PTFE 코팅 마모 테스트

트라이보미터 및 기계적 테스터 사용

작성자

DUANJIE LI, PhD

측정 목표

이 응용 분야에서 NANOVEA 트리보미터를 사용하여 선형 왕복 모드에서 논스틱 팬용 PTFE 코팅의 마모 과정을 시뮬레이션합니다.

나노비아 T50 컴팩트
자유 중량 트라이보미터

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또한 NANOVEA Mechanical Tester를 사용하여 PTFE 코팅 접착 실패의 임계 하중을 결정하기 위해 미세 스크래치 접착 테스트를 수행했습니다.

나노비아 PB1000 대형 플랫폼 기계 테스터

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결과 및 토론

트라이보미터를 사용한 선형 왕복 마모

현장에서 기록된 COF는 그림 1에 나와 있습니다. 테스트 샘플은 PTFE의 낮은 점착성으로 인해 처음 130회전 동안 ~0.18의 COF를 나타냈습니다. 그러나 코팅이 뚫리면서 COF가 ~1로 갑자기 증가하여 아래의 기판이 드러났습니다. 선형 왕복 시험 후 마모 트랙 프로파일은 NANOVEA를 사용하여 측정되었습니다. 비접촉식 광학 프로파일로미터, 그림 2와 같이 얻은 데이터에서 해당 마모율은 ~2.78 × 10-3mm3/Nm로 계산되었으며 마모 트랙의 깊이는 44.94μm로 결정되었습니다.

NANOVEA T50 트라이보미터의 PTFE 코팅 마모 테스트 설정.

그림 1: PTFE 코팅 마모 테스트 중 COF의 진화.

그림 2: 마모 트랙 PTFE의 프로파일 추출.

PTFE 돌파 전

최대 COF	0.217
최소 COF	0.125
평균 COF	0.177

획기적인 후 PTFE

최대 COF	0.217
최소 COF	0.125
평균 COF	0.177

표 1: 마모 테스트 중 돌파 전후의 COF.

결과 및 토론

MECHANICAL TESTER를 이용한 미세스크래치 접착력 시험

기판에 대한 PTFE 코팅의 접착력은 200µm 다이아몬드 스타일러스로 스크래치 테스트를 사용하여 측정됩니다. 현미경 사진은 그림 3 및 그림 4, COF의 진화 및 그림 5의 침투 깊이에 나와 있습니다. PTFE 코팅 스크래치 테스트 결과는 표 4에 요약되어 있습니다. 다이아몬드 스타일러스에 대한 부하가 증가함에 따라 점차적으로 코팅에 침투했습니다. 결과적으로 COF가 증가합니다. ~8.5N의 하중에 도달했을 때 코팅의 돌파와 기판의 노출이 고압에서 발생하여 ~0.3의 높은 COF를 초래했습니다. 표 2에 표시된 낮은 St Dev는 NANOVEA 기계적 테스터를 사용하여 수행된 PTFE 코팅 스크래치 테스트의 반복성을 보여줍니다.

그림 3: PTFE(10X)의 전체 스크래치 현미경 사진.

그림 4: PTFE(10X)의 전체 스크래치 현미경 사진.

그림 5: PTFE에 대한 임계 실패 지점의 선을 보여주는 마찰 그래프.

스크래치	실패 지점 [N]	마찰력 [N]	COF
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
평균	8.52	2.47	0.297
세인트 데브	0.17	0.16	0.012

표 2: 스크래치 테스트 중 임계 하중, 마찰력 및 COF 요약.

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폴리머 벨트

트라이보미터를 사용한 마모 및 마찰

작성자

DUANJIE LI, PhD

측정 목표

이 연구에서는 다양한 표면 질감을 가진 벨트의 마모 거동을 시뮬레이션하여 비교했습니다. 나노비아 T2000 트라이보미터는 벨트의 마모 과정을 제어 및 모니터링하는 방식으로 시뮬레이션합니다.

나노비아

T2000

자세히 알아보기

그림 1 은 마모 테스트 중 벨트의 COF 변화를 보여줍니다. 텍스처가 다른 벨트는 상당히 다른 마모 거동을 보입니다. 흥미로운 점은 COF가 점진적으로 증가하는 런인 기간이 지나면 텍스처 벨트는 10N 및 100N의 하중을 사용하여 수행한 두 테스트 모두에서 ~0.5의 낮은 COF에 도달한다는 것입니다. 이에 비해 10N의 하중으로 테스트한 스무스 벨트는 COF가 안정될 때 ~1.4의 상당히 높은 COF를 나타내며 나머지 테스트 동안 이 값 이상을 유지한다는 것입니다. 100N의 하중을 가하여 테스트한 스무스 벨트는 강철 440 볼에 의해 빠르게 마모되어 큰 마모 트랙을 형성했습니다. 따라서 테스트는 220 회전에서 중단되었습니다.

그림 1: 다양한 하중에서 벨트의 COF의 진화.

그림 2는 100N에서 테스트 후 3D 마모 트랙 이미지를 비교한 것입니다. 나노베아 3D 비접촉식 프로파일로미터는 마모 트랙의 상세한 형태를 분석할 수 있는 도구를 제공하여 마모 메커니즘에 대한 근본적인 이해에 더 많은 통찰력을 제공합니다.

표 1: 마모 트랙 분석 결과.

그림 2:  두 벨트의 3D 보기
100N에서 테스트한 후

그림 3:  광학 현미경으로 트랙을 착용합니다.

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피스톤 마모 시험NANOVEA 트리보미터 사용

작성자

프랭크 리우

피스톤 마모 시험이란 무엇인가?

피스톤 마모 시험은 통제된 실험실 조건 하에서 피스톤 스커트와 실린더 라이너 사이의 마찰, 윤활 및 재료 내구성을 평가합니다. 사용된 트라이보미터, 엔지니어들은 실제 왕복 운동을 재현하고 마찰 계수, 마모율 및 3D 표면 지형을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이러한 결과는 엔진 피스톤에 사용되는 코팅, 윤활제 및 합금의 마찰학적 거동에 대한 핵심적인 통찰력을 제공하여 성능, 연비 및 장기적 신뢰성을 최적화하는 데 기여합니다.

 파워 실린더 시스템 및 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 인터페이스의 개략도.

나노베아 T2000 트라이보미터의 액체 모듈

드롭 바이 드롭 모듈은 이 연구에서 매우 중요합니다. 피스톤은 매우 빠른 속도(3000rpm 이상)로 움직일 수 있기 때문에 시료를 담가서 윤활유의 얇은 막을 만드는 것이 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 드롭 바이 드롭 모듈은 피스톤 스커트 표면에 일정한 양의 윤활제를 일관되게 도포할 수 있습니다.

또한 새로운 윤활유를 바르면 윤활유의 특성에 영향을 미치는 마모 오염 물질이 제거될 염려가 없습니다.

마찰계가 어떻게 시뮬레이션하는가
실제 피스톤-라이너 마모

본 보고서에서는 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 간의 접촉면을 연구할 것이다. 해당 접촉면은 선형 왕복 운동을 수행함으로써 재현될 것이다. 내구성 시험 방울방울 윤활제 모듈과 함께.

윤활유를 실온 및 가열 조건에서 도포하여 콜드 스타트와 최적의 작동 조건을 비교합니다. COF와 마모율을 관찰하여 실제 애플리케이션에서 인터페이스가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해할 수 있습니다.

나노비아 T2000
고부하 트라이보미터

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본 실험에서는 A5052를 대조 재료로 사용하였다. 엔진 블록은 일반적으로 A356과 같은 주조 알루미늄으로 제작되지만, 본 시뮬레이션 테스트에서는 A5052가 A356과 유사한 기계적 특성을 나타낸다[1].

실험 조건 하에서 실온에서는 90°C에 비해 피스톤 스커트에 상당한 마모가 관찰되었다. 시편에서 확인된 깊은 스크래치는 정적 재료와 피스톤 스커트 간의 접촉이 시험 전반에 걸쳐 빈번하게 발생했음을 시사한다. 실온에서의 높은 점도는 오일이 계면 간극을 완전히 채우는 것을 방해하여 금속-금속 접촉을 유발할 수 있다. 온도가 상승하면 오일이 묽어져 핀과 피스톤 사이로 유입될 수 있습니다. 그 결과 고온에서는 현저히 적은 마모가 관찰됩니다. 그림 5는 마모 흔적의 한쪽 면이 다른 쪽보다 훨씬 덜 마모된 모습을 보여줍니다. 이는 오일 배출 위치 때문일 가능성이 높습니다. 윤활유 막 두께가 한쪽 면에서 더 두꺼워 불균일한 마모가 발생했습니다.

[1] “5052 알루미늄 대 356.0 알루미늄.” MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

선형 왕복 마찰 테스트의 COF는 하이패스와 로우패스로 나눌 수 있습니다. 하이 패스는 샘플이 정방향 또는 양의 방향으로 이동하는 것을 의미하고 로우 패스는 샘플이 역방향 또는 음의 방향으로 이동하는 것을 의미합니다. RT 오일의 평균 COF는 두 방향 모두 0.1 미만인 것으로 관찰되었습니다. 패스 간 평균 COF는 0.072와 0.080이었습니다. 90°C 오일의 평균 COF는 패스마다 다른 것으로 나타났습니다. 평균 COF 값은 0.167과 0.09로 관찰되었습니다. COF의 차이는 오일이 핀의 한쪽 면만 제대로 적실 수 있었다는 추가적인 증거를 제공합니다. 유체 역학적 윤활이 발생하여 핀과 피스톤 스커트 사이에 두꺼운 막이 형성되었을 때 높은 COF를 얻을 수 있었습니다. 혼합 윤활이 발생하면 다른 방향에서 낮은 COF가 관찰됩니다. 유체 역학 윤활 및 혼합 윤활에 대한 자세한 내용은 다음 애플리케이션 노트를 참조하십시오. 스트라이벡 커브.

표 1: 피스톤의 윤활 마모 테스트 결과.

그림 1: 상온 오일 마모 테스트용 COF 그래프 A 원시 프로파일 B 하이 패스 C 로우 패스.

그림 2: 90°C 마모 오일 테스트의 COF 그래프 A 원시 프로파일 B 하이 패스 C 로우 패스.

그림 3: RT 모터 오일 마모 테스트의 마모 흉터 광학 이미지.

그림 4: RT 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터의 구멍 분석 부피.

그림 5: RT 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터의 프로파일 측정 스캔.

그림 6: 90°C 모터 오일 마모 테스트의 마모 흉터 광학 이미지

그림 7: 90°C 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터의 구멍 분석 부피.

그림 8: 90°C 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터에 대한 프로파일 측정 스캔.

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프레팅 마모 평가

작성자:

Duanjie Li, PhD

개정자

조슬린 에스파르자

소개

프레팅은 "하중을 받고 진동이나 기타 힘에 의해 미세한 상대 운동을 받는 두 재료 사이의 접촉 영역에서 발생하는 특수 마모 과정"입니다. 기계가 작동 중일 때 볼트로 고정되거나 고정된 조인트, 움직이지 않으려는 구성 요소 사이, 진동하는 커플링과 베어링에서 진동이 필연적으로 발생합니다. 이러한 상대적인 슬라이딩 동작의 진폭은 종종 마이크로미터에서 밀리미터 정도입니다. 이러한 반복적인 저진폭 동작은 표면에서 심각한 국부적인 기계적 마모와 재료 이동을 유발하여 생산 효율성, 기계 성능을 저하시키거나 심지어 기계에 손상을 입힐 수 있습니다.

정량적 지표의 중요성
프레팅 마모 평가

프레팅 마모는 종종 2체 마모, 접착 및/또는 프레팅 피로 마모를 포함하여 접촉 표면에서 발생하는 여러 복잡한 마모 메커니즘을 포함합니다. 프레팅 마모 메커니즘을 이해하고 프레팅 마모 보호를 위한 최상의 재료를 선택하려면 신뢰할 수 있고 정량적인 프레팅 마모 평가가 필요합니다. 프레팅 마모 거동은 변위 진폭, 정상 하중, 부식, 온도, 습도 및 윤활과 같은 작업 환경에 의해 크게 영향을 받습니다. 다재다능한 트라이보미터 다양한 현실적인 작업 조건을 시뮬레이션할 수 있는 것은 프레팅 마모 평가에 이상적입니다.

스티븐 R. 램프만, ASM 핸드북: 19권: 피로와 골절
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear

측정 목표

이 연구에서는 다양한 진동 속도와 온도에서 스테인리스 스틸 SS304 샘플의 프레팅 마모 거동을 평가하여 다음과 같은 성능을 보여주었습니다. 나노비아 T50 트라이보미터는 금속의 프레팅 마모 과정을 잘 제어하고 모니터링하는 방식으로 시뮬레이션합니다.

나노비아

T50

테스트 조건

스테인리스 스틸 SS304 샘플의 프레팅 내마모성은 다음과 같이 평가되었습니다. 나노비아 선형 왕복 마모 모듈을 사용한 트라이보미터. 카운터 재료로는 WC(직경 6mm) 볼이 사용되었습니다. 마모 트랙은 다음을 사용하여 검사했습니다. 나노비아 3D 비접촉식 프로파일러. 

프레팅 테스트는 실온(RT)과 200°C에서 수행되었습니다. °C에서 고온이 SS304 샘플의 프레팅 내마모성에 미치는 영향을 연구했습니다. 샘플 스테이지의 가열판은 프레팅 테스트 중에 샘플을 200°C에서 가열했습니다. °C. 마모율입니다, K는 다음 공식을 사용하여 평가되었습니다. K=V/(F×s)여기서 V 는 착용한 볼륨입니다, F 는 정상 부하이고 s 는 슬라이딩 거리입니다.

이 연구에서는 카운터 재료로 WC 볼을 예로 사용했습니다. 실제 적용 상황을 시뮬레이션하기 위해 맞춤형 픽스처를 사용하여 모양과 표면 마감이 다른 모든 고체 소재를 적용할 수 있습니다.

테스트 매개변수

마모 측정값의

결과 및 토론

3D 마모 트랙 프로파일을 사용하면 다음과 같이 계산된 마모 트랙 체적 손실을 직접적이고 정확하게 측정할 수 있습니다. 나노비아 산악 분석 소프트웨어. 

100rpm의 저속 및 실온에서 왕복 마모 테스트 결과 0.014mm의 작은 마모 트랙이 나타났습니다.³. 이에 비해 1000rpm의 고속에서 수행된 프레팅 마모 테스트는 0.12mm의 부피로 상당히 큰 마모 트랙을 생성합니다.³. 이러한 가속 마모 과정은 프레팅 마모 테스트 중에 발생하는 고열과 강한 진동으로 인해 금속 파편의 산화를 촉진하고 심각한 삼체 마모가 발생하기 때문일 수 있습니다. 200°C의 고온에서 프레팅 마모 테스트를 진행합니다. °C는 0.27mm의 더 큰 마모 트랙을 형성합니다.³.

1000rpm에서 프레팅 마모 테스트의 마모율은 1.5×10입니다.^-4 mm³/Nm으로, 이는 100rpm에서 왕복 마모 테스트의 마모 속도에 비해 거의 9배에 달하는 수치입니다. 고온에서의 프레팅 마모 테스트는 마모 속도를 3.4×10으로 더욱 가속화합니다.^-4 mm³/Nm. 다양한 속도와 온도에서 측정된 내마모성의 현저한 차이는 실제 적용을 위해 프레팅 마모에 대한 적절한 시뮬레이션이 중요하다는 것을 보여줍니다.

트라이보시스템에 테스트 조건의 작은 변화가 도입되면 마모 거동이 크게 달라질 수 있습니다. 다재다능한 나노비아 트라이보미터는 고온, 윤활, 부식 등 다양한 조건에서 마모를 측정할 수 있습니다. 고급 모터에 의한 정확한 속도 및 위치 제어를 통해 사용자는 0.001 ~ 5000rpm 범위의 속도에서 마모 테스트를 수행할 수 있으므로 다양한 마찰 조건에서 프레팅 마모를 조사하는 연구/테스트 실험실에 이상적인 도구입니다.

다양한 조건에서의 프레팅 마모 트랙

광학 현미경으로

3D 웨어 트랙 프로필

근본적인 이해에 대한 더 많은 인사이트 제공
프레팅 마모 메커니즘의

결론

이 연구에서는 다음과 같은 역량을 보여주었습니다. 나노비아 스테인리스 스틸 SS304 시료의 프레팅 마모 거동을 잘 제어되고 정량적인 방식으로 평가하는 트라이보미터입니다. 

테스트 속도와 온도는 소재의 프레팅 내마모성에 중요한 역할을 합니다. 프레팅 중 높은 열과 강한 진동으로 인해 SS304 샘플의 마모 속도가 9배 가까이 빨라졌습니다. 200°C의 높은 온도 °C는 마모율을 3.4×10으로 더욱 증가시켰습니다.^-4 mm³/Nm. 

다재다능한 나노비아 트라이보미터는 고온, 윤활, 부식 등 다양한 조건에서 프렛팅 마모를 측정하는 데 이상적인 도구입니다.

나노비아 트라이보미터는 ISO 및 ASTM을 준수하는 회전 및 선형 모드를 사용하여 정밀하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 고온 마모, 윤활 및 트리보 부식 모듈을 하나의 사전 통합된 시스템에서 옵션으로 사용할 수 있습니다. 당사의 독보적인 제품군은 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 전체 범위의 마찰 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

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소개

볼 베어링은 볼을 사용하여 회전 마찰을 줄이고 반경방향 및 축방향 하중을 지원합니다. 베어링 레이스 사이의 롤링 볼은 서로 미끄러지는 두 개의 평평한 표면에 비해 훨씬 낮은 마찰 계수(COF)를 생성합니다. 볼 베어링은 종종 높은 접촉 응력 수준, 마모 및 고온과 같은 극한 환경 조건에 노출됩니다. 따라서 높은 하중과 극한 환경 조건에서 볼의 내마모성은 볼 베어링의 수명을 연장하고 수리 및 교체에 드는 비용과 시간을 줄이는 데 중요합니다.
볼 베어링은 움직이는 부품과 관련된 거의 모든 응용 분야에서 찾을 수 있습니다. 이는 항공우주, 자동차 등 운송 산업뿐만 아니라 피젯 스피너 및 스케이트보드와 같은 품목을 제조하는 장난감 산업에서도 일반적으로 사용됩니다.

높은 하중에서의 볼 베어링 마모 평가

볼 베어링은 광범위한 재료 목록으로 만들 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 재료는 스테인리스강과 크롬강 같은 금속이나 텅스텐 카바이드(WC), 실리콘 질화물(Si3n4) 같은 세라믹 사이입니다. 제조된 볼 베어링이 해당 응용 분야의 조건에 이상적으로 요구되는 내마모성을 갖도록 보장하려면 높은 하중에서 신뢰할 수 있는 마찰 공학 평가가 필요합니다. 마찰 공학 테스트는 제어 및 모니터링 방식으로 다양한 볼 베어링의 마모 동작을 정량화하고 대조하여 대상 응용 분야에 가장 적합한 후보를 선택하는 데 도움이 됩니다.

측정 목표

이번 연구에서는 Nanovea를 선보입니다. 트라이보미터 높은 하중에서 다양한 볼 베어링의 내마모성을 비교하기 위한 이상적인 도구입니다.

그림 1: 베어링 테스트 설정.

테스트 절차

다양한 재료로 만들어진 볼 베어링의 마찰 계수, COF 및 내마모성은 Nanovea Tribometer를 사용하여 평가되었습니다. 카운터 재료로는 P100 그릿 사포를 사용했습니다. 볼 베어링의 마모 흔적은 다음을 사용하여 검사되었습니다. 나노베아 마모 테스트가 완료된 후의 3D 비접촉 프로파일러. 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 마모율, K는 다음 공식을 사용하여 평가되었습니다. K=V/(F×s)여기서 V 는 착용한 볼륨입니다, F 는 정상 부하이고 s 슬라이딩 거리입니다. 볼 마모 흉터는 나노베아 3D 비접촉 프로파일러는 정확한 마모량 측정을 보장합니다.
자동화된 전동 방사형 위치 지정 기능을 통해 마찰계는 테스트 기간 동안 마모 트랙의 반경을 줄일 수 있습니다. 이 테스트 모드를 나선형 테스트라고 하며 볼 베어링이 항상 사포의 새 표면에서 미끄러지는지 확인합니다(그림 2). 이는 볼의 내마모성 테스트의 반복성을 크게 향상시킵니다. 내부 속도 제어를 위한 고급 20비트 인코더와 외부 위치 제어를 위한 16비트 인코더는 정밀한 실시간 속도 및 위치 정보를 제공하여 회전 속도를 지속적으로 조정하여 접점에서 일정한 선형 슬라이딩 속도를 달성할 수 있습니다.
본 연구에서는 다양한 볼 재료 간의 마모 거동을 단순화하기 위해 P100 Grit 사포를 사용했으며 다른 재료 표면으로 대체할 수 있습니다. 액체 또는 윤활제와 같은 실제 적용 조건에서 다양한 재료 커플링의 성능을 시뮬레이션하기 위해 모든 고체 재료를 대체할 수 있습니다.

그림 2: 사포 위의 볼 베어링에 대한 나선형 패스 그림.

표 1: 마모 측정의 테스트 매개변수.

결과 및 토론

마모율은 볼 베어링의 수명을 결정하는 중요한 요소이며, 베어링 성능과 효율성을 향상시키려면 낮은 COF가 바람직합니다. 그림 3은 테스트 중 사포에 대한 다양한 볼 베어링의 COF 변화를 비교합니다. Cr 강철 볼은 SS440 및 Al2O3 볼 베어링의 ~0.32 및 ~0.28에 비해 마모 테스트 중 ~0.4의 증가된 COF를 나타냅니다. 반면, WC 볼은 마모 테스트 전반에 걸쳐 ~0.2의 일정한 COF를 나타냅니다. 거친 사포 표면에 대한 볼 베어링의 슬라이딩 움직임으로 인해 발생하는 진동으로 인해 각 테스트 전반에 걸쳐 관찰 가능한 COF 변화를 볼 수 있습니다.

그림 3: 마모 테스트 중 COF의 진화.

그림 4와 그림 5는 각각 광학현미경과 Nanovea 비접촉 광학 프로파일러로 측정한 후 볼 베어링의 마모 흔적을 비교하고 있으며, 표 2는 마모 추적 분석 결과를 요약한 것입니다. Nanovea 3D 프로파일러는 볼 베어링의 마모량을 정확하게 결정하여 다양한 볼 베어링의 마모율을 계산하고 비교할 수 있습니다. Cr강과 SS440 볼은 마모 테스트 후 세라믹 볼, 즉 Al2O3 및 WC에 비해 훨씬 더 큰 편평한 마모 흉터를 나타내는 것을 볼 수 있습니다. Cr 강철 및 SS440 볼은 각각 3.7×10-3 및 3.2×10-3 m3/N·m의 유사한 마모율을 갖습니다. 이에 비해 Al2O3 볼은 7.2×10-4m3/Nm의 마모율로 향상된 내마모성을 나타냅니다. WC 볼은 얕은 마모 트랙 영역에서 작은 긁힘을 거의 나타내지 않아 마모율이 3.3×10-6mm3/Nm로 크게 감소했습니다.

그림 4: 테스트 후 볼 베어링의 마모 흉터.

그림 5: 볼 베어링 마모 흉터의 3D 형태.

표 2: 볼 베어링의 마모 흉터 분석.

그림 6은 4개의 볼 베어링에 의해 사포에 생성된 마모 트랙의 현미경 이미지를 보여줍니다. WC 볼이 가장 심각한 마모 트랙(경로에 있는 거의 모든 모래 입자 제거)을 생성하고 최고의 내마모성을 갖고 있다는 것이 분명합니다. 이에 비해 Cr Steel과 SS440 볼은 샌드 페이퍼의 마모 트랙에 많은 양의 금속 파편을 남겼습니다.
이러한 관찰은 나선형 테스트의 이점의 중요성을 더욱 입증합니다. 이는 볼 베어링이 항상 사포의 새로운 표면에서 미끄러지도록 보장하여 내마모성 테스트의 반복성을 크게 향상시킵니다.

그림 6: 다양한 볼 베어링에 대해 사포 위의 트랙을 마모시킵니다.

결론

고압에서 볼 베어링의 내마모성은 서비스 성능에 중요한 역할을 합니다. 세라믹 볼 베어링은 높은 응력 조건에서 내마모성이 크게 향상되었으며 베어링 수리 또는 교체로 인한 시간과 비용을 줄여줍니다. 본 연구에서 WC 볼 베어링은 강철 베어링에 비해 훨씬 더 높은 내마모성을 나타내므로 심각한 마모가 발생하는 베어링 응용 분야에 이상적인 후보입니다.
Nanovea 트라이보미터는 최대 2000N의 부하에 대한 높은 토크 성능과 0.01~15,000rpm의 회전 속도에 대해 정밀하고 제어되는 모터로 설계되었습니다. ISO 및 ASTM 준수 회전 및 선형 모드를 사용하여 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 사전 통합된 하나의 시스템에서 선택적으로 고온 마모 및 윤활 모듈을 사용할 수 있습니다. 이 비교할 수 없는 범위를 통해 사용자는 높은 응력, 마모 및 고온 등을 포함한 볼 베어링의 다양한 가혹한 작업 환경을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 높은 하중에서 우수한 내마모성 재료의 마찰학적 거동을 정량적으로 평가하는 이상적인 도구 역할을 합니다.
Nanovea 3D 비접촉 프로파일러는 정확한 마모량 측정을 제공하고 마모 트랙의 상세한 형태를 분석하는 도구 역할을 하여 마모 메커니즘에 대한 근본적인 이해에 대한 추가 통찰력을 제공합니다.

작성자
Duanjie Li, PhD, 조나단 토마스, 피에르 르루

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구리선의 마모 및 스크래치 평가의 중요성

구리는 전자석과 전신이 발명된 이래 전기 배선에 사용된 오랜 역사를 가지고 있습니다. 구리선은 내식성, 납땜성, 최대 150°C의 고온에서의 성능 덕분에 패널, 계량기, 컴퓨터, 업무용 기계 및 가전제품과 같은 다양한 전자 장비에 적용됩니다. 채굴된 구리의 약 절반이 전선 및 케이블 도체 제조에 사용됩니다.

구리선 표면 품질은 애플리케이션 서비스 성능과 수명에 매우 중요합니다. 전선의 미세한 결함은 과도한 마모, 균열 시작 및 전파, 전도도 감소, 납땜성 부적합으로 이어질 수 있습니다. 구리선의 적절한 표면 처리는 와이어 드로잉 중에 발생하는 표면 결함을 제거하여 부식, 스크래치 및 내마모성을 개선합니다. 구리선을 사용하는 많은 항공우주 애플리케이션은 예기치 않은 장비 고장을 방지하기 위해 제어된 동작이 필요합니다. 구리선 표면의 내마모성과 내스크래치성을 적절히 평가하기 위해서는 정량화되고 신뢰할 수 있는 측정이 필요합니다.

 

 

 

측정 목표

이 애플리케이션에서는 다양한 구리선 표면 처리의 제어된 마모 프로세스를 시뮬레이션합니다. 스크래치 테스트 처리된 표면층에 파손을 일으키는 데 필요한 하중을 측정합니다. 이번 연구에서는 Nanovea를 소개합니다. 트라이보미터 그리고 기계 테스터 전선의 평가 및 품질 관리를 위한 이상적인 도구입니다.

 

 

테스트 절차 및 방법

구리 와이어(와이어 A 및 와이어 B)에 대한 두 가지 다른 표면 처리의 마찰 계수(COF)와 내마모성은 선형 왕복 마모 모듈을 사용하는 Nanovea 마찰계로 평가되었습니다. Al2O₃ 볼(직경 6mm)이 이 응용 분야에 사용되는 카운터 재료입니다. 마모 트랙은 Nanovea를 사용하여 검사되었습니다. 3D 비접촉 프로파일로미터. 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.

이 연구에서는 카운터 재료로 매끄러운 Al₂O₃ 볼을 예로 사용했습니다. 실제 적용 상황을 시뮬레이션하기 위해 맞춤형 픽스처를 사용하여 모양과 표면 마감이 다른 모든 고체 소재를 적용할 수 있습니다.

 

 

로크웰 C 다이아몬드 스타일러스(반경 100μm)가 장착된 나노베아의 기계식 테스터는 마이크로 스크래치 모드를 사용하여 코팅된 전선에 대해 프로그레시브 하중 스크래치 테스트를 수행했습니다. 스크래치 테스트 파라미터와 팁 형상은 표 2에 나와 있습니다.

 

 

 

 

결과 및 토론

구리선의 마모:

그림 2는 마모 테스트 중 구리선의 COF 변화를 보여줍니다. 와이어 A는 마모 테스트 내내 ~0.4의 안정적인 COF를 보이는 반면, 와이어 B는 처음 100회전 동안 ~0.35의 COF를 보이다가 점차 ~0.4까지 증가합니다.

 

그림 3은 테스트 후 구리선의 마모 트랙을 비교한 것입니다. 나노비아의 3D 비접촉식 프로파일로미터는 마모 트랙의 세부적인 형태에 대한 탁월한 분석을 제공했습니다. 마모 메커니즘에 대한 근본적인 이해를 제공함으로써 마모 트랙의 양을 직접적이고 정확하게 측정할 수 있습니다. 와이어 B의 표면은 600회 회전 마모 테스트 후 상당한 마모 트랙 손상을 입었습니다. 프로파일로미터 3D 뷰는 와이어 B의 표면 처리층이 완전히 제거되어 마모 과정이 상당히 빨라진 것을 보여줍니다. 이로 인해 구리 기판이 노출된 와이어 B에 평평한 마모 트랙이 남았습니다. 이로 인해 B 와이어가 사용되는 전기 장비의 수명이 크게 단축될 수 있습니다. 이에 비해 전선 A는 표면에 얕은 마모 트랙이 나타나 비교적 가벼운 마모를 보였습니다. 전선 A의 표면 처리된 층은 동일한 조건에서 전선 B의 층처럼 제거되지 않았습니다.

구리선 표면의 스크래치 방지:

그림 4는 테스트 후 전선의 스크래치 트랙을 보여줍니다. 전선 A의 보호층은 매우 우수한 스크래치 저항성을 보여줍니다. 이 전선은 ~12.6N의 하중에서 박리된 반면, B 전선의 보호층은 ~1.0N의 하중에서 박리되었습니다. 이러한 전선의 스크래치 저항성에 대한 상당한 차이는 전선 A의 내마모성이 상당히 향상된 마모 성능에 영향을 미칩니다. 그림 5에 표시된 스크래치 테스트 중 정상 힘, COF 및 깊이의 변화는 테스트 중 코팅 실패에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다.

결론

이 대조 연구에서는 표면 처리된 구리선의 내마모성을 정량적으로 평가하는 나노베아의 트라이보미터와 구리선의 스크래치 저항성을 신뢰성 있게 평가하는 나노베아의 기계식 테스터를 선보였습니다. 와이어 표면 처리는 와이어의 수명 동안 트라이보-기계적 특성에 중요한 역할을 합니다. 와이어 A의 적절한 표면 처리는 거친 환경에서 전선의 성능과 수명에 중요한 마모 및 긁힘 저항성을 크게 향상시킵니다.

나노베아의 트라이보미터는 ISO 및 ASTM을 준수하는 회전 및 선형 모드를 사용하여 정밀하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 하나의 사전 통합된 시스템에서 고온 마모, 윤활 및 트리보 부식 모듈을 옵션으로 사용할 수 있습니다. 나노비아의 독보적인 제품군은 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 모든 마찰 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

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습도에서의 DLC 마모 평가의 중요성

DLC(다이아몬드 유사 탄소) 코팅은 향상된 마찰 특성, 즉 뛰어난 내마모성과 매우 낮은 마찰 계수(COF)를 가지고 있습니다. DLC 코팅은 다양한 재료에 증착될 때 다이아몬드 특성을 부여합니다. 유리한 마찰 기계적 특성으로 인해 DLC 코팅은 항공우주 부품, 면도날, 금속 절단 도구, 베어링, 오토바이 엔진 및 의료용 임플란트와 같은 다양한 산업 응용 분야에서 선호됩니다.

DLC 코팅은 고진공 및 건조한 조건에서 강철 볼에 대해 매우 낮은 COF(0.1 미만)를 나타냅니다.¹². 그러나 DLC 코팅은 환경 조건 변화, 특히 상대 습도(RH)에 민감합니다.³. 습도 및 산소 농도가 높은 환경에서는 COF가 크게 증가할 수 있습니다.⁴. 제어된 습도에서 신뢰할 수 있는 마모 평가는 마찰 공학 응용 분야를 위한 DLC 코팅의 현실적인 환경 조건을 시뮬레이션합니다. 사용자는 적절한 비교를 통해 대상 응용 분야에 가장 적합한 DLC 코팅을 선택합니다.
다양한 습도에 노출된 DLC 마모 행동.

측정 목표

이번 연구에서는 Nanovea를 소개합니다. 트라이보미터 습도 컨트롤러가 장착된 습도 컨트롤러는 다양한 상대 습도에서 DLC 코팅의 마모 거동을 조사하는 데 이상적인 도구입니다.

 

 

테스트 절차

DLC 코팅의 마찰 및 내마모성은 Nanovea Tribometer를 사용하여 평가되었습니다. 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 마찰 챔버에 부착된 습도 컨트롤러는 ±1%의 정확도로 상대 습도(RH)를 정밀하게 제어했습니다. 테스트 후 광학 현미경을 사용하여 DLC 코팅의 마모 트랙과 SiN 볼의 마모 흉터를 검사했습니다.

참고: 윤활유 또는 고온과 같은 환경 조건에서 다양한 재료 커플링의 성능을 시뮬레이션하기 위해 모든 솔리드 볼 재료를 적용할 수 있습니다.

결과 및 토론

DLC 코팅은 마찰이 적고 내마모성이 우수하기 때문에 마찰 응용 분야에 적합합니다. DLC 코팅 마찰은 그림 2와 같이 습도에 따른 거동을 나타냅니다. DLC 코팅은 상대적으로 건조한 조건(10% RH)에서 마모 테스트 전반에 걸쳐 ~0.05의 매우 낮은 COF를 보여줍니다. DLC 코팅은 RH가 30%로 증가함에 따라 테스트 중에 ~0.1의 일정한 COF를 나타냅니다. COF의 초기 런인 단계는 RH가 50% 이상으로 상승하는 첫 2000 회전에서 관찰됩니다. DLC 코팅은 50, 70 및 90%의 RH에서 각각 ~0.20, ~0.26 및 ~0.33의 최대 COF를 보여줍니다. 런인 기간 이후, DLC 코팅 COF는 50, 70 및 90%의 RH에서 각각 ~0.11, 0.13 및 0.20으로 일정하게 유지됩니다.

 

그림 3은 SiN 볼 마모 흉터를 비교한 것이고, 그림 4는 마모 테스트 후 DLC 코팅 마모 트랙을 비교한 것입니다. 습도가 낮은 환경에 노출되었을 때 마모 흉터의 직경이 더 작았습니다. 접촉면에서의 반복적인 슬라이딩 과정에서 SiN 볼 표면에 전사 DLC 층이 축적됩니다. 이 단계에서 DLC 코팅은 상대 운동을 촉진하고 전단 변형으로 인한 추가 질량 손실을 억제하는 효율적인 윤활제 역할을 하는 자체 전사 층에 대해 미끄러집니다. 낮은 RH 환경(예: 10% 및 30%)에서 SiN 볼의 마모 흉터에서 전사막이 관찰되며, 그 결과 볼의 마모 과정이 느려집니다. 이 마모 과정은 그림 4에 표시된 것처럼 DLC 코팅의 마모 트랙 형태에 반영됩니다. DLC 코팅은 접촉 인터페이스에 안정적인 DLC 전사 필름이 형성되어 마찰과 마모 속도를 크게 줄여주기 때문에 건조한 환경에서 더 작은 마모 트랙을 나타냅니다.

 

결론

습도는 DLC 코팅의 마찰 성능에 중요한 역할을 합니다. DLC 코팅은 슬라이딩 대응물(이 연구에서는 SiN 볼)에 전사된 안정적인 흑연 층의 형성으로 인해 건조 조건에서 크게 향상된 내마모성과 탁월한 낮은 마찰력을 보유합니다. DLC 코팅은 자체 전달층에 대해 미끄러지며, 이는 상대 운동을 촉진하고 전단 변형으로 인한 추가 질량 손실을 억제하는 효율적인 윤활제 역할을 합니다. 상대 습도가 증가하면 SiN 볼에서 필름이 관찰되지 않아 SiN 볼과 DLC 코팅의 마모율이 증가합니다.

Nanovea 마찰계는 ISO 및 ASTM 준수 회전 및 선형 모드를 사용하여 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 하나의 사전 통합 시스템에서 사용 가능한 습도 모듈 옵션을 제공합니다. 이를 통해 사용자는 다양한 습도에서 작업 환경을 시뮬레이션할 수 있으며 다양한 작업 조건에서 재료의 마찰학적 거동을 정량적으로 평가할 수 있는 이상적인 도구를 제공합니다.

나노베아 트라이보미터 및 실험실 서비스에 대해 자세히 알아보기

1 C. 도넷, 서핑. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.

2 K. 미요시, B. 폴척, K.W. 스트리트, J.S. 자빈스키, J.H. 샌더스, A.A. 보에보딘, R.L.C. 우, 착용 225-229 (1999) 65.

3 R. 길모어, R. 하우어트, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31

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원단의 형태와 기능은 원단의 품질과 내구성에 의해 결정됩니다. 원단을 매일 사용하면 쌓임, 보풀, 변색 등 원단에 마모가 발생할 수 있습니다. 의류에 사용되는 원단의 품질이 좋지 않으면 소비자 불만과 브랜드 손상으로 이어질 수 있습니다.

직물의 기계적 특성을 정량화하려는 시도는 많은 어려움을 초래할 수 있습니다. 원사 구조와 심지어 원사를 생산한 공장에 따라 테스트 결과의 재현성이 떨어질 수 있습니다. 따라서 여러 실험실의 테스트 결과를 비교하기가 어렵습니다. 원단의 마모 성능을 측정하는 것은 섬유 생산 체인의 제조업체, 유통업체 및 소매업체에게 매우 중요합니다. 잘 제어되고 재현 가능한 내마모성 측정은 직물의 신뢰할 수 있는 품질 관리를 보장하는 데 매우 중요합니다.

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선형 왕복 마모 테스트와 회전(Pin on Disk) 마모 테스트는 재료의 슬라이딩 마모 거동을 측정하기 위해 널리 사용되는 두 가지 ASTM 준수 설정입니다. 마모 테스트 방법의 마모율 값은 재료 조합의 상대적 순위를 예측하는 데 자주 사용되므로 다양한 테스트 설정을 사용하여 측정된 마모율의 반복성을 확인하는 것이 매우 중요합니다. 이를 통해 사용자는 문헌에 보고된 마모율 값을 신중하게 고려할 수 있으며, 이는 재료의 마찰 특성을 이해하는 데 중요합니다.

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브레이크 패드 성능 평가의 중요성

브레이크 패드는 여러 가지 재료로 구성된 복합 재료로, 수많은 안전 요건을 충족할 수 있어야 합니다. 이상적인 브레이크 패드는 마찰 계수(COF)가 높고, 마모율이 낮으며, 소음이 적고, 다양한 환경에서도 안정성을 유지해야 합니다. 브레이크 패드의 품질이 이러한 요건을 충족할 수 있는지 확인하기 위해 마찰 테스트를 통해 중요한 사양을 파악할 수 있습니다.


브레이크 패드의 신뢰성은 매우 중요하며, 승객의 안전도 결코 소홀히 해서는 안 됩니다. 따라서 작동 조건을 재현하고 가능한 고장 지점을 식별하는 것이 중요합니다.
나노베아와 함께 트라이보미터, 핀, 볼 또는 플랫과 끊임없이 움직이는 카운터 재료 사이에 일정한 하중이 가해집니다. 두 재료 사이의 마찰은 견고한 로드 셀로 수집되어 다양한 하중과 속도에서 재료 특성을 수집하고 고온, 부식성 또는 액체 환경에서 테스트됩니다.

측정 목표

이 연구에서는 상온에서 700°C까지 지속적으로 온도가 상승하는 환경에서 브레이크 패드의 마찰 계수를 연구했습니다. 브레이크 패드의 눈에 띄는 고장이 관찰될 때까지 현장에서 환경 온도를 올렸습니다. 슬라이딩 인터페이스 근처의 온도를 측정하기 위해 핀의 뒷면에 열전대를 부착했습니다.

테스트 절차 및 방법

결과 및 토론

이 연구는 주로 브레이크 패드가 고장 나기 시작하는 온도에 초점을 맞추고 있습니다. 핀 재질이 브레이크 로터와 동일하지 않기 때문에 획득한 COF는 실제 값을 나타내지 않습니다. 또한 수집된 온도 데이터는 슬라이딩 인터페이스 온도가 아닌 핀의 온도라는 점에 유의해야 합니다.

 

테스트 시작 시(실온) SS440C 핀과 브레이크 패드 사이의 COF는 약 0.2의 일관된 값을 보였습니다. 온도가 상승함에 따라 COF는 꾸준히 증가하여 350°C 근처에서 0.26으로 정점을 찍었습니다. 390°C를 넘어서면 COF가 빠르게 감소하기 시작합니다. 450°C에서 다시 0.2로 증가하기 시작했지만 얼마 지나지 않아 0.05로 감소하기 시작했습니다.


브레이크 패드가 지속적으로 고장 나는 온도는 500°C 이상의 온도에서 확인되었습니다. 이 온도가 지나면 더 이상 시작 COF인 0.2를 유지할 수 없었습니다.

결론

브레이크 패드는 500°C가 넘는 온도에서 지속적으로 고장을 일으켰습니다. 0.2의 COF는 0.26까지 서서히 상승하다가 테스트가 끝날 때(580°C) 0.05로 떨어집니다. 0.05와 0.2의 차이는 4배입니다. 즉, 580°C에서 동일한 제동력을 얻으려면 상온에서보다 4배 더 큰 힘이 필요하다는 뜻입니다!


이 연구에는 포함되지 않았지만, 나노베아 트라이보미터는 브레이크 패드의 또 다른 중요한 특성인 마모율을 관찰하기 위한 테스트도 수행할 수 있습니다. 키사이트의 3D 비접촉식 프로파일로미터를 활용하면 마모 트랙의 부피를 측정하여 샘플이 얼마나 빨리 마모되는지 계산할 수 있습니다. 마모 테스트는 다양한 테스트 조건과 환경에서 나노베아 트라이보미터로 수행하여 작동 조건을 가장 잘 시뮬레이션할 수 있습니다.

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