Untitled SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No K5 2015 TRANG 28 Ma sát và mòn của màng cacbon giống kim cương phủ bằng phương pháp phún xạ với các thế điện khác nhau trên đế Bùi Xuân Lâm Trườ[.]
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 Ma sát mòn màng cacbon giống kim cương phủ phương pháp phún xạ với điện khác đế Bùi Xuân Lâm Trường Đại học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh (Bản nhận ngày 10 tháng năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 27 tháng năm 2015) TĨM TẮT Bài báo trình bày kết ma sát mòn màng cacbon giống kim cương phủ đĩa thép phương pháp phún xạ magnetron điện khác đế Mơ hình thử ma sát mơ hình “bi trượt đĩa” Sự graphit hóa màng (tạo nên lớp graphit bề mặt ma sát) trượt chế độ khơng bơi trơn giải thích hệ số ma sát thấp màng (0,09-0,15) Thế điện đế phủ màng đóng vai trị quan trọng việc hình thành cấu trúc tế vi màng, từ đó, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số ma sát tính chất chống mịn màng Kết nghiên cứu cho thấy tiềm lớn màng cacbon giống kim cương phủ lên chi tiết máy phương pháp phún xạ magnetron ứng dụng kỹ thuật Từ khóa: cacbon giống kim cương, ma sát, mòn, phún xạ magnetron GIỚI THIỆU: Thuật ngữ cacbon giống kim cương (diamond-like carbon) lần Sol Aisenberg sử dụng vào năm 1971 để mô tả màng cacbon cứng phủ dòng ion cacbon lượng thấp [1] Hiện tại, tên cacbon giống kim cương sử dụng rộng rãi cho màng cacbon cứng có tính chất học, quang học, điện học hóa học gần giống với kim cương tự nhiên Cacbon giống kim cương có cấu trúc vơ định hình xem “hỗn hợp” lai hóa sp2 (graphit) sp3 (kim cương) Cacbon giống kim cương chia TRANG 28 làm nhóm chính: có chứa hydro (a-C:H) khơng chứa hydro (a-C) Hàm lượng hydro a-C:H lên đến 69% nguyên tử Các a-C có hàm lượng hydro thấp 1% nguyên tử [2] So với a-C:H, a-C cứng phủ phương pháp vật lý phún xạ magnetron, bốc laser, phóng điện cathode chân không [3] Độ cứng a-C dao động khoảng 18- 70 GPa tùy theo phương pháp phủ Các phương pháp bốc laser phóng điện cathode chân khơng phủ màng a-C có độ cứng cao dễ dàng bị bong tróc ứng suất nội lớn (có thể lên đến 10 GPa) [4], vậy, gần khơng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 thể ứng dụng thực tế Trong báo này, chúng tơi trình bày tính chất ma sát mòn màng a-C phủ phương pháp phún xạ magnetron Dù có độ cứng vừa phải (16-35 GPa) tính bám dính tính chất ma sát màng tốt cho thấy tiềm ứng dụng lớn kỹ thuật THÍ NGHIỆM Màng cacbon giống kim cương không chứa hydro (a-C) phủ đĩa thép 440C (đường kính 55 mm, chiều dày 5,5 mm) Các đĩa đánh bóng đến độ nhám bề mặt Ra = 60 nm trước phủ Màng phủ hệ thống phún xạ magnetron E303A (Penta Vacuum) Chi tiết hệ thống chúng kim quét) thông qua phương pháp tạo bước mực đánh dấu Máy Dektak dùng để xác định profile đường mịn màng sau thí nghiệm ma sát Thí nghiệm ma sát thực máy thử ma sát CSEM với cấu hình bi trượt đĩa Hai loại bi sử dụng thí nghiệm có đường kính mm làm từ thép khơng gỉ 100Cr6 alumina (Al2O3) Sơ đồ thí nghiệm ma sát thể hình Tải Màng tơi mơ tả cơng trình trước [5] Âm cực graphite (99.99% tinh khiết) có đường kính 100 mm Mật độ lượng phún xạ giữ không đổi 10,5 W/cm2 Độ chân không thiết bị đảm bảo áp suất nhỏ đến 1,33 x 10-5 Pa Áp suất q trình phủ trì khơng đổi giá trị 0,4 Pa với lưu lượng khí Ar đưa vào buồng phủ 50 sccm Các điện (bias) khác với tần số radio (RF 13,6 MHz) đặt vào đế thép mẫu khác với giá trị từ -20 đến -140 V Trước tiến hành trình phủ, đĩa thép làm máy rung acetone 20 phút, sau ethanol 10 phút Sau đưa vào buồng phủ, đĩa thép làm plasma điện 300 V 30 phút để đảm bảo lớp oxit bề mặt thép Các màng a-C phủ đĩa thép có chiều dày khoảng 1,2 - 1,5 µm (thời gian phủ 90 phút) Độ cứng màng xác định thiết bị Nanoindenter XP với mũi kim cương Berkovich Chiều dày màng xác định máy xác định profile Dektak (sử dụng Đĩa Hình Sơ đồ thí nghiệm ma sát bi trượt đĩa Tốc độ trượt bi bề mặt màng 20 cm/s trì khơng đổi suốt q trình thử với khoảng cách trượt Km Nhiệt độ môi trường thử 22 oC độ ẩm 75 % Độ mòn màng xác định máy quét Dektak độ mịn bi xác định thơng qua đường kính vết mịn bi từ hình ảnh kính hiển vi sau thử ma sát KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Độ cứng màng phủ điện -20, -60, -100, -140 V 16, 22, 28 35 GPa Hình thể hệ số ma sát màng phủ điện khác trượt với bi alumina TRANG 29 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 tải 5N Trong giai đoạn trình ma sát (khoảng vài chục mét đầu tiên), hệ số ma sát có xu hướng giảm Điều giải phần sp (cấu trúc graphit) màng a-C Màng phủ điện thấp có tỷ lệ sp2 cao [6], có nhiều graphit tập trung vùng tiếp xúc màng bi Bên cạnh đó, sau thời gian ma sát, graphit hóa bắt đầu xảy [7], chất bôi trơn rắn (graphit) bắt đầu hình thành bù trừ dần ảnh hưởng độ nhám bề mặt bi màng, kết hệ số ma sát thấp quan sát Có thể thấy graphit hóa cacbon giống kim cương dẫn đến việc hình thành lớp trung gian giàu graphit bề mặt ma sát làm giảm đáng kể hệ số ma sát màng cabon giống kim cương chế độ trượt không bôi trơn điều kiện có độ ẩm khơng khí Trong cơng trình [8], chúng tơi trình bày chế hình thành thí nghiệm phổ Raman xác nhận tồn lớp màng graphit TRANG 30 -140 V -100 V He so ma sat 0.14 0.12 -60 V -20 V 0.10 0.08 0.06 Toc truot: 20 cm/s o Nhiet do: 22 C Do am: 75 % Loai bi: Alumina 0.04 0.02 0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Khoang cach truot (Km) Hình Hệ số ma sát a-C phủ điện khác trượt với bi Al2O3 0.20 0.18 0.16 He so ma sat thích lớp graphit mỏng tồn màng aC, mơi trường có độ ẩm, lớp grahit hấp thụ ẩm đóng vai trị chất bơi trơn Theo thời gian, nhiều lượng ẩm hấp thụ làm hệ số ma sát giảm dần Sau thời gian ngắn, lớp bôi trơn bị hệ số ma sát bắt đầu tăng khơng cịn lớp bôi trơn Màng phủ điện cao có hệ số ma sát thấp bề mặt màng nhẵn [5] Tuy nhiên, sau thời gian tiếp tục trình ma sát, màng phủ điện thấp thể hệ số ma sát thấp Hệ số ma sát màng phủ điện -20 -60 V vào khoảng 0,09-0,1 vào chế độ ổn định sau khoảng 0,6 Km trượt, đó, màng phủ điện 100 -140 V vào khoảng 0,14 cịn tiếp tục tăng Điều giải thích thành 0.16 -140 V 0.14 -60 V -20 V 0.12 0.10 Toc truot: 20 cm/s o Nhiet do: 22 C Do am: 75 % Vat lieu bi: Thep 100Cr6 0.08 0.06 0.04 0.02 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Khoang cach truot (Km) Hình Hệ số ma sát a-C phủ điện khác trượt với bi thép 100Cr6 Thí nghiệm ma sát màng a-C trượt với bi thép không gỉ 100Cr6 thể hình Xu hướng biến đổi hệ số ma sát gần giống màng trượt tương bi Al2O3: vài chục mét hệ số ma sát giảm, sau bắt đầu tăng sau quãng đường trượt định, hệ số ma sát đạt giá trị ổn định Hệ số ma sát màng phủ điện thấp thấp Trong trường hợp trượt với bi thép, hệ số ma sát màng cao so với trượt với bi Al2O3 Điều liên quan đến áp suất điểm tiếp xúc bề mặt màng bi TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 (a) (b) Hình a)Al2O3 - bên trái bi, bên phải màng, b) Thép – bên trái bi, bên phải màng Do mon (m /Nm) 30 25 20 Toc truot: 20 cm/s Tai: N Khoang cach: Km o Nhiet do: 22 C Do am: 75 % 28.7 Thep100Cr6 14.3 15 Alumina 10 4.5 8.8 KD 0.2 0.3 0.6 20 60 100 140 20 60 100 140 The dien tren de (V) [-] Hình Độ mòn bi Al2O3 bi thép trượt màng phủ điện khác (KD: không đo được) Do Al2O3 cứng thép (độ cứng 20 GPa so với GPa), vậy, với tải trọng quãng đường ma sát vết mịn bi alumina nhỏ dẫn đến áp suất chỗ tiếp xúc bi màng lớn từ hệ số ma sát nhỏ Một lý trượt với bi Al2O3 có hình thành lớp Al2O3 vùng tiếp xúc trượt với bi thép có hình thành lớp oxit sắt vùng tiếp xúc Ứng suất cắt oxit sắt lớn Al2O3 [9], đồng thời số lượng oxit sắt vùng tiếp xúc nhiều (do bi thép mòn nhiều hơn) dẫn đến hệ số ma sát màng trượt với bi thép cao trượt với bi Al2O3 Sau thí nghiệm ma sát, màng a-C khơng bị bong tróc phá hủy quan sát kính hiển vi Độ mịn màng bi đánh giá quan sát đường mòn màng vết mòn bi sau q trình ma sát Hình thể vết mịn bi đường mịn màng sau q trình thử ma sát màng a-C phủ điện -100 V Có thể nhận thấy vết mịn bi thép lớn nhiều so với vết mòn bi Al2O3 (chú TRANG 31 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 ý tỷ lệ hình chụp từ kính hiển vi) Định lượng độ mịn bi trượt màng phủ điện khác thể hình Bi trượt màng phủ điện cao bị mòn nhiều bi thép mòn nhiều bi Al2O3 từ 40 đến 50 lần Điều dễ dàng giải thích tính chống mài mịn thép nhiều so với Al2O3, đồng thời không khí ẩm, thép cịn bị ăn mịn q trình ma sát Với bi Al2O3 trượt màng a-C phủ điện -20 V, vết mịn gần khơng xác định độ mòn nhỏ Profile đường mòn màng phủ điện khác trượt với bi Al2O3 thể hình Có thể dễ dàng nhận thấy màng phủ điện cao bị mịn Với màng phủ điện – 140 V, gần bị “đánh bóng” khơng bị mịn Điều chứng tỏ tính chống mịn tốt màng Tính chống mịn tốt có từ độ cứng cao ( đến 35 GPa) Ngược lại, màng phủ điện -20 V bị mòn cách rõ rệt (chiều sâu đường mịn nhận thấy rõ) Màng a-C có độ cứng thấp Al2O3 (16 GPa so với 20 GPa) nên bị mòn nhiều -140 V -100 V 50 nm -60 V -20 V 25 nm - 60 V - 20 V m 50 100 150 200 250 300 350 400 Hình Profile đường mòn màng a-C phủ điện -20 -60 V sau thí nghiệm ma sát trượt với bi thép 100Cr6 Độ mòn màng a-C trượt với bi thép nhiều so với trượt với bi Al2O3 Sau trình thử ma sát (1 Km trượt tải N), độ sâu đường mòn màng phủ điện -100 -140 V gần không đo Màng xem bị “đánh bóng” khơng bị mịn Với màng phủ -20 -60 V, thấy độ mịn thơng qua chiều sâu đường mịn gần khơng đáng kể (hình 7) Những quan sát profile đường mịn màng có từ máy Dektak cho thấy mơi trường khơng khí ẩm, trượt tương vật liệu thép (môi trường hoạt động đặc trưng chi tiết máy kỹ thuật), màng cacbon giống kim cương không chứa hydro (aC) phủ điện cao có tính chống mịn tốt Tính chống mịn tốt cộng với hệ số ma sát thấp mở hướng ứng dụng kỹ thuật lớn cho màng a-C phủ phương pháp phún xạ magnetron KẾT LUẬN m 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Hình Profile đường mòn màng a-C phủ điện khác sau thí nghiệm ma sát trượt với bi Al2O3 TRANG 32 Bài báo trình bày phân tích giai đoạn thay đổi hệ số ma sát trình ma sát trượt màng cacbon giống kim cương với bi alumina bi thép theo mơ hình ma sát “bi trượt TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 đĩa” Thế điện âm phủ màng ảnh hưởng lớn đến tính tính chất ma sát màng Với hệ số ma sát chế độ không bôi trơn khoảng 0,09 đến 0,15, tính bám dính tốt, tính chống mịn cao, màng a-C phủ phương pháp phún xạ magnetron cho thấy tiềm lớn ứng dụng kỹ thuật Lời cảm ơn: Tác giả xin cảm ơn GS.TS Sam Zhang, Trường Kỹ thuật Cơ khí – Hàng khơng, ĐH cơng nghệ Nanyang, Singapore hỗ trợ việc sử dụng thiết bị phún xạ magnetron, thiết bị thử ma sát CSEM, nanoindenter XP thiết bị quét bề mặt Dektak để phục vụ cho nghiên cứu Friction and wear of diamond-like carbon thin films deposited via magnetron sputtering under different bias voltages Bui Xuan Lam HUTECH ABSTRACT This paper presents studies on the friction and wear of diamond-like carbon thin films deposited on steel substrates via magnetron sputtering The testing mode is observed The bias voltage plays an important role on the film’s microstructure thus the friction and wear of the films in tribotests The results showed great ball-on-disc The graphitization of diamondpotential for applications of diamond-like like carbon during the tribotest explains the carbon thin films in engineering low coefficients of friction (0,09-0,15) Key words: Diamond-like carbon, friction, wear, magnetron sputtering TRANG 33 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J C Angus, Diamond and diamond- like films and coatings, chương “Diamond-like hydrocarbon and carbon films”, trang 173, Plenum Press, New York, 1991 2003 [2] Y Lifshitz, Diamond-like carbon- present status, Diamond and Related Materials 8, trang1659-1676, Elsevier 1999 [6] S Zhang, X.T Zeng, H Xie, P Hing , A phenomenological approach for the ID/IG ratio and sp3 fraction of magnetron sputtered a–C films, Surface and Coatings Technology 123, trang 256-260, Elsevier 2000 [3] Y Catherine, Diamond and diamond like films and coatings, chương “Preparation techniques for diamond-like carbon”, trang 193, Plenum Press, New York, 1991 [7] C Donnet, M Belin, J.C Auge, J.M Martin, A Grill, V Patel, Tribochemistry of diamond-like carbon coatings in various environments, Surface and Coating [4] B.K Tay, P Zhang, On the properties of nanocomposite amorphous carbon films prepared by off-plane double bend filtered cathodic vacuum arc, Thin Solid Films 420-421, trang 177-184, Elsevier 2002 [5] S Zhang, X L Bui, Y Fu, Magnetron sputtered hard a-C coatings of very high toughness, Surface and Coatings Technology 167, trang 137-142, Elsevier TRANG 34 Technology 68-69, trang 626-631, Elsevier 1994 [8] Bùi Xuân Lâm, Diamond-like carbon coatings for tribological applications, Tạp chí Phát triển KH&CN 10, trang 100-108, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh [9] K Hormberg, A Matthews, Coatings tribology, Tribology series 28, Elsevier 1994 ... trình ma sát, màng phủ điện thấp thể hệ số ma sát thấp Hệ số ma sát màng phủ điện -20 -60 V vào khoảng 0,09-0,1 vào chế độ ổn định sau khoảng 0,6 Km trượt, đó, màng phủ điện 100 -140 V vào khoảng... đường mòn màng a-C phủ điện khác sau thí nghiệm ma sát trượt với bi Al2O3 TRANG 32 Bài báo trình bày phân tích giai đoạn thay đổi hệ số ma sát trình ma sát trượt màng cacbon giống kim cương với... chất ma sát mòn màng a-C phủ phương pháp phún xạ magnetron Dù có độ cứng vừa phải (16-35 GPa) tính bám dính tính chất ma sát màng tốt cho thấy tiềm ứng dụng lớn kỹ thuật THÍ NGHIỆM Màng cacbon giống