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산업용 코팅 스크래치 및 마모 평가

산업용 코팅

트라이보미터를 사용한 스크래치 및 마모 평가

작성자

DUANJIE LI, 박사 및 안드레아 헤르만(ANDREA HERRMANN)

소개

아크릴 우레탄 페인트는 바닥 페인트, 자동차 페인트 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 속건성 보호 코팅의 일종입니다. 바닥 페인트로 사용하면 보도, 연석 및 주차장과 같이 발과 고무 바퀴가 많이 다니는 구역에 사용할 수 있습니다.

품질 관리를 위한 스크래치 및 마모 테스트의 중요성

전통적으로 테이버 마모 테스트는 ASTM D4060 표준에 따라 아크릴 우레탄 바닥 페인트의 내마모성을 평가하기 위해 수행되었습니다. 그러나 표준에 언급된 바와 같이 "일부 재료의 경우, 테이버 연마기를 사용한 마모 테스트는 테스트 중 휠의 연마 특성 변화로 인해 편차가 발생할 수 있습니다."1 이로 인해 테스트 결과의 재현성이 떨어지고 다른 실험실에서 보고된 값을 비교하기 어려울 수 있습니다. 또한 테이퍼 마모 테스트에서 내마모성은 지정된 마모 사이클 횟수에서 무게의 손실로 계산됩니다. 그러나 아크릴 우레탄 바닥 페인트의 권장 건조막 두께는 37.5-50 μm2입니다.

테이버 연마기의 공격적인 마모 공정은 아크릴 우레탄 코팅을 빠르게 마모시키고 기판에 질량 손실을 일으켜 페인트 중량 손실 계산에 상당한 오류를 초래할 수 있습니다. 마모 테스트 중 페인트에 연마 입자를 주입하는 것도 오류의 원인이 됩니다. 따라서 페인트의 재현 가능한 마모 평가를 보장하려면 잘 제어되고 정량화 가능하며 신뢰할 수 있는 측정이 중요합니다. 또한 스크래치 테스트 를 사용하면 실제 응용 분야에서 조기에 접착/응집력 실패를 감지할 수 있습니다.

측정 목표

본 연구에서는 NANOVEA를 소개합니다. 트라이보미터 그리고 기계 테스터 산업용 코팅의 평가 및 품질 관리에 이상적입니다.

다양한 탑코트가 있는 아크릴 우레탄 바닥 페인트의 마모 과정은 나노베아 트라이보미터를 사용하여 제어 및 모니터링 방식으로 시뮬레이션됩니다. 마이크로 스크래치 테스트는 페인트의 응집력 또는 접착력 실패를 유발하는 데 필요한 하중을 측정하는 데 사용됩니다.

나노베아 T100

소형 공압 트라이보미터

나노베아 PB1000

대형 플랫폼 기계 테스터

테스트 절차

이 연구에서는 내구성을 향상시키기 위해 첨가제 배합에 약간의 변화를 주면서 동일한 프라이머(베이스 코트)와 동일한 포뮬러의 다른 탑코트를 가진 시판되는 4가지 수성 아크릴 바닥 코팅제를 평가합니다. 이 네 가지 코팅은 샘플 A, B, C 및 D로 식별됩니다.

착용 테스트

NANOVEA 마찰계는 마찰계수, COF, 내마모성과 같은 마찰학적 거동을 평가하기 위해 적용되었습니다. SS440 볼 팁(직경 6mm, 등급 100)을 테스트된 페인트에 적용했습니다. COF는 현장에서 기록되었습니다. 마모율 K는 공식 K=V/(F×s)=A/(F×n)을 사용하여 평가되었으며, 여기서 V는 마모량, F는 일반 하중, s는 슬라이딩 거리, A는 마모 트랙의 단면적, n은 회전수입니다. 표면 거칠기와 마모 트랙 프로파일은 NANOVEA에 의해 평가되었습니다. 광학 프로파일로미터, 마모 트랙 형태는 광학 현미경을 사용하여 검사되었습니다.

마모 테스트 매개변수

일반 힘

20 N

속도

15m/분

테스트 기간

100, 150, 300 및 800 사이클

스크래치 테스트

마이크로 스크래치 테스터 모드를 사용하여 페인트 샘플에 대한 점진적 하중 스크래치 테스트를 수행하기 위해 로크웰 C 다이아몬드 스타일러스(반경 200μm)가 장착된 나노베아 기계식 테스터를 사용했습니다. 두 가지 최종 하중이 사용되었습니다: 프라이머로부터 페인트 박리를 조사하기 위한 최종 하중 5N과 금속 기판으로부터 프라이머 박리를 조사하기 위한 최종 하중 35N이 사용되었습니다. 결과의 재현성을 보장하기 위해 각 샘플에 대해 동일한 테스트 조건에서 세 번의 테스트를 반복했습니다.

전체 스크래치 길이의 파노라마 이미지가 자동으로 생성되고 시스템 소프트웨어에 의해 임계 고장 위치가 적용된 하중과 상호 연관되었습니다. 이 소프트웨어 기능을 통해 사용자는 스크래치 테스트 직후 현미경으로 임계 하중을 결정할 필요 없이 언제든지 스크래치 트랙에 대한 분석을 수행할 수 있습니다.

스크래치 테스트 매개변수

로드 유형프로그레시브
초기 로드0.01mN
최종 로드5 N / 35 N
로딩 속도10 / 70 N/min
스크래치 길이3mm
스크래칭 속도, dx/dt6.0mm/분
들여쓰기 기하학120º 콘
들여쓰기 재료(팁)다이아몬드
들여쓰기 팁 반경200 μm

마모 테스트 결과

마모 변화를 모니터링하기 위해 각 샘플에 대해 다양한 회전 수(100, 150, 300, 800 사이클)로 4번의 핀 온 디스크 마모 테스트를 수행했습니다. 마모 테스트를 수행하기 전에 표면 거칠기를 정량화하기 위해 나노베아 3D 비접촉 프로파일러로 샘플의 표면 형태를 측정했습니다. 모든 샘플의 표면 거칠기는 그림 1에 표시된 것처럼 약 1μm로 비슷했습니다. 그림 2와 같이 마모 테스트가 진행되는 동안 COF는 현장에서 기록되었습니다. 그림 4는 100, 150, 300, 800 사이클 후 마모 트랙의 변화를 보여주며, 그림 3은 마모 과정의 여러 단계에서 다양한 샘플의 평균 마모율을 요약한 것입니다.

 

다른 세 샘플의 COF 값이 ~0.07인 것과 비교하면, 샘플 A는 처음에 ~0.15로 훨씬 높은 COF를 보이다가 점차 증가하여 300회 마모 사이클 후 ~0.3에서 안정화됩니다. 이러한 높은 COF는 마모 과정을 가속화하고 그림 4에 표시된 바와 같이 상당한 양의 페인트 잔해를 생성합니다(샘플 A의 탑코트는 처음 100회 회전에서 제거되기 시작함). 그림 3에서 볼 수 있듯이, 샘플 A는 처음 300회 동안 ~5μm2/N의 가장 높은 마모율을 나타내며, 금속 기판의 내마모성이 향상되어 ~3.5μm2/N으로 약간 감소합니다. 샘플 C의 탑코트는 그림 4에 표시된 것처럼 150회 마모 사이클 후에 실패하기 시작하며, 이는 그림 2에서 COF의 증가로도 알 수 있습니다.

 

이에 비해 샘플 B와 샘플 D는 향상된 마찰 특성을 보여줍니다. 샘플 B는 전체 테스트 기간 동안 낮은 COF를 유지하며, COF가 ~0.05에서 ~0.1로 약간 증가합니다. 이러한 윤활 효과는 내마모성을 크게 향상시켜 800회 마모 사이클 후에도 탑코트가 여전히 밑에 있는 프라이머에 우수한 보호 기능을 제공합니다. 800 사이클에서 샘플 B의 평균 마모율은 ~0.77 μm2/N에 불과한 최저치를 기록했습니다. 샘플 D의 탑코트는 375 사이클 후에 박리되기 시작하는데, 이는 그림 2의 갑작스러운 COF 증가에 반영되어 있습니다. 샘플 D의 평균 마모율은 800 사이클에서 ~1.1 μm2/N입니다.

 

기존의 테이버 마모 측정과 비교하여 나노베아 트라이보미터는 상업용 바닥/자동차 페인트의 재현 가능한 평가 및 품질 관리를 보장하는 잘 제어되고 정량화되고 신뢰할 수 있는 마모 평가를 제공합니다. 또한, 현장 COF 측정 기능을 통해 사용자는 마모 공정의 여러 단계를 COF의 변화와 연관시킬 수 있으며, 이는 다양한 페인트 코팅의 마모 메커니즘 및 마찰 특성에 대한 근본적인 이해를 향상시키는 데 매우 중요합니다.

그림 1: 페인트 샘플의 3D 형태 및 거칠기.

그림 2: 핀 온 디스크 테스트 중 COF.

그림 3: 다양한 페인트의 마모율의 진화.

그림 4: 핀 온 디스크 테스트 중 마모 트랙의 진화.

마모 테스트 결과

그림 5는 샘플 A의 스크래치 길이에 따른 정상 힘, 마찰력 및 실제 깊이의 플롯을 예로 들어 보여줍니다. 옵션으로 제공되는 음향 방출 모듈을 설치하면 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 정상 하중이 선형적으로 증가함에 따라 압흔 팁은 실제 깊이의 점진적인 증가에 반영되어 테스트 샘플에 점차적으로 가라 앉습니다. 마찰력 및 실제 깊이 곡선의 기울기 변화는 코팅 실패가 발생하기 시작한다는 의미 중 하나로 사용할 수 있습니다.

그림 5: 스크래치 길이의 함수로서의 정상 힘, 마찰력 및 실제 깊이 최대 하중이 5N인 샘플 A의 스크래치 테스트.

그림 6과 그림 7은 각각 최대 하중 5N과 35N으로 테스트한 네 가지 페인트 샘플 모두의 전체 스크래치를 보여줍니다. 샘플 D는 프라이머를 박리하기 위해 50N의 더 높은 하중이 필요했습니다. 5N 최종 하중에서의 스크래치 테스트(그림 6)는 상단 페인트의 응집력/접착력 실패를 평가하고, 35N에서의 테스트(그림 7)는 프라이머의 박리를 평가합니다. 현미경 사진의 화살표는 상단 코팅 또는 프라이머가 프라이머 또는 기판에서 완전히 제거되기 시작하는 지점을 나타냅니다. 이 시점의 하중을 임계 하중(Lc)이라고 하며, 표 1에 요약된 대로 페인트의 응집력 또는 접착 특성을 비교하는 데 사용됩니다.

 

페인트 박리 시 4.04N, 프라이머 박리 시 36.61N의 가장 높은 Lc 값을 나타내는 페인트 샘플 D가 계면 접착력이 가장 우수하다는 것이 분명합니다. 샘플 B는 두 번째로 우수한 스크래치 저항성을 보여줍니다. 스크래치 분석 결과, 페인트 포뮬러의 최적화가 아크릴 바닥 페인트의 기계적 거동, 더 구체적으로는 스크래치 저항성과 접착 특성에 매우 중요하다는 것을 알 수 있습니다.

표 1: 임계 부하 요약.

그림 6: 최대 하중 5N의 전체 스크래치 현미경 사진.

그림 7: 최대 하중 35N의 전체 스크래치 현미경 사진.

결론

기존의 테이버 마모 측정과 비교했을 때, 나노베아 메카니컬 테스터와 트라이보미터는 상업용 바닥 및 자동차 코팅의 평가 및 품질 관리를 위한 탁월한 도구입니다. 스크래치 모드의 나노베아 메카니컬 테스터는 코팅 시스템의 접착/응집력 문제를 감지할 수 있습니다. 나노베아 트라이보미터는 페인트의 내마모성 및 마찰 계수에 대해 잘 제어되고 정량화 및 반복 가능한 마찰학적 분석을 제공합니다.

 

이 연구에서 테스트한 수성 아크릴 바닥 코팅에 대한 종합적인 마찰 및 기계적 분석에 따르면, 샘플 B가 가장 낮은 COF 및 마모율과 두 번째로 우수한 스크래치 저항성을 보였으며, 샘플 D는 가장 우수한 스크래치 저항성과 두 번째로 우수한 내마모성을 나타냈습니다. 이 평가를 통해 다양한 적용 환경의 요구 사항에 맞는 최적의 후보를 평가하고 선택할 수 있습니다.

 

나노베아 기계식 시험기의 나노 및 마이크로 모듈은 모두 ISO 및 ASTM을 준수하는 압흔, 스크래치 및 마모 시험기 모드를 포함하고 있어 단일 모듈에서 페인트 평가에 사용할 수 있는 가장 광범위한 테스트를 제공합니다. 나노베아 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. 나노베아의 탁월한 제품군은 경도, 영 계수, 파괴 인성, 접착력, 내마모성 등 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 모든 기계적/ 마찰학적 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다. 옵션으로 제공되는 나노베아 비접촉식 광학 프로파일러는 거칠기와 같은 기타 표면 측정 외에도 스크래치 및 마모 트랙의 고해상도 3D 이미징을 위해 사용할 수 있습니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

기계식 테스터를 사용한 스크래치 경도 측정

스크래치 경도 측정

기계식 테스터 사용

작성자

DUANJIE LI, PhD

소개

일반적으로 경도 테스트는 영구적 또는 소성 변형에 대한 재료의 저항력을 측정합니다. 경도 측정에는 스크래치 경도, 압입 경도, 반발 경도의 세 가지 유형이 있습니다. 스크래치 경도 테스트는 날카로운 물체와의 마찰로 인한 스크래치 및 마모에 대한 재료의 저항성을 측정합니다1. 1820년 독일의 광물학자 프리드리히 모스가 처음 개발했으며, 광물의 물리적 특성을 평가하는 데 여전히 널리 사용되고 있습니다2. 이 테스트 방법은 금속, 세라믹, 폴리머 및 코팅된 표면에도 적용할 수 있습니다.

스크래치 경도를 측정하는 동안 지정된 형상의 다이아몬드 스타일러스가 일정한 속도로 일정한 정상 힘을 가하여 선형 경로를 따라 재료 표면에 스크래치를 냅니다. 스크래치의 평균 너비가 측정되어 스크래치 경도 수치(HSP)를 계산하는 데 사용됩니다. 이 기술은 다양한 재료의 경도를 측정할 수 있는 간단한 솔루션을 제공합니다.

측정 목표

이 연구에서는 ASTM G171-03에 따라 다양한 금속의 스크래치 경도를 측정하기 위해 나노베아 PB1000 기계식 시험기를 사용했습니다.

동시에, 이 연구는 NANOVEA의 역량을 보여줍니다. 기계 테스터 높은 정밀도와 재현성으로 스크래치 경도 측정을 수행합니다.

나노베아

PB1000

테스트 조건

나노베아 PB1000 기계식 시험기는 세 가지 연마 금속(Cu110, Al6061, SS304)에 대한 스크래치 경도 테스트를 수행했습니다. 정점 각도 120°, 팁 반경 200 µm의 원추형 다이아몬드 스타일러스를 사용했습니다. 각 샘플은 결과의 재현성을 보장하기 위해 동일한 테스트 매개변수로 세 번 스크래치했습니다. 테스트 매개변수는 아래에 요약되어 있습니다. 10mN의 낮은 정상 하중에서 프로파일 스캔을 전후에 수행했습니다. 스크래치 테스트 를 눌러 스크래치 표면 프로파일의 변화를 측정합니다.

테스트 매개변수

일반 힘

10 N

온도

24°C(RT)

슬라이딩 속도

20mm/min

슬라이딩 거리

10 mm

대기권

Air

결과 및 토론

서로 다른 재료의 스크래치 경도를 비교하기 위해 테스트 후 세 가지 금속(Cu110, Al6061, SS304)의 스크래치 트랙 이미지가 그림 1에 나와 있습니다. 나노베아 기계 소프트웨어의 매핑 기능을 사용하여 자동화된 프로토콜에서 동일한 조건으로 테스트한 세 개의 평행 스크래치를 생성했습니다. 측정된 스크래치 트랙 폭과 계산된 스크래치 경도 수치(HSP)는 표 1에 요약 및 비교되어 있습니다. 금속의 마모 트랙 폭은 각각 174, 220 및 89 µm로 Al6061, Cu110 및 SS304에 대해 서로 다르며, 그 결과 계산된 HSP는 0.84, 0.52 및 3.2 GPa로 나타났습니다.

스크래치 트랙 폭에서 계산된 스크래치 경도 외에도 스크래치 경도 테스트 중에 마찰 계수(COF), 실제 깊이 및 음향 방출의 변화가 현장에서 기록되었습니다. 여기서 실제 깊이는 스크래치 테스트 중 스타일러스의 침투 깊이와 사전 스캔에서 측정된 표면 프로파일 사이의 깊이 차이입니다. Cu110의 COF, 실제 깊이 및 음향 방출은 그림 2에 예시로 나와 있습니다. 이러한 정보는 스크래치 중에 발생하는 기계적 결함에 대한 통찰력을 제공하여 사용자가 기계적 결함을 감지하고 테스트된 재료의 스크래치 거동을 추가로 조사할 수 있도록 합니다.

스크래치 경도 테스트는 높은 정밀도와 반복성으로 몇 분 안에 완료할 수 있습니다. 이 연구의 스크래치 경도 테스트는 기존의 압입 공정과 비교하여 경도 측정을 위한 대체 솔루션을 제공하여 품질 관리 및 신소재 개발에 유용합니다.

Al6061

Cu110

SS304

그림 1: 테스트 후 스크래치 트랙의 현미경 이미지(100배 확대).

 스크래치 트랙 너비(μm)HSp (GPa)
Al6061174±110.84
Cu110220±10.52
SS30489±53.20

표 1: 스크래치 트랙 너비 및 스크래치 경도 수 요약.

그림 2: Cu110에 대한 스크래치 경도 테스트 중 마찰 계수, 실제 깊이 및 음향 방출의 변화.

결론

이 연구에서는 ASTM G171-03에 따라 스크래치 경도 테스트를 수행하는 나노베아 기계식 테스터의 성능을 보여주었습니다. 코팅 접착력 및 스크래치 저항성 외에도 일정한 하중에서의 스크래치 테스트는 재료의 경도를 비교할 수 있는 간단한 대체 솔루션을 제공합니다. 기존의 스크래치 경도 시험기와 달리, 나노베아 기계식 시험기는 마찰 계수, 음향 방출 및 실제 현장 깊이의 변화를 모니터링하기 위한 옵션 모듈을 제공합니다.

나노베아 기계식 테스터의 나노 및 마이크로 모듈에는 ISO 및 ASTM을 준수하는 압입, 스크래치 및 마모 테스터 모드가 포함되어 있어 단일 시스템에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 범위를 제공합니다. NANOVEA의 탁월한 범위는 경도, 영 계수, 파괴 인성, 접착력, 내마모성 등 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 모든 기계적 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.