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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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