Luận án tối ưu thông số công nghệ chế tạo lớp phủ crn và tin trên chi tiết skd61

Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp phủ cứng nitrit trên cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao, hệ số ma sát

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án

Các lớp phủ cứng (hard coatings) mỏng trên cơ sở các vật liệu crôm (Cr) hay titan (Ti) được sử dụng rộng rãi để bảo vệ các bề mặt khỏi sự cào xước, mài mòn, tăng tuổi thọ,

và trang trí Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp phủ CrN có độ cứng cao (1800  2100 HV), khả năng chống mài mòn, hầu như không chịu ảnh hưởng bởi môi trường hóa học, hệ số ma sát tương đối nhỏ (~0,45)

Một ưu điểm nổi bật của lớp phủ CrN là khả năng chịu nhiệt cao Trong khi lớp phủ TiN (titanium nitride, một loại lớp phủ cứng rất phổ biến) chỉ làm việc an toàn ở nhiệt độ

400  450 0C, lớp phủ CrN có thể làm việc được ở mức 700  750 0C

Trên thế giới hiện nay, lớp phủ cứng được sử dụng phổ biến trong chế tạo khuôn mẫu

để tăng cao tuổi thọ, tăng chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu được công bố hầu hết tập trung vào các tính năng cơ bản của lớp phủ trên vật liệu nền mẫu và trong điều kiện phòng thí nghiệm Công nghệ ứng dụng các lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu crôm lên bề mặt khuôn mẫu là bí quyết riêng của các công ty và không hề được công bố

Hiện nay, các nghiên cứu để nâng cao tính năng của lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu crôm tiếp tục nhận được sự quan tâm bởi tiềm năng ứng dụng lớn Lớp phủ CrN bổ sung thêm một số kim loại khác như nhôm (Al) hay vanadi (V) vào thành phần của lớp phủ nhằm tạo ra các vật liệu có độ dẻo cao hơn hoặc có hệ số ma sát nhỏ hơn Ngoài ra, một hướng nghiên cứu khác là tạo lớp phủ đa lớp như CrN/TiN để phủ lên dụng cụ cắt gọt, hay CrN/Cr

để tăng khả năng bám dính của lớp phủ đối với vật liệu nền

Đối với nước ta, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công nghệ cao, có giá trị gia tăng cao, có tầm ảnh hưởng lớn đối công nghiệp cơ khí chế tạo và phụ trợ, và với sự phát triển kinh tế xã hội nói chung Hầu hết những loại khuôn có độ chính xác cao sử dụng trong công nghiệp phụ tùng ô tô, xe máy … các doanh nghiệp đều phải nhập ngoại với giá thành lên tới hàng trăm triệu đồng/bộ

Mặc dù có nhiều tiến bộ nhưng công nghệ xử lý bề mặt khuôn còn ở mức thấp với các phương pháp nhiệt luyện, thấm nitơ … dẫn đến ma sát tại các bề mặt lớn, tuổi thọ khuôn không cao, không có khả năng gia công các bề mặt có độ chính xác cao

Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp phủ cứng nitrit trên

cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao,

hệ số ma sát nhỏ, giảm mòn do ma sát không hình thành lẹo dao khi gia công…Đề tài nghiên cứu ứng dụng các lớp phủ cứng cho khuôn đúc áp lực nhằm nâng cao tuổi bền, giảm ma sát mài mòn, và chống bám dính cho bề mặt Đây lại là sản phẩm có sản lượng lớn, thị phần cao tại Việt Nam, trong lĩnh vực dân sự và quốc phòng an ninh

Lý do lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến

cơ tính của lớp phủ cho khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm”nhằm nâng cao chất lượng

sản phẩm và tuổi bền khuôn đúc từ thép SKD61, cũng như tìm ra được bộ thông số công nghệ tối ưu khi chế tạo lớp phủ trên bề mặt khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm

2 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

a Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Nghiên cứu công nghệ PVD nhằm tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn làm

từ vật liệu SKD61

- Tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính khi chế tạo lớp phủ CrN cho chốt trên khuôn đúc áp lực nhôm - kẽm là lưu lượng khí N2, tần số xung và nhiệt độ đế

- Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất

b Đối tượng nghiên cứu:

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron và phương pháp hồ quang chân không

- Tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm

c Phương pháp nghiên cứu:

Kết hợp ứng dụng lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng

- Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm tạo lớp phủ CrN đã chỉ ra mức

độ ảnh hưởng lớn nhất của lưu lượng khí tiếp theo là tần số xung và nhiệt độ đế

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Đưa công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm có thể là cơ sở áp dụng vào khuôn đúc áp lực khác nhau

- Phương trình hồi quy thực nghiệm xây dựng được có thể dùng để lựa chọn thông

số công nghệ chế tạo lớp phủ trên chốt trong khuôn đúc áp lực phù hợp điều kiện sản xuất

- Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trong luận án có thể làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và trong giảng dạy

4 Những kết quả mới

- Đã xây dựng được công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc

áp lực sản phẩm nhôm - kẽm

- Đã tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính tạo lớp CrN bằng phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron là lưu lượng khí N2 = 7,23 cm3/phút, tần số xung = 120,5 kHz và nhiệt độ đế = 294,6 0Ctrên cơ sở hai phương trình hồi quy thực nghiệm

- Đã đánh giá các thông số của lớp phủ: độ cứng, hệ số ma sát, chiều dày, hợp thức, cấu trúc tinh thể, ứng suất dư mặt tinh thể tương ứng với các chế độ công nghệ khác nhau của hai phương pháp chế tạo phún xạ và hồ quang chân không

- Đã áp dụng kết quả của luận án vào thực tiễn sản xuất phủ lớp CrN, TiN trên chốt tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC VÀ

có độ chính xác cao thì lớp phủ cứng là bắt buộc Vì thế, nghiên cứu chế tạo và sử dụng lớp phủ cứng nhằm nâng cao tuổi bền và chất lượng khuôn mẫu thực sự là một nhu cầu cấp thiết

và mang lại hiệu quả kinh tế xã hội lớn…

1.2 Đúc áp lực

1.2.1 Chu trình đúc áp lực

Đúc áp lực có thể sử dụng máy đúc buồng ép nóng hoặc máy đúc buồng ép nguội Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh, do pittông ép tạo ra Lực để làm pittông chuyển động lại do một bơm thuỷ lực gây nên Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi rất khác nhau trong suốt một chu trình đúc Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn như trên hình Hình 1.1 [6]

Hình 1.1 Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc [6]

Giai đoạn 1: Pittông 1 đã đi qua và bịt lỗ rót Vận tốc của pittông ép và áp lực trong buồng ép còn nhỏ Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong buồng ép và xilanh thuỷ lực

Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép Tốc độ của pittông tăng lên và đạt giá trị cực đại v2 Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng các trở lực của dòng chảy trong buồng ép

Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn Do thiết diện rãnh dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép lại tăng lên Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà

áp suất ép tiếp tục tăng lên Sau khi các dao động áp suất tắt dần, áp suất đạt giá trị không đổi Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh

Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh Áp suất có thể đạt tới 5  500 MPa, tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ Khi áp lực đã đạt giá trị thuỷ tĩnh mà tại rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim loại kết tinh trong trạng thái áp lực cao

1.2.2 Khuôn đúc áp lực

Cấu tạo khuôn đúc áp lực

Khuôn đúc áp lực có cấu tạo phức tạp bao gồm nhiều bộ phận và chi tiết có chức năng riêng Cấu tạo khuôn và các bộ phận, chi tiết chính trong khuôn đúc áp lực thể hiện trong Hình 1.2 Vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt với các chi tiết khuôn trong (phụ lục 1, trang 128) Quá trình chế tạo khuôn ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc của khuôn bởi một số yếu tố: khả năng gia công, gia công bề mặt bằng tia lửa điện, xử lý nhiệt, độ ổn định kích thước, xử lý bề mặt, khả năng hàn [18],[21] Các bề mặt lòng khuôn I, II trên khuôn

chính (3) và bề mặt chốt tạo lỗ (5) trên Hình 1.2 được gọi chung là bề mặt khuôn khi làm

việc Các bề mặt này có cùng điều kiện làm việc, chịu tác động dòng kim loại lỏng có nhiệt

độ, vận tốc và áp lực đúc cao Trong trường hợp xét tác động của dòng chảy theo các hướng lên bề mặt khuôn mới cần phân biệt bề mặt lòng khuôn và bề mặt chốt tạo lỗ

Hình 1.2 Cấu tạo và các bộ phận chính của khuôn đúc áp lực [3]

Điều kiện làm việc của khuôn khi đúc áp lực

Đúc áp lực là một quá trình sản xuất hàng loạt lớn, tạo ra vật đúc có hình dạng phức tạp, dung sai kích thước và chất lượng bề mặt cao Chế tạo từ 100.000  300.000 vật đúc trên một khuôn trong một loạt thông thường của khuôn Trong đúc nhôm áp lực, nhôm nóng chảy ở nhiệt độ từ 670  710 0C được phun vào khuôn, ở vận tốc từ 30  100 m/s, với áp lực phun là từ 50  80 MPa [20], [21], [71]

Trong chu kỳ đúc của khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm, nhiệt độ bề mặt khuôn thay đổi nhanh trong thời gian ngắn qua các giai đoạn: nhôm lỏng phun vào khuôn, nhôm đông

I

II

đặc, phun nước làm mát và dung dịch dầu bôi trơn (chống dính nhôm với bề mặt khuôn) Chu kỳ nhiệt trên bề mặt khuôn thay đổi theo chu kỳ đúc được thể hiện trong Hình 1.3, [13]

Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn được nung nóng từ 400  450 0C trong thời gian  1 giây

và giảm nhiệt từ 150  200 0C trong  20 giây [13], Hình 1.4 Quá trình làm mát khuôn cũng

có sự khác biệt giữa bề mặt và lõi khuôn Lõi khuôn được làm mát bởi hệ thống nước làm mát tuần hoàn bên trong, bề mặt khuôn được phun nước cùng chất bôi trơn bề mặt Hình 1.5.a cho thấy sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt khuôn trong một chu kỳ đúc tăng từ 204 

510 0C trong  11 giây, tiếp theo nhiệt độ giảm từ 510  120 0C trong  40 giây, sau đó tăng lên 204 0C trong  13 giây; tại vị trí 12,7 mm dưới bề mặt khuôn nhiệt độ tăng từ 220  320

0C trong  10 giây, sau đó giảm về 220 0C trong  44 giây; tại vị trí 38,1 mm dưới bề mặt khuôn nhiệt độ thay đổi nhỏ xung quanh 230 0C trong  44 giây [14] Trong một chu kỳ đúc nhiệt độ thay đổi theo thời gian với khoảng thay đổi lớn nhất ở bề mặt khuôn và giảm dần ở các vị trí dưới bề mặt khuôn Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến ứng suất nhiệt, mức độ thay đổi kiểu ứng suất và độ lớn ứng suất cũng khác nhau với các vị trí từ bề mặt khuôn vào đến lõi khuôn Khi nung nóng, ứng suất xuất hiện trên bề mặt khuôn là ứng suất nén có giá trị - 317 MPa, khi làm mát ứng suất bề mặt khuôn chuyển từ nén sang kéo có giá trị 255 MPa, khi kết thúc làm mát bề mặt khuôn tồn tại ứng suất kéo là 138 MPa, Hình 1.5.b, [14]

Hình 1.3 Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13]

Trong quá trình làm việc, bề mặt khuôn chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc Tuy nhiên, tác động về biến thiên nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của khuôn Những thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất

Hình 1.4 Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13]

Hình 1.5 Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14]

1.2.3 Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực

Vai trò của chốt tạo lỗ

Chốt tạo lỗ được sử dụng trong khuôn đúc áp lực để tạo ra các lỗ trên sản phẩm Tùy thuộc vào yêu cầu của lỗ trên sản phẩm (lỗ công nghệ hoặc lỗ không gia công) chốt tạo lỗ cũng có đặc điểm khác nhau Các lỗ công nghệ được sử dụng để định vị, gá đặt hoặc dẫn hướng cho các chốt của đồ gá khi gia công chi tiết Các lỗ không gia công trên sản phẩm thường được sử dụng theo yêu cầu chi tiết khi thiết kế Đối với hai dạng lỗ trên thì chất lượng

bề mặt và hình dáng hình học của lỗ được quyết định bởi bề mặt chốt tạo lỗ độ bền của chốt trong quá trình làm việc Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực có vai trò quan trọng đến sự hình thành và chất lượng cuối cùng của lỗ trên sản phẩm

Hình 1.6 Kết cấu khuôn đúc áp lực và bố trí chốt trong khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn tĩnh [40]

Kết cấu, điều kiện làm việc chốt

a Kết cấu chốt

Kết cấu chốt tạo lỗ được chia làm hai phần chính là phần làm việc nằm trong lòng khuôn và phần cố định nằm trong tấm khuôn chính Hình dáng chủ yếu của chốt thường là hình trụ, một số khác là hình vuông hoặc chữ nhật tùy theo thiết kế lỗ trên chi tiết đúc Phần làm việc của chốt trong khuôn được chế tạo côn thu về phía đầu chốt đảm bảo đẩy chi tiết đúc dễ dàng Phần cố định của chốt gồm phần trượt và phần chống xoay đối với chốt cố định hoặc kẹp chặt đối với chốt trượt

Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm

Hình 1.7 Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng)

Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm có kích thước chế tạo như trên Hình 1.7, gồm

có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên tấm khuôn chính của khuôn động, đường tâm của chốt vuông góc với mặt phân khuôn Phần (I) có kích thước côn với góc 10 và chiều dài L = 11+0,3 mm, đảm bảo thuận lợi cho quá trình rút chốt ra khỏi sản phẩm sau khi đông đặc được dễ dàng Phần (II) gồm thân chốt và đuôi chốt, đuôi chốt có phần vát để định vị và chống xoay chốt trong khuôn, đồng thời phần bậc của chốt là phần gá giữ cố định chốt trong quá trình đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn Chốt được lắp đặt và

bố trí như trên Hình 1.9

Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ

Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ có kích thước chế tạo thể hiện trên Hình 1.8 Chốt có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên khối trượt của khuôn động, đường tâm của chốt song song với mặt phân khuôn Phần (II) chế tạo rãnh có kích thước 5x3,53 mm ở phần đuôi để định vị, chống xoay và kẹp chặt, đảm bảo thuận lợi cho quá trình rút chốt ra khỏi sản phẩm sau đông đặc và đưa chốt ra khỏi khuôn Chốt được lắp đặt và bố trí như trên Hình 1.11

Hình 1.8 Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng)

b Điều kiện làm việc của chốt trong khuôn

Trong quá trình làm việc, bề mặt chốt chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc Tuy nhiên, tác động về biến thiên nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của chốt Điểm khác biệt trong quá trình làm việc của chốt tạo lỗ và bề mặt lòng khuôn được thể hiện bởi tác động của dòng kim loại lỏng và khả năng thoát nhiệt khi đúc chi tiết Dòng chảy trên bề mặt khuôn là dòng tiếp tuyến với bề mặt khuôn Dòng chảy có hướng vuông góc với

bề mặt chốt, tại vị trí va đập xảy ra nhiễu động của dòng chảy Trong quá trình chi tiết đúc giảm từ nhiệt độ lỏng về nhiệt độ đông đặc thì khả năng thoát nhiệt của chốt rất kém do không có hệ thống làm mát giống như khuôn Những thay đổi nhiệt độ bề mặt chốt đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất

Tác động của dòng lỏng lên chốt trong quá trình đúc

Hình 1.9 Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc

phòng)

Trên Hình 1.9 mô tả dòng kim loại lỏng vào khuôn khi đúc sản phẩm vòng ôm Trên khuôn động bố trí để đúc được sáu sản phẩm trong một lần đúc Dòng kim loại lỏng có vận tốc lớn từ đậu rót theo rãnh dẫn đến các vị trí hốc khuôn tạo sản phẩm Khi vào hốc khuôn, dòng kim loại tác động trực tiếp và vuông góc với bề mặt chốt, lúc này bề mặt phía trước của chốt ngăn cản và làm thu hẹp dòng chảy vào hốc khuôn Trên Hình 1.10 thể hiện dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau Rãnh dẫn kim loại vào hốc khuôn

có tiết diện thu hẹp tạo làm tăng áp lực tác động lên bề mặt chốt Tại vị trí dòng kim loại tác động vuông góc với bề mặt chốt thường gây ra hiện tượng giảm cơ tính, lún hoặc lõm bề mặt sau một số chu kỳ đúc nhất định Vị trí dòng tác động tiếp tuyến với bề mặt chốt thường

bị xói mòn do dòng chảy, tại vị trí này tiết diện dòng chảy tiếp tục bị thu hẹp, áp lực dòng tăng lên, tuy nhiên lúc này là dòng chảy trên bề mặt

Hình 1.10 Dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau

Hình 1.11 Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc

phòng)

Hình 1.12 Dòng kim loại lỏng trong khuôn và tác động vào chốt

a) Vật đúc; b) Vật đúc được cắt qua mặt phân khuôn; c) Chốt tạo lỗ trong khuôn

Tác động của chu kỳ nhiệt lên chốt trong quá trình làm việc

Hình 1.13 Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong các chu kỳ đúc [62]

Thay đổi nhiệt độ chốt tạo lỗ và nhiệt khuôn có sự khác nhau rất lớn về khoảng biến thiên và nhiệt độ lớn nhất trong một chu kỳ đúc ổn định, Hình 1.14 [62] Khoảng biến thiên nhiệt độ của khuôn từ 280  380 0C và của chốt tạo lỗ từ 200  580 0C Do trong quá trình đúc khuôn được làm mát liên tục bằng hệ thống nước tuần hoàn liên tục nhằm giữ ổn định nhiệt độ khuôn Chốt tạo lỗ không được làm từ lúc đóng khuôn đến khi sản phẩm được đưa

ra khỏi khuôn Chốt được làm mát thông qua quá trình phun nước làm mát và dung dịch bôi trơn khuôn có áp lực lớn lên bề mặt khuôn và chốt trước khi chu trình đúc lặp lại, do vậy tốc

độ giảm nhiệt của chốt cũng rất nhanh Trên Hình 1.14 cho thấy trong một chu kỳ đúc nhiệt

độ lớn nhất của khuôn là 380 0C thấp hơn nhiều nhiệt độ của chốt là 580 0C

Hình 1.14 Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong một chu kỳ đúc [62]

Trong một chu kỳ đúc, bề mặt chốt tạo lỗ chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc như dòng chảy, biến thiên nhiệt độ, lớn hơn nhiều bề mặt khuôn Ngoài ra, các tác động

cơ học, tương tác hóa lý của kim loại lỏng với bề mặt chốt và ma sát với bề mặt lỗ khi đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn

1.2.4 Các dạng hỏng bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ

Khuôn đúc làm việc chịu tác động của chu kỳ nhiệt và tải cơ học, do đó vật liệu khuôn, chốt tạo lỗ đòi hỏi phải có các cơ tính tốt trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao Tuổi thọ của khuôn đúc được thể hiện qua số lượng vật đúc đạt được, Bảng 1.1 [63] Tuổi thọ khuôn, chốt tạo lỗ chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ làm việc hay nhiệt độ hợp kim đúc Tuổi thọ khuôn đối với một vật liệu cụ thể cũng có thể thay đổi do thiết kế vật đúc, thiết kế khuôn cho sản phẩm đúc, chất lượng bề mặt gia công cuối cùng, tốc độ sản xuất, điều khiển

quá trình đúc, vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt khuôn, mức độ chấp nhận kích thước và bề mặt khuôn bị thay đổi Từ Bảng 1.1 cho thấy: Khi đúc các hợp kim có nhiệt độ cao thì tuổi thọ trung bình của khuôn giảm, tuổi thọ của các chốt tạo lỗ trong khuôn cũng thấp hơn khuôn từ

2 đến 10 lần

Hình 1.15 Các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực [51]

Chu kỳ đúc diễn ra rất ngắn, bề mặt khuôn chịu tác động nhiều nhất trong tất cả các giai đoạn (phun kim loại lỏng, tăng áp, vật đúc đông đặc, rút khuôn lấy vật đúc, phun dung dịch làm mát và bôi trơn) Cơ, nhiệt tác động và dòng kim loại nóng chảy là nguyên nhân gây ra: (a) mỏi cơ, nhiệt, bởi tác động nhiệt trên bề mặt của khuôn; (b) ăn mòn và hàn dính

do quá trình oxy hóa nhôm với bề mặt khuôn (c) xói mòn do dòng kim loại lỏng; (d) hỏng khốc liệt do sốc nhiệt; (e) nhiệt làm nóng vật liệu khuôn, làm cho tính chất cơ học bất ổn Hình 1.15 là các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực trong quá trình làm việc, [51]

Hợp kim

đúc

Nhiệt độ đúc ( 0 C) Dạng hỏng

Tuổi thọ trung bình (số lần đúc) Khuôn Lõi (chốt tạo lỗ)

Mỏi nhiệt Xói mòn Nứt Lún/lõm

100.000  400.000 50.000  200.000

Mỏi nhiệt Xói mòn Nứt Lún/lõm

60.000  200.000 40.000  150.000

Mỏi nhiệt Xói mòn Nứt Lún/lõm

5.000  50.000 1.000  5.000

Mỏi nhiệt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Mỏi nhiệt là vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ do ứng suất nhiệt

từ nhiều chu kỳ đúc sau đó phát triển dần dần Trong một chu kỳ đúc, lớp vật liệu bề mặt khuôn chịu tác động nhiệt thay đổi do quá trình nung nóng của vật liệu đúc và làm mát bề mặt khuôn Sự thay đổi nhiệt tạo ra ứng suất thay đổi trên bề mặt dẫn đến biến dạng lớp bề mặt và hình thành vết nứt Vết nứt do mỏi nhiệt còn được gọi là nứt nhiệt, có thể thấy trên Hình 1.16

Hình 1.16 Nứt do mỏi nhiệt trên bề mặt khuôn [63]

Các vết nứt do mỏi nhiệt được tạo ra bởi chu kỳ ứng suất, ứng suất kéo và biến dạng dẻo của vật liệu Nếu thiếu một trong các yếu tố trên thì không tạo ra vết nứt hoặc thúc đẩy vết nứt phát triển Biến dạng dẻo vật liệu tạo ra vết nứt và ứng suất kéo thúc đẩy vết nứt phát triển

Các yếu tố ảnh hưởng đến mỏi nhiệt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ bao gồm:

- Chu kỳ nhiệt của khuôn đúc: Nung nóng khuôn trước khi đúc, nhiệt độ bề mặt

khuôn, thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao, tốc độ làm mát khuôn Bề mặt khuôn cần được nung nóng trước khi tiến hành đúc, điều này làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa kim loại đúc và bề mặt khuôn Đối với đúc hợp kim nhôm, nhiệt độ nung nóng sơ bộ khuôn tối thiểu

là 180 0C giúp cho độ dai va đập khuôn cao gấp hai lần so với không nung nóng Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất công việc này thường bị bỏ qua, do đó tốc độ hình thành nứt do mỏi nhiệt diễn ra nhanh hơn và tuổi thọ khuôn giảm Nhiệt độ bề mặt khuôn ảnh hưởng lớn đến

sự xuất hiện của mỏi nhiệt Thép khuôn có khả năng làm việc bình thường ở nhiệt độ 600 0C với sự giãn nở nhiệt và ứng suất ở mức độ trung bình, nhưng ở nhiệt độ cao hơn nguy cơ nứt nhiệt trở nên đáng kể Nhiệt độ bề mặt khuôn được xác định thông qua nhiệt độ sấy sơ bộ, nhiệt độ đúc kim loại, thiết kế vật đúc, thiết kế khuôn đúc và tính chất vật liệu khuôn Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao làm tăng sự quá nhiệt và dão của vật liệu khuôn Điều này làm giảm độ bền cơ học của bề mặt khuôn, dẫn đến giảm khả năng chịu tải và tác động nhiệt Tốc độ làm mát khuôn nhanh sẽ dẫn đến ứng suất bề mặt lớn và dẫn đến vết nứt xuất hiện sớm hơn, làm giảm tuổi thọ khuôn nhanh hơn

- Tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ: Hệ số giãn nở nhiệt, độ

dẫn nhiệt, giới hạn bền nóng, chịu nhiệt độ cao, độ bền dão, độ dai Hệ số giãn nở nhiệt thấp làm giảm ứng suất nhiệt bề mặt khuôn Độ dẫn nhiệt cao làm giảm gradien nhiệt và giảm ứng suất nhiệt Giới hạn bền nóng của vật liệu khuôn cao làm giảm biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao, chống nứt nhiệt giúp nâng cao tuổi thọ khuôn Khả năng chịu nhiệt độ cao của vật liệu

khuôn thể hiện thông qua chống biến mềm trong quá trình tiếp xúc nhiệt độ cao Nếu vật liệu khuôn có giới hạn bền nóng cao trở nên mềm trong quá trình sử dụng, điều đó có nghĩa nứt nhiệt bắt đầu tăng tốc Độ bền dão là khả năng của vật liệu khuôn chịu được tác động của nhiệt độ và lực cơ học Trong quá trình làm việc, vật liệu khuôn bị biến mềm nhanh bởi tác động của các lực cơ học, trong thực tế các vết nứt nhiệt cũng có thể được tạo ra ở nhiệt

độ không đổi kết hợp với tác động lực cơ học theo chu kỳ Độ dai của vật liệu khuôn là khả năng chống lại biến dạng dẻo và không bị nứt Độ dai ổn định với giới hạn bền nóng và chu

kỳ nhiệt nhất định, khi vết nứt nhiệt phát triển thì độ dai vật liệu khuôn giảm

- Ứng suất tăng: Các vị trí khuôn có gân, gờ, các lỗ, góc trong khuôn và độ nhám bề

mặt khuôn Các vị trí gân, gờ, lỗ, góc có sự thay đổi hình dáng hình học so với bề mặt phẳng trong khuôn, làm tăng gradien nhiệt và biến dạng tạo ra sự tập trung ứng suất Trong thực tế sản xuất, nứt nhiệt tập trung tại các vị trí này làm giảm tuổi thọ khuôn Độ nhám bề mặt khuôn ảnh hưởng đến sự bắt đầu vết nứt bởi sự tập trung ứng suất Tuy nhiên, độ nhám bề mặt không đòi hỏi quá cao để đảm bảo chất bôi trơn dính bám tốt và phân bố đều trên toàn

bộ bề mặt

Các nghiên cứu [14],[18],[20],[21],[22],[24],[25],[26],[51],[56] cho thấy: Vết nứt hình thành chủ yếu do ứng suất (do quá trình chế tạo, xử lý nhiệt bề mặt, quá trình sửa chữa, chu kỳ nhiệt, áp lực đúc), sau khoảng 2500 lần bắn khuôn Các vết nứt tập trung nhiều ở cổng phun với mật độ, độ dài, chiều sâu và giảm dần tại các vị trí xa cổng phun Trong khuôn các vị trí tập trung ứng suất tại cạnh hay góc bán kính nhỏ Kim loại lỏng có nhiệt độ, vận tốc dòng chảy cao, áp lực điền đầy khuôn lớn là tác động làm thay đổi cấu trúc, tổ chức tế vi vật liệu của bề mặt khuôn, giảm tính chất cơ học như độ cứng, độ bền Chu kỳ nhiệt với gradien nhiệt lớn, quá trình giãn nở và co của vật liệu khuôn làm phát sinh ứng suất, biến dạng gây hỏng cục bộ; do đó vết nứt xuất hiện Theo thời gian làm việc, vết nứt phát triển,

và tăng tốc khi kim loại lỏng điền đầy vết nứt và quá trình oxi hoá vết nứt cũng làm cho vết nứt phát triển Nứt trên bề mặt khuôn tạo ra gân (vết nhăn) trên vật đúc, làm giảm chất lượng

Sự phát triển vết nứt được thúc đẩy bởi quá trình oxy hóa bề mặt làm việc và bề mặt của vết nứt Hình 1.17a Nguyên tử sắt từ lớp bề mặt thép khuếch tán vào bề mặt và oxy Khoảng trống trong lớp bề mặt thép được điền đầy với các thành phần hợp kim (Ni và Mo) Hình 1.17b Trên bề mặt của khuôn và các vết nứt một lớp oxit sắt thường được hình thành,

do sự có mặt của khí oxy và môi trường nhiệt độ cao Ngoài ra có mặt oxit nhôm và silic, là kết quả của phản ứng giữa oxy không khí và hợp kim nhôm Trong trường hợp thép

mactenxit, coban và niken khuếch tán về phía thép của ranh giới, nơi tập trung của chúng là cao hơn Hình 1.17b Ảnh hưởng tiêu cực của các lớp oxit là giãn nở nhiệt thấp, khối lượng lớn hơn và dòn Sự có mặt của nitơ và hợp kim nhôm bên trong các vết nứt, làm tăng ứng suất kéo ở đầu vết nứt (trong giai đoạn làm mát của chu kỳ), gây ra sự phát triển của các vết nứt Hình 1.17c Ứng suất kéo trong giai đoạn làm mát của chu kỳ, nguyên nhân hình thành vết nứt cục bộ trong các lớp oxit và trong điền đầy vết nứt Hình 1.17c Điều này gây mở rộng vết nứt do dòn của lớp oxit và sự khác biệt trong giãn nở nhiệt giữa các lớp oxit và lớp thép dưới bề mặt Các vết nứt này hoạt động như các kênh để đưa hợp kim nhôm và khí oxy vào các vết nứt Hình 1.17c Khí oxy không trong môi trường nhiệt độ cao gây ra quá trình oxy hóa của đầu vết nứt

Hình 1.17 Cơ chế phát triển vết nứt thúc đẩy bởi quá trình oxy hóa [51]

Khuôn đúc hỏng khi ứng suất lớn hơn độ bền của thép Những ứng suất là: (a) ứng suất dư, được tạo ra trong quá trình gia công khuôn, mài, xử lý nhiệt không tối ưu, và lỗi thiết kế khuôn; (b) ứng suất trong khi đúc, tức là ứng suất nhiệt-cơ học Để giữ khuôn có tuổi thọ dài, những ứng suất nên giữ ở mức thấp có thể Ứng suất dư có thể tối thiểu, nếu khuôn được thiết kế tối ưu, gia công và xử lý nhiệt được thực hiện một cách chính xác Trong hoạt động của khuôn, một điều phải ngăn chặn sốc nhiệt cao, vị trí vật liệu có nhiệt độ quá cao, áp lực không đồng đều, có thể dẫn đến khuôn bị phá huỷ thảm khốc Khuôn liên tục bị nung nóng và làm lạnh trong chu kỳ hoạt động Điều này tạo ra gradient nhiệt và theo đó là ứng suất nhiệt, mà theo chu kỳ thay đổi cường độ và hướng của nó, tạo ra mỏi nhiệt của vật liệu khuôn Các vết nứt bề mặt được tạo ra, lan truyền và tăng lên theo chu kỳ, tạo ra vết (gân) trên bề mặt vật đúc Như vậy khuôn phải được thay thế hoặc các vết nứt phải được sửa chữa bằng cách hàn Nứt bề mặt phụ thuộc rất lớn vào khả năng chống mỏi nhiệt của vật liệu khuôn, phụ thuộc vào vật liệu làm khuôn, xử lý nhiệt khuôn, và các thông số quá trình đúc Khả năng chống mỏi nhiệt giảm khi nhiệt độ hoạt động cao hơn thông số khuôn đúc, trong đó tạo ra gradient nhiệt là nghiêm trọng Khả năng chống mỏi nhiệt cũng giảm trong vật liệu với

độ bền nhiệt thấp của cơ tính và nếu xử lý nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ ủ thấp hơn [22]

Ăn mòn, xói mòn bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Ăn mòn bởi kim loại đúc nóng chảy

Trong quá trình đúc, kim loại nóng chảy được phun (bắn) vào khuôn với áp lực phun

và tốc độ dòng chảy lớn Trong trường hợp bề mặt khuôn không có lớp bảo vệ, kim loại nóng chảy sẽ khuếch tán vào bề mặt khuôn Đồng thời, các nguyên tố trong vật liệu khuôn (đặc biệt là Fe) sẽ khuếch tán vào kim loại nóng chảy Các quá trình này có thể tạo ra sự hòa tan của vật liệu khuôn và các hợp chất liên kim loại giữa kim loại khuôn và kim loại đúc

Khi tạo ra hợp chất liên kim thì kim loại đúc sẽ dính bám trên bề mặt khuôn Hình 1.18 cho thấy nhôm dính trên bề mặt chốt tạo lỗ vòng ôm trong quá trình đúc Hình 1.19 là ảnh hưởng của dính bám nhôm trên chốt gây xước bề mặt lỗ sản phẩm vòng ôm trong sản xuất

Hình 1.18 Nhôm dính bám trên bề mặt chốt tạo lỗ vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng)

Hình 1.19 Dính bám nhôm trên chốt gây xước bề mặt lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc

phòng)

Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn

Nhiệt độ của vật liệu đúc: Một số vật liệu đúc có nhiệt độ giới hạn cao hơn nhiệt độ đúc, khi đó tốc độ ăn mòn tăng lên Kẽm bắt đầu phản ứng với thép khuôn ở nhiệt độ khoảng

480 0C, nhôm ở 720 0C

Thiết kế khuôn: Nếu kim loại nóng chảy được phun vào khuôn ở tốc độ quá cao sẽ dẫn đến chất bôi trơn (chống dính) trên bề mặt khuôn có thể bị cuốn trôi, khi đó kim loại lỏng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt khuôn Vận tốc dòng kim loại lớn do thiết kế cổng phun kim loại của khuôn không chính xác

Xử lý bề mặt khuôn: Việc xử lý bề mặt khuôn cũng rất quan trọng Nếu tránh được

sự hình thành liên kim giữa kim loại khuôn và kim loại đúc sẽ giảm được ăn mòn bề mặt khuôn Bề mặt khuôn được thấm nitơ hoặc ứng dụng lớp phủ bề mặt tạo ra được sự bảo vệ nhất định, giảm ăn mòn khuôn

Xói mòn bởi kim loại đúc nóng chảy

Xói mòn là một dạng mòn cơ học trên bề mặt khuôn ở nhiệt độ cao, chủ yếu do dòng

chảy của kim loại lỏng Xói mòn bề mặt khuôn phụ thuộc vào vận tốc của dòng kim loại lỏng phun vào khuôn, nhiệt độ và thành phần kim loại Vận tốc dòng vượt quá 55 m/s làm tăng đáng kể mức độ xói mòn bề mặt khuôn Nhiệt độ cao của kim loại đúc khi tiếp xúc bề mặt khuôn làm cho bề mặt khuôn bị nung nóng trở lại Các hạt cứng, tạp chất trong nhôm hoặc nhôm có thành phần silic lớn hơn 12,7% làm tăng khả năng xói mòn Thông thường ăn mòn và xói mòn là hai dạng hỏng kết hợp xảy ra trên bề mặt khuôn, phụ thuộc vào vận tốc

và nhiệt độ của dòng kim loại chảy vào khuôn Ở vận tốc cao thì xói mòn bề mặt khuôn chiếm ưu thế hơn Khả năng chống ram lại (giảm độ cứng của các hạt cacbit) và giới hạn bền nóng cao của vật liệu khuôn cũng có tác dụng làm giảm xói mòn, ăn mòn và nâng cao tuổi thọ khuôn

Nghiên cứu về cơ chế dính bám nhôm và xói mòn bề mặt khuôn [60],[71],[65],[44], [45],[61] cho thấy: Tương tác hoá lý giữa kim loại lỏng với bề mặt khuôn đúc ở nhiệt độ cao hình thành lớp liên kim loại (AlxFeySiz) ở lớp chuyển tiếp nhôm lỏng-thép khuôn Hình thái của lớp liên kim phụ thuộc vào thành phần của hợp kim đúc và thép khuôn, nhiệt độ của hợp kim đúc và thời gian tiếp xúc Đó là quá trình khuếch tán trạng thái rắn hoặc phản ứng và khuếch tán vào kim loại lỏng, được thúc đẩy bởi nhiệt độ và gradient nồng độ, hình thành lớp hàn dính Quá trình hoà tan lớp liên kim vào nhôm lỏng làm giảm khối lượng thép khuôn

Ăn mòn và hàn dính hình thành ngay từ đầu quá trình đúc; đầu tiên là hàn dính, tiếp theo là lớp hàn dính bị hoà tan [65] Quá trình này xảy ra ngay từ khi khuôn bắt đầu làm việc, tại những vị trí trong khuôn nơi kim loại lỏng va đập trực tiếp và góc cạnh tiếp xúc nhiều với kim loại lỏng Quá trình này làm cho điều kiện ma sát của thép khuôn xấu đi, để lại trên bề mặt vật đúc các vết xước

Sự hình thành liên kim loại được chia thành bốn giai đoạn Năng lượng tự do của bốn giai đoạn, FeAl, FeAl2, Fe2Al5 và FeAl3 như sau:

Fe(a) + Al(a) ⇒ FeAl(s), G0 = -490.6 kcal/mol

FeAl(a) + Al ⇒ FeAl2(s), G0 = -140.3 kcal/mol

FeAl2(a) + Al ⇒ Fe2Al5(s), G0 = -84.83 kcal/mol

Fe2Al5(a) + Al ⇒ FeAl3(s), G0 = -120.65 kcal/mol

Hình 1.20 Sự hình thành lớp liên kim trên bề mặt thép H13 [65]

Có hai cách có thể hình thành được lớp liên kim tại bề mặt chuyển tiếp, khuếch tán trạng thái rắn hoặc phản ứng và khuếch tán vào kim loại lỏng Sự khuếch tán trạng thái rắn

sẽ xảy ra khi nhôm lỏng quá bão hoà lắng đọng trên bề mặt thép khuôn Khuếch tán trạng thái rắn nhôm-sắt này được thúc đẩy bởi nhiệt độ và gradient nồng độ Nó là một quá trình chậm và do đó không xảy ra trong khi đúc, nơi một chu kỳ phun điển hình diễn ra trong mili

giây Mặt khác, phản ứng hóa học và khuếch tán vào kim loại lỏng có thang thời gian nhỏ hơn nhiều, và rất có thể cơ chế chủ yếu sau hình thành liên kim loại và hàn dính Sự chuyển động của lỏng-rắn, khuếch tán xảy ra trước mất mát khối lượng hoặc hoà tan Hình 1.20 là lớp liên kim trên bề mặt thép H13

Sự hình thành và phát triển của lớp liên kim loại trong khuôn trường hợp không có một rào cản khuếch tán có thể được giải thích như sau:

- Giai đoạn 1: Trong khi phun kim loại lỏng và đông đặc, khuếch tán nhôm và các nguyên tử sắt xảy ra trên bề mặt chuyển tiếp để tạo thành lớp liên kim FexAlySiz tại bề mặt chuyển tiếp Silic thay đổi hệ số động học và độ hòa tan của sắt trong nhôm

- Giai đoạn 2: Một chu kỳ đúc mới bắt đầu và kim loại lỏng được vào lòng khuôn Động lực cho sự khuếch tán là thấp do sự có mặt trước của lớp liên kim loại Có đủ động lực cho các lớp liên kim tiếp tục phát triển Động lực cho hoà tan trong giai đoạn này là cao nhưng vẫn thấp hơn so với khuếch tán

- Giai đoạn 3: Trong các chu kỳ tiếp theo, độ dày của các lớp liên kim FexAlySiz đạt đến giới hạn tới hạn, động lực cho sự khuếch tán đã giảm đáng kể và trở thành động lực cho hoà tan trở nên ưu thế Hàn dính hoà tan trong kim loại nóng chảy

- Giai đoạn 4: Mất mát khối lượng đã diễn ra trên bề mặt khuôn nhưng là tự do của lớp liên kim loại Động lực cho sự khuếch tán tăng do mất FexAly vào kim loại lỏng nhưng vẫn không đáng kể so với động lực cho hoà tan Động lực cho hoà tan giảm với tăng độ dày lớp liên kim loại

- Giai đoạn 5: Quá trình tuần hoàn của sự phát triển hàn dính và hoà tan vẫn tiếp tục trong khi bề mặt khuôn liên tục mất sắt vào kim loại lỏng

Sự phát triển hàn dính và hòa tan trong hợp kim nhôm đúc sử dụng khuôn đúc bằng thép dựa trên các nghiên cứu: Tương tác hóa lý giữa thép khuôn và nhôm lỏng đầu tiên hình thành lớp liên kim và sự mất mát khối lượng thép khuôn bởi sự hòa tan của lớp liên kim loại Lớp liên kim loại hình thành dựa trên nhiệt động học và khái niệm giảm năng lượng tự do Gibb’s Một mô hình đã được đề xuất dựa trên sự khuếch tán và hòa tan của thép khuôn trong nhôm lỏng để tạo thành lớp liên kim và mất mát khối lượng Được khẳng định qua phân tích cấu trúc tế vi và kiểm tra phun khuôn cho thấy điều kiện ma sát của thép khuôn xấu đi bởi lớp liên kim loại Thấm ni tơ ngăn cản hình thành lớp liên kim loại có kết quả trong giảm hàn dính bề mặt tự do

Lún/lõm bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Vết lún/lõm trên bề mặt khuôn thông thường do độ cứng nóng vật liệu khuôn thấp

Ở nhiệt độ cao, độ bền và độ cứng của vật liệu khuôn sẽ giảm Lún/lõm trên khuôn sẽ tăng lên khi tăng nhiệt độ làm việc của khuôn Điều này đặc biệt quan trọng đối với khuôn đúc khi đúc các hợp kim nhôm, magie và đồng

Nứt tổng hợp của khuôn

Nứt tổng hợp là quá trình hình thành vết nứt lớn, tổng hợp nhiều dạng sai hỏng, được hình thành ở giai đoạn cuối tuổi thọ khuôn, khi này khuôn phải được sửa chữa hoặc thay thế Sốc nhiệt tạo ra nứt tổng hợp trên bề mặt khuôn trong quá trình làm việc, nứt xảy ra do bề mặt khuôn bị quá nhiệt Đây là nguyên nhân thường gặp nhất dẫn đến hỏng toàn bộ bề mặt khuôn Thực tế trong khuôn các ứng suất lan truyền theo mọi hướng, vì vậy vật liệu khuôn

cần có độ bền cao với khả năng tích lũy được các ứng suất kéo mà không bị nứt ở các vị trí tập trung ứng suất

Các dạng hỏng và mức độ hỏng là khác biệt ở các vị trí, bộ phận khác nhau trong khuôn đúc do tác động khắc nghiệt của điều kiện làm việc Tuy nhiên, trong khuôn chi tiết chịu tác động nhiều và mạnh nhất là các chốt tạo lỗ cho chi tiết đúc Vì chốt tạo lỗ thường không được kết nối với hệ thống làm mát của khuôn, nhiệt ở phần làm việc của chốt có thể cao tới 600 0C Bề mặt chốt ở vị trí tạo lỗ cho vật đúc thường xuyên bị bao bọc bởi kim loại lỏng, khả năng truyền nhiệt trong quá trình hình thành vật đúc chậm Khi lấy vật đúc ra khỏi khuôn, tạo ra lực ma sát giữa vật đúc và chốt tại vị trí tạo lỗ Khi phun dung dịch làm mát và bôi trơn, vị trí này toả nhiệt nhanh hơn so với các bề mặt phẳng của khuôn, mức độ thay đổi nhiệt độ lớn Thực tế sản xuất cho thấy, tuổi thọ chốt tạo lỗ ngắn hơn rất nhiều so với tuổi thọ khuôn Sự dính bám nhôm lỏng và tác động cơ nhiệt gây ra hỏng bề mặt chốt đồng thời cũng gây ra hỏng bề mặt lỗ trên vật đúc

1.2.5 Giải pháp nâng cao tuổi thọ khuôn và chốt tạo lỗ

Giải pháp về vật liệu chế tạo

Các tính chất quan trọng nhất cần thiết của vật liệu chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ là khả năng chống mỏi nhiệt và khả năng chống biến mềm ở nhiệt độ cao Khả năng chống biến mềm là cần thiết để chịu được tác động ăn mòn của kim loại nóng chảy dưới áp lực và tốc

độ phun cao Hiệu suất của khuôn đúc áp lực có liên quan đến nhiệt độ đúc của kim loại đúc, các gradient nhiệt trong khuôn đúc và tần số tiếp xúc với nhiệt độ cao Trong quá trình đúc khuôn áp lực cao bằng nhôm, khuôn đúc phải chịu được các điều kiện vận hành khắc nghiệt như áp suất cao và dao động nhiệt độ nhanh, theo thời gian hỏng hóc khuôn xảy ra Do đó thép làm khuôn đúc áp lực có các yêu cầu sau:

- Tính bền nhiệt cao tức là khả năng bảo đảm bề mặt làm việc của khuôn không bị biến dạng dẻo, tính năng này có thể đánh giá qua chỉ tiêu giới hạn chảy ở nhiệt độ cao hoặc

độ cứng ở nhiệt độ cao không nhỏ hơn 45  50 HRC

- Độ dai cao: Độ mỏi nhiệt của thép có quan hệ mật thiết với độ dai của nó Thông thường yêu cầu ở nhiệt độ thường độ dai của thép không nhỏ hơn 35 J/cm2, ở nhiệt độ làm việc độ dai không nhỏ hơn 50 J/cm2

- Độ bền mỏi nhiệt cao: Thông thường thép có tính bền nhiệt và độ dai càng cao, hệ

số giãn nở nhiệt càng nhỏ thì độ bền mỏi nhiệt càng cao

- Có khả năng chống dính bám, ăn mòn và xói mòn bởi dòng kim loại lỏng

Bảng 1.2 Thành phần hóa học thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3]

Thành phần hóa học %

0,32  0,42 0,8  1,2 ≤ 0,5 4,5  5,5 1,0  1,5 0,8  1,2 Vật liệu của khuôn, chốt tạo lỗ được lựa chọn từ các chức năng yêu cầu, trong trường hợp cần thiết thì sẽ phải thực hiện xử lý nhiệt và xử lý bề mặt Về vật liệu, xử lý nhiệt, xử lý

bề mặt của các linh kiện cấu thành khuôn tiêu biểu được thể hiện trong (phụ lục 1, trang 128) Hiện nay, khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm được sản xuất chủ yếu bằng thép SKD61,

Giải pháp về xử lý nhiệt khuôn, chốt tạo lỗ

Xử lý nhiệt là phương pháp truyền thống (tôi + ram) để nâng cao tuổi thọ khuôn và chốt tạo lỗ trong sản xuất Xử lý nhiệt qua công đoạn thể hiện trong Hình 1.21 nhưng đặc biệt điều quan trọng là phải quản lý nhiệt độ, quản lý thời gian, quản lý môi trường Nếu điều kiện nhiệt độ tôi, ram bị sai lệch thì sẽ dẫn đến bất thường trong tổ chức, bất thường về

độ cứng, dẫn đến thoát cacbon của bề mặt và trở thành nguyên nhân của tình trạng sớm bị nứt nóng làm suy giảm tuổi thọ của khuôn

Hình 1.21 Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng của khuôn, chốt tạo lỗ

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định đến tính cứng nóng của khuôn là quá trình nhiệt luyện khuôn Trước hết là nhiệt độ tôi khuôn Hình 1.22

Hình 1.22 Quy trình tôi thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3]

Để đạt được độ cứng từ 48-53 HRC thép SKD61 có thể tôi ở các nhiệt độ khác nhau

từ 950 0C đến 1100 0C Khi nung ở nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn Nền thép giàu nguyên tố hợp kim sẽ ổn định và giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao hơn, thời gian dài hơn Tuy nhiên khi được tôi ở nhiệt độ thích hợp thì tính cứng nóng

và độ bền nóng sẽ được cải thiện

Tôi ở nhiệt độ cao quá (trên 1080 0C) hạt tinh thể của thép sẽ bị thô, độ dai của thép nhỏ và do đó khuôn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm Trái lại, nung tôi ở nhiệt độ thấp quá (dưới

1000 0C) nền thép ít được hoà tan nguyên tố hợp kim sẽ kém ổn định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng của khuôn

Kết quả nghiên cứu cho thấy nung tôi SKD61 tốt nhất ở 1020  1070 0C Giới hạn dưới dùng cho khuôn lớn, thời gian giữ nhiệt khi nung tôi dài Giới hạn trên dùng cho các khuôn nhỏ, thành mỏng dưới 20 mm Môi trường làm nguội khi tôi khuôn SKD61 tốt nhất

là dầu nóng Dùng quạt thổi gió lạnh để tôi cũng có thể áp dụng cho khuôn nhỏ Song đối với khuôn lớn, thổi gió lạnh không đủ để làm nguội nhanh trong lõi do đó độ cứng trong lõi thấp, chất lượng sẽ kém đi

Chế độ ram cũng ảnh hưởng tới tính cứng nóng nhưng theo chiều hướng ngược lại: Nhiệt độ ram lớn hơn 600 0C tính cứng nóng giảm mạnh do hiện tượng tiết cacbit làm nền thép nghèo nguyên tố hợp kim đi, do đó tính cứng nóng giảm

Ram ở nhiệt độ thấp (500, 550 0C) độ cứng giảm chậm theo thời gian, nhưng khả năng chống mài mòn kém vì không tận dụng được độ cứng thứ hai nhờ chuyển biến austenit

dư thành mactenxit khi ram Kết quả tốt nhất là ram 2 lần ở nhiệt độ từ 570  590 0C, Hình 1.23

Hình 1.23 Quy trình ram thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3]

Phân tích các kết quả trên có thể nhận thấy rằng tôi và ram thép SKD61 ở các chế độ khác nhau có thể cho cùng một giá trị độ cứng (ví dụ từ 48  53 HRC) ở nhiệt độ thường nhưng độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao thay đổi theo thời gian rất khác nhau Hơn nữa nung tôi ở nhiệt độ thấp, chi phí năng lượng giảm đi, giảm nguy cơ gây nứt khi tôi

Giải pháp về công nghệ chế tạo vật liệu

Hiện nay, kiểm soát thành phần theo mác vật liệu đòi hỏi trình độ cao về luyện kim cũng như thiết bị nấu luyện hiện đại tạo ra sự đồng đều các nguyên tố hợp kim và loại bỏ được các tạp chất phi kim ảnh hưởng đến tính chất cơ học như P, S, O trong thép là rất khó khăn.Giải pháp về gia công chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ

Hầu hết khuôn và chốt tạo lỗ được gia công chủ yếu trên các máy công cụ chính xác (CNC) như tiện, phay, mài Quá trình gia công chế tạo khuôn và chốt phải đảm bảo chất lượng bề mặt cuối cùng đáp ứng yêu cầu làm việc Bề mặt cuối cùng ảnh hưởng đến chất lượng, cũng như độ chính xác của sản phẩm đúc, do vậy chi phí sản xuất khuôn và chốt cũng ảnh hưởng rất nhiều đến chi phí sản xuất đúc, gây ảnh hưởng đến giá thành vật đúc

Công nghệ gia công bề mặt bằng tia lửa điện gần đây đã được áp dụng cho gia công chế tạo khuôn và chốt tốc độ gia công, năng suất cũng như chất lượng bề mặt được nâng cao Tuy nhiên, phương pháp này làm nóng chảy một lớp mỏng vật liệu bề mặt trong quá trình gia công, gây ảnh hưởng chuyển biến tổ chức của vật liệu dưới lớp bề mặt, do đó làm giảm hiệu suất làm việc của vật liệu

Giải pháp về xử lý bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Ngoài phương pháp nhiệt luyện (tôi và ram) truyền thống, để nâng cao chất lượng bề mặt khuôn và chốt, hiện nay đã áp dụng phương pháp xử lý bề mặt như thấm cacbon hoặc nitơ để nâng cao độ cứng, chống mài mòn cho khuôn và chốt Phương pháp góp phần làm giảm ma sát bề mặt với nhôm trong quá trình làm việc, nâng cao tuổi bền khuôn và chốt Chiều dày lớp thấm tốt nhất trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 mm Nếu chiều dày nhỏ hơn, khuôn chóng bị mòn, tuổi thọ thấp, nếu lớn quá cũng không tốt vì lớp thấm dễ bị bong tróc Trong thành phần cơ cấu, lớp thấm cần có một lượng pha nitơrit hợp kim có độ cứng cao để tăng tính chống mài mòn Tuy nhiên, nếu lượng pha này nhiều quá, lớp thấm sẽ bị giòn

Thấm nitơ là giai đoạn cuối cùng trong sản xuất khuôn Sau một quá trình làm việc, khuôn bị mòn đi hoặc sự đồng đều độ cứng trên bề mặt khuôn không đảm bảo làm giảm chất lượng sản phẩm Vì vậy, sau một số chu kỳ vận hành, hoặc sau một số lượng sản phẩm nhất định (tùy theo hình dáng và kích thước chi tiết để định lượng sản phẩm), khuôn được phục hồi bằng cách chỉnh hình (nếu cần) và thấm nitơ lại Tiếp theo, khuôn còn được làm việc và thấm lại cho đến khi chất lượng khuôn không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật nữa Một khuôn thường được thấm nitơ phục hồi nhiều lần Thực tế cho thấy, có khuôn có thể thấm lại và sử dụng được hàng chục lần, có khuôn chỉ được vài lần đã hỏng Vấn đề đặt ra là có thể thấm lại bao nhiêu lần để khuôn có thể làm việc với số chu kỳ lớn nhất và không bị sứt, vỡ, biến dạng trong quá trình làm việc

Đặc điểm của khuôn đã qua sử dụng và thấm nitơ nhiều lần

Trong quá trình làm việc do ma sát với nhôm lỏng, bề mặt khuôn dần bị mài mòn đi Càng sâu vào phía trong càng mềm, do đó tốc độ mài mòn càng nhanh

Thấm nitơ không những tạo ra lớp bề mặt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt mà còn làm tăng thể tích bù lại lượng mất đi do mài mòn

Bất lợi khi thấm nitơ là nitơ khuếch tán dần từ bề mặt vào lõi nên chiều dày lớp thấm của các khuôn cũ thấm lại tăng lên rất nhiều (tất nhiên không tăng tuyến tính theo thời gian) Chiều dày lớp thấm quá lớn làm giảm khả năng chịu uốn và chịu dai va đập của khuôn Ngoài ra, hiện tượng tiết nitơrit ở những vùng có nhiệt độ thích hợp làm cho hàm lượng nitơ tập trung rất cao, dễ gây bong tróc dưới tác động cơ nhiệt

Do khuôn bị nung nóng nhiều giờ trong quá trình làm việc và thấm nitơ lại, nên độ cứng của lõi dần giảm đi; nghĩa là chênh lệch độ cứng bên trong của khuôn và lớp bề mặt ngày càng lớn Khi đúc áp lực cao, nền mềm bị lún xuống, dẫn đến gãy vỡ lớp thấm hoặc

sứt khuôn, hoặc khuôn có thể bị biến dạng khi chịu lực ép

Trong quá trình làm việc, do bề mặt khuôn tiếp xúc với nhôm, nhôm khuếch tán vào

bề mặt khuôn Sự có mặt của nhôm làm cho quá trình thấm thuận lợi hơn, tạo ra nhiều nitơrit nhôm trên bề mặt khuôn làm tăng độ cứng và chiều dày lớp thấm Có nhôm thấm nitơ sẽ dễ dàng hơn, song nhiều quá thì dễ gây tập trung Al-N ở gần bề mặt dễ gây bong tróc Để giữ được độ bền, tính cứng nóng của khuôn đòi hỏi phải nhiệt luyện đúng chế độ Ngoài ra khuôn còn bị giảm độ cứng lõi do bị nung nóng gia nhiệt trước mỗi chu kỳ đúc và trong quá trình đúc Quá trình đó thường thực hiện trong môi trường không bảo vệ nên khuôn bị ôxy hoá dưới lớp thấm nitơ làm lớp thấm dễ bị bong tróc

Nhưng trên hết, như đã phân tích, khuôn bị giảm độ cứng, độ bền nhiều nhất trong quá trình thấm lại nitơ vì quá trình đó khuôn bị nung nóng ở nhiệt độ cao, thời gian khá dài

Cấu trúc lõi mềm với vỏ cứng trên bề mặt khi chịu lực ép, nền mềm bị lún xuống, lớp thấm cứng trên bề mặt kém biến dạng sẽ bị bị bong, nứt vỡ là điều khó tránh khỏi Điều đáng quan tâm là do đã thấm lại nhiều lần, chiều dày lớp thấm quá lớn (gấp đôi so với yêu cầu) làm lớp thấm càng dễ bị bong tróc hơn

Giải pháp bảo dưỡng kỹ thuật trong quá trình sử dụng

Trong quá trình làm việc, bề mặt khuôn và chốt tiếp xúc với kim loại lỏng xảy ra hiện tượng dính bám và phá hủy bề mặt xảy ra theo chu kỳ đúc Việc bảo dưỡng khuôn theo chu kỳ làm việc đòi hỏi phải được thực hiện đúng quy trình cũng như thời gian làm việc nhất định Các vị trí xảy ra hỏng, dính kim loại lỏng cần được hàn sửa hoặc làm sạch bằng mài

để đảm bảo độ chính xác kích thước khuôn cũng như chi tiết đúc Thực tế sản xuất việc tuân thủ bảo dưỡng khuôn theo chu kỳ sản xuất không được chú trọng đồng thời quá trình hàn sửa bề mặt cũng gây ra biến dạng nhiệt cục bộ vị trí hàn sửa, gây mất đồng đều bề mặt trong quá trình làm việc, các vị trí hàn sửa thường hỏng nhanh hơn các vị trí khác Việc làm sạch các lớp kim loại bám trên bề mặt thường làm cho vị trí dính bám kim loại mòn nhanh hơn

do quá trình mài vào lớp vật liệu khuôn Quá trình bảo dưỡng phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề công nhân sản xuất

1.2.6 Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng nâng cao tuổi bền khuôn và chốt

tạo lỗ

Nghiên cứu giảm ăn mòn, hàn dính bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng trong công nghiệp [31], [19] với các ứng dụng: dụng cụ cắt, khuôn dập nguội của Ni, Ti và hợp kim Khuôn đúc ép bán lỏng cho các vật liệu màu như nhôm, đồng và hợp kim của chúng Đúc bằng áp lực nhôm và hợp kim nhôm; cho các hợp kim đúc có nhiệt độ nóng chảy từ 350  500 0C Giảm ăn mòn và mòn bề mặt của khuôn và các dụng cụ trong ngành công nghiệp nhựa Cải thiện các bề mặt khuôn dập vuốt sâu làm bằng thép hợp kim dụng cụ với lớp phủ CrN nhiệt độ thấp Dụng cụ chống mài mòn cao với lớp phủ CrN dày và lớp phủ kép (TiN + CrN) trong ngành công nghiệp giấy, dệt, nhựa và gốm sứ Mòn các chi tiết của động cơ, máy nén khí và các dụng cụ thủy lực Cải thiện các bi cho các van bi lớn trong các nhà máy công nghiệp hóa chất về vấn đề chống ăn mòn Cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu nhạy nhiệt có nhiệt độ nhỏ hơn 200 0C Thay thế mạ crôm cứng thông thường bằng lớp phủ CrN chế tạo bằng phương pháp PVD

Nghiên cứu chống dính bám nhôm trên bề mặt khuôn [65],[68] với thí nghiệm nhúng

các chốt có thấm nitơ và không thấm nitơ trong nhôm lỏng và theo dõi quá trình hình thành nhôm lỏng trên bề mặt các chốt Đồng thời đánh giá lực rút khuôn qua quá trình rút các chốt khỏi khối nhôm rắn và có các nhận xét:

- Đối với chốt có thấm nitơ: Nhôm dính bám ít hơn chốt không thấm; tỷ lệ dính bám giảm khi chiều sâu lớp thấm tăng Tương tác hoá lý giữa thép khuôn và nhôm lỏng dẫn đến

sự hình thành lớp liên kim, gây ra tổn hại kim loại làm khuôn do sự hoà tan của lớp liên kim Điều kiện ma sát của lớp thép bề mặt khuôn xấu đi do hình thành lớp liên kim này

- Lớp thấm nitơ bảo vệ nền khuôn tốt với tương tác hoá học hình thành lớp liên kim trên bề mặt Lực rút khuôn của chốt có thấm nitơ thấp hơn chốt không thấm nitơ, do sự hình thành lớp liên kim trên bề mặt chốt không thấm, Hình 1.24 Lực trượt tỷ lệ với lực ma sát, phụ thuộc vào độ nhám bề mặt Chốt có thấm nitơ không có lớp liên kim, lực rút khuôn thấp,

ổn định trong khoảng 60  80 MPa

Hình 1.24 Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13 và H13 thấm nitơ [65]

Hình 1.25 Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13, H13 thấm nitơ, H13 thấm nitơ + lớp phủ

Ti/TiN [64]

Trong [64] khi ứng dụng lớp phủ chống dính trên bề mặt khuôn đã được thấm nitơ, nhúng các chốt và lặp lại thí nghiệm đánh giá rút khuôn với các chốt có phủ các lớp phủ đa lớp đã đưa ra kết luận:

- Các lớp phủ đa lớp ngăn chặn sự ăn mòn của thép H13 tốt hơn Kết hợp thấm nitơ

và phủ lớp phủ cứng có tác động lớn hơn nhiều so với chỉ dùng lớp phủ cứng đơn giản Bề mặt của nền được cải thiện về độ bền và độ cứng bởi khuếch tán của ion nitơ khi thấm

- Chốt phủ đa lớp cần lực rút khuôn thấp hơn nhiều trong thí nghiệm rút khuôn; lý

do là năng lượng bề mặt cao hơn, lực thấm ướt thấp, do đó ít bám dính kim loại đúc trên mẫu thí nghiệm Hình 1.25

Nghiên cứu lớp phủ CrN và TiN bằng phương pháp PVD trên chốt tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm [28], [59] cho thấy không có sự khuếch tán giữa các hợp kim nhôm vào bề mặt lớp phủ được quan sát Tính chất lớp phủ ứng dụng cho khuôn thể hiện trong Bảng 1.3

Cơ chế hàn dính nhôm trên bề mặt thép khuôn đúc áp lực khi không có lớp phủ: Nhôm phản ứng với sắt tạo thành các liên kim loại ở bề mặt khuôn, nồng độ nhôm gần bề mặt tăng dần Ở giai đoạn này, nhiệt độ nóng chảy của các liên kim loại được hình thành cao hơn nhiều so với nhiệt độ của nhôm nóng chảy, hàn dính không xảy ra; Khi nồng độ nhôm

ở bề mặt khuôn tăng lên đến mức mà nhiệt độ của liên kim được hình thành thấp hơn nhiệt

độ bề mặt của khuôn Tại thời điểm này một số phần của liên kim xảy ra chảy lỏng Nhiệt

độ xảy ra chuyển biến lỏng-rắn của liên kim được gọi là nhiệt độ tới hạn; Phần kim lỏng tăng lên có nhiều nhôm khuếch tán vào khuôn Hàn dính khuôn xảy ra khi các kim loại lỏng ở bề mặt khuôn là đủ lớn, khi đông đặc lớp hàn dính bền trên bề mặt được hình thành Trong khuôn đúc thực tế, nhôm sẽ được cung cấp liên tục và sẽ khuếch tán vào lớp bề mặt làm việc của khuôn khi nhiệt độ được nâng lên trên điểm nóng chảy nhôm, chính vì không có rào cản khuếch tán

là lớp phủ CrN và TiN tạo thành các rào cản khuếch tán, làm giảm sự khuếch tán nhôm đáng

kể Lớp phủ CrN có hiệu quả bảo vệ cao hơn TiN vì CrN tạo ra một rào cản khuếch tán và ngăn chặn sự hình thành hoàn toàn liên kim [29] Nghiên cứu cho thấy năng lượng kích hoạt cho quá trình bắt đầu hàn dính nhôm với lớp phủ TiN = 1,83 eV/nguyên tử, H13 < 1 eV/nguyên tử, với CrN không xuất hiện hàn dính nhôm đến 900 0C Các phản ứng của lớp phủ TiN và CrN trên nền khuôn đúc áp lực với nhôm lỏng trong quá trình làm việc được đưa

ra trong [29] như sau:

Phản ứng giữa lớp phủ TiN với nhôm:

TiN + Al → (Ti, Al)N + Al → (Ti, Al)N + TiAl3

TiN + Al →AlN + Ti : Al → (Ti, Al)N + TiAl3

Phản ứng giữa lớp phủ CrN với nhôm:

CrN + Al → (Cr,Al)N + Cr2N + Al

CrN + Al → CrN + Cr2N + Al + N2

a) Các chốt có lớp phủ; b) Chốt không phủ (tôi + ram); c) Chốt thấm nitơ

Hình 1.26 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tỷ lệ dính bám nhôm sau 50 chu kỳ đúc của các

chốt phủ TiN, CrN, TiCN, thấm nitơ và không phủ [59]

Tác giả S Gulizia [59] xét các lớp phủ khác nhau đối với chốt và Hình 1.26 là mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tỷ lệ dính bám nhôm sau 50 chu kỳ đúc của các chốt phủ TiN, CrN, TiCN, thấm nitơ và không phủ (xử lý theo phương pháp truyền thống tôi + ram) cho thấy: lớp phủ CrN và TiN có độ nhám bề mặt thấp, có hiệu quả cao trong hạn chế dính bám nhôm trên bề mặt trong quá trình làm việc

Từ các nghiên cứu về chống dính bám nhôm trên bề mặt khuôn cho chúng ta nhận xét:

- Khả năng chống dính của bề mặt khuôn phụ thuộc vào tính chất của bề mặt: Tương tác hoá lý của bề mặt với nhôm lỏng và sự hình thành lớp liên kim Thấm nitơ cải thiện khả năng chống dính nhôm cho bề mặt khuôn đúc, ngăn cản sự hình thành lớp liên kim, giảm ma sát bề mặt, nâng cao độ bền, độ cứng bề mặt, giảm lực rút khuôn

- Sự kết hợp thấm nitơ và lớp phủ cứng nâng cao khả năng chống dính bề mặt khuôn

so với các lớp phủ trên nền thép không thấm Các lớp phủ TiN và đặc biệt là CrN có khả năng ngăn ngừa hình thành liên kim với nhôm lỏng, hạn chế dính bám nhôm, bảo vệ bề mặt khuôn tốt

Nghiên cứu giảm mòn và xói mòn bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ

Nghiên cứu về ma sát, mài mòn O Salas, K Kearns [57] đã đánh giá ứng dụng của các lớp phủ khác nhau trên nền thép khuôn bằng các thử nghiệm rạch và mài bề mặt Các lớp phủ đơn lớp, lớp phủ đa lớp với phương pháp chế tạo khác nhau được khảo sát Bảng 1.4

Bảng 1.4 Lớp phủ và hệ lớp phủ được chế tạo [57]

Độ cứng tế vi, thể tích mòn, hệ số ma sát, độ nhám bề mặt được đo và tính toán trong Bảng 1.5 Nghiên cứu đã đưa ra kết luận: Lớp phủ chịu mài mòn tốt và bám dính tốt là: TiAlN, TiN, TiCN, CrN

Bảng 1.5 Kết quả thử rạch và mài của các lớp phủ [57]

a: 1- rất tốt, 2- tốt, 3- trung bình; b: Vết rất nông, khó đo thể tích mòn; c: Khúc xạ bề mặt của mẫu thấp; d: Vết mòn không thấy hoặc khó nhìn thấy; e: Chỉ có một giá trị thu được từ 1000 vòng quay; f: Không có

giá trị độ cứng của TiAlN, lớp phủ bị nứt ngay ở 10 g-f

J.C Avelar-Batista nghiên cứu lớp phủ CrN lắng đọng trên nền thép bằng công nghệ PAPVD (tạo lớp phủ bằng phương pháp vật lý có trợ giúp của plasma) như phún xạ magnetron, chùm điện tử và hồ quang bay hơi [36] có các nhận xét:

- Lớp phủ CrN chịu mài mòn cao và ma sát thấp, tính chất cơ học tốt (độ cứng tương đối cao và mô đun đàn hồi thấp, độ bền cao) ngăn cản quá trình oxy hóa tốt và chống ăn mòn

- Lớp phủ CrN có thể được tạo ra với một dải các độ cứng và cấu trúc pha: Chỉ có một pha duy nhất (CrN hoặc Cr2N) hoặc một cấu trúc pha hỗn hợp có chứa (Cr + Cr2N) hoặc (Cr2N+CrN), chủ yếu phụ thuộc vào áp suất riêng phần nitơ và công nghệ chế tạo Chúng cũng có khả năng chống oxy hóa tốt ngay cả ở nhiệt độ cao lên đến 700  800 0C và khi pha CrN xuất hiện có khả năng chống oxy hóa cao hơn pha Cr2N và Cr

- Tùy thuộc vào công nghệ chế tạo, lớp phủ CrN có thể được tạo ra có cấu trúc pha khác nhau (do đó chống oxy hóa khác nhau), độ nhám bề mặt, độ cứng và cấu trúc lớp phủ khác nhau

Các nghiên cứu về ma sát, mài mòn bề mặt khuôn của [57],[36],[19] thấy rằng:

- Lớp phủ CrN có độ cứng cao, chống ăn mòn hóa tốt và chống mài mòn, xói mòn tốt Muốn làm giảm mòn, xói mòn bề mặt khuôn cần thay đổi tính chất bề mặt khuôn trong quá trình làm việc như: nâng cao độ cứng bề mặt, giảm độ nhám bề mặt, giảm hệ số ma sát

- Chế tạo các lớp phủ cứng trên bề mặt khuôn có khả năng chịu mài mòn, ma sát thấp, có khả năng chống oxi hoá cao

Trong nghiên cứu [53] với thử nghiệm xói mòn dùng hạt oxit nhôm Al2O3 có cỡ hạt

50 m độ cứng cao, góc cạnh sắc, tốc độ cấp hạt là 100 g/phút Tác động theo góc 300 với

bề mặt với tốc độ hạt là 145 m/giây, góc 900 là 100 m/giây với các lớp phủ được chế tạo theo Bảng 1.6

Với thử nghiệm phun các hạt nhôm rắn theo các góc khác nhau trên bề mặt các mẫu thử, ở góc tác động 300 so với bề mặt các mẫu phủ chống xói mòn tốt hơn mẫu không phủ Hình 1.27 Ở góc tác động 900 so với bề mặt các mẫu không phủ có hiệu suất chống xói mòn tốt hơn Hình 1.28 Lớp phủ có độ cứng cao và giòn thường kém hiệu quả hơn các vật liệu dẻo Tỷ lệ mòn tỷ lệ nghịch với độ cứng, độ cứng cao đồng nghĩa với độ dẻo dai và độ dai

va đập giảm Đối với lớp phủ CrN, hiệu suất mòn và giá trị độ cứng giảm khi hàm lượng Cr tăng lên Khối lượng Cr tăng làm khối lượng pha CrN lớn hơn làm giảm hiệu suất xói mòn

và độ cứng của lớp phủ Độ cứng của lớp phủ TiN (2295 VKH0,050) và CrN (1474 VKH0,050)

Đo độ cứng lớp phủ theo công thức sau [53]:

Trong đó:

=2sin (1362 )Với: F - tải trọng tác dụng (mN)

d - chiều dài đường chéo (mm)

Do đó:

Nghiên cứu giảm nứt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Trong quá trình làm việc bề mặt khuôn được nung nóng và làm mát tạo ra trên bề mặt khuôn bị nén trong quá trình tăng nhiệt và kéo trong quá trình làm mát dẫn đến các vết nứt bề mặt thường được gọi là "nứt nhiệt" Vết nứt không chỉ dẫn đến sự suy giảm chất lượng

bề mặt mà còn có thể lan truyền theo thời gian gây ra hỏng tổng thể của khuôn Ứng suất nén dư cao trong lớp phủ hoặc bề mặt khuôn giúp tăng khả năng ngăn ngừa sự hình thành

và lan truyền của vết nứt gây ra bởi các ứng suất cơ học hoặc nhiệt gây ra Do đó cần tăng cường ứng suất nén trong lớp phủ ứng dụng cho khuôn đúc áp lực [47],[17] Ứng suất dư của lớp phủ là tổng hợp của ba dạng ứng suất [47]:

dư = lắng đọng + cơ nhiệt + cơ (1.3) Trong đó:

dư: Ứng suất dư (GPa)

lắng đọng: Ứng suất quá trình lắng đọng (GPa)

cơ nhiệt: Ứng suất cơ nhiệt (GPa)

cơ nhiệt: Ứng suất cơ (GPa) + Ứng suất cơ nhiệt: Xuất hiện do nhiệt độ lắng đọng lớp phủ khác với nhiệt độ sử dụng lớp phủ, hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ và nền không giống nhau

+ Ứng suất quá trình lắng đọng: Khoảng cách nguyên tử trong mạng của lớp phủ bị biến dạng bởi các ion lắng đọng có năng lượng cao

+ Ứng suất cơ: Ứng suất tồn tại trên nền trong quá trình lắng đọng

Điều chỉnh ứng suất nén dư trong lớp phủ có thể thực hiện theo ba cách:

+ Thay đổi thế bias (thế âm) của đế, làm tỷ lệ ion hoá cao

+ Thay đổi áp suất tổng trong buồng chân không, làm thay đổi quãng đường tự do trung bình của nguyên tử, tăng khả năng va chạm với nguyên tử khác, thay đổi động năng các hạt ion hoá, dẫn đến mạng tinh thể bị kéo dài và tăng ứng suất trong lớp phủ

+ Thay đổi chiều dày lớp phủ, làm thay đổi ứng suất dư trong lớp phủ

Với các thí nghiệm kiểm chứng cho thấy [47]:

- Giá trị ứng suất nén dư tăng cùng sự tăng chiều dày lớp phủ, với tất cả các thông số lắng đọng lớp phủ, ngoại trừ thời gian lắng đọng được giữ không đổi Khi quá trình lắng đọng được bắt đầu, lớp phủ đang tạo thành tự do, nền không cản trở sự biến dạng dẻo của lớp phủ Với sự tăng chiều dày lớp phủ, ảnh hưởng của nền trở nên nhỏ hơn và do đó biến dạng dẻo bị ức chế bởi sự tồn tại lớp phủ cứng

- Tính chất mong muốn của các lớp phủ kim loại ứng dụng cho quá trình chuyển biến lỏng-rắn của kim loại là ứng suất nén cao Những ứng suất chồng lên các ứng suất kéo nhỏ xen kẽ gây ra trong quá trình hình thành chuyển biến lỏng-rắn làm giảm đáng kể nứt nhiệt Ứng suất nội của lớp phủ có thể dẫn đến nứt vỡ, vì độ dày lớp phủ là rất cao

Ứng suất dư của lớp phủ tính theo công thức Stoney [47],[30]:

= 1

6 1 −

1

(1.4) Trong đó: - ứng suất dư (GPa)

Es - mô đun đàn hồi Young (GPa)

- hệ số poisson

ts, tf - chiều dày đế và chiều dày lớp phủ (m)

- độ cong của mẫu thực nghiệm do sự có mặt của lớp phủ trong trạng thái ứng suất (m)

Ngoài ra, ứng suất dư cũng có thể được tính dựa trên sự thay đổi khoảng cách mạng tinh thể d0 thông qua đo phổ nhiễu xạ tia X (X-ray) lớp phủ, hay đo ứng suất mặt tinh thể lớp phủ [5],[33]:

f - ứng suất theo mặt mạng tinh thể (GPa)

E - mô đun đàn hồi Young của lớp phủ (GPa)

 - hệ số poisson

d - khoảng cách mạng của lớp phủ không có ứng suất (Å) d0 - khoảng cách mạng của lớp phủ có ứng suất (Å)

Mô hình lớp phủ ứng dụng cho khuôn đúc áp lực

Một lớp phủ được tối ưu hóa cho khuôn đúc áp lực nhôm phải đảm bảo: không thấm ướt với nhôm lỏng; chống được mòn và oxy hóa; có thể thích ứng với các ứng suất nhiệt dư gây ra bởi chu kỳ đúc (nhiệt độ và áp lực) trong quá trình đúc áp lực; dính bám với vật liệu khuôn; Có thể ngăn quá trình hình thành vết nứt do mỏi nhiệt (nứt nhiệt) [34],[57] Mô hình lớp phủ tối ưu được thể hiện trongHình 1.29, với độ dày lớp phủ thiết kế từ 5  8 μm [34], bao gồm:

- Biến đổi bề mặt nền: thấm nitơ hoặc thấm cacbon-nitơ bề mặt thép khuôn để tăng độ cứng của nền và tăng khả năng hỗ trợ cơ học cho lớp phủ

- Lớp dính bám: một lớp Cr hoặc Ti mỏng (100  200 nm) được lắng đọng trên bề mặt

đã biến đổi của thép khuôn để tăng độ dính bám của lớp phủ lên bề mặt nền

- Lớp trung gian: thành phần, cấu trúc tế vi và tính chất của lớp trung gian (nhiều lớp) thay đổi liên tục từ lớp dính bám đến lớp làm việc để tạo điều kiện điều tiết các ứng suất nhiệt dư được tạo ra bởi quá trình (chu kỳ) đúc

- Lớp làm việc: lớp làm việc sẽ tiếp xúc trực tiếp với nhôm nóng chảy và tiếp xúc với điều kiện làm việc khắc nghiệt Vì vậy, lớp làm việc cần phải có khả năng chống mòn tốt, chống oxy hóa và phải trơ hóa học (không thấm ướt) với nhôm

Hình 1.29 Sơ đồ thiết kế lớp phủ tối ưu cho khuôn đúc áp lực nhôm [34]

1.3.1 Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi

Phương pháp CVD là nhóm phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi Quá trình CVD được thực hiện bằng cách đưa các đơn chất (hoặc hợp chất) hóa học ở pha hơi vào trong buồng phản ứng có chứa các chi tiết cần phủ Trong buồng phản ứng, các phản ứng

hóa học xảy ra ngay trên hoặc lân cận bề mặt chi tiết cần phủ và sản phẩm của phản ứng sẽ lắng đọng (lớp vật liệu phủ cứng) lên bề mặt chi tiết Phản ứng hóa học sẽ xảy ra ở nhiệt độ cần thiết để xảy ra phản ứng (thông thường là 700  1100 0C), hoặc được kích thích bằng plasma Các thông số cơ bản của quá trình CVD bao gồm: nhiệt độ đế (nhiệt độ xảy ra phản ứng) (T), áp suất khí trong buồng phản ứng (P), mật độ các chất tham gia phản ứng (C), lưu lượng và tỉ lệ các chất phản ứng (F) Tập hợp các thông số này sẽ quyết định tính chất cũng như chất lượng của lớp phủ tạo thành Phương pháp CVD cho phép lắng đọng các lớp phủ kiểu TiC, Ti (C,N), TiN và Al2O3 dùng cho mảnh cắt carbide, dao tiện, dao phay, và các loại khuôn tạo hình (khuôn kéo dây, khuôn kéo ống, khuôn dập vuốt sâu)

Nhìn chung, các phương pháp phủ CVD đều yêu cầu nhiệt độ đế cao (trên 700 0C) Nhiệt độ cao sẽ đẩy mạnh quá trình khuyếch tán các nguyên tử trong thành phần lớp phủ vào

đế, tăng cường độ bám dính của lớp phủ với đế, nhưng mặt khác lại gây ra nhiều biến đổi bất lợi đối với vật liệu đế, đặc biệt là đối với các loại thép dụng cụ Trong bối cảnh này, phương pháp PVD đã được nghiên cứu phát triển nhằm hạ thấp nhiệt độ đế trong quá trình lắng đọng lớp phủ, đồng thời vẫn đảm bảo được khả năng bám dính và các đặc tính cơ lý

cần thiết của lớp phủ

1.3.2 Phương pháp lắng đọng vật lý từ pha hơi

PVD là phương pháp công nghệ lắng đọng lớp phủ bằng các quá trình vật lý từ pha hơi Các quá trình này được thực hiện trong buồng chân không theo các giai đoạn sau:

- Làm vật liệu cần lắng đọng từ pha rắn sang pha hơi

- Vận chuyển vật liệu từ nguồn bay hơi qua môi trường áp suất khí thấp trong buồng chân không đến bề mặt đế

- Quá trình lắng đọng vật liệu ở trạng thái hơi cần phủ lên đế tạo thành lớp phủ PVD là tên gọi chung cho một họ gồm nhiều phương pháp công nghệ khác nhau Trong số này có ba phương pháp được ứng dụng hết sức rộng rãi để lắng đọng các lớp phủ cứng là: Phương pháp mạ ion chùm điện tử điện áp thấp, phún xạ âm cực, hồ quang chân không

Phương pháp mạ ion chùm điện tử điện áp thấp

Hình 1.30 Cấu trúc của hai hệ thống mạ ion dùng trong môi trường plasma và chân không [9]

Mạ ion là quá trình sử dụng các hạt có năng lượng cao bắn phá đồng thời hoặc theo chu kỳ vào vật liệu trong quá trình lắng đọng lớp phủ để điều chỉnh và điều khiển thành phần

cũng như các tính chất của lớp phủ Nguồn vật liệu sử dụng trong quá trình lắng đọng có thể

là nguồn bay hơi, nguồn phún xạ, ăn mòn hồ quang hoặc các nguồn bay hơi khác Phương pháp mạ ion có thể thực hiện trong môi trường plasma, nơi những ion bắn phá lấy từ môi trường plasma, hoặc có thể thực hiện trong môi trường chân không, nơi những ion dùng bắn phá được tạo thành trong một súng ion riêng biệt Hình 1.30 thể hiện hai hệ thống mạ ion sử dụng trong hai môi trường plasma và chân không

Trong quá trình mạ ion, plasma cung cấp các ion cho các loại phản ứng, như N2, O2, hoặc C (từ khí hydrocacbon) Các khí này được gia tốc đến bề mặt vật liệu để hình thành các hợp chất như oxit, nitride, carbide hoặc carbonitride

Năng lượng của các ion bắn phá thường lớn hơn 50 eV và nhỏ hơn 300 eV để có tác động làm thay đổi các tính chất của lớp phủ Đối với các ion năng lượng thấp hơn, sự truyền xung lượng không đủ để thay thế các nguyên tử trong lớp phủ; với những ion năng lượng cao hơn, các ion bắn phá sẽ được xếp vào lớp phủ trừ khi nhiệt độ đế cao

Sự bắn phá đồng thời trong suốt quá trình tạo lớp phủ gây tác động gần như toàn bộ tới các tính chất như độ bám dính của lớp phủ với đế, mật độ, hình thái bề mặt, độ rỗng, độ phủ bề mặt, điện trở, …

Ưu điểm của phương pháp mạ ion:

- Bề mặt sau khi mạ có chất lượng tốt

- Có thể điều khiển quá trình bắn phá để thay đổi những đặc tính của lớp phủ

- Trong phản ứng mạ ion, plasma có thể sử dụng để kích thích các loại phản ứng và tạo ra các chất mới sẵn sàng hấp thụ cũng như thêm vào trong quá trình phản ứng lắng đọng

Nhược điểm của phương pháp mạ ion:

- Nhiệt độ của đế có thể quá cao

- Trong một số điều kiện, khí tham gia bắn phá có thể tạo thành hợp chất trong lớp phủ

Phương pháp phún xạ âm cực

Phún xạ là kỹ thuật chế tạo lớp phủ dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các ion khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế Trong quá trình phún xạ vật liệu nguồn là các tấm bia (target) được đặt tại điện cực (thường là catôt), trong buồng được hút chân không cao và nạp khí hiếm với áp suất đủ để thực hiện quá trình lắng đọng Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử khí hiếm bị ion hóa, tăng tốc và chuyển động

về phía bia với tốc độ lớn và bắn phá bề mặt bia Khi các ion này tới đập vào bề mặt vật liệu,

có thể xảy ra các quá trình như Hình 1.31 Quá trình truyền năng lượng chủ yếu xảy ra trong một số lớp nguyên tử, khi đó các nguyên tử hoặc đám nguyên tử sẽ bị bật ra khỏi bề mặt bia bay về phía đế và lắng đọng trên đế Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún

xạ Các nguyên tử bị phún xạ sau khi thoát ra khỏi bề mặt bia sẽ chuyển động đến bề mặt

đế Chúng tập hợp lại thành từng cụm trên đế, khi các cụm đủ lớn sẽ liên kết lại hình thành lớp phủ (gồm một số lớp nguyên tử) Từ các lớp ban đầu này lớp phủ sẽ tiếp tục phát triển, nhưng không phải phát triển đồng đều cho cả bề mặt, mà phát triển theo các hướng có năng lượng tự do thấp nhất

a) b)

Hình 1.31 Sơ đồ hệ phún xạ (a) và hiệu ứng ion đập vào bia (b) [9]

Tùy thuộc vào loại hình nguồn điện áp sử dụng, có các loại [9]:

- Phún xạ âm cực một chiều

- Phún xạ âm cực cao tần

- Phún xạ xung một chiều

a) Phún xạ âm cực một chiều

Hình 1.32 Sơ đồ hệ phóng điện một chiều [7]

Trong phún xạ cao áp một chiều, người ta sử dụng hệ chỉnh lưu điện thế cao áp (đến vài kV) làm nguồn cấp điện áp một chiều đặt trên hai điện cực trong buồng chân không Hình 1.32 Bia phún xạ chính là catôt phóng điện, tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong khoảng từ 10 đến hàng trăm cm2 Anôt có thể là đế hoặc toàn bộ thành buồng chân không Khoảng cách catôt-anôt ngắn hơn rất nhiều khoảng cách nguồn-đế trong bốc bay chân không và thường là dưới 10 cm Trong các khí trơ, argon được sử dụng để phún xạ nhiều hơn cả, áp suất Ar được duy trì trong buồng cỡ 1 Torr Plasma trong trường hợp này được hình thành và duy trì nhờ nguồn điện cao áp một chiều Cơ chế hình thành plasma giống cơ chế phóng điện lạnh trong khí kém Điện tử thứ cấp phát xạ từ catôt được gia tốc trong điện trường cao áp, chúng ion-hóa các nguyên tử khí, do đó tạo ra lớp plasma (đó là trạng thái trung hòa điện tích của vật chất mà trong đó phần lớn là các ion dương và điện tử) Các ion khí Ar+ bị hút về catôt, bắn phá lên vật liệu làm bật các nguyên tử ra khỏi bề mặt catôt Tuy nhiên, hiệu suất phún xạ trong trường hợp này là rất thấp Ngày nay phương pháp

phún xạ cao áp một chiều mà không sử dụng magnetron hầu như không được sử dụng trong công nghệ chế tạo lớp phủ

b) Phún xạ âm cực cao tần

Phún xạ cao tần RF là phún xạ tần số radio, một dải tần số cao Điện áp đặt trên điện cực của hệ chân không là nguồn xoay chiều tần số từ 0,1 MHz trở lên, biên độ trong khoảng 0,5 đến 1 kV Trên Hình 1.33 là sơ đồ hệ thiết bị phún xạ cao tần có tụ điện làm việc theo

cơ chế phóng điện trên đĩa song song Phổ biến nhất ngày nay là nguồn cao tần có tần số 13,56 MHz Mật độ dòng ion tổng hợp tới bia trong khoảng 1 mA/cm2, trong khi biên độ của dòng cao tần tổng hợp cao hơn rất nhiều (có khi lớn gấp một bậc hoặc hơn nữa) Máy phát cao tần được thiết kế chuyên dụng để nâng cao hiệu quả phún xạ: một tụ điện được ghép nối tiếp nhằm phún xạ được tất cả các loại bia (trong đó có cả bia kim loại) Mạch điện được thiết kế tự bù trừ một cách hợp lý để quá trình truyền năng lượng từ nguồn công suất cao tần sang plasma đạt hiệu suất cao Kích thước của buồng sử dụng trong phương pháp này hoàn toàn giống như trong phún xạ cao áp một chiều (trong nhiều trường hợp, người ta thiết kế hệ phún xạ gồm cả hai chức năng phún xạ cao tần và cao áp một chiều để có thể thực hiện đồng phún xạ từ hai nguồn bia có thành phần cấu tạo khác nhau)

Hình 1.33 Sơ đồ hệ phóng điện cao tần [7]

Phún xạ cao tần có nhiều ưu điểm hơn so với phún xạ cao áp một chiều, thí dụ điện

áp thấp, phún xạ trong áp suất khí thấp hơn, tốc độ phún xạ lớn hơn và đặc biệt phún xạ được tất cả các loại vật liệu từ kim loại đến oxit hay chất cách điện Ưu điểm lớn nhất là có thể chế tạo trên đế vật liệu không dẫn điện Plasma trong phún xạ cao tần được hình thành và duy trì nhờ nguồn cao tần, cũng giống như quá trình ion hóa xảy ra trong phún xạ cao áp Tuy nhiên, ngày nay phún xạ cao tần riêng biệt cũng không còn được sử dụng bởi hiệu suất phún xạ vẫn còn chưa cao Người ta sử dụng magnetron để khắc phục nhược điểm này c) Phún xạ âm cực một chiều magnetron

Sơ đồ nguyên lý của một hệ phún xạ một chiều magnetron được biểu diễn như Hình 1.34 Trong buồng chân không, ngay phía sau catôt được bố trí một hệ thống các nam châm mạnh Các nam châm này sẽ tạo thành một từ trường sao cho véc tơ cảm ứng từ B song song với bề mặt catôt Điện áp một chiều được đặt giữa anôt và catôt sẽ hình thành một điện trường có véc tơ cường độ điện trường E vuông góc với bề mặt catôt Như vậy, các véc tơ E

và B sẽ vuông góc với nhau Xét sự chuyển động của các hạt điện tích trong từ trường, các hạt điện tích sẽ chịu tác động của lực Lorentz được xác định theo công thức Lorentz quen thuộc sau đây:

Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý của một hệ phún xạ DC magnetron [9]

Do từ trường của nam châm được bố trí tạo thành vòng khép kín nên các điện tích sẽ

bị giam giữ và chuyển động trong một cái bẫy (hay còn được gọi là bẫy từ) với vận tốc E/B Khi điện trường cường độ lớn hình thành giữa anôt và catôt cùng với áp suất thích hợp trong buồng chân không, trong khoảng không gian giữa hai điện cực sẽ hình thành trạng thái plasma Các ion dương của khí trơ (Ar+ hoặc Kr+) tạo ra sẽ được gia tốc bởi điện trường, chuyển động về phía catôt và bắn phá catôt Nếu năng lượng của các ion tới đủ lớn và động năng nó truyền cho các nguyên tử vật liệu catôt (bia) lớn hơn công thoát của vật liệu thì các nguyên tử (hay phân tử) của vật liệu bia sẽ thoát ra khỏi bề mặt catôt và lắng đọng trên bề mặt đế

Trạng thái plasma sẽ được duy trì nhờ quá trình ion hóa bởi các electron thứ cấp do catôt phát ra dưới tác dụng bắn phá của các ion Do hiệu ứng giam giữ các electron thứ cấp trong vòng kín (E x B) lân cận bề mặt catôt nên mật độ plasma tập trung ở trước bề mặt catôt

là rất cao Trong trường hợp này, việc sử dụng đầu magnetron không cân bằng sẽ làm tăng mật độ dòng ion hướng về phía đế Dòng ion này có tác dụng bắn phá đế trong quá trình lắng đọng lớp phủ và lớp phủ hình thành sẽ có cấu trúc xếp chặt hơn và nâng cao được độ bám dính của lớp phủ với đế

d) Phún xạ xung một chiều magnetron

Bản chất của phương pháp là: thay vì đặt điện áp một chiều vào catôt như ở phún xạ một chiều magnetron, ta sử dụng điện áp xung có 2 thành phần cực tính đối chiều Điện áp xung với tần số trong khoảng 0  350 kHz cho phép khắc phục về cơ bản các nhược điểm của phương pháp phún xạ một chiều magnetron

Phương pháp phún xạ một chiều xung một chiều magnetron sử dụng xung dạng sóng vuông đơn cực hay lưỡng cực hoạt động ở tần số 50  250 kHz Hình 1.35 Các xung đối xứng có thể sử dụng hai dạng từ trường phún xạ ở đây mỗi từ trường lần lượt là thiên áp âm

và thiên áp dương Phần xung âm có tác dụng phún xạ vật liệu bia và phần xung âm có tần

số cao khai thác sự khác biệt lớn về độ linh động giữa ion và điện tử trong plasma, để phún

xạ lớp màng điện môi hình thành trên bề mặt bia, đồng thời khắc phục hiệu quả hiện tượng phóng điện hồ quang Trong lắng đọng phún xạ bằng xung một chiều, tần số tối ưu của xung, thời gian xung và chiều cao tương đối của xung phụ thuộc vào vật liệu phún xạ và lắng đọng [27] Plasma được duy trì nhờ quá trình ion hóa bởi các electron thứ cấp do catôt phát ra dưới tác dụng bắn phá của ion Do hiệu ứng giam các electron thứ cấp trong vòng kín (E x B) lân cận bề mặt catôt nên mật độ plasma tập trung ở trước bề mặt catôt rất cao

Hình 1.35 Hình dạng điện áp xung [16]

Do tốc độ tạo lớp phủ không cao nhưng chất lượng lớp phủ khá tốt nên phún xạ xung hiện nay được sử dụng nhiều Các nghiên cứu về phún xạ xung tập trung giải quyết các vấn đề: quan hệ giữa thông số của plasma (nhiệt độ plasma, phân bố không gian của hàm mật độ) với các thông số điện của nguồn xung (điện áp, tần số, độ rộng xung ) và thông số kết cấu của thiết bị (kích thước đầu phún xạ, khoảng cách đầu phún xạ - đế)

Ưu điểm của phương pháp phún xạ:

- Tất cả các loại vật liệu đều có thể phún xạ, nghĩa là từ nguyên tố, hợp kim hay hợp chất

- Bia để phún xạ thường dùng được lâu, bởi vì lớp phún xạ rất mỏng

- Có thể đặt bia theo nhiều hướng, trong nhiều trường hợp có thể dùng bia diện tích lớn, do đó bia là nguồn “bốc bay” rất lớn

- Trong magnetron có thể chế tạo lớp phủ mỏng từ bia có cấu hình đa dạng, phụ thuộc vào cách lắp đặt nam châm, bia có thể thiết kế theo hình dạng của bề mặt đế (hình côn hoặc hình cầu)

- Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa

- Độ bám dính của lớp phủ với đế rất tốt

Nhược điểm của phương pháp phún xạ:

Phần lớn năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia, cho nên phải có bộ làm lạnh bia

- Tốc độ phún xạ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bốc bay chân không

- Hiệu suất về năng lượng thấp, cho nên phún xạ không phải là phương pháp tiết kiệm năng lượng Bia thường là thường là kim loại tấm, độ tinh khiết 99,99 % nên khó chế tạo và đắt tiền

- Hiệu suất sử dụng bia thấp (không sử dụng được hết, nhiều khi do bia sau một thời gian sử dụng do tác động của nhiệt độ và từ trường cũng như bị ăn mòn nên giòn, dễ bị nứt dẫn đến hỏng sau một số lần phún xạ) Trong nhiều trường hợp, không cần tăng nhiệt độ đế,

nhưng đế luôn bị đốt nóng Các tạp chất nhiễm từ thành buồng, trong buồng hay từ anôt có thể bị lẫn vào trong lớp phủ

Phương pháp hồ quang chân không

Hồ quang chân không là sự phóng điện với dòng điện có cường độ lớn trong môi trường chân không, giữa hai điện cực có hiệu điện áp thấp đặt vào Tương ứng với điện thế đặt vào, các điện cực được gọi là: catôt - điện thế âm, anôt - điện thế dương Trong hầu hết các quá trình, hồ quang chân không với dòng điện có cường độ nhỏ hơn một vài kA, có thể

quan sát thấy một chuỗi các điểm sáng chói di chuyển nhanh trên bề mặt catôt, gọi là điểm catôt Toàn bộ quá trình diễn ra trong thời gian từ một vài giây đến vài phút tại một khu vực

nào đó trên catôt Bản thân chân không không thể duy trì được sự phóng điện với dòng điện cao tại điện áp thấp Trong hồ quang chân không, môi trường dẫn điện là plasma của vật liệu điện cực được bốc hơi và ion hoá cao do quá trình hồ quang tạo ra Hiện tượng này có thể

mô tả một cách chính xác hơn là “Hồ quang hơi kim loại trong môi trường chân không”

thường gọi là “Hồ quang chân không” Hình 1.36

Trong phương pháp hồ quang chân không, hơi kim loại cũng có thể được hình thành

từ anôt và khi đó quá trình bốc hơi tại anôt có thể xảy ra dưới dạng điểm anôt Trong cả hai trường hợp thì chuyển động của hồ quang đều có thể hoặc được định hướng ngẫu nhiên hoặc

sử dụng một từ trường định hướng Trong nhiều hệ chân không có thể sử dụng nguồn hồ quang nhiều catôt để lắng đọng trên những vùng rộng lớn

Điểm catôt là một đối tượng được đặc biệt quan tâm trong hồ quang chân không Ngoài việc tạo ra một môi trường plasma dẫn điện, điểm catôt còn là nguồn tạo ra các điện

tử thứ cấp, phát xạ từ vật liệu điện cực catôt Với tất cả các loại hồ quang, dòng điện tập trung trong một vùng rất nhỏ của điểm catôt, tạo ra nhiệt độ và điện trường rất lớn, là điều kiện để cho plasma có thể xuất hiện Hơi kim loại phát ra từ các điểm catôt bị ion hoá gần như hoàn toàn và thường là các hạt được ion hoá nhiều bậc với các catôt kim loại khó nóng chảy Các ion này có năng lượng cao, động năng nằm trong khoảng 50  100 eV (cho dù điện áp phóng điện chỉ khoảng 20 V) Động năng này truyền cho plasma vận tốc chuyển động 10 km/s từ các điểm catôt Trong hồ quang chân không, một lượng plasma rất dồi dào

sẽ được tạo ra, dòng ion chiếm khoảng 10% dòng hồ quang

Hình 1.36 Sơ đồ phương pháp hệ hồ quang chân không [9]

Luồng plasma catôt phóng về mọi hướng, một phần trong đó đi tới anôt Dòng điện trong mạch tạo ra bởi dòng các điện tử chuyển động từ catôt tới anôt (các điện tử có vận tốc

chuyển động nhanh hơn các ion, có cùng mật độ và hướng chuyển động tương tự các ion) Dòng plasma có thể bị ảnh hưởng rất mạnh bởi từ trường tác động từ bên ngoài, hoặc bởi chính dòng điện hồ quang tạo ra Dòng các ion và điện tử đi đến anôt sẽ làm anôt nóng lên Trong những điều kiện nhất định, anôt cũng có thể trở thành một nguồn plasma Quá trình bốc hơi tại anôt có thể xảy ra dưới dạng điểm anôt (xuất hiện lúc bắt đầu hồ quang), hoặc cũng có thể mở rộng ra trên toàn bộ vùng anôt Luồng plasma hơi kim loại tạo ra bởi hồ quang sẽ lắng đọng trên bất kể bề mặt nào đặt trong buồng chân không, tạo ra một lớp phủ kim loại Hiện tượng này được sử dụng để tạo lớp phủ bằng hồ quang chân không Luồng plasma catôt là một môi trường đặc biệt được ion hoá gần như hoàn toàn, có năng lượng ion cao, dòng hạt lớn Độ ion hoá cao cho phép điều khiển năng lượng của các ion lắng đọng trên đế bằng cách thay đổi điện áp âm đặt trên đế (thiên áp) Nhờ vậy có thể tác động rất lớn tới vi cấu trúc của lớp phủ Năng lượng cao của ion còn giúp cho việc làm sạch đế khỏi các chất bẩn bằng phún xạ ion Ngoài ra dòng hạt ion cao tạo ra tốc độ lắng đọng lớp phủ cao, điều này đặc biệt có ý nghĩa về mặt kinh tế

Hình 1.37 Điểm hồ quang di chuyển trên bề mặt catôt để lại các vết ăn mòn [9]

Hình 1.38 Sơ đồ mô tả quá trình bốc bay hồ quang diễn ra trong buồng chân không [9]

Phân loại quá trình bốc bay hồ quang:

Quá trình hồ quang chân không có thể được phân loại dựa trên ba thuộc tính cơ bản: thời gian diễn ra quá trình, điện cực tạo ra hơi kim loại, cách thức lọc các hạt macro (macro particle)

Đặc điểm của phương pháp hồ quang chân không:

Trong phương pháp hồ quang chân không, các quá trình bay hơi hồ quang chân không

thường tạo ra một lượng lớn các hạt vật liệu catôt có kích thước từ vài tới vài chục micromet lắng đọng trên bề mặt cần mạ Các hạt này được gọi là hạt macro Hình 1.39

Hình 1.39 Các hạt macro lắng đọng trên bề mặt đế được mạ bằng hồ quang chân không [9]

Các hạt macro là nguyên nhân của các vết rạn nứt được tạo ra trong lớp phủ, do vậy cần phải giảm thiểu tới mức tối đa cho phép Số lượng hạt macro tăng lên khi nhiệt độ nóng chảy của vật liệu catôt thấp hơn và tăng theo dòng phóng điện, nhiệt độ catôt Trong phương pháp bốc bay hồ quang chân không điểm catôt đóng một vai trò rất quan trọng, việc điều khiển được chuyển động của điểm catôt có ý nghĩa rất lớn Hình 1.40 trình bày 3 giải pháp thường dùng để điều khiển chuyển động của điểm catôt bằng từ trường

Hình 1.40 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp giam giữ điểm catôt trên bề mặt catôt bằng từ

Phương pháp thứ hai sử dụng một từ trường dọc trục đi qua bề mặt catôt Kết cấu này được gọi là kết cấu trường xuyên (through-field) Trong kết cấu này từ trường có thể hoặc là phân kỳ tại mặt đầu của catôt Hình 1.40C, hoặc là catôt có thể có mặt bên hình côn

và từ trường đồng nhất Hình 1.40B Cả hai kết cấu này có xu hướng dồn điểm catôt chuyển động về đầu mút của catôt

Phương pháp giam giữ hồ quang thứ ba là đơn giản nhất Toàn bộ catôt ngoại trừ bề mặt của nó được che chắn bằng vật liệu cách điện hoặc là tấm chắn được cách ly về mặt điện Hồ quang khi di chuyển trên bề mặt catôt tới vùng chắn sẽ bị dập tắt Phương pháp này đem lại một thiết kế nguồn hồ quang đơn giản hoạt động ở điện áp thấp