CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THẤM NITƠ THỂ KHÍ
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]. Để thấy rõ hơn khái niệm này, ta có thể sử dụng sơ đồ mô tả hoạt độ nitơ tại vùng tiếp giáp giữa bề mặt thép và môi trường thấm như trên hình (2.2).
Giả thiết rằng: trong môi trường thấm xác định, luôn tồn tại một vùng hẹp nằm ở mặt phân cách giữa bề mặt thép và môi trường thấm 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 chuyển các nguyên tử nitơ từ môi trường thấm đến bề mặt thép. Dòng vận chuyển này là kết quả của hai quá trình khuếch tán và phản ứng cố 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 thấm <aN>. Với lập luận như trên thì ta có thể biểu thị theo định luật Fick I như sau: ( ) ( ) ( ) N N ( ) N N N N a a C C J D D
Trong đó: J là dòng khuếch tán, là chiều dày lớp biên, (CN) và <CN> theo thứ tự 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 số truyền chất và ký hiệu là [1,3], giá trị
(2.15)
20
phụ thuộc vào khả năng tiếp nhận nitơ trên bề mặt thép và độ rộng của lớp biên (). Trong quá trình thấm, nếu có quạt khuấy làm tăng chuyển động đối lưu thì lớp biên càng hẹp và hệ số truyền chất càng lớn.
Hình 2.2: Sơ đồ 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 thấm 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 dần và tiến tới ổn định. Sự tồn tại của một lớp mỏng nghèo nitơ sát bề mặt chi tiết giải thích sự chênh lệch nồng độ nitơ giữa môi trường thấm và bề mặt chi 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 thấm, 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 nitơ 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 quả trong quá trình truyền nitơ từ môi trường thấm vào bề mặt thép. Giá trị càng lớn thì hiệu quả thấm đạt được càng cao. Xác định được giá trị tại các điều kiện thấm khác nhau sẽ cho phép lựa chọn được các thông số công nghệ thấm tối ưu.