Đặc tính cơ học của các lớp phủ AlTiN, TiAlN lắng đọng bằng phương pháp hồ quang cathode (ARC-PVD) trên nền thép không gỉ SUS304

Thép không gỉ SUS304 là một trong những vật liệu kết cấu hiện đại được sử dụng rộng rãi nhất do khả năng chống ăn mòn cao, cơ tính đạt yêu cầu, tính hàn tốt và độ dẻo cao. Bài viết khảo sát các đặc tính cơ học và khảo sát cơ chế mòn trượt dưới tải trọng vừa của các lớp phủ AlTiN và TiAlN lắng đọng trên nền SUS304.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đặc tính cơ học của các lớp phủ AlTiN, TiAlN lắng đọng bằng phương pháp hồ quang cathode (ARC-PVD) trên nền thép không gỉ SUS304 Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA CÁC LỚP PHỦ AlTiN, TiAlN LẮNG ĐỌNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỒ QUANG CATHODE (ARC-PVD) TRÊN NỀN THÉP KHÔNG GỈ SUS304 NGÔ THANH BÌNH (1), VŨ VĂN HUY (1), ĐOÀN THANH VÂN (1), HOÀNG THANH LONG (1), SERGEEV V. P. (2) 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thép không gỉ SUS304 là một trong những vật liệu kết cấu hiện đại được sử dụng rộng rãi nhất do khả năng chống ăn mòn cao, cơ tính đạt yêu cầu, tính hàn tốt và độ dẻo cao [1-4]. Tuy nhiên, khả năng chống mài mòn trượt của chúng khá hạn chế. Các chi tiết như cánh khuấy làm từ SUS304 của các thiết bị khuấy trộn thực phẩm, dược phẩm làm việc ở điều kiện ma sát khô, chịu sự cọ xát lớn và cường độ làm việc cao nên nhanh bị mài mòn làm tăng chi phí bảo trì và sửa chữa hệ thống. Khả năng chống mài mòn của vật liệu có thể được cải thiện bằng cách phủ các hệ lớp phủ cứng khác nhau, chẳng hạn như TiN, CrN, TiAlN, AlTiN hoặc AlCrN [5,6]. Các loại màng cứng TiAlN hoặc AlTiN hiện đại được sử dụng rộng rãi để phủ các dụng cụ cắt gọt hoặc các chi tiết cơ khí để giảm mài mòn cơ-hóa, mòn dính, nhờ hệ số ma sát thấp, chịu va đập cao và khả năng làm việc vượt trội ở nhiệt độ cao so với các lớp phủ khác. Nói cách khác, việc sử dụng lớp phủ AlTiN và TiAlN (với các tỷ lệ Al/(Ti+Al) khác nhau) có thể là một giải pháp hiệu quả để tăng khả năng chịu mài mòn của các chi tiết thép không gỉ làm việc trong điều kiện chịu mài mòn khắc nghiệt [7-10]. Ngoài ra, các hệ lớp phủ ba nguyên tố như TiAlN hoặc AlTiN không chỉ giúp cải thiện các đặc tính ma sát mài mòn của lớp nền mà còn có thể được sử dụng để tạo lớp bảo vệ trên các chi tiết bằng thép chịu ăn mòn và xói mòn do xâm thực. Các lớp phủ như TiAlN hoặc AlTiN được đề xuất ứng dụng trong các bộ phận của máy thủy lực, máy chính xác và ngành sản xuất động cơ như một phương pháp để ngăn ngừa xói mòn do xâm thực [11]. Trong lớp phủ nhiều thành phần như lớp phủ TiAlN, nhôm là nguyên tố thay thế cho titan, do đó cấu trúc của lớp phủ bị thay đổi do sự chênh lệch bán kính của các nguyên tử Al và Ti. Vì cấu trúc tinh thể của lớp phủ TiAlN bị biến dạng, nên ứng suất dư của lớp phủ tăng lên so với lớp phủ TiN. Kết quả là nhờ tác dụng của dung dịch rắn, giá trị độ cứng sẽ thay đổi. Mặt khác, các đặc tính ma sát mài mòn của lớp phủ cũng thay đổi do sự biến dạng cấu trúc vi mô của lớp phủ [12]. Ngoài ra, lớp phủ TiAlN có cấu trúc nano tạo thành một lớp thụ động, dày đặc để bảo vệ lớp phủ và chất nền của nó [13]. Lớp Al2O3 bảo vệ nhiệt tốt chống oxy hóa phần còn lại của lớp phủ TiAlN ở nhiệt độ cao. Lớp phủ AlTiN và TiAlN có thể dễ dàng được lắng đọng trên các vật liệu nền khác nhau và được sử dụng rộng rãi trong gia công cơ khí để giảm mài mòn do ma sát. Các lớp phủ này hoạt động tốt trong điều kiện chịu tải cao [7-10]. Tuy nhiên, cơ chế mài mòn trượt của chúng trong điều kiện tải vừa phải vẫn chưa được báo cáo đầy đủ trong các tài liệu. 158 Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022 Nghiên cứu khoa học công nghệ Mục đích của bài báo này là khảo sát các đặc tính cơ học và khảo sát cơ chế mòn trượt dưới tải trọng vừa của các lớp phủ AlTiN và TiAlN lắng đọng trên nền SUS304. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Lớp phủ AlTiN và TiAlN được lắng đọng với tỉ lệ Al/(Ti+Al) khác nhau trên nền thép không gỉ SUS304, được thực hiện trên thiết bị hồ quang cathode PfC 450, sử dụng bia AlTi 33/67 và AlTi 50/50. Mẫu kích thước 30 mm x 30 mm x 3 mm được sử dụng để chế tạo lớp phủ. Thông số công nghệ sử dụng chung cho chế tạo hai lớp phủ: Nhiệt độ buồng chân không: 500ºC, điện áp đầu hồ quang thay đổi 100- 150 A, thiên áp đế -100 V, áp suất buồng chân không 1,3 Pa. Sau khi lắng đọng, một số tính chất của lớp phủ đã được xác định. Ảnh SEM&EDS được thực hiện bằng thiết bị JEOL JSM-IT200. Độ dày lớp phủ được kiểm tra bằng thiết bị calotester kaloMAX II và đánh giá kim tương sử dụng kính hiển vi quang học Leica DMi 8M. Độ bám dính của các lớp phủ được xác định bằng thử nghiệm Rockwell theo tiêu chuẩn VDI 3198. Để mô phỏng các điều kiện ma sát dưới tải trọng trung bình, gồm 2 N, 4 N và 6 N các thử nghiệm ma sát mài mòn khô ball-on-flat cũng được thực hiện với việc sử dụng thiết bị Micro-Tribometer Bruker CETR-UMT-2. Các viên bi 100Cr6 có đường kính 4,76 mm được sử dụng làm đối trọng (couterbody). Điều kiện thực hiện thí nghiệm gồm tần số trượt 5 Hz, độ dài trượt 10 mm, tổng thời gian thử nghiệm 1000 s, thử nghiệm ở nhiệt độ phòng. Kết quả là hệ số ma sát của các lớp phủ dưới các tải trọng khác nhau được thiết bị ghi lại theo thời gian thực. Vết mòn của các mẫu được chụp bằng kính hiển vi quét laser đồng tiêu Olympus OSL 5100, các phép đo cung cấp các biểu đồ đặc trưng và cho phép xác ...