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. Các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến trong tương lai phải đảm bảo được sự thân thiện với môi trường sống. 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.
Đặc trưng cải thiện tích năng bề mặt [31] Yêu cầu công nghệ Công nghệ xử lý bề mặt Độ chống Độ bám dính Độ mài mòn Ăn mòn mài 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. 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. 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.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. 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. 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]. Quá trình thấm nitơ thông thường [27] Các quá trình xẩy ra khi thấm nitơ thông thường (hình 1., 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. xxv Từ giản đồ pha Fe-N, khi nitơ khuếch tán vào trong thép ở nhiệt độ trên nhiệt độ cùng tích (5900C), các pha lần lượt tạo ra là , , ’, . Do vậy, khi thấm nitơ ở nhiệt độ này sẽ hình thành lớp thấm từ nền thép ra bề mặt là + ’ ’ ’ + , pha không hiển thị trên giản đồ vì chúng có thành phần nitơ từ 11,011,35% ở nhiệt độ khoảng 5000C. Giản đồ pha Fe-N Từ giản đồ pha Fe-N cho thấy quá trình kiểm soát của sự khuếch tán nitơ là rất quan trọng trong quá trình thấm nitơ cho thép (Arzamaxov B.1 Thấm nitơ thể khí Thấm nitơ thể khí là phương pháp thấm thông dụng nhất do giá thành và chi phí thấp hơn các công nghệ thấm nitơ khác.
Trong điều kiện tự nhiên, khí nitơ luôn tồn tại dưới dạng phân tử (N2) rất ổn định, loại khí này chỉ có thể xxvi phân ly ra nitơ nguyên tử dưới áp suất rất cao (khoảng vài GPa) do đó không thể dùng N2 để tạo lớp thấm. Trong điều kiện như vậy, khí thường dùng để tạo ra nitơ nguyên tử cung cấp cho quá trình thấm là amoniac (NH3) (Đào Quang Kế, 2006) [10], (Đào Quang Kế, 2006) [11], (Darbellay J. Trong khoảng nhiệt độ thấm từ 450 6000C, NH3 sẽ phân hủy theo phản ứng: 2NH3 3H2 + 2[N] (1.1) Trong đó [N] là Nitơ nguyên tử hoạt tính. Sơ đồ thấm nitơ thể khí [40] Nitơ nguyên tử hoạt tính sinh ra sẽ khuếch tán vào trong bề mặt của thép tạo nên lớp thấm.
Quá trình được sơ đồ hóa trên hình 1. Tại lớp hấp phụ sẽ xẩy ra các phản ứng tái kết hợp: xxvii 2NH3 3H2 + 2[N] (1.3) Nitơ nguyên tử hình thành trên bề mặt chi tiết thấm sẽ khuếch tán vào bên trong tạo thành lớp thấm (hình 1. Nếu nitơ nguyên tử không khuếch tán hết sẽ kết hợp lại thành nitơ phân tử và do đó ngăn cản quá trình thấm. Trong quá trình thấm phải luôn bổ sung khí NH3 để duy trì tỷ lệ [N]/[H] thích hợp cho quá trình thấm (thường 70% khí NH 3 không được phân hủy được thải ra ngoài).
Tỷ lệ này xác định bằng hệ số phân hủy p của NH3. Hệ số phân hủy chính là tỷ lệ giữa lượng NH3 bị phân hủy và lượng khí cấp vào. Tuy nhiên chỉ một lượng rất nhỏ nitơ nguyên tử tham gia vào quá trình thấm (Darbellay J. Cấu trúc mạng lớp thấm và vùng khuếch tán [52] Nếu nitơ nguyên tử hình thành quá nhiều không kịp khuếch tán vào trong thép sẽ kết hợp lại thành phân tử mất hết hoạt tính làm ngăn cản quá trình thấm tiếp theo theo phản ứng: xxviii 1 3 NH3 [N] 3H N 2 H 2 (1.4) còn có thể coi là tổng của hai phản ứng: 1 N 2 [N] (1.6) 2 2 Nếu nitơ nguyên tử hình thành ít quá cũng không hình thành được lớp thấm, chất lượng và tốc độ thấm quá chậm.
Khả năng cung cấp nitơ nguyên tử của môi trường thấm được đặc trưng bởi hoạt độ nitơ của môi trường thấm (aN). Hoạt độ nitơ (aN) trong môi trường thấm đươc xác định theo (1.4) như sau: PN1/22 .PH3/22 PNH3 aN P 1/ 2 N2 .5) PNH3 PH2 Trong đó, PNH3 , PN 2 , PH 2 lần lượt là áp suất riêng phần của NH3, N2 và H2 trong môi trường thấm; PN1/22 .PH3/2 2 K3 là tỷ số giữa áp suất riêng phần của N2 và H2 sinh ra do PNH3 NH3 phân hủy với áp suất riêng phần của NH3 chưa phân hủy; PNH3 KN PH3/2 2 là tỷ số giữa áp suất riêng phần của NH3 chưa phân hủy với áp suất riêng phần của H2 sinh ra do NH3 đã phân hủy – được gọi là thế nitơ trong môi trường thấm. Trong môi trường thấm sử dụng NH3, nitơ nguyên tử sinh ra và khuếch tán vào thép chỉ xảy ra trong một phạm vi rất nhỏ ngay trên bề mặt thép, với các khoảng không gian thấm còn lại trong buồng thấm, nitơ nguyên tử sinh ra do phân hủy hầu hết kết hợp lại với nhau để giải phóng N2. Giản đồ pha quan hệ giữa thế thấm nitơ, nhiệt độ với tổ chức lớp thấm nitơ [40] Thế thấm nitơ (KN) trong môi trường thấm sẽ quyết định đến tổ chức lớp thấm nhận được, biểu diễn KN theo nhiệt độ và sự hình thành các vùng pha chứa nitơ khác nhau (giản đồ pha ngưng tụ) trên hình 1.7 ta thấy, trong khoảng nhiệt độ thấm nitơ với các vùng pha xuất hiện trong lớp thấm (, ’, ) sẽ xác định được thế nitơ thích hợp với từng vùng.
Tại vùng chứa pha thì %N nằm trong khoảng 0,01 ÷ 0,07 tương ứng với KN = 0,03 ÷ 1,3. Tương tự, với pha ’ thì %N nằm trong khoảng 5,73 ÷ 5,897 tương ứng với KN = 1,3 ÷ 13; với pha thì %N nằm trong khoảng 8,5 ÷ 10 tương ứng với KN = 13 ÷ 1,6. Như vậy có thể thấy, thế thấm nitơ phụ thuộc vào độ phân hủy của NH3 trong môi trường thấm, với việc điều khiển sự thay đổi độ phân hủy, ta có thể thay đổi được thế thấm nitơ để nhận được các cấu trúc mong muốn (Darbellay J.