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 tt

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


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
thống 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 quốc gia. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo và phát triển
các loại màng phủ có các đặc tính tốt như: độ cứng cao, hệ số 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 tố TiN [2-3], TiC [4-6], CrN [7-9] cho đến những loại
màng đơn lớp đa nguyên tố 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 tốt 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 tốt, 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 số cơ sở nghiên cứu như:
1


Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Trường đại học Khoa học tự
nhiên, ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, Viện nghiên cứu Cơ khí…
Các nghiên cứu này tập trung nghiên cứu chế tạo màng đơn lớp đơn
nguyên tố như: TiN, CrN…[16-17] hoặc màng đa lớp đơn nguyên tố
như: TiN/TiCN [18], TiN/CrN [19]… Có thể thấy rằng, hầu hết các
nghiên cứu ở Việt Nam mới chỉ tập trung nghiên cứu màng nitrua
đơn nguyên tố (sử dụng các bia phún xạ có sẵn trên thị trường), chưa
chế tạo được màng nitrua đa nguyên tố, do không thể tự chế tạo được
bia phún xạ nhiều thành phần. Vì chỉ chế tạo màng nitrua đơn
nguyên tố, 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 Quốc (Korea Institute of
Industrial Technology - KITECH) đã triển khai một số nghiên cứu
chung về chế tạo các loại màng phủ nitrua đa nguyên tố trên nền hợp
kim WC-Co. Trong đó bao gồm cả việc nghiên cứu chế tạo bia phún
xạ đa nguyên tố, làm cơ sở cho việc nghiên cứu màng nitrua đa
nguyên tố.
Dựa vào các vấn đề đã trình bày ở trên, với mong muốn tạo ra

các loại màng phủ cứng nitrua có độ cứng cao và hệ số 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

2


- Chế tạo và đặc trưng được tính chất của màng phủ cứng nitrua
đơn lớp – đa nguyên tố (TiAlXN (X: Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên
tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) có độ cứng cao, hệ số ma sát thấp.
- Tìm và khảo sát được ảnh hưởng của các thông số 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 số 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 tố
TiAlXN (X:Si, B, V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si,
B) trên nền hợp kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ
magnetron.
- Đối 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
3


lượng dòng khí N2 tối ưu là 6 sccm đối với màng TiAlSiN và
TiAlVN, đối với màng TiAlBN là 4sccm.
- Đối với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN, đã
khảo sát ảnh hưởng của chiều dày cặp màng và số 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 số cặp màng là
6 cặp (12 lớp). Còn đối với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao nhất tại
giá trị chiều dày cặp màng là 232 nm và tổng số 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
4


Qua tham khảo, phân tích các nghiên cứu đã công bố trên thế
giới về thành phần màng phủ trên cơ sở hợp kim Ti-Al [31,34, 4547], kế thừa các kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Viện Công
nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (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 phần TiAl-X (X: V, B, Si) để chế tạo
màng phủ đơn lớp,
- 02 hệ bia, một có thành phần TiAl-X (X: V, B, Si) và bia còn
lại là kim loại Cr > 99,9% để chế tạo màng phủ đa lớp.
Thành phần hóa học của các loại bia này được trình bày tại
bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của 2 hệ bia sử dụng.
Nguyên

Ti

tố

Hệ 1

Al

X (1 trong 3 nguyên
tố: V, B, Si)

Cr

Kích thước

(% khối lượng mol nguyên tử)
50

40

ɸ75 x 8 mm

10

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
tố 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.
5


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 số 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 số 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 cố định trong suốt 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 phần 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

6


Kế thừa các thông số cơ bản đã được tối ưu trong nghiên cứu
chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp, màng phủ đa lớp được chế tạo với
các thông số 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. Tối ưu hóa các thông số cơ bản của quá trình phún xạ
Các thông số 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 số 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 màng đơn lớp TiAlSiN, TiAlBN và 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
7


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 số nguyên cứu chỉ ra ảnh hưởng của hàm lượng khí phản
ứng N2 đến các tính chất của màng như độ cứng, hệ số ma sát, kích
thước hạt tinh thể, thành phần 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 khí 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: 381420), với hai đỉnh nhiễu xạ của TiN theo mặt tinh thể (111) và
(220). Đỉnh 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 đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần trong khi cường độ
nhiễu xạ TiN (200) tăng dần. Xu hướng này xảy ra đối với màng chế
tạo tại lưu lượng khí N2 10 sccm. Ngoài ra, tại lưu lượng khí N2 10
sccm còn xuất hiện thêm đỉnh nhiễu xạ TiN (311).

8


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 xốp tại các lưu lượng khí N2 2 sccm và 4 sccm. Điều này
gợi ý rằng, tỉ 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
9


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 xuống
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 khí 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 xuống khi lưu lượng khí N2 tiếp tục
tăng.

10


3.2.1.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí 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
suốt quá trình trượt với giá trị hệ số ma sát trung bình ~ 0,74. Hệ số
ma sát trung bình tăng lên 0,78 và 0,795 tại các lưu lượng khí N2 lần
lượt là 4 sccm và 6 sccm, khi lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng lên, hệ
số ma sát của màng tăng theo, đồng thời sự mất ổn định trong quá
trình trượt cũng tăng, điều này được chỉ ra ở sự tăng giảm không ổn
định đối với các mẫu được phún xạ tại lưu lượng khí N2 8 sccm và

10 sccm.
b) Điều kiện ma sát ướt (trong dầu)
Hệ số 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 số 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.
11


3.2.1.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí 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 đầu mũi rạch. Giá trị lực tì này được tăng dần đều và
khi đạt đến một giá trị lực nhất định làm cho màng phủ bắt đầu 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 xuống. Hay nói cách khác, độ bền
bám dính giữa màng và đế hợp kim sẽ giảm xuống.
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.

Lực tới
hạn (N)

2ccm

4sccm

6 sccm

8 sccm

10sccm

Lớp trung
gian Cr

18,3

20,7

23,9

19,9

17,6

36,5

3.2.2. Màng TiAlBN
3.2.2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần
hóa học của màng TiAlBN
Với mẫu phún xạ tại lưu lượng khí N2 4 sccm chỉ ra ba đỉnh
nhiễu xạ của TiN tại vị trí 36.6o, 61.8o và 77.9o, tương ứng với các
mặt tinh thể lần 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 đỉnh nhiễu xạ
thay đổi theo lưu lượng khí N2. Tại lưu lượng khí N2 4 sccm, cường
độ đỉnh nhiễu xạ theo mặt (111) là mạnh nhất. Nếu tiếp tục tăng lưu

12


lượng khí N2 lên, đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần và cường độ
đỉnh nhiễu xạ thấp nhất tại lưu lượng khí N2 10 sccm.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng
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 dần.
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 xuống.
3.2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài
mòn của màng TiAlBN
a) Điều kiện ma sát khô
Kết quả cho thấy hệ số ma sát của màng tăng khi lưu lượng
khí N2 tăng. Tại lưu lượng khí N2 thấp (2 - 6 sccm), hệ số ma sát của
màng tương đối ổn định trong suốt quãng đường trượt. Tuy nhiên,
với lưu lượng khí N2 cao thì hệ số ma sát của màng tăng giảm liên
tục. Kết quả trên hình nhỏ còn chỉ ra hệ số 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 dầu)

Kết quả cho thấy hệ số ma sát tăng cùng với sự tăng của lưu
lượng khí N2. Khi lưu lượng khí N2 tăng từ 2 đến 4 sccm, hệ số 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 số ma sát ướt của màng
tăng từ 0,98 đến 0,135.
13


3.2.2.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính của
màng TiAlBN
Kết quả cho thấy độ bền bám dính tốt 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 xuống. Ngoài ra, khi sử dụng lớp trung gian Cr độ bền
bám dính của màng tăng lên gấp 2 lần so với không sử dụng lớp
trung gian.
Bảng 3.5. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử
dụng lớp trung gian.
2ccm 4sccm
Lực tới
hạn (N)

17,8

19,1

6 sccm

8 sccm

10sccm

Lớp trung
gian Cr

20,3

15,6

16

42,4

3.2.3. Màng TiAlVN
3.2.3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến cấu trúc và thành phần
hóa học của màng TiAlVN
Chỉ có duy nhất một đỉnh 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 đỉnh 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).
3.2.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến độ cứng của màng
TiAlVN
14

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 xuống.
3.2.3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát và mài
mòn của màng TiAlVN
a) Điều kiện ma sát khô
Trạng thái ban đầu, hầu hết hệ số ma sát của các màng phủ
tăng nhanh, sau đó nó có xu hướng giảm dần 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 số ma sát thấp nhất
(~0,52). Khi tăng lưu lượng khí N2 từ 6 sccm đến 8 sccm, hệ số ma
sát trung bình của các màng phủ tăng từ 0,58 lên 0,73 và giá trị hệ số
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 số ma sát trong điều kiện dầu 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 số ma sát trong điều kiện có dầu
bôi trơn giảm từ 5-6 lần.
c) Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hệ số ma sát của màng
Khi mẫu được nung tại nhiệt độ 500oC, hệ số 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 số ma sát của màng giảm
xuống lần lượt là 0,45 và 0,38.
3.2.3.4. Ảnh hưởng đến độ bền bám dính của màng TiAlVN

15

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 lần.
Bảng 3.8. Độ bền bám dính tại các lưu lượng khí và khi sử
dụng lớp trung gian Cr, Ti.

Lực tới
hạn (N)

4sccm

6 sccm

8 sccm

10sccm

Lớp
trung
gian Cr

Lớp
trung
gian Ti

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
Hệ số ma sát
Độ
cứng
(GPa)

Độ bền bám
dính

Modul
đàn
hồi
(GPa)

ướt

Không

có lớp
trung
gian

Ma
Ma sát khô

sát

TiAlSiN

33,5

346

0,795

0,105

23,4

TiAlBN

41

396

0,52

0,075

19,1

372

0,58 (chưa
nung);
0,45 tại
600oC) và
0,38 tại
700oC

0,112

24,4

TiAlVN

36,5

16

Sử
dụng
lớp
trung
gian
36,5
(Cr)
42,4

(Cr)
41 (Ti);
47,2
(Cr)


CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐA LỚP TiAlX(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 số 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. Màng đa lớp 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 đỉnh phổ của màng đa lớp là sự kết hợp của các
màng đơn lớp TiAlSiN và CrN. Tuy nhiên, vị trí của các đỉnh nhiễu
17


xạ bị xê dịch so với các đỉnh 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 số 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 xuống,
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 xuống.
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

18


Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng cho thấy khi tăng số 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 số 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 số ma sát trung bình của đế hợp kim WC-Co là 0,74,
trong khi đó hệ số ma sát trung bình của màng đơn lớp TiAlSiN và
CrN lần 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. Màng đa lớp 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 đỉnh nhiễu xạ là sự kết hợp các đỉnh 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 xuống
từ (815 + 663 nm) đến (79 + 86 nm), kích thước hạt của màng đa lớp
cũng giảm xuống (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
19


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 số lớp màng tăng từ 2 lên 14 lớp, độ

cứng tăng từ 16.5 GPa lên 33.8 GPa. Nếu số lớp màng tiếp tục được
tăng, độ cứng của màng phủ đa lớp TiAlBN/CrN gần như không thay
đổi.
4.2.3 Hệ số ma sát của màng đa lớpTiAlBN/CrN
Kết quả cho thấy giá trị hệ số ma sát của màng đơn TiAlBN
thấp nhất (0.55), so sánh với hệ số 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 tố, đã chế tạo
thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tố TiAlXN (X:Si, B,
V) và đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) trên nền hợp
kim cứng WC-Co bằng công nghệ phún xạ magnetron, bao gồm các
20


bước: (i) chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố 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 số 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. Đối 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 tối ưu là 6 sccm đối với màng TiAlSiN và
TiAlVN, đối với màng TiAlBN là 4sccm.
3. So sánh tính chất của màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN do luận án
chế tạo với số liệu công bố trên thế giới, cho phép rút ra kết luận,
màng phủ đơn lớp TiAlBN chế tạo được có độ cứng cao và hệ số ma
sát thấp hơn so với các công bố 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 số ma sát tương đương với các công bố 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
số 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 lần so với khi không sử dụng lớp
trung gian. Kết quả cho thấy độ bền bám dính của 3 loại màng khi sử
21


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. Đối với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN, đã
khảo sát ảnh hưởng của chiều dày cặp màng và số 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 số cặp màng là
6 cặp (12 lớp). Còn đối với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao nhất tại
giá trị chiều dày cặp màng là 232 nm và tổng số 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 tố
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 tốt hơn so với các công bố 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 tối ưu trong
quá trình phún xạ đối với màng phủ cứng đơn lớp TiAlSiN và
TiAlVN là 36 sccm : 6 sccm và đối với màng TiAlBN là 36 sccm : 4
sccm.
- Đã xác định được giá trị tối ưu của chiều dày cặp màng và số cặp
màng để màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN và TiAlBN/CrN có các
tính chất tốt nhất.
22


CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
I.

Tạp chí quốc 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. (SCIIF: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 nước và hội nghị quốc 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
23

characteristics

of

multilayer