- Ý nghĩa thực tiễn
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ PLASMA
2.1 Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma
2.1.1 Plasma
Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được đưa vào năm 1923. Trong trạng thái này các khí sẽ trở nên dẫn điện do sự ion hố của các ngun tử khí. Để đưa đến trạng thái ion hố của các khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp. Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (rắn, lỏng, khí và plasma), đây thực chất là hỗn hợp khí chứa các ion dương và điện tử mang điện tích âm (e-), theo đó, hỗn hợp khí này có tính dẫn điện (hình 2.1).
Hình 2.1. Plasma
Khi áp suất khối khí lớn hơn 0,1 bar (khoảng 0,1 at) thì trạng thái plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt độ trên 80000
K (trên 77000C). Nếu áp suất khối khí giảm xuống cịn khoảng 1 mbar (0,001at) thì plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều (khoảng 6000
C). Chính vì thế trong mơi trường chân khơng plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp. Trong công nghệ thấm nitơ plasma thì plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng khơng gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lị). Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vơn khí được ion hố trở thành dịng khí dẫn điện (plasma) (Huchel U., 2003) [63], (Huchel U., 2003) [64], (Huchel U., 2005) [65], (Stramke S., 2002) [110], (Stramke S., 2003) [111], (Balles A. C., 2004) [125].
xlvi
Xử lý bề mặt bằng plasma đầu tiên sử dụng công nghệ DC-plasma (plasma sinh ra bởi dòng điện một chiều) trong lị chân khơng và được làm mát bằng nước. Nhược điểm chủ yếu của công nghệ này là nhiệt độ biến động quá lớn. Vì thế năng lượng tiêu thụ cao, mật độ nhỏ, hạn chế sự liên kết giữa q trình nhiệt và hố học (Huchel U., 2003) [63], (Huchel U., 2003) [64], (Huchel U., 2005) [65], (Stramke S., 2002) [110], (Stramke S., 2003) [111], (Balles A. C., 2004) [125].
Vậy plasma là một chất khí bị ion hóa một phần có chứa các hạt trung tính (ngun tử và phân tử) và các hạt tích điện (electron và ion dương).
2.1.2 Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma
Để tạo được plasma cần phối hợp 3 yếu tố là môi trường chân không, nguồn điện một chiều và hỗn hợp khí.
Hình 2.2. Đường cong Paschen thể hiện quan hệ điện áp và cường độ dòng điện với các vùng khác nhau
Trong đó: Vùng I – Vùng phóng điện Townsend; Vùng II – Vùng phóng điện Corona;
Vùng III – Vùng phóng điện phát sáng bình thường;
Vùng IV – Vùng phóng điện phát sáng khơng bình thường; Vùng V – Vùng phóng điện hồ quang.
xlvii
Trong mơi trường chân khơng, tùy theo loại khí được sử dụng, điện áp (khoảng vài trăm vôn) giữa anốt và catốt sẽ hình thành một mật độ dịng nhất định (khoảng 0,01 3A) tạo ra mật độ dòng điện đáng kể (Huchel U., 2003) [63], (Huchel U., 2003) [64], (Huchel U., 2005) [65], (Stramke S., 2002) [110], (Stramke S., 2003) [111], (Balles A. C., 2004) [125].
Quan hệ giữa điện áp và mật độ dịng điện được thể hiện trên hình 2.2. Thấm nitơ plasma được thể hiện trong vùng được gọi là vùng phóng điện khơng bình thường.
Công nghệ thấm nitơ plasma được nghiên cứu và phát triển từ trước Chiến tranh thế giới thứ 2. Công nghệ này sử dụng thiết bị tạo plasma bởi dòng điện một chiều (DC-plasma). Nhược điểm lớn nhất của công nghệ này là sự không đồng đều về nhiệt độ giữa các vùng của một mẻ thấm, điều này dẫn đến giới hạn về chi tiết thấm trong một mẻ thấm, ngoài ra mức tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị sản phẩm cao (Delachaux T., 2003) [41], (Huchel U., 2005) [65], (Stramke S., 2003) [111].
Với cơng nghệ thấm plasma nói trên, các chi tiết có tiết diện mỏng hay có các lỗ nhỏ thường bị nung nóng cục bộ dễ dẫn đến chi tiết bị nóng chảy cục bộ, các sản phẩm có hình dạng phức tạp thường xẩy ra hiện tượng khơng đồng đều và bị biến dạng. Vì vậy, cơng nghệ này chỉ áp dụng cho những sản phẩm có hình dạng đơn giản.
Để hạn chế nhược điểm này của công nghệ DC-plasma, công nghệ xung plasma (Pulsed plasma) ra đời. Trong thực tiễn hiện nay, tất cả các thiết bị thấm nitơ plasma sử dụng trong công nghiệp đều sử dụng công nghệ xung plasma (Delachaux T., 2003) [41], (Huchel U., 2003) [63], (Huchel U., 2003) [64], (Huchel U., 2005) [65], (Stramke S., 2002) [110], (Stramke S., 2003) [111], (Balles A. C., 2004) [125].
Năm 1980 Eltro sử dụng xung plasma nghĩa là plasma được sinh ra bởi điện áp xoay chiều. Xung plasma khắc phục được các nhược điểm của công
xlviii
nghệ DC-plasma và có các ưu điểm sau: - Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình; - Nhiệt độ phân bố trên tải đồng đều hơn; - Giảm năng lượng tiêu thụ;
- Giảm lượng khí tiêu thụ; - Giảm thời gian thấm.
Cơng nghệ xung plasma có tác dụng làm giảm năng lượng vào lị và tính đồng đều của nhiệt độ trong lị được nâng lên. Với cơng nghệ này, theo Stupnisek các lỗ có kích thước lớn hơn 0,8mm có khả năng thấm bình thường (Gligorijievic R., 2008) [54] (Huchel U., 2003) [63], (Balles A. C., 2004) [125].
Giá trị đặc trưng cho quá trình xung kéo dài từ 50 100 s và thời gian lặp xung khoảng 100 300 s (hinh 2.3) (Delachaux T., 2003) [41], (Freiburg E., 2006) [51], (Freiburg E., 2006) [52], (Visuttipitukul P., 2006) [116].
Hình 2.3. Biểu đồ xung trong quá trình thấm nitơ plasma
Trong khu vực phát quang, điện trường bằng không. Mặc dù điện trường bằng không nhưng khu vực này vẫn còn một năng lượng phát quang khơng đổi VP khoảng 10V (hình 2.4).
xlix
Hình 2.4. Phân bố các năng lượng trong một phóng điện phát sáng bất thường
Có được điều này là do động năng trung bình của các electron lớn hơn nhiều so với các ion gây ra các điện tử thoát ra nhanh hơn trong khu vực này để lại nó một năng lượng tích tụ nhẹ (Huchel U., 2003) [63], (Visuttipitukul P., 2006) [116].
Tại khu vực anot VP giảm đến số không và khu vực catot VP đạt cực tiểu. Điều này cho thấy điện trường ở khu vực catot nhiều hơn, mạnh mẽ hơn trong khu vực anot, cho phép các electron và ion có được năng lượng cao trong khu vực catot.
Khi một ion là ở khu vực catot phát quang, tăng tốc và chạy về phía anot. Tạo ra các điện tử thứ cấp ở khu vực phát quang. Bằng cách này, các điện tử va chạm với các hạt khí trung tính gây ra sự ion hóa, phân ly hoặc kích thích.
Tương tự, khi một ion là ở khu vực anot tăng tốc về phía catot và tạo ra các điện tử thứ cấp. Các điện tử cũng được gia tốc về phía khu vực phát quang, nhưng với năng lượng thấp hơn nhiều. Kể từ khi các điện tử từ khu vực sẽ đạt đến ánh sáng khi nó có năng lượng lớn hơn hoặc bằng VP (Grmann T., 2007) [126].
Đó là hiện tượng phát quang xảy ra bởi số lượng lớn các điện tử thứ cấp từ các vỏ bọc catot, tạo ra các nguyên tử và phân tử trong trạng thái kích
l
thích. Các nguyên tử và phân tử, trong nhiều trường hợp, trả lại tất cả hoặc một phần của năng lượng hấp thụ của electron tương tác trong các hình thức của bức xạ (Huchel U., 2003) [64], (Бучков. A. и др, 1985) [122], (Лaxmuн Ю.M., 1990) [123], (Balles A. C., 2004) [125].
Chân không trong buồng tạo plasma được tạo ra bằng máy hút chân khơng. Khí thấm được cung cấp bởi các bình áp lực và được điều khiển phù hợp với lượng tiêu thụ. Vỏ ngoài được làm mát bằng nước; nhiệt độ được đo trực tiếp trên vật thấm và thể hiện cả nhiệt độ tường lò. Trong q trình làm việc nhiệt sinh ra làm nóng vỏ lị, do vậy vỏ cần được làm nguội đến một nhiệt độ thích hợp để đảm bảo việc điều chỉnh nhiệt độ vật thấm. Nguyên lý tường ấm giảm được q trình truyền nhiệt và phản ứng hóa học với vỏ lị (hình 2.5) (Huchel U., 2003) [64], (Huchel U., 2005) [66].
Hình 2.5. Mơ hình tổng qt của lị thấm xung plasma
Trong đó: TL là nhiệt độ vùng làm việc (nhiệt độ chi tiết thấm) TC - nhiệt độ vùng gia nhiệt