USA/GLOBALNE: +1-949-461-9292
EUROPA: +39-011-3052-794
KONTAKT

Ocena zarysowania i zużycia powłok przemysłowych

POWŁOKA PRZEMYSŁOWA

OCENA ZARYSOWANIA I ZUŻYCIA PRZY UŻYCIU TRYBOMETRU

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

WPROWADZENIE

Farba akrylowa uretanowa jest rodzajem szybkoschnącej powłoki ochronnej szeroko stosowanej w różnych zastosowaniach przemysłowych, takich jak farba podłogowa, farba samochodowa i inne. Stosowana jako farba podłogowa może służyć w miejscach o dużym natężeniu ruchu pieszych i gumowych kółek, takich jak chodniki, krawężniki i parkingi.

ZNACZENIE BADANIA ZARYSOWANIA I ZUŻYCIA DLA KONTROLI JAKOŚCI

Tradycyjnie, zgodnie z normą ASTM D4060, do oceny odporności na ścieranie akrylowo-uretanowych farb podłogowych przeprowadzane są próby ścierania Tabera. Jednakże, jak wspomniano w normie, "W przypadku niektórych materiałów, próby ścierania z użyciem ściernicy Tabera mogą podlegać zmianom wynikającym ze zmian właściwości ściernych ściernicy podczas badania "1 . Ponadto, w testach ścieralności Tabera, odporność na ścieranie jest obliczana jako utrata wagi przy określonej liczbie cykli ścierania. Jednak akrylowe uretanowe farby podłogowe mają zalecaną grubość suchej powłoki 37,5-50 μm2.

Agresywny proces ścierania przez Taber Abraser może szybko zużyć powłokę akrylowo-uretanową i spowodować utratę masy do podłoża, co prowadzi do znacznych błędów w obliczeniach utraty masy farby. Implant cząstek ściernych w farbie podczas testu ścierania również przyczynia się do błędów. Dlatego dobrze kontrolowany, wymierny i wiarygodny pomiar ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia powtarzalnej oceny zużycia farby. Ponadto test zdrapki umożliwia użytkownikom wykrywanie przedwczesnych uszkodzeń kleju/kleju w rzeczywistych zastosowaniach.

CEL POMIARU

W tym badaniu pokazujemy, że NANOVEA Tribometry oraz Testery mechaniczne są idealne do oceny i kontroli jakości powłok przemysłowych.

Proces zużycia akrylowych uretanowych farb podłogowych z różnymi warstwami wierzchnimi jest symulowany w sposób kontrolowany i monitorowany przy użyciu Tribometru NANOVEA. Testy mikro zarysowań są stosowane do pomiaru obciążenia wymaganego do spowodowania uszkodzenia spoistości lub przyczepności farby.

NANOVEA T100

Kompaktowy Tribometr Pneumatyczny

NANOVEA PB1000

Tester mechaniczny z dużą platformą

PROCEDURA TESTOWA

W niniejszym badaniu oceniono cztery dostępne na rynku akrylowe powłoki podłogowe na bazie wody, które mają ten sam podkład (basecoat) i różne powłoki wierzchnie o tej samej formule z niewielką zmianą w mieszankach dodatków w celu zwiększenia trwałości. Te cztery powłoki są oznaczone jako Próbki A, B, C i D.

TEST ZUŻYCIA

Trybometr NANOVEA został zastosowany do oceny zachowania tribologicznego, np. współczynnika tarcia, COF i odporności na zużycie. Na badane farby nałożono końcówkę kulistą SS440 (średnica 6 mm, klasa 100). COF rejestrowano na miejscu. Szybkość zużycia K obliczono za pomocą wzoru K=V/(F×s)=A/(F×n), gdzie V to objętość zużycia, F to normalne obciążenie, s to droga poślizgu, A to pole przekroju poprzecznego toru zużycia, n jest liczbą obrotów. W badaniu NANOVEA oceniono chropowatość powierzchni i profile śladów zużycia Profilometr optyczny, a morfologię śladów zużycia zbadano za pomocą mikroskopu optycznego.

PARAMETRY BADANIA ZUŻYCIA

NORMALNA SIŁA

20 N

PRĘDKOŚĆ

15 m/min

CZAS TRWANIA BADANIA

100, 150, 300 i 800 cykli

TEST NA ZADRAŻNIENIA

Za pomocą testera mechanicznego NANOVEA wyposażonego w trzpień diamentowy Rockwell C (promień 200 μm) przeprowadzono testy zarysowania próbek farby przy obciążeniu progresywnym z wykorzystaniem trybu Micro Scratch Tester. Zastosowano dwa obciążenia końcowe: 5 N obciążenie końcowe do badania delaminacji farby od podkładu oraz 35 N do badania delaminacji podkładu od podłoży metalowych. W celu zapewnienia powtarzalności wyników, na każdej próbce powtórzono trzy próby w tych samych warunkach badawczych.

Panoramiczne obrazy całych długości zarysowań były generowane automatycznie, a ich krytyczne miejsca uszkodzenia były skorelowane z zastosowanymi obciążeniami przez oprogramowanie systemu. Ta funkcja oprogramowania ułatwia użytkownikom przeprowadzenie analizy na śladach zarysowań w dowolnym momencie, zamiast konieczności określania obciążenia krytycznego pod mikroskopem bezpośrednio po przeprowadzeniu testów zarysowania.

PARAMETRY BADANIA ZARYSOWANIA

TYP OBCIĄŻENIAPostępowe
OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE0,01 mN
OBCIĄŻENIE KOŃCOWE5 N / 35 N
PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU10 / 70 N/min
DŁUGOŚĆ SKRATKI3 mm
PRĘDKOŚĆ SKRATOWANIA, dx/dt6,0 mm/min
GEOMETRIA WGŁĘBNIKAStożek 120º
MATERIAŁ DO INDENTERÓW (końcówka)Diament
PROMIEŃ KOŃCÓWKI WGŁĘBNIKA200 μm

WYNIKI BADAŃ ZUŻYCIA

Na każdej próbce przeprowadzono cztery testy zużycia pin-on-disk przy różnej liczbie obrotów (100, 150, 300 i 800 cykli) w celu monitorowania ewolucji zużycia. Morfologia powierzchni próbek została zmierzona za pomocą urządzenia NANOVEA 3D Non-Contact Profiler w celu określenia chropowatości powierzchni przed przeprowadzeniem testów zużycia. Wszystkie próbki miały porównywalną chropowatość powierzchni około 1 μm, jak pokazano na RYS. 1. COF był rejestrowany in situ podczas testów zużycia, jak pokazano na RYSUNKU 2. RYSUNEK 4 przedstawia ewolucję śladów zużycia po 100, 150, 300 i 800 cyklach, a RYSUNEK 3 podsumował średnią szybkość zużycia różnych próbek na różnych etapach procesu zużycia.

 

W porównaniu z wartością COF wynoszącą ~0,07 dla pozostałych trzech próbek, próbka A wykazuje znacznie wyższy współczynnik COF wynoszący ~0,15 na początku, który stopniowo wzrasta i staje się stabilny na poziomie ~0,3 po 300 cyklach zużycia. Tak wysoki COF przyspiesza proces zużycia i powoduje powstanie znacznej ilości odłamków lakieru, jak pokazano na RYS. 4 - warstwa wierzchnia próbki A zaczęła być usuwana w ciągu pierwszych 100 obrotów. Jak pokazano na RYSUNKU 3, próbka A wykazuje najwyższy wskaźnik zużycia ~5 μm2/N w pierwszych 300 cyklach, który nieznacznie spada do ~3,5 μm2/N ze względu na lepszą odporność na zużycie metalowego podłoża. Warstwa wierzchnia próbki C zaczyna się psuć po 150 cyklach zużycia, jak pokazano na RYSUNKU 4, na co wskazuje również wzrost COF na RYSUNKU 2.

 

Dla porównania, próbka B i próbka D wykazują ulepszone właściwości tribologiczne. Próbka B utrzymuje niski współczynnik COF przez cały czas trwania testu - współczynnik COF nieznacznie wzrasta z ~0,05 do ~0,1. Taki efekt smarowania znacznie zwiększa jej odporność na zużycie - po 800 cyklach zużycia warstwa wierzchnia nadal zapewnia doskonałą ochronę podkładu znajdującego się pod nią. Najniższy średni współczynnik zużycia wynoszący tylko ~0,77 μm2/N został zmierzony dla próbki B po 800 cyklach. Warstwa wierzchnia próbki D zaczyna się rozwarstwiać po 375 cyklach, co odzwierciedla gwałtowny wzrost COF na RYS. 2. Średnia szybkość zużycia próbki D wynosi ~1,1 μm2/N przy 800 cyklach.

 

W porównaniu do konwencjonalnych pomiarów ścieralności Tabera, Tribometr NANOVEA zapewnia dobrze kontrolowane, kwantyfikowalne i wiarygodne oceny zużycia, które zapewniają powtarzalną ocenę i kontrolę jakości komercyjnych farb podłogowych/automatycznych. Co więcej, zdolność do pomiarów in situ COF pozwala użytkownikom skorelować różne etapy procesu zużycia z ewolucją COF, co jest krytyczne dla poprawy fundamentalnego zrozumienia mechanizmu zużycia i charakterystyki trybologicznej różnych powłok lakierniczych.

RYSUNEK 1: Morfologia 3D i chropowatość próbek farby.

RYSUNEK 2: COF podczas testów pin-on-disk.

RYSUNEK 3: Ewolucja szybkości zużycia różnych farb.

RYSUNEK 4: Ewolucja śladów zużycia podczas testów pin-on-disk.

WYNIKI TESTU ZARYSOWANIA

RYSUNEK 5 przedstawia wykres siły normalnej, siły tarcia i głębokości rzeczywistej w funkcji długości zarysowania dla próbki A jako przykładu. Opcjonalny moduł emisji akustycznej może być zainstalowany, aby zapewnić więcej informacji. W miarę liniowego wzrostu obciążenia normalnego, końcówka wgłębnika stopniowo zagłębia się w badaną próbkę, co odzwierciedla stopniowy wzrost głębokości rzeczywistej. Zmiana nachylenia krzywych siły tarcia i głębokości rzeczywistej może być wykorzystana jako jedna z przesłanek świadczących o tym, że zaczynają się pojawiać uszkodzenia powłoki.

RYSUNEK 5: Siła normalna, siła tarcia i głębokość rzeczywista jako funkcja długości zarysowania dla próby zarysowania próbki A przy maksymalnym obciążeniu 5 N.

RYSUNEK 6 i RYSUNEK 7 pokazują pełne zarysowania wszystkich czterech badanych próbek farby przy maksymalnym obciążeniu odpowiednio 5 N i 35 N. Próbka D wymagała większego obciążenia 50 N do rozwarstwienia podkładu. Testy zarysowania przy obciążeniu końcowym 5 N (RYSUNEK 6) oceniają uszkodzenie kohezyjne/adhezyjne farby nawierzchniowej, natomiast testy przy obciążeniu 35 N (RYSUNEK 7) oceniają delaminację podkładu. Strzałki na mikrografach wskazują punkt, w którym powłoka wierzchnia lub podkład zaczynają się całkowicie odrywać od podkładu lub podłoża. Obciążenie w tym punkcie, tzw. obciążenie krytyczne, Lc, służy do porównania właściwości kohezyjnych lub adhezyjnych farby, co zestawiono w tabeli 1.

 

Widać, że próbka farby D ma najlepszą przyczepność międzyfazową - wykazując najwyższe wartości Lc 4,04 N przy rozwarstwieniu farby i 36,61 N przy rozwarstwieniu podkładu. Próbka B wykazuje drugą najlepszą odporność na zarysowania. Z analizy zarysowań wynika, że optymalizacja formuły farby jest krytyczna dla zachowania mechanicznego, a dokładniej odporności na zarysowania i właściwości adhezyjnych akrylowych farb podłogowych.

Tabela 1: Podsumowanie obciążeń krytycznych.

RYSUNEK 6: Mikrografy pełnej rysy przy maksymalnym obciążeniu 5 N.

RYSUNEK 7: Mikrografy pełnej rysy przy maksymalnym obciążeniu 35 N.

PODSUMOWANIE

W porównaniu z konwencjonalnymi pomiarami ścieralności Tabera, Tester Mechaniczny NANOVEA oraz Tribometr są doskonałymi narzędziami do oceny i kontroli jakości komercyjnych powłok podłogowych i samochodowych. Tester mechaniczny NANOVEA w trybie zarysowania może wykryć problemy z przyczepnością/spójnością w systemie powłokowym. Tribometr NANOVEA zapewnia dobrze kontrolowaną, kwantyfikowalną i powtarzalną analizę tribologiczną odporności na ścieranie i współczynnika tarcia farb.

 

Na podstawie kompleksowej analizy tribologicznej i mechanicznej wodorozcieńczalnych akrylowych powłok podłogowych testowanych w tym badaniu, wykazaliśmy, że próbka B posiada najniższy współczynnik COF i wskaźnik zużycia oraz drugą najlepszą odporność na zarysowania, podczas gdy próbka D wykazuje najlepszą odporność na zarysowania i drugą najlepszą odporność na zużycie. Ocena ta pozwala nam ocenić i wybrać najlepszego kandydata, który będzie odpowiadał potrzebom w różnych środowiskach zastosowania.

 

Moduły Nano i Micro testera mechanicznego NANOVEA zawierają tryby testowania wgniecenia, zarysowania i zużycia zgodne z normami ISO i ASTM, zapewniając najszerszy zakres badań dostępnych do oceny farby w jednym module. Tribometr NANOVEA oferuje precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia z wykorzystaniem trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokiej temperaturze, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Niezrównana oferta NANOVEA jest idealnym rozwiązaniem do wyznaczania pełnego zakresu właściwości mechanicznych/tribologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na zużycie i wielu innych. Opcjonalnie dostępne są bezkontaktowe profilery optyczne NANOVEA do obrazowania w wysokiej rozdzielczości 3D rys i śladów zużycia, jako uzupełnienie innych pomiarów powierzchni, takich jak chropowatość.

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

Pomiar twardości zarysowania przy użyciu testera mechanicznego

POMIAR TWARDOŚCI ZARYSOWANIA

PRZY UŻYCIU TESTERA MECHANICZNEGO

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD

WPROWADZENIE

Ogólnie rzecz biorąc, testy twardości mierzą odporność materiałów na odkształcenia trwałe lub plastyczne. Istnieją trzy rodzaje pomiarów twardości: twardość zarysowania, twardość wgłębna i twardość odbicia. Test twardości zarysowania mierzy odporność materiału na zarysowanie i ścieranie w wyniku tarcia o ostry przedmiot1. Została ona opracowana przez niemieckiego mineraloga Friedricha Mohsa w 1820 roku i nadal jest powszechnie stosowana do oceny właściwości fizycznych minerałów2. Ta metoda badawcza ma również zastosowanie do metali, ceramiki, polimerów i powierzchni powlekanych.

Podczas pomiaru twardości zarysowania, trzpień diamentowy o określonej geometrii zarysowuje powierzchnię materiału wzdłuż liniowej ścieżki pod wpływem stałej siły normalnej ze stałą prędkością. Średnia szerokość rysy jest mierzona i używana do obliczenia liczby twardości zarysowania (HSP). Technika ta zapewnia proste rozwiązanie do skalowania twardości różnych materiałów.

CEL POMIARU

W badaniach zastosowano tester mechaniczny NANOVEA PB1000 do pomiaru twardości zarysowania różnych metali zgodnie z normą ASTM G171-03.

Jednocześnie badanie to prezentuje możliwości NANOVEA Tester mechaniczny w wykonywaniu pomiarów twardości zarysowania z dużą precyzją i powtarzalnością.

NANOVEA

PB1000

WARUNKI BADANIA

Tester mechaniczny NANOVEA PB1000 przeprowadził testy twardości zarysowania na trzech polerowanych metalach (Cu110, Al6061 i SS304). Zastosowano stożkowy trzpień diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu końcówki 200 µm. Każda próbka została zarysowana trzykrotnie z tymi samymi parametrami testowymi, aby zapewnić powtarzalność wyników. Parametry testu podsumowano poniżej. Skanowanie profilu przy niskim obciążeniu normalnym wynoszącym 10 mN przeprowadzono przed i po zadrapaniu. test zdrapki do pomiaru zmiany profilu powierzchni rysy.

PARAMETRY BADANIA

NORMALNA SIŁA

10 N

TEMPERATURA

24°C (RT)

PRĘDKOŚĆ PRZESUWANIA

20 mm/min

ODLEGŁOŚĆ PRZESUWU

10 mm

ATMOSFERY

Air

WYNIKI I DYSKUSJA

Obrazy śladów zarysowań trzech metali (Cu110, Al6061 i SS304) po przeprowadzonych badaniach przedstawiono na RYSUNKU 1 w celu porównania twardości zarysowań różnych materiałów. Funkcja mapowania oprogramowania NANOVEA Mechanical została wykorzystana do stworzenia trzech równoległych zarysowań testowanych w tych samych warunkach w zautomatyzowanym protokole. Zmierzona szerokość śladu zarysowania i obliczona liczba twardości zarysowania (HSP) zostały podsumowane i porównane w TABELI 1. Metale wykazują różne szerokości śladów zużycia, wynoszące 174, 220 i 89 µm odpowiednio dla Al6061, Cu110 i SS304, co skutkuje obliczoną liczbą HSP wynoszącą 0,84, 0,52 i 3,2 GPa.

Oprócz twardości zarysowania obliczonej na podstawie szerokości śladu zarysowania, podczas badania twardości zarysowania rejestrowano in situ ewolucję współczynnika tarcia (COF), głębokości rzeczywistej i emisji akustycznej. Głębokość rzeczywista to różnica pomiędzy głębokością penetracji trzpienia podczas testu zarysowania a profilem powierzchni zmierzonym podczas skanowania wstępnego. Przykładowe wartości COF, prawdziwej głębokości i emisji akustycznej dla Cu110 przedstawiono na RYSUNKU 2. Takie informacje zapewniają wgląd w uszkodzenia mechaniczne zachodzące podczas zarysowania, umożliwiając użytkownikom wykrywanie wad mechanicznych i dalsze badanie zachowania zarysowania badanego materiału.

Testy twardości zarysowania mogą być zakończone w ciągu kilku minut z wysoką precyzją i powtarzalnością. W porównaniu do konwencjonalnych procedur wgłębnych, test twardości zarysowania w tym badaniu zapewnia alternatywne rozwiązanie dla pomiarów twardości, co jest przydatne w kontroli jakości i rozwoju nowych materiałów.

Al6061

Cu110

SS304

RYSUNEK 1: Obraz mikroskopowy śladów zarysowania po badaniu (powiększenie 100x).

 Szerokość śladu zarysowania (μm)HSp (GPa)
Al6061174±110.84
Cu110220±10.52
SS30489±53.20

TABELA 1: Zestawienie szerokości śladu zarysowania i numeru twardości zarysowania.

RYSUNEK 2: Ewolucja współczynnika tarcia, głębokości rzeczywistej i emisji akustycznej podczas badania twardości zarysowania na Cu110.

PODSUMOWANIE

W niniejszej pracy zaprezentowano możliwości urządzenia NANOVEA Mechanical Tester w zakresie prowadzenia badań twardości zarysowania zgodnie z wymaganiami normy ASTM G171-03. Poza badaniem przyczepności powłoki i odporności na zarysowanie, próba zarysowania przy stałym obciążeniu stanowi alternatywne, proste rozwiązanie umożliwiające porównanie twardości materiałów. W przeciwieństwie do konwencjonalnych urządzeń do badania twardości zarysowania, Mechaniczne Testery NANOVEA oferują opcjonalne moduły do monitorowania ewolucji współczynnika tarcia, emisji akustycznej oraz głębokości rzeczywistej w warunkach in situ.

Moduły Nano i Micro Testera Mechanicznego NANOVEA zawierają tryby pracy zgodne z normami ISO i ASTM - wgłębnik, zarysowanie i ścieranie, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres badań dostępny w jednym systemie. Niezrównany zakres badań NANOVEA stanowi idealne rozwiązanie do wyznaczania pełnego zakresu właściwości mechanicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na ścieranie i wielu innych.

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI