Nâng cao chất lượng đầu dao cắt bánh răng côn xoắn bằng phương pháp nhiệt luyện phun phủ bề mặt

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐẦU DAO CẮT BÁNH RĂNG
CƠN XOẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP HĨA NHIỆT LUYỆN,
PHUN PHỦ BỀ MẶT
CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Ngành:
Mã số:
Học viên:

HỒNG VĂN HUYNH

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH. BÀNH TIẾN LONG
TS. NGUYỄN TIẾN ĐƠNG

THÁI NGUN, NĂM 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI

NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐẦU DAO CẮT BÁNH RĂNG
CƠN XOẮN BẰNG PHƢƠNG PHÁP HĨA NHIỆT LUYỆN,
PHUN PHỦ BỀ MẶT
Học viên: Hoàng Văn Huynh
Lớp: K13 - CNCTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
Ngƣời HD khoa học: GS.TSKH. BÀNH TIẾN LONG
TS. NGUYỄN TIẾN ĐÔNG
Ngày giao đề tài: .... /11/2011
Ngày hoàn thành:
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN

GS.TSKH. BÀNH TIẾN LONG
TS. NGUYỄN TIẾN ĐƠNG

HỒNG VĂN HUYNH

DUYỆT BGH

KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp thạc sỹ kỹ thuật này là cơng trình do
tơi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo
nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn. Các kết quả kết quả
tính tốn, mơ phỏng đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của GS. TSKH. Bành Tiến
Long và T.S Nguyễn Tiến Đơng
.

Tác giả

Hồng Văn Huynh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3

LỜI CẢM ƠN
Bằng tất cả sự kính trọng em xin chân thành cảm ơn tới GS. TSKH. Bành
Tiến Long và T.S Nguyễn Tiến Đơng - người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt
q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn tới Viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội,
Viện khoa học vật liệu , Công ty cổ phần thiết bị công nghiệp Tùng Linh, Ban giám
hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Ban giám hiệu trường Cao đẳng Kinh
tế - kỹ thuật_ Đại Học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong
quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này.
Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và người thân đã động viên giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn..
E xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Hoàng Văn Huynh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4




MỤC LỤC

TRANG

LỜI CAM ĐOAN

1

LỜI CẢM ƠN

2

MỤC LỤC

3-4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

5-6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

7

PHẦN MỞ ĐẦU

8

1. Tính cấp thiết của đề tài

8-9

2. Mục tiêu của đề tài

9

3. Đối tƣợng nghiên cứucủa đề tài

9

4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài

10

5. Ý nghĩa của đề tài

10

Chương 1:TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ PVD, ĐẶC ĐIỂM VÀ

11

ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI
1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) – Phủ

11-16

bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)
1.2. Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ

16-18

1.3. Ứng dụng phủ PVD:

18-20

Chƣơng 2: MÒN, TUỔI BỀN VÀ NHU CẦU PHẢI PHUN PHỦ BỀ

21

MẶT CỦA DỤNG CỤ CẮT BÁNH RĂNG CƠN XOẮN
2.1. Mịn dụng cụ cắt

21-26

2.2. Tuổi bền của dụng cụ cắt

26

2.3. Cải thiện dụng cụ cắt bánh răng côn xoắn bằng lớp phủ bề mặt
Chƣơng 3: THẤM NITƠ VÀ PHỦ PVD - TiN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

5

26-28
29




3.1. Thấm Nitơ

29-56

3.2 Phủ PVD – TiN

57-71

Chƣơng 4: SO SÁNH TUỔI BỀN CỦA DAO CHƢA PHỦ VÀ DAO

72

CÓ PHỦ TiN KHI CẮT BÁNH RĂNG CƠN XOẮN
4.1. Mục đích thực nghiệm

72

4.2. Chọn phơi

72-73

4.3. Chọn đầu dao

74-75

4.4. Chọn máy

76

4.5. Tiến hành thí nghiệm

76-81

4.6. Kết quả thí nghiệm

81-92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

93-94

TÀI LIỆU THAM KHẢO

95-96

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

6




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hinh1.1 Bột phủ PVD
Hình 1.2 Sơ đồ 4 phƣơng pháp phủ PVD
Hình 3.1 Giản đồ pha Fe – N
Hình 3.2 Tổ chức tế vi của lớp thấm Nitơ
Hình 3.3 Sơ đồ thiết bị thấm Nitơ ở thể khí
Hình 3.4 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý tạo thành Plasma
Hình 3.6. Quá trình hình thành Nitơ Plasma
Hình 3.7 Tổ chức lớp thấm và dự báo chiều sâu lớp thấm
Hình 3.8 Hình ảnh lị thấm ở thể khí
Hình 3.9 Hình ảnh lị thấm ở thể lỏng

Hình 3.10 Hình ảnh lị thấm Nitơ Plasma
Hình 3.11 Hình ảnh lị thấm Nitơ Plasma của Đức và Mỹ
Hình 3.12 Hình ảnh lị thấm Nitơ Plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Việt Nam
Hình 3.13 Hình ảnh lị thấm Nitơ Plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội
Hình 3.14 Hình ảnh q trình thấm Nitơ Plasma điều khiển bằng máy tính
Hình 3.15 Một số sản phẩm ứng dung công nghệ thấm Nitơ Plasma
Hình 3.16 Thấm 8 lƣỡi dao phay bánh răng cơn xoắn
Hình 3.17 Hình ảnh lị phủ PVD – TiN
Hình 3.18 Một số hình ảnh phủ PVD – TiN
Hình 3.19 Hình ảnh phủ 8 lƣỡi dao PVD – TiN
Hình 4.1 Bản vẽ chế tạo phơi thí nghiệm
Hình 4.2 Bản vẽ kết cấu lƣỡi cắt trong và lƣỡi cắt ngồi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

7




Hình 4.3 Bản vẽ kết cấu dụng cụ gia cơng bánh răng cơn xoắn
Hình 4.4 Các bản vẽ thí nghiệm cắt bánh răng
Hình 4.5 Một số hình ảnh hoạt động và sản phẩm của Công ty thiết bị công
nghiệp Tùng Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1

Dữ liệu thị trƣờng thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ

Bảng 2

Các dạng phủ PVD

Bảng 3

Khả năng gia công của vật liệu phủ

Bảng 4

Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ

Bảng 5

Phƣơng pháp bảo vệ cục bộ khi thấm Nitơ

Bảng 6

Đo độ cứng thô đại

Bảng 7

Đo độ cứng tế vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

9




PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Kể từ khi đất nƣớc chuyển sang kinh tế thị trƣờng, sản xuất cơng nghiệp cũng
nhƣ các cơng trình xây dựng khác của chúng ta đã ghi nhận có một tốc độ phát triển
nhanh. Trên quan điểm vì sự phát triển bền vững kinh tế của đất nƣớc, chúng ta cần
phải sử dụng những nguyên vật liệu nhập khẩu và nguyên vật liệu trong nƣớc sản
xuất cho phù hợp và thích ứng với các u 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 công nghệ. Một trong những biện pháp hữu hiệu đó là sử
dụng cơng 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 lƣỡi cắt. Cịn trong các ứng dụng có ma sát trƣợt, lớp
phủ có xu hƣớng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép q trình di chuyển
tƣơng đối ít bị hạn chế hơn.
Khởi đầu từ năm 1985, nghiên cứu về lớp phủ cứng trong phòng thí nghiệm bắt
đầu đƣợc các hãng sản xuất dụng cụ cắt chú ý. Vào đầu những năm 90 các kết quả
đƣợc triển khai sang các hãng sản xuất thiết bị tạo lớp phủ trong chân không là môi
trƣờng lý tƣởng để thực hiện các phản ứng và liên kết của lớp phủ mà không bị lẫn
tạp chất.
Các nƣớc công nghiệp nhƣ Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Thụy Điển, Nga,… cho rằng
công nghệ tạo lớp phủ cứng là một trong những công nghệ ƣu tiên và hiệu quả kinh

tế cao cho nên đầu tƣ lớn vào công nghệ này.
Châu á các nƣớc nhƣ Ưc, Đài loan, Trung Quốc triển khai cơng nghệ phủ cứng rất
mạnh mẽ.
Trong thời gian gần đây, lớp phủ cứng đã đƣợc quan tâm nghiên cứu ở một số cơ sở
nghiên cứu trong nƣớc nhƣ: Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện ứng dụng cơng nghệ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

10




(Trung tâm Quang điện tử, Bộ KH và CN), Đại học khoa học tự nhiên (Đại học
quốc gia TPHCM)….
Các dụng cụ cắt có lớp phủ cứng có các ƣu điểm sau:
Giảm hiệu ứng kết dính giữa vật liệu của dụng cụ cắt và vật liệu gia công.
Cải thiện khả năng chống mài mòn của dụng cụ cắt nhờ độ cứng cao của lớp phủ.
Nâng cao khả năng chống lại quá 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 đƣợc thốt dễ
dàng hơn giúp giảm tải nhiệt lớn cho lƣỡi cắt của dụng cụ.
Ứng dụng của dụng cụ cắt có phủ cứng trong công nghiệp:
Tuổi thọ của mũi khoan tăng lên nhiều lần tùy thuộc và loại vật liệu đƣợc 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 ta rô tăng lên trên 2 lần đối với các vật liệu nhƣ thép không rỉ, thép
các bon, gang xám, thậm chí tăng lên đến 4 ÷ 5 lần đối với thép kết cấu.
Do vậy việc tiến hành nghiên cứu “Nâng cao chất lượng đầu dao cắt bánh
răng cơn xoắn bằng phương pháp hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt” là rất cần
thiết.

2. Mục đích của đề tài:
Xây dựng công nghệ phun phủ bề mặt đầu dao (lƣỡi dao) côn xoắn; xác định
các thông số ảnh hƣởng của đầu dao phay khi cắt bánh răng côn xoắn sau khi đầu
dao cắt đƣợc hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt, đến năng suất gia công và chất
lƣợng sản phẩm đảm bảo theo yêu cầu.
3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài:
- Đầu dao (6’’, 9’’); vật liệu thân dao thép 45; vật liệu lƣỡi dao P9, P18.
- Vật liệu gia công: Thép CT45
- Công nghệ phun phủ PVD – TiN tại Viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

11




- Máy: máy phay 525, 528 tại Công ty thiết bị công nghiệp Tùng Linh
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.
5. Ý nghĩa của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học: Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế phát triển
trong nƣớc và ngoài nƣớc khi dụng cụ cắt dùng phƣơng pháp hóa nhiệt luyện, phun
phủ bề mặt.
- Ý nghĩa thực tiễn: Ngày nay các dụng cụ cắt sau khi đƣợc hóa nhiệt luyện,
phun phủ bề mặt đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Vì vậy, đề tài
này có ý nghĩa trong thực tiễn trong các nhà máy có các dụng cụ cắt nhƣ mũi khoan,
dao doa, dao phay.....

- Nâng cao chất lƣợng các loại bánh răng côn xoắn sử dụng trong ô tô, máy
kéo, máy cơng cụ...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

12




Chương 1:TỔNG QUAN VỀ PHỦ PVD, ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
CẮT KIM LOẠI
1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý
học PVD (Physical Vapour Deposition)
Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vài trăm
m/phút cũng khơng làm mất đi vị trí quan trọng của thép gió trong cắt kim loại vì
thép gió có tính ƣu việt: Khả năng dễ gia cơng, tạo hình đƣợc các dụng cụ có hình
dáng phức tạp, độ dai va đập cao (Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độ cứng
nóng đáp ứng đƣợc các chế độ cơng nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp.
Thép gió đƣợc dùng làm dụng cụ cho các nguyên công nhƣ: Khoan, kht, doa,
phay rãnh…nói chung là các ngun cơng gia cơng lần cuối. Điều kiện thốt phoi
và nhiệt ở đó thƣờng khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ công
nghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vơ cùng quan trọng để nâng
cao n

đáng kể tốc độ cắt lẫn tuổi thọ của dụng cụ.
Bảng1: Dữ liệu thị trƣờng thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ
Loại dụng cụ

Tổng giá trị

Phủ PVD

Phủ VCD

Khơng phủ

Dụng cụ thép gió

4 tỷ USD

23%

0%

77%

Dụng cụ hợp kim cứng

6tỷ USD

10%

60%

30%

Dụng cụ tạo hình

8 tỷ USD

3%

5%

92%

Tổng số

18 tỷ USD

10%

22%

68%

Thống kê số liệu thị trƣờng thế giới về dụng cụ phủ cho thấy rằng chỉ sau 15 năm,
phủ PVD đƣợc ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến 23% các dụng cụ thép gió,
3% dụng cụ tao hình và 10% dụng cụ hợp kim cứng đƣợc phủ bằng phƣơng pháp
này. Nhu cầu phủ PVD cho thép gió cao gấp hơn 2 lần hợp kim cứng cho thấy ý
nghĩa quan trọng của phủ đối với thép gió trong cơng nghiệp. Ngƣời ta dự đoán tốc
độ sử dụng dụng cụ phủ hàng năm sẽ tăng đến 10% trong tƣơng lai.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

13

1.1.1. Khái niệm phủ PVD
Phủ PVD đƣợc thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng
dƣới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 4000C ÷ 5000C. Với nhiệt độ của q trình nhƣ thế phủ
PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ thấp các nguyên tử khí và
kim loại khi bay hơi phải đƣợc ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế
âm đặt vào đó. Q trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ đƣợc thực
hiện trƣớc khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền.

Hình 1.1: Bột phủ PVD
Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản:
- Sử dụng dịng điện tử có điện thế thấp.
- Dịng điện tử có điện thế cao.
- Hồ quang.
- Phát xạ từ lệch.
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất
dƣ trong lớp phủ là ứng suất dƣ nén. Chiều dày lớp phủ thƣờng bị hạn chế dƣới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

14




5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dƣ có cƣờng độ cao trong lớp phủ.
Từ khi cơng nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên đƣợc giới thiệu vào đầu những
năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn 30 năm qua,
phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các ứng
dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã đƣợc sử dụng rộng rãi nhất cho các

công cụ cắt.

Bảng 2: Các dạng phủ PVD
Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid đƣợc
phân loại nhƣ phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này cùng cấp một giải
pháp gia công không thể thay thế đƣợc trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt thấp
và độ mài mòn cao. Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia cơng tốc độ cao vì
khi tốc độ cắt tăng lên, lƣợng nhiệt sinh ra trong q trình gia cơng sẽ tăng lên
nhiều.
Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hồn thiện bề mặt tốt hơn, hình học
chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sự tăng
tuổi thọ cơng cụ. Điều này có thể đƣợc đánh giá theo hai cách:
1. Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia cơng mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp hơn.
2. Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất. Điều này có thể sẽ giữ nguyên
mức chi phí gia cơng nhƣng sẽ tăng năng suất của xƣởng sản xuất bằng cách tăng
các thông số của chế độ cắt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

15




Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi q trình gia cơng
hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các q trình sản xuất có thể
giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai.
Bảng 3: Khả năng gia công của vật liệu phủ

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi q trình gia cơng

hiệu quả hơn. Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ đƣợc sinh ra.
Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này rất quan trọng để theo kịp các xu hƣớng sản xuất
trong tƣơng lai.
Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp duy trì khả
năng cạnh tranh trong một thị trƣờng cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi nhuận.
Thƣờng thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị mới hay thuê thêm
nhân viên để đạt đƣợc mục tiêu này. Tuy nhiên, bằng cách phân tích q trình gia
cơng và ứng dụng một số cơng nghệ phủ ngồi hiện đại, các xƣởng gia cơng có thể
tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay cả hai.
1.1.2. Khái niệm phủ CVD
Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp
mỏng ceramics nhƣ: TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cƣơng nhân tạo với chiều dày

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

16




5 m ÷ 10 m. Chi tiết phủ đƣợc đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2
(dƣới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất bay hơi đƣợc đƣa vào buồng
này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thơng qua các phản ứng hố học. Nhiệt độ
của q trình từ 800oC ÷ 1050oC và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ.
1.1.3. Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD
Chƣa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD hoặc CVD hết
sức đơn giản, đó là bài tốn kinh tế: Làm giảm chi phí trên mỗi sản phẩm.
Bài tốn tiết kiệm chi phí đƣợc xác định dễ dàng nhƣ sau:
Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công = Tiết
kiệm.

1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ
Mặc dù mỗi phƣơng pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá
hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trƣng chính đƣợc chọn làm cơ sở,
đó là: độ cứng và ma sát.
Vật liệu
Độ cứng

Thép dụng cụ
58

62

HSS
62

Hợp kim cứng

65

70

76

PVD&CVD
> 80

(HRC)
Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ
So với dụng cụ có nền khơng phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều.
Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm

giảm áp lực tác dụng. 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
lƣỡi cắt. Cịn trong các ứng dụng có ma sát trƣợt, lớp phủ có xu hƣớng làm giảm sự
bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tƣơng đối ít bị hạn chế hơn.
1.1.5. Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD
Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thƣờng gấp từ 2 -3 lần so với khi
không phủ. Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp, ứng dụng cụ thể cịn cho thấy tuổi
thọ có thế tăng gấp 10 lần.
1.1.6. Phương pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD
Có nhiều vấn đề khác nhau cần phải tính tốn khi trả lời câu hỏi này nhƣ ứng dụng,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

17




vật liệu nền và dung sai dụng cụ. Đơn giản là khi dung sai và vật liệu cho phép,
CVD sẽ có ƣu thế hơn trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo
hình biến dạng kim loại có ứng suất cao. Các q trình phủ CVD tạo ra các liên kết
kiểu khuếch tán giữa lớp phủ và nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết đƣợc
tạo ra trong PVD. Quá trình phủ CVD đƣợc thực hiện ở nhiệt độ cao, khoảng 800oC
đến 1050 oC.
Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số trƣờng hợp.
Quá trình phủ PVD thực hiện đƣợc trên một diện rộng hơn, với nhiều nền và ứng
dụng khác nhau. Đó là vì đƣợc thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (400 oC ÷ 500 oC) với
độ dày trung bình 2 ÷ 5 m.
Với đặc tính này thì rất lý tƣởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt thép gió
(HSS), hợp kim cứng cũng nhƣ các chi tiết đòi hỏi dung sai chặt chẽ nhƣ các chi tiết

khuôn mẫu... Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ đƣợc
tiến hành trên hầu hết các vật liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn đƣợc duy
trì.
1.2. Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ
Có thể có một hoặc nhiều lớp phủ trên bề mặt mảnh hợp kim. Loại một lớp phủ
đƣợc chế tạo đơn giản và rẻ tiền tuy nhiên tuổi thọ của dao thấp do dao chóng mịn
hơn và vết nứt (nếu có) dễ lan đến vật liệu nền hơn so với loại nhiều lớp phủ. Loại
nhiều

dụng nhất định. Có thể có

2, 3 hoặc nhiều lớp phủ hơn. Loại này tạo cho dao độ tin cậy cao hơn và khả năng
gia công liên tục dài hơn. Một loạt các lớp phủ mỏng bảo vệ vật liệu nền một cách
mạnh mẽ hiệu quả, kéo dài tuổi bền của

chọn

mảnh hợp kim nhiều lớp phủ với lớp ngoài cùng có ma sát thấp (chẳng hạn bằng
TiN), lớp kế tiếp có tính chống mịn do tạo lỗ trống (oxit nhơm), lớp thứ 3 có tác
dụng chống mịn do tạo lỗ trống và mòn mặt sau (TiCN), cuối cùng là vật liệu nền.
1.2.1. Vật liệu nền

kim. Tungsten
carbide vẫn là vật liệu nền chính. Tùy theo ứng dụng mà chọn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

18

chất nền đƣợc sử dụng
là carbide.Tùy theo vật liệu chi tiết gia cơng mà chọn dao với chất nền thích hợp.
mảnh hợp kim có khả năng chống biến dạng
. Chất nền bằng tungsten carbide đƣợc hợp kim
hóa bởi một số carbide khối (TiC, TaC, NbC và VC) có
thép. Khi gia cơng vật liệu có tính dính nhƣ thép
mịn và chống tạo lỗ trống (do lẹo dao và
tróc) nên vật liệu nền có độ dai cao hơn với lƣ
.
Một số vật liệu nền khác là: polymer, kẽm – thiết, bạc – đồng thau, hợp kim cứng,
thép gió, titan, inconel …
1.2.2. Vật liệu phủ
Vật liệu phủ chính là carbide titanium (TiC), titanium nitride (TiN), oxit nhôm
(Al2O3), titanium cacbide nitride (TiCN). Đây là các vật liệu rất cứng, có độ chóng
ăn mịn và độ trơ hoá học cao, tạo một rào cản rất tốt giữa dụng cụ và phoi.
+ Titan Nitride (TiN):
Đây là loại vật liệu thƣờng dùng nhất, quen thuộc nó thƣờng đƣợc phủ lên thép gió
và carbide dụng cụ. TiN có độ cứng cao, hệ số ma sát nhỏ, giảm
.
+ Titanium – Carbide – Nitride (TiCN):
t thép
cacbon, gang, thép hợp kim dụng cụ.
+ Titanium – Alumium – Nitride (TiAlN):
.
Tính dẫn nhiệt kém nhƣng rất cứng.
+ Oxit nhôm (Al2O3):
Dụng cụ cắt với lớp phủ Al2O3 đang trở thành dụng cụ cắt có lớp phủ đang đƣợc sử
dụng rất rộng rãi. Vật liệu này có độ cứng cao, bảo vệ đƣợc bề mặt, an tồn khi cắt

với tốc độ cao khi gia cơng vật liệu cứng, gang và một số sản phẩm khác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

19




+ CBN:
đây.
Chiều dày lớp phủ này tƣơng đối dày nên khả năng tập trung ứng suất bề mặt
mòn của
dao rất tốt, nó thích hợp cho gia cơng vật liệu có chứa sắt hoặc không sắt hay cả vật
liệu phi kim loại.
+ Lớp phủ siêu cứng:
Vật liệu phủ này là graphít, ceramic, vật liệu tổng hợp.
1.3. Ứng dụng phủ PVD:
Phủ PVD có 4 dạng cơ bản:
- Sử dụng dịng điện tử có điện thế thấp
- Dịng điện tử có điện thế cao
- Hồ quang
- Phƣơng pháp phát xạ từ lệch
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất
dƣ trong lớp phủ là ứng suất dƣ nén. Chiều dày lớp phủ thƣờng bị hạn chế dƣới
5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dƣ có cƣờng độ cao trong lớp phủ. Phƣơng pháp
dùng dịng điện tử có điện thế thấp nhƣ hình 1.2 (a) dùng để phủ TiN và TiCN sử
dụng dòng điện tử 100V để bay hơi Ti. Mức độ ion hoá của kim loại bay hơi và khí
phản ứng cao, tuy nhiên hệ thống này chỉ phủ các chi tiết có kích thƣớc khơng lớn.
Tốc độ phủ thấp.

Các dụng cụ có kích thƣớc lớn thƣờng đƣợc phủ bằng dịng điện tử có điện thế cao
nhƣ hình 1.2 (b). Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000V làm giảm khả năng ion
hố của dịng kim loại bay hơi và phản ứng vì thế ngƣời ta sử dụng một hệ ba cực
để tăng mức độ ion hoá cho hệ thống. Hệ thống này chỉ phủ đƣợc TiN và TiCN.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

20




Hình 1.2: Sơ đồ 4 phương pháp phủ PVD cơ bản
(a) Dịng điện tử có điện thế thấp
(b) Dịng điện tử có điện thế cao
(c) Hồ quang
(d) Phát xạ từ lệch
Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang đƣợc dùng để phủ TiAlN hình 1.2(c). Tuy nhiên hợp
kim TiAl để bay hơi phải ở thể rắn nguyên khối. Hệ thống này có thể tạo ra lớp phủ
mỏng đến 2000A và tạo nên lớp khuếch tán giữa nền và lớp phủ. Nhƣợc điểm chủ
yếu của phƣơng pháp này là sự tạo thành các hạt Ti trên bề mặt lớp phủ, tuy nhiên
nhƣợc điểm này có thể khắc phục đƣợc nhờ lƣới lọc.
Phƣơng pháp phát xạ từ lệch có thể tạo nên bất kỳ lớp phủ nào hình 1.2 (d). Các
điện cực âm tạo nên một plasma của các ion khí trơ làm bật các nguyên tử của kim
loại bay hơi ra khỏi bề mặt, tạo thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết sau khi tác dụng
với khí phản ứng. Nam châm vịng ngồi của các điện cực âm phát xạ đƣợc chế tạo
mạnh hơn (lệch) so với bên trong để tạo nên một plasma ở vùng chi tiết phủ. Phủ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

21




PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của thép gió. Ví dụ: Dao phay lăn răng, thép gió
phủ PVD trong một số trƣờng hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít.
Hơn nữa phủ PVD cịn có thể phủ đƣợc ở trạng thái không cân bằng nhiệt mà CVD
khơng thể thực hiện đƣợc. Ví dụ: Phủ hợp chất kim cƣơng nhân tạo với các hạt các
bít siêu nhỏ WC/C.
Ƣu điểm của phủ PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn cùng với các lớp phủ
cứng nhƣ MoS2 và WC/C. Chẳng hạn các lƣỡi cắt của mũi khoan cần đƣợc bảo vệ
bằng các lớp phủ cứng nhƣng các bề mặt rãnh thoát phoi cần đƣợc phủ bằng lớp
giảm ma sát. Điều này mở ra một triển vọng mới về ứng dụng của phủ PVD cho các
dụng cụ ép, dập và các chi tiết máy chính xác.
KẾT LUẬN
Sự ra đời và q trình phát triển của cơng nghệ phun phủ dụng cụ cắt kim loại.
Phƣơng pháp phủ lý học PVD thực hiện ở nhiệt độ 4000C ÷ 5000C. Chiều dày lớp
phủ thƣờng bị hạn chế dƣới 5µm.
Phƣơng pháp phủ hóa học CVD thực hiện ở nhiệt độ 8000C ữ 10500C.Vi chiu
dy t 5 àm ữ 10àm.
So sỏnh phủ lý hoc PVD và phủ lý học CVD.
Giới thiệu một số vật liệu phủ và tính chất của các vật liệu phủ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

22

Chƣơng 2: MÒN, TUỔI BỀN VÀ NHU CẦU PHẢI PHUN PHỦ BỀ MẶT
CỦA DỤNG CỤ CẮT BÁNH RĂNG CÔN XOẮN
2.1. Mòn dụng cụ cắt
2.1.1. Khái niệm chung về mòn
bề mặt trong chuyển động trƣợt, lăn hoặc va chạm tƣơng đối với nhau. Eyre
topography của bề mặt.
Nói chung mịn xảy ra do
ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vƣợt quá
o tách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính
sang bề mặt đối tiếp hoặc tách ra thành những hạt mài rời. Trong trƣờng hợp vật
liệu chỉ dính từ bề mặt này
không mặc dù một bề m

mà không
dạng mịn. Giống nhƣ ma sát, mịn khơng phải là do tín

chung là ngun nhân mịn với tốc độ cao.
Mịn bao gồm sáu hiện tƣợng chính tƣơng đối khác nhau và có chung
: dính - mỏi bề mặt - va chạm - hố ăn mịn
và điện. Theo thống kê khoảng 2/3 mịn xảy ra trong cơng nghiệp là do các cơ chế
dính, trừ mịn do mỏi, mịn do các cơ chế khác là một hiện tƣợng xảy ra từ từ.
, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trƣờng
. Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do
mòn chỉ xác định đƣợc các cơ chế mòn ở giai đoạn cuối.
, khả năng cắt của dụng cụ sẽ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

23

hỏng hồn tồn.

chính xác gia cơng,
chất lƣợng bề mặt và tồn bộ khía cạnh kinh tế của q
nhƣ các biện pháp cơng nghệ mới để

và

tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đích làm tăng khả năng chống mịn của dụng
cụ.
2.1.2. Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt:
Theo Shaw mịn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, ơxy hóa và
theo điều kiện cắt
cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ƣu thế. Ngồi ra dụng cụ còn bị phá hủy do mẻ
dăm, nứt và biến dạng dẻo.
Theo Loffer trong cắt kim loại nhiệt độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh
. Ở dải vận
, cơ chế mịn do dính và mịn do hạt mài chiếm ƣu thế cho cắt liên tục và
gián đoạn. Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa
suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mịn
khơng liên tục.
2.1.2.1. Mịn do dính
Khi hai bề mặt rắn, phẳng trƣợt so với nhau mịn do dính xảy ra tại chỗ
trƣợt xảy ra vật
liệu ở vùng này bị trƣợt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành
các mảnh mòn rời, một số mảnh mòn cịn đƣợc sinh ra do

.
Có giả thuyết, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trƣợt tƣơng đối, một
vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dƣới tác dụng của ứng suất
tạo thành các mảnh mòn
dạng lá mỏng. Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

24




sang bề mặt đối tiếp.
Đối với dụng cụ cắt mòn do dính phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ
cao. Các vùng dính bị trƣợt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm chí trong khoảng
thời gian cắt ngắn, hiện tƣợng mịn có thể gọi là dính mỏi. Khả năng chống mịn
dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của các lớp bề mặt dụng cụ và cƣờng độ dính
của nó đối với bề mặt gia công. Cƣờng độ này đƣợc đặc trƣng bởi hệ số cƣờng độ
sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt độ

dí
xác định. Với đa số các cặp vật
từ 9000C

0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ

13000C. Bản chất phá hủy vật liệu ở các lớp bề mặt do dính mỏi là cả

dẻo và dòn. Độ cứng của mặt dụng cụ đóng vai trong rất quan trọng trong có chế
mịn do dính. Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ
1,47 đến 4,3

.

2.1.2.2. Mòn do hạt mài
Trong nhiều trƣờng h
chung, các hạt mịn này sau đó bị ơxy hố biến cứng và tích tụ lại là ngun nhân
tạo nên mịn hạt cứng ba vật. Trong một số trƣờng hợp hạt cứng sinh ra và đƣa vào
hệ thống trƣợt từ môi trƣờng.
Theo Loladze, mịn dụng cụ cắt do hạt mài có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong
vật liệu gia công nhƣ oxides và nitrides hoặc những hạt các bít của
cơng tạo nên các vết cào
xƣớc trên bề mặt dụng cụ.
Môi trƣờng xung quanh có ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ của mịn do hạt mài. Ví dụ
khi gia cơng cắt trong mơi trƣờng có tính hố học mạnh. Lớp bề
độ mịn. Armarego cho
rằng khả năng chống mòn do hạt mài tỷ lệ thuận với
.
2.1.2.3. Mòn do khuếch tán
Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trƣớc khi cắt tạo phoi dây
là điều kiện thuận lợi cho hiện tƣợng khuếch tán giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu
gia công. Colwell đã đƣa ra nghiên cứu của Takeyama cho

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

25