MỤC LỤC MỤC LỤC . 4 CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG SÁCH . 8 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT . TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT . KHÁI NIỆM BỀ MẶT . CÁC ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT . Năng lượng bề mặt . Sự hấp phụ và hấp thụ . Sự thấm ướt . CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BỀ MẶT . Đặc điểm của các phương pháp phân tích . Phương pháp xác định thành phần hoá học. 21 CÁC DẠNG HỎNG BỀ MẶT . CÁC DẠNG HỎNG CHI TIẾT MÁY . HỎNG BỀ MẶT DO MÒN . Khái niệm chung về mài mòn . Chỉ tiêu đánh giá sự mòn . Bản chất hiện tượng mài mòn bề mặt . Các giai đoạn mòn của cặp ma sát . Khái niệm và phân loại ăn mòn kim loại . 39 CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT BỀ MẶT . NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT. Tôi bề mặt bằng dòng điện tần số cao . Thiết bị tôi bề mặt bằng dòng điện tấn số cao . Công nghệ tôi tần số cao (TSC) . Ram sau khi tôi tần số . Tính chất sản phẩm sau tôi tần số . Những quá trình cơ bản trong hoá nhiệt luyện . Thấm các bon - nitơ . 67 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG ĐIỆN HÓA VÀ HÓA HỌC . Khái niệm chung về kỹ thuật mạ điện . Phân loại lớp mạ điện . Phân loại công nghệ mạ.4 Những thuật ngữ cơ bản trong công nghệ mạ điện . CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ BỀ MẶT TRƯỚC MẠ . Làm sạch bề bằng phương pháp cơ học . Làm sạch bề mặt bằng hóa học hoặc điện hóa . CÁC PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN THÔNG DỤNG. Mạ hợp kim .4 CÔNG NGHỆ MẠ TIÊN TIẾN – MẠ XOA .1 Khái niêm về mạ xoa . Đặc điểm lớp mạ xoa: .3 Các thông số công nghệ chính khi mạ xoa.4 Đặc điểm dung dịch mạ xoa : . OXY HÓA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM . Phốt phát hóa thép .1 Khái niệm về sơn . 110 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ THÔNG DỤNG . TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ . Phân loại phương pháp phủ . Ứng dụng của phun kim loại . Nhược điểm của phun kim loại . CƠ SỞ LÍ THUYẾT PHUN PHỦ . Quá trình hình thành lớp phủ . Ứng suất trong lớp phủ . Chỉ tiêu đánh giá lớp phủ . VẬT LIỆU PHỦ . THIẾT BỊ PHUN . Thiết bị chính . Thiết bị kèm theo . CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ . Chuẩn bị vật liệu phun phủ . Chuẩn bị bề mặt trước khi phun . Công nghệ phun kim loại . Gia công các lớp phủ . Kiểm tra đánh giá lớp phủ . 140 XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA NĂNG LƯỢNG CAO . KHÁI NIỆM CHUNG . XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA LASER . Tác dụng của chùm laser lên bề mặt vật liệu . Đặc điểm hấp thụ năng lượng laser lên bề mặt vật liệu. XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA ĐIỆN TỬ . 153 CÁC CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT TIÊN TIẾN . CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC . Nguyên lý của CVD . Các phản ứng hóa học được sử dụng trong công nghệ CVD . Phân loại các công nghệ CVD . Cơ sở nhiệt động của quá trình phủ . Tốc độ quá trình CVD . Đặc điểm của lớp phủ tạo bằng CVD . Một số công nghệ CVD thông dụng . Ưu nhược điểm của công nghệ CVD . CÁC CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG VẬT LÝ (PVD) . Phân loại các công nghệ PVD . Các công nghệ PVD thông dụng . Công nghệ phủ ion (Ion plating) . Công nghệ phún xạ catôt (sputtering) và phủ ion (Ion plating). Ưu điểm của công nghệ PVD . 174 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 175 3 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ bề mặt là tổ hợp các phương pháp gia công xử lý bề mặt vật liệu đã được sử dụng trong sản xuất cơ khí nhiều năm qua. Công dụng chủ yếu của phương pháp là tạo nên trên bề mặt chi tiết những lớp có độ cứng, tính chống ăn mòn, mài mòn, tính mỹ thuật cao. Ngoài ra công nghệ bề mặt cũng bao gồm cả phương pháp khôi phục hình dạng, kích thước cho sản phẩm. Để đạt được mục đích trên có nhiều giải pháp kỹ thuật. Những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là: Các phương pháp xử lý nhiệt bề mặt như tôi bề mặt, hóa nhiệt luyện. Các phương pháp điện hóa và hóa học tạo lớp phủ như mạ điện, mạ hóa học, oxy hóa bề mặt, sơn, tẩm phủ. Các phương pháp phun phủ tạo lớp phủ dày (hơn lớp phủ mạ) và phun phục hồi. Với sự phát triển nhanh chóng về thiết bị, vật liệu mới, kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật tự động hóa… các công nghệ bề mặt đã phát triển khá đa dạng và đang trở thành những lĩnh vực khoa học có đặc thù riêng điển hình tiên tiến đáp ứng nhu cầu của các công nghệ trình độ cao như công nghệ linh kiện điện tử, chế tạo màng mỏng. Căn cứ vào nhu cầu đào tạo, nhằm tăng cường kiến thức tổng hợp cho sinh viên và học viên cao học kỹ thuật thuộc gốc ngành cơ khí trong giai đoạn hội nhập để xây dựng đất nước, chúng tôi biên soạn tài liệu “Công nghệ bề mặt tiên tiến”. Nội dung chủ yếu dựa trên “Đề cương môn học công nghệ xử lý bề mặt” của Bộ Giáo dục và Đào tạo năm 2003, bao gồm cơ sở của các công nghệ bề mặt truyền thống kết hợp giới thiệu các công nghệ mới tiên tiến trong mỗi lĩnh vực này. Đối tượng phục vụ của tài liệu là học viên cao học, sinh viên các trường kỹ thuật trong và ngoài quân đội. Tác giả bày tỏ sự cảm ơn trân thành các đồng nghiệp trong bộ môn Vật liệu và Công nghệ vật liệu đã tích cực đóng góp ý kiến và tham gia chỉnh sửa bản tháo để cuốn sách được hoàn thành. Đây là tài liệu biên soạn lần đầu không tránh khỏi nhiều thiếu xót, mong bạn đọc và các đồng nghiệp góp ý để tác giả tiếp tục hoàn thiện nội dung. 4 NGUYỄN HOÀNH SƠN 5 CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG SÁCH Ký hiệu Tên gọi Đơn vị đo a Đương lượng điện hóa g/Ah ak (KCU, KCV, Độ dai va đập kJ/m2, J/cm2 ,J/cm2 KCT) a Me n Hoạt độ A Hệ số hấp thụ năng lượng AHN Vùng ảnh hưởng nhiệt 0 A1, A3, Acm Các nhiệt độ tới hạn cân bằng của thép C 0 Ac1, Ac3, Accm Các nhiệt độ tới hạn khi nung C 0 Ar1, Ar2, Arcm Các nhiệt độ tới hạn khi làm nguội C d, D, (Ф) Đường kính mm, A o E Mô đun đàn hồi pháp tuyến GPa E Năng lượng Jun WE Năng lượng riêng chùm tia lazer (Jun/cm2) Eo Sức điện động của pin V, mV G Mô đun trượt GPa F, P Lực, tải trọng N, kG, t (tấn) HB Độ cứng Brinen kG/mm2 HRA, HRC, HRB Độ cứng Rôc oen theo thang A, B, C HV Độ cứng Vicke kG/mm2 KC Độ dai phá huỷ MPa m DA , ia Mật độ dòng anốt A/Cm2 Dc , ic Mật độ dòng catốt A/Cm2 SA Diện tích anốt Cm2 SC Diện tích catốt Cm2 I Cường độ dòng điện A I Cường độ mài mòn mG/ m Kkl Hệ số xác định sự phân bố kim loại Vth Tốc độ nguội tới hạn 0 C/h; 0C/s Vng Tốc độ nguội 0 C/s V Tốc độ mòn mG/h 6 0 Tnc Nhiệt độ nóng chảy C, K 0 TV Nhiệt độ bay hơi C, K Khối lượng riêng, mật độ G/cm3 Mật độ lệch cm-2 hoặc A Độ giãn dài tương đối % Chiều dày lớp tôi mm, m hoặc Z Độ thắt tỷ đối % Ứng suất, ứng suất pháp MPa, kG/mm2, N/mm2 b (Rm) Giới hạn bền (kéo) MPa; kG/mm2, N/mm2 0,2 (R0,2) Giới hạn chảy quy ước MPa, kG/mm2,N/mm2 ch (RY) Giới hạn chảy MPa, kG/mm2, N/mm2 dh (Re) Giới hạn đàn hồi MPa, kG/mm2, N/mm2 0 Điện thế tiêu chuẩn V Me 0 n / Me , Điện thế cực cân bằng của kim loại Me V k % Hiệu suất dòng điện % , K. a Quá thế ( quá thế catôt, anôt) V Ứng suất tiếp kG/mm2, MPa, Thời gian Giờ, giây Bước sóng m 7 Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT 1. TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với các chế độ công tác rất khác nhau. Các yêu cầu kỹ thuật đề ra với chúng cũng rất đa dạng. Ví dụ các chi tiết như bánh răng, các loại trục thì yêu cầu bề mặt cứng, tính chống mài mòn tốt. Các chi tiết đạn dược như ngòi đạn, vỏ liều cần bề mặt có tính chống ăn mòn tốt, các chi tiết bộ đôi cần bề mặt ma sát có độ bóng, tính chống mài mòn cao, trong kỹ thuật vi điện tử cần có những lớp bề mặt rất mỏng… Tất cả các nhu cầu trên đều có những giải pháp chuyên dụng để đáp ứng. Công nghệ bề mặt là tập hợp các phương pháp công nghệ nhằm tạo cho bề mặt các chi tiết và kết cấu những tính năng nhất định. Các chức năng yêu cầu thường gặp là: bền hóa học, bền ăn mòn, bền cơ học (chống mài mòn, xước, biến dạng.), dẫn điện, dẫn từ, cứng, dẻo, tính trang trí, mỹ thuật. Các công nghệ bề mặt điển hình như: xử lý nhiệt bề mặt, mạ, nhúng, phun, phủ (bằng các phương pháp hóa học CVD và vật lý PVD), gia công đánh bóng, sơn phủ. để tạo ra các tính năng cần thiết cho bề mặt. KHÁI NIỆM BỀ MẶT Bề mặt là một khái niệm rộng. Thông thường bề mặt được hiểu là phần bên ngoài của chi tiết, sản phẩm - nơi tiếp giáp giữa phần vật chất của vật liệu với môi trường. Với nghĩa rộng hơn bề mặt là mặt phân cách giữa pha vật chất này với pha kia. Bề mặt phân cách có ý nghĩa quan trọng, quyết định nhiều tính chất của vật liệu. Nhiều kết quả thực nghiệm đã chứng minh các tính chất (cơ, lý hoá, cấu trúc, năng lượng.) của lớp bề mặt và bên trong vật chất rất khác nhau. Trong khuôn khổ tài liệu này chủ yếu đề cập đến bề mặt của chi tiết cụ thể. Trong trường hợp như vậy có những khái niệm về bề mặt như sau: Bề mặt hình học: là bề mặt được biểu diễn bằng bản vẽ chi tiết. Bề mặt này là bề mặt danh nghĩa mang nhiều tính chất lý tưởng. 8 Bề mặt thực tế hay còn gọi là bề mặt kỹ thuật. Khái niệm này bao gồm không chỉ các đặc trưng hình học của bề mặt chi tiết mà còn quan tâm cả đến các đặc trưng khác của bề mặt và lớp vật chất sát dưới bề mặt.
