3. PHỦ BAY HƠI VÀ ỨNG DỤNG
3.4. Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát
Cả ma sát và mòn đều phụ thuộc vào kiểu biến dạng tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô tức là phụ thuộc vào chỉ số biến dạng dẻo hoặc độ cứng hoặc mô đun đàn hồi. Lớp phủ có thể làm thay đổi cả kiểu và mức
độ biến dạng ở chỗ tiếp xúc vì lớp phủ và nền đã tạo nên một hệ composite. Điều này tạo ra những thay đổi vô cùng quan trọng trong hệ thống ma sát, mòn và bôi trơn. Các thí nghiệm về mòn của đầu phủ TiN và đĩa cho thấy biến dạng tại chỗ tiếp xúc trượt chủ yếu là đàn hồi khi lớp phủ chưa bị vỡ và mòn hầu như bằng không.
Holmberg cho rằng tỷ số độ cứng của lớp phủ và nền là một thông số rất quan trọng ảnh hưởng tính chất ma sát của bề mặt phủ với bề mặt đối tiếp. Theo công thức tính lực ma sát trượt theo dính, để giảm Fm thì cả Aτ và τ đều phải nhỏ, nghĩa là nền phải cứng và lớp phủ phải mền. Lớp phủ có độ cứng cao sẽ không có tác dụng giảm ma sát trừ khi một lớp màng mỏng có sức bền cắt thấp hình thành trên bề mặt của lớp phủ, hoặc trên đỉnh các nhấp nhô. Lớp màng mỏng trên bề mặt lớp phủ có thể hình thành do tương tác hoá học với thép trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao và cao. Hệ số ma sát trượt giữa TiN và thép thay đối trong khoảng 0,01 đến 0,6 có thể giải thích bằng sự tạo thành và không tạo thành lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp xúc chung. Lớp màng mỏng Fe2O3 và TiO2
đã được phát hiện khi quan sát đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN. Lớp màn mỏng Silica tạo thành trên bề mặt lớp phủ khi dùng đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN.
Lớp phủ cứng có khả năng ngăn cản các nhấp nhô bề mặt đâm sâu vào nhau và cào xước lên nhau dẫn đến giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên, lớp phủ chỉ có khả năng giảm thành phần cào xước của lực ma sát nếu như các hạt cứng trong vật liệu đối tiếp nhỏ đáng kể so với chiều dày của lớp phủ. Độ cứng cao của lớp phủ còn có tác dụng giảm thành phần biến dạng của lực ma sát. Ví dụ độ cứng của TiN là 2200 kg/mm2- 2500 kg/mm2; của TiCN là 2800 kg/mm2 - 3200 kg/mm2 cao hơn rất nhiều so với độ cứng của thép ở trạng thái ủ.
Vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tương tác ma sát của hệ phủ. Các thí nghiệm về ma sát giữa thép và một số lớp phủ PVD cho thấy rằng khi tăng vận tốc trượt tương đối hệ số ma sát giảm đối với tất cả các hệ. Nguyên nhân là do nhiệt độ cao sinh ra ở chỗ tiếp xúc khi tăng vận tốc trượt tương đối làm giảm sức bền của thép ở vùng bề mặt này. Ví dụ khi vận tốc trượt nhỏ (khoảng 7 m/s), hệ số ma
sát của thép với TiAIN lớn nhất trong ba hệ phủ TiAIN, TiN và TiCN do cấu trúc bề mặt của TiAIN không mịn như TiN và TiCN nên thành phần cào xước của lực ma sát chiếm ưu thế. Nhưng khi tăng vận tốc trượt thì hệ số ma sát của TiAIN với thép trở nên nhỏ nhất.
Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát do độ cứng cao của lớp phủ làm giảm các thành phần cào xước và biến dạng dẻo của lực ma sát. Hơn nữa, tương tác hoá học giữa hai bề mặt đối tiếp tạo nên một lớp màng tiếp xúc có sức bền cắt thấp là nguyên nhân làm giảm ma sát giữa hai bề mặt.
3.4.2. Ảnh hưởng lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại
Hình 5-3: (a) So sánh quá trình tạo phoi khi cắt bằng dao pha TiN và không phụ. (b) Đồ thị biểu diễn thể tích của lẹo dao khi cắt thép 1045.
Lớp phủ trên bề mặt dụng cụ có tác dụng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước chủ yếu là giảm dính do độ cứng cao và tính trơ hoá học cao của lớp phủ làm tăng góc tạo phoi (I) dẫn tới giảm kích thước lẹo dao và loại trừ lẹo dao ở tốc độ cắt thấp hơn như trên Hình 5-3.
Từ Hình 5-3(a) có thể thấy rằng lớp phủ cứng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước, chiều dày của phoi dẫn đến tăng góc tạo phoi Φ và làm cho vùng tiếp xúc trên mặt trước tiến gần lưỡi cắt hơn. Hình 5-3(b) cho thấy TiN có khả năng loại trừ lẹo dao tốt nhất so với TiC và oxide.
Ở vận tốc cắt trên 50 m/phút lẹo dao hầu như bị loại trừ.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất nhiệt của lớp phủ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo phoi. Nhiệt độ cao trên mặt trước và khả năng dẫn nhiệt kém của lớp phủ sẽ làm giảm sức bền cắt của thép các bon. Ở trạng thái như thế biến dạng dẻo xảy ra trước, làm phoi tách ra khỏi phôi dễ hơn dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dày của phoi.
Ngược lại, khi lớp phủ có hệ có dẫn nhiệt cao sẽ làm cho quá trình tạo phoi khó khăn hơn. Ví dụ TiCN có hệ số dẫn nhiệt 36 W-1. K-1 lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của TiN (19 W-1.K-1) sẽ làm giảm góc tạo phoi (I) và tăng chiều dày của phoi. Nguyên nhân là do nhiệt thoát nhanh từ mặt trước vào dụng cụ làm giảm nhiệt độ ở mặt dưới của phoi làm cho quá trình thoát phoi trở nên khó khăn hơn. Trong thí nghiệm của Konig chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước tăng từ dao phủ TiAIN đến TiN đến TiCN tương ứng với sự tăng của lực cắt lên 20% của dao phủ TiN và 33% của dao phủ TiCN so với dao phủ TiAIN. Một số tác giả cho rằng hệ số thẩm nhiệt thấp của lớp phủ xác định theo công thức b2 = c.ρ.λ thẩm nhiệt, c là nhiệt dung riêng, ρ là tỷ trọng, λ là hệ số dẫn nhiệt).
Có thể thấy rằng, tính trơ hoá học và tính chất nhiệt đặc biệt của vật liệu phủ có ảnh hưởng rất lớn đến tương tác ma sát trên mặt trước và quá trình tạo phoi.
3.4.3. Ảnh hưởng lớp phủ đến mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt Như trên ta đã biết rằng, lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát trên mặt trước, giảm nhiệt độ cực đại và sự phát triển của trường nhiệt độ trong dụng cụ dẫn đến giảm mòn do nhiệt và tăng tuổi bền cho dụng cụ.
Hình 5-4 chỉ ra mối quan hệ giữa tuổi bền của dao tiện và phay mặt đầu thép gió phủ TiN, TiCN và TiAIN dùng để cắt thép các bon SAE 4340 theo vận tốc cắt, cho cả cắt liên tục (Hình 5-4(a)) và cắt không liên tục (Hình 5-4(b)). Từ hai đồ thị có thể thấy rằng trong cắt liên tục (tiện) TiAIN có tác dụng nâng cao tuổi bền của dao thép gió tốt nhất sau đó đến TiN và cuối cùng là TiCN. Trái lại, trong cắt va đập (phay) TiCN lại có tác dụng nâng cao tuổi bền tốt nhất sau đó đến TiN và TiAIN.
Như vậy, mỗi loại vật liệu phủ đều có khả năng nâng cao tuổi bền của dụng cụ khác nhau tuỳ thuộc vào các điều kiện cắt, trong đó dụng cụ được sử dụng.
Hình 5-4: Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo vận tốc cắt (a) của dao tiện (b) của dao phay mặt đầu dùng cắt thép các bon đã
qua tôi cải thiện.
Lớp phủ trên dụng cụ thép gió có tác dụng giảm ma sát giữa vật liệu gia công (VLGC) với mặt trước và mặt sau của dụng cụ, tăng khả năng chống mòn do hạt mài, giảm dính mỏi.
Nguyên nhân là do lớp phủ có tính trơ hoá học và độ cứng cao.
Ngoài ra tính chất nhiệt đặc biệt của lớp phủ còn làm đổi tỷ lệ truyền nhiệt vào phoi và dao là nguyên nhân cơ bản làm tăng tuổi bền của dụng cụ phủ khi cắt ở vận tốc cắt cao.