Tiểu luận công nghệ phun phủ bề mặt

Phun phủ là một trong những phương pháp gia công bề mặt vật liệu được sử dụng trong hơn nửa thế kỷ nay. Công nghệ chủ yếu của phun phủ là bảo vệ chống gỉ các kết cấu và chi tiết làm việc trong các môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn, ăn mòn và xâm thực. Sự phát triển mạnh mẽ về thiết bị, vật liệu và công nghệ phun trong vài chục năm gần đây đã đưa phun phủ trở thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, góp phần đáng kể vào tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong lĩnh vực chế tạo và phục hồi.

LỜI NÓI ĐẦU Phun phủ phương pháp gia công bề mặt vật liệu sử dụng nửa kỷ Công nghệ chủ yếu phun phủ bảo vệ chống gỉ kết cấu chi tiết làm việc môi trường khác nhau, phục hồi chi tiết máy bị mài mòn, ăn mòn xâm thực Sự phát triển mạnh mẽ thiết bị, vật liệu công nghệ phun vài chục năm gần đưa phun phủ trở thành lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, góp phần đáng kể vào tiến khoa học loài người, mang lại hiệu kinh tế to lớn lĩnh vực chế tạo phục hồi Ở Việt Nam, nhiều ngành công nghệ lớn phát triển với tốc độ nhanh, Đóng tàu, Hàng khơng, Dầu khí… Sự “hẫng hụt” công nghệ phun phủ dẫn đến bị động trì trệ lĩnh vực chế tạo phục hồi, gây tổn hại to lớn cho kinh tế Hàng năm Nhà nước phải nhập ngoại hàng ngàn tỷ đồng vật liệu phụ tùng thay thế; hàng trăm tỷ đồng cho việc thuê nước phun phủ phục hồi chi tiết kết cấu bị hư hỏng dạng ăn mòn mài mịn MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU I Nguyên lý phương pháp phún xạ (Sputtering) Bản chất trình phún xạ Các loại phún xạ 2.1 Phún xạ phóng điện phát sáng chiều (DC discharge sputtering) 2.2 Phún xạ magnetron 2.3 Các cấu hình phún xạ khác PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF TRONG CHẾ TẠO MÀNG MỎNG 3.1 Giới thiệu .9 3.2 Nguyên Lý hoạt động 3.3 Cấu tạo Máy phún xạ magnetron RF 12 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng lên tốc độ lắng đọng màng 19 3.5 Ưu điểm hạn chế phún xạ 21 II Các phương pháp đo độ bám dính chiều dày lớp phủ 23 Độ bám dính lớp phun phủ 23 1.1 Lực bám kim loại lỏng chất rắn 23 1.2 Liên kết kim loại 24 1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bám 25 Phương pháp thử độ bám 29 Các phương pháp đo chiều dày lớp phủ 33 2.1 Phương pháp quang học 33 2.2 Phương pháp từ tính 33 I Nguyên lý phương pháp phún xạ (Sputtering) Phún xạ (tiếng Anh: Sputtering) hay Phún xạ cathode (Cathode Sputtering) kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa nguyên lý truyền động cách dùng ion khí tăng tốc điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động cho nguyên tử bay phía đế lắng đọng đế Bản chất trình phún xạ Hình 2: Nguyên lý trình phún xạ Khác với phương pháp bay bốc nhiệt, phún xạ không làm cho vật liệu bị bay đốt nóng mà thực chất trình phún xạ trình truyền động Vật liệu nguồn tạo thành dạng bia (target) đặt điện cực (thường cathode), buồng hút chân không cao nạp khí với áp suất thấp (cỡ 10−2 mbar) Dưới tác dụng điện trường, nguyên tử khí bị ion hóa, tăng tốc chuyển động phía bia với tốc độ lớn bắn phá bề mặt bia, truyền động cho nguyên tử vật liệu bề mặt bia Các nguyên tử truyền động bay phía đế lắng đọng đế Các nguyên tử gọi nguyên tử bị phún xạ Như vậy, chế trình phún xạ va chạm trao đổi xung lượng, hoàn toàn khác với chế phương pháp bay bốc nhiệt chân khơng Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ cathode xoay chiều Các loại phún xạ 2.1 Phún xạ phóng điện phát sáng chiều (DC discharge sputtering) Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện chiều để gia tốc cho iơn khí Bia vật liệu đặt điện cực âm (catốt) chuông chân không hút chân không cao, tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích bia nằm khoảng từ 10 đến vài trăm centimet vng sau nạp đầy khí (thường Ar He ) với áp suất thấp (cỡ 10- mbar) Anơt đế tồn thành chng chân khơng Khoảng cách catôt-anôt ngắn nhiều khoảng cách nguồn-đế bốc bay chân không thường 10 cm Trong khí trơ, Argon sử dụng để phún xạ nhiều cả, áp suất trì chng cỡ Torr Plasma trường hợp hình thành trì nhờ nguồn điện cao áp chiều Cơ chế hình thành plasma giống chế phóng điện lạnh khí Người ta sử dụng hiệu điện chiều cao đặt bia (điện cực âm) v đế mẫu (điện cực dương) Điện tử thứ cấp phát xạ từ catôt gia tốc điện trường cao áp, chúng ion-hóa ngun tử khí, tạo lớp plasma (đó trạng thái trung hịa điện tích vật chất mà phần lớn ion dương điện tử) Các ion khí Ar+ bị hút catôt, bắn phá lên vật liệu làm bật ngun tử khỏi bề mặt catơt Q trình q trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang iơn hóa) Vì dịng điện dòng điện chiều nên điện cực phải dẫn điện để trì dịng điện, kỹ thuật thường dùng cho bia dẫn điện (bia kim loại, hợp kim ) Tuy nhiên, hiệu suất phún xạ trường hợp thấp Ngày phương pháp phún xạ cao áp chiều mà không sử dụng magnetron không sử dụng cơng nghệ chế tạ o màng Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF discharge sputtering) Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện xoay chiều để gia tốc cho ion khí Nó có cấu tạo chung hệ phún xạ, nhiên máy phát máy phát cao tần sử dụng dòng điện tần số sóng vơ tuyến (thường 13,56 MHz) Vì dịng điện xoay chiều, nên sử dụng cho bia vật liệu không dẫn điện Máy phát cao tần tạo hiệu điện xoay chiều dạng xung vng Vì hệ sử dụng dịng điện xoay chiều nên phải qua phối hợp trở kháng hệ tụ điện có tác dụng tăng cơng suất phóng điện bảo vệ máy phát Q trình phún xạ có khác so với phún xạ chiều chỗ bia vừa bị bắn phá iơn có lượng cao nửa chu kỳ âm hiệu điện bị bắn phá electron nửa chu kỳ dương Hình Sơ đồ hệ phóng điện cao áp chiều (DC-sputter) 2.2 Phún xạ magnetron Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng với xoay chiều v chiều) cải tiến từ hệ phún xạ thông dụng cách đặt b ên bia nam châm Như mơ tả phần trên, với cấu hình điện cực hai phương pháp phún xạ có điện trường vng góc với bề mặt bia Nhưng với magnetron thấy từ trường nam châm tạo đường sức vng góc với điện trường (có nghĩa song song với mặt phẳng bia) Vì thế, từ trường tập trung tăng cường plasma vùng gần bia Từ trường nam châm có tác dụng bẫy điện tử v iơn lại gần bia tăng hiệu ứng iơn hóa, tăng số lần va chạm iôn, điện tử với ngun tử khí bề mặt bia l àm tăng tốc độ lắng đọng, giảm bắn phá điện tử iôn bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế tạo phóng điện áp suất thấp Bây xem bẫy điện tử l àm việc nào? Cấu mơ tả hình (a, b) tạo hiệu ứng điện tử h ướng Chúng ta có “hiệu ứng Hall”, chồng l ên dịng có hướng chuyển động quanh bia “con quay’’ Hình 5: Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử từ trường hệ phún xạ magnetron Bán kính quỹ đạo (ρ) quay xác định công thức: 𝑚𝑣1 P= 𝑞𝐵 đó: m - khối lượng điện tử, v thành phần vng góc tốc độ điện tử đ ường sức, B cảm ứng từ Nhìn chung, hệ phún xạ thực, bán kính quỹ đạo có giá trị nhỏ, khoảng đến vài milimét Vì vậy, giam hãm điện tử gần bề mặt bia hiệu Các điện tử chuyển động quanh đ ường sức chúngbị tán xạ nguyên tử Trên thực tế, magnetron tồn khoảng thời gian ngắn sau lực khơng cịn, điện tử cịn bị bẫy sau số lượt chuyển động vòng quanh Để hiểu tốt vấn đề magnetron, xem xét ví dụ Thơng thường để bắn phá target l kim loại hay chất dẫn điện ta dùng dịng chiều (Direct Current) để tạo plasma (DC - magnetron sputtering) Nếu target chất cách điện oxid bắt buộc ta phải dùng dòng RF để tạo plasma 2.3 Các cấu hình phún xạ khác Hình Ảnh chụp thiết bị sputtering Univex 450 tr ường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Ngoài ba kiểu phún xạ nêu trên, thực tiễn người ta chế tạo thiết bị phún xạ với cấu hình khác (các phận dựa cấu hình hai loại trước) Trong có loại cấu hình sử dụng đến phân đế để kích thích bắn phá ion q trình phủ màng, có loại phóng điện hỗ trợ ion nhiệt, điện tử thứ cấp tăng cường từ sợi vonfram đốt nóng Phún xạ chùm ion cấu hình tỏ hữu hiệu cơng nghệ chế tạo màng mỏng Trong cấu hình này, nguồn ion thiết kế tách hẳn khỏi catôt, làm việc với điện phóng điện thấp Từ nguồn chùm ion bắn thẳng vào bia với động lớn đạt tương đương lượng cao áp chiều PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF TRONG CHẾ TẠO MÀNG MỎNG 3.1 Giới thiệu RF-Magnetron Sputter kỹ thuật tạo màng mỏng (Thin films) hiệu kỹ thuật phún xạ Từ trường tạo Magnetron định hướng dòng plasma tạo thành thành loops (vịng trịn) mật độ ion plasma cao đồng plasma mật độ cao tạo thành áp suất thấp Hơn nữa, Magnetron bẫy điện tử tập trung bề mặt target q trình tác dụng điện trường RF sẽ ion tiểu phân khí v tiểu phân khí tạo thành bắn phá bề mặt target RF viết tắt chữ Radio Frequency ý nghĩa lượng q trình tạo plasma cung cấp dòng điện xoay chiều cao tần (ở tần số sóng radio từ - 20 MHz) Thơng thường khí Ar, Nitơ hay hỗn hợp khí với Oxy đóng vai quan trọng bốc bay vật liệu target ngo ài ý nghĩa khí tạo ion cịn tham gia vào q trình tạo màng Nói chung màng mỏng (thin films) tạo kỹ thuật bao gồm nhiều vật liệu khác màng đồng 3.2 Nguyên Lý hoạt động Hình 7: Nguyên lý hoạt động chung Dịng khí (thường argon argon+O2, argon+N2) bơm vào buồng chân khơng tạo plasma hình thành ion Ar+ Các ion hướng target (kim loại cần tạo mạng mỏng) đ ược áp âm Các ion di chuyển với vận tốc cao, bắn phá target v đánh bật nguyên tử target khỏi target Các nguyên tử "bốc hơi" đến substrate (thuỷ tinh hay silicon wafer), tích tụ substrate hình thành màng mỏng số lượng nguyên tử đủ lớn Trong trình bắn phá ion Ar+ vào target, ngồi q trình đánh bật ngun tử target, cịn có q trình khác xảy hình thành electron thứ cấp, hấp phụ, hình thành hợp chất Trong trình sputtering, ta có th ể lợi dụng ion thứ cấp h ình thành để tăng tốc độ tạo màng giảm áp vào target giảm áp suất dòng Ar Kỹ thuật gọi magnetron sputtering Trong k ỹ thuật ta áp từ trường vào target Từ trường giữ electron thứ cấp dao động đường sức từ quanh target Các electron dao động gần bề mặt target góp phần ion hố nhiều nguy ên tử Argon Chính điều tăng tốc độ trình tạo màng mỏng Hình 8: Nguyên lý hoạt động phún xạ Magnetron RF 10 3.4.2 Áp suất Chúng ta biết, kỹ thuật phóng điện phún xạ tăng áp suất, mật độ ion tức mật độ dòng tăng lên Khi công suất phún xạ giữ khơng đổi tốc độ lắng đọng tăng theo mật độ d ịng, có nghĩa tăng theo áp suất phún xạ Trong khoảng áp suất không lớn lắm, tốc độ lắng đọng tăng tuyến tính theo áp suất Trên hình trình bày kết thực nghiệm khảo sát phụ thuộc vào áp suất tốc độ lắng đọng màng mỏng molipđen Trên hình cịn có đường phụ thuộc vào áp suất dòng phún xạ Cả hai đường phụ thuộc tuyến tính, dịng tăng với tốc độ nhanh tốc độ lắng đọng Điều chứng tỏ số lượng ion / nguyên tử khỏi bia mà quay trở lại catôt hiệu ứn g khuếc h tán ngược giảm Tuy nhiên, hiệu ứng khuếch tán ngược quan sát thấy áp suất vượt giá trị ngưỡng định Thực nghiệm cho thấy, d òng catôt tốc độ lắng đọng màng không tăng theo áp suất chân không giảm xuống, áp suất vượt giá trị 1,3.10-1 Torr Tốc độ lắng đọng tối ưu trường hợp phún xạ khí argon nhận áp suất phún xạ ÷ 6.10-2 Torr Hình 19: Tốc độ lắng đọng phụ thuộc vào dòng nhiều vào điện bia phún xạ magnetron 20 3.4.3 Nhiệt độ đế Khác với áp suất, nhiệt độ đế l yếu tố phức tạp, số trường hợp, tốc độ lắng đọng phụ thuộc mạnh v nhiệt độ đế Thí dụ, hợp phún xạ SiO2, AsGa, Ge nhiệt độ đế thấp, tốc đ ộ lắng đọng nhỏ C ịn đa số trường hợp khác tốc độ lắng đọng tăng đáng kể nhiệt độ đế giảm từ cao xuống thấp Trên hình 7.16 đồ thị phụ thuộc vào nhiệt độ đế tốc độ lắng đọng số giá trị phân áp tr ên đế Hình 20: Vai trị nhiệt độ đế tốc độ lắng đọng thể không rõ rệt phún xạ 3.5 Ưu điểm hạn chế phún xạ 3.5.1 Ưu điểm: - Tất loại vật liệu phún xạ, nghĩa từ nguyên tố, hợp kim hay hợp chất - Bia để phún xạ thường dùng lâu, lớp phún xạ mỏng - Có thể đặt bia theo nhiều hướng, nhiều trường hợp dùng bia diện tích lớn, bia nguồn “bốc bay ” lớn 21 - Trong magnetron chế tạo màng mỏng từ bia có cấu hình đa dạng, phụ thuộc vào cách lắp đặt nam châm, bia thiết kế theo hình dạng bề mặt đế (hình hình cầu) - Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại dễ tự động hóa - Độ bám dính màng với đế tốt nguyên tử đến lắng đọng màng có động cao so với phương pháp bay bốc nhiệt - Dễ dàng chế tạo màng đa lớp nhờ tạo nhiều bia ri êng biệt Đồng thời, phương pháp rẻ tiền, dễ thực nên dễ dàng triển khai quy mô công nghiệp - Màng tạo có độ mấp mơ bề mặt thấp v có hợp thức gần với bia, có độ dày xác nhiều so với phương pháp bay bốc nhiệt chân không 3.5.2 Nhược điểm: - Phần lớn lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia, phải có làm lạnh bia - Tốc độ phún xạ nhỏ nhiều so với tốc độ bốc bay chân không - Hiệu suất lượng thấp, phún xạ phương pháp tiết kiệm lượng - Bia thường khó chế tạo đắt tiền - Hiệu suất sử dụng bia thấp (không sử dụng đ ược hết, nhiều bia giòn, dễ bị nứt dẫn đến hỏng sau số lần phún xạ ch ưa nhiều - Trong nhiều trường hợp, không cần đến nhiệt độ đế , ln bị đốt nóng - Các tạp chất nhiễm từ thành chng, chng hay từ anơt bị lẫn vào màng 22 - Do chất có hiệu suất phún xạ khác n ên việc khống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức tạp Khả tạo màng mỏng với độ xác cao phương pháp phún xạ không cao Hơn nữa, tạo màng đơn tinh thể – Áp suất thấp,khoảng từ 5-15 mTorr Điều đòi hỏi phải hút chân không cao - Số electron theo thời gian tích tụ nhiều tr ên cực làm hủy tái phún xạ - Ion dương đập vào phá hủy màng II Các phương pháp đo độ bám dính chiều dày lớp phủ Độ bám dính lớp phun phủ Độ bám dính lớp phủ với kim loại yếu tố quan trọng nhiều nhà khoa học nghiên cứu Có nhiều luận điểm đưa 1.1 Lực bám kim loại lỏng chất rắn Giả thiết rằng, kim loại phủ va chạm với trạng thái lỏng, lúc xuất hiện tượng bám dính giọt lỏng bề mặt chất rắn nhờ lực căng bề mặt mơi trường xung quanh Nếu gọi α12 lực căng giọt lỏng chất rắn; α23 lực căng giọt lỏng khơng khí; α13 lực căng chất rắn khơng khí; θ góc căng giọt lỏng chất rắn, để giọt lỏng giữ trạng thái cân phải thỏa mãn biểu thức sau: ∝13 = ∝12 + ∝23 𝑐𝑜𝑠𝜃 Suy ra: 𝑐𝑜𝑠𝜃 = (1) ∝13 − ∝12 (2) ∝23 Góc θ phụ thuộc vào chất ba thể hạt phun (lỏng, sệt, rắn); thay đổi theo trạng thái độ bề mặt Nếu góc căng thể rắn thể khí lớn so với thể lỏng < θ < 900 Khi θ > giọt lỏng có dạng cụp vào giọt lỏng dính ướt bề mặt chất rắn Khi θ > 900 tức α13 > α12, giọt lỏng có dạng cong Trong trường hợp giọt lỏng khơng dính ướt chất rắn Vì góc θ khơng lớn nên coi cosθ ~ 1, lúc đó: 23 |∝13 − ∝12 | ≤ ∝23 (3) Đây điều kiện dính ướt mặt nhẵn Đối với bề mặt làm nhám cần tính đến hệ số nhám K Hệ số tỉ lệ diện tích mặt nhám Sn diện tích mặt nhẵn SΦ : K = Sn/ SΦ Từ biểu thức (1) ta có: 𝐾 ∝13 = 𝐾 ∝12 + ∝23 𝑐𝑜𝑠𝜃 (4) Khi θ có giá trị θ1: 𝐾 ∝13 = 𝐾 ∝12 + ∝23 𝑐𝑜𝑠𝜃1 (5) Từ biểu thức (2) suy ra: ∝13 − ∝12 = ∝23 𝑐𝑜𝑠𝜃 Do ∝23 𝑐𝑜𝑠𝜃 = ∝23 𝑐𝑜𝑠𝜃1 𝐾 (6) hay 𝑐𝑜𝑠𝜃1 = 𝐾 𝑐𝑜𝑠𝜃 (7) Khi θ1 < θ K < 1, lúc độ dính ướt hơn; Khi θ1 > θ K > 1, lúc độ dính ướt tốt Do bề mặt làm nhám nên diện tích dính ướt tăng lên K lần, nghĩa K luôn lớn góc θ nhỏ nên tạo điều kiện tăng độ bám dính 1.2 Liên kết kim loại Khi hai kim loại tiếp xúc với nhau, ảnh hưởng yếu tố nhiệt động, nguyên tử chúng khuếch tán vào mạng tạo thành vùng chuyển tiếp Đó dung dịch rắn chúng Khi chúng hình thành mối liên kết kim loại Mối liên kết phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tiếp xúc trạng thái bề mặt kim loại Qua nhiều trình nghiên cứu thực nghiệm, nhà nghiên cứu kết luận độ bám dính lớp phun với kim loại liên kết tổng hợp liên kết sau: Liên kết hàn hàn tế vi; Liên kết phản ứng hóa học; Liên kết lực co rút kim loại kết tinh; Liên kết độ bám học 24 Độ bám học biểu thị giữ chặt phần tử kim loại va chạm với mặt chỗ nhấp nhô Độ bám yếu tố quan trọng toàn giá trị độ bám lớp phủ Khi bề mặt không làm khỏi dầu mỡ, oxit bám bẩn khác có độ nhấp nhơ khác liên kết hóa học học phần tử phun khác Trong điều kiện thích hợp hình thái khơng gian bề mặt thích hợp, vài kim loại đạt hàn điểm kim loại phần tử phun Trong trình nghiên cứu độ bám lớp phun với vật liệu nền, N.N.Ruwkalin chứng minh vùng bề mặt chia làm giai đoạn sau: Giai đoạn 1: tạo nên mặt tiếp xúc, nghĩa tạo nên dịch lại gần nguyên tử kim loại đến khoảng cách đủ để có tác dụng hóa học; Giai đoạn 2: tác dụng hóa học nguyên tử gần dẫn đến hình thành mối liên kết hóa học bền vững; Giai đoạn 3: trình phục hồi (kết tinh lại, khuếch tán tạo pha mới…) xảy tiếp theo, làm tăng giảm độ bền mối liên kết Hai giai đoạn đầu biểu thị biến đổi bề mặt; giai đoạn – thay đổi tính chất bên Để tạo liên kết bền vững lớp phun với vật liệu phải thực tốt giai đoạn đầu, cịn khuếch tán khơng thiết phải thực giai đoạn giai đoạn thường kết gia cơng nóng nhiệt độ cao (hoặc ủ sau phủ) 1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bám Do đặc điểm q trình phun kim loại, độ bám dính lớp phun với chủ yếu độ bám học Vì chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Những yếu tố là: độ co rút kim loại nguội, trạng thái bề mặt vật liệu nền, cấu hình thành lớp phun yếu tố khác + Lực co rút kim loại: Lực co rút kim loại ảnh hưởng đáng kể đến độ bám dính lớp phun với vật liệu Những phần tử phun sau va chạm với mặt nguội dần kèm theo xuất ứng suất co rút lớp phun Ứng suất làm tăng giảm độ bám dính lớp phun với vật liệu 25 Đối với chi tiết hình trụ (thí dụ loại trục) lực sinh co rút lớp phun nội lực nên yếu không ảnh hưởng nhiều đến độ bám dính lớp phun Trường hợp phun với lớp dày kim loại phun có độ co rút lớn (ví dụ thép 0,1% C) dẫn đến tượng nứt dọc lớp phun Nội lực sinh co rút có ảnh hưởng xấu đến độ bám dính lớp phun Trong trường hợp co rút tác dụng theo hướng tâm gây tách rời lớp phun khỏi mặt Để khắc phục tượng áp dụng nhiều biện pháp đốt nóng sơ vật phun, làm nguội chậm lớp phun, phun mỏng với lớp mỏng 0,05 ÷ 0,1 mm ứng với lớp phải làm nguội chậm Trong trường hợp phun mặt ngồi ứng suất gây nội lực khơng có ảnh hưởng xấu độ bám lớp phun Khi phun bề mặt phẳng, ứng suất sinh co rút kim loại phun dẫn đến biến dạng kim loại làm bong lớp phun + Trạng thái mặt Hoạt tính mặt yếu tố có ảnh hưởng lớn đến độ bám dính lớp phun với vật liệu Hoạt tính bề mặt đánh giá trạng thái vật lý lượng bề mặt Nguyên tử kim loại trường hợp lý tưởng bố trí trọng mạng dao động xung quanh vị trí Nhưng xét vị trí, nguyên tử bề mặt khác với nguyên tử phía Những nguyên tử bề mặt có lượng lớn so với nguyên tử Do không đồng lượng nên xuất ứng suất bề mặt ảnh hưởng đến phát sinh tồn ứng suất lớp xung quanh Ngoài nguyên tử bề mặt có đặc điểm khác với nguyên tử bên chúng có mối liên kết với nguyên tử phân tử ngoại lai Những đặc điểm cho thấy, lượng toàn phần phần tử bề mặt tham gia vào phản ứng với nguyên tử môi trường gần kề với bề mặt (chẳng hạn lớp phủ) Nguyên nhân bề mặt lượng không đồng đều; vùng có lượng thấp cao khác phát sinh chênh lệch lượng với hoạt tính khác Vùng lượng cao có hoạt tính cao tự phản ứng với môi trường Sau tùy theo loại mơi trường tính chất lý hóa vật liệu sinh hấp thụ, bám dính phản ứng hóa học khác Những vùng khác lượng không xuất cấu trúc vĩ mô mà nguyên tử Năng lượng số nguyên tử tụ tập bề mặt cao điều kiện định rời khỏi bề mặt Năng 26 lượng cần thiết để tách nguyên tử từ mạng gọi lượng lượng hoạt tính tách rời nguyên tử Biến dạng dẻo mạng có ảnh hưởng đến tăng hoạt tính, phạm vi mở rộng biến dạng dẻo tích lũy điện Những vùng giàu lượng điện thường nằm chỗ khuyết tật mạng tinh thể Các khuyết tật mạng bao gồm: a- khuyết tật điểm (chỗ rỗng mạng, nguyên tử bị thay thế); b- khuyết tật đường (lệch mạng đường, lệch mạng xoắn); c- khuyết tật mặt (biên giới mặt, biên giới hạt, biên giới song tinh); d- khuyết tật ba chiều (các lỗ bề mặt, khe hở tế vi, lỗ xốp) + Sự chuẩn bị bề mặt Chất lượng bề mặt yếu tố định độ bám dính lớp phun với mặt Công việc chuẩn bị bề mặt bao gồm làm dầu mỡ tạo nhấp nhơ bề mặt Có nhiều phương pháp chuẩn bị bề mặt Sự chuẩn bị bề mặt phương pháp ngâm có tác dụng nâng cao hoạt tính bề mặt, thay đổi hình dạng hình học đóng vai trị thứ yếu Khi ngâm, bề mặt chi tiết hình thành lớp màng mỏng cho phép giữ hoạt tính cao bề mặt thời gian dài, tạo điều kiện cho điện tử dễ ngồi nhờ cơng chúng giảm Hoạt tính chất lý hóa số trường hợp có ảnh hưởng tới độ bám lớp phun Độ bám tạo tác dụng tương hỗ phần tử lực liên kết Vandervan Phương pháp học để chuẩn bị bề mặt phun cát, phun bi, có tác dụng nâng cao lượng điện bề mặt lớp bề mặt Hoạt tính bề mặt chuẩn bị phương pháp học giảm dần theo thời gian bề mặt chịu tác dụng trực tiếp môi trường xung quanh làm giảm lượng tự phần tử bề mặt Kết thí nghiệm cho thấy độ bám dính lớp phun với vật liệu tăng với tăng độ nhấp nhô bề mặt đến phạm vi giới hạn định 27 Hình 21: Quan hệ độ bám độ nhấp nhô bề mặt Nhiều tác giả cho tạo nhám bề mặt phương pháp học cho phép nâng cao hoạt tính bề mặt, tạo độ nhấp nhơ Rz, tạo biến dạng dẻo Δε, độ Hình 22: a- ảnh hưởng khoảng cách phun độ nhấp nhô; b- ảnh hưởng độ biến cứng; c- ảnh hưởng độ lệch mạng; I- bột niken, thép; II- bột oxit nhôm, thép 28 biến cứng ΔH/H mật độ lệch mạng ρ – ρ0 Đồng thời độ nhấp nhơ có ảnh hưởng trực tiếp lớn độ bám lớp phun, độ biến cứng độ lệch mạng có ảnh hưởng đáng kể Phương pháp thử độ bám Trong thực tế lớp phun phủ bề mặt chi tiết kết cấu với hai loại vật liệu phun khác Lớp phun với loại vật liệu phun ứng dụng để phục hồi kích thước thiếu hụt phục hồi chi tiết mài mòn Một số kết cấu phun bảo vệ với lớp phun loại vật liệu Các chi tiết kết cấu làm việc điều kiện đặc biệt, mơi trường ăn mịn, xâm thực, nhiệt độ cao… phun hai lớp với hai loại vật liệu phun khác Lớp phun thứ thực trực tiếp bề mặt chi tiết phun, nhằm tăng cường độ bám chung lớp phun bảo vệ mặt nền, gọi lớp lót Lớp thứ hai phun lên lớp lót để bảo vệ chi tiết khỏi tác dụng trực tiếp với môi trường cơng tác, gọi lớp phủ Vì có hai nhóm phương pháp thử áp dụng cho hai trường hợp phun khác Các phương pháp thứ dùng để thử độ bám dính lớp phun với vật liệu nền, bao gồm độ bám pháp tuyến độ bám tiếp tuyến Nhóm phương pháp thứ hai dùng để thử độ bám lớp lót lớp phủ - gọi độ bám liên kết + Độ bám pháp tuyến Mẫu thử độ bám lớp phun mặt phẳng theo phương pháp tuyến gồm A có khoan lỗ tâm lắp trục nhỏ B với chế độ lắp sít trượt Hai chi tiết A B lắp với cho mặt phun nằm mặt phẳng Sau chuẩn bị, bề mặt mẫu phun lớp với chiều dày – 1,5mm Mẫu gá kéo theo chiều xuống Tỉ số lực kéo đứt diện tích mặt thử đặc trưng cho độ bám dính lớp phun với theo phương pháp tuyến Trong trường hợp cần thử độ bám lớp phun mặt trụ sử dụng phương pháp theo sơ đồ hình Trục A khoan lỗ để lắp mẫu thử B Các điều kiện lắp ráp chuẩn bị mẫu giống thử mặt phẳng Độ bám lớp phun xác định tỷ số lực kéo đứt diện tích tiết diện ngang mẫu thử 29 Hình 23: Sơ đồ thử độ bám pháp tuyến a- mẫu phẳng; b – mẫu hình trụ Nhược điểm phương pháp chỗ, cho dù lắp ráp mẫu thử có độ xác cao chúng hình thành khoảng tự lớp phun, nơi tập trung ứng suất, dẫn đến phá hủy lớp phun giá trị thấp tải trọng Vì phương pháp xác định độ bám nói cho giá trị thấp so với thực tế + Độ bám tiếp tuyến Sơ đồ nguyên lý thử độ bám tiếp tuyến giới thiệu hình kích thước mẫu thử Lớp phun thực phần mẫu hình trụ A Sau tiện hai đầu lớp phun theo kích thước thí nghiệm phần không phun mẫu lắp vào khuôn cối Dưới tác dụng lực nén lớp phun bị bong khỏi mặt Độ bám tiếp tuyến xác định tỉ số lực kéo đứt diện tích vành khăn mặt lớp phun Để loại trừ ứng suất nhiệt, trước thử độ bám, lớp phun xẻ rãnh song song với trục hình trụ với chiều sâu chiều dày lớp phun Khuôn cối dược làm từ thép chống gỉ, độ cứng 60 HRC Kích thước khn cối theo hình 30 Hình 24: a- Sơ đồ thử độ bám tiếp tuyến; b- kích thước mẫu thử; c- kích thước khn cối o lớp phun; 2- Các mặt A B phải song song với vng góc với trục tâm + Độ bám liên kết hai lớp Trong tài liệu tham khảo phương pháp thử độ bám liên kết (độ bám hai lớp phun với nhau) chưa giới thiệu Tuy nhiên phương pháp giới thiệu đầy đủ “Phương pháp thử tiêu chuẩn độ bám liên kết lớp phun” Sơ đồ thử độ bám liên kết hai lớp phun giới thiệu hình 8a kích thước mẫu thử hình 8b Mỗi mẫu thử gồm mẫu phun lớp vật liệu thử mẫu gá với kích thước vật liệu Cả hai mẫu hình trụ với đường kính 23 – 25mm chiều dài không nhỏ 38mm Vật liệu mẫu tốt chọn với vật liệu chi tiết kết cấu sử dụng Trong trường hợp khơng có vật liệu mẫu chế tạo từ thép SAE 1018 1020 31 Hình 25: a- Sơ đồ thử độ bám liên kết; b- kích thước mẫu thử; c- sơ đồ chuẩn bị mẫu sau phun Sau bề mặt mẫu làm phun cát làm nhám, tiến hành phun lớp thử với chiều dày (lớp lót + lớp phủ) khơng 0,38 mm Nếu cần gia cơng khí sau phun lượng dư gia cơng phải 0,13mm Sai số chênh lệch chiều dày lớp phun không 0,025 mm Mẫu sau gia công khí gắn đồng trục với mẫu gá nhựa epoxy để thử kéo Độ bám liên kết hai lớp phun (lớp lót + lớp phủ) đặc trưng tỷ số lực kéo đứt diện tích mặt phun Bằng phương pháp thử độ bám pháp tuyến lớp phun với mặt Đương nhiên trường hợp, nhựa epoxy phải có độ bám cao độ bám lớp phun 32 Các phương pháp đo chiều dày lớp phủ 2.1 Phương pháp quang học Hình 26: Máy đo độ dày màng sơn khơ Trung Quốc BEVS 1707 Nguyên tắc: mẫu thử mài/cắt dọc theo mặt phẳng vng góc với lớp phủ cho độ dày màng đo trực tiếp cách sử dụng kính hiển vi Phương pháp đo theo tiêu chuẩn: ISO 1463 2.2 Phương pháp từ tính Nguyên tắc: Độ dày màng xác định dựa tương tác từ trường kim loại Độ dày màng xác định lực cần thiết để loại bỏ bụi từ trường từ lớp phủ Phương pháp đo theo tiêu chuẩn: ISO 2178 33 Hình 27: Thiết bị đo phương pháp từ tính Từ trường sinh dụng cụ bị ảnh hưởng yếu tố sau: • Hình dạng (kích cỡ, độ cong độ dày); • Các đặc tính vật liệu (ví dụ: độ dẫn từ, tính dẫn nhiệt đặc tính xuất phát từ xử lý sơ bộ); • Độ nhám nền; • Các trường từ tính khác (hiện tượng từ tính dư trường từ tính ngồi) 34