POROVNÁNÍ VLIVU DEPOSICE TENKÝCH VRSTEV A NAVAŘOVÁNÍ NA DEGRADACI ZÁKLADNÍHO MATERIÁLU COMPARISON OF INFLUENCES OF DEPOSITION THIN FILMS AND WELDING ON DEGRADATION OF BASIC MATERIAL Monika Hadáčková a Radek Němec b Ivo Štěpánek c a) Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR, b) Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR, Nemec30@centrum.cz c) Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt The paper is devoted with comparison of influence of deposition of thin films and welding thick films on degradation of basic material. The degradation of basic material is characterised by structure analysis and by analysis of changing mechanical properties and behaviour of material. The changing of properties are analysed on surface and in cross section too. The profile of mechanical properties are characterised by nanoindentor. Here are analysed very different systems and here is very important to use sensitive method for analysis systems with thin films and modification surface properties in small area. In the second is important to analyse changing properties in bulk material. ÚVOD Pro zvyšování životnosti různých součástí se dnes již hojně využívají různé technologické procesy vytváření tlustých a tenkých vrstev na povrchu základních materiálů. Každá z technologií povrchových úprav přináší řadu výhod, ale na druhou stranu i nevýhod. Především dochází ke změnám vlastností a chování celého systému a povrchovou úpravou dochází i k modifikaci povrchových vlastností základního materiálu případně i do určité hloubky pod povrch materiálu podle použité technologie povrchové úpravy. Na druhou stranu určité výhody odlišných povrchových úprav by bylo v mnohých případech užitečné kombinovat pro získávání kvalitnějších systémů. Pro optimalizaci jednotlivých deposičních procesů je potřeba brát v úvahu též optimalizaci a vliv základního materiálu. Základní materiál jako parametr deposičních procesů se však vlivem procesu mění. Proto je nutno zachytávat a započítávat též změny vlastností základního materiálu a vliv těchto změn na celkové chování systémů s povrchovými úpravami. 1. TECHNOLOGICKÉ PROCESY Při hodnocení velice rozdílných systémů jako je základní materiál - navařená tlustá vrstva a základním materiál tenká vrstva je nutno brát ve zřetel i rozdílný přístup - 1 -
v hodnocení těchto dvou rozdílných systémů. Na druhou stranu však je nutno provádět hodnocení za srovnatelných podmínek pro možnosti porovnání systémů mezi sebou. Činnost byla zaměřena tedy na hodnocení jednak systému navařená vrstva substrát a tenká vrstva substrát deponovaná pomocí nízkonapěťového reaktivního obloukového odpařování ve vakuu. Byly voleny systémy především z pohledu odolnosti proti mechanickému namáhání, proto největší pozornost je věnována mechanickým vlastnostem a chování sledovaných systémů a hodnocení strukturních vlastností. 2. MECHANICKÉ VLASTNOSTI Mechanické vlastností jsou hodnoceny jak na základním materiálu před samotným deposičním procesem či navařovacím procesem pro možnosti srovnání. Je hodnocena jednak makrotvrdost dále pak klasická mikrotvrdost [1], což jsou především vlastnosti z pohledu základního materiálu a navařené vrstvy. Dále pak nanotvrdost a elasticko plastické chování sledovaných systémů především z důvodu hodnocení tenkých vrstev a systémů tenká vrstva substrát [2], [3]. Tato hodnocení však dávají celou řadu zajímavých výsledků i pro základní materiál a pro navařenou vrstvu. Nejdříve bylo tudíž provedeno hodnocení základního materiálu jak celkové tak hodnocení v jednotlivých strukturních složkách opět z důvodu tenkých vrstev [3]. Dále bylo provedeno hodnocení navařené vrstvy a to jak z povrchu tak z příčného řezu. Největší pozornost je věnována přechodové oblasti a změn mechanických vlastností v této tepelně ovlivněné zóně vlivem navařování. Měření byla provedena v širokém rozsahu zatížení pro zachycení pozvolných změn vlastností do hloubky a dále proměřen profil v příčném řezu při malých zatížení pro srovnání s vlastnostmi tenkých vrstev. Tím je zjišťován profil změn od návaru přes tepelně ovlivněnou zónu až do základního materiálu bez ovlivnění. Obdobně budou měření provedena na systému s tenkou vrstvou, kde se očekává ovlivnění mnohem menší [4]. Mechanické vlastnosti jsou hodnoceny jednak na citlivém přístroji nanoindentoru Shimadzu DUH 202 při malých zatížení, dále klasickou mikrotvrdostí a makrotvrdostí na přístroji Ernst 180 D. Dodatečně budou provedena měření i vrypovou zkouškou na scratch testeru CSEM REVETEST a případně další. 3. STRUKTURNÍ VLASTNOSTI Vlivem působení teploty při procesu navařování a při deposici tenkých vrstev může docházet ke změnám strukturním. Proto jsou hodnoceny jednak strukturní vlastnosti základního materiálu neovlivněného, dále strukturní vlastnosti samotného návaru a tenké vrstvy a dále opět profil změn strukturních vlastností od návaru přes přechodové oblasti a tepelně ovlivněnou zónu až do základního materiálu a u tenkých vrstev i přes přechodovou vrstvičku, pokud se dosáhne dostatečného rozlišení oblastí. Jsou proměřovány v naleptaném stavu jednotlivé strukturní složky ve všech oblastech ovlivněných i neovlivněných při malých zatížení, neboť tím jen je dosažena srovnatelnost s měřením systémů tenká vrstva substrát. Tudíž měření následně jsou doplňována měřením profilů v jednotlivých mikrolokalitách jednotlivých strukturních složek. Na následujících obrázcích jsou postupně vyjádřeny přehledové ukázky mikrostruktury základního materiálu a přechodových oblastí základní materiál a tepelně ovlivněná zóna a návar a tepelně ovlivněná zóna obr. 1 a obr. 2, detailní pohled na přechody obr. 3 a obr. 4 a při - 2 -
velkém zvětšení pro vyhledávání mikrolokalit pro měření změn vlastností v mikrolokalitách obr. 5 a obr. 6. Obr 1: Mikrostruktura základního materiálu přehledově zv. cca 50x Obr 2: Mikrostruktura přechodových oblastí návar tepelně ovlivněná zóna a základní materiál tepelně ovlivněná zóna přehledově zv. cca 50x Obr. 3: Mikrostruktura základního materiálu a tepelně ovlivněné zóny zv. cca. 200x - 3 -
Obr. 4: Mikrostruktura přechodové oblasti a tepelně ovlivněné zóny návar zv. cca. 200x Obr. 5: Mikrostruktura základního materiálu a tepelně ovlivněné zóny zv. cca. 1000x Obr. 6: Mikrostruktura přechodové oblasti a tepelně ovlivněné zóny návar zv. cca. 1000x ZÁVĚR Pro studium optimalizace technologických procesů navařování a deposice tenkých vrstev je velice důležité studium změn vlastností základního materiálu a přechodových oblastí vlivem technologických procesů a jejich mapování a řízení. Jedná se především o studium především z pohledu srovnávání technologických procesů a vyvolávaných změn, které často mohou být velice významné pro funkci celého systému. V řadě aplikací se můžou využít oba druhy technologií tedy přesněji navařování tlustých vrstev a deposice tenkých vrstev. Důležité jsou finální vlastnosti a chování celého systému tlustá vrstva substrát a tenká vrstva substrát. V některých případech se jedná o změny rozměru technologickým procesem a - 4 -
v jiných se zase jedná o dosažení vlastností s požadavkem zachování rozměrů. Někde je důležité zachovat neovlivněný základní materiál a jinde to není na závadu apod. V neposlední řadě je skloubení studia navařování a deposice tenkých vrstev důležité pro výhled kombinovaných procesů pro získávání ještě kvalitnějších systémů s využitím výhod skloubených v celý systém. Příspěvek byl prezentován v rámci řešení projektu FRVŠ č. 502/2000 LITERATURA [1].O.Bláhová, I.Štěpánek, Š.Šimůnková, B.Vávrová, Analýzy mechanických vlastností tenkých vrstev nanoindentorem, mezinárodní symposium INOVACE 97 Praha, s. 4-24. [2]. I.Štěpánek, O. Bláhová, Š. Šimůnková, J. Brůnová, Method for analysis properties and behaviour of thin hard films, mezinárodní konference ICSFS 98 Copenhagen 1998 [3].I.Štěpánek,B.Vávrová,Komplexní metodika nanoindentačních měření v mikrolokalitách a cyklické indentační měření, mezinárodní konference Metal 99 Ostrava 1999 [4] Z.Bartůšková, I.Štěpánek, Tepelné namáhání systému s tenkými vrstvami a tvorba oxidických vrstev, sborník konference AKI 99 Rožnov pod Radhoštěm 1999-5 -