3. PHỦ BAY HƠI VÀ ỨNG DỤNG
3.2. Phủ bay hơi hoá học và ứng dụng
3.2.4. Ứng dụng của phủ CVD
Phủ bằng CVD được ứng dụng rộng rãi ở những nơi yêu cầu chống
mòn, chống ôxy hoá, chóng ăn mòn, yêu cầu cao về điện, quang, và tribology. Các đặc tính của lớp phủ sẽ thay đổi nhờ điều chỉnh các thông số quá trình và thiết bị. Tính tinh khiết của lớp phủ có khả năng đạt được đặc biệt trong các ứng dụng điện và quang. Trong trường hợp này phải sử dụng các khí có độ tinh khiết cao và trong môi trường chân không cao (10-5-10-8 ion). Trái lại, phủ CVD dùng trong các ứng dụng chống mòn hoặc tribology thì vấn đề tinh khiết không cần đặt ra. Các tạp chất điển hình bao gồm O, Cl, H và các halôgen trong khí lò cũng như các tạp chất kim loại như Fe, Cr, Ni, C từ chất dẫn và Al, Si, Ca, Mg v.v... từ vật liệu cách nhiệt. Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, HfN, Al2O3, và kim cương nhân tạo v.v... với chiều dày 5 μm ÷ 10 μm.
3.2.4.1. Phủ CVD để chống mòn
Vật liệu phủ điển hình để chống mòn là borides, carbides, nitrides và oxides refractory. Các hợp chất có thể phân loại theo liên kết như kim loại, cộng hoá trị, ion.
Ngoài tính chất của lớp phủ, tính chất của vật liệu nền và bề mặt tiếp xúc chung là rất quan trọng. Các tính chất này bao gồm tính dính kết của lớp phủ với nền, sự khuếch tán, sự khác nhau về các tính chất nhiệt tại bề mặt tiếp xúc chung, độ cứng, độ bền, độ dẻo của nền.
Độ dai va đập của lớp phủ và cũng như sự kết hợp của lớp phủ và nền là tính chất quan trọng nhất trong các ứng dụng chống mòn và va đập. Cỡ hạt, cấu trúc stoichiometry, sự đồng đều của lớp phủ cũng rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng tới các đặc tính về mòn.
Lớp phủ chống mòn được sử dụng chủ yếu cho dụng cụ cắt kim loại.
Các tính chất quan trọng của lớp phủ bao gồm độ cứng, tính trơ hoá học, chống mòn, hệ số ma sát với vật liệu gia công thấp, hệ số dẫn nhiệt hợp lý, và tính ổn định nhiệt.
Các vật liệu phủ đáp ứng yêu cầu này gồm: TiC, TiN, Al2O3. Cũng như sự kết hợp giữa chúng, ngoài ra TaC, HfN và TiB2 cũng được sử dụng rộng rãi.
Bảng 5-1. Tiêu chuẩn lựa chọn cho dụng cụ cắt phủ
Tiêu chuẩn Vật liệu phủ tối ưu
Ổn định ở nhiệt độ cao Tính trơ hoá học cao Chống mòn mặt trước
Al2O3
TiN TiC Độ cứng - bảo vệ lưỡi cắt TiC TiN Chống cào xước - Mòn mặt sau Al2O3
TiC TiN
Hệ số ma sát thấp Độ hạt TiN
TiC Al2O3
Khi phủ CVD các vật liệu trên lên nền carbide vonfram, hiện tượng cô ban và các bon di chuyển ra bề mặt tiếp xúc chung và tương tác với môi trường trong lò và các khí dẫn có thể tạo nên một carbide đòn CO6W6C gọi là pha em. Pha này làm giảm liên kết của lớp phủ với nền và dễ gây ra mẻ lưỡi cắt. Vì thế vấn đề điều khiển môi trường của lò phủ là rất quan trọng. Phủ CVD nhiều lớp có thể tăng tuổi bền và khả năng làm việc của dụng cụ khi cắt thép và gang.
Phủ CVD còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác liên quan đến cào xước và mài mòn như các đầu phun cát, thiết bị vận chuyển hỗn hợp rắn lỏng, thiết bị khí than, thiết bị trong ngành mỏ.
Trong các trường hợp này các hạt cứng chuyển động với vận tốc nào đó, dưới áp suất nào đó sẽ gây cào xước và erosion các bề mặt tiếp xúc.
Cấu trúc hạt siêu nhỏ của lớp phủ CVD làm tăng khả năng chống erosion lên nhiều lần.
3.2.4.2. Ứng dụng phủ CVD trong tribology
Mục đích của phủ CVD còn để thay đổi hệ số ma sát giữa các bề mặt lăn và trượt khi tiếp xúc từ đó giảm mòn do dính, cào xước, và các nguyên nhân khác.
Các lớp phủ CVD thường từ các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao và tính chất tribology của chúng chỉ ra trên Bảng 5 - 1 .
Các tính chất quan trọng khác của lớp phủ trong các ứng dụng tribology bao gồm độ cứng cao, mô đun đàn hồi, độ dai va đập, độ hạt, và tính ổn định hoá học phụ thuộc vào điều kiện làm việc.
Phủ CVD là làm thay đổi bản chất tiếp xúc của hai bề mặt tiếp xúc.
Các yếu tố khác ảnh hưởng đến đặc tính tiếp xúc bao gồm nhiệt độ tiếp xúc, áp suất tiếp xúc và môi trường tiếp xúc v.v...
Ứng dụng phủ CVD cho các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao
Yêu cầu của lớp phủ khi làm việc ở nhiệt độ cao là tính ổn định nhiệt của chúng.
Các hợp chất và kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (refractory) có áp suất hơi thấp và nhiệt độ phân tích cao rất thích hợp cho các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao và phụ thuộc vào môi trường làm việc.
Phủ CVD điển hình cho chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao bao gồm silicon carbide, silicon nitride, aluminum oxide v.v... .
Silicon carbide có độ cứng, độ bền, và tính trơ hoá học cao đặc biệt là chống cào xước và trơ hoá học ở nhiệt độ cao.
Các tính chất của silicon ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào độ tinh khiết và cấu trúc của lớp phủ. Độ bền cao của CVD SiC có thể do cấu trúc hạt rất mịn.
Khả năng của kỹ thuật CVD có thể điều khiển được cấu trúc tế vi
bằng cách tạo điều khiển tốc độ phản ứng là một ưu điểm nổi bật của phương pháp này.