スクラッチ試験機でわかること
スクラッチ試験機は実務的な問いに答えます。コーティングした表面は損傷するまでにどれだけの荷重に耐え、どのように壊れるのか。制御された垂直荷重のもとで圧子を表面に沿って移動させて応答を記録し、その後スクラッチ痕を撮影して、各破壊の位置を特定し荷重と対応付けます。工具の硬質コーティング、塗料やクリアコート、光学・電子用の薄膜、高分子や医療機器のコーティングは、いずれもこの方法で評価されています。
結果は定義された破壊が起こる荷重として得られるため、スクラッチ試験は短時間で行え、試料間、工程間、サプライヤー間の比較も容易です。そのため、コーティング開発と製造時の品質管理の両方で使われています。
計装化スクラッチ試験機の動作
- 内蔵のビデオ顕微鏡で、試料を圧子の下に位置決めします。
- 必要に応じて、ごく低い荷重のプレスキャンで、これからスクラッチする線に沿った表面プロファイルを記録します。
- 圧子が設定した長さを移動する間、垂直荷重を加えます。漸増試験では直線的に増加させ、一定荷重試験では一定に保ちます。
- 侵入深さ、摩擦、アコースティックエミッションを連続的に記録します。
- 低荷重のポストスキャンで残留深さを求めます。プレスキャンと侵入深さと比べることで、弾性回復と永久変形を分離します（True Depth、欧州特許第0663068号）。
- トラッキングズームビューでスクラッチ全長を撮影し、各破壊の位置を特定して臨界荷重に換算します。
スクラッチ試験の種類
- 漸増荷重： スクラッチに沿って荷重を直線的に増加させます。ASTM C1624、ISO 20502、ASTM D7027に準拠し、1回の走査で凝集破壊（割れ、欠け）と界面はく離の臨界荷重が得られます。
- 一定荷重： 荷重を一定にします。ASTM G171に準拠したスクラッチ硬さ、耐マー性、表面の均一性の確認に用います。
- マルチパス・往復： 臨界荷重未満の荷重で同じトラックを繰り返し走査し、損傷がどのように蓄積し、コーティングが何回の走査に耐えるかを示します。マルチパス摩耗をご覧ください。
ナノ、マイクロ、マクロ：荷重範囲の選び方
適切なスクラッチ試験機は、コーティングの厚さと硬さで決まります。荷重が高すぎれば薄膜をすぐに貫通し、低すぎれば硬質コーティングは破壊に至りません。
- ナノスクラッチは、ピエゾアクチュエーター、80 mNから4800 mNの荷重レンジ、細い圧子（公開された研究では半径2 µmまで）を使います。薄膜、塗膜、高分子コーティング、ステントのストラットのような小さな構造に適しています。
- マイクロスクラッチは、サーボモーター、20 Nから400 Nの荷重レンジ、ロックウェルCまたは球円錐圧子を使います。窒化物、DLCなどの硬質コーティング、金属上の塗膜、電極コーティングに適しています。
- マクロスクラッチは、トライボメーターで半径200、500、800 µmの圧子を使い、陽極酸化皮膜のような厚く非常に硬いコーティングを試験します。
PB1000はナノとマイクロのモジュールを同時に搭載するため、試料を別の装置に移さずに、コーティング系を両方のスケールで試験できます。
スクラッチ試験機選びのポイント
- 直接の垂直負荷：独立した荷重センサーと深さセンサー、クローズドループの荷重制御により、加えた荷重がそのまま測定値になります。カンチレバーや支点はありません。
- 必要なスケールでの分解能とノイズ：NANOVEAのモジュールは荷重と深さを24ビットで取得し、アコースティックエミッションを150〜400 kHz、感度0.005 aJで計測します。
- スクラッチ全長の画像：個々の画像だけでなく全長を記録するため、試験後に各破壊の位置を特定し、見直すことができます。
- 位置決めと自動化：高さの差が最大50 mmの複数試料の試験、マッピングしたスクラッチの連続試験、レシピの保存により、再現性の高い品質管理が可能です。
- 環境：高温、低温、湿度、液中のモジュールで、高温・低温・湿潤環境で使われるコーティングを試験できます。
- 同じ装置での押込み試験：硬さと弾性率は、コーティングがなぜその位置で壊れるのかを説明する手がかりになります。
スクラッチ試験結果の読み方
臨界荷重は密着性の絶対値ではありません。界面の結合そのものだけでなく、圧子半径、負荷速度、膜厚、基材の硬さ、摩擦にも左右されます。そのためスクラッチ試験は、同一の条件を明記した比較で最も役立ちます。コーティングの順位付け、成膜プロセスの比較、製造ロットの確認などです。深さと残留深さのデータは、変形のうち弾性分がどれだけか、どの深さでコーティングが破壊したかなど、画像だけではわからない情報を補います。
