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。
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