Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành lớp thấm nitơ bằng phương pháp thấm nitơ plasma xung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG VĨNH GIANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ
BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG VĨNH GIANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ
BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG
Chuyên ngành : Kim loại học
Mã số

: 62440129

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nguyễn Văn Tƣ

Hà Nội – 2016


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Nguyễn Văn Tư người Thầy đã tận tình
hướng dẫn, động viên, góp ý và giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành
luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn toàn thể cán bộ Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề
mặt, đã nhiệt tình giúp đỡ tôi.
Tôi xin cám ơn Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạo sau đại học đã
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Xin cám ơn các Đồng nghiệp, lãnh đạo Viện Công Nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi
trong thời gian thực hiện nghiên cứu.
Và tôi xin cám ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên và khích lệ tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận án.
Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2016
Nghiên cứu sinh

Hoàng Vĩnh Giang


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân, được thực hiện
dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Tư.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực
và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2016

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU SINH

PGS.TS. Nguyễn Văn Tư

Hoàng Vĩnh Giang


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC ............................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .......................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 3
1.1. Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma .............................................. 3
1.1.1. Khái niệm plasma .......................................................................................... 3
1.1.2. Plasma phóng điện phát sáng ........................................................................ 4
1.1.3. Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma ...................... 7
1.1.4. Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma ....................... 10
1.2. Công nghệ thấm nitơ plasma............................................................................... 13
1.2.1. Lịch sử phát triển ......................................................................................... 13
1.2.2. Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma ..................................................... 16
1.2.3. Đặc trưng cấu trúc lớp thấm ........................................................................ 19
1.2.4. Một số tính chất sử dụng của lớp thấm ....................................................... 24
1.2.5. Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma ................................................. 28

1.2.6. Các thông số chính của công nghệ thấm nitơ plasma ................................. 32
1.3. Tình hình nghiên cứu thấm nitơ plasma cho thép SKD61 .................................. 37
1.3.1. Một số dạng hỏng hóc chính của khuôn bền nóng ...................................... 37
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................. 38
1.3.3. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ............................................................. 40
1.3.4. Yêu cầu lớp thấm nitơ với khuôn bền nóng ................................................ 41
1.4. Kết luận và hướng nghiên cứu ............................................................................ 41
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU ................................... 43
2.1. Nội dung và sơ đồ nghiên cứu ............................................................................ 43
2.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiện tượng khuếch đại
plasma ......................................................................................................... 43
2.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự hình thành
lớp thấm ...................................................................................................... 44
2.2. Thiết bị nghiên cứu ............................................................................................. 45

i


2.2.1. Thiết bị thực nghiệm ................................................................................... 45
2.2.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thấm .......................................... 47
2.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 49
2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiện tượng khuếch đại
plasma ......................................................................................................... 49
2.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự hình thành
lớp thấm ...................................................................................................... 52
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................................... 57
3.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến khuếch đại plasma........... 57
3.1.1. Điều kiện hình thành khuếch đại plasma..................................................... 57
3.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày plasma ........ 60
3.1.3. Ứng dụng kết quả thực nghiệm khuếch đại plasma trong thực tế ............... 63

3.1.4. Kết luận về hiện tượng khuếch đại plasma ................................................. 66
3.2. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm . 67
3.2.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến cấu trúc lớp thấm ........ 67
3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày lớp trắng ..... 78
3.2.3. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm ....................... 84
3.2.4. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên sự phân bố độ cứng trong lớp thấm .......... 95
3.2.5. Ứng dụng thấm thép SKD61 với yêu cầu lớp thấm khác nhau ................... 98
3.2.6. Kết luận ảnh hưởng các thông số công nghệ lên lớp thấm khi thấm thép
SKD61 ...................................................................................................... 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 107
PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 113

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
1. Danh mục các chữ viết tắt
Cr
Nguyên tố Crôm
C
Nguyên tố Các-bon
Ni
Nguyên tố Niken
Mo
Nguyên tố Mô-lip-đen
V
Nguyên tố Va-na-đi
Fe

Nguyên tố Sắt
N
Nguyên tố Nitơ
NH3
Nguyên tố amôniắc
N2
Khí Nitơ
H2
Khí Hyđrô
Ar
Khí Ac-gông
R
Hằng số khí lý tưởng
TN
Thí nghiệm
DCPN
Phương pháp DCPN (Direc current plasma nitriding)
ASPN
Phương pháp ASPN (Active screen plasma nitriding)
PDN
Phương pháp PDN (Post discharged nitriding)
PPN
Phương pháp PPN (Pulsed plasma nitriding)
EDX
Phổ phân tán tia X theo năng lượng (Energy dispersive spectroscopy)
SEM
Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microsope)
XRD
Nhiễu xạ tia X
OES

Quang phổ phát xạ quang học (Optical emission spectrometter)
2. Các ký hiệu
α
Pha ferit

Pha austenit
’
Nitơrit sắt (Fe4N)

Nitơrit sắt (Fe2-3N)
HV0,1
Độ cứng tế vi tải trọng 100g
HV0,3
Độ cứng tế vi tải trọng 300g
D
Hệ số khuếch tán
Q
Năng lượng hoạt hóa
T
Nhiệt độ
V
Thể tích
o
C
Đơn vị nhiệt độ (độ Celcius)
o
K
Đơn vị nhiệt độ (độ Kelvin)
Pa
Pascal

Ko
Hằng số tốc độ thấm cực đại khi Q = 0
K
Hằng số tốc độ thấm
k
Hệ số nhiệt độ thấm
d
Chiều sâu lớp thấm
SN
Tỉ số tín hiệu tiếng ồn
t
Thời gian
p
Áp suất
l
Lít
Φ
Đường kính lỗ, kích thước khe hở

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.

Ảnh hưởng của một yếu tố lên mật độ dòng .................................................... 8

Bảng 1.2.

Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa ................................................... 9

Bảng 1.3.

Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm ........................... 33

Bảng 1.4.

Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thành phần lớp trắng..................... 36

Bảng 1.5.

Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu thấm nitơ plasma thép SKD61 trên thế giới ...... 40

Bảng 2.1.

Điện áp ở các áp suất khác nhau .................................................................... 50

Bảng 2.2.

Thành phần của mẫu thép thí nghiệm ............................................................ 52

Bảng 2.3.

Điện áp sử dụng khi thấm ở áp suất và nhiệt độ khác nhau ........................... 54

Bảng 2.4.

Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 .............................................................. 56

Bảng 3.1.

Ảnh hưởng của đường kính lỗ và áp suất bắt đầu (Pbđ) và áp suất kết thúc
(Pkt) khuếch đại plasma .................................................................................. 59

Bảng 3.2.

Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma ................................................. 61

Bảng 3.3.

Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma ................ 62

Bảng 3.4.

Kết quả chiều dày plasma và 1/p .................................................................... 63

Bảng 3.5.

Kết quả chiều dày lớp trắng và tỷ số SN cho từng loại thí nghiệm ................ 78

Bảng 3.6.

Giá trị tỷ số SN và mức ảnh hưởng 4 thông số đến chiều dày lớp trắng ........ 79

Bảng 3.7.

Mối liên quan giữa chiều dày lớp trắng và từng mức thông số ...................... 80

Bảng 3.8.

Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 200Pa và 400Pa . 82

Bảng 3.9.

Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 600Pa. ................ 83

Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm xác định chiều sâu lớp thấm ........................................ 84
Bảng 3.11. Tỷ số SN và mức độ ảnh hưởng 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm .............. 84
Bảng 3.12. Giá trị trung bình và xếp hạng sự phụ thuộc của chiều sâu lớp thấm ............ 85
Bảng 3.13. Chiều sâu lớp thấm d với thành phần khí thấm mức 1 ................................... 87
Bảng 3.14. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 2 ...................................... 88
Bảng 3.15. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 3 ...................................... 89
Bảng 3.16. Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm ở các điều kiện thấm khác nhau .................... 89
Bảng 3.17. Kết quả bổ sung chiều sâu lớp thấm............................................................... 90
Bảng 3.18. Chiều sâu lớp thấm thực nghiệm và tính toán ở nhiệt độ 490oC .................... 90
Bảng 3.19. Hệ số nhiệt độ k và hằng số tốc độ thấm K ở các nhiệt độ khác nhau ........... 92
Bảng 3.20. Tính toán giá trị hằng số Ko ........................................................................... 93
Bảng 3.21. Kết quả bổ sung .............................................................................................. 94
Bảng 3.22. Giá trị kiểm định Fisher cho công thức xác định quan hệ ln(K)-1/T ............. 94
iv


Bảng 3.23. Kết quả đo độ cứng tế vi lớp thấm ................................................................. 95
Bảng 3.24. Kết quả thực nghiệm xác định độ cứng tối đa ................................................ 96
Bảng 3.25. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng 4 thông số lên độ cứng tối đa. .................. 96
Bảng 3.26. Kết quả xác định chiều sâu lớp cứng d900....................................................... 97
Bảng 3.27. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng lên chiều sâu lớp cứng d900 ...................... 97
Bảng 3.28. Dự đoán chiều dày lớp trắng .......................................................................... 99

v

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.

Quan hệ điện áp và dòng ................................................................................ 4

Hình 1.2.

Cấu trúc plasma điển hình .............................................................................. 6

Hình 1.3.

Quan hệ giữa áp suất và điện áp sử dụng trong thấm nitơ plasma ................. 7

Hình 1.4.

Quan hệ điện áp – dòng với áp suất khác nhau .............................................. 8

Hình 1.5.

Hình ảnh plasma với các kích thước lỗ khác nhau ...................................... 11

Hình 1.6.

Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở khác nhau........ 12

Hình 1.7.

Mô tả sự phóng điện hồ quang ..................................................................... 13

Hình 1.8.

Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ plasma ............................................................... 14

Hình 1.9.

Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN ......................................... 15

Hình 1.10.

Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ màn chủ động ASPN ........................................ 16

Hình 1.11.

Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma .......................................... 16

Hình 1.12.

Cơ chế thấm nitơ plasma theo mô hình Kolbel ........................................... 18

Hình 1.13.

Cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt thấm ........................................................... 19

Hình 1.14.

Cấu trúc lớp thấm nitơ điển hình ................................................................. 20

Hình 1.15.

Phân bố độ cứng sau thấm nitơ plasma với các vật liệu khác nhau ............ 21

Hình 1.16.

Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm..................... 22

Hình 1.17.

Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm ........................ 23

Hình 1.18.

Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm .. 23

Hình1.19.

Mô hình ứng suất nén sinh ra trong lớp thấm .............................................. 24

Hình 1.20.

Phân bố ứng suất dư theo chiều sâu lớp thấm với mẫu Fe-4%Cr ................ 24

Hình 1.21.

Mất mát khối lượng của các vật liệu khác nhau trong quá trình phun bi ..... 25

Hình 1.22.

Độ cứng sau ram của một số vật liệu ........................................................... 26

Hình 1.23.

Độ cứng ở nhiệt độ cao của thép bền nóng được thấm và không ................ 26

Hình 1.24.

Giới hạn mỏi của thép AISI 4140 ................................................................ 27

Hình 1.25.

Đường S –N của mẫu thép En 40 B được thấm N plasma không lớp trắng ở
nhiệt độ 480oC với thời gian thấm khác nhau .............................................. 27

Hình 1.26.

Đường ăn mòn thép Ni-Cr .......................................................................... 28

Hình 1.27.

Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma ......................................... 30

Hình 1.28.

Giản đồ pha Fe-N ......................................................................................... 31

Hình 1.29.

Quy trình thấm nitơ plasma điển hình.......................................................... 32

Hình 1.30.

Chiều dày lớp trắng, 530oC, thép 3%Cr-Mo-V............................................ 35

Hình 1.31.

Ảnh hưởng %H2 đến nhiệt độ catôt Tc (oC) ................................................. 36

Hình 2.1.

Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma ........................................................... 43

vi


Hình 2.2.

Sơ đồ thực nghiệm ảnh hưởng các thông số đến sự hình thành lớp thấm ... 44

Hình 2.3.

Lò tôi chân không đơn buồng Turbo2 Treater M ......................................... 45

Hình 2.4.

Lò thấm nitơ plasma..................................................................................... 45

Hình 2.5.

Giao diện chương trình thấm ....................................................................... 46

Hình 2.6.

Hệ thống lưu lượng kế điều khiển cung cấp khí thấm ................................. 46

Hình 2.7.

Can nhiệt loại K đo nhiệt độ mẫu thấm ....................................................... 47

Hình 2.8.

Thiết bị đo áp suất ........................................................................................ 47

Hình 2.9.

Kính hiển vi quang học Axiovert 25A ......................................................... 47

Hình 2.10.

Máy đo độ cứng tế vi FM-700e ................................................................... 48

Hình 2.11.

Máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL3460 .............................................. 48

Hình 2.12.

Thiết bị nhiễu xạ tia X.................................................................................. 49

Hình 2.13.

Hiển vi điện tử quét ...................................................................................... 49

Hình 2.14.

Khuếch đại plasma với 2 mẫu cách nhau cố định 7mm ............................... 50

Hình 2.15.

Bố trí thí nghiệm khuếch đại plasma trên các ống rỗng............................... 50

Hình 2.16.

Xác định chiều dày plasma dc ...................................................................... 51

Hình 2.17.

Các mẫu thí nghiệm ..................................................................................... 53

Hình 2.18.

Bố trí mẫu thí nghiệm trong buồng lò .......................................................... 53

Hình 3.1.

Ảnh chụp hiện tượng khuếch đại plasma ..................................................... 57

Hình 3.2.

Giải thích sự xuất hiện khuếch đại plasma .................................................. 58

Hình 3.3.

Giải thích sự biến mất của khuếch đại plasma ............................................. 58

Hình 3.4.

Hình ảnh khuếch đại plasma trong ống có đường kính lỗ khác nhau .......... 59

Hình 3.5.

Vùng hình thành khuếch đại plasma ............................................................ 60

Hình 3.6.

Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất ............................................................ 61

Hình 3.7.

Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày plasma ở nhiệt độ khác nhau ..... 62

Hình 3.8.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày plasma với thành phần khí khác nhau .. 63

Hình 3.9.

Đồ thị dc – 1/p .............................................................................................. 64

Hình 3.10.

Đồ thị dc – 1/p với dc>2mm ......................................................................... 64

Hình 3.11.

Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma dc, kích thước bắt đầu xuất hiện
(dbđ) và kết thúc khuếch đại plasma (dkt) ..................................................... 65

Hình 3.12.

Ảnh tổ chức tế vi các mẫu trong kết quả thực nghiệm Taguchi .................. 70

Hình 3.13.

Nhiễu xạ tia X mẫu M3 ................................................................................ 71

Hình 3.14.

Nhiễu xạ tia X mẫu M7 ................................................................................ 71

Hình 3.15.

Nhiễu xạ tia X góc hẹp 5º mẫu M3 .............................................................. 72

Hình 3.16.

Ảnh SEM mẫu M3 ....................................................................................... 72

Hình 3.17.

Điểm phân tích số 5 mẫu M3 ....................................................................... 73

Hình 3.18.

Điểm phân tích số 6 mẫu M3 ....................................................................... 73

vii


Hình 3.19.

Điểm phân tích số 7 mẫu M3 ....................................................................... 74

Hình 3.20.

Điểm phân tích số 8 mẫu M3 ....................................................................... 74

Hình 3.21.

Ảnh SEM lớp khuếch tán mẫu M7 .............................................................. 74

Hình 3.22.

Điểm phân tích 2 mẫu M7............................................................................ 75

Hình 3.23.

Điểm phân tích 4 mẫu M7............................................................................ 75

Hình 3.24.

Điểm phân tích 5 mẫu M7............................................................................ 75

Hình 3.25.

Điểm phân tích 3 mẫu M7............................................................................ 76

Hình 3.26.

Mapping vùng lớp thấm gần nền mẫu M3 ................................................... 76

Hình 3.27.

Phân tích line scan mẫu M3 ......................................................................... 77

Hình 3.28.

Phân bố %N và %C trong mẫu M3 .............................................................. 78

Hình 3.29.

Ảnh hưởng các thông số lên chiều dày lớp trắng theo tỷ số SN .................. 79

Hình 3.30.

Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng ................ 80

Hình 3.31.

Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng ............................ 83

Hình 3.32.

Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng.............................. 83

Hình 3.33.

Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm theo tỷ số SN . 85

Hình 3.34.

Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên giá trị trung bình chiều sâu lớp thấm ... 85

Hình 3.35.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 88

Hình 3.36.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 88

Hình 3.37.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 89

Hình 3.38.

Sự phụ thuộc chiều sâu lớp thấm vào thời gian ở các nhiệt độ khác nhau .. 91

Hình 3.39.

Đồ thị ln(K)-1/T xây dựng cho chiều sâu lớp thấm ..................................... 93

Hình 3.40.

Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm ..................................................... 95

Hình 3.41.

Ảnh hưởng các thông số đến độ cứng tối đa theo tỷ số SN ......................... 96

Hình 3.42.

Ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu lớp cứng d900 theo tỷ số SN .... 98

Hình 3.43.

Vị trí lấy mẫu chụp kim tương lớp thấm ...................................................... 99

Hình 3.44.

Tổ chức lớp thấm ....................................................................................... 101

Hình 3.45.

Phân bố độ cứng ......................................................................................... 101

Hình 3.46.

Kết quả thấm không lớp trắng .................................................................... 102

Hình 3.47.

Hiển vi quang học mẫu .............................................................................. 103

viii


MỞ ĐẦU
Thấm nitơ là công nghệ hóa nhiệt luyện đưa nitơ vào bề mặt chi tiết tạo lớp thấm
trên bề mặt có độ cứng cao tăng tính chịu mài mòn. Lớp thấm còn tạo ứng suất nén trên bề
mặt và qua đó làm tăng giới hạn mỏi của chi tiết. Thấm nitơ được ứng dụng rộng rãi để
thấm các sản phẩm cơ khí đòi hỏi chất lượng cao, trong đó có các loại khuôn bền nóng chế
tạo từ thép SKD61 như: khuôn rèn, khuôn đùn nhôm, khuôn đúc áp lực nhôm. Thấm nitơ
có thể được tiến hành ở trạng thái lỏng, khí hoặc plasma từ đó ta có công nghệ thấm nitơ
thể lỏng, thể khí và thấm nitơ plasma.
Thấm nitơ thể lỏng có ưu điểm là thời gian thấm ngắn và chất lượng lớp thấm
tương đối cao, nhưng do phải sử dụng muối nóng chảy gốc xyanua, xianat thường gây ô
nhiễm môi trường nên ngày nay ít sử dụng. Thấm nitơ thể khí hiện đang được sử dụng
nhiều nhất do chi phí thiết bị ban đầu thấp và dễ vận hành. Chất thấm là NH3 được lưu
thông liên tục trên bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình thấm.
Việc sử dụng khí động (liên tục bơm khí vào và thoát khí ra) là bắt buộc để duy trì quá
trình thấm. Tuy nhiên chỉ một lượng rất nhỏ khí (vài phần trăm) tham gia vào quá trình
thấm, còn lại phải thải ra môi trường vì thế gây ô nhiễm môi trường và tốn kém, đây là
nhược điểm lớn của phương pháp này. Để giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường, thấm nitơ
plasma được coi là công nghệ tiên tiến có thể thay thế thấm nitơ thể khí. Khác với thấm thể
khí sử dụng amoniac và phát thải ra khí có hại, thấm nitơ plasma sử dụng hỗn hợp khí
chính là H2 và N2 với tiêu hao ít hơn rất nhiều từ đó giảm chi phí và phát thải rất ít nên
thân thiện môi trường.

Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ thấm nitơ plasma là một công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường, có
nhiều tiềm năng phát triển. Trên thế giới, công nghệ thấm nitơ plasma được nghiên cứu khá
nhiều, chủ yếu sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma xung. Ở Việt Nam, hiện tại có 2 thiết bị
thấm nitơ plasma xung, một thiết bị tường lạnh và một tường nóng. Công nghệ thấm nitơ
plasma được nghiên cứu chưa nhiều, không có nhiều công trình nghiên cứu được công bố.
Ngày nay, vấn đề bảo vệ môi trường đang là chủ đề được cả xã hội quan tâm giải
quyết. Hơn nữa nhờ ưu điểm kiểm soát được tổ chức lớp thấm, công nghệ thấm nitơ plasma
đang là lựa chọn của nhiều nhà sản xuất khuôn, đặc biệt khuôn bền nóng chế tạo từ thép
SKD61. Hiện tại các đơn vị có thiết bị thấm nitơ plasma hầu như đang thực hiện thấm theo
hướng dẫn của nhà cung cấp thiết bị nên ứng dụng còn rất hạn chế và chất lượng không ổn
định, thậm chí nhiều khi chi tiết bị phá hỏng do khuếch đại plasma.
Để đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng cho các sản phẩm có kết cấu
phức tạp như khuôn bền nóng đòi hỏi cần có hiểu biết chắc chắn về khuếch đại plasma để
tránh và hiểu biết sâu hơn cơ chế hình thành, cấu trúc lớp thấm nitơ plasma để nhận được
lớp thấm như mong muốn.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
- Xác định được điều kiện hình thành khuếch đại plasma thông qua việc xác định
chiều dày plasma giúp có hiểu biết chắc chắn hiện tượng này từ đó kiểm soát nó.
- Hoàn thiện cơ chế hình thành lớp thấm, ảnh hưởng của một số thông số công nghệ
chính đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma cho thép dụng cụ hợp kim bền nóng SKD61.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Kiểm soát được hiện tượng khuếch đại plasma, sẽ đưa công nghệ thấm nitơ plasma
vào ứng dụng trong sản xuất đễ dàng hơn, đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất với công nghệ
tiên tiến, thân thiện môi trường.
- Kiểm soát được tổ chức lớp thấm, đặc biệt lớp trắng mở ra khả năng ứng dụng công
nghệ thấm nitơ plasma cho khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61.

1

Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của nghiên cứu này là làm chủ, kiểm soát được quá trình thấm niơ plasma
trên thiết bị thấm tường nguội NITRION để không xuất hiện khuếch đại plasma và tạo được
lớp thấm niơ thép SKD61 có tính chất như mong muốn.
Những đóng góp mới của luận án (dự kiến)
1. Xây dựng phương pháp xác định chiều dày plasma từ hình ảnh cấu trúc plasma ghi
được khi sử dụng camera ghi hình qua cửa sổ quan sát.
2. Xác định được bằng thực nghiệm chiều dày plasma dc [mm] phụ thuộc áp suất p [Pa] ở
điều kiện thấm cụ thể.
3. Đề xuất sắp xếp các sản phẩm trong buồng lò đảm bảo tận dụng tối đa không gian lò và
không hình thành khuếch đại plasma.
4. Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi thiết kế thực nghiệm để nghiên cứu ảnh
hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm trong quá trình
thấm nitơ plasma thép SKD61.
5. Đề xuất khái niệm hằng số tốc độ thấm nitơ plasma K cho thép SKD61 và bằng thực
nghiệm xác định hằng số này để tính toán chiều sâu lớp thấm áp dụng trong thực tế
sản xuất.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Thu thập tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ thấm nitơ plasma từ
đó đề ra hướng nghiên cứu.
Thiết kế mẫu và quan sát, chụp ảnh plasma để xác định chiều dày plasma và điều
kiện hình thành khuếch đại plasma.
Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để thiết kế và đánh giá thực
nghiệm ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành và đặc trưng lớp thấm.
Bố cục luận án
Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
Chương 2: Phương pháp và thiết bị nghiên cứu.
Chương 3: Kết quả và bàn luận.

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp.
Danh mục các công trình đã công bố.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
Giới thiệu
Thấm nitơ plasma là một ứng dụng của plasma nguội hình thành từ môi trường hỗn
hợp khí có chứa N2 với áp suất thấp vài trăm pascal (Pa) và điện áp cao vài trăm vôn [11,
27, 36, 93, 94]. Trong điều kiện này khí bị kích thích, ion hóa tạo ra phóng điện phát sáng
vì thế xuất hiện thuật ngữ thấm nitơ phóng điện phát sáng (glow discharge nitriding) hay
thấm nitơ ion hóa (ion nitriding) hay thấm nitơ plasma (plasma nitriding). Toàn bộ quá
trình thấm nitơ plasma liên quan mật thiết tới plasma vì thế hiểu biết đầy đủ các hiện tượng
xảy ra trong quá trình hình thành và duy trì plasma giúp ta lựa chọn được các thông số
công nghệ thích hợp để dễ dàng kiểm soát và duy trì ổn định plasma. Song song với việc
kiểm soát và duy trì plasma ổn định, cần lựa chọn các thông số công nghệ thấm hợp lý để
nhận được lớp thấm có tính chất mong muốn và hiệu quả nhất.

1.1. Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma
1.1.1. Khái niệm plasma
Plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất (rắn, lỏng, khí và plasma), thực chất là hỗn
hợp khí được ion hóa. Plasma bao gồm các ion dương, điện tử tích điện âm và các phần tử
(nguyên tử, phân tử) trung tính. Các phần tử tích điện âm và dương cân bằng nhau nên hỗn
hợp này là trung tính. Do có chứa các phần tử tích điện nên plasma có có tính dẫn điện cao
[21, 23, 27, 89]. Thông thường plasma được chia thành 2 loại: plasma nhiệt độ cao và
plasma nhiệt độ thấp, tuy nhiên sự phân chia này chưa thực sự rõ ràng. Để phân biệt rõ
ràng hơn, plasma chia thành 2 nhóm: plasma cân bằng nhiệt (Local Thermal Equiblium

LTE) và plasma không cân bằng nhiệt (Non-LTE). Plasma cân bằng nhiệt được tạo ra
trong điều kiện áp suất gần bằng hoặc cao hơn áp suất khí quyển, còn plasma không cân
bằng nhiệt được hình thành ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển [14, 15, 65].
Khi áp suất cao, sẽ có nhiều va chạm giữa các phần tử trong hỗn hợp khí (nguyên
tử, phân tử, ion và điện tử) dẫn đến khả năng trao đổi năng lượng giữa các phần tử này đủ
để cân bằng nhiệt độ, nghĩa là nhiệt độ của tất cả các phần tử trong hỗn hợp khí này là như
nhau (Te = Tion=Tgas), lúc này ta có plasma cân bằng nhiệt [14, 15]. Thông thường cần một
nhiệt độ cao để hình thành plasma cân bằng nhiệt. Ví dụ, ở điều kiện áp suất khí quyển, để
tạo được plasma cân bằng nhiệt cần nhiệt độ cao khoảng 4.000oK đến 20.000oK tùy từng
loại khí [14, 15, 96], như vậy plasma cân bằng nhiệt thường là plasma nhiệt độ cao.
Trong điều kiện áp suất thấp, có ít hơn va chạm xảy ra giữa các phần tử và như thế
không có đủ sự trao đổi năng lượng cần thiết dẫn đến nhiệt độ các phần tử khác nhau. Điện
tử nhẹ hơn rất nhiều so với ion hoặc phân tử trung tính, vì thế nó rất linh hoạt, phản ứng
nhanh với sự thay đổi trường điện từ và nhận được năng lượng cao E = 1 ÷ 10 eV (trung
bình 2 eV tương đương nhiệt độ 23.000oK [14, 15]). Các phần tử trung tính có năng lượng
thấp hơn E ~ 0,025 eV (tương đương nhiệt độ môi trường 293oK). Như vậy trong trường
hợp áp suất thấp, khi đó Te >> Tion >> Tgas ta có plasma không cân bằng nhiệt [14, 15, 93].
Do nhiệt độ khí Tgas thấp hơn nhiều so với nhiệt độ điện tử từ đó nhiệt độ tổng thể của
plasma là thấp và vì thế loại plasma này còn gọi là plasma nhiệt độ thấp hay plasma khí,
plasma nguội, đây là loại plasma sử dụng trong trong quá trình thấm nitơ plasma.
Nguồn sinh ra plasma nhiệt độ thấp có thể là nguồn điện 1 chiều (Direct Current DC), ta có plasma phóng điện phát sáng một chiều (DC-GD hay DC plasma), nguồn tần số
radio (rf ~13,56 Mhz) ta có plasma tần số radio (RF plasma) và nguồn microwave 2,45
GHz ta có microwave plasma (MI plasma) [65]. Sau đây thuật ngữ plasma được hiểu là
plasma nhiệt độ thấp không cân bằng nhiệt, sinh ra bằng phóng điện phát sáng nguồn điện
một chiều.

3


Plasma nhiệt độ thấp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào chính tính

không cân bằng nhiệt của nó. Do không cân bằng nhiệt nên có nhiều phương án và khả
năng để tạo ra plasma có những tính chất khác nhau bằng cách thay đổi các thông số đầu
vào, ví dụ [40, 93]:
- Thay đổi thành phần đầu vào (thành phần các loại khí thấm).
- Thay đổi áp suất (từ 0,1 Pa đến áp suất khí quyển).
- Thay đổi cấu trúc trường điện từ.
- Thay đổi xung điện.
Plasma sinh ra trong điều kiện phóng điện phát sáng chứa các điện tử với năng
lượng trung bình khoảng (1÷10).10-17 J, cao hơn năng lượng cần thiết để phân hủy các
phần tử chứa nitơ (1,52.10-18 J) hay năng lượng để ion hóa khí nitơ (2,5.10-18 J) [40, 93].
Nhiệt độ của các điện tử này vào khoảng 104 đến 105 oK và mật độ khoảng 1015 đến 1018
điện tử/m3 [93]. Nhiệt độ của điện tử cao gấp khoảng 10 đến 100 lần nhiệt độ khí. Với
những điều kiện như vậy có thể thực hiện các phản ứng hóa học ở nhiệt độ gần nhiệt độ
môi trường trong khi các điện tử tự do và một vài ion vẫn có đủ năng lượng để phá vỡ liên
kết cộng hóa trị và châm ngòi cho quá trình tổng hợp [93].
1.1.2. Plasma phóng điện phát sáng
1.1.2.1. Sự hình thành plasma
Plasma nhiệt độ thấp được hình thành cần có ba yếu tố chính: (1) điện trường có
cường độ cao (trên vài trăm vôn), (2) môi trường khí, và (3) áp suất thấp (vài trăm Pa) [11,
36, 93]. Trong điều kiện này, tuỳ theo độ dẫn điện của khí sử dụng, giữa catôt và anôt sẽ
hình thành mật độ dòng nhất định đủ năng lượng để kích thích khí tạo ra plasma. Khác với
các phản ứng thông thường, quá trình hình thành plasma xảy ra theo cơ chế phản ứng dây
chuyền. Sự hình thành plasma được giải thích dựa vào đường cong Paschen biểu diễn quan
hệ giữa điện áp và mật độ dòng giữa 2 điện cực. Theo đường này, khi điện áp và mật độ
dòng thay đổi, một số hiện tượng sẽ lần lượt xuất hiện trong một số giai đoạn nhất định
[11, 27, 93] (Hình 1.1).

Hình 1.1. Quan hệ điện áp và dòng (đường cong Paschen) [11, 27]

Ở điều kiện bình thường trong môi trường khí, giữa 2 điện cực là môi trường cách

điện, nghĩa là không có dòng điện, tuy nhiên vẫn tồn tại các điện tử tự do. Khi cho một
4


điện áp giữa 2 điện cực, các điện tử được tăng năng lượng và va chạm với các phân tử khí
tạo ra thêm các điện tử và như vậy bắt đầu phóng điện Townsend. Khi tiếp tục tăng điện áp
xảy ra hiện tượng ion hóa các phân tử khí, ion hóa do va chạm và hình thành vùng chuyển
tiếp (vùng Corona), lúc này dòng tăng nhưng điện trở giảm làm điện áp giảm. Cứ như thế
plasma bắt đầu được hình thành ban đầu còn rất mờ gọi là vùng dưới bình thường, ở đây
mặc dù không tăng điện áp (thậm chí giảm) mà dòng điện vẫn tăng. Tiếp theo khi tăng điện
áp thì dòng điện tăng mặc dù mật độ dòng không đổi, dòng tăng do diện tích bề mặt catôt
được plasma bao phủ tăng, đây là vùng bình thường (tuân theo định luật Ôm). Tiếp tục
tăng điện áp, dòng điện cũng tăng, lúc này plasma đã bao phủ toàn bộ catôt nên dòng tăng
là do mật độ dòng tăng và đây là vùng trên bình thường. Thấm nitơ plasma được thực hiện
trong vùng này khi mà cả điện áp và dòng điện đều lớn, công suất đủ lớn. Lúc này điện áp
sẽ tăng khi dòng tăng, dòng tăng làm mật độ dòng tăng, tuy nhiên điện áp cao dễ chuyển
sang vùng hồ quang nguy hiểm [11, 27, 36].
1.1.2.2. Cấu trúc plasma
Phóng điện phát sáng dẫn đến hình thành plasma nhiệt độ thấp không cân bằng
nhiệt được đặc trưng bởi sự tồn tại của các ion, điện tử, phần tử bị kích thích, nguyên tử và
các phần tử khí làm tăng năng lượng của hệ thống này [93]. Khi plasma được hình thành,
điện áp giảm đột ngột ở vùng sát bề mặt catôt, quá trình phóng điện xảy ra giữa 2 điện cực
không đồng đều mà tạo ra các vùng khác nhau. Số lượng, chiều rộng các vùng phụ thuộc
vào nhiều thông số như điện áp, áp suất, thành phần môi trường khí.
Cấu trúc tổng quát của plasma giữa catôt và anôt được thể hiện trên hình 1.2 [89, 93].
Vùng đầu tiên ngay sát catôt được gọi là vùng tối Aston (1), đây là một lớp mỏng có mật độ
điện tử cao và trường điện mạnh và tích điện âm. Tại đây các điện tử có tốc độ ban đầu nhỏ
cỡ 1 eV, được tăng tốc nhưng vẫn chưa đạt được mức năng lượng cao đủ để tạo ra những va
chạm không đàn hồi giữa các nguyên tử và phân tử, vì thế vùng này tối [40, 89, 93]. Tiếp
ngay sau vùng này là quầng sáng catôt (2) có mật độ ion cao, và trong nhiều trường hợp có

cả nguyên tử được phún xạ từ catôt [93]. Tiếp đến là vùng tối catôt (3), ở vùng này trường
điện mạnh vừa phải và tích điện dương do hàm lượng ion cao [89]. Điện tử khi đi từ catôt
qua vùng này sẽ tích được một năng lượng lớn đủ để kích thích và ion hóa các phân tử khí và
như thế tạo ra vùng sáng gọi là vùng sáng âm (4). Vùng sáng âm là vùng sáng nhất trong
toàn bộ các vùng, sáng mạnh hơn ở phía catôt, nhạt hơn phía anôt nơi các điện tử bị chậm lại
do va chạm nhiều hơn và mất bớt năng lượng. Vùng này mật độ ion cao do vậy tích điện
dương tuy nhiên điện trường tương đối yếu [89, 93]. Do năng lượng của các điện tử qua
vùng này bị giảm từ đó làm giảm quá trình ion hóa và kích thích khí từ đó sinh ra một vùng
khác gọi là vùng tối Faraday (5). Điiên trường trong vùng này yếu và tích điện gần như âm.
Tiếp đến là một vùng sáng đồng đều được gọi là cột dương (6). Tiến gần đến anôt là vùng
sáng anôt (7), và tiếp ngay sau đó là vùng tối anôt (8), vùng này tích điện âm.
Số lượng và độ lớn các vùng phụ thuộc vào khoảng cách giữa anôt và catôt, vật liệu
catôt, thành phần khí, áp suất khí. Thông thường 3 vùng ngay sát bề mặt catôt (vùng tối
Aston, quầng sáng catôt và vùng tối catôt) được gọi chung là vùng catôt. Khi áp suất giảm
vùng catôt và vùng sáng âm rộng ra còn vùng Faraday và cột dương thu hẹp lại. Nếu
khoảng cách 2 điện cực thay đổi còn các thông số khác giữ nguyên thì chỉ có vùng cột
dương thay đổi còn các vùng khác thì không, khoảng cách tăng thì chiều rộng cột dương
tăng, khoảng cách giảm thì cột dương thu hẹp cho đến biến mất [36, 93].
Trong điều kiện thấm nitơ plasma điển hình cột dương không xuất hiện, cấu trúc
plasma thường có 3 vùng là: vùng catôt, vùng sáng âm và vùng anôt. Vùng anôt hầu như
không tham gia vào quá trình thấm, từ góc độ quá trình hoạt hóa và hình thành lớp thấm
nitơ, vùng catôt là vùng có ý nghĩa quan trọng nhất [40, 93].

5


Hình 1.2. Cấu trúc plasma điển hình [89]
(1): Vùng tối Aston
(2): Quầng sáng Catôt
(3): Vùng tối Catôt

(4): Vùng sáng âm
(5): Vùng tối Faraday
(6): Cột dương

(7): Vùng sáng Anôt
(8): Vùng tối nôt

1.1.2.3. Vùng catôt
Vùng catôt là vùng giữa bề mặt catôt và điểm cuối của vùng tối catôt (điểm đầu của
vùng sáng âm, hình 1.2). Khoảng cách từ bề mặt catôt cho đến điểm cuối vùng catôt được
gọi là chiều dày vùng catôt hay chiều dày plasma, đây là một thông số quan trọng liên quan
đến khả năng xâm nhập của plasma vào các khe hở. Trong vùng này, điện áp tổng giảm đột
ngột, và sự giảm điện áp trong vùng catôt được gọi là giảm điện áp catôt. Do chiều rộng
vùng catôt tương đối nhỏ nên sự giảm điện áp này tạo ra một điện trường tương đối mạnh.
Với điện trường này các điện tử nhẹ hơn dễ dàng rời khỏi vùng này, các ion dương nặng
hơn ở lại do vậy vùng này tích điện dương. Như vậy, đặc trưng vùng catôt là: điện áp thay
đổi lớn, điện trường mạnh và tích điện dương.
Khi plasma chưa phủ kín toàn bộ bề mặt catôt, điện áp tăng mặc dù dòng tăng nhưng
mật độ dòng không thay đổi do lúc này diện tích plasma phủ cũng tăng, lúc này là giai đoạn
phóng điện bình thường. Chuyển sang giai đoạn phóng điện trên bình thường, cả dòng và
mật độ dòng đều thay đổi theo điện áp do plasma đã bao phủ toàn bộ bề mặt catôt (diện tích
phủ không đổi). Lúc này, dòng tăng thì mật độ dòng tăng làm nung nóng catôt đến nhiệt độ
thấm và thấm nitơ plasma được thực hiện trong điều kiện này (hình 1.1) [11, 27, 36, 93].
6


1.1.3. Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma
1.1.3.1. Plasma N2-H2 sử dụng trong thấm nitơ plasma
Plasma sử dụng để thấm nitơ là plasma được hình thành dưới điện áp cao

(400 ÷ 800V), áp suất thấp (50 ÷ 1000 Pa), trong môi trường khí (khí N2 + H2 và một lượng
nhỏ khí khác). Trong điều kiện này, khí bị ion hóa tạo ra các phần tử hoạt tính bao gồm các
điện tử, các ion, các phần tử bị khích thích và các phân tử trung tính được gọi là plasma. Các
ion dương dưới tác dụng của điện trường chuyển động đến catôt, bắn phá catôt chuyển năng
lượng đến catôt làm catôt được nung nóng dẫn đến môi trường khí quanh catôt cũng nóng lên
từ đó làm giảm mật độ khí, gây ra sự thay đổi đặc tính điện thế - dòng và thay đổi chiều rộng
vùng catôt.
Hình thái plasma hình thành bằng quá trình phóng điện có thể được chia thành 4
vùng A, B, C, D như trên hình 1.3 [107]. Có thể thấy hình thái plasma phụ thuộc rất lớn
vào điện áp và áp suất, thấm nitơ plasma thông thường được thực hiện trong vùng D. Có
thể thấy, điện áp, áp suất khí và mật độ dòng có mối quan hệ mật thiết với nhau. Mật độ
dòng kiểm soát lượng khí được ion hóa để bắn phá catốt vì thế ảnh hưởng đến nhiệt độ
catôt, mật độ dòng cao năng lượng nung nóng catôt lớn và ngược lại. Để có mật độ dòng
không đổi, trong điều kiên áp suất cao thì sử dụng điện áp thấp, không nên sử dụng điện áp
cao vì dễ có khả năng xuất hiện hồ quang rất nguy hiểm.

Hình 1.3. Quan hệ giữa áp suất và điện áp sử dụng trong thấm nitơ plasma [107]

Quan hệ giữa điện áp và dòng điện ở các áp suất khác nhau ở nhiệt độ 500oC, khí
thấm 100% N2 được trình bày trên hình 1.4 [36]. Có thể thấy áp suất có ảnh hưởng rất lớn
đến điện áp và dòng điện, cùng một điện áp, áp suất cao thì dòng điện cao và ngược lại, khi
áp suất thấp cần phải có một điện áp cao để sinh ra cường độ dòng điện lớn đủ duy trì nhiệt
độ catôt không đổi.

7


Hình 1.4. Quan hệ điện áp – dòng với áp suất khác nhau [36].

Dòng điện, mật độ dòng còn chịu ảnh hưởng bởi thành phần khí thấm, trong cùng

một điều kiện về điện áp và áp suất, khí nặng hơn như N2 sẽ cho mật độ dòng cao hơn khí
nhẹ hơn như H2. Theo [62], trong hỗn hợp khí N2 + H2, khi tăng hàm lượng %H2 đến một
giá trị nào đó sẽ dẫn đến tăng dòng, tăng mật độ dòng và làm tăng nhiệt độ catôt, tuy nhiên
nếu tăng tiếp hàm lượng % H2 thì mật độ dòng và nhiệt độ catôt sẽ giảm. Giá trị %H2 mà ở
đó mật độ dòng đạt cực đại phụ thuộc chủ yếu vào áp suất môi trường thấm. Cùng một
thành phần khí thấm, dưới một điện áp nhất định, áp suất càng cao thì mật độ dòng càng
cao và như vậy nhiệt độ catôt cũng càng cao. Theo [96], mật độ dòng có thể được điều
chỉnh bằng cách thay đổi một số yếu tố của quá trình thấm như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của một yếu tố lên mật độ dòng [96]

Hƣớng giảm mật độ dòng

←

→ Hƣớng tăng mật độ dòng

Tăng hydro

Tăng nitơ

Tăng methan

Tăng áp suất

Giảm chu kỳ làm việc

Tăng điện áp

Điện áp giữa anôt và catôt cũng như điện áp giảm catôt là hàm số được điều chỉnh
phụ thuộc vào áp suất. Áp suất khí thấm còn ảnh hưởng trực tiếp và quyết định đến chiều

dày plasma, một thông số liên quan trực tiếp đến hiện tượng khuếch đại plasma. Áp suất
cao, chiều dày plasma giảm, vùng sáng âm ôm sát bề mặt vật thấm, nếu giảm áp suất chiều
dày plasma tăng và vùng sáng âm mờ đi. Tuy nhiên khi áp suất cao thì khả năng xuất hiện
hồ quang là cao nên rất nguy hiểm [36, 38, 54, 62]. Theo [107], điện áp thay đổi không
nhiều khi áp suất lớn hơn 800 Pa, còn điện áp giảm catốt thì giảm đáng kể khi áp suất tăng.
Ngược lại, trong vùng mà áp suất nhỏ hơn 800 Pa, cả 2 đại lượng này đều tăng nhanh khi
áp suất giảm. Hạ điện áp giảm catôt sẽ tăng năng lượng ion bắn phá (phún xạ) bề mặt giúp
hoạt hóa bề mặt thấm. Đây có thể là lý do thấm nitơ plasma thường được thực hiện với áp
suất < 800 Pa.
8


Hiện nay hầu hết các thiết bị thấm nitơ plasma đều sử dụng nguồn xung cho phép
điều chỉnh năng lượng plasma thông qua đại lượng gọi là chu kỳ làm việc. Chu kỳ làm việc
tw được định nghĩa là tỷ số giữa thời gian xung đóng ton trên tổng thời gian xung đóng và
xung ngắt toff (tw= ton / ton+ toff). Khi tạo plasma xung, ngay sau khi hình thành plasma điện
áp giảm xuống ngay lập tức. Như vậy có thể tạo được plasma ổn định ngay cả với những
điều kiện không thuận lợi nhất như áp suất cao. Với thiết bị thấm nitơ plasma hiện đại,
thông qua máy tính cho phép điều khiển điện áp, chu kỳ xung, thời gian đóng ngắt xung
đảm bảo duy trì ổn định plasma và như vậy giúp ổn định nhiệt độ.
1.1.3.2. Cấu trúc ion trong vùng catốt
Sự hình thành các phần tử hoạt tính có chứa nitơ có ý nghĩa quyết định đến quá
trình thấm nitơ plasma. Nói cách khác, để có thể thấm nitơ điều đầu tiên là hình thành
plasma có các cá thể hoạt tính có chứa nitơ. Với plasma hỗn hợp khí (N2+ H2), các phần tử
hoạt tính sinh ra giữa anôt và catôt bao gồm ion, nguyên tử, các nguyên tử phần tử được
kích thích như N, N+, N2, N2+, NH, NH+, NH2+, NH3+, N2H2, H [11, 17, 18, 21, 36, 54, 70,
73, 89]. Theo [54], tỷ lệ nguyên tử N và phân tử N2 cũng như tỷ lệ giữa N+ và N2+ tăng khi
càng gần catôt. Tỷ lệ các ion đến catôt phụ thuộc rất lớn vào thành phần và áp suất khí
thấm. Theo [93], trong điều kiện thấm nitơ với khí N2 áp suất 800 Pa, các ion N+ và N2+
xuất hiện đầu tiên trong tất cả các ion, trong đó ion N+ chiếm 50% trong tất cả ion ở sát bề

mặt catôt. Hơn nữa mật độ các ion dương hình thành trong vùng catôt khoảng 109 đến 1011
ion/cm3 ở nhiệt độ 450 oC đến 555 oC, trong khi mật độ của các phần tử trung tính là 1016
đến 1017/cm3. Năng lượng trung bình của các ion nguyên tử N+ khi đến catôt là khoảng
9,6.10-18 J khi áp suất trong buồng là 800 Pa [93].
Với plasma hỗn hợp khí N2 + H2 có cho thêm Ar, tỷ lệ các ion ở vùng catốt với
thành phần khí khác nhau được thể hiện trong bảng 1.2 [93].
Bảng 1.2. Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa [93]

Loại
Ion
H+
N+
NH+
NH2+
NH3+
NH4+
N2+
N2H2+
Ar+

N2
20%

Hỗn hợp khí với thành phần % khí khác nhau
Ar
H2
N2
Ar
H2
N2

Ar
0
80%
20%
66%
14%
20%
80%
86,6
78,6
0
0,05
1,8
48,6
0,16
4,3
0
1,62
3,4
0
6,8
7,0
0
2,8
2,9
0
0,02
0,1
18,3
1,04

0,64
0
0
1,2
32,7

H2
0

Trong quá trình ion hóa, hàm lượng các phần tử hoạt tính tạo ra không những phụ
thuộc vào thành phần khí mà còn phụ thuộc vào điện áp và áp suất. Khi tăng điện áp từ
100 V lên 400 V với áp suất không đổi sẽ làm tăng hàm lượng nguyên tử nitơ lên 10 lần.
Hàm lượng các ion trong điều kiện áp suất 133 Pa và điện áp 800 V với thành phần khí
khác nhau như sau [93]:
- Với hỗn hợp khí 99% N2 và 1% H2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (15,1%), N2+
(40,0%), H2+ (5,1%), H+ (11,7%).
- Với hỗn hợp khí 75% N2 và 25% H2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (30,0%), H2+
(13,0%), H+ (17,0%).
- Với hỗn hợp khí 100% N2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (16,8%), N2+ (55,5%).

9


Tóm lại, các phần tử hoạt tính hình thành trong quá trình phóng điện trong môi
trường H2 - N2 rất đa dạng, thay đổi tỷ lệ (H2 : N2), thay đổi áp suất, thay đổi nhiệt độ thấm
sẽ làm thay đổi tỷ lệ các phần tử hoạt tính được tạo ra và như thế sẽ làm thay đổi hành vi
thấm nitơ. Đây là một trong những ưu điểm của công nghệ thấm nitơ plasma cho phép thay
đổi một số thông số công nghệ thích hợp để tạo ra lớp thấm có những tính chất mong
muốn, như tạo lớp thấm với lớp trắng đơn pha hay thấm không lớp trắng.
1.1.4. Một số hiện tƣợng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma

Đặc thù riêng của công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị tường nguội là nguồn
nhiệt cung cấp được sinh ra ngay chính trên bề mặt chi tiết. Trong điều kiện thấm nitơ
plasma áp suất thấp quá trình trao đổi nhiệt trong buồng lò chủ yếu theo cơ chế bức xạ.
Đồng đều nhiệt độ là một vấn đề có ý nghĩa sống còn trong quá trình thấm nitơ plasma, đặc
biệt thấm những chi tiết phức tạp. Hình dạng, kích thước, vị trí cần được lưu ý khi sắp xếp
vật thấm trong buồng lò để đảm bảo sự không đồng đều nhiệt thấp nhất. Do plasma được
hình thành ngay trên bề mặt vật thấm nên các hiện tượng liên quan tới plasma ảnh hưởng
rất lớn đến vật thấm. Khuếch đại plasma và hồ quang điện là hai hiện tượng có thể xuất
hiện gây nung nóng cục bộ phá hỏng chi tiết thấm trong quá trình thấm nitơ plasma.
1.1.4.1. Hiện tượng khuếch đại plasma
Plasma hình thành trong quá trình thấm được duy trì bởi các điện tử sinh ra trong
vùng catôt do quá trình ion bắn phá catôt giải phóng ra. Bình thường, các điện tử chuyển
động ra khỏi bề mặt catôt qua các vùng khác nhau để đến anôt, khả năng va chạm với các
phần tử trung tính là thấp. Trong trường hợp, khi 2 catôt đối diện nhau với khoảng cách đủ
nhỏ, electron chuyển động thoát khỏi catôt này thì gặp phải catôt kia và bị bật trở lại catôt
ban đầu. Chuyển động qua lại giữa 2 catôt, các electron có được động năng lớn, va chạm
với các phần tử trung tính làm ion hóa bổ sung làm tăng mật độ điện tử (có thể lên tới 1015
so với bình thường 1012 ÷ 1013 [36]) và làm tăng đột ngột mật độ dòng j từ đó xuất hiện
khuếch đại plasma. Hậu quả của nó là nhiệt độ tăng rất cao dẫn đến nóng cục bộ catôt
trong thời gian ngắn có thể gây cháy xém, thậm chí chảy bề mặt.
Sự xuất hiện khuếch đại plasma phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bề mặt catốt
và chiều dày vùng tối catốt hay còn gọi là chiều dày plasma. Chiều dày này được định
nghĩa là khoảng cách từ bề mặt catốt đến điểm bắt đầu của vùng sáng âm. Chiều dày
plasma quyết định xem plasma có thâm nhập vào khe hở giữa các bề mặt, có hình thành
khuếch đại plasma hay không. Chiều dày plasma phụ thuộc vào các điều kiện thấm, đặc
biệt là thành phần và áp suất môi trường thấm. Sự phụ thuộc của chiều dày plasma theo áp
suất thể hiện bằng công thức thực nghiệm [38]:
dc 

C



p

D
I

(1.1)

Trong đó: p là áp suất, I là cường dòng điện còn C và D là 2 hằng số thực nghiệm.
Khi điện áp không đổi thì cường độ dòng điện I không đổi và do đó, chiều dày
plasma có thể được tính theo công thức [38]:
dc  A 

B
p

(1.2)

Trong đó: p là áp suất, còn A và B là 2 hằng số được xác định bằng thực nghiệm
Các yếu tố còn lại như nhiệt độ, thành phần khí thấm, chu kỳ điện áp (xung on,
xung off ) được phản ảnh qua 2 hằng số A, B ứng với từng điều kiện thấm cụ thể. Trong
trường hợp chiều dày plasma dc = (2 ÷ 20) mm thì hằng số A xấp xỉ bằng 1 [38]. Tác giả
[62] đã nghiên cứu và đưa ra kết luận, chiều dày plasma lớn khi áp suất thấp, %H2 cao,
nhiệt độ cao, điện áp và mật độ dòng cao.

10

Trong quá trình thấm, khuếch đại plasma có thể xuất hiện khi tồn tại những cặp
catôt có bề mặt đối diện nhau với một khoảng cách nhất định nào đó. Nếu chiều dày
plasma là dc và khoảng cách giữa các bề mặt catôt (khe hở hay đường kính lỗ) là , khi
thấm sẽ có các khả năng sau xảy ra (hình 1.5) [36]:
- Trường hợp D1, lúc này  < 2 dc: plasma không thâm nhập vào trong lỗ, mặt
trong lỗ không được tiếp xúc với môi trường thấm (plasma) nên không được thấm.
- Trường hợp D2, lúc này 2 dc <  < 4 dc: plasma hình thành trên các bề mặt đối
diện có vùng sáng âm chồng lên nhau, khả năng xuất hiện khuếch đại plasma.
- Trường hợp D3, lúc này  > 4 dc: plasma thâm nhập vào bên trong và vùng sáng
âm tách nhau ra, không còn khả năng xuất hiện khuếch đại plasma và bề mặt trong lỗ lúc
này tiếp xúc được với plasma do đó bề mặt này được thấm.

Hình 1.5. Hình ảnh plasma với các kích thước lỗ khác nhau [36]

Có thể thấy, hiện tượng khuếch đại plasma phụ thuộc vào tương quan kích thước
khe hở hay đường kính lỗ của catốt và chiều dày plasma. Trường hợp mô tả trên chỉ ứng
với một điều kiện thấm nhất định về nhiệt độ, áp suất và thành phần khí thấm. Khi thay đổi
bất kỳ một thông số nào thì chiều dày plasma dc sẽ thay đổi do đó các kích thước để hình
thành khuếch đại plasma cũng sẽ thay đổi. Ngoài ra, khi sử dụng plasma xung có thể điều
khiển chu kỳ xung làm việc tw để hạn chế xuất hiện khuếch đại plasma. Khi giảm chu kỳ
xung làm việc thì giới hạn xuất hiện khuếch đại plasma có thể thu hẹp, chu kỳ xung làm
việc càng thấp thì càng ít khả năng xuất hiện khuếch đại plasma [54].
Như vậy có thể nói, khuếch đại plasma có thể xuất hiện ở nhiệt độ này, áp suất này
thành phần khí này với chu kỳ xung làm việc này nhưng không xuất hiện ở điều kiện khác.
Điều này là rất quan trọng để chúng ta chọn các thông số hợp lý khi thấm các chi tiết có
hình dáng phức tạp. Về nguyên tắc, chiều dày plasma lớn khi nhiệt độ thấm cao, hàm
lượng khí hydro cao, chu kỳ xung làm việc cao nhưng áp suất thấp [107]. Ngoài ra, chiều
dày plasma có thể điều chỉnh giảm bằng cách cho thêm Ar vào hỗn hợp khí thấm [62, 27].
Hình 1.6 biểu diễn mối liên quan giữa áp suất và đường kính lỗ hay khoảng cách khe hở
đến sự hình thành (hay không hình thành) khuếch đại trong điều kiện khí thấm NH3 (25%

N2 + 75% H2), điện áp (600÷800) V, nhiệt độ thấm 500 oC trên thiết bị thấm nitơ plasma
xung [74].

11


Hình 1.6. Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở khác nhau [74]

Thông thường với vật liệu thấm và yêu cầu lớp thấm cho trước thì các thông số về
nhiệt độ, thành phần khí thấm đã được xác định, kiểm soát chiều dày plasma để tránh
khuếch đại plasma chủ yếu thông qua điều chỉnh áp suất thấm. Khi thấm, nếu không cần
thấm các lỗ hay khe hở hẹp thì che đậy các vị trí này và nên chọn áp suất để chiều dày
plasma dc khoảng 6 mm là tốt nhất [46]. Khi thấm các sản phẩm có lỗ hay khe hở, cần
tăng dần áp suất để plasma xâm nhập được vào các vị trí đó, cần lưu ý chọn áp suất hợp
lý để tránh hiện tượng khuếch đại plasma.
1.1.4.2. Hiện tượng hồ quang
Hồ quang hình thành làm nung nóng cục bộ chi tiết thấm, rất nguy hiểm và thường
xảy ra ở vùng áp suất tương đương áp suất thấm nitơ plasma vì thế cần đặc biệt lưu ý [36].
Có nhiều lý thuyết giải thích hiện tượng này, hầu như tất cả đều thống nhất rằng, hồ quang
sinh ra là do tạp chất hoặc sự không đồng nhất bề mặt catôt gây ra (hình 1.7). Quá trình
hình thành hồ quang dựa trên tương tác giữa bề mặt chứa các tạp chất với quá trình phóng
điện phát sáng. Bình thường có một vùng tối catôt ngăn cách vùng sáng âm với catôt. Khi
có tạp chất hay một màng trên bề mặt catôt nó sẽ làm thay đổi vùng sáng âm cũng như
vùng tối này. Nếu những tạp chất này có kích thước nhỏ hơn chiều dày vùng catôt, thì ảnh
hưởng của nó có thể bỏ qua. Tuy nhiên, nếu kích thước này lớn hơn thì sẽ gây ra hiện
tượng phóng điện hồ quang. Điều này đặc biệt lưu ý khi thấm gang hay vật liệu thiêu kết vì
các hạt graphit trong gang hay hạt thép trong sản phẩm thiêu kết có thể hoạt động như là
những tạp chất.
Khi một phần bề mặt catôt dẫn điện kém (ví dụ bị bẩn, tạp chất), vùng này bị tích
điện và điện áp tăng đột ngột mà dòng không tăng. Lúc này sẽ xuất hiện phóng hồ quang

và nhiệt độ tăng đột ngột gây nóng chảy cục bộ. Tuy nhiên, nếu kiểm soát chặt chẽ thì
phóng điện hồ quang một vài điểm có thể giúp làm sạch bề mặt, nhưng cần đặc biệt lưu ý
kiểm soát quá trình này và trong mọi trường hợp, không được dùng cách này để thay thế
quá trình làm sạch bề mặt sản phẩm trước khi thấm.
Hồ quang là hiện tượng rất nguy hiểm, áp suất càng cao, càng dễ xảy ra hiện tượng
hồ quang và cường độ hồ quang tỷ lệ thuận với áp suất môi trường. Với áp suất thấm nitơ
plasma thông thường, phóng điện hồ quang có thể xảy ra với bất cứ khi nào các yếu tố
khác thuận lợi, tuy nhiên áp suất càng cao khả năng xuất hiện hồ quang càng cao và mức
độ nguy hiểm càng lớn. Xét về áp suất có thể giải thích như sau: plasma trong điều kiện
thấm nitơ plasma là plasma không cân bằng nhiệt, ở áp suất thấp nhiệt độ của các điện tử
Te cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ khí Tg. Khi áp suất tăng các điện tử va chạm nhiều
hơn với các nguyên tử và vì thế mất nhiều năng lượng cho nguyên tử. Kết quả là nhiệt độ

12


điện tử giảm còn nhiệt độ khí tăng, đến một mức áp suất nào đấy sẽ xảy ra cân bằng nhiệt
và phóng điện hồ quang. Với các thiết bị thấm nitơ plasma hiện đại bao giờ cũng có
sensor phát hiện hồ quang.

Hình 1.7. Mô tả sự phóng điện hồ quang [36]

1.2. Công nghệ thấm nitơ plasma
1.2.1. Lịch sử phát triển
Thấm nitơ plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý người Đức, Dr. Wehnheldt vào năm
1932. Sau đó Wehnheldt và nhà vật lý Dr. Bernhard Berghaus cùng nhau nghiên cứu công
nghệ này và thành lập công ty Klocker Ionen GmbH, chế tạo thiết bị thấm nitơ plasma.
Công nghệ thấm nitơ plasma của Wehnheldt và Berghaus đã thành công trong các ngành
công nghiệp Đức trong suốt chiến tranh thế giới thứ II. Năm 1950, nhà vật lý Dr. Claude
Jones và Dr. Derek Sturges cùng với Stuart Martin phát triển công nghệ thấm nitơ plasma

đầu tiên ở Mỹ. Mặc dù vậy công nghệ thấm nitơ plasma vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi
vì công nghệ này bị coi là quá phức tạp, quá đắt và không đáng tin cậy. Mãi đến năm 1970,
công nghệ này mới được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là ở Châu Âu
[11, 27, 69, 89].
1.2.1.1. Công nghệ thấm nitơ plasma
Thấm nitơ plasma được thực hiện trên hệ thống thiết bị được sơ đồ hóa trên hình
1.8. Sản phẩm cần thấm đóng vai trò catốt được đặt trong buồng chân không, thành
buồng là anôt. Catôt chịu điện áp cao và được nung nóng nhờ năng lượng bắn phá trực
tiếp của các ion lên bề mặt. Plasma hình thành trên bề mặt catôt được duy trì bởi các điện
tử sinh ra trong vùng catôt do quá trình ion bắn phá catốt. Thông thường nguồn tạo
plasma trong các thiết bị thấm nitơ plasma là nguôn điện một chiều (DC) hoặc DC xung,
từ đó ta có thấm nitơ plasma dòng một chiều (DCPN) và thấm nitơ plasma xung (PPN).
Hiện nay hầu hết các thiết bị sử dụng nguồn DC xung nên khi nói thấm nitơ plasma
thường hiểu là thấm nitơ plasma xung.
Nhìn chung thấm nitơ plasma được thực hiện với điện áp trong khoảng (400 ÷
800) V, môi trường là hỗn hợp khí N2, H2 và số khí khác và áp suất thấm khoảng (50
÷1000) Pa [91, 71]. Có 2 công nghệ cơ bản: công nghệ tường nóng (Hot Wall
Technology) và công nghệ tường nguội (Cold Wall Technology). Hai công nghệ này có
bản chất quá trình thấm là như nhau, môi trường thấm là plasma sinh ra ngay trên bề mặt
vật thấm. Tuy nhiên công nghệ tường nóng có thêm bộ phận điện trở để nung nóng,
nguồn plasma chỉ dùng để thấm nên mật độ dòng nhỏ khoảng 0,2 mA/cm 2. Công nghệ
tường nguội sử dụng năng lượng plasma vừa để nung nóng vật thấm vừa để thấm nên đòi
hỏi nguồn lớn hơn, mật độ dòng khoảng 5 mA/cm 2 [36, 74].

13