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Test di usura del rivestimento in PTFE

TEST DI USURA DEL RIVESTIMENTO IN PTFE

UTILIZZO DI TRIBOMETRO E TESTER MECCANICO

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

Il politetrafluoroetilene (PTFE), comunemente noto come Teflon, è un polimero con un coefficiente di attrito (COF) eccezionalmente basso e un'eccellente resistenza all'usura, a seconda dei carichi applicati. Il PTFE presenta un'inerzia chimica superiore, un elevato punto di fusione di 327°C (620°F) e mantiene un'elevata resistenza, tenacità e autolubrificazione a basse temperature. L'eccezionale resistenza all'usura dei rivestimenti in PTFE li rende molto richiesti in un'ampia gamma di applicazioni industriali, come quelle automobilistiche, aerospaziali, mediche e, in particolare, le pentole.

IMPORTANZA DELLA VALUTAZIONE QUANTITATIVA DEI RIVESTIMENTI IN PTFE

La combinazione di un coefficiente di attrito (COF) bassissimo, di un'eccellente resistenza all'usura e di un'eccezionale inerzia chimica alle alte temperature rende il PTFE la scelta ideale per i rivestimenti antiaderenti delle pentole. Per migliorare ulteriormente i suoi processi meccanici durante la fase di ricerca e sviluppo, nonché per garantire un controllo ottimale sulla prevenzione dei malfunzionamenti e sulle misure di sicurezza nel processo di controllo qualità, è fondamentale disporre di una tecnica affidabile per la valutazione quantitativa dei processi tribomeccanici dei rivestimenti in PTFE. Il controllo preciso dell'attrito superficiale, dell'usura e dell'adesione dei rivestimenti è essenziale per garantire le prestazioni previste.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il processo di usura di un rivestimento in PTFE per una padella antiaderente viene simulato utilizzando il tribometro NANOVEA in modalità lineare alternata.

NANOVEA T50

Tribometro compatto a peso libero

SAPERNE DI PIÙ

Inoltre, il tester meccanico NANOVEA è stato utilizzato per eseguire un test di adesione a micrograffi per determinare il carico critico del fallimento dell'adesione del rivestimento in PTFE.

NANOVEA PB1000

Tester meccanico a piattaforma grande

SAPERNE DI PIÙ

PROCEDURA DI PROVA

TEST DI USURA

USURA LINEARE RECIPROCA MEDIANTE TRIBOMETRO

Il comportamento tribologico del campione di rivestimento in PTFE, compreso il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all'usura, è stato valutato utilizzando il sistema NANOVEA Tribometro in modalità alternativa lineare. Contro il rivestimento è stata utilizzata una punta sferica in acciaio inossidabile 440 con un diametro di 3 mm (grado 100). Il COF è stato continuamente monitorato durante il test di usura del rivestimento in PTFE.

 

Il tasso di usura, K, è stato calcolato utilizzando la formula K=V/(F×s)=A/(F×n), dove V rappresenta il volume usurato, F è il carico normale, s è la distanza di scorrimento, A è l'area della sezione trasversale della pista di usura e n è il numero di corse. I profili delle tracce di usura sono stati valutati utilizzando NANOVEA Profilometro otticoe la morfologia della traccia di usura è stata esaminata utilizzando un microscopio ottico.

PARAMETRI DEL TEST DI USURA

CARICO 30 N
DURATA DEL TEST 5 min
TASSO DI SCORRIMENTO 80 giri al minuto
AMPIEZZA DELLA TRACCIA 8 mm
RIVOLUZIONI 300
DIAMETRO DELLA SFERA 3 mm
MATERIALE DELLA SFERA Acciaio inox 440
LUBRIFICANTE Nessuno
ATMOSFERA Aria
TEMPERATURA 230C (RT)
UMIDITÀ 43%

PROCEDURA DI PROVA

TEST DI SCRATCH

TEST DI ADESIONE AL MICROGRAFFIO CON TESTER MECCANICO

La misurazione dell'adesione ai graffi del PTFE è stata condotta utilizzando NANOVEA Collaudatore meccanico con uno stilo diamantato Rockwell C da 1200 (raggio di 200 μm) in modalità Micro Scratch Tester.

 

Per garantire la riproducibilità dei risultati, sono stati eseguiti tre test in condizioni identiche.

PARAMETRI DEL TEST SCRATCH

TIPO DI CARICO Progressivo
CARICO INIZIALE 0,01 mN
CARICO FINALE 20 mN
TASSO DI CARICO 40 mN/min
LUNGHEZZA DELLO SCRATCH 3 mm
VELOCITÀ DI SCRITTURA, dx/dt 6,0 mm/min
GEOMETRIA DEL PENETRATORE 120o Rockwell C
MATERIALE INDENTATORE (punta) Diamante
RAGGIO DELLA PUNTA DEL PENETRATORE 200 μm

RISULTATI E DISCUSSIONE

USURA LINEARE RECIPROCA MEDIANTE TRIBOMETRO

Il COF registrato in situ è mostrato nella FIGURA 1. Il campione di prova ha mostrato un COF di ~0,18 durante i primi 130 giri, a causa della bassa appiccicosità del PTFE. Tuttavia, si è verificato un improvviso aumento del COF fino a ~1 una volta che il rivestimento si è rotto, rivelando il substrato sottostante. Dopo i test di movimento alternativo lineare, il profilo della pista di usura è stato misurato utilizzando NANOVEA Profilometro ottico senza contatto, come mostrato nella FIGURA 2. Dai dati ottenuti, il tasso di usura corrispondente è stato calcolato in ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, mentre la profondità della traccia di usura è stata determinata in 44,94 µm.

Configurazione del test di usura del rivestimento in PTFE sul tribometro NANOVEA T50.

FIGURA 1: Evoluzione della COF durante il test di usura del rivestimento in PTFE.

FIGURA 2: Estrazione di tracce di usura in PTFE.

PTFE Prima della rottura

COF massimo 0.217
Min COF 0.125
Media COF 0.177

PTFE Dopo la rottura

COF massimo 0.217
Min COF 0.125
Media COF 0.177

TABELLA 1: COF prima e dopo la rottura durante il test di usura.

RISULTATI E DISCUSSIONE

TEST DI ADESIONE AL MICROGRAFFIO CON TESTER MECCANICO

L'adesione del rivestimento in PTFE al substrato è stata misurata mediante test di graffiatura con uno stilo diamantato da 200 µm. La micrografia è mostrata in FIGURA 3 e FIGURA 4, l'evoluzione della COF e la profondità di penetrazione in FIGURA 5. I risultati dei test di graffio del rivestimento in PTFE sono riassunti nella TABELLA 4. All'aumentare del carico sullo stilo diamantato, questo è penetrato progressivamente nel rivestimento, con conseguente aumento della COF. Quando è stato raggiunto un carico di ~8,5 N, si è verificata la rottura del rivestimento e l'esposizione del substrato ad alta pressione, che ha portato a un COF elevato di ~0,3. Il basso St Dev riportato nella TABELLA 2 dimostra la ripetibilità del test di graffiatura del rivestimento in PTFE condotto con il tester meccanico NANOVEA.

FIGURA 3: Micrografia del graffio completo su PTFE (10X).

FIGURA 4: Micrografia del graffio completo su PTFE (10X).

FIGURA 5: Grafico dell'attrito che mostra la linea del punto critico di rottura per il PTFE.

Graffio Punto di guasto [N] Forza di attrito [N] COF
1 0.335 0.124 0.285
2 0.337 0.207 0.310
3 0.380 0.229 0.295
Media 8.52 2.47 0.297
St dev 0.17 0.16 0.012

TABELLA 2: Riepilogo del carico critico, della forza di attrito e della COF durante la prova di graffiatura.

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo condotto una simulazione del processo di usura di un rivestimento in PTFE per padelle antiaderenti utilizzando il tribometro NANOVEA T50 in modalità lineare alternata. Il rivestimento in PTFE ha mostrato un basso COF di ~0,18 e ha subito una rottura a circa 130 giri. La valutazione quantitativa dell'adesione del rivestimento in PTFE al substrato metallico è stata eseguita utilizzando il tester meccanico NANOVEA, che ha determinato un carico critico di rottura dell'adesione del rivestimento pari a ~8,5 N in questo test.

 

I tribometri NANOVEA offrono funzionalità precise e ripetibili di test di usura e attrito utilizzando modalità rotative e lineari conformi alle norme ISO e ASTM. Offrono moduli opzionali per l'usura ad alta temperatura, la lubrificazione e la tribocorrosione, tutti integrati in un unico sistema. Questa versatilità consente agli utenti di simulare con maggiore precisione gli ambienti applicativi del mondo reale e di acquisire una conoscenza approfondita dei meccanismi di usura e delle proprietà tribologiche di materiali diversi.

 

I tester meccanici NANOVEA offeriscono moduli Nano, Micro e Macro, ciascuno dei quali include modalità di prova di indentazione, graffio e usura conformi alle norme ISO e ASTM, offrendo la più ampia e semplice gamma di capacità di prova disponibile in un unico sistema.

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