마모 변화를 모니터링하기 위해 각 샘플에 대해 다양한 회전 수(100, 150, 300, 800 사이클)로 4번의 핀 온 디스크 마모 테스트를 수행했습니다. 마모 테스트를 수행하기 전에 표면 거칠기를 정량화하기 위해 나노베아 3D 비접촉 프로파일러로 샘플의 표면 형태를 측정했습니다. 모든 샘플의 표면 거칠기는 그림 1에 표시된 것처럼 약 1μm로 비슷했습니다. 그림 2와 같이 마모 테스트가 진행되는 동안 COF는 현장에서 기록되었습니다. 그림 4는 100, 150, 300, 800 사이클 후 마모 트랙의 변화를 보여주며, 그림 3은 마모 과정의 여러 단계에서 다양한 샘플의 평균 마모율을 요약한 것입니다.

다른 세 샘플의 COF 값이 ~0.07인 것과 비교하면, 샘플 A는 처음에 ~0.15로 훨씬 높은 COF를 보이다가 점차 증가하여 300회 마모 사이클 후 ~0.3에서 안정화됩니다. 이러한 높은 COF는 마모 과정을 가속화하고 그림 4에 표시된 바와 같이 상당한 양의 페인트 잔해를 생성합니다(샘플 A의 탑코트는 처음 100회 회전에서 제거되기 시작함). 그림 3에서 볼 수 있듯이, 샘플 A는 처음 300회 동안 ~5μm2/N의 가장 높은 마모율을 나타내며, 금속 기판의 내마모성이 향상되어 ~3.5μm2/N으로 약간 감소합니다. 샘플 C의 탑코트는 그림 4에 표시된 것처럼 150회 마모 사이클 후에 실패하기 시작하며, 이는 그림 2에서 COF의 증가로도 알 수 있습니다.

이에 비해 샘플 B와 샘플 D는 향상된 마찰 특성을 보여줍니다. 샘플 B는 전체 테스트 기간 동안 낮은 COF를 유지하며, COF가 ~0.05에서 ~0.1로 약간 증가합니다. 이러한 윤활 효과는 내마모성을 크게 향상시켜 800회 마모 사이클 후에도 탑코트가 여전히 밑에 있는 프라이머에 우수한 보호 기능을 제공합니다. 800 사이클에서 샘플 B의 평균 마모율은 ~0.77 μm2/N에 불과한 최저치를 기록했습니다. 샘플 D의 탑코트는 375 사이클 후에 박리되기 시작하는데, 이는 그림 2의 갑작스러운 COF 증가에 반영되어 있습니다. 샘플 D의 평균 마모율은 800 사이클에서 ~1.1 μm2/N입니다.

기존의 테이버 마모 측정과 비교하여 나노베아 트라이보미터는 상업용 바닥/자동차 페인트의 재현 가능한 평가 및 품질 관리를 보장하는 잘 제어되고 정량화되고 신뢰할 수 있는 마모 평가를 제공합니다. 또한, 현장 COF 측정 기능을 통해 사용자는 마모 공정의 여러 단계를 COF의 변화와 연관시킬 수 있으며, 이는 다양한 페인트 코팅의 마모 메커니즘 및 마찰 특성에 대한 근본적인 이해를 향상시키는 데 매우 중요합니다.

서로 다른 재료의 스크래치 경도를 비교하기 위해 테스트 후 세 가지 금속(Cu110, Al6061, SS304)의 스크래치 트랙 이미지가 그림 1에 나와 있습니다. 나노베아 기계 소프트웨어의 매핑 기능을 사용하여 자동화된 프로토콜에서 동일한 조건으로 테스트한 세 개의 평행 스크래치를 생성했습니다. 측정된 스크래치 트랙 폭과 계산된 스크래치 경도 수치(HSP)는 표 1에 요약 및 비교되어 있습니다. 금속의 마모 트랙 폭은 각각 174, 220 및 89 µm로 Al6061, Cu110 및 SS304에 대해 서로 다르며, 그 결과 계산된 HSP는 0.84, 0.52 및 3.2 GPa로 나타났습니다.

스크래치 트랙 폭에서 계산된 스크래치 경도 외에도 스크래치 경도 테스트 중에 마찰 계수(COF), 실제 깊이 및 음향 방출의 변화가 현장에서 기록되었습니다. 여기서 실제 깊이는 스크래치 테스트 중 스타일러스의 침투 깊이와 사전 스캔에서 측정된 표면 프로파일 사이의 깊이 차이입니다. Cu110의 COF, 실제 깊이 및 음향 방출은 그림 2에 예시로 나와 있습니다. 이러한 정보는 스크래치 중에 발생하는 기계적 결함에 대한 통찰력을 제공하여 사용자가 기계적 결함을 감지하고 테스트된 재료의 스크래치 거동을 추가로 조사할 수 있도록 합니다.

스크래치 경도 테스트는 높은 정밀도와 반복성으로 몇 분 안에 완료할 수 있습니다. 이 연구의 스크래치 경도 테스트는 기존의 압입 공정과 비교하여 경도 측정을 위한 대체 솔루션을 제공하여 품질 관리 및 신소재 개발에 유용합니다.

그림 1은 테스트 중 침투 깊이, 마찰 계수(COF) 및 음향 방출의 기록된 변화를 보여줍니다. TiN 샘플의 전체 마이크로 스크래치 트랙은 그림 2에 나와 있습니다. 다양한 임계 하중에서의 고장 거동은 그림 3에 표시되어 있으며, 임계 하중 Lc1은 스크래치 트랙에서 응집 균열의 첫 징후가 발생하는 하중으로 정의되고, Lc2는 반복적인 박리 고장이 발생하는 하중으로, Lc3은 코팅이 기판에서 완전히 제거되는 하중으로 정의됩니다. TiN 코팅의 임계 하중(Lc) 값은 그림 4에 요약되어 있습니다.

침투 깊이, COF 및 음향 방출의 변화는 이 연구에서 임계 하중으로 대표되는 여러 단계에서의 코팅 실패 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다. 스크래치 테스트 중에 샘플 A와 샘플 B가 비슷한 거동을 보이는 것을 관찰할 수 있습니다. 코팅 스크래치 테스트 초기에 일반 하중이 선형적으로 증가함에 따라 스타일러스가 샘플에 ~0.06mm 깊이까지 점진적으로 침투하고 COF는 ~0.3까지 점차 증가합니다. 3.3N의 Lc1에 도달하면 칩핑 실패의 첫 번째 징후가 발생합니다. 이는 침투 깊이, COF 및 음향 방출 플롯의 첫 번째 큰 스파이크에도 반영됩니다. 하중이 ~3.8N의 Lc2까지 계속 증가함에 따라 침투 깊이, COF 및 음향 방출의 추가 변동이 발생합니다. 스크래치 트랙의 양쪽에서 지속적인 박리 실패를 관찰할 수 있습니다. Lc3에서는 스타일러스가 가하는 높은 압력으로 인해 코팅이 금속 기판에서 완전히 박리되어 기판이 노출되고 보호되지 않은 상태로 남게 됩니다.