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PVD涂层的表面硬度测量

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东方金工的超硬质PVD涂层一般采用复合膜的方式,从基材到工作面由不同硬度的涂层构成。这种结构能够取得良好的密着力与韧性,保证最外的高硬度的工作层不会因为远高于基材的硬度而过脆剥落。


低温TiC涂层的硬度最高的工作层一般在1-2um左右,在较小的压入载荷下压痕难以用光学显微镜分辨和测量,而过大的压入载荷则会造成基材变形,无法得到正确可靠的测量结果。


目前一般采用显微维氏硬度法,而为了保证测量结果 的准确和可靠,有一些严格的的测试规定。如:试验力必须使压痕深度小于膜层厚度的1/10,即显微维氏硬度设定的表面层或覆盖屋的厚度应大于或等于1.4d,这里的d表示压痕对角线的长度。因此对于复合硬质PVD涂层来说,直接用维氏硬度仪测出的值是不准确的,并不能真实表示出表层工作层的实际硬度。

由维氏硬度定义公式

可导出


由维氏硬度检测条件可知,压头为136°的正四棱锥,故压痕深度为


根据上述公式,如果Hv0.025硬度在3000时,压痕深度为0.393μm。此时按测量要求压痕深度小于膜层厚度的1/10,即膜的厚度不小于3.93μm。


我公司的低温TiC为多层复合膜,最外工作层的厚度在1—1.5μm,已经远远小于3.93μm。在此深度时,涂层成份为TiCN,其理论硬度为1800-2500。在膜厚5.85μm,d=4.6μm时,维氏硬度仪的读数为2200。所以此时测得的硬度值是复合膜的综合硬度而非表层真实硬度。


要测量PVD涂层的的真实表层硬度,一般会采用纳米压痕仪等超显微硬度仪来测量,其硬度单位为GPa。而当前纳米压痕仪尚未普及,通常仍用维氏硬度来表示表面硬度。


针对上述情况及低温TiC的多层复合膜层的特性,TOYO的工程师根据实际情况,总结出低温TiC在使用维氏硬度仪测量时换算真实硬度公式:
Hv实=Hv测+3150-1330×Ln(膜厚)

附:一种纳米压痕仪
针对维氏硬度仪的缺点,现代硬度测试采用了先进的传感技术,从而一些超显微硬度试验装置被研发出来。下图为一种纳米压痕仪装置示意力。它装有高分辨率的制动器和传感器,控制和监测压头在材料表面的压入和退出,连续测量载荷和位移,直接从载荷--位移曲线中获得接触面积,从而显著提高测量误。其最小载荷为1nN,可测量的位移为0.1nm。


我公司的低温TiC的表层显微硬度可以达到30-40GPa,等效于维氏硬度的2800-4000左右。