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Monatliches Archiv: Juni 2023

Verschleißtest der PTFE-Beschichtung

VERSCHLEISSTEST DER PTFE-BESCHICHTUNG

MIT TRIBOMETER UND MECHANISCHEM TESTER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Polytetrafluorethylen (PTFE), allgemein bekannt als Teflon, ist ein Polymer mit einem außergewöhnlich niedrigen Reibungskoeffizienten (COF) und einer hervorragenden Verschleißfestigkeit, abhängig von den angewendeten Belastungen. PTFE weist eine hervorragende chemische Inertheit, einen hohen Schmelzpunkt von 327 °C (620 °F) auf und behält eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Selbstschmierung bei niedrigen Temperaturen bei. Die außergewöhnliche Verschleißfestigkeit von PTFE-Beschichtungen macht sie in einer Vielzahl industrieller Anwendungen sehr gefragt, beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik und insbesondere bei Kochgeschirr.

WICHTIGKEIT DER QUANTITATIVEN BEWERTUNG VON PTFE-BESCHICHTUNGEN

Die Kombination aus einem extrem niedrigen Reibungskoeffizienten (COF), ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und außergewöhnlicher chemischer Inertheit bei hohen Temperaturen macht PTFE zur idealen Wahl für Antihaft-Pfannenbeschichtungen. Um seine mechanischen Prozesse während der Forschung und Entwicklung weiter zu verbessern und eine optimale Kontrolle über Fehlfunktionsvermeidungs- und Sicherheitsmaßnahmen im Qualitätskontrollprozess sicherzustellen, ist es von entscheidender Bedeutung, über eine zuverlässige Technik zur Mengenbewertung der tribomechanischen Prozesse von PTFE-Beschichtungen zu verfügen. Um die beabsichtigte Leistung sicherzustellen, ist eine genaue Kontrolle der Oberflächenreibung, des Verschleißes und der Haftung der Beschichtungen unerlässlich.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird der Verschleißprozess einer PTFE-Beschichtung für eine Antihaftpfanne mit dem NANOVEA Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus simuliert.

NANOVEA T50

Kompaktes Tribometer mit freiem Gewicht

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Darüber hinaus wurde mit dem NANOVEA Mechanical Tester ein Mikrokratzhaftungstest durchgeführt, um die kritische Belastung des Haftungsfehlers der PTFE-Beschichtung zu bestimmen.

NANOVEA PB1000

Mechanischer Tester mit großer Plattform

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TESTVORGANG

ABNUTZUNGSTEST

LINEARER HIN- UND HERGESTELLTER VERSCHLEIß MIT EINEM TRIBOMETER

Das tribologische Verhalten der PTFE-Beschichtungsprobe, einschließlich des Reibungskoeffizienten (COF) und der Verschleißfestigkeit, wurde mit dem NANOVEA bewertet Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus. Für die Beschichtung wurde eine Kugelspitze aus Edelstahl 440 mit einem Durchmesser von 3 mm (Klasse 100) verwendet. Der COF wurde während des PTFE-Beschichtungsverschleißtests kontinuierlich überwacht.

 

Die Verschleißrate K wurde mit der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) berechnet, wobei V das verschlissene Volumen, F die Normallast, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Hübe. Die Verschleißspurprofile wurden mit dem NANOVEA bewertet Optisches Profilometerund die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

PARAMETER DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

LOAD 30 N
TESTDAUER 5 Minuten
GLEITGESCHWINDIGKEIT 80 U/min
AMPLITUDE DER SPUR 8 mm
REVOLUTIONEN 300
KUGEL-DIAMETER 3 mm
KUGELMATERIAL Edelstahl 440
SCHMIERMITTEL Keiner
ATMOSPHÄRE Luft
TEMPERATUR 230 °C (RT)
FEUCHTIGKEIT 43%

TESTVORGANG

SCRATCH TEST

Mikrokratz-Haftungstest mit mechanischem Tester

Die Messung der PTFE-Kratzhaftung wurde mit dem NANOVEA durchgeführt Mechanischer Tester mit einem 1200 Rockwell C Diamantstift (200 μm Radius) im Micro Scratch Tester-Modus.

 

Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, wurden drei Tests unter identischen Testbedingungen durchgeführt.

SCRATCH-TEST-PARAMETER

LADUNGSTYP Progressiv
ANFANGSLADUNG 0,01 mN
ENDLADUNG 20 mN
LADUNGSVERFAHREN 40 mN/min
SCRATCH LENGTH 3 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt 6,0 mm/min
EINDRINGKÖRPERGEOMETRIE 120o Rockwell C
INDENTER MATERIAL (Spitze) Diamant
RADIUS DER EINDRINGKÖRPERSPITZE 200 μm

ERGEBNISSE & DISKUSSION

LINEARER HIN- UND HERGESTELLTER VERSCHLEIß MIT EINEM TRIBOMETER

Der in situ aufgezeichnete COF ist in ABBILDUNG 1 dargestellt. Die Testprobe wies während der ersten 130 Umdrehungen einen COF von ~0,18 auf, was auf die geringe Klebrigkeit von PTFE zurückzuführen ist. Allerdings kam es zu einem plötzlichen Anstieg des COF auf ~1, sobald die Beschichtung durchbrach und das darunter liegende Substrat freilegte. Im Anschluss an die linearen Hin- und Herbewegungstests wurde das Verschleißspurprofil mit dem NANOVEA gemessen Berührungsloses optisches Profilometer, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. Aus den erhaltenen Daten wurde die entsprechende Verschleißrate mit ~2,78 × 10-3 mm3/Nm berechnet, während die Tiefe der Verschleißspur mit 44,94 µm ermittelt wurde.

Testaufbau für den PTFE-Beschichtungsverschleiß auf dem NANOVEA T50 Tribometer.

ABBILDUNG 1: COF-Entwicklung während des PTFE-Beschichtungsverschleißtests.

ABBILDUNG 2: Profilextraktion der Verschleißspur PTFE.

PTFE Vor dem Durchbruch

Max COF 0.217
Min COF 0.125
Durchschnittlicher COF 0.177

PTFE Nach Durchbruch

Max COF 0.217
Min COF 0.125
Durchschnittlicher COF 0.177

TABELLE 1: COF vor und nach Durchbruch beim Verschleißtest.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Mikrokratz-Haftungstest mit mechanischem Tester

Die Haftung der PTFE-Beschichtung auf dem Untergrund wird mittels Kratztests mit einem 200 µm Diamantstift gemessen. Die mikroskopische Aufnahme ist in ABBILDUNG 3 und ABBILDUNG 4 dargestellt. Die Entwicklung des COF und der Eindringtiefe ist in ABBILDUNG 5 dargestellt. Die Ergebnisse des Kratztests für die PTFE-Beschichtung sind in TABELLE 4 zusammengefasst. Mit zunehmender Belastung des Diamantstifts drang dieser zunehmend in die Beschichtung ein. was zu einer Erhöhung des COF führt. Bei Erreichen einer Belastung von ~8,5 N erfolgte der Durchbruch der Beschichtung und die Freilegung des Substrats unter hohem Druck, was zu einem hohen COF von ~0,3 führte. Der in TABELLE 2 gezeigte niedrige St Dev zeigt die Wiederholbarkeit des mit dem NANOVEA Mechanical Tester durchgeführten Kratztests für die PTFE-Beschichtung.

ABBILDUNG 3: Mikroaufnahme des vollständigen Kratzers auf PTFE (10X).

ABBILDUNG 4: Mikroaufnahme des vollständigen Kratzers auf PTFE (10X).

ABBILDUNG 5: Reibungsdiagramm, das die Linie des kritischen Versagenspunkts für PTFE zeigt.

SCRATCH Fehlerpunkt [N] Reibungskraft [N] COF
1 0.335 0.124 0.285
2 0.337 0.207 0.310
3 0.380 0.229 0.295
Durchschnitt 8.52 2.47 0.297
St. Dev 0.17 0.16 0.012

TABELLE 2: Zusammenfassung der kritischen Belastung, der Reibungskraft und des COF während des Kratztests.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir eine Simulation des Verschleißprozesses einer PTFE-Beschichtung für Antihaftpfannen mit dem NANOVEA T50 Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus durchgeführt. Die PTFE-Beschichtung wies einen niedrigen COF von ~0,18 auf, der Durchbruch der Beschichtung erfolgte bei etwa 130 Umdrehungen. Die quantitative Bewertung der Haftung der PTFE-Beschichtung auf dem Metallsubstrat wurde mit dem NANOVEA Mechanical Tester durchgeführt, der die kritische Belastung für das Versagen der Beschichtungshaftung in diesem Test auf ~8,5 N feststellte.

 

Die NANOVEA-Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstestfunktionen im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus. Sie bieten optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, alle integriert in einem einzigen System. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Benutzern, reale Anwendungsumgebungen genauer zu simulieren und ein besseres Verständnis für die Verschleißmechanismen und tribologischen Eigenschaften verschiedener Materialien zu erlangen.

 

Die mechanischen Tester von NANOVEA bieten Nano-, Mikro- und Makromodule, die jeweils ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißtestmodi umfassen und so die umfassendste und benutzerfreundlichste Palette an Testfunktionen bieten, die in einem einzigen System verfügbar sind.

UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG

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Progressive Abnutzung von Bodenbelägen mit Tribometer

Progressive Abnutzungskartierung von Bodenbelägen

Einsatz von Tribometern mit integriertem Profilometer

Vorbereitet von

FRANK LIU

EINFÜHRUNG

Bodenbeläge sind auf Langlebigkeit ausgelegt, unterliegen jedoch häufig der Abnutzung durch alltägliche Aktivitäten wie Bewegung und Möbelnutzung. Um ihre Langlebigkeit zu gewährleisten, verfügen die meisten Bodenbeläge über eine schützende Nutzschicht, die Beschädigungen widersteht. Die Dicke und Haltbarkeit der Nutzschicht variiert jedoch je nach Bodenbelagsart und Beanspruchungsgrad. Darüber hinaus weisen verschiedene Schichten innerhalb der Bodenbelagsstruktur, wie UV-Beschichtungen, Dekorschichten und Glasuren, unterschiedliche Abnutzungsraten auf. Hier kommt die progressive Verschleißkartierung ins Spiel. Mit dem NANOVEA T2000 Tribometer mit integriertem 3D berührungsloses ProfilometerEine präzise Überwachung und Analyse der Leistung und Langlebigkeit von Bodenbelagsmaterialien ist möglich. Durch detaillierte Einblicke in das Abnutzungsverhalten verschiedener Bodenbelagsmaterialien können Wissenschaftler und Techniker fundiertere Entscheidungen bei der Auswahl und Gestaltung neuer Bodenbelagssysteme treffen.

BEDEUTUNG DER PROGRESSIVEN VERSCHLEISSABBILDUNG FÜR BODENPLATTEN

Bei der Prüfung von Bodenbelägen wird traditionell die Abnutzungsrate einer Probe untersucht, um ihre Beständigkeit gegen Verschleiß zu bestimmen. Mit der progressiven Abnutzungskartierung kann jedoch die Abnutzungsrate der Probe während des gesamten Tests analysiert werden, was wertvolle Einblicke in das Abnutzungsverhalten liefert. Diese eingehende Analyse ermöglicht Korrelationen zwischen Reibungsdaten und Verschleißrate, wodurch die Grundursachen des Verschleißes ermittelt werden können. Es ist zu beachten, dass die Verschleißraten bei Verschleißtests nicht konstant sind. Die Beobachtung des Verschleißverlaufs ermöglicht daher eine genauere Beurteilung des Verschleißes der Probe. Die Einführung der progressiven Abnutzungskartierung hat über die traditionellen Prüfmethoden hinaus zu bedeutenden Fortschritten auf dem Gebiet der Bodenbelagsprüfung beigetragen.

Das NANOVEA T2000 Tribometer mit integriertem berührungslosen 3D-Profilometer ist eine bahnbrechende Lösung für Verschleißtests und Volumenverlustmessungen. Seine Fähigkeit, sich präzise zwischen dem Stift und dem Profilometer zu bewegen, garantiert die Zuverlässigkeit der Ergebnisse, indem es Abweichungen im Radius oder in der Position der Verschleißspur eliminiert. Aber das ist noch nicht alles – die erweiterten Funktionen des 3D-Berührungslos-Profilometers ermöglichen Hochgeschwindigkeits-Oberflächenmessungen und reduzieren die Scanzeit auf nur wenige Sekunden. Mit der Fähigkeit, Lasten von bis zu 2.000 N aufzubringen und Schleudergeschwindigkeiten von bis zu 5.000 U/min zu erreichen, ist die NANOVEA T2000 Tribometer bietet Vielseitigkeit und Präzision im Bewertungsprozess. Es ist klar, dass diese Ausrüstung eine entscheidende Rolle bei der Kartierung des fortschreitenden Verschleißes spielt.

 

ABBILDUNG 1: Aufbau der Probe vor der Verschleißprüfung (links) und Profilometrie der Abnutzungsspur nach der Prüfung (rechts).

MESSZIEL

Progressive Verschleißtests wurden an zwei Arten von Bodenbelägen durchgeführt: Stein und Holz. Jede Probe wurde insgesamt 7 Testzyklen mit ansteigender Testdauer von 2, 4, 8, 20, 40, 60 und 120 Sekunden unterzogen, um einen Vergleich der Abnutzung über die Zeit zu ermöglichen. Nach jedem Testzyklus wurde die Verschleißspur mit dem berührungslosen 3D-Profilometer NANOVEA profiliert. Anhand der vom Profilometer erfassten Daten können das Volumen des Lochs und die Verschleißrate mit den integrierten Funktionen der NANOVEA Tribometer-Software oder unserer Oberflächenanalyse-Software Mountains analysiert werden.

NANOVEA

T2000

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Tribometer
wear mapping test samples Holz und Stein

 DIE MUSTER 

PARAMETER DER VERSCHLEISSABBILDUNGSTESTS

LOAD40 N
TESTDAUERvariiert
SPEED200 Umdrehungen pro Minute
RADIUS10 mm
DISTANZvariiert
KUGELMATERIALWolframkarbid
KUGEL-DIAMETER10 mm

Die Testdauer für die 7 Zyklen betrug 2, 4, 8, 20, 40, 60 und 120 Sekundenjeweils. Die zurückgelegten Entfernungen waren 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 und 25,11 Meter.

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSKARTIERUNG

HOLZFUSSBODEN

Test-ZyklusMax COFMin COFAvg. COF
10.3350.1240.275
20.3370.2070.295
30.3800.2290.329
40.3930.2650.354
50.3520.2050.314
60.3450.1990.312
70.3150.2110.293

 

RADIALE ORIENTIERUNG

Test-ZyklusGesamtvolumenverlust (µm3)Gesamtabstand
Zurückgelegte Strecke (m)		Abnutzungsrate
(mm/Nm) x10-5		Momentane Verschleißrate
(mm/Nm) x10-5
12962476870.401833.7461833.746
23552452271.221093.260181.5637
35963713262.88898.242363.1791
48837477677.04530.629172.5496
5120717995115.40360.88996.69074
6147274531827.95293.32952.89311
7185131921053.06184.34337.69599
Progressiver Holzverschleiß im Vergleich zur Gesamtstrecke

ABBILDUNG 2: Verschleißrate im Vergleich zur zurückgelegten Gesamtstrecke (links)
und momentane Abnutzungsrate im Vergleich zum Testzyklus (rechts) für Holzfußböden.

Kartierung der progressiven Abnutzung von Holzböden

ABBILDUNG 3: COF-Diagramm und 3D-Ansicht der Abnutzungsspur von Test #7 auf Holzfußboden.

Verschleißabbildung extrahiertes Profil

ABBILDUNG 4: Querschnittsanalyse der Holzabriebspur aus Test #7

Progressive Verschleißkartierung Volumen- und Flächenanalyse

ABBILDUNG 5: Volumen- und Flächenanalyse der Abnutzungsspur an der Holzprobe #7.

Die vollständigen Ergebnisse finden Sie hier.

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSKARTIERUNG

STEINFUSSBODEN

Test-ZyklusMax COFMin COFAvg. COF
10.2490.0350.186
20.3490.1970.275
30.2940.1540.221
40.5030.1240.273
50.5480.1060.390
60.5100.1290.434
70.5270.1810.472

 

RADIALE ORIENTIERUNG

Test-ZyklusGesamtvolumenverlust (µm3)Gesamtabstand
Zurückgelegte Strecke (m)		Abnutzungsrate
(mm/Nm) x10-5		Momentane Verschleißrate
(mm/Nm) x10-5
1962788460.40595.957595.9573
28042897311.222475.1852178.889
313161478552.881982.355770.9501
431365302157.041883.2691093.013
51082173218015.403235.1802297.508
62017496034327.954018.2821862.899
74251206342053.064233.0812224.187
Verschleißrate von Steinböden im Vergleich zur Entfernung
Diagramm für die momentane Abnutzungsrate von Steinböden

ABBILDUNG 6: Verschleißrate im Vergleich zur zurückgelegten Gesamtstrecke (links)
und momentane Abnutzungsrate im Vergleich zum Testzyklus (rechts) für Steinböden.

Steinboden 3d Profil der Verschleißspur

ABBILDUNG 7: COF-Diagramm und 3D-Ansicht der Abnutzungsspur von Test #7 auf Steinboden.

Steinböden mit progressivem Verschleiß, extrahiertes Profil
Steinböden extrahiert Profil maximale Tiefe und Höhe Bereich des Lochs und Spitze

ABBILDUNG 8: Querschnittsanalyse der Steinverschleißspur von Test #7.

Volumenanalyse der fortschreitenden Abnutzung von Holzböden

ABBILDUNG 9: Volumen- und Flächenanalyse der Abnutzungsspur an der Steinprobe #7.


Die vollständigen Ergebnisse finden Sie hier.

DISKUSSION

Die momentane Verschleißrate wird mit der folgenden Gleichung berechnet:
Abbildung der progressiven Abnutzung der Bodenbelagsformel

Diese Gleichung beschreibt die Verschleißrate zwischen den Prüfzyklen, wobei V das Volumen eines Lochs, N die Last und X die Gesamtstrecke ist. Die momentane Abnutzungsrate kann verwendet werden, um Änderungen der Abnutzungsrate während des Tests besser zu erkennen.

Beide Proben weisen ein sehr unterschiedliches Abnutzungsverhalten auf. Im Laufe der Zeit beginnt der Holzboden mit einer hohen Abnutzungsrate, sinkt aber schnell auf einen kleineren, gleichmäßigen Wert. Bei den Steinböden scheint die Abnutzungsrate bei einem niedrigen Wert zu beginnen und im Laufe der Zyklen auf einen höheren Wert zu steigen. Auch die momentane Abnutzungsrate zeigt wenig Konstanz. Der genaue Grund für den Unterschied ist nicht sicher, könnte aber auf die Struktur der Proben zurückzuführen sein. Der Steinboden scheint aus losen, kornähnlichen Partikeln zu bestehen, die sich anders abnutzen als die kompakte Struktur des Holzes. Um die Ursache für dieses Abnutzungsverhalten herauszufinden, wären weitere Tests und Untersuchungen erforderlich.

Die Daten des Reibungskoeffizienten (COF) scheinen mit dem beobachteten Verschleißverhalten übereinzustimmen. Die COF-Kurve für den Holzfußboden scheint über die Zyklen hinweg konsistent zu sein, was die gleichmäßige Verschleißrate ergänzt. Bei den Steinböden steigt der durchschnittliche COF über die Zyklen hinweg an, ähnlich wie die Verschleißrate mit den Zyklen zunimmt. Es gibt auch offensichtliche Veränderungen in der Form der Reibungskurven, was auf Veränderungen in der Wechselwirkung zwischen der Kugel und der Steinprobe hindeutet. Am deutlichsten ist dies in Zyklus 2 und Zyklus 4.

SCHLUSSFOLGERUNG

Das NANOVEA T2000 Tribometer zeigt seine Fähigkeit, progressiven Verschleiß zu kartieren, indem es die Verschleißrate zwischen zwei verschiedenen Bodenbelagsproben analysiert. Die Unterbrechung des kontinuierlichen Verschleißtests und das Scannen der Oberfläche mit dem berührungslosen NANOVEA 3D-Profilometer liefert wertvolle Erkenntnisse über das Verschleißverhalten des Materials im Laufe der Zeit.

Das NANOVEA T2000 Tribometer mit dem integrierten berührungslosen 3D-Profilometer liefert eine Vielzahl von Daten, darunter COF-Daten (Reibungskoeffizient), Oberflächenmessungen, Tiefenmessungen, Oberflächenvisualisierung, Volumenverlust, Verschleißrate und mehr. Diese umfassenden Informationen ermöglichen dem Benutzer ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen dem System und der Probe. Mit seiner kontrollierten Belastung, der hohen Präzision, der einfachen Bedienung, der hohen Belastung, dem großen Geschwindigkeitsbereich und den zusätzlichen Umgebungsmodulen hebt das NANOVEA T2000 Tribometer die Tribologie auf ein neues Niveau.

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