Nghiên cứu và mô phỏng quá trình thẩm thấu nitơ cho một số hợp kim sắt-cacbon dùng trong chế tạo chi tiết

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG










BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI



Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THẨM THẤU
NITƠ CHO MỘT SỐ HỢP KIM SẮT – CACBON
DÙNG TRONG CHẾ TẠO CHI TIẾT MÁY”


Mã số: 04.08 RDBS
Người chủ trì thực hiện:
Th.S. Hoàng Minh Thuận




7735
01/3/2010

Uông Bí – 2008
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG





BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI


Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THẨM THẤU
NITƠ CHO MỘT SỐ HỢP KIM SẮT – CACBON
DÙNG TRONG CHẾ TẠO CHI TIẾT MÁY”


(Thực hiện theo Hợp đồng số 04.08 RDBS/HĐ-KHCN ngày 31 tháng 3
năm 2008 giữa Bộ Công Thương và Trường CĐ Công nghiệp và Xây dựng)

Người chủ trì thực hiện:
Th.S. Hoàng Minh Thuận
Danh sách các thành viên tham gia:

TT Họ và tên
Học hàm,
học vị
Cơ quan
1 Lương Văn Tiến Thạc sỹ

Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng
2 Nguyễn Văn Bản Thạc sỹ
Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng
3 Đào Quang Kế PGS.TS
Khoa Cơ – Điện,
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
4 Nguyễn Văn Nghĩa Thạc sỹ
Khoa Cơ – Điện,
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
5 Phạm Thị Hằng Kỹ sư
Khoa Cơ – Điện,
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
6 Lục Vân Thương Kỹ sư
PTN Công nghệ Hàn & XLBM,
Viện Nghiên cứu Cơ khí

Uông Bí – 2008

1
MỞ ĐẦU

Nước ta đang đi vào thời kỳ Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước
với nền kinh tế thị trường và đang phát triển với nhịp độ cao. Các ngành
công nghiệp như: Cơ khí động lực, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng
không… đang được chú trọng đầu tư và phát triển nhanh. Nhu cầu bức thiết
được đặt ra là phải phát huy nội lực trong nước, tạo nên các sản phẩ
m cơ khí
mang nhãn hiệu Việt Nam.
Vấn đề cơ bản là phải tập trung nghiên cứu và ứng dụng các phương
pháp công nghệ mới vào thiết kế chế tạo cơ khí. Cùng với việc ứng dụng

các công nghệ chế tạo hiện đại với CAD/CAM/CNC, cần đẩy mạnh nghiên
cứu ứng dụng các công nghệ tạo phôi tiên tiến – công nghệ hàn, công nghệ
đúc và công nghệ gia công áp lực. Nhưng để bảo đả
m chất lượng sản phẩm
cơ khí với các yêu cầu cao về độ bền mỏi, độ chống mài mòn và ăn mòn,
phải sử dụng các công nghệ xử lý bề mặt. Rất nhiều chi tiết, yêu cầu bề mặt
có độ cứng cao, tính chống mài mòn và ăn mồn tốt, cần sử dụng các công
nghệ nhiệt luyện bề mặt, kể cả công nghệ phun phủ. Nhưng các công nghệ
này cũ
ng chỉ có thể giải quyết được một phần yêu cầu.
Một công nghệ mang tính truyền thống gần thế kỷ nay, công nghệ thấm
kim loại và phi kim loại trên bề mặt chi tiết cũng đang được thế giới nghiên
cứu cải tiến, đổi mới. Công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon-
nitơ được hiện đại hóa và tự động hóa, mang lại hiệu quả kinh tế rất cao.
Các nước đã và đạng tiếp tục nghiên cứu, cải tiến và hoàn thiện công nghệ
thấm cacbon, thấm nitơ, đồng thời đưa công nghệ hiện đại thấm nitơ plasma
vào sản xuất. Nhờ đó mở rộng được đối tượng thấm. Không chỉ cho một số
loại thép hợp kim, còn có thể thấm cho thép không gỉ, cho một số loại
gang Độ cứng của lớp thấm nitơ th
ường cao hơn độ cứng của lớp thấm
cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ 600 ÷ 650
o
C, trong khi đó độ cứng cao của
lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 200 ÷ 250
o
C.
Ở Việt Nam những năm gần đây, theo xu hướng mới của thế giới, đặc
biệt là những nước có nền công nghiệp phát triển, Trung tâm Khoa học
công nghệ Cơ học máy Thuỷ lợi - Trường Đại học Thuỷ lợi đã nghiên cứu
và ứng dụng thành công công nghệ thấm nitơ, là công nghệ thấm nitarid.

Sở dĩ công nghệ nitarid đảm bảo được vệ sinh môi trường là nhờ việc s
ử
dụng các hỗn hợp thấm nitơ không chứa muối xianua và đưa vào sử dụng
chất tái sinh có khả năng phục hồi hoạt tính của bể thấm.
Hiện nay, tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý
bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ – Bộ Công thương đã được đầu tư một thiết
bị về thấm nitơ plasma do Đức sản xuất. S
ử dụng công nghệ thấm nitơ
plasma hay còn gọi là thấm nitơ thể ion.
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 thì phụ thuộc rất lớn vào chất lượng

2
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 công nghiệp nói chung. Với việc đưa phương pháp thấm nitơ plasma
vào thay thế một số phương pháp thấm tôi khác sẽ góp phần làm tăng chất
lượng và tuổi thọ chi tiết, giảm ô nhiễm môi trường phục vụ hiệu quả cho
các ngành công nghiệp.
Hiện nay, tại các xí nghi
ệp sửa chữa thiết bị xây dựng và vận tải của
Quảng Ninh cần rất nhiều phụ tùng thay thế các chi tiết chịu mài mòn như:
Vòng găng xi lanh, trục ăc, trục chưa thập, Các chi tiết này còn khả năng
chịu bền, nhưng bị mòn và phải thay. Lượng thay thế hàng năm rất lớn. Chỉ
cần tăng tuổi thọ chịu mài mòn trên 10% thì đã đem lại ích lợi kinh tế cho xí
nghi
ệp vận tải rất lớn, do kéo dài thời gian phục vụ của thiết bị, giảm thiếu
thời gian sửa chữa. Nếu công nghệ được nghiên cứu và bảo đảm, các xí
nghiệp cơ khí tại Uông bí, Quảng Ninh sẽ nhận triển khai ứng dụng.

Đề tài "Nghiên cứu và mô phỏng quá trình thẩm thấu nitơ cho một
số hợp kim Fe-C dùng trong chế tạo một số chi tiết máy" được mở ra là một
việc rất cần thiết.

3
Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ thấm nitơ
trong điều kiện Việt Nam, xác định các quy luật cơ bản, các yếu tố công
nghệ thông qua thực nghiệm khoa học và mô phỏng quá trình thẩm thấu
nitơ vào trong một số thép, từ đó có thể chuyển giao công nghệ, đưa vào
ứng dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
Nội dung nghiên cứu:
- Tổng quan tài liệu về công nghệ th
ấm nitơ cho hợp kim;
- Nghiên cứu sự khuếch tán của Nitơ và các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình khuếch tán;
- Mô phỏng, kiểm tra quá trình khuếch tán và thấm trong một số
trường hợp cụ thể, sử dụng phần mềm để khảo sát quá trình khuếch tán, tôí
ưu quá trình công nghệ;
- Xây dựng quy trình công nghệ, hoàn thiện hệ thống thiết bị thấm
nitơ cho một số hợp kim sắt-cácbon dùng trong chế tạ
o chi tiết máy;
- Kiểm tra thử nghiệm thực tế một số chi tiết cụ thể.

4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THẤM NITƠ

Thấm Nitơ là một dạng hóa nhiệt luyện – một công nghệ xử lý tăng bền
bề mặt chi tiết làm bằng thép.

1.1. Khái niệm về hóa nhiệt luyện

Hoá nhiệt luyện kim loại và hợp kim loại là quá trình nhiệt luyện bao
gồm nung chi tiết và giữ nhiệt ở nhiệt độ nhất định trong môi trường hoạt
tính nhằm thay đổi thành phần hoá học, tổ chức và tính chất bề mặt của chi
tiết.
Hoá nhiệt luyện là một trong những biện pháp hoá bền có hiệu quả và được
sử dụng rộng rãi cho nhiều loạ
i chi tiết máy, dụng cụ, dao cắt, khuôn dập
nguội, khuôn dập nóng,…
Hai tác dụng của hoá nhiệt luyện là:
- Hoá bền bề mặt chi tiết: tăng độ cứng bề mặt, độ chống mài mòn,
độ bền chi tiết tăng lên đáng kể sau khi hoá nhiệt luyện.
- Tăng khả năng kim loại chống tác dụng của môi trường xâm thực ở
nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao. Tăng độ chị
u mài mòn, độ chống
xâm thực, độ chịu axit, độ bền nhiệt.
So với tôi bề mặt, hoá nhiệt luyện có những ưu điểm chính sau: có
thể áp dụng cho những chi tiết có hình dáng bề mặt phức tạp, mà tôi bề mặt
khó tiến hàng, thậm chí không thể thực hiện được.
Trong quá trình hoá nhiệt luyện thể tích riêng của bề mặt tăng gây ra
ứng suất nén dư, ứng suất này có tác dụng làm giảm giá trị
ứng suất kéo của
ngoại lực trong quá trình làm việc của chi tiết. Việc tăng độ chống mài mòn
bề mặt tạo khả năng tăng tốc độ quay của máy, tăng năng suất và tuổi bền
của máy. Hóa bền bề mặt chi tiết có thể đạt được bằng các phương pháp
khác: tôi bằng tần số cao, tôi ngọn lửa Song việc hoá bền bề mặt chi tiết
bằng hoá nhiệ
t luyện có nhiều ưu việt, tạo cho nó có khả năng ứng dụng
rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực.
Có thể áp dụng cho những chi tiết có hình dáng bề mặt phức tạp, mà
tôi bề mặt khó tiến hành, thậm chí không thể thực hiện được.

Hoá nhiệt luyện có thể thay đổi đồng thời cả thành phần hoá học lẫn
tổ chức lớp bề mặt nên có thể đạt độ cứng cao hơn hẳn so với bề mặt. Có
thể áp dụng cho các chi tiết chịu mài mòn và va đập mạnh.
Những quá trình xẩy ra khi hoá nhiệt luyện
Thông thường khi hóa nhiệt luyện, người ta đạt chi tiết trong môi
trường lỏng hoặc khí có khả năng phân huỷ ra nguyên tử hoạt tính của
nguyên tố khuếch rồi nung nóng chúng lên nhiệt độ thích hợp, giữ lâu ở
nhiệt độ này để khuếch tan các nguyên tố cần thấm vào chi tiết. Các quá
trình xẩy ra theo 3 giai đoạn nối tiếp nhau: phân huỷ,hấp thụ và khuếch tán.
Phân huỷ là quá trình tạo nguyên tử hoạt tính của nguyên tố khuếch
tán. Quá trình này xẩy ra trong môi trường hoá nhiệt luyện và các nguyên
tử hoạt tính được tạo thành có khả năng khuếch tan vào bề mặt kim loại.

5
N
ồng độ %
1 (KT) < (HT)
2
(
KT
)
>
(
HT
)
Khoảng cách từ bề mặt
Khi thấm cacbon quá trình xẩy ra như sau:
2CO <=> CO
2
+ [C]

CH
4
<=> 2H
2
+ [C]
Khi thấm Nitơ sử dựng chất thấm NH
3
:
2NH
3
<=> 3H
2
+ 2[N]
Hấp thụ là các nguyên tử hoạt tính được hấp thụ vào bề mặt chi tiết
sau đó dùng khuếch tán vào bên trong kim loại cơ sở, tạo nên dung dịch rắn
hoặc các pha trung gian hoặc các hợp chất hoá học. Kết quả của sự hấp thụ
là tạo nên ở bề mặt thép có một nồng độ nguyên tố định khuếch tan vào
cao, tạo nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi.
Khuếch tán là các nguyên tố hoạt tính hấp thụ vào lớp bề mặt với
nồng độ cao sẽ được khuếch tán vào trong tạo thành lớp thấm với chiều sâu
nhất định, Nhờ khuếch tan, lớp thấm được tạo thành và nó là cơ sở của hoá
nhiệt luyện. Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ và
nồng độ chất khuếch tan ở lớp bề
mặt.
Ba giai đoạn phân hủy, hấp thụ, khuếch tán có liên quan mật thiết với
nhau và có ảnh hưởng đến quá trình hoá nhiệt luyện. Nếu quá trình phân
hủy xảy ra nhanh hơn hấp thụ thì những nguyên tử hoạt tạo thành không
hấp thụ kịp sẽ trở nên không hoạt tính nữa, lúc này nó cản trở sự hấp thụ
tiếp theo vì thế ảnh hưởng tới tốc độ của quá trình. Ngược lại khi các
nguyên t

ử hoạt tạo thành không đủ để hấp thụ thì thời gian hoá nhiệt luyện
phải kéo dài.
Trường hợp tốt nhất là tốc độ phân huỷ bằng tốc độ hấp thụ.
Trong thực tế thường gặp hiện tượng trên bề mặt chi tiết sau khi
thấm cacbon có muội bồ hóng. Điều đó chứng tỏ các nguyên tử cacbon
hoạt tạo thành trong giai đoạn phân huỷ không hấp thụ k
ịp.
Tương quan giữa hấp thụ và khuếch tán có ảnh hưởng rất lớn đến việc
tạo thành lớp khuếch tán. Khi hấp thụ xảy ra nhanh hơn khuếch tán, các
nguyên tử hấp thụ vào bề mặt không kịp khuếch tán vào trong nên nồng độ
chất khuếch tán ở lớp bề mặt rất cao nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại nhỏ
(hình 1.1 “1”). Ngược lại, trong trường hợp khuếch tán nhanh hơn h
ấp thụ thì
nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt thấp nhưng chiều sâu lớp khuếch tán
lại lớn (hình 1.1 “2”).








Hình 1.1. Ảnh hưởng của khuếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm

6
1.2. Đặc điểm của hoá nhiệt luyện
Có nhiều phương pháp hoá nhiệt luyện. Dựa vào đặc tính thay đổi
thành phần hoá học, các dạng hoá nhiệt luyện có thể chia thành ba nhóm:
- Làm bão hoà bằng các á kim.

- Làm bão hoà bằng các kim loại.
- Tách các nguyên tố ra khỏi kim loại bằng khuếch tán.
Đặc điểm:
- Có thể áp dụng cho tất cả các chi tiết, kể cả những chi tiết có hình
dáng phức tạp khi không dùng được các phương pháp hoá bền bề mặ
t khác.
- Tính chất của lớp bề mặt và trong lõi chi tiết rất khác nhau, do thành
phần hoá học của chúng cũng khác nhau sau khi thấm.
- Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn và độ bền mỏi của chi
tiết nhưng hiệu quả đạt được cao hơn so với tôi bề mặt. Mục đích này đạt
được bằng các phương pháp thấm C, thấm N
2
, thấm xianua, thấm B…
- Nâng cao tính chống ăn mòn điện hoá và hoá học, chống oxy hoá ở
nhiệt độ cao, tăng khả năng chịu axít của lớp bề mặt chi tiết. Để đạt được các
mục đích này người ta dùng các phương pháp thấm nhôm, thấm silic, [1]

1.3. Công nghệ thấm cacbon
Quá trình làm bão hoà bề mặt thép bằng cacbon nhằm nâng cao độ
cứng, khả năng chống mài mòn và giới hạn bền của lớp bề m
ặt. Sau khi hấm
cacbon, sản phẩm phải tôi thành dạng cấu trúc mactenxit và ram thấp. Theo
trạng thái của môi trường thấm, phân ra thấm cacbon thể rắn, thể khí, thể
lỏng và thể bột nhão. Thấm cacbon là dạng hoá nhiệt luyện được dùng rộng
rãi cho các chi tiết làm bằng thép có hàm lượng cacbon thấp (nhỏ hơn 0,3%).
Ở Việt Nam, công nghệ này được sử dụng rộng rãi từ những năm 60 thế kỉ
20 cho các loại chi tiết như trục, bánh r
ăng, chốt, phụ tùng xe đạp, v.v
Chất thấm cácbon
Hỗn hợp của một số chất dùng để tạo nguyên tử cacbon hoạt tính cần

cho quá trình thấm cacbon. Tuỳ thuộc vào trạng thái chất thấm mà thành
phần sẽ khác nhau. Chất thấm cacbon thể rắn gồm than gỗ (85 ÷ 90%), chất
xúc tác BaCO
3
, Na
2
CO
3
(15 ÷ 10%) hoặc K
4
Fe(CN)
6
(3 ÷ 5%) và một số
chất phụ gia khác như bột than cốc để tăng độ bền; vôi sống để chống dính
kết. Chất thấm cacbon thể khí là hỗn hợp của cacbon oxit (CO) và
hiđrocacbon (CH
4
, C
2
H
8
, v.v ). Chất thấm cacbon thể lỏng gồm các muối
BaCl
2
, NaCl và NaCN hay SiC.

1.4. Công nghệ thấm cacbon – nitơ
Quá trình làm bão hoà đồng thời bề mặt chi tiết bằng cacbon và nitơ
nhằm nâng cao độ cứng, khả năng chống mài mòn và giới hạn bền mỏi.
Theo trạng thái của môi trường thấm, phân ra thấm C-N thể rắn, thể lỏng và

thể khí. Thấm C-N thể lỏng thực hiện trong muối xianat nóng chảy nên còn
gọi là thấm xianat. Theo nhiệt độ, chia ra: thấm C-N nhiệt độ thấp dùng cho

7
dụng cụ cắt gọt và khuôn dập làm bằng thép hợp kim cao; thấm C-N nhiệt
độ cao dùng cho các chi tiết máy thay cho thấm cacbon. Thấm C-N nhiệt
độ thấp tiến hành sau khi nhiệt luyện (tôi + ram cao); thấm C-N nhiệt độ
cao tiến hành trước khi nhiệt luyện (tôi + ram thấp) .

1.5. Công nghệ thấm nitơ
1.5.1. Lịch sử phát triển
Trong những năm đầu của thế kỷ 20, Adoloph Machlet làm việc cho
một công ty khí đốt ở Mỹ ở Elizabeth, NJ. Anh đã được công nh
ận là nhà
công nghệ xử lý độ cứng bề mặt. Qua thử nghiệm, không bao lâu Machlet
đã khám phá ra đó là Nitơ hòa tan trong sắt. Nitơ khuếch tán tạo ra độ cứng
bề mặt tương đối trong các loại thép thường hoặc thép hợp kim thấp và đặc
biệt nó cải thiện được khả năng chống ăn mòn.
Bằng sáng chế đầu tiên đánh dấu cho sự phát triển của quy trình
nitriding đã được ứng dụng vào tháng 3 n
ăm 1908 tại Elizabeth, NJ. Bằng
sáng chế này được cấp lại lần cuối cùng vào tháng 6 năm 1913, sau 5 năm
kể từ lần đầu được ứng dụng. Machlet đã làm việc một số năm trước khi
bằng sáng chế được đưa vào sử dụng và tiếp tục phát triển cả về quy trình
mới và sự hiểu biết của ông về kết quả quá trình luyện kim. Mặc dù vậy,
phát minh của ông về quy trình nitriding không
được ứng dụng rộng rãi và
dần mất đi
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 bởi Dr.Adolph Fly

trong năm 1906. Giống như Machlet, Fly thừa nhận nitơ có thể hòa tan
trong sắt ở nhiệt độ cao. Ông cũng công nhận, việc làm của ông đó là
nghiên cứu ảnh hưởng luyện kim tới nguyên tố phi kim mạnh và kết quả là
hiệ
u suất. 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 như vậy vào tháng 3 năm 1924.
Ông sử dụng công nghệ tương tự của Machlet, nguồn gốc Nitơ có thể
phá vỡ bằng nhiệt từ đó giải phóng nitơ cho phản ứng và khuếch tán. Cũng
giống như Machlet, Fly sử dụng NH
3
là nguồn khí, nhưng ông không sử
dụng H
2
… Như vậy có sự phát triển quy trình nitriding khí ở trạng thái
đơn giản.
Fly chuyên sâu vào nghiên cứu tác động của các yếu tố hợp kim đến độ
cứng bề mặt. Phát minh của ông đó là trong quy trình nitriding để đạt được
độ cứng bề mặt cao chỉ có thép chứa các thành phần như: Cr, Mo, Al, V, và
W. Ngoài ra ông còn nhận ra rằng nhiệt độ trong quy trình quyết định đến độ
sâu (ngấu) và sự nhiệt luyện của bề mặt thép. Quá trình gia công bề
mặt thép
ở nhiệt độ cao gây ảnh hưởng tới hình dạng của thép đó là “mạng nitride”
được biết ngày nay.
Do thép hợp kim cao không sẵn có để nitriding, Fly chịu trách nhiệm
tìm ra nhóm thép cho phù hợp. Đó là loại thép được thiết kế đặc biệt như

8
các loại thép nitriding. Ngày nay các loại thép Nitralloy là rất đặc biệt.
Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fry tại cuộc hội thảo Hội các nhà thiết kế

chế tạo (SME) năm 1927, Các nhà luyện kim Mỹ băt đầu tìm hiểu về các
tham số trong quá trình nitriding và các hiệu ứng của hợp kim trong quá
trình nitriding của các loại thép.
McQuaid and Ketcham. Các nhà luyện kim H.W. McQuaid and
W.J.Ketcham thuộc công ty Timken Detroit Axle ở Detroit. Giai đoạn
nghiên cứu được hoàn thành trong 2 năm, và kết thúc vào năm 1928. Tổng
quan, công việc chú trọng vào xử lý nhiệ
t độ. Nhiệt độ được lựa chọn trong
phạm vi từ 540 ÷ 650
0
C. Còn Machlet, phạm vi lựa chọn từ 480 ÷ 980
0
C.
McQuaid và Ketcham kết luận quá trình nitriding ở nhiệt độ cao có tác
động tới độ cứng trong lõi của thép hợp kim nhưng tác động nhỏ vào khả
năng nitride ở nhiệt độ đó.
Năm 1950, nhà vật lý Dr Claude Jones và Dr. Derek Sturges, cùng với
Stuart Martin phát triển công nghệ thấm Nitơ ion đầu tiên ở Mỹ. Từ đó ứng
dụng công nghệ thấm nitơ - plasma để thay đổi tính chất của vật liệu và chi
tiết máy.[12]
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 ông sử dụng khi nghiên cứu công nghệ thấm
nitơ. Sau đó Wehnheldt cộng tác với nhà vật lý học người Thụy Sĩ và nhà
buôn 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
công nghệ mới này bị coi là quá phức tạp, quá đắt và không đáng tin cậy để
đảm bảo chắc chắn lợi ích 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. Nh
ững ưu điểm của nó dần được chứng minh trong thực tế.
Tại Việt Nam, trước đây đã có thấm cacbon thể rắn, bằng công nghệ
thủ công lạc hậu và gây ô nhiễm môi trường. Tiếp sau sử dụng thấm C-N
bằng lò muối với chất thấm là xianua. Công nghệ này tuy đem lại hiệu quả
kinh tế kỹ thuật, cho chất lượng cho sản phẩm nhưng lại gây độ
c hại cho
người sản xuất. Công nghệ đã bị cấm. Một công nghệ thấm nitơ thể khí đã
được ứng dụng lâu nay ở Việt Nam. Công nghệ này tuy có tiến bộ hơn, ít
gây ô 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.
1.5.2. Công nghệ thấm nit
ơ
Thấm nitơ là quá trình khuếch tán Nitơ nguyên tử vào bề mặt kim loại.
Lượng Nitơ trong tự nhiên khá lớn nhưng chúng chủ yếu tồn tại ở dạng
phân tử, trơ về mặt hóa học, ngoài ra, kích thước của phân tử này quá lớn
để có thể khuếch tán qua bề mặt vật liệu. Do đó, kỹ thuật thấm nitơ tập

9
trung vào những nguồn cung cấp Nitơ nguyên tử. Quá trình thấm nitơ ở thể
khí được tiến hành bằng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniắc
(NH
3
) ở nhiệt độ 480 ÷ 650
0
C là nhiệt độ tại đó nó bị phân huỷ mạnh nhất.

Bề mặt chi tiết được bão hoà bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc theo
phản ứng:
2NH
3
→ 3H
2
+ 2N
Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao bị hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép.
Lượng nitơ hoạt tính hấp thụ trên bề mặt kim loại phụ thuộc vào độ
phân giải NH
3
. Độ phân giải NH
3
phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và lượng
NH
3
đưa vào lò.
Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2N → N
2
. Do đó,
thấm nitơ xảy ra mạnh khi quá trình phân giải NH
3
xảy ra gần bề mặt chi
tiết. Độ phân giải amôniắc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tốc độ cấp NH
3
,
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 NH

3
cao sẽ có nhiều nguyên tử nitơ hấp thụ bề mặt và ngăn cản
sự hấp thụ nitơ. Vì vậy, người ta phải khống chế tối ưu độ phân giải NH
3
ở
500
0
C là 15 ÷ 30%; ở 550
0
C là 35 ÷ 45%; ở 600
0
C là 45 ÷ 60%. Hyđrô có
tác dụng làm thoát cacbon của chi tiết.
Thấm nitơ (không phụ thuộc vào phương pháp thấm) là quá trình
khuếch tán nitơ vào kim loại và quá trình khuếch tán này, sau khi nguyên
tử nitơ đi qua bề mặt vật liệu, sẽ tiếp tục chừng nào nhiệt độ còn đủ cao và
có sự cung cấp liên tục nitơ nguyên tử trên bề mặt. Nói cách khác, quá trình
khuếch tán là giống nhau với mọi quá trình thấm nitơ, còn sự khác nhau là
ở nguồn cung cấp nitơ. Y
ếu tố thứ hai này có ảnh hưởng quyết định tới các
tính chất nhận được của bề mặt sau thấm.
Các phương pháp thấm nitơ truyền thống
Ba phương pháp thấm nitơ truyền thống được áp dụng trong công
nghiệp là:
- Thấm nitơ bằng bể muối với nguồn cung cấp Nitơ (và cả carbon) là
muối nóng chảy
- Thấm nitơ thể khí sử dụng NH
3

- Thấm nitơ plasma sử dụng trường điện từ để tách phân tử Nitơ thành

dạng ion
Thấm nitơ ở trạng thái lỏng tiến hành trong bể muối có thành phần
40% KCNO + 60% NaCN, qua bể muối cho luồng không khí khô đi qua.
Nhiệt độ thấm là 570
0
C, thời gian thấm 0,5 ÷ 3 giờ. Sau khi thấm trên bề
mặt tạo thành một lớp mỏng cacbit – nitrit Fe
3
(N,C) có khả năng chống mài
mòn cao và không bị phá huỷ giòn. Tiếp theo lớp cacbit – nitrit là lớp dung
dịch rắn. Chiều sâu lớp thấm khoảng 0,15 – 0,5 mm.
Ưu điểm: ít thay đổi kích thước, chi tiết không bị cong.
Nhược điểm: dùng muối độc và giá muối xianua quá đắt.

10
Trong quá trình thấm nitơ thể khí, nitơ nguyên tử được tạo ra từ
amôniăc. Dạng cổ điển của phương pháp này dựa trên việc phân hủy
amôniăc thành các khí thành phần nitơ và hyđrô. Một thiết bị đơn giản gọi
là burette được sử dụng để kiểm tra tốc độ phân hủy sau những khoảng thời
gian nhất định và điều chỉnh lượng amôniăc phù hợp.
1.5.3. Vậ
t liệu thấm
Thông thường các hợp kim hệ sắt, bao gồm thép không gỉ, gang, thậm
chí hợp kim Titan đều có thể được thấm nitơ. Tuy nhiên, các hợp kim khác
nhau có các đặc tính khác nhau chẳng hạn trạng thái bề mặt, tốc độ khuếch
tán tự nhiên và xu hướng hình thành Nitrit (ái lực với Nitơ). Cần hiểu rằng
một quy trình thấm nitơ sẽ tạo ra các kết quả khác nhau trên các vật liệu
khác nhau. Do đó, nhiều người sử dụ
ng gặp phải những khó khăn, đặc biệt
nếu họ dùng phương pháp cổ điển và không có đủ kiến thức và kinh

nghiệm
1.5.4. Tính chất của lớp thấm nitơ
Khi một bề mặt tiếp xúc với môi trường thấm, nó sẽ hình thành hai lớp
riêng biệt. Lớp ngoài gọi là lớp hợp chất (hay lớp trắng, lớp liên kim) với
chiều dày trong khoảng 0 ÷ 25 µm. Dưới lớp trắng là l
ớp khuếch tán hay
vùng khuếch tán. Hai lớp này tạo thành lớp thấm (lớp vỏ). Tuy nhiên, tùy
thuộc vào vật liệu và độ cứng ban đầu của nó, tính chất của các lớp này sẽ
khác nhau rõ rệt.
1.5.5. Khống chế
Hình ảnh của hai vết đo độ cứng Vicke (hình 1.3) minh họa sự khác
nhau giữa một quá trình được khống chế và không được khống chế. Mẫu
bên trái được xử lý bằng phương pháp cổ điể
n và trên bề mặt có các vết nứt
do lớp bề mặt dòn. Mẫu bên phải được xử lý bằng quy trình Nitreg® cho
độ cứng tương đương và không bị nứt. Mẫu được xử lý theo Nitreg®, do
đó, cho độ dai của lớp hợp chất cao hơn.

Hình 1.2. Vết đo độ cứng Vicke lớp thấm

Kết quả này chỉ có được với sự khống chế nồng độ nitơ trên bề mặt
thấm thông qua một cách thức mới là khống chế thế- nitơ (K
n
). Hiểu biết và
ứng dụng đúng các nguyên tắc trong mối quan hệ giữa thế- nitơ, nhiệt độ

11
và thời gian là nền tảng của kỹ thuật Nitreg®.
Dần dần, khả năng khống chế thế nitơ trở thành 1 yêu cầu trong các
tiêu chuẩn kỹ thuật (chẳng hạn AMS 2759/10).

- Thấm cacbon - nitơ (CN) thể lỏng ở nhiệt độ thấp (550 ÷ 570
0
C)
hoặc trung bình (840 ÷ 860
0
C) cho các loại thép kết cấu cacbon, thép kết
cấu hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ, các loại gang thông dụng
Tăng độ cứng (tuỳ thuộc thành phần vật liệu), có thể đạt tới 600 ÷
1200HV, tăng khả năng chịu mài mòn, giảm hệ số ma sát, chống ăn mòn,
giảm cong vênh, tăng tuổi thọ của chi tiết máy;
- Hỗn hợp thấm không độc, chế tạo chủ yếu từ các chế
phẩm trong
nước;
Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ
thấp bằng nguyên tố Nitơ trong bể muối nóng chảy.
Nitarid không dùng muối xyanua, chất tái sinh có khả năng tại tạo
lượng CNO và phục hồi khả năng làm việc của bể thấm.
Nitarid là công nghệ không có phế thải, vệ sinh môi trường, ứng dụng
rộng rãi, kinh tế cao.
- Công suất tính theo ca: 30 KW, 50 KW, 100 KW
- Nitarid làm cho các sả
n phẩm sắt, thép có khả năng chịu mài mòn,
chịu mỏi tốt và chống ăn mòn tốt.
Nitarid có tính năng tương tự Nicer (Mỹ), Tenifer (CHLB Đức).
Sunsun (Pháp). Triniding (Anh), và Tufftride (Hàn Quốc)
Giá thành rẻ, hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao; Có thể sản xuất bằng
nguyên vật liệu sẵn có.
Nitarid là công nghệ xử lý bề mặt trên cơ sở hoá nhiệt luyện ở nhiệt độ
thấp, nhằm bão hoà bề mặt sắt thép b
ằng nguyên tố Nitơ trong môi trường

nóng chảy. Phát triển công nghệ này là một bước ngoặt mới trong ngành
công nghiệp cơ khí, cụ thể là: chế tạo các trục khuỷu, bánh răng hộp số, cần
gạt, trục cam, xi lanh, nắp van, con trượt, thanh dẫn khớp nối, khuôn dập
nóng, dụng cụ cắt.
Trước đây, người ta thường xử lý bề mặt trên cơ sở hoá luyện kim
bằng công nghệ thấm cacbon, thấ
m nitơ cũ. Công nghệ thấm nitơ cũ tiến
hành trong bể muối nóng chảy có chứa 40% muối xianua. Muối xianua có
tính độc tố cao làm ảnh hưởng đến vệ sinh môi trường, do nước thải và phế
thải của bể thấm có chứa xianua. Công nghệ thấm nitơ mới, một công nghệ
hoàn toàn không phế thải, không ảnh hưởng xấu đến môi trường. Sở dĩ
công nghệ Nitarid đảm bảo được vệ
sinh môi trường là nhờ việc sử dụng
các hỗn hợp thấm nitơ không chứa muối xianua và đưa vào sử dụng chất tái
sinh có khả năng phục hồi hoạt tính của bể thấm.
Công nghệ này được tiến hành trong bể muối nóng chảy, gồm các
muối chuyên dùng như: kali cacbonat, natri cacbonat, có 30 ÷ 40% muối
xianat và bổ sung chất tái sinh để phục hồi lượng MeCNO ban đầu, phục
hồi khả năng làm việc của b
ể thấm. Để phục hồi 1% lượng (CNO+) đã

12
giảm, chỉ cần thêm lượng chất tái sinh bằng 0,6% khối lượng muối nóng
chảy trong bể thấm. Trong đó, việc oxy hoá trong bể muối nóng chảy ở
nhiệt độ 300 ÷ 400
0
C làm tăng khả năng chống mài mòn, và ăn mòn của
lớp thấm nitơ.
Đặc biệt, thiết bị sử dụng khi thấm rất đơn giản, quá trình thấm được
tiến hành trong nồi titan đúc chứa hỗn hợp muối nóng chảy. Trong nồi

được đặt thêm giỏ thép có kết cấu thích hợp, thuận tiện cho việc đưa sản
phẩm vào và lấy ra. Thiết bị đảm bảo độ tin cậ
y cao, giá thành rẻ, dễ sử
dụng, thích hợp với qui mô sản xuất vừa và nhỏ ở nước ta hiện nay và có
khả năng nâng cấp tự động hoá cao trong quá trình sản xuất, tương đương
với các nước phát triển.
Công nghệ thấm nitơ thể lỏng Nitarid làm cho các sản phẩm từ sắt,
thép có khả năng chịu mài mòn và chịu mỏi cao, chống ăn mòn rất tốt.
Công nghệ được tiến hành ở nhi
ệt độ thấp (dưới 600
0
C), nên sản phẩm có
độ biến dạng thấp, thành phần bể thấm đảm bảo tính ổn định hoá nhiệt và
có độ chảy loãng, khả năng tạo nitơ hoạt tính cao. Mặt khác, công nghệ xử
lý bề mặt sau khi thấm rất đa dạng, cải thiện được các tính chất của lớp
thấm. Công nghệ đơn giản, đảm bảo được tính ưu việt của bề mặt sả
n phẩm
làm cho nitarid có khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Tổ hợp cơ tính tối ưu của vật liệu đã đạt được, tuy nhiên ngoài đạt
được đúng thành phần của mác thép quy định còn phải qua cơ nhiệt luyện
nữa.
Trong khi chúng ta chưa làm rõ được sự giống và khác nhau giữa thép
Fe-Mn có C cao hoặc N cao có hoặc không có Cr hoặc các nguyên tố tạo
cacbit khác, qua cơ nhiệt luyện sẽ có tác động đến các hạt cacbit hoặc gia
công lạnh chẳng hạn như hóa già đã và đang được áp dụng rất thành công trên
nhiều mác thép.
1.5.6. Dung dịch rắn Nitơ
Đây là hướng nghiên cứu đang còn bỏ nghỏ mà trong khi đó thép
mangan cao luôn có sự liên hệ mật thiết với lượng nito cao. Vai trò của nito
như sau: là một nguyên tố tạo Ostenit dễ dùng và rẻ, góp phần mở rộng

vùng Ostenit ở nhiệt độ cao. Vì vậy cho phép chúng ta tăng hàm lượng
Crom đưa vào trong thép và gián tiếp làm tăng độ cứng, nh
ất là độ thấm tôi
của thép. Ngoài ra Nito cải thiện khả năng chống ăn mòn tinh giới của họ
thép không gỉ. Vì những lý do trên không có lẽ gì là chúng ta không đưa
Nito hòa tan vào thép Mangan cao cả.
Kích thước của nguyên tử C và N đủ nhỏ so với kích thước nguyên
tử của sắt và một số nguyên tố khác, chính vì thế C và N có thể chui vào
mạng Feα và Feγ đưới dạng nguyên tử xen kẽ. Nguyên tử Nito có đường
kính là 0.72A
0
còn của C là 0.77A
0
vì thế mà khả năng tan của N vào dung
dịch rắn mạnh hơn C rất nhiều. N chui vào Feγ dễ hơn sắt ferrit rất nhiều.
Minh chứng cho điều này ở 590
0
C khi thấm nito thì hàm lượng N đi vào thép
lên tới 2,35% trong khi đó hàm lượng N cực đại trong sắt ferrit chỉ có 0.1%.

13
Trong những nguyên tố hợp kim hóa cơ bản có khả năng hòa tan N ít
nhiều khác nhau trong đó Mangan là một trong những nguyên tố làm tăng
hòa tan nito vào trong thép mạnh nhất. Điều này phù hợp với kết quả
nghiên cứu của Beer chỉ ra khả năng hòa tan N vào trong ferro-Mn tăng từ
0.05% (nếu 100% là sắt) đến cực đại là 1,45% (nếu 100% Mn) (hình 1.4).

Hình 1.3. Khả năng tan của N vào trong ferro-Mn ở nhiệt độ 1550
0
C

1.6. Thấm ni-tơ plasma
1.6.1. Quá trình thấm nitơ - plasma
TW
W
G
V
TL
D
R
U
P

Hình 1.4. Sơ đồ lò thấm nitơ - plasma
Trong đó:
R - Thùng chứa
W - Chi tiết
U - Nguồn điện (350 ÷ 600V)
P - Áp suất tổng (0,1 ÷ 10 mbar)
TL - Nhiệt độ tải ( 250 ÷ 1000
0
C)
TW - Nhiệt độ tường lò (100 ÷ 550
0
C)
D - Đường cung cấp vật liệu
G - Khí cung cấp cho quá trình
V - Bơm hút chân không

14

Quá trình thấm nitơ – plasma là quá trình hợp kim hoá bề mặt bằng
nitơ. Chi tiết được đặt trong lò chân không, trong đó chi tiết được nối với
catốt, tường lò được nối với anốt của mạch điện.[15]
Thùng được tháo ra làm sạch oxy và các chất bẩn khác, sau đó lắp lại.
Quá trình thấm được mô tả như sau: khi nguồn điện được đóng vào,
dưới điện áp cao (600 ÷ 1000V) và áp suất thấp khí đượ
c biến đổi thành
những ion (dòng điện dẫn plasma). Ion dương sẽ bắn phá bề mặt chi tiết và
các electron phát ra tới anốt tạo ra một luồng sáng xung quanh chi tiết. Với
thép quá trình này tạo nên một chất rắn hoà tan của nitơ (FeN) trên bề mặt
thép. Sau đó là quá trình khuếch tán. Trong suốt quá trình khuếch tán nitơ
phần nào thay thế cácbon trong mactenxit và tạo các nitrit Fe
4
N, Fe
2-3
N ở
lớp bề mặt. Cácbon được phân phối lại trong miền phân chia. Sự phân chia
nitơ và phân phối lại cacbon là một hàm của thời gian và nhiệt độ thấm.
Quá trình phân ly dựa trên năng lượng tự nhiên mạnh mẽ của luồng
điện phát sáng tác động xung quanh bề mặt chi tiết. Đó còn gọi là năng
lượng plasma. Nguồn plasma nitơ gồm có các ion, các electron gốc và hoạt
hoá. Sự tương tác giữa plasma và bề mặt rắn là sự
kích thích, ion hoá, phân
ly và gia tốc.
Trong quá trình thấm nitơ - plasma có hyđrô và nitơ nhưng không có
xúc tác cho việc tạo thành NH
3
như trong thấm N
2
thể khí thông thường. Các

phần tử N
2
cũng có thể được biến đổi trong quá trình hoạt hoá. [10,12,13,15, …]
1.6.2. Xung 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 hoá của các nguyên tử khí. Để đưa đến trạng thái ion hoá của các
khí cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp.
Một ví dụ về plasma là mặt trời. Nhưng với nhiệt độ
cao như vậy
plasma không được sử dụng trong công nghệ xử lý bề mặt vật liệu. Khi áp
suất khối khí lớn hơn 0,1 bar thì trạng thái plasma chỉ xuất hiện khi nhiệt
độ > 8000
0
K. Nếu áp suất khối khí giảm xuống còn khoảng 1 Mbar thì
plasma có thể được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Chính vì thế trong
môi trường chân không plasma có thể được phát ra ở nhiệt độ thấp. Trong
công nghệ thấm nitơ xung plasma thì plasma được sinh ra trong buồng
chân không giữa khoảng không gian của catốt (chi tiết) và anốt (tường lò).
Dưới điện áp cao khoảng vài trăm vôn khí được ion hoá trở thành dòng khí
dẫn điện (plasma). Mật độ dòng t
ăng khi điện áp tăng. [10, 12, 13,…]
Bề mặt xử lý bằng plasma đầu tiên sử dụng công nghệ DC plasma
(plasma sinh ra bởi điện áp một chiều) trong lò chân không làm mát bằng
nước. Nhược điểm chủ yếu của công nghệ này là nhiệt độ tải biến động quá
lớn. Vì thế năng lượng tiêu thụ cao, mật độ tải nhỏ, hạn chế sự liên kết giữa
quá trình nhiệt và hoá học. Năm 1980 ELTRO sử dụng xung plasma nghĩa là
plasma được sinh ra bởi điện áp xoay chiều. Nó khắc phục được các nhược
điểm của công nghệ DC plasma:

15
- Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình.
- Nhiệt độ phân bố trên tải đồng đều hơn.
- Giảm năng lượng tiêu thụ.
- Giảm tiêu thụ khí.
- Giảm thời gian.
Thời gian tồn tại xung khoảng 50 ÷ 100µs. Chu kì xung khoảng 100 ÷
300µs.
Tất cả các lò thấm công nghiệp hiện nay đều sử dụng xung plasma.
Nhưng chỉ có hãng ELTROPUL sử dụng nguồn xung plasma được tạo từ
trước. Nó có nhiề
u ưu điểm như:
- Tạo plasma ổn định trong mọi trường hợp.
- Thấm được những chi tiết có hình dạng hình học phức tạp.
- Giảm nhiệt độ cung cấp cho quá trình thấm xuống thấp nhất.
- Bề mặt được xử lý nhiều nhất.

Hình 1.5. Mô tả xung plasma

1.6.3. Quá trình ELTROPUL
Quá trình ELTROPUL có các thông số được vi điều chỉnh và đánh
giá trong suốt quá trình nhiệt luyện để cho sản phẩm có tính chất tốt nhất.
Chi tiết được nung nóng trong thời gian ngắn nhất, bởi sự bức xạ hay khí
trơ trong chân không, với dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức. Hầu hết
các chương trình phức tạp đều được sử dụng lặp lại trong các lần thấm khác
nhau. Sau khi được nung nóng đế
n nhiệt độ cần thiết và thấm nitơ, chi tiết
được làm nguội một cách tự động. Phương pháp làm nguội có thể lựa chọn
tuỳ theo yêu cầu của chi tiết.
- Làm nguội chậm trong môi trường chân không đảm bảo chi tiết

không bị biến dạng.
- Làm nguội nhanh trong khí trơ với dòng đối lưu tự nhiên hoặc
cưỡng bức làm tăng năng suất thấm.
Quá trình ELTROPUL với xung plasma được thiết lập s
ẵn có những
ưu điểm đặc trưng.
- Nguồn plasma được tự động giới hạn từ trước tới giá trị cần thiết
đảm bảo đồng đều nhiệt cho chi tiết và cho phép nạp vào lò với số lượng
chi tiết lớn nhất có thể. Hơn nữa, giá trị nguồn nhỏ nhất sẽ ngăn cản được
sự quá nhiệt của những chi tiết quá mỏng (hi
ện tượng thường xảy ra với
các quá trình có thời gian tồn tại xung ngắn).

16
- Quá trình ELTROPUL đảm bảo được lớp nitrit đặc chắc. Trong cùng
một quá trình có thể thấm được những chi tiết với các kích thước hình học
khác nhau.
- Ưu điểm nữa của công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL là
giảm được tiêu thụ điện năng, tiêu thụ khí, nước làm nguội, do đó giảm
được giá thành nhiệt luyện. Với quá trình ELTROPUL, số lượng chi tiết có
thể thấm nitơ - plasma là tăng hơn so với các quá trình khác. Ứ
ng dụng của
công nghệ thấm nitơ - plasma ELTROPUL ngày càng rộng rãi.[13, 15]
Các chi tiết được thấm: piston, van lò xo, dụng cụ cắt, trục khuỷu,
dùi, mũi khoan, bơm, bánh răng điều chỉnh, mũi doa, trục cam, bánh răng
bơm dầu,…
1.6.4. So sánh đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp
a. So sánh công nghệ thấm nitơ - plasma so với các phương pháp
thấm nitơ thông thường
So với thấm nitơ trong lò muối và thấm nit

ơ thể khí thông thường thì
thấm nitơ - plasma có ưu điểm:
- Chất lượng bề mặt tốt hơn, khả năng chống mài mòn tốt hơn, không
bị giòn, xấu, nứt gãy do đó không phải mài bỏ hay làm sạch lớp trắng giòn
như trong các phương pháp thấm nitơ thông thường
- Thấm được những chi tiết có hình dáng phức tạp mà các phương
pháp thấm nitơ cũ không thể thấm được một cách đồ
ng đều.
- Khí sử dụng trong quá trình là N
2
, H
2
do đó ít ảnh hưởng đến chất
lượng của bề mặt cuối cùng. Thấm nitơ trong lò muối và thể khí thông
thường sử dụng NH
3
và phốt phát làm bề mặt bị gồ ghề, nhám.
- Thấm nitơ - plasma ở nhiệt độ thấp hơn cho độ cứng bề mặt cao mà
không ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu. Trong các công nghệ thấm nitơ
trước đây nhiệt độ cao hơn do đó có ảnh hưởng đến tính chất lõi vật liệu.
- Vật liệu được thấm nitơ - plasma đa dạng hơn.
- Quá trình không sử dụ
ng các khí độc như các công nghệ trước đây
do đó an toàn với môi trường hơn.[13]
b. So sánh thấm Nitơ - plasma với mạ Crôm
- Thấm nitơ - plasma nổi bật là tính chống mài mòn tốt của lớp phân
chia đến bề mặt. Do thấm nitơ - plasma là quá trình phân lớp nên nó hạn
chế được các vấn đề gặp phải trong mạ crôm như gỉ còn sót, nứt gãy, tích
tụ, sắc cạnh, sứt mẻ, …
- Chi tiết không bị tích tụ ở

góc cạnh do đó không phải nguyên công
mài để loại bỏ.
- Thấm nitơ - plasma cải thiện được tính chất bền mỏi của vật liệu.
Mạ crôm không đạt được tính chất này
- Do quá trình thấm nitơ - plasma có luồng phóng điện phát sáng bao
phủ bề mặt chi tiết nên sản phẩm có độ cứng lớn, chiều sâu lớp thấm phù hợp.
- Là phương pháp bảo vệ môi trường. Còn mạ crôm sử dụng crôm
hoá trị
IV chất gây ung thư.[13]

17
1.6.5. Các thiết bị thấm nitơ
a) Lò hình chuông
- Có khả năng chứa tải trọng cho chi tiết lớn hay nhỏ.
- Sự trộn lẫn tốt.
- Dễ dàng mang chi tiết vào lò. [13]

Hình 1.6. Lò hình chuông Hình 1.7. Lò 2 đáy

b) Lò 2 đáy
- Về đặc trưng vẫn giống như lò chuông
- Trong khi xử lý ở đáy này thì chi tiết cho ra ở đáy kia
- Có hệ thống tự động nâng lò lên trong 24h điều khiển
- Lò 2 đáy có kích thước lớn. [13]
c) Lò có 2 vật chứa
- Có khả năng làm việc liên tục
- Ưu điểm là thùng chứa có khả năng mang tải lớn và chứa được chi
tiết dài.

Hình 1.8. Lò có 2 vật chứa Hình 1.9. Lò thấm của hãng Aldridge

d) Lò thấm của hãng Aldridge
- Kích thước làm việc của lò là: đường kính 1000 mm, chiều cao
1600 mm.

18
- Không làm ô nhiễm môi trường.
- Có 2 buồng làm việc làm tăng năng suất, bù được thời gian thấm dài.

1.7. Vật liệu dùng để thấm nitơ
1.7.1. Một số loại thép dùng để thấm nitơ
a. Các chi tiết thép cacbon
Thép cacbon được thấm nitơ để tăng khả năng chống ăn mòn trong
môi trường không khí như ốc, vít, bánh răng cỡ nhỏ. Quá trình này có thể
thay thế mạ kẽm, mạ niken hoặc mạ đồng. Để giả
m độ giòn của chi tiết
trước khi thấm cần thường hoá hoặc tôi cải thiện. Với lớp thấm 0,015 –
0,030 mm lớp nitrít có khả năng chống được ăn mòn không khí ẩm, trong
nước chảy, dầu bẩn, xăng, hơi nóng, dung dịch kiềm loãng và các môi
trường khác.
Thấm nitơ thép cacbon làm tăng độ cứng, giới hạn bền và giới hạn
chảy, tăng khả năng bền mỏi lên 1,5 ÷ 2 lầ
n.
Độ cứng của thép cacbon thấm nitơ không lớn, vì thế khi thấm nitơ để
đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao người ta không dùng thép cabon
thông thường vì các nitrít sắt có khuynh hướng kết tụ ở nhiệt độ cao, do vậy
có kích thước lớn, lớp thấm không có độ cứng và tính chống mài mòn cao và
trở nên giòn, dễ tróc.
b. Các chi tiết thép hợp kim

Để thấm nitơ thường dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tố
như Cr, Mo, Al chúng có ái lực với nit
ơ mạnh hơn sắt và các nitrít này
không những có độ cứng cao như nitrit sắt mà còn có tính phân tán lớn, ổn
định nhiệt độ cao. Do đó lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn rất
cao, chắc, không tróc. Khi thấm nitơ cho thép hợp kim sẽ tạo thành những
nitrit hợp kim nhỏ mịn (Cr
2
N, Mo
2
N, AlN…) nên làm tăng độ cứng và tính
chống ăn mòn.
Các loại thép hợp kim thường dùng để thấm nitơ là: 38CrMoAlA,
38CrMoA, 38CrWVAl, 38Crl, 35CrAlA, 38XWVAlA.
Ngoài ra còn có các loại khác như: 30CrN, 2WVA, 30Cr2NiWVA,
30Cr3WA, 18Cr2Ni4WA.
Thấm nitơ các loại thép không gỉ như: 1Cr13, 1Cr18Ni9Ti,
4Cr14Ni2W2, 20Cr3MOWV.
Do có các nguyên tố hợp kim như crôm, nhôm, môlipđen nên độ
cứng của lớp thấm có thể đạt tới 1200 HV hoặc cao hơn.
Thấm nitơ với mục đích tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển,
trong hơi nước và trong nước; có th
ể dùng cho tất cả các loại thép kể cả thép
cácbon, gang.
c. Các loại vật liệu sử dụng trong chế tạo sản phẩm ứng dụng công
nghệ thấm nitơ plasma.



19

Bảng 1.1. Một số loại vật liệu sử dụng trong chế tạo chi tiết máy ứng
dụng công nghệ thấm nitơ plasma
Các bộ phận cơ khí Vật liệu
Các loại bánh răng 16MnCr5, 42CrMo4
Các trục truyền động 16MnCr5, 50CrV4, 42CrMo4
Trục răng dẫn hướng 31CrAlNi7, X10CrNiS18-9 ·
X90CrCoMoV17
Các bệ máy bằng gang xám GG 25, GGG 40, GGG 60
Các bộ phận chuyển động 31CrMoV9, 16MnCr5, 42CrMo4
Trục vít – bánh vít ETG100, 42CrMo4, 31CrMo4-9,
25CrMo4
Các loại vít máy đúc ép 31CrMoV9, 34CrAlNi7,
X35CrMo17
Các trục quay 31CrMoV9, 30CrMoV9, 42CrMo4
Địa cam GGG 70, 31CrMoV9, 34CrAlNi7
Xi lanh thủy lực 16MnCr5, 42CrMo4, ETG100
Chế tạo dụng cụ - khuôn đúc Vật liệu
Khuôn tạo hình GG 25 CrMo, GGG 60, GGG 70L,
GGGJ
Khuôn ép X45NiCrMo4
Mũi khoan X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1
Bàn ren X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1
Khuôn đúc 14CrMnMo7
Trục răng dẫn hướng 16MnCr5, 30CrMoV9
Khuôn đúc nhôm X38CrMoV5-1, X38CrMoV5-3,
40CrMnMo7, 40CrMnMoS8-6
Công nghiệp tự động hóa Vật liệu
Tay quay GG 25, 42CrMo4, C45
Trục cam C15, C53G, 42CrMo4
Bộ phận hệ thống giảm xóc C45, 16MnCr5, 31CrMo12

1.7.2. Đối tượng được thấm nitơ – plasma
Thấm nitơ plasma hay thấm ni-tơ ion là công nghệ nhiệt luyện tiên
tiến nhất. Quá trình thấm được thực hiện trong lò chân không ở áp suất thấp
với hỗn hợp các khí H
2
, N
2
, CH
4
và Ar. Dưới điện thế cao các khí bị ion
hoá tạo dòng plasma. Ion ni-tơ được gia tốc trong quá trình plasma và va
chạm với mẫu vật. Quá trình bắn phá ion này làm nung nóng, làm sạch và
tạo một lớp cứng chống mài mòn tốt, tăng giới hạn bền mỏi. [13,12,11,10, …]
- Các chi tiết, dụng cụ của tất cả các ngành đều là đối tượng được
thấm nitơ – plasma [12]:
- Các bánh răng trong các máy móc xây dựng, công nghiệp tự động
đòi hỏi độ bền m
ỏi tăng, sự biến dạng giảm, cần thiết phải mài sau nhiệt

20
luyện để đạt kích thước đúng.
- Các chi tiết của động cơ đốt trong: trục khuỷu, trục cam, pinhônh,
thanh dẫn, bánh răng… cần tăng tính chất chống mài mòn, sức bền mỏi
được cải thiện.
- Khuôn ép, máy ép khi đúc kim loại, hợp kim đòi hỏi tăng khả năng
chống ăn mòn, mài mòn.
- Dụng cụ cắt yêu cầu có khả năng chống mài mòn cao, độ cứng lớn.
Nhìn chung sự ứng d

ụng công nghệ thấm nitơ - plasma là rất rộng rãi.
Từ gang, thép cácbon, đến các loại thép hợp kim. Công nghệ này đã được
nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Đức, Nga, Trung
Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ…ngay từ sau chiến tranh thế giới thứ II.
Nhất là trong vòng 20-25 năm trở lại đây công nghệ này được các nhà khoa
học đặc biệt quan tâm vì nó có nhiều ưu điểm nổi bật h
ơn hẳn và là công nghệ
sản suất không làm ô nhiễm môi trường, để ngày càng hoàn thiện hơn nữa quy
trình công nghệ thấm nitơ - plasma.

1.8. Tổ chức pha và tính chất lớp thấm
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 được tiến hành ở nhiệt
độ từ 480 ÷ 700
o
C, trong môi trường amoniăc (NH
3
). 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.
Giản đồ pha của Fe – N được nêu trên hình 1.10

Hình 1.10. Giản đồ sắt – nitơ

21
Từ giản đồ của Fe – N ta thấy, cấu trúc hợp kim gồm có các pha:
α - dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong sắt Fe
α
, được gọi là ferít nitơ. Độ
hòa tan cực đại của nitơ trong Fe

α
là 0,42% ở nhiệt độ 591
0
C và 0,015% ở nhiệt
độ 20
0
C.
γ - dung dịch rắn xen kẽ của nitơ trong sắt Fe
γ
, được gọi là austenít
nitơ, tồn tại ở nhiệt độ cao hơn 591
0
C; Độ hòa tan cực đại của nitơ trong
Fe
γ
là 2,75% ở nhiệt độ 650
0
C.
γ’ – dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitrit Fe
4
N, là pha rất
cứng. Pha γ
’
tồn tại trong khoảng hẹp (ở nhiệt độ 591
0
C và hàm lượng nitơ 5,6
÷ 5,9%).
ε - dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ nitơ sắt Fe
2
N. Thành

phần nitơ 8,0 ÷ 11,2% ở nhiệt độ ở nhiệt độ 20
0
C.
Nitơ cũng tạo nên pha xen kẽ với nhiều kim loại chuyển tiếp: CrN,
Cr
2
N, MnN, TiN, AlN,MoN, Mo
2
N, VN, V
2
N, WN
Nhiệt độ cùng tích của của hệ sắt-nitơ là 591
0
C.
Tiến hành thấm nitơ thể khí bằng cách nung nóng chi tiết trong dòng
khí amoniăc (NH
3
) ở nhiệt độ 480 ÷ 650
0
C, tại đó, NH
3
bị phân huỷ mạnh
nhất. Bề mặt chi tiết được bão hòa bằng nitơ nguyên tử tách ra từ amôniăc
theo phản ứng:
2NH
3
→ 3H
2
+ 2[N]
Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao, bị hấp phụ và khuếch tán vào bề mặt

thép.
Lượng 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
lượng amôniăc đưa vào lò.
Nitơ nguyên tử có thể chuyển thành dạng phân tử: 2[N] → N
2
.
Do 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. 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 gi
ải NH
3
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 500
0
C là 15 ÷ 30%, ở 550
0
C là 35 ÷ 45%, ở
600
0
C 45 ÷ 60%. Hyđrô có tác dụng làm thoát cacbon của chi tiết.

Bảng 1.2. Độ phân huỷ amôniăc (NH
3
) phụ thuộc vào nhiệt độ
Nhiệt độ (
o

C) Mức phân huỷ NH
3
(%)
480 ÷ 500
500 ÷ 520
540 ÷ 560
550 ÷ 575
600 ÷ 620
15 ÷ 20
20 ÷ 25
30 ÷ 50
35 ÷ 55
50 ÷ 70

22
Nếu thấm nitơ nguyên tử ở nhiệt thấp hơn 591
0
C (nhiệt độ cùng tích)
thì ở thời điểm ban đầu trên bề mặt chi tiết có dung dịch rắn α. Khi đạt giới
hạn bão hoà, pha α bắt đầu tạo thành pha γ
’
, tiếp tục tăng hàm lượng 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 591
0

C và làm nguội chậm, tổ chức
nhận được là (γ + ε) - γ’ – (α + γ’
dư) - α;
Nếu thấm ở nhiệt độ cao hơn 591
0
C thì sau khi làm nguội gồm các
pha (tính lần lượt 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’dư.


23
Chương 2
NGHIÊN CỨU HỆ SỐ KHUẾCH TÁN VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.1. Cơ sở lý thuyết khuếch tán
Định luật Fick I biểu diễn sự khuếch tán ổn định của dòng vật chất từ
trường nồng độ cao sang nồng độ thấp, với điều kiện thể tích khuếch tán
không đổi theo thời gian, trong điều kiện không gian 1 chiều. Dòng khuếch
tán J tỷ lệ thuạn v
ới gradient nồng độ C:
x
txC
DJ
∂
∂
−=
),(
(2-1)
J là dòng khuếch tán có thứ nguyên [(lượng vật chất).(chiều dài)

-
2
.(thời gian)
-1
], thí dụ [mol/(m
2
.s)].
(,)Cxt J
tx
∂∂
=−
∂∂
(2-2)
D- hệ số khuếch tán hay, năng lực khuếch tán của chất điểm, hay
hằng số khuếch tán đặc trưng cho sự chống lại sức cản dòng chất điểm
khuếch tán. Cho đến nay việc đo trực tiếp chúng chưa làm được, chỉ có thể
xác định gián tiếp. có thứ nguyên [chiều dài
2
.thời gian
-1
], thí dụ: cm
2
/s hay
cm
2
/24h; x- khoảng cách khuếch tán, thứ nguyên (chiều dài). Chiều sâu lớp
thấm x quan hệ với thời gian quá trình τ:
Định luật Fick II biểu diễn quy luật khuếch tán sinh ra từ trường
nồng độ cao với thời gian:
2

2
x
C
D
t
C
∂
∂
=
∂
∂
(2-3)
Trong đó: C- nồng độ chất khuếch tán, thứ nguyên (khối lượng vật
chất. chiều dài
-3
), thí dụ (mol/m
3
); t – thời gian (s).
Kết hợp định luật Fick I, giải hệ phương trình ta được:
)( C
x
D
x
J
xt
C
∂
∂
∂
∂

=
∂
∂
−=
∂
∂
(2-4)
Giả thiết hệ số khuếch tán là hằng số, có thể viết biểu thức dưới
dạng:
2
2
)(
x
C
DC
xx
DC
x
D
x
∂
∂
=
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂

∂
∂
(2-5)
Giải phương trình ta được:
().
2.
xf of
x
CC CC
D
ϕ
τ
⎛⎞
=+ −
⎜⎟
⎝⎠
(2-6)
2.
xf
of
CC
x
CC
D
ϕ
τ
−
⎛⎞
=
⎜⎟

−
⎝⎠

Trong đó, C
o
: nồng độ ban đầu của nguyên tố khuếch tán vào trong thép;