CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1.Phương pháp tạo lớp phủ cứng Trong số các phương pháp tạo các lớp phủ cứng thì các phương pháp CVD và PVD được sử dụng rộng rãi nhất cho các dụng cụ cắt và khuôn mẫu. Phương pháp CVD CVD (Chemical Vapor Deposition) là phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi. Phương pháp này đã được sử dụng đầu tiên để tạo các lớp phủ cứng trên các dụng cụ cắt bằng carbide thiêu kết. Quá trình CVD được thực hiện bằng cách đưa các hợp chất hóa học ở pha hơi vào trong buồng phản ứng có chứa các chi tiết cần phủ.
Trong buồng phản ứng, các phản ứng hóa học xảy ra ngay trên hoặc lân cận bề mặt chi tiết cần phủ và tạo ra lớp vật liệu phủ cứng trên bề mặt chi tiết. Phản ứng hóa học trên bề mặt chi tiết được thực hiện bằng cách nâng cao nhiệt độ chi tiết từ 200-20000C (thông thường là 700-11000C), hoặc kích thích bằng plasma. Các thông số cơ bản của quá trình bao gồm nhiệt độ đế, áp suất khí trong buồng phản ứng, mật độ các chất phản ứng, lưu lượng và tỉ lệ các chất phản ứng…sẽ quyết định tính chất của lớp màng phủ được hình thành. Các ứng dụng thành công nhất của phương pháp CVD là: các lớp phủ TiC, Ti (C,N), TiN và Al2O3 dùng cho mảnh cắt carbide, dao tiện và dao phay, khuôn tạo hình (khuôn kéo dây, khuôn kéo ống, khuôn dập vuốt sâu).
Năm 1968, mảnh cắt bằng carbide có lớp phủ TiC xuất hiện lần đầu tiên trên thị trường. Lớp phủ TiC dày 2-3µm đã nâng cao tuổi thọ của dụng cụ cắt lên trên 100%, tốc độ cắt và tốc độ tiến dao cũng được cải thiện. Lớp phủ TiC có độ cứng rất cao, nhưng lại rất giòn và dễ bị rạn nứt dưới tác động xung lực hoặc thăng giáng nhiệt độ lớn phát sinh trong quá trình cắt không liên tục. Để khắc phục nhược điểm này, năm 1973 lớp phủ 3 lớp đã được chế tạo [8].
Lớp phủ này bao gồm: lớp lót TiC, lớp đệm Ti(C, N) và ngoài cùng là lớp TiN. Năm 1978, lớp phủ Al2O 3 (dày 10µm) đã được sử dụng nhằm nâng cao khả năng gia công với tốc độ cắt cao. Kết cấu của lớp phủ dạng này thường là: TiC/Al2O3/TiN hoặc TiC/Ti(C,N)/Al2O 3/TiN [8]. Ngày nay trên thị trường các hệ lớp phủ có trên 10 lớp vật liệu được sử dụng hết sức rộng rãi.
HV: Nguyễn Thành Hợp 10 Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học Bảng 1 Độ cứng của một số loại vật liệu Vật liệu Độ cứng (HV) Thép tôi 500-900 Lớp mạ Cr cứng 900-1200 Carbide thiêu kết 1300-1800 Tungsten carbide WC 1900-2100 Titan Nitride TiN 2100-2400 TiCN 2500-2900 Oxide nhôm Al2O3 2400-3000 Titan Carbide TiC 3000-3300 Boron carbide B4 C 3400-4200 Màng cacbon cấu trúc tương tự kim cương 1200-9500 (DLC-Diamond Like Carbon) Cubic Boron Nitride CBN 8500 Kim cương 10000 Nhìn chung, các phương pháp phủ CVD đều yêu cầu nhiệt độ đế cao (trên 7000C). Nhiệt độ cao sẽ đẩy mạnh hiệu ứng khuyếch tán, tăng cường độ bám dính của lớp phủ với đế, nhưng mặt khác lại gây ra nhiều biến đổi bất lợi đối với vật liệu đế, đặc biệt là các loại thép dụng cụ. Trong bối cảnh này phương pháp PVD đã được nghiên cứu phát triển nhằm hạ thấp nhiệt độ đế trong quá trình tạo màng đồng thời vẫn đảm bảo được đặc tính bám dính và các đặc tính cơ lí cần thiết của lớp phủ. Phương pháp PVD PVD (PVD - Physical Vapor Deposition) là phương pháp công nghệ lắng đọng màng bằng các quá trình vật lí từ pha hơi.
Các quá trình này được thực hiện trong buồng chân không theo các công đoạn sau: HV: Nguyễn Thành Hợp 11 Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học 1) Chuyển đổi vật liệu tạo màng từ pha rắn sang pha hơi 2) Vận chuyển hơi vật liệu từ nguồn bay hơi qua môi trường áp suất khí thấp trong buồng chân không đến bề mặt đế 3) Lắng đọng hơi vật liệu cần phủ lên đế tạo thành màng phủ PVD là tên gọi chung cho một họ gồm rất nhiều phương pháp khác nhau. Trong số đó có 3 phương pháp được ứng dụng phổ biến để tạo các lớp phủ cứng là: • Phương pháp phún xạ magnetron (magnetron sputtering) và phún xạ cao tẩn (RF- Radio Frenquency) • Phương pháp mạ ion chùm tia điện tử điện áp thấp(low voltage electron beam ion plating) • Phương pháp hồ quang chân không (vacuum arc) Mỗi phương pháp trên có những ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp phún xạ magnetron cho phép nhận được lớp phủ có thành phần phức tạp lên hầu như bất kể vật liệu đế nào với độ nhám bề mặt của lớp phủ rất nhỏ. Phương pháp phún xạ cao tần RF được sử dụng để tạo các lớp phủ vật liệu không dẫn điện Trong lúc đó để tạo các lớp phủ cứng có gốc kim loại lên đế kim loại thì phương pháp phún xạ magnetron một chiều (DC magnetron) lại có ưu thế hơn cả về phương diện kinh tế và phương pháp công nghệ.
Đây là phương pháp có mức độ ion hoá thấp, phân bố không gian của plasma phụ thuộc nhiều vào trường từ của đầu magnetron. Vì vậy lớp phủ khó đạt các yêu cầu cao về độ bám dính với đế và các đặc tính cơ học. Nhược điểm này khiến trong một thời gian dài phương pháp này không được sử dụng để tạo các lớp phủ cho các dụng cụ cắt có đòi hỏi khả năng chịu tải cao trong các điều kiện không tiêu chuẩn. Với phương pháp mạ ion chùm tia điện tử điện áp thấp, nhờ mật độ ion hoá cao quá trình bắn phá ion ăn mòn-làm sạch và nung nóng đế diễn ra rất mãnh liệt.
Vì vậy độ bám dính của lớp phủ với đế được nâng cao rất nhiều cho phép đồng thời tạo lớp phủ lên các chi tiết có kích thước khác nhau trong cùng một lượt phủ. Phương pháp này chỉ áp dụng đối với các vật liệu kim loại, các vật liệu cứng có thành phần HV: Nguyễn Thành Hợp 12 Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học phức tạp chỉ có thể được lắng đọng bằng quá trình bốc hơi phản ứng giữa hơi vật liệu và hỗn hợp các khí công tác cấp vào buồng chân không. Phương pháp hồ quang chân không chỉ sử dụng cho cathode bằng kim loại dẫn điện. Với phương pháp này, các màng hợp chất được tạo thành bằng quá trình bốc hơi phản ứng.
Ưu điểm nổi bật của phương pháp hồ quang chân không là có mức độ ion hoá cao, đảm bảo cho lớp phủ có cơ tính tốt, độ bám dính rất tốt, đặc biệt phù hợp cho tạo các lớp phủ cho chày khuôn đột dập. Phương pháp hồ quang chân không có năng suất và hiệu suất sử dụng vật liệu cathode cao. Nhược điểm của phương pháp hồ quang chân không là tạo ra các giọt vật liệu (macroparticle) kích thước từ vài µm tới vài chục µm trên bề mặt lớp phủ. Các ứng dụng có yêu cầu cao về đặc tính ma sát giữa các chi tiết không sử dụng phương pháp này.
Tuy nhiên đối với dụng cụ cắt thì các khuyết tật bề mặt này không ảnh hưởng đáng kể đến tính năng của dụng cụ. Qua rất nhiều công trình nghiên cứu, có thể thấy rằng, cơ chế căn bản giúp nâng cao hiệu suất của dụng cụ cắt có lớp phủ cứng bằng PVD là: - Giảm hiệu ứng kết dính giữa vật liệu của dụng cụ cắt và vật liệu gia công - Cải thiện khả năng chống mài mòn của dụng cụ cắt nhờ độ cứng cao của lớp phủ - Nâng cao khả năng chống lại quá trình oxy hoá nhiệt tại bề mặt dụng cụ cắt - Giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ cắt và vật liệu gia công, phoi cắt được thoát dễ dàng hơn giúp giảm tải nhiệt lớn cho lưỡi cắt của dụng cụ 1. Ứng dụng của các lớp phủ cứng trong công nghiệp Lớp phủ cứng được sử dụng nhiều nhất là TiN. Đây là lớp phủ dễ dàng nhận được bằng các phương pháp PVD và là lớp vật liệu có sự phối hợp tương đối hài hoà giữa các tính chất cơ bản cần có đối với lớp phủ vạn năng cho các ứng dụng gia công cắt gọt.
Nhờ có khả năng chống dính nên TiN ngăn chặn hiện tượng dính khi tốc độ cắt thấp, hạn chế việc hình thành hiện tượng vón tại mép cắt của dụng cụ (built up cutting edge). Chính vì vậy sử dung lớp phủ TiN sẽ tránh được sự hình thành các xung ứng suất và sự quá tải cơ đối với mép cắt - là hiện tượng làm gãy và HV: Nguyễn Thành Hợp 13 Khóa 2009B Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sỹ khoa học mẻ mép cắt của dụng cụ. Hơn nữa lớp phủ TiN còn làm giảm sự mài mòn dụng cụ cắt gây ra bởi chuỗi các quá trình: ma sát -> gia tăng nhiệt độ -> phản ứng hoá học giữa vật liệu carbide của dụng cụ cắt với vật liệu gia công có chứa sắt. Nhờ đó khi tốc độ cắt cao sự mài mòn của dụng cụ cắt được cải thiện đáng kể.
Lớp phủ TiN còn cho phép mở rộng dải tốc độ cắt trong công nghệ gia công vật liệu và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ carbide trong quá trình gia công gián đoạn. Trong một thời gian dài ứng dụng của lớp phủ cứng chỉ giới hạn ở cấu trúc đơn lớp vật liệu TiN. Người ta cũng sử dụng một số lớp phủ cứng khác như: ZrN, HfN, NbN song không có ưu điểm rõ rệt nào trong ứng dụng cắt gọt so với lớp phủ TiN mà giá thành còn cao hơn. Năm 1992 lần đầu tiên lớp phủ CrN đã được sử dụng thành công trong việc gia công các vật liệu phi từ.
Gần đây, các nghiên cứu cho thấy các vật liệu TiCN và TiAlN có các đặc tính vượt trội trong một số ứng dụng đặc biệt. Ví dụ: TiCN có độ cứng (HV ~3000) và khả năng chống mài mòn cao hơn TiN. Chúng còn có ưu thế trong gia công các vật liệu tôi cứng và vật liệu mài mòn cao. Vùng hoạt động tối ưu đối với TiCN là khoảng nhiệt độ thấp, tương ứng khi tốc độ cắt thấp hoặc cắt không liên tục.
Lúc này, do hệ số ma sát nhỏ và hệ số dẫn nhiệt cao dẫn đến phoi thoát dễ dàng trên lưỡi cắt. Các ứng dụng điển hình của lớp phủ cứng : • Mũi khoan có lớp phủ TiN [8,10,11] đứng đầu về mặt số lượng trong số các dụng cụ cắt có lớp phủ cứng.