Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở Việt Nam. (LA tiến sĩ)
Trang 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI
NGUYEN NGQC MINH
NGHIEN CUU ANH HUONG CUA CAC YEU TO CHINH NHAM ON DINH CONG NGHE THAM NITO THE KHi LEN MOT SO LOAI THEP THONG DUNG O VIET NAM
LUAN AN TIEN Si KHOA HOC VAT LIEU
Hà Nội — 2015
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYEN NGOC MINH
NGHIEN CUU ANH HUONG CUA CAC YEU TO CHINH NHAM ON DINH CONG NGHE THAM NITO THE KHi LEN MOT SO LOAI THEP THONG DUNG O VIET NAM
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 62440129
LUAN AN TIEN Si KHOA HOC VAT LIEU
NGUOI HUONG DAN KHOA HOC:
1 PGS TS Nguyén Van Tu
Trang 3LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cám ơn PGŒS TS Nguyễn Văn Tư và TS Nguyễn Văn Hiển, những người Thày đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận án
Toi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bê mặt, các Bộ môn chuyên môn khác thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện để tơi có thể hồn thành luận án
Tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu
đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án
Xin cảm ơn các Anh, Chị, Em và Các bạn đồng nghiệp tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu đặc biệt là tại Bộ môn Vật liệu học- Xử lý nhiệt và Bê mặt, đã giúp
đỡ tôi rat nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của luận án này
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TÁC GIÁ
PGS.TS Nguyễn Văn Tư Nguyễn Ngọc Minh
Trang 5MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục các bảng biểu và hình vẽ Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Mé đầu
Chương I1: Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thấm nitơ
1.1 Công nghệ thấm nitơ trên thế giới và tại Việt nam
1.1.1 Công nghệ thấm nitơ trên thế giới
1.1.2 Công nghệ thấm nitơ tại Việt nam 1.2 Các phương pháp thấm nitơ
1.2.1 Phương pháp thâm nitơ thể khí 1.2.2 Phương pháp thấm nitơ thể lỏng
1.2.3 Phương pháp thấm nitơ plasma
1.3 Ưu nhược điểm của các loại hình công nghệ 1.4 Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu
1.4.2 Đối tượng nghiên cứu
1.4.3 Nội dung nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thấm nitơ thể khí 2.1 Cơ sở quá trình thắm nitơ thể khí
2.1.1 Thế nitơ của quá trình thấm
2.1.2 Hoạt độ nitơ của môi trường thấm 2.1.3 Hoạt độ nitơ trong thép
2.1.4 Hệ số truyền nitơ
2.2 Câu trúc lớp thấm nitơ thể khí
Trang 62.3.2.1 Ảnh hưởng của thành phan chất thắm
2.3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian lưu
2.3.3 Ảnh hưởng của thời gian thấm và yếu tô khác
Chương 3: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 3.1 Nguyên vật liệu sử dụng 3.2 Thiết bị sử dụng 3.2.1 Thiết bị đo độ phân hủy NHạ 3.2.2 Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thắm 3.2.3 Thiết bị thực nghiệm
3.3 Phương pháp nghiên cứu
3.3.1 Đánh giá mức độ khuyếch tán nitơ và sự tiết pha nitorit 3.3.2 Phương pháp xác định hệ số truyền B 3.3.3 Phương pháp xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ 3.4 Các quy trình thực nghiệm 3.4.1 Quy trình xử lý nhiệt luyện trước thắm 3.4.2 Quy trình thắm
Chương 4: Kết quá và bàn luận
4.1 Kết quả phân tích đánh giá mẫu trước thắm
4.1.1 Kết qua ảnh hiển vi quang học
4.1.2 Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét
4.1.3 Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen
4.2 Kết quả phân tích đánh giá mẫu sau thấm
4.2.1 Kết quả quan sát hiển vi quang học
4.2.2 Kết quả phân tích trên hiển vi điện tử quét
4.2.3 Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen
4.3 Sự hình thành và phát triển lớp thấm
4.3.1 Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép C20 4.3.2 Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép SKD6I1
4.3.3 Sự tồn tại lỗ xốp trong lớp trắng
4.4 Ảnh hưởng của các thông số chính đầu vào đến thế thắm K„
4.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trang 74.5 Hệ số truyền chất (B) 71
4.5.1 Ảnh hưởng của thế thấm 80
4.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 82
4.6 Ảnh hưởng của các yêu tô công nghệ chính đến tổ chức và tính chất lớp thắm 83 4.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 83
4.6.2 Ảnh hưởng của thế thấm Kạ 86
4.6.2.1 Ảnh hưởng của thời gian lưu 87
4.6.2.2 Ảnh hưởng của thành phần khí thắm 89
4.6.3 Ảnh hưởng của thời gian thắm 94
Kết luận chung và kiến nghị 104
Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án đã công bố 107
Trang 81 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Danh mục các bảng Bang 1.1: Bang 2.1: Bang 2.2: Bang 2.3: Bang 3.1: Bang 4.1: Bang 4.2: Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang Bang 4.3: 4.4: 4.5: 4.6: 4.7: 4.8: 4.9: 4.10: 4.11: 4.12: 4.13: 4.14: 4.15: 4.16: 4.17: 4.18: 4.19: 4.20: 4.21: 4.22: 4.23: 4.24: 4.25:
So sánh ưu nhược điểm của các công nghệ thấm nitơ hiện nay [25] Cac pha thường gặp trong hệ Fe-N [16,20,89]
Hệ số khuyếch tán nitơ trong ø 7 và ở tại các nhiệt độ khác nhau [68] Thừa số nhiệt độ theo công thức Harries [55]
Thành phân hóa học của các mác thép nghiên cứu
Năng lượng nhiệt hình thành một số hop chat tai 298.15K, AHf, kJ mol-1[25,54]
Bảng giá trị phân bố nông độ các nguyên tô tại một số vị trí trên vùng khuếch tán của lớp thấm nitơ trên thép SKD61(số liệu chỉ mang tính tham khảo vì kết quả phân tích chịu ảnh hưởng của vùng lân cận)
Tính toán thành phan Xémentit (Fe3C)/Ferrit (Feg) cho ving nén
Cấu trúc tỉnh thể của Fe„(C), một số cacbit và nitorit [25,26,75,77,79]
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thé thắm K„
Ảnh hưởng của thời gian lưu đến thế thắm Ks
Anh hưởng của thành phần khí thấm đến thể thắm K„
Các chế độ thấm thực nghiệm để xác định hệ số truyễn chất ( 8) Khối lượng nitơ khuếch tán trong các lá thép mỏng thực nghiệm
Bảng giá trị tính toán thé thám, hoạt d6 cua nito trong môi trường thắm và trong
lá thép mỏng tính toán bằng chương trình Thermo-cale
Hệ số truyền chat ( 0) trên các mác thép nghiên cứu
Bảng giá trị độ cứng của các mẫu thép phụ thuộc vào ảnh hưởng của nhiệt độ Các thông số đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu
Bảng giá trị độ cứng của các mẫu thép phụ thuộc thời gian lưu Các chế độ pha loãng khí thắm sử dụng N› và độ phân húy đo được Bảng kết quả phân bồ độ cứng phụ thuộc thành phân khí thắm Các giá trị thế thấm khi sử dụng khí pha loãng N¿ voi p=1.2at Các thông số thắm nitơ thé khí cho từng nhóm thép thực nghiệm Bảng kết quả phân bố độ cứng phụ thuộc thời gian thắm
Ảnh hưởng của thời gian thắm đến chiều sâu lóp thấm hiệu quả trên các loại thép thực nghiệm
Số liệu thống kê khi tính giá trị K cho thép C20
Các giá trị tính toán hệ số Herries-K của từng loại thép theo thực nghiệm Ảnh hưởng của thời gian thắm đến chiêu sâu lớp thắm hiệu quả trên thép C20 tại nhiệt độ thâm 5 10°C theo thực nghiệm và theo lý thuyết tính toán
Bảng kết quả phân bồ độ cứng khi thắm tại 510°C, 530°C va 550°C
Bảng tổng kết các thông số công nghệ nhằm ổn định quy trình thấm nito thé khí
cho từng nhóm thép thực nghiệm
Trang 92 Danh mục các hình và đồ thị Hinh 1.1: Hinh 1.2: Hinh 1.3: Hinh 1.4: Hinh 1.5: Hinh 1.6: Hinh 1.7: Hinh 1.8: Hinh 2.1: Hinh 2.2: Hinh 2.3: Hinh 2.4: Hinh 2.5: Hinh 2.6: Hinh 2.7: Hinh 2.8: Hinh 2.9: Hinh 2.10: Hinh 2.11: Hinh 3.1: Hinh 3.2: Hinh 3.3: Hinh 3.4: Hinh 3.5: Hinh 3.6: Hinh 3.7: Hinh 3.8: Hinh 3.9: Hinh 3.10:
Một kiểu sơ đô hệ thống thấm nito plasma [65]
Đặc trưng giữa điện ap va dong điện một chiều khi phát quang [23] Mô hình sự hình thành lóp bê mặt trong thấm nitơ plasma 80}
Ảnh hưởng của thành phần khí đến cấu trúc lớp tham nito plasma [65] Sơ đô mô tả kỹ thuật trờng nóng và tường lạnh [41]
Sơ đồ hệ thống phương pháp ASPN [28] Sơ đồ hệ thống phương pháp PDN [5]
Sơ đồ hệ thống phương pháp PPN [37J
Sự hình thành lóp thấm nito thé khi [1,88]
Sơ đồ mô tả sự thay đổi hoạt độ N từ môi trường thấm vào thép
Gian đồ pha Fe-N [89]
Giản đô Lehrer thể hiện sự ổn định của các pha giữa Fe-N [49]
Mỗi quan hệ giữa giản đồ pha Fe-N và nông độ/chiều sâu đối với sự phát triển
các lớp đơn pha ø-Fe2NI-x và y-FeAN trên nên ø-Fe [55]
Sơ đô cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí [43]
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phân hủy NH; tại các lưu lượng khí khác nhau Thực nghiệm trên lò giếng kích thước trung bình Khí sử dụng 100% NH3
[25]
Sự biến đổi của thế thấm nitơ (Kn) với mức độ phân hủy NH3 trong môi trường
tham (NH3 + Nz + 5%CO2) tai S800C [25]
Ảnh hưởng của tốc độ dòng NH; đến giá trị độ cứng lớn nhất và chiều dày lớp thấm nitơ thể khí thực hiện trên thép cacbon cực thấp c6 hop kim héa thém titan
[42]
Mới quan hệ giữa chiều sâu lớp thấm và thời gian thắm
Ảnh hưởng của các nguyên tổ hợp kim (a) - ảnh hưởng của các nguyên tổ hợp
kim đến độ cứng lớn nhất trên thép thấm nitơ, thực hiện tại 524°C-48h; (b) - ảnh
hưởng của các nguyên tô hợp kim đến chiều dày lớn trắng, thực hiện tại 550°C-
24h [47]
Sơ đô mô tả trình tự nghiên cứu trén cdc mau tham nito thể khí Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor hydro [86]
Sensor Sensor connection KF]6 TCD Gas Analyzer Gasboard-7000 Kinh hién vi quang hoc Axiovert 25A Máy đo độ cứng Struers Duramin-2
Hiển vì điện tử quét bức xạ trường (FESEM) Thiết bị nhiễu xạ tia X (D5005)
Trang 10Hình 3.11: Hình 3.12: Hình 3.13: Hình 3.14: Hình 3.15: Hinh 4.1: Hinh 4.2: Hinh 4.3: Hinh 4.4: Hinh 4.5: Hinh 4.6: Hinh 4.7: Hinh 4.8 Hinh 4.9 Hinh 4.10: Hinh 4.11: Hinh 4.12:
Sơ đồ bồ trí thiết bị cung cấp khí và kiểm soát mức độ phân hủy nhiét NH; Quy trình thường hóa mẫu 20CrMo và C20 trước thắm
Quy trình nhiệt luyện hóa tốt cho thép SKD61 [79] Quy trình nhiệt luyện hóa tot thép 30CrNi2MoVA [80] Quy trinh tham nito thể khí
Ảnh tổ chức tế vi của các mẫu xử lý nhiệt luyện trước thấm với độ phóng đại 500
lan: (a) thép C20, (b) thép 20CrMo, (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKDó1
Ảnh hiển vì điện tử quét trên mẫu thép SKD6I sau tôi (a) và phổ EDX xác định thành phần của cdc hat cacbit (b)
Phân bố nguyên tổ trên thép SKD61 sau toi bang phd mapping: (a) bê mặt thực mẫu thép, (b) phân bố hàm lượng Fe, (c) phân bố hàm lượng Cr, (d) phân bố hàm lượng V, (e) phân bố hàm lượng Mo và (ƒ) phân bố hàm lượng C
(a) ánh hiển vi điện tử quét và (b) ảnh tâm thực màu hiện cácbit phóng đại 1000 lần trên mẫu thép SKD61 sau ram
Phân bố nguyên tô trên tháp SKD61 sau ram bằng phổ mapping: (a) ảnh SEM tổ chức tế vì của thép, (b) phân bố hàm lượng Fe, (c) phân bố hàm lượng €, () phân bố hàm lượng Cr, (e) phân bố hàm lượng V và (f) phân bố hàm lượng Mo Kết quá nhiễu xạ tia X với các mẫu thép trước thấm (a) - thép C20; (b) - thép 20CrMo; (c) - thép 30CrNi2MoVA; (d) - thép SKD61
Ảnh hiển vi quang học quan sát tổ chức lớp thắm hình thành trên bề mặt các mẫu
thép khối với độ phóng đại 500 lần Mẫu được thấm tại 550 °C sử dụng 100%
NH; với K„ạ = 1,6 và thời gian thấm 8h: (a) mẫu thép C20; (b) mẫu thép 20CrMo; (c) mẫu thép 30CrNi2MoVA; (d) mẫu thép SKDóI và (e) mẫu thép được đóng rắn bằng bột nhựa
Ảnh hiển vi điển tử quét quan sát tổ chức lớp thấm hình thành trên bề mặt các
mẫu thép mỏng Mẫu được thắm tại 550 °C sử dụng 100% NH; với K„ = 0,7 và
thời gian thấm 8h: (a) mẫu thép C20; (b) mẫu thép 20CrMo; (c) mẫu thép 30CrNi2MoVA; (d) mẫu tháp SKD6I và (e) mẫu thép được đóng rắn bằng keo đóng rắn epoxy
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tô trên tiết diện ngang mẫu mỏng C20 sau thắm
tại 550°C sử dụng 100% NH: với K, = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) diện tích
quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng nitơ và (e) phân bố hàm lượng
sắt
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tô trên tiết diện ngang mẫu mỏng 20CrMo sau
thắm tại 550 °C sử dụng 100% NH: với K„ạ = 0,7 và thời gian thấm 8h: (e) điện
tích quét trên bễ mặt mẫu thực; (a) phân bố hàm lượng niơ; (b) phân bố hàm lượng sắt; (C) phân bó hàm lượng Mo và (d) phân bồ ham lượng Cr
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tó trên tiết diện ngang mẫu khối 20CrMo sau tôi tại 920C: (a) diện tích quét trên bê mặt mẫu thực; (b) phân bé ham lượng sắt; (c) phân bó hàm lượng cácbon; (d) phan bó hàm lượng M và (e) phân bó hàm lượng Cr
Trang 11Hình 4.13: Hình 4.14: Hình 4.15: Hình 4.16: Hình 4.7: Hình 4.18: Hình 4.19: Hình 4.20: Hình 4.21: Hình 4.22: Hình 4.23: Hình 4.24: Hình 4.25: Hình 4.26: Hình 4.27: Hình 4.28:
tai 920°C va thdm nito tại 550 °C sử dụng 100% NH; với K„ = 0,7 và thời gian
thấm 8h: (a) diện tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng sắt; (c)
phân bố hàm lượng cácbon; (d) phân bố hàm lượng N; (e) phân bố hàm lượng Mo và (ƒ) phân bố hàm lượng Cr
Phổ phân bồ hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng 30CrNi2MoVA
sau thấm tại 550°C sử dụng 100% NH; với K„ = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a)
diện tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng Ni; (c) phân bố hàm lượng Fe; (d) phân bố hàm lượng nitơ
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tô trên tiết diện ngang mẫu mỏng 30CrNi2MoVA
sau thắm tại 550°C sw dung 100% NH; voi K, = 0,7 và thời gian thdm 8h: (a)
phân bố hàm lượng Cr; (b) phân bố hàm lượng C; (c) phân bố hàm lượng V và (d) phân bồ hàm lượng Mo
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tổ trên tiết diện ngang mẫu mỏng SKD61 sau
thắm tại 550°C sử dụng 100% NH; với K„ = 0,7 và thời gian thắm 8h: (a) diện
tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng Fe; (c) phân bố hàm lượng C
Phổ phân bố hàm lượng nguyên tổ trên tiết diện ngang mẫu mỏng SKD6I sau thấm tại 550°C sử dụng 100% NH; với K„ = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) phân bố hàm lượng N; (b) phân bồ hàm lượng V; (c) phân bố hàm lượng Mo và (đ) phân bố hàm lượng Cr
Ảnh hiển vi điện tử quét trên mẫu thép SKD6I sau thấm (a) và phổ EDX xác định thành phần (b)
Két qua nhiéu xa tia X mau thép sau khi thấm tại 550°C sử dụng 100% NH; với K, = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) - thép C20; (b) - thép 20CrMo; (c) - thép
30CrNi2MoVA; (d) - thép SKD61
Sự hình thành và phát triển lóp thấm trên thép sau thường hóa (C20)
Tổ chức tế vi của thép C20 với độ phóng đại 500 lần tại các chế độ xử lý nhiệt
trước thắm khác nhau và kết quả phân bố độ cứng sau thấm: (a) thép C20 sau thường hóa; (b) tháp C20 sau tôi và (c) phân bồ độ cứng sau thắm nitơ
(a) Tổ chức tế vỉ của thép C20 với độ phóng đại 500 lần sau khi ôxy hóa bằng hơi nước; (b) nhiễu xạ Ronghen voi bê mặt mẫu sau ôxy hóa; (c) phân bố độ cứng sau thấm nitơ
Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61 và
30CrNi2MoVA)
Anh SEM thé hiện vị trí các điểm kiểm tra phân bồ nông độ nguyên tổ bằng phổ EDX tại vùng khuếch tán của lớp thẩm trên thép SKD61
Mô hình phát triển lỗ xốp và vết nứt của lớp trắng trong thắm nitơ thể khí [86]
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế thấm Ki
Ảnh hướng của thời gian lưu đến thể thắm K„ tại 550°C
Ảnh hưởng của thành phân khí thắm đến thế thắm K,, tai 550°C
Anh hwong cua thế thắm nitơ đến hệ số truyền: (a) thấm tại 550°C; (b) thắm tại
Trang 12Hình 4.29: Hình 4.30: Hình 4.31: Hình 4.32: Hình 4.33: Hình 4.34: Hình 4.35: Hình 4.36: Hình 4.37: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số truyễn: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) tháp SKD61
Phân bó độ cứng của các mẫu thép ở điều kiện thấm duy trì với thời gian lưu 10 phút, thời gian thấm 8h và trong điêu kiện thay đổi nhiệt độ thắm: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) tháp SKD61
Phân bố độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550 °C trong 8h với thời gian lưu thay đổi: (a) thép C20; (b) tháp 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Phân bó độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550°C trong 8h với thành phân khí thấm thay đổi: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) tháp 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Giản đô Lehrer: (a) cho sắt sạch và (b) cho thép C20
Giản đô Lehrer cho thép SKD61
Phân bố độ cứng của các mẫu thép: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Đồ thị biểu diễn mỗi quan hệ giữa chiều sâu lớp thấm và thời gian thắm của thép
C20 khi thắm tại 510C
Phân bó độ cứng của các mẫu thép: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA va (d) thép SKD61 tại nhiệt độ thấm khác nhau
Trang 13DANH MỤC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT 1 Danh mục các chữ viết tắt Cr: & Ni: Mo: V: Fe: N: NH:: Ñ:: Hp: CO>: CH¡: Am: Fe,(C,N): LPT: ABN: ACCN: ALCN: DCPN: ASPN: PDN: PPN: EDX: SEM: XRD: K;: 2 Cac ky hiéu BCC: FCC: L: B: (an): Nguyén tố crôm Nguyên tô các-bon Nguyên tô nikel Nguyên tô molipden Nguyên tô vanadi Nguyên tô sắt Nguyên tô nitơ Khí amôniắc Khí nitơ Khí hyđrô Khí cácbônic Khí mêtan Khí agông Hằng số khí lý tưởng
Dung dịch rắn hòa tan của C và N trong sắt œ Phuong phap LPT (Liquid Pressure Nitriding)
Phuong phap ABN (Aerated Bath Nitriding)
Phuong phap ACCN (Aerated Cyanide-Cyanate Nitriding)
Phuong phap ALCN (Aerated Low-Cyanide Nitriding) Phuong phap DCPN (Direct Current Plasma Nitriding)
Phuong phap ASPN (Active Screen Plasma Nitriding)
Phuong phap PDN (Post Discharged Nitriding) Phương pháp PPN (Pulsed Plasma Nitriding)
Phổ phân tán tia X theo nang luong (Energy Dispersive Spectroscopy) Hiển vi dién tir quét (Scanning Electron Microscope)
Nhiéu xa tia X
Thế thắm nitơ của môi trường thấm
Trang 14<ay>: Hoạt độ nitơ trong lá thép mỏng Pha ferit Pha austenit Nitorít sắt (FexN) Nitorit sit (Fe2.3N) Nitorít sắt (FesN›) Độ cứng Vickel 0,1 Hệ số khuếch tán Nông độ Lưu lượng Nhiệt độ Thẻ tích Chiều dày lớp thấm Hệ số cân bằng phản ứng Thừa số Herries
Đơn vị nhiệt độ (tính theo độ Celsius) Đơn vị nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)
Trang 15MO BAU
Tính cấp thiết của luận án:
Tham nito thể khí là một công nghệ hóa nhiệt luyện đang được ứng dụng khá phổ biến và rộng rãi trên thế giới nhờ tạo ra được lớp bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt, tăng giới hạn mỏi nhờ tạo ứng suất nén dư bề mặt trong khi chỉ phí giá thành hợp lý và ý
nghĩa thực tiễn lớn Với lịch sử hơn 100 năm phát triển, ở những thập niên cuối của thế kỷ
20, loại hình công nghệ này dường như bị đây vào quên lãng khi mà một số công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến khác xuất hiện và tưởng chừng có thể thay thế mãi mãi công nghệ thấm nitơ thể khí thì trong khoảng gần 10 năm trở lại đây, trung bình hàng năm luôn có ít nhất từ
1 đến 2 nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ thấm nitơ thể khí được công bố tại các nước phát triển như Cộng hòa liên bang Đức, Cộng hòa Pháp, Hợp chủng quốc Hoa kỳ, Nhật bản Điều này chứng tỏ công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn còn rất nhiều tiềm năng cần tiếp
tục khám phá và ứng dụng
Ở Việt Nam, hiện tại công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn là loại hình được ứng dụng
rộng rãi hơn so với công nghệ thấm nitơ thể lỏng và plasma Tuy nhiên, qua khảo sát tình hình áp dụng phương pháp thấm N thể khí trong các nhà máy sản xuất quy mô công nghiệp, đặc biệt là tại các cơ sở sản xuất tư nhân thì nhìn chung đều bộ lộ khá nhiều bất cập
trong việc làm chủ công nghệ này Ở một vài nơi nhập khẩu thiết bị đồng bộ có đi kèm với
các quy trình công nghệ cho từng nhóm chỉ tiết nhất định Nhưng trong sản xuất do số
lượng và chủng loại chi tiết thường xuyên thay đổi nên xuất hiện tình trạng thể tích rỗng của buồng thấm bị thay đổi, qua đó làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng lớp thấm trên bề
mặt thép Cá biệt có một vài nơi, do số lượng chỉ tiết cần thấm quá ít, do đó đề duy trì được
thể tích rỗng của buông thấm theo thiết kế của công nghệ đi kèm, người vận hành còn đưa cả sắt thép vụn vào buồng thấm cùng với chỉ tiết; điều đó làm giảm đáng kế hiệu suất của
công nghệ và thiết bị
Chủng loại mác thép được sử dụng trong việc áp dụng công nghệ thấm nitơ thể khí
tại Việt nam cũng rất đa dạng Những mác thép cacbon thấp như C20, 20CrMo thường được sử dụng trong chế tạo các chỉ tiết của xe máy như may ơ, chốt xích đến các mác thép nhiệt luyện hóa tốt như SKD61 trong chế tạo các loại khuôn dập nóng, khuôn đùn ép Dé
tìm được chế độ thấm thích hợp nhất cho từng mác thép, người thực hiện thường phải tiến hành khảo sát cụ thể ở rất nhiều chế độ để tìm ra thông số tối ưu Việc làm này gây lãng
phí rất nhiều thời gian, công sức và làm tăng chỉ phí trên mỗi đầu sản phẩm Ở thời điểm
hiện tại, khí thắm sử dụng thường hoàn toàn là NHạ nên khi có yêu cầu nâng cao độ cứng
lớp thấm thì biện pháp phổ biến vẫn là đưa thêm lưu lượng khí cung cấp để làm tăng thé
thấm của môi trường Biện pháp này tuy có cải thiện được độ cứng lớp bề mặt tuy nhiên lại
lại gây ra lãng phí một lượng lớn nguồn khí thấm và tăng ô nhiễm môi trường
Với lý do đó, luận án này tiến hành các nghiên cứu nhằm tìm ra các nguyên nhân và đề xuất biện pháp khắc phục những nhược điểm trên, vì việc chọn chế độ công nghệ thấm
hợp lý cho từng chủng loại mác thép là công việc cần thiết và cấp bách hiện nay tại Việt
nam Các kết quả nghiên cứu dự định áp dụng tại Công ty FC Hòa Lạc
Mục đích và đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án:
Làm rõ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính như nhiệt độ, thế thắm
Trang 16ôn định áp dụng cho một số đối tượng chủng loại mác thép thông dụng tại Việt nam như C20, 20CrMo, 30CrNi2MoVA va SKD61
Ý nghĩa khoa học của dé tài luận án:
Luận án đã đánh giá được mối quan hệ phụ thuộc giữa hệ số truyền chất với nhiệt độ và thế thấm, từ đó xác định được vùng nhiệt độ và mức độ phân hủy nhiệt NH; hợp lý cho từng chủng loại thép thắm Việc xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ như nhiệt độ thấm, thế thấm và thời gian thấm đến chất lượng lớp thấm nhận được đã cho phép lựa chọn được những khoảng giá tri tối ưu áp dụng cho từng chủng loại mác thép Qua đó từng bước làm chủ công nghệ, góp phan cai thiện chất lượng lớp thấm và góp phần
hạ giá thành sản phẩm
Các điểm mới của đề tài luận án:
Sử dụng các thiết bị nghiên cứu hiện đại có độ chính xác cao cho phép xác định
được ảnh hưởng của cấu trúc thép ban đầu đến sự hình thành lớp thấm nitơ thể khí Sự hình thành lớp thấm trên bề mặt thép đều được khẳng định là do cơ chế khuếch tán nitơ theo
biên hạt luôn chiếm ưu thế trong khoảng nhiệt độ thắm thực nghiệm Các kết quả đạt được
trong quá trình nghiên cứu, phân tích và đánh giá đã cho phép luận án đạt được một số kết luận mới như sau:
v Xây dựng được mô hình phát triển lớp thấm nitơ trên thép C20 và SKD6I
đã giúp làm sáng tỏ sự hình thành và phát triển lớp thắm trên bề mặt thép phụ thuộc nhiều vào tổ chức thép ban đầu
v Lớp thấm phát triển trên tổ chức thép sau thường hóa chính là sự phát triển
mở rộng và xâm lấn của biên hạt Các nguyên tố hợp kim (nếu có) tập trung nhiều ở biên
hạt và sự hình thành các nitorit hợp kim có thể là sự thay thế của chúng trong các nitorit sắt
và cacbit của chúng
v Với thép sau nhiệt luyện hóa tốt, các nitorit hợp kim hình thành là nhờ sự
thay thế dần cácbon trong cácbit bởi các nguyên tử nitơ hấp thụ vào từ bề mặt thép Phương pháp nghiên cứu:
w Tập hợp tìm hiểu và đánh giá các tài liệu về thấm nitơ thể khí trong và ngoài
nước để khai thác các khía cạnh còn chưa rõ cần phải hoàn thiện
v Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo mẫu, thay đổi các
chế độ thắm, khảo sát và đánh giá kết quả, so sánh và đưa ra kết luận,
Nội dung và bố cục của luận án:
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án được trình bày trong 4
chương:
Chương 1: Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thấm nitơ Chương 2: Cơ sở lý thuyết thấm nitơ thể khí
Chương 3: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu
Trang 17CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÁM NITƠ
1.1 Công nghệ thấm nitơ trên thế giới và tại Việt nam
Thực trạng ứng dụng của công nghệ thấm nitơ hiện nay, dựa trên các bài báo khoa
học, các thông tin từ nhà sản xuất mới công bố gần đây đã cho phép khái quát được phần
nào thực trạng ứng dụng của công nghệ thắm nitơ trên thế giới Trong khi đó, việc khảo sát đánh giá tại một số vùng khu vực miền Bắc cũng cho thấy được thực trạng ứng dụng công nghệ này tại Việt nam
1.1.1 Công nghệ thắm nitơ trên thế giới
Trên thế giới, phương pháp thấm nitơ đã ra đời rất sớm, từ những năm đầu của thế kỷ 20 [12,16,63] Ngay sau đó, phương pháp thấm N được triển khai nghiên cứu mạnh mẽ ở nhiều nước và đã xuất hiện nhiều công nghệ thấm N khác nhau, áp dung cho nhiều loại
sản phâm Đây là một trong những công nghệ hóa nhiệt luyện quan trọng nhất ứng dụng
cho các chỉ tiết cần độ cứng bề mặt cao, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn [88] Ngoài đặc điểm chịu mài mòn, lớp thấm nhận được sau khi thắm N còn cho thấy những ưu điểm
nổi bật khác như tăng khả năng chịu mỏi nhờ tạo ra lớp ứng suất nén trên bề mặt, nâng cao độ bền chống ăn mòn nhờ tạo được lớp bề mặt thụ động (ngoại trừ thép không gi) và cuối cùng là có khả năng hồi phục kích thước cho chi tiết sau một thời gian làm việc [52,63,65]
Trong suốt chiều dài lịch sử khoảng 100 năm phát triển của công nghệ thấm nitơ, đã
có nhiều phương pháp được áp dụng như công nghệ thấm nitơ thể khí [16,31,61,65,70],
công nghệ thấm nito thể lỏng [16,65] và công nghệ thấm nitơ plasma hay còn gọi là thắm
nitơ ion hóa [16,38,41,59,65,91] Trong số đó, công nghệ thắm N thê khí ra đời sớm nhất và nó cho phép vận hành với chỉ phí thấp, thiết bị không đòi hỏi quá đắt tiền Tuy nhiên,
mức độ xít chặt của lớp trắng tạo thành ở loại hình công nghệ này bị hạn chế do có sự hình
thành các phân tử khí nitơ tập trung chủ yếu tại vùng biên hạt, kết quả là đã tạo nên nhiều cầu trúc rỗ xốp trong lớp thấm Do đó, chất lượng lớp thắm nitơ thé khí thường thấp hơn so
với các công nghệ ra đời muộn hơn nó như công nghệ thấm nitơ thể lỏng và đặc biệt là công nghệ thấm nitơ plasma [80]
Với công nghệ thâm nitơ thé lỏng, tuy tốc độ thắm có được rút ngắn và chất lượng lớp thấm cao hơn nhưng do đặc thù sử dụng môi trường thấm là muối nóng chảy gốc
xyanua và xianat [65], do đó thường gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là tại những nơi có hệ thống xử lý khí thải kém hoặc ít chú trọng đến yêu cầu này Vì lý do đó,
công nghệ này đang dần được loại bỏ và thay thế vào đó bằng công nghệ thấm nitơ plasma, đây là công nghệ thân thiện với môi trường, cho phép nhận được lớp thấm có chất lượng rất cao phù hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế Sự phát triển mạnh mẽ của loại hình công nghệ này đã phần nào được khẳng định thông qua hàng trăm các bài báo khoa
học được công bồ rộng rãi trong hai thập kỷ cuối của thế kỷ 20 [12,80] Tuy nhiên, cho đến
thời điểm hiện tại, công nghệ thâm nitơ plasma vẫn còn tồn tại một nhược điểm là hệ thống
thiết bị sử dụng trong quá trình tạo lớp thấm khá đắt tiền và đòi hỏi đội ngũ vận hành thiết
bị phải khá chuyên nghiệp
Trang 18về giá thành sản phẩm và trình độ của đội ngũ vận hành vẫn đang là rào cản để công nghệ này có thể được phổ biến rộng rãi hơn Trong khi đó, từ những năm đầu của thế ky 21 tro lại đây, tại những quốc gia công nghiệp hàng đầu trên thế giới như Mỹ, Đức và một số quốc gia khác liên tục xuất hiện hàng loạt các công trình nghiên cứu mới được công bố cho phép hồn thiện cơng nghệ thấm nitơ thể khí cho nhiều chủng loại thép khác nhau [8,11,15,31,32,43,51,55,61,69,70,72,82,83,88,89,90] Điều này đã chứng tỏ tiềm năng ứng dụng và lợi thế của công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn còn chưa được khai thác triệt để Đặc biệt, trên một số khía cạnh công nghệ thông thường như giá thành thiết bị thấp, nguồn khí cung cấp rẻ, phổ biến, dễ áp dụng ở quy mô sản xuất nhỏ , công nghệ thấm N thể khí vẫn
chiếm ưu thế so với công nghệ thắm nitơ plasma
1.1.2 Công nghệ thắm nitơ tại Việt nam
Hiện tại, qua khảo sát một số điểm thuộc khu vực miền Bắc đã cho thấy: hai dạng
công nghệ thấm nitơ thể khí và plasma đều đang được áp dụng Công nghệ thấm nitơ thể
lỏng, vì lý do gây ô nhiễm môi trường nên đa phần các cơ sở sản xuất đã loại bỏ Chỉ còn tồn tại rất hạn chế tại một số nơi có áp dụng các biện pháp xử lý khí thải và bảo vệ môi trường hết sức nghiêm ngặt
Với loại hình công nghệ thấm nitơ plasma, vì nó cho phép nhận được chất lượng
lớp thấm rất cao, có thể đảm bảo được các yêu cầu khắt khe của các khách hàng khó tính,
nên công nghệ này hiện đang được áp dụng tại một số cơ sở sản xuất, nghiên cứu gần Hà
Nội Tuy nhiên, hạn chế đáng kể của phương pháp này là hệ thống thiết bị đắt tiền, đội ngũ
cán bộ vận hành thiết bị cần có kiến thức chuyên môn cao, được đảo tạo bài bản, dẫn đến
chỉ phí giá thành sản phẩm khá lớn so với các dạng công nghệ khác Vì lý do đó, trong điều
kiện sản xuất tại Việt nam, qua các vùng được khảo sát và đánh giá đã cho thấy: loại hình công nghệ này vẫn chưa thể áp dụng rộng rãi đặc biệt là tại các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ
Vào thời điểm hiện tại, chỉ một số rất ít cơ sở có thiết bị áp dụng loại hình công nghệ này
So với công nghệ thấm nitơ plasma, công nghệ thấm nito thé khí được áp dụng rộng
rãi hơn nhiều Từ các nhà máy sản xuất cơ khí lớn đến các cơ sở tư nhân sản xuất nhỏ lẻ,
nếu cần áp dụng quy trình xử lý bề mặt cần độ cứng cao chịu mài mòn thì công nghệ thấm nitơ thể khí luôn được ưu tiên hàng đầu, vì các lý do đã nêu trên Tuy nhiên, khi đi sâu vào
khảo sát quy trình thấm thực tế hiện đang áp dụng tại các cơ sở sản xuất, đặc biệt là của tư nhân đã thấy bộc lộ khá nhiều bất cập như sau:
+ Vì chất lượng lớp thấm thê khí phụ thuộc rất mạnh vào sự ôn định tỷ lệ giữa lưu lượng khí cung cấp khi thấm và thé tích rỗng của lò, nên tỷ lệ này cần được duy trì nghiêm
ngặt trong mỗi mẻ thấm Trong khi đó, số lượng và chủng loại chỉ tiết do khách hàng yêu cầu thường không ồn định, đôi khi mang tính nhỏ lẻ, do đó rất khó duy trì được tỷ lệ đó khi
thấm Việc này dẫn đến hệ quả là tỷ lệ phân hủy amoniac trong các mẻ thấm là khác nhau dẫn đến kết quả là chất lượng lớp thấm không đồng đều và không Ổn định
+ Chủng loại vật liệu sử dụng chế tạo chỉ tiết cần thấm nitơ rất đa dạng Từ những
chi tiết được chế tạo bằng thép cácbon và thép hợp kim thấp (C20, 20CrMo) đến nhóm thép nhiệt luyện hóa tốt (30CrNi2MoVA, SKD6I) Do đó, để đáp ứng được yêu cầu chất
lượng lớp thấm thỏa mãn theo đòi hỏi của khách hàng, người thực hiện thường phải tiễn hành khảo sát bằng nhiều mẻ thắm thực nghiệm và loại bỏ các chế độ không đạt yêu cầu
đối với từng mác vật liệu Điều này chung quy sẽ làm cho giá thành sản xuất bị tăng lên
+ Việc nâng cao độ cứng lớp thấm hiện cũng gây cho các cơ sở sản xuất nhiều bối
Trang 19biện pháp thường được áp dụng là tăng lưu lượng khí thâm (chứa hoàn toàn NH;), nhằm
làm giảm độ phân hủy, qua đó nâng cao được thế thấm và do đó tăng thêm lượng nitơ xâm
nhập vào bề mặt thép Biện pháp này tuy có cải thiện được độ cứng lớp bề mặt đôi chút
nhưng lại dẫn đến việc lãng phí NH; và gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường
Nhằm giải quyết phần nào những bất cập nêu trên, trong luận án này tác giả sẽ dé xuất và tiến hành nghiên cứu một số nội dung có liên quan, như ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ lệ phân hủy amoniac, tỷ lệ pha loãng chất thắm, thời gian lưu đến sự hình thành và tính chất lớp thấm trong phương pháp thấm N thể khí nhằm ổn định công nghệ này ở nước ta
1.2 Các phương pháp thắm nitơ
Như đã trình bày trên đây, công nghệ thấm nitơ được phân chia dưới ba loại hình công nghệ chính: thấm nitơ thể khí, thắm nito thể lỏng và thấm nito plasma [65] Trong đó
mỗi loại hình công nghệ đều có những nét đặc thù riêng mà ta cần phải xét đến một cách cụ
thể
1.2.1 Phương pháp thắm nitơ thể khí
Có lịch sử ra đời sớm nhất, công nghệ thấm nitơ thể khí sử dụng khí amoniac (NH3) làm nguồn cung cấp nito nguyên tử hoạt tính để hình thành lớp thấm
[12,43.55,61,65,69,70,72] Trong khoảng nhiệt độ thấm thường dp dung (450°C- 650°C)
[12,69,70], dudi tac dung cua nhiét d6, khi amoniac trong buồng thấm sẽ bị phân hủy nhiệt theo phản ứng (1.1) như sau:
NHạ <> <NÑ> + I,5H; (1.1)
Khi đó nitơ nguyên tử hoạt tính sinh ra từ phản ứng trên sẽ hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép để hình thành nên lớp thấm nitơ [14,55,70] Việc điều khiển tổ chức và
cấu trúc lớp thấm trong quá trình thấm nitơ thé khí có thé thông qua việc điều khiển một số thông số của quá trình như: nhiệt độ thấm, thời gian lưu, thời gian thấm, mức độ phân hủy
NH;, thành phần khí thấm [4] Các yếu tố trên đều có mối quan hệ mật thiết qua lại lẫn
nhau, do đó để lựa chọn được một chế độ thắm thích hợp với từng loại mác thép cũng như
yêu cầu cơ tính cụ thé thi nhất thiết cần phải có một nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng về các mối liên hệ của các yếu tố này Các đánh giá như vậy sẽ được trình bày chỉ tiết trong
Chương 2 của luận án
1.2.2 Phương pháp thắm nitơ thể lỏng
Công nghệ này, được cho là ra đời vào những năm 1940 của thế kỷ trước [24] với vùng nhiệt độ thắm thường áp dụng trong khoảng (510°C — 580°C) [65] Bằng việc sử dụng dung dịch muối nóng chảy như là môi trường thấm nitơ đã cho phép nhận được lớp thấm
có chất lượng cao hơn hẳn và thời gian thắm ngắn hơn so với thấm thể khí [4,24] Nguồn
cung cấp nitơ nguyên tử trong loại hình công nghệ này thường là các muối xianat hoặc xyanua của kim loại kiềm như NaCN, KCN, NaCNO và KCNO [24.65] khi đó dưới tác dụng của nhiệt độ, các muối xianat trên sẽ bị phân hủy để sinh ra nitơ hoạt tính hấp thụ và khuyếch tán vào bề mặt thép theo các phản ứng (1.2) và (1.3) như sau [19,27,30,64]:
4MeCNO — 2MeCN + Me2CO3 + CO + 2N (1.2) SMeCNO —> 3MeCN + Me;CO; + CO; + 2N (1.3)
Trang 20mơi trường bên ngồi thì phản ứng tái tạo lại xianat cũng có thể xảy ra theo phương trình
(1.4) [19,30]:
2MeCN + O; — 2MeCNO (1.4)
Hiện tại, hỗn hợp muối được sử dụng với mục đích thương mại đối với loại hình công nghệ này thường là hỗn hợp muối có chứa thành phần như sau [24,35,65]:
- (60-70)% khối lượng muối gốc natri bao gồm: 96.5% NaCN, 2.5% Na;CO; và
0.5% NaCNO
- (30-40)% khối lượng muối gốc kali bao gồm: 96%KCN, 0.6%K;CO;, 0.75%
KCNO va 0.5% KCI
Thành phần hỗn hợp muối bên trên có thể áp dụng cho khá nhiều chủng loại vật liệu như nhóm thép làm dụng cụ cắt năng suất cao, các loại thép hợp kim thấp và nhóm thép chuyên dùng để thấm nitơ có chứa nhơm [65] Ngồi ra, tùy thuộc vào đặc tính yêu
cầu của từng loại chỉ tiết thấm, thành phần hỗn hợp muối thấm có thể thay đổi cho phù
hợp Với thép dụng cụ ngoài hỗn hợp thấm thường sử dụng bên trên, một loại hỗn hợp muối khác cũng có thể sử dụng bao gồm: 30%NaCN + 25%Na¿CO; (hoặc K;CO) + 4% Các chất hoạt tính khác + 2% Hơi âm và phần con lai la KCI [65] Dựa vào các tài liệu đã được công bố, hiện công nghệ thấm nitơ thể lỏng có thể được tiến hành với một vài
phương pháp đặc trưng sau:
Phương pháp LPT
Phương pháp LPT (Liquid Pressure Nitriding), phương pháp này thực hiện bằng việc luôn duy trì một dòng khí amoniac (NHạ) khô chạy qua dung dịch muối nóng chảy là hỗn hợp của các muối gồm (15-20)% muối xianat và (30-35)% muối xyanua [65] Buồng thấm luôn được duy trì áp suất trong khoảng (1-30) atm [18] Với hỗn hợp muối như trên,
nhiệt độ thấm thường được duy trì trong vùng 525°C-565°C trong khi mức độ phân hủy nhiệt NH; đạt được trong khoảng (15-30)% Khi sử dụng phương pháp này, để đảm bảo ổn
định được cơ tính của vật liệu nền, nhiệt độ thắm phải chọn thấp hơn nhiệt độ ram (trước đó) tối thiểu 28°C [36,65] Với phương pháp này, chiều sâu lớp thấm phụ thuộc vào thời
gian thấm và thường dao động trong khoảng (4-72)h tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể chỉ tiết cần thấm [18,36]
Phương pháp 41BIN
Phương pháp ABN (Aerated Bath Nitriding): trong phương pháp này, một lượng
không khí nhất định được bơm qua bề muối lỏng đề làm tăng mức độ hoạt hóa của bể muối [35] Với loại hình công nghệ này, bể muối thường có thành phần gồm (50-60)% NaCN, (32-38)%NaCNO, tổng lượng muối gốc kali (KCN, KCNO) thường trong phạm vi từ 10% đến 30% và phần còn lại của bể muối là Na;CO: [35,65] Với phương pháp này, nhiệt độ
thấm thường được duy trì ở vùng 565°C-570°C [35] và áp dụng đã cho kết quả rất tốt trên
thép cacbon thường, thép hợp kim thấp khi mà lớp trắng hình thành trên bề mặt chỉ tiết có độ xít chặt rất cao Tốc độ thắm cũng khá lớn, với 2 loại thép trên, chiều dày lớp thấm có thé đạt 0.3mm trong 1,5h [65]
Với phương pháp ABN, việc thay đổi hàm lượng muối xianat và xyanua dẫn đến
các biến thể của phương pháp này với các tên gọi như phương pháp ACCN (Aerated
Trang 21lượng muối để làm nâng cao chất lượng lớp thấm cho các loại thép cacbon thường và thép
hop kim thap [65]
1.2.3 Phwong phap tham nito plasma
Phuong phap nay xuất hiện tại Mỹ vào những năm 1950 nhưng cho đến tận những năm 1970 mới được ứng dụng mạnh mẽ tại Đức nhờ có các biện pháp áp dụng để điều khiển được hiện tượng phóng điện phát quang trong chân không [12] Trong loại hình công
nghệ này, sự phát quang của dòng điện một chiều đã được ứng dụng đề tạo ra các ion nitơ
dễ dàng hấp thụ lên bề mặt chỉ tiết đã được phân cực, qua đó cải thiện được mức độ khuếch tán của nitơ vào bề mặt chỉ tiết kim loại [80,92] So với hai loại hình công nghệ thấm nitơ đã trình bày phía trên, công nghệ thấm nitơ plasma nhận được sự quan tâm rất đặc biệt của
nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng do nó có hiệu quả thấm rất cao, khả năng điều khiển tổ
chức, tính chất lớp thấm tuyệt vời, ngay cả khi thực hiện ở nhiệt độ thấp [44], đồng thời
gần như hồn tồn khơng gây ô nhiễm môi trường Với loại hình công nghệ này nhiệt độ
thấm thường được tiến hành ở dưới 500°C để đảm bảo duy trì tốt được tổ chức và tính chất của vật liệu nền [74], tuy nhiên trong một số trường hợp, dé rút ngắn thời gian thấm, nhiệt
độ thấm cũng có thể được nâng lên trong khoảng 550°C-580°C [22] Quy trình thấm nitơ plasma có thể được mô quả qua sơ đồ đơn giản như trên hình 1.1 sau đây:
Hudng thấm Van điêu chỉnh hỗn hợp khí „ Sắc Các loại khí thâm wk O ~—— hH; i Chi tiét Van dig tham nito ẻ No chinh h Cap do — An L nhiệt độ Thiết bị đo ' chân không Giá đỡ cách Bảng điều điện khiển ƑP | | ‡ Cài đặt chu is Nguồn một kỳ thực hiện a = + chiéu DC
Bơm chân Biến trở điều khiển
không dòng hoặc điện áp
Hình 1.1: Một kiểu sơ đồ hệ thống thắm nito plasma [65]
Đề tiến hành thấm nitơ plasma, chỉ tiết sau khi đặt trong buồng thấm đóng kín sẽ được tiến hành bơm chân không xuống mức rất thấp, thường nằm trong khoảng (0,02 —
Trang 22buồng thấm [65] Tuy nhiên, khi quá trình thắm xảy ra, do sự có mặt của khí thấm cung cấp vào buồng lò nên áp suất sẽ được nâng lên và thường duy trì trong khoảng (1-11) Torr
[7,29,33,53,62,65] Để tạo được plasma trong buồng thấm, điện áp một chiều sử dụng
thường nằm trong khoảng (500-1000)V [65], vung điện áp này được lựa chọn dựa trên cơ sở môi quan hệ giữa điện áp và dòng điện như trên hình 1.2 [23] Trên vùng AB, do đặc trưng vùng này có dòng rất nhỏ và bản thân nó cũng không thể tự duy trì hiện tượng phóng điện nếu không có sự hỗ trợ của nguồn điện tử từ bên ngoài, vì thế mật độ các nguyên tử được hoạt tính trong vùng này khá nhỏ và không phù hợp sử dụng trong công nghệ plasma
[23] Với vùng phóng điện phát quang thông thường (vùng CD), sự phóng điện trong vùng
này rất ôn định, tại đây cũng đồng thời chỉ ra được mức độ độc lập của điện áp so với cường độ dòng điện Tuy nhiên, việc cường độ dòng điện trong vùng này như một hằng số so với điện áp đã dẫn đến hệ quả sự phát quang chỉ bao phủ được một phần cực âm (chỉ tiết thấm) ngay cả khi điện áp tăng [23,65,80] Vì lý do này, vùng CD cũng không phải lựa chọn thích hợp cho công nghệ plasma Điện áp (V) Phóng điện phát quang dị thường 1000 F Phóng điện ion hóa —— , TA ⁄4 sook ể£ A Phóng aig phat : quang thông thường D Phong ho quang “1D -4 1Í
10 10 10 1Ơ Cường độ (A)
Hình 1.2: Đặc trưng giữa điện áp và dòng điện một chiều khi phát quang [23] Đối với vùng DE (vùng phóng điện dị thường), vùng này cho thấy sự hiện diện của định luật Ơm trong mơi trường phóng điện phát sáng Với việc tăng điện áp đã kéo theo
cường độ dòng điện tăng, kết quả này đã làm cho hiện tượng phát quang có thể bao trùm toàn bộ cực âm (chỉ tiết thám) do khi đó các ion dương trong môi trường plasma có vận tốc
đủ lớn để kích thích hỗn hợp khí thấm [23] Vì lý do này, vùng DE thường được áp dụng trong các công nghệ thấm nitơ plasma [80]
Với vùng hồ quang, khi cường độ dòng điện đủ lớn có thể xuất hiện sự phóng hồ
quang giữa chi tiết và buồng thấm Hiện tượng này thường gây tôn hại cho bề mặt chỉ tiết thấm cũng như cơ tính của chỉ tiết Do đó vùng này cũng không được sử dụng trong công
nghệ thắm nitơ plasma
Cơ chế hình thành lớp thấm nitơ plasma:
Trong công nghệ thấm nitơ plasma, sự hình thành lớp thấm nitơ có thể được quan
Trang 23chỉ tiết, các điện tử tự do chuyển động với vận tốc đủ lớn va chạm và ion hóa các phân tử
khí hình thành nên hỗn hợp plasma trong buồng thấm Nhờ sự phân cực cathode, bề mặt chỉ tiết sẽ bị bắn phá liên tục bởi các ion khí mang điện tích dương làm các nguyên tử sắt bị bật ra và kết hợp với nitơ nguyên tử đề hình thành nitorit Các nitorit kim loại (nitorít sắt)
hình thành sẽ được hấp thụ lại ngay trên bề mặt, nguyên tử nitơ nhờ đó sẽ được khuếch tán
vào sâu đề hình thành lớp thấm
Điều khiểu tổ chic lép tham nito plasma
Khác với công nghệ tham nito thể khí, trong công nghệ thám nito plasma, dé điều
khiển được tổ chức của lớp thấm thì biện pháp sử dụng ở đây là thông qua thay đổi thành phan va ty lệ hỗn hợp khí thắm Các hỗn hợp khí sử dụng có thể kể đến như: hỗn hợp khí
thấm gồm Hạ + N; + CH¡ [41,65], Hạ + N› [23,28,29,53,58,67], No + Ars [45,62,91], Ho +
Trang 24(1-5)% No + (15-30)% No + (60-70)% No + (1-3)% (95-99)% Hạ (70-85) % H; CHy + Hp Vật liệu nền Vật liệu nền Vật liệu nền Lớp thấm chỉ có Lớp thắm bao gồm Lớp thấm bao gồm lớp khuyếch tán lớp trắng (y') và lớp lớp trắng (e) và lớp khuyếch tán khuyêch tán Hình 1.4: Ảnh hưởng của thành phân khí đến cấu trúc lớp thắm nitơ plasma [65]
Ngoài việc thay déi thanh phan va ty lệ khí thấm, hai thống số khác cũng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp thắm là nhiệt độ thắm và thời gian thắm [10] Ngày nay, nhờ
sự phát triển của các loại hình công nghệ nên nhiều kỹ thuật mới đã được áp dụng nhằm làm tăng hiệu quả của quá trình thấm nitơ plasma Một vài phương pháp có thể đề cập đến
như phần trình bày tiếp sau đây:
Phương pháp DCPN
Phuong phap DCPN (Direct Current Plasma Nitriding) được mô tả khái quát theo
sơ đồ trên hình 1.1 Một điện thế được đặt giữa chỉ tiết (cực âm) và tường lò (cực dương)
Điện trường tạo thành sẽ ion hóa hỗn hợp khí tạo thê plasma trong buồng thấm Thanh nung
Tường lò
Tường lạnh 4 Tuong nong At
Hình 1.5: Sơ đồ mô tả kỹ thuật tường nóng và tường lạnh [41]
Với phương pháp DCPN, các chỉ tiết cần thắm sẽ được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết nhờ vào sự phóng điện tạo plasma ngay trong buồng thấm theo kỹ thuật tường lạnh (cold wall) hay kỹ thuật tường nóng (hot wall) được mô tả như trên hình 1.5 Trong kỹ thuật tường lạnh, mẫu được nung nóng chỉ đơn thuần là nhờ sự phóng điện tạo plasma
Trang 25plasma nói trên, mẫu còn được nung nóng nhờ có thêm các thanh nung, do vậy đảm bảo
được mức độ đồng đều nhiệt cao hơn [41,66] Tuy nhiên với cả 2 loại công nghệ này, kết
quả cho thấy bề mặt chỉ tiết sau thắm có độ nhẵn bóng không cao do tác động của việc bắn phá ion làm sạch bề mặt mẫu ban đầu [41] Mặc dù phương pháp này có một số ưu điểm có
thể ké đến như: không gây ô nhiễm môi trường, tiêu hao năng lượng và khí sử dụng ít, thời
gian thấm ngắn Tuy nhiên một số hạn chế của phương pháp này như: hiệu ứng góc cạnh
khi phóng điện, hiệu ứng hollow cathodic và sự phóng hồ quang xảy ra có thể dẫn đến sự không đồng đều về cơ tính của lớp thấm [6,28]
Phương pháp ASPN
Phương pháp ASPN (Active Screen Plasma Nitriding): phuong phap nay ra doi dé
khắc phục một số nhược điểm của phương pháp DCPN bên trên Thay vì hiện tượng phóng điện tạo plasma trực tiếp giữa tường lò và chỉ tiết thắm, một tắm chắn phân cực âm sẽ được sử dụng bao bọc quanh chi tiết như trên hình 1.6
Sự phóng điện tạo plasma giữa cực dương (thành lò) với tắm chắn sẽ tạo plasma và
sinh nhiệt để nung nóng chỉ tiết thắm Với cách làm này, nhiệt độ thấm trong buông lò sẽ
Trang 26Phuong phap PDN
Phương pháp PDN (Post Discharged Nitriding): khác với hai phương pháp đã đề cập ở trên, phương pháp PDN sẽ không tiến hành tạo plasma trực tiếp trong buồng thắm mà hỗn hợp này sẽ được thực hiện ở bên ngoài buồng thấm, sau đó sẽ được dẫn qua buồng
chứa chỉ tiết để quá trình thấm xảy ra [5,76] Bơm Điện cực Điện cực âm dương Plasma Hạ+N; Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phương pháp PDN [5J
Trong phương pháp này, tuy bề mặt chi tiết không bị bắn phá trực tiếp nhưng do
plasma được tạo ra từ nơi khác chuyển đến nên sẽ có một số bất lợi như việc rất khó phân bố đồng đều plasma trong toàn bộ buồng thấm, đặc biệt là với các buồng thấm lớn Ngoài ra, tuổi thọ của dòng plasma trong buồng thấm cũng sẽ bị rút ngắn do mất thời gian vận chuyển từ nơi khác đến
Phương pháp PPN
Phương pháp PPN (Pulsed Plasma Nitriding): so với các phương pháp trên, phương pháp PPN tạo plasma nhờ xung điện một chiều, do đó có thể điều khiển được nhiệt độ
buông thấm thông qua việc thay đổi chu kỳ tạo xung mà không cần phải thay đổi điện thế
giữa các điện cực Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: hiện tượng phóng hồ quang gây tồn hại bề mặt mẫu trong phương pháp này cũng được hạn chế một cách hiệu quả hơn so với các phương pháp khác [37]
Trên hinh 1.8 thể hiện sơ đồ bố trí thiết bị của phương pháp PPN Mặc dù có một
vài ưu điểm đã kể trên, một nhược điểm của phương pháp PPN là ảnh hưởng của hiệu ứng
hollow cathode trong phương pháp này khá lớn, đối với các chỉ tiết bề mặt có khe hẹp và
sâu thì thường có hiện tượng bị nóng chảy cục bộ Do đó các chỉ tiết cần phải có hình dáng đơn giản thì mới nên áp dụng phương pháp này
Trang 27không Cảm biến đo áp suất buồng thấm Hỗn hợp khí thắm | Cảm biến đo nhiệt độ buồng thắm 3x380V, 50Hz LL OO +
May tao xung
Hinh 1.8: So d6 hé thong phwong phap PPN [37] 1.3 Ưu nhược điểm của các loại hình công nghệ
Đề lựa chọn loại hình công nghệ phù hợp với điều kiện thực tiễn tại Việt nam, việc
so sánh đánh giá các ưu và nhược điểm của từng loại hình công nghệ là rất cần thiết Các phân tích đánh giá cụ thể được trình bay trong bang 1.1 sau đây sẽ chỉ ra các đặc điểm của
từng loại hình công nghệ như vậy
Bang 1.1: So sanh ưu nhược điển của các công nghệ thấm niơ hiện nay [25] Quá trình Uu diém Nhược điểm Thấm nitơ thể khí thông thường
- So với các công nghệ thâm cacbon thì thấm nitơ được tiến
hành ở nhiệt độ thấp, do đó giữ
được các đặc trưng cơ tính của vật liệu nền
- Kỹ thuật điều khiển đơn giản
hơn so với các công nghệ thấm
nito thé lỏng
- Chi phi ché tao hé théng tham ré
- Khó áp dụng với các loại thép
không gỉ
- Hạn chế đối với các thiết bị có
liên quan đến đồng và hợp kim
đồng do xảy ra hiện tượng ăn mòn
khi tiếp xúc với NHạ
- Khó điều khiển chính xác được các tính chất của lớp thấm do mức
độ phân hủy amonia (NH;) luôn rất
Trang 28
hơn so với các công nghệ khác
- Không yêu cầu quá khắt khe đối với trình độ người vận hành - Có thể áp dụng công nghệ tự động hóa đề điều khiển quá trình thấm nhạy cảm với sự thay đôi nhỏ về nhiệt độ
- Trong nhiều trường hợp, lớp trắng được tạo ra một cách không mong muốn Thấm nitơ thể lỏng - Nung nóng nhanh chi tiêt và thời gian thắm ngắn
- Dễ tạo được các lớp thấm nitơ ngay cả trên thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp
- Chất lượng lớp thấm tốt hơn hắn
so với thấm thê khí
- Không thê điêu khiên tô chức lớp thấm dựa vào thông số quá trình
- Khó áp dụng với một số loại thép
có nhiệt độ ram thấp (do nhiệt độ muối nóng chảy cao có thé làm mắt tính chất ban đầu của vật liệu nền)
- Sau thâm chỉ tiết nhất thiết phải
được làm sạch muối là để loại trừ tốn hại bề mặt do bị ăn mòn
- Gây độc hại tới môi trường và
sức khỏe con người Hiện nay công nghệ này đang rất hạn chế sử dụng trên thế giới Tham plasma nito
- Nhờ có sự băn phá ion quá trình ban đầu nên tạo được bề mặt có hoạt tính cao
- Dễ dàng thực hiện được ở nhiệt
độ thấm thấp nên đảm bảo giữ
được cơ tính của vật liệu nền - Quy trình thắm ngắn
- Chất lượng lớp thâm tốt do có
thể điều khiển chính xác các
thông số trong quá trình thắm - Công nghệ thấm thân thiện với
môi trường - Khó đo, điêu khiên và làm đông
đều nhiệt độ
- Rat dé xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ do hiện tượng phóng
hồ quang hay ảnh hưởng của chế
độ hollow cathode
- Đòi hỏi đội ngũ vận hành phải có trình độ và luôn luôn phải giám sát các thông số - Hình dạng chỉ tiết ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng lớp thắm - Chi phí chế tạo thiết bị đắt tiền
1.4 Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu
Trên quan điểm phát triển loại hình công nghệ thắm nitơ phù hợp triển khai áp dụng
rộng rãi trong điều kiện thực tiễn tại Việt nam, phương pháp thấm nitơ thể khí đã được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án này và hướng tới triển khai áp dụng Loại hình công nghệ này, nếu ổn định được quy trình thấm sẽ có cơ hội rất lớn để áp dụng trong sản xuất từ quy mô công nghiệp đến các cơ sở sản xuất tư nhân nhỏ lẻ Vì vậy luận án đặt ra một số mục tiêu sau:
Trang 29* Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của cấu trúc ban đầu đến sự khuếch tán nitơ
vào bề mặt thép Xây dựng mô hình phát triển lớp thấm trên nhóm thép sau thường hóa (C20, 20CrMo) va sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61, 30CrNi2MoVA)
* Thiết lập mối quan hệ phụ thuộc giữa hệ số truyền chất với thế thắm và nhiệt độ
để chọn được vùng phân hủy NHạ và nhiệt độ thích hợp áp dụng cho từng nhóm thép thấm
* Khảo sát và đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, thế thấm (thông qua việc thay đổi thời gian lưu, thành phần khí thắm) và thời gian thấm đến cấu trúc và tính chat lớp thấm, qua đó đề xuất chế độ thấm tối ưu
* Dựa vào các số liệu thực nghiệm đạt được để đề xuất quy trình thấm N thể khí ồn định áp dụng cho một số mác thép hiện đang được sử dụng phô biến ở Việt Nam
1.4.2 Đối tượng nghiên cứu
Với mục tiêu nghiên cứu quy luật hình thành lớp thấm nitơ trên thép cácbon và thép hợp kim, cũng như ảnh hưởng của cácbon đến quá trình thấm, đề tài đã chọn các mác thép điển hình là C20, 20CrMo, SKD6I và 30CrNi2MoVA Các mác thép này hiện đang được ứng dụng nhiều trong chế tạo các loại chốt xích, may ơ (C20, 20CrMo), các loại khuôn đùn ép, khuôn đúc áp lực cao (SKD6I) và trong chế tạo các chỉ tiết cơ khí phục vụ cho các khí tài quân sự (nòng pháo) (30CrNÑi2MoVA)
1.4.3 Nội dung nghiên cứu
* Tổng quan tài liệu
* Xác lập lý thuyết mối quan hệ giữa hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào
trong thép với các thông số công nghệ Từ đó hiểu được sự hình thành cấu trúc lớp thấm
nito
* Xây dựng cách tính hoạt độ nitơ trong môi trường thấm và trong thép để xác lập được giá trị hệ số truyền chất
* Chế tạo các loại mẫu thử nghiệm cho từng loại thép sử dụng phù hợp với yêu cầu
đặt ra ban đầu của mục tiêu nghiên cứu và tiến hành thấm nitơ trên các mẫu thép chế tao
với trong điều kiện thay đổi các thông số công nghệ trong phạm vi yêu cầu đặt ra ban đầu * Đánh giá các kết quả đạt được thông qua việc phân tích: ảnh hiển vi quang học, ảnh hiển vi điện tử quét + EDX, nhiễu xạ rơnghen, phân bố độ cứng lớp thấm để xây
dựng mô hình phát triển lớp thấm và xác lập được ảnh hưởng của các thông số công nghệ * Đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào (nhiệt độ thấm, thời gian lưu và
thành phan khí thắm) đến thế thấm (Kạ) của môi trường
* Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính (nhiệt độ, thế thắm và thời gian thám) đến tổ chức và tính chất của lớp thấm
* Tổng hợp các kết quả nghiên cứu và đề xuất chế độ thắm cho từng chủng loại
Trang 30CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYÉT THÁM NITƠ THẺ KHÍ
2.1 Cơ sở quá trình thắm nitơ thể khí
Trong công nghệ thấm nitơ thể khí, NH; được sử dụng như một nguồn cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính (<Ñ>) rất hiệu quả [8,30,48,51,82] Tuy nhiên, sự hình thành lớp thấm chỉ đạt được khi những điều kiện nhất định được thỏa mãn, đảm bảo mức độ tiếp nhận, khuếch tán của nitơ vào bề mặt thép là đủ lớn, và khả năng cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính từ môi trường phải được duy trì ôn định ở mức độ nào đó Do đó, để cải thiện và nâng cao hiệu quả của quá trình công nghệ, cần phải xác định mức độ phân hủy nhiệt của
nitơ ở điều kiện đó Cả thực nghiệm và lý thuyết đều khẳng định rằng quá trình thấm nitơ
lên một loại thép ở nhiệt độ xác định chỉ đạt được khi độ phân hủy nhiệt của NHạ nằm trong khoảng hợp lý Hoạt độ nitơ trong môi trường thâm thường đặc trưng cho khả năng cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính từ môi trường thấm lên bề mặt chỉ tiết, trong khi đó hoạt
độ nitơ trong thép lại đặc trưng cho khả năng tiếp nhận nitơ nguyên tử hoạt tính của thép
thấm (chỉ tiết)
2.1.1 Thế nitơ của quá trình thấm
Quá trình thấm nitơ lên thép sử dụng NHạ được đặc trưng bằng phản ứng (2.1) sau đây:
NH; ©(N)+ SH, (2.1)
Nito nguyén ttr tao thanh (<N>) theo phản ứng (2.1) sẽ hap thụ và khuếch tán vào
phía trong để tạo thành lớp thấm Trong thực tế, lượng nitơ nguyên tử có thể hấp thụ và
khuếch tán vào bề mặt thép là rất nhỏ Do đó, theo định luật Henry thì lượng nitơ nguyên tử khuếch tán được vào bề mặt thép có thể được xác định theo công thức (2.2) sau đây [63,89]: Pwu, 1° 3/2 Pu, %N © dy =K (M) =K,.K, (2.2) Trong đó: + K¡ là hệ số cân bằng phản ứng (2.1) Ở nhiệt độ thấm xác định, giá trị Kị sẽ là một hằng số [63,89]
+ a‹n> là hoạt độ của nitơ trong thép
+ DxH3, Pua lần lượt là áp suất riêng phần của NH; và H; trong buồng thấm
+ Kạ được gọi là thế thấm nitơ [49,61,63,72,86,88-89] và được xác định theo biểu
thức (2.3) sau đây:
Pyn, 2.3
K,=e tai
H;
Như vậy, biểu thức (2.2) còn cho thấy: lượng nitơ nguyên tử hòa tan trong thép tại
một nhiệt độ thấm xác định phụ thuộc tuyến tính vào thế nitơ trong mơi trường thấm Ngồi ra, trong môi trường thấm thì quá trình phân hủy nhiệt của khí NH; còn được
mô tả bằng phản ứng (2.4) xảy ra đồng thời với phản ứng (2.1) như sau:
Trang 31NH.©}N,+ŠH, g Nt ie (2.4)
Phản ứng (2.4) cho thấy: tùy thuộc vào mức độ phân hủy nhiệt NH: mà lượng H; sinh ra theo phản ứng (2.4) sẽ có tác động đến áp suất riêng phần của H; trong buồng thắm, qua đó tác động đến thế tham K, Do vậy, đề thay đôi mức độ phân hủy nhiệt NH;, một số thông số chính như nhiệt độ, thời gian lưu khí và thành phan khí thấm sẽ được thực hiện trong nghiên cứu của luận án
2.1.2 Hoạt độ nitơ của môi trường thắm
Như đã đề cập ở phía trên, trong quá trình thấm sẽ luôn tồn tại 2 phản ứng đồng thời (2.1) và (2.4) Khi đó, phán ứng tổng hợp phân hủy khí trong môi trường thấm được thể hiện qua phản ứng (2.5) là tổng của hai phản ứng (2.1) và (2.4) được viết lại như sau:
2NH, ©(N) LỒN, +3H, (25)
Trong đó: (N) biểu thị nguyên tử nitơ hoạt tính sinh ra và được hấp thụ vào bề mặt
thép để hình thành lớp thấm Các phản ứng trên có thể được mô tả qua mô hình tạo lớp thấm như trên hình 2.1 ee thy NH; || ae Đ BS (wa) Lớp hấp thụ (lớp biên) Tái kêt hợp x@< "Tái kết hợp Hạ Môi trường thấm N khuyếch tán vào Bề mặt thép thâm bề mặt thép Hình 2.1: Sự hình thành lớp thắm nitơ thể khí [1,88]
Nếu xét tại các vùng cân bằng cục bộ xảy ra tại ngay trên bề mặt phân giới giữa pha
khí (môi trường thấm) và pha rắn (bề mặt chỉ tiết) Hằng số cân bằng (K;) và (K2) của phản
ứng (2.1) và (2.4) lần lượt theo thứ tự được xác định theo biểu thức (2.6) và (2.7) như sau:
3/2
a
K,= (Gy) (2.6)
Trang 322 „3/2 _ Py, -Pu, K, (2.7) Pyn, Trong đó: + DN2; DH2 VỀ DNH3 lần lượt là áp suất riêng phần của các khí nitơ, hydro va amoniac trong buồng thấm
+ (an) biểu thị cho hoạt độ của nitơ trong môi trường thấm Xét cho phản ứng (2.5), hệ số cân bằng (K¿) cũng được tính theo biểu thức (2.8) sau đây: 12 (aig) -Diy, Pe, K,= 5 (2.8) PNH, Biểu thức (2.8) cũng có thể được viết lại như sau: 2 3'PNH, (dy ) = an 3 = (2.9) M;'EH,
Mặt khác, phản ứng (2.5) là tổng của hai phản ứng (2.1) và (2.4), do đó mối quan hệ
giữa các hệ số cân bằng phản ứng còn được biểu diễn theo biểu thức (2.10)
K,=K,.K, (2.10)
Trang 33Như vậy với việc xây dựng được biểu thức xác định hoạt độ của nitơ trong môi trường thâm, biêu thức (2.12) đã chỉ ra ảnh hưởng của một sô yêu tô như nhiệt độ áp suât
riêng phân các khí và thê thâm nitơ đến hoạt độ của nitơ sinh ra 2.1.3 Hoạt độ nitơ trong thép
Do mối tương quan về kích thước của nguyên tử nitơ và lỗ hồng của mạng sắt nền,
khi được hấp thụ đến bề mặt thép, các nguyên tử nitơ có thể khuếch tán vào các lỗ hồng
trong mạng của Fe„, tạo thành dung dịch rắn xen kẽ Cường độ quá trình khuếch tán (được đặc trưng bởi hệ số khuếch tán), như ta biết, tỷ lệ thuận với hoạt độ N trong thép
Quá trình hình thành lớp thấm nitơ trên bề mặt thép sẽ xảy ra khi nitơ nguyên tử hoạt tính sinh ra từ phương trình phản ứng (2.1) hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép (Fe), thể hiện qua phương trình tổng quát (2.15) như sau:
NH, + Fe <> Fe(N) +H, (2.15)
Tùy theo thành phần thép thấm (hàm lượng C và các nguyên tố hợp kim có mặt trong thép) mà nitơ sẽ có hoạt độ khác nhau Khi nitơ khuếch tán và sâu trong thép, tùy theo nồng độ của nitơ và ái lực của nitơ với các nguyên tố hợp kim (bao gồm cả Fe) trong
thép mà nitơ sẽ có hoạt độ khác nhau Trong nghiên cứu này, dựa vào nồng độ nitơ có mặt trong lớp thám xác định được bằng thực nghiệm, dùng chương trình thermo-calc cho phép
xác định được hoạt độ của nitơ (<an>) trong lớp thấm
2.1.4 Hệ số truyền nitơ
Trong quá trình thấm nitơ thể khí, lượng nitơ nguyên tử (<N>) sinh ra rất nhiều,
nhưng chỉ có một tỷ lệ nhất định được hấp thụ và khuếch tán vào trong bề mặt thép để tạo thành lớp thấm Để đặc trưng tỷ lệ này, người ta sử dụng khái niệm hệ số truyền chất, được
xác định bằng tỷ số giữa hoạt độ nitơ trong lớp thấm và hoạt độ nitơ trong môi trường thấm
[3] Dé thay rõ hơn khái niệm này, ta có thể sử dụng sơ đồ mô tả hoạt độ nitơ tai vùng tiếp
giáp giữa bề mặt thép và môi trường thấm như trên hình (2.2)
Giả thiết rằng: trong môi trường thắm xác định, luôn tồn tại một vùng hẹp nằm ở
mặt phân cách giữa bề mặt thép và môi trường thắm được gọi là lớp biên Lớp biên này sẽ
có đặc điểm mà tại đó hoạt độ nitơ giảm dần từ môi trường đến bề mặt thép như mô tả trên
hình (2.2) Trong lớp biên, tồn tại một dòng vận chuyên các nguyên tử nitơ từ môi trường thắm đến bề mặt thép Dòng vận chuyển này là kết quả của hai quá trình khuếch tán và
phản ứng cô định N vào bề mặt thép
Hệ số truyền chất trong trường hợp này phụ thuộc quá trình khuếch tán của nitơ qua
lớp biên và quá trình hấp thụ trên bề mặt thép [3] Dòng nitơ từ môi trường khí vào bề mặt
thép luôn tỷ lệ với sự chênh lệch hoạt độ nitơ giữa môi trường khí (an) và hoạt độ của nitơ
trên bề mặt lớp thắm <aw> Với lập luận như trên thì ta có thể biểu thị theo định luật Fick I
như sau:
(ay )— < ay > =(D ) Lv < Gy > (2.16)
ổ " 5
Trong đó: J là dòng khuếch tan, 6 1a chiéu dày lớp biên, (CN) và <Cy> theo thir tu
lần lượt là nồng độ của nitơ nguyên tử trong môi trường khí và bề mặt thép Dựa vào các
thông số trên, người ta đưa ra khái niệm hệ sé truyén chat va ký hiệu là B [1,3], giá tri B
Trang 34phụ thuộc vào khả năng tiếp nhận nitơ trên bề mặt thép và độ rộng của lớp biên (ổ) Trong
quá trình thấm, nếu có quạt khuấy làm tăng chuyển động đối lưu thì lớp biên ỗ càng hẹp và hệ số truyền chất càng lớn Môi trường khí (an) Mặt tiếp xúc giữa bề mặt thép và môi trường
Hình 2.2: Sơ đô mô tả sự thay đổi hoạt độ N từ môi trường thấm vào thép
Công thức (2.16) cho thấy: ở thời điểm ban đầu, lớp thắm còn mỏng, nên khuếch
tán thể rắn (của nitơ nguyên tử vào bề mặt thép) xảy ra mạnh, do đó nồng độ nitơ trên bề mặt giảm sâu xuống Theo thời gian khi lớp bề mặt dày dần lên, khuếch tán trở nên chậm hơn do đó nồng độ nitơ trên bề mặt thép cũng tăng dan và tiến tới ổn định Sự tổn tại của
một lớp mỏng nghèo nitơ sát bề mặt chỉ tiết giải thích sự chênh lệch nồng độ nitơ giữa môi
trường thấm và bề mặt chỉ tiết Nó phản ánh ái lực hóa học giữa môi trường thấm và bề
mặt thép Như vậy, nồng độ nitơ trên bề mặt thép không những phụ thuộc vào hoạt độ nitơ trong môi trường thắm, mà còn phụ thuộc vào ái lực hóa học giữa nitơ và bề mặt thép Hệ số khuếch tán nitơ trong thép có vai trò quyết định đến sự phân bố nitơ và do đó ảnh hưởng đến sự hình thành các pha trong lớp thấm Do vậy, hệ số khuếch tán nito trong thép có thể được coi là thông số đặc trưng cho toàn bộ động học quá trình thấm
Như vậy, giá trị theo cách xác định như trên sẽ cho phép đánh giá được mức độ
hiệu quá trong quá trình truyền nitơ từ môi trường thấm vào bề mặt thép Giá trị càng lớn thì hiệu quả thâm đạt được càng cao Xác định được giá trị B tại các điều kiện thắm khác
nhau sẽ cho phép lựa chọn được các thông số công nghệ thấm tối ưu
2.2 Cấu trúc lớp thắm nitơ thể khí
Khi thấm nitơ, tùy thuộc vào hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán được vào bề mặt
thép mà lớp thấm có thể tồn tại các pha khác nhau dựa trên giản đồ pha Fe-N trên hình 2.3
Trên giản đồ pha Fe-N, có thể thấy giới hạn hòa tan của nitơ nguyên tử trong sắt phụ thuộc
vào nhiệt độ Tại vùng nhiệt độ thấm thường áp dụng, để điều khiển được lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép, như đã chứng minh ở bên trên (mục 2.1.1), thế thắm
Trang 35nitơ (Ka) được sử dụng như một công cụ để điều khiển lượng nitơ khuếch tán vào mạng
tinh thé của sắt dựa trên giản đồ Lehrer Đây là dạng giản đồ pha ngưng tụ biểu diễn mối
quan hệ giữa nhiệt độ thấm, thế thấm K; (đôi khi thế thấm K, con được thể hiện gián tiếp
dưới dạng mức độ phân hủy nhiệt NH; trong buồng thấm [49]) và sự hình thành các pha
—————> Hàm lượng nitơ (% khối lượng) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1000 ' : ' : r : 900 42!2°C 770% - Chuyển biến từ E 800 4 E + - FesN G 700 3 a ` Khoảng nhiệt độ thường áp 8 600 3 dụng thấm nitơ E c 38919099 Ẻ09906 0 0600 0N? ẼẺ69 -FeN | = 500 ee rena! onnnann =a ot Seay 3 € 400 4 480°C - Chuyén biến từ F 300 4 E 214°C | 200 4 — 0FeøN; 20,0 ƒ | F œ và £ cùng tôn tại | | 100 ; 4 7 ' ———— 0 5 10 l5 20 25 30 35 40
Fe ———————> llàm lượng nitơ (% nguyên tử)
Hình 2.3: Giản đồ pha Fe-N [S9]
Giản đồ Lehrer trên hình 2.4 cho thấy: ứng với mỗi nhiệt độ thấm nhất định, khi
mức độ phân hủy nhiệt NH; trong buồng thấm thay đổi sẽ làm thay đổi thé thấm nito, qua
đó quyết định tổ chức pha có thể nhận được trên sắt Trong buồng thấm, khi mức độ phân hủy nhiệt NHạ giảm (lượng NHạ tồn tại trong buồng lò tăng) sẽ làm tăng thế thắm Kạ của
môi trường thấm, qua đó tạo điều kiện để các pha nitorit (y’, g) giàu N dễ hình thành trong
tổ chức lớp thấm Tính chất của lớp bề mặt nhận được do đó cũng khác nhau và phụ thuộc vào sự xuất hiện các pha này trong lớp thấm như mô tả trên hình 2.6 Qua đó có thể thấy
rằng, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng lớp bề mặt chỉ tiết trong từng điều kiện làm việc cụ
thé (chịu mài mòn, chịu ma sát, chịu ăn mòn ) mà sẽ có sự điều chỉnh thế tham nito (Ky) một cách thích hợp để nhận được lớp thấm có cấu trúc và tính chất mong muốn
Việc sử dụng thé nito dé điều khiển tổ chức lớp bề mặt tại nhiệt độ thắm xác định
đã được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới [31,83,89] Các kết quả
đều đã cho thấy việc tăng thế thấm (K„) sẽ làm tăng nồng độ nitơ nguyên tử hấp thụ và khuếch tán vào lớp bề mặt, do đó dẫn đến sự hình thành các tổ chức pha khác nhau khi
Trang 36Hiện nay vẫn tồn tại một bất cập khi dự đoán thành phần lớp thấm trên thép là dựa
vào mô hình thấm nitơ cho sắt sạch như mô tả trên hình 2.5 [55] Với mô hình này, các vùng đơn pha chỉ ton tai ở nơi lớp trắng liên tục được hình thành Động học quá trình phát
triển các lớp và y' có thê được mô tả dưới dạng dịch chuyển bề mặt phân giới e/' và '/œ giữa các vùng e, yˆ và œ 80 Ƒ ——— %6NH; 1 1 1 L L 600 700 800 900 1000
Hình 2.4: Giản đô Lehrer thể hiện sự ồn định của các pha giữa Fe-N [49]
Trên thực tế, hình 2.6 cho thấy cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí thường gặp bao gồm
cả những vùng đơn pha và đa pha Căn cứ vào mục đích sử dụng, ta có thể cô ý tạo ra lớp thấm đơn lớp hay đa lớp, đơn pha hay đa pha và ưu tiên phát triển pha nào,.v.v Nhìn
chung, lớp thấm thường được chia thành 2 vùng Vùng ngoài cùng thường được biết đến
với tên gọi là lớp trắng, vùng này có nồng độ nitơ rất cao và cấu trúc pha nhận được là các
nitorit sắt Trong thấm nitơ thể khí, khi lớp trắng hình thành, thép sẽ có khả năng thụ động
hóa, chống ăn mòn rất tốt, ngoài ra lớp trắng còn có cấu trúc rỗ xốp, với mật độ khá lớn,
thích hợp cho các ứng dụng bôi trơn chống ma sát [4]
Bang 2.1: Cac pha thường gap trong hệ Fe-N [16,20,89]
Loai pha Thanh phan | % kl (% nt) [N] | [NJ/100 Fe Kiéu mang
Ferrit (œ) Fe,(N,C) 0,1 (0,4) - Lập phương tâm khối
Austenite (y) Fe,(N,C) 2,8 (11) 12,4 Lập phương tâm mặt
Martensite (œ') | Fe¿(N,C) 2,6 (10) 11,1 Chinh phuong yÌ Fe4Ni.x 5,9 (20) 25 Lập phương
E Fe,(N,C);., | 4,5-11 (18-32) 22-49,3 Lục giác 6 phương
E Fe.N 11,4 (33,3) 50 Truc giao
Trang 37
wo H Phân giới e/y' ‘ y -FeaN1-x CS Ệ * + ‘ ‘ W mÍ: oO h + ' Tö ' ms sườn sa ~= |! % sp ! J&——— Phângiớiy/œ + : + Ð H w ' 8 “ ' ~ ' ‘ a-Fe ‘ Cora : ⁄ een ee eee Co * x Nhiệt độ F—T.T 7 ——_ e |y | Lớp khuyêch tán — Chiêu sâu Bề mặt
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa giản đô pha Fe-N và nông độ/chiêu sâu đối với sự phát
triển các lớp đơn pha g-Fe2N}-x va y’-Fe4N trén nén a-Fe [55] Lớp trắng có tính chất chống &- Feo 3N - an mon va ma sat + - Fe 4Ñ = í Lớp khuyếch tán có độ cứng
cao chịu mài mòn và ứng
suất nén dư, tăng khả năng chịu mỏi Lớp thấm nitơ thé Nền thép
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc lớp thắm nito thé khí [43]
Vùng khuếch tán là phần còn lại của lớp thấm, vùng này nằm giữa lớp trắng và nền thép, do đó có nồng độ nitơ thấp hơn so với lớp trắng nói trên Tuy nhiên đây lại là vùng có sự phân bố các nitorit của nguyên tố hợp kim làm tăng mạnh độ cứng Các kết quả đo đạc
Trang 38cũng đã chỉ ra rằng, trong phân bố độ cứng của lớp thấm nitơ, vùng này có giá trị độ cứng đạt được lớn nhất, thích hợp cho các ứng dụng chịu mài mòn Ngoài ra, việc tăng hàm lượng nitơ nguyên tử hòa tan trong nền thép nhờ thấm nitơ cũng làm tăng mật độ khuyết tật điểm, qua đó làm tăng mức độ xô lệch mạng và tạo ứng suất nén dư trên lớp bề mặt, nhờ đó cũng làm tăng khả năng chịu mỏi cho chỉ tiết khi làm việc [43]
2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến sự hình thành lớp thâm
Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị đo và tự động điều chỉnh lưu lượng khí cung cap NH: vào buồng thấm đã được áp dụng, qua đó giúp xác định và duy trì được giá trị thế thấm Kạ của buồng thấm Trong công nghệ thấm nitơ tiên tiến ngày nay trên thế giới, các thông số cổ điển như thời gian lưu (lưu lượng) và thành phần khí thám được chuyền thành các thông số đầu vào có thé điều chỉnh đề duy trì thông số công
nghệ chính là thế thấm (Kạ) Do đó, các yếu tố công nghệ có tác động lớn đến sự hình thành và chất lượng lớp thấm là: nhiệt độ, thế nitơ của môi trường (có thé thông qua thời gian lưu, thành phần khí thấm), thời gian thắm và thành phần hợp kim [4] Vì vậy, luận án
này đã đặt mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tô trên, xác định các quy luật và mức độ tác động của chúng, qua đó đưa ra được các thông số công nghệ phù hợp với từng
mác thép đã chọn ban đầu
2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Một trong những ưu điểm nổi bật của thấm nitơ so với các công nghệ khác là sử
dụng nhiệt độ thấm thấp, qua đó bảo toàn được tính chất của vật liệu nền, ngoài ra còn giảm thiểu đáng kể các tác động bất lợi đến độ bền mỏi của chỉ tiết [11,34] Tuy nhiên, do
cường độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo quy luật Arrhenius nén khi thấm ở nhiệt độ
thấp yêu cầu thời gian thấm phải kéo dài, đồng thời chiều sâu lớp thấm đạt được hạn chế
Trang 39Bảng 2.2: Hệ số khuếch tán nitơ trong ø 7 và ơ tại các nhiệt độ khác nhau [68] Nhiệt độ °C 500 510 520 530 540 tham K 713 783 793 803 823 Hệ số E 1,0 1,2 1,5 1,7 2,1 khuếch tá nito D THÊ ~ 7,9 9,0 10,2 11,5 12,9 (m/s) a 359,4 419,6 487,9 565,3 652,5 Nhiệt độ °C 550 560 570 580 tham K 823 833 843 853 Hệ số E 2,4 2,9 3,4 3,9 khuếch tá nito D nọcn vận v 14,5 16,3 18,1 20,2 (m’/s) fa 750,6 860,5 983.3 1120,2 60 đ5 1/phỳt 50 OĐ1/phỳt M12 1/phút = E120 I/phút z 40 20 1/phút > 3 Ƒ= & 30 Q ‹©- 2 3 20 > 10 0 480 500 520 540 560 580 600 Nhiệt độ (°C)
Hình 2.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phân hủy NH; tại các lưu lượng khí khác nhau Thực nghiệm trên lò giếng kích thước trung bình Khí sử dụng 100% NH; [25]
Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 500°C đến 580°C, các giá trị của hệ số khuếch tán
được thể hiện trong bảng 2.2 Các số liệu tại bảng 2.2 đã chỉ ra sự tăng lên nhanh chóng
Trang 40của hệ số khuếch tán nitơ trong thép khi nhiệt độ thấm tăng trong vùng (540-580)°C Bên cạnh đó, ta thấy rằng hệ số khuếch tán của Ñ trong các pha nitrit thấp hơn rất nhiều so với nền thép, vì vậy sự xuất hiện các pha mới trong lớp thấm sẽ làm giảm đáng kẻ tốc độ quá trình thấm Với việc chọn chế độ thấm nhằm hình thành lớp trắng trên bề mặt thép (e+'), thời gian thấm sẽ bị kéo dài do hệ số khuếch tán qua vùng này nhỏ hơn rất nhiều so với vùng có tổ chức œ Kết quả này cũng dẫn đến xu hướng lựa chọn chế độ thắm cho thép, khi
không cần xuất hiện lớp trắng phục vụ các mục đích ứng dụng như trình bày trên hình 2.6
thì cách tốt nhất để giảm thời gian thấm là điều chỉnh thế thấm (K„) nằm trong vùng hình
thành tổ chức œ như quan sát trên hình 2.4
Ngoài việc ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán, nhiệt độ cũng ảnh hưởng trực tiếp đến
mức độ phân hủy NHạ trong buồng thấm, do đó làm thay đổi thế thắm (K,) Trên hình 2.7
cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phân hủy nhiệt của NH: tại các lưu lượng khác nhau Thực nghiệm đã cho thấy, tại lưu lượng không đổi, nhiệt độ tăng đều làm tăng
mức độ phân hủy NH; trong buồng thấm, qua đó làm giảm thế thắm Kạ (xem thêm trên
hình 2.8) Như vậy, ở điều kiện thấm với các thông số khác được giữ ồn định, tăng nhiệt độ thấm đồng nghĩa với sự tăng hệ số khuếch tán (D), giảm giá trị Kạ và xu thế chung là giảm
khả năng tạo các pha nitorit Do đó, việc điều chỉnh nhiệt độ thấm thường đòi hỏi phải điều chỉnh lưu lượng khí thấm, thông qua đó nhằm duy trì thế thắm trong vùng hợp lý
2.3.2 Ảnh hưởng của thế thắm Kạ
Như đã đề cập phía trên, các thông số quan trọng trong thâm nitơ cô điển như thời gian lưu và thành phần khí thấm là các thông số đầu vào có tác động đến thế thấm Kạ Sự
thay đổi của chúng đều làm ảnh hưởng đến giá trị Kạ, qua đó tác động đến sự hình thành tô chức và tính chất của lớp thắm Ảnh hưởng riêng biệt của các thông số này đến thế thấm
(K,) sẽ lần lượt được trình bày trong các mục tiếp sau đây
2.3.2.1 Ảnh hưởng của thành phần chất thắm
Thành phần chất thấm có ảnh hưởng rất lớn đến thế thấm nitơ (Kì) Thế thắm nito, về mặt số học thi đây có thể được coi là giá trị nồng độ nitơ lớn nhất mà một lá thép mỏng
có thể nhận được Giản đồ Lehrer trên hình 2.4 cũng đã cho thấy mức độ ảnh hưởng của thế thâm đến tổ chức lớp thấm có thể hình thành tại một nhiệt độ nhất định Việc sử dụng
thế thắm như một công cụ điều khiển tô chức lớp thắm đã được áp dụng rất rộng rãi trong giai đoạn hiện nay, ứng dụng này cho phép phần nào dự đoán mức độ truyền chất của nitơ,
và do đó cũng cho phép dự đoán được chiều sâu và tổ chức của lớp thấm [39]
Dé thay déi thế thấm nitơ, biện pháp đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới hiện
nay là pha loãng thành phần khí thấm Với việc đưa thêm khí pha loãng là Nạ, H; và đôi khi cả hỗn hợp (N;+H;) vào buồng thấm, cân bằng phản ứng phân hủy nhiệt NHạ khi đó sẽ
có sự dịch chuyển làm thay đổi áp suất riêng phần của các khí trong buồng thấm, qua đó
làm thay đổi thế thắm Kạ
Việc sử dụng khí N; dé pha loãng khí thấm đã được tiến hành khá nhiễu trong vài
thập ky gần đây, sự có mặt của Nạ pha loãng trong buồng thấm sẽ có tác động trực tiếp đến thế thấm K„, qua đó có thể nhanh chóng điều khiển thế thấm về gia tri mong muốn Việc sử dụng H; như loại khí pha loãng gặp hạn chế về khía cạnh an toàn lao động, vì hydro rất dễ gây cháy nổ trong không khí và dễ gây giòn trong một số trường hợp Khí thải trong quá