NGHIÊN cứu một số yếu tố CHÍNH ẢNH HƯỞNG đến sự HÌNH THÀNH lớp THẤM n BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM n PLASMA XUNG

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

HOÀNG VĨNH GIANG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2015


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

HOÀNG VĨNH GIANG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH
ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM N
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM N 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 – 2015


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 23 tháng 10 năm 2015
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 23 tháng 10 năm 2015
NGHIÊN CỨU SINH

Hoàng Vĩnh Giang


MỤC LỤC
Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2015 iii
Nghiên cứu sinh iii
Hoàng Vĩnh Giang iii
LỜI CAM ĐOAN iv
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. iv
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. iv
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. iv
Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2015 iv
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC iv
PGS.TS. Nguyễn Văn Tư iv
NGHIÊN CỨU SINH iv
Hoàng Vĩnh Giang iv
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH vi
GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4
1.1. Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma 4
1.1.1. Khái niệm plasma 4

1.1.2. Plasma phóng điện phát sáng 5
1.1.3. Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma 8
1.1.3.1. Plasma N2-H2 sử dụng trong thấm nitơ plasma 8
1.1.3.2. Cấu trúc ion trong vùng catốt 10
1.1.4. Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma 11
1.1.4.1. Hiện tượng khuếch đại plasma 11
1.1.4.2. Hiện tượng hồ quang 13
1.2. Công nghệ thấm nitơ plasma 14
1.2.1. Lịch sử phát triển 14
1.2.1.1. Công nghệ thấm Nitơ plasma 14
1.2.1.2. Thấm nitơ sau phóng điện (PDN) 15
1.2.1.3. Thấm nitơ màn chủ động ASPN 16
1.2.2. Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma 16
1.2.2.1. Các tương tác trong quá trình thấm 16
1.2.2.2. Cơ chế thấm nitơ plasma 17
1.2.3. Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma 20
1.2.3.1 Quá trình vận chuyển N từ môi trường thấm đến bề mặt vật thấm 20
1.2.3.2. Quá trình vận chuyển nitơ từ bề mặt vào bên trong vật thấm 23
1.2.4. Các thông số chính của công nghệ thấm nitơ plasma 26
1.2.4.1. Chu trình thấm nitơ plasma 26
1.2.4.2. Các thông số công nghệ chính 27
1.3. Tình nghiên cứu thấm nitơ plasma cho thép SKD61 31
1.3.1. Trên thế giới 31
1.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 34
1.4. Kết luận 34
Chương 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36
2.1. Thiết bị chính 36
i

2.2. Thiết bị đo kiểm tra 37
2.3. Vật liệu chính sử dụng trong nghiên cứu 39
2.3.1. Thành phần hóa học của thép và phương pháp chuẩn bị mẫu 39
2.3.2. Các loại vật liệu phụ 40
2.4. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 40
2.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ chính đến sự hình thành và đặc
tính của lớp thấm. 40
2.4.1.1. Sơ đồ thực nghiêm tổng quát 40
2.4.1.2. Các thông số công nghệ chính 41
2.4.1.3. Bố trí sắp xếp mẫu thí nghiệm 42
2.4.1.4. Quy hoạch thực nghiệm phương pháp Taguchi 42
2.4.1.5. Phương pháp xác định chiều sâu lớp thấm, chiều dày lớp trắng 44
2.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến chiều dày
plasma và sự hình thành khuếch đại plasma 45
2.4.2.1. Thực nghiệm quá trình hình thành khuếch đại plasma và đo chiều dày
plasma 45
2.4.2.2.Thí nghiệm khuếch đại plasma trên các ống rổng có đường kính khác nhau
47
2.4.2.3. Xây dựng phương trình tính toán chiều dày plasma 47
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢI THÍCH 49
3.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến sự hình thành lớp thấm 49
3.1.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc lớp thấm 49
3.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng 58
3.2. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm 64
3.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của cả 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm 64
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm 67
3.2.3. Xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán chiều sâu lớp thấm 72
Trong khoảng nghiên cứu, thành phần và áp suất hầu như không ảnh hưởng đến chiều
sâu lớp thấm. 77
3.3. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên sự phân bố độ cứng trong lớp thấm 77

3.3.1. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên độ cứng tối đa 78
3.3.2. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên lớp cứng d900 79
3.4. Kiểm nghiệm kết quả thực nghiệm Taguchi 80
3.5. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến khuếch đại plasma trong quá
trình thấm N plasma 85
3.5.1. Điều kiện hình thành khuếch đại plasma 85
3.5.1.1. Khuếch đại plasma khi cố định khoảng cách giữa catot và thay đổi áp suất
85
3.5.1.2. Khuếch đại trong điều kiện khoảng cách và áp suất khác nhau 87
3.5.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày plasma 88
Các thông số chính liên quan đến sự hình thành lớp thấm đã được phân tích trong
phần bao gồm thành phần, áp suất khí thấm, nhiệt độ và thời gian thấm. Liên quan
đến khuếch đại plasma, thời gian được loại trừ, còn lại 3 thông số. Khuếch đại
plasma liên quan mật thiết đến chiều dày plasma, vì thế ảnh hưởng của các thông số
này lên chiều dày plasma sẽ được nghiên cứu tiếp. Tuy nhiên trong thực tế khi tiến
hành thấm nitơ, không có nhiều lựa chọn cho nhiệt độ và thành phần khí thấm vì
nhiệt độ đã gần như được xác định bởi vật liệu thấm, thành phần khí thấm cũng đã
được lựa chọn dựa vào yêu cầu về tổ chức lớp thấm. Còn lại áp suất là thông số
công nghệ có thể lựa chọn, tùy thuộc vào kích thước hình học và các sắp xếp vật
thấm trong lò, đây là thông số sẽ được nghiên cứu kỹ. Mặc dầu vậy, để có một cái

ii


nhìn tổng quát hơn về hiện tương khuếch đại plasma, chúng tôi cũng nghiên cứu
ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma. 89
3.5.2.1. Ảnh hưởng áp suất đến chiều dày plasma 89
3.5.2.2. Ảnh hưởng thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma 90
3.5.3. Ứng dụng kết quả thực nghiệm khuếch đại plasma trong thực tế 91
3.5.3.2. Xây dựng vùng hình thành khuếch đại plasma trong tương quan với chiều

dày plasma, áp suất và khoảng cách giữa catôt. 93
3.5.3.3. Ứng dụng hiện tượng khuếch đại plasma thấm hợp kim Ti 95
3.5.4. Kết luận 96
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 97
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101
PHỤ LỤC 107

iii


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 Acgông
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
γ
Pha austenit
γ’
Nitơrit sắt (Fe4N)
ε
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 (tính theo độ Celcius)
o
K
Đơn vị nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)
Ko
Hằng số tốc độ thấm cực đại khi Q = 0
K
Hằng số tốc độ thấm
Khd

Hằng số tốc độ thấm hiệu dụng
Ktb
Hằng số tốc độ thấm toàn bộ
khd
Hệ số nhiệt độ thấm hiệu dụng
ktb
Hệ số nhiệt độ thấm toàn bộ
k
Hệ số nhiệt độ thấm
dhd
Chiều sâu lớp thấp hiệu dụng
dtb
Chiều sâu lớp thấm toàn bộ
SN
Tỉ số tín hiệu tiếng ồn

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ lên mật độ dòng [96] 9
Bảng 1.2. Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa [93]. 10
Bảng 1.3: Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm [105] 28
Bảng 1.4. Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thành phần lớp trắng [11, 69] 30
Bảng 1.5. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới 33
Bảng 2.1: Thành phần của mẫu thép thí nghiệm 39
Bảng 2.2. Điện áp sử dụng khi thấm ở áp suất và nhiệt độ khác nhau 42
Bảng 2.3 Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 43
Bảng 2.4. Điện áp ở các áp suất khác nhau 46
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm xác định chiều dày lớp trắng 59

Bảng 3.2. Giá trị tỷ số SN và mức ảnh hưởng 4 thông số đến chiều dày lớp trắng 59
Bảng 3.3. Xếp hạng mối liên quan giữa chiều dày lớp trắng và từng thông số 60
Bảng 3.4. Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 200 Pa và 400 Pa 62
Bảng 3.5. Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 600Pa. 63
Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm xác định chiều sâu lớp thấm 64
Bảng 3.7. Tỷ SN và xếp hạng mức độ ảnh hưởng của 4 thông số lên chiều sâu toàn bộ 65
Bảng 3.8. Tỷ số SN và mức độ ảnh hưởng 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm hiệu dụng 65
Bảng 3.9. Chiều sâu lớp thấm toàn bộ dtb1 với thành phần khí thấm mức 1 (30%N2) 68
Bảng 3.10. Chiều sâu lớp thấm toàn bộ dtb2 với thành phần khí thấm mức 2 (20%N2) 68
Bảng 3.11. Chiều sâu lớp thấm toàn bộ dtb3 với thành phần khí thấm mức 3(10%N2) 69
Bảng 3.12. Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng dhd với thành phần khí thấm mức 1(30%N2) 70
Bảng 3.13. Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng khd với thành phần khí thấm mức 2 (20%N2) 71
Bảng 3.14. Chiều sâu lớp thấm hiệu dụng khd3 với thành phần khí thấm mức 3 (10%N2) 72
Bảng 3.15. Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm toàn bộ ở các điều kiện thấm khác nhau 72
Bảng 3.16. Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm hiệu dụng ở các điều kiện thấm khác nhau 73
Bảng 3.17. Giá trị ktb và Ktb phụ thuộc vào nhiệt độ với chiều sâu toàn bộ 74
Bảng 3.18. Tính toán giá trị hằng số Kotb 75
Bảng 3.19. Quan hệ giữa khd,Khd thuộc vào nhiệt độ với chiều sâu hiệu dụng 76
Bảng 3.20. Tính toán giá trị hằng số Kohd 76
Bảng 3.21. Kết quả đo độ cứng tế vi lớp thấm HV0.1 78
Bảng 3.22. Kết quả thực nghiệm xác định độ cứng tối đa 78
Bảng 3.23. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng 4 thông số lên độ cứng tối đa. 79
Bảng 3.24. Kết quả xác định chiều sâu lớp cứng d900 79
Bảng 3.25. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng lên chiều sâu lớp cứng d900 80
Bảng 3.26. Dự đoán chiều dày lớp trắng 81
Bảng 3.27. Ảnh hưởng của đường kính lỗ rỗng và áp suất bắt đầu (Pbđ) và áp suất kết thúc (Pkt)
khuếch đại plasm 87
Bảng 3.28. Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma và áp suất p (nhiệt độ 520 oC, khí 75 %
H2 + 25 % N2) 89
Bảng 3.29. Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma (p = 250 Pa) 90

Bảng 3.30. Kết quả chiều dày plasma và 1/p (nhiệt độ 520 oC, khí 75 % H2 + 25 % N2) 92

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Quan hệ điện áp và dòng (đường cong Paschen) [11, 27] 5
Hình 1.2. Cấu trúc và phân bố điện áp trong plasma [89] 7
Hình 1.3. Quan hệ giữa điện áp với áp suất sử dụng trong thấm nitơ plasma [107] 8
Hình 1.4. Quan hệ điện thế – dòng với áp suất khác nhau [36]. 9
Hình 1.5. Các khả năng xảy ra khi thấm Nitơ plasma [36]. 12
Hình 1.6. Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở [69] 12
Hình 1.7. Mô tả sự phóng điện hồ quang [36]. 13
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thấm Nitơ plasma(DCPN, PPN) [73] 14
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN [73] 15
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý ASPN [73] 16
Hình 1.11. Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma [83]. 17
Hình 1.12. Cơ chế thấm theo mô hình Kolbel [11, 27, 93] 19
Hình 1.13. Các cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt lớp thấm [36] 19
Hình 1.14. Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma [106]. 22
Hình 1.15. Sơ đồ hình thành lớp thấm [33] 23
Hình 1.16. Giản đồ pha Fe-N [53] 23
Hình 1.17. Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm [53] 25
Hình 1.18. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm [539]. 25
Hình 1.19. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm (thấm nitơ
plasma520oC/8h, thép En29B) [53]. 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 2.1: Thiết bị NITRION PN60 và hiển thị chế độ thí nghiệm 36
Hình 2.2. Lò tôi chân không Treater M 36

Hình 2.3. Can nhiệt loại K đo nhiệt độ 37
Hình 2.4. Hệ thống thiết bị đo lưu lượng khí bao gồm các Mass Flow Controller MK 37
Hình 2.5. Thiết bị đo áp suất 37
Hình 2.6. Kính hiển vi quang học NIKON (a) và máy đo độ cứng tế vi FM-700e (b) 38
Hình 2.7. Máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL3460 38
Hình 2.8.Thiết bị nhiễu xạ tia X (D5005) 38
Hình 2.9. Hiển vi điện tử quét (SEM) 39
Hình 2.10. Các mẫu thí nghiệm 40
Hình 2.11. Sơ đồ thực nghiệm ảnh hưởng các thông số đến sự hình thành lớp thấm 41
Hình 2.12. Bố trí mẫu thí nghiệm trong buồng lò 42
Hình 2.13. Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma 45
Hình 2.14. Khuếch đại plasma với 2 mẫu cách nhau cố định 45
Hình 2.15. Xác định chiều dày plasma dc 47
Hình 2.16. Sắp xếp mẫu trong buồng thấm 47
Hình 3.1. Tổ chức của nitơ plasma lên thép SKD61 49
Hình 3.2. Nhiễu xạ tia X mẫu M3 (30%N2 +70%H2/600Pa/550oC/9h) 50
Hình 3.3. Nhiễu xạ tia X mẫu M3 góc hẹp 1º GXRD mẫu M 3 50
Hình 3.4. Nhiễu xạ tia X góc hẹp 5º mẫu M3 51
Hình 3.5. Ảnh SEM mẫu M3 51
Hình 3.6. Điểm phân tích số 5 mẫu M3( hình 3.5) 52
Hình 3.7. Điểm phân tích số 6 mẫu M3( hình 3.5) 52
Hình 3.8. Điểm phân tích số 7 mẫu M3(hình 3.5) 52
Hình 3.9. Điểm phân tích số 8 mẫu M3 (hình 3.5) 53
Hình 3.10. Ảnh SEM mẫu M3 (lớp khuếch tán) 53
vi


Hình 3.11. Điểm phân tích 2 mẫu M3 (ảnh 3.10) 53
Hình 3.12. Điểm phân tích 2 mẫu M4 (ảnh 3.10) 54
Hình 3.13. Điểm phân tích 2 mẫu M5 (ảnh 3.10) 54

Hình 3.14. Điểm phân tích 3 mẫu M5 (ảnh 3.10) 54
Hình 3.15. Phân tích line scan mẫu M3 55
Hình 3.16. Phân bố %N và phân bố lại %C trong mẫu số 3 55
Hình 3.18. Ảnh hưởng các thông số lên chiều dày lớp trắng theo tỷ số SN 59
Hình 3.19. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng 60
Hình 3.20. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng (6 h , 200 Pa và 400 Pa) 63
Hình 3.21. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng (6h , 600Pa) 63
Hình 3.22.Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm toàn bộ theo SN 65
66
Hình 3.23. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm hiệu dụng theo SN 66
Hình 3.24. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm toàn bộ (30% N2). 68
Hình 3.25. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm toàn (20% N2) 69
Hình 3.26. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm toàn bộ (10% N2) 70
Hình 3.27. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm hiệu dụng (30% N2) 71
Hình 3.28. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm hiệu dụng (20% N2) 71
Hình 3.30. Quan hệ ln(K)-1/T với chiều sâu toàn bộ 75
Hình 3.31. Đồ thị ln(k)-T xây dựng cho chiều sâu hiệu dụng 76
Hình 3.32. Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm 78
Hình 3.33. Ảnh hưởng các thông số đến độ cứng tối đa theo tỷ số SN 79
Hình 3.34. Ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu lớp cứng d900 theo tỷ số SN 80
Hình 3.35. Vị trí lấy mẫu chụp kim tương lớp thấm 82
Hình 3.36. Tổ chức lớp thấm (490 oC, 25 % N2+75 % H2, 250 Pa,16 h) 83
Hình 3.37. Phân bố độ cứng (490 oC, 25 % N2+75 % H2, 250 Pa,16 h) 83
Hình 3.38. Kết quả thấm không lớp trắng (15 % N2 +85% H2, 300 Pa, 16h) 84
Hình 3.39. Hiển vi quang học mẫu (lớp trắng dày 3÷5 µm) 85
Hình 3.40. Ảnh chụp hiện tượng khuếch đại plasma (đường kính lỗ rỗng D=7 mm) 86
Hình 3.41. Giải thích sự xuất hiện khuếch đại plasma 86
Hình 3.42. Giải thích sự biến mất của khuếch đại plasma 87
Hình 3.43. Khuếch đại plasma 88
Hình 3.45. Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất ( 75%H2 + 25%N2, 520oC) 90

Hình 3.46. Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma 91
(áp suất p = 250 Pa) 91
Hình 3.47. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày plasma (p = 250 Pa) 91
Hình 3.48. Đồ thị mối quan hệ dc – 1/p 92
Hình 3.49. Đồ thị mối quan hệ dc – 1/p với dc>2mm 93
Hình 3.50. Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày bắt đầu xuất hiện khuếch đại plasma (dbđ) và kết
thúc khuếch đại plasma (dkt) (nhiệt độ 520 oC, khí thấm 75 % H2 + 25 % N2). 94
Hình 3.51. Ứng dụng khuếch đại plasma để thấm hợp kim Ti 95
Hình 3.52. Kết quả thấm hợp kim Ti-6Al-7Nb 95

vii


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 thành lớp
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 đò 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. Thấm nitơ plasma được coi là công nghệ tiên tiến có thể thay thế thấm nitơ thể
khí do vấn đề bảo vệ môi trường đang rất được quan tâm. 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 [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 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 khai thác tối đa ưu điểm và loại trừ nhược điểm. Nghiên cứu thấm nitơ plasma
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.
Như vậy có thể coi yếu tố thiết bị là cố định. Hai yếu tố còn lại là thông số công nghệ và bản
chất vật thấm cũng chính điểm mạnh và điểm yếu của công nghệ thấm nitơ plasma.
Mục tiêu – Đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu 1: 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.

1


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 sự hình thành lớp thấm thông qua tổ chức tế vi, phân tích nhiễu xạ tia X,
hiển vi điện tử quét SEM, phân tích thành phần %N, %C theo chiều sâu lớp thấm
bằng quang phổ phát xạ nguyên tử.
4. Đánh giá ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ chính (nhiệt độ, thời gian, thành
phần và áp suất khí thấm) đến đặc tính lớp thấm (chiều dày lớp trắng, chiều sâu
lớp thấm, phân bố độ cứng và độ cứng cao nhất) bằng phần mềm Minitab 16 để
xác định nhanh nhất chế độ thấm hợp lý.
5. Kiểm nghiệm kết quả thực nghiệm Taguchi khi thấm thép SKD61 với các yêu cầu
khác nhau về lớp thấm.
6. Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu lớp thấm dựa vào kết quả thực nghiệm
Taguchi.
Mục tiêu 2: 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
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.
5. Thử nghiệm ứng dụng khuếch đại plasma để thấm hợp kim Ti
Những đóng góp mới của luận án
1. Phương pháp thực nghiệm Taguchi được chứng minh là có thể dùng đề nghiên cứu thực
nghiệm ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố đến kết quả đầu ra nào đó của một quá
trình sản xuất. Đây là phương pháp khá mới ở Việt Nam, tác giả hy vọng các nhà nghiên
cứu ứng dụng có thể sử dụng phương pháp này như là một công cụ để tối ưu hóa quy
trình sản xuất của mình trong các lĩnh vực khác nhau.
2. Xác định được ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ khi thấm thép SKD61:
a. Thành phần khí thấm ảnh hưởng lớn nhất đến sự phân bố %N và tổ chức lớp thấm
đặc biệt trong vùng lớp trắng: khí thấm chứa (5÷15)% N 2 không xuất hiện lớp trắng
hoặc lớp trắng lớp trắng dưới 1 µm , từ (15 ÷ 25)% N2 lớp trắng từ (1÷3) µm và từ
(25 ÷ 35)% N2 lớp trắng dày (4÷6) µm.
b. Có sự phân bố lại %C, tồn tại vùng nghèo cacbon ở bề mặt và vùng giàu cacbon ở
vùng ranh giới giữa lớp thấm và vật liệu nền. Ở vị trí mà %N cao thì %C thấp, điều
này cho thấy nitơ khuếch tán vào đã đẩy cacbon ra khỏi vị trí ban đầu của nó.
c. Đã tính toán được hằng số tốc độ thấm K và năng lượng hoạt hóa Q làm cơ sở cho việc
tính toán chiều sâu lớp thấm, đây là cơ sở để tham khảo trong quá trình thấm nitơ
2


plasma: hằng số tốc độ thấm toàn bộ K tb [m2/s] = 1.223× 10-7× exp (-82000/RT), hằng
số tốc độ thấm hiệu dụng Khd [m2/s] = 1.274× 10-7 × exp (-85000/RT), hằng số khí
R = 8,31451 JK-1mol-1, nhiệt độ tuyệt đối T [K]

3. Có thể dùng camera chụp ảnh cấu trúc plasma hình thành trên vật thấm từ đó xác định
được chiều dày plasma làm cơ sở để dự báo khuếch đại plasma:
a.
Khuếch đại plasma chỉ có thể xuất hiện khi khoảng cách giữa các chi tiết song
song, đường kính lỗ hoặc khe hở nằm trong khoảng (2÷ 3) lần chiều dày plasma.
Dựa vào chiều dày plasma tính toán mật độ sắp xếp các sản phẩm trong buồng lò
đủ nhỏ để tận dụng không gian lò
b.
Trên cơ sở chiều dày plasma có thể tính toán để hình thành khuếch đại plasma
ứng dụng cho việc thấm các vật liệu đòi hỏi nhiệt độ thấm cao như hợp kim Ti

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Khái niệm chung về thấm nitơ plasma
Thấm nitơ plasma là một ứng dụng của plasma 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 này 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 phải lựa chọn các thông số công nghệ thấm hợp lý
để nhận được lớp thấm mong muốn với 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 K đến 20.000 K 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 K [14, 15]). Các phần tử trung tính có năng lượng thấp
hơn E ~ 0.025 eV (tương đương nhiệt độ môi trường 293 K). 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 (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
4


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 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 104 đến 105K 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 vở 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 đã cao (trên vài trăm von) (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]

5


Khi tăng điện áp xảy ra hiện tượng ion hóa các phân tử khí, ion hóa do va chạm làm
phóng điện phát quang, plasma được hình thành. Ở đây, mặc dù không tăng điện áp (thậm
chí giảm) mà dòng điện vẫn tăng ta gọi là vùng bất thường. Tiếp theo khi tăng điện áp thì
dòng điện tăng đây là vùng bình thường (tuân theo định luật Ôm). Vùng bình thường phía
dưới có điện áp và dòng điện còn thấp plasma chưa phủ kín bề mặt catôt. Vùng bình thường
phía trên cả điện áp và dòng điện đều lớn, công suất lớn nhưng kém ổn định dễ chuyển sang
vùng hồ quang. Thấm nitơ plasma được thực hiện trong vùng phóng điện bình thường phía
trên khi plasma bao phủ toàn catôt công suất đủ lớn. Lúc này điện thế sẽ tăng khi dòng tăng,
dòng tăng làm cho mật độ dòng tăng do diện tích bao phủ plasma không tăng nữa [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 khí 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 điện tích 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
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].

6

Hình 1.2. Cấu trúc và phân bố điện áp trong 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 tối 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 này 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, mặc dù dòng tăng nhưng điện thế
không thay đổi do lúc này diện tích plasma cũng tăng, lúc này là giai đoạn phóng điện bất
thường. Chuyển sang giai đoạn phóng điện bình thường phía trên cả dòng 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].
7


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 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.
Quan hệ giữa điện thế và mật độ dòng với các áp suất thấm khác nhau ở nhiệt độ
thấm 500 oC, khí thấm 100 % N2 được thể hiện trên hình 1.3 [107]. Trong điều kiện thấm
nitơ plasma, dựa theo quan hệ áp suất và điện áp, hình thái plasma được chia thành 4 vùng
A, B, C, D (hình 1.3.). Thấm nitơ plasma thông thường được thực hiện trong vùng D. Có
thể thấy sự hình thành plasma phụ thuộc vào điện thế và áp suất. Mật độ dòng phụ thuộc
nhiều vào áp suất, khi áp suất thấp thì cần điện thế cao để giữ cường độ dòng đủ mạnh để
duy trì mật độ dòng không đổi từ đó duy trì nhiệt độ catôt.
Điện thế, mật độ dòng, áp suất khí thấm có mối quan hệ mật thiết với nhau. Áp suất
cao thì điện áp thấp, nếu điện áp cao thì khả năng xuất hiện hồ quang rất nguy hiểm. Khi
áp suất thấp cần phải có một điện thế cao để có cường độ dòng điện đủ lớn đủ duy trì nhiệt
độ catôt không đổi.

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

8


Thành phần và áp suất khí thấm còn ảnh hưởng trực tiếp và quyết định đến chiều
dày plasma. Áp suất cao, chiều dày plasma giảm, vùng sáng âm ôm sát bề mặt vật thấm,
giảm áp suất vùng này mở rộng và 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]. Có thể thấy áp suất có ảnh hưởng rất
lớn đến điện áp và mật độ dòng, cùng một điện áp, áp suất cao thì mật độ dòng cao. 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.

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

Quan hệ giữa điện thế và mật độ dòng điện ở áp suất khác nhau theo [36] được

trình bày trên hình 1.4. Ta nhận ra mật độ dòng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi
các thông số công nghệ thấm như trong bảng 1.1 [96].
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ 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

Theo [107], khi tăng hàm lượng % H2 đến một giá trị nào đó sẽ dẫn đến 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 % H 2 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. Khi tăng hàm lượng % H 2 đến một giá trị giới hạn nào đó điện áp khởi động sẽ
giảm, sau đó lại tiếp tục tăng. Tương tự giá trị điện áp khởi động đạt tối thiểu phụ thuộc áp
suất môi trường thấm.

Điện trường (hiệu điện thế giữa anôt và catôt) cũng như điện thế giảm catôt là hàm
số được điều chỉnh phụ thuộc vào áp suất. Cũng theo [107], điện trường thay đổi không
nhiều khi áp suất lớn hơn 800 pa, còn điện thế 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
9


nhanh khi áp suất giảm. Hạ điện thế 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
được định nghĩa như là tỷ số giữa thời gian xung có trên chu kỳ xung (t w= 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 thế, 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%).
- Với hỗn hợp khí 100 % N2 tỷ lệ các ion trong plasma: N+ (16.8%), N2+ (55.5%).
10


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 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. 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]
dc= C / p +D / 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]:
dc= A +B / 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 (d c = 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.
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):
Nếu D = D1 < 2 dc: plasma không thâm nhập vào, mặt trong không thấm.
Nếu 2 dc < D2=D < (2 ÷ 4) dc: khả năng xuất hiện khuếch đại plasma.

11


Nếu D3= D > (2÷ 4) dc: plasma thâm nhập vào bên trong, không khuếch đại plasma,
bề mặt trong 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, như
vậy, trường hợp mô tả trên chỉ ứng với một nhiệt độ, áp suất và loại khí 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.

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

12


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 sự 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
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].

13


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].

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

14