Naslovnica NAVODILA AVTORJEM PRI PRIPRAVI PRISPEVKOV Tematsko Vakuumist obsega širše področje vakuumskih znanosti in tehnologij, fiziko in kemijo tankih plasti in površin, analitiko površin, fiziko plazme, vakuumsko metalurgijo ter zgodovino vakuumske znanosti. Vsebinsko objavljamo štiri skupine prispevkov: • znanstveni članki o aktualnih raziskavah s področja vakuumske znanosti in sorodnih področij; • strokovni članki, kot so predstavitev novosti v svetu, zgoščen pregled nekega področja, primeri uvajanja tehnologij v prakso ipd.; • praktični nasveti reševanja konkretnih vakuumskih problemov v laboratoriju; • kratke novice o društvenem dogajanju, organizaciji konferenc, predstavitve knjig ipd. Znanstveni in strokovni prispevki so recenzirani. Če je članek sprejet (po recenzentovem in lektorjevem pregledu), avtor vrne popravljen članek uredniku Vakuumista. Prispevki morajo biti napisani v slovenskem jeziku. Avtorji prispevka so v celoti odgovorni za vsebino objavljenega sestavka. Z objavo preidejo avtorske pravice na izdajatelja. Pri morebitnih kasnejših objavah mora biti periodična publikacija Vakuumist navedena kot vir. VSEBINA ROKOPISA Rokopis naj bo sestavljen iz naslednjih delov: 1. naslov članka (v slovenskem in angleškem jeziku) 2. podatki o avtorjih (ime in priimek, institucija, naslov institucije) 3. povzetek (v slovenskem in angleškem jeziku, 100-200 besed) 4. ključne besede (v slovenskem in angleškem jeziku, 3-6 besed) 5. besedilo članka v skladu s shemo IMRAD (uvod, eksperimentalne metode, rezultati in diskusija, sklepi) 6. seznam literature 7. morebitne tabele z nadnapisi 8. podnapisi k slikam 9. slike (risbe, fotografije), ki naj bodo priložene posebej Praktični nasveti in kratke novice so brez povzetka, ključnih besed in literature, vsebinska zasnova besedila pa ni strogo določena. TEHNIČNE ZAHTEVE ZA ROKOPIS • Tekst naj bo shranjen v formatu doc, docx ali rtf. Formata tex ali pdf za tekst nista primerna. • V dokumentu naj bo čim manj avtomatskih indeksov, križnih povezav (linkov) in stilističnih posebnosti (različni fonti, formati, poravnave, deljenje besed). Pri oblikovanju se omejite na ukaze mastno, poševno, indeks, potenca in posebni znaki. Formule oblikujte bodisi tekstovno ali z urejevalnikom (npr. equation editor), lahko pa jih vključite v tekst kot slikovni objekt. • Tekst naj bo smiselno razdeljen na poglavja in podpoglavja (detajlnejša delitev ni želena), naslovi pa naj bodo oštevilčeni z vrstilci, npr. »2.1 Meritve tlaka«. Na vse literaturne vire, tabele in slike morajo biti sklici v tekstu. Vrstni red literaturnih virov, tabel in slik naj sledi vrstnemu redu prvega sklica nanje. Primeri sklicevanja: na literaturne vire [1], na enačbe (1), na tabele tabela 1, na slike slika 1. Vse samostojno stoječe enačbe naj bodo ob robu označene, npr. (1). Če je slika iz več delov, naj bodo posamezni deli označeni s črkami: a), b), c), č) itd., in sicer tako na sliki kot na podnapisu. Literaturni viri morajo biti popolni (brez okrajšav et al., ibid ...). Izogibajte se težko dostopnih virov (prospekti, seminarske naloge, neobjavljene raziskave, osebna korespondenca). Primeri pravilnih zapisov: - monografija: S. Južnič, Zgodovina raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Ljubljana, 2004, str. 203 - članek v periodični publikaciji: M. Finšgar, I. Milošev, Vakuumist, 29 (2009) 4, 4-8 - prispevek v zbornikih posvetovanj: Novejši razvoj trdih zaščitnih PVD-prevlek za zaščito orodij in strojnih delov, Zbornik posvetovanja Orodjarstvo, Portorož, 2003, 121-124 - dostopno na svetovnem spletu: UK ESCA Users Group Database of Auger parameters, http://www. uksaf.org/data/table.html, zadnjič dostopano: 11. 2. 2010 Tabele naj bodo oblikovno enostavne. V rokopisu naj stojijo na koncu dokumenta. Za ločevanje stolpcev uporabljajte tabulatorje (ne presledkov) ali tabelarično formo urejevalnika. Slike naj bodo shranjene posebej v navadnih formatih (tif, png, jpg), lahko tudi združeni v en dokument (pdf, ppt). Slik ne vstavljajte v tekstualni del rokopisa! Poskrbite za ustrezno resolucijo, še posebej pri linijskih slikah. Slike naj bodo črno-bele ali v sivih tonih, ne barvne. Črkovne oznake na slikah naj bodo take velikosti, da je po pomanjšavi na širino enega stoplca (7,9 cm) velikost znakov najmanj 1,2 mm. Priporočljiv je oblikovno enostaven font, npr. Arial. Pri pisanju veličin in enot se držite načel standarda ISO-31 (veličine pišemo poševno, enote pokončno, isto pravilo velja tudi za grške črke). Osi grafov in vodilne vrstice tabel pišemo v obliki veličina/enota, npr. m/kg. UREDNIŠTVO Rokopise pošljite na naslov miha.cekada@ijs.si. Kontaktni podatki uredništva so: doc. dr. Miha Čekada glavni in odgovorni urednik Vakuumista Institut »Jožef Stefan« Jamova 39 1000 Ljubljana e-pošta: miha.cekada@ijs.si tel.: (01) 477 38 29 faks: (01) 251 93 85 VAKUUMIST 33/4, december 2013 VSEBINA ČLANKI_ Serijska in skupna Weibullova porazdelitev trdnosti keramičnih materialov Maša Gomilšek, Milan Ambrožič, Lovro Gorjan.................................................. 4 Mikrostrukturne nepravilnosti trdih PVD-prevlek Peter Gselman, Peter Panjan................................................................. 11 Prvi Teslovi stiki z vakuumskimi tehnikami (ob 70-letnici smrti), 3. del Stanislav Južnič.......................................................................... 22 DRUŠTVENE NOVICE Pregled konferenc v letu 2014.............................................................. 34 Sporo~ilo za javnost - Sistema za zajem helija.................................................. 35 VAKUUMIST Časopis za vakuumsko znanost, tehniko in tehnologije, vakuumsko metalurgijo, tanke plasti, površine in fiziko plazme Izid publikacije je finančno podprla Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz naslova razpisa za sofinanciranje domačih znanstvenih periodičnih publikacij Glavni in odgovorni urednik: doc. dr. Miha Čekada Uredni{ki odbor: dr. Matjaž Finšgar, dr. Jože Gasperič, prof. dr. Monika Jenko, dr. Stanislav Južnič, doc. dr. Marta Klanjšek Gunde, doc. dr. Janez Kovač, prof. dr. Urška Lavrenčič Stangar, dr. Peter Panjan, mag. Andrej Pregelj, dr. Drago Resnik, doc. dr. Alenka Vesel, prof. dr. Franc Zupanič Tehnični urednik: Miro Pečar Lektor: dr. Jože Gasperič Korektor: dr. Matjaž Finšgar Oblikovanje naslovnice: Ignac Kofol Tisk: Littera picta, d. o. o., Rožna dolina, c. IV/32-36, 1000 Ljubljana Naklada: 350 izvodov Vakuumist on-line: http://www.dvts.si/arhiv Letna naročnina: 25 EUR ISSN 0351-9716 UDK 533.5.62:539.2:669-982 Izdaja Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije Teslova 30 1000 Ljubljana Tel. (01) 477 66 00 E-pošta: info@dvts.si Domača stran društva: http://www.dvts.si Številka transakcijskega računa pri NLB: 02083-0014712647 Uredni{tvo Vakuumista doc. dr. Miha Čekada glavni in odgovorni urednik Vakuumista Institut »Jožef Stefan« Jamova 39 1000 Ljubljana e-pošta: miha.cekada@iis.si tel.: (01) 477 38 29 faks.: (01) 251 93 85 SERIJSKA IN SKUPNA WEIBULLOVA PORAZDELITEV TRDNOSTI KERAMIČNIH MATERIALOV ^Maša Gomilšek, ^Milan Ambrožič, 2Lovro Gorjan 'Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in matematiko, Koroška 160, 2000 Maribor 2Institut »Jožef Stefan«, Jamova 39, 1000 Ljubljana STROKOVNI ČLANEK POVZETEK Izmerjene upogibne trdnosti keramičnih vzorcev se navadno zelo dobro ujemajo z Weibullovo porazdelitveno funkcijo. Pri vsaki seriji v industrijski proizvodnji keramičnih izdelkov se vzame majhno število preizkusnih vzorcev pravilne geometrijske oblike in se jih zlomi pri tri- ali štiritočkovnem upogibnem preizkusu. Zato se v več letih proizvodnje keramičnih izdelkov in meritev trdnosti vzorcev nabere veliko število podatkov, tako da lahko na njihovi osnovi zanesljivo potrdimo veljavnost Weibullove porazdelitve. Nastane pa vprašanje, koliko se parametri porazdelitve za posamezne serije razlikujejo od parametrov za celotno večletno porazdelitev (tudi potem, ko upoštevamo sistematično napako pri oceni parametrov za majhno število vzorcev pri različnih metodah). Problem je namreč v tem, da so razmere pri izdelavi od serije do serije vsakič malo drugačni (temperatura, vlaga, človeški dejavnik itd.). Ključne besede: Weibullova porazdelitev, upogibna trdnost, linearna regresija, metoda največje verjetnosti, metoda momentov Serial and total Weibull strength distribution of ceramic materials abstract Measured values of the bend strength of ceramic samples usually agree very well with the Weibull distribution function. For each series of industrial production a small number of testing samples with regular shape are broken in the three- or four-point bending test. Therefore, in several years of manufacturing ceramic products and strength measurements a large amount of data is gathered, and on their basis we can reliably confirm the validity of the Weibull distribution. A question appears, of how the parameters of the strength distribution for individual series differ from the corresponding parameters for the entire distribution over several years (after the systematic bias in the evaluation of the parameters for small number of samples according to different methods has been considered). There is a problem that the fabrication conditions vary from series to series (temperature, humidity, human factor, etc.). Keywords: Weibull distribution, bend strength, linear regresion, maximum likelihood method, moments method 1 UVOD Weibullova porazdelitev je znana že od sredine prejšnjega stoletja in temelji na principu »najšibkejšega člena«, to je, material oz. izdelek se zlomi, ko popusti njegov najšibkejši del [1]. Povedano drugače: ko lokalna mehanska napetost preseže trdnost materiala, nastane tam razpoka, ki se hitro razširi in povzroči zlom celotnega vzorca ali izdelka. Izmerjene trdnosti keramičnih vzorcev pri tri- ali štiritočkovnem upogibnem preizkusu se navadno zelo dobro ujemajo z Weibullovo porazdelitveno funkcijo. Zanesljivost in uporabnost te porazdelitve je bila preverjena za zelo širok razpon eksperimentalnih razmer in podprta s teoretičnimi raziskavami [2-10]. V prejšnjem prispevku smo opisali statistično obdelavo 5100 vrednosti meritev upogibnih trdnosti keramičnih vzorcev iz korundne keramike (Al2O3) v podjetju Hidria AET, d. o. o. [11]. Za oceno obeh Weibullovih parametrov iz omejenega vzorca meritev smo uporabili metodo maksimalne verjetnosti. S primerjavo korelacijskega koeficienta ali faktorja R2 na osnovi verjetnostnih diagramov Q-Q za štiri različne statistične porazdelitve smo ugotovili, da se meritve najbolje ujemajo ravno z Weibullovo porazdelitvijo. V tem članku se bomo torej ukvarjali samo z Weibullovo porazdelitvijo, za primerjavo pa bomo poleg metode maksimalne verjetnosti uporabljali tudi linearno regresijo in metodo momentov [5]. Z njimi ocenimo vrednosti obeh parametrov Weibullove porazdelitve. Zanimala nas bo predvsem korelacija med dobljenimi parametri pri vseh treh metodah, še bolj pa zveza med parametri za majhno in veliko število serij vzorcev. Ena od zanimivih možnosti pri uporabi eksperimentalnih trdnosti, ki so jo raziskovalci večkrat uporabili, je naključno mešanje vrstnega reda teh podatkov in ugotavljanje parametrov porazdelitve naključnih vzorčnih skupin [3, 8]. Za takšno sistematično mešanje velike množice podatkov lahko uporabimo računalnikov generator naključnih števil. Tako lahko preverjamo zanesljivost statističnih napovedi na osnovi manjših preizkusnih grup. V tem prispevku bomo primerjali predvsem Weibullov modul v primeru preizkusnih skupin podatkov, kot so bili dobljeni po vrstnem redu v podjetju, z Weibullovim modulom na osnovi mešanja eksperimentalnih podatkov. 2 STATISTIČNI MODEL Eksperimentalne parametre pri lomljenju vzorcev iz aluminijevega oksida (Al2o3) smo že opisali v eni od prejšnjih številk Vakuumista [11], zato opisujemo tu le statistično obdelavo meritev trdnosti. Naša statistična (naključna) spremenljivka je 4-točkovna upogibna trdnost (na kratko trdnost), a. V računih uporabimo obe porazdelitveni funkciji: verjetnostno gostoto p(a) in kumulativno verjetnostno funkcijo: P( a) =f p( x )dx Pri dvoparametrični Weibullovi porazdelitvi sta obe verjetnostni funkciji p in P: P = p( ^) = m Or / \ m-1 m > o ■ exp o (1) 1o 0 J 1o 0 J v J P( O) = 1 - exp m o V 1o 0 J y < O >= -1 O. = O 0 r N i=0 1 +1 m S0-1 O.-< O >)' = (3) (4) P= P= N i P= N +1 i - 3/10 N + 4 /10 (6a) (6b) (6c) i - 3/8 N +1/ 4 (6č) (2) z Weibullovim modulom m in karakterističnim parametrom o0. Najznačilnejša statistična parametra vsake teoretične in eksperimentalne porazdelitve sta pričakovana vrednost naključne spremenljivke (pri eksperimentalni porazdelitvi je to povprečna vrednost) in njena standardna deviacija. Zapišimo povprečno trdnost in njeno standardno deviacijo So na osnovi eksperimentalnih podatkov in teoretične Weibullove porazdelitve: pri tem N pomeni število zlomljenih vzorcev pri upogibnem preizkusu, Oi pa je i-ta trdnost po vrsti. Simbol r označuje funkcijo gama, definirano takole: r( X) = ? tx-1e -' dt (5) 3 METODE ZA OCENO PARAMETROV WEIBULLOVE PORAZDELITVE Naredimo kratek povzetek bistva uporabljenih metod za izračun Weibullovih parametrov. Pri linearni regresiji (LR) uporabljamo različne preproste funkcije (v angleški literaturi se je za takšno funkcijo uveljavilo ime rank estimator), zato da vrstnemu redu izmerjene trdnosti (če jih razvrstimo po velikosti od najmanjše do največje) priredimo kumulativno verjetnost P. omenimo štiri takšne pogosto uporabljane funkcije [5]: i -1/ 2 Pri tem je i indeks, ki ustreza eksperimentalni vrednosti trdnosti o,, N pa je število zlomljenih vzorcev. Pare (o,, P,) potem pri metodi LR primerjamo s funkcijo (2), pri kateri ocenimo parametra m in o0, da se pari funkciji najbolj prilegajo. Če enačbo (2) preuredimo v primerno linearizirano obliko (od tod metodi ime), je problem iskanja obeh parametrov analitično rešljiv in preprost. Zato je metoda LR tako uporabna, čeprav pri majhnem število vzorcev N vodi do sistematske napake, predvsem pri oceni parametra m (metoda daje v povprečju premajhne vrednosti parametra). Pri metodi največje verjetnosti (ML = maximum likelihood) uporabljamo porazdelitveno funkcijo (1). V tem primeru ni treba sortirati eksperimentalnih podatkov. Za vsako eksperimentalno vrednost trdnosti Oi izrazimo po enačbi (1) vrednost pi in potem tvorimo produkt vrednosti pi za vse vzorce. Parametra m in O0 variiramo tako, da ima ta produkt maksimalno vrednost. ustrezno rešitev poiščemo numerično z iterativno metodo. Metoda momentov (MM) je v bistvu najpreprostejša. Weibullova parametra izračunamo tako, da se eksperimentalni in teoretični vrednosti za povprečno trdnost in njeno standardno deviacijo na osnovi enačb (3) in (4) ujemata. Pri zelo velikem številu meritev pa lahko neposredno uporabimo tudi histogramsko (H) metodo. Kot pri metodi LR izmerjene trdnosti najprej sortiramo, interval vseh vrednosti razdelimo na majhne »predalčke« enakih širin in preštejemo število meritev v vsakem predalčku. S takšnim histogramom simuliramo porazdelitveno funkcijo (1). S prilagajanjem Weibullovih parametrov dobimo najboljše ujemanje med funkcijo (1) in eksperimentalno dobljenim histogramom. Ko sta parametra Weibullove porazdelitve izračunana po kateri koli od teh metod, lahko kasneje izračunamo še korelacijski faktor P2, ki nam poda kvantitativno ujemanje med teorijo in eksperimentom: R2 = 1 -- N E (o i- o-.th)2 _i=1_ EE (o, -)2 (7) kjer <0;> pomeni povprečno vrednost izmerjenih trdnosti. Vsaki eksperimentalni vrednosti trdnosti o, v enačbi (7) ustreza teoretična trdnost Oi,th na osnovi teoretičnih Weibullovih parametrov. Vendar pa moramo za izračun vsake vrednosti 0i,,h uporabiti eno od funkcij (6), ne glede na to, po kateri metodi smo prej izračunali parametra m in o0. Na primer, pri izračunu obeh parametrov po metodah ML, MM in H sploh ne potrebujemo funkcij (6), pri izračunu R2 po enačbi (7) i=1 pa uporabimo eno od njih. Pri dobrem ujemanju teorije in eksperimenta je korelacijski faktor zelo blizu vrednosti 1. Če imamo veliko preizkusnih skupin, kjer ima vsaka enako število vzorcev, izračunamo oba Weibullova parametra za vsako skupino posebej. Potem izračunamo povprečno vrednost parametrov, npr. za Weibullov modul. Poskusi in simulacije Monte Carlo (MC) pa kažejo na to, da je porazdelitev vrednosti obeh parametrov pri velikem številu skupin največkrat log-normalna in ne Gaussova. To je najbolj očitno pri majhnih velikostih skupin, npr. N = 12. Zato je včasih morda smiselno logaritemsko povprečenje Weibullo-vih parametrov namesto direktnega povprečenja, ker je logaritemsko povprečje večkrat bližje pravi vrednosti parametrov za zelo veliko število vzorcev. vzemimo na primer logaritemsko povprečni Weibullov modul . Za vsako preizkusno skupino izračunamo naravni logaritem Weibullovega modula, te logaritme povprečimo in nazadnje spet antilogaritmiramo. Za primerjavo zapišimo obe povprečni vrednosti Weibullovega modula: < m > =^ m' < mLN > = exp 1 K — V ln m. K'k ' (8a) (8b) kjer K pomeni število preizkusnih skupin, mt pa je Weibullov modul za i-to skupino. Seveda pa ostane posebno pri nepredvidljivi statistiki eksperimentalnih podatkov vprašanje, katero povprečenje nam daje vrednosti bližje vrednosti za celotno zbirko podatkov, ali . 4 REZULTATI IN DISKUSIJA 4.1 Statistika za celoten nabor podatkov V podjetju Hidria AET, d. o. o., so pri vsaki proizvodni seriji izdelkov iz korundne keramike zlomili po 12 preizkusnih vzorcev v obliki kvadra in izračunali njihove upogibne trdnosti. Najprej smo izračunali Weibullova parametra na osnovi vseh 5100 eksperimentalnih trdnosti, to je 425 proizvodnih ciklov po 12 preizkusnih vzorcev za zlom. Povprečna trdnost (aritmetična sredina vseh 5100 vrednosti) je bila = 289,56 MPa, standardna deviacija pa do = 37,48 MPa. Primerjali smo rezultate in zanesljivost vseh štirih prej omenjenih metod: LR, ML, MM in H. Že samo pri metodi LR imamo več možnosti: poskusili smo z vsemi štirimi funkcijami (6) za oceno kumulativnih verjetnosti Pi. Poleg tega pa imamo tudi pri iskanju najmanjše vsote kvadratov razdalj posameznih točk lineariziranega grafa od premice y = kx + n več možnosti: lahko gre za vodoravne odmike točk od premice (x-regresija), za navpične odmike (y-regresija), lahko pa gledamo »pravokotne« odmike (najkrajše razdalje točk od premice). Zavedati se moramo, da je odločitev za en ali drug kriterij subjektivna, zato se navadno uporablja y-regresija. Pri drugih treh metodah pa nimamo takšnih variacij kot pri LR. Ker je bistvo uporabljenih metod tako različno, bi bilo naivno pričakovati, da bomo pri vseh dobili enaki vrednosti Weibullovih parametrov, pa čeprav gre za 5100 podatkov. V tabeli 1 so prikazane vrednosti Wei-bullovih parametrov, izračunanih po različnih metodah. Za metodo LR je v tabeli prikazan le izid za y-regresijo in funkcijo (6a), čeprav smo preizkusili vseh možnih 12 kombinacij (štiri funkcije in tri vrste regresij). Razlike v okviru metode LR so majhne: izračunani parameter m je v intervalu od 9,315 do 9,355 , 00 pa je med 305,22 MPa in 305,28 MPa. Medtem ko se najmanjši in največji izračunani skalirni parameter o0, izračunan po različnih metodah, razlikujeta le za 1,5 %o, pa je razlika v Weibullovem modulu m med metodo LR (9,34) in ML (9,05) nekoliko presenetljivo velika: okrog 3 %. Res je splošno znano, da je izračun skalirnega parametra precej zanesljivejši kot izračun Weibullovega modula, vendar bi pri 5100 podatkih vseeno pričakovali manjše odmike v vrednostih m, kot jih dobimo. Zato smo za vse štiri pare Weibullovih parametrov izračunali še korelacijski koeficient R^, da bi primerjali zanesljivost metod; izbrali smo funkcijo (6a). Morda se primerjava R2 za vse štiri metode ne zdi povsem poštena, ker uporabljamo pri tem računu princip, prirejen za metodo LR. Vendar pa ugotavljamo, da je korelacijski koeficient pri vseh metodah zelo visok in skoraj enak. Za primerjavo, pri Gaussovi porazdelitvi v prejšnjem prispevku v Vakuumistu smo dobili po metodi ML vrednost R2 = 0,9855, pri drugih dveh porazdelitvah, log-normalni in gama, pa je bil še manjši [11]. Torej nam novi izračuni spet dokazujejo, da je Weibullova porazdelitev res pravilna, le njeni parametri so nekoliko negotovi. Kako si torej lahko razložimo tolikšno negotovost v Weibullovem modulu: med 9,05 in 9,34? Celotna porazdelitvena funkcija je pri tolikšnem Weibullovem modulu že kar ozka in očitno dokaj neobčutljiva za manjše variacije tega parametra. Tabela 1: Izračunana Weibullova parametra za 5100 podatkov po štirih metodah in ustrezni faktor R2 Metoda m Oc/MPa R2 LR 9,34 305,25 0,9986 ML 9,05 305,50 0,9985 MM 9,25 305,39 0,9987 H 9,24 305,05 0,9987 4.2 Majhne in velike vrednosti trdnosti Druga težava pri interpretaciji izmerjenih trdnosti s teoretično porazdelitvijo so zelo majhne in zelo velike trdnosti. Izmerjene trdnosti vedno ležijo na omejenem intervalu, pa če jih je še tako veliko, medtem ko segajo teoretične vrednosti po Weibullovi porazdelitvi od nič do neskončno. Ali imajo potem zelo majhne in zelo velike teoretične trdnosti sploh kak praktičen pomen? V primeru 5100 vrednosti trdnosti AlzOj vzorcev v Tolminu je bila najmanjša trdnost okrog 137 MPa, največja pa 400 MPa. Vprašamo se lahko, kolikšna je teoretična verjetnost, da bo res vseh 5100 vzorcev pri zgoraj ocenjenih Weibullovih parametrih imelo trdnosti med omenjenima vrednostima. Enačba (2) velja za en sam izbran vzorec izmed mnogih, npr. P(400 MPa) pomeni verjetnost, da izmerjena trdnost ne bo večja od 400 MPa. Podobno pomeni 1 - P(137 MPa) verjetnost, da izmerjena trdnost ne bo manjša od 137 MPa. Pri vseh 5100 vzorcih pa moramo posamezne verjetnosti množiti. Račun pokaže, da je verjetnost, da bodo imeli vsi vzorci večje trdnosti od 137 MPa, samo 5 %. Nasprotno je verjetnost, da bodo imeli vsi vzorci manjše trdnosti od 400 MPa, kar 98-odstotna. Da med 5100 vrednostmi trdnosti nimamo večjih od 400 MPa, je potem kar v skladu s teoretično porazdelitveno funkcijo, pa čeprav nam je jasno, da noben vzorec ne more imeti večjih trdnosti, kot jih dopuščajo medatomske sile. Zakaj pa potem nima vsaj en vzorec manjše trdnosti kot 137 MPa, čeprav je verjetnost za to 95-odstotna? Prvič, lahko je to čisto naključje, saj gre še vedno za statistične negotovosti in morda bi imel ravno 5101. vzorec trdnost recimo samo 100 MPa. Drugič, statistična analiza, povezana z zlomom materiala na osnovi mehanskih napetosti okrog mikro-defektov, pokaže, da je Weibullova statistika odvisna od kvantitativne velikostne porazdelitve mikrodefek-tov v snovi [4]. Zato je lahko pri obravnavi majhnih mehanskih obremenitev preprosto napačna. Tako lahko opazimo v literaturi tudi uporabo triparame-trične Weibullove porazdelitve namesto dvoparame-trične; tretji parameter poleg m in Oo je najmanjša teoretična trdnost, ki je večja od nič. In tretjič, za pomanjkanje majhnih izmerjenih trdnosti je lahko kriv tudi človeški dejavnik s selekcijo izdelkov in vzorcev. Na primer, če operator stroja za nizkotlačno brizganje keramične suspenzije v kalupe vidi, da se je en vzorec ponesrečil in da bo imel slabe mehanske lastnosti, ga preprosto zavrže, namesto da bi ga dal sintrati skupaj z drugimi vzorci. 4.3 Statistika za majhne preizkusne skupine Pri tej natančni kvantitativni statistični interpretaciji trdnosti pa nas je najbolj zanimala sistematična odvisnost izračunanih Weibullovih parametrov od velikosti preizkusnih skupin in od uporabljenih metod (samo LR, ML in MM, ker je histogramska metoda za majhno število vzorcev neuporabna). Zgoraj smo omenili, da je imela vsaka preizkusna skupina v tolminskem podjetju samo 12 vzorcev, ovrednotili pa smo statistiko za vseh 5100 vzorcev skupaj. To pa ni enako, kot če bi obravnavali vsako preizkusno skupino posebej. Paziti moramo tudi, da razlikujemo sistematsko napako uporabljene metode od resničnih razlik v izračunanih parametrih za različno velike preizkusne skupine. Dobro znano je na primer, da pri majhnem številu vzorcev N metoda LR daje premajhne vrednosti Wei-bullovega modula m in nekoliko prevelik o0 [5]. Nasprotno daje ML prevelik m in nekoliko premajhen o0 [5]. To ugotovitev se da lepo potrditi s simulacijami Monte Carlo (MC), kar smo z izčrpnimi računi večkrat preverili tudi sami [8, 9]. V splošnem je tako negotovost kot sistematična napaka parametra O0 veliko manjša kot pri parametru m. Zato se tu omejimo na opis rezultatov za Weibullov modul. Ker je bilo pri eksperimentu N = 12 za vsako proizvodno serijo, se nam je zdelo smiselno za različne velikosti preizkusnih skupin v naših računih vzeti mnogokratnik tega števila. To pomeni, da smo združevali vedno več eksperimentalnih preizkusnih skupin, največ 10 (N = 120). Združevanje je šlo po istem vrstnem redu, kot so časovno potekale meritve. s povečevanjem N od 12 do 120 se je pri metodah LR, ML in MM vrednost parametra m spreminjala in to smo primerjali s tremi referenčnimi vrednostmi v tabeli 1 za 5100 vzorcev (slike 1-3). Razlike so nastale, prvič zaradi večje naključnosti in negotovosti za majhen N, drugič pa zaradi zgoraj omenjene sistematične napake posameznih metod. Vendar obstaja še tretji mogoči vzrok: razmere pri izdelavi vzorcev se lahko od serije do serije nekoliko spreminjajo in to lahko pomeni dodatno sistematično napako glede na veliko število vzorcev. S tem mislimo, da se lahko celotna proizvodnja izdelkov po kvaliteti razlikuje od serije do serije in ne gre le za razlike zaradi naključno izbranih vzorcev iz vsake serije. Naključno napako zaradi statističnih variacij lahko navadno hitro odstranimo od sistematičnih napak (zaradi naključnega nihanja vrednosti obravnavanega parametra gor ali dol), teže pa razlikujemo eno sistematično napako od druge. Tu si lahko pomagamo s čisto teoretičnimi MC-simulacijami, kjer izberemo kot vhodni podatek neko vrednost Weibullovega modula m0, na primer pri preizkusu metode LR vrednost m0 = 9,34 iz tabele 1. Potem izberemo npr. N = 12 in zelo velikokrat ponovimo simulacijo, recimo 100 000-krat po 12 vzorcev. Tako dobimo 100 000 različnih vrednosti m, ki se bolj ali manj razlikujejo od vhodne vrednosti mo. Vseh teh 100 000 vrednosti m povprečimo, da dobimo . S povprečenjem smo se znebili naključne napake zaradi statističnih variacij. Izkaže se, da se povprečje razlikuje od m0 in to tem bolj, čim manjša je vsaka preizkusna skupina (recimo N = 12). Kot smo že omenili, v primeru LR metode velja: < m0. Tako smo ugotovili sistematično napako metode za vsak N posebej in jo vemo vnaprej, ko preverjamo dejanske eksperimentalne trdnosti. Kako naredimo primerjavo? Recimo, da smo izbrali najmanjšo velikost grupe N = 12. Za vseh 5100 vzorcev pomeni to 425 skupin. Za vsako od teh skupin po 12 vzorcev izračunamo z izbrano metodo, npr. LR, drugo vrednost m. Teh 425 eksperimentalnih vrednosti m povprečimo in dobimo . Vrednost se lahko razlikuje tako od m0 = 9,34 kot od iz MC-simulacij. Z razliko med vrednostima in tako odstranimo eksperimentalni odmik Wei-bullovega modula (glede na veliko število vzorcev) od sistematične napake same metode. Podobno naredimo tudi za metodi ML in MM. Vendar smo uporabili za nazornejšo interpretacijo rezultatov drugo pot. Namesto teoretičnih MC-simu-lacij smo pri vsaki izbiri preizkusnih skupin z računalniškim generatorjem naključnih števil temeljito premešali vrstni red vseh 5100 meritev trdnosti. Torej smo poleg časovno pravilnega vrstega reda meritev uporabili tudi naključni vrstni red in primerjali rezultate. Tu velja omeniti, da imamo kljub omejenemu številu vseh vrednosti trdnosti (5100) pri naključnem mešanju podatkov veliko več možnosti kot pri časovno pravilnem vrstnem redu. Za lažjo razlago vzemimo spet velikost skupine N = 12. Pri časovno pravilnem vrstnem redu smo dobili 425 skupin ter toliko vrednosti m. Ko pa premešamo 5100 meritev in potem razdelimo to po vrsti na 425 skupin s 425 vrednostmi m, lahko mešanje ponovimo in ponovno vse skupaj razdelimo na 425 skupin. Te bodo zaradi ponovnega mešanja seveda drugačne od prvih 425 skupin. To lahko praktično ponavljamo v neskončnost, saj je število mogočih kombinacij, kako 5100 vzorcev razdeliti na 425 skupin po 12, nepredstavljivo veliko. Tako lahko zaradi mešanja efektivno povprečimo neprimerno več kot 425 vrednosti m in s tem je rezultat zanesljivejši. Kaj smo sicer z mešanjem eksperimentalnih podatkov sploh dosegli? Zaradi časovne naključnosti smo izničili variacije od serije do serije v proizvodnji. Če torej dobimo veliko razliko v rezultatih za nepreme-šane in premešane podatke, pomeni to veliko serijsko variabilnost, torej tudi nihanje kvalitete izdelkov, kar ni ravno ugodno za podjetje. Omenimo še, da število 5100 ni bilo vedno deljivo z velikostjo vzorčne skupine N. Na primer, pri N = 24 je 5100 = 212 • 24 + 12. V takšnem primeru smo pač vzeli po vrsti 212 skupin po 24 vzorcev, izpustili pa zadnjih 12 meritev. Slike 1-3 prikazujejo razliko med povprečnim Weibullovim modulom za nepremešane in premešane eksperimentalne trdnosti vzorcev v odvisnosti od velikosti skupine N, in sicer za vse tri metode, enačba (8a). Vodoravna asimptota na diagramih prikazuje za primerjavo vrednosti m iz tabele 1 za vseh 5100 podatkov. Na slikah so prikazane še enake odvisnosti od N za vse tri metode pri časovno pravilnem vrstnem redu in pri mešanju podatkov, kjer smo namesto navadnega povprečenja Weibullovih modulov vzeli logaritemska povprečja, enačba (8b). Ugotavljamo, da so razlike v m za nepremešane in premešane podatke velike. Grafe na slikah se da nazorno razložiti. Prvič, vsa logaritemska povprečenja Weibullovega modula dajejo manjše vrednosti kot navadna povprečenja, kar se da matematično dokazati in tudi izpeljati razmerje Slika 1: Grafi odvisnosti {N) in {N) pri metodi LR; povprečenja po skupinah velikosti N brez me{anja: direktno (polni kvadratki) in logaritemsko {prazni kvadratki), in s pre-me{animi podatki: direktno {polni trikotniki) in logaritemsko {prazni trikotniki) Slika 2: Grafi odvisnosti {N) in {N) pri metodi ML; simboli imajo enak pomen kot pri sliki 1. Slika 3: Grafi odvisnosti (N) in (N) pri metodi MM; simboli imajo enak pomen kot pri slikah 1 in 2. med obema povprečjema, ce je npr. porazdelitev za m res log-normalna. Drugič, pri metodah ML in MM so vse vrednosti Weibullovih modulov nad limitno vrednostjo, ki smo jo na slikah označili z msioo. To je prav že zaradi sistematske napake obeh metod (precenitev vrednosti m), ki pa se postopno zmanjšuje z večanjem N. Pri metodi LR je stvar nekoliko bolj zapletena: pri premešanih podatkih daje metoda manjši modul od limitne vrednosti, tako kot mora biti (razen pri direktnem povprečenju za N = 12 in 24). Vendar pa so pri nemešanih skupinah povprečne vrednosti m nad limitno vodoravno črto in to je lahko samo zaradi dodatne sistematične napake zaradi variacij kakovosti proizvodnih serij. Kar pa je najbolj bistveno, krivulje za povprečni modul za nepremešane podatke so bistveno nad tistimi za premešane podatke. Manjšo vrednost modula pri premešanih trdnostih se da lepo razložiti: ko vzamemo naključno skupaj npr. 12 vzorcev ne samo iz ene proizvodne serije, temveč iz katere koli serije, se naključnosti izbire iz ene serije pridruži še naključnost kvalitete različnih serij. Zato je logično pričakovati večjo širino Weibullove porazde-litvene funkcije trdnosti, to pa pomeni manjši Wei-bullov modul. velike razlike med premešanimi in nepremešanimi trdnostmi kažejo na neugodno velike razlike v proizvodnih serijah. Na kratko opišimo še rezultate za skalirni parameter Oo. Metoda LR daje pri nepremešanih podatkih, ne glede na način povprečenja, direktno ali logaritemsko, nekoliko premajhen skalirni parameter v primerjavi z vrednostjo 305,25 v tabeli 1, za premešane podatke pa preveliko vrednost. To je v skladu s prevelikim modulom m za nepremešane podatke in premajhnim modulom za premešane podatke. Nasprotno dajeta metodi ML in MM v primerjavi z vrednostima za 5100 podatkov nekoliko premajhen povprečni skalirni parameter, ker dajeta prevelik Weibullov modul. V splošnem velja: če daje metoda sistematsko premajhen m, potem daje prevelik Oo in nasprotno. Sistematična napaka v skalirnem parametru pa je majhna in je največja pri N =12, med 3 ^ in 7 %o, odvisno od metode in načina povprečenja. 5 SKLEP s primerjavo različnih metod za oceno Weibullovih parametrov smo prišli do enakih sklepov o nihanju kakovosti proizvodnih serij keramičnih izdelkov. To prepoznamo po tem, daje povprečni Weibullov modul za množico preizkusnih skupin pri premešanih podatkih veliko manjši kot pri nepremešanih. Pokazalo seje tudi, da so metode LR, ML in MM v splošnem približno enako zanesljive pri oceni Weibullovega modula, čeprav so vse obremenjene s sistematsko napako pri majhnih preizkusnih skupinah in celo pri 5100 vzorcih ne dajejo iste vrednosti m. Vendar pa to ni tako bistveno, saj smo ugotovili, da napaka nekaj odstotkov v vrednosti m ne pomeni praktično nobene razlike v Weibullovi statistiki, posebno ker vrednost skalirnega parametra a0 kompenzira nekoliko drugačno vrednost modula m. 6 Literatura [1] W. Weibull, J. Appl. Mech., 18 (1951), 293 [2] P. Kittl, G. Diaz, Res. Mech., 24 (1988), 99 [3] N. Orlovskaja, H. Peterlik, M. Marczevski, K. Kromp, J. Mater. Sci., 32 (1997), 1903 [4] R. Danzer, T. Lube, P. Supancic, Z. Metall., 92 (2001), 773 [5] D. Wu, Y Li, Chem. Eng. Sci., 56 (2001), 7035 [6] I. J. Davies, J. Mater. Sci., 39 (2004), 1444 [7] D. Wu, J. Zhou, Y. Li, J. Eur. Ceram. Soc., 26 (2006), 1099 [8] M. Ambrožič, K. Vidovic, J. Mater. Sci., 42 (2007), 9645 [9] M. Ambrožič, L. Gorjan, J. Mater. Sci., 46 (2011), 1862 [10]L. Gorjan, M. Ambrožič, J. Eur. Ceram. Soc., 32 (2012), 1221 [11]M. Ambrožič, L. Gorjan, Vakuumist, 32 (2012) 3, 12 MIKROSTRUKTURNE NEPRAVILNOSTI TRDIH PVD-PREVLEK Peter Gselman, Peter Panjan Institut »Jožef Stefan«, Jamova 39, 1000 Ljubljana ZNANSTVENI ČLANEK POVZETEK Čeprav so se trde zaščitne PVD-prevleke izkazale za enega izmed najučinkovitejših načinov povečanja produktivnosti odrezovalnih postopkov, še njihov potencial ni popolnoma izkoriščen, saj je v njih veliko mikrostrukturnih nepravilnosti, kot so poroznost, vključki in predvsem defekti. Ti defekti negativno vplivajo na želene lastnosti prevlek, zato se različne raziskovalne skupine že vrsto let trudijo zmanjšati njihovo pogostnost. Do sedaj jim je uspelo ugotoviti, kateri so najpogostejši vzroki za nastanek defektov, kot tudi kako le-ti vplivajo na topografijo površine. Bistveni izsledki so zbrani v tem članku. Ključne besede: PVD-defekti, trde PVD-prevleke, ionsko jedkanje, naprševanje Microstructural imperfections of hard PVD coatings ABSTRACT Hard PVD coatings have been proved as one of the most succes-full methods for enhancing the cutting process productivity, however, their potential is not yet fully exploited because they contain several microstructural imperfections, such as porosity, inclusions and above all, growth defects. These defects have a negative influence on required coating properties, therefore many research groups have been trying to minimize their concentration. So far, they have been succesfull in realizing, what are the most common reasons for their appearance, as well as in understanding the mechanism of their influence on topography. The most important findings are reported in this paper. Keywords: growth defects, PVD hard coatings, ion etching, sputtering 1 UVOD V trdih prevlekah, ki jih pripravimo z PVD-po-stopki nanašanja (naparevanje, naprševanje), je veliko mikrostrukturnih nepravilnosti [1-4]. Mikrostrukturne nepravilnosti na nanonivoju so posledica strukturnih napak med rastjo kristalov (dislokacije, meje). Morfološke nepravilnosti na submikrometrski skali so povezane z nukleacijskimi mehanizmi. Odvisno od parametrov nanašanja lahko raste prevleka z grobo-zrnato ali finozrnato mikrostrukturo. Število nukleacij-skih mest lahko ustvarimo z ionskim jedkanjem. Čim bolj intenzivno je jedkanje, več je nukleacijskih mest in bolj gladka je površina prevleke. Mikrostrukturne nepravilnosti na mikrometrski skali so posledica mikrometrskih topografskih nepravilnosti na površini podlag (jamice, vršički) in vgajevanja mikrometrskih delcev (ostanki nečistoč na površini podlag, delci, ki se ustvarijo v napravi za nanos v vseh fazah nanašanja) v rastočo prevleko. O mikrostrukturnih nepravilnostih na makroskali pa govorimo, kadar morfologijo prevleke določajo nepra- vilnosti na podlagi, ki imajo makroskopske dimenzije (raze, grebeni, brazde, utori, kraterji večjih dimenzij). Posledica mikrostrukturnih nepravilnosti so poroznost in povečana hrapavost prevleke. Njihov vpliv na fizikalno-kemijske in tribološke lastnosti je znaten, zato so predmet številnih raziskav. Prve raziskave nodularnih defektov v optičnih prevlekah so iz leta 1969 [5]. Takrat so opazili, da so nodularni defekti tista mesta v optičnih prevlekah, ki so najbolj izpostavljena poškodbam, kadar so prevleke izpostavljene močnemu curku laserske svetlobe. Razlog je v tem, da nodularni defekti zaradi svoje oblike delujejo kot zbiralne leče, zato je na teh mestih intenziteta svetlobe veliko večja kot v okolici [6, 7]. V trdih PVD-prevlekah različni defekti (nodularni, jamice) negativno vplivajo na korozijsko obstojnost, omočljivost, oprijemljivost, trenje in obrabno obstojnost prevleke. Zato si raziskovalci prizadevamo, da bi gostoto takšnih defektov minimizirali. Da bi to lahko naredili, moramo razumeti vzroke za njihov nastanek. 2 RAST PVD-PREVLEK Da bi razumeli, kaj vse povzroči nastanek mikrostrukturnih nepravilnosti v PVD-prevlekah, si moramo do podrobnosti ogledati fizikalno-kemijske in druge procese, ki vodijo do njihovega nastanka. Nanašanje PVD-prevlek je tristopenjski proces: najprej v izviru razgradimo (uparimo) masivno snov na atome, jih v obliki atomskih curkov prenesemo skozi vakuum do trdnih podlag, kjer jih kondenziramo v obliki tanke plasti. Ta na videz preprost tehnološki postopek spremljajo različni fizikalno-kemijski pojavi, ki potekajo hkrati ali zaporedoma v trdni, tekoči in plinski fazi. Ti procesi so: uparitev (razprševanje, izparevanje, sublimacija), adsorpcija, nastajanje kali in kondenzacija na podlagah (rast zarodkov, koales-cenca), prekristalizacija, kemijske reakcije nastajajoče prevleke s podlago in preostalim plinom. Vsi ti procesi potekajo močno neravnotežno (prenasičenost uparje-nih par, podhladitev podlag), zato se v prevleko vgradi veliko število strukturnih napak (točkastih defektov, dislokacij). Rast prevlek je zelo odvisna od vrste in topografije materiala podlage (hrapavost, vključki, delci nečistoč), kemijskega stanja površine podlage (sestava, kontaminacija), napak na površini (npr. razpoke, raze), izpli-njevanja podlag med segrevanjem, preferenčnih nukleacijskih mest in stabilnosti površine. Pomembni dejavniki so {e temperatura podlag, kineti~na energija uparjenih delcev, stopnja njihove ionizacije in elektri~ni potencial na podlagah. Na rast vpliva tudi preostali plin v vakuumski posodi, ki se vgrajuje v prevleko in jo onesnažuje. Preostali plini desorbirajo iz vakuumske posode, iz tar~e oz. lon~ka za izpare-vanje, iz ~rpalk, iz zraka, ki vdira iz okolice skozi netesnosti. Posebej na rast prevlek vplivajo plini, ki jih pri reaktivnem nana{anju (naparevanju, napr{evanju) namenoma dodajamo, da bi zagotovili rast prevleke z želeno kemijsko sestavo. Drugi sklop parametrov, ki vplivajo na rast prevleke, so delovne razmere pri nana{anju: temperatura podlag, hitrost nana{anja, kotna porazdelitev uparjenih atomov, ~istota preostale atmosfere v vakuumski posodi, obstreljevanje rasto~e prevleke z energijsko bogatimi delci. Trde PvD-prevleke rastejo s konden-zacijo atomov na podlagi. Mikrostruktura prevleke pa ni odvisna samo od vrste materiala, temperature podlage in tlaka delovnega plina (argon), ampak tudi od gostote toka in energijske porazdelitve vseh delcev, ki obstreljujejo rasto~o prevleko. Vsi ti parametri vplivajo na volumensko in povr{insko difuzijo, na nastajanje to~kastih defektov, amorfizacijo ali rekristali-zacijo in nukleacijo. Pove~anje povr{inske migracije adsorbiranih atomov lahko dosežemo na ve~ na~inov, npr. s pove~anjem temperature podlage, z zmanj{a-njem tlaka delovnega plina, pove~anjem elektri~ne napetosti na podlagah (t. i. bias). 3 MIKROSTRUKTURA PVD-PREVLEK Mikrostruktura PVD-prevlek je torej odvisna od {tevilnih dejavnikov [3, 4, 8]. Mochvan in Demchishin [5] sta prva naredila pasovni model mikrostrukture (PMM), s katerim sta pokazala, kako so strukturni pasovi odvisni od razmerja temperatur nana{anja (rp) in temperature tali{~a (rt) izbrane snovi F = Tp/Tt. Pozneje je Thornton dopolnil njun model tako, da je upo{teval vpliv tlaka delovnega plina (P) na mikro-strukturo in v pravokotnem polju, omejenem s koordinatama P in F, identificiral {tiri pasove z razli~nimi mikrostrukturami. V prvem pasu, kjer je razmerje F = Tp/Tt < 0,3, raste porozna prevleka z odprto ste-bri~asto mikrostrukturo (slika 1). Na povr{ini imajo stebri obliko kupole. Tak{na rast je posledica majhne gibljivosti atomov, ki prispejo na povr{ino podlage, in efekta geometrijskega sen~enja. Kristalna zrna rastejo v smeri, ki se sklada s smerjo vpadnih atomov. V coni 2 (0,3 < Tp/Tt < 0,5) rastejo gosto zloženi stebri~asti (vlaknasti) kristali. Velikost zrn raste z razmerjem Tp/Tt in praviloma se raztezajo ~ez vso debelino prevleke. Povr{ina stebri~astih zrn je gladka. Tak{na rast je že posledica povr{inske difuzije atomov. V coni T (Tp/Tt < 0,5) se premer stebri~astih zrn zaradi volu- Slika 1: Strukturni diagram con prevlek, narejenih z naprse-vanjem, ki gaje predlagal Thornton [9] menske difuzije ali rekristalizacije pove~a. Taka prevleka je bolj gosta, njena povr{ina bolj gladka, kristalna zrna pa imajo stebri~asto obliko. Pri {e vi{ji temperaturi (cona 3) igra pomembno vlogo volumen-ska difuzija, zato so za mikrostrukturo tega pasu zna~ilna ekviaksialna zrna. struktura prevlek je torej zelo odvisna od gibljivosti atomov, ki prispejo na povr{ino podlage. Energijo, ki jo atomi potrebujejo za povr{insko difuzijo, prejmejo bodisi od vro~e podlage (termi~na energija) ali od visokoenergijskih delcev iz izvira za nana{anje ali plazme, s katerimi obstreljujemo rasto~o prevleko. Pove~ana gibljivost je lahko tudi rezultat kemijskih reakcij, ki potekajo v prevleki. Obstreljevanje rasto~e prevleke z energijsko bogatimi ioni ima zelo mo~an vpliv na njeno mikrostruk-turo. S pove~evanjem energije ionov se zmanj{a poroznost na mejah stebri~astih zrn, gostota defektov pa se pove~a. Pri dovolj intenzivnem obstreljevanju z ioni je gostota defektov zadosti velika, da se prekine stebri~asta rast, hkrati pa se pojavijo nova nukleacijska mesta za nastanek novih zrn. Poleg energije ionov pa je pomembna tudi gostota toka ionov. Z ve~jo gostoto ionov se pove~a gibljivost atomov na povr{ini, pove~a se {tevilo novih nukleacijskih mest. Hkrati se kristalna zrna raz{irijo, ker vpliv pove~ane gibljivosti atomov prevlada vpliv pove~anega {tevila nukleacijskih mest. Z ionskim obstreljevanjem spremenimo tudi teksturo prevleke. Ta je tehnolo{ko pomemben parameter, saj je ve~ina njenih lastnosti odvisna od kristalografske smeri. Na rast prevlek pomembno vpliva kotna porazdelitev vpadnih atomov. Ta je zna~ilna za vsak sistem za nana{anje posebej. Če je izvir za uparitev to~kast, razdalja med izvirom in podlago pa velika, je kotna porazdelitev v izbrani to~ki podlage majhna, vendar pa zelo razli~na na razli~nih mestih podlag. Če pa uparjeni atomi izhajajo iz izvira z veliko povr{ino, potem je kotna porazdelitev v izbrani to~ki podlage velika in razli~na za razli~na mesta na podlagi. Z ustreznim vpetjem in rotacijo podlag lahko zagotovimo homogeno gostoto in kotno porazdelitev uparje-nih atomov. Stebri~asta morfologija prevleke, ki raste na gladkih podlagah, je posledica preferen~ne rasti zrn z razli~no kristalografsko orientacijo. Zrna z razli~no orientacijo rastejo razli~no hitro, ker gibljivost atomov na kristalnih ravninah z razli~no orientacijo ni enaka (slika 2). Čim manjša je površinska difuzija atomov, ve~ja je hitrost rasti. Posledica razli~ne hitrosti rasti je, da se z debelino prevleke kontinuirano spreminja njena morfologija, tekstura in topografija njene površine. Zato z debelino naraš~a tudi hrapavost, ki je primerljiva z velikostjo kristalnih zrn. Za mikrostrukturo prevleke ob meji s podlago so zna~ilna naklju~no orientirana majhna zrna. Nekatera od teh, ki imajo ustrezno orientacijo, rastejo hitreje in prehitijo preostale. Širijo se kot stebri~asta zrna v obliki ~rke V (stož~asta morfologija). Na mejah med stebri~astimi zrni je veliko praznin, ki so posledica geometrijskega sen~enja med rastjo prevleke. Na rast kristalnih zrn mo~no vpliva dodatek zlitinskih elementov, dopantov ali ne~isto~. Morfologija prevleke pa ni odvisna samo od gibljivosti atomov na površini rasto~e prevleke, ampak tudi od hrapavosti površine podlage. Če je površina podlage hrapava, potem je sprememba vpadnega kota atomov vzrok za nastanek zapletene morfologije. Na konico vrši~kov hrapave površine prispejo atomi iz vseh smeri, in ~e je gibljivost atomov majhna, raste prevleka na tem mestu hitreje kot v sosednjih »dolinah«. Atomi od izvira do podlage potujejo premo-~rtno, zato vrši~ki zastirajo »doline« (geometrijsko sen~enje). Prevleke, ki rastejo na hrapavih podlagah, imajo v splošnem tudi manjšo gostoto. Stebri~asto rast opazimo tako v kristalini~nih kot amorfnih prevlekah. Posamezno stebri~asto zrno ni enovit kristal (mono-kristal), pa~ pa je sestavljen iz manjših ekviaksialnih zrn ali pa je v celoti amorfen. Tudi izbira vrste podlage ima velik vpliv na mikrostrukturo prevleke [11, 12, 13]. Vzemimo za primer Slika 2: Shematski prikaz stebričaste morfologije [10] VAKUUMIST 33 (2013) 4 nanos trde TiN-prevleke na podlago iz ve~faznega materiala (npr. hitroreznega jekla). Hitrorezno jeklo vsebuje karbidne vklju~ke vrste MC (M je v osnovi vanadij) in MgC (M sta v osnovi molibden in volfram), ki so vgrajeni v martenzitno osnovo, v kateri pa so še ostanki zaostalega avstenita. Velikost karbidnih vklju~kov je v obmo~ju od 1 ^m do 5 ^m, volumenski delež pa 10-20 %. Mikrostruktura TiN-prevleke na takšni podlagi je zato nehomogena, saj je nukleacija in za~etna rast zelo odvisna od lokalne strukture hitroreznega jekla. Na martenzitni osnovi in karbidih MgC raste TiN-prevleka z gosto stebri~asto mikrostrukturo. Premer stebrov, ki rastejo na martenzitni osnovi, je blizu meje s podlago približno dvakrat ve~ji od tistih, ki rastejo na karbidih MgC. Razlika v mikrostrukturi z debelino postopno izgine. Na karbidih MC pa raste prevleka epitaksialno. Kristalno zrno se v nekaterih primerih (odvisno od temperature podlage) razteza skozi celotno debelino prevleke. Faza MC ima enako kristalno strukturo kot TiN (ploskovno centrirana kubi~na - fcc). Neujemanje mrežnih parametrov je manj kot 1,6-odstotno. Epitak-sialna rast trde TiN-prevleke na karbidnih zrnih MC izboljša njeno oprijemljivost na podlago. Zato se z ve~jo koncentracijo karbidnih zrn MC na površini po-ve~a tudi oprijemljivost [14]. 4 MIKROSTRUKTURNE NEPRAVILNOSTI NA MIKRO- IN MAKRONIVOJU V prejšnjem poglavju smo opisali, kako parametri nanašanja PVD-prevlek (temperatura, hitrost nanašanja, tlak, ionsko obstreljevanje) vplivajo na mikrostrukturo in topografijo PVD-prevlek. Poleg opisanih fizikalno-kemijskih procesov, ki povzro~ijo nastanek stebri~aste strukture PVD-prevlek s specifi~no topografijo površine na submikronivoju, pa obstaja še vrsta procesov, ki vodijo do nastanka mikrostrukturnih defektov na mikro- in makronivoju. Tako najdemo v prevlekah veliko t. i. nodularnih defektov in drobnih luknjic (angl. pinhole). Za nastanek nodularnih defektov so odgovorne vse tiste nepravilnosti na površini podlage, ki so ve~je od 0,1 ^m (vrši~ki, raze), in zlasti majhni delci sub-mikrometrske velikosti, ki ostanejo na površini podlag po ~iš~enju (prah, ostanki polirnega sredstva, ne~i-sto~e) ali pa nastanejo med procesom nanašanja prevleke. V nadaljevanju bomo opisali, kaj so izviri takšnih nepravilnosti na površini podlag in kje vse so izviri tujih delcev, ki se vgradijo v prevleko. 4.1 Povr{ina orodnih jekel po poliranju Dolo~ene topografske nepravilnosti se pojavijo na površini podlag iz orodnih jekel že v fazi brušenja in Slika 3: Shematski prikaz površinskih napak orodij, nastalih med poliranjem in brušenjem poliranja. Pogost problem je »prepoliranje«. Ta pojem uporabimo za stanje, ko se za~ne po dolo~enem ~asu poliranja gladkost povr{ine jekla slab{ati. Razlog sta bodisi t. i. »pomaran~nolupinski« pojav (angl. orangepeel effect) ali pa jami~asti pojav (angl. pitting) [13]. Pomaran~nolupinski pojav nastane pri poliranju jekla, ~e je tlak polirnega orodja velik in ~e so ~asi poliranja dolgi. Pri tem velja, da je tr{a faza v jeklu manj ob~utljiva za velike pritiske in da se mehkej{a faza polira hitreje (slika 3), zato se na povr{ini pojavijo vr{i~ki in vdolbine. Čas poliranja, pri katerem se pojavi »prepoliranje«, je odvisen od trdote materiala, ki ga poliramo. Najpogostej{a reakcija ve~ine operaterjev na pojav »prepoliranja« je nadaljevanje poliranja v upanju, da bodo povr{ino popravili. V resnici pa jo samo {e poslab{ajo. Problem »prepoliranja« re{imo samo tako, da po{kodovano povr{ino najprej zbrusimo z brusnim papirjem, ki smo ga uporabili dva koraka pred poliranjem, nato pa nadaljujemo bolj fino bru{enje in poliranje, vendar pri manj{em pritisku kot pri predhodnem poliranju. Druga težava, ki se pogosto pojavi med poliranjem, je t. i. jami~asti efekt. Med poliranjem se na povr{ini pojavijo majhne jamice, katerih velikost je primerljiva z velikostjo karbidnih in drugih vklju~kov. Jamice nastanejo, ker se trdi in krhki vklju~ki oksidov in karbidov med poliranjem iztrgajo s povr{ine orodja (slika 3). Čim dalj{i je ~as poliranja in ~im ve~ji je tlak, ve~ jamic (iztrganin) nastane napovr{ini. Njihova gostota je odvisna tudi od ~istote jekla, orodja za poliranje in vrste abraziva. Eden od razlogov, zakaj nastanejo jamice, je v razliki med trdoto vklju~ka in matrice. Ker je trdota vklju~kov ve~ja od trdote matrice, je med poliranjem hitrost odstranjevanja slednje ve~ja od hitrosti odstranjevanja vklju~kov. Vklju~ki zato {trlijo s povr{ine. Kadar je sti~na povr{ina med vklju~kom in matrico majhna, se vklju~ki zaradi velikih strižnih sil iztrgajo s podlage in za seboj pustijo jamico. Ta problem je bolj izrazit, kadar je zna~ilna velikost zrn diamantne paste manj{a od 10 ^m in kadar uporabimo mehko polirno orodje (npr. klobu~evino). Kadar uporabimo diamantno pasto z velikostjo zrn 10 um in manj, ne smemo uporabiti mehkega polirnega orodja, pritisk med poliranjem mora biti ~im manj{i, ~as poliranja pa ~im kraj{i. Vse topografske nepravilnosti na povr{ini podlage se prenesejo na povr{ino prevleke. Zaradi geometrijskega sen~enja postanejo {e bolj izrazite (slika 4). Če je razmerje med globino in premerom jamice preveliko, potem prevleka ne prekrije jamice. Na tem mestu je v prevleki drobna luknjica (pinhole). Na mestih karbidov pa opazimo vr{i~ke. Poleg karbidnih vklju~kov pa najdemo v jeklih tudi veliko nekovinskih vklju~kov, ki imajo druga~no (ve~jo ali manj{o) trdoto od osnove, zato se tudi na teh mestih pojavijo drobni kraterji oz. vr{i~ki (slika 3). Najpogostej{i nekovinski vklju~ki so na osnovi MnS, AlzOs, SiO2 ter razli~ni me{ani oksidi. Tak{ne vkliu~ke Slika 4: Shematski prikaz nastanka defekta zaradi geometrijskega senčenja na: (a) vdolbini in (b) izboklini oz. tujem delcu najdemo v vseh jeklih. Nastanejo v fazi izdelave jekla in se jim ne moremo v celoti izogniti. Njihova koncentracija na površini jekla je približno 1-2-odstotna. Na površini poliranih orodnih materialov ostane tudi veliko drobnih delcev. To so lahko drobni odrezki na osnovi železa, ki se oprimejo na površino na-magnetene podlage. Zato je zelo pomembno, da pred kemijskim čiščenjem v ultrazvočni kopeli podlage razmagnetimo. Na površini podlag so tudi ostanki polirne paste, ki se ujamejo na mestih, kjer so iz podlage med brušenjem ali poliranjem iztrgani karbidi (slika 3). Površino orodij, ki so bila izdelana z žično ali potopno erozijo, praviloma peskamo z glinico, zato da odstranimo t. i. belo plast. V tej fazi se lahko na mejah kristalnih zrna ujamejo drobna zrna peskalnega sredstva. Verjetnost za to se zmanjša, če izberemo optimalne parametre peskanja (peskalni material, tlak, vpadni kot, povprečna velikost zrn peskalnega materiala) za izbrano jeklo. Velja pravilo, da mora biti velikost zrn peskalnega sredstva primerljiva z velikostjo kristalnih zrn v jeklu. Če so manjša, potem obstaja večja verjetnost, da se ujamejo na mejah kristalnih zrn jekla, če pa so prevelika, obstaja nevarnost, da bo prišlo do plastične deformacije površine jekla, še zlasti, če je tlak peskanja velik [15, 16]. Takoj po mehanski predobdelavi (brušenju, hona-nju, poliranju ali lepanju) moramo površino očistiti in odstraniti ostanke abraziva, procesnih tekočin in ostankov obdelave. Površine morajo biti brez nečistoč, kot so ostanki čistil, prstni odtisi, maziva, hladilna sredstva, rja, opilki, vosek, lepilni trak, barva, silikon, prah, plastika, obloge in tuji delci, kar še posebej velja za slepe luknje. Nečistoče najbolj učinkovito odstranimo tako, da površino orodja obrišemo z bombažno krpo, nato pa ga v grobem kemijsko očistimo z etanolom v ultrazvočni kopeli. V nasprotnem primeru se polirna sredstva skupaj z drobnimi nečistočami zasušijo na površini orodnega materiala in jih je v kasnejši fazi zelo težko odstraniti. Takoj po čiščenju površine orodja jo moramo zaščiti proti rjavenju z lahkim oljem. Uporabiti je treba hidrofobne vodotop-ne korozijske inhibitorje na osnovi olj. Konzervacijsko sredstvo ne sme vsebovati silikona. uporaba pretiranih količin olja ni primerna. Olje se mora odstraniti s standardnim alkalnim postopkom čiščenja brez puščanja ostankov. 4.2 Površina orodnih jekel po kemijskem čiščenju Pred nanosom PVD-prevlek moramo podlage, na katerih so olja, prstni odtisi in druge nečistoče, kemijsko očistiti. Za čiščenje se najpogosteje uporabljajo alkalni detergenti pri temperaturi okrog 60 °C. Sledi izpiranje podlag s sanitarno vodo in izpiranje z desti- lirano vodo. Slednja mora biti zelo čista. Vsi mikroskopsko majhni delci iz vode kontaminirajo površino podlag. Na njihovih mestih se pojavijo nodularni defekti v prevleki, ki imajo tudi desetkrat večji premer. Vodo očistimo tako, da gre najprej skozi mehanske filtre (5 pm in 3 pm), nato skozi kolono z aktivnim ogljem, kolono s kationsko in anionsko smolo. Nazadnje gre voda še skozi kolono z UV-žarnico. UV-svetloba prepreči nastajanje alg in mikroorganizmov v vodi. Te se v vodi pojavijo, kadar ultrazvočna naprava ni dlje časa v uporabi (npr. konec tedna). S časom uporabe se aktivno oglje, kationska in anionska smola onesnažijo, zato je čiščenje vode manj učinkovito. Čistoto vode nadzorujemo tako, da merimo njeno električno prevodnost. Ko naraste nad neko kritično vrednost, moramo oglje in smole zamenjati oz. regenerirati [17]. Po izpiranju z deionizirano vodo moramo podlage posušiti z vročim in zelo čistim zrakom. Ker so v stisnjenem zraku ostanki olj, vode in prašni delci, moramo tudi zrak očistiti in osušiti. očistimo ga z ustreznimi filtri. Z vročim zrakom (90 °C), ki ga pod pritiskom skozi šobe usmerimo na podlage, le-te osušimo. Praviloma jih takoj po čiščenju šaržiramo v napravo za nanos prevlek, sicer pa je priporočljivo, da jih damo v vakuumski sušilnik ali vsaj v navaden sušilnik, ki je na temperaturi okrog 40 °C. Očiščene podlage moramo shraniti v čistem prostoru in naj ne pridejo v stik z drugimi površinami, še zlasti ne, če gre za polimere. Za pasivno shranjevanje so najpriročnejše steklene posode, ki jih po napolnitvi izčrpamo (eksi-katorji). Za aktivno shranjevanje očiščenih podlag pa so najprimernejši prostori z ozonom ali izvirom ultravijolične svetlobe. Pravilna priprava, ravnanje in hranjenje očiščenih podlag imajo izjemen vpliv na kakovost prevlek. Zato je prvi korak k zmanjšanju kontaminacije podlag ureditev procesnih prostorov, to je prostorov, kjer se nahajajo podlage in kjer se odvija proces njihovega čiščenja in nanašanja prevleke. Iz teh prostorov je treba odstraniti vse nepotrebne vire onesnaženja. Naslednji vir nečistoč, tako prašnih delcev kot raznih aerosolov, je samo osebje, zaposleno pri pripravi podlag in nanašanju prevlek. Zaposleni ne smejo uporabljati izdelkov, ki proizvajajo prašne delce ali izdelke, ki oddajajo pare, kot so kreme za roke, obraz ipd. Izviri onesnaževanja so tudi obleke ljudi, ki med premikanjem v prostoru oddajajo velike množine delcev. Kontaminacijo podlag zmanjšamo tudi z upoštevanjem nekaterih tehnoloških zahtev. V splošnem velja, da morajo biti podlage čim manj časa izpostavljene nekontrolirani okolici. Zato je treba vse neobhodno potrebne postopke kemijskega ~i{~enja s hlapnimi kemikalijami opravljati v dobro odsesavanih delovnih prostorih. Med postopkom ~i{~enja jih je treba držati v prijemalih iz materiala, ki se ga da z lahkoto ~istiti. Ravnanje z o~i{~enimi podlagami naj bo vedno z orodji (prijemala, pincete) iz primernega materiala. Kadar to ni mogo~e, je treba uporabljati take rokavice, ki nimajo vlaken in iz katerih ~istilne raztopine ne morejo ekstrahirati nekaterih snovi. Naslednji korak k prepre~evanju kontaminacije podlag je uporaba majhnih »~istih« delovnih povr{in (miz, pultov, digesto-rijev, brezpra{nih komor) s filtriranim zrakom [18]. 4.3 Površina orodnih jekel po šaržiranju Velik izvir pra{nih delcev je vakuumska komora za nana{anje PVD-prevlek. V primeru, ko v njih na-na{amo trde PVD-prevleke, se na nosilcih podlag, {~itih, izvirih za nana{anje in drugih komponentah v komori naberejo debeli nanosi iz predhodnih {arž. Ker so v njih velike notranje in termi~ne napetosti, se debele plasti kru{ijo in padajo na nosilec podlag in na dno vakuumske posode (slika 5). Ta proces je zlasti intenziven v fazi segrevanja komore na delovno temperaturo (okrog 450 °C) in med ohlajanjem. Razlog je v razliki termi~nih raztezkov prevleke in podlage. Med nana{anjem debelej{ih prevlek se nanosi kru-{ijo tudi zaradi velikih tla~nih napetosti, ki nara{~ajo linearno z debelino oz. s ~asom nana{anja. Pred {arži-ranjem podlag v vakuumsko posodo moramo le-to temeljito o~istiti, nosilce podlag, {~ite in druge komponente, na katerih se nabira nanos, pa ob~asno speskati. Druga možnost, ki se prakticira, pa je, da naredimo vzdrževalni nanos tanke plasti ~iste kovine, v kateri tla~ne napetosti niso zelo velike. Ta kovinska plast ublaži u~inek notranjih in termi~nih napetosti. Med {aržiranjem moramo uporabljati za{~itne rokavice (bombažne ali iz lateksa), da ne kontaminiramo podlag. Priporo~ljivo je, da preden zapremo vakuumsko komoro, s curkom ~istega zraka ali du{ika odstranimo pra{ne delce, ki so med {aržiranjem padli na povr{ino podlag. Obstaja velika nevarnost, da se pra{ni delci, ki so ostali na dnu vakuumske komor, v fazi grobega ~rpa-nja (do 100 mbar) usedejo na podlage. To se zgodi, ~e je hitrost ~rpanja z atmosferskega tlaka do približno 100 mbar (grobi vakuum) velika [19]. V tem primeru se pojavi turbuletni tok v komori, ki dvigne prah z dna posode. Temu problemu se izognemo tako, da vakuumski sistem opremimo z ventilom, ki se samodejno pripre, ko je v komori grobi vakuum oz. se odpre, ko je tlak nižji od 100 mbar. Črpanju do visokega vakuuma sledi segrevanje podlag do delovne temperature, ki je v primeru trdih prevlek 450 °C. Segrevamo lahko z infrarde~imi grelniki ali z elektroni iz termoionskega plazemskega loka. Zlasti v prvem primeru obstaja velika nevarnost, da se s povr{ine grelnikov zaradi termi~nega raztezanja odkru{ijo delci nanosa. Drobci le-tega lahko padejo na podlage. Sicer pa med pregrevanjem podlag na visoki temperaturi pride do desorpcije vlage. Pri tem se desorbira tudi vlaga z nosilcev, {~itov in drugih komponent vakuumske komore. Pomembno je, da se izplinjevanje zgodi pred za~etkom nana{anja prevleke. Če bi se to zgodilo med nana{anjem, bi se plast kontaminirala. Slika 5: Prikaz odprte komore naprsevalnika z označenimi viri onesnaženja podlag 16 4.4 Površina orodnih jekel po ionskem jedkanju Ionsko jedkanje je zadnja faza ~i{~enja orodnih jekel pred nanosom trde prevleke [12, 20, 21]. Z ionskim jedkanjem odstranimo adsorbirane ne~isto~e in vrhnjo plast podlage debeline približno eno do dve desetinki mikrometra. Tako o~i{~ena povr{ina je prvi pogoj za dobro oprijemljivost prevleke. oprijemljivost se izbolj{a tudi zato, ker se zaradi jedkanja pove~a efektivna kontaktna povr{ina med prevleko in podlago in ker se na povr{ini podlage tvorijo dodatna nukle-acijska jedra, na katerih za~ne rasti prevleka. Pri obstreljevanju povr{ine trdne snovi z inertnimi ioni, ki imajo relativno veliko energijo, nastane izbijanja atomov tar~e (podlage). Vsak ion argona izbije enega ali ve~ atomov podlage. Razpr{itveni koeficient, ki je merilo hitrosti razpr{evanja (jedkanja), je odvisen od vrste podlage, energije, vpadnega kota in mase ionov. Razli~ni materiali se torej razli~no hitro jedkajo. V ve~komponentnih materialih, kakr{na so npr. orodna jekla, zato nastanejo topografske spremembe na njihovi povr{ini. Tako se npr. molibden-volframova karbidna zrna v orodnem jeklu jedkajo hitreje kot železna matrica, vanadij karbidna in krom karbidna zrna pa po~asneje. Tudi hitrosti jedkanja na mestih nekovinskih vklju~kov so precej druga~ne od tiste za osnovni material (slika 3). Zato se na mestih, kjer je jedkanje hitrej{e, pojavijo plitve luknjice; na mestih, ki se jedkajo po~asneje pa plitvi vr{i~ki. Tudi kristalna zrna v železni matrici, ki imajo razli~no orientacijo, se jedkajo z razli~no hitrostjo. Vse to so razlogi, da se hrapavost povr{ine podlage po ionskem jedkanju v primerjavi s polirano pove~a za ve~ kot dvakrat. V praksi se uporabljajo razli~ni na~ini ionskega jedkanja. Jedkamo lahko z ioni inertnega delovnega plina (argona, kriptona) iz plazme. Podlage so lahko na enosmernem (DC), izmeni~nem potencialu v sred-njefrekven~nem podro~ju (MF) ali radiofrekven~nem (RF) potencialu. Stopnjo ionizacije delovnega plina in s tem intenzivnost jedkanja pove~amo, ~a ga uvajamo skozi plazmo v votli anodi. Govorimo o t. i. »booster-skem« jedkanju. Slaba stran tega na~ina jedkanja je, da v votli anodi nastanejo preboji. Na mestu preboja se sestavni deli, ki so iz bakra in tantala, stalijo in delovni plin odnese nastale mikrokapljice do podlag. Na mestih kapljic po nanosu prevlek nastanejo nodularni defekti (s premerov okrog 10 pm), ki poslab{ajo adhe-zijo prevlek. V napravah, kjer za nanos prevlek uporabljamo izvire s katodnim lokom, se za jedkanje povr{in uporablja kovinske ione. Najpogosteje se uporabljajo kro-movi ioni, medtem ko je uporaba drugih ionov (npr. titan, aluminij) omejena zato, ker pri teh izvirih izhaja veliko drobnih mikrokapljic, ki se ujamejo na povr{i-no podlag. Topografske spremembe, ki so nastale na povr{ini podlag med ionskim jedkanjem, se po nanosu prevlek prenesejo tudi na njeno povr{ino. 4.5 Površina orodnih jekel po nanosu trde PVD- prevleke Tudi v fazi nana{anja PVD-prevlek nastanejo topografske spremembe, ki so odvisne od samega postopka nana{anja in od vgrajevanja razli~nih defektov. Znano je, da se pri nana{anju trdih PVD-prevlek s postopkom naparevanja s katodnim lokom hrapavost bistveno pove~a (tudi za 10-krat). Pri tem postopku se material upari delno v obliki atomov, delno v obliki mikrokapljic. Mikrokapljice so tiste, ki znatno pove~ajo hrapavost. V manj{em obsegu se mikrokapljice pojavijo tudi pri drugih postopkih nana{anja prevlek. Vzrok so elektri~ni preboji v vakuumski komori, ki so najpogosteje posledica ne~isto~ na tar~ah in nosilcih podlag. Mikrokapljice pa niso edini razlog za pove~anje hrapavosti. Le-ta se pove~a tudi zaradi najrazli~nej{ih defektov, ki nastanejo v prevleki iz razli~nih razlogov. Najpogosteje nastanejo zato, ker se razli~ni mikroskopsko majhni delci, ki ostanejo na povr{ini orodja v fazi ~i{~enja, {aržiranja v pra{nih prostorih, ali tisti, ki se iztrgajo z notranje stene vakuumske posode in vpe-njal, prekrijejo s trdo prevleko. Kot je bilo že omenjeno, se tla~ne napetosti v prevlekah nanosa, ki se nana{ajo na nosilec podlag, {~ite in druge komponente vakuumske komore, pove~ujejo s ~asom nana{anja. Kadar presežejo neko kriti~no vrednost, prevleke razpokajo in se spontano lu{~ijo. Poleg makroskopskih delcev, ki zaradi gravitacije padejo na dno vakuumske posode, nastane tudi veliko (sub)mikroskopsko majhnih delcev. Le-ti so razpr{eni v prostor. Pri prehodu skozi plazmo se lahko pozitivno naelektrijo, zato jih elektri~na napetost (angl. bias) potegne na podlage. Elektrostatske sile so pri mikroskopsko majhnih delcih veliko mo~nej{e od gravitacije. Delci, ki se ujamejo na podlage, jih rasto~a prevleka prekrije in zaradi efekta geometrijskega sen~anje na teh mestih nastane nodularni defekt. Čim dalj{i je ~as nana{anja, tem ve~ja je koncentracija tak{nih delcev in ve~ja je koncentracija nodularnih defektov v prevleki. Veliko tak{nih delcev nastane zlasti, kadar nastane preboj na nosilec ali druge komponente, na katerih je debela plast nanosa. Na mestu preboja se prevleka zelo segreje, zato se znatno pove~ajo tudi termi~ne napetosti. Te pa so vzrok, da prevleka razpoka. Pri magnetronskih izvirih je težava neenakomerna erozija materiala tar~e. Tar~a se najhitreje jedka na mestih, kjer sta magnetno polje in posledi~no gostota plazme najve~ja. Med nana{anjem nastane ponovni nanos materiala iz tega dela tar~e v okolico njegovega oboda. Ponovno nanesen material na tem mestu je zelo porozen, zato so na tem podro~ju pogosti preboji (slika 6). Posledica prebojev je nastanek drobnih delcev. Ve~ina od njih potuje v smeri podlag, kjer jih prevleka prekrije [19]. Preboji so pogostej{i tudi v primeru, ~e uporabimo tar~e, narejene s tehnologijo prahov. Te imajo manj{o gostoto od tistih, ki jih naredimo s klasi~nim postopkom. Ker so torej nekoliko porozne, se v pore ujamejo plini. Ko za~nemo razpr{evanje, se tar~a segreje in ujeti plini za~nejo intenzivno izhajati iz nje. Ker tlak na teh mestih zelo naraste, nastanejo preboji in posledi~no mikrokapljice. Preboji lahko nastajajo tudi med nosilci podlag in nekovinskimi vklju~ki tar~. Nekovinski vklju~ki v ve~ini primerov niso prevodni materiali, zato se pri razpr{evanju nabijajo, ko pa naboj doseže kriti~no vrednost nastane preboj. Tudi v tem primeru skozi vklju~ek ste~e velik elektri~ni tok, ki upari vklju~ek kot tudi okoli{ki material tar~e (slika 6). Uparjeni material z velikostjo delcev do 5 pm se odloži na stene vakuumske posode. Majhen del pa se vgradi v prevleke orodij in poslab{a njihovo kakovost. Ne smemo pozabiti {e en izvir mikroskopsko majhnih delcev. Da bi zagotovili enakomeren nanos prevlek na orodja s komplicirano geometrijo, jih namestimo na nosilec podlag, ki zagotavlja ve~kratno rotacijo (v splo{nem trikratno). To pomeni, da imamo na nosilcu veliko gibljivih delov. Ker proces nana{anja poteka v visokem vakuumu in pri visoki temperaturi, se vrtljivi deli praviloma ne mažejo (izjemoma z trdimi mazivi). Zaradi trenja nastane na kontaktih vrtljivih delov veliko drobnih (železnih) delcev, ki se lahko ujamejo na povr{ino podlag in kasneje prekrijejo s prevleko (slika 5). Drobni (sub)mikrometrski delci, ki nastanejo na opisanih na~inih, so »kali«, iz katerih zraste nodularni defekt. Na mestih teh »kali« raste prevleka neodvisno od okolic in iz geometrijskih razlogov hitreje tako v smeri pravokotno na podlago kot tudi v lateralni smeri. Oblika nodularnega defekta in meja med njim ter okoli{ko prevleko je odvisna od geometrije »kali«. Če ima »kal« gladko morfologijo, potem nastane nodu-larni defekt v obliki stožca. Če pa ima kompleksno obliko, potem nastane nodularni defekt nepravilne oblike. iz ene kali nastane en nodularni defekt, ~e pa se blizu skupaj nahajata dve ali ve~ kali, potem se nodularni defekti »zlijejo« v defekt, sestavljen iz ve~ stožcev. Ko se sosednja dela prevleke z vklju~ka in okolice stakneta, se ne zlijeta, saj se kristlografske smeri v kristalnih zrnih ne ujemajo. Zaradi efekta sen~enja je meja med defektom in okoli{ko prevleko zelo porozna. Vez z okolico je zelo {ibka, zato se nekateri od nodularnih defektov iztrgajo iz prevlek in za sabo pustijo luknjo (pinhole). Vzrok za izbitje so velike tla~ne napetosti v prevleki. Iz geometrijskih razlogov je smer rezultante teh napetosti na mestu defekta pravokotno pro~ od podlage. Luknje, ki tako nastanejo, lahko segajo do podlage, in to so tista mesta v prevleki, kjer nastane jami~asta korozija. Kot smo že omenili, nastanejo drobne luknjice tudi na mestih, kjer so bili iz podlage med bru{enjem in poliranjem iztrgani karbidi. Jami~asta korozija pogosto nastane tudi po poroznih mejah med nodularnim defektom in podlago, seveda v primeru, kadar ta zraste s kali na podlagi. 5 DELITEV DEFEKTOV PVD-PREVLEK GLEDE NA NJIHOVO MORFOLOGIJO Defekte v trdih PVD-prevlekah lahko razdelimo glede na njihov nastanek ali morfologijo. V praksi se je najbolj uveljavila delitev glede na morfologijo. Tako lo~imo kraterje, nodularne defekte in pore. 5.1 Kraterji Kraterji nepravilne oblike spadajo v skupino najve~jih defektov. Njihov premer je od 5 pm do nekaj 10 pm (slika 7). Nastanejo lahko na dva na~ina. Del kraterjev nastane na velikih vdolbinah na povr{ini nekovinski vključek tarča Slika 6: Shematski prikaz nastanka prebojev na prečnem prerezu tarče [22] 18 podlage, kjer so se v fazi mehanske priprave iztrgali karbidi (slika 7a). Druga vrsta kraterjev nastane na tistih mestih, kjer se med jedkanjem, segrevanja ali nanosa na vzorec odložijo ko{~ki tuje plasti (> 5 um). Le-ta se najpogosteje zaradi termi~nih napetosti odlu{~i s povr{ine grelnikov. Naneseni ko{~ki plasti se slabo povežejo z okoli{kim materialom prevleke. Zato se med procesom nanosa zaradi slabe oprijemljivosti in tla~nih notranjih napetosti spontano iztrgajo (sliki 7b in 8). Slika 7: Kraterji v PVD-prevlekah: (a) primer kraterja, ki je nastal kot posledica vdolbine na površini podlage, in (b) primer kraterja, ki je nastal zaradi iztrganja tujega delca med nanosom PVD-prevleke Slika 8: Shematski prikaz nastanka kraterja v PVD-prevleki: (a) na rastočo prevleko prileti tuj delec; (b) rast prevleke na tujem delcu in naraščanje notranjih napetosti; (c) izbitje tujega delca ob preseženi kritični vrednosti notranjih napetosti in nastanek kraterja Slika 9: Shematski prikaz treh vrst nodularnih defektov Slika 10: Shematski prikaz nastanka defekta v obliki sferične kapljice Slika 11: SEM-posnetek kapljice: (a) raztaljena kovina po jedkanju površine ter (b) po nanosu PVD-prevleke in s tem nastanku defekta v obliki sferične kapljice Slika 12: SEM-posnetek koničnega defekta: (a) pogled od zgoraj in (b) s pre~nega prereza Slika 13: Shematski prikaz vrst koni~nih defektov Slika 14: Shematski prikaz globokega in plitkega izbitega defekta Slika 15: Primer izbitega defekta z (a) delno in (b) popolno iztrganim koni~nim defektom 5.2 Nodularni defekti Nodularne defekte delimo po obliki na sferi~ne, koni~ne in izbite defekte (slika 9). Razlikujejo se po vzroku nastanka, skupna pa jim je velikost, ki je v obmo~ju od 1 ^m do 10 ^m. Defekti v obliki sfericne kapljice nastanejo na mikrokapljicah (ve~jih od 1 ^m). Te mikrokapljice nastanejo zaradi prebojev med postopkom jedkanja ali nanašanja (sliki 10 in 11a). V procesu nanašanja pa se prekrijejo s prevleko (slika 11b). Premer sferi~nih defektov je od 1 ^m do 10 ^m. Velikost koničnih defektov ne presega 5 ^m. Ime so dobili po koni~ni obliki glave defekta z vrhom premera okoli 1 ^m (slika 12). Nastanejo na zelo majhnih delcih (0,05-1 ^m), ki so ostali na površini podlag po ~iš~enju, ali na tistih, ki se odložijo na podlago med ~rpanjem, segrevanjem, ionskem jedkanju ali pa med procesom nanašanja prevleke (slika 13). Izbiti defekti so v osnovi koni~ni, pri katerih je prišlo do spontanega iztrganja koni~ne glave ali celotnega defekta zaradi notranjih napetosti v prevleki (sliki 14 in 15). Slika 16: Shematski prikaz zaprte in odprte pore Slika 17: Primer pore: (a) odprta in (b) zaprta 5.3 Pore Luknjice manjše od 1 ^m, ki se raztezajo skozi celotno prevleko, imenujemo pore. Nastanejo zaradi napak na površini podlage. Ena izmed prevladujočih površinskih napak podlag so vdolbine s premerom velikostnega reda mikrometra. Široke in plitke vdolbine motijo rast prevleke le na začetku procesa, saj ob določeni debelini prevleke le-ta zapre poro, nakar raste nemoteno (slika 16). Takšne PVD-defekte imenujemo zaprte pore (angl. keyholes, slika 17b). Ozke in globoke vdolbine pa motijo rast prevleke skozi ves proces. Pri tem nastanejo odprte pore (pinholes), ki segajo skozi vso debelino prevleke (sliki 16 in 17a). Odprte pore se pojavljajo tudi na meji med nodularnim defektom in prevleko (slika 16). 6 SKLEP Čeprav PVD-prevleke rastejo v vakuumu, se med njihovo pripravo vanje vgrajuje veliko tujih delcev, ki povzročajo rast PVD-defektov. Vir teh delcev je lahko prah, nečistoče na površini vzorcev, preboji med jedkanjem in nanosom ter luščenje že nanesenih plasti s komponent vakuumskega sistema. Nukleacijska mesta defektov so tudi površinske napake podlag. To so najrazličnejše vdolbine in izbokline na površini vzorca, ki poleg tujih delcev prav tako povzročajo geometrijsko senčenje. Ta efekt nastane zaradi rotacije vzorcev med procesom nanosa prevlek. Tako tok uparjenega materiala, ki sicer skozi vakuum potuje premočrtno, ni vedno pravokoten na površino podlage. V času nepravokotnega toka uparjenega materiala vdolbine, izbokline in tuji delci na površini podlage s svojo obliko zastirajo pot uparjenim molekulam, ionom in atomom in tako motijo rast prevlek. Območje, kjer je rast prevleke motena, ima porozno mikrostrukturo, s tem pa tudi slabše fizikalno-kemijske in tribološke lastnosti. 7 LITERATURA [1] D. M. Mattox, Surf. Coat. Technol., 81 (1996), 8 [2] D. M. Mattox, SVC Bulletin, spring 2009, 30 [3] D. M. Mattox, Handbook of Physical vapor deposition (PVD) processing, Noyes Publ., Westwood, 1998 [4] R. F. Bunshah, Handbook of hard coatings, Noyes Publ., New Jersey, 2001, 108-180 [5] B. A. Movchan, A. V. Demchishin, Fiz. Met. Metalloved., 28 (1969) 4, 653 [6] R. J. Tench, R. Chow, M. R. Kozlowski, J. Vac. Sci. Technol. A, 12 (1994) 5, 2808 [7] X. Liu, D. Li, Y. Zhao, X. Li, J. Shao, Appl. Surf. Sci., 256 (2010), 3783 [8] I. Petrov, P. B. Barna, L. Hultman, J. E. Green, J. Vac. Sci. Technol. A, 21 (2003) 5, S117 [9] J. A Thornton, J. Vac. Sci. Technol., 11 (1974) 4, 666 [10] R. Messier, J. Vac. Sci. Technol., 3 (1986) 4, 490 [11] U. Helmesson, J. E. Sundgren, J. E. Green, J. Vac. Sci. Technol. A, 4 (1986) 3 [12] A. P. Ehiasarian, J. G. Wen, I. Petrov, J. Appl. Phys., 101 (2007), 054301 [13] www.uddeholm.com/files/polishing-english.pdf.pdf, zadnjič dosto-pano 1. 12. 2013 [14] U. Helmersson, H. T. G. Hentzell, L. Hultman, M. K. Hibbs, J. E. sundgren, AIP Conference Proceedings, 149 (1986), 79 [15] P. Panjan, Vakuumist, 23 (2003) 4, 27 [16] P. J. Slikkerveer, P. C. P. Bouten, F. H. in't Veld, H. Scholten, Wear, 217 (1998), 237 [17] P. Panjan, Vakuumist, 18 (1998) 2, 28 [18] J. Gasperič, M. Maček, Vakuumist, 18 (1998) 1, 30 [19] G. S. Selwyn, C. A. Weiss, F. Sequeda, C. Huang, J. Vac. Sci. Technol. A, 15 (1997) 4, 2023 [20] H. M. Babriel, H. H. Kloos, Vakuum Technik, 8 (1984), 242 [21] E. Taglauer, Appl. Phys. A, 51 (1990), 238 [22] A. Anders, Thin solid films, 502 (2006) 1-2, 22-28 PRVI TESLOVI STIKI Z VAKUUMSKIMI TEHNIKAMI (ob 70-letnici smrti) 3. del Stanislav Južnič ZNANSTVENI ČLANEK Univerza v Oklahomi, Oddelek za zgodovino znanosti, Norman, Oklahoma, ZDA / Ob~ina Kostel, 1336 Kostel 6 IZGON Tesla je imel veliko priložnosti v naglo se razvijajočem Spodnjem Štajerskem. Tehniške novosti so se vedno bolj uveljavljale. Kagerjeva kovinska delavnica in livarna sta opremili svoj obrat z motornim pogonom, potem ko je obrtna delavnica začela obratovati leta 1737 oziroma stoletje pozneje. Razvila se je v sodobno podjetje - obrtni obrat, leta 1889, potem ko so leta 1859 ukinili cehe.190 Pasarstvo in srebrarstvo Kager je tako najstarejše mariborsko podjetje in eno od predhodnikov Mariborske livarne. Leta 1868 ustanovljena Denzlova (Dencl) zvonarna je podarila Mariborčanom industrijsko tradicijo,191 podobno kot Heričkovo lončarstvo, ki je najprej uporabljalo plinske motorje. Ko so se ti izkazali predragi, je uvedlo v začetku 20. stoletja bencinske motorje Sinkovičevega podjetja, v katerem so pred začetkom 1. svetovne vojne začeli izdelovati elektromotorje. Uporaba električne energije je bila vedno pogostejša, ko seje Frohmova kovaška obrt v zadnjih letih 19. stoletja razvijala v industrijsko livarno. Obrtniki se zaradi vpliva železnic pogosto niso ukvarjali le z eno stroko, temveč so radi uvajali postranske obrate brez povezav z osnovno dejavnostjo; Frohm je ob livarni vodil oljarno, destilacijo, kisarno, žganjekuho in še vinsko Slika 2: Naslovna stran poslovnega protokola mariborskih oblasti189 trgovino. Penggova tovarna zvonov je nasledila Denclovo in kasneje Bühlovo zvonarno in livarno. Prav tako ob Meljski cesti blizu pristanišča je od leta 1902 obratovala tudi tovarna strojev in železolivarna na strojni pogon Antona Bendla iz Gradca, ki jo je Ježek z Moravske kupil med letoma 1908-1910 kot eno redkih močnih slovanskih podjetij v Mariboru. W] / ■ ^—^- Slika 1: Teslov izgon iz Maribora pod {tevilkama 2160 in 2675188 Slika 3: Obrt Teslovega mojstra Dru{ka, mestnega ~evljarja z Leitnerhofgasse {t. 234 Josefa Druschkovitsha (Družkovi~, Dru{kovi~), vpisana pod zaporedno {tevilko 1125 dne 1 7. 7. 1873 s {t. 6504 v obrtni register mesta Maribor (SI_PAM/0005, K 531 - Obrtni registri vodeni na podlagi obrtne zakonodaje 1859-1907: register za proste in rokodelske obrti 1866-1883) 188 Si_PAM/0005, fond Mestne občine Maribor, (knjiga) K 22 - indeks 1879 (splošna registratura) 189 Prav tam, Delovodnik 1879 (splošna registratura), napis na platnici delovodnika 190 Podgoršek, 2006, 366; Baš, 1934, 34 191 Zvonarna in livarna g. Janeza Dencela in sinov v Mariboru (30. 10. 1879) (Slovenski gospodar, letnik 13, številka 44; Slovenski gospodar, 25. 12. 1879) Leta 1894 je kemik Swaty spravil v pogon mariborsko tovarno brusov,192 »Kovina« na Teznem pa prav tako ni bila od muh. V Mariboru so imeli veliko tovarno stekla, leta 1884 pa že 13 inženirjev: nadinženir Mauras Franzc, vdova po inženirju Schnablu Theresa Schnabl, Carl Arletter, Byloff, J. Eger, F. Hallmann, Anton Heimann, Adelbert Markhl (Markl), Franz Nowak, J. Prodnigg, C. Rakoneli, Josef Swoboda, arhitekt mariborskega teatra železniški okrožni inženir Adam Wiesinger,193 župan Nagy pa komaj leta 1898. V Teslovem času je v Mariboru deloval že inženir W. Fischer, ki je daroval novoletni forint tako kot pisec mariborskega telegrafskega priročnika iz leta 1872 Johann Kral ali strojnika Hartl in Franz Mayer.194 Kral je bil predstojnik biroja mariborske telegrafske postaje195 v Teslovem času. Leta 1869 so ustanovili mariborsko plinarno, nato so leta 1870 uvedli moderno plinsko razsvetljavo. Malo po Teslovem odhodu so Mariborčani aprila 1883 kot prvi v tem delu Evrope s 36 žarnicami opremili javno cestno razsvetljavo lastnika mariborskega parnega mlina Karla Scherbauma. Scherbaumovo podjetje je imelo mlinske obrate v Mariboru, Framu in v Bistrici. Mlin v Bistrici je imel pred koncem stoletja že lastno elektrarno s turbinami; leta 1883 je bil njegov mariborski obrat prvi v Avstriji opremljen s pečmi W. A. E. Wieghorstovega hamburškega podjetja, ki so bile 1. 3. 1882 patentirane v Londonu.196 Scherbaumi so skupaj z Josefom Frankim, Luko Lavtarjem in drugimi podpirali maribrsko filharmonično društvo, Gustav Scherbaum pa se je pozneje včlanil v Schlarafia Marpurgia}'9^ Nekaj dni za Scherbaumom je ključavničarski mojster Jožef Martini v svoji izložbi na Vetrinjski ulici uporabil električno luč in pripravljal podobno osvetlitev izložbe trgovca Jožefa Martinza v Gosposki ulici. Leta 1889 je Puhov svak Franc Neger (* 1859; t 1944) iz Bischofegga pri ivniku (Eibiswald) v Mariboru ustanovil tovarno koles in šivalnih strojev. Sam Janez Puh (Puch, * 1862; t 1914) je kljub ključavničarskim učnim letom v Rotmanu (1874-21. 2. 1877) blizu domačih Juršincev oziroma Oblačka in v Radgoni (1877/78) svojo tovarno koles raje postavil v Gradcu leta 1889 in 1899, čeprav je spodnještajerske rojake rad obiskoval.198 Leta 1886 so v Celju ustanovili Cillier Radfahrer Verein. Njim je bil kot protiutež organiziran leta 1891 Klub biciklistov kot del celjskega Sokola. Leta 1898 so utemeljili Delavski kolesarski klub Maribor, v katerem so bili večinoma slovenski mariborski železničarji. V Teslovem mariborskem času so se številne možnosti za bivanje odprle v »Hišah Južnih delavnic železničarske kolonije« pri kolodvoru Studenci na desnem bregu Drave. Največji mariborski obrat so bile delavnice Južne železnice v graškem predmestju Maribora, ki so že od ustanovitve leta 1863 zaposlovale nad tisoč ljudi, vendar Tesle ali Druškoviča ni bilo med njimi.199 Urno rastoče delavsko naselje je gotovo prišlo prav kvartopircu Tesli. Septembra 1868 so Mariborski delavci ustanovili svoje izobraževalno društvo s knjižnico pod vodstvom Franza Wiesthalera (* 1825; t 1890), ki je postal ob letu obsorej urednik Marburg Zeitung in ga je znova urejeval med letoma 1882-1887. Sledil je liberalnim domislicam Pomladi narodov iz leta 1848; seveda ni podprl združene Slovenje, ki bi ga kot spodnještajerskega Nemca spravila v neljubo manjšino.200 Tesla bi lahko delal za majhno podjetje, kot je bilo Denclovo ali Kagerjevo, ali pa za velikega, kot so bile delavnice Južne železnice blizu Teslove priljubljene gostilne v graškem predmestju.201 Delavnice so v Teslovi dobi že zaposlovale nad tisoč delavcev, ki so živeli v štiridesetih novih delavniških hišah s 724 stanovanji, zgrajenimi leta 1863 in 1868 na desni obali Drave zunaj tedanjega Maribora kot največji urbani kompleks v deželi. Zaposleni so uporabljali pritikline delavnic vključno z otroškim vrtcem, šolo, trgovino in dvema kopališčema.202 Tesla je bil dejansko izgnan kot potepuh; bržkone je spal neprijavljen v mariborskem graškem predmestju, morda v enem od 724 delavskih stanovanj. izgnanec ni imel redne službe: lahkoživo se je preživljal s kvartopirskimi ali biljardnimi dobički, dokler ga ni kateri od jeznih izgubljajočih družabnikov prijavil oblastem, če tega ni storil kar Murko ali celo Teslov oče. Maribor tistih dni in še posebej njegovo graško predmestje se je naglo polnilo z razmeroma izobraženim delavstvom s severa, ki so ponujali prvovrstne dobičkonosne priložnosti izkušenemu šahistu, kvartopircu »ajnca« ali morda celo taroka. Slednji se je igral 192Leskovec, 1991, 345, 347; Baš, 1934, 33 193Cverava, 2006, 40; Jurik, 1884 194 Marburger Zeitung, 1. 1. 1879, str. 5 195Marburger Zeitung, 4. 3. 1879, str. 3 196 www.ebooksread.com/authors-eng/great-britain-commissioners-of-patents/the-commissioners-of-patents-iournal-aer/page-12-the-commissioners-of-patents-journal-aer.shtml, ogled 13. 3. 2013 197 Hartman, 2009, 161, 187 198Šamperl Purg, 2001, 656-658 199 Rozman, 1979, 20, 27; Si_PAM/0973, Matične knjige delavcev 1860-1990 200 Rozman, 1979, 29, 84-85; Hartman, 2001, 594-595 201V zadnjih treh desetletjih Habsburške monarhije je mariborski Magistrat zbiral seznam svojih manufaktur (Leskovec, 1991, 332). 2"2ifko, 2012, 66-67 Slika 4: Teslova kvartopirska gostilna pri Veselem kmetu v Mariboru med Čehi, Avstrijci in Slovenci, vprašanje pa je, koliko je zašel v Karlovac ali celo med Ličane. Tesla je živel v mariborskem graškem predmestju blizu kolodvora na Tegetthofstrasse (Tegetthoff); pred letom 1866 je bila to Graška ulica (Gratzergasse), med obema vojnama Aleksandrova ulica,203 po letu 1945 pa Partizanska cesta. Ni imel uradnega domicila na Tegetthofstrasse, navadno pa je karte igral v gostilni Veseli Kmet, po Kulišicevi pripovedi v gostilni »Tege-tof« imenovani po cesti, posvečeni v Mariboru rojenemu admiralu. Tam je Kulišic slučajno naletel na Teslo januarja 1879, medtem ko je čakal na povratni vlak; sloviti izumitelj je kartal piket (Piquet) z dvema znancema. V Mariboru se je zaman potegoval za službo predavatelja zemljepisa in italijanščine na zasebni trgovski šoli pri ravnatelju Petru Reschu (t po 1909), ki je dal oglas v časopis Tagespost. Resch je v mariborskih srednjih šolah resda še vedno vpeljeval plinsko razsvetljavo učilnic,204 leta 1903 pa je kot direktor Javne trgovske šole v Bolzanu in pomemben pisec pravniških knjig deloval v ligi proti dvobojem.205 Resch je Kulišicu plačal potne stroške in ga je drugo jutro pospremil na postajo. Ker sta bila prezgodnja, sta zavila po okrepčilo v gostilno Veseli kmet, po domače »Vlahovič«, na vogalu danes Partizanske in Mlinske ulice nasproti kavarne Jadran, pozneje Jeklotehna. Leta 1985 so jo uničili zaradi nove avtobusne postaje,206 zaradi česar se je Tesla nedvomno obrnil v grobu. Gostilna Veseli kmetje bila majhna stavba zraven velike Vlahovičeve hiše s trgovino in apoteko v vogalu Meljske in Partizanske ceste; druga gostilna Prlek je bila na Meljski cesti, prvo poslopje na levi strani za železniškim mostom. Zgodaj marca 1879 je po dolgotrajnem iskanju v Maribor prišel Teslov oče Milutin, da bi nagovoril zablojenega sina k vrnitvi domov in nadaljevanju študija v Pragi jeseni 1879. Tiste dni se je v Mariboru močno bliskalo s požari vred, Tesla pa je očeta zavrnil, čeprav je Milutin spoznal celo Teslov ugled v mariborski službi.207 Oče Milutin ali kdo drug je takoj nato prijavil Teslo mestnim oblastem; policija je vdrla v Tegetthofstrasse neznane številke, kjer je neprijavljen bival izumitelj.208 V tistem času je bil mariborski župan nečak nekdanjega župana Otmarja Reiserja, član Štajerskega naravoslovnega društva in liberalni notar Matej Reiser (Matevž, * 1830 Weilersbach v Badnu; t 1895) med letoma 1870-1882.209 Podžupan je bil lekarnar Franc Stampfl210 in nato odvetnik dr. Ferdinand Duchach (Duhač, t 1887), Reiserjev poznejši naslednik na položaju župana. Duhača je nasledil inženir Aleksander Nagy, ki bi bil vsaj poklicno bližje Tesli. Kot preglednik računov je v času Teslovega mariborskega zapleta deloval okrajni glavar Nemec Julius Seeder. Po letu 1850 je mariborska mestna uprava (magistrat) opravljala še naloge političnega okraja. Dne 8. 3. 1879 je uradnik mariborskih mestnih oblasti Oldrich Taube (Ulrih Golob, Glušec) je po policijski obtožbi podpisal ukaz za Teslov izgon, straža pa je pospremila Teslo do njegovega domačega mesta Gospic. Bržkone je bil Tesla v soboto in naslednji dan priprt, njegov sotrpin za rešetkami Anton Klaus, doma južno od Ljubljane ali iz Škofje Loke, pa je bil izročen ljubljanskim oblastem. Tesla in Anton Klaus sta bila zaradi podobnega prekrška deportirana v Gospic oziroma Ljubljano. Tisti čas je bil dostop s karlovške strani omejen zaradi živinske kuge. Mariborsko moško kaznilnico so začeli zidati komaj po Teslovem odhodu leta 1884. Tisti čas v Ljubljani ni bilo nikogar s priimkom Klaus, nekoliko pozneje pa najdemo številne Klavse in Klause rokodelce, rojene v okolici Bele Cerkve, Ribnice, Velikih Lašč ali Turjaka z izjemo na Dunaju rojenega arhitekta Karla Klausa (* 27. 1. 1889).211 Mariborski okrajni sodnik je bil tisti čas Alojzij Čeh 203Leskovec, 1991, 365 204Marburger Zeitung, 8. 11. 1876, letnik 15, številka 133; Kulišic, 1931, 10 205 Resch, 1885; forum.ahnenforschung.net/archive/index.php/t-19011.html, ogled 20. 2. 1012 206Mrkic, 2004, 35-36, 38; Kulišic, 1936, 14; Marinčic, 2006, 40; Cverava, 2006, 40 207Marburger Zeitung, 2. 3. 1879 str. 3; Cverava, 2006, 41 208Mrkic, 2004, 36 209 Podgoršek, 2006, 366-367; Leskovec, 1991, 271 210 Marburger Zeitung, 28. 2. 1879 str. 2 211 Si_LJU 500, Domovinski oddelek, mikrofilma 403 in 567 (Tschech), ki je takoj po Teslovem pregonu od{el za deželnega sodni{kega svetovalca v Ljubljano.212 Leta 1869 je imela mariborska mestna uprava 29 uslužbencev skupaj s predstojnikom urada, osmimi uradniki, stražmojstrom in enajstimi policisti, med katerimi je bil tudi nadzornik zapora. Leta 1875 so občinski urad (magistrat) vodili župan, namestnik, {tirje mestni svetovalci, izvoljeni med občinskimi svetovalci, predstojnik urada, 18 uradnikov in pomožnih uradnikov, litograf, sluga ter slugov pomočnik. Leta 1900 je Maribor imel že 55 policistov.213 Oblasti so iz Gospica pod {tevilko 7019 odpisale kolegom v Maribor, da je nebodigatreba Tesla prispel 17. 3. 1879; sramoten postopek je bil zaključen 24. 3. 1879. Tesla je bil izgnan iz Maribora kot potepuh po odloku uprave na posredovanje mariborskega urada, ustanovljenega tri leta prej.214 Mariborski Magistrat je bil nadvse strog pri tovrstnih novih nalogah, ki se jih {e ni naveličal. Tako je v letu 1878 mestna varnostna policija (Städtische Sicherheitspolizei zu Marburg) v Mariboru aretiral 1740 izgrednikov. 131 osebi je izgnala, 555 oseb je transportirala v njihove domače kraje tako kot Teslo, 243 so jih kaznovali v njihovih domačih okrožjih in niso bili v{teti med 1740 kaznovane, 767 pripornikov je izpustila z ukorom po nekajurnem policijskem priprtju, 287 pa so jih izročili kazenskemu sodi{ču. Glavna mariborska postaja za izgone je prevzela 1165 od drugod izgnanih oseb za nadaljnji transport in jih je vse odpeljala naprej.215 Leta 1879 so v Mariboru prevzeli 1335 oseb in jih gnali dalje, kar je bilo za 170 več kot leto pred tem.216 V Teslovem času je bil za namestnika župana znova izvoljen Stampfl, {tirje mestni svetovalci pa so bili Johann Girstmayr, Marco, Ludwig Bitterl von Tessenberg in dr. Josef Schmiderer (Schmiederer), predsednik mariborskega filharmoničnega dru{tva, poslanec državnega zbora in deželnega sveta. za finančno področje sta bila izbrana veleposestnik Kokoschinegg iz čebelarske ulice {t. 18 in milar Franz Bindlechner (* 1820; t 1897) iz Gosposke ulice {t. 13. Bindlechner je bil član načelstva mariborske posojilnice, cerkveni ključar stolne cerkve in kandidat slovenske klerikalne stranke.217 V kontrolno komisijo za plinsko razsvetljavo so bili izvoljeni Wiesinger, predsednik gostilničar Johann Girstmayr (Girstmajer) z Gra{ke danes Vetrinjske ulice {t. 12, dr. Lorber, knjižničar Obrtnega dru{tva, ustanovljenega 16. 1. 1882, Karl Flucher (Fluch) in Franz Bindlech-ner.218 Tik pred Teslovo obsodbo je dotedanji adjunkt mariborskega okrožnega sodi{ča dr. Alois Banmann prevzel enako dolžnost v Murecku (Cmurek).219 Pri tako {tevilnih izgonih se mestni veljaki niso imeli časa ukvarjati s Teslovo nadarjenostjo; bolj jih je zanimala tožba lastnika Fal pri Ru{ah barona Maxa Rasta proti razžalitvi časti v ptujskem tisku,220 predvsem pa izgubljena tožba direktorja učitelji{ča dr. Antona Elschnigga (Elschnig, El{nik) proti ravnatelju dekli{ke {ole Alojzu Habianitschu (Habjanič) zaradi kr{enja telesne nedotakljivosti ob obrambi pred napadom s stolom v Habjaničevi lastni pisarni. Pravda pri mariborskem okrožnem sodi{ču na levem bregu Drave v sredo, 5. 3. 1879, med 15. uro in 18.30 ob obrambi gra{kega odvetnika dr. Kosjeka je potekala pred tako nabito polno dvorano, da so jo morali zakleniti; El{nik se je zastopal sam. Obravnavo je vodil sodni adjunkt K. Nadamlenzki, sodni adjunkt dr. Franc Vou{ek (Vouschek) pa je predstavljal državno javno tožilstvo. Med pričami so bili župan mestni {olski svetnik Reiser, mestni svetovalec Marco, dr. Schmiderer, direktor Frank, Stampfl, Arthur Mally, telovadni učitelj, vadbeni načelnik in knjižničar velikonem{kega Turnvereina Rudolf Markl (Markel), {olski sluga (Schuldiener) Stracher, kramar (Greisler) Leth in učiteljica dekli{ke {ole Matzenauer. V soboto, 25. 1., ob 15. uri, ko je potekal le pouk franco{čine, je El{nik kot {olski in{pektor Maribora vstopil v Habjaničevo pisarno in zahteval dnevnik; Habjanič ga ni dal in ga je ozmerjal z lažnivcem in podobno, nakar je El{nik zagrabil stol. Spor se je razplamtel zaradi El{nikove hčerke učiteljice v Habjaničevi {oli, ki naj bi kljub bolni{ki drsala na ledu. Naslednji dan je deželni {olski in{pektor dr. Roschek v Gradcu ugotovil črnavko na El{nikovem obrazu, ki jo je 3. 2. zdravil Arthur Mally, poznej{i pisec knjige o mariborskih ulicah. El{nik je odstopil s položaja in{pektorja do izreka sodbe oziroma ga je župan odstavil, čeprav ga je nastavilo ministrstvo. 212Slovenski gospodar (Maribor: Pajk), 13. 3. 1879, 13/11; Marburger Zeitung, 9. 3. 1879 18/30: 3 213Hartman, 1983, 128; Hartman, 2001, 201; Leskovec, 1983, 169, 175; Leskovec, 1991, 259, 267; Si_PAM/0005, Mestni računski knjigi zaleti 1869 in 1900 214 Zapis o njem pravi: Tesla Nicolaus / preselitev // 2160, 2675// (Pod deportacijskim dokumentom je opis tlakovanje ceste Tagetthofstrasse) // 2160 / p / 8/3 / Glede Nikolausa Tesle, zaradi dela deportiranega / je prisilno v Gospic transportiran, kjer so posel prevzeli žandarji urada Gospic // (Naslednji dopis {t. 2161) // 2575 / H/ 24. iii // Gospic Pomožni sodni{ki urad) / 17. 4. / {tevilka 7019 // Prisilna vrnitev pod {t. 2160 za Nikolo Teslo // (naslednji dopis {t. 1331: 24. 3. / 21. 3. / {tevilka 1331); Cverava, 2006, 41. 215 Marburger Zeitung, 5. 1. 1879, str. 2 216Marburger Zeitung, 4. 3. 1880 str. 3 217Domovina (Celje), 29. 1. 1897. 7/5: 4 218Marburger Zeitung, 5. 1. 1879, str. 2-3; Hartman, 2009, 89, 116, 190, 274 219Marburger Zeitung, 19. 1. 1879 18/9: 3; Slovenski gospodar, 23. 1. 1879, 13/4: 32 220Slovenski gospodar, 30. 1. 1879, 13/5: 39 Sodišče je Elsnikovo tožbo zavrnilo, tako daje moral plačati 10 fl v krajevni šolski fond, občinstvo pa je Habjaničevo oprostitev, utemeljeno s samoobrambo, pozdravilo z »Bravo!«.221 Habjanič je bil že leta 1869 direktor mariborske dekliške šole,222 medtem ko je bil Anton Elšnik (* 1827 Sv. Jurij (St. Georg) Slovenske Gorice) med letoma 1861-1865 profesor na tržaški gimnaziji in nato leta 1869 na realki v Salzburgu, preden je postal ravnatelj mariborskega učiteljišča.223 Elšnik je bil v 3. gramatikalnem razredu mariborske gimnazije leta 1839/40 prvi nagrajenec (premifer), medtem ko je bil poznejši admiral Tegetthoff (* 23. 12. 1827) med njemu najbližjimi pohvaljenimi (his proxime). Elšnik in Antonie Braun sta imela mlajšega sina Antona Elschniga (* 22. 8. 1863 Lipnica (Leibnitz) na Štajerskem; t 1939), kije po študiju v Gradcu postal vodilni očesni zdravnik - oftalmolog. Teslo so oblastniki izgnali takoj po pustu; v tistem času je v Mariboru do 16. 2. 1879 v Teslovi soseščini na Tegetthoffstrasse št. 21 gostoval Velteejev panoptikum z gibljivimi projekcijami tujerodnih živali.224 Louis Veltee iz Lyona bratov Lumiere je bil skupaj s svojima otrokoma in vnukom začetnik dunajskega kina in je 26. 8. 1896 v središču Dunaja odprl muzej voščenih lutk s stalnim panoptikumom. Keine Kerze mehr! ^dr#rntM*$i»«ri 5 bil fL ^.50, Pit jMnsfmmb* «iit ft(r »eiiMtibfrjtfl diipniment füc jrbe ^flu^ohung, crfflQe U Bvidt, all: «iimaeti Baage, ptM jc. pr mi 75 fr., fo hn uracßtnJNwtt.jierAc, aif jrbe e(a[«e ju ötrttttibo't 5 fr. ongcfditgen bii 00 (r oan «ftt; (KM ftiOt e Ofltne beftrnl lu empPcbfru. 1 eiOOt frinir? 6orte 1.50 bil fl. 2.50, fringe i 8 bil (1. 6. »IIb fdmntikfK 3€nUx*iLp9AXüit tnh ^jr-^ftfmflftnbi ui grifilrr inb rei4l)a(tifl'ter «uIbm||1 firil m «ager unC fliib f