CHƯƠNG 3 CHẾ tạo lớp PHỦ TRÊN CHI TIẾT KHUÔN

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO LỚP PHỦ TRÊN CHI TIẾT KHUÔN
VÀ KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ
Khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm có kích thước lớn, khối lượng lớn. Việc chế
tạo lớp phủ trên toàn bộ khuôn là rất khó khăn. Khuôn được cấu tạo bởi rất nhiều
chi tiết làm việc, mỗi chi tiết có kích thước, vật liệu chế tạo khác nhau. Mặt khác
thiết bị tạo lớp phủ không thể tạo lớp phủ cho chi tiết có kích thước lớn hơn đường
kính bia Ti và khối lượng lớn. Việc tìm hiểu, nghiên cứu cấu tạo và quá trình làm
việc của khuôn đúc áp lực nhôm để tìm ra vị trí, chi tiết trong quá trình làm việc ảnh
hưởng lớn nhất đến chất lượng vật đúc, đồng thời cũng bị các tác động lớn nhất tiêu
biểu cho khuôn là cần thiết. Một chu kỳ tạo sản phẩm của đúc áp lực thường diễn ra
rất nhanh (dưới một phút) từ khi đóng khuôn, bắn nhôm, chờ sản phẩm nguội, mở
khuôn, lấy sản phẩm. Vị trí mà điều kiện làm việc khốc liệt nhất là các chi tiết tạo lỗ
cho sản phẩm đúc. Cụ thể trên hai bộ khuôn vòng ôm và khuôn giá đỡ tại nhà máy
Z117-Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, thì chốt vòng ôm và thao giá đỡ là hai chi
tiết thường xuyên xảy ra mòn trên khuôn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản
phẩm đúc. Khi làm việc, tại vị trí tạo lỗ của hai chi tiết nhôm lỏng bao bọc xung
quanh nên nhiệt độ cao, khi nhôm đông đặc quá trình rút khuôn ma sát giữa bề mặt
chi tiết lớn. Chi tiết chịu áp lực của quá trình đúc, bị mỏi nhiệt, đồng thời chịu ma
sát lớn gây cho chi tiết bị hỏng do mòn, tróc rỗ bề mặt. Để có khảo sát và đánh giá
chính xác thì việc khảo sát đánh giá tiến hành trên mẫu thử được chế tạo có cùng
vật liệu với chi tiết thử nghiệm (chi tiết khuôn). Các mẫu thử và chi tiết thử nghiệm
được phủ TiN cùng một chế độ để đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ trên khuôn đúc
áp lực, khuôn có lớp phủ phải:
- Không thấm ướt với nhôm lỏng.
- Có khả năng chống mòn và chống oxy hóa.
- Có khả năng thích ứng với ứng suất dư do nhiệt sinh ra trong chu trình bắn
vật liệu (nhiệt độ và áp suất) trong quá trình ép khuôn đúc áp lực.
- Độ dính bám với vật liệu khuôn - một tương tác có tính kỹ thuật.
- Có khả năng hạn chế sự bắt đầu của vết nứt do mỏi nhiệt (kiểm tra nhiệt).

70

3.1. Chế tạo mẫu thử
3.1.1. Mẫu kiểm tra tính chất cơ lý
Mẫu kiểm tra tính chất cơ lý được chế tạo tại nhà máy Z117 - Tổng cục Công
nghiệp quốc phòng - Bộ Quốc phòng. Số lượng mẫu: 20 mẫu; vật liệu chế tạo:
SKD61. Kích thước: φ12, δ=3. Sau khi chế tạo, bề mặt mẫu được đánh bóng ∇10.
3.1.2. Các chi tiết thử nghiệm sản xuất tại nhà máy
3.1.2.1. Chốt vòng ôm
Chốt vòng ôm là chi tiết được lắp trên khuôn tĩnh của bộ khuôn đúc vòng
ôm, chốt tạo lỗ cho sản phẩm vòng ôm tay phanh xe máy. Kích thước như (hình
3.1), vị trí lắp chốt tạo lỗ trên khuôn (hình 3.2), trên một bộ khuôn lắp 12 chốt. Kích
thước khuôn tĩnh (450x400x220) khối lượng ∼300kg.

Hình 3.1. Chốt vòng ôm

Chốt
vòng
ôm

Hình 3.2. Vị trí lắp chốt vòng ôm trên khuôn đúc

71


Phần làm việc của chốt có kích thước 13.1-0,03. Thực tế sản xuất tại nhà máy
phần làm việc này của các chốt thường bị mòn, bong tróc bề mặt nhanh hơn các chi
tiết khác trong khuôn. Các chốt trong cùng bộ khuôn thì tốc độ mòn phần làm việc
cũng khác nhau gây ảnh hưởng tới việc sản xuất loạt. Đồng thời việc thay thế hay
sửa chữa tốn nhiều thời gian và công sức làm giảm năng suất chạy máy. Xung

quanh chốt tạo lỗ là ba chốt đẩy, sau khi vật đúc đông đặc các chốt đẩy sẽ đẩy vật
đúc ra khỏi khuôn. Vật liệu chế tạo chốt vòng ôm: SKD61, nhiệt luyện đạt 58-60
HRC.
3.1.2.2. Thao giá đỡ
Thao giá đỡ là chi tiết được lắp trên khuôn đúc giá đỡ lựu đạn, chốt tạo lỗ
cho sản phẩm giá đỡ lựu đạn. Kích thước thao giá đỡ như (hình 3.3), vị trí lắp trên
khuôn (hình 3.4), gồm 02 thao. Phần làm việc của chốt có kích thước l=40. Khi đúc
thì phần làm việc này bị bao bọc bởi kim loại lỏng, sau khi vật đúc đông đặc, thao
được rút ra khỏi sản phẩm. Ảnh hưởng của phần làm việc của thao giá đỡ tương tự
như chốt tạo lỗ. Nhưng đối với các chi tiết quân sự thì yêu cầu kỹ thuật rất cao, để
đảm bảo an toàn cho các công đoạn tiếp sau. Do vậy thao giá đỡ không có sửa chữa
trong quá trình làm việc, khi có sai lệch đến mức cho phép thì chi tiết được thay thế
bằng chi tiết mới. Vật liệu chế tạo thao: SKD61, nhiệt luyện đạt 58-60 HRC.

Hình 3.3. Thao giá đỡ

72


Thao
giá
đỡ

Hình 3.4. Vị trí lắp thao giá đỡ trên khuôn đúc
3.2. Công nghệ chế tạo màng TiN
3.2.1. Phương pháp sử dụng
Ở đây là phún xạ hoạt hóa cathode cao tần từ bia Ti và khí Ar + N2
3.2.2. Thiết bị sử dụng
Thiết bị Z550 của hãng Leybold (hình 3.6)
Với một số đặc tính sau:

- Tần số 13560Hz
- Công suất max 2500W
- Bia Ti φ200; δ = 6 mm
- Nhiệt độ đế trong vùng 350 - 4000C
- Khoảng cách đế - bia: 7cm.
3.2.3. Vật liệu sử dụng
- Ti 99,99% của Đức
- Ar 99,99% của Đức
- N2 99% của Việt nam.
- Một số hóa chất khác.

73


Quy trình chế tạo lớp phủ TiN như (hình 3.5). Trong đó bước thứ nhất, làm
sạch chi tiết được coi là một trong những bước quan trọng nhất vì quá trình này
quyết định độ dính bám của lớp phủ. Bước tạo lớp phủ là bước căn bản nhất để có
được lớp phủ đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật. Hai bước này quyết định cả quy trình
công nghệ.

Siêu âm trong dung
dịch kiềm yếu 2,5%

Rửa chi tiết

Rửa bằng nước
Xịt cồn 99,7%
Xếp chi tiết vào
buồng

Sấy khô

Tạo chân
không cho
buồng

Tạo nguồn cao tần

Tạo lớp phủ

Điều chỉnh công suất
cao tần

Làm nguội

Điều chỉnh khí N2 trong
buồng

Xả khí

Duy trì dòng phún xạ

Kiểm tra
Hình 3.5. Quy trình công nghệ tạo lớp phủ trên thiết bị Z550

74


Buồng
phún

xạ

Tủ
điều
khiển

Hình 3.6. Thiết bị phún xạ Z550
3.2.4. Thao tác chế tạo
Việc tạo màng TiN lên thép SKD61 bằng phương pháp phún xạ cao tần trên
thiết bị Z550 được thực hiện theo trình tự các bước như sau:
3.2.4.1. Làm sạch bề mặt đế thép bằng cách
- Siêu âm trong nước rửa kiềm yếu (dung dịch nước 2,5%) trong thời gian 20
phút để loại bỏ dầu mỡ.
- Xả rửa bằng nước máy trong 15 phút ở nhiệt độ phòng.
- Xịt cồn 99,7%.
- Sấy khô bề mặt.
3.2.4.2. Mở buồng làm việc, xếp các sản phẩm cần phủ lên mâm đỡ (hình 3.7)
3.2.4.3. Khởi động máy và tạo chân không
- Tạo khí nén cho đến khi hệ đạt 5atm.
- Tạo nước làm lạnh tuần hoàn áp đạt 5atm, lưu lượng 8lít/phút.
- Khởi động bơm cơ học, mở van V3, hút chân không buồng làm việc đến
khi chân không đạt > 1.10-2mbar.
- Cho bơm cơ học hút bơm turbo, mở van V2 cho đến khi chân không đạt
>1.10-2mbar.
- Khởi động bơm turbo và mở van V1 cho chân không đạt 1 - 1,2.10-5mbar.

75


Lúc này hệ máy ở trạng thái sẵn sàng làm việc, thời gian thực hiện các bước

trên khoảng 60 phút.

Hình 3.7. Chi tiết được xếp trong buồng trước khi phủ
3.2.5. Tiến hành tạo màng
Bảng 3.1. Chế độ công nghệ khi chế tạo lớp phủ TiN tỷ lệ 1:1 trên thiết bị Z550

Thông số công nghệ
Áp suất buồng chân không
Áp suất riêng khí N2 đưa vào
Áp suất riêng Ar đưa vào
Công suất cao tần
Công suất phản hồi
Thế bias bia Ti
Thế bias đế
Thời gian duy trì

Trị số
1,23.10-2mbar
2,2.10-4mbar
4,8.10-4mbar
1500W
50W
2000V
30 - 40V
2 giờ

- Đưa khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =130). Hiệu chỉnh van chiết lưu áp
suất trong buồng ổn định ở 2,2.10-4mbar. Thời gian ổn định chân không 15 phút.
- Đưa khí argon vào buồng làm việc (Ar =25). Hiệu chỉnh van chiết lưu áp
suất ổn định ở 4,8.10-4mbar. Thời gian ổn định chân không 15 phút (khí làm việc

gồm argon và nitơ).

76


- Áp suất làm việc của buồng: 1,23.10-2mbar
- Khởi động nguồn cao tần (60 giây để ổn định công suất phát).
- Nối cao tần vào bia và nâng công suất cao tần từ từ lên 1500W. Đồng thời
hiệu chỉnh mạch L - C để công suất phản hồi nhỏ nhất: 50W và thế bias ở bia đạt
2000V.
- Hiệu chỉnh thế bias đế cỡ 30 - 40V
- Duy trì khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =130), thời gian duy trì 30 phút
- Điều chỉnh khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =135), thời gian duy trì 30 phút
- Điều chỉnh khí nitơ vào buồng làm việc (N2 =140), thời gian duy trì 1 giờ
Duy trì máy chạy ổn định trong suốt thời gian tạo màng. Thời gian tạo màng
120 phút. Độ dày lớp màng phụ thuộc vào thời gian này.

Hình 3.8. Buồng phản ứng khi chế tạo màng TiN có tỉ lệ 1:1
3.2.6. Kết thúc quá trình tạo màng

Hình 3.9. Chi tiết sau khi được phủ

77


- Đưa công suất cao tần về 0, lúc này công suất phản hồi và thế bias về 0.
- Tắt nguồn phát cao tần.
- Đóng van chiết lưu khí argon và nitơ.
- Đóng van V1, tắt bơm turbo.
- Đóng van V2, tắt bơm cơ học.

Đến đây quá trình làm việc kết thúc.
3.3. Đo các tính chất lớp phủ
3.3.1. Đánh giá bề mặt lớp phủ
Bề mặt lớp phủ được chụp trên kính hiển vi KEYENCE -VK450 (digital
micros copy) Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học- Đại học BKHN.
(Hình 3.10a) bề mặt lớp phủ TiN mịn, đồng đều, chiều dày lớp phủ
(0,6±0,1µm) (hình 3.11); (hình 3.10b) chi tiết không phủ TiN có nhiều vết xước do
quá trình gia công để lại.

a)
b)
Hình 3.10. Bề mặt chụp bằng kính hiển vi x1000
a) Chi tiết có phủ TiN;

b) Chi tiết không phủ TiN

Trong quá trình đúc áp lực bề mặt khuôn ảnh hưởng rất lớn đến khả năng
dính khuôn của nhôm lỏng. Độ nhấp nhô bề mặt lớn là điều kiện thuận lợi cho
nhôm lỏng dưới áp lực cao dính bám vào bề mặt khuôn, ảnh hưởng không tốt đến
chất lượng vật đúc. Quá trình làm việc, tại vị trí bám nhôm trên khuôn có thể gây ra
xước bề mặt chi tiết đúc. Ma sát của nhôm lỏng với bề mặt khuôn cũng rất lớn, ảnh
hưởng đến tách khuôn và lấy sản phẩm đúc.

78


Lớp
phủ
TiN

Hình 3.11. Bề mặt 3D lớp phủ TiN chụp bằng kính hiển vi x3000
3.3.2. Đo độ cứng lớp phủ
Màng titannitrit được xác định độ cứng tế vi theo phương pháp đo Vicker
trên máy Microharte Pruefeinrichitung 100 của CHLB Đức, sử dụng mũi kim cương
Vicker, tại phòng Công nghệ Màng mỏng- Trung tâm Quang điện tử- Viện Ứng
dụng công nghệ- Bộ Khoa học công nghệ. Đo độ cứng của màng TiN (hình 3.12):
Nguyên lý đo:

Hình 3.12. Nguyên lý đo Vickers
Mũi thử trường hợp này là mũi hình tháp, có 4 cạnh chia đều, có kích thước
tiêu chuẩn, đáy vuông và góc ở đỉnh là 136o±30’ bằng kim cương.
Mũi thử đuợc ấn vào vật liệu dưới tác dụng của tải trọng, có 2 dải lực đo:
micro 10g ÷ 1000g và macro 1kg ÷ 100kg. Với thời gian giữ tải trọng tiêu chuẩn là
10 ÷ 15 giây.
Vết lõm của mũi thử để lại trên vật liệu được đo theo chiều dài đường chéo

79


đáy hình vuông trên vật liệu thử.

Vết đâm trên
mẫu
Hình 3.13. Thực hiện thao tác đo độ cứng màng TiN
tại phòng Công nghệ Màng mỏng - Trung tâm Quang điện tử
Thiết bị đo độ cứng tế vi Mikrohärte-Prüfeinrichtung mhp 100 có hệ quang
học với độ phóng đại 480 lần. Tải trọng lớn nhất đặt trên mũi thử là 100 gf (980
mN) và tải trọng nhỏ nhất là 2 gf ( 19,6 mN). Tải trọng nhỏ nhất có thể thay đổi
trong mỗi lần đo là 2 g (19,8 mN). Những thông số của máy hết sức phù hợp trong
việc đo độ cứng tế vi của lớp phủ cứng với chiều dày rất nhỏ (cỡ vài µm).

Độ cứng của màng xác định bằng:
HV = 1852 F/d2
Trong đó:

F - Lực tác dụng.
d - Độ rộng của vạch trên màng.

Kết quả được biểu diễn ở (bảng 3.1):
Bảng 3.2. Kết quả đo độ cứng của màng TiN
Mẫu
Độ cứng (HV)

Mẫu 1
1850

Mẫu 2
2000

Mẫu 3
2150

Mẫu 4
1900

3.3.3. Thử nghiệm sốc nhiệt
Đúc áp lực cao là công nghệ đúc có đặc trưng là hiện tượng đông đặc phức
tạp dựa vào sự biến đổi trong một thời gian ngắn dưới sự tác động của áp lực cao,
khuôn sẽ giữ vai trò quan trọng trong trao đổi nhiệt. Năng suất làm mát khuôn có
mối quan hệ mật thiết với chu kì, độ chính xác của kích thước sản phẩm, chất

80


lượng. Sau 10 lần bắn khuôn (15 phút làm việc) nhiệt độ bề mặt khuôn và nhiệt độ
trong khuôn thay đổi (hình 3.14) ổn định, phân bố nhiệt độ bề mặt của khuôn sẽ
thay đổi dựa theo độ dày của sản phẩm và lượng nhiệt dung của khuôn.
Khi làm việc khuôn và các chi tiết trong khuôn đúc bị nung nóng nhanh bởi
nhôm lỏng, thời gian rất ngắn. Sau đó bề mặt khuôn được làm nguội bằng nước và
dầu tách khuôn. Trong khuôn có hệ thống làm mát liên tục bằng nước. Quá trình
thay đổi nhiệt độ diễn ra liên tục sau mỗi lần bắn nhôm lỏng vào khuôn tạo sản
phẩm đúc. Khoảng nhiệt độ thay đổi từ 150-3000C. Những chi tiết tạo lỗ có thể bị
nung nóng tới 450-5500C. Điều này gây cho chi tiết bị mỏi do nhiệt.

Hình 3.14. Thay đổi nhiệt độ khuôn theo thời gian từ sau khi khởi động khuôn
Để kiểm tra khả năng chịu thay đổi nhiệt của lớp phủ trên bề mặt khuôn là
rất khó khăn, bởi khuôn đúc được chế tạo chính xác, việc gắn cảm biến nhiệt tại vị
trí kiểm tra trên khuôn đang sản xuất là rất phức tạp.
Do đó, kiểm tra sốc nhiệt lớp phủ được tiến hành trên mẫu (mục 3.1.1) được
phủ TiN cùng mẻ chi tiết chốt vòng ôm. (Hình 3.14) thể hiện sự thay đổi nhiệt độ bề
mặt khuôn là thay đổi dạng sóng theo thời gian, nhưng do thiết bị thử nghiệm khó
điều chỉnh nhiệt độ theo giản đồ, thao tác khi thí nghiệm không duy trì được như
sản xuất nên việc kiểm tra sốc nhiệt thực hiện như sau: Mẫu được nung ở nhiệt độ

81


xác định (nung nóng 1 phút, giữ nhiệt 1 phút, làm nguội 3 giây) lặp lại 10 lần trong
thời gian 30 phút (hình 3.15)

Hình 3.15. Thử nghiệm sốc nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau

Thử nghiệm sốc nhiệt đối với lớp phủ TiN được thực hiện tại nhà máy Z117Tổng cục Công nghiệp quốc phòng-Bộ Quốc phòng.

82


Mẫu thử nghiệm: Mẫu φ12, δ=3 được phủ TiN
Số lượng: 06 mẫu; Thiết bị thử nghiệm: Lò thử nghiệm: RJX4 (max
9000C±3)

Hình 3.16. Mẫu thử sốc nhiệt được phủ TiN
Bảng 3.3. Điều kiện thử nghiệm sốc nhiệt
Thời gian thử
Nung Giữ nhiệt Làm nguội trong
(phút)
(phút)
nước (giây)
1
1
3

TT

Nhiệt
độ thử
(0C)

Số
lượng
mẫu

1

450

2

2

500

2

1

1

3

550

2

1

1

Số
lần
thử

Tổng thời
gian thử
(phút)

10

30

3

10

30

3

10

30

Kết quả thử nghiệm sốc nhiệt: Ở nhiệt độ 5500C lớp phủ TiN trên mẫu không
bong. Lớp phủ có thể đưa vào ứng dụng để sản xuất. Kết quả xác nhận tại nhà máy.
3.3.4. Thử nghiệm khả năng dính bám nhôm lỏng của lớp phủ TiN
3.3.4.1. Kiểm tra khả năng tách khuôn của lớp phủ TiN
Theo [1] thử nghiệm được thực hiện thực hiện để kiểm tra khuynh hướng
hàn dính giữa kim loại và lớp phủ. Thử nghiệm này cũng có thể được sử dụng để
kiểm tra hiệu quả của các khuôn được bôi trơn với khuôn không được bôi trơn và
giải phóng chất bôi trơn khỏi khuôn, đặc biệt hữu ích để xác định lớp phủ được sử
dụng trong khuôn khuôn đúc áp lực lý do là nó quyết định nội tương tác và lực ma
sát giữa lớp phủ và kim loại rắn.

Một chi tiết hình trụ có phủ được đặt trong một nồi nấu kim loại bằng gốm
chứa nhôm lỏng được đổ chặt xung quanh lõi trụ (hình 3.17a) [1]. (Hình 3.17b) thí
nghiệm trong luận văn gồm hai chốt trụ (1 chốt có phủ TiN và 1 chốt không phủ
TiN) đặt trong cốc kim loại phủ bề mặt bằng dầu tách khuôn chứa nhôm lỏng được
đổ chặt xung quanh chốt.

83


Chốt
không
phủ
TiN

Chốt
có
phủ
TiN

a)

b)
Hình 3.17. Mẫu kiểm tra khả năng tách khuôn

Lõi trụ và nhôm đã cứng hóa được lấy ra khỏi nồi nấu và được đặt trong kết
cấu gá dạng dàn MTS (hình 3.18a) [1], trong đó lõi trụ được kéo ra khỏi nhôm đã
cứng hóa. Biểu đồ tải đặt theo thời gian sau đó được phân tích về khả năng bám
dính và lực ma sát. (Hình 3.18b) chốt trụ và nhôm thí nghiệm được gá trong bộ gá
(khối nhôm được cố định trong trụ kim loại, đầu chốt được kẹp chặt bằng mỏ kẹp
của thiết bị kéo).

a)

b)
Hình 3.18. Gá mẫu khi thử kéo

Thực hiện kéo chốt ra khỏi khối nhôm trên máy thử kéo INSTRON 5569
(max 50kN)- tại Trung tâm công nghệ vật liệu- Viện Ứng dụng công nghệ- Bộ
Khoa học công nghệ. Lắp mẫu trên gá kẹp, tiến hành kéo chốt tách khỏi khối nhôm.
Thí nghiệm xác định lực lớn nhất khi chốt tách, lực ma sát còn lại khi chốt rời dần
ra (hình 3.19).

84


Chốt

Hình 3.19. Thử kéo
a) Chi tiết có phủ TiN;

b) Chi tiết không phủ TiN

(Hình 3.20) trình bày đường cong “thời gian -tải” của các lớp phủ và thép
dụng cụ H13 cho kiểm tra tách khuôn [1]. Các điểm cực đại của mỗi đường cong là
tải trọng tới hạn để rút chốt trụ ra khỏi phần nhôm đúc, và đại diện cho lực dính
bám cũng như lực liên kết hàn giữa các lớp phủ và nhôm rắn: Khi tải trọng tới hạn
thấp hơn thì lớp làm việc tách khuôn tốt hơn. Diện tích dưới mỗi đường cong liên
quan với năng lượng bám dính giữa lớp phủ và nhôm rắn, diện tích này có thể được
chia thành hai phần. Các khu vực từ tải bằng 0 đến tải cực đại là năng lượng kết
dính, khu vực giữa các tải cực đại đến khi lấy chốt trụ hoàn toàn khỏi khối nhôm

rắn liên quan đến năng lượng ma sát.
20000
18000
16000

Lực kéo (N)

14000
12000
Series1

10000

Series2

8000
6000
4000
2000
0
1

2

3

4

5

6

7

8

9

Chiều dài kéo (mm)

Hình 3.20. Đường cong

Hình 3.21. Biểu đồ lực kéo mẫu thí nghiệm

“thời gian-tải” [1]

Series1: Chốt có phủ TiN;
Series2: Chốt không phủ TiN

85


(Hình 3.21) biểu đồ “lực kéo-chiều dài kéo” (chiều dài kéo thay đổi tuyến
tính theo thời gian) khi kéo chốt có phủ TiN và chốt không phủ TiN ra khỏi khối
nhôm, (bảng 3.4) thông số thí nghiệm đối với mẫu có phủ TiN thì lực kéo tới hạn
nhỏ (11354N), mẫu không phủ TiN lớn hơn nhiều (17985N), đồng thời lực còn lại
sau khi chốt tách khỏi khối nhôm cũng nhỏ hơn.
Bảng 3.4. Thông số thí nghiệm kéo

Chốt có phủ TiN

Chốt không phủ TiN

0

6

8

0
0

11354
17985

3582
7063

Chiều dài kéo (mm)
10
12
14
16
Lực kéo (N)
1894 1443 1055 1055
5907 5378 3219 2146

18

20

1055
1830

1055
1830

Kết luận: Mẫu có phủ TiN có khả năng tách khuôn tốt, giảm ma sát trong quá
trình lấy sản phẩm tốt hơn so với mẫu không phủ TiN.
3.3.4.2. Kiểm tra khả năng thấm ướt nhôm lỏng của lớp phủ TiN
Trong kim loại lỏng các nguyên tử được liên kết với nhau nhờ vào các lực
cân bằng. Do vậy, mà chất lỏng ở trạng thái cân bằng. Nhưng ở bề mặt tiếp xúc với
môi trường khác (thành khuôn, không khí…), thì sự cân bằng nói trên bị phá hủy do
không có mối liên kết giữa kim loại lỏng và môi trường (khuôn, không khí) hoặc có
liên kết đó nhưng giá trị của nó lại khác. Tùy theo đặc tính của từng kim loại, hợp
kim và môi trường tiếp xúc, mà người ta có thể phân chia thành 3 trường hợp để
xem xét.
a) Nếu lực liên kết của các nguyên tử kim loại lỏng với nhau mà lớn hơn lực
tương tác giữa kim loại lỏng và môi trường (thành khuôn), thì sự không cân bằng
các lực sẽ làm bề mặt thoáng của chất lỏng phồng lên (hình 3.22).

Hình 3.22. Kim loại lỏng không thấm ướt khuôn

86


Nghĩa là bề mặt kim loại dâng lên cao hơn vị trí tiếp xúc của kim loại với
khuôn một khoảng xác định. Sự dâng lên đó làm cân bằng ứng suất hình thành tại vị
trí tiếp xúc giữa khuôn và kim loại. Trong trường hợp này, thì kim loại lỏng không
thấm ướt thành khuôn.
Nếu ta ký hiệu 1, 2 và 3 thay cho kim loại lỏng, không khí và khuôn, thì

người ta có thể viết được sức căng (ứng suất) giữa các môi trường đó như sau: Giữa
kim loại lỏng và không khí là σ1,2; giữa kim loại lỏng và khuôn là σ1,3; giữa không
khí và khuôn là σ2,3. Đối với trường hợp này thì σ1,3 lớn hơn σ2,3 và theo (hình 3.22)
ở trạng thái cân bằng, ta có:
σ1,3 = σ1,2 cos(1800 - θ) + σ2,3 = σ2,3 - σ1,2 cosθ
σ2,3 - σ1,3
cosθ = σ1,2
Sự không thấm ướt thành khuôn của kim loại lỏng có ý nghĩa đặc biệt. Hiện
tượng này ngăn cản kim loại xâm nhập vào các lỗ hổng của thành khuôn. Như vậy
nó hạn chế sự bám dính của kim loại lên thành khôn đúc.
b) Nếu sức căng bề mặt giữa kim loại lỏng và khuôn bằng sức căng bề mặt
giữa không khí và khuôn, nghĩa là: σ1,3 = σ2,3, thì đây là trường hợp trung hòa.
Trong trường hợp này không có hiện tượng thâm nhập kim loại vào và đẩy kim loại
lỏng ra khỏi bề mặt khuôn, khi nó tiếp xúc với thành khuôn (hình 3.23). Góc θ =
900, cosθ = 0. Do vậy, ta rút ra:
σ1,3 = σ2,3

Hình 3.23. Kim loại lỏng trung hòa

87


c) Trường hợp thứ ba được thể hiện trên (hình 3.24). Đối với trường hợp này
thì σ1,3 < σ2,3. Trong trường hợp này ta có: σ2,3 = σ1,2 cosθ + σ1,3. Từ đó có thể rút
ra:
σ2,3 - σ1,3
θ < 900

cosθ = σ1,2

Hình 3.24. Kim loại lỏng thấm ướt khuôn
Như vậy, đối với trường hợp này, mức kim loại lỏng tiếp xúc với thành
khuôn được nâng lên. Người ta nói rằng, khuôn dễ thấm ướt, nghĩa là kim loại lỏng
dễ chui và các lỗ hổng ở thành khuôn. Điều đó làm xuất hiện sự bám dính của kim
loại lên thành khôn đúc.
Chốt
có
phủ
TiN

Chốt
không
phủ
TiN

Nhôm
không
thấm
ướt bề
mặt
chốt

Nhôm
thấm
ướt bề
mặt
chốt

Hình 3.25. Mẫu kiểm tra khả năng thấm ướt kim loại lỏng

88


Theo [1] vật liệu TiN có “chỉ số thấm ướt” thấp, chịu ma sát tốt, có khả năng
làm việc thuận lợi hơn.
Tại thí nghiệm kiểm tra khả năng tách khuôn của lớp phủ TiN, khi quan sát
chi tiết có phủ TiN, nhôm không thấm ướt bề mặt; chi tiết không phủ TiN nhôm
thấm ướt lên bề mặt (hình 3.25). Lớp phủ TiN không thấm ướt kim loại lỏng, giảm
được ma sát của khuôn khi sản xuất.
(Hình 3.26) bề mặt chốt sau khi kéo, chốt có phủ TiN bám ít nhôm và không
phủ TiN bám nhiều nhôm.

Chốt
có
phủ
TiN

Chốt
không
phủ
TiN

Hình 3.26. Chốt sau thí nghiệm kéo

Khối
nhôm
cắm chốt
có phủ
TiN

Khối
nhôm
cắm chốt
không
phủ TiN

Hình 3.27. Khối nhôm sau thí nghiệm kéo

89


3.3.5. Thử nghiệm sản suất
Chi tiết thử nghiệm sản xuất (mục 3.1.2.1)
Chốt vòng ôm được phủ TiN, lắp trên khuôn vòng ôm; Máy đúc áp lực:
ZDC-150T-V2BP.
Điều kiện làm việc của máy đúc áp lực:
- Nhiệt độ nhôm:

6700C

- Lực khóa khuôn:

150 tấn

- Đường kính đầu pitston: 50 mm
- Áp lực bắn:

1145 kgf/cm2

Thực tế sản xuất tại nhà máy: Máy đúc làm việc 3ca/ngày để đảm bảo công

suất làm việc tối đa của máy, giảm được thời gian, năng lượng tiêu hao do mỗi lần
đốt lò nấu chảy nhôm. Một ca làm việc là 8 giờ và máy có thể bắn được 800 lần. Để
đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn trong quá trình sản xuất thì mỗi ca làm
việc cho phép bắn tối đa 500 lần, do quá trình bắn thử, kiểm tra sản phẩm, nung
nóng khuôn ban đầu sau mỗi lần giao ca và thời gian nghỉ giữa ca của công nhân.
Kết quả thử nghiệm được xác nhận tại nhà máy.

Hình 3.28. Sản xuất thử nghiệm tại Nhà máy Z117-Tổng cục CNQP-Bộ QP

90


Kết quả:
- Sử dụng thiết bị Z550 chế tạo được lớp phủ TiN với tỷ lệ 1:1 trên thép
SKD61 với phương pháp phún xạ cathode cao tần (RF - Sputtering).
- Bề mặt lớp phủ TiN mịn và đồng đều, độ dày 0,6±0,1µm. Chất lượng bề
mặt lớp phủ tốt hơn bề mặt chi tiết sản xuất thực tế.
- Độ cứng lớp phủ TiN: 1800-2100 HV lớn hơn độ cứng chi tiết sau khi nhiệt
luyện 58-62 HRC (∼600HV).
- Thử nghiệm sốc nhiệt (thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ khuôn đúc) lớp phủ
TiN chịu được nhiệt độ 5500C không bị bong.
- Góc thấm ướt giữa nhôm lỏng và lớp phủ θ>900, nhôm lỏng không thấm
ướt vào lớp phủ TiN trong quá trình đúc.
- Lực tách khuôn nhỏ (thử nghiệm kéo), bề mặt chốt có phủ TiN sau khi kéo
nhôm dính bám ít, lực ma sát nhỏ. Lớp phủ có khả năng giảm ma sát cho khuôn,
giúp quá trình rút khuôn tốt, giảm dính bám cho khuôn đúc.
- Thử nghiệm thời gian sản xuất tại nhà máy chi tiết có phủ TiN tạo được sản
phẩm có chất lượng bề mặt tốt, đạt yêu cầu kỹ thuật. Sau 45000 sản phẩm, lớp phủ
đã bong, chi tiết tiếp tục sản xuất bình thường.

91