Исследование возможности нанесения наномаркировки на стальные поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа

DOI:

В последнее время все большее число изделий подвергается защитной маркировке – нанесению цифровых и буквенных обозначений, штрих-кодов, индивидуализирующих изделие. Особенно это стало актуальным с выпуском контрафактной продукции и массовым хищением транспортных средств. Номер индивидуализирует, как правило, конкретный экземпляр изделия. В случае изготовления автомобилей, оружия, драгоценных изделий это обеспечивает возможность регистрации и строго учета данных изделий. Маркировочные номера могут быть нанесены непосредственно на материал, из которого они изготовлены, либо на прикрепленных металлических или полимерных табличках. Нанесение маркировочных обозначений осуществляется различными способами [4]. На стальные изделия они наносятся путем штамповки, микрофрезерования или лазерной гравировки. Как показывает экспертная практика, такие мар- кировочные обозначения на изделиях из металлов либо полностью удаляются путем фрезерования, срубания или спиливания слоя металла различными инструментами и приспособлениями, либо изменяются, либо на место уничтоженных знаков наносятся новые маркировки [2; 3].

Защитные маркировки должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих длительный срок ее сохранности во время эксплуатации, устойчивость к различным способам фальсификаций, возможность их выявления с помощью технических средств и методик, имеющихся в распоряжении экспертов.

Для дополнительной защиты изделий от подделки актуальным является нанесение наномаркировки [8]. Создание защитных маркировок нанометрового уровня пространственного разрешения на изделиях с использованием новой инновационной технологии – сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) [6], позволит обеспечить стопроцентную верификацию предметов и объектов. Особенностью наномаркировки является ее латентность, то есть невозможность ее визуального обнаружения, в том числе и с помощью оптических приборов.

Было установлено, что долговечность, износоустойчивость и четкость наномаркировки зависит от радиуса острия зонда сканирующего силового микроскопа и параметров нанесения (глубина и время воздействия зонда на материал изделия), которые в свою очередь зависят от механических свойств материала изделия [1].

Агрегаты, узлы, детали автомобилей, а также детали огнестрельного оружия, на которые наносится наномаркировка, изготавливаются из углеродистых и легированных сталей, которые подвергаются термической обработке для получения высокой твердости, прочности и пластичности [5]. Твердость также зависит от содержания углерода в стали. Эксплуатируются детали в достаточно жестких условиях. Во многих случаях на стальной поверхности происходит коррозия. Для защиты от воздействия окружающей среды на детали (например детали стрелкового оружия) наносят различные химические покрытия толщиной порядка 500 нм, что также влияет на твердость поверхностного слоя.

Для выяснения влияния механических свойств поверхности на параметры нанесения наномаркировки были выбраны образцы из низкоуглеродистой, среднеуглеродистой и специальной легированной стали, применяемой для изготовления стрелкового оружия. Твердость поверхности образцов из низколегированной стали составляла 20 HRC, среднелегированной – 45HRC, легированной – 68 HRC. Также исследованиям подвергалась деталь стрелкового оружия: спусковая тяга из легированной стали с защитным покрытием от воздействия окружающей среды при высоких температурах эксплуатации (воронение). Твердость поверхностного покрытия детали составляла 70 HRC. Сохранность нанесенных наномаркировок на стальные образцы проверялась периодическим сканированием области, в которой они были нанесены, в течении двух лет с промежутком через каждые три месяца.

Нанесение и сканирование наномаркиро-вочных знаков проводилось на сканирующем зондовом микроскопе NаnоЕduсаtоr методом динамической силовой литографии полукон-тактным способом по разработанной методике [7]. С целью определения глубины проникновения зонда в образец выполнялся анализ сечения полученных сканов– изображений нанесенной наномаркировки, с помощью программного пакета, входящего в комплект СЗМ. На рисунке 1 представлен скан наномаркировки (цифра 1), выполненный на образце из среднеуглеродистой стали, непосредственно после ее нанесения (а) и по истечении двух лет (б). Под сканом представлен анализ сечений наномаркировки, по которым определена средняя глубина проникновения зонда в образец, то есть глубина нанесенных наномаркировочных знаков.

Аналогичная информация представлена для наномаркировки, нанесенной на образец из низкоуглеродистой стали (см. рис. 2) и образец из легированной стали с защитным покрытием (см. рис. 3).

Анализ и обобщение результатов по подбору оптимальных параметров воздействия на стальные поверхности приведены в таблице. Исследования показали, что чем больше твердость поверхности стали или нанесенного покрытия, тем меньше глубина проникновения зонда в образец, то есть меньше глубина наномаркировочных знаков, нанесенных при одинаковых параметрах. Поэтому численные значения параметров нанесения наномаркиро-вочных знаков зависят от твердости и пластичности поверхности стального изделия, и подбираются в каждом конкретном случае.

Изучение поверхностных покрытий стальных деталей стрелкового оружия, применяемых для защиты от воздействия окружающей среды, позволило установить, что параметры наномодификации поверхности зависят от состава, твердости и толщины покрытия.

Изучение динамики поведения наномаркировки с течением времени позволили сделать вывод о длительных сроках сохранности маркировочных знаков. В целях увеличения сроков сохранности информации наномар-кировочных обозначений доступ к местам их нанесения при эксплуатации должен быть ограничен.

а)                                 б)

Рис. 1. Наномаркировка на образце из среднеуглеродистой стали и анализ сечений нанесенного знака: а – после нанесения; б – через 2 года

а)                                              б)

Рис. 2. Наномаркировка на образце из низкоуглеродистой стали и анализ сечений нанесенного знака: а – после нанесения, б – через 2 года

а)

б)

Рис. 3. Наномаркировка на образце из легированной стали с покрытием и анализ сечений нанесенного знака:

а – после нанесения, б – через 2 года

Выполненные исследования доказали возможность нанесения наномаркировки, обладающей высокой степенью латентности, с использованием новой инновационной технологии СЗМ, на стальные детали стрелкового оружия.