Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV SO SÁNH ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA MẪU THÉP PHỦ MÀNG CrN VỚI MẪU THÉP THẤM NITƠ COMPARATIVE TRIBOLOGICAL OF THE CrN COATED STEEL SAMPLES WITH NITRIDED STEEL SAMPLES Trần Văn Đua1a, Phạm Đức Cường1b Đào Duy Trung 2c Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Viện Nghiên cứu Cơ khí a b duatv79@yahoo.com; cuongphamduc@yahoo.com; ctrungdd@narime.gov.vn TÓM TẮT Phủ màng cứng thấm N plasma để bảo vệ bề mặt khỏi cào xước mài mòn, giảm ma sát bám dính, tăng tuổi thọ làm việc chi tiết máy dụng cụ Bài báo nghiên cứu đặc tính ma sát màng CrN lắng đọng phương pháp phún xạ xung DC thép SKD11 lớp thấm N plasma thép SKD11 Kết cho thấy bề mặt mẫu thép SKD11 phủ CrN có hệ số ma sát thấp khả chịu mài mòn cao so với bề mặt mẫu thép SKD11 thấm N plasma Từ khóa: SKD11, màng cứng, CrN, ma sát, mòn, thấm N plasma ABSTRACT The hard coating or plasma nitriding is often used to protect the surface from scratching and abrasion, reduce friction and adhesion, and increase the working life of machine’s parts and tools This research studies trbological properties of the CrN coating which were deposited by pulse DC magnetron sputtering on to SKD11 steel substrate and plasma nitrided layer on to SKD11 steel substrate The result showed that the surface of CrN coated samples exhibited a lower friction coefficient and a higher wear resistance than the surface of nitrided samples Keywords: SKD11, hard coating, CrN, friction, wear, Nitrited steel GIỚI THIỆU Có nhiều loại thép sử dụng để chế tạo khuôn bền nguội, từ thép dụng cụ cacbon, thép hợp kim thấp đến thép hợp kim cao Tuy nhiên, nhóm thép thường sử dụng nhiều để chế tạo khuôn thép hợp kim Cr cao với nguyên tố hợp kim khác Mo, V W Các loại thép tiêu chuẩn hóa hầu hết quốc gia Thép SKD11 thép hợp kim có tính chất sau: Độ bền cao để chịu tải trọng liên tục trình làm việc, khả chống mòn mỏi cao trình làm việc, dẻo dai (khả chống phá hủy chống mỏi), ổn định kích thước trình làm việc, tổ chức đồng đẳng hướng, khả gia công tốt, có khả cắt dây hàn [1] Nhờ ưu điểm thép hợp kim SKD11 thường lựa chọn để làm khuôn dập, lưỡi cắt thép mỏng, lưỡi cắt thép dày trung bình, trục cán thép nguội, trục cán định hình, khuôn rèn nguội (chày), khuôn rèn nguội (cối) Để tăng cứng bề mặt khuôn, thường sử dụng thép SKD11 nhiệt luyện - thấm nitơ Tuy độ cứng bề mặt khuôn cải thiện ma sát bề mặt lớn, khả chống bám dính bề mặt thấp, dẫn đến tuổi thọ khuôn không cao, khả gia công bề mặt có độ xác cao Trong đó, công nghệ tiên tiến giới sử dụng lớp phủ cứng cuối bề mặt khuôn cho phép tăng tuổi thọ khuôn lên ~ lần Với nhiều khuôn có độ xác cao phủ lớp màng cứng bắt buộc Các lớp màng cứng tạo 386 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV phương pháp lắng đọng môi trường chân không, không làm thay đổi cấu trúc vật liệu khối hình dạng hình học bề mặt phủ, lại có đặc tính cơlý-hóa tương tự vật liệu khối (bulk materials) dùng để tạo chúng Vì lớp phủ thích hợp để bảo vệ bề mặt mềm cho bề mặt cần yêu cầu kỹ thuật cụ thể mà không cần phải chế tạo khối vật liệu, cho hiệu kinh tế cao, đặc biệt với vật liệu đắt tiền Trong loại màng nghiên cứu sử dụng rộng rãi, màng CrN có đặc điểm độ cứng cao (khoảng 1800-2100 HV, hệ số ma sát nhỏ (dưới 0.5), khả chịu nhiệt tốt (làm việc ổn định tới nhiệt độ 7000C), khả chịu mài mòn cào xước tốt, [3-8] Thêm vào đó, CrN vật liệu trơ (không phản ứng với hầu hết hóa chất) ổn định, khả bám dính mạnh tạo liên kết phân tử với vật liệu nền, dùng đề phủ lên nhiều loại vật liệu khác Bên cạnh đó, CrN vật liệu không độc nên phủ cho dụng cụ dùng giải phẫu thiết bị sản xuất thực phẩm Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành chế tạo mẫu thép SKD11, sau chia làm hai nhóm mẫu, nhóm thấm N plasma nhóm phủ lớp màng CrN phương pháp phún xạ xung DC, tiến hành thực nghiệm đánh giá so sánh đặc tính ma sát mài mòn nhóm mẫu thép thấm N plasma nhóm mẫu phủ lớp màng cứng CrN MÔ TẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Tạo mẫu nghiên cứu Mẫu thép SKD11 phải đạt yêu cầu độ nhám bề mặt, độ cứng bề mặt kích thước phù hợp với thiết bị thí nghiệm, phân tích đánh giá Trong nghiên cứu này, mẫu thép SKD11 có thành phần hóa học: C 1.4%, Si 0.275%, Mn 0.39%, Cr 11,24%, Mo 0,83%, V 0,205%, P 0,17%, S 0,0005%, với kích thước φ 16 x5 mm (Hình 1), cắt từ phôi sau nhiệt luyện đạt độ cứng, mài phẳng đánh bóng trước thấm N plasma phủ màng cứng CrN Với mẫu thép SKD11 thấm N plasma, trước thấm mẫu làm dầu mỡ vết bẩn khác cồn Thấm N plasma thực nhiệt độ thấm 5100C, hỗn hợp khí gồm N2 H2 thời gian thấm 18h, điện áp 500V, áp suất 250 Pa Với mẫu thép SKD11 phủ màng CrN trình lắng đọng màng cứng CrN thực phương pháp phún xạ xung thực thiết bị chân kích thước buồng với đường kính φ 300 x 600 mm, hệ bơm chân không sử dụng bơm học bơm khuyếch tán Đầu phún xạ magnetron lắp bia Crôm (99,99%) kích thước φ 100x10 mm, khí công tác sử dụng gồm hai loại: Ar 99.99%, N2 99.99% Lượng khí đưa vào buồng chân không điều khiển hai thiết bị Mass Flow Control 2179A hãng MKS Nguồn điện áp xung sử dụng thiết bị Pinnacle TM plus có tần số từ 0-350 kHz, công suất kW hãng Advance Energy- Inc - USA Bia Cr khí N2 sử dụng, khoảng cách đế bia: 100 mm Các tham số sử dụng trình lắng đọng theo Bảng Trước tạo màng, mẫu thép xử lý làm bề mặt hóa chất theo quy trình nghiêm ngặt, đảm bảo màng tạo bám dính tốt bề mặt [9] Bảng Các tham số tạo màng Dòng phún xạ Tần số xung Lưu lượng khí Ar Lưu lượng khí N2 Nhiệt độ đế Thời gian tạo màng 1A 100 kHz 10 sccm sccm 3000C 160 phút 2.2 Nghiên cứu xác định thành phần hóa học đặc tính mẫu Bề mặt mẫu phủ màng cứng CrN xác định kính hiển vi điện tử quét (SEM) Thành phần hóa học lớp màng CrN xác định phương pháp phổ tán xạ 387 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV lượng tia X (EDX) Chiều dày lớp màng CrN xác định phương pháp calotest Hình thái học nhám bề mặt mẫu thấm mẫu phủ màng CrN xác định kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Để xác định mặt phẳng tinh thể xuất pha mẫu thấm N plasma mẫu phủ CrN, dùng phương pháp phổ nhiễu xạ X (XRD) Phương pháp kiểm tra độ cứng Vickers (HV) sử dụng để đánh giá độ cứng bề mặt mẫu thấm mẫu phủ lớp màng CrN, độ cứng bề mặt mẫu giá trị độ cứng trung bình năm lần đo bề mặt mẫu 2.3 Đo ma sát mòn Đặc tính ma sát mòn lớp màng cứng CrN đo thiết bị thử nghiệm đa UMT (Universal Micro Materials Tester), thiết bị hãng CETR Mỹ chế tạo (Hình 2) Hình Hệ thống thử nghiệm đa UMT (Universal Micro Materials Tester) Hình Mẫu thí nghiệm Nguyên lý đo thể Hình 3, viên bi giữ chặt vòng kẹp hãm đặc biệt để viên bi thay đổi vị trí suốt trình thí nghiệm Sau đặt tải trọng tiêu chuẩn lên viên bi, cấu kẹp khác mang mẫu chuyển động tịnh tiến điều kiện thí nghiệm không đổi liệu thu thí nghiệm gửi vào vi xử lý máy tính kết thu trình thí nghiệm hệ số ma sát chiều sâu vết mòn theo thời gian thử nghiệm Trong thí nghiệm này, sử dụng viên bị Al2O3 đường kính 4mm, tải trọng 5N, khoảng dịch chuyển 600 mm, tốc độ tịnh tiến 10 mm/s, nhiệt độ 24 0C±1 độ ẩm 70 %±5 Mỗi thí nghiệm thực lần nhằm đảm bảo tính lặp lại kết z thực nghiệm Sau trình kiểm tra, hệ số tốc độ mòn đánh giá công thức k= t Trong z (µm) chiều sâu vết mòn, t (s) thời gian trượt bi bề mặt mẫu Al2O3 Tải Lớp màng, lớp thấm Mẫu Hình Sơ đồ kiểm tra mài mòn kiểu tịnh tiến 388 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mẫu thép SKD11 thấm N plasma đạt chiều dày lớp thấm 130 µm, cấu trúc pha lớp thấm N plasma chủ yếu bao gồm pha Fe2N, có số nitrit nguyên tố hợp kim CrN (Hình 4) d=2.0323 Các mẫu phủ lớp màng CrN cho thấy lớp phủ toàn bề mặt mẫu, hạt đạt tương đối mịn, không xuất khuyết tật bề mặt trình tạo màng, thành phần hóa học lớp màng tương đối hợp thức, chiều dày lớp màng CrN đạt khoảng 5µm, tinh thể màng định hướng chủ yếu theo mặt thuộc pha CrN có cấu trúc lập phương tâm diện với đỉnh phổ có cường độ mạnh tương ứng với định hướng theo mặt (110) mặt (220) [10] d=1.8033 d=2.2494 d=2.2122 100 d=1.4390 200 d=2.1075 d=2.0754 Lin (Cps) 300 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Dua-DHCNHN-Thep Cr-299.raw- Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 2.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/05/15 13:14:54 01-1262 (D) - Iron - Fe - Y: 3.47 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056 31-0619 (Q) - Iron austenite - (Fe,C) - Y: 0.69 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0656 (N) - Iron Nitride - Fe2N- Y: 1.02 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0686 (Q) - Iron Carbide - FeC - Y: 1.09 %- d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình Phổ XRD mẫu thấm N plasma Hình Đồ thị so sánh nhám mẫu thấm N plasma mẫu phủ CrN Hình thái học độ nhám tế vi lớp bề mặt mẫu thấm phủ màng CrN đánh giá kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Trên Hình độ nhám tế vi bề mặt mẫu thép thấm mẫu thép phủ màng CrN Kết cho thấy độ nhám tế vi mẫu thép sau phủ giảm so với mẫu thép sau thấm Hình biểu thị độ cứng lớp màng CrN bề mặt mẫu thép thấm Kết cho thấy, độ cứng trung bình bề mặt mẫu thấm khoảng 1000 ±10HV, độ cứng trung bình lớp màng CrN đo khoảng 2085 ±10HV Như vậy, bề mặt mẫu phủ màng cứng CrN đạt độ cứng cao nhiều so với bề mặt mẫu thấm Hình đường cong đại diện biểu thị biến thiên hệ số ma sát màng CrN mẫu thép thấm theo thời gian Có thể thấy hệ số ma sát biến thiên ổn định nhóm mẫu Tuy nhiên kết cho thấy hệ số ma sát của màng CrN thấp hệ số ma sát mẫu thép thấm Mẫu thấm Mẫu phủ Hình Đồ thị so sánh độ cứng bề mặt mẫu phủ CrN mẫu thấm 389 Hình Hệ số ma sát mẫu thấm phủ màng theo thời gian Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trên Hình biểu diễn giá trị trung bình hệ số ma sát nhóm mẫu Kết cho thấy giá trị hệ số ma sát trung bình nhóm mẫu thép thấm 0,567 mẫu phủ CrN 0,292 Như thấy rằng, phủ lớp màng CrN làm giảm đáng kể hệ số ma sát bề mặt mẫu Hình So sánh hệ số tốc độ mòn trung bình mẫu thép phủ mẫu thấm Hình So sánh hệ số ma sát mẫu thấm mẫu phủ Hình biểu diễn hệ số tốc độ mòn trung bình mấu thép thấm mẫu phủ CrN Kết hình cho thấy tốc độ mòn trung bình mẫu thép thấm 4,65x10-6 tốc độ mòn trung bình mẫu phủ CrN 1,35x10-6 Như vậy, mẫu thép phủ CrN có tốc độ mòn nhỏ nhiều so với mẫu thép thấm Hay nói cách khác, lớp màng CrN phủ bề mặt mẫu thép SKD11 làm tăng đáng kể khả chống mài mòn bề mặt mẫu so với mẫu thép SKD11 thấm N plasma KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả nghiên cứu thấm N plasma tạo màng CrN thép SKD11, đánh giá đặc tính mẫu: cấu trúc pha bề mặt mẫu, hình thái học độ nhám tế vi bề mặt mẫu, độ cứng tế vi bề mặt mẫu Sau tập trung vào hệ số ma sát khả chịu mòn mẫu thép thấm N plasma mẫu thép phủ CrN Các kết cho thấy độ cứng bề mặt mẫu phủ lớp màng CrN cao nhiều so với mẫu thép thấm N plasma Hệ số ma sát mẫu phủ màng CrN giảm đáng kể so với mẫu thép thấm N plasma khả chịu mòn mẫu phủ màng CrN cao nhiều so với bề mặt mẫu thép thấm N plasma TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Ngọc Tú Giáo trình vật liệu học NXB Giáo dục Việt Nam 2012 [2] Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng Ma sát học NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [3] S J Bull Compositional, microstructural and morphological effects on mechanical and tribological properties of chromium films, Surface and Coatings Technology Journal, 142-144, 1990, pp 732-744 [4] N Baker Structure, hardness and tribological properties of reactive magnetron sputtered chromium nitride films, Journal of Vacuum Science and Technology, Issue 1, 2000, pp.30-46 [5] F D Lai Structure, hardness and adhesion properties of CrN films deposited on nitride and nitrocarburized SKD 61 tool steels, Surface and Coatings Technology Journal, 88, 1997, pp 183-189 390 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [6] J Lin, Z L Wu, X.H Zhang, B Mishra, JJ Moore, WD Sproul A comparetive study of CrNx coating Synthesised by dc and pulsed dc magnetron sputtering, Thin Solid Film of Journal, 517 (2009) 1887-1994 [7] J Lin, Z.L Wu, X.H Zhang, B Mishra, JJ Moore, Brajendra Mishra, WD Sproul The structure and properties of chomiun nitride coatings depositer using dc, pulsed dc and modulated pulse power magnetron sputtering, Surface & Coating Technology of Journal, 204 (2010) 2230-2239 [8] M Vaslova, J Suchasnek Effect of duplex coating on wear properties of tool steels Interntional Yaer of chemistry 2011, s856 [9] Trần Văn Đua, Phạm Đức Cường, Đào Huy Hoàng, Đào Duy Trung Khảo sát hình thái học độ nhám tế vi lớp màng cứng CrN chế tạo phương pháp lắng đọng vật lý từ pha môi trường chân không, Tạp chí Khoa học & Công nghệ số 22.2014 [10] Trần Văn Đua, Phạm Đức Cường, Đào Duy Trung Nghiên cứu đặc tính ma sát mài mòn màng CrN tạo thép SKD11 phương pháp phún xạ, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 5.2015 391