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Archives mensuelles : juin 2023

Test d'usure du revêtement PTFE

TEST D'USURE DU REVÊTEMENT PTFE

UTILISATION DU TRIBOMETRE ET DU TESTEUR MECANIQUE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Le polytétrafluoroéthylène (PTFE), communément appelé Téflon, est un polymère doté d'un coefficient de frottement (COF) exceptionnellement bas et d'une excellente résistance à l'usure, en fonction des charges appliquées. Le PTFE présente une inertie chimique supérieure, un point de fusion élevé de 327 °C (620 °F) et maintient une résistance, une ténacité et une autolubrification élevées à basses températures. La résistance exceptionnelle à l'usure des revêtements PTFE les rend très recherchés dans un large éventail d'applications industrielles, telles que l'automobile, l'aérospatiale, le médical et, notamment, les ustensiles de cuisine.

IMPORTANCE DE L'ÉVALUATION QUANTITATIVE DES REVÊTEMENTS PTFE

La combinaison d'un très faible coefficient de frottement (COF), d'une excellente résistance à l'usure et d'une inertie chimique exceptionnelle à des températures élevées fait du PTFE un choix idéal pour les revêtements de casseroles antiadhésifs. Pour améliorer encore ses processus mécaniques pendant la R&D, ainsi que pour assurer un contrôle optimal de la prévention des dysfonctionnements et des mesures de sécurité dans le processus de contrôle qualité, il est crucial de disposer d'une technique fiable d'évaluation quantitative des processus tribomécaniques des revêtements PTFE. Un contrôle précis du frottement de surface, de l'usure et de l'adhérence des revêtements est essentiel pour garantir les performances prévues.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le processus d'usure d'un revêtement PTFE pour une poêle antiadhésive est simulé à l'aide du tribomètre NANOVEA en mode linéaire alternatif.

NANOVEA T50

Tribomètre à poids libre compact

EN SAVOIR PLUS

De plus, le testeur mécanique NANOVEA a été utilisé pour effectuer un test d'adhérence aux micro-rayures afin de déterminer la charge critique de la défaillance de l'adhérence du revêtement PTFE.

NANOVEA PB1000

Testeur mécanique à grande plate-forme

EN SAVOIR PLUS

PROCÉDURE DE TEST

TEST D'USURE

USURE LINÉAIRE ALTERNATIVE À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE

Le comportement tribologique de l'échantillon de revêtement PTFE, y compris le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure, a été évalué à l'aide du test NANOVEA. Tribomètre en mode alternatif linéaire. Une pointe sphérique en acier inoxydable 440 d'un diamètre de 3 mm (grade 100) a été utilisée contre le revêtement. Le COF a été surveillé en permanence pendant le test d'usure du revêtement PTFE.

 

Le taux d'usure, K, a été calculé à l'aide de la formule K=V/(F×s)=A/(F×n), où V représente le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la surface de la section transversale de la piste d'usure, et n est le nombre de courses. Les profils de traces d'usure ont été évalués à l'aide du NANOVEA Profilomètre optique, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique.

PARAMÈTRES DES ESSAIS D'USURE

CHARGE 30 N
DURÉE DU TEST 5 minutes
TAUX GLISSANT 80 tr/min
AMPLITUDE DE PISTE 8 millimètres
RÉVOLUTIONS 300
DIAMÈTRE DE LA BOULE 3 mm
MATÉRIAU DE LA BOULE Acier inoxydable 440
LUBRIFIANT Aucun
ATMOSPHÈRE Air
TEMPÉRATURE 230C (TA)
HUMIDITÉ 43%

PROCÉDURE DE TEST

TEST D'ÉRAFLURE

TEST D'ADHÉRENCE MICRO SCRATCH À L'AIDE D'UN TESTEUR MÉCANIQUE

La mesure de l'adhérence des rayures du PTFE a été réalisée à l'aide du NANOVEA Testeur Méchanique avec un stylet diamant 1200 Rockwell C (rayon de 200 μm) en mode Micro Scratch Tester.

 

Afin d'assurer la reproductibilité des résultats, trois tests ont été réalisés dans des conditions de test identiques.

PARAMÈTRES DE L'ESSAI DE GRATTAGE

TYPE DE CHARGE Progressif
CHARGE INITIALE 0,01 mN
CHARGE FINALE 20 mN
TAUX DE CHARGEMENT 40 mN/min
LONGUEUR DU GRATTAGE 3 mm
VITESSE DE SCRATCHAGE, dx/dt 6.0 mm/min
GÉOMÉTRIE DU PÉNÉTRATEUR 120o Rockwell C
MATÉRIAU DE L'INDENTATEUR (pointe) Diamant
RAYON DE LA POINTE DU PÉNÉTRATEUR 200 μm

RÉSULTATS ET DISCUSSION

USURE LINÉAIRE ALTERNATIVE À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE

Le COF enregistré in situ est présenté dans la FIGURE 1. L'échantillon de test présentait un COF d'environ 0,18 au cours des 130 premiers tours, en raison de la faible adhérence du PTFE. Cependant, il y a eu une augmentation soudaine du COF jusqu’à environ 1 une fois que le revêtement a percé, révélant le substrat situé en dessous. Suite aux essais linéaires alternatifs, le profil de la trace d'usure a été mesuré à l'aide du NANOVEA Profilomètre optique sans contact, comme le montre la FIGURE 2. À partir des données obtenues, le taux d'usure correspondant a été calculé comme étant d'environ 2,78 × 10-3 mm3/Nm, tandis que la profondeur de la trace d'usure a été déterminée comme étant de 44,94 µm.

Configuration du test d'usure du revêtement PTFE sur le tribomètre NANOVEA T50.

FIGURE 1: Évolution du COF lors du test d'usure du revêtement PTFE.

FIGURE 2 : Extraction de profil de piste d'usure PTFE.

PTFE Avant percée

Max COF 0.217
Min COF 0.125
CAF moyen 0.177

PTFE Après percée

Max COF 0.217
Min COF 0.125
CAF moyen 0.177

TABLEAU 1 : COF avant et après percée lors du test d'usure.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

TEST D'ADHÉRENCE MICRO SCRATCH À L'AIDE D'UN TESTEUR MÉCANIQUE

L'adhérence du revêtement PTFE au substrat est mesurée à l'aide de tests de rayure avec un stylet en diamant de 200 µm. La micrographie est illustrée à la FIGURE 3 et à la FIGURE 4, Évolution du COF et de la profondeur de pénétration à la FIGURE 5. Les résultats du test de rayure du revêtement PTFE sont résumés dans le TABLEAU 4. Au fur et à mesure que la charge sur le stylet en diamant augmentait, il pénétrait progressivement dans le revêtement, entraînant une augmentation du COF. Lorsqu'une charge d'environ 8,5 N a été atteinte, la percée du revêtement et l'exposition du substrat se sont produites sous haute pression, conduisant à un COF élevé d'environ 0,3. Le faible St Dev indiqué dans le TABLEAU 2 démontre la répétabilité du test de rayure du revêtement PTFE effectué à l'aide du testeur mécanique NANOVEA.

FIGURE 3 : Micrographie de la rayure complète sur PTFE (10X).

FIGURE 4 : Micrographie de la rayure complète sur PTFE (10X).

FIGURE 5 : Graphique de frottement montrant la ligne du point de rupture critique pour le PTFE.

Test de rayure. Point de défaillance [N] Force de frottement [N] COF
1 0.335 0.124 0.285
2 0.337 0.207 0.310
3 0.380 0.229 0.295
Moyenne 8.52 2.47 0.297
St dev 0.17 0.16 0.012

TABLEAU 2 : Résumé de la charge critique, de la force de friction et du COF lors du test de rayure.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons réalisé une simulation du processus d'usure d'un revêtement PTFE pour casseroles antiadhésives à l'aide du tribomètre NANOVEA T50 en mode linéaire alternatif. Le revêtement PTFE présentait un faible COF d'environ 0,18, le revêtement a connu une percée à environ 130 tours. L'évaluation quantitative de l'adhérence du revêtement PTFE au substrat métallique a été réalisée à l'aide du testeur mécanique NANOVEA qui a déterminé que la charge critique de l'échec de l'adhérence du revêtement était d'environ 8,5 N dans ce test.

 

Les tribomètres NANOVEA offrent des capacités de test d'usure et de frottement précises et reproductibles en utilisant les modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM. Ils fournissent des modules optionnels pour l'usure à haute température, la lubrification et la tribocorrosion, tous intégrés dans un système unique. Cette polyvalence permet aux utilisateurs de simuler avec plus de précision des environnements d'application réels et de mieux comprendre les mécanismes d'usure et les propriétés tribologiques de différents matériaux.

 

Les testeurs mécaniques NANOVEA proposent des modules Nano, Micro et Macro, chacun comprenant des modes de test d'indentation, de rayure et d'usure conformes aux normes ISO et ASTM, offrant la gamme de capacités de test la plus large et la plus conviviale disponible dans un seul système.

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Cartographie de l'usure progressive des revêtements de sol à l'aide d'un tribomètre

Cartographie de l'usure progressive des revêtements de sol

Utilisation d'un tribomètre avec profilomètre intégré

Préparé par

FRANK LIU

INTRODUCTION

Les matériaux de revêtement de sol sont conçus pour être durables, mais ils subissent souvent l'usure due aux activités quotidiennes telles que les déplacements et l'utilisation des meubles. Pour garantir leur longévité, la plupart des types de revêtements de sol sont dotés d'une couche d'usure protectrice qui résiste aux dommages. Cependant, l'épaisseur et la durabilité de la couche d'usure varient en fonction du type de revêtement de sol et du niveau de circulation piétonnière. De plus, les différentes couches de la structure du revêtement de sol, telles que les revêtements UV, les couches décoratives et les vernis, ont des taux d'usure variables. C'est là qu'intervient la cartographie de l'usure progressive. En utilisant le tribomètre NANOVEA T2000 avec un Profilomètre 3D sans contact, une surveillance et une analyse précises des performances et de la longévité des matériaux de revêtement de sol peuvent être effectuées. En fournissant des informations détaillées sur le comportement à l'usure de divers matériaux de revêtement de sol, les scientifiques et les professionnels techniques peuvent prendre des décisions plus éclairées lors de la sélection et de la conception de nouveaux systèmes de revêtement de sol.

IMPORTANCE DE LA CARTOGRAPHIE DE L'USURE PROGRESSIVE POUR LES PANNEAUX DE SOL

Les essais de revêtements de sol sont traditionnellement axés sur le taux d'usure d'un échantillon pour déterminer sa résistance à l'usure. Cependant, la cartographie de l'usure progressive permet d'analyser le taux d'usure de l'échantillon tout au long du test, ce qui fournit des informations précieuses sur le comportement de l'échantillon face à l'usure. Cette analyse approfondie permet d'établir des corrélations entre les données de frottement et le taux d'usure, ce qui permet d'identifier les causes profondes de l'usure. Il convient de noter que les taux d'usure ne sont pas constants tout au long des essais d'usure. Ainsi, l'observation de la progression de l'usure donne une évaluation plus précise de l'usure de l'échantillon. Dépassant les méthodes d'essai traditionnelles, l'adoption de la cartographie de l'usure progressive a contribué à des avancées significatives dans le domaine des essais de revêtements de sol.

Le tribomètre NANOVEA T2000 avec profilomètre 3D sans contact intégré est une solution révolutionnaire pour les tests d'usure et les mesures de perte de volume. Sa capacité à se déplacer avec précision entre la goupille et le profilomètre garantit la fiabilité des résultats en éliminant tout écart de rayon ou d'emplacement des traces d'usure. Mais ce n'est pas tout : les capacités avancées du profilomètre 3D sans contact permettent des mesures de surface à grande vitesse, réduisant le temps de numérisation à quelques secondes seulement. Avec la capacité d'appliquer des charges allant jusqu'à 2 000 N et d'atteindre des vitesses d'essorage allant jusqu'à 5 000 tr/min, le NANOVEA T2000 Tribomètre offre polyvalence et précision dans le processus d’évaluation. Il est clair que cet équipement joue un rôle essentiel dans la cartographie de l'usure progressive.

 

FIGURE 1: Montage de l'échantillon avant l'essai d'usure (à gauche) et profilométrie de la piste d'usure après l'essai d'usure (à droite).

OBJECTIF DE MESURE

Des tests de cartographie d'usure progressive ont été réalisés sur deux types de revêtements de sol : la pierre et le bois. Chaque échantillon a subi un total de 7 cycles de test, avec des durées de test croissantes de 2, 4, 8, 20, 40, 60 et 120 s, permettant une comparaison de l'usure dans le temps. Après chaque cycle d'essai, la piste d'usure a été profilée à l'aide du profilomètre sans contact NANOVEA 3D. À partir des données recueillies par le profileur, le volume du trou et le taux d'usure peuvent être analysés à l'aide des fonctions intégrées dans le logiciel NANOVEA Tribometer ou dans notre logiciel d'analyse de surface, Mountains.

NANOVEA

T2000

EN SAVOIR PLUS
tribomètre
échantillons de test de cartographie d'usure pour le bois et la pierre

 LES ÉCHANTILLONS 

PARAMÈTRES DE L'ESSAI DE CARTOGRAPHIE DE L'USURE

CHARGE40 N
DURÉE DU TESTvarie
VITESSE200 tr/min
RADIUS10 mm
DISTANCEvarie
MATÉRIAU DE LA BOULECarbure de tungstène
DIAMÈTRE DE LA BOULE10 mm

Les durées d'essai utilisées au cours des 7 cycles étaient les suivantes 2, 4, 8, 20, 40, 60 et 120 secondesrespectivement. Les distances parcourues étaient les suivantes 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 et 25,11 mètres.

RÉSULTATS DE LA CARTOGRAPHIE DE L'USURE

PARQUET EN BOIS

Cycle d'essaiMax 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

 

ORIENTATION RADIALE

Cycle d'essaiPerte totale de volume (µm3)Distance totale
Parcouru (m)		Taux d'usure
(mm/Nm) x10-5		Taux d'usure instantané
(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
taux d'usure progressive du bois par rapport à la distance totale

FIGURE 2 : Taux d'usure en fonction de la distance totale parcourue (gauche)
et taux d'usure instantanée en fonction du cycle d'essai (à droite) pour les revêtements de sol en bois.

cartographie de l'usure progressive des sols en bois

FIGURE 3 : Graphique COF et vue 3D de la trace d'usure de l'essai #7 sur un revêtement de sol en bois.

cartographie de l'usure profil extrait

FIGURE 4 : Analyse transversale de la piste d'usure en bois de l'essai #7

cartographie de l'usure progressive analyse du volume et de la surface

FIGURE 5 : Analyse du volume et de la surface de la trace d'usure sur l'échantillon de bois Test #7.

Pour connaître tous les résultats, cliquez ici.

RÉSULTATS DE LA CARTOGRAPHIE DE L'USURE

SOLS EN PIERRE

Cycle d'essaiMax 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

 

ORIENTATION RADIALE

Cycle d'essaiPerte totale de volume (µm3)Distance totale
Parcouru (m)		Taux d'usure
(mm/Nm) x10-5		Taux d'usure instantané
(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
taux d'usure des revêtements de sol en pierre par rapport à la distance
tableau du taux d'usure instantanée des revêtements de sol en pierre

FIGURE 6 : Taux d'usure en fonction de la distance totale parcourue (gauche)
et taux d'usure instantané en fonction du cycle d'essai (à droite) pour un revêtement de sol en pierre.

sol en pierre profil 3d de la piste d'usure

FIGURE 7 : Graphique COF et vue 3D de la piste d'usure de l'essai #7 sur un revêtement de sol en pierre.

profil extrait de la cartographie de l'usure progressive du sol en pierre
revêtement de sol en pierre profil extrait profondeur et hauteur maximales surface du trou et du sommet

FIGURE 8 : Analyse transversale de la piste d'usure en pierre de l'essai #7.

analyse du volume de la cartographie de l'usure progressive des sols en bois

FIGURE 9 : Analyse du volume et de la surface des traces d'usure sur l'échantillon de pierre #7.


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DISCUSSION

Le taux d'usure instantané est calculé à l'aide de l'équation suivante :
cartographie de l'usure progressive de la formule de revêtement de sol

Où V est le volume d'un trou, N est la charge et X est la distance totale, cette équation décrit le taux d'usure entre les cycles d'essai. Le taux d'usure instantané peut être utilisé pour mieux identifier les changements du taux d'usure tout au long de l'essai.

Les deux échantillons ont des comportements d'usure très différents. Au fil du temps, le revêtement de sol en bois commence par présenter un taux d'usure élevé, mais diminue rapidement pour atteindre une valeur plus faible et stable. Pour le revêtement de sol en pierre, le taux d'usure semble commencer par une valeur faible et tendre vers une valeur plus élevée au fil des cycles. Le taux d'usure instantané est également peu cohérent. La raison spécifique de cette différence n'est pas certaine, mais elle peut être due à la structure des échantillons. Le revêtement de sol en pierre semble être constitué de particules lâches ressemblant à des grains, qui s'useraient différemment par rapport à la structure compacte du bois. Des tests et des recherches supplémentaires seraient nécessaires pour déterminer la cause de ce comportement d'usure.

Les données relatives au coefficient de frottement (COF) semblent correspondre au comportement d'usure observé. Le graphique du COF pour le revêtement de sol en bois semble cohérent tout au long des cycles, complétant son taux d'usure régulier. Pour le revêtement de sol en pierre, le COF moyen augmente tout au long des cycles, de la même manière que le taux d'usure augmente également avec les cycles. On observe également des changements apparents dans la forme des graphiques de frottement, ce qui suggère des changements dans la manière dont la bille interagit avec l'échantillon de pierre. Ces changements sont particulièrement visibles dans les cycles 2 et 4.

CONCLUSION

Le tribomètre NANOVEA T2000 démontre sa capacité à réaliser une cartographie de l'usure progressive en analysant le taux d'usure entre deux échantillons de revêtements de sol différents. La pause du test d'usure continue et le balayage de la surface avec le profilomètre sans contact NANOVEA 3D fournissent des informations précieuses sur le comportement d'usure du matériau au fil du temps.

Le tribomètre NANOVEA T2000 avec le profilomètre 3D sans contact intégré fournit une grande variété de données, y compris les données COF (coefficient de frottement), les mesures de surface, les relevés de profondeur, la visualisation de la surface, la perte de volume, le taux d'usure, et bien plus encore. Cet ensemble complet d'informations permet aux utilisateurs de mieux comprendre les interactions entre le système et l'échantillon. Avec son chargement contrôlé, sa haute précision, sa facilité d'utilisation, son chargement élevé, sa large plage de vitesse et ses modules environnementaux supplémentaires, le tribomètre NANOVEA T2000 fait passer la tribologie au niveau supérieur.

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