Bài Giảng Công Nghệ Cấy ION

chươngưVII.ưcôngưnghệưcấyưion I.ưCơưsơưchung 1 Nguyên lý: Công nghệ cấy ion là ph ơng pháp xử lý nhờ tác dụng của từ tr ờng mạnh, các ion chất phủ đ ợc bắn vào bề mặt sản phẩm với gia t

chươngưVII.ưcôngưnghệưcấyưion I.ưCơưsơưchung

1) Nguyên lý:

Công nghệ cấy ion là ph ơng pháp xử lý nhờ tác dụng của từ tr ờng mạnh, các ion chất phủ đ ợc bắn vào bề mặt sản phẩm với gia tốc rất lớn tạo ra lớp bề mặt cấy ion (hình 1)

1 ống tăng tốc

2 Buồng làm việc

3.4 ống dẫn h ớng

5 Nguồn ion

Hình 1a.Sơ đồ nguyên lý làm việc

của thiết bị cấy ion

Hình 1b Sự phân bố nồng độ

trong lớp bề mặt

2) Đặc điểm:

- Ion cấy: ion N, Cr, Mo, Ti, B Sản phẩm: Thép, nhôm, HK Fe, Al

- Sản phẩm đ ợc phân cực với điện thế lớn 10-100KV, P= 10-5-10-8 bar.

- Khó tạo đ ợc lớp phủ có nồng độ mong muốn.

- Có thể dùng lớp phủ sơ bộ:

+ Cấy ion va chạm: Ion truyền động năng cho lớp phủ sơ bộ

+ Tạo lớp phủ hợp chất:Ion kết hợp với lớp phủ sơ bộ

+ Tạo lớp phủ khuyếc tán: Chùm ion làm cho lớp bề măt có T cao II.ưThànhưphầnưvàưtínhưchấtưlớpưphủ:ư (hinh 2 )

- T ơng tác giữa chùm ion và bề mặt sản phẩm dẫn đến thay đổi: + Thay đổi thành phần hoá học lớp bề mặt

+ Thay đổi cấu trúc lớp bề mặt

+ Sai lệch mạng tinh thể

- Tính chất lớp phủ:

+ Độ cứng cao => tăng khả năng chống mài mòn.

+ Độ bền ăn mòn cao.

+ Thay đổi tính chất vật lý (cấy ion cho chất bán dẫn).

Hình 2 Cơ chế t ơng tác giữa

ion và lớp phủ

1 Ion động năng lớn

2 Vùng lỗ trống

3 Nguyên tử xen kẽ

- CÊy ion th«ng th êng:

- KhuÊy ion:

- KhuÊy ion h¹n chÕ:

- T¹o líp phñ cã chïm ion

Chïm ion

Chïm ion

Chïm ion

Chïm ion

KhÝ t¹o líp phñ

Líp phñ hîp kim 10 -500nm

Líp phñ s¬ bé <100nm Líp khuÊy <200nm

Líp phñ s¬ bé < 500nm Líp phñ s¬ bé < 500nm

Líp phñ > 1 nm

vàưlớpưphủưvôưđịnhưhìnhưhợpưkim I.ưXửưlýưnhiệtưbềưmặt:

1 Cơ sở chung:

a) Nguyên lý: Xử lý nhiệt bề mặt là ph ơng pháp xử lý nhờ truyền nhanh vào

bề mặt sản phẩm một nhiệt l ợng lớn (laser, chùm điện tử, dòng cảm ứng) làm

cho

nhiệt độ bề mặt (dày 10-6 – 1mm) tăng nhanh lên > Ac1 và quá trình chuyển biến Mactenxit xẩy ra khi tốc độ nguội dủ lớn do tự làm nguội (nhiệt truyền vào trong)

và làm

nguội từ bên ngoài (n ớc ,dầu) (hinh 1)

Nguồn tia

Kính phản xạ

Kính hội tụ

Sản phẩm

Hình 1 Nguyên lý ph ơng phápXử lý nhiệt bằng

chùm tia năng l ợng cao

H×nh 2 ThiÕt bÞ xö lý bÒ mÆt b»ng chïm tia ®iÖn tö

b) Đặc điểm:

+ Nguồn nhiệt cần có mật độ năng l ợng cao => nung nóng nhanh + Chỉ sử dụng đối với các sản phẩm có khả năng tôi cứng

+ Tốc độ làm nguội bề mặt đủ lớn (Vng > Vth) + Lớp nung nóng rất nhỏ so với chiều dày mẫu (d ng << D sp)

2 Thành phần, tổ chức và tính chất của lớp bề mặt: (hình 2,3,4)

- Thành phần không thay đổi song tổ chức phụ thuộc vào ph ơng pháp cấp nhiệt:

+ Nung dòng cảm ứng: tổ chức đồng đều + Nung bằng tia laser, chùm điện tử: T/C không đều

- Tính chất: + Bề mặt: Độ cứng cao chống mài mòn tốt

+ Nền kim loại: Độ dẻo dai đảm bảo chịu va đập tốt

T> Ac1

Tự làm nguội Chùm tia

Làm nguội bên ngoài

Hình 3 ảnh h ởng của các hình thức làm nguội

T« chøc bÒ mÆt cña thÐp sau khi xö lý nhiÖt b»ng

dßng c¶m øng (a) vµ chïm tia laser

3 Các ph ơng pháp xử lý nhiệt bề mặt:

a Các nguồn nhiệt thông th ờng:

- Nung bằng ngọn lửa = > Ô xy – Axetylen => Kết hợp tự làm nguội và n ớc, dầu

- Nung bằng cảm ứng => Dòng/đ cảm ứng => Kết hợp tự làm nguội và n ớc, dầu

- Nung tiếp xúc => Điện trở tiếp xúc => Kết hợp tự làm nguội và n ớc, dầu

- Nung ma sát => Năng l ợng cơ hoc => Tự làm nguội

b Chùm tia năng l ợng cao

- Nung bằng Plasma => Ion hoá dòng khí => Tự làm nguội

- Nung bằng chùm Laser => Sóng điện từ => Tự làm nguội

- Nung bằng chùm điện tử => Điện tử động năng cao => Tự làm nguội

1 Cơ sở chung:

a) Nguyên lý:

Lớp phủ nung chảy vô định hìnhưlà ph ơng pháp nhờ các chùm tia năng

l ợng cao (Laser, Điện rử ) bề mặt sản phẩm đ ợc nung nóng nhanh tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt nóng chảy làm cho kim loại chuyển sang trạng thái lỏng và sau đó đ ợc làm nguội rất nhanh (tự làm nguội) làm cho bề mặt chuyển sang trạng thái giả ổn định có cấu trúc phụ thuôc vào ph ơng pháp xử lý (vô định hình,tổ chức đúc tinh thể siêu mịn )

- Có thể hợp kim hoá nhờ:

+ Phủ sơ bộ nguyên tố hợp kim hoặc bột chất phủ

+ Cấp bột nguyên tố hợp kim hoặc bột chất phủ đồng thời khi nung

b) Đặc điểm:

- Lớp nóng chảy rất mỏng so với chiều dày mẫu.

- áp dụng với cả thép không có khả năng tôi, thép không rỉ

- Lớp phủ có độ cứng cao => chống ăn mòn

2 Thành phần và tổ chức lớp phủ

- Do bề mặt bị nóng chảy cục bô => biến dạng nhiều => chất l ợng bề mặt giảm

- Tổ chức lớp bề mặt phụ thuộc nhiều vào ph ơng pháp xử lý bề mặt = tạo ra các tổ chức không cân bằng – Vô dịnh hình, tổ chức đúc siêu mịn, mactenxit, austenit

+ Hình a) tổ chức lớp phủ nóng chảy của gang: Grafit hoà tan vào gang nóng chảy => tổ chức đúc dạng nhánh cây siêu min

+ Hình b) tổ chức của lớp (Ti, Mo)C trên nền thép 1%C: Lớp bề mặt: vô định hình + hạt các bít phân bố đều; nền: lớp macten xít nhỏ mịn và austenit d

- Thành phần đa dạng: hơp kim của Mn, Ni, Cr, Mo, Ti các bit, nitrid, borit

Lớp phủ nung chảy

Nung chảy hợp kim

Nung chảy bề mặt

Tổ chức đúc

Phụ gia nóng chảy

Phụ gia khí

Vô định hình

Lớp l ới, màng

Lớp phủ rắn Phụ gia rắn

Lớp keo, bột