CÔNG NGHỆ 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 rất hiệu quả. Tuy nhiên, sự hình thành lớp thấm chỉ đạt được khi những điều kiện nhiệt động học 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 tiến hành các tính toán về nhiệt động học, làm cơ sở để xác lập chính xác và điều khiển mối quan hệ giữa thế thấm nitơ với nồng độ nitơ được khuếch tán vào bề mặt thép, nói cách khác là cố gắng đạt tới hệ số truyền chất cao nhất trong quá trình thấm.

 

 

 

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 sau đây. 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, thế thấm nitơ (K_n) 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.

Giản đồ Lehrer cho thấy, ứng với mỗi nhiệt độ thấm nhất định, thế thấm nitơ thay đổi sẽ quyết định tổ chức pha có thể nhận được trên sắt. 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. 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 (K_n) 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. Các kết quả đều đã cho thấy việc tăng thế thấm (K_n) 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.

 

 

 

 

 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. 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 có thể được mô tả dưới dạng dịch chuyển bề mặt phân giới trên hình sau:

 

 

 

 Trên thực tế, hình trên 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.

 

 

 

 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 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.

 

Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm

 

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. 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.

 

(Còn tiếp tục...................) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Posted in: