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Streckgrenze und Zugfestigkeit von Stahl und Aluminium
Bedeutung der Messung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit mit Hilfe der Eindrückung
Traditionell werden Streckgrenze und Zugfestigkeit mit einer großen Zugprüfmaschine geprüft, die eine enorme Kraft benötigt, um die Proben auseinander zu ziehen. Es ist kostspielig und zeitaufwändig, viele Testkupons für ein Material zu bearbeiten, bei dem jede Probe nur einmal geprüft werden kann. Kleine Defekte in der Probe führen zu einer deutlichen Abweichung der Prüfergebnisse. Unterschiedliche Konfigurationen und Ausrichtungen der auf dem Markt befindlichen Zugprüfgeräte führen oft zu erheblichen Abweichungen in der Prüfmechanik und den Ergebnissen.
Die innovative Eindringmethode von Nanovea liefert direkt Werte für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit, die mit den Werten vergleichbar sind, die mit herkömmlichen Zugtests gemessen werden. Diese Messung eröffnet neue Prüfmöglichkeiten für alle Branchen. Der einfache Versuchsaufbau reduziert die Zeit und die Kosten für die Probenvorbereitung im Vergleich zur komplexen Couponform, die für Zugversuche erforderlich ist, erheblich. Mehrere Messungen an einer einzigen Probe sind bei einer geringen Größe der Vertiefung möglich. Sie verhindert den Einfluss von Defekten, die bei der Bearbeitung von Zugproben entstehen. YS- und UTS-Messungen an kleinen Proben in einem begrenzten Bereich ermöglichen die Kartierung und Erkennung lokaler Defekte in Rohrleitungen oder Autostrukturen.
Messung Zielsetzung
Bei dieser Anwendung wird das Nanovea Mechanischer Tester Misst die Streckgrenze und Zugfestigkeit von Proben aus Edelstahl SS304 und Aluminium Al6061-Metalllegierungen. Die Proben wurden aufgrund ihrer allgemein anerkannten Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte ausgewählt, die die Zuverlässigkeit der Eindruckmethoden von Nanovea belegen.
Testverfahren und -abläufe
Die Prüfungen der Streckgrenze und der Zugfestigkeit wurden mit dem Nanovea-Mechanik-Testgerät in der Mikroindentation Modus. Für diese Anwendung wurde eine zylindrische flache Diamantspitze mit einem Durchmesser von 200 μm verwendet. Die Legierungen SS304 und Al6061 wurden aufgrund ihrer umfangreichen industriellen Anwendung und ihrer allgemein anerkannten Werte für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit ausgewählt, um das große Potenzial und die Zuverlässigkeit der Eindringmethode zu zeigen. Die Proben wurden vor der Prüfung mechanisch auf Hochglanz poliert, um eine Beeinflussung der Prüfergebnisse durch Oberflächenrauhigkeit oder -fehler zu vermeiden. Die Prüfbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. An jeder Probe wurden mehr als zehn Prüfungen durchgeführt, um die Wiederholbarkeit der Prüfwerte zu gewährleisten.
Ergebnisse und Diskussion
Die Kraft-Weg-Kurven der SS304- und Al6061-Legierungsproben sind in Abbildung 3 dargestellt, wobei die Abdrücke der flachen Eindringkörper auf den Testproben eingezeichnet sind. Die Analyse der "S"-förmigen Belastungskurve mit Hilfe spezieller, von Nanovea entwickelter Algorithmen berechnet die Streckgrenze und die Zugfestigkeit. Die Werte werden von der Software automatisch berechnet und sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zum Vergleich sind die Werte für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit aufgeführt, die mit herkömmlichen Zugversuchen ermittelt wurden.
Schlussfolgerung
In dieser Studie haben wir die Leistungsfähigkeit des Nanovea Mechanical Tester bei der Bewertung der Streckgrenze und Zugfestigkeit von Blechproben aus rostfreiem Stahl und Aluminiumlegierungen demonstriert. Der einfache Versuchsaufbau reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für die Probenvorbereitung für Zugversuche erheblich. Die kleine Vertiefungsgröße ermöglicht die Durchführung mehrerer Messungen an einer einzigen Probe. Diese Methode ermöglicht YS/UTS-Messungen an kleinen Proben und lokalisierten Bereichen und bietet eine Lösung für die YS/UTS-Kartierung und lokale Defekterkennung von Rohrleitungen oder Autostrukturen.
Die Nano-, Mikro- oder Makromodule des Nanovea Mechanical Tester umfassen alle ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißtestmodi und bieten so das umfassendste und benutzerfreundlichste Testspektrum, das in einem einzigen System verfügbar ist. Das unübertroffene Sortiment von Nanovea ist eine ideale Lösung zur Bestimmung des gesamten Spektrums mechanischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme und Substrate, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen. Darüber hinaus sind ein optionaler berührungsloser 3D-Profiler und ein AFM-Modul für die hochauflösende 3D-Bildgebung von Eindrücken, Kratzern und Verschleißspuren zusätzlich zu anderen Oberflächenmessungen wie Rauheit erhältlich.
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Dynamische Belastung Tribologie
Dynamische Belastung Tribologie
Einführung
Verschleiß findet in praktisch jedem Industriesektor statt und verursacht Kosten in Höhe von ~0,75% des BIP1. Die Tribologieforschung ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Produktionseffizienz und der Anwendungsleistung sowie für die Erhaltung von Material, Energie und Umwelt. Vibrationen und Schwingungen treten bei einer Vielzahl von tribologischen Anwendungen unvermeidlich auf. Übermäßige externe Vibrationen beschleunigen den Verschleißprozess und verringern die Betriebsleistung, was zu katastrophalen Ausfällen der mechanischen Teile führt.
Herkömmliche Totlasttribometer bringen normale Lasten durch Massengewichte auf. Eine solche Belastungstechnik schränkt nicht nur die Belastungsmöglichkeiten auf eine konstante Last ein, sondern erzeugt auch starke unkontrollierte Schwingungen bei hohen Lasten und Geschwindigkeiten, was zu begrenzten und uneinheitlichen Bewertungen des Verschleißverhaltens führt. Eine zuverlässige Bewertung der Auswirkungen kontrollierter Schwingungen auf das Verschleißverhalten von Werkstoffen ist für Forschung und Entwicklung sowie für die Qualitätskontrolle in verschiedenen industriellen Anwendungen wünschenswert.
Die bahnbrechende Hochlast von Nanovea Tribometer verfügt über eine maximale Tragfähigkeit von 2000 N mit einem dynamischen Lastkontrollsystem. Das fortschrittliche pneumatische Druckluft-Ladesystem ermöglicht es Benutzern, das tribologische Verhalten eines Materials unter hohen normalen Belastungen zu bewerten, mit dem Vorteil, unerwünschte Vibrationen zu dämpfen, die während des Verschleißprozesses entstehen. Daher wird die Last direkt gemessen, ohne dass Pufferfedern wie bei älteren Konstruktionen erforderlich sind. Ein oszillierendes Belastungsmodul mit parallelem Elektromagneten erzeugt eine gut kontrollierte Schwingung mit der gewünschten Amplitude von bis zu 20 N und einer Frequenz von bis zu 150 Hz.
Die Reibung wird mit hoher Genauigkeit direkt anhand der auf den oberen Halter ausgeübten Seitenkraft gemessen. Die Verschiebung wird vor Ort überwacht und gibt Aufschluss über die Entwicklung des Verschleißverhaltens der Testproben. Der Verschleißtest unter kontrollierter Schwingungsbelastung kann auch in Korrosions-, Hochtemperatur-, Feuchtigkeits- und Schmierumgebungen durchgeführt werden, um die realen Arbeitsbedingungen für tribologische Anwendungen zu simulieren. Ein integrierter Hochgeschwindigkeitsmotor berührungsloses Profilometer Misst automatisch die Morphologie der Verschleißspur und das Verschleißvolumen in wenigen Sekunden.
Messung Zielsetzung
In dieser Studie zeigen wir die Leistungsfähigkeit des Nanovea T2000 Dynamic Load Tribometers bei der Untersuchung des tribologischen Verhaltens verschiedener Beschichtungs- und Metallproben unter kontrollierten Schwingungsbelastungen.
Testverfahren
Das tribologische Verhalten, z.B. der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit einer 300 µm dicken verschleißfesten Beschichtung wurde mit dem Nanovea T2000 Tribometer und einem konventionellen Totlasttribometer unter Verwendung eines Stift-Scheibe-Aufbaus nach ASTM G992 bewertet und verglichen.
Separate Cu- und TiN-beschichtete Proben gegen eine 6 mm große Al₂O₃-Kugel unter kontrollierter Oszillation wurden im Dynamic Load Tribology Mode des Nanovea T2000 Tribometers bewertet.
Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Das integrierte 3D-Profilometer mit Zeilensensor tastet die Verschleißspur nach den Tests automatisch ab und liefert in Sekundenschnelle die genaueste Messung des Verschleißvolumens.
Ergebnisse und Diskussion
Pneumatisches Ladesystem vs. Totlastsystem
Das tribologische Verhalten einer verschleißfesten Beschichtung unter Verwendung des Nanovea T2000 Tribometers wird mit einem herkömmlichen Totlasttribometer (DL) verglichen. Die Entwicklung des COF der Beschichtung ist in Abb. 2 dargestellt. Wir stellen fest, dass die Beschichtung einen vergleichbaren COF-Wert von ~0,6 während des Verschleißtests aufweist. Die 20 Querschnittsprofile an verschiedenen Stellen der Verschleißspur in Abb. 3 zeigen jedoch, dass die Beschichtung unter dem Totlastsystem einen viel stärkeren Verschleiß erfährt.
Durch den Verschleißprozess des Totlastsystems bei hoher Belastung und Geschwindigkeit wurden intensive Vibrationen erzeugt. Der massive, konzentrierte Druck an der Kontaktfläche in Verbindung mit einer hohen Gleitgeschwindigkeit erzeugt erhebliche Gewichts- und Strukturschwingungen, die zu einem beschleunigten Verschleiß führen. Beim herkömmlichen Totlasttribometer wird die Belastung durch Massengewichte aufgebracht. Diese Methode ist bei niedrigeren Kontaktbelastungen unter milden Verschleißbedingungen zuverlässig; unter aggressiven Verschleißbedingungen bei höheren Belastungen und Geschwindigkeiten führen die erheblichen Vibrationen jedoch dazu, dass die Gewichte wiederholt ausschlagen, was zu einer ungleichmäßigen Verschleißspur und damit zu einer unzuverlässigen tribologischen Bewertung führt. Die berechnete Verschleißrate beträgt 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, was eine hohe Verschleißrate und große Standardabweichung bedeutet.
Das Nanovea T2000 Tribometer ist mit einem dynamischen Kontroll-Ladesystem ausgestattet, um die Schwingungen zu dämpfen. Die normale Last wird mit Druckluft aufgebracht, wodurch unerwünschte Schwingungen während des Verschleißprozesses minimiert werden. Darüber hinaus sorgt die aktive Belastungssteuerung im geschlossenen Regelkreis dafür, dass während des gesamten Verschleißtests eine konstante Last aufgebracht wird und der Taststift der Tiefenänderung der Verschleißspur folgt. Wie in Abb. 3a zu sehen ist, wird ein deutlich gleichmäßigeres Profil der Verschleißspur gemessen, was zu einer niedrigen Verschleißrate von 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m führt.
Die in Abb. 4 gezeigte Analyse der Verschleißspur bestätigt, dass der Verschleißtest, der mit dem pneumatischen Druckluftsystem des Nanovea T2000 Tribometers durchgeführt wird, eine glattere und gleichmäßigere Verschleißspur im Vergleich zu einem konventionellen Totlasttribometer erzeugt. Darüber hinaus misst das Nanovea T2000 Tribometer die Verschiebung des Tastereinsatzes während des Verschleißprozesses, was einen weiteren Einblick in den Verlauf des Verschleißverhaltens in situ ermöglicht.
Kontrollierte Oszillation bei Abnutzung der Cu-Probe
Mit dem parallel oszillierenden Belastungs-Elektromagnetmodul des Nanovea T2000 Tribometers können die Auswirkungen von kontrollierten Amplituden- und Frequenzschwingungen auf das Verschleißverhalten von Materialien untersucht werden. Die COF der Cu-Proben wird in situ aufgezeichnet, wie in Abb. 6 dargestellt. Die Cu-Probe weist während der ersten Messung mit 330 Umdrehungen eine konstante COF von ~0,3 auf, was auf die Bildung eines stabilen Kontakts an der Grenzfläche und eine relativ glatte Verschleißspur hinweist. Im weiteren Verlauf des Verschleißtests deutet die Variation des COF auf eine Veränderung des Verschleißmechanismus hin. Im Vergleich dazu zeigen die Verschleißtests unter einer amplitudengesteuerten Oszillation von 5 N bei 50 N ein anderes Verschleißverhalten: Die COF steigt zu Beginn des Verschleißprozesses sofort an und zeigt während des gesamten Verschleißtests erhebliche Schwankungen. Dieses Verhalten der COF deutet darauf hin, dass die aufgezwungene Oszillation in der Normallast eine Rolle für den instabilen Gleitzustand am Kontakt spielt.
Abb. 7 vergleicht die mit dem integrierten berührungslosen optischen Profilometer gemessene Morphologie der Verschleißspur. Es ist zu beobachten, dass die Cu-Probe unter einer kontrollierten Schwingungsamplitude von 5 N eine viel größere Verschleißspur mit einem Volumen von 1,35 x 109 µm3 aufweist, verglichen mit 5,03 x 108 µm3 ohne auferlegte Schwingung. Die kontrollierte Oszillation beschleunigt die Verschleißrate signifikant um einen Faktor von ~2,7, was die kritische Wirkung der Oszillation auf das Verschleißverhalten zeigt.
Kontrollierte Oszillation bei der Abnutzung der TiN-Beschichtung
Die COF und die Verschleißspuren der TiN-Beschichtungsprobe sind in Abb. 8 dargestellt. Die TiN-Beschichtung weist ein deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten unter Oszillation auf, wie die Entwicklung der COF während der Tests zeigt. Die TiN-Beschichtung zeigt nach der Einlaufphase zu Beginn des Verschleißtests einen konstanten COF von ~0,3, was auf den stabilen Gleitkontakt an der Schnittstelle zwischen der TiN-Beschichtung und der Al₂O₃-Kugel zurückzuführen ist. Wenn jedoch die TiN-Beschichtung zu versagen beginnt, dringt die Al₂O₃-Kugel durch die Beschichtung und gleitet gegen das frische Stahlsubstrat darunter. Gleichzeitig entsteht in der Verschleißspur eine beträchtliche Menge harter TiN-Beschichtungsreste, wodurch aus einem stabilen Zweikörper-Gleitverschleiß ein Dreikörper-Abriebverschleiß wird. Eine solche Änderung der Materialpaarungseigenschaften führt zu größeren Schwankungen bei der Entwicklung der COF. Die aufgezwungene Oszillation von 5 N und 10 N beschleunigt das Versagen der TiN-Beschichtung von ~400 Umdrehungen auf unter 100 Umdrehungen. Die größeren Verschleißspuren auf den TiN-Beschichtungsproben nach den Verschleißtests unter der kontrollierten Oszillation stehen im Einklang mit einer solchen Änderung der COF.
Schlussfolgerung
Das fortschrittliche pneumatische Belastungssystem des Nanovea T2000 Tribometers besitzt einen intrinsischen Vorteil als ein natürlich schneller Schwingungsdämpfer im Vergleich zu traditionellen Totlastsystemen. Dieser technologische Vorteil pneumatischer Systeme gilt auch im Vergleich zu lastgesteuerten Systemen, die eine Kombination aus Servomotoren und Federn zur Aufbringung der Last verwenden. Die Technologie gewährleistet eine zuverlässige und besser kontrollierte Verschleißbewertung bei hohen Belastungen, wie in dieser Studie gezeigt wurde. Darüber hinaus kann das aktive Lastsystem mit geschlossenem Regelkreis die normale Last während der Verschleißtests auf einen gewünschten Wert ändern, um reale Anwendungen in Bremssystemen zu simulieren.
Anstelle der Beeinflussung durch unkontrollierte Schwingungsbedingungen während der Tests haben wir gezeigt, dass das Nanovea T2000 Dynamic-Load Tribometer es dem Benutzer ermöglicht, das tribologische Verhalten von Materialien unter verschiedenen kontrollierten Schwingungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Schwingungen spielen eine wichtige Rolle für das Verschleißverhalten von Metall- und Keramikbeschichtungsproben.
Das parallele elektromagnetische Schwingungsbelastungsmodul liefert präzise kontrollierte Schwingungen mit festgelegten Amplituden und Frequenzen, so dass der Benutzer den Verschleißprozess unter realen Bedingungen simulieren kann, bei denen Umgebungsschwingungen oft ein wichtiger Faktor sind. Bei Vorhandensein von aufgezwungenen Schwingungen während des Verschleißes zeigen sowohl die Cu- als auch die TiN-Beschichtungsproben eine deutlich erhöhte Verschleißrate. Die Entwicklung des Reibungskoeffizienten und die in situ gemessene Tasterauslenkung sind wichtige Indikatoren für die Leistung des Materials während der tribologischen Anwendungen. Das integrierte berührungslose 3D-Profilometer bietet ein Werkzeug zur präzisen Messung des Verschleißvolumens und zur sekundenschnellen Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, was zu einem besseren Verständnis des Verschleißmechanismus führt.
Das T2000 ist mit einem selbstabgestimmten, hochwertigen und drehmomentstarken Motor mit einem internen 20-Bit-Drehzahl- und einem externen 16-Bit-Positionsgeber ausgestattet. Er ermöglicht dem Tribometer einen unübertroffenen Drehzahlbereich von 0,01 bis 5000 U/min, der sich schrittweise oder kontinuierlich ändern kann. Im Gegensatz zu Systemen, die einen unten angebrachten Drehmomentsensor verwenden, nutzt das Nanovea-Tribometer eine oben angebrachte hochpräzise Kraftmesszelle, um die Reibungskräfte genau und separat zu messen.
Nanovea Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi (einschließlich 4-Kugel-, Anlaufscheiben- und Block-auf-Ring-Tests), mit optionalen Hochtemperatur-Verschleiß-, Schmier- und Tribokorrosionsmodulen in einem vorintegrierten System. Die unübertroffene Bandbreite des Nanovea T2000 ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.
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Analyse der Textur von Orangenschalen mit 3D-Profilometrie
Analyse der Textur von Orangenschalen mit 3D-Profilometrie
Einführung
Die Größe und Häufigkeit von Oberflächenstrukturen auf Substraten wirken sich auf die Qualität von Glanzlacken aus. Die Orangenschalentextur, die nach ihrem Aussehen benannt ist, kann sich durch den Einfluss des Substrats und der Lackauftragungstechnik entwickeln. Texturprobleme werden in der Regel anhand der Welligkeit, der Wellenlänge und der visuellen Wirkung, die sie auf Glanzlacke haben, quantifiziert. Kleinste Texturen führen zu einer Glanzminderung, während größere Texturen zu sichtbaren Wellen auf der beschichteten Oberfläche führen. Für die Qualitätskontrolle ist es wichtig, die Entwicklung dieser Texturen und ihre Beziehung zu Substraten und Techniken zu verstehen.
Die Bedeutung der Profilometrie für die Texturmessung
Im Gegensatz zu herkömmlichen 2D-Instrumenten zur Messung der Glanztextur liefert die berührungslose 3D-Messung schnell ein 3D-Bild, das zum Verständnis von Oberflächeneigenschaften verwendet wird, mit der zusätzlichen Möglichkeit, interessierende Bereiche schnell zu untersuchen. Ohne Geschwindigkeit und 3D-Überprüfung würde sich eine Qualitätskontrollumgebung ausschließlich auf 2D-Informationen verlassen, die kaum eine Vorhersagbarkeit der gesamten Oberfläche ermöglichen. Das Verständnis von Texturen in 3D ermöglicht die beste Auswahl von Verarbeitungs- und Kontrollmaßnahmen. Die Gewährleistung der Qualitätskontrolle solcher Parameter hängt in hohem Maße von quantifizierbaren, reproduzierbaren und zuverlässigen Inspektionen ab. Nanovea 3D berührungslos Profilometer nutzen die chromatische Konfokaltechnologie, um die einzigartige Fähigkeit zu haben, die steilen Winkel zu messen, die bei schnellen Messungen auftreten. Nanovea-Profilometer sind dort erfolgreich, wo andere Techniken aufgrund von Sondenkontakt, Oberflächenvariation, Winkel oder Reflexionsvermögen keine zuverlässigen Daten liefern können.
Messung Zielsetzung
In dieser Anwendung misst der Nanovea HS2000L die Orangenschalentextur eines Glanzlacks. Aus dem 3D-Oberflächenscan werden automatisch unzählige Oberflächenparameter berechnet. Hier analysieren wir eine gescannte 3D-Oberfläche, indem wir die Merkmale der Orangenschalentextur quantifizieren.
Ergebnisse und Diskussion
Mit dem Nanovea HS2000L wurden die Isotropie- und Höhenparameter der Orangenschalenfarbe quantifiziert. Die Orangenschalentextur quantifizierte die Richtung des Zufallsmusters mit 94,4% Isotropie. Die Höhenparameter quantifizieren die Textur mit einer Höhendifferenz von 24,84µm.
Die Kurve des Lagerungsverhältnisses in Abbildung 4 ist eine grafische Darstellung der Tiefenverteilung. Dabei handelt es sich um eine interaktive Funktion innerhalb der Software, die es dem Benutzer ermöglicht, Verteilungen und Prozentsätze in verschiedenen Tiefen anzuzeigen. Ein extrahiertes Profil in Abbildung 5 liefert nützliche Rauheitswerte für die Orangenschalentextur. Die Extraktion von Spitzenwerten oberhalb eines Schwellenwerts von 144 Mikrometern zeigt die Orangenschalentextur an. Diese Parameter können leicht an andere Bereiche oder Parameter von Interesse angepasst werden.
Schlussfolgerung
In dieser Anwendung charakterisiert das berührungslose 3D-Profilometer Nanovea HS2000L sowohl die Topografie als auch die Nanometer-Details der Orangenhauttextur auf einer glänzenden Beschichtung präzise. Interessante Bereiche aus 3D-Oberflächenmessungen werden schnell identifiziert und mit vielen nützlichen Messungen analysiert (Dimension, Rauheit, Oberflächenstruktur, Formtopographie, Ebenheit, Verzug, Planarität, Volumenbereich, Stufenhöhe usw.). Schnell ausgewählte 2D-Querschnitte bieten einen vollständigen Satz von Oberflächenmessressourcen zur Glanztextur. Spezielle Bereiche von Interesse können mit einem integrierten AFM-Modul weiter analysiert werden. Die Geschwindigkeit des Nanovea 3D Profilometers reicht von <1 mm/s bis 500 mm/s und eignet sich damit für Forschungsanwendungen ebenso wie für Hochgeschwindigkeitsinspektionen. Die Nanovea 3D-Profilometer verfügen über eine breite Palette von Konfigurationen, die für Ihre Anwendung geeignet sind.
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Einfluss von Luftfeuchtigkeit auf die Tribologie von DLC-Beschichtungen
Bedeutung der Abnutzungsbewertung von DLC bei Luftfeuchtigkeit
Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) verfügen über verbesserte tribologische Eigenschaften, nämlich eine hervorragende Verschleißfestigkeit und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten (COF). DLC-Beschichtungen verleihen Diamanteigenschaften, wenn sie auf verschiedenen Materialien abgeschieden werden. Aufgrund ihrer günstigen tribomechanischen Eigenschaften sind DLC-Beschichtungen in verschiedenen industriellen Anwendungen bevorzugt, beispielsweise für Teile in der Luft- und Raumfahrt, Rasierklingen, Metallschneidewerkzeuge, Lager, Motorradmotoren und medizinische Implantate.
DLC-Beschichtungen weisen unter Hochvakuum und trockenen Bedingungen einen sehr niedrigen COF (unter 0,1) gegenüber Stahlkugeln auf12. DLC-Beschichtungen reagieren jedoch empfindlich auf Veränderungen der Umweltbedingungen, insbesondere der relativen Luftfeuchtigkeit (RH).3. Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Sauerstoffkonzentration können zu einem erheblichen Anstieg der COF führen4. Zuverlässige Verschleißbewertung bei kontrollierter Luftfeuchtigkeit simuliert realistische Umgebungsbedingungen von DLC-Beschichtungen für tribologische Anwendungen. Benutzer wählen durch einen entsprechenden Vergleich die besten DLC-Beschichtungen für ihre Zielanwendungen aus
des DLC-Verschleißverhaltens bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit.
Messung Zielsetzung
Diese Studie stellt den Nanovea vor Tribometer Ausgestattet mit einem Feuchtigkeitsregler ist das ideale Werkzeug zur Untersuchung des Verschleißverhaltens von DLC-Beschichtungen bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten.
Testverfahren
Reibung und Verschleißfestigkeit von DLC-Beschichtungen wurden mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Ein an der Tribokammer angebrachter Feuchtigkeitsregler regelte die relative Luftfeuchtigkeit (RH) präzise mit einer Genauigkeit von ±1%. Verschleißspuren auf DLC-Beschichtungen und Verschleißnarben auf SiN-Kugeln wurden nach Tests mit einem optischen Mikroskop untersucht.
Hinweis: Jedes feste Kugelmaterial kann verwendet werden, um die Leistung verschiedener Materialkopplungen unter Umgebungsbedingungen wie Schmiermittel oder hohen Temperaturen zu simulieren.
Ergebnisse und Diskussion
DLC-Beschichtungen sind aufgrund ihrer geringen Reibung und überlegenen Verschleißfestigkeit hervorragend für tribologische Anwendungen geeignet. Die Reibung der DLC-Beschichtung zeigt ein feuchtigkeitsabhängiges Verhalten, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die DLC-Beschichtung zeigt einen sehr niedrigen COF von ~0,05 während des gesamten Verschleißtests unter relativ trockenen Bedingungen (10% RH). Die DLC-Beschichtung weist während des Tests einen konstanten COF von ~0,1 auf, wenn die RH auf 30% ansteigt. Die erste Einlaufphase der COF wird in den ersten 2000 Umdrehungen beobachtet, wenn die relative Luftfeuchtigkeit über 50% steigt. Die DLC-Beschichtung zeigt eine maximale COF von ~0,20, ~0,26 und ~0,33 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50, 70 bzw. 90%. Nach der Einlaufphase bleibt der COF der DLC-Beschichtung konstant bei ~0,11, 0,13 und 0,20 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50, 70 bzw. 90%.
In Abbildung 3 werden die Verschleißspuren der SiN-Kugel und in Abbildung 4 die Verschleißspuren der DLC-Beschichtung nach den Verschleißtests verglichen. Der Durchmesser der Verschleißnarbe war kleiner, wenn die DLC-Beschichtung einer Umgebung mit geringer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt war. Während des wiederholten Gleitvorgangs an der Kontaktfläche sammelt sich eine DLC-Schicht auf der SiN-Kugeloberfläche an. In dieser Phase gleitet die DLC-Beschichtung gegen ihre eigene Transferschicht, die als effizientes Schmiermittel die Relativbewegung erleichtert und den durch Scherverformung verursachten weiteren Massenverlust eindämmt. In der Verschleißnarbe der SiN-Kugel wird in Umgebungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit (z. B. 10% und 30%) ein Übertragungsfilm beobachtet, der zu einem verlangsamten Verschleißprozess der Kugel führt. Dieser Verschleißprozess spiegelt sich in der Morphologie der Verschleißspur der DLC-Beschichtung wider, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die DLC-Beschichtung weist in trockenen Umgebungen eine kleinere Verschleißspur auf, was auf die Bildung eines stabilen DLC-Übertragungsfilms an der Kontaktfläche zurückzuführen ist, der die Reibung und die Verschleißrate erheblich verringert.
Schlussfolgerung
Luftfeuchtigkeit spielt eine entscheidende Rolle für die tribologische Leistung von DLC-Beschichtungen. Die DLC-Beschichtung verfügt über eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit und eine überlegen niedrige Reibung unter trockenen Bedingungen aufgrund der Bildung einer stabilen Graphitschicht, die auf das gleitende Gegenstück (in dieser Studie eine SiN-Kugel) übertragen wird. Die DLC-Beschichtung gleitet auf ihrer eigenen Übertragungsschicht, die als effizientes Schmiermittel fungiert, um die Relativbewegung zu erleichtern und weiteren Massenverlust durch Scherverformung einzudämmen. Mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit wird auf der SiN-Kugel kein Film beobachtet, was zu einer erhöhten Verschleißrate der SiN-Kugel und der DLC-Beschichtung führt.
Das Nanovea Tribometer bietet wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus, wobei optionale Feuchtigkeitsmodule in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Es ermöglicht Benutzern die Simulation der Arbeitsumgebung bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit und bietet Benutzern ein ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens von Materialien unter verschiedenen Arbeitsbedingungen.
Erfahren Sie mehr über das Nanovea Tribometer und den Laborservice
1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.
2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.
3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.
4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31
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3D-Oberflächenanalyse eines Pennys mit berührungsloser Profilometrie
Bedeutung der berührungslosen Profilometrie für Münzen
Währungen haben in der modernen Gesellschaft einen hohen Stellenwert, da sie gegen Waren und Dienstleistungen eingetauscht werden. Münzen und Scheine zirkulieren in den Händen vieler Menschen. Der ständige Transfer physischer Währung führt zu einer Oberflächenverformung. Nanoveas 3D Profilometer scannt die Topographie von Münzen, die in verschiedenen Jahren geprägt wurden, um Oberflächenunterschiede zu untersuchen.
Münzmerkmale sind für die breite Öffentlichkeit leicht erkennbar, da es sich um alltägliche Gegenstände handelt. Ein Cent ist ideal, um die Stärken der Advanced Surface Analysis Software von Nanovea vorzustellen: Mountains 3D. Mit unserem 3D-Profilometer erfasste Oberflächendaten ermöglichen umfassende Analysen komplexer Geometrien mit Oberflächensubtraktion und 2D-Konturextraktion. Die Oberflächensubtraktion mit einer kontrollierten Maske, einem Stempel oder einer Form vergleicht die Qualität von Fertigungsprozessen, während die Konturextraktion Toleranzen mithilfe einer Dimensionsanalyse identifiziert. Die 3D-Profilometer- und Mountains-3D-Software von Nanovea untersucht die Submikrontopographie scheinbar einfacher Objekte wie Pennys.
Messung Zielsetzung
Die gesamte Oberseite von fünf Pfennigen wurde mit dem Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor von Nanovea gescannt. Der innere und äußere Radius jedes Pennys wurde mit der Mountains Advanced Analysis Software gemessen. Eine Extraktion von jeder Pfennigoberfläche in einem Bereich von Interesse mit direkter Oberflächensubtraktion quantifizierte die Oberflächenverformung.
Ergebnisse und Diskussion
3D-Oberfläche
Das Nanovea HS2000-Profilometer benötigte nur 24 Sekunden, um 4 Millionen Punkte in einem 20 mm x 20 mm großen Bereich mit einer Schrittgröße von 10 um x 10 um zu scannen und die Oberfläche eines Pennys zu erfassen. Unten sehen Sie eine Höhenkarte und eine 3D-Visualisierung des Scans. Die 3D-Ansicht zeigt die Fähigkeit des High-Speed-Sensors, kleine Details zu erfassen, die mit dem Auge nicht wahrnehmbar sind. Auf der Oberfläche des Pennys sind viele kleine Kratzer zu erkennen. Textur und Rauheit der Münze in der 3D-Ansicht werden untersucht.
Dimensionale Analyse
Die Konturen des Pennys wurden extrahiert, und die Dimensionsanalyse ergab den Innen- und Außendurchmesser des Kantenmerkmals. Der Außenradius betrug durchschnittlich 9,500 mm ± 0,024, der Innenradius durchschnittlich 8,960 mm ± 0,032. Weitere dimensionale Analysen, die Mountains 3D mit 2D- und 3D-Datenquellen durchführen kann, sind Abstandsmessungen, Stufenhöhe, Ebenheit und Winkelberechnungen.
Oberflächen-Subtraktion
Abbildung 5 zeigt den Bereich, der für die Analyse der Oberflächensubtraktion von Interesse ist. Der Pfennig von 2007 wurde als Referenzoberfläche für die vier älteren Pfennige verwendet. Die Oberflächensubtraktion von der Oberfläche des Pfennigs von 2007 zeigt die Unterschiede zwischen den Pfennigen mit Löchern/Spitzen. Die Gesamtvolumendifferenz der Oberfläche ergibt sich aus der Addition der Volumina der Löcher/Spitzen. Der RMS-Fehler gibt an, wie gut die Oberflächen der Pfennige übereinstimmen.
Schlussfolgerung
Der High-Speed HS2000L von Nanovea scannte fünf Pfennige, die in verschiedenen Jahren geprägt wurden. Die Mountains 3D-Software verglich die Oberflächen der einzelnen Münzen mithilfe von Konturextraktion, Dimensionsanalyse und Oberflächensubtraktion. Die Analyse definiert eindeutig den inneren und äußeren Radius zwischen den Münzen und vergleicht direkt die Unterschiede zwischen den Oberflächenmerkmalen. Mit der Fähigkeit des Nanovea 3D-Profilometers, beliebige Oberflächen mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu messen, in Kombination mit den 3D-Analysefähigkeiten von Mountains, sind die möglichen Anwendungen für Forschung und Qualitätskontrolle endlos.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit von Kunststoffrohren
Die Bedeutung der Dimensions- und Oberflächenanalyse von Polymerrohren
Rohre aus Polymermaterial werden häufig in vielen Branchen eingesetzt, von der Automobilindustrie über die Medizintechnik bis hin zur Elektrotechnik und vielen anderen Branchen. In dieser Studie wurden medizinische Katheter aus verschiedenen Polymermaterialien mit dem Nanovea untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer zur Messung von Oberflächenrauhigkeit, Morphologie und Abmessungen. Die Oberflächenrauheit ist für Katheter von entscheidender Bedeutung, da viele Probleme mit Kathetern, einschließlich Infektionen, physischen Traumata und Entzündungen, mit der Katheteroberfläche in Verbindung gebracht werden können. Mechanische Eigenschaften, wie z. B. der Reibungskoeffizient, können ebenfalls durch Beobachtung der Oberflächeneigenschaften untersucht werden. Mit diesen quantifizierbaren Daten kann sichergestellt werden, dass der Katheter für medizinische Anwendungen verwendet werden kann.
Im Vergleich zur Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie ist die berührungslose 3D-Profilometrie mit Axialchromatismus für die Charakterisierung von Katheteroberflächen äußerst vorteilhaft, da Winkel/Krümmung gemessen werden können, Materialoberflächen trotz Transparenz oder Reflektivität gemessen werden können, die Probenvorbereitung minimal ist und die Messung nicht invasiv ist. Anders als bei der konventionellen optischen Mikroskopie kann die Höhe der Oberfläche ermittelt und für rechnerische Analysen verwendet werden, z. B. zur Ermittlung der Abmessungen und zum Entfernen der Form, um die Oberflächenrauheit zu bestimmen. Die im Gegensatz zur Elektronenmikroskopie geringe Probenvorbereitung und die Berührungslosigkeit ermöglichen eine schnelle Datenerfassung, ohne Kontamination und Fehler bei der Probenvorbereitung befürchten zu müssen.
Messung Zielsetzung
In dieser Anwendung wird das Nanovea 3D Non-Contact Profilometer verwendet, um die Oberfläche von zwei Kathetern zu scannen: einer aus TPE (Thermoplastisches Elastomer) und der andere aus PVC (Polyvinylchlorid). Die Morphologie, die radiale Dimension und die Höhenparameter der beiden Katheter werden ermittelt und verglichen.
Ergebnisse und Diskussion
3D-Oberfläche
Trotz der Krümmung von Polymerschläuchen kann das berührungslose Nanovea 3D-Profilometer die Oberfläche der Katheter scannen. Aus dem Scan kann ein 3D-Bild für eine schnelle, direkte visuelle Inspektion der Oberfläche gewonnen werden.
2D-Dimensionale Analyse
Die radiale Außenabmessung wurde durch Extraktion eines Profils aus dem Originalscan und Anpassung eines Bogens an das Profil ermittelt. Dies zeigt die Fähigkeit des berührungslosen 3D-Profilometers, eine schnelle Dimensionsanalyse für Qualitätskontrollanwendungen durchzuführen. Es können auch problemlos mehrere Profile entlang der Länge des Katheters erstellt werden.
Oberflächenanalyse Rauhigkeit
Die radiale Außenabmessung wurde durch Extraktion eines Profils aus dem Originalscan und Anpassung eines Bogens an das Profil ermittelt. Dies zeigt die Fähigkeit des berührungslosen 3D-Profilometers, eine schnelle Dimensionsanalyse für Qualitätskontrollanwendungen durchzuführen. Es können auch problemlos mehrere Profile entlang der Länge des Katheters erstellt werden.
Schlussfolgerung
In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie das berührungslose Nanovea 3D-Profilometer zur Charakterisierung von Polymerschläuchen verwendet werden kann. Insbesondere wurden die Oberflächenmessung, die radialen Abmessungen und die Oberflächenrauhigkeit für medizinische Katheter ermittelt. Der Außenradius des TPE-Katheters betrug 2,40 mm, der des PVC-Katheters 1,27 mm. Die Oberfläche des TPE-Katheters erwies sich als rauer als die des PVC-Katheters. Der Sa-Wert von TPE betrug 0,9740µm im Vergleich zu 0,1791µm bei PVC. Obwohl für diese Anwendung medizinische Katheter verwendet wurden, kann die berührungslose 3D-Profilometrie auch auf eine Vielzahl anderer Oberflächen angewendet werden. Die erzielbaren Daten und Berechnungen sind nicht auf das Gezeigte beschränkt.
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Bewertung der Zahnhärte durch Nanoindentation
Bedeutung der Nanoindentation für Biomaterialien
Bei vielen traditionellen mechanischen Prüfungen (Härte, Haftung, Druck, Durchstoß, Streckgrenze usw.) erfordern die heutigen Qualitätskontrollumgebungen mit hochentwickelten, empfindlichen Materialien, von Gelen bis hin zu spröden Materialien, jetzt eine genauere und zuverlässigere Kontrolle. Herkömmliche mechanische Messgeräte bieten nicht die erforderliche empfindliche Laststeuerung und Auflösung; sie sind für die Verwendung von Schüttgut konzipiert. Da die Größe des zu prüfenden Materials immer interessanter wurde, wurde die Entwicklung von Nanoindentation eine zuverlässige Methode zur Gewinnung wesentlicher mechanischer Informationen über kleinere Oberflächen, wie sie in der Forschung mit Biomaterialien verwendet werden. Die besonderen Herausforderungen, die mit Biomaterialien verbunden sind, erforderten die Entwicklung mechanischer Tests, die eine genaue Laststeuerung bei extrem weichen bis spröden Materialien ermöglichen. Außerdem werden für die Durchführung verschiedener mechanischer Tests mehrere Instrumente benötigt, die jetzt mit einem einzigen System durchgeführt werden können. Die Nanoindentation bietet einen breiten Messbereich mit präziser Auflösung bei nanokontrollierten Belastungen für sensible Anwendungen.
Messung Zielsetzung
Bei dieser Anwendung wird das Nanovea Mechanischer TesterIm Nanoindentationsmodus werden die Härte und der Elastizitätsmodul des Dentins, der Karies und der Pulpa eines Zahns untersucht. Der kritischste Aspekt beim Nanoindentationstest ist die Sicherung der Probe. Hier haben wir einen geschnittenen Zahn genommen und ihn mit Epoxidharz beschichtet, so dass alle drei interessierenden Bereiche für den Test freigelegt wurden.
Ergebnisse und Diskussion
Dieser Abschnitt enthält eine zusammenfassende Tabelle, in der die wichtigsten numerischen Ergebnisse für die verschiedenen Proben verglichen werden, gefolgt von der Auflistung der vollständigen Ergebnisse, einschließlich aller durchgeführten Eindrücke, begleitet von mikroskopischen Bildern der Eindrücke, sofern verfügbar. Diese vollständigen Ergebnisse enthalten die gemessenen Werte der Härte und des Elastizitätsmoduls sowie die Eindringtiefe mit ihren Durchschnittswerten und Standardabweichungen. Es ist zu berücksichtigen, dass die Ergebnisse stark schwanken können, wenn die Oberflächenrauheit im gleichen Größenbereich wie der Eindruck liegt.
Zusammenfassende Tabelle der wichtigsten numerischen Ergebnisse:
Schlussfolgerung
Abschließend haben wir gezeigt, wie der Nanovea Mechanical Tester im Nanoindentationsmodus eine präzise Messung der mechanischen Eigenschaften eines Zahns ermöglicht. Die Daten können für die Entwicklung von Füllungen verwendet werden, die den mechanischen Eigenschaften eines echten Zahns besser entsprechen. Die Positionierungsfähigkeit des Nanovea Mechanical Tester ermöglicht eine vollständige Abbildung der Zahnhärte in den verschiedenen Zonen.
Mit demselben System ist es möglich, die Bruchzähigkeit von Zahnmaterialien bei höheren Belastungen bis zu 200N zu prüfen. Bei poröseren Materialien kann eine mehrzyklische Belastungsprüfung durchgeführt werden, um das verbleibende Elastizitätsniveau zu bewerten. Die Verwendung einer flachen zylindrischen Diamantspitze kann Informationen über die Streckgrenze in jeder Zone liefern. Darüber hinaus können mit der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) die viskoelastischen Eigenschaften, einschließlich Verlust- und Speichermoduli, bewertet werden.
Das Nanovea-Nanomodul eignet sich ideal für diese Tests, da es eine einzigartige Rückkopplung nutzt, um die aufgebrachte Last präzise zu steuern. Aus diesem Grund kann das Nanomodul auch für genaue Nano-Kratztests verwendet werden. Die Untersuchung der Kratz- und Verschleißfestigkeit von Zahn- und Füllungsmaterialien macht den Nutzen des Mechanik-Testers noch größer. Die Verwendung einer scharfen 2-Mikrometer-Spitze zum quantitativen Vergleich der Abnutzung von Füllungsmaterialien ermöglicht eine bessere Vorhersage des Verhaltens in realen Anwendungen. Mehrlagige Verschleißtests oder direkte Rotationsverschleißtests sind ebenfalls gängige Tests, die wichtige Informationen über die Langzeittauglichkeit liefern.
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Bewertung der Reibung bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten
Die Bedeutung der Reibungsbewertung bei niedrigen Geschwindigkeiten
Reibung ist die Kraft, die der Relativbewegung von aneinander gleitenden festen Oberflächen entgegenwirkt. Bei der Relativbewegung dieser beiden Kontaktflächen wandelt die Reibung an der Grenzfläche die kinetische Energie in Wärme um. Ein solcher Prozess kann auch zu Materialverschleiß und damit zu einer Leistungsverschlechterung der verwendeten Teile führen.
Aufgrund seines großen Dehnungsverhältnisses, seiner hohen Elastizität sowie seiner hervorragenden Wasserdichtigkeit und Verschleißfestigkeit wird Gummi in einer Vielzahl von Anwendungen und Produkten eingesetzt, bei denen Reibung eine wichtige Rolle spielt, z. B. in Autoreifen, Scheibenwischerblättern, Schuhsohlen und vielen anderen. Je nach Art und Anforderung dieser Anwendungen wird entweder eine hohe oder eine niedrige Reibung gegenüber verschiedenen Materialien gewünscht. Folglich ist eine kontrollierte und zuverlässige Messung der Reibung von Gummi auf verschiedenen Oberflächen von entscheidender Bedeutung.
Messung Zielsetzung
Der Reibungskoeffizient (COF) von Gummi gegenüber verschiedenen Materialien wird mit dem Nanovea kontrolliert und überwacht Tribometer. In dieser Studie möchten wir die Fähigkeit des Nanovea Tribometers zur Messung des COF verschiedener Materialien bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten demonstrieren.
Ergebnisse und Diskussion
Der Reibungskoeffizient (COF) von Gummikugeln (Ø 6 mm, RubberMill) auf drei Materialien (Edelstahl SS 316, Cu 110 und optional Acryl) wurde mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Die getesteten Metallproben wurden vor der Messung mechanisch auf eine spiegelglatte Oberfläche poliert. Durch die leichte Verformung des Gummiballs unter der aufgebrachten Normallast entstand ein Flächenkontakt, der auch dazu beiträgt, die Auswirkungen von Unebenheiten oder Inhomogenitäten der Probenoberfläche auf die COF-Messungen zu verringern. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Die COF eines Gummiballs gegen verschiedene Materialien bei vier verschiedenen Geschwindigkeiten ist in Abbildung 2 dargestellt. 2 dargestellt, und die von der Software automatisch berechneten durchschnittlichen COFs werden in Abbildung 3 zusammengefasst und verglichen. Interessant ist, dass die Metallproben (SS 316 und Cu 110) deutlich höhere COFs aufweisen, wenn die Drehgeschwindigkeit von einem sehr niedrigen Wert von 0,01 U/min auf 5 U/min ansteigt - der COF-Wert des Paares Gummi/SSS 316 steigt von 0,29 auf 0,8 und von 0,65 auf 1,1 für das Paar Gummi/Cu 110. Diese Feststellung stimmt mit den von mehreren Labors berichteten Ergebnissen überein. Wie von Grosch vorgeschlagen4 Die Reibung von Gummi wird hauptsächlich durch zwei Mechanismen bestimmt: (1) die Adhäsion zwischen Gummi und dem anderen Material und (2) die Energieverluste durch die Verformung des Gummis aufgrund von Oberflächenunebenheiten. Schallamach5 beobachtete Ablösungswellen von Gummi vom Gegenmaterial an der Schnittstelle zwischen weichen Gummikugeln und einer harten Oberfläche. Die Kraft, mit der sich Gummi von der Substratoberfläche ablöst, und die Geschwindigkeit der Ablösewellen können die unterschiedliche Reibung bei verschiedenen Geschwindigkeiten während des Tests erklären.
Im Vergleich dazu weist das Gummi-Acrylat-Materialpaar bei verschiedenen Drehzahlen einen hohen COF-Wert auf. Der COF-Wert steigt leicht von ~ 1,02 auf ~ 1,09, wenn die Drehzahl von 0,01 U/min auf 5 U/min ansteigt. Dieser hohe COF-Wert ist möglicherweise auf eine stärkere lokale chemische Bindung an der Kontaktfläche zurückzuführen, die sich während der Tests bildet.
Schlussfolgerung
In dieser Studie zeigen wir, dass Gummi bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten ein eigentümliches Reibungsverhalten zeigt - seine Reibung gegen eine harte Oberfläche nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit der Relativbewegung zu. Gummi zeigt unterschiedliche Reibung, wenn er auf verschiedenen Materialien gleitet. Mit dem Nanovea Tribometer können die Reibungseigenschaften von Materialien bei verschiedenen Geschwindigkeiten kontrolliert und überwacht werden. Dies ermöglicht es den Anwendern, das grundlegende Verständnis des Reibungsmechanismus der Materialien zu verbessern und die beste Materialpaarung für gezielte tribologische Anwendungen auszuwählen.
Das Nanovea Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Es ist in der Lage, die Rotationsstufe bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten bis hinunter zu 0,01 U/min zu steuern und die Entwicklung der Reibung in situ zu überwachen. Das unübertroffene Angebot von Nanovea ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums der tribologischen Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.
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Tribologie der Polymere
Einführung
Polymere werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt und sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Natürliche Polymere wie Bernstein, Seide und Naturkautschuk haben in der Geschichte der Menschheit eine wesentliche Rolle gespielt. Der Herstellungsprozess von synthetischen Polymeren kann optimiert werden, um einzigartige physikalische Eigenschaften wie Zähigkeit, Viskoelastizität, Selbstschmierung und viele andere zu erzielen.
Bedeutung des Verschleißes und der Reibung von Polymeren
Polymere werden in der Regel für tribologische Anwendungen wie Reifen, Lager und Förderbänder verwendet.
Je nach den mechanischen Eigenschaften des Polymers, den Kontaktbedingungen und den Eigenschaften des während des Verschleißvorgangs gebildeten Abriebs oder Transferfilms treten unterschiedliche Verschleißmechanismen auf. Um sicherzustellen, dass die Polymere unter den Einsatzbedingungen eine ausreichende Verschleißfestigkeit aufweisen, ist eine zuverlässige und quantifizierbare tribologische Bewertung erforderlich. Die tribologische Bewertung ermöglicht einen kontrollierten und überwachten quantitativen Vergleich des Verschleißverhaltens verschiedener Polymere, um das geeignete Material für die gewünschte Anwendung auszuwählen.
Das Nanovea Tribometer bietet wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Hochtemperatur-Verschleiß- und Schmiermodulen, die in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Mit diesem unübertroffenen Angebot können Benutzer die verschiedenen Arbeitsumgebungen der Polymere simulieren, einschließlich konzentrierter Belastung, Verschleiß und hoher Temperatur usw.
MESSZIEL
In dieser Studie haben wir gezeigt, dass Nanovea Tribometer ist ein ideales Werkzeug, um die Reibungs- und Verschleißfestigkeit verschiedener Polymere kontrolliert und quantitativ zu vergleichen.
TESTVORGANG
Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit verschiedener gängiger Polymere wurden mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Als Gegenmaterial (Stift, statische Probe) wurde eine Al2O3-Kugel verwendet. Die Verschleißspuren auf den Polymeren (dynamisch rotierende Proben) wurden mit a gemessen berührungsloses 3D-Profilometer und optisches Mikroskop nach Abschluss der Tests. Es ist zu beachten, dass optional ein berührungsloser endoskopischer Sensor zur Messung der Eindringtiefe des Stifts in die dynamische Probe während eines Verschleißtests verwendet werden kann. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=Vl(Fxs) bewertet, wobei V das abgenutzte Volumen, F die normale Belastung und s die Gleitstrecke ist.
Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie Al2O3-Kugeln als Gegenmaterial verwendet wurden. Jedes feste Material kann ersetzt werden, um die Leistung von zwei Proben unter realen Anwendungsbedingungen besser zu simulieren.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Die Verschleißrate ist ein wichtiger Faktor für die Bestimmung der Lebensdauer der Materialien, während die Reibung bei tribologischen Anwendungen eine entscheidende Rolle spielt. Abbildung 2 vergleicht die Entwicklung der COF für verschiedene Polymere gegen die Al2O3-Kugel während der Verschleißtests. Die COF dient als Indikator dafür, wann es zu Ausfällen kommt und der Verschleißprozess in eine neue Phase eintritt. Von den getesteten Polymeren weist HDPE die niedrigste konstante COF von ~0,15 während des gesamten Verschleißtests auf. Die gleichmäßige COF bedeutet, dass sich ein stabiler Tribokontakt bildet.
In Abbildung 3 und Abbildung 4 werden die Verschleißspuren der Polymerproben nach dem Test mit dem Lichtmikroskop gemessen. Das berührungslose In-situ-3D-Profilometer bestimmt präzise das Abnutzungsvolumen der Polymerproben und ermöglicht die genaue Berechnung von Abnutzungsraten von 0,0029, 0,0020 bzw. 0,0032m3/N m. Im Vergleich dazu zeigt die CPVC-Probe die höchste Verschleißrate von 0,1121 m3/N m. In der Verschleißspur von CPVC sind tiefe parallele Verschleißnarben vorhanden.
SCHLUSSFOLGERUNG
Die Verschleißfestigkeit der Polymere spielt eine entscheidende Rolle für ihre Einsatzfähigkeit. In dieser Studie haben wir gezeigt, dass das Nanovea Tribometer den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate verschiedener Polymere in einem
gut kontrollierten und quantitativen Weise. HDPE weist unter den getesteten Polymeren den niedrigsten COF von ~0,15 auf. HDPE-, Nylon 66- und Polypropylen-Proben weisen niedrige Verschleißraten von 0,0029, 0,0020 bzw. 0,0032 m3/N m auf. Die Kombination aus geringer Reibung und hoher Verschleißfestigkeit macht HDPE zu einem guten Kandidaten für tribologische Anwendungen von Polymeren.
Das berührungslose In-situ-3D-Profilometer ermöglicht eine präzise Messung des Verschleißvolumens und bietet ein Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, was einen besseren Einblick in das grundlegende Verständnis der Verschleißmechanismen ermöglicht.
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Oberflächenbeschaffenheit von Wabenplatten mit 3D-Profilometrie
EINFÜHRUNG
Rauheit, Porosität und Textur der Oberfläche von Wabenplatten sind für das endgültige Plattendesign von entscheidender Bedeutung. Diese Oberflächenqualitäten können direkt mit der Ästhetik und den funktionalen Eigenschaften der Plattenoberfläche korrelieren. Ein besseres Verständnis der Oberflächentextur und -porosität kann dazu beitragen, die Verarbeitung und Herstellbarkeit der Plattenoberfläche zu optimieren. Eine quantitative, präzise und zuverlässige Oberflächenmessung der Wabenplatte ist erforderlich, um die Oberflächenparameter für die Anwendung und die Lackieranforderungen zu kontrollieren. Die berührungslosen Nanovea 3D-Sensoren nutzen eine einzigartige chromatische Konfokaltechnologie, die eine präzise Messung dieser Plattenoberflächen ermöglicht.
MESSZIEL
In dieser Studie wurde die Nanovea HS2000-Plattform, die mit einem Hochgeschwindigkeits-Liniensensor ausgestattet ist, verwendet, um zwei Wabenplatten mit unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten zu messen und zu vergleichen. Wir präsentieren den Nanovea berührungsloses ProfilometerDie Fähigkeit des Unternehmens, schnelle und präzise 3D-Profilmessungen und eine umfassende, tiefgehende Analyse der Oberflächenbeschaffenheit durchzuführen.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Die Oberfläche von zwei Wabenplattenmustern mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit, nämlich Probe 1 und Probe 2, wurde gemessen. Die Falschfarben- und 3D-Ansicht der Oberflächen der Proben 1 und 2 sind in Abbildung 3 bzw. Abbildung 4 dargestellt. Die Rauheits- und Ebenheitswerte wurden mit einer fortschrittlichen Analysesoftware berechnet und werden in Tabelle 1 verglichen. Probe 2 weist im Vergleich zu Probe 1 eine porösere Oberfläche auf. Infolgedessen weist Probe 2 einen höheren Rauheitswert Sa von 14,7 µm auf, verglichen mit einem Sa-Wert von 4,27 µm für Probe 1.
Die 2D-Profile der Wabenplattenoberflächen wurden in Abbildung 5 verglichen, um dem Benutzer einen visuellen Vergleich der Höhenänderung an verschiedenen Stellen der Probenoberfläche zu ermöglichen. Wir können feststellen, dass Probe 1 eine Höhenvariation von ~25 µm zwischen der höchsten Spitze und der niedrigsten Talstelle aufweist. Andererseits weist Probe 2 mehrere tiefe Poren im gesamten 2D-Profil auf. Die fortschrittliche Analysesoftware ist in der Lage, die Tiefe von sechs relativ tiefen Poren automatisch zu lokalisieren und zu messen, wie in der Tabelle in Abbildung 4.b Probe 2 dargestellt. Die tiefste der sechs Poren weist eine maximale Tiefe von fast 90 µm auf (Schritt 4).
Um die Porengröße und -verteilung von Probe 2 weiter zu untersuchen, wurde eine Porositätsbewertung durchgeführt, die im folgenden Abschnitt erläutert wird. Die Schnittansicht ist in Abbildung 5 dargestellt und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Wir können feststellen, dass die Poren, die in Abbildung 5 blau markiert sind, eine relativ homogene Verteilung auf der Probenoberfläche aufweisen. Die projizierte Fläche der Poren macht 18,9% der gesamten Probenoberfläche aus. Das Volumen pro mm² der gesamten Poren beträgt ~0,06 mm³. Die Poren haben eine durchschnittliche Tiefe von 42,2 µm, und die maximale Tiefe beträgt 108,1 µm.
SCHLUSSFOLGERUNG
In dieser Anwendung haben wir gezeigt, dass die Nanovea HS2000 Plattform, die mit einem Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor ausgestattet ist, ein ideales Werkzeug für die schnelle und genaue Analyse und den Vergleich der Oberflächenbeschaffenheit von Wabenplattenproben ist. Die hochauflösenden profilometrischen Scans in Verbindung mit einer fortschrittlichen Analysesoftware ermöglichen eine umfassende und quantitative Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit von Wabenplattenproben.
Die hier gezeigten Daten stellen nur einen kleinen Teil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar. Nanovea Profilometer messen praktisch jede Oberfläche für eine Vielzahl von Anwendungen in der Halbleiter-, Mikroelektronik-, Solar-, Faseroptik-, Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Metallurgie-, Bearbeitungs-, Beschichtungs-, Pharma-, Biomedizin-, Umwelt- und vielen anderen Branchen.
