CHẾ tạo lớp PHỦ CỨNG tin, zrn, TiCN TRÊN DỤNG cụ cắt và CHI TIẾT KHUÔN mẫu BẰNG CÔNG NGHỆ hồ QUANG CHÂN KHÔNG DEPOISITION HARD COATING tin, zrn, TiCN ON TOOL AND PART MOLD USE VACUUM ARC TECHNOLOGY

CH Ế TẠO LỚP PHỦ CỨNG TiN, ZrN, TiCN TRÊN DỤNG CỤ CẮT VÀ CHI TI ẾT KHUÔN MẪU BẰNG CÔNG NGHỆ HỒ QUANG CHÂN KHÔNG DEPOISITION HARD COATING TiN, ZrN, TiCN ON TOOL AND PART MOLD USE VACUUM

CH Ế TẠO LỚP PHỦ CỨNG TiN, ZrN, TiCN TRÊN DỤNG CỤ CẮT VÀ CHI

TI ẾT KHUÔN MẪU BẰNG CÔNG NGHỆ HỒ QUANG CHÂN KHÔNG

DEPOISITION HARD COATING TiN, ZrN, TiCN ON TOOL AND PART MOLD

USE VACUUM ARC TECHNOLOGY

ThS Nguy ễn Thành Hợp1a, ThS Đinh Thanh Bình2b,

PGS TS Ngu yễn Thị Phương Mai3c, TS Ph ạm Hồng Tuấn1d

1 Trung tâm Quang điện tử - Viện Ứng dụng Công nghệ

2Trường Cao đẳng Công nghiệp quốc phòng

3Bm Cơ khí chính xác & Quang học - Viện Cơ khí, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội,

anguyenthanhhop@cfoc.vn; bthanhbinh2183@gmail.com

cmai.nguyenthiphuong@hust.edu.vn; dphamhongtuan@cfoc.vn

TÓM T ẮT

Để phục vụ nhu cầu sản xuất của khách hàng đối với các lớp phủ cứng trên dụng cụ cắt

gọt hoặc khuôn mẫu, sự ổn định về chất lượng của lớp phủ và thời gian đáp ứng là hết sức quan trọng Công nghệ chế tạo lớp phủ cứng đơn lớp tiêu chuẩn như TiN, TiCN và ZrNđã được một số nhóm nghiên cứu ở Việt Nam tiến hành trong những năm qua Tuy nhiên, chất lượng và độ ổn định vẫn chưa thực sự đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn Một thiết bị mạ hồ quang chân không DREVA400 đã được lắp đặt và khai thác tại Trung tâm Quang điện tử

phục vụ quá trình nghiên cứu và triển khai ứng dụng

Trong bài báo này chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu thử nghiệm chế tạo

một số loại màng cứng tiêu chuẩn (TiN, TiCN và ZrN) Các mẫu đã chế tạo có thông số kỹ thuật tương đương với các mẫu của nước ngoài

Từ khóa: lớp phủ cứng, nguồn hồ quang, cathod rỗng, hệ chân không, dụng cụ cắt

và khuôn

ABSTRACT

To serve the production needs of customers for the hard coating on cutting tools or molds, the stability of the quality of the coating and the response time is very important Manufacturing technology hard coating as standard monolayer TiN, TiCN, and ZrN has been some research groups in Vietnam in recent years However, the quality and stability has not really met the requirements of practicality A plating equipment Dreva arc 400 vacuum arc was installed at Center for Optoelectronics service research process and deploy applications

In this paper we present some results of research and initial applications, fabrication of small series type hard coating Some hard coating standards (TiN, TiCN, and ZrN) have successfully made, with parameters technical equivalent of foreign models

Keywords:Hard coating, Arc evaporator, hollow cathod, Vacuum system, Cutting tools

& molds

I GI ỚI THIỆU

Các lớp phủ cứng có tính chất đặc biệt như: độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống mài mòn

và tính trơ hoá học cao hiện nay thường được dùng để phủ lên các dụng cụ cắt gọt để tăng cường khả năng làm việc và tăng tuổi thọ, có ý nghĩa cao về mặt thương mại và thực tiễn Trong khoảng một thập kỷ qua, lớp phủ cứng được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới nghiên cứu và tại Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo các lớp phủ cứng bằng các công nghệ khác nhau nhằm đưa vào ứng dụng như chế tạo lớp phủ TiN trên mũi khoan,

chi tiết trên máy dệt, mũi khoan răng, tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [1], do các đặc tính nổi bật: độ cứng cao (có thể lên đến 2500 HV), chịu được sự gia công nhiệt trên 7000C,

có khả năng chống mài mòn, ăn mòn cao đặc biệt đối với Clo, Flo và có độ bám dính tốt

Tại Viện Ứng dụng Công nghệ, các tác giả đã sử dụng các phương pháp PVD gồm phún

xạ DC Magnetron, phún xạ RF và hồ quang chân không đã chế tạo thành công các lớp phủ cứng đơn lớp TiN, TiC, TiCN và lớp phủ cứng đa lớp TiC/ Ti(C,N)/ TiN Các lớp phủ đạt được cấu trúc gần như hoàn hảo, có độ dính bám tốt, tăng tuổi thọ của dụng cụ từ 2 đến 3 lần [2]

Tuy nhiên, một khó khăn gặp phải là tính chất của lớp phủ cứng phụ thuộc rất lớn vào phương pháp và các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ bằng các phương pháp khác nhau: RF- magnetron, DC-magnetron, mạ ion, hồ quang chân không Trong đó, phương pháp hồ quang chân không là một phương pháp cho tốc độ tạo màng nhanh, độ bám dính tốt Lớp phủ TiN được chế tạo bằng phương pháp hồ quang chân không có độ cứng cao hơn, trơ hơn với

phản ứng hóa học bề mặt [2]

Phương pháp hồ quang chân không (Vacuum Arc), hay còn gọi là hồ quang âm cực (Vacuum Cathode), là một trong các phương pháp công nghệ tiên tiến, đặc biệt hiệu quả để

lắng đọng các lớp phủ cứng như TiN, TiC hay TiCN Phương pháp công nghệ này cho phép

lắng đọng các màng mỏng với tốc độ lắng đọng cao, độ bám dính màng - đế rất tốt, phù hợp cho mục tiêu thương mại và mang tính công nghiệp cao

Trong công nghệ hồ quang chân không, tính chất lớp phủ phụ thuộc vào các thông số công nghệ chế tạo chính như: dòng hồ quang, lưu lượng khí (Cr, N2, C2H2), thiên áp đế, nhiệt

độ lắng đọng, thời gian lắng đọng Xác định giá trị tối ưu bộ thông số công nghệ là việc hết

sức khó khăn Nhóm nghiên cứu thiết lập chế độ công nghệ chế tạo cho từng loại lớp phủ khác nhau (đơn lớp, đa lớp), từ đó xác định chế độ công nghệ tối ưu cho từng loại lớp phủ, đáp ứng yêu cầu về tính chất lớp phủ cần đạt được khi sử dụng

II TH ỰC NGHIỆM

Phương pháp hồ quang chân không là phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý nhờ sự phóng điện với dòng điện có cường độ lớn trong môi trường chân không giữa hai điện cực có

hiệu điện thế thấp đặt vào Trong hồ quang chân không, các nguyên tử và ion của vật liệu tạo màng được tách ra khỏi bia (thể rắn) nhờ năng lượng của dòng hồ quang rồi đến lắng đọng trên đế Trong hồ quang chân không, bản thân chân không không thể tự duy trì được sự phóng điện với dòng điện cao tại điện áp thấp mà môi trường dẫn điện là plasma của vật liệu điện

cực được bốc hơi và ion hoá cao do quá trình hồ quang tạo ra

Hình 1 Công ngh ệ hồ quang chân không

Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến tính chất lớp phủ chế tạo bằng phương pháp hồ quang chân không: (a) dòng hồ quang tạo ra và duy trì plasma; (b) lưu lượng khí (Cr, N2,

C2H2) ảnh hưởng đến hợp thức lớp phủ tạo thành; (c) thiên áp đế ảnh hưởng đến tốc độ lắng đọng và hình thái học bề mặt lớp phủ; (d) nhiệt độ lắng đọng (nhiệt độ đế) ảnh hưởng đến cấu trúc, định hướng tinh thể và độ cứng lớp phủ; (e) thời gian lắng đọng quyết định chiều dày và

độ cứng lớp phủ đạt được

Chúng tôi đã sử dụng các phương pháp để khảo sát, đo đạc tính chất của màng như: đo

độ cứng bằng phương pháp Vicker [9], đo độ bám dính của màng với đế bằng phương pháp Rockwell HF [8], đo chiều dày màng bằng phương pháp Calotest [7]

Thiết bị mạ hồ quang chân không Dreva arc 400 sử dụng trong nghiên cứu có thông số

kỹ thuật: nguồn hồ quang dạng trụ tròn điều khiển từ tính, dòng hồ quang từ 0-250 A Nguồn Hollow Cathode để xử lý nhiệt và làm sạch, nguồn Bias 0-500V; Các thiết bịđược điều khiển thông qua máy tính, chương trình mạ được lập trình chạy tự động; các quá trình hoạt động

hiển thị bằng đồ hoạ như trên hình 2a Đồ gá chuyên dùng để chế tạo dụng cụ cắt với mâm quay đế dẫn động trung tâm, có 6 trục quay vệ tinh đảm bảo độ đồng đều của lớp phủ trên các chi tiết có hình dạng chốt dài hoặc mũi khoan, mũi phay minh hoạ trên hình 2b

Hình 2 Thi ết bị hồ quang ca tốt DREVA400

a) Thiết bị mạ Dreva arc 400 và b) Đồ gá chi tiết mạ

Hình 3 Ảnh chụp màn hình khi đang chạy chu trình công nghệ chế tạo lớp phủ cứng

TiN và các thông s ố kỹ thuật trong quá trình công nghệ

Công nghệ phủ các lớp phủ cứng trên thiết bị Dreva arc 400 theo các bước sau:

1 Làm sạch và gá chi tiết vào buồng chân không

2 Hút chân không

3 Gia nhiệt chi tiết phủ bằng chùm tia điện tử

4 Làm sạch chi tiết phủ bằng bắn phá chùm ion Ar+

5 Chế tạo các lớp phủ cứng theo chức năng khác nhau (TiN, TiCN, ZrN…)

6 Chờ nguội chi tiết và xả khí lấy mẫu

Chúng tôi bước đầu đã nghiên cứu và tối ưu hóa được các bộ thông số công nghệ để chế tạo màng TiN, TiCN, ZrN Thông số lớp phủ được khảo sát và đo đạc Chương trình thiết lập trên thiết bị Dreva arc 400 chạy tự động hoàn toàn và độ ổn định cao giữa các mẻ mạ, được minh hoạ ở hình 3

2.1 Th ực nghiệm chế tạo các lớp phủ cứng

Các mẫu đo tính chất lớp phủ và chi tiết thử nghiệm được đặt cùng trong buồng khi chế

tạolớp phủ hình 4

Hình 4 Các mẫu phủ cùng chi tiết trong quá trình công nghệ chế tạo lớp phủ

Các thông số công nghệ chế tạo các lớp phủ khác nhau được trình bày trong bảng 1

B ảng 1 Các thông số công nghệ chế tạo chi tiết Thông s ố

công ngh ệ

Th ời gian gia nhi ệt (phút)

Th ời gian làm s ạch (phút)

Dòng điện

h ồ quang (A)

Lưu lượng khí công tác Ar/N 2 /C 2 H 2

(sccm)

Thời gian

ph ủ (phút)

2.2 K ết quả đo

2.2.1 Kết quả đo độ bám dính

Các lớp phủ TiN, TiCN và ZrN trên mẫu tròn (hình 5) được đo độ cứng bằng thiết bị Rockwell HF [8]với tải đặt cực đại, thời gian đặt tải 30 giây, kết quả đo trên bảng 1 cho thấy độ bám dính của lớp phủ đạt bậc 1 (mức cao nhất) thoả mãn với yêu cầu tiêu chuẩn từ 1 đến 3

B ảng 2 Kết quả đo độ bám dính

Hình 5 Ảnh đo độ bám dính của lớp phủ TiN, TiCN và ZrN

Lớp phủ a) TiN; b) TiCN; c) ZnN

2.2.2 K ết quả đo chiều dày lớp phủ

Hình 6 Ảnh đo chiều dày lớp phủ

a) TiN; b) TiCN; c) ZrN

a)

b)

c)

a)

b)

c)

Chiều dày lớp phủ cứng được đo bằng thiết bị Calotest [7] (phương pháp đo bằng bi với

tải gián đoạn, trên hình 6), kết quả nhận được ghi trong bảng 3; với thời gian thực hiện hồ quang, chiều dày lớp phủ đạt được từ 2,3 đến 3µm, là chiều dày thích hợp đối với mũi khoan khi gia công và chi tiết cơ khí chịu mài mòn [1]

B ảng 3 Chiều dày các lớp phủ chế tạo trên DREVA400

2.2.3.K ết quả đo độ cứng

Độ cứng các lớp phủ được đo trên mẫu tròn phẳng, cùng chế độ công nghệ khi chế tạo

dụng cụ cắt trên thiết bị đo độ cứng tế vi (độ cứng Vickers); so với độ cứng tiêu chuẩn của vật

liệu khối, số liệu đo được là độ cứng tổng cộng, hơi cao hơn do ảnh hưởng của vật liệu nền

B ảng 4 Độ cứng tế vi của các lớp phủ chế tạo trên DREVA400

Độ cứng tiêu chuẩn - ASTM (HV) 2200 2900 2400

2.3 Ch ế tạo lớp phủ trên dụng cụ cắt

Trong nghiên cứu này sử dụng mẫu mũi khoan Φ8, nền thép gió (HSS) được xử lý làm

sạch theo quy trình tiêu chuẩn trước khi đưa vào buồng chân không Sau đó được gá vào mâm xoay, thực hiện quy trình chế tạo với các thông số công nghệ đã được tối ưu như trên bảng 1,

thời gian thực hiện một chu kỳ mạ với tổng thời gian 90 phút

Hình 7 Hình ảnh các mũi khoan mạ lớp phủ cứng TiN, TiCN và ZrN

III K ẾT LUẬN

Trên cơ sở tích lũy kinh nghiệm từ quá trình nghiên cứu, khả năng thiết kế các lớp phủ

cứng đơn lớp và đa lớp, được trang bị thiết bị mạ Dreva arc 400 hiện đại và các thiết đo đạc đánh giá tính chất lớp phủ đồng bộ, hiện nay chúng tôi có khả năng chế tạo các loạt nhỏ (60 chi tiết mũi khoan/mẻ 90 phút) các lớp phủ cứng cho dụng cụ cắt và khuôn mẫu tại Việt Nam

Có thể chế tạo sản phẩm loạt, đồng đều về chất lượng, ổn định, đáp ứng yêu cầu thực tiễn sản

xuất công nghiệp

L ỜI CẢM ƠN

Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn sự hỗ trợ của Trung tâm Quang điện tử, Viện Ứng

dụng Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Thị Phương Mai, Bành Tiến Long, Kozo Ishizaki, Characteristics of TiN thin films on mechanical details, Tạp chí Khoa học & Công nghệ, Hà Nội, 8 (2012) 95-101 [2] Võ Thạch Sơn, Phạm Hồng Tuấn, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phủ PVD tạo lớp phủ bề mặt để nâng cao cơ tính khuôn mẫu và dụng cụ cắt gọt, Hội nghị Cơ khí toàn quốc lần I, 2008 [3] Nguyễn Thị Phương Mai, Bành Tiến Long, Kozo Ishizaki, Chacterization of TiN film deposited by planar magnetron sputtering method, Advances in Technology of Materials and Materials Processing Journal, Vol.5, No.2 (2003) 54-57

[4] P C Johnson, zirconium nitride films prepared by cathodic arc plasma deposition process, Surface and Coatings Technology, 33 (1987) 53-62

[5] Zhitomirskya, Vacuum arc deposition and microstructure of ZrN-based coatings, Surface and Coatings Technology (1997) 207-212

[6] Vladimir I Gorokhovsky et all, Characterization of large area filtered arc deposition technology: Part II-coating properties and applications, Surface and Coatings Technology

140 (2001) 215-224

[7] http://www.csm-instruments.com/en/Coating_thickness

[8] https://www.pvd-coatings.co.uk/pvd-coating-technology/testing-equipment/rockwell-adhesion-tester/

[9] http://www.wmtr.com/en.microhardness.html