Thấm Nitơ plasma là một phương pháp cải thiện độ cứng bề mặt nhờ ứng dụng hiện tượng phóng điện giữa 2 điện cực, sử dụng dòng điện một chiều.
Thành phần khí thấm là yếu tố quan trọng nhất quyết định thành phần và bản chất lớp thấm, đặc biệt là thành phần tổ chức lớp trắng . Thông thường, tổ chức lớp thấm Nitơ sẽ gồm 2 phần: lớp trắng và lớp khuếch tán. Lớp trắng bao gồm pha ε-Fe2-3N và pha γ-Fe4N. Đặc điểm của lớp trắng này có độ cứng rất cao, hệ số ma sát nhỏ và chống mài mòn rất tốt, tuy nhiên chúng lại khá giòn. Chiều dày và độ cứng của lớp γ’-Fe4N phụ thuộc vào số lượng và chất lượng của các yếu tố hình thành lớp nitrit. Điều chỉnh thay đổi thành phần khí thấm cho phép nhận được lớp thấm có thành phần lớp trắng mong muốn đáp ứng yêu cầu từng ứng dụng cụ thể. Đây cũng chính là ưu điểm nổi bật của công nghệ thấm N plasma so với các phương pháp thấm khác. Bài viết này sẽ trình bày ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng khi thấm N plasma dòng 1 chiều.
Đây là loạt bài tìm hiểu về quá trình thấm N plasma. Bạn tham khảo:
Bài 1: Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình thấm nitơ plasma
Bài 2: Tìm hiểu về plasma và hiện tượng hollow trong quá trình thấm nito plasma
Bài 3: Tim hiểu về hiện tượng khuếch đại plasma trong thấm nitơ plasma
Bài 4: Yêu cầu cơ tính và thực tế kiểm tra cơ tính lớp thấm nito plasma
Bài 5: Ảnh hưởng của thành phần khí thấm trong thấm nitơ plasma
Quá trình thấm N trước khi hình thành lớp trắng được tính theo phương trình (thấm N plasma không lớp trắng):
dNs/dt = A/ρ với t<t1,
trong đó t1 là thời gian bắt đầu tạo lớp trắng γ’-Fe4N.
Sau khi bề mặt được bão hòa bằng N, các phản ứng hóa học bắt đầu xảy ra trên bề mặt để tạo γ’-Fe4N trên bề mặt. Rõ ràng ở đây thấm N là một quá trình nhiều giai đoạn: cùng với thời gian nồng độ N bề mặt tăng đến thời điểm t1 nào đó nồng độ N bề mặt đạt giới hạn bão hòa kéo theo đó bắt đầu hình thành lớp nitrit trên bề mặt. Lúc này một biên giới mới xuất hiện, đó là biên giới lớp trắng/lớp khuếch tán.
Trên cơ sở phương trình toán học vừa nêu, Sun [5, 6] đã đưa ra mô hình thấm N plasma cho thép hợp kim thấp. Theo mô hình này, sự phân bố theo tính toán %N tổng và %N trong ferit trên bề mặt đối với thép En40B ở nhiệt độ thấm 560oC và thành phần khí thấm 6%N2 và 2%N2 được thể hiện trên hình 1.
Từ hình 3 theo mô phỏng [5, 6] có thể thấy, sự phát triển nồng độ %N trên bề mặt thấm đối với thép En40B ở nhiệt độ thấm 560oC và thành phần khí thấm 6%N2 và 2%N2. Từ hình này thấy rằng, %N tổng và %N trong ferit trên bề mặt đều tăng theo thời gian và đến một ngưỡng thời gian t1 thì dừng lại không đổi mặc dù thời gian tăng. Điểm dừng này ứng với thời gian bắt đầu hình thành γ’-Fe4N trên bề mặt. Thời gian xuất hiện sự bão hòa này phụ thuộc vào hàm lượng %N2 trong khí thấm, hàm lượng %N2 thấp thì thời gian bão hòa t1 lâu, thậm chí với hàm lượng %N2 bề mặt vẫn chưa bão hòa ngay cả thời gian thấm 10h (600 phút).
Sau khi tạo ra lớp trắng γ’-Fe4N trên bề mặt, một biên giới mới xuất hiện, đó là biên giới lớp trắng/lớp khuếch tán. Lớp trắng tiếp tục phát triển, ở một nhiệt độ thấm nhất định chiều dày của lớp trắng phụ thuộc hàm lượng N2 trong khí thấm. Chiều dày lớp trắng khi thấm thép En40B ở nhiệt độ 500oC, thời gian 10h được thể hiện trên hình 2. Có thể thấy, giảm tỷ lệ N2 trong khí thấm sẽ làm giảm chiều dày lớp trắng.
Môi trường thấm
Các thông số của môi trường thấm bao gồm thành phần và áp suất khí thấm. Chuyên đề này chỉ đề cập đến ảnh hưởng của thành phần khí thấm. Bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp khí, tính chất của lớp trắng và lớp nitrit có thể được điều chỉnh trong quá trình thấm nitơ plasma.
Thành phần khí thấm ảnh hưởng đến điện áp, mật độ dòng cũng như nhiệt độ catôt. Với nhiệt độ catôt không đổi, khi tăng tỷ lệ %H2 thì điện áp sẽ tăng cùng trong khi mật độ dòng giảm không đáng kể [6]. Nếu giữ nguyên điện áp, mật độ dòng và nhiệt độ catôt sẽ thay đổi như trên hình 3. Từ hình này còn thấy, với cùng một nhiệt độ catôt, thì ở áp suất cao hơn cần điện áp nhỏ hơn nhưng mật độ dòng cao hơn.
Thành phần khí thấm là yếu tố quan trọng nhất quyết định thành phần và bản chất lớp thấm, đặc biệt là thành phần tổ chức lớp trắng [1, 2, 7]. Điều chỉnh thay đổi thành phần khí thấm cho phép nhận được lớp thấm có thành phần lớp trắng mong muốn đáp ứng yêu cầu từng ứng dụng cụ thể.
Công nghệ thấm N plasma có thể cho phép nhận được 4 loại tổ chức lớp thấm, đó là (1) chỉ có lớp khuếch tán, (2) lớp khuếch tán và lớp trắng chứa g’, (3) lớp khuếch tán và lớp trắng chứa hỗn hợp g’ + e, và cuối cùng (4) lớp khuếch tán và lớp trắng bao gồm lớp e và hỗn hợp g’ + e, hình 4
