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Sensofar Smart三維輪廓儀用于摩擦涂層的表面表征：磨損性能、厚度和粗糙度
摩擦學(xué), 案例研究, 航空航天與汽車
納瓦拉大學(xué)-先進(jìn)材料與數(shù)學(xué)研究所
納瓦拉公立大學(xué)(UPNA)的高級(jí)材料與數(shù)學(xué)研究所(INAMAT2)是一個(gè)多學(xué)科研究機(jī)構(gòu)，匯集了不同科學(xué)領(lǐng)域(數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和材料科學(xué))的研究人員。
“S mart 3D輪廓儀可以測(cè)量磨痕的真實(shí)形狀，使用該輪廓儀可以更精確地測(cè)量摩擦和磨損測(cè)試后磨痕的體積損失。”
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先進(jìn)材料和數(shù)學(xué)研究所(INAMAT2)是一個(gè)匯集不同科學(xué)領(lǐng)域(數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和材料科學(xué))研究人員的多學(xué)科研究所，秉承發(fā)展、傳播和傳遞各領(lǐng)域知識(shí)的共同目標(biāo)。材料工程系在涂層和材料表面改進(jìn)方面的研究有著悠久的歷史。
研究重點(diǎn)是改善類金剛石（DLC）涂層的摩擦力學(xué)性能。這類涂層采用新型PVD技術(shù)高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS），通過(guò)正脈沖沉積在工具鋼上。這些涂層因其優(yōu)異的耐磨性、極低的摩擦系數(shù)、*高的硬度或生物相容性而受到業(yè)界的高度關(guān)注。研究的目的是提高DLC涂層在不同鋼基材上的附著或耐磨性等摩擦力學(xué)性能。
我們期望借助Sensofar的3D光學(xué)輪廓儀，在更高質(zhì)量的2D和3D圖像中以更高的測(cè)量精度進(jìn)行表面表征。
我們測(cè)量了有涂層和無(wú)涂層圓形樣品和平面樣品。使用不同的鋼材和陶瓷作為基材。使DLC等高質(zhì)量涂層沉積在基材上。在這些樣品中，我們使用銷盤式摩擦計(jì)進(jìn)行摩擦和磨損測(cè)試，然后測(cè)量磨痕。
圖1a：正在其中一個(gè)樣品上進(jìn)行的摩擦和磨損測(cè)試
圖1b：摩擦磨損測(cè)試后其中一個(gè)樣品的圖像
圖2：用于確定涂層厚度的樣品
研究表面或涂層的摩擦力學(xué)性能涉及許多關(guān)鍵參數(shù)：納米硬度、涂層與基材之間的附著力、粗糙度和/或者層厚或磨損性能。可以使用S mart輪廓儀，測(cè)量表面粗糙度、涂層厚度和計(jì)算磨損系數(shù)所需的摩擦磨損測(cè)試后體積損失。
在工業(yè)應(yīng)用中，耐磨性可決定材料的正確性能并確保更長(zhǎng)的使用壽命，是一項(xiàng)非常重要的特性。確定這個(gè)數(shù)值并非易事，因?yàn)橛性S多因素在起作用：磨損機(jī)制存在變化，銷和圓盤都受到磨損。
磨損的表征并不簡(jiǎn)單，但我們可以使用Sensofar輪廓儀，在磨損測(cè)試過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最真實(shí)的磨損表征，并更好地測(cè)量體積損失。
體積測(cè)量
對(duì)于摩擦和磨損測(cè)試，我們使用直徑6 mm、表面最大粗糙度Ramax 0.050 µm、硬度約為1650 HV的氧化鋁球。將不同的有涂層和無(wú)涂層工具鋼樣品作為圓盤。在測(cè)試中，圓盤在以下條件下圍繞銷旋轉(zhuǎn)：40 N負(fù)載、200 rpm轉(zhuǎn)速和20,000次循環(huán)，每個(gè)樣品在8、10和12 mm(軌跡半徑)處重復(fù)測(cè)試3次。測(cè)試后會(huì)出現(xiàn)磨痕，根據(jù)磨痕測(cè)量體積損失，以確定磨損系數(shù)。
利用共聚焦技術(shù)測(cè)量體積損失，測(cè)得的體積損失用于之后的耐磨性計(jì)算。物鏡的選擇取決于磨痕的寬度，對(duì)于觀察到最寬磨痕的無(wú)涂層樣品，使用5X和10X鏡頭，而對(duì)于磨痕較窄的有涂層樣品，使用20X和50X鏡頭。
圖3：涂層的體積損失測(cè)量值通過(guò)S mart 3D光學(xué)輪廓儀(10X EPI)采集
圖4a：WC-C磨痕圖像
圖4b：共聚焦輪廓儀(10X明場(chǎng)物鏡)采集的ta-C涂層樣品磨痕圖像
為獲得最準(zhǔn)確的數(shù)值，磨損系數(shù)通過(guò)兩種方式確定；一種是按照ASTM G99標(biāo)準(zhǔn)確定，另一種是直接通過(guò)體積損失的共聚焦測(cè)量確定。直接使用共聚焦輪廓儀測(cè)量時(shí)，將測(cè)量的體積損失值外推到整個(gè)磨痕，并根據(jù)體積損失值計(jì)算磨損系數(shù)。
圖5：通過(guò)ASTM G99標(biāo)準(zhǔn)(橙色圖)和共聚焦(藍(lán)色圖)測(cè)量的樣品磨損系數(shù)值的比較圖
通過(guò)S mart 3D輪廓儀實(shí)現(xiàn)了以最準(zhǔn)確方式表征涂層耐磨性的主要目標(biāo)。由于輪廓儀能夠在考慮磨痕真實(shí)形狀的情況下測(cè)量摩擦和磨損測(cè)試后的體積損失，因此通過(guò)共聚焦獲得的磨損系數(shù)值比按照ASTM G99標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的值更低并且更真實(shí)。
厚度和粗糙度測(cè)量
此外，還可以輕松測(cè)量樣品的表面粗糙度和輪廓粗糙度，然后對(duì)比使用共聚焦和干涉測(cè)量這兩種不同的測(cè)量技術(shù)獲得的數(shù)值。通過(guò)這種方式，可以保證得到的粗糙度值的精度。基材的粗糙度可能是涂層與基材之間附著力的決定因素。
圖6：使用50X物鏡的共聚焦顯微鏡得到的涂層工具鋼樣品表面粗糙度測(cè)量值(截止值為0.08 mm)
圖7：通過(guò)干涉測(cè)量(10XDI)得到的涂層工具鋼樣品輪廓粗糙度測(cè)量值
最后，采用快速、簡(jiǎn)便的方法測(cè)量了涂層厚度。除了粗糙度外，還使用共聚焦和干涉測(cè)量法測(cè)量了厚度，以證實(shí)結(jié)果。這種測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要破壞性測(cè)試就可以測(cè)量厚度。
圖8：涂層厚度測(cè)量值通過(guò)S mart 3D光學(xué)輪廓儀采集
粗糙度和厚度測(cè)量均可通過(guò)共聚焦（50X）和干涉測(cè)量（10X）完成。通過(guò)這種方式，我們?cè)噲D在深度上實(shí)現(xiàn)最高分辨率，以獲得最準(zhǔn)確的數(shù)值。
有許多參數(shù)對(duì)于研究表面或涂層的摩擦力學(xué)性能非常重要，如納米硬度、涂層與基材之間的附著力、粗糙度、層厚或磨損性能。
Sensofar的光學(xué)輪廓儀可以評(píng)估所有這些特性，并且比其他表征方法更為準(zhǔn)確。最后應(yīng)該指出的是，S mart輪廓儀的多功能性、速度和易用性使我們可以選擇使用不同的技術(shù)來(lái)證實(shí)獲得的數(shù)值。
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