CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MÀNG PHỦ NITRUA ĐA LỚP TiAlX(Si,B)/CrN
4.2 Màng đa lớpTiAlBN/CrN
4.2.3 Hệ số ma sát của màng đa lớpTiAlBN/CrN
Trong điều kiện ma sát khơ tại nhiệt độ phịng, hệ số ma sát của màng đa lớp và các màng đơn lớp được so sánh với hệ số ma sát của đế hợp kim WC-Co trên hình 4.12. Kết quả cho thấy, hệ số ma sát của các mẫu có xu hướng tăng tuyến tính, sau đó giảm xuống một giá trị nhất định tùy vào từng loại màng. Khi đạt trạng thái ổn định, đường biểu thị hệ số ma sát đi ngang. Khi phân tích kỹ có thể nhận thấy, với những mẫu có độ nhám thấp, hay kích thước hạt mịn, hệ số ma sát của màng tương đối ổn định trong suốt quãng đường trượt. Tuy nhiên, hệ số ma sát của màng đơn lớp CrN tại quãng đường di chuyển 210 m-270 m và màng đa lớp TiAlBN/CrN tại quãng đường di chuyển 580-730 m có sự khơng ổn định. Kết quả này là do sự
mài mòn của lớp màng và bi thép SUJ2 sinh ra các hạt mài mòn trên bề mặt tiếp xúc giữa bi và màng. Ngoài ra, kết quả cho thấy giá trị hệ số ma sát của màng đơn TiAlBN thấp nhất (0,55), so sánh với hệ số ma sát của các mẫu màng đa lớp TiAlBN/CrN (0,59) và CrN (0,64) cũng như đế hợp kim WC-Co (0,75).
Hình 4.12. Hệ số ma sát khô của màng đa lớp TiAlBN/CrN, và các màng đơn lớp
TiAlBN, CrN và đế hợp kim WC-Co.
4.2.4. Độ bền bám dính của màng đa lớp TiAlBN/CrN
Kết quả độ bền bám dính của màng đa lớp TiAlBN/CrN khơng sử dụng lớp trung gian và có sử dụng lớp trung gian Cr đươc thể hiện trên hình 4.13.
Hình 4.13. Độ bền bám dính của màng đa lớp TiAlBN/CrN: a) khơng sử dụng lớp
Kết quả cho thấy, với mẫu màng không sử dụng lớp trung gian, bề mặt của màng có xu hướng bị bong tróc tại giá trị lực tới hạn đạt 24,7 N. Khi lực tới hạn tiếp tục tăng lên, độ bong tróc của màng cũng tăng theo (hình 4.13 a). Với mẫu màng sử dụng lớp trung gian, không quan sát thấy hiện tượng bong tróc nào trên bề mặt của màng tại lực tới hạn 30 N.
Kết luận chương 4:
- Ảnh hưởng của cặp chiều dày lớp màng và số lớp màng đã được nghiên cứu. Kết quả chỉ ra độ cứng của màng đa lớp tăng và đạt giá trị cực đại 31,4 GPa tại chiều dày 245 nm đối với màng đa lớp TiAlSiN/CrN và 33,8 GPa tại chiều dày 232 nm đối với màng đa lớp TiAlBN/CrN. Ngoài ra, với số lớp màng 12 lớp đối với TiAlSiN/CrN và 14 lớp màng đối với TiAlBN/CrN khi đó độ cứng của màng đạt giá trị cực đại.
- Hệ số ma sát của màng đa lớp TiAlSiN/CrN là 0,71, giá trị này cao hơn so với màng đơn lớp CrN: 0,66 và thấp hơn so với màng đơn lớp TiAlSiN. Với màng TiAlBN/CrN có hệ số ma sát (~0,59) thấp hơn so với màng CrN (~0,64) và cao hơn so với màng đơn lớp TiAlBN (~0,55)
- Việc sử dụng lớp trung gian Cr sẽ cải thiện độ bền bám dính giữa màng đa lớp và đế hợp kim WC-Co.
- Kết quả nghiên cứu chế tạo của hai màng đa lớp TiAlX(Si, B)/CrN được thể hiện trên bảng sau:
Bảng 4.1. So sánh tính chất của màng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN chế tạo. Độ cứng (GPa) Modul đàn hồi (GPa) Hệ số ma sát Độ bền bám dính Khơng có lớp trung gian Sử dụng lớp trung gian Cr TiAlSiN/CrN 31,4 335 0,71 27,3 >30 N TiAlBN/CrN 33,8 352 0,59 24,7 >30 N
KẾT LUẬN CHUNG
1. Bằng việc tự chế tạo được bia phún xạ đa nguyên tố, đã chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tố TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ magnetron, bao gồm các bước: (i) chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố Ti50Al40X10 (X:Si, B, V) bằng phương pháp luyện kim bột tiên tiến, (ii) chuẩn bị bề mặt mẫu đế hợp kim WC-Co, (iii) phún xạ magnetron một chiều. Trong đó, các thơng số cơ bản của quá trình phún xạ như sau:
- Công suất phún xạ: 300 W - Áp suất phún xạ: 5 mtor
- Khoảng các giữa bia và đế: 50 mm - Lưu lượng dịng khí Ar: 36 sccm
- Lưu lượng dịng khí N2: từ 2 đến 10 sccm - Thời gian phún xạ: 30 phút
2. Đối với màng phủ cứng đơn lớp, đã khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dịng khí N2 đến các tính chất của 3 loại màng TiAlXN sử dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V). Cụ thể, đã xác định được lưu lượng dịng khí N2 tối ưu là 6 sccm đối với màng TiAlSiN và TiAlVN, đối với màng TiAlBN là 4sccm.
3. So sánh tính chất của màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN do luận án chế tạo với số liệu công bố trên thế giới, cho phép rút ra kết luận, màng phủ đơn lớp TiAlBN chế tạo được có độ cứng cao và hệ số ma sát thấp hơn so với các công bố trên thế giới ở cùng phương pháp chế tạo. Còn màng phủ đơn lớp TiAlSiN và TiAlVN chế tạo được có độ cứng và hệ số ma sát tương đương với các cơng bố trên thế giới có cùng phương pháp chế tạo.
4. Màng TiAlVN đã qua xử lý nhiệt ở nhiệt độ lớn hơn 600oC có hệ số ma sát thấp hơn so với màng phủ cùng loại khơng qua xử lý nhiệt do hình thành pha Magnéli có khả năng tự bôi trơn.
5. Khi sử dụng lớp trung gian Cr, độ bền bám dính của cả 3 loại màng phủ đều tăng từ 1,5 đến 2 lần so với khi không sử dụng lớp trung gian. Kết quả cho thấy độ bền bám dính của 3 loại màng khi sử dụng lớp trung gian Cr hoặc Ti (trong nghiên cứu
chế tạo màng TiAlVN) đã đảm bảo được độ bền bám dính giữa màng và đế (tới hạn lớn hơn 30 N).
6. Đối với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN, đã khảo sát ảnh hưởng của chiều dày cặp màng và số cặp màng đến độ cứng của màng đa lớp. Cụ thể, màng phủ đa lớp TiAlSiN/CrN có độ cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 245 nm (màng TiAlSiN là 127 nm và màng CrN là 118 nm) và tổng số cặp màng là 6 cặp (12 lớp). Còn đối với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 232 nm và tổng số cặp màng là 7 (14 lớp).
CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Thông qua việc tự chế tạo được bia phún xạ đa nguyên tố Ti50Al40X10 (X:Si, B, V), đã chế tạo và nghiên cứu được đặc trưng tính chất của màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp kim cứng WC- Co, bằng công nghệ phún xạ magnetron một chiều. Màng phủ có tính chất tương đương hoặc tốt hơn so với các công bố trên thế giới có cùng phương pháp chế tạo.
- Đã khảo sát được ảnh hưởng của lưu lượng dịng khí N2 đến cấu trúc và tính chất của 3 loại màng đơn lớp TiAlXN(X:Si, B, V). Đặc biệt, đã xác định được tỷ lệ lưu lượng dịng khí Ar : N2 tối ưu trong q trình phún xạ đối với màng phủ cứng đơn lớp TiAlSiN và TiAlVN là 36 sccm : 6 sccm và đối với màng TiAlBN là 36 sccm : 4 sccm.
- Đã xác định được giá trị tối ưu của chiều dày cặp màng và số cặp màng để màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN có các tính chất tốt nhất.
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ
I. Tạp chí quốc tế
1. Van Duong Luong, Doan Dinh Phuong, Phan Ngoc Minh, Kyoung Il Moon,
Influence of Nitrogen Gas Flow on the Hardness and the Tribological Properties of a TiAlBN Coating Deposited by Using a Magnetron Sputtering Process,
Journal of the Korean Physical Society, 70(10) (2017) 929-933. (SCI- IF:0.5).
2. Doan Dinh Phuong, Van Duong Luong, Phan Ngoc Minh, Hyun Jun Park,
Kyoung Il Moon, Microstructure, mechanical and tribological behavior of the TiAlVN coatings, Acta Metallurgica Slovaca, 24 (4) (2018), 266-272. (E-SCI)
II. Tạp chí trong nước và hội nghị quốc tế
3. Van Duong Luong, Doan Dinh Phuong, Nguyen Quang Huan, Do Thi Nhung,
Phan Ngoc Minh, Kyoung Il Moon, Synthesis of the TiAlVN coating deposited by magnetron sputtering using a single target, Hội nghị vật lý chất rắn và khoa
học vật liệu toàn quốc lần thứ X, 2017 tại T.P. Huế (ISBN: 978-604-95-0326-
9).
4. Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan, “Structure and properties of the
TiAlBN coatings” The 5th Asian Materials Data Symposium, Oct 30th - Nov
02nd 2016, Hanoi, Vietnam, (ISBN: 978-604-913-500-2).
5. Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan “Study on Fabrication of Multilayer
TiAlSiN/CrN Coating on WC-Co Substrate by DC Magnetron Sputtering” The
13th Asian Foundry Congress (AFC 13), 2015 (ISBN: 978-604-938-550-6).
6. Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan, Kyoung Il Moon, Won Beom Lee
“Synthesis and characteristics of multilayer TiAlSiN/CrN coatings” Proceedings
of International Workshop on Advanced Materials Science and
Nanotechnology, IWAMSN 2014
7. Lương Văn Đương, Nguyễn Văn Luân, Trần Bảo Trung, Nguyễn Văn An
“Nghiên cứu công nghệ phủ màng siêu cứng đa lớp TiAlSiN/CrN trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng phương pháp phún xạ” Tuyển tập hội nghị khoa học thanh niên Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam lần thứ 13, 2014
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. A. Cavaleiro, J. Th. M. De Hosson, Nanostructured coating, Springer, 2006. 2. E. Q. Travis, R. F. Fiordalice, Manufacturing aspects of low presser chemical-
vapor-deposited TiN barrier layers, Thin Solid Films, 1993, 23 6, 325–329.
3. K. Kawata, H. Sugimura, and O. Takai, Effects of chlorine on tribological properties of TiN films prepared by pulsed d.c. plasma-enhanced chemical vapor deposition, Thin Solid Films, 2002, 407, 1-2, 38–44.
4. H. Liepack, K. Bartsch, W. Brückner, A. Leonhardt, Mechanical behavior of PACVD TiC-amorphous carbon composite layers, Surface and Coatings
Technology, 2004, 183, 1, 69–73.
5. N. Kumar, R. Krishnan, D. Dinesh Kumar, S. Dash, and A. K. Tyagi,
Tribological properties of nanostructured TiC coatings deposited on steel and silicon substrates using pulse laser deposition technique,” Tribology, 2011, 5, 1,
1–9.
6. A. Shanaghi, A. R. S. Rouhaghdam, S. Ahangarani, P. K. Chu, T. S. Farahani,
Effects of duty cycle on microstructure and corrosion behavior of TiC coatings prepared by DC pulsed plasma CVD, Applied Surface Science, 2012, 258, 7,
3051–3057.
7. L. Montesano, C. Petrogalli, A. Pola, M. Gelfi, V. Sisti, G. M. La Vecchia,
Corrosion and wear behavior of CAE deposited CrN-PVD coatings, Key
Engineering Materials, 2014, 577-578, 641–644.
8. C. Petrogalli, L. Montesano, M. Gelfi, G. M. La Vecchia, and L. Solazzi,
Tribological and corrosion behavior of CrN coatings: roles of substrate and deposition defects, Surface & Coatings Technology, 2014, 258, 878–885.
9. A. Ruden, E. R. Parra, A. U. Paladines, F. Sequeda, Corrosion resistance of CrN
thin films produced by dc magnetron sputtering, Applied Surface Science, 2013,
270, 150-156.
10. K. Chakrabarti, J. J. Jeong, S. K. Hwang, Y. C. Yoo, C. M. Lee, Effects of Nitrogen Flow Rates on the Growth Morphology of TiAlN Films Prepared by an rf-Reactive Sputtering Technique, Thin Solid Films, 2002, 406, 159.
11. Q. Ru, S. Hu, Effects of Ti0.5Al0.5N coatings on the protecting against oxidation
for titanium alloys, J. Rare Metals, 2010, 29, 2 154-161.
12. G. G. Fuentes, E. Almandoz, R. Pierrugues, R. Martínez, R. Rodríguze, J. Caro,
High temperature tribological characterisation of TiAlSiN coatings produced by cathodic arc evaporation, Surf. Coat. Technol., 2010, 205, 1368-1373.
13. Z. M. Rosli, K. W. Loon, J. M. Juoi, et al., Characterization of TiAlBN Nanocomposite Coating Deposited via Radio Frequency Magnetron Sputtering Using Single Hot-Pressed Target, Advanced Materials Research, 2013, 626, 298-
14. Q. Jin, H. Wang, G. Li, J. Zhang, J. Liu, Microstructures and Mechanical Properties of TiN/CrN Multilayer Films, Rare Metal Materials and Engineering,
2017, 46, 10, 2857-2862.
15. Y. Xu, L. Chen. F. Pei, Y. Du, Structure and thermal properties of TiAlN/CrN
multilayered coatings with various modulation ratios, Surface and Coatings
Technology, 2016, 304, 512-518.
16. V. T. T. Thương, Đ. A. Tuấn, C. T. T. Hằng, L. V. T. Hùng, Nghiên cứu chế tạo màng TiN bằng phương pháp phún xạ magnetron DC trên một số đế khác nhau, Tạp chí phát triển KH&CN, 2014, 17, 65-73.
17. Đinh Thị Mộng Cầm, Nguyễn Hữu Chí, Lê Khắc Bình, Trần Tuấn, Nguyễn Thị Hải Yến, Trần Quang Trung, Tổng hợp màng cứng CrN bằng phương pháp
phun phủ mạ ion (SIP), Tạp chí phát triển KH&CN, 2007, 10, 5, 13-19.
18. Nguyễn Thành Hợp, Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cứng đa lớp TiN-TiCN trên
dụng cụ cắt bằng phương pháp hồ quang chân không, Luận văn thạc sĩ, 2009,
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
19. Trần Thị Như Hoa, Các lớp phủ đa lớp Ti tinh khiết và các lớp siêu hợp mạng
TiN/CrN xen kẽ nhau, Đại học khoa học tự nhiên, ĐHQGHN.
20. S. L. Romero, J. C. Ramírez, Synthesis of TiC thin films by CVD from toluene
and titanium tetrachloride with nickel as catalyst. Revista Matéria, 2007, 12, 3,
487 – 493.
21. N. Ghobad , M. Ganji, C. Luna, A. Arman, A. Ahmadpourian, Effects of substrate temperature on the properties of sputtered TiN thin films, Journal of
Materials Science: Materials in Electronics, 2016, 27, 3, 2800–2808.
22. X. Huang, I. Etsion, T. Shao, Effects of elastic modulus mismatch between coating and substrate on the friction and wear properties of TiN and TiAlN coating systems, Wear, 2015, 338-339, 54-61.
23. T. Chengjian, K. Dejun, Effects of wear speeds on friction-wear behaviours of
cathode arc ion plated TiAlSiN coatings at high temperatures. J. Tribology -
Materials, Surfaces & Interfaces, 2017, 11, 2, 66-74.
24. C. Rebholz, M. A. Monclus, M. A. Baker, P. H. Mayrhofer, P. N. Gibson, A. Leyland, A. Matthews, Hard and superhard TiAlBN coatings deposited by twin
electron-b eam evaporation, Surface & Coatings Technology, 2007, 201, 6078
– 6083.
25. Q. Ru, S. Hu, N. Huang, L. Zhao, X.Qiu, X. Hu, Properties of TiAlCrN coatings prepared by vacuum cathodic arc ion plating, Rare Metals, 2008, 27,
3, 251-256.
26. F. Lomello, M. A. P. Yazdi, F. Sanchette, F. Schuste, M. Tabarant, A. Billard,
Temperature dependence of the residual stresses and mechanical properties in TiN/CrN nanolayered coatings processed by cathodic arc deposition. Surface
and Coatings Technology, 2014, 238, 216-222.
27. R. N Ibrahim, M. A. Rahmat, R. H. Oskouei, R. K. Singh Raman, Monolayer
fretting fatigue of AISI P20 steel, Engineering Fracture Mechanics, 2015, 137,
64-78.
28. P. V. Badiger, V. Desai, M. R. Ramesh, Development and Characterization of
Ti/TiC/TiN Coatings by Cathodic Arc Evaporation Technique. Transactions of
the Indian Institute of Metals, 2017, 70, 9, 2459-2464.
29. S. Y. Yoon, K. O. Lee, S. S. Kang, K. H. Kim, Comparison for mechanical properties between TiN and TiAlN coating layers by AIP technique, Journal of
Materials Processing Technology, 2002, 130–131, 260–265.
30. Z. Hui, W. X. Hui, L. Q. Lei, C. L. Ja, L. Zheng, Trans. Noneferrous Met. Soc. China 20 (2010 ) 679-682.
31. D. H. Jung, K. I. Moon, S. Y. Shin, C. S. Lee, Influence of ternary elements (X
= Si, B, Cr) on TiAlN coating deposited by magnetron sputtering process with single alloying targets, Thin Solid Films, 2013, 546, 242–245.
32. N. D. Nam, M. Vaka, N. T. Hung, Corrosion behavior of TiN, TiAlN, TiAlSiN-
coated 316L stainless steel in simulated proton exchange membrane fuel cell environment. Journal of Power Sources, 2014, 268, 240-245.
33. C. Feng, L. Xin, S. Zhu, Z. Shao, The Effects of N2 Flow Rates on the Properties of Ti-Al-Si-N Films Deposited by Arc Ion Plating, Applied
Mechanics and Materials, 2013, 291-294, 2694-2697.
34. Q. Ma, L. Li, Y. Xu, J. Gu, L. Wang, Y. Xu, Effect of bias voltage on TiAlSiN nanocomposite coatings deposited by HiPIMS, Applied Surface
Science, 2017, 392, 826–833.
35. C. Rebholz, J. M. Schneider, A. A. Voevodin, J. Steinebrunner, C. Charitidis , S. Logothetidis , A. Leyland, A. Matthews, Structure, mechanical and tribological properties of sputtered TiAlBN thin films, Surface and Coatings
Technology, 1999, 113, 126–133.
36. J. K. Park, J. Y. Cho, H. T. Jeon, Y. J. Baik, Structure, hardnes s and thermal
stability of TiAlBN coatings grown by alternating depositio n of TiAlN and BN,
Vacuum, 2010, 84, 483–487.
37. Z. M. Rosli, Z. Mahamud, W. L. Kwan, J. M. Juoi, K. T. Lau, Chemical Composition Analysis of TiAlBN Nanocomposite Coating Deposited via RF Magnetron Sputtering, Key Engineering Materials, 2014, 594-595, 551-555.
38. C. F. Wang, S. F. Ou, S.Y. Chiou, Microstructures of TiN, TiAlN and TiAlVN coatings on AISI M2 steel deposited by magnetron reactive sputtering, Trans.
Nonferrous Met. Soc. China, 2014, 24, 2559−2565.
39. M. Pfeiler, K. Kutschej, M. Penoy, C. Michotte, C. Mitterer, M. Kathrein. The
influence of bias voltage on structure and mechanical/tribological properties of arc evaporated Ti –Al –V – N coatings. Surface and Coatings Technology,
2007, 202, 1050 – 1054.
40. M. Pfeiler, K. Kutsche, M. Penoy, C. Michotte, C. Mitterer, M. Kathrein, The effect of increasing V content on structure, mechanical and tribological