Titanium Nitride (TiN) là một hợp chất được hình thành bởi phản ứng giữa titan và nitơ. Nó có màu vàng hoặc kim loại, cứng và chống mài mòn, có độ ổn định hóa học tuyệt vời và khả năng chịu nhiệt độ cao. Đây là một vật liệu lớp phủ cứng rất quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong gia công kim loại, sản xuất công cụ, ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và các lĩnh vực khác. Trong ngành gia công, lớp phủ TiN được sử dụng để cải thiện tuổi thọ và hiệu suất gia công của công cụ, đặc biệt là trong môi trường tải trọng cao và nhiệt độ cao.
Định nghĩa và đặc điểm của lớp phủ TiN
1. Định nghĩa về lớp phủ TiN
TiN được sử dụng trong quá trình PVD (lắng đọng hơi vật lý) sử dụng công nghệ cathode xoay ngang. Vật liệu bay hơi từ nguồn rắn dưới dạng nguyên tử/phân tử, sau đó được vận chuyển đến bề mặt nền dưới dạng hơi qua khí áp suất thấp/chân không và ngưng tụ trên bề mặt nền.
2. Tính chất vật lý và hóa học của lớp phủ TiN
Độ cứng: Độ cứng của lớp phủ TiN cao tới khoảng 2000 HV (độ cứng Vickers), cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và độ bền của nền.
Khả năng chống mài mòn: Lớp phủ TiN có khả năng chống mài mòn cực kỳ mạnh, có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của công cụ hoặc các bộ phận và giảm mài mòn và trầy xước.
Khả năng chịu nhiệt độ cao: Lớp phủ TiN có khả năng chịu nhiệt rất tốt và có thể chịu được nhiệt độ lên đến 500-600°C, phù hợp cho các môi trường làm việc nhiệt độ cao.
Khả năng chống ăn mòn: TiN có khả năng chống ăn mòn tốt và có thể chống lại sự xâm thực của axit, kiềm và nước muối, phù hợp cho các môi trường hóa học khắc nghiệt.
Độ ổn định hóa học: TiN có độ ổn định hóa học tốt và không dễ phản ứng với các hóa chất khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong các môi trường yêu cầu gia công chính xác và khả năng chống ăn mòn hóa học.
Hệ số ma sát: Lớp phủ TiN giảm hệ số ma sát của bề mặt kim loại, giúp giảm ma sát và sinh nhiệt giữa các bộ phận, do đó cải thiện hiệu suất sử dụng của các bộ phận.
Hình thức: TiN có màu vàng hoặc vàng kim loại, độ sáng và độ bóng rất cao, tăng tính thẩm mỹ. Nó thường được sử dụng cho bề mặt các chi tiết yêu cầu tính thẩm mỹ và chức năng, như trang sức cao cấp, các bộ phận đồng hồ, phụ kiện ô tô, v.v.
Năng lượng bề mặt thấp: Năng lượng bề mặt của lớp phủ TiN thấp, có thể giảm hiệu quả sự bám dính của chất lỏng cắt và chi tiết gia công trong quá trình gia công, giảm mài mòn và bám dính công cụ trong quá trình gia công.
Bảo vệ môi trường: PVD và CVD không tạo ra khí thải độc hại hoặc chất ô nhiễm khi lắng đọng lớp phủ TiN, do đó chúng hoạt động tốt trong việc bảo vệ môi trường.
3. Nhược điểm của lớp phủ TiN
Độ giòn của lớp phủ: Mặc dù lớp phủ TiN có độ cứng cao, độ cứng cao của chúng cũng làm cho lớp phủ dễ bị giòn và dễ bong tróc hoặc lột ra, đặc biệt khi chịu tác động lớn hoặc ứng suất uốn cong.
Giới hạn độ dày lớp phủ: Do tốc độ lắng đọng lớp phủ chậm của các công nghệ PVD và CVD, độ dày của lớp phủ TiN thường nằm trong khoảng từ vài micron đến vài chục micron, không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu lớp phủ dày hơn.
Chi phí cao: Quá trình lắng đọng của lớp phủ TiN tương đối phức tạp và chi phí tương đối cao, do đó chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp hoặc các thành phần có giá trị cao.
Quá trình chuẩn bị lớp phủ TiN
Có hai phương pháp chính để chuẩn bị lớp phủ TiN: lắng đọng hơi vật lý (PVD) và lắng đọng hơi hóa học (CVD). Trong đó, PVD là quá trình được sử dụng phổ biến nhất. Sau đây sẽ giới thiệu hai phương pháp chuẩn bị lớp phủ TiN phổ biến này.
1. Lắng đọng hơi vật lý (PVD)
PVD là một phương pháp chuyển đổi vật liệu rắn thành trạng thái khí thông qua quá trình vật lý và lắng đọng chúng trên bề mặt nền để tạo thành một lớp màng mỏng. Quá trình PVD được sử dụng rộng rãi trong việc chuẩn bị lớp phủ TiN. Các công nghệ PVD phổ biến bao gồm lắng đọng bay hơi, phun magnetron và bay hơi hồ quang.
(1) Phương pháp lắng đọng bay hơi: Bằng cách nung nóng kim loại titan hoặc hợp kim titan, hơi titan bay hơi và phản ứng với nitơ trong môi trường chân không cao để tạo thành lớp phủ TiN.
(2) Phương pháp phun magnetron: Sử dụng thiết bị phun magnetron, mục tiêu titan bị bắn phá bằng các ion năng lượng cao để giải phóng các nguyên tử titan, phản ứng với các phân tử nitơ trong môi trường nitơ và được lắng đọng trên bề mặt nền để tạo thành một lớp màng TiN.
(3) Phương pháp bay hơi hồ quang: Mục tiêu titan được đun nóng bằng phóng điện hồ quang, làm cho vật liệu mục tiêu titan bay hơi và phản ứng với nitơ để lắng đọng lớp phủ TiN.
Phương pháp PVD có thể tạo ra các lớp phủ chất lượng cao, đồng đều và điều kiện quy trình nhẹ nhàng, phù hợp với nhiều loại chất nền khác nhau.
2. Lắng đọng hóa học hơi (CVD)
CVD là một phương pháp phủ một lớp phủ lên bề mặt của một chất nền bằng phản ứng hóa học sử dụng các tiền chất khí. Trong quá trình CVD, các khí nguồn titan và khí nguồn nitơ được đưa vào buồng phản ứng và phản ứng sau khi được đun nóng hoặc kích thích bằng plasma để tạo thành lớp phủ TiN.
(1) Lắng đọng hóa học hơi áp suất thấp (LPCVD): Một phản ứng hóa học được thực hiện trong môi trường áp suất thấp để lắng đọng lớp phủ TiN chất lượng cao, phù hợp cho sản xuất hàng loạt.
(2) Lắng đọng hóa học hơi áp suất khí quyển (APCVD): Quá trình lắng đọng được thực hiện trong điều kiện áp suất khí quyển, phù hợp với một số ứng dụng đặc biệt, nhưng do yêu cầu nhiệt độ cao, nó thường được sử dụng cho các bộ phận hoặc phôi có kích thước lớn cần lớp phủ dày hơn.
Mặc dù quy trình CVD có thể tạo ra các lớp phủ dày hơn, nhưng nó yêu cầu nhiệt độ cao hơn và có yêu cầu thiết bị cao hơn. Do đó, trong một số trường hợp, quy trình PVD được sử dụng phổ biến hơn.
Các lĩnh vực ứng dụng của lớp phủ TiN
Việc ứng dụng rộng rãi lớp phủ TiN không chỉ cải thiện hiệu suất của các công cụ mà còn thúc đẩy sự phát triển của công nghệ trong nhiều ngành công nghiệp. Dưới đây là các lĩnh vực ứng dụng chính của lớp phủ TiN:
1. Công cụ cắt
Lớp phủ TiN thường được sử dụng trên các công cụ cắt kim loại như dao, mũi khoan và dao phay để cải thiện khả năng chống mài mòn và chống nhiệt độ cao của chúng. Lớp phủ TiN có thể giảm ma sát trong quá trình cắt và giảm tích tụ nhiệt giữa công cụ và phôi, do đó kéo dài tuổi thọ của công cụ và cải thiện hiệu quả gia công.
2. Khuôn chính xác
Lớp phủ TiN có thể cải thiện khả năng chống mài mòn của bề mặt khuôn, giảm ma sát giữa khuôn và nhựa hoặc kim loại, và giảm tốc độ mài mòn của khuôn, đặc biệt là trong khuôn nhựa và khuôn đúc hợp kim nhôm.
3. Thiết bị y tế
Lớp phủ TiN có ứng dụng quan trọng trong các thiết bị y tế, đặc biệt là trong dao phẫu thuật, dụng cụ nha khoa, dụng cụ phẫu thuật và các lĩnh vực khác. Lớp phủ TiN có thể cải thiện khả năng chống mài mòn và tương thích sinh học của dụng cụ, đồng thời, nhờ vẻ ngoài màu vàng của nó, tăng tính thẩm mỹ của dụng cụ.
4. Các bộ phận ô tô
Lớp phủ TiN thường được sử dụng trên các bộ phận quan trọng như bộ phận động cơ và hệ thống phanh ô tô để cải thiện khả năng chống mài mòn, chống nhiệt độ cao và chống ăn mòn, kéo dài tuổi thọ của các bộ phận và cải thiện hiệu suất tổng thể.
5. Lớp phủ trang trí
Do ánh vàng đẹp mắt của nó, lớp phủ TiN cũng được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận trang trí như phụ kiện cao cấp, đồng hồ, trang sức và vỏ điện thoại di động, kết hợp giữa vẻ đẹp và chức năng.
Xu hướng phát triển của lớp phủ TiN
1. Lớp phủ đa chức năng: Nghiên cứu và phát triển các lớp phủ composite mới dựa trên TiN, chẳng hạn như TiAlN, TiSiN, v.v., để cải thiện hiệu suất tổng hợp của lớp phủ.
2. Công nghệ phủ nhiệt độ thấp: Phát triển công nghệ phủ TiN ở nhiệt độ thấp để giảm tác động nhiệt lên chất nền và mở rộng phạm vi ứng dụng của nó.
3. Lớp phủ Nano-TiN: Sử dụng công nghệ nano để sản xuất các lớp phủ TiN tinh tế và đồng đều hơn nhằm cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn của lớp phủ.
Các lớp phủ TiN được sử dụng rộng rãi trong gia công, y tế, ô tô và các ngành công nghiệp khác nhờ độ cứng tuyệt vời, khả năng chống mài mòn, chống nhiệt độ cao và chống ăn mòn. Với sự tiến bộ của công nghệ phủ, hiệu suất và các lĩnh vực ứng dụng của lớp phủ TiN sẽ được mở rộng hơn nữa. Thông qua đổi mới liên tục và tối ưu hóa quy trình sản xuất, lớp phủ TiN sẽ cung cấp cho ngành công nghiệp các giải pháp hiệu quả và kinh tế hơn, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của gia công hướng tới độ chính xác cao hơn và hiệu suất cao hơn.
