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Tribologie des Gesteins

FELSEN-TRIBOLOGIE

MIT NANOVEA TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Gesteine bestehen aus Mineralkörnern. Die Art und Häufigkeit dieser Mineralien sowie die chemische Bindungsstärke zwischen den Mineralkörnern bestimmen die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Gesteine. Abhängig von den geologischen Gesteinszyklen können Gesteine Transformationen durchlaufen und werden typischerweise in drei Haupttypen eingeteilt: magmatisch, sedimentär und metamorph. Diese Gesteine weisen unterschiedliche mineralische und chemische Zusammensetzungen, Permeabilitäten und Partikelgrößen auf, und diese Eigenschaften tragen zu ihrer unterschiedlichen Verschleißfestigkeit bei. Die Gesteinstribologie untersucht das Verschleiß- und Reibungsverhalten von Gesteinen unter verschiedenen geologischen und Umweltbedingungen.

WICHTIGKEIT DER FELSEN-TRIBOLOGIE

Während des Bohrvorgangs von Bohrlöchern treten verschiedene Arten der Abnutzung des Gesteins, einschließlich Abrieb und Reibung, auf, was zu erheblichen direkten Verlusten und Folgeverlusten führt, die auf die Reparatur und den Austausch von Bohrern und Schneidwerkzeugen zurückzuführen sind. Daher ist die Untersuchung der Bohrbarkeit, Bohrbarkeit, Schneidbarkeit und Abrasivität von Gesteinen in der Öl-, Gas- und Bergbauindustrie von entscheidender Bedeutung. Die Gesteinstribologieforschung spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der effizientesten und kostengünstigsten Bohrstrategien, steigert dadurch die Gesamteffizienz und trägt zur Einsparung von Materialien, Energie und Umwelt bei. Darüber hinaus ist die Minimierung der Oberflächenreibung äußerst vorteilhaft, da sie die Wechselwirkung zwischen Bohrmeißel und Gestein verringert, was zu einem geringeren Werkzeugverschleiß und einer verbesserten Bohr-/Schneideffizienz führt.

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir die tribologischen Eigenschaften zweier Gesteinsarten simuliert und verglichen, um die Fähigkeit des NANOVEA T50 Tribometers zur kontrollierten und überwachten Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate von Gesteinen zu demonstrieren.

NANOVEA

T50

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DIE MUSTER

TESTVORGANG

Der Reibungskoeffizient, COF und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben wurden mit dem NANOVEA T50 Tribometer unter Verwendung des Pin-on-Disc-Verschleißmoduls bewertet. Als Gegenmaterial wurde eine Al2O3-Kugel (6 mm Durchmesser) verwendet. Nach den Tests wurde die Verschleißspur mit dem NANOVEA Non-Contact Profilometer untersucht. Nachfolgend sind die Testparameter zusammengefasst. 

Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) bewertet, wobei V das verschlissene Volumen, F die normale Belastung, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Umdrehungen. Oberflächenrauheit und Verschleißspurprofile wurden mit dem NANOVEA Optical Profilometer bewertet und die Verschleißspurmorphologie wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht. 

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie als Beispiel die Al2O3-Kugel als Gegenmaterial verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen kann mit einer maßgeschneiderten Vorrichtung aufgetragen werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

PRÜFPARAMETER

STAHLOBERFLÄCHE

Kalkstein, Marmor

VERSCHLEISSRINGRADIUS 5 mm
NORMALE KRAFT 10 N
TESTDAUER 10 Minuten
SPEED 100 U/min

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Härte (H) und der Elastizitätsmodul (E) der Kalkstein- und Marmorproben werden in ABBILDUNG 1 unter Verwendung des Micro Indentation-Moduls des NANOVEA Mechanical Tester verglichen. Die Kalksteinprobe wies mit 0,53 bzw. 25,9 GPa niedrigere H- und E-Werte auf, im Gegensatz zu Marmor, der Werte von 1,07 für H und 49,6 GPa für E aufwies. Die relativ höhere Variabilität der H- und E-Werte, die in beobachtet wurde Die Kalksteinprobe ist auf ihre größere Oberflächeninhomogenität zurückzuführen, die auf ihre körnigen und porösen Eigenschaften zurückzuführen ist.

Die Entwicklung des COF während der Verschleißtests der beiden Gesteinsproben ist in ABBILDUNG 2 dargestellt. Der Kalkstein erfährt zu Beginn des Verschleißtests zunächst einen schnellen Anstieg des COF auf etwa 0,8 und behält diesen Wert während der gesamten Testdauer bei. Diese abrupte COF-Änderung kann auf das Eindringen der Al2O3-Kugel in die Gesteinsprobe zurückgeführt werden, was auf einen schnellen Verschleiß- und Aufrauungsprozess an der Kontaktfläche innerhalb der Verschleißspur zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Marmorprobe nach etwa 5 Metern Gleitstrecke einen deutlichen Anstieg des COF auf höhere Werte, was auf ihre überlegene Verschleißfestigkeit im Vergleich zum Kalkstein hinweist.

ABBILDUNG 1: Vergleich der Härte und des Elastizitätsmoduls zwischen Kalkstein- und Marmorproben.

ABBILDUNG 2: Entwicklung des Reibungskoeffizienten (COF) in Kalkstein- und Marmorproben während Verschleißtests.

ABBILDUNG 3 vergleicht die Querschnittsprofile der Kalkstein- und Marmorproben nach den Verschleißtests und Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der Verschleißspuranalyse zusammen. ABBILDUNG 4 zeigt die Verschleißspuren der Proben unter dem Lichtmikroskop. Die Bewertung der Verschleißspur stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Die Marmorprobe, die über einen längeren Zeitraum einen niedrigen COF beibehält, weist eine geringere Verschleißrate von 0,0046 mm³/N m auf, verglichen mit 0,0353 mm³/N m beim Kalkstein. Die überlegenen mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu einer besseren Verschleißfestigkeit als Kalkstein bei.

ABBILDUNG 3: Querschnittsprofile der Verschleißspuren.

TALBEREICH TAL-TIEFE VERSCHLEISSRATE
KALKSTEIN 35,3 ± 5,9 × 104 μm2 229 ± 24 μm 0,0353 mm3/Nm
MARMOR 4,6 ± 1,2 × 104 μm2 61 ± 15 μm 0,0046 mm3/Nm

TABELLE 1: Ergebniszusammenfassung der Verschleißspuranalyse.

ABBILDUNG 4: Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA Tribometers demonstriert, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben, nämlich Marmor und Kalkstein, auf kontrollierte und überwachte Weise zu bewerten. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu seiner außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit bei. Diese Eigenschaft macht das Bohren oder Schneiden in der Öl- und Gasindustrie zu einer Herausforderung. Umgekehrt verlängert es seine Lebensdauer deutlich, wenn es als hochwertiger Baustoff, beispielsweise als Bodenfliese, verwendet wird.

NANOVEA-Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstestfunktionen und entsprechen den ISO- und ASTM-Standards sowohl im Rotations- als auch im Linearmodus. Darüber hinaus bietet es optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die alle nahtlos in ein System integriert sind. Das unübertroffene Sortiment von NANOVEA ist eine ideale Lösung zur Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme, Substrate und Gesteinstribologie.

Analyse kugelgestrahlter Oberflächen

ANALYSE DER KUGELGESTRAHLTEN OBERFLÄCHE

VERWENDUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Beim Kugelstrahlen handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Substrat mit kugelförmigen Metall-, Glas- oder Keramikperlen – allgemein als „Schuss“ bezeichnet – mit einer Kraft bombardiert wird, die darauf abzielt, der Oberfläche Plastizität zu verleihen. Die Analyse der Eigenschaften vor und nach dem Strahlen liefert entscheidende Erkenntnisse zur Verbesserung des Prozessverständnisses und der Prozesskontrolle. Besonders hervorzuheben sind die Oberflächenrauheit und die Abdeckungsfläche der durch den Schuss hinterlassenen Grübchen.

Bedeutung des berührungslosen 3D-Profilometers für die Analyse kugelgestrahlter Oberflächen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kontaktprofilometern, die traditionell für die Analyse von kugelgestrahlten Oberflächen verwendet werden, liefert die berührungslose 3D-Messung ein vollständiges 3D-Bild, um ein umfassenderes Verständnis des Erfassungsbereichs und der Oberflächentopographie zu ermöglichen. Ohne 3D-Funktionen stützt sich eine Inspektion ausschließlich auf 2D-Informationen, die zur Charakterisierung einer Oberfläche nicht ausreichen. Das Verständnis der Topographie, des Abdeckungsbereichs und der Rauheit in 3D ist der beste Ansatz zur Steuerung oder Verbesserung des Strahlprozesses. Die berührungslosen 3D-Profilometer von NANOVEA nutzen die Chromatic-Light-Technologie mit der einzigartigen Fähigkeit, steile Winkel auf bearbeiteten und gestrahlten Oberflächen zu messen. Wenn andere Techniken aufgrund von Sondenkontakt, Oberflächenschwankungen, Winkel oder Reflexionsvermögen keine zuverlässigen Daten liefern, sind NANOVEA-Profilometer außerdem erfolgreich.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das berührungslose Profilometer NANOVEA ST400 zur Messung von Rohmaterial und zwei unterschiedlich gestrahlten Oberflächen für eine vergleichende Überprüfung verwendet. Es gibt eine endlose Liste von Oberflächenparametern, die nach dem 3D-Oberflächenscan automatisch berechnet werden können. Hier überprüfen wir die 3D-Oberfläche und wählen Bereiche von Interesse für die weitere Analyse aus, einschließlich der Quantifizierung und Untersuchung der Rauheit, Grübchen und Oberfläche.

NANOVEA

ST400

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profilometer berührungslos optisch 3d

DIE PROBE

ERGEBNISSE

STAHLOBERFLÄCHE

ISO 25178 3D-RAUHEITSPARAMETER

SA 0,399 μm Durchschnittliche Rauheit
Sq 0,516 μm RMS-Rauheit
Sz 5,686 μm Maximaler Abstand vom Gipfel zum Tal
Sp 2,976 μm Maximale Spitzenhöhe
Sv 2,711 μm Maximale Grubentiefe
Sku 3.9344 Kurtosis
Ssk -0.0113 Schrägheit
Sal 0,0028 mm Autokorrelationslänge
Str 0.0613 Textur-Seitenverhältnis
Sdar 26,539 mm² Oberfläche
Svk 0,589 μm Reduzierte Taltiefe
 

ERGEBNISSE

GESTRAHLTE OBERFLÄCHE 1

OBERFLÄCHENABDECKUNG
98.105%

ISO 25178 3D-RAUHEITSPARAMETER

Sa 4,102 μm Durchschnittliche Rauheit
Sq 5,153 μm RMS-Rauheit
Sz 44,975 μm Maximaler Abstand vom Gipfel zum Tal
Sp 24,332 μm Maximale Spitzenhöhe
Sv 20,644 μm Maximale Grubentiefe
Sku 3.0187 Kurtosis
Ssk 0.0625 Schrägheit
Sal 0,0976 mm Autokorrelationslänge
Str 0.9278 Textur-Seitenverhältnis
Sdar 29,451 mm² Oberfläche
Svk 5,008 μm Reduzierte Taltiefe

ERGEBNISSE

GESTRAHLTE OBERFLÄCHE 2

OBERFLÄCHENABDECKUNG 97.366%

ISO 25178 3D-RAUHEITSPARAMETER

Sa 4.330 μm Durchschnittliche Rauheit
Sq 5,455 μm RMS-Rauheit
Sz 54,013 μm Maximaler Abstand vom Gipfel zum Tal
Sp 25,908 μm Maximale Spitzenhöhe
Sv 28,105 μm Maximale Grubentiefe
Sku 3.0642 Kurtosis
Ssk 0.1108 Schrägheit
Sal 0,1034 mm Autokorrelationslänge
Str 0.9733 Textur-Seitenverhältnis
Sdar 29,623 mm² Oberfläche
Svk 5,167 μm Reduzierte Taltiefe

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung zur kugelgestrahlten Oberflächenanalyse haben wir gezeigt, wie der NANOVEA ST400 3D Non-Contact Profiler sowohl die Topographie als auch die Nanometerdetails einer gestrahlten Oberfläche präzise charakterisiert. Es ist offensichtlich, dass sowohl Oberfläche 1 als auch Oberfläche 2 im Vergleich zum Rohmaterial einen erheblichen Einfluss auf alle hier angegebenen Parameter haben. Eine einfache visuelle Betrachtung der Bilder offenbart die Unterschiede zwischen den Oberflächen. Dies wird durch die Beobachtung des Abdeckungsbereichs und der aufgeführten Parameter weiter bestätigt. Im Vergleich zu Oberfläche 2 weist Oberfläche 1 eine geringere durchschnittliche Rauheit (Sa), flachere Dellen (Sv) und eine geringere Oberfläche (Sdar) auf, aber eine etwas größere Abdeckungsfläche.

Anhand dieser 3D-Oberflächenmessungen können interessierende Bereiche leicht identifiziert und einer umfassenden Reihe von Messungen unterzogen werden, darunter Rauheit, Oberflächenbeschaffenheit, Textur, Form, Topographie, Ebenheit, Verzug, Ebenheit, Volumen, Stufenhöhe und andere. Für eine detaillierte Analyse kann schnell ein 2D-Querschnitt ausgewählt werden. Diese Informationen ermöglichen eine umfassende Untersuchung gestrahlter Oberflächen unter Nutzung einer vollständigen Palette von Oberflächenmessressourcen. Spezifische Interessengebiete könnten mit einem integrierten AFM-Modul weiter untersucht werden. NANOVEA 3D-Profilometer bieten Geschwindigkeiten von bis zu 200 mm/s. Sie können in Bezug auf Größe, Geschwindigkeit und Scanfunktionen individuell angepasst werden und erfüllen sogar die Reinraumstandards der Klasse 1. Optionen wie Indexierförderer und Integration für Inline- oder Online-Nutzung sind ebenfalls verfügbar.

Ein besonderer Dank geht an Herrn Hayden vom IMF für die Bereitstellung der in dieser Notiz gezeigten Probe. Industrial Metal Finishing Inc. | indmetfin.com

Morphologie der Lackoberfläche

MORPHOLOGIE DER LACKOBERFLÄCHE

AUTOMATISCHE ÜBERWACHUNG DER ENTWICKLUNG IN ECHTZEIT
MIT NANOVEA 3D PROFILOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Die schützenden und dekorativen Eigenschaften von Lacken spielen in einer Vielzahl von Branchen eine wichtige Rolle, z. B. in der Automobil-, Marine-, Militär- und Bauindustrie. Um die gewünschten Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, UV-Schutz und Abriebfestigkeit zu erreichen, werden Lackrezepturen und -strukturen sorgfältig analysiert, modifiziert und optimiert.

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE ANALYSE DER OBERFLÄCHENMORPHOLOGIE TROCKNENDER FARBEN

Farbe wird in der Regel in flüssiger Form aufgetragen und durchläuft einen Trocknungsprozess, bei dem die Lösungsmittel verdampfen und sich die flüssige Farbe in einen festen Film verwandelt. Während des Trocknungsprozesses verändert die Lackoberfläche allmählich ihre Form und Textur. Durch die Verwendung von Additiven, die die Oberflächenspannung und die Fließeigenschaften des Lacks verändern, können verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten und Texturen entwickelt werden. Im Falle einer schlecht formulierten Lackrezeptur oder einer unsachgemäßen Oberflächenbehandlung kann es jedoch zu unerwünschten Lackoberflächenfehlern kommen.

Eine genaue In-situ-Überwachung der Morphologie der Lackoberfläche während der Trocknungsphase kann einen direkten Einblick in den Trocknungsmechanismus geben. Darüber hinaus ist die Entwicklung der Oberflächenmorphologie in Echtzeit eine sehr nützliche Information für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel den 3D-Druck. Die berührungslosen NANOVEA 3D-Profilometer messen die Oberflächenmorphologie von Materialien, ohne die Probe zu berühren, und vermeiden so jegliche Formveränderung, die durch Kontakttechnologien wie einen gleitenden Stift verursacht werden könnte.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das berührungslose Profilometer NANOVEA ST500, das mit einem optischen Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor ausgestattet ist, zur Überwachung der Morphologie der Lackoberfläche während der einstündigen Trocknungszeit eingesetzt. Wir zeigen die Fähigkeit des berührungslosen Profilometers NANOVEA zur automatisierten Echtzeit-3D-Profilmessung von Materialien mit kontinuierlicher Formveränderung.

NANOVEA

ST500

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ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Farbe wurde auf die Oberfläche eines Metallblechs aufgetragen, woraufhin sofort automatische Messungen der Morphologieentwicklung der trocknenden Farbe in situ mit dem berührungslosen Profilometer NANOVEA ST500 durchgeführt wurden, das mit einem Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor ausgestattet ist. Ein Makro wurde programmiert, um die 3D-Oberflächenmorphologie in bestimmten Zeitintervallen automatisch zu messen und aufzuzeichnen: 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Minuten. Dieses automatisierte Scanverfahren ermöglicht es den Benutzern, Scanaufgaben automatisch auszuführen, indem sie festgelegte Verfahren nacheinander ablaufen lassen, was den Aufwand, die Zeit und mögliche Benutzerfehler im Vergleich zu manuellen Tests oder wiederholten Scans erheblich reduziert. Diese Automatisierung erweist sich als äußerst nützlich für Langzeitmessungen, bei denen mehrere Scans in unterschiedlichen Zeitabständen durchgeführt werden.

Der optische Zeilensensor erzeugt eine helle Linie, die aus 192 Punkten besteht, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Diese 192 Lichtpunkte tasten die Probenoberfläche gleichzeitig ab, was die Scangeschwindigkeit erheblich erhöht. Dadurch wird sichergestellt, dass jeder 3D-Scan schnell abgeschlossen wird, um wesentliche Oberflächenveränderungen während jedes einzelnen Scans zu vermeiden.

ABBILDUNG 1: Optischer Zeilensensor, der die Oberfläche der trocknenden Farbe abtastet.

Die Falschfarbenansicht, die 3D-Ansicht und das 2D-Profil der Topografie der trocknenden Farbe zu repräsentativen Zeitpunkten sind in ABBILDUNG 2, ABBILDUNG 3 bzw. ABBILDUNG 4 dargestellt. Die Falschfarben in den Bildern erleichtern die Erkennung von Merkmalen, die nicht ohne weiteres zu erkennen sind. Unterschiedliche Farben stehen für Höhenunterschiede in verschiedenen Bereichen der Probenoberfläche. Die 3D-Ansicht ist ein ideales Hilfsmittel für den Benutzer, um die Lackoberfläche aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Während der ersten 30 Minuten des Tests wechseln die Falschfarben auf der Lackoberfläche allmählich von wärmeren zu kühleren Tönen, was auf eine fortschreitende Abnahme der Höhe in diesem Zeitraum hindeutet. Dieser Prozess verlangsamt sich, wie die leichte Farbveränderung beim Vergleich des Lacks nach 30 und 60 Minuten zeigt.

Die durchschnittliche Probenhöhe und die Rauheit Sa in Abhängigkeit von der Trocknungszeit des Lacks sind in ABBILDUNG 5 dargestellt. Die vollständige Rauheitsanalyse des Lacks nach 0, 30 und 60 Minuten Trocknungszeit ist in TABELLE 1 aufgeführt. Es ist zu beobachten, dass die durchschnittliche Höhe der Lackoberfläche in den ersten 30 Minuten der Trocknungszeit rasch von 471 auf 329 µm abnimmt. Die Oberflächentextur entwickelt sich gleichzeitig mit dem Verdampfen des Lösungsmittels, was zu einem Anstieg des Rauhigkeitswertes Sa von 7,19 auf 22,6 µm führt. Danach verlangsamt sich der Lacktrocknungsprozess, was zu einer allmählichen Abnahme der Probenhöhe und des Sa-Wertes auf 317 µm bzw. 19,6 µm nach 60 Minuten führt.

Diese Studie unterstreicht die Fähigkeiten des berührungslosen NANOVEA 3D-Profilometers bei der Überwachung der 3D-Oberflächenveränderungen der trocknenden Farbe in Echtzeit, was wertvolle Einblicke in den Trocknungsprozess der Farbe ermöglicht. Durch die Messung der Oberflächenmorphologie ohne Berührung der Probe vermeidet das Profilometer Formveränderungen der ungetrockneten Farbe, wie sie bei Kontakttechnologien wie dem gleitenden Taststift auftreten können. Dieser berührungslose Ansatz gewährleistet eine genaue und zuverlässige Analyse der Oberflächenmorphologie der trocknenden Farbe.

ABBILDUNG 2: Entwicklung der Oberflächenmorphologie der trocknenden Farbe zu verschiedenen Zeitpunkten.

ABBILDUNG 3: 3D-Ansicht der Entwicklung der Lackoberfläche bei verschiedenen Trocknungszeiten.

ABBILDUNG 4: 2D-Profil über der Lackprobe nach verschiedenen Trocknungszeiten.

ABBILDUNG 5: Entwicklung der durchschnittlichen Probenhöhe und des Rauhigkeitswerts Sa in Abhängigkeit von der Trocknungszeit des Lacks.

ISO 25178

Trocknungszeit (min) 0 5 10 20 30 40 50 60
Sq (µm) 7.91 9.4 10.8 20.9 22.6 20.6 19.9 19.6
Sku 26.3 19.8 14.6 11.9 10.5 9.87 9.83 9.82
Sp (µm) 97.4 105 108 116 125 118 114 112
Sv (µm) 127 70.2 116 164 168 138 130 128
Sz (µm) 224 175 224 280 294 256 244 241
Sa (µm) 4.4 5.44 6.42 12.2 13.3 12.2 11.9 11.8

Sq - Wurzel-Mittel-Quadrat-Höhe | Sku - Kurtosis | Sp - Maximale Peakhöhe | Sv - Maximale Grubenhöhe | Sz - Maximale Höhe | Sv - Arithmetisches Mittel der Höhe

TABELLE 1: Rauheit der Farbe bei unterschiedlichen Trocknungszeiten.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir die Fähigkeiten des berührungslosen 3D-Profilometers NANOVEA ST500 bei der Überwachung der Entwicklung der Oberflächenmorphologie von Lacken während des Trocknungsprozesses demonstriert. Der optische Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor, der eine Linie mit 192 Lichtpunkten erzeugt, die die Probenoberfläche gleichzeitig abtasten, hat die Untersuchung zeitsparend gemacht und gleichzeitig eine unübertroffene Genauigkeit gewährleistet.

Die Makrofunktion der Erfassungssoftware ermöglicht die Programmierung automatischer Messungen der 3D-Oberflächenmorphologie in situ, was besonders für Langzeitmessungen mit mehreren Scans in bestimmten Zeitintervallen nützlich ist. Dies reduziert den Zeit- und Arbeitsaufwand sowie das Potenzial für Benutzerfehler erheblich. Die fortschreitenden Veränderungen der Oberflächenmorphologie werden kontinuierlich überwacht und in Echtzeit aufgezeichnet, während die Farbe trocknet, was wertvolle Einblicke in den Trocknungsmechanismus der Farbe ermöglicht.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Bruchteil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar. NANOVEA Profilometer sind in der Lage, praktisch jede Oberfläche zu messen, egal ob sie transparent, dunkel, reflektierend oder undurchsichtig ist.

 

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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-Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus bewertet. 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 Optical Profilometer bewertet und die Verschleißspurmorphologie 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 Mechanical Tester mit einem 1200 Rockwell C-Diamantstift (200 μm Radius) im Micro Scratch Tester-Modus durchgeführt.

 

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. Nach den linearen Hin- und Herbewegungstests wurde das Verschleißspurprofil mit dem berührungslosen optischen Profilometer NANOVEA gemessen, 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 aber häufig der Abnutzung durch alltägliche Aktivitäten wie Bewegung und den Gebrauch von Möbeln. Um ihre Langlebigkeit zu gewährleisten, haben die meisten Bodenbeläge eine schützende Nutzschicht, die Beschädigungen widersteht. Die Dicke und Haltbarkeit der Verschleißschicht variiert jedoch je nach Belagstyp und Beanspruchung. Hinzu kommt, dass verschiedene Schichten innerhalb der Belagsstruktur, wie UV-Beschichtungen, Dekorschichten und Glasuren, unterschiedliche Verschleißraten aufweisen. Hier kommt das progressive Verschleißmapping ins Spiel. Mit dem NANOVEA T2000 Tribometer mit integriertem berührungslosem 3D-Profilometer lassen sich Leistung und Langlebigkeit von Beschichtungsmaterialien präzise überwachen und analysieren. Durch den detaillierten Einblick in das Verschleißverhalten verschiedener Gleitwerkstoffe können Wissenschaftler und Techniker fundiertere Entscheidungen bei der Auswahl und Konstruktion neuer Gleitwerkstoffe 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 berührungslosem 3D-Profilometer ist eine bahnbrechende Lösung für Verschleißprüfungen und Volumenverlustmessungen. Seine Fähigkeit, sich mit Präzision zwischen dem Stift und dem Profilometer zu bewegen, garantiert die Zuverlässigkeit der Ergebnisse, da jegliche Abweichung des Radius oder der Position der Verschleißspur eliminiert wird. Aber das ist noch nicht alles - die fortschrittlichen Fähigkeiten des berührungslosen 3D-Profilometers ermöglichen Hochgeschwindigkeits-Oberflächenmessungen, die die Scanzeit auf nur wenige Sekunden reduzieren. Mit einer Belastbarkeit von bis zu 2.000 N und Drehzahlen von bis zu 5.000 U/min bietet das NANOVEA T2000 Tribometer Vielseitigkeit und Präzision im Bewertungsprozess. Es liegt auf der Hand, dass dieses Gerät eine wichtige Rolle bei der progressiven Verschleißabbildung 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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Dynamisch-mechanische Analyse von Kork mittels Nanoindentation

DYNAMISCHE MECHANISCHE ANALYSE

VON KORK MITTELS NANOINDENTATION

Vorbereitet von

FRANK LIU

EINFÜHRUNG

Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Materialien. In dieser Anwendung konzentrieren wir uns auf die Analyse von Kork, einem weit verbreiteten Material für die Versiegelung und Reifung von Wein. Kork, der aus der Rinde der Eiche Quercus suber gewonnen wird, weist ausgeprägte zelluläre Strukturen auf, die mechanische Eigenschaften aufweisen, die denen von synthetischen Polymeren ähneln. In einer Achse hat der Kork eine wabenförmige Struktur. Die beiden anderen Achsen sind in mehrere rechteckige Prismen unterteilt. Dies verleiht dem Kork je nach der geprüften Ausrichtung unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

BEDEUTUNG DER DYNAMISCH-MECHANISCHEN ANALYSE (DMA) BEI DER BEWERTUNG DER MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN VON KORK

Die Qualität von Korken hängt in hohem Maße von ihren mechanischen und physikalischen Eigenschaften ab, die für ihre Effektivität beim Verschließen von Wein entscheidend sind. Zu den Schlüsselfaktoren, die die Korkqualität bestimmen, gehören Flexibilität, Isolierung, Elastizität und Undurchlässigkeit für Gas und Flüssigkeiten. Mit Hilfe der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) können wir die Elastizität und das Rückstellvermögen von Korken quantitativ bewerten und so eine zuverlässige Methode zur Beurteilung bieten.

Der mechanische Tester NANOVEA PB1000 im Nanoindentation Modus ermöglicht die Charakterisierung dieser Eigenschaften, insbesondere des Elastizitätsmoduls, des Speichermoduls, des Verlustmoduls und des tan delta (tan (δ)). Die DMA-Prüfung ermöglicht auch die Erfassung wertvoller Daten zu Phasenverschiebung, Härte, Spannung und Dehnung des Korkmaterials. Durch diese umfassenden Analysen erhalten wir tiefere Einblicke in das mechanische Verhalten von Korken und ihre Eignung für Weinverschlussanwendungen.

MESSZIEL

In dieser Studie wird die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) von vier Korken mit dem NANOVEA PB1000 Mechanikprüfgerät im Nanoindentationsmodus durchgeführt. Die Qualität der Korken ist wie folgt gekennzeichnet: 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colmated, 4 - Synthetischer Gummi. Für jeden Korken wurden DMA-Eindringtests in axialer und radialer Richtung durchgeführt. Durch die Analyse der mechanischen Reaktion der Korken wollten wir Einblicke in ihr dynamisches Verhalten gewinnen und ihre Leistung unter verschiedenen Ausrichtungen bewerten.

NANOVEA

PB1000

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PRÜFPARAMETER

MAX FORCE75 mN
LADUNGSVERFAHREN150 mN/min
ENTLADUNGSRATE150 mN/min
AMPLITUDE5 mN
FREQUENZ1 Hz
CREEP60 s

Eindringkörpertyp

Kugel

51200 Stahl

3 mm Durchmesser

ERGEBNISSE

In den nachstehenden Tabellen und Diagrammen werden der Elastizitätsmodul, der Speichermodul, der Verlustmodul und tan delta für jede Probe und Orientierung verglichen.

Elastizitätsmodul: Stiffness; hohe Werte bedeuten stiff, niedrige Werte bedeuten flexibel.

Speichermodul: Elastische Reaktion; im Material gespeicherte Energie.

Verlustmodul: Viskose Reaktion; Energieverlust durch Wärme.

Tan (δ): Befeuchtung; hohe Werte bedeuten mehr Befeuchtung.

AXIALE AUSRICHTUNG

StopperELASTIZITÄTSMODULSPEICHERMODULMODULUS VERLUSTTAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
122.567522.272093.6249470.162964
218.5466418.271533.1623490.17409
323.7538123.472673.6178190.154592
423.697223.580642.3470080.099539



RADIALE ORIENTIERUNG

StopperELASTIZITÄTSMODULSPEICHERMODULMODULUS VERLUSTTAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
124.7886324.565423.3082240.134865
226.6661426.317394.2862160.163006
344.0786743.614266.3659790.146033
428.0475127.941482.4359780.087173

ELASTIZITÄTSMODUL

SPEICHERMODUL

MODULUS VERLUST

TAN DELTA

Zwischen den Korken ist der Elastizitätsmodul nicht sehr unterschiedlich, wenn sie in axialer Richtung geprüft werden. Nur die Korken #2 und #3 zeigten einen deutlichen Unterschied im Elastizitätsmodul zwischen radialer und axialer Richtung. Infolgedessen sind auch der Speichermodul und der Verlustmodul in radialer Richtung höher als in axialer Richtung. Der Stopfen #4 zeigt ähnliche Eigenschaften wie die Naturkorkstopfen, mit Ausnahme des Verlustmoduls. Dies ist recht interessant, da es bedeutet, dass der Naturkorken eine zähere Eigenschaft hat als das synthetische Gummimaterial.

SCHLUSSFOLGERUNG

Der NANOVEA Mechanical Tester im Nano Scratch Tester Modus ermöglicht die Simulation von vielen realen Fehlern von Lackierungen und Hartbeschichtungen. Durch die kontrollierte und genau überwachte Aufbringung zunehmender Lasten kann das Gerät feststellen, bei welcher Belastung Ausfälle auftreten. Dies kann dann zur Bestimmung quantitativer Werte für die Kratzfestigkeit genutzt werden. Bei der getesteten Beschichtung ohne Bewitterung ist bekannt, dass der erste Riss bei etwa 22 mN auftritt. Bei Werten, die näher bei 5 mN liegen, ist klar, dass die 7 Jahre dauernde Bewitterung den Lack beeinträchtigt hat.

Die Kompensation des ursprünglichen Profils ermöglicht es, die korrigierte Tiefe während des Ritzens zu erhalten und auch die Resttiefe nach dem Ritzen zu messen. Dies gibt zusätzliche Informationen über das plastische bzw. elastische Verhalten der Beschichtung bei zunehmender Belastung. Sowohl die Rissbildung als auch die Informationen über die Verformung können von großem Nutzen für die Verbesserung der Hartstoffschicht sein. Die sehr geringen Standardabweichungen zeigen auch die Reproduzierbarkeit der Technik des Geräts, die den Herstellern helfen kann, die Qualität ihrer Hartbeschichtung/Lackierung zu verbessern und Bewitterungseffekte zu untersuchen.

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Nano Scratch & Mar Testing von Farbe auf Metallsubstrat

Nano Scratch & Mar Testing

von Farbe auf Metallsubstrat

Vorbereitet von

SUSANA CABELLO

EINFÜHRUNG

Farbe mit oder ohne Hartauftrag ist eine der am häufigsten verwendeten Beschichtungen. Wir sehen sie auf Autos, Wänden, Geräten und praktisch überall, wo eine Schutzschicht benötigt wird oder wo sie einfach nur der Ästhetik dient. Die Farben, die den Untergrund schützen sollen, enthalten oft Chemikalien, die verhindern, dass die Farbe Feuer fängt, oder die einfach verhindern, dass sie ihre Farbe verliert oder Risse bekommt. Die für ästhetische Zwecke verwendeten Farben sind oft in verschiedenen Farben erhältlich, aber nicht unbedingt für den Schutz des Untergrunds oder für eine lange Lebensdauer gedacht.

Dennoch unterliegt jede Farbe im Laufe der Zeit einer gewissen Verwitterung. Durch die Verwitterung von Farbe können sich die vom Hersteller beabsichtigten Eigenschaften oft ändern. Sie kann schneller abplatzen, bei Hitze abblättern, ihre Farbe verlieren oder Risse bekommen. Die unterschiedlichen Eigenschaften von Farben, die sich im Laufe der Zeit verändern, sind der Grund, warum die Hersteller eine so große Auswahl anbieten. Die Farben sind auf die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Kunden zugeschnitten.

BEDEUTUNG DER NANORITZPRÜFUNG FÜR DIE QUALITÄTSKONTROLLE

Ein wichtiges Anliegen der Farbenhersteller ist die Widerstandsfähigkeit ihrer Produkte gegen Rissbildung. Sobald der Lack Risse bekommt, kann er den Untergrund, auf den er aufgetragen wurde, nicht mehr schützen und stellt somit den Kunden nicht mehr zufrieden. Wenn z. B. ein Ast die Seite eines Autos streift und sofort danach der Lack abplatzt, verliert der Lackhersteller aufgrund der schlechten Qualität des Lacks sein Geschäft. Die Qualität der Farbe ist sehr wichtig, denn wenn das Metall unter der Farbe freiliegt, kann es aufgrund der neuen Exposition zu rosten oder zu korrodieren beginnen.

 

Diese Gründe gelten auch für andere Bereiche wie Haushalts- und Büroartikel, Elektronik, Spielzeug, Forschungswerkzeuge und vieles mehr. Auch wenn die Farbe beim ersten Auftragen auf Metallbeschichtungen rissbeständig ist, können sich die Eigenschaften im Laufe der Zeit ändern, wenn die Probe etwas verwittert ist. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, die Lackproben im bewitterten Zustand zu prüfen. Auch wenn die Rissbildung unter hoher Belastung unvermeidlich ist, muss der Hersteller vorhersagen, wie stark die Veränderungen im Laufe der Zeit ausfallen und wie tief der Riss sein muss, damit er seinen Kunden die bestmöglichen Produkte anbieten kann.

MESSZIEL

Wir müssen den Prozess des Kratzens in einer kontrollierten und überwachten Weise simulieren, um das Verhalten der Probe zu beobachten. In dieser Anwendung wird der NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester im Nano-Scratch-Testing-Modus verwendet, um die Last zu messen, die erforderlich ist, um ein Versagen einer etwa 7 Jahre alten, 30-50 μm dicken Lackprobe auf einem Metallsubstrat zu verursachen.

Ein 2 μm großer, diamantbestückter Stift wird mit einer progressiven Kraft von 0,015 mN bis 20,00 mN verwendet, um die Beschichtung zu zerkratzen. Wir haben einen Vor- und Nachscan des Lacks mit einer Belastung von 0,2 mN durchgeführt, um den Wert für die tatsächliche Tiefe des Kratzers zu ermitteln. Die wahre Tiefe analysiert die plastische und elastische Verformung der Probe während der Prüfung, während der Post-Scan nur die plastische Verformung des Kratzers analysiert. Der Punkt, an dem die Beschichtung durch Rissbildung versagt, wird als Versagenspunkt angesehen. Wir haben die ASTMD7187 als Leitfaden für die Festlegung unserer Prüfparameter verwendet.

 

Daraus können wir schließen, dass wir eine verwitterte Probe verwendet haben und daher bei der Prüfung einer Farbprobe in ihrem schwächeren Stadium weniger Fehlerpunkte auftraten.

 

An dieser Probe wurden fünf Tests durchgeführt, um

die genauen versagenskritischen Lasten zu bestimmen.

NANOVEA

PB1000

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PRÜFPARAMETER

unter ASTM D7027

Die Oberfläche eines Rauheitsnormals wurde mit einem NANOVEA ST400 abgetastet, der mit einem Hochgeschwindigkeitssensor ausgestattet ist, der eine helle Linie mit 192 Punkten erzeugt, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Diese 192 Punkte tasten die Probenoberfläche gleichzeitig ab, was zu einer deutlich höheren Abtastgeschwindigkeit führt.

LADUNGSTYP Progressiv
ANFANGSLADUNG 0,015 mN
ENDLADUNG 20 mN
LADUNGSVERFAHREN 20 mN/min
SCRATCH LENGTH 1,6 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt 1.601 mm/min
PRE-SCAN LADEN 0,2 mN
POST-SCAN LADEN 0,2 mN
Konischer Eindringkörper 90° Konus 2 µm Spitzenradius

Eindringkörpertyp

Konisch

Diamant 90° Kegel

2 µm Spitzenradius

Konischer Eindringkörper Diamant 90° Kegel 2 µm Spitzenradius

ERGEBNISSE

In diesem Abschnitt werden die während des Scratch-Tests gesammelten Daten zu den Ausfällen vorgestellt. Der erste Abschnitt beschreibt die im Kratzversuch beobachteten Ausfälle und definiert die gemeldeten kritischen Belastungen. Der nächste Teil enthält eine zusammenfassende Tabelle mit den kritischen Belastungen für alle Proben und eine grafische Darstellung. Der letzte Teil enthält die detaillierten Ergebnisse für jede Probe: die kritischen Lasten für jeden Kratzer, die Mikrofotografien jedes Versagens und die Grafik des Tests.

BEOBACHTETE AUSFÄLLE UND DEFINITION DER KRITISCHEN LASTEN

KRITISCHES VERSAGEN:

ANFANGSSCHADEN

Dies ist der erste Punkt, an dem der Schaden entlang der Kratzspur beobachtet wird.

Nanokratzer kritisches Versagen Anfangsschaden

KRITISCHES VERSAGEN:

VOLLSTÄNDIGER SCHADEN

An diesem Punkt ist der Schaden größer, da der Lack entlang der Kratzspur abplatzt und Risse aufweist.

Nanokratzer kritisches Versagen vollständige Beschädigung

DETAILLIERTE ERGEBNISSE

* Versagenswerte an der Stelle, an der das Substrat reißt.

KRITISCHE LASTEN
SCRATCH ANFANGSSCHADEN [mN] VOLLSTÄNDIGE SCHÄDIGUNG [µm]
1 14.513 4.932
2 3.895 4.838
3 3.917 4.930
DURCHSCHNITT 3.988 4.900
STD DEV 0.143 0.054
Mikroskopische Aufnahme eines vollständigen Kratzers aus einem Nanokratztest (1000-fache Vergrößerung).

ABBILDUNG 2: Mikroskopische Aufnahme eines vollständigen Kratzers (1000-fache Vergrößerung).

Mikroskopische Aufnahme der anfänglichen Beschädigung durch den Nanokratztest (1000-fache Vergrößerung)

ABBILDUNG 3: Mikroskopische Aufnahme der ursprünglichen Beschädigung (1000-fache Vergrößerung).

Mikroskopische Aufnahme der vollständigen Beschädigung durch den Nanokratztest (1000-fache Vergrößerung).

ABBILDUNG 4: Mikroskopische Aufnahme der vollständigen Beschädigung (1000-fache Vergrößerung).

Linearer Nano-Kratztest Reibungskraft und Reibungskoeffizient

ABBILDUNG 5: Reibungskraft und Reibungskoeffizient.

Linearer Nanokratzer Oberflächenprofil

ABBILDUNG 6: Oberflächenprofil.

Linearer Nano-Kratztest Echte Tiefe und Resttiefe

ABBILDUNG 7: Wahre Tiefe und Resttiefe.

SCHLUSSFOLGERUNG

Der NANOVEA Mechanische Tester im Nano-Kratzer-Tester Modus ermöglicht die Simulation vieler realer Fehlfunktionen von Farb- und Hartbeschichtungen. Durch die kontrollierte und genau überwachte Aufbringung zunehmender Lasten lässt sich mit dem Gerät feststellen, bei welcher Belastung Ausfälle auftreten. Dies kann dann zur Bestimmung quantitativer Werte für die Kratzfestigkeit genutzt werden. Bei der getesteten Beschichtung ohne Bewitterung ist bekannt, dass der erste Riss bei etwa 22 mN auftritt. Bei Werten, die näher bei 5 mN liegen, ist es klar, dass die 7-jährige Überlappung den Lack verschlechtert hat.

Die Kompensation des ursprünglichen Profils ermöglicht die Ermittlung der korrigierten Tiefe während des Ritzens und die Messung der Resttiefe nach dem Ritzen. Dies gibt zusätzliche Informationen über das plastische bzw. elastische Verhalten der Beschichtung bei zunehmender Belastung. Sowohl die Rissbildung als auch die Informationen über die Verformung können von großem Nutzen für die Verbesserung der Hartstoffschicht sein. Die sehr geringen Standardabweichungen zeigen auch die Reproduzierbarkeit der Gerätetechnik, die den Herstellern helfen kann, die Qualität ihrer Hartstoffbeschichtung/Lackierung zu verbessern und Bewitterungseffekte zu untersuchen.

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Rauheitskartierung mit 3D-Profilometrie

PRÜFUNG DER RAUHEITSKARTIERUNG

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

DUANJIE, PhD

EINFÜHRUNG

Oberflächenrauheit und -beschaffenheit sind entscheidende Faktoren, die sich auf die endgültige Qualität und Leistung eines Produkts auswirken. Ein gründliches Verständnis von Oberflächenrauheit, -textur und -konsistenz ist für die Auswahl der besten Verarbeitungs- und Kontrollmaßnahmen unerlässlich. Eine schnelle, quantifizierbare und zuverlässige Inline-Inspektion von Produktoberflächen ist notwendig, um fehlerhafte Produkte rechtzeitig zu erkennen und die Bedingungen in der Produktionslinie zu optimieren.

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE INLINE-OBERFLÄCHENPRÜFUNG

Oberflächendefekte bei Produkten entstehen bei der Materialverarbeitung und Produktherstellung. Die Inline-Qualitätsprüfung von Oberflächen gewährleistet eine strenge Qualitätskontrolle der Endprodukte. Die berührungslosen optischen 3D-Profiler von NANOVEA nutzen die Technologie des chromatischen Lichts mit der einzigartigen Fähigkeit, die Rauheit einer Probe berührungslos zu bestimmen. Der Zeilensensor ermöglicht das Scannen des 3D-Profils einer großen Oberfläche mit hoher Geschwindigkeit. Die von der Analysesoftware in Echtzeit berechnete Rauheitsschwelle dient als schnelles und zuverlässiges Pass/Fail-Tool.

MESSZIEL

In dieser Studie wird das mit einem Hochgeschwindigkeitssensor ausgestattete NANOVEA ST400 zur Inspektion der Oberfläche einer Teflon-Probe mit einem Defekt verwendet, um die Fähigkeiten des NANOVEA

Berührungslose Profilometer ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Oberflächenprüfung in einer Produktionslinie.

NANOVEA

ST400

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ERGEBNISSE & DISKUSSION

3D-Oberflächenanalyse des Rauhigkeit Standardprobe

Die Oberfläche eines Rauheitsnormals wurde mit einem NANOVEA ST400 abgetastet, der mit einem Hochgeschwindigkeitssensor ausgestattet ist, der eine helle Linie mit 192 Punkten erzeugt, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Diese 192 Punkte tasten die Probenoberfläche gleichzeitig ab, was zu einer deutlich höheren Abtastgeschwindigkeit führt.

ABBILDUNG 2 zeigt Falschfarbenansichten der Oberflächenhöhenkarte und der Rauheitsverteilungskarte der Rauheitsstandardprobe. In ABBILDUNG 2a weist der Rauheitsstandard eine leicht schräge Oberfläche auf, die durch den unterschiedlichen Farbverlauf in jedem der Standard-Rauheitsblöcke dargestellt wird. In ABBILDUNG 2b wird eine homogene Rauheitsverteilung in verschiedenen Rauheitsblöcken gezeigt, deren Farbe die Rauheit in den Blöcken darstellt.

ABBILDUNG 3 zeigt Beispiele für die Pass/Fail-Karten, die von der Analysesoftware auf der Grundlage verschiedener Rauheitsschwellenwerte erstellt wurden. Die Rauheitsblöcke werden rot hervorgehoben, wenn ihre Oberflächenrauheit über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Auf diese Weise kann der Benutzer einen Rauheitsschwellenwert festlegen, um die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit einer Probe zu bestimmen.

ABBILDUNG 1: Abtastung des optischen Zeilensensors auf der Probe des Rauheitsnormals

a. Karte der Oberflächenhöhe:

b. Rauhigkeitskarte:

ABBILDUNG 2: Falschfarbenansichten der Oberflächenhöhenkarte und der Rauheitsverteilungskarte der Rauheitsstandardprobe.

ABBILDUNG 3: Pass/Fail Map basierend auf dem Roughness Threshold.

Oberflächeninspektion einer Teflonprobe mit Defekten

Die Oberflächenhöhenkarte, die Rauheitsverteilungskarte und die Pass/Fail-Rauheitsschwellenkarte der Oberfläche der Teflon-Probe sind in ABBILDUNG 4 dargestellt. Die Teflon-Probe weist in der rechten Mitte der Probe eine Rippenform auf, wie in der Oberflächenhöhenkarte dargestellt.

a. Karte der Oberflächenhöhe:

Die verschiedenen Farben in der Palette von ABBILDUNG 4b stellen den Rauheitswert auf der lokalen Oberfläche dar. Die Rauhigkeitskarte zeigt eine homogene Rauheit im intakten Bereich der Teflon-Probe. Die Defekte in Form eines eingedrückten Rings und einer Verschleißnarbe sind jedoch in heller Farbe hervorgehoben. Der Benutzer kann leicht einen Schwellenwert für die Pass/Fail-Rauheit festlegen, um die Oberflächendefekte zu lokalisieren, wie in ABBILDUNG 4c gezeigt. Mit einem solchen Werkzeug kann der Benutzer die Oberflächenqualität des Produkts in der Produktionslinie vor Ort überwachen und fehlerhafte Produkte rechtzeitig erkennen. Der Echtzeit-Rauigkeitswert wird berechnet und aufgezeichnet, während die Produkte den optischen Inline-Sensor passieren, was als schnelles und zuverlässiges Werkzeug für die Qualitätskontrolle dienen kann.

b. Rauhigkeitskarte:

c. Pass/Fail Roughness Threshold Map:

ABBILDUNG 4: Oberflächenhöhenkarte, Rauhigkeitsverteilungskarte und Pass/Fail-Rauhigkeitsschwellenwertkarte der Teflon-Probenoberfläche.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie der berührungslose optische 3D-Profiler NANOVEA ST400, ausgestattet mit einem optischen Zeilensensor, als zuverlässiges Qualitätskontrollwerkzeug effektiv und effizient arbeitet.

Der optische Zeilensensor erzeugt eine helle Linie aus 192 Punkten, die die Probenoberfläche gleichzeitig abtasten, was zu einer deutlich höheren Abtastgeschwindigkeit führt. Er kann in der Produktionslinie installiert werden, um die Oberflächenrauhigkeit der Produkte vor Ort zu überwachen. Der Schwellenwert für die Rauheit dient als zuverlässiges Kriterium zur Bestimmung der Oberflächenqualität der Produkte und ermöglicht es dem Benutzer, fehlerhafte Produkte rechtzeitig zu erkennen.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar. NANOVEA Profilometer messen praktisch jede Oberfläche in Bereichen wie Halbleiter, Mikroelektronik, Solar, Faseroptik, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Metallurgie, Bearbeitung, Beschichtungen, Pharmazeutik, Biomedizin, Umwelt und vielen anderen.

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Kratzhärte bei hohen Temperaturen mit einem Tribometer

HOHE TEMPERATUR-RITZHÄRTE

MIT EINEM TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE, PhD

EINFÜHRUNG

Die Härte misst die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegen dauerhafte oder plastische Verformung. Ursprünglich von dem deutschen Mineralogen Friedrich Mohs im Jahr 1820 entwickelt, bestimmt die Ritzhärteprüfung die Härte eines Materials gegenüber Kratzern und Abrieb durch Reibung mit einem scharfen Gegenstand1. Die Mohs'sche Skala ist ein Vergleichsindex und keine lineare Skala. Daher wurde eine genauere und qualitative Messung der Ritzhärte entwickelt, die in der ASTM-Norm G171-03 beschrieben ist.2. Es misst die durchschnittliche Breite des von einem Diamantstift erzeugten Kratzers und berechnet die Ritzhärtezahl (HSP).

BEDEUTUNG DER MESSUNG DER RITZHÄRTE BEI HOHEN TEMPERATUREN

Die Auswahl der Werkstoffe richtet sich nach den Einsatzanforderungen. Bei Anwendungen, die mit erheblichen Temperaturschwankungen und thermischen Gradienten verbunden sind, ist es von entscheidender Bedeutung, die mechanischen Eigenschaften von Materialien bei hohen Temperaturen zu untersuchen, um die mechanischen Grenzen genau zu kennen. Werkstoffe, insbesondere Polymere, werden bei hohen Temperaturen normalerweise weicher. Viele mechanische Ausfälle werden durch Kriechverformung und thermische Ermüdung verursacht, die nur bei hohen Temperaturen auftreten. Daher ist ein zuverlässiges Verfahren zur Messung der Härte bei hohen Temperaturen erforderlich, um die richtige Auswahl der Materialien für Hochtemperaturanwendungen zu gewährleisten.

MESSZIEL

In dieser Studie misst das NANOVEA T50 Tribometer die Ritzhärte einer Teflonprobe bei verschiedenen Temperaturen von Raumtemperatur bis 300ºC. Die Fähigkeit, die Ritzhärte bei hohen Temperaturen zu messen, macht das NANOVEA Tribometer zu einem vielseitigen System für tribologische und mechanische Bewertungen von Materialien für Hochtemperaturanwendungen.

NANOVEA

T50

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TESTBEDINGUNGEN

Mit dem NANOVEA T50 Free Weight Standard Tribometer wurden die Ritzhärtetests an einer Teflonprobe bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur (RT) und 300°C durchgeführt. Teflon hat einen Schmelzpunkt von 326,8°C. Es wurde ein konischer Diamantstift mit einem Scheitelwinkel von 120° und einem Spitzenradius von 200 µm verwendet. Die Teflonprobe wurde auf dem rotierenden Probentisch mit einem Abstand von 10 mm zur Tischmitte fixiert. Die Probe wurde in einem Ofen aufgeheizt und bei Temperaturen von RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C und 300°C geprüft.

PRÜFPARAMETER

der Hochtemperatur-Ritzhärtemessung

NORMALE KRAFT 2 N
GLEITGESCHWINDIGKEIT 1 mm/s
GLEITSTRECKE 8 mm pro Temperatur
ATMOSPHÄRE Luft
TEMPERATUR RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Kratzspurprofile der Teflonprobe bei verschiedenen Temperaturen sind in ABBILDUNG 1 dargestellt, um die Kratzhärte bei verschiedenen erhöhten Temperaturen zu vergleichen. Die Materialanhäufung an den Ritzspurkanten bildet sich, wenn der Stift mit einer konstanten Last von 2 N in die Teflonprobe eindringt und das Material in der Ritzspur zur Seite drückt und verformt.

Die Kratzspuren wurden unter dem Lichtmikroskop untersucht, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. Die gemessenen Kratzspurbreiten und berechneten Ritzhärtezahlen (HSP) sind in ABBILDUNG 3 zusammengefasst und verglichen. Die mit dem Mikroskop gemessene Kratzspurbreite stimmt mit der mit dem NANOVEA Profiler gemessenen überein - die Teflonprobe weist bei höheren Temperaturen eine größere Kratzspurbreite auf. Die Kratzspurbreite steigt von 281 auf 539 µm, wenn die Temperatur von RT auf 300oC ansteigt, was zu einem Rückgang des HSP von 65 auf 18 MPa führt.

Die Ritzhärte bei erhöhten Temperaturen kann mit dem NANOVEA T50 Tribometer mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit gemessen werden. Es bietet eine alternative Lösung zu anderen Härtemessungen und macht die NANOVEA Tribometer zu einem kompletten System für umfassende tribomechanische Hochtemperaturauswertungen.

ABBILDUNG 1: Kratzspurprofile nach den Ritzhärtetests bei verschiedenen Temperaturen.

ABBILDUNG 2: Kratzspuren unter dem Mikroskop nach den Messungen bei verschiedenen Temperaturen.

ABBILDUNG 3: Entwicklung der Kratzspurbreite und der Kratzhärte in Abhängigkeit von der Temperatur.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie zeigen wir, wie das NANOVEA Tribometer die Ritzhärte bei erhöhten Temperaturen in Übereinstimmung mit der ASTM G171-03 misst. Die Prüfung der Ritzhärte bei konstanter Belastung bietet eine einfache Lösung für den Vergleich der Härte von Materialien mit dem Tribometer. Die Möglichkeit, Ritzhärtemessungen bei erhöhten Temperaturen durchzuführen, macht das NANOVEA Tribometer zu einem idealen Werkzeug für die Bewertung der tribomechanischen Eigenschaften von Materialien bei hohen Temperaturen.

Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Ein optionaler berührungsloser 3D-Profiler ist für hohe

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Kratzprüfung von Metallen und Polymeren: Experiments and numerics". Wear 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus".

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Schweißnahtoberflächeninspektion mit einem tragbaren 3D-Profilometer

WELd-Oberflächeninspektion

Verwendung eines tragbaren 3d-Profilometers

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Es kann von entscheidender Bedeutung sein, dass eine bestimmte Schweißnaht, die in der Regel durch eine Sichtprüfung erfolgt, mit einem extremen Präzisionsgrad untersucht wird. Zu den spezifischen Bereichen, die für eine präzise Analyse von Interesse sind, gehören Oberflächenrisse, Porosität und ungefüllte Krater, unabhängig von den nachfolgenden Prüfverfahren. Schweißnahtmerkmale wie Abmessungen/Form, Volumen, Rauheit, Größe usw. können zur kritischen Bewertung gemessen werden.

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE SCHWEISSNAHTOBERFLÄCHENPRÜFUNG

Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Taster oder Interferometrie kann das berührungslose 3D-Profilometer NANOVEA unter Verwendung von Axialchromatismus nahezu jede Oberfläche messen, wobei die Probengröße aufgrund der offenen Anordnung stark variieren kann und keine Probenvorbereitung erforderlich ist. Der Nano- bis Makrobereich wird bei der Messung des Oberflächenprofils nicht durch die Reflexion oder Absorption der Probe beeinflusst. Das Gerät ist in der Lage, große Oberflächenwinkel zu messen und die Ergebnisse werden nicht durch Software manipuliert. Sie können problemlos jedes Material messen: transparent, undurchsichtig, spiegelnd, diffus, poliert, rau usw. Die 2D- und 2D-Fähigkeiten der tragbaren NANOVEA-Profilometer machen sie zu idealen Instrumenten für die vollständige Prüfung der Schweißnahtoberfläche sowohl im Labor als auch im Feld.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird der NANOVEA JR25 Portable Profiler verwendet, um die Oberflächenrauheit, die Form und das Volumen einer Schweißnaht sowie die Umgebung zu messen. Diese Daten können wichtige Informationen liefern, um die Qualität der Schweißnaht und des Schweißprozesses richtig zu untersuchen.

NANOVEA

JR25

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TESTERGEBNISSE

Das Bild unten zeigt die vollständige 3D-Ansicht der Schweißnaht und des umgebenden Bereichs zusammen mit den Oberflächenparametern der Schweißnaht. Das 2D-Querschnittsprofil ist unten dargestellt.

die Probe

Mit dem obigen 2D-Querschnittsprofil, das aus dem 3D-Profil entfernt wurde, werden die Dimensionsinformationen der Schweißnaht unten berechnet. Oberfläche und Volumen des Materials werden nur für die Schweißnaht berechnet.

 HOLEPEAK
OBERFLÄCHE1,01 mm214,0 mm2
VOLUME8,799e-5 mm323,27 mm3
MAXIMALE TIEFE/HÖHE0,0276 mm0,6195 mm
MITTLERE TIEFE/HÖHE 0,004024 mm 0,2298 mm

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie der berührungslose 3D-Profiler NANOVEA kritische Eigenschaften einer Schweißnaht und der sie umgebenden Oberfläche präzise charakterisieren kann. Anhand der Rauheit, der Abmessungen und des Volumens kann eine quantitative Methode für Qualität und Wiederholbarkeit bestimmt und weiter untersucht werden. Musterschweißnähte, wie das Beispiel in dieser App Note, können mit einem Standard-Tischgerät oder einem tragbaren NANOVEA Profiler für Inhouse- oder Feldtests leicht analysiert werden.

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