Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số truyền chất đến cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (13.81 MB, 75 trang )

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THẤM NITƠ

1.1. Tình hình công nghệ thấm nitơ trên thế giới
Quy trình thấm nitơ phát triển lần đầu tiên năm 1900, liên tục đóng vai trò
quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng. Thấm nitơ thường được sử
dụng để chế tạo cơ cấu chi tiết máy và các hệ thống phát điện turbine.
Trong những năm đầu thế kỷ 20 Adoloph Machlet làm việc cho một công ty
cơ khí của Mỹ ở Elizabeth,NJ. Anh đã được công nhận là nhà công nghệ xử lý độ
cứng bề mặt. Qua một thời gian thử nghiệm Machlet đã khám phá ra Nitơ hòa tan
trong sắt. Nitơ khuếch tán tạo ra độ cứng bề mặt tương đối cao trong các loại thép
thường hoặc thép hợp kim thấp và đặc biệt nó cải thiện được khả năng chống ăn
mòn.
Ở Châu Âu Adolph Fly có một chương trình nghiên cứu tương tự diễn ra tại
Krupp ở Essen trong năm 1906. Giống như Machlet, Fly thừa nhận Nitơ có thể hòa
tan trong sắt ở nhiệt độ cao. Chương trình nghiên cứu của ông và kết quả đem lại
hiệu suất cao. Sáng chế đầu tiên của Fly được ứng dụng năm 1921. Ông sử dụng
công nghệ tương tự Machlet, Fly sử dụng khí NH3, nhưng ông không sử dụng
H2…Như vậy đã có sự thay đổi quy trình thấm nitơ ở trạng thái khí đơn giản.
Fly nghiên cứu sâu vào tác động của các yếu tố hợp kim đến độ cứng bề mặt.
Phát minh của ông là quy trình thấm nitơ để đạt được độ cứng bề mặt cao ở thép
chứa các thành phần như: Cr, Mo, Al, V và W. Ngoài ra ông còn nhận ra rằng nhiệt
độ đóng vai trò quan trọng, quyết định phần lớn đến chiều sâu lớp thấm của thép.
Ở Mỹ, sau bài tham luận của Fly tại cuộc hội thảo của hội các nhà thiết kế
chế tạo (SME) năm 1927, các nhà luyện kim Mỹ bắt đầu tìm hiểu về các tham số
trong quá trình thấm nitơ và các hiệu ứng của hợp kim trong quá trình thấm nitơ của
các loại thép.
Ở Đức, công nghệ thấm Nitơ - plasma được bắt đầu bởi nhà vật lý học người
Đức, Dr Wehnheldt năm 1932. Sau đó Wehnheldt cùng các nhà vật lý học người

1

Thụy sĩ và các nhà buôn người Đức cùng nhau nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ ion
và sau đó thành lập công ty Klocker Ionen GmbH chế tạo thiết bị thấm Nitơ ion.
Đến năm 1970, công nghệ thấm Nitơ plasma được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp, đặc biệt là Châu Âu. Những ưu điểm của nó dần được chứng minh trong
thực tế.
1.2. Tình hình nghiên cứu công nghệ thấm nitơ ở Việt Nam
Trong nhiệm vụ phát triển kinh tế xã hội, việc nâng cao hiệu quả chất lượng
chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Chất lượng và tuổi thọ của
máy móc, thiết bị phụ thuộc rất lớn vào chất lượng chi tiết cơ khí. Việc áp dụng
công nghệ thấm nitơ góp phần đáng kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm
của lĩnh vực cơ khí nói riêng và ngành công nghiệp nói chung. Với việc đưa phương
pháp thấm nitơ vào trong sản xuất sẽ góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ chi
tiết, phục vụ hiệu quả cho các ngành công nghiệp.
Hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu công nghệ thấm Nitơ đã được các
phòng thí nghiệm của các trường Đại học và các viện nghiên cứu như phòng thí
nghiệm của viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – trường đại học Bách khoa Hà nội,
viện nghiên cứu Cơ – Bộ công nghiệp, viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ công
thương,...Đặc biệt là tại các Viện nghiên cứu trong quân đội được quan tâm đặc
biệt. Sản phẩm quốc phòng là loại sản phẩm đặc biệt, không có sản phẩm loại 2,
một số chi tiết phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nhất, chịu va đập và chịu
mài mòn cao. Các loại dụng cụ, khuôn cối và các chi tiết trong quốc phòng ngoài
việc phải đảm bảo độ chính xác còn phải có tuổi thọ cao, nghĩa là phải có độ bền, độ
cứng và tính chống mài mòn vượt trội hơn hẳn các sản phẩm thông dụng, để đảm
bảo gia công chính xác và tăng năng suất lao động.
1.3 Ứng dụng công nghệ thấm Nitơ
Thấm nitơ có mục đích tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mòn, đồng thời tạo
nên lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt vật liệu làm tăng mạnh giới hạn mỏi của
chi tiết.

2

Các bánh răng trong các loại máy xây dựng, máy công nghiệp đòi hỏi có độ
bền mỏi cao, độ biến dạng nhỏ, cần phải mài sau nhiệt luyện đế đạt kích thước
chính xác trước khi thấm nitơ.
Thấm nitơ cũng được áp dụng cho các chi tiết của động cơ đốt trong: trục
khuỷu, trục cam, pittông, thanh dẫn, bánh răng,…. Đòi hỏi tăng tính chất chống
mài mòn, độ bền mỏi cao.
Ngoài ra còn được áp dụng cho các loại khuôn ép, khuôn đúc kim loại, hợp
kim làm việc trong điều kiện ăn mòn, mài mòn, cho các dụng cụ cắt cần có độ
cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt.
Ngoài ra rất nhiều các chi tiết trong quân sự cũng được thấm nitơ tùy theo mục
đích sử dụng.
1.3.1 Thấm nitơ nhằm đạt độ cứng cao, chống mài mòn tốt [4]
Các chi tiết thấm nitơ loại này thường chế tạo bằng thép có chứa Cr, Mo, Al,
thường dùng nhất là thép 38CrMoAlA. Chế độ thấm nitơ áp dụng ở nhiệt độ thấp từ
(500 520) oC, thời gian thấm thường cần rất dài (24  90) h, chiều sâu lớp thấm (0,3
 0,6) mm.
Chi tiết trước khi thấm nitơ thường đã được gia công chế tạo chính xác, đã qua
nhiệt luyện hoá tốt (tôi + ram cao). Sau khi thấm nitơ xong bề mặt chi tiết có màu
xám ghi với bề mặt phủ lớp mỏng pha  độ cứng không cao, đặc biệt là khi có lẫn pha
vàlàm cho tính chịu mỏi hoặc va đập của lớp thấm không tốt ảnh hưởng nhiều
đến tuổi thọ chi tiết, cho nên sau khi thấm nitơ cần tiến hành mài tinh bề mặt để sửa
cho lớp thấm đều đặn và đặc biệt hớt đi lớp pha  có độ cứng không cao.

3

Hình 1.1. Ảnh tổ chức của lưới trong pha  ở lớp thấm nitơ
Đối với chi tiết yêu cầu độ cứng bề mặt có thể thấp một chút, nếu bị biến dạng
nhỏ cũng không ảnh hưởng gì thì có thể nâng cao nhiệt độ thấm nitơ lên (550 600)
o

C để rút ngắn thời gian thấm. Để rút ngắn thời gian thấm nitơ, trong sản xuất công

nghiệp áp dụng phương pháp thấm nitơ phân cấp: thoạt đầu thấm nitơ ở (500  520)
o

C sau nâng lên (600  620) oC, như vậy thời gian thấm nitơ có thể rút ngắn khoảng

một nửa mà độ cứng bề mặt hầu như không bị ảnh hưởng.
Để đảm bảo cơ tính tổng hợp cao, trước khi thấm thép phải được nhiệt luyện
hoá tốt để có tổ chức xoocbit ram bằng cách tôi trong dầu, ram 620 650 0C. Ví dụ
với thép 38CrMoAlA cơ tính có thể đạt b =1000MPa; 0,2 = 850MPa;  = 50%;
aK= 90Kj/mm2. Sau đó đem thấm nitơ ở (520 550)

0\o

C độ cứng bề mặt: (1000

1100) HV.
Trường hợp cần lớp thấm có lớp trắng ít nhất thường áp dụng thấm nitơ hai
cấp giai đoạn đầu thấm ở nhiết độ (495-525) oC (ứng với độ phân hủy NH3 là 15
30%); sau đó đưa nhiệt độ lên (550  565) °C (ứng với độ phân hủy NH3 là 65
80%).
Không cần tôi và ram sau khi thấm nitơ vì lớp thấm mỏng, nếu nung đến
nhiệt độ cao sẽ gây phá huỷ lớp thấm.

4

1.3.2 Thấm nitơ nâng cao khả năng chống ăn mòn [4]
Nếu lớp bề mặt sau thấm nitơ được phủ kín một lớp pha , nó có độ cứng
không cao lắm nhưng khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển, trong nước ngọt
và những môi trường ăn mòn không mạnh. Để đạt mục đích nay người ta tiến hành
thấm nitơ ở nhiệt độ cao (600  700) oC, độ phân li của amôniăc (30  70) % thời
gian thấm tương đối ngắn từ 10 phút đến 10 h tuỳ theo yêu cầu. Thấm nitơ nhiệt độ
cao có lớp pha  bề mặt rất phát triển, thời gian thấm ngắn, bề mặt chi tiết màu sáng
bạc rất đẹp, có thể thay các lớp mạ niken, cho nên còn được gọi là thấm nitơ trang
sức. Sau khi thấm trên bề mặt chi tiết tạo thành một lớp mỏng pha  (0,01 - 0,1) mm có
tính chống rỉ cao.
Thấm nitơ nâng cao khả năng chống ăn mòn có thể áp dụng cho mọi loại
thép, song trong thực tế chủ yếu áp dụng đối với thép cacbon.
Ngoài hai dạng thấm nitơ với mục đích tăng độ cứng và chống ăn mòn đã
được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ngày nay người ta còn nghiên cứu mở
rộng phạm vi áp dụng khác của thấm nitơ, đó là:
Thấm nitơ cho các chi tiết máy để nâng cao độ bền mỏi. Quy trình thấm theo
chế độ thấm nitơ nhiệt độ thấp đối với thép 38CrMoAlA đã trình bày. Trong trường
hợp này độ cứng bề mặt lớp thấm không cao lắm nhưng do lớp thấm bão hoà
nguyên tử nitơ làm tăng thể tích tạo nên nội ứng suất nén ở lớp bề mặt chi tiết, giá
trị của ứng suất khoảng (0 đến 80) kG/mm2 nên nó làm tăng tính chống mỏi của chi tiết.
Khả năng chống mỏi cao nhất đạt được sau khi thấm ở nhiệt độ (500 đến 520) oC . Lớp
ứng suất nén bề mặt chi tiết làm cho nó ít nhạy cảm với hiện tượng tập trung ứng
suất bề mặt gây nên do các khuyết tật bề mặt, do các rãnh hay các vết xước v.v., do
đó độ bền mỏi của chi tiết được nâng cao.
Thấm nitơ còn được áp dụng với hợp kim titan với tác dụng nâng cao khả
năng chống mài mòn và giảm hệ số ma sát bề mặt những chi tiết làm việc trong điều
kiện có ma sát.

5

1.3.3 Thép dùng để thấm nitơ
Nói chung thấm Nitơ làm tăng độ cứng, tăng tính chịu mài mòn và tạo nên
lớp ứng suất nén dư đáng kể ở bề mặt làm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết.
Thép có lượng nhôm thấp và không có molipđen: 38XB, 38X2H2BA,
30X2H2BA, 30X3B2.
Thép kết cấu cacbon và hợp kim thấp.
Thép kết cấu 30XH3, 37XH3A, 18X2H4BA, 38XHMA, 40X2M,…với
mục đích nâng cao giới hạn mỏi.
Thép dụng cụ khuôn dập X12M, X121, X12, 5XM, 5XHM, 3XB8,
4X2C, 4XBC,4X8B2 với mục đích nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn.
Thép không gỉ và thép bền nóng 1X18H9T, 1X13, 4X14H14B2M,… với
mục đích nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn (khi đó tính chống ăn mòn giảm
xuống và cả tính chống tạo màng ôxit cũng giảm).
Đặc biệt trong đề tài này nghiên cứu thấm nitơ trên hai loại thép hóa tốt là
30XH2MΦA và 38XH3MΦA đây là hai loại thép dùng nhiều trong công nghiệp
quốc phòng.
1.4. Một số phương pháp thấm nitơ [2]
1.4.1 Thấm nitơ thể lỏng
Một dạng công nghệ thấm nitơ phổ biến trong công nghiệp trước đây và
ngày nay vẫn được dùng là thấm nitơ trong muối nóng chảy. Công nghệ thấm nitơ
trong muối nóng chảy ở quy mô công nghiệp do Degussa đề xướng có tên là Tenifer
(CHLB Đức). Ở Pháp HEF cũng đề xướng một công nghệ tương tự có tên là
Sursulf.
Quá trình thấm nitơ thực hiện nhờ phân hủy muối xianat thành cacbonat
nóng chảy theo phản ứng sau:
Công nghệ Tenifer

KCN + ½ O2  KCNO
2KCNO + ½ O2  2 <Nht> + <Cht> + K2CO3

hoặc Công nghệ Sursulf

2 NH2 – CO – NH2 + Na2CO3  2 NaCNO +2 NH3 +

CO2 + H2O

6

4 NaCNO  Na2CO3 + CO + 2 <Nht> + 2 NaCN
Trong công nghệ Tenifer người ta dùng 40 % muối xyanua (NaCN hoặc
KCN). Trong công nghệ Sursulf người ta dùng (2 đến 3) % muối xyanua, ngoài các
muối xyanua, cacbonat người ta còn cho thêm một lượng nhỏ K2S nhằm ổn định và
tăng hoạt tính của bể muối, chủ yếu là do tác dụng của S. Do thấm nitơ trong muối
nóng chảy là rất độc người ta ngày càng đi theo hướng giảm tỷ lệ xyanua (công
nghệ Sursulf). Việc cho thêm các chất C, N, O, S trong công nghệ sursulf đẩy nhanh
tốc độ thấm (10 đến 15) /h, làm tăng lợi thế của thấm nitơ trong muối nóng chảy,
song không vì thế mà đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ này.
1.4.2 Thấm nitơ ion hóa
Nguyên tắc: Dưới tác dụng của từ trường nitơ sẽ bị ion hóa theo phản ứng:
N2 = 2 N + + 2e

Catốt

Anốt

Hình 1.2: Nguyên lý thấm nitơ ion hóa
Áp suất là việc từ (10-2 đến 10) mbar và hiệu điện thế giữa cực âm và cực
dương là (300 đến 1000) V sẽ xuất hiện hiện tượng phóng điện. Các khí xuất hiện
trong từ trường sẽ bị ion hóa. Khi bị ion hóa các cation sẽ chuyển về catốt, các
electron, anion sẽ chuyển về anốt tiếp tục gây ra sự ion hóa do va chạm với càc

7

phân tử N2. Các ion này có một năng lượng xác định, khi đập vào catốt sẽ sinh ra
một lượng nhiệt làm nung nóng catốt. Năng lượng này phụ thuộc vào vận tốc của
các cation khí và mật độ của chúng do đó phụ thuộc vào cường độ điện trường, vào
áp suất của khí. Hơn nữa nếu catốt chính là các chi tiết cần thấm nitơ thì các cation
nitơ sẽ đập lên bề mặt chi tiết thực hiện một quá trình thấm nitơ.
Quá trình ion hóa khí nitơ chỉ xẩy ra ở vùng giáp bề mặt chi tiết (chỉ vài mm)
do đó khoảng cách giữa catốt và anốt không có vai trò quan trọng, cho nên nitơ
được thấm đều lên bề mặt. Trong quá trình thấm nitơ ion hóa phải thiết lập cân bằng
nhiệt giữu nhiệt lượng cung cấp (năng lượng va đập của các ion với nhau và với bề
mặt chi tiết) và lượng nhiệt tản ra môi trường.
1.4.3 Thấm nitơ thể khí
Đây là công nghệ thấm được dùng nhiều nhất, và là công nghệ thấm được
nghiên cứu trong đề tài này. Để thấm nitơ phải có chất khí cung cấp nitơ nguyên tử.
Khí nitơ tồn tại dưới dạng phân tử (N2) rất ổn định do đó không thể dùng để thấm
nitơ được. Một trong các chất khí có thể cung cấp nitơ nguyên tử là NH3. Trong
khoảng nhiệt độ thấm từ (450 đến 650) oC, NH3 sẽ phân hủy nhiệt theo phản ứng
với chất xúc tác là bề mặt thép:
2 NH3 = 2 <Nht> + 3 H2

Hình 1.3: Sự hình thành lớp thấm nitơ

8

Nitơ nguyên tử <Nht> hình thành trên bề mặt thép sẽ khuếch tán vào trong
thép tạo nên lớp thấm nitơ, còn những nguyên tử không khuếch tán vào trong thép
sẽ nhanh chóng liên kết lại với nhau tạo thành N2.
Có hai nhóm công nghệ thấm hay dùng là:
* Thấm nitơ ở nhiệt độ thấp (480 đến 550) oC thời gian thấm dài (ở nhiệt độ
thấp khuếch tán xảy ra chậm). Tùy theo thời gian thấm, chiều dày lớp thấm có thể
đạt tới 0,4 mm.
* Thấm nitơ ở nhiệt độ cao (560 đến 650) oC thời gian thấm phải ngắn (để
hạt nitrit không bị thô to lên và không làm hỏng tổ chức của thép sau khi tôi + ram)
chỉ tạo được lớp thấm mỏng, chiều dày lớp thấm thường không quá 0,2 mm.

9

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ THỂ KHÍ
2.1. Lý thuyết chung về thấm Nitơ
Thấm nitơ là quá trình làm bão hoà nitơ vào bề mặt chi tiết thép nhằm đạt các
mục đích sau:
- Làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn.
- Tăng độ bền mỏi,
- Tăng khả năng chống ăn mòn trong các môi trường không khí, hơi, nước...
- Trang trí mỹ thuật cho sản phẩm.
2.1.1 Những quá trình xẩy ra khi thấm nitơ thể khí [3]
Quá trình phân huỷ: là quá trình phân hủy khí NH3 (2NH3  3H2 + 2Nht)
tạo ra nitơ nguyên tử hoạt tính. Các nitơ nguyên tử hoạt tính có khả năng hấp thụ
vào bề mặt kim loại.

Quá trình hấp thụ: Các nitơ nguyên tử hoạt tính được hấp thụ vào bề mặt chi
tiết. Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép có một nồng độ nitơ cao, tạo
nên sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi.
Quá trình khuếch tán: Do có sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi,
nitơ nguyên tử được khuếch tán vào trong kim loại tạo thành lớp thấm là dung dịch
rắn, pha trung gian, hoặc các hợp chất hóa học.
Các quá trình phân huỷ, hấp thụ, khuếch tán có liên quan mật thiết với nhau
và có ảnh hưởng đến quá trình thấm. Quá trình nào chậm nhất sẽ quyết định tốc độ
thấm. Nếu quá trình phân hủy xẩy ra nhanh hơn, nitơ nguyên tử hình thành quá
nhiều, không kịp hấp thụ và khuếch tán vào trong kim loại, sẽ kết hợp lại tạo thành
nitơ phân tử mất hết hoạt tính. Ngược lại nếu nitơ nguyên tử hình thành quá ít sẽ
không đủ để hấp thụ vào bề mặt kim loại dẫn đến tốc độ thấm rất chậm.
Tương quan giữa hấp thụ và khuếch tán có ảnh hưởng rất lớn đến việc tạo
lớp khuếch tán. Khi hấp thụ xẩy ra nhanh hơn khuếch tán, các nitơ nguyên tử hấp
thụ vào bề mặt kim loại không kịp khuếch tán vào bên trong, nồng độ nitơ ở bề mặt

10

cao nhưng chiều sâu lớp khuếch tán tại nhỏ. Ngược lại trong trường hợp khuếch tán
nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ nitơ ở lớp bề mặt thấp nhưng chiều sâu lớp khuếch
tán lại lớn.
2.1.2. Hệ sắt - Nitơ ( Fe - N )
Nitơ cũng như cacbon, hoà tan trong Fe  và Fe  tạo thành dung dịch rắn:
ferrit nitơ (pha
nitơ (pha

 ) có hàm lượng 0,004 % N ở 20oC và 0,1 % ở 590oC, pha austenit

 ) có hàm lượng 2,8% N ở 650oC. Sắt với nitơ tạo thành một số pha nitrit:

nitrit loại Fe4N có hàm lượng nitơ từ 5,7% đến 6,1% ở 450oC gọi là pha
Fe3N tồn tại trong khoảng rộng từ 4,35% đến 11.0%N gọi là pha

 ', nitơ loại

 , nitrit Fe2N tồn

tại trong khoảng hẹp từ 11,0% đến 11,4%N gọi là pha .

γ+ε

γ

Hình 2.1. Giản đồ trạng thái Fe-N
Nếu thấm nitơ nhiệt độ thấp hơn 591oC thì sau khi làm nguội sẽ tạo thành các
pha (tính lần lượt từ ngoài vào trong):

 ,  ' , (γ’+α), 

(giầu nitơ). Nếu thấm nitơ

ở nhiệt độ cao hơn 591oC thì sau khi làm nguội gồm các pha (tính lần lượt từ ngoài
vào trong):

 ,  ' , cùng tích [  +  ' ] (do 

11

phân hóa) và



(giầu nitơ). Độ cứng

của lớp thấm nitơ chính là các pha xen kẽ
làm mở rộng vùng



và làm cho pha



 ,  ' . Nguyên tố nitơ còn có tác dụng

ổn định, điểm A3 giảm xuống, nếu hàm

lượng nitơ tăng thì tác dụng đó càng mạnh. Đây chính là nguyên nhân tại sao khi có
mặt nitơ thì nhiệt độ thấm thấp cacbon lại có hiệu quả. [1]
Bảng 2.1. Đặc tính về mạng tinh thể nguyên tử và nồng độ các pha
cơ bản trong lớp thấm nitơ

Tên pha *

Tỷ lệ hóa
học

Pha  - dung

dịch rắn của nitơ

Giới hạn thay
đổi nồng độ
nitơ CN, %

0,42 (ở 591oC)
-

o

0,015 (ở 20 C)

trong Fe

Pha  - hợp chất

Fe4N

hóa học có thành

(với 5,9

phần thay đổi

%N2)

5,5  5,98

Đặc tính

Sự thay đổi

Kiểu

liên kết

thông số

mạng

nguyên

mạng ở

tử

20oC, Ao

Lập

Dung

phương

dịch rắn

thể tâm

xen kẽ

Lập
phương

o

(ở 501 C)

diện tâm

(ao)=(2,861
 2,62) CN

Hợp chất

(ao)’=(3,59

hóa học

 4,05) CN

(ao)=(2,51 
Pha  - hợp chất

Fe2N

hóa học có thành (với 11,2
phần thay đổi

%N2)

8,0  11,2
và cao hơn

Lập
phương
dày đặc

2,4) CN
Hợp chất
hóa học

o

Hệ số

Giá trị thể

dãn nở

tích riêng

.10

6

các pha Vc

0,12715 +
13,3

0,222CN +
5,07 l.10-6

0,11813 +
7,9

0,274CN +
2,79 l.10-6

22,2

0,11052 +
0,388CN +
7,36 l.10-6

(c )=(4,21 
2,0) CN

* Ở nhiệt độ cao hơn 591oC pha  được tạo ra đó là dung dịch rắn của nitơ trong sắt ; tại nhiệt độ 591oC
và nồng độ nitơ 2,35 % pha  sẽ tạo ra cùng tích  + ’

12

Tổ chức tế vi của lớp thấm khác nhau, nó không những phụ thuộc vào điều
kiện thấm (nhiệt độ, thời gian) mà còn phụ thuộc vào thành phần của thép, tuỳ thuộc
vào nguyên tố hợp kim và hàm lượng của nó.
Bảng 2.2. Tính chất của một số nitrit [12]

Nitrit

Hàm lượng nitơ
trong pha bão hòa
giới hạn, %

Độ cứng tế
vi, H

Tỷ trọng,
g/cm3

Nhiệt độ nóng
chảy, oC

AlN

34,18

 1225

3,05

-

Ti3N

8,9

-

4,77

-

TiN

11,1 – 22,6

1994

5,43

3205

V3 N

8,4 – 11,9

1990

5,98

-

VN

16,0 – 21,6

1520

6,10

2360

Cr2N

11,3 – 11,8

1570

6,51

1650

CrN

21,7

1093

5,8 – 6,1

1500 (phân hủy)

Mo3N

5,4

-

-

Mo2N

6,4 – 6,7

630

8,04

600 (phân hủy)

MoN

12,73

-

8,06

600

W2 N

4,39

-

12,2

-

WN

7,08

-

12,08

600

Fe4N

5,3 – 5,75

 450

6,57

670 (phân hủy)

Fe3N

8,1 – 11,1

-

-

-

Fe2N

11,1 – 11,35

 260

6,35

560 (phân hủy)

Bên cạnh những nitrit sắt còn có những nitrit đặc biệt như:AlN (34,1 % N),
CrN (21,2 % N), Cr2N (11,8 % N), TiN (22,6 % N), VN (21,6 % N), MoN (12,7
%N), Mo2N (6,8 % N),...Trong thép hợp kim có chứa các nguyên tố Cr, Mo, Al,...
thì khi thấm nitơ sẽ tạo ra các nitrit đặc biệt như đã nêu ở trên, có hình dạng nhỏ

13

mịn, có tính ổn định và độ cứng rất cao được tiết ra làm tăng ứng suất mạng rất lớn
làm tăng độ cứng bề mặt lớp thấm lên tới (600 đến 1250) HV [7].
Bảng 2.3. Các thông số hệ số khuếch tán của N trong Fe và Fe của các tác giả

Nguyên tố

Môi trường

khuếch tán

khuếch tán

Nhiệt độ

Hệ số

Hằng số

Năng lượng

khuếch tán

khuếch tán

khuếch tán

hoạt Q,

Do, cm2/s

cal/mol

6,6.10-3

18600

Tác
giả

t, oC

D, cm /s

500

3,8.10 -8

600

1,4.10

-7

500

3,72.10 -9

-

-

600

1,4.10 -8

4,67.10 -4

17950

800

8,1.10 -8

-

-

570

9,907.10 -12

-

-

[5]

3,933.10 -7

1,4.10 -2

17700

[10]

6,269.10 -8

3.10 -3

18200

[9]

950

6,5.10 -8

-

-

955

-7

Fe

2

[6]

[13]

N
580

[6]
Fe
570

1,9.10

0,019

28300

2,9.10 -10

0,335.10 -2

34660

[13]

1,824.10 -13

-

-

[5]

Đa số các nguyên tố hợp kim làm giảm hệ số khuếch tán của nitơ trong sắt.
nguyên tố làm giảm mạnh nhất là Vofram (W), Niken (Ni) và Môlipđen (Mo), còn
làm giảm chậm là Silic (Si), Mangan (Mn) và Crôm (Cr) [12]. Tác dụng hoá bền của
các nguyên tố hợp kim trong lớp thấm nitơ rất lớn. Làm tăng độ cứng bề mặt từ
600HV lên đến 2000 HV.

14

Từ bảng 2.3 ta thấy thấy ở nhiệt độ cao thì khả năng khuếch tán của N trong Fe
sẽ lớn hơn khi ở nhiệt độ thấp.
2.2. Hệ số truyền nitơ  N
Đây là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến tổ chức và tính
chất của lớp thấm nitơ mà đề tài đi sâu vào nghiên cứu.
* Hệ số truyền nitơ  N là thông số đặc trưng cho khả năng tiếp nhận nitơ của
thép từ môi trường thấm. Hệ số truyền nitơ N càng cao thì quá trình thấm càng hiệu
quả. Khi nitơ nguyên tử di chuyển đến bề mặt phân cách của thép và môi trường
thấm lập tức xảy ra quá trình hấp thụ nitơ vào trong thép. Hàm lượng nitơ trên bề
mặt phụ thuộc vào khả năng cung cấp nitơ của môi trường và thành phần hóa học
của thép.
Hệ số truyền nitơ  N là tỷ số giữa hoạt độ nitơ trong dung dịch rắn của thép
<aN> và hoạt độ nitơ trong môi trường thấm (aN):
N 

 aN 
(a N )

[8]

(1)

2.2.1 Hoạt độ nitơ trong dung dịch rắn của thép <aN>
Hoạt độ nitơ trong dung dịch rắn của thép <aN> là đại lượng phụ thuộc vào
chế độ thấm, hàm lượng nitơ và thành phần hóa học của thép. Trong đó hàm lượng
nitơ được xác định bằng sự chênh lệch khối lượng của mẫu trước và sau khi thấm
như sau:
%N=

m1  m0
m1

(2)

Trong đề tài này <aN> được xác định bằng phần mềm Thermo – calc
m1: Khối lượng mẫu sau khi thấm N (g)
m0: Khối lượng mẫu trước khi thấm N (g)
2.2.2 Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm (aN) [8]
Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm (aN) là đại lượng đặc trưng cho khả năng
cung cấp nitơ nguyên tử của môi trường. (aN) được xác định theo hệ số cân bằng
của phản ứng:

15

NH3  <Nht> + 3/2 H2

(3)

Như sau:
K 

(a N ).PH32/ 2
PNH 3

 (a N )  K .

PNH 3

PH32/ 2

(4)

(5)

Trong đó: K1 là hệ số cân bằng của phản ứng (3) [atm1/2]
PH2, PNH3 lần lượt là áp suất riêng phần của H2 và NH3 trong môi trường
thấm.
Với khoảng nhiệt độ thấm nitơ nằm trong khoảng (700  1400) K tương
đương (427  1127) oC, giá trị K được xác định theo công thức:
lnK = 14,05 – 6594/ T

(6)

2.3. Những yếu tổ ảnh hưởng đến chế độ thấm và cấu trúc lớp thấm
2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Chiều dầy của lớp khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán. Khi nhiệt độ
càng cao, sự chuyển động của nguyên tử càng mạnh,tốc độ khuếch tán càng mạnh.
Hệ số khuếch tán D tăng lên theo nhiệt độ thể hiện ở biểu thức sau:
D = Do exp (-Q/RT)

(7)

D: hệ số khuếch tán
Do: Hằng số phụ thuộc mạng tinh thể
Q: Năng lượng hoạt khuếch tán
T: Nhiệt độ thấm (K)
R: Hằng số khí

16

D

D = Do exp (-Q/RT)

T

Hình 2.2: Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ thấm
Với hệ thống hợp kim nhất định, các trị số Do, Q cũng cố định nên D phụ
thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì D càng tăng nhanh
2.3.2 Ảnh hưởng của thời gian
Ở nhiệt độ cố định, thời gian càng dài mức độ tăng chiều sâu lớp thấm càng
dầy. Quan hệ giữa chung tuân theo quy luật Parabol theo công thức sau:
X = K.t1/2

(8)

Trong đó:
X: Chiều dày lớp khuếch tán
K: Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào D
t: Thời gian

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp thấm vào thời gian thấm

17

Như vậy thời gian thấm càng dài, mức độ tăng chiều sâu lớp thấm càng

giảm. Biện pháp có hiệu quả nhất để tăng chiều sâu lớp thấm là nhiệt độ chứ không
phải là thời gian.
Ngoài những yếu tố nêu trên, khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo thành.
Ví dụ: Khi thấm C, N do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ nên khuếch tán xẩy ra
nhanh hơn so với pha hình thành là dung dịch rắn thay thế.
2.3.3 Ảnh hưởng của áp suất
Phản ứng phân hủy NH3 là phản ứng tăng thể tích do vậy khi tăng áp suất
cân bằng dịch chuyển sang trái, ngăn chặn quá trình phân hủy NH3. Độ phân hủy
NH3 giảm dẫn đến thế nitơ trong môi trường thấm (KN) tăng và làm tăng hoạt độ
nitơ trong môi trường thấm.
Áp suất môi trường thấm càng lớn, cân bằng dịch chuyển sang trái mạnh
hơn. Do đó chỉ cần với lưu lượng khí thấm nhỏ ta vẫn có thể duy chì được hoạt
tính của môi trường thấm. Đây là biện pháp giúp tiết kiệm khí thấm nhằm làm
giảm chi phí trong quá trình xử lý nhiệt cho các chi tiết cơ khí. Dưới áp suất cao
của môi trường thấm, tốc độ thấm tăng lên [1], thời gian thấm được rút ngắn chỉ
còn vài giờ.

K
N


P
Hình 2.4: Ảnh hưởng của áp suất dư đến độ phân hủy và thế Nitơ

18

2.3.4 Ảnh hưởng của thế nitơ
Thế nitơ KN: Là tỷ số giữa áp suất riêng phần của NH3 chưa phân hủy và áp suất
riêng phần của H2 sinh ra do NH3 phân hủy.

KN 

PNH 3
3/ 2
H2

P

[atm-1/2]

[8]

(9)

Thế nitơ KN trong môi trường thấm sẽ quyết định đến tổ chức lớp thấm nhận
được ở những nhiệt độ xác định

Hình 2.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thế Nitơ đến cấu trúc lớp thấm trên thép sạch
Biểu đồ trên được thiết lập cho thép sạch không chứa nguyên tố hợp kim vì
vậy trong đề tài này tiến hành nghiên cứu để xác lập mối quan hệ này cho thép hợp
kim.
2.3.5. Ảnh hưởng của độ phân hủy NH3
Độ phân hủy  của NH3 được xác định theo công thức:
* =

(10)

19

Như vậy có thể thấy ở nhiệt độ thấm xác định, độ phân hủy được khống chế
bằng cách thay đổi lưu lượng khí đưa vào lò. Khi tăng lượng khí NH (tức là làm
3

cho khí lưu lại trong lò ngắn hơn) sẽ dẫn tới làm giảm mức độ phân ly và ngược lại.
Do đó để có được cấu trúc lớp thấm như mong muốn thì sẽ khống chế bằng cách
thay đổi nhiệt độ thấm và thay đổi lưu lượng khí đưa vào.
Vì βN đặc trưng cho khả năng hấp thụ nitơ của thép nên có thể thấy rõ ràng
lượng nitơ được hấp thụ vào thép càng nhiều thì βN càng lớn.

Hình 2.6: Khả năng hấp thụ nitơ phụ thuộc nhiệt độ và độ phân hủy 

20

CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của hệ số truyền nitơ N đến tổ
chức và tính chất của lớp thấm nitơ thể khí trên thép hợp kim. Đề tài đã chọn thép
hợp kim hóa tốt là 30XH2MA và 38XH3MA (theo OCT 4543-71) đây là hai
loại thép đặc biệt được dùng rất nhiều trong quân sự nơi mà học viên đang công tác.
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của thép 30XH2MA và 38XH3MA

Hàm lượng, %
Mác thép [14]

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

V

30XH2MA

0,311

0,272

0,456

0,006

0,009

0,678

2,067

0,228

0,122

OCT 4543-71
(30XH2MA)

0,270,34

0,170,37

0,30,6

0,60,9

2,02,4

0,20,3

0,10,18

38XH3MA

0,397

0,278

0,344

0,005

1,291

3,045

0,354

0,108

OCT 4543-71

0,33 –
0,40

0,170,37

0,25 –
0,025 0,025
0,5

1,2 –
1,5

3,0 –
3,5

0,35 –
0,45

0,10,18

(38XH3MA)

0,025 0,025
0,001

Bảng 3.2: Cơ tính của thép 30XH2MA và 38XH3MA sau nhiệt luyện

(%)

ak
J/cm2

Độ cứng
(HV)

16

57

126

330

13

55

101

370

b

c

10



(Mpa)

(Mpa)

(%)

30XH2MA

904

793

38XH2MA

1250

950

TT

Mác thép

1
2

21

3.2. Địa điểm nghiên cứu
Xưởng nhiệt luyện – Bộ môn Vật liệu học và Xử lý bề mặt – Viện Khoa học
và kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Phòng thí nghiệm Kim loại học và nhiệt luyện – Viện Khoa học và kỹ thuật
vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Trung tâm Đo Lường – Viện Công Nghệ - Tổng Cục Công Nghiệp Quốc
Phòng – Bộ Quốc Phòng.
3.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
Mẫu ở trạng thái cung cấp là dạng cây  100 x 6000 mm, được cắt ra và mài
nhẵn theo kích thước như sau:

Lỗ treo mẫu

Lỗ treo mẫu

2cm

1cm

1cm

Mẫu mỏng

Mẫu khối
Hình 3.1: Mẫu dùng để thấm

* Trước khi thấm mẫu được nhiệt luyện theo quy trình như sau:
- Đối với thép 30XH2MA
T0
860 oC

Tôi

Dầu

650 oC
ram

10 phút

KK

1h
t (h)

Hình 3.2: Quy trình nhiệt luyện thép 30XH2MA

22

- Đối với thép 38XH3MA

T0
850 oC

Tôi

Dầu

600 oC
ram

10 phút

KK

1h
t (h)

Hình 3.3: Quy trình nhiệt luyện thép 38XH3MA

3.4. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
(Thép 30XH2MA và
38XH3MA)
Mẫu mỏng

Thấm nitơ

- Xác định nồng độ nitơ trong mẫu

thép.
- Xác định hệ số truyền  N.
- Chụp ảnh tổ chức kim tương.
- Chụp EDS: Xác định phân bố
hàm lượng nitơ trong lớp thấm

Mẫu khối

- Chụp ảnh tổ chức kim tương.
- Đo độ cứng: xác định chiều sâu lớp
thấm và phân bố độ cứng từ bề mặt
vào lõi.
- Chụp nhiễu xạ rơngen: Xác định
thành phần pha của lớp thấm.

Hình 3.4: Sơ đồ quy trình nghiên cứu thực nghiệm

23

3.5. Thí nghiệm thấm nitơ
Quá trình thấm nitơ được tiến hành ở Xưởng nhiệt luyện – Bộ môn Vật liệu
học và sử lý bề mặt – Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
T0C

Cấp khí NH3

TThấm
Tthấm – 50 oC

Cấp khí N2

t=8h

Làm nguội
bằng Khí N2

t (h)

0

Hình 3.5: Quy trình thấm nitơ thể khí
3.5.1. Chế độ nghiên cứu
Để nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số truyền chất  N đến tổ chức và tính chất
của lớp thấm nitơ thể khí, đề tài đã tiến hành khảo sát ở các chế độ như bảng 3.3
3.5.2. Các bước tiến hành
Trước khi thấm, các mẫu được mài sạch lớp oxit bằng giấy ráp và được rửa
sạch bằng cồn 90o, sau đó sấy khô. Các mẫu mỏng được đem đi cân khối lượng và
buộc mẫu vào gá (trong quá trình gá mẫu phải dùng banh kẹp để gá tránh làm bẩn
mẫu).
Cho mẫu vào lò, bật lò, bật hệ thống làm mát bằng nước và quạt khuấy đồng
thời cấp khí N2 để đuổi hết khí oxy ra khỏi lò để không làm mẫu bị oxy hóa và tránh
nguy cơ cháy nổ do hỗn hợp oxy và NH3.
Khi nhiệt độ trong lò gần đạt nhiệt độ thấm ( 480oC ), cấp khí NH3 vào lò
với lưu lượng phù hợp với thí nghiệm và ngừng cấp khí N2. Khi lò đạt nhiệt thấm
bắt đầu tính thời gian thấm. Lúc này cần theo dõi liên tục độ phân hủy NH3 để đảm
bảo kết quả thấm như mong muốn.

24

Sau khi đủ thời gian thấm, tắt lò và cấp khí N2 vào lò đồng thời ngừng cấp
khí NH3. Đợi đến khi nhiệt độ của lò hạ xuống thấp khoảng  300oC (để tránh cho
mẫu bị oxy hóa) ngừng cấp khí N2 và lấy mẫu ra khỏi lò.
Bảng 3.3: Các chế độ thí nghiệm thấm nitơ thể khí

Mẫu thấm

TT

30XH2MA

38XH3MA

Độ phân

Nhiệt độ

Thời gian

hủy NH3,

thấm T,

thấm t,

%

o