Thấm nitơ – Cách thức hoạt động và lợi ích thấm nitơ mang lại

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ khám phá một quy trình xử lý bề mặt nhiệt hóa học giúp làm cứng bề mặt ngoài của kim loại bằng cách tăng nồng độ nitơ.

Thấm nitơ là gì?

Thấm nitơ là một loại quy trình tôi cứng bề mặt làm cứng lớp ngoài của một bộ phận bằng cách thêm nitơ vào bề mặt của nó. Nitơ được thêm vào kết hợp với sắt và các nguyên tố hợp kim khác trong thành phần kim loại để tạo thành nitrua kim loại cứng.

Khi nitơ chỉ đạt đến một độ sâu nhất định, phần bên trong của bộ phận vẫn giữ nguyên các đặc tính ban đầu và do đó tương đối mềm hơn. Chúng tôi có thể đạt được độ cứng bề mặt cuối cùng lên đến 76 HRC (90 HRA) thông qua quá trình thấm nitơ.

Lớp độ cứng (độ sâu của lớp vỏ) thường có độ dày 200–300 𝜇m (0,0002m) nhưng có thể lên tới 2 mm trong một số ứng dụng. Chúng ta có thể kiểm soát nó bằng cách thay đổi các yếu tố như thời gian tiếp xúc, nhiệt độ thấm nitơ, dòng khí, v.v.

Quá trình thấm nitơ tạo ra một lớp hợp chất – một lớp màu trắng làm lớp ngoài cùng với vùng khuếch tán bên dưới. Vùng khuếch tán bao gồm nitơ hấp thụ cũng như kết tủa nitride cứng.

Nitơ hóa được thực hiện ở nhiệt độ dưới nhiệt độ austenit hóa của thép. Sự hình thành austenit bắt đầu ở 727 °C (1340 °F) đối với thép cacbon thông thường nhưng thay đổi đối với thép hợp kim dựa trên thành phần.

Do đó, quá trình thấm nitơ thường được thực hiện ở nhiệt độ quy trình từ 500 đến 550 °C (930 – 1022 °F) và nhiệt độ tối đa lên đến 620 °C (1150 °F).

Quá trình thấm nitơ có thể mất từ 4 đến 100 giờ. Sau 100 giờ, độ dày của lớp tăng rất chậm, khiến quá trình này không khả thi.

Khi nào thì sử dụng thấm nitơ?

Thấm nitơ không được sử dụng trên tất cả các loại thép. Nó có thể được sử dụng cho thép cacbon thông thường, nhưng nói chung nó được ưa chuộng hơn đối với thép hợp kim cacbon thấp có các nguyên tố tạo thành nitride như nhôm, molypden và crom. Các nguyên tố này tạo điều kiện cho quá trình làm cứng kết tủa .

Ngoài thép, thấm nitơ cũng mang lại kết quả tốt với hợp kim titan, molypden và nhôm.

Lợi ích của thấm nitơ

Thấm nitơ có nhiều ưu điểm hơn so với các quy trình làm cứng vỏ thông thường như thấm cacbon. Một số lợi ích của việc sử dụng thấm nitơ như sau.

Nhiệt độ thấp hơn

Quá trình thấm nitơ diễn ra ở nhiệt độ khoảng 550 °C (1022 °F), thấp hơn nhiều so với nhiệt độ của các quá trình khác như thấm cacbon . Do đó, các bộ phận thấm nitơ ít bị biến dạng và biến dạng hơn, đồng thời có khả năng kiểm soát kích thước rất tốt.

Độ cứng bề mặt cao với lõi dẻo

Các bộ phận thấm nitơ có độ cứng bề mặt cao kết hợp với lõi dẻo. Sự kết hợp của các đặc tính này tạo ra bề mặt chống mài mòn với lõi mềm dẻo có thể chịu tải va đập tốt hơn nhiều so với vật liệu cứng. 

Do đó, chúng ta có thể sử dụng các thành phần thấm nitơ trong các ứng dụng có tải trọng va đập cùng với tiếp xúc với chất mài mòn hoặc ma sát mà không lo hỏng hóc đột ngột khi chịu tải trọng cao.

Tăng khả năng chống ăn mòn

Quá trình thấm nitơ cải thiện khả năng chống ăn mòn của một số loại thép. Lớp nitride cứng lắng đọng ngăn ngừa sự hình thành các vết rỗ cuối cùng sẽ bị ăn mòn thông qua ăn mòn rỗ ở một bộ phận chưa được xử lý. Để đạt được khả năng chống ăn mòn tối đa, lớp trắng hình thành sau quá trình thấm nitơ phải được giữ nguyên vẹn.

Ví dụ, thấm nitơ plasma giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ 410 vì lớp nitride sắt trên bề mặt bảo vệ kim loại bên dưới khỏi sự ăn mòn.

Nhưng có những trường hợp thấm nitơ làm tăng tốc độ ăn mòn. Ví dụ, khi thấm nitơ plasma được thực hiện trên thép không gỉ martensitic X17CrNi16-2, khả năng chống ăn mòn của nó thực sự giảm. Điều này chủ yếu là do sự hình thành crom nitrua làm giảm khả năng bảo vệ chống ăn mòn ban đầu do crom trong dung dịch rắn cung cấp.

Tính chất chống trầy xước

Thấm nitơ cũng có thể mang lại đặc tính chống trầy xước cho các bộ phận. Trầy xước là hiện tượng mài mòn kết dính giữa các kim loại do tiếp xúc trượt. Quá trình thấm nitơ làm tăng khả năng chống trầy xước của bộ phận.

Cải thiện tuổi thọ mệt mỏi

Tuổi thọ chịu mỏi của các bộ phận thép đã tăng lên khi quá trình thấm nitơ cho thấy độ bền chịu mỏi được cải thiện trong khoảng từ 30 đến 100 phần trăm trong các ứng dụng khác nhau.

Chống lại sự mềm hóa ở nhiệt độ cao hơn

Lớp tôi cứng có thể bắt đầu mất độ cứng ở nhiệt độ cao hơn. Điều này thường được quan sát thấy với các quy trình như thấm cacbon. Tuy nhiên, tốc độ làm mềm thấp hơn đáng kể đối với thấm nitơ. 

Do đó, các bộ phận thấm nitơ có thể được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao mà không làm giảm đáng kể độ cứng bề mặt.

Quá trình thấm nitơ

Quá trình thấm nitơ là quá trình khuếch tán nitơ vào lớp bề mặt của thép hợp kim ở nhiệt độ cao. Có ba cách chính để thực hiện quá trình này. Đó là:

• Thấm nitơ bằng khí
• Thấm nitơ trong bồn muối 
• Thấm nitơ plasma

Chúng ta hãy xem xét nhanh từng loại và tìm hiểu sự khác biệt giữa chúng.

Thấm nitơ bằng khí

Trong quá trình thấm nitơ bằng khí, phần kim loại được nung nóng sẽ tiếp xúc với khí amoniac khan trong lò. Khi nhiệt độ tăng, amoniac phân hủy thành nitơ và hydro. Nitơ khuếch tán vào bề mặt, tạo thành lớp nitride cực kỳ cứng. 

Tùy thuộc vào ứng dụng, thấm nitơ khí có thể là quy trình một hoặc hai giai đoạn. Thiết bị hiện đại ngày nay cho phép chúng ta kiểm soát chính xác quy trình thấm nitơ khí. Chúng ta có thể sử dụng quy trình này cho các ứng dụng sản xuất hàng loạt vì quy mô lô chỉ bị giới hạn bởi lưu lượng khí và kích thước lò.

Thấm nitơ bằng khí tiết kiệm hơn các phương pháp khác, đặc biệt là khi so sánh với quy trình thấm nitơ bằng plasma. Nhưng có thể mất nhiều thời gian – lên đến 80 giờ đối với một số ứng dụng. Các nhà sản xuất thường sử dụng thấm nitơ bằng khí để tăng cường bánh răng chống lại các hỏng hóc do mỏi tiếp xúc lăn.

Thấm nitơ trong bồn muối

Trong quá trình thấm nitơ trong bồn muối, vật liệu được đặt trong bồn chất lỏng chứa muối gốc nitơ. Khi nhiệt độ tăng, nitơ từ muối sẽ đi vào bề mặt của chi tiết. Đôi khi muối cũng có thể chứa cacbon, khiến quá trình này trở thành quá trình thấm nitơ thay vì thấm nitơ.

Thấm nitơ trong bồn muối cho phép khuếch tán nitơ vào chi tiết nhiều hơn thấm nitơ trong cùng thời gian. Đây là một quá trình tương đối đơn giản và nhanh hơn các phương pháp khác.

Thấm nitơ trong bồn muối là một quy trình phổ biến trong sản xuất trục khuỷu , bánh răng, dụng cụ và khuôn mẫu.

Thấm nitơ plasma

Thấm nitơ plasma, còn được gọi là thấm nitơ ion, sử dụng phương pháp ion hóa để lắng đọng nitơ vào bộ phận kim loại. 

Khí nitơ tinh khiết được ion hóa xung quanh chất nền kim loại bằng cách thiết lập các trường điện mạnh. Các ion nitơ khuếch tán vào bề mặt chất nền và tạo thành nitrua kim loại cứng.

Vì quá trình này phụ thuộc vào quá trình ion hóa khí nitơ nên không cần nhiệt độ quá cao. Nhiệt độ quá trình thấp tới 260 °C (500 °F) là đủ tốt cho quá trình nitơ hóa plasma.

Do đó, plasma có thể nóng hoặc lạnh. Plasma lạnh được tạo ra bằng ống chân không.

Thấm nitơ plasma thường được sử dụng để làm cứng thép không gỉ austenit và được sử dụng cho các sản phẩm như dụng cụ y tế/phẫu thuật, phụ tùng ô tô và vật liệu xây dựng.

Phần kết luận

Thấm nitơ có thể là một phương pháp rất hiệu quả để tạo ra các bộ phận có độ cứng cao, có khả năng thay thế cả thép công cụ trong nhiều ứng dụng.

Quá trình thấm nitơ của thép không gỉ nói riêng đã trải qua sự phát triển nhất trong 10 năm qua. Nghiên cứu đã cải thiện sự hiểu biết và chi phí của quá trình này trong khi vẫn cung cấp khả năng kiểm soát cực kỳ chính xác đối với nó.

Trong khi thấm nitơ đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, phương pháp này dự kiến sẽ còn tăng trưởng hơn nữa trong thập kỷ tới.