Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40crmo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO





















 : 62 52 14 01






 2012

i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số công
nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo” là công trình nghiên cứu của riêng
tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực, khách quan và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án
này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ
nguồn gốc.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012













ii

LỜI CẢM ƠN
Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào

Quang Kế, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và TS. Hoàng Văn Châu,
Viện Nghiên cứu cơ khí đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nhiều năm
tháng học tập cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể bộ môn Công nghệ cơ khí, Ban lãnh
đạo cùng giảng viên khoa Cơ - Điện, Viện Đào tạo Sau đại học và Ban Giám
hiệu Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã luôn quan tâm giúp đỡ cũng
như đóng góp các ý kiến để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Nghiên cứu khoa
học, các đồng nghiệp đang công tác tại Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây
dựng đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ
hàn và Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu cơ khí; Bộ môn Công nghệ cơ khí,
khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội; Trung tâm Đánh giá
hư hỏng vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã
giúp đỡ tôi trong thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp, gia
đình đã luôn quan tâm, động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá
trình học tập và hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012







iii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các chữ viết tắt vii
Danh mục các ký hiệu toán học viii
Danh mục bảng xi
Danh mục hình xii
MỞ ĐẦU i
1 Tính cấp thiết của đề tài xvi
2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xix
3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án xix
4 Những đóng góp mới xx
5 Cấu trúc nội dung luận án xx
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA xxi
1.1 Lựa chọn công nghệ xxi
1.2 Các công nghệ thấm nitơ xxiii
1.2.1 Thấm nitơ thể khí xxv
1.2.2 Thấm nitơ thể lỏng xxx
1.2.3 Thấm nitơ plasma xxxii
1.2.4 Các ứng dụng của thấm nitơ xxxiv
1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước xxxvii
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước xlii
1.5 Kết luận chương 1 xliv
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THẤM NITƠ PLASMA xlv
2.1 Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma xlv

iv
2.1.1 Plasma xlv
2.1.2 Quá trình hình thành và phát triển của thấm nitơ plasma xlvi
2.2 Tác động của ion hóa đến bề mặt chi tiết li
2.3 Cơ chế hình thành lớp thấm liii

2.4 Cấu trúc lớp thấm lvi
2.5 Xác định chiều dày lớp thấm lx
2.5.1 Xác định chiều dày nitrit pha  lxiii
2.5.2 Xác định chiều dày nitrit pha γ’ lxv
2.6 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình thấm lxviii
2.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm lxix
2.6.2 Ảnh hưởng của thời gian thấm lxx
2.6.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro lxxi
2.6.4 Ảnh hưởng của điện áp, mật độ dòng lxxiii
2.6.5 Ảnh hưởng của áp suất lxxv
2.7 Kết luận chương 2 lxxvii
Chương 3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM lxxviii
3.1 Vật liệu nghiên cứu lxxviii
3.2 Chuẩn bị mẫu và phương pháp kiểm tra lxxix
3.2.1 Chuẩn bị mẫu lxxix
3.2.2 Phương pháp kiểm tra lxxxi
3.3 Thiết bị thấm nitơ plasma lxxxv
3.3.1 Cấu tạo buồng làm việc lò thấm H45x080 lxxxvi
3.3.2 Các thông số chính của lò thấm lxxxvii
3.3.3 Lập trình quy trình công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị
Eltropuls H045x80 lxxxviii
3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm lxxxix

v
3.4.1 Xây dựng bài toán quy hoạch thực nghiệm xc
3.4.2 Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát xcvii
3.4.3 Phương pháp xử lý số liệu nghiên cứu c
3.5 Kết luận chương 3 c
Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ci

4.1 Kết quả nghiên cứu đơn yếu tố ci
4.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (
0
C) ci
4.1.2 Ảnh hưởng của thời gian thấm t (h) cii
4.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) ciii
4.2 Kết quả thực nghiệm đa yếu tố civ
4.3 Kết quả nghiên cứu tối ưu tổng quát cxviii
4.4 Phân tích, lựa chọn sơ đồ và quy trình thực nghiệm cxxi
4.4.1 Sơ đồ công nghệ thấm nitơ plasma cxxi
4.4.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ cxxi
4.4.3 Chương trình điều khiển và quy trình công nghệ quá trình
thấm nitơ plasma cxxiii
4.5 Kết quả thực nghiệm theo thông số tối ưu cxxv
4.5.1 Tổ chức tế vi lớp thấm cxxv
4.5.2 Độ cứng tế vi cxxviii
4.5.3 Sự phân bố nitơ trong lớp thấm cxxviii
4.6 Sản phẩm ứng dụng cxxxiv
4.6.1 Căp bánh răng bơm thủy lực cxxxv
4.6.2 Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh của hộp giảm
tốc xe trộn – vận chuyển bê tổng tươi cxxxvi
4.6.3 Dao băm tĩnh, động và trục xoắn vít cxxxviii
4.6.4 Bánh răng hộp số máy kéo cầm tay cxxxix
4.6.5 Bánh răng trong máy in Offset 4 màu Daiya cxli

vi
4.7 Kết luận chương 4 cxlii
KẾT LUẬN cxliv
Danh mục các công trình đã công bố cxlv
Tài liệu tham khảo cxlvi

Phụ lục clvii


vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT



Ar
Argon
C
Cacbon
CH
4

Khí Metan
C-N
Cacbon – Nitơ
CVD
(Chemical Vapour Deposition) Phủ bay hơi hóa học
DC-plasma
Plasma dòng điện một chiều
EDX
(Energy Dispersive X-ray Anolysis) Phương pháp
phân tích tế vi tán xạ năng lượng Rơnghen
Fe
Nguyên tử sắt
Fe-C-N
Giản đồ sắt – cacbon – nitơ
FeN

Nitrit sắt
Fe-N
Giản đồ sắt – nitơ
H
2

Khí Hydro
NH
3

Khí amoniac
N
Nguyên tử nitơ
N
2

Khí Nitơ
MATLAB
Phần mềm mô phỏng vẽ đồ thị toán học
PVD
(Physical Vapour Deposition) Phủ bay hơi vật lý
S
Lưu huỳnh
STATISTICA
Phần mềm mô phỏng vẽ đồ thị
wt%
% về khối lượng
XRD
Nhiễu xạ Rơngen

viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC




a
%
Tỷ lệ khí nitơ/hydro (theo lưu lượng)
a
N
-
Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm
b
j
-
Các hệ số của phương trình hồi quy
d
1
m
Chiều dày pha  + pha ’
d
2
m
Chiều dày pha 
d
j
-
Hàm “mong muốn’’ thành phần

D
-
Hàm tối ưu tổng quát
D

-
Hệ số khuếch tán trong pha 
D
’
-
Hệ số khuếch tán trong pha ’
D

-
Hệ số khuếch tán trong pha 
E
HV0.3
Độ cứng bề mặt
F
b

-
Tiêu chuẩn Fisher (tra bảng)
G1
l/h
Lưu lượng khí N
2
G2
l/h
Lưu lượng khí H

2
G3
l/h
Lưu lượng khí CH
4
G4
l/h
Lưu lượng khí Ar

K
N
-
Thế thấm nitơ
m
g/N.m
Cường độ mài mòn
n
Vòng/phút
Số vòng quay của đĩa
N
N
Tải trọng đặt vào mẫu
N

-
Số thí nghiệm ở mức phụ (các điểm sao)
N
0

-

Số thí nghiệm ở mức cơ sở
P
Mpa
Áp suất
PD
s
Thời gian tồn tạixung
3
NH
P

Pa
Áp suất riêng phần của NH
3
2
N
P

Pa
Áp suất riêng phần của N
2


ix



2
H
P

Pa
Áp suất riêng phần của H
2

PR
s
Thời gian lặp xung
R
mm
Bán kính vòng quay của chốt trượt trên đĩa
S
mm
Quảng đường trượt cửa mẫu
s
-
Phương sai
T
0
C
Nhiệt độ thấm
t
h
Thời gian thấm
t
on
s
Thời gian lặp xung
t
off

s
Thời gian ngừng xung
t
v
-
Số chu kỳ ứng suất
TC
0
C
Nhiệt độ vùng gia nhiệt
TL
0
C
Nhiệt độ của chi tiết thấm
TW
0
C
Nhiệt độ thành buồng làm việc (tường lò)
U
z
V
Điện áp cần thiết để hình thành plasma
V
V
Điện áp
V
p
V
Năng lượng plasma
WG

0
C/min
Tốc độ tăng nhiệt độ chi tiết theo thời gian
x
i
-
Giá trị mã hóa của yếu tố thứ i
x
1
-
Nhiệt độ thấm T (
0
C)
x
2

-
Thời gian thấm t (h)
x
3
-
Tỷ lệ khí nitơ/hydro (%)
Y
j
-
Hàm thành phần
Y
1
-
Độ cứng bề mặt C (HV 0.3)

Y
2

-
Cường độ mài mòn m (10
-12
g/N.mm)
Y
3

-
Chiều dày pha +’ d
1
(µm)
Y
4

-
Chiều dày pha α d
2
(µm)
u
Y

-
Giá trị trung bình các thí nghiệm ở mức
0
Y

-

Giá trị trung bình của các thí nghiệm ở mức cơ

x



sở
Y
tt
-
Giá trị tính toán từ phương trình hồi quy
Y
u
-
Giá trị của các thông số ra ở các mức
M
g
Sự giảm khối lượng của mẫu trước và sau khi thí
nghiệm

i

-
Khoảng biến thiên của của yếu tố thứ i

xi
DANH MỤC BẢNG

STT


Trang
1.1 Đặc trưng cải thiện tích năng bề mặt [31] xxi
1.2 Một số loại vật liệu sử dụng trong chế tạo chi tiết máy ứng dụng
công nghệ thấm nitơ plasma xxxiv
2.1 Các pha và cấu trúc mạng tinh thể các nitrit của lớp thấm nitơ lvii
2.2 Hệ số khuếch tán của nitơ trong pha , γ 'và  lxvii
2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí H
2
và N
2
đến sự hình thành các pha lxxii
3.1 Thành phần hóa học thép 40CrMo lxxviii
3.2 Ký hiệu tương đương theo tiêu chuẩn một số nước trên thế giới lxxix
3.3 Các thông số quá trình thấm lxxxix
4.1 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ thấm ci
4.2 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian thấm cii
4.3 Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ khí N
2
ciii
4.4 Mức biến thiên và giá trị mã hoá của các yếu tố x
i
cv
4.5 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm dạng thực cv
4.6 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm dạng mã hóa cvi
4.7 Các hệ số hồi qui có nghĩa của các hàm Y
j
cvii
4.8 Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán cviii
4.9 Giá trị tối ưu của các yếu tố vào x
i

và các hàm thành phần Y
j
cviii
4.10 Các hệ số hồi qui dạng thực cix
4.11 Kết quả tính toán giá trị hàm tối ưu tổng quát D cxix
4.12 Chương trình điều khiển quá trình thấm cxxiv
4.13 Kết quả đo độ cứng tế vi theo chiều sâu lớp thấm cxxviii
4.14 Kết quả phân tích EDX hàm lượng %N theo chiều sâu lớp thấm cxxix

xii
DANH MỤC HÌNH

STT
Tên hình
Trang
1.1 Ứng dụng công nghệ bề mặt trong ngành cơ khí ôtô xxii
1.2 Các giải pháp bề mặt trong ngành sản xuất ôtô xxii
1.3 Quá trình thấm nitơ thông thường xxiv
1.4 Giản đồ pha Fe-N xxv
1.5 Sơ đồ thấm nitơ thể khí xxvi
1.6 Cấu trúc mạng lớp thấm và vùng khuếch tán xxvii
1.7 Giản đồ pha quan hệ giữa thế thấm nitơ, nhiệt độ với tổ chức lớp
thấm nitơ xxix
1.8 Quá trình thấm nitơ plasma xxxii
1.9 Một số sản phẩm ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma xxxvi
2.1 Plasma xlv
2.2 Đường cong Paschen thể hiện quan hệ điện áp và cường độ dòng
điện với các vùng khác nhau xlvi
2.3 Biểu đồ xung trong quá trình thấm nitơ plasma xlviii
2.4 Phân bố các năng lượng trong một phóng điện phát sáng bất thường xlix

2.5 Mô hình tổng quát của lò thấm xung plasma l
2.6 Tác động của vụ va chạm của các ion trong các bề mặt chi tiết lii
2.7 FeN hình thành trên bề mặt thép trong thấm nitơ plasma theo giả
thuyết Koelbel liii
2.8 Cơ chế thấm nitơ plasma (mô hình Koelbel) lv
2.9 Cấu trúc điển hình lớp thấm nitơ plasma lvi
2.10 Cấu trúc mạng tinh thể của các pha hình thành lớp thấm nitơ plasma lviii
2.11 Giản đồ hóa cấu trúc bề mặt lớp thấm nitơ plasma lviii
2.12 Dự báo lớp thấm của nitơ trong thép lix
2.13 Cấu trúc mạng của pha pha ’ (Fe
4
N) lx

xiii
2.14 Điện áp cần thiết để hình thành plasma lxxiv
2.15 Xung và xung đánh lửa lxxv
2.16 Ảnh hưởng của các biến số đến mật độ dòng lxxv
2.17 Sự ảnh hưởng của áp suất đến chiều dày plasma lxxvi
3.1 Máy quang phổ phát xạ PMI Master Plus (Đức) lxxviii
3.2 Máy cắt mẫu Delta-AbrasiMet lxxx
3.3 Máy mài mẫu Lobotom-25 lxxx
3.4 Mẫu thí nghiệm lxxx
3.5 Hình ảnh một số mẫu nghiên cứu tổ chức tế vi, chiều sâu lớp thấm,
độ cứng bề mặt và %N lxxx
3.6 Hình ảnh một số mẫu nghiên cứu xác định cường độ mài mòn lxxx
3.7 Kính hiển vi điện tử quét JSM 6490-JED2300 lxxxi
3.8 Máy đo độ cứng Hardness Testing Machine Moden AR-10 lxxxii
3.9 Máy đo độ cứng tế vi và đo chiều dày lớp thấm Wilson Wolpert
Micro-Vickers Model 402MVD lxxxii
3.10 Thiết bị nghiên cứu tổ chức tế vi Nikon Eclipse Model L150 lxxxiii

3.11 Kính hiển vi quang học Axiovert 40MAT lxxxiii
3.12 Máy TE97 Friction & Wear Demonstrator (a) và phương pháp thử (b)lxxxiii
3.13 Thiết bị Nhiễu xạ Siemens X-Ray D500 lxxxv
3.14 Thiết bị thấm nitơ plasma Eltropuls H045x080 lxxxvi
3.15 Sơ đồ cấu tạo buồng lò lxxxvii
3.16 Các thông số đầu vào và đầu ra xcii
3.17 Đồ thị hàm mong muốn thành phần d
j
khi Y
j
bị chặn một phía xcix
4.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ thấm T (
0
C ) cii
4.2 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian thấm t (h) ciii
4.3 Đồ thị ảnh hưởng của tỷ lệ khí nitơ/hydro a (%) civ

xiv
4.4 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và thời gian
thấm t (h) cx
4.5 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxi
4.6 Ảnh hưởng của cặp yếu tố thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxi
4.7 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0

C) và thời gian thấm
t (h) cxiii
4.8 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxiii
4.9 Ảnh hưởng của cặp yếu tố thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxiv
4.10 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và thời gian thấm
t (h) cxv
4.11 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxv
4.12 Ảnh hưởng của cặp yếu tố thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxvi
4.13 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và thời gian thấm
t (h) cxvii
4.14 Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ thấm T (
0
C) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxvii
4.15 Ảnh hưởng của cặp yếu tố thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%) cxviii
4.16 Sơ đồ công nghệ thấm nitơ plasma cxxi
4.17 Quy trình công nghệ thấm nitơ plasma cho thép 40CrMo cxxv

4.18 Tổ chức tế vi nền thép 40CrMo cxxv

xv
4.19 Tổ chức tế vi lớp thấm nitơ plasma trên thép 40CrMo cxxvi
4.20 Ảnh SEM (x8000) cxxvii
4.21 Các vị trí đo độ cứng tế vi và phân tích EDX theo chiều sâu lớp thấmcxxvii
4.22 Phân bố độ cứng theo chiều sâu lớp thấm cxxviii
4.23 Phân bố thành phần nitơ (%N) theo chiều sâu lớp thấm cxxix
4.24 Hình ảnh phân tích EDX tại các vị trí cxxxiii
4.25 Nhiễu xạ tia X bề mặt thép 40CrMo cxxxiv
4.26 Bánh răng bơm thủy lực sau khi thấm cxxxvi
4.27 Bơm thủy lực (ăn khớp ngoài) cxxxvi
4.28 Bánh răng trung tâm và bánh răng hành tinh cxxxvii
4.29 Hộp giảm tốc xe trộn – vận chuyển bê tông tươi cxxxvii
4.30 Dao băm tĩnh và động cxxxviii
4.31 Trục vít xoắn cxxxviii
4.32 Liên hợp máy băm - ép nước dứa BE-500 cxxxix
4.33 Bánh răng trong hộp số máy kéo cầm tay GN91 cxl
4.34 Máy kéo cầm tay GN91 cxl
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Nước ta đang đi vào thời kỳ Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước với
nền kinh tế thị trường và đang phát triển với nhịp độ cao. Các ngành công nghiệp
như: cơ khí động lực, khai thác mỏ, chế biến, ngành hàng không,… đang được
chú trọng đầu tư và phát triển nhanh. Nhu cầu bức thiết được đặt ra là phải phát
huy nội lực trong nước, tạo nên các sản phẩm cơ khí mang nhãn hiệu Việt Nam.
Vấn đề cơ bản là phải tập trung nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp
công nghệ mới vào thiết kế, chế tạo cơ khí. Cùng với việc ứng dụng các công
nghệ chế tạo hiện đại với CAD/CAM/CNC, cần đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng
các công nghệ tạo phôi tiên tiến – công nghệ hàn, công nghệ đúc và công nghệ

gia công áp lực. Nhưng để bảo đảm chất lượng sản phẩm cơ khí với các yêu cầu
cao về độ bền mỏi, độ chống mài mòn và ăn mòn, phải sử dụng các công nghệ
xử lý bề mặt. Có nhiều biện pháp công nghệ bề mặt được sử dụng trong kỹ thuật
như mạ, lớp phủ composit (composite coatings), phủ bay hơi hóa học (CVD –
Chemical Vapour Deposition), phủ bay hơi lý học (PVD – Physical Vapour
Deposition), Nhưng các công nghệ này cũng chỉ có thể giải quyết được một
phần yêu cầu (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20], (Nguyễn Văn Tư, 2002) [21].
Tại Hội thảo khoa học toàn quốc về Công nghệ vật liệu và bề mặt tại
Thái Nguyên ngày 29/11/2008 nhấn mạnh: Kỹ thuật bề mặt là một lĩnh vực
khoa học kỹ thuật tổng hợp bao gồm những nghiên cứu và hoạt động kỹ thuật
nhằm thiết kế, sản xuất, khảo sát và sử dụng các lớp bề mặt trên cả khía cạnh
kỹ thuật và kinh tế với các tính chất của vùng bề mặt tốt hơn vùng bên trong,
thỏa mãn các yêu cầu về độ cứng, chống ăn mòn, chống mỏi, chống mòn,…
Kỹ thuật bề mặt là sự tổng hợp của các ngành khoa học như toán, vật lý, hóa
học, khoa học vật liệu, đặc biệt là xử lý nhiệt để tăng tính chịu mỏi, chống ma
sát, chống mài mòn và ăn mòn. Kỹ thuật bề mặt đang được ứng dụng rộng rãi
trong kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành kỹ thuật cơ khí. Các vấn đề mà kỹ thuật
bề mặt quan tâm nghiên cứu hiện nay bao gồm sự hình thành các lớp bề mặt
bằng các phương pháp công nghệ và hình thành trong quá trình sử dụng, thiết

xvii
kế bề mặt, nghiên cứu các lớp bề mặt; khai thác sử dụng các lớp bề mặt
(Nguyễn Đăng Bình, 2008) [4].
Ngày nay, kỹ thuật bề mặt đóng vai trò hết sức quan trọng trong sự phát
triển của khoa học kỹ thuật, nó đáp ứng được những yêu cầu cơ bản của khoa
học và kỹ thuật hiện đại, đó là sử dụng năng lượng và vật liệu một cách có hiệu
quả. Kỹ thuật bề mặt có thể biến đổi tính chất bề mặt của vật liệu nhằm nâng
cao khả năng làm việc của dụng cụ, chi tiết máy được chế tạo từ những vật liệu
có tính chất cơ lý thấp, giá thành hạ do đó làm tăng độ tin cậy của dụng cụ và
chi tiết máy. Nếu như thiết kế kém và khai thác không đúng hướng dẫn có thể

dẫn đến phải giành 15% thời gian dừng máy để sửa chữa thì xử lý bề mặt kém
có thể phải mất đến 85% thời gian dừng máy. Trong các cặp đôi ma sát, năng
lượng tiêu hao do ma sát thường chiếm 15  25% và có thể tới 85% như trong
một số máy của ngành in, dệt. Sử dụng các biện pháp công nghệ xử lý bề mặt
có thể giảm đáng kể phần năng lượng mất mát này. Các dụng cụ được xử lý bề
mặt tốt không những giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình gia công, nâng
cao chất lượng gia công mà còn giảm được thời gian thay thế. Kỹ thuật bề mặt
còn có ý nghĩa lớn trong việc tạo ra các bề mặt có khả năng chống ăn mòn cao,
độ cứng cao, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi
trường khi sử dụng các thiết bị xử lý bề mặt tiên tiến (Nguyễn Đăng Bình,
2008) [4], (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20].
Kỹ thuật bề mặt thuộc nhóm công nghệ dựa trên những phát minh và
khám phá mới nhất nên nó thuộc lĩnh vực khoa học kỹ thuật tiên tiến. Trong
tương lai, kỹ thuật bề mặt sẽ phát triển theo một số hướng chính hoàn thiện công
nghệ và kết hợp các biện pháp công nghệ nhằm tạo ra các lớp bề mặt ưu việt
hơn; thiết kế bề mặt trên cơ sở khai thác các mô hình toán học, thử nghiệm lớp
bề mặt vật liệu trên các thang micro và nano; khai thác và sử dụng các lớp bề
mặt một cách rộng rãi hơn trong thực tiễn (Nguyễn Đăng Bình, 2008) [4].
Một công nghệ mang tính truyền thống gần thế kỷ nay, công nghệ thấm
kim loại và phi kim loại trên bề mặt chi tiết vẫn đang được thế giới nghiên cứu cải
tiến, đổi mới. Công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon-nitơ, được hiện
đại hóa và tự động hóa, mang lại hiệu quả kinh tế rất cao. Các nước đã và đang

xviii
tiếp tục nghiên cứu, cải tiến và hoàn thiện công nghệ thấm cacbon, thấm nitơ,
đồng thời đưa công nghệ hiện đại thấm nitơ plasma vào sản xuất nhờ đó mở rộng
được đối tượng thấm. Không chỉ thấm nitơ plasma cho một số loại thép hợp kim,
còn có thể thấm cho thép không gỉ, cho một số loại gang, Độ cứng của lớp thấm
nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ
600

0
C, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 200 
250
0
C (Nguyễn Phú Áp, 1994) [2], (Nguyễn Phú Áp, 1995) [3], (Lê Thị Chiểu,
2007) [5], (Hoàng Minh Thuận, 2008) [15], (Lục Vân Thương, 2007) [16].
Chất lượng và tuổi thọ của máy móc, thiết bị phụ thuộc rất lớn vào chất
lượng chi tiết máy. Việc áp dụng công nghệ thấm nitơ plasma góp phần đáng
kể vào mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành cơ khí nói riêng và
ngành công nông nghiệp nói chung. Với việc đưa phương pháp thấm nitơ
plasma vào thay thế một số phương pháp thấm khác sẽ góp phần làm tăng
chất lượng và tuổi thọ chi tiết máy, đồng thời làm giảm ô nhiễm môi trường,
phục vụ hiệu quả sản xuất công nông nghiệp (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7],
(Lục Vân Thương, 2007) [16].
Tại các xí nghiệp sửa chữa thiết bị xây dựng và vận tải cần rất nhiều phụ
tùng thay thế các chi tiết chịu mài mòn như: vòng găng xi lanh, chốt piston,
trục chữ thập, các loại bánh răng, trục xoắn vít, dao phay tinh, dao phay động,
Lượng thay thế hàng năm rất lớn do vậy, khả năng chịu mài mòn trên 10% thì
đã đem lại ích lợi kinh tế cho xí nghiệp vận tải rất lớn, do kéo dài thời gian
phục vụ của thiết bị, giảm thiểu thời gian sửa chữa,… (Hoàng Vĩnh Giang,
2010) [7], (Lục Vân Thương, 2007) [16].
Cùng với sự hội nhập và phát triển, các thiết bị máy móc đươc đa dạng hóa
về chủng loại và không ngừng phát triển cả về số lượng và chất lượng, do vậy đòi
hỏi các thiết bị cơ khí Việt Nam phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về chất
lượng. Công nghệ thấm nitơ plasma đáp ứng được phần nào những yêu cầu về bề
mặt của chi tiết, tuy nhiên nước ta mới chỉ có một số thiết bị được nhập khẩu có
giá thành cao và chỉ mang tính ứng dụng, chưa có nghiên cứu sâu về công nghệ và
các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp thấm (Hoàng Vĩnh Giang, 2010) [7],
(Hoàng Minh Thuận, 2008) [15], (Lục Vân Thương, 2007) [16].

xix
Thấm nitơ plasma là một công nghệ mới của thế giới và mới được nhập
vào Việt Nam. Cho đến nay còn rất nhiều vấn đề khoa học đang được các nhà
khoa học nghiên cứu. Do tính ưu việt của lớp thấm, cho tính chống mài mòn
tốt và chống ăn mòn tốt, đồng thời cho tính chống mỏi tốt nên chúng được
nghiên cứu cả về lý thuyết và ứng dụng cụ thể cho các đối tượng mác thép và
chi tiết cơ khí trong sản xuât công – nông nghệp.
Xuất phát từ yêu cầu đó, chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài luận
án:    plasma cho
thép 40CrMo.
2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- 
+ Công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị Eltropuls H045x080;
+ Mẫu vật liệu nghiên cứu: Thép 40CrMo;
+ Một số chi tiết máy chế tạo từ thép 40CrMo, 40Cr.
- 
+ Nghiên cứu một số thông số công nghệ thấm nitơ plasma trên thiết bị
thấm nitơ plasma nói trên;
+ Nghiên cứu cơ chế thấm nitơ nói chung, cơ chế hình thành lớp thấm nitơ
plasma nói riêng;
+ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ thấm, thời gian
thấm và tỷ lệ khí nitơ/hydro đến tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ plasma
bao gồm tổ chức tế vi, chiều dày lớp thấm, độ cứng bề mặt, cường độ mài
mòn trên thép 40CrMo;
+ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thấm một số
chi tiết máy sử dụng thép 40CrMo.
3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- 
+ Nghiên cứu các quy luật cơ bản của sụ hình thành lớp bề mặt trong
quá trình thấm nitơ plasma, đặc biệt là đối với thép 40CrMo;

+ Biểu diễn được các quy luật đó thông qua các mối quan hệ toán học
(hàm số và đồ thị).

xx
- 
+ Nghiên cứu ứng dụng cho họ mác thép phục vụ chế tạo máy;
+ Ứng dụng vào thực tiễn sản xuất sản phẩm cơ khí.
4 Những đóng góp mới
- Từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả luận án đã xác
định được cơ chế hình thành lớp thấm và bản chất của lớp thấm nitơ plasma trên
bề mặt thép.
- Nghiên cứu xác lập quan hệ giữa độ cứng bề mặt E (HV 0.3), cường
độ mài mòn m (10
-12
g/n.mm), chiều dày pha  + ’ d
1
(m) và chiều dày pha 
d
2
(m) với các thông số nhiệt độ thấm T (
0
C), thời gian thấm t (h) và tỷ lệ khí
nitơ/hydro a (%).
- Bằng quy hoạch thực nghiệm, đã xác định quan hệ đơn yếu tố giữa E, m,
d
1
, d
2
với T, t, a để tìm vùng tối ưu, trên cơ sở khoanh vùng xử lý số liệu thực
nghiệm theo phương pháp xét ảnh hưởng của đa yếu tố. Kết quả nghiên cứu tìm

được vùng thông số công nghệ tối ưu cho phép thu được E, m, d
1
, d
2
tốt nhất,
đáp ứng yêu cầu sản xuất.
- Đưa ra được sơ đồ công nghệ và quy trình công nghệ thấm chi tiết
thực; kiểm tra lại bằng tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, cường độ mài mòn,
nhiễu xạ tia X.
- Đã ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho một số chi tiết làm từ
các thép khác nhau, đặc iệt là thép 40Crmo. Qua đánh giá cho thấy chất lượng
làm việc của các chi tiết sau thấm cao hơn chất lượng làm việc của các chi tiết
không sử dụng công này.
5 Cấu trúc nội dung luận án
Cấu trúc nội dung luận án gồm những nội dung chính sau:
- Mở đầu
- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Cơ sở lý thuyết về thấm nitơ plasma
- Vật liệu và trang thiết bị nghiên cứu
- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận chung

xxi
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA

1.1 Lựa chọn công nghệ
Công nghệ xử lý bề mặt đang được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật,
đặc biệt là trong ngành kỹ thuật cơ khí. Các vấn đề mà công nghệ xử lý bề
mặt quan tâm nghiên cứu hiện nay bao gồm sự hình thành các lớp bề mặt

bằng các phương pháp công nghệ khác nhau như hóa nhiệt luyện, mạ, phun
phủ,… nghiên cứu các lớp bề mặt để từ đó khai thác sử dụng các lớp bề mặt
có hiệu quả nhất (Nguyễn Văn Tư, 1999) [20], (Brinke T., 2006) [31].
Các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến trong tương lai phải đảm bảo được
sự thân thiện với môi trường sống. Brinke T. đã nghiên cứu, tìm hiểu và đưa ra
các công nghệ và phân tích, đánh giá chúng qua các yếu tố ảnh hưởng (Brinke
T., 2006) [31].
Bảng 1.1. 




mài mòn
mài mòn
n mòn
- Thấm cacbon
+
+
++
0
- Thấm nitơ
++
+
+++
+
- Thấm Nitơ + Ôxi hóa
++
+
++
+++

- Borizing
++
+++
0
0
- PVD
+++
++
0
+
- PACVD
+++
++
0
+
- CVD
+++
++
0
+
- Phun phủ nhiệt khí
+
++
0
+
Ghi chú: 0: Không ảnh hưởng
+/++: Mức độ cải thiện tính chất nhỏ hoặc trung bình
+++: Mức độ cải thiện tính chất tốt
Qua bảng 1.1 ta thấy, một chi tiết cần chống mài mòn và ăn mòn trong
các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến, bảo vệ được môi trường thì công nghệ

thấm nitơ có hiệu quả hơn cả (Brinke T., 2006) [31].

xxii

Hình 1.1. Ứng dụng công nghệ bề mặt trong ngành cơ khí ôtô [31]
Trên hình 1.1 thể hiện ứng dụng công nghệ bề mặt tiên tiến được áp
dụng trong ngành sản xuất ôtô. Tùy theo mục đích sử dụng để lựa chọn các
công nghệ phù hợp (Brinke T., 2006) [31].








Vòi phun (3)
Bánh răng (1)
Trục cam (3)

Con đội (3)
Máy phát (2)
Lò xo supat (1)
Tấm đệm (3)
Thân supat (1)
Bánh răng (1)
Đế supat (1)

Vòng găng (1)

Piston

Bạc biên

Trục khuỷu (1)


Hình 1.2. Các giải pháp bề mặt trong ngành sản xuất ôtô [31]
Ghi chú: Các chi tiết sử dụng giải pháp bề mặt:
- Nitriting (1)
- Nitriting + Oxidition (2)
- PVD (3)

xxiii
Hình 1.2 thể hiện giải pháp sử dụng công nghệ bề mặt đối với ngành cơ khí
động lực; các chi tiết như bánh răng, lò xo supap, supap, vòng găng, trục khuỷu,…
là các chi tiết lựa chọn công nghệ thấm nitơ để xử lý bề mặt. Các chi tiết khác
như vòi phun, con đội, trục cam,… sử dụng công nghệ PVD. Các công nghệ
này sử dụng rất thân thiện với môi trường, là những công nghệ xử lý bề mặt
tiên tiên, các nhà khoa học đang khuyến cáo sử dụng (Brinke T., 2006) [31].
1.2 Các công nghệ thấm nitơ
Công nghệ thấm nitơ, lần đầu tiên được thực hiện và phát triển trong
những năm đầu của thập niên 1900, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều
ứng dụng công nghiệp. Cùng với sự phát triển của quá trình thấm nitơ, thấm
nitơ – cacbon, thấm cacbon, thấm nitơ thường được sử dụng trong sản xuất
máy bay, vòng bi, linh kiện ôtô, máy dệt, các hệ thống thế hệ tuabin,… Bề mặt
chi tiết thấm nitơ được bao phủ bởi một lớp nitrit bền vững (Nguyễn Phú Ấp,
1994) [2], (Baranowska J., 2008) [27], (Pye D., 2003) [95].
Đặc điểm nổi bật của quá trình thấm nitơ là nó chỉ thay đổi lớp bề mặt
mà không làm thay đổi thành phần của lõi, không làm thay đổi tổ chức tế vi

của lõi có được từ các nguyên công nhiệt luyện trước đó nếu chọn được chế
độ thích hợp. Hay nói cách khác, nếu nhiệt luyện trước đó đã tạo ra cơ tính
thích hợp cho điều kiện làm việc của chi tiết thì lớp thấm nitơ tiếp theo có tác
dụng tăng thêm độ cứng, tăng thêm khả năng chống mài mòn và tăng tuổi thọ
cho chi tiết. Hơn nữa, lớp thấm nitơ còn có tác dụng tạo ra ứng suất nén dư ở
bề mặt giúp tăng khả năng bền mỏi. Một đặc điểm nổi bật nữa của thấm nitơ
là ít làm thay đổi kích thước chi tiết thấm, không làm thay đổi hình dạng chi
tiết (Baranowska J., 2008) [27], (Pye D., 2003) [95].
Thấm nitơ là một phương pháp hóa nhiệt luyện. Trong quá trình thấm, nitơ
nguyên tử được tạo thành trong môi trường thấm, được hấp phụ vào bề mặt thép
và khuếch tán vào trong thép (Lê Công Dưỡng, 1996) [6], (Hoàng Vĩnh Giang,
2010) [7], (Nghiêm Hùng, 2002) [9], (Đào Quang Kế, 2006) [11].

xxiv

Hình 1.3. Quá trình thấm nitơ thông thường [27]
Các quá trình xẩy ra khi thấm nitơ thông thường (hình 1.3)
(Baranowska J., 2008) [27]:
- Phân hủy: là quá trình tạo ra nitơ nguyên tử, quá trình này xẩy ra
trong môi trường khí động. Các nitơ nguyên tử tạo thành có hoạt tính cao, có
khả năng hấp thụ vào bề mặt kim loại.
- Hấp thụ: sau khi tạo thành, nitơ nguyên tử hấp thụ vào bề mặt chi tiết,
sau đó được khuếch tán vào trong kim loại cơ sở, tạo nên dung dịch rắn hoặc
pha trung gian hoặc các hợp chất hóa học. Các pha giầu nitơ chỉ hình thành
với nồng độ nitơ nguyên tử cao.
- Khuếch tán: các nitơ nguyên tử khuếch tán vào sau bên trong tạo
thành lớp thấm với chiều sau nhất định. Nhờ khuếch tán, lớp thấm được hình
thành với sự chuyển tiếp hài hòa giữa bề mặt cứng với lõi bền chắc bên trong.
Chiều dày lớp thấm phụ thuốc vào nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt và hệ số
khuếch tán của nitơ.

Các quá trình này dựa trên sự tương tác của nitơ trong sắt, tuân theo
giản đồ pha sắt-nitơ (hình 1.4) (Lê Công Dưỡng, 1996) [6], (Baranowska J.,
2008) [27], (Darbellay J., 2006) [40], (Pye D., 2003) [95], (Rolinski E., 2007)
[103], (Бучков. A. и др,1985) [122], (Greßmann T., 2007) [126].