Wprowadzenie W. Kwaśny

1. Wprowadzenie
Nowoczesne materiały narz dziowe ze wzgl du na charakter ich pracy oraz zło ono ć
mechanizmów zu ycia powinny spełniać liczne wymagania, do których nale
mi dzy innymi:
wysoka twardo ć, odporno ć na zu ycie, wysoka wytrzymało ć na ciskanie, rozci ganie,
skr canie i zginanie oraz stabilno ć kraw dzi skrawaj cych [1-3]. „Idealny” materiał
narz dziowy o uniwersalnym zastosowaniu powinien ł czyć w sobie wymienione własno ci,
a szczególnie du
odporno ć na zu ycie i twardo ć z wysok wytrzymało ci i dobr ci gliwo ci ,
przy jednoczesnej oboj tno ci chemicznej w stosunku do obrabianego materiału (rys. 1).
Rysunek 1. Porównanie ró nych materiałów narz dziowych pod wzgl dem ich własno ci [4]
Zabezpieczenie elementów maszyn i konstrukcji metalowych przed korozj
i zu yciem, zwi kszenie trwało ci maszyn i mechanizmów nale
do wa nych problemów
in ynierii materiałowej. Wytrzymało ć elementów zapewniona jest dzi ki stosowaniu
7
1. Wprowadzenie
jednego materiału, a odporno ć na czynniki zewn trzne jest zagwarantowana przez
miejscowe utworzenie na jego powierzchni powłoki o specjalnych własno ciach.
Wytrzymało ć mechaniczn
elementów zapewnia materiał rdzenia, a odporno ć na
oddziaływanie czynników zewn trznych (zu ycie, korozj , erozj ) uzyskuje si
przez
formowanie na ich powierzchni zró nicowanych pod wzgl dem składu chemicznego
i przeznaczenia cienkich powłok z innych materiałów. Ostatecznie uzyskuje si zwi kszon
trwało ć elementów w poł czeniu z innymi zadanymi cechami i w wielu przypadkach
obni enie kosztów. Mo liwe jest przy tym otrzymanie wytworów o unikalnym poł czeniu
własno ci, nieosi galnych przy wykorzystaniu tradycyjnych materiałów in ynierskich.
W zwi zku z tym celowe jest nowe podej cie do doboru materiału zarówno ze wzgl dów
technicznych, jak i ekonomicznych. Jednak pomimo intensywnego rozwoju in ynierii
materiałowej nie udaje si ci gle wytworzyć „idealnego” materiału narz dziowego, ze
wzgl du na podstawow
sprzeczno ć mi dzy takimi własno ciami, jak twardo ć
i ci gliwo ć [2-6].
W in ynierii materiałowej ze wzgl dów aplikacyjnych istotnym zagadnieniem jest
precyzyjna charakterystyka i opisanie kształtu powierzchni. Jedn
z metod, która
umo liwia obrazowanie geometrycznych cech powierzchni badanych materiałów, jest
skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) [7]. Informacje na temat topografii (rze by
powierzchni) i morfologii próbek uzyskiwane s
pochodz cego
od
elektronów
wtórnych
głównie na podstawie sygnału
(SE).
Zastosowanie
nowoczesnych
wysokorozdzielczych skaningowych mikroskopów elektronowych umo liwia wizualizacj
własno ci geometrycznych lub topograficznych z rozdzielczo ci od 1 mm do ułamka nm.
Cyfrowa prezentacja obrazu uzyskanego w mikroskopie skaningowym polega na jego
dyskretnym przedstawieniu w postaci tablicy liczb, opisuj cych poziom szaro ci
poszczególnych punktów analizowanego obiektu, natomiast wad
ograniczona
mo liwo ć
i opisuj cych badan
uzyskiwania
powierzchni . Drug
danych
metod
tej techniki jest
ilo ciowych,
charakteryzuj cych
wykorzystywan
obrazowania geometrycznych cech powierzchni z nanometryczn
powszechnie do
rozdzielczo ci
jest
mikroskopia sił atomowych (AFM) [8]. Pomiary realizowane s w wyniku przesuwania
sondy nad badan
utworzenie
8
próbk
topograficznej
wzdłu
mapy
równoległych linii, a jej wychylenie pozwala na
analizowanej
powierzchni.
Wyniki
pomiarów
W. Kwa ny
rejestrowane s w postaci tablicy liczb, których warto ć mo e być interpretowana jako
odległo ć sondy od badanej powierzchni (lub wysoko ć próbki wzgl dem ustalonego
poziomu) w poszczególnych,
ci le okre lonych punktach pomiarowych. Chocia ,
w odró nieniu od skaningowej mikroskopii elektronowej, mikroskopia sił atomowych
umo liwia uzyskiwanie danych ilo ciowych, to w chwili obecnej wyniki otrzymywane
przy u yciu mikroskopu AFM s wykorzystywane w ograniczonym zakresie, jedynie do
graficznej prezentacji analizowanych powierzchni. Mo liwo ci stwarzane przez t
technik
badawcz
w zakresie ilo ciowej charakterystyki powłok uzyskiwanych
w procesach PVD i CVD pozostaj , zdaniem autora, dotychczas niewykorzystane.
W ród parametrów, opisuj cych geometryczne własno ci powierzchni powłok
szczególnie istotn
rol
odgrywa chropowato ć, definiowana jako zbiór drobnych
nierówno ci powierzchni rzeczywistej okre lonych umownie jako odchyłki od jej profilu,
zmierzonego od przyj tej linii odniesienia na długo ci odcinka elementarnego, na którym
nie uwzgl dnia si odchyłek kształtu i falisto ci powierzchni [9]. Istniej liczne wielko ci,
które charakteryzuj chropowato ć powierzchni [10], a za najwa niejsze przyjmuje si :
•
rednie arytmetyczne odchylenie profilu od linii redniej Ra w µm,
• wysoko ć chropowato ci Rz w µm,
• maksymaln wysoko ć nierówno ci Rmax w µm.
Chropowato ć powierzchni jest jednym z kryteriów słu cych do jako ciowej oceny
powierzchni powłok uzyskiwanych w procesach PVD i CVD. W obszarach, gdzie
stosowanym materiałom stawiane s
szczególnie wysokie wymagania, podkre la si
konieczno ć komplementarnego podej cia w zakresie metod charakteryzowania własno ci
geometrycznych powłok i stosowania jednocze nie wielu parametrów je opisuj cych (tzw.
analiza wieloparametryczna) [11-13]. Jednym z kierunków prowadzonych bada w tym
obszarze jest wykorzystanie analizy fraktalnej do opisu i charakterystyki badanych
obiektów.
9