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Titaniumnitrid-Beschichtung Kratztest

TITAN-NITRID-BESCHICHTUNG KRATZTEST

INSPEKTION DER QUALITÄTSKONTROLLE

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Die Kombination aus hoher Härte, hervorragender Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Inertheit macht Titannitrid (TiN) zu einer idealen Schutzschicht für Metallteile in verschiedenen Branchen. So kann beispielsweise die Kantenfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit einer TiN-Beschichtung die Arbeitseffizienz erheblich steigern und die Lebensdauer von Werkzeugmaschinen wie Rasierklingen, Metallschneidern, Spritzgussformen und Sägen verlängern. Seine hohe Härte, Inertheit und Ungiftigkeit machen TiN zu einem hervorragenden Kandidaten für Anwendungen in medizinischen Geräten wie Implantaten und chirurgischen Instrumenten.

WICHTIGKEIT DER TiN-BESCHICHTUNG RATSCHPRÜFUNG

Eigenspannungen in PVD/CVD-Schutzbeschichtungen spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit und mechanische Integrität des beschichteten Bauteils. Die Eigenspannungen stammen aus mehreren Hauptquellen, darunter Wachstumsspannungen, thermische Gradienten, geometrische Beschränkungen und Betriebsbelastungen¹. Das Missverhältnis zwischen der thermischen Ausdehnung der Beschichtung und des Substrats, das während der Beschichtung bei hohen Temperaturen entsteht, führt zu hohen thermischen Restspannungen. Außerdem werden TiN-beschichtete Werkzeuge oft unter sehr hohen konzentrierten Belastungen eingesetzt, z. B. Bohrer und Lager. Die Entwicklung eines zuverlässigen Qualitätskontrollverfahrens zur quantitativen Prüfung der Kohäsions- und Adhäsionsfestigkeit von funktionalen Schutzschichten ist von entscheidender Bedeutung.

[1] V. Teixeira, Vakuum 64 (2002) 393-399.

MESSZIEL

In dieser Studie zeigen wir, dass NANOVEA Mechanische Prüfgeräte im Scratch-Modus sind ideal für die kontrollierte und quantitative Beurteilung der Kohäsions-/Adhäsionsfestigkeit schützender TiN-Beschichtungen.

NANOVEA

PB1000

TESTBEDINGUNGEN

Der NANOVEA PB1000 Mechanical Tester wurde zur Durchführung der Beschichtung verwendet. Scratch-Tests an drei TiN-Beschichtungen mit den gleichen Testparametern wie unten zusammengefasst:

LADEMODUS: Progressiv Linear

ANFANGSLADUNG

0.02 N

ENDLADUNG

10 N

LADUNGSVERFAHREN

20 N/min

SCRATCH LENGTH

5 mm

INDENTER-TYP

Sphäro-Kegel

Diamant, 20 μm Radius

ERGEBNISSE & DISKUSSION

ABBILDUNG 1 zeigt die aufgezeichnete Entwicklung der Eindringtiefe, des Reibungskoeffizienten (COF) und der Schallemission während des Tests. Die vollständigen Mikrokratzspuren auf den TiN-Proben sind in ABBILDUNG 2 dargestellt. Das Versagensverhalten bei verschiedenen kritischen Lasten ist in ABBILDUNG 3 dargestellt, wobei die kritische Last Lc1 als die Last definiert ist, bei der das erste Anzeichen eines kohäsiven Risses in der Kratzspur auftritt, Lc2 ist die Last, nach der wiederholte Abplatzungen auftreten, und Lc3 ist die Last, bei der die Beschichtung vollständig vom Substrat entfernt wird. Die kritischen Lastwerte (Lc) für die TiN-Beschichtungen sind in ABBILDUNG 4 zusammengefasst.

Die Entwicklung von Eindringtiefe, COF und Schallemission gibt Aufschluss über den Mechanismus des Versagens der Beschichtung in verschiedenen Stadien, die in dieser Studie durch die kritischen Belastungen dargestellt werden. Es ist zu beobachten, dass Probe A und Probe B während des Kratztests ein vergleichbares Verhalten zeigen. Der Stift dringt allmählich bis zu einer Tiefe von ~0,06 mm in die Probe ein, und der COF steigt allmählich auf ~0,3 an, während die Normallast zu Beginn des Kratztests linear ansteigt. Wenn die Lc1 von ~3,3 N erreicht wird, treten die ersten Anzeichen eines Abplatzens auf. Dies spiegelt sich auch in den ersten großen Ausschlägen im Diagramm von Eindringtiefe, COF und Schallemission wider. Wenn die Belastung weiter bis zu Lc2 von ~3,8 N ansteigt, kommt es zu weiteren Schwankungen bei Eindringtiefe, COF und Schallemission. Auf beiden Seiten der Kratzspur ist ein kontinuierlicher Abplatzungsschaden zu beobachten. Bei Lc3 löst sich die Beschichtung unter dem hohen Druck, den der Stift ausübt, vollständig vom Metallsubstrat ab, so dass das Substrat frei und ungeschützt ist.

Im Vergleich dazu weist Probe C in verschiedenen Phasen der Kratztests geringere kritische Belastungen auf, was sich auch in der Entwicklung der Eindringtiefe, des Reibungskoeffizienten (COF) und der Schallemission während des Kratztests widerspiegelt. Probe C besitzt eine Haftzwischenschicht mit geringerer Härte und höherer Spannung an der Grenzfläche zwischen der oberen TiN-Schicht und dem Metallsubstrat im Vergleich zu Probe A und Probe B.

Diese Studie zeigt, wie wichtig die richtige Substratunterstützung und Beschichtungsarchitektur für die Qualität des Beschichtungssystems ist. Eine stärkere Zwischenschicht kann Verformungen unter hoher externer Belastung und Konzentrationsstress besser widerstehen und somit die Kohäsions- und Haftfestigkeit des Beschichtungs-/Substratsystems verbessern.

ABBILDUNG 1: Entwicklung von Eindringtiefe, COF und Schallemission der TiN-Proben.

ABBILDUNG 2: Vollständige Kratzspur der TiN-Beschichtungen nach den Tests.

ABBILDUNG 3: Versagen der TiN-Beschichtung bei unterschiedlichen kritischen Belastungen, Lc.

ABBILDUNG 4: Zusammenfassung der kritischen Belastungswerte (Lc) für die TiN-Beschichtungen.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass der NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester zuverlässige und genaue Kratztests an TiN-beschichteten Proben in einer kontrollierten und genau überwachten Weise durchführt. Kratzmessungen ermöglichen es den Anwendern, die kritische Belastung, bei der typische kohäsive und adhäsive Beschichtungen versagen, schnell zu identifizieren. Unsere Geräte sind hervorragende Qualitätskontrollinstrumente, mit denen die intrinsische Qualität einer Beschichtung und die Integrität der Grenzflächen eines Beschichtungs-/Substratsystems quantitativ geprüft und verglichen werden können. Eine Beschichtung mit einer geeigneten Zwischenschicht kann großen Verformungen unter hoher äußerer Belastung und Konzentrationsspannung widerstehen und die Kohäsions- und Haftfestigkeit eines Beschichtungs-/Substratsystems verbessern.

Die Nano- und Mikromodule eines NANOVEA-Mechanikprüfgeräts enthalten alle ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungsmodi und bieten damit das breiteste und benutzerfreundlichste Prüfspektrum, das in einem einzigen System verfügbar ist. Das unübertroffene Angebot von NANOVEA ist eine ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite mechanischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, E-Modul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen.

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