm để thấm thép SKD61 với các yêu

cầu khác nhau về đặc tính lớp thấm

2.1.2.2 Sơ đồ thực nghiệm tổnq quát

FUTURE-2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1.Nghiên cứu ảnh hưởng đến hiện tượng khuếch đại plasma

2.3.1.1 Mẫu và bố trí mẫu thí nghiệm

- 01 mẫu trụ đường kính ngoài Φ50 mm, dùng để đo chiều dày plasma

- 03 mẫu kích thước 50x50x20 mm làm thành 1 catot đơn và 1 catot đôi gồm 2 catot song song cách nhau 7 mm

- 11 mẫu ống thép đường kính trong Φ3 mm đến Φ13 mm, chiều dày thành ống 2 mm đến 3 mm, chiều dài bằng 2 lần đường kính ống

o Áp suất thay đổi: (120÷800) Pa

2.3.1.3 Theo dõi hình thành và mất đi khuếch đại plasma

Plasma được theo dõi qua cửa sổ làm bằng thủy tinh trong suốt

2.3.1.4 Xác định chiều dày plasma

Chiều dày plasma dc được xác định theo công thức:

2

c c

p là áp suất, A và B là 2 hằng số được xác định bằng thực nghiệm

2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng đến sự hình thành lớp thấm SKD61

2.3.2.1 Mẫu và bố trí mẫu thí nghiệm

Mẫu thép SKD61 được nhiệt luyện đạt độ cứng (45÷50) HRC

2.3.2.2 Các thông số chính

Điện áp V= (550÷650) V, chu kỳ xung p = 600 µs, thành phần khí thấm: (10÷30)% N2, còn lại (90÷70)% H2, nhiệt độ thấm: (490÷550)

o

C, áp suất thấm: (200 ÷ 600) Pa, thời gian: (3 ÷ 9) h

2.3.2.3 Quy hoạch thực nghiệm phương pháp Taguchi

Sử dụng phần mềm Minitab 16 và quy hoach Taguchi L9

- Nếu giá trị đặc tính yi cần đạt “Lớn hơn tốt hơn” thì:

2.3.2.4 Xác định chiều sâu lớp thấm, chiều dày lớp trắng

Chiều dày lớp trắng được đo đạc trên kính hiển vi quang học

Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng xác định theo DIN 50190

2.3.2.5 Phương pháp xác định %N, %C

Hàm lượng %N, %C được phân tích từng lớp bằng OES

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

1.1 Ảnh hưởng các thông số công nghệ đến khuếch đại plasma

1.1.1 Điều kiện hình thành khuếch đại plasma

1.1.1.1 Khuếch đại plasma khi cố định khoảng cách giữa catot

Quan sát sự hình thành và mất đi giữa 2 catốt với khoảng cách lựa chọn cố định 7 mm khi thay đổi áp suất như hình 3.1

Hình 3.1 Ảnh chụp hiện tượng khuếch đại plasma

a) khuếch đại plasma chưa xuất hiện b) khuếch đại plasma

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

Khi tăng áp suất, cường độ sáng giữa 2 catốt tăng dần và đạt cực đại (hình 3.1.b, 3.1.c), lúc này khuếch đại plasma mạnh nhất Tiếp tục tăng, cường độ sáng giảm dần và đạt ổn định, hết hiện tượng khuếch đại plasma (3.1.d)

3.1.1.2 Khuếch đại trong điều kiện khoảng cách và áp suất thay đổi

Ở nhiệt độ 520 o

C, khí (25% N2 + 75% H2), thay đổi áp suất từ 100 đến 800 Pa quan sát khuếch đại plasma (hình 3.4)

Hình 3.4 Khuếch đại plasma trong ống đường kính khác nhau

Áp suất bắt đầu xuất hiện (Pbđ) và áp suất kết thúc (Pkt) khuếch đại

plama khi thay đổi áp suất được thể hiện trên hình 3.5

Hình 3.5 Vùng hình thành khuếch đại plasma

3.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày plasma

3.1.2.1 Ảnh hưởng áp suất đến chiều dày plasma

Chiều dày plasma với các áp suất khác nhau thể hiện trên hình 3.6

Khi tăng áp suất, chiều dày plasma giảm mạnh theo đường hypecbol

Hình 3.6 Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất

3.1.2.2 Ảnh hưởng thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma

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

Hình 3.8.Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày plasma

3.1.3 Ứng dụng kết quả thực nghiệm khuếch đại plasma trong thực tế

3.1.3.1 Xây dựng phương trình xác định chiều dày plasma

Ở nhiệt độ 520 oC với thành phần khí thấm 25 % N2+75 % H2, chiều dày plasma dc [mm] phụ thuộc áp suất p [Pa] theo công thức

Mối liên hệ giữa áp suất, chiều dày plasma dc với kích thước lỗ (khí thấm 75% H2 + 25% N2, nhiệt độ thấm 520 oC) như hình 3.11

Hình 3.11 Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma d

Có thể thấy rằng khuếch đại plasma chỉ xảy ra khi đường kính lỗ khoảng từ 2 đến 3 lần chiều dày plasma (=(23)dc)

Hình 3.14 Nhiễu xạ tia X mẫu M7 (không lớp trắng)

Kết quả cho thấy, mẫu M3 thành phần pha chủ yếu là pha và pha

’, còn với mẫu M7 tổ chức pha bao gồm nền α và các pha (  + ’)

3.2.1.2 Sự hình thành lớp thấm

Để khẳng định xem liệu sự có phải sự có mặt của các nitơrit Fe này là thành phần chính của lớp trắng rất mỏng trên bề mặt hay không, nghiên cứu tiếp tục tiến hành phân tích EDX ở gần bề mặt (spectrum 5, hình 3.16) kết quả được thể hiện trên hình từ 3.17

Hình 3.16 Ảnh SEM mẫu M3

Hình 3.17 Điểm phân tích số 5 mẫu M3

Để tiếp tục chứng minh nitơ ưu tiên khuếch tán theo biên giới hạt, chúng tôi tiến hành mapping lớp khuếch tán Tiến hành mapping vùng tiếp giáp giữa lớp thấm và vật liệu nền (hình 3.26.) cho thấy nitơ tập trung nhiều hơn ở các biên hạt, điều này chứng tỏ nitơ ưu tiên khuếch tán theo biên giới hạt

Hình 3.26: Mapping mẫu M3

Tiếp tục phân tích line scan theo hướng vuông góc với bề mặt thấm (hình 3.27), cho thấy ở lớp trắng thì hàm lượng nitơ cao, vào