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共聚焦白光干涉儀 | 用于摩擦涂層的表面表征:磨損性能、厚度和粗糙度

2024-11-14 09:12:45

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(pán)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***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***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***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(pán)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)***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***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(pán)。在測(cè)試中,圓盤(pán)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***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***準(zhǔn)確的數(shù)值,磨損系數(shù)通過(guò)兩種方式確定;***種是按照ASTM G99標(biāo)準(zhǔn)確定,另***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***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。

***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)***高分辨率,以獲得***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。***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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