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Test di graffiatura del rivestimento in nitruro di titanio

TEST DI GRAFFIATURA DEL RIVESTIMENTO IN NITRURO DI TITANIO

ISPEZIONE DI CONTROLLO QUALITÀ

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

La combinazione di elevata durezza, eccellente resistenza all'usura, alla corrosione e all'inerzia rende il nitruro di titanio (TiN) un rivestimento protettivo ideale per i componenti metallici di vari settori. Ad esempio, la ritenzione dei bordi e la resistenza alla corrosione di un rivestimento TiN possono aumentare notevolmente l'efficienza di lavoro e prolungare la durata di vita di macchine utensili come lame di rasoio, frese metalliche, stampi a iniezione e seghe. L'elevata durezza, l'inerzia e l'atossicità rendono il TiN un ottimo candidato per le applicazioni nei dispositivi medici, compresi gli impianti e gli strumenti chirurgici.

IMPORTANZA DEL TEST DI SCRATCH DEL RIVESTIMENTO TiN

Le tensioni residue nei rivestimenti protettivi PVD/CVD svolgono un ruolo critico nelle prestazioni e nell'integrità meccanica del componente rivestito. Le sollecitazioni residue derivano da diverse fonti principali, tra cui le sollecitazioni di crescita, i gradienti termici, i vincoli geometrici e le sollecitazioni di servizio¹. Il disallineamento dell'espansione termica tra il rivestimento e il substrato, che si crea durante la deposizione del rivestimento a temperature elevate, porta a elevate sollecitazioni residue termiche. Inoltre, gli utensili rivestiti di TiN sono spesso utilizzati in presenza di sollecitazioni concentrate molto elevate, come ad esempio le punte da trapano e i cuscinetti. È fondamentale sviluppare un processo di controllo qualità affidabile per ispezionare quantitativamente la forza coesiva e adesiva dei rivestimenti funzionali protettivi.

[1] V. Teixeira, Vacuum 64 (2002) 393?399.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio abbiamo dimostrato che i tester meccanici NANOVEA in modalità Scratch sono ideali per valutare la forza coesiva/adesiva dei rivestimenti protettivi TiN in modo controllato e quantitativo.

NANOVEA

PB1000

CONDIZIONI DI PROVA

Il tester meccanico NANOVEA PB1000 è stato utilizzato per eseguire test di graffiatura del rivestimento su tre rivestimenti TiN utilizzando gli stessi parametri di prova riassunti di seguito:

MODALITÀ DI CARICAMENTO: Progressivo lineare

CARICO INIZIALE

0.02 N

CARICO FINALE

10 N

TASSO DI CARICO

20 N/min

LUNGHEZZA DELLO SCRATCH

5 mm

TIPO DI INDENTERO

Sfero-conico

Diamante, raggio di 20 m

RISULTATI E DISCUSSIONE

La FIGURA 1 mostra l'evoluzione registrata della profondità di penetrazione, del coefficiente di attrito (COF) e dell'emissione acustica durante il test. La FIGURA 2 mostra le tracce dei micrograffi sui campioni di TiN. I comportamenti di rottura a diversi carichi critici sono mostrati in FIGURA 3, dove il carico critico Lc1 è definito come il carico al quale si verifica il primo segno di cricca coesiva nella traccia del graffio, Lc2 è il carico dopo il quale si verificano ripetuti cedimenti per spallazione e Lc3 è il carico al quale il rivestimento viene completamente rimosso dal substrato. I valori di carico critico (Lc) per i rivestimenti TiN sono riassunti in FIGURA 4.

L'evoluzione della profondità di penetrazione, della COF e dell'emissione acustica fornisce una visione del meccanismo di rottura del rivestimento in diverse fasi, che in questo studio sono rappresentate dai carichi critici. Si può osservare che il campione A e il campione B presentano un comportamento comparabile durante il test di graffiatura. Lo stilo penetra progressivamente nel campione fino a una profondità di ~0,06 mm e il COF aumenta gradualmente fino a ~0,3 mentre il carico normale aumenta linearmente all'inizio della prova di graffiatura del rivestimento. Quando si raggiunge un Lc1 di ~3,3 N, si verifica il primo segno di rottura per scheggiatura. Ciò si riflette anche nei primi grandi picchi nel grafico della profondità di penetrazione, della COF e dell'emissione acustica. Quando il carico continua ad aumentare fino a Lc2 di ~3,8 N, si verificano ulteriori fluttuazioni della profondità di penetrazione, della COF e dell'emissione acustica. Si può osservare un continuo cedimento per spallazione su entrambi i lati della traccia di graffio. A Lc3, il rivestimento si stacca completamente dal substrato metallico sotto l'elevata pressione applicata dallo stilo, lasciando il substrato esposto e non protetto.

In confronto, il campione C presenta carichi critici più bassi in diverse fasi dei test di graffio del rivestimento, il che si riflette anche nell'evoluzione della profondità di penetrazione, del coefficiente di attrito (COF) e dell'emissione acustica durante il test di graffio del rivestimento. Il campione C presenta un intercalare di adesione con una durezza inferiore e una sollecitazione più elevata all'interfaccia tra il rivestimento TiN superiore e il substrato metallico rispetto ai campioni A e B.

Questo studio dimostra l'importanza di un adeguato supporto del substrato e dell'architettura del rivestimento per la qualità del sistema di rivestimento. Un intercalare più resistente può resistere meglio alla deformazione sotto un elevato carico esterno e alle sollecitazioni di concentrazione, migliorando così la forza coesiva e adesiva del sistema rivestimento/substrato.

FIGURA 1: Evoluzione della profondità di penetrazione, della COF e dell'emissione acustica dei campioni di TiN.

FIGURA 2: Traccia completa dei graffi dei rivestimenti TiN dopo i test.

FIGURA 3: Cedimenti del rivestimento TiN in presenza di diversi carichi critici, Lc.

FIGURA 4: Riepilogo dei valori di carico critico (Lc) per i rivestimenti TiN.

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo dimostrato che il tester meccanico NANOVEA PB1000 esegue test di graffiatura affidabili e accurati su campioni rivestiti di TiN in modo controllato e strettamente monitorato. Le misure di graffiatura consentono agli utenti di identificare rapidamente il carico critico al quale si verificano i tipici cedimenti del rivestimento coesivo e adesivo. I nostri strumenti sono strumenti di controllo qualità superiori, in grado di ispezionare e confrontare quantitativamente la qualità intrinseca di un rivestimento e l'integrità interfacciale di un sistema rivestimento/substrato. Un rivestimento con un adeguato intercalare può resistere a grandi deformazioni sotto un elevato carico esterno e a sollecitazioni di concentrazione e migliorare la forza coesiva e adesiva di un sistema rivestimento/substrato.

I moduli Nano e Micro di un tester meccanico NANOVEA includono tutti modalità di indentazione, graffiatura e usura conformi agli standard ISO e ASTM, fornendo la gamma di test più ampia e semplice da utilizzare disponibile in un unico sistema. La gamma impareggiabile di NANOVEA è la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà meccaniche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri, tra cui durezza, modulo di Young, tenacità alla frattura, adesione, resistenza all'usura e molte altre.

PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE

Analisi della frattografia con la profilometria 3D

ANALISI DELLA FRATTOGRAFIA

USANDO LA PROFILOMETRIA 3D

Preparato da

CRAIG LEISING

INTRODUZIONE

La frattografia è lo studio delle caratteristiche sulle superfici fratturate ed è stata storicamente studiata tramite microscopio o SEM. A seconda delle dimensioni della caratteristica, per l'analisi della superficie viene selezionato un microscopio (caratteristiche macro) o un SEM (caratteristiche nano e micro). Entrambi permettono alla fine di identificare il tipo di meccanismo di frattura. Anche se efficace, il microscopio ha chiari limiti e il SEM nella maggior parte dei casi, a parte l'analisi a livello atomico, è poco pratico per la misurazione della superficie delle fratture e non ha una capacità di utilizzo più ampia. Con i progressi nella tecnologia di misurazione ottica, il profilometro senza contatto NANOVEA 3D è ora considerato lo strumento di scelta, con la sua capacità di fornire misure di superficie 2D e 3D da nano a macro-scala

IMPORTANZA DEL PROFILOMETRO 3D SENZA CONTATTO PER L'ISPEZIONE DELLE FRATTURE

A differenza di un SEM, un profilometro 3D senza contatto può misurare quasi tutte le superfici, le dimensioni del campione, con una preparazione minima del campione, il tutto offrendo dimensioni verticali e orizzontali superiori a quelle di un SEM. Con un profilatore, le caratteristiche da nano a macro gamma sono catturate in una singola misurazione con zero influenza dalla riflettività del campione. Misura facilmente qualsiasi materiale: trasparente, opaco, speculare, diffusivo, lucido, ruvido, ecc. Il profilometro 3D senza contatto fornisce una capacità ampia e facile da usare per massimizzare gli studi sulla frattura della superficie ad una frazione del costo di un SEM.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il NANOVEA ST400 viene utilizzato per misurare la superficie fratturata di un campione di acciaio. In questo studio, mostreremo un'area 3D, l'estrazione del profilo 2D e la mappa direzionale della superficie.

NANOVEA

ST400

RISULTATI

SUPERFICIE SUPERIORE

Direzione della texture della superficie 3D

Isotropia51.26%
Prima direzione123.2º
Seconda direzione116.3º
Terza direzione0.1725º

Area superficiale, volume, rugosità e molti altri possono essere calcolati automaticamente da questa estrazione.

Estrazione del profilo 2D

RISULTATI

SUPERFICIE LATERALE

Direzione della texture della superficie 3D

Isotropia15.55%
Prima direzione0.1617º
Seconda direzione110.5º
Terza direzione171.5º

Area superficiale, volume, rugosità e molti altri possono essere calcolati automaticamente da questa estrazione.

Estrazione del profilo 2D

CONCLUSIONE

In questa applicazione, abbiamo mostrato come il NANOVEA ST400 3D Non-Contact Profilometer può caratterizzare con precisione la topografia completa (nano, micro e macro caratteristiche) di una superficie fratturata. Dall'area 3D, la superficie può essere chiaramente identificata e le sottoaree o i profili/sezioni trasversali possono essere rapidamente estratti e analizzati con una lista infinita di calcoli della superficie. Le caratteristiche superficiali sub nanometriche possono essere ulteriormente analizzate con un modulo AFM integrato.

Inoltre, NANOVEA ha incluso una versione portatile alla sua linea di profilometri, particolarmente importante per gli studi sul campo dove la superficie di frattura è immobile. Con questo ampio elenco di capacità di misurazione della superficie, l'analisi della superficie di frattura non è mai stata così facile e conveniente con un unico strumento.

PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE

Topografia della superficie della vetroresina con la profilometria 3D

TOPOGRAFIA DELLA SUPERFICIE IN VETRORESINA

USANDO LA PROFILOMETRIA 3D

Preparato da

CRAIG LEISING

INTRODUZIONE

La fibra di vetro è un materiale costituito da fibre di vetro estremamente sottili. Viene utilizzata come agente di rinforzo per molti prodotti polimerici; il materiale composito risultante, propriamente noto come polimero rinforzato con fibre (FRP) o plastica rinforzata con vetro (GRP), è chiamato "fibra di vetro" nell'uso popolare.

IMPORTANZA DELL'ISPEZIONE METROLOGICA DELLE SUPERFICI PER IL CONTROLLO DI QUALITÀ

Sebbene gli usi del rinforzo in fibra di vetro siano molteplici, nella maggior parte delle applicazioni è fondamentale che siano il più resistenti possibile. I compositi in fibra di vetro hanno uno dei più alti rapporti tra resistenza e peso disponibili e in alcuni casi, libbra per libbra, sono più resistenti dell'acciaio. Oltre all'elevata resistenza, è importante che la superficie esposta sia la più ridotta possibile. Ampie superfici in vetroresina possono rendere la struttura più vulnerabile agli attacchi chimici ed eventualmente all'espansione del materiale. Pertanto, l'ispezione delle superfici è fondamentale per il controllo della qualità della produzione.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il NANOVEA ST400 viene utilizzato per misurare la rugosità e la planarità della superficie di un composito in fibra di vetro. Quantificando queste caratteristiche della superficie è possibile creare o ottimizzare un materiale composito in fibra di vetro più resistente e duraturo.

NANOVEA

ST400

PARAMETRI DI MISURA

SONDA 1 mm
TASSO DI ACQUISIZIONE300 Hz
MEDIA1
SUPERFICIE MISURATA5 mm x 2 mm
DIMENSIONE DEL PASSO5 µm x 5 µm
MODALITÀ DI SCANSIONEVelocità costante

SPECIFICHE DELLA SONDA

MISURA GAMMA1 mm
Z RISOLUZIONE 25 nm
Z ACCURATEZZA200 nm
RISOLUZIONE LATERALE 2 ?m

RISULTATI

VISTA A FALSI COLORI

Piattezza della superficie 3D

Rugosità superficiale 3D

Sa15.716 ?mAltezza media aritmetica
Sq19.905 ?mAltezza quadratica media
Sp116.74 ?mAltezza massima del picco
Sv136.09 ?mAltezza massima della fossa
Sz252.83 ?mAltezza massima
Ssk0.556Skewness
Ssu3.654Curtosi

CONCLUSIONE

Come mostrano i risultati, il profilatore ottico NANOVEA ST400 è stato in grado di misurare con precisione la rugosità e la planarità della superficie del composito in fibra di vetro. I dati possono essere misurati su più lotti di compositi in fibra e su un determinato periodo di tempo per fornire informazioni cruciali sui diversi processi di produzione della fibra di vetro e sulla loro reazione nel tempo. L'ST400 è quindi una valida opzione per rafforzare il processo di controllo della qualità dei materiali compositi in fibra di vetro.

PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE