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 )
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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.
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
4
khkt
+ 1300 mV
Một thí dụ: sản phẩm bị rỉ sét dưới tác dụng của môi trường
corrosion
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
8
khktKhái quát về « Mạ « / 2( overview about coatings )
• 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 )
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
9
khktKhái quát về « Mạ « / 3( overview about coatings )
• 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 )
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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 )
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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 )
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN 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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
17
khkt Hai nguyên lý “ BỐC HƠI “
Sputtering Thermal, Arc, Laser
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
18
khkt Cấu tạo của một hệ thống máy mạ chân không
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN 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 )
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
22
khkt Ứng dụng CNMCK trong công nghệ sản xuất năng lượng
Coated gears:
• Low friction more power
• Low weight more power
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
24
khkt Ứng dụng CNMCK trong Kỷ thuật Y Khoa
Low friction
Biocopatible
More life time
Anti-sticking
More life time
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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,…
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
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
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
30
khkt
Cám ơn bạn đã quan tâm vàđến với CLBKHKT của chúng tôi.
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
31
Thank you for your attention
Trịnh Thuận Thông Giới thiệu về CÔNG NGHỆ MẠCHÂN KhÔNG
32
khkt
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit