làm vi?c v?i ngo?i qu?c: nh?ng di?u c?n bi?t · làm thay đổi những tính chất cơ bản...

Trịnh Thuận Thông 1

khkt

Vaccum Deposition Technology – An Introduction

Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG

2

Nội dungkhkt

• Nhiệm vụ và chức năng của bề mặt (surface functionality )

• Khái quát về “ Mạ “ ( overview about coatings )

• Phương pháp mạ chân không:

• nguyên tắc vật lý (background )

• những tính chất cơ bản của lớp mạ chân không ( properties )

• những ứng dụng của phương pháp mạ chân không ( applications )

• hướng phát triển trong tương lai ( future trends )


3

khkt

Corrosion Thermal Electrical Friction WearDifferent Mechanisms

Nhiệm vụ và chức năng của bề mặt( Overview of surface functionality )

Trong điều kiện hoạt động bình thường, tất cả sản phẩm hay cơ phận máy móc đều phải chịu sự tác động dưới nhiều hình thức như môi trường, nhiệt, điện trường, ma xát, va chạm,…

Tất cả những yếu tố này đều xảy ra trên bề mặt và tạo ra những biến dạng ở bề mặt thí dụ như rỉ sét ( corrosion ), ăn mòn ( oxidation ), bào mòn ( scuffing ), xói mòn ( abrasion ),… từ đólàm thay đổi những tính chất cơ bản của bề mặt và sức chịu đựng của vật liệu. Theo thời gian năng suất ( performance ) bị giảm nhanh và hệ quả là tuổi thọ ( life time ) bị chấm dứt.

Những kỷ thuật kiến tạo bề mặt ( surface modification ) đã đề ra những đáp án hửu hiệu ( economic solutions ) không những để nâng cao tuổi thọ và năng suất mà còn làm cho sản phẩm có thể đảm nhận những chức năng mới nhiều lần cao hơn những chức năng củ.


4

khkt

+ 1300 mV

Một thí dụ: sản phẩm bị rỉ sét dưới tác dụng của môi trường

corrosion


5

khkt Kiến tạo bề mặt

•Removing Material

•Change of the structure of the top surface

•Adding material in to the surface

•Adding material on top of the surface

•Combinations of above mentioned

Surface modification• Bào, gọt, dủa, đánh bóng,..

• Thay đổi cấu trúc của bề mặt

thí dụ như trui, rèn, …

• Biến dạng nguyên liệu bề mặt

thành hợp kim

• Mạ bề mặt bằng những hợp

kim khác

• Kết hợp nhiều phương pháp


6

khkt

T h e r m a l S p r a yF l a m e ; S p r a y & F u s e ; P l a s m a

A r c ; L o w p r e s s u r e P l a s m a ;D e t o n a t i o n G u n ; E l e c t r i c A r c

W e l d i n g F l a m e ; E l e c t r i c A r c ; P l a s m a A r cH a r d F a c i n g

C l a d d i n g D e f o r m a t i o n ; D i f f u s i o n ; B r a z i n g ;W e l d i n g ; L a s e r

P h y s i c a l V a p o u r E v a p o r a t i o n ; I o n P l a t i n g ;S p u t t e r i n g

C h e m i c a l V a p o u r C V DV a p o u rD e p o s i t i o n

P h y s i c a l - C h e m i c a l V a p o u rP l a s m a - E n h a n c e d C V D ; R e a c t i v eP u l s e d P l a s m a ; C h e m i c a l V a p o u r

P o l y m e r i s a t i o n

C o a t i n g s

M i s c e l l a n e o u sT e c h n i q u e s

A t o m i s e d l i q u i d s p r a y ; D i p ;F l u i d i s e d - B e d ; S p i n - o n ; S o l - g e l ;

S c r e e n i n g & L i t h o g r a p h y ;E l e c t r o c h e m i c a l ; C h e m i c a l

c o n v e r s i o n ; I n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ; S p a r k H a r d e n i n g

T h e r m a lI n d u c t i o n ; F l a m e ; L a s e r ; E l e c t r o n

B e a m ; C h i l l C a s t i n g ; W o r kH a r d e n i n gM i c r o - s t r u c t u r a l

M e c h a n i c a l C o l d w o r k i n g

D i f f u s i o n

C a r b u r i s i n g ; C a r b o n i t r i d i n g ;N i t r i d i n g ; N i t r o c a r b u r i s i n g ;

B o r i d i n g ; C h r o m i s i n g ;A l u m i n i s i n g ; S i l i c o n i s i n g ;

S h e r a r d i s i n g

T r e a t m e n t s

C h e m i c a l

I m p l a n t a t i o n I o n I m p l a n t a t i o n ; I o n B e a mM i x i n g

R e f e r e n c e : B h u s h a n , H a n d b o o k o f t r i b o l o g y m a t e r i a l s , c o a t i n g s a n d s u r f a c e

t r e a t m e n t s

Surface modification

Những phương pháp kiến tạo bề mặt


7

khktKhái quát về « Mạ « / 1( overview about coatings )

• Mạ nói chung là bao gồm những phương pháp kiến tạo

trên bề mặt bằng những nguyên liệu hay hợp kim khác

• Nhiệm vụ chính của những lớp mạ này là bảo vệ bề mặt

chống lại những ảnh hưởng từ bên ngoài để sản phẩm

đáp ứng những đòi hỏi và đảm bảo được chức năng của

mình lâu dài hơn hay cao hơn như hiện nay

• Cho nên giá trị xử dụng của sản phẩm vì thế được tăng

lên gấp nhiều lần so với cùng sản phẩm không có mạ


8


• Lớp mạ ( coating, film ) được chế tạo bằng rất nhiều dạng vật

liệu hay nguyên liệu có gốc từ kim loại hay không kim

loại, thí dụ như những phương pháp sơn ( lacques ) thường

thấy

• Những lớp mạ có gốc kim loại sẽ làm cho sản phẩm

được mạ có một bề mặt mới rất cứng, bảo vệ và chống

lại tất cả những yếu tố tác động từ bên ngoài. Vật liệu

gốc của sản phảm chỉ làm nhiệm vụ « gánh đở » những

ngoại lực cơ khí (tách rời chức năng của bề mặt và vật

liệu gốc )


9


• Những lớp mạ kim loại thường thấy như chrome, nickel,

đồng, kẻm, …được chế tạo theo phương pháp điện giải

( electroplating ) tuy rẻ tiền, nhưng chứa nhiều chất độc có hại

cho con người và môi trường sống

• Đại đa số những phát minh mới trong lảnh vực bề mặt

là những phương pháp trừ độc hay thay thế hoàn toàn

kỷ thuật mạ điện giải như những phương pháp « phun »

( srayings ) hay mạ trong chân không ( vacuum deposition )


10

khktKỷ thuật mạ chân không / 1( Vacuum deposition technology )

• Mục đích chủ yếu của kỷ thuật mạ chân không là kiến

tạo lên trên bề mặt sản phẩm bằng từng nguyên tử kim loại

hay bằng từng phân tử của hợp kim

• Vì vậy lớp mạ phải được chế tạo trong môi trường chân

không để tránh ảnh hưởng của tạp chất. Ngoài ra chỉ

có thể thiết kế (design) lớp mạ mang những tính chất như

ý muốn trong điều kiện chân không hay plasma

• Phương pháp mạ chân không vì thế là một phương pháp

sạch ( clean )


11

khktKỷ thuật mạ chân không / 2( Vacuum deposition technology )

• Mục đích chính của những lớp mạ chân không và kim

loại xử dụng là làm cho sản phẩm được mạ đồng thời

mang nhiều tính chất khác nhau, thậm chí đối nghịch

nhau để sản phẩm có thể đãm nhận cùng một lúc nhiều

chức năng cao hơn, phức tạp hơn

• Hiệu quả là sản phẩm có năng suất (performance) cao

hơn và giá thành (cost) thấp hơn


12

khkt Những lý do khiến người ta xử dụng lớp mạ chân không

•Split in bulk- and surface properties

•High purity materials

•Highly wear resistant materials

•Tribological properties

•Corrosion resistant materials

•Esthetic reasons

•Almost no change in tolerances; thin films

•Environmentally friendly

•Stripping & re-coating are possible in most cases


13

khkt Những đặc điểm của kỷ thuật mạ chân không

Hardly no limitations in alloy compositionPossibility to tune microstructure

columnar structurehomogeneous structureamorphous structuremulti-layersnano composites

Possibility to create hard coatingsnitridescarbidesDiamond Like Carbon

Possibility to make low friction coatingsPossibility to make anti corrosion coatings

Possibilities of PVD technology( Physical Vapor Deposition )


14

khkt

C la s s if ic a t io n : E x a m p le s :

N itr id e s a n d n itr id e m u ltila y e rs C rN , T iN , T iC N , T iA lN , N b N , m u lti la y e rs e .g . C rN /N b N

C a rb id e s B 4 C , S iC , T iC

C a rb o n b a s e d s y s te m s

• N a n o c o m p o s ite s • M e -C :H M e is c a rb id e fo rm in g e le m e n t l ik e W , C r , T i, B , S i o r o th e r

• P u re D L C • C w ith re la tiv e ly h ig h fra c t io n o f s p 3 b o n d s

• M u lti la y e rs • C r /C

M e ta l A llo y s A lS n b a s e d a llo y s In c lu s io n s lik e S i o r o x id e

S u lf id e b a s e d s y s te m s M o S 2, W S 2 , M o S 2 /M e ; m e ta ls lik e A l, T i

PVD coatings

Phân loại những lớp mạ chân không


15

khkt Nguyên lý của kỷ thuật mạ chân không / 1( Basically Background )

Trong một môi trường chân không, quy trình mạ chân không được diển tả từ phải qua trái thông qua 4 gian đoạn:

1.-BỐC HƠI : ( Evaporation ) là quá trình kim loại mạđược chuyển từ thể rắn ( solid phase ) thẳng

sang thể hơi ( vapor phase )các nguyên tử của kim loại mạ (Ti=Titan) tách rời khỏi nguồn (Target) , va chạm với những điện tử hay những ion khác hiện hữu trong môi trường plasma để trở thành những ion Titan (Ti+,Ti++)

Đai cương có 4 cách để làm bốc hơi kim loại :

•Thermal evaporation: xử dụng trực tiếp nhiệt năng hay gián tiếp bằng

chùm điện tử ( electron beam)

• Sputtering: xử dụng sự bắn phá của các ion khí hiếm( thí dụ như ( Argon ) bắn các nguyên tử kim loại tách ra khỏi nguồn

• Cathodic Arc: xử dụng năng lượng điện hội tụ tại một điểm để làm cho kim loại chảy ra và bốc hơi

• Pulsed Laser :xử dụng năng lượng hội tụ của tia laser để làm cho kim loại chảy ra và bốc hơi


16

khkt Nguyên lý của kỷ thuật mạ chân không / 2( Basically Background )

2.-VẬN CHUYỄN : ( Transportation ) là quá trình cácion Ti dưới tác dụng của điện trường dichuyễn thẳng đến sản phảm mạ ( substrate )

3.-PHẢN ỨNG : ( Reaction ) là quá trình các ion Ti trong lúc vận chuyễn kết hợp với các ion của khí, thí dụ như ( N2 ) để tạo thành hợpkim TiN ( Titannitride )

4.-MẠ : ( Deposition ) là quá trình mạ hợp kim baophủ lên sản phẩm.

cùng trong quá trình này dưới tác dụng bắn phá( bombardement ) của các ion hiện hữu trongplasma hợp kim được hình thành và cải tạongay trên bề mặt của sản phảm để cho lớpmạ đạt được những tính chất như ý muốn


17

khkt Hai nguyên lý “ BỐC HƠI “

Sputtering Thermal, Arc, Laser


18

khkt Cấu tạo của một hệ thống máy mạ chân không


19

khkt Một số ứng dụng của CNMCK hiện nay

Do những tính chất đặc biệt đạt được của lớp mạ chân không như độ cứngrất cao, sức chống mòn và chống rỉ khó có kim loại nào so sánh được, chonên kỷ thuật mạ chân không đã được ứng dụng vào hầu hết các ngành côngnghệ tiên tiến như :

Công nghệ hàng không và không gian ( Aerospace )

Công nghiệp xe hơi ( Automotive )

Kỷ thuật y và nha khoa ( Surgical & Medical Devices )

Công nghiệp gia công vật liệu ( Material & Metal Processing )

Công nghệ quang học và quang điện ( Optics )

Công nghiệp dầu khí ( Oil&Gas/ Petrochemical )

Công nghiệp in và giấy ( Printing&Paper Industries )

Công nghiệp may mặc ( Textile Machinery )

Công nghệ chất dẻo ( Plastic Industries )


20

khkt Ứng dụng CNMCK trong Công nghiệp xe hơi

VW 1L- Car :

1 cylinder DI; 298 ccm

8,5 PS / 6,2 kW

Chiều dài 3,65 m

Chiều cao 1,25 m

Trọng lượng 280 kg

Tiêu thụ nhiên liệu :

0,89 Liter / 100 km


21

khkt

0

20

40

60

80

100

120

140

Stahl,phosphatiert

a-C:H a-C:H:W a-C:H:Ti a-C:H:Si

100 %

Nocke

Stößel

Hiệu quả : giảm sức ma xát ( reducing friction wear )

Cam shaft and tappet coated with DLC

Reducing friction wear:

Reducing fuel consumption (>1% )

Reducing CO2 emission ( > 2 g/km )

Increasing motor power

Increasing life time ( > 250 000 km )

Factor 12


22

khkt Ứng dụng CNMCK trong công nghệ sản xuất năng lượng

Coated gears:

• Low friction more power

• Low weight more power


23

khkt Ứng dụng CNMCK trong công nghệ gia công vật liệu( Materials & Metal Processing )

Coated tools for processing

special marerials

KollectorDrilling of glass fiber

Sawing of Cu & glass fiber mass

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

ohneSchicht

AlTiN,Metaplas

UniCut,HOT

TiCN,Bodycote

CrON,Bodycote

#of

Cut

ting-

Ope

ratio

ns Factor 5


24

khkt Ứng dụng CNMCK trong Kỷ thuật Y Khoa

Low friction

Biocopatible

More life time

Anti-sticking

More life time


25

khktun

coat

ed

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

Abl

ager

ungs

men

ge [g

] am

Ext

rusi

onsd

orn

NiP

+PTF

E(g

alv.

)

NiP

(gal

v.)

Cr (

galv

.)

CrN

(Arc

)

CrN

(Spu

tter)

Al2

O3

(Spu

tter)

SIC

ON

Segmentierte Kfz-Reifenform

Ứng dụng CNMCK trong Công nghệ chất dẻo

Anti-sticking

More tool life time

Less Production Cost

Factor 10


26

khkt Ứng dụng CNMCK trong Công nghệ chất dẻo

Messing caliber plates

0

2040

60

80

100120

140

160

uncoated Hardchrom Ionbond CrNKilo

met

ers

of m

anuf

actu

red

PVC

ca

liber

pla

tes

Steel caliber plates

0

200400

600800

1000

12001400

1600

uncoated Ionbond CrNKilo

met

ers

of m

anuf

actu

red

PVC

w

indo

w fr

ames

Plastic Extrusion ( PVC )

Coating protect:Abrasive Wear, Stick-Slip, Corrosion

More Tool Life Time

Less Production Cost

Factor 20

Factor 8


27

khkt Ứng dụng CNMCK trong Công nghiệp dầu khí

Ball-and-socket valve

Corrosion resistance

Chemiecal resistance

Wear resistance

Better sealing

Less sealing force

More life time


28

khkt Một số thị trường của CNMCKMột công bố cho thấy thị trường của CNMCK vào năm 1996 đạt 200 billion € và con số này đã không ngừng tăng lên trung bình 8% mổi năm.

Thị trường lớn nhất là “ bảo vệ bề mặt “ chiếm tỷ lệ42% bao gồm các lảnh vực hàng không và không gian, xe hơi và gia công vật liệu

Thị trường “ decorative “ bao gồm hầu hết các sản phẩm kỷ nghệ chiếm tỷ lệ 18%. CNMCK đã nâng cao giá trị sử dụng của mọi sản phảm kỷ nghệ, tiết kiệm những nguồn nguyên liệu quý hiếm như Au, Ag, Pt,…và đã góp phần rất lớn trong việc bảo vệ môi trường sống.

Thị trường quang điện chiếm tỷ lệ 15% bao gồm tất cảmọi sản phẩm từ kính (glass) thí dụ như solar celles, sun glasses, spectacles, architecture glasses, TV screens, data displays,…


29

khkt

Estimated total size PVD decorative coating

020406080

100120140160180200220240260

'80 '82 '84 '86 '88 '90 '92 '94 '96 '98 2000 ´02 ´04 ´06 ´08 ´10

in house job coating

Estimated PVD coating value automotive applications (M€)

0

20

40

60

80

´90 ´92 ´94 ´96 ´98 ´00 ´02

Year

M€

Fuel injectionJournal bearingsPiston ringsCam shaftOther

Vài thí dụ về sự tăng trưởng của thị trường CNMCK


30

khkt

Cám ơn bạn đã quan tâm vàđến với CLBKHKT của chúng tôi.


31

Thank you for your attention


32

khkt

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

làm vi?c v?i ngo?i qu?c: nh?ng di?u c?n bi?t · làm thay đổi những tính chất cơ bản...

Documents