Embed Size (px)
Citation preview
Xö lý bÒ mÆt
Bµi më ®Çu
I. Vai trß cña bÒ mÆt:
HÇu hÕt c¸c chi tiÕt m¸y: Trôc; B¸nh r¨ng; Vßng bi
= > gåm 2 phÇn chÞu t¸c dông cña m«i trêng rÊt kh¸c nhau:
- PhÇn bÒ mÆt: Mµi mßn; ¨n mßn, Nøt mái; øng suÊt lín nhÊt.
- PhÇn nÒn: øng suÊt cÇn thiÕt.
=> Vai trß cña bÒ mÆt: V« cïng quan träng-QuyÕt ®inh kh¶ n¨ng lµm viÖc cña chi tiÕt m¸y
C«ng nghÖ xö lý bÒ mÆt lµ c«ng nghÖ xö lý vËt liÖu vµ c¸c chi tiÕt m¸y nh»m t¹o ra mét vËt liÖu liªn kÕt trªn bÒ mÆt cã tÝnh chÊt tæng hîp ®uîc c¶ tÝnh chÊt cña vËt liÖu nÒn vµ vËt liÖu bÒ mÆt.
TÝnh u viÖt:
- T¨ng tÝnh chÊt sö dông cña vËt liÖu
- T¨ng ®é tin cËy cña chi tiÕt m¸y
- T¨ng tuæi thä cña chi tiÕt m¸y
- Cho phÐp sö dông c¸c vËt liÖu kinh tÕ h¬n (hîp kim ho¸ bÒ mÆt)
- Tèi u ho¸ c¸c tÝnh chÊt sö dông cña chi tiÕt m¸y
LÞch sö ph¸t triÓn: Thêi cæ ®¹i: Con nguêi ®· biÕt Xö lý bÒ mÆt
- Chèng thÊm cho gç b»ng nhùa th«ng, h¾c Ýn.
- §å trang søc: s¾t phñ kÏm
- §Çu thÕ kû 12: ThÊm C¸c bon-Nit¬ cho mòi tªn, kiÕm...
Cuèi thÕ kỷ 20 ph¸t triÓn vît bËc: C«ng nghÖ bÒ mÆt – C«ng nghÖ ch×a kho¸
TiÕt kiÖm vËt liÖu – TiÕt kiÖm n¨ng lîng – VÖ sinh m«i trờng
( C«ng nghÖ bÒ mÆt => Vi ®iÖn tö, Quang hoc)
ý nghÜa kinh tÕ: Tæn thÊt do ¨n mßn vµ mµi mßn 3-4% GDP ; BRD 1980 => 60 tỷ DM
Xö lý bÒ mÆt => gi¶m 1/2 tæn thÊt
Zu thÕ ph¸t triÓn: TiÕp tôc ph¸t triÓn m¹nh víi c«ng nghÖ tiªn tiÕn h¬n
Néi dung m«n häc: 10 ch¬ng (30tiÕt)
Lµm s¹ch bÒ mÆt, Hãa nhiÖt luyÖn, CVD, PVD, Phun phñ kim loại
XL b»ng tia n¨ng luîng cao; Ph¬ng ph¸p ®iÖn ho¸, ho¸ häc.
Tµi liÖu tham kh¶o: Xö lý bÒ mÆt, §HBK, NguyÔn V¨n T, 1999
HiÖn tr¹ng vµ híng ph¸t triÓn c«ng nghÖ bÒ mÆt ë USA
Ph¬ng ph¸p
124 c«ng ty c¬ khÝ 19 c«ng ty « t«
2001 2015 2001 2015
ThÊm C khÝ
ThÊm N khÝ
86/69,3
35/26,2
20/16,1
12/9,6
16/84,2
4/21,1
3/15,8
1/5,3
ThÊm C thÓ láng
ThÊm N thÓ láng
9/7,2
16/12,9
-
-
1/ 5,3
1/ 5,3
-
-
ThÊm C líp s«i
ThÊm N líp s«i
4/4,0
6/4,8
12/9,6
13/10,5
-
-
1/5,3
1/5,3
ThÊm C ch©n kh«g
ThÊm N ch©n kh«g
7/5.6
3/2,4
13/10,5
8/6,5
-
-
1/5,3
1/5,3
ThÊm C plasma
ThÊm N plasma
-
9/7,2
19/15,3
14/11,2
-
2/10,5
5/26,3
3/15,8
T«i c¶m øng 75/60,5 25/20,1 15/76,9 6/31,5
Laser 7/5,6 27/21,8 4/21.4 4/21,4
Tia ®iÖn tö 6/4,8 10/8,0 1/5,3 5/26,3
CVD 8/6,4 12/9,7 1/5,3 -
PVD 4/3,2 6/4,8 - -
Ch¬ng I: CÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña bÒ mÆt
I. CÊu tróc bÒ mÆt:
PhÇn nÒn: Mèi liªn kÕt víi c¸c nguyªn tö xung quanh ®ång ®Òu => C¸c nguyªn tö n»m ë vÞ trÝ c©n b»ng - nót m¹ng => Cã cÊu tróc tinh thÓ.
PhÇn bÒ mÆt: Mèi liªn kÕt ®ång ®Òu xung quanh bÞ ph¸ vì - C¸c nguyªn tö n»m lÖch khái vÞ trÝ c©n b»ng => mét d¹ng sai lÖch mÆt
§Æc ®iÓm bÒ mÆt:
- Cã ho¹t tÝnh cao => N¨ng lîng bÒ mÆt
- Kh«ng b»ng ph¼ng => §é nhÊp nh«, §é bãng
II. S hÊp phô:
BÒ mÆt <=> M«i trêng => Mét sè nguyªn tö l¹ ®inh c: O2, DÇu mì, Bôi...
=> Hoat tÝnh gi¶m
Qu¸ tr×nh hÊp phô lµ qu¸ tr×nh h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn mét líp nguyªn tö l¹ ®Þnh c trªn bÒ mÆt vËt liÖu.
Qu¸ tr×nh hÊp phô cã ý nghÜa lín: ¨n mßn kim lo¹i, xö lý bÒ mÆt, xóc t¸c, « xy ho¸...
- HÊp phô vËt lý: Kh«ng cã trao ®æi electron, liªn kÕt ®¬n thuÇn lµ lùc Vander –Waals
- HÊp phô ho¸ hoc: Gia ®o¹n ®Çu t¹o thµnh hîp chÊt ho¸ häc – Cã trao ®æi electron
III. TÝnh chÊt sö dông cña bÒ mÆt:
T¶i träng t¸c dông kh¸c nhau => d¹ng hỏng kh¸c nhau => yªu cÇu vÒ tÝnh chÊt sö dông cña líp bÒ mÆt
+ Mßn ma s¸t: HRC cao, ®é dÎo tèt (pha cøng trªn nÒn ho¸ bÒn)
+ Mßn dÝnh: Tæ chøc pha kh¸c nhau; Tæ chøc kh«ng ®ồng nhÊt.
+ Mái tiÕp xóc: §é bÒn cao, ®é dÎo tèt, øng suÊt d nÐn bÒ mÆt.
+ Mái thÓ tÝch: §é bÒn cao, ®é dÎo tèt, øng suÊt d nÐn bÒ mÆt.
+ Mái nhÞªt: §é bÒn nhiÖt cao
+ ¨n mßn: C¸c pha ®ång nhÊt, xÝt chÆt, cã ®é bÒn ¨n mßn cao.
Trong thùc tÕ khi lµm viªc c¸c chi tiÕt m¸y chôi t¶i träng tæ hîp => TÝnh chÊt sö dông rÊt ®a d¹ng
T¶i träng tæ hîp lªn bÒ mÆt cña chi tiÕt m¸y
Chi tiÕt m¸y T¶i träng t¸c dông
Mßn ma s¸t Mßn dÝnh Mái tiÕp xóc Mái thÓ tÝch Mái nhiÖt Ch¶y
æ l¨n + + ++
B¸nh r¨ng + ++ ++ +
Dông cô c¾t ++ ++ + + + +
Khu«n dËp
nãng
+ + + + ++ +
Thanh trît
con trît
++ ++ + +
Truc khuûu ++ + + ++
Ch¬ng II: lµm s¹ch bÒ mÆt (c«ng nghÖ tiÒn xö lý )
Lµm s¹ch c¸c phÇn tö l¹ b¸m trªn bÒ mÆt cña vËt liªu hoÆc chi tiÕt m¸y nh»m phôc håi
ho¹t tÝnh cña bÒ mÆt chuÈn bÞ cho c«ng nghÖ xö lý bÒ mÆt tiÕp theo.
C¸c chÊt cÇn lµm s¹ch:
- C¸c chÊt v« c¬: C¸c líp « xýt (nh«m), han rØ (s¾t, thÐp)...
- C¸c chÊt h÷u c¬: DÇu, mì, bôi...
=> RÊt quan träng vµ tèn kÐm
I. Lµm s¹ch b»ng ph¬ng ph¸p ho¸ häc:
1. Lµm s¹ch dÇu mì
a/ Lµm s¹ch b»ng c¸c chÊt hoµ tan dÇu mì:
- C¸c dung m«i h÷u c¬, x¨ng...
- Cã thÓ phun, bµn ch¶i; §é s¹ch thÊp => 1 kh©u lµm s¹ch trung gian.
b/ Lµm s¹ch b»ng chÊt trung tÝnh:
- Dung m«i + T¹o bät + ChÊt c chÕ
- Cã thÓ phun, bµn ch¶i; §é s¹ch thÊp => 1 kh©u lµm s¹ch trung gian.
c/ Lµm s¹ch b»ng dung dÞch kiÒm (phæ biÕn):
+ C¸c qu¸ tr×nh xÈy ra khi lµm s¹ch:
i) Qu¸ tr×nh ho¸ häc: Ph¶n øng xµ phßng ho¸
(RCOO)3C3H5 (kh«ng tan)+ 3 NaOH => 3RCOONa (tan)+ C3H5 (OH)3 (tan)
ii) Qu¸ tr×nh ho¸ lý: DÇu mì +ChÊt ho¹t ®éng bÒ m¨t (chÊt t¹o bät) = Nhò t¬ng
iii) Qu¸ tr×nh c¬ häc: KhÊy trén lµm s¹ch c¸c ch¸t bÈn kh«ng cã nguån gèc dÇu mì
+ C¸c ph¬ng ph¸p lµm s¹ch b»ng dung dÞch kiÒm:
i) Lµm s¹ch b»ng dung dÞch kiÒm yÕu:
- C¸c muèi kiÒm c¸cbonat, silicat, phèt phat + chÊt øc chÕ + ChÊt t¹o bät
- pH= 9-10
- Ph¬ng ph¸p xö lý: Nhóng (phun) trong dung dÞch láng; T= 30-800C; Röa sÊy.
- §é sach ®¶m b¶o: T«i, ho¸ nhiÖt luyªn
ii) Lµm s¹ch b»ng dung dÞch kiÒm m¹nh:
- C¸c lo¹i xót NaOH, KOH + T¹o bät + ChÊt øc chÕ => C¸c s¶n phÈm ®ßi hái ®é
s¹ch cao
2. Lµm s¹ch líp « xyt:
a/ Lµm s¹ch trong kiÒm m¹nh:
- NaOH (200g/l) + chÊt t¹o phøc + T¹o bät + ChÊt øc chÕ
- Dung dich cã T= 40 -900C
b/ Lµm sach trong axit:
- NaH2PO4 + chÊt t¹o phøc + T¹o bät + ChÊt øc chÕ
- H2SO4 + chÊt t¹o phøc + T¹o bät + ChÊt øc chÕ
II. Lµm s¹ch b»ng ph¬ng ph¸p c¬ häc:
Chñ yÕu lµm s¹ch c¸c líp phñ c¸c hîp chÊt v« c¬ nh han rØ, líp «xyt.
1/ Phun c¸t (hoÆc bi kim lo¹i):
Khi phun díi ¸p suÊt cao c¸c h¹t mµi ( c¸t, bi kim ko¹i) sÏ b¾n vµo bÒ mÆt kim lo¹i
víi tèc ®é cao vµ lµm s¹ch bÒ mÆt.
Cã 2 ph¬ng ph¸p: - Phun c¸t kh«: kh«ng cÇn sÊy, « nhiÔm m«i trêng
- Phun c¸t ít : Tr¸nh « nhiÔm, sÊy kh«
2/ Xö lý siªu ©m:
Trong m«i trêng láng cã c¸c h¹t mµi dao ®éng do sãng siªu ©m => lµm s¹ch bÒ
mÆt (siªu sach).
3/ Xö lý b»ng tia níc ¸p suÊt cao:
Sóng phun: 6-7mm, ¸p suÊt P= 75 at
VÖ sinh m«i trêng (xö lý tµu thuû)
4/ Bóa, bµn ch¶i: thêng gÆp, n¨ng suÊt thÊp,chÊt lîng thÊp
Ch¬ng III: C«ng nghÖ xö lý hãa nhiÖt
I. Mét sè kh¸i niÖm
1. §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých:
- §Þnh nghÜa:
C«ng nghÖ xö lý hãa nhiÖt (Hãa nhiÖt luyÖn) lµ ph¬ng ph¸p nhê t¸c ®éng cña nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn cña m«i trêng lµm thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc vµ tæ chøc cña líp vËt liÖu bÒ mÆt, do dã lµm thay ®æi tÝnh chÊt cña vËt liÖu theo ý muèn.
- Môc ®Ých:
+ N©ng cao ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn, vµ ®é bÒn mæi cña bÒ mÆt thÐp + N©ng cao ®é bÒn ¨n mßn ®iÖn hãa ( thÊm Nit¬) vµ hãa häc ( thÊm Cr«m...)
+ NÒn kim lo¹i cã ®é bÒn, dé dÎo dai ®¶m b¶o
2. C¸c qu¸ tr×nh xÈy ra khi thÊm
Gåm 3 giai ®o¹n nèi tiÕp nhau:
- Ph©n ho¸: Qóa tr×nh ph©n tÝch c¸c nguyªn tö, t¹o nguyªn tö ho¹t cña nguyªn tè thÊm - HÊp phô: Qóa tr×nh c¸c nguyªn tö ho¹t ®îc hÊp phô vµo bÒ mÆt thÐp, t¹o ra sù chªnh lÖch nång ®é giìa bÒ mÆt vµ lâi. - KhuyÕch t¸n: Qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n c¸c nguyªn tö ho¹t ë líp hÊp phô ®i s©u vµo bªn trong theo c¬ chÕ khuyÕc t¸n t¹o nªn líp thÊm cã chiÒu s©u nhÊt ®Þnh.
Qu¸ tr×nh khuyªch t¸n quan träng nhÊt => sù h×nh thµnh líp thÊm
S¬ ®å biÓu diÔn qóa tr×nh thÊm theo 3 giai do¹n:
1: Ph©n huû t¹o nguyªn tö ho¹t
2: HÊp phô vµo bÒ mÆt thÐp
3: KhuyÕch t¸n vµo kim lo¹i
Kim lo¹i
BÒ mÆt
KhÝ
2
1
3 a4
a3
a2
a1 a1
a2
a3
a4 a a
nång ®é nång ®é
Thùc tÕ TÝnh to¸n
3. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é, thêi gian
- NhiÖt ®é: T t¨ng => D t¨ng theo hµm mò => ChiÒu s©u líp thÊm t¨ng theo hµm mò
D = A.e-(Q / KT)
- Thêi gian: t t¨ng => ChiÒu s©u líp thÊm t¨ng (chËm h¬n)
X = k ( t )1/2
4. M«i trêng thÊm:
M«i trêng cã kh¶ n¨ng t¹o ra nguyªn tö häat cña nguyªn tè cÇn thÊm vµo bÒ mÆt.
Gåm 3 thµnh phÇn:
- ChÊt thÊm: Lµ chÊt chøa nguyªn tè cÇn thÊm
D¹ng: Nguyªn chÊt: S; Hîp chÊt: NH3,
Tr¹ng th¸i: R¾n (than), Láng (muèi nãng ch¶y), KhÝ (NH3,, CH
4), Plasma(N
2)
Vai trß: ChÊt thÊm chÝnh (NH3) , phô(S, O
2)
- ChÊt phô gÝa: T¹o ra m«i trêng thÊm thÝch hîp, tiÕt kiÖm (H2)
- ChÊt xóc t¸c: Cêng ho¸ qu¸ tr×nh thÊm: + Thóc ®Èy qu¸ tr×nh ph©n ho¸ (BaCO3),
+ T¨ng cêng kh¶ n¨ng hÊp phô (O2),
+ T¨ng tèc ®é khuyÕc t¸n (thÊm s¬ bé Zn)
5.. C¸c ph¬ng ph¸p xö lý ho¸ nhiÖt
- ThÊm c¸c nguyªn tè ¸ kim: C¸cbon, Nit¬, thÊm Bo, Si ...
- ThÊm c¸c nguyªn tè kim lo¹i: Cr, Ni, Al, Zn....
- ThÊm ®¬n nguyªn tè (C) vµ thÊm ®a nguyªn tè (C-N-S; C-N-S-O)
II. ThÊm C¸c bon 1. Môc ®Ých yªu cÇu:
a. §Þnh nghÜa:
- ThÊm C¸c bon lµ ph¬ng ph¸p xö lý ho¸ nhiÖt => lµm giµu nguyªn tè c¸c bon ë bÒ mÆt cña thÐp c¸c bon thÊp.
- Sau khi thÊm: t«i + ram thÊp => BÒ mÆt cã HRC cao; Lâi cã ®é bÒn tèt, dÎo dai.
b. Yªu cÇu:
- BÒ mÆt: Hµm lîng C ë bÒ mÆt 0,8 -1,0 %, sau khi t«i ®¹t HRC = 60-64, Tæ
chøc Mactenxit ram + c¸c bÝt nhá mÞn.
- NÒn kim lo¹i: Tæ chøc mactenxit nhá mÞn, HRC = 30-40: §é bÒn tèt, dÎo tèt
- ChÞu t¶i träng va ®Ëp vµ chÞu mµi mßn.
2. C¸c ®Æc trng cña líp thÊm c¸c bon
a. Thµnh phÇn vµ tæ chøc tÕ vi
- Thµnh phÇn: + BÒ mÆt: %C cao nhÊt; %C =0,8 -1,0 vµo s©u gi¶m dÇn
+ NÒn: %C = 0,1 – 0,25
- Tæ chøc: + Tõ bÒ mÆt vao nÒn thÐp(¶nh tÕ vi):
P + XeII ; P: P + F; F + P =ThÐp sau C/T; ThÐp C/T; ThÐp tríc C/T (%C cao, trg b×nh; thÊp)
Tæ chøc tÕ vi líp thÊm c¸c bon
P + XeII P P + F F + P
b. Ph©n bè nång ®é, ®é cøng vµ chiÒu s©u líp thÊm:
+ Ph©n bè ®é cøng bÒ mÆt t¬ng øng víi ph©n bè nång ®é
+ ChiÒu s©u líp thÊm c¸c bon lµ chiÒu dµy cña líp cã ®é cøng lín h¬n 500 HV10
( Sau khi t«i vµ ram thÊp)
%C NÒn 0,1-0,25%
0,8-1,0%C
%C
§é cøng lâi
500 HV10
§é cøng bÒ mÆt
60 – 65 HRC
HRC
ChiÒu s©u líp thÊm BÒ mÆt NÒn kim lo¹i NÒn kim lo¹i BÒ mÆt
3. ThÐp thÊm c¸c bon:
a.ThÐp C¸c bon: C10, C15, C20, C25; ChÕ t¹o c¸c chi tiÕt nhá kh«ng quan träng, chôi mµi mßn, t¶i träng kh«ng cao
b. ThÐp hîp kim Cr«m: 15Cr, 20Cr; ChÕ t¹o c¸c chi tiÕt chÞu t¶i trung b×nh, chÞu mµi mßn nh chèt pitong, trôc cam, b¸nh r¨ng nhá...
c. ThÐp Cr«m – Niken: 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A:ChÕ t¹o c¸c chi tiÕt cã ®é bÒn cao, va ®Ëp tèt,quan träng nh b¸nh r¨ng trôc ®«ng c¬ m¸y bay...
d. ThÐp Cr«m-Mangan-Titan: 18CrMnTi, 20CrMnTi (thÐp b/c h¹t nhá; TthÊm= 930-950 0C): ChÕ t¹o c¸c chi tiÕt quan träng.
4. NhiÖt ®é vµ thêi gian thÊm:
T = 880 – 950 0C; thêi gian => tuy thuéc T vµ chiÒu s©u líp thÊm
T =900 0C: ThÓ r¾n: 0,1mm/h: ThÓ láng:0,15mm/h
5. C¸c ph¬ng ph¸p thÊm c¸c bon:
1. ThÊm c¸c bon thÓ r¾n: Than gç (80-90%) + ChÊt xóc t¸c BaCO3(10-20%)
BaCO3 + C => BaO +2CO; 2CO => CO
2 + C
ngt
2. ThÊm C¸c bon thÓ láng: Me2CO3 (80%) + SiC (8%) + NaCl
SiC => Si + Cngt
; Si + Me2CO3 => Me2SiO3 + Cngt
3. ThÊm c¸c bon thÓ khÝ:
a) Hçn hîp thÊm: CO, CO2, CH4, H2O, N2, C3H8 , H2 ( khÝ ®èt, dÇu ho¶)
(10-20) %CO + (50-70)% H2 + (1-10)%CnH2n + 1% CO2 (s¶n phÈm ph©n huû dÇu ho¶)
b) C¸c ph¶n øng ph©n ho¸: 2CO <=> Cngt + CO2 (ph¶n øng Boudouard)
CO + H2O < = > CO2 + H2 (ph¶n øng khÝ-h¬i níc)
CH4 < => Cngt + 2 H2 (ph¶n øng Metan)
CO + H2 < = > C + H2O (p/ Boudouard-khi-h¬i níc)
KB = (P2CO/PCO2).(1/ac)
Kw = (PCO.P H2O)/( PCO2. PH2)
KM = (P CH4/P2H2)/(1/ac)
KBW = Kw / KB
Thùc tÕ : Cngt > ac
TÝnh to¸n coi : Cngt = ac = Pc => ThÕ thÊm c¸c bon
- Pc = ac lµ nång ®é c©n b»ng cña c¸c bon trong Austenit ë nhiÖt ®é thÊm =>
Th«ng sè ®Æc trng quan träng nhÊt ®Ó ®¸nh gi¸ buång thÊm (®o b»ng ®Çu dß)
- Kh¶ n¨ng thÊm cña buång thÊm phô thuéc v¸o tû lÖ CO: CO2; H2O:CO:H2
6. NhiÖt luyÖn sau khi thÊm
a) T«i trùc tiÕp:
- Sau khi thÊm h¹ nhiÖt ®é xuèng ®Õn 850 – 8600C vµ t«i trùc tiÕp
- §èi víi thÐp di truyÒn hat nhá (Ti. Mo) => kh«ng cÇn lµm nhá h¹t
b) T«i mét lÇn:
- Sau khi thÊm lµm nguéi trong kh«ng khÝ (thêng ho¸ - lµm nhá h¹t)
- T«i ë nhiÖt ®é 820 - 8500C khi cÇn ®é cøng bÒ mÆt cao hoÆc
- T«i ë nhiÖt ®é 860 - 8800C khi cÇn ®é bÒn cña nÒn cao
c) T«i hai lÇn: §¶m b¶o chÊt lîng bÒ mÆt vµ nÒn (Ýt dïng, ®¾t )
- Sau khi thÊm lµm nguéi trong kh«ng khÝ (thêng ho¸ - lµm nhá h¹t)
- T«i lÇn mét ë nhiÖt ®é 880 - 9000C n©ng cao ®é bÒn cña nÒn vµ
- T«i lÇn hai ë nhiÖt ®é 760 - 7800C n©ng cao ®é cøng bÒ mÆt
7. ThiÕt bÞ thÊm C¸c bon
§a d¹ng:
lß nåi, lß buång, lß giÕng, lß liªn tôc
ThiÕt bÞ thÊm c¸c bon dïng dÇu ho¶
(viÖt nam)
III. ThÊm Ni t¬ I. Môc ®Ých yªu cÇu:
1. §Þnh nghÜa:
- ThÊm ni t¬ lµ ph¬ng ph¸p xö lý ho¸ nhiÖt => lµm khuyÕc t¸n nguyªn tè ni t¬ vµo bÒ mÆt cña c¸c s¶n phÈm tõ s¾t, thÐp.
2. Môc ®Ých:
- N©ng cao kh¶ n¨ng chèng mµi mßn
- N©ng cao ®é bÒn mái
- §é bÒn ¨n mßn cao
3. TÝnh u viÖt
- NhiÖt ®é thÊm thÊp 450-5900C
- Kh«ng cong vªnh, nøt nÎ (US nhiÖt nhá, kh«ng chuyÓn biÕn pha)
- Kh«ng cÇn xö lý nhiÖt sau khi thÊm(b¶n chÊt líp thÊm cã ®é cng cao)
- TiÕt kiÖm n¨ng lîng
- HiÖu qu¶ kinh tÕ cao
II. §Æc trng cÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña líp thÊm nit¬:
1. Tæ chøc líp thÊm:
C¬ së ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc líp thÊm lµ gi¶n ®å Fe – N (h×nh 1)
Líp thÊm Ni t¬ gåm 2 líp (thÕ thÊm ni t¬ ®ñ lín): (h×nh 2)
- Líp hîp chÊt ho¸ häc - Líp khuyÕch t¸n
a, Líp hîp chÊt ho¸ häc (3 -20 m):
- -nitrid Fe2 N: Pha xen kÏ (n»m phÝa ngoµi), m¹ng lôc gi¸c xÕp chÆt
- ’- nitrid Fe4N: Pha xen kÏ (n»m phÝa trong), m¹ng lËp ph¬ng diÖn t©m
- C¸c bÝt hîp kim, Nitrid hîp kim (phô thuéc thµnh phÇn ho¸ häc cña thÐp)
- Vïng giµu -nitrid thêng cã nhiÒu læ rç møc ®é kh¸c nhau
Líp hîp chÊt ho¸ hoc (
+ ’)
Líp khuyÕch t¸n
H×nh 2
’ +
+ ’
Mét sè s¶n phÈm thÊm ni t¬
600
500
400
700
’
’ +
Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe -N
5910C
12% 8% 4%
N
Fe
’ +
+
b, Líp khuyÕc t¸n:
- ThÐp c¸c bon: Khi lµm ngu«i chËm, tæ chøc líp khuyÕch t¸n cña thÐp c¸c bon lµ
dung dich r¾n - Fe (N) vµ c¸c pha h×nh kim cña ’- Fe4N. Khi lµm ngu«i nhanh
c¸c pha nµy biÕn mÊt (h×nh 3).
- Trong thÐp hîp kim: Kh«ng xuÊt hiÖn c¸c pha h×nh kim ’- Fe4N mµ xuÊt hiÖn c¸c
h¹t nitrid hîp kim nhá mÞn (trong thÐp Cr: CrN, Cr2N )
’- Fe4N h×nh kim
Líp khuyÕch t¸n
H×nh 3
+ ’
c, Ph©n bè ®é cøng trong líp khuyÕch t¸n vµ chiÒu s©u líp thÊm
- Ph©n bè ®é cøng trong líp khuyÕch t¸n phô thuéc vµo hµm lîng nguyªn tè t¹o nitrid hîp kim (Cr, V, Ti, Al...); Hµm l¬ng nguyªn tè t¹o nitrid t¨ng => HV t¨ng
- ChiÒu s©u líp thÊm ni t¬ b»ng chiÒu s©u cña líp cã ®é cøng l¬n h¬n HVn +50 HV
§é cng bÒ mÆt HVbm
§é cng nÒn HVn
HVn + 50 HV
ChiÒu s©u líp thÊm BÒ mÆt NÒn KL
HV HV:100
2. TÝnh chÊt líp thÊm ni t¬:
- Chèng mµi mßn (®é cøng cao: > 1000 HV)
- §é bÒn mái tèt (øng suÊt d nÐn: -300MPa)
- Chèng ¨n mßn tèt (líp hîp chÊt bÒ mÆt:pha , )
=> Sö dông réng r·i trong c«ng nghiÖp
III. ThÐp thÊm ni t¬:
HÇu hÕt c¸c lo¹i thÐp ®Òu cã thÓ th©m ni t¬
VËT LIÖU M¸C THÐP mAI
mßn
BÒn
mái
BÒn ̈ n mßn Cøng nãng
ThÐp thÊm Nit¬ 35CrAl + + + +
ThÐp thÊm C 20CrMnTi + + + +
ThÐp ho¸ tèt C45; 40CrNiMo + + + +
ThÐp khu«n ngu«i 100Cr12M + 0 + +
ThÐp khu«n nãng 30Cr2W8 + + + +
ThÐp kh«ng rØ 08Cr18Ni9 + + + (-) 0
ThÐp giã P18 + 0 0 +
ThÐp x©y dùng CT38 + + + -
IV. C¸c ph¬ng ph¸p thÊm ni t¬ R¾n, Láng, KhÝ, Plasma 1. C«ng nghÖ thÊm Ni t¬ thÓ r¾n: Ýt sö dông
2. C«ng nghÖ thÊm Ni t¬ thÓ Láng
a. C«ng nghÖ thÊm ni t¬ cò:
- Hçn hîp thÊm: Me2CO3 + MeCN (25 – 40%)
- NhiÖt ®é thÊm: 560 – 5800C - Cung cÊp ¤ xy
- B¶o dìng bÓ thÊm;
+ Lo¹i bá mét phÇn muèi ®· sö dông chøa MeCN (phÕ th¶i)
+ Bæ sung MeCN
- Ph¶n øng t¹o Nit¬ ng/tö: 2MeCN + 02 = MeCNO (1)
2MeCNO + 1/202 = Me2CO3 + C + 2N (2)
MeCN: - TÝnh ®éc cao
- ¶nh hëng vÖ sinh m«i trêng
Nguyªn lý lµm viÖc cña bÓ thÊm theo c«ng nghÖ cò
Me2CO3
MeCNO
MeCN
MeCN
MeCNO
Me2CO3
MeCN
MeCN
MeCNO
Me2CO3
MeCNO
Me2CO3
MeCNO
MeCN
PhÕ th¶I
chøa
MeCN
Sau khi
®·
sö dông
BÓ thÊm
míi
Sau khi
lÊy
PhÕ th¶i
sau khi bæ
sung
MeCN
Bæ sung MeCN LÊy bít muèi cò ®· dïng
b, C«ng nghÖ thÊm ni t¬ míi - Nitarid
- Hçn hîp thÊm c¬ së: CS II (Me2CO3 + 30-40% MeCNO)
- NhiÖt ®é thÊm: 560 – 5800C
- Cung cÊp ¤ xy
- ChÊt t¸i sinh: TS III (muèi kh«ng ®éc chøa H,C,N)
- Hçn hîp thÊm bæ sung: CS III (Me2CO3 + 35-40% MeCNO)
- Ph¶n øng t¹o Ni t¬ ng/tö:
2MeCNO + 1/202 = Me2CO3 + C + 2N (2)
- Ph¶n øng hoµn nguyªn
Me2CO3 + TSIII = 2MeCNO (3)
¦u viÖt:
+ Kh«ng sö dung muèi ®éc MeCN (CSII, CSIII)
+ Kh«ng cã muèi phÕ th¶i do sö dung chÊt t¸I sinh (TSIII)
Nguyªn lý lµm viÖc cña Nitarid
C«ng nghÖ kh«ng phÕ th¶i
MeCNO
Me2CO3
Me2CO3
MeCNO
MeCNO
Me2CO3
Me2CO3
MeCNO
BÓ thÊm míi Sau khi sö dông Sau khi xö lý TSIII
Sau khi bæ sung CSIII
Xö lý t¸i sinh
TSIII
Bæ sung chÊt
thÊm CSIII
c. ChÕ ®é thÊm Ni t¬ theo c«ng nghÖ NITARID
nhiÖt ®é (0C)
5800C; 60 -180ph
200-3000C;10-30ph 300 -4000C; 15-60ph
dÇu, níc, KK 1400C; 30-60ph
thêi gian (ph)
BÓ OX-1
d. NhËn xÐt:
- Nhê sö dông hçn hîp thÊm chuyªn dïng CSII, CSIII, vµ chÊt t¸i sinh
TSIII, Nitarid trë thµnh c«ng nghÖ kh«ng phÕ th¶i, ®¶m b¶o vÖ sinh m«i
trêng.
- ThiÕt bÞ thÊm ®¬n gi¶n, ®é tin cËy cao, gi¸ thµnh rÎ, thÝch hîp quy m«
s¶n xuÊt hiÖn nay vµ cã kh¶ n¨ng n©ng cÊp tù ®éng ho¸ cho nh÷ng n¨m
tíi.
- C«ng nghÖ xö lý bÒ mÆt sau khi thÊm rÊt ®a d¹ng, cã kh¶ n¨ng øng
dông réng trong c«ng nghiÖp.
3. ThÊm nit¬ thÓ khÝ
a, C«ng nghÖ thÊm Ni t¬ thÓ khÝ truyÒn thèng:
- NhiÖt ®é vµ thêi gian thÊm: T = 490 – 590 0C; t = 10 – 100 h
- Hçn hîp thÊm: (100 – 50%) NH3 + ( 0 – 50%) N2
- Qu¸ tr×nh xÈy ra khi thÊm:
NH3 => [N]Fe + 3/2H2
Theo Bohmer cã thÓ tÝnh hµm lîng Nit¬ trong bÒ mÆt cña Fe
[N]Fe = (PNH3/PH2).8,93.104exp[ - 82240/RT] (% Khèi lîng)
- ’- Fe4N ®îc t¹o thµnh khi:
PNH3/PH2 > 1,266.10-3exp(34850/RT)
- -nitrid Fe2 N ®îc tao thµnh khi
PNH3/PH2 > 2,33.10-4exp(58400/RT)
b, ThÊm Nit¬ -¤xy:(1- 40h)
- Hçn h¬p thÊm: (95 – 65%)NH3 + N2 + (1-5%)O2 hoÆc (10- 35%)h¬i H2O
c. ThÊm c¸c bon nit¬ nhiÖt ®é thÊp:(1 - 40h)
- Hçn hîp thÊm: (80 -99%) NH3 + (1 - 20%)CO2 hoÆc CH4
S¬ ®å m« t¶ qu¸ tr×nh thÊm ni t¬ thÓ khÝ
M«i trêng thÊm S¶n phÈm
4. ThÊm ni t¬ ion ho¸:
- NhiÖt ®é vµ thêi gian thÊm: T = 350 – 590 0C; t = 0,25 – 48 h
- Nguyªn t¾c: + ¸p suÊt thÊp P = 10 -2 – 10 -3 bar
+ §iªn thÕ cao U = 300 – 1200 V
- Hçn hîp thÊm: NH3 + N2 hoÆc CH4
- ¦u nhîc ®iÓm:
+ HiÖu qu¶ thÊm cao, cã thÓ dïng Ni t¬ vµ Hydro d¶m b¶o vÖ sinh m«i trêng
+Tiªu thô n¨ng lîng thÊp, chÊt lîng æn ®Þnh
+ ThiÕt bÞ ®¾t tiÒn, Hiªu øng ®iÖn => Líp thÊm kh«ng ®Òu
S¬ ®å m« t¶ qu¸ tr×nh thÊm ni t¬ Plasma
Têng lß S¶n phÈm
S¬ ®å cung cÊp
hçn hîp thÊm
NH3 + N2 + KK
V. ThiÕt bÞ thÊm Ni t¬
Ch¬ng IV: C«ng nghÖ CVD ( Chemical Vapour Deposition )
I. C¬ së chung:
1. §Þnh nghÜa: CVD lµ c«ng nghÖ t¹o líp phñ trªn bÒ mÆt c¸c chi tiÕt m¸y ®· nung nãng
tõ h¬i cña c¸c hîp chÊt chøa kim lo¹i (dÔ bay h¬i) do c¸c ph¶n øng ho¸ nhiÖt.
- C¸c hîp chÊt chøa kim lo¹i dÔ bay h¬i ®îc tao thµnh tõ:
+ ¸ kim nhãm halogen ( F, Cl, Br, I)
+ Kim lo¹i chuyÓn tiÕp nhãm IV (Ti, Zr); nhãm V(V, Nb, Ta); nhãm VI (Cr,Mo, W)
VÝ dô: TiCl4, WF6...
- NhiÖt ®é: 200 -10000C (kh«ng dïng c¸c tia kÝch ho¹t)
2. Nguyªn lý lµm viÖc:
S¬ ®å nguyªn lý lµm viÖc cña CVD
S¶n phÈm
Khuyªch t¸n hîp chÊt
chøa kim lo¹i
HÊp phô Khö h¸p phô
KhuyÕc t¸n s¶n ph¶m
ph¶n øng
Ph¶n øng
3.C¸c ph¶n øng xÈy ra trªn bÒ mÆt:
Gåm 2 nhãm ph¶n øng:
- Ph¶n øng t¹o nguyªn tö ho¹t (W, Ti, C, N...)
- Ph¶n øng t¹o líp phñ ( WC, TiN...)
Gåm 3 lo¹i ph¶n øng:
- Ph¶n øng khö (hoµn nguyªn): WF6 + 3H2 => W + 6HF
- Ph¶n øng ph©n huû: Ni(CO)4 => Ni + 4CO
- Ph¶n øng trao ®æi: CrCl3 + Fe => Cr + FeCl3
TiCl4 + CH4 => TiC + 4HCl
4. C¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn líp phñ:
a) C¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn c¸c gi¹i ®o¹n c¬ b¶n:
- C¬ chÕ t¬ng t¸c cña ph¶n øng ho¸ häc gi÷a c¸c chÊt víi bÒ mÆt thÐp.
- C¬ chÕ khuyÕch t¸n trong pha khÝ
- C¬ chÕ khuyÕch t¸n trong pha r¾n
b) C¸c yÐu tæ ¶nh hëng cô thÓ:
- Thµnh phÇn, tæ chøc, tr¹ng th¸i bÒ mÆt s¶n phÈm
- Ho¹t tÝnh cña bÒ mÆt s¶n phÈm (møc ®é lµm s¹ch)
- MËt ®é s¾p xÕp cac s¶n phÈm trong thiÕt bÞ CVD.
- NhiÖt ®é, ¸p suÊt buång ph¶n øng
- Thêi gian xö lý CVD
- Thµnh phÇn,lu lîng vµ sù ph©n bè c¸c khÝ tham gia qu¸ tr×nh xö lý.
- C¸c chÊt xóc t¸c cêng hãa qu¸ tr×nh phñ.
II. Ph©n lo¹i CVD
1.Theo ®Æc ®iÓm m«i trêng:
- CVD m«i trêng tÜnh
- CVD m«i trêng ®éng
2. Dùa vµo yÕu tè kÝch thÝch:
- CVD kh«ng kÝch thÝch
- CVD cã kÝch thÝch
3. Dùa vµo nhiÖt ®é lµm viÖc
- CVD nhiÖt ®é cao 850 -1100oC (HT)
- CVD nhiÖt ®é trung b×nh 600 – 850oC (MT)
- CVD nhiÖt ®« thÊp < 600oC (LT)
4. Dùa vµo ¸p suÊt:
- CVD ¸p suÊt cao (HP)
- CVD ¸p suÊt thÊp (LP)
5. Dùa vµo t¸c nh©n kÝch thÝch:
- CVD kÝch thÝch b»ng Plasma (PACVD)
- CVD kÝch thÝch b»ng Laser (LACVD)
6. Dùa vµo b¶n chÊt h¬i hîp chÊt chøa kim lo¹i:
- Sö dông h¬i ho¹t tÝnh lµ hîp chÊt Halogen-kim lo¹i (CVD th«ng dông)
- Sö dông h¬i ho¹t tÝnh lµ hîp chÊt h÷u c¬ - kim lo¹i (MOCVD)
III. Thµnh phÇn vµ cÊu tróc líp phñ
1.Thµnh phÇn:
CVD t¹o dîc c¸c líp phñ rÊt ®a d¹ng
a) Kim lo¹i: Cu, Al, Ti, Ge, Pb, Mo, W, Pt, Ni, Co...
b) Grafit vµ c¸c bit: C, SiC, WC, TiC, ZrC...
c) Nitrid: TiN, BN, ZrN, TaN...
d) Silic vµ hîp chÊt: Si, Si-(Ti, Mo, Nb...)
e) ¤ xyt: Al2O3, SiO2, TiO2
2. CÊu tróc líp phñ:
- CÊu tróc líp phñ phô thuéc vµo nhiÒu yÐu tè: NhiÖt ®é, ¸p suÊt, thµnh phÇn, thêi
gian, vËt liÖu...
- Thµnh phÇn líp phñ lÖch víi c«ng thøc: TiC => TiCx ( X=/= 1).
- ChiÒu dµy líp phñ tõ vµi nm (trong kt ®iÖn tö) => mm (trong c¬ khÝ).
- ChiÒu dµy t¨ng: 2-5 m/h
- §é dÝnh b¸m cña CVD ®¶m b¶o ( trong 1 sè trêng hîp cã líp phñ trung gian).
- Cã thÓ phñ ®ång thêi nhiÒu chÊt hoÆc nhiÒu líp.
IV. Mét sè c«ng nghÖ CVD th«ng dông
1. CVD m«i trêng tÜnh:
CVD m«i trêng tÜnh = Xö lý ho¸ nhiÖt thÓ r¾n
VÝ dô=> thÊm Al thÓ r¾n
- Hçn hîp thÊm: Al 20-40% + CrF2 0,5 -5% + Al2O3 (chÊt ®én)
- T= 800 -9500C
- Ph¶n øng xÈy ra khi xö lý:
Al + CrF2 => Cr + 2 AlF (bay h¬i)
3 AlF => AlF3 + 2 Alht => BÒ mÆt s¶n phÈm
Hçn hîp thÊm
S¶n phÈm
2. CVD m«i trêng ®éng:
a) CVD truyÒn thèng: - ¸p suÊt khÝ quyÓn
- C¸c chÊt ho¹t tÝnh, xóc t¸c, phô gia cÊp liªn tôc
- Líp phñ ®a d¹ng: Si, SiC, SiO2, TiN
- ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n, n¨ng suÊt cao, kh«ng ®ång ®Òu
b. CVD ̧ p suÊt thÊp (Low Pressure CVD)( LPCVD): - ¸p suÊt <1mmHg
- Líp thÊm ®ång ®Òu, chÊt lîng cao
- N©ng cao hiÖu suÊt m«i trêng phñ (40%)
- ChÕ t¹o c¸c vi m¹ch ®iÖn tö, líp phñ chèng mµi mßn ,¨n mßn
S¬ ®« cÊu t¹o thiÕt bÞ LPCVD phñ TiC
3. C«ng nghª Plasma-CVD; Plasma Assist CVD (PAVCD):
C«ng nghÖ CVD ®îc hç trî = m«i trêng ion ho¸ (®Æt m«i trêng trong tõ trêng).
- Trong m«i trêng Plasma hoat tÝnh cña h¬i ho¹t tÝnh cao h¬n => Gi¶m nhiÖt ®é xö
lý (®¶m b¶o n¨ng suÊt cao).
- Thóc ®Èy c¸c ph¶n øng khã xÈy ra => Da d¹ng ho¸ vµ n©ng cao chÊt lîng líp phñ
4. C«ng nghª Laser-CVD; Laser Assist CVD (LACVD):
C«ng nghª CVD ®îc hç trî kÝch ho¹t b»ng tia Laser
- Nung nãng côc bé n¬i cÇn phñ
- N©ng cao chÊt l¬ng líp phñ
- BÒ mÆt KL cã thÓ nãng ch¶y côc bé
S¶n phÈm KhÝ hoat tÝnh KhÝ th¶i
§iªn cùc
S¶n phÈm
KhÝ hoat tÝnh
KhÝ th¶i
Tia Laser
5. C«ng nghÖ phñ MOCVD ( Metallo Oganic Chemical Vapour Deposition):
a) Nguyªn lý:
- MOCVD lµ c«ng nghÖ phñ cã chÊt ho¹t tÝnh lµ h¬i cña hîp chÊt h÷u c¬ cña kim lo¹i
cã c«ng thøc Me-Rn (Me nguyªn tè kim lo¹i; Rn c¸c gèc h÷u c¬)
- MO cã liªn kÕt kh«ng v÷ng, dÔ t¹o thµnh nguyªn tö ho¹t ë nhiÖt ®é thÊp
b) ¦u nhîc ®iÓm cña MOCVD:
+ ¦u ®iÓm:
- Liªn kÕt Me-Rn da d¹ng, Phong phó vÒ chñng lo¹i => Líp phñ cã thµnh phÇn vµ
tÝnh chÊt kh¸c nhau:
Ti(N(CH3)2)4 => TiN + khÝ ph©n huû (2500C)
Ti(OCH(CH3)2)4 => TiO2 + khÝ ph©n huû (3500C)
- Phñ ë nhiÖt ®é thÊp => tr¸nh biÕn d¹ng, c«ng nghÖ ®¬n gi¶n h¬n
Nhîc ®iÓm: TÝnh chÊt cña MO kh«ng æn ®Þnh, Gi¸ thµnh cßn cao, Khã mua.
c) C¸c yÕu tè ¶nh hëng:
MOCVD rÊt nhay c¶m víi thay ®æi ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é: Khi ̧ p suÊt , nhiÖt ®é thay
®æi => cÊu tróc vµ tÝnh chÊt líp phu thay ®æi.
Ch¬ng V: C«ng nghÖ xö lý PVD
Physical Vapour Deposition
I. C¬ së chung:
1.Nguyªn lý:
C«ng nghÖ PVD lµ c«ng nghÖ xö lý bÒ mÆt nhê c¸c t¸c ®éng vËt lý nh:
tia ®iÖn tö, ion, hå quang, plasma... vµo c¸c qu¸ tr×nh t¹o líp phñ nh: qu¸ tr×nh ho¸ h¬i
chÊt phñ, qu¸ tr×nh chuyÓn chÊt phñ ®Õn bÒ mÆt s¶n phÈm, qu¸ tr×nh ngng tô vµ t¹o
thµnh líp phñ.
Cô thÓ:
- Qu¸ tr×nh ho¸ h¬i chÊt phñ: §iÖn trë, hå quang, tia ®iÖn tö, tia laser, hå quang...
- Qu¸ tr×nh chuyÓn chÊt phñ ®Õn bÒ mÆt s¶n phÈm: Plasma, tõ trêng, ®iÖn trêng
- Qu¸ tr×nh ngng tô vµ t¹o thµnh líp phñ: BÒ mÆt s¶n phÈm ®îc xö lý (lµm s¹ch,
nung nãng... )
- ¸p suÊt buång lµm viÖc: 10-4 - 5 Pa
- C¸c s¶n phÈm ®îc ph©n cùc catèt.
=> PVD rÊt da d¹ng vµ ®ang tiÕp tôc ph¸t triÓn
1
2. Thµnh phÇn vµ cÊu tróc líp phñ:
a) Thµnh phÇn: C¸c líp phñ PVD rÊt da d¹ng:
- Kim lo¹i vµ hîp kim: Al, Ti, Cu, Cr, Ni...cã chiÒu dµy 0,5 -30 m, cã ®é dÝnh b¸m tèt
- C¸c bit vµ Nitrid: TiC, TiN, ZrC, ZrN, WC, WN... ( HRC cao, Tnc cao, chôi mµi mßn...)
- ¤ xyt: Al2O3, SiO, PbO...(HRC cao, Tnc cao, chôi mµi mßn...)
- C¸c chÊt kh¸c: Grafit, MoS2, WS2 ( b«i tr¬n tèt ); PTFE (chÊt dÎo)
b) CÊu tróc:
Líp phñ TiN Líp phñ Cac bon
2
II. ph©n lo¹i c«ng nghÖ PVD:
1. Theo ph¬ng ph¸p ho¸ h¬i vµ vËn chuyÓn:
- Ho¸ h¬i vµ ngng tô ch©n kh«ng
- Ho¸ h¬i vµ phñ ion
- Ho¸ bôi catèt vµ phñ ion
2. Theo ®iÖn thÕ ph©n cùc cña s¶n phÈm:
- §iÖn thÕ ph©n cùc thÊp kho¶ng 20 V: Ho¸ h¬i ch©n kh«ng
- §iÖn thÕ ph©n cùc kho¶ng 200 V: BARE (Bias Activated Reactiv Evaporation)
- §iÖn thÕ ph©n cùc kho¶ng 1KV: Phñ IP (ionplatting)
3. Theo ph¬ng ph¸p ho¸ h¬i chÊt phñ:
- Ho¸ h¬i chÊt phñ nãng ch¶y:
+ Ho¸ trong ch©n kh«ng
+ Ho¸ h¬i trong khi tr¬
+ Ho¸ h¬i trong khÝ ho¹t tÝnh kh«ng kich thÝch (RIP-Reactiv Ion Platting)
+ Ho¸ h¬i trong khÝ ho¹t tÝnh cã kÝch thÝch (BARE)
- Ho¸ bôi chÊt phñ thÓ r¾n:
+ Ho¸ bôi hå quang
+ Ho¸ bôi catèt (Sputtering): B¾n ph¸ catèt (chÊt phñ ) b»ng tia Ion
3
III. C¸c c«ng nghÖ PVD
1. C«ng nghÖ ho¸ h¬i vµ ngng tô kim lo¹i trong ch©n kh«ng:
Ra ®êi sím, thiÕt bÞ ®¬n gi¶n, chÊt lîng líp phñ kh«ng cao
a) C«ng nghÖ ho¸ h¬i vµ ngng tô trùc tiÕp:
Sóng electron
H¬i kim lo¹i
S¶n phÈm phñ
e
Kim lo¹i nãng ch¶y
Cu«n d©y c¶m øng
4
- Nguyªn lý:
+ Ho¸ h¬i kim lo¹i b»ng nhiÖt: Dïng ®iÖn trë, dßng c¶m øng (Tnc thÊp) cã hç trî
chïm electron, tia Laser (Tnc cao)
+ V©n chuyÓn h¬i kim lo¹i: ChuyÓn ®éng ®èi lu cña h¬i kim lo¹i ë ¸p suÊt
kho¶ng P = 10-2 Pa (kh«ng cã t¸c ®éng bªn ngoµi).
+ Ngng tô: Ngng tô t nhiªn, ë kh¾p mäi n¬i trong buång kÝn.
- §Æc ®iÓm:
+ N¨ng lîng ngng tô nhá, ®é dÝnh b¸m, ®é xÝt chÆt kh«ng cao
+ HiÖu suÊt sö dông thÊp, tèc ®é phñ chËm, máng
+ Chi tiÕt kh«ng bÞ ph©n cùc, cã thÓ phñ c¸c vËt liÖu kh«ng dÉn ®iÖn nh: gèm,
polyme
+ ChÊt phñ phÇn lín lµ c¸c kim lo¹i dÔ ch¶y: Zn, Al
5
b) Ho¸ h¬i ho¹t tÝnh vµ ngng tô trùc tiÕp
- Nguyªn lý: (c¶i tiÕn ph¬ng ph¸p ho¸ h¬i vµ ngng tô)
+ §a vµo buång ho¸ h¬i kim lo¹i c¸c chÊt khÝ ho¹t tÝnh:
Phñ Nitrid : khÝ NH3, N2
Phñ C¸c bÝt: khÝ CH4,
Phñ ¤ xyt: KhÝ O2
+ ¸p suÊt: 0,01 – 1 Pa
- §Æc ®iÓm:
+ C¸c líp phñ ®a d¹ng, cã thÓ phñ c¸c hîp chÊt c¸c bÝt, « xyt, nitrid...
+ Líp phñ máng, tèc ®é chËm.
+ Sö dông chñ yÕu trong §iÖn tö, Quang häc.
6
c) C«ng nghÖ ho¸ h¬i ho¹t tÝnh cã kÝch thÝch ARE (Activid Reactive Evaporation):
i. Nguyªn lý:
+ Ho¸ h¬i chÊt phñ: Dïng chïm h¹t mang ®iÖn cã n¨ng lîng cao (ion, elechtron)
+ VËn chuyÖn chÊt phñ: ChÊt phñ ho¸ h¬i ®Õn chi tiÕt phñ trong m«i trêng khÝ ho¹t tÝnh
Plasma l¹nh.
- Plasma l¹nh – plasma t¹o thµnh do hiÖn tîng phãng ®iÖn ph¸t quang trong trong
pha khÝ (khÝ Argon) cã P = 0,1 - 200 Pa chøa ion. ®iªn tö, ph©n tö trung hoµ cã
møc ®é ion ho¸ thÊp (10-7 – 10-4 ; Sè mol khÝ / sã h¹t mang ®iÖn) cã nhiÖt ®é kh«ng cao
(300-10000K)
- Thay mét phÇn hoÆc toµn bé khÝ Ar b»ng khÝ ho¹t tÝnh => m«i trêng khÝ ho¹t tÝnh
ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch.
+ Ngng tô: Trong m«i khÝ ho¹t tÝnh Plasma l¹nh c¸c ph¶n øng gi÷a h¬i KL, khÝ, bÒ mÆt
chi tiÕt xÈy ra m¹nh liÖt h¬n.
7
ii. §Æc ®iÓm:
+ Phñ ®îc c¸c chÊt phñ cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao
+ H¬i chÊt phñ chuyÓn qua m«i trêng Plasma cã n¨ng lîng cao h¬n
=> dÝnh b¸m tèt
+ C¸c chi tiÕt cã thÓ ®îc ph©n cùc víi ®iÖn thÕ thÊp (< 20V): tèc ®é
vËn chuyÓn c¸c ion chÊt phñ t¨ng => t¨ng ®é dÝnh b¸m, t¨ng ®é xit
chÆt, t¨ng chiÒu dµy líp phñ
iii. C¸c ph¬ng ph¸p t¹o Plasma:
- Phãng ®iÖn catèt nung.
- Phãng ®iÖn ph¸t quang dßng 1 chiÒu.
- Phãng ®iÖn ph¸t quang dßng c¶m øng.
- Phãng ®iÖn tÇn sè siªu ©m.
- Phãng ®iÖn hå quang.
8
2. C«ng nghÖ ho¸ h¬i kim lo¹i vµ phñ ion (ion platting)
a) C«ng nghÖ ion platting (IP):
i. Nguyªn lý:
+ Ho¸ h¬i: Kim lo¹i ®îc nung ch¶y b»ng ®iªn trë hoÆc c¶m øng, b¾n ph¸ b»ng
chïm e t¨ng cêng bay h¬i.
+ V©n chuyÓn chÊt phñ:
- Buång ho¸ h¬i cã P = 0,5 -5 Pa(khÝ Ar)
- Chi tiÕt ®îc ph©n cùc catèt víi ®iÖn thÕ 1- 3 KV t¹o Plasma
- H¬i kim lo¹i bÞ ion ho¸ trong m«i trêng Plasma vµ chuyÓn tíi bÒ mÆt s¶n
phÈm cã gia tèc.
+ Ngng tô:
- Chi tiÕt ®Æt trong tõ trêng vµ b¾n ph¸ ion: lµm s¹ch vµ nung nãng.
- C¸c ion kim lo¹i ngng tô víi tèc ®é cao
ii. §Æc ®iÓm:
+ Tèc ®é phñ cao, ®é dÝnh b¸m tèt, ®é xÝt chÆt cao
+ Sö dông cho c¸c tiÕp ®iÓm, phñ c¸c líp Cr, V, Mo trong c¬ khÝ
+ Gi¸ thµnh cao, khã s¶n xuÊt hµng lo¹t.
9
b) C«ng nghÖ RIP ( Reavtiv Ion Platting)
T¬ng tù IP trong ®ã khÝ tr¬ Ar ®îc thay thÕ b»ng khÝ ho¹t tÝnh
+ + +
+
-
+
+
+
+ + + +
+
+
+ + + 3
6
4
4
2
1
5 1- Chi tiÕt ph©n cùc catèt 2- Kim loai nãng ch¶y
3- H¬i bÞ ion ho¸
4- KhÝ vµo – khi ra
5- Sóng electron
6- BiÕn thÕ S¬ ®å nguyªn lý thiÕt bÞ bay h¬i ho¹t tÝnh phñ ion RIP
10
3. C«ng nghÖ ho¸ h¬i ho¹t tÝnh cã kÝch thÝch phñ ion - BARE
(Bias Activated Reactiv Evaporation)
a) Nguyªn lý:
T¬ng tù ARE trong ®ã: Chi tiÕt ®îc ph©n cc cactèt ( <200V) - PhÇn gi÷a catèt
phô vµ s¶n phÈm gäi lµ buång t¹o xung ion => chÊt phñ chuyÓn ®Õn bÒ mÆt cã
gia tèc
3 4 5
6
7
+ 1
2
8
+ +
+
+
+ +
+ +
+ +
+ 9
1- Chi tiÕt ®îc ph©n cùc catèt 2- §iªn cùc phô
3- N«i kim lo¹i nãng ch¶y
4- B¬m khÝ th¶i
5- Sóng elechtron
6- N¹p khÝ ho¹t tÝnh 7- §iªn cùc phô
8- Plasma l¹nh do e thø cÊp
9- Ion chÊt phñ c/® cã gia tèc
11
12
IV. Ho¸ bôi catèt vµ phñ Ion (thiÕt bÞ tri«t)
1. Nguyªn lý: Trong thiÕt bÞ cã ¸p suÊt thÊp 0,01-1 Pa, chÊt phñ ®îc ph©n cùc 2-
10 KV, s¶n phÈm ®îc ph©n cùc tõ 0,05 – 1 KV. §Ó thóc ®Èy viÖc v©n chuyÓn chÊt phñ
cã thªm ®iÖn cùc phô ®îc ph©n cùc 30-50 Vso víi anèt ®Î t¹o ra ®iÖn trêng phô.
+ Bèc h¬i chÊt phñ: ChÊt phñ bèc h¬i do sù b¾n ph¸ cña nguyªn tö khÝ Ar bÞ ion
ho¸ trong m«i trêng plasma.
+ VËn chuyÓn chÊt phñ: h¬i chÊt phñ bÞ ion ho¸ vµ chuyÓn vª s¶n phÈm do ®iªn
trêng phô vµ t¨ng tèc khi ®Õn gÇn s¶n phÈm.
+ Ngng tô: C¸c Ion kim lo¹i nhng tô víi tèc ®é cao.
1
3 4
2
6
5
1. ChÊt phñ ph©n cùc ca tèt 2. S¶n phÈm ph©n cùc catèt
3. A nèt
4. Catèt nung (phô)
5. B¬m ch©n kh«ng
6. N¹p khÝ (Ar, NH3..)
ch¬ng VI. C«NG NGHÖ PHUN PHñ bÒ mÆt
i. C¬ së chung:
1. Nguyªn lý:
Phun phñ bÒ mÆt lµ ph¬ng ph¸p xö lÝ bÒ mÆt b»ng c¸ch ®a c¸c h¹t vËt liÖu cÇn
phñ vµo trong dßng vËt chÊt cã nhiÖt ®é cao vµ tèc ®é cao lµm cho chóng nãng ch¶y hoÆc
lµm biÕn mÒn vµ phun lªn bÒ mÆt s¶n phÈm nh»m t¹o ra mét líp phñ cã t/c nh ý muèn.
2. §Æc ®iÓm:
- Liªn kÕt gi÷a vËt liÖu phñ vµ bÒ mÆt s¶n phÈm lµ liªn kÕt c¬ häc. §Ó t¨ng ®é
dÝnh b¸m cÇn xö lý nhiÖt tiÕp theo.
- Nguån n¨ng lîng c¸ch ly víi s¶n phÈm, nhiÖt ®é bÒ mÆt phñ kh«ng cao => cã
thÓ phun phñ lªn vËt liÖu polyme.
- Phun phñ cã thÓ gåm 3 giai ®o¹n: Nãng ch¶y, ®«ng r¾n vµ t«i.
- Tèc ®é nguéi lín (105–107 0/s) => t¹o thµnh c¸c pha kh«ng æn ®Þnh, vi tinh thÓ...
- Do t¸c dông vËt lý, ho¸ hoc => thµnh phÇn líp phñ kh«ng gièng thµnh phÇn b/®.
- Sö dông cho c¸c chi tiÕt phøc t¹p, hoÆc xö lý côc bé trªn chi tiÕt m¸y.
- TiÕt kiÖm vËt liÖu, n¨ng lîng.
3. C¸c yÕu tè ¶nh hëng: (®a d¹ng; Phun plasma: 50 yÕu tè ¶nh hëng)
- VËn tèc h¹t: ¸p suÊt, lu lîng khÝ, tû lÖ bét, cì h¹t, kh«i lîng riªng...
- Tr¹ng th¸i nãng ch¶y, nhiÖt ®é h¹t: HÖ sè truyÒn nhiÖt gi÷a khÝ – h¹t, thêi gian lu.
- CÊu tróc líp phñ: B¶n chÊt kim lo¹i, tèc ®é, nhiÖt ®é, vÞ tri vßi phun.
- T¬ng t¸c ho¸ häc gi÷a vßi phun, m«i trêng...
- NhiÖt ®é s¶n phÈm: hÖ sè truyÒn nhiÖt cña s¶n phÈm, sù t¶n nhiÖt ra m«i trêng.
II. Thµnh phÇn cÊu tróc vµ tinh chÊt líp phñ:
1. Thµnh phÇn: §a d¹ng
- Kim lo¹i, hîp kim : Fe, Ni, Cr, W, Co...
- ¤ xyt: Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2...
- Nitrid: TiN...
- C¸c bit: WC, TiC...
2. Tæ chøc:
- Tæ chøc ®Æc trng lµ tæ chøc d¹ng sãng cã c¸c lç xèp vµ t¹p chÊt « xyt .
- Thµnh phÇn, tæ chøc pha cña líp phñ kh«ng ®Òu, => xö lý nhiÖt
Sù h×nh thµnh líp phun phñ nnãng ch¶y
Tæ chøc líp phñ kim lo¹i Tæ chøc líp phñ phi kim lo¹ii (Al2O3)
3. TÝnh chÊt vµ ph¹m vi øng dông:
- Phun phñ bÒ mÆt ®îc øng dông trong nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp:
+ T¨ng kh¶ n¨ng chôi mµi mßn
+ Lµm thay ®æi tÝnh chÊt ho¸ lý cña bÒ mÆt: Chèng ¨n mßn, ®é dÉn ®iÖn...
+ T¹o ra c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt: HÊp thô ¸nh s¸ng, sãng ®iÖn tõ...
+ Gi¶m khèi lîng: phñ c¸c líp cøng lªn kim lo¹i nhÑ
+ Phôc håi vµ s÷a ch÷a c¸c chi tiÕt m¸y.
III. Ph©n lo¹i:
Phun phñ BM
NhiÖt nãng ch¶y
Phun nhiÖt hå quang
Phun nhiÖt c¶m øng
NhiÖt Plasma Phun Plasma khi
Phun Plasma hå quang
Phun nhiÖt ngän löa
Phun Plasma t/s Radio
Phun kÝch næ
IV. C¸c c«ng nghÖ phun phñ bÒ mÆt
1. C«ng nghÖ phun nhiÖt khÝ ®èt:
- ThiÕt bÞ chÝnh: Sóng phun ngon löa
KhÝ (C2H2- Propan); KhÝ ¤ xy
VËt liªu phñ (d©y, bét)
- Nguyªn lý lµm viÖc: Bét hoÆc d©y vËt liÖu phñ ®îc nèng ch¶y trong ngän
löa « xy – Axetylen (32000C). ChÊt phñ nãng ch¶y ®îc khÝ ch¸y ¸p suÊt cao hoÆc khÝ
¸p suÊt cao bæ sung phun lªn bÒ mÆt s¶n phÈm.
- ¦u ®iÓm: - Phñ c¸c vËt liÖu cã nhiÖt ®é nãng ch¶y <30000C
- Tèc ®é phñ nhanh (8-10 kg/h), hÖ sè sö dông vËt liÖu cao (>95%)
- Cã kh¶ n¨ng phñ côc bé, kh«ng cÇn th¸o l¾p chi tiÕt.
- DÔ thùc hiÖn, thiÕt bÞ ®¬n gi¶n
- Nhîc ®iÓm:
- ChØ phñ c¸c chÊt cã nhiÖt ®é nãng ch¶y kh«ng cao l¾m
- §é xèp líp phñ lín (5-25%) chÊt l¬ng líp phñ kh«ng cao
- HiÖu suÊt nhiÖt thÊp, chØ ®¹t 2-12%
ThiÕt bÞ phun khÝ ®èt t ®éng ho¸
Sóng phun nhiªt khÝ ®èt bét chÊt phñ
2. Phun nhiÖt hå quang:
+ ThiÕt bÞ chÝnh: - Sóng phun hå quang (hép sè ®iÒu chØnh ®iÖn cùc)
- M¸y biÕn ¸p:
- 2 Cuén d©y ®iÖn cùc (vËt liÖu phñ)
- KhÝ nÐn
+ Nguyªn lý lµm viÖc: Ngän löa hå quang ph¸t (40000C) gi÷a 2 d©y ®iÖn cùc lµm
b»ng vËt liÖu phñ lµm cho ®iÖn cùc nãng ch¶y. KhÝ ¸p suÊt cao phun chÊt phñ nãng ch¶y
lªn bÒ mÆt s¶n phÈm. Hép ®iÒu chØnh ®iÖn cùc duy tr× ngän löa hå quang.
+ ¦u ®iÓm: - N¨ng suÊt cao: 5-70 kg/h (thÐp); 10-140 kg/h (kÏm)
- NhiÖt ®é cao => líp phñ cã ®é dÝnh b¸m tèt, xÝt chÆt h¬n.
+ Nhîc ®: - Cã hiÖn tîng ch¸y hao nguyªn tè hîp kim => chÊt lîng gi¶m
- Khã sö dông chÊt phñ bét
ThiÕt bÞ phun phñ nhiÖt hå quang
3. Phun phñ Plasma:
+ ThiÕt bÞ chÝnh: - Sóng phun plasma
- æn ¸p tao hå quang æn ®Þnh
- ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn: Cêng ®é dßng, ®iÖn thÕ, ¸p suÊt
- Thiªt bÞcÊp bét
- ThiÕt bÞ cÊp khÝ
- Níc lµm nguéi
- Bé phËn ®iÒu khiÓn s¶n phÈm
+ Nguyªn lý lµm viÖc: Ngêi ta ®a bét vËt liÖu phñ vµo dßng plasma (3000- 30.0000C)
®îc tao thµnh gi÷a catèt vµ anèt (®îc lµm nguéi b»ng níc trong sóng phun) khi dÉn
luång khÝ (Ar, He) cã ¸p suÊt cao ®i qua. Bét chÊt phñ nãng ch¶y ®îc phun vµo bÒ mÆt
kim lo¹i.
+¦u ®iÓm: - NhiÖt ®é dßng plasma cao => phun c¸c bét cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao nh
C¸cbit, Nitrid, Oxyt... ChÊt lîng líp phñ cao
- Tèc ®é phñ cao 2-20kg/h (WC), 5-50kg/h (Al2O3)
Nhîc ®iÓm: - ThiÖt bÞ phøc t¹p, gi¸ thµnh cao
4. Phun phñ kÝch næ:
+ ThiÕt bÞ chÝnh: - Buång ch¸y
- Bé phËn ®¸nh löa
- Cung cÊp khÝ « xy vµ acªtylen
- Bé phËn cÊp bét chÊt phñ
- Bé phËn lµm m¸t
+ Nguyªn lý lµm viÖc:
Bét chÊt phñ ®îc ®a ®ång thêi cïng khÝ ch¸y vµo buång ®èt víi ¸p su©t cao. Khi
d¸nh löa khÝ ®èt ch¸y víi nhiÖt ®« 30000C lµm nãng ch¶y bét chÊt phñ phun ra miÖng buång
næ víi v©n tèc 1000m/s vµ phñ lªn bÒ mÆt s¶n phÈm.(kich næ 250 lÇn/ph)
+¦u ®iÓm: - §é dÝnh b¸m cao do phun lªn bÒ mÆt víi vËn tèc lín => kh«ng cÇn xö lý
nhiÖt sau khi phun.
- §é xèp thÊp (<1%), líp phñ cã ®é xit chÆt cao, c¬ tÝnh cao.
- Phñ ®îc c¸c líp phñ cã thµnh phÇn phøc t¹p
- ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n
+ Nh¬c ®iÓm: G©y tiÐng ån lín (125 -140 dB), cÇn lµm viÖc ë vïng c¸ch biÖt.
ch¬ng VII. c«ng nghÖ cÊy ion
I. C¬ s¬ chung
1) Nguyªn lý:
C«ng nghÖ cÊy ion lµ ph¬ng ph¸p xö lý nhê t¸c dông cña tõ trêng m¹nh,
c¸c ion chÊt phñ ®îc b¾n vµo bÒ mÆt s¶n phÈm víi gia tèc rÊt lín t¹o ra líp bÒ mÆt
cÊy ion (h×nh 1)
1. èng t¨ng tèc
2. Buång lµm viÖc
3.4. èng dÉn híng
5. Nguån ion
H×nh 1a.S¬ ®å nguyªn lý lµm viÖc cña thiÕt bÞ cÊy ion
a) b)
H×nh 1b. Sù ph©n bè nång ®é trong líp bÒ mÆt
2) §Æc ®iÓm:
- Ion cÊy: ion N, Cr, Mo, Ti, B... S¶n phÈm: ThÐp, nh«m, HK Fe, Al...
- S¶n phÈm ®îc ph©n cùc víi ®iÖn thÕ lín 10-100KV, P= 10-5-10-8 bar.
- Khã t¹o ®îc líp phñ cã nång ®é mong muèn.
- Cã thÓ dïng líp phñ s¬ bé:
+ CÊy ion va ch¹m: Ion truyÒn ®éng n¨ng cho líp phñ s¬ bé
+ T¹o líp phñ hîp chÊt:Ion kÕt hîp víi líp phñ s¬ bé
+ T¹o líp phñ khuyÕc t¸n: Chïm ion lµm cho líp bÒ m¨t cã T cao.
II. Thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt líp phñ: (hinh 2 )
- T¬ng t¸c gi÷a chïm ion vµ bÒ mÆt s¶n phÈm dÉn ®Õn thay ®æi:
+ Thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc líp bÒ mÆt
+ Thay ®æi cÊu tróc líp bÒ mÆt
+ Sai lÖch m¹ng tinh thÓ
- TÝnh chÊt líp phñ:
+ §é cøng cao => t¨ng kh¶ n¨ng chèng mµi mßn.
+ §é bÒn ¨n mßn cao.
+ Thay ®æi tÝnh chÊt vËt lý (cÊy ion cho chÊt b¸n dÉn).
H×nh 2. C¬ chÕ t¬ng t¸c gi÷a ion vµ líp phñ
1. Ion ®éng n¨ng lín
2. Vïng lç trèng
3. Nguyªn tö xen kÏ
III. C¸c ph¬ng ph¸p cÊy Ion:
- CÊy ion th«ng thêng:
- 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
Ch¬ng VIII. Xö lý nhiÖt mÆt, Líp phñ v« ®Þnh h×nh
vµ líp phñ v« ®Þnh h×nh hîp kim
I. Xö lý nhiÖt bÒ mÆt:
1. C¬ së chung:
a) Nguyªn lý: Xö lý nhiÖt bÒ mÆt lµ ph¬ng ph¸p xö lý nhê truyÒn nhanh vµo
bÒ mÆt s¶n phÈm mét nhiÖt lîng lín (laser, chïm ®iÖn tö, dßng c¶m øng) lµm cho
nhiÖt ®é bÒ mÆt (dµy 10-6 – 1mm) t¨ng nhanh lªn > Ac1 vµ qu¸ tr×nh chuyÓn biÕn
Mactenxit xÈy ra khi tèc ®é nguéi dñ lín do tù lµm nguéi (nhiÖt truyÒn vµo trong) vµ lµm
nguéi tõ bªn ngoµi (níc ,dÇu). (hinh 1)
Nguån tia
KÝnh ph¶n x¹
KÝnh héi tô
S¶n phÈm
H×nh 1. Nguyªn lý ph¬ng ph¸pXö lý nhiÖt b»ng chïm tia n¨ng lîng cao
H×nh 2. ThiÕt bÞ xö lý bÒ mÆt b»ng chïm tia ®iÖn tö
b) §Æc ®iÓm:
+ Nguån nhiÖt cÇn cã mËt ®é n¨ng lîng cao => nung nãng nhanh
+ ChØ sö dông ®èi víi c¸c s¶n phÈm cã kh¶ n¨ng t«i cøng
+ Tèc ®é lµm nguéi bÒ mÆt ®ñ lín (Vng > Vth)
+ Líp nung nãng rÊt nhá so víi chiÒu dµy mÉu (d ng << D sp)
2. Thµnh phÇn, tæ chøc vµ tÝnh chÊt cña líp bÒ mÆt: (h×nh 2,3,4)
- Thµnh phÇn kh«ng thay ®æi song tæ chøc phô thuéc vµo ph¬ng ph¸p cÊp nhiÖt:
+ Nung dßng c¶m øng: tæ chøc ®ång ®Òu
+ Nung b»ng tia laser, chïm ®iÖn tö: T/C kh«ng ®Òu
- TÝnh chÊt: + BÒ mÆt: §é cøng cao chèng mµi mßn tèt
+ NÒn kim lo¹i: §é dÎo dai ®¶m b¶o chÞu va ®Ëp tèt
T> Ac1
Tù lµm nguéi Chïm tia
Lµm nguéi bªn ngoµi
H×nh 3. ¶nh hëng cña c¸c h×nh thøc lµm nguéi
T« chøc bÒ mÆt cña thÐp sau khi xö lý nhiÖt b»ng dßng c¶m øng (a) vµ chïm tia laser
3. C¸c ph¬ng ph¸p xö lý nhiÖt bÒ mÆt:
a. C¸c nguån nhiÖt th«ng thêng:
- Nung b»ng ngän löa = > ¤ xy – Axetylen => KÕt hîp tù lµm nguéi vµ níc, dÇu
- Nung b»ng c¶m øng => Dßng/® c¶m øng => KÕt hîp tù lµm nguéi vµ níc, dÇu
- Nung tiÕp xóc => §iÖn trë tiÕp xóc => KÕt hîp tù lµm nguéi vµ níc, dÇu
- Nung ma s¸t => N¨ng lîng c¬ hoc => Tù lµm nguéi
b. Chïm tia n¨ng lîng cao
- Nung b»ng Plasma => Ion ho¸ dßng khÝ => Tù lµm nguéi
- Nung b»ng chïm Laser => Sãng ®iÖn tõ => Tù lµm nguéi
- Nung b»ng chïm ®iÖn tö => §iÖn tö ®éng n¨ng cao => Tù lµm nguéi
II. Líp phñ nung ch¶y v« ®Þnh h×nh vµ v« ®Þnh h×nh hîp kim:
1. C¬ së chung:
a) Nguyªn lý:
Líp phñ nung ch¶y v« ®Þnh h×nh lµ ph¬ng ph¸p nhê c¸c chïm tia n¨ng
lîng cao (Laser, §iÖn rö...) bÒ mÆt s¶n phÈm ®îc nung nãng nhanh tíi nhiÖt ®é lín h¬n
nhiÖt nãng ch¶y lµm cho kim lo¹i chuyÓn sang tr¹ng th¸i láng vµ sau ®ã ®îc lµm nguéi rÊt
nhanh (tù lµm nguéi) lµm cho bÒ mÆt chuyÓn sang tr¹ng th¸i gi¶ æn ®Þnh cã cÊu tróc phô
thu«c vµo ph¬ng ph¸p xö lý (v« ®Þnh h×nh,tæ chøc ®óc tinh thÓ siªu mÞn...)
- Cã thÓ hîp kim ho¸ nhê:
+ Phñ s¬ bé nguyªn tè hîp kim hoÆc bét chÊt phñ
+ CÊp bét nguyªn tè hîp kim hoÆc bét chÊt phñ ®ång thêi khi nung
b) §Æc ®iÓm:
- Líp nãng ch¶y rÊt máng so víi chiÒu dµy mÉu.
- Tèc ®é lµm nguéi cao 106 – 108 K/s
- ¸p dông víi c¶ thÐp kh«ng cã kh¶ n¨ng t«i, thÐp kh«ng rØ
- Líp phñ cã ®é cøng cao => chèng ¨n mßn
2. Thµnh phÇn vµ tæ chøc líp phñ
- Do bÒ mÆt bÞ nãng ch¶y côc b« => biÕn d¹ng nhiÒu => chÊt lîng bÒ mÆt gi¶m
- Tæ chøc líp bÒ mÆt phô thuéc nhiÒu vµo ph¬ng ph¸p xö lý bÒ mÆt =. t¹o ra c¸c tæ chøc kh«ng c©n b»ng – V« dÞnh h×nh, tæ chøc ®óc siªu mÞn, mactenxit, austenit...
+ H×nh a) tæ chøc líp phñ nãng ch¶y cña gang: Grafit hoµ tan vµo gang nãng ch¶y =>
tæ chøc ®óc d¹ng nh¸nh c©y siªu min
+ H×nh b) tæ chøc cña líp (Ti, Mo)C trªn nÒn thÐp 1%C: Líp bÒ mÆt: v« ®Þnh h×nh +
h¹t c¸c bÝt ph©n bè ®Òu; nÒn: líp macten xÝt nhá mÞn vµ austenit d.
- Thµnh phÇn ®a d¹ng: h¬p kim cña Mn, Ni, Cr, Mo, Ti... c¸c bit, nitrid, borit...
a) b)
II. C¸c ph¬ng ph¸p xö lý :
Líp phñ nung ch¶y
Nung ch¶y hîp kim
Nung ch¶y bÒ mÆt
Tæ chøc ®óc
Phô gia nãng ch¶y
Phô gia khÝ
V« ®Þnh h×nh
Líp líi, mµng
Líp phñ r¾n
Phô gia r¾n
Líp keo, bét
Ch¬ng VIII. Nhóng trong Kim lo¹i mãng ch¶y vµ hµn ®¾p
I.Nhóng trong kim lo¹i nãng ch¶y:
1. Nguyªn lý:
Ph¬ng ph¸p xö lý bÒ mÆt b»ng c¸ch nhóng s¶n phÈm trong chÊt phñ nãng ch¶y,
gi÷ nhiÖt mét thêi gian nhÊt ®Þnh ®Ó nhËn ®îc líp phñ khuyÕc t¸n nh ý muèn.
- ChÊt phñ lµ c¸c kim lo¹i cã nhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp: Al, Zn, Pb, Sn...
- S¶n phÈm s¾t thÐp gang
- Chôi nhiÖt (Al) hoÆc chèng ¨n mßn (Zn, Sn)
2. Tæ chøc vµ sù h×nh thµnh líp phñ:
Líp phñ gåm 2 phÇn:
- Líp ngoµi: líp b¸m (kim lo¹i hoÆc hîp kim nãng ch¶y): Lóc ®Çu chiÒu dµy t¨ng theo thêi gian, sau khi t >t th chiÒu dµy kh«ng ®æi.
- Líp trong: líp khuyÕch t¸n: ChiÒu dµy t¨ng theo thêi gian theo q/l khuyÕch t¸n
% Fe
Líp b¸m
Líp khuyÕc t¸n
t
d
§éng häc h×nh thµnh líp phñ b»ng pp nhóng trong kim lo¹i nãng ch¶y
Líp phñ nhóng kim lo¹i
3. Mét sè líp phñ thêng gÆp
Kim lo¹i
phñ
Nhiªt ®é nãng
ch¶y
ChiÒu dµy
líp phñ
m
u ®iÓm
LÜnh vùc øng dông
Zn 420 70-90 Chèng ̈ n mßn tÊm, èng, trang trÝ
Al 660 50-100 BÒn nhiÖt èng x¶, buång trao ®æi
nhiÖt
Al +Zn 580 25-50 BÒn nhiÖt, chèng ̈ n
mßn
X©y dùng
Sn 232 4-20 Chèng ̈ n mßn,
kh«ng ®éc
C«ng nhiÖp thùc phÈm,
trang trÝ
Pb +Sn 327 2-15 Chèng ̈ n mßn èng dÉn níc
II. hµn ®¾p:
1. Nguyªn lý:
- Hµn ®¾p lµ ph¬ng ph¸p xö lý bÒ mÆt nhê nguån nhiÖt lµm nãng ch¶y vËt liÖu
phñ vµ nãng ch¶y côc bé bÒ mÆt s¶m phÈm
- Mét sè th«ng sè dÆc trng cña mèi hµn:
+ HÖ sè khuÊy
= Ae /(Ae + Aa)
+ HÖ sè h×nh d¸ng bªn trong mèi hµn
= b/t
+ HÖ sè h×nh d¸ng bªn ngoµi
= b/h
2. §Æc ®iÓm:
T¹o ®îc líp phñ cã ®é dµy lín ( < 5mm)
M«i trêng kh«ng khÝ hoÆc khÝ b¶o vÖ
Kh«ng h¹n chÕ kÝch thíc s¶n phÈm vµ cã thÓ xö lý côc bé
ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n
Cã thÓ kÕt hîp víi c¸c ph¬ng ph¸p xö lý kh¸c
Líp phñ cã kh¶ n¨ng cÞu mµi mßn vµ ¨n mßn
h
t
b
Ae
Aa
t
3. Mét sè ph¬ng ph¸p thêng gÆp
- Hµn ®¾p b»ng ngän l¶ khÝ ®èt
- Hµn ®¾p b»ng hå quang:
+ Hµn ®¾p b»ng hå quang tay ( que bäc thuèc hµn)
+ Hµn que thuèc bét (a)
+ Hµn ®iÖn cùc than
+ Hµn trong khÝ b¶o vÖ (®iÖn cùc nãng ch¶y vµ ®iÖn cùc kh«ng nãng ch¶y)(b)
+ Hµn díi líp thuèc (c)
a)
b)
c)
- Hµn ®¾p plasma:
+ Hµn plasma bét chÊt phñ (a)
+ Hµn plasma d©y chÊt phñ (b)
- Hµn ®¾p xØ ®iÖn
- Hµn ®¾p dßng c¶m øng
- Hµn ®¾p b»ng tia laser
- Hµn ®¾p b»ng tia ®iÖn tö
- Hµn d¾p b»ng dßng tiÕp xóc
Hµn ®¾p b»ng tia löa ®iÖn
Ch¬ng IX: C«ng nghÖ phñ ®iÖn ho¸,
phñ ho¸ häc vµ « xy ho¸
I. C«ng nghÖ Phñ ®iÖn ho¸ (m¹ ®iÖn):
a) Nguyªn lý: C«ng nghÖ phñ ®iÖn ho¸ lµ ph¬ng ph¸p xö lý s¶n phÈm trong
dung dÞch ®iÖn ly cã hoµ tan c¸c muèi cña kim lo¹i phñ vµ nhê ph©n cùc catèt c¸c ion
d¬ng cña chÊt phñ dÞch chuyÓn ®Õn bÒ mÆt s¶n phÈm nhËn ®iÖn tö vµ t¹o thµnh líp
phñ (líp m¹).
S¬ ®å nguyªn lý phñ ®iÖn ho¸ (m¹ ®iÖn)
2. Sù h×nh thµnh líp phñ:
+ C¸c qu¸ tr×nh xÈy ra ë bÒ mÆt catèt (bÒ mÆt s¶n phÈm – cùc ©m)
Me n+ + ne => Me
2H+ + 2e => H2
+ C¸c qu¸ tr×nh xÈy ra ë bÒ mÆt anèt (kim lo¹i phñ – cùc d¬ng)
Me – ne => Me n+
+ §Þnh luËt Pharaday:
m = a.I.t.
m khèi lîng chÊt phñ trªn bÒ mÆt catèt (g)
t thêi gian ®iÖn ph©n (h)
I cêng ®é dßng ®iÖn (A)
a ®¬ng lîng ®iÖn ho¸ (g/A.h)
hiÖu suÊt dßng ®iÖn (%)
+ Yªu cÇu ®èi víi líp phñ:
- §é dÝnh b¸m ®¶m b¶o
- Tæ chøc mÞn, xÝt chÆt, ®é dÎo, ®é cøng ®¶m b¶o
- ChiÒu dµy ®¶m b¶o.
Tæ chøc líp phñ ®iÖn ho¸ (líp phñ Niken)
3. C¸c yÕu tè ¶nh hëng
+ ¶nh hëng cña ®ung dÞch ®iÖn ly:
- Muèi ®¬n: líp phñ th«, kh«ng ®Òu chÊt lîng thÊp (trõ Co, Ni)
- Muèi phøc: líp phñ mÞn ®Òu
+ Thµnh phÇn dung dÞch:
- §¶m b¶o ®é d·n ®iÖn
- khèng chÕ ®é pH ®óng yªu cÇu
- Nång ®é chÊt phñ ®¶m b¶o
- C¸c chÊt h÷u c¬: t¨ng ®é bãng ( líp phñ ®ång ®Òu)
+ ¶nh hëng cña chÕ ®é lµm viÖc:
- MËt ®é dßng ®iÖn (lín: dµy, th«; nhá: n¨ng suÊt thÊp)
- NhiÖt ®é (cao: dµy th« .... )
- Tèc ®é khuÊy: ®ång ®Òu
+ Tr¹ng th¸i bÒ mÆt (®é bãng...)
+ H×nh d¹ng chi tiÕt vµ bè trÝ ®iÖn cùc (®é ®ång ®Òu)
4. C¸c ph¬ng ph¸p phñ ®iÖn ho¸:
a) Phñ kim lo¹i nguyªn chÊt: M¹ Cr«m, Niken, §ång
b) Phñ hîp kim: Hoµn nguyªn ®ång thêi nhiÒu nguyªn tè ( thµnh phÇn dung dÞch
phøc t¹p.
c) Phñ ph©n t¸n:
- Líp phñ ph©n t¸n ®îc t¹o thµnh nhê sù x©m nhËp cña c¸c h¹t r¾n (< 10 m)
vµo líp phñ trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh líp phñ ®iÖn ho¸. Hµm lîng h¹t r¾n: 4 – 15%.
- Líp phñ ph©n t¸n cã kh¶ n¨ng chÞu mµi mßn cao hoÆc ma s¸t nhá
- C¸c phÇn tö r¾n: Al2O3, SiC, Diamant... (chèng mµi mßn)
MoS2, Graphit ...(b«i tr¬n)
1.S¶n phÈm (catèt) 2. H¹t r¾n
3. Dßng mét chiÒu
4. Anèt
5. Dung dich
4. Mét sè ph¬ng ph¸p m¹ ®iÖn ho¸ thêng gÆp:
a) M¹ ®ång:
- Líp m¹ ®ång thêng dïng lµm líp lãt tríc khi m¹ Niken, Cr«m ®Ó t¨ng ®é
dÝnh b¸m, ®é bãng, ®é ®ång ®Òu.
- C¸c th«ng sè c¬ b¶n:
+ Dung dich: Cu2+: 60 g/l; KCN: 30 g/l; KOH: 25 g/l; K2CO3: 5 g/l
+ NhiÖt ®é: 400C ; MËt ®é dßng: 1- 3 A/dm2
+ Tèc ®é phñ: 20 m/h ; ChiÒu dµy: 5-100 m
b) M¹ Cr«m:
- Líp m¹ cr«m cã ®é cøng cao chèng mµi mßn tèt, mµu s¾c bãng ®Ñp, song th-êng cã ®é xèp cao kh¶ n¨ng ch«ng ¨n mßn kÐm. V× vËy tríc khi m¹ cr«m, thêng m¹ ®ång, niken.
- Líp m¹ cr«m xèp (chøa dÇu) chèng mµi mßn tèt: Xi lanh, xÐc m¨ng
- C¸c th«ng sè c¬ b¶n:
+ Dung dÞch: CrO3: 250 g/l; NiCl2.6H2O : 5 g/l; H3BO3 : 40 g/l (pH = 3,9)
+ NhiÖt ®é: 550C ; MËt ®é dßng: 20- 80 A/dm2
+ Tèc ®é phñ: 20 m/h (25A/dm2); ChiÒu dµy: 5-1000 m
c) M¹ Niken (m¹ kÒn)
- Líp m¹ niken bãng ®Ñp, chèng ¨n mßn tèt, song ®é cøng kh«ng cao nh m¹ cr«m.
§Ó ®¶m b¶o líp phñ ®ång ®Òu, chÊt lîng tèt cÇn m¹ ®ång tríc.
- Líp m¹ niken ®îc sö dông réng r·i trong c«ng nghiÖp vµ trong ®êi sèng.
- C¸c th«ng sè c¬ b¶n:
+ Dung dÞch: Ni2+: 100 g/l; NiCl2.6H2O : 5 g/l; H3BO3 : 40 g/l (pH = 3,9)
+ NhiÖt ®é: 450C ; MËt ®é dßng: 1- 8 A/dm2
+ Tèc ®é phñ: 25 m/h; ChiÒu dµy: 5- 2000 m
ThiÕt bÞ xö lý ®iªn ho¸
II. Phñ ho¸ häc vµ « xy ho¸:
1. Phñ ho¸ häc:
a) Nguyªn lý: Phñ ho¸ häc lµ ph¬ng ph¸p nhóng s¶n phÈm vµo dung dÞch
®iÖn ly th× trªn bÒ mÆt h×nh thµnh líp phñ do ph¶n øng ho¸ häc mµ kh«ng cÇn cã t¸c
dông cña dßng ®iªn.
Cã 3 d¹ng ph¶n øng ho¸ häc:
+ Ph¶n øng tiÕp xóc:Khi nhóng s¶n phÈm vµo muèi cña kim lo¹i yÕu h¬n (nhóng
thanh s¾t vµo d/d sunphat ®ång):
M n+ + M1 => M + M1 n+
+ Néi ®iÖn ph©n: khi nhóng s¶n phÈm (M1) cã ®iÖn thÕ d¬ng h¬n vµ thanh kim
lo¹i (M) cã ®iÖn thÕ ©m h¬n vao dung dich cã chøa muèi cña kim lo¹i M:
- BÒ mÆt s¶n phÈm: M n+ + ne => M
- Thanh kim lo¹i M: M – ne => M n+
+ Tù xóc t¸c: ChÊt phñ lµ chÊt xóc t¸c cho ph¶n øng « xy ho¸ khö t¹o thµnh líp phñ. ChÊt « xy ho¸ vµ chÊt khö ®Òu m»m trong dung dÞch.
- BÒ mÆt s¶n phÈm: M n+ + ne => M
Ph¶n øng tù xóc t¸c lµ ph¶n øng cña m¹ ho¸ häc
b) §Æc ®iÓm:
- Líp phñ ®ång ®Òu, xit chÆt, chÊt lîng cao h¬n líp phñ ®iÖn ho¸
- Cã thÓ phñ lªn c¸c vËt liªu kh«ng dÉn ®iÖn nh gèm, sø, nhùa...
- Tèc ®é chËm 2- 20 m/h
- Dung dÞch ®¾t, nång ®é khãng chÕ chÆt chÏ.
- Sö dông nhiÒu trng CN ®iÖn tö (m¹ch in).
c) C¸c bíc c«ng nghÖ phñ ho¸ hoc:
+ C«ng nghÖ tiÒn xö lý:
- Lµm s¹ch bÒ mÆt
- X©m thùc: ¨n mßn bÒ mÆt kh«ng ®Ðu t¹o ®é dÝnh b¸m (nhóng nhùa ABS trong H2SO4).
- Ho¹t ho¸ bÒ mÆt: Nhóng s¶n phÈm d½ x©m thùc vµo dung dÞch ®Æc biÖt ®Ó t¹o c¸c trung t©m ho¹t ®éng. §èi víi Polyme ngêi ta dóng trong dung dÞch SnCl2, PdCl2 => c¸c nguyªn tö n»m r¶i r¸c trªn nÒn lµ c¸c trung t©m ho¹t ®éng.
+ M¹ ho¸ häc: Nhóng s¶n phÈm vµo dung dÞch m¹, c¸c trung t©m ho¹t ®éng xóc t¸c cho ph¶n øng « xy ho¸ khñ => xuÊt hiÖn nguyªn tö chÊt phñ => T¹o thµnh líp phñ => ChÊt phñ xóc t¸c => líp phñ tiÕp tôc phat triÓn => hoµn thiÖn líp phñ.
d) C¸c c«ng nghÖ phñ ho¸ häc thêng gÆp:
i. Phñ ®ång ho¸ häc:
- C¸c ph¶n øng chÝnh:
+ Ph¶n øng khö: Cu 2+ + 2e => Cu
+ Ph¶n øng « xy ho¸ khö: 2HCHO + 4OH - - 2e => 2HCOO - + 2H2O + H2
+ Ph¶n øng tæng: Cu 2+ + 2HCHO + 4OH- => Cu + 2HCOO - + 2H2O + H2
- TÝnh chÊt c«ng dông : ChÕ t¹o m¹ch in, ®å trang trÝ, khu«n dóc...
ii. Phñ Ni ken ho¸ häc:
- C¸c ph¶n øng chÝnh:
+ Ph¶n øng thuû ph©n:
NaH2PO2 + H2O => NaH2PO3 + 2H (hÊp phô vµo bÒ mÆt s¶n phÈm)
+ Ph¶n øng khö: Ni 2+ + 2H => Cu + 2H 2+
+ Ph¶n øng tho¸t Hydro: 2H => H2
- TÝnh chÊt c«ng dông : Chèng ¨n mßn, trang trÝ trong c«ng nghiÖp vµ ®êi sèng
2. C«ng nghÖ « xy ho¸ bÒ mÆt kim lo¹i
a. Nguyªn lý: ¤ xy hãa bÒ mÆt kim lo¹i lµ p/p xö lý c¸c s¶n phÈm kim lo¹i trong m«i tr-
êng « xy ho¸ vµ nhê c¸c ph¶n øng ho¸ häc hoÆc ®iÖn ho¸, trªn bÒ mÆt s¶n phÈm
t¹o ra mét líp « xyt cã tÝnh chÊt nh ý muèn.
b. ¤ xy ho¸ bª mÆt nh«m: Cã 2 ph¬ng ph¸p: ho¸ häc vµ ®iÖn ho¸
a) Ph¬ng ph¸p ho¸ häc: Cã thÓ tiÕn hµnh trong m«i trêng axit (hoÆc kiÒm):
T/P : H3PO3 45 g/l ; CrO3 6 g/l ; NaF 3 g/l (10 -15 phót)
- Líp « xyt dµy 0,5 – 4 m , cã ®é dÝnh b¸m tèt, song mÒm xèp, cã kh¶ n¨ng
hÊp phô tèt => thêng lµm nÒn cho líp s¬n.
- ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n, n¨ng suÊt cao, gi¸ thµnh thÊp.
b) Ph¬ng ph¸p ®iÖn ho¸: Thêng tiÕn hµnh trong d/d axit Sunphuric:
- T/P: H2SO4 200 g/l ; NhiÖt ®«: 15 -25 0C
MËt ®é dßng: 0,8 -1,5 A/m2; §iªn ¸p: 15 -20 V
Thêi gian: 20 - 40 ph
- Líp « xyt dµy 5 -20 m; cã ®é cøng cao, kh¶ n¨ng chèng rØ tèt, kh¶ n¨ng
hÊp phô tèt (xem h×nh) => nhuém mµu trang trÝ ®Ñp , hoÆc lµm nÒn cho líp s¬n
CÊu tróc tæ ong íp « xy ho¸ bÒ mÆt nh«m
c. ¤ xy ho¸ s¾t thÐp:
i. Nhuém ®en:
- Nhuém ®en lµ c«ng nghÖ « xy ho¸ bÒ mÆt s¶n phÈm s¾t, thÐp trong m«i tr-
êng kiÒm (NaOH) chøa chÊt « xy hãa NaNO2 víi nhiÖt ®« kho¶ng 110 0C. Mµng «
xyt s¾t tõ (Fe3O4) cã mµu ®en hoÆc xanh ®en.
- ChiÒu dµy: 0,6 – 1,5 m cã kh¶ n¨ng n©ng cao ®é bÒn ¨n mßn, mµi mßn
nhng kh«ng cao, trang trÝ...( xÝch lÝp, dông cô ®o, vò khÝ...)
ii. Phèt ph¸t ho¸:
- Lµ c«ng nghÖ xö lý s¶n phÈm s¾t thÐp trong dung dÞch muèi phèt ph¸t
nh»m t¹o ra trªn bÒ mÆt mét líp phèt ph¸t Fe –Zn – Mn dµy 5 -20 m.
- Líp phñ phèt ph¸t cã ®é bÒn ¨n mßn cao gÊp 2 -10 lÇn líp « xy ho¸,
- Cã ®é dÝnh b¸m ch¾c, ®é xèp kh¸ cao cã kh¶ n¨ng hÊp phô tèt => lµm líp
nÒn cho s¬n rÊt tèt (xe m¸y, « t«...).
- Cã kh¶ n¨ng c¸ch ®iÖn tèt => xö lý c¸c l¸ t«n silÝch trong biÕn thÕ.
