Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN NGỌC MINH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHÍNH
NHẰM ỔN ĐỊNH CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ
LÊN MỘT SỐ LOẠI THÉP THÔNG DỤNG Ở VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN NGỌC MINH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHÍNH
NHẰM ỔN ĐỊNH CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ THỂ KHÍ
LÊN MỘT SỐ LOẠI THÉP THÔNG DỤNG Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 62440129
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Tư
2. TS. Nguyễn Văn Hiển

LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Nguyễn Văn Tư và TS. Nguyễn Văn Hiển,
những người Thày đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt, các Bộ
môn chuyên môn khác thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạo sau
đại học đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu
đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án.
Xin cảm ơn các Anh, Chị, Em và Các bạn đồng nghiệp tại Viện Khoa học và
Kỹ thuật Vật liệu đặc biệt là tại Bộ môn Vật liệu học- Xử lý nhiệt và Bề mặt, đã giúp
đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của luận án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè, gia đình và người
thân đã luôn ở bên, động viên và khích lệ để tôi sớm hoàn thành luận án.
.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác.
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TÁC GIẢ
PGS.TS. Nguyễn Văn Tư Nguyễn Ngọc Minh
TS. Nguyễn Văn Hiển

i
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục i
Danh mục các bảng biểu và hình vẽ iv
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ix
Mở đầu 1
Chương 1: Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thấm nitơ 3
1. 1. Công nghệ thấm nitơ trên thế giới và tại Việt nam 3
1.1.1. Công nghệ thấm nitơ trên thế giới 3
1.1.2. Công nghệ thấm nitơ tại Việt nam. 4
1.2. Các phương pháp thấm nitơ 5
1.2.1. Phương pháp thấm nitơ thể khí 5
1.2.2. Phương pháp thấm nitơ thể lỏng 5
1.2.3 Phương pháp thấm nitơ plasma 7
1.3. Ưu nhược điểm của các loại hình công nghệ 13
1.4. Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu 14
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu 14
1.4.2. Đối tượng nghiên cứu 15
1.4.3. Nội dung nghiên cứu 15
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thấm nitơ thể khí 16
2.1. Cơ sở quá trình thấm nitơ thể khí 16
2.1.1. Thế nitơ của quá trình thấm 16
2.1.2. Hoạt độ nitơ của môi trường thấm 17
2.1.3 Hoạt độ nitơ trong thép 19
2.1.4. Hệ số truyền nitơ 19
2.2. Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí 20
2.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm 24
2.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 24
2.3.2. Ảnh hưởng của thế thấm Kn 26

ii
2.3.2.1. Ảnh hưởng của thành phần chất thấm 26
2.3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu 28
2.3.3. Ảnh hưởng của thời gian thấm và yếu tố khác 29
Chương 3: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 32
3.1. Nguyên vật liệu sử dụng 33
3.2. Thiết bị sử dụng 34
3.2.1. Thiết bị đo độ phân hủy NH3 34
3.2.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thấm 35
3.2.3. Thiết bị thực nghiệm 37
3.3. Phương pháp nghiên cứu 39
3.3.1. Đánh giá mức độ khuyếch tán nitơ và sự tiết pha nitơrit 39
3.3.2. Phương pháp xác định hệ số truyền  39
3.3.3. Phương pháp xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ 40
3.4. Các quy trình thực nghiệm 40
3.4.1. Quy trình xử lý nhiệt luyện trước thấm 40
3.4.2. Quy trình thấm 42
Chương 4: Kết quả và bàn luận 44
4.1. Kết quả phân tích đánh giá mẫu trước thấm 44
4.1.1. Kết quả ảnh hiển vi quang học 44
4.1.2. Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét 45
4.1.3 Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen 49
4.2. Kết quả phân tích đánh giá mẫu sau thấm 50
4.2.1. Kết quả quan sát hiển vi quang học 50
4.2.2. Kết quả phân tích trên hiển vi điện tử quét 51
4.2.3. Kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen 63
4.3. Sự hình thành và phát triển lớp thấm 65
4.3.1. Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép C20 65
4.3.2. Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép SKD61 68
4.3.3. Sự tồn tại lỗ xốp trong lớp trắng 73
4.4. Ảnh hưởng của các thông số chính đầu vào đến thế thấm Kn 74
4.4.2. Ảnh hưởng của thời gian lưu 75
4.4.3. Ảnh hưởng của thành phần khí thấm 76

iii
4.5. Hệ số truyền chất () 77
4.5.1. Ảnh hưởng của thế thấm 80
4.6. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến tổ chức và tính chất lớp thấm 83
4.6.2. Ảnh hưởng của thế thấm Kn 86
4.6.2.1. Ảnh hưởng của thời gian lưu 87
4.6.2.2. Ảnh hưởng của thành phần khí thấm 89
4.6.3. Ảnh hưởng của thời gian thấm 94
Kết luận chung và kiến nghị 104
Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án đã công bố 107
Tài liệu tham khảo 108

iv
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
1. Danh mục các bảng
Bảng 1.1 : So sánh ưu nhược điểm của các công nghệ thấm nitơ hiện nay [25]
Bảng 2.1: Các pha thường gặp trong hệ Fe-N [16,20,89]
Bảng 2.2: Hệ số khuyếch tán nitơ trong , ’ và  tại các nhiệt độ khác nhau [68]
Bảng 2.3: Thừa số nhiệt độ theo công thức Harries [55]
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của các mác thép nghiên cứu
Bảng 4.1: Năng lượng nhiệt hình thành một số hợp chất tại 298.15K, Hf, kJ mol-1[25,54]
Bảng 4.2:
Bảng giá trị phân bố nồng độ các nguyên tố tại một số vị trí trên vùng khuếch
tán của lớp thấm nitơ trên thép SKD61(số liệu chỉ mang tính tham khảo vì kết
quả phân tích chịu ảnh hưởng của vùng lân cận)
Bảng 4.3: Tính toán thành phần Xêmentit (Fe3C)/Ferrit (Fe) cho vùng nền
Bảng 4.4: Cấu trúc tinh thể của Fe(C), một số cacbit và nitơrit [25,26,75,77,79]
Bảng 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế thấm Kn
Bảng 4.6: Ảnh hưởng của thời gian lưu đến thế thấm Kn
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thế thấm Kn
Bảng 4.8: Các chế độ thấm thực nghiệm để xác định hệ số truyền chất ()
Bảng 4.9: Khối lượng nitơ khuếch tán trong các lá thép mỏng thực nghiệm
Bảng 4.10:
Bảng giá trị tính toán thế thấm, hoạt độ của nitơ trong môi trường thấm và trong
lá thép mỏng tính toán bằng chương trình Thermo-calc
Bảng 4.11: Hệ số truyền chất () trên các mác thép nghiên cứu
Bảng 4.12: Bảng giá trị độ cứng của các mẫu thép phụ thuộc vào ảnh hưởng của nhiệt độ
Bảng 4.13: Các thông số đánh giá ảnh hưởng của thời gian lưu
Bảng 4.14: Bảng giá trị độ cứng của các mẫu thép phụ thuộc thời gian lưu.
Bảng 4.15: Các chế độ pha loãng khí thấm sử dụng N2 và độ phân hủy đo được
Bảng 4.16: Bảng kết quả phân bố độ cứng phụ thuộc thành phần khí thấm
Bảng 4.17: Các giá trị thế thấm khi sử dụng khí pha loãng N2 với p=1.2at.
Bảng 4.18: Các thông số thấm nitơ thể khí cho từng nhóm thép thực nghiệm
Bảng 4.19: Bảng kết quả phân bố độ cứng phụ thuộc thời gian thấm
Bảng 4.20: Ảnh hưởng của thời gian thấm đến chiều sâu lớp thấm hiệu quả trên các loại
thép thực nghiệm
Bảng 4.21: Số liệu thống kê khi tính giá trị K cho thép C20
Bảng 4.22: Các giá trị tính toán hệ số Herries-K của từng loại thép theo thực nghiệm
Bảng 4.23: Ảnh hưởng của thời gian thấm đến chiều sâu lớp thấm hiệu quả trên thép C20
tại nhiệt độ thấm 510o
C theo thực nghiệm và theo lý thuyết tính toán.
Bảng 4.24: Bảng kết quả phân bố độ cứng khi thấm tại 510o
C, 530o
C và 550o
C
Bảng 4.25: Bảng tổng kết các thông số công nghệ nhằm ổn định quy trình thấm nitơ thể khí
cho từng nhóm thép thực nghiệm.

v
2. Danh mục các hình và đồ thị
Hình 1.1: Một kiểu sơ đồ hệ thống thấm nitơ plasma [65]
Hình 1.2: Đặc trưng giữa điện áp và dòng điện một chiều khi phát quang [23].
Hình 1.3: Mô hình sự hình thành lớp bề mặt trong thấm nitơ plasma [80].
Hình 1.4: Ảnh hưởng của thành phần khí đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma [65].
Hình 1.5: Sơ đồ mô tả kỹ thuật tường nóng và tường lạnh [41].
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống phương pháp ASPN [28].
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phương pháp PDN [5].
Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống phương pháp PPN [37].
Hình 2.1: Sự hình thành lớp thấm nitơ thể khí [1,88].
Hình 2.2: Sơ đồ mô tả sự thay đổi hoạt độ N từ môi trường thấm vào thép
Hình 2.3: Giản đồ pha Fe-N [89].
Hình 2.4: Giản đồ Lehrer thể hiện sự ổn định của các pha giữa Fe-N [49].
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa giản đồ pha Fe-N và nồng độ/chiều sâu đối với sự phát triển
các lớp đơn pha -Fe2N1-x và ’-Fe4N trên nền -Fe [55].
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí [43].
Hình 2.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phân hủy NH3 tại các lưu lượng khí khác
nhau. Thực nghiệm trên lò giếng kích thước trung bình. Khí sử dụng 100% NH3
[25].
Hình 2.8: Sự biến đổi của thế thấm nitơ (Kn) với mức độ phân hủy NH3 trong môi trường
thấm (NH3 + N2 + 5%CO2) tại 5800C [25]
Hình 2.9: Ảnh hưởng của tốc độ dòng NH3 đến giá trị độ cứng lớn nhất và chiều dày lớp
thấm nitơ thể khí thực hiện trên thép cacbon cực thấp có hợp kim hóa thêm titan
[42].
Hình 2.10: Mối quan hệ giữa chiều sâu lớp thấm và thời gian thấm
Hình 2.11: Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim. (a) - ảnh hưởng của các nguyên tố hợp
kim đến độ cứng lớn nhất trên thép thấm nitơ, thực hiện tại 5240
C-48h; (b) - ảnh
hưởng của các nguyên tố hợp kim đến chiều dày lớn trắng, thực hiện tại 5500
C-
24h [47].
Hình 3.1: Sơ đồ mô tả trình tự nghiên cứu trên các mẫu thấm nitơ thể khí
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor hydro [86]
Hình 3.3: Sensor Sensor connection KF16
Hình 3.4: TCD Gas Analyzer Gasboard-7000
Hình 3.5: Kính hiển vi quang học Axiovert 25A.
Hình 3.6: Máy đo độ cứng Struers Duramin-2
Hình 3.7: Hiển vi điện tử quét bức xạ trường (FESEM)
Hình 3.8: Thiết bị nhiễu xạ tia X (D5005)
Hình 3.9: Lò nhiệt luyện mẫu trước thấm
Hình 3.10: Thiết bị lò thấm nitơ

vi
Hình 3.11: Sơ đồ bố trí thiết bị cung cấp khí và kiểm soát mức độ phân hủy nhiệt NH3
Hình 3.12: Quy trình thường hóa mẫu 20CrMo và C20 trước thấm.
Hình 3.13: Quy trình nhiệt luyện hóa tốt cho thép SKD61 [79]
Hình 3.14: Quy trình nhiệt luyện hóa tốt thép 30CrNi2MoVA [80]
Hình 3.15: Quy trình thấm nitơ thể khí.
Hình 4.1: Ảnh tổ chức tế vi của các mẫu xử lý nhiệt luyện trước thấm với độ phóng đại 500
lần: (a) thép C20, (b) thép 20CrMo, (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Hình 4.2: Ảnh hiển vi điện tử quét trên mẫu thép SKD61 sau tôi (a) và phổ EDX xác định
thành phần của các hạt cacbit (b)
Hình 4.3: Phân bố nguyên tố trên thép SKD61 sau tôi bằng phổ mapping: (a) bề mặt thực
mẫu thép, (b) phân bố hàm lượng Fe, (c) phân bố hàm lượng Cr, (d) phân bố
hàm lượng V, (e) phân bố hàm lượng Mo và (f) phân bố hàm lượng C
Hình 4.4: (a) ảnh hiển vi điện tử quét và (b) ảnh tẩm thực màu hiện cácbit phóng đại 1000
lần trên mẫu thép SKD61 sau ram.
Hình 4.5: Phân bố nguyên tố trên thép SKD61 sau ram bằng phổ mapping: (a) ảnh SEM tổ
chức tế vi của thép, (b) phân bố hàm lượng Fe, (c) phân bố hàm lượng C, (d)
phân bố hàm lượng Cr, (e) phân bố hàm lượng V và (f) phân bố hàm lượng Mo
Hình 4.6: Kết quả nhiễu xạ tia X với các mẫu thép trước thấm. (a) - thép C20; (b) - thép
20CrMo; (c) – thép 30CrNi2MoVA; (d) – thép SKD61
Hình 4.7: Ảnh hiển vi quang học quan sát tổ chức lớp thấm hình thành trên bề mặt các mẫu
thép khối với độ phóng đại 500 lần. Mẫu được thấm tại 550 o
C sử dụng 100%
NH3 với Kn = 1,6 và thời gian thấm 8h: (a) mẫu thép C20; (b) mẫu thép 20CrMo;
(c) mẫu thép 30CrNi2MoVA; (d) mẫu thép SKD61 và (e) mẫu thép được đóng
rắn bằng bột nhựa
Hình 4.8 Ảnh hiển vi điển tử quét quan sát tổ chức lớp thấm hình thành trên bề mặt các
mẫu thép mỏng. Mẫu được thấm tại 550 o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và
thời gian thấm 8h: (a) mẫu thép C20; (b) mẫu thép 20CrMo; (c) mẫu thép
30CrNi2MoVA; (d) mẫu thép SKD61 và (e) mẫu thép được đóng rắn bằng keo
đóng rắn epoxy
Hình 4.9 Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng C20 sau thấm
tại 550o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) diện tích
quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng nitơ và (c) phân bố hàm lượng
sắt
Hình 4.10: Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng 20CrMo sau
thấm tại 550 o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (e) diện
tích quét trên bề mặt mẫu thực; (a) phân bố hàm lượng nitơ; (b) phân bố hàm
lượng sắt; (c) phân bố hàm lượng Mo và (d) phân bố hàm lượng Cr
Hình 4.11: Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu khối 20CrMo sau tôi
tại 920o
C: (a) diện tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng sắt;
(c) phân bố hàm lượng cácbon; (d) phân bố hàm lượng M và (e) phân bố hàm
lượng Cr
Hình 4.12: Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu khối 20CrMo sau tôi

vii
tại 920o
C và thấm nitơ tại 550 o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian
thấm 8h: (a) diện tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng sắt; (c)
phân bố hàm lượng cácbon; (d) phân bố hàm lượng N; (e) phân bố hàm lượng
Mo và (f) phân bố hàm lượng Cr
Hình 4.13: Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng 30CrNi2MoVA
sau thấm tại 550o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a)
diện tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng Ni; (c) phân bố hàm
lượng Fe; (d) phân bố hàm lượng nitơ
Hình 4.14: Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng 30CrNi2MoVA
sau thấm tại 550o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a)
phân bố hàm lượng Cr; (b) phân bố hàm lượng C; (c) phân bố hàm lượng V và
(d) phân bố hàm lượng Mo
Hình 4.15: Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng SKD61 sau
thấm tại 550o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) diện
tích quét trên bề mặt mẫu thực; (b) phân bố hàm lượng Fe; (c) phân bố hàm
lượng C
Hình 4.16: Phổ phân bố hàm lượng nguyên tố trên tiết diện ngang mẫu mỏng SKD61 sau
thấm tại 550o
C sử dụng 100% NH3 với Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) phân
bố hàm lượng N; (b) phân bố hàm lượng V; (c) phân bố hàm lượng Mo và (d)
phân bố hàm lượng Cr
Hình 4.17: Ảnh hiển vi điện tử quét trên mẫu thép SKD61 sau thấm (a) và phổ EDX xác định
thành phần (b)
Hình 4.18: Kết quả nhiễu xạ tia X mẫu thép sau khi thấm tại 550o
C sử dụng 100% NH3 với
Kn = 0,7 và thời gian thấm 8h: (a) - thép C20; (b) - thép 20CrMo; (c) - thép
30CrNi2MoVA; (d) - thép SKD61
Hình 4.19: Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép sau thường hóa (C20)
Hình 4.20: Tổ chức tế vi của thép C20 với độ phóng đại 500 lần tại các chế độ xử lý nhiệt
trước thấm khác nhau và kết quả phân bố độ cứng sau thấm: (a) thép C20 sau
thường hóa; (b) thép C20 sau tôi và (c) phân bố độ cứng sau thấm nitơ
Hình 4.21: (a) Tổ chức tế vi của thép C20 với độ phóng đại 500 lần sau khi ôxy hóa bằng hơi
nước; (b) nhiễu xạ Rơnghen với bề mặt mẫu sau ôxy hóa; (c) phân bố độ cứng
sau thấm nitơ
Hình 4.22: Sự hình thành và phát triển lớp thấm trên thép sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61 và
30CrNi2MoVA)
Hình 4.23: Ảnh SEM thể hiện vị trí các điểm kiểm tra phân bố nồng độ nguyên tố bằng phổ
EDX tại vùng khuếch tán của lớp thấm trên thép SKD61
Hình 4.24: Mô hình phát triển lỗ xốp và vết nứt của lớp trắng trong thấm nitơ thể khí [86]
Hình 4.25: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thế thấm Kn
Hình 4.26: Ảnh hưởng của thời gian lưu đến thế thấm Kn tại 550o
C
Hình 4.27: Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thế thấm Kn tại 550o
C
Hình 4.28: Ảnh hưởng của thế thấm nitơ đến hệ số truyền: (a) thấm tại 550o
C; (b) thấm tại
530o
C và (c) thấm tại 510o
C

viii
Hình 4.29: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số truyền: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c)
thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Hình 4.30: Phân bố độ cứng của các mẫu thép ở điều kiện thấm duy trì với thời gian lưu 10
phút, thời gian thấm 8h và trong điều kiện thay đổi nhiệt độ thấm: (a) thép C20;
(b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Hình 4.31: Phân bố độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550 o
C trong 8h với thời gian lưu
thay đổi: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d) thép
SKD61
Hình 4.32: Phân bố độ cứng của các mẫu thép thấm tại 550o
C trong 8h với thành phần khí
thấm thay đổi: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép 30CrNi2MoVA và (d)
thép SKD61
Hình 4.33: Giản đồ Lehrer: (a) cho sắt sạch và (b) cho thép C20
Hình 4.34: Giản đồ Lehrer cho thép SKD61
Hình 4.35: Phân bố độ cứng của các mẫu thép: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép
30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61
Hình 4.36: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chiều sâu lớp thấm và thời gian thấm của thép
C20 khi thấm tại 510o
C.
Hình 4.37: Phân bố độ cứng của các mẫu thép: (a) thép C20; (b) thép 20CrMo; (c) thép
30CrNi2MoVA và (d) thép SKD61 tại nhiệt độ thấm khác nhau

ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các chữ viết tắt
Cr: Nguyên tố crôm
C: Nguyên tố các-bon
Ni: Nguyên tố nikel
Mo: Nguyên tố molípđen
V: Nguyên tố vanađi
Fe: Nguyên tố sắt
N: Nguyên tố nitơ
NH3: Khí amôniắc
N2: Khí nitơ
H2: Khí hyđrô
CO2: Khí cácbônic
CH4: Khí mêtan
Ar2: Khí agông
R: Hằng số khí lý tưởng
Fe(C,N): Dung dịch rắn hòa tan của C và N trong sắt 
LPT: Phương pháp LPT (Liquid Pressure Nitriding)
ABN: Phương pháp ABN (Aerated Bath Nitriding)
ACCN: Phương pháp ACCN (Aerated Cyanide-Cyanate Nitriding)
ALCN: Phương pháp ALCN (Aerated Low-Cyanide Nitriding)
DCPN: Phương pháp DCPN (Direct 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 Microscope)
XRD: Nhiễu xạ tia X
Kn: Thế thấm nitơ của môi trường thấm
2. Các ký hiệu
BCC: Lập phương tâm khối
FCC: Lập phương tâm mặt
L: Pha lỏng
: Hệ số truyền
(aN): Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm

x
<aN>: Hoạt độ nitơ trong lá thép mỏng
α: Pha ferit
: Pha austenit
’: Nitơrít sắt (Fe4N)
: Nitơrít sắt (Fe2-3N)
”: Nitơrít sắt (Fe16N2)
HV0,1: Độ cứng Vickel 0,1
D: Hệ số khuếch tán
C : Nồng độ
Q: Lưu lượng
T: Nhiệt độ
V : Thể tích
X : Chiều dày lớp thấm
K1, K2, K3 Hệ số cân bằng phản ứng
K : Thừa số Herries
o
C : Đơn vị nhiệt độ (tính theo độ Celsius)
o
K : Đơn vị nhiệt độ (tính theo độ Kelvin)
m: Khối lượng

1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án:
Thấm nitơ thể khí là một công nghệ hóa nhiệt luyện đang được ứng dụng khá phổ
biến và rộng rãi trên thế giới nhờ tạo ra được lớp bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt,
tăng giới hạn mỏi nhờ tạo ứng suất nén dư bề mặt trong khi chi phí giá thành hợp lý và ý
nghĩa thực tiễn lớn. Với lịch sử hơn 100 năm phát triển, ở những thập niên cuối của thế kỷ
20, loại hình công nghệ này dường như bị đẩy vào quên lãng khi mà một số công nghệ xử
lý bề mặt tiên tiến khác xuất hiện và tưởng chừng có thể thay thế mãi mãi công nghệ thấm
nitơ thể khí thì trong khoảng gần 10 năm trở lại đây, trung bình hàng năm luôn có ít nhất từ
1 đến 2 nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ thấm nitơ thể khí được công bố tại các nước
phát triển như Cộng hòa liên bang Đức, Cộng hòa Pháp, Hợp chủng quốc Hoa kỳ, Nhật
bản….Điều này chứng tỏ công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn còn rất nhiều tiềm năng cần tiếp
tục khám phá và ứng dụng.
Ở Việt Nam, hiện tại công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn là loại hình được ứng dụng
rộng rãi hơn so với công nghệ thấm nitơ thể lỏng và plasma. Tuy nhiên, qua khảo sát tình
hình áp dụng phương pháp thấm N thể khí trong các nhà máy sản xuất quy mô công
nghiệp, đặc biệt là tại các cơ sở sản xuất tư nhân thì nhìn chung đều bộ lộ khá nhiều bất cập
trong việc làm chủ công nghệ này. Ở một vài nơi nhập khẩu thiết bị đồng bộ có đi kèm với
các quy trình công nghệ cho từng nhóm chi tiết nhất định. Nhưng trong sản xuất do số
lượng và chủng loại chi tiết thường xuyên thay đổi nên xuất hiện tình trạng thể tích rỗng
của buồng thấm bị thay đổi, qua đó làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng lớp thấm trên bề
mặt thép. Cá biệt có một vài nơi, do số lượng chi tiết cần thấm quá ít, do đó để duy trì được
thể tích rỗng của buồng thấm theo thiết kế của công nghệ đi kèm, người vận hành còn đưa
cả sắt thép vụn vào buồng thấm cùng với chi tiết; điều đó làm giảm đáng kể hiệu suất của
công nghệ và thiết bị.
Chủng loại mác thép được sử dụng trong việc áp dụng công nghệ thấm nitơ thể khí
tại Việt nam cũng rất đa dạng. Những mác thép cacbon thấp như C20, 20CrMo thường
được sử dụng trong chế tạo các chi tiết của xe máy như may ơ, chốt xích đến các mác thép
nhiệt luyện hóa tốt như SKD61 trong chế tạo các loại khuôn dập nóng, khuôn đùn ép…. Để
tìm được chế độ thấm thích hợp nhất cho từng mác thép, người thực hiện thường phải tiến
hành khảo sát cụ thể ở rất nhiều chế độ để tìm ra thông số tối ưu. Việc làm này gây lãng
phí rất nhiều thời gian, công sức và làm tăng chi phí trên mỗi đầu sản phẩm. Ở thời điểm
hiện tại, khí thấm sử dụng thường hoàn toàn là NH3 nên khi có yêu cầu nâng cao độ cứng
lớp thấm thì biện pháp phổ biến vẫn là đưa thêm lưu lượng khí cung cấp để làm tăng thế
thấm của môi trường. Biện pháp này tuy có cải thiện được độ cứng lớp bề mặt tuy nhiên lại
lại gây ra lãng phí một lượng lớn nguồn khí thấm và tăng ô nhiễm môi trường.
Với lý do đó, luận án này tiến hành các nghiên cứu nhằm tìm ra các nguyên nhân và
đề xuất biện pháp khắc phục những nhược điểm trên, vì việc chọn chế độ công nghệ thấm
hợp lý cho từng chủng loại mác thép là công việc cần thiết và cấp bách hiện nay tại Việt
nam. Các kết quả nghiên cứu dự định áp dụng tại Công ty FC Hòa Lạc.
Mục đích và đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án:
Làm rõ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính như nhiệt độ, thế thấm
và thời gian thấm đến chất lượng lớp thấm. Qua đó lựa chọn được các thông số công nghệ

2
ổn định áp dụng cho một số đối tượng chủng loại mác thép thông dụng tại Việt nam như
C20, 20CrMo, 30CrNi2MoVA và SKD61.
Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án:
Luận án đã đánh giá được mối quan hệ phụ thuộc giữa hệ số truyền chất với nhiệt
độ và thế thấm, từ đó xác định được vùng nhiệt độ và mức độ phân hủy nhiệt NH3 hợp lý
cho từng chủng loại thép thấm.Việc xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ
như nhiệt độ thấm, thế thấm và thời gian thấm đến chất lượng lớp thấm nhận được đã cho
phép lựa chọn được những khoảng giá trị tối ưu áp dụng cho từng chủng loại mác thép.
Qua đó từng bước làm chủ công nghệ, góp phần cải thiện chất lượng lớp thấm và góp phần
hạ giá thành sản phẩm.
Các điểm mới của đề tài luận án:
Sử dụng các thiết bị nghiên cứu hiện đại có độ chính xác cao cho phép xác định
được ảnh hưởng của cấu trúc thép ban đầu đến sự hình thành lớp thấm nitơ thể khí. Sự hình
thành lớp thấm trên bề mặt thép đều được khẳng định là do cơ chế khuếch tán nitơ theo
biên hạt luôn chiếm ưu thế trong khoảng nhiệt độ thấm thực nghiệm. Các kết quả đạt được
trong quá trình nghiên cứu, phân tích và đánh giá đã cho phép luận án đạt được một số kết
luận mới như sau:
 Xây dựng được mô hình phát triển lớp thấm nitơ trên thép C20 và SKD61
đã giúp làm sáng tỏ sự hình thành và phát triển lớp thấm trên bề mặt thép phụ thuộc nhiều
vào tổ chức thép ban đầu.
 Lớp thấm phát triển trên tổ chức thép sau thường hóa chính là sự phát triển
mở rộng và xâm lấn của biên hạt. Các nguyên tố hợp kim (nếu có) tập trung nhiều ở biên
hạt và sự hình thành các nitơrit hợp kim có thể là sự thay thế của chúng trong các nitơrit sắt
và cacbit của chúng.
 Với thép sau nhiệt luyện hóa tốt, các nitơrit hợp kim hình thành là nhờ sự
thay thế dần cácbon trong cácbit bởi các nguyên tử nitơ hấp thụ vào từ bề mặt thép.
Phương pháp nghiên cứu:
 Tập hợp tìm hiểu và đánh giá các tài liệu về thấm nitơ thể khí trong và ngoài
nước để khai thác các khía cạnh còn chưa rõ cần phải hoàn thiện.
 Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo mẫu, thay đổi các
chế độ thấm, khảo sát và đánh giá kết quả, so sánh và đưa ra kết luận,…..
Nội dung và bố cục của luận án:
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án được trình bày trong 4
chương:
Chương 1: Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thấm nitơ.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thấm nitơ thể khí.
Chương 3: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu
Chương 4: Kết quả và bàn luận.

3
CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ
1.1. Công nghệ thấm nitơ trên thế giới và tại Việt nam
Thực trạng ứng dụng của công nghệ thấm nitơ hiện nay, dựa trên các bài báo khoa
học, các thông tin từ nhà sản xuất mới công bố gần đây đã cho phép khái quát được phần
nào thực trạng ứng dụng của công nghệ thấm nitơ trên thế giới. Trong khi đó, việc khảo sát
đánh giá tại một số vùng khu vực miền Bắc cũng cho thấy được thực trạng ứng dụng công
nghệ này tại Việt nam.
1.1.1. Công nghệ thấm nitơ trên thế giới
Trên thế giới, phương pháp thấm nitơ đã ra đời rất sớm, từ những năm đầu của thế
kỷ 20 [12,16,63]. Ngay sau đó, phương pháp thấm N được triển khai nghiên cứu mạnh mẽ
ở nhiều nước và đã xuất hiện nhiều công nghệ thấm N khác nhau, áp dụng cho nhiều loại
sản phẩm. Đây là một trong những công nghệ hóa nhiệt luyện quan trọng nhất ứng dụng
cho các chi tiết cần độ cứng bề mặt cao, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn [88]. Ngoài
đặc điểm chịu mài mòn, lớp thấm nhận được sau khi thấm N còn cho thấy những ưu điểm
nổi bật khác như tăng khả năng chịu mỏi nhờ tạo ra lớp ứng suất nén trên bề mặt, nâng cao
độ bền chống ăn mòn nhờ tạo được lớp bề mặt thụ động (ngoại trừ thép không gỉ) và cuối
cùng là có khả năng hồi phục kích thước cho chi tiết sau một thời gian làm việc [52,63,65].
Trong suốt chiều dài lịch sử khoảng 100 năm phát triển của công nghệ thấm nitơ, đã
có nhiều phương pháp được áp dụng như công nghệ thấm nitơ thể khí [16,31,61,65,70],
công nghệ thấm nitơ thể lỏng [16,65] và công nghệ thấm nitơ plasma hay còn gọi là thấm
nitơ ion hóa [16,38,41,59,65,91]. Trong số đó, công nghệ thấm N thể khí ra đời sớm nhất
và nó cho phép vận hành với chi phí thấp, thiết bị không đòi hỏi quá đắt tiền. Tuy nhiên,
mức độ xít chặt của lớp trắng tạo thành ở loại hình công nghệ này bị hạn chế do có sự hình
thành các phân tử khí nitơ tập trung chủ yếu tại vùng biên hạt, kết quả là đã tạo nên nhiều
cấu trúc rỗ xốp trong lớp thấm. Do đó, chất lượng lớp thấm nitơ thể khí thường thấp hơn so
với các công nghệ ra đời muộn hơn nó như công nghệ thấm nitơ thể lỏng và đặc biệt là
công nghệ thấm nitơ plasma [80].
Với công nghệ thấm nitơ thể lỏng, tuy tốc độ thấm có được rút ngắn và chất lượng
lớp thấm cao hơn nhưng do đặc thù sử dụng môi trường thấm là muối nóng chảy gốc
xyanua và xianat [65], do đó thường gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là tại
những nơi có hệ thống xử lý khí thải kém hoặc ít chú trọng đến yêu cầu này. Vì lý do đó,
công nghệ này đang dần được loại bỏ và thay thế vào đó bằng công nghệ thấm nitơ
plasma, đây là công nghệ thân thiện với môi trường, cho phép nhận được lớp thấm có chất
lượng rất cao phù hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế. Sự phát triển mạnh mẽ của loại
hình công nghệ này đã phần nào được khẳng định thông qua hàng trăm các bài báo khoa
học được công bố rộng rãi trong hai thập kỷ cuối của thế kỷ 20 [12,80]. Tuy nhiên, cho đến
thời điểm hiện tại, công nghệ thấm nitơ plasma vẫn còn tồn tại một nhược điểm là hệ thống
thiết bị sử dụng trong quá trình tạo lớp thấm khá đắt tiền và đòi hỏi đội ngũ vận hành thiết
bị phải khá chuyên nghiệp.
Khi mới ra đời, công nghệ thấm nitơ plasma tưởng chừng như có thể thay thế hoàn
toàn cho các loại hình công nghệ thấm nitơ thể khí và thể lỏng. Mặc dù vậy, những hạn chế

4
về giá thành sản phẩm và trình độ của đội ngũ vận hành vẫn đang là rào cản để công nghệ
này có thể được phổ biến rộng rãi hơn. Trong khi đó, từ những năm đầu của thế kỷ 21 trở
lại đây, tại những quốc gia công nghiệp hàng đầu trên thế giới như Mỹ, Đức và một số
quốc gia khác liên tục xuất hiện hàng loạt các công trình nghiên cứu mới được công bố cho
phép hoàn thiện công nghệ thấm nitơ thể khí cho nhiều chủng loại thép khác nhau
[8,11,15,31,32,43,51,55,61,69,70,72,82,83,88,89,90]. Điều này đã chứng tỏ tiềm năng ứng
dụng và lợi thế của công nghệ thấm nitơ thể khí vẫn còn chưa được khai thác triệt để. Đặc
biệt, trên một số khía cạnh công nghệ thông thường như giá thành thiết bị thấp, nguồn khí
cung cấp rẻ, phổ biến, dễ áp dụng ở quy mô sản xuất nhỏ…, công nghệ thấm N thể khí vẫn
chiếm ưu thế so với công nghệ thấm nitơ plasma.
1.1.2. Công nghệ thấm nitơ tại Việt nam
Hiện tại, qua khảo sát một số điểm thuộc khu vực miền Bắc đã cho thấy: hai dạng
công nghệ thấm nitơ thể khí và plasma đều đang được áp dụng. Công nghệ thấm nitơ thể
lỏng, vì lý do gây ô nhiễm môi trường nên đa phần các cơ sở sản xuất đã loại bỏ. Chỉ còn
tồn tại rất hạn chế tại một số nơi có áp dụng các biện pháp xử lý khí thải và bảo vệ môi
trường hết sức nghiêm ngặt.
Với loại hình công nghệ thấm nitơ plasma, vì nó cho phép nhận được chất lượng
lớp thấm rất cao, có thể đảm bảo được các yêu cầu khắt khe của các khách hàng khó tính,
nên công nghệ này hiện đang được áp dụng tại một số cơ sở sản xuất, nghiên cứu gần Hà
Nội. Tuy nhiên, hạn chế đáng kể của phương pháp này là hệ thống thiết bị đắt tiền, đội ngũ
cán bộ vận hành thiết bị cần có kiến thức chuyên môn cao, được đào tạo bài bản, dẫn đến
chi phí giá thành sản phẩm khá lớn so với các dạng công nghệ khác. Vì lý do đó, trong điều
kiện sản xuất tại Việt nam, qua các vùng được khảo sát và đánh giá đã cho thấy: loại hình
công nghệ này vẫn chưa thể áp dụng rộng rãi đặc biệt là tại các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ.
Vào thời điểm hiện tại, chỉ một số rất ít cơ sở có thiết bị áp dụng loại hình công nghệ này.
So với công nghệ thấm nitơ plasma, công nghệ thấm nitơ thể khí được áp dụng rộng
rãi hơn nhiều. Từ các nhà máy sản xuất cơ khí lớn đến các cơ sở tư nhân sản xuất nhỏ lẻ,
nếu cần áp dụng quy trình xử lý bề mặt cần độ cứng cao chịu mài mòn thì công nghệ thấm
nitơ thể khí luôn được ưu tiên hàng đầu, vì các lý do đã nêu trên. Tuy nhiên, khi đi sâu vào
khảo sát quy trình thấm thực tế hiện đang áp dụng tại các cơ sở sản xuất, đặc biệt là của tư
nhân đã thấy bộc lộ khá nhiều bất cập như sau:
+ Vì chất lượng lớp thấm thể khí phụ thuộc rất mạnh vào sự ổn định tỷ lệ giữa lưu
lượng khí cung cấp khi thấm và thể tích rỗng của lò, nên tỷ lệ này cần được duy trì nghiêm
ngặt trong mỗi mẻ thấm. Trong khi đó, số lượng và chủng loại chi tiết do khách hàng yêu
cầu thường không ổn định, đôi khi mang tính nhỏ lẻ, do đó rất khó duy trì được tỷ lệ đó khi
thấm. Việc này dẫn đến hệ quả là tỷ lệ phân hủy amoniac trong các mẻ thấm là khác nhau
dẫn đến kết quả là chất lượng lớp thấm không đồng đều và không ổn định.
+ Chủng loại vật liệu sử dụng chế tạo chi tiết cần thấm nitơ rất đa dạng. Từ những
chi tiết được chế tạo bằng thép cácbon và thép hợp kim thấp (C20, 20CrMo) đến nhóm
thép nhiệt luyện hóa tốt (30CrNi2MoVA, SKD61). Do đó, để đáp ứng được yêu cầu chất
lượng lớp thấm thỏa mãn theo đòi hỏi của khách hàng, người thực hiện thường phải tiến
hành khảo sát bằng nhiều mẻ thấm thực nghiệm và loại bỏ các chế độ không đạt yêu cầu
đối với từng mác vật liệu. Điều này chung quy sẽ làm cho giá thành sản xuất bị tăng lên.
+ Việc nâng cao độ cứng lớp thấm hiện cũng gây cho các cơ sở sản xuất nhiều bối
rối. Theo truyền thống, khí thấm thường sử dụng là 100% NH3. Để tăng độ cứng lớp thấm,

5
biện pháp thường được áp dụng là tăng lưu lượng khí thấm (chứa hoàn toàn NH3), nhằm
làm giảm độ phân hủy, qua đó nâng cao được thế thấm và do đó tăng thêm lượng nitơ xâm
nhập vào bề mặt thép. Biện pháp này tuy có cải thiện được độ cứng lớp bề mặt đôi chút
nhưng lại dẫn đến việc lãng phí NH3 và gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường.
Nhằm giải quyết phần nào những bất cập nêu trên, trong luận án này tác giả sẽ đề
xuất và tiến hành nghiên cứu một số nội dung có liên quan, như ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ
lệ phân hủy amoniac, tỷ lệ pha loãng chất thấm, thời gian lưu… đến sự hình thành và tính
chất lớp thấm trong phương pháp thấm N thể khí nhằm ổn định công nghệ này ở nước ta.
1.2. Các phương pháp thấm nitơ
Như đã trình bày trên đây, công nghệ thấm nitơ được phân chia dưới ba loại hình
công nghệ chính: thấm nitơ thể khí, thấm nitơ thể lỏng và thấm nitơ plasma [65]. Trong đó
mỗi loại hình công nghệ đều có những nét đặc thù riêng mà ta cần phải xét đến một cách cụ
thể.
1.2.1. Phương pháp thấm nitơ thể khí
Có lịch sử ra đời sớm nhất, công nghệ thấm nitơ thể khí sử dụng khí amoniac (NH3)
làm nguồn cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính để hình thành lớp thấm
[12,43,55,61,65,69,70,72]. Trong khoảng nhiệt độ thấm thường áp dụng (450o
C- 650o
C)
[12,69,70], dưới tác dụng của nhiệt độ, khí amoniac trong buồng thấm sẽ bị phân hủy nhiệt
theo phản ứng (1.1) như sau:
NH3  <N> + 1,5H2 (1.1)
Khi đó nitơ nguyên tử hoạt tính sinh ra từ phản ứng trên sẽ hấp thụ và khuếch tán
vào bề mặt thép để hình thành nên lớp thấm nitơ [14,55,70]. Việc điều khiển tổ chức và
cấu trúc lớp thấm trong quá trình thấm nitơ thể khí có thể thông qua việc điều khiển một số
thông số của quá trình như: nhiệt độ thấm, thời gian lưu, thời gian thấm, mức độ phân hủy
NH3, thành phần khí thấm….[4]. Các yếu tố trên đều có mối quan hệ mật thiết qua lại lẫn
nhau, do đó để lựa chọn được một chế độ thấm thích hợp với từng loại mác thép cũng như
yêu cầu cơ tính cụ thể thì nhất thiết cần phải có một nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng về các
mối liên hệ của các yếu tố này. Các đánh giá như vậy sẽ được trình bày chi tiết trong
Chương 2 của luận án.
1.2.2. Phương pháp thấm nitơ thể lỏng
Công nghệ này, được cho là ra đời vào những năm 1940 của thế kỷ trước [24] với
vùng nhiệt độ thấm thường áp dụng trong khoảng (510o
C – 580o
C) [65]. Bằng việc sử dụng
dung dịch muối nóng chảy như là môi trường thấm nitơ đã cho phép nhận được lớp thấm
có chất lượng cao hơn hẳn và thời gian thấm ngắn hơn so với thấm thể khí [4,24]. Nguồn
cung cấp nitơ nguyên tử trong loại hình công nghệ này thường là các muối xianat hoặc
xyanua của kim loại kiềm như NaCN, KCN, NaCNO và KCNO [24,65], khi đó dưới tác
dụng của nhiệt độ, các muối xianat trên sẽ bị phân hủy để sinh ra nitơ hoạt tính hấp thụ và
khuyếch tán vào bề mặt thép theo các phản ứng (1.2) và (1.3) như sau [19,27,30,64]:
4MeCNO → 2MeCN + Me2CO3 + CO + 2N (1.2)
5MeCNO → 3MeCN + Me2CO3 + CO2 + 2N (1.3)
Trong đó Me được hiểu là các nguyên tử của kim loại kiềm như Na và K. Với sự
xuất hiện các sản phẩm muối xyanua trong bể muối, khi có mặt của oxy khuếch tán vào từ

6
môi trường bên ngoài thì phản ứng tái tạo lại xianat cũng có thể xảy ra theo phương trình
(1.4) [19,30]:
2MeCN + O2 → 2MeCNO (1.4)
Hiện tại, hỗn hợp muối được sử dụng với mục đích thương mại đối với loại hình
công nghệ này thường là hỗn hợp muối có chứa thành phần như sau [24,35,65]:
- (60-70)% khối lượng muối gốc natri bao gồm: 96.5% NaCN, 2.5% Na2CO3 và
0.5% NaCNO.
- (30-40)% khối lượng muối gốc kali bao gồm: 96%KCN, 0.6%K2CO3, 0.75%
KCNO và 0.5% KCl.
Thành phần hỗn hợp muối bên trên có thể áp dụng cho khá nhiều chủng loại vật
liệu như nhóm thép làm dụng cụ cắt năng suất cao, các loại thép hợp kim thấp và nhóm
thép chuyên dùng để thấm nitơ có chứa nhôm [65]. Ngoài ra, tùy thuộc vào đặc tính yêu
cầu của từng loại chi tiết thấm, thành phần hỗn hợp muối thấm có thể thay đổi cho phù
hợp. Với thép dụng cụ, ngoài hỗn hợp thấm thường sử dụng bên trên, một loại hỗn hợp
muối khác cũng có thể sử dụng bao gồm: 30%NaCN + 25%Na2CO3 (hoặc K2CO3) + 4%
Các chất hoạt tính khác + 2% Hơi ẩm và phần còn lại là KCl [65]. Dựa vào các tài liệu đã
được công bố, hiện công nghệ thấm nitơ thể lỏng có thể được tiến hành với một vài
phương pháp đặc trưng sau:
Phương pháp LPT
Phương pháp LPT (Liquid Pressure Nitriding), phương pháp này thực hiện bằng
việc luôn duy trì một dòng khí amoniac (NH3) khô chạy qua dung dịch muối nóng chảy là
hỗn hợp của các muối gồm (15-20)% muối xianat và (30-35)% muối xyanua [65]. Buồng
thấm luôn được duy trì áp suất trong khoảng (1-30) atm [18]. Với hỗn hợp muối như trên,
nhiệt độ thấm thường được duy trì trong vùng 525o
C-565o
C trong khi mức độ phân hủy
nhiệt NH3 đạt được trong khoảng (15-30)%. Khi sử dụng phương pháp này, để đảm bảo ổn
định được cơ tính của vật liệu nền, nhiệt độ thấm phải chọn thấp hơn nhiệt độ ram (trước
đó) tối thiểu 28o
C [36,65]. Với phương pháp này, chiều sâu lớp thấm phụ thuộc vào thời
gian thấm và thường dao động trong khoảng (4-72)h tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể chi tiết
cần thấm [18,36].
Phương pháp ABN
Phương pháp ABN (Aerated Bath Nitriding): trong phương pháp này, một lượng
không khí nhất định được bơm qua bể muối lỏng để làm tăng mức độ hoạt hóa của bể muối
[35]. Với loại hình công nghệ này, bể muối thường có thành phần gồm (50-60)% NaCN,
(32-38)%NaCNO, tổng lượng muối gốc kali (KCN, KCNO) thường trong phạm vi từ 10%
đến 30% và phần còn lại của bể muối là Na2CO3 [35,65]. Với phương pháp này, nhiệt độ
thấm thường được duy trì ở vùng 565o
C-570o
C [35] và áp dụng đã cho kết quả rất tốt trên
thép cacbon thường, thép hợp kim thấp khi mà lớp trắng hình thành trên bề mặt chi tiết có
độ xít chặt rất cao. Tốc độ thấm cũng khá lớn, với 2 loại thép trên, chiều dày lớp thấm có
thể đạt 0,3mm trong 1,5h [65].
Với phương pháp ABN, việc thay đổi hàm lượng muối xianat và xyanua dẫn đến
các biến thể của phương pháp này với các tên gọi như phương pháp ACCN (Aerated
Cyanide-Cyanate Nitriding) và phương pháp ALCN (Aerated Low-Cyanide Nitriding).
Chúng có nguyên lý làm việc hoàn toàn giống với phương pháp ABN và việc thay đổi hàm

7
lượng muối để làm nâng cao chất lượng lớp thấm cho các loại thép cacbon thường và thép
hợp kim thấp [65].
1.2.3. Phương pháp thấm nitơ plasma
Phương pháp này xuất hiện tại Mỹ vào những năm 1950 nhưng cho đến tận những
năm 1970 mới được ứng dụng mạnh mẽ tại Đức nhờ có các biện pháp áp dụng để điều
khiển được hiện tượng phóng điện phát quang trong chân không [12]. Trong loại hình công
nghệ này, sự phát quang của dòng điện một chiều đã được ứng dụng để tạo ra các ion nitơ
dễ dàng hấp thụ lên bề mặt chi tiết đã được phân cực, qua đó cải thiện được mức độ khuếch
tán của nitơ vào bề mặt chi tiết kim loại [80,92]. So với hai loại hình công nghệ thấm nitơ
đã trình bày phía trên, công nghệ thấm nitơ plasma nhận được sự quan tâm rất đặc biệt của
nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng do nó có hiệu quả thấm rất cao, khả năng điều khiển tổ
chức, tính chất lớp thấm tuyệt vời, ngay cả khi thực hiện ở nhiệt độ thấp [44], đồng thời
gần như hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường. Với loại hình công nghệ này nhiệt độ
thấm thường được tiến hành ở dưới 500o
C để đảm bảo duy trì tốt được tổ chức và tính chất
của vật liệu nền [74], tuy nhiên trong một số trường hợp, để rút ngắn thời gian thấm, nhiệt
độ thấm cũng có thể được nâng lên trong khoảng 550o
C-580o
C [22]. Quy trình thấm nitơ
plasma có thể được mô quả qua sơ đồ đơn giản như trên hình 1.1 sau đây:
Hình 1.1: Một kiểu sơ đồ hệ thống thấm nitơ plasma [65]
Để tiến hành thấm nitơ plasma, chi tiết sau khi đặt trong buồng thấm đóng kín sẽ
được tiến hành bơm chân không xuống mức rất thấp, thường nằm trong khoảng (0,02 –
0,1) Torr nhằm loại bỏ hết các chất khí gây hại cũng như các chất bẩn còn sót lại trong
Van điều chỉnh
chỉnh hỗn hợp khí
hỗn hợp khí
khí
Chi tiết
thấm nitơ
Buồng thấm
Van điều chỉnh
hỗn hợp khí
Các loại khí thấm
H2
N2
Ar2
Bảng điều
khiển
Nguồn một
chiều DC
Biến trở điều khiển
dòng hoặc điện áp
Bơm chân
không
Thiết bị đo
chân không
Cặp đo
nhiệt độ
Cài đặt chu
kỳ thực hiện
Giá đỡ cách
điện

8
buồng thấm [65]. Tuy nhiên, khi quá trình thấm xảy ra, do sự có mặt của khí thấm cung
cấp vào buồng lò nên áp suất sẽ được nâng lên và thường duy trì trong khoảng (1-11) Torr
[7,29,33,53,62,65]. Để tạo được plasma trong buồng thấm, điện áp một chiều sử dụng
thường nằm trong khoảng (500-1000)V [65], vùng điện áp này được lựa chọn dựa trên cơ
sở mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện như trên hình 1.2 [23]. Trên vùng AB, do đặc
trưng vùng này có dòng rất nhỏ và bản thân nó cũng không thể tự duy trì hiện tượng phóng
điện nếu không có sự hỗ trợ của nguồn điện tử từ bên ngoài, vì thế mật độ các nguyên tử
được hoạt tính trong vùng này khá nhỏ và không phù hợp sử dụng trong công nghệ plasma
[23]. Với vùng phóng điện phát quang thông thường (vùng CD), sự phóng điện trong vùng
này rất ổn định, tại đây cũng đồng thời chỉ ra được mức độ độc lập của điện áp so với
cường độ dòng điện. Tuy nhiên, việc cường độ dòng điện trong vùng này như một hằng số
so với điện áp đã dẫn đến hệ quả sự phát quang chỉ bao phủ được một phần cực âm (chi tiết
thấm) ngay cả khi điện áp tăng [23,65,80]. Vì lý do này, vùng CD cũng không phải lựa
chọn thích hợp cho công nghệ plasma.
Hình 1.2: Đặc trưng giữa điện áp và dòng điện một chiều khi phát quang [23].
Đối với vùng DE (vùng phóng điện dị thường), vùng này cho thấy sự hiện diện của
định luật Ôm trong môi trường phóng điện phát sáng. Với việc tăng điện áp đã kéo theo
cường độ dòng điện tăng, kết quả này đã làm cho hiện tượng phát quang có thể bao trùm
toàn bộ cực âm (chi tiết thấm) do khi đó các ion dương trong môi trường plasma có vận tốc
đủ lớn để kích thích hỗn hợp khí thấm [23]. Vì lý do này, vùng DE thường được áp dụng
trong các công nghệ thấm nitơ plasma [80].
Với vùng hồ quang, khi cường độ dòng điện đủ lớn có thể xuất hiện sự phóng hồ
quang giữa chi tiết và buồng thấm. Hiện tượng này thường gây tổn hại cho bề mặt chi tiết
thấm cũng như cơ tính của chi tiết. Do đó vùng này cũng không được sử dụng trong công
nghệ thấm nitơ plasma.
Cơ chế hình thành lớp thấm nitơ plasma:
Trong công nghệ thấm nitơ plasma, sự hình thành lớp thấm nitơ có thể được quan
sát dựa trên mô hình thể hiện trên hình 1.3. Dưới tác dụng của điện trường giữa thành lò và
Phóng điện phát
quang thông
thường
Phóng điện ion hóa
Phóng điện phát
quang dị thường
10-12
10-4 10-1 10
1000
500
Cường độ (A)
Điện áp (V)
A B
C D
E
Phóng hồ quang

9
chi tiết, các điện tử tự do chuyển động với vận tốc đủ lớn va chạm và ion hóa các phân tử
khí hình thành nên hỗn hợp plasma trong buồng thấm. Nhờ sự phân cực cathode, bề mặt
chi tiết sẽ bị bắn phá liên tục bởi các ion khí mang điện tích dương làm các nguyên tử sắt bị
bật ra và kết hợp với nitơ nguyên tử để hình thành nitơrit. Các nitơrit kim loại (nitơrít sắt)
hình thành sẽ được hấp thụ lại ngay trên bề mặt, nguyên tử nitơ nhờ đó sẽ được khuếch tán
vào sâu để hình thành lớp thấm.
Điều khiển tổ chức lớp thấm nitơ plasma
Khác với công nghệ thấm nitơ thể khí, trong công nghệ thấm nitơ plasma, để điều
khiển được tổ chức của lớp thấm thì biện pháp sử dụng ở đây là thông qua thay đổi thành
phần và tỷ lệ hỗn hợp khí thấm. Các hỗn hợp khí sử dụng có thể kể đến như: hỗn hợp khí
thấm gồm H2 + N2 + CH4 [41,65], H2 + N2 [23,28,29,53,58,67], N2 + Ar2 [45,62,91], H2 +
N2 + Ar2 [33], thậm chí ngay cả NH3 cũng có thể được sử dụng trong công nghệ này như là
một nguồn cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính theo hỗn hợp buồng thấm gồm NH3 + H2
[10,81]. Tùy thuộc vào thành phần khí sử dụng, tổ chức lớp thấm có thể nhận được như
một ví dụ trên hình 1.4
Hình 1.3: Mô hình sự hình thành lớp bề mặt trong thấm nitơ plasma [80].
Pha
Pha
Điệnáp(V)
Chitiếtcầnthấmnitơ(cựcâm)
Mứcgiảm
điệnthếâm
cực
Tườnglò(cựcdương)
Hấp thụ
Điện tử
Phát quang âm cực
Pha
Pha
Pha

10
Hình 1.4: Ảnh hưởng của thành phần khí đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma [65].
Ngoài việc thay đổi thành phần và tỷ lệ khí thấm, hai thống số khác cũng có ảnh
hưởng lớn đến chất lượng lớp thấm là nhiệt độ thấm và thời gian thấm [10]. Ngày nay, nhờ
sự phát triển của các loại hình công nghệ nên nhiều kỹ thuật mới đã được áp dụng nhằm
làm tăng hiệu quả của quá trình thấm nitơ plasma. Một vài phương pháp có thể đề cập đến
như phần trình bày tiếp sau đây:
Phương pháp DCPN
Phương pháp DCPN (Direct Current Plasma Nitriding) được mô tả khái quát theo
sơ đồ trên hình 1.1. Một điện thế được đặt giữa chi tiết (cực âm) và tường lò (cực dương).
Điện trường tạo thành sẽ ion hóa hỗn hợp khí tạo thể plasma trong buồng thấm.
Hình 1.5: Sơ đồ mô tả kỹ thuật tường nóng và tường lạnh [41].
Với phương pháp DCPN, các chi tiết cần thấm sẽ được nung nóng đến nhiệt độ cần
thiết nhờ vào sự phóng điện tạo plasma ngay trong buồng thấm theo kỹ thuật tường lạnh
(cold wall) hay kỹ thuật tường nóng (hot wall) được mô tả như trên hình 1.5. Trong kỹ
thuật tường lạnh, mẫu được nung nóng chỉ đơn thuần là nhờ sự phóng điện tạo plasma.
Trong khi với kỹ thuật tường nóng, ngoài năng lượng nhiệt có được từ việc phóng điện tạo
Tường lạnh Tường nóng
Thanh nung
Tường lò
Chi tiết Chi tiết
(1-5)% N2 +
(95-99)% H2
(15-30)% N2 +
(70-85)% H2
(60-70)% N2 + (1-3)%
CH4 + H2
Vật liệu nền
Vật liệu nền Vật liệu nền
Lớp thấm chỉ có
lớp khuyếch tán
Lớp thấm bao gồm
lớp trắng (’) và lớp
khuyếch tán
Lớp thấm bao gồm
lớp trắng () và lớp
khuyếch tán

11
plasma nói trên, mẫu còn được nung nóng nhờ có thêm các thanh nung, do vậy đảm bảo
được mức độ đồng đều nhiệt cao hơn [41,66]. Tuy nhiên với cả 2 loại công nghệ này, kết
quả cho thấy bề mặt chi tiết sau thấm có độ nhẵn bóng không cao do tác động của việc bắn
phá ion làm sạch bề mặt mẫu ban đầu [41]. Mặc dù phương pháp này có một số ưu điểm có
thể kể đến như: không gây ô nhiễm môi trường, tiêu hao năng lượng và khí sử dụng ít, thời
gian thấm ngắn. Tuy nhiên một số hạn chế của phương pháp này như: hiệu ứng góc cạnh
khi phóng điện, hiệu ứng hollow cathodic và sự phóng hồ quang xảy ra có thể dẫn đến sự
không đồng đều về cơ tính của lớp thấm [6,28].
Phương pháp ASPN
Phương pháp ASPN (Active Screen Plasma Nitriding): phương pháp này ra đời để
khắc phục một số nhược điểm của phương pháp DCPN bên trên. Thay vì hiện tượng phóng
điện tạo plasma trực tiếp giữa tường lò và chi tiết thấm, một tấm chắn phân cực âm sẽ được
sử dụng bao bọc quanh chi tiết như trên hình 1.6.
Sự phóng điện tạo plasma giữa cực dương (thành lò) với tấm chắn sẽ tạo plasma và
sinh nhiệt để nung nóng chi tiết thấm. Với cách làm này, nhiệt độ thấm trong buồng lò sẽ
được đồng đều hóa, bề mặt chi tiết sẽ được bảo vệ tốt hơn rất nhiều so với phương pháp
DCPN.
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống phương pháp ASPN [28].
Nguồn 1
chiều DC
Cực dương
Màn chắn âm
cực Bệ đỡ cách điện
Chi tiết
Bức xạ kế
Ống thạch anh
Đế

12
Phương pháp PDN
Phương pháp PDN (Post Discharged Nitriding): khác với hai phương pháp đã đề
cập ở trên, phương pháp PDN sẽ không tiến hành tạo plasma trực tiếp trong buồng thấm
mà hỗn hợp này sẽ được thực hiện ở bên ngoài buồng thấm, sau đó sẽ được dẫn qua buồng
chứa chi tiết để quá trình thấm xảy ra [5,76].
Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phương pháp PDN [5].
Trong phương pháp này, tuy bề mặt chi tiết không bị bắn phá trực tiếp nhưng do
plasma được tạo ra từ nơi khác chuyển đến nên sẽ có một số bất lợi như việc rất khó phân
bố đồng đều plasma trong toàn bộ buồng thấm, đặc biệt là với các buồng thấm lớn. Ngoài
ra, tuổi thọ của dòng plasma trong buồng thấm cũng sẽ bị rút ngắn do mất thời gian vận
chuyển từ nơi khác đến.
Phương pháp PPN
Phương pháp PPN (Pulsed Plasma Nitriding): so với các phương pháp trên, phương
pháp PPN tạo plasma nhờ xung điện một chiều, do đó có thể điều khiển được nhiệt độ
buồng thấm thông qua việc thay đổi chu kỳ tạo xung mà không cần phải thay đổi điện thế
giữa các điện cực. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: hiện tượng phóng hồ quang gây tổn
hại bề mặt mẫu trong phương pháp này cũng được hạn chế một cách hiệu quả hơn so với
các phương pháp khác [37].
Trên hình 1.8 thể hiện sơ đồ bố trí thiết bị của phương pháp PPN. Mặc dù có một
vài ưu điểm đã kể trên, một nhược điểm của phương pháp PPN là ảnh hưởng của hiệu ứng
hollow cathode trong phương pháp này khá lớn, đối với các chi tiết bề mặt có khe hẹp và
sâu thì thường có hiện tượng bị nóng chảy cục bộ. Do đó các chi tiết cần phải có hình dáng
đơn giản thì mới nên áp dụng phương pháp này
H2 + N2
Điện cực
âm
Điện cực
dương
Plasma
Chi
tiết
Bơm

13
Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống phương pháp PPN [37].
1.3. Ưu nhược điểm của các loại hình công nghệ
Để lựa chọn loại hình công nghệ phù hợp với điều kiện thực tiễn tại Việt nam, việc
so sánh đánh giá các ưu và nhược điểm của từng loại hình công nghệ là rất cần thiết. Các
phân tích đánh giá cụ thể được trình bày trong bảng 1.1 sau đây sẽ chỉ ra các đặc điểm của
từng loại hình công nghệ như vậy.
Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm của các công nghệ thấm nitơ hiện nay [25].
Quá trình Ưu điểm Nhược điểm
Thấm nitơ thể
khí thông
thường
- So với các công nghệ thấm
cacbon thì thấm nitơ được tiến
hành ở nhiệt độ thấp, do đó giữ
được các đặc trưng cơ tính của
vật liệu nền
- Kỹ thuật điều khiển đơn giản
hơn so với các công nghệ thấm
nitơ thể lỏng
- Chi phí chế tạo hệ thống thấm rẻ
- Khó áp dụng với các loại thép
không gỉ
- Hạn chế đối với các thiết bị có
liên quan đến đồng và hợp kim
đồng do xảy ra hiện tượng ăn mòn
khi tiếp xúc với NH3
- Khó điều khiển chính xác được
các tính chất của lớp thấm do mức
độ phân hủy amonia (NH3) luôn rất
Cảm biến đo áp suất buồng thấm
Cảm biến đo nhiệt độ buồng thấm
Hệ thống nước làm mát tường lò
+
Cực dương
Cực âm
Chi tiết thấm
3x380V, 50Hz
Máy tạo xung
Hệ thống bơm chân
không
Hỗn hợp khí thấm

14
hơn so với các công nghệ khác
- Không yêu cầu quá khắt khe đối
với trình độ người vận hành
- Có thể áp dụng công nghệ tự
động hóa để điều khiển quá trình
thấm
nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ về
nhiệt độ
- Trong nhiều trường hợp, lớp
trắng được tạo ra một cách không
mong muốn
Thấm nitơ thể
lỏng
- Nung nóng nhanh chi tiết và
thời gian thấm ngắn
- Dễ tạo được các lớp thấm nitơ
ngay cả trên thép cacbon thấp và
thép hợp kim thấp
- Chất lượng lớp thấm tốt hơn hẳn
so với thấm thể khí
- Không thể điều khiển tổ chức lớp
thấm dựa vào thông số quá trình
- Khó áp dụng với một số loại thép
có nhiệt độ ram thấp (do nhiệt độ
muối nóng chảy cao có thể làm mất
tính chất ban đầu của vật liệu nền)
- Sau thấm chi tiết nhất thiết phải
được làm sạch muối là để loại trừ
tổn hại bề mặt do bị ăn mòn
- Gây độc hại tới môi trường và
sức khỏe con người. Hiện nay công
nghệ này đang rất hạn chế sử dụng
trên thế giới.
Thấm nitơ
plasma
- Nhờ có sự bắn phá ion quá trình
ban đầu nên tạo được bề mặt có
hoạt tính cao
- Dễ dàng thực hiện được ở nhiệt
độ thấm thấp nên đảm bảo giữ
được cơ tính của vật liệu nền
- Quy trình thấm ngắn
- Chất lượng lớp thấm tốt do có
thể điều khiển chính xác các
thông số trong quá trình thấm
- Công nghệ thấm thân thiện với
môi trường
- Khó đo, điều khiển và làm đồng
đều nhiệt độ.
- Rất dễ xảy ra hiện tượng quá
nhiệt cục bộ do hiện tượng phóng
hồ quang hay ảnh hưởng của chế
độ hollow cathode.
- Đòi hỏi đội ngũ vận hành phải có
trình độ và luôn luôn phải giám sát
các thông số
- Hình dạng chi tiết ảnh hưởng rất
lớn đến chất lượng lớp thấm
- Chi phí chế tạo thiết bị đắt tiền
1.4. Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
Trên quan điểm phát triển loại hình công nghệ thấm nitơ phù hợp triển khai áp dụng
rộng rãi trong điều kiện thực tiễn tại Việt nam, phương pháp thấm nitơ thể khí đã được lựa
chọn để nghiên cứu trong luận án này và hướng tới triển khai áp dụng. Loại hình công nghệ
này, nếu ổn định được quy trình thấm sẽ có cơ hội rất lớn để áp dụng trong sản xuất từ quy
mô công nghiệp đến các cơ sở sản xuất tư nhân nhỏ lẻ. Vì vậy luận án đặt ra một số mục
tiêu sau:

15
* Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của cấu trúc ban đầu đến sự khuếch tán nitơ
vào bề mặt thép. Xây dựng mô hình phát triển lớp thấm trên nhóm thép sau thường hóa
(C20, 20CrMo) và sau nhiệt luyện hóa tốt (SKD61, 30CrNi2MoVA).
* Thiết lập mối quan hệ phụ thuộc giữa hệ số truyền chất với thế thấm và nhiệt độ
để chọn được vùng phân hủy NH3 và nhiệt độ thích hợp áp dụng cho từng nhóm thép
thấm.
* Khảo sát và đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, thế thấm (thông qua việc
thay đổi thời gian lưu, thành phần khí thấm) và thời gian thấm đến cấu trúc và tính chất lớp
thấm, qua đó đề xuất chế độ thấm tối ưu.
* Dựa vào các số liệu thực nghiệm đạt được để đề xuất quy trình thấm N thể khí ổn
định áp dụng cho một số mác thép hiện đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam.
1.4.2. Đối tượng nghiên cứu
Với mục tiêu nghiên cứu quy luật hình thành lớp thấm nitơ trên thép cácbon và thép
hợp kim, cũng như ảnh hưởng của cácbon đến quá trình thấm, đề tài đã chọn các mác thép
điển hình là C20, 20CrMo, SKD61 và 30CrNi2MoVA. Các mác thép này hiện đang được
ứng dụng nhiều trong chế tạo các loại chốt xích, may ơ (C20, 20CrMo), các loại khuôn đùn
ép, khuôn đúc áp lực cao (SKD61) và trong chế tạo các chi tiết cơ khí phục vụ cho các khí
tài quân sự (nòng pháo) (30CrNi2MoVA).
1.4.3. Nội dung nghiên cứu
* Tổng quan tài liệu
* Xác lập lý thuyết mối quan hệ giữa hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán vào
trong thép với các thông số công nghệ. Từ đó hiểu được sự hình thành cấu trúc lớp thấm
nitơ.
* Xây dựng cách tính hoạt độ nitơ trong môi trường thấm và trong thép để xác lập
được giá trị hệ số truyền chất
* Chế tạo các loại mẫu thử nghiệm cho từng loại thép sử dụng phù hợp với yêu cầu
đặt ra ban đầu của mục tiêu nghiên cứu và tiến hành thấm nitơ trên các mẫu thép chế tạo
với trong điều kiện thay đổi các thông số công nghệ trong phạm vi yêu cầu đặt ra ban đầu.
* Đánh giá các kết quả đạt được thông qua việc phân tích: ảnh hiển vi quang học,
ảnh hiển vi điện tử quét + EDX, nhiễu xạ rơnghen, phân bố độ cứng lớp thấm…để xây
dựng mô hình phát triển lớp thấm và xác lập được ảnh hưởng của các thông số công nghệ.
* Đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào (nhiệt độ thấm, thời gian lưu và
thành phần khí thấm) đến thế thấm (Kn) của môi trường.
* Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính (nhiệt độ, thế thấm và thời
gian thấm) đến tổ chức và tính chất của lớp thấm.
* Tổng hợp các kết quả nghiên cứu và đề xuất chế độ thấm cho từng chủng loại
thép hiện đang áp dụng ở nước ta.

16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
THẤM NITƠ THỂ KHÍ
2.1. Cơ sở quá trình thấm nitơ thể khí
Trong công nghệ thấm nitơ thể khí, NH3 được sử dụng như một nguồn cung cấp
nitơ nguyên tử hoạt tính (<N>) rất hiệu quả [8,30,48,51,82]. Tuy nhiên, sự hình thành lớp
thấm chỉ đạt được khi những điều kiện nhất định được thỏa mãn, đảm bảo mức độ tiếp
nhận, khuếch tán của nitơ vào bề mặt thép là đủ lớn, và khả năng cung cấp nitơ nguyên tử
hoạt tính từ môi trường phải được duy trì ổn định ở mức độ nào đó. Do đó, để cải thiện và
nâng cao hiệu quả của quá trình công nghệ, cần phải xác định mức độ phân hủy nhiệt của
nitơ ở điều kiện đó. Cả thực nghiệm và lý thuyết đều khẳng định rằng quá trình thấm nitơ
lên một loại thép ở nhiệt độ xác định chỉ đạt được khi độ phân hủy nhiệt của NH3 nằm
trong khoảng hợp lý. Hoạt độ nitơ trong môi trường thấm thường đặc trưng cho khả năng
cung cấp nitơ nguyên tử hoạt tính từ môi trường thấm lên bề mặt chi tiết, trong khi đó hoạt
độ nitơ trong thép lại đặc trưng cho khả năng tiếp nhận nitơ nguyên tử hoạt tính của thép
thấm (chi tiết).
2.1.1. Thế nitơ của quá trình thấm
Quá trình thấm nitơ lên thép sử dụng NH3 được đặc trưng bằng phản ứng (2.1) sau
đây:
3 2
3
2
NH N H 
Nitơ nguyên tử tạo thành (<N>) theo phản ứng (2.1) sẽ hấp thụ và khuếch tán vào
phía trong để tạo thành lớp thấm. Trong thực tế, lượng nitơ nguyên tử có thể hấp thụ và
khuếch tán vào bề mặt thép là rất nhỏ. Do đó, theo định luật Henry thì lượng nitơ nguyên
tử khuếch tán được vào bề mặt thép có thể được xác định theo công thức (2.2) sau đây
[63,89]:
  3
2
1 13/2
% . .
NH
nN
H
p
N a K K K
p
  
Trong đó:
+ K1 là hệ số cân bằng phản ứng (2.1). Ở nhiệt độ thấm xác định, giá trị K1 sẽ là
một hằng số [63,89].
+ a<N> là hoạt độ của nitơ trong thép
+ pNH3, PH2 lần lượt là áp suất riêng phần của NH3 và H2 trong buồng thấm.
+ Kn được gọi là thế thấm nitơ [49,61,63,72,86,88-89] và được xác định theo biểu
thức (2.3) sau đây:
3
2
3/2
NH
n
H
p
K
p

Như vậy, biểu thức (2.2) còn cho thấy: lượng nitơ nguyên tử hòa tan trong thép tại
một nhiệt độ thấm xác định phụ thuộc tuyến tính vào thế nitơ trong môi trường thấm.
Ngoài ra, trong môi trường thấm thì quá trình phân hủy nhiệt của khí NH3 còn được
mô tả bằng phản ứng (2.4) xảy ra đồng thời với phản ứng (2.1) như sau:
(2.2)
(2.1)
(2.3)

17
3 2 2
1 3
2 2
NH N H 
Phản ứng (2.4) cho thấy: tùy thuộc vào mức độ phân hủy nhiệt NH3 mà lượng H2
sinh ra theo phản ứng (2.4) sẽ có tác động đến áp suất riêng phần của H2 trong buồng thấm,
qua đó tác động đến thế thấm Kn. Do vậy, để thay đổi mức độ phân hủy nhiệt NH3, một số
thông số chính như nhiệt độ, thời gian lưu khí và thành phần khí thấm sẽ được thực hiện
trong nghiên cứu của luận án.
2.1.2. Hoạt độ nitơ của môi trường thấm
Như đã đề cập ở phía trên, trong quá trình thấm sẽ luôn tồn tại 2 phản ứng đồng
thời (2.1) và (2.4). Khi đó, phản ứng tổng hợp phân hủy khí trong môi trường thấm được
thể hiện qua phản ứng (2.5) là tổng của hai phản ứng (2.1) và (2.4) được viết lại như sau:
3 2 2
1
2 3
2
NH N N H  
Trong đó: N biểu thị nguyên tử nitơ hoạt tính sinh ra và được hấp thụ vào bề mặt
thép để hình thành lớp thấm. Các phản ứng trên có thể được mô tả qua mô hình tạo lớp
thấm như trên hình 2.1
Hình 2.1: Sự hình thành lớp thấm nitơ thể khí [1,88].
Nếu xét tại các vùng cân bằng cục bộ xảy ra tại ngay trên bề mặt phân giới giữa pha
khí (môi trường thấm) và pha rắn (bề mặt chi tiết). Hằng số cân bằng (K1) và (K2) của phản
ứng (2.1) và (2.4) lần lượt theo thứ tự được xác định theo biểu thức (2.6) và (2.7) như sau:
2
3
3/2
1
( ).N H
NH
a p
K
p

(2.5)
Môi trường thấm
Lớp hấp thụ (lớp biên)
Bề mặt thép thấm
Hấp thụ NH3
Tái kết hợp H2Tái kết hợp N2
N khuyếch tán vào
bề mặt thép
(2.4)
(2.6)

18
3
2
3/2
NH
n
H
p
K
p

2 2
3
1/2 3/2
2
.N H
NH
p p
K
p

Trong đó:
+ pN2, pH2 và pNH3 lần lượt là áp suất riêng phần của các khí nitơ, hydro và amoniac
trong buồng thấm.
+ (aN) biểu thị cho hoạt độ của nitơ trong môi trường thấm. Xét cho phản ứng (2.5), hệ
số cân bằng (K3) cũng được tính theo biểu thức (2.8) sau đây:
2 2
3
1/2 3
3 2
( ). .N N H
NH
a p p
K
p

Biểu thức (2.8) cũng có thể được viết lại như sau:
3
2 2
2
3
1/2 3
.
( )
.
NH
N
N H
K p
a
p p

Mặt khác, phản ứng (2.5) là tổng của hai phản ứng (2.1) và (2.4), do đó mối quan hệ
giữa các hệ số cân bằng phản ứng còn được biểu diễn theo biểu thức (2.10)
3 1 2.K K K
Từ hai biểu thức (2.9) và (2.10), có thể rút ra cách xác định hoạt độ nitơ trong môi
trường thấm như sau:
3
2 2
2
1 2
1/2 3
. .
( )
.
NH
N
N H
K K p
a
p p

Với thế thấm nitơ
Giá trị hoạt độ nitơ cuối cùng sẽ được xác định thông qua biểu thức (2.12) sau đây:
2
2
1 21/2
1
( ) . . .( )N n
N
a K K K
p

Với khoảng nhiệt độ thấm nitơ thể khí thường áp dụng từ 450o
C đến 650o
C, giá trị K1
có thể xác định theo công thức (2.13) [85]:
1
2943
log 6,196K
T
 
Giá trị K2 sẽ được xác định theo công thức (2.14) [69,89]:
2
6594
ln 14,050K
T
 
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)

19
Như vậy, với việc xây dựng được biểu thức xác định hoạt độ của nitơ trong môi
trường thấm, biểu thức (2.12) đã chỉ ra ảnh hưởng của một số yếu tố như nhiệt độ, áp suất
riêng phần các khí và thế thấm nitơ đến hoạt độ của nitơ sinh ra
2.1.3. Hoạt độ nitơ trong thép
Do mối tương quan về kích thước của nguyên tử nitơ và lỗ hổng của mạng sắt nền,
khi được hấp thụ đến bề mặt thép, các nguyên tử nitơ có thể khuếch tán vào các lỗ hổng…
trong mạng của Fe, tạo thành dung dịch rắn xen kẽ. Cường độ quá trình khuếch tán (được
đặc trưng bởi hệ số khuếch tán), như ta biết, tỷ lệ thuận với hoạt độ N trong thép.
Quá trình hình thành lớp thấm nitơ trên bề mặt thép sẽ xảy ra khi nitơ nguyên tử
hoạt tính sinh ra từ phương trình phản ứng (2.1) hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép
(Fe), thể hiện qua phương trình tổng quát (2.15) như sau:
3 2
3
( )
2
NH Fe Fe N H  
Tùy theo thành phần thép thấm (hàm lượng C và các nguyên tố hợp kim có mặt
trong thép) mà nitơ sẽ có hoạt độ khác nhau. Khi nitơ khuếch tán và sâu trong thép, tùy
theo nồng độ của nitơ và ái lực của nitơ với các nguyên tố hợp kim (bao gồm cả Fe) trong
thép mà nitơ sẽ có hoạt độ khác nhau. Trong nghiên cứu này, dựa vào nồng độ nitơ có mặt
trong lớp thấm xác định được bằng thực nghiệm, dùng chương trình thermo-calc cho phép
xác định được hoạt độ của nitơ (<aN>) trong lớp thấm.
2.1.4. Hệ số truyền nitơ
Trong quá trình thấm nitơ thể khí, lượng nitơ nguyên tử (<N>) sinh ra rất nhiều,
nhưng chỉ có một tỷ lệ nhất định được hấp thụ và khuếch tán vào trong bề mặt thép để tạo
thành lớp thấm. Để đặc trưng tỷ lệ này, người ta sử dụng khái niệm hệ số truyền chất, được
xác định bằng tỷ số giữa hoạt độ nitơ trong lớp thấm và hoạt độ nitơ trong môi trường thấm
[3]. Để thấy rõ hơn khái niệm này, ta có thể sử dụng sơ đồ mô tả hoạt độ nitơ tại vùng tiếp
giáp giữa bề mặt thép và môi trường thấm như trên hình (2.2).
Giả thiết rằng: trong môi trường thấm xác định, luôn tồn tại một vùng hẹp nằm ở
mặt phân cách giữa bề mặt thép và môi trường thấm được gọi là lớp biên. Lớp biên này sẽ
có đặc điểm mà tại đó hoạt độ nitơ giảm dần từ môi trường đến bề mặt thép như mô tả trên
hình (2.2). Trong lớp biên, tồn tại một dòng vận chuyển các nguyên tử nitơ từ môi trường
thấm đến bề mặt thép. Dòng vận chuyển này là kết quả của hai quá trình khuếch tán và
phản ứng cố định N vào bề mặt thép.
Hệ số truyền chất trong trường hợp này phụ thuộc quá trình khuếch tán của nitơ qua
lớp biên và quá trình hấp thụ trên bề mặt thép [3]. Dòng nitơ từ môi trường khí vào bề mặt
thép luôn tỷ lệ với sự chênh lệch hoạt độ nitơ giữa môi trường khí (aN) và hoạt độ của nitơ
trên bề mặt lớp thấm <aN>. Với lập luận như trên thì ta có thể biểu thị theo định luật Fick I
như sau:
( ) ( )
( ) ( )N N N N
N N
a a C C
J D D
 
     
 
Trong đó: J là dòng khuếch tán,  là chiều dày lớp biên, (CN) và <CN> theo thứ tự
lần lượt là nồng độ của nitơ nguyên tử trong môi trường khí và bề mặt thép. Dựa vào các
thông số trên, người ta đưa ra khái niệm hệ số truyền chất và ký hiệu là  [1,3], giá trị 
(2.15)
(2.16)

20
phụ thuộc vào khả năng tiếp nhận nitơ trên bề mặt thép và độ rộng của lớp biên (). Trong
quá trình thấm, nếu có quạt khuấy làm tăng chuyển động đối lưu thì lớp biên  càng hẹp và
hệ số truyền chất càng lớn.
Hình 2.2: Sơ đồ mô tả sự thay đổi hoạt độ N từ môi trường thấm vào thép.
Công thức (2.16) cho thấy: ở thời điểm ban đầu, lớp thấm còn mỏng, nên khuếch
tán thể rắn (của nitơ nguyên tử vào bề mặt thép) xảy ra mạnh, do đó nồng độ nitơ trên bề
mặt giảm sâu xuống. Theo thời gian khi lớp bề mặt dày dần lên, khuếch tán trở nên chậm
hơn do đó nồng độ nitơ trên bề mặt thép cũng tăng dần và tiến tới ổn định. Sự tồn tại của
một lớp mỏng nghèo nitơ sát bề mặt chi tiết giải thích sự chênh lệch nồng độ nitơ giữa môi
trường thấm và bề mặt chi tiết. Nó phản ánh ái lực hóa học giữa môi trường thấm và bề
mặt thép. Như vậy, nồng độ nitơ trên bề mặt thép không những phụ thuộc vào hoạt độ nitơ
trong môi trường thấm, mà còn phụ thuộc vào ái lực hóa học giữa nitơ và bề mặt thép. Hệ
số khuếch tán nitơ trong thép có vai trò quyết định đến sự phân bố nitơ và do đó ảnh hưởng
đến sự hình thành các pha trong lớp thấm. Do vậy, hệ số khuếch tán nitơ trong thép có thể
được coi là thông số đặc trưng cho toàn bộ động học quá trình thấm.
Như vậy, giá trị  theo cách xác định như trên sẽ cho phép đánh giá được mức độ
hiệu quả trong quá trình truyền nitơ từ môi trường thấm vào bề mặt thép. Giá trị  càng lớn
thì hiệu quả thấm đạt được càng cao. Xác định được giá trị  tại các điều kiện thấm khác
nhau sẽ cho phép lựa chọn được các thông số công nghệ thấm tối ưu.
2.2. Cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí
Khi thấm nitơ, tùy thuộc vào hàm lượng nitơ nguyên tử khuếch tán được vào bề mặt
thép mà lớp thấm có thể tồn tại các pha khác nhau dựa trên giản đồ pha Fe-N trên hình 2.3.
Trên giản đồ pha Fe-N, có thể thấy giới hạn hòa tan của nitơ nguyên tử trong sắt phụ thuộc
vào nhiệt độ. Tại vùng nhiệt độ thấm thường áp dụng, để điều khiển được lượng nitơ
nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép, như đã chứng minh ở bên trên (mục 2.1.1), thế thấm
Lớp thấm Nền thép
<aN>
Lớp
biên
(aN)
<DN
>
Môi trường khí
Mặt tiếp xúc giữa bề mặt
thép và môi trường
(DN)


21
nitơ (Kn) được sử dụng như một công cụ để điều khiển lượng nitơ khuếch tán vào mạng
tinh thể của sắt dựa trên giản đồ Lehrer. Đây là dạng giản đồ pha ngưng tụ biểu diễn mối
quan hệ giữa nhiệt độ thấm, thế thấm Kn (đôi khi thế thấm Kn còn được thể hiện gián tiếp
dưới dạng mức độ phân hủy nhiệt NH3 trong buồng thấm [49]) và sự hình thành các pha.
Hình 2.3: Giản đồ pha Fe-N [89].
Giản đồ Lehrer trên hình 2.4 cho thấy: ứng với mỗi nhiệt độ thấm nhất định, khi
mức độ phân hủy nhiệt NH3 trong buồng thấm thay đổi sẽ làm thay đổi thế thấm nitơ, qua
đó quyết định tổ chức pha có thể nhận được trên sắt. Trong buồng thấm, khi mức độ phân
hủy nhiệt NH3 giảm (lượng NH3 tồn tại trong buồng lò tăng) sẽ làm tăng thế thấm Kn của
môi trường thấm, qua đó tạo điều kiện để các pha nitơrít (’, ) giàu N dễ hình thành trong
tổ chức lớp thấm. Tính chất của lớp bề mặt nhận được do đó cũng khác nhau và phụ thuộc
vào sự xuất hiện các pha này trong lớp thấm như mô tả trên hình 2.6. Qua đó có thể thấy
rằng, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng lớp bề mặt chi tiết trong từng điều kiện làm việc cụ
thể (chịu mài mòn, chịu ma sát, chịu ăn mòn…) mà sẽ có sự điều chỉnh thế thấm nitơ (Kn)
một cách thích hợp để nhận được lớp thấm có cấu trúc và tính chất mong muốn.
Việc sử dụng thế nitơ để điều khiển tổ chức lớp bề mặt tại nhiệt độ thấm xác định
đã được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới [31,83,89]. Các kết quả
đều đã cho thấy việc tăng thế thấm (Kn) sẽ làm tăng nồng độ nitơ nguyên tử hấp thụ và
khuếch tán vào lớp bề mặt, do đó dẫn đến sự hình thành các tổ chức pha khác nhau khi
hàm lượng nitơ nguyên tử hòa tan đạt tới các giới hạn như trong bảng 2.1.
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
214o
C 26

’- Fe4N


592o
C
650o
C
680o
C
912o
C
480o
C - Chuyển biến từ
7700
C - Chuyển biến từ
tính
508o
C
15,910,3
0,42 8,8 19,4
20,0α”-Fe16N2
ξ-Fe2N

 và  cùng tồn tại
Fe Hàm lượng nitơ (% nguyên tử)
Hàm lượng nitơ (% khối lượng)
Nhiệtđộ(oC)
Khoảng nhiệt độ thường áp
dụng thấm nitơ

22
Hiện nay vẫn tồn tại một bất cập khi dự đoán thành phần lớp thấm trên thép là dựa
vào mô hình thấm nitơ cho sắt sạch như mô tả trên hình 2.5 [55]. Với mô hình này, các
vùng đơn pha chỉ tồn tại ở nơi lớp trắng liên tục được hình thành. Động học quá trình phát
triển các lớp  và ’ có thể được mô tả dưới dạng dịch chuyển bề mặt phân giới /’ và ’/
giữa các vùng , ’ và 
Hình 2.4: Giản đồ Lehrer thể hiện sự ổn định của các pha giữa Fe-N [49].
Trên thực tế, hình 2.6 cho thấy cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí thường gặp bao gồm
cả những vùng đơn pha và đa pha. Căn cứ vào mục đích sử dụng, ta có thể cố ý tạo ra lớp
thấm đơn lớp hay đa lớp, đơn pha hay đa pha và ưu tiên phát triển pha nào,.v.v… Nhìn
chung, lớp thấm thường được chia thành 2 vùng. Vùng ngoài cùng thường được biết đến
với tên gọi là lớp trắng, vùng này có nồng độ nitơ rất cao và cấu trúc pha nhận được là các
nitơrit sắt. Trong thấm nitơ thể khí, khi lớp trắng hình thành, thép sẽ có khả năng thụ động
hóa, chống ăn mòn rất tốt, ngoài ra lớp trắng còn có cấu trúc rỗ xốp, với mật độ khá lớn,
thích hợp cho các ứng dụng bôi trơn chống ma sát [4]
Bảng 2.1: Các pha thường gặp trong hệ Fe-N [16,20,89].
Loại pha Thành phần % kl (% nt) [N] [N]/100 Fe Kiểu mạng
Ferrit () Feα(N,C) 0,1 (0,4) - Lập phương tâm khối
Austenite () Fe(N,C) 2,8 (11) 12,4 Lập phương tâm mặt
Martensite (’) Feα(N,C) 2,6 (10) 11,1 Chính phương
’ Fe4N1-x 5,9 (20) 25 Lập phương
 Fe2(N,C)1-z 4,5-11 (18-32) 22-49,3 Lục giác 6 phương
ξ Fe2N 11,4 (33,3) 50 Trực giao
600 700 800
20
900 1000
40
60
80
T(K)
%NH3
-Fe2N1-z
’-Fe4N1-x
-Fe
-Fe

23
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa giản đồ pha Fe-N và nồng độ/chiều sâu đối với sự phát
triển các lớp đơn pha -Fe2N1-x và ’-Fe4N trên nền -Fe [55].
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc lớp thấm nitơ thể khí [43].
Vùng khuếch tán là phần còn lại của lớp thấm, vùng này nằm giữa lớp trắng và nền
thép, do đó có nồng độ nitơ thấp hơn so với lớp trắng nói trên. Tuy nhiên đây lại là vùng có
sự phân bố các nitơrit của nguyên tố hợp kim làm tăng mạnh độ cứng. Các kết quả đo đạc
- Fe2-3N
’ - Fe4N
 - Fe(N) + các nitơrít hợp
kim (CrN, Mo2N…)
Lớp trắng có tính chất chống
ăn mòn và ma sát
Lớp khuyếch tán có độ cứng
cao chịu mài mòn và ứng
suất nén dư, tăng khả năng
chịu mỏi
Lớpthấmnitơthểkhí
Nền thép
Nhiệt độ
Bề mặt
Lớp khuyếch tán
Nồngđộ
Chiều sâu
-Fe
 ’
Phân giới ’/
Phân giới /’
-Fe2N1-x
’-Fe4N1-x
C0
C2’
C1’
C2’
C1’
CS
N

+’
’
+’

+

’+

24
cũng đã chỉ ra rằng, trong phân bố độ cứng của lớp thấm nitơ, vùng này có giá trị độ cứng
đạt được lớn nhất, thích hợp cho các ứng dụng chịu mài mòn. Ngoài ra, việc tăng hàm
lượng nitơ nguyên tử hòa tan trong nền thép nhờ thấm nitơ cũng làm tăng mật độ khuyết tật
điểm, qua đó làm tăng mức độ xô lệch mạng và tạo ứng suất nén dư trên lớp bề mặt, nhờ
đó cũng làm tăng khả năng chịu mỏi cho chi tiết khi làm việc [43].
2.3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến sự hình
thành lớp thấm
Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị đo và tự động điều chỉnh lưu
lượng khí cung cấp NH3 vào buồng thấm đã được áp dụng, qua đó giúp xác định và duy trì
được giá trị thế thấm Kn của buồng thấm. Trong công nghệ thấm nitơ tiên tiến ngày nay
trên thế giới, các thông số cổ điển như thời gian lưu (lưu lượng) và thành phần khí
thấm…được chuyển thành các thông số đầu vào có thể điều chỉnh để duy trì thông số công
nghệ chính là thế thấm (Kn). Do đó, các yếu tố công nghệ có tác động lớn đến sự hình
thành và chất lượng lớp thấm là: nhiệt độ, thế nitơ của môi trường (có thể thông qua thời
gian lưu, thành phần khí thấm), thời gian thấm và thành phần hợp kim [4]. Vì vậy, luận án
này đã đặt mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố trên, xác định các quy luật và
mức độ tác động của chúng, qua đó đưa ra được các thông số công nghệ phù hợp với từng
mác thép đã chọn ban đầu.
2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Một trong những ưu điểm nổi bật của thấm nitơ so với các công nghệ khác là sử
dụng nhiệt độ thấm thấp, qua đó bảo toàn được tính chất của vật liệu nền, ngoài ra còn
giảm thiểu đáng kể các tác động bất lợi đến độ bền mỏi của chi tiết [11,34]. Tuy nhiên, do
cường độ khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ theo quy luật Arrhenius nên khi thấm ở nhiệt độ
thấp yêu cầu thời gian thấm phải kéo dài, đồng thời chiều sâu lớp thấm đạt được hạn chế
hơn so với các công nghệ khác. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán nitơ trong
thép được thể hiện qua các công thức (2.17), (2.18) và (2.19) [68].
2
8
93517
2,1 10 exp ;
J
mmolD x
RT s


 
   
    
  
 
2
9
'
64000
1,7 10 exp ;
J
mmolD x
RT s


 
   
    
  
 
2
7
77900
6,6 10 exp ;
J
mmolD x
RT s


 
   
    
  
 
D, D’, D lần lượt theo thứ tự là hệ số khuếch tán của nitơ trong , ’ và .
(2.17)
(2.18)
(2.19)

25
Bảng 2.2: Hệ số khuếch tán nitơ trong , ’ và  tại các nhiệt độ khác nhau [68]
Nhiệt độ
thấm
o
C 500 510 520 530 540
K 773 783 793 803 823
Hệ số
khuếch tán
nitơ D
(m2
/s)
 1,0 1,2 1,5 1,7 2,1
’ 7,9 9,0 10,2 11,5 12,9
α 359,4 419,6 487,9 565,3 652,5
Nhiệt độ
thấm
o
C 550 560 570 580
K 823 833 843 853
Hệ số
khuếch tán
nitơ D
(m2
/s)
 2,4 2,9 3,4 3,9
’ 14,5 16,3 18,1 20,2
α 750,6 860,5 983,3 1120,2
.
.
Hình 2.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phân hủy NH3 tại các lưu lượng khí khác
nhau. Thực nghiệm trên lò giếng kích thước trung bình. Khí sử dụng 100% NH3 [25].
Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 500o
C đến 580o
C, các giá trị của hệ số khuếch tán
được thể hiện trong bảng 2.2. Các số liệu tại bảng 2.2 đã chỉ ra sự tăng lên nhanh chóng
10
20
30
40
50
60
0
480 500 520 540 560 580 600
MứcđộphânhủyNH3(%)
Nhiệt độ (o
C)
5 l/phút
8 l/phút
12 l/phút
20 l/phút
30 l/phút
-

26
của hệ số khuếch tán nitơ trong thép khi nhiệt độ thấm tăng trong vùng (540-580)o
C. Bên
cạnh đó, ta thấy rằng hệ số khuếch tán của N trong các pha nitrit thấp hơn rất nhiều so với
nền thép, vì vậy sự xuất hiện các pha mới trong lớp thấm sẽ làm giảm đáng kể tốc độ quá
trình thấm. Với việc chọn chế độ thấm nhằm hình thành lớp trắng trên bề mặt thép (+’),
thời gian thấm sẽ bị kéo dài do hệ số khuếch tán qua vùng này nhỏ hơn rất nhiều so với
vùng có tổ chức . Kết quả này cũng dẫn đến xu hướng lựa chọn chế độ thấm cho thép, khi
không cần xuất hiện lớp trắng phục vụ các mục đích ứng dụng như trình bày trên hình 2.6
thì cách tốt nhất để giảm thời gian thấm là điều chỉnh thế thấm (Kn) nằm trong vùng hình
thành tổ chức  như quan sát trên hình 2.4.
Ngoài việc ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán, nhiệt độ cũng ảnh hưởng trực tiếp đến
mức độ phân hủy NH3 trong buồng thấm, do đó làm thay đổi thế thấm (Kn). Trên hình 2.7
cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phân hủy nhiệt của NH3 tại các lưu lượng
khác nhau. Thực nghiệm đã cho thấy, tại lưu lượng không đổi, nhiệt độ tăng đều làm tăng
mức độ phân hủy NH3 trong buồng thấm, qua đó làm giảm thế thấm Kn (xem thêm trên
hình 2.8). Như vậy, ở điều kiện thấm với các thông số khác được giữ ổn định, tăng nhiệt độ
thấm đồng nghĩa với sự tăng hệ số khuếch tán (D), giảm giá trị Kn và xu thế chung là giảm
khả năng tạo các pha nitơrit. Do đó, việc điều chỉnh nhiệt độ thấm thường đòi hỏi phải điều
chỉnh lưu lượng khí thấm, thông qua đó nhằm duy trì thế thấm trong vùng hợp lý.
2.3.2. Ảnh hưởng của thế thấm Kn
Như đã đề cập phía trên, các thông số quan trọng trong thấm nitơ cổ điển như thời
gian lưu và thành phần khí thấm là các thông số đầu vào có tác động đến thế thấm Kn. Sự
thay đổi của chúng đều làm ảnh hưởng đến giá trị Kn, qua đó tác động đến sự hình thành tổ
chức và tính chất của lớp thấm. Ảnh hưởng riêng biệt của các thông số này đến thế thấm
(Kn) sẽ lần lượt được trình bày trong các mục tiếp sau đây.
2.3.2.1. Ảnh hưởng của thành phần chất thấm
Thành phần chất thấm có ảnh hưởng rất lớn đến thế thấm nitơ (Kn). Thế thấm nitơ,
về mặt số học thì đây có thể được coi là giá trị nồng độ nitơ lớn nhất mà một lá thép mỏng
có thể nhận được. Giản đồ Lehrer trên hình 2.4 cũng đã cho thấy mức độ ảnh hưởng của
thế thấm đến tổ chức lớp thấm có thể hình thành tại một nhiệt độ nhất định. Việc sử dụng
thế thấm như một công cụ điều khiển tổ chức lớp thấm đã được áp dụng rất rộng rãi trong
giai đoạn hiện nay, ứng dụng này cho phép phần nào dự đoán mức độ truyền chất của nitơ,
và do đó cũng cho phép dự đoán được chiều sâu và tổ chức của lớp thấm [39].
Để thay đổi thế thấm nitơ, biện pháp đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới hiện
nay là pha loãng thành phần khí thấm. Với việc đưa thêm khí pha loãng là N2, H2 và đôi
khi cả hỗn hợp (N2+H2) vào buồng thấm, cân bằng phản ứng phân hủy nhiệt NH3 khi đó sẽ
có sự dịch chuyển làm thay đổi áp suất riêng phần của các khí trong buồng thấm, qua đó
làm thay đổi thế thấm Kn.
Việc sử dụng khí N2 để pha loãng khí thấm đã được tiến hành khá nhiều trong vài
thập kỷ gần đây, sự có mặt của N2 pha loãng trong buồng thấm sẽ có tác động trực tiếp đến
thế thấm Kn, qua đó có thể nhanh chóng điều khiển thế thấm về giá trị mong muốn. Việc sử
dụng H2 như loại khí pha loãng gặp hạn chế về khía cạnh an toàn lao động, vì hydro rất dễ
gây cháy nổ trong không khí và dễ gây giòn trong một số trường hợp. Khí thải trong quá

27
trình thấm N thường chứa lượng lớn H2, người vận hành cần phải tuân thủ một số quy
định:
- Đảm bảo hệ thống ống dẫn, van khí phải đóng kín và an toàn, không rò rỉ khí để
đề phòng có sự kết hợp giữa hydro và oxy ngoài môi trường gây cháy nổ.
- Đảm bảo không để oxy hòa lẫn trong buồng thấm để ngăn ngừa hiện tượng cháy
hoặc nổ nguy hiểm.
Toàn bộ hệ thống sau thấm cần phải được làm nguội (thường phải tới dưới 150o
C)
trước khi mở nắp thiết bị. Khí nitơ (N2) sau đó phải được tiếp tục được sử dụng để làm
sạch toàn bộ khí hydro còn sót lại trong buồng thấm trước khi bắt đầu một chu trình thấm
chi tiết mới [36].
Hình 2.8: Sự biến đổi của thế thấm nitơ (Kn) với mức độ phân hủy NH3 trong môi trường
thấm (NH3 + N2 + 5%CO2) tại 580o
C [25]
Với những hạn chế như vậy của khí hydro, biện pháp sử dụng khí nitơ (N2) làm khí
pha loãng thay cho hydro đã được đề cập khá nhiều ngay trong những năm đầu thế kỷ 21
này [15,17,21,25,36,40,71,90]. Việc đưa thêm khí N2 pha loãng sẽ làm cân bằng phản ứng
phân hủy nhiệt NH3 dịch chuyển theo chiều ngược lại, do đó như một hệ quả tất yếu, mức
độ phân hủy NH3 sẽ giảm đi, làm thay đổi thế thấm nitơ của buồng thấm như trên hình 2.8.
Mối quan hệ giữa thế thấm (Kn) và mức độ phân hủy nhiệt của NH3 trên hình 2.8 đã
cho thấy rõ ảnh hưởng của thành phần khí pha loãng tại một nhiệt độ xác định. Khi mức độ
phân hủy tăng, lượng khí H2 sinh ra nhiều hơn trong khi lượng NH3 dư giảm xuống đã làm
cho thế thấm Kn giảm. Trong trường hợp này, việc có mặt của khí CO2 trong buồng thấm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Thếnitơ(Kn)
Mức độ phân hủy NH3 (%)

Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở việt nam

Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở việt nam

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở việt nam

Similar to Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở việt nam (20)

More from https://www.facebook.com/garmentspace

More from https://www.facebook.com/garmentspace (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính nhằm ổn định công nghệ thấm nitơ thể khí lên một số loại thép thông dụng ở việt nam