北京朗时云帆科技有限公司

高级材料和数学研究所（INAMAT2）是一个跨学科研究机构，拥有共同目标，如在各个领域中开发、传播和转移知识。材料工程部门在涂层和表面改善材料方面拥有丰富的研究经验。

研究重点是改善利用新型物理气相沉积技术高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）在工具钢上沉积的类金刚石薄膜（DLC）的摩擦力学性能。这些薄膜由于其卓越的特性在工业上引起了极大的兴趣，包括优异的耐磨性、极低的摩擦系数、出色的硬度和生物相容性。这些研究的目的是改善DLC薄膜在不同钢基底上的附着力和耐磨性等摩擦力学性能。

使用Sensofar 3D光学轮廓仪对涂层和未涂层的圆形和平面样品进行了测量。不同的钢材和陶瓷被用作基板，高质量的涂层（如DLC）被沉积在上面。在这些样品上，我们使用针盘摩擦磨损试验仪进行摩擦和磨损测试，并在此之后测量磨损轨迹。

图2. 用于确定涂层厚度的样品。

研究表面或涂层的摩擦机械性能有许多关键参数：纳米硬度、涂层与基材之间的附着力、粗糙度、图层厚度或磨损性能。通过使用S mart 3D轮廓仪，我们可以测量表面粗糙度、涂层厚度以及摩擦磨损试验后的体积损失，这是计算磨损系数所必需的。

在工业应用中，耐磨性是一种非常重要的性能，因为它可以确定材料的正确性能并提供更长的使用寿命。确定这个值并不容易，因为许多因素都会影响其中：磨损机制会发生变化，针和盘都会受到磨损。

对磨损进行表征并不那么容易，但是借助Sensofar 3D光学轮廓仪，我们能够获得真实的磨损表现，以及更好地测量材料在磨损测试中的体积损失。

在摩擦和磨损测试中，我们使用了直径为6毫米的氧化铝球，表面最大粗糙度为0.050微米，硬度约为1650 HV，并使用不同的涂覆和未涂覆的工具钢样品作为盘片。在测试中，盘片在以下条件下转动，即负载40 N、转速200 rpm和20,000个循环，并且每个样品的测试分别在8 mm、10 mm和12 mm的轨迹半径下重复三次。根据这个测试的结果，会出现一个磨损轨迹，通过测量体积损失来确定磨损系数。

使用共焦技术来测量体积损失，以便后续计算磨损抗性。根据磨损轨迹的宽度，选择了不同倍率的目镜，对于未涂覆的样品，使用了5倍和10倍的物镜，因为观察到最宽的磨损轨迹，而对于涂覆的样品，使用了20倍和50倍的物镜，因为观察到较窄的轨迹。

图3. 使用S mart 3D光学轮廓仪（10倍EPI）测量所涂层的体积损失。

图4. 使用共聚焦轮廓仪（10倍亮场物镜）获取的（a）WC-C和（b）ta-C涂层样品的磨损痕迹图像。

为了获得最准确的值，磨损系数是通过两种方法确定的：按照ASTM G99标准和根据共聚焦测量的体积损失直接确定。当直接使用共聚焦轮廓仪测量时，测量得到的体积损失值被推算到整个磨损痕迹范围内，并根据该体积损失值计算磨损系数。

图5. 显示通过标准ASTM G99（橙色曲线）和共聚焦（蓝色曲线）测量获得的每个样品的磨损系数值的对比图。

通过S mart 3D扫描仪，成功实现了以最准确的方式表征涂层的耐磨性能。由于在摩擦和磨损测试后测量体积损失，并考虑磨损痕迹的真实形状，实现这一目标，通过共聚焦获取的磨损系数值比按照标准ASTM G99计算得到的值更低且更真实。

图6. 通过50倍目镜共焦显微镜测量了涂层工具钢样品的表面粗糙度（0.08毫米截止）

图7. 通过干涉仪（10倍DI）测量了涂层工具钢样品的轮廓粗糙度。

图8. 使用S mart 3D光学轮廓仪获取的涂层厚度测量结果。

为了进行粗糙度和厚度测量，我们同时使用了共聚焦显微镜（50倍放大）和干涉仪（10倍放大）。通过这种方式，我们试图在深度上获得最高分辨率，以获取最准确的数值。

有许多参数对于研究表面或涂层的摩擦力学性质很重要，如纳米硬度、涂层与基底之间的粘附力、粗糙度、层厚或磨损性能。Sensofar 3D光学轮廓仪可以评估这些性质，并且比其他表征方法更准确。值得注意的是，Sensofar S mart 3D轮廓仪的多功能性、高速和易用性使我们有使用不同技术来验证获得数值的选项。