Nghiên cứu ứng dụng vật liệu carbon giống kim cương để chống mòn và giảm ma sát cho các chi tiết trong hệ động lực tàu thủy (chuyên ngành khai thác và bào trì tàu thủy)

17 Hình 1.7 Ảnh hưởng của tải trọng tới tính mài mòn: aCác vùng biến dạng dẻo độc lập dưới các tiếp xúc của nhấp nhô bề mặt của một mặt phẳng dưới tác dụng của tải trọng thấp; bTương tác

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TP HCM 11- 2014

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Xuân Lâm

Cán bộ chấm nhận xét 1 : T.S Nguyễn Sơn Trà

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Phan Văn Quân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp HCM ngày 19 tháng 12 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy PGS.TS Bùi Xuân Lâm Ngoài các nội dung tham khảo của các tác giả mà tôi đã liệt kê trong phần “Tài liệu tham khảo”, luận văn của tôi không hề sao chép bất kì một nội dung nào khác của các công trình khoa học tương tự Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này chưa được công bố trong bất kì một tài liệu hoặc bài báo khoa học nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm trước pháp luật về lời cam đoan trên đây của mình

thì tác giả cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ rất nhiệt tình và quý báu Tác giả rất trân trọng và tri ân các sự giúp đỡ đó

Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy PGS.TS Bùi Xuân Lâm – hiệu phó Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM Thầy đã hướng dẫn và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức chuyên môn, những tài liệu chuyên ngành hết sức quý báu trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài Thầy là người hướng dẫn tận tình

và tâm huyết trong quá trình thực hiên công trình nghiên cứu và đưa ra các ý kiến góp ý giúp tôi hoàn tất luận văn này

Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy, cô và bạn

bè trong khoa Máy tàu thủy nói riêng và các thầy cô trong trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM nói chung đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn

bổ ích trong quá trình tôi học và làm việc tại trường

Cám ơn sự quan tâm, hỗ trợ và động viên của gia đình và bạn bè giúp tôi có động lực hoàn thành công việc nghiên cứu trong luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2014

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……….9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT, MÒN VÀ VẬT LIỆU CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG 10

1.1 Tổng quan về ma sát 10

1.2 Một số vấn đề về ma sát và mài mòn 11

1.2.1 Lý thuyết về ma sát 11

1.2.1.1 Khái niệm về ma sát 11

1.2.1.2 Phân loại ma sát 11

1.2.1.3 Ma sát của một số loại vật liệu trong kỹ thuật 12

1.2.2 Khái niệm về mòn 17

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn 18

1.2.3.1 Ảnh hưởng của lớp màng bề mặt 18

1.2.3.2 Tác dụng của nhiệt độ 19

1.2.3.3 Tác dụng của tải trọng 19

1.2.3.4 Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu 19

1.2.3.5 Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi 20

1.2.3.6 Ảnh hưởng của biên giới hạt 20

1.3 Phương pháp chống mòn và giảm ma sát 20

1.3.1 Biện pháp kết cấu (thiết kế) 20

1.3.2 Các biện pháp khi sử dụng 20

1.3.3 Các biện pháp công nghệ 21

1.3.3.1 Mạ kim loại 21 1.3.3.2 Phủ màng bằng phương pháp hóa học (Chemical Vapor

Depositon-CVD)… 21

1.3.3.3 Phủ màng bằng phương pháp vật lý (Physical Vapor Deposition – PVD)… 24

1.4 Vật liệu Carbon giống kim cương 28

1.5 Kết luận 30

CHƯƠNG 2 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG 31

2.1 Thiết bị phủ màng 31

2.2 Chẩn đoán 33

2.2.1 Chẩn đoán hình ảnh 33

2.2.2 Chẩn đoán cấu trúc của màng 33

2.2.3 Các tính chất cơ học và ma sát của màng 33

2.2.3.1 Ứng suất bên trong của màng 33

2.2.3.2 Độ cứng và mô đun đàn hồi 34

2.2.3.3 Độ bám dính của màng 35

2.2.3.4 Các đặc tính ma sát 35

2.3 Màng DLC phủ bằng phương pháp phún xạ magnetron 36

2.3.1 Ảnh hưởng của việc dùng plasma để làm sạch bề mặt lên tính bám dính của màng DLC 36

2.3.2 Thế điện của vật cần phủ trong quá trình phủ 40

2.3.3 Chẩn đoán cấu trúc của màng DLC 41

2.3.3.1 Bề mặt của màng 41

2.3.3.2 Cấu trúc tế vi của màng DLC 44

2.3.3.3 Độ cứng và ứng suất của màng DLC 47

2.3.3.4 Tính bám dính của màng 53

2.3.3.5 Tính chất ma sát 54

2.4 Kết luận về màng DLC 59

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG VÀ ỨNG SUẤT CỦA MÀNG DLC KHI CHỊU TẢI 60

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys 60

3.2 Mô phỏng ứng suất và biến dạng của màng chịu tải 61

3.2.1 Cơ sở lý thuyết 61

3.2.1.1 Phương pháp xấp xỉ phần tử hữu hạn 61

3.2.1.2 Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn 62

3.2.1.3 Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất 62

3.2.2 Mô tả phần tử hữu hạn trong trạng thái ứng suất phẳng 63

3.2.2.1 Ma trận D đối với ứng suất phẳng 64

3.2.2.2 Bài toán ứng suất phẳng 64

3.2.2.3 Xây dựng mô hình trong phần mềm Ansys 66

3.2.3 Chương trình mô phỏng trong phần mềm Ansys 67

3.3 Kết quả mô phỏng 72

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG CHO CHI TIẾT CHỊU MA SÁT VÀ MÀI MÒN 77

4.1 Mài mòn một số chi tiết điển hình trong hệ động lực tàu thủy 77

4.1.1 Mài mòn trục khuỷu 77

4.1.2 Mài mòn séc măng 78

4.1.3 Mài mòn sơ mi xy lanh 79

4.1.3.1 Điều kiện làm việc 79

4.1.3.2 Mài mòn sơ mi xy lanh theo phương dọc trục 81

4.1.3.3 Mài mòn theo phương hướng kính 81

4.1.3.4 Mài mòn không theo quy luật 81

4.1.4 Mài mòn trong bơm bánh răng 83

4.2 Ứng dụng phủ màng DLC cho các chi tiết chịu mài mòn trong hệ động lực tàu thủy 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

1 Kết luận 87

2 Kiến nghị 87

3. Hướng phát triển của đề tài 87

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Các dạng ma sát 12

Hình 1.2 Ảnh hưởng của áp suất đến hệ số ma sát 13

Hình 1.3 Ảnh hưởng của phương pháp làm sạch đến hệ số ma sát tĩnh của một số kim loại 14

Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của ma sát theo độ dai va đập 15

Hình 1.5 Đồ thị miêu tả sự biến thiên của hệ số ma sát theo tải trọng của đầu kim cương hình côn trên tinh thể Carbide Silic trong môi trường không khí 16

Hình 1.6 Đặc tính bề mặt khi mài mòn 17

Hình 1.7 Ảnh hưởng của tải trọng tới tính mài mòn: (a)Các vùng biến dạng dẻo độc lập dưới các tiếp xúc của nhấp nhô bề mặt của một mặt phẳng dưới tác dụng của tải trọng thấp; (b)Tương tác của các vùng biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng lớn 19

Hình 1.8 Hệ thống CVD dây tóc nóng 22

Hình 1.9 Hệ thống PECVD – vi sóng 23

Hình 1.10 Hệ thống PECVD plasma 23

Hình 1.11 Kỹ thuật phủ bay hơi (năng lượng bay hơi cho chùm electron) 25

Hình 1.12 Kỹ thuật plasma hai cực 26

Hình 1.13 Plasma với tần số radio (RF – 13,6MHz) 27

Hình 1.14 Vùng xói mòn của âm cực 27

Hình 1.15 Lai hóa sp 3 ( kim cương ) 28

Hình 1.16 Lai hóa sp 2 (graphite) 29

Hình 2.1 Hệ thống E303A magnetron sputtering 32

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống E303A 32

Hình 2.3 Đường cong tăng tải và giảm tải của thiết bị đo độ cứng 34

Hình 2.4 Hướng di chuyển và biên độ của mũi kim cương 35

Hình 2.5 Thiết bị thử ma sát tribometer-CSEM 36 Hình 2.6 Sự gia tăng độ nhám bề mặt của đĩa thép 440C khi gia tăng điện thế RF

của plasma 37 Hình 2.7 Hình ảnh SEM của bề mặt đĩa thép chưa được làm sạch bằng plasma 37 Hình 2.8 Hình ảnh SEM của bề mặt đĩa thép được làm sạch bằng plasma 38 Hình 2.9 Mối quan hệ giữa thế RF khi làm sạch và tải gây tróc đối với màng DLC phủ lên thép ở chế độ mật độ năng lượng 10,5 W/cm 2 (a) Điện thế trên vật cần phủ

là -60 V, (b) Điện thế trên vật cần phủ là -140 V 39 Hình 2.10 Màng DLC bị tróc do tích điện khi phủ ở mật độ Plasma 4,5 W/cm 2 và thế điện DC -20 V 40 Hình 2.11 Ảnh hưởng của năng lượng ion đến độ nhám bề mặt ion có năng lượng cao sẽ làm cho bề mặt DLC nhẵn hơn 42 Hình 2.12 Ảnh hưởng của thế điện trên vật cần phủ đến độ nhám bề mặt 43 Hình 2.13 Bề mặt của màng DLC được phủ ở mật độ năng lượng 10,5 W/cm 2 , thế điện trên vật cần phủ -100 V, ở các áp suất phủ khác nhau: (a) 0,6 Pa, (b) 1,2 Pa 44 Hình 2.14 Phổ Raman của DLC được phủ ở mật độ năng lượng 10,5 W/cm 2 và thế điện trên vật cần phủ -150 V 45 Hình 2.15 Mối quan hệ giữ tỉ số I D /I G (có được từ phổ Raman) với thế điện đặt trên vật cần phủ 45 Hình 2.16 Quan hệ giữa tỉ lệ sp 3 và năng lượng các ion Carbon khi phủ ở nhiệt độ thường được công bố bởi nhiều tác giả (các số liệu được Lifshitz thu thập và vẽ lại [17]) 46 Hình 2.17 Mối quan hệ giữa độ cứng và mô đun đàn hồi của màng DLC với thế điện trên vật cần phủ 47 Hình 2.18 Mối quan hệ giữa áp suất phủ và độ cứng của màng DLC 48 Hình 2.19 Màng DLC dày 1,5µm bị tróc sau 15 phút khi đưa ra khỏi buồng phủ 50 Hình 2.20 Màng DLC dày 1,2µm vẫn bám dính tốt trên bề mặt Si 14 ngày sau khi phủ 50 Hình 2.21 Mối quan hệ giữa ứng suất nội và thế điện trên vật cần phủ 52 Hình 2.22 Mối quan hệ giữa thế điện trên vật cần phủ với tải gây tróc 53

Hình 2.23 Vết xước trên màng DLC quan sát được từ kính hiển vi 54

Hình 2.24 Hệ số ma sát của màng DLC phủ ở các thế điện khác nhau khi trượt tương đối với bi Al 2 O 3 55

Hình 2.25 Hệ số ma sát của màng DLC phủ ở thế điện -140 V trượt tương đối với bi Al 2 O 3 (bán kính quay 16 mm và 8 mm) 56

Hình 2.26 Vết mòn trên bi và đường trượt trên màng nhìn qua kính hiển vi 58

Hình 2.27 Phổ Raman của màng DLC ban đầu, trên đường trượt thí nghiệm ma sát và của tổ hợp vật liệu tách ra từ bề mặt ma sát 58

Hình 3.1 a)Mô hình hóa tấm silic phủ màng DLC; b) Chia lưới trên phần tử tấm Silic phủ màng DLC 67

Hình 3.2 Biến dạng theo phương X 72

Hình 3.3 Biến dạng theo phương Y 72

Hình 3.4 Biến dạng theo phương Z 73

Hình 3.5 Chuyển vị UX 73

Hình 3.6 Chuyển vị UY 74

Hình 3.7 Chuyển vị UZ 74

Hình 3.8 Ứng suất theo phương X 75

Hình 3.9 Ứng suất theo phương Y 75

Hình 3.10 Ứng suất theo phương Z 76

Hình 4.1 Mài mòn trục khuỷu 77

Hình 4.2 Hình quy luật phân bố áp suất khí thể lên xy lanh 79

Hình 4.3 Áp lực séc măng tác dụng lên xy lanh và phương của lực ngang tác dụng lên xy lanh 80

Hình 4.4 Áp suất (do N) tác dụng lên xy lanh theo các kỳ của động cơ 80

Hình 4.5 Dạng mòn hướng trục của xy lanh 81

Hình 4.6 Dạng hao mòn hướng kính của xy lanh 81

Hình 4.7 Mài mòn trong sơ mi xy lanh 82

Hình 4.8 Mài mòn trong bơm bánh răng 84

Hình 4.9 Buồng đặt chi tiết cần phủ trong hệ thống phún xạ 85

Hình 4.10 Hình chụp qua kính hiển vi điện tử bề mặt cao su HNBR được phủ một

lớp màng DLC 86

Hình 4.11 Mặt cắt ngang của màng DLC phủ lên cao su 86

Bảng 1-1 Hệ số ma sát của DLC với các môi trường thử và vật liệu thử khác nhau

……… 30

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Trong các vấn đề chung liên quan đến độ tin cậy, tuổi thọ của máy móc, thiết

bị thì vấn đề ma sát và mòn có vai trò hết sức quan trọng Đối với các máy móc và thiết bị sử dụng trên tàu thủy, chúng thường xuyên làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như: thời tiết liên tục thay đổi, sóng gió, tải trọng nặng, ăn mòn, Có rất nhiều phương pháp được lựa chọn để giảm ma sát và chống mòn, trong đó phủ màng chống mòn là một trong những phương pháp hiệu quả Các loại màng chống mòn hiện nay như TiN, CrxNy, WC,…cho thấy nhiều lợi điểm tuy nhiên hệ số ma sát vẫn còn cao đối với những cặp ma sát làm việc ở chế độ bôi trơn kém hoặc không bôi trơn (từ 0,3 - 0,7) [21] Carbon giống kim cương (chế tạo bằng phương pháp phủ vật lý hoặc hóa học) cho phép giảm hệ số ma sát về ngưỡng 0,2 và có tính chống mài mòn rất tốt nên có thể ứng dụng để phủ màng giảm ma sát và chống mòn cho các chi tiết trong hệ động lực tàu thủy

2 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Màng Carbon giống kim cương có tính chống mài mòn cao và ma sát thấp 0,2 [7] Thực tiễn ứng dụng cho thấy màng Carbon giống kim cương được phủ lên các chi tiết như: dụng cụ dao cắt kim loại, các bánh răng truyền động, [23] đã làm cho khả năng chịu mài mòn của chúng tăng lên đáng kể

3 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu về tổng quan ma sát, mòn và vật liệu Carbon giống kim cương Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của màng Carbon giống kim cương

Mô phỏng biến dạng và ứng suất của màng Carbon giống kim cương

Nghiên cứu ứng dụng phủ màng Carbon giống kim cương cho các chi tiết chịu

ma sát và mòn trong hệ động lực tàu thủy

4 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phương pháp lý thuyết

Phương pháp mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm

Phương pháp phân tích

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT, MÒN VÀ VẬT LIỆU

CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG

1.1 Tổng quan về ma sát

Ma sát là hiện tượng tự nhiên và luôn gắn liền với chuyển động Ma sát có thể

có lợi hoặc có hại Máy móc có thể xem là tổ hợp của nhiều chi tiết tiếp xúc với nhau Khi vận hành giữa các bề mặt tiếp xúc xuất hiện ma sát Nếu dùng kính hiển

vi điện tử quan sát tổ chức tế vi lớp bề mặt chi tiết, thì thấy rằng nó không phải phẳng nhẵn như chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường, mà là một bề mặt gồ ghề gồm những vi đỉnh lồi và những chỗ vi lõm Trong kỹ thuật, độ gồ ghề này được đặc trưng bằng thông số Ra (Roughness) gọi là độ nhám (hoặc độ bóng) [4]

Độ nhám càng lớn thì ma sát càng cao Khi máy móc vận hành, các bề mặt tiếp xúc trượt lên nhau Các vi đỉnh lồi va đập vào nhau, một số bị gãy vỡ bong tróc văng ra khỏi bề mặt Các vi đỉnh lồi khác lại sinh ra, lại gãy liên tục như vậy dẫn đến sự hao mòn và phá hủy dần lớp bề mặt Ta gọi đây là quá trình mài mòn do ma sát Kết quả làm cho khe hở lắp ghép giữa hai bề mặt tiếp xúc rộng dần ra từ giá trị chuẩn đạt được sau giai đoạn chạy rốt đa đến giá trị giới hạn Từ thời điểm này cặp chi tiết bắt đầu làm việc không bình thường, có tải trọng va đập gây nên tiếng kêu

gõ và tốc độ mòn tăng lên nhanh Máy móc không vận hành tiếp được lâu dài, dễ dẫn đến hư hỏng gẫy vỡ chi tiết và các bộ phận, tổn hao nhiều năng lượng - nhiên liệu Đến lúc phải tháo rã sửa chữa đại tu máy, thay thế các chi tiết mòn đến giới

hạn

Tuổi thọ của chi tiết, nói rộng hơn là của máy móc thiết bị là khoảng thời gian

từ lúc bắt đầu vận hành đến trạng thái giới hạn Tuổi thọ của máy móc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quy luật mài mòn tự nhiên, lão hóa, ăn mòn, sai sót do vận hành, sửa chữa, vv Kết quả thống kê cho thấy nguyên nhân máy móc hư hỏng vì

bị hao mòn do ma sát là chính, chiếm tới 70% - 80% Chi phí sửa chữa đảm bảo kỹ

thuật máy móc cơ khí ở tầm quốc gia tính trung bình chiếm đến 1% - 3% thu nhập quốc dân/năm Nếu chúng ta có những công nghệ tiên tiến làm giảm hẳn được tác dụng mài mòn của ma sát, tăng được tuổi thọ của máy móc lên vài lần thì sẽ mang

lại hiệu quả hết sức lớn lao cho nhân loại

Vì vậy vấn đề chống mài mòn và giảm ma sát trong lĩnh vực cơ khí là nội dung có tính chất toàn cầu và luôn là nội dung gay cấn hàng đầu Cần phải tìm ra những phương pháp mới đạt hiệu quả chống mài mòn tốt hơn, giá thành thấp và dễ ứng dụng Đặc biệt rất cần đối với đại đa số máy móc cơ khí hiện hữu vốn được chế tạo từ vật liệu cơ khí thông dụng

uuurF ms =µ.uurN (1-1)

Trong đó, µ là hệ số ma sát µ= (p,v,C), N là tải trọng pháp tuyến, C là điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường)

1.2.1.2 Phân loại ma sát

Dựa vào động học: ma sát trượt, ma sát lăn, ma sát xoay

Dựa vào chất bôi trơn: ma sát ướt, ma sát khô, ma sát tới hạn

Dựa vào động lực học: ma sát tĩnh, ma sát động

Dựa vào đặc tính của quá trình ma sát:

+ Ma sát bình thường là quá trình ma sát trong đó chỉ xảy ra hao mòn tất yếu

và cho phép (xảy ra từ từ, chỉ trên lớp cấu trúc thứ cấp, không xảy ra sự phá hoại kim loại gốc) trong phạm vi giới hạn của tải trọng, vận tốc trượt và điều kiện ma sát bình thường

+ Ma sát không bình thường là quá trình ma sát trong đó p,v, C vượt ra ngoài phạm vi giới hạn, xảy ra hư hỏng: tróc loại 1, tróc loại 2, mài mòn,…

Người ta tìm các biện pháp thiết kế, công nghệ, sử dụng để mở rộng phạm vi cho phép của p, v, C theo hướng tăng hoặc giảm µ

Hình 1.1 Các dạng ma sát 1.2.1.3 Ma sát của một số loại vật liệu trong kỹ thuật

1.2.1.3.1 Ma sát của gỗ, da và đá

Hệ số ma sát biến đổi từ 0,2 – 0,6 [5]

Ma sát giữa gỗ với gỗ có thể phụ thuộc vào hướng trượt so với thớ gỗ

Ma sát giữa đá với đá ít phụ thuộc vào cấu tạo cũng như độ cứng mà phụ thuộc vào độ nhẵn bề mặt

Bề mặt nhẵn với Ra = (4 – 5µm) thì µ = 0,4 – 0,6 [5]

1.2.1.3.2 Ma sát của kim loại và hợp kim

Trong một hệ trượt xác định, ma sát của kim loại chịu tác động của vận tốc trượt, áp suất tiếp xúc, độ sạch của bề mặt tiếp xúc, nhiệt độ, áp suất môi trường và

độ ẩm tương đối Vì vậy, hệ số ma sát của các cặp kim loại và hợp kim thay đổi trong phạm vi rộng

Các yếu tố ảnh hưởng tới ma sát của kim loại hoặc hợp kim với nhau:

+ Bề mặt sạch, không bôi trơn hệ số ma sát thường 0,4 – 0,8 hoặc có thể lớn hơn 1 trong một số trường hợp khi bề mặt tiếp xúc được làm sạch bằng phương pháp đặc biệt

+ Áp suất tiếp xúc thấp đến mức lớp oxy hóa bề mặt quyết định tính chất ma sát

+ Áp suất tiếp xúc rất cao có tác dụng làm giảm hệ số ma sát của các cặp kim

loại hoặc hợp kim

+ Vận tốc trượt Tác dụng của vận tốc trượt đến hệ số ma sát phải dựa vào kết quả thực nghiệm

+ Hệ số ma sát trong môi trường chân không hoặc khí kém tăng đáng kể do lớp màng bảo vệ oxy không có điều kiện hình thành, hệ số ma sát thường lớn hơn 1

và có thể đến 10

Hình 1.2 Ảnh hưởng của áp suất đến hệ số ma sát

Vùng 1: vùng hệ số ma sát thấp, áp suất tiếp xúc không đủ để phá hủy lớp màng oxy hóa bề mặt

Vùng 2: vùng hệ số ma sát cao, áp suất tiếp xúc đủ để phá hủy lớp màng oxy hóa bề mặt, tác dụng cào xước bề mặt làm tăng hệ số ma sát

Vùng 3: vùng hệ số ma sát thấp, áp suất tiếp xúc quá lớn và trường ứng suất thủy tĩnh làm tăng tính dẻo của bề mặt dẫn đến hệ số ma sát giảm

Hệ số ma sát của các cặp kim loại trong không khí thấp hơn nhiều so với trong môi trường chân không Hình 1.3 biểu diễn sự thay đổi hệ số ma sát tĩnh thí nghiệm trong điều kiện độ ẩm 50% so với cùng cặp vật liệu được làm sạch kỹ lưỡng trong chân không trước khi thí nghiệm trong không khí Sự khác nhau lớn nhất xảy ra với

Áp suất lớn với trường ứng suất thủy tĩnh làm tăng tính dẻo

Ni, Au, và nhỏ nhất đối với Mo

Các kim loại mềm và dẻo như In, Pb và Sn có sức bền cắt thấp nên diện tích tiếp xúc giữa các bề mặt lớn thậm chí dưới tác dụng của tải trọng nhỏ Hệ số ma sát nói chung lớn bởi vì diện tích tiếp xúc lớn và khả năng khôi phục biến dạng đàn hồi thấp Các kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt như Co và Mg cũng như các kim loại có cấu trúc khác như Mo và Cr cho hệ số ma sát thấp Lớp Oxy hóa trên bề mặt

Cr có tác dụng làm giảm ma sát Co, Mo và Cr là các nguyên tố hợp kim thông thường trong thép đều có tác dụng giảm ma sát

Hình 1.3 Ảnh hưởng của phương pháp làm sạch đến hệ số ma sát tĩnh của một số

1.2.1.3.3 Ma sát của Ceramics

Ceramics là loại vật liệu có sức bền vật liệu cao và ít bị ảnh hưởng của nhiệt

độ Ceramics có khả năng làm việc tốt trong các môi trường ăn mòn Vì thế Ceramics được sử dụng làm các cặp đôi ma sát trong môi trường khắc nghiệt như tải trọng, vận tốc, nhiệt độ cao và các môi trường ăn mòn Các tính chất cơ, lý của Ceramics khác với kim loại và hợp kim do sự khác nhau về bản chất liên kết của nguyên tử với các liên kết ion và cộng hóa trị Ở nhiệt độ bình thường Ceramics biến dạng dẻo kém hơn so với kim loại Mặc dù tồn tại các lực ion và cộng hóa trị ở chỗ tiếp xúc của các đôi Ceramics, tuy nhiên do diện tích tiếp xúc thực nhỏ làm cho

hệ số ma sát trượt thấp hơn so với cặp đôi kim loại trong không khí

Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của ma sát theo độ dai va đập

Độ dai và va đập là tính chất đặc biệt ảnh hưởng đến ma sát của Ceramics Hình 1.4 là đồ thị biểu diễn sự biến thiên của hệ số ma sát theo độ dai và va đập của một đầu kim cương nhọn trượt trên đĩa Ceramics, có thể thấy hệ số ma sát tăng rất nhanh theo chiều tăng của độ dai và va đập

Ma sát của Ceramics trượt trên những Ceramics khác nhạy cảm với độ ẩm và tính chất hóa học của môi trường xung quanh Ma sát giữa Ceramics với các vật liệu khác thì vật liệu đối tiếp ảnh hưởng quyết định đến ma sát

Hình 1.5 Đồ thị miêu tả sự biến thiên của hệ số ma sát theo tải trọng của đầu kim cương hình côn trên tinh thể Carbide Silic trong môi trường không khí

1.2.1.3.4 Ma sát của vật liệu Carbon

Vật liệu trên cơ sở Carbon có hệ số ma sát thấp nhất trong các loại vật liệu dùng trong kỹ thuật Khác với kim cương vật liệu Graphite có tính bền và độ cứng tương đối thấp

Cấu trúc mạng của Graphite tạo nên đặc tính ma sát tốt nhưng phụ thuộc nhiều vào độ ẩm không khí để tăng khả năng bôi trơn Có 3 loại Carbon – Graphite được

sử dụng: Carbon với Graphite thấp, Carbon với Graphite cao và Carbon không Graphite Ma sát của Carbon – Graphite với thép Carbon thấp, thép thấm Nitơ và Carbide Volfram phụ thuộc vào độ nhẵn của bề mặt đối tiếp có thể giảm từ 0,4 xuống còn 0,1 khi bề mặt được mài

Kim cương có nhiều tính chất đặc biệt: độ dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi, độ cứng cao và hệ số ma sát thấp nếu nó trượt trong môi trường ẩm Trong những năm 1980

và 1990, các lớp kim cương mỏng được phủ lên các vật liệu nền khác nhau bằng

phương pháp nhiệt hóa làm giảm chi phí trên bề mặt các ổ và mở rộng ứng dụng của kim cương Trên bề mặt kim cương thường có một lớp màng mỏng Graphite tạo nên đặc tính ma sát thấp

Màng Carbon giống kim cương phát triển nhẵn và phẳng hơn màng kim cương

có dạng tinh thể nhiều mặt hình tháp, vuông hoặc hoa súp lơ mịn Các lớp màng nhiều mặt khi mài mòn với bề mặt phi kim cương có hệ số ma sát cao µ > 0, 5 so với các bề mặt kim cương phẳng µ > 0, 03 − 0,15[5] Các màng hạt thô có hệ số ma sát trượt so với nhôm tới 0,42 và khi đánh bóng thì hệ số ma sát chỉ còn 0,09 khi cùng điều kiện tiếp xúc Vật liệu trên cơ sở Carbon và kim cương chịu ảnh hưởng lớn của độ ẩm và Oxy trong môi trường, trong chân không hệ số ma sát có thể

Có hai dạng mòn: mài mòn cơ học hoặc mài mòn cơ hoá

Nếu bề mặt chi tiết tiếp xúc với khối lượng lớn hạt mài thì xảy ra mài mòn cơ hóa vì khi đó các hạt mài trượt lên nhau mà không có lực cắt

Hình 1.6 Đặc tính bề mặt khi mài mòn

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn

1.2.3.1 Ảnh hưởng của lớp màng bề mặt

Cả ma sát và mòn đều là những hiện tượng chủ yếu xảy ra trên bề mặt trượt

Sự tồn tại của các lớp màng có ảnh hưởng quyết định đến tính mòn và ma sát

1.2.3.1.1 Mòn trong chân không

Trong chân không với độ chân không tới 10-8 mmHg, dưới tác dụng của tải trọng tiếp tuyến và pháp tuyến, tiếp xúc ở đỉnh nhấp nhô phát triển không bị hạn chế

vì không bị ngăn cản bởi các lớp màng bề mặt (vì chúng không thể hình thành trong chân không) Các tiếp xúc này bị hàn lại với nhau trên diện tích tiếp xúc lớn tạo nên

hệ số ma sát rất cao Khi hai bề mặt chuyển động tương đối tại các liên kết nhấp nhô này bị phá vỡ gây mòn vật liệu

1.2.3.1.2 Lớp màng Oxy hóa

Sau khi gia công cơ trên bề mặt kim loại tồn tại một lớp màng Oxy hóa dày khoảng 5 – 50 lớp phân tử [4] Khi 2 bề mặt trượt với nhau trong không khí, nếu các lớp màng này bị phá vỡ bề mặt kim loại ngay lập tức được bao phủ bởi một lớp phân tử đơn Lớp màng Oxy hóa có tác dụng ngăn cản sự phát triển của diện tích tiếp xúc nhấp nhô bề mặt dẫn đến giảm ma sát và mài mòn

1.2.3.1.3 Bôi trơn ướt

Bôi trơn ướt là tình trạng mà lớp màng dầu giữa hai bề mặt trượt không đủ để ngăn sự tiếp xúc trực tiếp giữa các đỉnh nhấp nhô bề mặt Giống như lớp màng Oxy hóa, lớp màng dầu có tác dụng giảm nhưng không thể ngăn hoàn toàn tiếp xúc giữa hai bề mặt ở các đỉnh nhấp nhô Lớp màng này có tác dụng cản trở sự phát triển diện tích tiếp xúc ở các đỉnh nhấp nhô Hơn nữa tác dụng giảm mòn của chất bôi trơn còn thể hiện ở chỗ hạn chế sự thâm nhập của các chất lỏng hoặc khí hoạt tính khi vật liệu làm việc trong môi trường ăn mòn

1.2.3.1.4 Chất bôi trơn rắn

Chất bôi trơn rắn được đưa vào bề mặt tiếp xúc của ổ thông qua chất kết dính như rensin [10] hoặc dưới dạng bột khi tải trọng nhỏ Bột sẽ dính vào bề mặt tạo nên lớp màng bôi trơn

1.2.3.2 Tác dụng của nhiệt độ

Nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc chung có thể ảnh hưởng tới mòn theo 3 hướng: + Thay đổi tính chất của cặp vật liệu ở chỗ tiếp xúc

+ Thay đổi dạng của lớp màng trên bề mặt

+ Thay đổi tính chất của chất bôi trơn

Nhiệt độ cao làm giảm độ cứng của các nhấp nhô bề mặt làm tăng tính mòn Ngoài ra còn là nguyên nhân làm thay đổi pha làm cho tính chất của vật liệu thay đổi đáng kể Nhiệt độ cao còn có tác dụng Oxy hóa màng dầu bôi trơn và sau đó tác dụng của màng dầu bị phá hủy do phản ứng phân tích ở nhiệt độ cao

1.2.3.3 Tác dụng của tải trọng

Hình 1.7 Ảnh hưởng của tải trọng tới tính mài mòn: (a)Các vùng biến dạng dẻo độc lập dưới các tiếp xúc của nhấp nhô bề mặt của một mặt phẳng dưới tác dụng của tải trọng thấp; (b)Tương tác của các vùng biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải

trọng lớn

Tải trọng có ảnh hưởng lớn đến tốc độ mài mòn Tăng tải trọng dẫn đến lực

ma sát tăng và do đó làm tăng nhiệt độ làm cho quá trình mòn xảy ra nhanh hơn

1.2.3.4 Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu

Theo Rabinowicz [5] khuynh hướng kim loại trượt dính vào nhau mạnh được được quyết định bởi tính tương thích vật liệu của chúng, đó là mức độ hòa tan rắn khi hai kim loại nóng chảy cùng nhau Giảm tính tương thích đi liền với giảm mòn

1.2.3.5 Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi

Kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt thể hiện ma sát nhỏ và ít mòn hơn vật liệu có cấu trúc thể tâm Một cặp vật liệu có cấu trúc lục giác xếp chặt hoặc chỉ một vật liệu có cấu trúc này biểu hiện như nhau về ma sát và mòn Các vật liệu có cấu trúc lục giác xếp chặt có số mặt phẳng trượt bị hạn chế là nguyên nhân ma sát và mòn nhỏ

1.2.3.6 Ảnh hưởng của biên giới hạt

Vùng biên giới hạt là vùng năng lượng cao đặc biệt tại bề mặt Đối với vật liệu

đa tinh thể, sự tồn tại của biên giới hạt trong vật liệu ảnh hưởng tới tính dính, ma sát, nứt bề mặt và mòn Vật liệu đa tinh thể với mật độ biên giới hạt cao có tốc độ mài mòn cao hơn những vật liệu với mật độ biên giới hạt thấp hơn hoặc vật liệu đơn tinh thể

1.3 Phương pháp chống mòn và giảm ma sát

1.3.1 Biện pháp kết cấu (thiết kế)

Xác định kích thước và hình dạng bề mặt làm việc

Chọn loại ma sát trong các ổ đỡ

Lựa chọn hợp lý các vật liệu của các cặp ma sát (các bề mặt tiếp xúc)

Hoàn thiện biện pháp điều chỉnh nhiệt độ, đảm bảo bôi trơn và làm mát tốt.Chọn hệ thống bôi trơn hợp lý

Bố trí các phương tiện hay các thiết bị lọc không khí và dầu bôi trơn cũng như các thiết bị làm kín: phải có thiết bị ngăn chặn hạt mài và các tạp chất rơi vào vùng làm việc

1.3.2 Các biện pháp khi sử dụng

Tận dụng tối đa khả năng chạy rà các cặp chi tiết đã qua tiếp xúc để đảm bảo

độ ăn khớp tốt Kiểm tra độ đồng tâm, tổ hợp các chi tiết Cần phải chạy rà trước khi vận hành rồi sau đó tăng dần tải trọng

Theo dõi tỷ mỷ các hoạt động của các cơ cấu của máy móc, thiết bị Đảm bảo

vệ sinh máy móc khi vận hành

Kiểm tra khe hở các chi tiết hoạt động tiếp xúc nhau Kiểm tra độ ăn khớp cần thiết giữa các chi tiết.

Đảm bảo đủ điều kiện chất bôi trơn: Dầu mỡ phải sạch, phải lọc sạch dầu khi

sử dụng, phải thay dầu đúng kỳ hạn,…Phải dùng đúng loại dầu mỡ

Bảo vệ bề mặt làm việc bằng bôi trơn, sơn phủ, che đậy bụi,…

Không sử dụng khí quá nhiệt, phải sử dụng khí sạch,…

Kiểm tra nghiêm ngặt chất làm mát: nước, dầu, mỡ,

Kiểm tra máy thường xuyên, phát hiện và sửa chữa kịp thời các hư hỏng và sai lệch

1.3.3 Các biện pháp công nghệ

Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để tăng tính chống mòn và giảm ma sát cho bề mặt các cặp chi tiết tiếp xúc động khi làm việc như: tôi bề mặt, hóa – nhiệt luyện, thấm C, thấm N, thấm C – N, thấm Bo, thấm Cr và phủ màng chống mòn, trong đó phương pháp phủ màng chống mòn là biện pháp công nghệ mới đạt hiệu quả và tốc độ phủ cao đồng thời chống ô nhiễm môi trường

1.3.3.2 Phủ màng bằng phương pháp hóa học (Chemical Vapor Depositon-CVD)

Phủ hóa học sử dụng khí như là một nguồn của vật liệu cần phủ lên chi tiết Ví dụ: muốn phủ một lớp Carbon giống kim cương (Diamon - like carbon – DLC) lên

bề mặt một chi tiết người ta sử dụng nguồn Carbon là khí Hydro – Carbon (như

CH4, C2H2,…) Có nhiều kỹ thuật phủ bằng phương pháp CVD như: CVD nhiệt, CVD plasma (PECVD) Kỹ thuật CVD nhiệt lại được phân ra thành các kỹ thuật sau: sự phân tách nhiệt, nhiệt halogen, dây tóc nóng, ngọn lửa O2 và C2H2 PECVD

có thể được chia thành ba nhóm nhỏ: CVD plasma sử dụng dòng một chiều (DC – PECVD), CVD plasma sử dụng tần số radio (13,6 MHz) (RF – PECVD) và vi sóng PECVD Tổ hợp của hai trong số những kỹ thuật trên cũng có thể được sử dụng, ví

dụ như dây tóc nóng cộng với dòng một chiều (DC), dây tóc nóng cộng với vi sóng,…[6]

Hình 1.8 Hệ thống CVD dây tóc nóng

Hình 1.8 là sơ đồ hệ thống phủ CVD dùng dây tóc nóng điển hình Vật liệu làm dây tóc phải có nhiệt độ nóng chảy cao (thường là W hoặc Mo) vì dây tóc có thể nóng đến 2800 0K Khí sử dụng trong hệ thống này là H2 + CH4 Khí CH4 chính

là nguồn Carbon để phủ lên chi tiết Nó sẽ tạo ra gốc Carbon và Hydro nguyên tử Các thành phần này sẽ tham gia tạo thành màng DLC Chi tiết cần phủ trong trường hợp này được tạo một thế điện âm

Hình 1.9 Hệ thống PECVD – vi sóng

Hình 1.9 thể hiện một hệ thống PECVD – vi sóng Nhiệt độ của chi tiết cần phủ phụ thuộc vào mật độ năng lượng và vị trí của plasma Hình 1.10 thể hiện hệ thống PECVD Dòng plasma được tạo thành từ một súng plasma Khí sử dụng trong trường hợp này là Hydro, Methane, Oxygen và Argon Dòng điện một chiều được cung cấp cho súng phun plasma trong khi hoạt động

Hình 1.10 Hệ thống PECVD plasma

Trong quá trình CVD thì phần tử phản ứng ở dạng khí: ví dụ như Methane và Hydro được cấp vào buồng phản ứng và phản ứng được kích hoạt bởi dây tóc nóng hoặc plasma [6]

H2 – H0

CH4 + H0 – CH3 + H2

… Vòng tròn nhỏ trong công thức trên tượng trưng cho một điện tử không được ghép cặp Trên bề mặt của chi tiết cần phủ, có những quá trình liên tục xảy ra như: hấp thụ, khuyếch tán, phản ứng và phân tách của rất nhiều hạt (nguyên tử và ion) tạo nên cấu trúc kim cương (sp3) và Graphite (sp2) Lớp màng này có chứa một lượng H nên những lớp màng được chế tạo bằng phương pháp CVD được gọi là DLC lẫn H

Việc nung nóng chi tiết cần phủ đóng một vai trò rất quan trọng cho sự hình thành và phát triển của màng phủ khi áp dụng kỹ thuật CVD [6] Chính vì vậy phạm

vi của vật liệu phủ bị giới hạn (không thể áp dụng cho các chi tiết quá nhạy cảm đối với nhiệt)

1.3.3.3 Phủ màng bằng phương pháp vật lý (Physical Vapor Deposition – PVD)

PVD là phương pháp phủ màng lên chi tiết cần phủ bằng việc nguyên tử hóa các phần tử từ một vật liệu (rắn) PVD gồm các kỹ thuật sau:

1.3.3.3.1 Bốc hơi PVD: chùm electron, điện trở, cảm ứng điện và tia lửa điện

- Nung nóng điện trở là một phương pháp tạo ra sự bay hơi của nguồn vật liệu bằng điện trở Vật liệu cần được phủ lên chi tiết được đặt trong một đế giữ được làm bằng vật liệu rất bền về nhiệt Phương pháp này thường được dùng cho các loại vật liệu có điểm nóng chảy thấp

- Tia lửa điện là phương pháp bay hơi nhờ tia lửa điện giữa hai điện cực Kỹ thuật này có nhược điểm là sẽ hình thành các hạt vật liệu có kích thước lớn trên vật cần phủ

- Kỹ thuật bay hơi dùng chùm electron được áp dụng rộng rãi nhất trong số các kỹ thuật bay hơi hiện nay Trong kỹ thuật này, vật liệu cần phủ bị bay hơi và

bám lên bề mặt chi tiết trong môi trường chân không nhờ năng lượng của dòng electron Để thuận lợi cho việc bố trí người ta có thể dùng từ trường để uốn cong dòng electron (hình 1.11) Dòng electron được tạo trong trường hợp này có năng lượng rất lớn (trên 5000 eV)

Hình 1.11 Kỹ thuật phủ bay hơi (năng lượng bay hơi cho chùm electron)

1.3.3.3.2 Kỹ thuật plasma PVD (Sputtering PVD): kỹ thuật sputtering bao gồm những loại sau: hai cực, ba cực, RF, plasma kết hợp từ trường (magnetron) và chùm ion

Nguyên lý của kỹ thuật plasma PVD là dùng các hạt ion và trung hòa điện bắn phá bề mặt của một vật rắn làm các nguyên tử trên bề mặt vật rắn bị bứt ra khỏi bề mặt và phủ lên bề mặt chi tiết cần phủ Năng lượng của các nguyên tử phủ lên bề mặt chi tiết phụ thuộc vào năng lượng của các hạt bức nó ra khỏi bề mặt vật rắn

- Kỹ thuật PVD plasma hai cực (hình 1.12): plasma có thể được hình thành khi điện thế và áp suất khí Argon đạt đến một giá trị nào đó Những electron được gia tốc tiến về cực dương và ion hóa các nguyên tử khí Argon do va chạm với chúng Những ion này lại được vào plasma và ion hóa nguyên tử khí Trong hệ thống plasma hai cực thì bề mặt của âm cực bị lỡ do các nguyên tử của vật liệu trên bề mặt âm cực bị bứt ra khỏi nó Vì vậy, chi tiết cần phủ có thể được bố trí trên bề mặt

dương cực hoặc là một vị trí nào đó trong buồng phủ Một điều cần chú ý là khi áp dụng dòng điện một chiều cho plasma thì các điện cực phải làm bằng vật liệu dẫn điện vì nếu một trong số chúng làm bằng vật liệu cách điện thì điện cực nhanh chóng bị tích điện

Hình 1.12 Kỹ thuật plasma hai cực

- Kỹ thuật PVD plasma ba cực: trong hệ thống plasma ba cực thì một nguồn tạo ra electron (dây tóc nóng được thêm vào) Dây tóc sẽ tạo ra một số lượng lớn electron khi bị đốt nóng để đảm bảo cho sự ion hóa diễn ra

- Plasma với tần số Radio (RF – 13,6 MHz) (hình 1.13): RF plasma cho phép giải quyết vấn đề về sự tích điện đối với điện cực không dẫn điện Khi áp dụng dòng điện thay đối với tần số radio thì điện cực sẽ không bị tích điện, vì vậy cho phép phủ các loại vật liệu không dẫn điện (ví dụ: Ceramics) lên chi tiết cần phủ

Hình 1.13 Plasma với tần số radio (RF – 13,6MHz)

- Plasma kết hợp từ trường (Magnetron sputtering): trong kỹ thuật này, một từ trường (do nam châm) được bố trí ở vùng âm cực nhằm thu hút về các điện tử về phía âm cực Hiệu quả phủ của phương pháp này sẽ cao hơn rất nhiều so với các phương pháp đã nêu trên Magnetron có thể hoạt động với dòng điện một chiều và

RF Hình 1.14 cho thấy một âm cực bị xói lở trong hệ thống magnetron sputtering Vùng bị xói lở là vùng tập trung các electron bị từ trường “giữ lại”

Hình 1.14 Vùng xói mòn của âm cực

1.4 Vật liệu Carbon giống kim cương

Thuật ngữ Carbon giống kim cương lần đầu tiên được đặt ra bởi Sol Aisenberg vào năm 1971 cho loại màng Carbon ông phủ bằng dòng ion Carbon năng lượng thấp [7] Hiện nay, Carbon giống kim cương là tên để chỉ vật liệu Carbon cứng, có tính chất cơ học, hóa học, điện học, gần giống với kim cương nhưng cấu trúc của nó không phải là tinh thể Carbon giống kim cương là vật liệu vô định hình có thể được xem là hỗn hợp lai hóa sp3 (kim cương) và sp2 (Graphite)

Hình 1.15 Lai hóa sp 3 ( kim cương )

Trong phổ Raman, DLC được nhận biết một đỉnh rộng ở khoảng 1530 cm-1

(đỉnh - G đặc trưng cho Graphite) và một “vai” ở khoảng 1530 cm-1 (đỉnh D – đặc

trưng cho tính bất thứ tự) Nếu như trên phổ Raman chỉ quan sát được một đỉnh nhọn ở 1580 cm-1 thì đó là Graphite nguyên chất Hàm lượng sp3 trong DLC tỉ lệ nghịch với tỉ số ID/IG [11] Trong đó, ID là chiều cao của đỉnh D, IG là chiều cao của đỉnh G trong phổ Raman

Hình 1.16 Lai hóa sp 2 (graphite)

Tính chống mòn của DLC là rất cao do DLC cứng và gần như trơ với các tác nhân hóa học Khi trượt trên hầu hết các vật liệu kỹ thuật, DLC thể hiện hệ số ma sát rất bé (thường nhỏ hơn 0,5, thậm chí có những tài liệu ghi giá trị hệ số ma sát nhỏ đến 0,05 [12], [13]) Hệ số ma sát phụ thuộc rất nhiều vào môi trường làm việc, chất bôi trơn Voevodin đã làm các thí nghiệm ma sát trên a-C:H và a-C phủ bằng

kỹ thuật laser xung, kết quả được tóm tắt trong bảng sau [14]:

Bảng 0-1 Hệ số ma sát của DLC với các môi trường thử và vật liệu thử khác nhau

Môi trường ma sát

a-C:H Không có thế điện trên vật phủ

a-C:H

Có thế điện trên vật phủ

a-C Không có thế điện trên vật phủ

a-C

Có thế điện trên vật phủ

Trượt tương đối với bi thép

440C:

Không khí, độ ẩm 50%

N2 độ ẩm nhỏ hơn 2%

Chân không, 10Pa

Trượt tương đối với bi làm

0,07 0,10 0,12

0,17 0,16 0,13

0,05 0,06 0,09

0,12 0,10 0,11

0,08 0,07 0,08

0,08 0,04 0,10

0,06 0,03 0,06

1.5 Kết luận

Nhiều kỹ thuật có thể được áp dụng để nâng cao tính chống mòn của bề mặt chi tiết Những kỹ thuật thông thường bộc lộ nhiều nhược điểm cả về mặt công nghệ lẫn môi trường Những kỹ thuật mới tạo màng phủ chống mòn (như CVD hay PVD) cho thấy nhiều ưu việt như: có thể tạo các loại màng có cấu trúc đặc biệt, tốc

độ phủ và độ tinh khiết cao, không gây ô nhiễm môi trường

Carbon giống kim cương có độ cứng cao đồng thời có hệ số ma sát rất thấp cho thấy tiềm năng lớn để ứng dụng phủ màng chống mòn và giảm ma sát cho các chi tiết chịu ma sát và mài mòn trong kỹ thuật

CHƯƠNG 2 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ

HỌC CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG

2.1 Thiết bị phủ màng

Trong nghiên cứu này, chúng tôi phủ các màng DLC trên hệ thống E303A magnetron sputtering Penta Vacuum (hình 2.1) Hệ thống được lắp đặt với hai loại nguồn cung cấp năng lượng RF 1200 W và DC 1000 W Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được thể hiện trên hình 2.2 Magnetron được bố trí bốn âm cực, ba âm cực có thể hoạt động được cùng một lượt khi thực hiện quá trình phủ màng Chân không trong buồng phủ được duy trì bởi một bơm cơ khí hai tầng, lưu lượng 12 m3/giờ và một bơm siêu chân không Cryogen lưu lượng 800 lít/giây Buồng phủ đầu tiên được tạo chân không sơ bộ nhờ bơm cơ khí (bơm này có đường thông trực tiếp vào buồng

và một đường thông qua bơm siêu chân không) Bơm siêu chân không sẽ tự động hoạt động khi áp suất trong buồng phủ được bơm cơ khí đưa xuống đến một giá trị nào đó Chân không trong buồng phủ có thể đạt đến 1,33x10-5 Pa (10-7 torr) Áp suất trong quá trình phủ được theo dõi qua đồng hồ chỉ thị (kiểu dung kháng) với độ chính xác cao Các cảm biến đảm bảo duy trì áp suất trong quá trình phủ là hằng số thông qua việc đóng mở một van bướm

Bệ giữ vật cần phủ có thể quay được, có thể được nối đất hoặc có một thế điện nào đó (DC hoặc RF) Điện trở nhiệt được bố trí dưới bệ đỡ vật cần phủ cho phép nung nóng vật cần phủ lên đến 600 0C

Hệ thống nạp vật cần phủ vào buồng chân không được trang bị một cánh tay robot và điều khiển bằng PLC công nghiệp Để phủ các màng DLC, thì những đĩa graphite (99,99% tinh khiết) được gắn vào âm cực Kích thước của các đĩa Graphite là: đường kính 100 mm, bề dày 5,5 mm Các âm cực được bố trí phía trên giá đỡ vật cần phủ và cách giá đỡ 100 mm Trước khi phủ thì buồng phủ được bơm đến độ chân không cao (áp suất 1,33x10-5 Pa) Khí Argon được đưa vào buồng phủ để tạo

plasma Lưu lượng Argon đưa vào là 50 cm3/phút (điều kiện chuẩn)

Hình 2.1 Hệ thống E303A magnetron sputtering

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống E303A 1.Đường khí vào

2.Đĩa vật liệu phủ

3.Bơm siêu chân không

4.Bơm cơ khí

5.Van bướm 6.Đĩa đỡ vật cần phủ 7.Buồng phụ

8.Van cổng

7

Các màng được phủ lên các tấm Si [100] (đường kính 100 mm, bề dày 450

µm, độ nhám bề mặt Ra = 2 nm) và các miếng thép 440C (đường kính 55 mm, bề dày 5,5 mm, được đánh bóng đến Ra = 60 nm) Trước khi đưa vào buồng, các miếng

Si và thép được làm sạch bằng siêu âm trong dung dịch Acetone, sau đó tiếp tục làm sạch trong Ethanol trong vòng 15 phút Sau khi được đưa vào buồng phủ, chúng được nung nóng đến 150 0C trong vòng 30 phút để đảm bảo thải hết khí hấp thụ trên

AFM được sử dụng để nghiên cứu topography bề mặt của màng phủ Quá trình xác định topography bằng AFM được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm, với mode tiếp xúc mũi dò làm bằng Si3N4 Diện tích vùng quét là 2x2 µm2, điện thế quét 2 volt và tần số quét 1 Hz AFM được liên kết với một máy tính có cài đặt phần mềm phân tích hình ảnh sao cho hiển thị một cách chi tiết topography của màng trên không gian 3 chiều với độ phân giải 256x256 pixel

2.2.2 Chẩn đoán cấu trúc của màng

Cấu trúc của màng được chẩn đoán bằng phổ Raman Thiết bị Raman (Ranishaw) hoạt động với nguồn laser He-Ne tại bước sóng 633 nm Để loại trừ tác động nhiễu, quá trình quét laser trên bề mặt được thực hiện 3 lần

Đường cong theo phổ Raman sẽ được khai triển theo hàm Gaussian Tỷ số

ID/IG có được từ phổ Raman được dùng để dự đoán hàm lượng sp3 có trong DLC

2.2.3 Các tính chất cơ học và ma sát của màng

2.2.3.1 Ứng suất bên trong của màng

Ứng suất bên trong của màng được xác định thông qua việc thay đổi bán kính cong của miếng Si [100] trước và sau khi phủ màng bằng thiết bị quét laser Tencor

Giá trị của ứng suất được xác định bằng công thức sau [15] :

Trong đó: E s / (1−v s) là modult lưỡng cực (180,5 GPa với Si [100] [16]), ts và

tc lần lượt là bề dày của miếng Si và của màng, R1 và R2 là bán kính cong của miếng

Si trước và sau khi phủ màng

2.2.3.2 Độ cứng và mô đun đàn hồi

Hình 2.3 Đường cong tăng tải và giảm tải của thiết bị đo độ cứng

Độ cứng và mô đun đàn hồi được xác định bằng thiết bị đo độ cứng nano (XP) với mũi kim cương Berkovich Chiều ăn sâu vào màng của mũi kim cương được lập trình để không quá 10% bề dày của màng để tránh sinh ảnh hưởng của vật cần phủ đến kết quả đo độ cứng Trên mỗi mẫu 10 vị trí ngẫu nhiên được đo độ cứng và mô đun đàn hồi Giá trị của độ cứng và mô đun đàn hồi của mẫu được lấy trung bình của các lần đo (sai lệch chuẩn không quá 10%) Từ đường cong tăng tải và giảm tải trên đồ thị của thiết bị đo độ cứng, độ dẻo của màng được xác định bằng cách chia dịch chuyển của mũi kim cương ứng với giai đoạn giảm tải cho dịch chuyển lớn nhất (hình 2.3)

Tải

Lmax

Dịch chuyển

Tăng tải Giảm

Hình 2.4 Hướng di chuyển và biên độ của mũi kim cương 2.2.3.4 Các đặc tính ma sát

Các đặc tính ma sát của màng được xác định bằng thiết bị thử ma sát (Tribometer-CSEM) với cấu hình “bi trên đĩa” như thể hiện ở hình 2.5 Màng được phủ trên “đĩa” thép Bi được sử dụng trong các thí nghiệm có đường kính 6mm được làm bằng Al2O3 (Ra = 0,015 µm, H = 20 GPa) và thép AISI 52100 (Ra = 0,03

µm, H = 8 GPa) Các thí nghiệm ma sát được thí nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm (22 0C , độ ẩm 75%) với tốc độ trượt 20 cm/s Hệ số ma sát được sensor ghi lại liên tục

Hướng dịch chuyển

200 V sự gia tăng của độ bám bề mặt rất nhỏ (trong khoảng 10 nm), khi thế plasma tăng thì độ nhám bề mặt cũng tăng lên đáng kể Ở 500 V độ nhám tăng lên 2,5 lần (135 nm) Có thể nhìn thấy những vết rỗ trên bề mặt của đĩa thép (hình 2.8) Ở thế

RF cao thì hiển nhiên sự oanh tạc của các ion lên bề mặt đĩa sẽ lớn hơn gây ra sự bứt phá các nguyên tử trên bề mặt đĩa ra khỏi bề mặt đó Điều này cũng đồng thời làm gia tăng ứng suất dư trên bề mặt của đĩa

Tải

Màng

Vật cần phủ (Bi đường kính 6mm)