ẢNH HƯỞNG của một số THÔNG số cơ bản đến CHẤT LƯỢNG lớp THẤM NITƠ PLASMA đối với THÉP 40crmo

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐẾN CHẤT LƯỢNG LỚP
THẤM NITƠ PLASMA ĐỐI VỚI THÉP 40CrMo
INFLUENCE OF FUNDAMENTAL PARAMETERS TO THE QUALITY OF PLASMA
NITRIDING LAYERS FOR 40CrMo STEEL
TS. Hoàng Minh Thuận 1a, PGS. TS. Lê Thu Quý 2b,
PGS. TS. Đào Quang Kế 3c, TS. Hoàng Văn Châu 4d
1
Phòng NCKH, Trường CĐ Công nghiệp và Xây dựng, Quảng Ninh
2
PTN trọng điểm Công nghệ Hàn và XLBM - Viện Nghiên cứu Cơ khí, Hà Nội
3
Khoa Cơ – Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Hà Nội
4
Hội KHKT Hàn Việt Nam - PTN trọng điểm CN Hàn và XLBM, Hà Nội
a
; b
c
; d
TÓM TẮT
Thấm nitơ plasma là một công nghệ thấm nitơ tiên tiến, ra đời như một phương án thay
thế của công nghệ thấm nitơ thể khí, được tiến hành trong môi trường ion hóa ở nhiệt độ thấp.
Phương pháp này giúp giải quyết được các nhược điểm mà phương pháp thấm nitơ thể khí và
thể lỏng gặp phải. Nhóm tác giả đã sửa dụng phương án quy hoạch thực nghiệm bậc 2 Box –
Willson nghiên cứu ảnh hưởng của 3 số thông số công nghệ bao gồm nhiệt độ thấm, thời gian
thấm và tỷ lệ khí nitơ/hydro đến chất lượng lớp thấm nitơ plasma đối với thép 40CrMo (độ
cứng bề mặt, cường độ mài mòn, chiều dày các pha).
Từ khóa: thấm nitơ plasma; lớp thấm nitơ; thông số công nghệ, thép 40CrMo.
ABSTRACT
Nitriding plasma nitriding is an advanced technology, it has emerged as an alternative

embodiment of a gas nitriding technology, the environment was conducted in lowtemperature ionized. This method helps solve the drawbacks that a gas nitriding method and
liquid nitriding method. The authors were use experimental planning method Box - Willson
level 2 for studied the effects of three technology parameters including temperature nitriding,
time and nitrogen/hydrogen to quality grade nitriding layer for 40CrMo steel (surface
hardness, abrasion strength, thickness of phase).
Keywords: plasma nitriding; nitriding layer; technology parameter, 40CrMo steel.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Thấm nitơ plasma là một công nghệ thấm nitơ tiên tiến, nó ra đời như một phương án
thay thế của công nghệ thấm nitơ thể khí. Việc ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma 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.
Các thông số công nghệ của quá trình thấm như thành phần của hỗn hợp khí, thời gian
thấm và nhiệt độ thấm ảnh hưởng đến chất lượng của lớp thấm. Thay đổi một hay các biến
này, có thể có được cấu trúc khác nhau của các lớp nitrit, đồng thời liên quan đến chiều dày
của các pha nitrit có mặt trong lớp thấm.

321


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu
Thép 40CrMo là một loại thép được dùng phổ biến trong chế tạo các chi tiết máy chịu
tải trọng tĩnh, va đập cao và chịu mài mòn.
Thành phần chính của thép 40CrMo bao gồm: 0,4% C; 0,97% Cr; 0,25% Mo; 0,85%
Mn; 0,25% Si; 0,02% V; 0,024% P; 0,017% [4, 5]
2.2. Thiết bị
Thiết bị thấm nitơ plasma Eltropuls H045x080 của hãng ELTRO GmbH.
3. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LỚP THẤM
Sự hình thành lớp nitrit trong quá trình thấm nitơ plasma dựa trên đề xuất của Koelbel: coi bề

mặt mẫu bị bắn phá bởi các nguyên tử của plasma, các nguyên tử sắt từ phún xạ kết hợp với các
nitơ, phản ứng trong plasma ngay cả trong các khu vực lân cận với bề mặt cực âm, tạo thành nitrit
sắt (FeN) ngưng tụ trên bề mặt mẫu (Hình 1) [1, 2, 4, 5].
Các FeN tạo thành ở nhiệt độ từ 350÷6000C và phân tách ra để hình thành các pha ổn
định hơn (Fe2N, Fe3N, Fe4N) và nitơ nguyên tử. Một phần của nitơ nguyên tử này trở lại vào
dòng plasma và một phần khuếch tán vào trong cấu trúc tinh thể của chất nền tạo thành một
vùng khuếch tán. Quá trình này về cơ bản là do gradient khuếch tán, va chạm không đàn hồi
theo thời gian và dòng plasma [1, 2, 4].

Hình 1: Cơ chế của sự hình thành lớp nitrit trong quá trình thấm nitơ plasma
4. QUÁ TRÌNH THẤM
Thấm nitơ plasma được tiến hành trong môi trường ion hóa ở nhiệt độ thấp. Phương pháp này
giúp giải quyết được các nhược điểm mà phương pháp thấm nitơ thể khí và thể lỏng gặp phải.
Các khí sử dụng trong quá trình thấm thường là các khí trơ, an toàn cho con người và thiết bị
(Hình 2) [2, 4. 5].

322


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2: Quá trình thấm nitơ plasma
5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Cho đến nay, chỉ bốn biến số (thông số công nghệ) ảnh hưởng đến quá trình thấm nitơ
plasma là nhiệt độ thấm, thành phần khí thấm (tỷ lệ khí), áp suất khí và thời gian thấm.
Gần đây, một biến điều khiển thứ năm là mật độ dòng điện có thể được điều chỉnh một
cách độc lập với nhiệt độ trong quá trình thấm. Trong thấm nitơ plasma, việc kiểm soát mật
độ dòng điện thì chiều dày của lớp hợp chất và thành phần của nó có thể được điều khiển
chính xác.
Tuy nhiên với một thiết bị cụ thể, các yếu tố như mật độ dòng, áp suất khí gần như

không thay đổi trong quá trình thấm [1, 2, 3, 6, 7, 8]. Trong bài viết này, nhóm tác giả chỉ xét
đến 3 yếu tố ảnh hưởng là thành phần hỗn hợp khí thấm (tỷ lệ khí N2/H2), nhiệt độ thấm và
thời gian thấm.
5.1. Kết quả nghiên cứu đơn yếu tố
5.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm
Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất trong sự hình thành các lớp thấm nitơ do: Bản chất
hóa học của từng loại nitrit (Fe4N; Fe2-3N) là cho phép tạo thành các pha nhất định và chỉ ổn
định ở một phạm vi nhiệt độ nhất định; Sự khuếch tán của nitơ nguyên tử thông qua các lớp
chất nền và bản thân các hợp chất, tăng theo nhiệt độ và tuân theo định luật Fick, cho phép sự
hình thành lớp nitrit dày hơn và giảm trên bề mặt.
Xem xét hai yếu tố này trong điều kiện áp suất, thời gian thấm nitơ, có thể trong quá
trình thấm nitơ plasma, xác định các thành phần của lớp nitrit bằng cách duy trì nhiệt độ thấm
nitơ [1, 2, 6, 8].
323


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Điều kiện thí nghiệm: Tỷ lệ khí nitơ/hydro a = 30%; Thời gian thấm t = 12 (h). Kết quả thí
nghiệm được thể hiện trong Hình 3.
E
(HV 0.3)

d1(µm)

m
(10 g/N.mm)
-12

d (µm)
2

795

31

18

400

790

30.5

16

360

785

30

14

320

780

29.5

12

280

775

29

10

240

770

28.5

8

200

510

490
E (HV 0.3)

530

550
-12

m (10 g/N.mm)

570

o

T( C)

d1(µm)

d (µm)
2

Hình 3: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (0C)
5.1.2. Ảnh hưởng của thời gian thấm
Thời gian thấm nitơ là một yếu tố quan trọng trong sự hình thành lớp nitrit. Sự hình thành
các lớp nitrit là một hàm của thời gian. Tùy thuộc vào yêu cầu của chiều sâu lớp thấm mà ta
chọn thời gian thấm phù hợp [1, 3, 6, 8].
Điều kiện thí nghiệm: Nhiệt độ thấm T = 5300C, Tỷ lệ khí nitơ/hydro a = 30%. Kết quả thí
nghiệm được ghi trong Hình 4.
m
(10 g/N.mm)

E
(HV 0.3)

d1(µm)

-12

d (µm)

2

795

31

18

400

790

30.5

16

360

785

30

14

320

780

29.5

12

280

775

29

10

240

770

28.5

8

200

4
E (HV 0.3)

8

12

16
-12

m (10 g/N.mm)

20
d1(µm)

Hình 4: Đồ thị ảnh hưởng của thời gian thấm t (h)
324

t( h)
d (µm)
2


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
5.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro
Hỗn hợp khí được sử dụng trong thấm nitơ plasma gồm N2 và H2 ở nồng độ khác nhau. Sự
có mặt của H2 trong hỗn hợp khí N2 + H2 ngoài việc dẫn xuất trong việc giảm các tạp chất trên bề
mặt mẫu, nó còn ảnh hưởng đến sự hình thành của lớp nitrit. Nồng độ cao của H2 trong các lớp
hỗn hợp thấm nitơ khuếch tán với chiều dày của các lớp ở trên được hình thành chỉ với N2 tinh
khiết. Mặt khác, việc sử dụng N2 tinh khiết, sẽ hình thành một lớp dày hơn của các hợp chất do áp
suất riêng phần nitơ cao hơn. Do đó, bằng sự lựa chọn thích hợp của hỗn hợp khí, có thể xác định
được sự tạo thành các pha trong lớp thấm. Việc bổ sung một lượng khí H2 dẫn đến sự gia tăng
nhiệt độ (tăng tốc độ phun) và năng lượng động trong plasma [1, 2, 7].
Điều kiện thí nghiệm: Nhiệt độ thấm T = 5300C, thời gian thấm t = 12 (h). Kết quả thí
nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro (Hình 5).
E
(HV 0.3)

m
(10 g/N.mm)

d (µm)

d1(µm)

-12

2

795

31

18

400

790

30.5

16

360

785

30

14

320

780

29.5

12

280

775

29

10

240

770

28.5

8

200

10

20

30

40

50

N (%)
2

E (HV 0.3)

-12

m (10 g/N.mm)

d1(µm)

d (µm)
2

Hình 5: Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%)
5.2. Ảnh hưởng của đa yếu tố
Thực nghiệm đã xác định được quan hệ đơn yếu tố giữa độ cứng bề mặt E (HV0.3),
cường độ mài mòn m (10-12g/N.mm), chiều dày pha ε + γ’, d1 (µm) và chiều dày pha α, d2 (µm)
thông qua các thông số công nghệ là nhiệt độ thấm T (0C), thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%); cho phép tìm được vùng tối ưu của các thông số công nghệ để cho chất lượng
lớp thấm tốt nhất:
Nhiệt độ thấm T = 510÷550 (0C);
Thời gian thấm t = 12÷18 (h);

Tỷ lệ khí nitơ/hydro a = 20÷40 (%).
Kết quả thí nghiệm theo phương án quy hoạch thực nghiệm bậc 2 Box – Willson đối với các
hàm độ cứng bề mặt E (HV0.3), cường độ mài mòn m (10-12g/N.mm), chiều dày pha ε + γ’, d1
(µm) và chiều dày pha α, d2 (µm) (bảng 4) [4, 5].

325


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 4: Kết quả thí nghiệm theo phương án quy hoạch thực nghiệm
Thông số công nghệ
STT

Kết quả thực nghiệm

T (0C)

T (h)

a (%)

E (HV0.3)

m (10-12g/N.mm)

d1 (µm)

d2 (µm)

1

510

8

20

773,80

29,90

11,20

315,80

2

530

8

20

778,40

30,40

14,80

330,20

3

510

16

20

782,80

28,70

13,10

351,10

4

530

16

20

779,10

29,70

15,20

346,40

5

510

8

40

779,20

30,00

11,80

315,50

6

530

8

40

776,50

31,60

15,30

359,80

7

510

16

40

794,60

29,10

14,20

348,80

8

530

16

40

785,20

30,80

16,60

373,70

9

496

12

30

779,90

29,60

10,20

327,50

10

564

12

30

779,70

30,10

16,80

367,10

11

530

5.28

30

776,60

30,20

11,50

335,10

12

530

18.72

30

792,50

28,60

16,80

371,70

13

530

12

13.2

774,80

29,50

14,10

323,50

14

530

12

36.8

785,10

31,50

15,10

338,20

15

530

12

30

789,90

28,40

16,20

361,50

16

530

12

30

790,20

28,60

16,00

359,90

17

530

12

30

790,70

29,30

16,30

361,10

18

530

12

30

790,60

28,50

16,20

360,80

19

530

12

30

789,90

28,60

16,40

361,60

20

530

12

30

791,10

28,50

16,10

359,50

Sử dụng phần mềm Statistica với các giá trị thực nghiệm, ta xác định ảnh hưởng của các
cặp yếu tố công nghệ đến các hàm mục tiêu thể hiện thông qua mô hình 3D.
5.2.1. Độ cứng bề mặt E (HV 0.3)

Hình 6: Ảnh hưởng của
cặp yếu tố nhiệt độ thấm T
(0C) và thời gian thấm t (h)

Hình 7: Ảnh hưởng của cặp
yếu tố nhiệt độ thấm T (0C)
và tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%)

326

Hình 8: Ảnh hưởng của cặp
yếu tố thời gian thấm t (h) và
tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
5.2.2. Cường độ mài mòn m (10-12g/N.mm)

Hình 10: Ảnh hưởng cặp
Hình 11: Ảnh hưởng cặp yếu
Hình 9: Ảnh hưởng của cặp
0
yếu
tố
nhiệt
độ
thấm
T
(
C)
tố thời gian thấm t (h) và tỷ
yếu tố nhiệt độ thấm T (0C)
và
tỷ
lệ
khí
nitơ/hydro
a

(%)
lệ khí nitơ/hydro a (%)
và thời gian thấm t (h)
5.2.3. Chiều dày pha ε + γ’, d1 (µm)

Hình 12: Ảnh hưởng của
cặp yếu tố nhiệt độ thấm T
(0C) và thời gian thấm t (h)

Hình 13: Ảnh hưởng cặp
yếu tố nhiệt độ thấm và tỷ
lệ khí nitơ/hydro a (%)

Hình 14: Ảnh hưởng cặp
yếu tố thời gian thấm và tỷ
lệ khí nitơ/hydro a (%)

5.2.4. Chiều dày pha α, d2 (µm)

Hình 15: Ảnh hưởng của cặp Hình 16: Ảnh hưởng cặp yếu
yếu tố nhiệt độ thấm T (0C) tố nhiệt độ thấm T (0C) và tỷ
lệ khí nitơ/hydro a (%)
và thời gian thấm t (h)

Hình 17: Ảnh hưởng cặp
yếu tố thời gian thấm t (h)
và tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%)

Như vậy có thể thay các cặp thông số công nghệ khác nhau, ta có thể thu được các kết
quả và chất lượng lớp thấm tương ứng;

Để thực nghiệm kiểm chứng, đã chọn một bộ thông số công nghệ chuẩn có giá trị như
một "trung tâm", sử dụng phương pháp tính giá trị hàm tối ưu tổng quát, xác định được hàm
tối ưu D = f(T, t, a).
D = - 25,552 + 0,088 T + 0, 230 t + 0,058 a – 0,0004 T.t – 0,0001 T2 – 0,0013 t2 – 0,0008 a2
Giá trị tối ưu D = 0,955 có độ tin cậy cao, có thể sử dụng được. Tại đó tìm được giá trị
thông số E = 791,950 (HV0.3); m = 29,653 (10-12g/N.mm); d1 = 16,992 (µm); d2 = 370,227 (µm)
tưng ứng với các thông số công nghệ T = 537,4 (0C); t = 16,03 (h) và a = 34,62 (%) [4, 5].
KẾT LUẬN
Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma trên thép 40CrMo đã mở ra
hướng công nghệ mới, có tính ứng dụng cao. Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế của chi tiết ta có thể
lựa chọn 1 hay cặp thông số công nghệ để đạt được các giá trị tốt nhất. Với kết quả đã đạt được,
có thể áp dụng cho nhiều mác thép khác nhau khi thấm nitơ plasma để cho hiệu quả tốt nhất.
327


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Balles A. C. (2004), Nitretação a plasma como meio alterntivo ou complementar à
oxidação negra na proteção à corrosão do aço de baixo teor de carbono, Pipe - programa
interdisciplinar de pos graduação em engenharia.
[2] Baranowska J. (2008), Plasma Nitriding and Plasma Immersion Ion Implantation.
[3] Greßmann T. (2007), Fe-C and Fe-N compound layers: Growth kinetics and
microstructure, Max-Planck-Institut für Metallforschung.
[4] Hoàng Minh Thuận, Đào Quang Kế, Hoàng Văn Châu (2012), “Tối ưu hóa chế độ thấm
nitơ plasma thép 40CrMo trên thiết bị Eltropuls H045x080”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số
06 (tháng 6.2012).
[5] Hoàng Minh Thuận, Đào Quang Kế, Hoàng Văn Châu, Lục Vân Thương (2013), Study
on Plasma Nitriding Technology Imposed to Several Machine Parts Made of 40CrMo
Steel, AETA 2013: The International Conference on Advanced Engineering Theory and
Applications 2013.

[6] Huchel U. et al (2005), Pulsed Plasma Nitriding of Tools, ELTRO GmbH, Baesweiler,
Germany.
[7] Huchel U. et al (2005), Short Description of Pulsed Plasma Nitriding, ELTRO GmbH,
Baesweiler, Germany.
[8] Pye D. (2003), Practical NITRIDING and Ferritic Nitrocarburizing, ASM International,
Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing.
AUTHOR’S INFORMATION
1.

Hoàng Minh Thuận. Phòng NCKH, Trường CĐ Công nghiệp và Xây dựng
Email:

2.

Phone number: 0904116189

Lê Thu Quý. PTN trọng điểm Công nghệ Hàn và XLBM - Viện Nghiên cứu Cơ khí
Email:

3.

Phone number: 0983022166

Đào Quang Kế. Khoa Cơ – Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam
Email:

4.

Phone number: 0904365844

Hoàng Văn Châu. Hội KHKT Hàn Việt Nam - PTN trọng điểm CN Hàn và XLBM
Email:

Phone number: 0913003681

328