Màng cứng, tiếng Anh là Hard Coatings, là thuật ngữ dùng để chỉ các lớp màng phủ trên bề mặt vật liệu kim loại và hợp kim, nhằm tăng độ cứng bề mặt, giảm ma sát, tăng cường cơ tính khi làm việc ở nhiệt độ cao.
Màng cứng có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:
– Chế tạo dụng cụ cắt gọt trong gia công cơ. Nhờ có lớp màng cứng, dụng cụ cắt gọt có tuổi thọ tăng lên 2-10 lần, có thể gia công ở tốc độ cắt cao, nhiệt độ cắt lớn, có thể gia công những vật liệu khó gia công. Trên các thiết bị gia công cơ khí CNC độ chính xác cao, sử dụng dụng cụ cắt có phủ lớp màng cứng là yêu cầu ưu tiên.
– Chế tạo các chi tiết cơ khí chuyển động có yêu cầu ma sát thấp, độ bền mòn cao, độ bền hóa cao. Ví dụ: trục chuyển động, piston-xéc măng, van của động cơ oto, xe máy. Mạ cứng trên các chi tiết của vũ khí.
– Lớp mạ trên các loại khuôn tạo hình kim loại: khuôn đột dập, khuôn chuốt, khuôn cắt, khuôn đúc hợp kim nhôm, khuôn đùn nhôm…
– Chế tạo các lớp mạ chức năng như: lớp mạ tăng khả năng tương đồng sinh học cho các chi tiết cấy ghép trong cơ thể; Lớp mạ cách nhiệt cho cánh tua bin động cơ phản lực hoặc động cơ tên lửa…
Các lớp mạ cứng thường được sử dụng có cấu tạo từ vật liệu: TiN, TiCN, TiAlN, AlTiN, ZrN, CrN, DLC…. hoặc hệ tổ hợp nhiều lớp các màng nêu trên.
Các lớp màng cứng được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng PVD (Physical Vapor Deposition) hoặc CVD (Chemical Vapor Deposition) trong môi trường chân không. Công nghệ chế tạo màng cứng thuộc nhóm ngành công nghệ cao, đem lại giá trị gia tăng cao. Vì vậy công nghệ này đã và đang được phát triển mạnh ở tất cả các nước công nghiệp phát triển.
Có 4 nhóm phương pháp PVD tạo lớp màng cứng như sau:
– Bốc bay chân không (Vacuum evaporation): Vật liệu từ nguồn được đốt nóng bằng nhiệt, bay hơi, di chuyển quakhoảng không gian giữa nguồn và đế, lắng đọng trên đế tạo thành màng.
– Phún xạ (Sputter deposition): vật liệu nguồn có dạng tấm phẳng ( còn gọi là bia) được bắn phá bởi chùm hạt năng lượng (ion hoặc nguyên tử năng lượng), mô men năng lượng này được truyền cho các nguyên tử của bia, nếu năng lượng của các nguyên tử bia đủ lớn hơn công thoát (giá trị khác nhau theo từng loại vật liệu) thì chúng sẽ bị bật ra khỏi bề mặt bia tạo thành đám hơi vật liệu bia, di chuyển qua khoảng không gian giữa bia và đế, lắng đọng trên đế tạo thành màng.
– Mạ ion (Ion plating): Là phương pháp kết hợp đồng thời bốc bay chân không/ hoặc phún xạ, với việc bắn phá đồng thời hoặc có tính chu kỳ các màng lắng đọng bằng các hạt mang điện để định dạng và điều khiển thành phần và các đặc tính của màng lắng đọng. Phương pháp mạ ion sử dụng phún xạ hoặc bốc bay chân không làm nguồn của quá trình lắng đọng vật liệu.
– Hồ quang chân không (Vacuum Arc deposition): là phương pháp lắng đọng màng dựa vào sự phóng điện với dòng điện có cường độ lớn trong môi trường chân không giữa hai điện cực có hiệu điện thế thấp đặt vào. Trên bề mặt điện cực catốt (còn gọi là bia) có các điểm hồ quang chuyển động làm bay hơi vật liệu điện cực. Các nguyên tử và ion của vật liệu tạo màng được tách ra khỏi bia ( thể rắn) nhờ năng lượng của dòng hồ quang rồi đến lắng đọng trên đế tạo thành lớp màng mỏng. Trong hồ quang chân không, môi trường dẫn điện là plasma của vật liệu điện cực được bốc hơi và ion hóa cao do quá trình hồ quang tạo ra.
Công nghệ PVD lắng đọng hồ quang là phương pháp cơ bản, được ứng dụng phổ biến và nhiều nhất hiện nay. Màng cứng chế tạo bằng phương pháp này có những đặc điểm nổi bật so với các phương pháp khác như sau:
– Tạo màng có độ bám dính cao với đế, mật độ xếp chặt của màng lớn, có thể dễ dàng điều chỉnh các tính chất bằng cách thay đổi các thông số thực nghiệm như áp suất khí Nitơ, thiên áp, độ lớn dòng
– Tốc độ tạo màng lớn đối với kim loại.
– Nhiệt độ phủ thấp, ít làm thay đổi tính chất (cơ tính) của nền.
– Có thể tạo màng compozit, đa lớp.
– Hiệu quả hóa hơi cao.
– Thân thiện với môi trường (không sử dụng hóa chất độc hại).
Trung tâm Quang điện tử đã có quá trình lâu dài trên 15 năm nghiên cứu Công nghệ PVD hồ quang chân không. Hiện nay Trung tâm đủ khả năng thiết kế chế tạo thiết bị mạ hồ quang và nghiên cứu phát triển ứng dụng các lớp màng cứng. Được sự quan tâm đầu tư của Bộ Khoa học và Công nghệ, Thiết bị hồ quang chân không DREVA ARC 400 của CHLB Đức, thiết bị mạ màng cứng bằng hồ quang tân tiến nhất hiện nay tại Việt nam, đã được lắp đặt tại Trung tâm.
Sơ đồ thiết bị bốc bay hồ quang chân không
Thiết bị hồ quang chân không DREVA ARC 400 tại Trung tâm quang điện tử
Trung tâm Quang điện tử đã và đang triển khai thương mại hoá một số sản phẩm màng cứng bằng công nghệ hồ quang:
Màng cứng CrN: Màng CrN nổi bật ở khả năng chống ăn mòn, đặc biệt đối với môi trường axit Cl, F và độ bền nhiệt trên 600oC. Ngoài ra, loại màng này còn được dùng làm lớp phủ bề mặt các vật liệu mềm như hợp kim Al, thép không gỉ.
Tính chất chất của màng CrN:
– Có màu xám bạc;
– Có thể được phủ dày từ 2 đến 6 μm;
– Độ cứng khoảng 2000 HV;
– Độ bền nhiệt 704oC;
– Hệ số ma sát 0,5.
Khuôn dập phủ màng CrN
Màng TiN: Màng cứng TiN đã và đang được ứng dụng rộng rãi do sở hữu những tính chất độc đáo: độ cứng cao, tính chống mài mòn và ăn mòn tốt nên được dùng làm lớp phủ bảo vệ bề mặt cho các dụng cụ cắt gọt, mũi khoan, khuôn đúc kim loại. Ngoài ra, màng TiN tương đối trơ về mặt hóa học, nhiệt bay hơi cao, có tính chất điện và tính chất quang tốt nên được dùng làm hàng rào khuếch tán trong thiết bị vi điện tử.
Tính chất chất của màng TiN:
– Có thể phủ dày lên đến 2-5 μm;
– Có độ cứng lên đến 2300 HV;
– Độ bền nhiệt 560oC;
– Hệ số ma sát khoảng 0,5.
Khuôn trấn phủ màng TiN
Màng ZrN: Màng cứng ZrN được dùng để phủ lên dụng cụ cắt gọt, mũi khoan, dụng cụ y khoa, đồ trang trí bằng kim loại hay những thiết bị chỉnh răng.
Tính chất chất của màng ZrN:
– Có thể phủ dày lên đến 2-5 μm;
– Có độ cứng lên đến 2800 HV;
– Độ bền nhiệt 565 oC;
– Hệ số ma sát khoảng 0,5;
– Có màu vàng của kim loại.
Mạ mũi khoan bằng ZrN
Trung tâm Quang điện tử sẵn sàng phối hợp với các tổ chức và cá nhân ở Việt nam để triển khai ứng dụng các lớp phủ cứng vào các sản phẩm khác nhau trong công nghiệp và hàng kim khí dân dụng.
Nguồn: Trung tâm Quang điện tử