用划痕技术检测涂层附着力

在汽车制造业中，很多零部件都需要涂覆一定厚度和强度的涂层以提高表面性能，因此，涂层附着强度的检测是其制造过程中必不可少的一个环节。

涂层附着强度的检测方法有很多，如摩擦抛光试验、钢球滚光试验、粘接-剥离试验、锉刀试验、划线划格试验和划痕试验等，其中划痕试验是目前检验硬质涂层最常用也是效果较好的一种检测方法。

划痕试验是用具有光滑圆锥顶尖的划针，逐渐增加载荷刻划涂层表面，直至涂层被破坏，涂层破坏时所加的载荷被称为“临界载荷”，并以此参数作为涂层与基体附着强度的度量。

划痕试验仪的工作原理

涂层附着力划痕试验仪测量系统的组成及基本原理如图1所示，它运用声发射检测技术、切向力检测技术及微机自控技术，通过自动加载机构将负荷连续加至划针（金刚石压头）上，同时移动试样，使划针划过涂层表面，通过各传感器获取划痕时的声发射信号、载荷的变化量、切向力的变化量，经放大处理，输入计算机，经A/D转换将测量结果绘制成图形，由此得到涂层与基体的结合强度（临界载荷）。

图1 测量系统的组成及基本原理

检测模式

涂层附着力划痕试验仪有两种检测模式：一种是利用声发射方法，主要适用于硬质涂层的检测，当划针将涂层划破或剥落时会发出微弱的声信号，此时所加的载荷即为涂层的临界载荷；另一种是利用切向力术，主要用于较软涂层的测量，当划针将涂层划破或脱落时，摩擦系数将发生较大变化，切向力亦由此发生变化，此时的载荷即为涂层的临界载荷。

应用实例

这里以WS-2000涂层附着力自动划痕仪为例，采用声发射模式，介绍我公司生产的钢质活塞环的表面离子镀PVD硬质涂层附着力的检测过程。

WS-2000涂层附着力自动划痕仪的技术指标如下：

（1）加荷范围：0.01～100N自动连续加荷，精度0.1N

（2）划痕速度：2～10mm/min

（3）加荷速率：10～100N/min

（4）测量范围：0.5～20mm

（5）划痕范围：2～30mm，自动

（6）加载压头：金刚石压头，锥角120°，尖端半经Ｒ＝0.2mm

（7）显微镜：100×2.5 [page]

具体检测步骤如下：

1．准备工作

（1）检查仪器是否良好接地；

（2）检查各接线插头连接是否正确，接触是否良好；

（3）机架平台要平稳牢靠；

（4）调整好主机加载横梁固定镙钉的松紧；

（5）将所测样品清洗干净。

2．开机调整

（1）打开计算机中的WS- 2000.exe 执行文件，进入仪器运行程序，屏幕显示仪器系统首页窗体，用鼠标单击窗体右下角图标，屏幕出现主控窗体。

（2）打开自动划痕仪的控制箱电源（灯亮），预热5min。

（3）调整载荷零点。主控箱预热后，逆时针旋动主机加载螺杆，使加载梁前端离开载荷传感器球支点。调整仪器控制箱载荷零点调整旋钮，使屏幕主控窗口右上方载荷文本框中数值显示为“0”，然后再顺时针旋转加载螺杆使载荷文本框中数值显示为“0.01”，此时说明划痕压头刚好触及试样表面。

3．参数设定

输入试验日期、样品号、加载速率等试验参数。

4．声发射测试模式的操作

（1）将试样夹具放入测试平台，拧紧固定旋钮。

（2）松开加载梁固定旋钮，将其右旋45°。把试样平稳地放在样品夹具内，将试样夹紧。再将加载梁复位，拧紧加载梁固定旋钮。

（3）调整试样平台升降旋钮，使试样刚好触及金刚石压头后，拧紧平台固定旋钮。注意调整载荷零点。

（4）在设定窗口的运行方式文本框中输入测试模式 1，在其余文本框中输入相应参数。

（5）单击运行按钮，开始测试。

（6）临界载荷的精确定位：一次测试完成后，用户选定图形首次起峰处，即用鼠标箭头指在声发射图形曲线的首次起峰处，单击鼠标中键，临界载荷数值就会自动显示在临界载荷文本框中。图2所示为测试曲线。

图2 测试曲线

5. 数据的图表制作

测试数据为实际测量值，以文本文件的格式存储。

制作数据图表的具体操作方法如下：

(1) 打开电子图表工具软件，进入操作界面。

(2) 打开***.txt测试数据文件，设定导入起始行为14（删除输入的参数），选择逗号为分隔符。鼠标左键点击“完成”按键，测量数据就会全部显示在A1、B1、C1列上。A1列为加载载荷数据，B1列为声发射数据，C1列摩擦力数据。

(3) 选取标记A1B1列到1020行，点击工具栏图表键，弹出图表向导窗体-步骤1，选择标准类型中的折线图。点击“下一步”按键，显示图表向导窗体-步骤2。在数据区域页面，选择 “系列产生在行”按纽。

(4) 点击系列页面，在系列（S）窗口，选择“系列2”。在分类（X）轴标志（T）行中键入“‘***’！$A$A1020”(***表示测试数据文件名)。点击“下一步”，显示图表向导窗体-步骤3 图表选项，用户可根据需要选择各参数编辑图表。最后点击“完成”按键，完成图表的设计（见图3）。

图3 测试数据图表

6. 多次测试，确定最终值

以同样的方法和步骤，换到活塞环的其他部位进行检测，重复至少三次，得出各相应临界载荷值。取多次检测结果的平均值即为该活塞环离子镀PVD硬质涂层的附着力。

结束语

本文利用划痕检测技术，采用WS-2000涂层附着力自动划痕仪完成了活塞环离子镀PVD硬质涂层附着力的检测，同样的原理，划痕检测技术还可广泛应用于电镀、涂覆等领域。相信随着薄膜工艺的不断发展以及企业质量意识的不断提高，划痕检测技术必将越来越多地被应用到汽车及零部件的制造环节中，成为保障企业产品质量的一道安全屏障。(end)