Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ đánh giá độ bền của lớp phủ trên chi tiết máy

LÊ QUANG TRÀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------

CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA
LỚP PHỦ TRÊN CHI TIẾT MÁY

LÊ QUANG TRÀ
2006 – 2008
HÀ NỘI 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA
LỚP PHỦ TRÊN CHI TIẾT MÁY

NGÀNH CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC
MÃ SỐ:
LÊ QUANG TRÀ

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

HÀ NỘI 2009


1

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC


2

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 1
MỤC LỤC ........................................................................................................ 2
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ
BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG ............................................................................. 8
1.1. Khái niệm và vai trị của màng mỏng trong cơng nghiệp hiện đại ............ 8
1.2. Các phương pháp chế tạo màng mỏng ..................................................... 10
1.2.1. Phương pháp ngưng tụ hóa học ......................................................... 10
1.2.2. Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD) ................................................. 11
1.2.3. M ột số phương pháp khác ................................................................ 12
1.3. Độ bám dính của màng mỏng và các phương pháp xác định .................. 13
1.3.1 Phương pháp kéo ................................................................................ 14
1.3.2. Phương pháp sử dụng tia LASER...................................................... 15
1.3.3. Phương pháp phun cát ....................................................................... 15

1.3.4. Phương pháp cà tỳ ............................................................................. 16
1.3.5. Phươn pháp rạch ................................................................................ 17
1.4. Vai trị của việc xác định độ dính bám của màng mỏng đối với dụng cụ
cắt .................................................................................................................... 18
1.4.1. Các cơ chế mòn.................................................................................. 18
1.4.2. Cải thiện bằng lớp phủ bề mặt ........................................................... 22
CHƯƠNG II: ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP RẠCH . 25
2.1. Tổng quan phương pháp rạch................................................................... 25
2.1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của thiết bị rạch trong công nghiệp
màng mỏng .................................................................................................. 25
2.1.2. Một số thông số của thiết bị rạch hiện đang sử dụng trên thế giới.... 27
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến vết rạch các chỉ tiêu đánh giá liên quan ........ 29
2.2.1. Điều kiện cần thiết để định lượng thí nghiệm rạch ........................... 29
2.2.2. Các cơ chế phá huỷ trong thí nghiệm rạch ........................................ 30
2.2.3.Cơ chế phá hủy có liên quan tới độ bám dính từ lớp phủ cứng.......... 35
2.2.4.Ứng suất gây ra sự phá hủy ................................................................ 40
2.2.5. Dị tìm sự phá hủy.............................................................................. 41


3

2.3. Một số thí nghiệm điển hình trên thế giới ................................................ 43
2.3.1 .Lớp phủ cứng trên lớp nền mềm ....................................................... 43
2.3.2. Lớp phủ cứng trên lớp nền cứng........................................................ 52
2.4. Kết luận .................................................................................................... 54
CHƯƠNG 3 : TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ RẠCH ĐO ĐỘ BÁM DÍNH CỦA
MÀNG MỎNG .................................................................................................... 56
3.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị rạch .................................................................. 56
3.2. Tính tốn thiết kế hệ thống cơ khí ........................................................... 56
3.2.1.Tính tốn & chọn hệ dịch chuyển cho trục X ..................................... 57

3.2.2. Tính tốn khung đàn hồi ................................................................... 66
3.3. Thiết kế phần điện .................................................................................... 68
3.3.1 Sơ đồ khối phần điện điều khiển cho thiết bị ..................................... 68
3.3.2. Thiết kế chi tiết .................................................................................. 69
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ BÀN LUẬN .......................................... 75
4.1. Một số hình ảnh về thiết bị đã chế tạo .................................................... 76
4.2. Đo thử mẫu và nhận xét đánh g ............................................................... 81
4.2.1 Một số mẫu đo với áp lực đo tăng dần ............................................... 81
4.2.2 Một số mẫu đo với áp lực đo cố định ................................................. 84
KẾT LUẬN .................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 88
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 90


4

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Chương 1

Hình 1.1

Một số ứng dụng tiêu biểu của màng mỏng……………………….

Hình 1.2

Hình chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp......................................

Hình1.3
Hình 1.4

Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10

Động cơ stirling mạ vàng..............................................................
Phương pháp chế tạo màng theo nguyên tắc topotaxy.................
Xác định độ bám dính bằng phương pháp kéo.............................
Xác định độ bám dính bằng phương pháp phun cát.....................
Xác định độ bám dính bằng phương pháp cà tỳ...........................
Xác định độ bám dính bằng phương pháp rạch...........................
Các cơ chế mịn của dụng cụ.......................................................
Sơ đồ cơ chế mòn dụng cụ xuất hiện ở các nhiệt độ cắt khác nhau..
Các dạng mòn dẫn đến phá hỏng dụng cụ và lẹo dao................
. Sơ đồ q trình mịn của lớp phủ …

Hình 1.11
Hình 1.12
Chương 2
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9

Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14

Nguyên lý thiết bị rạch và biểu đồ thể hiện thông số thu được khi rạch của
thiết bị được đăng kí phát minh ……….
Thiết bị rạch của hãng CSM …………………………….
Thiết bị rạch và giao diện phần mềm của hãng Tribo technic
Thông số thiết bị rạch của hãng CSM..
Vết rạch lớp phủ mềm được quan sát trên thiết bị SEM ………
Xác định độ bám dính lớp phủ mềm dựa trên lực ma sát trong quá trình
rạch ………………………………………………….
Sự phá hủy do ứng suất của lực nén …………………….……..
Dạng vết rạch trên lớp phủ cứng ………………………………
Xác định L và β của các phoi dạng tấm ……………………….
Mũi rạch bị phá vỡ do hiện tượng chêm khi rạch ……………..
Kết quả thu được trên thí nghiệm rạch MA956…………………....
Kết quả tính theo phần tử hữu hạn cho mẫu MA956……………...
Ứng suất phá huỷ được tính tốn ……………………………

Giá trị σF tính tốn …………………..…………………………….
Hình 2.15 Hình ảnh vết rạch quan sát được trên máy SEM …………..
Hình 2.16

Đồ thị lực ngang và hệ số ma sát thu được trong thí nghiêm rạch..

9
10

11
13
15
17
17
18
20
22
23
26

29
30
30
31
33
34
37
38
41
42
48
49
52
53
57
57


5

Chương 3
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7

Nguyên lý thiết bị đã được đăng kí phát minh……………………

Ngunlýthiếtbịchế …………….
Mơ hình cơ khí đã chế tạo…………………………………….
Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển thiết bị cào xước lớp phủ….
Sơ đồ khối cảm biến đo lực sử dụng chuyển đổi điện cảm……
Sơ đồ khối mạch AD cho cảm biến điện cảm……………………... Sơ đồ khối
mạch điều khiển động cơ……………………………..

Chương 4
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10

Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình4.14

Hình 4.15
Hình 4.16

Mạch điện chế tạo dùng trong thiết bị rạch………………………
Hộp mạch điện chế tạo dùng trong thiết bị rạch…………………
. Thiết bị rạch đã chế tạo…………………………………………..
Hình ảnh tổng quan thiết bị rạch………………………………….
Khung đàn hồi và các cảm biến trên thiết bị rạch……………….
Bộ phận gia lực tuyến tính đã thiết kế và chế tạo…………………
Đầu mũi rạch sử dụng trong các thi nghiệm……………………..
Giao diện điều khiển đo của thiết bị………………………………..
Thử nghiệm độ nhạy cảm biến áp lực……………………………..
Kết quả đo mẫu 1…………………………………………………….
Kết quả đo mẫu 2…………………………………………………….
Kết quả đo mẫu 3…………………………………………………….
Kết quả đo mẫu 1……………………………………………………
Kết quả đo mẫu 2……………………………………………………
Kết quả đo mẫu 4……………………………………………………
Kết quả đo mẫu 6……………………………………………………

60
61
73
74
75

78
79

82
82
83
83
84
84
85
86
86
87
88
89
90
91
92
96


6

MỞ ĐẦU
Thế kỷ 21, nhu cầu của con người trong nghiên cứu khoa học, công
nghiệp, phục vụ đời sống và chăm sóc sức khỏe con người… ngày càng đa
dạng và phức tạp. Bên cạnh đó nguồn nguyên vật liệu, năng lượng càng ngày
càng trở nên khan hiếm, các nhà khoa học phải tập trung tìm tịi nhằm tận
dụng tối đa những nguyên vật liệu sẵn có để nâng cao chất lượng giá trị sản
phẩm. Một trong các định hướng nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề trên là

công nghệ màng mỏng.
Cơng nghệ màng mỏng hình thành đi vào phục vụ kĩ thuật và đời sống
con người đã mở ra một kỉ nguyên mới trong khoa học hĩ thuật, sản phẩm của
ngành cơng nghiệp này có mặt hầu hết trong các trang thiết bị, các lớp phủ có
thể là để trang trí, tăng độ bền, vi hóa các sản phẩm cồng kềnh.... Trong khoa
học kĩ thuật lớp phủ có vai trị rất quan trọng như việc thu nhỏ tăng hiệu suất
của các chíp máy tính (một ngành cơng nghiệp thay đổi toàn bộ thế giới quan
của con người), các sản phẩm phục vụ công nghiệp vũ trụ, năng lượng mặt
trời, các chi tiết chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt như dụng cụ cặt, đầu
phun, đầu đốt…Tầm quan trọng của màng mỏng khơng thể phủ nhận việc
đánh giá kiểm sốt chất lượng của chúng càng là một vấn đề cần quan tâm
nhằm đảm bảo hiệu quả sản suất cũng như sử dụng.
Công nghệ màng mỏng được du nhập vào nước ta từ thế kỉ trước và
được chú ý như một ngành công nghiệp từ những năm 80 của thế kỉ XX, các
sản phẩm mạ hóa, mạ theo phương pháp vật lý. Tuy nhiên, do đó là một
ngành cơng nghệ phức tạp, nên việc phát triển xây dựng thành một ngành
công nghiệp mũi nhọn đã không được đề cập đến, hầu hết chỉ được đầu tư ở
mức độ trang thiết bị kĩ thuật nhằm sản xuất ra sản phẩm chứ chưa quan tâm
đến vấn đề kiểm tra kiểm soát chất lượng. Thiếu trang thiết bị kiểm tra dẫn
đến việc sản xuất ra các sản phẩm kém chất lượng đã làm cho một số đơn vị
sản xuất màng mỏng có nguy cơ bị giải thể.


7

Trong quá trình kiểm tra chất lượng mang mỏng xác định cơ tính là
một điều kiện hết sức quan trọng vì cơ tính quyết định rất lớn đến vai trị của
lớp mạ cho chi tiết. một chỉ tiêu đánh giá quan trọng có ý nghĩa bao qt
chính là việc xác định độ bám dính của mảng lên chi tiết mạ. Điều này đặc
biệt có ý nghĩa đối với những chi tiết được phủ để nâng cao tuổi thọ làm việc

trong cơ khí. Do thiếu đầu tư đồng bộ, các thiết bị đo phục vụ mục đích này
hầu như khơng có trong các cơ sở màng mỏng trong nước. mặt khác giá cả
một thiết bị đáp ứng chức năng như vậy rất cao lên đến vài chục vài trăm
nghìn USD do đó việc nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị đảm bảo độ tin cậy
làm việc trở nên rất cáp thiết đối với khoa học trong nước. Tuy vậy, chưa có
một cơng trình nào nghiên cứu, chế tạo ra thiết bị đáp ứng kể trên. Do vậy,
với việc chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ đánh giá
độ bền của lớp phủ trên chi tiết máy” em muốn có một đinh hướng giải quyết
những bất cập kể trên. Nhằm cung cấp một số thông tin về việc kiểm tra kiểm
soát chất lượng lớp phủ, chế tạo và chạy thử thiết bị đo trên một số mẫu bước
đầu đánh giá khả năng chế tạo ra các thiết bị đo chuyên dụng phục vụ mục
đich nghiên cứu và sản xuất
Do kiến thức và thời gian hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi các thiếu
sót về mặt tính tốn cũng như khơng đầy đủ về nội dung. Em rất mong được
sự góp ý của các thầy cơ giáo để luận văn được hồn thiện, có thể giúp ích
hiệu quả cho công việc thiết kế, chế tạo.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cơ giáo
TS. Nguyễn Thị Phương Mai, TS. Nguyễn Văn Vinh cùng với các thầy cô
giáo trong bộ mơn đã tạo điều kiện tốt cho em hồn thành luận văn này.


8

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
ĐỘ BÁM DÍNH CỦA MÀNG MỎNG
1.1. Khái niệm và vai trị của màng mỏng trong cơng nghiệp hiện đại
Màng mỏng (Thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao
cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều
dài). Khái niệm "mỏng" trong màng mỏng rất đa dạng, có thể chỉ từ vài lớp

nguyên tử, đến vài micromet hay vài nanomet.
Hiện nay, màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của
các ngành khoa học như: công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn, năng lượng
sạch... được ứng dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất,
trong cơng nghệ hiện đại, có thể thấy rõ vai trò của màng mỏng trong các lớp
phủ cho thiết bị quang học, cơng nghiệp điện tử…. Hình 1.1 là một số ứng
dụng tiêu biểu của màng mỏng.


9

Hình 1.1. Một số ứng dụng tiêu biểu của màng mỏng
Trong quang học màng mỏng được chế tạo để tạo nên một lớp phủ có
tính chất quang, cơ nhất định trên nền đế như các màng giảm phản xạ, màng
phản xạ hay bán phản xạ, các loại kính lọc….
Màng mỏng cũng thực sự tạo nên những đột biến trong việc nâng cao
tuổi thọ làm việc của các chi tiết trong những ứng dụng như nâng cao tuổi thọ
của các dụng cụ cắt gọt, các thiết bị làm việc trong các điều kiện môi trường
khắc nghiệt như tàu vũ trụ, máy bay các loại đầu phun trong các lị nhiệt
luyện… Cơng nghệ màng mỏng là một trong những công nghệ đưa nền kĩ
thuật đi tới khái niệm công nghệ micro, công nghệ nano, nhờ sự phát triển của
nền công nghệ màng mỏng các linh kiện điện tử được tích hợp nhỏ gọn hơn,
nâng cao tính năng của chúng điển hình trong các sản phẩm chíp máy tính, ổ
đĩa cứng các loại màn hình cũng như hầu hết các linh kiện điện tử khác.
Trong công nghiệp năng lượng cũng như nghiên cứu sinh học việc tạo
ra các pin năng lượng mặt trời góp phần khơng nhỏ mang lại khả năng sử
dụng một nguồn năng lượng sạch nâng cao chất lượng cuộc sống
Màng mỏng được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, độ dày
cũng như cấu trúc của lớp màng mỏng cũng rất đa dạng tùy theo mục đích
nghiên cứu sử dụng của các loại màng đó, các màng quang học có thể đạt tới

vài chục lớp độ dày mỗi lớp có thể chỉ vài nano


10

Hình 1.2. Hình chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp
Hình 1.2 cho ta thấy các lớp màng mỏng được chụp trên kính hiển vi điện tử
truyền qua TECNAI T20, các lớp chỉ có chiều dày từ vài nanomet đến vài chục
nanomet (Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta/Cu/Au).
1.2. Các phương pháp chế tạo màng mỏng
Sự phát triển của khoa học công nghệ ngược lại tác dụng tích cực tới sự
phát triển của cơng nghệ chế tạo màng mỏng
Một số phương pháp chế tạo màng mỏng điển hình như:
Phương pháp ngưng tụ hóa học
Phương pháp ngưng tụ vật lý
Và một số phương pháp khác…

1.2.1. Phương pháp ngưng tụ hóa học
Đây là một phương pháp chế tạo màng mỏng lâu đời nhất, được ứng
dụng rộng rãi trong việc chế tạo các màng phục vụ cho các thiết bị sử dụng
cũng như các thiết bị trong các ngành kĩ thuật. Các dung dịch hóa chất được


11

pha chế sẵn khi cho chi tiết cần tạo màng vào, các phần tử chất mạ ngưng tụ
trên bề mặt vật cần mạ và tạo màng. Ưu điểm của phương pháp này là có khả
năng tạo màng trên các bề mặt chi tiết phức tạp, tuy nhiên chất lượng bề mặt
cũng như độ chính xác, cơ tính màng khơng cao.
Phương pháp mạ hoá thường sử dụng dung dịch muối của kim loại cần

mạ nhúng vật cần mạ sử dụng các
phản ứng hóa học, điện hóa nhằm tạo
lên một lớp màng trên bề mặt vật cần
mạ, các vật liệu màng thường được
mạ theo phương pháp này như: vàng,
bạc, crom, đồng, niken….trên hình là
động cơ stirling được mạ vàng
Hình 1. 3. Động cơ stirling mạ vàng
Một số phương pháp mạ hóa rất được chú ý như CVD (Chemical vapor
deposition), MOCVD, Plasma enhanced CVD (PECVD), Platting….
1.2.2. Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD)
Là phương pháp chế tạo ra các loại màng mỏng dựa nguyên tắc tác động
của năng lượng cao, vật liệu tạo màng được cung cấp năng lượng nóng chảy
hóa hơi để tạo nên một môi trường giống như các lớp sương mù sau đó các
phân tử vật liệu này lắng đọng trên các vật cần tạo màng hình thành các mối
liên kết tạo nên các lớp màng. Do quá trình tạo màng cần cung cấp năng
lượng cao và đảm bảo quãng đường di chuyển của các phân tử là ngắn nhất
nên q trình thường diễn ra trong mơi trường chân khơng cao thường < 10-4
Torr. Việc phân loại phương pháp này dựa vào cách thức làm hóa hơi vật liệu
tạo màng.
- Bốc bay nhiệt là cách hóa hơi vật liệu thường dung nguồn điện một
chiều nung nóng các thuyền có thể dạng dây mai xo hoặc dạng thuyền


12

làm cho vật liệu nóng chảy và bay hơi. Phương pháp thường sử dụng cho
vật liệu bốc bay có nhiệt độ nóng chảy thấp.
- Phương pháp bốc bay bằng chùm electron (electron beam evaporator)
phương pháp này dùng chùm ion do súng ion bắn ra (Electron gun)

chùm ion được bắn vào vật liệu cần bốc cung cấp năng lượng làm cho
vật liệu bốc bay trong các nồi chứa nóng chảy và bay hơi, đây là phương
pháp có thể chế tạo màng cho hầu hết các vật liệu bốc bay và ứng dụng
rộng rãi trong công nghiệp chế tạo màng.
- Phương pháp Sputtering tạo plasma cung cấp năng lượng cho các khí
trơ như Argon bắn phá lên các tấm là vật liệu tạo màng, các phân tử
được tách ra khỏi bia và chuyển động đến các đế cần bốc. Đây là phương
pháp được ứng dụng rất hiệu quả trong công nghiệp như chế tạo các loại
lớp phủ cứng trên các dụng cụ cắt, chế tạo đĩa CD, DVD….
Ngoài các tác phương pháp làm bốc hơi vật liệu kể trên cịn có thể sử
dụng nguồn laser công suất cao chiếu trực tiếp lên các vật liệu cần bốc bay
1.2.3. M ột số phương pháp khác
Một số phương pháp được phân loại chủ yều là sự kết hợp giữa phương
pháp hoá học và phương pháp vật lý kể trên. Một số phương pháp tiêu biểu
như: reactive sputtering giống như phương pháp sputtering nhưng khi thốt
khỏi bia các phân tử phản ứng với khí trộn lẫn như Oxy hay Nitơ, phương
pháp MBE (molecular beam epitaxy) có thể điều khiển cho các lớp phủ với độ
chính xác tới từng lớp phân tử, phương pháp topotaxy giống như phương
pháp epitaxy các tinh thể được ni cấy có cấu trúc giống như cấu trúc của
thạch anh ( cấu trúc heterotopotaxy hoặc homotopotaxy). Hình 1.4 phương
pháp chế tạo màng theo nguyên tắc topotaxy


13

Hình1. 4. Phương pháp chế tạo màng theo nguyên tắc topotaxy
1.3. Độ bám dính của màng mỏng và các phương pháp xác định
Sự bám dính theo tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing and
Metarial) được định nghĩa là trạng thái trong đó hai bề mặt dính vào nhau bởi
lực tiếp xúc; lực đó có thể là lực hố học (lực liên kết hoá học), lực do trạng

thái tiếp xúc hoặc cả hai. Những lực tạo nên độ bám dính có thể là lực Vander
Waals, lực điện, lực do sự thiêu kết hố học.
Do đó, độ bám dính là khả năng bám chặt của màng với bề mặt chi tiết
được mạ màng do lực liên kết các phân tử màng với các phân tử đế.
Độ bám dính phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau:
- Tình trạng chi tiết được mạ màng và vật liệu chi tiết được mạ màng.
- Vật liệu chế tạo màng, về bề dày màng, về số lớp màng.
- Sự khác biệt giữa màng và đế về hệ số giãn nở nhiệt, về ứng suất.
- Điều kiện công nghệ chế tạo màng, điều kiện làm sạch, áp suất
buồng chân không, vận tốc thăng hoa, vận tốc ngưng đọng, nhiệt độ đế trong
khi tạo màng…
- Điều kiện môi trường và thời gian sử dụng màng: áp suất, nhiệt độ
và độ ẩm.


14

Độ bám dính là một thuộc tính quan trọng của lớp phủ biểu trưng cho
cơ tính của vật liệu phủ trên bề mặt vật được phủ. Ảnh hưởng của độ bám
dính có thể làm cho chức năng của lớp phủ bị mất đi. Vì vậy, đánh giá độ bám
dính có ý nghĩa hết sức quan trọng. Rất nhiều kỹ thuật, phương pháp để đánh
giá độ bám dính, một vài phương pháp dựa trên lực liên kết so sánh để đánh
giá. Tuy nhiên, chúng đều có giới hạn trong phạm vi sử dụng nhất định.
Các phương pháp đánh giá độ bám dính có cơ sở tạo lực làm bóc tách
các phần tử màng với nhau và với vật liệu đế. Các phương pháp đánh giá độ
bám dính tạo ra lực tác dụng tách màng ra khỏi bề mặt đế hoặc phương pháp
khơng phá màng thơng qua tính dẫn điện, điện trở, điện dung và truyền nhiệt
giữa màng và đế.
1.3.1 Phương pháp kéo
Đây là phương pháp vẫn đang được áp dụng để đánh giá độ dính bám

của các lớp phủ có độ bám dính khơng cao. Ngun tắc là phá vỡ lực liên kết
giữa lớp phủ và đế bằng cách sử dụng lc kộo.

Đầu tạo lực tác dụng

Đầu tạo lực tác dụng
F

Lớp phủ
Đế
Đầu tạo lực tác dụng

Lớp phủ
Đế

Hỡnh 1.5. Xỏc nh bám dính bằng phương pháp kéo
Một ví dụ của phương pháp kéo được Kwahara trình bày: sử dụng một
thanh trụ bằng thép, một đầu gắn với lớp phủ bằng keo epoxy. Cố định phần
đế và lớp phủ. Sau đó tác dụng tải có phương song song với lớp phủ tác dụng
lên thanh trụ. Dưới sự tác dụng lực thì lớp phủ bị bóc tách khỏi đế thơng qua
độ lớn lực tác dụng, tính chất keo sẽ đánh giá được độ bám dính. Điều cần


15

chú ý là tính chất của keo liên kết và lực tác dụng đảm bảo khơng sinh
mơmen uốn trên tồn bề mặt lớp phủ.
Giới hạn của phương pháp này là sử dụng keo hoá học, cụ thể thường
sử dụng keo epoxy. Phải ln đảm bảo độ dính bám lớn nhất luôn nhỏ hơn
lực liên kết của keo gắn bề mặt lớp phủ với dụng cụ thí nghiệm. Tuy vậy, đây

vẫn là một phương pháp hiệu quả để đánh giá độ dính bám trong nhiều năm
qua. Cũng có thể sử dụng áp lực nhạy đặt lên bề mặt để phát hiện mức độ bóc
tách của lớp phủ.
1.3.2. Phương pháp sử dụng tia LASER
Tia laser laser xung năng lượng cao được sử dụng để bóc tách lớp phủ
khỏi đế:
Phương pháp thứ nhất tia laser được chiếu ngược từ phần đế khi gặp
mặt phân cách sẽ có năng lượng cao gây nên sự va chạm đột ngột tại mặt
phân cách nếu năng lượng đủ lớn sẽ làm bóc tách lớp phủ hoặc đo trực tiếp độ
bám dính mà khơng cần bóc lớp phủ.
Phương pháp thứ hai là sử dụng tia chiếu từ phía lớp phủ xuống nhưng
khơng làm bóc tách lớp phủ. Nó có bản chất giống như sóng siêu âm, nó có
thể phát hiện độ hụt giữa các lớp trong từng miền dính kết. Dùng tia laser
xung tác dụng lên bề mặt lớp phủ và ứng với một bước sóng xác định. Hình
ảnh hợp lý của độ hụt dính bám khoảng 0.2 mm chiều rộng. Phương pháp này
sử dụng tốt nhất với lớp phủ có chiều dày khoảng 0.5mm và đế dày khoảng
3mm.
phương pháp sử dụng tia laser có lợi thế hơn tất cả các phương pháp
khác. Nó có một ưu điểm đặc biệt là khơng phá huỷ lớp phủ, nó tạo ra một
garadien nhiệt trên bề mặt phân cách và cho kết quả chính xác.
1.3.3. Phương pháp phun cát
Nguyên lý: Cho hạt cát kích thước xác định rơi từ độ cao h xuống bề
mặt màng đặt ở góc nghiêng nhất định. Sau đó đem bề mặt bị cào xước soi lên
kính hiển vi quang học để đánh giá độ dính bám.


h

16

Muc do cao xuoc bm

Muc do cao xuoc bm

Muc do cao xuoc bm

45°

Khoi luong cat

Chieu cao h

π/4
Goc nghieng cua ctiet

Hình 1.6. Xác định độ bám dính bằng phương pháp phun cát
1.3.4. Phương pháp cà tỳ
Các phương pháp trên đều thể hiện những ưu nhược điểm của mình
nhưng trong điều kiện của chúng ta thì các phương pháp trên đều rất khó thực
hiện do phải sử dụng những thiết bị khá đắt. Phương pháp cà tỳ là phương
pháp có thể thực hiện được, nó cũng cho chúng ta những kết quả về độ bám
dính tương đối chính xác. Phương pháp cà tỳ cũng dùng lực tác dụng nhằm
tạo ra một diện tích màng bị mài mịn sau đó dựa vào sự mài mịn đó ta có thể
đánh giá được độ bám dính.
Nội dung của phương pháp cà tỳ là tạo nên một cơng bóc màng theo
thời gian thơng qua tiết diện lớp màng bị bào mòn. Sử dụng mũi bằng kim
loại hoặc đầu bịt nỉ, da, vải,… có đường kính đầu là d được tỳ lên bề mặt


17

màng với áp lực P. Trong quá trình đo màng vừa chịu lực ma sát vừa chịu áp
lực nên màng sẽ bị bào mịn một diện tích s sau khoảng thời gian t quy chuẩn.

Hình 1.7. Xác định độ bám dính bằng phương pháp cà tỳ
1.3.5. Phươn pháp rạch
Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và trong
cơng nghiệp để đánh giá độ bám dính. Phương pháp rạch đơi khi cịn biết đến
như một phương pháp mũi nhọn. Một vết lõm được tạo trên bề mặt lớp phủ
dưới tác dụng tăng dần của lực đến khi phát hiện sự bóc tách. Tải trọng tương
ứng tạo nên vết lõm để đánh giá độ bền bám thường là tải trọng tới hạn.

Hình 1.8. Xác định độ bám dính bằng phương pháp rạch


18

Ở phương pháp rạch, sau khi màng được rạch ta đưa màng đi quan sát
trên kính hiển vi ta có thể xác định được độ lớn của của diện tích được rạch
trên lớp phủ. Phương pháp kiểm tra này dưới tác dụng của một lực xác định
dựa vào chiều dày hay chiều sâu của vết rạch. Đo kích thước của vết rạch để
đánh giá độ bền, độ bám dính của lớp phủ. Với phương pháp này thì độ bám
dính có thể xác định chính xác hơn với chiều dày màng là mỏng.
1.4. Vai trị của việc xác định độ dính bám của màng mỏng đối với dụng
cụ cắt
Xác định độ bám dính của lớp phủ cho ta thơng số đầy đủ nhất đại diện
chơ cơ tính của màng. Trong quá trình sử dụng các dụng cụ cắt yếu tố ảnh
hưởng lớn nhất đến khả năng làm việc chính là hiện tượng mịn, thơng qua
việc xác định độ bám dính của lớp phủ trên các loại dụng cụ cắt bằng phương
pháp rạch ta có thể tiên đốn hoặc cho ta một kết quả định tính cũng như định

lượng khả năng cắt của dụng cụ. Để hiểu sâu hơn về vấn đề này có thể nghiên
cứu một số dạng mịn cơ bản xảy ra trên các dụng cụ cắt từ đó cho ta những
đánh giá tương quan việc xác định độ bám dính và khả năng chống mài mịn
của lớp phủ
1.4.1. Các cơ chế mịn
Bốn cơ chế mịn chính của dụng cụ là mịn dính, mịn cào xước, mịn bóc lớp,
và mịn do khơng ổn định hóa học bao gồm mịn khuếch tán, mịn hịa tan và
mịn điện hóa như trên hình 1.9.


19

Phoi
mịn khuếch tán
mịn hồ tan
mịn cơ điện

Lưỡi cắt

mịn bóc lớp
mịn cào xước tiếp xúc

mịn dính

dính

Phơi

Hình 1.9. Các cơ chế mịn của dụng cụ
Mịn dính: Do hình thành những mối nối có tính chất hàn dính giữa phoi và bề

mặt dụng cụ và các nứt gãy của mối nối do lực trượt, làm cho các mảnh nhỏ
của dụng cụ bị giật ra và dính vào phoi hoặc vào phơi. Dạng mịn này thường
xuất hiện ở mặt sau, khi cắt với tốc độ thấp và nhiệt độ tiếp xúc không cao
lắm, cũng có thể kèm theo ơ xy hóa bề mặt dụng cụ hoặc các tương tác hóa
học khác với mơi trường xung quanh.
Mòn cào xước: Trên bề mặt dụng do các hạt cứng gây ra trong vật liệu phôi.
Ảnh hưởng của mịn do mài đến mịn của dụng cụ có thể giải thích lý thuyết
bằng ba mơ hình cào xước là cày xước vi mơ, tróc vi mơ và gãy vi mơ. Vật
liệu phơi như gang và thép, có chứa hạt của pha khác, có độ cứng lớn hơn
nhiều so với phần còn lại. Các hạt này thường là carbit hoặc ô xít như ôxit
nhôm Al2O3, silica hoặc một số silicat, cũng có thể là các mảnh có ứng suất
cao ở nhiệt độ cao, sinh ra từ lẹo dao không ổn định trên dụng cụ. Trong thực
tế, mòn mặt sau được quy về mòn cào xước. Trong mòn cào xước, ảnh hưởng
của độ cứng bề mặt dụng cụ là rất đáng kể.
Mịn bóc lớp: Do biến dạng dẻo của bề mặt dẫn đến lớp dưới bề mặt gãy
thành hạt nhân, lan truyền và giải phóng các mảnh nhỏ khỏi bề mặt dụng cụ.


20

Hiện tượng này quan sát được ở tốc độ cắt cao, dụng cụ bị mềm hóa do nhiệt
độ cao của q trình gia cơng.
Mịn do khơng ổn định hóa học: rất quan trọng trong cắt gọt vì nhiệt độ cao
trên bề mặt tiếp xúc bao gồm mòn khuếch tán, mòn hịa tan và mịn điện hóa.
Vật liệu hịa tan có thể bị dời đi do khuếch tán khỏi mặt phân cách, hoặc đối
lưu do vật liệu phoi chảy trên mặt phân cách, hoặc do các hạt mòn bị mất đi
do bóc lớp, hoặc do sự phá hủy bề mặt ngay dưới lớp hồ tan.
Mịn khuếch tán: Đặc trưng bởi lượng vật liệu mất đi do khuếch tán của các
nguyên tử vật liệu dụng cụ vào vật liệu phôi. Điều kiện cần đối với mòn
khuếch tán là mối liên kết luyện kim của hai bề mặt đạt tới mức các nguyên tử

có thể chuyển động tự do qua mặt phân cách và nhiệt độ đủ cao để khuếch tán
xảy ra nhanh ở pha nào đó khi vật liệu dụng cụ hịa tan vào vật liệu phôi.
Nhiệt độ và tốc độ di dời của lớp liền kề với bề mặt là hai thơng số chính ảnh
hưởng đến mịn khuếch tán.
Kramer đưa ra lý thuyết cho rằng tốc độ mòn được điều khiển bởi tốc độ
khuếch tán khối lượng. Tuy nhiên mòn khuếch tán trên mặt phụ (mặt tái tạo)
của dụng cụ, phản ứng hóa học xảy ra trên mặt phân cách ảnh hưởng chính
đến mịn. Họ cũng thấy rằng ơ xy tăng tốc độ hình thành các lớp ơxít liên tục
bị xé rách làm tăng mòn, trong khi mòn giảm đi trong mơi trường khí argon.
Mịn hịa tan: Mơ tả cơ chế mòn xảy ra khi tốc độ mòn phụ thuộc vào tốc độ
hòa tan nhiều hơn di dời đối lưu.
Mòn điện hóa: do sức điện động nhiệt điện sinh ra tại chỗ tiếp giáp phoi-dụng
cụ và tạo thành dòng điện trong mạch. Cơ chế này có thể phá hủy vật liệu
dụng cụ và gộp bề mặt dụng cụ vào mặt phân cách dụng cụ-phoi. Dịng nhiệt
điện hình thành trên tiếp xúc phoi-mũi cắt và tại tiếp xúc mặt sau-phôi. Cường
độ của dòng nhiệt điện này khoảng 5A khi dụng cụ phân cực âm. Với vật liệu
phơi cho trước, mịn cào xước xấp xỉ như nhau ở tất cả các điều kiện cắt,
trong khi mịn dính xuất hiện chủ yếu ở nhiệt độ cắt thấp, tương ứng với tốc


21

độ cắt thấp. Mịn do khơng ổn định hóa học, bao gồm các ảnh hưởng như
khuyếch tán và ô xy hóa xuất hiện ở nhiệt độ cắt cao, như trên hình 1.10.
Nhiệt độ

Mịn

khuếch tán
cào xước

dính
ơ xi hóa

Hình 1.10. Sơ đồ cơ chế mòn dụng cụ xuất hiện ở các nhiệt độ cắt khác nhau
Mòn ở lưỡi cắt trước của mặt sau dụng cụ và mịn mặt trước như trên hình
1.11a, là các dạng mịn thơng thường nhất của dụng cụ trong khi cắt gọt.
Mòn mặt sau: Mòn mặt sau chủ yếu gây ra do dụng cụ bị các hạt cứng mài
mịn nhưng cũng có thể đi kèm với mịn dính. Mịn mặt sau cũng chính là mơ
hình mịn chiếm ưu thế ở tốc độ cắt thấp. Quy hoạch dữ liệu mòn mặt sau của
dao tiện HSS là hàm số của vận tốc cắt và lượng tiến dao, thấy rằng bằng cách
chọn các thơng số cắt thích hợp sẽ tìm được vùng mòn thấp.
Mòn mặt trước: tạo thành rãnh hoặc thành hố trên mặt dụng cụ, cách lưỡi cắt
khoảng 0,2 đến 0,5 mm tại nơi phôi chuyển động trên bề mặt dụng cụ (hình
1.11b). Mịn mặt trước quan sát được khi cắt kim loại có nhiệt độ nóng chảy
cao như thép, cắt ở tốc độ tương đối cao. Mòn mặt trước xảy ra do hòa tan vật
liệu dụng cụ, mòn khuyếch tán.
Hai cơ chế khác làm hỏng dụng cụ, mà không phải là do mịn đó là mỏi và
biến dạng đàn hồi của lưỡi cắt. Do độ cứng cao và tính giòn cũng như độ sắc
của lưỡi cắt, hiện tượng mỏi thường xuất hiện; áp lực cao và nhiệt độ gần lưỡi
cắt có thể gây ra biến dạng dẻo và bắt đầu q trình mịn.


phoi

mặt trước

22

dụng cụ

mòn mặt trước

mặt sau

lẹo dao

rãnh trên
mặt trước phụ

Lưỡi cắt của
dụng cụ

mòn mặt trước
mòn mặt sau
rãnh trên
mặt sau phụ

mòn mặt sau
Chi tiết
a

b

Hình 1.11. Các dạng mịn dẫn đến phá hỏng dụng cụ và lẹo dao
Lẹo dao: dồn vật liệu phôi đến gần đỉnh của lưỡi cắt thường xảy ra ở tốc độ
cắt trung bình như thấy trên hình 1.11a. Do lớp đầu tiên của vật liệu phơi dính
vào đỉnh của dụng cụ có sức bền đáng kể. Do ứng suất kéo, hiện tượng chảy
sẽ xuất hiện trong những lớp ít bị kéo hơn kể từ bề mặt của dụng cụ. Q trình
này lặp lại làm tích tụ vật liệu và hình thành các lớp tương đối lớn vật liệu
phơi cứng và tạo thành lẹo dao. Lẹo dao thường không ổn định, gãy ngay và

lập tức hình thành trở lại. Phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện cắt, ảnh hưởng
của lẹo dao có thể làm tăng hoặc giảm tuổi bền của dụng cụ. Lẹo dao ổn định
có thể làm tăng khả năng chống mòn cho dụng cụ. Mặt bất lợi là các mảnh vỡ
của lẹo dao có độ cứng khá cao có thể dính vào phoi hoặc phơi và gây ra mòn
cào xước trên dụng cụ. Ở tốc độ cắt cao hơn, ít khi hình thành lẹo dao vì nhiệt
độ tăng nên lẹo dao khơng cịn làm tăng sức căng của dụng cụ nữa và sẽ bị
phoi kéo đi.

1.4.2. Cải thiện bằng lớp phủ bề mặt
Cải thiện dụng cụ cắt làm cho mịn ít hơn, ma sát thấp hơn và kéo dài tuổi
thọ có thể đạt được bằng cách kết tụ lớp phủ cứng lên bề mặt dụng cụ. Dụng


23

cụ có phủ có các ưu điểm này là do ở nhiệt cắt và lực cắt thấp nên ma sát
giảm đi đồng thời giảm khả năng dính vào phơi cho nên vật liệu từ bề mặt
dụng cụ chuyển lên ít hơn, đồng thời tăng độ cứng bề mặt, giảm mòn cào
xước, giảm khuếch tán do tạo nên rào chắn và ổn định tính chất hóa học của
lớp phủ.
Như vậy để có được các ưu điểm trên lớp phủ phải có các tính chất: Có độ
dính bám thấp lên vật liệu chi tiết máy nhưng lại phải có độ dính bám cao lên
bề mặt dụng cụ, chống mòn cào xước tốt, có độ dai và độ bền hóa học tốt.
Các lớp phủ mỏng carbit hoặc nitrit thỏa mãn tốt những đòi hỏi trên. Các lớp
phủ này có chiều dày nhỏ cho nên có tính đàn hồi cao, rất cần thiết để hấp thụ
các va chạm và các ứng suất cao của lưỡi dao. Đồng thời các lớp phủ cũng
ảnh hưởng đến các thơng số cắt cơ bản như dịng phoi, dạng phoi, nhiệt độ
lưỡi cắt và khoảng làm việc tối ưu. Như vậy khi tính tốn dụng cụ cần phải tối
ưu lại và lưu ý đến các yếu tố góc trước, góc sau, chất lượng thép, độ cứng, độ
nhám...

Lớp phủ đem lại cho dụng cụ khả năng ma sát học ưu việt hơn, do đó:
- Giá thành giảm do làm tăng tuổi bền cho dụng cụ.
- Giá thành giảm do giảm thời gian chết của máy.
- Tăng năng suất vì vận tốc cắt có thể tăng do ma sát nhỏ hơn, cũng vì
vậy mà giảm năng lượng tiêu hao của máy.
- Cải thiện chất lượng chi tiết ở chỗ bề mặt gia cơng có chất lượng cao
hơn do cải thiện bơi trơn cũng như các yếu tố khác như độ chính xác
kích thước trong khi cắt.
Vật liệu nền
Thép gió thường được dùng làm vật liệu nền cho các lớp phủ mỏng chế tạo
bằng phương pháp vật lý. Các loại hợp kim bột thiêu kết cũng được sử dụng
vì phân bố các bít của chúng đảm bảo chất lượng phù hợp và thậm chí có thể
tăng độ dính bám do mạng các bít và TiN phù hợp tốt với nhau.