Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng đa lớp tin TinCN trên dụng cụ cắt bằng phương pháp hồ quang chân không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thành Hợp NGHIÊN CỨU TẠO LỚP PHỦ CỨNG ĐA LỚP TiN-TiCN TRÊN DỤNG CỤ CẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỒ QUANG CHÂN KHÔNG Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1.TS Phạm Hồng Tuấn 2.GS.TS Võ Thạch Sơn Hà Nội – Năm 2011 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Thành Hợp, học viên lớp cao học khoá 2009B, chuyên ngành Vật lý kỹ thuật Tôi xin cam đoan luận văn "Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng đa lớp TiN – TiCN dụng cụ cắt phương pháp hồ quang chân khơng." tơi nghiên cứu, tìm hiểu hướng dẫn TS Phạm Hồng Tuấn, GS.TS Võ Thạch Sơn, chép người khác Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2011 Tác giả   Nguyễn Thành Hợp Lớp Cao học ngành Vật lý kỹ thuật, khóa 2009B HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  Lời cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Hồng Tuấn, Trung tâm Quang Điện tử – Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học & Công nghệ, GS.TS Võ Thạch Sơn – Viện Vật lý kỹ thuật – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn tận tình giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi xin cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Quang Điện tử cán nghiên cứu Phịng Cơng nghệ màng mỏng tạo điều kiện tốt sở vật chất, kinh phí thực hỗ trợ chun mơn cho tơi q trình thực luận văn tốt nghiệp Trung tâm Quang Điện tử-Viện Ứng dụng Công nghệ Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè thầy Viện Vật lý kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập thời gian thực luận văn tốt nghiệp Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2011 Tác giả Nguyễn Thành Hợp Lớp Cao học ngành Vật lý kỹ thuật, khóa 2009B HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt .5 Danh mục bảng .5 Danh mục hình vẽ, đồ thị LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 10 1.1.Phương pháp tạo lớp phủ cứng .10 1.1.1 Phương pháp CVD 10 1.1.2 Phương pháp PVD 11 1.2 Ứng dụng lớp phủ cứng công nghiệp 13 1.3.Một số phương pháp khảo sát đánh giá cấu trúc màng cứng TiN/TiCN 17 1.3.1.Phương pháp XRD 17 1.3.2.Phương pháp EDAX 19 1.3.2.Phương pháp đo độ cứng 20 1.3.4.Phương pháp đo chiều dày màng 22 CHƯƠNG - XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ HỆ THỰC NGHIỆM 24 2.1 Phương pháp hồ quang chân không (Vacuum Arc) .24 2.1.1.Nguyên lý hoạt động .24 2.1.2.Hiệu ứng “hạt macro” .26 2.1.3.Các đặc tính ưu điểm phương pháp hồ quang chân không 27 2.2.Xây dựng thiết bị thử nghiệm 29 2.2.1.Sơ đồ nguyên lý 29 2.2.2.Thiết bị bốc bay hồ quang xây dựng 30 2.2.3.Quy trình vận hành thiết bị TINA900 35 CHƯƠNG - NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC MÀNG TiN,TiCN 36 HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  3.1.Nghiên cứu chế tạo màng TiN 36 3.2.Nghiên cứu chế tạo màng TiCN 41 CHƯƠNG - NGHIÊN CỨU PHỦ MÀNG TiN-TiCN TRÊN MŨI KHOAN 47 4.1.Tổng quan mũi khoan tác dụng lớp phủ cứng 47 4.2.Nghiên cứu xử lý bề mặt đế trước mạ .48 4.2.1.Chuẩn bị bề mặt 48 4.2.2.Xử lý hóa học 49 4.2.3.Xử lý plasma 51 4.3.Thiết kế màng đa lớp TiCN/TiN phủ lên mũi khoan 51 4.4.Nghiên cứu quy trình mạ lớp phủ cứng đa lớp TiCN/TiN lên mũi khoan 53 4.5.Đánh giá chất lượng 57 CHƯƠNG - THỬ NGHIỆM TUỔI BỀN MŨI KHOAN TRƯỚC VÀ SAU KHI MẠ 59 5.1.Phương pháp thử nghiệm 59 5.2.Thiết bị thông số thử nghiệm .61 5.3.Kết thử nghiệm .62 KẾT LUẬN .66 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Ký hiệu PVD Viết tắt cho cụm từ Nghĩa tiếng Việt Physical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng vật lý từ pha CVD Chemical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha IP Ion Plating Phương pháp mạ ion XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning electron microscope Hiển vi điện tử quét TiN Titan Nitride TiCN Titanium Carbo Nitride Danh mục bảng Bảng Độ cứng số loại vật liệu 11 Bảng Phạm vi ứng dụng lớp phủ cứng .15 Bảng Một số đặc tính điển hình phương pháp hồ quang chân không 28 Bảng Sự thay đổi độ cứng màng theo thiên áp .40 Bảng Thành phần nguyên tố vật liệu khoan thử nghiệm 61 HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1 Dụng cụ cắt mạ lớp phủ cứng TiN, TiCN 16 Hình Khn ép nhựa phủ TiN 17 Hình Hình học nhiễu xạ kế tia X (XRD) 18 Hình Nguyên lý phép phân tích EDAX .19 Hình Sơ đồ hệ phân tích EDAX 20 Hình Máy đo chiều dày màng mỏng Anpha – Step IQ .22 Hình Chiều dày mẫu màng TiN khảo sát 23 Hình Bản vẽ cấu tạo đầu hồ quang .24 Hình 2 Điểm cathode di chuyển bề mặt bia .25 Hình Hạt marco xuất bề mặt màng 27 Hình Sơ đồ nguyên lý phương pháp bốc bay hồ quang chân khơng 29 Hình Thiết bị mạ bốc bay hồ quang chân không Trung tâm Quang Điện tử 30 Hình Đầu bốc bay hồ quang lắp đặt buồng chân khơng 30 Hình Đầu hồ quang chân không 31 Hình Nguồn hồ quang chân không 32 Hình Thiết bị điều khiển lưu lượng khí CH4, N2, Ar 33 Hình 10 Các bình khí cơng tác CH4, N2, Ar 34 Hình 11 Bảng điều khiển thiết bị chân khơng TINA900 .35 Hình Điểm cathode di chuyển bề mặt bia Titan 37 Hình Phổ XRD màng TiN chế tạo FN2=50sccm 37 Hình 3 Phổ EDAX màng TiN chế tạo FN2=50sccm 38 Hình Chiều dày màng TiN đo thiết bị Alpha – step IQ (Thời gian lắng đọng: 10 phút) 39 Hình Thiết bị đo độ cứng Vickers Mikrohärte-Prüfeinrichtung mhp 100 40 Hình Mẫu màng TiN chế tạo 41 HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  Hình Các mơ hình cấu trúc TiCN 42 Hình Ảnh hưởng hệ số xC đến tính chất màng TiCxN1-x [11] 42 Hình Biểu đồ thể mài mịn biên theo tỷ lệ C/N hỗn hợp rắn TiCN [12] 43 Hình 10 Phổ XRD màng TiCN với tỷ lệ khí CH4/N2 44 Hình 11 Ảnh SEM chụp hình thái bề mặt màng TiCN 44 Hình 12 Mối liên hệ độ cứng màng thiên áp đế 45 Hình 13 Mẫu màng TiN-TiCN chế tạo 46 Hình Cấu tạo mũi khoan xoắn 48 Hình Xử lý ba via mũi khoan 49 Hình Quá trình lan truyền vết nứt lớp nhiều lớp 52 Hình 4 Mơ hình phủ màng đa lớp TiCN/TiN lên mũi khoan .53 Hình Hình ảnh mũi khoan trước phủ TiCN/TiN 54 Hình Bề mặt mũi khoan trước phủ TiCN/TiN 54 Hình Lưu đồ thể bước phủ màng đa lớp TiCN/TiN lên mũi khoan .55 Hình Hình ảnh mũi khoan sau phủ TiCN/TiN 57 Hình Lớp phủ cứng TiCN/TiN bề mặt mũi khoan 58 Hình 10 Vết đo độ cứng bề mặt mẫu màng TiCN/TiN 58 Hình Đồ thị phụ thuộc Vb vào thời gian 59 Hình Lưu đồ thử nghiệm tuổi bền mũi khoan 60 Hình Mài mịn mặt sau mép cắt mũi khoan 61 Hình Mũi khoan thử nghiệm 62 Hình 5 Quá trình khoan thử nghiệm thiết bị CNC DMU60T 63 Hình Ảnh chụp q trình mịn mũi khoan có phủ lớp phủ cứng 63 Hình Hình ảnh mép cắt mũi khoan phủ TiCN/TiN mũi khoan không phủ sau thử nghiệm 63 Hình Đồ thị phụ thuộc độ mịn mặt sau vào số lỗ gia công mũi khoan phủ TiCN/TiN không phủ 64 HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  LỜI NÓI ĐẦU Trong lĩnh vực gia công kim loại, nhu cầu tăng suất, tăng độ xác nâng cao chất lượng bề mặt gia công đặt Nhiều biện pháp thực nhằm đáp ứng nhu cầu Cuối thập niên 1960, nhà chế tạo dụng cụ cắt giới thiệu dao carbide thiêu kết với lớp phủ mỏng cacbua Lớp cacbua titanium với độ dày nhỏ (2-15 micromet) làm thay đổi đáng kể đặc tính dụng cụ cắt Lớp phủ nâng cao tính chống mịn, giảm lực cắt nhiệt cắt lưỡi cắt ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng động thái rạn nứt dao Lớp phủ làm tăng lên đáng kể tốc độ cắt lẫn tuổi thọ dụng cụ cắt Đến nay, phương pháp lắng đọng vật lý từ pha ( Physical vapor deposition -PVD) chế tạo lớp phủ cứng đời 20 năm ngày ứng dụng rộng rãi để tạo lớp phủ bảo vệ chống mài mòn cho dụng cụ trình gia cơng khí như: dụng cụ cắt gọt, dụng cụ tạo hình, khn gia cơng áp lực, khn ép nhựa Những lợi ích mà lớp phủ cứng đem lại là: • Nâng cao suất gia công (tuổi thọ dụng cụ kéo dài hơn, bề mặt gia cơng hồn thiện giảm bớt cơng đoạn hồn thiện bề mặt ) • Hạ giá thành sản phẩm • Cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm • Giảm tiêu hao vật liệu bơi trơn q trình gia cơng Các lớp phủ cứng tiêu biểu như: TiN, TiCN, TiAlN, TiC, Cr, CrN, DLC,…đã ứng dụng rộng rãi nước phát triển Hiện dụng cụ cắt có mạ lớp phủ cứng phải nhập từ nước ngồi với giá thành cao, điều làm tăng chi phí sản xuất tăng giá thành sản phẩm Tại Việt Nam có số sở sản xuất chế tạo dụng cụ cắt chuyên dùng nhiên chủ yếu chế tạo phôi khơng có cơng nghệ mạ lớp phủ cứng lên bề mặt, tuổi bền dụng cụ chưa cao khó cạnh tranh với dụng cụ ngoại nhập HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học  Sau định hướng giúp đỡ TS Phạm Hồng Tuấn, GS.TS Võ Thạch Sơn, tác giả chọn đề tài " Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng đa lớp TiN – TiCN dụng cụ cắt phương pháp hồ quang chân không." Mục tiêu bước đầu ứng dụng phương pháp hồ quang chân không mạ lớp phủ cứng TiN, TiCN số dụng cụ cắt điển hình Nội dung nghiên cứu đề tài: - Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài - Xây dựng mơ hình nghiên cứu hệ thực nghiệm - Nghiên cứu chế tạo lớp phủ TiN, TiCN - Thử nghiệm phủ màng đa lớp TiCN/TiN lên mũi khoan - Thử nghiệm đánh giá tuổi bền mũi khoan có phủ TiCN/TiN - Phân tích, đánh giá kết nghiên cứu bàn luận Đề tài mang tính ứng dụng cao, kết nghiên cứu đề tài góp phần phát triển ngành cơng nghiệp chế tạo dụng cụ cắt Việt Nam Sự thành công đề tài tiền đề để phát triển công nghệ lớp phủ cứng, định hướng ứng dụng sản xuất dụng cụ cắt khn mẫu, trang trí bảo vệ Việt Nam HV: Nguyễn Thành Hợp Khóa 2009B ... Phạm Hồng Tuấn, GS.TS Võ Thạch Sơn, tác giả chọn đề tài " Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng đa lớp TiN – TiCN dụng cụ cắt phương pháp hồ quang chân không. " Mục tiêu bước đầu ứng dụng phương pháp hồ quang. .. viên lớp cao học khoá 2009B, chuyên ngành Vật lý kỹ thuật Tôi xin cam đoan luận văn "Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng đa lớp TiN – TiCN dụng cụ cắt phương pháp hồ quang chân khơng." tơi nghiên cứu, ... phương pháp tạo lớp phủ cứng phương pháp CVD PVD sử dụng rộng rãi cho dụng cụ cắt khuôn mẫu 1.1.1 Phương pháp CVD CVD (Chemical Vapor Deposition) phương pháp lắng đọng hóa học từ pha Phương pháp