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AR カテゴリー機械試験
表面処理銅線の耐摩耗性とスクラッチ性の評価
銅線の摩耗・傷評価の重要性
銅は、電磁石や電信機の発明以来、電気配線に使用されてきた長い歴史があります。銅線は、耐食性、はんだ付け性、150℃までの高温での特性から、パネル、メーター、コンピューター、事務機、家電製品など、幅広い電子機器に使用されています。採掘される銅の約半分は、電線・ケーブルの導体製造に使用されています。
銅線の表面品質は、アプリケーションの性能と寿命にとって非常に重要です。ワイヤの微細な欠陥は、過度の摩耗、亀裂の発生と伝播、導電性の低下、不十分なはんだ付け性などにつながる可能性があります。銅線の適切な表面処理は伸線時に発生する表面欠陥を取り除き、耐腐食性、耐傷性、耐摩耗性を向上させます。銅線を使った多くの航空宇宙用途では、予期せぬ機器の故障を防ぐため、その挙動を制御する必要がありま す。銅線表面の耐摩耗性や耐傷性を正しく評価するためには、定量的で信頼性の高い測定が必要です。
測定目的
このアプリケーションでは、異なる銅線の表面処理を制御した摩耗プロセスをシミュレートしています。 スクラッチテスト 処理された表面層に破損を引き起こすのに必要な荷重を測定します。この研究では Nanovea を紹介します トライボメータ と メカニカルテスター 電線の評価・品質管理に最適なツールです。
試験方法と手順
銅線 (ワイヤ A およびワイヤ B) の 2 つの異なる表面処理の摩擦係数 (COF) と耐摩耗性は、線形往復摩耗モジュールを使用する Nanovea トライボメータによって評価されました。 Al₂O₃ ボール (直径 6 mm) が、この用途で使用される相手材です。 Nanovea の摩耗痕跡を調査しました。 3D非接触表面形状計。テストパラメータを表 1 にまとめます。
本研究では、カウンター材料として滑らかなAl₂O₃球を例として使用した。形状や表面仕上げが異なる任意の固体材料は、実際の適用状況をシミュレートするために、カスタムフィクスチャを使用して適用することができます。
ロックウェルCダイヤモンドスタイラス（半径100μm）を装備したナノベアーの機械式試験機で、マイクロスクラッチモードを使ってコーティングワイヤの順荷重スクラッチ試験を実施しました。スクラッチ試験のパラメータとチップの形状を表2に示す。
結果および考察
銅線の磨耗。
図 2 は，摩耗試験中の銅線の COF の変化を示している。A線は摩耗試験中、COFが〜0.4と安定しているのに対し、B線は最初の100回転でCOFが〜0.35となり、徐々に〜0.4まで増加した。
図3は、試験後の銅線の摩耗痕を比較したものです。ナノベアの3D非接触プロフィロメータは、摩耗痕の詳細な形態について優れた分析を提供しました。摩耗のメカニズムを根本的に理解することで、摩耗痕の体積を直接かつ正確に把握することができます。ワイヤーBの表面は、600回転の摩耗試験後に摩耗痕が顕著に損傷しています。プロフィロメーターの3D表示では、ワイヤーBの表面処理層が完全に除去され、摩耗プロセスが大幅に加速されたことが分かります。このため、ワイヤーBの銅基板が露出している部分には、平坦な摩耗痕が残っています。この結果、ワイヤBを使用する電気機器の寿命が著しく短くなる可能性があります。一方、ワイヤーAは比較的摩耗が少なく、浅い摩耗痕が残っています。また，ワイヤAの表面処理層は，ワイヤBの表面処理層のように同じ条件下で剥離することはなかった。
銅線表面の傷つきにくさ。
図4は、試験後のワイヤのスクラッチ痕を示したものである。ワイヤーAの保護層は非常に優れた耐傷性を示し、〜12.6Nの荷重で剥離した。これに対し、ワイヤBの保護層は荷重～1.0Nで剥離した。このようにワイヤの耐傷性に大きな差があることから、ワイヤAは耐摩耗性が大幅に向上していることがわかる。図5に示すように、スクラッチ試験中の法線力、COF、深さの変化から、試験中の皮膜破壊についてより深く理解することができる。
結論
この対照研究では、表面処理された銅線の耐摩耗性を定量的に評価するナノベア社のトライボメータと、銅線の耐傷性を確実に評価するナノベア社のメカニカルテスターを紹介しました。ワイヤの表面処理は、その寿命期間中のトライボメカニカル特性に重要な役割を果たします。ワイヤーAの適切な表面処理により、耐摩耗性と耐傷性が大幅に向上し、過酷な環境下での電線の性能と寿命に重要な役割を果たしました。
ナノベアのトライボメータは、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・摩擦試験と、オプションの高温摩耗、潤滑、トライボ腐食モジュールを1つの統合済みシステムで利用することができます。ナノベアの比類なき製品群は、薄型・厚型、軟質・硬質コーティング、フィルム、基材のあらゆるトライボロジー特性を測定するための理想的なソリューションです。
鉄鋼とアルミニウムの降伏強度と引張強度
圧子による降伏強度と極限引張強度の測定の重要性
従来、降伏強度と極限引張強度の試験は、試験片を引き離すのに大きな力を必要とする大型の引張試験機を使って行われてきました。各試料を一度しか試験できない材料に対して、多くの試験片を適切に作成することはコストと時間のかかる作業です。試験片に小さな欠陥があると、試験結果に顕著なばらつきが生じます。市場に出ている引張試験機の構成やアライメントが異なると、試験の仕組みや結果に大きなばらつきが生じることがよくあります。
ナノベアの革新的な圧子法により、従来の引張試験で測定した値に匹敵する降伏強度や極限引張強度の値を直接得ることができます。この測定法は、あらゆる産業において試験の新たな可能性を切り開くものです。シンプルな実験構成により、引張試験に必要な複雑なクーポン形状に比べ、サンプル準備にかかる時間とコストを大幅に削減できます。小さな圧痕で、1つの試料で複数の測定が可能です。サンプル加工時に発生する引張試験用クーポンの欠陥の影響を防ぐことができます。小さなサンプルで局所的にYSやUTSを測定することで、パイプラインや自動車構造物のマッピングや局所的な欠陥の検出が可能です。
測定目的
このアプリケーションでは、ナノベア メカニカルテスター ステンレス鋼 SS304 およびアルミニウム Al6061 金属合金サンプルの降伏強度と極限引張強度を測定します。サンプルは、Nanovea の圧痕法の信頼性を示す、一般的に認識されている降伏強度と極限引張強度の値に基づいて選択されました。
試験方法と手順
降伏強さと極限引張強さのテストは、Nanovea Mechanical Tester で実行されました。 マイクロインデンテーション モード。この用途には、直径 200 μm の円筒形の平らなダイヤモンドチップが使用されました。 SS304 および Al6061 合金は、インデンテーション法の大きな可能性と信頼性を示すために、その広範な産業用途と一般に認識されている降伏強さおよび極限引張強さの値を考慮して選択されました。表面粗さや欠陥が試験結果に影響を与えるのを避けるため、サンプルは試験前に機械的に鏡面仕上げに研磨されました。テスト条件を表 1 に示します。テスト値の再現性を保証するために、各サンプルに対して 10 回を超えるテストが実行されました。
結果および考察
SS304およびAl6061合金サンプルの荷重-変位曲線を、テストサンプル上の平坦な圧子の痕跡を挿入して図3に示します。Nanovea が開発した特殊なアルゴリズムを用いて「S」字型の荷重曲線を解析すると、降伏強度と極限引張強度が算出されます。値は、表 1 にまとめたように、ソフトウェアによって自動的に計算されます。比較のために、従来の引張試験で得られた降伏強度と極限引張強度の値も記載しています。
結論
この研究では、ステンレス鋼およびアルミニウム合金シートのサンプルの降伏強度と極限引張強度を評価する際の Nanovea Mechanical Tester の能力を紹介しました。シンプルな実験設定により、引張試験に必要なサンプル準備の時間とコストが大幅に削減されます。くぼみのサイズが小さいため、1 つのサンプルで複数の測定を実行できます。この方法により、小さなサンプルおよび局所領域での YS/UTS 測定が可能になり、パイプラインまたは自動車構造の YS/UTS マッピングおよび局所欠陥検出のソリューションが提供されます。
Nanovea メカニカル テスターのナノ、マイクロ、またはマクロ モジュールにはすべて、ISO および ASTM 準拠の押込み試験機、スクラッチ試験機、摩耗試験機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範囲を提供します。 Nanovea の比類のない製品ラインナップは、硬度、ヤング率、破壊靱性、接着性、耐摩耗性などを含む、薄いまたは厚い、柔らかいまたは硬いコーティング、フィルム、および基材の機械的特性の全範囲を決定するための理想的なソリューションです。さらに、オプションの 3D 非接触プロファイラーと AFM モジュールを使用して、粗さなどの他の表面測定に加えて、圧痕、傷、磨耗トラックの高解像度 3D イメージングを行うことができます。
ナノインデンテーションを用いた歯の硬さ評価
バイオ材料におけるナノインデンテーションの重要性
ゲルから脆性材料に至るまで、高度な敏感な材料を使用する今日の品質管理環境では、従来の多くの機械的試験 (硬度、接着力、圧縮、突刺し、降伏強度など) が必要となり、より高い精度と信頼性の管理が求められています。従来の機械式計装では、必要な高感度の負荷制御と分解能を提供できません。バルク材料に使用するように設計されています。試験される材料のサイズに対する関心が高まるにつれて、 ナノインデンテーション 生体材料を使って行われている研究など、より小さな表面に関する重要な機械的情報を取得するための信頼できる方法を提供しました。生体材料に特に関連する課題には、非常に柔らかい材料から脆い材料に対する正確な荷重制御が可能な機械的試験の開発が必要でした。また、さまざまな機械的テストを実行するには複数の機器が必要でしたが、現在では単一のシステムで実行できるようになりました。ナノインデンテーションは、敏感な用途向けにナノ制御された荷重で正確な分解能で幅広い測定を提供します。
測定目的
このアプリケーションでは、ナノベア メカニカルテスターは、ナノインデンテーション モードで、歯の象牙質、虫歯、歯髄の硬度と弾性率を研究するために使用されます。ナノインデンテーション試験で最も重要な点は、サンプルを固定することです。ここでは、スライスした歯を採取し、エポキシを取り付けて、3 つの対象領域すべてを試験用に露出させておきました。
結果および考察
このセクションでは、異なる試料の主な数値結果を比較した要約表と、実施した各圧痕を含む完全な結果リストがあり、可能な場合は圧痕の顕微鏡写真も添えています。これらの全結果は、硬度とヤング率の測定値を押し込み深さとして、その平均値と標準偏差を表示しています。なお、表面粗さが圧痕と同じ大きさの範囲にある場合、結果に大きなばらつきが生じる可能性があることを考慮しておく必要がある。
主な数値結果のサマリー表。
結論
最後に、ナノインデンテーション・モードのナノベアメカニカルテスターで、歯の機械的特性を正確に測定する方法を紹介しました。このデータは、実際の歯の機械的特性によりよく適合する詰め物の開発に利用することができます。ナノベアメカニカルテスターの位置決め機能により、様々なゾーンに渡る歯の硬度の完全なマッピングが可能です。
同じシステムを使って、200Nまでの高荷重で歯の材料の破壊靭性をテストすることが可能です。多孔質材料では、マルチサイクル荷重試験で弾性残存率を評価することができます。平らな円柱状のダイヤモンドチップを使用することで、各ゾーンでの降伏強度の情報を得ることができます。また、DMA（Dynamic Mechanical Analysis）により、損失弾性率や貯蔵弾性率などの粘弾性特性を評価することができます。
ナノベアーのナノモジュールは、独自のフィードバック応答により、かかる荷重を正確に制御するため、こうした試験に最適です。このため、ナノモジュールを使用して正確なナノスクラッチ試験を行うことも可能です。歯材や充填材の耐スクラッチ性と耐摩耗性の研究は、メカニカルテスターの有用性をさらに高めています。2ミクロンの鋭い探針を使って充填材の傷を定量的に比較することで、実際のアプリケーションでの挙動をより正確に予測することが可能になります。マルチパス摩耗または直接回転摩耗試験も一般的な試験であり、長期的な生存率に関する重要な情報を提供します。
さて、次はアプリケーションについてです。
極低速域での摩擦評価
低速域での摩擦評価の重要性
摩擦とは、固体表面同士を滑らせて相対運動に抵抗させる力のことである。この2つの接触面の相対運動が起こると、界面での摩擦により運動エネルギーが熱に変換される。また、このようなプロセスは、材料の摩耗、ひいては使用中の部品の性能劣化につながる可能性がある。
ゴムは伸び率が大きく、弾力性に富み、防水性や耐摩耗性にも優れているため、自動車のタイヤやワイパーブレード、靴底など、摩擦が重要な役割を果たすさまざまな用途や製品に幅広く使用されている。これらの用途の性質や要求に応じて、異なる材料に対して高い摩擦と低い摩擦のどちらかが望まれる。そのため、さまざまな表面に対するゴムの摩擦を制御し、信頼性の高い方法で測定することが重要になります。
測定目的
さまざまな材料に対するゴムの摩擦係数 (COF) は、Nanovea を使用して制御および監視された方法で測定されます。 トライボメータ。この研究では、極低速でさまざまな材料の COF を測定する Nanovea トライボメーターの能力を紹介したいと思います。
結果および考察
3種類の材料（Stainless steel SS 316, Cu 110, optional Acrylic）に対するゴム球（φ6mm, RubberMill）の摩擦係数（COF）をNanovea Tribometerで評価した．試験した金属サンプルは、測定前に機械的に研磨し、鏡面仕上げとした。法線荷重を加えた際のゴム球のわずかな変形によって面積接触が生じ、COF測定に対する試料表面のアスペリティや不均一性の影響を軽減することもできます。試験パラメータを表 1 に示す。
4種類の速度で異なる素材に対してゴム球を衝突させたときのCOFを図2に示す。2 に、ソフトウェアによって自動的に計算された平均 COF をまとめ、図 3 で比較した。興味深いことに、金属試料（SS 316 と Cu 110）は、回転速度が 0.01 rpm という非常に低い値から 5 rpm まで上昇すると、COF が著しく増加することがわかります。この結果は、いくつかの研究室から報告されている結果と一致している。Groschが提案したように4 ゴムの摩擦は、主に（1）ゴムと他の材料の接着、（2）表面の凹凸によるゴムの変形によるエネルギー損失の2つのメカニズムで決定される。シャラマッハ5 軟質ゴム球と硬質表面との界面において，ゴムが相手材から剥離する波が観察された。ゴムが基材表面から剥離する力と剥離の波の速度から、試験中の異なる速度での摩擦の違いを説明することができる。
これに対し、ゴムとアクリルのカップルは、異なる回転数で高いCOFを示しました。回転速度が0.01 rpmから5 rpmまで上昇すると、COF値は1.02から1.09までわずかに上昇した。このような高いCOFは、おそらく試験中に形成された接触面の局所的な化学結合が強くなったことに起因しています。
結論
本研究では、ゴムが極低速で、硬い表面に対する摩擦が相対運動の速度が上がるにつれて大きくなるという特異な摩擦挙動を示すことを示した。ゴムは、異なる材料の上を滑るとき、異なる摩擦を示します。ナノベーストライボメータは、異なる速度で制御・監視された方法で材料の摩擦特性を評価することができ、ユーザーは材料の摩擦メカニズムの基本的な理解を深め、目標とするトライボロジー工学アプリケーションに最適な材料カップルを選択することが可能です。
ナノベーストライボメータは、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・摩擦試験と、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを1つの統合されたシステムで利用することが可能です。0.01 rpmまでの極めて低い速度で回転ステージを制御し、摩擦の変化をその場でモニターすることが可能です。ナノベアの比類なき製品群は、薄いまたは厚い、柔らかいまたは硬いコーティング、フィルム、および基材のトライボロジー特性をフルレンジで測定するための理想的なソリューションとなります。
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による応力緩和測定
はじめに
粘弾性材料は、粘性と弾性の両方の材料特性を持つことが特徴である。これらの材料は、一定のひずみで時間依存的に応力が減少（応力「緩和」）し、初期の接触力が大きく損なわれることになる。応力緩和は、材料の種類、組織、温度、初期応力、時間などに依存する。応力緩和を理解することは、特定の用途に必要な強度と柔軟性（緩和）を持つ最適な材料を選択する上で非常に重要である。
ストレス・リラクゼーション測定の重要性
ASTM E328i「材料および構造物の応力緩和の標準試験方法」に従い、材料や構造物に対して、最初に圧子を用いて所定の最大力に達するまで外力を加えておく。最大力に達した後、圧子の位置はその深さで一定に保たれます。そして、圧子の位置を維持するために必要な外力の変化を、時間の関数として測定する。応力緩和試験で難しいのは、深さを一定に保つことです。ナノベアメカニカルテスターの ナノインデンテーション モジュールは、圧電アクチュエーターによる深さの閉ループ（フィードバック）制御を適用することで、応力緩和を正確に測定します。アクチュエーターは深さを一定に保つためにリアルタイムで反応し、荷重の変化は高感度の荷重センサーによって測定・記録されます。この試験は、ほぼすべての種類の材料で実施することができ、厳しい試料寸法の要件は必要ありません。さらに、1つの平らな試料で複数の試験を行うことができ、試験の再現性を確保することができます。
測定目的
このアプリケーションでは、Nanovea Mechanical Tester のナノインデンテーション モジュールが、アクリルと銅のサンプルの応力緩和挙動を測定します。 Nanovea を紹介します。 メカニカルテスター は、ポリマーおよび金属材料の時間依存性の粘弾性挙動を評価するための理想的なツールです。
試験条件
Nanovea Mechanical Testerのナノインデンテーション・モジュールにより、アクリルと銅のサンプルの応力緩和を測定しました。1～10 μm/minの範囲でさまざまな圧痕の負荷速度が適用されました。目標の最大荷重に達すると、一定の深さで緩和が測定されました。一定の深さで100秒間の保持時間を設け、保持時間の経過に伴う荷重の変化を記録しました。試験はすべて周囲条件（室温23℃）で実施し、圧痕試験のパラメータは表1にまとめた。
結果および考察
図2 は、例としてアクリルサンプルと圧痕負荷速度3 µm/minの応力緩和測定中の変位と荷重の時間的変化を示しています。この試験の全体は、3つのステージに分けることができます。ローディング、リラクゼーション、アンローディングです。荷重ステージでは、荷重が徐々に増加するにつれて深さが直線的に増加しました。最大荷重に達すると、弛緩段階が開始されました。このステージでは、装置の閉ループ深度制御機能を使用して100秒間一定の深度を維持し、時間とともに荷重が減少することが観察されました。試験全体は、圧子をアクリル試料から取り外すための除荷ステージで終了しました。
さらに、同じ圧子負荷速度を用いて、緩和（クリープ）期間を除いた圧子試験を実施した。これらの試験から荷重-変位プロットを取得し、アクリルおよび銅の各試料について図3のグラフにまとめました。圧子負荷速度が10μm/minから1μm/minに減少するにつれて、荷重-変位曲線はアクリルと銅の両方でより高い浸透深度に向かって徐々にシフトしていきました。このような時間依存的なひずみの増加は、材料の粘弾性クリープ効果によるものである。低い負荷速度では、粘弾性材料が外部応力に反応し、それに応じて変形するまでの時間が長くなる。
図 4 に、試験した両材料について、異なる押込み荷重速度を用いた一定ひずみでの荷重の推移をプロットし た。荷重は、試験の緩和段階（100秒保持）の初期に高い割合で減少し、保持時間が〜50秒に達すると減速した。ポリマーや金属などの粘弾性材料は、より高い押込み荷重率を受けると、より大きな荷重損失率を示す。緩和時の荷重損失率は、圧子負荷速度が1～10μm/minに増加すると、アクリルでは51.5～103.2mN、銅では15.0～27.4mNに増加したことが、以下に要約されるようになります。 図5.
ASTM規格E328iiに記載されているように、応力緩和試験で遭遇する主な問題は、ひずみ／深さを一定に保つことができない装置であることです。ナノベアメカニカルテスターは、高速で作動する圧電アクチュエーターと独立したコンデンサーの深さセンサーの間で深さの閉ループ制御を行うことができるため、優れた精度の応力緩和測定が可能になっています。緩和の段階では、圧電アクチュエーターが圧子を調節して一定の深さの制約をリアルタイムで維持し、同時に独立した高精度荷重センサーによって荷重の変化が測定・記録されます。
まとめ
ナノベアメカニカルテスターのナノインデンテーション・モジュールを用いて、アクリルと銅のサンプルの応力緩和を、異なる荷重率で測定しました。低い荷重率で圧痕を形成すると、荷重時の材料のクリープ効果により、より大きな最大深さに到達します。アクリルおよび銅の両サンプルは、目標とする最大荷重における圧子位置を一定に保つと、応力緩和挙動を示します。緩和段階での荷重損失の大きな変化は、より高い圧子負荷率の試験で観察された。
ナノベアメカニカルテスターによる応力緩和試験は、ポリマーや金属材料の時間依存の粘弾性挙動を定量的かつ確実に測定できる装置であることを示します。このテスターは、単一プラットフォーム上にナノ・マイクロモジュールを搭載した、他に類を見ない多機能な装置です。湿度・温度制御モジュールを組み合わせることで、幅広い産業に適用可能な環境試験機能を実現します。ナノ・マイクロモジュールには、スクラッチ試験、硬さ試験、摩耗試験などのモードがあり、単一のシステムで最も幅広く、最も使いやすい機械的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。
スクラッチテストによる塗膜故障の把握
はじめに
材料の表面処理は、装飾的な外観から、摩耗、腐食、その他の攻撃から基材を保護することまで、さまざまな機能的用途において重要な役割を担っています。コーティングの品質と寿命を決定する重要な要素は、その凝集力と接着力である。
メカニカルテスターPB1000による類似サンプルのマルチスクラッチ自動化
はじめに :
コーティングは、その機能的な特性から、さまざまな産業で広く使用されています。硬度、耐侵食性、低摩擦性、高耐摩耗性など、コーティングが重要視される特性は数多くあります。これらの特性を数値化する方法として一般的に用いられているのがスクラッチ試験で、これによりコーティングの粘着性や凝集性を繰り返し測定することができます。破壊が起こる臨界荷重を比較することで、コーティングの本質的な特性を評価することができます。
バネ定数のナノメカニクス的特性評価
機械的なエネルギーを蓄えることができるバネの歴史は古く、狩猟のための弓からドアの鍵まで、バネの技術は何世紀にもわたって使われてきた。狩猟のための弓からドアの鍵まで、バネの技術は何世紀にもわたって存在してきました。現在では、マットレスやペン、自動車のサスペンションなど、私たちの生活に欠かせない存在として、バネに依存しています。このように用途や設計が多岐に渡るため、その機械的特性を定量的に把握する能力が必要とされます。
メカニカルブロードビュー地図選択ツール
時は金なり」という言葉を聞いたことがあると思います。多くの企業が、さまざまなプロセスを迅速化し、改善する方法を常に求めているのは、そのためです。ナノベアメカニカルテスターを使用すれば、圧痕試験に関して、スピード、効率、精度を品質管理または研究開発プロセスに組み込むことができます。このアプリケーションノートでは、ナノベアメカニカルテスターとブロードビューマップおよび選択ツールソフトウェアの機能を用いて、時間を節約する簡単な方法を紹介します。
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ナノインデンテーションDMAによるローカルスポットガラス転移測定
ナノインデンテーションDMAによるローカルスポットガラス転移測定
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バルク材が一定の速度で均一に加熱されるシナリオを想像してください。バルク材が加熱され、融点に近づくにつれて、その剛性は失われ始めます。同じ力で定期的に圧痕（硬さ試験）を行うと、試料が柔らかくなっているため、圧痕の深さは常に増しているはずです（図1参照）。これは、試料が溶け始めるまで続く。このとき、圧痕の深さが大きく増加することが確認される。このように、一定の振幅の力で振動させ、その変位を測定することにより、材料の相変化を観察することができる。
ガラス転移の精密な局所化について読む!
ナノインデンテーションによる応力緩和測定
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