- Ý nghĩa thực tiễn
c- Mũi khoan; g Ống truyền; m Mũi phay d Lưỡi cưa; h Khuôn đúc nhôm;
1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trong những năm đầu của thế kỷ 20, Adolph Machlet (Mỹ) là một kỹ sư luyện kim làm việc tại cơng ty Elizabeth, NJ. Ơng nhận ra rằng, bề mặt của lớp thấm cácbon bị biến dạng do thời gian thấm lâu ở nhiệt độ cao và bị làm nguội cưỡng bức trong môi trường nước hoặc dầu. Qua thử nghiệm, Machlet sớm phát hiện ra rằng nitơ khơng thể hịa tan trong sắt mà chỉ khuếch tán vào trong sắt. Nitơ khuếch tán tạo ra một bề mặt tương đối cứng trong sắt nguyên chất, thép hợp kim thấp và cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn. Thực hiện được điều này mà không cần đến nhiệt độ cao và không cần làm nguội cưỡng bức mà hạ nhiệt độ từ từ cùng với lị thấm trong khi vẫn cung cấp khí nitơ vào ngăn cách được sự xâm thực của khí quyển, do đó làm giảm nguy cơ biến dạng nhưng vẫn tạo được lớp bề mặt chống mài mòn, độ cứng cao với khả năng chống ăn mòn tốt.
Ban đầu Machlet sử dụng khí amoniac để thấm nitơ, điều này cần phải kiểm soát sự phân hủy của amoniac để giải phóng nitơ ngun tử. Ít lâu sau ơng đã sử dụng hydro để giảm lượng nguyên tử nitơ được sinh ra và kiểm sốt mức độ hình thành lớp thấm.
Mặc dù Machlet đã phát triển công nghệ thấm nitơ và đã được cấp bằng sáng chế (năm 1913) về các q trình cơng nghệ nhưng hầu như khơng được
xxxviii
công nhận và nhạt dần vào quên lãng (Brinke T., 2006) [31], (Brinke T., 2008) [32], (Hubbard P., 2007) [67], (Lee I. S., 2001) [77].
Ở Châu Âu, Adolph Fly, một chương trình nghiên cứu tương tự diễn ra tại Krupp ở Essen. Đây là chương trình đã ghi dấu ấn của Fly trong năm 1906. Khác với Machlet, Fly khẳng định rằng nitơ có thể hịa tan trong sắt ở nhiệt độ cao. Ông cũng nhận ra rằng, các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của công nghệ thấm nitơ. Sáng chế đầu tiên của Fly được ứng dụng vào năm 1921, ba năm sau khi chiến tranh thế giới lần thứ nhất kết thúc. Bằng sáng chế của ông đã tiếp tục được công nhận vào năm 1924. Ơng sử dụng cơng nghệ tương tự của Machlet, nguồn gốc nitơ có thể phá vỡ bằng nhiệt từ đó giải phóng nitơ nguyên tử cho phản ứng và khuếch tán. Cũng giống như Machlet, Fly sử dụng NH3 là nguồn khí thấm chứ ơng khơng sử dụng H2. Như vậy, có sự phát triển quy trình thấm nitơ thể khí ở trạng thái đơn giản (Dimitrov V. I., 1998) [43], (Hubbard P., 2007) [67], (Jordan D., 2010) [68], (Joshi V., 2003) [69], (Lifang, 1989) [80], (Maldzinski L., 1999) [83].
Fly chuyên sâu vào nghiên cứu tác động của các yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt. Phát minh của ơng là trong quy trình thấm nitơ để đạt được độ cứng bề mặt cao chỉ có thép chứa các thành phần hợp kim như Cr, Mo, Al, V và W. Ngồi ra ơng cịn nhận ra rằng nhiệt độ trong quy trình quyết định đến chiều sâu và độ cứng của bề mặt thép. Quá trình xử lý bề mặt thép ở nhiệt độ cao gây ảnh hưởng tới hình dạng của thép đó là “nitrit” được biết ngày nay (Lục Vân Thương, 2007) [16], (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20], (Rolinski E., 1987) [100], (Shetty K., 2008) [104].
Do thép hợp kim cao khơng sẵn có để thấm nitơ, Fly đã tìm ra nhóm thép phù hợp để thấm nitơ.
Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fly tại cuộc hội thảo “Hội các nhà thiết kế chế tạo (SME)” năm 1927, các nhà luyện kim Hoa Kỳ bắt đầu tìm hiểu về các tham số và các hiệu ứng của hợp kim trong quá trình thấm nitơ của các loại thép.
xxxix
Timken Detroit Axle ở Detroit (Hoa Kỳ) đã nghiên cứu và hoàn thành trong 2 năm, kết thúc vào năm 1928. Nhiệt độ được lựa chọn trong phạm vi từ 540
6500C. Còn Machlet, phạm vi lựa chọn từ 480 5800
C. Mc Quaid và Ketcham kết luận rằng quá trình thấm nitơ ở nhiệt độ cao có tác động tới độ cứng trong lõi của thép hợp kim nhưng tác động nhỏ vào khả năng khuếch tán nitơ vào thép ở nhiệt độ đó (Shetty K., 2008) [104], (Spalvins T., 1989) [107], (Visuttipitukul P., 2006) [116].
Năm 1950, nhà vật lý Dr Claude Jones và Dr. Derek Sturges, cùng với Stuart Martin phát triển công nghệ thấm nitơ thể ion đầu tiên ở Mỹ. Từ đó ứng dụng cơng nghệ thấm nitơ plasma để thay đổi tính chất của vật liệu và chi tiết máy (Shetty K., 2008) [104], (Spalvins T., 1989) [107], (Visuttipitukul P., 2006) [116].
Ở Đức, công nghệ thấm nitơ plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học người Đức, Dr Wehnheldt. Năm 1932, thuật ngữ “glow discharge” (sự phóng điện phát sáng) được ơng sử dụng khi nghiên cứu cơng nghệ thấm nitơ. Sau đó Wehnheldt cộng tác với nhà vật lý học người Thụy Sĩ và danh nhân người Đức, Dr Bernhard Berghaus, họ cùng nhau nghiên cứu công nghệ thấm nitơ plasma và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH, chế tạo thiết bị thấm nitơ ion. Công nghệ thấm nitơ ion của Wehnheldt và Berghaus đã thành công trong các ngành công nghiệp Đức trong suốt chiến tranh thế giới thứ II. Mặc dù vậy nó vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi vì cơng nghệ mới này bị coi là quá phức tạp, quá đắt và không đáng tin cậy để đảm bảo chắc chắn lợi ích của nó mang lại. Mãi đến năm 1970, công nghệ thấm nitơ plasma được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở Châu Âu. Những ưu điểm của nó dần được chứng minh trong thực tế (Rolinski E., 2007) [103], (Shetty K., 2008) [104], (Spalvins T., 1989) [107], (Visuttipitukul P., 2006) [116].
Theo Hosseini và các cộng sự thì chiều sâu lớp thấm nitơ trong quá trình thấm nitơ plasma là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá q trình hóa nhiệt luyện và hiệu suất của thành phần khí thấm với thành phần nitơ
xl
khác nhau (Hosseini S. R., 2006) [57], (Hosseini S. R., 2007) [58], (Hosseini S. R., 2009) [59], (Hosseini S. R., 2010) [60]. Do những khó khăn trong việc có được các thơng số q trình tối ưu hóa trong ngành cơng nghiệp, các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu để phát triển các mơ hình phân tích thích hợp. Về nguyên tắc, thiết kế với bề mặt kỹ thuật liên quan đến q trình mơ phỏng. Mặc dù trong những năm gần đây đã có nhiều cơng trình cơng bố trên các mơ hình của q trình thấm nitơ nói chung là khơng đủ để dự đoán sự ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng lớp thấm (Easterday J. R., 2011) [46], (Hovarka D., 2000) [61], (Hirsch T. K., 2004) [62], (Huchel U., 2003) [63], (Huchel U., 2003) [64], (Huchel U., 2005) [65] (Huchel U., 2005) [66].
Chiều dày lớp thấm là một trong những yếu tố quan trọng nhất thể hiện sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến thành phần lớp thấm; trong hai thập kỷ qua, các nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu và thực hiện để tính tốn nó trong q trình thấm nitơ thể khí và thấm nitơ plasma (Hirsch T. K., 2004) [62], (Huchel U., 2003) [64].
Metin và Inal đã cố gắng để làm rõ sự hình thành và động lực phát triển của nitrit trên bề mặt của sắt nguyên chất trong quá trình thấm nitơ plasma và đã đóng góp thêm những hiểu biết về cơ chế q trình hình thành lớp thấm, trong đó quan hệ giữa các chiều sâu lớp thấm nitơ với thời gian thấm nitơ là đường parabol (bậc 2) (Huchel U., 2003) [64].
Somers và Mittemeijer nghiên cứu động học tăng trưởng lớp thấm nitơ thể khí bằng sắt tinh khiết và sau đó, đánh giá hệ số khuếch tán nitơ trong thép (Somers M. A., 1995) [106].
Du và Agren đã phát triển các mơ hình tốn học cho cả hai quá trình dựa trên giản đồ Fe-N và hệ Fe-C-N có tính đến sự khuếch tán của các nguyên tử nitơ và cacbon thông qua các giai đoạn khác nhau (Du H., 1996) [45], (Eom J. Y., 2003) [47], (Oliveira S. D., 2002) [87], (Oliveira S. D., 2006) [88], (Greßmann T., 2007) [126].
xli
của lớp nitrit sắt trong quá trình thấm nitơ dựa trên hệ 2 nguyên Fe-N (Lee I. S., 2001) [76], (Lee I. S., 2001) [77].
Dimitrov và các cộng sự đã mơ phỏng sự hình thành của các lớp nitrit trong quá trình thấm nitơ plasma cho sắt nguyên chất. Họ đã sử dụng mơ hình phổ biến tổng qt của Wagner để phân tích sự hình thành lớp thấm và phát triển lớp thấm trong các thí nghiệm thấm nitơ plasma (Dimitrov V. I., 1998) [43], (Dimitrov V. I., 1999) [44]. Các mơ hình đề xuất dự đốn đều có quy luật là đường parabol thể hiện sự tăng của hàm lượng nitơ trong lớp thấm và vùng khuếch tán trong thấm nitơ plasma (Easterday J. R., 2011) [46], (Rolinski E., 2000) [100], (Rolinski E., 2005) [101], (Rolinski E., 2006) [102], (Rolinski E., 2007) [103].
Maldzinski và các cộng sự nghiên cứu khả năng kiểm sốt q trình thấm nitơ thể khí bằng cách mơ phỏng động học của sự tạo thành các lớp nitrit (Maldzinski L., 1999) [83], (Onmus O., 2003) [89].
Yan và Bell đã trình bày một mơ hình mơ phỏng số cho sự phát triển lớp nitritd và phân bố nitơ trong các pha ε, γ’ và α trong quá trình thấm nitơ plasma của sắt nguyên chất (Yan M., 2000) [120]. Kết quả cho thấy rằng các lớp nitritd bao gồm các pha ε, γ' và α và chiều dày của của các pha tuân theo một quy luật hình parabol (Baranowska J., 2008) [27], (Тошков В. Ц. и др, 2009) [124], (Balles A. C., 2004) [125], (Greßmann T., 2007) [126].
Belmonte và các cộng sự cung cấp một mơ hình số về sự khuếch tán nitơ trong sắt tinh khiết, kết quả cho thấy sự khuyếch tán phụ thuộc vào nồng độ của nitơ. Họ đã tính tốn được chiều dày của các lớp thấm là căn bậc hai của thời gian thấm nitơ ở nhiệt độ 8430
K (5700C) (Huchel U., 2003) [64].
Keddam và cộng sự thực hiện một số cơng trình trên mơ hình của quá trình thấm nitơ đối với sắt tinh khiết, nghiên cứu đã thực hiện thấm nitơ thể khí sử dụng khí thấm NH3-H2 để tạo lên lớp thấm nitơ (Keddam M., 2007) [72]. Họ đã áp dụng một mơ hình phổ biến dựa trên định luật Fick để nghiên cứu động học phát triển của pha γ' trong quá trình thấm nitơ thể khí trên sắt ngun chất. Keddam và các cộng sự đã thiết kế được một mơ hình đơn giản để dự đốn chiều
xlii
dày của các lớp nitrit trong sắt nguyên chất và xây dựng mơ hình thấm nitơ plasma sử dụng một mơ hình động học bắt nguồn từ định luật của Fick II (Keddam M., 2007) [72].
Hầu hết các cơng trình trước đó nhấn mạnh các mơ hình của q trình thấm nitơ khí. Một số ít cơng trình nghiên cứu tập trung vào mơ hình phát triển của các hợp chất trong lớp thấm nitơ plasma. Gần đây, một số tác giả đã phát triển các nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp để dự đoán và đánh giá sự phân bố nồng độ nitơ và các hợp chất nitrit tạo thành trong quá trình thấm nitơ cho sắt nguyên chất đồng thời đánh giá chính xác độ sâu của vùng khuếch tán của nitơ trong sắt khi thấm nitơ plasma (Hovarka D., 2000) [61], (Hirsch T. K., 2004) [62], (Kapczinski M. P., 2003) [70], (Karamis M. B., 1992) [71], (Greßmann T., 2007) [126].
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, trước đây đã có thấm cacbon thể rắn bằng cơng nghệ thủ công lạc hậu và gây ô nhiễm môi trường. Tiếp sau sử dụng thấm cacbon-nitơ bằng lị muối với chất thấm là xianua. Cơng nghệ này tuy đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho chất lượng sản phẩm nhưng lại gây độc hại cho người sản xuất, ô nhiễm môi trường, công nghệ này giờ đây đã bị cấm sử dụng. Công nghệ thấm nitơ thể khí đã được ứng dụng lâu nay ở Việt Nam. Cơng nghệ này tuy có tiến bộ hơn, ít gây ơ nhiễm, nhưng hiệu quả thấm chưa hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về độ cứng, về độ đồng đều và về chủng loại vật liệu cần thấm (Nguyễn Phú Áp, 1994) [2], (Nguyễn Phú Áp, 1995) [3] (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20], (Nguyễn Văn Tư, 2002) [21].
Năm 2004, tại Phịng Thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ Hàn và Xử lý bề mặt đã được đầu tư một thiết bị về thấm nitơ plasma do Đức sản xuất. Từ đó thấm nitơ plasma bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam.
Năm 2007 đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ xung plasma ở nhiệt độ thấp trong chế tạo dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy” (cấp Bộ Công Thương) được triển khai; với đề tài này, nhóm tác giả đã nghiên cứu tìm
xliii
hiểu về thiết bị thấm nitơ plasma, thiết kế đồ gá phù hợp với chi tiết thấm và khơng gian lị, thấm nitơ cho một số vật liệu, chi tiết và xây dựng quy trình thấm. Hạn chế của đề tài là chưa xác định được khoảng biến thiên và các thơng số chính ảnh hưởng đến q trình thấm (Lục Vân Thương, 2007) [16].
Năm 2008 với đề tài “Nghiên cứu và mơ phỏng q trình thẩm thấu nitơ cho một số hợp kim Fe-C dùng trong chế tạo một số chi tiết máy” (cấp Bộ Cơng Thương), nhóm tác giả mới chỉ nghiên cứu đến q trình mơ phỏng của q trình thấm nitơ plasma dựa trên định luật Fick I và Fick II, chưa đưa ra được các thông số và bộ thông số với loại vật liệu nghiên cứu (Hoàng Minh Thuận, 2008) [15], (Lục Vân Thương, 2007) [16].
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thấm một số khuôn kim loại” mã số KC.02.14/06-10 thuộc chương trình Khoa học Cơng nghệ cấp nhà nước KC.02/06-10 do Viện Cơng nghệ chủ trì đã thấm khn thép SKD11, SKD61 và 40CrMo sử dụng thí nghiệm đơn yếu tố. Đề tài mang tính chất ứng dụng nên chủ yếu là thực nghiệm, chưa tìm ra giá trị tối ưu mà chủ yếu dựa vào kinh nghiệm sản xuất (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7].
Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quy trình cơng nghệ thấm phù hợp, đảm bảo chất lượng lớp thấm và đáp ứng yêu cầu cơ tính làm việc của chi tiết là hết sức cần thiết.
Hơn nữa, tất cả các nghiên cứu trước đây chủ yếu là nghiên cứu ảnh hưởng của đơn yếu tố công nghệ đến chất lượng lớp thấm mà không nghiên cứu ảnh hưởng của đa yếu tố, sự tác động của các cặp yếu tố đến chất lượng lớp thấm nitơ plasma.
Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế – xã hội, việc nâng cao hiệu quả chất lượng chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Chất lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị phụ thuộc rất lớn vào chất lượng chi tiết cơ khí. Việc áp dụng công nghệ thấm nitơ plasma góp phần đáng kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành cơ khí nói riêng và ngành cơng nghiệp nói chung.
xliv
Với việc đưa phương pháp thấm nitơ plasma vào thay cho phương pháp thấm nitơ thơng thường sẽ góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ chi tiết, giảm ô nhiễm môi trường và phục vụ hiệu quả cho sản xuất công nghiệp.