Tóm tắt luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của màng phủ nitrua trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng phương pháp phún xạ magnetron

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là Chế tạo và đặc trưng được tính chất của màng phủ cứng nitrua đơn lớp – đa nguyên tố (TiAlXN (X: Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) có độ cứng cao, hệ số ma sát thấp; tìm và khảo sát được ảnh hưởng của các thông số chính quyết định đến tính chất của các loại màng phủ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của màng phủ nitrua trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng phương pháp phún xạ magnetron

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------- LƯƠNG VĂN ĐƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA MÀNG PHỦ NITRUA TRÊN NỀN HỢP KIM CỨNG WC-Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Đoàn Đình Phương Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Phan Ngọc Minh Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: …. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong công nghiệp, sự mài mòn và ăn mòn là nguyên nhân gây mất mát năng lượng và tổn hao vật liệu, làm giảm hiệu suất làm việc và tuổi thọ cho các dụng cụ cắt gọt và các chi tiết máy. Theo thống kê ở các nước phát triển, khoảng 30 % năng lượng vận hành bị tổn hao đi do vấn đề ma sát. Với những nước có nền công nghiệp phát triển cao thì sự mất mát do ma sát và mài mòn chiếm từ 1-2 % tổng sản phẩm quốc gia. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo và phát triển các loại màng phủ có các đặc tính tốt như: độ cứng cao, hệ số ma sát thấp, chịu ăn mòn và bền nhiệt đang là vấn đề cấp thiết trong công nghiệp hiện đại [1]. Trải qua vài thập kỷ, nhiều loại màng phủ có các tính năng khác nhau đã được nghiên cứu chế tạo, từ những loại màng đơn lớp, đơn nguyên tố TiN [2-3], TiC [4-6], CrN [7-9] cho đến những loại màng đơn lớp đa nguyên tố TiAlN [10-11], TiAlSiN [12], TiAlBN [13]. Thêm vào đó, việc nghiên cứu chế tạo màng đa lớp TiN/CrN [14], TiAlN/CrN [15]… nhằm kết hợp các đặc tính tốt của mỗi màng đơn lớp cũng được nghiên cứu phát triển đồng thời. Để tạo ra các loại màng phủ này, các phương pháp như: lắng đọng pha hơi vật lý (PVD), lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) và phương pháp hóa lý… đã được sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp PVD được sử dụng phổ biến hơn cả vì đây là phương pháp cho hiệu suất cao, khả năng bám dính tốt, mật độ màng cao và có thể phủ lên các chi tiết có kích thước lớn. Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo màng phủ cứng nitrua đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu cả về công nghệ chế tạo lẫn ứng dụng trong một số cơ sở nghiên cứu như: 1
Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Trường đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, Viện nghiên cứu Cơ khí… Các nghiên cứu này tập trung nghiên cứu chế tạo màng đơn lớp đơn nguyên tố như: TiN, CrN…[16-17] hoặc màng đa lớp đơn nguyên tố như: TiN/TiCN [18], TiN/CrN [19]… Có thể thấy rằng, hầu hết các nghiên cứu ở Việt Nam mới chỉ tập trung nghiên cứu màng nitrua đơn nguyên tố (sử dụng các bia phún xạ có sẵn trên thị trường), chưa chế tạo được màng nitrua đa nguyên tố, do không thể tự chế tạo được bia phún xạ nhiều thành phần. Vì chỉ chế tạo màng nitrua đơn nguyên tố, nên phạm vi ứng dụng của các nghiên cứu này rất hạn chế. Từ năm 2013 đến nay, Viện Khoa học vật liệu kết hợp với Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (Korea Institute of Industrial Technology - KITECH) đã triển khai một số nghiên cứu chung về chế tạo các loại màng phủ nitrua đa nguyên tố trên nền hợp kim WC-Co. Trong đó bao gồm cả việc nghiên cứu chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố, làm cơ sở cho việc nghiên cứu màng nitrua đa nguyên tố. Dựa vào các vấn đề đã trình bày ở trên, với mong muốn tạo ra các loại màng phủ cứng nitrua có độ cứng cao và hệ số ma sát thấp cũng như mở rộng khả năng ứng dụng của các loại màng phủ này trong các ngành công nghiệp, đề tài của luận án được lựa chọn là: “Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của màng phủ nitrua trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng phương pháp phún xạ magnetron”. 2. Mục tiêu của luận án 2
- Chế tạo và đặc trưng được tính chất của màng phủ cứng nitrua đơn lớp – đa nguyên tố (TiAlXN (X: Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) có độ cứng cao, hệ số ma sát thấp. - Tìm và khảo sát được ảnh hưởng của các thông số chính quyết định đến tính chất của các loại màng phủ. 3. Nội dung của luận án - Tổng quan tình hình nghiên cứu màng phủ nitrua đơn lớp và đa lớp tại Việt Nam và trên thế giới. - Giới thiệu các phương pháp chế tạo màng và cơ chế hình thành và phát triển màng. - Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp TiAlXN (X: Si, B,V) bằng phương pháp phún xạ magnetron, trong đó: + Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cơ bản như công suất phún xạ, áp suất phún xạ, khoảng cách giữa bia và đế đến độ cứng của màng phủ + Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến đặc trưng tính chất của màng đơn lớp - Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đa lớp TiAlXN/CrN (X:Si, B) bằng phương pháp phún xạ magnetron và các đặc trưng tính chất của màng phủ đa lớp. Các kết quả chính của luận án đạt được - Đã chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tố TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ magnetron. - Đối với màng phủ cứng đơn lớp, đã khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến các tính chất của 3 loại màng TiAlXN sử dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V). Cụ thể, đã xác định được lưu 3
lượng dòng khí N2 tối ưu là 6 sccm đối với màng TiAlSiN và TiAlVN, đối với màng TiAlBN là 4sccm. - Đối với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN, đã khảo sát ảnh hưởng của chiều dày cặp màng và số cặp màng đến độ cứng của màng đa lớp. Cụ thể, màng phủ đa lớp TiAlSiN/CrN có độ cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 245 nm (màng TiAlSiN là 127 nm và màng CrN là 118 nm) và tổng số cặp màng là 6 cặp (12 lớp). Còn đối với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 232 nm và tổng số cặp màng là 7 (14 lớp). CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN - Trình bày các khái niệm và lịch sử phát triển màng phủ. - Tình hình nghiên cứu về màng phủ nitrua đơn lớp và đa lớp ở trên thế giới. - Giới thiệu cấu trúc của màng phủ TiN, AlN, TiAlN và CrN - Các phương pháp chế tạo màng được giới thiệu gồm: phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD). Trong luận án này, phương pháp PVD (cụ thể là phương pháp phún xạ magnetron) được sử dụng để chế tạo màng đơn lớp và đa lớp, đây cũng là phương pháp phổ biến thường được sử dụng trong công nghiệp sản xuất bởi vì đây là phương pháp đơn giản, dễ điều khiển, dễ tự động hóa. - Quá trình hình thành màng phủ bằng phương pháp phún xạ và các ứng dụng của màng phủ nitrua cũng như tình hình nghiên cứu tại Việt Nam. CHƯƠNG 2. CHUẨN BỊ MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp chế tạo màng nitrua 4
Qua tham khảo, phân tích các nghiên cứu đã công bố trên thế giới về thành phần màng phủ trên cơ sở hợp kim Ti-Al [31,34, 45- 47], kế thừa các kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KITECH) [31], trong luận án này, các loại màng phủ được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron với 2 hệ bia gồm: - 01 hệ bia có thành phần TiAl-X (X: V, B, Si) để chế tạo màng phủ đơn lớp, - 02 hệ bia, một có thành phần TiAl-X (X: V, B, Si) và bia còn lại là kim loại Cr > 99,9% để chế tạo màng phủ đa lớp. Thành phần hóa học của các loại bia này được trình bày tại bảng 2.1. Bảng 2.1. Thành phần hóa học của 2 hệ bia sử dụng. X (1 trong 3 nguyên Nguyên Ti Al Cr Kích thước tố: V, B, Si) tố (% khối lượng mol nguyên tử) Hệ 1 50 40 10 ɸ75 x 8 mm Hệ 2 100 ɸ75 x 8 mm 2.1.1. Chế tạo bia phún xạ Trong nghiên cứu này, bia phún xạ được chế tạo từ 3 nguyên tố kim loại (Ti, Al, X (Si, B, V)) bằng phương pháp luyện kim bột. Kích thước bia phún xạ sau khi chế tạo có kích thước ɸ75 x 8 mm. 2.1.2. Chế tạo màng phủ nitrua 2.1.2.1. Chuẩn bị bề mặt mẫu đế Mẫu hợp kim WC-Co được mài và đánh bóng, sau đó tiếp tục làm sạch tiếp bằng thiết bị rung siêu âm trong môi trường cồn hoặc aceton với thời gian 10 phút để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt của mẫu. 5
2.1.2.2. Chế tạo màng đơn lớp TiAlXN Mẫu hợp kim WC-Co và đế Si (100) sau khi xử lý bề mặt được đưa vào buồng chân không 1.5x10-3 Pa trong thiết bị phún xạ magnetron (hình 2.5). Để loại bỏ tiếp các tạp chất có trên bề mặt mẫu như bụi bẩn và màng ôxít, mẫu tiếp tục được làm sạch bằng cách bắn phá các ion Ar+ lên trên bề mặt của mẫu với thời gian 30 phút dưới áp suất 10 mtorr, sử dụng nguồn phóng điện xung một chiều với các thông số Us=600v, Is=0.02A, và f= 150KHz. Mẫu sau khi làm sạch sẽ tiến hành phún xạ tạo màng trong môi trường hỗn hợp khí Ar:N2. Để tăng khả năng bám dính giữa lớp màng và đế, trước khi phún xạ mẫu sẽ được phủ một lớp trung gian Cr hoặc Ti lên trên bề mặt của đế. Điều kiện chế tạo màng phủ cứng đơn lớp Các thông số của quá trình phún xạ tạo màng như sau: o Công suất phún xạ: 200-350W o Áp suất phún xạ: 2.5; 5; 7; 10 mtorr o Lưu lượng dòng khí N2: 2; 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlSiN, TiAlBN); 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlVN), lưu lượng dòng khí Ar: 36 sccm được giữ cố định trong suốt quá trình phún xạ o Khoảng cách giữa bia và mẫu WC-Co: 30-60 mm o Thời gian phún xạ: 30 phút o Nhiệt độ đế phún xạ: nhiệt độ phòng (25oC) o Thành phần bia phún xạ: Ti50Al40X10 Sau khi kết thúc quá trình phún xạ, mẫu được làm nguội trong buồng chân không với thời gian 15 phút. Sau đó lấy mẫu ra và đem đi phân tích các đặc trưng tính chất. 2.1.2.3. Chế tạo màng đa lớp TiAlX(Si,B)N/CrN 6
Kế thừa các thông số cơ bản đã được tối ưu trong nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp, màng phủ đa lớp được chế tạo với các thông số sau: - Công suất phún xạ: 300 W - Áp suất phún xạ: 5 mtorr - Khoảng cách giữa bia phún xạ và đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si): 50 mm - Lưu lượng khí làm việc Ar: 36 sccm, lưu lượng dòng khí N2: 6 sccm (TiAlSiN/CrN) và 4 sccm (TiAlBN/CrN) - Thời gian phún xạ: TiAlX(Si,B)N: 5-15 phút, CrN: 2-6 phút - Nhiệt độ đế phún xạ: tại nhiệt độ phòng (25 oC) CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐƠN LỚP TiAlXN (X: Si, B, V) 3.1. Tối ưu hóa các thông số cơ bản của quá trình phún xạ Các thông số cơ bản gồm công suất phún xạ, áp suất phún xạ và khoảng cách giữa bia và đế hợp kim WC-Co được xác định thông qua ảnh hưởng đến độ cứng của màng. Các thông số cơ bản được xác định như sau: o Công suất phún xạ: 300W o Áp suất phún xạ: 5 mtorr o Khoảng cách giữa bia và đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si): 50 mm 3.2. Chế tạo các màng đơn lớp TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN Trong công nghệ chế tạo màng phủ nitrua bằng phương pháp phún xạ, có hai loại khí được sử dụng gồm: (i) khí làm việc Ar; (ii) khí hoạt tính hay khí phản ứng N2. Trong đó, khí làm việc Ar để kích thích quá trình ion hóa các nguyên tử hay phân tử khí và hình thành vùng plasma, còn khí phản ứng N2 có tác dụng hình thành các hợp chất nitrua. Hợp chất nitrua này có thể được hình thành ngay trên bề 7
mặt bia nếu năng lượng bắn phá đủ lớn hoặc hình thành trong quá trình di chuyển của các nguyên tử bứt ra về phía đế, thậm chí có thể hình thành trên bề mặt đế ngay sau khi lắng đọng. Có thể thấy rằng, lưu lượng của khí N2 có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành màng phủ nitrua, cũng như đến các tính chất của màng. Đã có một số nguyên cứu chỉ ra ảnh hưởng của hàm lượng khí phản ứng N2 đến các tính chất của màng như độ cứng, hệ số ma sát, kích thước hạt tinh thể, thành phần pha [33,77-78, 80-81]. Như vậy, vai trò của khí N2 là rất quan trọng trong việc hình thành màng phủ nitrua. Nhận thức được tầm quan trọng của khí N2, trong phần tiếp theo, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến sự hình thành và tính chất của các màng phủ nitrua. 3.2.1. Màng TiAlSiN 3.2.1.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlSiN Tại lưu lượng khí 6 sccm, màng có cấu trúc tinh thể dạng lập phương tâm mặt (fcc) khá hoàn hảo (theo JCPDS chuẩn No: 38- 1420), với hai đỉnh nhiễu xạ của TiN theo mặt tinh thể (111) và (220). Đỉnh nhiễu xạ TiN (111) có cường độ mạnh nhất tại góc nhiễu xạ 36,6o. Tuy nhiên, khi lưu lượng khí N2 tăng lên trên 8 sccm, cường độ đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần trong khi cường độ nhiễu xạ TiN (200) tăng dần. Xu hướng này xảy ra đối với màng chế tạo tại lưu lượng khí N2 10 sccm. Ngoài ra, tại lưu lượng khí N2 10 sccm còn xuất hiện thêm đỉnh nhiễu xạ TiN (311). 8
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TiAlSiN tại các lưu lượng dòng khí N2 khác nhau. Màng có kích thước hạt mịn tại các lưu lượng khí N2 là 2, 4 và 6 sccm. Ngoài ra, trên ảnh SEM còn cho thấy bề mặt của màng xuất hiện các lỗ xốp tại các lưu lượng khí N2 2 sccm và 4 sccm. Điều này gợi ý rằng, tỉ trọng của màng phủ TiAlSiN chế tạo được là không cao tại các lưu lượng khí này. Thêm vào đó, dễ dàng quan sát thấy, kích thước hạt của màng tăng lên khi lưu lượng khí tăng từ 2 đến 10 sccm. Hình 3.2. Cấu trúc bề mặt của màng TiAlSiN và chiều dày của màng tại lưu lượng khí N2 khác nhau. Quan sát hình ảnh nhỏ (bên góc phải) mặt cắt ngang và chiều dày của màng có thể thấy tại lưu lượng khí N2 thấp, bề mặt cắt ngang 9
của màng mịn và không quan sát thấy đường kẻ sọc dạng cột so với các mẫu thu được tại lưu lượng khí N2 cao (8, 10 sccm). Có được điều này là do sự tăng kích thước hạt tinh thể của màng phủ chế tạo. Trong khi đó, chiều dày của màng chế tạo giảm từ 4,32 µm xuống 3,58 µm khi lưu lượng khí N2 được tăng từ 2 sccm đến 10 sccm. 3.2.1.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlSiN Hình 3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến độ cứng của màng. Kết quả cho thấy độ cứng tăng từ 24 GPa lên 33,5 GPa khi lưu lượng dòng khí N2 tăng từ 2 sccm lên 6 sccm. Nếu lưu lượng dòng khí N2 tiếp tục tăng lên 8 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng TiAlSiN có xu hướng giảm. Kết quả modul đàn hồi có xu hướng tương tự như giá trị độ cứng. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 sccm đến 6 sccm, modul đàn hồi tăng từ 267 GPa lên 346 GPa. Modul đàn hồi của màng TiAlSiN giảm xuống khi lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng. 10
3.2.1.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn của màng TiAlSiN a) Điều kiện ma sát khô Hình 3.4. Hệ số ma sát của màng tại các lưu lượng khí N2 khác nhau. Tại lưu lượng khí N2 2 sccm có thể thấy được sự ổn định trong suốt quá trình trượt với giá trị hệ số ma sát trung bình ~ 0,74. Hệ số ma sát trung bình tăng lên 0,78 và 0,795 tại các lưu lượng khí N2 lần lượt là 4 sccm và 6 sccm, khi lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng lên, hệ số ma sát của màng tăng theo, đồng thời sự mất ổn định trong quá trình trượt cũng tăng, điều này được chỉ ra ở sự tăng giảm không ổn định đối với các mẫu được phún xạ tại lưu lượng khí N2 8 sccm và 10 sccm. b) Điều kiện ma sát ướt (trong dầu) Hệ số ma sát trung bình của màng tại các lưu lượng khí N2 thấp tại 2, 4, 6 sccm nằm trong khoảng từ 0,08 – 0,1 và tăng lên > 0,1 tại lưu lượng khí N2 8 sccm và 10 sccm. Cụ thể, hệ số ma sát thấp nhất thu được tại lưu lượng khí N2 tại 2 sccm và cao nhất thu được tại lưu lượng khí N2 tại 10 sccm. 11
3.2.1.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng TiAlSiN Trong nghiên cứu này, độ bền bám dính được đánh giá thông qua lực tì của đầu mũi rạch. Giá trị lực tì này được tăng dần đều và khi đạt đến một giá trị lực nhất định làm cho màng phủ bắt đầu xuất hiện bong tróc khỏi bề mặt đế gọi là lực tới hạn. Khi tăng lưu lượng khí từ 2 sccm đến 6 sccm, giá trị lực tới hạn tăng từ 18,3 N lên 23,9 N. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí N2 lên, giá trị lực tới hạn giảm xuống. Hay nói cách khác, độ bền bám dính giữa màng và đế hợp kim sẽ giảm xuống. Chi tiết kết quả độ bền bám dính được thể hiện trong bảng dưới đây: Bảng 3.2. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung gian. Lớp trung 2ccm 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm gian Cr Lực tới 18,3 20,7 23,9 19,9 17,6 36,5 hạn (N) 3.2.2. Màng TiAlBN 3.2.2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlBN Với mẫu phún xạ tại lưu lượng khí N2 4 sccm chỉ ra ba đỉnh nhiễu xạ của TiN tại vị trí 36.6o, 61.8o và 77.9o, tương ứng với các mặt tinh thể lần lượt là (111), (220) và (222). Theo JCPDS chuẩn No: 38-1420, TiN với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) . Ngoài ra, giản đồ nhiễu xạ còn cho biết cường độ và vị trí các đỉnh nhiễu xạ thay đổi theo lưu lượng khí N2. Tại lưu lượng khí N2 4 sccm, cường độ đỉnh nhiễu xạ theo mặt (111) là mạnh nhất. Nếu tiếp tục tăng lưu 12
lượng khí N2 lên, đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần và cường độ đỉnh nhiễu xạ thấp nhất tại lưu lượng khí N2 10 sccm. 3.2.2.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlBN Có thể thấy rằng độ cứng nhỏ nhất thu được tại lưu lượng dòng khí N2 2 sccm. Khi lưu lượng dòng khí N2 tăng, độ cứng của màng TiAlBN tăng và đạt giá trị cực đại (~ 41 GPa) tại lưu lượng dòng khí N2 là 4 sccm. Nếu lưu lượng dòng khí N2 tiếp tục được tăng lên 6 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng có xu hướng giảm dần. Kết quả modul đàn hồi có xu hướng tương tự như giá trị độ cứng. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 sccm đến 4 sccm, modul đàn hồi tăng từ 207 GPa lên 396 GPa. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2, modul đàn hồi của màng TiAlBN giảm xuống. 3.2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn của màng TiAlBN a) Điều kiện ma sát khô Kết quả cho thấy hệ số ma sát của màng tăng khi lưu lượng khí N2 tăng. Tại lưu lượng khí N2 thấp (2 - 6 sccm), hệ số ma sát của màng tương đối ổn định trong suốt quãng đường trượt. Tuy nhiên, với lưu lượng khí N2 cao thì hệ số ma sát của màng tăng giảm liên tục. Kết quả trên hình nhỏ còn chỉ ra hệ số ma sát của màng tăng từ 0,46 đến 0,69 khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 đến 10 sccm. b) Điều kiện ma sát ướt (trong dầu) Kết quả cho thấy hệ số ma sát tăng cùng với sự tăng của lưu lượng khí N2. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 đến 4 sccm, hệ số ma sát ướt của màng tăng tương ứng từ 0,053 lên 0,054. Nếu lưu lượng khí tiếp tục tăng lên 6 sccm đến 10 sccm, hệ số ma sát ướt của màng tăng từ 0,98 đến 0,135. 13
3.2.2.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng TiAlBN Kết quả cho thấy độ bền bám dính tốt nhất tại lưu lượng khí N2 trong khoảng 4 - 6 sccm tương ứng với tải tới hạn từ 19,1 N – 20,3 N. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên, tải tới hạn có xu hướng giảm xuống. Ngoài ra, khi sử dụng lớp trung gian Cr độ bền bám dính của màng tăng lên gấp 2 lần so với không sử dụng lớp trung gian. Bảng 3.5. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung gian. Lớp trung 2ccm 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm gian Cr Lực tới 17,8 19,1 20,3 15,6 16 42,4 hạn (N) 3.2.3. Màng TiAlVN 3.2.3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlVN Chỉ có duy nhất một đỉnh nhiễu xạ có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) TiN (220) hoặc TiAlVN khi lưu lượng khí N2 đưa vào là 4 sccm. Khi lưu lượng khí tăng lên 6 sccm, xuất hiện 3 đỉnh nhiễu xạ có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) - TiN (111), (200) và (220). Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên 8 sccm và 10 sccm, màng thu được có cấu trúc hai pha gồm: lục giác xếp chặt (hcp) - AlN và lập phương tâm mặt (fcc) - TiN. Hay nói cách khác, màng thu được có cấu trúc đơn pha tại lưu lượng khí N2 thấp (4, 6 sccm) và màng thu được có cấu trúc 2 pha fcc + hcp tại lưu lượng khí N2 cao (8,10 sccm). 3.2.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlVN 14
Độ cứng của màng tăng từ 30,6 GPa lên 36,5 GPa khi lưu lượng khí N2 tăng từ 4 sccm lên 6 sccm. Nếu lưu lượng khí N2 tiếp tục được tăng lên 8 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng có xu hướng giảm xuống. 3.2.3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn của màng TiAlVN a) Điều kiện ma sát khô Trạng thái ban đầu, hầu hết hệ số ma sát của các màng phủ tăng nhanh, sau đó nó có xu hướng giảm dần ngoại trừ màng phủ được phún xạ tại lưu lượng khí N2 là 12 sccm. Ngoài ra, kết quả còn cho thấy màng phủ phún xạ tại 4 sccm có hệ số ma sát thấp nhất (~0,52). Khi tăng lưu lượng khí N2 từ 6 sccm đến 8 sccm, hệ số ma sát trung bình của các màng phủ tăng từ 0,58 lên 0,73 và giá trị hệ số ma sát cao nhất (~0,89) tại lưu lượng khí N2 là 10 sccm. b) Điều kiện ma sát ướt Kết quả cho thấy hệ số ma sát trong điều kiện dầu tăng từ 0,094 lên 0,143 khi lưu lượng N2 tăng từ 4 sccm lên 10 sccm. So sánh với điều kiện ma sát khô, hệ số ma sát trong điều kiện có dầu bôi trơn giảm từ 5-6 lần. c) Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hệ số ma sát của màng Khi mẫu được nung tại nhiệt độ 500oC, hệ số ma sát của màng tăng. Kết quả này có thể là do sự hình thành các ôxít nhôm trên bề mặt của mẫu hoặc do sự thô hóa kích thước hạt của màng, trong khi đó các pha Magnéli chưa được hình thành ở nhiệt độ này. Khi tăng nhiệt độ nung lên 600oC và 700oC, hệ số ma sát của màng giảm xuống lần lượt là 0,45 và 0,38. 3.2.3.4. Ảnh hưởng đến độ bền bám dính của màng TiAlVN 15
Kết quả cho thấy độ bền bám dính của màng TiAlVN được phún xạ tại lưu lượng khí N2 6 sccm có giá trị lực tới hạn cao nhất 24,4 N. Giá trị lực tới hạn thấp nhất tại lưu lượng khí 10 sccm là 18,3 N. Khi sử dụng lớp trung gian Cr hoặc Ti, độ bền bám dính của màng tăng từ 1,5-2 lần. Bảng 3.8. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử dụng lớp trung gian Cr, Ti. Lớp Lớp 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm trung trung gian Cr gian Ti Lực tới 22,1 24,4 19,9 18,3 41 47,2 hạn (N) 3.2.4. So sánh cơ tính của các màng chế tạo TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN Bảng 3.9. Kết quả cơ tính của ba màng TiAlSiN, TiAlBN & TiAlVN Độ bền bám Hệ số ma sát Modul dính Độ Sử đàn Không cứng Ma dụng hồi có lớp (GPa) Ma sát khô sát lớp (GPa) trung ướt trung gian gian 36,5 TiAlSiN 33,5 346 0,795 0,105 23,4 (Cr) 42,4 TiAlBN 41 396 0,52 0,075 19,1 (Cr) 0,58 (chưa nung); 41 (Ti); 0,45 tại TiAlVN 36,5 372 0,112 24,4 47,2 600oC) và (Cr) 0,38 tại 700oC 16
CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐA LỚP TiAl- X(Si,B)N/CrN Màng phủ cứng đa lớp TiAl-X(Si,B)N/CrN trên đế Si và đế hợp kim WC-Co được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron một chiều sử dụng hai bia phún xạ Ti50Al40X10 (X: Si,B) và bia Cr. Thông số cơ bản của quá trình phún xạ bao gồm: công suất phún xạ (300W), áp suất phún xạ (5 mtor), khoảng cách giữa đế và bia phún xạ (50 mm) và lưu lượng khí Ar được giữ tại 36 sccm. Trong khi đó lưu lượng khí N2 là 6 sccm với màng đa lớp TiAlSiN/CrN và 4 sccm với màng TiAlBN/CrN. Thời gian phún xạ được thay đổi để khảo sát chiều dày của các màng đơn như sau: TiAlSiN, TiAlBN: 10-15 phút và CrN: 1-3 phút. 4.1. Màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.1. Cấu trúc của màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.1.1. Cấu trúc pha Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng đa lớp TiAlSiN/CrN (a); màng đơn lớp CrN (b); màng đơn lớp TiAlSiN (c). Kết quả nhiễu xạ của màng đa lớp TiAlSiN/CrN (hình 4.1c) cho thấy sự xuất hiện các đỉnh phổ của màng đa lớp là sự kết hợp của các màng đơn lớp TiAlSiN và CrN. Tuy nhiên, vị trí của các đỉnh nhiễu 17
xạ bị xê dịch so với các đỉnh nhiễu xạ của TiN và CrN. Nguyên nhân là do sự thay thế nguyên tử Cr vào vị trí của nguyên tử Ti với bán kính nguyên tử khác nhau gây ra sự sai lệch thông số mạng. 4.1.1.2. Cấu trúc tế vi Hình 4.2. Hình thái học bề mặt và mặt cắt ngang của màng đa lớp TiAlSiN/CrN :(a,d)- 2 lớp; (b-e)- 4 lớp; (c-f): 12 lớp. Khi chiều dày của cặp lớp màng TiAlSiN-CrN giảm xuống, kích thước hạt bề mặt tăng lên và ngược lại khi chiều dày của cặp lớp màng tăng thì bề mặt của màng đa lớp TiAlSiN/CrN giảm xuống. 4.1.2. Độ cứng và modul đàn hồi của màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.2.1. Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng Kết quả độ cứng của màng đa lớp nằm trong khoảng từ 21 GPa đến 31,2 GPa. Giá trị độ cứng cực đại được xác định tại giá trị chiều dày 245 nm (trong đó TiAlSiN-127 nm & CrN-118 nm). Khi tăng chiều dày của cặp lớp màng lên, độ cứng của màng có xu hướng giảm. 4.1.2.2. Ảnh hưởng của số lớp màng 18