Đến nay, phương pháp lắng đọng v t lý t ậ ừ pha hơi Physical vapor deposition -PVD ch ếtạo các lớp phủ cứng đã ra đời hơn 20 năm và ngày càng được ứng dụng rộng rãi để tạo lớp phủ bảo v
Trang 1DỤNG CỤ CẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỒ QUANG CHÂN
KHÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
VẬT LÝ KỸ THUẬT
Trang 2
- Nguyễn Thành Hợp
Hà Nội – Năm 2011
Trang 3HV: Nguyễn Thành Hợp 1 Khóa 2009B
Tôi là Nguyễn Th nh Hợà p, h c viên l p cao h c khoá ọ ớ ọ 2009B, chuyên ngành
Vật lý k thu tỹ ậ Tôi xin cam đoan bài luận văn "Nghiên cứu t o l p ph cạ ớ ủ ứng đa
l p TiN – TiCN trên dớ ụng cụ ắ ằng phương ph p hồ quang chân không l c t b á " à do tôi nghiên c u, tìmứ hiểu dưới sự hướng dẫn của TS Phạm Hồng Tu n, GS.TS Vấ õ
Thạch Sơn không phải sự, sao chép của ng i khác Tôi xin chườ ịu trách nhiệm về ời lcam oan này đ
Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2011
Tác gi ả
Nguyễn Th nh Hợà p
L p Cao hớ ọc ng nh Vậà t lý k thu t, ỹ ậ
khóa 2009B
Trang 4HV: Nguyễn Thành Hợp 2 Khóa 2009B
L ời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm H ng Tu nồ ấ , Trung tâm Quang Điệ n tử
– Viện Ứng dụng Công nghệ - B ộ Khoa học & Công nghệ GS.TS Võ Thạch Sơn, –
Viện Vật lý k thu t – ỹ ậ Trường Đại học B ch khoa Há à Nội đã hướng dẫn tận tình
giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghi p này ệ
Tôi xin cảm ơn l nh đạ Trung tâm Quang Điện tử các cán bộ
c u ứ Phòng Công nghệ màng m ng đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở ật chất, kinh ỏ vphí thực hiện và h tr ỗ ợ chuyên môn cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt
nghi p t i ệ ạ Trung tâm Quang Điệ ửn t -Vi n ng d ng Công ngh ệ Ứ ụ ệ
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắ c đ ến gia đình, bạ n bè cùng các thầy cô Viện
V t ậ lý kỹ thuậ , ện Đ o tạo sau đại họ t Vi à c đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá
trình học tập và th i gian th c hi n luờ ự ệ ận văn tốt nghi p này ệ
Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2011
Tác gi ả
Nguyễn Th nh Hợà p
L p Cao hớ ọc ng nh Vậà t lý k thu t, ỹ ậ
khóa 2009B
Trang 5HV: Nguyễn Thành Hợp 3 Khóa 2009B
Danh m c các ký hiụ ệu, các chữ ế ắ vi t t t 5
Danh mục các bảng 5
Danh m c các hình vụ ẽ, đồ ị th 6
L I NÓỜ I ĐẦU 8
CHƯƠNG 1- T NG QUAN 10 Ổ 1.1.Phương pháp tạ ớo l p ph c ng 10 ủ ứ 1.1.1 Phương pháp CVD 10
1.1.2 Phương pháp PVD 11
1.2 ng d ng cỨ ụ ủa các lớp ph c ng trong công nghi p 13 ủ ứ ệ 1.3.M t s ộ ố phương pháp kh o sá à áả t v đ nh giá c u trúấ c màng c ng TiN/TiCN 17 ứ 1.3.1.Phương pháp XRD 17
1.3.2.Phương pháp EDAX 19
1.3.2.Phương ph p đo độ ứá c ng 20
1.3.4.Phương ph p đo chiềá u dày màng 22
CHƯƠNG 2 - XÂY D NG MÔ HÌNH NGHIÊN C U VÀ H TH C NGHI MỰ Ứ Ệ Ự Ệ 24
2.1 Phương pháp hồ quang chân không (Vacuum Arc) 24
2.1.1.Nguyên lý hoạt động 24
2.1.2.Hiệu ứng “hạt macro” 26
2.1.3.Các đặc tính và ưu điểm của phương pháp hồ quang chân không 27
2.2.Xây dựng thiế ị thửt b nghi m 29 ệ 2.2.1.Sơ đồ nguyên lý 29 2.2.2.Thiết bị ốc bay hồ b quang xây d ng 30ự 2.2.3.Quy trình v n hành thi t b TINA900 35 ậ ế ị CHƯƠNG 3 - NGHIÊN C U CH T O CÁC MÀNG TiN,TiCN 36 Ứ Ế Ạ
Trang 6HV: Nguyễn Thành Hợp 4 Khóa 2009B
3.1.Nghiên c u ch tứ ế ạo màng TiN 36 3.2.Nghiên c u ch tứ ế ạo màng TiCN 41 CHƯƠNG 4 - NGHIÊN C U PH MÀỨ Ủ NG TiN TiCN TRÊN M I KHOAN 47 - Ũ4.1.T ng quan v m i khoan và táổ ề ũ c dụng của lớp ph c ng 47 ủ ứ4.2.Nghiên c u x lý b mứ ử ề ặt đế trước khi m 48 ạ4.2.1.Chu n b b m t 48 ẩ ị ề ặ4.2.2.X lý hóử a học 49 4.2.3.X lý plasma 51 ử4.3.Thi t k màế ế ng đa lớp TiCN/TiN ph ủ lên mũi khoan 51 4.4.Nghiên cứu quy trình m l p ph cạ ớ ủ ứng đa lớp TiCN/TiN lên m i khoan 53 ũ4.5.Đánh giá chất lượng 57 CHƯƠNG 5 - TH NGHI M TU I B N MỬ Ệ Ổ Ề ŨI KHOAN TRƯỚC V SAU KHI À
M 59 Ạ5.1.Phương pháp th nghi m 59 ử ệ5.2.Thi t b và các thông s th nghi m 61 ế ị ố ử ệ5.3.K t qu th nghi m 62 ế ả ử ệ
K T LU N 66 Ế ẬTÀI LIỆU THAM KHẢO 67
Trang 7HV: Nguyễn Thành Hợp 5 Khóa 2009B
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Bảng 1 Độ ứ c ng c a m t s lo i v t li u 11 ủ ộ ố ạ ậ ệ
Bảng 2 Phạm vi ứng dụng của các lớp phủ cứng 15
Bảng 3 Một số đặc tính điển hình của ph ng pháp hồ quang chân không ươ 28
Bảng 4 Sự thay đổi độ cứng của màng theo thế thiên áp 40
Bảng 5 Thành phần nguyên tố trong vật liệu khoan thử nghiệm 61
Ký hi u ệ Vi t t t cho cế ắ ụm từ Nghĩa tiếng Vi t ệ
PVD Physical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng v t lý ậ
t ừ pha hơi CVD Chemical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng hóa
học từ pha hơi
SEM Scanning electron microscope Hiển vi điệ ửn t quét
TiN Titan Nitride
TiCN Titanium Carbo Nitride
Trang 8HV: Nguyễn Thành Hợp 6 Khóa 2009B
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1 1 D ng c cụ ụ ắt mạ các lớp ph c ng TiN, TiCN 16ủ ứ
Hình 1 2 Khuôn ép nh a ph ự ủ TiN 17
Hình 1 3 Hình học nhiễu xạ kế tia X (XRD) 18
Hình 1 4 Nguyên lý phép phân tích EDAX 19
Hình 1 5 S ơ đồ một hệ phân tích EDAX. 20
Hình 1 6 Máy đo chiều dày màng mỏng Anpha – Step IQ 22
Hình 1 7 Chi u dàề y mẫu màng TiN kh o sát 23ả Hình 2 1 Bả n v cấu tạo đầu hồ quang 24 ẽ Hình 2 2 Điểm cathode di chuyển trên bề mặt bia 25
Hình 2 3 H t marco xu t hi n trên b m t màng 27ạ ấ ệ ề ặ Hình 2 4 S ơ đồ nguyên lý của ph ng pháp bốc bay hồ quang chân không ươ 29
Hình 2 5 Thiết bị mạ bốc bay hồ quang chân không tại Trung tâm Quang Điện tử 30
Hình 2 6 Đầu bốc bay hồ quang lắp đặt trong buồng chân không 30
Hình 2 7 Đầu h quang chân không 31ồ Hình 2 8 Nguồn hồ quang chân không 32
Hình 2 9 Thi t b ế ị điều khiể ư ượn l u l ng khí CH4, N2, Ar 33
Hình 2 10 Các bình khí công tác CH4, N2, Ar 34
Hình 2 11 Bảng điều khi n thi t b chân không TINA900 35ể ế ị Hình 3 1 Điểm cathode di chuy n trên b m t bia Titan 37ể ề ặ Hình 3 2 Ph XRD c a màng TiN ch t o tổ ủ ế ạ ại FN2=50sccm 37
Hình 3 3 Ph EDAX c a màng TiN ch t o t i Fổ ủ ế ạ ạ N2=50sccm 38
Hình 3 4 Chiều d y m ng TiN đo trên thiết bịà à Alpha – step IQ (Thời gian lắng đọng: 10 phút) 39
Hình 3 5 Thi t b ế ị đo độ ứ c ng Vickers Mikrohärte-Prüfeinrichtung mhp 100 40 Hình 3 6 M u màng TiN ch t o 41ẫ ế ạ
Trang 9HV: Nguyễn Thành Hợp 7 Khóa 2009B
Hình 3 7 Các mô hình cấu trúc của TiCN 42
Hình 3 8 nh hẢ ưởng của h s ệ ố xC đến tính ch t c a màng TiCấ ủ xN1-x [11] 42
Hình 3 9 Biểu đồ thể hiện sự mài mòn ở biên theo tỷ lệ C/N trong hỗn hợp rắn TiCN [12] 43
Hình 3 10 Phổ XRD của màng TiCN với các tỷ lệ khí CH4/N2 44
Hình 3 11 nh SEM ch p hình thái b m t màng TiCN 44Ả ụ ề ặ Hình 3 12 Mối liên hệ giữa độ cứng của màng và thiên áp đế 45
Hình 3 13 M u màẫ ng TiN-TiCN ch t o 46ế ạ Hình 4 1 C u t o cấ ạ ủa mũi khoan xoắn 48
Hình 4 2 X lý ba via trên m i khoan 49ử ũ Hình 4 3 Quá trình lan truy n cề ủa vế ứt một lớt n p và nhi u l p 52ề ớ Hình 4 4 Mô hình phủ màng đa lớp TiCN/TiN lên m i khoan 53ũ Hình 4 5 Hình ảnh mũi khoan trước khi phủ TiCN/TiN 54
Hình 4 6 Bề mặt mũi khoan trước khi phủ TiCN/TiN 54
Hình 4 7 Lưu đồ thể ệ hi n các bước phủ màng đa lớp TiCN/TiN lên mũi khoan 55
Hình 4 8 Hình nh mả ũi khoan sau khi phủ TiCN/TiN 57
Hình 4 9 Lớp phủ cứng TiCN/TiN trên bề mặt mũi khoan 58
Hình 4 10 Vết đo độ cứng trên bề mặt mẫu màng TiCN/TiN 58
Hình 5 1 Đồ thị phụ thuộc Vbvào thời gian 59
Hình 5 2 Lưu đồ thử nghiệm tuổi bền mũi khoan 60
Hình 5 3 Mài mòn mặt sau và mép cắt của mũi khoan 61
Hình 5 4 M i khoan th nghi m 62ũ ử ệ Hình 5 5 Quá trình khoan th nghi m trên thi t b CNC DMU60T 63ử ệ ế ị Hình 5 6 Ảnh chụp quá trình mòn mũi khoan có phủ lớp phủ cứng 63
Hình 5 7 Hình ảnh mép cắt mũi khoan phủ TiCN/TiN và mũi khoan không phủ sau khi thử nghiệm 63
Hình 5 8 Đồ thị phụ thuộc của độ mòn mặt sau vào số lỗ gia công của các mũi khoan phủ TiCN/TiN và không phủ 64
Trang 10HV: Nguyễn Thành Hợp 8 Khóa 2009B
Trong lĩnh vực gia công kim loại, nhu cầu tăng năng suất, tăng độ chính xác và nâng cao chất lượng bề mặt gia công luôn đặt ra Nhiều biện pháp đã và đang được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu này Cuối thập niên 1960, các nhà chế tạo dụng cụ cắt đã giới thiệu dao carbide thiêu kết với một lớp phủ rất mỏng cacbua Lớp cacbua titanium với độ dày rất nhỏ (2-15 micromet) nhưng đã làm thay đổi đáng kể đặc tính của dụng cụ cắt Lớp phủ nâng cao tính chống mòn, giảm lực cắt và nhiệt cắt trên lưỡi cắt và vì thế ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng và động thái rạn nứt của dao Lớp phủ làm tăng lên đáng kể tốc độ cắt lẫn tuổi thọ của dụng cụ cắt Đến nay, phương pháp lắng đọng v t lý t ậ ừ pha hơi ( Physical vapor deposition -PVD) ch ếtạo các lớp phủ cứng đã ra đời hơn 20 năm và ngày càng được ứng dụng rộng rãi để tạo lớp phủ bảo vệ chống mài mòn cho các dụng cụ của quá trình gia công cơ khí như: dụng cụ cắt gọt, dụng cụ tạo hình, khuôn gia công áp lực, khuôn ép nhựa
Nh ng l i ích mà cáữ ợ c lớp ph c nủ ứ g đem lại là:
• Nâng cao năng suất gia công (tu i th c a d ng c ổ ọ ủ ụ ụ được kéo dài hơn, các bề
mặt gia công hoàn thiện hơn do vậy giảm bớt các công đoạn hoàn thiện bề
m t ) ặ
• H giá thành s n ph m ạ ả ẩ
• C i thi n chả ệ ất lượng b m t s n ph m ề ặ ả ẩ
• Gi m tiêu hao v t liả ậ ệu bôi trơn trong quá trình gia công
Các lớp phủ ứng tiêu biểu nhất như: TiN, TiCN, TiAlN, TiC, Cr, c CrN, DLC,…đã
và đang được ứng dụng rộng r i ởã các nước ph t triể H ện nay c dụng cụ ắt cá n i cá c ó
m lạ ớp phủ ứng đề c u ph i nh p t ả ậ ừ nước ngoài với giá thành rấ cao, điều đó làm t tăng chi phí sản xuất và tăng giá thành sản ph m T i Vi t Nam hi n nay có m t s ẩ ạ ệ ệ ộ ố
cơ sở ả s n xu t và ch t o d ng c c t chuyên dùng tuy nhiên chấ ế ạ ụ ụ ắ ủ ế y u ch ch t o ỉ ế ạphôi v không c công nghà ó ệ ạ ớ m l p phủ ứ c ng lên bề ặ m t, do v y tu i b n cậ ổ ề ủa các
d ng c nàụ ụ y chưa cao và khó c nh tranh v i cáạ ớ c dụng c ngo i nh p ụ ạ ậ
Trang 11HV: Nguyễn Thành Hợp 9 Khóa 2009B
Sau khi được định hướng và giúp đỡ của TS Phạm Hồng Tuấn, GS.TS Võ Thạch Sơn, tác giả đã chọn đềtài " Nghiên cứ ạ ớu t o l p phủ ứ c ng đa l ớp TiN TiCN trên –
dụng cụ ắ ằng phương ph p hồ quang chân không." M c tiêu c t b á ụ là bước đầu ng ứ
d ng ụ phương ph p hồ quang chân không ạá m các lớp phủ ứng TiN, TiCN trên một c
s d ng c cố ụ ụ ắt điển hình
Nội dung nghiên ứu ủa đề c c tài:
- T ng quan v tình hình nghiên cổ ề ứu liên quan đến lĩnh vực của đề tài
- Xây d ng mô hình nghiên c u và h th c nghi m ự ứ ệ ự ệ
- Nghiên c u ch t o cáứ ế ạ c lớp ph TiN, TiCN ủ
- Th nghiử ệm phủ màng đa lớp TiCN/TiN lên m i khoan ũ
- Th nghiử ệm đánh giá tu i b n ổ ề mũi khoan có phủ TiCN/TiN
- Phân tích, áđ nh giá k t qu nghiên c u và bàn lu n ế ả ứ ậ
Đề tài mang tính ng d ng cao, k t qu nghiên c u c a đ tài s góp ph n ứ ụ ế ả ứ ủ ề ẽ ầphát tri n ngành công nghi p chể ệ ế ạ t o d ng cụ ụ ắ ạ c t t i Vi t Nam Sệ ự thành công của
đề tài s là ti n đ áẽ ề ề đểph t tri n công ngh l p ph c ng, cể ệ ớ ủ ứ ũng như định hướng ng ứ
d ng trong s n xu t d ng c c t và ụ ả ấ ụ ụ ắ khuôn mẫu, trang trí và b o v t i Vi t Nam ả ệ ạ ệ
Trang 12cần phủ Trong buồng phả ứng, các phả ứng hóa học xảy ra ngay trên hoặc lân n n
cận bề ặt chi tiết cần phủ và tạo ra lớp vật liệu phủ ứng trên bề ặt chi tiết Phả m c m n
ứng hóa h c trên b m t chi tiọ ề ặ ết được th c hi n b ng cách nâng cao nhiự ệ ằ ệt độ chi ti t ế
t 200-2000ừ 0C (thông thường là 700-11000C), hoặc kích thích bằng plasma Các thông số cơ bản c a quá trình bao g m nhiủ ồ ệt đ ộ đế, áp su t khí trong bu ng phấ ồ ản
ứng, mật độ các ch t ph n ấ ả ứng, lưu lượng và t l các ch t ph n ng…s quy t đ nh ỉ ệ ấ ả ứ ẽ ế ịtính ch t cấ ủa lớp màng phủ được hình thành Các ứng d ng thành công nh t cụ ấ ủa phương pháp CVD là: các lớp ph TiC, Ti (C,N), TiN và Alủ 2O3 dùng cho m nh cả ắt carbide, dao ti n và dao phay, khuôn t o hình (khuôn kéo dây, khuôn kéo ệ ạ ống, khuôn d p vuậ ốt sâu) Năm 1968, mảnh c t b ng carbide có l p ph TiC x t hiắ ằ ớ ủ uấ ện
lần đầu tiên trên thị trường Lớp phủ TiC dày 2 µm đã nâng cao tuổi thọ ủa dụ-3 c ng
c c t lên trên 100%, tụ ắ ốc độ ắ c t và tốc độ tiến dao cũng được cải thiện L p ph TiC ớ ủ
có độ ứ c ng rất cao, nhưng lạ ấi r t giòn và d b r n nễ ị ạ ứt dưới tác động xung l c ho c ự ặthăng giáng nhiệt độ ớ l n phát sinh trong quá trình c t không liên t c Đ khắc phục ắ ụ ểnhược điểm này, năm 1973 lớp ph 3 lủ ớp đã được ch t o [ ] Lế ạ 8 ớp ph này bao ủ
gồm: lớp lót TiC, lớp đệ Ti(C, N) và ngoài cùng là lớp TiN Năm 1978, lớp phủm
Al2O3 (dày 10µm) đã được sử ụ d ng nh m nâng cao kh ằ ả năng gia công vớ ốc độ ắt i t ccao K t c u cế ấ ủa lớp phủ dạng này thường là: TiC/Al2O3/TiN hoặc TiC/Ti(C,N)/Al2O3/TiN [ ] Ngày nay trên th8 ị trường các hệ ớ l p phủ có trên 10 lớp
v t liậ ệu được sử ụ d ng h t sế ức rộng rãi
Trang 13Màng cacbon cấu trúc tương tự kim cương
Nhìn chung, các phương pháp phủ CVD đều yêu c u nhi t đ ầ ệ ộ đế cao (trên
7000C) Nhiệt đ cao s ộ ẽ đẩy m nh hiạ ệ ứu ng khuyếch tán, tăng cường độ bám dính
của lớp phủ ới đế, nhưng mặt khác lại gây ra nhiều biến đổi bất lợ ố v i đ i với vật liệu
đế, đặc bi t là các lo i thép d ng c Trong b i cệ ạ ụ ụ ố ảnh này phương pháp PVD đã được nghiên c u phát tri n nh m h th p nhiứ ể ằ ạ ấ ệt độ đế trong quá trình tạo màng đồng
th i vờ ẫn đảm bảo được đặc tính bám dính và các đặc tính cơ lí cần thi t cế ủa lớp phủ 1.1.2 Phương pháp PVD
PVD (PVD - Physical Vapor Deposition) là phương pháp công nghệ ắng đọ l ng màng b ng các quá trình v t lí tằ ậ ừ pha hơi Các quá trình này được th c hi n trong ự ệ
buồng chân không theo các công đoạn sau:
Trang 14HV: Nguyễn Thành Hợp 12 Khóa 2009B
1) Chuyển đổ ậ ệ ại v t li u t o màng t pha r n sang pha ừ ắ hơi
2) Vận chuyển hơi vật liệu từ nguồn bay hơi qua môi trường áp suất khí thấp trong buồng chân không đến b mề ặt đế
3) Lắng đọng hơi vậ ệu cầt li n ph ủ lên đế ạ t o thành màng ph ủ
PVD là tên g i chung cho m t họ ộ ọ ồ g m r t nhi u ph ng pháp khác nhau Trong ấ ề ươ
s ó có 3 ph ng pháp ố đ ươ được ứng d ng ph ụ ổ biế để ạo các lớn t p ph c ng là: ủ ứ
• Phương pháp phún xạ magnetron (magnetron sputtering) và phún x cao ạ
t n (RF- Radio Frenquency) ẩ
• Phương pháp mạ ion chùm tia i n t i n áp th p(low voltage electron đ ệ ử đ ệ ấbeam ion plating)
• Phương pháp h quang chân không (vacuum arc) ồ
Mỗi ph ng pháp trên có nhươ ững ưu và nhược đ ểm riêng Ph ng pháp phún xi ươ ạmagnetron cho phép nhậ đượn c lớp ph có thành ph n phủ ầ ức tạp lên h u nhầ ư ấ b t kể
vật liệ đế nào với độ nhám bề ặt của lớp phủ ất nhỏ Ph ng pháp phún xu m r ươ ạ cao
tần RF được sử ụ d ng tđể ạo các lớp phủ ật liệu không dẫ đ ện Trong lúc đó để ạo v n i tcác lớp ph c ng có g c kim lo i lên ủ ứ ố ạ đế kim lo i thì phương pháp phún x ạ ạmagnetron một chiều (DC magnetron) l i có u thạ ư ế ơ h n cả ề v phương diện kinh tế
và phương pháp công nghệ Đây là phương pháp có mứ độc ion hoá th p, phân b ấ ốkhông gian c a plasma phủ ụ thuộc nhi u vào tr ng tề ườ ừ ủ c a đầu magnetron Vì vậy
lớp phủ khó đạt các yêu cầu cao về độ bám dính vớ đế và các đặc tính cơ ọc i h
Nhược đ ểm này khiến trong một thời gian dài ph ng pháp này không i ươ được sử
d ng tụ để ạo các lớp phủ cho các dụng cụ ắt có đòi hỏi khả ăng chịu tải cao trong c ncác đ ềi u ki n không tiêu chu n ệ ẩ
Với ph ng pháp mươ ạ ion chùm tia đ ện tử đ ện áp thấp, nhờ ậ độ ion hoá cao i i m t quá trình b n phá ion n mòn làm s ch và nung nóng ắ ă - ạ đế diễn ra r t mãnh li t Vì ấ ệ
vậy độ bám dính của lớp phủ ớ đế được nâng cao rất nhiều cho phép đồng thời tạ v i o
lớp phủ lên các chi tiết có kích thước khác nhau trong cùng một lượt phủ Phương pháp này ch áp dỉ ụng đối với các vật li u kim loệ ại, các vật li u c ng có thành phệ ứ ần
Trang 15HV: Nguyễn Thành Hợp 13 Khóa 2009B
phức tạp chỉ có thể được lắng đọng bằng quá trình bốc hơi phả ứng giữa hơi vật n
li u và hệ ỗn hợp các khí công tác c p vào bu ng chân không ấ ồ
Phương pháp h quang chân không chồ ỉ ử ụ s d ng cho cathode b ng kim lo i dằ ạ ẫn
đ ệi n V i ớ phương pháp này, các màng hợp ch t ấ đượ ạc t o thành b ng quá trình bằ ốc
h i ph n ng ơ ả ứ Ưu đ ểm nổi bậ ủa phương pháp hồi t c quang chân không là có mức độion hoá cao, đảm bảo cho l p phớ ủ có c ơ tính tố đột, bám dính r t tốt, đặấ c bi t phù ệ
hợp cho tạo các lớp phủ cho chày khuôn đột dập Phương pháp hồ quang chân không có năng suất và hiệu su t s d ng v t li u cathode cao Nh c i m c a ấ ử ụ ậ ệ ượ đ ể ủ
phương pháp hồ quang chân không là tạo ra các giọt vật liệu (macroparticle) kích
thước từ vài µm tới vài chục µm trên bề ặt lớp phủ Các ứng dụng có yêu cầu cao m
v ề đặc tính ma sát giữa các chi tiết không sử ụng ph ng pháp này Tuy nhiên d ươ đối
với dụng cụ ắt thì các khuyết tật bề c mặt này không ảnh hưởng đáng kể đến tính
n ng că ủa dụng c ụ
Qua r t nhi u công trình nghiên c u, có thấ ề ứ ể ấ th y rằng, cơ chế ă c n bản giúp nâng cao hi u su t cệ ấ ủa dụng c c t có l p ph cụ ắ ớ ủ ứng bằng PVD là:
- Gi m hi u ng k t dính giả ệ ứ ế ữa vậ ệt li u của dụng c c t và v t li u gia công ụ ắ ậ ệ
- Cải thiện khả ăng chống mài mòn của dụng cụ ắt nhờ độ ứng cao của lớp n c c
ph ủ
- Nâng cao kh n ng ch ng l i quá trình oxy hoá nhi t t i b m t d ng c c t ả ă ố ạ ệ ạ ề ặ ụ ụ ắ
- Giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ ắt và vật liệu gia công, phoi cắ được c t thoát d dàng hễ ơn giúp giảm t i nhi t l n cho l i c t cả ệ ớ ưỡ ắ ủa dụng c ụ
1.2 Ứn dụng của các lớp phủ cứng trong công nghiệpg
Lớp phủ ứ c ng được sử ụng nhiều nhất là TiN Đây là lớp p ủ ễ dàng nhậ d h d n được b ng ằ các phương pháp PVD và là l p v t li u có s ph i h p tương i hài ớ ậ ệ ự ố ợ đốhoà giữa các tính chất cơ ả b n cần có đố ớ ới v i l p phủ ạ v n năng cho các ng d ng gia ứ ụcông c t g t Nh có khắ ọ ờ ả năng chống dính nên TiN ng n ch n hi n t ng dính khi ă ặ ệ ượ
tốc độ ắt thấp, hạn chế c việc hình thành hiện tượng vón tại mép cắt của dụng cụ(built up cutting edge) Chính vì v y s dung l p ph TiN sậ ử ớ ủ ẽ tránh được sự hình thành các xung ng su t và s quá t i cứ ấ ự ả ơ đố i với mép cắt - là hiện tượng làm gãy và
Trang 16HV: Nguyễn Thành Hợp 14 Khóa 2009B
m ẻ mép cắt của dụng cụ Hơn nữa lớp phủ TiN còn làm giảm sự mài mòn dụng cụ
cắt gây ra bởi chu i ỗ các quá trình: ma sát > gia tăng nhiệt độ > phả ứng hoá học - - n
giữa vật liệu carbide của dụng cụ ắt với vật liệu gia công có chứa sắt Nhờ đó khi c
tốc độ ắ c t cao s ự mài mòn của dụng c cụ ắt được cải thiện đáng kể Lớp ph ủ TiN còn cho phép mở ộ r ng d i tả ốc độ ắ c t trong công ngh gia công v t li u và kéo dài tuệ ậ ệ ổi
th cọ ủa dụng c carbide trong quá trình gia công gián o n ụ đ ạ
Trong m t th i gian dài ng d ng cộ ờ ứ ụ ủa lớp phủ ứ c ng ch gi i hạ ở ấu trúc đơn ỉ ớ n c
lớp vật liệu TiN Người ta cũng sử ụng một số ớp phủ ứng khác như: ZrN, HfN, d l cNbN song không có ư đ ểu i m rõ r t nào trong ng d ng c t g t so v i l p phệ ứ ụ ắ ọ ớ ớ ủ TiN
mà giá thành còn cao hơn N m 1992 lă ần đầu tiên l p phớ ủ CrN đã được sử ụ d ng thành công trong việc gia công các vậ ệt li u phi t ừ
Gần đây, các nghiên cứu cho thấy các vật liệu TiCN và TiAlN có các đặc tính
vượt trội trong một số ứng dụng đặc biệt Ví dụ: TiCN có độ ứng (HV ~3000) và c
kh nả ăng chống mài mòn cao hơn TiN Chúng còn có ưu thế trong gia công các vật
liệu tôi cứng và vật liệu mài mòn cao Vùng hoạ động tố ư đối với TiCN là t i u khoảng nhiệ đột th pấ , tương ứng khi tốc độ ắt thấp hoặc cắt không liên tục Lúc cnày, do hệ ố s ma sát nh và hỏ ệ ố ẫ s d n nhi t cao dệ ẫn đến phoi thoát d dàng trên lễ ưỡi
c t ắ
Các ứng dụ ng đi n h nh củ ớp phủ ứng ể ì a l c :
• Mũi khoan có lớp ph TiN [8,10,11] ủ đứng đầu v m t s ề ặ ố lượng trong s các ố
dụng cụ ắt có lớp phủ ứng Tuổi thọ ủa mũi khoan tăng lên nhiều lần tuỳ c c cthuộc vào loại vật liệu được gia công: 4 lần đối với thép tăng cứng bề ặ m t, thép d ng c , 5 lụ ụ ần đối với gang đúc, kim loại phi t tính, 9 lừ ần đối v i thép ớkhông r ỉ
• Mũi taro: Tuổi th cọ ủa mũi taro tăng lên trên 2 lần đố ới v i các v t liậ ệu như thép không r , thép carbon, gang xám, th m chíỉ ậ tăng lên đến 4 5 l- ần đối với thép k t c u ế ấ
• Mũi phay, lưỡi cưa
• D ng c t o hình: chày, khuôn d p ngu i ụ ụ ạ ậ ộ
Trang 17- Hợp kim nhôm, nhôm đúc,
gang xám úc, h p kim Al- đ ợ Si TiAlN
- Hợp kim đồng, hợp kim
đồng thau, h p kim ng nhôm, ợ đồ
- Nickel, hợp kim Nickel, hợp
• Các lớp ph giủ ảm ma sát trên cơ sở ậ ệ v t li u MoST
• Các lớp ph siêu mủ ạng đa tinh thể (Polycrystal superlattice) c u trúc ấnhiều lớp lặp lại của 2 loại vật liệu với chiều dày các lớp cỡ nanomet
L p ph ớ ủ này có độ ứng cao và mô đun đàn hồ ấ c i r t cao
Trang 18HV: Nguyễn Thành Hợp 16 Khóa 2009B
• Các vậ ệt li u ph siêu c ng t h p c u trúc tinh th ủ ứ ổ ợ ấ ể nano/vô định hình Mô
phỏng động học của các lớp phủ, giúp nhanh chóng tìm ra thiết kế ối ưu tcác lớp ph nhi u l p cho các ng d ng c th ủ ề ớ ứ ụ ụ ể
Hình 1 1 D ng c c t m cáụ ụ ắ ạ c lớp phủ ứ c ng TiN, TiCN
Trang 19HV: Nguyễn Thành Hợp 17 Khóa 2009B
Hình 1 2 Khuôn ép nh a ph TiN ự ủ
K t luế ận:
Các lớp phủ ứngTiN v c à TiCN đã được ứng ụng rất nhiều trong thực tếd ,
chiếm t l l n trong công nghi p ch t o d ng cỷ ệ ớ ệ ế ạ ụ ụ ắ c t và khuôn mẫ Đểu có th ể
ứng dụng đượ c trong s n xu t công nghi p thì c n ph i l a ch n đư c công ả ấ ệ ầ ả ự ọ ợ nghệ phù hợp v i c c tiêu chớ á í v m t kinh tế ề ặ và công ngh Qua quá trình tìm ệ hiểu t ng h ổ ợ p c ng như kinh nghiệm trong quá trình công tác, tá ũ c giả ựa chọn lcông ngh h ệ ồ quang chân không để chế ạo m t àng TiN, TiCN
1.3.M t s ộ ố phương ph p khảo sá át và áđ nh giá cấu tr c m ng cứngú à TiN/TiCN
1.3.1.Phương pháp XRD
K thuỹ ật nhiễu xạ tia X được phổ ến nhất là phương pháp bột hay phương bipháp Debye Trong kỹ thuật này, mẫu được tạo thành b t v i mộ ớ ục đích nhiều tinh
th ể có định hướng ngẫu nhiên để chắc chắ ằn r ng một số ạ có định hướ h t ng thỏa mãn
định lu t Bragg Trong phân tích tinh th bậ ể ằng tia X người ta dùng nhi u x k ễ ạ ếRơnghen
Trang 20vậy theo định luật Bragg có thể thấy rằng căn cứ theo vị trí píc suy ra cấu trúc và thông số ạ m ng cho t ng pha ch a trong màng mừ ứ ỏng và cường độ nhiễu x tia X cho ạ phép xác định s phân b và v trí nguyên t trong phân t ự ố ị ử ử
Biết rằng mỗi pha gồm một loại ô mạng nhất định và cho hệ ạch nhiễu xạ vtương ứng trên gi n đ nhi u x N u m u g m nhiả ồ ễ ạ ế ẫ ồ ều pha nghĩa là gồm nhi u lo i ô ề ạ
mạng thì trên giản đồ ẽ ồn tại đồng thời nhiều hệ ạch khác nhau Phân tích các s t v
vạch nhiễu xạ có thể xác định được các pha có trong mẫu Đó là cơ sơ của phương pháp phân tích pha định tính Các pha chưa biết trong v t li u có th xác đ nh b ng ậ ệ ể ị ằ
so sánh với các số ệ li u chuẩn trong sách tra cứu hay các flie được lưu giữ trên máy
Hiện nay nhờ các số ệu chuẩn chuẩn chi tiết như: khoảng cách giữa các ặt phẳ li m ng
d, cường độ tương đối, ch s Miller c a m t ph ng, thông tin quang h c, mỉ ố ủ ặ ẳ ọ ật độ ố, s
Trang 21HV: Nguyễn Thành Hợp 19 Khóa 2009B
nguyên tử hoặc phân tử trong ô cơ bản, v.v…của vật chất được lưu giữ trên các flie CD-ROM có thể ử lý trực tiếp và cho ngay kết quả mà không cần bất kỳ tao tác x nào của người vận hành
1.3.2.Phương pháp EDAX
thuPhổ tán sắc năng lượng Tia X là một kỹ ật vi phân tích hóa học được sử
dụng kết hợp với các thiết bị phân tích khác như SEM hoặc TEM Công nghệ này
dựa vào sự thu nhận và phân biệt tia X phát ra từ ẫu trong quá trình bắn phá bởi mchùm điệ ử để xác địn t nh thành ph n hóa h c đầ ọ ặc trưng của m u ẫ
Bức xạ tia X phát ra do s kích thích cự ủa điện tử có th chia làm hai thành ph n: ể ầ
• Tia X liên t c hay bụ ức xạ hãm sinh ra bởi các điện t gi m t c trong m u ử ả ố ẫ
• Tia X đặc trưng, đặc trưng cho từng nguyên t hóa hố ọc, tia X đặc trưng phát
ra từ một nguyên t riêng bi t có thố ệ ể xác định được từ bước sóng λ hoặc năng lượng đặc trưng E (của photon) vì:
E=hc/λ Trong đó h là h ng s ằ ố plăng, c là v n t c ánh sáng, ậ ố λlà bước sóng
Hình 1 4 Nguyên lý phép phân tích EDAX
Nguyên lý c a phép phân tích EDAX: Nủ ếu điệ ử ớn t t i mẫu có năng lượng lớn hơn
th ế kích thích EC(năng lượng liên kết điện tử ạt nhân) thì điện tử lõi có thể ị ật h b b
ra kh i nguyên t và t o nên m t lỏ ử ạ ộ ỗ ố tr ng trong quỹ đạo Khi đó nguyên tử ở ạ tr ng thái kích thích và các lỗ ố tr ng quỹ đạo nhanh chóng được lấp đầy b ng sằ ự ồ h i phục điệ ửn t kèm theo s giự ải phóng năng lượng b ng hi u hai mằ ệ ức năng lượng qu o ỹ đạ
Trang 22HV: Nguyễn Thành Hợp 20 Khóa 2009B
Năng lượng này có th ể được gi i phóả ng dướ ại d ng m t photon tia X (xác su t cao) ộ ấPhoton này có bước sóng (năng lượng) đặc trưng cho nguyên tố phát ra nó Do v y ậbước sóng (năng lượng) tia X cho ta bi t thông tin v s có m t c a nguyên t phát ế ề ự ặ ủ ố
ra tia X, còn cường độ tia X phát ra cho ta bi t nế ồng độ nguyên tố Tuy nhiên, điện
t ử lõi bật ra có thể thuộc lớp K, L, M do vậy với mỗi nguyên tố, ta có thể có một hay m t s ộ ố các giá trị bước sóng tia X (năng lượng) đặc trưng cho nguyên tố đó
Khi bề ặ ần phân tích đượ m t c c chia ra thành nhiều điể ả h, phép đo EDm n AX
tiến hành phân tích thành phần nguyên tố trên từng điể ảnh sẽ cho bản đồ phân bốm nguyên tố trên b mề ặt mẫu c n quan sát D a trên kầ ự ết quả phân tích bản đồ phân b ốnguyên t ta có th ố ể xác định độ đồng đều của mẫu c n phân tích ầ
Hình 1 5 Sơ đồ ộ ệ m t h phân tích EDAX
Sử dụng chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu, tia X đặc trưng cho từng nguyên tố được thu bằng detector bán dẫn với độ phân giải màn hình là 256 x 256 điểm ảnh ứng với kích thước bề mặt mẫu là 100 x 100 m Kết quả đo cho ta biết thông tin về µphân bố các nguyên tố trên bề mặt mẫu ứng với diện tích quét
1.3.2.Phương ph áp đo đ c ng ộ ứ
Độ ứ c ng là m t ch tiêu chộ ỉ ất lượng b m t r t quan tr ng, có nh hư ng l n ề ặ ấ ọ ả ở ớ
tới độ ền chi tiết Khi độ ứng kém, chi tiế ẽ mau mòn, dễ biến dạng và do đó độ b c t s chính xác gi m sút nhanh chóng sau th i gian làm viả ờ ệc.Việc ki m tra chể ỉ tiêu độ
Trang 23HV: Nguyễn Thành Hợp 21 Khóa 2009B
cứng bề ặt được tiến hành theo các phương pháp khác nhau tuỳ theo độ ứng của m c
v t li u ậ ệ
cPhương pháp xác định độ ứng kim loại bằng tải trọng tĩnh là phương pháp
đo tiêu chuẩn và thường dùng nh t Nguyên t c cấ ắ ủa phương pháp là áp lực P xác định được tăng từ ừ t lên mũi thử, làm b ng v t li u chằ ậ ệ ọn trước, có hình dáng và kích thước nh t đ nh Đ ấ ị ộ sâu mà mũi thử có th xâm nh p vào b m t c a v t li u ể ậ ề ặ ủ ậ ệ
th tu thuử ỳ ộc vào độ ứng của nó Như vậy, thực chất của việc đo độ ứng vật liệu c c
là đo chuyển v th ng cị ẳ ủa mũi thử khi n nó vào v t li u th ấ ậ ệ ử dưới áp lực cho trước
Phương pháp đo độ ứ c ng Vickers Mũi thử trường hợp này là mũi hình tháp, có 4
cạnh chia đều, có kích thước tiêu chuẩn, đáy vuông và góc ở đỉnh là 136o±30’, bằng kim cương
Mũi thử đuợ ấc n vào v t liậ ệu dưới tác d ng c a t i tr ng, có 2 d i l c: micro 10g ÷ ụ ủ ả ọ ả ự1000g và macro 1kg ÷ 100kg V i th i gian gi t i tr ng tiêu chu n là 10 ÷ 15 giây ớ ờ ữ ả ọ ẩ
Vết lõm của mũi thử để ại trên vật liệu được đo theo l
chiều dài đường chéo đáy hình vuông trên vật liệu thử
Tr s ị ố được tính như sau:
2
2 2 1 , 8544
sin 2
D
P D
Trong đó: P - t i trả ọng mũi thử, đơn vị là N
D - tr s ị ố trung bình hai đường chéo vết lõm, mm
136
α = o góc hợp bởi hai cạnh đối diện c t nhau tắ ại đỉnh tháp
Tr ừ trường hợp lực kiểm tra dưới 200g, giá trị độ ứng Vickers nói chung là độc lập c
tức là nếu vật liệu kiểm tra là đồng đều thì giá trị ủ c a độ cứng Vickers sẽ là như nhau (Vickers như nhau khi dùng 500g và 50kg lực) Do khi thay đổ ải t i tr ng, t l ọ ỷ ệ
giữa tải trọng và bình phương đường chéo vết lõm nhân được luôn luôn không đổi,
Trang 24HV: Nguyễn Thành Hợp 22 Khóa 2009B
điều này cho phép dùng t i trả ọng thay đổi mà không ảnh hưởng đến k t qu ế ả đo, với
v t m ng có th dùng t i tr ng thích hậ ỏ ể ả ọ ợp (ưu điểm so với cá phương pháp khác)
Tr s cị ố độ ứng HV được ghi cùng v i tớ ải trọng th và th i gian th ử ờ ử
VD: HV 100/30 – 500 có nghĩa là trị ố độ ứng Vickers là 500 đo vớ ả s c i t i tr ng thọ ử
là 100 N trong khoảng thời gian 30 giây
Để đo độ ứ c ng t vi nế gười ta dùng mũi thử kim cương có đáy vuông gá dưới kính
hiển vi ( có độ khuyếch đại 500X) ấn vào mẫu với tải trọng trong khoảng 0,05N tới 5N Chi u dài về ết lõm được đo nhờ ị kính đo lường củ th a kính hi n vi Kho ng cách ể ả
gi a tâm hai v t lõm ph i lữ ế ả ớn hơn 2,5 chiều dài đường chéo v t lõm Giá tr c ng ế ị độ ứ
của lớp phủ ẽ cho giá trị chính xác nhất khi chiều sâu h của mũi thử ấn vào vật liệu s
b ng 1/3 chi u dày lằ ề ớp phủ ần đo c
1.3.4.Phương ph áp đo chi u dày ề màng
Tốc đ ắng đọng màng đượộ l c định nghĩa là tốc đ phát triển chiều dày màng trong ộ
một đơn vị ời gian, đơn vị th là: (nm/phút)
Tốc độ ạo màng đượ t c tính gián ti p qua chi u dày cế ề ủa màng đo được :
Trang 25HV: Nguyễn Thành Hợp 23 Khóa 2009B
Máy đo Anpha Step IQ là máy đo biên dạ– ng b m t d a vào k t qu quét ề ặ ự ế ả
của kim dò trên bề mặt mẫu theo một đường thẳng Có thể phát hiện sự khác biệt trên bề ặt mẫu từ 80 Angstrom đến 2mm với độ chính xác cao Có đến 48 thang m
đo tùy thuộc vào b m t mà ta l a chề ặ ự ọn thang đo phù hợp K t qu ế ả quét được hi n ệ
th ịtrên màn hình máy tính theo hình ảnh 2D cho phép theo dõi và phân tích quá trình, hệ ố th ng có phần mềm điều khiển đi kèm, vớ ề ải n n t ng tính toán m nh có thạ ể cho k t qu nhanh và hi u suế ả ệ ất cao Để đo được chiều dày của màng ta phải tạo mẫu
có b c chuy n ti p s c nét b m t màng xuậ ể ế ắ ề ặ ống đế
Dưới đây là kết qu ả được đo chiều dày c a màng m ng trên máy Anpha – Step IQ ủ ỏ
Hình 1 7 Chi u dày m u màng TiN khề ẫ ảo sát Phân tích k t quế ả Ở đồ ị: th trên ta chọn vùng cần xác định chi u dày, lề ấy 2 đi m mà ể
ở đoạn đồ ị đó là phẳ th ng, ph n m m s t ng tính t i v trí nào thì có giá tr trung ầ ề ẽ ự độ ạ ị ịbình chi u dày cề ủa 2 điểm đó, đố ới đế ta cũng làm tương tự như vậi v y K t quế ả đo chiều dày của màng thu được chính là chiều dày trung bình của màng trừ đi sai số
b m t cề ặ ủa mẫu
Trang 26âm cực (Vacuum Cathode) được phát minh và ng d ng lứ ụ ần đầu tiên vào năm 1977
ở Liên Xô Hi ện nay, đây là một trong các phương pháp công nghệ tiên tiến đượ ửc s
dụng hết sức rộng rãi và đặc biệt hiệu quả để ắng đọng các lớp phủ ứng kiểu TiN, l cTiCN Đây là một phương pháp công nghệ cho phép l ng đọng các màng mỏng với tốc ắ
độ ắ l ng đ ng cao, đọ ộbám dính a màng - đế tuyệt vời, điện áp duy trì hồ quang thấp củ(U~20V), đặc biệt phù hợp cho mục tiêu thương mại và mang tính công nghiệp cao 2.1.1.Nguyên lý hoạt động
Hồ quang chân không là sự phóng điện với dòng đi n có cư ng đ ớn trong môi ệ ờ ộ ltrường chân không giữa hai điện c c có hiệự u đi n thế thấp Trong quá trình hồ quang ệchân không với dòng đi n có cư ng đệ ờ ộ nh ỏ hơn một vài A, có thể quan sát thấy một kchuỗi các đi m sáng di chuyển nhanh trên bề mặt Cathode Đi m này đưể ể ợc gọi là đi m ể
hồ quang hay là điểm Cathode (Cathode spot) Toàn bộ quá trình này diễn ra trong khoảng từ một vài giây đến vài phút tại một khu vực nào đó trên Cathode
Hình 2 1 Bản v cấu tạo đầu hồ quang ẽ
Trang 27dẫn điện, các điểm Cathode còn là nguồn tạo ra các đi n tửệ th cứ ấp phát xạ ừ ật t v
liệu làm điện cực Cathode Với tất cả các loại hồ quang, dòng điện tập trung trong
một vùng rất nhỏ ủa điểm Cathode Tạ c i đây s ạo ra nhiệ ộẽ t t đ và điện trường rất
lớn đủ điều kiện để cho plasma có thể hình thành dẫn tới hơi kim loại phát ra từ các điểm Cathode b ion hoá gị ần như hoàn toàn và mang năng lượng cao Động năng của các ion thường nằm trong khoảng 50÷100 eV Động năng này cho phép các ion đạt
vận tốc chuyển động v≈10 km/giây t ừ các điểm Cathode Vì vậy, trong công nghệ
h ồ quang chân không, ột lượng plasma rất lớn sẽ được tạo ra và dòng ion chiếm m kho ng 10% dòng h quang ả ồ
Trong bu ng chân không, lu ng plasma t Cathode s di chuy n vồ ồ ừ ẽ ể ề mọi hướng
và m t phộ ần trong đó đi tới Anode Dòng điện trong m ch t o ra bạ ạ ởi dòng các điện
t chuyử ển động từ Cathode tới Anode Dòng plasma có thể ị ảnh hưởng rất mạ b nh
Trang 28b ộ vùng Anode Luồng plasma hơi kim loại tạo ra bởi hồ quang sẽ ắng đọng trên l
bất kỳ ề ặt nào trong buồng chân không và lắng đọng dưới dạng các lớp phủ kim b m
loại đơn hoặc đa thành phần Có thể thấy rằng luồng plasma Cathode là một môi trường đặc biệt được ion hoá gần như hoàn toàn có năng lượng và mật độ ion cao
Độ ion hoá cao cho phép d ễ dàng điều khiển năng lượng c a các ion lủ ắng đọng trên
đế ằng cách thay đổ hiên áp âm đặt lên đế Năng lượ b i t ng cao c a ion còn giúp cho ủ
việc làm sạch đế khỏi các chất bẩn bằng phún xạ ion Ngoài ra dòng ion cao sẽ cho phép gia tăng tốc đ lộ ắng đọng màng và có th ể điều ch nh nó trong m t d i r t r ng ỉ ộ ả ấ ộ
t c nm/phút ừ ỡ đến µm/phút Đây có thể được coi như một ưu điểm tuyệt vời đ c ặ
biệt hữu hiệu của phương pháp hồ quang chân không và đặc biệt có ý nghĩa về ặ m t kinh t ế
2.1.2.Hiệu ứng “hạt macro”
Trong phương pháp hồ quang chân không, các quá trình bay hơi hồ quang Cathode thường t o ra mạ ột lượng các h t v t liạ ậ ệu có kích thướ ừ ộc t m t µm vài t i ớvài ch c µm lụ ắng đọng trên bề mặt đế Các hạt này được gọi là các hat macro (macroparticle) Đây là các hạt điện tích trung hòa với kích thước và mật độ phát x ạkhác nhau Các h t marco này khi thoát khạ ỏi cathode m t ph n lộ ầ ắng đọng trên đế
tạo ra sự chênh lệch về ật độ kim loạ ở trên đế Hiên tượng này được gọi là hiệu m i
ứng “h t macro” ạ
Trang 29HV: Nguyễn Thành Hợp 27 Khóa 2009B
Hình 2 3 H t marco xu t hi n trên b mạ ấ ệ ề ặt m ngà
Hi u ệ ứng “hạt macro”gây ra nhiều tác động không mong muố ảnh hưởng rất lớn n
t i tính ch t và chớ ấ ất lượng của lớp ph và là nguyên nhân củ ủa các vết rạn n t sinh ra ứbên trong l p ph Vì v y, c n ph i gi m thi u t i mớ ủ ậ ầ ả ả ể ớ ức tối đa có thể ệ ứ hi u ng “hạt macro”trong quá trình h quang chân không Các nghiên cồ ứu gần đây cho thấym t ậ
độ phát x ạ và kích thước các h t marco ph thu c ch t ch vào các thông s công ạ ụ ộ ặ ẽ ốngh cệ ủa quá trình hồ quang chân không Người ta nhận thấy kích thước h t marco sạ ẽ nhỏ đi khi nhiệ ột đ ểđi m Cathode tăng lên và áp suất hơi kim loại giảm Ngoài ra, sốlượng h t macro hình thành s t ng lên khi nhi t nóng ch y c a vạ ẽ ă ệ độ ả ủ ật liệu Cathode thấp và t ng theo dòng hồ quang ă
2.1.3.Các đặc tính và ưu điểm củ a phương pháp h quang chân không ồ
Phương pháp hồ quang chân không có nhi u c tính khác bi t so về đặ ệ ới các phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý PVD khác Đó là:
1) Lu ng plasma kim loồ ại được sinh ra t m t hay nhiừ ộ ều điểm Cathode
2) Phầ ớn hơi kim loại hình thành bịn l ion hóa (~30 ÷ 100%)
3) Nhi u trề ạng thái điện tích của ion được hình thành ( ví d Tiụ +, Ti+2, Ti+3,
vv…) 4) Các ion phát ra với động năng lớn (~10eV ÷ 100 eV)
5) Plasma phát xạ từ điểm Cathode bao gồm: điện tử, ion và vật liệu bốc bay
Trang 30HV: Nguyễn Thành Hợp 28 Khóa 2009B
B ng 3 M t s ả ộ ố đặc tính điển hình của phương pháp hồ quang chân không
Các đặ tính điểc n hình Các giá tr ị đạt được
Mật độ dòng năng lượng (W/cm2)
107 – 109
Mật độ dòng (A/cm2) 106 – 108
Cường độ điện trường (V/cm) 104 – 105
Lớp phủ ứng lắng đọng bằng phương pháp hồ quang có c những ưu điểm nổi bật so
với các phương pháp khác như sau:
1) Lớp ph ủ độ bám dính cao, mật độ ắng đọ l ng lớn và đặc bi t có thệ ể ễ d dàng điều ch nh các thành ph n và tính ch t c a màng bỉ ầ ấ ủ ằng cách thay đổi các thông s công ngh ố ệ như áp suất, thành ph n khí, thầ iên áp đế, mật độ dòng h quang v v ồ
2) Tốc độ ắng đọ l ng l n khi lớ ắng đọng các l p ph kim lo i, h p kim vớ ủ ạ ợ ới độđồng đề ấu r t cao
3) Nhiệt độ đế ấ th p
4) Không phá h y bia ủ
5) Do hơi kim loại bị ion hóa cao nên dễ dàng lắng đọng các l p phớ ủ đa thành
ph n ầ
6) Thân thi n vệ ới môi trường (không s d ng hóa chử ụ ất, khí độc hại)
Kết luận: Phương pháp hồ quang chân không là một phương pháp công nghệ tiên tiến có nhiều ưu điểm so với các phương pháp PVD khác, đã được ứng d ng ụ rộng rãi trong công nghiệp Phương pháp này cho phép lắng đọng các lớp phủ đơn, đa lớp hoặc đa thành phần có chất lượng cao
Trang 31Hình 2 4 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp bốc bay h quang chân không ồ
Chú thích các ký hiệu:
1 Bu ng chân không ồ
2 Đầu h quang chân không ồ
3 H th ệ ống mồ ồi h quang
4 Nguồn điện h quang ồ
5 H gá ệ quay mẫu + đầu đo nhiệt độ và đầu nối thiên áp đế
6 Bơm khuếch tán
7 Bơm cơ học
8 H th ng khí công tác: Ar, CHệ ố 4 và N2
Trang 32HV: Nguyễn Thành Hợp 30 Khóa 2009B
2.2.2.Thi t b bế ị ốc bay hồ quang xây dựng
Trên hình 2.5 là thiết bị ố b c bay hồ quang chân không được cải tạo từ thiết bị TINA900
Hình 2 5 Thi t b m b c bay h quang chân không tế ị ạ ố ồ ại Trung tâm Quang Điệ ửn t
Hình 2 6 Đầu bốc bay hồ quang lắp đặt trong bu ng chân không ồ
Các thành phần cơ bản của h ệ thiế ị ạ ồ quang chân khôngt b m h
1)Buồng chân không
Đầu h quang ồ B ph n m i ộ ậ ồ
h quang ồVan khí nén
Dây ngu n ồ
H th ng t ệ ố ừtrường
Ngu n h ồ ồ
quang
Bia Titan
Trang 33-Kích thước bia đường kính Ø60x8mm
-Dòng h quang ồ thay đổi trong d 0÷250A ải
Hình 2 7 Đầu h quang chân không ồ3)Nguồn hồ quang
Công nghệ ạ ồ quang yêu ầu bộ ồn phải tạo ra điện áp có dòng một chiều lớn, đặc biệt dòng DC này phả ổn định khi tải là một môi trường ion có thểi thay đổi liên t c theo qui trình mà công ngh m ụ ệ ạ đưa ra Ngoài ra bộ ngu n ph i ồ ả
hoạt động ổn định trong suốt quá trình mạ kéo dài, có khả năng điều khiển từ bên ngoài để đồ ng b hoộ ạt động nhi u ngu n cùng mề ồ ột lúc Để đáp ứng các yêu c u k ầ ỹthuật trên bộ nguồn được thiết kế ằng kỹ b thuật chuyển mạch tần số cao switching mode power supply (SMPS)
Trang 34HV: Nguyễn Thành Hợp 32 Khóa 2009B
Hình 2 8 Nguồn hồ quang chân không
Các tính năng chính của b ngu n: ộ ồ
• Điện áp ra max 70VDC khi không t i ả
• Điện áp ra max 30VDC khi t i ả
• Dòng điện DC 50 đến 250A
• Độ ấp mô ≤ 5% m
• Độ ổn định theo thời gian ≤ 3%
• Điện áp nuôi 3pha 380VAC ±10%
• Hi u suệ ất ≥ 85%
4)Nguồn thiên áp: Điện áp đầu ra: 0 ÷ -1000V DC
Chức năng nguồn áp Chức năng nguồn dòng
Đo điện áp hi n th s phân gi i Vol ể ị ố độ ả
Đo điện áp hi n th s phân gi i mA ể ị ố độ ả
Báo l i ỗ
Trang 35HV: Nguyễn Thành Hợp 33 Khóa 2009B
B o v ả ệ quá tải Điện áp s d ng 1pha 220VAC / 50Hz ử ụĐiện áp s d ng 3pha 380VAC / 50Hz (option) ử ụ
Công su t max 3.5KW ấMôi trường làm vi c: nhi t 40ệ ệ độ≤ OC; Độ ẩ m 80% RTH ≤
5)Thi t b ế ị điều khiển lưu lượng khí: MFC c a hãng MKS-M ủ ỹ
Hình 2 9 Thi t b ế ị điều khiển lưu lượng kh CHí 4, N2, Ar