Jimi Rantanen, Jari Leskinen, Teknillisen fysiikan laitos, UEF
Toimintamalli on opastavaa taitotietoa, jota on tarkoitus soveltaa tai tarkentaa tarpeen mukaan sekä muokata tai täydentää ajoittain kulloinkin selvitettävän seikan piirteiden mukaisesti. Toimintamallin yksityiskohtainen sisältö voi kuulua myös käyttöohjeiden tai menetelmäohjeiden piiriin. Tämä toimintamalli kuvailee pinnoitetun kappaleen ominaisuuksien selvittämistä, kun tavoitteena on selvittää pinnoitemateriaalin osuutta, esimerkkinä elektrolyyttisesti pinnoitettu metallikappale.
Tämä toimintamalli koostuu seuraavista osista:
- Yleistä tietoa pinnoitetun kappaleen ominaisuuksien selvittämisestä
- Pinnoitteen ominaisuuksien selvittämisen työnkulku
- Esimerkkitapaus: Elektrolyyttisesti pinnoitettu teräs
- Lähteitä
Toimintamallista riippumatta on luonnollisesti noudatettava myös hyvää tieteellistä käytäntöä.
Pinnoitetun kappaleen ominaisuuksien selvittämisestä yleisesti
Pinnoitteen tarkoitus on yleensä parantaa kappaleen pinnan ominaisuuksia – tyypillisesti korroosionkestoa, kulutuskestoa, ulkonäköä, kitkakäyttäytymistä, kemiallista kestävyyttä tai sähköisiä ominaisuuksia. Siksi myös ominaisuuksien selvittäminen riippuu pintakäsittelyn tavoitteista.
Yleisesti pinnoitteen tutkimiseksi on ensin määriteltävä mitä ominaisuutta haluat tutkia, ja mitkä ovat käytettävissä olevat laitteet. Lähes kaikki tämän toimenpidemallin sisältämät välineet ja menetelmät löytyvät Kuopion Savilahden kampukselta Itä-Suomen yliopiston tai Savonia AMK:n tiloista (https://www.materiaalikeskus.fi).
Pinnoitteen ominaisuuksia tutkittaessa on hyvä tehdä kirjallisuusselvitys, jotta voidaan ottaa ennalta huomioon mahdollisia erityisvaatimuksia esim. näytteen valmistuksen kannalta. Myös mitattujen suureiden vertaileminen kirjallisuudessa raportoituihin tuloksiin voi tarjota arvokasta tietoa siitä, kuinka hyvin ominaisuudet vastaavat yleisesti raportoituja arvoja. Pinnoitteet voidaan tyypillisesti jakaa kolmeen kategoriaan pinnoitepaksuutensa perusteella. Analyysimenetelmät voidaan kullekin pinnoitetyypille valita oheisten valintakaavion ja -taulukon mukaan.
Menetelmän valintakaavio
Nopea menetelmän valintataulukko
| Tavoite | Suositeltu menetelmä |
| Pinnankarheus | AFM, optinen- tai kosketusprofiili |
| Pinnoitteen paksuus | XRF, ellipsometria, XRR |
| Tarttuvuus | Scratch-testi, pull-off-testi |
| Kovuus | Vickers, Knoop, Rockwell |
| Kulutuskestävyys | Pin-on-disk |
| Kemiallinen koostumus | XPS, EDX, XRF |
| Pinnan energia | Kontaktikulmamittaus |
Pinnoitetun kappaleen ominaisuuksien selvittäminen on laaja kokonaisuus, joka kattaa sekä pinnan laadun, materiaalikoostumuksen, mekaanisen kestävyyden että toiminnalliset ominaisuudet.
Sopivat menetelmät riippuvat:
- pinnoitetyypistä (maali, galvanointi, PVD, anodisointi, jne.),
- substraatista eli alustamateriaalista,
- halutusta käyttötarkoituksesta.
Lähtökohtaisesti pinnoitetun kappaleen pintaominaisuuksien tutkimiseen ei ole yhtä “oikeaa” menetelmää – paras valinta riippuu siitä, mitä ominaisuutta halutaan selvittää, millainen pinnoite on kyseessä, ja millaiseen tarkkuuteen tai mittausalueeseen pyritään. Menetelmän valintaan vaikuttaa materiaalin lisäksi merkittävästi myös se, voiko kappaletta rikkoa vai pitääkö sen säilyä sellaisenaan ja olla käyttökelpoinen tutkimuksen jälkeenkin.
Alla on selkeä ja käytännönläheinen valintaopas.
Pinnoitteen ominaisuuksien selvittämisen työnkulku
Määrittele, mitä haluat mitata. Pintatutkimuksen tavoitteet ohjaavat menetelmävalintaa. Useimmin tutkittavat ominaisuudet ovat:
- Pinnankarheus ja topografia
- Pinnoitteen paksuus
- Tarttuvuus / adheesio
- Kovuus ja mekaaninen kulutuskestävyys
- Kemiallinen koostumus
- Pinnan energia / märkäominaisuudet
- Mikrorakenne ja kerrostuneisuus
Valitse ominaisuuden mukaan sopivin menetelmä ehdotetuista
A Pinnankarheus ja topografia. Kun halutaan tietää pinnan mikro- tai nanorakenteesta.
- AFM (Atomic Force Microscopy) – nanomittakaavan pinnan topografia
- Profilometria – nopea ja kosketukseton mittaus
- SEM (Scanning Electron Microscopy) – pinnan mikrorakenne ja morfologia
B Pinnoitteen paksuus. Kun tavoite on selvittää kerroksen paksuus ilman näytteen rikkomista.
- Ellipsometria – erityisesti ohuille (nm–µm) optisille pinnoitteille
- Röntgenheijastus (XRR) – erittäin ohuille, tasaisille kalvoille
- Poikkileikkeen ristiinhionta + optinen mikroskopia – rajoitetusti tuhoava, helppo
C Adheesio tai tartunta. Kun halutaan tietää, kuinka vahvasti pinnoite pysyy kiinni.
- Scratch-testi (mikro/makro) – määrittää delaminaation kynnysvoiman
- Liimatappikoe – liimattu tappi vedetään irti
D Kovuus ja kulutuskestävyys. Kun arvioidaan käyttöikää ja mekaanista suorituskykyä.
- Vickers tai Knoop-kovuus – perinteinen kovuus
- Rockwell tai Shore-kovuus – pehmeille materiaaleille
- Pin-on-disc – tribologinen kulutustestaus
- Scratch-testi – mekaaninen kestävyyden arviointi
E Kemiallinen koostumus ja sidokset. Kun halutaan selvittää materiaali, kerroksen puhtaus tai kontaminaatiot.
- XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) – pinnan kemia, sidokset, elementit (noin 10 nm)
- EDS tai EDX SEM-kuvauksen yhteydessä – elementtikoostumus (ei hyvin ohuille kerroksille)
F Pinnan energia tai kostuvuus. Kun tutkitaan liimauskykyä, maalausta tai hydrofobisuutta.
- Kontaktikulmamittaus – pintaenergia ja hydrofobisuus
Esimerkkitapaus – elektrolyyttisesti pinnoitettu teräs
Ongelma
Yrityksen kovapinnoitusprosessia on kehitetty, mutta tarvitaan lisätietoja pinnoitteen verifioimiseksi. Näytekappaleita toimitettiin kokonaisina ja mekaanisesti hyvin suojattuna yliopistolle analysoitavaksi.
Taustakartoitus
Yliopiston asiantuntija kartoitti tyypillisimpiä vastaaviin tarpeisiin yleisimmin käytettyjä analyysimenetelmiä kirjallisuuden avulla. Tietolähteinä käytettiin oman tietotaidon lisäksi tieteellisiä tutkimusjulkaisuja, erilaisten verkkosivujen tietoja ja kuvia, sekä keskusteluja eri asiantuntijoiden kesken. Taustakartoituksen aikana ja sen jälkeen ongelmaa pohdittiin materiaalitieteen asiantuntijoiden ja yrityksen ammattilaisten kesken useaan otteeseen.
Datanhankinta
Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (scanning electron microscope, SEM, Kuva 1) kuvattiin poikkileikenäytteitä useilla suurennoksilla. Pinnoitekerroksen paksuus määritettiin ja kerroksittainen alkuainejakauma analysoitiin energiadispersiivisellä spektroskopialla (EDS). Lisäksi pintanäytteitä tutkittiin röntgendiffraktiolla (XRD) ja röntgenfotoelektronispektroskopialla (XPS).
Datan hyödyntäminen
SEM-kuvista määritettiin näytteen pinnoitteen eheyttä sekä pintapoikkeamia Poikkileikkeiden kuvista mitattiin pinnoitekerrospaksuudet ja kerroksien koostumukset. Energiaspektreistä tunnistettiin alkuaineita ja niiden suhteellisia pitoisuuksia. Pintapoikkeamien suuruudet olivat mikrometriluokkaa ja kerrospaksuudet muutamasta mikrometristä noin 10 mikrometriin (Kuva 2). XRD-mittauksilla tutkittiin faasieroja ja XPS-dataa hyödynnettiin yhdessä EDS-mittauksista saadun pinnoitteen koostumustiedon kanssa epäorgaanisten yhdisteiden tunnistamisessa. Tunnistuksessa käytettiin rinnan sekä Itä-Suomen yliopiston että Savonian laitteistoja.
Elektrolyyttinen pinnoittaminen on sähkökemiallinen prosessi, jonka hallitsemiseksi tarvitaan monialaista ymmärrystä fysiikasta, kemiasta sekä termodynamiikasta. Lisäksi lopputuotteen laadun arviointiin tarvitaan sofistikoituneitakin erikoismenetelmiä, sillä mittaluokka on mikroskooppinen. Oikeanlaisilla laitteistoilla voidaan mitata ja analysoida alle mikrometrien kokoisia yksityiskohtia. Kuvassa 3 on esitetty pyyhkäisyelektronikuva kovapinnoitteen karbidirakeista. Rakeiden halkaisija on alle 150 nm. Oikealla tekniikalla rakeiden tunnistaminen oli mahdollista.
Kuva 4. Yksittäiselle näytteelle XPS-mittauksista saadut spektrit. ©Jimi Rantanen, UEF Teknillisen fysiikan laitos, Kuopio 2025.
Taulukko 1. (XPS) Kvantitatiivisen analyysin tulokset painoprosentteina sidoksille.
Taulukko 2. (XPS) Kvantitatiivisen analyysin tulokset painoprosentteina alkuaineille.
Taulukko 3. (XRD) Diffraktogrammeista tunnistetut kiteiset faasit.
XPS- ja XRD-menetelmillä pystyttiin arvioimaan pinnoitteen oksidi- ja karbidiosuuksia suhteessa metalliseen pinnoitteeseen. Tulokset menetelmien välillä metallisen kromin osalta poikkeavat toisistaan johtuen mittausteknisistä eroista. XPS-mittauksessa pinnoitteen pintakerros pyrittiin puhdistamaan ylimääräisistä epäpuhtauksista ionipommituksella, kun XRD-mittauksessa tällaiseen ei ole mahdollisuutta. Mittauksilla olikin tarkoitus tutkia kahta eri asiaa – pinnoitteen alkuainekoostumusta (XPS), sekä mahdollisia oksidin ja karbidin faaseja, joita pintaan on voinut muodostua (XRD).
Löydöksiä, analyyseja ja ratkaisuehdotuksia käytiin läpi yhdessä materiaalitieteen asiantuntijoiden ja yrityksen ammattilaisten kanssa. Asiakasyritys sai uutta tietoa kovapinnoitusprosessiparametrien vaikutuksesta pinnoitteen koostumukseen ja laatuun.
Mahdollisia lisäkysymyksiä: Parantaako pinnoite merkittävästi materiaalin ominaisuuksia pelkkään pinnoittamattomaan substraattiin verrattuna? Onko pinnoitteen paksuus riittävä tai oikea? Onko pinnoite hyvin kiinni substraatissa eli pysyykö se kiinni myös ulkoisen rasituksen aikana?
Lähteitä
[1] Stefano Rossi (Editor), Powder and High-Solid Coatings: Printed Edition of the Special Issue in Coatings, ISSN 2079-6412. https://www.mdpi.com/journal/coatings/special_issues/powder_solid_coat.
[2] Yang Leng, Materials Characterization 2nd ed.: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany 2013.
[3] Holmberg K. and Matthews A.: Coatings Tribology – Properties, Mechanisms, Techniques and Applications in Surface Engineering 2nd Ed. Tribology and Interface Engineering Series no. 56 edited by B.J. Briscoe. Elsevier B.V. 2009.