Thấm nitơ là một quá trình hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà bề mặt chi tiết bằng nitơ ở một chiều sâu nhất định.
Thấm nitơ đ−ợc tiến hành ở nhiệt độ khoảng 480 ữ 700oC, trong môi trường amoniăc (NH3). Quá trình thấm có thể giữ ở một hay nhiều chế độ nhiệt độ khác nhau tuỳ theo yêu cầu của chiều sâu lớp thấm. Sau khi thấm, làm nguội tiếp theo với tốc độ bất kỳ.
Thấm nitơ là nguyên công cuối cùng và đ−ợc ứng dụng vào việc nâng cao độ chống mài mòn và giới hạn mỏi của chi tiết.
Giản đồ pha của Fe – N đ−ợc nêu trên hình 3.13. Từ giản đồ của Fe – N ta thấy gồm có các pha:
α - dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong sắt Feα, đ−ợc gọi là ferít nitơ.Độ hòa tan cực đại của nitơ trong Feα là 0,42% ở nhiệt độ 5910C và 0,015% ở nhiệt độ 200C.
γ - dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong sắt Feγ, đ−ợc gọi là austenít nitơ, tồn tại ở nhiệt độ cao hơn 591oC; Độ hòa tan cực đại của nitơ trong Feγ là 2,75% ở nhiệt độ 6500C.
γ’ – dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitrit Fe4N, là pha rất cứng.
Pha γ’ tồn tại trong khoảng hẹp (ở nhiệt độ 5910C và hàm l−ợng nitơ 5,6 ữ 5,9%)
ε - dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitơ sắt Fe2N. Thành phần nitơ 8,0 ữ 11,2% ở nhiệt độ ở nhiệt độ 200C.
Nitơ cũng tạo nên pha xen kẽ với nhiều kim loại chuyển tiếp: CrN, Cr2N, MnN, TiN, AlN,MoN, Mo2N, VN, V2N, WN...
oC
800
γ γ + ε
700 γ’+ ε 600 α + γ γ + γ’
α 591 ε
500
α + γ’ γ’
400
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 %N Fe4N Fe2N
Hình 3.14. Giản đồ pha Fe – N Nhiệt độ cùng tích của của hệ sắt-nitơ là 5910C.
Thấm nitơ th−ờng tiến hành ở thể khí. Tiến hành thấm nitơ bắng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniăc (NH3) ở nhiệt độ 480 ữ 6500C là nhiệt độ tại đó nó bị phân huỷ mạnh nhất. Bề mặt chi tiết đ−ợc bão hòa bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc theo phản ứng:
2NH3 → 3H2 + 2N
Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao, bị hấp phụ và khuếch tán vào bề mặt thép.
L−ợng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào độ phân giải amôniăc. Độ phân giải amôniăc phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất và l−ợng amôniăc đ−a vào lò.
Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2N → N2.
Do đó thấm nitơ xảy ra mạnh khi quá trình phân giải amôniăc xảy ra gần bề mặt chi tiết. Độ phân giải amôniăc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tốc
độ cấp amôniăc, diện tích bề mặt chi tiết và nồi thấm bởi vì bản thân thép cũng là vật xúc tác làm tăng nhanh phản ứng. Độ phân giải thấp, khả năng hấp thụ nitơ lên bề mặt chi tiết giảm vì không đủ số nitơ nguyên tử hoạt tính. Song nếu độ phân giải NH3 cao sẽ có nhiều nguyên tử nitơ hấp thụ bề mặt và ngăn cản sự hấp thụ nitơ. Do đó người ta phải khống chế tối ưu độ phân giải amôniăc ở 5000C là 15 ữ 30%, ở 5500C là 35 ữ 45%, ở 6000C 45 ữ 60%.
Hyđrô có tác dụng làm thoát cacbon của chi tiết.
Nếu thấm nitơ nguyên tử ở nhiệt thấp hơn 5910C (nhiệt độ cùng tích) thì
ở thời điểm ban đầu trên bề mặt chi tiết có dung dịch rắn α. Khi đạt đ−ợc giới hạn bão hoà, pha α bắt đầu tạo thành pha γ’, tiếp tục tăng hàm l−ợng nitơ sẽ tạo thành pha ε. Sau khi thấm nitơ, từ bề mặt vào trong lõi chi tiết có các pha ε giàu nitơ, γ’ và α.
Khi nhiệt độ thấm nitơ thấp hơn 5910C và làm nguội chậm, tổ chức nhận đ−ợc là (γ + ε) - γ’ – (α + γ’d−) - α;
Nếu thấm ở nhiệt độ cao hơn 5910C thì sau khi làm nguội gồm các pha (tính lần l−ợt từ ngoài vào trong): ε, γ’ cùng tích (α + γ’) do γ phân hoá và α (tổ chức của lõi). Độ cứng cao của lớp thấm chính là do các pha xen kẽ Fe2N và Fe4N. Tổ chức là (γ’ + ε) - γ’ – (α + γ’) - α - γ’d−.
Độ cứng của lớp thấm nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ 600 ữ 6500C, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ đ−ợc đến 200 ữ 2250C.
Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xilanh của động cơ lớn, khuôn dập cũng nh− dụng cụ cắt gọt...
Khi thấm nitơ cho thép cacbon pha ε và pha γ’ có đặc điểm của pha cacbit nitrit.
Sự khuếch tán nitơ tuân theo quy luật:
τ δ 2. .
. .
p e A
D RT
Q n
=
= −