Nghiên Cứu Chế Tạo Màng Phủ Nitrua Trên Hợp Kim Cứng WC-Co Bằng Phương Pháp Phún Xạ Magnetron

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lịch sử phát triển màng phủ và phân loại

1.1.1. Khái niệm và lịch sử phát triển

1.1.2. Phân loại màng phủ

1.2. Tình hình nghiên cứu màng phủ nitrit trên thế giới

1.3. Cấu trúc màng phủ nitrua

1.3.1. Cấu trúc màng TiN và AlN

1.3.2. Cấu trúc màng TiAlN

1.3.3. Cấu trúc màng CrN

1.4. Các phương pháp chế tạo màng phủ nitrua

1.4.1. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)

1.4.2. Phương pháp lắng đọng vật lý pha hơi (PVD)

1.4.2.1. Phương pháp bốc bay chân không

1.4.2.2. Phương pháp phún xạ

1.5. Sự hình thành màng phủ bằng phương pháp phún xạ

1.5.1. Phún xạ vật liệu

1.5.2. Sự chuyển động của các hạt phún xạ

1.5.3. Lắng đọng trên bề mặt

1.5.3.1. Sự tạo mầm

1.5.3.2. Sự phát triển mầm

1.6. Vai trò của năng lượng trong việc hình thành cấu trúc nano

1.7. Ứng dụng màng phủ nitrua và tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

2. CHUẨN BỊ MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phương pháp chế tạo màng nitrua

2.1.1. Chế tạo bia phún xạ

2.1.2. Chế tạo màng phủ nitrua

2.1.2.1. Chuẩn bị bề mặt mẫu

2.1.2.2. Chế tạo màng đơn lớp TiAlXN (X: Si, B, V)

2.1.2.3. Chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN

2.1.2.4. Thiết bị phún xạ magnetron

2.2. Phương pháp và thiết bị đặc trưng tính chất của màng phủ

2.2.1. Thiết bị đo độ cứng nano-indenter

2.2.2. Thiết bị đo độ mấp mô bề mặt và chiều dày màng phủ

2.2.3. Thiết bị đo hệ số ma sát, mài mòn

2.2.4. Thiết bị xác định độ bền bám dính

2.2.5. Các thiết bị khác

3. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐƠN LỚP TiAlXN (X:Si,B,V)

3.1. Tối ưu hóa các thông số cơ bản của quá trình phún xạ

3.1.1. Ảnh hưởng của công suất phún xạ đến độ cứng của màng TiAlXN

3.1.2. Ảnh hưởng của áp suất phún xạ đến độ cứng của màng TiAlXN

3.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa bia và đế đến độ cứng của màng TiAlXN

3.2. Chế tạo các màng đơn lớp TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN

3.2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlSiN

3.2.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlSiN

3.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn

3.2.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng

3.2.5. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlBN

3.2.6. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlBN

3.2.7. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn

3.2.8. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng

3.2.9. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần hóa học của màng TiAlVN

3.2.10. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng TiAlVN

3.2.11. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài mòn

3.2.12. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của màng

3.3. So sánh cơ tính của các màng chế tạo TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN

4. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ NITRUA ĐA LỚP TiAlX(Si,B)/CrN

4.1. Màng đa lớp TiAlSiN/CrN

4.1.1. Cấu trúc của màng đa lớp TiAlSiN/CrN

4.1.1.1. Cấu trúc pha

4.1.1.2. Cấu trúc tế vi

4.1.2. Độ cứng và modul đàn hồi của màng đa lớp TiAlSiN/CrN

4.1.2.1. Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng

4.1.2.2. Ảnh hưởng của số lớp màng

4.1.2.3. Hệ số ma sát của màng đa lớp TiAlSiN/CrN

4.1.2.4. Độ bền bám dính của màng đa lớp TiAlSiN/CrN

4.2. Màng đa lớp TiAlBN/CrN

4.2.1. Cấu trúc của màng đa lớp TiAlSiN/CrN

4.2.1.1. Cấu trúc pha

4.2.1.2. Cấu trúc tế vi của màng đa lớp

4.2.2. Độ cứng và modul đàn hồi của màng đa lớp TiAlBN/CrN

4.2.2.1. Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng

4.2.2.2. Ảnh hưởng của số lớp màng

4.2.2.3. Hệ số ma sát của màng đa lớp TiAlBN/CrN

4.2.2.4. Độ bền bám dính của màng đa lớp TiAlSiN/CrN

KẾT LUẬN CHUNG

CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Màng Phủ Nitrua Trên Hợp Kim Cứng WC Co

Màng phủ nitrua trên nền hợp kim cứng WC-Co đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghiệp chế tạo. Hợp kim WC-Co được biết đến với độ cứng cao và khả năng chịu mài mòn tốt. Tuy nhiên, việc cải thiện tính chất của chúng thông qua các lớp màng phủ nitrua là một thách thức lớn. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn kéo dài tuổi thọ của các dụng cụ cắt gọt.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Màng Phủ Nitrua

Lịch sử phát triển màng phủ nitrua bắt đầu từ những năm 1980, với sự ra đời của các loại màng đơn lớp như TiN. Các nghiên cứu sau đó đã mở rộng sang các màng đa lớp, giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học và hóa học của màng phủ.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu Màng Phủ Nitrua Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về màng phủ nitrua đã thu hút sự quan tâm của nhiều cơ sở nghiên cứu. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu chỉ tập trung vào màng đơn nguyên tố, chưa khai thác hết tiềm năng của màng đa nguyên tố.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Màng Phủ Nitrua

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu màng phủ nitrua, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Việc chế tạo màng phủ có độ bám dính tốt và tính chất cơ học vượt trội là một trong những vấn đề lớn nhất. Ngoài ra, việc kiểm soát các thông số trong quá trình chế tạo cũng là một thách thức không nhỏ.

2.1. Độ Bám Dính Của Màng Phủ

Độ bám dính của màng phủ nitrua lên bề mặt hợp kim WC-Co là yếu tố quyết định đến hiệu suất làm việc. Nghiên cứu cho thấy rằng, độ bám dính kém có thể dẫn đến hiện tượng bong tróc, làm giảm hiệu quả sử dụng.

2.2. Kiểm Soát Thông Số Trong Quá Trình Chế Tạo

Việc kiểm soát các thông số như công suất phún xạ, áp suất và khoảng cách giữa bia và đế là rất quan trọng. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và tính chất của màng phủ.

III. Phương Pháp Chế Tạo Màng Phủ Nitrua Bằng Phún Xạ Magnetron

Phương pháp phún xạ magnetron là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để chế tạo màng phủ nitrua. Kỹ thuật này cho phép tạo ra các lớp màng có độ dày đồng đều và tính chất cơ học tốt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số trong quá trình phún xạ là rất cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Phún Xạ Magnetron

Phún xạ magnetron hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra plasma trong môi trường chân không. Các ion được tạo ra sẽ va chạm với bề mặt mẫu, tạo ra màng phủ nitrua với cấu trúc mong muốn.

3.2. Tối Ưu Hóa Thông Số Phún Xạ

Tối ưu hóa các thông số như công suất phún xạ và áp suất khí là rất quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc điều chỉnh các thông số này có thể cải thiện đáng kể độ cứng và độ bám dính của màng phủ.

IV. Đặc Trưng Tính Chất Của Màng Phủ Nitrua

Đặc trưng tính chất của màng phủ nitrua được xác định thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Các tính chất như độ cứng, độ bám dính và hệ số ma sát là những yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu suất của màng phủ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, màng phủ nitrua có thể đạt được độ cứng cao và hệ số ma sát thấp.

4.1. Độ Cứng Của Màng Phủ

Độ cứng của màng phủ nitrua là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Nghiên cứu cho thấy rằng, màng phủ nitrua có thể đạt độ cứng lên đến 40 GPa, giúp cải thiện hiệu suất làm việc của dụng cụ.

4.2. Hệ Số Ma Sát Của Màng Phủ

Hệ số ma sát của màng phủ nitrua cũng rất quan trọng trong ứng dụng thực tiễn. Màng phủ có hệ số ma sát thấp giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Màng Phủ Nitrua

Màng phủ nitrua có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực chế tạo dụng cụ cắt gọt. Việc sử dụng màng phủ nitrua giúp cải thiện đáng kể hiệu suất làm việc và tuổi thọ của dụng cụ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, màng phủ nitrua có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như ô tô, hàng không và chế tạo máy.

5.1. Ứng Dụng Trong Ngành Chế Tạo Dụng Cụ

Màng phủ nitrua được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt. Chúng giúp cải thiện độ bền và khả năng chịu mài mòn của dụng cụ, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc.

5.2. Ứng Dụng Trong Ngành Ô Tô

Trong ngành ô tô, màng phủ nitrua được sử dụng để bảo vệ các chi tiết máy khỏi mài mòn và ăn mòn. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của các bộ phận và giảm chi phí bảo trì.

VI. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Màng Phủ Nitrua

Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua trên hợp kim cứng WC-Co bằng phương pháp phún xạ magnetron đã mở ra nhiều triển vọng mới. Các kết quả đạt được cho thấy rằng, màng phủ nitrua có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học và hóa học của hợp kim. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa.

6.1. Triển Vọng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Triển vọng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các loại màng phủ mới với tính chất vượt trội hơn. Các nghiên cứu sẽ tiếp tục khai thác các nguyên liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến.

6.2. Ứng Dụng Màng Phủ Trong Công Nghiệp

Màng phủ nitrua sẽ tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Việc cải thiện tính chất của màng phủ sẽ giúp nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu tổn hao vật liệu.

Nghiên Cứu Chế Tạo Và Đặc Trưng Tính Chất Của Màng Phủ Nitrua Trên Nền Hợp Kim Cứng WC-Co