Lớp bề mặt là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm về lớp bề mặt

Lớp bề mặt (surface layer) là vùng vật liệu sát bề mặt tiếp xúc trực tiếp với môi trường làm việc, có độ dày dao động từ vài nanomet đến vài chục micromet. Vùng này thường khác biệt về cấu trúc vi mô, thành phần pha và ứng suất dư so với lõi bên trong.

Lớp bề mặt quyết định tính năng quan trọng như độ bền mỏi, khả năng chống mòn, chống ăn mòn và độ bám dính của lớp phủ. Sự biến đổi tính chất trong lớp bề mặt ảnh hưởng mạnh đến tuổi thọ và độ ổn định của chi tiết máy, linh kiện điện tử hay cấy ghép y sinh.

Trong công nghệ vật liệu, phân tích lớp bề mặt cho phép tối ưu quy trình gia công và xử lý nhằm cải thiện hiệu suất chức năng. Việc hiểu rõ đặc trưng lớp bề mặt giúp thiết kế vật liệu theo hướng “bề mặt chức năng” (functional surface) để đáp ứng yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Cơ chế hình thành lớp bề mặt

Quá trình hình thành lớp bề mặt bắt đầu từ các phương pháp gia công cơ học, xử lý nhiệt hoặc phủ lớp chức năng. Mỗi phương pháp tạo nên vùng biến dạng dẻo, pha mới hoặc lớp phủ mỏng với đặc tính khác biệt.

• Gia công cơ học: mài, đánh bóng, phay tạo biến dạng dẻo cực nhỏ và tái kết tinh bề mặt, làm gia tăng độ cứng và ứng suất nén bề mặt.
• Xử lý nhiệt bề mặt: gồm nhiệt luyện oxy hóa, nitro hóa, nitriding plasma nhằm khuếch tán nguyên tố O hoặc N vào bề mặt, tạo lớp ôxít cứng hoặc nitride chịu mài mòn.
• Phủ lớp chức năng: công nghệ PVD/CVD, phún xạ hoặc mạ điện tạo lớp ceramic, kim loại mỏng như DLC (diamond-like carbon) hoặc titan nitride (TiN) có độ cứng cao.

Sự phối hợp đa bước (cơ khí + nhiệt + phủ) giúp tối ưu cân bằng giữa độ cứng, độ dẻo và tính chịu ăn mòn. Ví dụ, nitro hóa plasma trước khi phủ DLC có thể tăng độ bám dính và giảm ứng suất sai.

Phương pháp đặc trưng hóa lớp bề mặt

Đặc trưng hóa lớp bề mặt yêu cầu kết hợp nhiều kỹ thuật phân tích để xác định thành phần pha, cấu trúc tinh thể, độ dày và thành phần hóa học. Phổ tia X (XRD) là phương pháp cơ bản để xác định các pha và kích thước tinh thể của lớp bề mặt (Rigaku XRD).

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) phân tích liên kết hóa học ở bề mặt, hỗ trợ nhận diện các nhóm chức năng hoặc hợp chất ôxít. Máy đo góc tiếp xúc (contact angle goniometer) đánh giá tính ướt, từ đó suy ra năng lượng bề mặt và khả năng bám dính.

• SEM/EDS: quan sát hình thái bề mặt và đo thành phần nguyên tố thông qua phổ tia X năng lượng phân tán (Thermo Fisher SEM/EDS).
• AFM: đo độ nhám và phân bố ứng suất cục bộ ở cấp nano.
• Khảo sát nanoindentation: xác định độ cứng và mô-đun đàn hồi theo chiều sâu.

Tính chất cơ–lý của lớp bề mặt

Độ cứng và khả năng chịu mài mòn của lớp bề mặt tăng lên nhờ pha cứng hoặc ứng suất nén dư. Độ cứng Vickers (H_v) thường đo trên vật liệu gia công cơ hoặc phủ kim loại cứng.

Loại lớp bề mặt	Độ cứng Vickers (Hv)	Ứng dụng
Thép nitro hóa	600–800 HV	Khuôn dập, trục cam
TiN phủ PVD	2000–2500 HV	Công cụ cắt
DLC	1000–1500 HV	Linh kiện giảm ma sát

Ứng suất dư nén trong lớp bề mặt làm tăng độ bền mỏi. Phương pháp đo X-ray diffraction residual stress cho kết quả ứng suất điển hình từ –200 đến –600 MPa, giúp ngăn nứt mỏi khởi phát tại bề mặt.

Khả năng chống mài mòn được thể hiện qua hệ số ma sát và tỷ lệ hao mòn theo ASTM G65; lớp mặt DLC có thể giảm hệ số ma sát xuống còn 0,05 và giảm hao mòn >70% so với thép chưa xử lý.

Tính chất hóa–hóa học bề mặt

Năng lượng bề mặt của lớp bề mặt quyết định khả năng tạo ướt và bám dính của các lớp phủ, keo dán hay sơn. Giá trị này được xác định qua đo góc tiếp xúc (contact angle), trong đó góc < 90° thể hiện tính ưa nước (hydrophilic) và góc > 90° thể hiện tính kỵ nước (hydrophobic).

Thành phần hóa học lớp bề mặt thường có sự thay đổi so với lõi: sự khuếch tán các nguyên tố như O, N, C, Cr vào lớp nitro hóa hoặc oxide tạo ra các pha mới. Phổ FTIR giúp xác định các liên kết hóa học như C–O, N–H, Fe–O, trong khi phổ XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) cho biết trạng thái oxi hóa và tỷ lệ nguyên tố bề mặt.

Phương pháp	Tính chất đo được	Ứng dụng
Contact angle	Góc tiếp xúc, năng lượng bề mặt	Đánh giá bám dính sơn, keo
FTIR	Liên kết hóa học, nhóm chức năng	Nhận diện phase oxide, nitride
XPS	Trạng thái hóa trị, tỷ lệ nguyên tố	Phân tích oxide, carbide

Độ thấm ẩm (water uptake) hay độ hút dầu (oil uptake) của lớp bề mặt cũng quan trọng trong ứng dụng chống ăn mòn và ma sát. Thử nghiệm ASTM D570 xác định độ hút ẩm lớp phủ, còn ASTM D1653 đo độ thấm nước của màng mỏng.

Chức năng và ứng dụng kỹ thuật

Lớp bề mặt được thiết kế để cải thiện tính năng cụ thể của chi tiết:

• Chống mòn: sử dụng DLC (diamond-like carbon), nitride titan (TiN) hoặc boron carbide để giảm ma sát và hao mòn trong công cụ cắt và ổ trượt.
• Chống ăn mòn: lớp oxide cứng (anodizing nhôm) hoặc phủ crom cứng (hard chrome plating) bảo vệ bề mặt khỏi môi trường axit, mặn và hóa chất.
• Chức năng sinh học: phủ hydroxyapatite hoặc TiO₂ cho cấy ghép xương giúp tăng tương hợp sinh học và thúc đẩy sự gắn kết giữa implant và mô xương (NCBI PMC).
• Chống trầy xước và trang trí: PVD tạo màu vàng đỏ (TiAlN), phủ ceramic bảo vệ màn hình điện thoại và kính đồng hồ.

Trong ngành hàng không vũ trụ, lớp bề mặt chịu nhiệt cao như phủ TBC (Thermal Barrier Coating) bằng yttria-stabilized zirconia (YSZ) giúp bảo vệ tuốc bin khí khỏi nhiệt độ lên đến 1200 °C, kéo dài tuổi thọ chi tiết và giảm tiêu hao nhiên liệu.

Tiêu chuẩn và hướng dẫn đánh giá

• ASTM B571 – Đo độ dày lớp phủ kim loại bằng phương pháp phát xạ X (ASTM B571).
• ISO 8503 – Chuẩn bị bề mặt thép trước khi phủ sơn, đo độ nhám bề mặt (ISO 8503).
• ASTM G65 – Thử nghiệm mài mòn bề mặt theo phương pháp dry sand/rubber wheel to wear test.
• ISO 25178 – Đo đạc và biểu diễn độ nhám bề mặt 3D (ISO 25178).

Các tiêu chuẩn này quy định phương pháp đo, điều kiện thử nghiệm và tiêu chí chấp nhận sản phẩm, giúp đảm bảo tính lặp lại và so sánh giữa các phòng thí nghiệm, nhà máy và nhà cung cấp.

Ảnh hưởng của quá trình công nghệ

Thông số quy trình như nhiệt độ xử lý, thời gian, áp suất, nồng độ khí và tốc độ phủ ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày, cấu trúc pha và ứng suất dư của lớp bề mặt. Ví dụ, nitro hóa plasma ở 500–600 °C trong 2–6 giờ tạo lớp compound zone dày 5–10 µm, tiếp theo là diffusion zone dày 20–40 µm, giúp cân bằng độ cứng và độ dẻo.

Trong gia công PVD, nhiệt độ cơ bản và áp suất buồng chân không quyết định tỷ lệ tạo pha nitride hoặc carbide, độ tinh khiết và độ bám dính. Tăng áp suất N₂ trong buồng PVD làm tăng lượng nitride tạo thành, nâng cao độ cứng nhưng cũng có thể tăng ứng suất dư.

Xu hướng nghiên cứu tương lai

• Lớp phủ đa chức năng: thiết kế multilayer coatings kết hợp DLC/TiN/AlCrN để vừa chống mòn, vừa chống ăn mòn và giảm ma sát.
• Thiết kế vi cấu trúc: sử dụng in 3D để tùy biến microstructure lớp bề mặt, tạo các tổ hợp lỗ rỗng hoặc kênh dẫn chất lỏng.
• Trí tuệ nhân tạo: áp dụng machine learning để tối ưu quy trình phủ và dự đoán tính năng bề mặt từ thông số công nghệ và cấu trúc vi mô.
• Vật liệu thông minh: lớp bề mặt cảm biến nhiệt độ, áp suất hoặc pH, có khả năng tự điều chỉnh tính năng khi môi trường thay đổi.

Tài liệu tham khảo

• ASM International. (2011). Engineered Surface Finishes. ASM Handbook, Vol. 5.
• ASTM International. (2020). ASTM B571 – Standard Test Method for Microstructure of Metallic Coatings. astm.org.
• ISO. (2017). ISO 8503 – Preparation of steel substrates before application of paints and related products. iso.org.
• Sun, Y., et al. (2019). “Surface Engineering for Wear Resistance: A Review,” Tribology International, 131, 134–155. doi:10.1016/j.triboint.2018.11.023
• Li, W., & Wang, X. (2021). “Advances in Functional Surface Coatings,” Surface & Coatings Technology, 407, 126794. doi:10.1016/j.surfcoat.2021.126794
• NCBI PMC. (2019). “Hydroxyapatite Coatings for Biomedical Applications.” ncbi.nlm.nih.gov.
• Furuhara, T., & Maeda, R. (2018). “Mechanisms of Surface Hardening in Steels,” Materials Science and Technology, 34(5), 451–460.
• ISO. (2015). ISO 25178 – Geometric product specification (GPS) – Surface texture: Areal. iso.org.