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AR Archivio mensile: Febbraio 2020
Effetto dell'umidità sulla tribologia del rivestimento DLC
Importanza della valutazione dell'usura su DLC in condizioni di umidità
I rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) possiedono proprietà tribologiche migliorate, ovvero un'eccellente resistenza all'usura e un coefficiente di attrito (COF) molto basso. I rivestimenti DLC conferiscono caratteristiche del diamante quando depositati su materiali diversi. Le favorevoli proprietà tribomeccaniche rendono preferibili i rivestimenti DLC in varie applicazioni industriali, come parti aerospaziali, lame di rasoio, utensili per il taglio dei metalli, cuscinetti, motori motociclistici e impianti medici.
I rivestimenti DLC presentano un COF molto basso (inferiore a 0,1) rispetto alle sfere d'acciaio in condizioni di vuoto spinto e asciutte12. Tuttavia, i rivestimenti DLC sono sensibili alle variazioni delle condizioni ambientali, in particolare all'umidità relativa (RH).3. Ambienti con elevata umidità e concentrazione di ossigeno possono portare a un aumento significativo della COF.4. La valutazione affidabile dell'usura in umidità controllata simula condizioni ambientali realistiche dei rivestimenti DLC per applicazioni tribologiche. Gli utenti selezionano i migliori rivestimenti DLC per le applicazioni target con un confronto adeguato
dei comportamenti di usura del DLC esposto a diversi livelli di umidità.
Obiettivo di misurazione
Questo studio mette in mostra la Nanovea Tribometro dotato di un regolatore di umidità è lo strumento ideale per studiare il comportamento all'usura dei rivestimenti DLC a vari livelli di umidità relativa.
Procedura di prova
La resistenza all'attrito e all'usura dei rivestimenti DLC è stata valutata dal tribometro Nanovea. I parametri del test sono riepilogati nella Tabella 1. Un controller di umidità collegato alla tribocamera controllava con precisione l'umidità relativa (RH) con una precisione di ±1%. Dopo i test, le tracce di usura sui rivestimenti DLC e le cicatrici di usura sulle sfere SiN sono state esaminate utilizzando un microscopio ottico.
Nota: è possibile applicare qualsiasi materiale solido per le sfere per simulare le prestazioni di accoppiamenti di materiali diversi in condizioni ambientali come lubrificante o temperatura elevata.
Risultati e discussione
I rivestimenti DLC sono ottimi per le applicazioni tribologiche grazie al loro basso attrito e alla superiore resistenza all'usura. L'attrito del rivestimento DLC presenta un comportamento dipendente dall'umidità, come illustrato nella Figura 2. Il rivestimento DLC mostra un COF molto basso, pari a ~0,05, per tutta la durata del test di usura in condizioni relativamente secche (10% RH). Il rivestimento DLC mostra un COF costante di ~0,1 durante il test quando l'UR aumenta a 30%. La fase iniziale di rodaggio del COF si osserva nei primi 2000 giri quando l'UR sale oltre 50%. Il rivestimento DLC mostra un COF massimo di ~0,20, ~0,26 e ~0,33 con UR di 50, 70 e 90%, rispettivamente. Dopo il periodo di rodaggio, il COF del rivestimento DLC rimane costante a ~0,11, 0,13 e 0,20 con UR di 50, 70 e 90%, rispettivamente.
La Figura 3 confronta le cicatrici di usura delle sfere SiN e la Figura 4 confronta le tracce di usura del rivestimento DLC dopo i test di usura. Il diametro della cicatrice da usura era più piccolo quando il rivestimento DLC era esposto a un ambiente con bassa umidità. Lo strato di DLC si accumula sulla superficie della sfera SiN durante il processo di scorrimento ripetitivo sulla superficie di contatto. In questa fase, il rivestimento DLC scivola contro il proprio strato di trasferimento che agisce come un efficiente lubrificante per facilitare il movimento relativo e limitare l'ulteriore perdita di massa causata dalla deformazione da taglio. Si osserva un film di trasferimento nella cicatrice di usura della sfera SiN in ambienti a bassa UR (ad es. 10% e 30%), con conseguente processo di usura decelerato sulla sfera. Questo processo di usura si riflette sulla morfologia della pista di usura del rivestimento DLC, come mostrato nella Figura 4. Il rivestimento DLC presenta una pista di usura più piccola. Il rivestimento DLC presenta una traccia di usura più piccola in ambienti asciutti, grazie alla formazione di un film di trasferimento DLC stabile all'interfaccia di contatto che riduce significativamente l'attrito e il tasso di usura.
Conclusione
L'umidità gioca un ruolo vitale nelle prestazioni tribologiche dei rivestimenti DLC. Il rivestimento DLC possiede una resistenza all'usura significativamente migliorata e un basso attrito superiore in condizioni asciutte grazie alla formazione di uno strato grafitico stabile trasferito sulla controparte scorrevole (una sfera SiN in questo studio). Il rivestimento DLC scorre contro il proprio strato di trasferimento, che agisce come un lubrificante efficiente per facilitare il movimento relativo e limitare l'ulteriore perdita di massa causata dalla deformazione di taglio. Non si osserva una pellicola sulla sfera SiN con l'aumento dell'umidità relativa, portando ad un aumento del tasso di usura sulla sfera SiN e sul rivestimento DLC.
Il tribometro Nanovea offre test ripetibili di usura e attrito utilizzando modalità rotativa e lineare conformi a ISO e ASTM, con moduli di umidità opzionali disponibili in un unico sistema preintegrato. Consente agli utenti di simulare l'ambiente di lavoro con diversa umidità, fornendo agli utenti uno strumento ideale per valutare quantitativamente i comportamenti tribologici dei materiali in diverse condizioni di lavoro.
Per saperne di più sul Tribometro Nanovea e sul servizio di laboratorio
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
PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE
Analisi della superficie 3D di un centesimo con la profilometria senza contatto
Importanza della profilometria senza contatto per le monete
La valuta è molto apprezzata nella società moderna perché viene scambiata con beni e servizi. Le monete e le banconote circolano nelle mani di molte persone. Il trasferimento costante di valuta fisica crea deformazione superficiale. Il 3D di Nanovea Profilometro scansiona la topografia delle monete coniate in anni diversi per indagare le differenze superficiali.
Le caratteristiche delle monete sono facilmente riconoscibili al grande pubblico poiché si tratta di oggetti comuni. Un centesimo è l'ideale per presentare la forza del software avanzato di analisi delle superfici di Nanovea: Mountains 3D. I dati di superficie raccolti con il nostro profilometro 3D consentono analisi di alto livello su geometrie complesse con sottrazione di superficie ed estrazione di contorni 2D. La sottrazione della superficie con una maschera, un timbro o uno stampo controllati confronta la qualità dei processi di produzione mentre l'estrazione del contorno identifica le tolleranze con l'analisi dimensionale. Il software Profilometro 3D e Montagne 3D di Nanovea indaga la topografia submicronica di oggetti apparentemente semplici, come i penny.
Obiettivo di misurazione
L'intera superficie superiore di cinque monetine è stata scansionata utilizzando il sensore di linea ad alta velocità di Nanovea. Il raggio interno ed esterno di ciascun penny è stato misurato con il software Mountains Advanced Analysis. Un'estrazione dalla superficie di ciascun penny in un'area di interesse con sottrazione diretta della superficie ha quantificato la deformazione superficiale.
Risultati e discussione
Superficie 3D
Il profilometro Nanovea HS2000 ha impiegato solo 24 secondi per scansionare 4 milioni di punti in un'area di 20 mm x 20 mm con una dimensione di passo di 10um x 10um per acquisire la superficie di un centesimo. Di seguito sono riportate una mappa dell'altezza e una visualizzazione 3D della scansione. La vista 3D mostra la capacità del sensore ad alta velocità di rilevare piccoli dettagli impercettibili all'occhio. Sulla superficie del penny sono visibili molti piccoli graffi. La texture e la rugosità della moneta viste nella vista 3D sono studiate.
Analisi dimensionale
I contorni del centesimo sono stati estratti e l'analisi dimensionale ha permesso di ottenere i diametri interni ed esterni del bordo. Il raggio esterno è stato in media di 9,500 mm ± 0,024, mentre il raggio interno è stato in media di 8,960 mm ± 0,032. Ulteriori analisi dimensionali che Mountains 3D può eseguire su fonti di dati 2D e 3D sono le misure di distanza, l'altezza dei gradini, la planarità e il calcolo degli angoli.
Sottrazione di superficie
La Figura 5 mostra l'area di interesse per l'analisi di sottrazione della superficie. Il penny del 2007 è stato utilizzato come superficie di riferimento per i quattro penny più vecchi. La sottrazione della superficie dal penny del 2007 mostra le differenze tra i penny con fori/picchi. La differenza di volume totale della superficie si ottiene sommando i volumi dei fori/pezzi. L'errore RMS si riferisce al grado di concordanza tra le superfici dei penny.
Conclusione
Il sistema High-Speed HS2000L di Nanovea ha scansionato cinque monete coniate in anni diversi. Il software Mountains 3D ha confrontato le superfici di ciascuna moneta utilizzando l'estrazione dei contorni, l'analisi dimensionale e la sottrazione della superficie. L'analisi definisce chiaramente il raggio interno ed esterno tra i penny, confrontando direttamente le differenze tra le caratteristiche della superficie. Grazie alla capacità del profilometro 3D di Nanovea di misurare qualsiasi superficie con una risoluzione di livello nanometrico, combinata con le capacità di analisi di Mountains 3D, le possibili applicazioni di ricerca e controllo qualità sono infinite.
