USA/GLOBALE: +1-949-461-9292
EUROPA: +39-011-3052-794
CONTATTACI

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, mostriamo che NANOVEA Tester Meccanici in Scratch Mode sono ideali per valutare la forza coesiva/adesiva dei rivestimenti protettivi TiN in modo controllato e quantitativo.

NANOVEA

PB1000

CONDIZIONI DI PROVA

Per eseguire il rivestimento è stato utilizzato il tester meccanico NANOVEA PB1000. test di graffio 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 20 μm

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 alle norme 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

Commento