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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG VĨNH GIANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG VĨNH GIANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG Chuyên ngành : Kim loại học Mã số : 62440129 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Tƣ Hà Nội – 2016 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Văn Tư người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên, góp ý giúp tơi suốt q trình thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành cám ơn tồn thể cán Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt Bề mặt, nhiệt tình giúp đỡ tơi Tơi xin cám ơn Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạo sau đại học tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình thực luận án Xin cám ơn Đồng nghiệp, lãnh đạo Viện Công Nghệ tạo điều kiện thuận lợi thời gian thực nghiên cứu Và xin cám ơn gia đình, bạn bè ln động viên khích lệ tơi suốt q trình thực luận án Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2016 Nghiên cứu sinh Hồng Vĩnh Giang LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan: Luận án cơng trình nghiên cứu cá nhân, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Văn Tư Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận án trung thực chưa công bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2016 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH PGS.TS Nguyễn Văn Tư Hoàng Vĩnh Giang MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Plasma sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma 1.1.1 Khái niệm plasma 1.1.2 Plasma phóng điện phát sáng 1.1.3 Đặc tính N2-H2 plasma trình thấm nitơ plasma 1.1.4 Một số tượng xảy trình thấm nitơ plasma 10 1.2 Công nghệ thấm nitơ plasma 13 1.2.1 Lịch sử phát triển 13 1.2.2 Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma 16 1.2.3 Đặc trưng cấu trúc lớp thấm 19 1.2.4 Một số tính chất sử dụng lớp thấm 24 1.2.5 Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma 28 1.2.6 Các thơng số cơng nghệ thấm nitơ plasma 32 1.3 Tình hình nghiên cứu thấm nitơ plasma cho thép SKD61 37 1.3.1 Một số dạng hỏng hóc khn bền nóng 37 1.3.2 Tình hình nghiên cứu giới 38 1.3.3 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 40 1.3.4 Yêu cầu lớp thấm nitơ với khn bền nóng 41 1.4 Kết luận hướng nghiên cứu 41 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 43 2.1 Nội dung sơ đồ nghiên cứu 43 2.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến tượng khuếch đại plasma 43 2.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến hình thành lớp thấm 44 2.2 Thiết bị nghiên cứu 45 i 2.2.1 Thiết bị thực nghiệm 45 2.2.2 Thiết bị đánh giá tổ chức tính chất lớp thấm 47 2.3 Phương pháp nghiên cứu 49 2.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến tượng khuếch đại plasma 49 2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến hình thành lớp thấm 52 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 57 3.1 Ảnh hưởng số thơng số cơng nghệ đến khuếch đại plasma 57 3.1.1 Điều kiện hình thành khuếch đại plasma 57 3.1.2 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều dày plasma 60 3.1.3 Ứng dụng kết thực nghiệm khuếch đại plasma thực tế 63 3.1.4 Kết luận tượng khuếch đại plasma 66 3.2 Ảnh hưởng số thông số công nghệ đến hình thành lớp thấm 67 3.2.1 Ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến cấu trúc lớp thấm 67 3.2.2 Ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến chiều dày lớp trắng 78 3.2.3 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều sâu lớp thấm 84 3.2.4 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến phân bố độ cứng lớp thấm 95 3.2.5 Ứng dụng thấm thép SKD61 với yêu cầu lớp thấm khác 98 3.2.6 Kết luận ảnh hưởng thông số công nghệ đến lớp thấm thấm thép SKD61 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 113 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Danh mục chữ viết tắt Cr Nguyên tố Crôm C Nguyên tố Các-bon Ni Nguyên tố Niken Mo Nguyên tố Mô-lip-đen V Nguyên tố Va-na-đi Fe Nguyên tố Sắt N Nguyên tố Nitơ NH3 Ngun tố amơniắc N2 Khí Nitơ H2 Khí Hyđrơ Ar Khí Ac-gơng R Hằng số khí lý tưởng TN Thí nghiệm DCPN Phương pháp DCPN (Direc current plasma nitriding) ASPN Phương pháp ASPN (Active screen plasma nitriding) PDN Phương pháp PDN (Post discharged nitriding) PPN Phương pháp PPN (Pulsed plasma nitriding) EDX Phổ phân tán tia X theo lượng (Energy dispersive spectroscopy) SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microsope) XRD Nhiễu xạ tia X OES Quang phổ phát xạ quang học (Optical emission spectrometter) Các ký hiệu α Pha ferit  Pha austenit ’ Nitrit sắt (Fe4N)  Nitrit sắt (Fe2-3N) HV0,1 Độ cứng tế vi tải trọng 100g HV0,3 Độ cứng tế vi tải trọng 300g D Hệ số khuếch tán Q Năng lượng hoạt hóa T Nhiệt độ V Thể tích o C Đơn vị nhiệt độ (độ Celcius) K Đơn vị nhiệt độ (độ Kelvin) Pa Pascal Ko Hằng số tốc độ thấm cực đại Q = K Hằng số tốc độ thấm k Hệ số nhiệt độ thấm d Chiều sâu lớp thấm SN Tỉ số tín hiệu tiếng ồn t Thời gian p Áp suất l Lít Φ Đường kính lỗ, kích thước khe hở iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Ảnh hưởng yếu tố lên mật độ dòng Bảng 1.2 Phân bố % ion đến catôt, áp suất 800 Pa Bảng 1.3 Ảnh hưởng số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm 33 Bảng 1.4 Ảnh hưởng thành phần khí thấm đến thành phần lớp trắng 36 Bảng 1.5 Tổng hợp số kết nghiên cứu thấm nitơ plasma thép SKD61 giới 40 Bảng 2.1 Điện áp áp suất khác 50 Bảng 2.2 Thành phần mẫu thép thí nghiệm 52 Bảng 2.3 Điện áp sử dụng thấm áp suất nhiệt độ khác 54 Bảng 2.4 Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 56 Bảng 3.1 Ảnh hưởng đường kính lỗ áp suất bắt đầu (Pbđ) áp suất kết thúc (Pkt) khuếch đại plasma 59 Bảng 3.2 Ảnh hưởng áp suất tới chiều dày plasma 61 Bảng 3.3 Ảnh hưởng thành phần khí nhiệt độ đến chiều dày plasma 62 Bảng 3.4 Kết chiều dày plasma 1/p 63 Bảng 3.5 Kết chiều dày lớp trắng tỷ số SN cho loại thí nghiệm 78 Bảng 3.6 Giá trị tỷ số SN mức ảnh hưởng thông số đến chiều dày lớp trắng 79 Bảng 3.7 Mối liên quan chiều dày lớp trắng mức thông số 80 Bảng 3.8 Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác 200Pa 400Pa 82 Bảng 3.9 Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác 600Pa 83 Bảng 3.10 Kết thực nghiệm xác định chiều sâu lớp thấm 84 Bảng 3.11 Tỷ số SN mức độ ảnh hưởng thông số lên chiều sâu lớp thấm 84 Bảng 3.12 Giá trị trung bình xếp hạng phụ thuộc chiều sâu lớp thấm 85 Bảng 3.13 Chiều sâu lớp thấm d với thành phần khí thấm mức 87 Bảng 3.14 Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 88 Bảng 3.15 Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 89 Bảng 3.16 Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm điều kiện thấm khác 89 Bảng 3.17 Kết bổ sung chiều sâu lớp thấm 90 Bảng 3.18 Chiều sâu lớp thấm thực nghiệm tính tốn nhiệt độ 490oC 90 Bảng 3.19 Hệ số nhiệt độ k số tốc độ thấm K nhiệt độ khác 92 Bảng 3.20 Tính tốn giá trị số Ko 93 Bảng 3.21 Kết bổ sung 94 Bảng 3.22 Giá trị kiểm định Fisher cho công thức xác định quan hệ ln(K)-1/T 94 iv Bảng 3.23 Kết đo độ cứng tế vi lớp thấm 95 Bảng 3.24 Kết thực nghiệm xác định độ cứng tối đa 96 Bảng 3.25 Tỷ số SN xếp hạng ảnh hưởng thông số đến độ cứng tối đa 96 Bảng 3.26 Kết xác định chiều sâu lớp cứng d900 97 Bảng 3.27 Tỷ số SN xếp hạng ảnh hưởng đến chiều sâu lớp cứng d900 97 Bảng 3.28 Dự đoán chiều dày lớp trắng 99 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Quan hệ điện áp dòng Hình 1.2 Cấu trúc plasma điển hình Hình 1.3 Quan hệ áp suất điện áp sử dụng thấm nitơ plasma Hình 1.4 Quan hệ điện áp – dòng với áp suất khác Hình 1.5 Hình ảnh plasma với kích thước lỗ khác 11 Hình 1.6 Vùng khuếch đại plasma với áp suất kích thước khe hở khác 12 Hình 1.7 Mơ tả phóng điện hồ quang 13 Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ plasma 14 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN 15 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ chủ động ASPN 16 Hình 1.11 Các tương tác trình thấm nitơ plasma 16 Hình 1.12 Cơ chế thấm nitơ plasma theo mơ hình Kolbel 18 Hình 1.13 Cơ chế vận chuyển nitơ vào bề mặt thấm 19 Hình 1.14 Cấu trúc lớp thấm nitơ điển hình 20 Hình 1.15 Phân bố độ cứng sau thấm nitơ plasma với vật liệu khác 21 Hình 1.16 Ảnh hưởng số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm 22 Hình 1.17 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm 23 Hình 1.18 Ảnh hưởng trình nhiệt luyện đến độ cứng chiều sâu lớp thấm 23 Hình1.19 Mơ hình ứng suất nén sinh lớp thấm 24 Hình 1.20 Phân bố ứng suất dư theo chiều sâu lớp thấm với mẫu Fe-4%Cr 24 Hình 1.21 Mất mát khối lượng vật liệu khác trình phun bi 25 Hình 1.22 Độ cứng sau ram số vật liệu 26 Hình 1.23 Độ cứng nhiệt độ cao thép bền nóng thấm khơng 26 Hình 1.24 Giới hạn mỏi thép AISI 4140 27 Hình 1.25 Đường S –N mẫu thép En 40 B thấm N plasma không lớp trắng nhiệt độ 480oC với thời gian thấm khác 27 Hình 1.26 Đường ăn mòn thép Ni-Cr 28 Hình 1.27 Sơ đồ mơ tả hình thành lớp thấm nitơ plasma 30 Hình 1.28 Giản đồ pha Fe-N 31 Hình 1.29 Quy trình thấm nitơ plasma điển hình 32 Hình 1.30 Chiều dày lớp trắng, 530oC, thép 3%Cr-Mo-V 35 Hình 1.31 Ảnh hưởng %H2 đến nhiệt độ catôt Tc (oC) 36 Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma 43 vi 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 ÷ 30)% 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 khơng 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 nitrit sắt  ’ lượng nhỏ nitrit 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, nitrit cacbonitrit, hình thành lớp thấm kết trình khuếch tán nitơ theo biên giới hạt, sau phát triển tồn 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 nitrit cacbonitrit 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 85000 số tốc độ thấm K  1, 274 107 exp( ) [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 cơng nghệ kiểm sốt lớp trắng, phù hợp để thấm sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao khn bền nóng chế tạo từ thép SKD61 Nhược điểm xuất khuếch đại plasma q trình thấm hồn tồn loại trừ thơng qua kiểm sốt 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: 7,5662 102 dc  0, 7797  (nhiệt độ 520 oC, khí thấm 25% N2+75% H2) p Để tránh khuếch đại plasma trình thấm nitơ plasma, thấm lỗ hay khe hẹp kích thước , cần lựa chọn thơng số thấm đảm bảo 3dc ≤  xếp sản phẩm buồng lò cần đảm bảo khe hở lớn lần chiều dày plasma Trong khoảng nghiên cứu với khí thấm (10 ÷ 30)% N2, nhiệt độ (490÷550)oC, áp suất (200÷600) Pa, kết thấm thép SKD61 cho thấy: Tổ chức lớp thấm bao gồm lớp trắng (chủ yếu nitrit sắt , ’) lớp khuếch tán (nền α nitrit) lớp khuếch tán 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 85000 SKD61 theo phương trình: K  1, 274 107 exp( ) [m2/s] RT 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hồng Vĩnh Giang, Nguyễn Văn Tư, Ngơ Bảo Trung (2013), Kiểm sốt số thơng 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 cơng 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 nơng nghiệp Hà Nội Hồng Vĩnh Giang, Hồng 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, Hồng Minh Thuận (2010), Ứng dụng cơng nghệ thấm nitơ plasma cho số chi tiết máy chế tạo từ hợp kim crơm, 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 Cơng Thương 2007 Nguyễn Phi Trung, Nguyễn Tiến Tài, Hồng Vĩnh Giang, Ngơ Bảo Trung, Hồng 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 mơi 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 khn đùn ép nhơm SKD61, Tạp chí khoa học công nghệ số 2/2007 Trịnh Bân (2003), Nâng cao tính ma sát sơ 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 Lin (Cps) d= 2.03 10 400 300 d= 1.43 69 200 100 10 20 30 40 50 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= 1.90 49 70 d= 2.09 05 d= 2.18 90 80 d= 1.59 29 90 d= 2.33 21 Lin (Cps) 100 d= 1.80 61 d= 2.05 92 110 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 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= 2.02 94 VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau thep SKD61 - Lin (Cps) 300 200 d= 1.43 69 d= 1.80 03 d= 2.07 65 100 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= 1.80 52 120 110 d= 2.06 46 90 80 70 60 d= 1.35 25 d= 1.59 75 30 d= 1.90 20 40 d= 2.19 78 50 d= 2.34 61 Lin (Cps) 100 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 ... HÀ NỘI HOÀNG VĨNH GIANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG Chuyên ngành : Kim loại học Mã số : 62440129 LUẬN ÁN... dung sơ đồ nghiên cứu 43 2.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến tượng khuếch đại plasma 43 2.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số cơng nghệ đến hình thành lớp thấm ... để nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ đến hình thành lớp thấm q 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