Hầu hết các nhà sản xuất dụng cụ cắt đều phủ lên bề mặt dụng cụ cắt của mình một lớp phủ nhằm nâng cao hiệu suất của chúng. Các phương pháp phổ biến nhất để phủ dụng cụ cắt là lắng đọng hơi bằng phương pháp vật lý (PVD) và lắng đọng hơi bằng phương pháp hóa học (CVD). Bài viết này sẽ đi sâu vào từng phương pháp để chỉ rõ các đặc điểm riêng biệt của chúng.

Tạo lớp phủ bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD)

Phương pháp phủ PVD là một quá trình trong đó kim loại sẽ trải qua một chu trình bốc hơi và ngưng tụ để trở lại thể rắn ban đầu dưới dạng một lớp màng mỏng và bám trên bề mặt dụng cụ cắt. Trong quá trình này, các hợp chất kim loại tạo nên lớp phủ thường được gọi là “vật liệu kim loại”. Vật liệu kim loại như một khối vật thể rắn và được hóa hơi thành plasma, sau đó chúng sẽ được đưa vào buồng chân không để thực hiện quá trình phủ dụng cụ cắt. Trong quá trình này, các dụng cụ cắt được gọi là “chất nền”.

Có hai cách khác nhau mà lớp phủ PVD có thể được thực hiện được: mạ ion hồ quang và tán xạ (sputtering)

Mạ ion hồ quang và tán xạ

Sự khác biệt chính

Sự khác biệt chính giữa mạ ion hồ quang và tán xạ là mạ ion hồ quang sử dụng dòng điện cao để hóa hơi vật liệu kim loại, các ion kim loại được chuyển hướng để phủ vào dụng cụ. Ngược lại, tán xạ sử dụng các đặc tính của từ trường để hướng các khí phản ứng va chạm với các phân tử của vật liệu kim loại. Trong những phản ứng va chạm này, các ion trên bề mặt kim loại sẽ phủ dần lên bề mặt dụng cụ. Cả hai cách mạ ion hồ quang và tán xạ đều là quá trình được thực hiện ở môi trường chân không và nhiệt độ cao. Thuật ngữ “chân không” dùng để chỉ môi trường có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển ở mực nước biển.

Trên đây là một ví dụ về dụng cụ cắt của Harvey Tool được phủ lớp phủ AlTiN, và được tiến hành phủ PVD.

Quy trình ứng dụng của mạ ion hồ quang và tán xạ

Mạ ion hồ quang

  1. Áp suất bên trong buồng phản ứng được giảm xuống để tạo thành buồng chân không khoảng 1 Pa (0,0000145 psi). Việc tạo môi trường chân không là rất quan trọng vì nó loại bỏ độ ẩm và tạp chất bám trên hoặc xung quanh bề mặt dụng cụ cắt.
  2. Buồng chân không được làm nóng trong khoảng nhiệt độ dao động từ 150 – 750° C (302 – 1382° F). Nhiệt độ của buồng phụ thuộc vào lớp phủ đang được áp dụng để có thể tạo ra các phản ứng lý tưởng và độ bám dính lên bề mặt dụng cụ cắt. Dòng điện được đặt vào để gây ra quá trình phản ứng là khoảng 100 A.
  3. Dòng điện cao làm ion hóa kim loại và hóa hơi nó thành một plasma đậm đặc.
  4. Chất nền mang điện tích âm để hút các ion dương kim loại.
  5. Các ion chạm vào các dụng cụ cắt bằng lực và được lắng đọng, tạo thành một lớp màng dày và tạo ra lớp phủ mong muốn.

Sự tán xạ

  1. Áp suất bên trong buồng phản ứng được giảm xuống để tạo thành buồng chân không khoảng 1 Pa (0,0000145 psi). Việc tạo môi trường chân không là rất quan trọng vì nó loại bỏ độ ẩm và tạp chất bám trên hoặc xung quanh bề mặt dụng cụ.
  2. Một khí trơ được bơm vào buồng để tạo ra một bầu không khí có áp suất thấp. Khí trơ được sử dụng vì nó không phản ứng với các nguyên tố kim loại và đảm bảo rằng các tạp chất không bị lẫn vào lớp phủ dụng cụ.
  3. Khí được sử dụng phụ thuộc vào trọng lượng nguyên tử của vật liệu kim loại; một chất khí nặng hơn thường được sử dụng với các kim loại nặng hơn.
  4. Buồng được làm nóng đến nhiệt độ từ 150 – 750° C (302 – 1382° F) tùy thuộc vào lớp phủ được sử dụng.
  5. Dụng cụ cần phủ được đặt giữa các vật liệu kim loại (được gọi là “mục tiêu” trong quá trình tán xạ) và một nam châm điện, khi khởi động, từ trường sẽ chạy dọc và xung quanh dụng cụ cắt.
  6. Một điện áp cao sau đó được đặt dọc theo từ trường làm ion hóa các nguyên tử Argon.
  7. Điện áp nằm trong khoảng từ 3-5 kV nếu sử dụng dòng điện AC, với tần số khoảng 14 MHz.
  8. Vật liệu kim loại mang điện tích âm sẽ thu hút khí Argon mang điện tích dương.
  9. Khí trơ tác động và đẩy các hợp chất kim loại lên bề mặt để tạo ra một lớp phủ lên dụng cụ cắt.

Tóm tắt những điểm khác biệt chính về lớp phủ PVD

Cả hai phương pháp mạ ion hồ quang và tán xạ đều hiệu quả để tạo nên lớp phủ PVD. Vậy ưu nhược điểm của hai phương pháp này là gì? Phương pháp mạ ion hồ quang có tốc độ ion hóa cao hơn đáng kể so với tán xạ, cho phép tốc độ lắng đọng nhanh hơn nhiều, rút ​​ngắn thời gian phủ. Đổi lại, vì quá trình tán xạ chậm hơn, nó cho phép ta kiểm soát khi áp dụng các dụng cụ cắt đa kim loại và đảm bảo rằng dụng cụ sẽ được phủ đều trên bề mặt. Tuy nhiên, trong quá trình phủ PVD, các giọt bắn siêu nhỏ được hình thành khi kim loại hóa hơi ngưng tụ và đông đặc trên bề mặt dụng cụ. Khi những giọt bắn này tác động vào lớp phủ, chúng có thể gây ra các khuyết tật, tạo ra các điểm ứng suất dư. Để đạt được lớp phủ hoàn hảo, kích thước của những giọt bắn này phải được giảm thiểu. Mạ ion hồ quang tạo ra các giọt có đường kính lên đến 3µm (micromet), trong khi tán xạ chỉ tạo ra những giọt có đường kính tới 0,3µm. Với các giọt bắn nhỏ hơn mười lần, phương pháp tán xạ đã chứng minh được ưu điểm của mình so với phương pháp mạ ion hóa trong việc tạo ra các bề mặt nhẵn hơn và không có khuyết tật.

Tạo lớp phủ bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)

Trên đây là ví dụ loại dao phay cầu của Harvey Tool được phủ bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học.

Không giống như các phương pháp PVD là sử dụng điện tích cao và va chạm nguyên tử để lắng lớp phủ lên dụng cụ cắt, phương pháp CVD sử dụng các đặc tính hóa học của kim loại để chuyển các hợp chất kim loại lên bề mặt dụng cụ. Các bước sau là những yêu cầu để thực hiện được phương pháp CVD:

  1. Giống như phương pháp PVD, bước đầu tiên là tạo ra một buồng chân không khoảng 1 Pa (0,0000145 psi) để loại bỏ tất cả độ ẩm và tạp chất.
  2. Nhiệt độ bên trong của buồng được tăng lên trong khoảng 600 – 1000°C (1112 – 2012° F).
  3. Nhiệt độ yêu cầu trong quá trình CVD cao hơn đáng kể so với PVD bởi vì phương pháp này yêu cầu phản ứng hóa học xảy ra giữa khí chảy vào buồng và dụng cụ cắt. Nhiệt độ cao là cần thiết để bắt đầu và duy trì các phản ứng này.
  4. Sau khi chất nền được nung nóng đến nhiệt độ mong muốn, các kim loại dự định phủ lên dụng cụ vốn đã ở trạng thái hơi, được liên kết hóa học với một loại khí phản ứng (thường là Clo) và chảy vào trong buồng.
  5. Khi lượng khí được chuyển qua buồng chân không xung quanh dụng cụ cắt, các vật liệu kim loại sẽ liên kết với nó.
  6. Khí hydro sau đó được bơm vào buồng và sẽ kết hợp với Clo và kim loại.
  7. Khi hỗn hợp này gặp dụng cụ cắt đang được nung nóng, năng lượng nhiệt tạo ra phản ứng trong đó Hydro và Clo liên kết và để lại các vật liệu kim loại trên các bề mặt của dụng cụ.
  8. Trong buồng có một lỗ thoát, lượng khí thải (HCl) được loại bỏ.

Leave A Comment

Bài viết liên quan