bỘ giÁo dỤc vÀ ĐÀo tẠo vÀ cÔng nghỆ viỆt nam hỌc...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------------

LƯƠNG VĂN ĐƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA

MÀNG PHỦ NITRUA TRÊN NỀN HỢP KIM CỨNG WC-Co

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON

Chuyên ngành: Kim loại học

Mã số: 9.44.01.29

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Đoàn Đình Phương

Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Phan Ngọc Minh

Phản biện 1: …

Phản biện 2: …

Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp

Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng

… năm 201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận án

Trong công nghiệp, sự mài mòn và ăn mòn là nguyên nhân

gây mất mát năng lượng và tổn hao vật liệu, làm giảm hiệu suất làm

việc và tuổi thọ cho các dụng cụ cắt gọt và các chi tiết máy. Theo

thông kê ở các nước phát triển, khoảng 30 % năng lượng vận hành bị

tổn hao đi do vấn đề ma sát. Với những nước có nền công nghiệp

phát triển cao thì sự mất mát do ma sát và mài mòn chiếm từ 1-2 %

tổng sản phẩm quôc gia. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo và phát triển

các loại màng phủ có các đặc tính tôt như: độ cứng cao, hệ sô ma sát

thấp, chịu ăn mòn và bền nhiệt đang là vấn đề cấp thiết trong công

nghiệp hiện đại [1].

Trải qua vài thập kỷ, nhiều loại màng phủ có các tính năng

khác nhau đã được nghiên cứu chế tạo, từ những loại màng đơn lớp,

đơn nguyên tô TiN [2-3], TiC [4-6], CrN [7-9] cho đến những loại

màng đơn lớp đa nguyên tô TiAlN [10-11], TiAlSiN [12], TiAlBN

[13]. Thêm vào đó, việc nghiên cứu chế tạo màng đa lớp TiN/CrN

[14], TiAlN/CrN [15]… nhằm kết hợp các đặc tính tôt của mỗi màng

đơn lớp cũng được nghiên cứu phát triển đồng thời. Để tạo ra các

loại màng phủ này, các phương pháp như: lắng đọng pha hơi vật lý

(PVD), lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) và phương pháp hóa lý…

đã được sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp PVD được sử dụng phổ

biến hơn cả vì đây là phương pháp cho hiệu suất cao, khả năng bám

dính tôt, mật độ màng cao và có thể phủ lên các chi tiết có kích thước

lớn.

Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo màng phủ cứng nitrua đã

thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu cả về công

nghệ chế tạo lẫn ứng dụng trong một sô cơ sở nghiên cứu như:

2

Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Trường đại học Khoa học tự

nhiên, ĐHQG Thành phô Hồ Chí Minh, Viện nghiên cứu Cơ khí…

Các nghiên cứu này tập trung nghiên cứu chế tạo màng đơn lớp đơn

nguyên tô như: TiN, CrN…[16-17] hoặc màng đa lớp đơn nguyên tô

như: TiN/TiCN [18], TiN/CrN [19]… Có thể thấy rằng, hâu hết các

nghiên cứu ở Việt Nam mới chi tập trung nghiên cứu màng nitrua

đơn nguyên tô (sử dụng các bia phún xạ có săn trên thị trường), chưa

chế tạo được màng nitrua đa nguyên tô, do không thể tự chế tạo được

bia phún xạ nhiều thành phân. Vì chi chế tạo màng nitrua đơn

nguyên tô, nên phạm vi ứng dụng của các nghiên cứu này rất hạn

chế.

Từ năm 2013 đến nay, Viện Khoa học vật liệu kết hợp với

Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quôc (Korea Institute of

Industrial Technology - KITECH) đã triển khai một sô nghiên cứu

chung về chế tạo các loại màng phủ nitrua đa nguyên tô trên nền hợp

kim WC-Co. Trong đó bao gồm cả việc nghiên cứu chế tạo bia phún

xạ đa nguyên tô, làm cơ sở cho việc nghiên cứu màng nitrua đa

nguyên tô.

Dựa vào các vấn đề đã trình bày ở trên, với mong muôn tạo ra

các loại màng phủ cứng nitrua có độ cứng cao và hệ sô ma sát thấp

cũng như mở rộng khả năng ứng dụng của các loại màng phủ này

trong các ngành công nghiệp, đề tài của luận án được lựa chọn là:

“Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của màng phủ nitrua

trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng phương pháp phún xạ

magnetron”.

2. Mục tiêu của luận án

3

- Chế tạo và đặc trưng được tính chất của màng phủ cứng nitrua

đơn lớp – đa nguyên tô (TiAlXN (X: Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên

tô TiAlXN/CrN (X: Si, B) có độ cứng cao, hệ sô ma sát thấp.

- Tìm và khảo sát được ảnh hưởng của các thông sô chính quyết

định đến tính chất của các loại màng phủ.

3. Nội dung của luận án

- Tổng quan tình hình nghiên cứu màng phủ nitrua đơn lớp

và đa lớp tại Việt Nam và trên thế giới.

- Giới thiệu các phương pháp chế tạo màng và cơ chế hình

thành và phát triển màng.

- Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp TiAlXN (X:

Si, B,V) bằng phương pháp phún xạ magnetron, trong đó:

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông sô cơ bản như công

suất phún xạ, áp suất phún xạ, khoảng cách giữa bia và đế đến độ

cứng của màng phủ

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến đặc trưng

tính chất của màng đơn lớp

- Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đa lớp TiAlXN/CrN

(X:Si, B) bằng phương pháp phún xạ magnetron và các đặc trưng

tính chất của màng phủ đa lớp.

Các kết quả chính của luận án đạt được

- Đã chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tô

TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tô TiAlXN/CrN (X: Si,

B) trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ

magnetron.

- Đôi với màng phủ cứng đơn lớp, đã khảo sát ảnh hưởng của lưu

lượng dòng khí N2 đến các tính chất của 3 loại màng TiAlXN sử

dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V). Cụ thể, đã xác định được lưu

4

lượng dòng khí N2 tôi ưu là 6 sccm đôi với màng TiAlSiN và

TiAlVN, đôi với màng TiAlBN là 4sccm.

- Đôi với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN, đã

khảo sát ảnh hưởng của chiều dày cặp màng và sô cặp màng đến độ

cứng của màng đa lớp. Cụ thể, màng phủ đa lớp TiAlSiN/CrN có độ

cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 245 nm (màng

TiAlSiN là 127 nm và màng CrN là 118 nm) và tổng sô cặp màng là

6 cặp (12 lớp). Còn đôi với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao nhất tại

giá trị chiều dày cặp màng là 232 nm và tổng sô cặp màng là 7 (14

lớp).

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

- Trình bày các khái niệm và lịch sử phát triển màng phủ.

- Tình hình nghiên cứu về màng phủ nitrua đơn lớp và đa lớp ở

trên thế giới.

- Giới thiệu cấu trúc của màng phủ TiN, AlN, TiAlN và CrN

- Các phương pháp chế tạo màng được giới thiệu gồm: phương

pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp lắng đọng pha

hơi vật lý (PVD). Trong luận án này, phương pháp PVD (cụ thể là

phương pháp phún xạ magnetron) được sử dụng để chế tạo màng đơn

lớp và đa lớp, đây cũng là phương pháp phổ biến thường được sử

dụng trong công nghiệp sản xuất bởi vì đây là phương pháp đơn

giản, dễ điều khiển, dễ tự động hóa.

- Quá trình hình thành màng phủ bằng phương pháp phún xạ và

các ứng dụng của màng phủ nitrua cũng như tình hình nghiên cứu tại

Việt Nam.

CHƯƠNG 2. CHUẨN BỊ MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU

2.1. Phương pháp chế tạo màng nitrua

5

Qua tham khảo, phân tích các nghiên cứu đã công bô trên thế

giới về thành phân màng phủ trên cơ sở hợp kim Ti-Al [31,34, 45-

47], kế thừa các kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Viện Công

nghệ Công nghiệp Hàn Quôc (KITECH) [31], trong luận án này, các

loại màng phủ được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron

với 2 hệ bia gồm:

- 01 hệ bia có thành phân TiAl-X (X: V, B, Si) để chế tạo

màng phủ đơn lớp,

- 02 hệ bia, một có thành phân TiAl-X (X: V, B, Si) và bia còn

lại là kim loại Cr > 99,9% để chế tạo màng phủ đa lớp.

Thành phân hóa học của các loại bia này được trình bày tại

bảng 2.1.

Bảng 2.1. Thành phân hóa học của 2 hệ bia sử dụng.

Nguyên

tô

Ti Al X (1 trong 3 nguyên

tô: V, B, Si) Cr Kích thước

(% khôi lượng mol nguyên tử)

Hệ 1 50 40 10 ɸ75 x 8 mm

Hệ 2 100 ɸ75 x 8 mm

2.1.1. Chế tạo bia phún xạ

Trong nghiên cứu này, bia phún xạ được chế tạo từ 3 nguyên

tô kim loại (Ti, Al, X (Si, B, V)) bằng phương pháp luyện kim bột.

Kích thước bia phún xạ sau khi chế tạo có kích thước ɸ75 x 8 mm.

2.1.2. Chế tạo màng phủ nitrua

2.1.2.1. Chuẩn bị bề mặt mẫu đế

Mẫu hợp kim WC-Co được mài và đánh bóng, sau đó tiếp tục

làm sạch tiếp bằng thiết bị rung siêu âm trong môi trường cồn hoặc

aceton với thời gian 10 phút để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt

của mẫu.

6

2.1.2.2. Chế tạo màng đơn lớp TiAlXN

Mẫu hợp kim WC-Co và đế Si (100) sau khi xử lý bề mặt

được đưa vào buồng chân không 1.5x10-3 Pa trong thiết bị phún xạ

magnetron (hình 2.5). Để loại bỏ tiếp các tạp chất có trên bề mặt mẫu

như bụi bẩn và màng ôxít, mẫu tiếp tục được làm sạch bằng cách bắn

phá các ion Ar+ lên trên bề mặt của mẫu với thời gian 30 phút dưới

áp suất 10 mtorr, sử dụng nguồn phóng điện xung một chiều với các

thông sô Us=600v, Is=0.02A, và f= 150KHz. Mẫu sau khi làm sạch

sẽ tiến hành phún xạ tạo màng trong môi trường hỗn hợp khí Ar:N2.

Để tăng khả năng bám dính giữa lớp màng và đế, trước khi phún xạ

mẫu sẽ được phủ một lớp trung gian Cr hoặc Ti lên trên bề mặt của

đế.

Điều kiện chế tạo màng phủ cứng đơn lớp

Các thông sô của quá trình phún xạ tạo màng như sau:

o Công suất phún xạ: 200-350W

o Áp suất phún xạ: 2.5; 5; 7; 10 mtorr

o Lưu lượng dòng khí N2: 2; 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlSiN,

TiAlBN); 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlVN), lưu lượng dòng khí Ar:

36 sccm được giữ cô định trong suôt quá trình phún xạ

o Khoảng cách giữa bia và mẫu WC-Co: 30-60 mm

o Thời gian phún xạ: 30 phút

o Nhiệt độ đế phún xạ: nhiệt độ phòng (25oC)

o Thành phân bia phún xạ: Ti50Al40X10

Sau khi kết thúc quá trình phún xạ, mẫu được làm nguội trong buồng

chân không với thời gian 15 phút. Sau đó lấy mẫu ra và đem đi phân

tích các đặc trưng tính chất.

2.1.2.3. Chế tạo màng đa lớp TiAlX(Si,B)N/CrN

7

Kế thừa các thông sô cơ bản đã được tôi ưu trong nghiên cứu

chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp, màng phủ đa lớp được chế tạo với

các thông sô sau:

- Công suất phún xạ: 300 W

- Áp suất phún xạ: 5 mtorr

- Khoảng cách giữa bia phún xạ và đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si):

50 mm

- Lưu lượng khí làm việc Ar: 36 sccm, lưu lượng dòng khí N2: 6

sccm (TiAlSiN/CrN) và 4 sccm (TiAlBN/CrN)

- Thời gian phún xạ: TiAlX(Si,B)N: 5-15 phút, CrN: 2-6 phút

- Nhiệt độ đế phún xạ: tại nhiệt độ phòng (25 oC)

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐƠN LỚP

TiAlXN (X: Si, B, V)

3.1. Tôi ưu hoa các thông sô cơ bản của quá trinh phun xạ

Các thông sô cơ bản gồm công suất phún xạ, áp suất phún xạ

và khoảng cách giữa bia và đế hợp kim WC-Co được xác định thông

qua ảnh hưởng đến độ cứng của màng. Các thông sô cơ bản được xác

định như sau:

o Công suất phún xạ: 300W

o Áp suất phún xạ: 5 mtorr

o Khoảng cách giữa bia và đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si): 50 mm

3.2. Chế tạo các mang đơn lơp TiAlSiN, TiAlBN va TiAlVN

Trong công nghệ chế tạo màng phủ nitrua bằng phương pháp

phún xạ, có hai loại khí được sử dụng gồm: (i) khí làm việc Ar; (ii)

khí hoạt tính hay khí phản ứng N2. Trong đó, khí làm việc Ar để kích

thích quá trình ion hóa các nguyên tử hay phân tử khí và hình thành

vùng plasma, còn khí phản ứng N2 có tác dụng hình thành các hợp

chất nitrua. Hợp chất nitrua này có thể được hình thành ngay trên bề

8

mặt bia nếu năng lượng bắn phá đủ lớn hoặc hình thành trong quá

trình di chuyển của các nguyên tử bứt ra về phía đế, thậm chí có thể

hình thành trên bề mặt đế ngay sau khi lắng đọng.

Có thể thấy rằng, lưu lượng của khí N2 có ảnh hưởng lớn đến

sự hình thành màng phủ nitrua, cũng như đến các tính chất của màng.

Đã có một sô nguyên cứu chi ra ảnh hưởng của hàm lượng khí phản

ứng N2 đến các tính chất của màng như độ cứng, hệ sô ma sát, kích

thước hạt tinh thể, thành phân pha [33,77-78, 80-81]. Như vậy, vai

trò của khí N2 là rất quan trọng trong việc hình thành màng phủ

nitrua.

Nhận thức được tầm quan trọng của khí N2, trong phần tiếp theo,

luận án sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến

sự hình thành và tính chất của các màng phủ nitrua.

3.2.1. Màng TiAlSiN

3.2.1.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khi N2 đến cấu trúc và thành phần

hóa học của màng TiAlSiN

Tại lưu lượng khí 6 sccm, màng có cấu trúc tinh thể dạng lập

phương tâm mặt (fcc) khá hoàn hảo (theo JCPDS chuẩn No: 38-

1420), với hai đinh nhiễu xạ của TiN theo mặt tinh thể (111) và

(220). Đinh nhiễu xạ TiN (111) có cường độ mạnh nhất tại góc nhiễu

xạ 36,6o. Tuy nhiên, khi lưu lượng khí N2 tăng lên trên 8 sccm,

cường độ đinh nhiễu xạ TiN (111) giảm dân trong khi cường độ

nhiễu xạ TiN (200) tăng dân. Xu hướng này xảy ra đôi với màng chế

tạo tại lưu lượng khí N2 10 sccm. Ngoài ra, tại lưu lượng khí N2 10

sccm còn xuất hiện thêm đinh nhiễu xạ TiN (311).

9

Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TiAlSiN tại các lưu

lượng dòng khí N2 khác nhau.

Màng có kích thước hạt mịn tại các lưu lượng khí N2 là 2, 4 và

6 sccm. Ngoài ra, trên ảnh SEM còn cho thấy bề mặt của màng xuất

hiện các lỗ xôp tại các lưu lượng khí N2 2 sccm và 4 sccm. Điều này

gợi ý rằng, ti trọng của màng phủ TiAlSiN chế tạo được là không cao

tại các lưu lượng khí này. Thêm vào đó, dễ dàng quan sát thấy, kích

thước hạt của màng tăng lên khi lưu lượng khí tăng từ 2 đến 10 sccm.

Hình 3.2. Cấu trúc bề mặt của màng TiAlSiN và chiều dày

của màng tại lưu lượng khí N2 khác nhau.

Quan sát hình ảnh nhỏ (bên góc phải) mặt cắt ngang và chiều

dày của màng có thể thấy tại lưu lượng khí N2 thấp, bề mặt cắt ngang

10

của màng mịn và không quan sát thấy đường kẻ sọc dạng cột so với

các mẫu thu được tại lưu lượng khí N2 cao (8, 10 sccm). Có được

điều này là do sự tăng kích thước hạt tinh thể của màng phủ chế tạo.

Trong khi đó, chiều dày của màng chế tạo giảm từ 4,32 µm xuông

3,58 µm khi lưu lượng khí N2 được tăng từ 2 sccm đến 10 sccm.

3.2.1.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khi N2 đến độ cứng của màng

TiAlSiN

Hình 3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến độ

cứng của màng.

Kết quả cho thấy độ cứng tăng từ 24 GPa lên 33,5 GPa khi lưu

lượng dòng khí N2 tăng từ 2 sccm lên 6 sccm. Nếu lưu lượng dòng

khí N2 tiếp tục tăng lên 8 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng

TiAlSiN có xu hướng giảm. Kết quả modul đàn hồi có xu hướng

tương tự như giá trị độ cứng. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 sccm

đến 6 sccm, modul đàn hồi tăng từ 267 GPa lên 346 GPa. Modul đàn

hồi của màng TiAlSiN giảm xuông khi lưu lượng khí N2 tiếp tục

tăng.

11

3.2.1.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khi N2 đến hệ số ma sát và mài

mòn của màng TiAlSiN

a) Điều kiện ma sát khô

Hình 3.4. Hệ số ma sát của màng tại các lưu lượng khí N2 khác

nhau.

Tại lưu lượng khí N2 2 sccm có thể thấy được sự ổn định trong

suôt quá trình trượt với giá trị hệ sô ma sát trung bình ~ 0,74. Hệ sô

ma sát trung bình tăng lên 0,78 và 0,795 tại các lưu lượng khí N2 lân

lượt là 4 sccm và 6 sccm, khi lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng lên, hệ

sô ma sát của màng tăng theo, đồng thời sự mất ổn định trong quá

trình trượt cũng tăng, điều này được chi ra ở sự tăng giảm không ổn

định đôi với các mẫu được phún xạ tại lưu lượng khí N2 8 sccm và

10 sccm.

b) Điều kiện ma sát ướt (trong dâu)

Hệ sô ma sát trung bình của màng tại các lưu lượng khí N2

thấp tại 2, 4, 6 sccm nằm trong khoảng từ 0,08 – 0,1 và tăng lên > 0,1

tại lưu lượng khí N2 8 sccm và 10 sccm. Cụ thể, hệ sô ma sát thấp

nhất thu được tại lưu lượng khí N2 tại 2 sccm và cao nhất thu được

tại lưu lượng khí N2 tại 10 sccm.

12

3.2.1.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khi N2 đến độ bền bám dính của

màng TiAlSiN

Trong nghiên cứu này, độ bền bám dính được đánh giá thông

qua lực tì của đâu mũi rạch. Giá trị lực tì này được tăng dân đều và

khi đạt đến một giá trị lực nhất định làm cho màng phủ bắt đâu xuất

hiện bong tróc khỏi bề mặt đế gọi là lực tới hạn.

Khi tăng lưu lượng khí từ 2 sccm đến 6 sccm, giá trị lực tới

hạn tăng từ 18,3 N lên 23,9 N. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí

N2 lên, giá trị lực tới hạn giảm xuông. Hay nói cách khác, độ bền

bám dính giữa màng và đế hợp kim sẽ giảm xuông.

Chi tiết kết quả độ bền bám dính được thể hiện trong bảng

dưới đây:

Bảng 3.2. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử

dụng lớp trung gian.

2ccm 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm Lớp trung

gian Cr

Lực tới

hạn (N) 18,3 20,7 23,9 19,9 17,6 36,5

3.2.2. Màng TiAlBN


hóa học của màng TiAlBN

Với mẫu phún xạ tại lưu lượng khí N2 4 sccm chi ra ba đinh

nhiễu xạ của TiN tại vị trí 36.6o, 61.8o và 77.9o, tương ứng với các

mặt tinh thể lân lượt là (111), (220) và (222). Theo JCPDS chuẩn

No: 38-1420, TiN với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) . Ngoài ra,

giản đồ nhiễu xạ còn cho biết cường độ và vị trí các đinh nhiễu xạ

thay đổi theo lưu lượng khí N2. Tại lưu lượng khí N2 4 sccm, cường

độ đinh nhiễu xạ theo mặt (111) là mạnh nhất. Nếu tiếp tục tăng lưu

13

lượng khí N2 lên, đinh nhiễu xạ TiN (111) giảm dân và cường độ

đinh nhiễu xạ thấp nhất tại lưu lượng khí N2 10 sccm.


TiAlBN

Có thể thấy rằng độ cứng nhỏ nhất thu được tại lưu lượng

dòng khí N2 2 sccm. Khi lưu lượng dòng khí N2 tăng, độ cứng của

màng TiAlBN tăng và đạt giá trị cực đại (~ 41 GPa) tại lưu lượng

dòng khí N2 là 4 sccm. Nếu lưu lượng dòng khí N2 tiếp tục được tăng

lên 6 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng có xu hướng giảm dân.

Kết quả modul đàn hồi có xu hướng tương tự như giá trị độ

cứng. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 sccm đến 4 sccm, modul đàn

hồi tăng từ 207 GPa lên 396 GPa. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2,

modul đàn hồi của màng TiAlBN giảm xuông.


mòn của màng TiAlBN


Kết quả cho thấy hệ sô ma sát của màng tăng khi lưu lượng

khí N2 tăng. Tại lưu lượng khí N2 thấp (2 - 6 sccm), hệ sô ma sát của

màng tương đôi ổn định trong suôt quãng đường trượt. Tuy nhiên,

với lưu lượng khí N2 cao thì hệ sô ma sát của màng tăng giảm liên

tục. Kết quả trên hình nhỏ còn chi ra hệ sô ma sát của màng tăng từ

0,46 đến 0,69 khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 đến 10 sccm.

b) Điều kiện ma sát ướt (trong dâu)

Kết quả cho thấy hệ sô ma sát tăng cùng với sự tăng của lưu

lượng khí N2. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 đến 4 sccm, hệ sô ma

sát ướt của màng tăng tương ứng từ 0,053 lên 0,054. Nếu lưu lượng

khí tiếp tục tăng lên 6 sccm đến 10 sccm, hệ sô ma sát ướt của màng

tăng từ 0,98 đến 0,135.

14

3.2.2.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khi N2 đến độ bền bám dính của

màng TiAlBN

Kết quả cho thấy độ bền bám dính tôt nhất tại lưu lượng khí

N2 trong khoảng 4 - 6 sccm tương ứng với tải tới hạn từ 19,1 N –

20,3 N. Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên, tải tới hạn có xu

hướng giảm xuông. Ngoài ra, khi sử dụng lớp trung gian Cr độ bền

bám dính của màng tăng lên gấp 2 lân so với không sử dụng lớp

trung gian.


dụng lớp trung gian.

2ccm 4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm Lớp trung

gian Cr

Lực tới

hạn (N) 17,8 19,1 20,3 15,6 16 42,4

3.2.3. Màng TiAlVN


hóa học của màng TiAlVN

Chi có duy nhất một đinh nhiễu xạ có cấu trúc lập phương tâm

mặt (fcc) TiN (220) hoặc TiAlVN khi lưu lượng khí N2 đưa vào là 4

sccm. Khi lưu lượng khí tăng lên 6 sccm, xuất hiện 3 đinh nhiễu xạ

có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) - TiN (111), (200) và (220).

Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên 8 sccm và 10 sccm, màng thu

được có cấu trúc hai pha gồm: lục giác xếp chặt (hcp) - AlN và lập

phương tâm mặt (fcc) - TiN. Hay nói cách khác, màng thu được có

cấu trúc đơn pha tại lưu lượng khí N2 thấp (4, 6 sccm) và màng thu

được có cấu trúc 2 pha fcc + hcp tại lưu lượng khí N2 cao (8,10

sccm).


TiAlVN

15

Độ cứng của màng tăng từ 30,6 GPa lên 36,5 GPa khi lưu

lượng khí N2 tăng từ 4 sccm lên 6 sccm. Nếu lưu lượng khí N2 tiếp

tục được tăng lên 8 sccm và 10 sccm, độ cứng của màng có xu

hướng giảm xuông.


mòn của màng TiAlVN


Trạng thái ban đâu, hâu hết hệ sô ma sát của các màng phủ

tăng nhanh, sau đó nó có xu hướng giảm dân ngoại trừ màng phủ

được phún xạ tại lưu lượng khí N2 là 12 sccm. Ngoài ra, kết quả còn

cho thấy màng phủ phún xạ tại 4 sccm có hệ sô ma sát thấp nhất

(~0,52). Khi tăng lưu lượng khí N2 từ 6 sccm đến 8 sccm, hệ sô ma

sát trung bình của các màng phủ tăng từ 0,58 lên 0,73 và giá trị hệ sô

ma sát cao nhất (~0,89) tại lưu lượng khí N2 là 10 sccm.

b) Điều kiện ma sát ướt

Kết quả cho thấy hệ sô ma sát trong điều kiện dâu tăng từ

0,094 lên 0,143 khi lưu lượng N2 tăng từ 4 sccm lên 10 sccm. So

sánh với điều kiện ma sát khô, hệ sô ma sát trong điều kiện có dâu

bôi trơn giảm từ 5-6 lân.

c) Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hệ sô ma sát của màng

Khi mẫu được nung tại nhiệt độ 500oC, hệ sô ma sát của màng

tăng. Kết quả này có thể là do sự hình thành các ôxít nhôm trên bề

mặt của mẫu hoặc do sự thô hóa kích thước hạt của màng, trong khi

đó các pha Magnéli chưa được hình thành ở nhiệt độ này. Khi tăng

nhiệt độ nung lên 600oC và 700oC, hệ sô ma sát của màng giảm

xuông lân lượt là 0,45 và 0,38.

3.2.3.4. Ảnh hưởng đến độ bền bám dính của màng TiAlVN

16

Kết quả cho thấy độ bền bám dính của màng TiAlVN được

phún xạ tại lưu lượng khí N2 6 sccm có giá trị lực tới hạn cao nhất

24,4 N. Giá trị lực tới hạn thấp nhất tại lưu lượng khí 10 sccm là 18,3

N. Khi sử dụng lớp trung gian Cr hoặc Ti, độ bền bám dính của

màng tăng từ 1,5-2 lân.


dụng lớp trung gian Cr, Ti.

4sccm 6 sccm 8 sccm 10sccm

Lớp

trung

gian Cr

Lớp

trung

gian Ti

Lực tới

hạn (N) 22,1 24,4 19,9 18,3 41 47,2

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

TiAlVN

Bảng 3.9. Kết quả cơ tính của ba màng TiAlSiN, TiAlBN & TiAlVN

Độ

cứng

(GPa)

Modul

đàn

hồi

(GPa)

Hệ sô ma sát Độ bền bám

dính

Ma sát khô

Ma

sát

ướt

Không

có lớp

trung

gian

Sử

dụng

lớp

trung

gian

TiAlSiN 33,5 346 0,795 0,105 23,4 36,5

(Cr)

TiAlBN 41 396 0,52 0,075 19,1 42,4

(Cr)

TiAlVN 36,5 372

0,58 (chưa

nung);

0,45 tại

600oC) và

0,38 tại

700oC

0,112 24,4

41 (Ti);

47,2

(Cr)

17

CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐA LỚP TiAl-

X(Si,B)N/CrN

Màng phủ cứng đa lớp TiAl-X(Si,B)N/CrN trên đế Si và đế

hợp kim WC-Co được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron

một chiều sử dụng hai bia phún xạ Ti50Al40X10 (X: Si,B) và bia Cr.

Thông sô cơ bản của quá trình phún xạ bao gồm: công suất phún xạ

(300W), áp suất phún xạ (5 mtor), khoảng cách giữa đế và bia phún

xạ (50 mm) và lưu lượng khí Ar được giữ tại 36 sccm. Trong khi đó

lưu lượng khí N2 là 6 sccm với màng đa lớp TiAlSiN/CrN và 4 sccm

với màng TiAlBN/CrN. Thời gian phún xạ được thay đổi để khảo sát

chiều dày của các màng đơn như sau: TiAlSiN, TiAlBN: 10-15 phút

và CrN: 1-3 phút.

4.1. Mang đa lơp TiAlSiN/CrN

4.1.1. Cấu trúc của màng đa lớp TiAlSiN/CrN

4.1.1.1. Cấu trúc pha

Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng đa lớp TiAlSiN/CrN (a);

màng đơn lớp CrN (b); màng đơn lớp TiAlSiN (c).

Kết quả nhiễu xạ của màng đa lớp TiAlSiN/CrN (hình 4.1c) cho thấy

sự xuất hiện các đinh phổ của màng đa lớp là sự kết hợp của các

màng đơn lớp TiAlSiN và CrN. Tuy nhiên, vị trí của các đinh nhiễu

18

xạ bị xê dịch so với các đinh nhiễu xạ của TiN và CrN. Nguyên nhân

là do sự thay thế nguyên tử Cr vào vị trí của nguyên tử Ti với bán

kính nguyên tử khác nhau gây ra sự sai lệch thông sô mạng.

4.1.1.2. Cấu trúc tế vi

Hình 4.2. Hình thái học bề mặt và mặt cắt ngang của màng đa lớp

TiAlSiN/CrN :(a,d)- 2 lớp; (b-e)- 4 lớp; (c-f): 12 lớp.

Khi chiều dày của cặp lớp màng TiAlSiN-CrN giảm xuông,

kích thước hạt bề mặt tăng lên và ngược lại khi chiều dày của cặp lớp

màng tăng thì bề mặt của màng đa lớp TiAlSiN/CrN giảm xuông.

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

Kết quả độ cứng của màng đa lớp nằm trong khoảng từ 21

GPa đến 31,2 GPa. Giá trị độ cứng cực đại được xác định tại giá trị

chiều dày 245 nm (trong đó TiAlSiN-127 nm & CrN-118 nm). Khi

tăng chiều dày của cặp lớp màng lên, độ cứng của màng có xu hướng

giảm.

4.1.2.2. Ảnh hưởng của số lớp màng

19

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng cho thấy khi tăng sô lớp màng

từ 2 lên 12 lớp, độ cứng của màng tăng nhanh từ 18,3 GPa lên 31,4

GPa. Nếu tiếp tục tăng sô lớp màng lên, giá trị độ cứng của màng đa

lớp TiAlSiN/CrN không có sự thay đổi đáng kể nào.

4.1.3. Hệ số ma sát của màng đa lớpTiAlSiN/CrN

Giá trị hệ sô ma sát trung bình của đế hợp kim WC-Co là 0,74,

trong khi đó hệ sô ma sát trung bình của màng đơn lớp TiAlSiN và

CrN lân lượt là 0,81 và 0,66 và màng đa lớp TiAlSiN/CrN là 0.71.

4.1.4. Độ bền bám dính của màng đa lớpTiAlSiN/CrN

Quá trình chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrN có sử dụng lớp

trung gian, độ bền bám dính giữa màng và đế hợp kim được cải thiện

đáng kể. Khi lớp trung gian Cr không được sử dụng, lực tới hạn thu

được 26,3N, còn lớp trung gian Cr được sử dụng trong quá trình

phún xạ tạo màng thì giá trị lực tới hạn > 30N.

4.2. Mang đa lơp TiAlBN/CrN

4.2.1. Cấu trúc của màng đa lớp TiAlBN/CrN

4.2.1.1 Cấu trúc pha

Kết quả cho thấy trên phổ nhiễu xạ của màng đa lớp (hình

4.9c) xuất hiện các đinh nhiễu xạ là sự kết hợp các đinh nhiễu xạ của

màng đơn lớp

4.2.1.2. Cấu trúc tế vi của màng đa lớp

Kết quả cho thấy khi chiều dày của cặp lớp màng giảm xuông

từ (815 + 663 nm) đến (79 + 86 nm), kích thước hạt của màng đa lớp

cũng giảm xuông (hình 4.10 a-c). Nguyên nhân này được cho là

màng đơn lớp TiAlBN có cấu trúc hạt mịn hơn so với màng CrN, khi

chiều dày cặp lớp màng nhỏ thì bề mặt của màng đa lớp bị ảnh

hưởng bởi cả màng TiAlBN và CrN.

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

20

4.2.2.1. Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng

Kết quả cho thấy khi tăng chiều dày cặp lớp màng từ 165 nm

lên 232 nm, độ cứng của màng tăng nhanh từ 28,2 GPa lên 33,8 GPa.

Nếu tiếp tục tăng chiều dày của cặp lớp màng lên, độ cứng của màng

có xu hướng giảm, xu hướng này tương tự như trong chế tạo màng

đa lớp TiAlSiN/CrN.

4.2.2.2. Ảnh hưởng của số lớp màng

Kết quả cho thấy khi sô lớp màng tăng từ 2 lên 14 lớp, độ

cứng tăng từ 16.5 GPa lên 33.8 GPa. Nếu sô lớp màng tiếp tục được

tăng, độ cứng của màng phủ đa lớp TiAlBN/CrN gân như không thay

đổi.

4.2.3 Hệ số ma sát của màng đa lớpTiAlBN/CrN

Kết quả cho thấy giá trị hệ sô ma sát của màng đơn TiAlBN

thấp nhất (0.55), so sánh với hệ sô ma sát của các mẫu màng đa lớp

TiAlBN/CrN (0.59) và CrN (0.64) cũng như đế hợp kim WC-Co

(0.75).

4.2.4. Độ bền bám dính của màng đa lớp TiAlBN/CrN

Kết quả cho thấy với mẫu màng phủ chế tạo không sử dụng

lớp trung gian, bề mặt của màng có xu hướng bị bong tróc tại giá trị

lực tới hạn đạt 24.7 N. Khi lực tới hạn tiếp tục tăng lên, độ bong tróc

của màng cũng tăng theo. Với mẫu màng phủ sử dụng lớp trung gian,

không quan sát thấy hiện tượng bong tróc nào trên bề mặt của màng

tại lực tới hạn 30 N.

KẾT LUẬN CHUNG

1. Bằng việc tự chế tạo được bia phún xạ đa nguyên tô, đã chế tạo

thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tô TiAlXN (X:Si, B,

V) và đa lớp – đa nguyên tô TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp

kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ magnetron, bao gồm các

21

bước: (i) chế tạo bia phún xạ đa nguyên tô Ti50Al40X10 (X:Si, B, V)

bằng phương pháp luyện kim bột tiên tiến, (ii) chuẩn bị bề mặt mẫu

đế hợp kim WC-Co, (iii) phún xạ magnetron một chiều. Trong đó,

các thông sô cơ bản của quá trình phún xạ như sau:

- Công suất phún xạ: 300 W

- Áp suất phún xạ: 5 mtor

- Khoảng các giữa bia và đế: 50 mm

- Lưu lượng dòng khí Ar: 36 sccm

- Lưu lượng dòng khí N2: từ 2 đến 10 sccm

- Thời gian phún xạ: 30 phút

2. Đôi với màng phủ cứng đơn lớp, đã khảo sát ảnh hưởng của lưu

lượng dòng khí N2 đến các tính chất của 3 loại màng TiAlXN sử

dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V). Cụ thể, đã xác định được lưu

lượng dòng khí N2 tôi ưu là 6 sccm đôi với màng TiAlSiN và

TiAlVN, đôi với màng TiAlBN là 4sccm.

3. So sánh tính chất của màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN do luận án

chế tạo với sô liệu công bô trên thế giới, cho phép rút ra kết luận,

màng phủ đơn lớp TiAlBN chế tạo được có độ cứng cao và hệ sô ma

sát thấp hơn so với các công bô trên thế giới ở cùng phương pháp chế

tạo. Còn màng phủ đơn lớp TiAlSiN và TiAlVN chế tạo được có độ

cứng và hệ sô ma sát tương đương với các công bô trên thế giới có

cùng phương pháp chế tạo.

4. Màng TiAlVN đã qua xử lý nhiệt ở nhiệt độ lớn hơn 600oC có hệ

sô ma sát thấp hơn so với màng phủ cùng loại không qua xử lý nhiệt

do hình thành pha Magnéli có khả năng tự bôi trơn.

5. Khi sử dụng lớp trung gian Cr, độ bền bám dính của cả 3 loại

màng phủ đều tăng từ 1,5 đến 2 lân so với khi không sử dụng lớp

trung gian. Kết quả cho thấy độ bền bám dính của 3 loại màng khi sử

22

dụng lớp trung gian Cr hoặc Ti (trong chế tạo màng TiAlVN) đã đảm

bảo được độ bền bám dính giữa màng và đế (tới hạn lớn hơn 30 N).

6. Đôi với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN, đã

khảo sát ảnh hưởng của chiều dày cặp màng và sô cặp màng đến độ

cứng của màng đa lớp. Cụ thể, màng phủ đa lớp TiAlSiN/CrN có độ

cứng cao nhất tại giá trị chiều dày cặp màng là 245 nm (màng

TiAlSiN là 127 nm và màng CrN là 118 nm) và tổng sô cặp màng là

6 cặp (12 lớp). Còn đôi với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao nhất tại

giá trị chiều dày cặp màng là 232 nm và tổng sô cặp màng là 7 (14

lớp).

CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Thông qua việc tự chế tạo được bia phún xạ đa nguyên tô

Ti50Al40X10 (X:Si, B, V), đã chế tạo và nghiên cứu được đặc trưng

tính chất của màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp

TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp kim cứng WC-Co, bằng công

nghệ phún xạ magnetron một chiều. Màng phủ có tính chất tương

đương hoặc tôt hơn so với các công bô trên thế giới có cùng phương

pháp chế tạo.

- Đã khảo sát được ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí N2 đến cấu

trúc và tính chất của 3 loại màng đơn lớp TiAlXN(X:Si, B, V). Đặc

biệt, đã xác định được tỷ lệ lưu lượng dòng khí Ar : N2 tôi ưu trong

quá trình phún xạ đôi với màng phủ cứng đơn lớp TiAlSiN và

TiAlVN là 36 sccm : 6 sccm và đôi với màng TiAlBN là 36 sccm : 4

sccm.

- Đã xác định được giá trị tôi ưu của chiều dày cặp màng và sô cặp

màng để màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN có các

tính chất tôt nhất.

23

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

I. Tạp chí quôc tế

1. Van Duong Luong, Doan Dinh Phuong, Phan Ngoc Minh,

Kyoung Il Moon, Influence of Nitrogen Gas Flow on the

Hardness and the Tribological Properties of a TiAlBN Coating

Deposited by Using a Magnetron Sputtering Process, Journal of

the Korean Physical Society, 70(10) (2017) 929-933. (SCI-

IF:0.5).

2. Doan Dinh Phuong, Van Duong Luong, Phan Ngoc Minh, Hyun

Jun Park, Kyoung Il Moon, Microstructure, mechanical and

tribological behavior of the TiAlVN coatings, Acta Metallurgica

Slovaca, 24 (4) (2018), 266-272. (E-SCI)

II. Tạp chí trong nươc và hội nghị quôc tế

3. Van Duong Luong, Doan Dinh Phuong, Nguyen Quang Huan,

Do Thi Nhung, Phan Ngoc Minh, Kyoung Il Moon, Synthesis of

the TiAlVN coating deposited by magnetron sputtering using a

single target, Hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn

quốc lần thứ X, 2017 tại T.P. Huế (ISBN: 978-604-95-0326-9).

4. Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan, “Structure and

properties of the TiAlBN coatings” The 5th Asian Materials

Data Symposium, Oct 30th - Nov 02nd 2016, Hanoi, Vietnam,

(ISBN: 978-604-913-500-2).

5. Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan “Study on Fabrication of

Multilayer TiAlSiN/CrN Coating on WC-Co Substrate by DC

Magnetron Sputtering” The 13th Asian Foundry Congress (AFC

13), 2015 (ISBN: 978-604-938-550-6).

6. Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan, Kyoung Il Moon, Won

Beom Lee “Synthesis and characteristics of multilayer

24

TiAlSiN/CrN coatings” Proceedings of International Workshop

on Advanced Materials Science and Nanotechnology, IWAMSN

2014

7. Lương Văn Đương, Nguyễn Văn Luân, Trân Bảo Trung,

Nguyễn Văn An “Nghiên cứu công nghệ phủ màng siêu cứng đa

lớp TiAlSiN/CrN trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng phương

pháp phún xạ” Tuyển tập hội nghị khoa học thanh niên Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam lân thứ 13, 2014

(ISBN: 978-604-913-309-1).

bỘ giÁo dỤc vÀ ĐÀo tẠo vÀ cÔng nghỆ viỆt nam hỌc...

Documents