Bai Giang(Ky Thuat Be Mat).Doc

Kỹ thuật bề mặt
Phần 1:

SURFACE ENGINEERING

kỹ thuật bề mặt và lớp bề mặt
Chơng 1:
Kỹ thuật bề mặt
1.1. Khái niệm về kỹ thuật bề mặt
Thuật ngữ "Engineering" trớc đây hiểu là "kỹ năng" và hiện
nay là một ngành khoa học liên quan đến thiết kế hình dáng
hay tính chất của vật liệu và các quá trình tạo ra chúng"
Trong xà hội hiện đại khái niệm về "Enginering" bao hàm
kỹ năng thiết kế và sáng tạo tất cả các kiểu cấu trúc cho nhiều
chuyên ngành khác nhau.
Trong thế kỷ 20, "Enginering" bao hàm cả một số lĩnh vực
kiến thức của con ngời, đặc biệt là những lĩnh vực liên quan
đến nghiên cứu ứng dụng.
Từ những năm 1970, Kỹ thuật Vật liệu ra đời là ngành khoa
học nghiên cứu về cấu trúc của vật liệu cũng nh hoàn thiện và
tạo ra những vật liệu mới có các tính chất mong muốn và
"reproducible".
Kỹ thuật Vật liệu đà và đang phát triển, nghiên cứu cấu trúc
và thiết kế những vật liệu khác nhau bao gồm cả vật liệu
composites. Tuy nhiên Kỹ thuật Vật liệu không nghiên cứu
các vấn đề "enhancement and modification" các tính chất của
vật liệu ở bề mặt.
Có lẽ vì thế khái niệm "Kỹ thuật Bề mặt Surface
Engineering" đợc đa ra lần đầu tiên ở nớc Anh vào những năm
1970. Đầu tiên KTBM nghiên cứu Hàn và Phun nhiệt (Thermal
spraying) sau đó mở rộng đến công nghệ phun phủ nhiệt, phủ

bay hơi CVD và PVD, nhiệt luyện bề mặt bằng laze và điện tử,
thấm ion, hợp kim hoá bề mặt sử dụng plasma vv... nói chung
là sử dụng các công nghệ hiện đại tạo nên lớp bề mặt và
nghiên cứu các lớp này.
Vai trò của KTBM trong quá trình sản xuất mô tả nh sau:
Phôi liệu + Năng lợng (điện, nhiệt) = Sản phẩm
Sản phẩm + Kỹ thuật bề mặt = sản phẩm có chất lợng cao
1.2. Phạm vi nghiên cứu của kỹ thuật bề mặt
Ban đầu KTBM đợc hiểu đơn giản là công nghệ để tạo nên
các lớp bề mặt mà không quan tâm đến sự hình thành của các
lớp bề mặt trong quá trình vận hành, đến nghiên cứu, các tính
chất hay mô hình của chúng trong các ứng dụng cụ thể.
Từ những năm 1980, KTBM đợc định nghĩa là một ngành
khoa học nghiên cứu:
1


Các quá trình tạo nên các lớp bề mặt (lớp bề mặt
superficial hay lớp phủ) tạo ra cho cả mục đích công nghệ
và sử dụng;
Các hiện tợng có liên quan;
Khả năng làm việc của CTM đạt đợc nhờ "Modification"
các lớp bề mặt
KTBM bao hàm tất cả những vấn đề về kỹ thuật và khoa
học liên quan đến quá trình tạo ra các lớp bề mặt
(technological layers) hoặc lớp bề mặt hình thành trong quá
trình sử dụng (survice generated layers), trên hoặc dới của bề
mặt (superficial layers) hoặc trên nền (coatings) với các tính
chất khác hẳn với tính chất của vật liệu nền. KTBM cũng
nghiên cứu các hiện tợng liên quan, tiềm năng và các tính chất

có lợi của các lớp bề mặt cũng nh các vấn đề liên quan đến
thiết kế lớp bề mặt.
KTBM bao hàm một lĩnh vực nghiên cứu và hoạt động kỹ
thuật tổng hợp trong việc thiết kế, sản xuất, khảo sát, và sử
dụng các lớp bề mặt trên cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế với
các tính chất hơn hẳn nền nh chống ăn mòn, chống mỏi, chống
mòn, và trang trí.
KTBM sử dụng kiến thức của các lĩnh vực nh:
Khoa học cơ bản: Lý, Hoá, To¸n øng dơng
Khoa häc øng dơng:
- Khoa häc VËt liƯu, Kỹ thuật Vật liệu và đặc biệt là Kỹ thuật
nhiệt luyện;
- Thiết kế và sử dụng máy, đặc biệt là các kiến thức về sức
bền, mỏi, tribology, chống ăn mòn;
- Kü tht ®iƯn, ®iƯn tư, quang häc, nhiƯt ®éng lùc học, khoa
học về từ tính vv...
Đối tợng của KHVL và KTVL là các thành phần vật liệu
nền và các tính chất của bề mặt đợc hoàn thiện, enhanced và
điều khiển bởi KTBM. Các kiến thức về vật liệu nền là điều
kiện cơ bản để tạo lớp bề mặt trên nó.
Các tính chất của lớp bề mặt đợc đánh giá bằng các phơng
pháp sử dụng trong KTBM giống nh trong nghiên cứu và sử
dụng thiết bị nghiên cứu trong các lĩnh vực nh: Tribology,
chống ăn mòn, sức bền vật liệu vv...
Một số phơng pháp thiết kế các tính chất lớp bề mặt dựa trên
cơ sở của Toán, Sức bền vật liệu và Tribology.
1.3. Kỹ thuật bề mặt ngày nay và tơng lai
1.3.1. Mục tiêu và biện pháp của kỹ thuật bề mặt
áp dụng các biện pháp CNBM nhằm tăng khả năng cđa bỊ
2

mặt trong:
- Chống lại ôxy hóa và ăn mòn, bao gồm ăn mòn ở nhiệt
độ cao và ăn mòn trong các môi trờng có các chất ăn mòn khác
nhau;
- Chống lại các dạng mòn, và erosion;
- Tăng sức bền mỏi, tĩnh và động;
Tạo cho bề mặt làm việc các tính chất đặc biệt nh khả
năng dẫn điện.
Tạo điều kiện để thực hiện các biện pháp công nghệ bề
mặt tiếp theo.
Các biện pháp CNBM bao gồm:
1. áp dụng các hiện tợng điện, lý, hoá, nhiệt riêng rẽ hoặc
kết hợp để tạo nên các tính chất yêu cầu trên bề mặt của
vật liệu;
2. Sử dụng vật liệu, các hợp chất khác nhau để tạo cho lớp
bề mặt các tính chất khác với vật liệu nền nhờ phủ bề mặt
sử dụng các phơng pháp nh (imersion, spay, sputtering).
1.3.2. Tầm quan trọng của kỹ thuật bề mặt
Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bề mặt là do ngành kỹ
thuật này đáp ứng đợc những đòi hỏi của khoa học kỹ thuật,
hiện đại nh sử dụng năng lợng và vật liệu có hiệu quả, giảm ô
nhiễm môi trờng. Kỹ thuật bề mặt có thể:
- Tạo ra dụng cụ, chi tiết máy và toàn bộ máy móc từ vật liệu
có tính chất cơ, lý kém và rẻ với bề mặt làm việc đợc xử lý đáp
ứng đợc yêu cầu kỹ thuật.
- Làm tăng độ tin cậy của dụng cụ, chi tiết máy, và cả máy,
giảm háng hãc. NÕu thiÕt kÕ kÐm cã thĨ g©y ra 15% thời gian
dừng máy cho sửa chữa thì lựa chọn và tạo ra lớp bề mặt

không đúng có thể gây ra đến 85%.
- Giảm năng lợng tiêu phí do ma sát tại các đôi ma sát do tạo
nên các tính chất Tribology tốt hơn tại chỗ tiếp xúc. Thờng
năng lợng này chiếm khoảng 15%-20%, đặc biệt các máy dệt
có thể lên đến 85%.
- Giảm tần suất thay dụng cụ và chi tiết máy cũng nh kéo dài
thời gian làm việc sau bảo dỡng.
- Giảm từ 15%-35% mất mát do ăn mòn. Thiệt hại do ăn mòn
có thể đến 5% tổng sản phẩm quốc gia.
- Giảm năng lợng tiêu thụ cho máy móc trong công nghiệp do
thể tích vùng bề mặt xử lý nhỏ, thời gian xử lý ngắn.
- Giảm tối thiểu ô nhiễm môi trờng do sử dụng các thiết bị
công nghệ hiện đại có hiệu suất cao.
1.3.3. Kỹ thuật bề mặt ngày nay
3


Kỹ thuật bề mặt ngày nay là một ngành của Kỹ thuật và
Khoa học. Phối hợp các kỹ thuật tạo hình bề mặt với công
nghệ bề mặt để tạo nên các tính chất đặc biệt cho lớp bề mặt là
vấn đề không thể tách rời. Ngoài việc tạo ra các lớp bề mặt có
tính chất mong muốn, việc nghiên cứu tính năng trong sử dụng
cần đợc nhấn mạnh.
Vấn đề tạo ra các lớp bề mặt
Lớp bề mặt đợc tạo ra dới dạng composite. Lớp này sẽ tơng
tác với lý, hoá với cả nền và môi trờng. Khi xem xét khái niệm
về lớp bề mặt và phủ cần phân biệt:
1. Lớp bề mặt kỹ thuật đợc tạo ra nhờ các quá trình công
nghệ khác nhau với nguyên tắc phân thành 6 nhóm: cơ khí, cơ
nhiệt, hoá điện tử, lý - điện tử, vật lý và hoá học.

2. Lớp bề mặt tạo thành trong quá trình làm việc: đợc tạo ra
trong cả điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo có tính chất khác
hẳn với lớp bề mặt kỹ thuật. Có thể điều chỉnh điều kiện làm
việc để tạo ra lớp bề mặt có lợi.
3. Thiết kế lớp bề mặt phù hợp với yêu cầu làm việc của
CTM hiện còn kém phát triển. Việc thiết kế chỉ dừng lại ở việc
tạo ra những cấu trúc đà biết, nâng cao chất lợng nhờ các biện
pháp công nghệ tiên tiến nhất. Quá trình thiết kế lớp bề mặt
nhằm đạt đợc cấu trúc và tính chất yêu cầu của lớp bề mặt nằm
trong mối quan hệ với công nghệ và sử dụng sau này. Việc xây
dựng các mô hình toán học cho các quá trình thiết kế còn ở
giai đoạn đầu.
4. Nghiên cứu các lớp bề mặt liên quan đến các nghiên cứu
về cấu trúc và tính chất của chúng với các thông số khác nhau
của quá trình công nghệ chế tạo và sử dụng. Các kết quả sẽ tạo
nên một cơ sở dữ liệu cho quá trình thiết kế lớp bề mặt. Điều
này yêu cầu sử dụng những phơng pháp, thiết bị hiện đại nhất
để nghiên cứu có liên quan đến lý, hoá, tribology.
5. Sử dụng các lớp bề mặt liên quan đến hai vấn đề
Thử nghiệm khả năng làm việc trong các điều kiện khác
nhau. Việc thử nghiệm gặp nhiều khó khăn và chỉ thực hiện
sau từng khoảng thời gian làm việc và đòi hỏi các thiết bị hoá,
lý hiện đại mà hiện còn cha có đầy đủ.
Lớp bề mặt tạo thành trong quá trình làm việc do tơng tác
với với vật liệu đối tiếp, môi trờng khi làm việc dới các điều
kiện về áp xuất, nhiệt độ, vận tốc vv...có thể có lợi hoặc có hại
cho tuổi thọ của lớp bề mặt.
1.3.4. Kỹ thuật bề mặt trong tơng lai
Kỹ thuật bề mặt thuộc về nhóm công nghệ dựa trên những
4

ph¸t minh míi nhÊt. Híng ph¸t triĨn chđ u cđa KTBM là kết
hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ riêng rẽ thành một thể
thống nhất trong kỹ thuật bề mặt.
1.3.4.1. Hoàn thiện và kết hợp các phơng pháp công nghệ bề
mặt
Sử dụng:
- Các công nghệ cho phép tạo nên các lớp bề mặt xen kẽ trên
các nền khác nhau;
- Các kỹ thuật kép, bội ba và đa lớp để tạo nên các lớp bề mặt
hợp lý, có tuổi thọ cao (thermal spray + electrostatic painting).
Giảm năng lợng tiêu thụ của công nghệ tạo lớp bề mặt, sử
dụng nguồn năng lợng tập trung cao (lazer, electron, ion,
plasma).
Nâng cao hiệu quả của quá trình chuẩn bị bề mặt phủ.
Sử dụng công nghệ phù hợp với sinh thái và ít gây ô
nhiễm môi trờng.
Tập trung công nghệ bề mặt gần nơi sản xuất phôi liệu để
tiết kiệm vận chuyển và năng lợng.
Cơ khí hoá, tự động hoá và thậm chí rôbốt hoá các quá
trình công nghệ bề mặt.
ứng dụng tự động hoá, máy tính vào điều khiển cả quá
trình, dây chuyền.
Tăng cờng sử dụng lại (recycle) các chất thải.
1.3.4.2. Thiết kế các lớp bề mặt dựa trên mô hình toán học
Thiết kế các lớp bề mặt tạo cho chúng các tính chất mong
muốn để thực hiện tốt các chức năng làm việc cha phải là tất
cả. Các kết quả tối u đạt đợc khi sử dụng toán học liên hệ các
thông số của quá trình với các chỉ tiêu làm việc và thậm trí các

đặc trng bền của nền là quan trọng hơn.
- Phát triển các mô hình vật lý dựa trên dữ liệu thực nghiệm
cho sản phẩm bề mặt của các quá trình công nghệ riêng rẽ;
- Phát triển các mô hình toán học riêng cho các quá trình công
nghệ cụ thể nhằm kết hợp các thông số công nghệ và làm việc
đợc lựa chọn;
- Thiết kế những quan hệ toán học xác định giữa các thông số
lý, hoá của sản phẩm với các thông số làm việc yêu cầu của
các lớp bề mặt trong các điều kiện làm việc lựa chọn.
- Cố gắng đi đến một mô hình chung cho việc thiết kế các lớp
bề mặt.
- Tối u hoá thiết kế lớp bề mặt.
1.3.4.3. Micro và nano testing
Ngoài những phơng pháp sử dụng trong kỹ thuật vật liệu để
5


xác định các thông số cơ lý hoá phải kết hợp các phơng pháp
đặc biệt để xác định các tính chất lớp bề mặt đó là:
Các phơng pháp dùng trong tribology, sức bền vật liệu và ăn
mòn;
Các phơng pháp của kỹ thuật nano dùng để khảo sát cấu trúc
mạng tinh thể và nguyên tử và những phơng pháp dùng trong
thí nghiƯm vËt lý ë thang micro.
1.3.4.4. Sư dơng hỵp lý lớp bề mặt
Sử dụng hợp lý lớp bề mặt yêu cầu những kiến thức về đặc
tính của chúng khi tạo ra và khi sử dụng nhằm giảm năng lợng
tiêu thụ, giảm tối thiểu mòn và ăn mòn. Phối hợp làm việc tốt
với chi tiết đối tiếp tránh gây sự cố, giảm nhiệt, mòn của chi
tiết đối tiếp. Trớc khi nghiên cứu các phơng pháp công nghệ bề

mặt tiên tiến nhất tạo ra các lớp bề mặt, các đặc trng của lớp bề
mặt sẽ đợc đề cập đầu tiên.
Chơng 2:
lớp bề mặt và đặc tính
2.1. Khái niệm chung
Nói chung bề mặt là mặt phân cách giữa hai môi trờng khác
nhau. Bề mặt kim loại có thể đợc tạo thành bằng các phơng
pháp gia công khác nhau nên có cấu trúc và đặc tính khác
nhau.
Để xác định các đặc trng của bề mặt ta cần biết các mô hình
và định luật về kim loại nguyên chất - không có tơng tác với
các môi trờng khác, và sự khác nhau về sự sắp xếp các nguyên
tử, tác dụng của lực trên bề mặt so với bên trong. Sau đó
nghiên cứu sự thay đổi của lớp bề mặt do tác dụng của môi trờng để thiết lập khái niệm mô hình bề mặt thực.
Nhiều tÝnh chÊt khèi cđa vËt liƯu cã quan hƯ ®Õn bề mặt ở
mức độ khác nhau. Ví dụ, độ nhám bề mặt có thể ảnh hởng
khác nhau đến các đặc trng lý, công nghệ của vật thể. Trong
nhiều trờng hợp tác động của các hiện tợng bên ngoài truyền
qua bề mặt thực làm thay đổi cấu trúc và tính chất của của các
lớp dới bề mặt vì thế các lớp bề mặt này cần nghiên cứu. Thờng các tính chất lý, hoá của các lớp bề mặt là quan trọng tuy
nhiên các đặc trng cơ học nh độ cứng và phân bố ứng suất
trong các lớp này cũng quan cần quan tâm.
Các nghiên cứu lý thuyết về bề mặt không thuộc phạm vi
của chơng trình. ở đây ta chỉ quan tâm đến đặc trng của các
lớp bề mặt đợc tạo thành sau gia công.
2.2. Đặc trng của lớp bề mặt sau gia công bằng cắt
Sự tách ra một lớp bên ngoài của vật liệu phôi tạo nên sự
6

tiếp xúc trực tiếp giữa bề mặt "sạch" với môi trờng xung quanh
nh không khí hoặc dung dịch trơn nguội. Phản ứng giữa bề mặt
sạch này với các nguyên tố có hoạt tính trong không khí lập
tức xảy ra. Một lớp có chiều dày khoảng 2m bao gồm oxides,
sulfides, nitrides và các hợp chất khác đợc hình thành trên bề
mặt kim loại và dính vào nó. Lớp bề mặt này tiếp tục hấp thụ
các tạp chất từ không khí nh hơi ngng tụ, mỡ, bụi vv.. trên bề
mặt của nó.
Trong nhiều trờng hợp lớp bề mặt sau gia công cơ đợc tăng
bền bằng các biện pháp công nghệ khác nhau. Trong quá trình
làm việc cả chiều dày và tính chất của các lớp bề mặt này có
thể thay đổi do ôxy hoá, ma sát, ăn mòn và mỏi. Sau một thời
gian làm việc sự tiếp xúc của lớp bề mặt có thể bị thay thế bởi
các lớp bên trong do mòn.
Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào phơng pháp, chế độ cắt, vật
liệu gia công, dụng cụ, và điều kiện gia công. Ngoài chế độ
cắt, thông số hình học quan trọng ảnh hởng tới độ nhám là bán
kính mũi dao và lỡi dao.
Cấu trúc và chiều dày của của các lớp bề mặt phụ thuộc vào
các tính chất đàn hồi, dẻo của vật liệu cắt, chế độ cắt. Xem xét
quá trình tạo phoi dây có thể thấy các lớp bề mặt bị biến dạng
hai lần, trong vùng biến dạng thứ nhất và do tác dụng của lực
từ lỡi dao. Trong điều kiện gia công thông thờng, biến dạng
dẻo mạnh xảy ra trong các lớp bề mặt với chiều dày chỉ vài
micron. Sơ đồ cấu trúc bề mặt khi bào hợp kim 7075 T4 cho
thÊy.
- Líp thø nhÊt kho¶ng 0,2-0,6m gåm các hạt tinh thể nhỏ
mịn, đều cạnh hình thành do quá trình kết tinh lại và phục hồi
(recovery).
- Vùng biến dạng mạnh không có phục hồi mở rộng đến

chiều sâu từ 2m - 6m.
- Vùng các hạt biến dạng ít có chiều sâu tới 40m - 70m.
- Sâu hơn nữa là vật liệu không bị ảnh hởng bởi quá trình
cắt.
Biến dạng dẻo và trờng nhiệt độ xác định độ bền của các lớp
bề mặt cũng nh sự xuất hiện ứng xuất trong các lớp này. Có
thể giải thích hiện tợng này theo 3 giải thuyết:
Biến dạng dẻo không đều của các lớp bề mặt khi cắt gây ra
biến dạng dài và sau khi hồi phục biến dạng sinh ra ứng st
nÐn d;
Ngn gèc cã thĨ cđa øng st kÐo d cã thĨ do sù trun
øng st d kÐo tõ vïng biến dạng thứ nhất và đến sóng nén từ
7


lỡi cắt. Một số ngời cho rằng ảnh hởng chính đến ứng suất này
là từ biến dạng trên vùng biến dạng thứ hai.
Từ các tính toán ứng suất có thể thấy khi tải trọng nhiệt lớn
tác dụng lên chiều sâu lớn sẽ tạo nên ứng suất d kéo và khi tải
trọng cơ học lớn sẽ tạo nên ứng suất d nén. Giả thiết thứ 3 dựa
trên nguyên tắc của sự thay đổi mật độ và thể tích riêng trong
biến dạng dẻo.
Các xem xét tơng tự cũng đặt ra cho quá trình tăng bền bề
mặt. Tăng bền là kết quả của biến dạng dẻo và mức độ tăng
bền càng cao khi vật liệu phôi càng "dẻo". Vùng tăng bền đợc
đặc trng bởi độ cứng, giới hạn chảy, sức bền kéo cao hơn. Các
thông số gia công ảnh hởng tới mức độ tăng bền khác nhau,
trong đó chiều sâu cắt có ảnh hởng lớn nhất.
Các kết quả nghiên cứu đà thể hiện sự khác nhau về
"behaviour" của vật liệu khi gia công bằng cắt đặc biệt giá trị

của độ nhám và sự tăng bền. Một phát hiện quan trọng nữa là
ứng suất d với dấu và trị số khác nhau phụ thuộc vào điều kiện
và các thông số gia công. Khi tiện hoặc phay ứng suất d nến đợc tạo ra còn khi mµi lµ øng suÊt d kÐo Ýt nhÊt trong một lớp rất
mỏng bề mặt.
Sự tăng bền bề mặt, dấu và cờng độ của ứng suất d là rất
quan trọng khi chi tiết chịu tải thay đổi. ứng suất d nén có lợi
còn ứng suất d kéo có hại cho søc bỊn mái cđa chi tiÕt.
BỊ mỈt sau gia cong cơ không thể chỉ xem xét ở khía cạnh
hình học, sự thay đổi cấu trúc, các đặc tính nhất định và sự tồn
tại của ứng suất d là các yếu tố quan trọng cho quá trình sử
dụng sau này.
2.3. Các tÝnh chÊt sư dơng cđa líp bỊ mỈt
Líp bỊ mỈt luôn đợc tạo ra với mục đích rõ ràng để làm việc
trong những môi trờng bên ngoài nhất định trên cả khía cạnh
lý và hoá. Tuy nhiên lớp bề mặt có thể thoả mÃn một điều kiện
làm việc này nhng không với điều kiện khác. Chẳng hạn tính
chất chống ăn mòn của lớp bề mặt thờng có hại cho sức bền
mỏi. Tính chất thuộc tính của lớp bề mặt nên phù hợp với điều
kiện làm việc theo sơ đồ nh sau:
Các tính chất
thuộc tính của
lớp bề mặt

+

Lực (, v, T)
Điều kiện
bên ngoài
MT(a, l, r, e)

=

Tính chất làm
việc của lớp
bề mặt

Các tính chất sử dụng của lớp bề mặt gồm: độ bền,
tribology, chống ăn mòn, trang trí vv...
8


2.3.1. Các tính chất về độ bền
ảnh hởng lớn nhất của lớp bề mặt không phải đến độ bền
tĩnh mà là độ bền động lực đặc biệt trong điều kiện ứng suất
thay đổi chu kỳ gây ra hiện tợng mỏi.
2.3.1.1. Độ bền mỏi
ảnh hởng lớn nhất đến độ bền mỏi là độ nhám bề mặt.
Khi giảm độ nhám bề mặt R a tõ 2,5 xng 0,16 m, ®é bỊn
mái cã thể tăng lên tới vài chục %. Bề mặt càng ít nhám, bán
kính cong ở chỗ lõm các nhấp nhô càng lớn đều có tác dụng
tăng giới hạn mỏi. ảnh hởng của độ nhám bề mặt đến độ bền
mỏi đợc tÝnh th«ng qua hƯ sè tËp trung øng st .

R
 1 2 z
r

là hệ số tải trọng phụ thuộc vào tỷ số giữa sai lệch trung
bình độ nhám Sm từ chiều cao nhấp nhô Rz qua 10 đỉnh.
Giới hạn mỏi còn chịu ảnh hởng của hớng của cấu trúc bề

mặt tạo ra khi gia công cơ. Khi hớng cấu trúc vuông góc với
tải trọng, độ bền mỏi giảm 10-50% so với khi song song. ảnh
hởng này càng tăng khi độ nhám bề mặt tăng.
Các vết xớc, nứt, cháy mài, lỗ kim, thoát các bon cục bộ đều
giảm giới hạn mỏi đáng kể.
Biến cứng nguội lớp bề mặt có lợi cho độ bền mỏi.
Cỡ hạt và cấu trúc tế vi có ảnh hởng đến độ bền mỏi.
Thép hạt mịn có độ bền mỏi tốt hơn hạt lớn. Thép có thành
phần các bon cao và độ bền kéo có độ bền mỏi tốt hơn.
Hớng của hạt có ảnh hởng ®Õn ®é bỊn mái. Víi c¸c vËt thĨ
cã ®é nh¸m bề mặt thấp và tròn, độ bền mỏi có thể tăng đến
50% theo hớng song song với dòng hạt so với phơng vuông
góc.
Sự không liên tục về cấu trúc trong vật liệu lớp bề mặt đều
có tác dụng xấu đến ®é bỊn mái.
øng st d cã ¶nh hëng quan träng đến giới hạn mỏi.
2.3.2. Các tính chất tribology
2.3.2.1. Vai trò của bề mặt trong quá trình ma sát
Ma sát là một quá trình phức tạp, khó thể hiện trong một lý
thuyết đơn giản. Lực ma sát phụ thuộc vào tải trọng nén các bề
mặt ma sát với nhau, phụ thuộc vào kiểu ma sát, và hệ số ma
sát tất cả đều phụ thuộc vào kiểu các lớp bề mặt của đôi ma sát
(các tính chất thuộc tính của các lớp bề mặt), kiểu và tính chất
của nền dới các bề mặt tiếp xúc. Hơn nữa, lực ma sát còn phụ
thuộc vào vận tốc, nhiệt độ và thời gian của quá trình ma sát.
9


Bề mặt kim loại thờng đợc bao phủ bởi các lớp mỏng oxides
và các khí hấp thụ có ảnh hởng rất lớn đến hiện tợng dính và

ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc. Sự tồn tại của các lớp này là
nguyên nhân làm giảm đáng kể hệ số ma sát giữa kim loại với
kim loại so với trong chân sau khi nung nãng kim lo¹i (f = 11,5). TiÕp xóc trùc tiÕp kim lo¹i - kim lo¹i t¹o ra liên kết vững
chắc ở đỉnh nhấp nhô bằng các liên kết kim loại làm tăng hệ số
ma sát, mòn và có thể dẫn tới hiện tợng kẹt (seizure).
Hiện tợng tơng tự cũng đợc quan sát ở các vật liệu khác.
Kim cơng-kim cơng có hệ số ma sát tĩnh trong không khí f
=0,05 nhng trong chân không hệ số này đạt tíi 0,5. HƯ sè ma
s¸t thÊp cđa graphite víi vËt liệu khác không chỉ do cấu trúc
lớp của graphite mà còn do tác dụng của lớp hấp thụ bề mặt
gồm khí và hơi nớc. Độ ẩm của không khí có thể thay đổi hệ
số ma sát của graphite từ 0,06 tới 1.
Hệ số ma sát của vật liệu trên băng chỉ khoảng 0,3 ở áp xuất
và nhiệt độ chuyển biến pha băng - nớc. Nhng ở nhiệt độ -40C
hệ số ma sát thay đổi đến 0,7 -1,2.
2.3.2.2. ảnh hởng nhiệt của ma sát
Trong chuyển động tơng đối giữa hai bề mặt, một lợng lớn
nhiệt sinh ra làm tăng nhiệt độ thậm trí tải trọng và vận tốc trợt
tơng đối thấp.
Nhiệt do ma sát phân bố đều trên toàn vùng tiếp xúc nhng
lại tập trung ở các đỉnh nhấp nhô. ở đây nhiệt độ có thể đạt tới
nóng chảy gây ra sù thay ®ỉi cÊu tróc cơc bé, øng st d, tại
nên các mối hàn cục bộ có thể dẫn đến Seizure. Nhiệt bề mặt
phụ thuộc vào tải trọng, vận tốc trợt, hệ số dẫn nhiệt, và hệ ma
sát là một quá trình tự tăng tốc.
Hiện tợng phát nhiệt do ma sát có lợi cho việc tạo ra một bề
mặt có độ nhẵn cao nh trong quá trình đánh bóng sử dụng hạt
mài.
Để giảm ma sát giữa hai bề mặt, bôi trơn là một phơng pháp
đợc ứng dụng rộng rÃi trong kỹ thuật.

2.3.3. Các tính chất chống ăn mòn
Trong nhiều trờng hợp các lớp bề mặt phải có khả năng
chống lại ăn mòn trong các điều kiện khác nhau vì ăn mòn
thúc đẩy mòn và phá huỷ vì mỏi. Nói chung các lớp bề mặt
phải có khả năng chống lại ăn mòn hoá và điện hoá bao gồm
ăn mòn mỏi (kết hợp của môi trờng ăn mòn và ứng suất thay
đổi) ăn mòn ứng suất (kết hợp của môi trờng ăn mòn và ứng
suất tĩnh) và ăn mòn biên giới hạt (cộng thêm với tác dụng của
ứng suất tĩnh và thay ®æi).
10


Thành phần hoá học của lớp bề mặt có ảnh hởng quyết định
tới mức độ ăn mòn của thép. Các thành phần hợp kim nh sulfur
và phosphorus làm tăng, trong khi Cr, Ni, Mn, Cu, Mo, Al làm
chậm tốc độ ăn mòn ở khí quyển.
Độ nhám bề mặt có ảnh hởng quan trọng đến ăn mòn. Độ
nhám bề mặt càng thấp khả năng chống ăn mòn càng cao.
Cấu trúc của lớp bề mặt cũng ảnh hởng đến mức độ mòn do
ăn mòn. Martensite có khả năng chống lại ăn mòn do axit tốt
hơn ferite và pearlite. Cấu trúc armophous có khả năng chống
ăn mòn tốt.
Biến cứng nguội làm tăng ăn mòn. Với thép 5-10% biến
cứng là giá trị giới hạn ở giá trị này khả năng chống ăn mòn
giảm đáng kể.
Độ cứng không có ảnh hởng đến khả năng chống ăn mòn.
ứng suất trong lớp bề mặt kể cả ứng suất d có ảnh hởng tới
khả năng chống ăn mòn. ứng suất d nén không có hại thậm trí
còn cải thiện chút ít khả năng chống ăn mòn. Unứg suất d kéo
và ứng suất kéo do ngoại lực giảm đáng kể khả năng chống ăn

mòn. Ăn mòn do ứng suất làm cho kim loại bị nứt.
Tóm lại lớp bề mặt đóng vai trò kỹ thuật thống trị để tăng
tuổi thọ của các chi tiết máy, dụng cụ làm việc trong điều kiện
tải trọng ma sát, mỏi, thậm trí trong các môi trờng ăn mòn.
2.4. Các phơng pháp tạo thành lớp bề mặt công nghệ
Các phơng pháp tạo thành lớp bề mặt công nghệ có thể chia
thành 6 nhóm chính: Cơ, Cơ nhiệt, Nhiệt, Nhiệt hoá, Hoá điện
tử và hoá, Hoá điện tử và lý.
Nhóm phơng pháp cơ học
Sử dụng tác dụng cơ học tạo biến cứng lớp bề mặt ở nhiệt độ
môi trờng.
Lăn ép, phun bi, gia công bằng cắt thuộc nhóm này.
Nhóm phơng pháp cơ nhiệt
Sử dụng kết hợp tác dụng cơ nhiệt để tạo lớp bề mặt.
- Phun lên bề mặt.
-

11


12


Phần 2:

Một số biện pháp
công nghệ bề mặt tiên tiến

Chơng 3: Công nghệ mạ điện Composite
Vật liệu tăng bền composite hạt là kim loại hoặc hợp kim

chứa các hạt mịn, cứng, trung tính tạo nên các tính chất cơ học
cao hơn và cấu trúc ổn định hơn ở nhiệt độ cao hơn. Một vật
liệu composite chứa ít nhất hai thành phần và mỗi thành phần
sẽ mang tính chất của nó vào vật liệu tổng hợp.
Mạ điện composite có thể thực hiện trên các bề mặt phức
tạp bất kỳ mà không cần thiết bị đặc biệt. Thậm trí có thể sử
dụng các thiết bị mạ điện thông thờng. Chi tiết mạ có khả năng
làm việc ở nhiệt độ bình thờng và cao, chống mòn và ăn mòn
tốt hơn.
Mạ điện composite có các đặc điểm sau:
- Có thể mạ với chiều dày nằm trong miền dung sai kích
thớc;
- Độ bền liên kết của lớp mạ lớn hơn 700Mpa thậm trí khi
mạ trên thép Cr cao;
- Quá trình mạ không cần gia nhiệt;
- Chiều dày lớp mạ có thể đồng đều thậm trí trên các chi
tiết có hình dạng phức tạp bằng cách thiết kế anốt, đồ gá,
các thông số mạ điện thích hợp;
- Có thể mạ lớp mạ cứng trên nền kim loại mềm;
- Thành phần hạt kim loại cứng có thể thay đổi trong phạm
vi rộng nên có thể tạo nên các lớp mạ có đặc tính theo
yêu cầu;
- Có thể tự động hoá quá trình mạ.
Mạ điện composite có thể phân thành 5 nhóm:
- Particale-dispersed metal composites (PDMC)
- Fiber Reinforced metal composites (FRMC)
- Electroless metal composites
- Layerd and laminated composites
- Optical composites
3.1. Mạ điện composite kim loại dạng hạt (PDMC)

3.1.1. Kh¸i niƯm
13


Đây là một phơng pháp phủ bề mặt. Lớp mạ điện đợc tạo
thành vật liệu không tan dới dạng bột mịn đợc đa vào bể mạ và
sẽ tham gia vào lớp mạ. Trong quá trình mạ các hạt này phải lơ
lửng trong dung dịch nhờ khuấy trên nguyên tắc cơ, từ, không
khí vv... Chiều dày lớp mạ phụ thuộc vào kÝch thíc cđa h¹t
cøng, tÝnh chÊt cđa vËt liƯu h¹t và kim loại mạ.
Các kim loại có thể mạ cùng hạt cứng là: Co, Ag, Cr, Fe,
Pb, Ni, Zn, và các hợp kim của chúng.
Các hạt cứng bao gồm các «xides cña Al, Zn, Ti;
Carbides Ti, Ta, Si, W, Cr, Zr, B, Ni;
Nitrides cña B, Si;
Borides cña Ti, Zr, Ni;
Sulfides của Mo, W;
Graphide, Mica, PTFE, kim cơng.
Các thông số của quá trình mạ có thể điều khiển để tạo nên
một thể tích xác định của pha cứng. Để tăng thể tích của pha
này trong lớp mạ composite có thể:
1. Tăng thể tích của hạt cứng trong dung dịch
2. Tăng hiệu quả của dòng trong dung dịch
3. phủ lên bề mặt mạ các chất có hoạt tính cao với hạt cứng
4. Thêm các ion âm Ti, Rb hoặc Cs
Mạ điện composite kim loại dạng hạt có tác dụng:
- Tăng khả năng chống mòn, chống mòn do cào xớc, chống
chảy (creep) của kim loại hoặc hợp kim (Ni+SiC,
Pb+TiO2).
- Tăng khả năng chống ăn mòn (Ni+Al2O3).

- Tạo lớp mạ điện tự bôi trơn (MoS2 với Ni hoặc Cu).
- Tăng độ bền ở nhiệt độ cao (Ni+Al2O3).
- Tạo hợp kim có thể nhiệt luyện (Ni+ Bột Cr).
- Tạo lớp mạ sử dụng trong công nghiệp hạt nhân (Ni+Pu,
Ni+UO2).
Các hạt dẫn điện tham gia vào lớp mạ tốt hơn hạt không
dẫn điện, hạt to có tỷ lệ liên kết trực tiếp với nền cao hơn hạt
nhỏ.
Tính chất lý hoá của hạt là quan trọng nhất cùng với tính
chất của matrix kim loại. Các hạt cứng nhỏ mịn tăng khả năng
chống mòn. Các hạt mềm có lợi cho chống dính hoặc bôi trơn
khô. Thờng trong kỹ thuật, khoảng 30-40% thể tích lớp phủ là
hạt cứng nh alumina hoặc silicon carbide là cần thiết. Mạ điện
composite hạt nhằm tạo lớp bôi trơn hoặc chống mòn.
3.1.2. Mạ tạo lớp bôi trơn
14


Trong lớp mạ bôi trơn, pha thứ hai đợc chọn để tạo nên các
tính chất bôi trơn. Bôi trơn dạng thể rắn đợc dùng trong điều
kiện nhiệt độ cao hoặc áp xuất thấp khi các biện pháp bôi trơn
thông thờng không có hiệu quả. Bôi trơn thể rắn sử dụng cho
cả tiếp xúc lăn và trợt.
Để giảm ma sát và mòn, lớp màng bôi trơn thể rắn:
- Có sức bền cắt thấp
- Tạo nên liên kết tốt với nền khi chịu tải
- Phủ đồng đều trên nền và bề mặt sạch
- Không có tạp chất
- ổn khi làm việc
- Các hạt có kích thớc đồng đều

- Không bị lẫn sản phẩm của mòn
Matrix kim loại của màng bôi trơn phải có khả năng làm
việc tốt ở nhiệt độ cao hoặc áp xuất cao hơn so với các chất bôi
trơn thông thờng. Vật liệu của lớp mạ điện bôi trơn là
Graphide, Polytetrafluoroethylene (PTFE), MoS 2, WS2, Micagraphide fluoride vµ matrix kim loại thờng là Cu, Ni hoặc Zn.
Lớp mạ bôi trơn 25% MoS2 trên nền Ni có hệ số ma sát rất
thấp với vật liệu khác tới (0,05-0,18). Tuy nhiên khả năng chịu
tải của lớp màng mạ này trên nền mềm không cao nên chúng
chỉ thích hợp cho tải trọng nhỏ.
Màng bôi trơn ở thể rắn tạo lớp bôi trơn tinh khiết còn có
tác dụng chống ăn mòn.
Các kết quả thí nghiệm của lớp mạ bôi trơn composite sử
dụng matrix Cu và Ni cho thấy:
- Thêm 1% CF trong v/v 1% Cu hoặc Ni có tác dụng giảm
hệ số ma sát và mòn với bề mặt đối tiếp.
- Tác dụng giảm mòn đợc nâng lên khi nồng độ chất bôi
trơn rắn vợt quá một giới hạn nhất định trong bể mạ (3%
trong trờng hợp Cu-GF).
- Cu dùng làm matrix tốt hơn Ni trong cả khía cạnh tốc độ
mòn và khả năng chịu tải trong phạm vi rộng.
3.1.3. Mạ tăng khả năng chống mòn
Mạ composite với các hạt ceramics tăng cả độ cứng và khả
năng chống mòn do tính chất chống mòn của hạt cứng. Khi lớp
mạ chịu tải các hạt cứng sẽ chịu tải. Vì thế ngời ta cố gắng mạ
sử dơng Al2O3, TiO2, carbides Si, W, Cr, Ti, kim c¬ng trên nền
matrix của Ni, Cr, Co, Cu và Fe.
15


Việc lựa chọn kết hợp matrix kim loại và pha rắn có ý

nghĩa quan trọng để tăng khả năng chống mòn của bề mặt tiếp
xúc. Nhiều composite mạ đang đang đợc sử dụng trong thực tế
nh mạ composite Ni, composite Co, composite hợp kim thiếc,
composite chì, composite Cr vv...
3.1.4. Kết luận
Vật liệu composite là một hỗn hợp của hai hoặc nhiều pha
đồng nhất liên kết với nhau có tính chất đặc trng riêng hơn hẳn
từng pha riêng rẽ.
Chơng 4:
Phủ bay hơi hoá học
chemical vapour deposition - CVD
Kỹ thuật phủ lớp bảo vệ hiện đang đợc ứng dụng rộng rÃi
trong công nghiệp. Các chi tiết máy yêu cầu các đặc tính bề
mặt khác nhau nh khả năng chống ăn mòn, mòn, ôxy hoá. Có
nhiều phơng pháp công nghệ thảo mÃn yêu cầu này. Tuy nhiên
phơng pháp tạo lớp phủ từ thể khí sẽ đợc tập trung nghiên cứu
trong phần này.
Phủ bay hơi đợc chia thành hai nhóm chính là bay hơi hoá
học và bay hơi lý học (Physical Vapour Deposition). Trong
mỗi nhóm này có rất nhiều kỹ thuật phủ dựa trên nguyên tắc
dịch chuyển khối lợng từ một nguồn tới bề mặt cần phủ. Một
số kỹ thuật là sự kết hợp của những đặc tính của một vài kỹ
thuật khác cho tính vạn năng cao hơn trong cả quá trình phủ và
quá trình khai thác sử dụng sản phẩm.
4.1. Định nghĩa
CVD là một công nghệ trong đó một hỗn hợp khí tơng tác
với bề mặt của nền ở nhiệt độ tơng đối cao làm cho một vài
thành phần trong hỗn hợp khí bị phân tích và tạo thành một lớp
màng cứng của một kim loại hay một hợp chất trên bề mỈt
nỊn.

16


CVD yêu cầu một nguồn các khí dẫn, buồng phản ứng nâng
nhiệt và một hệ thống để xử lý khi thải. Các khí dẫn bao gồm
các khí trơ nh N vµ Ar, khÝ khư nh H vµ rÊt nhiỊu khÝ có hoạt
tính nh Methane, CO2, hơi nớc, ammonia vv... Một số khí dẫn
ở dới dạng dung dịch khí áp xuất cao nh TiCl4,SiCl4, CH3SiCl3.
Những chất này đợc nâng nhiệt tới nhiệt độ trung bình (dới
60C) và hơi đợc chuyển đến buồng phản ứng bằng cách cho
bọt khí mang (H hoặc Ar) đi qua dung dịch lỏng. Một số khí
dẫn đợc tạo thành bằng cách biến một kim loại rắn hay hợp
chất thành hơi nh AlCl3 tạo thành nhờ phản ứng của Al với Cl
hoặc HCl.
Hỗn hợp khí đợc đa tới một buồng phản ứng và nâng nhiệt
tới nhiệt độ yêu cầu. Với CVD thông thờng nhiệt độ phản ứng
có thể từ 900C -2000C phụ thuộc vào lớp phủ cần tạo thành.
Tuy nhiên khi sử dụng khi sử dụng chất dẫn kim loại hữu cơ
nhiệt độ có thể hạ đến 500C-850C (MTCVD). Do chất này bị
phân tích ở nhiệt độ tơng đối thấp. Nhiệt độ phản ứng có thể hạ
thấp hơn bằng cách tăng hoạt tính phản ứng của pha hơi. Kỹ
thuật này bao gồm PACVD, LCVD. Phản ứng hoá học của pha
khí đợc tăng lên bằng cách tạo ra plasma trong pha khí hoặc
chiếu chùm tia laze vào hỗn hợp khí.
Các khí phản ứng sau đó đợc đa vào các thiết bị xử lý để
trung hoà các chất có hoạt tính cao trong khí thải, tách chất
rắn, làm nguội khí trớc khi thải ra môi trờng.
4.2. Các phản ứng hoá học trong CVD
Sự tạo thành lớp phủ CVD xảy ra thông qua một hoặc nhiều

phản ứng hoá học sau đây:
- Phản ứng nhiệt phân
CH3SiCl3 SiC + 3HCl
- Phản ứng khử
WF6 + 3H2 W + 6HF
- Phản ứng ôxy hoá
SiH4 + O2 SiO2 + 2H2
- Phản ứng thuỷ phân
2AlCl3 + 3H2O Al2O3 + 6HCl
- Phản ứng ô xy ho¸ khư
TiCl4 + 2BCl3 + 5 H2  TiB2 + 10 HCl
Khi phđ CVD Carbide hc Nitride cã thĨ xảy ra sự kết hợp
giữa phản ứng nhiệt phân và khư vÝ dơ:
TiCl4 + CH4  TiC + 4 HCl
AlCl3 + NH3  AlN + 3HCl
17


Trong các ví dụ này, lớp phủ đợc tạo thành thông qua phản
ứng hoá học giữa các khí dẫn khác nhau (gọi là overlay
coatings). Lớp phủ có thể đợc tạo thành khi một đơn chất của
pha hơi tơng tác với bỊ mỈt cđa chi tiÕt phđ. VÝ dơ líp phđ
Nikel Aluminide đợc tạo thành nhờ phản ứng giữa AlCl3 và H
trong pha khí với nền Nikel, hoặc Mo 2C tạo thành trên hạt kim
cơng do tơng tác của Molybdenum với kim cơng. Ví dụ rõ
nhất của kiểu tạo thành lớp phủ này là thấm các bon, nitơ, các
bon nitơ ở thể khí cho thép.
Đặc trng của phủ CVD
Kỹ thuật phủ lớp phủ cứng thông qua phản ứng hoá học ở
thể khí giữa các hợp chất dẫn ở dạng khí tại nhiệt độ

trung bình tới cao;
Quá trình đợc tiến hành ở ¸p xt khÝ qun hc ¸p xt
thÊp;
Sư dơng Plasma hc Laze cho phép hạ thấp nhiệt độ phủ
do kích thích hoạt tính của các chất phản ứng;
CVD cho pháp tạo lớp phủ hỗn hợp (đa lớp);
Mật độ và độ tinh khiÕt cđa líp phđ cã thĨ ®iỊu khiĨn;
CVD cã thĨ tạo lớp phủ trên các chi tiết có hình dáng
phức tạp và trên các vật liệu đặc biệt;
Chiều dày lớp phủ có thể lớn do các dòng khí chuyển
động ở d¹ng líp;
CÊu tróc cđa líp phđ d¹ng h¹t trơ. Tuy nhiên cấu trúc
dạng hạt mịn đều cạnh có thể đạt đợc;
Điều khiển các phản ứng ở thể khí đặc biệt quan trọng
trong việc tạo nên các tính chất mong muốn cho lớp phủ;
Một dải rộng kim loại, hợp kim, hợp chất có thể tạo nên
lớp phủ hoặc chi tiết riêng biƯt.
4.3. VËt liƯu sư dơng trong phđ CVD
Kü tht CVD đợc sử dụng để phủ các kim loại có nhiệt độ
nóng chảy cao (Refractory). Chất dẫn để phủ kim loại và phần
lớn hợp chất là halides kim loại tơng ứng. Vì nhiệt độ phân
tích của các chất này thờng cao nên trong nhiều trờng hợp các
hợp chất hữu cơ kim loại đợc sử dụng nh metal
acetylacetonates, các hợp chất methyl hoặc ethyl hoặc metal
carbonyls cũng đợc sử dụng để phủ Cu, Pb, Fe, Co, Ni, Ru,
Rh, Ir, Pt vµ kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nh W, Mo.

18

Một ứng dụng rất quan trọng của CVD là tạo bột và sợi
(whiskers) vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao. Đây là tiềm
năng đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của composite. Sự
bổ xung các sợi có kích thớc rất nhỏ (đơn vị micron) vào
ceramics làm nâng cao đáng kể độ dai va đập của composite
này. Các sợi này có thể tạo ra nhờ phủ CVD ví dụ nh SiN4,
TiC. Các hợp chất phủ CVD ở dạng sợi nh Al2O3, TiC, TiN,
Cr3C2, SiC, Si3N4, ZrC, ZrN.
Do nhiƯt ®é của quá trình CVD cao (khoảng 800), cần phải
lựa chọn vật liệu nền cẩn thận. Phần lớn thép đều xảy ra hiện tởng chuyển biến pha rắn ở nhiệt độ này. Hơn nữa sự khác nhau
về hệ số dÃn nở nhiệt của thép và lớp phủ sẽ tạo nên ứng suất
tiếp tuyến taị biên giới của lớp phủ và nền ở nhiệt độ môi trờng
làm giảm liên kết với nền có thể gây ra bong hoặc nứt. Sự thay
chuyển đổi pha làm thay đổi cấu trúc và tính chất của thép. Tơng tác của bề mặt thép với các khí trong buồng phản ứng (H
và halides nh HCl tạo nên trong quá trình phủ) có thể tạo nên
các pha ở biên giới và làm dòn thép.
Các vật liệu nền thờng dùng là các kim loại có nhiệt độ
nóng chảy cao nh Mo, graphite, mullite và các ceramics khác.
Các vật liệu này không chịu tơng tác của các khí có hoạt tÝnh
trong ®iỊu kiƯn nhiƯt ®é cao. ThÐp cã thĨ dïng làm vật liệu
nền nhng nhiệt độ của quá trình phải nhỏ hơn 700C hoặc trên
bề mặt phải mạ một lớp bảo vệ nh Ni.
Phủ CVD đợc dùng rộng rÃi để phủ các hợp chất nh oxides,
carbides, nitrides, borides, and silicides. Các hợp chất khác nh
phosphides, sulfides, aluminides vv... cũng có thĨ phđ b»ng
CVD.
4.4. øng dơng cđa phđ CVD
Phđ b»ng CVD đợc ứng dụng rộng rÃi ở những nơi yêu cầu
chống mòn, chống ôxy hoá, chóng ăn mòn, yêu cầu cao về
điện, quang, và tribology. Các đặc tính của lớp phủ sẽ thay đổi

nhờ điều chỉnh các thông số quá trình và thiết bị. Tính tinh
khiết của lớp phủ đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng điện
và quang. Trong trờng hợp này phải sử dụng các khí có độ tinh
khiết cao và trong môi trờng chân không cao (10-5-10-8 torr).
Trái lại, phủ CVD dùng trong các ứng dụng chống mòn hoặc
tribology sự không tinh khiết không cần đặt ra. Các tạp chất
điển hình bao gồm O, Cl, H và các halides trong khí lò. Các
tạp chất kim loại nh Fe, Cr, Ni, C tõ chÊt dÉn vµ Al, Si, Ca, Mg
vv... từ vật liệu cách nhiệt.
Phủ CVD để chống mòn
19


Vật liệu phủ điển hình để chống mòn là borides, carbides,
nitrides và oxides refractory. Các hợp chất có thể phân loại
theo liên kết nh kim loại, cộng hoá trị, ion.
Ngoài tÝnh chÊt cđa líp phđ tÝnh chÊt cđa nỊn vµ interface
là rất quan trọng. Các tính chất này bao gồm dÝnh kÕt cđa líp
phđ víi nỊn, sù khuch t¸n, sù khác nhau về các tính chất
nhiệt tại interface, độ cứng, độ bền, độ dẻo của nền. Độ dai va
đập của lớp phủ và cũng nh sự kết hợp của lớp phủ và nền là
tính chất quan trọng nhất trong các ứng dụng chống mòn và va
đập. Cỡ hạt, cấu trúc stoichiometry, sù ®ång ®Ịu cđa líp phđ
cịng rÊt quan träng vì chúng ảnh hởng tới wear behaviour.
Lớp phủ chống mòn đợc sử dụng chủ yếu cho dụng cụ cắt
kim loại. C¸c tÝnh chÊt quan träng cđa líp phđ bao gåm độ
cứng, tính trơ hoá học, chống mòn, hệ số ma sát với VLGC
thấp, hệ số dẫn nhiệt hợp lý, và tính ổn định nhiệt. Các vật liệu
phủ đáp ứng yêu cầu này gồm: TiC, TiN, Al 2O3 và sự kết hợp
giữa chúng. Ngoài ra TaC, HfN và TiB2 cũng đợc sử dụng.

Tiêu chuẩn lựa chọn cho dụng cụ cắt phủ
Tiêu chuẩn
Vật liệu phủ tối u
ổn định ở nhiệt độ cao
Al2O3
Tính trơ hoá học cao
TiN
Chống mòn mặt trớc
TiC
Độ cứng bảo vệ lỡi cắt
TiC
TiN
Al2O3
Chống cào xớc Mòn mặt
Al2O3
sau
TiC
TiN
Hệ số ma sát thấp
TiN
Độ hạt
TiC
Al2O3
Khi phủ CVD các vật liệu trên lên nền carbide vonfram,
hiện tợng Cô ban và Các bon di chuyển ra interface và tơng tác
với môi trờng trong lò và các khí dẫn có thể tạo nên một
carbide dòn Co6W6C gọi là pha eta. Pha này làm giảm liên kết
của lớp phủ với nền và dễ gây ra mẻ lỡi cắt. Vì thế điều khiển
môi trờng của lò phủ là rất quan trọng. Phủ CVD nhiều lớp có
thể tăng tuổi bền và khả năng làm việc của dụng cụ khi cắt

thép và gang.
Phủ CVD lên vật liệu ceramics làm tăng khả năng làm việc
của dụng cụ đáng kể.
20