Nghiên cứu tạo lớp phủ TiN trên dụng cụ cắt gọt bằng phương pháp hồ quang chân không

Trong bài viết này, lớp phủ TiN được tạo trên mũi khoan thép gió bằng phương pháp lắng đọng hồ quang chân không sử dụng thiết bị phủ HCM700. Trước tiên, TiN được phủ trên các mẫu thép gió P18 với bộ thông số công nghệ phủ được đề xuất nhằm đánh giá một số đặc đính của lớp phủ TiN trên mẫu thép như chiều dày, độ cứng và thành phần hóa học.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU TẠO LỚP PHỦ TiN TRÊN DỤNG CỤ CẮT GỌT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỒ QUANG CHÂN KHÔNG A STUDY ON CREATION OF TiN COATING ON CUTTING TOOL BY VACUUM ARC DEPOSITION METHOD Đặng Quốc Việt1, Nguyễn Đức Luận1,*, Đặng Thái Hòa1, Phạm Đức Cường1 TÓM TẮT Trong báo này, lớp phủ TiN tạo mũi khoan thép gió phương pháp lắng đọng hồ quang chân không sử dụng thiết bị phủ HCM700 Trước tiên, TiN phủ mẫu thép gió P18 với thơng số cơng nghệ phủ đề xuất nhằm đánh giá số đặc đính lớp phủ TiN mẫu thép chiều dày, độ cứng thành phần hóa học Sau đó, áp dụng quy trình cơng nghệ để tạo lớp phủ TiN lên mũi khoan thép gió Kết đo cho thấy, lớp phủ TiN đồng bề mặt mẫu thép đạt tiêu kỹ thuật độ cứng tỷ lệ hợp thức thành phần Ti N Kết thử nghiệm khoan thép C45 sử dụng mũi khoan phủ TiN cho thấy lớp phủ TiN bám tốt bề mặt làm việc mũi khoan, không bị hư hỏng sau thời gian gia công Lớp phủ TiN tạo phương pháp hồ quang chân khơng có tiềm ứng dụng cho dụng cụ cắt chi tiết khí nhằm nâng cao tuổi bền làm việc Từ khóa: Lớp phủ cứng; TiN; hồ quang chân không; dụng cụ cắt gọt ABSTRACT In this paper, TiN coatingwas created on drills made of high-speed steel by vacuum arc method using on HCM700 coating machine At first, the TiN coating is coated on P18 steel samples using proposed technological parameters to evaluate the TiN coating properties such as the thickness, hardness and chemical composition Then, the coating technological process was applied to create the TiN coating on the high-speed steel drills The measurement results showed that the TiN coating was uniform on the steel sample surface and met the specifications of hardness and the valid ratio of Ti and N components Test results of drilling 45 steel with TiN - coated drills showed that the TiN coating adhere well to the working surface of the drill, is not damaged after a period of machining TiN coating created by the vacuum arc method has the potential to be applied to cutting tools and mechanical parts to improve working durability Keywords: Hard coating; TiN; vacuum arc; cutting tools Viện Công nghệ HaUI, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: luan.nd.hut@gmail.com Ngày nhận bài: 20/3/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/4/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2021 * GIỚI THIỆU Các nghiên cứu công bố giới cho thấy đặc tính trội lớp phủ cứng gốc Ti, đặc biệt TiN có độ cứng độ dai cao, bơi trơn tốt, trơ với hợp chất hóa Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn học, hệ số ma sát thấp, chịu mài mòn tốt điều kiện làm việc khắc nghiệt [1,3] Lớp phủ thích hợp để phủ lên bề mặt chi tiết khí dụng cụ cắt nhằm nâng cao chất lượng gia công đồng thời tăng tuổi bền làm việc Các dụng cụ cắt gọt kim loại q trình gia cơng có điều kiện làm việc khắc nghiệt, trực tiếp chịu ảnh hưởng nhiệt cắt lớn, ma sát cao phoi với bề mặt dụng cụ gây tượng mòn dao, nứt, vỡ, hư hỏng Điều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng gia công Việc nghiên cứu lớp phủ cứng để ứng dụng phủ lên bề mặt dụng cụ cắt gọt nhằm tăng tuổi bền chất lượng cần thiết Trên giới, lớp phủ TiN nhiên cứu ứng dụng rộng rãi, thương mại hóa thị trường không chuyển giao, đào tạo [1,2] Mỗi hãng sản xuất tự nghiên cứu xây dựng quy trình riêng phù hợp với lực sản xuất, chế tạo hãng Ở Việt Nam có số sở nghiên cứu lớp phủ TiN công nghệ phủ PVD Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, hay Trung tâm Quang Điện tử có thiết bị phục vụ cho nghiên cứu vật liệu màng mỏng hướng nghiên cứu ứng dụng chủ yếu vật liệu vi điện tử, vật liệu từ tính [5] Bên cạnh đó, kết nghiên cứu nhiều nguyên nhân khác nhau, nhiều hạn chế, chủ yếu dừng lại nghiên cứu phịng thí nghiệm Về mặt công nghệ, sâu nghiên cứu nhiều năm nghiên cứu thực tạo một số màng (Ti, Cr, Al) chưa thực làm chủ công nghệ, thể qua việc tuổi thọ màng cứng áp dụng cho sản phẩm thực tế chưa đáp ứng yêu cầu Đặc biệt, chưa có nghiên cứu ứng dụng cho sản phẩm tḥc lĩnh vực khí dụng cụ cắt, khuôn mẫu chi tiết làm việc điều kiện khắc nghiệt thị trường rộng lớn Trong báo này, lớp phủ TiN nghiên cứu tạo bề mặt mẫu thép P18 áp dụng để phủ lên mũi khoan làm từ thép P18 phương pháp hồ quang chân không Lớp phủ mang đặc tính trội, giúp cho dụng cụ cắt nâng cao chất lượng gia công đồng thời tăng tuổi bền làm việc điều kiện gia công khắc nghiệt Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 71 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Độ mở van V4 2.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Điện áp đế 900V, 80% Các thí nghiệm tạo lớp phủ tiến hành mẫu thép gió P18 tương tự với mũi khoan sử dụng với kính thước Փ60 x 5mm Các mẫu thép gia công, chế tạo qua bước cắt phơi, mài, nhiệt luyện, đánh bóng để đạt chất lượng bề mặt đạt yêu cầu trước phủ Độ nhám bề mặt sau đánh bóng đạt Ra = 0,04 Lưu lượng khí N2 1000sccm 900 Điện áp nguồn hồ quang 75V Thời gian phủ lớp đệm phút Thời gian phủ 90 phút 2.2 Tạo lớp phủ TiN mẫu thép dụng cụ Lớp phủ TiN chế tạo phương pháp hồ quang chân không, thực thiết bị phủ PVD HCM700 trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội (hình 1) Bia Ti dạng trụ (99,99%) với kích thước Փ100 x 20 mm sử dụng Hình Các mũi dụng cụ gá đặt gá quay buồng chân khơng (trái) hình ảnh chụp hồ quang buồng thực phủ (phải) Sau làm nguội tự nhiên, lấy mẫu khỏi buồng chân không, tiến hành đo kiểm đặc tính lớp phủ chiều dày, độ cứng thành phần hóa học lớp phủ để hiệu chỉnh lại thông số công nghệ phủ cho phù hợp với yêu cầu đặt 2.3 Đánh giá đặc tính lớp phủ TiN Chiều dày độ cứng lớp phủ Hình Hệ thống phủ PVD HCM700 trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Trước phủ, mẫu dụng cụ làm xử lý bề mặt Trước hết, mẫu làm tẩy dầu mỡ xăng, xà phòng, sau sử dụng hóa chất methanol ethanol 99,99%, acid HCl 3%, axeton khoảng 10 phút dung dịch bể rửa siêu âm để đạt hiệu cao Q trình làm hóa chất xen kẽ rửa nước nóng (700C) nước khử ion (DI water) nhiều lần Chiều dày lớp phủ TiN mẫu thép P18 chụp kính hiển vi quang học LEICA DM750M Phịng thí nghiệm Vật liệu học, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Độ cứng lớp phủ TiN đo phương pháp Vickers thiết bị kính hiển vi quang học LEICA DM750M có tích hợp mũi thử kim cương hình chóp cạnh với tải trọng từ 50N ÷ 1000N Phịng thí nghiệm Vật liệu học, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội Thành phần hóa học lớp phủ Sau làm sạch, mẫu dụng cụ sấy khô đưa vào buồng chân không thiết bị phủ HCM700 Hình thể mũi khoan dao phay gá gá quay đặt buồng chân khơng theo vị trí thiết kế Trong buồng chân không, dụng cụ tiếp tục làm lần trình plasma với độ chân không 10-1 - 10-2Torr Trước bắt đầu phủ, chi tiết gia nhiệt nung nóng tới nhiệt độ ~4000C Thành phần hóa học lớp phủ xác định phương pháp XRD (X-ray Diffaction) Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Trước đo, mẫu vật liệu được cắt nhỏ (khoảng < 15mm2) để gá đặt máy quét Phần mềm PCPDFWIN sử dụng để xác định cấu trúc thành phần hóa học lớp phủ Các thơng số cơng nghệ q trình tạo lớp phủ mẫu thép thử nghiệm lựa chọn bảng Bảng Thông số công nghệ tạo lớp phủ TiN Các mũi khoan sau phủ TiN thử nghiệm để gia công lỗ tròn mẫu thép C45, thực máy phay CNC trục Mori Seiki MV-40M Chế độ cắt chọn: tốc độ quay trục 3000vịng/phút, bước tiến dao 5mm/phút, chiều sâu cắt 15mm, số lỗ khoan 210 2.4 Thử nghiệm mũi khoan sau phủ TiN Gia nhiệt cho buồng chân không 4000C KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Số vòng quay gá 10Hz Các mẫu thép sau phủ TiN (hình 3) có màu vàng đặc trưng đo kiểm số đặc tính lớp phủ chiều dày, độ cứng thành phần hóa học Áp suất chân khơng trước xả khí 6e-3Pa Áp suất chân khơng phủ 1.2e0Pa 72 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 xếp theo kiểu xếp chồng, liên kết thành sợi với độ bám dính chặt bề mặt vật liệu Thành phần hóa học lớp phủ Biểu đồ đo EDS thành phần hóa học lớp phủ thực máy quét X-quang (X-ray Diffaction-XRD) thể hình Hình Các mẫu thép sau phủ TiN Độ cứng lớp phủ Độ cứng đo mẫu khác nhau, mẫu đo lần vị trí khác bề mặt Kết đo độ cứng mẫu thử nghiệm thể bảng Có thể thấy lớp phủ có độ cứng khoảng 2110 - 2240HV, đạt yêu cầu kỹ thuật độ cứng lớp phủ tương đương với tài liệu khoa học công bố trước (2000 - 2200HV) [4] Bảng Kết đo độ cứng mẫu thép Lần đo Kết (HV) 2110 2032 2074 2240 Chiều dày lớp phủ Hình Biểu đồ phân tích EDS thành phần hóa học lớp phủ TiN Căn vào kết phân tích EDS thành phần hóa học mẫu thép phân tích phần trăm nguyên tố ngun tố thấy rằng, khơng có ngun tố khác ngồi hai ngun tố N Ti Từ khẳng định lớp phủ TiN không lẫn tạp chất khác làm ảnh hưởng tới tính chất lớp phủ Hơn nữa, vào bảng số liệu ta nhận thấy tỉ lệ thành phần phần trăm nguyên tố hai nguyên tố N:Ti = 52,82:47,18 xấp xỉ tỉ lệ 1:1 Hình thể mũi khoan trước sau phủ TiN Có thể thấy lớp phủ TiN bám đồng toàn mũi khoan với màu vàng đặc trưng Các đặc tính kỹ thuật lớp phủ đánh giá xác định mẫu phẳng, đạt tiêu kỹ thuật cơng bố Hình Mũi khoan trước (trái) sau phủ TiN (phải) Thử nghiệm đánh giá chất lượng dụng cụ phủ TiN Hình Chiều dày lớp phủ chụp kính hiển vi quang học Kết đo chiều dày lớp phủ mẫu thép thử nghiệm thể hình Chiều dày lớp phủ nằm khoảng 2,8 ÷ 3,2µm, phù hợp với ứng dụng phủ lên dụng cụ gia công cắt gọt [6] Cấu trúc lớp phủ Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Các mũi khoan sau phủ TiN, tiến hành khoan thử nghiệm vật liệu thép C45 Sau khoan 200 lỗ, kết cho thấy mũi khoan tình trạng tốt, lớp phủ khơng bị bong tróc Bằng mắt quan sát, lỗ khoan cắt gọn, giảm tình trạng ba via cạnh bề mặt lỗ so với mũi khoan khơng phủ TiN (hình 7) Soi kính hiển vi điện tử thấy lớp phủ bám dính tốt vùng lưỡi cắt, chưa có tượng bong tróc lớp phủ (hình 7) Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 73 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [5] Vo Thi Kim Chung, 1999 Synthesis of TiO2 thin films by Magnetron sputtering - ion plating Master thesis, University of Natural Sciences - ietnam National University-Ho Chi Minh City [6] Jerzy Smolik, 2018 The influence of thickness of CrN coating on the durability of hot forging die Key Engineering Materials, Volume 767, 85-92 AUTHORS INFORMATION Hình Các lỗ gia công mũi khoan phủ TiN (trái) ảnh chụp lưỡi cắt mũi khoan (phải) Dang Quoc Viet, Nguyen Duc Luan, Dang Thai Hoa, Pham Duc Cuong HaUI Institute of Technology, Hanoi University of Industry KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu thực nghiệm tạo lớp phủ TiN mẫu thép mũi khoan làm từ thép gió P18 phương pháp lắng đọng hồ quang chân không thiết bị phủ HCM-700 Kết đánh giá thử nghiệm mẫu cho thấy lớp phủ TiN bám đồng toàn mẫu với màu vàng đặc trưng đạt đặc tính kỹ thuật độ cứng, chiều dày, thành phần hợp thức nguyên tố Ti:N đạt xấp xỉ 1:1 Áp dụng thông số công nghệ phủ để phủ lên mũi khoan thép gió P18 Kết thử nghiệm mũi khoan phủ TiN gia công thực tế thép C45 cho thấy lớp phủ TiN không bị hỏng sau thời gian gia công, bước đầu đạt u cầu đặt Quy trình cơng nghệ tạo lớp phủ TiN tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện ứng dụng cho dụng cụ cắt chi tiết khí nhằm nâng cao chất lượng đồng thời tăng tuổi bền làm việc LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu hỗ trợ tài từ đề án “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị phủ màng sử dụng kỹ thuật PVD, ứng dụng cho sản phẩm ngành công nghiệp hỗ trợ nhằm nâng cao chất lượng tuổi thọ” mã số B02-CNHT thuộc Chương trình Cơng nghiệp Hỗ trợ 2019-2020, Cục Cơng nghiệp - Bộ Công Thương quản lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Dowson, 1994 Coatings tribology – properties, techniques and applications in surface engineering Edited by Kenneth Holmberg, Allan Matthews, Volume 28 [2] Jacek Jagielski, A S Khannan, Jacek Kucinski, D S Mishra, P Racolta, Piran Sioshansi, Eric Tobin, J Thereska, Vladimir Uglov, T Vilaithong, J Viviente, Si-Ze Yang, Anton Zalar, 2000 Effect of chromium nitride coating on the corrosion and wear resistance of stainless steel Applied Surface Science, Volume 156, Issues - 4, 47 - 64 [3] Shanyong Zhang, 2013 TiN coating of tool steels Undergraduate Research Experience on Campus, School of Mechanical and Production Engineering, Nanyang Technological University [4] Luis Carlos Hernander, Luis Ponce, Abel Fundora, Enrique Lopez, Eduardo Perez, 2011 Nanohardness and residual stress in TiN Coatings Hard Materials: Advances in Synthesis and Understanding, 929 – 940 74 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... nguồn hồ quang 75V Thời gian phủ lớp đệm phút Thời gian phủ 90 phút 2.2 Tạo lớp phủ TiN mẫu thép dụng cụ Lớp phủ TiN chế tạo phương pháp hồ quang chân không, thực thiết bị phủ PVD HCM700 trường Đại... nghiên cứu thực nghiệm tạo lớp phủ TiN mẫu thép mũi khoan làm từ thép gió P18 phương pháp lắng đọng hồ quang chân không thiết bị phủ HCM-700 Kết đánh giá thử nghiệm mẫu cho thấy lớp phủ TiN bám... nghệ tạo lớp phủ TiN tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện ứng dụng cho dụng cụ cắt chi tiết khí nhằm nâng cao chất lượng đồng thời tăng tuổi bền làm việc LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu hỗ trợ tài từ đề án “Nghiên