膜基結合力是硬質薄膜非常重要的力學性能,膜基結合力表征是其研究的重要環節。用于膜基結合力表征的方法有劃痕法、拉伸法、彎曲法、刮剝法、膠帶剝離法、摩擦法、超聲波法等。

        劃痕法是表征膜基結合力最廣泛、也是研究最多的一種方法。眾多學者對劃痕的彈塑性變形理論模型、劃痕失效形式 、影響臨界載荷大小的內部因素(劃痕速度、加載速率、壓頭直徑與磨損情況等)與外部因素(基體硬度、薄膜厚度、薄膜表面粗糙度、膜與壓頭摩擦因子等) 進行了研究,對于解釋膜基結合失效及臨界載荷大小,做出了很大的貢獻。

        劃痕法表征膜基結合力的關鍵是如何判定臨界載荷,在文獻中提到可以用劃痕試驗所獲得的聲發射數據、摩擦力或劃痕深度及劃痕形貌來評定臨界載荷。在真空技術網另外篇文章曾見提到采用聲發射圖譜與摩擦力曲線分析了臨界載荷,但沒有用劃痕形貌分析臨界載荷;真空技術網真空鍍膜欄目中某一文章中分別將出現裂紋處的加載載荷定義為低臨界載荷,而在薄膜完全剝落時定義為高臨界載荷。

        研究者在利用劃痕數據來判定臨界載荷的準則各不一致,導致劃痕試驗判定膜基結合力的結果存在差異。本研究用瑞士CSM 儀器的微劃痕測試儀(Mi2cro2Scratch Tester ,MST 劃痕儀) 對多弧離子鍍設備制備的WC2Co/TiN膜基結合力進行表征,系統地介紹了如何利用MST 劃痕儀所測的聲發射數據、摩擦力數據及光學、電子掃描劃痕形貌來綜合評定膜基結合力,為膜基結合力評定提供一個準確可信的準則。

          本研究在AIP201型真空多弧離子鍍膜機一個裝有磁過濾器的單靶上、分別在磁過濾電流310A、315A、410A、415A 下制備了WC2Co/ TiN 膜基A、B、C、D 四個號的樣品。

劃痕法評定膜基結合力的實驗方法

       本研究采用了瑞士MST 劃痕儀進行結合力評定,并采用國產中科凱華科技有限公司的WS292 劃痕儀對結合力評定進行驗證。MST 劃痕儀在測試過程中,可以采集聲發射信號和切向摩擦力,還可觀察劃痕形貌。

       在MST劃痕儀上所用參數如下。

       壓頭:Rockwell 型,金剛石,曲率半徑100μm ,錐角120°;

       加載范圍:0～28N;

       加載方式:線性步進;

       加載速度:9323133mN/ min ;

       劃痕長度:3mm。

       WS292 劃痕儀的法向加載載荷范圍較大,為0-100N ,加載用的金剛石壓頭尖端曲率半徑R =200μm ,錐角為120°;在測試過程中只能采集聲發射信號。