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월간 아카이브: 4월 2022

질화 티타늄 코팅 스크래치 테스트

질화 티타늄 코팅 스크래치 테스트

품질 관리 검사

작성자

DUANJIE LI, PhD

소개

높은 경도, 우수한 내마모성, 내식성 및 불활성의 조합으로 인해 질화 티타늄(TiN)은 다양한 산업 분야의 금속 부품에 이상적인 보호 코팅입니다. 예를 들어 TiN 코팅의 모서리 유지력과 내식성은 면도날, 금속 절단기, 사출 금형 및 톱과 같은 공작 기계의 작업 효율을 크게 높이고 수명을 연장할 수 있습니다. 높은 경도, 불활성 및 무독성 덕분에 TiN은 임플란트 및 수술 기구를 포함한 의료 기기에 적용하기에 매우 적합합니다.

TiN 코팅 스크래치 테스트의 중요성

보호용 PVD/CVD 코팅의 잔류 응력은 코팅된 부품의 성능과 기계적 무결성에 중요한 역할을 합니다. 잔류 응력은 성장 응력, 열 구배, 기하학적 제약, 서비스 응력¹ 등 몇 가지 주요 원인에서 비롯됩니다. 고온에서 코팅 증착 시 발생하는 코팅과 기판 사이의 열팽창 불일치는 높은 열 잔류 응력을 유발합니다. 또한 TiN 코팅 공구는 드릴 비트 및 베어링과 같이 매우 높은 응력이 집중된 환경에서 사용되는 경우가 많습니다. 따라서 보호 기능성 코팅의 응집력과 접착력을 정량적으로 검사할 수 있는 신뢰할 수 있는 품질 관리 프로세스를 개발하는 것이 매우 중요합니다.

[1] V. 테이세이라, 진공 64 (2002) 393-399.

측정 목표

본 연구에서는 NANOVEA를 소개합니다. 기계 테스터 스크래치 모드는 제어된 정량적 방식으로 보호용 TiN 코팅의 응집력/접착력을 평가하는 데 이상적입니다.

나노비아

PB1000

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나노 인덴터 및 스크래치 테스터 나노베아 PB1000

테스트 조건

나노베아 PB1000 기계식 테스터는 코팅을 수행하는 데 사용되었습니다. 스크래치 테스트 를 아래에 요약된 것과 동일한 테스트 매개변수를 사용하여 세 가지 TiN 코팅에 적용했습니다:

로딩 모드: 프로그레시브 리니어

초기 로드

0.02 N

최종 로드

10 N

로딩 속도

20 N/min

스크래치 길이

5mm

들여쓰기 유형

구형-원뿔형

다이아몬드, 반경 20μm

결과 및 토론

그림 1은 테스트 중 침투 깊이, 마찰 계수(COF) 및 음향 방출의 기록된 변화를 보여줍니다. TiN 샘플의 전체 마이크로 스크래치 트랙은 그림 2에 나와 있습니다. 다양한 임계 하중에서의 고장 거동은 그림 3에 표시되어 있으며, 임계 하중 Lc1은 스크래치 트랙에서 응집 균열의 첫 징후가 발생하는 하중으로 정의되고, Lc2는 반복적인 박리 고장이 발생하는 하중으로, Lc3은 코팅이 기판에서 완전히 제거되는 하중으로 정의됩니다. TiN 코팅의 임계 하중(Lc) 값은 그림 4에 요약되어 있습니다.

침투 깊이, COF 및 음향 방출의 변화는 이 연구에서 임계 하중으로 대표되는 여러 단계에서의 코팅 실패 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다. 스크래치 테스트 중에 샘플 A와 샘플 B가 비슷한 거동을 보이는 것을 관찰할 수 있습니다. 코팅 스크래치 테스트 초기에 일반 하중이 선형적으로 증가함에 따라 스타일러스가 샘플에 ~0.06mm 깊이까지 점진적으로 침투하고 COF는 ~0.3까지 점차 증가합니다. 3.3N의 Lc1에 도달하면 칩핑 실패의 첫 번째 징후가 발생합니다. 이는 침투 깊이, COF 및 음향 방출 플롯의 첫 번째 큰 스파이크에도 반영됩니다. 하중이 ~3.8N의 Lc2까지 계속 증가함에 따라 침투 깊이, COF 및 음향 방출의 추가 변동이 발생합니다. 스크래치 트랙의 양쪽에서 지속적인 박리 실패를 관찰할 수 있습니다. Lc3에서는 스타일러스가 가하는 높은 압력으로 인해 코팅이 금속 기판에서 완전히 박리되어 기판이 노출되고 보호되지 않은 상태로 남게 됩니다.

이에 비해 샘플 C는 코팅 스크래치 테스트의 여러 단계에서 더 낮은 임계 하중을 나타내며, 이는 코팅 스크래치 테스트 중 침투 깊이, 마찰 계수(COF) 및 음향 방출의 변화에도 반영됩니다. 샘플 C는 샘플 A 및 샘플 B에 비해 상단 TiN 코팅과 금속 기판 사이의 계면에서 경도가 낮고 응력이 높은 접착 중간층을 가지고 있습니다.

이 연구는 코팅 시스템의 품질에 있어 적절한 기판 지지대와 코팅 아키텍처가 얼마나 중요한지 보여줍니다. 중간층이 강할수록 높은 외부 하중과 집중 응력 하에서 변형에 더 잘 견딜 수 있으므로 코팅/기판 시스템의 응집력 및 접착 강도가 향상됩니다.

그림 1: TiN 샘플의 투과 깊이, COF 및 음향 방출의 진화.

그림 2: 테스트 후 TiN 코팅의 전체 스크래치 트랙.

그림 3: 다양한 임계 하중 하에서 TiN 코팅 실패, Lc.

그림 4: TiN 코팅의 임계 하중(Lc) 값 요약.

결론

이 연구에서는 나노베아 PB1000 기계식 테스터가 제어되고 면밀히 모니터링되는 방식으로 TiN 코팅 샘플에 대해 신뢰할 수 있고 정확한 스크래치 테스트를 수행한다는 것을 보여주었습니다. 스크래치 측정을 통해 사용자는 일반적인 응집력 및 접착 코팅 실패가 발생하는 임계 하중을 신속하게 식별할 수 있습니다. 키사이트의 기기는 코팅의 내재적 품질과 코팅/기판 시스템의 계면 무결성을 정량적으로 검사하고 비교할 수 있는 우수한 품질 관리 도구입니다. 적절한 중간층을 가진 코팅은 높은 외부 하중과 집중 응력 하에서 큰 변형을 견딜 수 있고 코팅/기판 시스템의 응집력과 접착력을 향상시킬 수 있습니다.

나노베아 기계식 테스터의 나노 및 마이크로 모듈은 모두 ISO 및 ASTM을 준수하는 압입, 스크래치 및 마모 테스터 모드를 포함하여 단일 시스템에서 사용할 수 있는 가장 광범위하고 사용자 친화적인 범위의 테스트를 제공합니다. NANOVEA의 탁월한 범위는 경도, 영 계수, 파괴 인성, 접착력, 내마모성 등을 포함하여 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 모든 기계적 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

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3D 프로파일 측정을 이용한 프랙토그래피 분석

프랙토그래피 분석

3D 프로파일 측정 사용

작성자

크레이그 레싱

소개

파면분석(Fractography)은 파손된 표면의 특징을 연구하는 것으로 역사적으로 현미경이나 SEM을 통해 조사되어 왔습니다. 피처의 크기에 따라 표면 분석을 위해 현미경(매크로 피처) 또는 SEM(나노 및 마이크로 피처)이 선택됩니다. 두 가지 모두 궁극적으로 파손 메커니즘 유형을 식별할 수 있습니다. 비록 효과적이긴 하지만 현미경은 명확한 한계를 가지고 있으며 원자 수준 분석을 제외한 대부분의 경우 SEM은 파손 표면 측정에 실용적이지 않으며 광범위한 사용 기능이 부족합니다. 광학 측정 기술의 발전으로 NANOVEA는 3D 비접촉 프로파일로미터 이제 거시적 규모의 2D 및 3D 표면 측정을 통해 나노를 제공할 수 있는 능력을 갖춘 최고의 장비로 간주됩니다.

골절 검사를 위한 3D 비접촉식 프로파일로미터의 중요성

3D 비접촉 프로파일로미터는 SEM과 달리 최소한의 시료 준비만으로 거의 모든 표면과 시료 크기를 측정할 수 있으며, 수직/수평 치수도 SEM보다 우수합니다. 프로파일러를 사용하면 시료 반사율의 영향을 받지 않고 나노부터 매크로 범위의 특징을 한 번의 측정으로 캡처할 수 있습니다. 투명, 불투명, 반사, 확산, 광택, 거칠기 등 모든 재료를 쉽게 측정할 수 있습니다. 3D 비접촉 프로파일로미터는 광범위하고 사용자 친화적인 기능을 제공하여 SEM 비용의 일부로 표면 파괴 연구를 극대화할 수 있습니다.

측정 목표

이 애플리케이션에서 나노베아 ST400은 강철 샘플의 파쇄 표면을 측정하는 데 사용됩니다. 이 연구에서는 표면의 3D 영역, 2D 프로파일 추출 및 표면 방향 맵을 소개합니다.

나노비아

ST400

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타이어 트레드 깊이 및 표면 거칠기 분석용 Nanovea ST400 3D 광학 프로파일로미터

결과

상단 표면

3D 표면 텍스처 방향

등방성51.26%
첫 번째 방향123.2º
두 번째 방향116.3º
세 번째 방향0.1725º

이 추출을 통해 표면적, 부피, 거칠기 등을 자동으로 계산할 수 있습니다.

2D 프로파일 추출

결과

측면 표면

3D 표면 텍스처 방향

등방성15.55%
첫 번째 방향0.1617º
두 번째 방향110.5º
세 번째 방향171.5º

이 추출을 통해 표면적, 부피, 거칠기 등을 자동으로 계산할 수 있습니다.

2D 프로파일 추출

결론

이 애플리케이션에서는 나노베아 ST400 3D 비접촉식 프로파일로미터가 어떻게 파손된 표면의 전체 형상(나노, 마이크로 및 매크로 특징)을 정밀하게 특성화할 수 있는지 보여주었습니다. 3D 영역에서 표면을 명확하게 식별하고 무한한 표면 계산 목록으로 하위 영역 또는 프로파일/단면을 빠르게 추출하고 분석할 수 있습니다. 통합된 AFM 모듈로 나노미터 이하의 표면 특징을 추가로 분석할 수 있습니다.

또한, 나노베아는 파단 표면을 움직일 수 없는 현장 연구에 특히 중요한 휴대용 버전을 프로파일로미터 라인업에 포함시켰습니다. 이처럼 광범위한 표면 측정 기능을 갖춘 단일 장비로 파단 표면 분석이 그 어느 때보다 쉽고 편리해졌습니다.

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3D 프로파일 측정을 사용한 유리 섬유 표면 형상

유리 섬유 표면 지형

3D 프로파일 측정 사용

작성자

크레이그 레싱

소개

유리섬유는 매우 미세한 유리 섬유로 만든 소재입니다. 많은 폴리머 제품의 강화제로 사용되며, 섬유 강화 폴리머(FRP) 또는 유리 강화 플라스틱(GRP)으로 제대로 알려진 복합 소재를 일반적으로 "유리 섬유"라고 부릅니다.

품질 관리를 위한 표면 계측 검사의 중요성

유리섬유 보강재의 용도는 다양하지만, 대부분의 응용 분야에서는 가능한 한 강도가 높은 것이 중요합니다. 유리섬유 복합재는 무게 대비 강도가 가장 높은 소재 중 하나이며, 경우에 따라서는 파운드당 강도가 강철보다 더 강한 경우도 있습니다. 높은 강도 외에도 노출된 표면적을 최대한 작게 만드는 것도 중요합니다. 유리 섬유 표면이 넓으면 구조물이 화학적 공격에 더 취약해지고 재료가 팽창할 수 있습니다. 따라서 표면 검사는 품질 관리 생산에 매우 중요합니다.

측정 목표

이 애플리케이션에서 NANOVEA ST400은 유리섬유 복합재 표면의 거칠기 및 평탄도를 측정하는 데 사용됩니다. 이러한 표면 특징을 정량화함으로써 더 강하고 오래 지속되는 유리섬유 복합 재료를 만들거나 최적화할 수 있습니다.

나노비아

ST400

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타이어 트레드 깊이 및 표면 거칠기 분석용 Nanovea ST400 3D 광학 프로파일로미터

측정 매개변수

프로브 1 mm
획득률300Hz
평균화1
측정된 표면5mm x 2mm
스텝 크기5 µm x 5 µm
스캔 모드일정한 속도

프로브 사양

측정 범위1 mm
Z 해상도 25nm
Z 정확도200nm
측면 해상도 2 μm

결과

거짓 색상 보기

3D 표면 평탄도

3D 표면 거칠기

Sa15.716 μm산술 평균 높이
Sq19.905 μm평균 제곱근 높이
Sp116.74 μm최대 피크 높이
Sv136.09 μm최대 피트 높이
Sz252.83 μm최대 높이
Ssk0.556기울기
Ssu3.654첨도

결론

결과에서 볼 수 있듯이 NANOVEA ST400 Optical은 프로파일러 유리섬유 복합재 표면의 거칠기와 평탄도를 정확하게 측정할 수 있었습니다. 여러 배치의 섬유 복합재 및/또는 특정 기간에 걸쳐 데이터를 측정하여 다양한 유리 섬유 제조 공정과 시간 경과에 따른 반응에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있습니다. 따라서 ST400은 유리섬유 복합재료의 품질 관리 프로세스를 강화하기 위한 실행 가능한 옵션입니다.

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