作成者
DUANJIE LI, PhD
一般にテフロンとして知られるポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は、適用される荷重に応じて、非常に低い摩擦係数 (COF) と優れた耐摩耗性を備えたポリマーです。 PTFE は、優れた化学的不活性性、327°C (620°F) の高い融点を示し、低温でも高い強度、靭性、および自己潤滑性を維持します。 PTFE コーティングは優れた耐摩耗性を備えているため、自動車、航空宇宙、医療、特に調理器具などの幅広い産業用途で非常に人気があります。
超低摩擦係数 (COF)、優れた耐摩耗性、および高温での優れた化学的不活性性の組み合わせにより、PTFE は焦げ付き防止パンコーティングとして理想的な選択肢となります。研究開発中の機械プロセスをさらに強化し、品質管理プロセスにおける誤動作防止と安全対策の最適な制御を確実にするには、PTFE コーティングの摩擦機械プロセスを定量的に評価するための信頼できる技術を持つことが重要です。意図した性能を確保するには、コーティングの表面摩擦、磨耗、付着を正確に制御することが不可欠です。
試験方法
摩擦係数 (COF) や耐摩耗性を含む PTFE コーティング サンプルのトライボロジー挙動は、NANOVEA を使用して評価されました。 トライボメータ 直線往復モードで。直径 3 mm (グレード 100) のステンレス鋼 440 ボールチップをコーティングに対して使用しました。 PTFE コーティング摩耗試験中、COF を継続的に監視しました。
摩耗率 K は、式 K=V/(F×s)=A/(F×n) を使用して計算されました。ここで、V は摩耗量、F は垂直荷重、s は滑り距離、A は摩耗痕跡の断面積、n はストローク数です。摩耗痕跡プロファイルは NANOVEA を使用して評価されました。 光学式粗さ計、摩耗跡の形態は光学顕微鏡を使用して検査されました。
| LOAD | 30 N |
| テスト期間 | 5分 |
| スライディングレート | 80rpm |
| トラックの振幅 | 8mm |
| 革命 | 300 |
| ボール径 | 3mm |
| ボール材質 | ステンレス440 |
| ルーブリック | なし |
| 大気 | 空気 |
| 温度 | 230℃（室温） |
| 湿度 | 43% |
試験方法
PTFE引っかき付着力測定はNANOVEAを使用して実施しました。 メカニカルテスター マイクロ スクラッチ テスター モードで 1200 Rockwell C ダイヤモンド スタイラス (半径 200 μm) を使用。
結果の再現性を確保するために、同一のテスト条件下で 3 つのテストが実行されました。
| ロードタイプ | プログレッシブ |
| 初期荷重 | 0.01 mN |
| 最終荷重 | 20 mN |
| 荷重レート | 40mN/分 |
| スクラッチの長さ | 3mm |
| スクラッチ速度、dx/dt | 6.0mm/分 |
| 圧子ジオメトリー | 120o ロックウェル C |
| 圧子材料（先端部） | ダイヤモンド |
| 圧子先端半径 | 200 μm |
その場で記録された COF を図 1 に示します。PTFE の粘着性が低いため、テストサンプルは最初の 130 回転中に約 0.18 の COF を示しました。ただし、コーティングが突き抜けて、その下の基材が露出すると、COF は約 1 まで突然増加しました。直線往復試験の後、NANOVEA を使用して摩耗痕跡プロファイルを測定しました。 非接触光学式粗さ計得られたデータから、対応する摩耗率は約 2.78 × 10-3 mm3/Nm と計算され、摩耗痕跡の深さは 44.94 μm と決定されました。
図1: PTFE コーティング摩耗試験中の COF の変化。
図2: 摩耗痕 PTFE のプロファイル抽出。
| 最大COF | 0.217 |
| Min COF | 0.125 |
| 平均COF | 0.177 |
| 最大COF | 0.217 |
| Min COF | 0.125 |
| 平均COF | 0.177 |
表1: 摩耗試験中の破過前後の COF。
基材への PTFE コーティングの接着力は、200 µm のダイヤモンド スタイラスを使用したスクラッチ テストを使用して測定されます。顕微鏡写真を図 3 と図 4 に示し、COF の変化と浸透深さを図 5 に示します。PTFE コーティングのスクラッチ試験の結果を表 4 にまとめます。ダイヤモンドスタイラスにかかる負荷が増加するにつれて、ダイヤモンドスタイラスは徐々にコーティングに浸透し、 COFの増加につながります。荷重が約 8.5 N に達すると、高圧下でコーティングの突き抜けと基材の露出が発生し、COF が約 0.3 に達しました。表 2 に示す低い St Dev は、NANOVEA 機械試験機を使用して実施した PTFE コーティングのスクラッチ試験の再現性を示しています。
図3: PTFE のフルスクラッチの顕微鏡写真 (10 倍)。
図4: PTFE のフルスクラッチの顕微鏡写真 (10 倍)。
図5: PTFE の臨界破損点の線を示す摩擦グラフ。
| スクラッチ | 障害点 [N] | 摩擦力[N] | COF |
| 1 | 0.335 | 0.124 | 0.285 |
| 2 | 0.337 | 0.207 | 0.310 |
| 3 | 0.380 | 0.229 | 0.295 |
| 平均 | 8.52 | 2.47 | 0.297 |
| 聖開発者 | 0.17 | 0.16 | 0.012 |
表2: スクラッチ テスト中の臨界荷重、摩擦力、COF の概要。
この研究では、NANOVEA T50 トライボメーターを線形往復モードで使用して、焦げ付き防止パンの PTFE コーティングの摩耗プロセスのシミュレーションを実施しました。 PTFE コーティングは約 0.18 の低い COF を示し、コーティングは約 130 回転でブレークスルーを経験しました。金属基材に対する PTFE コーティングの接着力の定量的評価は、NANOVEA 機械試験機を使用して実行されました。この試験では、コーティング接着力破壊の臨界荷重は約 8.5 N であると測定されました。
NANOVEA トライボメータは、ISO および ASTM 準拠の回転モードおよび線形モードを使用した、正確で再現性のある摩耗および摩擦試験機能を提供します。これらは、高温摩耗、潤滑、摩擦腐食用のオプションのモジュールを提供しており、すべて単一システムに統合されています。この多用途性により、ユーザーは実際のアプリケーション環境をより正確にシミュレートし、さまざまな材料の摩耗メカニズムやトライボロジー特性を深く理解できるようになります。
NANOVEA 機械試験機は、Nano、Micro、および Macro モジュールを提供しており、それぞれのモジュールには ISO および ASTM 準拠の押し込み、傷、摩耗試験モードが含まれており、単一システムで利用できる最も広範でユーザーフレンドリーな試験機能を提供します。
床材は耐久性があるように設計されていますが、移動や家具の使用などの日常活動によって磨耗することがよくあります。耐久性を確保するために、ほとんどの種類のフローリングには損傷を防ぐ保護摩耗層が付いています。ただし、摩耗層の厚さと耐久性は、床材の種類や歩行量によって異なります。さらに、UV コーティング、装飾層、釉薬など、フローリング構造内のさまざまな層の摩耗率は異なります。そこで、プログレッシブ ウェア マッピングが登場します。統合された NANOVEA T2000 トライボメーターを使用する 3D非接触形状測定装置床材の性能と寿命を正確に監視、分析することができます。さまざまな床材の摩耗挙動に関する詳細な洞察を提供することで、科学者や技術専門家は、新しい床材システムを選択および設計する際に、より多くの情報に基づいた意思決定を行うことができます。
床材の試験では、従来、摩耗に対する耐久性を判断するために、サンプルの摩耗率を中心にしてきました。しかし、プログレッシブ摩耗マッピングでは、試験中のサンプルの摩耗率を分析し、その摩耗挙動に関する貴重な知見を得ることができます。この詳細な分析により、摩擦データと摩耗率の相関関係が明らかになり、摩耗の根本原因を特定することができます。摩耗試験において、摩耗量は一定ではないことに留意する必要があります。そのため、摩耗の進行を観察することで、試料の摩耗をより正確に評価することができます。従来の試験方法を超えて、プログレッシブ摩耗マッピングの採用は、床材試験の分野で大きな進歩に寄与しています。
統合された 3D 非接触表面形状計を備えた NANOVEA T2000 トライボメーターは、摩耗試験と体積損失測定のための画期的なソリューションです。ピンと表面形状計の間を正確に移動できる機能により、摩耗トラックの半径や位置の偏差が排除され、結果の信頼性が保証されます。しかし、それだけではありません。3D 非接触表面形状計の高度な機能により、高速表面測定が可能になり、スキャン時間がわずか数秒に短縮されます。 NANOVEA T2000 は、最大 2,000 N の荷重を加え、最大 5,000 rpm の回転速度を達成する能力を備えています。 トライボメータ 評価プロセスに多用途性と正確性を提供します。この装置がプログレッシブウェアマッピングにおいて重要な役割を果たしているのは明らかです。
図1: 摩耗試験前のサンプルのセットアップ (左）と摩耗試験後の摩耗痕のプロフィル測定（右）。
測定目的
石材と木材の2種類の床材を対象に、漸進的摩耗マッピング試験を実施しました。各サンプルは、2、4、8、20、40、60、120秒と試験時間を延ばしながら、合計7回の試験サイクルを行い、経時的な摩耗を比較することができるようにしました。各試験サイクル終了後、NANOVEA 3D非接触型プロフィロメーターを用いて摩耗痕をプロファイリングしました。プロファイラで収集したデータから、NANOVEA Tribometerソフトウェアまたは当社の表面分析ソフトウェアMountainsの統合機能を使用して、穴の体積と摩耗率を分析することができます。
ナノビア
T2000
THE SAMPLES
| LOAD | 40 N |
| テスト期間 | さまざま |
| スピード | 200rpm |
| ラジアス | 10mm |
| 距離（DISTANCE | さまざま |
| ボール材質 | タングステンカーバイド |
| ボール径 | 10mm |
7サイクルで使用したテスト時間は以下の通りです。 2秒、4秒、8秒、20秒、40秒、60秒、120秒をそれぞれ設定した。 移動した距離は 0.40, 0.81, 1.66, 4.16, 8.36, 12.55, 25.11 メートル。
ウッドフローリング
| テストサイクル | 最大COF | Min COF | Avg.COF |
| 1 | 0.335 | 0.124 | 0.275 |
| 2 | 0.337 | 0.207 | 0.295 |
| 3 | 0.380 | 0.229 | 0.329 |
| 4 | 0.393 | 0.265 | 0.354 |
| 5 | 0.352 | 0.205 | 0.314 |
| 6 | 0.345 | 0.199 | 0.312 |
| 7 | 0.315 | 0.211 | 0.293 |
ラジアル方向
| テストサイクル | 総量損失（μm3 | トータルディスタンス 走行距離 (m) | 摩耗率 (mm/Nm) x10-5 | 瞬時磨耗量 (mm/Nm) x10-5 |
| 1 | 296247687 | 0.40 | 1833.746 | 1833.746 |
| 2 | 355245227 | 1.22 | 1093.260 | 181.5637 |
| 3 | 596371326 | 2.88 | 898.242 | 363.1791 |
| 4 | 883747767 | 7.04 | 530.629 | 172.5496 |
| 5 | 1207179951 | 15.40 | 360.889 | 96.69074 |
| 6 | 1472745318 | 27.95 | 293.329 | 52.89311 |
| 7 | 1851319210 | 53.06 | 184.343 | 37.69599 |
図2: 摩耗量と総走行距離の比較（左図）
と、フローリングの試験サイクルに対する瞬時摩耗率（右）。
図3: #7試験によるフローリングでのCOFグラフと摩耗痕の3D表示。
図4: #7試験による木材摩耗痕の断面解析
図5: 木材サンプル試験#7における摩耗痕の体積・面積解析。
ストーンフローリング
| テストサイクル | 最大COF | Min COF | Avg.COF |
| 1 | 0.249 | 0.035 | 0.186 |
| 2 | 0.349 | 0.197 | 0.275 |
| 3 | 0.294 | 0.154 | 0.221 |
| 4 | 0.503 | 0.124 | 0.273 |
| 5 | 0.548 | 0.106 | 0.390 |
| 6 | 0.510 | 0.129 | 0.434 |
| 7 | 0.527 | 0.181 | 0.472 |
ラジアル方向
| テストサイクル | 総量損失（μm3 | トータルディスタンス 走行距離 (m) | 摩耗率 (mm/Nm) x10-5 | 瞬時磨耗量 (mm/Nm) x10-5 |
| 1 | 96278846 | 0.40 | 595.957 | 595.9573 |
| 2 | 804289731 | 1.22 | 2475.185 | 2178.889 |
| 3 | 1316147855 | 2.88 | 1982.355 | 770.9501 |
| 4 | 3136530215 | 7.04 | 1883.269 | 1093.013 |
| 5 | 10821732180 | 15.40 | 3235.180 | 2297.508 |
| 6 | 20174960343 | 27.95 | 4018.282 | 1862.899 |
| 7 | 42512063420 | 53.06 | 4233.081 | 2224.187 |
図6: 装着率 vs 総走行距離（左）
と試験サイクルに対する瞬時摩耗率（右）（石材用フローリング
図7: #7試験による石床でのCOFグラフと摩耗痕の3Dビュー。
図8: 試験#7の石材摩耗痕の断面解析。
図9： 石材サンプルテスト#7における摩耗痕の体積・面積解析。
Vは穴の体積、Nは荷重、Xは総距離で、この式は試験サイクル間の摩耗率を記述しています。瞬間的な摩耗率を用いることで、試験期間中の摩耗率の変化をより明確にすることができます。
どちらのサンプルも、摩耗の挙動が大きく異なっています。木質フローリングは、最初は高い摩耗率で始まりますが、すぐに小さくなり、安定した値になっていきます。ストーンフローリングでは、摩耗率は低い値から始まり、サイクルの経過とともに高い値へと推移しているように見えます。また、瞬間的な摩耗率も、ほとんど一貫性がありません。この差の具体的な理由は定かではありませんが、サンプルの構造に起因している可能性があります。石材のフローリングは、木目のような緩い粒子で構成されており、木材のコンパクトな構造とは異なる摩耗をすると思われます。このような摩耗現象の原因を明らかにするためには、さらなる試験と研究が必要である。
摩擦係数（COF）のデータは、観察された摩耗挙動と一致しているようです。木質フローリングのCOFグラフは、サイクルを通して一貫しており、安定した摩耗率を補完しているように見えます。石材用フローリングでは、平均COFがサイクルを通して増加し、摩耗速度がサイクルによって増加するのと同様です。また、摩擦グラフの形状に明らかな変化が見られ、ボールと石材サンプルの相互作用の変化を示唆しています。これは、サイクル2とサイクル4で最も顕著に現れています。
NANOVEA T2000トライボメーターは、2つの異なる床材サンプル間の摩耗率を分析することで、プログレッシブ摩耗マッピングを行う能力を披露しています。連続摩耗試験を一時停止し、NANOVEA 3D非接触型プロフィロメーターで表面をスキャンすると、材料の経時的な摩耗挙動に関する貴重な知見が得られます。
3D非接触プロフィロメーターを内蔵したNANOVEA T2000トライボメーターは、COF（摩擦係数）データ、表面測定、深さ測定、表面の可視化、体積損失、摩耗率など、様々なデータを提供します。この包括的な情報セットにより、ユーザーはシステムとサンプルの相互作用についてより深く理解することができます。制御された負荷、高精度、使いやすさ、高負荷、広い速度範囲、追加の環境モジュールなど、NANOVEA T2000トライボメータはトライボロジーを次のレベルへ導きます。
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