アメリカ/グローバル: +1-949-461-9292
ヨーロッパ+39-011-3052-794
お問い合わせ

金属基板上の塗料のナノスクラッチ&マー試験

ナノスクラッチ&マーテスト

金属基板上の塗料の

作成者

スサナ・カベッロ

はじめに

ハードコートの有無にかかわらず、塗料は最も一般的に使用されるコーティングの1つです。自動車、壁、家電製品など、保護が必要なもの、あるいは美観のために塗られるものなど、ほぼすべてのものに塗られているのがわかります。下地の保護を目的とした塗料には、塗料が燃えないようにする化学物質や、塗料の色落ちやひび割れを防ぐ化学物質が含まれていることが多い。美観を目的とした塗料は、様々な色がありますが、必ずしも下地の保護や長寿命化を目的としたものではない場合があります。

とはいえ、どの塗料も時間の経過とともに多少の風化はあります。塗料が風化することで、メーカーが意図した特性から変化することがよくあります。より早く欠けたり、熱で剥がれたり、色が抜けたり、ひび割れたりすることもある。このような経年変化による塗料の性質の変化が、メーカーが豊富な品揃えを実現する理由です。塗料は、個々の顧客のさまざまな要求を満たすために調整される。

品質管理におけるナノスクラッチテストの重要性

塗料メーカーにとって、塗料がひび割れに耐えられるかどうかは大きな関心事です。塗料がひび割れ始めると、塗られた下地を保護することができず、顧客の満足を得られない。例えば、車の側面に枝が当たって、その直後に塗装が欠け始めたら、塗装の品質が悪いということで、塗料メーカーはビジネスを失うことになる。塗料の質は非常に重要で、塗料の下にある金属が露出すると、その新しい露出によって錆や腐食が始まる可能性があるからです。

 

このような理由は、家庭用品や事務用品、電子機器、玩具、研究用具など、他のいくつかの分野にも当てはまります。金属コーティングに塗った当初はひび割れしにくい塗料であっても、サンプルに風化が生じると、時間の経過とともに特性が変化することがあります。そのため、塗料サンプルが風化した段階でテストしてもらうことが非常に重要なのです。高い負荷がかかると割れるのは仕方ないとしても、経年変化でどの程度弱くなるか、どの程度の深さの傷がつくかを予測し、消費者に最適な製品を提供することがメーカーには求められているのです。

測定目的

サンプルの挙動の影響を観察するためには、制御され監視された方法でスクラッチのプロセスをシミュレートする必要があります。このアプリケーションでは、ナノスクラッチ試験モードのNANOVEA PB1000メカニカルテスターを使用して、金属基板上の約7年前の30~50μm厚の塗装サンプルに破壊を引き起こすのに必要な荷重を測定しています。

2μmのダイヤモンドチップスタイラスを用い、0.015mNから20.00mNまでの段階的な荷重で、塗装に傷をつけます。スクラッチの真の深さの値を決定するために、0.2 mNの荷重で塗膜の前後スキャンを実施しました。真の深さは、試験中のサンプルの塑性変形と弾性変形を解析したもので、ポストスキャンは傷の塑性変形のみを解析したものである。コーティングがクラックで破損した点を破損点とする。ASTMD7187を参考に、試験パラメータを決定しました。

 

このことから、風化したサンプルを使用することで、より弱い状態の塗料サンプルをテストすることができ、失敗のポイントが少なくなったと結論づけられます。

 

このサンプルに対して、以下の5つのテストを実施した。

は、正確な故障限界荷重を決定します。

ナノビア

PB1000

テストパラメーター

ASTM D7027

図1に示すように、192点の輝線を生成する高速センサーを搭載したNANOVEA ST400を用いて、ラフネススタンダードの表面をスキャンしています。この192点の輝線が試料表面を同時にスキャンするため、スキャン速度が大幅に向上しました。

ロードタイプ プログレッシブ
初期荷重 0.015 mN
最終荷重 20 mN
荷重レート 20 mN/min
スクラッチの長さ 1.6mm
スクランチスピード、dx/dt 1.601 mm/min
プリスキャンロード 0.2 mN
POST-SCAN LOAD 0.2 mN
円錐型圧子 90°コーン 先端半径2μm

圧子型

円錐形(コニカル)

ダイヤモンド90°コーン

2 µm の先端半径

円錐型圧子 ダイヤモンド90°コーン 先端半径2μm

結果

本節では、スクラッチテストで発生した故障について収集したデータを紹介する。最初のセクションでは、スクラッチで観察された不具合について説明し、報告された臨界荷重を定義しています。次のセクションでは、すべてのサンプルの臨界荷重の要約表とグラフを掲載しています。最後の部分では、各サンプルについて、各スクラッチの臨界荷重、各故障の顕微鏡写真、試験のグラフという詳細な結果を示しています。

観測された不具合と限界荷重の定義

致命的な失敗

イニシャルダメージ

スクラッチトラックに沿って、最初にダメージが観察されるポイントです。

ナノスクラッチクリティカルフェイルイシャルダメージ

致命的な失敗

全損

この時点では、スクラッチトラックに沿って塗装が欠けたり、ひび割れたりしているところがより大きなダメージとなっています。

ナノスクラッチ クリティカルファイヤー コンプリートダメージ

詳細結果

* 基材にクラックが入った時点での破壊値です。

クリティカルロード
スクラッチ イニシャルダメージ [mN] 完全な損傷[μm]。
1 14.513 4.932
2 3.895 4.838
3 3.917 4.930
アベレージ 3.988 4.900
STD DEV 0.143 0.054
ナノスクラッチ試験によるフルスクラッチの顕微鏡写真(1000倍の倍率)。

図2: フルスクラッチの顕微鏡写真(1000倍の倍率)。

ナノスクラッチ試験による初期ダメージの顕微鏡写真(1000倍拡大)

図3: 初期損傷の顕微鏡写真(1000倍の倍率)。

ナノスクラッチテストによる完全損傷の顕微鏡写真(1000倍の倍率)。

図4: 完全損傷の顕微鏡写真(1000倍の倍率)。

リニアナノスクラッチ試験 摩擦力・摩擦係数

図5: 摩擦力、摩擦係数。

リニアナノスクラッチ表面形状

図6: 表面形状。

リニアナノスクラッチテスト 真深度と残留深度

図7: True DepthとResidual Depthです。

まとめ

ナノベア メカニカルテスター の中に ナノスクラッチテスター モードでは、塗膜やハードコートの実際の故障を数多くシミュレーションすることができます。制御された厳密な監視のもとで荷重を増加させることで、どのような荷重で故障が発生するかを特定することが可能です。これにより、耐スクラッチ性の定量的な値を決定することができます。風化がない状態でテストしたコーティングは、約22mNで最初のクラックが発生することが知られています。5mNに近い値で、7年間のラップが塗装を劣化させていることがわかります。

元のプロファイルを補正することで、スクラッチ時の深さを補正し、スクラッチ後の残留深さを測定することができます。これにより、荷重が増加した場合の塗膜の塑性的な挙動と弾性的な挙動に関する追加情報が得られます。クラックと変形に関する情報の両方が、ハードコートの改良に大いに役立つのです。標準偏差が非常に小さいことも、この装置の技術の再現性を示しており、ハードコート/塗料の品質向上や耐候性の研究に役立てることができます。

さて、次はアプリケーションについてです。

コメント