CÔNG NGHỆ THẤM N 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. 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. 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, 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 500^oC để đảm bảo duy trì tốt được tổ chức và tính chất của vật liệu nền, tuy nhiên trong một số trường hợp, để rút ngắn thời gian thấm, nhiệt độ thấm cũng có thể được nâng lên trong khoảng 550^oC-580^oC. Quy trình thấm nitơ plasma có thể được mô quả qua sơ đồ đơn giản như trên hình sau đây:

  

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 buồng thấm. 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. Để tạo được plasma trong buồng thấm, điện áp một chiều sử dụng thường nằm trong khoảng (500-1000)V, vùng điện áp này được lựa chọn dựa trên cơ sở mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện như trên hình phía sau. 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. 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. Vì lý do này, vùng CD cũng không phải lựa chọn thích hợp cho công nghệ plasma

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. Vì lý do này, vùng DE thường được áp dụng trong các công nghệ thấm nitơ plasma.

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 phia sau. Dưới tác dụng của điện trường giữa thành lò và 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, H₂ + N₂, N₂ + Ar₂, H₂ + N₂ + Ar₂, 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. Tùy thuộc vào thành phần khí sử dụng, tổ chức lớp thấm có thể nhận được như một ví dụ trên hình sau đây:

(Sẽ còn tiếp tục..............)

 

Posted in: