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

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


Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ plasma (DCPN, PPN) [73]
Công nghệ tường nóng có ưu điểm sử dụng nguồn plasma công suất nhỏ chỉ để cho
quá trình thấm nitơ. Tuy nhiên vấn đề đặt ra trong quá trình thấm là đồng thời phải điều
khiển cả 2 quá trình, nung nóng và thấm nên phức tạp hơn. Công nghệ tường nguội, tường
buồng chân không gồm 2 lớp được làm nguội bằng nước vì thế gọi là tường nguội. Để
nung nóng sản phẩm bằng plasma cần nguồn năng lượng plasma lớn gấp nhiều lần năng
lượng cần thiết để thấm nitơ. Vì thế công nghệ tường nguội thường đòi hỏi công suất
plasma lớn do đó dòng điện lớn. Hiện nay với công nghệ bán dẫn phát triển cùng với việc
sử dụng nguồn xung với dòng lên tới 2000 A, việc sử dụng công nghệ tường nguội trở nên
dễ dàng hơn [74].
Trong công nghệ thấm nitơ plasma, sản phẩm thấm đóng vai trò catôt vì thế sản
phẩm tham gia trực tiếp vào việc hình thành plasma. Với điện áp khoảng (400÷800) V,
áp suất thấm (200÷800) Pa rất nhạy với phóng điện hồ quang và khuếch đại plasma. Để

hạn chế các nhược điểm vừa nêu, nguồn điện một chiều (DC) xung được sử dụng thay
thế nguồn DC đơn thuần. Xung có tác dụng giảm năng lượng lên catôt và như thế cải
thiện khả năng đồng đều nhiệt và hạn chế các hiện tượng vừa nêu. Với cùng một mức
năng lượng trung bình, nguồn DC xung tạo năng lượng cực đại của mỗi xung cao hơn
năng lượng xung của nguồn DC thông thường. Plasma xung cho phép phủ kín bề mặt
thấm với năng lượng cực đại cao nhưng năng lượng trung bình thấp và như thế có thể
tránh được nung nóng cục bộ [36]. Hiện nay tất cả các thiết bị công nghiệp đều sử dụng
nguồn DC xung. Với nguồn DC xung có thể tạo được plasma ổn định ngay cả với những
điều kiện không thuận lợi (áp suất cao, khoảng cách catôt-anôt lớn) [96].
1.2.1.2. Thấm nitơ sau phóng điện (PDN)
Do những hạn chế của công nghệ thấm nitơ plasma, nhiều nghiên cứu cố gắng tìm
ra phương pháp mới. Một trong những phương pháp đó là PDN, với sơ đồ nguyên lý được
thể hiện trên hình 1.9.

14


Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN [73]

Công nghệ này sử dụng nguồn tạo plasma thông thường là nguồn microwave (tần
số 2,45GHz). Plasma được tạo ra trong 1 ống thạch anh, dòng khí thấm có nhiệm vụ vận
chuyển các phần tử tích điện và những phần tử trung tính (khí bị kích thích bởi plasma)
đến bề mặt cần thấm. Trong trường hợp này không hề có một điện áp nào được đặt lên sản
phẩm, do đó các phần tử tích điện không có lợi thế hơn các phần tử trung tính. Thông
thường sản phẩm được nung nóng bằng một nguồn năng lượng khác trong buồng chân
không gần với nguồn nitơ plasma với khoảng cách tối đa khoảng 1 m [73]. Với phương
pháp thấm này cần điều khiển tốc độ dòng khí đủ lớn và khoảng cách nguồn nitơ plasma và
sản phẩm đủ nhỏ để đưa các phần tử hoạt tính đến được bề mặt thấm trước khi chúng đánh mất
động năng. Phương pháp này khó có thể cho ta lớp thấm đồng đều và khó thực hiện trong công
nghiệp do đó phương pháp này hiện nay chưa được ứng dụng trong sản xuất.

1.2.1.3. Thấm nitơ màn chủ động ASPN
Những hạn chế của công nghệ thấm nitơ plasma nguồn một chiều chủ yếu do điện
áp cao trực tiếp lên chi tiết. Để hạn chế nhược điểm này, năm 2000 người ta đã phát minh
ra công nghệ ASPN, sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1.10.
Công nghệ ASPN thực chất là kết hợp 2 phương pháp DCPN và PDN. Khác với
DCPN hay PPN, trong công nghệ ASPN chi tiết thấm được đặt cách điện trong hộp làm từ
lưới thép, hộp này gọi là màn chủ động và đóng vai trò là catôt. Chi tiết thấm có thể được
nối với nguồn điện âm (100÷200) V, hoặc được nối đất.
Như vậy trong công nghệ ASPN, plasma được tạo ra trên bề mặt lưới chứ không
phải trực tiếp trên bề mặt chi tiết. Plasma nung nóng lưới và từ đây bằng bức xạ nhiệt nung
nóng sản phẩm thấm. Plasma được tạo ra trên bề mặt lưới được điều khiển làm sao để đi
qua bề mặt vật thấm như vậy sẽ vận chuyển nitơ từ plasma lên trên bề mặt thấm. Do
plasma không trực tiếp hình thành trên bề mặt sản phẩm, nên trong quá trình thấm không
xuất hiện các hiện tượng khuếch đại plasma, hồ quang.
Công nghệ ASPN không phải không có những nhược điểm, nhược điểm lớn nhất
là ảnh hưởng của khoảng cách từ bề mặt lưới đến bề mặt cần thấm. Với khoảng cách
khác nhau thì khả năng thấm rất khác nhau. Hiện nay công nghệ này chưa được ứng
dụng rộng rãi tuy nhiên rất hứa hẹn. Đây cũng là một phương pháp cần được quan tâm
nghiên cứu.

15


Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ màn chủ động ASPN [73]

1.2.2. Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma
1.2.2.1. Các tương tác trong quá trình thấm
Khi các phần tử hoạt tính chứa nitơ được hình thành trong plasma tiếp xúc bề mặt
thấm, với các điều kiện hóa lý nhiệt nhất định, quá trình thấm nitơ sẽ xảy ra. Các tương tác
xảy ra đồng thời trong plasma, trên bề mặt vật thấm tiếp xúc với plasma (hình 1.11). Trong

quá trình thấm nitơ plasma, các ion bắn phá bề mặt catôt (vật thấm) một mặt cung cấp nitơ
từ plasma lên bề mặt làm tăng hàm lượng nitơ trên bề mặt để hình thành lớp trắng và là
động lực cho quá trình khuếch tán nitơ để hình thành lớp thấm, mặt khác có hiệu ứng phún
xạ có thể làm giảm hàm lượng nitơ trên bề mặt.

Hình 1.11. Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma [83].

Các ion năng lượng cao bắn phá bề mặt catôt có thể gây ra các hiệu ứng sau [93]:
- Giải phóng các nguyên tử trên bề mặt catôt (bốc bay các tạp chất đã hấp phụ trên
bề mặt, phân hủy các phần tử khí được hấp thụ trên bề mặt), hiện tượng này được gọi là

16


phún xạ. Các điện tử thứ cấp cũng có thể được đẩy ra từ bề mặt chi tiết, các điện tử này có
đủ năng lượng để ion hóa khí, đảm bảo việc duy trì plasma.
- Khi va chạm với bề mặt thấm, các ion có thể gây ra một hiệu ứng va chạm giữa các
nguyên tử trong mạng tinh thể, tổ chức lại cấu trúc của vật liệu, tạo ra các khuyết tật và xô lệch
mạng trong vùng lân cận của điểm bị tác động, những sai lệch này đóng góp đáng kể đến
khuếch tán của nitơ. Các ion cũng có thể được phản xạ ngược lại do mất mát năng lượng.
- Các ion có thể đi sâu vào trong cấu trúc mạng tinh thể của bề mặt catôt, hiện
tượng này gọi là cấy ion, tuy nhiên hiếm khi xảy ra ở thấm nitơ vì cấy ion đòi hỏi năng
lương cao hơn nhiều so với năng lượng ion có trong thấm nitơ plasma. Năng lượng của ion
trong thấm nitơ plasma một phần để làm nóng catôt, một phần khác mất đi bởi bức xạ hoặc
truyền cho tường lò (thành buồng làm việc).
1.2.2.2. Cơ chế thấm nitơ plasma
Cơ chế thấm nitơ plasma khác với các quá trình thấm nitơ khác chủ yếu ở quá trình
vận chuyển nitơ từ môi trường thấm (plasma) vào bề mặt thấm. Các quá trình xảy ra trong
thấm nitơ plasma luôn có tác động của điện trường điện áp 1 chiều, có các ion luôn bắn
phá bề mặt thấm sinh ra quá trình phún xạ (ngoại trừ phương pháp ASPN không có quá

trình phún xạ bề mặt thấm). Quá trình phún xạ ngoài tác dụng làm làm sạch và hoạt hóa bề
mặt còn lấy bớt nitơ ra khỏi bề mặt, đây là một điểm khác biệt nữa của thấm nitơ plasma.
Quá trình phún xạ tạo ra một lượng lớn các ô trống hay lệch mạng, vì thế quá trình khuếch
tán ở trên bề mặt tiếp xúc với plasma xảy ra nhanh hơn so quá trình khuếch tán thông
thường [93].
Cơ chế thấm nitơ plasma còn nhiều ý kiến, thậm chí còn trái ngược nhau, tuy nhiên
có sự đồng thuận chung là các ion chứa nitơ như N+, N2+, NH+, NH2+ cũng như các nguyên
tử N, H và phân tử nitơ trung tính được kích thích N2 (x, v), đóng vai trò quyết định trong
quá trình hình thành lớp thấm [35, 36, 93]. Quá trình vận chuyển nitơ có thể thực hiện theo
2 cách hoặc là do tích tụ các nguyên tử nitơ hoạt tính ngay trên bề mặt thấm, hoặc là liên
kết với nguyên tử sắt được phún xạ ra khỏi bề mặt để tạo thành nitơrit và sau đó quay trở
lại bề mặt [11, 27, 93]. Nhiều nghiên cứu và nhiều giả thiết, mô hình được đưa ra để mô tả cơ
chế thấm nitơ plasma. Đầu tiên và được chấp thuận nhiều nhất là cơ chế phún xạ được mô tả
theo mô hình Kolbel (hình 1.12) [11, 27, 93].
Cơ chế này có thể được mô tả như sau: hỗn hợp khí có chứa nitơ sau khi bị ion hoá
tạo ra những ion mang điện tích dương và những phần tử bị kích thích. Các ion dương
được tăng tốc trong vùng catôt, bắn phá catôt làm Fe phún xạ ra khỏi bề mặt, gây ra phát
xạ điện tử và làm nóng catôt. Các nguyên tử kết hợp với nitơ nguyên tử tạo ra các nitơrit
quay trở lại bề mặt catôt. Trong trường hợp catôt là thép các phản ứng xảy ra trên bề mặt
tiếp xúc plasma lần lượt như sau:
Phản ứng 1. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử tự do được tăng tốc và đạt
năng lượng đủ để kích thích các phân tử khí N2 tạo ra ion và nguyên tử nitơ:
e–→N2 → N+ + N + 2e–
Phản ứng 2. Các ion bắn phá catôt làm sắt (Fe) và các tạp chất khác bị phún xạ ra
khỏi bề mặt catôt. Các tạp chất được thoát khỏi bề mặt làm cho bề mặt sạch hơn tạo điều
kiện để nitơ khuếch tán qua bề mặt. Quá trình này gọi là phún xạ.
N+→Bề mặt catôt → Fe và tạp chất được phún xạ.
Phản ứng 3. Fe được phún xạ kết hợp với nguyên tử nitơ và tạo thành nitơrit:
Fe + N → FeN
Phản ứng 4. Trên bề mặt catôt thép, FeN tiếp tục các phản ứng với Fe:

FeN+Fe → Fe2N
Fe2N +Fe → Fe3N (pha ε)
Fe3N+Fe → Fe4N (pha γ′)
Fe4N → 4Fe+N (khuếch tán)

17


Theo cơ chế phún xạ, đầu tiên là hình thành nitơrit FeN không bền vững, nitơrit này
sẽ hấp phụ trở lại trên bề mặt catôt và do không bền vững lại tiếp tục phản ứng với nguyên
tử kim loại Fe của catôt tạo thành Fe2N. Nitơrit Fe2N tiếp tục như thế phản ứng tạo ra
Fe3N, cho đến cuối cùng tạo thành Fe4N pha này tiếp tục phân hủy tạo ra nitơ nguyên tử.
Nhờ phản ứng này mà nitơ khuếch tán vào bên trong tạo thành lớp thấm. Cơ chế phún xạ
được trích dẫn nhiều nhất, tuy nhiên không phải là cơ chế duy nhất vì thấm nitơ plasma có
thể thực hiện mà không cần quá trình phún xạ. Mặc dù vậy, nitơrit FeN quan trọng nhất
trong mô hình này không được thể hiện trong giản đồ pha Fe-N và không ai ngoài Kolbel
tìm ra nó [26]. Tuy nhiên hầu như các nhà nghiên cứu về công nghệ này vẫn chấp nhận đây
là cơ chế quan trọng trong quá trình hình thành lớp thấm.

Hình 1.12. Cơ chế thấm nitơ plasma theo mô hình Kolbel [11, 27, 93]

Ngoài các ion dương, thì các phần tử trung tính cũng có vai trò trong việc vận
chuyển nitơ từ plasma đến bề mặt, trong trường hợp này cơ chế thấm được mô tả theo mô
hình Marchand (hình 1.13) [36]. Theo mô hình này các cá thể nitơ hoạt tính như nguyên tử
nitơ và các phân tử nitơ bị kích thích N2(x, v) được hấp thụ trên bề mặt, khuếch tán vào
bên trong. Cùng với đó, nguyên tử Fe và các nguyên tử khác bị phún xạ ra khỏi bề mặt kết
hợp với phân tử khí hình thành các nitơrit và kết tủa trở lại bề mặt.

18

Hình 1.13: Cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt thấm [36]

Vai trò của các phần tử trung tính được kích thích trong công nghệ thấm nitơ
plasma cũng được Ricard [17, 18] khẳng định. Tuy nhiên, cơ chế này vẫn còn nhiều thắc
mắc, bởi vì khi thấm nitơ plasma với 100% N2, plasma chỉ chứa các ion N+, N2+ và các
phân tử N2, thì hiệu quả thấm nitơ cũng thấp. Vai trò của hydro trong quá trình thấm nitơ
plasma cũng rất quan trọng vì hiệu quả thấm nitơ khi có mặt của hydro cao hơn khi không
có hydro [103]. Cơ chế khuếch tán nitơ - ô trống cho rằng, đầu tiên cần hình thành cặp
hydro - ô trống, và các cặp này sẽ khuếch tán vào bên trong bằng cơ chế khuếch tán thay
thế ô trống, khuếch tán này nhanh hơn khuếch tán hydro xen kẽ. Điều này có thể giải thích
vì sao thấm nitơ plasma ở giai đoạn đầu nhanh hơn thấm thể khí.
Tóm lại, thấm nitơ plasma là một quá trình rất phức tạp, nhiều phản ứng xảy ra
cùng một lúc trong plasma, trên bề mặt và cả trong vật thấm. Cơ chế trao đổi vật chất trong
quá trình DCPN, PPN còn nhiều ý kiến thậm chí còn trái ngược nhau. Tuy nhiên có thể nói
là các ion nitơ như N+, N2+, NH+, NH2+ cũng như các nguyên tử N, H và phân tử nitơ trung
tính được kích thích N2 (x,v), đóng vai trò quyết định trong quá trình hình thành lớp thấm.
Các ion bắn phá catôt một mặt vận chuyển nitơ từ plasma lên bề mặt làm tăng hàm lượng
nitơ trên bề mặt, mặt khác có hiệu ứng phún xạ ngược lại làm giảm hàm lượng nitơ trên bề
mặt. Như vậy cơ chế hình thành lớp thấm nitơ plasma có là kết quả của nhiều cơ chế khác
nhau, kết hợp đồng thời của các cơ chế vừa nêu.
1.2.3. Đặc trưng cấu trúc lớp thấm
1.2.3.1. Cấu trúc lớp thấm
Cấu trúc lớp thấm điển hình bao gồm 2 vùng, lớp trắng ngoài cùng và lớp
khuếch tán ngay dưới lớp trắng (hình 1.14), tuy nhiên cũng có thể tạo được lớp thấm
chỉ có lớp khuếch tán.

19

Hình 1.14. Cấu trúc lớp thấm nitơ điển hình [33]

a. Lớp trắng
Lớp trắng bao gồm các nitrit sắt, có thể đơn pha γ’- Fe4N, hay đa pha γ’ + ε.
Thành phần lớp trắng phụ thuộc nhiều vào thành phần vật liệu thấm và môi trường thấm.
Với vật liệu thấm, các bon kiểm soát lượng pha γ’ và ε, quyết định xem pha nào sẽ hình
thành chủ yếu trên bề mặt vật thấm hay tương đương nhau.
Với một mác thép thấm nitơ điển hình có 0,4%C, lượng của 2 pha này là tương
đương nhau khi thấm nitơ thể khí. Các bon cao tạo nhiều pha ε, các bon ít sẽ nhiều pha
γ’, tuy nhiên các bon ảnh hưởng ít đến chiều dày lớp trắng. Khi thấm cùng một điều kiện,
thép các bon luôn có lớp trắng dày hơn thép hợp kim có cùng hàm lượng các bon.
Với môi trường thấm, tỷ 2 pha γ’ và ε trước hết phụ thuộc vào thành phần khí
thấm đối với thấm nitơ plasma hoặc thế thấm nitơ đối với thấm nitơ thể khí. Môi trường
thấm nếu không chứa các bon, lớp trắng đa phần là đơn pha γ’. Nếu môi trường thấm
chứa khoảng 0,5%C, lúc này pha ε sẽ ưu tiên được hình thành [11, 33, 46].
Khi so sánh về sự hình thành lỗ xốp trong lớp trắng của thấm nitơ plasma và thấm nitơ
thể khí cho thấy thấm nitơ thể khí thường dễ tạo ra lỗ xốp hơn do khi thấm nitơ thể khí luôn
tồn tại đồng thời cả hai pha ε và γ' trong lớp trắng. Việc dễ dàng tạo lỗ xốp trong thấm nitơ thể
khí là do tỷ lệ vùng  trong lớp trắng nhiều hơn. Việc tồn tại song pha trong lớp trắng dễ gây
nứt bề mặt do liên kết yếu giữa hai pha, và hệ số giãn nở nhiệt khác nhau giữa hai pha [33].
b. Lớp khuếch tán
Dưới lớp trắng là lớp khuếch tán liên kết vững chắc với vật liệu nền. Lớp khuếch
tán bao gồm dung dich rắn của N trong α-Fe, các nitơrit sắt và nitơrit các nguyên tố hợp
kim. Độ cứng cao của lớp thấm do các hạt nitrit tạo ra được phân bố đều, hạt càng mịn thì
độ cứng càng cao. Độ cứng cao nhất thường nhận được khi thấm nitơ lên thép chuyên dùng
để thấm nitơ, các nitơrit hợp kim CrN, AlN…phân bố bên trong nền mactenxit ram. Thời
gian thấm càng dài các hạt này càng phát triển, do đó cần xác định thời gian và chiều dày
lớp thấm hợp lý để nhận được độ cứng tối ưu. Với thép hợp kim có nguyên tố tạo thành
cacbit như SKD61 (các bit Cr23C6, Mo2C, V4C3) phân bố ở biên hạt hoặc nền mactenxit
ram. Bản thân cấu trúc mactenxit ram sau nhiệt luyện đúng đắn của thép hợp kim bền nóng

như SKD61 đã có tổ chức nhỏ mịn, phân bố cacbit đều. Việc phân bố của cacbit này là cơ
sở để tạo các cacbonitơrit, các nitơrit phân bố đều trong nền thép tạo lớp khuếch tán. Các
pha cứng cacbonitơrit, nitơrit này sẽ xuất hiện đầu tiên ở biên giới hạt, sau đó mới choán
vào trong hạt. Quá trình khuếch tán nitơ như trên sẽ tạo ra tổ chức lớp khuếch tán có cấu
trúc nhỏ mịn, với phân bố các pha rất cứng trên nền mactenxit ram. Nhờ có cấu trúc này
lớp khuếch tán có độ cứng cao, tính chống mỏi và mài mòn cao.
20


1.2.3.2. Chiều sâu lớp thấm, chiều dày lớp trắng
Chiều sâu lớp thấm có thể được hiểu là chiều sâu toàn bộ hoặc chiều sâu hiệu dụng,
trong sản xuất chiều sâu lớp thấm hiệu dụng được coi trọng hơn và vì thế thông thường
chiều sâu lớp thấm được hiểu là chiều sâu hiệu dụng. Quan sát trên kính hiển vi quang học
mẫu được tẩm thực, chiều sâu lớp thấm là khoảng cách từ bề mặt thấm đến vị trí mà ở
đó màu sắc mặt cắt không còn thay đổi nữa (giống màu của vật liệu nền), đây là chiều
sâu toàn bộ.
Với phương pháp đo độ cứng, chiều sâu lớp thấm cũng được xác định bằng cách đo
độ cứng tế vi mặt cắt vuông góc từ bề mặt vào trong lõi tải trọng 100 g, 300 g. Chiều sâu
toàn bộ là khoảng cách từ bề mặt vào đến vị trí có độ cứng bằng độ cứng nền (lõi). Chiều
sâu hiệu dụng theo DIN 50190 [29] là khoảng cách từ bề mặt đến vị trí mà độ cứng bằng
độ cứng nền +50 HV.
Chiều sâu lớp thấm phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian thấm, thông
thường được xác định bằng phương trình F.E. Harris [27].
(1.3)
d = k× t
Trong đó: d là chiều sâu lớp thấm, k là hệ số nhiệt độ thấm và t là thời gian thấm.
Chiều dày lớp trắng là chiều rộng dải màu trắng quan sát được trên kính hiển vi
quang học sau khi mẫu được tẩm thực, tên gọi lớp trắng cũng được xuất phát từ đây. Chiều
dày lớp trắng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, thời gian và đặc biệt là thành phần môi
trường thấm.

1.2.3.3. Độ cứng và phân bố độ cứng
Độ cứng và phân bố độ cứng là đặc trưng quan trọng của lớp thấm. Mỗi một loại
vật liệu thấm sẽ có một đường phân bố độ cứng đặc trưng (hình 1.15).

Hình 1.15. Phân bố độ cứng sau thấm nitơ plasma với các vật liệu khác nhau. 1-gang xám,
2-gang dẻo, 3-AISI 1040, 4-thép thấm cacbon, 5-thép hợp kim thấp, 6-thép thấm nitơ, 7-thép
bền nóng 5%Cr, 8-thép làm khuôn dập nguội, 9-Thép không gỉ ferrit, 10-thép không gỉ AISI 420,
11-thép không gỉ 18-8 [33]

Không chỉ giá trị độ cứng cao nhất thông thường ở bề mặt hay ngay gần bề mặt là
chỉ số quan trọng mà phân bố độ cứng từ bề mặt đến vật liệu nền cũng rất quan trọng, từ
đây có thể xác định được chiều sâu lớp thấm. Độ cứng tối đa cũng như phân bố độ cứng
21


phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian nhưng chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu thấm, các vật liệu
thấm khác nhau cho phân bố độ cứng khác nhau. Độ cứng của lớp trắng không ảnh hưởng
bởi thành phần của nguyên tố hợp kim, trong khi độ cứng của lớp khuếch tán được quyết
định bởi sự hình thành các nitơrit của các nguyên tố hợp kim (Al, Cr, Mo,Ti, V, Mn).
Thành phần hoá học của vật liệu thấm mà chủ yếu là % C và hàm lượng các
nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng lớn đến tốc độ thấm và độ cứng lớp thấm. Cacbon có ảnh
hưởng mạnh đến quá trình khuếch tán nitơ trong thép, hàm lượng cacbon càng cao thì khả
năng khuếch tán của nitơ trong thép càng giảm và ngược lại.
Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim thông dụng trong thép lên độ cứng của
lớp thấm được thể hiện trên hình 1.16. Các đường cong trên hình 1.16 cho thấy, các
nguyên tố hình thành nitrit như Al, Cr, Ti có xu hướng làm tăng mạnh độ cứng lớp thấm.
Các nguyên tố V, Mo và Ni hầu như không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng lớp thấm.

Hình 1.16: Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm [53]

Ngược lại với độ cứng, chiều sâu lớp thấm có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng
các nguyên tố hợp kim (hình 1.17). Nguyên nhân làm chậm quá trình khuếch tán nitơ có
thể giải thích một cách đơn giản là do các nguyên tố này đã tạo thành nitơrit làm cản trở
khuếch tán nitơ.
Từ hình 1.16 và 1.17, có thể dễ dàng nhận thấy Al và Ti là 2 nguyên tố có ảnh
hưởng lớn đến khả năng tăng độ cứng và giảm tốc độ khuếch tán của nitơ (kết quả là giảm
chiều sâu lớp thấm). Theo [53], để cân bằng hiện tượng này thì hàm lượng Al vào khoảng
1% là vừa phải, điều này giải thích vì sao các loại thép thấm nitơ thường có khoảng 1% Al.
Ngoài thành phần hóa học, tổ chức tế vi của vật liệu trước khi thấm cũng là yếu tố
quan trọng ảnh hưởng đến độ cứng và phân bố độ cứng. Thông thường, thép trước khi
thấm đã được nhiệt luyện, nghĩa là đã được tôi và ram ở nhiệt độ (500 ÷ 650) oC. Tổ chức
tế vi sau nhiệt luyện có ảnh hưởng đến tính thấm. Ảnh hưởng này được thể hiện theo 2
cách [53]: (1) khả năng khuếch tán nitơ tăng khi hàm lượng ferit tự do tăng, (2) khả năng
khuếch tán nitơ và độ cứng tăng khi hàm lượng cacbit giảm.

22


Hình 1.17: Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm [53].

Khi cacbit đã được tiết ra trên biên giới hạt, nitơ khuếch tán vào sẽ kết hợp để tạo
thành cacbon-nitơrit và lớn dần lên [53]. Trong khoảng nhiệt độ ram vừa nêu, quá trình
tiết pha và kết tinh lại đã xảy ra. Vì quá trình tiết pha cacbit thứ cấp thường xảy ra trên
biên giới hạt và hình hành một rào cản gồm những cacbit và nitơrit hình thành khi thấm.
Theo đó, quá trình khuếch tán bị cản trở và chậm lại. Bên cạnh đó, một kết luận đã được
công nhận là quá trình khuếch tán xảy ra nhanh hơn dọc bề mặt hoặc biên giới hạt so với
trong hạt. Như vậy tổ chức hạt mịn tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình khuếch tán
do lúc này diện tích bề mặt cũng như biên giới hạt đều tăng. Thép được tôi và ram thấp ở
nhiệt độ khoảng 180oC cũng như thép được thoát C bề mặt có khả năng thấm tốt hơn
thép được tôi và ram cao (hình 1.18) [53].

Hình 1.18: Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm
(thấm nitơ plasma 520oC/8h, thép En29B) [53]

23


1.2.3.4. Ứng suất dư
Thấm nitơ tạo nên ứng suất dư trong lớp thấm, nguyên nhân được cho là do thay
đổi thành phần pha, hiệu ứng nhiệt, khuyết tật mạng và sự hình thành các nitơrit. Việc tăng
hàm lượng nitơ nguyên tử trong nền thép dẫn đến tăng khuyết tật điểm, qua đó dẫn tới tăng
mức độ xô lệch mạng và tạo ứng suất nén dư trên bề mặt, hình 1.19 mô tả sự tạo thành ứng
suất nén dư trong lớp thấm [58].

Hình1.19. Mô hình ứng suất nén sinh ra trong lớp thấm [58]

Phân bố ứng suất dư trong lớp thấm có thể được chia thành 2 vùng, vùng sát bề mặt
(vùng 1) có ứng suất kéo, và vùng chuyển tiếp đến lõi (vùng 2) có ứng suất nén (hình1.20).
Ứng suất dư có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của vật thấm, đặc biệt là tính mỏi cụ
thể ứng suất nén dư song song với bề mặt ngăn cản sự hình thành và phát triển vết nứt [69].

Hình 1.20. Phân bố ứng suất dư theo chiều sâu lớp thấm với mẫu Fe-4%Cr [69]

1.2.4. Một số tính chất sử dụng của lớp thấm
Sau khi thấm nitơ, lớp bề mặt được thấm có các tính chất có giá trị:
- Chịu mài mòn nhờ có độ cứng cao.
- Chịu nhiệt tốt, độ cứng lớp thấm không bị giảm ngay cả ở nhiệt độ 500 đến 600 oC.

24

- Chịu ăn mòn trong nhiều môi trường như môi trường khí quyển, nước dưới áp suất
cũng như nước biển và trong hơi nước. Trong những môi trường này khả năng chịu
ăn mòn của lớp thấm nitơ tương đương phủ niken.
- Tăng giới hạn mỏi của chi tiết được thấm.
Tùy vào từng ứng dụng cụ thể của sản phẩm thấm để thiết kế (lựa chọn) lớp thấm phù
hợp. Có thể nói một cách chung nhất rằng nếu cần lớp thấm chống ăn mòn thì lớp trắng
càng dày, càng chặt càng giàu nitơ càng tốt. Ngược lại nếu để tăng giới hạn mỏi thì chiều
sâu lớp khuếch tán và độ cứng mới là các đặc trưng quyết định. Một số tính chất sử dụng
của lớp thấm như độ cứng, tính chịu mài mòn, giới hạn mỏi và tính chịu ăn mòn sẽ được đề
cập một cách sơ lược dưới đây.
1.2.4.1. Mài mòn
Mài mòn là tính chất sử dụng quan trọng có ảnh hưởng rất lớn đến độ tuổi thọ của
khuôn. Khái niệm tính chịu mài mòn rất khó để định nghĩa chính xác, thường thì khả năng
chịu mài mòn của thép tăng khi độ cứng tăng. Hình 1.21 cho ta thấy khả năng chịu mài
mòn của thép với các độ cứng khác nhau, có thể thấy thép thấm nitơ có khả năng chống
mài mòn tốt nhất.

Hình 1.21. Mất mát khối lượng của các vật liệu khác nhau trong quá trình phun bi [53]

Cần lưu ý hiệu ứng góc cạnh trong quá trình thấm, ở những vị trí góc cạnh nếu độ
cứng vượt qua giá trị nào đấy, các góc cạnh này có thể bị vỡ ra trong quá trình làm việc.
Tuy nhiên do khái niệm tính chịu mài rất khó định nghĩa cho nên không nên khái
quát hóa. Tính chịu mòn có tính tương đối, phụ thuộc rất nhiều vào hệ mài. Với mài mòn
gouging abrasion hay grinding abrasion thì thấm nitơ là không nên [53].
Với mòn dính thì thấm nitơ là một lợi thế do hệ số ma sát lớp thấm được giảm, tuy
nhiên nguy cơ bị chà xát. Trong trường hợp này công nghệ thấm carbon- nitơ và đặc biệt
công nghệ Sulfinuz được cho là rất ưu việt [53]. Trong nghiên cứu [10], công nghệ thấm
nitơ nhiệt độ thấp V-N-S cho khuôn ép chảy chế tạo từ thép H13 làm tăng tính chịu mài
mòn và nâng cao tuổi thọ khuôn khoảng 2 lần.

25