共聚焦白光干涉儀 | 用于摩擦涂層的表面表征：磨損性能、厚度和粗糙度

研究重點是改善類金剛石（DLC）涂層的摩擦力學性能。這類涂層采用新型PVD技術高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS），通過正脈沖沉積在工具鋼上。這些涂層因其優異的耐磨性、極低的摩擦系數、*高的硬度或生物相容性而受到業界的高度關注。研究的目的是提高DLC涂層在不同鋼基材上的附著或耐磨性等摩擦力學性能。

我們期望借助Sensofar的3D光學輪廓儀，在更高質量的2D和3D圖像中以更高的測量精度進行表面表征。

我們測量了有涂層和無涂層圓形樣品和平面樣品。使用不同的鋼材和陶瓷作為基材。使DLC等高質量涂層沉積在基材上。在這些樣品中，我們使用銷盤式摩擦計進行摩擦和磨損測試，然后測量磨痕。

圖1a：正在其中一個樣品上進行的摩擦和磨損測試。

圖1b：摩擦磨損測試后其中一個樣品的圖像。

圖2：用于確定涂層厚度的樣品。

研究表面或涂層的摩擦力學性能涉及許多關鍵參數：納米硬度、涂層與基材之間的附著力、粗糙度和/或者層厚或磨損性能。可以使用S mart輪廓儀，測量表面粗糙度、涂層厚度和計算磨損系數所需的摩擦磨損測試后體積損失。

在工業應用中，耐磨性可決定材料的正確性能并確保更長的使用壽命，是一項非常重要的特性。確定這個數值并非易事，因為有許多因素在起作用：磨損機制存在變化，銷和圓盤都受到磨損。

磨損的表征并不簡單，但我們可以使用Sensofar輪廓儀，在磨損測試過程中實現最真實的磨損表征，并更好地測量體積損失。

體積測量

對于摩擦和磨損測試，我們使用直徑6 mm、表面最大粗糙度Ramax 0.050 µm、硬度約為1650 HV的氧化鋁球。將不同的有涂層和無涂層工具鋼樣品作為圓盤。在測試中，圓盤在以下條件下圍繞銷旋轉：40 N負載、200 rpm轉速和20,000次循環，每個樣品在8、10和12 mm（軌跡半徑）處重復測試3次。測試后會出現磨痕，根據磨痕測量體積損失，以確定磨損系數。

利用共聚焦技術測量體積損失，測得的體積損失用于之后的耐磨性計算。物鏡的選擇取決于磨痕的寬度，對于觀察到最寬磨痕的無涂層樣品，使用5X和10X鏡頭，而對于磨痕較窄的有涂層樣品，使用20X和50X鏡頭。

圖3：涂層的體積損失測量值通過S mart 3D光學輪廓儀（10X EPI）采集。

圖4a：WC-C 磨痕圖像。

圖4b：共聚焦輪廓儀（10X明場物鏡）采集的ta-C涂層樣品磨痕圖像。

為獲得最準確的數值，磨損系數通過兩種方式確定；一種是按照ASTM G99標準確定，另一種是直接通過體積損失的共聚焦測量確定。直接使用共聚焦輪廓儀測量時，將測量的體積損失值外推到整個磨痕，并根據體積損失值計算磨損系數。

圖5：通過ASTM G99標準（橙色圖）和共聚焦（藍色圖）測量的樣品磨損系數值的比較圖。

通過S mart 3D輪廓儀實現了以最準確方式表征涂層耐磨性的主要目標。由于輪廓儀能夠在考慮磨痕真實形狀的情況下測量摩擦和磨損測試后的體積損失，因此通過共聚焦獲得的磨損系數值比按照ASTM G99標準計算的值更低并且更真實。

厚度和粗糙度測量

此外，還可以輕松測量樣品的表面粗糙度和輪廓粗糙度，然后對比使用共聚焦和干涉測量這兩種不同的測量技術獲得的數值。通過這種方式，可以保證得到的粗糙度值的精度。基材的粗糙度可能是涂層與基材之間附著力的決定因素。

圖6：使用50X物鏡的共聚焦顯微鏡得到的涂層工具鋼樣品表面粗糙度測量值（截止值為0.08 mm）。

圖7：通過干涉測量（10XDI）得到的涂層工具鋼樣品輪廓粗糙度測量值。

最后，采用快速、簡便的方法測量了涂層厚度。除了粗糙度外，還使用共聚焦和干涉測量法測量了厚度，以證實結果。這種測量的主要優點是不需要破壞性測試就可以測量厚度。

圖8：涂層厚度測量值通過S mart 3D光學輪廓儀采集。

粗糙度和厚度測量均可通過共聚焦（50X）和干涉測量（10X）完成。通過這種方式，我們試圖在深度上實現最高分辨率，以獲得最準確的數值。

有許多參數對于研究表面或涂層的摩擦力學性能非常重要，如納米硬度、涂層與基材之間的附著力、粗糙度、層厚或磨損性能。Sensofar的光學輪廓儀可以評估所有這些特性，并且比其他表征方法更為準確。最后應該指出的是，S mart輪廓儀的多功能性、速度和易用性使我們可以選擇使用不同的技術來證實獲得的數值。