Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện kim loại màu trên máy CNC bằng dụng cụ cắt phủ kim cương

Tìm mối quan hệ giữa lực cắt chính Pz và các thông số của quá trình cắt s, v, t khi sử dụng dụng cụ cắt phủ kim cương để tiện hợp kim nhôm bằng phương pháp thực nghiệm.. trên bề mặt dụng

ĐINH QUANG HUY

XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG RIÊNG TIÊU HAO KHI TIỆN KIM LOẠI MÀU TRÊN MÁY CNC BẰNG

DỤNG CỤ CẮT PHỦ KIM CƯƠNG

Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Doãn Sơn

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1986 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy Mã số :

I TÊN ĐỀ TÀI: Xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện kim loại màu trên máy CNC

bằng dụng cụ cắt phủ kim cương

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan về dụng cụ cắt có lớp phủ( cấu tạo, phương pháp phủ, thiết bị phủ, ứng dụng) 2 Nhôm và hợp kim nhôm

3 Các phương pháp xác định lực cắt trên máy tiện 4 Tìm hiểu lý thuyết về năng lượng riêng

5 Xác định lực cắt bằng thực nghiệm, tìm mối quan hệ giữa lực cắt và năng lượng riên với các thông số quá trình cắt(v,s,t) khi tiện nhôm trên máy tiện CNC bằng dụng cụ cắt phủ kim cương

6 Kết luận và hướng phát triển

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày…….tháng…… năm…… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày…….tháng…… năm…… V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Trần Doãn Sơn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trần Doãn Sơn, người đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2011

Học viên

Đinh Quang Huy

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Bởi vì sự phát triển của vật liệu dụng cụ cắt, những vật liệu phủ trở nên khá hoàn hảo và hiệu quả Tuy nhiên cho tới nay không có nhiều tài liệu nghiên cứu đánh giá về năng lượng riêng tiêu hao trong quá trình gia công bằng dụng cụ cắt có lớp phủ, đó là nguyên nhân tại sao chúng ta gặp khó khăn trong việc xác định năng lượng tiêu hao Luận văn này sẽ giải quyết những vấn đề này

Luận văn giải quyết 2 vấn đề chính: 1 Xây dựng kiến thức về vật liệu phủ và quy trình công nghệ sản xuất 2 Tìm mối quan hệ giữa lực cắt chính Pz và các thông số của quá trình cắt

(s, v, t) khi sử dụng dụng cụ cắt phủ kim cương để tiện hợp kim nhôm bằng phương pháp thực nghiệm Từ đó chúng ta có thể xác định năng lượng tiêu hao khi sử dụng dụng cụ cắt phủ kim cương để tiện hợp kim nhôm

Thật khó để đánh giá mọi yếu tố của từng điều kiện gia công Do thời gian và điều kiện nghiên cứu có hạn, luận văn chi có thể đưa ra một kết quả hạn chế (trong trường hợp cụ thể, chúng tôi chỉ nghiên cứu đối với hợp kim nhôm)

ABSTRACT

Because of the developing in material of cutting tools, coating material has become pretty perfect and effective However, there are few documents on research estimating the consumable energy processed by coating material cutting tools up till now that is the reason why we always get the problem trying to define its consumable energy This essay will help to solve these issues

This essay solves 2 main problems: 1 Building knowledge of coating material and process of producing

technology 2 Finding the relationship between cutting power Pz and the figures of

cutting part (s, v, t) when using Diamond coating material tools to turning aluminium alloy with practical scheme method Then we can estimate the consumable energy when using Diamond coating material cutting tools to turning aluminium alloy

It is hard to estimate every single factor of each processing condition this is also the matter of time and the limited condition of researching which can only lead to a narrow result (in particularly, we can only do research with aluminium alloy)

1.3.1 Chọn lựa theo hình dạng chi tiết gia công 22

1.3.2 Chọn lựa theo mục đích gia công 24

1.3.3 Các insert dùng gia công kim loại màu và hợp kim màu 24

2.2.1 Phân loại hợp kim nhôm 58

2.2.2 Ký hiệu hợp kim nhôm 59

2.2.3 Hợp kim nhôm biến dạng 61

2.2.3.1 Nhóm hợp kim không hóa bền được bằng nhiệt luyện 61

2.2.3.2 Nhóm hợp kim hóa bền được bằng nhiệt luyện 62

2.2.4 Hợp kim nhôm đúc 64

2.2.5 Hợp kim nhôm thiêu kết 66

2.2.6 Hợp kim nhôm hạt 66

2.3 Kết luận 67

3.2 Phương pháp xác định lực cắt trên máy tiện 69

3.2.1 Phương pháp đo trực tiếp 69

3.2.2 Phương pháp đo lực cắt thông qua đo công suất 74

4.3.4.1 Xác định ma trận quy hoạch thực nghiệm 98

4.3.4.2 Xác định các hệ số của phương trình hồi quy 98

4.3.5 Phân tích kết quả thực nghiệm 103

4.3.5 Mối quan hệ của Pz và U với s, v, t 103

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

APCVD Atmospheric pressure chemical vapor deposition

CVD Chemical Vapor Deposition

LPCVD Low-pressure chemical vapor deposition

PACVD Plasma assisted chemical vapor deposition PCVD Plasma chemical vapor deposition

PECVD Plasma-enhanced chemical vapor deposition PVD Physical Vapor Deposition

PTHQ Phương trình hồi quy QHTN Quy hoạch thực nghiệm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chế độ cắt của insert dùng gia công kim loại màu và hợp kim màu 24

Bảng 1.2 Bảng tóm tắt một số quy trình PVD 29 Bảng 1.3 Một số vật liệu thường được sử dụng để tạo màng cứng và các đặc tính của chúng 47 Bảng 1.4 Một số loại vật liệu được sử dụng để tạo lớp phủ và độ dày của lớp phủ 47 Bảng 1.5 Một số ứng dụng của lớp phủ có chứa Titan và phương pháp phủ 48 Bảng 1.6 Tính chất, độ bền một số lớp phủ điển hình 48 Bảng 2.1 Ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn AA(Aluminium Asociation) 58 Bảng 2.2 Bảng quy đổi thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhôm theo TCVN và Aluminium Association (AA) 59 Bảng 3.1 Hằng số lực cắt Cp khi cắt vật liệu dẻo 78 Bảng 3.2 Hằng số lực cắt Cp khi cắt vật liệu dòn 78

Bảng 4.1 Giá trị độ cứng và chỉ số machinability của một số loại vật liệu từ kết quả thực nghiệm 85

Bảng 4.2 Giá trị mã lực đơn vị và năng lượng riêng cần thiết để gia công những loại vật liệu khác nhau, sử dụng dụng cụ cắt sắc bén và chiều dày phoi trước khi cắt t0=0.010 in = 0.25 mm (tương ứng bước tiến s=0.25mm/vòng) Dao không lớp phủ 87 Bảng 4.3 Các thông số kỹ thuật của máy tiện CNC – S20 88

Hình 1.3 Ba cách giữ và cố định lưỡi cắt trên dụng cụ một lưỡi cắt 18

Hình 1.4 Hình dạng một số mảnh hợp kim được sử dụng trong thực tế 19

Hình 1.5 Biên dạng ngoài và một số cách lựa chọn mảnh hợp kim 20

Hình 1.6 Biên dạng trong và một số cách lựa chọn mảnh hợp kim 21

Hình 1.7 Những yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn các mảnh hợp kim 22

trên bề mặt dụng cụ cắt (sử dụng phương pháp CVD để phủ TiN và TiCN lên bề mặt

nên WC-Co; sau đó tiếp tục phủ một lớp TiN bằng phương pháp PVD) 37

Hình 1.23 Một lò phản ứng điển hình được sử dụng trong phương pháp lắng đọng hơi hóa học 38

Hình 1.31 Ứng dụng lớp phủ trên bề mặt đồng hồ tăng khả năng chống trầy xướt 50

Hình1.32 Lớp phủ trên mâm xe ô tô 50

Hình 3.3 Lực kế theo nguyên lý thủy khí 68

Hình 3.4 Bộ chuyển đổi điện trở kiểu chiết áp 69

Hình 3.5 Bộ chuyển đổi điện từ 69

Hình 3.6 Bộ chuyển đổi kiểu vòng 69

Hình 3.7 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 70

Hình 3.8 Bộ chuyển đổi LVDT (Linear variable diffirental transformer) 70

Hình 3.9 Nguyên lý biến dạng dư 70

Hình 3.10 Đo lực cắt bằng strain gauge 71

Hình 3.11 Đo lực bằng bộ chuyển đổi strain gauge 72

Hình 3.12 Sơ đồ lực tác dụng trên phôi cắt 75

Hình 4.1 Máy tiện CNC – S20 sử dụng trong thực nghiệm 89

Hình 4.2 Thiết bị chuyển đổi tín hiệu XK3190-A12 90

Hình 4.3 Sơ đồ thực nghiệm 91

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Pz với s, t 102

Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa U với s, t 103

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của Pz với v, s 104

Hình 4.7 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa U với v, s 105

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Pz với v, t 106

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa U với v, t 107

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài

Bởi vì sự phát triển của vật liệu dụng cụ cắt, những vật liệu phủ trở nên khá hoàn hảo và hiệu quả Tuy nhiên cho tới nay không có nhiều tài liệu nghiên cứu ước lượng về năng lượng riêng tiêu hao trong quá trình gia công bằng dụng cụ cắt có lớp phủ, đó là nguyên nhân tại sao chúng ta gặp khó khăn trong việc xác định năng lượng tiêu hao

Xuất phát từ mục đích trên, cũng như sự quan trọng của vật liệu nhôm, đề tài đi vào tìm hiểu xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện kim loại màu (cụ thể là nhôm) trên máy CNC

Trên thế giới, hiện nay việc xác định năng lượng riêng tiêu hao trong quá trình gia công chỉ mới thực hiện trên máy công cụ truyền thống Việc xác định năng lượng riêng tiêu hao trong quá trình gia công trên các máy CNC vẫn chưa có đề tài nào thực hiện

Trong nước, đã có một đề tài tìm hiểu về vấn đề xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện thép C45 bằng dụng cụ phủ Titan

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung vào mục tiêu chính: Xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện nhôm trên máy CNC bằng dụng cụ cắt phủ kim cương Từ đó chọn chế độ gia công sao cho năng lượng riêng tiêu hao khi gia công chi tiết bằng vật liệu nhôm là nhỏ nhất Để đạt được mục tiêu này, các thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện CNC với dụng cụ cắt phủ kim cương

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu bao gồm: 1 Tổng quan về dụng cụ cắt có lớp phủ

2 Nhôm và hợp kim nhôm 3 Các phương pháp xác định lực cắt trên máy tiện 4 Tìm hiểu lý thuyết về năng lượng riêng

5 Xác định lực cắt bằng thực nghiệm, tìm mối quan hệ giữa lực cắt và năng lượng riêng với các thông số quá trình cắt (s, v, t) khi tiện nhôm trên máy tiện CNC bằng dụng cụ cắt phủ kim cương

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

Thu thập tài liệu về dụng cụ cắt có lớp phủ, cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ, ứng dụng vật liệu phủ; một số phương pháp, thiết bị phủ phổ biến hiện nay

Tìm hiểu, thu thập tài liệu về nhôm và hợp kim của nhôm cũng như ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực

Tìm hiểu về lực cắt và các phương pháp xác định lực cắt trên máy tiện Tìm hiểu về lý thuyết năng lượng riêng

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng được đề tài tập trung nghiên cứu: nhôm

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

hiện đại nhằm thỏa mãn các yêu cầu đề ra

Năng lượng riêng tiêu hao liên quan đến nhiều vấn đề trong quá trình gia công Việc xác định được năng lượng tiêu hao có thể ứng dụng để tìm hiểu bản chất của những quá trình khác cho những nghiên cứu chuyên sâu sau này

Xác định được năng lượng riêng tiêu hao, từ đó biết được sự tương thích của vật liệu trong quá trình gia công

7 Tính mới của đề tài

Ở trên thế giới, nghiên cứu năng lượng riêng chỉ mới thực hiện trên các máy công cụ vạn năng và chưa nghiên cứu trên dụng cụ cắt có lớp phủ Ở Việt Nam, nghiên cứu năng lượng riêng chưa có nhiều Hướng xác định năng lượng riêng tiêu hao khi tiện kim loại màu (ở đây sử dụng nhôm) trên máy CNC bằng dụng cụ cắt phủ kim cương là một hướng nghiên cứu mới, chưa có nhiều công trình thực hiện theo hướng này

chủ yếu ở Mỹ và trên thế giới (2005)

Công nghệ lắng đọng hơi vật lý (PVD) đạt sự tăng trưởng lớn nhất, trong khi

với những công nghệ khác Ngoài ra những công nghệ khác vẫn có xu hướng phát triển như những lớp phủ siêu cứng (kim cương và CBN) và lớp phủ có tính bôi trơn cao (MoS2)

Tùy theo vật liệu chi tiết gia công mà chọn dao với chất nền thích hợp Khi gia công thép thì yêu cầu mảnh hợp kim có khả năng chống biến dạng cao cũng như khả năng chống mòn và chống tạo lỗ trống vì khi gia công thép tạo ra phoi dây và sự truyền nhiệt ở khu vực cắt gọt Chất nền bằng tungsten carbide được hợp kim hóa bởi một số carbide khối (TiC, TaC, NbC và VC) có lẽ cần thiết cho gia công thép Khi gia công vật liệu có tính dính như thép không rỉ thì mảnh hợp kim có yêu cầu độ dai cao hơn yêu cầu về tính chống mòn và chống tạo lỗ trống (do lẹo dao và tróc) nên vật liệu nền có độ dai cao hơn với lượng coban cao tại lưỡi cắt và độ hạt nhỏ là lựa chọn thích hợp

Một số vật liệu nền khác là: polymer, kẽm – thiết, bạc – đồng thau, hợp kim cứng, thép gió, titan, inconel …

1.2.2 Vật liệu phủ

Vật liệu phủ chính là carbide titanium (TiC), titanium nitride (TiN), oxyt nhôm (Al2O3), titanium cacbide nitride (TiCN) Đây là các vật liệu rất cứng, có độ chống ăn mòn và độ trơ hoá học cao, tạo một rào cản rất tốt giữa dụng cụ và phoi

+ Titan Nitride (TiN): tăng độ cứng và nhiệt độ oxy hóa cao Đây là loại vật liệu

thường dùng nhất, quen thuộc với lớp phủ màu vàng, nó thường được phủ lên thép gió và carbide dụng cụ TiN có độ cứng cao, hệ số ma sát nhỏ, giảm mài mòn và dính trong quá trình gia công Đặc biệt với lớp phủ này có màu vàng nên rất dể nhận biết lưỡi cắt bị mài mòn

+ Titanium – Carbon – Nitride (TiCN): thêm carbon để tăng độ cứng và bôi trơn

bề mặt của lớp phủ Lớp phủ có màu xanh xám, cứng hơn TiN Nó cải thiện sự mài mòn của bề mặt khi cắt thép cacbon, gang, thép hợp kim dụng cụ

+ Titanium – Alumium – Nitride (TiAlN): Độ bền bề mặt cao hơn, nâng cao tuổi

thọ của dao, cải thiện độ bền nóng và chống lại sự oxit hoá khi phản ứng với TiN Loại lớp phủ này có màu tía xám, tính dẫn nhiệt kém nhưng rất cứng

+ Oxit nhôm (Al2O3): Dụng cụ cắt với lớp phủ Al2O3 đang trở thành dụng cụ cắt có lớp phủ đang được sử dụng rất rộng rãi Vật liệu này có độ cứng cao, bảo vệ được bề mặt, an toàn khi cắt với tốc độ cao khi gia công vật liệu cứng, gang và một số sản phẩm khác Loại lớp phủ này có màu đen

+ CBN: Loại lớp phủ CBN đang được nghiên cứu trong những năm gần đây

Chiều dày lớp phủ này tương đối dày nên khả năng tập trung ứng suất bề mặt rất cao, khả năng dính kết kém Tuy nhiên khi phủ CBN thì khả năng chịu mài mòn của dao rất tốt, nó thích hợp gia cho gia công vật liệu có chứa sắt hoặc không sắt hay cả vật liệu phi kim loại

+ Phủ Chromium Nitride (CrN): có tính chất chống dính, chống lại hiện tượng

lẹo dao

+ Kim cương: cho hiệu suất gia công tốt nhất khi gia công vật liệu không chứa

Có thể có một hoặc nhiều lớp phủ trên bề mặt mảnh hợp kim Loại một lớp phủ được chế tạo dơn giản và rẻ tiền tuy nhiên tuổi thọ của dao thấp do dao chóng mòn hơn và vết nứt (nếu có) dễ lan đến vật liệu nền hơn so với loại nhiều lớp phủ

Loại nhiều lớp phủ thì mỗi lớp phủ có những tính chất và công dụng nhất định Có thể có 2, 3 hoặc nhiều lớp phủ hơn Loại này tạo cho dao độ tin cậy cao hơn và khả năng gia công liên tục dài hơn Một loạt các lớp phủ mỏng bảo vệ vật liệu nền một cách mạnh mẽ hiệu quả, kéo dài tuổi bền của dao

những mảnh hợp kim có góc đỉnh lớn sẽ bền hơn và ít bị vỡ hơn so với những mảnh hợp kim có góc đỉnh nhỏ hơn trong quá trình gia công Tuy nhiên những mảnh hợp kim có góc đỉnh lớn cũng đòi hỏi năng lượng tiêu thụ nhiều hơn và độ cững vững của hệ thống cũng phải cao hơn Ưu điểm của mảnh hợp kim tròn là có thể xoay mảnh hợp kim để tăng số lần sử dụng Trong khi đó, những mảnh hợp kim hình vuông có 4 cạnh cắt, hình tam giác có 3 cạnh, và hình thoi chỉ có 2 cạnh Số cạnh càng ít là một bất lợi về chi phí

Vật liệu và hình dạng của mảnh hợp kim ảnh hưởng đến lực cắt, nhiệt độ cắt và năng lượng tiêu thụ

Hình 1.4 Hình dạng một số mảnh hợp kim được sử dụng trong thực tế

Dựa vào hình minh họa trên có thể thấy độ cứng vững, năng lượng yêu cầu và độ rung động sẽ tăng dần từ phải sang trái Trong khi khả năng gia công sẽ giảm dần từ phải sang trái Việc chọn lựa hình dạng của các mảnh hợp kim phụ thuộc chủ yếu vào:

- Hình dạng chi tiết gia công; - Mục đích gia công

™ Biên dạng ngoài

●● ● ● ● ●

Hình 1.6 Một số cách lựa chọn mảnh hợp kim theo biên dạng trong chi tiết gia công

●● : hình dạng mảnh hợp kim được ưu tiên sử dụng (recommand insert shape) ● : các mảnh hợp kim có thể thay thế (alternative insert shape)

1.3.2 Chọn lựa theo mục đích gia công

Mục đích gia công

Hình 1.7 Chọn lựa các mảnh hợp kim theo mục đích gia công

1.3.3 Các insert dùng gia công kim loại màu và hợp kim màu

Hiện này trên thị trường có khá nhiều insert dùng để gia công kim loại màu

và hợp kim màu, mà điển hình là các insert của hãng Sandvik

1.3.3.1 CD10

CD10 là insert có lớp phủ, là loại kim cương đa tinh thể bao gồm các hạt tinh thể mịn với đường kính trung bình 7μm Nó được dùng để gia công tinh và bán tinh kim loại màu và vật liệu không kim loại

Hình 1.10 Insert CD1810

Tốc độ chạy dao (mm/vòng) CD10 H10 CD1810

0.05 - 0.4 0.15 - 0.8 0.15 - 0.8

Vật liệu

Vận tốc cắt (m/phút)

Alumium alloys 250 - 2500 250 - 2500 250 - 2500Copper and copper alloys 65 - 630 65 - 630 65 - 630

1.3.4 Quy trình chế tạo mảnh hợp kim phủ

So với vật liệu dụng cụ khác thì carbide thiêu kết cứng hơn nhiều, sức chịu nén cao, nhưng độ bền kém Carbide thiêu kết có một phạm vi sử dụng rộng rãi và rất thành công Chính vì vậy mà hiện nay nó được sử dụng rất phổ biến trong chế tạo vật liệu nền

Hình 1.11 Quy trình chế tạo vật liệu nền

Công đoạn chế tạo mảnh hợp kim phủ bao gồm những bước sau:

• Chế tạo bột • Nén tạo hình • Thiêu kết • Xử lý bề mặt • Phủ

1.3.4.1 Chế tạo bột

Vật liệu thô chính được sử dụng để sản xuất carbide thiêu kết là quặng chứa nhiều vonfram Schelite (CaWO4) cũng như Wonframite ((Fe,Mn)WO4) đều có thể được sử dụng Trong các chất trên, hàm lượng oxyt vonfram (WO3) đặc trưng thường chiếm khoảng 70-75% khối lượng Trước khi định lượng về hàm lượng được chấp nhận sử dụng trong chế tạo, nó phải qua các bước kiểm tra vật liệu thô như: kiểm tra thành phần hóa học, tính chất vật lý…

Vật liệu thô sau khi đã được kiểm tra được sử dụng để tạo ta oxyt vonfram Bột vonfram sau đó được điều chế từ oxyt vonfram bằng cách khử hydro Hydro được sử dụng trong mục đích này được điều chế bằng cách điện phân nước Trong quá trình khử oxyt vonfram, hydro phản ứng với oxy tạo thành nước Quá trình này được thực hiện trong lò phản ứng loại thanh đẩy với vật liệu kháng nhiệt và điện

Với các điều kiện khác nhau trong quá trình khử, bột vonfram với các kích cỡ khác nhau được tạo thành Khi quá trình khử xảy ra với lượng dư lớn hydro, nhiệt độ thấp và lượng oxyt vonfram cho vào ít sẽ tạo ra bột vonfram hạt mịn, trường hợp ngược lại thì cho bột thô Theo cách này có thể điều chỉnh được kích cỡ hạt vonfram Tất cả bột vonfram đều được kiểm tra về kích cỡ và thành phần cấu trúc hạt một cách cẩn thận

Các sản phẩm bột vonfram được sử dụng để sản xuất vonfram cacbua

1.3.4.2 Quá trình nén tạo hình

Quá trình nén các bột carbide thiêu kết thành viên nén thường được thực hiện trên máy dập hoặc máy ép thủy lực Khi nén, viên nén chìm đầy lòng khuôn nhưng đây không phải là kích thước thực vì lỗ rỗng khoảng 50% Mục đích quá trình nén nhằm tạo hình

Hình 1.12 Quá trình nén tạo hình

1.3.4.3 Quá trình thiêu kết

Viên nén sau khi nén vẫn còn lỗ rỗng, mục đích của việc thiêu kết là điền đầy các lỗ rỗng đó và tạo nên sự liên kết giữa các hạt cứng để tăng thêm độ cứng vững Thực tế là kết dính cacbua lại với nhau

Sự thiêu kết phải dẫn đến phản ứng mong muốn giữa các phần tử cứng và các chất dính kết, giảm thiểu các lỗ hổng Sự hiện diện của cacbon như graphit hay cacbon dạng giòn pha ảnh hưởng trực tiếp lên sự chống ăn mòn và độ rắn của mũi dao carbide thiêu kết

Hình 1.13 Quá trình thiêu kết

1.3.4.4 Quá trình xử lý bề mặt

Carbide sau khi thiêu kết được đem xử lý bề mặt để chuẩn bị cho quá trình phủ

Hình 1.14 Quá trình xử lý bề mặt

1.3.4.5 Quá trình phủ

Quá trình phủ có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD), phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)…Mục đích quá trình phủ nhằm nâng cao cơ tính cho carbide thiêu kết

Hình 1.15 Quá trình phủ

Sau khi được phủ, sản phẩm (các mảnh insert) được kiểm tra thủ công trước khi được đóng gói và đem phân phối

Hình 1.16 Quá trình kiểm tra và phân phối

1.4 Một số phương pháp phủ phổ biến hiện nay

1.4.1 Phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD)

PVD là viết tắt của Physical Vapor Deposition Các lớp phủ PVD được hình thành ở nhiệt độ tương đối thấp (400-600oC) Titan nitrit (TiN) là lớp phủ đầu tiên bằng phương pháp PVD

Hình 1.17 Mặt cắt dọc một dụng cụ cắt phủ bằng phương pháp PVD

Phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) là một nhóm các quy trình phủ trong đó vật liệu được tụ họp trong trạng thái hơi trong một buồng chân không và được

ngưng tụ trên một bề mặt nền một lớp phủ rất mỏng Phương pháp PVD có thể ứng dụng để phủ các loại vật liệu khác nhau như: kim loại, hợp kim, vật liệu gốm và các hợp chất vô cơ khác và thậm chí cả một số loại polyme Chất nền được sử dụng có thể là kim loại, thủy tinh và nhựa Vì vậy, phương pháp PVD là một công nghệ phủ linh hoạt, áp dụng được cho gần như không giới hạn cho sự kết hợp giữa vật liệu nền và vật liệu phủ

Ứng dụng của phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) có thể biết đến như: lớp phủ mỏng trang trí trên các chi tiết nhựa và kim loại như đồ chơi, bút, bút chì, vỏ đồng hồ và trang trí nội thất bên trong xe ôtô Phương pháp PVD cũng được sử dụng rộng rãi để phủ Titanium nitride (TiN) cho dụng cụ cắt và khuôn ép nhựa để chống mài mòn

Quá trình lắng đọng hơi vật lý bao gồm các bước: - Bước 1: tổng hợp lớp hơi phủ

- Bước 2: hơi được chuyển đến lớp nền - Bước 3: hơi được ngưng tụ trên bề mặt nền Những bước trên được thực hiện trong một buồng chân không Việc tổng hợp các hơi có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, ví dụ như nhiệt điện trở, hoặc bắn phá bằng ion để làm bay hơi một chất rắn (hoặc lỏng) Các dạng khác ở một số quy trình PVD có thể phân thành ba loại chính: (1) bay hơi chân không, (2) sputtering, và (3) mạ ion

Bảng 1.2 Bảng tóm tắt một số quy trình PVD

Quy trình lắng đọng

Bay hơi chân không Đặc trưng: Thiết bị tương đối đơn giản và chi phí thấp; việc

lắng đọng các hợp chất khó khăn (lớp phủ không bám dính tốt bằng các quy trình PVD khác)

Vật liệu phủ điển hình: Ag, Al, Au, Cr, Cu, Mo…

Sputtering Đặc trưng: Độ bám dính vật liệu phủ tốt hơn so với phương

pháp bay hơi chân không; tỷ lệ lắng đọng chậm hơn và quá trình điều khiển khó khăn hơn phương pháp bay hơi chân không

Vật liệu phủ điển hình: Al2O3, Au, Cr, Mo, SiO2, Si3N4, TiC, TiN…

Mạ ion Đặc trưng: độ phủ và độ bám dính tốt nhất trong các quy trình

PVD, quá trình điều khiển phức tạp nhất và tỷ lệ lắng đọng cao hơn so với phương pháp sputtering

Vật liệu phủ điển hình: Ag, Au, Cr, Mo, Si3N4, TiC, TiN…

1.4.1.1 Phương pháp bay hơi chân không

Một số vật liệu (chủ yếu là kim loại tinh khiết) có thể lắng đọng trên bề mặt bằng cách: đầu tiên chuyển chúng từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi trong môi trường chân không và sau đó cho nó ngưng tụ trên bề mặt chất nền Vật liệu được lắng đọng được gọi là “vật liệu nguồn”, được gia nhiệt đến một nhiệt độ đủ cao để nó bay hơi (hay thăng hoa) Bởi vì quá trình gia nhiệt được hoàn thành trong môi trường chân không nên nhiệt độ cần thiết cho quá trình bay hơi thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ cần thiết trong áp suất khí quyển Ngoài ra, sự vắng mặt của không khí trong buồng cũng ngăn cản quá trình oxy hóa vât liệu nguồn ở nhiệt độ cao

Những phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để gia nhiệt và làm bay hơi vật liệu Một bình chứa được sử dụng để giữ vật liệu phủ trước quá trình bay hơi Một trong số những phương pháp bay hơi quan trọng như: gia nhiệt điện trở, bắn phá bằng chùm điện tử

• Gia nhiệt điện trở: là công nghệ đơn giản nhất Một kim loại chịu nhiệt

(W, Mo…) được tạo hình thành một thùng chứa để giữ nguồn nguyên liệu Dòng điện được đưa vào để gia nhiệt cho thùng chứa, sau đó gia nhiệt những vật liệu tiếp xúc với thùng chứa Một vấn đề trong phương pháp gia nhiệt này là có thể tạo thành hợp kim giữa dụng cụ chứa và vật liệu bên trong nó, vì vậy lớp phủ được lắng đọng trở nên bị nhiễm bẩn bởi kim loại của bộ gia nhiệt của thùng chứa

• Bắn phá bằng chùm điện tử: trong quá trình bay hơi, một dòng điện tử

với tốc độ cao được dẫn đến bắn phá bề mặt của vật liệu nguồn để gây ra quá trình bay hơi Ngược lại với phương pháp nhiệt điện trở, có rất ít năng lượng để gia nhiệt cho thùng chứa, do đó giảm tối thiểu sự nhiễm bẩn của vật liệu thùng chứa với lớp phủ

Bất kì phương pháp bay hơi nào, những nguyên tử bị bay hơi tách ra khỏi vật liệu nguồn và di chuyển theo những đường thẳng hàng cho đến khi chúng va chạm với các phân tử khí khác hoặc va đập với một bề mặt rắn Môi trường chân không bên trong buồng hầu như loại bỏ các phân tử khí khác, do đó làm giảm xác suất va chạm của các nguyên tử khí của vật liệu nguồn Bề mặt nền cần phủ được đặt ở một vị trí tương đối so với vật liệu nguồn để các nguyên tử khí lắng đọng trên đó Một tay máy cơ khí được sử dụng để thỉnh thoảng xoay để tất cả các bề mặt đều được phủ Khi tiếp xúc với bề mặt nền nguội, mức năng lượng của các nguyên tử va chạm đột ngột bị giảm tới điểm nó không thể tồn tại ở trạng thái khí, chúng ngưng tụ và bám vào bề mặt rắn, tạo nên một lớp phủ mỏng

Hình 1.18 Phương pháp bay hơi chân không PVD

1.4.1.2 Phương pháp sputtering

Nếu một bề mặt của chất rắn (hoặc lỏng) bị bắn phá bởi các hạt nguyên tử có năng lượng đủ cao, những nguyên tử riêng rẻ của bề mặt bị bắn phá có thể nhận được đủ năng lượng từ sự va chạm và chúng bị tách ra khỏi bề mặt Quá trình như vậy được gọi là phương pháp “sputtering” Phương pháp thuận tiện nhất để tạo ra những hạt mang năng lượng cao là sử dụng những khí bị ion hóa như Argon Cúng như một quy trình PVD, phương pháp suputtering sẽ bắn phá cực âm làm bằng vật liệu cần được phủ bằng những ion khí Argon (Ar+) làm cho những nguyên tử trên bề mặt cực âm tách ra khỏi và lắng đọng trên bề mặt vật nền, tạo thành một lớp phủ mỏng trên bề mặt nền Bề mặt vật nền phải được đặt gần cực âm và thường được gia nhiệt để cải thiện khả năng liên kết của những nguyên tử lớp phủ

Trong khi phương pháp bay hơi chân không thường bị giới hạn đối với một số kim loại, phương pháp sputtering có thể áp dụng gần như với bất kỳ vật liệu nào: kể cả

kim loại, phi kim loại, hợp kim, vật liệu gốm và polyme Lớp phủ của hợp kim và các hợp chất có thể được tạo ra mà không làm thay đổi thành phần hóa học

Nhược điểm của phương pháp sputtering PVD: (1) tỷ lệ lắng đọng chậm và (2) vì việc bắn phá ion bề mặt bằng chất khí, do đó có thể sẽ lẫn chất khí trong thành phần lớp phủ, vì vậy đôi khi tác động không có lợi với những thuộc tính cơ khí của lớp phủ

Hình 1.19 Phương pháp sputtering PVD

1.4.1.3 Phương pháp mạ ion

Phương pháp mạ ion kết hợp cả hai phương pháp sputtering và bay hơi chân không để lắng đọng một lớp phủ mỏng lên bề mặt vật nền Quá trình diễn ra theo tuần tự: Vật nền được thiết lập trở thành cực âm đặt phía trên trong buồng chân không, và chi tiết cần phủ được đặt bên dưới nó Một môi trường chân không được thiết lập trong buồng chân không Khí Argon được đưa vào và qua một điện trường để ion hóa khí Argon (tạo Ar+) và phóng ra tia plasma Kết quả là bề mặt của vật nền bị những ion

bay hơi chân không (phương pháp gia nhiệt điện trở, bắn phá bằng các hạt nguyên tử…) Các phân tử khí đi qua các tia plasma và phủ lên bề mặt nền Quá trình bay hơi diễn ra trong suốt quá trình lắng đọng

Ưu điểm của phương pháp này là lớp phủ có độ dày đồng nhất và độ bám dính rất tốt trên bề mặt vật liệu nền Phương pháp mạ ion được áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp do sự phân tán các ion trong môi trường plasma

1.4.2 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)

CVD là viết tắt của Chemical Vapor Deposition Các lớp phủ CVD được hình thành bởi phản ứng hóa học ở nhiệt độ 700-1050oC Hợp kim đầu tiên được phủ bằng phương pháp lắng đọng hóa học là hợp kim một lớp phủ Titan (TiC) Lớp phủ nhôm oxit (Al2O3) và Titan nitrit (TiN) về sau mới được nghiên cứu

Phủ CVD là lựa chọn đầu tiên cho hàng loạt các ứng dụng yêu cầu cao về tính chịu mài mòn Chẳng hạn như trong quá trình tiện và doa thép

Hình 1.20 Mặt cắt dọc một dụng cụ cắt phủ bằng phương pháp CVD

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) bao gồm lắng đọng một lớp phủ bằng cách ngưng tụ trên một bề mặt nền từ trạng thái khí, nó vẫn là một quá trình vật

lý Phương pháp lắng đọng hơi hóa học cần phải có sự tương tác giữa hỗn hợp khí và bề mặt được gia nhiệt của chi tiết cần phủ, gây phân hủy hóa học những phân tử của các khí và hình thành một lớp phủ mỏng trên bề mặt chi tiết nền Các phản ứng được diễn ra trong một buồng đóng kín Chất phản ứng (kim loại hoặc hợp chất) tạo nhân và phát triển trên bề mặt nền tạo nên lớp phủ Hầu hết các phản ứng CVD đều yêu cầu nhiệt độ Tuy nhiên, phụ thuộc vào những hóa chất liên quan, các phản ứng có thể được xúc tác bởi nhiều nguồn năng lượng khác nhau, ví dụ như tia cực tím hoặc plasma Phương pháp CVD có dải nhiệt độ và áp suất rộng, nên có thể ứng dụng cho nhiều vật liệu phủ và vật liệu nền khác nhau

Hiện nay phương pháp CVD chủ yếu tập trung vào những ứng dụng như: dụng cụ cắt phủ carbide, pin mặt trời, lớp phủ chịu nhiệt cho những kim loại trên tuabin máy bay, cánh máy bay, và một số ứng dụng khác (phủ để tăng độ bền, độ chịu ăn mòn, độ sốc nhiệt…) Ngoài ra, phương pháp CVD cũng là một công nghệ quan trọng trong chế tạo mạch tích hợp

™ Ưu điểm của phương pháp CVD

- Có khả năng phủ những vật liệu chịu lửa ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thiêu kết;

- Có thể kiểm soát kích thước hạt; - Quá trình diễn ra tại áp suất khí quyển, nó không đòi hỏi những thiết bị chân không;

- Sự liên kết giữa lớp phủ và bề mặt nền tốt

Hình 1.21 Phương pháp CVD

™ Nhược điểm của phương pháp CVD

- Sự độc hại của những chất ăn mòn đòi hỏi một buồng kín, cũng như những thiết bị bơm và xử lý đặc biệt;

- Các phản ứng thành phần tương đối tốn kém; - Khả năng tận dụng vật liệu thấp

Nói chung, những kim loại được sử dụng trong phương pháp mạ điện không thể sử dụng tốt cho phương pháp CVD, do các hóa chất nguy hiểm được sử dụng và chi phí cho việc bảo vệ chúng trước các hóa chất này Những kim loại phù hợp với phương pháp CVD gồm: vonfram, molipđen, titan, vanadi và tantan Phương pháp lắng đọng hơi hóa học đặc biệt phù hợp với sự lắng đọng các hợp chất như nhôm oxit (Al2O3), silic đioxit (SiO2), nitrua silic (Si3N4), titanium carbide (TiC) và titanium nitride (TiN)

Một vài ví dụ về phản ứng trong phương pháp lắng đọng hơi hóa học: Lớp phủ TiC lên bề mặt nền để chế tạo dụng cắt hiệu suất cao:

TiCl4 + CH4 TiC + 4HCl Lớp phủ TiN lên bề mặt nền để chế tạo dụng cắt hiệu suất cao:

TiCl4 + 0.5N2 + H2 TiN + 4HCl

Lớp phủ Al2O3 lên bề mặt nền để chế tạo dụng cắt hiệu suất cao:

2AlCl3 + 3CO2 + 3H2 Al2O3 + 3CO + 6HCl Lớp phủ Si3N4 lên bề mặt Silic (Si) trong một quy trình sản xuất chất bán dẫn:

3SiF4 + 4NH3 Si3N4 + 12HF Lớp phủ silic dioxit (SiO2) lên bề mặt Silic (Si) trong một quy trình sản xuất chất bán dẫn:

2SiCl3 + 3H2O + 0.5O2 2SiO2 + 6HCl Lớp phủ kim loại chịu nhiệt vonfram (W) lên bề mặt nền, chẳng hạn như cánh tuabin động cơ máy bay phản lực:

WF6 + 3H2 W + 6HF

Hình 1.22 Minh họa áp dụng cả 2 phương pháp CVD và PVD để phủ nhiều lớp phủ trên bề mặt dụng cụ cắt (sử dụng phương pháp CVD để phủ TiN và TiCN lên bề mặt nên WC-Co; sau đó tiếp tục phủ một lớp TiN bằng phương pháp PVD)