HODNOCENÍ TENKÝCH VRSTEV - NITRIDICKÁ VRSTVA SUBSTRÁTOVÝCH SYSTÉMŮ EVALUATION OF THIN LAYER SUBSTRATE SYSTEM. Milan Vnouček a

Transkript

1 HODNOCENÍ TENKÝCH VRSTEV - NITRIDICKÁ VRSTVA SUBSTRÁTOVÝCH SYSTÉMŮ EVALUATION OF THIN LAYER SUBSTRATE SYSTEM Milan Vnouček a a ZČU, Univerzitní 14, Plzeň, ČR, vnoucek@kmm.zcu.cz Abstrakt Tento příspěvek se zabývá hodnocením mechanické odolnosti tenkých vrstev připravených na oceli upravené iontovou nitridací. Pro hodnocení bude použit standardní laboratorní test: scratch test. Získané výsledky budou dány do souvislosti s vyhodnocením chemického složení metodou GDOES. Základní experimentální materiál byla použita ocel Abstract This article focus on evaluation of mechanical ruggedness of thin layers prepared on the substrate which was adjusted by ionic nitration. Evaluation will be done by the means of standard scratch test. Obtained results will be brought to connection with chemical composition profile provided by GDOS measurements. This work was done using the steel ÚVOD Povrch těles je rozhraní, kde uspořádané atomy materiálu vstupují do oblasti vnějšího prostředí. Tato mezifázová oblast je ovlivněna přerušením pravidelných vazeb, což má za následek změnu chování. Zákonitosti a chemické složení povrchových vrstev proto nelze brát jako určující pro celý objem tělesa. Tato oblast je také zodpovědná za inicializaci některých druhů porušení (únavové lomy). Dále je tato oblast vystavena jako první změnám teploty a vystavena působení částic vnějšího prostředí. Povrch materiálu proto neodpovídá svým složením a strukturou stavu, který se vyskytuje ve vnitřních partiích těles. Modifikace povrchových partií součástí, proto mohou znamenat zásadní zásah do reakce materiálu na okolní prostředí a zásadním způsobem ovlivnit použitelnost takovéto součásti [1]. Pokud se použije pro modifikaci povrchu více metod, jsou vztahy mezi původním povrchem a povrchy nově vzniklými ještě komplikovanější. Jedna metoda ovlivňuje druhou a výsledné vlastnosti nemusejí nabývat předpokládaných hodnot. Z důvodů kombinace několika technologických operací vzniká na povrchu materiálu kompozitní oblast, která může vykazovat synergii vlastností. Tyto vlastnosti jsou ovlivňovány vzájemnou difuzivitou jednotlivých komponent systému, která zase závisí na technologií vnesené energii. 1.1 Materiál Experimentální materiál byl zvolen z důvodu jeho feritické struktury a nízkého obsahu ostatních doprovodných prvků. Tato vhodná kombinace zaručuje detekovatelnost změn chemického složení v hloubkových profilech metodou GDOES. Z důvodů použití materiálu je tloušťka polysacharidických vrstev srovnatelná s tloušťkou vrstev Tin. Jedná se o difuzní vrstvu, která má z hlediska soudržnosti s materiálem lepší parametry než vrstvy Tin. Tento fakt také umožňuje použití jedno měření pro získání hloubkového profilu 1

2 chemického složení. Při použití metody GDOES pro dosažení větších hloubek ztrácí metoda GDOES schopnost registrovat změny v chemickém složení vlivem kráterového efektu. Materiál byl broušen, nitridován a povlakován vrstvou TiN. Tyto operace modifikovaly povrch materiálu. Změny chemického složení byly registrovány pomocí metody GDOES a hodnocení adhezivně-kohezivního chování bylo zvoleno provedení zkoušky Scratch test. Iontová nitridace patří mezi moderní způsoby modifikace povrchových vrstev materiálu Tato metoda působí na povrch dopadem iontů, uvolňováním atomů z povrchových vrstev, jejich modifikací v plazmatu a dopadem a kotvením těchto částic zpět v povrchu. Materiál byl nitridován v zařízení PN 60/60 firmy Rübig za parametrů nitridace uvedených v tabulce 1. Tech. operace Teplota [ C] Čas [h] Tlak [mbar] Napětí [V] Tabulka 1. parametry iontové nitridace materiálu Tab.1. Parameters of ionic nitration of material Průtok plynu [l/h] Čištění 510 0,5 0, Nitridace , Žíhání , Vzorky byly upraveny tak, aby reprezentovaly co možná nejširší škálu podkladu od bílé vrstvy ε-nitridu po difuzní vrstvu nitridů viz Obr.1. Tloušťka této vrstvy při nitridaci 6 nebo 20 hodin se pohybovala okolo 4 resp. 6 µm, jak to dokládají Obr. 2 a Obr. 3. H2 N2 Obr. 1. bílá vrstva pod nárůstkem na okraji kráteru po měření GDOES Fig.1. White layer under the build-up at the brim of the crater after GDOES measurement 2

3 Obr. 2 a Obr. 3 měření tloušťky nitridické vrstvy na substrátu ČSN po 6 hodinách (obrázek vlevo) a 20 hodinách (obrázek vpravo) iontové nitridace Fig. 2 and Fig.3 Measurement of the depth of nitrate layer on the substrate ČSN after 6 hours (left figure) and 20 hours (right figure) of ionic nitration. Další úpravou provedenou na vzorcích s nitridovaným povrchem bylo nanesení vrstvy TiN. Tato úprava se prováděla na nitridovaný a povrch a proto byly vzorky dále povrchově upraveny odmaštěním a otryskáním. Dalším krokem bylo použití iontového bombardu na aktivaci a dočištění povrchu. Poté následovalo nanesení vrstvy TiN. K experimentu tedy bylo připraveno 6 vzorků s různě upraveným povrchem, jak shrnuje následující tabulka 2. číslo vzorku doba nitridace doba žíhání povlak ne ano ne ne ne ano Tabulka 2. úpravy na experimentálních vzorcích Tab.2 Preparation of specimens 2. Experiment Scratch test (vrypová zkouška) je jednou ze základních a nejrozšířenějších zkoušek sledování adheze systému tenká vrstva - substrát. Původně byla vrypová zkouška Scratch test využívána jako prostředek ke zjišťování tvrdosti na principu Mohsovy stupnice tvrdosti minerálů. Principem metody je plynulé zatěžování indentoru, který se pohybuje rovnoběžně s rozhraním vrstva substrát. Indentor je zatěžován plynule se zvyšující silou, proniká do povrchu vzorku a vytváří tak vryp. Tím se na rozhraní vrstva - substrát generuje pnutí, které při dosažení kritické hodnoty způsobí odtržení vrstvy od substrátu. Hodnota zatížení, při níž dojde k poškození vrstvy, se nazývá kritické zatížení Lc a je používána jako míra adheze dané vrstvy. V průběhu vrypové zkoušky je sledována rychlost posuvu vzorku dx/dt při zatížení plynule se zvyšující silou i rychlost jejího zvyšování dl/dt. Normálovou sílu jsme volily lineárně narůstající v intervalu od 0 do 80 N. Přístroj zaznamenává průběh normálové F n 3

4 a tangenciální síly F t působící na indentor, hodnoty koeficientu tření µ = F t / F n a signál akustické emise (AE-elastické vlny generované uvolněním energie vnitřně vázané ve struktuře materiálu)[2]. Celkově bylo analyzováno 6 vzorků. Tyto vzorky díky zvolenému postupu adhezivněkohezivního zatěžování a substrátu hodnoceny klasickým postupem pomocí kritických sil. Výsledky těchto hodnot jsou v tabulce 3. vzorek Kritické zatížení L c1 [N] L c2 [N] L c3 [N] L s [N] 1 7 ± 0 8 ± 2 31 ± 1 80 ± ± 2 13 ± 0 20 ± 0 80 ± ± 1 10 ± 2 28 ± ± ± 0 14 ± 0 40 ± 3 80 ± ± 0 11 ± 3 31 ± 1 70 ± ± 0 16 ± 0 24 ± 3 80 ± 0 Tabulka 3. vyhodnocení kritických sil na vzorcích Tab.3. Evaluation of critical forces on specimens Z tabulky 3 dále vyplývá fakt snížení hodnot L C3 u vzorků s vrstvou TiN což může být způsobeno metodikou vyhodnocení totálního odhalení substrátu. V tomto případě je vyhodnoceno jako totální odhalení nitridovaného substrátu a odstranění vrstvy TiN. Odtrhávání a destrukce bílé vrstvy nitridů může nastávat při vyšších hodnotách normálové síly a nebyla proto tímto způsobem vyhodnocena. Výsledky hodnocení jsou závislé na použitém substrátu a obecně dosahují velmi nízkých hodnot. Díky porovnání dvou sérií vzorků (s vrstvou a bez vrstvy) vyplývá fakt, že tenká vrstva TiN obecně zlepšuje chování systému ať už je nanesena na jakýkoliv povrch. Iontová nitridace na povrchu substrátu vykazovala sklony k porušování zejména v tzv. bílé vrstvě na povrchu součásti. Soulep vrypů (obr. 4) dokumentuje způsob porušování nitridické vrstvy. Po porušení bílé vrstvy nitridů nastává rozsáhlé plastické porušování po okrajích vrypu. Vrstva TiN modifikuje toto chování k vyšším hodnotám normálové síly. Zpevnění generované vrstvou TiN zabraňuje plastickému vrásnění na okrajích vrypu. Obr. 4 celkový soulep vrypů po scratch testu - vzorky 5,6,2 Fig. 4 Macros of the scratches after scratch tests specimens 5,6,2 4

5 Další hodnotou zaznamenávanou při zkoušce scratch test je záznam akustické emise AE (AE-elastické vlny generované uvolněním energie vnitřně vázané ve struktuře materiálu) a záznam koeficientu tření v závislosti na normálové síle. Hodnoty těchto veličin pro vzorky 5,6,2 jsou na obr. 5 a 6. Obr. 5 záznam akustické emise AE na normálové síle Fn: černá - vzorek 5, modrá - vzorek 6, červená - vzorek 2 Fig. 5 Dependence of acoustic emission AE on normal force Fn: black specimen 5, blue specimen 6, red specimen 2 Pro ostatní vzorky nebylo bohužel dosaženo potřebné korelace. Z grafů vyplývá skutečnost, že stav povrchu je rozhodujícím faktorem pro hodnocení L C1 a L C2. Povlakování vrstvou TiN vyvolalo změny v povrchové drsnosti a tvrdosti které ovlivnily charakter poškozování povrchu součásti. Dalším faktem, který mohl způsobit snížení hodnot L C3 u povlakovaných vzorků je povlakovací proces a proces předdepozičního čištění [3]. Tento proces snižuje tloušťku nitridické vrstvy a pravděpodobně modifikuje tuto vrstvu. Tuto skutečnost dokládají hloubkové profily chemického složení získané metodou GDOES, jak ukazuje obrázek Obr. 7. 5

6 Obr. 6 záznam koeficientu tření na normálové síle Fn: černá - vzorek 5, modrá - vzorek 6, červená - vzorek 2 Fig. 6 Dependence of friction coefficient on normal force Fn: black specimen 5, blue specimen 6, red specimen 2 Obr. 7 Hloubkové profily chemického složení GDOES [4] Fig. 7 Depth profiles of chemical composition GDOES [4] 6

7 3. ZÁVĚR Lokální odhalování substrátu se u všech systémů vyskytuje ve velké míře. Doba nitridace 12 hodin a 4 hodiny žíhání mají příznivý vliv na adhezivně-kohezivní chování, zatímco dlouhá doba nitridace 20h zhoršuje adhezivně-kohezivní vlastnosti. U systému s tenkou vrstvou TiN je patrné, že delší doba nitridace podporuje zlepšení adhezivněkohezivního vlastnosti systému. Tento fakt lze vysvětlit u nitridivané a žíhané vrstvy (vzorek 4) rozpouštěním vrstvy bílé vrstvy a přechodu k difuznímu charakteru, který zasahuje do větší hloubky a odstraňuje pnutí způsobené vrstvou. Čím je vrstva silnější tím lépe odolává působení vnější normálové síly a její porušování je tím omezeno. Materiál se vlivem nitridace a povlakování mění jen minimálně. Vlivem jeho malé tvrdosti je hodnocení scratch testu posunuto k malým zatížením. Změny ve výsledném chování jsou v převážné míře způsobeny stavem povrchu po jednotlivých technologických operacích. POĎEKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory GAČR na základě řešení projektu 106/06/P043 Vliv difuze na vlastnosti kombinovaně vytvářených vrstev. LITERATURA [1]VNOUČEK M. Povrchové efekty pří GDOES, disertační práce, ZČU 2002 [2]SOSNOVÁ M. Souvislost metod hodnocení adhesívně-kohezivního chování systému tenká vrstva-substrát, disertační práce, ZČU 2007 [3]ZINDULKA O., Vliv PVD čištění na strukturu povrchu slinutého karbidu, Jemná mechanika a optika, 4/2006, str [4]VNOUČEK, M. Měření kombinovaně vytvářených vrstev metodou GDOES, Vrstvy a povlaky 2007 : 6.mez. metal. konference : Rožnov pod Radhoštěm: DIGITAL GRAPHIC, TRENČÍN: Říjen, 2007, s ISBN