Catégorie : Tribologie rotationnelle

Tribologie des roches

TRIBOLOGIE ROCHE

UTILISATION DU TRIBOMÈTRE NANOVEA

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Les roches sont composées de grains de minéraux. Le type et l'abondance de ces minéraux, ainsi que la force de liaison chimique entre les grains minéraux, déterminent les propriétés mécaniques et tribologiques des roches. En fonction des cycles géologiques des roches, les roches peuvent subir des transformations et sont généralement classées en trois grands types : ignées, sédimentaires et métamorphiques. Ces roches présentent différentes compositions minérales et chimiques, perméabilités et tailles de particules, et ces caractéristiques contribuent à leur résistance à l'usure variée. La tribologie des roches explore les comportements d'usure et de friction des roches dans diverses conditions géologiques et environnementales.

IMPORTANCE DE LA TRIBOLOGIE ROCK

Divers types d'usure des roches, notamment l'abrasion et la friction, se produisent pendant le processus de forage des puits, entraînant d'importantes pertes directes et consécutives attribuées à la réparation et au remplacement des trépans et des outils de coupe. Par conséquent, l’étude de la forabilité, de la forabilité, de la découpabilité et de l’abrasivité des roches est essentielle dans les industries pétrolière, gazière et minière. La recherche en tribologie des roches joue un rôle central dans la sélection des stratégies de forage les plus efficaces et les plus rentables, améliorant ainsi l'efficacité globale et contribuant à la conservation des matériaux, de l'énergie et de l'environnement. De plus, minimiser le frottement de surface est très avantageux pour réduire l'interaction entre le trépan de forage et la roche, ce qui entraîne une diminution de l'usure de l'outil et une efficacité de forage/coupe améliorée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons simulé et comparé les propriétés tribologiques de deux types de roches pour mettre en valeur la capacité du NANOVEA T50 Tribomètre en mesurant le coefficient de frottement et le taux d'usure des roches de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

LES ÉCHANTILLONS

PROCÉDURE DE TEST

Le coefficient de frottement, COF et la résistance à l'usure de deux échantillons de roche ont été évalués par le tribomètre NANOVEA T50 à l'aide du module d'usure Pin-on-Disc. Une bille d'Al2O3 (diamètre 6 mm) a été utilisée comme contre-matériau. La trace d'usure a été examinée à l'aide du profilomètre sans contact NANOVEA après les tests. Les paramètres de test sont résumés ci-dessous.

Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(F×s)=A/(F×n), où V est 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 tours. La rugosité de la surface et les profils des traces d'usure ont été évalués avec le profilomètre optique NANOVEA, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique.

Veuillez noter que la bille Al2O3 comme matériau de comptoir a été utilisée comme exemple dans cette étude. N'importe quel matériau solide de formes différentes peut être appliqué à l'aide d'un dispositif personnalisé pour simuler la situation réelle de l'application.

PARAMÈTRES D'ESSAI

SURFACE EN ACIER

Calcaire, Marbre

RAYON DE L'ANNEAU D'USURE	5 mm
FORCE NORMALE	10 N
DURÉE DU TEST	10 minutes
VITESSE	100 tr/min

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La dureté (H) et le module élastique (E) des échantillons de calcaire et de marbre sont comparés dans la FIGURE 1, en utilisant le module Micro Indentation du testeur mécanique NANOVEA. L'échantillon de calcaire présentait des valeurs H et E inférieures, mesurant respectivement 0,53 et 25,9 GPa, contrairement au marbre, qui enregistrait des valeurs de 1,07 pour H et 49,6 GPa pour E. La variabilité relativement plus élevée des valeurs H et E observée dans le L'échantillon de calcaire peut être attribué à sa plus grande inhomogénéité de surface, provenant de ses caractéristiques granulées et poreuses.

L'évolution du COF lors des essais d'usure des deux échantillons de roche est représentée dans la FIGURE 2. Le calcaire connaît initialement une augmentation rapide du COF jusqu'à environ 0,8 au début de l'essai d'usure, maintenant cette valeur pendant toute la durée de l'essai. Ce changement brusque du COF peut être attribué à la pénétration de la bille d'Al2O3 dans l'échantillon de roche, résultant d'un processus rapide d'usure et de rugosité se produisant au niveau de la face de contact à l'intérieur de la piste d'usure. En revanche, l’échantillon de marbre présente une augmentation notable du COF jusqu’à des valeurs plus élevées après environ 5 mètres de distance de glissement, ce qui signifie sa résistance à l’usure supérieure à celle du calcaire.

FIGURE 1: Comparaison de la dureté et du module d'Young entre des échantillons de calcaire et de marbre.

FIGURE 2 : Evolution du Coefficient de Friction (COF) dans des échantillons de calcaire et de marbre lors d'essais d'usure.

La FIGURE 3 compare les profils en coupe transversale des échantillons de calcaire et de marbre après les tests d'usure, et le tableau 1 résume les résultats de l'analyse des traces d'usure. La FIGURE 4 montre les traces d'usure des échantillons au microscope optique. L'évaluation de la trace d'usure s'aligne sur l'observation de l'évolution du COF : l'échantillon de marbre, qui maintient un faible COF pendant une période plus longue, présente un taux d'usure inférieur de 0,0046 mm³/N·m, contre 0,0353 mm³/N·m pour le calcaire. Les propriétés mécaniques supérieures du marbre contribuent à sa meilleure résistance à l’usure que le calcaire.

FIGURE 3 : Profils en coupe des traces d'usure.

	ZONE DE LA VALLÉE	PROFONDEUR DE LA VALLÉE	TAUX D'USURE
CALCAIRE	35,3 ± 5,9 × 10⁴ µm²	229 ± 24 μm	0,0353 mm³/Nm
MARBRE	4,6 ± 1,2 × 10⁴ µm²	61 ± 15 μm	0,0046 mm³/Nm

TABLEAU 1 : Résumé des résultats de l’analyse des traces d’usure.

FIGURE 4 : Traces d'usure au microscope optique.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons présenté la capacité du tribomètre NANOVEA à évaluer le coefficient de frottement et la résistance à l'usure de deux échantillons de roche, à savoir le marbre et le calcaire, de manière contrôlée et surveillée. Les propriétés mécaniques supérieures du marbre contribuent à sa résistance exceptionnelle à l’usure. Cette propriété rend difficile le forage ou la coupe dans l’industrie pétrolière et gazière. À l’inverse, il prolonge considérablement sa durée de vie lorsqu’il est utilisé comme matériau de construction de haute qualité, comme les carreaux de sol.

Les tribomètres NANOVEA offrent des capacités de test d'usure et de friction précises et reproductibles, conformes aux normes ISO et ASTM en modes rotatif et linéaire. De plus, il fournit des modules optionnels pour l'usure à haute température, la lubrification et la tribocorrosion, le tout parfaitement intégré dans un seul système. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films, substrats fins ou épais, souples ou durs, et de la tribologie des roches.

Évaluation des rayures et de l'usure des revêtements industriels

REVÊTEMENT INDUSTRIEL

ÉVALUATION DES RAYURES ET DE L'USURE À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

INTRODUCTION

La peinture acrylique uréthane est un type de revêtement de protection à séchage rapide largement utilisé dans une variété d'applications industrielles, telles que la peinture de sol, la peinture automobile, et autres. Lorsqu'elle est utilisée comme peinture de sol, elle peut être utilisée dans des zones à fort trafic piétonnier et de roues en caoutchouc, comme les allées, les bordures et les parkings.

IMPORTANCE DES ESSAIS DE RAYURE ET D'USURE POUR LE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

Traditionnellement, des tests d'abrasion Taber étaient réalisés pour évaluer la résistance à l'usure des peintures pour sols en uréthane acrylique, conformément à la norme ASTM D4060. Cependant, comme le mentionne la norme, "pour certains matériaux, les essais d'abrasion utilisant l'abrasif de Taber peuvent être sujets à des variations dues à des changements dans les caractéristiques abrasives de la roue pendant l'essai".1 Cela peut entraîner une mauvaise reproductibilité des résultats d'essai et créer des difficultés pour comparer les valeurs rapportées par différents laboratoires. De plus, dans les tests d'abrasion Taber, la résistance à l'abrasion est calculée en tant que perte de poids à un nombre spécifié de cycles d'abrasion. Cependant, les peintures pour sols à base d'uréthane acrylique ont une épaisseur de film sec recommandée de 37,5 à 50 μm2.

Le processus d'abrasion agressif de Taber Abraser peut rapidement user le revêtement acrylique-uréthane et créer une perte de masse vers le substrat, ce qui entraîne des erreurs substantielles dans le calcul de la perte de poids de la peinture. L'implantation de particules abrasives dans la peinture pendant l'essai d'abrasion contribue également aux erreurs. Par conséquent, une mesure quantifiable et fiable bien contrôlée est cruciale pour garantir une évaluation reproductible de l'usure de la peinture. En outre, l'essai d'abrasion test de dépistage permet aux utilisateurs de détecter les défaillances prématurées des adhésifs dans des applications réelles.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous montrons que NANOVEA Tribomètres et Testeurs mécaniques sont idéaux pour l’évaluation et le contrôle qualité des revêtements industriels.

Le processus d'usure des peintures de sol en uréthane acrylique avec différentes couches de finition est simulé de manière contrôlée et surveillée à l'aide du tribomètre NANOVEA. Le test de micro-rayures est utilisé pour mesurer la charge nécessaire pour provoquer une rupture cohésive ou adhésive de la peinture.

NANOVEA T100

Le Tribomètre Pneumatique Compact

NANOVEA PB1000

L'appareil d'essai mécanique à grande plate-forme

PROCÉDURE DE TEST

Cette étude évalue quatre revêtements de sol acryliques à base d'eau disponibles dans le commerce qui ont le même apprêt (couche de base) et différentes couches de finition de la même formule avec une légère alternance dans les mélanges d'additifs dans le but d'améliorer la durabilité. Ces quatre revêtements sont identifiés comme les échantillons A, B, C et D.

TEST D'USURE

Le tribomètre NANOVEA a été appliqué pour évaluer le comportement tribologique, par exemple le coefficient de frottement, le COF et la résistance à l'usure. Une pointe sphérique SS440 (diamètre 6 mm, grade 100) a été appliquée contre les peintures testées. Le COF a été enregistré in situ. Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(F×s)=A/(F×n), où V est 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 tours. Les profils de rugosité de surface et de traces d'usure ont été évalués par le NANOVEA Profilomètre optique, et la morphologie des traces d'usure a été examinée au microscope optique.

PARAMÈTRES DES ESSAIS D'USURE

FORCE NORMALE

20 N

VITESSE

15 m/min

DURÉE DE L'ESSAI

100, 150, 300 et 800 cycles

TEST D'ÉRAFLURE

Le testeur mécanique NANOVEA équipé d'un stylet en diamant Rockwell C (rayon de 200 μm) a été utilisé pour effectuer des tests de rayures à charge progressive sur les échantillons de peinture en utilisant le mode Micro Scratch Tester. Deux charges finales ont été utilisées : Une charge finale de 5 N pour étudier le décollement de la peinture de l'apprêt, et une charge finale de 35 N pour étudier le décollement de l'apprêt des substrats métalliques. Trois tests ont été répétés dans les mêmes conditions sur chaque échantillon afin de garantir la reproductibilité des résultats.

Des images panoramiques de toutes les longueurs de rayures ont été automatiquement générées et leurs emplacements de défaillance critique ont été corrélés avec les charges appliquées par le logiciel du système. Cette fonctionnalité du logiciel permet aux utilisateurs d'effectuer des analyses sur les traces de rayures à tout moment, plutôt que de devoir déterminer la charge critique au microscope immédiatement après les essais de rayures.

PARAMÈTRES DE L'ESSAI DE GRATTAGE

TYPE DE CHARGE	Progressif
CHARGE INITIALE	0,01 mN
CHARGE FINALE	5 N / 35 N
TAUX DE CHARGEMENT	10 / 70 N/min
LONGUEUR DU GRATTAGE	3 mm
VITESSE DE SCRATCHAGE, dx/dt	6.0 mm/min
GÉOMÉTRIE DU PÉNÉTRATEUR	Cône de 120º.
MATÉRIAU DE L'INDENTATEUR (pointe)	Diamant
RAYON DE LA POINTE DU PÉNÉTRATEUR	200 μm

RÉSULTATS DES TESTS D'USURE

Quatre tests d'usure de type " pin-on-disk " à différents nombres de tours (100, 150, 300 et 800 cycles) ont été réalisés sur chaque échantillon afin de suivre l'évolution de l'usure. La morphologie de la surface des échantillons a été mesurée à l'aide d'un profileur sans contact NANOVEA 3D afin de quantifier la rugosité de surface avant de réaliser les essais d'usure. Tous les échantillons présentaient une rugosité de surface comparable d'environ 1 μm, comme le montre la FIGURE 1. Le COF a été enregistré in situ pendant les essais d'usure, comme le montre la FIGURE 2. La FIGURE 4 présente l'évolution des traces d'usure après 100, 150, 300 et 800 cycles, et la FIGURE 3 résume le taux d'usure moyen des différents échantillons à différentes étapes du processus d'usure.

Comparé à une valeur de COF de ~0,07 pour les trois autres échantillons, l'échantillon A présente un COF beaucoup plus élevé de ~0,15 au début, qui augmente progressivement et se stabilise à ~0,3 après 300 cycles d'usure. Un COF aussi élevé accélère le processus d'usure et crée une quantité substantielle de débris de peinture comme l'indique la FIGURE 4 - la couche supérieure de l'échantillon A a commencé à être enlevée dans les 100 premiers tours. Comme l'indique la FIGURE 3, l'échantillon A présente le taux d'usure le plus élevé de ~5 μm2/N au cours des 300 premiers cycles, qui diminue légèrement à ~3,5 μm2/N en raison de la meilleure résistance à l'usure du substrat métallique. La couche supérieure de l'échantillon C commence à se rompre après 150 cycles d'usure, comme le montre la FIGURE 4, ce qui est également indiqué par l'augmentation du COF dans la FIGURE 2.

En comparaison, l'échantillon B et l'échantillon D présentent des propriétés tribologiques améliorées. L'échantillon B maintient un faible COF tout au long de l'essai - le COF augmente légèrement de ~0,05 à ~0,1. Un tel effet lubrifiant améliore considérablement sa résistance à l'usure - la couche de finition offre toujours une protection supérieure à l'apprêt sous-jacent après 800 cycles d'usure. Le taux d'usure moyen le plus faible de seulement ~0,77 μm2/N est mesuré pour l'échantillon B à 800 cycles. La couche supérieure de l'échantillon D commence à se délaminer après 375 cycles, comme le reflète l'augmentation abrupte du COF dans la FIGURE 2. Le taux d'usure moyen de l'échantillon D est de ~1,1 μm2/N à 800 cycles.

Par rapport aux mesures d'abrasion Taber conventionnelles, le tribomètre NANOVEA fournit des évaluations d'usure bien contrôlées, quantifiables et fiables qui garantissent des évaluations reproductibles et un contrôle de qualité des peintures commerciales pour sols/auto. En outre, la capacité des mesures in situ du COF permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes d'un processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques de divers revêtements de peinture.

FIGURE 1: Morphologie 3D et rugosité des échantillons de peinture.

FIGURE 2 : COF pendant les tests pin-on-disk.

FIGURE 3 : Évolution du taux d'usure de différentes peintures.

FIGURE 4 : Évolution des traces d'usure pendant les essais "pin-on-disk".

RÉSULTATS DU TEST DE GRATTAGE

La FIGURE 5 montre le tracé de la force normale, de la force de frottement et de la profondeur réelle en fonction de la longueur de la rayure pour l'échantillon A à titre d'exemple. Un module d'émission acoustique optionnel peut être installé pour fournir plus d'informations. Lorsque la charge normale augmente linéairement, la pointe de l'indentation s'enfonce progressivement dans l'échantillon testé, comme le reflète l'augmentation progressive de la profondeur réelle. La variation des pentes des courbes de la force de frottement et de la profondeur réelle peut être utilisée comme l'une des implications du début des défaillances du revêtement.

FIGURE 5 : Force normale, force de frottement et profondeur réelle en fonction de la longueur de la rayure pour l'essai de rayure de l'échantillon A avec une charge maximale de 5 N.

La FIGURE 6 et la FIGURE 7 montrent les rayures complètes des quatre échantillons de peinture testés avec une charge maximale de 5 N et 35 N, respectivement. L'échantillon D a nécessité une charge plus élevée de 50 N pour délaminer l'apprêt. Les tests de rayures à une charge finale de 5 N (FIGURE 6) évaluent la défaillance cohésive/adhésive de la peinture supérieure, tandis que ceux à 35 N (FIGURE 7) évaluent la délamination du primaire. Les flèches dans les micrographies indiquent le point auquel la peinture supérieure ou le primaire commence à se détacher complètement du primaire ou du substrat. La charge à ce point, appelée charge critique, Lc, est utilisée pour comparer les propriétés cohésives ou adhésives de la peinture, comme résumé dans le tableau 1.

Il est évident que l'échantillon de peinture D présente la meilleure adhérence interfaciale - affichant les valeurs Lc les plus élevées de 4,04 N à la délamination de la peinture et de 36,61 N à la délamination du primaire. L'échantillon B présente la deuxième meilleure résistance aux rayures. À partir de l'analyse des rayures, nous montrons que l'optimisation de la formule de la peinture est essentielle pour les comportements mécaniques, ou plus précisément, la résistance aux rayures et les propriétés d'adhésion des peintures acryliques pour sols.

Tableau 1 : Résumé des charges critiques.

FIGURE 6 : Micrographies d'une rayure complète avec une charge maximale de 5 N.

FIGURE 7 : Micrographies d'une rayure complète avec une charge maximale de 35 N.

CONCLUSION

Par rapport aux mesures d'abrasion Taber conventionnelles, le testeur mécanique et le tribomètre NANOVEA sont des outils supérieurs pour l'évaluation et le contrôle de la qualité des revêtements de sol commerciaux et automobiles. Le testeur mécanique NANOVEA en mode rayure peut détecter les problèmes d'adhésion/cohésion dans un système de revêtement. Le tribomètre NANOVEA fournit une analyse tribologique quantifiable et répétable bien contrôlée sur la résistance à l'usure et le coefficient de frottement des peintures.

Sur la base des analyses tribologiques et mécaniques complètes des revêtements de sol acryliques à base d'eau testés dans cette étude, nous montrons que l'échantillon B possède le COF et le taux d'usure les plus faibles et la deuxième meilleure résistance aux rayures, tandis que l'échantillon D présente la meilleure résistance aux rayures et la deuxième meilleure résistance à l'usure. Cette évaluation nous permet d'évaluer et de sélectionner le meilleur candidat ciblant les besoins dans différents environnements d'application.

Les modules Nano et Micro du testeur mécanique NANOVEA comprennent tous des modes d'indentation, de rayure et d'usure conformes aux normes ISO et ASTM, offrant ainsi la plus large gamme de tests disponibles pour l'évaluation des peintures sur un seul module. Le tribomètre NANOVEA offre des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribocorrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de NANOVEA constitue une solution idéale pour déterminer l'ensemble des propriétés mécaniques/tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs, notamment la dureté, le module de Young, la résistance à la rupture, l'adhérence, la résistance à l'usure et bien d'autres encore. Des profileurs optiques sans contact NANOVEA sont disponibles en option pour l'imagerie 3D haute résolution des rayures et des traces d'usure, en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Performance d'abrasion du papier de verre à l'aide d'un tribomètre

PERFORMANCE D'ABRASION DU PAPIER DE VERRE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Le papier de verre est constitué de particules abrasives collées sur une face d'un papier ou d'une toile. Divers matériaux abrasifs peuvent être utilisés pour les particules, comme le grenat, le carbure de silicium, l'oxyde d'aluminium et le diamant. Le papier de verre est largement appliqué dans divers secteurs industriels pour créer des finitions de surface spécifiques sur le bois, le métal et les cloisons sèches. Ils travaillent souvent sous un contact à haute pression appliqué par des outils manuels ou électriques.

IMPORTANCE DE L'ÉVALUATION DES PERFORMANCES D'ABRASION DU PAPIER DE VERRE

L'efficacité d'un papier de verre est souvent déterminée par ses performances d'abrasion dans différentes conditions. La granulométrie, c'est-à-dire la taille des particules abrasives incorporées dans le papier de verre, détermine le taux d'usure et la taille des rayures du matériau à poncer. Les papiers de verre à granulométrie élevée ont des particules plus petites, ce qui se traduit par des vitesses de ponçage plus faibles et des finitions de surface plus fines. Les papiers de verre ayant le même numéro de grain mais fabriqués dans des matériaux différents peuvent avoir des comportements différents dans des conditions sèches ou humides. Des évaluations tribologiques fiables sont nécessaires pour garantir que le papier de verre fabriqué possède le comportement abrasif souhaité. Ces évaluations permettent aux utilisateurs de comparer quantitativement les comportements d'usure de différents types de papier de verre d'une manière contrôlée et surveillée afin de sélectionner le meilleur candidat pour l'application visée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous démontrons la capacité du tribomètre NANOVEA à évaluer quantitativement les performances d'abrasion de divers échantillons de papier de verre dans des conditions sèches et humides.

NANOVEA

T2000

PROCÉDURES DE TEST

Le coefficient de frottement (COF) et les performances à l'abrasion de deux types de papiers de verre ont été évalués par le tribomètre NANOVEA T100. Une bille en acier inoxydable 440 a été utilisée comme matériau de comptoir. Les traces d'usure des billes ont été examinées après chaque test d'usure à l'aide du NANOVEA Profileur optique 3D sans contact pour assurer des mesures précises de perte de volume.

Veuillez noter qu'une bille en acier inoxydable 440 a été choisie comme contre-matériau pour créer une étude comparative, mais tout matériau solide pourrait être substitué pour simuler une condition d'application différente.

RÉSULTATS DES TESTS ET DISCUSSION

La FIGURE 1 montre une comparaison du COF des papiers de verre 1 et 2 dans des conditions environnementales sèches et humides. Le papier de verre 1, dans des conditions sèches, présente un COF de 0,4 au début du test qui diminue progressivement et se stabilise à 0,3. Dans des conditions humides, cet échantillon présente un COF moyen plus faible de 0,27. En revanche, les résultats du COF de l'échantillon 2 montrent un COF à sec de 0,27 et un COF humide de ~ 0,37.

Veuillez noter que l'oscillation dans les données pour tous les graphiques COF a été causée par les vibrations générées par le mouvement de glissement de la balle contre les surfaces rugueuses du papier de verre.

FIGURE 1: Évolution du COF pendant les essais d'usure.

La FIGURE 2 résume les résultats de l'analyse des cicatrices d'usure. Les cicatrices d'usure ont été mesurées à l'aide d'un microscope optique et d'un profileur optique sans contact NANOVEA 3D. La FIGURE 3 et la FIGURE 4 comparent les cicatrices d'usure des billes SS440 usées après les tests d'usure sur le papier de verre 1 et 2 (conditions humides et sèches). Comme le montre la FIGURE 4, le profileur optique NANOVEA a capturé avec précision la topographie de la surface des quatre billes et leurs traces d'usure respectives, qui ont ensuite été traitées par le logiciel d'analyse avancée NANOVEA Mountains pour calculer la perte de volume et le taux d'usure. Sur le microscope et l'image de profil de la bille, on peut observer que la bille utilisée pour l'essai avec le papier de verre 1 (sec) présentait une cicatrice d'usure aplatie plus importante que les autres, avec une perte de volume de 0,313 %. mm³. En revanche, la perte de volume pour le papier de verre 1 (humide) était de 0.131 mm³. Pour le papier de verre 2 (sec) la perte de volume était de 0.163 mm³ et pour le papier de verre 2 (humide) la perte de volume a augmenté à 0.237 mm³.

De plus, il est intéressant d'observer que le COF a joué un rôle important dans les performances d'abrasion des papiers de verre. Le papier de verre 1 a présenté un COF plus élevé dans les conditions sèches, ce qui a conduit à un taux d'abrasion plus élevé pour la bille SS440 utilisée dans le test. En comparaison, le COF plus élevé du papier de verre 2 à l'état humide a entraîné un taux d'abrasion plus élevé. Les traces d'usure des papiers de verre après les mesures sont présentées dans la FIGURE 5.

Les papiers de verre 1 et 2 prétendent fonctionner dans des environnements secs et humides. Cependant, ils ont présenté des performances d’abrasion significativement différentes dans des conditions sèches et humides. NANOVÉA tribomètres fournir des capacités d'évaluation de l'usure bien contrôlées, quantifiables et fiables qui garantissent des évaluations d'usure reproductibles. De plus, la capacité de mesure du COF in situ permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes d'un processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques du papier de verre.

FIGURE 2 : Volume de la cicatrice d'usure des billes et COF moyen dans différentes conditions.

FIGURE 3 : Cicatrices d'usure des balles après les tests.

FIGURE 4 : Morphologie 3D des cicatrices d'usure sur les billes.

FIGURE 5 : Traces d'usure sur les papiers de verre dans différentes conditions.

CONCLUSION

Dans cette étude, les performances d'abrasion de deux types de papiers de verre de même numéro de grain ont été évaluées dans des conditions sèches et humides. Les conditions d'utilisation du papier de verre jouent un rôle essentiel dans l'efficacité du travail. Le papier de verre 1 possède un comportement à l'abrasion significativement meilleur dans des conditions sèches, tandis que le papier de verre 2 est plus performant dans des conditions humides. La friction pendant le processus de ponçage est un facteur important à prendre en compte lors de l'évaluation des performances d'abrasion. Le profileur optique NANOVEA mesure précisément la morphologie 3D de toute surface, comme les cicatrices d'usure sur une bille, ce qui garantit une évaluation fiable des performances d'abrasion du papier de verre dans cette étude. Le tribomètre NANOVEA mesure le coefficient de friction in situ pendant un essai d'usure, ce qui permet de mieux comprendre les différentes étapes d'un processus d'usure. Il offre également des tests d'usure et de friction répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure et de lubrification à haute température disponibles dans un système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet aux utilisateurs de simuler différents environnements de travail sévères pour les roulements à billes, notamment les contraintes élevées, l'usure et les températures élevées, etc. Elle constitue également un outil idéal pour évaluer quantitativement les comportements tribologiques de matériaux supérieurs résistant à l'usure sous des charges élevées.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Test d'usure du revêtement de verre en fonction de l'humidité par tribomètre

HUMIDITÉ DE LA COUCHE DE VERRE

TEST D'USURE PAR TRIBOMÈTRE

Préparé par

DUANJIE LIPhD

INTRODUCTION

Le revêtement de verre autonettoyant crée une surface de verre facile à nettoyer qui empêche l'accumulation de saleté, de crasse et de taches. Sa caractéristique autonettoyante réduit considérablement la fréquence, le temps, l'énergie et les coûts de nettoyage, ce qui en fait un choix intéressant pour une variété d'applications résidentielles et commerciales, telles que les façades en verre, les miroirs, les verres de douche, les fenêtres et les pare-brise.

IMPORTANCE DE LA RÉSISTANCE À L'USURE DU REVÊTEMENT DE VERRE AUTONETTOYANT

Une application majeure du revêtement autonettoyant est la surface extérieure de la façade en verre des gratte-ciel. La surface du verre est souvent attaquée par des particules à haute vitesse transportées par des vents forts. Les conditions météorologiques jouent également un rôle important dans la durée de vie du revêtement en verre. Il peut être très difficile et coûteux de traiter la surface du verre et d'appliquer un nouveau revêtement lorsque l'ancien est défaillant. Par conséquent, la résistance à l'usure du revêtement en verre sous
Les différentes conditions météorologiques sont critiques.

Afin de simuler les conditions environnementales réalistes du revêtement autonettoyant dans différentes conditions climatiques, une évaluation répétable de l'usure dans une humidité contrôlée et surveillée est nécessaire. Elle permet aux utilisateurs de comparer correctement la résistance à l'usure des revêtements autonettoyants exposés à différentes humidités et de sélectionner le meilleur candidat pour l'application visée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons montré que les NANOVEA Le tribomètre T100 équipé d'un contrôleur d'humidité est un outil idéal pour étudier la résistance à l'usure des revêtements de verre autonettoyants dans différentes conditions d'humidité.

NANOVEA

T100

PROCÉDURES DE TEST

Les lames de microscope en verre sodocalcique ont été recouvertes de revêtements de verre autonettoyants avec deux recettes de traitement différentes. Ces deux revêtements sont identifiés comme Revêtement 1 et Revêtement 2. Une lame de verre nue non revêtue est également testée à des fins de comparaison.

NANOVEA Tribomètre équipé d'un module de contrôle de l'humidité, a été utilisé pour évaluer le comportement tribologique, par exemple le coefficient de frottement, le COF et la résistance à l'usure des revêtements de verre autonettoyants. Une pointe sphérique WC (diamètre 6 mm) a été appliquée contre les échantillons testés. Le COF a été enregistré in situ. Le contrôleur d'humidité fixé à la tribo-chambre contrôlait avec précision la valeur de l'humidité relative (HR) dans la plage de ± 1 %. La morphologie des traces d'usure a été examinée au microscope optique après les tests d'usure.

CHARGE MAXIMALE 40 mN

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les essais d'usure de l'axe sur le disque dans différentes conditions d'humidité ont été réalisés sur le verre revêtu et non revêtu.
échantillons. Le COF a été enregistré in situ pendant les essais d'usure, comme le montre l'illustration suivante FIGURE 1 et le COF moyen est résumé dans FIGURE 2. FIGURE 4 compare les traces d'usure après les tests d'usure.

Comme indiqué dans FIGURE 1Le verre non revêtu présente un COF élevé de ~0,45 lorsque le mouvement de glissement commence dans le 30% RH, et il augmente progressivement jusqu'à ~0,6 à la fin du test d'usure de 300 révolutions. En comparaison, le verre
Les échantillons de verre revêtus Coating 1 et Coating 2 présentent un faible COF inférieur à 0,2 au début de l'essai. Le COF
du revêtement 2 se stabilise à ~0,25 pendant le reste de l'essai, tandis que le revêtement 1 présente une forte augmentation du COF à ~0,25.
~250 tours et le COF atteint une valeur de ~0,5. Lorsque les essais d'usure sont effectués dans la 60% RH, la
Le verre non revêtu présente toujours un COF plus élevé de ~0,45 tout au long du test d'usure. Les revêtements 1 et 2 présentent des valeurs de COF de 0,27 et 0,22, respectivement. Pour le 90% RH, le verre non revêtu présente un COF élevé de ~0,5 à la fin du test d'usure. Les revêtements 1 et 2 présentent un COF comparable de ~0,1 au début du test d'usure. Le revêtement 1 maintient un COF relativement stable de ~0,15. Le revêtement 2, cependant, échoue à ~ 100 tours, suivi d'une augmentation significative du COF à ~0,5 vers la fin de l'essai d'usure.

La faible friction du revêtement de verre autonettoyant est due à sa faible énergie de surface. Il crée une très haute statique
angle de contact avec l'eau et un faible angle de roulement. Cela conduit à la formation de petites gouttelettes d'eau sur la surface du revêtement dans le 90% RH, comme le montre le microscope en FIGURE 3. Il en résulte également une diminution du COF moyen de ~0,23 à ~0,15 pour le revêtement 2 lorsque la valeur de l'HR augmente de 30% à 90%.

FIGURE 1: Coefficient de friction pendant les essais "pin-on-disk" dans différentes conditions d'humidité relative.

FIGURE 2 : Moyenne du COF pendant les tests "pin-on-disk" dans différentes conditions d'humidité relative.

FIGURE 3 : Formation de petites gouttelettes d'eau sur la surface du verre revêtu.

FIGURE 4 compare les traces d'usure sur la surface du verre après les tests d'usure dans différentes humidités. Le revêtement 1 présente des signes d'usure légère après les tests d'usure dans les HR de 30% et 60%. Il possède une grande trace d'usure après le test dans l'HR de 90%, en accord avec l'augmentation significative du COF pendant le test d'usure. Le revêtement 2 ne montre pratiquement aucun signe d'usure après les tests d'usure en environnement sec et humide, et il présente également un faible COF constant pendant les tests d'usure dans différentes humidités. La combinaison de bonnes propriétés tribologiques et d'une faible énergie de surface fait du revêtement 2 un bon candidat pour les applications de revêtement de verre autonettoyant dans des environnements difficiles. En comparaison, le verre non revêtu présente des traces d'usure plus importantes et un COF plus élevé dans différentes conditions d'humidité, ce qui démontre la nécessité de la technique du revêtement autonettoyant.

FIGURE 4 : Traces d'usure après les tests pin-on-disk dans différentes conditions d'humidité relative (grossissement 200x).

CONCLUSION

NANOVEA Le tribomètre T100 est un outil supérieur pour l'évaluation et le contrôle de qualité des revêtements de verre autonettoyants dans différentes conditions d'humidité. La capacité de mesure in situ du COF permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des revêtements en verre. Sur la base de l'analyse tribologique complète des revêtements de verre autonettoyants testés dans différentes conditions d'humidité, nous montrons que le revêtement 2 possède un faible COF constant et une résistance à l'usure supérieure dans des environnements secs et humides, ce qui en fait un meilleur candidat pour les applications de revêtements de verre autonettoyants exposés à différents temps.

NANOVEA Les tribomètres offrent des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. Un profileur 3D sans contact est disponible en option pour les essais à haute température.
l'imagerie 3D à haute résolution des traces d'usure, en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Mesure de l'usure in situ à haute température

MESURE DE L'USURE IN SITU À HAUTE TEMPÉRATURE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

Duanjie Li, PhD

INTRODUCTION

Le transformateur différentiel variable linéaire (LVDT) est un type de transformateur électrique robuste utilisé pour mesurer un déplacement linéaire. Il a été largement utilisé dans une variété d'applications industrielles, y compris les turbines de puissance, l'hydraulique, l'automatisation, les avions, les satellites, les réacteurs nucléaires, et bien d'autres.

Dans cette étude, nous présentons les modules complémentaires LVDT et haute température du NANOVEA. Tribomètre qui permettent de mesurer le changement de profondeur de la trace d'usure de l'échantillon testé pendant le processus d'usure à des températures élevées. Cela permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux destinés aux applications à haute température.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous souhaitons mettre en évidence la capacité du tribomètre NANOVEA T50 à surveiller in situ l'évolution du processus d'usure des matériaux à des températures élevées.

Le processus d'usure de la céramique de silicate d'alumine à différentes températures est simulé de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

PROCÉDURE DE TEST

Le comportement tribologique, par exemple le coefficient de friction (COF) et la résistance à l'usure des plaques en céramique de silicate d'alumine, a été évalué par le tribomètre NANOVEA. La plaque en céramique de silicate d'alumine a été chauffée par un four de la température ambiante, RT, à des températures élevées (400°C et 800°C), suivies par des tests d'usure à ces températures.

À titre de comparaison, les essais d'usure ont été réalisés lorsque l'échantillon a refroidi de 800°C à 400°C, puis à la température ambiante. Une bille en AI2O3 (6 mm de diamètre, grade 100) a été appliquée contre les échantillons testés. Le COF, la profondeur d'usure et la température ont été contrôlés in situ.

PARAMÈTRES D'ESSAI

de la mesure de l'épingle sur le disque

Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(Fxs)=A/(Fxn), où V est le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la surface de section transversale de la piste d'usure et n est le nombre de tours. La rugosité de surface et les profils des traces d'usure ont été évalués par le profileur optique NANOVEA, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le COF et la profondeur de la trace d'usure enregistrés in situ sont représentés respectivement sur la FIGURE 1 et la FIGURE 2. Sur la FIGURE 1, "-I" indique le test effectué lorsque la température a été augmentée de la température ambiante à une température élevée. "-D" représente la température diminuée à partir d'une température plus élevée de 800°C.

Comme le montre la FIGURE 1, les échantillons testés à différentes températures présentent un COF comparable de ~0,6 tout au long des mesures. Un COF aussi élevé conduit à un processus d'usure accéléré qui crée une quantité importante de débris. La profondeur de la trace d'usure a été contrôlée pendant les essais d'usure par LVDT, comme le montre la FIGURE 2. Les essais réalisés à température ambiante avant le chauffage de l'échantillon et après le refroidissement de l'échantillon montrent que la plaque céramique en silicate d'alumine présente un processus d'usure progressif à RT, la profondeur de la trace d'usure augmente progressivement tout au long de l'essai d'usure pour atteindre ~170 et ~150 μm, respectivement.

En comparaison, les essais d'usure à des températures élevées (400°C et 800°C) présentent un comportement d'usure différent - la profondeur de la trace d'usure augmente rapidement au début du processus d'usure, et elle ralentit au fur et à mesure que l'essai se poursuit. Les profondeurs des traces d'usure pour les essais réalisés aux températures 400°C-I, 800°C et 400°C-D sont respectivement de ~140, ~350 et ~210 μm.

FIGURE 1. Coefficient de frottement pendant les essais "pin-on-disk" à différentes températures

FIGURE 2. Évolution de la profondeur des traces d'usure de la plaque céramique en silicate d'alumine à différentes températures

Le taux d'usure moyen et la profondeur des traces d'usure des plaques céramiques en silicate d'alumine à différentes températures ont été mesurés à l'aide de la méthode suivante NANOVEA Optical Profiler comme résumé dans FIGURE 3. La profondeur de la trace d'usure est en accord avec celle enregistrée par LVDT. La plaque en céramique de silicate d'alumine présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, par rapport aux taux d'usure inférieurs à 0,2 mm3/Nm à des températures inférieures à 400°C. La plaque en céramique de silicate d'alumine ne présente pas de propriétés mécaniques/tribologiques significativement améliorées après le court processus de chauffage, possédant un taux d'usure comparable avant et après le traitement thermique.

La céramique de silicate d'alumine, également connue sous le nom de lave et de pierre des merveilles, est molle et usinable avant le traitement thermique. Un long processus de cuisson à des températures élevées (jusqu'à 1093°C) peut considérablement améliorer sa dureté et sa résistance, après quoi un usinage au diamant est nécessaire. Cette caractéristique unique fait de la céramique de silicate d'alumine un matériau idéal pour la sculpture.

Dans cette étude, nous montrons que le traitement thermique à une température inférieure à celle requise pour la cuisson (800°C vs 1093°C) dans un temps court n'améliore pas les caractéristiques mécaniques et tribologiques de la céramique de silicate d'alumine, faisant de la cuisson appropriée un processus essentiel pour ce matériau avant son utilisation dans les applications réelles.

FIGURE 3. Taux d'usure et profondeur des traces d'usure de l'échantillon à différentes températures

CONCLUSION

Sur la base de l'analyse tribologique complète de cette étude, nous montrons que la plaque en céramique de silicate d'alumine présente un coefficient de frottement comparable à différentes températures, de la température ambiante à 800°C. Cependant, elle présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, ce qui démontre l'importance d'un traitement thermique approprié de cette céramique.

Les tribomètres NANOVEA sont capables d'évaluer les propriétés tribologiques des matériaux pour des applications à des températures élevées allant jusqu'à 1000°C. La fonction de mesure in situ du COF et de la profondeur des traces d'usure permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux utilisés à des températures élevées.

Les tribomètres NANOVEA offrent des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.

Des profileurs 3D sans contact sont disponibles en option pour l'imagerie 3D haute résolution des traces d'usure en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Roulements à billes : étude de résistance à l'usure à haute force

INTRODUCTION

Un roulement à billes utilise des billes pour réduire le frottement de rotation et supporter les charges radiales et axiales. Les billes qui roulent entre les chemins de roulement produisent un coefficient de frottement (COF) bien inférieur à celui de deux surfaces planes glissant l'une contre l'autre. Les roulements à billes sont souvent exposés à des niveaux élevés de contraintes de contact, à l'usure et à des conditions environnementales extrêmes telles que des températures élevées. Par conséquent, la résistance à l'usure des billes sous des charges élevées et des conditions environnementales extrêmes est essentielle pour prolonger la durée de vie du roulement à billes et réduire les coûts et les délais de réparation et de remplacement.
Les roulements à billes peuvent être trouvés dans presque toutes les applications impliquant des pièces mobiles. Ils sont couramment utilisés dans les industries du transport telles que l'aérospatiale et l'automobile, ainsi que dans l'industrie du jouet qui fabrique des articles tels que des fidget spinner et des planches à roulettes.

ÉVALUATION DE L'USURE DES ROULEMENTS À BILLES À DES CHARGES ÉLEVÉES

Les roulements à billes peuvent être fabriqués à partir d’une longue liste de matériaux. Les matériaux couramment utilisés vont des métaux comme l'acier inoxydable et l'acier chromé ou des céramiques comme le carbure de tungstène (WC) et le nitrure de silicium (Si3n4). Pour garantir que les roulements à billes fabriqués possèdent la résistance à l'usure requise, idéale pour les conditions d'application données, des évaluations tribologiques fiables sous des charges élevées sont nécessaires. Les tests tribologiques aident à quantifier et à comparer les comportements à l'usure de différents roulements à billes de manière contrôlée et surveillée afin de sélectionner le meilleur candidat pour l'application ciblée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous présentons un Nanovea Tribomètre comme l'outil idéal pour comparer la résistance à l'usure de différents roulements à billes sous des charges élevées.

Figure 1 : Configuration du test de roulement.

PROCÉDURE DE TEST

Le coefficient de frottement, COF, et la résistance à l'usure des roulements à billes fabriqués dans différents matériaux ont été évalués par un tribomètre Nanovea. Du papier de verre grain P100 a été utilisé comme matériau de comptoir. Les traces d'usure des roulements à billes ont été examinées à l'aide d'un Nanovea Profileur 3D sans contact après la fin des tests d'usure. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1. Le taux d'usure, Ka été évaluée à l'aide de la formule K=V/(F×s)où V est le volume usé, F est la charge normale et s est la distance de glissement. Les cicatrices d'usure des billes ont été évaluées par un Nanovea Profileur 3D sans contact pour garantir une mesure précise du volume d'usure.
La fonction de positionnement radial motorisé automatisée permet au tribomètre de diminuer le rayon de la piste d'usure pendant la durée d'un test. Ce mode de test est appelé test en spirale et garantit que le roulement à billes glisse toujours sur une nouvelle surface du papier de verre (Figure 2). Il améliore considérablement la répétabilité du test de résistance à l’usure du ballon. L'encodeur avancé 20 bits pour le contrôle de vitesse interne et l'encodeur 16 bits pour le contrôle de position externe fournissent des informations précises sur la vitesse et la position en temps réel, permettant un ajustement continu de la vitesse de rotation pour obtenir une vitesse de glissement linéaire constante au niveau du contact.
Veuillez noter que le papier de verre P100 Grit a été utilisé pour simplifier le comportement à l'usure entre les différents matériaux de billes dans cette étude et peut être remplacé par n'importe quelle autre surface de matériau. N'importe quel matériau solide peut être remplacé pour simuler les performances d'une large gamme de raccords de matériaux dans des conditions d'application réelles, comme dans un liquide ou un lubrifiant.

Figure 2 : Illustration des passes en spirale du roulement à billes sur le papier de verre.

Tableau 1 : Paramètres d'essai des mesures d'usure.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le taux d'usure est un facteur essentiel pour déterminer la durée de vie du roulement à billes, tandis qu'un faible COF est souhaitable pour améliorer les performances et l'efficacité du roulement. La figure 3 compare l'évolution du COF pour différents roulements à billes par rapport au papier de verre lors des tests. La bille en acier Cr présente un COF accru de ~0,4 lors du test d'usure, contre ~0,32 et ~0,28 pour les roulements à billes SS440 et Al2O3. En revanche, la boule WC présente un COF constant de ~0,2 tout au long du test d'usure. Une variation observable du COF peut être observée tout au long de chaque test, attribuée aux vibrations provoquées par le mouvement de glissement des roulements à billes contre la surface rugueuse du papier de verre.

Figure 3 : Evolution du COF lors des tests d'usure.

Les figures 4 et 5 comparent les cicatrices d'usure des roulements à billes après qu'elles ont été mesurées respectivement par un microscope optique et un profileur optique sans contact Nanovea, et le tableau 2 résume les résultats de l'analyse des traces d'usure. Le profileur Nanovea 3D détermine avec précision le volume d'usure des roulements à billes, permettant de calculer et de comparer les taux d'usure de différents roulements à billes. On peut observer que les billes en acier Cr et SS440 présentent des cicatrices d'usure aplaties beaucoup plus grandes que les billes en céramique, c'est-à-dire Al2O3 et WC après les tests d'usure. Les billes en acier Cr et SS440 ont des taux d'usure comparables de 3,7 × 10-3 et 3,2 × 10-3 m3/N m, respectivement. En comparaison, la bille Al2O3 présente une résistance à l’usure améliorée avec un taux d’usure de 7,2×10-4 m3/N·m. La boule WC présente à peine des rayures mineures sur la zone de piste d'usure peu profonde, ce qui entraîne un taux d'usure considérablement réduit de 3,3 × 10-6 mm3/N·m.

Figure 4 : Cicatrices d'usure des roulements à billes après les tests.

Figure 5 : Morphologie 3D des cicatrices d'usure sur les roulements à billes.

Tableau 2 : Analyse des cicatrices d'usure des roulements à billes.

La figure 6 montre des images au microscope des traces d'usure produites sur le papier de verre par les quatre roulements à billes. Il est évident que la boule WC produit la trace d'usure la plus sévère (éliminant presque toutes les particules de sable sur son passage) et possède la meilleure résistance à l'usure. En comparaison, les billes en acier Cr et SS440 ont laissé une grande quantité de débris métalliques sur la trace d'usure du papier de verre.
Ces observations démontrent en outre l’importance du bénéfice d’un test en spirale. Il garantit que le roulement à billes glisse toujours sur une nouvelle surface du papier de verre, ce qui améliore considérablement la répétabilité d'un test de résistance à l'usure.

Figure 6 : Usure des traces sur le papier de verre contre différents roulements à billes.

CONCLUSION

La résistance à l'usure des roulements à billes sous haute pression joue un rôle essentiel dans leurs performances en service. Les roulements à billes en céramique possèdent une résistance à l'usure considérablement améliorée dans des conditions de contraintes élevées et réduisent le temps et les coûts liés à la réparation ou au remplacement des roulements. Dans cette étude, le roulement à billes WC présente une résistance à l'usure nettement supérieure à celle des roulements en acier, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications de roulements soumises à une usure importante.
Un tribomètre Nanovea est conçu avec des capacités de couple élevées pour des charges allant jusqu'à 2 000 N et un moteur précis et contrôlé pour des vitesses de rotation de 0,01 à 15 000 tr/min. Il propose des tests d'usure et de frottement reproductibles en utilisant les modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules d'usure et de lubrification à haute température en option disponibles dans un système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet aux utilisateurs de simuler différents environnements de travail sévères des roulements à billes, notamment des contraintes élevées, l'usure et des températures élevées, etc. Elle constitue également un outil idéal pour évaluer quantitativement les comportements tribologiques de matériaux supérieurs résistants à l'usure sous des charges élevées.
Un profileur 3D sans contact Nanovea fournit des mesures précises du volume d'usure et agit comme un outil pour analyser la morphologie détaillée des traces d'usure, fournissant ainsi des informations supplémentaires sur la compréhension fondamentale des mécanismes d'usure.

Préparé par
Duanjie Li, Ph.D., Jonathan Thomas et Pierre Leroux

Tribologie des charges dynamiques

Introduction

L'usure se produit dans pratiquement tous les secteurs industriels et impose des coûts de ~0,75% du PIB1. La recherche en tribologie est essentielle pour améliorer l'efficacité de la production, les performances des applications, ainsi que la conservation des matériaux, de l'énergie et de l'environnement. Les vibrations et les oscillations sont inévitables dans un large éventail d'applications tribologiques. Des vibrations externes excessives accélèrent le processus d'usure et réduisent les performances de service, ce qui entraîne des défaillances catastrophiques des pièces mécaniques.

Les tribomètres conventionnels à charge morte appliquent des charges normales par des poids de masse. Une telle technique de chargement limite non seulement les options de chargement à une charge constante, mais elle crée également des vibrations intenses et incontrôlées à des charges et des vitesses élevées, ce qui conduit à des évaluations limitées et incohérentes du comportement d'usure. Une évaluation fiable de l'effet des oscillations contrôlées sur le comportement d'usure des matériaux est souhaitable pour la R&D et le CQ dans différentes applications industrielles.

La charge élevée révolutionnaire de Nanovea tribomètre a une capacité de charge maximale de 2000 N avec un système de contrôle de charge dynamique. Le système avancé de chargement pneumatique à air comprimé permet aux utilisateurs d'évaluer le comportement tribologique d'un matériau sous des charges normales élevées avec l'avantage d'amortir les vibrations indésirables créées pendant le processus d'usure. Par conséquent, la charge est mesurée directement sans avoir besoin des ressorts tampons utilisés dans les conceptions plus anciennes. Un module de charge oscillant à électro-aimant parallèle applique une oscillation bien contrôlée d'amplitude souhaitée jusqu'à 20 N et de fréquence jusqu'à 150 Hz.

La friction est mesurée avec une grande précision directement à partir de la force latérale appliquée au support supérieur. Le déplacement est surveillé in situ, ce qui donne un aperçu de l'évolution du comportement à l'usure des échantillons d'essai. Le test d'usure sous charge d'oscillation contrôlée peut également être effectué dans des environnements de corrosion, de température élevée, d'humidité et de lubrification pour simuler les conditions de travail réelles pour les applications tribologiques. Un haut débit intégré profilomètre sans contact mesure automatiquement la morphologie des traces d'usure et le volume d'usure en quelques secondes.

Objectif de la mesure

Dans cette étude, nous démontrons la capacité du tribomètre à charge dynamique Nanovea T2000 à étudier le comportement tribologique de différents échantillons de revêtement et de métal dans des conditions de charge d'oscillation contrôlée.

Procédure d'essai

Le comportement tribologique, par exemple le coefficient de friction, COF, et la résistance à l'usure d'un revêtement résistant à l'usure de 300 µm d'épaisseur a été évalué et comparé par le tribomètre Nanovea T2000 avec un tribomètre conventionnel à charge morte utilisant une configuration broche sur disque selon ASTM G992.

Des échantillons séparés recouverts de Cu et de TiN contre une bille d'Al₂0₃ de 6 mm sous oscillation contrôlée ont été évalués par le mode de tribologie de charge dynamique du tribomètre Nanovea T2000.

Les paramètres de l'essai sont résumés dans le tableau 1.

Le profilomètre 3D intégré, équipé d'un capteur de ligne, scanne automatiquement la piste d'usure après les essais, fournissant ainsi la mesure la plus précise du volume d'usure en quelques secondes.

Résultats et discussion

Système de chargement pneumatique vs. système de chargement mort

Le comportement tribologique d'un revêtement résistant à l'usure en utilisant le tribomètre Nanovea T2000 est comparé à un tribomètre conventionnel à charge morte (DL). L'évolution du COF du revêtement est présentée à la Fig. 2. Nous observons que le revêtement présente une valeur COF comparable de ~0.6 pendant le test d'usure. Cependant, les 20 profils de section transversale à différents endroits de la piste d'usure de la Fig. 3 indiquent que le revêtement a subi une usure beaucoup plus sévère sous le système de charge morte.

Des vibrations intenses ont été générées par le processus d'usure du système de charge morte à charge et vitesse élevées. La pression massive concentrée au niveau de la face de contact, combinée à une vitesse de glissement élevée, crée des vibrations importantes au niveau du poids et de la structure, entraînant une usure accélérée. Le tribomètre conventionnel à charge morte applique la charge à l'aide de poids de masse. Cette méthode est fiable pour des charges de contact faibles dans des conditions d'usure légères ; cependant, dans des conditions d'usure agressives à des charges et des vitesses plus élevées, les vibrations importantes font rebondir les poids de manière répétée, ce qui donne une trace d'usure irrégulière et une évaluation tribologique peu fiable. Le taux d'usure calculé est de 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, ce qui montre un taux d'usure élevé et un écart-type important.

Le tribomètre Nanovea T2000 est conçu avec un système de chargement à contrôle dynamique pour amortir les oscillations. Il applique la charge normale avec de l'air comprimé, ce qui minimise les vibrations indésirables créées pendant le processus d'usure. En outre, le contrôle actif de la charge en boucle fermée garantit qu'une charge constante est appliquée tout au long de l'essai d'usure et que le stylet suit le changement de profondeur de la trace d'usure. Un profil de piste d'usure nettement plus cohérent est mesuré, comme le montre la figure 3a, ce qui se traduit par un faible taux d'usure de 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m.

L'analyse de la trace d'usure présentée à la figure 4 confirme que l'essai d'usure effectué par le système de chargement pneumatique à air comprimé du tribomètre Nanovea T2000 crée une trace d'usure plus lisse et plus cohérente par rapport au tribomètre conventionnel à charge morte. En outre, le tribomètre Nanovea T2000 mesure le déplacement du stylet pendant le processus d'usure, ce qui donne un aperçu supplémentaire de la progression du comportement d'usure in situ.

Oscillation contrôlée sur l'usure de l'échantillon de Cu

Le module d'électroaimant de charge à oscillation parallèle du tribomètre Nanovea T2000 permet aux utilisateurs d'étudier l'effet des oscillations à amplitude et fréquence contrôlées sur le comportement d'usure des matériaux. Le COF des échantillons de Cu est enregistré in situ comme le montre la figure 6. L'échantillon de Cu présente un COF constant de ~0,3 pendant la première mesure de 330 révolutions, ce qui signifie la formation d'un contact stable à l'interface et une piste d'usure relativement lisse. Lorsque le test d'usure se poursuit, la variation du COF indique un changement dans le mécanisme d'usure. En comparaison, les essais d'usure sous une oscillation contrôlée par une amplitude de 5 N à 50 N présentent un comportement d'usure différent : le COF augmente rapidement au début du processus d'usure, et montre une variation significative tout au long de l'essai d'usure. Ce comportement du COF indique que l'oscillation imposée dans la charge normale joue un rôle dans l'état de glissement instable au niveau du contact.

La figure 7 compare la morphologie des traces d'usure mesurées par le profilomètre optique sans contact intégré. On peut observer que l'échantillon de Cu soumis à une amplitude d'oscillation contrôlée de 5 N présente une trace d'usure beaucoup plus grande avec un volume de 1,35 x 109 µm3, comparé à 5,03 x 108 µm3 sans oscillation imposée. L'oscillation contrôlée accélère significativement la vitesse d'usure par un facteur de ~2.7, montrant l'effet critique de l'oscillation sur le comportement d'usure.

Oscillation contrôlée sur l'usure du revêtement de TiN

Le COF et les traces d'usure de l'échantillon de revêtement TiN sont présentés à la Fig. 8. Le revêtement TiN présente des comportements d'usure très différents sous oscillation, comme l'indique l'évolution du COF pendant les tests. Le revêtement TiN présente un COF constant de ~0,3 après la période de rodage au début du test d'usure, en raison du contact glissant stable à l'interface entre le revêtement TiN et la bille en Al₂O₃. Cependant, lorsque le revêtement TiN commence à céder, la bille Al₂O₃ pénètre à travers le revêtement et glisse contre le substrat en acier frais situé en dessous. Une quantité importante de débris de revêtement TiN dur est générée dans la piste d'usure au même moment, transformant une usure par glissement stable à deux corps en une usure par abrasion à trois corps. Un tel changement des caractéristiques du couple de matériaux conduit à des variations accrues de l'évolution du COF. L'oscillation imposée de 5 N et 10 N accélère la rupture du revêtement TiN de ~400 révolutions à moins de 100 révolutions. Les traces d'usure plus importantes sur les échantillons de revêtement TiN après les tests d'usure sous oscillation contrôlée sont en accord avec un tel changement de COF.

Conclusion

Le système de chargement pneumatique avancé du tribomètre Nanovea T2000 possède un avantage intrinsèque en tant qu'amortisseur de vibrations naturellement rapide par rapport aux systèmes traditionnels de charge morte. Cet avantage technologique des systèmes pneumatiques est vrai par rapport aux systèmes à charge contrôlée qui utilisent une combinaison de servomoteurs et de ressorts pour appliquer la charge. Cette technologie garantit une évaluation fiable et mieux contrôlée de l'usure à des charges élevées, comme le démontre cette étude. En outre, le système de chargement actif en boucle fermée peut modifier la charge normale à une valeur souhaitée pendant les tests d'usure afin de simuler les applications réelles observées dans les systèmes de freinage.

Au lieu de subir l'influence de conditions de vibrations non contrôlées pendant les essais, nous avons montré que le tribomètre à charge dynamique Nanovea T2000 permet aux utilisateurs d'évaluer quantitativement les comportements tribologiques des matériaux dans différentes conditions d'oscillations contrôlées. Les vibrations jouent un rôle important dans le comportement d'usure des échantillons de revêtement en métal et en céramique.

Le module de chargement oscillant à électroaimant parallèle fournit des oscillations contrôlées avec précision à des amplitudes et des fréquences définies, permettant aux utilisateurs de simuler le processus d'usure dans des conditions réelles où les vibrations environnementales sont souvent un facteur important. En présence d'oscillations imposées pendant l'usure, les échantillons de revêtement en Cu et en TiN présentent tous deux un taux d'usure considérablement accru. L'évolution du coefficient de friction et le déplacement du stylet mesurés in situ sont des indicateurs importants de la performance du matériau pendant les applications tribologiques. Le profilomètre 3D sans contact intégré offre un outil permettant de mesurer précisément le volume d'usure et d'analyser la morphologie détaillée des traces d'usure en quelques secondes, ce qui permet de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de l'usure.

Le T2000 est équipé d'un moteur auto-réglable, de haute qualité et à couple élevé, avec une vitesse interne de 20 bits et un codeur de position externe de 16 bits. Il permet au tribomètre de fournir une gamme inégalée de vitesses de rotation de 0,01 à 5000 tr/min qui peuvent changer par bonds ou en continu. Contrairement aux systèmes qui utilisent un capteur de couple situé en bas, le tribomètre Nanovea utilise une cellule de charge de haute précision située en haut pour mesurer avec précision et séparément les forces de friction.

Les tribomètres Nanovea offrent des essais d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM (y compris les essais à 4 billes, à rondelle de butée et à bloc sur bague), avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée du Nanovea T2000 est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, mous ou durs.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Effet de l'humidité sur la tribologie des revêtements DLC

Importance de l'évaluation de l'usure du DLC dans l'humidité

Les revêtements en carbone de type diamant (DLC) possèdent des propriétés tribologiques améliorées, à savoir une excellente résistance à l'usure et un très faible coefficient de frottement (COF). Les revêtements DLC confèrent les caractéristiques du diamant lorsqu'ils sont déposés sur différents matériaux. Les propriétés tribo-mécaniques favorables rendent les revêtements DLC préférables dans diverses applications industrielles, telles que les pièces aérospatiales, les lames de rasoir, les outils de coupe de métal, les roulements, les moteurs de motos et les implants médicaux.

Les revêtements DLC présentent un très faible COF (inférieur à 0,1) contre les billes d'acier sous vide poussé et dans des conditions sèches.¹². Cependant, les revêtements DLC sont sensibles aux changements de conditions environnementales, en particulier à l'humidité relative (HR).³. Les environnements à forte humidité et concentration d'oxygène peuvent entraîner une augmentation significative du COF⁴. Une évaluation fiable de l'usure dans une humidité contrôlée simule des conditions environnementales réalistes des revêtements DLC pour les applications tribologiques. Les utilisateurs sélectionnent les meilleurs revêtements DLC pour les applications cibles avec une comparaison appropriée
des comportements d'usure du DLC exposé à différentes humidités.

Objectif de la mesure

Cette étude présente le Nanovea Tribomètre équipé d'un contrôleur d'humidité, c'est l'outil idéal pour étudier le comportement à l'usure des revêtements DLC à diverses humidités relatives.

Procédure d'essai

La résistance au frottement et à l'usure des revêtements DLC a été évaluée par le tribomètre Nanovea. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1. Un contrôleur d’humidité fixé à la tribo-chambre contrôlait avec précision l’humidité relative (HR) avec une précision de ± 1%. Après les tests, les traces d'usure sur les revêtements DLC et les cicatrices d'usure sur les billes de SiN ont été examinées à l'aide d'un microscope optique.

Remarque : N'importe quel matériau de bille solide peut être appliqué pour simuler les performances de différents couplages de matériaux dans des conditions environnementales telles que dans un lubrifiant ou à haute température.

Résultats et discussion

Les revêtements DLC sont parfaits pour les applications tribologiques en raison de leur faible friction et de leur résistance supérieure à l'usure. Le frottement du revêtement DLC présente un comportement dépendant de l'humidité, comme le montre la figure 2. Le revêtement DLC présente un COF très faible de ~0,05 tout au long du test d'usure dans des conditions relativement sèches (10% HR). Le revêtement DLC présente un COF constant de ~0,1 pendant l'essai lorsque l'humidité relative augmente à 30%. La phase initiale de rodage du COF est observée au cours des 2000 premiers tours lorsque l'humidité relative dépasse 50%. Le revêtement DLC présente un COF maximal de ~0,20, ~0,26 et ~0,33 pour des HR de 50, 70 et 90%, respectivement. Après la période de rodage, le COF du revêtement DLC reste constant à ~0,11, 0,13 et 0,20 pour des HR de 50, 70 et 90%, respectivement.

La figure 3 compare les cicatrices d'usure des billes SiN et la figure 4 compare les traces d'usure du revêtement DLC après les tests d'usure. Le diamètre de la cicatrice d'usure était plus petit lorsque le revêtement DLC était exposé à un environnement à faible humidité. La couche de transfert DLC s'accumule sur la surface de la bille SiN pendant le processus de glissement répétitif au niveau de la surface de contact. À ce stade, le revêtement DLC glisse contre sa propre couche de transfert qui agit comme un lubrifiant efficace pour faciliter le mouvement relatif et limiter la perte de masse supplémentaire causée par la déformation par cisaillement. Un film de transfert est observé dans la cicatrice d'usure de la bille en SiN dans des environnements à faible HR (par exemple 10% et 30%), ce qui entraîne un processus d'usure décéléré sur la bille. Ce processus d'usure se reflète sur la morphologie de la trace d'usure du revêtement DLC, comme le montre la figure 4. Le revêtement DLC présente une trace d'usure plus petite dans les environnements secs, en raison de la formation d'un film de transfert DLC stable à l'interface de contact, qui réduit considérablement la friction et le taux d'usure.

Conclusion

L'humidité joue un rôle essentiel dans les performances tribologiques des revêtements DLC. Le revêtement DLC possède une résistance à l'usure considérablement améliorée et un faible frottement supérieur dans des conditions sèches en raison de la formation d'une couche graphitique stable transférée sur la contrepartie coulissante (une bille de SiN dans cette étude). Le revêtement DLC glisse contre sa propre couche de transfert, qui agit comme un lubrifiant efficace pour faciliter le mouvement relatif et limiter la perte de masse supplémentaire causée par la déformation par cisaillement. Aucun film n'est observé sur la bille de SiN avec une humidité relative croissante, ce qui entraîne une augmentation du taux d'usure de la bille de SiN et du revêtement DLC.

Le tribomètre Nanovea propose des tests d'usure et de friction reproductibles en utilisant les modes rotatif et linéaire conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules d'humidité en option disponibles dans un système pré-intégré. Il permet aux utilisateurs de simuler l'environnement de travail à différentes humidités, offrant ainsi aux utilisateurs un outil idéal pour évaluer quantitativement les comportements tribologiques des matériaux dans différentes conditions de travail.

En savoir plus sur le tribomètre Nanovea et le service de laboratoire

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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Évaluation du frottement à des vitesses extrêmement basses

Importance de l'évaluation du frottement à faible vitesse

Le frottement est la force qui s'oppose au mouvement relatif de surfaces solides glissant l'une contre l'autre. Lorsque le mouvement relatif de ces deux surfaces de contact a lieu, le frottement à l'interface convertit l'énergie cinétique en chaleur. Un tel processus peut également entraîner une usure du matériau et donc une dégradation des performances des pièces utilisées.
Grâce à son taux d'étirement élevé, sa grande résilience, ses excellentes propriétés d'étanchéité et sa résistance à l'usure, le caoutchouc est largement utilisé dans une variété d'applications et de produits dans lesquels la friction joue un rôle important, tels que les pneus de voiture, les balais d'essuie-glace, les semelles de chaussures et bien d'autres. Selon la nature et les exigences de ces applications, une friction élevée ou faible contre différents matériaux est souhaitée. Par conséquent, une mesure contrôlée et fiable du frottement du caoutchouc contre diverses surfaces devient essentielle.

Objectif de la mesure

Le coefficient de frottement (COF) du caoutchouc contre différents matériaux est mesuré de manière contrôlée et surveillée à l'aide du Nanovea. Tribomètre. Dans cette étude, nous souhaitons mettre en valeur la capacité du tribomètre Nanovea à mesurer le COF de différents matériaux à des vitesses extrêmement faibles.

Résultats et discussion

Le coefficient de friction (COF) des billes de caoutchouc (6 mm de diamètre, RubberMill) sur trois matériaux (acier inoxydable SS 316, Cu 110 et acrylique en option) a été évalué par le tribomètre Nanovea. Les échantillons de métal testés ont été polis mécaniquement pour obtenir une finition de surface miroir avant la mesure. La légère déformation de la balle en caoutchouc sous la charge normale appliquée a créé une surface de contact, ce qui permet également de réduire l'impact des aspérités ou de l'inhomogénéité de la finition de surface de l'échantillon sur les mesures du COF. Les paramètres de l'essai sont résumés dans le tableau 1.

Le COF d'une balle en caoutchouc contre différents matériaux à quatre vitesses différentes est illustré à la Figure. 2, et les COF moyens calculés automatiquement par le logiciel sont résumés et comparés dans la Figure 3. Il est intéressant de constater que les échantillons métalliques (SS 316 et Cu 110) présentent des COF nettement plus élevés lorsque la vitesse de rotation augmente d'une valeur très faible de 0,01 tr/min à 5 tr/min - la valeur du COF du couple caoutchouc/SS 316 passe de 0,29 à 0,8, et de 0,65 à 1,1 pour le couple caoutchouc/Cu 110. Cette constatation est en accord avec les résultats rapportés par plusieurs laboratoires. Comme proposé par Grosch⁴ Le frottement du caoutchouc est principalement déterminé par deux mécanismes : (1) l'adhésion entre le caoutchouc et l'autre matériau, et (2) les pertes d'énergie dues à la déformation du caoutchouc causée par les aspérités de la surface. Schallamach⁵ a observé des vagues de détachement du caoutchouc du contre-matériau à travers l'interface entre des sphères de caoutchouc souple et une surface dure. La force de décollement du caoutchouc de la surface du substrat et la vitesse des vagues de décollement peuvent expliquer la différence de friction à différentes vitesses pendant le test.

En comparaison, le couple caoutchouc/acrylique présente un COF élevé à différentes vitesses de rotation. La valeur du COF augmente légèrement de ~ 1,02 à ~ 1,09 lorsque la vitesse de rotation passe de 0,01 tr/min à 5 tr/min. Ce COF élevé est probablement attribué à une liaison chimique locale plus forte au niveau de la face de contact formée pendant les tests.

Conclusion

Dans cette étude, nous montrons qu'à des vitesses extrêmement faibles, le caoutchouc présente un comportement de friction particulier - sa friction contre une surface dure augmente avec la vitesse du mouvement relatif. Le caoutchouc présente une friction différente lorsqu'il glisse sur différents matériaux. Le tribomètre Nanovea peut évaluer les propriétés de friction des matériaux de manière contrôlée et surveillée à différentes vitesses, permettant aux utilisateurs d'améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme de friction des matériaux et de sélectionner le meilleur couple de matériaux pour des applications ciblées d'ingénierie tribologique.

Le tribomètre Nanovea offre des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. Il est capable de contrôler l'étage rotatif à des vitesses extrêmement faibles, jusqu'à 0,01 tr/min, et de suivre l'évolution de la friction in situ. La gamme inégalée de Nanovea est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, mous ou durs.

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Tribologie des polymères

Introduction

Les polymères ont été largement utilisés dans une grande variété d'applications et sont devenus un élément indispensable de la vie quotidienne. Les polymères naturels tels que l'ambre, la soie et le caoutchouc naturel ont joué un rôle essentiel dans l'histoire de l'humanité. Le processus de fabrication des polymères synthétiques peut être optimisé pour obtenir des propriétés physiques uniques telles que la résistance, la viscoélasticité, l'autolubrification et bien d'autres encore.

Importance de l'usure et de la friction des polymères

Les polymères sont couramment utilisés pour des applications tribologiques, comme les pneus, les roulements et les bandes transporteuses.
Différents mécanismes d'usure se produisent en fonction des propriétés mécaniques du polymère, des conditions de contact et des propriétés des débris ou du film de transfert formés au cours du processus d'usure. Pour s'assurer que les polymères possèdent une résistance à l'usure suffisante dans les conditions de service, une évaluation tribologique fiable et quantifiable est nécessaire. L'évaluation tribologique nous permet de comparer quantitativement les comportements d'usure de différents polymères de manière contrôlée et surveillée afin de sélectionner le matériau candidat pour l'application visée.

Le tribomètre Nanovea offre des tests d'usure et de friction répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure et de lubrification à haute température disponibles dans un système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet aux utilisateurs de simuler les différents environnements de travail des polymères, y compris les contraintes concentrées, l'usure et les hautes températures, etc.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons montré que le Nanovea Tribomètre est un outil idéal pour comparer le frottement et la résistance à l’usure de différents polymères de manière bien contrôlée et quantitative.

PROCÉDURE DE TEST

Le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure de différents polymères courants ont été évalués par le Tribomètre Nanovea. Une bille d'Al2O3 a été utilisée comme contre-matériau (broche, échantillon statique). Les traces d'usure sur les polymères (échantillons en rotation dynamique) ont été mesurées à l'aide d'un profilomètre 3D sans contact et microscope optique une fois les tests terminés. Il convient de noter qu’un capteur endoscopique sans contact peut être utilisé en option pour mesurer la profondeur de pénétration de la broche dans l’échantillon dynamique lors d’un test d’usure. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1. Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K = Vl (Fxs), où V est le volume usé, F est la charge normale et s est la distance de glissement.

Veuillez noter que des billes d'Al2O3 ont été utilisées comme contre-matériau dans cette étude. Tout matériau solide peut être substitué pour simuler plus fidèlement les performances de deux spécimens dans des conditions d'application réelles.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La vitesse d'usure est un facteur vital pour déterminer la durée de vie des matériaux, tandis que le frottement joue un rôle critique dans les applications tribologiques. La figure 2 compare l'évolution du COF pour différents polymères contre la bille en Al2O3 pendant les tests d'usure. Le COF fonctionne comme un indicateur du moment où les défaillances se produisent et où le processus d'usure entre dans une nouvelle phase. Parmi les polymères testés, le PEHD maintient le COF constant le plus bas de ~0,15 tout au long du test d'usure. Le COF régulier implique qu'un tribo-contact stable est formé.

Les figures 3 et 4 comparent les traces d'usure des échantillons de polymère après leur mesure au microscope optique. Le profilomètre 3D sans contact in situ détermine précisément le volume d'usure des échantillons de polymère, ce qui permet de calculer avec exactitude des taux d'usure de 0,0029, 0,0020 et 0,0032m3/N m, respectivement. En comparaison, l'échantillon de CPVC présente le taux d'usure le plus élevé de 0,1121m3/N m. De profondes cicatrices d'usure parallèles sont présentes dans la trace d'usure du CPVC.

CONCLUSION

La résistance à l'usure des polymères joue un rôle essentiel dans leur performance de service. Dans cette étude, nous avons montré que le tribomètre Nanovea évalue le coefficient de frottement et le taux d'usure de différents polymères dans un environnement de travail.
de manière bien contrôlée et quantitative. Le HDPE montre le COF le plus bas de ~0.15 parmi les polymères testés. Les échantillons de PEHD, de Nylon 66 et de polypropylène possèdent de faibles taux d'usure de 0,0029, 0,0020 et 0,0032 m3/N m, respectivement. La combinaison d'une faible friction et d'une grande résistance à l'usure fait du HDPE un bon candidat pour les applications tribologiques des polymères.

Le profilomètre 3D sans contact in situ permet de mesurer avec précision le volume d'usure et offre un outil pour analyser la morphologie détaillée des traces d'usure, ce qui permet de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de l'usure.

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Produits

Profilomètres

PS50 (Compact)

JR25 (Portable Compact)

ST400 (Standard modulaire)

AFMPRO (Microscope Force Atomique)

ST500 (Modulaire Large Surface)

JR100 (Portable Haute Vitesse)

CQ en ligne (rugosité, texture et finition)

Testeurs mécaniques

CB500 (Compact Perfectionné)

PB1000 (Large Plate-Forme)

Systèmes sous vide (sur mesure)

Tribomètres

T50 (Standard Modulaire)

T200 (Compact Pneumatic)

T2000 (Pneumatique à forte charge)

CR-8R (Épaisseur de Revêtements Ball Cratering)

Systèmes sous vide (sur mesure)

Types de Solution

Profilométrie

Rugosité et finition

Géométrie et formes

Planéité et gauchissement

Volume et surface

Hauteur et épaisseur des marches

Texture et grain

Essais mécaniques

Indentation | Dureté et élasticité

Indentation | Contrainte et déformation

Indentation | Fluage et relaxation

Indentation | Perte et stockage

Indentation | Ténacité à la rupture

Indentation | Limite d'élasticité & Fatigue

Haute Température

Humidité

Le vide

Rayure | Défaillance adhesive

Rayure | Défaillance cohésive

Dureté par Rayure

Rayure | Usure multi-passages

Friction | Coefficient de friction

Basse températures

Liquide

Essais de tribologie

Linéaire

Rotation

Block on Ring

Ring on Ring

Test de rayure

Haute Température

Corrosion

Liquide

Basse températures

Humidité et gaz inertes

Le vide

Services de laboratoire

Analyse de la profilométrie sans contact

Essais d'indentation et de rayure

Essais de frottement et d'usure

Topologie des surfaces et analyse chimique

Applications

Par industrie

Bio et biotechnologie

Matériaux de construction

Produits de consommation

Dispositifs médicaux

Fabrication et usinage des métaux

Pétrole et mines

Optique

Peinture et revêtement

Pharmaceutique

Semi-conducteurs et électronique

Textiles, cuir et papier

Outillage et machines

Transport terrestre

Espace et aviation

Militaire et défense

Énergie

Par les matériaux