Thấm tương đối đặc trưng và khác với phủ, hiện đang trở thành một công nghệ quan trọng trong kỹ thuật cho các sản phẩm cứng, chống ăn mòn, chống mòn và chống mỏi bề mặt trên nền vật liệu thiết kế theo các yêu cầu khác chi tiết máy. Thấm được tạo ra trong vùng bề mặt của chi tiết với cường độ chất thấm (species) tập trung ở vùng bề mặt và giảm dần vào lõi.
Xử lý bề mặt bằng thấm với sự trợ giúp của plasma là sự phát triển mới của công nghệ thấm. N, C, B có thể được thấm vào bề mặt chi tiết bằng cách đưa các khí hoạt tính N, C hay B vào thẳng bề mặt ở nhiệt độ cao. Xử lý bề mặt sử dụng plasma là một phương pháp mới của một quá trình cũ.
Plasma sử dụng hiện tượng phóng điện trong khí kém để tạo hoạt tính cho các species khí thông qua quá trình ion hoá cho phép điều khiển tốt hơn thành phần bề mặt của chi tiết về cả cấu trúc và tính chất, cho tốc
độ thấm cao hơn ở nhiệt độ bề mặt thấp hơn, cho phép tạo ra các species có hoạt tính yêu cầu trong hỗn hợp khí áp suất thấp và có thể loại bỏ nguyên công làm sạch sau thấm gây tốn kém và ô nhiễm môi trường.
Thấm N, C, B với các ion dương tạo từ plasma của dòng điện trong khí kém là một phương pháp xử lý bề mặt có hiệu quả cho gang, thép hợp kim và trong một số trường hợp kim loại màu tạo ra các bề mặt siêu cứng, chống mòn, mỏi, ăn mòn. Nguyên tắc của plasma dựa trên sự phóng điện trong khí kém.
5.2. Nguyên tắc của glow discharge
Một điện thế đặt vào giữa hai cực dặt trong một hỗn hợp khí có áp suất riêng nào đó. Anode là vỏ của bình chân không được nối đất.
Cathode là chi tiết cần xử lý bằng plasma. Nguồn điện cung cấp một điện áp có thể điều khiển theo yêu cầu của quá trình. Trong vùng giữa chi tiết và buồng chân không một hỗn hợp khí lựa chọn với một áp suất riêng nào đó được đưa vào. Glow discharge (dòng điện) xảy ra khi các phân tử của khí bị ion hoá do và chạm với các electron giữa cathode và anode.
ion hoá hỗn hợp khí có áp suất riêng cho phép một dòng điện tồn tại (dòng electron từ chi tiết về vỏ bình và quan trọng hơn dòng các ion dương từ hỗn hợp khí bị ion hoá về chi tiết) chỉ ra trên Hình 5-9.
Hình 5-9: Sơ đồ mạch điện tạo sự rphóng điện trong khí kém.
Ba thông số chính của Glow Discharge là điện áp, cường độ dòng điện và áp suất riêng của khí. Sự kết hợp khác nhau của ba thông số này
sẽ tạo nên các kiểu Glow Discharge khác nhau. Glow discharge thuộc vào nhóm công nghệ plasma không cân bằng, nhiệt độ thấp, không đẳng nhiệt được tạo thành do thu nhận năng lượng từ trường điện từ. Sau khi khí bị ion hoá, các ion dương sẽ tăng tốc về phía chi tiết và kết hợp với các thành phần phân tử của bề mặt chi tiết. Nếu khí chủ yếu là N thì bề mặt chi tiết sẽ được thấm bởi các ion Nitơ. Nếu hỗn hợp khí là một hydro-carbon thì chi tiết sẽ được thấm than. Khi cần tạo ra một dòng ion của một số species, một điện áp xung sẽ được đặt vào giữa hai cực. Điện áp cung cấp hiện tại cho quá trình này cho phép biên độ điện áp thời gian dừng chính xác, tốc độ lặp lại có thể lựa chọn độc lập và điều khiển được để tạo ra lớp thấm đồng đều trên bề mặt chi tiết với các ion dương tù plasma mà không cần nâng nhiệt chi tiết thấm đáng kể.
5.3. Áp suất riêng của khí
Áp suất riêng của hỗn hợp khí đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành plasma, trực tiếp ảnh hưởng đến xác suất mà các phần tử của hỗn hợp khí bị ion hoá do sự và chạm của một điện tử chuyển động từ bề mặt chi tiết đến bề mặt của buồng thấm (Hình 5-10).
Độ chân không tốt < 1 Pa
1 Pa < áp suất riêng < 1000 Pa
Áp suất khí quyển 105 Pa
Hình 5-10: Số lượng phân tử khí và khả năng ion hoá
Hình 5-11: Định luật Paschen cho một số loại khí.
Khoảng cách mà một electron di chuyển trước khi va chạm với một phân tử gọi là gọi là quãng đường tự do của nó (mean free path). Quãng đường này tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp khí và tỷ lệ nghịch với áp suất của nó. Điều này có thể thấy rõ trên Hình 5-10.
Định luật Paschen
Sụ phụ thuộc của xác suất ion hoá trên số phân tử khí giữa hai điện cực được nghiên cứu và phát triển dưới dạng định luật Paschen. Đối với những điện cực là hai tấm phẳng song song, điện áp cực tiểu để duy trì sự phóng điện bền vững trong khí kém là một hàm số của áp suất hỗn hợp khí và khoảng cách giữa hai điện cực như trên Hình 5- 11. Tuy nhiên, mật độ của hỗn hợp khí còn phụ thuộc vào cả nhiệt độ bởi vậy áp suất cao đi kèm theo nhiệt độ cao có thể làm cho hệ thống không thể tạo nên mật độ khí yêu cầu cho sự phóng điện bền vững.
5.4. Thấm plasma nitơ 5.4.1. Khái niệm
Phương pháp xử lý bề mặt plasma trong áp suất riêng của Nitơ gọi là thấm Nitơ plasma.
Có bốn phản ứng hoá học quan trọng xảy ra trên bề mặt chi tiết khi plasma được sử dụng làm nguồn các nguyên tử Nitơ.
- Sản phẩm của các nguyên tử Nitơ trung hoà và ion hoá bởi các electron bắn phá.
. 2
. N N N 2e
e + = ++ +
- Fe và các tạp chất bị bắn ra từ bề mặt chi tiết do sự va chạm của các nguyên tử Nitơ ion bị hoá. Tạp chất bị rút ra khỏi bình chân không bằng hệ thống bơm.
- Hình thành các ion Nitrides do các nguyên tử Fe bắn ra và nguyên tử N trung tính. Mặc dù, cơ chế chính của thấm Nitơ plasma là phản ứng của nguyên tử Fe với nguyên tử N ở thể khí gần bề mặt chi tiết thấm và sau đó đọng trên bề mặt chi tiết dưới dạng hợp chất. Phản ứng này cũng xảy ra thậm trí khi plasma không đủ để tạo nên bắn phá (sputtering).
Sputtered Fe + N = FeN.
Đọng và FeN bị phân tích trên bề mặt chi tiết. Vì FeN không ổn định nên dưới tác dụng của quá trình bắn phá từ plasma nó bị phân tích thành epsilon pha Fe2-3N và gama prime phase Fe4N tạo nên một vùng hợp chất Fe/N. Tại mỗi giai đoạn phân tích, n nguyên tử phóng vào plasma hoặc bề mặt chi tiết và thấm sâu vào trong cũng như tạo thành một vùng thấm hợp kim nitride.
FeN ⇒ Fe2N + N Fe2N ⇒ Fe3N + N Fe3N ⇒ Fe4N + N Fe4N ⇒ Fe + N.
Mặc dù, Nitơ là một khí trung tính trong khí quyển, sự phân tích đã tạo cho nó có hoạt tính cao và có khả năng tham gia vào xử lý bề mặt để tạo ra các tính chất như độ cứng cao, chống mòn, ăn mòn.
5.4.2. Cấu trúc tế vi
Bất cứ vật liệu nào có thể thấm Nitơ ở thể lỏng và rắn đều có thể thấm Nitơ plasma. Các lớp thấm palssma này về định lượng giống như các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, sự phân bố Nitơ trong lớp thấm rất khác cho phép tạo nên nhiều cấu trúc đặc biệt. Một trong những ưu điểm chính của thấm Nitơ plasma là tạo nên khả năng kết hợp tối ưu
của lớp hợp chất và các tính chất của vùng thấm để thoả mãn các yêu cầu ứng dụng đặc biệt. Nói chung thấm Nitơ plasma cho phép sản phẩm của các lớp bề mặt tồn tại theo 3 dạng: hợp chất epsilon và các lớp thấm, hợp chất gamma prime và các lớp thấm, và chỉ có lớp thấm.
Vùng hợp chất epsilon Fe2-3N thường dày khoảng 30 μm có tác dụng tăng cường khả năng chống ăn mòn bề mặt. Vùng hợp chất gamma prime có chiều dày nhỏ hơn 10 μm cho khả năng chống mỏi bề mặt cao. Nói chung giữa vùng hợp chất và vùng thấm có biên giới rõ ràng. Cấu trúc và độ hạt của vật liệu nền không thay đổi trong vùng thấm. Độ cứng của vùng này quyết định bởi xô lệch mạng và và sự phân bố của nitride.
Trong vùng thấm không xảy ra hiện tượng dòn. Tính ổn định của lớp thấm cao, không có khuynh hướng bong các hợp chất đòn, độ nhám bề mặt không tăng. Chi tiết nên sử dụng ngay sau khi thấm không cần qua mài hoặc đánh bóng.
5.4.3. Ưu điểm chính của thấm Nitơ plasma
Thấm Nitơ plasma cho phép điều khiển về kim loại học tốt hơn các phương pháp khác thể hiện trên hình :
- Vùng hợp chất có thể là một pha với các tính chất tribology, chống mòn, chống cào xước cao;
- Chi tiết có thể Nitơ plasma không tồn tại vùng hợp chất;
- Các tính chất sau thấm Nitơ plasma đạt được ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ram nên loại trừ các hiện tượng chuyển biến pha, cong vênh.
5.5. Thấm các bon 5.5.1. Khái niệm
Các mô hình tương tự cũng được đưa ra làm cơ chế hoá học để xử lý bề mặt như thấm các bon plasma theo phương trình hoá học sau.
. 2
4 2 2
e⇒CH =C++ H + e .
Tốc độ thấm của các bon thấp khi áp suất riêng của khí các bon thấp, tuy nhiên khi dòng điện trong chất khí được thiết lập tốc độ thấm trở tăng nhanh. Các ion các bon tới bề mặt được làm sạch do sự bắn phá của các nguyên tử các bon bị ion hoá sẽ tạo nên sự tập trung các bon với nồng độ cao và làm tăng tốc độ thấm vào nền.
5.5.2. Các ưu điểm của thấm các bon plasma
- Tạo lớp thấm đồng đều trên bề mặt chi tiết nhờ plasma.
- Các bề mặt chi tiết sạch.
- Loại trừ được hiện tượng ôxy hoá biên giới hạt. Do các lò thấm các bon lasma có độ chân không tốt hơn với mức độ hơi nước dư thấp.
- Ít cong vênh. Nhiệt động đều do đối lưu, chiều dày lớp thấm đồng đều dẫn đến giảm cong "vênh" khi nhiệt luyện.
- Trong quá trình thấm các bon plasma các hạt (species) của khí hoạt tính được định hướng về bề mặt của chi tiết thấm.
Tốc độ thấm của các bon plasma vượt xa tốc độ thấm các bon trong chân không khoảng 2 lần. Các electron có năng lượng cao, nhiệt độ cao, chuyển động với vận tốc lớn trong plasma tạo nên năng lượng cho các nguyên tử các bon trên bề mặt chi tiết cao hơn hẳn trường hợp nhiệt động học thông thường. Khí H tạo ra do sự phân tích của methane ở ngay bề mặt chi tiết có tác dụng giảm ôxy hoá. Hình 5-12 mô tả mối quan hệ giữa độ cứng tế vi theo chiều sâu của lớp thấm với một số phương pháp thấm các bon khác nhau cho thấy thấm các bon plasma đạt độ cứng cao nhất và mức độ giảm độ cứng theo chiều sâu lớp thấm nhỏ nhất.
Hình 5-12: Đồ thị so sánh quan hệ độ cứng tế vi bề mặt theo chiều sâu của tớp bề mặt sử dụng các phương pháp thấm khác nhan .