Ứng dụng công nghệ thấm ni tơ xung Plasma làm tăng tính chịu mài mòn cho các chi tiết máy

1

Ứng dụng công nghệ thấm ni tơ xung Plasma
làm tăng tính chịu mài mòn cho các chi tiết máy

Th.S Lục Vân Thương
PTNTĐ Hàn và Xử lý bề mặt, Viện nghiên cứu Cơ khí

TÓM TẮT
Thấm ni tơ xung plasma ở nhiệt độ thấp giảm tối đa sự biến dạng của chi tiết
máy (đảm bảo giữ nguyên kích thước ban đầu của chi tiết máy với sai số rất nhỏ
trong giới hạn cho phép), đặc biệt nó thấm lên bề mặt chi tiết một lớp chống ăn
mòn và chịu mài mòn cao. Bài báo này thảo luận về cách xác định các thông số cơ
bản của chế
độ công nghệ thấm ni tơ xung plasma nhằm làm tăng độ cứng, độ chịu
mài mòn và chống ăn mòn một cách hiệu quả nhất.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ở nước ta trong sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước với nền
kinh tế thị trường đang phát triển với nhịp độ cao, các ngành công nghiệp như: Cơ
khí, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng không … được đánh giá là có tốc độ
phát
triển nhanh. Nhưng song song với sự phát triển đó có những yêu cầu bức thiết
được đặt ra nhằm phát huy nội lực trong nước đó là việc nội địa hoá các sản phẩm,
trang thiết bị nhập ngoại.
Lực lượng kỹ thuật, công nghệ trong nước ngày càng được bổ sung đông
đảo với tính hội nhập cao. Cùng với sự có mặt các trang thiết bị công nghiệp được
nhập khẩu t
ừ các nước tiên tiến trên thế giới, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các
chi tiết máy để thay thế hàng nhập ngoại, phát huy nội lực trong nước đang trở lên
cần thiết.

Công nghệ nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ
yếu là vật liệu kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay
đổi hình dáng và kích thước của chi tiết.
Trên thực tế, hiếm có vật phẩ
m kim loại nào được chế tạo mà lại không trải
qua quá trình xử lý nhiệt, quá trình mà ở đó kim loại được nung nóng và làm nguội
dưới một chế độ được kiểm soát nghiêm ngặt nhằm cải thiện các tính chất cũng
như tuổi thọ của vật liệu. Nhiệt luyện có thể làm mềm kim loại để tăng cường khả
năng tạo hình. Nó cũng có thể làm các chi tiết trở nên cứng hơn,
để cải thiện độ
bền. Công nghệ này còn có khả năng phủ những bề mặt rất cứng lên trên nền mềm,
để tăng khả năng chống mài mòn. Nó còn có thể tạo ra lớp chống ăn mòn trên bề
mặt chi tiết, để bảo vệ chi tiết khỏi các tác nhân có hại từ môi trường. Và, nhiệt
luyện còn có thể làm cho các vật liệu giòn trở nên dẻo dai hơn.
Các chi tiết qua nhiệt luyện thườ
ng đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt
động của các loại ô - tô, máy bay, tàu vũ trụ, máy vi tính và các loại máy móc khác
2

trong công nghiệp. Tính chất và khả năng làm việc của các loại dụng cụ cắt, bánh
răng, trục cam, trục khuỷu, phụ thuộc hoàn toàn vào nhiệt luyện. Những sản
phẩm này hầu hết được chế tạo từ thép bao gồm các loại đã qua cán dạng thanh
hay ống cũng như các chi tiết qua đúc, rèn, hàn, gia công cơ khí, ép, dập hay kéo.
Với các phương pháp nhiệt luyện thông thường như: ủ, thường hoá, tôi ram…các
chi tiết sau nhiệ
t luyện vẫn bị các khuyết tật: biến dạng và nứt, oxy hoá, độ cứng
không đạt (cao quá hoặc thấp quá), tính giòn cao. Hay với các phương pháp thấm
nitơ, cácbon thông thường có sử dụng các khí độc, muối độc gây hại cho con người
và làm ô nhiễm môi trường.
Từ những thực tế trên, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu, thí

nghiêm và áp dụng vào thực tiễn thành công một công nghệ nhiệt luyện mới: Công
nghệ thấm Ni-tơ xung plasma. Trong nhi
ều năm qua công nghệ thấm này được ứng
dụng rộng rãi trên thế giới đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của các chi tiết
máy: giới hạn bền mỏi tăng, biến dạng giảm, sức bền, sức cản được cải thiện, độ
cứng bề mặt cao mà lõi dẻo dai, bề mặt ít gồ ghề…Việc áp dụng công nghệ thấm
Ni-tơ xung plasma mang lại hiệu quả
kinh tế rất lớn nhờ tăng tuổi thọ của các chi
tiết, máy móc. Hơn nữa đây là công nghệ nhiệt luyện mới không làm ô nhiễm môi
trường.
II. QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU
1. Nghiên cứu lý thuyết
Thấm ni-tơ xung 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.
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 củ
a mạch điện (Hình 2).

3


Hình 1. Sơ đồ lò thấm nitơ – plasma
Thùng được tháo ra làm sạch oxyt 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 khoảng 600V và áp suất thấp khí được 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 mộ
t 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 hiện tượng phóng điện 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 gi
ữa 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.
Điện áp, mật độ dòng ion: Điện áp cao (khoảng vài trăm vôn) là điều kiện để
plasma được sinh ra trong buồng chân không giữa khoảng anốt và catốt (Hình 2).

Hình 2. Mối quan hệ giữa điện áp và mật độ dòng ion khí
Trong đó:
1- Vùng phóng điện phát sáng bình thường
2- Vùng phóng điện phát sáng không bình thường
3- Vùng chuyển đổi
4- Hồ quang
4


Vùng làm việc là vùng xảy ra quá trình thấm nitơ - plasma chính là vùng 2
trên đồ thị. Đó là vùng làm việc không bình thường. Khi điện áp tăng thì mật độ
dòng ion khí cũng tăng. Đồng thời điện áp và mật độ dòng cũng phụ thuộc vào các
yếu tố như nhiệt độ của quá trình, áp suất môi trường thấm và thành phần khí nitơ
trong hỗn hợp khí.
Thời gian: Thời gian là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưở
ng
quyết định tới chất lượng sản phẩm sau khi thấm.
Ở nhiệt độ nhất định, thời gian khuếch tán càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng
tăng. Quan hệ giữa chúng tuân theo quy luật parabol (hình 3) theo công thức:
δ= K
τ

Trong đó:
δ: chiều dày lớp khuếch tán.
τ: thời gian

K: hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D

Hình 3. Mối quan hệ giữa
δ
và
τ


Từ hình vẽ ta thấy thời gian thấm càng dài thì chiều sâu lớp thấm càng tăng
nhưng tốc độ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm. Nếu với mục đích nhiệt luyện để
có chi tiết có chiều sâu lớp thấm lớn thì biện pháp có hiệu quả là tăng nhiệt độ chứ
không phải thời gian.
Nhiệt độ: Chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ
khuếch tán. Khi nhiệt độ càng
cao, sự chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh tốc độ khuếch tán càng nhanh.
Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ theo biểu thức (Hình 4):
D = A.e
-Q/RT

5

Trong đó:
D - Hệ số khuếch tán,
A - Hệ số phụ thuộc mạng tinh thể,
e - Cơ số logarit tự nhiên,
R - Hằng số khí,
Q - Năng lượng hoạt hoá (năng lượng cần thiết để bứt nguyên tử ra khỏi vị trí
của nó trong bảng,
T - Nhiệt độ thấm (Kenvin).

Hình 4. Mối quan hệ giữa D và T

Thành phần hỗn hợp khí: Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất
của lớp trắng và lớp nitrit có thể được điều chỉnh trong quá trình thấm nitơ -
plasma.

Hình 5. Sự phân lớp từ lõi đến bề mặt vật liệu phụ thuộc vào thành phần khí.
Chú thích:

Lõi Phần còn lại Lớp trắng

6

Trường hợp 2: Thành phần nitơ trong hỗn hợp khí nạp vào từ 15-30%, có lớp
trắng với tổ chức hoàn toàn là γ.
Trường hợp 3: Thành phần nitơ từ 60-70%, mêtan từ 1-3%, có lớp trắng với
tổ chức hoàn toàn là ε.
Lớp trắng mỏng có thể có tổ chức γ hoặc tổ chức ε
Lớp trắng có tổ chức γ mềm hơn và mỏng hơn lớp trắng với tổ chức ε. Độ dày
từ 0,1-0,4 μm. Do rất mỏng nên khi chi tiết chịu lực lớn và va chạm mạnh lớp
trắng đó sẽ không bị gãy vụn. Hơn nữa nó sẽ dễ dàng mất đi để mạ, phủ sau khi
thấm.
Lớp ε không mềm như lớp γ nhưng có khả năng chống mài mòn tốt hơn, có
hệ số ma sát nhỏ hơn. Độ
dày lớp ε lớn hơn khoảng 0,2-0,4 μm và tăng khi thời
gian thấm tăng. Do đó khả năng chống ăn mòn tăng và có bị “xốp hơn” lớp có tổ
chức γ.
Độ dày lớp trắng có tổ chức γ và ε đều tăng khi tăng nhiệt độ thấm.Tuỳ theo
mục đích sử dụng vật liệu mà điều chỉnh thành phần của hỗ
n hợp khí cho thích hợp

để lớp trắng của bề mặt chi tiết sau khi thấm có tổ chức γ hay ε. Nếu chi tiết làm
việc trong điều kiện chịu lực lớn, va chạm mạnh hoặc được mạ, phủ sau khi thấm
thì thành phần khí khi thấm có khoảng 15-30% N
2
để lớp trắng có tổ chức γ. Còn
sử dụng hỗn hợp khí với tỷ lệ 60-70 % N
2
, 1-3 % CH
4
để lớp trắng có tổ chức ε
cho những chi tiết làm việc trong điều kiện bị ăn mòn lớn.
2. Nghiên cứu thực nghiệm
a) Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma một số mẫu thí nghiệm.
Chọn thép với các mác thép thông dụng trong các chi tiết máy: thép cacbon
thường, gang xám, 40X. Mỗi loại vật liệu khác nhau có 5 mẫu thí nghiệm.
Mẫu có dạng hình trụ, đường kính 10 -15 mm, chiều cao 12 – 15 mm.
Thép 40X Gang xá
7





Thép C45
Với các thông số công nghệ thấm ni-tơ xung plasma:
Stt
Điện
áp
(V)
Thời

gian
(h)
Nhiệt
độ
(
o
C)
Tỷ lệ
H
2
:
N
2

(%)
Áp
suất
1 470 4 550 1 : 3 250
2 470 5 550 1 : 3 250
3 470 6 550 1 : 3 250
4 470 8 550 1 : 3 250

Kết quả:
Stt
Thời
gian
(h)
Nhiệt
độ
(

o
C)
Độ
cứng
C45
(HV)
Độ
cứng
40X
(HV)
Độ
cứng
Gang
(HV)
1 4 550 380 700 249
2 5 550 460 715 320
3 6 550 500 730 352
4 8 550 520 750 377
b) Sử dụng thiết bị Eltropul thấm nitơ - plasma chi tiết máy.
Tiến hành thí nghiệm là các cặp bánh răng mác thép 20XΓT:
Trục răng trước khi thấm Quá trình thấm Trục răng sau khi thấm
8

Thông số công nghệ:
Stt
Điện áp
(V)
Thời gian
(h)
Nhiệt độ

(
o
C)
Tỷ lệ H
2
: N
2

(%)
Áp suất
1 600 8 530 1 : 3 250
Kết quả: độ cứng trung bình sau khi thấm đạt 661,67HV.
9

III. KẾT QUẢ VÀ ỨNG DỤNG
Sau khi khi nghiên cứu và thực hiện thành công trên một số mẫu thép và trục
răng bơm dầu, nhóm đề tài đã tiến nghiên cứu trên một số chi tiết máy khác như:
nắp van trong hệ thống bơm dầu thủy lực, khuôn đúc trong các máy công
nghiệp,… đều đạt kết quả tốt và ứng dụng trực tiếp tại các ngành công nghiệp khai
thác mỏ, khai khoáng và máy công trình (đào, xúc lật, ủi,…).
Dướ
i đây là một số chi tiết được thực hiện tại phòng thí nghiệm CN hàn và
xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí.
1. Chi tiết khuôn đúc



2. Một số loại chi tiết trong hệ thống bơm thủy lực

10



IV. KẾT LUẬN
1. Trong quá trình nghiên cứu đã xác định được một số thông số chính trong quá
trình thấm ni-tơ xung plasma là: Nhiệt độ, áp suất, điện áp, thành phần hỗn hợp
khí, đây là những yếu tố quyết định trực tiếp tới chất lượng chi tiết về độ cứng, độ
chịu mài mòn và chiều sâu lớp thấm.
2. Kết quả nghiên cứu, triển khai quy trình công nghệ thấm ni-tơ xung plasma tạ
i
Viện Nghiên cứu Cơ khí cùng với sự phối hợp nghiên cứu hiệu quả tích cực và
toàn diện của tập thể các Viện, các Công ty chế tạo cơ khí tham gia Đề tài đã
khẳng định chúng ta hoàn toàn có đủ khả năng về trình độ công nghệ ở để thực
hiện trong nước, góp phần vào sự nghiệp phát triển kinh tế nói chung và ngành cơ
khí nói riêng trong công cuộc đổi mới của đất nước.
3. Viện mong mu
ốn được các chuyên gia và các nhà quản lý ngành chế tạo máy
giúp đỡ và phối hợp trong công tác nghiên cứu và triển khai Đề tài sử dụng công
nghệ thấm ni-tơ xung plasma nhằm nâng cao tuổi thọ và chất lượng của các chi tiết
khác phục vụ cho công tác sửa chữa thiết bị và chi tiết nhà máy góp phần vào sự
nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước trong những năm tới.

11

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất (2000), Công nghệ nhiệt luyện, Nxb
Giáo dục, Hà Nội.
[2] Nguyễn Phú Ấp (1994), Công nghệ hóa nhiệt luyện trong chế tạo máy, Nxb

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Nghiêm Hùng (1979), Vật liệu học cơ sở, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội.
[4] Nghiêm Hùng (1979), Kim loại học và nhiệt luyện, Nxb Đại học và Trung
học chuyên nghiệp, Hà nội.
[5] A. A. Smưcôv (1973), Sách tra cứu về nhiệt luyện, Nxb Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội.
[6] Arzamaxoc B.N (2001), Vật liệu học, Nxb Giáo dục, Hà Nội.
[7] X. A. Filinôp, I. V. Firger (1978), Sổ tay nhiệt luyện, Nxb Khoa học và Kỹ
thuật.
[8] Nguyễn Hoàng Sơn (2002), Cơ tính vật liệu, Nxb Giáo dục, Hà Nội.
Tiếng Anh
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14] Eltro GmbH (2004), Plasma equipment H045/085, Germany.
[15] Rua Miguel Tostes, Av. Prof. Lineu Pretes, Campus do Vale (2003), Suface
Modification of Titanium by plasma nitring, Brazil.
[16] J. H. Yoon, I. S. Kim, C. G. Hur, K. S. Son (2003), Evaluation of suface
properties and plasma nitring behavior of B50A125E alloy for steam turbine
valve, Korea.
[17] M. H. Staiaa, A. Fragiel, E. Carrasquero (2002), Tribological performance
of plasma nitrid AISI 4140 steel, Venezuela.
[18] J. Y. Eom, V. Khankar Rao, H. S. Kwon (2002), Experiment and modeling
study on growth behavior of Cr-Nitrides formed on electroplated hard Cr
during ion-nitring, Korea.
Tiếng Nga
[19] Лахmн Ю. М., В. П. Леонmъева (1990), МАТЕРИАЛОВЕДЕИЕ,

МОСКВА {МАШИНОСТРОЕНИЕ}.