Chế tạo lớp phủ cứng tin bằng phương pháp hồ quang catot, ứng dụng trên khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm để sản xuất chi tiết vòng ôm

 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực 
Đ. T. Bình, , P. H. Tuấn, “Chế tạo lớp phủ cứng TiN sản xuất chi tiết vòng ôm.” 194 
CHẾ TẠO LỚP PHỦ CỨNG TiN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỒ 
QUANG CATOT, ỨNG DỤNG TRÊN KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC 
HỢP KIM NHÔM ĐỂ SẢN XUẤT CHI TIẾT VÒNG ÔM 
Đinh Thanh Bình1*, Lưu Thuỷ Chung2, 
Nguyễn Thị Phương Mai3, Phạm Hồng Tuấn4 
Tóm tắt: Trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm, các chi tiết chốt tạo lỗ cho sản 
phẩm có tốc độ hỏng nhanh gấp 10 lần khuôn. Tác động của vận tốc dòng chảy lớn, 
nhiệt độ kim loại lỏng và áp lực đúc cao là các nguyên nhân chính gây phá huỷ bề 
mặt chốt như xói mòn, dính bám nhôm. Các tác động này làm giảm chất lượng vật 
đúc và tăng chi phí sản xuất đúc. Lớp phủ cứng trên cơ sở nitrit có tác dụng bảo vệ 
bề mặt thép khuôn chống lại xói mòn, dính bám nhôm và hạn chế mỏi nhiệt. Bài báo 
trình bày công nghệ chế tạo lớp phủ TiN lên nền khuôn từ thép SKD61 bằng phương 
pháp hồ quang catot. Kết quả đạt được lớp phủ TiN có chiều dày 1,52 µm, hợp thức 
xấp xỉ 1:1; số lượng hạt macro kích thước rất lớn (915 µm) trên bề mặt ít. Khi sử 
dụng chi tiết khuôn đúc áp lực có phủ TiN để đúc chi tiết máy từ hợp kim nhôm 
trong sản xuất, số lượng chi tiết đúc đạt yêu cầu tăng gấp 2 lần so với khuôn sử 
dụng lõi/ chốt khuôn không phủ TiN. Lớp phủ TiN chế tạo được có độ cứng cao, hệ 
số ma sát nhỏ, giảm dính bám nhôm và có khả năng làm việc ở 7000C trong điều 
kiện sản xuất. 
Từ khóa: Hồ quang catot, Khuôn đúc áp lực, TiN, SKD61. 
1. GIỚI THIỆU 
Khuôn đúc áp lực cao hợp kim nhôm được sử dụng để đúc loạt lớn các chi tiết với hình 
dáng phức tạp có độ bền và độ chính xác và chất lượng bề mặt cao. Khuôn làm việc liên 
tục trong điều kiện khắc nghiệt với tuổi thọ từ 100.000 đến 300.000 chu kỳ. Kim loại lỏng 
được phun vào khuôn ở nhiệt độ trong khoảng 670  710 0C với vận tốc 30  100 m/s, áp 
lực phun 50  80 MPa [1]. 
Tuổi thọ khuôn giảm do các tác động của điều kiện đúc với các nguyên nhân làm hỏng 
bề mặt khuôn ở các dạng: nứt do mỏi cơ, nhiệt; xói mòn do dòng chảy; ăn mòn và hàn 
dính của nhôm lỏng; biến dạng, nứt vỡ; tính chất cơ học suy giảm [2]. 
Thực tế sản xuất tại nhà máy Z117- Bộ Quốc phòng cho thấy: khuôn đúc áp lực hợp 
kim nhôm thường xảy ra hỏng ở các chi tiết chốt tạo lỗ cho vật đúc. Khi làm việc, chốt 
chịu tác động của dòng kim loại trực tiếp, vận tốc dòng chảy lớn, khả năng truyền nhiệt 
của chốt kém. Chốt bị dính bám nhôm, xói mòn bề mặt làm giảm chất lượng vật đúc. Quá 
trình thay chốt phải dừng sản xuất dẫn đến giảm năng suất lao động và tăng chi phí sản 
suất đúc. 
Chế tạo lớp phủ TiN trên khuôn bằng phương pháp hồ quang chân không có các tính 
chất cơ, lý, hoá vượt trội do có hệ số ma sát thấp, độ cứng cao, độ bền bám cao làm tăng 
khả năng chống mài mòn [4-9]. 
Các nghiên cứu ứng dụng lớp phủ nâng cao tuổi thọ khuôn đều tập trung vào thí 
nghiệm đối với chi tiết chốt trong khuôn [5,10-12]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới 
dừng lại ở đánh giá mô phỏng trong phòng thí nghiệm một số điều kiện làm việc đơn lẻ 
của khuôn, chưa mô tả hết được các điều kiện thực tế xảy ra trong khuôn. 
Bài báo trình bày nghiên cứu chế tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp hồ quang chân 
không trên nền thép SKD61, ứng dụng vào thực tế sản xuất trong khuôn đúc áp lực hợp 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 195
kim nhôm. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ chủ yếu (nồng độ khí 
nitơ và năng lượng hồ quang) lên hợp thức, hình thái bề mặt và chiều dày lớp phủ cho thấy 
khả năng làm việc của chi tiết khuôn có phủ tốt hơn không phủ TiN. 
2. THÍ NGHIỆM 
 2.1. Chế tạo mẫu thí nghiệm 
Lớp phủ TiN được lắng đọng trên nền thép SKD61 theo tiêu chuẩn JIS. Mẫu thí 
nghiệm để đánh giá tính chất lớp phủ ứng dụng trong sản xuất gồm hai loại mẫu: 1. Mẫu 
dùng để đánh giá tính chất của lớp phủ hình 1a, kích thước 16, H = 6 mm; 2. Chi tiết thử 
nghiệm trong thực tế sản xuất hình 1b, phần làm việc quan trọng được đánh dấu L, có kích 
thước L = 13 mm. Quy trình xử lý bề mặt trước khi phủ: sau khi gia công đạt kích thước, 
chi tiết được nhiệt luyện, thấm nitơ với chiều sâu lớp thấm 0,1  0,2 mm, độ cứng đạt 58 
HRC, mài đánh bóng đạt Ra = 0,08  0,16 m. 
Hình 1. Mẫu thép SKD61 thí nghiệm: a) Mẫu đo tính chất lớp phủ; 
 b) Chi tiết thử nghiệm sản xuất. 
2.2. Lắng đọng lớp phủ 
Lớp phủ TiN được chế tạo bằng phương pháp PVD hồ quang chân không sử dụng thiết 
bị DREVAR 400-VTD (Viện Ứng dụng công nghệ). Buồng chân không hình trụ hình 2 có 
kích thước  = 400 mm, L = 400 mm, độ chân không đạt 6x10-5 mbar. Trong buồng chân 
không được lắp 3 đầu hồ quang cách đều nhau với góc 1200, một bia hình tròn kích thước 
70 mm làm từ titan (99,99%) được đặt ở chính giữa. 
Mẫu sau khi làm sạch được gá đặt vào buồng chân không như trên hình 2b. Chi tiết 
quay cùng gá với tốc độ 12 vòng/phút; khoảng cách gần nhất từ mẫu đến tâm bia: H = 70 
mm, L = 70 mm. 
Trước khi thực hiện lắng đọng, chi tiết được làm sạch bằng ion Ar+, với lưu lượng khí 
Ar = 50 sccm, nguồn catot rỗng chạy ở chế độ I = 120 A, U = 15 V. Thế bias đế Ub = 200 
V, áp suất buồng Pb = 1,0x10
-2 mbar, nhiệt độ đế Td = 200 
0C, thời gian làm sạch 20 phút. 
Một lớp lót bằng titan có chiều dày khoảng 150 nm được lắng đọng trên nền thép trước 
khi phủ TiN. Khi lắng đọng Ti, duy trì lưu lượng khí Ar = 10 sccm, N2 = 0 sccm, thời gian 
là 1 phút. Sau khi lắng đọng lớp Ti, điều chỉnh lưu lượng khí nitơ vào buồng tăng từ 0  
250 sccm tiến hành tạo lớp phủ TiN. Lớp titan mỏng này giúp cho lớp phủ TiN dính bám 
tốt với nền SKD61 [5]. 
Trong quá trình lắng đọng TiN duy trì áp suất buồng chân Pb = 2,5x10
-2 mbar. Lưu 
lượng khí nitơ và argon N2 = 250 sccm, Ar = 10 sccm, nhiệt độ đế Td = 200 
0C, tốc độ 
quay chi tiết 12 vòng/phút. Nguồn hồ quang làm việc ở chế độ I = 70 A, U = 20 V, thế bias 
đế Ub = 100 V được giữ cố định. Thời gian lắng đọng TiN là 10 phút. Chế độ công nghệ 
chế tạo lớp phủ TiN được thử nghiệm, lựa chọn thông số tối ưu khi lắng đọng trên dụng cụ 
cắt [20] và chi tiết khuôn đúc áp lực hợp kim kẽm [9]. 
 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực 
Đ. T. Bình, , P. H. Tuấn, “Chế tạo lớp phủ cứng TiN sản xuất chi tiết vòng ôm.” 196 
Hình 2. Thiết bị chân không DREVAR 400-VTD: a) Thiết bị chế tạo lớp phủ; 
 b) Sơ đồ thiết bị và gá mẫu. 
2.3. Thiết bị đo và đánh giá các thông số của lớp phủ 
Đo trên mẫu thí nghiệm: sử dụng thiết bị JEOL-JSM-7600F đánh giá hình thái học bề 
mặt lớp phủ TiN thông qua ảnh hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron 
Microscopy); Đồng thời, xác định được số lượng và kích thước hạt macro trên bề mặt lớp phủ 
thông qua ảnh SEM với diện tích 380x280 µm2 hình 5. Thành phần hoá học lớp phủ TiN được 
xác định qua phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) với 
nguồn phát xạ 10 kV hình 4. Chiều dày lớp phủ được xác định qua ảnh mặt cắt ngang lớp 
phủ hình 6c. 
Hình 3. Sơ đồ chốt thử nghiệm trên khuôn đúc áp lực: a) Chốt lắp trên khuôn đúc áp lực; 
b) Vị trí dòng kim loại tác động lên chốt; c) Toạ độ chốt trong quá trình làm việc. 
Thử nghiệm chốt có phủ trong sản xuất thực tế: đánh giá tuổi thọ chốt có phủ và không 
phủ TiN trong sản xuất và đánh giá chất lượng bề mặt sản phẩm được tạo thành. Các chốt 
được lắp trong khuôn đúc chi tiết vòng ôm theo sơ đồ trên hình 3a, chốt có phủ TiN tại vị 
trí cột B, chốt không phủ tại vị trí cột A, D, C hình 3b, c. 
Xác định dòng chảy kim loại lỏng tác động đến các vị trí trên chốt trong quá trình làm 
việc từ hệ toạ độ (0,x,y,z): tại gốc toạ độ O (0,0,0) là vị trí kim loại lỏng được đưa vào 
khuôn, trục y là hướng dòng kim loại vào khuôn, trục x là hướng dòng kim loại vào lòng 
khuôn tác động lên chốt, trục z là chiều cao chốt trong khuôn với toạ z0 tại mặt đầu của 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 197
chốt hình 3c, kích thước làm việc của chốt trong khuôn là z = L = 13 mm hình 1b. Vị trí 
tác động của dòng kim loại tác động lên chốt được xác định theo trục x với các góc tác 
động khác nhau hình 3c. 
Xác định các vị trí hỏng trên chốt có phủ và không phủ TiN sau thử nghiệm. Đo kích 
thước các vị trí xảy ra mòn trên chốt sử dụng kính hiển vi vạn năng YИM21 (độ phân giải 
0,001 mm). Quan sát vị trí hỏng trên kính hiển vi quang học Olympus - BX51M-BX51RF-
Japan (độ phân giải 0,01 mm). 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Đánh giá hợp thức lớp phủ 
Hợp thức của lớp phủ quyết định đến pha và cấu trúc pha cũng như cơ tính lớp phủ 
được tạo thành. Số lượng hạt titan và nitơ đến và kết hợp trên bề mặt đế phải cân bằng để 
đạt được hợp thức với tỷ lệ Ti1N1. Quá trình này bị ảnh hưởng bởi các thông số công nghệ 
như: năng lượng nguồn hồ quang, lưu lượng khí nitơ đưa vào, thế bias đế. 
Kết quả đo phổ tán xạ năng lượng EDS của lớp phủ TiN và đo hạt macro trên bề mặt 
hình 4b,c, cho thấy tỷ lệ thành phần Ti và N tương ứng 50,2:49,8 và 52,4:47,6. Như vậy, 
khả năng kết hợp của titan và nitơ trong quá trình lắng đọng là tốt, hợp thức lớp phủ TiN 
đạt được gần 1:1, với lưu lượng khí N2 = 250 sccm. Điều này cho thấy các thông số công 
nghệ lựa chọn để lắng đọng lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 là phù hợp để tạo ra hợp 
thức Ti1N1. 
Hình 4. Phổ tán xạ năng lượng EDS bề mặt lớp phủ TiN: 
 a) Vị trí đo phổ tán xạ năng lượng; 
 b) Phổ tán xạ năng lượng trên bề mặt lớp phủ; 
c) Phổ tán xạ năng lượng trên bề mặt hạt macro. 
3.2. Hình thái học bề mặt lớp phủ TiN 
Khi chế tạo lớp phủ bằng phương pháp hồ quang catot với điểm catot luôn tạo ra các 
giọt kim loại macro đọng trên bề mặt đế. Theo [13] hạt và hố macro có thể là nguồn của 
vết nứt trên bề mặt lớp phủ, dẫn đến hình thành các lỗ xốp làm giảm tính chống ăn mòn, 
do đó giảm ưu thế của lớp phủ khi ứng dụng trong thực tế. Ảnh SEM chụp bề mặt lớp 
 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực 
Đ. T. Bình, , P. H. Tuấn, “Chế tạo lớp phủ cứng TiN sản xuất chi tiết vòng ôm.” 198 
phủ TiN được nghiên cứu chế tạo hình 5a, cho thấy có sự tồn tại của cả hố và hạt macro 
với kích thước khác nhau từ < 3 m đến 12 m, tuy nhiên, số lượng hạt có kích thước 
nhỏ < 3 m chiếm số lượng lớn; hạt kích thước lớn rất ít. Hạt và hố macro này làm giảm 
sự đồng đều của bề mặt cũng như cấu trúc, thành phần hoá học và làm tăng độ nhấp nhô 
bề mặt lớp phủ. 
Hình 5. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ TiN: a) Ảnh bề mặt lớp phủ; 
b) Ảnh mặt cắt ngang lớp phủ. 
3.3. Số lượng và kích thước hạt macro 
Theo [14] số lượng hạt macro phụ thuộc vào vật liệu làm bia (catot) và lưu lượng khí 
nitơ đưa vào. Nhóm nghiên cứu xác định số lược và kích thước hạt macro trên bề mặt lớp 
phủ CrN thông qua ảnh SEM với diện tích 440x330 m2. Tổng số lượng hạt macro là 
3410, trong đó, các hạt có kích thước từ 0  1, 1  3, 3  8 m tương ứng là 2012, 1185 và 
213. Từ bảng 1 cho thấy số lượng và kích thước hạt macro có sự khác biệt so với [14] khi 
cùng sử dụng phương pháp hồ quang catot để lắng đọng lớp phủ. Nguyên nhân là do có sự 
khác biệt về loại lớp phủ, lưu lượng khí đưa vào cũng như diện tích quan sát. Tuy nhiên, 
với lớp phủ TiN chế tạo được, quan sát thấy có ít hạt macro với kích thước lớn nhưng xuất 
hiện cả hạt macro có kích thước rất lớn (912 µm) hình 5b. Tính chống mài mòn của lớp 
phủ bị ảnh hưởng bởi kích thước và số lượng hạt macro do liên kết hạt macro với lớp phủ 
yếu, độ bền lớp phủ giảm [13]. 
Bảng 1. Số lượng hạt macro trên bề mặt lớp phủ TiN. 
Kích thước (µm) 
Tổng 
0  3 36 69 912 1215 
Số lượng 352 5 1 1 2 361 
3.4. Chiều dày lớp phủ 
Hình 5b là ảnh SEM của mặt cắt ngang chi tiết mẫu, chiều dày lớp phủ đo được là 1,52 
µm với thiết bị và chế độ công nghệ hồ quang chân không sử dụng 3 bia như trình bày ở 
trên, tốc độ lắng đọng là 0,152 µm/phút. Trong trường hợp mẫu đứng yên [13,14] tốc độ 
hình thành lớp phủ là 0,2 µm/phút, cao hơn so với chi tiết quay. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ 
CrN khi mẫu đứng yên cho thấy kích thước và sự phân bố các hạt macro trên bề mặt đồng 
đều hơn so với mẫu quay. 
3.5. Cơ tính lớp phủ 
3.5.1. Độ cứng 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 199
Độ cứng lớp phủ TiN từ 24  28 GPa ở nhiệt độ 500 0C theo [6]. Độ cứng tế vi lớp phủ 
TiN lớn nhất đo được là 2927 HV0,001 [18]. Nghiên cứu của nhóm tác giả [19] chế tạo lớp 
phủ TiN trên nền thép SKH57 bằng phương pháp phún xạ magnetron cho thấy: độ cứng 
lớp phủ giảm từ 75  35 GPa khi nhiệt độ đế tăng từ 330  470 0C trong quá trình lắng 
đọng. Độ cứng lớp phủ TiN giảm khi nhiệt độ làm việc tăng, tương tự khi tăng nhiệt độ 
nền thép khi lắng đọng. 
3.5.2. Mòn của lớp phủ 
Kết quả khảo sát mòn của nhóm tác giả [15] khi phun hạt SiC trên mẫu phẳng bằng vật 
liệu thép 4140 có phủ các lớp CrN, TiAlN theo các góc 300, 450, 600 và 900 trong thời gian 
10 phút cho thấy: khối lượng vật liệu mẫu mất đi giảm từ 0,0572  0,0267 g khi tăng góc 
tác động từ 300  900 đối với lớp phủ TiAlN. 
Thử nghiệm mài mòn bằng phương pháp chốt tỳ trên đĩa quay (pin-on-disc) đối với lớp 
phủ TiN [18] sau 7500 vòng quay của đĩa có kết quả: thể tích vật liệu mất đi tăng từ 0,052 
 0,706 mm3 khi nhiệt độ tăng từ 20  500 0C. 
Nhóm tác giả [19] thử nghiệm phun các hạt ôxit nhôm có kích thước 1,2 m với vận 
tốc 100 m/s ở góc tác động 900 lên bề mặt lớp phủ TiN đã chỉ ra: tốc độ mòn của lớp phủ 
TiN giảm từ 0,25  0,16 m/phút khi tăng nhiệt độ nền trong quá trình chế tạo lớp phủ từ 
330  470 0C. 
Các nghiên cứu cho thấy khả năng chống mòn của lớp phủ TiN phụ thuộc vào nhiều 
yếu tố: nhiệt độ chế tạo, nhiệt độ làm việc và góc tác động các hạt rắn lên bề mặt lớp phủ. 
3.5.3. Hệ số ma sát 
Theo nghiên cứu của nhóm tác giả [4] đưa ra hệ số ma sát của lớp phủ TiN là 0,42 khi 
thử nghiệm bằng phương pháp rạch trên bề mặt lớp phủ. Hệ số ma sát của lớp phủ TiN 
tăng từ 0,5 lên 0,6 khi nhiệt độ thử nghiệm tương ứng là 20 0C tăng lên 500 0C [18]. 
Thử nghiệm cắm các chốt H13, H13 + nitrit và H13 + phủ TiN vào nhôm lỏng, khi 
nhôm đông đặc tiến hành rút các chốt khỏi khối nhôm để xác định lực rút chốt [12]. Nhóm 
nghiên cứu chỉ ra chốt có phủ TiN có lực rút chốt nhỏ nhất 55 MPa và dính bám nhôm ít 
nhất, đối với chốt H13 + nitrit và H13 lực rút chốt tương ứng là 78 và 195 MPa. 
Các nghiên cứu cho thấy hệ số ma sát của lớp phủ TiN nhỏ, giảm dính bám nhôm, 
giảm lực rút chốt. Tuy nhiên, hệ số ma sát không là đại lượng xác định tính mòn hoặc dính 
bám của lớp phủ [4]. 
3.6. Thử nghiệm sản xuất 
Các chi tiết chốt có phủ và không phủ TiN được lắp vào cùng một bộ khuôn đúc nhôm 
trên máy đúc áp lực ZDC250T dùng để chế tạo chi tiết HOLDER M/C (vòng ôm) tại Nhà 
máy cơ khí 17 - Bộ Quốc phòng hình 3c. Bộ thông số chính trong khi sản xuất: nhiệt độ 
nhôm 680  720 0C; Áp lực bắn 135  250 kG/cm2; Áp suất khí nén 5,5  7 kG/cm2; Áp 
suất nước làm mát 1  2 kG/cm2. 
Sản phẩm được công nhận là đạt yêu cầu kỹ thuật là sản phẩm có kích thước lỗ đạt 
6,67; chiều dài làm việc với kích thước L= 13 mm, đường kính lỗ phải nằm trong giới 
hạn dung sai kích thước cho phép. 
Khi sản phẩm xuất hiện lỗi về bề mặt và kích thước mà quá trình sửa khuôn (đánh bóng 
lại) không khắc phục được thì chốt thử nghiệm được xác định là hỏng. So sánh số lượng 
sản phẩm đúc được đạt yêu cầu khi sử dụng khuôn với chốt có phủ và không phủ TiN được 
thể hiện trong bảng 2. 
 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực 
Đ. T. Bình, , P. H. Tuấn, “Chế tạo lớp phủ cứng TiN sản xuất chi tiết vòng ôm.” 200 
Bảng 2. Số lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật 
trong quá trình thử nghiệm chốt có phủ và không phủ. 
Loại chốt Số sản phẩm (chiếc) 
Phủ TiN 40.000  45.000 
Không phủ TiN 20.000  25.000 
Thử nghiệm trong sản xuất công nghiệp [11] với chốt có phủ TiN bằng phương pháp 
PACVD, số lượng sản phẩm đạt được đối với chốt không phủ và có phủ là 7.000  12.500 
và 16.000  46.000. 
Hình 6. Dòng kim loại tác động lên chốt trong quá trình làm việc: a) Dòng kim loại vào 
khuôn; b) Tiết diện dòng chảy bị thu hẹp; c) Vị trí mòn trên chốt không phủ (chốt C1); 
d) Vị trí mòn trên chốt có phủ (chốt B1). 
Trên hình 6 là sơ đồ dòng kim loại tác động vào chốt trong quá trình làm việc. Với 
công nghệ sản xuất ổn định vị trí mòn trên chốt có phủ và không phủ do dòng kim loại tác 
động là giống nhau. Tuy nhiên, mòn xảy ra mạnh trên chốt không phủ, đặc điểm vết mòn 
khác nhau về kích thước và chiều sâu. Trên chốt có phủ là các vùng lớp phủ bảo vệ đã bị 
bong với mức độ khác nhau. Vết mòn bắt đầu xuất hiện theo chiều cao z trên chốt, từ (z = 
11 mm) đến (z = 9 mm). Trên hình 6 cũng thấy chốt bị mòn mạnh tại vị trí dòng kim loại 
hướng lên, từ vị trí góc 90 với chốt không phủ và -90 đối với chốt có phủ TiN. 
3.6.1. Mòn trên chốt không phủ TiN 
Trên hình 3b và hình 6c khảo sát vị trí dòng kim loại tác động trực tiếp lên chốt theo 
góc tác động: ở góc 900, vùng mòn rộng, chiều sâu mòn nhỏ; vị trí dòng tiếp tuyến 
(0450), dòng kim loại bị thu hẹp hình 6b,c, vết mòn nhỏ, chiều sâu vết mòn lớn. Tuy 
nhiên, tại vị trí góc 1800 trên chốt không xảy ra mòn. Điều này có thể thấy dòng kim loại 
có áp lực và vận tốc lớn là dòng vào chốt và hướng lên trên theo trục y. Chiều sâu vết mòn 
lớn nhất đo được là 0,07 mm, trên chốt C1, tại vị trí góc 90 như trên hình 6b và hình 7. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 201
Hình 7. Chiều sâu vết mòn trên chốt không phủ. 
So sánh với kết quả của [15], khảo sát mòn khi phun hạt SiC trên mẫu phẳng bằng vật 
liệu thép 4140 có phủ các lớp CrN, TiAlN theo các góc 300, 450, 600 và 900. Kết quả thử 
nghiệm đối với chốt không phủ trong khuôn đúc vòng ôm cho thấy: hình dáng vết mòn 
thay đổi từ dạng ô van tới tròn khi góc phun thay đổi từ 30 đến 900; Diện tích vết mòn và 
thể tích vật liệu nền bị mòn giảm tương ứng. 
Bảng 3. Mòn trên chốt ở các vị trí khác nhau trong khuôn. 
Vị trí 
chốt 
Khoảng cách 
từ vị trí phun 
(mm) 
Kích thước vết mòn Chiều sâu 
vết mòn 
(mm) 
Chu vi 
mòn 
(mm) 
Diện tích 
mòn 
(mm2) 
Trục z 
(mm) 
Trục y 
(mm) 
C1 81,5 1,59 2,5 0,070 7,66 3,10 
C2 133,5 1,77 1,8 0,057 6,32 2,99 
C3 185,5 1,6 1,5 0,038 5,45 1,90 
Hình 8. Vết mòn chốt ở các vị trí khác nhau trên khuôn: 
 a) Chốt C1; b) Chốt C2; c) Chốt C3. 
Đánh giá hỏng của chốt thử nghiệm trên khuôn vòng ôm quan sát được: hình dáng vết 
mòn thay đổi theo tiết diện và góc tác động của dòng chảy kim loại. Vị trí chốt trong 
khuôn khác nhau thì chiều sâu mòn khác nhau. Từ bảng 3 và hình 8 cho thấy: khoảng cách 
gần vị trí phun thì vận tốc và áp lực dòng chảy lớn; diện tích, chiều sâu lớn nhất đo được là 
3,10 mm2 và 0,070 mm. Tại vị trí xa vị trí phun thì vận tốc và áp lực dòng chảy giảm, kích 
thước và chiều sâu vết mòn giảm. 
Nhận xét: 
Bề mặt khuôn đúc bị mòn trong quá trình làm việc nguyên nhân là do sự hoà tan và mất 
vật liệu khuôn vào kim loại lỏng [16]. Quá trình hàn dính kim loại đúc trên bề mặt khuôn 
không phủ theo cơ chế hoá lý [17]. Trong quá trình làm việc nhôm bám dính trên bề mặt 
 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực 
Đ. T. Bình, , P. H. Tuấn, “Chế tạo lớp phủ cứng TiN sản xuất chi tiết vòng ôm.” 202 
chốt, các lớp mỏng hình thành liên kim với vật liệu nền. Lớp dính bám ảnh hưởng xấu đến 
độ bóng bề mặt vật đúc hoặc gây xước bề mặt. 
Lớp dính bám phát triển đến chiều dày nhất định dưới tác động của dòng chảy trong 
khuôn bong ra khỏi bề mặt khuôn kéo theo một lớp kim loại nền. Qua nhiều chu kỳ đúc, 
quá trình mất vật liệu trên bề mặt chốt gây hụt kích thước lỗ dẫn đến vật đúc không đạt 
yêu cầu kỹ thuật. 
Kết quả nhận được so sánh với kết quả của [15] cho thấy vết mòn dài ở vị trí tác động 
của dòng kim loại phun vào bề mặt khuôn có góc nhỏ hơn 450, tại vị trí tiết diện dòng chảy 
bị thu hẹp. Bề mặt chốt trong thử nghiệm chịu tác động của dòng chảy kim loại nhôm ít 
gây mòn tại vị trí kim loại phun trực tiếp. Mòn trên bề mặt chốt không có lớp phủ do tác 
động tổng hợp của dòng chảy, dính bám kim loại nhôm lỏng tạo liên kim với nền và lớp 
liên kim bong ra khỏi bề mặt khuôn. 
3.6.2. Mòn trên chốt có phủ TiN 
Khi có lớp phủ TiN, kim loại nhôm nóng chảy trên bề mặt lớp phủ, thay vì chảy trực 
tiếp trên bề mặt khuôn bằng thép SKD61. Cơ chế phá huỷ lớp phủ trên bề mặt khuôn là do 
quá trình hình thành, phát triển và tạo các điểm vỡ cục bộ trên bề mặt lớp phủ. Các nguyên 
nhân ảnh hưởng như quá trình tạo lớp phủ, tác động cơ học, hoá học của kim loại lỏng, 
chu kỳ nhiệt của khuôn trong quá trình đúc chi tiết [5]. Mòn trên chốt có phủ bị ảnh hưởng 
bởi khả năng làm việc, bảo vệ của lớp phủ, khả năng dính bám của lớp phủ với nền. 
Đánh giá mòn trên chốt có phủ TiN được quan sát sau thử nghiệm sản xuất trên khuôn 
vòng ôm. Lớp phủ TiN bong mạnh và chủ yếu ở góc tác động trực tiếp 900 hình 6d. Vùng 
bong rộng có thể quan sát thấy các nhấp nhô bề mặt chốt do quá trình gia công đánh bóng 
chốt trước khi phủ. Các góc tác động nhỏ vùng bong nhỏ hơn và không xuất hiện vết mòn 
sâu như chốt không phủ. Cũng tương tự như các chốt không phủ, kích thước vết mòn giảm 
khi vị trí chốt xa vị trí phun kim loại vào khuôn. Điều này có thể thấy lớp phủ chống dính 
bám nhôm lỏng tốt, đồng thời giảm ma sát giữa lớp phủ và kim loại vật đúc giúp quá trình 
rút chốt khỏi vật đúc dễ dàng. 
Ngoài sự bong tróc do tác động trực tiếp của dòng kim loại, lớp phủ còn bị hỏng trong 
quá trình làm việc do ứng suất trong xuất hiện khi nung nóng và làm nguội khuôn gây ra 
các vết nứt tế vi, các vết nứt này phát triển và kim loại đúc điền đầy vết nứt. Khi tăng số 
lần phun khuôn, kim loại đúc tiếp xúc với kim loại nền hình thành liên kim. Kết hợp với 
ứng suất sau một số quá trình làm việc lớp phủ mất khả năng dính bám và bong ra khỏi bề 
mặt khuôn, được nhắc đến trong [5]. Điều này phù hợp với kết quả quan sát trên chốt được 
phủ TiN sử dụng trong thử nghiệm sản xuất tại nhà máy Z117 - Bộ Quốc phòng. 
Các nghiên cứu về vị trí mòn, quy luật mòn, ảnh hưởng của dòng chảy là cơ sở xác 
định dòng chảy trong khuôn, hướng tác động, vị trí chịu tác động lớn nhất, từ đó ứng dụng 
lớp phủ TiN trên các chi tiết có xu hướng xảy ra hỏng lớn nhất nhằm nâng cao tuổi thọ và 
năng suất cũng như chất lượng vật đúc. 
4. KẾT LUẬN 
Lớp phủ TiN trên chi tiết khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm chế tạo bằng phương pháp 
hồ quang chân không trên thiết bị DREVAR 400-VTD đạt được: hợp thức của lớp phủ 
TiN xấp xỉ 1:1 đồng đều trên toàn bộ bề mặt, chiều dày lớp phủ 1,52 µm. Số lượng hạt 
macro có kích thước lớn trên bề mặt ít nhưng nhưng vẫn còn hạt macro kích thước rất lớn 
(912 µm). Với chi tiết khuôn có phủ TiN, số lượng chi tiết đúc được đạt yêu cầu kỹ thuật 
tăng gấp 2 lần so với chi tiết khuôn không phủ TiN. Chốt không phủ TiN bị xói mòn mạnh 
ở vị trí dòng kim loại bị thu hẹp, góc tác động nhỏ hơn 450. Chốt có phủ TiN bị bong mạnh 
ở vị trí dòng kim loại tác động trực tiếp (900); lớp phủ TiN có khả năng làm việc ở nhiệt 
độ 700 0C, chống dính tốt và ma sát với nhôm nhỏ. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 203
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. D. Klobcˇar, L. Kosec, B. Kosec, J. Tušek, “Thermo fatigue cracking of die casting 
dies”, Engineering Failure Analysis, Vol. 20, (2012), pp. 43-53. 
[2]. D. Klobcˇar, J. Tušek, “Thermal stresses in aluminium alloy die casting dies, 
Computational Materials Science”, Vol. 43, (2008), pp. 1147-1154. 
[3]. D. Klobcˇar, J. Tušek, B. Taljat, “Thermal fatigue of materials for die-casting 
tooling”, Materials Science and Engineering, Vol. 472, (2008), pp. 198-207. 
[4]. O. Salas, K. Kearns, S. Carrera, J.J. Moore, “Tribological behavior of candidate 
coatings for Al die casting dies”, Surface and Coatings Technology, Vol. 172, (2003), 
pp. 117-127. 
[5]. J. Lin, S. Carrera et al, “Design methodology for optimized die coatings: The case for 
aluminum pressure die-casting”, Surface and Coatings Technology, Vol. 201, (2006), 
pp. 2930-2941. 
[6]. Gabriela Strnad, Joseph Buhagiar, “Latest developments in PVD coatings for 
tooling”, Scientific Bulletin of the Petru Maior University of Targu Mures, Vol. 7, 
No.1 (2010), pp 32-37. 
[7]. Vladimir I. Gorokhovsky, Deepak G. Bhat et al, “Characterization of large area 
filtered arc deposition technology: Part II - coating properties and applications”, 
Surface and Coatings Technology, Vol. 140, (2001), pp. 215-224. 
[8]. Luu Thuy Chung, Dinh Thanh Binh, Pham Hong Tuan, Nguyen Thi Phuong Mai, 
“Nitrite hard coating layers applied to aluminium die casting based on SKD61”, the 
15th International Symposium on Eco-materials Processing and Design, (2014), pp. 
294-297. 
[9]. Đinh Thanh Bình, Lưu Thuỷ Chung, Phạm Hồng Tuấn, Nguyễn Thị Phương Mai, 
“Ứng dụng lớp phủ cứng TiN trên khuôn đúc áp lực để chế tạo chi tiết máy từ hợp 
kim kẽm”, Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ khí- Động lực 2016, 
Quyển 2, (2016), pp. 23-28. 
[10]. S. Gulizia, M.Z. Jahedi, E.D. Doyle, “Performance evaluation of PVD coatings for 
high pressuredie casting”, Surface and Coatings Technology, Vol. 140, (2001), pp. 
200-205. 
[11]. C. Mitterer, F. Holler, F. Ustel, D. Heim, “Application of hard coatings in aluminium 
die casting-soldering, erosion and thermal fatigue behaviour”, Surface and Coatings 
Technology, Vol. 125, (2000), pp. 233-239 
[12]. V. Joshi et al, “Dissolution and soldering behavior of nitrided hot working steel with 
multilayer LAFAD PVD coatings”, Surface and Coatings Technology, Vol 146-147, 
(2001), pp. 338-343. 
[13]. V.D. Ovcharenko, A.S. Kuprin, G.N. Tolmachova, I.V. Kolodiy, “Deposition of 
chromium nitride coatings using vacuum arc plasma in increased negative substrate 
bias voltage”, Vacuum, Vol. 117, (2015), pp. 27-34. 
[14]. V.D. Ovcharenko, A.S. Kuprin, G.N. Tolmachova, “Deposition of chromium nitride 
coatings from vacuum arc plasma in increased nitrogen pressure”, Plasma Physics, 
Vol. 20, (2014), pp. 204-207. 
[15]. J.R. Laguna-Camacho, L.A. Cruz-Mendoza et al, “Solid particle erosion on coatings 
employed to protect die casting molds”, Progress in Organic Coatings, Vol. 74, 
(2012), pp. 750-757. 
[16]. V. Joshi, A. Srivastava, R. Shivpuri, “Intermetallic formation and its relation to 
interface mass loss and tribology in die casting dies”, Wear, Vol. 256, (2004), pp. 
1232-1235. 
 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực 
Đ. T. Bình, , P. H. Tuấn, “Chế tạo lớp phủ cứng TiN sản xuất chi tiết vòng ôm.” 204 
[17]. Hanliang Zhu, Jingjie Guo, Jun Jia, “Experimental study and theoretical analysis on 
die solderingin aluminum die casting”, Journal of Materials Processing Technology, 
Vol. 123, (2002), pp. 229-235. 
[18]. M. Polok-Rubiniec, L.A. Dobrzański, K. Lukaszkowicz, M. Adamiak, “Comparison 
of the structure, properties and wear resistance of the TiN PVD coatings” Journal of 
Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 27, (2008), pp. 87-
90. 
[19]. Y. Iwai et al, “Evaluation of erosive wear resistance of TiN coatings by a slurry jet 
impact test”, Wear, Vol. 261, (2006), pp. 112-118. 
[20]. Nguyễn Thành Hợp, Đinh Thanh Bình, Nguyễn Thị Phương Mai, Phạm Hồng Tuấn, 
“Chế tạo lớp phủ cứng TiN, ZrN, TiCN trên dụng cụ cắt và chi tiết khuôn mẫu bằng 
công nghệ hồ quang chân không”, Hội nghị khoa học - công nghệ toàn quốc về cơ khí 
lần thứ IV, Quyển 2, (2015), pp. 607-613. 
ABSTRACT 
DEPOSITED THE TiN HARD COATING BY VACUUM CATHODE ARC, USING 
FOR ALUMINUM DIE-CASTING OF HOLDER M/C COMPONENT 
 In the aluminum alloy die cast mold, the pins for creating holes in the 
product have a failure speed 10 times faster than that of the mold. The effects of 
high flow velocities, liquid metal temperatures and high molding pressures are 
the main causes of surface damage such as erosion, adhesion to aluminum. These 
effects reduce the quality of the castings and increase the cost of molding. 
Nitrile-based hard coatings protect the steel surface against erosion, aluminum 
adhesion and reduce thermal fatigue. This paper presents the technology of 
manufacture TiN coating on the SKD61 steel mold base by vacuum cathode arc 
method. Results obtained was the TiN coating with a thickness of 1.52 μm, 
congruence approximate 1: 1; The number of very large macro particles (915 
μm) on the surface is low. When using TiN coated die castings for casting 
machine parts from aluminum alloy for production, the required number of 
molded parts is doubled compared to TiN coated cores/latches. TiN coatings 
were made of high hardness, low coefficient of friction, reduced adhesion to 
aluminum and capable of working at 7000C under production conditions. 
Keywords: Cathodic arc, Aluminium die casting, TiN, SKD61. 
Nhận bài ngày 08 tháng 6 năm 2017 
Hoàn thiện ngày 01 tháng 8 năm 2017 
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 12 năm 2017 
Địa chỉ: 1 Khoa Dạy nghề, Cao đẳng Công nghiệp quốc phòng; 
 2 Khoa Cơ khí, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh; 
 3 Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội; 
 4 Trung tâm Quang điện tử, Viện Ứng dụng Công nghệ. 
 * E-mail: thanhbinh2183@gmail.com.