Báo cáo lớp phủ DLC cho dụng cụ cắt

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
MÔN: CÔNG NGHỆ NANO

BÁO CÁO
LỚP PHỦ DLC CHO DỤNG CỤ CẮT

Thực hiện: Nhóm 2, thứ 3 tiết 10_11
Giảng viên hướng dẫn:

PGS TS. Phạm Huy Tuấn

TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2023

1


Nhóm 2: (Lớp thứ 3_tiết 10_11)

STT
1
2
3

Họ và Tên

MSSV

Nhận xét của giáo viên
………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Ngày….tháng…..năm 2020

2


Mục Lục
I.

Đặt vấn đề

II.

Tìm hiểu chung về các cơng nghệ phủ cho dụng cụ cắt, phạm vi ứng
dụng cho từng loại cơng nghệ
II.1

Phủ vật lý PVD (Physical Vapor Deposition)................6

II.2

Phủ hóa học CVD (Chemical Vapor Deposition)..........8

2.3

Phủ hơi PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor

Depostion).................................................................................10
III.

Nguyên lý phủ của công nghệ DLC coating
III.1 Ứng dụng của dụng cụ cắt có lớp phủ cứng.................12
III.2 Một số lớp phủ dụng cụ cắt thông dụng.......................12
III.3 Công nghệ phủ DLC.......................................................16
III.4 Nguyên lý phủ của công nghệ DLC...............................17
III.4.1Các dạng phủ DLC hiện nay............................17
III.4.2

IV.

Phương pháp tạo ra lớp phủ DLC...................18

Những ưu/khuyết điểm của lớp phủ DLC
IV.1 Ưu điểm...........................................................................19
IV.2 Khuyết điểm....................................................................21

V.

Những ứng dụng khác của công nghệ phủ DLC............................25

3

I. Đặt vấn đề
Kể từ khi đất nước chuyển sang kinh tế thị trường, sản xuất công nghiệp
cũng như các cơng trình xây dựng khác của chúng ta đã ghi nhận có tốc độ phát
triển nhanh. Trên quan điểm vì sự phát triển bền vững kinh tế của đất nước,
chúng ta cần phải sử dụng những nguyên vật liệu nhập khẩu và nguyên vật liệu
trong nước sản xuất cho phù hợp và thích ứng với các yêu cầu riêng của mình. Bên
cạnh đó cần tìm các giải pháp cơng nghệ xử lý bề mặt để nâng cao tính năng sử
dụng của vật liệu. Có rất nhiều biện pháp cơng nghệ.
Một trong những biện pháp hữu hiệu đó là sử dụng công nghệ phun phủ kim
loại nhằm để các chi tiết chịu nhiệt cao và chống ăn mòn, mài mòn, phục hồi các chi
tiết máy bị mòn. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm sự
phát sinh nhiệt trong q trình gia cơng, do đó làm chậm q trình phá hủy lưỡi cắt.
Cịn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính
của vật liệu cho phép q trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn.
Khởi đầu từ năm 1985, nghiên cứu về lớp phủ cứng trong phịng thí nghiệm
bắt đầu được các hãng sản xuất dụng cụ cắt chú ý. Vào đầu những năm 90 các kết quả
được triển khai sang các hãng sản xuất thiết bị tạo lớp phủ trong chân không là môi
trường lý tưởng để thực hiện các phản ứng và liên kết của lớp phủ mà không bị lẫn
tạp chất.
Các nước công nghiệp như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Thụy Điển, Nga, cho rằng công
nghệ tạo lớp phủ cứng là một trong những công nghệ ưu tiên và hiệu quả kinh tế cao
cho nên đầu tư lớn vào công nghệ này.
Châu á các nước như Úc, Đài loan, Trung Quốc triển khai công nghệ phủ cứng
rất mạnh mẽ.
Trong thời gian gần đây, lớp phủ cứng đã được quan tâm nghiên cứu ở một số
cơ sở nghiên cứu trong nước như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện ứng dụng công
nghệ (Trung tâm Quang điện tử, Bộ KH và CN), Đại học khoa học tự nhiên (Đại học
quốc gia TPHCM)…
Trong thời kỳ đương đại, việc sử dụng lớp phủ DLC đã trở nên phổ biến và
được công nhận trong không gian thương mại. Do các đặc tính về độ cứng, khả năng

chống ma sát, chống mài mòn và ăn mòn vượt trội, lớp phủ DLC nổi lên như một giải
pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng như ứng dụng cống hóa và nhiều ứng dụng khác.
Ứng dụng này là hiển nhiên, đặc biệt là khi các bộ phận chịu ma sát cực lớn, mài mòn,
tiếp xúc với các bộ phận khác và tải cao. Do đó, lớp phủ DLC có thể giúp ngăn các
thành phần không bị vênh, co, rỗ và hỏng khi hoạt động.
4


II.

Tìm hiểu chung về các cơng nghệ phủ cho dụng cụ cắt,
phạm vi ứng dụng cho từng loại công nghệ
Cuối thập niên 60 của thế kỷ trước, các nhà chế tạo đã giới thiệu dụng cụ cắt

với các loại lớp phủ rất mỏng từ cacbit thiêu kết. Những lớp phủ cacbit titan vi
dy rt nh (1ữ5àm) lm thay i mạnh mẽ đặc tính của dụng cụ cắt, đặc biệt là về
tuổi bền và tốc độ cắt .
Các loại lớp phủ cứng trước hết nâng cao tính chống mịn, giảm lực cắt và nhiệt
cắt trên lưỡi cắt và vì thế ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng và động thái rạn nứt của
dao.
Phun phủ là phương pháp tạo ra trên bề mặt dụng cụ cắt có vật liệu nền là
cacbit hoặc thép gió một hoặc nhiều lớp chức năng có giá trị sử dụng cao nhằm nâng
cao khả năng chống mịn (ăn mịn hóa học và mài mịn), cải thiện tính chất ma sát,
điều chỉnh các tính chất vật lý cũng như hóa học đặc biệt . Trong cơng nghệ phủ cứng
được phân chia làm phủ vật lý PVD và phủ hóa học CVD. Có thể thấy, các lớp phủ
cứng lắng đọng bằng phương pháp PVD có vai trị đặc biệt quan trọng trong việc nâng
cao cơ tính của các dụng cụ cắt gọt.
Hiện nay, trình độ cơng nghệ lắng đọng các lớp phủ cứng ở các nước trên thế
giới đã đạt đến mức rất cao và có thể coi gần như hồn hảo, nó đã được phát triển
thành một nhánh công nghiệp riêng là công nghiệp sản xuất dụng cụ cắt gọt, góp

phần rất đáng kể vào sự phát triển cơng nghệ gia cơng cơ khí trên thế giới . Điển hình
là các tập đồn sản xuất dụng cụ cắt gọt kim loại, dụng cụ khai thác mỏ,... như tập
đoàn Sandvik - Coromant của Thụy Điển , tập đoàn Sumitomo của Nhật Bản ,… Tuy
nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có một cơ sở nghiên cứu và sản xuất nào thực hiện một
cách hệ thống để có thể làm chủ công nghệ phủ cứng và ứng dụng chúng một cách
hữu hiệu.

2.1

Phủ vật lý PVD ( Physical Vapor Deposition )

PVD là từ viết tắt của Physical Vapor Deposition – Bốc hơi lắng đọng Vật lý.
PVD là công nghệ làm bay hơi vật liệu sau đó lắng đọng vật liệu thành một lớp màng
5


siêu mỏng, đồng nhất, tinh khiết bên trên bề mặt sản phẩm mong muốn. Nói chung,
lớp phủ bao gồm kim loại hoặc ceramic gốc nitride, carbide hoặc oxit. Quá trình bay
hơi trong một hệ PVD có thể diễn ra theo nhiều cách. Hầu hết các công nghệ PVD
được thực hiện trong điều kiện chân không với thông số điều chỉnh chính xác.
Cơng nghệ PVD cho sự tùy biến, bề dày lớp phủ có thể thay đổi từ vài lớp
nguyên tử cho đến 10 micron. Vì khả năng tạo nên được nhiều loại vật liệu màng
mỏng với độ dày khác nhau, cơng nghệ PVD có thể tối ưu các thơng số để tạo ra lớp
phủ ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, bảo vệ cơ học, quang học, trang trí.
Trong PVD, mẫu không nhất thiết phải là kim loại hay vật liệu dẫn điện mà có
thể là vật liệu cách điện, nhựa dẻo và ceramic. Khả năng tổng hợp lớp phủ ở nhiệt độ
thấp cho phép PVD mở rộng phạm vi ứng dụng đáng kể. Một số ví dụ về sản phẩm
lớp phủ PVD là tấm pin mặt trời, màng nhôm trên tấm nhựa PET bao bì thực phẩm,
Titanium nitride phủ trên mũi khoan.
Một ưu điểm khác của PVD là sự thân thiện môi trường trái ngược với các

phương pháp xử lý hóa học. PVD sạch và khơ, khơng sử dụng các nguyên liệu độc hại
và cũng không sản sinh ra các sản phẩm độc hại cho mơi trường khơng khí và nước
nên các ứng dụng PVD đang ngày càng phổ biến trong cơng nghiệp để thay thế các
phương pháp hóa học truyền thống
*Q trình PVD diễn biến theo các bước:
• Bốc hơi kim loại – evaporation ( kim loại điện cực- Target ):đây là bước
mà kim loại chuyển từ thể rắn ( solid phase ) sang thể hơi ( vapor phase)
.
Ở giai đoạn này các nguyên tử kim loại điện cực – (target )
Titannium (Ti), Zirconium(Zr) , chrome(Cr)… tách rời khỏi điện cực do sự
hội tụ năng lượng nguồn tại điểm catot (cathode -spot), điểm catot di
chuyển trên bề mặt catot làm cho nó phá vỡ liên kết tinh thể ,tan chảy
và bốc hơi, những nguyên tử kim loại Ti,Zr, Cr…. va chạm với các điện
tử và các ion khác hiện hữu trong môi trường plasma để trở thành
những
ion Ti+, Zr+, Cr+… và Ti++,Zr++,Cr++…
• Vận chuyển ( transportation) :là quá trình các ion Ti+, Zr+, Cr+… và Ti+ +, Zr+
+
,Cr++… dưới tác dụng của điện trường di chuyển thẳng tiến tới sản
phẩm cần mạ (substrat).
• Phản ứng (Reaction) : là quá trình các ion kim loại điện cực Ti+,Zr+, Cr+
6


… và Ti++, Zr++,Cr++… vận chuyển kết hợp với các ion của khí ,hỗn hợp khí
tạo ra màu sắc lớp phủ. Tương ứng với các phản ứng tạo ra các hợp chất
khác nhau cho ra các màu sắc khác nhau trong q trình mạ PVD.
• Lắng đọng (deposition) : là q trình lắng đọng các hợp chất kim loại –
khí (TiN, TiCN, ZrN, CrN,CrC…) để tạo ra lớp phủ trên bề mặt sản phẩm.
Như vậy tóm tắt lại: thì q trình PVD (physical- vapor- deposition)

được diễn ra qua 4 giai đoạn : bốc hơi –vận chuyển –phản ứng và lắng
đọng, Q trình này diễn ra trong mơi trường chân khơng , plasma , các
phản ứng diễn tiến theo chu kỳ nhất định , mang đậm các tính chất vật lý ,
Nên được gọi là bốc hơi – lắng đọng vật lý hay là quá trinh PVD

2.2

Phủ hóa học CVD (Chemical Vapor deposition)

CVD = Chemical Vapor deposition – phủ lắng đọng hơi hóa học Phương
pháp bay hơi lắng đọng hóa học (CVD) là tạo ra một lớp màng mỏng nhờ liên
kết dưới dạng khuếch tán, là kết quả của phản ứng giữa các pha khí với bề mặt
được nung nóng.
Sản phẩm cuối cùng được tạo ra là một lớp màng phủ cứng và chịu mài
mịn có liên kết rất mạnh với vật liệu nền. CVD nhiều khi cúng được gọi là
phương pháp phủ nóng, bởi các q trình được thực hiện ở nhiệt độ >900.

7


Khí precursor đưa được dịng đối lưu vận chuyển, gặp môi trường nhiệt
độ cao hay plasma sẽ xảy ra hiện tượng va chạm giữa các electron với ion hay
electron với notron cũng có thể là electron va chạm với electron để tạo ra gốc
tự do. Sau đó, các phân tử gốc tự do khuếch tán xuống đế, gặp môi trường
nhiệt độ cao tại đế sẽ xảy ra các phản ứng tạo màng tại bề mặt đế. Sản phẩm
phụ sinh ra sau khi phản ứng sau đó sẽ khuếch tán ngược vào dịng chất lưu,
dịng chất lưu đưa khí precursor dư, sản phẩm phụ, khí độc ra khỏi buồng.
Ta có thể mơ tả q trình CVD bằng phương trình:
precursor( khí bay hơi)

t,plasma

màng( rắn) + sản phẩm phụ

Trong CVD xảy ra phản ứng pha khí ở gần hoặc trên bề mặt đế được
nung nóng: các chất ở thể khí tạo thành vật liệu rắn cộng với sản phẩm ở thể
khí.

Q trình CVD diễn tiến theo các bước:
1. Khuếch tán của chất phản ứng tới bề mặt đế
2 .Sự hấp phụ của chất phản ứng vào bề mặt đế
3 .Xảy ra các phản ứng hóa học
8


4 .Giải hấp của các sản phẩm khí sau khi phản ứng
5 .Khuếch tán các sản phẩm phụ ra bên ngoài

2.3 Phủ hơi PACVD (plasma Assisted chemical Depostion)
PACVD là dạng viết tắt của Plasma Assisted Chemical Deposition. Phương
pháp lắng đọng này được sử dụng rộng rãi để lắng đọng các lớp phủ Carbon
giống kim cương. Quá trình này dựa trên chân khơng và tất cả các sản phẩm
của q trình PACVD xảy ra ở trạng thái khí.
Ngược lại với PVD, q trình lắng đọng ở dạng khí làm cho nó phù hợp để phủ
3D mà không cần quay. Lớp phủ PACVD chứa khoảng 70% liên kết sp3 và là
chất vô định hình. Liên kết sp3 chiếm đặc tính độ cứng cực cao (10-40GPa) của
lớp phủ. Ở nhiệt độ dưới 200 ℃, PACVD có thể tạo lớp phủ cho nhiều loại vật , PACVD có thể tạo lớp phủ cho nhiều loại vật
liệu nền khơng dẫn điện và dẫn điện.
PACVD có khá nhiều ưu điểm, bao gồm:
• Khơng cần xử lý sau phủ

• Có thể lắng đọng trên nhiều loại chất nền
• Khơng xảy ra hiện tượng biến dạng trong chất nền có độ chính xác cao
• Sử dụng quy trình khí cho phép lớp phủ đồng nhất

9


III. Nguyên lý phủ của công nghệ DLC coating
3.1

Ứng dụng của dụng cụ cắt có lớp phủ cứng
Giảm hiệu ứng kết dính giữa vật liệu của dụng cụ cắt và vật liệu gia cơng. Cải

thiện khả năng chống mài mịn của dụng cụ cắt nhờ độ cứng cao của lớp phủ. Nâng
cao khả năng chống lại q trình ơ xy hóa nhiệt tại bề mặt dụng cụ cắt. Giảm ma sát
giữa bề mặt dụng cụ cắt và vật liệu gia cơng, phoi cắt được thốt dễ dàng hơn giúp
giảm tải nhiệt lớn cho lưỡi cắt của dụng cụ.
Tuổi thọ của mũi khoan tăng lên nhiều lần tùy thuộc vào loại vật liệu được gia
công: 4 lần đối với thép tăng cứng bề mặt, thép dụng cụ, 5 lần đối với gang đúc, 9 lần
đối với thép không rỉ.
Tuổi thọ mũi tarô tăng lên trên 2 lần đối với các vật liệu như thép khơng rỉ, thép
cácbon, gang xám, thậm chí tăng lên 45 lần đối với thép kết cấu

10


3.2

Một số lớp phủ dụng cụ cắt thông dụng
Lớp phủ thực chất là một loại lớp tráng, lớp dát kim loại mỏng lên bề mặt lưỡi

dao. Loại kim loại được dát lên có độ bám chắc chắn với chất liệu dao và cũng có
những màu sắc đặc trưng khác nhau đi kèm với công dụng khác nhau.
Phủ TiN (Titanium nitride): cho các ứng dụng phổ thông phù hợp với các ứng
dụng:
– Cắt thép với các vật liệu < 45HRC
– Đột dập và tạo hình (khi làm các chất liệu có độ cứng thấp)
Phủ TiCN (Titanium carbon nitride): Chống mài mòn trong những điều kiện gia
công thô Lớp phủ TiCN được phân loại bởi tính bền cao và độ cứng cực độ. Các dụng
cụ được phủ đều mang tính bền mịn vượt trội. Hệ số ma sát thấp bảo vệ chống lại sự
hàn nguội. TiCN không được đề xuất cho những ứng dụng ở nhiệt độ cao do nhiệt độ
vận hành cực đại tương đối thấp. Việc gia công ren và một số ứng dụng trong phay là
sự phù hợp nhất. Phù hợp với các ứng dụng:
– Phay (có dung dịch làm mát, tốc độ cắt trung bình) – Taro cắt ren, ép ren. – Đột, đục
lỗ với tính cơ học cao. – Tạo hình với hợp kim săt và thép mangan – Khn thổi
nhựa
(dung dịch tan chảy có chất mài mòn hoặc hàm lượng sợi thuỷ tinh cao)
: Chống nhiệt và sự mài mịn Mối quan hệ tối ưu hóa giữa ứng suất nén và độ
cứng của lớp phủ Titanium aluminum nitride TiAIN làm tăng tính ổn định lưỡi cắt của
dụng cụ gia cơng cắt gọt. Sự chống ăn mịn hóa chất và cách nhiệt cho phép cắt khơ
và cải thiện về độ bền uốn. Độ rắn cao của lớp phủ đơn này mang đến sự bảo vệ vượt
trội chống lại sự mài mòn và sự ăn mòn. Phù hợp với các ứng dụng: – Những dụng cụ
hợp kim cứng và thép gió làm việc ở nhiệt độ cao (Khoan, tiện, cắt khô, gia công tốc
độ cao). – Khuôn phun ép nhựa (khn với bề mặt có kết cấu, sự gia cơng kim loại
nóng chảy với cốt sợi thủy tinh). – Các chi tiết động cơ đốt cháy.
Phủ Super-A™ : tối ưu hóa cho gia cơng tốc độ cao và vật liệu cứng Độ cứng,
khả năng chống oxy hóa và sự ổn định nhiệt của lớp phủ Super-A là tối ưu hóa cho
11

các ứng dụng trong gia cơng cơ khí tốc độ cao và vật liệu cứng. Thậm chí khi làm với
những chất liệu cứng và độ bền cao, lớp phủ mang đến sự bảo vệ chống lại sự dính và
mài mịn trên nhiều dải tốc độ cắt. Đặc tính ma sát thấp làm giảm lực cắt hiệu quả.
Phù hợp với các ứng dụng:
– Gia cơng vật liệu khó (hợp kim titan, inconel)
– Độ cứng gia công > 52 HRC – Gia cơng tốc độ cao– Dao phay ngón hợp kim cứng.
Phủ Nano-A™: Lớp phủ vi mô chịu nhiệt và chống ăn mịn Lớp phủ PVD mới
nhất của Guhring là Nano-A. Nó là lớp phủ đa lớp kết hợp TiAIN và AITiN trong cấu
trúc một lớp vi mơ mang tính chống ăn mịn và cứng hơn. Do đó lớp phủ TiAIN có
nhiệt độ oxy hóa xấp xỉ 1,650oF và độ rắn được tăng lên 3,800 (HV 0.05). Cấu trúc lớp
vi mô của nano-A tạo ra sự lựa chọn tốt hơn cho những ứng dụng thông thường của
ALTiN, như là thép và vật liệu có độ cứng lớn hơn 45HRC. Mặt khác kết quả thử
nghiệm cũng chỉ ra rằng Nano-A cũng là lớp phủ tốt nhất cho Phù hợp với các ứng
dụng: – Dụng cụ cắt hợp kim cứng sử dụng cho thép hợp kim, thép không rỉ, vật liệu
hàng không vũ trụ (khoan, phay, tiện).
Phủ FIREX® : chịu nhiệt và chống mài mòn nhiều lớp FIREX là lớp phủ đa lớp,
lớp phủ này cung cấp khả năng chống va chạm của lớp phủ TiCN cộng với khả năng
chống nhiệt của lớp phủ TiAlN. Lớp phủ vạn năng này đã được phát triển ban đầu cho
gia cơng khơ nhưng sau đó đã trở thành lớp phủ chống nhiệt phổ biến nhất. FIREX là
sự kết hợp đa lớp của lớp phủ TiN và TiAIN nó cung cấp sự ổn định về nhiệt và sự
chống mài mòn ở cả nhiệt độ cao và những ứng dụng không phát sinh nhiệt lớn.
Phù hợp với các ứng dụng:
– Dụng cụ cắt hợp kim cứng và thép gió cô ban (khoan, phay, tiện).
– Chày đột dập.
– Chi tiết chịu mịn.
– Dao phay lăn răng, dao chuốt.
Phủ Nano-FIREX® : Thế hệ mới nhất của FIREX Lớp phủ FIREX là lớp phủ PVD
cứng có sự kết hợp tính chịu mịn và chống nhiệt của TiAIN với khả năng của lớp phủ
thông dụng vạn năng TiN, tất cả trong một cấu trúc đa lớp. TiAIN trong cấu trúc gia
12

tăng nhiệt độ oxy hóa (nhiệt độ mà lớp phủ kết hợp với oxy trong khơng khí và bị phá
vỡ), hay nhiệt độ vận hành lên tới 1,470oF. Nhiệt độ này cao hơn nhiều so với TiCN –
có nhiệt độ oxy hóa 840oF. Đặc tính khác của lớp phủ TiAIN là ở nhiệt độ cao lớp phủ
sẽ có độ cứng bề mặt sắp xỉ 3,300 (HV 0.05), gấp hơn 3 lần độ cứng của TiCN. Cấu
trúc đa lớp kết hợp TiAIN với TiN cải thiện khả năng chịu mài mòn và va đập mà sẽ
khơng có ở những lớp phủ một lớp hay lớp phủ đơn tiêu chuẩn.
Lớp phủ Nano-FIREX® của Guhring có thành phần TiAlN/TiN giống như lớp FIREX tiêu
chuẩn, nhưng có kết cấu đa lớp nhỏ và mới hơn. Nano-FIREX có nhiều lớp mỏng kết
hợp hơn với cùng một độ dày phủ so với lớp FIREX ban đầu. Điều này làm tăng các
đặc tính bảo vệ, đặc biệt trong các ứng dụng có va đập là chủ yếu.
Phù hợp với các ứng dụng:
– Dụng cụ cắt hợp kim cứng và thép gió cơ ban (khoan, phay, tiện)
– Chày đột dập – Chi tiết chịu mòn– Dao phay lăn răng, dao chuốt.
Phủ MolyGlide® ( trên nền MoS 2) : Giảm sự bám dính chất liệu Lớp phủ
MolyGlide, với hệ số ma sát thấp, đặc tính trợt cao, được triển khai chủ yếu giảm bớt
tính bám dính (mài mịn, bán dính, hàn lạnh) và cũng có thể chịu được gia cơng thiếu
sự bơi trơn hoặc chạy khơ.Nó chủ yếu chống được hiện tượng bề mặt mỏi (ăn mòn
điểm) và sự ơ xi hóa tribo (sự ăn mịn ma sát) thường được gọi là “teflon-like”.
Phù hợp với các ứng dụng:
– Đột dập và tạo hình (ít chất bơi trơn hoặc làm việc khô)
– Phun ép nhựa (chạy khô các dụng cụ chuyển động)
– Bánh răng, vịng bi có mức độ áp lực bề mặt cao
– Thành phần chính xác, chủ yếu động cơ đốt trong
– Hệ thống mà không cần bôi trơn (làm sạch phịng cơng nghệ)
– Cơng nghệ chất lỏng
– Dụng cụ cắt (gia công nhôm).

13

3.3

Cơng nghệ phủ DLC

DLC Coating hay cịn được gọi là Diamond Like Coating là một lớp phủ tổng hợp
nano cho một loạt các vật liệu nền để thể hiện các đặc tính độc đáo của kim cương tự
nhiên như độ cứng cao, khả năng chống ăn mòn, ma sát thấp, cách điện, v.v. Về vấn
đề này, các đặc tính chính mong muốn trong số các tập hợp tính chất này là độ cứng
của chất thu được. Tuy nhiên, lớp phủ DLC này có thể được áp dụng bằng nhiều kỹ
thuật lắng đọng. Có một loạt các kỹ thuật, nhưng phổ biến nhất bao gồm lắng đọng
hơi vật lý (PVD) và lắng đọng hơi hóa chất (PACVD).
Lớp phủ này có thể được thiết kế dựa trên hàm lượng hydro (hydro hóa hoặc
không chứa hydro), việc lựa chọn thêm các nguyên tố pha tạp kim loại và phi kim loại.
, lựa chọn các phương pháp lắng đọng và liên kết.
Các yếu tố này có thể được kiểm sốt chính xác để tạo ra một loạt các lớp phủ
DLC mỏng (thường từ 1 đến 5 μm) với độ cứng từ 8 - 80 GPa hoặc cao hơn (kim m) với độ cứng từ 8 - 80 GPa hoặc cao hơn (kim
cương là vật liệu cứng nhất được biết đến ở 70–150 GPa). Ngoài ra, hệ số ma sát
mong muốn, độ hoàn thiện bề mặt và thậm chí cả nhiệt độ ứng dụng cũng có thể
được điều chỉnh

3.4

Ngun lý phủ của cơng nghệ DLC
3.4.1 Các dạng phủ DLC hiện nay

Phương pháp phủ này tập trung xung quanh cacbon tồn tại ở 2 dạng dị
hướng, bao gồm cacbon trong cấu trúc tinh thể kim cương và cacbon trong cấu
trúc tinh thể than chì.

Tuy nhiên, hai hình thức này thể hiện các đặc tính hữu ích và khác nhau. Cấu
trúc tinh thể kim cương là chất cứng nhất được biết đến trong khi cấu trúc tinh thể
than chì mềm và có tính bơi trơn. Các lớp phủ DLC là sự kết hợp giữa độ cứng cao và
mức độ ma sát thấp trong các ứng dụng có liên quan đến sự mài mịn. Lớp phủ này
có thể được thực hiện ở nhiệt độ nền thấp (<200C) và có thể lắng đọng trên kim loại,
hợp kim của kim loại và phi kim loại bao gồm thủy tinh, nhựa, silicon, và nhiều loại
khác.
Carbon có nhiều dạng thù hình, mỗi dạng đều có cấu trúc độc đáo riêng. Hai
trong số các dạng thù hình này, kim cương (sp3) và than chì (sp2), được tìm thấy
trong DLC. Kim cương (sp3) có các nguyên tử cacbon được sắp xếp trong mạng tinh
thể lập phương 3 chiều trong khi than chì có cấu trúc phân lớp, phẳng trong đó các
14


lớp được sắp xếp trong một mạng lưới tổ ong. Hai dạng thù hình này là thành phần
chính của DLC, trong đó có 7 dạng khác nhau.
Lớp phủ DLC tồn tại ở nhiều dạng khác nhau Chúng bao gồm:
• Tạo thành aC (cacbon vơ định hình khơng chứa hydro)
• Tạo thành ta-C (cacbon vơ định hình khơng chứa hydro liên kết tứ diện)
• Tạo thành aC: H (Một cacbon vơ định hình với hiđro
• Tạo thành aC: H: Me (Me = W, Ti, cacbon vơ định hình pha tạp kim loại
với hiđro)
• Dạng aC: H: Si (Đây là cacbon vơ định hình pha tạp Si với hydro)
• Tạo thành aC: H: X (Một cacbon vơ định hình khơng pha tạp kim loại với
hiđro)
• Tạo thành aC: Me (Me = Ti, cacbon vơ định hình khơng pha tạp kim loại
với hydro)
• Tạo thành ta-C: H (Một carbon vơ định hình tứ diện liên kết với hydro

3.4.2 Phương pháp tạo ra lớp phủ DLC

 Trước quá trình phủ
Các sản phẩm hoặc chất nền được nạp vào buồng chân không bằng thép
không gỉ thơng qua băng chuyền cố định và sau đó buồng sẽ được hút chân
không. Sản phẩm trải qua giai đoạn gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ thấp sẽ không
vượt quá 3000F (1500C). Giai đoạn gia nhiệt sơ bộ được thực hiện để đảm bảo
rằng tất cả hơi ẩm được hấp thụ bởi vật liệu nền đã được thoát ra ngồi. Q
trình này nên được thực hiện trước khi tiến hành lắng đọng trên chất nền.
Sau khi hoàn thành giai đoạn làm nóng sơ bộ, có sự chuyển đổi sang giai
đoạn ăn mòn ion. Trong giai đoạn này, sản phẩm bị bắn phá bằng các ion từ khí
argon. Điều này được sử dụng để làm sạch để chà hoặc phun làm sạch bề mặt
sản phẩm và cải thiện độ bám dính của lớp phủ với bề mặt.
Sau đó pha này chuyển sang pha phủ ngay sau pha học. Ở giai đoạn này,
cần phải xem xét rất nhiều để tăng hoặc cải thiện hiệu suất của sản phẩm khi
sử dụng cuối cùng.
Trong số những việc có thể làm là sử dụng quá trình phún xạ để lắng
đọng một lớp nền mịn dính dày đặc. Sau khi lắng lớp dưới, quá trình lắng đọng
chuyển sang giai đoạn phủ DLC. Giai đoạn sơn phủ này sau đó lắng đọng một
lớp carbon hydro hóa vơ định hình dày đặc và mịn trên bề mặt của sản phẩm.
Lưu ý : Không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu lớp dưới. Việc sử
dụng lớp lót chỉ giúp cải thiện hiệu suất cho mục đích sử dụng cuối cùng. Tuy

15


nhiên, nếu khơng sử dụng lớp lót, lớp phủ DLC đồng đều dày đặc vẫn có thể
trực tiếp đọng lại trên bề mặt.
• Trong q trình phủ
Khí mang carbon được đưa vào buồng trong giai đoạn phủ của q
trình. Khí được đưa vào buồng là nguồn gốc của lớp phủ carbon DLC vơ định
hình. Khí mang carbon này được đưa vào buồng sau đó được ion hóa bởi các

cực dương phụ.
Sau đó, q trình này trải qua những gì được gọi là bẻ khóa hoặc tách
hydro & carbon trong khí. Có một ứng dụng của điện tích đối với băng chuyền
hút các nguyên tử hydro và cacbon bị ion hóa trong khí.
• Cuối quy trình phủ DLC
Băng chuyền mang các sản phẩm trải qua lớp phủ DLC hoạt động bằng
cách quay trong buồng. Vòng quay này của băng chuyền mang sản phẩm có thể
là quay đơn, trục đơi hoặc trục ba. Việc lựa chọn vòng quay được sử dụng phụ
thuộc vào độ đồng đều của lớp phủ hoặc độ phức tạp về hình học của sản
phẩm.
Bản chất của việc này là sẽ có một lớp sơn lắng đọng đồng đều trên bề
mặt sản phẩm so với quy trình sơn phủ thơng thường. Ứng dụng của điện tích
hút cacbon / hydro lên bề mặt. Sau đó, điều này dẫn đến sự hình thành cácbon
vơ định hình hoặc màng DLC.

IV.

Những ưu/khuyết điểm của lớp phủ DLC
4.1 Ưu điểm
 Độ cứng cao và hệ số ma sát thấp
 Khả năng chống mài mòn và trượt tốt
 Khả năng phủ các vật thể có độ mịn cao lên các khớp nối có dung sai
hẹp

16


 Lớp phủ khơng chứa kim loại nặng
 Tương thích sinh học và lớp phủ bên ngoài phù hợp với thực phẩm
 Hiệu quả chống dính tuyệt vời

 Khả năng chống hóa chất tốt (lớp phủ khơng bị dính bởi dung dịch axit
hoặc kiềm)
 Bám dính tuyệt vời trên bề mặt nitrided hoặc crom
 Độ cứng siêu nhỏ vượt trội, lên đến 3.500 HV
 Độ dày lớp phủ: 2 µm (+/- 1 µm)
 Nhiệt độ phủ lên đến 200 ° C
 Chịu nhiệt độ lên đến 350 ° C
 Hệ số ma sát trượt cực thấp 0,08 - 0,1
 Bề mặt bóng, mịn - độ nhám Ra 0,02 µm
 Khơng mất độ cứng Độ cứng cao.
Đặc tính độ cứng của lớp phủ DLC là lợi ích cơ bản đối với việc sử dụng
chúng. Kết quả là, việc phủ bề mặt bằng các lớp phủ DLC giúp cải thiện đáng kể
hiệu suất và tuổi thọ. Lớp phủ DLC tồn tại ở các dạng khác nhau bao gồm aC,
ta-C, và nhiều dạng khác.
Tuy nhiên, bất kể hình thức nào được sử dụng cho lớp phủ DLC, tất cả
các loại DLC đều có phần cứng hoặc thậm chí cứng hơn kim cương tự nhiên. Ví
dụ, dạng ta-C của DLC đo nằm trong khoảng từ 5000HV đến 9000HV trong khi
các dạng DLC khác đo từ 1000HV đến 4000HV.
Ngồi ra, khi được tối ưu hóa, các lớp phủ DLC đã cải thiện tuổi thọ của
các cấu trúc được phủ trong nhiều nếp gấp lên đến hệ số 10. Chống mài mịn
và mài mịn
Ngồi độ cứng của lớp phủ DLC, bề mặt phủ DLC có khả năng chống mài
mịn do đó giúp duy trì chuyển động trơn tru trong q trình vận hành. Do đó,
các dụng cụ tráng này có tuổi thọ cao hơn so với các dụng cụ không tráng.

17


Ngồi ra, ứng dụng của nó được sử dụng rộng rãi trong ngành cơng
nghiệp sản xuất động cơ có các bộ phận cơ khí trượt, quay và chịu mài mịn. Ví

dụ về những điều này bao gồm trục cam được sử dụng trong ô tô, thuyền, xe
máy và nhiều loại khác như trục cam được sử dụng trong giải đua xe Cơng thức
1.
• Hệ số ma sát thấp
Một lợi ích quan trọng khác của lớp phủ DLC là ứng dụng của nó. Các lớp
phủ này mang lại hệ số ma sát rất thấp cho các bề mặt được phủ, do đó cải
thiện hiệu suất trong tất cả các bộ phận chuyển động, đặc biệt là đối với dụng
cụ cắt, trong động cơ, khuôn ép nhựa, cam, ổ trục, máy đúc & nhôm rèn, và
nhiều loại khác.
Với sự trợ giúp của lớp phủ DLC, hiệu suất tăng lên trong quá trình sản
xuất vì máy cơng nghiệp hiện có thể hoạt động ở bất kỳ tốc độ nào với độ ma
sát thấp. Ngồi ra, chi phí sản xuất trong các ngành sử dụng lớp phủ DLC này đã
giảm đáng kể. Điều này là do chi tiêu cho chất bơi trơn đã thấp.
• Cấu trúc lớp
Cấu trúc lớp này của lớp phủ DLC liên quan đến độ dày của lớp phủ và sự
không tương thích của lớp phủ DLC với chất nền. Trong thời xa xưa, lớp phủ
DLC đã trải qua một loạt phát triển và phải đối mặt với vấn đề về độ bám dính.
Sự cố này có thể do độ dày của lớp phủ DLC. Nếu độ dày của lớp phủ DLC được
tăng lên, thì khả năng chống ăn mịn của lớp phủ sẽ được cải thiện.
Tuy nhiên, căng thẳng bên trong có thể tăng lên nếu được chăm sóc
thích hợp. Điều này xảy ra khi lớp phủ DLC được kết hợp với chất nền khơng
tương thích dẫn đến độ bám dính. Điều này có thể được giải quyết bằng cách
sử dụng chồng phủ nhiều lớp có lớp bám dính.
Các lớp phủ nhiều lớp đóng vai trị như một bộ đệm giúp giảm căng
thẳng. Lớp phủ nhiều lớp này cũng cho phép các lớp phủ dày hơn để đạt được
sự kết hợp ấn tượng của các đặc tính bao gồm độ cứng cực cao, hệ số ma sát
cực thấp, tốc độ mài mòn cực thấp, v.v.
18

Vỏ bọc thường được sử dụng bao gồm titan và các hợp chất khác
của titan như titan cacbua, titan nitride, titan cacbonitride, và nhiều loại
khác. Tính trơ hóa học của lớp phủ DLC
Lớp phủ DLC khơng hoạt động hóa học cao và khơng có tiềm năng phản
ứng với axit và kiềm. Lớp phủ Carbon giống kim cương là một lớp carbon ổn
định vơ định hình với mật độ cao, có chức năng ngăn chặn sự ăn mịn và oxy
hóa. Ngồi ra, trạng thái trơ này của lớp phủ Diamond-Like Carbon có lợi để
giảm phản ứng của bề mặt với các kim loại khác và giảm quá trình hàn nguội.
Các lợi ích khác bao gồm:
• Nhiệt độ tối thiểu lắng đọng
• Hiệu quả chống dính tuyệt vời
4.2. Khuyết điểm

 Các khuyết tật nhỏ gọi là lỗ kim
 Độ dày lớp phủ không đồng nhất
 Ứng suất dư giữa lớp phủ và vật liệu cơ bản
 Độ bám dính của lớp phủ kém

Các khuyết tật này thường liên quan đến các thông số quá trình hoặc cấu hình thiết
bị.

Lỗ kim
Lỗ kim là những khiếm khuyết nhỏ trong lớp phủ DLC. Chúng xuất hiện dưới
dạng các vết rỗ hình trịn trên bề mặt và thường có thể kéo dài đến bề mặt chất nền.
Những khiếm khuyết này là nguồn xâm nhập và điểm yếu có thể dẫn đến hỏng hóc
sớm của quang học cao cấp. Chúng cũng tạo ra các đặc tính quang học không đồng
nhất trên bề mặt lớp phủ ảnh hưởng đến hiệu suất.
19

Có nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra lỗi lỗ kim. Nếu bề mặt không
được làm sạch đúng cách hoặc thốt khí, khơng khí, chất lỏng hoặc dung mơi bị
mắc kẹt có thể bong bóng qua lớp phủ. Sự định hướng của chất nền cũng có
thể làm tăng khả năng tạo lỗ kim, nơi chất nền nằm ngang dễ bị ảnh hưởng
hơn. Quá trình phủ từ trên xuống cũng dễ xảy ra các lỗ kim hơn.

Giản đồ PE-CVD truyền thống

Độ dày lớp phủ không đồng nhất
Trong các ứng dụng quang học, lớp phủ một lớp có lợi cho việc điều chỉnh hiệu
suất quang học. Dải quang phổ là một hàm của độ dày lớp phủ, vì vậy độ dày lớp phủ
không đồng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất quang học. Các thơng số quy trình PECVD, hướng của bộ phận, thậm chí cả hình dạng và thiết kế của buồng có thể ảnh
hưởng đến tính đồng nhất của lớp phủ DLC.

20