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Archivos mensuales: diciembre 2020

Medición in situ del desgaste a alta temperatura

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU A ALTA TEMPERATURA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU Tribómetro aeroespacial

Preparado por

Doctor Duanjie Li

INTRODUCCIÓN

El transformador diferencial variable lineal (LVDT) es un tipo de transformador eléctrico robusto utilizado para medir el desplazamiento lineal. Se ha utilizado ampliamente en diversas aplicaciones industriales, como turbinas eléctricas, hidráulica, automatización, aeronaves, satélites, reactores nucleares y muchas otras.

En este estudio, presentamos los complementos de LVDT y módulos de alta temperatura del NANOVEA Tribómetro que permiten medir el cambio de la profundidad de la huella de desgaste de la muestra ensayada durante el proceso de desgaste a temperaturas elevadas. Esto permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas del proceso de desgaste con la evolución del COF, lo que resulta crítico para mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de los materiales para aplicaciones a altas temperaturas.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio queremos mostrar la capacidad del Tribómetro NANOVEA T50 para monitorizar in situ la evolución del proceso de desgaste de materiales a elevadas temperaturas.

El proceso de desgaste de la cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas se simula de forma controlada y monitorizada.

NANOVEA

T50

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de las placas cerámicas de silicato de alúmina se evaluaron con el tribómetro NANOVEA. La placa cerámica de silicato de alúmina se calentó en un horno desde la temperatura ambiente, RT, hasta temperaturas elevadas (400°C y 800°C), seguido de las pruebas de desgaste a dichas temperaturas. 

Para comparar, las pruebas de desgaste se realizaron cuando la muestra se enfrió de 800°C a 400°C y después a temperatura ambiente. Se aplicó una punta de bola de AI2O3 (6 mm de diámetro, grado 100) contra las muestras ensayadas. Se controlaron in situ el COF, la profundidad de desgaste y la temperatura.

PARÁMETROS DE PRUEBA

de la medición pin-on-disk

Tribómetro LVDT Muestra

La tasa de desgaste, K, se evaluó mediante la fórmula K=V/(Fxs)=A/(Fxn), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la pista de desgaste y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de la huella de desgaste se evaluaron con el perfilador óptico NANOVEA, y la morfología de la huella de desgaste se examinó con un microscopio óptico.

RESULTADOS Y DEBATE

El COF y la profundidad de la huella de desgaste registrados in situ se muestran en la FIGURA 1 y la FIGURA 2, respectivamente. En la FIGURA 1, "-I" indica la prueba realizada cuando se aumentó la temperatura de RT a una temperatura elevada. "-D" representa la temperatura disminuida desde una temperatura elevada de 800°C.

Como se muestra en la FIGURA 1, las muestras ensayadas a diferentes temperaturas presentan un COF comparable de ~0,6 a lo largo de todas las mediciones. Un COF tan elevado conduce a un proceso de desgaste acelerado que genera una cantidad considerable de residuos. La profundidad de la huella de desgaste se monitorizó durante las pruebas de desgaste mediante LVDT, como se muestra en la FIGURA 2. Las pruebas realizadas a temperatura ambiente antes del calentamiento de la muestra y después del enfriamiento de la muestra muestran que la placa cerámica de silicato de alúmina exhibe un proceso de desgaste progresivo a RT, la profundidad de la huella de desgaste aumenta gradualmente a lo largo de la prueba de desgaste hasta ~170 y ~150 μm, respectivamente. 

En comparación, las pruebas de desgaste a temperaturas elevadas (400°C y 800°C) muestran un comportamiento de desgaste diferente: la profundidad de la huella de desgaste aumenta rápidamente al principio del proceso de desgaste y se ralentiza a medida que continúa la prueba. Las profundidades de la huella de desgaste para las pruebas realizadas a temperaturas 400°C-I, 800°C y 400°C-D son ~140, ~350 y ~210 μm, respectivamente.

COF durante las pruebas pin-on-desk a diferentes temperaturas

FIGURA 1. Coeficiente de fricción durante los ensayos pin-disk a diferentes temperaturas

Profundidad de la huella de desgaste de la placa cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas

FIGURA 2. Evolución de la profundidad de la huella de desgaste de la placa cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas

La velocidad media de desgaste y la profundidad de la huella de desgaste de las placas cerámicas de silicato de alúmina a diferentes temperaturas se midieron utilizando NANOVEA Optical Profiler como se resume en FIGURA 3. La profundidad de la huella de desgaste coincide con la registrada mediante LVDT. La placa cerámica de silicato de alúmina muestra una tasa de desgaste sustancialmente mayor de ~0,5 mm3/Nm a 800°C, en comparación con las tasas de desgaste inferiores a 0,2 mm3/N a temperaturas inferiores a 400°C. La placa cerámica de silicato de alúmina no presenta propiedades mecánicas/tribológicas significativamente mejoradas tras el breve proceso de calentamiento, poseyendo una tasa de desgaste comparable antes y después del tratamiento térmico.

La cerámica de silicato de alúmina, también conocida como lava y piedra milagrosa, es blanda y mecanizable antes del tratamiento térmico. Un largo proceso de cocción a temperaturas elevadas de hasta 1093°C puede aumentar sustancialmente su dureza y resistencia, tras lo cual es necesario el mecanizado con diamante. Esta característica única hace de la cerámica de silicato de alúmina un material ideal para la escultura.

En este estudio, demostramos que el tratamiento térmico a una temperatura inferior a la requerida para la cocción (800°C frente a 1093°C) en un corto periodo de tiempo no mejora las características mecánicas y tribológicas de la cerámica de silicato de alúmina, lo que hace que la cocción adecuada sea un proceso esencial para este material antes de su uso en las aplicaciones reales.

 
Velocidad de desgaste y profundidad de la huella de desgaste de la muestra a diferentes temperaturas 1

FIGURA 3. Índice de desgaste y profundidad de la huella de desgaste de la muestra a diferentes temperaturas

CONCLUSIÓN

Basándonos en el exhaustivo análisis tribológico realizado en este estudio, demostramos que la placa cerámica de silicato de alúmina presenta un coeficiente de fricción comparable a diferentes temperaturas, desde temperatura ambiente hasta 800°C. Sin embargo, muestra una tasa de desgaste sustancialmente mayor de ~0,5 mm3/Nm a 800°C, lo que demuestra la importancia de un tratamiento térmico adecuado de esta cerámica.

Los Tribómetros NANOVEA son capaces de evaluar las propiedades tribológicas de materiales para aplicaciones a altas temperaturas de hasta 1000°C. La función de las mediciones in situ del COF y de la profundidad de la huella de desgaste permite a los usuarios correlacionar diferentes etapas del proceso de desgaste con la evolución del COF, lo que resulta crítico para mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de los materiales utilizados a temperaturas elevadas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen ensayos de desgaste y fricción precisos y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.

Hay disponibles perfiladores 3D sin contacto opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de las huellas de desgaste, además de otras mediciones de superficies como la rugosidad.

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU

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Análisis de la superficie de escamas de peces mediante un perfilador óptico 3D

Análisis de la superficie de escamas de peces mediante un perfilador óptico 3D

Más información

ANÁLISIS DE LA SUPERFICIE DE LAS ESCAMAS DE PESCADO

utilizando el PERFILADOR ÓPTICO 3D

Perfilómetro de escamas de pescado

Preparado por

Andrea Novitsky

INTRODUCCIÓN

La morfología, los patrones y otras características de una escama de pez se estudian utilizando el NANOVEA Perfilador óptico 3D sin contacto. La naturaleza delicada de esta muestra biológica, junto con sus surcos muy pequeños y de gran ángulo, también pone de relieve la importancia de la técnica sin contacto del perfilador. Los surcos de la escama se denominan circuli, y pueden estudiarse para estimar la edad del pez, e incluso distinguir periodos de diferentes ritmos de crecimiento, similares a los anillos de un árbol. Se trata de una información muy importante para la gestión de las poblaciones de peces salvajes, con el fin de evitar la sobrepesca.

Importancia de la perfilometría 3D sin contacto PARA ESTUDIOS BIOLÓGICOS

A diferencia de otras técnicas como las sondas táctiles o la interferometría, el perfilómetro óptico 3D sin contacto, que utiliza el cromatismo axial, puede medir casi cualquier superficie. El tamaño de las muestras puede variar ampliamente gracias a la puesta en escena abierta y no es necesaria la preparación de la muestra. Durante la medición de un perfil de superficie se obtienen características de rango nanométrico a macrométrico sin influencia alguna de la reflectividad o absorción de la muestra. El instrumento ofrece una capacidad avanzada para medir ángulos de superficie elevados sin manipulación de los resultados mediante software. Se puede medir fácilmente cualquier material, ya sea transparente, opaco, especular, difusivo, pulido o rugoso. La técnica proporciona una capacidad ideal, amplia y fácil de usar para maximizar los estudios de superficie junto con las ventajas de las capacidades combinadas 2D y 3D.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, mostramos NANOVEA ST400, un perfilador 3D sin contacto con un sensor de alta velocidad, que proporciona un análisis exhaustivo de la superficie de una escama.

El instrumento se ha utilizado para escanear toda la muestra, junto con un escaneado de mayor resolución de la zona central. También se ha medido la rugosidad de la superficie exterior e interior de la escama a efectos comparativos.

NANOVEA

ST400

Caracterización 3D y 2D de la superficie de la escala exterior

La vista en 3D y la vista en falso color de la escama exterior muestran una estructura compleja similar a una huella dactilar o a los anillos de un árbol. Esto proporciona a los usuarios una herramienta sencilla para observar directamente la caracterización de la superficie de la báscula desde diferentes ángulos. Se muestran otras mediciones de la escama exterior junto con la comparación del lado exterior e interior de la escama.

Perfilómetro de visión 3D Fish Scale Scan
Perfilómetro 3D de volumen de escaneado de escamas de pez
Perfilador óptico 3D de altura escalonada para escaneo de peces

COMPARACIÓN DE LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL

Perfilómetro de escamas de pescado Escaneado 3D

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos mostrado cómo el perfilador óptico sin contacto NANOVEA 3D puede caracterizar una escama de pescado de diversas maneras. 

Las superficies exterior e interior de la escama pueden distinguirse fácilmente sólo por la rugosidad superficial, con valores de rugosidad de 15,92μm y 1,56μm respectivamente. Además, se puede obtener información precisa y exacta sobre una escama de pescado analizando las estrías, o circuli, de la superficie externa de la escama. Se midió la distancia de las bandas de circuli desde el foco central, y también se comprobó que la altura de los circuli era de aproximadamente 58μm de media. 

Los datos mostrados aquí representan sólo una parte de los cálculos disponibles en el software de análisis.

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