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AR Archivos mensuales: febrero 2020
Efecto de la humedad en la tribología del revestimiento de DLC
Importancia de la evaluación del desgaste del DLC en condiciones de humedad
Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) poseen propiedades tribológicas mejoradas, concretamente una excelente resistencia al desgaste y un coeficiente de fricción (COF) muy bajo. Los recubrimientos de DLC imprimen características de diamante cuando se depositan sobre distintos materiales. Las propiedades tribo-mecánicas favorables hacen que los recubrimientos de DLC sean preferibles en diversas aplicaciones industriales, como piezas aeroespaciales, hojas de afeitar, herramientas de corte de metal, cojinetes, motores de motocicletas e implantes médicos.
Los revestimientos de DLC presentan un COF muy bajo (inferior a 0,1) frente a bolas de acero en condiciones de alto vacío y en seco.12. Sin embargo, los recubrimientos de DLC son sensibles a los cambios de las condiciones ambientales, en particular a la humedad relativa (HR)3. Los entornos con alta humedad y concentración de oxígeno pueden provocar un aumento significativo del COF4. La evaluación fiable del desgaste en condiciones de humedad controlada simula las condiciones ambientales realistas de los revestimientos de DLC para aplicaciones tribológicas. Los usuarios seleccionan los mejores revestimientos de DLC para las aplicaciones deseadas mediante una comparación adecuada.
de los comportamientos de desgaste del DLC expuesto a diferentes humedades.
Objetivo de medición
Este estudio muestra la tecnología Nanovea Tribómetro equipado con un controlador de humedad es la herramienta ideal para investigar el comportamiento de desgaste de los recubrimientos de DLC a distintas humedades relativas.
Procedimiento de ensayo
La resistencia a la fricción y al desgaste de los recubrimientos de DLC se evaluó con el tribómetro Nanovea. Los parámetros de ensayo se resumen en la Tabla 1. Un controlador de humedad acoplado a la tribocámara controló con precisión la humedad relativa (HR) con una exactitud de ±1%. Las huellas de desgaste en los recubrimientos de DLC y las cicatrices de desgaste en las bolas de SiN se examinaron con un microscopio óptico después de las pruebas.
Nota: Se puede aplicar cualquier material de bola sólida para simular el rendimiento de acoplamiento de diferentes materiales en condiciones ambientales como en lubricante o alta temperatura.
Resultados y debate
Los recubrimientos de DLC son excelentes para aplicaciones tribológicas debido a su baja fricción y a su mayor resistencia al desgaste. La fricción del recubrimiento de DLC presenta un comportamiento dependiente de la humedad, como se muestra en la figura 2. El recubrimiento de DLC muestra un COF muy bajo de ~0,05 durante todo el ensayo de desgaste en condiciones relativamente secas (10% HR). El recubrimiento de DLC muestra un COF constante de ~0,1 durante la prueba a medida que la HR aumenta hasta 30%. La fase inicial de rodaje del COF se observa en las primeras 2000 revoluciones cuando la HR aumenta por encima de 50%. El revestimiento de DLC muestra un COF máximo de ~0,20, ~0,26 y ~0,33 en HR de 50, 70 y 90%, respectivamente. Tras el periodo de rodaje, el COF del revestimiento de DLC se mantiene constante en ~0,11, 0,13 y 0,20 con HR de 50, 70 y 90%, respectivamente.
La figura 3 compara las cicatrices de desgaste de las bolas de SiN y la figura 4 compara las huellas de desgaste del recubrimiento de DLC tras las pruebas de desgaste. El diámetro de la cicatriz de desgaste era menor cuando el recubrimiento de DLC se exponía a un entorno con baja humedad. La capa de DLC transferida se acumula en la superficie de la bola de SiN durante el proceso de deslizamiento repetitivo en la superficie de contacto. En esta fase, el recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. Se observa una película de transferencia en la cicatriz de desgaste de la bola de SiN en entornos de baja HR (por ejemplo, 10% y 30%), lo que da lugar a un proceso de desgaste desacelerado de la bola. Este proceso de desgaste se refleja en la morfología de la pista de desgaste del recubrimiento de DLC, como se muestra en la figura 4. El recubrimiento de DLC muestra una pista de desgaste más pequeña en ambientes secos, debido a la formación de una película de transferencia de DLC estable en la interfaz de contacto que reduce significativamente la fricción y la tasa de desgaste.
Conclusión
La humedad desempeña un papel fundamental en el rendimiento tribológico de los recubrimientos de DLC. El recubrimiento de DLC posee una resistencia al desgaste significativamente mejorada y una baja fricción superior en condiciones secas debido a la formación de una capa grafítica estable transferida a la contraparte deslizante (una bola de SiN en este estudio). El recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. No se observa una película en la bola de SiN con el aumento de la humedad relativa, lo que conduce a un aumento de la tasa de desgaste en la bola de SiN y el recubrimiento de DLC.
El tribómetro Nanovea ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de humedad disponibles en un sistema preintegrado. Permite a los usuarios simular el entorno de trabajo a diferentes humedades, proporcionando a los usuarios una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales en diferentes condiciones de trabajo.
Más información sobre el tribómetro Nanovea y el servicio de laboratorio
1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.
2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.- K. Miyoshi.
3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.
4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31
Análisis tridimensional de la superficie de un centavo con perfilometría sin contacto
Importancia de la perfilometría sin contacto para monedas
La moneda tiene un gran valor en la sociedad moderna, ya que se utiliza para intercambiar bienes y servicios. Las monedas y los billetes circulan por las manos de muchas personas. La transferencia constante de moneda física provoca deformaciones en la superficie. Nanovea 3D Perfilómetro escanea la topografía de monedas acuñadas en diferentes años para investigar las diferencias en la superficie.
Las características de las monedas son fácilmente reconocibles para el público en general, ya que son objetos comunes. Una moneda de un centavo es ideal para presentar la potencia del software de análisis avanzado de superficies de Nanovea: Mountains 3D. Los datos de superficie recopilados con nuestro perfilómetro 3D permiten realizar análisis de alto nivel sobre geometrías complejas con sustracción de superficies y extracción de contornos 2D. La sustracción de superficies con una máscara, un sello o un molde controlados compara la calidad de los procesos de fabricación, mientras que la extracción de contornos identifica las tolerancias con análisis dimensionales. El perfilómetro 3D y el software Mountains 3D de Nanovea investigan la topografía submicrométrica de objetos aparentemente simples, como las monedas de un centavo.
Objetivo de medición
Se escaneó toda la superficie superior de cinco monedas de un centavo utilizando el sensor lineal de alta velocidad de Nanovea. Se midieron los radios interior y exterior de cada moneda utilizando el software de análisis avanzado Mountains. Se cuantificó la deformación de la superficie mediante la extracción de cada superficie de moneda en un área de interés con sustracción directa de la superficie.
Resultados y debate
Superficie 3D
El perfilómetro Nanovea HS2000 tardó solo 24 segundos en escanear 4 millones de puntos en un área de 20 mm x 20 mm con un tamaño de paso de 10 um x 10 um para adquirir la superficie de un centavo. A continuación se muestra un mapa de altura y una visualización en 3D del escaneo. La vista en 3D muestra la capacidad del sensor de alta velocidad para captar pequeños detalles imperceptibles a simple vista. Se pueden ver muchos pequeños arañazos en la superficie de la moneda. Se investigan la textura y la rugosidad de la moneda que se observan en la vista en 3D.
Análisis dimensional
Se extrajeron los contornos de la moneda y, mediante un análisis dimensional, se obtuvieron los diámetros interior y exterior del borde. El radio exterior promedió 9,500 mm ± 0,024, mientras que el radio interior promedió 8,960 mm ± 0,032. Otros análisis dimensionales que Mountains 3D puede realizar con fuentes de datos 2D y 3D son mediciones de distancia, altura de escalón, planitud y cálculos de ángulos.
Resta de superficies
La figura 5 muestra el área de interés para el análisis de sustracción de superficie. Se utilizó la moneda de un centavo de 2007 como superficie de referencia para las cuatro monedas más antiguas. La sustracción de superficie de la moneda de un centavo de 2007 muestra diferencias entre las monedas con agujeros/picos. La diferencia total de volumen de superficie se obtiene sumando los volúmenes de los agujeros/picos. El error RMS se refiere a la precisión con la que coinciden las superficies de las monedas entre sí.
Conclusión
El escáner de alta velocidad HS2000L de Nanovea escaneó cinco monedas de cinco centavos acuñadas en diferentes años. El software Mountains 3D comparó las superficies de cada moneda utilizando la extracción de contornos, el análisis dimensional y la sustracción de superficies. El análisis define claramente el radio interior y exterior entre las monedas de un centavo, al tiempo que compara directamente las diferencias en las características de la superficie. Gracias a la capacidad del perfilómetro 3D de Nanovea para medir cualquier superficie con una resolución a nivel nanométrico, combinada con las capacidades de análisis de Mountains 3D, las posibles aplicaciones en investigación y control de calidad son infinitas.
