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월간 아카이브: 6월 2023

PTFE 코팅 마모 테스트

PTFE 코팅 마모 테스트

트라이보미터 및 기계적 테스터 사용

작성자

DUANJIE LI, PhD

소개

일반적으로 Teflon으로 알려진 PTFE(Polytetrafluoroethylene)는 적용된 하중에 따라 마찰 계수(COF)가 매우 낮고 내마모성이 뛰어난 폴리머입니다. PTFE는 뛰어난 화학적 불활성, 327°C(620°F)의 높은 융점을 나타내며 낮은 온도에서 높은 강도, 인성 및 자기 윤활성을 유지합니다. PTFE 코팅의 뛰어난 내마모성은 자동차, 항공 우주, 의료 및 특히 조리기구와 같은 광범위한 산업 응용 분야에서 매우 인기가 있습니다.

PTFE 코팅의 정량적 평가의 중요성

매우 낮은 마찰 계수(COF), 우수한 내마모성 및 고온에서의 뛰어난 화학적 불활성의 조합으로 인해 PTFE는 들러붙지 않는 팬 코팅에 이상적인 선택입니다. R&D 동안 기계 공정을 더욱 강화하고 품질 관리 공정에서 오작동 방지 및 안전 조치에 대한 최적의 제어를 보장하려면 PTFE 코팅의 마찰 기계적 공정을 양적으로 평가하기 위한 신뢰할 수 있는 기술을 보유하는 것이 중요합니다. 코팅의 표면 마찰, 마모 및 접착력을 정밀하게 제어하는 것은 의도한 성능을 보장하는 데 필수적입니다.

측정 목표

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

나노베아 T50

소형 프리웨이트 트리보미터

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

나노베아 PB1000

대형 플랫폼 기계 시험기

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테스트 절차

착용 테스트

트라이보미터를 사용한 선형 왕복 마모

마찰 계수(COF) 및 내마모성을 포함한 PTFE 코팅 샘플의 마찰학적 거동은 NANOVEA를 사용하여 평가되었습니다. 트라이보미터 선형 왕복 모드에서. 직경 3mm(등급 100)의 스테인레스 스틸 440 볼 팁을 코팅에 사용했습니다. COF는 PTFE 코팅 마모 테스트 중에 지속적으로 모니터링되었습니다.

 

마모율 K는 K=V/(F×s)=A/(F×n) 공식을 사용하여 계산되었으며, 여기서 V는 마모량을 나타내고, F는 일반 하중, s는 슬라이딩 거리, A는 마모 트랙의 단면적, n은 스트로크 수입니다. 마모 트랙 프로파일은 NANOVEA를 사용하여 평가되었습니다. 광학 프로파일로미터, 마모 트랙 형태는 광학 현미경을 사용하여 검사되었습니다.

마모 테스트 매개변수

로드 30 N
테스트 기간 5 분
슬라이딩 속도 80rpm
트랙의 진폭 8mm
혁명 300
볼 지름 3mm
볼 소재 스테인레스 스틸 440
윤활유 없음
대기권 Air
온도 230C (RT)
습도 43%

테스트 절차

스크래치 테스트

MECHANICAL TESTER를 이용한 미세스크래치 접착력 시험

PTFE 스크래치 접착력 측정은 NANOVEA를 사용하여 수행되었습니다. 기계 테스터 마이크로 스크래치 테스터 모드에서 1200 Rockwell C 다이아몬드 스타일러스(반경 200μm)를 사용합니다.

 

결과의 재현성을 보장하기 위해 동일한 테스트 조건에서 세 가지 테스트를 수행했습니다.

스크래치 테스트 매개변수

로드 유형 프로그레시브
초기 로드 0.01mN
최종 로드 20mN
로딩 속도 40mN/분
스크래치 길이 3mm
스크래칭 속도, dx/dt 6.0mm/분
들여쓰기 기하학 120o 로크웰 C
들여쓰기 재료(팁) 다이아몬드
들여쓰기 팁 반경 200 μm

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.

결론

이 연구에서는 선형 왕복 모드에서 NANOVEA T50 트리보미터를 사용하여 붙지 않는 팬용 PTFE 코팅의 마모 프로세스 시뮬레이션을 수행했습니다. PTFE 코팅은 ~0.18의 낮은 COF를 나타냈고 코팅은 약 130회전에서 돌파구를 경험했습니다. 금속 기판에 대한 PTFE 코팅 접착력의 정량적 평가는 NANOVEA Mechanical Tester를 사용하여 수행되었으며 이 테스트에서 코팅 접착 실패의 임계 하중은 ~8.5N으로 결정되었습니다.

 

NANOVEA 트리보미터는 ISO 및 ASTM 준수 회전 및 선형 모드를 사용하여 정확하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트 기능을 제공합니다. 단일 시스템에 모두 통합된 고온 마모, 윤활 및 마찰 부식을 위한 옵션 모듈을 제공합니다. 이러한 다재다능함을 통해 사용자는 실제 응용 환경을 보다 정확하게 시뮬레이션하고 다양한 재료의 마모 메커니즘 및 마찰 특성을 이해할 수 있습니다.

 

NANOVEA 기계적 테스터는 나노, 마이크로 및 매크로 모듈을 제공하며 각 모듈에는 ISO 및 ASTM 준수 인덴테이션, 스크래치 및 마모 테스트 모드가 포함되어 있어 단일 시스템에서 사용할 수 있는 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 기능을 제공합니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

라이브 채팅

트라이보미터를 사용한 바닥재의 점진적 마모 매핑

바닥재의 점진적 마모 매핑

프로파일로미터가 통합된 트라이보미터 사용

작성자

프랭크 리우

소개

바닥재는 내구성이 뛰어나도록 설계되었지만 이동, 가구 사용 등 일상 활동으로 인해 마모되거나 찢어지는 경우가 많습니다. 수명을 보장하기 위해 대부분의 바닥재에는 손상을 방지하는 보호 마모층이 있습니다. 그러나 바닥재 종류와 보행량에 따라 마모층의 두께와 내구성이 달라집니다. 또한 UV 코팅, 장식 층, 유약 등 바닥 구조 내의 다양한 층은 마모율이 다릅니다. 이것이 바로 점진적인 마모 매핑이 필요한 곳입니다. 통합된 NANOVEA T2000 마찰계를 사용하여 3D 비접촉 프로파일로미터, 바닥재의 성능과 수명에 대한 정밀한 모니터링과 분석이 가능합니다. 다양한 바닥재의 마모 거동에 대한 자세한 통찰력을 제공함으로써 과학자와 기술 전문가는 새로운 바닥재 시스템을 선택하고 설계할 때 더 많은 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 있습니다.

바닥 패널에 대한 프로그레시브 마모 매핑의 중요성

바닥재 테스트는 전통적으로 마모에 대한 내구성을 결정하기 위해 샘플의 마모율에 중점을 두었습니다. 그러나 프로그레시브 마모 매핑을 사용하면 테스트 전반에 걸쳐 샘플의 마모율을 분석하여 마모 거동에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이러한 심층 분석을 통해 마찰 데이터와 마모율 간의 상관관계를 파악하여 마모의 근본 원인을 파악할 수 있습니다. 마모율은 마모 테스트 전반에 걸쳐 일정하지 않다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 마모 진행을 관찰하면 샘플의 마모를 보다 정확하게 평가할 수 있습니다. 기존의 테스트 방법을 뛰어넘는 프로그레시브 마모 매핑의 도입은 바닥재 테스트 분야에서 상당한 발전에 기여했습니다.

3D 비접촉 프로파일로미터가 통합된 NANOVEA T2000 마찰계는 마모 테스트 및 체적 손실 측정을 위한 획기적인 솔루션입니다. 핀과 프로파일로미터 사이를 정밀하게 이동할 수 있는 능력은 마모 트랙 반경이나 위치의 편차를 제거하여 결과의 신뢰성을 보장합니다. 하지만 그게 전부는 아닙니다. 3D 비접촉 프로파일로미터의 고급 기능을 사용하면 고속 표면 측정이 가능해 스캔 시간이 단 몇 초로 단축됩니다. 최대 2,000N의 하중을 적용하고 최대 5,000rpm의 회전 속도를 달성할 수 있는 NANOVEA T2000 트라이보미터 평가 과정에서 다양성과 정확성을 제공합니다. 이 장비가 점진적인 마모 매핑에서 중요한 역할을 한다는 것은 분명합니다.

 

그림 1: 마모 테스트 전 샘플 셋업 (왼쪽) 및 마모 테스트 후 마모 트랙의 프로파일 측정(오른쪽).

측정 목표

프로그레시브 마모 매핑 테스트는 석재와 목재 두 가지 유형의 바닥재에 대해 수행되었습니다. 각 샘플은 2, 4, 8, 20, 40, 60, 120초로 테스트 시간을 늘려가며 총 7번의 테스트 주기를 거쳤으며, 시간 경과에 따른 마모를 비교할 수 있도록 했습니다. 각 테스트 사이클이 끝난 후 나노베아 3D 비접촉 프로파일로미터를 사용하여 마모 트랙을 프로파일링했습니다. 프로파일러가 수집한 데이터에서 구멍의 부피와 마모율은 나노베아 트라이보미터 소프트웨어 또는 표면 분석 소프트웨어인 마운틴의 통합 기능을 사용하여 분석할 수 있습니다.

나노베아

T2000

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트라이보미터
마모 매핑 테스트 샘플 목재 및 석재

 샘플 

마모 매핑 테스트 매개변수

로드40 N
테스트 기간다양
속도200 rpm
RADIUS10 mm
거리다양
볼 소재텅스텐 카바이드
볼 지름10 mm

7주기 동안 사용된 테스트 기간은 다음과 같습니다. 2, 4, 8, 20, 40, 60, 120초로 각각 이동했습니다. 이동 거리는 다음과 같습니다. 0.40, 0.81, 1.66, 4.16, 8.36, 12.55, 25.11미터.

마모 매핑 결과

목재 바닥재

테스트 주기최대 COF최소 COFAvg. COF
10.3350.1240.275
20.3370.2070.295
30.3800.2290.329
40.3930.2650.354
50.3520.2050.314
60.3450.1990.312
70.3150.2110.293

 

방사형 방향

테스트 주기총 부피 손실(µm3총 거리
이동 거리(m)		마모율
(mm/Nm) x10-5		순간 마모율
(mm/Nm) x10-5
12962476870.401833.7461833.746
23552452271.221093.260181.5637
35963713262.88898.242363.1791
48837477677.04530.629172.5496
5120717995115.40360.88996.69074
6147274531827.95293.32952.89311
7185131921053.06184.34337.69599
목재 프로그레시브 마모율 대 총 거리

그림 2: 마모율 대비 총 이동 거리(왼쪽)
목재 바닥재의 순간 마모율과 테스트 주기(오른쪽)를 비교한 결과입니다.

목재 바닥의 점진적 마모 매핑

그림 3: 목재 바닥에서 테스트한 #7의 마모 트랙의 COF 그래프 및 3D 보기.

웨어 매핑 추출 프로파일

그림 4: 테스트 #7의 목재 마모 트랙 단면 분석

프로그레시브 마모 매핑 볼륨 및 면적 분석

그림 5: 목재 샘플 테스트 #7에서 마모 트랙의 부피 및 면적 분석.

전체 결과 세부 정보를 보려면 여기를 클릭하세요.

마모 매핑 결과

석재 바닥재

테스트 주기최대 COF최소 COFAvg. COF
10.2490.0350.186
20.3490.1970.275
30.2940.1540.221
40.5030.1240.273
50.5480.1060.390
60.5100.1290.434
70.5270.1810.472

 

방사형 방향

테스트 주기총 부피 손실(µm3총 거리
이동 거리(m)		마모율
(mm/Nm) x10-5		순간 마모율
(mm/Nm) x10-5
1962788460.40595.957595.9573
28042897311.222475.1852178.889
313161478552.881982.355770.9501
431365302157.041883.2691093.013
51082173218015.403235.1802297.508
62017496034327.954018.2821862.899
74251206342053.064233.0812224.187
석재 바닥재 마모율 대 거리
석재 바닥재 순간 마모율 차트

그림 6: 마모율 대비 총 이동 거리(왼쪽)
석재 바닥재의 순간 마모율과 테스트 주기(오른쪽)를 비교합니다.

마모 트랙의 석재 바닥 3D 프로파일

그림 7: 석재 바닥에서 테스트한 #7의 마모 트랙의 COF 그래프 및 3D 보기.

석재 바닥 프로그레시브 마모 매핑 추출 프로파일
석재 바닥재 추출 프로파일 구멍과 피크의 최대 깊이 및 높이 면적

그림 8: 테스트 #7의 스톤 마모 트랙 단면 분석.

목재 바닥 프로그레시브 마모 매핑 볼륨 분석

그림 9: 석재 샘플 테스트 #7에서 마모 트랙의 부피 및 면적 분석.


전체 결과 세부 정보를 보려면 여기를 클릭하세요.

토론

순간 마모율은 다음 공식을 사용하여 계산합니다:
바닥재 공식의 점진적 마모 매핑

여기서 V는 구멍의 부피, N은 하중, X는 총 거리이며, 이 방정식은 테스트 주기 사이의 마모율을 설명합니다. 순간 마모율은 테스트 전반에 걸친 마모율의 변화를 더 잘 파악하는 데 사용할 수 있습니다.

두 샘플의 마모 거동은 매우 다릅니다. 시간이 지남에 따라 목재 바닥재는 높은 마모율로 시작하지만 빠르게 더 작고 일정한 값으로 떨어집니다. 석재 바닥재의 경우 마모율은 낮은 값에서 시작하여 주기에 따라 더 높은 값으로 증가하는 경향을 보입니다. 순간 마모율도 일관성이 거의 없습니다. 이 차이의 구체적인 이유는 확실하지 않지만 샘플의 구조 때문일 수 있습니다. 석재 바닥재는 나뭇결 같은 입자로 이루어져 있어 목재의 촘촘한 구조와 다르게 마모되는 것으로 보입니다. 이러한 마모 현상의 원인을 확인하려면 추가적인 테스트와 연구가 필요합니다.

마찰 계수(COF)의 데이터는 관찰된 마모 거동과 일치하는 것으로 보입니다. 목재 바닥재의 COF 그래프는 사이클 전체에 걸쳐 일관되게 나타나며 꾸준한 마모율을 보완합니다. 석재 바닥재의 경우 사이클에 따라 마모율도 증가하는 것과 유사하게 사이클 전반에 걸쳐 평균 COF가 증가합니다. 마찰 그래프의 모양에도 뚜렷한 변화가 있어 공이 석재 샘플과 상호 작용하는 방식에 변화가 있음을 알 수 있습니다. 이는 사이클 2와 사이클 4에서 가장 두드러집니다.

결론

나노베아 T2000 트라이보미터는 두 개의 서로 다른 바닥재 샘플 사이의 마모율을 분석하여 점진적 마모 매핑을 수행할 수 있는 기능을 선보입니다. 연속 마모 테스트를 일시 중지하고 나노베아 3D 비접촉 프로파일로미터로 표면을 스캔하면 시간에 따른 재료의 마모 거동에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

3D 비접촉식 프로파일로미터가 통합된 나노베아 T2000 트라이보미터는 COF(마찰 계수) 데이터, 표면 측정, 깊이 판독, 표면 시각화, 체적 손실, 마모율 등을 포함한 다양한 데이터를 제공합니다. 이 포괄적인 정보 세트를 통해 사용자는 시스템과 시료 간의 상호 작용에 대해 더 깊이 이해할 수 있습니다. 제어된 하중, 고정밀, 사용 편의성, 높은 하중, 넓은 속도 범위 및 추가 환경 모듈을 갖춘 NANOVEA T2000 트라이보미터는 마찰학을 한 차원 더 높은 수준으로 끌어올립니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

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