Ảnh hưởng của tấm chắn hạt macro đến hình thái của lớp phủ CrN bằng phương pháp bốc bay hồ quang ca-tôt

Nội dung text: Ảnh hưởng của tấm chắn hạt macro đến hình thái của lớp phủ CrN bằng phương pháp bốc bay hồ quang ca-tôt

1. JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol. 1, Issue 2, April 2021, 136-140 Ảnh hưởng của tấm chắn hạt macro đến hình thái của lớp phủ CrN bằng phương pháp bốc bay hồ quang ca-tôt The Effect of Macro-Particle Blocking Plate on the Morphology of Coated CrN Film by Arc Cathodic Evaporation Method Trịnh Văn Trung Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Email: trung.trinhvan@hust.edu.vn Tóm tắt Các hạt macro thường ảnh hưởng không tốt đến tính chất của các lớp phủ chế tạo bằng phương pháp bốc bay hồ quang ca-tôt. Để hạn chế các hạt này hình thành trên các lớp phủ có thể dùng các tấm chắn để lọc chặn bớt chúng. Các tấm chắn hình đĩa có đường kính Df khác nhau sẽ ảnh hưởng đến số lượng các hạt macro và tốc độ phủ màng. Cấu trúc, hình thái của các hạt macro và màng phủ được khảo sát bằng các thiết bị hiển vi quang học, hiển vi quang học soi nổi, hiển vi điện tử, phổ tán sắc năng lượng EDS và nhiễu xạ XRD. Kết quả khảo sát cho thấy việc sử dụng các tấm chắn với kích thước càng lớn giúp làm giảm mật độ các hạt macro nhưng cũng làm suy giảm chiều dày màng phủ và tốc độ phủ lớp màng CrN. Từ khóa: Bốc bay hồ quang ca-tôt, CrN, hạt macro, tấm chắn, SUS420 Abstract Macro-particles often have a negatively affect on the properties of the coatings fabricated by arc cathodic evaporation. To prevent these macro-particles forming on the coating, a blocking plate can be used to filter out them. Disc-shaped blocking plates with different diameters of Df influence the number of macro-particles and the deposition rate of the coating film. The structure and morphology of macro-particles and coatings were investigated by optical microscope, stereoscopic optical microscope, electron microscope, energy dispersive spectrum (EDS), and XRD spectrum. The results show that the use of a larger diameter of the blocking plate reduces the density of macro-particles but also reduces the thickness of the coating as well as deposition rate of CrN film. Keywords: Arc cathodic evaporation, CrN, macro-particle, blocking plate, SUS420 1. Giới thiệu* phủ. Các hạt này thường có kích thước lớn và dễ bong tróc làm ảnh hưởng xấu đến đặc tính bề mặt của Thép không gỉ họ martensite như SUS420 lớp phủ như độ cứng, tính bám dính và khả năng thường được sử dụng làm một số dụng cụ như dao, chống ăn mòn của lớp phủ [5]. Một số nghiên cứu đã kéo, khuôn ép nhựa, nhờ đặc tính có tính chống ăn sử dụng các thiết bị phủ có cơ chế lọc bằng từ trường mòn tương đối tốt và có khả năng hóa bền bằng nhiệt để hạn chế các hạt macro này tạo thành trên lớp phủ luyện. Một số nghiên cứu đã áp dụng thêm các lớp tuy nhiên thường thiết bị có giá thành cao [6-7]. phủ nitơrit nhằm nâng cao đặc tính bề mặt và khả năng bảo vệ cũng như tuổi thọ cho chi tiết làm từ thép Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng các không gỉ loại này [1-4]. Một trong các phương pháp tấm chắn đặt giữa “đường đi” của hơi vật liệu bốc bay thông dụng đó là sử dụng phương pháp hồ quang ca- từ bề mặt bia vật liệu phủ đến bề mặt mẫu hay chi tiết tôt để tạo ra môi trường plasma có nhiệt độ cao làm cần phủ trong các thiết bị bốc bay hồ quang ca-tôt hóa hơi bia vật liệu kim loại như Cr, Ti hoặc Zr và truyền thống có giá thành rẻ hơn vì không có cơ chế ion hóa các kim loại trên cũng như các khí phản ứng lọc từ tính như các thiết bị cao cấp khác. Việc thay đưa vào như nitơ để tạo ra các màng phủ hệ nitơrit có đổi kích thước của tấm chắn lọc (với các tỷ lệ đường độ cứng cao cho các bề mặt được phủ bảo vệ [1]. Tuy kính của tấm chắn so với đường kính của bia Cr là nhiên, một trong các nhược điểm chính của phương Df/Dt khác nhau) làm ảnh hưởng đến mật độ và tốc độ pháp này đó là vì hồ quang tạo ra nhiệt độ quá cao tạo màng phủ nói chung của phương pháp nên sẽ nên có thể làm bốc bay cả “cụm” vật liệu kim loại được khảo sát trong nghiên cứu này. trên bề mặt bia và các cụm này thường có kích thước 2. Thực nghiệm lớn và bốc bay đến bề mặt cần phủ để tạo ra các hạt lớn được gọi là hạt macro hoặc micro-droplet ở lớp Thép martensite SUS420 có thành phần hóa học như trong bảng 1 được gia công cắt thành các mẫu ISSN: 2734-9381 kích thước 20x10 mm. Sau đó được nhiệt luyện: ủ với nhiệt độ 880 oC và giữ nhiệt trong 1 giờ, tôi ở Received: March 05, 2020; accepted: March 12, 2021 nhiệt độ 1030∅ oC trong 1 giờ bằng lò chân không và 136
2. JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol. 1, Issue 2, April 2021, 136-140 làm nguội bằng khí động (khí nitơ), cuối cùng được Các mẫu sau khi phủ được đem đi phân tích ram ở 550 oC trong 2 giờ. Độ cứng sau khi nhiệt XRD bằng thiết bị X pert PRO, chụp ảnh FE-SEM luyện theo quy trình trên đạt trung bình khoảng 46 hình thái lớp phủ với các hạt macro và vi phân tích HRC thích hợp với một số ứng dụng khuôn mẫu EDS thành phần hóa học bằng thiết bị JSM-7001FA, trong ngành ép nhựa. chụp ảnh và phân tích độ nhám bề mặt bằng thiết bị kính hiển vi quang học kỹ thuật số (kính hiển vi soi Bảng 1. Thành phần hóa học của thép SUS420 nổi) Keyence VHX – 6000. Nguyên tố C Si Cr Mo Ni Mn N P S % khối 0,36 0,46 12,84 0,28 0,17 0,78 0,17 0,02 0,01 lượng Các mẫu sau nhiệt luyện được đem đi mài bằng giấy ráp từ thô tới mịn (#100, #240, #600, #800, #1000 và #1500), sau đó được đánh bóng bằng máy đánh bóng cơ học dạng đĩa có tốc độ quay tối đa 600 vòng/phút sử dụng dung dịch mài Al2O3. Các mẫu sau đánh bóng được làm sạch bằng nước và máy rung siêu âm với acetone rồi sấy khô bằng khí Ar. Mẫu sau đó được đem đi phủ CrN bằng thiết bị phủ PVD hệ hồ quang ca-tôt (Dreva Arc 400, Đức). Khi hoạt động thì hệ thống sẽ tạo ra môi trường Hình 1. Sơ đồ bố trí tấm chắn giữa bia và mẫu. plasma có nhiệt độ rất cao làm bốc bay, hóa hơi và ion hóa bia vật liệu kim loại cũng như ion hóa các khí Bảng 2. Các thông số chính của quá trình làm sạch bề phản ứng như nitơ được đưa vào buồng bốc bay. mặt và phủ CrN lên bề mặt mẫu Đồng thời cũng có thể tạo ra các các cụm vật liệu lớn Quá trình làm sạch gọi là các hạt macro. Các ion kim loại và ion nitơ có thể kết hợp hay lắng đọng lên bề mặt mẫu đặt ở trong Tên thông số Giá trị buồng bốc bay để tạo thành lớp phủ. Nếu không có cơ Lưu lượng khí Ar 60 sccm chế ngăn chặn thì các hạt macro cũng có thể bay tới bề mặt mẫu cần phủ và ảnh hưởng đến chất lượng lớp Dòng hollow cathode 120 A phủ. Thiên áp (BIAS) -22 V Sơ đồ bố trí tấm chắn được mô tả trên hình 1. Thời gian gia nhiệt 15 phút Tấm chắn bằng thép C45, dạng đĩa, dày 5 mm, có Quá trình phủ đường kính Df được bố trí đặt giữa “đường đi” của hơi vật liệu bốc bay từ bề mặt bia vật liệu phủ là crom Loại bia sử dụng Cr (99,95%) (Cr) và bề mặt mẫu thép SUS420 trong buồng phản Thời gian gia nhiệt 15 phút ứng của thiết bị bốc bay hồ quang ca-tôt. Các hạt o macro thường trung hòa về điện hoặc có khối lượng Nhiệt độ buồng phủ 300 C lớn nên quỹ đạo chuyển động sau khi thoát ra từ bề Thời gian phủ 30 phút mặt bia vật liệu thường đi thẳng nên có thể bị chặn lại Thiên áp (BIAS) -30 V bởi tấm chắn có thể không đến được được bề mặt mẫu phủ tùy thuộc vào tương quan tỷ lệ đường kính Lưu lượng khí N2 350 sccm tấm chắn Df so với đường kính bia Db. Ngược lại, các Lưu lượng khí Ar 10 sccm ion crom mang điện tích dương có thể “chạy vòng” qua tấm chắn dưới tác dụng của điện trường gây ra Dòng của nguồn hồ quang 80 A bởi thiên áp Ubias = - 30 V để đến bề mặt mẫu phủ. 3. Kết quả và thảo luận Giá trị âm trong thiên áp đế thể hiện đế mẫu vật liệu SUS420 được phân cực với điện thế âm (a-nôt) so với Hình 2 thể hiện ảnh FE-SEM chụp bề mặt và bia vật liệu Cr được phân cực dương (ca-tôt). Trong mặt cắt ngang của mẫu phủ không sử dụng tấm chắn nghiên cứu này sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của (Df /Db = 0%) cho thấy đã tạo được lớp phủ có chiều việc sử dụng tấm chắn có các đường kính khác nhau dày khoảng 0,75 µm, tuy nhiên bề mặt mẫu có rất với các giá trị Df /Db = 0, 50, 70 và 100%. nhiều hạt macro có kích thước lớn (lên tới ~ 3 µm). Các hạt này thường có độ cứng thấp và có thể bong Quá trình phủ trải qua các bước cơ bản gồm làm tróc rất dễ dàng, để lại các vết rỗ có thể làm ảnh sạch bề mặt mẫu bằng chế độ hollow cathode của hưởng rất xấu đến độ cứng, độ bám dính và khả năng máy và sau đó phủ CrN với các thông số chính thể bảo vệ của màng. hiện trong bảng 2. 137
3. JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol. 1, Issue 2, April 2021, 136-140 (a) (b) Hình 2. Ảnh hiển vi FE-SEM của (a) bề mặt và (b) mặt cắt ngang của lớp phủ CrN tạo thành trên nền thép SUS420 khi không dùng tấm chắn. Kết quả vi phân tích thành phần hóa học trung bình hạt macro (các hạt tối màu trên ảnh) có kích thước toàn vùng bề mặt tương ứng trong hình 2.a bằng EDS trung bình tương đối lớn và mật độ dày. Điều này cho trên hình 3 của mẫu không sử dụng tấm chắn cho thấy thấy hạt macro có số lượng lớn cùng với kích thước tỷ phần phần trăm nguyên tử của Crom và Nitơ xấp xỉ hạt khá thô to trải đều trên bề mặt mẫu. Chế độ nhau chứng tỏ pha nitơrit tạo thành trên bề mặt mẫu Df /Db = 50%, số lượng các chấm đen đã giảm xuống, chủ yếu là CrN phù hợp với các kết quả phân tích điều này cho thấy hiệu quả làm giảm số lượng hạt XRD trong hình 4. Ngoài ra, còn có một lượng nhỏ macro của việc sử dụng tấm chắn so với chế độ các nguyên tố như Fe, Mn và Si có thể là do lớp phủ không sử dụng tấm chắn. Tuy nhiên hiệu quả là chưa mỏng nên tín hiệu nhận được một phần nhỏ bị ảnh thực sự lớn bởi vẫn còn quan sát được những chấm hưởng của nền thép SUS420. đen khá nhiều. Điều này cho thấy hạt macro vẫn còn khá thô to được hình thành trên bề mặt mẫu. Chế độ Element a.t. % Df /Db = 70%, có số lượng hạt macro đã giảm xuống Cr 52,60 rất nhiều. Gần như là có kết quả tốt nhất trong các chế N 46,15 Fe 0,83 độ thực nghiệm. Bề mặt mẫu khá đồng đều, ít chấm Mn 0,33 Si 0,08 đen của hạt macro. Khi tỷ số Df /Db = 100%, quan sát được rất nhiều những chấm đen nhỏ hơn. Bề mặt thấy nhiều vết xước của nền thép chứng tỏ lớp phủ rất mỏng hoặc màng phủ không liên tục dưới dạng các “đảo” nhỏ trông giống như các hạt macro màu đen Hình 3. Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng nhưng bản chất có thể là các cụm vật liệu phủ. Điều EDS trên bề mặt lớp phủ CrN khi không dùng tấm này được thể hiện rõ hơn bằng ảnh hiển vi quang học chắn. Keyence (trong chế độ mô phỏng ảnh SEM) trên hình 6. Hình 4 thể hiện các kết quả phân tích XRD của các mẫu phủ ở các chế độ dùng tấm chắn có đường Hình 6 thể hiện ảnh hiển vi quang học soi nổi kính khác nhau cho thấy các mẫu phủ đều có các đỉnh Keyence chụp ở chế độ mô phỏng ảnh SEM có thể nhiễu xạ ứng với pha CrN. Tuy nhiên cường độ các quan sát thấy rất nhiều vết xước nhỏ của bề mặt mẫu đỉnh nhiễu xạ này giảm dần trên các mẫu phủ với thép nền trước khi phủ, điều này có nghĩa là mẫu ở đường kính tấm chắn càng tăng. Điều này cũng chứng chế độ Df /Db = 100% gần như không được phủ hoặc tỏ khi tăng đường kính tấm chắn (tăng tỷ lệ Df /Db) thì lớp phủ rất mỏng cho thấy tốc độ phủ giảm đi rất màng càng mỏng hơn hay tốc độ phủ màng CrN càng nhiều do kích thước tấm chắn tăng lên với tỉ lệ đường giảm đi. kính Df :Db = 1:1. Hình 5 là các ảnh chụp bằng hiển vi Keyence bề Như vậy có thể thấy việc sử dụng tấm chắn có mặt các mẫu cho thấy có sự thay đổi về mật độ các kích thước càng lớn thì có thể làm giảm đáng kể số lượng cũng như mật độ các hạt macro nhưng cũng hạt macro ở các chế độ Df /Db = 0, 50, 70 và 100%. Ở chế độ Df /Db = 0% (không sử dụng tấm chắn), các làm giảm rất nhiều tốc độ phủ của phương pháp này. 138
4. JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol. 1, Issue 2, April 2021, 136-140 Hình 4. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu phủ ở các chế độ Df /Db = (a) 0%; (b) 50%; (c) 70% và (d) 100%. Hình 5. Ảnh chụp bề mặt bằng kính hiển vi quang học soi nổi Keyence (x1000) của các mẫu phủ ở các chế độ Df /Db = (a) 0%; (b) 50%; (c) 70% và (d) 100%. 139
5. JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol. 1, Issue 2, April 2021, 136-140 Tài liệu tham khảo [1] H. Olia, R. Ebrahimi-Kahrizsangi, F. Ashrafizadeh, and I. Ebrahimzadeh, The corrosion study of TiN, TiAlN and CrN multilayer coatings deposit on martensitic stainless steel by arc cathodic physical vapour deposition, vol. 6, 046425, Mater. Res. Express, 2019 [2] H. Olia, R. Ebrahimi-Kahrizsangi, F. Ashrafizadeh and I. Ebrahimzadeh, Comparative study of corrosion and corrosionwear behavior of TiN and CrN coatings on UNS S17400 stainless steel, vol. 36, pp. 403-412, Corros. Rev., 2018, Hình 6. Ảnh chụp hiển vi quang học soi nổi Keyence [3] L. D’Avico, R. Beltrami, N. Lecis and S. P. Trasatti, Corrosion behavior and surface properties of PVD (x1000) mô phỏng chế độ chụp SEM của mẫu phủ ở coatings for mold technology applications, vol. 9, các chế độ Df /Db = 100%. 046425, Coating, 2019, 4. Kết luận Việc sử dụng các tấm chắn có thể giúp lọc bớt [4] J. A. Araujo, R. M. Souza, N. B. de Lima, and A. P. Tschiptschin, Thick CrN/NbN multilayer coating các hạt macro trong quá trình phủ màng CrN bằng deposited by cathodic arc technique, vol. 20, pp. 200- phương pháp hồ quang catốt. Kích thước tấm lọc 209, Mater. Res., 2017, càng lớn thì các hạt macro càng ít tuy nhiên chiều dày lớp phủ (tốc độ phủ màng) càng giảm. Đường kính tấm chắn có giá trị khoảng 70% so với đường kính [5] Daniela Dumitriu LaGrange, Thomas LaGrange, Antonio Santana, Raiko Jähnig, Ayat Karimi, bia vật liệu phủ cho hiệu quả chắn lọc các hạt macro Macroparticles formation in cathodic arc deposition of tốt nhất trong các chế độ khảo sát của nghiên cứu nitride coatings from TiNb alloy cathodes, vol. 35, này. 021309, J. Vac. Sci. Technol., A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2017, Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học [6] P. D. Swift, Macroparticles in films deposited by Bách khoa Hà Nội (HUST) trong đề tài mã số T2018- steered cathodic arc, vol. 29, pp. 2025–2031, J. Phys. PC-088. D: Appl. Phys., 1996, Các phân tích FE-SEM được sự hỗ trợ của đại học Shimane (Nhật Bản) theo chương trình SAKURA [7] J. S. Khoozani, S. H. Hosseini and M. E. Fordoei, 2019. Các ảnh hiển vi quang học soi nổi được sự hỗ Comparison of the effect of arched and through trợ của công ty Keyence tại Việt Nam. magnetic field configurations in cathodic arc deposition, vol. 6, 046425, Surf. Eng., 2019, 140