Quatre tests d'usure de type " pin-on-disk " à différents nombres de tours (100, 150, 300 et 800 cycles) ont été réalisés sur chaque échantillon afin de suivre l'évolution de l'usure. La morphologie de la surface des échantillons a été mesurée à l'aide d'un profileur sans contact NANOVEA 3D afin de quantifier la rugosité de surface avant de réaliser les essais d'usure. Tous les échantillons présentaient une rugosité de surface comparable d'environ 1 μm, comme le montre la FIGURE 1. Le COF a été enregistré in situ pendant les essais d'usure, comme le montre la FIGURE 2. La FIGURE 4 présente l'évolution des traces d'usure après 100, 150, 300 et 800 cycles, et la FIGURE 3 résume le taux d'usure moyen des différents échantillons à différentes étapes du processus d'usure.

Comparé à une valeur de COF de ~0,07 pour les trois autres échantillons, l'échantillon A présente un COF beaucoup plus élevé de ~0,15 au début, qui augmente progressivement et se stabilise à ~0,3 après 300 cycles d'usure. Un COF aussi élevé accélère le processus d'usure et crée une quantité substantielle de débris de peinture comme l'indique la FIGURE 4 - la couche supérieure de l'échantillon A a commencé à être enlevée dans les 100 premiers tours. Comme l'indique la FIGURE 3, l'échantillon A présente le taux d'usure le plus élevé de ~5 μm2/N au cours des 300 premiers cycles, qui diminue légèrement à ~3,5 μm2/N en raison de la meilleure résistance à l'usure du substrat métallique. La couche supérieure de l'échantillon C commence à se rompre après 150 cycles d'usure, comme le montre la FIGURE 4, ce qui est également indiqué par l'augmentation du COF dans la FIGURE 2.

En comparaison, l'échantillon B et l'échantillon D présentent des propriétés tribologiques améliorées. L'échantillon B maintient un faible COF tout au long de l'essai - le COF augmente légèrement de ~0,05 à ~0,1. Un tel effet lubrifiant améliore considérablement sa résistance à l'usure - la couche de finition offre toujours une protection supérieure à l'apprêt sous-jacent après 800 cycles d'usure. Le taux d'usure moyen le plus faible de seulement ~0,77 μm2/N est mesuré pour l'échantillon B à 800 cycles. La couche supérieure de l'échantillon D commence à se délaminer après 375 cycles, comme le reflète l'augmentation abrupte du COF dans la FIGURE 2. Le taux d'usure moyen de l'échantillon D est de ~1,1 μm2/N à 800 cycles.

Par rapport aux mesures d'abrasion Taber conventionnelles, le tribomètre NANOVEA fournit des évaluations d'usure bien contrôlées, quantifiables et fiables qui garantissent des évaluations reproductibles et un contrôle de qualité des peintures commerciales pour sols/auto. En outre, la capacité des mesures in situ du COF permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes d'un processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques de divers revêtements de peinture.

Les images des traces de rayures de trois métaux (Cu110, Al6061 et SS304) après les tests sont présentées dans la FIGURE 1 afin de comparer la dureté des rayures de différents matériaux. La fonction de cartographie du logiciel NANOVEA Mechanical a été utilisée pour créer trois rayures parallèles testées dans les mêmes conditions selon un protocole automatisé. La largeur de la trace d'usure mesurée et l'indice de dureté de la rayure (HSP) calculé sont résumés et comparés dans le TABLEAU 1. Les métaux présentent des largeurs de traces d'usure différentes de 174, 220 et 89 µm pour Al6061, Cu110 et SS304, respectivement, ce qui donne un HSP calculé de 0,84, 0,52 et 3,2 GPa.

En plus de la dureté de la rayure calculée à partir de la largeur de la trace de la rayure, l'évolution du coefficient de friction (COF), la profondeur réelle et l'émission acoustique ont été enregistrées in situ pendant l'essai de dureté de la rayure. La profondeur réelle est la différence de profondeur entre la profondeur de pénétration du stylet pendant l'essai de rayure et le profil de surface mesuré lors du pré-balayage. Le COF, la profondeur réelle et l'émission acoustique du Cu110 sont illustrés à titre d'exemple dans la FIGURE 2. Ces informations donnent un aperçu des défaillances mécaniques qui se produisent pendant la rayure, ce qui permet aux utilisateurs de détecter les défauts mécaniques et d'approfondir le comportement de la rayure du matériau testé.

Les tests de dureté par rayure peuvent être réalisés en quelques minutes avec une précision et une répétabilité élevées. Comparé aux procédures d'indentation conventionnelles, le test de dureté par rayure de cette étude fournit une solution alternative pour les mesures de dureté, ce qui est utile pour le contrôle qualité et le développement de nouveaux matériaux.

La FIGURE 1 montre l'évolution enregistrée de la profondeur de pénétration, du coefficient de frottement (COF) et de l'émission acoustique pendant l'essai. Les microtraces complètes sur les échantillons de TiN sont illustrées à la FIGURE 2. Les comportements de défaillance à différentes charges critiques sont présentés dans la FIGURE 3, où la charge critique Lc1 est définie comme la charge à laquelle le premier signe de fissure cohésive apparaît dans la piste de rayure, Lc2 est la charge après laquelle des défaillances par spallation répétées ont lieu, et Lc3 est la charge à laquelle le revêtement est complètement retiré du substrat. Les valeurs de charge critique (Lc) pour les revêtements TiN sont résumées dans la FIGURE 4.

L'évolution de la profondeur de pénétration, du COF et de l'émission acoustique donne un aperçu du mécanisme de rupture du revêtement à différents stades, qui sont représentés par les charges critiques dans cette étude. On peut observer que l'échantillon A et l'échantillon B présentent un comportement comparable pendant l'essai de rayure. Le stylet pénètre progressivement dans l'échantillon jusqu'à une profondeur de ~0,06 mm et le COF augmente graduellement jusqu'à ~0,3 alors que la charge normale augmente linéairement au début du test de rayure du revêtement. Lorsque le Lc1 de ~3,3 N est atteint, le premier signe de rupture par écaillage apparaît. Cela se reflète également dans les premiers pics importants dans le tracé de la profondeur de pénétration, du COF et de l'émission acoustique. Lorsque la charge continue d'augmenter jusqu'à Lc2 de ~3,8 N, de nouvelles fluctuations de la profondeur de pénétration, du COF et de l'émission acoustique se produisent. Nous pouvons observer une défaillance continue par spallation présente des deux côtés de la piste de rayure. À Lc3, le revêtement se détache complètement du substrat métallique sous la pression élevée appliquée par le stylet, laissant le substrat exposé et non protégé.