Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo lớp phủ DLC cho dụng cụ cắt. Một bài tiểu luận cuối môn cho môn công nghệ nôn nói về những lớp phủ thường được dụng trong kỹ thuật cx như một số lớp phủ thông dụng sử dụng trên các dụng cụ cactws
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MÔN: CÔNG NGHỆ NANO BÁO CÁO LỚP PHỦ DLC CHO DỤNG CỤ CẮT Thực hiện: Nhóm 2, thứ tiết 10_11 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Huy Tuấn TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2023 Nhóm 2: (Lớp thứ 3_tiết 10_11) STT Họ Tên MSSV Nhận xét giáo viên ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… Ngày….tháng… năm 2020 Mục Lục I Đặt vấn đề II Tìm hiểu chung cơng nghệ phủ cho dụng cụ cắt, phạm vi ứng dụng cho loại công nghệ II.1 Phủ vật lý PVD (Physical Vapor Deposition) II.2 Phủ hóa học CVD (Chemical Vapor Deposition) 2.3 Phủ PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Depostion) .10 III Nguyên lý phủ công nghệ DLC coating III.1 Ứng dụng dụng cụ cắt có lớp phủ cứng .12 III.2 Một số lớp phủ dụng cụ cắt thông dụng .12 III.3 Công nghệ phủ DLC .16 III.4 Nguyên lý phủ công nghệ DLC .17 III.4.1Các dạng phủ DLC 17 III.4.2 IV Phương pháp tạo lớp phủ DLC 18 Những ưu/khuyết điểm lớp phủ DLC IV.1 Ưu điểm 19 IV.2 Khuyết điểm 21 V Những ứng dụng khác công nghệ phủ DLC 25 I Đặt vấn đề Kể từ đất nước chuyển sang kinh tế thị trường, sản xuất công nghiệp cơng trình xây dựng khác ghi nhận có tốc độ phát triển nhanh Trên quan điểm phát triển bền vững kinh tế đất nước, cần phải sử dụng nguyên vật liệu nhập nguyên vật liệu nước sản xuất cho phù hợp thích ứng với u cầu riêng Bên cạnh cần tìm giải pháp công nghệ xử lý bề mặt để nâng cao tính sử dụng vật liệu Có nhiều biện pháp công nghệ Một biện pháp hữu hiệu sử dụng cơng nghệ phun phủ kim loại nhằm để chi tiết chịu nhiệt cao chống ăn mòn, mài mòn, phục hồi chi tiết máy bị mòn Trong ứng dụng dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát làm giảm phát sinh nhiệt q trình gia cơng, làm chậm q trình phá hủy lưỡi cắt Cịn ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm bám dính vật liệu cho phép q trình di chuyển tương đối bị hạn chế Khởi đầu từ năm 1985, nghiên cứu lớp phủ cứng phịng thí nghiệm bắt đầu hãng sản xuất dụng cụ cắt ý Vào đầu năm 90 kết triển khai sang hãng sản xuất thiết bị tạo lớp phủ chân không môi trường lý tưởng để thực phản ứng liên kết lớp phủ mà không bị lẫn tạp chất Các nước công nghiệp Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Thụy Điển, Nga, cho công nghệ tạo lớp phủ cứng công nghệ ưu tiên hiệu kinh tế cao đầu tư lớn vào công nghệ Châu nước Úc, Đài loan, Trung Quốc triển khai công nghệ phủ cứng mạnh mẽ Trong thời gian gần đây, lớp phủ cứng quan tâm nghiên cứu số sở nghiên cứu nước như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện ứng dụng công nghệ (Trung tâm Quang điện tử, Bộ KH CN), Đại học khoa học tự nhiên (Đại học quốc gia TPHCM)… Trong thời kỳ đương đại, việc sử dụng lớp phủ DLC trở nên phổ biến công nhận không gian thương mại Do đặc tính độ cứng, khả chống ma sát, chống mài mòn ăn mòn vượt trội, lớp phủ DLC lên giải pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng ứng dụng cống hóa nhiều ứng dụng khác Ứng dụng hiển nhiên, đặc biệt phận chịu ma sát cực lớn, mài mòn, tiếp xúc với phận khác tải cao Do đó, lớp phủ DLC giúp ngăn thành phần khơng bị vênh, co, rỗ hỏng hoạt động II Tìm hiểu chung công nghệ phủ cho dụng cụ cắt, phạm vi ứng dụng cho loại công nghệ Cuối thập niên 60 kỷ trước, nhà chế tạo giới thiệu dụng cụ cắt với loại lớp phủ mỏng từ cacbit thiêu kết Những lp ph cacbit titan vi dy rt nh (1ữ5àm) làm thay đổi mạnh mẽ đặc tính dụng cụ cắt, đặc biệt tuổi bền tốc độ cắt Các loại lớp phủ cứng trước hết nâng cao tính chống mịn, giảm lực cắt nhiệt cắt lưỡi cắt ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng động thái rạn nứt dao Phun phủ phương pháp tạo bề mặt dụng cụ cắt có vật liệu cacbit thép gió nhiều lớp chức có giá trị sử dụng cao nhằm nâng cao khả chống mịn (ăn mịn hóa học mài mịn), cải thiện tính chất ma sát, điều chỉnh tính chất vật lý hóa học đặc biệt Trong cơng nghệ phủ cứng phân chia làm phủ vật lý PVD phủ hóa học CVD Có thể thấy, lớp phủ cứng lắng đọng phương pháp PVD có vai trò đặc biệt quan trọng việc nâng cao tính dụng cụ cắt gọt Hiện nay, trình độ cơng nghệ lắng đọng lớp phủ cứng nước giới đạt đến mức cao coi gần hồn hảo, phát triển thành nhánh cơng nghiệp riêng công nghiệp sản xuất dụng cụ cắt gọt, góp phần đáng kể vào phát triển cơng nghệ gia cơng khí giới Điển hình tập đồn sản xuất dụng cụ cắt gọt kim loại, dụng cụ khai thác mỏ, tập đoàn Sandvik - Coromant Thụy Điển , tập đoàn Sumitomo Nhật Bản ,… Tuy nhiên, Việt Nam chưa có sở nghiên cứu sản xuất thực cách hệ thống để làm chủ cơng nghệ phủ cứng ứng dụng chúng cách hữu hiệu 2.1 Phủ vật lý PVD ( Physical Vapor Deposition ) PVD từ viết tắt Physical Vapor Deposition – Bốc lắng đọng Vật lý PVD công nghệ làm bay vật liệu sau lắng đọng vật liệu thành lớp màng siêu mỏng, đồng nhất, tinh khiết bên bề mặt sản phẩm mong muốn Nói chung, lớp phủ bao gồm kim loại ceramic gốc nitride, carbide oxit Q trình bay hệ PVD diễn theo nhiều cách Hầu hết công nghệ PVD thực điều kiện chân không với thơng số điều chỉnh xác Cơng nghệ PVD cho tùy biến, bề dày lớp phủ thay đổi từ vài lớp nguyên tử 10 micron Vì khả tạo nên nhiều loại vật liệu màng mỏng với độ dày khác nhau, công nghệ PVD tối ưu thơng số để tạo lớp phủ ứng dụng lĩnh vực điện tử, bảo vệ học, quang học, trang trí Trong PVD, mẫu không thiết phải kim loại hay vật liệu dẫn điện mà vật liệu cách điện, nhựa dẻo ceramic Khả tổng hợp lớp phủ nhiệt độ thấp cho phép PVD mở rộng phạm vi ứng dụng đáng kể Một số ví dụ sản phẩm lớp phủ PVD pin mặt trời, màng nhơm nhựa PET bao bì thực phẩm, Titanium nitride phủ mũi khoan Một ưu điểm khác PVD thân thiện môi trường trái ngược với phương pháp xử lý hóa học PVD khô, không sử dụng nguyên liệu độc hại không sản sinh sản phẩm độc hại cho mơi trường khơng khí nước nên ứng dụng PVD ngày phổ biến cơng nghiệp để thay phương pháp hóa học truyền thống *Quá trình PVD diễn biến theo bước: • Bốc kim loại – evaporation ( kim loại điện cực- Target ):đây bước mà kim loại chuyển từ thể rắn ( solid phase ) sang thể ( vapor phase) Ở giai đoạn nguyên tử kim loại điện cực – (target ) Titannium (Ti), Zirconium(Zr) , chrome(Cr)… tách rời khỏi điện cực hội tụ lượng nguồn điểm catot (cathode -spot), điểm catot di chuyển bề mặt catot làm cho phá vỡ liên kết tinh thể ,tan chảy bốc hơi, nguyên tử kim loại Ti,Zr, Cr… va chạm với điện tử ion khác hữu môi trường plasma để trở thành ion Ti+, Zr+, Cr+… Ti++,Zr++,Cr++… • Vận chuyển ( transportation) :là trình ion Ti+, Zr+, Cr+… Ti+ +, Zr+ + ,Cr++… tác dụng điện trường di chuyển thẳng tiến tới sản phẩm cần mạ (substrat) • Phản ứng (Reaction) : trình ion kim loại điện cực Ti+,Zr+, Cr+ … Ti++, Zr++,Cr++… vận chuyển kết hợp với ion khí ,hỗn hợp khí tạo màu sắc lớp phủ Tương ứng với phản ứng tạo hợp chất khác cho màu sắc khác q trình mạ PVD • Lắng đọng (deposition) : trình lắng đọng hợp chất kim loại – khí (TiN, TiCN, ZrN, CrN,CrC…) để tạo lớp phủ bề mặt sản phẩm Như tóm tắt lại: trình PVD (physical- vapor- deposition) diễn qua giai đoạn : bốc –vận chuyển –phản ứng lắng đọng, Quá trình diễn môi trường chân không , plasma , phản ứng diễn tiến theo chu kỳ định , mang đậm tính chất vật lý , Nên gọi bốc – lắng đọng vật lý trinh PVD 2.2 Phủ hóa học CVD (Chemical Vapor deposition) CVD = Chemical Vapor deposition – phủ lắng đọng hóa học Phương pháp bay lắng đọng hóa học (CVD) tạo lớp màng mỏng nhờ liên kết dạng khuếch tán, kết phản ứng pha khí với bề mặt nung nóng Sản phẩm cuối tạo lớp màng phủ cứng chịu mài mịn có liên kết mạnh với vật liệu CVD nhiều cúng gọi phương pháp phủ nóng, trình thực nhiệt độ >900 Khí precursor đưa dịng đối lưu vận chuyển, gặp môi trường nhiệt độ cao hay plasma xảy tượng va chạm electron với ion hay electron với notron electron va chạm với electron để tạo gốc tự Sau đó, phân tử gốc tự khuếch tán xuống đế, gặp môi trường nhiệt độ cao đế xảy phản ứng tạo màng bề mặt đế Sản phẩm phụ sinh sau phản ứng sau khuếch tán ngược vào dịng chất lưu, dịng chất lưu đưa khí precursor dư, sản phẩm phụ, khí độc khỏi buồng Ta mơ tả q trình CVD phương trình: precursor( khí bay hơi) t,plasma màng( rắn) + sản phẩm phụ Trong CVD xảy phản ứng pha khí gần bề mặt đế nung nóng: chất thể khí tạo thành vật liệu rắn cộng với sản phẩm thể khí Q trình CVD diễn tiến theo bước: Khuếch tán chất phản ứng tới bề mặt đế Sự hấp phụ chất phản ứng vào bề mặt đế Xảy phản ứng hóa học Giải hấp sản phẩm khí sau phản ứng Khuếch tán sản phẩm phụ bên 2.3 Phủ PACVD (plasma Assisted chemical Depostion) PACVD dạng viết tắt Plasma Assisted Chemical Deposition Phương pháp lắng đọng sử dụng rộng rãi để lắng đọng lớp phủ Carbon giống kim cương Q trình dựa chân khơng tất sản phẩm trình PACVD xảy trạng thái khí Ngược lại với PVD, q trình lắng đọng dạng khí làm cho phù hợp để phủ 3D mà không cần quay Lớp phủ PACVD chứa khoảng 70% liên kết sp3 chất vô định hình Liên kết sp3 chiếm đặc tính độ cứng cực cao (10-40GPa) lớp phủ Ở nhiệt độ 200 ℃, PACVD tạo lớp phủ cho nhiều loại vật , PACVD tạo lớp phủ cho nhiều loại vật liệu không dẫn điện dẫn điện PACVD có nhiều ưu điểm, bao gồm: • Khơng cần xử lý sau phủ • Có thể lắng đọng nhiều loại chất • Khơng xảy tượng biến dạng chất có độ xác cao • Sử dụng quy trình khí cho phép lớp phủ đồng III Nguyên lý phủ công nghệ DLC coating 3.1 Ứng dụng dụng cụ cắt có lớp phủ cứng Giảm hiệu ứng kết dính vật liệu dụng cụ cắt vật liệu gia cơng Cải thiện khả chống mài mịn dụng cụ cắt nhờ độ cứng cao lớp phủ Nâng cao khả chống lại q trình xy hóa nhiệt bề mặt dụng cụ cắt Giảm ma sát bề mặt dụng cụ cắt vật liệu gia cơng, phoi cắt dễ dàng giúp giảm tải nhiệt lớn cho lưỡi cắt dụng cụ Tuổi thọ mũi khoan tăng lên nhiều lần tùy thuộc vào loại vật liệu gia công: lần thép tăng cứng bề mặt, thép dụng cụ, lần gang đúc, lần thép không rỉ Tuổi thọ mũi tarô tăng lên lần vật liệu thép không rỉ, thép cácbon, gang xám, chí tăng lên 45 lần thép kết cấu 10 ứng dụng gia cơng khí tốc độ cao vật liệu cứng Thậm chí làm với chất liệu cứng độ bền cao, lớp phủ mang đến bảo vệ chống lại dính mài mịn nhiều dải tốc độ cắt Đặc tính ma sát thấp làm giảm lực cắt hiệu Phù hợp với ứng dụng: – Gia cơng vật liệu khó (hợp kim titan, inconel) – Độ cứng gia công > 52 HRC – Gia cơng tốc độ cao– Dao phay ngón hợp kim cứng Phủ Nano-A™: Lớp phủ vi mô chịu nhiệt chống ăn mòn Lớp phủ PVD Guhring Nano-A Nó lớp phủ đa lớp kết hợp TiAIN AITiN cấu trúc lớp vi mơ mang tính chống ăn mịn cứng Do lớp phủ TiAIN có nhiệt độ oxy hóa xấp xỉ 1,650oF độ rắn tăng lên 3,800 (HV 0.05) Cấu trúc lớp vi mô nano-A tạo lựa chọn tốt cho ứng dụng thông thường ALTiN, thép vật liệu có độ cứng lớn 45HRC Mặt khác kết thử nghiệm Nano-A lớp phủ tốt cho Phù hợp với ứng dụng: – Dụng cụ cắt hợp kim cứng sử dụng cho thép hợp kim, thép không rỉ, vật liệu hàng không vũ trụ (khoan, phay, tiện) Phủ FIREX® : chịu nhiệt chống mài mòn nhiều lớp FIREX lớp phủ đa lớp, lớp phủ cung cấp khả chống va chạm lớp phủ TiCN cộng với khả chống nhiệt lớp phủ TiAlN Lớp phủ vạn phát triển ban đầu cho gia công khô sau trở thành lớp phủ chống nhiệt phổ biến FIREX kết hợp đa lớp lớp phủ TiN TiAIN cung cấp ổn định nhiệt chống mài mòn nhiệt độ cao ứng dụng không phát sinh nhiệt lớn Phù hợp với ứng dụng: – Dụng cụ cắt hợp kim cứng thép gió ban (khoan, phay, tiện) – Chày đột dập – Chi tiết chịu mòn – Dao phay lăn răng, dao chuốt Phủ Nano-FIREX® : Thế hệ FIREX Lớp phủ FIREX lớp phủ PVD cứng có kết hợp tính chịu mịn chống nhiệt TiAIN với khả lớp phủ thông dụng vạn TiN, tất cấu trúc đa lớp TiAIN cấu trúc gia 12 tăng nhiệt độ oxy hóa (nhiệt độ mà lớp phủ kết hợp với oxy không khí bị phá vỡ), hay nhiệt độ vận hành lên tới 1,470oF Nhiệt độ cao nhiều so với TiCN – có nhiệt độ oxy hóa 840oF Đặc tính khác lớp phủ TiAIN nhiệt độ cao lớp phủ có độ cứng bề mặt xỉ 3,300 (HV 0.05), gấp lần độ cứng TiCN Cấu trúc đa lớp kết hợp TiAIN với TiN cải thiện khả chịu mài mòn va đập mà khơng có lớp phủ lớp hay lớp phủ đơn tiêu chuẩn Lớp phủ Nano-FIREX® Guhring có thành phần TiAlN/TiN giống lớp FIREX tiêu chuẩn, có kết cấu đa lớp nhỏ Nano-FIREX có nhiều lớp mỏng kết hợp với độ dày phủ so với lớp FIREX ban đầu Điều làm tăng đặc tính bảo vệ, đặc biệt ứng dụng có va đập chủ yếu Phù hợp với ứng dụng: – Dụng cụ cắt hợp kim cứng thép gió ban (khoan, phay, tiện) – Chày đột dập – Chi tiết chịu mòn– Dao phay lăn răng, dao chuốt Phủ MolyGlide® ( MoS 2) : Giảm bám dính chất liệu Lớp phủ MolyGlide, với hệ số ma sát thấp, đặc tính trợt cao, triển khai chủ yếu giảm bớt tính bám dính (mài mịn, bán dính, hàn lạnh) chịu gia cơng thiếu bơi trơn chạy khơ.Nó chủ yếu chống tượng bề mặt mỏi (ăn mòn điểm) xi hóa tribo (sự ăn mịn ma sát) thường gọi “teflon-like” Phù hợp với ứng dụng: – Đột dập tạo hình (ít chất bơi trơn làm việc khô) – Phun ép nhựa (chạy khơ dụng cụ chuyển động) – Bánh răng, vịng bi có mức độ áp lực bề mặt cao – Thành phần xác, chủ yếu động đốt – Hệ thống mà không cần bôi trơn (làm phịng cơng nghệ) – Cơng nghệ chất lỏng – Dụng cụ cắt (gia công nhôm) 13 3.3 Công nghệ phủ DLC DLC Coating hay gọi Diamond Like Coating lớp phủ tổng hợp nano cho loạt vật liệu để thể đặc tính độc đáo kim cương tự nhiên độ cứng cao, khả chống ăn mòn, ma sát thấp, cách điện, v.v Về vấn đề này, đặc tính mong muốn số tập hợp tính chất độ cứng chất thu Tuy nhiên, lớp phủ DLC áp dụng nhiều kỹ thuật lắng đọng Có loạt kỹ thuật, phổ biến bao gồm lắng đọng vật lý (PVD) lắng đọng hóa chất (PACVD) Lớp phủ thiết kế dựa hàm lượng hydro (hydro hóa khơng chứa hydro), việc lựa chọn thêm nguyên tố pha tạp kim loại phi kim loại , lựa chọn phương pháp lắng đọng liên kết Các yếu tố kiểm sốt xác để tạo loạt lớp phủ DLC mỏng (thường từ đến μm) với độ cứng từ - 80 GPa cao (kim m) với độ cứng từ - 80 GPa cao (kim cương vật liệu cứng biết đến 70–150 GPa) Ngoài ra, hệ số ma sát mong muốn, độ hoàn thiện bề mặt chí nhiệt độ ứng dụng điều chỉnh 3.4 Nguyên lý phủ công nghệ DLC 3.4.1 Các dạng phủ DLC Phương pháp phủ tập trung xung quanh cacbon tồn dạng dị hướng, bao gồm cacbon cấu trúc tinh thể kim cương cacbon cấu trúc tinh thể than chì Tuy nhiên, hai hình thức thể đặc tính hữu ích khác Cấu trúc tinh thể kim cương chất cứng biết đến cấu trúc tinh thể than chì mềm có tính bơi trơn Các lớp phủ DLC kết hợp độ cứng cao mức độ ma sát thấp ứng dụng có liên quan đến mài mịn Lớp phủ thực nhiệt độ thấp (