CN111386456B - 用于在面式涂覆的试样上产生和测量应力裂纹腐蚀的雕刻装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在面式试样(1)上执行检验方法和测量方法的方法，其中，借助雕刻装置(4)的旋转雕刻头(3)将机械负载引入到试样表面(2)中，其中，雕刻头(3)以限定的挤压力至少挤入到施加在试样(1)上的层系统(5)中，其中，使旋转的雕刻头(3)沿试样表面(2)并且相对于试样(1)移动，以便通过层系统(5)的塑性变形和/或脆性断裂在试样表面(2)上产生至少一个雕刻槽(6)，并且，通过光学方法测量引入到试样表面(2)中的至少一个雕刻槽(6)，以便分析评价层系统(5)在基体(11)上的层附着性。本发明还涉及一种用于执行这种方法的雕刻装置(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在面式地施加上去的层系统上产生和测量应力裂纹腐蚀的方法，所述层系统具有与基体表面邻接的界面。本发明还涉及一种用于执行这种方法的雕刻装置。
背景技术
从一般的现有技术中已知用于测量具有涂层的产品上的层附着性的方法，其中，该涂层由具有薄涂层的基底材料组成。涂层可以是工具的或机械系统的部件的具有防磨损保护目的的涂层。此外，这类涂层可以构造为防腐涂保护层或装饰性涂层，其中，该涂层借助喷射技术或涂布方法或者借助电镀或等离子涂层方法施加到产品上。作为用于测量涂层层附着性的测量方法例如已知：根据VDI准则3198借助洛氏压痕法、根据DIN EN 1071-3的划痕测试或泰伯磨耗试验(Taber-Abraser)来测量层附着性。借助用于测量层附着性的测量方法在层-基底界面上产生机械负载，以便在层覆品质不足时引起涂层的剥离。借助光学方法来审定机械负载的位置，并且借助比较目录主观地评估剥离的视觉外观。
发明内容
从前面所提及的现有技术出发，本发明的任务是：进一步改进用于在面式涂覆的试样上产生和测量应力裂纹腐蚀的雕刻装置和方法，尤其提供对试样的应力裂纹腐蚀进行简单的面式检验。
根据本发明的方法用于在面式涂覆的试样上产生和测量应力裂纹腐蚀，所述试样具有基体和在其上施加的层系统，所述基体具有基体表面，所述层系统具有与基体表面邻接的界面，根据该方法，借助雕刻装置的可旋转的雕刻头向试样表面中引入机械负载，其中，雕刻头以恒定的挤压力和恒定的旋转速度至少部分地挤入到层系统中。接着，使旋转的雕刻头以恒定的移动速度沿着试样表面并且相对于试样运动，并且通过层系统的塑性变形和/或脆性断裂在试样表面上产生至少一个雕刻槽。然后，通过光学方法测量所述引入到试样表面中的至少一个雕刻槽，以便分析评价层系统在基体上的层附着性。换句话说，首先将雕刻头通过驱动单元置于具有优选恒定的旋转速度的旋转中并且接着以恒定的挤压力压在样本表面上。随后，以恒定的移动速度在试样表面上引导雕刻头，由此在试样中出现雕刻槽。替代地，也可以使在其上固定有试样的试验台移位。优选，在这种情况下，试验台是可三维定位的，以便使试样向旋转雕刻头方向以及在台平面中在任何方向上移动，以便产生至少一个雕刻槽。
优选，借助控制单元来监视和控制雕刻头的挤压力和旋转速度以及试验台或雕刻头的移动速度。因此，借助控制单元可以在试样表面的较大的面积上产生一个或多个雕刻槽，以便在之后借助光学方法来求取基体表面与层系统之间的界面中的层系统层附着性。挤压力选择为这样大，使得基体至少部分地露出，然而避免过大的塑性变形。最大机械应力有利地存在于层系统与基体之间的界面附近。优选，挤压力在0.1N与5N之间的范围内。雕刻头的旋转速度优选为最少5,000转/分钟和最大30,000转/分钟。雕刻头或试验台的移动速度取决于层系统的层厚度，其中，移动速度随层厚度的增加而下降。替代地，也可以随着层厚度的增加使用更大的雕刻头。移动速度优选在1cm/s与10cm/s之间。
换句话说，可以借助该方法通过对试样表面进行大面积的分析来分析层系统与基体的剥离。在此有利的是，能够以低的花费在应力裂纹腐蚀和剥离方面对试样执行面式检验，其中，此外对试样几何形状仅提出低要求。因此，试样表面构造为平的。
此外，可以通过适当匹配雕刻装置在高温和/或低温时执行用于产生和测量应力裂纹腐蚀的方法。换句话说，可以借助这种雕刻装置来执行层系统的高温附着性和低温附着性的测量。
层系统优选构造为单层，其中，也可以想到例如由含氢的非晶碳层(a-C：H)和钛中间层组成的多层的层系统。在此，钛中间层尤其用作增附介质层并且布置在基体与碳层之间，基体优选为钢材料。
由于试样表面的负载，在层系统中出现有针对性的过载，所述过载导致由于层分解(Schichtzerrüttung)和剥离而引起的损伤。这类损伤导致对应力裂纹腐蚀的高度敏感性。应力裂纹腐蚀优选在金属构件的脆性涂层情况下、尤其在薄层的情况下显示出。在此，尤其是在基体与层系统之间的界面附近进行力引入。因此，由于负载而产生局部过载，即试样表面的塑性变形与试样上的大剪切力相结合。在此出现层内部破裂，所述层内部破裂也称为层内剥离，并且最后导致层系统与基体的剥离。层系统或涂层的附着特性取决于层系统的化学稳定性。在多层涂层的情况下，附着性能尤其取决于增附介质层与覆盖层之间的界面的化学稳定性。
根据进一步改善本发明的措施提出，试样表面至少部分地覆盖有腐蚀性介质，该腐蚀性介质用于通过层系统与试样基体之间的局部剥离来加速试样的应力裂纹腐蚀。然后，在借助腐蚀性介质加速应力裂纹腐蚀之后，通过光学方法测量引入到试样表面中的至少一个雕刻槽，并且分析评价层系统在基体上的层附着性。换句话说，尤其是在产生雕刻槽之后使试样表面遭受腐蚀性介质作用。在此，可以将试样放入单独的容器中，该容器具有腐蚀性介质并且在确定的持续时长以确定的测试参数(例如介质温度或静止的或可运动的腐蚀性介质)存放。试样遭受腐蚀性介质的时间越长，应力裂纹腐蚀引起的效应就越强。因此，腐蚀性介质尤其适合于加速由于应力裂纹腐蚀而导致的试样损坏，即层系统的分层。由此可以与应用有关地检查试样。燃料或尿素、体液或水尤其适合作为腐蚀性介质。此外，酸或碱也适合作为腐蚀性介质。
除测量剥离之外，借助所描述的方法还可以分析和表征层系统的其他层特性，例如层系统的脆性。
根据本发明的用于执行在面式试样上产生和测量应力裂纹腐蚀的方法的雕刻装置包括用于接收试样的可三维移动试验台和可旋转的雕刻头，该雕刻头设置为用于以限定的挤压力和限定的旋转速度加载试样。因此，在试样表面上引导雕刻头，以便在试样上产生至少一个雕刻槽。替代地，雕刻头也可以构造为可三维移动，以便以挤压力加载试样并且在试样表面上被引导。在此，试样位置固定地布置在不可运动的试验台上。雕刻装置尤其用于执行上述用于在面式试样上产生和测量应力裂纹腐蚀的方法。
根据优选实施例，雕刻头具有金刚石涂层。因此，雕刻头具有比试样更高的硬度，并且因此尤其适合于在试样表面上产生至少一个雕刻槽。优选，雕刻头构造为球形，其中，雕刻头也可以构造为盘形。
本发明包含以下技术教导：设置光学显微镜用于光学测量和分析评价引入到试样表面中的至少一个雕刻槽。优选，光学显微镜能够实现30倍至300倍的放大。因此，在产生至少一个雕刻槽之后就已经可以立即获得层系统的附着信息。
附图说明
下面借助两个附图进一步阐述本发明的优选实施例。在此附图示出：
图1根据本发明的雕刻装置在雕刻过程之前的简化示意性视图，
图2试样在雕刻过程期间的示意性的细节剖面图。
具体实施方式
根据图1，用于执行用于产生和测量应力裂纹腐蚀的方法的雕刻装置4包括用于接收面式涂覆的试样1的三维可移动的试验台10以及包括可旋转的雕刻头3。雕刻头3具有金刚石涂层并且在当前情况下构造为球形。替代地，雕刻头3也可以构造为盘形。在当前示出就在执行用于在试样1上产生和测量应力裂纹腐蚀的方法之前的雕刻装置4。雕刻头3可以借助驱动单元8来驱动并且设置为用于以恒定的挤压力和恒定的旋转速度加载试样1。此外，雕刻装置4具有光学显微镜12，所述光学显微镜用于光学地分析评价引入到试样表面2中并且在图2中示出的至少一个雕刻槽6。在第一步骤中，将试验台10朝向旋转的雕刻头3移动，直到设定所需的挤压力。
根据图2，在随后的步骤中，通过使雕刻头3相对于试样1在雕刻方向13上运动，在试样表面2中产生雕刻槽6。在此，试验台10以恒定的移动速度相对于试样1运动。替代地，也可以使雕刻头3相对于试样1以恒定的移动速度移动，其中，在这种情况下，试样1位置固定地固定在不可运动的试验台10上。试样1基本上由基体11组成并且具有在基体表面9上的层系统5。在当前情况下，层系统5构造为单层。但是也可以想到多层的层系统5。雕刻头3将挤压力尤其引入到基体11与层系统5之间的界面14中。替代地，雕刻头3也可以将挤压力引入到基体11与层系统5之间的界面附近。换句话说，在基体表面9的区域中进行力引入。接着，可以借助根据图1的光学显微镜12来检查所产生的雕刻槽6，并且在层系统5的层附着性或层系统5与试样的剥离方面对雕刻槽进行分析和分析评价。
此外，在另一步骤中，也可以将腐蚀性介质施加到试样1上，以便激发层系统5中的应力裂纹腐蚀并且加速用于测量层系统5的剥离的腐蚀过程。在此，腐蚀过程尤其取决于腐蚀性介质的持续时间和温度。根据图1的光学显微镜12也可以被用于，在借助腐蚀性介质进行的腐蚀过程之后研究试样1的雕刻槽6。试样表面2上的借助光学显微镜12可识别的剥离的大小和频度可以提供关于层系统5的附着特性的推断。此外，通过根据应力裂纹腐蚀的时间刻度来比较相应时间点的分层前沿可以确定可能存在的分层进展(即剥离进展)的速度。此外，可以根据腐蚀性介质来求取剥离的速度。因此，分层速度与沿界面14的应力裂纹腐蚀的速度相关联。
Claims (8)
1.一种用于在面式涂覆的试样(1)上产生和测量应力裂纹腐蚀的方法，所述试样具有基体(11)和在其上施加的层系统(5)，所述基体具有基体表面(9)，所述层系统具有与所述基体表面(9)邻接的界面(14)，所述方法包括以下步骤：
借助雕刻装置(4)的可旋转的雕刻头(3)将机械负载引入到试样表面(2)中，其中，所述雕刻头(3)以恒定的挤压力和恒定的旋转速度至少部分地挤入到所述层系统(5)中；
使旋转的雕刻头(3)沿所述试样表面(2)并且相对于所述试样(1)以恒定的移动速度运动，用于通过所述层系统(5)的塑性变形和/或脆性断裂在所述试样表面(2)上产生至少一个雕刻槽(6)；
通过光学方法测量引入到所述试样表面(2)中的所述至少一个雕刻槽(6)，用于分析评价所述层系统(5)在所述基体(11)上的层附着性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雕刻头(3)的所述挤压力和所述旋转速度借助控制单元(7)来监视和控制。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法还具有以下步骤：
借助腐蚀性介质来至少部分地覆盖所述试样表面(2)，用于通过所述层系统(5)与所述试样(1)的所述基体(11)之间的局部剥离来加速所述试样(1)的应力裂纹腐蚀；
在所述应力裂纹腐蚀的所述加速之后，通过光学方法测量引入到所述试样表面(2)中的所述至少一个雕刻槽(6)，用于分析评价所述层系统(5)在所述基体(11)上的层附着性。
4.一种雕刻装置(4)的应用，所述雕刻装置包括用于接收所述试样(1)的、三维可移动的试验台(10)并且包括可旋转的雕刻头(3)，所述雕刻头设置为用于：以限定的挤压力和限定的旋转速度加载所述试样(1)并且在试样表面(2)中产生雕刻槽(6)，用于执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法。
5.根据权利要求4所述的雕刻装置(4)的应用，其特征在于，所述雕刻头(3)具有金刚石涂层。
6.根据权利要求4或5所述的雕刻装置(4)的应用，其特征在于，所述雕刻头(3)构造为球形。
7.根据权利要求4或5所述的雕刻装置(4)的应用，其特征在于，所述雕刻头(3)构造为盘形。
8.根据权利要求4或5所述的雕刻装置(4)的应用，其特征在于，设置光学显微镜(12)用于光学地测量和分析评价引入到所述试样表面(2)中的所述至少一个雕刻槽(6)。
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