Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến cơ tính của lớp phủ cho khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm kẽm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đinh Thanh Bình NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH CỦA LỚP PHỦ CHO KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC HỢP KIM NHÔM - KẼM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đinh Thanh Bình NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH CỦA LỚP PHỦ CHO KHN ĐÚC ÁP LỰC HỢP KIM NHÔM - KẼM Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI TS PHẠM HỒNG TUẤN Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai TS Phạm Hồng Tuấn Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với điều kiện Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Hà Nội, Ngày tháng năm 2019 Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS TS Nguyễn Thị Phương Mai Đinh Thanh Bình TS Phạm Hồng Tuấn i LỜI CÁM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu nhận nhiều giúp đỡ, góp ý chia sẻ người Lời xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới tập thể Thầy Cô hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai, TS Phạm Hồng Tuấn, Thầy cô hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc tới Q thầy Bộ mơn Cơ khí Chính xác Quang học bảo cho ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn anh chị em công tác Bộ mơn Cơ khí xác Quang học, tập thể NCS Bộ môn chia sẻ tạo điều kiện giúp Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Quang điện tử - Viện Ứng dụng công nghệ, Cơng ty TNHH MTV Cơ khí 17 - Tổng cục Cơng nghiệp quốc phịng, Trung tâm đo lường - Viện Cơng nghệ - Tổng cục Cơng nghiệp quốc phịng, nhiệt tình hợp tác giúp đỡ tơi hỗ trợ vật tư, thiết bị thực nghiệm thu thập số liệu nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp quốc phòng, Ban lãnh đạo Khoa Dạy nghề tạo điều kiện chế độ, thời gian, công việc giúp hoàn thành nhiệm vụ Cuối xin cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè chia sẻ, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Hà Nội, Ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Đinh Thanh Bình ii MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO LỚP PHỦ CỨNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Đúc áp lực 1.2.1 Chu trình đúc áp lực 1.2.2 Khuôn đúc áp lực 1.2.3 Chốt tạo lỗ sản phẩm khuôn đúc áp lực 1.2.4 Các dạng hỏng bề mặt khuôn chốt tạo lỗ 11 1.2.5 Giải pháp nâng cao tuổi thọ khuôn chốt tạo lỗ 19 1.2.6 Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng nâng cao tuổi bền khuôn chốt tạo lỗ 22 1.3 Phương pháp chế tạo lớp phủ cứng 31 1.3.1 Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha 31 1.3.2 Phương pháp lắng đọng vật lý từ pha 31 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước tạo lớp phủ cứng phương pháp PVD 40 1.4.1 Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng phương pháp PVD giới 40 1.4.2 Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng phương pháp PVD Việt Nam 44 Kết luận chương 47 CHƯƠNG XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ TiN TRÊN CHI TIẾT THÉP SKD61 48 2.1 Quy trình công nghệ tạo lớp phủ 48 2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ tạo lớp phủ phương pháp PVD 48 2.1.2 Nội dung bước công nghệ 48 2.2 Quá trình chế tạo lớp phủ CrN phương pháp phún xạ 50 2.2.1 Thiết bị chế tạo lớp phủ cứng 50 2.2.2 Tạo lớp phủ CrN 54 2.2.3 Kết thúc lắng đọng lớp phủ 56 2.2.4 Nghiên cứu, xác định thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN phương pháp phún xạ xung chiều magnetron 57 2.2.5 2.3 Tăng cường khả bám dính lớp phủ CrN với thép SKD61 58 Công nghệ chế tạo lớp phủ TiN CrN phương pháp hồ quang chân không 59 iii 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị chế tạo lớp phủ 59 2.3.2 Quy trình cơng nghệ chế tạo lớp phủ TiN 60 2.3.3 Áp dụng thông số công nghệ tối ưu lớp phủ TiN để chế tạo lớp phủ CrN thép SKD61 64 Kết luận chương 65 CHƯƠNG TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ TiN TRÊN CHI TIẾT SKD61 66 3.1 Khảo sát ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN phương pháp phún xạ chiều thiết bị chân không B30-VTD 66 3.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm 66 3.1.2 Xác định chiều dày tốc độ lắng đọng lớp phủ CrN 66 3.1.3 Cấu trúc lớp phủ 70 3.1.4 Độ cứng lớp phủ 73 3.1.5 Ứng suất mặt tinh thể 75 3.2 Tối ưu hóa thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN thép SKD61 thiết bị B30-VTD 78 3.2.1 Quy hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao 78 3.2.2 Tối ưu hóa q trình chế tạo lớp phủ 90 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo 92 3.3 Khảo sát ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN CrN phương pháp hồ quang chân không thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD 94 3.3.1 Tính chất lớp phủ TiN thép SKD61 94 3.3.2 Tính chất lớp phủ CrN thép SKD61 98 Kết luận chương 100 CHƯƠNG ÁP DỤNG KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN VÀO THỰC TIỄN SẢN XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 101 4.1 Đặt vấn đề 101 4.2 Điều kiện thực nghiệm 101 4.2.1 Đối tượng nghiên cứu 101 4.2.2 Thiết bị đúc điều kiện làm việc khuôn 103 4.2.3 Chế tạo lớp phủ 107 4.3 Thử nghiệm sản xuất 110 4.3.1 Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ khn đúc áp lực vịng ơm 110 4.3.2 Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ khn đúc áp lực chi tiết giá đỡ 115 4.3.3 Đánh giá hiệu làm việc lớp phủ 118 iv Kết luận chương 119 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 126 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu, chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh HPDC Khuôn đúc áp lực High pressure die-casting CVD Lắng đọng hóa học từ pha Chemical Vapor Deposition PVD Lắng đọng vật lý từ pha Physical Vapor Deposition VAC Lắng đọng hồ quang chân không Vacuum Arc Deposition EDS Phổ kế tán xạ lượng tia X Energy Dispersive Spectroscopy SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscopy XRD Nhiễu xạ tia X X-ray diffraction DSC Quét nhiệt lượng vi phân Differential calorimetry sccm Bộ lưu lưu lượng tiêu chuẩn Standard Cubic Centimeter per cm3/phút Minute 10 MFC Điều khiển lưu lượng khí 11 LVEBIP Mạ ion chùm điện tử điện áp Low Voltage Electron Beam thấp Ion Plating 12 Target Bia 13 RFCSD Lắng đọng phún xạ âm RF Cathode cực cao tần Deposition 14 PDCS Phún xạ xung chiều 15 DCCSD Lắng đọng phún xạ âm DC Cathode cực chiều Deposition 16 DCS Phóng điện chiều DC-sputter 17 CS Điểm catôt Cathode spot 18 BV Thiên áp Bias voltage 19 CFUBMS Phún xạ magnetron trường kín Closed field unbalanced không cân magnetron sputtering 20 HC Lớp phủ cứng X-ray scanning Mass Flow Controler Target Sputtering Pulsed DC sputtering Sputtering Hard coatings vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Vận tốc áp suất buồng đúc giai đoạn trình đúc [6] Hình 1.2 Cấu tạo phận khuôn đúc áp lực [3] Hình 1.3 Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13] Hình 1.4 Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhơm [13] Hình 1.5 Thay đổi nhiệt độ a) thay đổi ứng suất b) chu kỳ đúc thứ 51 [14] Hình 1.6 Kết cấu khn đúc áp lực bố trí chốt khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn tĩnh [40] Hình 1.7 Chốt tạo lỗ sản phẩm vịng ơm (Z117 - Bộ Quốc phịng) Hình 1.8 Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng) Hình 1.9 Dịng kim loại vào khuôn tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết vịng ơm (Z117 - Bộ Quốc phịng) Hình 1.10 Dịng kim loại tác động lên bề mặt chốt vị trí khác 10 Hình 1.11 Dịng kim loại vào khuôn tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng) 10 Hình 1.12 Dịng kim loại lỏng khuôn tác động vào chốt 10 Hình 1.13 Nhiệt độ khn chốt thay đổi chu kỳ đúc [62] 11 Hình 1.14 Nhiệt độ khn chốt thay đổi chu kỳ đúc [62] 11 Hình 1.15 Các dạng hỏng xảy khuôn đúc áp lực [51] 12 Hình 1.16 Nứt mỏi nhiệt bề mặt khuôn [63] 13 Hình 1.17 Cơ chế phát triển vết nứt thúc đẩy q trình oxy hóa [51] 15 Hình 1.18 Nhơm dính bám bề mặt chốt tạo lỗ vịng ơm (Z117 - Bộ Quốc phịng) 16 Hình 1.19 Dính bám nhơm chốt gây xước bề mặt lỗ sản phẩm vịng ơm (Z117 - Bộ Quốc phòng) 16 Hình 1.20 Sự hình thành lớp liên kim bề mặt thép H13 [65] 17 Hình 1.21 Xử lý nhiệt khn đúc áp lực 20 Hình 1.22 Quy trình tơi thép SKD61 làm khn đúc áp lực [3] 20 Hình 1.23 Quy trình ram thép SKD61 làm khn đúc áp lực [3] 21 Hình 1.24 Lực rút khuôn theo thời gian thép H13 H13 thấm nitơ [65] 23 Hình 1.25 Lực rút khuôn theo thời gian thép H13, H13 thấm nitơ, H13 thấm nitơ + lớp phủ Ti/TiN [64] 24 Hình 1.26 Mối quan hệ độ nhám bề mặt tỷ lệ dính bám nhơm sau 50 chu kỳ đúc chốt phủ TiN, CrN, TiCN, thấm nitơ không phủ [59] 25 Hình 1.27 Mất khối lượng bề mặt với chất xói mịn Al2O3 tác động góc 300 với vận tốc 145m/s [53] 27 Hình 1.28 Mất khối lượng bề mặt với chất xói mịn Al2O3 tác động góc 900 với vận tốc 100 m/s [53] 28 vii Hình 1.29 Sơ đồ thiết kế lớp phủ tối ưu cho khuôn đúc áp lực nhôm [34] 30 Hình 1.30 Cấu trúc hai hệ thống mạ ion dùng môi trường plasma chân không [9] 32 Hình 1.31 Sơ đồ hệ phún xạ (a) hiệu ứng ion đập vào bia (b) [9] 33 Hình 1.32 Sơ đồ hệ phóng điện chiều [7] 33 Hình 1.33 Sơ đồ hệ phóng điện cao tần [7] 34 Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ DC magnetron [9] 35 Hình 1.35 Hình dạng điện áp xung [16] 36 Hình 1.36 Sơ đồ phương pháp hệ hồ quang chân không [9] 37 Hình 1.37 Các hạt macro lắng đọng bề mặt đế mạ hồ quang chân không [9] 38 Hình 1.38 Sơ đồ nguyên lý phương pháp giam giữ điểm catôt bề mặt catôt từ trường [9] 39 Hình 1.39 Phổ nhiễu xạ lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ lệ FN2/FAr thay đổi, bias = -250 V [69] 41 Hình 1.40 Độ cứng ứng suất dư lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ lệ nguyên tử Cr/N (tỷ lệ FN2/FAr) thay đổi, bias = -250 V [69] 41 Hình 1.41 Hệ số ma sát () lớp phủ CrN chế tạo điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr thay đổi từ 0,25  4, (a) Chu kỳ mài mòn, (b) Lực mài mòn [69] 42 Hình 1.42 Hệ số mịn (K) lớp phủ CrN chế tạo điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr thay đổi từ 0,25  với lực mài mòn thay đổi [69] 42 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế tạo lớp phủ [9] 48 Hình 2.2 Thiết bị chân khơng B30-VTD 50 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ xung chiều magnetron sử dụng thiết bị B30-VTD 51 Hình 2.4 Gá mẫu trước phủ 52 Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn đặc trưng V - A theo lưu lượng khí Ar [9] 55 Hình 2.6 Đầu magnetron thiết bị B30-VTD 55 Hình 2.7 Vùng plasma chế tạo lớp phủ CrN buồng chân không B30-VTD (Nacentech) 56 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý thiết bị chân không chân không Dreva Arc 400-VTD gá mẫu 59 Hình 2.9 Thiết bị chân khơng Dreva Arc 400-VTD 60 Hình 2.10 Các bước quy trình cơng nghệ chế tạo lớp phủ [9] 60 Hình 2.11 Gá mẫu chi tiết trước phủ TiN (Nacentech) 61 Hình 2.12 Cấu tạo catơt rỗng [23] 61 Hình 2.13 Đầu hồ quang AS65M (Nacentech) 62 Hình 3.1 Mẫu thép SKD61 thí nghiệm (a) kích thước mẫu, (b) mẫu sau chế tạo sơ đồ gá viii ... Thanh Bình NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH CỦA LỚP PHỦ CHO KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC HỢP KIM NHƠM - KẼM Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI... hóa q trình chế tạo lớp phủ 90 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo 92 3.3 Khảo sát ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN CrN phương pháp hồ quang chân không... 60 2.3.3 Áp dụng thông số công nghệ tối ưu lớp phủ TiN để chế tạo lớp phủ CrN thép SKD61 64 Kết luận chương 65 CHƯƠNG TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ