CN1643361B - 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材料表面耐磨性的方法，包括一个试件(1)、一个压痕体(4)和一个带(3)，使所述带穿过试件(1)与压痕体(4)之间移动，其中，所述带(3)被压痕体(4)以一个预定的作用力压到试件(1)上，由此测定试件(1)表面的耐磨性，其特征在于，所述带是一个起磨蚀作用的研磨带，在带穿过的同时，在至少两个不同时刻测定压痕体(4)的位置并且由所测定的位置的差值得到耐磨性。此外，本发明还涉及一种用于实施该方法的装置。

Description

用于测定表面耐磨性的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于测定材料表面耐磨性的方法，包括一个试件、一个压痕体和一个带，使该带穿过试件与压痕体之间移动，其中带被压痕体以给定的作用力顶压到试件上并且确定试件表面的耐磨性。
一种用于确定材料表面耐磨性的装置，包括一个试件、一个压痕体和一个带、一个用于在试件表面上固定和导引所述带的固定和输送装置、一个压痕体固定装置和一个通过该固定装置保持垂直运动的压痕体，其中这样设置压痕体固定装置，使压痕体能够被顶压到背离试件表面的带表面上。
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越来越致力于微型化而且创新性技术、如微系统技术迅速成长。例如导向体、轴承和滑动接触体的微摩擦最佳化要求使用特别薄的涂层，其厚度经常在次微米范围，并且必需在测量技术上检验和优化其机械耐磨强度。因此对于这种任务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局部解析检验，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的磨痕，它们可以实现耐磨强度的光学测量结果。所述磨痕通过一个在材料表面上旋转的球体产生，为此球体通过一种研磨悬浮液(polishingslurry)浸润。
在此缺陷是，研磨介质由于被磨损物质污染、由于颗粒沉积和由于液体成份的蒸发损失都可能改变其研磨特性。此外研磨介质可能由于颗粒沉积在软的表面中而失效，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，由于半球形磨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，半球形磨痕形状误差(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对于各种应用可传递的结果(刮痕测试)或者它们不能限于小的侧面分析面(落砂测试)。
对于漆层检测的反射方法，其结果具有很大的离散性，而对于泰伯磨耗(Taber)测试，不能实现特别薄的表面区域的分析。
在Bushan，B.et al.的“Tribology and Mechanics”Sp.22，ASLESpec.Publ.，Park Ridge 1987 van Groenou et al.中公开了另一种用于确定录像机中磁头耐磨性的测试装置。对于这种所谓的“磁带球体测试”，一个起磨蚀作用的带在一试件表面与一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磨痕。在不同的时间从装置中取出试件并测量半球形磨痕的深度。
在这个装置中，例如带厚变化或试件的复杂表面形状导致衰减问题。此外，不能实现对试件位置准确的监测，并且由于向该装置中装入试件和从该装置中取出试件而不能实现测量自动化。也不能实现在线(in situ)磨损检测。
由上述Broese van Groenou的专业会议文献(1983年材料磨损国际会议)已知已经进行过磁记录器磨损实验。在此，一个移动的带通过其配有磁载体信息的覆层借助于压痕体被压到一个试件上。为了确定磨损，在取出带之后测量由此在试样体中产生的凹陷并确定磨损。这种工作方式的一个缺陷是，不能实现在线测量。因为通过磁性覆层产生磨损，而对带材料本身没有任何影响。
US-B1-6247356描述一种材料硬度测量仪。
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性。
这个目的通过本发明的方法和本发明的装置得以实现。
按本发明的用于测定材料表面耐磨性的方法，包括一个试件、一个压痕体和一个带，使所述带穿过试件与压痕体之间移动，其中，所述带被压痕体以一个预定的作用力预压到试件上，由此测定试件表面的耐磨性，其特征在于，所述带是一个起磨蚀作用的研磨带，在带穿过的同时，在至少两个不同时刻测定压痕体的位置并且由所测定的位置的差值得到耐磨性。
按本发明的用于测定材料表面耐磨性的装置，包括一个试件、一个压痕体和一个带，一个用于在试件表面之上固定和引导带的固定和输送装置、一个压痕体固定装置和一个通过这个固定装置保持可垂直移动的压痕体，其中，所述压痕体固定装置这样设置，使所述压痕体可顶压到带的背离试件表面的表面上，其特征在于，有一个测量装置，用于测定压痕体的位置，以及所述带是一个起磨蚀作用的研磨带。
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，不是在取出压痕体后直接测量磨损半球形磨痕的深度而是在磨损测试期间在线地直接测量压痕体的位置，因此由压痕体的位置可以获得试样体中的磨损半球形磨痕的深度。
按照本发明的方法和按照本发明的装置的有利扩展结构以下的描述中给出。
在此，深度的增加是与试件表面的耐磨性相关联的。因此能够实现简单的测量并口简单的磨损测量解释。
所使用的装置可以以小型的、可移动的结构形式制造，其中不仅可以对较大的而且可以对较小的物体进行测量。
表面的局部测量可以小至10μm2。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应用于不同的领域。例如对于质量控制和在研发领域可以用于例如涂漆、地板密封(Fussboden-versiegelungen)或用于微型元器件(MEMS)或微系统技术的质量控制。尤其能够在涂层技术领域(电镀、涂漆、一般涂覆材料的涂层工艺)中实现磨损-硬质材料涂层的快速评价。它可以在涂层工艺研究中(例如在电镀、CVD、PVD领域中)用作为优化工具。
因为可以在线地测定压痕体的位置，通过在各测量时刻将带倒回到相同的带位置，可以消除来自测量的带厚变化，因此总是在相同的带厚条件下测定压痕体的位置。在此，对于静止的带，压痕体位置的测量可以在带的一个位置上实现，该位置不被用于产生磨损。当半球形磨痕的深度在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)并且因此千倍于所产生的半球形磨痕的深度。这一点也能够分辨1nm数量级的半球形磨痕深度。作为所述带，可以使用常见的磁带，它们使得能够标记和再识别一个确定的带位置，因此对于各个测量时刻，都可以将所述带在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的情况下，倒回到已标记的位置。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的录音磁带或录像带。在使用磁带情况下，可以磁性地实现和/或磁性地获得为测量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/或涂层的带。
所述研磨带被磁性地标记。为了测定压痕体的位置，分别查找研磨带的已做标记的位置并相应地调整研磨带。连续地测定所述压痕体的位置。
有一个控制装置，用于将研磨带导引到一个预定的带位置上，以测定压痕体的位置。有一个用于在一个预定的位置上对研磨带进行标记的装置以及一个用于识别此标记的装置。
可电容式、感应式或也可以用干涉测量法实现所述压痕体位置的测量。在干涉测量法的情况下，压痕体本身可以设计成反射器。施加在压痕体上以使带压向试件表面的作用力可以电容式(AFM)、磁性地产生或者也可以感应式(接触法：Tastverfahren)产生。通过这些方法可以非常灵活地调节作用力，因此可以控制衰减特性，并且即使在较高的带速度下也产生具有特别好的表面光滑度的没有磨纹的微型半球形磨痕。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的球体或一个滚动的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涂层，以减少压痕体与研磨带之间的摩擦和磨耗。
另一有利的涂层涉及到例如通过等离子或离子刻蚀来调整与试件表面接触的研磨带表面的毫微级/微型表面形状(Mikrotopographie)。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，以便也可以记录粘附的磨耗。
为了评价测量结果，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磨痕达到一定的深度标准。可以通过测量压痕体在一定时间间隔上的位置或者连续地来测量压痕体的位置来实现深度标准的监控。如果达到深度标准，则可以确定为此所需的延续时间或可以确定穿过压痕体与试件之间的已产生这种半球形磨痕的带的长度。延续时间或带长与试件表面的耐磨强度相关联。
附图说明
下面要描述按照本发明的装置和按照本发明的方法的一个实例。
具体实施方式
唯一的图1示出一个用于测量一个试样体1的耐磨强度的装置。该试样体1具有一个表面10，在该表面上顶压一个设计成半球的压痕体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蚀作用的带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磁带录音机或磁带录像机。
半球体4在表面10的平面中的运动通过一个固定装置5被固定住，但是固定装置5能够实现半球体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到磁带3上，使该磁带在其运行期间与试样体1的表面10摩擦接触并且在试样体1的表面10上产生一个磨耗或磨蚀的半球形磨痕2。在图1中，该磨蚀半球形磨痕2的深度相对于带3的厚度被特别夸张地表示，因为带厚一般大约千倍于待产生的半球形磨痕(深度小至1nm)。
在此，所述测量装置7包含例如一个干涉仪，它将一个光束发射到半球体4的背离研磨带的平表面上，该光束由这个表面反射并在干涉仪7中被测量。由这种测量可以确定半球体4的位置，并且通过时间上间隔开的测量时也可以确定半球形磨痕2的深度或深度变化。

Claims (30)

1.一种用于测定材料表面耐磨性的方法，包括一个试件(1)、一个压痕体(4)和一个带(3)，使所述带穿过试件(1)与压痕体(4)之间移动，其中，所述带(3)被压痕体(4)以一个预定的作用力顶压到试件(1)上，由此测定试件(1)表面的耐磨性，其特征在于，所述带是一个起磨蚀作用的研磨带，在带穿过的同时，在至少两个不同时刻测定压痕体(4)的位置并且由所测定的位置的差值得到耐磨性，其中是通过直接测量该压痕体(4)来测定所述压痕体(4)的位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述研磨带分别倒回到相同的带位置以为了测定压痕体(4)在至少两个不同时刻的位置。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，为了测定压痕体(4)位置，使所述研磨带在压痕体(4)对试件(1)无压力和/或研磨带与压痕体无接触的情况下倒回到相同的带位置。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，标记出所述研磨带的实现对压痕体(4)位置测定的位置或者与所述研磨带的实现对压痕体(4)位置测定的位置相对应的位置。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述研磨带被磁性地标记。
6.如权利要求4或5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。
7.如权利要求1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.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述压痕体(4)垂直于研磨带的表面运动。
9.如权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述压痕体(4)在带表面的平面中的运动被固定住。
10.如权利要求1或7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.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用一个球体或一个圆柱体作为压痕体(4)。
12.如权利要求1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)被顶压到带(3)上。
13.如权利要求12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/或通过机械负载的平衡系统被顶压到带上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述机械负载的平衡系统为等臂式平衡杆。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用涂层的压痕体(4)。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，使用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。
17.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定所述带在压痕体(4)与试件(1)之间穿过的为了产生确定的磨耗所需的延续时间或长度。
18.一种用于测定材料表面耐磨性的装置，包括一个试件(1)、一个压痕体(4)和一个带(3)，一个用于在试件表面之上固定和引导带(3)的固定和输送装置(6a，6b)、一个压痕体固定装置(5)和一个通过这个压痕体固定装置保持可垂直移动的压痕体(4)，其中，所述压痕体固定装置(5)这样设置，使所述压痕体(4)可顶压到带(3)的背离试件表面的表面上，其特征在于，有一个测量装置，用于测定压痕体(4)的位置，以及所述带(3)是一个起磨蚀作用的研磨带，其中是通过直接测量该压痕体(4)来测定所述压痕体(4)的位置。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，通过所述测量装置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。
20.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于，有一个控制装置，用于将研磨带(3)导引到一个预定的带位置上，以测定压痕体(4)的位置。
21.如权利要求20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进行标记的装置以及一个用于识别此标记的装置。
22.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)可垂直于研磨带表面移动。
23.如权利要求18或22所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)在研磨带表面的平面中的运动被固定住。
24.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)位置的测量装置是一个电容式、感应式或光学干涉式的测量装置。
25.如权利要求18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。
26.如权利要求18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。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述力发生系统(7)为一个电容式、磁性的或感应式的力发生系统(7)和/或一个机械负载的平衡系统。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述机械负载的平衡系统为等臂式平衡杆。
29.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)被涂层。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述压痕体(4)被摩擦最佳化地涂层，以减少压痕体(4)与研磨带(3)之间的摩擦和磨耗。
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Assignor: INNOWEP GmbH

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Denomination of invention: Method and device for determination of the wear resistance of a surface

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Open date: 20050720

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Granted publication date: 20100602

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