Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ đánh giá độ bền của lớp phủ trên chi tiết máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA LỚP PHỦ TRÊN CHI TIẾT MÁY NGÀNH CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC MÃ SỐ: LÊ QUANG TRÀ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI HÀ NỘI 2009 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG 1.1 Khái niệm vai trò màng mỏng công nghiệp đại 1.2 Các phương pháp chế tạo màng mỏng 10 1.2.1 Phương pháp ngưng tụ hóa học 10 1.2.2 Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD) 11 1.2.3 M ột số phương pháp khác 12 1.3 Độ bám dính màng mỏng phương pháp xác định 13 1.3.1 Phương pháp kéo 14 1.3.2 Phương pháp sử dụng tia LASER 15 1.3.3 Phương pháp phun cát 16 1.3.4 Phương pháp cà tỳ 16 1.3.5 Phươn pháp rạch 17 1.4 Vai trò việc xác định độ dính bám màng mỏng dụng cụ cắt 18 1.4.1 Các chế mòn 19 1.4.2 Cải thiện lớp phủ bề mặt 23 CHƯƠNG II: ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP RẠCH 25 2.1 Tổng quan phương pháp rạch 26 2.1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng thiết bị rạch công nghiệp màng mỏng 26 2.1.2 Một số thông số thiết bị rạch sử dụng giới 28 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vết rạch tiêu đánh giá liên quan 29 2.2.1 Điều kiện cần thiết để định lượng thí nghiệm rạch 29 2.2.2 Các chế phá huỷ thí nghiệm rạch 30 2.2.3.Cơ chế phá hủy có liên quan tới độ bám dính từ lớp phủ cứng 35 2.2.4.Ứng suất gây phá hủy 40 2.2.5 Dò tìm phá hủy 42 2.3 Một số thí nghiệm điển hình giới 43 2.3.1 Lớp phủ cứng lớp mềm 43 2.3.2 Lớp phủ cứng lớp cứng 52 2.4 Kết luận 54 CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ RẠCH ĐO ĐỘ BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG 56 3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị rạch 56 3.2 Tính toán thiết kế hệ thống khí 56 3.2.1.Tính toán & chọn hệ dịch chuyển cho trục X 57 3.2.2 Tính toán khung đàn hồi 66 3.3 Thiết kế phần điện 68 3.3.1 Sơ đồ khối phần điện điều khiển cho thiết bị 68 3.3.2 Thiết kế chi tiết 69 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ BÀN LUẬN 75 4.1 Một số hình ảnh thiết bị chế tạo 76 4.2 Đo thử mẫu nhận xét đánh g 81 4.2.1 Một số mẫu đo với áp lực đo tăng dần 81 4.2.2 Một số mẫu đo với áp lực đo cố định 84 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 91 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Trang Chương Hình 1.1 Một số ứng dụng tiêu biểu màng mỏng……………………… Hình 1.2 Hình chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Hình1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Động stirling mạ vàng Phương pháp chế tạo màng theo nguyên tắc topotaxy Xác định độ bám dính phương pháp kéo Xác định độ bám dính phương pháp phun cát Xác định độ bám dính phương pháp cà tỳ Xác định độ bám dính phương pháp rạch Các chế mòn dụng cụ Sơ đồ chế mòn dụng cụ xuất nhiệt độ cắt khác Các dạng mòn dẫn đến phá hỏng dụng cụ lẹo dao Sơ đồ trình mòn lớp phủ … Hình 1.11 Hình 1.12 Chương Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Nguyên lý thiết bị rạch biểu đồ thể thông số thu rạch thiết bị đăng kí phát minh ……… Thiết bị rạch hãng CSM …………………………… Thiết bị rạch giao diện phần mềm hãng Tribo technic Thông số thiết bị rạch hãng CSM Vết rạch lớp phủ mềm quan sát thiết bị SEM ……… 10 11 13 15 17 17 18 20 22 23 26 29 30 30 31 33 Xác định độ bám dính lớp phủ mềm dựa lực ma sát trình 34 rạch ………………………………………………… 37 Sự phá hủy ứng suất lực nén …………………….…… 38 Dạng vết rạch lớp phủ cứng ……………………………… 41 Xác định L β phoi dạng ……………………… 42 Mũi rạch bị phá vỡ tượng chêm rạch …………… 48 Kết thu thí nghiệm rạch MA956………………… 49 Kết tính theo phần tử hữu hạn cho mẫu MA956…………… 52 Ứng suất phá huỷ tính toán …………………………… 53 Hình 2.15 Giá trị σF tính toán ………………… …………………………… Hình 2.16 Hình ảnh vết rạch quan sát máy SEM ………… Đồ thị lực ngang hệ số ma sát thu thí nghiêm rạch Chương Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Chương Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình4.14 Nguyên lý thiết bị đăng kí phát minh…………………… Nguyênl□thi□tb□ch□ …………… 57 57 60 61 73 74 75 78 79 Mô hình khí chế tạo…………………………………… Sơ đồ khối mạch đo điều khiển thiết bị cào xước lớp phủ… Sơ đồ khối cảm biến đo lực sử dụng chuyển đổi điện cảm…… Sơ đồ khối mạch AD cho cảm biến điện cảm…………………… Sơ đồ khối 82 mạch điều khiển động cơ…………………………… 82 83 83 84 Mạch điện chế tạo dùng thiết bị rạch……………………… 84 Hộp mạch điện chế tạo dùng thiết bị rạch………………… 85 Thiết bị rạch chế tạo………………………………………… 86 Hình ảnh tổng quan thiết bị rạch………………………………… 86 Khung đàn hồi cảm biến thiết bị rạch……………… 87 Bộ phận gia lực tuyến tính thiết kế chế tạo………………… 88 Đầu mũi rạch sử dụng thi nghiệm…………………… 89 Giao diện điều khiển đo thiết bị……………………………… 90 Thử nghiệm độ nhạy cảm biến áp lực…………………………… 91 Kết đo mẫu 1…………………………………………………… 92 Kết đo mẫu 2…………………………………………………… 96 Kết đo mẫu 3…………………………………………………… Hình 4.15 Kết đo mẫu 1…………………………………………………… Hình 4.16 Kết đo mẫu 2…………………………………………………… Kết đo mẫu 4…………………………………………………… Kết đo mẫu 6…………………………………………………… MỞ ĐẦU Thế kỷ 21, nhu cầu người nghiên cứu khoa học, công nghiệp, phục vụ đời sống chăm sóc sức khỏe người… ngày đa dạng phức tạp Bên cạnh nguồn nguyên vật liệu, lượng ngày trở nên khan hiếm, nhà khoa học phải tập trung tìm tòi nhằm tận dụng tối đa nguyên vật liệu sẵn có để nâng cao chất lượng giá trị sản phẩm Một định hướng nghiên cứu nhằm giải vấn đề công nghệ màng mỏng Công nghệ màng mỏng hình thành vào phục vụ kĩ thuật đời sống người mở kỉ nguyên khoa học hĩ thuật, sản phẩm ngành công nghiệp có mặt hầu hết trang thiết bị, lớp phủ để trang trí, tăng độ bền, vi hóa sản phẩm cồng kềnh Trong khoa học kĩ thuật lớp phủ có vai trò quan trọng việc thu nhỏ tăng hiệu suất chíp máy tính (một ngành công nghiệp thay đổi toàn giới quan người), sản phẩm phục vụ công nghiệp vũ trụ, lượng mặt trời, chi tiết chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt dụng cụ cặt, đầu phun, đầu đốt…Tầm quan trọng màng mỏng phủ nhận việc đánh giá kiểm soát chất lượng chúng vấn đề cần quan tâm nhằm đảm bảo hiệu sản suất sử dụng Công nghệ màng mỏng du nhập vào nước ta từ kỉ trước ý ngành công nghiệp từ năm 80 kỉ XX, sản phẩm mạ hóa, mạ theo phương pháp vật lý Tuy nhiên, ngành công nghệ phức tạp, nên việc phát triển xây dựng thành ngành công nghiệp mũi nhọn không đề cập đến, hầu hết đầu tư mức độ trang thiết bị kĩ thuật nhằm sản xuất sản phẩm chưa quan tâm đến vấn đề kiểm tra kiểm soát chất lượng Thiếu trang thiết bị kiểm tra dẫn đến việc sản xuất sản phẩm chất lượng làm cho số đơn vị sản xuất màng mỏng có nguy bị giải thể Trong trình kiểm tra chất lượng mang mỏng xác định tính điều kiện quan trọng tính định lớn đến vai trò lớp mạ cho chi tiết tiêu đánh giá quan trọng có ý nghĩa bao quát việc xác định độ bám dính mảng lên chi tiết mạ Điều đặc biệt có ý nghĩa chi tiết phủ để nâng cao tuổi thọ làm việc khí Do thiếu đầu tư đồng bộ, thiết bị đo phục vụ mục đích sở màng mỏng nước mặt khác giá thiết bị đáp ứng chức cao lên đến vài chục vài trăm nghìn USD việc nghiên cứu chế tạo thiết bị đảm bảo độ tin cậy làm việc trở nên cáp thiết khoa học nước Tuy vậy, chưa có công trình nghiên cứu, chế tạo thiết bị đáp ứng kể Do vậy, với việc chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ đánh giá độ bền lớp phủ chi tiết máy” em muốn có đinh hướng giải bất cập kể Nhằm cung cấp số thông tin việc kiểm tra kiểm soát chất lượng lớp phủ, chế tạo chạy thử thiết bị đo số mẫu bước đầu đánh giá khả chế tạo thiết bị đo chuyên dụng phục vụ mục đich nghiên cứu sản xuất Do kiến thức thời gian hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót mặt tính toán không đầy đủ nội dung Em mong góp ý thầy cô giáo để luận văn hoàn thiện, giúp ích hiệu cho công việc thiết kế, chế tạo Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ hướng dẫn tận tình cô giáo TS Nguyễn Thị Phương Mai, TS Nguyễn Văn Vinh với thầy cô giáo môn tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG 1.1 Khái niệm vai trò màng mỏng công nghiệp đại Màng mỏng (Thin film) hay nhiều lớp vật liệu chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại (chiều rộng chiều dài) Khái niệm "mỏng" màng mỏng đa dạng, từ vài lớp nguyên tử, đến vài micromet hay vài nanomet Hiện nay, màng mỏng lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ ngành khoa học như: công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn, lượng ứng dụng phổ biến đời sống hàng ngày, sản xuất, công nghệ đại, thấy rõ vai trò màng mỏng lớp phủ cho thiết bị quang học, công nghiệp điện tử… Hình 1.1 số ứng dụng tiêu biểu màng mỏng Hình 1.1 Một số ứng dụng tiêu biểu màng mỏng Trong quang học màng mỏng chế tạo để tạo nên lớp phủ có tính chất quang, định đế màng giảm phản xạ, màng phản xạ hay bán phản xạ, loại kính lọc… Màng mỏng thực tạo nên đột biến việc nâng cao tuổi thọ làm việc chi tiết ứng dụng nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt gọt, thiết bị làm việc điều kiện môi trường khắc nghiệt tàu vũ trụ, máy bay loại đầu phun lò nhiệt luyện… Công nghệ màng mỏng công nghệ đưa kĩ thuật tới khái niệm công nghệ micro, công nghệ nano, nhờ phát triển công nghệ màng mỏng linh kiện điện tử tích hợp nhỏ gọn hơn, nâng cao tính chúng điển hình sản phẩm chíp máy tính, ổ đĩa cứng loại hầu hết linh kiện điện tử khác Trong công nghiệp lượng nghiên cứu sinh học việc tạo pin lượng mặt trời góp phần không nhỏ mang lại khả sử dụng nguồn lượng nâng cao chất lượng sống Màng mỏng chế tạo nhiều phương pháp khác nhau, độ dày cấu trúc lớp màng mỏng đa dạng tùy theo mục đích 10 nghiên cứu sử dụng loại màng đó, màng quang học đạt tới vài chục lớp độ dày lớp vài nano Hình 1.2 Hình chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Hình 1.2 cho ta thấy lớp màng mỏng chụp kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20, lớp có chiều dày từ vài nanomet đến vài chục nanomet (Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta/Cu/Au) 1.2 Các phương pháp chế tạo màng mỏng Sự phát triển khoa học công nghệ ngược lại tác dụng tích cực tới phát triển công nghệ chế tạo màng mỏng Một số phương pháp chế tạo màng mỏng điển hình như: Phương pháp ngưng tụ hóa học Phương pháp ngưng tụ vật lý Và số phương pháp khác… 1.2.1 Phương pháp ngưng tụ hóa học 91 inspection of adhesively-bonded joints,”J Adhes.,21, 279–290 (1987) 19 P A Meyer and J L Rose, “Modeling concepts for studying ultrasonic ave interaction with adhesive bonds,”J Adhes., 8, 107–120 (1976) 20 H G Moslé and B Wellenkoetter, “Acoustic emission on painted steel sheets,” presented at the European Federation of Corrosion Conference on Surface Protection by Organic Coatings, Budapest,1979.Proceedings,5, pp 17–33 21 W Mielke, “Application of acoustic emission analysis for evaluation of the adhesion of coatings,”presented at the 19th FATIPEC Congress, Aachen, 1988.Congress Book,pp 471–486 22 B E Dom, H E Evens, and D M Torres, “Thermographic detection of polymer/metal adhesion failures,” inAdhesion Aspects of Polymeric Coatings,K L Mittal, Ed New York: Plenum Press, 1983,pp 597– 621 23 Leon I Maissel and Reinhard glang, “Handboock of Thin Film Technology” McGraw- Hill Bock Company” 1996 PHỤ LỤC Phần mềm điều khiển cho thiết bị Option Explicit Public Const TableCols = Public Const TableRows = Public StdScaleX As Single Public StdScaleY As Single Public z(0 To 5000, To 3) As Single Public pres(0 To 5000, To 2) As Single Public Click As Integer Public t As Integer Public sovongthuan As Integer Public sovongnghich As Integer Public tongsovong As Single 92 Public LastRow As Integer Public distance As Single Public soxung1 As Single Public soxung2 As Single Public pressure1 As Single Public pressure2 As Single Public save As Boolean Public Sub BackGround(Grid As Integer) Dim i As Integer Dim TempX As Integer Dim TempY As Integer frmMain.Picture1.BackColor = &H80000014 '&H0 frmMain.Picture1.AutoRedraw = True TempX = Int(frmMain.Picture1.Width / Grid) TempY = Int(frmMain.Picture1.Height / TempX) frmMain.Picture1.ScaleMode = frmMain.Picture1.Scale (0, -frmMain.Picture1.Height)-(frmMain.Picture1.Width, 0) frmMain.Picture1.Cls frmMain.Picture1.ForeColor = &H0& frmMain.Picture1.DrawWidth = frmMain.Picture1.Line (-30, -30)-(frmMain.Picture1.Width, -30) frmMain.Picture1.Line (30, 0)-(30, -frmMain.Picture1.Height) frmMain.Picture1.DrawWidth = frmMain.Picture1.ForeColor = &HC0C0C0 For i = To Grid frmMain.Picture1.Line (i * TempX, 0)-(i * TempX, -frmMain.Picture1.Height) Next i For i = To Int(TempY) frmMain.Picture1.Line (0, -i * TempX)-(frmMain.Picture1.Width, -i * TempX) Next i End Sub Public Sub InitTable() Dim i As Integer Dim j As Integer frmMain.msgData.Row = 0: frmMain.msgData.Col = frmMain.msgData.CellAlignment = frmMain.msgData.TextMatrix(0, 1) = "Time (s)" frmMain.msgData.Row = 0: frmMain.msgData.Col = frmMain.msgData.CellAlignment = frmMain.msgData.TextMatrix(0, 2) = "S (mm)" frmMain.msgData.Row = 0: frmMain.msgData.Col = frmMain.msgData.CellAlignment = frmMain.msgData.TextMatrix(0, 3) = "P1 (N)" frmMain.msgData.Row = 0: frmMain.msgData.Col = frmMain.msgData.CellAlignment = frmMain.msgData.TextMatrix(0, 4) = "P2 (N)" frmMain.msgData.ScrollTrack = True frmMain.msgData.Rows = TableRows frmMain.msgData.Cols = TableCols frmMain.msgData.ColWidth(0) = 985 frmMain.msgData.ColWidth(1) = 1500 frmMain.msgData.ColWidth(2) = 1500 frmMain.msgData.ColWidth(3) = 1500 frmMain.msgData.ColWidth(4) = 1500 For i = To TableRows - With frmMain.msgData TextMatrix(i, 0) = i Col = 0: Row = i CellAlignment = End With 93 Next i For i = To TableCols - For j = To TableRows - With frmMain.msgData Col = i Row = j End With Next j Next i frmMain.msgData.Col = TableCols - 1: frmMain.msgData.Row = TableRows - End Sub Public Sub InitParameters() frmMain.txtInterval.ForeColor = &H80000005 frmMain.txtInterval.Text = 500 frmMain.txtGrid.Text = 50 frmMain.txtX.Text = frmMain.txtY.Text = frmMain.Label9.Visible = False frmMain.opt_const = False frmMain.opt_linear = False frmMain.Opt_xuoi = True frmMain.Opt_nguoc = False End Sub Public Sub WriteDataS(Ro As Integer, Co As Integer, Value As Single) frmMain.msgData.TextMatrix(Ro, Co) = Format(Value, "0.00") End Sub Public Sub WriteDataP(Ro As Integer, Co As Integer, Value As Single) frmMain.msgData.TextMatrix(Ro, Co) = Value End Sub Public Sub WriteTime(Ro As Integer, Co As Integer, Value As Single) frmMain.msgData.TextMatrix(Ro, Co) = Format(Value, "0.0") End Sub Public Sub Read() Dim temp As String Dim temp1 As Byte Dim temp2 As Byte Dim temp3 As Byte Dim temp4 As Byte Dim temp5 As Byte Dim temp6 As Byte frmMain.MSComm1.InBufferCount = frmMain.MSComm1.Output = Chr(1) delay (5) temp = frmMain.MSComm1.Input 'Doc gia tri tu thuoc dai If Len(temp) = Then sovongthuan = Asc(Mid(temp, 1, 1)) sovongnghich = Asc(Mid(temp, 2, 1)) temp1 = Asc(Mid(temp, 3, 1)) temp2 = Asc(Mid(temp, 4, 1)) soxung1 = temp2 + temp1 * 16 tongsovong = sovongthuan - sovongnghich If (frmMain.Opt_xuoi = True) Then soxung1 = soxung1 + tongsovong * 3600# If (frmMain.Opt_nguoc = True) Then soxung1 = tongsovong * 3600# - soxung1 distance = soxung1 * 1.25 / 3600 End If 94 frmMain.MSComm1.Output = Chr(2) delay (3) temp = frmMain.MSComm1.Input 'Doc gia tri ap suat P1 If Len(temp) = Then temp3 = Asc(Mid(temp, 1, 1)) temp4 = Asc(Mid(temp, 2, 1)) pressure1 = temp4 * 16 + temp3 'pressure1 = temp4 + temp3 * 16 End If frmMain.MSComm1.Output = Chr(3) delay (3) temp = frmMain.MSComm1.Input 'Doc gia tri ap suat P2 If Len(temp) = Then temp5 = Asc(Mid(temp, 1, 1)) temp6 = Asc(Mid(temp, 2, 1)) pressure2 = temp6 * 16 + temp5 'pressure2 = temp6 + temp5 * 16 End If End Sub Public Sub delay(ms As Single) Dim Start Dim check Start = Timer Do Until check >= Start + ms * 0.01 check = Timer DoEvents Loop End Sub Public Sub Draw() Dim i As Integer If Val(frmMain.txtX.Text)