Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành lớp thấm nito bằn...

Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành lớp thấm nito bằng phương pháp thẩm nito plasma xung

.PDF
130
603
121

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG VĨNH GIANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG VĨNH GIANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CHÍNH ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LỚP THẤM NITƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP THẤM NITƠ PLASMA XUNG Chuyên ngành : Kim loại học Mã số : 62440129 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Tƣ Hà Nội – 2016 LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Nguyễn Văn Tư người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên, góp ý và giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cám ơn toàn thể cán bộ Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt, đã nhiệt tình giúp đỡ tôi. Tôi xin cám ơn Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Xin cám ơn các Đồng nghiệp, lãnh đạo Viện Công Nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện nghiên cứu. Và tôi xin cám ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2016 Nghiên cứu sinh Hoàng Vĩnh Giang LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Tư. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận án này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày 6 tháng 9 năm 2016 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH PGS.TS. Nguyễn Văn Tư Hoàng Vĩnh Giang MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC ............................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .......................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................. vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 3 1.1. Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma .............................................. 3 1.1.1. Khái niệm plasma .......................................................................................... 3 1.1.2. Plasma phóng điện phát sáng ........................................................................ 4 1.1.3. Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma ...................... 7 1.1.4. Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình thấm nitơ plasma ....................... 10 1.2. Công nghệ thấm nitơ plasma............................................................................... 13 1.2.1. Lịch sử phát triển ......................................................................................... 13 1.2.2. Nguyên lý công nghệ thấm Nitơ plasma ..................................................... 16 1.2.3. Đặc trưng cấu trúc lớp thấm ........................................................................ 19 1.2.4. Một số tính chất sử dụng của lớp thấm ....................................................... 24 1.2.5. Quá trình hình thành lớp thấm nitơ plasma ................................................. 28 1.2.6. Các thông số chính của công nghệ thấm nitơ plasma ................................. 32 1.3. Tình hình nghiên cứu thấm nitơ plasma cho thép SKD61 .................................. 37 1.3.1. Một số dạng hỏng hóc chính của khuôn bền nóng ...................................... 37 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................. 38 1.3.3. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ............................................................. 40 1.3.4. Yêu cầu lớp thấm nitơ với khuôn bền nóng ................................................ 41 1.4. Kết luận và hướng nghiên cứu ............................................................................ 41 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU ................................... 43 2.1. Nội dung và sơ đồ nghiên cứu ............................................................................ 43 2.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiện tượng khuếch đại plasma ......................................................................................................... 43 2.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm ...................................................................................................... 44 2.2. Thiết bị nghiên cứu ............................................................................................. 45 i 2.2.1. Thiết bị thực nghiệm ................................................................................... 45 2.2.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp thấm .......................................... 47 2.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 49 2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến hiện tượng khuếch đại plasma ......................................................................................................... 49 2.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm ...................................................................................................... 52 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................................... 57 3.1. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến khuếch đại plasma........... 57 3.1.1. Điều kiện hình thành khuếch đại plasma..................................................... 57 3.1.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày plasma ........ 60 3.1.3. Ứng dụng kết quả thực nghiệm khuếch đại plasma trong thực tế ............... 63 3.1.4. Kết luận về hiện tượng khuếch đại plasma ................................................. 66 3.2. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm . 67 3.2.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến cấu trúc lớp thấm ........ 67 3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều dày lớp trắng ..... 78 3.2.3. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm ....................... 84 3.2.4. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên sự phân bố độ cứng trong lớp thấm .......... 95 3.2.5. Ứng dụng thấm thép SKD61 với yêu cầu lớp thấm khác nhau ................... 98 3.2.6. Kết luận ảnh hưởng các thông số công nghệ lên lớp thấm khi thấm thép SKD61 ...................................................................................................... 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................... 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 107 PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 113 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 1. Danh mục các chữ viết tắt Cr Nguyên tố Crôm C Nguyên tố Các-bon Ni Nguyên tố Niken Mo Nguyên tố Mô-lip-đen V Nguyên tố Va-na-đi Fe Nguyên tố Sắt N Nguyên tố Nitơ NH3 Nguyên tố amôniắc N2 Khí Nitơ H2 Khí Hyđrô Ar Khí Ac-gông R Hằng số khí lý tưởng TN Thí nghiệm DCPN Phương pháp DCPN (Direc 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 microsope) XRD Nhiễu xạ tia X OES Quang phổ phát xạ quang học (Optical emission spectrometter) 2. Các ký hiệu α Pha ferit  Pha austenit ’ Nitơrit sắt (Fe4N)  Nitơrit sắt (Fe2-3N) HV0,1 Độ cứng tế vi tải trọng 100g HV0,3 Độ cứng tế vi tải trọng 300g D Hệ số khuếch tán Q Năng lượng hoạt hóa T Nhiệt độ V Thể tích o C Đơn vị nhiệt độ (độ Celcius) o K Đơn vị nhiệt độ (độ Kelvin) Pa Pascal Ko Hằng số tốc độ thấm cực đại khi Q = 0 K Hằng số tốc độ thấm k Hệ số nhiệt độ thấm d Chiều sâu lớp thấm SN Tỉ số tín hiệu tiếng ồn t Thời gian p Áp suất l Lít Φ Đường kính lỗ, kích thước khe hở iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Ảnh hưởng của một yếu tố lên mật độ dòng .................................................... 8 Bảng 1.2. Phân bố % các ion đến catôt, áp suất 800 Pa ................................................... 9 Bảng 1.3. Ảnh hưởng một số thông số công nghệ thấm đến lớp thấm ........................... 33 Bảng 1.4. Ảnh hưởng của thành phần khí thấm đến thành phần lớp trắng..................... 36 Bảng 1.5. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu thấm nitơ plasma thép SKD61 trên thế giới ...... 40 Bảng 2.1. Điện áp ở các áp suất khác nhau .................................................................... 50 Bảng 2.2. Thành phần của mẫu thép thí nghiệm ............................................................ 52 Bảng 2.3. Điện áp sử dụng khi thấm ở áp suất và nhiệt độ khác nhau ........................... 54 Bảng 2.4. Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 .............................................................. 56 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của đường kính lỗ và áp suất bắt đầu (Pbđ) và áp suất kết thúc (Pkt) khuếch đại plasma .................................................................................. 59 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma ................................................. 61 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thành phần khí và nhiệt độ đến chiều dày plasma ................ 62 Bảng 3.4. Kết quả chiều dày plasma và 1/p .................................................................... 63 Bảng 3.5. Kết quả chiều dày lớp trắng và tỷ số SN cho từng loại thí nghiệm ................ 78 Bảng 3.6. Giá trị tỷ số SN và mức ảnh hưởng 4 thông số đến chiều dày lớp trắng ........ 79 Bảng 3.7. Mối liên quan giữa chiều dày lớp trắng và từng mức thông số ...................... 80 Bảng 3.8. Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 200Pa và 400Pa . 82 Bảng 3.9. Chiều dày lớp trắng với thành phần khí thấm khác nhau ở 600Pa. ................ 83 Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm xác định chiều sâu lớp thấm ........................................ 84 Bảng 3.11. Tỷ số SN và mức độ ảnh hưởng 4 thông số lên chiều sâu lớp thấm .............. 84 Bảng 3.12. Giá trị trung bình và xếp hạng sự phụ thuộc của chiều sâu lớp thấm ............ 85 Bảng 3.13. Chiều sâu lớp thấm d với thành phần khí thấm mức 1 ................................... 87 Bảng 3.14. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 2 ...................................... 88 Bảng 3.15. Chiều sâu lớp thấm với thành phần khí thấm mức 3 ...................................... 89 Bảng 3.16. Tổng hợp hệ số nhiệt độ thấm ở các điều kiện thấm khác nhau .................... 89 Bảng 3.17. Kết quả bổ sung chiều sâu lớp thấm............................................................... 90 Bảng 3.18. Chiều sâu lớp thấm thực nghiệm và tính toán ở nhiệt độ 490oC .................... 90 Bảng 3.19. Hệ số nhiệt độ k và hằng số tốc độ thấm K ở các nhiệt độ khác nhau ........... 92 Bảng 3.20. Tính toán giá trị hằng số Ko ........................................................................... 93 Bảng 3.21. Kết quả bổ sung .............................................................................................. 94 Bảng 3.22. Giá trị kiểm định Fisher cho công thức xác định quan hệ ln(K)-1/T ............. 94 iv Bảng 3.23. Kết quả đo độ cứng tế vi lớp thấm ................................................................. 95 Bảng 3.24. Kết quả thực nghiệm xác định độ cứng tối đa ................................................ 96 Bảng 3.25. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng 4 thông số lên độ cứng tối đa. .................. 96 Bảng 3.26. Kết quả xác định chiều sâu lớp cứng d900....................................................... 97 Bảng 3.27. Tỷ số SN và xếp hạng ảnh hưởng lên chiều sâu lớp cứng d900 ...................... 97 Bảng 3.28. Dự đoán chiều dày lớp trắng .......................................................................... 99 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Quan hệ điện áp và dòng ................................................................................ 4 Hình 1.2. Cấu trúc plasma điển hình .............................................................................. 6 Hình 1.3. Quan hệ giữa áp suất và điện áp sử dụng trong thấm nitơ plasma ................. 7 Hình 1.4. Quan hệ điện áp – dòng với áp suất khác nhau .............................................. 8 Hình 1.5. Hình ảnh plasma với các kích thước lỗ khác nhau ...................................... 11 Hình 1.6. Vùng khuếch đại plasma với áp suất và kích thước khe hở khác nhau........ 12 Hình 1.7. Mô tả sự phóng điện hồ quang ..................................................................... 13 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ plasma ............................................................... 14 Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ sau phóng điện PDN ......................................... 15 Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý thấm nitơ màn chủ động ASPN ........................................ 16 Hình 1.11. Các tương tác trong quá trình thấm nitơ plasma .......................................... 16 Hình 1.12. Cơ chế thấm nitơ plasma theo mô hình Kolbel ........................................... 18 Hình 1.13. Cơ vận chuyển nitơ vào bề mặt thấm ........................................................... 19 Hình 1.14. Cấu trúc lớp thấm nitơ điển hình ................................................................. 20 Hình 1.15. Phân bố độ cứng sau thấm nitơ plasma với các vật liệu khác nhau ............ 21 Hình 1.16. Ảnh hưởng một số nguyên tố hợp kim đến độ cứng lớp thấm..................... 22 Hình 1.17. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chiều sâu lớp thấm ........................ 23 Hình 1.18. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng và chiều sâu lớp thấm .. 23 Hình1.19. Mô hình ứng suất nén sinh ra trong lớp thấm .............................................. 24 Hình 1.20. Phân bố ứng suất dư theo chiều sâu lớp thấm với mẫu Fe-4%Cr ................ 24 Hình 1.21. Mất mát khối lượng của các vật liệu khác nhau trong quá trình phun bi ..... 25 Hình 1.22. Độ cứng sau ram của một số vật liệu ........................................................... 26 Hình 1.23. Độ cứng ở nhiệt độ cao của thép bền nóng được thấm và không ................ 26 Hình 1.24. Giới hạn mỏi của thép AISI 4140 ................................................................ 27 Hình 1.25. Đường S –N của mẫu thép En 40 B được thấm N plasma không lớp trắng ở nhiệt độ 480oC với thời gian thấm khác nhau .............................................. 27 Hình 1.26. Đường ăn mòn thép Ni-Cr .......................................................................... 28 Hình 1.27. Sơ đồ mô tả sự hình thành lớp thấm nitơ plasma ......................................... 30 Hình 1.28. Giản đồ pha Fe-N ......................................................................................... 31 Hình 1.29. Quy trình thấm nitơ plasma điển hình.......................................................... 32 Hình 1.30. Chiều dày lớp trắng, 530oC, thép 3%Cr-Mo-V............................................ 35 Hình 1.31. Ảnh hưởng %H2 đến nhiệt độ catôt Tc (oC) ................................................. 36 Hình 2.1. Sơ đồ thí nghiệm khuếch đại plasma ........................................................... 43 vi Hình 2.2. Sơ đồ thực nghiệm ảnh hưởng các thông số đến sự hình thành lớp thấm ... 44 Hình 2.3. Lò tôi chân không đơn buồng Turbo2 Treater M ......................................... 45 Hình 2.4. Lò thấm nitơ plasma..................................................................................... 45 Hình 2.5. Giao diện chương trình thấm ....................................................................... 46 Hình 2.6. Hệ thống lưu lượng kế điều khiển cung cấp khí thấm ................................. 46 Hình 2.7. Can nhiệt loại K đo nhiệt độ mẫu thấm ....................................................... 47 Hình 2.8. Thiết bị đo áp suất ........................................................................................ 47 Hình 2.9. Kính hiển vi quang học Axiovert 25A ......................................................... 47 Hình 2.10. Máy đo độ cứng tế vi FM-700e ................................................................... 48 Hình 2.11. Máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL3460 .............................................. 48 Hình 2.12. Thiết bị nhiễu xạ tia X.................................................................................. 49 Hình 2.13. Hiển vi điện tử quét ...................................................................................... 49 Hình 2.14. Khuếch đại plasma với 2 mẫu cách nhau cố định 7mm ............................... 50 Hình 2.15. Bố trí thí nghiệm khuếch đại plasma trên các ống rỗng............................... 50 Hình 2.16. Xác định chiều dày plasma dc ...................................................................... 51 Hình 2.17. Các mẫu thí nghiệm ..................................................................................... 53 Hình 2.18. Bố trí mẫu thí nghiệm trong buồng lò .......................................................... 53 Hình 3.1. Ảnh chụp hiện tượng khuếch đại plasma ..................................................... 57 Hình 3.2. Giải thích sự xuất hiện khuếch đại plasma .................................................. 58 Hình 3.3. Giải thích sự biến mất của khuếch đại plasma ............................................. 58 Hình 3.4. Hình ảnh khuếch đại plasma trong ống có đường kính lỗ khác nhau .......... 59 Hình 3.5. Vùng hình thành khuếch đại plasma ............................................................ 60 Hình 3.6. Chiều dày plasma phụ thuộc áp suất ............................................................ 61 Hình 3.7. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày plasma ở nhiệt độ khác nhau ..... 62 Hình 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dày plasma với thành phần khí khác nhau .. 63 Hình 3.9. Đồ thị dc – 1/p .............................................................................................. 64 Hình 3.10. Đồ thị dc – 1/p với dc>2mm ......................................................................... 64 Hình 3.11. Ảnh hưởng của áp suất tới chiều dày plasma dc, kích thước bắt đầu xuất hiện (dbđ) và kết thúc khuếch đại plasma (dkt) ..................................................... 65 Hình 3.12. Ảnh tổ chức tế vi các mẫu trong kết quả thực nghiệm Taguchi .................. 70 Hình 3.13. Nhiễu xạ tia X mẫu M3 ................................................................................ 71 Hình 3.14. Nhiễu xạ tia X mẫu M7 ................................................................................ 71 Hình 3.15. Nhiễu xạ tia X góc hẹp 5º mẫu M3 .............................................................. 72 Hình 3.16. Ảnh SEM mẫu M3 ....................................................................................... 72 Hình 3.17. Điểm phân tích số 5 mẫu M3 ....................................................................... 73 Hình 3.18. Điểm phân tích số 6 mẫu M3 ....................................................................... 73 vii Hình 3.19. Điểm phân tích số 7 mẫu M3 ....................................................................... 74 Hình 3.20. Điểm phân tích số 8 mẫu M3 ....................................................................... 74 Hình 3.21. Ảnh SEM lớp khuếch tán mẫu M7 .............................................................. 74 Hình 3.22. Điểm phân tích 2 mẫu M7............................................................................ 75 Hình 3.23. Điểm phân tích 4 mẫu M7............................................................................ 75 Hình 3.24. Điểm phân tích 5 mẫu M7............................................................................ 75 Hình 3.25. Điểm phân tích 3 mẫu M7............................................................................ 76 Hình 3.26. Mapping vùng lớp thấm gần nền mẫu M3 ................................................... 76 Hình 3.27. Phân tích line scan mẫu M3 ......................................................................... 77 Hình 3.28. Phân bố %N và %C trong mẫu M3 .............................................................. 78 Hình 3.29. Ảnh hưởng các thông số lên chiều dày lớp trắng theo tỷ số SN .................. 79 Hình 3.30. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều dày lớp trắng ................ 80 Hình 3.31. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng ............................ 83 Hình 3.32. Ảnh hưởng của thành phần khí đến chiều dày lớp trắng.............................. 83 Hình 3.33. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chiều sâu lớp thấm theo tỷ số SN . 85 Hình 3.34. Ảnh hưởng các thông số công nghệ lên giá trị trung bình chiều sâu lớp thấm ... 85 Hình 3.35. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 88 Hình 3.36. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 88 Hình 3.37. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm ..................... 89 Hình 3.38. Sự phụ thuộc chiều sâu lớp thấm vào thời gian ở các nhiệt độ khác nhau .. 91 Hình 3.39. Đồ thị ln(K)-1/T xây dựng cho chiều sâu lớp thấm ..................................... 93 Hình 3.40. Phân bố độ cứng dọc chiều sâu lớp thấm ..................................................... 95 Hình 3.41. Ảnh hưởng các thông số đến độ cứng tối đa theo tỷ số SN ......................... 96 Hình 3.42. Ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu lớp cứng d900 theo tỷ số SN .... 98 Hình 3.43. Vị trí lấy mẫu chụp kim tương lớp thấm ...................................................... 99 Hình 3.44. Tổ chức lớp thấm ....................................................................................... 101 Hình 3.45. Phân bố độ cứng ......................................................................................... 101 Hình 3.46. Kết quả thấm không lớp trắng .................................................................... 102 Hình 3.47. Hiển vi quang học mẫu .............................................................................. 103 viii MỞ ĐẦU Thấm nitơ là công nghệ hóa nhiệt luyện đưa nitơ vào bề mặt chi tiết tạo lớp thấm trên bề mặt có độ cứng cao tăng tính chịu mài mòn. Lớp thấm còn tạo ứng suất nén trên bề mặt và qua đó làm tăng giới hạn mỏi của chi tiết. Thấm nitơ được ứng dụng rộng rãi để thấm các sản phẩm cơ khí đòi hỏi chất lượng cao, trong đó có các loại khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61 như: khuôn rèn, khuôn đùn nhôm, khuôn đúc áp lực nhôm. Thấm nitơ có thể được tiến hành ở trạng thái lỏng, khí hoặc plasma từ đó ta có công nghệ thấm nitơ thể lỏng, thể khí và thấm nitơ plasma. Thấm nitơ thể lỏng có ưu điểm là thời gian thấm ngắn và chất lượng lớp thấm tương đối cao, nhưng do phải sử dụng muối nóng chảy gốc xyanua, xianat thường gây ô nhiễm môi trường nên ngày nay ít sử dụng. Thấm nitơ thể khí hiện đang được sử dụng nhiều nhất do chi phí thiết bị ban đầu thấp và dễ vận hành. Chất thấm là NH3 được lưu thông liên tục trên bề mặt cần thấm nhằm cung cấp nitơ nguyên tử cho quá trình thấm. Việc sử dụng khí động (liên tục bơm khí vào và thoát khí ra) là bắt buộc để duy trì quá trình thấm. Tuy nhiên chỉ một lượng rất nhỏ khí (vài phần trăm) tham gia vào quá trình thấm, còn lại phải thải ra môi trường vì thế gây ô nhiễm môi trường và tốn kém, đây là nhược điểm lớn của phương pháp này. Để giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường, thấm nitơ plasma được coi là công nghệ tiên tiến có thể thay thế thấm nitơ thể khí. Khác với thấm thể khí sử dụng amoniac và phát thải ra khí có hại, thấm nitơ plasma sử dụng hỗn hợp khí chính là H2 và N2 với tiêu hao ít hơn rất nhiều từ đó giảm chi phí và phát thải rất ít nên thân thiện môi trường. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ thấm nitơ plasma là một công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường, có nhiều tiềm năng phát triển. Trên thế giới, công nghệ thấm nitơ plasma được nghiên cứu khá nhiều, chủ yếu sử dụng công nghệ thấm nitơ plasma xung. Ở Việt Nam, hiện tại có 2 thiết bị thấm nitơ plasma xung, một thiết bị tường lạnh và một tường nóng. Công nghệ thấm nitơ plasma được nghiên cứu chưa nhiều, không có nhiều công trình nghiên cứu được công bố. Ngày nay, vấn đề bảo vệ môi trường đang là chủ đề được cả xã hội quan tâm giải quyết. Hơn nữa nhờ ưu điểm kiểm soát được tổ chức lớp thấm, công nghệ thấm nitơ plasma đang là lựa chọn của nhiều nhà sản xuất khuôn, đặc biệt khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61. Hiện tại các đơn vị có thiết bị thấm nitơ plasma hầu như đang thực hiện thấm theo hướng dẫn của nhà cung cấp thiết bị nên ứng dụng còn rất hạn chế và chất lượng không ổn định, thậm chí nhiều khi chi tiết bị phá hỏng do khuếch đại plasma. Để đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng cho các sản phẩm có kết cấu phức tạp như khuôn bền nóng đòi hỏi cần có hiểu biết chắc chắn về khuếch đại plasma để tránh và hiểu biết sâu hơn cơ chế hình thành, cấu trúc lớp thấm nitơ plasma để nhận được lớp thấm như mong muốn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Xác định được điều kiện hình thành khuếch đại plasma thông qua việc xác định chiều dày plasma giúp có hiểu biết chắc chắn hiện tượng này từ đó kiểm soát nó. - Hoàn thiện cơ chế hình thành lớp thấm, ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến cấu trúc lớp thấm nitơ plasma cho thép dụng cụ hợp kim bền nóng SKD61. Ý nghĩa thực tiễn: - Kiểm soát được hiện tượng khuếch đại plasma, sẽ đưa công nghệ thấm nitơ plasma vào ứng dụng trong sản xuất đễ dàng hơn, đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất với công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường. - Kiểm soát được tổ chức lớp thấm, đặc biệt lớp trắng mở ra khả năng ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma cho khuôn bền nóng chế tạo từ thép SKD61. 1 Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục đích của nghiên cứu này là làm chủ, kiểm soát được quá trình thấm niơ plasma trên thiết bị thấm tường nguội NITRION để không xuất hiện khuếch đại plasma và tạo được lớp thấm niơ thép SKD61 có tính chất như mong muốn. Những đóng góp mới của luận án (dự kiến) 1. Xây dựng phương pháp xác định chiều dày plasma từ hình ảnh cấu trúc plasma ghi được khi sử dụng camera ghi hình qua cửa sổ quan sát. 2. Xác định được bằng thực nghiệm chiều dày plasma dc [mm] phụ thuộc áp suất p [Pa] ở điều kiện thấm cụ thể. 3. Đề xuất sắp xếp các sản phẩm trong buồng lò đảm bảo tận dụng tối đa không gian lò và không hình thành khuếch đại plasma. 4. Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi thiết kế thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính đến sự hình thành lớp thấm trong quá trình thấm nitơ plasma thép SKD61. 5. Đề xuất khái niệm hằng số tốc độ thấm nitơ plasma K cho thép SKD61 và bằng thực nghiệm xác định hằng số này để tính toán chiều sâu lớp thấm áp dụng trong thực tế sản xuất. Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ thấm nitơ plasma từ đó đề ra hướng nghiên cứu. Thiết kế mẫu và quan sát, chụp ảnh plasma để xác định chiều dày plasma và điều kiện hình thành khuếch đại plasma. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để thiết kế và đánh giá thực nghiệm ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến sự hình thành và đặc trưng lớp thấm. Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan lý thuyết. Chương 2: Phương pháp và thiết bị nghiên cứu. Chương 3: Kết quả và bàn luận. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp. Danh mục các công trình đã công bố. Tài liệu tham khảo. Phụ lục. 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu Thấm nitơ plasma là một ứng dụng của plasma nguội hình thành từ môi trường hỗn hợp khí có chứa N2 với áp suất thấp vài trăm pascal (Pa) và điện áp cao vài trăm vôn [11, 27, 36, 93, 94]. Trong điều kiện này khí bị kích thích, ion hóa tạo ra phóng điện phát sáng vì thế xuất hiện thuật ngữ thấm nitơ phóng điện phát sáng (glow discharge nitriding) hay thấm nitơ ion hóa (ion nitriding) hay thấm nitơ plasma (plasma nitriding). Toàn bộ quá trình thấm nitơ plasma liên quan mật thiết tới plasma vì thế hiểu biết đầy đủ các hiện tượng xảy ra trong quá trình hình thành và duy trì plasma giúp ta lựa chọn được các thông số công nghệ thích hợp để dễ dàng kiểm soát và duy trì ổn định plasma. Song song với việc kiểm soát và duy trì plasma ổn định, cần lựa chọn các thông số công nghệ thấm hợp lý để nhận được lớp thấm có tính chất mong muốn và hiệu quả nhất. 1.1. Plasma sử dụng trong công nghệ thấm nitơ plasma 1.1.1. Khái niệm plasma Plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất (rắn, lỏng, khí và plasma), thực chất là hỗn hợp khí được ion hóa. Plasma bao gồm các ion dương, điện tử tích điện âm và các phần tử (nguyên tử, phân tử) trung tính. Các phần tử tích điện âm và dương cân bằng nhau nên hỗn hợp này là trung tính. Do có chứa các phần tử tích điện nên plasma có có tính dẫn điện cao [21, 23, 27, 89]. Thông thường plasma được chia thành 2 loại: plasma nhiệt độ cao và plasma nhiệt độ thấp, tuy nhiên sự phân chia này chưa thực sự rõ ràng. Để phân biệt rõ ràng hơn, plasma chia thành 2 nhóm: plasma cân bằng nhiệt (Local Thermal Equiblium LTE) và plasma không cân bằng nhiệt (Non-LTE). Plasma cân bằng nhiệt được tạo ra trong điều kiện áp suất gần bằng hoặc cao hơn áp suất khí quyển, còn plasma không cân bằng nhiệt được hình thành ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển [14, 15, 65]. Khi áp suất cao, sẽ có nhiều va chạm giữa các phần tử trong hỗn hợp khí (nguyên tử, phân tử, ion và điện tử) dẫn đến khả năng trao đổi năng lượng giữa các phần tử này đủ để cân bằng nhiệt độ, nghĩa là nhiệt độ của tất cả các phần tử trong hỗn hợp khí này là như nhau (Te = Tion=Tgas), lúc này ta có plasma cân bằng nhiệt [14, 15]. Thông thường cần một nhiệt độ cao để hình thành plasma cân bằng nhiệt. Ví dụ, ở điều kiện áp suất khí quyển, để tạo được plasma cân bằng nhiệt cần nhiệt độ cao khoảng 4.000oK đến 20.000oK tùy từng loại khí [14, 15, 96], như vậy plasma cân bằng nhiệt thường là plasma nhiệt độ cao. Trong điều kiện áp suất thấp, có ít hơn va chạm xảy ra giữa các phần tử và như thế không có đủ sự trao đổi năng lượng cần thiết dẫn đến nhiệt độ các phần tử khác nhau. Điện tử nhẹ hơn rất nhiều so với ion hoặc phân tử trung tính, vì thế nó rất linh hoạt, phản ứng nhanh với sự thay đổi trường điện từ và nhận được năng lượng cao E = 1 ÷ 10 eV (trung bình 2 eV tương đương nhiệt độ 23.000oK [14, 15]). Các phần tử trung tính có năng lượng thấp hơn E ~ 0,025 eV (tương đương nhiệt độ môi trường 293oK). Như vậy trong trường hợp áp suất thấp, khi đó Te >> Tion >> Tgas ta có plasma không cân bằng nhiệt [14, 15, 93]. Do nhiệt độ khí Tgas thấp hơn nhiều so với nhiệt độ điện tử từ đó nhiệt độ tổng thể của plasma là thấp và vì thế loại plasma này còn gọi là plasma nhiệt độ thấp hay plasma khí, plasma nguội, đây là loại plasma sử dụng trong trong quá trình thấm nitơ plasma. Nguồn sinh ra plasma nhiệt độ thấp có thể là nguồn điện 1 chiều (Direct Current DC), ta có plasma phóng điện phát sáng một chiều (DC-GD hay DC plasma), nguồn tần số radio (rf ~13,56 Mhz) ta có plasma tần số radio (RF plasma) và nguồn microwave 2,45 GHz ta có microwave plasma (MI plasma) [65]. Sau đây thuật ngữ plasma được hiểu là plasma nhiệt độ thấp không cân bằng nhiệt, sinh ra bằng phóng điện phát sáng nguồn điện một chiều. 3 Plasma nhiệt độ thấp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào chính tính không cân bằng nhiệt của nó. Do không cân bằng nhiệt nên có nhiều phương án và khả năng để tạo ra plasma có những tính chất khác nhau bằng cách thay đổi các thông số đầu vào, ví dụ [40, 93]: - Thay đổi thành phần đầu vào (thành phần các loại khí thấm). - Thay đổi áp suất (từ 0,1 Pa đến áp suất khí quyển). - Thay đổi cấu trúc trường điện từ. - Thay đổi xung điện. Plasma sinh ra trong điều kiện phóng điện phát sáng chứa các điện tử với năng lượng trung bình khoảng (1÷10).10-17 J, cao hơn năng lượng cần thiết để phân hủy các phần tử chứa nitơ (1,52.10-18 J) hay năng lượng để ion hóa khí nitơ (2,5.10-18 J) [40, 93]. Nhiệt độ của các điện tử này vào khoảng 104 đến 105 oK và mật độ khoảng 1015 đến 1018 điện tử/m3 [93]. Nhiệt độ của điện tử cao gấp khoảng 10 đến 100 lần nhiệt độ khí. Với những điều kiện như vậy có thể thực hiện các phản ứng hóa học ở nhiệt độ gần nhiệt độ môi trường trong khi các điện tử tự do và một vài ion vẫn có đủ năng lượng để phá vỡ liên kết cộng hóa trị và châm ngòi cho quá trình tổng hợp [93]. 1.1.2. Plasma phóng điện phát sáng 1.1.2.1. Sự hình thành plasma Plasma nhiệt độ thấp được hình thành cần có ba yếu tố chính: (1) điện trường có cường độ cao (trên vài trăm vôn), (2) môi trường khí, và (3) áp suất thấp (vài trăm Pa) [11, 36, 93]. Trong điều kiện này, tuỳ theo độ dẫn điện của khí sử dụng, giữa catôt và anôt sẽ hình thành mật độ dòng nhất định đủ năng lượng để kích thích khí tạo ra plasma. Khác với các phản ứng thông thường, quá trình hình thành plasma xảy ra theo cơ chế phản ứng dây chuyền. Sự hình thành plasma được giải thích dựa vào đường cong Paschen biểu diễn quan hệ giữa điện áp và mật độ dòng giữa 2 điện cực. Theo đường này, khi điện áp và mật độ dòng thay đổi, một số hiện tượng sẽ lần lượt xuất hiện trong một số giai đoạn nhất định [11, 27, 93] (Hình 1.1). Hình 1.1. Quan hệ điện áp và dòng (đường cong Paschen) [11, 27] Ở điều kiện bình thường trong môi trường khí, giữa 2 điện cực là môi trường cách điện, nghĩa là không có dòng điện, tuy nhiên vẫn tồn tại các điện tử tự do. Khi cho một 4 điện áp giữa 2 điện cực, các điện tử được tăng năng lượng và va chạm với các phân tử khí tạo ra thêm các điện tử và như vậy bắt đầu phóng điện Townsend. Khi tiếp tục tăng điện áp xảy ra hiện tượng ion hóa các phân tử khí, ion hóa do va chạm và hình thành vùng chuyển tiếp (vùng Corona), lúc này dòng tăng nhưng điện trở giảm làm điện áp giảm. Cứ như thế plasma bắt đầu được hình thành ban đầu còn rất mờ gọi là vùng dưới bình thường, ở đây mặc dù không tăng điện áp (thậm chí giảm) mà dòng điện vẫn tăng. Tiếp theo khi tăng điện áp thì dòng điện tăng mặc dù mật độ dòng không đổi, dòng tăng do diện tích bề mặt catôt được plasma bao phủ tăng, đây là vùng bình thường (tuân theo định luật Ôm). Tiếp tục tăng điện áp, dòng điện cũng tăng, lúc này plasma đã bao phủ toàn bộ catôt nên dòng tăng là do mật độ dòng tăng và đây là vùng trên bình thường. Thấm nitơ plasma được thực hiện trong vùng này khi mà cả điện áp và dòng điện đều lớn, công suất đủ lớn. Lúc này điện áp sẽ tăng khi dòng tăng, dòng tăng làm mật độ dòng tăng, tuy nhiên điện áp cao dễ chuyển sang vùng hồ quang nguy hiểm [11, 27, 36]. 1.1.2.2. Cấu trúc plasma Phóng điện phát sáng dẫn đến hình thành plasma nhiệt độ thấp không cân bằng nhiệt được đặc trưng bởi sự tồn tại của các ion, điện tử, phần tử bị kích thích, nguyên tử và các phần tử khí làm tăng năng lượng của hệ thống này [93]. Khi plasma được hình thành, điện áp giảm đột ngột ở vùng sát bề mặt catôt, quá trình phóng điện xảy ra giữa 2 điện cực không đồng đều mà tạo ra các vùng khác nhau. Số lượng, chiều rộng các vùng phụ thuộc vào nhiều thông số như điện áp, áp suất, thành phần môi trường khí. Cấu trúc tổng quát của plasma giữa catôt và anôt được thể hiện trên hình 1.2 [89, 93]. Vùng đầu tiên ngay sát catôt được gọi là vùng tối Aston (1), đây là một lớp mỏng có mật độ điện tử cao và trường điện mạnh và tích điện âm. Tại đây các điện tử có tốc độ ban đầu nhỏ cỡ 1 eV, được tăng tốc nhưng vẫn chưa đạt được mức năng lượng cao đủ để tạo ra những va chạm không đàn hồi giữa các nguyên tử và phân tử, vì thế vùng này tối [40, 89, 93]. Tiếp ngay sau vùng này là quầng sáng catôt (2) có mật độ ion cao, và trong nhiều trường hợp có cả nguyên tử được phún xạ từ catôt [93]. Tiếp đến là vùng tối catôt (3), ở vùng này trường điện mạnh vừa phải và tích điện dương do hàm lượng ion cao [89]. Điện tử khi đi từ catôt qua vùng này sẽ tích được một năng lượng lớn đủ để kích thích và ion hóa các phân tử khí và như thế tạo ra vùng sáng gọi là vùng sáng âm (4). Vùng sáng âm là vùng sáng nhất trong toàn bộ các vùng, sáng mạnh hơn ở phía catôt, nhạt hơn phía anôt nơi các điện tử bị chậm lại do va chạm nhiều hơn và mất bớt năng lượng. Vùng này mật độ ion cao do vậy tích điện dương tuy nhiên điện trường tương đối yếu [89, 93]. Do năng lượng của các điện tử qua vùng này bị giảm từ đó làm giảm quá trình ion hóa và kích thích khí từ đó sinh ra một vùng khác gọi là vùng tối Faraday (5). Điiên trường trong vùng này yếu và tích điện gần như âm. Tiếp đến là một vùng sáng đồng đều được gọi là cột dương (6). Tiến gần đến anôt là vùng sáng anôt (7), và tiếp ngay sau đó là vùng tối anôt (8), vùng này tích điện âm. Số lượng và độ lớn các vùng phụ thuộc vào khoảng cách giữa anôt và catôt, vật liệu catôt, thành phần khí, áp suất khí. Thông thường 3 vùng ngay sát bề mặt catôt (vùng tối Aston, quầng sáng catôt và vùng tối catôt) được gọi chung là vùng catôt. Khi áp suất giảm vùng catôt và vùng sáng âm rộng ra còn vùng Faraday và cột dương thu hẹp lại. Nếu khoảng cách 2 điện cực thay đổi còn các thông số khác giữ nguyên thì chỉ có vùng cột dương thay đổi còn các vùng khác thì không, khoảng cách tăng thì chiều rộng cột dương tăng, khoảng cách giảm thì cột dương thu hẹp cho đến biến mất [36, 93]. Trong điều kiện thấm nitơ plasma điển hình cột dương không xuất hiện, cấu trúc plasma thường có 3 vùng là: vùng catôt, vùng sáng âm và vùng anôt. Vùng anôt hầu như không tham gia vào quá trình thấm, từ góc độ quá trình hoạt hóa và hình thành lớp thấm nitơ, vùng catôt là vùng có ý nghĩa quan trọng nhất [40, 93]. 5 Hình 1.2. Cấu trúc plasma điển hình [89] (1): Vùng tối Aston (2): Quầng sáng Catôt (3): Vùng tối Catôt (4): Vùng sáng âm (5): Vùng tối Faraday (6): Cột dương (7): Vùng sáng Anôt (8): Vùng tối nôt 1.1.2.3. Vùng catôt Vùng catôt là vùng giữa bề mặt catôt và điểm cuối của vùng tối catôt (điểm đầu của vùng sáng âm, hình 1.2). Khoảng cách từ bề mặt catôt cho đến điểm cuối vùng catôt được gọi là chiều dày vùng catôt hay chiều dày plasma, đây là một thông số quan trọng liên quan đến khả năng xâm nhập của plasma vào các khe hở. Trong vùng này, điện áp tổng giảm đột ngột, và sự giảm điện áp trong vùng catôt được gọi là giảm điện áp catôt. Do chiều rộng vùng catôt tương đối nhỏ nên sự giảm điện áp này tạo ra một điện trường tương đối mạnh. Với điện trường này các điện tử nhẹ hơn dễ dàng rời khỏi vùng này, các ion dương nặng hơn ở lại do vậy vùng này tích điện dương. Như vậy, đặc trưng vùng catôt là: điện áp thay đổi lớn, điện trường mạnh và tích điện dương. Khi plasma chưa phủ kín toàn bộ bề mặt catôt, điện áp tăng mặc dù dòng tăng nhưng mật độ dòng không thay đổi do lúc này diện tích plasma phủ cũng tăng, lúc này là giai đoạn phóng điện bình thường. Chuyển sang giai đoạn phóng điện trên bình thường, cả dòng và mật độ dòng đều thay đổi theo điện áp do plasma đã bao phủ toàn bộ bề mặt catôt (diện tích phủ không đổi). Lúc này, dòng tăng thì mật độ dòng tăng làm nung nóng catôt đến nhiệt độ thấm và thấm nitơ plasma được thực hiện trong điều kiện này (hình 1.1) [11, 27, 36, 93]. 6 1.1.3. Đặc tính của N2-H2 plasma trong quá trình thấm nitơ plasma 1.1.3.1. Plasma N2-H2 sử dụng trong thấm nitơ plasma Plasma sử dụng để thấm nitơ là plasma được hình thành dưới điện áp cao (400 ÷ 800V), áp suất thấp (50 ÷ 1000 Pa), trong môi trường khí (khí N2 + H2 và một lượng nhỏ khí khác). Trong điều kiện này, khí bị ion hóa tạo ra các phần tử hoạt tính bao gồm các điện tử, các ion, các phần tử bị khích thích và các phân tử trung tính được gọi là plasma. Các ion dương dưới tác dụng của điện trường chuyển động đến catôt, bắn phá catôt chuyển năng lượng đến catôt làm catôt được nung nóng dẫn đến môi trường khí quanh catôt cũng nóng lên từ đó làm giảm mật độ khí, gây ra sự thay đổi đặc tính điện thế - dòng và thay đổi chiều rộng vùng catôt. Hình thái plasma hình thành bằng quá trình phóng điện có thể được chia thành 4 vùng A, B, C, D như trên hình 1.3 [107]. Có thể thấy hình thái plasma phụ thuộc rất lớn vào điện áp và áp suất, thấm nitơ plasma thông thường được thực hiện trong vùng D. Có thể thấy, điện áp, áp suất khí và mật độ dòng có mối quan hệ mật thiết với nhau. Mật độ dòng kiểm soát lượng khí được ion hóa để bắn phá catốt vì thế ảnh hưởng đến nhiệt độ catôt, mật độ dòng cao năng lượng nung nóng catôt lớn và ngược lại. Để có mật độ dòng không đổi, trong điều kiên áp suất cao thì sử dụng điện áp thấp, không nên sử dụng điện áp cao vì dễ có khả năng xuất hiện hồ quang rất nguy hiểm. Hình 1.3. Quan hệ giữa áp suất và điện áp sử dụng trong thấm nitơ plasma [107] Quan hệ giữa điện áp và dòng điện ở các áp suất khác nhau ở nhiệt độ 500oC, khí thấm 100% N2 được trình bày trên hình 1.4 [36]. Có thể thấy áp suất có ảnh hưởng rất lớn đến điện áp và dòng điện, cùng một điện áp, áp suất cao thì dòng điện cao và ngược lại, khi áp suất thấp cần phải có một điện áp cao để sinh ra cường độ dòng điện lớn đủ duy trì nhiệt độ catôt không đổi. 7 Hình 1.4. Quan hệ điện áp – dòng với áp suất khác nhau [36]. Dòng điện, mật độ dòng còn chịu ảnh hưởng bởi thành phần khí thấm, trong cùng một điều kiện về điện áp và áp suất, khí nặng hơn như N2 sẽ cho mật độ dòng cao hơn khí nhẹ hơn như H2. Theo [62], trong hỗn hợp khí N2 + H2, khi tăng hàm lượng %H2 đến một giá trị nào đó sẽ dẫn đến tăng dòng, tăng mật độ dòng và làm tăng nhiệt độ catôt, tuy nhiên nếu tăng tiếp hàm lượng % H2 thì mật độ dòng và nhiệt độ catôt sẽ giảm. Giá trị %H2 mà ở đó mật độ dòng đạt cực đại phụ thuộc chủ yếu vào áp suất môi trường thấm. Cùng một thành phần khí thấm, dưới một điện áp nhất định, áp suất càng cao thì mật độ dòng càng cao và như vậy nhiệt độ catôt cũng càng cao. Theo [96], mật độ dòng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi một số yếu tố của quá trình thấm như trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Ảnh hưởng của một yếu tố lên mật độ dòng [96] Hƣớng giảm mật độ dòng ← → Hƣớng tăng mật độ dòng Tăng hydro Tăng nitơ Tăng methan Tăng áp suất Giảm chu kỳ làm việc Tăng điện áp Điện áp giữa anôt và catôt cũng như điện áp giảm catôt là hàm số được điều chỉnh phụ thuộc vào áp suất. Áp suất khí thấm còn ảnh hưởng trực tiếp và quyết định đến chiều dày plasma, một thông số liên quan trực tiếp đến hiện tượng khuếch đại plasma. Áp suất cao, chiều dày plasma giảm, vùng sáng âm ôm sát bề mặt vật thấm, nếu giảm áp suất chiều dày plasma tăng và vùng sáng âm mờ đi. Tuy nhiên khi áp suất cao thì khả năng xuất hiện hồ quang là cao nên rất nguy hiểm [36, 38, 54, 62]. Theo [107], điện áp thay đổi không nhiều khi áp suất lớn hơn 800 Pa, còn điện áp giảm catốt thì giảm đáng kể khi áp suất tăng. Ngược lại, trong vùng mà áp suất nhỏ hơn 800 Pa, cả 2 đại lượng này đều tăng nhanh khi áp suất giảm. Hạ điện áp giảm catôt sẽ tăng năng lượng ion bắn phá (phún xạ) bề mặt giúp hoạt hóa bề mặt thấm. Đây có thể là lý do thấm nitơ plasma thường được thực hiện với áp suất < 800 Pa. 8
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan