Chuyên Đề Tổng quan về hợp kim cứng và lớp phủ TiCtrên bề mặt hợp kim cứng làm dao cắt kim loại

MỤC LỤC

1. Tổng quan về hợp kim cứng 2
1.1 Hợp kim cứng là gì 2
1.2 Thành phần, tổ chức, tính chất và cơ tính của hợp kim cứng 3
1.3 Các loại hợp kim cứng 6
1.4 Phương pháp chế tạo hợp kim cứng 7
1.5 Ứng dụng của hợp kim cứng 9
2 Hợp kim cứng làm dao cắt kim loại và lớp phủ TiC: 10
2.1 Tổng quan về dao cắt kim loại và các hợp kim cứng làm dao cắt kim loại 10
2.2 Hợp kim cứng dùng làm dao cắt kim loại: 13
2.3 Vai trò lớp phủ TiC: 13
3 Công nghệ phủ TiC 17
3.1 Phương pháp CVD: 17
3.2 Phương pháp PVD: 19
3.3 Một số phương pháp khác: 19
4 Các thiết bị phủ TiC lên vật liệu làm dao cắt kim loại: 21
4.1 Lò CVD ở điều kiện khí quyển (Atmospheric pressure CVD furnaces) 21
4.2 Low pressure cvd funaces( lò CVD áp suất thấp) 22
4.3 PVD sputtering funaces (lò PVD mạ ion) 23
5 Các phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ: 24
5.1 Phương pháp đo bề dày lớp phủ 24
5.2 Phương pháp đo độ bám dính của lớp phủ: 25
5.3 Kiểm tra độ xốp lớp phủ: 27
5.4 Đo độ cứng lớp phủ: 27













Tổng quan về hợp kim cứng
Hợp kim cứng là gì
Hợp kim cứng là vật liệu có độ cứng cao, nó được chế tạo bằng phương pháp kim loại bột, trong thành phần của chúng gồm các loại Cacbit có độ cứng cao, khó nóng chảy và được liên kết với nhau bằng chất kết dính. Trong tất cả các loại vật liệu cắt thường dùng, hợp kim cứng là loại vật liệu có tính cứng nóng cao hơn cả, tới 800-1000 , tốc độ cắt cao tới hàng tram nghìn m/min.
Nhiều chất cứng hơn thép dụng cụ được tôi luyện đã được biết từ xa xưa, kim cương, corum, thạch anh và nhiều chất khác có trong tự nhiên được sử dụng để mài dũa kim loại, chúng được sử dụng trong mẫu vật liệu mài lỏng hoặc trong đá mài, nhưng chúng không thích hợp làm dụng cụ cắt vì chúng không đủ độ bền. Sự xuất hiện của lò điên vào thế kỷ trước đã dẫn tới ngành sản xuất vật liệu cứng mới ở nhiệt độ cao.
Nhà hóa học người Mỹ Acheon đã sản xuất ra cacbit silic vào năm 1891 trong lò điện giữa các điện cực carbon, và được sử dụng như một vật liệu mài khi được dính kết với nhau bằng vật liệu gốm, là vật liệu mài rất quan trọng, nhưng nó không đủ độ bền để làm vật liệu cắt.
Cacbit WC được tìm thấy lúc bấy giờ là chất có độ cứng và có nhiều đặc trưng của kim loại: là vật liệu rất cứng và có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Nhưng nó không thu hút được sự chú ý lúc bấy giờ.
Vào năm 1920 Schoter làm việc trong phòng thí nghiệm Osran ở Đức đã nung bột Wonfram với Carbon để sản xuất ra Cacbit WC với cỡ hạt khoảng vài micromet. Đây là sự trộn kỹ lưỡng với lượng nhỏ phần trăm Niken, Coban trong một bộ mẫu nhỏ mịn. Co được tìm thấy là một kim loại hiệu quả nhất cho việc lien kết. Hỗn hợp những Cacbit liên kết này là sự kết hợp duy nhất những thuộc tính, dẫn đến sự phát triển của dụng cụ cắt kim loại được sử dụng đến ngày nay.
Hợp kim cứng là loại vật liệu điển hình với độ cứng nóng rất cao, không cần nhiệt luyện vẫn đạt độ cứng 85-92 HRC, nhiệt độ 800-1000 vẫn cắt gọt bình thường, hợp kim cứng được dùng làm dụng cụ cắt có tốc độ cao Vc>35m/ph, tính dẫn nhiệt kém, dòn,
Hợp kim cứng không phải là kim loại.
Thành phần, tổ chức, tính chất và cơ tính của hợp kim cứng
a. Thành phần hợp kim cứng
Hợp kim cứng được chia làm hai loại: hợp kim cứng có chứa vonfram và hợp kim cứng không có chứa vonfram ( cermet). Hợp kim cứng có chứa vonfram gồm ba nhóm: nhóm một cacbit ( WC + Co), nhóm hai cacbit ( WC + TiC + Co) và nhóm ba cacbit ( WC + TiC + TaC + Co). Hàm lượng Co từ 2-20% tùy loại hợp kim. Lượng Cobal càng cao thì độ dẻo dai của hợp kim càng cao nhưng bù lại thì độ cứng của hợp kim giảm xuống.

Thành phần hóa học (%) và cơ tính của một số hợp kim cứng theo GOST -3882-74
Ngoài các hợp kim cứng có chứa vonfram như bảng trên, hiện nay còn dùng nhiều hệ hợp kim cứng khác như TiC + ( Ni + Mo) , TiC + TiN + ( Ni + Mo), Ti + Thép, TiC + hợp kim bền nóng và các hợp kim cứng trên cơ sở cacbit crom nền niken hoặc thép niken. Nhứng hợp kim cứng này được gọi tên chung là cermet ( ceramic + metal) có nghĩa là kim loại- gốm.
Trong cermet thì WC đã được thay thế bằng những cacbit khác trên cơ sở crom, molipden, niobi, ziecroni, hafri, còn nền cobal có thể thay thế bằng niken hoặc ( Ni + Mo), ( Ni + Cr) thậm chí cả thép. Đặc điểm chung của cermet là có độ bền thấp hơn hợp kim cứng có chứa vonfram một chút và do không chứa hoặc ít chứa cobal nên dòn hơn ( do tính dòn nên có tên gọi là gốm kim loại). Do không chứa WC hoặc ít chứa WC nên giá thành các cermet tương đối rẻ.
b. Tổ chức, tính chất và cơ tính hợp kim cứng
Tổ chức của hợp kim cứng bao gồm các hạt cacbit sắc cạnh ( màu sang) gắn với nhau bởi cobal ( màu tối) theo hình 6.17. Ngoài ra trong tổ chức còn tồn tại các lỗ xốp,nhưng phải khống chế lượng lỗ xốp < 2%, không cho phép có muội than vì nó gây ra điểm mềm.

Hợp kim cứng có độ cứng cao từ 82 – 90 HRA ( 70 – 75 HRC), tính chống mài mòn và tính cứng nóng rất cao, nhưng có nhược điểm là giòn. Cơ tính của hợp kim phụ thuộc vào:
Với cùng lượng cobal như nhau, nhóm hai cacbit cứng hơn nhóm một cacbit vì TiC hòa tan với WC ( tới 70%) có độ cứng cao hơn, giòn hơn và có hệ ma sát với thép nhỏ hơn so với WC. Ảnh hưởng này cũng thấy ở TaC, NbC. Vì vậy thường dùng hai nhóm ( ba cacbit, hai cacbit) để gia công gang.
Ở trong từng nhóm, mác nào chứa nhiều coban hơn sẽ dẻo hơn, song độ cứng và giới hạn bền uốn giảm đi đôi chút. Sự kết hợp giữa độ cứng cao và dẻo nhất định trong cắt gọt hay dùng các mác với 6 – 8 % Co ( BK8, T15K6, TT10K8)
Trong các mác (đặc biệt trong nhóm một cacbit) nếu cỡ hạt cacbit và coban càng nhỏ mịn thì tuy không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng nhưng cải thiện rất mạnh tính chống mài mòn, độ bền và độ dai va đập ( các mác có hạt nhỏ và đặc biệt nhỏ được chỉ rõ them bằng kí hiệu riêng).
Cacbit WC có cấu trúc lục giác vì vậy chúng không có sự thay đổi cấu trúc khi qua điểm nóng chảy, không thay đổi bởi nhiệt.

Hình 7.1 cho biết độ cứng của 4 cacbit quan trọng được đo ở khoảng nhiệt độ từ 15 đến hơn 1000 , tất cả đều cứng hơn thép. Độ cứng của cacbit bị mất đi rất nhanh bởi sự tăng nhiệt độ nhưng độ cứng vẫn còn cao hơn thép ở hầu hết các điều kiện.
Trong hợp kim cứng, hạt cacbit chiếm khoảng 55 – 92 % thể tích cấu trúc và những hợp kim sử dụng trong cắt kim loại chứa ít nhất 80% cacbit trong thể tích.
Các loại hợp kim cứng
a. Hợp kim cứng WC - Co
Trong nhóm này tính kỹ thuật là quan trọng nhất và được xem xét đầu tiên. Lượng Co khoảng 4 – 30% trọng lượng và kích cỡ hạt cacbit từ 0.5 – 10 àm
Cấu trúc hợp kim WC – Co gồm hai pha: cacbit WC và kim loại coban.

Hình 7.3 chỉ ra rằng cùng với độ cứng và độ bên nén cao nhất với hợp kim có lượng coban thấp và giảm liên tục khi tang lượng coban.
b. Hợp kim cứng WC – TiC – TaC – Co
Tỉ lệ coban và kích thước hạt giống như hợp kim cứng WC – Co. Nếu lượng TiC > 25% thì có hai pha hiện hữu: hạt màu xanh – xám của WC và hạt tròn của cabit.
Độ cứng của các mác hợp kim cứng gia công thép trong cùng một phạm vi của những hợp kim WC – Co của cùng một lượng Coban và kích thước hạt. Tăng lượng Ti, Ta giảm độ bền kéo. Ta thì ít gây ra giảm độ bền hơn và tang độ bền nhiệt. Tính dẫn nhiệt với 15% Tic là xấp xỉ thép gió.
Phương pháp chế tạo hợp kim cứng
Công nghệ chế tạo hợp kim cứng được tiến hành theo các bước sau

Công nghệ chế tạo hợp kim cứng có chứa wonfram được tiến hành theo các bước sau:
Chế tạo các bột cacbit WC, TiC, TaC và bột cobal kim loại:
Bột W và Ta được hoàn nguyên từ WO3 và K2TaF7, đem nghiền nhỏ, sang phân loại để có độ hạt từ 0.15 – 3 àm.
Cacbit hóa W, Ta, TiO2 bằng cách nung với cacbon mồ hóng ở nhiệt độ ~1400 . Loại hợp kim chỉ có WC thì chỉ nung bột W với cacbon. Loại hợp kim hai hoặc ba cacbit thì phải dùng hỗn hợp bột W hoacwh bột W + TaC với oxit TiO2 theo tỉ lệ xác định với cacbon mồ hóng. Tiếp theo là nghiền, sang phân loại hạt cacbit ( 5 - 20 àm).
Bột cobal kim loại được hoàn nguyên bằng hydro từ Co3O4. Sau đó nghiền, sàng, phân loại hạt ( 20 – 30 àm)
Phối liệu, nghiền trộn hỗn hợp bột cacbit và cobal trong nhiều giờ đồng hồ để đồng đều thành phần.
Ép nguội tạo hình và nung tiếp theo ở 900 trong 1 giờ để tạo hình sơ bộ ( áp lực ép từ 100 – 400 MPa)
Gia công cơ đến kích thước mong muốn với lượng dư cần thiết đủ để bù ngót sau khi thiêu kết lần cuối ( độ Co từ 5 – 10 %)
Thiêu kết lần cuối ở 1400 – 1500 trong thời gian từ 1 – 3 giờ. Tại nhiệt độ thiêu kết bột cobal chảy lỏng, làm cho các hat cacbit sát lại gần nhau, giảm độ xốp và tang liên kết giữa chúng. Môi trường thiêu kết là khí hydro.
Làm nguội và mài sửa hợp kim cứng trên đá mài ( loại cacborun xanh ) hoặc gia công bằng tia lửa điện đến kích thước chính xác.
Ngoài các hợp kim cứng dùng cobal làm chất liên kết hiện nay còn sử dụng các bột kim loại khác làm chất liên kết như Ni, hợp kim Ni + Fe, Ni + Mo, Ni + Cr. Các loại hợp kim này có ưu thế là rẻ tiền.
Cermet trên cơ sở TiC + ( Ni + Mo) được chế tạo theo công nghệ hệt như hợp kim cứng có chứa vonfram. Điều khác biệt ở đây là TiC, ZrC, VC, TaC được chế tạo bằng cách nung các oxit tương ứng với cacbon mồ hóng ở nhiệt độ cao 2000 – 2200 .
Các cermet trên cơ sở TiC và thép hoặc hợp kim bền nóng được chế tạo bằng hai cách:
Ép và thiêu kết TiC ở 2000 sau đó bịt lỗ bằng thép hoặc hợp kim bền nóng ở trạng thái nóng chảy.
Trộn các thành phần tương ứng rồi ép và thiêu kết ở 1400 – 1600 .
Các cermet trên cơ sở cacbit crom và niken hoặc thép niken được chế tạo giống như cermet TiC + thép hoặc hợp kim bền nóng.
Ở Việt Nam hiện nay có hai phương pháp phổ biến để chế tạo hợp kim cứng là:
Chế tạo hợp kim từ bột WO3
Chế tạo hợp kim theo phương pháp tái sinh từ hợp kim cứng đã qua sử dụng.
Thành phần bột là yếu tố rất quan trọng trong công nghệ chế tạo, do vậy ta phải xác định thành phận bột. Nếu hàm lượng nguyên tố nào thấp hơn so với mác cần chế tạo thì phải tiến hành them bổ sung cho đủ.
Trong khâu ép tạo hình thì ta phải chú ý đến độ đồng nhất của bột, độ đồng nhất của bột phụ thuộc vào các yếu tố: phương pháp trộn, tốc độ trộn, thời gian trộn, dạng trộn.
Ứng dụng của hợp kim cứng
Hợp kim cứng là loại chuyên dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt chịu ma sát, mài mòn ( như dao tiện, mũi khoan các loại, ) đòi hỏi chúng phải có độ cứng, tính chống mài mòn cao và có khả năng giữ nguyên được tính chất đến nhiệt độ nhất định. Những yêu cầu trên đây đặc biệt quan trọng khi chi tiết phải làm việc trong trong điều kiện mài mòn, ma sát cao.
Đối với dụng cụ cắt ( dao tiện, phay, bào, khoan, chuốt, ) khi làm việc chúng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt vật. Tốc độ cắt càng cao, nhiệt độ ma sát sinh ra càng nhiều, do vậy ngoài độ cứng cao dụng cụ đòi hỏi tính cứng nóng cao và bền nóng cao.
Hợp kim cứng đang được sử dụng rộng rãi làm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập và chi tiết máy. Hiệu quả sử dụng hợp kim cứng trong cắt gọt cao hơn hẳn thép gió (có tài liệu đánh giá là 10 lần nếu tính từ hiệu quả sử dụng vonfram) nhưng không thể làm mất vị trí của thép gió là do những nhược điểm sau:
Không tạo hình phức tạp được vì dùng cách ép bột chỉ tạo được các mảnh nhỏ đơn giản và sau đó cũng không thể gia công định hình được vì quá cứng, do vậy hợp kim cứng thường chỉ dùng làm dao đơn giản một lưỡi cắt (hầu hết các dao một lưỡi cắt hiện nay bằng hợp kim cứng).
Tính giòn tương đối cao, dễ gãy, vỡ, mẻ dưới tải trọng va đập.
Tính dẫn nhiệt kém: ~ 50% của thép.
Khi làm dao, miếng hợp kim cứng nhỏ được hàn (hàn đồng) hay kẹp vào thân dao bằng thép C45 có độ bền uốn và độ dẻo tốt, sẽ tránh các nhược điểm trên của hợp kim cứng.
Nhóm một cacbit có tính cứng nóng khoảng 800 : BK2 - BK8 dùng để cắt phôi có phoi vụn như gang, sứ, gốm, hợp kim màu, BK10 - BK15 làm khuôn kéo sợi, mũi khoan (địa chất) có tuổi bền hơn thép hàng chục lần, làm khuôn kéo sợi, BK20 - BK25 có độ dai tốt hơn làm khuôn dập, chi tiết máy chống mài mòn.
Nhóm hai cacbit có tính cứng nóng tới 900 - 1000 , chủ yếu được dung để gia công tinh thép, kể cả thép đặc biệt.
Nhóm ba cacbit do sự có mặt của TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn, chủ yếu được dùng để gia công thô thỏi đúc, cán, rèn.
Cermet trên cơ sở TiC + ( Ni + Mo) được sử dụng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo dây kim loại, dụng cụ chuẩn và đo lường.
Các cermet trên cơ sở TiC và thép hoặc hợp kim bền nóng được sử dụng trong công nghệ đập các hợp kim titan ( làm khuôn dập).
Cermet trên cơ sở cacbit crom và niken hoặc thép niken có đặc điểm là tính chống mài mòn, tính bền nóng cao hơn TiC và đặc biệt có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường axit hoặc nước biển. Tuy nhiên nó có độ dòn cao. Vì vậy loại cermet này không nên dùng để làm dụng cụ cắt gọt, chỉ nên sử dụng để làm các khuôn kéo, khuôn ép nóng, đầu phun cát
Hợp kim cứng làm dao cắt kim loại và lớp phủ TiC:
Tổng quan về dao cắt kim loại và các hợp kim cứng làm dao cắt kim loại
2.1.1. Dao cắt kim loại:
Đặc tính phần cắt của dụng cụ có ảnh hưởng lớn đến năng suất gia công và chất lượng bề mặt của chi tiết. Khả năng giữ được tính cắt của dụng cụ góp phần quyết định năng suất gia công của dụng cụ. Dụng cụ làm việc trong điều kiện khó khăn vì ngoài áp lực, nhiệt độ cao, dụng cụ còn bị mài mòn và rung động trong quá trình cắt.
Nghiên cứu vật liệu phần cắt dụng cụ (vật liệu dụng cụ) sẽ góp phần quan trong trong việc lựa chọn dụng cụ khi sử dụng nó, góp phần giảm chi phí dụng cụ, tăng năng suất và bảo đảm chất lượng gia công.
2.1.2. Yêu cầu chung đối với vật liệu làm dao cắt:
2.1.2.1. Độ cứng:
Để gia công được vật liệu thì dụng cụ phải có độ cứng cao hơn vật liệu gia công. Lựa chọn độ cứng dụng cụ phụ thuộc vào độ cứng vật liệu gia công.
Thông thường khi gia công vật liệu có độ cứng khoảng 200-220HB vật liệu phần cắt dụng cụ phải có độ cứng lớn hơn 60HRC.
2.1.2.2. Độ bền cơ học:
Trong quá trình gia công, phần cắt dụng cụ chịu tải trọng cơ học và rung động lớn, vì vật vật liệu dụng cụ phải có sức bền cơ học tốt để tránh gãy vỡ trong quá trình gia công. Vật liệu cơ học có sức bền càng cao thì tính năng sử dụng càng tốt.
2.1.2.3. Tính chịu nhiệt:
Tính chịu nhiệt là một đặc tính quan trọng nhất quyết định chất lượng của loại vật liệu dụng cụ. Trong quá trình cắt, nhiệt cắt rất lớn. Phần cắt dao cắt ngoài chịu tải trọng cơ học còn chịu tải trọng nhiệt cao.
Tính chịu nhiệt của vật liệu dao cắt là khả năng giữ được đặc tính cắt (độ cứng, sức bền cơ học .) ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Nhiệt cắt thường rất lớn, có thể đến 1000oC, do vậy tính chịu nhiệt là một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu dụng cụ cắt.
2.1.2.4. Tính chịu mòn:
Trong quá trình cắt, mặt trước dụng cụ tiếp xúc với phoi, mặt sau tiếp xúc với mặt đang gia công chi tiết, với tốc độ trượt lớn nên vật liệu dao cắt phải có tính chịu mòn cao. Phần cắt khi đủ sức bền cơ học thì dạng hỏng chủ yếu là dao cắt bị mòn cao. Thực tế chỉ rõ rằng khi độ cứng càng cao thì tính chịu mòn càng cao. Tính chịu mòn tỷ lệ thuận với độ cứng.
Một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra mòn dao là hiện tượng chảy dính của vật liệu làm dao. Nhiệt độ chảy dính của hai vật liệu tiếp xúc nhau . Vật liệu làm dao tốt là vật liệu có nhiệt độ chảy dính cao. Qua các thực nghiệm nghiên cứu, nhiệt độ chảy dính của các loại hợp kim cứng có cacbit volfram (WC), cacbit titan (TiC) với thép (1000oC) cao hơn hợp kim coban với thép (675oC)
Ngoài ra vật liệu làm dao còn phải đảm bảo tính công nghệ, dễ sản xuất và tính kinh tế.
2.1.3. Các vật liệu làm dao cắt:


Vật liệu làm dụng cụ cắt gồm:
- Thép các bon dụng cụ (Carbon tool steels)
- Thép hợp kim dụng cụ (Alloy tool steels)
- Thép gió (High speed steels – HSS)
- Hợp kim cứng (Cemented/Sintered carbide composition)
- Vật liệu sứ (Ceramics)
- Kim cương đa tinh thể (Polycrystalline Diamond – PCD)
- Nitorit Bo lập phương
- Vật liệu làm dao có lớp phủ.
Hợp kim cứng dùng làm dao cắt kim loại:

- HKC nhóm 1: Hợp kim cứng nhóm 1 cacbit có độ dẻo dai lớn hơn 2 nhóm còn lại, do đó nó thích hợp để gia công vật liệu dòn, ngoài ra còn được dùng để gia công kim loại màu, hợp kim nhẹ, vật liệu phi kim
- HKC nhóm 2: vì có tính cứng nóng cao, hệ số ma sát bé với thép chưa tôi, tính hàn dính yếu nên HKC nhóm 2 thường được dùng để gia công thép chưa tôi.
- HKC nhóm 3: được dùng để gia công thép và hợp kim bền nhiệt
Vai trò lớp phủ TiC:
2.3.1. Công dụng của lớp phủ trên bề mặt dao cắt kim loại
Thép hợp kim nói chung và thép gió nói riêng có nhiều ưu điểm về phương tiện chế tạo dao. Nếu tăng được khả năng chịu nhiệt và tính chống mòn nó sẽ trở nên rất ưu việt. Để làm được điều này người ta đắp trên bề mặt dao cắt một lớp mỏng vật liệu chịu mòn và chịu nhiệt. Trong những năm gần đây, công nghệ phủ được sử dụng rộng rãi cho các dụng cụ như: khoan, ta rô, phay trong gia công thép và gang. Lớp phủ thường được áp dụng cho thép gió, hợp kim cứng WC và dụng cụ ceramics.
Sự cải tiến về sự liên kết giữa các lớp phủ và vật liệu nền khác nhau đã đưa đến một thế hệ mới của cacbide thiêu kết phủ. Chúng là một, hai, ba thậm chí nhiều lơp hơn, mỗi lớp phủ có một tính chất và công dụng nhất định. Phủ nhiều lớp sẽ tổ hợp được các đặc tính tốt nhất của mỗi lớp phủ. Tuy nhiên quá trình này đòi hỏi công nghệ và thiết bị phức tạp

Công dụng lớp phủ:
- Lớp phủ đóng vai trò như một rào cản nhiệt và hóa học giữa dụng cụ và chi tiết gia công.
- Nâng cao độ bền mòn của dụng cụ
- Ngăn ngừa các phản ứng hóa học giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công, làm yếu khả năng tạo thành lẹo dao
- Giảm ma sát giữa dụng cụ và phoi hoặc giữa dụng cụ và vật liệu gia công
- Ngăn ngừa sự biến dạng của lưỡi cắt vì quá nhiệt
- Tận dụng được những tính năng cắt tốt của vật liệu nền
Do đó dao cắt có thể được sử dụng ở vận tốc cắt caô hơn, cho tuổi bền cao hơn so với vật liệu không phủ
Các loại vật liệu phủ thông thường bao gồm:
Phủ Titanium Carbite (TiC) — lớp phủ này có khả năng chống mài mòn và chống nhiệt
Phủ Titanium Nitride (TiN) — Phủ PVD công dụng chung, lớp phủ này làm tăng độ cứng và nhiệt độ ô xy hóa cao.
Phủ Titanium Carbo-Nitride (TiCN) — Lương các bon thêm vào góp phần tăng độ cứng và bôi trơn bề mặt của lớp phủ.
Phủ Titanium Aluminum Nitride (TiAlN hoặc AlTiN) — Bao gồm một lớp ôxýt nhôm giúp nâng cao tuổi thọ của dao cho các ứng dụng sinh nhiệt mạnh mẽ. Được sử dụng trong trường hợp đặc biệt khi áp dụng gia công khô hoặc gần khô. Dao có lớp phủ AlTiN có độ bền bề mặt cao hơn, so sánh với dao có lớp phủ TiAlN, nhờ vào biến thiên tỷ lệ phần trăm được sử dụng trong hợp chất nhôm/titan. Tùy chọn này rất phổ biến cho các ứng dụng gia công cao tốc.
Phủ Chromium Nitride (CrN) — Lớp phủ này có ưu điểm nhờ vào các tính chất chống dính của nó, nó là một giải pháp được ưa thích cho việc chống lại hiện tượng lẹo dao.
Phủ kim cương — Cho hiệu suất gia công tốt nhất khi gia công vật liệu không chứa sắt. Đặc biệt lý tưởng để gia công graphit, composit nền kim loại, nhôm có thành phần silicon cao và các loại vật liệu mài. Hoàn toàn không phù hợp cho gia công thép, vì các phản ứng hóa học làm phá hủy liên kết lớp phủ với chất nền.


2.3.2. TiC và lớp phủ TiC lên bề mặt dao cắt hợp kim cứng
TiC là loại vật liệu có độ cứng rất cao (~2800ư3200 HV).


TiC có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm mặt.
- Màu sắc: vật liệu TiC khối có màu đen xám
- Độ cứng Vicker : 2800ư3200 HV
- Nhiệt độ nóng chảy : 3170oC
- Tỷ trọng : 4,9 g/cm3
- Không tan trong nước.
Một đặc điểm khác biệt của lớp phủ TiC là các ưu điểm về tính chất cơ lý của lớp phủ TiC.
Đây là loại lớp phủ có nhiều ứng dụng hết sức rộng rãi. Nó thường được sử dụng để phủ lên bề mặt kim loại nhằm tăng cường các tính chất cơ hoặc tính chất sinh học của vật liệu. Lớp phủ TiC được ứng dụng đặc biệt hữu hiệu trong lĩnh vực cơ khí chế tạo như một lớp phủ cứng cho các bề mặt cần giảm ma sát và chịu đựng nhiệt độ cao.
Trong thời kỳ đầu khi dụng cụ cắt WC mới phát triển, người ta phát hiện ra rằng dụng cụ cắt sẽ có tuổi thọ cao hơn và chống mài mòn nếu cho một lượng TiC trộn chung với vật liệu làm dao. Tuy nhiên, nếu cho quá nhiều TiC sẽ gây hiện tượng yếu và giòn cho dụng cụ cắt. Do đó vào đầu những năm 1970, người ta nghĩ ra việc phủ một lớp TiC lên về mặt của dao. Lớp cacbua titanium với độ dày vài micromet nhưng nó làm thay đổi đặc tính của dụng cụ cắt. So với vật liệu không phủ thì nó tăng lên đáng kể, tăng tốc độ cắt lẫn tuổi thọ của dụng cụ cắt.

2.3.3. Ảnh hưởng của các thông số của lớp phủ TiC lên chất lượng dao cắt kim loại
2.3.3.1. Chiều dày lớp phủ:
Chiều dày lớp phủ quyết định đến chất lượng của dao. Lớp phủ càng dày tuổi thọ của dao càng cao. Tuy nhiên độ dày quá lớn sẽ làm giảm liên kết giữa lớp phủ và vật liệu nền. Thông thường, độ dày lớp phủ phụ thuộc vào vật liệu phủ và ứng dụng của dụng cụ cắt. Nếu vật liệu cắt là thép hoặc gang, dụng cụ cắt mau mòn, do đó lớp phủ cần dày. Nếu vật liệu cắt là kim loại màu hoặc inox, dụng cụ cắt chỉ cần phủ một lớp mỏng.
Đối với vật liệu phủ TiC, độ dày tối đa của lớp phủ là 10 - 12µm
2.3.3.2. Các yếu tố khác:
- Tính tương hợp hóa học
- Sự bám dính của lớp phủ và kim loại nền
- Độ ổn định nhiệt và hóa học
- Mođun đàn hồi
- Trạng thái bền ổn định khuếch tán
- Các đặc tính ma sát
- Điều kiện dụng cụ làm việc

Công nghệ phủ TiC
Để phủ TiC lên bề mặt dụng cụ cắt, người ta thường dùng 2 phương pháp: phương pháp CVD và phương pháp PVD.
Phương pháp CVD:
Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để phủ lớp TiC lên bề mặt dao cắt.
Phương pháp bay hơi lắng đọng hóa học (CVD) là tạo ra một lớp màng mỏng nhờ liên kết dưới dạng khuếch tán, là kết quả của phản ứng giữa các pha khí với bề mặt được nung nóng. Sản phẩm cuối cùng được tạo ra là một lớp màng phủ cứng và chịu mài mòn có liên kết rất mạnh với vật liệu nền. CVD nhiều khi cúng được gọi là phương pháp phủ nóng, bởi các quá trình được thực hiện ở nhiệt độ 19000F. Với lý do đó, các quá trình xử lý nhiệt chân không, phủ bề mặt cũng được phát triển cho các phần tử làm bằng thép dụng cụ.
Cụ thể trong công nghệ phủ TiC các tác nhân hóa học là hỗn hợp khí gas của TiCl4CH4, H2trong môi trường khí bảo vệ Ar ở nhiệt độ bề mặt thấp nhất là 900oC và cao nhất là 1800oC. Với điều kiện áp suất thấp nhất 1Torr và cao nhất từ áp suất khí quyển.
Phản ứng dùng để tạo TiC bằng CVD ở áp suất khí quyển của khí hydro:
TiCl4 + CH4 TiC + HCl
Chi tiết phản ứng theo các bước:

Phần trăm cacbon có trong lớp phủ được kiểm soát qua 5 bước kiểm soát các yếu tố sau:
Nhiệt độ Phản ứng
Tỉ lệ Ti:C đưa vào. (TiCl4: CH4)
Tỉ lệ H:Ti đưa vào. (H2 : TiCl4)
Điều kiện áp suất.
Tổng lưu lượng khí phản ứng.
Trong đó Khí H2 và Ar đóng vai trò là khí dẫn và môi trường bảo vệ, CH4 là nguồn Carbon để tổng hợp TiC. Khi tỉ lệ H:Ti bằng 0 thì Ar đóng vai trò là chất dẫn thay cho Hydro.
Để kiểm soát hàm lượng Cacbon trong lớp phủ được đảm bảo trong công nghệ sản xuất trong công nghiệp thì người ta đã tiến hành qua 9 lần, kiểm soát các yếu tố ở điểm “Mid-Point Runs” với các thông số như bảng dưới. Với mức độ tin cậy đến 90% trong phương pháp phủ TiC.


Trình tự tiến hành phủ TiC bằng phương pháp CVD như sau :
Đưa các tấm Silicon cacbite đã đặt kim loại cần phủ TiC vào trong lò. Tiến hành hút chân không lò.Sau đó đưa hỗn hợp khi Hydro và Nito vào lò với tỉ lệ 75% và 25%. Lò được nung nóng đến nhiệt độ thiết đặt là 1050 độ C, khi đạt được nhiệt độ thì giữ ở độ đó trong vòng 15 phút và bắt đầu tiến hành phủ.
Hỗn hợp khí gas dùng để đưa vào lò được phối trộn như sau: 26.4 % khí H2, 1.2% khí CH4, 1.5 % TiCl4, 70.7 % Ar và 0.24 % HCl. Và hỗn hợp này được trộn trước ở nhiệt độ 900 độ C ở buồng trộn khí trước khi đưa vào buồng phủ TiC. Phủ TiC được diễn ra trong vong 120 phút tương đương với lớp phủ xấp xỉ đạt được từ 4 đến 6 micromet
Phương pháp PVD:
Đây là phương pháp phổ biến thứ 2 sau CVD.
Phương pháp bay hơi lắng đọng vật lý (PVD) là một thuật ngữ dùng để diễn tả một tập hợp các quá trình phủ một lớp màng mỏng được thực hiện dưới điều kiện chân không (10-2 đến 10-4 Torr). Các quá trình này bao gồm sự phát ra các ion dương của nhiều kim loại khác nhau. Các ion kim loại này tác động với các ion của khí gas tạo ra các hỗn hợp khác nhau. Kết quả là tạo ra mối liên kết cơ học giữa lớp màng phủ với nền.
Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ sở, đó là: Độ cứng và Ma sát. Vật liệu Thép dụng cụ HSS Hợp kim ứng PVD & CVD Độ cứng (HRC) 58 - 62 62 - 65 70 - 76 > 80 So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều. Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủy lưỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn.
Một số phương pháp khác:
3.3.1. Phương pháp mạ ion :
Sử dụng ca-tốt là kim loại Titan còn a-nốt là điện cực than graphit. Khi đưa khí ion hóa (Ar, Kr, N2, CO ) vào áp suất thấp 133,3.10-5 Pa à 133,3.10-3 Pa và đặt điện thế khoảng 600 à 800V, sự phóng điện ion hóa sẽ xảy ra. Các ion khí mang điện tích dương chuyển động về phía ca-tốt và bắn phá bề mặt ca-tốt, bứt ra khỏi bia các đám cluster có các phần tử có thành phần là phần tử của ca-tốt. Các phần tử bị hóa hơi trong Plasma. Hơi này sẽ hướng tới bề mặt chi tiết cần phủ đặt trong buồng ion hóa với phương pháp mạ ion.


Phương pháp mạ ion cho chất lượng lớp phủ cao, thành phần lớp phủ chính là thành phần ca-tốt và có tính ổn định cao.
Phương pháp này chỉ có ưu thế khi lớp Phủ rất mỏng khoảng từ 5070 nanomet.
3.3.2. Phương pháp phủ bằng súng phun plasma đơn giản
Phương pháp súng phun plasma thì chi tiết đặt trong buồng phủ riêng. Phương pháp phủ bằng súng phun plasma phải dùng bằng Titan dưới dạng bột. Thành phần lớp phủ có thể khác thành phần bột vật liệu phủ do tương tác giữa bột và khí ion hóa.



Các thiết bị phủ TiC lên vật liệu làm dao cắt kim loại:
Lò CVD ở điều kiện khí quyển (Atmospheric pressure CVD furnaces)

Ở áp suất khí quyển phương pháp CVD chỉ phủ được 1 lớp có bề dày chỉ vài micromet trên bề mặt vật liệu cần phủ.

Cơ chế di chuyển băng chuyền để dòng flow gas phủ đi qua bề mặt các tấm đế (vật cần phủ).
Ưu điểm: dễ sử dụng, giá thành rẻ hơn do không cần hệ thống bơm chân không.
Nhược điểm: chỉ sử dụng được khi phủ ở nhiệt độ cao và áp suất lớn.Và khó kiểm soát được lưu lượng khí gas ở áp suất lớn.

Low pressure cvd funaces( lò CVD áp suất thấp)


Thiết bị CVD ở áp suất thấp về mặt cấu tạo tương tự như thiết bị CVD ở áp suất khí quyển nhưng được có thêm phần thiết bị cải tiến là hệ thống bơm chân để có thể phủ ở áp suất nhỏ.
Áp suất của thiết bị này có thể xuống thấp ở mức 0.1  2 torr.

Thiết kế của buồng reactor này giúp có thể đặt các tấm đế theo cả chiều ngang và chiều dọc.
Ưu điểm:
Nhiệt độ ở buồng reactor thấp hơn APCVD.
Có hình dạng lớp phủ ôm sát bề mặt vật cần phủ, không làm biến dạng biên dạng của vật cần phủ.
Ít phụ thuộc vào chất lượng của hỗn hợp khí gas.
Nhược điểm:
Giá thành cao.
Sẽ xảy ra sự giảm bề dày lớp phủ khi xếp các tấm đế theo chiều ngang.
PVD sputtering funaces (lò PVD mạ ion)



Điện thế hoạt động 600-800 V.
Với bốn hệ thống từ là các nam châm điện được phân bố các cực như hình vẽ: với nam châm ở giữa có cách đặt cực ngược lại với 2 nam châm ở 2 bên và được đặt xung quanh để tạo vùng từ trường tuần hoàn thì có thể phủ đều lên chi tiết ở mỗi vị trí khác nhau.
Lò này cũng sử dụng hệ thống bơm chân không để tiến hành phủ trong điều kiện áp suất thấp để đảm bảo chất lượng lớp phủ.
Các phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ:
Để đánh giá chất lượng lớp phủ trên dụng cụ cắt gọt kim loại, người ta sử dụng các tiêu chí sau: bề dày lớp phủ, độ bám dính, độ cứng, độ xốp .
Phương pháp đo bề dày lớp phủ
Để đo bề dày lớp phủ, người ta sử dụng phương pháp huỳnh quang tia X – XRF

Ta có:

Với Ix là cường độ tia X sau khi phủ TiC
Io là cường độ tia X của vật liệu ban đầu
µ là hệ số hấp thụ của vật liệu
 là mật độ
x là quãng đường đi của tia X
Từ đó, chiều dày lớp phủ được tính theo công thức:
XL = x.sinα

Phương pháp đo độ bám dính của lớp phủ:
5.2.1. Phương pháp kéo mẫu có keo dính


Hình . Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kéo mẫu có keo dính

Ứng suất kéo được tính theo công thức sau :
б=P/F , Mpa

Trong đó:
P- lực kéo mẫu;
F- Diện tích mẫu phần phá hủy;
б - Ứng suất pháp ( Lực bám dính) theo phương vuông góc
với mặt mẫu kéo.

5.2.2. Kiểm tra độ bền bám dính pháp tuyến:
Mẫu thử độ bám dính lớp phun trên mặt phẳng theo phương pháp tuyến gồm nền A có khoan lỗ chính tâm trong đó lắp trục nhỏ B với chế độ lắp sít trượt. Hai chi tiết A và B được lắp với nhau sao cho các mặt được phủ trên cùng một mặt phẳng. Sau khi chuẩn bị, bề mặt mẫu được phun một lớp với chiều dày 1-1,5mm. Mẫu đựơc gá và kép theo chiều xuống dưới.
Tỷ số giữa lực kéo đứt và diện tích mặt thử đặc trưng cho độ bám của lớp phun vơi snền theo phương pháp tuyến


Hình Mẫu thử độ bền bám dính pháp
1- Lớp phun phủ, 2- Chốt kéo, 3- Thân mẫu

Nhược điểm của phương pháp trên là ở chỗ, cho dù sự lắp ráp của mẫu thử và nền có độ chính xác cao thì giữa chúng vẫn hình thành môtj khoảng tự do của lớp phun, là nơi tập trung ứng suấ, dẫn đến sự phá hủy lớp phun ở những giá trị thấp hơn của tải trọng. Vì vậy phương pháp xác định độ bám nói trene cho các giá trị thấp hơn so với thực tế.

5.2.3. Độ bám tiếp tuyến:
Sơ đồ phương pháp:

Lớp phủ được thực hiện trên phần giữa của mẫu hình trụ A. Sau khi tiện hai đầu lớp phủ theo kích thước thí nghiệm, phần không phủ của mẫu được lắp vào khuôn cối. Dưới tác dụng của lực nén, lớp phun bị bong khỏi mặt nền. Độ bám tiếp tuyến được xác định bởi tỉ số giữa lựckéo đứt và diện tích vành khăn của mặt trong lớp phủ.
Để loại trừ ứng suất nhiệt, trước khi thử độ bám, lớp phủ được xẻ một rãnh song song với trục hình trụ với chiều sâu bằng chiều dày lớp phun.
Kiểm tra độ xốp lớp phủ:
Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng của lớp phủ vì tình trạng cấu trúc xốp ảnh hưởng đến những tính chất sử dụng như độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ thấm khí, điện trở, độ bền bám dính. Do vậy cần xác định độ xốp lớp phủ để đánh giá chất lượng lớp phủ.
Độ xốp lớp phun có thể được đo bằng phương pháp cân thủy tĩnh hoặc phưong pháp cân trực tiếp.
Đo độ cứng lớp phủ:
Độ cứng lớp phủ được đo bằng phương pháp đo độ cứng tế vi Vicker (vì lớp phủ rất mỏng)



KẾT LUẬN

Ngay từ khi được phát minh vào năm 1907, hợp kim cứng đã mang đến bước tiến vĩ đại và ngày càng đóng vai trò then chốt trong công nghệ gia công kim loại, nâng cao tốc độ cắt từ 5 đến 2000 m/phút. Sự phát triển về khoa hoc và công nghệ kết hợp với việc cạnh tranh kinh tế đã đặt ra những yêu cầu cao trong việc lựa chọn dụng cụ cắt. Để thỏa mãn nhu cầu đó người ta tiến hành tìm kiếm những hệ vật liệu hợp kim cứng mới ưu việt hơn, tiết kiệm hơn. Những vật liệu dụng cụ cắt mới đã được phát minh ra trong quá trình thí nghiệm là kết quả nỗ lực lien tục của hang nghìn thợ lành nghề, của các nhà sang chế, các nhà công nghệ, các kỹ sư ; sự phát triển ấy được ví như quá trình tiến hóa trong sinh học
Trong những năm gần đây, công nghệ phủ được sử dụng rộng rãi cho các dụng cụ như: khoan, ta rô, phay trong gia công thép và gang. Vật liệu phủ chính là carbide titanium (TiC), titanium nitride (TiN), Oxyt nhôm (Al2O3), Titanium cacbide nitride (TiNC) là các vật liệu rất cứng, có độ chống ăn mòn và độ trơ hóa cao, tăng khả năng chống mài mòn giữa dụng cụ và phoi.




















TÀI LIỆU THAM KHẢO – TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

[1] NILS AKE HORLIN. “TiC Coated Cemented Carbides—their Introduction and Impact on Metal Cutting”, The Production Engineer- April/May 1971
[2] MITSUNORI KOBAYASHI and YOSHIHIKO DOI. “TiN and TiC coating on cemented carbides by ion plating”. Thin Solid Films, 54 (1978) 67-74
[3] PGS.TS Nguyễn Văn Dán “Công nghệ vật liệu mới và Công nghệ nhiệt luyện và xử lý bê mặt”. NXB Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
[4] Mark Donald Allendorf,Michael L. Hitchman “CVD XV: Proceedings of the Fifteenth International Symposium on Chemical”. Clearance center, Inc.