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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG VĨNH GIANG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


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

HOÀNG VĨNH GIANG

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

Chuyên ngành : Kim loại học
Mã số
: 62440129

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Nguyễn Văn Tư

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 luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt, đã
nhiệt tình giúp đỡ 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 ơn đồng nghiệp, lãnh đạo Viện Công Nghệ đã tạo điều kiện thuận
lợi để tôi thực hiện luận án.
Và tôi xin cám ơn bạn bè, gia đình luôn ở động viên và khích lệ tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận án.
Hà Nội, ngày tháng 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.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Nguyễn Văn Tư

Hà Nội, ngày tháng năm 2016
NGHIÊN CỨU SINH

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......................................................................................................v
GIỚI THIỆU LUẬN ÁN........................................................................................................1
CHƯƠNG 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. Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma..............................................19
1.2.3. Các thông số chính của công nghệ thấm nitơ plasma.........................27

1.3. Tình hình nghiên cứu thấm nitơ plasma cho thép SKD61...................................32
1.3.1. Trên thế giới............................................................................................................... 32
1.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam.................................................................34
1.4. Kết luận................................................................................................................35
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................................36
2.1. Thiết bị thực nghiệm............................................................................................36
2.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thấm..................................................38
2.3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu...................................................................40
2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiện tượng
khuếch đại plasma......................................................................................................... 41
2.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự
hình thành lớp thấm...................................................................................................... 45
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..........................................................................51
3.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến khuếch đại plasma.........51
3.1.1. Điều kiện hình thành khuếch đại plasma...................................................51
3.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày
plasma................................................................................................................................... 54
3.1.3. Ứng dụng kết quả thực nghiệm khuếch đại plasma trong thực tế
................................................................................................................................................... 57
3.1.4. Kết luận về hiện tượng khuếch đại plasma.............................................60
3.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm.......61
3.2.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc lớp thấm...61
3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng
................................................................................................................................................... 72
3.2.3. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm.............................78
3.2.4. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên sự phân bố độ cứng trong lớp thấm..........89
3.2.5. Ứng dụng thấm thép SKD61 với yêu cầu lớp thấm khác nhau........93

i

3.2.6. Kết luận ảnh hưởng các thông số công nghệ lên lớp thấm khi
thấm thép SKD61............................................................................................................. 98
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP..............................................................100
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN...................................................................102
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..............................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................104
PHỤ LỤC 110

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
Feα(C,N)
Dung dịch rắn hóa tan của C và N trong sắt α
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
(aN)
Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm
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

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.
Bảng 1.2.
Bảng 1.3.
Bảng 1.4.
Bảng 1.5.
Bảng 2.1.
Bảng 2.2:
Bảng 2.3.
Bảng 2.4
Bảng 3.1.

Ảnh hưởng của một yếu tố lên mật độ dòng ......................................................8
Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa ......................................................9
Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm .............................28

Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thành phần lớp trắng........................30
Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới............................................34
Điện áp ở các áp suất khác nhau........................................................................42
Thành phần của mẫu thép thí nghiệm................................................................46
Điện áp sử dụng khi thấm ở áp suất và nhiệt độ khác nhau..............................48
Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9.................................................................50
Ảnh hưởng của đường kính lỗ rỗng và áp suất bắt đầu (Pbđ) và áp suất kết thúc
(Pkt) khuếch đại plasma......................................................................................53
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma....................................................55
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma.................. 56
Bảng 3.4. Kết quả chiều dày plasma và 1/p.......................................................................57
Bảng 3.5. Kết quả chiều dày lớp trắng và tỷ số SN cho từng thí nghiệm..........................72
Bảng 3.6. Giá trị tỷ số SN và mức ảnh hưởng 4 thông số đến chiều dày lớp trắng...........73
Bảng 3.7. Mối liên quan giữa chiều dày lớp trắng và từng mức thông số.........................74
Bảng 3.8. Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 200Pa và 400Pa....76
Bảng 3.9. Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 600Pa....................77
Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm xác định chiều sâu lớp thấm............................................78
Bảng 3.11. Tỷ số SN và mức độ ảnh hưởng 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm..................79
Bảng 3.12. Giá tri trung bình và xếp hạng sự phụ thuộc của chiều sâu lớp thấm................79
Bảng 3.13. Chiều sâu lớp thấm d với thành phần khí thấm mức 1......................................82
Bảng 3.14. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 2.........................................83
Bảng 3.15. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 3.........................................83
Bảng 3.16. Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm ở các điều kiện thấm khác nhau........................84
Bảng 3.17. Kết quả bổ sung chiều sâu lớp thấm..................................................................85
Bảng 3.18. Chiều sâu lớp thấm thực nghiệm và tính toán ở nhiệt độ 490 oC.......................85
Bảng 3.19. Hệ số nhiệt độ k và hằng số tốc độ thấm K ở các nhiệt độ khác nhau...............87
Bảng 3.20. Tính toán giá trị hằng số Ko...............................................................................88
Bảng 3.21. Kết quả bổ sung.................................................................................................89
Bảng 3.22. Giá trị kiểm định Fisher cho công thức xác định quan hệ ln(K)-1/T.................89
Bảng 3.23. Kết quả đo độ cứng tế vi lớp thấm HV0.1.........................................................90

Bảng 3.24. Kết quả thực nghiệm xác định độ cứng tối đa...................................................91
Bảng 3.25. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng 4 thông số lên độ cứng tối đa.......................91
Bảng 3.26. Kết quả xác định chiều sâu lớp cứng d900...........................................................92
Bảng 3.27. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng lên chiều sâu lớp cứng d900...........................92
Bảng 3.28. Dự đoán chiều dày lớp trắng..............................................................................94

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Quan hệ điện áp và dòng........................................................................................4
Hình 1.2. Cấu trúc plasma......................................................................................................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. Các khả năng xảy ra khi thấm Nitơ plasma..........................................................11
Hình 1.6. Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở.................................12
Hình 1.7. Mô tả sự phóng điện hồ quang............................................................................13
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thấm Nitơ plasma (DCPN, PPN)...............................................14
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN................................................15
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý thấm........................................................................................16
Hình 1.11. Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma...............................................16
Hình 1.12. Cơ chế thấm theo mô hình Kolbel...................................................................18
Hình 1.13: Các cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt thấm...........................................................19
Hình 1.14: Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma...............................................22
Hình 1.15:Sơ đồ hình thành lớp thấm..................................................................................23
Hình 1.16: Giản đồ pha Fe-N...............................................................................................23
Hình 1.17: Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm...........................25
Hình 1.18: Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm..............................25
Hình 1.19: Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm........26
Hình 1.20. Quy trình thấm nitơ plasma điển hình................................................................27

Hình 1.21: Chiều dày lớp trắng, 530oC, thép 3%Cr-Mo-V.................................................29
Hình 1.22: Ảnh hưởng %H2 đến nhiệt độ catôt Tc (oC).......................................................31
Hình 2.1: Lò tôi chân không đơn buồng Turbo2 Treater M..................................................36
Hình 2.2: Lò thấm N plasma................................................................................................36
Hình 2.3: Giao diện chương trình thấm................................................................................37
Hình 2.4: Hệ thống van từ đo lưu lượng khí thấm...............................................................37
Hình 2.5. Can nhiệt loại K đo nhiệt độ mẫu thấm................................................................38
Hình 2.6: Thiết bị đo áp suất................................................................................................38
Hình 2.7: Kính hiển vi quang học NIKON..........................................................................38
Hình 2.8. Máy đo độ cứng tế vi FM-700e............................................................................39
Hình 2.9. Máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL3460......................................................39
Hình 2.10.Thiết bị nhiễu xạ tia X (D5005)..........................................................................40
Hình 2.11. Hiển vi điện tử quét (SEM)................................................................................40
Hình 2.12. Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma..................................................................41
Hình 2.13. Khuếch đại plasma với 2 mẫu cách nhau cố định 7mm.....................................42
Hình 2.14. Bố trí thí nghiệm khuếch đại plasma trên các ống rỗng.....................................42
Hình 2.15. Xác định chiều dày plasma dc.............................................................................43
Hình 2.16. Sơ đồ thực nghiệm ảnh hưởng các thông số đến sự hình thành lớp thấm..........45
Hình 2.17. Các mẫu thí nghiệm............................................................................................46
Hình 2.18. Bố trí mẫu thí nghiệm trong buồng lò................................................................47
Hình 3.1. Ảnh chụp hiện tượng khuếch đại plasma.............................................................51
Hình 3.2. Giải thích sự xuất hiện khuếch đại plasma...........................................................52
Hình 3.3. Giải thích sự biến mất của khuếch đại plasma.....................................................52
Hình 3.4. Khuếch đại plasma...............................................................................................53
Hình 3.5. Vùng hình thành khuếch đại plasma....................................................................54
Hình 3.6. Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất....................................................................55
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày plasma ở nhiệt độ khác nhau.......56
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày plasma với thành phần khí khác nhau. . .57
v

Hình 3.9. Đồ thị dc – 1/p.......................................................................................................58
Hình 3.10. Đồ thị dc – 1/p với dc>2mm................................................................................58
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)...........................................................59
Hình 3.12. Ảnh tổ chức tế vi các mẫu trong kết quả thực nghiệm Taguchi.........................64
Hình 3.13. Nhiễu xạ tia X mẫu M3......................................................................................65
Hình 3.14. Nhiễu xạ tia X mẫu M7......................................................................................65
Hình 3.15. Nhiễu xạ tia X góc hẹp 5º mẫu M3....................................................................66
Hình 3.16. Ảnh SEM mẫu M3.............................................................................................66
Hình 3.17. Điểm phân tích số 5 mẫu M3.............................................................................67
Hình 3.18. Điểm phân tích số 6 mẫu M3.............................................................................67
Hình 3.19. Điểm phân tích số 7 mẫu M3.............................................................................68
Hình 3.20. Điểm phân tích số 8 mẫu M3.............................................................................68
Hình 3.21. Ảnh SEM lớp khuếch tán mẫu M3.....................................................................68
Hình 3.22. Điểm phân tích 2 mẫu M3..................................................................................69
Hình 3.23. Điểm phân tích 4 mẫu M3..................................................................................69
Hình 3.24. Điểm phân tích 5 mẫu M3..................................................................................69
Hình 3.25. Điểm phân tích 3 mẫu M3..................................................................................70
Hình 3.26: Mapping mẫu M3...............................................................................................70
Hình 3.27: Phân tích line scan mẫu M3...............................................................................71
Hình 3.28. Phân bố %N và %C trong mẫu M3....................................................................72
Hình 3.29. Ảnh hưởng các thông số lên chiều dày lớp trắng theo tỷ số SN........................73
Hình 3.30. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng......................74
Hình 3.31. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng77
Hình 3.32. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng...................................77
Hình 3.33. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm theo tỷ số SN........79
Hình 3.34. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên giá trị trung bình chiều sâu lớp thấm. .80
Hình 3.35. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm...........................82
Hình 3.36. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm...........................83

Hình 3.37. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm...........................84
Hình 3.38. Giá trị thực nghiệm và phương trình hồi quy tuyến tính xây dựng cho chiều sâu
lớp thấm ở 490 oC..............................................................................................86
Hình 3.39. Đồ thị ln(K)-1/T xây dựng cho chiều sâu lớp thấm...........................................88
Hình 3.40. Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm...........................................................90
Hình 3.41. Ảnh hưởng các thông số đến độ cứng tối đa theo tỷ số SN...............................91
Hình 3.42. Ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu lớp cứng d900 theo tỷ số SN..........93
Hình 3.43. Vị trí lấy mẫu chụp kim tương lớp thấm............................................................95
Hình 3.44. Tổ chức lớp thấm................................................................................................96
Hình 3.45. Phân bố độ cứng.................................................................................................96
Hình 3.46. Kết quả thấm không lớp trắng............................................................................97
Hình 3.47. Hiển vi quang học mẫu.......................................................................................98

vi


GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
Tính cấp thiết của đề tài
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 để 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 có 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 [7] mặc dù thời gian thấm ngắn và chất lượng lớp thấm tương
đối cao, nhưng do phải sử dụng muối nóng chảy gốc xyamua, 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 NH 3 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 H 2 và N2 với tiêu hao ít
hơn rất nhiều từ đó giảm chi phí và phát thải rất ít nên thân thiện môi trường [11, 13, 69, 95].
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 loại thiết bị thấm nitơ
plasma xung, một 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. Chỉ có một số
đề tài nghiên cứu áp dụng cho loại thép và thiết bị thấm cụ thể, và hầu như làm theo hướng
dẫn sử dụng của nhà cung cấp. Các nghiên cứu trên chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng riêng
biệt của nhiệt độ, thời gian và thành phần khí thấm đến tính chất lớp thấm [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Đặc điểm của công nghệ thấm nitơ plasma là plasma hình thành trực tiếp trên bề mặt
sản phẩm có đồng thời 2 nhiệm vụ [27, 46, 93]: (1) cung cấp nhiệt để nung nóng và duy trì
nhiệt độ chi tiết thấm (2) cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình khuếch tán nitơ từ bề mặt
vào bên trong chi tiết thấm tạo thành lớp thấm. Như vậy có thể nói lớp thấm được hình thành
chịu tác động của đồng thời 3 yếu tố, đó là thiết bị, công nghệ và bản chất vật thấm. Ưu điểm
của công nghệ này là cho phép dễ dàng điều chỉnh các thông số công nghệ để nhận được lớp
thấm mong muốn [11, 27, 93]. Nhược điểm cố hữu lớn nhất là khả năng xuất hiện hiện
tượng khuếch đại plasma do vật thấm chịu tác động trực tiếp của điện áp cao [11, 27, 36, 69,
81, 93]. Để đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng trong sản xuất một cách có hiệu
quả cần biết làm chủ quá trình thấm để khai thác tối đa ưu điểm và loại trừ nhược điểm. Vì lý
do đó đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành lớp thấm nitơ
plasma bằng phương pháp thấm nitơ plasma xung.
Nghiên cứu thấm nitơ plasma xung được tiến hành trên thiết bị thấm nitơ plasma
xung tường nguội NITRION. Quá trình thấm được lập trình và điều khiển tự động bằng phần
mềm Demig Prosys thông qua máy tính. Mục đích của nghiên cứu này là làm chủ điều khiển
được quá trình thấm để một mặt không xuất hiện khuếch đại plasma nhưng vẫn đảm bảo sử

dụng không gian lò tốt nhất đồng thời tạo được lớp thấm có tính chất như mong muốn. Với
mục tiêu này, 2 mục tiêu với 2 đối tượng được nghiên cứu với một số nội dung dưới đây.
Mục tiêu – Đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu 1: Nghiên cứu hiện tượng khuếch đại plasma từ đó làm cơ sở để lựa chọn các
thông số phù hợp đảm bảo không xuất hiện hiện tượng khuếch đại plasma trong quá trình

1


thấm và sắp xếp chi tiết thấm sao cho có hiệu quả nhất.
Đối tượng: Cơ chế hình thành khuếch đại plasma, vai trò (hậu quả) của nó, các thông số
ảnh hưởng đến khuếch đại plasma, kiểm soát quá trình hình thành khuếch đại plasma thông
qua việc kiểm soát chiều dày plasma.
Nội dung:
1. Cơ chế quá trình hình thành khuếch đại plasma.
2. Xác định chiều dày plasma bằng sử dụng camera.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính (thành phần khí
thấm, nhiệt độ, áp suất thấm) đến chiều dày plasma.
4. Xây dựng mô hình (phương trình) thực nghiệm tính toán chiều dày plasma ở điều
kiện thấm cụ thể.
Mục tiêu 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự hình thành và đặc
tính lớp thấm, từ đó ổn định các thông số công nghệ trong quá trình thấm để nhận được lớp thấm
mong muốn khi thấm thép SKD61, một mác thép thông dụng trong chế tạo khuôn bền nóng.
Đối tượng nghiên cứu: Bốn thông số công nghệ chính là thành phần khí thấm, nhiệt độ, thời
gian và áp suất thấm. Vật liệu thấm là SKD61, mác thép đang có nhu cầu thấm nitơ cao.
Nội dung:
1. Thiết kế thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi sử dụng
phần mềm Minitab 16.
2. Tiến hành xác định các đặc tính lớp thấm (tổ chức tế vi, thành phần pha, độ cứng,
chiều dày lớp trắng, chiều sâu lớp thấm).

3. Đánh giá ảnh hưởng 4 thông số công nghệ chính (nhiệt độ, thời gian, thành phần
và áp suất khí thấm) đến sự hình thành lớp thấm thông qua tổ chức tế vi lớp thấm
và chiều dày lớp trắng.
4. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều sâu lớp thấm,
phân bố độ cứng.
5. Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu lớp thấm, hằng số tốc độ thấm và năng
lượng hoạt hóa.
6. Ứng dụng kết quả thực nghiệm để thấm thép SKD61 với các yêu cầu khác nhau
về đặc tính lớp thấm.
Những đóng góp mới của luận án
1. Sử dụng camera ghi hình và đánh giá sự hình thành khuếch đại plasma, từ đó xây
dựng phương pháp xác định chiều dày plasma thông qua chụp ảnh plasma. Đây là
phương pháp đơn giản, độ chính xác đáp ứng được các yêu cầu của sản xuất và
nghiên cứu qui mô công nghiệp. Dựa vào chiều dày plasma có thể tính toán sắp xếp
các sản phẩm trong buồng lò đảm bảo khe hở lớn hơn 3 lần chiều dày plasma từ đó
tận dụng tối đa không gian lò và tránh hình thành khuếch đại plasma.
2. Áp dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi để thiết kế thực nghiệm cho phép
nhanh chóng định hướng ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự
hình thành lớp thấm trong quá trình thấm nitơ plasma. Từ những định hướng này
có thể dể dàng lựa chọn được các thông số công nghệ thấm hợp lý để nhận được
lớp thấm với cấu trúc và đặc tính yêu cầu. Đã ứng dụng phương pháp này để xác
định các thông số công nghệ thấm nitơ plasma thép SKD61 với cấu trúc lớp thấm
mong muốn: không lớp trắng, lớp trắng (1 ÷ 3) m hoặc (4 ÷ 6) m và hằng số tốc
85000
7
) [m2/s].
độ thấm hiệu dụng K  1, 274 �10 exp(
RT
3. Phương pháp thực nghiệm cũng như kết quả của luận án là tài liệu tham khảo tốt
cho các đơn vị sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma.

2


CHƯƠNG 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 áp suất thấp vài trăm pascal (Pa) [11, 27, 36, 93, 94]. Trong điều kiện
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 xuất hiện 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 mong muốn và hiệu quả nhất. Hai vấn đề
nổi bật cần quan tâm ở đây là:
 Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma: Quá trình hình thành, duy
trì ổn định plasma, các hiện tượng có thể xuất hiện trong buồng thấm trong quá
trình thấm nitơ plasma.
 Công nghệ thấm nitơ plasma: Các bước phát triển, nguyên lý thấm nitơ plasma,
các thông số cơ bản của quá trình thấm nitơ plasma.
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 điện tích âm và các phần tử
(nguyên tử, phân tử) trung tính. Các phần tử mang điện âm và dương cân bằng nhau nên
hỗn hợp này có tính dẫn điện [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 4.000 oK đến 20.000 oK 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 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 23.000 oK [14, 15]). Các phần tử trung tính có năng lượng thấp
hơn E ~ 0.025 eV (tương đương nhiệt độ môi trường 293 oK). Như vậy trong trường hợp
áp suất thấp, khi đó Te >> Tion >> Tgas thì 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 loại plasma này có thể là quá trình phóng điện phát sáng 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
3


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.
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 plasma.
Plasma sinh ra trong điều kiện phóng điện phát sáng chứa các điện tử với năng
lượng trung bình từ 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 10 4 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) là điện trường có
cường độ cao (trên vài trăm vôn) (2) là môi trường khí, và (3) là 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]

4

Ở điều kiện bình thường 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 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 thế 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 làm giảm quá trình ion hóa và kích thích khí từ đó
sinh ra một vùng khác gọi là vùng tối Faraday (5). Tích điện trong vùng này nhỏ và điện
trường 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 điện
tích âm.
Số lượng và độ lớn các vùng phụ thuộc vào khoảng cách anôt với catôt, vật liệu
catôt, thành phần khí, áp suất khí thấm. 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

5


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].

(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 Anôt

Hình 1.2. Cấu trúc plasma [89]

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). Chiều rộng vùng này 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 thế tổng giảm đột ngột, và sự giảm điện thế trong
vùng catôt được gọi là giảm điện thế catôt. Do chiều rộng vùng catôt tương đối nhỏ nên sự
giảm điện thế 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 có điện
tích dương. Như vậy, đặc trưng vùng catôt là: điện thế 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 cũng tăng, lúc này là giai
đoạn phóng điện bình thường. Chuyển sang giai đoạn phóng điện trên bình thường cả dòng
6


và mật độ dòng đều thay đổi theo điện thế do plasma đã bao phủ toàn bộ bề mặt catôt (diện
tích plasma 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].

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 (50-100 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 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, nếu điện áp cao thì 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 500 oC, khí
thấm 100 % N2 được trình bày trên hình 1.4 [36]. Có thể thấy áp suất có ảnh hưởng rất lớn
7


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 cường độ dòng điện lớn đủ duy trì nhiệt độ
catôt không đổi.

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

Dòng điện và từ đó 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 N 2 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 hàm lượng %H2 mà 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 thông số thấm như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của một yếu tố lên mật độ dòng [96]

Hướng giảm mật độ dòng

←

→ Hướng tăng mật độ dòng

Tăng hydro

Tăng nitơ

Tăng methan

Tăng áp suất

Giảm chu kỳ làm việc

Tăng điện thế

Điện áp giữa anôt và catôt cũng như điện thế 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]. Cũng theo [107], điện áp thay đổi
không nhiều khi áp suất lớn hơn 800 Pa, còn điện thế giảm catốt thì giảm đáng kể khi áp

8


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 thế 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 thông thường thấm nitơ plasma
được thực hiện với áp suất < 800 Pa.
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 t on 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 trước khi
quá trình hấp phụ hay khuếch tán có thể xuất hiện. Nói cách khác, để có thể thấm nitơ điều
đầu tiên là hình thành plasma có các cá thể hoạt tính có chứa nitơ. Plasma hỗn hợp khí N 2+
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 N 2 cũng như tỷ lệ giữa N+ và

N2+ tăng khi càng đến 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 N 2 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 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 thế và áp suất. Khi tăng điện thế 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%).
9


- Với hỗn hợp khí 100 % N2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (16.8%), N2+ (55.5%).
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 N. 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 tượng 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 vấn đề 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 động năng lớn, va chạm với các
phần tử trung tính làm ion hóa bổ sung tăng mật độ điện tử (có thể lên tới 10 15 so với bình
thường 1012 ÷ 1013 [36]) làm tăng đột ngột mật độ dòng j và xuất hiện khuếch đại plasma.
Hậu quả của nó là nhiệt độ khí tăng rất cao 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]
C D

dc  
(1.1)
p
I
Trong đó: P là áp suất, I là cường dòng điện còn C và D là 2 hằng số thực nghiệm.
Khi điện thế không đổi thì cường độ dòng điện I không đổi và do đó, chiều dày
plasma có thể được tính theo công thức [38]:
B
dc  A 
(1.2)
p
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, 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, tỷ lệ H 2 / N2 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
catot có bề mặt đối diện và song song nhau. Nếu chiều dày plasma là dc và khoảng cách
giữa các bề mặt catốt (khe hở hay đường kính lỗ) là D, khi thấm sẽ có các khả năng sau
xảy ra (hình 1.5):
Trường hợp D1, lúc này D < 2 d c: 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 < D < 4 d c: 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 D > 4 d c: 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. Các khả năng xảy ra khi thấm Nitơ plasma [36].

Có thể thấy, hiện tượng khuếch đại plasma phụ thuộc vào chiều dày plasma và hình
học catot, như vậy, trường hợp mô tả trên chỉ ứng với một nhiệt độ, áp suất, loại khí cũng
như hình học catot nhất định. Khi thay đổi bất kỳ một thông số nào thì chiều dày plasma d c
sẽ thay đổi do đó các kích thước D1, D2, D3 cũng sẽ thay đổi. Ngoài ra khi sử dụng nguồn
nguồn nitơ plasma xung có thể điều khiển chu kỳ xung làm việc t w 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 [54]. Chu kỳ xung làm việc càng thấp càng ít khả năng xuất hiện
khuếch đại plasma. Nghĩa là 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 có thể 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 (điện áp và dòng cao), chu kỳ xung làm việc cao nhưng áp suất
thì 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 [69] là sơ đồ 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.

11


Hình 1.6. Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở [69]

Chiều dày plasma thay đổi khi thay đổi thông số công nghệ như vậy khuếch đại
plasma chỉ xảy ra ở một điều kiện nhất định. Nếu không cần thấm các lỗ hay khe hở hẹp

thì chiều dày plasma dc khoảng 6 mm là tốt nhất [46]. Khi thấm các sản phẩm có lỗ hay
khe hở, cần lựa chọn các thông số công nghệ để có chiều dày plasma phù hợp tránh hiện
tượng khuếch đại plasma. 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.
1.1.4.2. Hiện tượng hồ quang
Hồ quang có nhiệt độ cao làm nung nóng cục bộ chi tiết, 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 bán dẫn của 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 bán dẫn 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 tối 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 biết 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 góc độ 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 T e 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 điện tử giảm

12


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 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 bao gồm: (1) là buồng chân không, (2) là hệ thống cấp khí thấm và (3) là nguồn nitơ
plasma. 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 giữa catôt và anôt được duy trì bởi các điện tử
sinh ra trong vùng catôt do quá trình ion bắn phá catốt. Thông thường điện áp (400 ÷800)V,

hỗn hợp khí N2, H2 và số khí khác, 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 bản chất quá trình thấm là như nhau, 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/cm2. Công nghệ tường nguội sử dụng năng lượng plasma vừa để nung nóng vừa để
thấm nên đòi hỏi nguồn nitơ plasma lớn hơn, mật độ dòng khoảng 5 mA/cm2 [36, 69].

13


Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thấm Nitơ plasma (DCPN, PPN) [73]
Công nghệ tường nóng với ưu điểm sử dụng 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 [69].
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 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. Như vậy, 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, có thể tạo được

plasma ổn định ngay cả với những điều kiện không thuận lợi nhất (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. [73].

14