JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 136-140 Ảnh hưởng chắn hạt macro đến hình thái lớp phủ CrN phương pháp bốc bay hồ quang ca-tôt The Effect of Macro-Particle Blocking Plate on the Morphology of Coated CrN Film by Arc Cathodic Evaporation Method Trịnh Văn Trung Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Email: trung.trinhvan@hust.edu.vn Tóm tắt Các hạt macro thường ảnh hưởng khơng tốt đến tính chất lớp phủ chế tạo phương pháp bốc bay hồ quang ca-tôt Để hạn chế hạt hình thành lớp phủ dùng chắn để lọc chặn bớt chúng Các chắn hình đĩa có đường kính Df khác ảnh hưởng đến số lượng hạt macro tốc độ phủ màng Cấu trúc, hình thái hạt macro màng phủ khảo sát thiết bị hiển vi quang học, hiển vi quang học soi nổi, hiển vi điện tử, phổ tán sắc lượng EDS nhiễu xạ XRD Kết khảo sát cho thấy việc sử dụng chắn với kích thước lớn giúp làm giảm mật độ hạt macro làm suy giảm chiều dày màng phủ tốc độ phủ lớp màng CrN Từ khóa: Bốc bay hồ quang ca-tôt, CrN, hạt macro, chắn, SUS420 Abstract Macro-particles often have a negatively affect on the properties of the coatings fabricated by arc cathodic evaporation To prevent these macro-particles forming on the coating, a blocking plate can be used to filter out them Disc-shaped blocking plates with different diameters of Df influence the number of macro-particles and the deposition rate of the coating film The structure and morphology of macro-particles and coatings were investigated by optical microscope, stereoscopic optical microscope, electron microscope, energy dispersive spectrum (EDS), and XRD spectrum The results show that the use of a larger diameter of the blocking plate reduces the density of macro-particles but also reduces the thickness of the coating as well as deposition rate of CrN film Keywords: Arc cathodic evaporation, CrN, macro-particle, blocking plate, SUS420 Giới thiệu * phủ Các hạt thường có kích thước lớn dễ bong tróc làm ảnh hưởng xấu đến đặc tính bề mặt lớp phủ độ cứng, tính bám dính khả chống ăn mịn lớp phủ [5] Một số nghiên cứu sử dụng thiết bị phủ có chế lọc từ trường để hạn chế hạt macro tạo thành lớp phủ nhiên thường thiết bị có giá thành cao [6-7] Thép không gỉ họ martensite SUS420 thường sử dụng làm số dụng cụ dao, kéo, khn ép nhựa, nhờ đặc tính có tính chống ăn mịn tương đối tốt có khả hóa bền nhiệt luyện Một số nghiên cứu áp dụng thêm lớp phủ nitơrit nhằm nâng cao đặc tính bề mặt khả bảo vệ tuổi thọ cho chi tiết làm từ thép không gỉ loại [1-4] Một phương pháp thông dụng sử dụng phương pháp hồ quang catơt để tạo mơi trường plasma có nhiệt độ cao làm hóa bia vật liệu kim loại Cr, Ti Zr ion hóa kim loại khí phản ứng đưa vào nitơ để tạo màng phủ hệ nitơrit có độ cứng cao cho bề mặt phủ bảo vệ [1] Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp hồ quang tạo nhiệt độ cao nên làm bốc bay “cụm” vật liệu kim loại bề mặt bia cụm thường có kích thước lớn bốc bay đến bề mặt cần phủ để tạo hạt lớn gọi hạt macro micro-droplet lớp Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng chắn đặt “đường đi” vật liệu bốc bay từ bề mặt bia vật liệu phủ đến bề mặt mẫu hay chi tiết cần phủ thiết bị bốc bay hồ quang ca-tôt truyền thống có giá thành rẻ khơng có chế lọc từ tính thiết bị cao cấp khác Việc thay đổi kích thước chắn lọc (với tỷ lệ đường kính chắn so với đường kính bia Cr Df/Dt khác nhau) làm ảnh hưởng đến mật độ tốc độ tạo màng phủ nói chung phương pháp nên khảo sát nghiên cứu Thực nghiệm Thép martensite SUS420 có thành phần hóa học bảng gia cơng cắt thành mẫu kích thước ∅20x10 mm Sau nhiệt luyện: ủ với nhiệt độ 880 oC giữ nhiệt giờ, nhiệt độ 1030 oC lò chân không ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.149.etsd.2021.1.2.23 Received: March 05, 2020; accepted: March 12, 2021 136 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 136-140 làm nguội khí động (khí nitơ), cuối ram 550 oC Độ cứng sau nhiệt luyện theo quy trình đạt trung bình khoảng 46 HRC thích hợp với số ứng dụng khn mẫu ngành ép nhựa Các mẫu sau phủ đem phân tích XRD thiết bị X pert PRO, chụp ảnh FE-SEM hình thái lớp phủ với hạt macro vi phân tích EDS thành phần hóa học thiết bị JSM-7001FA, chụp ảnh phân tích độ nhám bề mặt thiết bị kính hiển vi quang học kỹ thuật số (kính hiển vi soi nổi) Keyence VHX – 6000 Bảng Thành phần hóa học thép SUS420 Nguyên tố C Si Cr Mo Ni Mn N P S % khối lượng 0,36 0,46 12,84 0,28 0,17 0,78 0,17 0,02 0,01 Các mẫu sau nhiệt luyện đem mài giấy ráp từ thô tới mịn (#100, #240, #600, #800, #1000 #1500), sau đánh bóng máy đánh bóng học dạng đĩa có tốc độ quay tối đa 600 vòng/phút sử dụng dung dịch mài Al2O3 Các mẫu sau đánh bóng làm nước máy rung siêu âm với acetone sấy khơ khí Ar Mẫu sau đem phủ CrN thiết bị phủ PVD hệ hồ quang ca-tôt (Dreva Arc 400, Đức) Khi hoạt động hệ thống tạo mơi trường plasma có nhiệt độ cao làm bốc bay, hóa ion hóa bia vật liệu kim loại ion hóa khí phản ứng nitơ đưa vào buồng bốc bay Đồng thời tạo các cụm vật liệu lớn gọi hạt macro Các ion kim loại ion nitơ kết hợp hay lắng đọng lên bề mặt mẫu đặt buồng bốc bay để tạo thành lớp phủ Nếu khơng có chế ngăn chặn hạt macro bay tới bề mặt mẫu cần phủ ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Hình Sơ đồ bố trí chắn bia mẫu Bảng Các thông số q trình làm bề mặt phủ CrN lên bề mặt mẫu Quá trình làm Tên thơng số Giá trị Lưu lượng khí Ar 60 sccm Dòng hollow cathode 120 A Thiên áp (BIAS) -22 V Thời gian gia nhiệt Sơ đồ bố trí chắn mơ tả hình Tấm chắn thép C45, dạng đĩa, dày mm, có đường kính Df bố trí đặt “đường đi” vật liệu bốc bay từ bề mặt bia vật liệu phủ crom (Cr) bề mặt mẫu thép SUS420 buồng phản ứng thiết bị bốc bay hồ quang ca-tơt Các hạt macro thường trung hịa điện có khối lượng lớn nên quỹ đạo chuyển động sau thoát từ bề mặt bia vật liệu thường thẳng nên bị chặn lại chắn khơng đến được bề mặt mẫu phủ tùy thuộc vào tương quan tỷ lệ đường kính chắn Df so với đường kính bia Db Ngược lại, ion crom mang điện tích dương “chạy vòng” qua chắn tác dụng điện trường gây thiên áp Ubias = - 30 V để đến bề mặt mẫu phủ Giá trị âm thiên áp đế thể đế mẫu vật liệu SUS420 phân cực với điện âm (a-nôt) so với bia vật liệu Cr phân cực dương (ca-tôt) Trong nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng việc sử dụng chắn có đường kính khác với giá trị Df /Db = 0, 50, 70 100% 15 phút Quá trình phủ Loại bia sử dụng Cr (99,95%) Thời gian gia nhiệt 15 phút Nhiệt độ buồng phủ 300 oC Thời gian phủ 30 phút Thiên áp (BIAS) -30 V Lưu lượng khí N2 350 sccm Lưu lượng khí Ar 10 sccm Dòng nguồn hồ quang 80 A Kết thảo luận Hình thể ảnh FE-SEM chụp bề mặt mặt cắt ngang mẫu phủ không sử dụng chắn (Df /Db = 0%) cho thấy tạo lớp phủ có chiều dày khoảng 0,75 µm, nhiên bề mặt mẫu có nhiều hạt macro có kích thước lớn (lên tới ~ µm) Các hạt thường có độ cứng thấp bong tróc dễ dàng, để lại vết rỗ làm ảnh hưởng xấu đến độ cứng, độ bám dính khả bảo vệ màng Quá trình phủ trải qua bước gồm làm bề mặt mẫu chế độ hollow cathode máy sau phủ CrN với thơng số thể bảng 137 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 136-140 (a) (b) Hình Ảnh hiển vi FE-SEM (a) bề mặt (b) mặt cắt ngang lớp phủ CrN tạo thành thép SUS420 khơng dùng chắn Kết vi phân tích thành phần hóa học trung bình tồn vùng bề mặt tương ứng hình 2.a EDS hình mẫu không sử dụng chắn cho thấy tỷ phần phần trăm nguyên tử Crom Nitơ xấp xỉ chứng tỏ pha nitơrit tạo thành bề mặt mẫu chủ yếu CrN phù hợp với kết phân tích XRD hình Ngồi ra, cịn có lượng nhỏ ngun tố Fe, Mn Si lớp phủ mỏng nên tín hiệu nhận phần nhỏ bị ảnh hưởng thép SUS420 Element Cr N Fe Mn Si hạt macro (các hạt tối màu ảnh) có kích thước trung bình tương đối lớn mật độ dày Điều cho thấy hạt macro có số lượng lớn với kích thước hạt thơ to trải bề mặt mẫu Chế độ Df /Db = 50%, số lượng chấm đen giảm xuống, điều cho thấy hiệu làm giảm số lượng hạt macro việc sử dụng chắn so với chế độ không sử dụng chắn Tuy nhiên hiệu chưa thực lớn quan sát chấm đen nhiều Điều cho thấy hạt macro cịn thơ to hình thành bề mặt mẫu Chế độ Df /Db = 70%, có số lượng hạt macro giảm xuống nhiều Gần có kết tốt chế độ thực nghiệm Bề mặt mẫu đồng đều, chấm đen hạt macro Khi tỷ số Df /Db = 100%, quan sát nhiều chấm đen nhỏ Bề mặt thấy nhiều vết xước thép chứng tỏ lớp phủ mỏng màng phủ không liên tục dạng “đảo” nhỏ trông giống hạt macro màu đen chất cụm vật liệu phủ Điều thể rõ ảnh hiển vi quang học Keyence (trong chế độ mô ảnh SEM) hình a.t % 52,60 46,15 0,83 0,33 0,08 Hình Kết phân tích phổ tán sắc lượng EDS bề mặt lớp phủ CrN không dùng chắn Hình thể kết phân tích XRD mẫu phủ chế độ dùng chắn có đường kính khác cho thấy mẫu phủ có đỉnh nhiễu xạ ứng với pha CrN Tuy nhiên cường độ đỉnh nhiễu xạ giảm dần mẫu phủ với đường kính chắn tăng Điều chứng tỏ tăng đường kính chắn (tăng tỷ lệ Df /Db) màng mỏng hay tốc độ phủ màng CrN giảm Hình thể ảnh hiển vi quang học soi Keyence chụp chế độ mơ ảnh SEM quan sát thấy nhiều vết xước nhỏ bề mặt mẫu thép trước phủ, điều có nghĩa mẫu chế độ Df /Db = 100% gần không phủ lớp phủ mỏng cho thấy tốc độ phủ giảm nhiều kích thước chắn tăng lên với tỉ lệ đường kính Df :Db = 1:1 Như thấy việc sử dụng chắn có kích thước lớn làm giảm đáng kể số lượng mật độ hạt macro làm giảm nhiều tốc độ phủ phương pháp Hình ảnh chụp hiển vi Keyence bề mặt mẫu cho thấy có thay đổi mật độ hạt macro chế độ Df /Db = 0, 50, 70 100% Ở chế độ Df /Db = 0% (không sử dụng chắn), 138 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 136-140 Hình Phổ nhiễu xạ tia X mẫu phủ chế độ Df /Db = (a) 0%; (b) 50%; (c) 70% (d) 100% Hình Ảnh chụp bề mặt kính hiển vi quang học soi Keyence (x1000) mẫu phủ chế độ Df /Db = (a) 0%; (b) 50%; (c) 70% (d) 100% 139 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 136-140 Tài liệu tham khảo [1] H Olia, R Ebrahimi-Kahrizsangi, F Ashrafizadeh, and I Ebrahimzadeh, The corrosion study of TiN, TiAlN and CrN multilayer coatings deposit on martensitic stainless steel by arc cathodic physical vapour deposition, vol 6, 046425, Mater Res Express, 2019 http://doi/org/10.1088/2053-1591/aaff11 [2] H Olia, R Ebrahimi-Kahrizsangi, F Ashrafizadeh and I Ebrahimzadeh, Comparative study of corrosion and corrosionwear behavior of TiN and CrN coatings on UNS S17400 stainless steel, vol 36, pp 403-412, Corros Rev., 2018, http://doi/org/10.1515/corrrev-2017-0130 [3] L D’Avico, R Beltrami, N Lecis and S P Trasatti, Corrosion behavior and surface properties of PVD coatings for mold technology applications, vol 9, 046425, Coating, 2019, http://doi/org/10.3390/coatings9010007 Hình Ảnh chụp hiển vi quang học soi Keyence (x1000) mô chế độ chụp SEM mẫu phủ chế độ Df /Db = 100% Kết luận [4] J A Araujo, R M Souza, N B de Lima, and A P Tschiptschin, Thick CrN/NbN multilayer coating deposited by cathodic arc technique, vol 20, pp 200209, Mater Res., 2017, https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2016-0293 Việc sử dụng chắn giúp lọc bớt hạt macro trình phủ màng CrN phương pháp hồ quang catốt Kích thước lọc lớn hạt macro nhiên chiều dày lớp phủ (tốc độ phủ màng) giảm Đường kính chắn có giá trị khoảng 70% so với đường kính bia vật liệu phủ cho hiệu chắn lọc hạt macro tốt chế độ khảo sát nghiên cứu [5] Daniela Dumitriu LaGrange, Thomas LaGrange, Antonio Santana, Raiko Jähnig, Ayat Karimi, Macroparticles formation in cathodic arc deposition of nitride coatings from TiNb alloy cathodes, vol 35, 021309, J Vac Sci Technol., A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2017, http://doi/org/10.1116/1.4975638 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) đề tài mã số T2018PC-088 [6] P D Swift, Macroparticles in films deposited by steered cathodic arc, vol 29, pp 2025–2031, J Phys D: Appl Phys., 1996, http://doi/org/10.1088/0022-3727/29/7/041 Các phân tích FE-SEM hỗ trợ đại học Shimane (Nhật Bản) theo chương trình SAKURA 2019 Các ảnh hiển vi quang học soi hỗ trợ công ty Keyence Việt Nam [7] J S Khoozani, S H Hosseini and M E Fordoei, Comparison of the effect of arched and through magnetic field configurations in cathodic arc deposition, vol 6, 046425, Surf Eng., 2019, http://doi/org/10.1080/02670844.2019.1653598 140 ... trình phủ màng CrN phương pháp hồ quang catốt Kích thước lọc lớn hạt macro nhiên chiều dày lớp phủ (tốc độ phủ màng) giảm Đường kính chắn có giá trị khoảng 70% so với đường kính bia vật liệu phủ. .. khơng có chế ngăn chặn hạt macro bay tới bề mặt mẫu cần phủ ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Hình Sơ đồ bố trí chắn bia mẫu Bảng Các thơng số q trình làm bề mặt phủ CrN lên bề mặt mẫu Q trình làm... chứng tỏ lớp phủ mỏng màng phủ không liên tục dạng “đảo” nhỏ trông giống hạt macro màu đen chất cụm vật liệu phủ Điều thể rõ ảnh hiển vi quang học Keyence (trong chế độ mơ ảnh SEM) hình a.t %