MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Các lớp phủ cứng (hard coatings) chế tạo từ vật liệu Crôm (Cr) hay
Titan (Ti) được sử dụng làm lớp bảo vệ các bề mặt khỏi sự cào xước,
mài mòn nhằm tăng tuổi thọ của chi tiết máy và cơ khí. Lớp phủ bằng
CrN và TiN đều có độ cứng cao (1800  2100 HV) có khả năng chống
mài mòn tốt, hầu như không chịu ảnh hưởng bởi môi trường hóa học,
với hệ số ma sát tương đối nhỏ (~0,45). Một ưu điểm nổi bật của lớp
phủ CrN là khả năng chịu nhiệt cao. Trong khi lớp phủ TiN chỉ làm
việc an toàn ở nhiệt độ 400  450 0C, lớp phủ CrN có thể làm việc
được ở mức 700  750 0C.
Trên thế giới hiện nay, lớp phủ cứng được sử dụng trong chế tạo
khuôn mẫu để tăng cao tuổi thọ, tăng chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên,
các kết quả nghiên cứu được công bố hầu hết tập trung vào các tính
năng cơ bản của lớp phủ trên vật liệu nền và trong điều kiện phòng thí
nghiệm. Công nghệ chế tạo các lớp phủ cứng từ vật liệu Crôm lên bề
mặt khuôn mẫu là bí quyết riêng của các công ty và không được công
bố.
Đối với nước ta, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công
nghệ cao, có giá trị gia tăng cao, có tầm ảnh hưởng lớn đối công nghiệp
cơ khí chế tạo và phụ trợ, và với sự phát triển kinh tế xã hội nói chung.
Hầu hết những loại khuôn có độ chính xác cao sử dụng trong công
nghiệp phụ tùng ô tô, xe máy … các doanh nghiệp đều phải nhập ngoại
với giá thành lên tới hàng trăm triệu đồng/bộ.
Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp
phủ cứng nitrit trên cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng
cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao, hệ số ma sát nhỏ, giảm mòn
do ma sát không hình thành lẹo dao khi gia công… Khả năng ứng dụng
các lớp phủ cứng cho khuôn đúc áp lực nhằm nâng cao tuổi bền, giảm
ma sát mài mòn, và chống bám dính cho bề mặt còn để ngỏ, trong khi
khuôn đúc áp lực chiếm tỷ phần sản phẩm lớn, thị phần cao tại Việt

áp lực.
+ Đánh giá các chỉ tiêu tính chất của lớp phủ trong phòng thí
nghiệm và thực tiễn sản xuất.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng quy trình công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN và TiN trên
chốt tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực bằng phương pháp PVD là cơ sở
khoa học để nghiên cứu phát triển tạo lớp phủ bằng công nghệ này.
- Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm tạo lớp phủ
CrN đã chỉ ra mức độ ảnh hưởng lớn nhất của lưu lượng khí tiếp theo
là tần số xung và nhiệt độ đế.
3.1. Ý nghĩa thực tiễn
- Đưa công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn
đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm có thể là cơ sở áp dụng vào khuôn
đúc áp lực khác nhau.
- Phương trình hồi quy thực nghiệm xây dựng được có thể dùng để
2


lựa chọn thông số công nghệ chế tạo lớp phủ trên chốt trong khuôn
đúc áp lực phù hợp điều kiện sản xuất.
- Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trong luận án có
thể làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và trong giảng dạy.
4. Những kết quả mới
- Đã xây dựng được công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN, TiN trên
chốt trong khuôn đúc áp lực sản phẩm nhôm - kẽm.
- Đã tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính tạo lớp CrN bằng
phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron là lưu lượng khí N2
= 7,23 cm3/phút, tần số xung = 120,5 kHz và nhiệt độ đế = 294,6 0C
trên cơ sở hai phương trình hồi quy thực nghiệm.

dòng kim loại nóng chảy là nguyên nhân gây ra: (a) mỏi cơ, nhiệt, bởi
tác động nhiệt trên bề mặt của khuôn; (b) ăn mòn và hàn dính do quá
trình oxy hóa nhôm với bề mặt khuôn (c) xói mòn do dòng kim loại
lỏng; (d) hỏng khốc liệt do sốc nhiệt; (e) nhiệt làm nóng vật liệu khuôn,
làm cho tính chất cơ học bất ổn.
Mô hình lớp phủ ứng dụng cho khuôn đúc áp lực
Mô hình lớp phủ tối ưu với độ dày lớp phủ thiết kế từ 5  8 μm,
bao gồm:
- Biến đổi bề mặt nền: thấm nitơ bề mặt thép khuôn để tăng độ cứng
của nền và tăng khả năng hỗ trợ cơ học cho lớp phủ.
- Lớp dính bám: một lớp Cr hoặc Ti mỏng (100  200 nm) để tăng
độ dính bám của lớp phủ lên bề mặt nền.
- Lớp trung gian: thay đổi liên tục từ lớp dính bám đến lớp làm việc
để tạo điều kiện điều tiết các ứng suất nhiệt dư được tạo ra bởi quá
trình đúc.
- Lớp làm việc: lớp làm việc có khả năng chống mòn tốt, chống
oxy hóa và phải trơ hóa học (không thấm ướt) với nhôm.
1.3. Phương pháp chế tạo lớp phủ cứng
Để tạo các lớp phủ cứng có gốc kim loại lên đế kim loại thì phương
pháp phún xạ một chiều magnetron lại có ưu thế hơn cả về phương
diện kinh tế và phương pháp công nghệ. Tuy nhiên, đây là phương
pháp có mức độ ion hoá thấp, phân bố không gian của plasma phụ
thuộc nhiều vào từ trường của đầu magnetron.
Phương pháp hồ quang chân không cho tốc độ tạo lớp phủ nhanh,
tuy nhiên nhược điểm lớn nhất là tạo hạt macro trên bề mặt, ảnh hưởng
đến độ đồng đều và cấu trúc lớp phủ.

Hình 1.34. Sơ đồ nguyên lý của một
hệ phún xạ DC magnetron


5


- Độ chân không buồng: 6x10-2 Pa
- Khoảng cách bia-mẫu: 100 mm
- Lưu lượng khí Argon: 10 cm3/phút
- Điện áp nguồn xung một chiều 350 V
- Dòng phún xạ: 1 A
- Thiên áp đế: -150 V
- Thời gian lắng đọng: 10 phút
2.2.4.2. Xác định bộ thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN bằng
phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron
Từ các thông số thiết bị, điều chỉnh các thông số và ảnh hưởng các
thông số đến quá trình chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 xác
định giới hạn phạm vi điều chỉnh, khảo sát ảnh hưởng của các thông
số đến tính chất lớp phủ CrN trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61
(Nacentech)

6


2.3. Công nghệ chế tạo lớp phủ TiN và CrN bằng phương pháp hồ
quang chân không
2.3.2.2. Xác định thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN
Quy trình chế tạo lớp phủ TiN với các thông số công nghệ tối ưu
của thiết bị Dreva Arc 400-VTD được áp dụng cho lắng đọng lớp phủ
TiN trên nền thép SKD61 trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 sử
dụng thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD (Nacentech)

CrN bằng phương pháp phún xạ một chiều trên thiết bị chân
không B30-VTD
3.1.2. Xác định chiều dày và tốc độ lắng đọng lớp phủ CrN
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số
xung đến chiều dày và tốc độ lắng đọng của lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 (Nacentech)
Chiều dày lớp phủ CrN
Tốc độ lắng đọng CrN
Lưu lượng
(m)
(m/phút)
khí N2
Tần số xung (kHz)
Tần số xung (kHz)
3
(cm /phút)
50
100
150
50
100
150
4
7,1
5,7
5,2
0,079
0,063
0,058
6

- Trong khảo sát cấu trúc tinh thể lớp phủ CrN trên nền thép SKD61
cho thấy: ở lưu lượng khí 6 cm3/phút và tần số xung 100 kHz định
hướng mặt tinh thể lớp phủ theo mặt (200) rõ ràng.

(a) N2 = 4 (cm3/phút), (b) N2 = 6 (cm3/phút), và (c) N2 = 8 (cm3/phút)

Hình 3.5. Kết quả thực nghiệm đo phổ nhiễu xạ XRD lắng đọng lớp phủ
CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung (f) khác nhau

3.1.4. Độ cứng lớp phủ
Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung thay đổi (Nacentech)
Lực thử
(mN)

Lưu lượng
khí N2
(cm3/phút)

Độ cứng (HV)
Tần số xung (kHz)

825
825

4

50
2406,25


đổi là 100 0C độ cứng tăng khi tần số xung tăng 50  150 kHz, ở 200
0
C độ cứng tăng sau đó giảm xuống khi tần số xung tăng 50  150
kHz, ở 300 0C độ cứng giảm sau đó tăng lên khi tần số xung tăng 50 
150 kHz.

10


Bảng 3.5. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 với tần số xung và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech)
Độ cứng (HV)

Tần số
xung
(kHz)

Lực thử
(mN)

Nhiệt độ đế (0C)

825
825

50

100
2075,17


khí N2
(cm3/phút)

Độ cứng (HV)
Nhiệt độ đế (0C)

825
825

4

100
2175,18

200
2269,80

300
2128,72

6

1960,59

2128,72

2078,15

825



d0

(3.2)

Trong đó: f ứng suất theo mặt tinh thể, E mô đun đàn hồi, d
11


khoảng cách mạng không có ứng suất, d0 khoảng cách mạng chứa ứng
suất,  hệ số Poisson.
Bảng 3.8. Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ
CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung thay đổi
(Nacentech)
Ứng suất mặt (200) (GPa)
Lưu lượng khí
Tần số xung (kHz)
N2 (cm3/phút)
50
100
150
4
0,48
0,48
6
- 0,97
- 3,87
- 4,11
8
- 1,93

100
200
300
50
-0,97
-1,21
-0,97
100
0,48
-3,87
0,48
150
-0,73
0,48
-4,11

- Ứng suất mặt (200) của lớp phủ CrN chế tạo bằng phương pháp
phún xạ xung một chiều magnetron chủ yếu là ứng suất nén dư, phụ
thuộc vào lưu lượng khí N2 đưa vào trong quá trình lắng đọng.
- Trong nghiên cứu lớp phủ CrN trên nền thép SKD61, ứng suất
mặt tinh thể (200) được xác định. Ứng suất mặt (200) thay đổi phụ
thuộc vào sự thay đổi của cả 3 thông số là lưu lượng khí N2, tần số
xung và nhiệt độ đế.
12


3.1. Tối ưu hóa các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên
nền thép SKD61 bằng thiết bị B30-VTD
3.1.1. Quy hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao
Chọn các yếu tố ảnh hưởng chính

= (Z1max + Z1min)/2 = (150 + 50)/2 = 100 kHz
= (Z2max - Z2min)/2 = (8 + 4)/2 = 6 cm3/phút
= (Z3max + Z3min)/2 = (300 + 100)/2 = 200 0C
Z1 = (Z1max - Z1min)/2 = (150 - 50)/2 = 50 kHz
Z2 = (Z2max - Z2min)/2 = (8 - 4)/2 = 2 cm3/phút
Z3 = (Z3max - Z3min)/2 = (300 - 200)/2 = 100 0C
Từ phương trình 3.4 thu được ma trận thực nghiệm kế hoạch bậc
hai trực giao với k = 3. Phương trình hồi quy (3.4) có dạng:
= 2056.011 − 54.271 − 181.375 − 68.218
(3.15)
độ ứ
ứ

ấ

+ 51.923
+ 49.967( − 0,73)
− 64.336( − 0,73) + 48.359( − 0,73)
= −1,682 − 0,814 − 0,323 − 0,086 + 0,489
+ 1,398( − 0,73) + 1,591( − 0,73)
+ 0,524( − 0,73)

(3.16)

Đối với độ cứng: Mô hình (3.15) tương hợp với thực tế. Mô hình
hóa dạng 3D độ cứng lớp phủ chịu ảnh hưởng bởi các thông số công
nghệ chế tạo tần số xung, lưu lượng khí N2, và nhiệt độ đế thể hiện
trên hình 3.12, 3.13 và 3.14.
Từ các mô hình 3D ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo
tần số xung, lưu lượng khí N2, và nhiệt độ đế đến độ cứng lớp phủ CrN


2000

1800
1600

50

4

7

B: Lưu Lượng khí nitơ (sccm)

130
8

4
150

250
90

70
90

6

1600



200

110

C: Nhiệt độ đế (0C)

6
250
300

100

Hình 3.13. Mô hình
hóa dạng 3D ảnh
hưởng của nhiệt độ đế
và tần số xung đến độ
cứng của lớp phủ CrN

7B: Lưu Lượng khí nitơ (sccm)
8

Hình 3.14. Mô hình
hóa dạng 3D ảnh
hưởng của nhiệt độ đế
và lưu lượng khí N2
đến độ cứng của lớp
phủ CrN

Đối với ứng suất:


150

Hình 3.15. Mô hình
hóa dạng 3D ảnh
hưởng của lưu lượng
khí N2 và tần số xung
đến ứng suất mặt
(200) của lớp phủ CrN

0

-1
-2
-3
-4
-5

50
70

100
90

150
200
130

250


-1
-2
-3
-4
-5
4
100

5
150

6
200

B: Lưu Lượng khí nitơ (sccm)
7

250

C: Nhiệt độ đế (0C)

300

8

Hình 3.17. Mô hình hóa
dạng 3D ảnh hưởng của
nhiệt độ đế và lưu lượng
khí N2 đến ứng suất mặt
(200) của lớp phủ CrN


Hình 3.20. Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ
CrN ảnh hưởng bởi nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2

Từ bảng 3.15 kết quả tối ưu thông số công nghệ chế tạo đối với
độ cứng và ứng suất mặt (200) của lớp phủ CrN là giống nhau. Tiến
hành thực nghiệm ba lần kiểm tra, so sánh kết quả theo mô hình và
thực nghiệm. Điều kiện tối ưu và cơ tính lớp phủ CrN được trình
bày trên bảng 3.16.

15


Bảng 3.15. Kết quả tối ưu công nghệ chế tạo lớp phủ CrN
Thông số
Cơ tính
Lưu lượng
Tần số
Nhiệt độ
Độ cứng
Ứng suất mặt
khí N2
xung (kHz)
đế (0C)
(HV)
(200) (GPa)
3
(cm /phút)
120,5
7,23

-3,79

Kết quả thí nghiệm cho thấy mô hình hồi quy là phù hợp, lớp phủ
CrN trên nền thép SKD61 ổn định có độ cứng đạt được từ 1978,25 
2053,67 HV và ứng suất mặt tinh thể (200) từ -3,72  3,85 GPa với
các thông số công nghệ tối ưu là lưu lượng khí N2 7,23 cm3/phút, tần
số xung 120,5 kHz, nhiệt độ đế 294,6 0C.
3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo

Hình 3.21. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến độ cứng (a)
và ứng suất mặt (200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61

16


Hình 3.22. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến độ cứng (a) và
ứng suất mặt (200)(b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61

Hình 3.23. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến độ cứng (a)
và ứng suất mặt (200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61

Trên hình 3.21a là đồ thị biểu diễn điểm tối ưu độ cứng lớp phủ
CrN có giá trị 2008,9 HV với điểm tối ưu nhiệt độ 294,6 0C, đường
nét liền (màu đen) thể hiện giá trị độ cứng với lưu lượng khí N2 = 4
cm3/phút, đường nét liền (màu đỏ) thể hiện giá trị độ cứng với lưu
lượng khí N2 = 8 cm3/phút khi tần số xung thay đổi từ 50  150 kHz.
Với một điểm (điểm “A” hình 3.21a) trong đồ thị xác định được giá
trị độ cứng 2110 HV và giá trị của tần số xung 96 kHz, giá trị lưu
lượng khí N2 = 4,5 cm3/phút. Thông qua giá trị độ cứng lựa chọn điểm
“A” đồ thị hình 3.21a xác định được giá trị ứng suất mặt (200) của lớp

− 16.084 + 0,005

độ ứ

− 4.174

+ 0.260

+ 0.02

Ứng suất mặt (200) lớp phủ:
ứ

ấ

= 22,45 − 0,147 − 4,935 − 0,032
+ 0,398 + 0,000052

+ 0,0001

+ 0,0006

Từ phương trình thực nghiệm trên cho thấy thông số ảnh hưởng lớn
nhất là lưu lượng khí N2, thứ hai là tần số xung và nhiệt độ đế.
2. Bằng phương pháp hồ quang chân không đã tạo được lớp phủ
TiN trên chốt tạo lỗ trong khuôn với bộ thông số công nghệ tối ưu như
sau: Lưu lượng khí Ar = cm3/phút, lưu lượng khí N2 = 250 cm3/phút ,
điện áp nguồn hồ quang = 20 V, dòng điện nguồn hồ quang = 60 A,
thiên áp đế = -100 V, nhiệt độ đế = 150 0C.
18

vòng ôm đúc hợp kim nhôm; Máy đúc áp lực buồng nóng ZDC -150
sử dụng khuôn đúc áp lực giá đỡ đúc hợp kim kẽm.
Chế tạo lớp phủ
- Lớp phủ CrN chế tạo bằng phương pháp phún xạ xung một chiều
19


magnetron: Lớp phủ có hợp thức Cr1N1, độ cứng lớp phủ  2000 HV,
lớp phủ có cấu trúc tinh thể định hướng theo mặt (200), ứng suất mặt
tinh thể (200)  3,79 GPa, chiều dày lớp phủ 4,2  7,1 m.
- Lớp phủ CrN và TiN chế tạo bằng phương pháp hồ quang chân
không: Lớp phủ CrN có hợp thức gần Cr1N1, chiều dày lớp phủ 1,31
µm, hệ số ma sát 0,415; Lớp phủ TiN có hợp thức T1N1, chiều dày lớp
phủ 1,52 µm, hệ số ma sát 0,441.
4.3. Thử nghiệm trong sản xuất
4.3.1. Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ trên khuôn đúc áp lực
vòng ôm
Mòn trên chốt không phủ

Hình 4.15. Dòng kim loại tác động lên chốt trong quá trình làm việc
a) Dòng kim loại vào khuôn; b) Tiết diện dòng chảy bị thu hẹp
c) Vị trí mòn trên chốt không phủ; d) Vị trí mòn trên chốt có phủ

Bề mặt khuôn đúc bị mòn trong quá trình làm việc nguyên nhân là
do sự hoà tan và mất vật liệu khuôn vào kim loại lỏng. Quá trình hàn
dính kim loại đúc trên bề mặt khuôn không phủ theo cơ chế hoá lý.
Trong quá trình làm việc nhôm bám dính trên bề mặt chốt, các lớp
mỏng hình thành liên kim với vật liệu nền. Lớp dính bám ảnh hưởng
xấu đến độ bóng bề mặt vật đúc hoặc gây xước bề mặt.
Mòn trên chốt phủ TiN

Hồ quang
chân không

Mẫu thử
loại 3

Nhôm
ADC6
Nhôm
ADC6

Mẫu thử
loại 4

Nhôm
ADC6

Số sản phẩm
(chi tiết)
58.000 
60.000
40.000 
45.000
45.000 
50.000

Đối chứng 2

Nhôm
ADC6

tiết giá đỡ
Bảng 4.5. Số lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật trong quá trình thử
nghiệm chốt có phủ và không phủ trên khuôn giá đỡ
Phương
Loại chốt
Vật liệu
Số sản phẩm
Loại chốt
pháp phủ
thử nghiệm
đúc
(chiếc)
Hồ quang
Kẽm
48.000 
Mẫu thử
Phủ TiN
loại 5
chân không
ZDC2
50.000
Xử lý bề mặt
bằng phương
33.000 
Đối chứng
Kẽm
2
ZDC2
pháp truyền
35.000

đúc
đạt được
(phút)
không
Nhôm
58.000 
Magnetron
CrN
260
1
ADC6
60.000
Hồ
quang
45.000 
Nhôm
CrN
95
48
ADC6
chân không
50.000
Hồ
quang
Nhôm
40.000 
TiN
95
48
chân không

3. Từ ứng dụng kết quả luận án vào thực tiễn sản xuất đã mở ra khả
năng áp dụng công nghệ tạo lớp phủ cứng trên bề mặt chi tiết trong
khuôn đúc áp lực.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
KẾT LUẬN
1. Nghiên cứu các yếu tố gây ra hỏng khuôn đúc áp lực và các giải
23


pháp khắc phục trong đó chọn giải pháp phủ PVD. Tìm hiểu cơ
chế hoạt động của khuôn đúc áp lực bao gồm cả các chốt tạo lỗ
trong khuôn.
2. Xây dựng được quy trình công nghệ tạo lớp phủ trên bề mặt chốt
tạo lỗ trong khuôn từ vật liệu SKD61 bằng phương pháp phún
xạ và hồ quang chân không.
3. Sử dụng thực nghiệm Box-Willson xây dựng được phương trình
hồi quy thực nghiệm tạo lớp phủ cứng CrN bằng phương pháp
phún xạ xung một chiều magnetron.
Độ cứng lớp phủ:
= 294.932 − 5.0834
+ 0.260

độ ứ

+ 50.398 − 4.174
+ 0.02 − 16.084 + 0,005

Ứng suất mặt (200) lớp phủ:
ứ