Su ogni campione sono stati eseguiti quattro test di usura pin-on-disk a diversi numeri di giri (100, 150, 300 e 800 cicli) per monitorare l'evoluzione dell'usura. La morfologia superficiale dei campioni è stata misurata con un profilatore senza contatto NANOVEA 3D per quantificare la rugosità superficiale prima di eseguire i test di usura. Tutti i campioni presentavano una rugosità superficiale comparabile di circa 1 μm, come illustrato nella FIGURA 1. La COF è stata registrata in situ durante i test di usura, come mostrato in FIGURA 2. La FIGURA 4 presenta l'evoluzione delle tracce di usura dopo 100, 150, 300 e 800 cicli, mentre la FIGURA 3 riassume il tasso di usura medio dei diversi campioni nelle varie fasi del processo di usura.

Rispetto a un valore di COF di ~0,07 per gli altri tre campioni, il campione A presenta un COF molto più elevato, pari a ~0,15 all'inizio, che aumenta gradualmente e si stabilizza a ~0,3 dopo 300 cicli di usura. Un COF così elevato accelera il processo di usura e crea una quantità sostanziale di detriti di vernice, come indicato in FIGURA 4 - il topcoat del campione A ha iniziato a essere rimosso nei primi 100 giri. Come mostrato in FIGURA 3, il campione A presenta il tasso di usura più elevato, pari a ~5 μm2/N nei primi 300 cicli, che diminuisce leggermente a ~3,5 μm2/N a causa della migliore resistenza all'usura del substrato metallico. Il topcoat del campione C inizia a cedere dopo 150 cicli di usura, come mostrato in FIG. 4, che è anche indicato dall'aumento di COF in FIG. 2.

In confronto, il campione B e il campione D mostrano proprietà tribologiche migliori. Il campione B mantiene un basso COF per tutta la durata del test - il COF aumenta leggermente da~0,05 a ~0,1. Questo effetto lubrificante aumenta sostanzialmente la sua resistenza all'usura: il topcoat fornisce ancora una protezione superiore al primer sottostante dopo 800 cicli di usura. Il tasso di usura medio più basso, pari a soli ~0,77 μm2/N, è stato misurato per il campione B a 800 cicli. Lo strato superiore del campione D inizia a delaminare dopo 375 cicli, come dimostra il brusco aumento del COF in FIG. 2. Il tasso di usura medio del campione D è di circa 0,77 μm2/N. Il tasso di usura medio del campione D è di ~1,1 μm2/N a 800 cicli.

Rispetto alle tradizionali misure di abrasione Taber, il Tribometro NANOVEA fornisce valutazioni dell'usura ben controllate, quantificabili e affidabili, che garantiscono valutazioni riproducibili e controlli di qualità delle vernici commerciali per pavimenti/auto. Inoltre, la capacità di misurare il COF in situ consente agli utenti di correlare le diverse fasi di un processo di usura con l'evoluzione del COF, che è fondamentale per migliorare la comprensione fondamentale del meccanismo di usura e delle caratteristiche tribologiche di vari rivestimenti di vernice.

Le immagini delle tracce dei graffi di tre metalli (Cu110, Al6061 e SS304) dopo i test sono mostrate nella FIGURA 1, al fine di confrontare la durezza dei graffi dei diversi materiali. La funzione di mappatura del software NANOVEA Mechanical è stata utilizzata per creare tre graffi paralleli testati nelle stesse condizioni in un protocollo automatizzato. La larghezza della traccia di graffio misurata e il numero di durezza di graffio calcolato (HSP) sono riassunti e confrontati nella TABELLA 1. I metalli mostrano una diversa larghezza della traccia di usura. I metalli mostrano larghezze della traccia di usura diverse, pari a 174, 220 e 89 µm per Al6061, Cu110 e SS304, rispettivamente, con un HSP calcolato di 0,84, 0,52 e 3,2 GPa.

Oltre alla durezza del graffio calcolata in base alla larghezza della traccia del graffio, l'evoluzione del coefficiente di attrito (COF), della profondità reale e dell'emissione acustica sono state registrate in situ durante la prova di durezza del graffio. In questo caso, la profondità reale è la differenza di profondità tra la profondità di penetrazione dello stilo durante il test di graffiatura e il profilo della superficie misurato nel pre-scan. La FIGURA 2 mostra a titolo di esempio la COF, la profondità reale e l'emissione acustica di Cu110. Queste informazioni forniscono informazioni sui guasti meccanici che si verificano durante il graffio, consentendo agli utenti di rilevare i difetti meccanici e di indagare ulteriormente sul comportamento del graffio del materiale testato.

I test di durezza al graffio possono essere eseguiti in un paio di minuti con elevata precisione e ripetibilità. Rispetto alle procedure di indentazione convenzionali, il test di durezza al graffio di questo studio fornisce una soluzione alternativa per la misurazione della durezza, utile per il controllo di qualità e lo sviluppo di nuovi materiali.

La FIGURA 1 mostra l'evoluzione registrata della profondità di penetrazione, del coefficiente di attrito (COF) e dell'emissione acustica durante il test. La FIGURA 2 mostra le tracce dei micrograffi sui campioni di TiN. I comportamenti di rottura a diversi carichi critici sono mostrati in FIGURA 3, dove il carico critico Lc1 è definito come il carico al quale si verifica il primo segno di cricca coesiva nella traccia del graffio, Lc2 è il carico dopo il quale si verificano ripetuti cedimenti per spallazione e Lc3 è il carico al quale il rivestimento viene completamente rimosso dal substrato. I valori di carico critico (Lc) per i rivestimenti TiN sono riassunti in FIGURA 4.

L'evoluzione della profondità di penetrazione, della COF e dell'emissione acustica fornisce una visione del meccanismo di rottura del rivestimento in diverse fasi, che in questo studio sono rappresentate dai carichi critici. Si può osservare che il campione A e il campione B presentano un comportamento comparabile durante il test di graffiatura. Lo stilo penetra progressivamente nel campione fino a una profondità di ~0,06 mm e il COF aumenta gradualmente fino a ~0,3 mentre il carico normale aumenta linearmente all'inizio della prova di graffiatura del rivestimento. Quando si raggiunge un Lc1 di ~3,3 N, si verifica il primo segno di rottura per scheggiatura. Ciò si riflette anche nei primi grandi picchi nel grafico della profondità di penetrazione, della COF e dell'emissione acustica. Quando il carico continua ad aumentare fino a Lc2 di ~3,8 N, si verificano ulteriori fluttuazioni della profondità di penetrazione, della COF e dell'emissione acustica. Si può osservare un continuo cedimento per spallazione su entrambi i lati della traccia di graffio. A Lc3, il rivestimento si stacca completamente dal substrato metallico sotto l'elevata pressione applicata dallo stilo, lasciando il substrato esposto e non protetto.