Xi măng hóa: Quá trình khuếch tán cacbon để làm cứng và sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Xi măng hóa là một quá trình khuếch tán nhiệt hóa học trong đó thành phần bề mặt của kim loại bị thay đổi bằng cách đưa vào các nguyên tố như cacbon, nitơ hoặc bo ở nhiệt độ cao. Quá trình này tạo ra một lớp bề mặt được biến đổi về mặt thành phần với các đặc tính được cải thiện trong khi vẫn duy trì các đặc tính của vật liệu lõi. Kỹ thuật này là cơ bản đối với các phương pháp xử lý làm cứng bề mặt trong sản xuất thép, cho phép các kỹ sư đạt được khả năng chống mài mòn, độ bền mỏi và hiệu suất ứng suất tiếp xúc vượt trội mà không ảnh hưởng đến độ bền của phần bên trong của thành phần.

Trong bối cảnh rộng hơn của ngành luyện kim, xi măng hóa là một trong những kỹ thuật biến đổi bề mặt lâu đời nhất và được thiết lập nhiều nhất, có từ thời các nền văn minh cổ đại. Nó chiếm vị trí quan trọng giữa các quy trình hợp kim khối và công nghệ phủ, cung cấp sự chuyển đổi theo độ dốc trong các đặc tính từ bề mặt đến lõi thay vì giao diện rời rạc. Sự chuyển đổi theo độ dốc này đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng mà các thành phần phải chịu được các điều kiện tải phức tạp.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ nguyên tử, quá trình gắn kết hoạt động thông qua khuếch tán trạng thái rắn, trong đó các nguyên tử của nguyên tố khuếch tán (thường là carbon, nitơ hoặc boron) thâm nhập vào mạng tinh thể của kim loại cơ bản. Quá trình này được kích hoạt bằng nhiệt, với các nguyên tử di chuyển qua các vị trí xen kẽ trong cấu trúc tinh thể của kim loại. Sự khuếch tán này tạo ra một gradient nồng độ giảm dần theo độ sâu từ bề mặt, dẫn đến cấu hình thành phần thay đổi dần dần.

Các nguyên tử khuếch tán làm biến dạng mạng lưới vật chủ, tạo ra các trường ứng suất cục bộ góp phần vào các cơ chế tăng cường. Trong trường hợp kết dính cacbon (thấm cacbon), các nguyên tử cacbon chiếm các vị trí xen kẽ trong mạng lưới sắt, dẫn đến quá bão hòa cho phép các chuyển đổi pha tiếp theo trong quá trình làm mát. Các chuyển đổi này rất quan trọng để phát triển các đặc điểm cấu trúc vi mô và tính chất cơ học mong muốn.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình gắn kết là định luật khuếch tán của Fick. Định luật thứ hai của Fick đặc biệt có liên quan, vì nó mô tả quá trình khuếch tán không ổn định xảy ra trong quá trình này:

$\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$

Trong đó C là nồng độ, t là thời gian, x là khoảng cách từ bề mặt và D là hệ số khuếch tán.

Theo lịch sử, hiểu biết về quá trình kết dính đã phát triển từ kiến ​​thức thủ công thực nghiệm thành các nguyên lý khoa học trong cuộc cách mạng công nghiệp. Các nhà luyện kim đầu tiên như Réaumur (1722) đã cung cấp các mô tả khoa học đầu tiên về quá trình này. Hiểu biết hiện đại kết hợp lý thuyết nguyên tử, tinh thể học và mô hình tính toán để dự đoán hành vi khuếch tán với độ chính xác cao hơn.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết thay thế bao gồm các mô hình trường pha giải thích sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình khuếch tán và mô phỏng nguyên tử cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế khuếch tán ở cấp độ nano.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hiệu quả của quá trình xi măng hóa chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi cấu trúc tinh thể, với cấu trúc sắt lập phương tâm khối (BCC) và lập phương tâm mặt (FCC) thể hiện tốc độ khuếch tán khác nhau cho các thành phần xen kẽ. Các ranh giới hạt hoạt động như các đường dẫn khuếch tán cao, đẩy nhanh quá trình thâm nhập của các thành phần khuếch tán và tạo ra độ sâu vỏ cục bộ sâu hơn.

Quá trình này trực tiếp thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu, với quá trình xi măng hóa cacbon thường tạo ra một gradient từ martensit cacbon cao ở bề mặt đến cấu trúc vi mô lõi ban đầu. Cấu trúc vi mô gradient này là nền tảng cho các lợi thế về hiệu suất của các thành phần xi măng, kết hợp độ cứng bề mặt với độ bền lõi.

Các nguyên lý về khuếch tán trạng thái rắn, chuyển đổi pha và tiến hóa vi cấu trúc hội tụ trong các quá trình kết dính, khiến nó trở thành một ví dụ tuyệt vời về các nguyên lý khoa học vật liệu ứng dụng trong thực tiễn công nghiệp.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Hồ sơ nồng độ trong quá trình gắn kết có thể được mô tả bằng giải pháp cho định luật thứ hai của Fick đối với chất rắn bán vô hạn có nồng độ bề mặt không đổi:

$C(x,t) = C_s - (C_s - C_0) \cdot \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}} \right)$

Ở đâu:
- $C(x,t)$ là nồng độ ở độ sâu x sau thời gian t
- $C_s$ là nồng độ bề mặt
- $C_0$ là nồng độ đồng đều ban đầu trong vật liệu
- $\text{erf}$ là hàm lỗi
- $D$ là hệ số khuếch tán
- $t$ là thời gian xử lý
- $x$ là khoảng cách từ bề mặt

Công thức tính toán liên quan

Hệ số khuếch tán D tuân theo mối quan hệ Arrhenius với nhiệt độ:

$D = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$

Ở đâu:
- $D_0$ là hệ số tiền mũ (m²/s)
- $Q$ là năng lượng hoạt hóa cho sự khuếch tán (J/mol)
- $R$ là hằng số khí (8,314 J/mol·K)
- $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (K)

Độ sâu trường hợp (d) đến mức nồng độ cụ thể có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$d = k\sqrt{t}$

Ở đâu:
- $k$ là hằng số phụ thuộc vào quá trình liên quan đến nhiệt độ và hệ số khuếch tán
- $t$ là thời gian xử lý

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này giả định vật liệu đồng nhất không có khuyết tật đáng kể hoặc các đường khuếch tán ưa thích. Chúng chính xác nhất đối với các vật liệu một pha có cấu trúc và kích thước hạt đồng nhất. Các mô hình trở nên kém chính xác hơn ở gần ranh giới pha hoặc trong các vùng có tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô đáng kể.

Giải pháp hàm lỗi giả định nồng độ bề mặt không đổi, điều này có thể không đúng với tất cả các quy trình xi măng hóa, đặc biệt là những quy trình có điều kiện bề mặt thay đổi theo thời gian. Ngoài ra, các mô hình này không tính đến sự khuếch tán hỗ trợ ứng suất, có thể trở nên đáng kể trong các thành phần chịu tải trong quá trình xử lý.

Sự chênh lệch nhiệt độ bên trong linh kiện có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ khuếch tán cục bộ, đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp hơn đối với các bộ phận lớn hoặc có hình dạng phức tạp.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM E1077: Phương pháp thử tiêu chuẩn để ước tính độ sâu thấm cacbon của thép
• ISO 2639: Thép - Xác định và kiểm tra độ sâu hiệu quả của quá trình tôi cứng sau khi tôi cứng bề mặt
• ASTM A1033: Thực hành tiêu chuẩn để đo lường định lượng và báo cáo các chuyển đổi pha thép hợp kim thấp và cacbon hypoeutectoid
• SAE J423: Phương pháp đo độ sâu của vỏ

Mỗi tiêu chuẩn đều cung cấp các phương pháp cụ thể để đo độ sâu lớp vỏ, cấu hình độ cứng và đặc điểm vi cấu trúc của các lớp xi măng.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra độ cứng vi mô là công cụ chính để đánh giá độ sâu xi măng, sử dụng phương pháp indent Vickers hoặc Knoop để đo độ dốc độ cứng từ bề mặt đến lõi. Các công cụ này áp dụng tải trọng được kiểm soát chính xác để tạo ra các vết lõm cực nhỏ có kích thước tương quan với độ cứng của vật liệu.

Kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho phép quan sát trực tiếp gradient cấu trúc vi mô. Khi kết hợp với các kỹ thuật khắc, các phương pháp này cho thấy sự phân bố pha và chuyển đổi lõi-trường hợp. Phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) và phân tích vi mô đầu dò điện tử (EPMA) cung cấp dữ liệu phân bố nguyên tố định lượng trên lớp xi măng.

Các kỹ thuật đặc trưng tiên tiến bao gồm nhiễu xạ tia X để đo ứng suất dư và xác định pha, và quang phổ phát xạ quang học phóng điện phát sáng (GDOES) để lập hồ sơ độ sâu có độ phân giải cao về nồng độ nguyên tố.

Yêu cầu mẫu

Mặt cắt kim loại học tiêu chuẩn cần được cắt cẩn thận để tránh sự thay đổi nhiệt hoặc cơ học của lớp xi măng. Các mẫu vật thường được gắn trong nhựa, mài và đánh bóng đến độ hoàn thiện gương (độ đánh bóng cuối cùng là 0,05-0,1 μm).

Chuẩn bị bề mặt phải tránh quá nhiệt hoặc loại bỏ vật liệu quá mức có thể làm thay đổi đặc điểm của vỏ máy. Các kỹ thuật giữ cạnh thường được sử dụng để bảo toàn tình trạng bề mặt thực trong quá trình chuẩn bị.

Các mẫu phải đại diện cho thành phần thực tế và điều kiện xử lý, chú ý đến hướng liên quan đến hình dạng của bộ phận và vị trí xử lý.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra độ cứng vi mô thường sử dụng tải trọng 100-500 gf cho thử nghiệm Vickers, với khoảng cách vết lõm đủ để tránh sự nhiễu giữa các phép đo liền kề (thường gấp 3-5 lần đường chéo vết lõm).

Điều kiện môi trường phải được kiểm soát theo điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn (23±5°C, độ ẩm tương đối 50±10%) để đảm bảo tính nhất quán của phép đo.

Các thông số khắc phải được chuẩn hóa để phát hiện cấu trúc vi mô nhất quán, trong đó nital (2-5%) là chất khắc phổ biến nhất để phát hiện sự chuyển đổi lõi-vỏ trong thép cacbon xi măng.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu hồ sơ độ cứng được thu thập theo các khoảng độ sâu đều đặn từ bề mặt đến lõi. Độ sâu của vỏ thường được định nghĩa là độ sâu mà độ cứng giảm xuống một giá trị cụ thể (thường là 550 HV hoặc 50 HRC) hoặc xuống một giá trị cao hơn 50 HV so với độ cứng lõi.

Phân tích thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn tại mỗi gia số độ sâu. Các kỹ thuật điều chỉnh đường cong có thể được áp dụng để tạo ra các hồ sơ độ cứng liên tục từ các điểm đo rời rạc.

Độ sâu hiệu quả của lớp vỏ được xác định thông qua phân tích đồ họa hoặc tính toán về cấu hình độ cứng, thường sử dụng phương pháp tiếp tuyến hoặc phương pháp giá trị ngưỡng như được chỉ định trong các tiêu chuẩn có liên quan.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi độ sâu trường hợp điển hình	Điều kiện quy trình	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	0,5-2,5mm	Thấm cacbon bằng khí, 900-950°C, 4-20 giờ	SAE J423
Thép Cacbon Trung Bình (1045, 4140)	0,3-1,5mm	Thấm cacbon bằng khí, 870-930°C, 4-12 giờ	Tiêu chuẩn ASTM E1077
Thép hợp kim thấm cacbon (8620, 9310)	0,8-3,0mm	Thấm cacbon bằng khí, 900-950°C, 6-24 giờ	Tiêu chuẩn ISO2639
Thép công cụ (A2, D2)	0,05-0,3mm	Carbonitriding, 800-870°C, 1-4 giờ	Tiêu chuẩn ASTM A1033

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép chủ yếu là do sự khác biệt về hàm lượng hợp kim, đặc biệt là các nguyên tố như crom, niken và molypden ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán cacbon. Nhiệt độ và thời gian xử lý là các biến số có thể kiểm soát quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ sâu của lớp vỏ.

Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn cho thiết kế quy trình, với độ sâu thực tế của vỏ yêu cầu xác minh thông qua thử nghiệm. Bản chất độ dốc của xi măng có nghĩa là độ sâu vỏ hiệu quả phụ thuộc vào các yêu cầu về tính chất cụ thể của ứng dụng.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến những thay đổi về kích thước trong quá trình xi măng hóa, thường là độ giãn nở thể tích 0,02-0,05% đối với các quy trình thấm cacbon. Sự thay đổi về kích thước này ảnh hưởng đến dung sai cuối cùng, đặc biệt là đối với các thành phần chính xác.

Hệ số an toàn cho các thành phần xi măng thường nằm trong khoảng từ 1,2-1,5 đối với yêu cầu về độ cứng bề mặt và 1,5-2,0 đối với thông số kỹ thuật về độ sâu của vỏ. Các hệ số này thích ứng với các biến thể của quy trình và đảm bảo hiệu suất nhất quán trong các lô sản xuất.

Quyết định lựa chọn vật liệu phải cân bằng các đặc tính cốt lõi (độ bền, khả năng gia công) với khả năng làm cứng bề mặt. Thép cacbon thấp có hàm lượng hợp kim được kiểm soát (ví dụ: 8620, 16MnCr5) được ưu tiên cho các thành phần yêu cầu độ sâu vỏ sâu, trong khi thép cacbon cao hơn có thể được lựa chọn khi vỏ nông hơn là đủ.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Các thành phần truyền động ô tô, đặc biệt là bánh răng và trục, phụ thuộc rất nhiều vào xi măng để đạt được độ cứng bề mặt vượt quá 58 HRC trong khi vẫn duy trì độ bền lõi. Sự kết hợp này cho phép khả năng chịu ứng suất tiếp xúc cao với khả năng chống mỏi uốn.

Các ứng dụng ổ trục hàng không vũ trụ đòi hỏi độ sâu của vỏ được kiểm soát chính xác với độ méo tối thiểu. Các thành phần này thường sử dụng phương pháp thấm cacbon chân không hoặc thấm cacbon áp suất thấp để đạt được độ sâu vỏ đồng đều với quá trình oxy hóa và cacbua liên hạt tối thiểu.

Các ứng dụng dụng cụ công nghiệp, bao gồm khuôn định hình và đột dập, sử dụng xi măng hóa (thường là cacbonit hóa) để tăng khả năng chống mài mòn trong khi vẫn duy trì độ ổn định về kích thước. Các hộp nông nhưng cứng được sản xuất lý tưởng cho các ứng dụng có ứng suất bề mặt cao nhưng tải trọng va đập hạn chế.

Đánh đổi hiệu suất

Độ sâu của vỏ tăng thường cải thiện khả năng chống mài mòn và tuổi thọ mỏi tiếp xúc nhưng làm giảm độ bền mỏi uốn do vùng chuyển tiếp sâu hơn và độ dốc ứng suất dư cao hơn. Các kỹ sư phải tối ưu hóa độ sâu của vỏ dựa trên chế độ hỏng hóc chủ yếu dự kiến ​​trong quá trình sử dụng.

Hàm lượng cacbon bề mặt cao hơn làm tăng độ cứng nhưng làm tăng độ giòn và dễ nứt bề mặt. Các quy trình xi măng hóa hiện đại thường nhắm mục tiêu vào hàm lượng cacbon bề mặt là 0,8-0,9% thay vì độ bão hòa tối đa để cân bằng độ cứng với khả năng chống gãy.

Kiểm soát độ méo và tính đồng nhất của độ sâu vỏ thường có các yêu cầu cạnh tranh, với nhiệt độ cao hơn làm tăng tốc độ khuếch tán nhưng làm tăng nguy cơ méo. Các quy trình nhiều giai đoạn với các cấu hình nhiệt độ khác nhau cung cấp một cách tiếp cận để cân bằng các yêu cầu này.

Phân tích lỗi

Sự phá vỡ bong tróc thường xảy ra ở các thành phần xi măng chịu mỏi tiếp xúc lăn. Chế độ phá vỡ này bắt đầu ở các vị trí dưới bề mặt gần giao diện lõi-vỏ, nơi ứng suất cắt là tối đa và các chuyển đổi cấu trúc vi mô tạo ra sự tập trung ứng suất.

Cơ chế hỏng hóc thường tiến triển từ sự khởi đầu của vết nứt nhỏ tại các tạp chất hoặc giao diện cacbua, thông qua sự lan truyền vết nứt song song với bề mặt, đỉnh điểm là sự tách vật liệu và hình thành hố. Sự bong tróc tiến triển có thể dẫn đến hỏng hóc thành phần thảm khốc nếu không được phát hiện sớm.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm kiểm soát hàm lượng và sự phân bố tạp chất thông qua các biện pháp làm sạch thép, tối ưu hóa độ sâu của lớp phủ so với sự phân bố ứng suất tiếp xúc và sử dụng các quy trình sau khi xi măng hóa như phun bi để tạo ra ứng suất dư nén.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon trong vật liệu nền ảnh hưởng đến khả năng làm cứng lõi và độ dốc cacbon sau khi xi măng hóa. Hàm lượng cacbon ban đầu cao hơn làm giảm sự khác biệt giữa các đặc tính của vỏ và lõi nhưng có thể cải thiện khả năng làm cứng tổng thể.

Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đáng kể đến hành vi kết dính: crom và molypden làm tăng khả năng làm cứng nhưng làm chậm tốc độ khuếch tán; niken cải thiện độ bền của lõi mà không ảnh hưởng đáng kể đến sự khuếch tán; và silic có xu hướng tạo thành oxit có thể cản trở sự thâm nhập của carbon.

Các nguyên tố vi lượng như bo làm tăng đáng kể khả năng làm cứng ngay cả ở nồng độ dưới 0,005%, trong khi lưu huỳnh và phốt pho có thể thúc đẩy quá trình oxy hóa giữa các hạt trong quá trình xi măng hóa, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận trong các ứng dụng hiệu suất cao.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn đẩy nhanh quá trình xi măng hóa bằng cách cung cấp nhiều diện tích ranh giới hạt hơn cho các con đường khuếch tán. Số lượng hạt ASTM từ 5-8 thường được nhắm mục tiêu để có phản ứng xi măng hóa tối ưu.

Sự phân bố pha trước khi xi măng hóa ảnh hưởng đến sự hấp thụ cacbon, với các cấu trúc ferritic hấp thụ cacbon dễ dàng hơn các cấu trúc perlit. Các điều kiện bắt đầu được chuẩn hóa hoặc ủ thường được ưu tiên để có kết quả xi măng hóa đồng nhất.

Các tạp chất không phải kim loại có thể phá vỡ các đường khuếch tán và tạo ra các biến thể cục bộ ở độ sâu của vỏ. Các phương pháp thép sạch hiện đại và kiểm soát hình dạng tạp chất (xử lý canxi) giúp giảm thiểu những tác động này.

Xử lý ảnh hưởng

Các thông số xử lý nhiệt kiểm soát trực tiếp tốc độ khuếch tán, trong đó nhiệt độ có tác động theo cấp số nhân theo mối quan hệ Arrhenius. Nhiệt độ thấm cacbon tăng 30°C thường làm tăng gấp đôi tốc độ khuếch tán.

Các quy trình gia công cơ học trước khi xi măng hóa ảnh hưởng đến cấu trúc hạt và trạng thái ứng suất dư. Gia công nguội có thể làm tăng mật độ khuyết tật và tăng cường khuếch tán, đồng thời cũng có khả năng gây ra sự kết tinh lại trong quá trình gia nhiệt sau đó.

Tốc độ làm nguội sau khi xi măng hóa quyết định cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng. Làm nguội trực tiếp tạo ra độ cứng tối đa nhưng làm tăng độ biến dạng, trong khi làm nguội từng bước hoặc làm nguội bằng áp lực cung cấp khả năng kiểm soát kích thước tốt hơn với chi phí làm giảm nhẹ độ cứng bề mặt.

Các yếu tố môi trường

Thành phần khí quyển của quy trình kiểm soát trực tiếp tiềm năng carbon ở bề mặt. Carbon monoxide, methane và propane là những chất cho carbon phổ biến trong quá trình xi măng hóa khí, cần kiểm soát chính xác để có kết quả nhất quán.

Độ ẩm trong môi trường thấm cacbon ảnh hưởng đến thế cacbon và có thể góp phần vào quá trình oxy hóa giữa các hạt. Các quy trình hiện đại thường duy trì điểm sương dưới -30°C để giảm thiểu những tác động này.

Tiếp xúc với môi trường trong thời gian dài sau khi xi măng hóa có thể ảnh hưởng đến các đặc tính bề mặt, trong đó giòn do hydro là mối quan tâm đặc biệt đối với các thành phần xi măng cường độ cao tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Phương pháp cải tiến

Thấm cacbon chân không loại bỏ quá trình oxy hóa giữa các hạt và cho phép kiểm soát chính xác tiềm năng cacbon, tạo ra các vi cấu trúc vỏ sạch hơn với hiệu suất chịu mỏi vượt trội. Quy trình này ngày càng được áp dụng cho các ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ hiệu suất cao.

Quá trình thấm cacbon plasma xung cung cấp quá trình xử lý nhanh với độ méo tối thiểu và tính đồng nhất tuyệt vời cho các hình dạng phức tạp. Quá trình này sử dụng các chu kỳ xả plasma xen kẽ để kiểm soát nhiệt độ bề mặt và truyền khối cacbon.

Có thể áp dụng phương pháp xử lý oxy hóa trước một cách chiến lược để che phủ những khu vực không cần xi măng hóa, cung cấp giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí cho mạ đồng hoặc sơn ngăn chặn để làm cứng bề mặt một cách chọn lọc.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Quá trình tôi cứng bề mặt bao gồm nhiều kỹ thuật làm cứng bề mặt khác nhau, bao gồm các quy trình xi măng hóa (thấm cacbon, thấm cacbon) cũng như thấm nitơ và làm cứng cảm ứng. Mặc dù tất cả đều tạo ra bề mặt cứng, nhưng cơ chế và độ sâu của chúng lại khác nhau đáng kể.

Lớp phủ khuếch tán đề cập đến các quá trình trong đó các thành phần kim loại (thay vì các thành phần xen kẽ) khuếch tán vào chất nền. Ví dụ bao gồm crom hóa, alumin hóa và boron hóa, tạo ra các hợp chất liên kim loại thay vì dung dịch rắn.

Độ sâu vỏ hiệu quả xác định khoảng cách vuông góc từ bề mặt đến nơi độ cứng bằng giá trị xác định (thường là 550 HV hoặc 50 HRC), trong khi độ sâu vỏ tổng thể mở rộng đến nơi không thể phát hiện ra sự khác biệt về thành phần hoặc cấu trúc vi mô so với lõi.

Tiêu chuẩn chính

SAE J1268 "Tiêu chuẩn phương tiện bề mặt - Thấm cacbon và làm cứng bánh răng" cung cấp hướng dẫn toàn diện về quy trình thấm cacbon được thiết kế riêng cho các ứng dụng bánh răng, bao gồm các thông số quy trình và yêu cầu kiểm soát chất lượng.

ISO 17694 "Kim loại cứng - Xác định độ xốp và cacbon không kết hợp bằng phương pháp kim loại học" đề cập đến các phương pháp thử nghiệm có liên quan đến cacbua xi măng, đại diện cho một ứng dụng khác của các nguyên tắc xi măng hóa trong luyện kim bột.

Các tiêu chuẩn quốc gia như DIN 17022 (Đức) và JIS G 0557 (Nhật Bản) cung cấp các biến thể theo khu vực về thông số kỹ thuật xi măng, trong đó tiêu chuẩn của Đức thường yêu cầu tài liệu quy trình nghiêm ngặt hơn và tiêu chuẩn của Nhật Bản nhấn mạnh vào các phương pháp đánh giá không phá hủy.

Xu hướng phát triển

Mô hình tính toán các quá trình khuếch tán sử dụng phân tích phần tử hữu hạn cho phép dự đoán các cấu hình trường hợp trong hình học phức tạp, giảm thời gian phát triển và tối ưu hóa các tham số quy trình. Các mô hình này ngày càng kết hợp các dự đoán về sự tiến hóa của cấu trúc vi mô.

Thấm cacbon áp suất thấp kết hợp với tôi khí áp suất cao là xu hướng công nghệ đang phát triển, mang lại lợi ích cho môi trường, giảm biến dạng và cải thiện khả năng kiểm soát quy trình so với thấm cacbon trong khí quyển thông thường.

Sự phát triển của công nghệ cảm biến tập trung vào việc theo dõi tại chỗ tiềm năng carbon và quá trình hình thành vỏ trong quá trình xử lý, có khả năng cho phép các hệ thống điều khiển vòng kín điều chỉnh các thông số quy trình theo thời gian thực để đạt được kết quả nhất quán bất chấp sự thay đổi về vật liệu.