Trong thí nghiệm này, nguồn tạo ra nitơ nguyên tử là NH3. Phản ứng tạo Nnt như sau:
2NH3 ↔ 2(Nht) + 6H (1)
Nguồn cacbon (Cnt) được tạo ra từ hỗn hợp của khí ga công nghiệp và CO2, khí ga công nghiệp của Việt Nam bao gồm hai thành phần chủ yếu là 50 % C3H8 và 50 % C4H10 . Cácbon nguyên tử (Cnt) sẽ được tạo ra theo các phản ứng liên hoàn:
C3H8 + 3 CO2 = 6CO + 4H2 (2)
C4H10 + C4H10 = 8CO + 5H2 (3)
CO + H2 ↔ H2O + (Cnt) (4)
Phản ứng (4) tạo ra Cnt đi vào lớp thấm.
Tốc độ các phản ứng trên khá lớn, nhất là thời gian bắt đầu, lượng Cnt sinh ra rất nhiều trên bề mặt thép, còn tốc độ khuếch tán từ bề mặt vào sâu trong thép lại nhỏ vì cacbon và nitơ khuếch tán theo cơ chế khuếch tán xen kẽ [2]. Điều đó có khả năng tạo muội hoặc làm cho hàm lượng cácbon trên bề mặt thép quá lớn, cơ tính của lớp thấm giảm. Nếu thời gian thấm ngắn, không đủ để cácbon khuếch tán và phân bố giảm dần trên bề mặt lớp thấm, hàm lưọng cacbon trên bề mặt cao, sự chênh lệch hàm lượng cacbon giữa các vùng tế vi lớn, tạo ra sự chênh lệch về cơ tính, gây nguy cơ tạo vết nứt khi chịu lực. Nếu thời gian thấm dài, do sự có mặt của nitơ, dễ xuất hiện các bọt khí nitơ trên lớp thấm [2]. Vì vậy, sau một thời gian cấp khí, giai đoạn tiếp theo cần ngừng, hoặc giảm lượng khí nguồn cung cấp các nguyên tố thấm để các nguyên tử cacbon và nitơ khuếch tán dần vào trong. Thời gian đó gọi là thời gian khuếch tán.
Gọi T là tổng thời gian thấm: T = T1 + T2, T1 là thời gian bão hoà. Trong thời gian bão hoà lưu lượng khí được giữ theo tính toán, lượng Cnt và Nnt được tạo ra khá lớn. Các nguyên tử đó khuếch tán từ môi trường đến bề mặt thép làm cho bề mặt thép có hàm lượng Cnt và Nnt khá lớn. T2 là thời gian khuếch tán: thời gian này giảm # hoặc ngừng hẳn việc cấp khí nguồn, giảm lượng Cnt và Nnt trong môi trường.
Thành phần thép cũng ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán. Các loại thép dùng để thấm cacbon- nitơ có hàm lượng cacbon thấp (nhỏ hơn 0,3%) như thép C15, C20… và các loại thép hợp kim hoá bởi các nguyên tố như crôm, mangan, môlipđen, titan được thấm C-N để chế tạo các chi tiết quan trọng hơn (ví dụ: thép Mỹ ASTM 8620, thép Nga 20XM, thép Nhật SCR420). Các nguyên tố hợp kim kết hợp với cacbon và nitơ tạo ra các loại nitơrit (Me4N), và cacbit (Me3C) là những pha có độ cứng cao phân bố trong lớp thấm, làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn cho lớp thấm. Có thể dự đoán sự có mặt của các hợp chất tạo nên trong thép khi thấm C-N bằng tính toán nhiệt động học. Các nguyên tố hợp kim lúc đầu giúp quá trình khuếch tán của Cnt và Nnt thuận lợi vì chúng thu hút các nguyên tố này để tạo hợp chất, tuy nhiên khi đã hình thành, các cacbit hoặc nitơrit lại gây khó khăn cho sự khuếch tán của cacbon và nitơ, làm giảm tốc độ khuếch tán [4, 5]. Các nguyên tố như môlipđen, niken tăng lượng austenit dư sau tôi của các lớp thấm.
2. Thực nghiệm
Việc xây dựng giản đồ trạng thái, tính toán sự tồn tại của các pha tại nhiệt độ thấm dựa trên chương trình nhiệt động Thermocal. Quá trình thí nghiệm được thực hiện tại xưởng Nhiệt luyện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tiến hành thấm cho các loại thép 18CrMnTi, 20CrCMo. Nhiệt độ thấm 840 °C, thành phần khí thấm bao gồm khí công nghiệp, CO2, NH3 và N2. Trong thời gian khuếch tán (T2), các loại khí tạo Cnt và Nnt được giảm theo tỷ lệ. Sau khi thấm mẫu được tôi trực tiếp trong dầu nóng. Các mẫu thép thấm có kích thước 15x15x20mm, có thành phần cụ thể tại bảng 1. Độ cứng tế vi trong lớp thấm được đo trên máy Duramin Struerm, Denmark, tải trọng 100 g. Khoảng cách từ bề mặt tới chiều sâu có độ cứng 50 HRC được gọi là chiều sâu lớp thấm hiệu quả.
Hình 1, Bảng 1
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Xây dựng giản đồ trạng thái, xác định các pha ở nhiệt độ thấm cho thép 20CrMo
Các mặt cắt của thép 20CrMo ở nhiệt độ thấm khi thay đổi hàm lưọng cacbon và nitơ (hình 1) cho phép hình dung về mặt nhiệt động học sự tồn tại của các pha trong quá trình thấm. Trên mặt cắt nhận thấy sự có mặt của austenit, cacbit và nitơrit. Các pha nitơrit và cacbit là những pha có độ cứng cao. Sự phân bố độ cứng của lớp thấm phản ánh sự phân bố của các hợp chất đó cũng là phản ánh sự phân bố của cacbon và nitơ trong lớp thấm.
