5. Podsumowanie i wnioski

Transkrypt

1 5. Podsumowanie i wnioski Prace [36-38], przedstawiaj ce modele stref strukturalnych powłok, wskazuj na fakt, e struktura i topografia powierzchni powłok decyduje o ich własno ciach mechanicznych i wytrzymało ciowych, a w konsekwencji o odporno ci na zu ycie. Wykorzystanie nowoczesnych technik badawczych, w szczególno ci skaningowej mikroskopii elektronowej [ ] i mikroskopii sił atomowych [107, 108, 134], umo liwia obserwacj powierzchni powłok uzyskiwanych na materiałach narz dziowych z rozdzielczo ci atomow, jednak w dalszym ci gu wyniki te s wykorzystywane jedynie w ograniczonym zakresie. Geometria fraktalna stanowi warto ciowe uzupełnienie metod analizy wyników uzyskanych z wykorzystaniem mikroskopii sił atomowych [79, 126, ], umo liwiaj c uzyskiwanie ilo ciowych informacji charakteryzuj cych topografi badanych materiałów. W doniesieniach literaturowych wskazuje si na liczne zwi zki pomi dzy wielko ciami fraktalnymi oraz chropowato ci [ ] i warunkami otrzymywania [127, 141, 142] wielu materiałów in ynierskich, co stanowiło przesłanki do podj cia bada, których celem było zastosowanie analizy ilo ciowej topografii powierzchni powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych do prognozowania ich własno ci. Pierwszym etapem rozwi zania tak postawionego problemu było kompleksowe scharakteryzowanie topografii powłok oraz struktury, która wpływa na kształt powierzchni analizowanych obiektów. Materiał do bada stanowiły jedno- i wielowarstwowe, jednoi wieloskładnikowe powłoki uzyskane w magnetronowym i łukowym procesie PVD oraz wysokotemperaturowym procesie CVD na materiałach narz dziowych. Dobór powłok, reprezentatywnych pod wzgl dem rodzajów i warunków procesów osadzania, typów materiału podło y oraz składu chemicznego i fazowego, a tak e kombinacji zastosowanych warstw, zapewnił zró nicowanie topografii ich powierzchni oraz własno ci mechanicznych i u ytkowych. Topografi powierzchni analizowanych powłok zbadano z wykorzystaniem mikroskopii skaningowej SEM oraz oddziaływa mi dzyatomowych AFM. Ponadto, wykonano badania składu chemicznego i fazowego oraz tekstury, potwierdzaj ce, e czynniki te wpływaj na topografi 118 W. Kwa ny

2 powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD. Wykonano równie pomiary własno ci mechanicznych i eksploatacyjnych w celu okre lenia ich zwi zku z topografi powłok. Wyniki pomiarów chropowato ci analizowanych powłok okre lonej przez parametr R a wykazały istotn ró nic w zale no ci od zastosowanego procesu nanoszenia. Powłoki uzyskane w magnetronowym procesie PVD charakteryzuj si ni sz warto ci chropowato ci R a ni powłoki uzyskane technik CVD oraz w łukowym procesie PVD. Nisk warto ć chropowato ci powłok uzyskanych w magnetronowym procesie PVD mo na wi zać z kształtem topografii ich powierzchni, zawieraj cych jednorodne pod wzgl dem rozmiaru drobne nierówno ci, co potwierdziły obserwacje wykonane technik SEM. Na wzrost chropowato ci w przypadku pozostałych procesów osadzania wpływa wyst powanie, obok drobnych, równie znacznie wi kszych nierówno ci. Wyj tek w grupie powłok o du ej chropowato ci stanowi powłoki uzyskane w wysokotemperaturowym procesie CVD, gdy warstwa zewn trzna była wykonana z Al 2 O 3. Na ich powierzchni zaobserwowano głównie du e ziarna w kształcie wielo cianów, co odnotowano tak e w innych pracach [ ]. W zakresie analiz tekstury liczne opracowania [23, 24, 98, 133, ] przedstawiaj wpływ warunków nanoszenia na uprzywilejowany kierunek wzrostu powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD oraz ich zwi zek z własno ciami mechanicznymi. W pracach tych jednak ograniczono si do jako ciowej oceny tekstury, nie przeprowadzaj c ilo ciowych analiz daj cych mo liwo ć okre lenia wpływu udziału wyró nionej składowej na własno ci mechaniczne. W prezentowanej pracy wykonano pełn analiz funkcji rozkładu orientacji (FRO) dla powłok uzyskanych w magnetronowym procesie PVD, przeprowadzaj c jako ciow i ilo ciow analiz tekstury. Badania rentgenowskie wykazały, w przypadku powłok uzyskanych w magnetronowym procesie PVD, uprzywilejowan <110> orientacj ich wzrostu zró nicowan pod wzgl dem udziałów obj to ciowych zidentyfikowanych składowych tekstury. Analiza figur biegunowych powłok uzyskanych w wysokotemperaturowym procesie CVD oraz Ti(Al,N) w łukowym procesie PVD wykazała, e ich tekstura jest bardzo słaba. Pozostałe powłoki uzyskane w procesie łukowym, niezale nie od materiału podło a, charakteryzowały si płaszczyzn wzrostu z rodziny {111}. Pomiary napr e wewn trznych analizowanych przeciwzu yciowych powłok PVD i CVD wykonano powszechnie stosowan metod rentgenowsk sin 2 ψ [23, 95, 99, 100] oraz 119

3 5. Podsumowanie i wnioski opracowan w ostatnich latach multirefleksyjn metod g- sin 2 ψ [33, 91, 103, 104]. Porównanie obu metod oraz uzyskane rezultaty, zdaniem autora, wskazuj, e prawidłowy wybór techniki pomiaru napr e cienkich warstw nanoszonych na materiałach narz dziowych, daj cy mo liwo ć otrzymania wyników obarczonych mniejszym bł dem, uzale niony jest w głównej mierze od budowy krystalicznej powłok i ich tekstury oraz od kombinacji zastosowanych warstw i wykorzystanego materiału podło a. We wszystkich analizowanych próbkach wyst powały napr enia ciskaj ce. Najwy sze warto ci napr e wewn trznych stwierdzono dla powłok uzyskanych w magnetronowym procesie PVD, natomiast najni sze dla powłok otrzymanych w wysokotemperaturowym procesie CVD. Uzyskane warto ci pomiarów napr e badanych powłok w zale no ci od zastosowanego rodzaju procesu nanoszenia nie odbiegaj od danych przytaczanych w literaturze [22, 91, ] i wykazuj cisły zwi zek z ich przyczepno ci do materiałów podło y. W niniejszej pracy przedstawiono ponadto zale no ci analityczne opisuj ce te korelacje. Przeprowadzone studium literaturowe wykazało wiele zastosowa geometrii fraktalnej w obszarze in ynierii materiałowej [59, 63, 66, 74, 75, 114, 115]. Jednym z wa niejszych zagadnie w tym zakresie jest opracowanie efektywnych i wiarygodnych algorytmów wyznaczania wielko ci fraktalnych [ ], odpowiednich dla ró nych typów badanych materiałów i ich aplikacji. Autor niniejszego opracowania do wyznaczania wymiaru fraktalnego powierzchni powłok wykorzystał metod rzutowego pokrycia (ang. projective covering metod PCM), opracowan pierwotnie do wyznaczania wymiaru fraktalnego powierzchni skał [60], a nast pnie stosowan w badaniach i analizach ró norodnych materiałów in ynierskich [52, 112, 113, , 129], przy czym metoda ta dotychczas nie była wykorzystywana do opisu i charakterystyki powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD. Do zalet metody PCM nale y mo liwo ć analizy wyników uzyskanych z nanometryczn rozdzielczo ci przy u yciu mikroskopu sił atomowych AFM oraz fakt, e wszystkie wymiary wykorzystywane w obliczeniach wyra ane s w tych samych jednostkach i nie wymagaj dodatkowego skalowania, co stanowi na przykład powa n wad analiz czasowych [ ]. W opracowaniu szczegółowo przedstawiono zmodyfikowan metodyk wyznaczania wielko ci fraktalnych powierzchni metod PCM. Do przeanalizowania, a nast pnie zmodyfikowania stosowanej metody wyznaczania wymiaru fraktalnego skłoniło autora pojawianie si niepoprawnych, zawy onych warto ci wymiaru fraktalnego (D s >3), 120 W. Kwa ny

4 otrzymywanych w trakcie wykonywania analiz testowych. Poprawno ć skorygowanej metody wyznaczania wymiaru fraktalnego została nast pnie potwierdzona przy u yciu zestawów danych modeluj cych powierzchnie o zadanej warto ci wymiaru fraktalnego, wykorzystuj cych algorytmy losowego przemieszczenia rodka i Falconera [55]. W celu poszerzenia obszaru zastosowa geometrii fraktalnej równie do przypadków powierzchni, których poszczególne fragmenty s zró nicowane, a w szczególno ci o mo liwo ć oceny jednorodno ci topografii powierzchni uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych, zastosowano analiz kształtu widma multifraktalnego. Stwierdzono, e wszystkie rozpatrywane powłoki, niezale nie od rodzaju procesu ich wytworzenia oraz zastosowanego materiału podło a, wykazuj fraktalny charakter powierzchni, ró ni c si zakresem fraktalno ci i wielko ciami opisuj cymi widmo multifraktalne. Uzyskane wyniki, okre laj ce wpływ warunków nanoszenia powłok na warto ć wielko ci fraktalnych powierzchni, s zgodne z wcze niejszymi doniesieniami literaturowymi [127, 141, 142, 154]. W szczególno ci potwierdzono zwi zek pomi dzy wymiarem fraktalnym i chropowato ci [139, 140, 142]. W pracach [126, 127, 130, 141, 155, 156] wskazano, e do opisu chropowato ci analizowanych powierzchni mo e zostać wykorzystana szeroko ć widma multifraktalnego α. Wykonane analizy i przedstawione w prezentowanej pracy wyniki nie potwierdziły tych doniesie. Dla badanych powierzchni powłok PVD i CVD uzyskanych na materiałach narz dziowych warto ć α nie korelowała z warto ci wymiaru fraktalnego D s ani z warto ci chropowato ci R 2D. Równocze nie stwierdzono, e jednorodno ć analizowanych obiektów wpływa w istotny sposób na szeroko ć widma α. Wykonane analizy (zarówno dla danych modelowych, jak i eksperymentalnych) wykazały, e widmo multifraktalne jednorodnych powierzchni o du ej warto ci wymiaru fraktalnego mo e być w sze od widma powierzchni o niskiej warto ci wymiaru, lecz mniej jednorodnego. Skrajnym przypadkiem jest powierzchnia monofraktalna, której widmo redukuje si do pojedynczego punktu. Z tego wzgl du, zdaniem autora, szeroko ć widma multifraktalnego nie mo e słu yć do charakteryzowania chropowato ci powierzchni. Uzasadnione natomiast jest porównywanie szeroko ci oraz innych warto ci opisuj cych kształt widm multifraktalnych powłok ró ni cych si jednym, wybranym czynnikiem ich uzyskania (np.: rodzajem powłok, temperatur lub czasem procesu, składem chemicznym lub materiałem podło a, na którym zostały wytworzone) w celu okre lenia jego wpływu na jednorodno ć analizowanych powierzchni. 121

5 5. Podsumowanie i wnioski W pracy przedstawiono obrazy topografii powierzchni powłok uzyskane przy u yciu mikroskopu AFM i przykłady zastosowania analizy fraktalnej i multifraktalnej do oceny: wpływu warunków osadzania na topografi powierzchni powłok (Ti,Al)(C,N) uzyskanych w magnetronowym procesie PVD na podło u ze spiekanej stali szybkotn cej PM HS , wpływu rodzaju podło a na topografi powierzchni powłok TiN+multi(Ti,Al,Si)N+TiN uzyskanych w łukowym procesie PVD, wpływu rodzaju podło a i kombinacji zastosowanych warstw na topografi powierzchni powłok uzyskanych w wysokotemperaturowym procesie CVD, gdy warstwa zewn trzna wykonana była z Al 2 O 3. Warto ci wymiaru fraktalnego topografii powłok uzyskanych w magnetronowym procesie PVD skorelowano z mikrotwardo ci i odporno ci erozyjn, natomiast warto ci wymiaru fraktalnego topografii powłok uzyskanych w wysokotemperaturowym procesie CVD (na podło u z ceramiki Si 3 N 4 oraz gdy warstwa zewn trzna wykonana była z Al 2 O 3 ) i łukowym PVD ze wzrostem trwało ci ostrza okre lonym w te cie skrawno ci. Wykazano, e przedstawione zale no ci daj mo liwo ć prognozowania własno ci powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych na podstawie wielko ci fraktalnych opisuj cych ich powierzchni. Wykazanie istotnych korelacji pomi dzy wymiarami fraktalnymi opisuj cymi powierzchnie powłok a ich własno ciami mechanicznymi i/lub eksploatacyjnymi stanowi potwierdzenie tezy pracy. Na podstawie otrzymanych wyników bada eksperymentalnych oraz wykonanych analiz sformułowano nast puj ce wnioski: 1. Mo liwe jest prognozowanie twardo ci i odporno ci erozyjnej powłok uzyskanych w magnetronowym procesie PVD na podło u ze spiekanej stali szybkotn cej PM HS na podstawie warto ci powierzchniowego wymiaru fraktalnego D s topografii ich powierzchni. 2. W przypadku powłok uzyskanych w łukowym procesie PVD mo liwe jest prognozowanie własno ci eksploatacyjnych okre lanych w próbie skrawno ci, gdy warto ć ich powierzchniowego wymiaru fraktalnego D s <2,1. Dla powłok wykazuj cych wy sze warto ci D s prognozowanie własno ci u ytkowych na podstawie analizy fraktalnej topografii powierzchni obarczone jest du ym bł dem ze wzgl du na ich niejednorodno ć, okre lon przez wysok warto ć α>0, W. Kwa ny

6 3. Dla powłok otrzymanych w wysokotemperaturowym procesie CVD mo liwe jest prognozowanie ich własno ci eksploatacyjnych na podstawie warto ci powierzchniowego wymiaru fraktalnego D s, w przypadku gdy warstwa zewn trzna wykonana była z Al 2 O 3 oraz dla powłok wytworzonych na podło u z ceramiki azotkowej Si 3 N Wzrost warto ci napr e ciskaj cych powoduje zwi kszenie przyczepno ci powłok do materiału podło a (niezale nie od rodzaju procesu ich uzyskania). 5. W pracy zasygnalizowano, e wa nym czynnikiem decyduj cym nie tylko o własno ciach mechanicznych i u ytkowych, ale tak e wpływaj cym na topografi powierzchni powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD jest ich tekstura. Aspekt ten wymaga dalszych bada dla powłok wykazuj cych wyra ne ró nice pod wzgl dem rodzaju preferowanej orientacji ich wzrostu.

7 Prognozowanie własno ci powłok PVD i CVD na podstawie wielko ci fraktalnych opisuj cych ich powierzchnie Streszczenie Celem prezentowanej monografii było opracowanie metodyki daj cej mo liwo ć prognozowania własno ci powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych na podstawie wielko ci fraktalnych opisuj cych ich powierzchni. W sposób kompleksowy scharakteryzowano topografi badanych powłok oraz ich struktur, która wpływa na kształt powierzchni analizowanych obiektów. Okre lono wpływ rodzaju procesu i warunków nanoszenia na struktur i kształt topografii powierzchni oraz własno ci mechaniczne i eksploatacyjne uzyskanych powłok. Dobór powłok, reprezentatywnych pod wzgl dem rodzajów i warunków procesów osadzania, typów materiału podło y oraz składu chemicznego i fazowego, a tak e kombinacji zastosowanych warstw, zapewnił zró nicowanie topografii ich powierzchni oraz własno ci mechanicznych i u ytkowych. Opracowano i zweryfikowano metodyk charakterystyki i precyzyjnego opisu topografii powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych z wykorzystaniem geometrii fraktalnej i multifraktalnej na podstawie obrazów otrzymywanych z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych. Szczegółowo przedstawiono zmodyfikowan metodyk wyznaczania parametrów fraktalnych powierzchni metod rzutowego pokrycia (PCM). Ustalono korelacje pomi dzy wielko ciami fraktalnymi charakteryzuj cymi analizowane powierzchnie powłok PVD i CVD a ich własno ciami mechanicznymi i eksploatacyjnymi. Warto ci wymiaru fraktalnego topografii powłok uzyskanych w magnetronowym procesie PVD skorelowano z mikrotwardo ci i odporno ci erozyjn, natomiast warto ci wymiaru fraktalnego topografii powłok uzyskanych w wysokotemperaturowym procesie CVD (na podło u z ceramiki Si 3 N 4 oraz gdy warstwa zewn trzna wykonana była z Al 2 O 3 ) i łukowym PVD ze wzrostem trwało ci ostrza okre lonym w te cie skrawno ci. Wykazano, e przedstawione zale no ci daj mo liwo ć prognozowania własno ci powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD na materiałach narz dziowych na podstawie wielko ci fraktalnych opisuj cych ich powierzchni. 137

8 Predicting properties of PVD and CVD coatings based on fractal quantities describing their surface Abstract The aim of the presented study is to establish a methodology elaboration, giving a possibility to predict properties of coatings reached in PVD and CVD processes on tool materials, based on fractal quantities describing their surface. Coatings topography and its structure which has an impact on a shape of analysed objects surface were characterised in a comprehensive way. Influence of a type of process and conditions of deposition over structure and shape of surface topography as well as mechanical and operational properties of the acquired coatings were determined. The coatings selection, representative in terms of types and conditions proceeding in deposition processes, types of substrates material as well as chemical and phase composition, and also a combination of applied layers provided diversity of their surface topography as well as mechanical and functional properties. Methodology for precise description of coatings topography acquired in PVD and CVD process on tool materials including utilization of the fractal and multi-fractal geometry on the basis of images obtained on a atomic forces microscope was elaborated and verified. A modified methodology to determine fractal parameters of surface by means of the Projective Covering Method (PCM) was presented in details. Dependencies between fractal and multi-fractal parameters characterizing analyzed PVD and CVD coatings surfaces and their mechanical and operational properties were established. Values of the fractal dimension for coatings topography received in the magnetron PVD process were correlated with microhardness and erosion resistance, whereas the fractal dimension values of coatings topography obtained in the high-temperature CVD process (on a substrate made of Si 3 N 4 ceramics and when the outer layer was made of Al 2 O 3 ) and in the arc PVD process was correlated with tool life increase specified in the cutting ability test. It was shown that the presented interdependencies give a possibility to predict coatings properties received in the PVD & CVD processes on tool materials based on fractal parameters defining their surface. 138 W. Kwa ny