TIỂU LUẬN DỰA TRÊN CÁC ĐỊNH LUẬT KHUẾCH TÁN, XÁC ĐỊNH QUAN HỆ GIỮA THỜI GIAN THẤM C, NHIỆT ĐỘ THẤM , VÀ CHIỀU DÀY LỚP THẤM C CHO CHI TIẾT

1

MỤC LỤC
Trang

PhầnB: TIỂU LUẬN - DỰA TRÊN CÁC ĐỊNH LUẬT KHUẾCH TÁN, XÁC ĐỊNH
QUAN HỆ GIỮA THỜI GIAN THẤM C, NHIỆT ĐỘ THẤM , VÀ CHIỀU DÀY
LỚP THẤM C CHO CHI TIẾT........................................................................5
I. Các định luật khuếch tán.............................................................................................5
1. Khái Niệm khuếch tán5
2. Định Luật Fick1 (khuếch tán dừng)5
3. Định Luật Fick 2(khuếch tán không dừng5
4 .Các Cơ Chế Khuếch Tán5
II. Thấm Cacbon:............................................................................................................6
III.Thấm cacbon được tiến hành theo 4 phương pháp.............................................. 6

1.Thấm cacbon thể rắn 6
2.Thấm cacbon thể khí7
3.Thấm cacbon thể lỏng7
4.Thấm cacbon thể bột nhão7
IV. Mối quan hệ giữa thời gian thấm C, nhiệt độ thấm và chiều dày
lớp thấm C cho chi tiết..................................................................................... 7
1.Chiều dày lớp thấm……………………………………………………....7
2. Nhiệt độ………………………………………………………………..…8
3. Thời gian………………………………………………………………....9

PhầnB: TIỂU LUẬN - DỰA TRÊN CÁC ĐỊNH LUẬT KHUẾCH TÁN, XÁC ĐỊNH
QUAN HỆ GIỮA THỜI GIAN THẤM C, NHIỆT ĐỘ THẤM , VÀ CHIỀU DÀY LỚP
THẤM C CHO CHI TIẾT

1

1

I. Các định luật khuếch tán:
1. Khái Niệm khuếch tán:
_ Khuếch tán là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của các nguyên tử ( ion, phân tử) do dao động nhiệt
_ Khuếch tán của nguyên tử A trong chính nền loại nguyên tử đó (A) gọi là tự khuyếch tán.
_ Khuếch tán của nguyên tử khác loại B với nồng độ nhỏ trong nền A gọi là khuếch tán khác
loại . Điều kiện để có khuếch tán khác loại là B phải hoà tan trong A
2. Định Luật Fick1 (khuếch tán dừng):
_ Định luật FickI nêu lên quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán J qua một đơn vị bề mặt
vuông góc với phương khuếch tán và Gradient nồng độ δc/δx:
J = -D.

dc
= -Dgradc(1.1)
dx

Trong đó:
_ Dấu trừ chỉ dòng khuếch tán theo chiều giảm nồng độ
_ D: hệ số khuếch tán ( cm2/s)
3. Định Luật Fick 2(khuếch tán không dừng):
_ Nếu nồng độ c không những là hàm của x mà còn phụ thuộc vào thời gian t thì để thuận tiện
người ta sử dụng định luật FickII.
_ Định luật FickII trong trường hợp hệ số khuếch tán không phụ thuộc nồng độ như sau:
dC = D. d 2 C = D. C
dt

dx 2

4 .Các Cơ Chế Khuếch Tán:
a. Trong cơ chế nút trống các nguyên tử khuếch tán ở bên cạnh nhảy sang chiếm các nút trống .
Năng lượng hoạt động của quá trình đổi chỗ rất nhỏ nên rất dễ xảy ra .
b. Trong cơ chế giữa các nút mạng , nguyên tử khuếch tán ở vị trí xen giữa nút mạng này
chuyển sang vị trí xen giữa nút mạng khác. Cơ chế này thường thấy trong dung dịch rắn xen kẽ
khi thấm cacbon , nito ( là các nguyên tử có đường kính nhỏ ) vào thép.
c. Cơ chế giữa các nút mạng bằng cách đuổi xảy ra khi nguyên tử khuếch tán có đường kính xấp
xỉ bằng nguyên tử cơ sở . nguyên tử khuếch tán đuổi nguyên tử cạnh nó và chiếm lấy nút mạng
làm nguyên tử này dịch chuyển vào giữa các nút mạng.
d. Trong cơ chế đổi chỗ , nguyên tử khuếch tán và nguyên tử cơ sở đổi vị trí cho nhau khi
chúng đứng cạnh nhau.
e. Trong cơ chế vòng , nguyên tử khuếch tán và nguyên tử kim loại cơ sở đổi chỗ nối đuôi nhau
theo vòng tròn.
II/ Thấm Cacbon:
_ Thấm cacbon là quá trình bão hoà bề mặt chi tiết bằng nguyên tố cacbon để sau khi thấm và
2


1

nhiệt luyện thu được bề mặt chi tiết có độ cứng cao, độ chống mài mòn cao, độ chống sâm thực.
Các tính chất trên đạt được trong khi vẫn giữa nguyên được phần lõi
_ Thấm cacbon chỉ áp dụng cho thép có hàm lượng cacbon thấp (0,1- 0,25%C). Sau khi thấm tiến
hành tôi và ram thấp bề mặt của thép có độ cứng lớn hơn 60HRC. Bề mặt thép lúc này có hàm
lượng cacbon cao khoảng (0,8- 1,2%C). Nhưng trong lõi thép vẫn giữ nguyên được tính dẻo, dai
ban đầu đem thấm.
_ Mục đích: từ đặc điểm của chi tiết máy phải chịu lực phức tạp và bị mài mòn mạnh khi làm
việc. Nhờ tác dụng làm tăng lượng cacbon lớp bề mặt và qua tôi và ram, chi tiết sẽ có sự kết hợp
tốt giữa độ cứng, tính chống mài mòn cao ở mặt ngoài với độ bền cao và tính dẻo dai cao. Khả

năng chịu tải trọng va đập, chịu uốn của lõi.
Khả năng sử dụng các loại thép có thành phần cacbon thấp (thép cacbon và thép thợp kim) trong
chế tạo chi tiết máy thay thế cho các loại vật liệu đắt tiền.

III.Thấm cacbon được tiến hành theo 4 phương pháp:
1.Thấm cacbon thể rắn :
Được áp dụng rộng rãi ở các cơ sở sản xuất cơ khí trong nước ta. Phương pháp thấm đơn giản,
vạn năng, có thể áp dụng để thấm cho các chi tiết có hình dạng kích thước khác nhau, không đòi
hỏi thiết bị chuyên dùng
Thành phần hỗn hợp để thấm cacbon bao gồm: BaC0 3 (bari cacbonat), N^CC^ (Natri Cacbonat),
than củi, dầu mazut. Các chất này xẽ tạo ra các chất khí: 0 2; C02; CO; CH4;... Các phản ứng sẩy
ra:
CO2 + C = 2CO
Cacbon nguyên tử được hấp thụ vào bề mặt kim loại và khuếch tán đi sâu vào lõi.
2.Thấm cacbon thể khí :
Thấm cacbon thể khí có ưu điểm hơn thấm cacbon thể rắn, thể lỏng và bột nhão vì nó giảm được
thời gia thấm do không phải nung hộp thấm, giảm chi phí lao động chuẩn bị hỗn hợp thấm, giảm
vật tư, có khả năng điều chỉnh quá trình thấm rễ hơn, giảm biến dạng chi tiết, cải thiện được điều
kiện làm việc và vệ sinh công nghiệp có thể cơ giới hoá, tự động hoá quá trình sản xuất, tuy nhiên
thấm cabon thể khí đòi hỏi thiết bị phức tạp, công nhân có trình độ tay nghề cao. Việc vận hành

3


1

thiết bị: làm kín nồi thấm, đảm bảo tuần hoàn khí, kỹ thuật an toàn đòi hỏi phức tạp hơn và giá
thành cao hơn. Thấm cacbon thể khí có thể áp dụng cho các cơ sở sản xuất loạt lớn, vừa nhỏ và
cả trong quá trình sửa chữa.
3.Thấm cacbon thể lỏng

Thấm cacbon thể lỏng được tiến hành trong môi trường muối nóng chẩy. Thấm cacbon thể lỏng
được áp dụng cho các chi tiết nhỏ cần chiều sâu lớp thấm mỏng từ 0,1-K),5mm như: trục, bulông,
bánh răng và các chi tiết dạng đĩa cho chất lượng tốt. Thấm cacbon thể lỏng xẩy ra nhanh hơn,
thu được lớp thấm theo yêu cầu. Có thể tôi trực tiếp sau khi thấm và bề mặt chi tiết sạch giá thành
thấp hơn thấm thể rắn và thể khí.
Tuy nhiên thấm cacbon thể lỏng không dùng để thấm các chi tiết vừa và lớn, nồi thấm chóng bị
ăn mòn, cần có biện pháp an toàn tốt, thành phần cacbon trong chất thấm chóng giảm cần được
bổ sung. Thấm cacbon thể lỏng thường được áp dụng để thấm chi tiết trong chế tạo xe đạp, xe
gắn máy, dụng cụ dao kéo và hàng tiêu dùng khác.
4.Thấm cacbon thể bột nhão
Được áp dụng cho sản xuất đơn chiếc, sửa chữa cơ điện. So với thấm cacbon thể rắn thấm cacbon
thể bột nhão có ưu điểm: rút gắn thời gian nung, tăng số chi tiết trong hộp, giảm lao động, tiết
kiệm năng lượng và giảm được phát triển hạt.
Nhược điểm kết quả thấm và nồng độ thấm không ổn định lớp thấm không giữ được ở nhiệt độ
cao hơn 200 °C.
IV. Mối quan hệ giữa thời gian thấm C, nhiệt độ thấm và chiều dày lớp thấm C cho chi tiết:
1.Chiều dày lớp thấm:
_ Để tạo lớp thấm, chi tiết được đặt trong một môi trường thấm ( ở trạng thái rắn, lỏng, khí )
môi trường này có khả năng phân hóa thành các nguyên tử hoạt tính của nguyên tố cần thấm ở
nhiệt độ thích hợp. Sự hình thành các pha mới và tổ chức tế vi của lớp thấm phụ thuộc vào giản
đồ pha, khả năng khuếch tán của nguyên tố thấm, tương tác giữa chúng với nhau và kim loại nền.
Ngoài ra khi thấm một nguyên tố lên bề mặt của một hợp kim, do tương tác lẫn nhau giữa các
nguyên tố có sẵn trong thép và nguyên tố thấm nên có sư phân bố lại nồng độ nguyên tố thấm
trong mẫu.
_ Các nguyên tử hoạt tính hấp thụ, vào lớp bề mặt thép với nồng độ cao sẽ được khuếch tán vào
trong tạo thành lớp thấm với chiều sâu nhất định. Nhờ khuếch tán lớp thấm được hình thành và
nó là cơ sở hoá - nhiệt luyện. Chiều dày lớp khuếch tán (lớp thấm ) phụ thuộc vào nhiệt độ, thời
gian và nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt .

4

1

Trên hình biểu diễn sự thay đổi của thành phần cacbon ở lớp bề mặt trong quá trình thấm cho
ta thấy nhiệt độ dùng để thấm thép cacbon trên AC 3. Đối với các loại thép được hợp kim bằng các
nguyên tố làm hạt nhỏ, có thể thấm ở nhiệt độ 930- 950°C. Đối với các loại thép di chuyền hạt
lớn, thì tiến hành thấm ở nhiệt độ 900- 920°C.
_ Ở nhiệt độ thấm này quá trình khuếch tán cacbon vào mạng tinh thể austennit. Khi đạt giá trị
bão hoà bề mặt xuất hiện xêmentit. thành phần cacbon trong lớp thấm có thể vượt quá giá trị bão
hoà >3%. Do đó cần ngăn cản việc tạo thành xêmentit ở lớp bề mặt và giảm độ quá bão hoà.
2. Nhiệt độ:
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khuếch tán của nguyên tử thấm được chú ý đặc biệt.
Chiều dày của lớp thấm phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. khi nhiệt độ càng cao, sự chuyển động
của nguyên tử càng mạnh, tốc độ khuếch tán càng nhanh, hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt
độ theo biểu thức:

D = Ae~Q,RtT

Trong đó, D: hệ số khuếch tán
A: hệ số phụ thuộc mạng tinh thể
Q: năng lượng hoạt, là năng lượng cần thiết để bứt nguyên tử ra
khỏi vị trí của nó trong mạng.
e: cơ số logarit tự nhiên R: hằng số khí
T: nhiệt độ thấm, tính theo độ kenvin
Với hệ thống họp kim nhất định, các hệ số A, Q cũng cố định
thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao, D tăng càng nhanh.
theo Fe hệ số khuếch tán D của cacbon tăng lên 7 lần khi
tăng từ 925°c lên 1100°c, của crôm tăng lên 50 lần khi nhiệt
1150°c lên 1300°c.

D
phụ
Ví
dụ
nhiệt độ
tăng từ

3. Thời gian:
Ở nhiệt độ cố định, thời gian khuếch tán càng dài, chiều sâu lớp thấm càng dầy; quan hệ giữa
chúng tuân theo quy luật parabôn theo công thức:

Trong đó: là chiều dày lớp thấm
là thời gian thấm
K là hệ số tỷ lệ phụ thuộc hệ số khuếch tán D

Như vậy trong thời gian thấm càng dài, mức tăng chiều sâu thấm
5


1

càng chậm. Biện pháp hiệu quả để tăng chiều sâu lớp thấm là nhiệt độ chứ không phải tăng thời
gian.

6