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

MỞ ĐẦU Thấm nitơ công nghệ hóa nhiệt luyện đưa nitơ vào bề mặt chi tiết tạo lớp thấm bề mặt có độ cứng cao tăng tính chịu mài mòn Lớp thấm tạo ứng suất nén bề mặt qua làm tăng giới hạn mỏi chi tiết Thấm nitơ ứng dụng rộng rãi để thấm sản phẩm khí đòi hỏi chất lượng cao, có loại khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61 như: khuôn rèn, khuôn đùn nhôm, khuôn đúc áp lực nhôm Thấm nitơ tiến hành trạng thái lỏng, khí plasma từ ta có công nghệ thấm nitơ thể lỏng, thể khí thấm nitơ plasma Thấm nitơ thể lỏng có ưu điểm thời gian thấm ngắn chất lượng lớp thấm tương đối cao, phải sử dụng muối nóng chảy gốc xyanua, xianat thường gây ô nhiễm môi trường nên ngày sử dụng Thấm nitơ thể khí sử dụng nhiều chi phí thiết bị ban đầu thấp dễ vận hành Chất thấm NH3 lưu thông liên tục bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ nguyên tử cho trình thấm Việc sử dụng khí động (liên tục bơm khí vào thoát khí ra) bắt buộc để trì trình thấm Tuy nhiên lượng nhỏ khí (vài phần trăm) tham gia vào trình thấm, lại phải thải môi trường gây ô nhiễm môi trường tốn kém, nhược điểm lớn phương pháp Để giải vấn đề bảo vệ môi trường, thấm nitơ plasma coi công nghệ tiên tiến thay thấm nitơ thể khí Khác với thấm thể khí sử dụng amoniac phát thải khí có hại, thấm nitơ plasma sử dụng hỗn hợp khí H2 N2 với tiêu hao nhiều từ giảm chi phí phát thải nên thân thiện môi trường Tính cấp thiết đề tài Công nghệ thấm nitơ plasma công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường, có nhiều tiềm phát triển Trên giới, công nghệ thấm nitơ plasma nghiên cứu nhiều, chủ yếu sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma xung Ở Việt Nam, có thiết bị thấm nitơ plasma xung, thiết bị tường lạnh tường nóng Công nghệ thấm nitơ plasma nghiên cứu chưa nhiều, nhiều công trình nghiên cứu công bố Ngày nay, vấn đề bảo vệ môi trường chủ đề xã hội quan tâm giải Hơn nhờ ưu điểm kiểm soát tổ chức lớp thấm, công nghệ thấm nitơ plasma lựa chọn nhiều nhà sản xuất khuôn, đặc biệt khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61 Hiện đơn vị có thiết bị thấm nitơ plasma thực thấm theo hướng dẫn nhà cung cấp thiết bị nên ứng dụng hạn chế chất lượng không ổn định, chí nhiều chi tiết bị phá hỏng khuếch đại plasma Để đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng cho sản phẩm có kết cấu phức tạp khuôn bền nóng đòi hỏi cần có hiểu biết chắn khuếch đại plasma để tránh hiểu biết sâu chế hình thành, cấu trúc lớp thấm nitơ plasma để nhận lớp thấm mong muốn Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Xác định điều kiện hình thành khuếch đại plasma thông qua việc xác định chiều dày plasma giúp có hiểu biết chắn tượng từ kiểm soát - Hoàn thiện chế hình thành lớp thấm, ảnh hưởng số thông số công nghệ đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma cho thép dụng cụ hợp kim bền nóng SKD61 Ý nghĩa thực tiễn: - Kiểm soát tượng khuếch đại plasma, đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng sản xuất đễ dàng hơn, đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất với công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường - Kiểm soát tổ chức lớp thấm, đặc biệt lớp trắng mở khả ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61 Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu làm chủ, kiểm soát trình thấm niơ plasma thiết bị thấm tường nguội NITRION để không xuất khuếch đại plasma tạo lớp thấm niơ thép SKD61 có tính chất mong muốn Những đóng góp luận án (dự kiến) Xây dựng phương pháp xác định chiều dày plasma từ hình ảnh cấu trúc plasma ghi sử dụng camera ghi hình qua cửa sổ quan sát Xác định thực nghiệm chiều dày plasma dc [mm] phụ thuộc áp suất p [Pa] điều kiện thấm cụ thể Đề xuất xếp sản phẩm buồng lò đảm bảo tận dụng tối đa không gian lò không hình thành khuếch đại plasma Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi thiết kế thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ đến hình thành lớp thấm trình thấm nitơ plasma thép SKD61 Đề xuất khái niệm số tốc độ thấm nitơ plasma K cho thép SKD61 thực nghiệm xác định số để tính toán chiều sâu lớp thấm áp dụng thực tế sản xuất Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập tài liệu nước liên quan đến công nghệ thấm nitơ plasma từ đề hướng nghiên cứu Thiết kế mẫu quan sát, chụp ảnh plasma để xác định chiều dày plasma điều kiện hình thành khuếch đại plasma Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để thiết kế đánh giá thực nghiệm ảnh hưởng số yếu tố đến hình thành đặc trưng lớp thấm Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương 2: Phương pháp thiết bị nghiên cứu Chương 3: Kết bàn luận Kết luận hướng nghiên cứu tiếp Danh mục công trình công bố Tài liệu tham khảo Phụ lục CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu Thấm nitơ plasma ứng dụng plasma nguội hình thành từ môi trường hỗn hợp khí có chứa N2 với áp suất thấp vài trăm pascal (Pa) điện áp cao vài trăm vôn [11, 27, 36, 93, 94] Trong điều kiện khí bị kích thích, ion hóa tạo phóng điện phát sáng xuất thuật ngữ thấm nitơ phóng điện phát sáng (glow discharge nitriding) hay thấm nitơ ion hóa (ion nitriding) hay thấm nitơ plasma (plasma nitriding) Toàn trình thấm nitơ plasma liên quan mật thiết tới plasma hiểu biết đầy đủ tượng xảy trình hình thành trì plasma giúp ta lựa chọn thông số công nghệ thích hợp để dễ dàng kiểm soát trì ổn định plasma Song song với việc kiểm soát trì plasma ổn định, cần lựa chọn thông số công nghệ thấm hợp lý để nhận lớp thấm có tính chất mong muốn hiệu 1.1 Plasma sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma 1.1.1 Khái niệm plasma Plasma trạng thái thứ vật chất (rắn, lỏng, khí plasma), thực chất hỗn hợp khí ion hóa Plasma bao gồm ion dương, điện tử tích điện âm phần tử (nguyên tử, phân tử) trung tính Các phần tử tích điện âm dương cân nên hỗn hợp trung tính Do có chứa phần tử tích điện nên plasma có có tính dẫn điện cao [21, 23, 27, 89] Thông thường plasma chia thành loại: plasma nhiệt độ cao plasma nhiệt độ thấp, nhiên phân chia chưa thực rõ ràng Để phân biệt rõ ràng hơn, plasma chia thành nhóm: plasma cân nhiệt (Local Thermal Equiblium LTE) plasma không cân nhiệt (Non-LTE) Plasma cân nhiệt tạo điều kiện áp suất gần cao áp suất khí quyển, plasma không cân nhiệt hình thành áp suất thấp áp suất khí [14, 15, 65] Khi áp suất cao, có nhiều va chạm phần tử hỗn hợp khí (nguyên tử, phân tử, ion điện tử) dẫn đến khả trao đổi lượng phần tử đủ để cân nhiệt độ, nghĩa nhiệt độ tất phần tử hỗn hợp khí (Te = Tion=Tgas), lúc ta có plasma cân nhiệt [14, 15] Thông thường cần nhiệt độ cao để hình thành plasma cân nhiệt Ví dụ, điều kiện áp suất khí quyển, để tạo plasma cân nhiệt cần nhiệt độ cao khoảng 4.000oK đến 20.000oK tùy loại khí [14, 15, 96], plasma cân nhiệt thường plasma nhiệt độ cao Trong điều kiện áp suất thấp, có va chạm xảy phần tử đủ trao đổi lượng cần thiết dẫn đến nhiệt độ phần tử khác Điện tử nhẹ nhiều so với ion phân tử trung tính, linh hoạt, phản ứng nhanh với thay đổi trường điện từ nhận lượng cao E = ÷ 10 eV (trung bình eV tương đương nhiệt độ 23.000oK [14, 15]) Các phần tử trung tính có lượng thấp E ~ 0,025 eV (tương đương nhiệt độ môi trường 293oK) Như trường hợp áp suất thấp, Te >> Tion >> Tgas ta có plasma không cân nhiệt [14, 15, 93] Do nhiệt độ khí Tgas thấp nhiều so với nhiệt độ điện tử từ nhiệt độ tổng thể plasma thấp loại plasma gọi plasma nhiệt độ thấp hay plasma khí, plasma nguội, loại plasma sử dụng trong trình thấm nitơ plasma Nguồn sinh plasma nhiệt độ thấp nguồn điện chiều (Direct Current DC), ta có plasma phóng điện phát sáng chiều (DC-GD hay DC plasma), nguồn tần số radio (rf ~13,56 Mhz) ta có plasma tần số radio (RF plasma) nguồn microwave 2,45 GHz ta có microwave plasma (MI plasma) [65] Sau thuật ngữ plasma hiểu plasma nhiệt độ thấp không cân nhiệt, sinh phóng điện phát sáng nguồn điện chiều Plasma nhiệt độ thấp ứng dụng rộng rãi công nghiệp nhờ vào tính không cân nhiệt Do không cân nhiệt nên có nhiều phương án khả để tạo plasma có tính chất khác cách thay đổi thông số đầu vào, ví dụ [40, 93]: - Thay đổi thành phần đầu vào (thành phần loại khí thấm) - Thay đổi áp suất (từ 0,1 Pa đến áp suất khí quyển) - Thay đổi cấu trúc trường điện từ - Thay đổi xung điện Plasma sinh điều kiện phóng điện phát sáng chứa điện tử với lượng trung bình khoảng (1÷10).10-17 J, cao lượng cần thiết để phân hủy phần tử chứa nitơ (1,52.10-18 J) hay lượng để ion hóa khí nitơ (2,5.10-18 J) [40, 93] Nhiệt độ điện tử vào khoảng 104 đến 105 oK mật độ khoảng 1015 đến 1018 điện tử/m3 [93] Nhiệt độ điện tử cao gấp khoảng 10 đến 100 lần nhiệt độ khí Với điều kiện thực phản ứng hóa học nhiệt độ gần nhiệt độ môi trường điện tử tự vài ion có đủ lượng để phá vỡ liên kết cộng hóa trị châm ngòi cho trình tổng hợp [93] 1.1.2 Plasma phóng điện phát sáng 1.1.2.1 Sự hình thành plasma Plasma nhiệt độ thấp hình thành cần có ba yếu tố chính: (1) điện trường có cường độ cao (trên vài trăm vôn), (2) môi trường khí, (3) áp suất thấp (vài trăm Pa) [11, 36, 93] Trong điều kiện này, tuỳ theo độ dẫn điện khí sử dụng, catôt anôt hình thành mật độ dòng định đủ lượng để kích thích khí tạo plasma Khác với phản ứng thông thường, trình hình thành plasma xảy theo chế phản ứng dây chuyền Sự hình thành plasma giải thích dựa vào đường cong Paschen biểu diễn quan hệ điện áp mật độ dòng điện cực Theo đường này, điện áp mật độ dòng thay đổi, số tượng xuất số giai đoạn định [11, 27, 93] (Hình 1.1) Hình 1.1 Quan hệ điện áp dòng (đường cong Paschen) [11, 27] Ở điều kiện bình thường môi trường khí, điện cực môi trường cách điện, nghĩa dòng điện, nhiên tồn điện tử tự Khi cho điện áp điện cực, điện tử tăng lượng va chạm với phân tử khí tạo thêm điện tử bắt đầu phóng điện Townsend Khi tiếp tục tăng điện áp xảy tượng ion hóa phân tử khí, ion hóa va chạm hình thành vùng chuyển tiếp (vùng Corona), lúc dòng tăng điện trở giảm làm điện áp giảm Cứ plasma bắt đầu hình thành ban đầu mờ gọi vùng bình thường, không tăng điện áp (thậm chí giảm) mà dòng điện tăng Tiếp theo tăng điện áp dòng điện tăng mật độ dòng không đổi, dòng tăng diện tích bề mặt catôt plasma bao phủ tăng, vùng bình thường (tuân theo định luật Ôm) Tiếp tục tăng điện áp, dòng điện tăng, lúc plasma bao phủ toàn catôt nên dòng tăng mật độ dòng tăng vùng bình thường Thấm nitơ plasma thực vùng mà điện áp dòng điện lớn, công suất đủ lớn Lúc điện áp tăng dòng tăng, dòng tăng làm mật độ dòng tăng, nhiên điện áp cao dễ chuyển sang vùng hồ quang nguy hiểm [11, 27, 36] 1.1.2.2 Cấu trúc plasma Phóng điện phát sáng dẫn đến hình thành plasma nhiệt độ thấp không cân nhiệt đặc trưng tồn ion, điện tử, phần tử bị kích thích, nguyên tử phần tử khí làm tăng lượng hệ thống [93] Khi plasma hình thành, điện áp giảm đột ngột vùng sát bề mặt catôt, trình phóng điện xảy điện cực không đồng mà tạo vùng khác Số lượng, chiều rộng vùng phụ thuộc vào nhiều thông số điện áp, áp suất, thành phần môi trường khí Cấu trúc tổng quát plasma catôt anôt thể hình 1.2 [89, 93] Vùng sát catôt gọi vùng tối Aston (1), lớp mỏng có mật độ điện tử cao trường điện mạnh tích điện âm Tại điện tử có tốc độ ban đầu nhỏ cỡ eV, tăng tốc chưa đạt mức lượng cao đủ để tạo va chạm không đàn hồi nguyên tử phân tử, vùng tối [40, 89, 93] Tiếp sau vùng quầng sáng catôt (2) có mật độ ion cao, nhiều trường hợp có nguyên tử phún xạ từ catôt [93] Tiếp đến vùng tối catôt (3), vùng trường điện mạnh vừa phải tích điện dương hàm lượng ion cao [89] Điện tử từ catôt qua vùng tích lượng lớn đủ để kích thích ion hóa phân tử khí tạo vùng sáng gọi vùng sáng âm (4) Vùng sáng âm vùng sáng toàn vùng, sáng mạnh phía catôt, nhạt phía anôt nơi điện tử bị chậm lại va chạm nhiều bớt lượng Vùng mật độ ion cao tích điện dương nhiên điện trường tương đối yếu [89, 93] Do lượng điện tử qua vùng bị giảm từ làm giảm trình ion hóa kích thích khí từ sinh vùng khác gọi vùng tối Faraday (5) Điiên trường vùng yếu tích điện gần âm Tiếp đến vùng sáng đồng gọi cột dương (6) Tiến gần đến anôt vùng sáng anôt (7), tiếp sau vùng tối anôt (8), vùng tích điện âm Số lượng độ lớn vùng phụ thuộc vào khoảng cách anôt catôt, vật liệu catôt, thành phần khí, áp suất khí Thông thường vùng sát bề mặt catôt (vùng tối Aston, quầng sáng catôt vùng tối catôt) gọi chung vùng catôt Khi áp suất giảm vùng catôt vùng sáng âm rộng vùng Faraday cột dương thu hẹp lại Nếu khoảng cách điện cực thay đổi thông số khác giữ nguyên có vùng cột dương thay đổi vùng khác không, khoảng cách tăng chiều rộng cột dương tăng, khoảng cách giảm cột dương thu hẹp biến [36, 93] Trong điều kiện thấm nitơ plasma điển hình cột dương không xuất hiện, cấu trúc plasma thường có vùng là: vùng catôt, vùng sáng âm vùng anôt Vùng anôt không tham gia vào trình thấm, từ góc độ trình hoạt hóa hình thành lớp thấm nitơ, vùng catôt vùng có ý nghĩa quan trọng [40, 93] Hình 1.2 Cấu trúc plasma điển hình [89] (1): Vùng tối Aston (2): Quầng sáng Catôt (3): Vùng tối Catôt (4): Vùng sáng âm (5): Vùng tối Faraday (6): Cột dương (7): Vùng sáng Anôt (8): Vùng tối nôt 1.1.2.3 Vùng catôt Vùng catôt vùng bề mặt catôt điểm cuối vùng tối catôt (điểm đầu vùng sáng âm, hình 1.2) Khoảng cách từ bề mặt catôt điểm cuối vùng catôt gọi chiều dày vùng catôt hay chiều dày plasma, thông số quan trọng liên quan đến khả xâm nhập plasma vào khe hở Trong vùng này, điện áp tổng giảm đột ngột, giảm điện áp vùng catôt gọi giảm điện áp catôt Do chiều rộng vùng catôt tương đối nhỏ nên giảm điện áp tạo điện trường tương đối mạnh Với điện trường điện tử nhẹ dễ dàng rời khỏi vùng này, ion dương nặng lại vùng tích điện dương Như vậy, đặc trưng vùng catôt là: điện áp thay đổi lớn, điện trường mạnh tích điện dương Khi plasma chưa phủ kín toàn bề mặt catôt, điện áp tăng dòng tăng mật độ dòng không thay đổi lúc diện tích plasma phủ tăng, lúc giai đoạn phóng điện bình thường Chuyển sang giai đoạn phóng điện bình thường, dòng mật độ dòng thay đổi theo điện áp plasma bao phủ toàn bề mặt catôt (diện tích phủ không đổi) Lúc này, dòng tăng mật độ dòng tăng làm nung nóng catôt đến nhiệt độ thấm thấm nitơ plasma thực điều kiện (hình 1.1) [11, 27, 36, 93] 1.1.3 Đặc tính N2-H2 plasma trình thấm nitơ plasma 1.1.3.1 Plasma N2-H2 sử dụng thấm nitơ plasma Plasma sử dụng để thấm nitơ plasma hình thành điện áp cao (400 ÷ 800V), áp suất thấp (50 ÷ 1000 Pa), môi trường khí (khí N2 + H2 lượng nhỏ khí khác) Trong điều kiện này, khí bị ion hóa tạo phần tử hoạt tính bao gồm điện tử, ion, phần tử bị khích thích phân tử trung tính gọi plasma Các ion dương tác dụng điện trường chuyển động đến catôt, bắn phá catôt chuyển lượng đến catôt làm catôt nung nóng dẫn đến môi trường khí quanh catôt nóng lên từ làm giảm mật độ khí, gây thay đổi đặc tính điện - dòng thay đổi chiều rộng vùng catôt Hình thái plasma hình thành trình phóng điện chia thành vùng A, B, C, D hình 1.3 [107] Có thể thấy hình thái plasma phụ thuộc lớn vào điện áp áp suất, thấm nitơ plasma thông thường thực vùng D Có thể thấy, điện áp, áp suất khí mật độ dòng có mối quan hệ mật thiết với Mật độ dòng kiểm soát lượng khí ion hóa để bắn phá catốt ảnh hưởng đến nhiệt độ catôt, mật độ dòng cao lượng nung nóng catôt lớn ngược lại Để có mật độ dòng không đổi, điều kiên áp suất cao sử dụng điện áp thấp, không nên sử dụng điện áp cao dễ có khả xuất hồ quang nguy hiểm Hình 1.3 Quan hệ áp suất điện áp sử dụng thấm nitơ plasma [107] Quan hệ điện áp dòng điện áp suất khác nhiệt độ 500oC, khí thấm 100% N2 trình bày hình 1.4 [36] Có thể thấy áp suất có ảnh hưởng lớn đến điện áp dòng điện, điện áp, áp suất cao dòng điện cao ngược lại, áp suất thấp cần phải có điện áp cao để sinh cường độ dòng điện lớn đủ trì nhiệt độ catôt không đổi Hình 1.4 Quan hệ điện áp – dòng với áp suất khác [36] Dòng điện, mật độ dòng chịu ảnh hưởng thành phần khí thấm, điều kiện điện áp áp suất, khí nặng N2 cho mật độ dòng cao khí nhẹ H2 Theo [62], hỗn hợp khí N2 + H2, tăng hàm lượng %H2 đến giá trị dẫn đến tăng dòng, tăng mật độ dòng làm tăng nhiệt độ catôt, nhiên tăng tiếp hàm lượng % H2 mật độ dòng nhiệt độ catôt giảm Giá trị %H2 mà mật độ dòng đạt cực đại phụ thuộc chủ yếu vào áp suất môi trường thấm Cùng thành phần khí thấm, điện áp định, áp suất cao mật độ dòng cao nhiệt độ catôt cao Theo [96], mật độ dòng điều chỉnh cách thay đổi số yếu tố trình thấm bảng 1.1 Bảng 1.1 Ảnh hưởng yếu tố lên mật độ dòng [96] Hƣớng giảm mật độ dòng ← → Hƣớng tăng mật độ dòng Tăng hydro Tăng nitơ Tăng methan Tăng áp suất Giảm chu kỳ làm việc Tăng điện áp Điện áp anôt catôt điện áp giảm catôt hàm số điều chỉnh phụ thuộc vào áp suất Áp suất khí thấm ảnh hưởng trực tiếp định đến chiều dày plasma, thông số liên quan trực tiếp đến tượng khuếch đại plasma Áp suất cao, chiều dày plasma giảm, vùng sáng âm ôm sát bề mặt vật thấm, giảm áp suất chiều dày plasma tăng vùng sáng âm mờ Tuy nhiên áp suất cao khả xuất hồ quang cao nên nguy hiểm [36, 38, 54, 62] Theo [107], điện áp thay đổi không nhiều áp suất lớn 800 Pa, điện áp giảm catốt giảm đáng kể áp suất tăng Ngược lại, vùng mà áp suất nhỏ 800 Pa, đại lượng tăng nhanh áp suất giảm Hạ điện áp giảm catôt tăng lượng ion bắn phá (phún xạ) bề mặt giúp hoạt hóa bề mặt thấm Đây lý thấm nitơ plasma thường thực với áp suất < 800 Pa Hiện hầu hết thiết bị thấm nitơ plasma sử dụng nguồn xung cho phép điều chỉnh lượng plasma thông qua đại lượng gọi chu kỳ làm việc Chu kỳ làm việc tw định nghĩa tỷ số thời gian xung đóng ton tổng thời gian xung đóng xung ngắt toff (tw= ton / ton+ toff) Khi tạo plasma xung, sau hình thành plasma điện áp giảm xuống Như tạo plasma ổn định với điều kiện không thuận lợi áp suất cao Với thiết bị thấm nitơ plasma đại, thông qua máy tính cho phép điều khiển điện áp, chu kỳ xung, thời gian đóng ngắt xung đảm bảo trì ổn định plasma giúp ổn định nhiệt độ 1.1.3.2 Cấu trúc ion vùng catốt Sự hình thành phần tử hoạt tính có chứa nitơ có ý nghĩa định đến trình thấm nitơ plasma Nói cách khác, để thấm nitơ điều hình thành plasma có cá thể hoạt tính có chứa nitơ Với plasma hỗn hợp khí (N2+ H2), phần tử hoạt tính sinh anôt catôt bao gồm ion, nguyên tử, nguyên tử phần tử kích thích N, N+, N2, N2+, NH, NH+, NH2+, NH3+, N2H2, H [11, 17, 18, 21, 36, 54, 70, 73, 89] Theo [54], tỷ lệ nguyên tử N phân tử N2 tỷ lệ N+ N2+ tăng gần catôt Tỷ lệ ion đến catôt phụ thuộc lớn vào thành phần áp suất khí thấm Theo [93], điều kiện thấm nitơ với khí N2 áp suất 800 Pa, ion N+ N2+ xuất tất ion, ion N+ chiếm 50% tất ion sát bề mặt catôt Hơn mật độ ion dương hình thành vùng catôt khoảng 109 đến 1011 ion/cm3 nhiệt độ 450 oC đến 555 oC, mật độ phần tử trung tính 1016 đến 1017/cm3 Năng lượng trung bình ion nguyên tử N+ đến catôt khoảng 9,6.10-18 J áp suất buồng 800 Pa [93] Với plasma hỗn hợp khí N2 + H2 có cho thêm Ar, tỷ lệ ion vùng catốt với thành phần khí khác thể bảng 1.2 [93] Bảng 1.2 Phân bố % ion đến catôt, áp suất 800 Pa [93] Loại Ion H+ N+ NH+ NH2+ NH3+ NH4+ N2+ N2H2+ Ar+ N2 20% Hỗn hợp khí với thành phần % khí khác Ar H2 N2 Ar H2 N2 Ar 80% 20% 66% 14% 20% 80% 86,6 78,6 0,05 1,8 48,6 0,16 4,3 1,62 3,4 6,8 7,0 2,8 2,9 0,02 0,1 18,3 1,04 0,64 0 1,2 32,7 H2 Trong trình ion hóa, hàm lượng phần tử hoạt tính tạo phụ thuộc vào thành phần khí mà phụ thuộc vào điện áp áp suất Khi tăng điện áp từ 100 V lên 400 V với áp suất không đổi làm tăng hàm lượng nguyên tử nitơ lên 10 lần Hàm lượng ion điều kiện áp suất 133 Pa điện áp 800 V với thành phần khí khác sau [93]: - Với hỗn hợp khí 99% N2 1% H2 tỷ lệ ion plasma: N+ (15,1%), N2+ (40,0%), H2+ (5,1%), H+ (11,7%) - Với hỗn hợp khí 75% N2 25% H2 tỷ lệ ion plasma: N+ (30,0%), H2+ (13,0%), H+ (17,0%) - Với hỗn hợp khí 100% N2 tỷ lệ ion plasma: N+ (16,8%), N2+ (55,5%) Tóm lại, phần tử hoạt tính hình thành trình phóng điện môi trường H2 - N2 đa dạng, thay đổi tỷ lệ (H2 : N2), thay đổi áp suất, thay đổi nhiệt độ thấm làm thay đổi tỷ lệ phần tử hoạt tính tạo làm thay đổi hành vi thấm nitơ Đây ưu điểm công nghệ thấm nitơ plasma cho phép thay đổi số thông số công nghệ thích hợp để tạo lớp thấm có tính chất mong muốn, tạo lớp thấm với lớp trắng đơn pha hay thấm không lớp trắng 1.1.4 Một số tƣợng xảy trình thấm nitơ plasma Đặc thù riêng công nghệ thấm nitơ plasma thiết bị tường nguội nguồn nhiệt cung cấp sinh bề mặt chi tiết Trong điều kiện thấm nitơ plasma áp suất thấp trình trao đổi nhiệt buồng lò chủ yếu theo chế xạ Đồng nhiệt độ vấn đề có ý nghĩa sống trình thấm nitơ plasma, đặc biệt thấm chi tiết phức tạp Hình dạng, kích thước, vị trí cần lưu ý xếp vật thấm buồng lò để đảm bảo không đồng nhiệt thấp Do plasma hình thành bề mặt vật thấm nên tượng liên quan tới plasma ảnh hưởng lớn đến vật thấm Khuếch đại plasma hồ quang điện hai tượng xuất gây nung nóng cục phá hỏng chi tiết thấm trình thấm nitơ plasma 1.1.4.1 Hiện tượng khuếch đại plasma Plasma hình thành trình thấm trì điện tử sinh vùng catôt trình ion bắn phá catôt giải phóng Bình thường, điện tử chuyển động khỏi bề mặt catôt qua vùng khác để đến anôt, khả va chạm với phần tử trung tính thấp Trong trường hợp, catôt đối diện với khoảng cách đủ nhỏ, electron chuyển động thoát khỏi catôt gặp phải catôt bị bật trở lại catôt ban đầu Chuyển động qua lại catôt, electron có động lớn, va chạm với phần tử trung tính làm ion hóa bổ sung làm tăng mật độ điện tử (có thể lên tới 1015 so với bình thường 1012 ÷ 1013 [36]) làm tăng đột ngột mật độ dòng j từ xuất khuếch đại plasma Hậu nhiệt độ tăng cao dẫn đến nóng cục catôt thời gian ngắn gây cháy xém, chí chảy bề mặt Sự xuất khuếch đại plasma phụ thuộc vào khoảng cách bề mặt catốt chiều dày vùng tối catốt hay gọi chiều dày plasma Chiều dày định nghĩa khoảng cách từ bề mặt catốt đến điểm bắt đầu vùng sáng âm Chiều dày plasma định xem plasma có thâm nhập vào khe hở bề mặt, có hình thành khuếch đại plasma hay không Chiều dày plasma phụ thuộc vào điều kiện thấm, đặc biệt thành phần áp suất môi trường thấm Sự phụ thuộc chiều dày plasma theo áp suất thể công thức thực nghiệm [38]: dc  C  p D I (1.1) Trong đó: p áp suất, I cường dòng điện C D số thực nghiệm Khi điện áp không đổi cường độ dòng điện I không đổi đó, chiều dày plasma tính theo công thức [38]: dc  A  B p (1.2) Trong đó: p áp suất, A B số xác định thực nghiệm Các yếu tố lại nhiệt độ, thành phần khí thấm, chu kỳ điện áp (xung on, xung off ) phản ảnh qua số A, B ứng với điều kiện thấm cụ thể Trong trường hợp chiều dày plasma dc = (2 ÷ 20) mm số A xấp xỉ [38] Tác giả [62] nghiên cứu đưa kết luận, chiều dày plasma lớn áp suất thấp, %H2 cao, nhiệt độ cao, điện áp mật độ dòng cao 10 3.2.6 Kết luận ảnh hưởng thông số công nghệ lên lớp thấm thấm thép SKD61 Ứng dụng phương pháp Taguchi để quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng thành phần khí, áp suất, nhiệt độ, thời gian đến hình thành lớp thấm nitơ lên thép SKD61 thiết bị thấm nitơ plasma xung tường lạnh Với thông số mức thiết kế thí nghiệm (thay cần 81 thí nghiệm) để phân tích đánh giá ảnh hưởng thông đến hình thành tính chất lớp thấm Khi thấm thép SKD61 với thành phần khí thấm chứa (10 ÷ 20)% N2, nhiệt độ (490÷550)oC, áp suất (200÷600) Pa, kết cho thấy:  Tổ chức lớp thấm bao gồm lớp trắng lớp khuếch tán lớp khuếch tán định chủ yếu thành phần khí thấm: khí thấm chứa khoảng 10% N2 không lớp trắng lớp trắng m, khoảng 20% N2 lớp trắng (1 ÷ 3) m khoảng 30 % N2 lớp trắng (4 ÷ 6) m  Lớp trắng chủ yếu nitơrit sắt  ’ lượng nhỏ nitơrit nguyên tố hợp kim, chiều dày lớp trắng tăng nhiệt độ thấm tăng thời gian tăng đến khoảng 6h ổn định  Lớp khuếch tán bao gồm α, nitơrit cacbonitơrit, hình thành lớp thấm kết trình khuếch tán nitơ theo biên giới hạt, sau phát triển toàn hạt tinh thể Có phân bố lại % C, tồn vùng nghèo cacbon bề mặt vùng giàu cacbon vùng ranh giới lớp khuếch tán Tại vùng nghèo cacbon có % N cao, điều cho thấy nitơ khuếch tán vào thay cacbon hình thành nitơrit cacbonitơrit đẩy cacbon dịch sâu vào phía tạo nên vùng giàu cacbon  Nhiệt độ thời gian định chiều sâu lớp thấm theo nguyên lý khuếch tán với số tốc độ thấm K  1,  7 exp( 85000 ) [m2/s] RT  Áp suất (200 ÷ 600) Pa ảnh hưởng đến hình thành lớp thấm, áp suất lựa chọn chủ yếu để tránh tượng khuếch đại plasma 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thấm nitơ plasma công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường, ứng dụng hiệu cho sản phẩm có kết cấu đơn giản Ưu điểm công nghệ kiểm soát lớp trắng phù hợp để thấm sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao, khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61 Nhược điểm xuất khuếch đại plasma trình thấm hoàn toàn loại trừ thông qua kiểm soát chiều dày plasma Đã xây dựng thành công phương pháp xác định chiều dày plasma từ hình ảnh cấu trúc plasma ghi nhờ sử dụng camera ghi hình qua cửa sổ quan sát Đây phương pháp đơn giản, độ xác đáp ứng yêu cầu sản xuất nghiên cứu qui mô công nghiệp Đã xác định thực nghiệm chiều dày plasma dc [mm] phụ thuộc áp suất p [Pa] theo công thức: d c  0, 7797  7,5662 10 p (nhiệt độ 520 oC, khí thấm 25% N2+75% H2) Khi thấm lỗ hay khe hẹp kích thước , cần lựa chọn thông số thấm hợp lý đảm bảo 3dc ≤  để plasma tiếp xúc bề mặt thấm mà không xuất khuếch đại plasma Cần tính toán xếp sản phẩm buồng lò phải đảm bảo khe hở lớn lần chiều dày plasma để tận dụng tối đa không gian lò tránh hình thành khuếch đại plasma Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi cho phép thiết kế với số lượng thí nghiệm định hướng ảnh hưởng thông số công nghệ đến hình thành lớp thấm trình thấm nitơ plasma Từ định hướng dễ dàng lựa chọn thông số công nghệ thấm hợp lý để nhận lớp thấm mong muốn Khi thấm thép SKD61 với thành phần khí thấm chứa (10 ÷ 20)% N2, nhiệt độ (490÷550)oC, áp suất (200÷600) Pa, kết cho thấy: Tổ chức lớp thấm bao gồm lớp trắng lớp khuếch tán lớp khuếch tán Lớp trắng chủ yếu nitơrit sắt , ’ lượng nhỏ nitơrit nguyên tố hợp kim Lớp khuếch tán bao gồm vật liệu α nitơrit, hình thành lớp thấm kết trình khuếch tán nitơ theo biên giới hạt, sau phát triển toàn hạt tinh thể Có phân bố lại % C, tồn vùng nghèo cacbon bề mặt vùng giàu cacbon vùng ranh giới lớp khuếch tán nền, vị trí mà % N cao % C thấp Bằng thực nghiệm xác định số tốc độ thấm nitơ plasma K cho thép SKD61 theo phương trình: K  1,  7 exp( 85000 ) [m2/s] RT Phương pháp thực nghiệm kết luận án tài liệu tham khảo tốt cho đơn vị sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma Kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp theo: - Sử dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi để xây dựng liệu thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho mác thép thấm khác - Nghiên cứu giải pháp để đảm bảo đồng plasma, đồng nhiệt trình thấm chi tiết phức tạp đặc biệt chi tiết có lỗ, he hở sâu hẹp - Ứng dụng khuếch đại plasma để thấm nitơ plasma cho loại vật liệu khó thấm thép không gỉ hay hợp kim Ti 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hoàng Vĩnh Giang, Nguyễn Văn Tư, Ngô Bảo Trung (2013), Kiểm soát số thông nghệ để loại trừ khuếch đại plasma thấm N plasma, Tạp chí Cơ Khí Việt nam, số 10 năm 2013, trang 10 -14, ISSN 0866 - 7056 Hoang Vinh Giang, Nguyen Van Tư, Ngo Bao Trung (2014), Avoiding the hollow cathode formation and the optimising loading make plasma nitriding more attractive technology, ISEPD 2014 Proceedings, Part B, page 203-206, ISBN 97889-5708-236-2 Hoàng Vĩnh Giang, Nguyễn Văn Tư (2014), Khảo sát ảnh hưởng số thông số công nghệ đến đặc tính lớp thấm nitơ plasma thép SKD61 thiết bị Nitrion, Tạp chí Khoa học công nghệ Kim loại số 57, năm 2014, trang 32-37, ISSN 1859-4344 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Hoàng Minh Thuận (2012), Nghiên cứu lựa chọn số thông số công nghệ thấm N plasma cho thép 40CrMo, Luận án tiến sĩ trường Đại học nông nghiệp Hà Nội Hoàng Vĩnh Giang, Hoàng Minh Thuận, Nguyễn Văn Chương, Đào Quang Kế, Hoàng Văn Châu, Lục Vân Thương (2010), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thấm số khuôn kim loại, Báo cáo tổng hợp kết khoa học công nghệ đề tài mã số KC.02.14/06-10 Hoàng Vĩnh Giang, Lục Vân Thương, (2010), Thấm nitơ plasma cho thép dụng cụ bền nóng SKD61, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 01 + 02 (tháng năm 2010), pp 57-59 Hoàng Vĩnh Giang, Lục Vân Thương, Hoàng Minh Thuận (2010), Ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho số chi tiết máy chế tạo từ hợp kim crôm, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 05, pp 15-17 Lục Vân Thương (2007), Nghiên cứu ứng dụng thấm N plasma nhiệt độ thấp cho số chi tiết máy, Đề tài cấp Bộ Công Thương 2007 Nguyễn Phi Trung, Nguyễn Tiến Tài, Hoàng Vĩnh Giang, Ngô Bảo Trung, Hoàng Anh Tuấn (2015), Nghiên cứu chế tạo xử lý nhiệt hợp kim đúc bền nóng mác B5, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 05 (tháng 5/2015), pp 90-95 Nguyễn Văn Hiển, Lê Thị Chiều (2007), Tạo lớp thấm C-N với pha hoá bền phân tán cho thép dụng cụ SKD61 SKD11 môi trường lỏng nhiệt độ thấp, Tạp chí khoa học công nghệ kim loại số 10, 2/2007 Nguyễn Văn Tư (1999), Xử lý bề mặt, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nguyễn Văn Tư, Lê Thị Chiều (2007), Vai trò nhiệt luyện thấm N đến tuổi thọ khuôn đùn ép nhôm SKD61, Tạp chí khoa học công nghệ số 2/2007 Trịnh Bân (2003), Nâng cao tính ma sát sô kim loại dùng để chế tạo khuôn phương pháp thấm nitơ nhiệt độ thấp, Luận án tiến sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tài liệu tiếng nƣớc [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] Alois Holemar (1989), Inotova nitridace V Praxi, SNTL Praha A Margulis, J Jolly (1989), Spectroscopic diagnostic of the plasma in the cathode region of a nitrogen glow discharge, Revue Phys Appl 24(1989), pp 323-329 Andrea Szilagyine Biro (2013), Trends of nitriding processes, Production processes and systems, Vol (2013), no 1, pp 57-66 Annemie Bogaerts, Erik Neyts, Renaat Gijbels, Joost van der Mullen (2002), Gas discharge plasmas and their applications, Spectrochimica Acta Part B 57 (2002), pp 609-658 Annemie Bogaerts, Renaat Gijbels (1998), Fundamental aspects and applications of glow discharge spectrometric techniques, Spectrochimica Acta Part B 53, pp 1-42 A R Franco Jr, C E Pinedo, A P Tschiptschin (2006), Influence of the plasma pre-nitriding surface treatment on wear and adhesion of PVD/TIN coating for the hot work tool steel AISI H13, pp 457-463, 7th Tooling conference A Ricard (1989), Discharges in N2 flowing gas for steel surface nitriding, Revue Phys Appl 24, pp 251-256 A Ricard (1997), The production of active plasma species for surface treatments, J Phys D: Appl Phys 30, pp 2261-2269 107 [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] A Sololowska, J Rudnicki, P Beer, L Maldzinski, J Tacikowski, J Baszkiewicz (2001), Nitrogen transport mechanism in low temperature ion nitriding, Surface and coatings technology 142-144 (2001), pp 1040-1045 A Szasz, D J Fabian, A Hendry, Z Szaszne-Csih (1989), Nitriding of stainless steel in an rf plasma, Journal applied physics 66 (11), December 1989, pp 5598-5601 B Ganguli (2011), High density plasma beam source for nitriding, Indian Journal of Pure & Applied Phyisics Vol 49, November 2011, pp 759 -764 Bojan Podgornik, Jozef Vizintin (2003), Wear resistance of plasma and pulse plasma nitrided gears, www.geartechnology.com Gear technology March/April 2003 Brian Chapman (1980), Glow Discharge Processes sputtering and plasma etching, A Wiley-interscience Publication John Wiley & Son, New York Carlos E Pinedo, Waldemar A Monteiro (2004), On the kinetics of plasma nitriding a martensitic stainless steel type AISI 420, Surface and coatings technology 179 (2004), pp 119-123 C X Li, T Bell, H Dong (2002), A study of active screen plasma nitriding, Surface Engineering, vol 18, no 3, pp 174–181 C Zhao, C X Li, H Dong, T Bell (2006), Study on the active screen plasma nitriding and its nitriding mechanism, Surface & Coatings Technology 201 (2006), pp 2320-2325 David Pye (2003), Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing, Google book 2003, ASM International David Pye (2009), The power of pulsed plasma ion nitriding, Heat Treating Progress, July/August 2009, pp 37-40 DIN 50190 Hardness depth of heat-treated parts; determination of the effective depth of hardening after nitriding E A Ochoa, D Wisnivesky, T Minea, M Ganciu, C Tauziede, P Chapon, F Alvarez (2009), Microstructure and properties of the compound layer obtained by pulsed plasma nitriding in steel gears, Surface & coatings technology 203 (2009), pp 1457-1461 E J Miola, S D de Souza, M Olzon-Dionysion, D Spinelli, C A dos Santos (1999), Nitriding of H12 tool steel by direct-current and pulsed plasma, Surface and coatings technology 116-119 (1999), pp 347-351 E J Miola, S D de Souza, M Olzon-Dionysion, D Spinelli, M R F Soares, M A Z Vasconcellos, C A dos Santos (1998), Near-surface composition and microhardness profile of plasma nitrided H12 tool steel, Materials science and engineering A256, pp 60-68 E J Mittemejije (2013), Fundamentals of Nitriding and Nitrocarburizing, ASM Handbook, Vol 4A, Steel Heat Treating Fundamentals and Processes, pp 620-646 Elisangela Aparecida dos Santos de Almeida, Juslio César Giubilei Milan, César Edil da Costa (2015), Acquired Properties Comparison of Solid Nitriding, Gas Nitriding and Plasma Nitriding in Tool Steels, Materials Research 2015; 18(1), pp 27-35 E Rolinski, Alex Konieczny, G Sharp (2007), Influence of Nitriding Mechnisms on Surface roughness of Plasma and Gas Nitrided/Nitrocarburized Gray Cast Iron, Heat Treating Progress, pp 39 – 46 Edward Rolinski (2009), Electrical discharge in gases and principles of ion nitriding, First edition, Advanced heat treat corp F Montalvo, E Velasco, A Canales (2012), Improving Microstructure of AISI H13 Extruding Dies Using Ion Nitriding, Light Metals 2012, pp 481 – 485 108 [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] Francis William Aston (1907), Expiriments on the Lengths of the Cathode Dark Space with Varying Current Densities and Pressures in Different Gases, rspa.royalsocietypublishing.org, 14th Oct, 2013 Fukuhisa Matsuda, Kazukiro Nakata, Takashi Makishi (1987), Rapid plasma nitriding process by means of hollow cathode glow discharge, Transactions of JWRI, Vol 16, No 1, pp 139-144 George E Totten, Hong Liang (2003), Surface Modification and Mechanisms, Marcel Dekker, Inc, USA G Kugler, R Turk, T Vecko-Pirtovsek, M Tercelj (2006), Wear beahaviour of nitrided microstructures of AISI H13 dies for hot extrusion of aluminium, Metalurgija 45 (2006) 1, pp 21-29 Handan Baycik (2009), The study of phase structures and surface hardness values of ion nitrided AISI H13 steel under various temperatures, Technology, 12(2), 2009, pp.79-86 H Paschkea, M Webber, G Braeuer, F Yilkiran, B-A Behrens, H Brand (2013), Optimized plasma nitriding processes for efficient wear reduction of forging dies, Metal Matters, issue 29, 2013 H Paschkea, M Webber, G Braeuer (2010), Influence of different plasma nitriding treatment on wear and crack behavior of forging tools evaluated by Rockwell indentation on scratch tests, Surface and Coating Technology Vol 205 Issue 5, pp 1465 – 1469 Insup Lee, Ikmin Park (2006), The effect of processing temperature and time on the surface properties of plasma-radical nitrided SKD61 steel, Journal of ceramic processing research, Vol 7, No 2, pp 132-135 James M O’Brien, O’Brien (1991), Plasma (Ion) Nitriding, ASM Handbook Vol.4 Heat Treating, 1991, pp 944 – 995 J Bernal, A Medina, L Béjar, S Rangel, A Juanico (2011), A diffusion model for coefficient identification during growth of nitrides, International journal of mathematical models and methods in applied sciences, Issue 2, Vol.5 J C Díaz-Guillén, A Campa Castilla, S I Pérez-Aguilar, E E Granda- Gutiérrez, A Garza-Gomez, J Candelas-Ramírez, R Méndez-Méndez (2009), Effect of duty cycle on surface properties of AISI 4340 using a pulsed plasma nitriding process, Superficies y Vacío 22(1), 2009, pp 1- J C Diaz-Guillen, G Vargas-Guitierrez, E E Granda-Guiterrez, J.S ZamarripaPina, S.I Perez-Aguilar, J Candelas-Ramirez, L Alvarez-Contreas (2013), Surface properties of Fe4N compounds layer on AISI 4340 steel modified by pulsed plasma nitriding, Journal of Materials Science & Technology 2013 29 (3), pp 287-290 Jerzy Cieslik, Philipe Jacquet, Brahim Tlili, Hubert Mulin (2011), Decrease of compound layer thickness obtained in plasma nitriding of allloyed steels by diffusion stage, Journal of Materials science and engineering A (2011), pp 974-980 Jose Solis Romero, Joaquin Oseguera Pena (2010), Tribological behaviour of a plasma nitrided H13 tool steel, Memorias del XVI congreso internacional annual de la somim 22 J Walkowicz, J Staskiewicz, K Szafirowicz, D Jakrzewski, G Grzesiak, M Stepniak (2012), Optimization of the ASPN process to bright nitriding of woodworking tools using the Taguchi approach, Jounal of Materials Engineering and Perfomance K-E Thelning (1984), Steel and its heat treatment, second edition, Butterwoths, 1984 109 [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] K Rusnak, J Vicek (1993), Emission spectroscopy of the plasma in the cathode region of N2-H2 abnormal glow discharges for steel surface nitriding, J Phys D: Appl Phys 26: pp 585-589 Kyun Taek Cho, Kyun Song, Sang Ho Oh, Young-Kook Lee, Won Beom Lee (2013), Surface hardening of shot peened H13 steel by enhanced nitrogen diffusion, Surface & Coatings Technology 232 (2013), pp 912 – 919 K Taherkhani, F Mahboubi (2013), Investigation Nitride layers and Properties Surfaces on pulsed Nitrided Hot Working Steel AISI H13, Iranian Journal of Materials Science & Engineering Vol 10, Number 2, June 2013 Kusmic, Lecture No.1-No.4 Kyung Sub Jung (2011), Nitriding of iron-based ternary alloys: Fe-Cr-Ti and FeCr-Al, PhD Thesis, Stuttgart University L F Zagonel, C A Figueroa, R Droppa Jr, F Alvarez (2006), Influence of the process temperature on the steel microstructure and hardening in pulsed plasma nitriding, Surface & coatings technology 201 (2006), pp 452-457 L F Zagonel , E J Mittemeijer, F Alvarez, (2009), The microstructure of tool steel after low temperature ion nitriding, Materials science and technology, Vol 25, No 6, pp 726-732(7) L F Zagonel, J Bettini, R L O Basso, P Paredez, H Pinto, C M Lepienski, F Alvarez (2012), Nanosized precipitates in H13 tool steel low temperature plasma nitriding, Surface and Coatings Technology 2012, Vol.207, pp 72 – 78 M A Hassouba, E A Mehanna (2009), Electrical Characteristics of (N2-H2) Gas Mixture DC Glow Discharge, International Journal of Physical Sciences Vol.4 (11), pp 713-721 M B Karamis (1992), Some effects of the plasma nitriding process on layer properties, Thin Solid Films, 217 (1992), pp 38-47 Mehmet Capa, Muzaffer Tamer, Turgut Gulmez, Cengiz Tahir Bodur (2000), Life Enhancement of Hot -Forging Dies by Plasma Nitriding, Turkish Journal of Engineering & Environmental Sciences 24 (2000), pp 111-117 Michael A Lieberman, Allan J Lichtenberg (2005), Principles of Plasma Discharges and Materials Processing (2005), second edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey M U Devi (1999), Wear behaviour of plasma nitritd tool steels, Surface and Coating Technology 116-119 (1999) M V Leite, C A Figueroa, S Corujeira Gallo, A C Rovani, R L O Basso, P R Mei, I J R Baumvol, A Sinatora (2010), Wear mechanism and microstructure of pulsed plasma nitrided AISI H13 tool steel, Wear 269, pp 466-472 M Zlatanovic, N Popovic, Z Bogdanov, S Zlatanovic (2003), Pulsed plasmaoxidation of nitride steel samples, Surface and coatings technology 174-175 (2003), pp 1220-1224 N.E Vives Dı´az, R.E Schacherl, L.F Zagonel, E.J Mittemeijer (2008), Influence of the microstructure on the residual stresses of nitrided iron–chromium alloys, Acta Materialia 56 (2008), pp.1196–1208 O Belahssen, A Chala, S Benramache, B Djamel, Ch Foued (2014), Effect of gas mixture H2-N2 on microstructure and microhardness of steel 32CDV13 nitrided by plasma, International journal of engineering transactions A: basics vol 27, No (2014), pp 621-624 Okba Belahssen, Abdellouahed Chala (2012), Microstructure of low alloyed steel 32CDV13 nitrided by plasma, International journal of scicence and engineering investigation, Vol 1, issue 11, 2012 110 [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] Patama Visuttipitukul, Chuleeeporn Paa-rai, Kuwahara Hideyuki (2006), Effect of decarburization on microstructure of DC-plasma nitride H13 tool steel, Journal of metals, Materials and minerals, Vol 16, No 2, pp 1-6 Paul Hubbard (2007), Characterisation of a Commercial Active Screen Plasma Nitriding System Plasma nitriding in Comparison with Gas Nitriding, Nition GmbH Pokorny Zdenek, Kadlec Jarromir, Hruby Vojtech, Joska Zdenek, Tran Dung Quang (2011), Mechanical properties of steels after plasma nitriding process, Journal of Materials Science and Engineering A (2011), pp 42-45 P Panjan, R Kirn, M Sokovic (2012), Improvement of dies casting tools with duplex treatment, Conference Proceedings, 11th International Scientific Conference, Achievements in Mechanical & Materials Engineering AMME 2012 Ravindra Kumar, Ram Prakash, J Alphonsa, Jalaj Jain, A Pareek, P A Rayjada, P M Raole, S Mukherjee (2012), Impact of forging conditions on plasma nitride hot-forging dies and punches, Journal of Materials Science Research, Vol 1, No R E Schacherl (2004), Growth Kinetics and Microstructure of Gaseous Nitrided Iron Chromium Alloys, Dissertation an der Universitat Stuttart R E Schacherl, P.C.J Graat, and Mittemeijer (2004), The Nitiding Kinetics of IonChromium Alloys; The Role of Excess Nitrogen: Experiments and Modelling, Metallurgical and Materials Transaction A Volume 35A, pp 3387 -3398 S Ben Slima (2012), Ion and Gas Nitriding Applied to Steel Tool for Hot Work X38CrMoV5 Nitriding Type: Impact on the Wear resistance, Materials Sciences and Applications, 2012, 3, pp 640 – 644 S Janosi, Z Kolozsvary, A Kis (2004), Controlled Hollow Cathode Effect: New Possibilities For Heating Low-Pressure Farnace, Metal Science and Treatment Vol.46 No 7-8, pp 310-316 S Kama (2012), Application of Taguchi Methode in Indian Industry, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Vol.2 (11), 2012, pp 387-391 S Parascandola (2001), Nitrogen transport during ion nitriding of austenitic stainless steel S Phadke (1989), Quality Engineering Using Robust Design, PTR Printice – Hall, Inc, 1989 S R Hosseini, F Ashrafizadeh (2008), Evaluation of Nitrogen Diffusion in Plasma Nitrided Iron by Various Characterization Techniques, International Journal of ISSI, Vol.5 No.2, pp 29-35 S R Hosseini, F Ashrafizadeh, A Kermanpur (2010), Calculation and experimentation of the compound layer thickness in gas and plasma nitriding of ion, Iranian journal of science & technology, transaction B: engineering, Vol 34, No B5, pp 553-566 S S Akhar, A F M Arif, Bekir Sami Yilbas (2009), Evaluation of gas nitriding process with in-process variation of nitriding potential for AISI H13 tool steel, The international Journal of advanced manufacturing technology Sai Ramudu Meka (2011), Nitriding of iron-based binary and ternary alloys: microstructural development during nitride precipitation, PhD Thesis, University Stuttgart Santiago Corujeira Gallo (2009), Active screen plasma surface engineering of austenitic stainless steel for enhanced tribological and corrosion properties, A thesis submitted to the University of Birmingham 111 [90] Santosh S Hosmani (2006), Nitriding of Iron-based Alloys: the Role of Excess Nitrogen, PhD Thesis, University Stuttgart [91] Sandro D Oliveira (2007), Simultaneous plasma nitriding and ageing treatments of precipitation hardenable plastic mould steel, Materials and Design 28, pp 1714 – 1718 [92] Shengli Ma, Kewei Xu, Wanqi Jie (2005), Plasma nitrided and TiCN coated AISI H13 steel by pulsed dc PECVD and its application for hot-working dies, Surface & coating technology 191, pp 201-205 [93] Tadeusz Burakowski (1999), Surface Engineering Of Metals: Principles, Equipments, Technologies, CRC Press LLC, USA [94] Tasuhiko Aizawa, Hideyuki Kuwahar (2003), Plasma nitriding as an environmentally benign surface structuring process, Materials Transactions Vol 44, No.7, pp 1303 -1310 [95] U Huchel, S Stramke, J Crokrem, Plused Plasma Nitriding of Tools, www.eltropuls.de [96] U Huchel, S Stramke, Plused Plasma Nitriding of Sintered Parts – Production Experiences, www.pulsplamanitrien.de [97] U Huchel (2000), Short Description of Pulsed Plasma Nitriding, www.pulsplamanitrien.de [98] V.I Dimitrov, J D’Haan, G Knuyt, C Quasyhaegens, L M Stals (1996), A diffusion model of metal surface modification during plasma nitriding, App Phys A 63, pp 475-480 [99] V.I Dimitrov, J D’Haen, G Knuyt, C Quaeyhaegens, L M Stals (1999), Modeling of nitride layer formation during plasma nitriding of iron, Computational materials science 15 (1999), pp 22-34 [100] Visuttipitukul P , Paa-rai C , Kuwahara H , (2006), Characterization of plasma nitrided AISI H13 tool steel, Acta Metallurgica Slovaca, 12, 2006, 3, pp 264-274 [101] Vivek Joshi, Amit Srivasta, Rajiv Shivpuri, Edward Rolinski (2003), Investigating ion nitriding for the reduction of dissolution and soldering in diecasting shot sleeves, Surface and Coating technology 163-164 (2003), pp 668-673 [102] W Rembges, W Oppel (1993), Process control of plasma nitriding and plasma nitrocarburizing in industry, Surface and Coatings Technology 59 (1993), pp 129134 [103] X Lifang, Y Mufu (1989), Mathematical Models of Nitrogen Concentration Profile of Ion Nitrided Layers and Computer Simulation, Acta Metallurgica Sinica (English edition), Series B, Vol.2, No 1, pp 18-26 [104] Yoshiyuki Funaki, Kyouji Itou, Mikio Fujioka, Ryouchi Urao (2002), Plasma bright nitriding of tool steel, Journal-Surface finishing society of Japan, Vol 53, No 11, pp 765-770 [105] Y Sun, T Bell (1991), Plasma surface engineering of low alloy steel, Materials Science and Engineering A224, pp 419-434 [106] Y Sun, T Bell (1997), A numerical model of plasma nitriding of low alloy steels, Materials Science and Engineering A224, pp 33-47 [107] Yasuo Takahashi, Katsunori Inoue, Yan Li, Isao Kawaguchi (1993), Glow Plasma Behaviour in Nitriding Process, Transactions of JWRI, Vol 22, No 1, pp 13-19 112 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Kết phân tích hiển vi điện tử quét SEM Mẫu M0 113 2.Mẫu M3 114 115 Phụ lục 2: Kết phân tích X-Ray Mẫu M0 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau thep SKD61 - 500 d = 400 L in ( C p s ) 300 d = 200 100 10 20 30 40 50 60 70 60 70 2-Theta - Scale File: Thanh-Thep SKD61-0.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/01/15 16:42:46 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - Y: 51.51 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0694 (*) - Chromium, syn - Cr - Y: 50.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Mẫu M3 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau thep SKD61 - 150 140 130 120 60 50 40 d = 9 70 d = d = 80 d = 3 L in ( C p s ) 90 d = 9 100 d = d = 110 30 20 10 10 20 30 40 50 2-Theta - Scale File: Thanh-Thep SKD61-3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/01/15 17:17:06 02-1100 (D) - Iron Nitride - Fe3N - Y: 5.45 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1179 (D) - Iron Nitride - FeN - Y: 5.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-0955 (D) - Iron Nitride - Fe4.4N - Y: 5.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 31-0619 (Q) - Iron austenite - (Fe,C) - Y: 7.64 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 116 3.Mẫu M5 d = 2 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau thep SKD61 - L in ( C p s ) 300 200 d = d = 0 d = 100 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thanh-Thep SKD61-5.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/01/15 17:51:21 06-0696 (*) - Iron, syn - Fe - Y: 32.73 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0694 (*) - Chromium, syn - Cr - Y: 49.09 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 31-0619 (Q) - Iron austenite - (Fe,C) - Y: 7.64 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 4.Mẫu M7 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau thep SKD61 - 150 140 130 d = 120 110 100 d = 6 80 70 60 d = 5 d = 30 d = 40 d = 50 d = L in ( C p s ) 90 20 10 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thanh-Thep SKD61-7.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 09/01/15 18:26:27 02-1100 (D) - Iron Nitride - Fe3N - Y: 5.45 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1179 (D) - Iron Nitride - FeN - Y: 5.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-0955 (D) - Iron Nitride - Fe4.4N - Y: 5.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 31-0619 (Q) - Iron austenite - (Fe,C) - Y: 20.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 117 Phụ lục 3: Đo chiều dày lớp trắng chiều sâu lớp thấm 118 [...]... thông số công nghệ là các thông số ảnh hưởng 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, nằm ngoài ý muốn của người thấm) , ảnh hưởng của. .. ngược lại Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim thông dụng trong thép lên độ cứng của lớp thấm được thể hiện trên hình 1.16 Các đường cong trên hình 1.16 cho thấy, các nguyên 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 1.16: Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm [53]... có ảnh hưởng đến hình thành và đặc tính lớp thấm Như vậy có thể khẳng định bốn thông số công nghệ chính của quá trình thấm nitơ plasma là nhiệt độ, thời gian, thành phần và áp suất khí thấm, điều này cũng phù hợp với các nghiên cứu [11, 19, 27, 56, 75, 95, 96, 102, 105] Ảnh hưởng của bốn thông số này sẽ được đề cập dưới đây Bảng 1.3 Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm [105] Thông số. .. bắt đầu tạo lớp trắng γ’-Fe4N Đây là trường hợp thấm nitơ plasma không lớp trắng, một ưu điểm của công nghệ thấm nitơ plasma Khi thấm nitơ plasma, với một điều kiện thấm nhất định sẽ tồn tại một thế thấm nitơ tới hạn gọi là ngưỡng thế thấm nitơ, dưới ngưỡng này khi thấm sẽ không hình thành lớp trắng Ngưỡng thế thấm nitơ thường được đặc trưng bằng hàm lượng % N2 trong khí thấm Ngưỡng thế thấm nitơ không... 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 vào vật liệu thấm là sắt Tác giả V Dimitrov [98, 99] sử dụng sự phân bố nitơ theo chiều sâu lớp thấm để mô hình hóa quá trình hình thành lớp thấm khi thấm nitơ plasma. .. môi trường thấm, tỷ 2 pha γ’ và ε trước hết phụ thuộc vào thành phần khí thấm đối với thấm nitơ plasma hoặc thế thấm nitơ đối với thấm nitơ thể khí Môi trường thấm nếu không chứa các bon, lớp trắng đa phần là đơn pha γ’ Nếu môi trường thấm chứa khoảng 0,5%C, lúc này pha ε sẽ ưu tiên được hình thành [11, 33, 46] Khi so sánh về sự hình thành lỗ xốp trong lớp trắng của thấm nitơ plasma và thấm nitơ thể... khi độ cứng của lớp khuếch tán được quyết định bởi sự hình thành các nitơrit của các nguyên tố hợp kim (Al, Cr, Mo,Ti, V, Mn) Thành phần hoá học của vật liệu thấm mà chủ yếu là % C 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 đến quá trình khuếch tán nitơ trong thép, hàm lượng cacbon càng cao thì khả năng khuếch tán của nitơ trong thép... thấp dưới ngưỡng hình thành lớp γ’, hàm lượng nitơ bề mặt sẽ thấp hơn vì thế sẽ làm giảm chiều sâu lớp khuếch tán Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma thông qua sự phân bố nitơ được nhiều tác giả đưa ra thể hiện trên hình 1.27 Hình 1.27: 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 tính đến Sự bắn phá này làm... N2:H2 ↑ %C trong plasma ↑ %C trong vật thấm ↑ Lớp trắng ε:γ’ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑ δ ↑ ↑ ↑ ↑ HV a a ↑ ↓ Lớp khuếch tán δ ζr ↑ ↓ ↑ a ↑ ↓ ↓ Dec ↑ ↑ ↓ ↓ - 33 a Nhiệt độ Nhiệt độ và thời gian là 2 yếu tố liên quan chủ yếu đến quá trình khuếch tán nitơ, vì thế ảnh hưởng của nó đến đặc tính lớp thấm nitơ plasma không khác nhiều so với các phương pháp thấm khác Tương tự như thấm nitơ thể khí, thấm nitơ plasma thường được... trƣờng thấm Áp suất là thông số rất quan trọng của quá trình thấm nitơ plasma Thông số này có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và duy trì plasma, đặc biệt hiện tượng khuếch đại plasma và phóng điện hồ quang Các ảnh hưởng này đã được trình bày trong phần 1.1.4 Áp suất liên quan mật thiết với điện áp, mật độ dòng và quá trình ion hóa (hình 1.6), do đó có ảnh hưởng đến quá trình hình thành lớp thấm,