Luận án 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 4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 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 4.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ 82 4.6. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính đến tổ chức và tính chất lớp thấm 83 4.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 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 510oC theo thực nghiệm và theo lý thuyết tính toán. Bảng 4.24: Bảng kết quả phân bố độ cứng khi thấm tại 510oC, 530oC và 550oC 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 5240C-48h; (b) - ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến chiều dày lớn trắng, thực hiện tại 5500C- 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 oC 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 oC 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 550oC 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 oC 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 920oC: (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 920oC và thấm nitơ tại 550 oC 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 550oC 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 550oC 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 550oC 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 550oC 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 550oC 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 550oC Hình 4.27: Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thế thấm Kn tại 550oC Hình 4.28: Ảnh hưởng của thế thấm nitơ đến hệ số truyền: (a) thấm tại 550oC; (b) thấm tại 530oC và (c) thấm tại 510oC 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 oC 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 550oC 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 510oC. 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 : 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 oC : Đơn vị nhiệt độ (tính theo độ Celsius) oK : 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 ng