アプリケーションノート

ロックトライボロジー

NANOVEA トライボメーターの使用

作成者

DUANJIE LI, PhD

はじめに

岩石は鉱物の粒子から構成されています。これらの鉱物の種類と存在量、および鉱物粒子間の化学結合の強さが、岩石の機械的および摩擦学的特性を決定します。地質岩石サイクルに応じて、岩石は変態を受ける可能性があり、通常、火成岩、堆積岩、変成岩の 3 つの主要なタイプに分類されます。これらの岩石は、さまざまな鉱物組成、化学組成、浸透性、粒子サイズを示し、そのような特性がさまざまな耐摩耗性に寄与しています。岩石トライボロジーでは、さまざまな地質学的および環境条件における岩石の摩耗および摩擦挙動を調査します。

岩石トライボロジーの重要性

摩耗や摩擦など、岩石に対するさまざまな種類の摩耗は、井戸の掘削プロセス中に発生し、ドリルビットや切削工具の修理や交換に起因する重大な直接的および結果的な損失につながります。したがって、石油、ガス、鉱業では、岩石の穿孔性、穿孔性、切断性、摩耗性の研究が重要です。岩石のトライボロジー研究は、最も効率的で費用対効果の高い掘削戦略の選択において極めて重要な役割を果たし、それによって全体の効率が向上し、材料、エネルギー、環境の保全に貢献します。さらに、表面摩擦を最小限に抑えることは、穴あけビットと岩石の間の相互作用を軽減する上で非常に有利であり、その結果、工具の摩耗が減少し、穴あけ/切断効率が向上します。

測定目的

この研究では、NANOVEA T50 の能力を実証するために、2 種類の岩石のトライボロジー特性をシミュレーションおよび比較しました。トライボメータ制御および監視された方法で岩石の摩擦係数と摩耗率を測定します。

ナノビア

T50

THE SAMPLES

試験方法

2 つの岩石サンプルの摩擦係数、COF、および耐摩耗性は、ピンオンディスク摩耗モジュールを使用する NANOVEA T50 トライボメーターによって評価されました。相手材にはAl2O3ボール(直径6mm)を使用しました。試験後、NANOVEA 非接触粗面計を使用して摩耗痕跡を検査しました。テストパラメータを以下にまとめます。

摩耗率 K は、式 K=V/(F×s)=A/(F×n) を使用して評価されました。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 は回転数です。表面粗さと摩耗痕跡プロファイルは NANOVEA 光学粗面計で評価され、摩耗痕跡形態は光学顕微鏡を使用して検査されました。

この研究では、カウンター材料として Al2O3 ボールを例として使用したことに注意してください。カスタム治具を使用して、さまざまな形状の固体材料を適用し、実際の適用状況をシミュレートできます。

テストパラメーター

スチール表面

石灰岩、大理石

ウェアリング半径	5mm
ノーマルフォース	10 N
テスト期間	10分
スピード	100rpm

結果・考察

図 1 では、NANOVEA 機械試験機のマイクロインデンテーションモジュールを使用して、石灰石と大理石のサンプルの硬度 (H) と弾性率 (E) を比較しています。石灰岩サンプルは、H 値 1.07、E 値 49.6 GPa を記録した大理石とは対照的に、H 値と E 値が低く、それぞれ 0.53 GPa と 25.9 GPa でした。石灰岩サンプルは、粒状で多孔質な特性に起因する表面の不均一性が大きいことが原因と考えられます。

2 つの岩石サンプルの摩耗試験中の COF の変化を図 2 に示します。石灰石では、摩耗試験の開始時に COF が約 0.8 まで急速に増加し、試験期間中この値が維持されます。この COF の急激な変化は、摩耗痕跡内の接触面で起こる急速な摩耗と粗化プロセスに起因する、Al2O3 ボールの岩石サンプルへの侵入に起因すると考えられます。対照的に、大理石サンプルは、約 5 メートルの滑走距離後に COF がより高い値に顕著に増加しており、石灰石と比較した場合にその優れた耐摩耗性を示しています。

図1: 石灰石と大理石のサンプル間の硬度とヤング率の比較。

図2: 摩耗試験中の石灰石および大理石サンプルの摩擦係数 (COF) の変化。

図 3 は摩耗試験後の石灰石と大理石のサンプルの断面プロファイルを比較し、表 1 は摩耗跡分析の結果をまとめています。図 4 は、光学顕微鏡で観察したサンプルの摩耗跡を示しています。摩耗軌跡の評価は COF の変化の観察と一致しています。大理石のサンプルは、長期間にわたって低い COF を維持し、石灰石の 0.0353 mm3/N m と比較して、0.0046 mm3/N m という低い摩耗率を示します。大理石の優れた機械的特性により、石灰石よりも優れた耐摩耗性が得られます。

図3: 摩耗痕跡の断面プロファイル。

	渓谷エリア	谷の深さ	摩耗率
石灰岩	35.3±5.9×10⁴ μm²	229±24μm	0.0353mm³/Nm
大理石	4.6±1.2×10⁴ μm²	61±15μm	0.0046mm³/Nm

表1: 摩耗跡解析の結果概要。

図4: 光学顕微鏡による摩耗痕の観察

まとめ

この研究では、大理石と石灰石という 2 つの岩石サンプルの摩擦係数と耐摩耗性を、制御および監視された方法で評価する NANOVEA トライボメーターの能力を紹介しました。大理石の優れた機械的特性は、その卓越した耐摩耗性に貢献します。この特性により、石油およびガス産業での穴あけや切断が困難になります。逆に、床タイルなどの高品質の建築材料として使用すると、寿命が大幅に延長されます。

NANOVEA トライボメーターは、回転モードと直線モードの両方で ISO および ASTM 規格に準拠した、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。さらに、高温摩耗、潤滑、摩擦腐食用のオプションのモジュールも提供されており、すべてが 1 つのシステムにシームレスに統合されています。 NANOVEA の比類のない製品ラインナップは、薄いか厚いか、柔らかいか硬いコーティング、フィルム、基材、岩石のトライボロジーのあらゆる範囲のトライボロジー特性を決定するための理想的なソリューションです。

ショットピーニング表面分析

ショットピーニングされた表面分析

3D非接触形状測定器の使用

作成者

CRAIG LEISING

はじめに

ショットピーニングは、表面に可塑性を誘発することを目的とした力で、球状の金属、ガラス、またはセラミックのビーズ (一般に「ショット」と呼ばれます) を基材に衝突させるプロセスです。ピーニング前後の特性を分析することで、プロセスの理解と制御を強化するための重要な洞察が得られます。表面粗さとショットによって残されたディンプルの範囲は、特に注目すべき興味深い点です。

ショットピーニング表面分析における 3D 非接触表面形状計の重要性

従来、ショットピーニングされた表面分析に使用されてきた従来の接触式形状計とは異なり、3D 非接触測定では完全な 3D 画像が提供され、対象エリアと表面トポグラフィーをより包括的に理解できます。 3D 機能がなければ、検査は 2D 情報のみに依存することになり、表面を特徴付けるには不十分です。 3D で地形、適用範囲、粗さを理解することは、ピーニングプロセスを制御または改善するための最良のアプローチです。ナノベアの 3D非接触形状計機械加工およびピーニングされた表面に見られる急角度を測定する独自の機能を備えたクロマティックライトテクノロジーを利用しています。さらに、プローブの接触、表面の変化、角度、または反射率により、他の技術が信頼できるデータを提供できない場合でも、NANOVEA 表面形状計は成功します。

測定目的

このアプリケーションでは、NANOVEA ST400 非接触表面形状計を使用して、原材料と 2 つの異なるピーニング処理を施した表面を比較レビューのために測定します。 3D 表面スキャン後に自動的に計算できる表面パラメータのリストは無限にあります。ここでは、3D 表面を確認し、粗さ、ディンプル、表面積の定量化と調査など、さらなる分析のために対象領域を選択します。

ナノビア

ST400

標本、見本

結果

スチール表面

ISO25178 3D粗さパラメータ

SA	0.399μm	平均粗さ
スク	0.516μm	RMS粗さ
エスエス	5.686μm	最大の山から谷まで
Sp	2.976μm	最大ピーク高
エスブイ	2.711μm	最大ピット深さ
スクー	3.9344	クルトーシス
エスケープ	-0.0113	歪度
サル	0.0028mm	自己相関長
Str	0.0613	テクスチャのアスペクト比
スダール	26.539 mm²	表面積
SVK	0.589μm	谷の深さの減少

結果

ピーニングされた表面 1

表面被覆率
98.105%

ISO25178 3D粗さパラメータ

サ	4.102μm	平均粗さ
スク	5.153μm	RMS粗さ
エスエス	44.975μm	最大の山から谷まで
Sp	24.332μm	最大ピーク高
エスブイ	20.644μm	最大ピット深さ
スクー	3.0187	クルトーシス
エスケープ	0.0625	歪度
サル	0.0976mm	自己相関長
Str	0.9278	テクスチャのアスペクト比
スダール	29.451 mm²	表面積
SVK	5.008μm	谷の深さの減少

結果

ピーニングされた表面 2

表面被覆率 97.366%

ISO25178 3D粗さパラメータ

サ	4.330μm	平均粗さ
スク	5.455μm	RMS粗さ
エスエス	54.013μm	最大の山から谷まで
Sp	25.908μm	最大ピーク高
エスブイ	28.105μm	最大ピット深さ
スクー	3.0642	クルトーシス
エスケープ	0.1108	歪度
サル	0.1034mm	自己相関長
Str	0.9733	テクスチャのアスペクト比
スダール	29.623 mm²	表面積
SVK	5.167μm	谷の深さの減少

まとめ

このショットピーニング表面解析アプリケーションでは、NANOVEA ST400 3D 非接触プロファイラーがどのようにピーニング表面のトポグラフィーとナノメートルの詳細の両方を正確に特徴付けるかを実証しました。原材料と比較すると、表面 1 と表面 2 の両方が、ここで報告されているすべてのパラメータに大きな影響を与えていることは明らかです。画像を簡単に視覚的に検査すると、表面間の違いが明らかになります。これは、カバーエリアとリストされたパラメータを観察することによってさらに確認されます。表面 2 と比較すると、表面 1 は平均粗さ (Sa) が低く、凹み (Sv) が浅く、表面積 (Sdar) が減少していますが、被覆面積はわずかに高くなります。

これらの 3D 表面測定から、対象領域を容易に特定し、粗さ、仕上げ、質感、形状、トポグラフィー、平坦度、反り、平面性、体積、段差の高さなどを含む包括的な一連の測定を行うことができます。詳細な分析のために 2D 断面をすばやく選択できます。この情報により、あらゆる種類の表面測定リソースを利用して、ピーニングされた表面の包括的な調査が可能になります。統合された AFM モジュールを使用して、特定の関心領域をさらに調べることができます。 NANOVEA 3D 表面形状計は、最大 200 mm/s の速度を実現します。サイズ、速度、スキャン機能の点でカスタマイズでき、クラス 1 クリーンルーム規格に準拠することもできます。インデックスコンベヤやインラインまたはオンライン使用のための統合などのオプションも利用できます。

このメモに示されているサンプルを提供してくださった IMF の Hayden 氏に特別な感謝を申し上げます。インダストリアルメタルフィニッシング株式会社 | indmetfin.com

塗装表面の形態

自動化されたリアルタイムの進化モニタリング
ナノベア3D形状計を使用

作成者

DUANJIE LI, PhD

はじめに

塗料の保護および装飾特性は、自動車、海洋、軍事、建築などさまざまな産業で重要な役割を果たしている。耐食性、紫外線保護、耐摩耗性など、望ましい特性を実現するために、塗料の配合や構造は注意深く分析され、改良され、最適化されます。

乾燥塗料表面の形態解析における3D非接触プロフィロメータの重要性

塗料は通常、液状で塗布され、溶剤を蒸発させ、液状の塗料を固体の膜に変化させる乾燥工程を経る。乾燥の過程で、塗料の表面は徐々にその形や質感を変えていく。添加剤を用いて塗料の表面張力や流動特性を変化させることで、さまざまな表面仕上げや質感を作り出すことができる。しかし、塗料の配合が不十分であったり、表面処理が不適切であったりした場合には、塗料の表面に望ましくない不具合が生じることがある。

乾燥期間中の塗料表面の形態をその場で正確にモニタリングすることで、乾燥メカニズムについての直接的な洞察が得られます。さらに、表面形態のリアルタイムの進化は、3D プリンティングなどのさまざまなアプリケーションにおいて非常に役立つ情報です。ナノベア 3D非接触形状計サンプルに触れることなく材料の塗装表面の形態を測定し、スライドスタイラスなどの接触技術によって引き起こされる可能性のある形状の変化を回避します。

測定目的

このアプリケーションでは、高速ライン光学センサーを搭載したNANOVEA ST500非接触型プロフィロメーターを使用して、1時間の乾燥期間中の塗料表面の形態をモニターしています。連続的に形状が変化する材料の3Dプロファイルをリアルタイムで自動測定できるNANOVEA非接触型プロフィロメータの能力を紹介します。

ナノビア

ST500

結果・考察

金属板の表面に塗料を塗布した後、直ちに高速ラインセンサーを搭載したNANOVEA ST500非接触型プロフィロメーターを用いて、乾燥中の塗料の形態変化をその場で自動測定した。特定の時間間隔（0分、5分、10分、20分、30分、40分、50分、60分）で3D表面形態を自動的に測定・記録するマクロがプログラムされている。この自動化されたスキャン手順により、ユーザーは設定された手順を順番に実行することでスキャン作業を自動的に行うことができ、手作業によるテストや繰り返しスキャンと比較して、労力、時間、起こりうるユーザーエラーを大幅に削減することができる。この自動化は、異なる時間間隔での複数のスキャンを含む長期的な測定に非常に有用であることが証明されている。

光ラインセンサーは、図1に示すように、192点からなる輝線を生成する。この192個の光点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す。これにより、各3Dスキャンが迅速に完了し、個々のスキャン中に表面が大幅に変化するのを防ぎます。

図1: 乾燥中の塗料の表面をスキャンする光学式ラインセンサー。

図2、図3、および図4に、それぞれ代表的な時間における乾燥塗膜トポグラフィのフォールスカラー図、3D図、および2Dプロファイルを示す。画像の偽色は、容易に識別できない特徴の検出を容易にする。異なる色は、サンプル表面の異なる領域にわたる高さの変化を表しています。3Dビューは、ユーザーがさまざまな角度から塗装表面を観察するための理想的なツールを提供します。最初の30分間は、塗膜表面の偽色が暖色系から寒色系へと徐々に変化し、この間に時間の経過とともに高さが徐々に低くなっていくことを示しています。30分後と60分後の塗料を比較すると、色の変化が穏やかであることがわかる。

乾燥時間0分、30分、60分後の塗膜の全粗度分析を表1に示す。塗膜表面の平均高さは、最初の30分間の乾燥で471μmから329μmへと急速に減少していることが観察される。溶媒が気化すると同時に表面のテクスチャーが発達し、粗さSa値は7.19から22.6µmに増加した。その後、塗膜の乾燥は緩やかになり、60分後の試料高さは317 µm、Sa値は19.6 µmまで徐々に減少した。

この研究では、NANOVEA 3D非接触型プロフィロメーターが、乾燥中の塗料の3D表面変化をリアルタイムでモニタリングできることを明らかにし、塗料の乾燥プロセスに関する貴重な知見を提供します。サンプルに触れることなく表面形状を測定することで、スライディングスタイラスのような接触技術で起こりうる未乾燥塗料の形状変化を避けることができます。この非接触アプローチにより、乾燥中の塗料の表面形状を正確かつ確実に分析することができます。

図2: 乾燥時間の違いによる塗料表面の形態の変化。

図3: 異なる乾燥時間における塗料表面の変化の3Dビュー。

図4: 異なる乾燥時間後の塗料サンプルの2Dプロファイル。

図5: 塗料の乾燥時間による試料の平均高さと粗さSaの変化。

ISO25178

乾燥時間（分）	0	5	10	20	30	40	50	60
正方形（μm）	7.91	9.4	10.8	20.9	22.6	20.6	19.9	19.6
スクー	26.3	19.8	14.6	11.9	10.5	9.87	9.83	9.82
Sp (µm)	97.4	105	108	116	125	118	114	112
Sv (µm)	127	70.2	116	164	168	138	130	128
Sz (µm)	224	175	224	280	294	256	244	241
Sa (µm)	4.4	5.44	6.42	12.2	13.3	12.2	11.9	11.8

表1: 乾燥時間の違いによる塗膜の粗さ。

まとめ

このアプリケーションでは、NANOVEA ST500 3D非接触型プロフィロメーターの能力を、乾燥過程における塗料表面の形態変化をモニターすることで紹介しました。サンプル表面を同時にスキャンする192個の光スポットからなるラインを生成する高速光学ラインセンサーにより、比類のない精度を確保しながら、時間効率の高い研究が可能になりました。

取得ソフトウェアのマクロ機能は、その場で3D表面形状の自動測定をプログラミングすることを可能にし、特定の目標時間間隔で複数のスキャンを含む長期測定に特に有用である。これにより、時間、労力、ユーザーエラーの可能性が大幅に削減される。表面形状の漸進的な変化は、塗料が乾燥するにつれてリアルタイムで連続的にモニター・記録されるため、塗料の乾燥メカニズムに関する貴重な知見が得られます。

ここに示したデータは、解析ソフトウェアで利用可能な計算のほんの一部です。NANOVEAプロフィロメーターは、透明、暗色、反射性、不透明を問わず、事実上あらゆる表面を測定することができます。

さて、次はアプリケーションについてです。

PTFEコーティング摩耗試験

トライボメーターとメカニカルテスターの使用

作成者

DUANJIE LI, PhD

はじめに

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。

PTFE コーティングの定量的評価の重要性

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。

測定目的

このアプリケーションでは、NANOVEA 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をシミュレートします。

ナノビア T50

コンパクトフリーウェイトトライボメータ

さらに、NANOVEA 機械試験機を使用してマイクロスクラッチ接着試験を実行し、PTFE コーティングの接着破壊の臨界荷重を測定しました。

ナノビア PB1000

大型プラットフォーム機械試験機

試験方法

摩耗試験

トライボメータを使用した直線往復摩耗

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。

摩耗試験パラメータ

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

スクラッチテスト

メカニカルテスターによるマイクロスクラッチ密着性試験

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。

スクラッチテストパラメータ

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

結果・考察

トライボメータを使用した直線往復摩耗

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。

NANOVEA T50 トライボメーターでの PTFE コーティング摩耗試験のセットアップ。

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。

PTFE ブレークスルー前

最大COF	0.217
Min COF	0.125
平均COF	0.177

PTFE ブレークスルー後

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。

結果・考察

メカニカルテスターによるマイクロスクラッチ密着性試験

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。

まとめ

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。

さて、次はアプリケーションについてです。

トライボメータを用いたフローリングの経時的摩耗マッピング

フローリングの経年劣化マッピング

プロフィロメータを内蔵したトライボメータの使用

作成者

フランク・リウ（FRANK LIU

はじめに

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。

フロアパネルにおけるプログレッシブ・ウェア・マッピングの重要性

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

ウェアマッピング試験パラメータ

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。

ウェアマッピングの結果

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。

全結果の詳細はこちらをご覧ください。

ウェアマッピングの結果

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。

全結果の詳細はこちらをご覧ください。

ディスカション

瞬時磨耗率は、以下の式で算出されます：

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。

まとめ

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。

さて、次はアプリケーションについてです。

ナノインデンテーションを用いたコルクの動的力学的解析

動的機械解析

ナノインデンテーションによるコルクの

作成者

フランク・リウ（FRANK LIU

はじめに

Dynamic Mechanical Analysis (DMA)は、材料の機械的特性を調べるために使用される強力な技術です。このアプリケーションでは、ワインの封印や熟成工程で広く使われているコルクの分析に焦点を当てます。コルクは、ミズナラの樹皮から得られるもので、合成ポリマーに似た機械的特性を持つ明確な細胞構造を示しています。コルクは、1つの軸でハニカム構造になっています。一方、他の2軸は長方形のような複数のプリズム構造になっています。このため、コルクの機械的性質は、試験する方向によって異なる。

コルクの力学的特性評価における動的力学解析（DMA）試験の重要性

コルクの品質は、その機械的・物理的特性に大きく依存し、ワインの密閉性を高める上で極めて重要である。コルクの品質を決定する重要な要素には、柔軟性、断熱性、弾力性、気体や液体に対する不透過性などがあります。動的機械分析（DMA）試験を活用することで、コルクの柔軟性と弾力性を定量的に評価することができ、信頼性の高い評価方法を提供します。

のメカニカルテスター「NANOVEA PB1000」。ナノインデンテーションモードでは、これらの特性、特にヤング率、貯蔵弾性率、損失弾性率、タンデルタ（tan (δ)）の特性評価を行うことができます。また、DMAテストでは、コルク素材の位相シフト、硬度、応力、歪みに関する貴重なデータを収集することができます。これらの包括的な分析を通じて、コルクの機械的挙動とワインシーリング用途への適性について、より深い洞察を得ることができます。

測定目的

本研究では、NANOVEA PB1000メカニカルテスターのナノインデンテーション・モードを使用して、4つのコルク栓の動的機械分析（DMA）を実施します。コルク栓の品質には次のようなラベルが付けられている：1 - Flor、2 - First、3 - Colmated、4 - Synthetic Rubber。DMA圧痕試験は、各コルク栓の軸方向と半径方向の両方で実施しました。コルク栓の機械的応答を分析することで、その動的挙動を理解し、さまざまな方向での性能を評価することを目的とした。

ナノビア

PB1000

テストパラメーター

マックスフォース	75 mN
荷重レート	150 mN/min
アンローディングレート	150 mN/min
アンプリチュード	5 mN
FREQUENCY	1 Hz
クリープ	60 s

圧子型

ボール

51200スチール

直径3mm

結果

以下の表とグラフでは、各サンプルと配向の間で、ヤング率、貯蔵弾性率、損失弾性率、タンデルタを比較しています。

ヤング率です： stiﬀness；高い値はstiﬀ、低い値はﬂexplexibleを示す。

貯蔵弾性率です： 弾性応答；材料に蓄えられたエネルギー。

損失弾性率です： 粘性反応；熱により失われるエネルギー。

タン（δ）です： ダンピング。値が高いほどダンピングが効いていることを示す。

じくせい

*ストッパー*	*ヤング率*	*貯蔵弾性率*	*ロス・モジューラス*	タン
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	22.5675	22.27209	3.624947	0.162964
2	18.54664	18.27153	3.162349	0.17409
3	23.75381	23.47267	3.617819	0.154592
4	23.6972	23.58064	2.347008	0.099539

ラジアル方向

*ストッパー*	*ヤング率*	*貯蔵弾性率*	*ロス・モジューラス*	タン
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	24.78863	24.56542	3.308224	0.134865
2	26.66614	26.31739	4.286216	0.163006
3	44.07867	43.61426	6.365979	0.146033
4	28.04751	27.94148	2.435978	0.087173

ヤング率

貯蔵弾性率

ロス・モジューラス

TAN DELTA

コルク栓同士では、軸方向で試験した場合、ヤング率に大きな差はない。ストッパー#2と#3のみ、半径方向と軸方向で明らかにヤング率に差があることがわかります。その結果、貯蔵弾性率や損失弾性率も、軸方向よりも径方向の方が高くなる。ストッパー#4は、損失弾性率を除いて、天然コルクストッパーと同様の特性を示しています。これは、天然コルクが合成ゴム素材よりも粘性の高い特性を持つことを意味するので、非常に興味深いことである。

まとめ

ナノベアメカニカルテスター Nano Scratch Tester モードでは、ペイントコーティングやハードコートの実際の多くの欠陥をシミュレーションできます。制御され綿密に監視された方法で増加する負荷を適用することにより、機器はどの負荷障害が発生したかを特定することができます。これは、耐傷性の定量的な値を決定する方法として使用できます。試験したコーティングは耐候性がなく、約 22 mN で最初の亀裂があることが知られています。 5 mN に近い値では、7 年間のラップにより塗装が劣化していることは明らかです。

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。クラッキングと変形に関する情報は、いずれもハードコートの改良に大いに役立つものです。また、標準偏差が非常に小さいことは、本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る。

さて、次はアプリケーションについてです。

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

次 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

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

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。

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。

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

図2: フルスクラッチの顕微鏡写真（1000倍の倍率）。

図3: 初期損傷の顕微鏡写真（1000倍の倍率）。

図4: 完全損傷の顕微鏡写真（1000倍の倍率）。

図5: 摩擦力、摩擦係数。

図6: 表面形状。

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。

3Dプロフィロメトリーによるラフネスマッピング検査

アバウトマッピングインスペクション

3Dプロフィロメトリーによる

作成者

DUANJIE, PhD

はじめに

表面粗さとテクスチャーは、製品の最終的な品質と性能に影響を与える重要な要素です。表面の粗さ、質感、一貫性を十分に理解することは、最適な加工や管理手段を選択するために不可欠です。不良品を迅速に特定し、生産ラインの条件を最適化するために、製品表面の迅速かつ定量的で信頼性の高いインライン検査が必要とされています。

インライン表面検査における3D非接触プロフィロメータの重要性

製品の表面欠陥は、材料の加工や製品の製造に起因します。インライン表面品質検査により、最終製品の最も厳密な品質管理が保証されます。ナノベア 3D非接触光学式プロファイラー非接触でサンプルの粗さを測定する独自の機能を備えたクロマティックライトテクノロジーを利用します。ラインセンサーにより、大面積の3次元形状を高速にスキャンできます。解析ソフトウェアによってリアルタイムで計算される粗さのしきい値は、高速かつ信頼性の高い合否判定ツールとして機能します。

測定目的

本研究では、高速センサーを搭載したNANOVEA ST400を用いて、欠陥のあるテフロン試料の表面を検査し、NANOVEAの機能を紹介する。

生産ラインでの表面検査を迅速かつ確実に行うための非接触型プロファイラーです。

ナノビア

ST400

結果・考察

の3次元表面解析 ラフネス標準試料

図2は、粗さ標準サンプルの表面高さマップおよび粗さ分布マップの偽色図を示す。図2aにおいて、粗さ標準試料は、標準粗さブロックの各々において変化した色の勾配によって表されるように、わずかに傾斜した表面を示している。図2bでは、均質な粗さ分布がディファレンシャル粗さブロックに示されており、その色はブロック内の粗さを表している。

図3は、粗さの閾値を変えて解析ソフトウェアが生成した合否判定マップの例である。表面粗さがある設定された閾値以上の場合、粗さブロックが赤くハイライトされる。これは、ユーザーがサンプルの表面仕上げの品質を判断するための粗さ閾値を設定するためのツールを提供するものである。

図1: ラフネススタンダードサンプルの光ラインセンサースキャニング

a. サーフェスハイトマップ：

b. ラフネスマップ：

図2: 粗さ基準サンプルの表面高さマップと粗さ分布マップのフォールスカラー図です。

図3: ラフネス閾値に基づく合否判定マップ。

欠陥のあるテフロン試料の表面検査

図4にTelonサンプル表面の表面高さマップ、粗さ分布マップ、合否判定粗さ閾値マップを示します。Telonサンプルは、表面高さマップに示すように、サンプルの右側中央に隆起が形成されている。

a. サーフェスハイトマップ：

図4bのパレットの異なる色は、局所的な表面の粗さ値を表しています。ラフネスマップは、テフロンサンプルの無傷の領域で均一な粗さを示している。しかし、凹んだリングや摩耗痕のような欠陥は明るい色で強調されています。ユーザーは、図4cに示すように、表面欠陥の位置を特定するための合否判定用粗さ閾値を簡単に設定することができます。このようなツールにより、ユーザーは生産ラインにおける製品の表面品質をその場で監視し、不良品を時間内に発見することができます。製品がインライン光学センサーを通過する際に、リアルタイムの粗さ値が計算され記録されるため、品質管理のための高速かつ信頼性の高いツールとして機能することができます。

b. ラフネスマップ：

c. 合否判定用ラフネス閾値マップ：

図4: サーフェスハイトマップ、ラフネスディストリビューションマップ、そして Telonサンプル表面の合否判定用粗さ閾値マップ。

まとめ

このアプリケーションでは、光ラインセンサーを搭載したNANOVEA ST400 3D非接触光プロファイラーが、信頼性の高い品質管理ツールとして、効果的かつ効率的に機能することを示しました。

光学式ラインセンサーは、192点の輝線を発生させてサンプル表面を同時にスキャンするため、スキャン速度の大幅な向上につながる。生産ラインに設置することで、製品の表面粗さをその場でモニターすることができます。粗さのしきい値は、製品の表面品質を判断する信頼できる基準として機能するため、ユーザーは不良品にいち早く気付くことができます。

ここに示したデータは、解析ソフトウェアで利用可能な計算の一部に過ぎません。ナノベアプロフィロメーターは、半導体、マイクロエレクトロニクス、太陽電池、光ファイバー、自動車、航空宇宙、冶金、機械加工、コーティング、医薬品、バイオメディカル、環境などの分野で、ほぼすべての表面を測定します。

さて、次はアプリケーションについてです。

トライボメータによる高温スクラッチ硬度測定

トライボメーターによる高温スクラッチ硬度

トライボメータによる

作成者

DUANJIE, PhD

はじめに

硬度は、材料の永久変形や塑性変形に対する抵抗力を測定するものである。1820年にドイツの鉱物学者フリードリヒ・モースによって開発された硬さ試験で、鋭利な物体との摩擦による傷や摩耗に対する材料の硬さを測定する。¹.モース硬度はリニアスケールではなく比較指数であるため、より正確で定性的なスクラッチ硬度測定がASTM規格G171-03に記載されているように開発されました。².ダイヤモンドの触針でできた傷の平均幅を測定し、傷の硬さ（HSP）を算出するものです。

高温下でのスクラッチ硬度測定の重要性

材料は、サービス要件に基づいて選択されます。大きな温度変化や温度勾配を伴う用途では、高温での材料の機械的特性を調査し、機械的限界を十分に認識することが重要です。材料、特にポリマーは通常、高温になると軟化します。多くの機械的故障は、高温でのみ起こるクリープ変形や熱疲労によって引き起こされます。したがって、高温用途の材料を適切に選択するために、高温での硬度を測定する信頼性の高い技術が必要とされています。

測定目的

この研究では、NANOVEA T50 トライボメーターを使用して、室温から 300℃ までのさまざまな温度でテフロンサンプルの引っかき硬度を測定します。 NANOVEA は、高温での引っかき硬度測定を実行できる機能を備えています。トライボメータ高温用途の材料の摩擦学的および機械的評価のための多用途システムです。

ナノビア

T50

試験条件

NANOVEA T50 Free Weight Standard Tribometerを使用して、室温（RT）から300℃の温度範囲でテフロンサンプルの引っかき硬度試験を実施しました。テフロンの融点は326.8°Cです。先端角120°、先端半径200μmの円錐型ダイヤモンドスタイラスを使用しました。テフロン試料は、回転式試料ステージにステージ中心から10 mmの距離で固定した。試料をオーブンで加熱し、常温、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃の温度で試験した。

テストパラメーター

ノーマルフォース	2 N
滑りスピード	1mm/s
滑り距離	8mm/temp
大気	空気
温度	RT、50°C、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C

結果・考察

図1には、異なる高温でのスクラッチ硬度を比較するために、異なる温度でのテフロンサンプルのスクラッチトラックプロファイルが示されています。スタイラスが2Nの一定荷重で移動しながらテフロンサンプルに突入し、スクラッチトラック内の材料を横に押し出し変形させることで、スクラッチトラック端に材料の山が形成されます。

図2に示すように、スクラッチトラックを光学顕微鏡で観察した。顕微鏡で測定したスクラッチ痕の幅と、計算で求めたスクラッチ硬度（HSP）を図3にまとめて比較しました。顕微鏡で測定したスクラッチ痕の幅は、NANOVEAプロファイラーで測定した幅と一致し、テフロンサンプルは高温でより広いスクラッチ幅を示しています。温度が常温から300℃に上昇すると、スクラッチトラックの幅は281μmから539μmに増加し、HSPは65MPaから18MPaに減少しています。

NANOVEA T50トライボメータは、高温下でのスクラッチ硬度を高精度かつ高再現性で測定することができます。他の硬度測定とは異なるソリューションを提供し、ナノビアトライボメータを高温トライボメカニックの総合評価システムとしてより完成度の高いものにしています。

図1: 異なる温度でのスクラッチ硬度試験後のスクラッチトラックプロファイル。

図2: 異なる温度で測定した後の顕微鏡下でのスクラッチ痕。

図3: スクラッチトラック幅とスクラッチ硬度の温度に対する変化。

まとめ

この研究では、ASTM G171-03に準拠した高温でのナノビアトライボメータによるスクラッチ硬度測定方法を紹介します。一定荷重でのスクラッチ硬度測定は、トライボメータを用いた材料の硬度比較のための代替的な簡易ソリューションとなります。高温でのスクラッチ硬さ測定が可能なナノビアトライボメータは、材料の高温トライボメカニカル特性の評価に理想的なツールです。

ナノビアトライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験を提供し、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを一つの統合済みシステムとして利用することも可能です。オプションの3D非接触プロファイラを使用すると、粗さなどの表面測定に加えて、摩耗痕の高解像度3Dイメージングを行うことができます。

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009).「金属と高分子のスクラッチ試験。Experiments and numerics".Wear 266 (1-2):76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using Diamond Stylus" ダイヤモンドスタイラスを用いた材料のスクラッチ硬度に関する標準試験方法。

さて、次はアプリケーションについてです。

ポータブル3Dプロフィロメータによる溶接面検査

溶接表面検査

ポータブル3Dプロフィロメーターによる

作成者

CRAIG LEISING

はじめに

通常目視検査で行われる特定の溶接を、極めて高い精度で調査することが重要になる場合があります。精密分析の対象となる特定の領域には、その後の検査手順に関係なく、表面の亀裂、気孔、未充填のクレーターが含まれます。寸法・形状、体積、粗さ、サイズなどの溶接の特性はすべて、重要な評価のために測定することが可能です。

溶接面検査における3D非接触プロフィロメータの重要性

タッチプローブや干渉計などの他の技術とは異なり、NANOVEA 3D非接触形状計軸色収差を使用するため、ほぼすべての表面を測定でき、オープンステージングによりサンプルサイズは大きく変化する可能性があり、サンプルの前処理は必要ありません。ナノからマクロの範囲は、サンプルの反射率や吸収の影響を受けずに表面プロファイル測定中に得られ、高い表面角度を測定する高度な機能を備えており、結果をソフトウェアで操作する必要はありません。透明、不透明、鏡面、拡散、研磨、粗いなど、あらゆる材質を簡単に測定できます。NANOVEA ポータブル表面形状計の 2D および 2D 機能により、実験室と現場の両方で完全な溶接表面検査を行うための理想的な機器となります。

測定目的

このアプリケーションでは、ナノビアJR25 ポータブルプロファイラを使用して溶接部の表面粗さ、形状、体積、およびその周辺を測定しています。この情報は、溶接と溶接プロセスの品質を適切に調査するための重要な情報を提供することができます。

ナノビア

JR25

測定結果

下の画像は、溶接部とその周辺の完全な3Dビューと、溶接部のみの表面パラメータを表示したものです。2D断面プロファイルは以下の通りです。

試供品

上記の2次元断面形状を3次元から削除し溶接部の寸法情報を以下に計算します。溶接部のみの表面積と材料の体積を計算します。

	ホール	ピーク
表面	1.01mm²	14.0 mm²
容積	8.799e-5 mm³	23.27 mm³
最大深さ/高さ	0.0276 mm	0.6195 mm
平均深度・平均高さ	0.004024 mm	0.2298 mm

まとめ

このアプリケーションでは、ナノビア3D非接触プロファイラが溶接部とその周辺表面領域の重要な特性を正確に評価できることを示しました。粗さ、寸法、体積から、品質と再現性の定量的な方法を決定し、またはさらに調査することができます。このアプリケーションノートの例のようなサンプル溶接は、社内またはフィールドテスト用の標準的なナノビア卓上又はポータブルプロファイラで簡単に分析することができます。

さて、次はアプリケーションについてです。

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製品情報

プロフィロメーター

PS50（アドバンスト・コンパクト）

JR25 (ポータブルコンパクト)

ST400（モジュラー・スタンダード）

AFMPRO（アトミックフォース）

ST500（モジュール式大面積）

JR100 (ポータブル・ハイスピード)

インラインQC（粗さ、テクスチャー、フィニッシュ）

メカニカルテスター

CB500（アドバンスト・コンパクト）

PB1000（大型プラットフォーム）

真空システム（カスタム）

トライボメータ

T50（モジュラー・スタンダード）

T200（コンパクト・ニューマチック）

T2000（高負荷空気圧式）

CR-8R（ボールクレーターコーティング厚さ）

真空システム（カスタム）

テストソリューション

プロフィロメトリー

粗さ・仕上がり

ジオメトリとシェイプ

平坦度・反り

体積・面積

ステップの高さと厚み

テクスチャー＆グレーン

メカニカルテスト

圧痕｜硬度・弾性率

圧痕｜応力と歪み

圧痕｜クリープ＆リラクゼーション

圧痕｜紛失と保管

圧痕｜破壊靭性

圧痕｜降伏強度・疲労強度

高温

湿度

バキューム

スクラッチ｜接着剤の不具合

スクラッチ｜コヒーシブフェイル

スクラッチ｜スクラッチハードネス

スクラッチ｜マルチパスウェア

摩擦｜摩擦係数

低温

液体

トライボロジー試験

リニア

回転式

ブロック・オン・リング

リング・オン・リング

スクラッチテスト

高温

腐食

液体

低温

湿度・不活性ガス

バキューム

ラボサービス

非接触型プロフィロメトリー解析

インデンテーションとスクラッチテスト

摩擦・摩耗試験

表面トポロジーと化学分析

アプリケーション

産業別

バイオ・バイオテクノロジー

建設資材

コンシューマープロダクツ

医療機器

金属製造・機械加工

石油・鉱業

光学系

ペイント＆コーティング

医薬

半導体・エレクトロニクス

繊維・皮革・紙

金型・機械

地上交通機関

宇宙・航空

軍事・防衛

エネルギー

素材別

自動化されたリアルタイムの進化モニタリング
ナノベア3D形状計を使用