Na każdej próbce przeprowadzono cztery testy zużycia pin-on-disk przy różnej liczbie obrotów (100, 150, 300 i 800 cykli) w celu monitorowania ewolucji zużycia. Morfologia powierzchni próbek została zmierzona za pomocą urządzenia NANOVEA 3D Non-Contact Profiler w celu określenia chropowatości powierzchni przed przeprowadzeniem testów zużycia. Wszystkie próbki miały porównywalną chropowatość powierzchni około 1 μm, jak pokazano na RYS. 1. COF był rejestrowany in situ podczas testów zużycia, jak pokazano na RYSUNKU 2. RYSUNEK 4 przedstawia ewolucję śladów zużycia po 100, 150, 300 i 800 cyklach, a RYSUNEK 3 podsumował średnią szybkość zużycia różnych próbek na różnych etapach procesu zużycia.

W porównaniu z wartością COF wynoszącą ~0,07 dla pozostałych trzech próbek, próbka A wykazuje znacznie wyższy współczynnik COF wynoszący ~0,15 na początku, który stopniowo wzrasta i staje się stabilny na poziomie ~0,3 po 300 cyklach zużycia. Tak wysoki COF przyspiesza proces zużycia i powoduje powstanie znacznej ilości odłamków lakieru, jak pokazano na RYS. 4 - warstwa wierzchnia próbki A zaczęła być usuwana w ciągu pierwszych 100 obrotów. Jak pokazano na RYSUNKU 3, próbka A wykazuje najwyższy wskaźnik zużycia ~5 μm2/N w pierwszych 300 cyklach, który nieznacznie spada do ~3,5 μm2/N ze względu na lepszą odporność na zużycie metalowego podłoża. Warstwa wierzchnia próbki C zaczyna się psuć po 150 cyklach zużycia, jak pokazano na RYSUNKU 4, na co wskazuje również wzrost COF na RYSUNKU 2.

Dla porównania, próbka B i próbka D wykazują ulepszone właściwości tribologiczne. Próbka B utrzymuje niski współczynnik COF przez cały czas trwania testu - współczynnik COF nieznacznie wzrasta z ~0,05 do ~0,1. Taki efekt smarowania znacznie zwiększa jej odporność na zużycie - po 800 cyklach zużycia warstwa wierzchnia nadal zapewnia doskonałą ochronę podkładu znajdującego się pod nią. Najniższy średni współczynnik zużycia wynoszący tylko ~0,77 μm2/N został zmierzony dla próbki B po 800 cyklach. Warstwa wierzchnia próbki D zaczyna się rozwarstwiać po 375 cyklach, co odzwierciedla gwałtowny wzrost COF na RYS. 2. Średnia szybkość zużycia próbki D wynosi ~1,1 μm2/N przy 800 cyklach.

W porównaniu do konwencjonalnych pomiarów ścieralności Tabera, Tribometr NANOVEA zapewnia dobrze kontrolowane, kwantyfikowalne i wiarygodne oceny zużycia, które zapewniają powtarzalną ocenę i kontrolę jakości komercyjnych farb podłogowych/automatycznych. Co więcej, zdolność do pomiarów in situ COF pozwala użytkownikom skorelować różne etapy procesu zużycia z ewolucją COF, co jest krytyczne dla poprawy fundamentalnego zrozumienia mechanizmu zużycia i charakterystyki trybologicznej różnych powłok lakierniczych.

Obrazy śladów zarysowań trzech metali (Cu110, Al6061 i SS304) po przeprowadzonych badaniach przedstawiono na RYSUNKU 1 w celu porównania twardości zarysowań różnych materiałów. Funkcja mapowania oprogramowania NANOVEA Mechanical została wykorzystana do stworzenia trzech równoległych zarysowań testowanych w tych samych warunkach w zautomatyzowanym protokole. Zmierzona szerokość śladu zarysowania i obliczona liczba twardości zarysowania (HSP) zostały podsumowane i porównane w TABELI 1. Metale wykazują różne szerokości śladów zużycia, wynoszące 174, 220 i 89 µm odpowiednio dla Al6061, Cu110 i SS304, co skutkuje obliczoną liczbą HSP wynoszącą 0,84, 0,52 i 3,2 GPa.

Oprócz twardości zarysowania obliczonej na podstawie szerokości śladu zarysowania, podczas badania twardości zarysowania rejestrowano in situ ewolucję współczynnika tarcia (COF), głębokości rzeczywistej i emisji akustycznej. Głębokość rzeczywista to różnica pomiędzy głębokością penetracji trzpienia podczas testu zarysowania a profilem powierzchni zmierzonym podczas skanowania wstępnego. Przykładowe wartości COF, prawdziwej głębokości i emisji akustycznej dla Cu110 przedstawiono na RYSUNKU 2. Takie informacje zapewniają wgląd w uszkodzenia mechaniczne zachodzące podczas zarysowania, umożliwiając użytkownikom wykrywanie wad mechanicznych i dalsze badanie zachowania zarysowania badanego materiału.

Testy twardości zarysowania mogą być zakończone w ciągu kilku minut z wysoką precyzją i powtarzalnością. W porównaniu do konwencjonalnych procedur wgłębnych, test twardości zarysowania w tym badaniu zapewnia alternatywne rozwiązanie dla pomiarów twardości, co jest przydatne w kontroli jakości i rozwoju nowych materiałów.

RYSUNEK 1 przedstawia zarejestrowaną ewolucję głębokości penetracji, współczynnika tarcia (COF) oraz emisji akustycznej podczas badania. Pełne ślady mikro zarysowań na próbkach TiN pokazano na RYSUNKU 2. Zachowanie się powłoki przy różnych obciążeniach krytycznych pokazano na RYSUNKU 3, gdzie obciążenie krytyczne Lc1 jest zdefiniowane jako obciążenie, przy którym pojawia się pierwszy ślad pęknięcia kohezyjnego w śladzie zarysowania, Lc2 jest obciążeniem, po którym następują powtarzające się uszkodzenia spallacyjne, a Lc3 jest obciążeniem, przy którym powłoka zostaje całkowicie usunięta z podłoża. Wartości obciążenia krytycznego (Lc) dla powłok TiN zestawiono na RYS. 4.

Ewolucja głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej zapewnia wgląd w mechanizm zniszczenia powłoki na różnych etapach, które w tym badaniu reprezentowane są przez obciążenia krytyczne. Można zauważyć, że próbka A i próbka B wykazują porównywalne zachowanie podczas testu zarysowania. Trzpień stopniowo zagłębia się w próbkę na głębokość ~0,06 mm, a COF stopniowo wzrasta do ~0,3 w miarę liniowego wzrostu obciążenia normalnego na początku próby zarysowania powłoki. Po osiągnięciu Lc1 wynoszącego ~3,3 N pojawiają się pierwsze oznaki awarii odpryskowej. Jest to również odzwierciedlone w pierwszych dużych skokach na wykresie głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej. Wraz ze wzrostem obciążenia do wartości Lc2 równej ~3,8 N następują dalsze fluktuacje głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej. Można zaobserwować ciągłe uszkodzenia odpryskowe obecne po obu stronach ścieżki zarysowania. Przy Lc3, powłoka całkowicie rozwarstwia się od metalowego podłoża pod wpływem dużego nacisku wywieranego przez trzpień, pozostawiając podłoże odsłonięte i niechronione.