硬度は、材料の永久変形や塑性変形に対する抵抗力を測定するものである。1820年にドイツの鉱物学者フリードリヒ・モースによって開発された硬さ試験で、鋭利な物体との摩擦による傷や摩耗に対する材料の硬さを測定する。1.モース硬度はリニアスケールではなく比較指数であるため、より正確で定性的なスクラッチ硬度測定がASTM規格G171-03に記載されているように開発されました。2.ダイヤモンドの触針でできた傷の平均幅を測定し、傷の硬さ（HSP）を算出するものです。
材料は、サービス要件に基づいて選択されます。大きな温度変化や温度勾配を伴う用途では、高温での材料の機械的特性を調査し、機械的限界を十分に認識することが重要です。材料、特にポリマーは通常、高温になると軟化します。多くの機械的故障は、高温でのみ起こるクリープ変形や熱疲労によって引き起こされます。したがって、高温用途の材料を適切に選択するために、高温での硬度を測定する信頼性の高い技術が必要とされています。
NANOVEA T50 Free Weight Standard Tribometerを使用して、室温（RT）から300℃の温度範囲でテフロンサンプルの引っかき硬度試験を実施しました。テフロンの融点は326.8°Cです。先端角120°、先端半径200μmの円錐型ダイヤモンドスタイラスを使用しました。テフロン試料は、回転式試料ステージにステージ中心から10 mmの距離で固定した。試料をオーブンで加熱し、常温、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃の温度で試験した。
テストパラメーター
テストパラメーター
| ノーマルフォース | 2 N |
| 滑りスピード | 1mm/s |
| 滑り距離 | 8mm/temp |
| 大気 | 空気 |
| 温度 | RT、50°C、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C |
図1には、異なる高温でのスクラッチ硬度を比較するために、異なる温度でのテフロンサンプルのスクラッチトラックプロファイルが示されています。スタイラスが2Nの一定荷重で移動しながらテフロンサンプルに突入し、スクラッチトラック内の材料を横に押し出し変形させることで、スクラッチトラック端に材料の山が形成されます。
図2に示すように、スクラッチトラックを光学顕微鏡で観察した。顕微鏡で測定したスクラッチ痕の幅と、計算で求めたスクラッチ硬度（HSP）を図3にまとめて比較しました。 顕微鏡で測定したスクラッチ痕の幅は、NANOVEAプロファイラーで測定した幅と一致し、テフロンサンプルは高温でより広いスクラッチ幅を示しています。温度が常温から300℃に上昇すると、スクラッチトラックの幅は281μmから539μmに増加し、HSPは65MPaから18MPaに減少しています。
NANOVEA T50トライボメータは、高温下でのスクラッチ硬度を高精度かつ高再現性で測定することができます。他の硬度測定とは異なるソリューションを提供し、ナノビアトライボメータを高温トライボメカニックの総合評価システムとしてより完成度の高いものにしています。
図1: 異なる温度でのスクラッチ硬度試験後のスクラッチトラックプロファイル。
図2: 異なる温度で測定した後の顕微鏡下でのスクラッチ痕。
図3: スクラッチトラック幅とスクラッチ硬度の温度に対する変化。
この研究では、ASTM G171-03に準拠した高温でのナノビアトライボメータによるスクラッチ硬度測定方法を紹介します。一定荷重でのスクラッチ硬度測定は、トライボメータを用いた材料の硬度比較のための代替的な簡易ソリューションとなります。高温でのスクラッチ硬さ測定が可能なナノビアトライボメータは、材料の高温トライボメカニカル特性の評価に理想的なツールです。
ナノビアトライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験を提供し、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを一つの統合済みシステムとして利用することも可能です。オプションの3D非接触プロファイラを使用すると、粗さなどの表面測定に加えて、摩耗痕の高解像度3Dイメージングを行うことができます。
1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009).「金属と高分子のスクラッチ試験。Experiments and numerics".Wear 266 (1-2):76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using Diamond Stylus" ダイヤモンドスタイラスを用いた材料のスクラッチ硬度に関する標準試験方法。
一般に、硬さ試験では、材料の永久変形や塑性変形に対する抵抗力を測定する。硬さ測定には、引っかき硬さ、圧痕硬さ、はね返り硬さの3種類がある。引っかき硬度試験は、鋭利な物体との摩擦による引っかきや摩耗に対する材料の耐性を測定するものです1。1820年にドイツの鉱物学者フリードリヒ・モースによって開発され、現在でも鉱物の物性をランク付けするために広く用いられている2。この試験法は、金属、セラミック、ポリマー、コーティングされた表面にも適用できる。
スクラッチ硬度測定では、指定された形状のダイヤモンドスタイラスが、一定の法線力、一定の速度で直線経路に沿って材料表面に傷をつけます。傷の平均幅を測定し、傷の硬さ（HSP）を計算します。この技術により、さまざまな材料の硬さのスケーリングを簡単に行うことができます。
NANOVEA PB1000メカニカルテスターは、研磨した3種類の金属（Cu110、Al6061、SS304）のスクラッチ硬さ試験を行いました。先端角120°、先端半径200 µmの円錐形ダイヤモンドスタイラスを使用しました。結果の再現性を確保するため、各サンプルは同じ試験パラメータで3回スクラッチされました。試験パラメータを以下に要約する。の前後で、10mNの低常用荷重でのプロファイルスキャンを実施した。 スクラッチテスト で、傷の表面形状の変化を測定する。
テストパラメーター
ノーマルフォース
10 N
温度
24℃ (RT)
滑りスピード
20mm/分
滑り距離
10mm
大気
空気
異なる材料のスクラッチ硬度を比較するために、3種類の金属（Cu110、Al6061、SS304）の試験後のスクラッチ痕の画像を図1に示します。ナノビアメカニカル ソフトウェアのマッピング機能を用いて、自動化されたプロトコルで同じ条件で試験した3つの平行なスクラッチを作成しました。測定されたスクラッチトラック幅と計算されたスクラッチ硬度番号（HSP）を表1にまとめ、比較しました。金属は、Al6061、Cu110、SS304でそれぞれ174、220、89μmと異なる摩耗痕幅を示し、計算上のHSPは0.84、0.52、3.2GPaとなりました。
スクラッチトラック幅から計算されるスクラッチ硬度に加え、摩擦係数（COF）、真の深さ、アコースティックエミッションの進化をスクラッチ硬度試験中にその場で記録しました。ここで真の深さとは、スクラッチ試験中のスタイラスの侵入深さとプレスキャンで測定した表面プロファイルの深さの差です。 図2には、例としてCu110のCOF、真の深さ、アコースティックエミッションが示されています。このような情報はスクラッチ中に起こる機械的な不具合についての洞察をもたらし、ユーザーは機械的な欠陥を検出し、被検査材のスクラッチ挙動をさらに調査することができるようになります。
スクラッチ硬さ試験は、高い精度と再現性で数分以内に終了することができます。従来の圧痕法と比較して、本研究のスクラッチ硬さ試験は、品質管理や新素材の開発に有用な硬さ測定の代替ソリューションを提供するものです。
Al6061
Cu110
SS304
図1: テスト後のスクラッチトラックの顕微鏡写真（100倍）
| スクラッチトラック幅（μm） | HSp（GPa)p (GPa) | |
| Al6061 | 174±11 | 0.84 |
| Cu110 | 220±1 | 0.52 |
| SS304 | 89±5 | 3.20 |
表1: スクラッチトラック幅とスクラッチ硬度番号のまとめ
図2: Cu110のスクラッチ硬度試験における摩擦係数、真深度、アコースティックエミッションの変化
この研究では、ASTM G171-03に準拠したスクラッチ硬さ試験においてナノビアメカニカルテスターの能力を紹介しました。コーティングの密着性と耐傷性に加えて、一定荷重でのスクラッチ試験は、材料の硬度を比較するための代替的な簡易ソリューションとなります。従来のスクラッチ硬さ試験機とは対照的に、ナノビア カニカルテスターには、摩擦係数、アコースティックエミッション、真の深さの変化をその場でモニターするためのオプションモジュールが用意されています。
ナノ・マイクロモジュールには、ISO および ASTM に準拠した圧痕、スクラッチ、摩耗試験モードがあり、1 つのシステムで最も幅広く、最も使いやすい試験方法を提供します。ナノベアの比類なき製品群は、硬度、ヤング率、破壊靭性、接着性、耐摩耗性など、薄手または厚手、軟質または硬質のコーティング剤、フィルム、基材のあらゆる機械特性を測定するための理想的なソリューションとなります。
材料は、サービス要件に基づいて選択されます。大きな温度変化や温度勾配を伴う用途では、高温での材料の機械的特性を調査し、機械的限界を十分に認識することが重要です。材料、特にポリマーは通常、高温になると軟化します。多くの機械的故障は、高温でのみ起こるクリープ変形や熱疲労によって引き起こされます。したがって、高温用途の材料を適切に選択するために、信頼性の高い高温スクラッチ硬さ測定技術が必要とされています。
この研究では、ナノベー トライボメータ は、さまざまな金属の引っかき硬度を測定するために使用されます。その
高精度、高再現性のスクラッチ硬さ測定が可能です。
ナノベーストライボメータは、トライボロジーとメカニカルな評価のための、より完全なシステムです。
による摩耗試験と組み合わせる。 トライボメータ と光学式3次元プロフィロメータによる表面解析の結果、以下のことがわかりました。
複合材料の検査におけるナノベアーの汎用性と精度を紹介します。
方向性のある機械的特性を持つ
JA 
EN 
ES 
DE 
FR 
IT 
ZH 
PT 
TR 
KO 
PL 
AR 
