1
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Các lớp phủ cứng (hard coatings) chế tạo từ vật liệu Crôm (Cr) hay
Titan (Ti) được sử dụng làm lớp bảo vệ các bề mặt khỏi sự cào xước,
mài mòn nhằm tăng tuổi thọ của chi tiết máy và cơ khí. Lớp phủ bằng
CrN và TiN đều có độ cứng cao (1800 2100 HV) có khả năng chống
mài mòn tốt, hầu như không chịu ảnh hưởng bởi môi trường hóa học,
với hệ số ma sát tương đối nhỏ (~0,45). Một ưu điểm nổi bật của lớp
phủ CrN là khả năng chịu nhiệt cao. Trong khi lớp phủ TiN chỉ làm
việc an toàn ở nhiệt độ 400 450
0
C, lớp phủ CrN có thể làm việc
được ở mức 700 750
0
C.
Trên thế giới hiện nay, lớp phủ cứng được sử dụng trong chế tạo
khuôn mẫu để tăng cao tuổi thọ, tăng chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên,
các kết quả nghiên cứu được công bố hầu hết tập trung vào các tính
năng cơ bản của lớp phủ trên vật liệu nền và trong điều kiện phòng thí
nghiệm. Công nghệ chế tạo các lớp phủ cứng từ vật liệu Crôm lên bề
mặt khuôn mẫu là bí quyết riêng của các công ty và không được công
bố.
Đối với nước ta, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công
nghệ cao, có giá trị gia tăng cao, có tầm ảnh hưởng lớn đối công nghiệp
cơ khí chế tạo và phụ trợ, và với sự phát triển kinh tế xã hội nói chung.
Hầu hết những loại khuôn có độ chính xác cao sử dụng trong công
nghiệp phụ tùng ô tô, xe máy … các doanh nghiệp đều phải nhập ngoại
với giá thành lên tới hàng trăm triệu đồng/bộ.
Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp
phủ cứng nitrit trên cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng
cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao, hệ số ma sát nhỏ, giảm mòn
do ma sát không hình thành lẹo dao khi gia công… Khả năng ứng dụng
các lớp phủ cứng cho khuôn đúc áp lực nhằm nâng cao tuổi bền, giảm
ma sát mài mòn, và chống bám dính cho bề mặt còn để ngỏ, trong khi
khuôn đúc áp lực chiếm tỷ phần sản phẩm lớn, thị phần cao tại Việt
Nam trong lĩnh vực dân sự và quốc phòng an ninh.
Do đó đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công
nghệ đến cơ tính của lớp phủ cho khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm -
kẽm”với kỳ vọng nâng cao chất lượng sản phẩm và tuổi bền của khuôn
đúc từ thép SKD61, đồng thời tìm ra được bộ thông số công nghệ tối
ưu để chế tạo lớp phủ TiN và CrN trên bề mặt khuôn đúc áp lực hợp
2
kim nhôm - kẽm.
2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
- Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
+ Nghiên cứu công nghệ PVD nhằm tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt
trong khuôn làm từ vật liệu SKD61.
+ Tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính khi chế tạo lớp phủ CrN
cho chốt trên khuôn đúc áp lực nhôm - kẽm là lưu lượng khí N
2
, tần số
xung và nhiệt độ đế.
+ Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất.
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp
phún xạ xung một chiều magnetron và phương pháp hồ quang chân
không.
+ Tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim
nhôm - kẽm.
- Phương pháp nghiên cứu:
Kết hợp ứng dụng lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng.
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cứng đơn lớp và đa lớp từ CrN, TiN
trên chốt trong khuôn đúc áp lực bằng phương pháp PVD.
+ Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ lưu lượng khí N
2
, tần số
xung và nhiệt độ đế khi chế tạo lớp phủ CrN cho chốt trên khuôn đúc
áp lực.
+ Đánh giá các chỉ tiêu tính chất của lớp phủ trong phòng thí
nghiệm và thực tiễn sản xuất.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng quy trình công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN và TiN trên
chốt tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực bằng phương pháp PVD là cơ sở
khoa học để nghiên cứu phát triển tạo lớp phủ bằng công nghệ này.
- Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm tạo lớp phủ
CrN đã chỉ ra mức độ ảnh hưởng lớn nhất của lưu lượng khí tiếp theo
là tần số xung và nhiệt độ đế.
3.1. Ý nghĩa thực tiễn
- Đưa công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn
đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm có thể là cơ sở áp dụng vào khuôn
đúc áp lực khác nhau.
- Phương trình hồi quy thực nghiệm xây dựng được có thể dùng để
3
lựa chọn thông số công nghệ chế tạo lớp phủ trên chốt trong khuôn
đúc áp lực phù hợp điều kiện sản xuất.
- Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trong luận án có
thể làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và trong giảng dạy.
4. Những kết quả mới
- Đã xây dựng được công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN, TiN trên
chốt trong khuôn đúc áp lực sản phẩm nhôm - kẽm.
- Đã tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính tạo lớp CrN bằng
phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron là lưu lượng khí N
2
= 7,23 cm
3
/phút, tần số xung = 120,5 kHz và nhiệt độ đế = 294,6
0
C
trên cơ sở hai phương trình hồi quy thực nghiệm.
- Đã đánh giá các thông số của lớp phủ: độ cứng, hệ số ma sát,
chiều dày, hợp thức, cấu trúc tinh thể, ứng suất dư mặt tinh thể tương
ứng với các chế độ công nghệ khác nhau của hai phương pháp chế tạo
phún xạ và hồ quang chân không.
- Đã áp dụng kết quả của luận án vào thực tiễn sản xuất phủ lớp
CrN, TiN trên chốt tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm.
5. Bố cục của luận án
Luận án gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về khuôn đúc áp lực và phương pháp chế tạo
lớp phủ cứng.
Chương 2. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ CrN và TiN
trên chi tiết thép SKD61.
Chương 3. Tối ưu thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN và TiN
trên chi tiết SKD61.
Chương 4. Áp dụng kết quả của luận án vào thực tiễn sản xuất và đánh
giá chất lượng.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC VÀ
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO LỚP PHỦ CỨNG
1.1. Đặt vấn đề
Nghiên cứu chế tạo và sử dụng lớp phủ cứng nhằm nâng cao tuổi
bền và chất lượng khuôn mẫu thực sự là một nhu cầu cấp thiết và mang
lại hiệu quả kinh tế xã hội lớn.
1.2. Đúc áp lực
Điều kiện làm việc của khuôn đúc áp lực
Trong đúc nhôm áp lực, nhôm nóng chảy ở nhiệt độ 670 710
0
C
được phun vào khuôn, ở vận tốc từ 30 đến 100 m/s, với áp lực phun là
từ 50 đến 80 MPa. Bề mặt khuôn chịu tác động cơ, nhiệt tác động và
4
dòng kim loại nóng chảy là nguyên nhân gây ra: (a) mỏi cơ, nhiệt, bởi
tác động nhiệt trên bề mặt của khuôn; (b) ăn mòn và hàn dính do quá
trình oxy hóa nhôm với bề mặt khuôn (c) xói mòn do dòng kim loại
lỏng; (d) hỏng khốc liệt do sốc nhiệt; (e) nhiệt làm nóng vật liệu khuôn,
làm cho tính chất cơ học bất ổn.
Mô hình lớp phủ ứng dụng cho khuôn đúc áp lực
Mô hình lớp phủ tối ưu với độ dày lớp phủ thiết kế từ 5 8 μm,
bao gồm:
- Biến đổi bề mặt nền: thấm nitơ bề mặt thép khuôn để tăng độ cứng
của nền và tăng khả năng hỗ trợ cơ học cho lớp phủ.
- Lớp dính bám: một lớp Cr hoặc Ti mỏng (100 200 nm) để tăng
độ dính bám của lớp phủ lên bề mặt nền.
- Lớp trung gian: thay đổi liên tục từ lớp dính bám đến lớp làm việc
để tạo điều kiện điều tiết các ứng suất nhiệt dư được tạo ra bởi quá
trình đúc.
- Lớp làm việc: lớp làm việc có khả năng chống mòn tốt, chống
oxy hóa và phải trơ hóa học (không thấm ướt) với nhôm.
1.3. Phương pháp chế tạo lớp phủ cứng
Để tạo các lớp phủ cứng có gốc kim loại lên đế kim loại thì phương
pháp phún xạ một chiều magnetron lại có ưu thế hơn cả về phương
diện kinh tế và phương pháp công nghệ. Tuy nhiên, đây là phương
pháp có mức độ ion hoá thấp, phân bố không gian của plasma phụ
thuộc nhiều vào từ trường của đầu magnetron.
Phương pháp hồ quang chân không cho tốc độ tạo lớp phủ nhanh,
tuy nhiên nhược điểm lớn nhất là tạo hạt macro trên bề mặt, ảnh hưởng
đến độ đồng đều và cấu trúc lớp phủ.
Hình 1.34. Sơ đồ nguyên lý của một
hệ phún xạ DC magnetron
Hình 1.36. Sơ đồ phương pháp
hệ hồ quang chân không
Kết luận chương 1
1. Đã tổng quan về cấu tạo, cơ chế hoạt động và các dạng hư hỏng
5
của khuôn đúc áp lực.
2. Đã phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về
phương pháp PVD tạo lớp phủ cứng trên chi tiết từ đó đã chỉ ra một
số kinh nghiệm phụ vụ cho nghiên cứu của đề tài. Nghiên cứu tạo lớp
phủ cứng trên chốt bằng phương pháp PVD cần được nghiên cứu tại
nước ta.
3. Đã phân tích được điều kiện làm việc của chốt tạo lỗ sản phẩm
trong khuôn và chỉ ra được nguyên nhân các dạng hỏng từ đó đã đề
xuất được giải pháp nâng cao tuổi thọ chốt bằng tạo lớp phủ cứng CrN
và TiN bằng phương pháp PVD.
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ
TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ TiN TRÊN CHI TIẾT THÉP SKD61
2.1. Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ
2.2. Quá trình chế tạo lớp phủ CrN bằng phương pháp phún xạ
2.2.5. Tăng cường khả năng bám dính của lớp phủ CrN với nền thép
SKD61
Thông số chế tạo lớp chuyển tiếp (dính bám) Cr được lựa chọn khi
chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 bằng phương pháp phún xạ
xung một chiều magnetron như sau: