Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cứng tin trên bề mặt khuôn kim loại

Lương Văn hưng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lương Văn Hưng Cơ Khí Chính Xác Quang Học NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHỦ CỨNG TiN TRÊN KHUÔN KIM LOẠI luận văn thạc sĩ: Cơ Khí Chính Xác Quang Học Khoá: 2007-2009 Hà nội 2009 Hà Nội – 2009 Lương Văn hưng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lương Văn Hưng Cơ Khí Chính Xác Quang Học NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP PHỦ CỨNG TiN TRÊN KHUÔN KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ: CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI Khoá: 2007-2009 Hà nội 2009 Hà Nội – 2009 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Lương Văn Hưng LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cám ơn chương trình nghiên cứu đề tài cấp KC-05 tạo điều kiện thuận lợi cho học viên thực đề tài Các nhận xét chủ nhiệm thành viên đề tài trình thực đề tài giúp học viên nhiều việc hoàn thành đề tài nghiên cứu chế tạo lớp phủ TiN lên bề mặt khn nhựa Học viên xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến mơn Cơ khí xác& Quang Học, Cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Phương Mai, trường Đại học Bách Khoa Hà nội, tận tình nghiêm khắc bảo học viên hồn thành cơng trình Trong trình nghiên cứu tác giả nhận giúp đỡ quý báu TS Phạm Hồng Tuấn – GĐ trung tâm quang điện tử nghiên cứu viên, viện Ứng Dụng Công Nghệ Nacentech Học viên xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày tháng năm 2009 Tác giả Lương Văn Hưng CHƯƠNG I GIỚI THIỆU Phương pháp ép phun nhựa trở thành phương pháp phổ biến ngành nhựa cơng nghiệp Từ tìm năm 1872, phương pháp ép phun mang lại lợi nhuận hàng tỉ đôla cho ngành công nghiệp nhựa, với 32% sản phẩn nhựa tạo thành phương pháp Máy phun ép thường sử dụng cho chi tiết nhựa phức tạp Một máy phun ép có ống cấp nhựa nóng, Những miếng nhựa nhỏ, hạt nhựa cho vào phễu sau trục vít đưa hạt nhựa vào ống cấp nhựa, hạt nhựa đun nóng chảy Trong q trình nhựa nóng chảy vít me tiếp tục đùn vào lịng khn Khi dịng nhựa nóng chảy điền đầy lịng khn hệ thống đường ống làm mát chứa chất lỏng vịng quanh khn làm cho nhựa nguội dần đông cứng lại Khn giữ ngun vị trí nhựa khn đơng cứng Sau chi tiết lấy khỏi khn q trình làm sản phẩn bắt đầu Máy phun ép nhựa có nhiều cấu hình khác nhau, tùy thuộc vào cách cách thức thực cơng đoạn Ví dùng khí nén để di chuyển khn dùng cấu khí, cịn dịng nhựa nóng chảy dùng vít tải đùn ép vào lịng khn Vì đa dạng cơng đoạn nên có nhiều cấu hình máy phun ép khác Khn nhựa có nhiều lọai, phân theo cách bố trí kênh dẫn, theo số tầng, theo số khuôn Đầu năm 80, nghiên cứu lớp phủ cứng hãng sản xuất dụng cụ cắt nghiên cứu phịng thí nghiệm hãng sản xuất khn mẫu có ý tưởng phủ lên bề mặt khn lớp màng cứng để có tính chất lý tính mong muốn Vào đầu năm 90 kết qủa triển khai sang hãng sản xuất thiết bị tạo lớp phủ chân không môi trường lý tưởng để thực phản ứng liên kết lớp phủ mà không bị lẫn tạp chất Trước tiên hãng Niigara (Mỹ), Nachi (Nhật) số nhà máy phục vụ cơng nghệ quốc phịng Liên Xơ cũ Từ năm 1995 đến nay, công nghệ chế tạo lớp phủ triển khai rộng khắp toàn giới Hiện nay, nhà công nghệ giới cịn nghiên cứu nhằm hồn chỉnh tạo công nghệ cho sản phẩm chất lượng tốt giá thành rẻ Các nước công nghiệp Mỹ, Nhật, EU, Hàn Quốc, Thụy Điển, Nga, Úc… cho công nghệ chế tạo lớp phủ cứng công nghệ ưu tiên hiệu kinh tế cao nên đầu tư lớn cho công nghệ Ở châu Á, Đài Loan Trung Quốc triển khai mạnh mẽ Nhiều công ty giới xuất khối lượng lớn sản phẩm có lớp phủ Theo nhà nghiên cứu giới độ bền chi tiết có mạ lớp phủ cứng (TiN, TiCN…) gấp 5-10 lần chi tiết khơng mạ lớp phủ cứng Độ cứng tế vi đạt tới 1500-2000HV Chiều dày lớp phủ tùy vào công ngh x dng t 2ữ3àm hoc ti 30ữ40àm Vi mi lọai khn có điều kiện làm việc khác dẫn đến có yêu cầu bề mặt làm việc khác nhau, nên với loại khn lại có loại vật liệu lớp phù hợp khác Ví dụ với khn nhựa u cầu bề mặt khn lớn nhất, yêu cầu khả chụi nhiệt, độ bám dính, ma sát bề mặt làm việc nhựa nóng chảy nhỏ nhất, độ bám dính bề mặt kim loại lớp phủ bề mặt khuôn lớn Với yêu cầu lớp phủ TiN cho phù hợp nên đồ án học viên chọn đề tài : “ Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cứng TiN bề mặt khuôn kim loại” (chủ yếu khn ép phun chất dẻo) I.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Một vấn đề quan trọng khuôn ép dẻo kim lại độ bám dính bề mặt khn chất dẻo nóng chảy Sau thời gian sử dụng chất lượng bề mặt khn giảm làm cho độ bám dính khn chất dẻo nóng chảy tăng dần, dẫn đến chất lượng bề mặt chi tiết giảm rõ rệt, nặng ảnh hướng đến độ xác chi tiết Độ bám dính yếu tố quan trọng định thời gian sử dụng khn Tìm kiếm vật liệu thích hợp chế tạo lớp phủ khn ép dẻo biện pháp để tăng thời gian sử dụng cho khn Vì chống dính vấn đề quan trọng khuôn ép nhựa, nghiên cứu phủ lớp TiN lên bề mặt khuôn biện pháp hữu hiệu để chống dính cách giảm hệ số ma sát bề mặt khuôn (lúc màng TiN) chi tiết ép phun Việt Nam chế tạo khuôn kim loại nhiên chất lượng khn cịn khiêm tốn, độ bền chưa cao, chưa chết tạo lớp phủ bề mặt thích hợp để nâng cao độ bền khn, độ xác chi tiết Việc nghiên cứu chế tạo lớp phủ khuôn ép dẻo phù hợp với điều kiện sản xuất cụ thể Việt Nam, tìm quy trình cơng nghệ thơng số cơng nghệ cho thiết bị cần thiết cấp bách I.2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN ÁN Nghiên cứu phương pháp phún xạ DC magnetron với mục địch đưa quy trình thơng số cơng nghệ hợp lý để chế tạo lớp phủ TiN bề mặt khuôn ép dẻo Kiểm tra ảnh hưởng thơng số kỹ thuật quy trình cơng nghệ, khảo sát ảnh hưởng chúng đến tính chất lớp phủ I.3 NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Xác định quy trình cơng nghệ ép phun chất dẻo polymer (PE,PA…) Tìm hiểu tính chất lớp phủ TiN bề mặt khuôn, nghiên cứu ảnh hưởng lớp phủ tới chất lượng, độ bền khuôn Bước đầu đưa thông số kỹ thuật để chế tạo lớp phủ TiN nhằm tăng tuổi bền khuôn ép phun nhựa chất dẻo Tính tốn thiết kế điều khiển lưu lượng khí (lưu lượng khí thơng số kỹ thuật quan trọng chế tạo lớp phủ TiN) I.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu phịng thí nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ đến tính chất lớp phủ phún xạ DC magnetron tính chất vật lý hóa học lớp phủ Phân tích mẫu thiết bị phân tích, tổng hợp đánh giá chất lượng lớp phủ, dự kiến ảnh hưởng lớp phủ tới chất lượng khuôn I.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn gồm chương, phần mở đầu, phần kết luận Chương I: Giới thiệu Chương II: khn ép phun chất dẻo Tìm hiểu quy trình cơng nghệ ép phun chất dẻo Tìm hiểu chất dẻo polymer, tương tác loại khn, phương án vật liệu phủ Tìm hiểu số khái niệm khuôm mẫu ngồi nước Phân loại loại khn nhựa Tìm hiểu đặc tính vật liệu chế tạo khn, phạm vi ứng dụng loại vật liệu khác cho loại khn khác Quy trình cơng nghệ chế tạo khn ép nhựa Chương III: Quy trình tạo lớp phủ cứng TiN bề mặt khn Tìm hiểu các phương pháp tạo lớp phủ có Đánh giá ưu nhược điểm loại Xây dựng quy trình tạo lớp phủ cứng TiN lên bề mặt khuôn kim loại Đánh giá chất lượng lớp phủ thông số vật lý Chương IV: Thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển lưu lượng khí Thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển lưu lượng khí, để điều khiển thơng số cơng nghệ tỉ lệ khối lượng khí cơng tác 89 S1 = πR2  R= � 𝑆𝑆1 𝜋𝜋 =� 1.19 𝜋𝜋 = 0.615 mm Ta chọn đường kính ống đo 1.5mm để phù hợp với khả gia công đảm bảo khả đo Kích thước thiết diện dịng khí nhánh IV.4.5.2 Tính tốn tiết diện dịng khí chạy qua nhánh Theo giá trị tính tốn ta tính lại lưu lượng khí chạy qua ống đo mức lưu lượng yêu cầu cao 50 sccm S1 = πR2 = π.0,752=1.77 mm2 = 1.77*10-4 cm2 m1 = v1*S1 = 1.77*10-4*140*60 = 1.48 sccm (cm3/s) Tổng lưu lượng m: m = m1+m2  m2 = m –m1 = 50 - 1.48 = 48.52 sccm Với chênh áp ∆P = 1bar Ta tính vận tốc dịng khí chạy qua nhánh v2 = � 2∆𝑃𝑃 𝜌𝜌 90 ρ: khối lượng riêng khí ( ta lấy tính tốn giả thiết khí N2 ( áp suất ống đo 1.03 bar 21 °C (70 °F)) = 1.105 kg/m^3) v2 = � 2∆𝑃𝑃 𝜌𝜌 =� 2∗1 1.105 = 1.345m/s Diện tích thiết diện đường chính: S2 = m2/v2 = (48.52/60)/(1.345*102) = 0.0060cm2 = 60 mm2 Vì đường ống ngịai dẫn khí cịn có tác dụng tạo giảm áp ∆P, với mục đích tạo dịng khí chạy qua ống đo với tỉ lệ cố định lưu lượng, nên cấu tạo đường nhánh có phần cản trở dịng khí để tạo xụt áp đầu dịng khí Để làm điều có nhiều lựa chọn hình vẽ dưới: 91 Kết cấu tổng thể phần đế chọn Kết cấu Laminar part dùng số loại khác nhau, cần đủ điều kiện tạo chênh áp theo yêu cầu 92 Kết cấu chọn Kết cấu gồm dãy đĩa (giống đồng xu) có chiều dày t, có lỗ nhỏ vng phép xâu chúng thành cụm có chiều dài L Hai đồng xu cuối có kết cấu khác chút so với đồng xu hình vẽ Trên đồng xu có rãnh có chiều rộng b có chiều sâu a (