Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения

Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения

В работе проанализированы информационные потоки за 1980 – 2009 г. на основе Баз Данных MSCI, INIS, и Inspec по результатам исследований прочности сцепления покрытий с подложкой и методы ее измерения. Проведенный анализ показывает, что основными методами, применяемыми для определения адгезии, являю...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Физическая инженерия поверхности
Дата:2010
Автори: Лунёв, В.М., Немашкало, О.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2010
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98847
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения / В.М. Лунёв, О.В. Немашкало // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 1. — С. 64–71. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98847
record_format dspace
spelling Лунёв, В.М.
Немашкало, О.В.
2016-04-18T16:18:11Z
2016-04-18T16:18:11Z
2010
Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения / В.М. Лунёв, О.В. Немашкало // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 1. — С. 64–71. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.
1999-8074
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98847
620.178.14:621.793
В работе проанализированы информационные потоки за 1980 – 2009 г. на основе Баз Данных MSCI, INIS, и Inspec по результатам исследований прочности сцепления покрытий с подложкой и методы ее измерения. Проведенный анализ показывает, что основными методами, применяемыми для определения адгезии, являются метод отрыва покрытия от подложки и метод царапания. На долю последнего приходится ∼70% применений. Наиболее высокие значения прочности сцепления получены при осаждении покрытий из плазмы вакуумного дугового разряда при предварительной очистке поверхности подложек высокоэнергетичными ионами осаждаемого материала (310 МПа для пленок никеля на подложках из ковара).
У роботі проаналізовані інформаційні потоки за 1980 – 2009 р. на основі Баз Даних MSCI, INIS, і Inspeс за результатами досліджень міцностізчеплення покриттів із підкладкою і методи її вимірювання. Проведений аналіз показує, що основними методами, вживаними для визначення адгезій, є метод відриву покриття від підкладки і метод шкрябання. На долю останнього припадає ∼70% застосувань. Найбільш високих значень міцності зчеплення було набуто при осадженні покриттів із плазми вакуумного дугового розряду при попередньому очищенні поверхні підкладок високоенергетичними іонами осадженого матеріалу (310 Мпа для плівок нікелю на підкладках із ковару).
The paper presents the analysis of information flows for 1980 to 2009, relying on the MSCI, INIS and Inspec Databases related to the investigations into the bond strength of coatings to the substrate and the methods of adhesion strength measurement. The analysis shows the method of coating separation from the substrate and the scratching method to be the basic methods applied for determining adhesion. About 70% of applications fall on the scratching method. The highest adhesion strengths were obtained when the coatings were deposited from the vacuum arc discharge plasma with a preliminary cleaning of substrate surfaces by high-energy ions of the material deposited (310 MeV for nickel films on kovar substrates).
ru
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
Физическая инженерия поверхности
Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
spellingShingle Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
Лунёв, В.М.
Немашкало, О.В.
title_short Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
title_full Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
title_fullStr Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
title_full_unstemmed Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
title_sort адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения
author Лунёв, В.М.
Немашкало, О.В.
author_facet Лунёв, В.М.
Немашкало, О.В.
publishDate 2010
language Russian
container_title Физическая инженерия поверхности
publisher Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format Article
description В работе проанализированы информационные потоки за 1980 – 2009 г. на основе Баз Данных MSCI, INIS, и Inspec по результатам исследований прочности сцепления покрытий с подложкой и методы ее измерения. Проведенный анализ показывает, что основными методами, применяемыми для определения адгезии, являются метод отрыва покрытия от подложки и метод царапания. На долю последнего приходится ∼70% применений. Наиболее высокие значения прочности сцепления получены при осаждении покрытий из плазмы вакуумного дугового разряда при предварительной очистке поверхности подложек высокоэнергетичными ионами осаждаемого материала (310 МПа для пленок никеля на подложках из ковара). У роботі проаналізовані інформаційні потоки за 1980 – 2009 р. на основі Баз Даних MSCI, INIS, і Inspeс за результатами досліджень міцностізчеплення покриттів із підкладкою і методи її вимірювання. Проведений аналіз показує, що основними методами, вживаними для визначення адгезій, є метод відриву покриття від підкладки і метод шкрябання. На долю останнього припадає ∼70% застосувань. Найбільш високих значень міцності зчеплення було набуто при осадженні покриттів із плазми вакуумного дугового розряду при попередньому очищенні поверхні підкладок високоенергетичними іонами осадженого матеріалу (310 Мпа для плівок нікелю на підкладках із ковару). The paper presents the analysis of information flows for 1980 to 2009, relying on the MSCI, INIS and Inspec Databases related to the investigations into the bond strength of coatings to the substrate and the methods of adhesion strength measurement. The analysis shows the method of coating separation from the substrate and the scratching method to be the basic methods applied for determining adhesion. About 70% of applications fall on the scratching method. The highest adhesion strengths were obtained when the coatings were deposited from the vacuum arc discharge plasma with a preliminary cleaning of substrate surfaces by high-energy ions of the material deposited (310 MeV for nickel films on kovar substrates).
issn 1999-8074
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98847
citation_txt Адгезионные характеристики покрытий и методы их измерения / В.М. Лунёв, О.В. Немашкало // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 1. — С. 64–71. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT lunevvm adgezionnyeharakteristikipokrytiiimetodyihizmereniâ
AT nemaškaloov adgezionnyeharakteristikipokrytiiimetodyihizmereniâ
first_indexed 2025-11-25T21:02:24Z
last_indexed 2025-11-25T21:02:24Z
_version_ 1850545312891928576
fulltext ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 164 Одной из важнейших характеристик по- крытий является прочность их сцепления с подложкой. В большинстве работ по получе- нию пленок изучаются не только их структу- ра, фазовый состав, механические характе- ристики и т.д., но и адгезионные свойства. Применяемые в промышленности методы контроля прочности сцепления основаны на таких методиках как крацевание, изгиб, рас- тяжение, нанесение сетки царапин и т.д. [1]. Однако эти методы не дают количественных значений величины прочности сцепления. Для количественного определения прочности сцепления используют метод прямого отрыва пленки от подложки [2 – 11], либо сдвига относительно последней [5]. С этой целью к поверхности пленки приклеивают либо при- паивают металлические стержни, к которым затем прикладывается растягивающее усиле- ние. К недостатку данного метода следует от- нести вероятность проникновения материала припоя либо клея на границу раздела пленка- подложка и изменения характеристик сцепле- ния. В случае прямого отрыва разрыв обычно начинается в точке, где локальное напряже- ние превышает локальную прочность. В этом случае, естественно, результаты измерения усилий отрыва нельзя отнести к определен- ной площади. Однако, для оценки работоспо- собности покрытия вполне достаточно отнес- ти усилия отрыва к проекции площади отры- ва на плоскость перпендикулярную дейст- вующей силе. При определении прочности сцепления мотодом сдвига усилие направ- лено на слой покрытия касательно поверх- ности подложки. Для определения адгезионной прочности покрытий методом отрыва без применения клеевых соединений и пайки используют метод штифтов [3, 12, 13]. Суть этого метода состоит в следующем. В конусообразное от- УДК 620.178.14:621.793 АДГЕЗИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ В.М. Лунёв, О.В. Немашкало Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт” Украина Поступила в редакцию 26.02.2010 В работе проанализированы информационные потоки за 1980 – 2009 г. на основе Баз Данных MSCI, INIS, и Inspec по результатам исследований прочности сцепления покрытий с подложкой и методы ее измерения. Проведенный анализ показывает, что основными методами, при- меняемыми для определения адгезии, являются метод отрыва покрытия от подложки и метод царапания. На долю последнего приходится ∼ 70% применений. Наиболее высокие значения прочности сцепления получены при осаждении покрытий из плазмы вакуумного дугового разряда при предварительной очистке поверхности подложек высокоэнергетичными ионами осаждаемого материала (310 МПа для пленок никеля на подложках из ковара). Ключевые слова: покрытия, адгезия, отрыв, царапание, наноиндентирование. У роботі проаналізовані інформаційні потоки за 1980 – 2009 р. на основі Баз Даних MSCI, INIS, і Inspeс за результатами досліджень міцності зчеплення покриттів із підкладкою і методи її вимірювання. Проведений аналіз показує, що основними методами, вживаними для визначення адгезій, є метод відриву покриття від підкладки і метод шкрябання. На долю останнього припадає ∼ 70% застосувань. Найбільш високих значень міцності зчеплення було набуто при осадженні покриттів із плазми вакуумного дугового розряду при попередньому очищенні поверхні підкладок високоенергетичними іонами осадженого матеріалу (310 Мпа для плівок нікелю на підкладках із ковару). Ключові слова: покріття, адгезія, відрив, шкрябання, наноіндетація. The paper presents the analysis of information flows for 1980 to 2009, relying on the MSCI, INIS and Inspec Databases related to the investigations into the bond strength of coatings to the substrate and the methods of adhesion strength measurement. The analysis shows the method of coating separation from the substrate and the scratching method to be the basic methods applied for determining adhesion. About 70% of applications fall on the scratching method. The highest adhesion strengths were obtained when the coatings were deposited from the vacuum arc discharge plasma with a preliminary cleaning of substrate surfaces by high-energy ions of the material deposited (310 MeV for nickel films on kovar substrates). Keywords: coating, adhesion, detachment, scratching, nanoindentation. ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 65 верстие матрицы свободно помещают штифт конусообразной формы (рис. 1). После этого одновременно на торец штиф- та и поверхность матрицы наносят покрытие. Для определения адгезионной прочности к штифту прикладывают силу. Под действием этой силы происходит отрыв одной части пленки от торцевой поверхности штифта, в то время как другая ее часть служит своеоб- разной опорой. Прочность сцепления оцени- вают по формуле: σ = F/πr2, где F – сила отрыва, а r – радиус торца штифа. Однако, этот метод имеет ряд недостатков. Он при- меним, в основном, для толстых пленок (/100 мкм). Для тонких пленок происходит неравномерный отрыв штифта от пленки и ее прорыв. При испытании хрупких покры- тий с высокой адгезией наблюдается разрыв в узком кольцевом зазоре, который прилегает к периметру штифта. Существует также метод, основаный на возбуждении продольных колебаний ультра- звуковой частоты в металлическом цилиндре, на торец которого нанесено покрытие [14]. Отрыв покрытия от поверхности металла происходит в момент, когда сила, возникаю- щая в покрытии и вызываемая колебаниями частоты, превышает силы сцепления. Вместе с тем, этот метод из-за сравнительной слож- ности не нашел широкого применения. Для опредения прочности сцепления по- крытий и их физико-механических свойств используют также метод царапания [6, 7, 15 – 39]. Царапающие устройства по конструк- ции, как правило, аналогичны тому, которое было использовано в работе [15]. Это устрой- ство (рис. 2) состоит из коромысла, на одном конце которого размещено царапающее ос- трие (индентор). Нагрузка на индентор соз- дается с помощью добавочных грузов. Вна- чале вся система балансируется так, что ин- дентор лишь слегка касается подложки с по- крытием, размещенной на горизонтальном столе. Во время передвижения стола происхо- дит сцарапывание пленки. В большинстве царапающих устройств использовались алмазные инденторы кони- ческой формы с радиусом закругления верши- ны в пределах от ∼ 13 мкм [25] до 400 мкм [24]. Скорость перемещения индентора сос- товляла, как правило, несколько мм в минуту (3, 7 [30], 10 [24] и др.). Момент сцарапывания пленки определял- ся микроскопически, а также при помощи ре- гистрации акустоэмиссионного сигнала, по- являющегося при сцарапывании пленок из хрупких материалов [24]. Метод царапания является наиболее простым и быстрым спо- собом оценки адгезионных характеристик. Однако, несмотря на широкое его примене- ние, имеются трудности в количественной оценке прочности сцепления. Как правило, прочность сцепления характеризуют величи- ной вертикальной (критической) нагрузки на острие, при которой происходит сцарапыва- ние пленки. При испытании адгезии царапанием обра- зующаяся тончайшая канавка (в зависимости от таких факторов как твердость материала покрытия и подложки, толщина пленки, вер- тикальная нагрузка на острие и от некоторых параметров, связанных с условиями испы- таний) может быть получена в результате [31]: − пластического деформирования мате- риала покрытия без разрушения (пластически смятая, выдавленная царапина); − пластического деформирования с по- следующим срезанием тончайшей стружки; Рис. 1. Определение прочности сцепления покрытий методом штифтов: 1 – штифт, 2 – матрица, 3 – покры- тие. Рис. 2. Схема устройства для измерения адгезионных характеристик покрытий методом царапания [15]. В.М. ЛУНЁВ, О.В. НЕМАШКАЛО ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 166 − хрупкого разрушения, практически без пластического деформирования со скалыва- нием тончайших участков (сколотая царапи- на). Первый и второй случай образования цара- пины типичны для пластических материалов, а третий для хрупких, таких как, например, нитриды и карбиды переходных металлов. В настоящей работе проанализированы опубликованные в литературе результаты ис- следований прочности сцепления покрытий, полученные разными методами на подложках из различных материалов и влияние на проч- ность способов предварительной очистки их поверхности. В зависимости от степени загрязнения применяют такие методы очистки как хими- ческое травление, шлифовка, полировка, про- мывка в растворах для удаления загрязнений органического происхождения (при наличии таковых), промывка в спирте, либо комбина- цию таких методов. Непосредственно перед осаждением покрытий применяют также очи- стку подложки бомбардировкой высокоэнер- гетичными ионами. К наиболее широко при- меняемым методам получения покрытий сле- дует отнести гальванический [2], химический [3], осаждение из порошков металлов в плаз- менных струях [10, 11], метод газотранспорт- ных реакций [9], магнетронный и вакуумно- дуговой [2 – 5]. В табл. 1 приведены характерные для дан- ных методов значения прочности сцепления покрытий. Из приведенных данных следует, Таблица 1 Методы получения покрытий и прочность их сцепления с подложкой, определенная методом отрыва * – метод сдвига Мате- риал покры- тия Мате- риал подлож- ки Способ очистки поверхности подложки Метод получения покрытий Толщина покрытий, мкм Способ соединения покрытия с оправкой Прочность сцепления σ, МПа Литера- тура Cu промывка ≥ 5 пайка 35 [3] Ti очистка ионами кислорода 2 до 101 [4] вакуумно-дуговой Cu химическое травление + очистка ионами осаждаемого металла(V = –3кВ, Ig = 175–280 A) cталь 10 [2] ковар Мо монель Ni ковар 240 220 120 330 310 Al ионная очисткаAlN Ti в.ч. магнетрон 127*– – 120* [5] Al Al2O3 4 – 5 23 [3] Al2O3 магнетрон клей Zr сапфир 200 нм > 75 [6] электронно-луче- вой + облучение ионами N + в ускорителе (130 - 150 кэВ) пайка Ti, Zr нитрид кремния 200 − 300 нм > 40 [7] электронно-луче- вой + облучение ионами N + в ускорителе (400 кэВ) Ti + Ni алмаз − 140 [8]Ti термическим испарением + Ni гальванический W Ni − 100 – 120 [9] газотранспортный из гексафторида вольфрама Ni сталь – 74 [10]из порошков в плазменной струе клей W Cu – 135 [11]– химическийCu 3 – 4 25 [3]клейAl2O3 гальваническийCu – 220 [2]пайкаМо промывка АДГЕЗИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 67 что самые высокие значения прочности сце- пления реализуются при осаждении покры- тий ионно-плазменными методами [2, 4, 5], причем существенную роль играет предвари- тельная очистка напыляемой поверхности бомбардировкой высокоэнергетичными ионами. Так, для вакуумно-дуговых покры- тий на металлических подложках, предвари- тельно очищенных бомбардировкой ионами осаждаемого металла (V = –3кВ; Ig = 175 – 280 A) прочность сцепления для меди на стали составила 240 МПа, коваре – 220 МПа, на монели – 330 МПа, а для никеля на коваре – 310 МПа [2]. В ряде работ адгезионные характеристики покрытий с определением прочности сцепле- ния методом отрыва также изучались мето- дом царапания и сравнивались [6, 7]. Так, в работе [6] при помощи электронно- лучевого метода осаждались покрытия из циркония на сапфир. Толщина покрытий сос- тавляла 200 нм. После этого образцы облучались в ускори- теле ионами азота с энергией ∼ 140 КэВ. При этих энергиях глубина имплантированных ионов была почти равной толщине пленки. Было установлено, что для необлученных об- разцов и дозах ≤ 1015 см–2 прочность сцепле- ния, определенная методом отрыва, и крити- ческая нагрузка при сцарапывании пленки составляют, соответственно, 25 МПа и 10 Г (рис. 3). При увеличении дозы прочности сцепления, характеризуемая этими величина- ми, возрастает и при дозе ∼ 1017 см–2 достига- ет значений равных 75 Мпа и 1 кГ. Таким образом, величина адгезии, харак- теризуемая значением критической нагрузки при сцарапывании пленки, позволяет опти- мизировать технологические процессы полу- чения покрытий по таким параметрам, как ре- жимы их осаждения, способ подготовки пов- ерхности подложки и т.д. и оценивать их ка- чество. Испытания царапанием проводились для различного типа покрытий, как на метал- лических подложках, так и на подложках из диэлектрических материалов. Ниже приве- дены работы иллюстрирующие возможность данного метода. Так, в работе [30] испытаниями царапани- ем были определены силы адгезии пленок Cu толщиной 200 нм на стали, полученных маг- нетронным распылением. Часть подложек была механически полирована и сразу покры- валась медью. Другие после полировки очи- щались ионным травлением в среде аргона и только после этого металлизировались. Было установлено, что без ионной очистки крити- ческая нагрузка составляла < 1 Г. С увеличе- нием времени ионного травления до 10 мин. критическая нагрузка возрастала до 10 Г. Дальнейшее увеличение времени травления до 20 мин. приводило к ее снижению до 9 Г. В работе [26] исследовалась адгезия пле- нок Cu и Ti толщиной 0,1 – 0,3 мкм на под- ложках из различных материалов (стекло, Ni, Cu и Al). Покрытия осаждались электронно- лучевым методом, магнетронным и обычным вакуумным испарением. Одновременно с испарением материала электронным лучем покрытие бомбардировалось ионами Ar из источника типа Кауфмана при энергии ионов Рис. 3. Прочность сцепления циркониевых покрытий с подложкой из сапфира, определенная методом отрыва – а) и царапанием – б), в зависимости от дозы облучения ионами азота. а) б) В.М. ЛУНЁВ, О.В. НЕМАШКАЛО ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 168 0,2 – 2 кэВ. Наилучшие результаты получены при осаждении покрытий с одновременной бомбардировкой ионами. Критическая на- грузка при царапании Cu пленки на стекле составила 20,4 Г, в то время как при обычном вакуумном испарении и с использованием ма- гнетронного метода она равнялась, соответст- венно, 14,2 и 4,9 Г. В работе [24] исследовалось влияние ра- диуса закругления острия конического инден- тора на критические нагрузки при исследова- ниях царапанием покрытий из TiN и CrN, по- лученных вакуумно-дуговым методом, на ме- таллических подложках различной твердо- сти. Было установлено, что для инденторов с радиусом закругления острия r в интервале от 100 до 400 мкм критическая нагрузка из- меняется как rm (m > 1). Индекс m для данных покрытий слабо зависел от твердости мате- риала подложки. Так, для покрытий из TiN толщиной 2,2 мкм он увеличивался от 1,16 до 1,2 с изменением твердости подложки от 2 до 8 ГПа. Рядом авторов полученные значения кри- тических нагрузок были использованы для определения сил адгезии в Па, хотя предло- женные ими модели многие считают сверх- упрощенными [7, 27 – 29]. Так, в работе [28] методом царапания оп- ределялась адгезия пленок Ag, Au, Sn, Cu, Zr, Al толщиной до 0,3 мкм на подложках из кремния, стекла, полистирола и т.д. Пленки получались методом испарения в вакууме. Перед осаждением покрытий подложки очи- щались в тлеющем разряде. В процессе цара- пания пленок измерялись горизонтальная сила F при такой вертикальной нагрузке, ко- гда на следе от индентора оставалась чистая подложка. Предполагалось, что горизонталь- ная сила F состоит из суммы трех составляю- щих. Первая составляющая F1 есть сила, воз- никающая при царапании пленки, вторая F2 затрачивается на полное сцарапывание плен- ки до подложки (сила адгезии) и третья F3 есть сила, действующая на индентор при его движении по подложке без покрытия, т.е. F = F1 + F2 + F3. (1) Сила F2 выражалась в виде: 2 2 1 4 F d= σπ , (2) где d – ширина царапины, σ – прочность сцеп- ления на единицу поверхности. Сила F1 вы- числялась по уравнению: F1 = dhH, (3) где h – толщина пленки и H – твердость мате- риала покрытия. Прочность сцепления по- крытий с подложкой определялась по фор- муле: 3 2 4( )F F dhH D − −σ = π . (4) Определенные таким образом силы адге- зии изменялись в зависимости от материала подложки и покрытия. Так, например, для пленок Ag на подложках из кремния, стекла и NaCl она составила 430, 320 и 8,5 МПа, что больше значений, характерных для диэлект- рических материалов исследованых методом отрыва (см. табл. 1). Такие же более высокие значения сил адгезии были получены в ра- ботах [7, 27, 29]. В работе [27] методом царапания исследо- валась адгезия покрытий как из чистых ме- таллов – Al, Cr, Au, так и из нитридов и окис- лов – TiN, TiO2, SiO2 и др. толщиной до 800 нм. Покрытия осаждались в магнетрон- ных системах, химическим методом и испа- рением из жидкой фазы. По величине кри- тической нагрузки проводилась оценка вели- чины адгезии в Па. Использовалась та же модель, что и в работе [28] и аналогичная ей [29]. Было установлено, что прочность сцеп- ления на подложках из стекла изменяется от ∼ 2,7 ГПа для Al до ∼ 2 ГПа для SiO2 и до 1 ГПа для Au. Результаты подсчета по этим мо- делям практически совпадают. В приведенных работах при оценке адге- зии использовались известные из литерату- ры характеристики физико-механических свойств материалов покрытия и подложки – микротвердость покрытия [28], коэффициен- ты Пуассона и модуль Юнга [27]. Вместе с тем, при царапании в тончайших слоях метал- ла возможно упрочнение за счет пластичес- кой деформации (наклепа) [31] и усилия, за- трачиваемые на деформацию материала по- крытия, будут выше значений расчитанных по коэффициентам, характеризующим физи- ко-механические свойства материалов (4). Возможен также процесс схватывания кон- АДГЕЗИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 69 татирующих поверхностей в результате нали- пания частиц металла на индентор и возрас- тания коэффициента трения. Повидимому эти обстоятельства и приводят при расчетах к более высоким значениям адгезионных ха- рактеристик. В работе [32] методом царапания иссле- довались образцы из стали Р6М5 с покрытия- ми из нитрида титана, полученными вакуум- но-дуговым методом с различным фазовым составом и структурой. Для этого при напы- лении изменяли давление азота в камере от 9⋅10–3 до 2 Па. При царапании происходил прорыв пленки до обнажения подложки и от- слоение покрытия. Коэффициент адгезии HSC расчитывался по отношению площади сколов вокруг царапины SСК к площади цара- пины SЦ: СК СК Ц SHSC S S = + . (5) Микрофотографии царапин на покрытии приведены на рис. 4 [32]. Было установлено, что при низких давле- ниях азота коэффициент адгезии максимален (HSC = 1 при ρ = 2⋅10–1 Па). С увеличением давления азота, когда состав TiN близок к стехиметрическому, коэффициент адгезии уменьшается до 0,25 – 0,35 HSC. Характерно, что изменение адгезионных свойств с дав- лением азота находится в обратной зависимо- сти от изменения стойкости инструмента с покрытием TiN при резании. Таким образом, оценка адгезионных характеристик покры- тий методом царапания позволяет оптимизи- ровать технологические параметры получе- ния пленок. Непрерывное уменьшение характерных размеров электронных и микро-наноэлектро- механических систем, пленочных покрытий и других продуктов нанотехнологий сделало актуальным разработку методов исследова- ния их физико-механических свойств (твер- дость, модуль Юнга, износостойкость, вели- чина адгезии пленок и т.д.) в наношкале [37, 38]. Лидером таких испытаний является наноиндентирование. Этот метод пригоден для решения разнообразных физических задач и выяснения фундаментальных законо- мерностей поведения нанометровых припо- верхностных слоев и субмикронных объемов разных материалов. При исследовании адге- зии пленок используют наноинденторы ко- нической формы, либо в виде длинного тон- кого лезвия. К индентору прикладывают нор- мальную нагрузку и одновременно переме- щают его вдоль поверхности пленки (цара- пание). Величину адгезии выражают в виде удель- ной работы отслаивания G пленки от подлож- ки. Так, в работе [38] для определения адге- зии использовалось уравнение: 2 4 ( )F hrG r E = π , (6) где Fr – критическая горизонтальная сила начала отрыва пленки от подложки, r – ради- ус царапины в момент начала отслаивания, h – толщина пленки, E – модуль Юнга. В ра- боте [37] приведены значения адгезии метал- лических пленок (Cu, Au, Nb) к подложкам из SiO2 и Al2O3, измеренных методом инден- тирования. В зависимости от материала по- крытия и подложки она изменяется от ∼ 0,5 до 4 дж/м2. Сравнение этих данных с теорети- ческими (термодинамической удельной энер- гией адгезии) показывает их удовлетвори- тельное согласие [37, 40]. а) б) Рис. 4. Микрофотографии царапин на поверхности по- крытий TiN, нанесенных на склерометре: а) – HSC =1 – высокая адгезия; б) – HSC = 0,17 – адгезия мини- мальная. В.М. ЛУНЁВ, О.В. НЕМАШКАЛО ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 170 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенный анализ литературных данных показывает, что основными методами опре- деления адгезии является метод отрыва по- крытия от подложки и метод царапания. Ме- тод отрыва применяют, в основном, для тол- стых пленок, а царапания для тонких. На до- лю последнего приходится ∼ 70% примене- ний. Если в методе отрыва прочность сцеп- ления определяется в МПа, то при царапании величину адгезии характеризуют критичес- кой нагрузкой при которой происходит от- слоение пленки. Критическая нагрузка по- зволяет оптимизировать технологические процессы получения покрытий по таким пар- аметрам как режимы их осаждения, способ подготовки поверхности и т.д. и оценивать их качество. Кроме того, метод царапания да- ет возможность заменить разрушающие мак- роиспытания на разовых образцах неразру- шающими на одном. В зависимости от спо- соба получения покрытий и подготовки по- верхности подложек прочность сцепления, определенная методом отрыва, находилась в интервале от ∼ 20 до ∼ 30 МПа. Наилучшие ре- зультаты получены после предварительной очистки поверхности подложек высоко-энер- гетичными ионами. Так, для покрытий из никеля, осажденных из призмы вакуумно-ду- гового разряда на подложки из ковара, по- верхность которых предварительно очища- лась ионами осаждаемого материала, проч- ность сцепления составила ∼ 310 МПа. ЛИТЕРАТУРА 1. Покрытия металлические и неметаллические, неорганические. Методы контроля. ГОСТ 9.302-88. 2. Гринченко В.Т., Капралова Н.А., Кудря- шев Н.И., Левин А.М. Нанесение металличес- ких пленок на подложки из различных мате- риалов вакуумным плазменно-дуговым ме- тодом, неорганические материалы//Рос. Ак. Наук. – 1992. – Т. 28, № 8. – С. 1630-1634. 3. Schmidbauer S., Hahn J., Richter F. Adhesion of metal coatings on ceramics deposited by dif- ferent techniques //Surface and Coatings Techno- logy. – 1993. – Vol. 59. – P. 325-329. 4. Piekoszenwski J., Krajewski A. et all. Brazing of alumina ceramics modified by pulsed plasma beams combined with arc PVD treatment//Va- cuum. – 2003. – Vol. 70. – P. 307-312. 5. Sheng Zhu, W. Wlosinski. Joining of AlN cera- mic to metals usings sputtered Al or Ti films// Journal of Materials Processing Technology. – 2001. – Vol. 109. – P. 277-282. 6. Shoji Noda, Haruo Doi, Osami Kamigaito. Me- tal-ceramic surface composites formed by a high energy ion irradiation and their mechanical pro- perties//Radiat. Phys. Chem. – 1987. – Vol. 30, Iss 4. – P. 253-261. 7. Shoji Noda, Haruo Doi et all. Impovement for adhesion of thin metal films on ceramics by ion bombardment and application to metal-ceramic joining//Journal of materials science letters. – 1986. – Vol. 5. – P.381-383. 8. Wang Y.H., Wang H.X. et all. Brazing of Ti/Ni- coated Diamond//Key Engineering Materials Vols. – 2001. – Vol. 202-203. – P. 147-150. 9. Sokolov V.K., Yu.M. et. all. Adhesion strength of coating of fluoride-reduced tungsten with nickel//Tsvetnye-Metal. Korolev ly-USSR. – 1983, Iss 11. – P. 66-67. 10. Pershin V., Lufitha M. et. all. Effect of substrate temperature on Adhesion Strength of plasma- sprayed nickel coatings//Journal of Thermal Spray Technology. – 2003. – Vol. 12 (3). – P. 370-376. 11. Костиков В.И., Шестерин Ю.А. и др. Свойст- ва плазменных вольфрамовых покрытий//Фи- зика и химия обработки материалов. – 1982. – № 6. – С. 47-51. 12. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. – М.: Химия, 1977. – 351 с. 13. Liao Yi-de, Li Zhuang-yun, Tang Guo-qun. Eva- luation for adhesion strength of coating and sub- strate by burying beforehand specimen//Journal of Wuhan University of Technology Mater Sci Ed. – 2003. – Vol. 18, Iss 1. – P. 31-35. 14. Демиденко Л. М. Высокоогнеупорные компо- зиционные покрытия. – М.: Металлургия, 1979. – 216 с. 15. Kikuchi A., Baba S., Kinbara A. Measurements of the adhesion of evaporated metal films. III// Journal of the Vacuum Society of Japan. – 1984. – Vol. 27, Iss 5. – P. 448-451. 16. Westergard R., Svahn F. et. all. Novel load-car- rying layers to support low-friction PVD-coa- tings//Surface and Coatings technology. – 2003. – Vol. 176, Iss 1. – P. 14-22. 17. Matyunin V.M., Volkov P.V. et. all. Determina- tion of the mechanical properties and adhesion strength of ion-plasma coatings using sclero- metry//Metallovedenie i termicheskaya obrabot- ka metallov. – 2002. – Iss 3. – P. 36-39. 18. Sui J.H., Cai W. Formation of ZrO2 coating on the NiTi alloys for improving their surface pro- АДГЕЗИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 71 perties//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms.– 2006. – Vol. 251 (2). – P. 402-406. 19. Yonekura D., Murakami R.I. Influence of ion- bombardment on critical load of CrN deposited onto aluminum-alloy by arc ion plating method. P. 1//International Journal of modern Physics. – 2006.– Vol. 20, Iss 25-27, Sp Iss. – P. 3842-3847. 20. Al-Olayyan Y., Fuchs G., Baney R., Tulenko J. The effect of Zircaloy-4 substrate surface con- dition on the adhesion strength and corrosion of SiC coatings//Journal of Nuclear Materials. – 2005. – Vol. 346, Iss 2-3. – P. 109-119. 21. Jyh-Wei Lee, Shih-Kang Tien, Yu-Chu Kuo. The effects of pulse frequency and substrate bias to the mechanical properties of CrN coatings deposited by pulsed DC magnetron sputtering// Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 494, Iss 1-2. – P. 161-167. 22. Youming Liu, Liuhe Li, Xun Cai, Qiulong Chen, Ming Xu, Yawei Hu, Tik-Lam Cheung, Shek C., Paul K. Chu. Effects of pretreatment by ion implantation and interlayer on adhesion between aluminum substrate and TiN film//Thin Solid Films. – 2005. – Vol. 493, Iss 1-2. – P. 152-159. 23. Gonczy S.T., Randall N. An ASTM standard for quantitative scratch adhesion testing of thin, hard ceramic coatings//J. of Applied Ceramic Tech- nology. – 2005. – Vol. 12, Iss 5. – P. 422-428. 24. Ichimura H., Ishii Y. Effects of indenter radius on the critical load in scratch testing//Surf. and Coat. Techn. – 2003. – Vol. 165. – P. 1-7. 25. Suzuki S. Internal stress and adhesion of thin films sputtered onto glass by an in-line sputtering system//Thin Solid Films. – 1999. – Vol. 351. – P. 194-197. 26. Ektessabi A.M., Sato S., Kitamura H., Masaki Y. Simulation of ion beam assisted deposition-a comparison with experimental results//Vacuum. –1993. – Vol. 44, Iss 3-4. – P. 213-217. 27. Akira Kinbara, Shigeru Baba, Eiji Kusano. Ad- hesion measurement of thin films on glass sub- strates by scratch method//Coatings Glass. – 1999. – P. 218-222. 28. Benjamin P., Weaver C. Measurement of adhe- sion of thin films//Proceedings of the Royal So- ciety A.–1960.– Vol. 254, Iss 1277. – P. 163-176. 29. Hamilton G.M., Goodman L.E. The stress field created by a circular sliding contact//J. Appl. Mech. – 1966. – Vol. 33. – P. 371-376. 30. Cailler M., Ouis A. et. all. Adhesion strength of copper thin-films to a E24 carbon steel: effect of substrate surface ion bombardment etching// J. Adhesion Sci. Technol. – 1993. – Vol. 7, Iss 2. – P.141-157. 31. Маслов Е.Н. Теоретические основы процесса царапания металлов. – М.: Наука, 1968. – С. 24-44. 32. Фукс-Рабинович Г.С., Моисеев В.Ф., Кацу- ра А.А. и др. Использование метода склеро- метрии для определения адгезионных свойств ионно-плазменных покрытий//Завод- ская лаборатория. – 1990. – № 2. – С. 95-98. 33. Akabane T., Sasajima Y., Onuki J. Nanoscrat- ching of metallic thin films on silicon substrate: a molecular dynamics study//J. of Electronic Mater. – 2007. – Vol. 36, Iss 9. – P. 1174-1180. 34. Arslan E., Baran Ц., Efeoglu I., Totik Y. Eva- luation of adhesion and fatigue of MoS2-Nb so- lid-lubricant films deposited by pulsed-dc mag- netron sputtering//Surf. and Coat. Techn. – 2008. – Vol. 202, Iss 11. – P. 2344-2348. 35. Chua K., Shen Y.G. Mechanical and tribological properties of nanostructured TiN/TiBN multi- layer films//Wear. – 2008. – Vol. 265, Iss 3-4. – P. 516-524. 36. Zhou L.P., Wang M.P., Wang R., Li Z. et. all. Enhanced adhesion of Cu-W thin-films by ion- beam assisting bombardment implanting//Tran- sactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2008. – Vol. 18, Iss 2. – P. 372-377. 37. Головин Ю.И. Наноиндентирование и меха- нические свойства твердых тел в субмикро- объемах, тонких приповерхностных слоях и пленках (обзор)//Физика твердого тела. – 2008. – Т. 5, № 12. – С. 2113-2142. 38. Burnett P.J., Rickerby D.S. The relationship bet- ween hardness and scratch adhesion//Thin Solid Films. – 1987. – Vol. 154, Iss 1-2. – P. 403-416. 39. TakenoT., Shiota H., Sugawara T., Miki H., Taka- gi T. Highly adherent tungsten-containing dia- mond-like carbon (W-DLC) coating on a NiTi shape memory alloy under 10% tensile strain// Diamond and Related Materials. – 2009. – Vol. 18, Iss 2-3. – P. 403-406. 40. Volinsky A., Moody N., Gerberich W. Interfacial toughness measurements for thin films on sub- strates//Acta Materialia. – 2002. – Vol. 50, Iss 3. – P. 441-466.  Лунёв В.М., Немашкало О.В., 2010 В.М. ЛУНЁВ, О.В. НЕМАШКАЛО

Схожі ресурси