NGHIÊN cứu một số yếu tố CHÍNH ẢNH HƯỞNG đến sự HÌNH THÀNH lớp THẤM n BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM n PLASMA XUNG

Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày plasma 88 Các thông số chính liên quan đến sự hình thành lớp thấm đã được phân tích trong phần bao gồm thành phần, áp suất khí th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG VĨNH GIANG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH

ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM N BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM N PLASMA XUNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG VĨNH GIANG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH

ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM N BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM N PLASMA XUNG

Chuyên ngành : Kim loại học

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Văn Tư

Hà Nội – 2015

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Văn Tư người Thầy đã tận tình hướngdẫn, động viên, góp ý và giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt,

đã nhiệt tình giúp đỡ tôi, xin cám ơn Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạosau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án

Xin cám ơn các ơn đồng nghiệp, lãnh đạo Viện Công Nghệ đã tạo điều kiện thuậnlợi để tôi thực hiện luận án

Và tôi xin cám ơn bạn bè, gia đình luôn ở động viên và khích lệ tôi trong suốt quátrình thực hiện luận án

Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2015

Nghiên cứu sinh

Hoàng Vĩnh Giang

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân, được thực hiệndưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Tư

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực

và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2015

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Văn Tư

NGHIÊN CỨU SINH

Hoàng Vĩnh Giang

MỤC LỤC

Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2015 iii

Nghiên cứu sinh iii

Hoàng Vĩnh Giang iii

LỜI CAM ĐOAN iv

Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Tư iv

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực

và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào iv

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình iv

Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2015 iv

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC iv

PGS.TS Nguyễn Văn Tư iv

NGHIÊN CỨU SINH iv

1.1 Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma 4

1.1.1 Khái niệm plasma 4

1.1.2 Plasma phóng điện phát sáng 5

1.1.3 Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma 8

1.1.3.1 Plasma N2-H2 sử dụng trong thấm nitơ plasma 8

1.1.3.2 Cấu trúc ion trong vùng catốt 10

1.1.4 Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma 11

1.1.4.1 Hiện tượng khuếch đại plasma 11

1.1.4.2 Hiện tượng hồ quang 13

1.2 Công nghệ thấm nitơ plasma 14

1.2.1 Lịch sử phát triển 14

1.2.1.1 Công nghệ thấm Nitơ plasma 14

1.2.1.2 Thấm nitơ sau phóng điện (PDN) 15

1.2.1.3 Thấm nitơ màn chủ động ASPN 16

1.2.2 Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma 16

1.2.2.1 Các tương tác trong quá trình thấm 16

1.2.2.2 Cơ chế thấm nitơ plasma 17

1.2.3 Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma 20

1.2.3.1 Quá trình vận chuyển N từ môi trường thấm đến bề mặt vật thấm 20

1.2.3.2 Quá trình vận chuyển nitơ từ bề mặt vào bên trong vật thấm 23

1.2.4 Các thông số chính của công nghệ thấm nitơ plasma 26

1.2.4.1 Chu trình thấm nitơ plasma 26

2.2 Thiết bị đo kiểm tra 37

2.3 Vật liệu chính sử dụng trong nghiên cứu 39

2.3.1 Thành phần hóa học của thép và phương pháp chuẩn bị mẫu 39

2.3.2 Các loại vật liệu phụ 40

2.4 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 40

2.4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ chính đến sự hình thành và đặc tính của lớp thấm 40

2.4.1.1 Sơ đồ thực nghiêm tổng quát 40

2.4.1.2 Các thông số công nghệ chính 41

2.4.1.3 Bố trí sắp xếp mẫu thí nghiệm 42

2.4.1.4 Quy hoạch thực nghiệm phương pháp Taguchi 42

2.4.1.5 Phương pháp xác định chiều sâu lớp thấm, chiều dày lớp trắng 44

2.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến chiều dày plasma và sự hình thành khuếch đại plasma 45

2.4.2.1 Thực nghiệm quá trình hình thành khuếch đại plasma và đo chiều dày plasma 45

2.4.2.2.Thí nghiệm khuếch đại plasma trên các ống rổng có đường kính khác nhau 47

2.4.2.3 Xây dựng phương trình tính toán chiều dày plasma 47

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢI THÍCH 49

3.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến sự hình thành lớp thấm 49

3.1.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc lớp thấm 49

3.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng 58

3.2 Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm 64

3.2.1 Đánh giá ảnh hưởng của cả 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm 64

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm 67

3.2.3 Xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán chiều sâu lớp thấm 72

Trong khoảng nghiên cứu, thành phần và áp suất hầu như không ảnh hưởng đến chiều sâu lớp thấm 77

3.3 Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên sự phân bố độ cứng trong lớp thấm 773.3.1 Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên độ cứng tối đa 78

3.3.2 Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên lớp cứng d900 79

3.4 Kiểm nghiệm kết quả thực nghiệm Taguchi 80

3.5 Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến khuếch đại plasma trong quá trình thấm N plasma 85

3.5.1 Điều kiện hình thành khuếch đại plasma 85

3.5.1.1 Khuếch đại plasma khi cố định khoảng cách giữa catot và thay đổi áp suất 85

3.5.1.2 Khuếch đại trong điều kiện khoảng cách và áp suất khác nhau 87

3.5.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày plasma 88

Các thông số chính liên quan đến sự hình thành lớp thấm đã được phân tích trong phần bao gồm thành phần, áp suất khí thấm, nhiệt độ và thời gian thấm Liên quan đến khuếch đại plasma, thời gian được loại trừ, còn lại 3 thông số Khuếch đại plasma liên quan mật thiết đến chiều dày plasma, vì thế ảnh hưởng của các thông sốnày lên chiều dày plasma sẽ được nghiên cứu tiếp Tuy nhiên trong thực tế khi tiến hành thấm nitơ, không có nhiều lựa chọn cho nhiệt độ và thành phần khí thấm vì nhiệt độ đã gần như được xác định bởi vật liệu thấm, thành phần khí thấm cũng đã được lựa chọn dựa vào yêu cầu về tổ chức lớp thấm Còn lại áp suất là thông số công nghệ có thể lựa chọn, tùy thuộc vào kích thước hình học và các sắp xếp vật thấm trong lò, đây là thông số sẽ được nghiên cứu kỹ Mặc dầu vậy, để có một cái

nhìn tổng quát hơn về hiện tương khuếch đại plasma, chúng tôi cũng nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma 89

3.5.2.1 Ảnh hưởng áp suất đến chiều dày plasma 89

3.5.2.2 Ảnh hưởng thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma 90

3.5.3 Ứng dụng kết quả thực nghiệm khuếch đại plasma trong thực tế 91

3.5.3.2 Xây dựng vùng hình thành khuếch đại plasma trong tương quan với chiều dày plasma, áp suất và khoảng cách giữa catôt 93

3.5.3.3 Ứng dụng hiện tượng khuếch đại plasma thấm hợp kim Ti 95

3.5.4 Kết luận 96

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 97

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 99

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 107

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ lên mật độ dòng [96] 9

Bảng 1.2 Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa [93] 10

Bảng 1.3: Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm [105] 28

Bảng 1.4 Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thành phần lớp trắng [11, 69] 30

Bảng 1.5 Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới 33

Bảng 2.1: Thành phần của mẫu thép thí nghiệm 39

Bảng 2.2 Điện áp sử dụng khi thấm ở áp suất và nhiệt độ khác nhau 42

Bảng 2.3 Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 43

Bảng 2.4 Điện áp ở các áp suất khác nhau 46

Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm xác định chiều dày lớp trắng 59

Bảng 3.2 Giá trị tỷ số SN và mức ảnh hưởng 4 thông số đến chiều dày lớp trắng 59

Bảng 3.3 Xếp hạng mối liên quan giữa chiều dày lớp trắng và từng thông số 60

Bảng 3.4 Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 200 Pa và 400 Pa 62

Bảng 3.5 Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 600Pa 63

Bảng 3.6 Kết quả thực nghiệm xác định chiều sâu lớp thấm 64

Bảng 3.7 Tỷ SN và xếp hạng mức độ ảnh hưởng của 4 thông số lên chiều sâu toàn bộ 65

Bảng 3.8 Tỷ số SN và mức độ ảnh hưởng 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm hiệu dụng 65Bảng 3.9 Chiều sâu lớp thấm toàn bộ dtb1 với thành phần khí thấm mức 1 (30%N2) 68

Bảng 3.10 Chiều sâu lớp thấm toàn bộ dtb2 với thành phần khí thấm mức 2 (20%N2) 68

Bảng 3.11 Chiều sâu lớp thấm toàn bộ dtb3 với thành phần khí thấm mức 3(10%N2) 69

Bảng 3.12 Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng dhd với thành phần khí thấm mức 1(30%N2) 70Bảng 3.13 Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng khd với thành phần khí thấm mức 2 (20%N2) 71Bảng 3.14 Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng khd3 với thành phần khí thấm mức 3 (10%N2) 72Bảng 3.15 Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm toàn bộ ở các điều kiện thấm khác nhau 72

Bảng 3.16 Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm hiệu dụng ở các điều kiện thấm khác nhau 73

Bảng 3.17 Giá trị ktb và Ktb phụ thuộc vào nhiệt độ với chiều sâu toàn bộ 74

Bảng 3.18 Tính toán giá trị hằng số Kotb 75

Bảng 3.19 Quan hệ giữa khd,Khd thuộc vào nhiệt độ với chiều sâu hiệu dụng 76

Bảng 3.20 Tính toán giá trị hằng số Kohd 76

Bảng 3.21 Kết quả đo độ cứng tế vi lớp thấm HV0.1 78

Bảng 3.22 Kết quả thực nghiệm xác định độ cứng tối đa 78

Bảng 3.23 Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng 4 thông số lên độ cứng tối đa 79

Bảng 3.24 Kết quả xác định chiều sâu lớp cứng d900 79

Bảng 3.25 Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng lên chiều sâu lớp cứng d900 80

Bảng 3.26 Dự đoán chiều dày lớp trắng 81

Bảng 3.27 Ảnh hưởng của đường kính lỗ rỗng và áp suất bắt đầu (Pbđ) và áp suất kết thúc (Pkt)

khuếch đại plasm 87

Bảng 3.28 Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma và áp suất p (nhiệt độ 520 oC, khí 75 %

H2 + 25 % N2) 89

Bảng 3.29 Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma (p = 250 Pa) 90Bảng 3.30 Kết quả chiều dày plasma và 1/p (nhiệt độ 520 oC, khí 75 % H2 + 25 % N2) 92

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Quan hệ điện áp và dòng (đường cong Paschen) [11, 27] 5

Hình 1.2 Cấu trúc và phân bố điện áp trong plasma [89] 7

Hình 1.3 Quan hệ giữa điện áp với áp suất sử dụng trong thấm nitơ plasma [107] 8

Hình 1.4 Quan hệ điện thế – dòng với áp suất khác nhau [36] 9

Hình 1.5 Các khả năng xảy ra khi thấm Nitơ plasma [36] 12

Hình 1.6 Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở [69] 12

Hình 1.7 Mô tả sự phóng điện hồ quang [36] 13

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý thấm Nitơ plasma(DCPN, PPN) [73] 14

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN [73] 15

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý ASPN [73] 16

Hình 1.11 Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma [83] 17

Hình 1.12 Cơ chế thấm theo mô hình Kolbel [11, 27, 93] 19

Hình 1.13 Các cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt lớp thấm [36] 19

Hình 1.14 Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma [106] 22

Hình 1.15 Sơ đồ hình thành lớp thấm [33] 23

Hình 1.16 Giản đồ pha Fe-N [53] 23

Hình 1.17 Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm [53] 25

Hình 1.18 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm [539] 25

Hình 1.19 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm (thấm nitơ

plasma520oC/8h, thép En29B) [53] 26

Hình 1.20 Quy trình thấm nitơ plasma điển hình 27

Hình 1.21: Chiều dày lớp trắng, 530oC, thép 3%Cr-Mo-V 29

Hình 2.1: Thiết bị NITRION PN60 và hiển thị chế độ thí nghiệm 36

Hình 2.2 Lò tôi chân không Treater M 36

Hình 2.3 Can nhiệt loại K đo nhiệt độ 37

Hình 2.4 Hệ thống thiết bị đo lưu lượng khí bao gồm các Mass Flow Controller MK 37

Hình 2.5 Thiết bị đo áp suất 37

Hình 2.6 Kính hiển vi quang học NIKON (a) và máy đo độ cứng tế vi FM-700e (b) 38

Hình 2.7 Máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL3460 38

Hình 2.8.Thiết bị nhiễu xạ tia X (D5005) 38

Hình 2.9 Hiển vi điện tử quét (SEM) 39

Hình 2.10 Các mẫu thí nghiệm 40

Hình 2.11 Sơ đồ thực nghiệm ảnh hưởng các thông số đến sự hình thành lớp thấm 41

Hình 2.12 Bố trí mẫu thí nghiệm trong buồng lò 42

Hình 2.13 Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma 45

Hình 2.14 Khuếch đại plasma với 2 mẫu cách nhau cố định 45

Hình 2.15 Xác định chiều dày plasma dc 47

Hình 2.16 Sắp xếp mẫu trong buồng thấm 47

Hình 3.1 Tổ chức của nitơ plasma lên thép SKD61 49

Hình 3.2 Nhiễu xạ tia X mẫu M3 (30%N2 +70%H2/600Pa/550oC/9h) 50

Hình 3.3 Nhiễu xạ tia X mẫu M3 góc hẹp 1º GXRD mẫu M 3 50

Hình 3.4 Nhiễu xạ tia X góc hẹp 5º mẫu M3 51

Hình 3.5 Ảnh SEM mẫu M3 51

Hình 3.6 Điểm phân tích số 5 mẫu M3( hình 3.5) 52

Hình 3.7 Điểm phân tích số 6 mẫu M3( hình 3.5) 52

Hình 3.8 Điểm phân tích số 7 mẫu M3(hình 3.5) 52

Hình 3.9 Điểm phân tích số 8 mẫu M3 (hình 3.5) 53

Hình 3.10 Ảnh SEM mẫu M3 (lớp khuếch tán) 53

Hình 3.11 Điểm phân tích 2 mẫu M3 (ảnh 3.10) 53

Hình 3.12 Điểm phân tích 2 mẫu M4 (ảnh 3.10) 54

Hình 3.13 Điểm phân tích 2 mẫu M5 (ảnh 3.10) 54

Hình 3.14 Điểm phân tích 3 mẫu M5 (ảnh 3.10) 54

Hình 3.15 Phân tích line scan mẫu M3 55

Hình 3.16 Phân bố %N và phân bố lại %C trong mẫu số 3 55

Hình 3.18 Ảnh hưởng các thông số lên chiều dày lớp trắng theo tỷ số SN 59

Hình 3.19 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng 60

Hình 3.20 Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng (6 h , 200 Pa và 400 Pa) 63Hình 3.21 Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng (6h , 600Pa) 63

Hình 3.22.Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm toàn bộ theo SN 65

66

Hình 3.23 Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm hiệu dụng theo SN 66Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm toàn bộ (30% N2) 68Hình 3.25 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm toàn (20% N2) 69

Hình 3.26 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm toàn bộ (10% N2) 70Hình 3.27 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm hiệu dụng (30% N2) 71Hình 3.28 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm hiệu dụng (20% N2) 71Hình 3.30 Quan hệ ln(K)-1/T với chiều sâu toàn bộ 75

Hình 3.31 Đồ thị ln(k)-T xây dựng cho chiều sâu hiệu dụng 76

Hình 3.32 Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm 78

Hình 3.33 Ảnh hưởng các thông số đến độ cứng tối đa theo tỷ số SN 79

Hình 3.34 Ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu lớp cứng d900 theo tỷ số SN 80

Hình 3.35 Vị trí lấy mẫu chụp kim tương lớp thấm 82

Hình 3.36 Tổ chức lớp thấm (490 oC, 25 % N2+75 % H2, 250 Pa,16 h) 83

Hình 3.37 Phân bố độ cứng (490 oC, 25 % N2+75 % H2, 250 Pa,16 h) 83

Hình 3.38 Kết quả thấm không lớp trắng (15 % N2 +85% H2, 300 Pa, 16h) 84

Hình 3.40 Ảnh chụp hiện tượng khuếch đại plasma (đường kính lỗ rỗng D=7 mm) 86

Hình 3.41 Giải thích sự xuất hiện khuếch đại plasma 86

Hình 3.42 Giải thích sự biến mất của khuếch đại plasma 87

Hình 3.43 Khuếch đại plasma 88

Hình 3.45 Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất ( 75%H2 + 25%N2, 520oC) 90

Hình 3.46 Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma 91

(áp suất p = 250 Pa) 91

Hình 3.47 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày plasma (p = 250 Pa) 91

Hình 3.48 Đồ thị mối quan hệ dc – 1/p 92

Hình 3.49 Đồ thị mối quan hệ dc – 1/p với dc>2mm 93

Hình 3.50 Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày bắt đầu xuất hiện khuếch đại plasma (dbđ) và kết

thúc khuếch đại plasma (dkt) (nhiệt độ 520 oC, khí thấm 75 % H2 + 25 % N2) 94Hình 3.51 Ứng dụng khuếch đại plasma để thấm hợp kim Ti 95

Hình 3.52 Kết quả thấm hợp kim Ti-6Al-7Nb 95

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

Tính cấp thiết của đề tài

Thấm nitơ là công nghệ hóa nhiệt luyện đưa nitơ vào bề mặt chi tiết tạo thành lớp

có độ cứng cao để tăng tính chịu mài mòn Lớp thấm còn tạo ứng suất nén trên bề mặt vàqua đó làm tăng giới hạn mỏi của chi tiết Thấm nitơ được ứng dụng rộng rãi để thấm cácsản phẩm có khí đò hỏi chất lượng cao trong đó có các loại khuôn bền nóng chế tạo từ thépSKD61 như khuôn rèn, khuôn đùn nhôm, khuôn đúc áp lực nhôm Thấm nitơ có thể đượctiến hành ở trạng thái lỏng, khí hoặc plasma từ đó ta có công nghệ thấm nitơ thể lỏng, thểkhí và thấm nitơ plasma

Thấm nitơ thể lỏng [7] mặc dù thời gian thấm ngắn và chất lượng lớp thấm tươngđối cao, nhưng do phải sử dụng muối nóng chảy gốc xyamua, xianat thường gây ô nhiễmmôi trường nên ngày nay ít sử dụng Thấm nitơ thể khí hiện đang được sử dụng nhiều nhất

trên bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình thấm Việc sử dụng khíđộng (liên tục bơm khí vào và thoát khí ra) là bắt buộc để duy trì quá trình thấm Tuy nhiênchỉ một lượng rất nhỏ khí (vài phần trăm) tham gia vào quá trình thấm, còn lại phải thải ramôi trường vì thế gây ô nhiễm môi trường và tốn kém, đây là nhược điểm lớn của phươngpháp này Thấm nitơ plasma được coi là công nghệ tiên tiến có thể thay thế thấm nitơ thểkhí do vấn đề bảo vệ môi trường đang rất được quan tâm Khác với thấm thể khí sử dụng

với tiêu hao ít hơn rất nhiều từ đó giảm chi phí và phát thải rất ít [11, 13, 69, 95]

Trên thế giới công nghệ thấm nitơ plasma được nghiên cứu khá nhiều, chủ yếu sửdụng công nghệ thấm nitơ plasma xung Ở Việt Nam, hiện tại có 2 thiết bị thấm nitơplasma xung, một tường lạnh và một tường nóng Công nghệ thấm nitơ plasma đượcnghiên cứu chưa nhiều, không có nhiều công trình nghiên cứu được công bố Chỉ có một số

đề tài nghiên cứu áp dụng cho loại thép và thiết bị thấm cụ thể, và hầu như làm theo hướngdẫn sử dụng của nhà cung cấp Các nghiên cứu trên chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng riêngbiệt của nhiệt độ, thời gian và thành phần khí thấm đến tính chất lớp thấm [1, 2, 3, 4, 5, 6]

Đặc điểm của công nghệ thấm nitơ plasma là plasma hình thành trực tiếp trên bề mặtsản phẩm có đồng thời 2 nhiệm vụ [27, 46, 93] : (1) cung cấp nhiệt để nung nóng và duy trìnhiệt độ chi tiết thấm (2) cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình khuếch tán nitơ từ bề mặtvào bên trong chi tiết thấm tạo thành lớp thấm Như vậy có thể nói lớp thấm được hình thànhchịu tác động của đồng thời 3 yếu tố, đó là thiết bị, công nghệ và bản chất vật thấm Ưu điểmcủa công nghệ này là cho phép dễ dàng điều chỉnh các thông số công nghệ để nhận được lớpthấm mong muốn [11, 27, 93] Nhược điểm cố hữu lớn nhất là khả năng xuất hiện hiệntượng khuếch đại plasma do vật thấm chịu tác động trực tiếp của điện áp cao [11, 27, 36, 69,

81, 93]

Để đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng trong sản xuất một cách có hiệuquả cần biết khai thác tối đa ưu điểm và loại trừ nhược điểm Nghiên cứu thấm nitơ plasmađược tiến hành trên thiết bị thấm nitơ plasma xung tường nguội NITRION Quá trình thấmđược lập trình và điều khiển tự động bằng phần mềm Demig Prosys thông qua máy tính.Như vậy có thể coi yếu tố thiết bị là cố định Hai yếu tố còn lại là thông số công nghệ và bảnchất vật thấm cũng chính điểm mạnh và điểm yếu của công nghệ thấm nitơ plasma

Mục tiêu – Đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự hình thành

và đặc tính lớp thấm, từ đó ổn định các thông số công nghệ trong quá trình thấm để nhậnđược lớp thấm mong muốn khi thấm thép SKD61, một mác thép thông dụng trong chế tạokhuôn bền nóng

Đối tượng nghiên cứu: Bốn thông số công nghệ chính là thành phần khí thấm, nhiệt độ,

thời gian và áp suất thấm Vật liệu thấm là SKD61, mác thép đang có nhu cầu thấm nitơcao

Nội dung:

phần mềm Minitab 16

chiều dày lớp trắng, chiều sâu lớp thấm…)

hiển vi điện tử quét SEM, phân tích thành phần %N, %C theo chiều sâu lớp thấmbằng quang phổ phát xạ nguyên tử

phần và áp suất khí thấm) đến đặc tính lớp thấm (chiều dày lớp trắng, chiều sâulớp thấm, phân bố độ cứng và độ cứng cao nhất) bằng phần mềm Minitab 16 đểxác định nhanh nhất chế độ thấm hợp lý

khác nhau về lớp thấm

Taguchi

Mục tiêu 2: Nghiên cứu hiện tượng khuếch đại plasma từ đó làm cơ sở để lựa chọn các

thông số phù hợp đảm bảo không xuất hiện hiện tượng khuếch đại plasma trong quá trình

thấm và sắp xếp chi tiết thấm sao cho có hiệu quả nhất

Đối tượng: Cơ chế hình thành khuếch đại plasma, vai trò (hậu quả) của nó, các thông số

ảnh hưởng đến khuếch đại plasma, kiểm soát quá trình hình thành khuếch đại plasma thôngqua việc kiểm soát chiều dày plasma

Nội dung:

1 Cơ chế quá trình hình thành khuếch đại plasma

2 Xác định chiều dày plasma bằng sử dụng camera

3 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính (thành phần khíthấm, nhiệt độ, áp suất thấm) đến chiều dày plasma

4 Xây dựng mô hình (phương trình) thực nghiệm tính toán chiều dày plasma ởđiều kiện thấm cụ thể

5 Thử nghiệm ứng dụng khuếch đại plasma để thấm hợp kim Ti

Những đóng góp mới của luận án

1 Phương pháp thực nghiệm Taguchi được chứng minh là có thể dùng đề nghiên cứu thựcnghiệm ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố đến kết quả đầu ra nào đó của một quátrình sản xuất Đây là phương pháp khá mới ở Việt Nam, tác giả hy vọng các nhà nghiêncứu ứng dụng có thể sử dụng phương pháp này như là một công cụ để tối ưu hóa quytrình sản xuất của mình trong các lĩnh vực khác nhau

2 Xác định được ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ khi thấm thép SKD61:

c Đã tính toán được hằng số tốc độ thấm K và năng lượng hoạt hóa Q làm cơ sở cho việctính toán chiều sâu lớp thấm, đây là cơ sở để tham khảo trong quá trình thấm nitơ

plasma: hằng số tốc độ thấm toàn bộ Ktb [m2/s] = 1.223× 10-7× exp (-82000/RT), hằng

3 Có thể dùng camera chụp ảnh cấu trúc plasma hình thành trên vật thấm từ đó xác địnhđược chiều dày plasma làm cơ sở để dự báo khuếch đại plasma:

Dựa vào chiều dày plasma tính toán mật độ sắp xếp các sản phẩm trong buồng lò

đủ nhỏ để tận dụng không gian lò

ứng dụng cho việc thấm các vật liệu đòi hỏi nhiệt độ thấm cao như hợp kim Ti

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Khái niệm chung về thấm nitơ plasma

Thấm nitơ plasma là một ứng dụng của plasma hình thành từ môi trường hỗn hợp

bị kích thích, ion hóa tạo ra phóng điện phát sáng vì thế xuất hiện thuật ngữ thấm nitơphóng điện phát sáng (glow discharge nitriding) hay thấm nitơ ion hóa (ion nitriding) haythấm nitơ plasma (plasma nitriding) Toàn bộ quá trình thấm nitơ plasma liên quan mậtthiết tới plasma vì thế hiểu biết đầy đủ các hiện tượng này giúp ta lựa chọn được các thông

số công nghệ thích hợp để dễ dàng kiểm soát và duy trì ổn định plasma Song song với việckiểm soát và duy trì plasma ổn định, cần phải lựa chọn các thông số công nghệ thấm hợp lý

để nhận được lớp thấm mong muốn với hiệu quả nhất Hai vấn đề nổi bật cần quan tâm ởđây là:

trì ổn định plasma, các hiện tượng có thể xuất hiện trong buồng thấm trong quátrình thấm nitơ plasma

các thông số cơ bản của quá trình thấm nitơ plasma

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 hỗnhợp khí được ion hóa Plasma bao gồm các ion dương, điện tử điện tích âm và các phần tử(nguyên tử, phân tử) trung tính Các phần tử mang điện âm và dương cân bằng nhau nênhỗn hợp này có tính dẫn điện [21, 23, 27, 89] Thông thường plasma được chia thành 2loại: 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 cânbằng 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

nhiệt độ cao để hình thành plasma cân bằng nhiệt, ví dụ, ở điều kiện áp suất khí quyển, đểtạo được plasma cân bằng nhiệt cần nhiệt độ cao khoảng 4.000 K đến 20.000 K tùy từngloại 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 thếkhông có đủ sự trao đổi năng lượng cần thiết dẫn đến nhiệt độ các phần khác nhau Điện tửnhẹ hơn rất nhiều so với ion hoặc phân tử trung tính, vì thế nó rất linh hoạt, phản ứngnhanh 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 23.000 K [14, 15]) Các phần tử trung tính có năng lượng thấphơn E ~ 0.025 eV (tương đương nhiệt độ môi trường 293 K) Như vậy trong trường hợp áp

là thấp và vì thế loại plasma này còn gọi là plasma nhiệt độ thấp hay plasma khí, plasmanguội, đây là loại plasma sử dụng trong trong quá trình thấm nitơ plasma

Nguồn sinh ra loại plasma này có thể là quá trình phóng điện phát sáng nguồn điện

1 chiều (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 plasmađược hiểu là plasma nhiệt độ thấp không cân bằng nhiệt sinh ra bằng phóng điện phát sángnguồn điện một chiều.

Plasma nhiệt độ thấp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào chính tínhkhông cân bằng nhiệt của nó Do không cân bằng nhiệt nên có nhiều phương án và khảnăng để tạo ra plasma có những tính chất khác nhau bằng cách thay đổi các thông số đầuvào, 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 plasma

Plasma sinh sinh ra trong điều kiện phóng điện phát sáng chứa các điện tử với năng

điều kiện như vậy có thể thực hiện các phản ứng hóa học ở nhiệt độ gần nhiệt độ môitrường trong khi các điện tử tự do và một vài ion vẫn có đủ năng lượng để phá vở liên kếtcộng 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) là điện trường cócường độ đã cao (trên vài trăm von) (2) là môi trường khí, và (3) là áp suất thấp (vài trămPa) [11, 36, 93] Trong điều kiện này, tuỳ theo độ dẫn điện của khí sử dụng, giữa catôt vàanôt 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 phảnứng dây chuyền Sự hình thành plasma được giải thích dựa vào đường cong Paschen biểudiễn quan hệ giữa điện áp và mật độ dòng giữa 2 điện cực Theo đường này, khi điện áp vàmật độ dòng thay đổi, một số hiện tượng sẽ lần lượt xuất hiện trong một số giai đoạn nhấtđịnh [11, 27, 93] (Hình 1.1)

Hình 1.1 Quan hệ điện áp và dòng (đường cong Paschen) [11, 27]

Khi tăng điện áp xảy ra hiện tượng ion hóa các phân tử khí, ion hóa do va chạm làmphóng điện phát quang, plasma được hình thành Ở đây, mặc dù không tăng điện áp (thậmchí giảm) mà dòng điện vẫn tăng ta gọi là vùng bất thường Tiếp theo khi tăng điện áp thìdòng điện tăng đây là vùng bình thường (tuân theo định luật Ôm) Vùng bình thường phíadưới có điện áp và dòng điện còn thấp plasma chưa phủ kín bề mặt catôt Vùng bình thườngphía trên cả điện áp và dòng điện đều lớn, công suất lớn nhưng kém ổn định dễ chuyển sangvùng hồ quang Thấm nitơ plasma được thực hiện trong vùng phóng điện bình thường phíatrên khi plasma bao phủ toàn catôt công suất đủ lớn Lúc này điện thế sẽ tăng khi dòng tăng,dòng tăng làm cho mật độ dòng tăng do diện tích bao phủ plasma không tăng nữa [11, 27, 36].

1.1.2.2 Cấu trúc plasma

Phóng điện phát sáng dẫn đến hình thành plasma nhiệt độ thấp không cân bằngnhiệt được đặc trưng bởi sự tồn tại của các ion, điện tử, phần tử bị kích thích, nguyên tử vàcác phần tử khí làm tăng năng lượng của hệ thống này [93] Khi plasma được hình thành,điện thế giảm đột ngột ở vùng sát bề mặt catôt, quá trình phóng điện xảy ra giữa 2 điện cựckhông đồng đều mà tạo ra các vùng khác nhau Số lượng, chiều rộng các vùng phụ thuộcvào nhiều thông số như điện áp, áp suất, thành phần môi trường khí

Cấu trúc tổng quát của plasma khí 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 điện tích âm Tại đây các điện tử có tốc độban đầu nhỏ cỡ 1 eV, được tăng tốc nhưng vẫn chưa đạt được mức năng lượng cao đủ đểtạo 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 trongnhiều 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 vàion 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 phíaanôt nơi các điện tử bị chậm lại do va chạm nhiều hơn và mất bớt năng lượng Vùng nàymật độ ion cao do vậy tích điện dương tuy nhiên điện trường tương đối yếu [89, 93] Donăng lượng của các điện tử qua vùng này bị giảm làm giảm quá trình ion hóa và kích thíchkhí từ đó sinh ra một vùng khác gọi là vùng tối Faraday (5) Tích điện trong vùng này nhỏ

và điện trường gần như âm Tiếp đến là một vùng sáng đồng đều được gọi là cột dương (6).Tiến gần đến anôt là vùng sáng anôt (7), và tiếp ngay sau đó là vùng tối anôt (8), vùng nàyđiện tích âm

Số lượng và độ lớn các vùng phụ thuộc vào khoảng cách anôt với catôt, vật liệucatôt, thành phần khí, áp suất khí thấm Thông thường 3 vùng ngay sát bề mặt catôt (vùngtối Aston, quầng sáng catôt và vùng tối catôt) được gọi chung là vùng catôt Khi áp suấtgiảm vùng catôt và vùng sáng âm rộng ra còn vùng Faraday và cột dương thu hẹp lại Nếukhoảng cách 2 điện cực thay đổi còn các thông số khác giữ nguyên thì chỉ có vùng cộtdương thay đổi còn các vùng khác thì không, khoảng cách tăng thì chiều rộng cột dươngtăng, khoảng cách giảm thì cột dương thu hẹp cho đến biến mất [36, 93]

Trong điều kiện thấm nitơ plasma điển hình cột dương không xuất hiện, cấu trúcplasma thường có 3 vùng là: vùng catôt, vùng sáng âm và vùng anôt Vùng anôt hầu nhưkhông tham gia vào quá trình thấm, từ góc độ quá trình hoạt hóa và hình thành lớp thấmnitơ, vùng catôt là vùng có ý nghĩa quan trọng nhất [40, 93]

Hình 1.2 Cấu trúc và phân bố điện áp trong plasma [89]

1.1.2.3 Vùng catôt

Vùng catôt là vùng giữa bề mặt catôt và điểm cuối của vùng tối catôt (điểm đầu củavùng sáng âm, hình 1.2) Chiều rộng vùng này được gọi là chiều dày vùng tối catôt haychiều dày plasma, đây là một thông số quan trọng liên quan đến khả năng xâm nhập củaplasma vào các khe hở Trong vùng này, điện thế tổng giảm đột ngột, và sự giảm điện thếtrong vùng này được gọi là giảm điện thế catôt Do chiều rộng vùng catôt tương đối nhỏnên sự giảm điện thế này tạo ra một điện trường tương đối mạnh Với điện trường này cácđiện tử nhẹ hơn dễ dàng rời khỏi vùng này, các ion dương nặng hơn ở lại do vậy vùng này

có điện tích dương Như vậy, đặc trưng vùng catôt là: điện thế thay đổi lớn, điện trườngmạnh và tích điện dương

Khi plasma chưa phủ kín toàn bộ bề mặt catôt, mặc dù dòng tăng nhưng điện thếkhông thay đổi do lúc này diện tích plasma cũng tăng, lúc này là giai đoạn phóng điện bấtthường Chuyển sang giai đoạn phóng điện bình thường phía trên cả dòng và mật độ dòngđều thay đổi theo điện thế do plasma đã bao phủ toàn bộ bề mặt catôt (diện tích plasmakhông đổi) Lúc này, dòng tăng thì mật độ dòng tăng làm nung nóng catôt đến nhiệt độthấm và thấm nitơ plasma được thực hiện trong điều kiện này (hình 1.1) [11, 27, 36, 93]

1.1.3 Đặc tính của N 2 -H 2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma

1.1.3.1 Plasma N 2 -H 2 sử dụng trong thấm nitơ plasma

Plasma sử dụng để thấm nitơ là plasma được hình thành dưới điện áp cao (400-800V),

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 dưới tác dụngcủa điện trường chuyển động đến catôt, bắn phá catôt chuyển năng lượng đến catôt làm catôtđược 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

Quan hệ giữa điện thế và mật độ dòng với các áp suất thấm khác nhau ở nhiệt độ

nitơ plasma, dựa theo quan hệ áp suất và điện áp, hình thái plasma được chia thành 4 vùng

A, B, C, D (hình 1.3.) Thấm nitơ plasma thông thường được thực hiện trong vùng D Cóthể thấy sự hình thành plasma phụ thuộc vào điện thế và áp suất Mật độ dòng phụ thuộcnhiều vào áp suất, khi áp suất thấp thì cần điện thế cao để giữ cường độ dòng đủ mạnh để

Điện thế, mật độ dòng, áp suất khí thấm có mối quan hệ mật thiết với nhau Áp suấtcao thì điện áp thấp, nếu điện áp cao thì khả năng xuất hiện hồ quang rất nguy hiểm Khi

áp suất thấp cần phải có một điện thế cao để có cường độ dòng điện đủ lớn đủ duy trì nhiệt

độ catôt không đổi

Hình 1.3 Quan hệ giữa ĐIỆN áp với áp suất sử dụng trong thấm nitơ plasma [107]

Thành phần và áp suất khí thấm còn ảnh hưởng trực tiếp và quyết định đến chiềudày plasma Áp suất cao, chiều dày plasma giảm, vùng sáng âm ôm sát bề mặt vật thấm,giảm áp suất vùng này mở rộng và 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] Có thể thấy áp suất có ảnh hưởng rấtlớn đến điện áp và mật độ dòng, cùng một điện áp, áp suất cao thì mật độ dòng cao Mật độdòng kiểm soát lượng khí được ion hóa để bắn phá catốt vì thế ảnh hưởng đến nhiệt độcatôt Mật độ dòng cao, năng lượng nung nóng catôt lớn và ngược lại

Hình 1.4 Quan hệ điện thế – dòng với áp suất khác nhau [36].

Quan hệ giữa điện thế và mật độ dòng điện ở áp suất khác nhau theo [36] đượctrình bày trên hình 1.4 Ta nhận ra mật độ dòng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổicác thông số công nghệ thấm như trong bảng 1.1 [96]

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ lên mật độ dòng [96]

Hướng giảm mật độ dòng ← → Hướng tăng mật độ dòng

thuộc chủ yếu vào áp suất môi trường thấm Cùng một thành phần khí thấm, dưới một điện

áp nhất định, áp suất càng cao thì mật độ dòng càng cao và như vậy nhiệt độ catôt cũng

giảm, sau đó lại tiếp tục tăng Tương tự giá trị điện áp khởi động đạt tối thiểu phụ thuộc ápsuất môi trường thấm

Điện trường (hiệu điện thế giữa anôt và catôt) cũng như điện thế giảm catôt là hàm

số được điều chỉnh phụ thuộc vào áp suất Cũng theo [107], điện trường thay đổi khôngnhiều khi áp suất lớn hơn 800 pa, còn điện thế giảm catốt thì giảm đáng kể khi áp suấttăng 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 thế catôt sẽ tăng năng lượng ion bắn phá (phún xạ) bề mặtgiúp hoạt hóa bề mặt thấm Đây có thể là lý do thông thường thấm nitơ plasma được thựchiện với áp suất < 800 Pa

Hiện nay hầu hết các thiết bị thấm nitơ plasma đều sử dụng nguồn xung cho phépđiều chỉnh năng lượng plasma thông qua đại lượng gọi là chu kỳ làm việc Chu kỳ làm việc

tạo plasma xung, ngay sau khi hình thành plasma điện áp giảm xuống ngay lập tức Nhưvậy có thể tạo được plasma ổn định ngay cả với những điều kiện không thuận lợi nhất như

áp suất cao Với thiết bị thấm nitơ plasma hiện đại, thông qua máy tính cho phép điềukhiển điện thế, chu kỳ xung, thời gian đóng ngắt xung đảm bảo duy trì ổn định plasma vànhư vậy giúp ổn định nhiệt độ

1.1.3.2 Cấu trúc ion trong vùng catốt

Sự hình thành các phần tử hoạt tính có chứa nitơ có ý nghĩa quyết định trước khiquá trình hấp phụ hay khuếch tán có thể xuất hiện Nói cách khác, để có thể thấm nitơ điều

cả ion ở sát bề mặt catôt Hơn nữa mật độ các ion dương hình thành trong vùng catôt

thành phần khác nhau được thể hiện trong bảng 1.2 [93]

Bảng 1.2 Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa [93].

Tóm lại, các phần tử hoạt tính hình thành trong quá trình phóng điện trong môi

làm thay đổi tỷ lệ các phần tử hoạt tính được tạo ra và như thế sẽ làm thay đổi hành vithấm nitơ Đây là một trong những ưu điểm của công nghệ thấm nitơ plasma cho phép thayđổi một số thông số công nghệ thích hợp để tạo ra lớp thấm có những tính chất mongmuốn, như tạo lớp thấm với lớp trắng đơn pha hay thấm không lớp trắng

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

Đặc thù riêng của công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị tường nguội là nguồnnhiệt cung cấp được sinh ra ngay chính trên bề mặt chi tiết Trong điều kiện thấm nitơplasma 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, đặcbiệt thấm những chi tiết phức tạp Hình dạng, kích thước, vị trí cần được lưu ý khi sắp xếpvật thấm trong buồng lò để đảm bảo sự không đồng đều nhiệt thấp nhất Do plasma đượchình thành ngay trên bề mặt vật thấm nên các hiện tượng liên quan tới plasma ảnh hưởngrất lớn đến vật thấm Khuếch đại plasma và hồ quang điện là hai vấn đề có thể xuất hiệngây 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 trongvùng catôt do quá trình ion bắn phá catôt giải phóng ra Bình thường, các điện tử chuyểnđộng ra khỏi bề mặt catôt qua các vùng khác nhau để đến anôt, khả năng va chạm với cácphần tử trung tính là thấp Khi 2 catôt đối diện nhau với khoảng cách đủ nhỏ, electronchuyển 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 động năng lớn, va chạm với các phần tử

của nó là nhiệt độ khí tăng rất cao nóng cục bộ catôt trong thời gian ngắn có thể gây cháyxém, 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 địnhnghĩa là khoảng cách từ bề mặt catốt đến điểm bắt đầu của vùng sáng âm Chiều dàyplasma quyết định xem plasma có thâm nhập vào khe hở giữa các bề mặt, có hình thànhkhuếch đại plasma hay không Chiều dày plasma phụ thuộc vào các điều kiện thấm, đặcbiệt là thành phần và áp suất môi trường thấm Sự phụ thuộc của chiều dày plasma theo ápsuất thể hiện bằng công thức thực nghiệm [38]

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

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, off ) được

÷ 20 ) mm thì hằng số A xấp xỉ bằng 1 [38] Tác giả [62] đã nghiên cứu và đưa ra kết luận,

dòng cao

đường kính lỗ) là D, khi thấm sẽ có các khả năng sau xảy ra (hình 1.5):

Nếu D3= D > (2÷ 4) dc: plasma thâm nhập vào bên trong, không khuếch đại plasma,

bề mặt trong được thấm

Hình 1.5 Các khả năng xảy ra khi thấm Nitơ plasma [36].

Có thể thấy, hiện tượng khuếch đại plasma phụ thuộc vào chiều dày plasma, nhưvậy, trường hợp mô tả trên chỉ ứng với một nhiệt độ, áp suất và loại khí nhất định Khi thay

xung làm việc thì giới hạn xuất hiện khuếch đại plasma có thể thu hẹp [54] Chu kỳ xunglàm việc càng thấp càng ít khả năng xuất hiện khuếch đại plasma Nghĩa là khuếch đạiplasma có thể xuất hiện ở nhiệt độ này, áp suất này thành phần khí này với chu kỳ xunglàm việc này nhưng có thể không xuất hiện ở điều kiện khác Điều này là rất quan trọng đểchúng ta chọn các thông số hợp lý khi thấm các chi tiết có hình dáng phức tạp Về nguyêntắc, chiều dày plasma lớn khi nhiệt độ thấm cao, hàm lượng khí hydro cao (điện áp và dòngcao), chu kỳ xung làm việc cao nhưng áp suất thì thấp [107] Ngoài ra, chiều dày plasma

có thể điều chỉnh giảm bằng cách cho thêm Ar vào hỗn hợp khí thấm [62, 27]

Hình 1.6 [69] là sơ đồ biểu diễn mối liên quan giữa áp suất và đường kính lỗ haykhoảng cách khe hở đến sự hình thành (hay không hình thành) khuếch đại trong điều kiện

thấm nitơ plasma xung

Hình 1.6 Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở [69]

Chiều dày plasma thay đổi khi thay đổi thông số công nghệ như vậy khuếch đạiplasma chỉ xảy ra ở một điều kiện nhất định Nếu không cần thấm các lỗ hay khe hở hẹp

thì chiều dày plasma dc khoảng 6 mm là tốt nhất [46] Khi thấm các sản phẩm có lỗ haykhe hở, cần lựa chọn các thông số công nghệ để có chiều dày plasma phù hợp tránh hiệntượng khuếch đại plasma Thông thường với vật liệu thấm và yêu cầu lớp thấm cho trướcthì các thông số về nhiệt độ, thành phần khí thấm đã được xác định, kiểm soát chiều dàyplasma để tránh khuếch đại plasma chủ yếu thông qua điều chỉnh áp suất thấm.

1.1.4.2 Hiện tượng hồ quang

Hồ quang có nhiệt độ cao làm nung nóng cục bộ chi tiết, rất nguy hiểm và thườngxảy 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 quangsinh ra là do tạp chất hoặc sự không đồng nhất bề mặt catôt gây ra (hình 1.7) Quá trìnhhình thành hồ quang dựa trên tương tác giữa bề mặt bán dẫn của các tạp chất với sự quátrình phóng điện phát sáng Bình thường có một vùng tối catôt ngăn cách vùng sáng âm vớicatôt Khi có tạp chất bán dẫn hay một màng trên bề mặt catôt nó sẽ làm thay đổi vùngsáng âm cũng như vùng tối này Nếu những tạp chất này có kích thước nhỏ hơn chiều dàyvùng tối catôt, thì ảnh hưởng của nó có thể bỏ qua Tuy nhiên, nếu kích thước này lớn hơnthì sẽ gây ra hiện tượng phóng điện hồ quang Điều này đặc biệt lưu ý khi thấm gang hayvật liệu thiêu kết vì các hạt graphit trong gang hay hạt thép trong sản phẩm thiêu kết có thểhoạt động như là những tạp chất

Khi một phần bề mặt catôt dẫn điện kém (ví dụ bị bẩn, tạp chất), vùng này bị tíchđiện 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 biết kiểm soát chặt chẽ thìphóng điện hồ quang một vài điểm có thể giúp làm sạch bề mặt, nhưng cần đặc biệt lưu ýkiểm soát quá trình này và trong mọi trường hợp, không được dùng cách này để thay thếquá 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 nitơplasma thông thường, phóng điện hồ quang có thể xảy ra với bất cứ khi nào các yếu tố khácthuận lợi, tuy nhiên áp suất càng cao khả năng xuất hiện hồ quang càng cao và mức độ nguyhiểm càng lớn Xét về góc độ áp suất có thể giải thích như sau: plasma trong điều kiện thấm

nguyên tử và vì thế mất nhiều năng lượng cho nguyên tử Kết quả là nhiệt độ điện tử giảmcòn nhiệt độ khí tăng, đến một mức áp suất nào đấy sẽ xảy ra cân bằng nhiệt và phóng điện

hồ quang Với các thiết bị hiện đại bao giờ cũng có sensor phát hiện hồ quang

Hình 1.7 Mô tả sự phóng điện hồ quang [36].

1.2 Công nghệ thấm nitơ plasma

1.2.1 Lịch sử phát triển

Thấm nitơ plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý người Đức, Dr Wehnheldt vào năm

1932 Sau đó Wehnheldt và nhà vật lý Dr Bernhard Berghaus cùng nhau nghiên cứu côngnghệ này và thành lập công ty Klocker Ionen GmbH, chế tạo thiết bị thấm nitơ plasma.Công nghệ thấm nitơ plasma của Wehnheldt và Berghaus đã thành công trong các ngànhcông nghiệp Đức trong suốt chiến tranh thế giới thứ II Năm 1950, nhà vật lý Dr ClaudeJones và Dr Derek Sturges, cùng với Stuart Martin phát triển công nghệ thấm nitơ plasmađầu tiên ở Mỹ Mặc dù vậy công nghệ thấm nitơ plasma vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi

vì công nghệ này bị coi là quá phức tạp, quá đắt và không đáng tin cậy Mãi đến năm 1970,công nghệ này mới được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở Châu Âu [11

27, 69, 89]

1.2.1.1 Công nghệ thấm Nitơ plasma

Thấm nitơ plasma được thực hiện trên hệ thống thiết bị được sơ đồ hóa trên hình1.8 bao gồm: (1) là buồng chân không, (2) là hệ thống cấp khí thấm và (3) là nguồn nitơplasma Sản phẩm cần thấm đóng vai trò catốt được đặt trong buồng chân không, thànhbuồng là anôt Catôt chịu điện áp cao và được nung nóng nhờ năng lượng bắn phá trực tiếpcủa các ion lên bề mặt Plasma hình thành giữa catôt và anôt được duy trì bởi các điện tửsinh ra trong vùng catôt do quá trình ion bắn phá catốt Thông thường điện áp 400 - 800 V,

nghệ cơ bản: công nghệ tường nóng (Hot Wall Technology) và công nghệ tường nguội(Cold Wall Technology) Hai công nghệ này bản chất quá trình thấm là như nhau, plasmasinh ra ngay trên bề mặt vật thấm Tuy nhiên công nghệ tường nóng có thêm bộ phận điệntrở để nung nóng, nguồn plasma chỉ dùng để thấm nên mật độ dòng nhỏ khoảng 0,2

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý thấm Nitơ plasma(DCPN, PPN) [73]

Công nghệ tường nóng với ưu điểm sử dụng plasma công suất nhỏ chỉ để cho quátrình 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 sảnphẩm bằng plasma cần nguồn năng lượng plasma lớn gấp nhiều lần năng lượng cần thiết đểthấm nitơ Vì thế công nghệ tường nguội thường đòi hỏi công suất plasma lớn do đó dòngđiện lớn Hiện nay với công nghệ bán dẫn phát triển cùng với việc sử dụng nguồn xung vớidòng lên tới 2000 A, việc sử dụng công nghệ tường nguội trở nên dễ dàng hơn [69].

Trong công nghệ thấm nitơ plasma, sản phẩm thấm đóng vai trò catôt vì thế sảnphẩm tham gia trực tiếp vào việc hình thành plasma Với điện áp khoảng (400-800) V, ápsuất thấm (200-800) Pa rất nhạy với phóng điện hồ quang và khuếch đại plasma Để hạnchế các nhược điểm vừa nêu, nguồn DC xung được sử dụng thay thế nguồn DC đơn thuần.Xung có tác dụng giảm năng lượng lên catôt và như thế cải thiện khả năng đồng đều nhiệt

và hạn chế các hiện tượng vừa nêu Với cùng một mức năng lượng trung bình, nguồn DCxung tạo năng lượng cực đại của mỗi xung cao hơn năng lượng xung của nguồn DC thôngthường Như vậy, plasma xung cho phép phủ kín bề mặt thấm với năng lượng cực đại caonhưng năng lượng trung bình thấp và như thế có thể tránh được nung nóng cục bộ [36].Hiện nay tất cả các thiết bị công nghiệp đều sử dụng nguồn DC xung, có thể tạo đượcplasma ổn định ngay cả với những điều kiện không thuận lợi nhất (áp suất cao, khoảngcách catôt-anôt lớn) [96]

1.2.1.2 Thấm nitơ sau phóng điện (PDN)

Do những hạn chế của công nghệ thấm nitơ plasma, nhiều nghiên cứu cố gắng tìm

ra phương pháp mới Một trong những phương pháp đó là PDN, với sơ đồ nguyên lý đượcthể hiện trên hình 1.9 [73]

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN [73]

Công nghệ này sử dụng nguồn tạo plasma thông thường là nguồn microwave (2.45GHz) Plasma được tạo ra trong 1 ống thạch anh, dòng khí thấm có nhiệm vụ vận chuyểncác phần tử tích điện và những phần tử trung tính (khí bị kích thích bởi plasma) đến bề mặtcần thấm Trong trường hợp này không hề có một điện áp nào được đặt lên sản phẩm, do

đó các phần tử tích điện không có lợi thế hơn các phần tử trung tính Thông thường sảnphẩm được nung nóng bằng một nguồn năng lượng khác trong buồng chân không gần vớinguồn nitơ plasma với khoảng cách tối đa khoảng 1 m [73] Với phương pháp thấm này cầnđiều khiển tốc độ dòng khí đủ lớn và khoảng cách nguồn nitơ plasma và sản phẩm đủ nhỏ đểđưa các phần tử hoạt tính đến được bề mặt thấm trước khi chúng đánh mất động năng Phươngpháp này khó có thể cho ta lớp thấm đồng đều và khó thực hiện trong công nghiệp do đóphương pháp này hiện nay chưa được ứng dụng

1.2.1.3 Thấm nitơ màn chủ động ASPN

Những hạn chế của công nghệ thấm nitơ plasma nguồn 1 chiều chủ yếu do điện ápcao trực tiếp lên chi tiết Để hạn chế nhược điểm này, năm 2000 người ta đã phát minh racông 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 Có thể thấy,khác với DCPN hay PPN, trong công nghệ ASPN chi tiết thấm được đặt cách điện tronghộp 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 Hộp dạng lưới này cóchức năng nung nóng vật thấm bằng bức xạ nhiệt, tạo ra các cá thể hoạt tính chứa nitơ

Có thể thấy, plasma được tạo ra trên bề mặt lưới chứ không phải trực tiếp trên bềmặt chi tiết Plasma nung nóng lưới và từ đây bằng bức xạ nhiệt nung nóng sản phẩmthấm Plasma được tạo ra trên bề mặt lưới được điều khiển làm sao để đi qua bề mặt vậtthấm như vậy sẽ vận chuyển nitơ từ plasma lên trên bề mặt Do plasma không trực tiếphình thành trên bề mặt sản phẩm, nên sản phẩm không bị các hiệu ứng như khuếch đạiplasma, hồ quang

Công nghệ ASPN không phải không có những nhược điểm, nhược điểm lớn nhất làảnh hưởng của khoảng cách từ bề mặt lưới đến bề mặt cần thấm Với khoảng cách khácnhau, khả năng thấm rất khác nhau Hiện nay công nghệ này chưa được ứng dụng rộng rãituy nhiên rất hứa hẹn Đây cũng là một phương pháp cần được quan tâm nghiên cứu

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý 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 mặtthấm, với các điều kiện hóa lý, nhiệt nhất định quá trình thấm nitơ sẽ xảy ra Các tương tácxảy ra đồng thời trong plasma, trên bề mặt tiếp xúc với plasma với vật thấm (hình 1.11)

Tương tác ion-khí đã được mô tả trên, còn lại 2 tương tác ion-bề mặt thấm và khí-bề mặtthấm đóng vai trò quyết định trong quá trình thấm nitơ plasma Trong quá trình thấm nitơplasma, các ion bắn phá catôt một mặt cung cấp nitơ từ plasma lên bề mặt làm tăng hàmlượng nitơ trên bề mặt để hình thành lớp trắng và là động lực cho quá trình khuếch tán nitơ

để hình thành lớp thấm, mặt khác có hiệu ứng phún xạ ngược lại có thể làm giảm hàmlượng nitơ trên bề mặt

Hình 1.11 Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma [83].

- Giải phóng các nguyên tử trên bề mặt catôt (bốc bay các tạp chất đã hấp phụ trên

bề mặt, phân hủy các phần tử khí được hấp thụ trên bề mặt), hiện tượng này được gọi làphún xạ Các điện tử thứ cấp cũng có thể được đẩy ra từ bề mặt chi tiết, các điện tử này có

đủ năng lượng để ion hóa khí, đảm bảo việc duy trì plasma

- Khi va chạm với bề mặt thấm, các ion có thể gây ra một hiệu ứng va chạm giữa cácnguyên tử trong mạng tinh thể, tổ chức lại cấu trúc của vật liệu, tạo ra các khuyết tật và xô lệchmạng trong vùng lân cận của điểm bị tác động, những sai lệch này đóng góp đáng kể đếnkhuếch tán của nitơ Các ion cũng có thể được phản xạ ngược lại do mất mát năng lượng

- Các ion có thể đi sâu vào trong cấu trúc mạng tinh thể của bề mặt catôt, hiệntượng này gọi là cấy ion, tuy nhiên hiếm khi xảy ra ở thấm nitơ vì cấy ion đòi hỏi nănglương cao hơn nhiều so với năng lượng ion có trong thấm nitơ plasma

Năng lượng của ion một phần của được hấp thụ để làm nóng catôt, một phần khácmất đi bởi bức xạ hoặc truyền cho các bức tường (thành buồng làm việc)

1.2.2.2 Cơ chế thấm nitơ plasma

Cơ chế thấm nitơ plasma khác với các quá trình thấm nitơ khác chủ yếu ở quá trìnhvận chuyển nitơ từ môi trường thấm (plasma) vào bề mặt thấm Ngoài ra, các quá trình xảy

ra trong thấm nitơ plasma luôn có tác động của điện trường điện áp 1 chiều, có các ionluôn bắn phá bề mặt thấm sinh ra quá trình phún xạ Quá trình phún xạ ngoài tác dụng làmlàm sạch và hoạt hóa bề mặt còn lấy bớt nitơ ra khỏi bề mặt, đây là một điểm khác biệt nữacủa thấm nitơ plasma Quá trình này tạo ra một lượng lớn các ô trống hay lệch mạng, vì thếquá trình khuếch tán ở trên bề mặt tiếp xúc với plasma xảy ra nhanh hơn so quá trìnhkhuếch tán thông thường [93]

Cơ chế thấm nitơ plasma còn nhiều ý kiến, thậm chí còn trái ngược nhau, tuy nhiên

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 liênkết với nguyên tử sắt được phún xạ ra khỏi bề mặt để tạo thành nitrit 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 chếthấm nitơ plasma Đầu tiên 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: hổn hợp khí có chứa nitơ sau khi bị ion hoátạo ra những ion mang điện tích dương và những phần tử bị kích thích Các ion dươngđược tăng tốc trong vùng catôt, bắn phá catôt làm “bắn ra” Fe bị phún xạ ra khỏi bề mặt,gây ra phát xạ điện tử và làm nóng catôt Các nguyên tử kết hợp với nguyên tử nitơ tạo racác nitơrit quay trở lại bề mặt catôt Trong trường hợp catôt là thép các phản ứng xảy ratrên 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

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 điềukiện để nitơ khuếch tán qua bề mặt Quá trình này gọi là phún xạ

Theo cơ chế phún xạ, đầu tiên là hình thành nitrit FeN không bền vững, nitride này

sẽ hấp phụ trở lại trên bề mặt catôt và do không bền vững lại tiếp tục phản ứng với nguyên

thành lớp thấm Cơ chế phún xạ được trích dẫn nhiều nhất, tuy nhiên không phải là cơ chếduy nhất để thấm nitơ vì thấm nitơ plasma có thể thực hiện mà không cần quá trình phún

xạ Mặc dù vậy, nitrit FeN quan trọng nhất trong model này không được thể hiện trong

nghiên cứu về công nghệ này vẫn chấp nhận đây là cơ chế quan trọng trong quá trình hìnhthành lớp thấm

Ngoài các ion dương, thì các phần tử trung tính cũng có vai trò trong việc vậnchuyển nitơ từ plasma đến bề mặt, trong trường hợp này cơ chế thấm được mô tả theo môhình Marchand (hình 1.13) [36] Theo mô hình này các cá thể nitơ hoạt tính như nguyên tử

trong Cùng với đó, nguyên tử Fe và các nguyên tử khác bị phún xạ ra khỏi bề mặt kết hợpvới phân tử khí hình thành các replace và kết tủa trở lại bề mặt

Hình 1.12 Cơ chế thấm theo mô hình Kolbel [11, 27, 93]

Hình 1.13 Các cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt lớp thấm [36]

Vai trò của các phần tử trung tínhđược kích thích trong công nghệ thấm nitơ plasma cũngđược Ricard [17, 18] khẳng định Tuy nhiên, cơ chế này vẫn còn nhiều thắc mắc, bởi vì khi

thì hiệu quả thấm nitơ cũng thấp Vai trò của hydro trong quá trình thấm nitơ plasma cũngrất 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 – ôtrống, 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 thấmnitơ 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 racùng một lúc trong plasma, trên bề mặt và cả trong vật thấm Cơ chế trao đổi vật chất trongquá trình DCPN, PPN còn nhiều ý kiến thậm chí còn trái ngược nhau Tuy nhiên có thể nói

thấm Các ion bắn phá catôt một mặt vận chuyển nitơ từ plasma lên bề mặt làm tăng hàmlượng nitơ trên bề mặt, mặt khác có hiệu ứng phún xạ ngược lại làm giảm hàm lượng nitơtrên bề mặt Như vậy cơ chế hình thành lớp thấm nitơ plasma có là kết quả của nhiều cơchế khác nhau, kết hợp đồng thời của các cơ chế vừa nêu

1.2.3 Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma

Tương tự như các phương pháp thấm nitơ khác, thấm nitơ plasma cũng bao gồm 3quá trình chính đó là:

- 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

Quá trình hình thành các phần tử hoạt tính mang nitơ trong công nghệ thấm nitơplasma đã được đề cập ở phần 1.1.3.3 Quá trình cố định nitơ lên bề mặt có đặc thù riêngcủa công nghệ thấm nitơ plasmasẽ được đề cập ở mục này Quá trình vận chuyển nitơ từ bềmặt vào bên trong vật thấm với các công nghệ thấm nitơ khác nhau không khác nhau nhiềucũng sẽ được đề cập tiếp theo

1.2.3.1 Quá trình vận chuyển N từ môi trường thấm đến bề mặt vật thấm

Quá trình vận chuyển nitơ từ môi trường thấm vào bề mặt thấm để hình thành lớpthấm là điểm khác nhau cơ bản giữa các công nghệ thấm nitơ Với công nghệ thấm nitơplasma, 3 quá trình này là kết quả của hàng loạt các phản ứng xẩy ra đồng thời trongplasma, trên bề mặt và trong vật thấm Quá trình vận chuyển nitơ từ plasma vào bề mặtthấm là kết quả của những phản ứng của các phần tử hoạt tính chứa nitơ trong plasma với

bề mặt thấm Các phản ứng này sẽ quyết định hoạt độ của nitơ trong plasma và sản sinh racác phần tử hoạt tính chứa nitơ cần thiết để rồi vận chuyển vào bề mặt thấm Vận chuyểnnitơ từ môi trường thấm vào bề mặt vật thấm được thực hiện bằng tổng hợp của các cơ chếđược vừa trình bày ở phần 1.2.2.2 Đồng hành với quá trình vận chuyển nitơ vào bề mặtthấm, một quá trình thoát nitơ khỏi bề mặt thấm cũng xẩy ra do quá trình phún xạ

Như vậy có thể mô tả quá trình thấm nitơ plasma một cách đơn giản bằng 2 quátrình nitơ đến và nitơ đi thông qua một phương trình đơn giản [105, 106]:

cấp N, B là hằng số xác định bởi các phản ứng mất nitơ (phún xạ), ρ là tỷ trọng vật liệuthấm Hai hằng số A, B được xác định bằng thực nghiệm, ví dụ thông qua việc xác địnhhàm lượng % N tổng và phân bố % N trong lớp thấm bằng quang phổ phát xạ

Trên cơ sở phương trình vừa nêu, Sun [105, 106] đã đưa ra mô hình thấm nitơplasma cho thép hợp kim thấp TCVN Theo mô hình này, quá trình cấp nitơ cho bề mặtthấm làm tổng % N bề mặt và % N bề mặt trong ferit tăng theo thời gian cho đến khi bảo

hòa, sau đó giử không đổi mặc dù thời gian tăng Điểm dừng này ứng với thời gian t1 gắn

Các thí nghiệm còn cho thấy, lượng nitơ trong lớp thấm tỷ lệ thuận với thời gianthấm, ban đầu là tỷ lệ tuyến tính, sau đó là parabol Quan hệ tuyến tính cho thấy ban đầu

của quá trình thấm hệ số B ~0, khi đó phương trình thấm nitơ (trước khi hình thành lớptrắng) có dạng:

không lớp trắng, một ưu điểm của công nghệ thấm nitơ plasma

Với một điều kiện thấm nhất định sẽ tồn tại một thế nitơ tới hạn mà ở đó tồn tạiranh giới hình thành hay không hình thành lớp trắng Ranh giới này được gọi là ngưỡng

thuộc vào thời gian do luôn tồn tại khoảng thời gian ấp ủ để bề mặt được bão hòa nitơ Với

dựng đường thế thấm nitơ này rất phức tạp và tốn thời gian, vì thế thấm nitơ chỉ đúng vớimột loại vật liệu và ở một nhiệt độ thấm nhất định Các nghiên cứu [105, 106] chỉ ra rằng,với thấm Nitơ plasma đường ngưỡng thế thấm nitơ có xu hướng dịch chuyển xuống dưới khităng nhiệt độ, ngược với thấm nitơ thể khí khi đường này dịch chuyển lên phía trên

Sự hình thành và phát triển lớp trắng phụ thuộc nhiệt độ, thời gian và hoạt tính của

đường parabol chỉ trong thời gian đầu trước khi đạt được một giá trị giới hạn, sau đó khôngphát triển nữa Hiện tượng này xuất hiện do quá trình phún xạ, một đặc trưng của côngnghệ thấm nitơ plasma Dựa theo mô hình của Sun [105, 106], khi đưa thêm ảnh hưởng

Khác với thấm thể khí khi mà tốc độ phún xạ bằng 0 chiều dày lớp trắng tỷ lệ thuận vớithời gian, khi thấm nitơ plasma, phụ thuộc vào tốc độ phún xạ, đến một thời gian nào đấychiều dày lớp trắng không tăng thậm chí có thể giảm

Như vậy, chiều dày lớp trắng chịu ảnh hưởng của cả hợp 2 yếu tố, khuếch tán vàphún xạ Tổng hợp cả 2 yếu tố vừa nêu, tác giả [27, 36] đưa ra phương trình tính toán chiềudày lớp trắng Z như sau:

plasma có lợi thế trước các phương pháp thấm khác

Quá trình vận chuyển nitơ nguyên tử từ môi trường thấm vào bề mặt thấm làm tăngnitơ bề mặt tạo nên một gradient nồng độ nitơ làm động lực cho quá trình nitơ khuếch tán

vào bên trong hình thành lớp khuếch tán Chiều sâu lớp khuếch tán phụ thuộc vào gradientnồng độ nitơ, nhiệt độ cũng như thời gian thấm Người ta đã chứng minh khi thế nitơ ởkhoảng nhất định thì chiều sâu lớp khuếch tán không bị ảnh hưởng nếu tăng thế thấm nitơtrong khoảng này mặc dù chiều dày và hàm lượng nitơ lớp trắng sẽ tăng [36, 105] Khi lớp

bằng về lượng nitơ ở biên giới này luôn được duy trì nên hàm lượng nitơ ở đây là không

nitơ bề mặt sẽ thấp hơn vì thế sẽ làm giảm chiều sâu lớp khuếch tán Sơ đồ mô tả sự hìnhthành lớp thấm nitơ plasma thông qua sự phân bố nitơ được nhiều tác giả đưa ra thể hiệntrên hình 1.14

Hình 1.14 Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma [106].

Trong sơ đồ này, quá trình phún xạ do các ion bắn phá bề mặt gây nên đã được tínhđến Sự bắn phá này làm cho quá trình hình thành lớp trắng khác so với quy luật parabol.Lớp trắng chịu ảnh hưởng đồng thời của quá trình vận chuyển nitơ đến bề mặt và sự phún

xạ nitơ ra khỏi bề mặt

Nhiều nghiên cứu đã mô hình hóa quá trình thấm, tuy nhiên đa số tập trung vàothấm lên Fe V Dimitrov [98, 99] sử dụng sự phân bố nitơ theo chiều sâu lớp thấm để mô

coi là dưới lớp cuối cùng Hosseini [86] đã kết hợp tính toán theo lý thuyết và làm thínghiệm để xác định chiều dày lớp trắng hình thành trên vật liệu sắt Fe khi thấm nitơplasma X Lifang [103] đã xây dựng mô hình toán học sự phát triển lớp thấm dựa trên sựphân bố hàm lượng nitơ với các điều kiện thấm nitơ plasma khác nhau đối với sắt Fe, thép

45, 40Cr, 42CrMo và 38CrMoAl

Tóm lại có nhiều mô hình mô tả quá trình thấm nitơ plasma, tuy nhiên các mô hìnhnày phần lớn đã đơn giản hóa với nhiều giả thiết được chấp nhận và hầu như chưa tính đếncác phản ứng đồng thời xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma nên ứng dụng thực tếkhông cao Tuy nhiên các mô hình này cho ta hiểu sâu hơn về quá trình hình thành lớp

thấm từ đó giúp lựa chọn được những thống số thấm thích hợp với từng yêu cầu cụ thể

1.2.3.2 Quá trình vận chuyển nitơ từ bề mặt vào bên trong vật thấm

Quá trình vận chuyển nitơ từ bề mặt vào bên trong vật thấm tuân theo các định luậtkhuếch tán, quá trình này xảy ra liên tục chừng nào nhiệt độ còn đủ cao và có sự cung cấpnitơ nguyên tử từ bề mặt Lớp thấm được hình thành và phát triển nhờ quá trình vận chuyểnnitơ từ môi trường thấm vào bề mặt và quá trình khuếch tán nitơ nguyên tử từ bề mặt vàobên trong Thông thường lớp thấm được hình thành bao gồm lớp trắng ngoài cùng, tiếp đến

là lớp khuếch tán (hình 1.15), tuy nhiên cũng có thể tạo được lớp thấm chỉ có lớp khuếch tán

Hình 1.15 Sơ đồ hình thành lớp thấm [33]

Khi thấm sắt (Fe) hoặc thép quá trình hình thành cấu trúc lớp thấm được mô tảtương đối chi tiết dựa trên cơ sở giản đồ pha Fe-N (hình 1.16 ) trong các tài liệu [9, 53]

Hình 1.16 Giản đồ pha Fe-N [53]

Khi thấm nitơ lên thép chứa các nguyên tố hợp kim, quá trình hình thành lớp thấmphức tạp hơn nhiều Nếu các nguyên tố hợp kim có ái lực mạnh với nitơ như Al,Ti, V, Cr,ngay khi quá trình thấm bắt đầu, nitơ nguyên tử hấp phụ trên bề mặt khuếch tán vào trong

sẽ liên kết với các nguyên tố này để tạo thành các nitrit Với các nguyên tố hợp kim có áilực yếu hơn với nitơ như Mn,Si, quá trình hình thành các nitit hợp kim và nitrit sắt tranhchấp nhau [33, 106]

Nếu nguyên tố hợp kim tạo thành cacbit, thông thường các cabon này tập trungnhiều ở biên giới hạt (ví dụ với thép SKD61 là Cr23C6, Mo2C, V4C3), một số phân bố

trong hạt nền ferit (mactenxit) Nguyên tử nitơ được hấp thụ trên bề mặt thép sẽ khuếch tánvào bên trong chủ yếu theo biên giới hạt Nếu có các cacbit ở biên giới hạt, theo nguyên tắccacbit kém bền vũng hơn nitrit, sẽ có sự thay thế dần các nguyên tử C bằng nguyên tử nitơtạo thành nitrit và các cacbonitrit [33, 53, 105] Nguyên tử cacbon được giải phóng, một

nền Khi nồng độ nitơ ở biên giới hạt tăng, bên cạnh hình thành các nitrit tại biên hạt, cácnguyên tử N còn khuếch tán vào trong hạt Cùng lúc đó, khi đã hình thành hết các nitrit,

Như vậy, khi thấm thép hợp kim, nitơ nguyên tử khuếch tán vào trước hết liên kếtvới các nguyên tố hợp kim (có ái lực mạnh với nitơ) tạo thành các nitrit mịn và như vậyhình thành lớp khuếch tán Nếu còn thừa nitơ và đạt mức bảo hòa mới hình thành lớp trắng(nitrit sắt) Lớp trắng xuất hiện muộn hơn và lượng nitơ (từ đó nồng độ %N) cũng cao hơn

so với thấm Fe và thép C Có thể thấy, nitơ nguyên tử trong lớp khuếch tán tồn tại 2 dạng

đó là trong dung dịch rắn α-Fe và trong các nitrit

Về nguyên tắc, hầu hết các loại thép đều có thể thấm nitơ được Tuy nhiên hiệu quảnhất là những thép có chứa các nguyên tố tạo nitrit như Cr, Mo, V và Al, ví dụ 722M24(En40B), 905M39 (En41B) và 709M40 (En19) theo BS 970 Thép không gỉ và thép dụng

cụ như thép bền nóng, thép làm khuôn dập nguội, thép làm các loại khuôn cũng tăng khảnăng chịu mài khi được thấm nitơ Khi công nghệ thấm nitơ plasma chưa phát triển thì việcthấm thép không gỉ bị hạn chế bởi khả năng thấm rất thấp Gang hay vật liệu thiêu kếtkhông thể thấm bằng công nghệ thấm thể khí hoặc thể lỏng Công nghệ thấm nitơ plasmacho phép thấm bất kỳ vật liệu nào Mỗi loại thép có đặc tính thấm riêng phụ thuộc vàothành phần hóa học và tổ chức tế vi

Thành phần hoá học của thép thấm

Thành phần hoá học mà chủ yếu là % Cacbon và hàm lượng các nguyên tố hợp kim

có ảnh hưởng lớn đến tốc độ thấm và độ cứng lớp thấm Cacbon có ảnh hưởng mạnh đếnquá trình khuếch tán nitơ trong thép, hàm lượng Cacbon càng cao thì khả năng khuếch táncủa nitơ trong thép càng giảm và ngược lại

Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim thông dụng trong thép lên độ cứng củalớp thấm được thể hiện trên hình 1.17 Các đường cong trên hình 1.17 cho thấy, cácnguyên tố hình thành nitrit như Al, Cr, Ti có xu hướng làm tăng mạnh độ cứng lớp thấm.Các nguyên tố V, Mo và Ni hầu như không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng lớp thấm

Hình 1.17 Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm [53]

Ngược lại với độ cứng, chiều sâu lớp thấm có xu hướng giảm khi tăng hàm lượngcác nguyên tố hợp kim (hình 1.18) Nguyên nhân làm chậm quá trình khuếch tán nitơ cóthể giải thích một cách đơn giản là do các nguyên tố này đã tạo thành nitrit làm cản trởkhuếch tán nitơ

Hình 1.18 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm [539].

Từ hình 1.17 và 1.18, có thể dễ dàng nhận thấy Al và Ti là 2 nguyên tố có ảnhhưởng lớn đến khả năng tăng độ cứng và giảm tốc độ khuếch tán của nitơ (kết quả là giảmchiều sâu lớp thấm) Theo [53], để cân bằng hiện tượng này, 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

Tổ chức tế vi

Thông thường, thép trước khi thấm đã được nhiệt luyện, nghĩa là đã được tôi và

Ảnh hưởng này được thể hiện theo 2 cách [53]: (1) khả năng khuếch tán nitơ tăng khi hàmlượng ferit tự do tăng, (2) khả năng khuếch tán nitơ và độ cứng tăng khi hàm lượng cacbitgiảm Kích thước hạt và sự phân bố cacbit có ảnh hưởng đến độ bóng bề mặt sau khi thấm.Với kích thước hạt tăng, các nitrit được tiết ra thành những dải rộng dọc biên giới hạt Khicacbit đã được tiết ra trên biên giới hạt, nitơ khuếch tán vào sẽ kết hợp để tạo thànhcacbon-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 giớihạt và hình hành một rào cản gồm những cacbit và nitơrit hình thành khe 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 so với trong lòng hạt.Như vậy tổ chức hạt mịn tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình khuếch tán do lúc nàydiện tích bề mặt cũng như biên giới hạt đều tăng

bề mặt có khả năng thấm tốt hơn thép được tôi và ram cao (hình 1.19) [53]

Hình 1.19 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm

(thấm nitơ plasma520 o C/8h, thép En29B) [53].

1.2.4 Các thông số chính của công nghệ thấm nitơ plasma

1.2.4.1 Chu trình thấm nitơ plasma

Một chu trình công nghệ thấm điển hình được thể hiện trên hình 1.20

Toàn bộ quá trình thấm có thể đơn giản được chia thành các bước sau:

Hình 1.20 Quy trình thấm nitơ plasma điển hình

Quá trình nung nóng 1, nung nóng 2 liên quan đến sự hình thành và duy trì plasma.Trong các quá trình này, điện áp, xung on, xung off và áp suất là các thông số quan trọng.Tất cả các thông số này được lựa chọn chủ yếu dựa vào hình dáng kích thước, các sắp xếpsản phẩm Thông số cần đặc biệt lưu ý là áp suất, cần phải lựa chọn áp suất thấm hợp lýđảm bảo plasma phải bao phủ toàn bộ bề mặt cần thấm mà không gây ra hiện tượngkhuếch đại plasma hoặc hiện tượng hồ quang Áp suất trong mối tương quan với điện áp,nhiệt độ, thành phần khí thấm đã trình bày ở phần 1.1.3

Quá trình thấm sẽ được đề đề cập sâu hơn trong phần 1.2.3.3

Phún xạ là quá trình làm sạch bề mặt, đây là một đặc điểm riêng của công nghệ thấm

trộn thêm khí Ar để tăng tỷ trọng hỗn hợp và nâng cao khả năng làm sạch Tuy nhiên lưu ýkhông nên dùng quá nhiều Ar, thường tối đa 10 % Ar [27] Nhiệt độ và thời gian làm sạchcũng cần cân nhắc, thông thường có thể chia quá trình này thành nhiều bước như ở nhiệt

1.2.4.2 Các thông số công nghệ chính

Để thấm nitơ plasma thành công, cần: hình thành và duy trì một môi trường thấm(plasma) ổn định và chứa đủ các phần tử hoạt tính mang nitơ, tạo ra điều kiện thuận lợi choquá trình vận chuyển nitơ từ môi trường thấm đến bề mặt và điều kiện thuận lợi để nitơkhuếch tán vào bên trong chi tiết thấm Để làm được điều này, cần xác định đúng đắn cácthông số thiết bị và lựa chọn hợp lý các thông số công nghệ Các thông số thiết bị bao gồmđiện áp, mật độ dòng, chu kỳ xung và thời gian xung đóng, xung ngắt Ảnh hưởng của cácthông số thiết bị này đến đồng đều nhiệt, hiện tượng khuếch đại plasma, hiện tượng hồquang đã được đề cập ở phần 1.1.3 và 1.1.4 Các thông số công nghệ là các thông số ảnhhưởng trực tiếp đến sự hình thành cũng như đặc tính của lớp thấm

Tính chất của một sản phẩm thép thấm nitơ plasma được xác định bằng độ cứng,phân bố độ cứng, cấu trúc của lớp thấm (lớp trắng và lớp khuếch tán) Nếu không tính đến

yếu tố nội tại là thành phần và tổ chức vật liệu thấm (thường đã được xác định trước, nằmngoài ý muốn của người thấm), ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ thấm được thể hiện

gian, HV là độ cứng Vickers, Dec là thoát cácbon [102]

Như vậy có thể thấy nhiệt độ, thời gian, thành phần khí thấm là các thông số côngnghệ ảnh hưởng chính đến đặc tính lớp thấm Ngoài ra thông số áp suất khí thấm ảnhhưởng rất lớn đến hình thành duy trì plasma nên cũng có ảnh hưởng đến hình thành và đặtính lớp thấm Như vậy có thể khẳng định bốn thông số công nghệ chính của quá trìnhthấm nitơ plasma là nhiệt độ, thời gian, thành phần và áp suất khí thấm, điều này cũng phùhợp với các nghiên cứu [11, 19, 27, 56, 75, 95, 96, 102, 105] Ảnh hưởng của bốn thông sốnày sẽ được đề cập dưới đây

Bảng 1.3: Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm [105]

Nhiệt độ thấm được lựa chọn trước tiên dựa vào tính chất của vật liệu thấm, sau đómới là yêu cầu về lớp thấm Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến chiều sâu lớp thấm, nhiệt độcao hệ số khuếch tán cao như vậy tốc độ thấm nhanh và chiều sâu lớp thấm lớn Hệ sốkhuếch tán tỷ lệ thuận với nhiệt độ theo quy luật Arrhenius, hệ số khuếch tán của nitơ trongmột số pha được thể hiên qua các công thức [86]:

cả hai Trong trường hợp này không chỉ mật độ dòng cao mà mật độ nitơ trên bề mặt cũngcao, điều này có thể là nguyên nhân chiều dày lớp trắng cao

Do có quá trình phún xạ nên khác với thấm nitơ thể khí, thấm nitơ plasma đến mộtthời gian nào đó chiều dày lớp trắng sẽ không tăng mà thậm chí giảm Điều này phụ thuộcvào các thông số thấm khác như nhiệt độ, thành phần và áp suất khí thấm Ví dụ về chiều

nhau được thể hiện trên hình 1.21 [27]

Hình 1.21: Chiều dày lớp trắng, 530 o C, thép 3%Cr-Mo-V

(1): 50 % N 2 +% 50 % H 2 và (2): 15 %N 2 +85 % H 2 [27]

Thành phần khí thấm

Thành phần chủ yếu của khí thấm là khí hydro và nitơ, có thể thêm khí Ar hoặc một

lượng nhỏ (khoảng 1 đến 5%) khí có chứa C (như metal, propan, oxit cacbon, lúc này gọi

là thấm N-C) Tỷ lệ các loại khí này được thay đổi dễ dàng tùy theo từng yêu cầu cụ thể,đây là điểm nổi bật của công nghệ thấm Nitơ plasma Trong quá trình thấm, các phần tửhoạt tính sinh ra trong vùng catôt đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lớp thấm

thành phần khí thấm cũng như điều kiện thấm đã được đề cập ở phần 1.1.2

Thành phần khí thấm có ý nghĩa quan trọng quyết định thành phần và bản chất lớpthấm, đặc biệt là thành phần tổ chức lớp trắng Thấm Nitơ plasma được cho là phươngpháp thấm có thể thực hiện với thế nitơ thấp và không hình thành lớp trắng dày [11] Điềuchỉnh thay đổi thành phần khí thấm cho phép nhận được lớp thấm có thành phần mongmuốn đáp ứng yêu cầu từng ứng dụng cụ thể Có thể cho phép nhận được tổ chức lớp

đóng vai trò chính đến sự hình thành lớp trắng Với các vật liệu khác nhau, ảnh hưởng của