Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny Instytut Inżynierii Materiałowej Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa Przedmiot: Inżynieria Powierzchni / Powłoki Ochronne / Powłoki Metaliczne i Kompozytowe Temat ćwiczenia: Określanie grubości powłok metalowych II I. Wstęp W ocenie jakości powłok metalowych jednym z ważniejszych czynników branych pod uwagę jest grubość powłoki. Już sam wynik pomiaru grubości decyduje czy dana powłoka spełni wymagane zadania. Od właściwej grubości powłoki metalowej zależy jej odporność korozyjna i mechaniczna, od których z kolei zależą ogólne właściwości ochronne powłoki. Właściwie przeprowadzany pomiar grubości powłok umożliwia wykrycie wad technologii procesu nakładania, ustalenie najodpowiedniejszych parametrów pracy, obliczenie wydajności procesów oraz sporządzenie bilansu materiałowego i energetycznego. Grubość metalowych powłok oznacza się punktowo, otrzymując wartość tzw. grubości miejscowej, albo przez oznaczenie grubości powłoki na całym badanym przedmiocie, czyli tzw. grubości średniej. Obie wymienione grupy obejmują zarówno badania nieniszczące jak i niszczące z tym, że wśród metod niszczących wyróżnia się metody niszczące tylko samą powłokę, jak i powłokę i podłoże. Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiaru grubości powłok metalowych metodą: Kalotest (metoda niszcząca powłokę i podłoże) GDOES (metoda niszcząca powłokę i podłoże) 1. Metoda Kalotest stosowana jest do wyznaczania średniej grubości powłok metalowych i polimerowych, nieprzekraczających 50 µm, na podłożu płaskim. Metoda polega na usuwaniu materiału powłoki i podłoża, za pomocą obracającej się stalowej kulki o znanym promieniu. W wyniku tarcia powstają ślady w kształcie koncentrycznych kół. Grubość powłoki oznacza się mierząc średnicę kół za pomocą mikroskopu. W celu przyspieszenia procesu ścierania materiału stosuje się drobnoziarnistą pastę diamentową. Temat: Określanie grubości powłok metalowych 1
2. Metoda optycznej spektrometrii emisyjnej z wyładowaniem jarzeniowym (GDOES) dostarcza informacji o składzie, masie i grubości powłok, a także o składzie podłoża. Rozmieszczenie pierwiastków i składu chemicznego produktu, zarówno na powierzchni, jak i w objętości, jest bardzo ważne dla wielu aplikacji. Skład powierzchni determinuje wiele ważnych parametrów, takich jak wygląd, odporność na korozję, przyczepność, przewodność i tym podobne, podczas gdy skład objętości jest ważny dla stabilności i długiej żywotności produktu. Technika RF GDOES łączy wyładowanie jarzeniowe (GD) zasilane źródłem radiowym (RF) oraz optyczny spektrometr emisyjny (OES). GDS/GDOES (Glow Discharge Optical Emission Spektrometry) jest uniwersalną techniką badania gradientu rozkładu wszystkich pierwiastków (łącznie z wodorem) w warstwach powierzchniowych badanego materiału. Analityczna swoistość GD to jego zdolność mierzenia wielowarstwowych próbek w profilu głębokości. Głębokości badanego profilu mieści się w zakresie od 10 nm do ponad 100 µm. Badaną próbkę umieszcza się na lampie (rys. 1). Nad próbką znajduje się anoda (miedziana rurka), natomiast próbka stanowi katodę. Do komory wprowadza się gaz roboczy, zwykle argon. Wzbudzenie za pomocą wyładowania jarzeniowego związane jest z przepływem prądu przez gaz pod niskim ciśnieniem. Na skutek przepływu gazu przez pole elektryczne powstaje plazma - elektrony podczas przepływu przez plazmę mogą zderzać się z atomami gazu, powstają wówczas jony dodatnie, które są przyciągane do elektrody ujemnej - katody. Jony te wybijają atomy z powierzchni próbki badanej (bombardowanie próbki). Następuje emisja elektronów wtórnych, które zderzając się wytwarzają nowe jony i podtrzymują wyładowania. Rysunek 1. Schemat budowy lampy Temat: Określanie grubości powłok metalowych 2
Rysunek 2 przedstawia schemat działania GDOES. Atomy wybite z próbki (kolor niebieski) wskutek zderzenia np. z innymi atomami lub cząsteczkami są wzbudzane (kolor czerwony), tj. przechodzą z niższego poziomu energii na wyższy (elektron z zewnętrznej powłoki jest przemieszczany na wyższy poziom energetyczny). Po okresie wzbudzenia elektron wraca do pierwotnego poziomu energii, emitując fotony o charakterystycznej długości fali (λ), np. Fe na 371.994 nm lub H na 121.567 nm. Poprzez pomiar sygnału długości fali, możemy zmierzyć liczbę każdego z typów atomów pochodzących z katody. Rejestr światła jest funkcją spektrometru. System przewodzenia optycznego dostarcza światło emitowane przez plazmę do wejścia spektrometru. Siatka dyfrakcyjna, znajdująca się w spektrometrze, jest zrobiona ze specjalnej bazy niewrażliwej na zmiany temperatury i pokryta warstwą światłoczułą, gdzie duża liczba równoległych linii jest przetrawiana światłem. Spektrometr z siatką dyfrakcyjną Rysunek 2. Schemat działania optycznej spektrometrii emisyjnej z wyładowaniem jarzeniowym (GDOES) Zasilanie RF (Radio Frequency - Częstotliwość radiowa) jest podłączone z tyłu próbki przez blok (rys. 2), który zapewnia również chłodzenie tej próbki. Zastosowanie RF pozwala na analizę wszelkiego rodzaju materiałów i warstw, przewodzących lub nieprzewodzących. Temat: Określanie grubości powłok metalowych 3
Analiza GDOES jest niszcząca, ponieważ dochodzi do rozpylenia materiału z badanej próbki na skutek wyładowania jarzeniowego i powstaje krater o średnicy odpowiadającej wewnętrznej średnicy anody (nominalnie 4 mm) (rys. 3). Dla danego materiału warunki operacyjne (moc, ciśnienie, zasilanie DC) ma bezpośredni wpływ na kształt krateru, który może być płaski, wklęsły lub wypukły. Rysunek 3. Krater powstały na próbce w wyniku bombardowania II. Wykonanie ćwiczenia 1. Określenie grubości powłok kompozytowych metodą Kalotest W celu wykonania ćwiczenia należy przemyć próbkę etanolem i umieścić w specjalnym holderze. Kulkę o średnicy 30 mm umieścić na trzpieniu obrotowym. Nacisk kulki reguluje się dobierając odpowiedni kąt nachylenia α (Rys. 4). Ustawić prędkość obrotową trzpienia (2500 rpm) oraz czas trwania procesu (900 sekund). Bezpośrednio po uruchomieniu procesu zaaplikować na kulkę pastę diamentową. α Rysunek 4. Schemat działania metody Kalotest Temat: Określanie grubości powłok metalowych 4
Po skończonym procesie próbkę przemyć etanolem i przy użyciu mikroskopu zmierzyć odległość x i y lub d x, D x (rys. 5). Grubość powłok wyznaczamy ze wzoru: gdzie: R- promień kuli ścierającej, D x - średnica odcinka kuli/ zewnętrzna średnica wytarcia. d x ; gdzie x=1, 2, 3... - wewnętrzna średnica wytarcia, x, y - wielkości pomocnicze a) b) 1 D 1 /d 2 D 2 /d 3 D 3 Rysunek 5. Sposób oznaczania wytarcia powłoki a) jednowarstwowej oraz b) wielowarstwowej Temat: Określanie grubości powłok metalowych 5
2. Określenie grubości powłok kompozytowych metodą GDOES Próbkę umieszczamy w aparacie GD-Profiler HR firmy HORIBA Jobin Yvon. Po analizie otrzymujemy wynik w postaci linii widmowych. Analizę ilościową składu chemicznego przeprowadza się w oparciu o wykresy uzyskane dla próbek wzorcowych przy założeniu, że natężenie linii widmowej danego pierwiastka jest proporcjonalne do jego ilości w badanej próbce. Po analizie na GDOES próbkę należy zbadać na profilometrze w celu uzyskania profilu powstałego krateru. Dane uzyskane z aparatu GDOES oraz profilometru, należy obrobić w taki sposób, by otrzymać wykres zależności intensywności światła od głębokości badania. W tym celu należy obliczyć średnią wartość głębokości krateru, szybkość rozpylania (stosunek średniej głębokości krateru do całkowitego czasu badania) oraz głębokość badania (iloczyn czasu badania i szybkości rozpylania). Podać grubość i skład poszczególnych warstw. Literatura: 1. "Glow discharge optical emission spectroscopy", T. Nelis i R. Payling 2. "Glow discharge - a modern concept for coatings analysis", P. Hunault, Ch. Maul 3. http://www.csm-instruments.com/en/coating_thickness 4. http://www2.tu.koszalin.pl/technologie-hybrydowe/dokumenty/opracowania/warstwy_azotku_ tytanu.pdf Temat: Określanie grubości powłok metalowych 6