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ケーススタディ

トライボロジーコーティングの表面特性:摩耗特性、厚さ、粗さ

ケーススタディ, トライボロジー, 航空宇宙・自動車
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The Institute for Research in Advanced Materials and Mathematics (INAMAT2) from Public University of Navarre (UPNA) is a multidisciplinary research institute that brings together researchers from different scientific areas (Mathematics, Physics, Chemistry and Materials Science).

S mart 3Dプロフィロメータは、摩耗痕の実際の形状を測定するため、これを使用すると、摩擦・摩耗テスト後の摩耗痕の体積損失をより正確に測定できます。

先端材料数学研究所(INAMAT2)は、さまざまな科学分野(数学、物理学、化学、材料科学)の研究者を集め、異なる分野の知識の進展、普及、移転を共通の目的とする学際的な研究機関です。材料工学部門には、コーティングと材料表面の改善に関連する研究の長い歴史があります。

本研究では、工具鋼に正のパルスを用いた新しいPVD技術である高出力インパルス マグネトロン スパッタリング(HiPIMS)によって堆積されたダイヤモンドライクカーボン(DLC)コーティングの摩擦機械的特性の改善に焦点を当てています。これらのコーティングは、優れた耐摩耗性、非常に低い摩擦係数、優れた硬度、または生体適合性などの並外れた特性から、産業界で大きな関心を集めています。これらの研究は、さまざまな鋼基板上のDLCコーティングの接着性や耐摩耗性などの摩擦機械的特性を改善することを目的としています。

Sensofarの3D光学プロファイラーを使用すると、より高品質の2Dおよび3D画像で、より高い測定精度で表面を特徴付けることが期待されます。

コーティングされたサンプルとコーティングされていない円形および平面のサンプルが測定されました。さまざまな鋼やセラミックが基板として使用されてきました。その後、DLCなどの高品質のコーティングがそれらに堆積されます。これらのサンプルでは、ピンオンディスク型トライボメータを使用して摩擦・摩耗試験を実行し、その後、摩耗痕を測定します。

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図1a.サンプルの1つで摩擦・摩耗試験が実施されています。
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図1b.摩擦・摩耗試験後のサンプルの1つの画像。
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図2.コーティングの厚さを決定するために使用するサンプル。

表面またはコーティングの摩擦機械的特性を研究するには、ナノ硬度、コーティングと基板間の接着、粗さや層の厚さ、摩耗特性など、多くの重要なパラメーターがあります。S martプロフィロメータを使用すると、摩擦・摩耗試験後の表面粗さ、コーティングの厚さ、体積損失を測定できます。これは、摩耗係数を計算するために必要です。

工業用途では、耐摩耗性は正しい性能を決定し、材料の寿命を延ばすことができるため、非常に重要な特性です。この値を決めるには、摩耗のメカニズムが変化したり、ピンとディスクの両方が摩耗したりと、多くの要因が絡んでくるため、簡単ではありません。

摩耗の特性評価は単純ではありませんが、Sensofarのプロフィロメータを使用すると、摩耗試験で摩擦中に受けた摩耗を最も現実的に表現し、体積損失をより正確に測定できます。

体積測定

摩擦・摩耗試験には、表面の最大粗さはRamax 0.050 µm、硬度は約1650HVの直径6mmのアルミナ球を使用しました。円板にはコーティングされた工具鋼とコーティングされていない工具鋼の異なるサンプルが使用されました。試験では、円板は次の条件下でピンに対して回転させます。負荷荷重40N、200rpm、20,000サイクル、各サンプルについて8、10、12 mm(トラック半径)で3回試験を繰り返しました。この試験の結果、摩耗痕があらわれ、そこから体積損失が測定されて摩耗係数が決定されます。

後で耐摩耗性を計算するために測定した体積損失は、共焦点技術で測定しました。対物レンズは、摩耗痕の幅に応じて選択し、最も広い摩耗痕が観察されたコーティングされていないサンプルには5Xおよび10Xレンズを使用し、より狭い摩耗痕が観察されたコーティングされたサンプルには20Xおよび50Xレンズを使用しました。

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図 3.S mart 3D光学プロフィロメータ(10X EPI)によって測定されたコーティングの体積損失。
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図 4a.WC-Cの摩耗痕の画像。
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図 4b.共焦点プロフィロメータ(10倍明視野対物レンズ)によって得られたta-Cでコーティングされたサンプルの摩耗痕の画像。

摩耗係数は、最も正確な値を達成するため、標準のASTM G99に準拠し、共焦点測定による体積損失から直接取得する2つの方法で決定されました。共焦点プロファイラー測定を直接使用する場合、測定された体積損失値が摩耗痕全体に外挿され、その体積損失値を使用して摩耗係数が計算されます。

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図5.標準ASTM G99(オレンジ色のプロット)と共焦点(青色のプロット)で測定された各サンプルで得られた摩耗係数値の比較グラフ。

最も正確な方法でコーティングの耐摩耗性を特定するという主な目標は、S mart 3Dプロフィロメータで達成されました。摩擦・摩耗試験後の体積損失を測定できるプロフィロメータの機能は、摩耗痕の実際の形状を考慮しており、共焦点によって得られた摩耗係数値は、標準のASTM G99に従って計算された値よりも低く、現実に近い値です。

厚さと粗さの測定

さらに、サンプルの表面粗さと線粗さを簡単に測定し、共焦点と干渉法という2つの異なる測定技術を使用して得られた値を対比させることができました。このようにして、得られた粗さ値の精度を確保することができました。基板の粗さは、コーティングと基板の間の接着力を決定する要因となる可能性があります。

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図6.50倍の対物レンズを使用した共焦点顕微鏡によるコーティングされた工具鋼サンプルの表面粗さ(0.08mmカットオフ)の測定。
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図7.干渉法(10XDI)によるコーティングされた工具鋼サンプルの線粗さの測定。

最後に、コーティングの厚さをすばやく簡単に測定しました。結果を裏付けるために、粗さだけでなく、厚さも共焦点と干渉法の両方で測定されました。この測定の主な利点は、破壊試験を必要とせずに厚さを測定できることです。

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図8.S mart 3D光学プロフィロメータによるコーティングの厚さの測定。

粗さと厚さの測定には、共焦点(50X)と干渉法(10X)の両方を使用しました。このようにして、最も正確な値を取得するために、最高の解像度を実現しようとしました。

表面またはコーティングの摩擦機械的特性を研究するには、ナノ硬度、コーティングと基板間の接着、粗さ、層の厚さまたは摩耗特性など、多くの重要なパラメーターがあります。Sensofarの光学プロファイラは、これらすべての特性を評価できるだけでなく、他の特性評価方法よりも正確です。最後に、S martプロフィロメータの汎用性、速度、使いやすさにより、得られた値の裏付けをとるために、さまざまな技術を用いることができることも特筆すべき点です。

参考文献

  1. Claver A, Jiménez-Piqué E, Palacio JF, Almandoz E, Fernández de Ara J, Fernández I, Santiago JA, Barba E, García JA.Comparative Study of Tribomechanical Properties of HiPIMS with Positive Pulses DLC Coatings on Different Tools Steels.Coatings.2021; 11(1):28.
  2. García JA, Rivero PJ, Barba E, Fernández I, Santiago JA, Palacio JF, Fuente GG, Rodríguez RJ.A Comparative Study in the Tribological Behavior of DLC Coatings Deposited by HiPIMS Technology with Positive Pulses.Metals.2020; 10(2):174.

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