划痕试验测定 BCR-692标准DLC涂层样品的结合力应用报告

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热，以一定的速 度喷射沉积到基体表面形成涂层的方法。 与其他沉积技术相比，热喷涂技术可以在高沉积速率 下覆盖大面积并且提供更厚的涂层。 热喷涂层广泛应用于航空航天、汽车、海洋、重型机 械等多个领域，主要性能包括耐磨性、低摩擦、耐腐 蚀、改变导热系数和电导率等。 测试问题 熔化的材料液滴喷涂到基体表面，产生大量“饼 状"片层，在表面形成高度不均匀的涂层。 片层的大小以及不同的孔隙程度常被用来表征热喷涂 层。使用热喷涂技术形成的涂层具有独特的微观结 构，呈现出不同于基体材料的特性。 不同类型的热喷涂工艺（火焰、电弧、等离子体、高 速氧燃料和爆炸喷涂）会产生的不同结构，增加了材 料问题的复杂性。 涂层的耐用性和功能性在很大程度上取决于涂层内聚 力强度和涂层与基体的结合力强度。因此，在实际工 件上形成涂层并研究沉积技术、喷涂参数（如速度） 和基体表面制备是非常必要的。 结论 划痕测试技术可以用来表征热喷涂层的内聚力和结合 力强度。通过试验就可以更深入地了解热喷涂层的强 度。 对涂层失效模式的研究和量化可以为研究人员改进涂 层生产工艺提供一些建议，如调整TS4的基体表面工 艺，TS1、TS2和TS3的喷涂技术参数等，来增加热涂 层的结合力和内聚力强度。 Retc Instruments致力于开发相关的测试手段来表征 热喷涂层。多功能摩擦试验机MFT5000也可对热喷涂 层进行摩擦磨损测试。划痕与摩擦学测试(磨损/摩擦 系数)结合的测试手段可以帮助研究人员对涂层及其 抗机械损伤能力有更完整的了解。 关键词 • 热喷涂层 • ISO 27307 • 结合力/内聚力评估 • 截面划痕测试 • 结合力 • 机械测试

导言 根据2017年JD Power公司对美国汽车市场质量的初步 研究发现50%或更多消费者的投诉与汽车划痕、瑕疵 以及芯片缺陷相关。 汽车涂料的改进可以使汽车外观保持更长久，减少汽 车保险申报，并保持二手车的价值。 因此，汽车清漆抗划性能的提升已成为汽车行业的重 点研究问题。 测试问题 事实上，汽车涂料是多层材料的组合，具有美观和保 护功能。汽车的底漆必须保护零件不受腐蚀和其他损 伤，而面漆必须美观、持久并保持光泽。面漆通常由 色漆和清漆组成，色漆提供颜色和视觉效果，清漆保 持光泽并保护部件不受环境和外力的损伤。 用户对清漆性能改善（保护汽车在使用寿命期间不受 机械损伤）的需求仍在增加。到目前为止，OEM厂商 仍用简单的测试方法，如 Crockmeter和Amtek-Kistler 方法来评估清漆抵抗划痕和其他机械应力的能力。随 着清漆质量的提高，这些偏差较大、容易受主观影响 的测试方法无法对材料进行精确的表征。 划痕试验能模拟现实生活中汽车清漆所受的的机械损 伤，并清晰区分清漆性能的细微差别。 汽车清漆所受损伤主要有以下几种类型： • 洗车刷会在表面造成小而尖锐的划痕，称为瑕疵 划痕。 • 指甲和树枝会在表面造成较大和更深的划痕，称 为微观划痕。 • 钥匙和购物车会在表面造成更大和更深的划痕 （有时观察到清漆完全剥离），称为宏观划痕。 因此，研究人员主要测试清漆抵抗瑕疵划痕，微观划 痕和宏观划痕的能力。 SMT-5000提供可更换的划痕头，可在一个平台上实现 从纳米到宏观划痕的高精度测量。

导言 硬质涂层与基体材料成分不同，通常用于硬化基材、 防腐蚀、减磨和防止与血液接触的材料发生凝血现 象等。这些涂层可以是氮化物(氮化钛，TiN)，碳化 物(碳化钨，WC)或其他材料(类金刚石涂层，DLC)。 根据不同的应用，可选择不同的涂层制备工艺。 测试问题 考虑到硬质涂层的性能，需对其内聚力强度和与基体 的结合强度进行表征。例如，一旦涂层表面出现裂 纹，涂层的耐腐蚀性能就会明显下降。医疗器械对 耐磨涂层与植入物的结合强度要求特别高，需要保 证涂层 “碎片"不会发生剥离而进入血液，威胁患 者的健康。 因为结合力不是材料固有性质，而是涂层/基体材料 系统对外加应力的反馈，所以很难得到量化表征。 划痕试验通过在样品表面产生应力，使涂层出现裂 纹或从基体分离，来研究涂层的内聚力和结合力强 度，为研究人员和工程师提供了便利。 测试方法 在涂层待测区域上方，通过拖动已知形状的金刚石划 痕头来产生划痕（图1）。当划痕头沿样品表面移动 时，施加在顶端上的法向载荷线性增加，导致接触应 力增加，使接触条件更加恶劣。 结论 划痕测试技术是一种有价值的区分涂层特性的工具。 划痕试验中产生的应力为涂层内聚力强度和涂层与基 体结合力强度提供了有意义的信息。三维图像（共聚 焦和亮场图像）与传感器信号的结合是先进的分析 涂层/基体性能的手段。

几何形状和表面粗糙度 通过伺服控制，划痕头施加的载荷被连续监测和控 制。通过补偿，划痕头的位置贴合于样品形状。可以 对圆柱体和球体进行划痕测试，主要的限制是与样品 表面接触的划痕头顶部尺寸和形状。划痕头顶部可以 通过简单的设计适应于特殊形状的表面。 划痕试验过程建议使用具有统计一致性的粗糙度表 面。使用粗糙度Ra不超过0.5微米的表面是最佳的。 实际制造的零件可能无法达到这个理想值，但不妨碍 测试并分析比较粗糙的表面。缺点是需要考虑 测得的数据离散度较高。 Rtec Instruments带三维形貌（白光干涉仪(WLI)和 共焦显微镜）的划痕仪，可以全面观察硬质涂层的 机械和表面特性。 > 自动化质量控制和样品编程平台 计算机控制的工作台（X,Y,Z：150mmX150mX100mm） 具有可测试不同样品的编程能力，为质量控制提供了 先进的自动化系统。传感器和3D成像技术可以完整分 析划痕试验结果，节省了操作人员的时间，大大提高 了效率。