công nghệ xử lý bề mặt

Công nghệ bề mặt là tổ hợp các phương pháp gia công xử lý bề mặt vật liệu đã được sử dụng trong sản xuất cơ khí nhiều năm qua. Công dụng chủ yếu của phương pháp là tạo nên trên bề mặt chi tiết những lớp có tính chất cơ lý đặc biệt khác với bên trong lõi như: độ cứng, tính chống ăn mòn, mài mòn, dẫn điện cách điện, phản quang…hay tính mỹ thuật cao. Ngoài ra công nghệ bề mặt cũng bao gồm cả phương pháp khôi phục hình dạng, kích thước cho sản phẩm. Để đạt được mục đích trên có nhiều giải pháp kỹ thuật. Những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là : Các phương pháp xử lý nhiệt bề mặt như tôi bề mặt, hóa nhiệt luyện Các phương pháp điện hóa và hóa học tạo lớp phủ như mạ điện, mạ hóa học, oxy hóa bề mặt, sơn, tẩm phủ. Các phương pháp phun phủ tạo lớp phủ dày (hơn lớp phủ mạ) và phun phục hồi.

MỤC LỤC Chương KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT 1.1 TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT 1.2 KHÁI NIỆM BỀ MẶT 1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BỀ MẶT 10 Chương CÁC DẠNG HỎNG BỀ MẶT 18 2.1 CÁC DẠNG HỎNG CHI TIẾT MÁY 18 2.2 HỎNG BỀ MẶT DO MÒN 18 2.3 HỎNG DO ĂN MÒN 27 Chương CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT BỀ MẶT 37 3.1 NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT 37 3.2 HÓA NHIỆT LUYỆN 42 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG ĐIỆN HÓA VÀ HÓA HỌC 64 4.1 MẠ ĐIỆN 64 4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BỀ MẶT TRƯỚC MẠ 69 4.3 CÔNG NGHỆ MẠ KẼM 72 4.4 CÔNG NGHỆ MẠ CRÔM 75 4.5 MẠ ĐỒNG 77 4.6 MẠ NIKEN 78 4.7 MẠ HỢP KIM 80 4.8 MẠ HÓA HỌC 81 4.9 MẠ KIM LOẠI LÊN CHẤT DẺO 84 4.10 OXY HÓA 89 4.11 CÔNG NGHỆ SƠN 96 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ THÔNG DỤNG 103 5.1 TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ 103 5.2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT PHUN PHỦ 107 5.3 VẬT LIỆU PHỦ 112 5.4 THIẾT BỊ PHUN 113 5.5 CÔNG NGHỆ PHUN 116 Chương XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA NĂNG LƯỢNG CAO 131 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG 131 6.2 XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA LASER 132 6.3 XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA ĐIỆN TỬ 142 Hình 6.7 Mô hình dùng chùm tia điện tử hóa bền bề mặt dao căt gọt 143 Chương CÁC CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT TIÊN TIẾN 144 7.1 CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 144 7.2 CÁC CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG VẬT LÝ (PVD) 154 TÀI LIỆU THAM KHẢO 165 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ bề mặt tổ hợp phương pháp gia công xử lý bề mặt vật liệu sử dụng sản xuất khí nhiều năm qua Công dụng chủ yếu phương pháp tạo nên bề mặt chi tiết lớp có tính chất lý đặc biệt khác với bên lõi như: độ cứng, tính chống ăn mòn, mài mòn, dẫn điện cách điện, phản quang…hay tính mỹ thuật cao Ngoài công nghệ bề mặt bao gồm phương pháp khôi phục hình dạng, kích thước cho sản phẩm Để đạt mục đích có nhiều giải pháp kỹ thuật Những phương pháp phổ biến : Các phương pháp xử lý nhiệt bề mặt bề mặt, hóa nhiệt luyện Các phương pháp điện hóa hóa học tạo lớp phủ mạ điện, mạ hóa học, oxy hóa bề mặt, sơn, tẩm phủ Các phương pháp phun phủ tạo lớp phủ dày (hơn lớp phủ mạ) phun phục hồi Với phát triển nhanh chóng thiết bị, vật liệu mới, kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật tự động hóa… công nghệ bề mặt phát triển đa dạng trở thành lĩnh vực khoa học có đặc thù riêng điển hình tiên tiến đáp ứng nhu cầu công nghệ trình độ cao công nghệ linh kiện điện tử, chế tạo màng mỏng Căn vào nhu cầu đào tạo, nhằm tăng cường kiến thức tổng hợp cho sinh viên học viên cao học kỹ thuật thuộc gốc ngành khí giai đoạn hội nhập để xây dựng đất nước Tài liệu công nghệ bề mặt tiên tiến biên soạn Nội dung chủ yếu dựa “Đề cương môn học công nghệ xử lý bề mặt” Bộ Giáo dục & Đào tạo năm 2003, bao gồm sở công nghệ bề mặt truyền thống kết hợp giới thiệu công nghệ tiên tiến lĩnh vực Đối tượng phục vụ tài liệu học viên cao học, sinh viên trường kỹ thuật quân đội Tác giả bày tỏ cảm ơn trân thành đồng nghiệp môn Vật liệu & Công nghệ vật liệu tích cực đóng góp ý kiến tham gia chỉnh sửa tháo để sách hoàn thành Đây tài liệu biên soạn lần đầu không tránh khỏi nhiều thiếu xót, mong bạn đọc đồng nghiệp góp ý để tác giả tiếp tục hoàn thiện nội dung NGUYỄN HOÀNH SƠN Chương KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT 1.1 TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT Các chi tiết máy kết cấu làm việc nhiều môi trường khác với chế độ công tác khác Các yêu cầu kỹ thuật đề với chúng đa dạng Ví dụ chi tiết bánh răng, loại trục yêu cầu bề mặt cứng, tính chống mài mòn tốt Các chi tiết đạn dược ngòi đạn, vỏ liều cần bề mặt có tính chống ăn mòn tốt, chi tiết đôi cần bề mặt ma sát có độ bóng, tính chống mài mòn cao, kỹ thuật vi điện tử cần có lớp bề mặt mỏng… Tất nhu cầu có giải pháp chuyên dụng để đáp ứng Công nghệ bề mặt tập hợp phương pháp công nghệ nhằm tạo cho bề mặt chi tiết kết cấu tính định Các chức yêu cầu thường gặp là: bền hóa học, bền ăn mòn, bền học (chống mài mòn, xước, biến dạng ), dẫn điện, dẫn từ, cứng, dẻo, tính trang trí, mỹ thuật Các công nghệ bề mặt điển hình như: xử lý nhiệt bề mặt, mạ, nhúng, phun, phủ (bằng phương pháp hóa học CVD vật lý PVD), gia công đánh bóng, sơn phủ để tạo tính cần thiết cho bề mặt 1.2 KHÁI NIỆM BỀ MẶT Bề mặt khái niệm rộng Thông thường bề mặt hiểu phần bên chi tiết, sản phẩm - nơi tiếp giáp phần vật chất vật liệu với môi trường Với nghĩa rộng bề mặt mặt phân cách pha vật chất với pha Bề mặt phân cách có ý nghĩa quan trọng, định nhiều tính chất vật liệu Nhiều kết thực nghiệm chứng minh tính chất (cơ, lý hoá, cấu trúc, lượng ) lớp bề mặt bên vật chất khác Trong khuôn khổ tài liệu chủ yếu đề cập đến bề mặt chi tiết cụ thể Trong trường hợp có khái niệm bề mặt sau: Bề mặt hình học: bề mặt biểu diễn vẽ chi tiết Bề mặt bề mặt danh nghĩa mang nhiều tính chất lý tưởng Bề mặt thực tế hay gọi bề mặt kỹ thuật Khái niệm bao gồm không đặc trưng hình học bề mặt chi tiết mà quan tâm đến đặc trưng khác bề mặt lớp vật chất sát bề mặt Trong thực tế sản xuất khí phân biệt hai loại bề mặt: bề mặt làm việc bề mặt không làm việc Bề mặt làm việc phân thành hai loại bề mặt chịu tải bề mặt không chịu tải Khái niệm tải hiểu tải học đặc trưng tác dụng khác tác dụng hóa học, tác dụng nhiệt Trong hầu hết trường hợp, đặc tính cấu trúc tính chất lớp bề mặt chi tiết có ảnh hưởng định đến khả gây phá hủy Thực tế cho thấy phá hủy thường xuất phát từ bề mặt Vai trò bề mặt thể rõ phải khai thác tính chất vật liệu có liên quan đến bề mặt như: ăn mòn, mài mòn, mỏi, quang học, điện điện tử, mẫu mã hàng hóa trang trí, bảo vệ bề mặt tức dùng biện pháp định để tạo cho bề mặt tính chất định trước thỏa mãn nhu cầu định Tài liệu đề cập đến công nghệ nhằm tạo cho bề mặt lớp phủ có khả chống lại phá huỷ môi trường làm việc ăn mòn, mài mòn, mỏi mòn Khoa học bề mặt lĩnh vực rộng, phức tạp liên quan đến nhiều ngành khoa học khác nhằm giải nhóm vấn đề sau: - Điều kiện nhiệt động để xảy trình bề mặt - Xây dựng mô hình cấu trúc vĩ mô vi mô lớp bề mặt sát bề mặt (bề mặt lý tưởng bề mặt kỹ thuật) - Tính chất cơ, lý, hóa bề mặt Trên sở xây dựng nên đặc trưng sau bề mặt: - Trạng thái hình học (độ nhấp nhô bề mặt, hình dạng bề mặt) - Tính chất học lớp bề mặt (độ cứng, hệ số ma sát, biến cứng) - Cấu trúc vi mô lớp bề mặt sát bề mặt - Tính chất hóa lý: thành phần hóa học, phần tử hấp thụ, phân giải, sức căng bề mặt, tượng thấm ướt 1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT 1.3.1 Năng lượng bề mặt Công cần tiêu tốn để tạo đơn vị diện tích bề mặt gọi lượng bề mặt [N.m-2] Lực tác dụng phần tử giảm nhanh theo khoảng cách (tỷ lệ nghịch với r6) Điều có nghĩa phân tử tác dụng với phạm vi bán kính r nhỏ Các phân tử nằm lớp bề mặt có bề dày nhỏ r chịu tác dụng lực không đều, lực kéo bề mặt pha rắn nhỏ lực hút vào lòng Lực tác dụng tổng hợp lên phân tử nằm lớp bề mặt có bề dày nhỏ khoảng cách r có hướng vuông góc với bề mặt pha rắn Lực tác dụng lên đơn vị chiều dài bề mặt gọi sức căng bề mặt [N.m-1] Vì giá trị sức căng bề mặt lượng bề mặt, hai đại lượng thường dùng chung ký hiệu  Nếu gọi Gbm biến thiên entanpi tự trình hình thành bề mặt S cách thuận nghịch đẳng nhiệt thì: Gbm =  S Hiện tượng bề mặt (hay nói khác tạo thành bề mặt S) xảy khi: Gbm < Muốn  S phải giảm Điều có nghĩa tượng bề mặt tự xảy theo chiều làm giảm sức căng bề mặt diện tích bề mặt 1.3.2 Sự hấp phụ hấp thụ Do bề mặt vật chất tồn lượng lớn bên nên có khả hút nguyên tử (phân tử) pha tiếp xúc với Hiện tượng gọi hấp thu Tuỳ thuộc vào chế hấp thu, người ta phân biệt hai khái niệm hấp phụ hấp thụ Nếu phân tử chất bị hấp thu tập trung bề mặt chất hấp thu hấp thu gọi hấp phụ (adsorb) Trường hợp phân tử chất bị hấp thu sâu vào lòng chất hấp thu hấp thu gọi hấp thụ (absorb) Quá trình hấp thu dẫn đến hình thành phát triển lớp nguyên tử định cư bề mặt vật liệu Các nguyên tử đến từ pha khí từ phía vật liệu, trình vận chuyển sàng lọc lên bề mặt Hấp phụ hấp thụ có ý nghĩa lớn trình oxy hóa, ăn mòn kim loại, tạo lớp bề mặt, xúc tác hoạt tính, trình phân tách Nghiên cứu phát triển lớp hấp phụ đề cập đến: - Sự tạo mầm phát triển mầm pha - Bản chất lực tương tác cấu tử bị hấp phụ vật liệu Tuỳ thuộc vào chất lực tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ người ta chia hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học hấp phụ đẳng nhiệt 1.3.2.1 Hấp phụ vật lý Trong hấp phụ vật lý trao đổi vận chuyển, góp chung electron, liên kết đơn lực Vander Waals Sự hấp phụ vật lý có tính chất chọn lọc thuận nghịch Nhiệt lượng tỏa trình hấp phụ vật lý nhỏ Hình 1.1 sơ đồ mô hình hấp phụ khí đơn nguyên tử, áp suất thấp lên đơn tinh thể ion cách điện Năng lượng tương tác cặp nguyên tử tổng hợp Hình 1.1 Thế tương tác hấp phụ vật lý chúng có điểm cực tiểu ứng với khoảng cách ro Ngoài yếu tố khoảng cách, lực tương tác phụ thuộc vào chất khí, vào tương tác phần tử khí với với Các tính toán lực liên kết trường hợp khí đa nguyên tử phức tạp nhiều so với khí đơn nguyên tử, định hướng nguyên tử trở nên phức tạp Sự hấp phụ khí lên bề mặt kim loại phức tạp lực tương tác liên quan đến electron tự do, chúng không cố định, mà luôn di chuyển bề mặt Các nghiên cứu khẳng định rằng, hấp phụ đơn vật lý, electron có ảnh hưởng mức độ định đến liên kết, vấn đề trở nên phức tạp 1.3.2.2 Hấp phụ hóa học Nếu lực hấp phụ có chất hoá học hấp phụ gọi hấp phụ hoá học Sự hấp phụ hoá học có tính chất chọn lọc không thuận nghịch Khác với hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học xảy trình góp chung trao nhận electron, thực chất giai đoạn đầu tạo nên hợp chất hóa học So với hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học phức tạp hơn, tương tác phụ thuộc vào khoảng Hình 1.2 Thế tương tác cách r (hình 1.2) hấp phụ hoá học Đường cong quan hệ U- r gồm cực tiểu: - Một cực tiểu ứng với hấp phụ vật lý UC - Một cực tiểu ứng với hấp phụ hóa học UP Trong đó, cực tiểu ứng với hấp phụ hóa học thấp nhiều so với hấp phụ vật lý Điều cho thấy rằng, lượng liên kết (lực hút - phía âm) hấp phụ hóa học lớn nhiều so với hấp phụ vật lý: lượng liên kết hấp phụ hóa học tới 800KJ/mol hấp phụ vật lý lượng khoảng 8KJ/mol Trên hình 1.2 cho thấy, có điểm cực đại US tác dụng nhiệt trình hấp phụ (hấp phụ tỏa nhiệt tạo lực đẩy) Hấp phụ hóa học giai đoạn đầu trình liên kết hóa học điện tử nguyên tử hấp phụ, mức độ định, cố định cấu tử hấp phụ khác bề mặt Khi khảo sát mô hình thực, tính phức tạp cao nhiều, tình hấp phụ phải tính đến ảnh hưởng trình trung gian khác như: giả ổn định, phân ly chất hấp phụ hấp phụ nhiệt độ cao khí hấp phụ có áp suất thấp trình hấp phụ mang tính thuận nghịch Khả hấp phụ số khí lên kim loại giới thiệu bảng 1.1 Bảng 1.1 Khả hấp phụ số khí lên kim loại Nguyên tố Khí hấp phụ Ti, Zr,Cd, Ta,Cr, Mo, W N2, H2, CO Fe, Co, Cu,Ni, Rh, Pd, Pt H2, CO Au CO Si, Ge H2 Zn, Cd, Hg Không hấp phụ N2, H2, CO 1.3.2.3 Hấp phụ đẳng nhiệt Trong nghiên cứu trình hấp phụ, coi nhiệt độ không đổi ta có trình hấp phụ đẳng nhiệt (T = const) Nếu hấp phụ trình có áp suất không đổi gọi trình đẳng áp (P = const) Trong trình bề mặt phần diện tích bề mặt xảy hấp phụ Gọi  tỷ lệ diện tích bề mặt vật rắn hấp phụ Khi hấp phụ đẳng nhiệt, tỷ lệ t phụ thuộc vào áp suất, ta có t = f (P) Khi hấp phụ đẳng áp, p phụ thuộc vào nhiệt độ, ta có quan hệ p = f(T) Hấp phụ đẳng nhiệt mô hình có nhiều ý nghĩa thực tiễn thông dụng Khái niệm phân loại chất bị hấp phụ: tuỳ theo khả bị hấp phụ ranh giới phân chia bề mặt hai pha mà người ta phân chất bị hấp phụ thành hai loại: chất hoạt động bề mặt (HĐBM) chất không hoạt động bề mặt (KHĐBM)  Chất HĐBM chất có khả bị hấp phụ bề mặt hai pha, chất làm giảm sức căng bề mặt dung môi Từ thấy chất HĐBM phải có sức căng bề mặt nhỏ so với dung môi hoà tan nước Các chất HĐBM ứng dụng rộng rãi để làm bền hệ nhũ tương, huyền phù đồng thời dùng làm chất tẩy rửa, chất làm chậm ăn mòn  Chất KHĐBM chất có sức căng bề mặt lớn so với dung môi, có khả tan nhiều sâu vào lòng dung môi làm tăng sức căng bề mặt Đối với dung môi nước axit, bazơ muối vô tan 1.3.3 Sự thấm ướt Hiện tượng chất lỏng tiếp xúc với chất rắn bị chảy loang bề mặt chất rắn gọi thấm ướt Mức độ thấm ướt đánh giá góc thấm ướt  (hình 1.3) Nếu  < 90o bề mặt gọi ưa lỏng,  > 90 bề mặt gọi kị lỏng Giữa góc thấm ướt sức căng bề mặt có mối quan hệ:    13 cos = 23 ; (1.1)  12 < 900  > 900 Hình 1.3 Góc thấm ướt Trong 12; 13; 23 sức căng bề mặt lỏng - không khí, rắn- lỏng rắn - không khí Từ quan hệ 1.1 thấy chất lỏng có sức căng bề mặt nhỏ thấm Hình 1.4 Sự phụ thuộc góc thấm ướt bề mặt vật rắn tốt ướt sức căng bề mặt Hiện tương thấm ướt đóng vai trò 1- Chất lỏng; 2- Không khí, 3- Chất rắn quan trọng kỹ thuật đời sống Ví dụ, khả thấm ướt điều kiện tiên trình tẩy, nhuộm Khả khử tạp chất xỉ luyện thép dựa khả thấm ướt nguyên tố khác 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BỀ MẶT 1.4.1 Đặc điểm phương pháp phân tích Mục đích nội dung phân tích bề mặt là: + Xác định chất hóa học lớp bề mặt (định tính định lượng) + Cấu trúc lớp bề mặt (cấu tạo pha) + Trạng thái hình học lớp bề mặt (độ nhấp nhô, độ nhám bề mặt) 10 Hình 7.12 Nguyên lý phủ PVD 7.2.1 Phân loại công nghệ PVD Có nhiều cách phân loại công nghệ PVD giới thiệu cách phân loại phổ thông nhất: 7.2.1.1 Phân loại dựa vào cách hoá chất phủ Tùy theo tác động vật lý để hóa chất phủ vận chuyển chất phủ đến bề mặt chi tiết, người ta chia PVD thành hai nhóm chính: a/ Bay ngưng tụ kim loại chân không Căn vào phương pháp bay lại chia thành hai nhóm: + Bay trực tiếp: trình sử dụng nguồn lượng E làm vật liệu phủ hóa đưa đến bề mặt vật cần phủ kết tủa trở lại Năng lượng E điện (phương pháp bay nhiệt điện trở) lượng kích thích chùm tia điện tử có lượng cao (bay điện tử) bắn phá lên chất phủ thể rắn Phương pháp tạo lớp phủ đơn chất + Bay gián tiếp: trình bay chất phủ có kèm theo phản ứng chất phủ chất hoạt tính để hình thành hợp chất lắng đọng lên bề mặt chất cần phủ bao gồm phương pháp: - Bay phản ứng (RE) không kích thích (Reacting Evaporation) có kích thích (Activated Reactive Evaporation) - Mạ Ion (Ion plating): phần tử bay bị ion hóa phủ lên bề mặt vật phủ b/ Phún xạ phủ ion Đây trình sử dụng nhiều hồ quang nhỏ để làm xói mòn hóa chất phủ thể rắn, làm hóa chất phủ nhờ bắn phá ca tốt chùm ion 155 môi trường khí hoạt tính khí trơ Hơi chất phủ phải qua plasma lạnh trước phủ lên bề mặt chi tiết 7.2.1.2 Phân loại theo điện phân cực chi tiết Trong công nghệ PVD, chi tiết trình phủ thường bị phân cực catot (đóng vai trò catot) Tùy theo điện phân cực chi tiết người ta phân công nghệ PVD khác nhau: - Điện phân cực thấp cỡ vài chục vôn (volt) - áp dụng với công nghệ bay ngưng tụ chân không - Điện phân cực trung bình đến 200V áp dụng với công nghệ BARE (Bias Activated Reactive Evaporation) - Điện phân cực cao khoảng KV áp dụng công nghệ phủ ion IP 7.2.2 Các công nghệ PVD thông dụng 7.2.2.1 Công nghệ bay trực tiếp chân không Trong số công nghệ PVD, công nghệ đời sớm cả, trang thiết bị đơn giản chất lượng lớp phủ thấp so với phương pháp khác Hình 7.13 sơ đồ nguyên lý thiết bị bốc ngưng tụ kim loại chân không Nội dung phương pháp môi trường chân không vật liệu phủ (rắn, lỏng, khí) cấp lượng E hóa hơi, bay lên ngưng tụ kết tinh vật phủ Hệ thống thiết bị công nghệ bay ngưng tụ trực tiếp chân không gồm: - Buồng chân không - Bơm chân không áp suất tới  10-2 Pa - Nguồn nhiệt để hóa (điện cực) - Hệ thống giá đỡ chi tiết phủ 156 Nguồn cung cấp lượng bay là: - Dòng điện (điện trở, cảm ứng) - gọi bay nhiệt điện trở, áp dụng cho kim loại dễ nóng chảy (Sn, Pb, Zn…) - Dùng tia laser, chùm điện tử, hồ quang để làm bay - gọi bay chùm điện tử xung laser thường áp dụng cho kim loại khó nóng chảy Hình 7.13 Sơ đồ bốc ngưng tụ kim loại chân không Bề mặt chi tiết cần phủ không ảnh hưởng đến lớp phủ, chi tiết không bị phân cực, phủ lên vật liệu không dẫn điện ceramic, polymer Đặc điểm phương pháp: - Vận chuyển kim loại bay đến bề mặt mẫu chuyển động đối lưu tự nhiên phần tử kim loại thể áp suất khoảng 10-2 Pa, tác động bên - Hơi kim loại ngưng tụ cách tự nhiên, khắp nơi buồng kín hiệu suất sử dụng kim loại thấp - Năng lượng hạt ngưng tụ nhỏ e = 3/2KT  0,1eV (K số Boltzman), chất phủ bám lên bề mặt, lực bắn vào bề mặt chi tiết nên bám dính kém, độ sít chặt lớp phủ không cao - Tốc độ phủ chậm, lớp phủ mỏng Công nghệ bốc ngưng tụ chân không ngày phát triển đa dạng Khâu tập trung ý cải tiến buồng bốc kim loại Bộ phận ngày đại bao gồm hệ thống chân không, nguồn lượng để hoá kim loại, bàn gá mẫu (chi tiết cần phủ) quay, thiết bị đo chỗ chiều dày lớp phủ Tuy nhiên, lớp phủ mỏng tạo lớp phủ kim loại nguyên chất, lớp phủ không xít chặt, độ bám dính thấp nên công nghệ bốc ngưng tụ chân không áp dụng cho ngành điện tử, quang học trang trí, lĩnh vực khí chưa tìm chỗ đứng đáng kể 7.2.2.2 Công nghệ bay gián tiếp 157 Phương pháp bay trực tiếp chân khả tạo lớp phủ đơn chất Trong phương pháp bay gián tiếp người ta đưa vào buồng bay kim loại chất khí hoạt tính, đồng thời dùng súng điện tử tạo chùm hạt mang điện (hình 7.13 7.14) có lượng vài trăm eV gọi chùm electron sơ cấp plasma (hiện tượng phóng điện phát quang pha khí) Nhờ cải tiến tốc độ phủ tăng rõ rệt tạo lớp phủ dạng hợp chất Hình 7.13 Sơ đồ nguyên lý công nghệ ARE Hình 7.14 Sơ đồ cấu tạo súng điện tử Bản chất công nghệ sau: Trong buồng bay chân không, người ta đưa vào khí trơ (thường Ar) khí hoạt tính giả sử khí A Khí A kết hợp với bia vật liệu nguyên chất B tạo lớp phủ theo phản ứng: A + B  AxBy  Ví dụ, muốn phủ lên bề mặt lớp TiN người ta dùng Ti nguyên chất làm bia, đưa khí NH3 vào, xảy phản ứng Ti + NH3  TiN + H2  Tuỳ theo chất khí hoạt tính đưa vào, tạo lớp phủ khác nhau: - Nếu dùng khí hoạt tính N2 NH3 lớp phủ nitrit: TiN,VN, ZrN - Nếu dùng khí hoạt tính cacbuahydro khí chứa cacbon khác lớp phủ cacbit TiC, NbC, VC… - Nếu dùng khí hoạt tính ôxy khí chứa ôxy lớp phủ ôxit: Al2O3… 158 Đây phương pháp bay hoạt tính ARE (Activated Reactive Evaporation) Tuy nhiên tốc độ tạo màng theo chế phản ứng chậm Vì khí Ar người ta ta đặt điện trường có hiệu điện từ đến 10KV làm cho khí Ar bị ion hoá tạo thành Ar+ Giữa catot (bia) anôt (vật phủ) xuất môi trường dẫn điện bao gồm ion, electron phân tử trung hoà điện Dưới tác dụng điện trường phần tử mang điện chuyển động va chạm với phân tử khí ion hóa chúng tạo nên ion electron mới, mức độ ion hoá đạt từ 10-7 đến 10-4 (số mol khí đưa vào chia cho tổng số hạt mang điện) plasma.Với hình thành plasma tạo nên tượng phóng điện phát quang Trong số phần tử có mặt plasma electron có nhiệt độ cao nhất, pha khí lại nhiệt độ từ 300 đến 1000K Do nhiệt độ plasma thấp nên gọi plasma lạnh Ngoài để tăng cường trạng thái kích thích cho nguyên tử chất phủ A B người ta bổ xung thêm dây điện trở đốt nóng điện áp V1 để tạo điện tử phát xạ (hình 7.15) Các điện tử lại tăng tốc điện áp phụ V2 va chạm với khí A B làm tăng trạng thái kích hoạt chúng Ở trạng thái này, hoạt tính hoá học pha khí cao Các phản ứng hoá học phần tử pha khí pha khí với bề mặt chi tiết xảy mãnh liệt Do chất tham gia phản ứng trạng thái kích thích nên phản ứng xảy phạm vi cân hoá học thông thường Đây lợi phương pháp, lợi cho phép xử lý nhiệt độ thấp, tránh ứng suất biến đổi tổ chức vật liệu chi tiết xử lý nhiệt độ cao Nhờ đặc điểm trên, công nghệ ARE cho phép phủ kim loại có nhiệt độ chảy cao Các nguyên tử bứt có lượng lớn bay bình thường Chuyển động chất phủ đến bề mặt chi tiết qua plasma truyền lượng động học nhờ va chạm đàn hồi phi đàn hồi với phần tử plasma lớp phủ bám dính tốt Sử dụng plasma lạnh cho phép tăng tốc độ vận chuyển chất đến bề mặt chi tiết tốc độ phủ nhanh Sử dụng kỹ thuật plasma đánh dấu bước tiến quan trọng việc áp dụng công nghệ PVD Trên thực tế, plasma mở thời kỳ công nghệ PVD với lĩnh vực áp dụng rộng rãi hơn, hiệu cao 159 Chi tiết trình phủ thường phân cực catot Sự phân cực catot chi tiết phủ, làm cho cation chất phủ chuyển động nhanh dần đến bề mặt phủ, cho phép tăng tốc độ phủ, tăng độ bám dính, tăng độ xít chặt lớp phủ Hình 7.15 Sơ đồ nguyên lí bổ sung điện Hình 7.16 Buồng bay hoạt tính áp V1 V2 để tăng tốc điện tử phát có kích thích xạ Ngoài ra, phân cực giúp trình tạo mầm, điều chỉnh phát triển định hướng tinh thể lớp phủ Ứng dụng chủ yếu công nghệ ARE ngành: quang học, điện tử, trang trí, dùng khí lớp phủ có độ sít chặt không cao, độ dính bám lớp phủ lên chi tiết không lớn, với lớp phủ dày 7.2.3 Công nghệ phủ ion (Ion plating) Trong phương pháp bay phản ứng với môi trường khí trơ khí hoạt tính, sản phẩm phản ứng AxBy Sản phẩm dẫn qua môi trường khí có tượng phóng điện phát quang tác dụng từ trường bị ion hoá theo phản ứng AxBy  (AxBy)- Các ion phủ lên bề mặt chi tiết phân cực catot tạo nên lớp phủ ion, có tên gọi phủ ion 160 Hình 7.17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phủ ion Hình 7.18 Sơ đồ thiết bị cho công nghệ phủ ion Hình 7.17 7.18 mô hình cổ điển công nghệ phủ ion Chi tiết cần phủ lắp cực catot Nguyên lý hoạt động trình: - Để tạo trình phóng điện phát quang pha khí chế độ bất thường dùng điện trường 1KV - Dùng điện trở cảm ứng để nung hoá kim loại Ngày người ta bắn chùm electron để tăng cường trình bay - Hơi kim loại hợp chất bị ion hóa môi trường có tượng phóng điện tác dụng điện trường, chuyển động có gia tốc hướng catot Kim loại phủ (bia) đặt chén nhỏ, nung nóng điện trở cảm ứng (hình 7.19) Chi tiết cần phủ phân cực catot từ trường với cường độ từ đến 5KV Các bước công nghệ bao gồm: +Giai đoạn chuẩn bị bề mặt phủ Bề mặt phủ cần làm hoàn toàn cách bắn phá ion nung nóng sơ đến nhiệt độ thích hợp Tuy nhiên trình bắn phá ion cần khống chế cho không gây biến dạng bề mặt chi tiết, hoá bụi vật liệu chi tiết làm ngăn cản dính bám lớp phủ sau 161 Hình 7.19 Kỹ thuật nung công nghệ bay (PVD) +Giai đoạn phủ ion Quá trình phủ ion kim loại lên bề mặt chi tiết xảy liên tục kể từ kim loại bị bốc Ở giai đoạn đầu, nhiệt độ thấp (chưa ổn định), có trình sinh mầm giúp cho phát triển pha tạo lớp phủ xít chặt Trong trình phủ ion, phần chất phủ bị hóa trở lại Sự hóa trở lại có tính chọn lọc nên thành phần lớp phủ không dự kiến ảnh hưởng đến tính chất lớp phủ Vận tốc phủ ion xấp xỉ công nghệ ARE dính bám, khả đồng xít chặt lớp phủ lớn nhiều Ứng dụng công nghệ phủ Trong ngành điện tử, quang học, ngành điện để phủ tiếp điểm, dùng trang trí quan trọng ngành khí để tạo lớp phủ Al, Cr, Mo, TiN lên thép Nhược điểm lớn phù hợp cho sản xuất hàng loạt, giá thành thiết bị cao, giá thành phủ cao 7.2.4 Công nghệ phún xạ catot (sputtering) phủ ion (Ion plating) Phún xạ (Sputtering) hay Phún xạ catot (Cathode Sputtering) kỹ thuật tạo lớp phủ mỏng dựa nguyên lý dùng chùm ion môi trường khí hoạt tính khí trơ bắn phá catot để hoá chất phủ, truyền động cho nguyên tử bay phía đế lắng đọng đế (vật phủ) Khác với phương pháp bay 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 catot), buồng hút chân không cao (hình 7.20) 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 162 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 (hình 7.21) Hình 7.20 Buồng chân không dùng phún xạ Hình 7.21 Nguyên lý phún xạ Như vậy, chế trình phún xạ va chạm trao đổi xung lượng, hoàn toàn khác với chế phương pháp bay nhiệt chân không Trong công nghệ phún xạ, plasma luôn sử dụng phương tiện cho phép tạo tất loại lớp phủ mỏng (kim loại, hợp kim, ceramic) loại vật liệu dẫn điện không dẫn điện, miễn chịu nhiệt độ từ 120 đến 8000C Dưới giới thiệu đặc điểm số phương pháp phún xạ thông dụng  Phún xạ phóng điện phát sáng chiều (DC discharge sputtering) Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện chiều để gia tốc cho ion khí Bia vật liệu đặt điện cực âm (catot) buồng chân không hút chân không cao, sau nạp đầy khí (thường Ar He ) với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar) Người ta sử dụng hiệu điện chiều cao đặt bia (điện cực âm) đế mẫu (điện cực dương) Quá trình trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang ion hóa) Vì dòng điện chiều nên điện cực phải dẫn điện để trì dòng điện, kỹ thuật thường dùng cho bia dẫn điện (bia kim loại, hợp kim )  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 vô tuyến (thường 13,56 MHz) Vì dòng điện xoay chiều, nên sử dụng cho bia vật liệu không dẫn điện 163 Quá trình phún xạ có khác so với phún xạ chiều chỗ bia vừa bị bắn phá ion có lượng cao nửa chu kỳ âm hiệu điện bị bắn phá điện tử nửa chu kỳ dương  Phún xạ magnetron Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng với xoay chiều chiều) cải tiến từ hệ phún xạ thông dụng cách đặt bên bia nam châm Từ trường nam châm có tác dụng bẫy điện tử ion lại gần bia tăng hiệu ứng ion hóa, tăng số lần va chạm ion, điện tử với nguyên tử khí bề mặt bia làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm bắn phá điện tử ion bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế tạo phóng điện áp suất thấp Có hai loại magnetron: +Catot magnetron cân phẳng: nam châm có cường độ Các đường sức từ trường khép kín (hình 7.22a) +Catot magnetron không cân phẳng (hình 7.22b) nam châm có cường độ yếu Các đường sức từ không khép kín Công nghệ sử dụng diot magnetron cho phép nhận lớp phủ bám dính tốt lên bề mặt chi tiết Nhiệt độ catot cao dó phải làm nguội nước Nhiệt độ chi tiết thấp, electron tập trung catot hai đặc điểm quan trọng dùng target magntron Ưu điểm hạn chế phún xạ catot - Dễ dàng chế tạo màng đa lớp nhờ tạo nhiều bia riêng biệt Đồng thời, phương pháp rẻ tiền, dễ thực nên dễ dàng triển khai quy mô công nghiệp - Độ bám dính màng đế cao nguyên tử đến lắng đọng màng có động cao so với phương pháp bay nhiệt - Màng tạo có độ mấp mô bề mặt thấp có hợp thức gần với bia, có độ dày xác nhiều so với phương pháp bay nhiệt chân không - Do chất có hiệu suất phún xạ khác nên 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 164 Hình 7.22 Sơ đồ nguyên lý hoạt động catot magnetron a/ hệ magnetron cân bằng; b/ hệ magnetron không cân 7.2.5 Ưu điểm công nghệ PVD Cho phép phủ kim loại có nhiệt độ chảy cao Nhiệt độ trình phủ không cao, thường 500oC Thành phần lớp phủ đồng Tốc độ phủ cao CVD TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Tư “Xử lý bề mặt” - NXB ĐHBK HN – 1999 Lê Công Dưỡng (chủ biên) – “Vật liệu học” NXB KHKT 2000 Trương Ngọc Liên “Ăn mòn bảo vệ kim loại”- NXB KHKT 2004 Hoàng Đình Luỹ “Ăn mòn bảo vệ kim loại” – Nhà xuất công nhân kỹ thuật – Hà Nội 1980 165 Nguyễn Văn Tư, Alain Galerie “Ăn mòn bảo vệ vật liệu” – NXBKHKT 2002 Nguyễn Khương “Mạ điện” tập I II– NXB KHKT - 2006 Nguyễn Khương “Mạ hóa học” tập III– NXB KHKT - 2008 Hoàng Tùng “Phun phủ ứng dụng” NXB KHKT – 1994 Nguyễn Văn Thông “Công nghệ phun phủ phục hồi “ NXB KHKT2008 10 Nguyễn Anh Tuấn “Kỹ thuật ma sát” – NXB KHKT 1995 11 Nguyễn Tân Tiến “ Theory of machine” Ch6 Masat giảng PDF 12 Phạm Thị Minh Phương “ Công nghệ nhiệt luyện “ NXB GD - 2000 13 Nghiêm Hùng “ Công nghệ thấm cacbon” NXB KHKT 1984 14.Trần Thanh Hải Tùng Nguyễn Lê Châu Thành “ Chương Lý thuyết ma sát hao mòn” sách ‘ chẩn đoán kỹ thuật ôtô “ 2005 15 Trần Minh Hoàng “Công nghệ mạ điện “NXB KHKT 2001 16 Nguyễn Hoành Sơn “ Xử lý nhiệt bề mặt” – NXB QĐ – 1999 17 Ngô Trí Phúc- “ Sổ tay sử dụng thép giới “NXB KHKT 2003 18 Н П Жук “Курс коррозии и защиты металлов” Изд “Металлургия” 1968 19 . Балдарев “Газотермическое напыление” Изд.МГTУ Бауманна Mосква 2007 20 A.Ф Пузряков “Теорическое ocновы технологии плазменного напыления - Изд МГTУ Бауманна Mосква 2003 21 M..paчева “алъванотехникa при изготовлении предметов бытогогозначения”- Изд “Легкая индустря” Mосква 1970 22 B.C Koваленко “Лазерное и электрo-эрозионное упрочнение материалов” Изд “Металлургия” 1980 23 A.H Mинкевич“Химико-термическая обработка металов и сплавов” Изд Maшинстроение Mocквa 1965 24 A.M Дмитрович “ Tехнология металлизaции рacпылением” Изд Mинск, 1958 25 C Я Грихео “Оксидирование и фосфатирование металлов” Изд Maшинстроение ленинград, 1971 26 Winnie Yu “Chemical Vapor Depositon” Copyright 2001.ASM international www asmintemational.org 166 27 D Smith – “Thin Film: Principle and Practice “Copyright 2001.ASM international www asmintemational.org 28 Jong Hee Park “Chemical Vapor Depositon” Copyright 2001 ASM international www asmintemational.org 29 “ Vapor Physical Deosition” Copyright 2001.ASM international www asmintemational.org 30 B R Marple, M M Hyland, Y.-C Lau, “Thermal Spray” 31.William F Smith –“ Principles materials science and engineering international Edition 1996 32 I.V Krgelsky,VVAlisin- Tribology: Lubrication, Friction and Wear ISBN: 978-1-86058-288-2 167 CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG SÁCH Ký hiệu Tên gọi a Đương lượng điện hóa ak (KCU, KCV, KCT) Độ dai va đập a Me n Hoạt độ A AHN A1, A3, Acm Ac1, Ac3, Accm Ar1, Ar2, Arcm d, D, (Ф) E E WE Eo G F, P HB HRA, HRC, HRB HV KC DA , ia Dc , ic SA SC I I Kkl Hệ số hấp thụ lượng Vùng ảnh hưởng nhiệt Các nhiệt độ tới hạn cân thép Các nhiệt độ tới hạn nung Các nhiệt độ tới hạn làm nguội Đường kính Mô đun đàn hồi pháp tuyến Năng lượng Năng lượng riêng chùm tia lazer Sức điện động pin Mô đun trượt Lực, tải trọng Độ cứng Brinen Độ cứng Rôc oen theo thang A, B, C Độ cứng Vicke Độ dai phá huỷ Mật độ dòng anốt Mật độ dòng catốt Diện tích anốt Diện tích catốt Cường độ dòng điện Cường độ mài mòn Hệ số xác định phân bố kim loại Tốc độ nguội tới hạn Tốc độ nguội Tốc độ mòn Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ bay Khối lượng riêng, mật độ Vth Vng V Tnc TV  Đơn vị đo g/Ah kJ/m2, J/cm2 ,J/cm2 C C C mm, A0 GPa Jun (Jun/cm2) V, mV GPa N, kG, t (tấn) kG/mm2 kG/mm2 MPa m A/Cm2 A/Cm2 Cm2 Cm2 A Mg/ h C/h; 0C/s C/s mG/h C, K C, K G/cm3 168   A   Z  b (Rm) 0,2 (R0,2) ch (RY) dh (Re) 0  Me n / Me , Mật độ lệch Độ giãn dài tương đối Chiều dày lớp Độ thắt tỷ đối Ứng suất, ứng suất pháp Giới hạn bền (kéo) Giới hạn chảy quy ước Giới hạn chảy Giới hạn đàn hồi Điện tiêu chuẩn Điện cực cân kim loại Me cm-2 % mm, m % MPa, kG/mm2, N/mm2 MPa; kG/mm2, N/mm2 MPa, kG/mm2,N/mm2 MPa, kG/mm2, N/mm2 MPa, kG/mm2, N/mm2 V V k % Hiệu suất dòng điện %  , K a Quá ( catot, anôt) V    Ứng suất tiếp Thời gian Bước sóng kG/mm2, MPa, Giờ, giây m 169