- Ý nghĩa thực tiễn
T W nhiệt độ thành buồng làm việc tại các vị trí (1 6)
2.4 Cấu trúc lớp thấm
Tùy thuộc vào các thơng số q trình thấm, thấm nitơ plasma có thể hình thành hai lớp bề mặt khác nhau.
Hình 2.9. Cấu trúc điển hình lớp thấm nitơ plasma
Trên hình 2.9 thể hiện các vùng hay cịn gọi là cấu trúc điển hình của lớp thấm. Lớp ngoài cùng gọi là lớp hợp chất hay còn gọi là lớp trắng (gồm các pha
lvii
) và cuối cùng là kim loại nền (Baranowska J., 2008) [27], (Brinke T., 2008)
[31], (Chang D. Y., 1999) [37], (Dimitrov V. I., 1998) [43], (Dimitrov V. I., 1999) [44], (Liapina T., 2005) [81], (Greßmann T., 2007) [126].
Nitơ khơng hịa tan vào sắt ở nhiệt độ phòng và đạt tối đa 0,4% nguyên tử (0,1wt%) ở nhiệt độ 5920C. Trong quá trình thấm nitơ cho sắt, khi nồng độ nitơ vượt quá giới hạn độ hòa tan, các nguyên tử nitơ tạo thành hợp chất với các nguyên tử sắt. Thành phần của lớp thấm nitơ có thể được dự đoán bằng giản đồ pha Fe-N. Dựa trên giản đồ đó các hợp chất bao gồm alpha (), gamma (γ), gamma chính (γ’), epsilon (), v.v… Về mặt lý thuyết có thể được hình thành trong quá trình thấm nitơ (Chung D. Y. 2001) [38], (Cwiek J., 2009) [39], (Liapina T., 2005) [81], (Oliveira S. D., 2002) [87], (Pye D., 2003) [93], (Rastkar A. R., 2001) [97], (Somers M. A., 1995) [106], (Wriedt H. A., 1997) [117], (Yan M., 2000) [120], (Greßmann T., 2007) [126].
Trong bảng 2.1 giới thiệu các pha và cấu trúc mạng tinh thể lớp thấm nitơ (Cwiek J., 2009) [39], (Greßmann T., 2007) [126].
Bảng 2.1. Các pha và cấu trúc mạng tinh thể các nitrit của lớp thấm nitơ
Pha Công thức % khối lượng (% nguyên tử) Số ng. tử N trong 100 ng. tử Fe Mạng
Ferrit () Fe(C) 0,10 (0,40) - Lập phương
tâm khối
Austenit () Fe(C) 2,8 (11) 12,4 Lập phương
tâm mặt
Mactenxit (’) Fe(C) 2,6 (10) 11,1 Bốn phương
tâm khối ’ Fe4N 5,9 (20) 25 Lập phương Fe2-3N 4,5-11,0 (18-32) 22-49,3 Lục giác xếp chặt Fe2N 11,4 (33,3) 50 Trực thoi
lviii
Hình 2.10. Cấu trúc mạng tinh thể của các pha hình thành lớp thấm nitơ plasma
Hình 2.11. Giản đồ hóa cấu trúc bề mặt lớp thấm nitơ plasma
Trên hình 2.10 thể hiện cấu trúc mạng tinh thể của các pha có thể hình thành trong lớp thấm plasma và hình 2.11 giản đồ hóa cấu trúc bề mặt lớp thấm nitơ plasma. Pha gồm các nitrit Fe2-3N có cấu trúc mạng lục giác xếp chặt, pha
lix
tán) bao gồm hợp chất của nitơ trong dung dịch sắt và các nitrit của các nguyên tố hợp kim có trong thành phần của thép (Baranowska J., 2008) [27], (Brinke T., 2006) [30], (Brinke T., 2008) [31], (Oliveira S. D., 2002) [87], (Wriedt H. A., 1997) [117], (Yan M., 2000) [120], (Balles A. C., 2004) [125].
Thành phần nitơ trên bề mặt thường không vượt quá 10 wt% (về khối lượng), do vậy, các pha với % nitơ quá cao không xuất hiện chẳng hạn như pha ξ và các pha giàu nitơ khác. Do đó, cấu trúc lớp thấm nitơ nói chung bao gồm vùng khuếch tán -Fe(N), + ’, lớp hợp chất γ’ và . Pha nitrit γ’
(Fe4N) có 20% (5,9 wt%) nitơ. Nitrit điện tử là một giai đoạn trung gian được hình thành trong một phạm vi nồng độ nitơ, do đó, nó thường được thể hiện như Fe2-3N, Fe4N. Về mặt lý thuyết, nitơ hòa tan tối đa trong pha khoảng 33 % (11 wt%), nhưng theo các hoạt động nitơ trong quá trình thấm nitơ thực tế, nồng độ nitơ trong giai đoạn nitrit điện tử nói chung khơng vượt q 9 wt%. Nồng độ nitơ trong lớp điện tử và γ' cũng như một khu vực khuếch tán biểu đồ thể hiện trong hình 2.12 (Hosseini S. R., 2006) [57], (Hosseini S. R., 2007) [58], (Hosseini S. R., 2009) [59], (Hosseini S. R., 2010) [60].
lx
Hình 2.13. Cấu trúc mạng của pha pha ’ (Fe4N)
Pha ε là pha xen kẽ (Fe2-3N) giàu nitơ, đây là pha xốp, độ cứng không cao. Cấu trúc xốp của pha ε trên bề mặt tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp xúc và khuếch tán nitơ vào trong thép. Vì vậy, trong khi thấm nếu hình thành pha ε thì tốc độ thấm nhanh, trong một số trường hợp, người ta tìm cách đưa thêm các nguyên tố ổn định pha ε (như O, C, S) hoặc đưa thêm một lượng nhỏ hơi nước vào lò, chiều sâu lớp thấm sẽ tăng. Pha ε xốp cịn có thể là nơi chứa dầu bơi trơn làm giảm hệ số ma sát khi chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mịn. Ngồi ra để nâng cao tính chống mài mịn trong mơi trường khí quyển người ta cũng thấm nitơ lên thép các bon để tạo thành pha ε trên bề mặt. Tuy nhiên khi tạo thành pha ε xốp trên bề mặt thì kích thước trên bề mặt tăng lên nhiều và độ cứng giảm mạnh. Do đó, cần được cân nhắc theo yêu cầu làm việc của chi tiết trước khi áp dụng. Pha ’ cũng là pha xen kẽ giàu nitơ
(Fe4N), đó là pha rất cứng, có khả năng chịu mài mịn cao nhưng giịn (hình 2.13) (Baranowska J., 2008) [27], (Camps E., 2005) [35], (Fanco A. R., 2006) [50], (Pye D., 2003) [95], (Balles A. C., 2004) [125].