CN1643361A - 用于测定表面耐磨性的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测定一个试件(1)的表面的耐磨性的方法。一个起磨蚀作用的研磨带(3)在试件(1)与一个压痕体(4)之间穿过，其中所述研磨带(3)被压痕体(4)以一个预定的作用力压向试件(1)。在至少两个不同时刻测定压痕体(4)的位置并由所测定的位置的差值确定试件(1)表面的耐磨性。

Description

用于测定表面耐磨性的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种方法和一种装置，用于测定受研磨或粘附载荷的表面、例如薄层的耐磨性。这种方法对于所有受研磨或粘附载荷的工艺表面、尤其是对于摩擦涂覆的表面为了测量其耐磨强度是必需的。
背景技术
测定非常薄的表面层的耐磨强度具有越来越重要的意义，因为在许多技术领域致力于微型化而且创新性的技术、如微系统技术迅速成长。导向体、轴承和滑动接触体的微摩擦最佳化要求例如使用特别薄的覆层，其厚度经常在次微米范围，并且必需在测量技术上检验并优化其机械耐磨强度。因此对于这种要求目前还没有适合的方法供使用。
已知的以AFM方法为基础的微划刻测试头不适用于获得可实际使用和传递的结果，因为通过细针获得的划刻结果不能表达实际的在实践中出现的平面磨损。
为了实现材料表面上磨损特性的实验可以使用球体磨损方法。其中在3体接触中在要被测试的表面上产生半球形印痕形的磨样，它们可以实现耐磨强度的光学测量结果。所述磨样通过一个在材料表面旋转的球体产生，为此球体通过一种研磨悬浮液(polishing slurry)浸润。
在此缺陷是，研磨介质由于研磨物质、形成颗粒的不洁性和液体成份的汽化损失可能改变其研磨特性。此外研磨介质由于加入颗粒可能作用于被磨损的表面，并在开始期间不均匀地分布在压痕体接触段上。球表面也变化。需要经常更换球体。
此外对于这种负荷变化的方法由于半球形印痕半径变小而受到限制。球体的顶压力也只能有限地降低。在评价测量结果时半球形印痕形状误差(尤其是棱边圆化)可能引起错误的测量结果。
总之已经确认，所有在此所述的测试方法只能有条件地提供那种应用可传递的结果(划刻测试)或者不能进入小的侧面分析面(散砂测试)。
对于漆层检测的反射方法其结果具有很大的分散性，而对于敲击(Taber)检测不能实现在特别薄的表面区域里的分析。
在Bushan，B.et al.的“摩擦与机构”Sp.22，ASLE Spec.Publ.，ParkRidge 1987 van Groenou et al.中公开了另一种在录像机中用于确定磁头研磨的耐磨强度的检测装置。对于这种所谓的“磁带球体检测”，一个起磨蚀作用的带在试件表面与固定在侧面的承载重量的压痕球体之间穿过。通过压痕球体的顶压使起磨蚀作用的带顶压到试件上，由此通过带在试件表面上的摩擦形成一个磨损半球形印痕。在不同的时间从装置中取出试件并测量半球形印痕的深度。
对于这个装置例如带厚变化或试件的复杂形状导致衰减问题。此外不能实现对试件位置准确的监测并且由于试件在装置中的装入和取出不能实现测量自动化。也不能实现在线(in situ)磨损检测。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种装置和一种方法，用于测定一个试件表面的机械耐磨强度，通过它也可以可靠地、经济地和快速地测量特别薄的表面层和表面覆层的耐磨强度。
这个目的通过如权利要求1所述的方法和如权利要求17所述的装置得以实现。按照本发明的方法和按照本发明的装置的有利扩展结构在相应的从属权利要求中给出。
按照本发明的方法与现有技术的区别在于，在至少两个不同时刻测定压痕体的位置。在此有利的是，不是直接在取出压痕体后测量磨损半球形印痕的深度而是直接在磨损测试期间在线地测量压痕体的位置，因此由压痕体的位置可以获得试样体中的磨损半球形印痕的深度。
在此深度的增加有关于试件表面的耐磨强度。因此能够实现磨损测量的简单检测和判断。
所使用的装置可以以较小的、移动的结构形式制造，其中测量不仅可以在较大的而且可以在较小的物体上实现。
表面区域的测量能够直达10nm或者平面的局部测量可以直到10μm2以下。因此也能够在一个试件的边缘区域里实现磨损测量。通过一个适当调节的压痕体负载能够实现一致的工作参数以及消除磨损边缘厚度变化的影响。
在此按照本发明的方法可多种多样地使用。例如对于质量控制和研发领域可以用于例如漆层、地板封闭或用于微型结构部件(MEMS)的质量控制或微系统技术。尤其能够在覆层技术领域(电解、漆层、一般的涂覆材料的覆层工艺)中实现磨损-硬质材料涂层的快速评价。它可以在层膜工艺研究中(例如在电镀、CVD，PVD领域)作为优化工具。
因为可以在线地测定压痕体的位置，通过追溯到带在同一带位置的那些测量时刻，可以消除来自测量的带厚变化，因此总是在同一带厚条件下测定压痕体的位置。在此，压痕体位置的测量对于静止的带可以在带的一个位置上实现，该位置不被用于产生磨损。当半球形印痕深度在10nm范围内测量时，这一点尤其具有意义，而带厚一般大于10μm(典型值为10-20μm)并且因此千倍于待产生的半球形印痕深度。这一点也能够分辨在1nm数量级中的半球形印痕深度。作为带可以使用常见的磁带，它们能够实现对一个确定的带位置的标记和再识别，因此带对于各个测量时刻可以没有压力和负载以及必要时与压痕体和/或试件表面没有接触地追溯到已标记的位置。当然也可以标记一个与带测量位置相对错开的位置。所使用的研磨带在这种情况下有利地是常规的RMS粗糙度为10至30nm的音频磁带或录像带。在使用磁带情况下可以磁性地实现和/或磁性地获得在测量时所使用的带位置的标记。作为这种带的固定和输送装置可以使用常见的带输送单元如VCR或MC传动机构，例如移动式器械。但是也可以使用由不同材料制成的专门加工和/或覆层的带。
可以电容式、感应式或干涉式实现所述压痕体位置的测量。在干涉情况下压痕体本身可以由反射体构成。施加在压痕体上的、使带相对于试件表面顶压的作用力可以电容式(AFM)、磁性地产生或者也可以感应式(探测方法)产生。对于这些方法可以非常灵活地调节作用力调整，因此可以控制衰减特性并以较高的带速以特别好的表面光滑度、没有磨纹地产生微型半球形印痕。例如永久磁铁和/或电磁铁适用于产生磁力。
所述压痕体可以是一个球体或一个圆柱体，其中在使用一个滚动球体或一个滚动圆柱体时减少由于在球体与研磨带之间的磨耗所带来的对带背面的损害。在这种情况下球体的磨耗也减少。所述压痕体也可以在摩擦上最佳地覆层，以减少压痕体与研磨带之间的摩擦和磨耗。
另一有利的覆层涉及到例如通过等离子或离子刻蚀来调整研磨带表面的毫微级/微型形状(Topographie)，所述研磨带表面与试件表面接触。所述研磨带在研磨面上也可以涂覆粘附层，例如通过CVD或PVD工艺，如蒸镀或溅镀，以便也可以得到粘附的磨耗层。
为了评价测量例如可以使用一个深度准则。在这种情况下实现磨耗的带运行，直到对于在试件表面上产生的半球形印痕达到一定的深度标准。深度标准的监控可以通过测量压痕体在一定时间间隔上的位置来实现或者连续地实现。如果达到深度标准，则可以确定在此所需的时间间隔或穿过压痕体与试件之间的已产生这种半球形印痕的带的长度。时间间隔或带长与试件表面的耐磨强度相关。
附图说明
下面描述一个按照本发明的装置和一个按照本发明的方法的实例。
具体实施方式
唯一的图1示出一个装置用于测量一个试样体1的耐磨强度。该试样体1具有一个表面10，在该表面上顶压一个由半球构成的压痕体4。在压痕体(Gegenkoerper)4与试样体1的表面10之间导引一个起到磨损作用的带3。这个带3从一个卷轴6a退卷并缠绕到一个卷轴6b上，其中，上述带通过输送辊9、9’输送并通过压紧装置8平行于试样体1的表面10导引。这种滚动导引装置6a、6b、8、9、9’例如用于常见的便携式音频磁带机或磁带录像机。
所述半球体4通过一个固定体5固定住沿表面10平面的运动，但是固定体5能够实现一个半球体4垂直于表面10的运动。此外，该半球体4与一个单元7连接，它一方面对半球体4施加一个负载，另一方面包括一个测量装置，用于测定半球体4的垂直位置。
通过单元7使半球体4以一个确定的作用力顶压磁带3，使这个磁带在其运行期间与试样体1表面10摩擦接触并在试样体1的表面10上产生一个磨耗或磨损半球形印痕2。对于图1该磨损半球形印痕的深度相对于带3的厚度特别夸张地示出，因为带厚一般大约千倍于待产生的半球形印痕(深度小于1nm)。
所述测量装置7在此包含例如一个干涉仪，它将一个光束发射到半球体4的背离研磨带的平的表面上，该光束由这个平面反射并在干涉仪7中测量。由这种测量可以确定半球体4的位置并且在时间上间隔地测量时也可以确定半球形印痕2的深度或深度变化。

Claims (28)

1.一种用于测定一个试件(1)的表面的耐磨性的方法，其特征在于，一个起磨蚀作用的研磨带(3)在试件(1)与一个压痕体(4)之间穿过，其中，所述研磨带(3)被压痕体(4)以一个预定的作用力压向试件(1)，在至少两个不同时刻测定压痕体(4)的位置并由所测定位置的差值来确定试件(1)的表面的耐磨性。
2.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了在至少两个不同时刻测定压痕体(4)的位置，所述研磨带(3)分别在同一带位置上导引。
3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了测定压痕体(4)位置，所述研磨带(3)分别无压力地通过压痕体(4)相对于试件(1)导引和/或与压痕体无接触地在同一带位置上导引。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，标记出所述研磨带(3)的位置，在该位置上实现对压痕体(4)位置的测定，或者标记出一个与此相对应的位置。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述研磨带被磁性地标记。
6.如上述两项权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了测定压痕体(4)的位置，分别查找研磨带(3)的已做标记的位置并相应地调整研磨带(3)。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，连续地测定所述压痕体(4)的位置。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压痕体(4)垂直于研磨带(3)的表面运动。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压痕体(4)的运动固定在带表面的平面中。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，电容式、感应式和/或光学干涉式地测定所述压痕体(4)的位置。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为压痕体(4)使用一个球体或一个圆柱体。
12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压痕体(4)通过其自重和/或通过一个力发生系统(7)顶压到带上。
13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压痕体(4)通过一个电容的、磁性的或感应的力发生系统(7)和/或通过机械减速的补偿系统，如等臂杆顶压到带上。
14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用一个摩擦最佳化的和/或涂层的压痕体(4)。
15.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用一个摩擦最佳化涂层的压痕体(4)，以减少压痕体(4)与研磨带(3)之间的摩擦和磨耗。
16.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，需要确定在压痕体(4)与试件(1)之间延伸的带的延续间隔或长度，以产生一个确定的磨耗。
17.一种用于测定一个试件(1)的表面的耐磨性的装置，其特征在于，有一个起磨蚀作用的研磨带(3)、一个用于在试件表面之上固定和引导研磨带(3)的固定和输送装置(6a，6b)、一个压痕体的固定体(5)和一个通过这个固定体保持可垂直移动的压痕体(4)，其中，这样设置所述压痕体的固定体(5)，使所述压痕体(4)可以顶压到研磨带(13)的背离试件表面的表面上，以及一个测量装置(7)用于测定压痕体(4)的位置。
18.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，通过所述测量装置(7)可以在至少两个不同时刻或者连续地测定压痕体(4)的位置。
19.如上述两个权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，有一个控制装置，用于将研磨带(3)导引到预定的带位置上，以测定压痕体(4)的位置。
20.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，有一个用于在一个预定的位置上对研磨带(3)进行标记的装置以及一个用于识别此标记的装置。
21.如权利要求17至20中任一项所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)可垂直于研磨带(3)表面移动。
22.如权利要求17至21中任一项所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)的运动固定在带表面的平面中。
23.如权利要求17至22中任一项所述的装置，其特征在于，用于压痕体(4)位置的所述测量装置(7)是一个电容式、感应式或光学干涉式测量装置。
24.如权利要求17至23中任一项所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)是一个球体或一个圆柱体。
25.如权利要求17至24中任一项所述的装置，其特征在于，有一个力发生系统(7)，用于将压痕体(4)顶压到研磨带(3)上。
26.如权利要求17至25中任一项所述的装置，其特征在于，有一个电容式、磁性的或感应式力发生系统(7)和/或一个机械减速的补偿系统，如一个等臂杆。
27.如权利要求17至26中任一项所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)被涂层。
28.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)摩擦最佳化地涂层，以减少压痕体(4)与研磨带(3)之间的摩擦和磨耗。
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