USA/GLOBALNE: +1-949-461-9292
EUROPA: +39-011-3052-794
KONTAKT

Test na zarysowanie powłoki z azotku tytanu

BADANIE ZARYSOWANIA POWŁOKI Z AZOTKU TYTANU

INSPEKCJA KONTROLI JAKOŚCI

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD

WPROWADZENIE

Połączenie wysokiej twardości, doskonałej odporności na zużycie, odporności na korozję i obojętności sprawia, że azotek tytanu (TiN) jest idealną powłoką ochronną dla elementów metalowych w różnych branżach. Na przykład, zachowanie krawędzi i odporność na korozję powłoki TiN może znacznie zwiększyć wydajność pracy i wydłużyć żywotność narzędzi maszynowych, takich jak żyletki, noże do metalu, formy wtryskowe i piły. Jego wysoka twardość, obojętność i nietoksyczność sprawiają, że TiN jest doskonałym kandydatem do zastosowań w urządzeniach medycznych, w tym implantach i instrumentach chirurgicznych.

WAŻNOŚĆ TESTOWANIA POWŁOKI TiN POD KĄTEM ZADRAśNIENIA

Naprężenia szczątkowe w ochronnych powłokach PVD/CVD odgrywają krytyczną rolę w wydajności i mechanicznej integralności powlekanego elementu. Naprężenia szczątkowe pochodzą z kilku głównych źródeł, w tym naprężeń wzrostowych, gradientów termicznych, ograniczeń geometrycznych i naprężeń eksploatacyjnych¹. Niedopasowanie rozszerzalności cieplnej pomiędzy powłoką a podłożem powstałe podczas osadzania powłoki w podwyższonej temperaturze prowadzi do dużych termicznych naprężeń resztkowych. Ponadto, narzędzia z powłoką TiN są często używane w warunkach bardzo dużych naprężeń skupionych, np. wiertła i łożyska. Krytyczne znaczenie ma opracowanie niezawodnego procesu kontroli jakości w celu ilościowej kontroli wytrzymałości kohezyjnej i adhezyjnej ochronnych powłok funkcjonalnych.

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

CEL POMIARU

W tym badaniu wykazaliśmy, że NANOVEA Testery mechaniczne w trybie zarysowania idealnie nadają się do oceny wytrzymałości kohezyjnej/adhezyjnej powłok ochronnych TiN w sposób kontrolowany i ilościowy.

NANOVEA

PB1000

WARUNKI BADANIA

Do wykonania powłoki wykorzystano tester mechaniczny NANOVEA PB1000. testy zarysowań na trzech powłokach TiN przy użyciu tych samych parametrów testowych, jak podsumowano poniżej:

TRYB ŁADOWANIA: Progresywny liniowy

OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE

0.02 N

OBCIĄŻENIE KOŃCOWE

10 N

PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU

20 N/min

DŁUGOŚĆ SKRATKI

5 mm

TYP INDENTER

Sphero-Conical

Diament, promień 20 μm

WYNIKI I DYSKUSJA

RYSUNEK 1 przedstawia zarejestrowaną ewolucję głębokości penetracji, współczynnika tarcia (COF) oraz emisji akustycznej podczas badania. Pełne ślady mikro zarysowań na próbkach TiN pokazano na RYSUNKU 2. Zachowanie się powłoki przy różnych obciążeniach krytycznych pokazano na RYSUNKU 3, gdzie obciążenie krytyczne Lc1 jest zdefiniowane jako obciążenie, przy którym pojawia się pierwszy ślad pęknięcia kohezyjnego w śladzie zarysowania, Lc2 jest obciążeniem, po którym następują powtarzające się uszkodzenia spallacyjne, a Lc3 jest obciążeniem, przy którym powłoka zostaje całkowicie usunięta z podłoża. Wartości obciążenia krytycznego (Lc) dla powłok TiN zestawiono na RYS. 4.

Ewolucja głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej zapewnia wgląd w mechanizm zniszczenia powłoki na różnych etapach, które w tym badaniu reprezentowane są przez obciążenia krytyczne. Można zauważyć, że próbka A i próbka B wykazują porównywalne zachowanie podczas testu zarysowania. Trzpień stopniowo zagłębia się w próbkę na głębokość ~0,06 mm, a COF stopniowo wzrasta do ~0,3 w miarę liniowego wzrostu obciążenia normalnego na początku próby zarysowania powłoki. Po osiągnięciu Lc1 wynoszącego ~3,3 N pojawiają się pierwsze oznaki awarii odpryskowej. Jest to również odzwierciedlone w pierwszych dużych skokach na wykresie głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej. Wraz ze wzrostem obciążenia do wartości Lc2 równej ~3,8 N następują dalsze fluktuacje głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej. Można zaobserwować ciągłe uszkodzenia odpryskowe obecne po obu stronach ścieżki zarysowania. Przy Lc3, powłoka całkowicie rozwarstwia się od metalowego podłoża pod wpływem dużego nacisku wywieranego przez trzpień, pozostawiając podłoże odsłonięte i niechronione.

Dla porównania, próbka C wykazuje niższe obciążenia krytyczne na różnych etapach badania zarysowania powłoki, co jest również odzwierciedlone w ewolucji głębokości penetracji, współczynnika tarcia (COF) i emisji akustycznej podczas badania zarysowania powłoki. Próbka C posiada międzywarstwę adhezyjną o niższej twardości i wyższym naprężeniu na styku górnej powłoki TiN i metalowego podłoża w porównaniu z próbką A i próbką B.

Badanie to pokazuje, jak ważne jest właściwe podparcie podłoża i architektura powłoki dla jakości systemu powłokowego. Mocniejsza międzywarstwa może lepiej opierać się deformacji pod wpływem dużego obciążenia zewnętrznego i naprężeń koncentracyjnych, a tym samym zwiększać wytrzymałość kohezyjną i adhezyjną systemu powłoka/podłoże.

RYSUNEK 1: Ewolucja głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej próbek TiN.

RYSUNEK 2: Pełny ślad zarysowania powłok TiN po testach.

RYSUNEK 3: Uszkodzenia powłok TiN przy różnych obciążeniach krytycznych, Lc.

RYSUNEK 4: Zestawienie wartości obciążenia krytycznego (Lc) dla powłok TiN.

PODSUMOWANIE

W tym badaniu pokazaliśmy, że NANOVEA PB1000 Mechanical Tester wykonuje wiarygodne i dokładne testy zarysowania na próbkach pokrytych TiN w sposób kontrolowany i ściśle monitorowany. Pomiary zarysowań pozwalają użytkownikom szybko zidentyfikować krytyczne obciążenie, przy którym występują typowe uszkodzenia powłok kohezyjnych i adhezyjnych. Nasze urządzenia są doskonałymi narzędziami kontroli jakości, które mogą ilościowo zbadać i porównać wewnętrzną jakość powłoki i integralność międzyfazową systemu powłoka/podłoże. Powłoka z odpowiednią warstwą pośrednią może wytrzymać duże odkształcenia pod wpływem dużego obciążenia zewnętrznego i naprężeń koncentracyjnych, a także zwiększyć wytrzymałość kohezyjną i adhezyjną systemu powłoka/podłoże.

Moduły Nano i Micro urządzenia NANOVEA Mechanical Tester zawierają tryby pracy zgodne z normami ISO i ASTM - wgłębianie, zarysowanie i ścieranie, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres badań dostępny w jednym systemie. Niezrównana oferta NANOVEA stanowi idealne rozwiązanie do wyznaczania pełnego zakresu właściwości mechanicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na ścieranie i wielu innych.

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

Komentarz