Trong các v?t li?u d?ng c? c?t hi?n ??i, carbide chi?m ?u th?. S? phát tri?n c?a các d?ng c? carbide ph? vào kho?ng n?m 1968 ?? ?ánh d?u m?t cu?c cách m?ng ?áng k? trong l?nh v?c v?t li?u d?ng c?, nang cao ?áng k? trình ?? và kh? n?ng c?a các quy trình c?t. Kh? n?ng ch?u nhi?t c?a các d?ng c? này ?? t?ng lên h?n 1000-1200°C, trong khi nhi?t ?? x? ly cho l?ng ??ng h?i v?t ly (PVD) th??ng v?n d??i 500°C, khi?n nó tr? thành quy trình x? ly cu?i cùng kh? thi cho l?p ph? carbide. ?i?u này nang cao hi?u su?t c?t c?a các d?ng c? carbide, d?n ??n vi?c chúng ???c s? d?ng r?ng r?i trong c?t t?c ?? cao và gia c?ng các v?t li?u siêu c?ng. T? l? hi?u su?t/chi phí tuy?t v?i c?a chúng ?? thúc ??y s? phát tri?n c?a các d?ng c? carbide lên m?t t?m cao m?i.

Hi?n nay, TiN là l?p ph? chính ???c s? d?ng cho các c?ng c? c?t; tuy nhiên, các l?p ph? nitride truy?n th?ng nh? TiN có ?? c?ng th?p, kh? n?ng ch?ng mài mòn kém và ?? ?n ??nh nhi?t ??c bi?t y?u, ?i?u này h?n ch? ?ng d?ng c?a chúng trong các c?ng c? c?t kh?. Nh?ng c?i ti?n trong l?p ph? TiN ?? t?p trung vào vi?c phát tri?n các h?p kim m?i d?a trên TiN và các l?p composite ?a thành ph?n, nh?m ??t ???c l?p ph? ch?u mài mòn, ch?u nhi?t ?? cao th?ng qua vi?c ??a các nguyên t? h?p kim (nh? Al, Zr, Cr, V) vào l?p ph? TiN. ?i?u này t?o thành m?t h? th?ng l?p ph? ?a nguyên t? m?i giúp t?ng c??ng ?? c?ng c?a l?p ph? và c?i thi?n kh? n?ng ch?ng mài mòn và ?? ?n ??nh nhi?t. L?p ph? TiAlN m?i, ???c hình thành b?ng cách c?y các nguyên t? Al vào m?ng TiN, ?? tr? thành m?t trong nh?ng l?p ph? c?ng c? ???c s? d?ng r?ng r?i nh?t trong s?n xu?t toàn c?u.

Trong nh?ng n?m g?n ?ay, ?? t?ng c??ng h?n n?a ?? c?ng ? nhi?t ?? cao và kh? n?ng ch?ng oxy hóa(chǎn) c?a l?p ph? d?ng c?, c?ng nh? ?? c?i thi?n ?? b?n liên k?t gi?a l?p ph? và ch?t n?n, nghiên c?u ?? chuy?n sang các h? th?ng l?p ph? composite nhi?u thành ph?n và nhi?u l?p. Bài báo này s? d?ng ph??ng pháp phun magnetron kh?ng can b?ng ?? chu?n b? l?p ph? composite nh? TiN, TiAlN, TiN-MoS? và CrAlTiN trên các d?ng c? carbide. Bài báo ti?n hành các th? nghi?m so sánh c?t trên TiN và các d?ng c? ph? composite c?a nó trong ?i?u ki?n c?t kh?, nghiên c?u hi?u su?t c?t và c? h?c c?a các d?ng c? ph? composite d?a trên TiN. Nghiên c?u này có y ngh?a quan tr?ng ??i v?i s? phát tri?n và thúc ??y h?n n?a các d?ng c? ph?.

Ph??ng pháp th?c nghi?m

L?p ph? composite TiN, TiAlN, TiN-MoS? và CrAlTiN ???c ph? lên các d?ng c? cacbua YT14 b?ng thi?t b? m? ion phun magnetron kh?ng can b?ng tr??ng ?óng t? Teer. ?? c?ng nano và m? ?un ?àn h?i c?a l?p ph? ???c ?o b?ng máy ki?m tra ?? c?ng nano Nano Test 600 v?i ??u kim c??ng ch?u t?i 3 mN. ?? gi?m thi?u sai s? th?c nghi?m, các giá tr? ?? c?ng và m? ?un ?àn h?i ???c báo cáo là giá tr? trung bình c?a n?m phép ?o. Ngoài ra, th? nghi?m ?? c?ng vi m? Vickers ?? ???c ti?n hành ?? xác nh?n các phép ?o ?? c?ng.

Hình thái và c?u trúc pha c?a l?p ph? d?ng c? ???c phan tích b?ng kính hi?n vi ?i?n t? quét (SEM) và máy ?o nhi?u x? tia X Advance 8 (XRD). Các th? nghi?m c?t trên các d?ng c? ???c ph? ???c th?c hi?n trong m?t trung tam gia c?ng CNC, v?i v?t li?u ph?i là thép PCrNi3MoVA. ?? mòn c?a l??i c?t ???c quan sát và ?o b?ng kính hi?n vi d?ng c? 30x. Tu?i th? c?a d?ng c? ???c ?ánh giá d?a trên chi?u r?ng vùng mòn (VBc) trên m?t bên v??t quá 0,6 mm làm tiêu chí cho tu?i th? c?a d?ng c?, cho phép so sánh tu?i th? c?t c?a các d?ng c?.

 

K?t qu? th?c nghi?m và phan tích

Ki?m tra ?? c?ng và m? ?un ?àn h?i c?a l?p ph?

Hình 1 cho th?y ???ng cong t?i-d? t?i thu ???c trong quá trình ?o ?? c?ng nano c?a l?p ph? composite CrAlTiN. ???ng cong này cho phép chúng t?i xác ??nh c? ?? c?ng và ?? ?àn h?i c?a màng CrAlTiN. H? s? ph?c h?i ?àn h?i

R=(hmax-hres)/hmax ???c xác ??nh, trong ?ó hmax là ?? sau l?m ? t?i tr?ng t?i ?a và

hres là ?? sau còn l?i sau khi d? t?i. Giá tr? R cao h?n bi?u th? ?? ?àn h?i l?n h?n. T? ???ng cong v?t l?m nano trong Hình 2, ?? c?ng c?a màng CrAlTiN ???c tìm th?y là 33 GPa, v?i m? ?un ?àn h?i là 675 GPa.

Hình 2 c?ng so sánh ?? c?ng nano c?a l?p ph? TiN, TiAlN, TiN-MoS? và CrAlTiN. Các giá tr? ?? c?ng nano ?o ???c là 18 GPa ??i v?i TiN, 30 GPa ??i v?i TiAlN, 15 GPa ??i v?i TiN-MoS? và 33 GPa ??i v?i CrAlTiN. Th? t? ?? c?ng nano c?a b?n l?p ph? là: CrAlTiN > TiAlN > TiN > TiN-MoS?. Vi?c b? sung các thành ph?n composite làm thay ??i ?áng k? ?? c?ng c?a l?p ph? TiN; c? th?, vi?c k?t h?p Al làm t?ng ?? c?ng thêm 12 GPa, trong khi vi?c b? sung Cr và Al cùng nhau làm t?ng ?? c?ng nano thêm 15 GPa. ?i?u này ch? ra r?ng Cr và Al t?o thành các pha c?ng bên trong l?p ph? composite, t?ng c??ng ?? c?ng c?a nó. Ng??c l?i, s? k?t h?p c?a TiN v?i MoS? d?n ??n ?? c?ng nano gi?m 3 GPa, cho th?y pha MoS? t?n t?i d??i d?ng pha m?m trong l?p ph?, làm gi?m ?? c?ng. Tuy nhiên, pha b?i tr?n này c?i thi?n ?áng k? tính ch?t b?i tr?n c?a l?p ph? và làm gi?m h? s? ma sát c?a nó.

Hình 3 trình bày các giá tr? m? ?un ?àn h?i ?o ???c cho t?ng l?p ph?. T? hình, có th? th?y r?ng m? ?un ?àn h?i c?a l?p ph? TiN là 214 GPa, c?a l?p ph? TiAlN là 346 GPa, l?p ph? TiN-MoS? có m? ?un ?àn h?i là 164 GPa và l?p ph? CrAlTiN ??t 675 GPa. Th? t? m? ?un ?àn h?i cho b?n l?p ph? là CrAlTiN > TiAlN > TiN > TiN-MoS?. ?i?u này ch? ra r?ng m? ?un ?àn h?i c?a các l?p ph? t? l? thu?n v?i ?? c?ng c?a chúng. ?áng chú y, l?p ph? CrAlTiN cho th?y s? gia t?ng t??ng ??i l?n nh?t v? m? ?un ?àn h?i, v?i giá tr? cao h?n ?áng k? so v?i các l?p ph? khác ? m?c 675 GPa. ?i?u này ch?ng t? r?ng l?p ph? CrAlTiN l?ng ??ng có c? ?? c?ng cao và ?? ?àn h?i cao.

??ng th?i, các th? nghi?m ?? c?ng vi m? Vickers ???c ti?n hành trên t?ng l?p ph? d?ng c? b?ng máy th? ?? c?ng Vickers, v?i t?i tr?ng tác d?ng là 15 g trong 10 giay. K?t qu? ???c th? hi?n trong Hình 4. M?c dù nguyên ly th? nghi?m c?a ph??ng pháp ?? c?ng vi m? Vickers và ph??ng pháp nano-indentation khác nhau, nh?ng khi so sánh các giá tr? ?? c?ng nano trong Hình 2 và các giá tr? ?? c?ng vi m? trong Hình 4 cho th?y xu h??ng ?? c?ng vi m? c?a t?ng l?p ph? ??u phù h?p v?i xu h??ng ?? c?ng nano. ?áng chú y, l?p ph? CrAlTiN th? hi?n ?? c?ng vi m? Vickers cao nh?t, ?o ???c HV1560.

 

Th? nghi?m khoan

B?n lo?i d?ng c? cacbua tráng ph?—TiN, TiAlN, TiN-MoS? và CrAlTiN—???c s? d?ng ?? x? ly cùng m?t v?t li?u, thép PCrNi3MoVA, và ?? mòn c?a các d?ng c? ???c ?ánh giá ?? so sánh ?? b?n c?a các d?ng c? ???c ph? khác nhau. Hình thái b? m?t c?a các l?p ph? cho các d?ng c? TiN, TiAlN, TiN-MoS? và CrAlTiN ???c th? hi?n trong Hình 5, t?t c? ??u ? ?? phóng ??i 600 l?n. Hình minh h?a s? khác bi?t ?áng k? v? hình thái b? m?t gi?a b?n l?p ph?, cho th?y vi?c k?t h?p các thành ph?n t?ng h?p ?? làm thay ??i ?áng k? tr?ng thái k?t tinh c?a h?p ch?t TiN.

L?p ph? TiN cho th?y c?u trúc vi m? b? m?t ??ng nh?t v?i các h?t t??ng ??i nh?. Ng??c l?i, l?p ph? TiAlN có hình thái b? m?t th? h?n v?i các c?u trúc h?t l?n h?n. Vi?c b? sung Al t?o ra nhi?u h?t c?ng màu tr?ng sáng c?a nh?m oxit ho?c nh?m nitrua xu?t hi?n trong m?ng TiN. L?p ph? TiN-MoS? có s? phan b? ?áng k? các c?u trúc h?n h?p d?ng v?y, ch? y?u bao g?m MoS? phan tán ??ng ??u trong l?p ph? TiN/MoS?, góp ph?n t?o nên tính ch?t t? b?i tr?n c?a nó. L?p ph? CrAlTiN th? hi?n các h?t t??ng ??i m?n và c?u trúc ??ng nh?t, dày ??c v?i s? hi?n di?n ?áng k? c?a các h?t c?ng trên b? m?t.

Các ?i?u ki?n th? nghi?m c?t cho các d?ng c? ph? ???c th? hi?n trong B?ng 1. Trong quá trình th? nghi?m, các ?i?u ki?n ???c gi? kh?ng ??i và th?i gian c?t ???c ghi l?i cho ??n khi chi?u r?ng vùng mài mòn (VBc) trên m?t bên v??t quá 0,6 mm, ???c s? d?ng làm tiêu chí ?? ?ánh giá tu?i th? d?ng c?. So sánh tu?i th? c?t cho các d?ng c? ???c th? hi?n trong Hình 6.

T? Hình 6, th? h?ng tu?i th? c?t c?a b?n d?ng c? ???c ph? nh? sau: CrAlTiN > TiN-MoS? > TiAlN > TiN. ?i?u này ch? ra r?ng các nguyên t? Cr và Al trong l?p ph? TiN t?o thành các pha c?ng và vi?c b? sung Al có l?i cho s? hình thành các oxit nh?m, giúp ng?n ng?a quá trình oxy hóa(chǎn) ti?p theo trong quá trình c?t, do ?ó t?ng c??ng kh? n?ng ch?ng oxy hóa(chǎn) c?a d?ng c? và góp ph?n t?ng tu?i th? c?t. Ngoài ra, pha b?i tr?n MoS? giúp gi?m h? s? ma sát và c?i thi?n kh? n?ng ch?ng mài mòn c?a d?ng c?, kéo dài thêm tu?i th? s? d?ng c?a chúng.

Tóm l?i, phan tích cho th?y l?p ph? composite ?a thành ph?n t?n d?ng hi?u qu? các ?u ?i?m c?a nhi?u v?t li?u ph? khác nhau, mang l?i hi?u su?t t?ng th? ???c c?i thi?n, kh? n?ng ch?ng mài mòn tuy?t v?i, ?? b?n và gi?m ma sát. ?i?u này giúp gi?m thi?u s? hình thành c?nh tích t? ??ng th?i cung c?p kh? n?ng ch?ng l?i các cú s?c c? h?c và nhi?t, kéo dài ?áng k? tu?i th? c?a d?ng c?. Do ?ó, d? ki?n vi?c s? d?ng các d?ng c? ph? composite ?a thành ph?n s? ti?p t?c t?ng trong t??ng lai.

 

Phan tích XRD

Phan tích XRD ???c ti?n hành trên l?p ph? d?ng c? CrAlTiN, l?p ph? này cho hi?u su?t c?t t?t nh?t, v?i k?t qu? ???c th? hi?n trong Hình 8. Các m?u XRD cho th?y ? nhi?t ?? phòng, các pha tinh th? c?a l?p ph? ch? y?u bao g?m Cr, CrN, Cr?N và TiN, kh?ng phát hi?n th?y pha v? ??nh hình nào. Quét ?? phan gi?i cao h?n n?a b? m?t l?p ph? cho th?y s? phan b? ?áng k? các h?t pha c?ng. K?t h?p v?i phan tích nhi?u x? tia X, r? ràng là các pha c?ng này ch? y?u bao g?m các h?t Cr, CrN, Cr?N và TiN. Các h?t c?ng này góp ph?n c?i thi?n tu?i th? c?t c?a các d?ng c? ???c ph?.

Tri?n v?ng ?ng d?ng

C?ng ngh? ph? cho d?ng c? ?? ???c ch?ng minh là m?t cách hi?u qu? ?? nang cao hi?u su?t c?t c?a d?ng c? carbide, c?i thi?n hi?u qu? c?t và gi?m chi phí gia c?ng. K? t? khi ra m?t vào cu?i nh?ng n?m 1970, c?ng ngh? này ?? phát tri?n nhanh chóng và ???c áp d?ng trên toàn th? gi?i. ??n cu?i nh?ng n?m 1980, t? l? d?ng c? carbide ph?c t?p s? d?ng l?p ph? ? các n??c c?ng nghi?p ?? v??t quá 60%, c?i thi?n ?áng k? hi?u qu? c?t và mang l?i l?i ích kinh t? ?áng k?. Hi?n nay, h?n 80% d?ng c? carbide ???c s? d?ng trong máy CNC ? Nh?t B?n và ??c ???c ph? l?p ph? và vi?c áp d?ng l?p ph? ? các qu?c gia nh? Nga c?ng ?ang gia t?ng.

Tuy nhiên, vi?c s? d?ng các c?ng c? ph? ? Trung Qu?c v?n còn h?n ch?, ngay c? các máy CNC hi?u su?t cao th??ng d?a vào các c?ng c? cacbua tiêu chu?n có hi?u su?t c?t kém h?n. ?i?u này h?n ch? toàn b? ti?m n?ng c?a thi?t b? ??t ti?n. Do ?ó, vi?c phát tri?n các quy trình ph? composite cho các c?ng c? cacbua là r?t quan tr?ng ?? Trung Qu?c thoát kh?i s? ph? thu?c vào các c?ng c? hi?u su?t cao nh?p kh?u và thúc ??y c?ng ngh? ph? trong n??c.

M?c dù giá c?a các d?ng c? cacbua ph? cao h?n t? 50% ??n 100% so v?i các d?ng c? tiêu chu?n, nh?ng hi?u su?t c?t v??t tr?i, tu?i th? d?ng c? dài h?n và hi?u qu? s?n xu?t cao h?n d?n ??n chi phí cho m?i b? ph?n th?p h?n so v?i các d?ng c? kh?ng ph?. ?i?u này ??c bi?t có l?i cho các d?ng c? ph?c t?p có chu k? s?n xu?t dài h?n, ch?ng h?n nh? dao c?t bánh r?ng và dao doa, khi s? d?ng các d?ng c? ph? kh?ng ch? bù ??p chi phí ph? mà còn mang l?i l?i ích kinh t? ?áng k? và ch?t l??ng gia c?ng t?t h?n

H?n n?a, các c?ng c? ph? t?o ?i?u ki?n thu?n l?i cho vi?c c?t kh?, lo?i b? chi phí s?n xu?t t?ng thêm và ? nhi?m m?i tr??ng liên quan ??n ch?t l?ng c?t, do ?ó b?o v? s?c kh?e c?a ng??i lao ??ng. Do ?ó, xét v? c? góc ?? l?i ích kinh t? và x? h?i, vi?c s? d?ng các c?ng c? carbide ph? là có l?i. Trong t??ng lai, khi nghiên c?u v? c?ng ngh? ph? composite nhi?u thành ph?n và nhi?u l?p ti?n tri?n, tu?i th? c?a các c?ng c? carbide ph? s? ???c c?i thi?n h?n n?a, giúp gi?m ?áng k? chi phí s?n xu?t và m? r?ng ?ng d?ng c?a các l?p ph? này.

 

S? k?t lu?n

Nghiên c?u này s? d?ng quy trình ph? PVD b?ng ph??ng pháp phún x? magnetron kh?ng can b?ng tr??ng kín ?? ch? t?o các l?p ph? composite nh? TiN, TiAlN, TiN-MoS? và CrAlTiN. Các th? nghi?m so sánh v? hi?u su?t c? h?c và c?t c?a các l?p ph? này ?? mang l?i nh?ng k?t qu? sau:

1. Phan tích v?t l?m nano cho th?y th? t? ?? c?ng nano cho b?n l?p ph? d?ng c? nh? sau: CrAlTiN > TiAlN > TiN > TiN-MoS?. M? ?un ?àn h?i ???c phát hi?n là t? l? thu?n v?i ?? c?ng và các phép ?o ?? c?ng vi m? Vickers ?? xác nh?n thêm ?? chính xác c?a các th? nghi?m v?t l?m nano.

2. Trong ?i?u ki?n c?t kh? khi khoan thép PCrNi3MoVA, tu?i th? c?t c?a các d?ng c? ???c ph? ???c x?p h?ng nh? sau: CrAlTiN > TiN-MoS? > TiAlN > TiN, cho th?y l?p ph? composite ?a thành ph?n mang l?i hi?u su?t c?t t?t h?n ?áng k? so v?i l?p ph? TiN tiêu chu?n, ?ánh d?u h??ng ?i ??y h?a h?n cho s? phát tri?n trong t??ng lai c?a các d?ng c? ???c ph?.