Nguyên lý
Thấm cacbon hoạt động dựa trên cơ chế khuếch tán nguyên tử: ở nhiệt độ austenite hóa, cacbon từ môi trường thấm hòa tan vào mạng tinh thể sắt rồi di chuyển từ vùng nồng độ cao ở bề mặt vào sâu bên trong. Chiều sâu lớp thấm phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt — nhiệt độ càng cao, nguyên tử khuếch tán nhanh hơn; thời gian càng dài, lớp thấm càng dày. Sau khi thấm, chi tiết được tôi nhanh để chuyển bề mặt giàu cacbon thành martensite cứng, trong khi lõi ít cacbon vẫn giữ cấu trúc dẻo dai. Đây chính là ưu điểm cốt lõi so với tôi thể tích: đạt được tổ hợp bề mặt cứng chịu mài mòn — lõi bền chịu va đập trên cùng một chi tiết.
Phân loại
Có ba phương pháp thấm cacbon chính, mỗi phương pháp phù hợp với điều kiện sản xuất khác nhau:
- Thấm thể khí (gas carburizing): sử dụng hỗn hợp khí chứa cacbon tuần hoàn trong lò kín. Dễ kiểm soát nồng độ, phù hợp sản xuất loạt lớn, phổ biến nhất trong công nghiệp hiện đại.
- Thấm thể lỏng (liquid/salt bath carburizing): nhúng chi tiết vào bể muối nóng chảy. Nâng nhiệt nhanh, đồng đều, nhưng xử lý chất thải muối độc hại đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt.
- Thấm thể rắn (pack carburizing): chôn chi tiết trong hỗn hợp than hoạt tính và chất xúc tác trong hộp kín. Thiết bị đơn giản, phù hợp sửa chữa đơn chiếc hoặc cơ sở nhỏ, nhưng khó kiểm soát chiều sâu đồng đều.
Ngoài ra, thấm cacbon chân không (vacuum carburizing) ngày càng được áp dụng cho chi tiết có yêu cầu chất lượng bề mặt cao, hạn chế oxy hóa và biến dạng.
Lưu ý khi lựa chọn và sử dụng
Thấm cacbon phù hợp nhất với thép có hàm lượng cacbon thấp; vật liệu ban đầu có độ hạt austenite mịn giúp lớp thấm đồng đều và hạn chế biến dạng khi tôi. Với bánh răng chịu tải trọng biến đổi, cần kiểm soát chiều sâu lớp thấm cân xứng với module răng để tránh lớp cứng quá mỏng gây bong tróc hoặc quá dày làm giòn chân răng.
Biến dạng nhiệt là điểm cần lưu ý thực tế: chi tiết dài hoặc thành mỏng dễ cong vênh trong quá trình tôi sau thấm. Bố trí gá lắp và lựa chọn môi trường tôi hợp lý giúp giảm thiểu vấn đề này mà không phải mài sửa lại nhiều sau nhiệt luyện. Sau tôi, thường ram thấp để giảm ứng suất dư trong lớp martensite mà không đánh mất đáng kể độ cứng bề mặt.